VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG BRUCHFESTER CALCILWLUORID-EINKRISTALLE SOWIE DEREN VERWENDUNG METHOD FOR PRODUCING BREAK-RESISTANT CALCILWLUORIDE SINGLE CRYSTALS AND USE THEREOF
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung bruchfester Calciumfluorid-Einkristalle, sowie die Verwendung der damit erhaltenen Kristalle.The invention relates to a method for producing unbreakable calcium fluoride single crystals, and to the use of the crystals obtained therewith.
Einkristalle aus Calciumfluorid werden unter anderem wegen ihrer optischen Eigenschaften, das heißt insbesondere wegen ihrer Durchlässigkeit für ultraviolette Strahlung, als Ausgangsmaterial für optische Komponenten in der DUV-Photolithographie benötigt, bei der mit im tiefen Ultraviolett (DUV = Deep UV) mit einer Wellenlänge λ kleiner 250 nm strahlenden Lichtquellen wie Excimerlasern feine Muster auf mit Photolack beschichtete Halbleiterwafer und dergleichen aufgebracht werden. Dazu ist es notwendig, daß die Bauteile wie Linsen oder Prismen aus dem Calciumfluorid eine sehr hohe optische Homogenität aufweisen. Fehler im Calciumfluoridkri- stall stören die optische Homogenität; das Calciumfluorid zeigt dann auch Spannungsdoppelbrechung. Calciumfluoridkri- stalle mit Fehlern und erst recht solche mit Spannungsdoppelbrechung sind natürlich nicht dafür geeignet, daraus optische Bauteile herzustellen. Solche Kristallfehler gehen in der Regel von Fremdatomen, d. h. von Verunreinigungen aus, welche in das Kristallgitter eingebaut sind und somit dessen Homoge-
nität stören. Es wird daher angestrebt, Einkristalle für optische Elemente aus möglichst reinem Material herzustellen.Single crystals of calcium fluoride are required, among other things, because of their optical properties, that is, in particular because of their permeability to ultraviolet radiation, as a starting material for optical components in DUV photolithography, in which deep ultraviolet (DUV = Deep UV) with a wavelength λ smaller 250 nm radiating light sources such as excimer lasers, fine patterns can be applied to semiconductor wafers coated with photoresist and the like. For this it is necessary that the components such as lenses or prisms made of calcium fluoride have a very high optical homogeneity. Errors in the calcium fluoride crystal disturb the optical homogeneity; the calcium fluoride then also exhibits stress birefringence. Calcium fluoride crystals with defects and especially those with stress birefringence are of course not suitable for producing optical components from them. Such crystal defects usually originate from foreign atoms, ie from impurities, which are built into the crystal lattice and thus its homogeneous disrupt nity. The aim is therefore to produce single crystals for optical elements from the purest possible material.
So beschreibt beispielsweise die JP-A-10-059799 die Auswirkungen von Strontium in Calciumfluoridkristallen. Danach soll der Strontiumgehalt unter 1 x 1018 Atome/cm3 gehalten werden, damit sich die optischen Eigenschaften des Calciumfluorids nicht verschlechtern. Andererseits gibt die JP-A- 09-315815 an, daß ein Strontiumgehalt von 1 - 600 ppm bei einer Lanthan- und Yttriumverunreinigung von weniger als 1 bzw. 10 ppm verhindern soll, daß die Durchlässigkeit des Calciumfluoridkristalls bei der Bestrahlung mit intensivem Laserlicht im UV-Bereich, wie es bei der eingangs beschriebenen Verwendung dieser Kristalle der Fall ist, erheblich abnimmt.For example, JP-A-10-059799 describes the effects of strontium in calcium fluoride crystals. The strontium content should then be kept below 1 x 10 18 atoms / cm 3 , so that the optical properties of the calcium fluoride do not deteriorate. On the other hand, JP-A-09-315815 states that a strontium content of 1 - 600 ppm with a lanthanum and yttrium contamination of less than 1 and 10 ppm, respectively, should prevent the permeability of the calcium fluoride crystal when irradiated with intense laser light in the UV -Range, as is the case with the use of these crystals described above, decreases significantly.
