JP3725280B2 - 蛍石単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般光学機器や光リソグラフィー用の光学系に用いて好適な蛍石単結晶の製造装置と製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの高集積化が進行し、光リソグラフィーによる微細加工において露光装置（ステッパー）に使用する光源が短波長化している。短波長のＫｒＦやＡｒＦなどの光源になると、石英ガラスや蛍石が光学材料として適している。
従来の蛍石の用途は、顕微鏡やカメラ用、テレビカメラ用のレンズで、しかもサイズが直径200mm 以下のもので殆どが満足されていたが、ステッパー用の蛍石としては、大口径（直径250mm 以上）かつ高品質な蛍石単結晶が要求される。
【０００３】
かかる蛍石単結晶を製造する方法である垂直ブリッジマン法による結晶成長炉（蛍石単結晶の製造装置）の一例を図２（概略構成図）に示す。
図２に示すような結晶成長炉を用いて蛍石単結晶を製造する場合、溶融温度域から固化する温度域にわたる（蛍石原料の融点前後にわたる）温度勾配を利用し、ルツボを引き下げながら結晶を成長させる。
【０００４】
結晶化を行う際に理想的といわれる結晶成長炉内の温度勾配を図３に示す。一般に、固液界面付近の温度傾斜を大きくするために、結晶成長炉を仕切る熱遮断板が配置される。
大きな結晶を成長させる場合、熱容量の大きなルツボが熱遮断板近くを通過すると、温度勾配が変化するが、熱遮断板に依存する温度勾配は変えようがない。
【０００５】
そのため、図２に示すような従来の結晶成長炉を用いて完全な結晶を得ようとする場合には、できる限り温度勾配が変わらないように、ヒーターの出力を変化させたり、成長速度をできるだけ遅くするといった方法が採られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大口径の蛍石単結晶を製造する場合には、熱容量が大きなルツボが結晶成長炉内を移動することになり、ルツボの引き下げの過程で固液界面の位置が変化するため、融液内部や固化した結晶の温度分布が変化してしまい、その結果、不均質な結晶が形成されるという問題点があった。
【０００７】
さらに、結晶成長炉内の温度勾配までも変化して、その結果、多結晶になる、不純物が除去できないという問題点が発生していた。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、ステッパー用の光学材料として使用可能な大口径かつ高品質な蛍石単結晶を収率よく製造することができる蛍石単結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は第一に「少なくとも、蛍石原料を収納するルツボと、該ルツボを結晶成長炉の中で垂直に降下させる機構と、前記結晶成長炉の中を昇温させる加熱機構と、前記蛍石原料の融点前後にわたる温度勾配（温度傾斜）を前記結晶成長炉の中に形成するための熱遮断板（仕切り部）と、を備えた蛍石単結晶の製造装置において、
前記熱遮断板（仕切り部）の放熱機構または冷却機構を設け、該放熱機構による放熱量または該冷却機構による冷却量を、前記ルツボの降下量に応じて制御する機構をさらに設けたことを特徴とする蛍石単結晶の製造装置（請求項１）」を提供する。
【０００９】
また、本発明は第二に「前記放熱機構は、前記熱遮断板（仕切り部）に設けたヒートシンクもしくは開口であり、前記冷却機構は前記熱遮断板（仕切り部）に隣接または近接して設けた冷媒循環パイプであることを特徴とする請求項１記載の製造装置（請求項２）」を提供する。
【００１０】
また、本発明は第三に「前記ルツボの降下量に応じて放熱量を制御する機構は、前記熱遮断板（仕切り部）からの熱放出を抑制または防止する保温部材と、該保温部材の前記熱遮断板（仕切り部）に対する接触の有無、接触の面積、または距離を制御する機構と、を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の製造装置（請求項３）」を提供する。
