JP2005330120A - 蛍石単結晶の熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、残留応力を除去して大口径高均質の蛍石単結晶を得ることである。
【解決手段】 そこで、本発明では、熱処理装置を構成する部材の温度特性や輻射の非線形性に起因する温度誤差を修正し,より高精度の温度制御を行う構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蛍石単結晶の熱処理装置に関するものである。特にエキシマレーザーを用いたリソグラフィー装置の光学系に用いる大口径高均質の蛍石単結晶を得るのに適した熱処理装置に関するものである。

近年、半導体集積回路の高集積化にともない、超微細パタ−ン形成への要求がますます高まっている。微細パタ−ンをウェハ上に転写するリソグラフィー装置としては、縮小投影露光装置が多用されている。高集積化するためには、投影レンズの解像度を上げる必要がある。そして、投影レンズの解像力を上げるには、短波長の露光光を用い、投影レンズの開口数を大きく（大口径化）する必要がある。

露光光の短波長化は、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）と進んできており、今後は、ＫｒＦエキシマレ−ザ−光（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレ−ザ−光（波長１９３ｎｍ）の使用が有望視されている。ｉ線までの波長域では、光学系に従来の光学レンズを使用することが可能であったが、ＫｒＦ、ＡｒＦ各エキシマレ−ザ−光の波長域では、透過率が低く、従来の光学ガラスを使用することは不可能である。このため、エキシマレ−ザ−露光装置の光学系には、短波長光の透過率が高い石英ガラスまたは蛍石を使用するのが一般的になっている。光学系の色収差補正のためには、屈折率の異なる２つ以上の硝材があることが望ましい。

また、ステッパ−投影レンズを構成する各レンズは、極限の面精度で研磨されるが、多結晶になっていると結晶方位によって研磨速度が異なるため、レンズの面精度を確保することが困難になる。更に多結晶の場合には、結晶界面に不純物が偏析し易く、屈折率の均一性を損ねたり、レ−ザ−照射により蛍光を発したりする。このような理由で、エキシマレ−ザ−露光装置の投影レンズでは、大口径高均質の単結晶蛍石が望まれている。

蛍石単結晶は、主にブリッジマン法（坩堝降下法）により製造されている。原料としては、化学合成により作製された高純度原料を使用することが一般的である。蛍石単結晶の製造にあたって、まず、育成装置の内の坩堝に原料を充填し熔融する。次に０．１〜５ｍｍ／ｈ程度の速度で坩堝を引き下げ、坩堝の下部から徐々に結晶化させる。

融液を結晶化させる育成装置内には必然的に温度勾配があり、育成された蛍石単結晶には、この温度勾配に起因する歪が生じる。蛍石内に残留応力が有ると、屈折率の不均一性や複屈折を生じ、投影レンズの結像性能の劣化の原因となる。そこで、エキシマレ−ザ−露光装置の投影レンズなど、高均質が要求される蛍石単結晶の場合には、残留応力を除去するために、さらにアニール（熱処理）装置内にて熱処理が施される。つまり、転移温度以上の高温に長時間保ちその後徐冷することにより残留応力を除去する。

蛍石は７００℃以上で酸素と反応するため、熱処理は酸素を遮断した環境下で行われる。この熱処理工程では、蛍石単結晶は、熱処理温度で反応しないカーボン容器などの容器に置かれ、そのカーボン容器ごと真空排気が可能な気密容器内に収められ、排気後、気密容器の外部に配置した複数個のヒーターによって、適切な温度スケジュールに従って熱処理が行われる。

熱処理工程の、高温保持時及び徐冷時に蛍石単結晶内に温度ムラが有ると、これがまた残留応力をもたらすので、熱処理中の蛍石単結晶内温度分布を均一に保つことが肝要である。定常状態では各ヒーターの温度あるいはパワーのバランスが蛍石単結晶内温度分布に影響する。徐冷時は更に降温速度が蛍石単結晶内温度分布に影響する。温度ムラによって生じる応力が蛍石の臨界分解せん断応力を超えると塑性変形し残留応力をもたらす。降温速度を遅くすれば温度ムラは減少するが、生産性が悪くなる。従って生産性と蛍石の臨界分解せん断応力の温度依存性を考慮して最適な降温スケジュールが設定される。徐冷時の温度ムラは、降温速度と蛍石単結晶の厚さの二乗に比例するため、蛍石単結晶が大口径化し厚さが増大すると降温速度の影響が大きくなる。よって、最適な降温スケジュールに沿った高精度な温度制御が要求される。