Calciumfluoridkristalle werden nach einem der üblichen Kristallzuchtverfahren, etwa dem Stockbarger-Bridgman- Verfahren oder dem VGF-Verfahren (VGF = Vertical Gradient Freezing, Abkühlen im vertikalen Temperaturgradienten) als relativ große Einkristalle mit Abmessungen im Dezimeterbereich mit sehr großer Reinheit hergestellt. Diese großen Ausgangskristalle werden dann durch Sägen, Schleifen usw. in die für die optischen Bauteile erforderliche Form gebracht und schließlich durch spezielle Behandlungen wie Oberflächenveredlung und dergleichen daraus die fertigen optischen Komponenten hergestellt.Calcium fluoride crystals are produced as one of the usual crystal growing processes, such as the Stockbarger-Bridgman process or the VGF process (VGF = Vertical Gradient Freezing, cooling in the vertical temperature gradient) as relatively large single crystals with dimensions in the decimeter range with very high purity. These large starting crystals are then cut, sawed, ground, etc. into the shape required for the optical components and finally the finished optical components are produced therefrom by special treatments such as surface finishing and the like.
Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere bei hochreinen Calciumfluoridkristallen die Bruchhäufigkeit der Kristalle bei der Bearbeitung relativ hoch ist. Dabei ist es nicht nur ärgerlich, wenn ein fast fertiges Bauteil bei einem der letzten Bearbeitungsschritte in mehrere Teile zerbricht, sondern es reicht aus, daß im Kristall im Laufe der Bearbei-
tung Versetzungen und Mikrorisse entstehen, die schließlich dazu führen können, daß das fertige Bauteil eine verringerte optische Durchlässigkeit aufweist.It has now been shown that the fracture frequency of the crystals during processing is relatively high, especially in the case of highly pure calcium fluoride crystals. It is not only annoying when an almost finished component breaks into several parts during one of the last processing steps, but it is sufficient that in the crystal during the processing tion dislocations and microcracks occur, which can ultimately lead to the finished component having a reduced optical transmission.
Die Bruchenergie der Calciumfluoridkristalle beträgt entlang der 111-Flächen lediglich 490 mJ/m2, was extrem niedrig ist. Ähnlich niedrige Werte weist etwa Schiefer auf; die Bruchenergie beträgt im Vergleich dazu zum Beispiel in Quarz 4 300 mJ/m2.The fracture energy of the calcium fluoride crystals along the 111 surfaces is only 490 mJ / m 2 , which is extremely low. Slate has similarly low values; in comparison, the fracture energy in quartz, for example, is 4,300 mJ / m 2 .
Zur Herstellung der optischen Bauteile wie Linsen wird der Rohkristall geschnitten, geschliffen und poliert. Bei diesen Schritten wird mechanisch auf das Kristallgefüge des Kristalls eingewirkt. Beim Calciumfluorid verläuft die optische Achse der Linsen entlang der Oberflächennormalen der <111> Ebene. Bei jeder Bearbeitung der gekrümmten Linsenoberfläche treten starke Scherkräfte auf, die entlang der <111> Ebene wirken. Dadurch erleidet der Kristall mikroskopisch wie makroskopisch Schaden in Form von Versetzungen und auch Rissen.The raw crystal is cut, ground and polished to produce optical components such as lenses. These steps act mechanically on the crystal structure of the crystal. With calcium fluoride, the optical axis of the lenses runs along the surface normal of the <111> plane. Every time the curved lens surface is machined, strong shear forces occur which act along the <111> plane. As a result, the crystal suffers microscopic and macroscopic damage in the form of dislocations and cracks.
Es wurde bereits versucht, die optische Achse von Linsen abweichend von der <111> -Oberflächennormalen in einer etwas dagegen versetzten Orientierung verlaufen zu lassen. Bei Abweichung der optischen Achse von der <111>-Orientierung tritt allerdings die Härteanisotropie in der Bearbeitung stärker zum Vorschein, was die Probleme bei der Bearbeitung nur erhöht. So ergaben sich z. B. bei größeren Abweichungen zusätzlich Probleme mit der Spannungsdoppelbrechung.Attempts have already been made to make the optical axis of lenses deviate from the <111> surface normal in a somewhat offset orientation. If the optical axis deviates from the <111> orientation, however, the hardness anisotropy becomes more apparent in the machining, which only increases the problems during machining. So there were z. B. in the case of larger deviations, additional problems with voltage birefringence.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Calciumfluorid-Einkristalls mit hoher Bruchfestigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß dem Calciumfluorid-Rohmaterial, aus dem der Einkristall gezüchtet wird, ein Festigkeitsmittel ausgewählt aus Th, Ba, W, Sb und/oder der seltenen Erden in einer Menge zwischen 10 und 15 000 ppm zudotiert wird.The object of the invention is therefore to provide a method for producing a calcium fluoride single crystal with high breaking strength. This object is achieved according to claim 1 in that the calcium fluoride raw material from which the single crystal is grown, a strength agent selected from Th, Ba, W, Sb and / or rare earths is added in an amount between 10 and 15,000 ppm ,
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen genannt.Advantageous embodiments of the method according to the invention are mentioned in the subclaims.
