JP3698848B2 - 蛍石単結晶の熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛍石単結晶の熱処理装置および熱処理方法に関するものである。本発明の熱処理方法により処理された蛍石単結晶は、エキシマレーザーステッパーの光学系を構成する、高精度な結像性能が必要なレンズやプリズム等に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、エキシマレーザーステッパーの光学系として使用可能な、蛍石単結晶の熱処理に関するものである。
近年、ウエハ上に集積回路パターンを描画するリソグラフィー技術が急速に発展している。集積回路の高集積化の要求は高まるばかりであり、その実現のためにはステッパー投影レンズの解像力を上げてやる必要がある。投影レンズの解像力は、使用する光の波長と、投影レンズのＮＡ（開口数）とに支配され、解像力を上げるためには、使用する光の波長をより短くし、投影レンズのＮＡをより大きく（大口径化）してやれば良い。
【０００３】
まず、光の短波長化について述べる。ステッパーに使用する波長は、すでにｇ線（波長４３６nm）、ｉ線（波長３６５nm）と進んできており、今後さらに波長の短いＫｒＦエキシマレーザー光（波長２４８nm）、ＡｒＦエキシマレーザー光（波長１９３nm）等になると、光学系に光学ガラスを使用することは、透過率から考慮すると、もはや不可能である。このため、エキシマレーザーステッパーの光学系には、石英ガラスまたは蛍石を使用するのが一般的となっている。
【０００４】
次に、大口径化について述べる。これは単に大口径であれば良いというだけでなく、エキシマレーザーステッパーの光学系に用いる光学材料としては、蛍石においては単結晶であることが必要である。ステッパーの高性能化にともない、最近になって口径φ150 mm〜φ250 mm程度の大口径の蛍石単結晶が要求されるようになってきた。
【０００５】
以下に従来の蛍石単結晶の製造方法を述べる。蛍石単結晶はブリッジマン法（ストックバーガー法、ルツボ降下法とも呼ばれる）で製造されてきた。紫外ないし真空紫外域で使用される蛍石単結晶の場合、原料に天然の蛍石を使用することはなく、化学合成で作られた高純度原料を使用することが一般的である。原料は粉末のまま使用することも可能であるが、この場合、熔融したときの体積の減少が激しいため、半熔融品やその粉砕品を用いるのが普通である。育成装置の中に上記原料を充填したルツボを置き、育成装置内を10^-3〜10^-4Paの真空雰囲気に保つ。次に育成装置温度を蛍石の融点以上（1370℃〜1450℃）まで上げ、原料を熔融する。育成装置温度の時間的変動を抑えるため、定電力出力による制御または高精度なＰＩＤ制御を行う。結晶育成段階では、0.1〜5mm/H程度の速度でルツボを引き下げることにより、ルツボの下部から徐々に結晶化させる。融液最上部まで結晶化したところで結晶育成は終了し、育成した結晶（インゴット）が割れないように、急冷を避け簡単な徐冷を行う。育成装置温度が室温程度まで下がったところで、インゴットを取り出す。
【０００６】
このままでは残留応力と歪が非常に大きいため、インゴットのままで簡単な熱処理を行う。こうして得られた蛍石単結晶は、目的の製品別に適当な大きさに切断加工される。切断された蛍石単結晶は、アニール装置内で簡単な熱処理を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術における、インゴットのままで簡単に行う熱処理は、結晶育成の段階で生じた強力な歪を、切断が可能な程度にまでしか低減できなかった。したがって、光学系を構成できる程度まで良好な歪は得られなかった。
また、適当な大きさに切断した蛍石単結晶に実施する熱処理においても、エキシマレーザーステッパーのように高精度な光学系に使用可能な歪の良好な蛍石単結晶は得られなかった。特に蛍石単結晶が大口径化し、体積が増大すると、歪の除去はさらに困難となっていた。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものである。高精度な光学系に使用できる蛍石単結晶を得るための、熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明者らは、次の手段をとった。
まず、第一の手段として、蛍石単結晶を収納するための気密容器を有し、この気密容器の外部側方に、独立に温度制御が可能な２回路以上のヒーターを装備した蛍石単結晶の熱処理装置を設け、その装置内の上部および（または）下部に複数枚からなる反射板を設置した。
【００１０】
また、第二の手段として、上記装置を用いて気密容器内の温度分布を平坦化しつつ、非酸素雰囲気中で、蛍石単結晶を800 ℃から1300℃程度に維持し、その後徐々に温度を室温まで降温することとした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
蛍石単結晶製造後に観察される歪は、結晶育成過程で生じる。大きな温度勾配を有する育成装置内の温度分布が原因で歪を引き起こす。一般に、融液を結晶化させる単結晶の育成方法においては、育成装置内に温度勾配を有することが本質的に必要である。したがって、融液を結晶化させる単結晶の育成方法を実施することにより育成された蛍石単結晶には、必然的に歪は発生することになる。
【００１２】
そこで、本発明における熱処理が必要となる。本発明における熱処理を行うことにより、育成時に生じた蛍石単結晶の歪を消滅させることができる。本発明の熱処理においては、蛍石の融点以下のできるだけ高温で蛍石単結晶を維持した。この高温の過程で原子の再配列を実施し、歪を消滅させるのである。さらに、熱処理装置内部の温度を位置によらず等しくすること、すなわち温度分布の平坦化も、高温維持時および降温時で歪の除去のため重要である。この目的のため、本発明における熱処理においては、２回路以上の独立したヒーターを用いた熱処理装置内に、上部および（または）下部に複数枚の反射板を設置し、温度分布を平坦化する。
【００１３】
【実施例】
図１は本発明による装置の断面図である。
熱処理時には、気密容器１により、熱処理装置内部の雰囲気を大気と遮断する。気密容器内にはさらにカーボン容器２が置かれている。熱処理される蛍石単結晶８は、このカーボン容器内に置かれる。カーボン容器内にはフッ素化剤７としてテフロンおよび酸性フッ化アンモニウムも収納する。熱処理装置の上部及び下部からの放熱による温度分布のむらを防止するため、下部に５枚、上部に１０枚のカーボン製の反射板９、１０を一定の間隔で設置する。この後、真空に排気し、10^-1Pa程度以下になることを確認したら、真空排気を終了する。
【００１４】
通常の熱処理装置では、上部に取り出し口を有する構造をとることが多い。その場合、熱処理装置上部は熱の逃げが大きく、温度は相対的に低くなる。そこで、２回路のヒーターを独立に制御することにより、熱処理装置内に良好な温度分布が得られる。
熱処理装置下部に設置面を有する構造の場合も、やはり熱処理装置下部の温度も低くなる傾向がある。断熱材の増強により下部の温度低下はある程度防止することができるが、より良好な温度分布の形成には、３回路のヒーターをそれぞれ独立に制御することが効果的である。具体的には上ヒーター３、中ヒーター４および下ヒーター５を装備することになる。
【００１５】
昇温の過程についても、３回路ヒーターの温度を各々独立に制御する。この過程でフッ素化剤が気化し、育成装置内はフッ素雰囲気となる。育成装置の全体が1200℃の定常状態に達したら、24時間維持する。この高温維持時の温度は、蛍石の融点に近い高温である1300℃程度が望ましいのであるが、本熱処理装置の耐久性を考慮すると、高温維持時の温度は1200℃程度以下に抑えておいた方が良い。この気密容器内に熱電対を挿入し温度分布を測定したところ、上下に反射板を入れなかった場合と比較して、上下の均熱長は約２倍、図中のＡ点とＢ点との温度差は１２℃から２℃に改善された。
【００１６】
この後は徐々に室温まで温度を降温し、大気圧開放して蛍石単結晶を取り出す。
【００１７】
【発明の効果】
本発明による装置を用いた熱処理を実施することにより、歪の良好な蛍石単結晶を製造することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の熱処理装置の、実施例における断面図である。
【符号の説明】
１・・・気密容器
２・・・カーボン容器
３・・・上ヒーター
４・・・中ヒーター
５・・・下ヒーター
６・・・熱電対
７・・・フッ素化剤
８・・・蛍石単結晶
９・・・上部反射板
１０・・下部反射板
Ａ、Ｂ・・・温度測定点

