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JP3797643B2 - Crystal production equipment - Google Patents
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JP3797643B2 - Crystal production equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶作製装置に係る。より詳細には、るつぼに入れた原料の固液界面の位置と、固液界面に対して垂直方向の温度勾配とを一定に保つことの可能な結晶作製装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体の高集積化が進むにつれ、半導体の製造工程で用いる半導体焼き付け装置には、さらなる高解像力が要求されている。この要求に応えるため、半導体焼き付け装置は、KrF線(248nm)、ArF線(193nm)等の波長の短いエキシマレーザーを光源として使用するようになってきた。これに伴い、従来から使用されている非晶質の光学材は193nmの光を透過させることができないため、非晶質の光学材に代わる材料として蛍石(CaF2)が期待されるようになった。また、高解像力を達成するために、蛍石にも大口径の単結晶が光学材として要求されるようになっている。
【0003】
従来、蛍石等の単結晶光学材は、るつぼ降下法(ブリッジマン法)で製造されている。その典型的な結晶作製装置としては、例えば米国特許2,214,976に記載されている装置(図8)が挙げられる。
【0004】
図8に示す構成の装置では、上下の2つのヒーター1a、1bが取り付けてあり、これらは独立に制御される。そして、熱電対2aがヒーター1aの上部に取り付けられ、その温度が一定となるようにヒーターの入力が制御されていた。このような構成により、結晶製造装置の環境(例えば、温度や電圧)が変化しても一定の温度を保てるようになっている。また図8の装置は、チャンバー14とチャンバー内壁に取り付けられた断熱材15、さらにその内側に配置されたグラファイト製のヒーター1a、1bから構成されており、チャンバー14を突き抜ける形でるつぼ支持棒8が設置され、るつぼを支えている。
【0005】
以下では、図8の装置を用いて結晶を作製する方法について説明する。
【0006】
最初、蛍石の原料4であるCaF2をるつぼ3に入れ、ヒーター1aで囲まれた場所に設置する。次いで、原料4の融点(蛍石では約1360℃)を超える温度まで、るつぼ3に対してヒーター1aと2aから熱を加えることによって、原料4を溶融状態とする。
【0007】
図9に示した曲線aは、原料4が溶融状態になったときのヒーターの温度分布を示す。図9において、縦軸はチャンバー内の位置であり、横軸はヒーターの温度である。図9から、図8の装置はヒーター1aの下方の端部αで急激に温度が減少するような構造を有することが分かる。従って、図8の装置では、その近辺で結晶の凝固点がくるようにさらに、適当な温度勾配をもつようにヒーター1aと2aの投入電力が調整されている。
【0008】
また、図8の装置では、チャンバー14の内部は真空ポンプ(不図示)によって10-5Torr〜10-6Torr程度の真空に保たれている。るつぼ3を約数mm/時の低速で降下させる(回転を伴う場合もある)ことで結晶成長が行われる。るつぼ3は、徐々にヒーター1aで囲まれた空間から抜け出し、るつぼ3の下方から冷却される。これに伴って、溶融状態にあった原料4の結晶化は温度の低い底部から始まり、固体と液体の境界である結晶の成長点である固液界面が融液の最上部に達した時に結晶化は終了する。
【0009】
上述した装置は、作製する結晶の大きさがあまり大きく無く、例えば結晶の太さが数十ミリ程度の場合、原料を入れたるつぼが下方に移動してもヒーターの温度分布はほとんど変化がないので問題がなかった。
【0010】
しかしながら、大口径の結晶を得ようとしてるつぼの直径を大きくすると、るつぼ及びその中に入っている原料の熱容量がヒーターの熱容量より大きくなってしまう。そのため、るつぼが下降してくると、ヒーターへの投入電力が一定でもるつぼの位置によって、ヒーターの温度分布が変化してしまうことが分かった。
【0011】
また、結晶の成長速度は、固液界面付近の垂直方向の温度勾配(dT/dy)に依存するため、るつぼの位置によって固液界面の位置と結晶の成長速度が変わってしまうことになり、安定した結晶成長は望めないことが明らかとなった。