図３は斯かる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。図３に於いて、１は気密容器、２はカーボン容器、３は蛍石単結晶、４〜６はヒーター、７〜９は前記ヒーター４〜６の温度をモニターするヒーター温度センサー、１０はメインコントローラー、１４〜１６は温度コントローラーである。

図３の構成に於いて、蛍石単結晶３は気密容器１内のカーボン容器２に置かれ、気密容器１内が排気された後、気密容器１の外部に配置した複数個のヒーター４〜６によって、所定の温度スケジュールに従って熱処理が行われる。先ずメインコントローラー１０から所定の温度スケジュールに基づいて温度指令値１１〜１３が出され、温度コントローラー１４〜１６に与えられる。温度コントローラー１４〜１６はヒーター温度センサー７〜９からの温度情報をモニターし温度指令値１１〜１３と一致するようにヒーター温度を制御する。
特開平９−３１５８９３号公報 特開２０００−１９１３２２号公報

しかしながら、前記従来例では気密容器外部のヒーター温度を制御していたため、気密容器内部にある蛍石単結晶の温度を高精度に制御できず、残留応力を除去して大口径高均質の蛍石単結晶を得ることが困難であるという問題点があった。

本発明の目的は、気密容器内部にある蛍石単結晶の温度を高精度に制御し、残留応力を除去して大口径高均質の蛍石単結晶を得ることができる熱処理装置を提供することにある。

上記の問題点を解決するために、本発明は、蛍石単結晶を入れる第１の容器と、該第１容器を収納する気密容器（第２容器）を有し、該気密容器の外部に配置した複数個のヒーターによって該蛍石単結晶の熱処理を行う熱処理装置において、所定の温度スケジュールに基づいて温度指令値を出すメインコントローラーと、該第１の容器に固定された少なくとも１つの温度センサーと、該温度指令値と該温度センサーからの温度情報に基づき該複数個の各ヒーターへのパワー指令値を出すパワー指令値発生手段と、該パワー指令値に従い該ヒーターのパワーを制御するパワー制御手段を設けた。

以上説明したように、本発明によれば、気密容器内部にある蛍石単結晶の温度を均一性を損なうこと少なく高精度に制御することが可能となり、残留応力を除去して大口径高均質の蛍石単結晶を得ることができる。

本発明によれば、育成された蛍石単結晶は第１の容器に入れられ、気密容器内に収められ、排気後、気密容器の外部に配置した複数個のヒーターによって、所定の温度スケジュールに従って熱処理が行われる。先ずメインコントローラーが該所定の温度スケジュールに基づいて温度指令値を出す。該第１の容器に固定された温度センサーは温度情報をパワー指令値発生手段に返す。該パワー指令値発生手段は該温度指令値と該温度センサーからの温度情報に基づき該複数個の各ヒーターへのパワー指令値をパワー制御手段に出す。該パワー制御手段は該パワー指令値に従い該ヒーターのパワーを制御する。以上の作用により、該第１の容器の温度が該所定の温度スケジュールに従って高精度に制御される。

（第一の実施例）
図１は、本発明の第一の実施例に係わる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。図１に於いて、１は気密容器、２はカーボン容器（第１容器）、３は蛍石単結晶、４〜６はヒーター、２０はカーボン容器に固定された温度センサー、３０はメインコントローラー、３２はＰＩＤ制御装置、３４〜３６は比例係数乗算器、４１〜４３はパワーコントローラーである。