Erfindungsgemäß wurde nämlich überraschenderweise gefunden, daß eine geringe Zudotierung von Th, Ba, W, Sb und/oder ggf. seltenen Erden zu der Kristallrohmasse die gewünschte Erhöhung der Bruchfestigkeit bewirkt. Von den seltenen Erden Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu sind Y und Yb besonders bevorzugt. Die Festigkeitsmittel werden in Form ihrer Salze, insbesondere Halogenide oder auch als Oxide, zugesetzt. Ein besonders bevorzugtes Salz ist Fluorid. Besonders bevorzugt werden die Festigkeitsmittel in Form ihrer niedrigsten Oxidationsstufe zudotiert .According to the invention, it was surprisingly found that a small addition of Th, Ba, W, Sb and / or possibly rare earths to the crystal bulk causes the desired increase in breaking strength. Of the rare earths Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, Y and Yb are particularly preferred. The strength agents are added in the form of their salts, in particular halides or also as oxides. A particularly preferred salt is fluoride. The strength agents are particularly preferably doped in the form of their lowest oxidation state.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß bereits eine geringe Zudotierung im Bereich von 1, speziell mindestens 10 ppm, vorzugsweise mindestens 20 ppm, eine Erhöhung der Bruchfestigkeit bewirkt. Die erfindungsgemäß maximal einzusetzende Menge beträgt zweckmäßigerweise maximal 15 000 ppm, wobei höchstens 10 000 ppm, im besonderen höchstens 8 000 ppm bevorzugt ist. In vielen Fällen sind Mengen von maximal 5 000 ppm vollständig ausreichend.It has surprisingly been found that even a small addition in the range of 1, especially at least 10 ppm, preferably at least 20 ppm, causes an increase in the breaking strength. The maximum amount to be used according to the invention is expediently at most 15,000 ppm, with at most 10,000 ppm, in particular at most 8,000 ppm, being preferred. In many cases, a maximum of 5,000 ppm is completely sufficient.
Wird das erfindungsgemäße Festigkeitsmittel in Form eines Oxids zugegeben, so beträgt die Menge vorzugsweise
100 - 10 000 ppm, wobei 200 - 8 000 ppm besonders bevorzugt ist.If the strength agent according to the invention is added in the form of an oxide, the amount is preferably 100-10,000 ppm, with 200-8,000 ppm being particularly preferred.
Werden die erfindungsgemäß verwendeten Festigkeits- mittel in Form ihrer Salze, insbesondere ihrer Fluoride zugesetzt, so haben sich Mengen von 20 - 500 ppm, insbesondere 45 - 200 ppm als zweckmäßig erwiesen.If the strength agents used according to the invention are added in the form of their salts, in particular their fluorides, amounts of 20-500 ppm, in particular 45-200 ppm, have proven to be expedient.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Festigkeitsmittel zusammen mit Strontium, d. h. Strontiumsalzen und/oder -oxid, eingesetzt. Dabei beträgt die Menge an Strontium üblicherweise 1 - 250 ppm, vorzugsweise 10 - 200 bzw. 150 ppm, wobei Mengen von 80 - 140 ppm besonders bevorzugt sind.In a preferred embodiment, the strength agents according to the invention are used together with strontium, i.e. H. Strontium salts and / or oxide used. The amount of strontium is usually 1 to 250 ppm, preferably 10 to 200 or 150 ppm, with amounts of 80 to 140 ppm being particularly preferred.
Überraschenderweise wurde auch gefunden, daß bei der Herstellung von Einkristallen durch das erfindungsgemäße Zusetzen der Festigkeitsmittel sogar auf Scavenger verzichtet werden kann bzw. die nur in einer geringeren Menge als sonst üblich zugesetzt werden müssen. Bevorzugt erfindungsgemäß zu verwendende Scavenger sind PbF2, ZnF2, SnF2, CdF2 und/oder CoF2. Diese Scavenger haben ebenso wie die erfindungsgemäß als Scavenger wirkenden Festigkeitsmittel die Fähigkeit, Sauerstoffhaltige Verunreinigungen, wie z. B. H20, OH" und O2" zu binden und diese an die Umgebung in gasförmigem Zustand abzugeben. Bevorzugte Scavenger sind dabei solche, deren höher- wertige Oxide einen niedrigeren Dampf- bzw. Sublimationspunkt aufweisen als das erfindungsgemäß eingesetzte niedere Oxid.Surprisingly, it was also found that in the production of single crystals, by adding the strength agents according to the invention, it is even possible to dispense with scavengers or that they only have to be added in a smaller amount than is customary. Scavengers to be used according to the invention are PbF 2 , ZnF 2 , SnF 2 , CdF 2 and / or CoF 2 . These scavengers, like the strengthening agents which act as scavengers according to the invention, have the ability to remove oxygen-containing impurities such as e.g. B. H 2 0, OH " and O 2" and deliver them to the environment in the gaseous state. Preferred scavengers are those whose higher-quality oxides have a lower vapor or sublimation point than the lower oxide used according to the invention.