また、本発明は第四に「蛍石原料を収納したルツボを、蛍石原料の融点前後にわたる温度勾配（温度傾斜）を有する結晶成長炉の中で垂直に降下させることにより、蛍石原料を融解させて融液を形成するとともに、一端から前記融液を順次固化させて蛍石単結晶を成長させる、請求項１〜３記載の製造装置を用いて行う垂直ブリッジマン法による蛍石単結晶の製造方法において、
前記放熱機構、前記冷却機構、前記放熱量を制御する機構、または前記冷却量を制御する機構を用いて、前記ルツボの降下中における前記温度勾配の変動及び／または固液界面の位置変動を抑制するか、或いは前記ルツボの降下中における前記温度勾配及び／または固液界面の位置を調整することを特徴とする蛍石単結晶の製造方法（請求項４）」を提供する。
【００１１】
また、本発明は第五に「蛍石単結晶の結晶成長中における温度勾配及び／または固液界面の位置が最適または最適範囲となるように、前記調整を行うことを特徴とする請求項４記載の製造方法（請求項５）」を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明（請求項１）の垂直ブリッジマン法にかかる蛍石単結晶の製造装置は、蛍石原料の融点前後にわたる温度勾配（温度傾斜）を結晶成長炉の中に形成するための熱遮断板（仕切り部）に、放熱機構または冷却機構を設けているので、ルツボの降下中における温度勾配の変動及び／または固液界面の位置変動を抑制できる。
【００１３】
従って、本発明（請求項１）の製造装置によれば、ステッパー用の光学材料として使用可能な大口径かつ高品質な蛍石単結晶を収率よく製造できる。
本発明にかかる放熱機構としては、例えば、熱遮断板（仕切り部）に設けたヒートシンクもしくは開口部が、また冷却機構としては、例えば、熱遮断板（仕切り部）に隣接または近接して設けた冷媒循環パイプがそれぞれ使用できる（請求項２）。
【００１４】
本発明の製造装置には、放熱機構による放熱量または冷却機構による冷却量を制御する機構をさらに設けることが好ましい（請求項１）。
かかる構成にすることにより、ルツボの降下中における温度勾配の変動及び／または固液界面の位置変動を抑制できるだけでなく、ルツボの降下中における温度勾配及び／または固液界面の位置を調整することができる。
【００１５】
そのため、本発明（請求項１）の製造装置は、蛍石単結晶の結晶成長中における温度勾配及び／または固液界面の位置が最適または最適範囲となるように調整を行うことができる。
従って、本発明（請求項１）の製造装置によれば、ステッパー用の光学材料として使用可能なより高品質で大口径の蛍石単結晶をさらにさらに収率よく製造できる。
【００１６】
本発明にかかる放熱量を制御する機構としては、例えば、熱遮断板（仕切り部）からの熱放出を抑制または防止する保温部材と、該保温部材の熱遮断板（仕切り部）に対する接触の有無、接触の面積または距離を制御する機構と、を有するものが使用できる（請求項３）。
本発明（請求項４）にかかる請求項１〜３記載の製造装置を用いて行う垂直ブリッジマン法による蛍石単結晶の製造方法は、ルツボの降下中における温度勾配の変動及び／または固液界面の位置変動を抑制できるだけでなく、ルツボの降下中における温度勾配／または固液界面の位置を調整することができる。
【００１７】
そのため、本発明（請求項４）の製造方法によれば、蛍石単結晶の結晶成長中における温度勾配及び／または固液界面の位置がより最適となるように調整を行うことができる。
そこで、蛍石単結晶の結晶成長中における温度勾配及び／または固液界面の位置が最適または最適範囲となるように、前記調整を行うことが好ましい（請求項５）。
【００１８】