図１の構成に於いて、蛍石単結晶３は気密容器１内のカーボン容器２に置かれ、気密容器１内が排気された後、気密容器１の外部に配置した複数個のヒーター４〜６によって、所定の温度スケジュールに従って熱処理が行われる。先ずメインコントローラー３０が該所定の温度スケジュールに基づいて温度指令値３１をＰＩＤ装置３２に出す。カーボン容器２に固定された温度センサー２０は温度情報をＰＩＤ装置３２に返す。ＰＩＤ装置３２は該温度指令値３１と該温度センサー２０からの温度情報に基づきヒーターに対する総パワー指令値３３を算出する。総パワー指令値３３は比例係数乗算器３４〜３６に与えられ、各ヒーターに対する個別のパワー指令値３７〜３９が算出される。算出された個別のパワー指令値３７〜３９はパワーコントローラー４１〜４３に与えられ、パワーコントローラー４１〜４３はそれぞれヒーター４〜６のパワーを制御する。

以上の作用により、カーボン容器２の温度を該所定の温度スケジュールに従って高精度に制御できる。蛍石単結晶３はカーボン容器２に接触しているので蛍石単結晶３の温度はカーボン容器２の温度に倣い、蛍石単結晶３の温度を該所定の温度スケジュールに従って高精度に制御できる。

比例係数乗算器３４〜３６の比例係数は、カーボン容器１内の蛍石単結晶３の温度が均一になるように、事前に実験あるいはシミュレーションによって決定しておく。比例係数乗算器３４〜３６の比例係数を固定して総パワー指令値３３を変動させことにより、蛍石単結晶３内の温度の均一性を損なうこと少なく温度の絶対値をシフトさせることが可能である。

（第二の実施例）
図２は、本発明の第二の実施例に係わる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。図２に於いて、２１〜２３はカーボン容器２に固定された温度センサー、５１〜５３は比例係数指令値、他の符号は図１と同じである。

図２の構成に於いて、温度センサー２１〜２３からカーボン容器２の温度分布情報がメインコントローラー３０に返される。メインコントローラー３０は該温度分布情報に基づき、総パワー指令値３３と比例係数指令値５１〜５３を算出し、比例係数乗算器３４〜３６に与える。比例係数乗算器３４〜３６により、各ヒーターに対する個別のパワー指令値３７〜３９が算出され、パワーコントローラー４１〜４３に与えられ、パワーコントローラー４１〜４３はそれぞれヒーター４〜６のパワーを制御する。

本実施例においては、熱処理装置を構成する部材の温度特性や輻射の非線形性に起因する温度誤差を修正し、より高精度の温度制御ができる。

本発明の第一の実施例に係わる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。 本発明の第二の実施例に係わる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。 従来例に係わる熱処理装置の断面図とヒーターの制御系を示す図である。

符号の説明

１ 気密容器
２ カーボン容器（第１容器）
３ 蛍石単結晶
４，５，６ ヒーター
７，８，９ ヒーター温度センサー
１０ メインコントローラー
１１，１２，１３ 温度指令値
１４，１５，１６ 温度コントローラー
２０ 温度センサー
２１，２２，２３ 温度センサー
３０ メインコントローラー
３１ 温度指令値
３２ ＰＩＤ制御装置
３３ 総パワー指令値
３４，３５，３６ 比例係数乗算器
３７，３８，３９ 個別パワー指令値
４１，４２，４３ パワーコントローラー
５１，５２，５３ 比例係数指令値

Claims (4)

1. 蛍石単結晶を入れる第１の容器と、該第１容器を収納する気密容器（第２容器）を有し、該気密容器の外部に配置した複数個のヒーターによって該蛍石単結晶の熱処理を行う熱処理装置において、所定の温度スケジュールに基づいて温度指令値を出すメインコントローラーと、該第１の容器に固定された少なくとも１つの温度センサーと、該温度指令値と該温度センサーからの温度情報に基づき該複数個の各ヒーターへのパワー指令値を出すパワー指令値発生手段と、該パワー指令値に従い該ヒーターのパワーを制御するパワー制御手段を有することを特徴とする蛍石単結晶の熱処理装置。
2. 前記パワー指令値発生手段が、総パワー指令値発生手段と各ヒーターへの比例分配手段とから成る請求項１記載の蛍石単結晶の熱処理装置。
3. 前記比例分配手段の比例配分値が、前記温度センサーからの温度情報に応じて可変であることを特徴とする請求項２記載の蛍石単結晶の熱処理装置。
4. 前記総パワー指令値発生手段が、ＰＩＤ制御装置である請求項２および請求項３記載の蛍石単結晶の熱処理装置。

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