Claims (7)

1. 蛍石単結晶を収納するための気密容器を有し、該気密容器の外部側方に、独立に温度制御が可能な２回路以上のヒーターを配置した熱処理装置において、気密容器内の上部および／または下部に複数枚の反射板を配置した蛍石単結晶の熱処理装置。
2. 請求項１に記載の蛍石単結晶の熱処理装置において、前記反射板は、カーボンまたはモリブデンまたはステンレスからなることを特徴とする蛍石単結晶の熱処理装置。
3. 独立に温度制御が可能な２回路以上のヒーターを配置した熱処理装置内の気密容器に蛍石単結晶を収納し、前記気密容器内の上部および／または下部の複数枚の反射板により蛍石単結晶に生じる温度分布を平坦化しつつ、非酸素雰囲気中で、蛍石単結晶を800 ℃以上1300℃以下の一定温度に維持し、その後徐々に降温することを特徴とする蛍石単結晶の熱処理方法。
4. 請求項３に記載の蛍石単結晶の熱処理方法において、
   前記気密容器内を１０^ー1Ｐａ程度以下の真空に排気した後昇温し、蛍石単結晶を800 ℃以上1300℃以下の一定温度に維持し、その後徐々に降温することを特徴とする蛍石単結晶の熱処理方法。
5. 請求項４に記載の蛍石単結晶の熱処理方法において、
   前記蛍石単結晶を室温まで降温した後、真空を開放することを特徴とする蛍石単結晶の熱処理方法。
6. 請求項３〜５のいずれかに記載の蛍石単結晶の熱処理方法において、前記蛍石単結晶がブリッジマン法により製造された蛍石単結晶インゴットを所望の大きさに切断したものであることを特徴とする蛍石単結晶の熱処理方法。
7. 請求項３〜６のいずれかに記載の蛍石単結晶の熱処理方法において、前記蛍石単結晶に生じる温度分布が５℃以下であることを特徴とする蛍石単結晶の熱処理方法。

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