従って、本発明（請求項４、５）の製造方法によれば、ステッパー用の光学材料として使用可能なより高品質（または極めて高品質）で大口径の蛍石単結晶をより収率よく（または極めて収率よく）製造できる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。
【００１９】
【実施例】
本発明者らは、ルツボ内径300mm の結晶成長炉を製作して成長炉内の温度分布を測定したところ、図４の温度分布４１のように理想に近い温度傾斜（勾配）を示した。
このような温度傾斜（勾配）の形成は、例えば、上部ヒータ２１による上部加熱温度域と下部ヒータ２１’による下部加熱温度域との二つの温度域の熱の流れを抑制するために、熱遮断板２３を設けることにより可能となる。
【００２０】
しかし、このように熱遮断板２３を設けることにより、理想に近い温度傾斜（勾配）を形成しても、実際に前記ルツボ内径300mm の結晶成長炉を用いて蛍石を製造すると、ルツボの引き下げ速度を0.5mm/H と非常に小さくした場合でも、多結晶の蛍石となってしまった。
そこで、ルツボの温度を測定してみると、図４の温度カーブ４２、４３のように炉内の温度分布４１とは大きく異なっていた。
【００２１】
従って、本実施例では、温度勾配を強くすると共に固化熱を外周へ逃がすべく、熱遮断板のある仕切り部に放熱効果（放熱機構）をもたせることにした。
さらに、本実施例においては、例えば、放熱効果を結晶成長中に制御するために、放熱効果を有する熱遮断板（カーボンプレート）１１の外側に保温部材（カーボンフェルト）を設け、また該保温部材を炉の外部から開閉できる可動部（回転軸１３、駆動部１４、伝導部材１５）を、保温部材１２の熱遮断板１１に対する接触の有無、接触の面積または距離を制御する機構として設けた。
【００２２】
図１に本実施例にかかる蛍石単結晶の製造装置（概略構成）を示す。
保温部材１２を分割して各々の回転軸１３に固定し、その回転軸１３を回転させるための伝導部材１５を設け、伝導部材１５を炉外部より回転させることにより保温部材１２を開閉可能とした。
回転軸１３を回転させる駆動部１４は真空炉外に設置した。また、分割した残りの各回転軸を同時に回動させるためにチェーンのような伝達部材を設けた。
【００２３】
また、駆動部は、ルツボ２５の引き下げを開始してから、結晶成長炉内の温度勾配が大きく変化しないような、実験で予め求められた条件により自動的に制御した。
熱遮断板のある仕切り部に放熱効果をもたせるためには、例えば、熱遮断板（または仕切り部）にヒートシンクもしくは開口部を設ければよく、またさらに冷却効果を持たせるためには、冷却用のパイプを設ければよい。
【００２４】
本実施例の蛍石単結晶・製造装置は、前記構成を採用したので、放熱効果を制御することにより結晶成長中の温度傾斜（勾配）を制御できるだけでなく、温度傾斜が不要な溶融過程における必要電力を低減することも可能となった。
即ち、温度傾斜が不要な溶融過程においては、熱遮断板（または仕切り部）に対して保持部材を閉じた状態にして、熱遮断板（または仕切り部）からの放熱を抑制し、また結晶成長中は、ルツボの引き下げに合わせて保温部材を開くことにより、放熱効果を有する熱遮断板（または仕切り部）から固化熱を逃がす（放熱させる）ところに特徴がある。
【００２５】
また、保温材を移動させることに特徴があり、本実施例では、一例として回転機構を使用したが、保温材の開閉に直動機構を適用しても構わない。
本実施例の蛍石単結晶・製造装置（ルツボ内径φ300mm ）を用いて蛍石を結晶成長させた。
溶融中は保温部材を放熱効果を有する熱遮断板（または仕切り部）の近くに配置して放熱させないようにした。そして、引き下げが開始され、直胴部分が熱遮断板（または仕切り部）に近づくにつれて、引き下げと連動させて保温部材が開くようにすることで、放熱効果が大きくなるようにした。
【００２６】
また、直胴部分が熱遮断板（または仕切り部）の横を通過中は保温部材の動きを停止させた。