Von den seltenen Erden sind besonders solche bevorzugt, welche im Kristall keine Fluoreszenz bei den später zu verwendenden Wellenlängen erzeugen.
Erfindungsgemäß hat es sich auch gezeigt, daß die geringe Zugabe der Festigkeitsmittel die optischen Eigenschaften des Calciumfluorid-Einkristalls überraschenderweise nicht negativ beeinflußt.Of the rare earths, those are particularly preferred which do not generate any fluorescence in the crystal at the wavelengths to be used later. According to the invention, it has also been found that the small addition of the strength agents surprisingly does not adversely affect the optical properties of the calcium fluoride single crystal.
Beim Einbringen von zusätzlichen Verunreinigungen, wie z. B. der eingesetzten Festigkeitsmittel, in den Calcium- fluorideinkristall ist eigentlich zu erwarten, daß sich die Zahl der Fehl- und Störstellen im Kristallgitter erhöht und sich damit die Eigenschaften des Kristalls verschlechtern. Statt dessen tritt hier bei der Zugabe der Festigkeitsmittel genau das Gegenteil ein, nämlich eine deutliche Verringerung der Bruchanfälligkeit des Kristalls und damit verbunden eine Stabilisierung der optischen Eigenschaften des Kristalls. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne weiteres möglich, die Bruchfestigkeit um mindestens 20 mJ/m2 , üblicherweise mindestens 40 mJ/m2 zu erreichen. Meist ist eine Erhöhung um mindestens 50 mJ/m2 problemlos zu erreichen.When introducing additional contaminants, such as. B. the strength agent used in the calcium fluoride single crystal is actually to be expected that the number of defects and defects in the crystal lattice increases and thus deteriorate the properties of the crystal. Instead, exactly the opposite occurs when the strength agents are added, namely a significant reduction in the susceptibility of the crystal to breakage and the associated stabilization of the optical properties of the crystal. With the method according to the invention, it is readily possible to achieve the breaking strength by at least 20 mJ / m 2 , usually at least 40 mJ / m 2 . Usually an increase of at least 50 mJ / m 2 can be achieved without any problems.
Im Rohmaterial für den Calciumfluoridkristall können als Verunreinigungen insgesamt bis zu etwa 100 ppm Fremdatome wie Na, K, Li und Mg enthalten sein. Andere Verunreinigungen liegen im wesentlichen unter 1 ppm. Auch die erstgenannten Verunreinigungen lassen sich durch eine spezielle Verfahrensführung bei der Kristallzucht , bei der diese Verunreinigungen verdampfen, auf unter 1 ppm pro Element drücken. Dies gilt auch für Natrium. Natrium ist jedoch ein Element, das der Mensch in relativ großen Mengen über die Haut abgibt. Menschen sind gewissermaßen immer von einem Natriumdunst umgeben. Bei der Bearbeitung des Calciumfluorids, bei der es sich unvermeidlich immer wieder in der Nähe von Menschen befindet, erhöht sich daher die Na-Konzentration z. B. auf der Oberfläche wieder auf 2 ppm und mehr.
Interessanterweise verändert nun eine Zugabe von Natrium bzw. die Erhöhung des Natriumgehalts bei dem wie oben angegeben mit Strontium dotierten Calciumfluoridkristall die Bruchenergie kaum. Andererseits kompensiert Strontium die negativen Auswirkungen einer Natriumverunreinigung auf die Bestrahlungseigenschaften.The raw material for the calcium fluoride crystal can contain a total of up to about 100 ppm of foreign atoms such as Na, K, Li and Mg as impurities. Other impurities are essentially below 1 ppm. The first-mentioned impurities can also be reduced to less than 1 ppm per element by a special procedure in crystal growing, in which these impurities evaporate. This also applies to sodium. However, sodium is an element that humans release in relatively large quantities through the skin. In a way, people are always surrounded by a sodium vapor. When processing calcium fluoride, where it is inevitably always in the vicinity of people, the Na concentration increases, for. B. on the surface again to 2 ppm and more. Interestingly, adding sodium or increasing the sodium content in the calcium fluoride crystal doped with strontium, as mentioned above, hardly changes the breaking energy. On the other hand, strontium compensates for the negative effects of sodium contamination on the radiation properties.
Das Calciumfluorid-Roh aterial für die Herstellung des Einkristalls kann daher als Verunreinigung zwischen etwa 1 und 10 ppm Natrium, z. T. aber auch beachtlich mehr, enthalten.The calcium fluoride raw material for the production of the single crystal can therefore be present as an impurity between about 1 and 10 ppm sodium, e.g. T. but also considerably more.
Die Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Calcium- fluoridkristalls durch die extrem geringe Menge an Festigkeitsmittel von weniger als 15 000 ppm, vorzugsweise weniger als 10 000 ppm, ist deshalb um so überraschender, als normalerweise derartige Effekte an Kristallen erst bei Dotierungen von mehreren Prozent, in der Regel mindestens 2 - 3 %, erhalten werden. Eine weitere wichtige Tatsache, die die Verwendung der Festigkeitsmittel begünstigt, liegt darin, daß sich diese im Kristall nicht anreichern, sondern bei der Kristallisation homogen verteilt bleiben. Diese homogene Verteilung ist für die Erhöhung der mechanischen Festigkeit unbedingt erforderlich, d. h. der Verteilungskoeffizient sollte so nah wie möglich bei 1 liegen.The increase in the mechanical strength of the calcium fluoride crystal due to the extremely small amount of strength agent of less than 15,000 ppm, preferably less than 10,000 ppm, is therefore all the more surprising since normally such effects on crystals only with doping of several percent, in usually at least 2 - 3%. Another important fact which favors the use of the strength agents is that they do not accumulate in the crystal, but remain homogeneously distributed during the crystallization. This homogeneous distribution is absolutely necessary to increase the mechanical strength, i. H. the distribution coefficient should be as close as possible to 1.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Ausführungs- form näher beschrieben.The invention is described in more detail using the following embodiment.
Ein großformatiger Einkristall aus CaF2 mit einem Durchmesser von 25 cm wird in einem rohrförmigen, mit einem Deckel verschlossenen Tiegel hergestellt, wobei ein rotati-
tionssymmetrisch.es Temperaturprofil und der Tiegel in Richtung Tiegelboden zu Tiegelöffnung relativ zueinander bewegt werden, so daß das CaF2-Rohmaterial zusammen mit dem Festigkeitsmittel, aus dem der Einkristall erschmolzen wird, zunächst aufschmilzt und anschließend im abfallenden Teil des Temperaturprofils zu einem Einkristall erstarrt, wie dies zum Beispiel in der PCT/DEOl/00788 beschrieben ist. Der Einkristall ist für die Herstellung von optischen Bauteilen für denA large-format single crystal made of CaF 2 with a diameter of 25 cm is produced in a tubular crucible, which is closed with a lid. tionssymmetrisch.es temperature profile and the crucible are moved relative to each other in the direction of the crucible bottom to the crucible opening, so that the raw CaF 2 material, together with the strength agent from which the single crystal is melted, first melts and then solidifies into a single crystal in the falling part of the temperature profile, as described for example in PCT / DEOl / 00788. The single crystal is for the manufacture of optical components for the
DUV-Bereich (λ < 250 nm; DUV = Deep UV) vorgesehen.DUV range (λ <250 nm; DUV = Deep UV) provided.
CaF2-Einkristalle werden im allgemeinen in einem rohrförmigen Ziehofen unter Vakuum bei 10"4 bis 10"7 mbar nach dem Stockbarger-Bridgman- oder dem Vertical-Gradient-Freeze- Verfahren (VGF) hergestellt. Dabei wird der mit dem Rohmaterial für den Kristall gefüllte Tiegel über seine Länge mit einem Temperaturgradienten in vertikaler und (rotationssymmetrisch) in horizontaler Richtung beaufschlagt, um das Material zuerst aufzuschmelzen und dann bei einem geringen Temperaturgradienten erstarren zu lassen. Der vertikale Gradient soll eine im wesentlichen ebene Kristallisationsfront gewährleisten. In der Regel befindet sich am Boden des Tiegels ein Impfkristall. Dort ist die Temperatur am niedrigsten. Die Kristallisation beginnt am Impfkristall, wenn die Temperatur der CaF-Schmelze dort den Schmelzpunkt unterschreitet. Nach Stockbarger-Bridgman wird der Tiegel mechanisch durch ein dem Ziehofen eingeprägtes Temperaturprofil bewegt, nach dem neueren VGF-Verfahren wird das Temperaturprofil eines Gradienten-Rohrofens elektrisch (mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm/Stunde) am ruhenden Tiegel vorbeibewegt. Die Herstellungsdauer für einen CaF2-Einkristall mit einer Höhe von 200 - 400 mm und einem Durchmesser von etwa 250 mm für optische Bauteile beträgt mehrere Wochen.