こうすることで、温度傾斜を引き下げ中も一定に保つことができ、さらに固液界面の（結晶成長炉に対する）位置も一定にすることができた。
成長させた蛍石のインゴットは、全体に渡り単結晶であり、φ270mm のレンズ素材が採取できた。
【００２７】
本実施例の蛍石単結晶・製造装置（ルツボ内径φ300mm ）を用いて蛍石を結晶成長させることにより、従来は多結晶になることが多かった大口径蛍石が非常に安定して単結晶となった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステッパー用の光学材料として使用可能な大口径かつ高品質な蛍石単結晶を収率よく製造できる。
即ち、本発明によれば、直径が250mm を越えるような大口径の蛍石単結晶が安定して得られるようになり、短波長光源用ステッパーの光学材料として提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、実施例の蛍石単結晶の製造装置を示す概略構成図である。
【図２】は、従来の結晶成長炉を示す概略構成図である。
【図３】は、結晶化を行う際に理想的といわれる結晶成長炉内の温度勾配を示す温度分布図である。
【図４】は、従来の結晶成長炉における、炉内温度勾配とルツボの温度カーブを示す温度分布図である。
【符号の説明】
１１ 放熱効果を持たせた熱遮断板
１２ 保温部材
１３ 回転軸
１４ 駆動部
１５ 伝導部材
２１ 上部ヒーター
２１’下部ヒーター
２２ 断熱材
２３ 熱遮断板
２４ 引き下げ棒
２５ ルツボ
２６ 液相
２７ 固相
３１ 理想的な温度勾配
４１ 炉内温度分布曲線
４２ ルツボ下部の温度カーブ
４３ ルツボ上部の温度カーブ
Ｋ 結晶成長炉
以上

Claims (5)

1. 少なくとも、蛍石原料を収納するルツボと、該ルツボを結晶成長炉の中で垂直に降下させる機構と、前記結晶成長炉の中を昇温させる加熱機構と、前記蛍石原料の融点前後にわたる温度勾配（温度傾斜）を前記結晶成長炉の中に形成するための熱遮断板（仕切り部）と、を備えた蛍石単結晶の製造装置において、
   前記熱遮断板（仕切り部）の放熱機構または冷却機構を設け、該放熱機構による放熱量または該冷却機構による冷却量を、前記ルツボの降下量に応じて制御する機構をさらに設けたことを特徴とする蛍石単結晶の製造装置。
2. 前記放熱機構は、前記熱遮断板（仕切り部）に設けたヒートシンクもしくは開口であり、前記冷却機構は前記熱遮断板（仕切り部）に隣接または近接して設けた冷媒循環パイプであることを特徴とする請求項１記載の製造装置。
3. 前記ルツボの降下量に応じて放熱量を制御する機構は、前記熱遮断板（仕切り部）からの熱放出を抑制または防止する保温部材と、該保温部材の前記熱遮断板（仕切り部）に対する接触の有無、接触の面積、または距離を制御する機構と、を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の製造装置。
4. 蛍石原料を収納したルツボを、蛍石原料の融点前後にわたる温度勾配（温度傾斜）を有する結晶成長炉の中で垂直に降下させることにより、蛍石原料を融解させて融液を形成するとともに、一端から前記融液を順次固化させて蛍石単結晶を成長させる、請求項１〜３記載の製造装置を用いて行う垂直ブリッジマン法による蛍石単結晶の製造方法において、
   前記放熱機構、前記冷却機構、前記放熱量を制御する機構、または前記冷却量を制御する機構を用いて、前記ルツボの降下中における前記温度勾配の変動及び／または固液界面の位置変動を抑制するか、或いは前記ルツボの降下中における前記温度勾配及び／または固液界面の位置を調整することを特徴とする蛍石単結晶の製造方法。
5. 蛍石単結晶の結晶成長中における温度勾配及び／または固液界面の位置が最適または最適範囲となるように、前記調整を行うことを特徴とする請求項４記載の製造方法。

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