Nur die genaueste Einhaltung der Temperatur von etwa 1400°C im Bereich der Kristallisationsfront (erlaubte Temperaturschwankungen < 1°C in axialer und < 5°C in radialer Richtung) und eine ausreichende Verweildauer bei dieser Temperatur gewährleisten die Entstehung eines hochhomogenen Einkristalls mit Brechungsindexschwankungen Δn < 1 x 10"6. Störungen der Homogenität zeigen sich auch in einer Spannungs- doppelbrechung, die den Kristall für die gewünschten optischen Zwecke unbrauchbar macht .CaF 2 single crystals are generally produced in a tubular drawing furnace under vacuum at 10 "4 to 10 " 7 mbar by the Stockbarger-Bridgman or the Vertical Gradient Freeze (VGF) process. The crucible filled with the raw material for the crystal is subjected to a temperature gradient along its length in the vertical and (rotationally symmetrical) in the horizontal direction in order to first melt the material and then allow it to solidify at a low temperature gradient. The vertical gradient is intended to ensure an essentially flat crystallization front. There is usually a seed crystal on the bottom of the crucible. The temperature is lowest there. Crystallization begins at the seed crystal when the temperature of the CaF melt falls below the melting point. According to Stockbarger-Bridgman, the crucible is moved mechanically by a temperature profile impressed on the drawing furnace, according to the newer VGF method, the temperature profile of a gradient tube furnace is moved electrically (at a speed of about 1 mm / hour) past the stationary crucible. The production time for a CaF 2 single crystal with a height of 200 - 400 mm and a diameter of about 250 mm for optical components is several weeks. Only the most exact observance of the temperature of around 1400 ° C in the area of the crystallization front (permitted temperature fluctuations <1 ° C in the axial and <5 ° C in the radial direction) and a sufficient residence time at this temperature guarantee the formation of a highly homogeneous single crystal with refractive index fluctuations Δn < 1 x 10 "6. Disturbances of the homogeneity also show up in a voltage birefringence, which makes the crystal unusable for the desired optical purposes.
Die aus den CaF2-Einkristallen hergestellten Bauteile - es handelt sich dabei vorwiegend um Linsen, Prismen und optische Fenster - werden zum Beispiel in optischen Geräten für die DUV-Photolithographie wie Stepper und Excimerlaser eingesetzt .The components made from the CaF 2 single crystals - these are mainly lenses, prisms and optical windows - are used, for example, in optical devices for DUV photolithography such as steppers and excimer lasers.
Stepper sind Vorrichtungen, mit denen die Strukturen integrierter Schaltungen optisch auf photolackbeschichtete Halbleiterwafer abgebildet werden. Um die geforderten feinen Strukturen (die Strukturbreiten betragen derzeit um 0,25 μm) abbilden zu können, muß das optische Bauteil eine hohe Homogenität aufweisen,- die Brechzahl bzw. der Brechungsindex muß wie erwähnt über das ganze Bauteil auf Δn < 10"6 konstant sein. Als Lichtquelle werden Excimerlaser mit Wellenlängen von 193 nm oder 157 nm verwendet.Steppers are devices with which the structures of integrated circuits are optically mapped onto photoresist-coated semiconductor wafers. In order to be able to image the required fine structures (the structure widths are currently around 0.25 μm), the optical component must have a high degree of homogeneity - the refractive index or the refractive index, as mentioned, must be constant over the entire component to Δn <10 "6 Excimer lasers with wavelengths of 193 nm or 157 nm are used as the light source.
Um die Belichtungszeiten beim Belichten der photo- lackbeschichteten Halbleiterwafer klein zu halten, ist eine Strahlung hoher Intensität und eine hohe Lichtdurchlässigkeit der optischen Bauteile erforderlich. Kurze Belichtungszeiten bedeuten einen geringeren Zeitaufwand bei der Herstellung der Halbleiterchips und ermöglichen eine hohe Ausnutzung der Anlagen für die Chipherstellung.
Die Durchlässigkeit der CaF2-Einkristalle im DUV- Bereich kann sich auch noch nachträglich verändern. Wenn in den Kristall etwa durch die Bearbeitung mikroskopische Fehler eingebracht werden, verschlechtert sich das Transmissionsverhalten des Kristalls.In order to keep the exposure times when exposing the photoresist-coated semiconductor wafers short, high-intensity radiation and high light transmission of the optical components are required. Short exposure times mean less time is spent in the manufacture of the semiconductor chips and enable the systems for chip production to be used to a high degree. The permeability of the CaF 2 single crystals in the DUV range can also change subsequently. If microscopic errors are introduced into the crystal, for example during processing, the transmission behavior of the crystal deteriorates.
Jede Störung der regulären Kristallstruktur wie Fehlstellen, Versetzungen und Fremdatome im Kristallgitter erhöht auch die Empfindlichkeit gegenüber Strahlenschäden durch harte Strahlung, wie es das intensive UV-Licht von Excimerlasern darstellt. Es entstehen dabei lichtabsorbierende Farbzentren im Kristall, die seine Durchlässigkeit vermindern.Any disturbance in the regular crystal structure such as defects, dislocations and foreign atoms in the crystal lattice also increases the sensitivity to radiation damage caused by hard radiation, as the intense UV light from excimer lasers represents. This creates light-absorbing color centers in the crystal that reduce its permeability.
Fremdatome wie Na, K, Li und Mg können in der Summe bis zu einem Gehalt von 100 ppm in CaF2 vorkommen. Durch besondere Maßnahmen, wie z. B. das Reinigen der Ausgangssubstanzen und/oder die Verwendung von Scavenger bei der Kristallzüchtung, läßt sich der Fremdatomgehalt unter weniger als 1 ppm verringern. Die Herstellung eines CaF2-Einkristalls durchläuft dazu sechs Phasen:Foreign atoms such as Na, K, Li and Mg can occur in total up to a content of 100 ppm in CaF 2 . Through special measures, such as. B. the cleaning of the starting substances and / or the use of scavenger in crystal growth, the impurity content can be reduced to less than 1 ppm. The production of a CaF 2 single crystal goes through six phases:
1. Der Tiegel mit dem CaF2-Rohmaterial wird langsam auf die Desorptionstemperatur des Wassers von etwa 400°C bis 600°C aufgeheizt und einige Zeit bei dieser Temperatur belassen, um das Rohmaterial zu entwässern.1. The crucible with the CaF 2 raw material is slowly heated to the desorption temperature of the water from about 400 ° C to 600 ° C and left at this temperature for some time to dewater the raw material.
2. Anschließend wird die Temperatur innerhalb eines Zeitraums von etwa 20 Stunden auf etwa 1450°C erhöht; in dieser Phase erfolgt die Entfernung des Sauerstoffs aus dem Rohmaterial. Dazu werden dem Rohmaterial Fluoride wie PbF2, SnF2 oder ZnF2 beigemischt, die eine hohe Affinität zu Sauerstoff haben und die mit dem im Rohmaterial enthaltenen Sauerstoff
zum entsprechenden leichtflüchtigen Oxid reagieren. Die nicht verbrauchten beigemischten Fluoride verdampfen bei dieser Temperatur schließlich ebenfalls vollständig. Dieser Vorgang wird Scavenger-Prozeß genannt.2. The temperature is then raised to about 1450 ° C over a period of about 20 hours; in this phase the oxygen is removed from the raw material. For this purpose, fluorides such as PbF 2 , SnF 2 or ZnF 2 are mixed into the raw material, which have a high affinity for oxygen and those with the oxygen contained in the raw material react to the corresponding volatile oxide. The unused fluorides finally also evaporate completely at this temperature. This process is called the scavenger process.
3. Nun erfolgt für etwa eine Woche bei 1450°C ein Verdampfen der Fremdatomverbindungen zusammen mit CaF2, wobei die Gesamtmasse der verdampften Substanzen die Fremdatomfreiheit des Einkristalls bestimmt. Für jede Kristallzuchtanlage gibt es, abhängig vom eingesetzten Rohstoff und vom Aufbau der Anlage, eine Mindestmasse von zu verdampfenden Material, um einen Einkristall mit der geforderten Reinheit zu erhalten.3. The foreign atomic compounds are then evaporated together with CaF 2 for about a week at 1450 ° C., the total mass of the vaporized substances determining the freedom from foreign atoms of the single crystal. For each crystal growing system, depending on the raw material used and the structure of the system, there is a minimum mass of material to be evaporated in order to obtain a single crystal with the required purity.
4. Anschließend läuft in einer etwa zweiwöchigen Phase die eigentliche Kristallzucht ab, während der die Temperatur allmählich auf etwa 1200°C heruntergefahren wird.4. The actual crystal growth then takes place in an approximately two-week phase, during which the temperature is gradually reduced to approximately 1200 ° C.
5. und 6. Der entstandene Kristall wird dann in zwei Stu en auf Raumtemperatur abgekühlt .5. and 6. The resulting crystal is then cooled to room temperature in two hours.
Das Festigkeitsmittel wird dem Rohmaterial vorzugsweise als Fluorid ggf. auch als Oxid zugefügt. Dabei ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, das Mittel in seiner niedrigst auftretenden oxidierten Form bzw. Oxidationsstufe einzusetzen, d. h. z. B. im Falle von Ce oder Yb als 3+ anstatt 4+.The strength agent is preferably added to the raw material as a fluoride and possibly also as an oxide. It is particularly preferred according to the invention to use the agent in its lowest occurring oxidized form or oxidation state, i. H. z. B. in the case of Ce or Yb as 3+ instead of 4+.
Auch eine vergleichsweise hohe Verunreinigung des CaF2-Einkristalls besonders in Form eines hohen Na-Gehalts zwischen etwa 1 und 10 ppm hat dann keinen Einfluß mehr auf die Eigenschaften des Kristalls.
Zum Herstellen von Linsen etc. aus dem Rohkristall werden die Fertigungsschritte Sägen/Schneiden, Schleifen/Läppen und Polieren durchlaufen. Diese Schritte beinhalten starke mechanische Einwirkungen auf das Kristallgefüge des CaF2 mit seiner geringen Bruch- oder Oberflächenergie von ca. 490 mJ/m2. Das CaF2 spaltet bevorzugt entlang der 111- Flächen, die zudem noch identisch mit den Oberflächen der Linsen sind, so daß bei jeder Bearbeitung mechanische Kräfte parallel zu den Oberflächen wirksam werden. So kommt es bei der Bearbeitung der 111-Flächen leicht zum Spalten und somit zum Ausfall des Materials.Even a comparatively high contamination of the CaF 2 single crystal, particularly in the form of a high Na content between about 1 and 10 ppm, then no longer has any influence on the properties of the crystal. The manufacturing steps sawing / cutting, grinding / lapping and polishing are carried out to produce lenses etc. from the raw crystal. These steps involve strong mechanical effects on the crystal structure of the CaF 2 with its low breaking or surface energy of approx. 490 mJ / m 2 . The CaF 2 preferably cleaves along the 111 surfaces, which are also identical to the surfaces of the lenses, so that mechanical forces act parallel to the surfaces during each processing. This means that when the 111 surfaces are machined, they easily split and thus the material fails.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe der Festigkeitsmittel wird nun die Bruchfestigkeit des Kristalls erhöht und zwar üblicherweise um mindestens 4 bzw. 5 %. Meist wird eine Erhöhung der Festigkeit um 5 - 20 %, üblicherweise um 10 - 15 % erzielt.By adding the strength agents according to the invention, the breaking strength of the crystal is now increased, usually by at least 4 or 5%. Usually the strength is increased by 5 - 20%, usually by 10 - 15%.
Die Zunahme der Festigkeit parallel zur 111-Fläche wird wie folgt bestimmt : An Würfeln mit 15 mm Kantenlänge werden die Oberflächen geschliffen und poliert . Die Ober- und die Unterseite des Würfels sind dabei 111-Flächen. Die Würfel werden auf einem Tisch gegen Verrücken fixiert und seitlich solange ein Stempel gegen die obere Hälfte der Seitenfläche verfahren, bis ein Bruch eintritt.The increase in strength parallel to the 111 surface is determined as follows: The surfaces are ground and polished on cubes with an edge length of 15 mm. The top and bottom of the cube are 111 faces. The cubes are fixed on a table to prevent them from moving and laterally a stamp is moved against the upper half of the side surface until a break occurs.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung solcher erfindungsgemäß erhaltenen Einkristalle zur Herstellung von optischen Elementen für die DUV-Lithographie sowie zur Herstellung von mit Photolack beschichteten Wafern und somit zur Herstellung von elektronischen Geräten.
Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung der mittels des erfindungsgemässen Verfahrens und/oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Einkristalle zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, optischen Fenstern sowie optischen Geräten für die DUV-Lithographie insbesondere zur Herstellung von Steppern und Excimerlasern und somit auch zur Herstellung von integrierten Schaltungen sowie elektronischer Geräte wie Computerchips enthaltenden Computern sowie andere elektronische Geräte, welche chipartige integrierte Schaltungen enthalten.The invention also relates to the use of such single crystals obtained according to the invention for the production of optical elements for DUV lithography and for the production of wafers coated with photoresist and thus for the production of electronic devices. The invention therefore also relates to the use of the single crystals obtained by means of the method according to the invention and / or in the device according to the invention for the production of lenses, prisms, light guide rods, optical windows and optical devices for DUV lithography, in particular for the production of steppers and excimer lasers and thus also for the production of integrated circuits and electronic devices such as computers containing computer chips and other electronic devices which contain chip-like integrated circuits.
* * *
* * *