【0012】
さらに、特定の位置の温度を熱電対で測定しヒーターの投入電力を制御しようとしても、るつぼの移動に伴う温度変化なのか結晶製造装置の環境(温度や電圧)変化によるものなのか要因を分離することができなかった。従って、ヒーターへの投入電力へフィードバックかけることは困難であり、むしろ測定された温度と無関係にヒーターへの投入電力を一定に保つ方が、温度が安定できるという結果を生んでいた。
【0013】
例えば、図10に示す装置では、るつぼが上方にあった場合、図11の実線aで示した温度分布が得られる。しかし、るつぼが下降してくると図11の実線bで示した温度分布に変化し、結晶の成長点である固液界面が移動してしまうことが分かった。また、熱電対2aで測定した温度が一定となるようにをヒーターの投入電力を制御しても、温度分布が変化してしまうため、固液界面の位置を一定に保つことはできないことが明らかとなった。たとえ、固液界面付近の温度を測定しその温度が変化しないように投入電力を制御しても、垂直方向の温度勾配(dT/dy)を一定に保つことは困難であった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、るつぼに入れた原料の固液界面の位置と、固液界面に対して垂直方向の温度勾配とを一定に保つことの可能な結晶作製装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶作製装置は、原料を入れたるつぼと、該るつぼを取り囲む様に配置されたヒーターとを備え、該るつぼを該ヒーターに対して引き下げることによって、該原料を該るつぼの下方から冷却し結晶を作製する装置において、前記るつぼに入れた原料の固液界面に相当する温度の位置より下方のるつぼの長さLが、次式を満たすことを特徴とする結晶作製装置である。
c ・(C 2 ・ΔT 2 +C 1 ・ΔT+C 0 )・(r h /r c −1)
(但し、C 2 =0.004、C 1 =−0.166、C 0 =2.22で、r c はるつぼの半径、r h はヒーターの半径、ΔTはヒーターの温度変化の許容値である)
【0016】
上記構成によれば、るつぼの移動開始前後で、ヒーターとるつぼに入れた原料の固液界面との位置関係が変わらないので、るつぼに入れた原料の固液界面の位置と、固液界面に対して垂直方向の温度勾配とを一定に保つことが可能になる。その結果、屈折率の均質性に優れた大口径の単結晶光学材を製造するのに好適な結晶作製装置が得られる。
【0017】
本発明に係る装置は、以下に示す本発明者の研究・開発から生まれた。
図10に示す従来の装置を用い、るつぼの移動に伴う、位置A及びBのヒーターの温度変化を調べた。
【0018】
図12はその温度変化を示すグラフであり、横軸はるつぼの移動距離、縦軸は温度である。図12から、次の点が明らかとなった。
【0019】
(1)るつぼの底部より低い位置Aのヒーターの温度TAは、るつぼの移動に伴い、急激に温度が上昇することが分かった。るつぼが移動開始以前は、位置Aのヒーターがるつぼ側面と面していなっかたため、ヒーターがるつぼ底面や断熱材と熱交換を行ない熱平衡に達していた。しかし、るつぼが下方へ移動し位置Aのヒーターの内側にるつぼが下降するとヒーターの温度TAが上昇することが分かった。これは、るつぼの温度が断熱材の温度より高くこれと熱交換をするヒーターの温度が上昇するためと考えた。
【0020】
(2)これに対して、るつぼの底より高い位置Bのヒーターの温度TBは、るつぼの移動開始以前から、ヒーターとるつぼが面しているために、るつぼの移動にともなう温度変化は小さいことが分かった。
【0021】
上記(1)、(2)の結果から、温度変化に伴う固液界面の移動を防ぐためには、位置Bの付近に固液界面がくるようにヒーターの温度を制御する方法が望ましいと考えた。しかしながら、この方法によれば、固液界面付近の温度変化は小さくなるが、るつぼの最下部が固液界面より下方にあるので、るつぼの最下部は結晶の成長の開始点と成りえない。したがって、るつぼの最下部を結晶の成長の開始点とするためには、少なくとも底の温度を融点より高くなるように、ヒーターの温度を制御する必要があることが判明した。
【0022】
そこで、本発明者は、るつぼの移動に伴ってヒーターの温度が変化しないようにするために、るつぼの移動開始前後でヒーターとるつぼの位置関係が変わらないようにする構成を検討した。この考え方に基づき、本発明者は上述した本発明の装置を考案した。このような構成の装置は、例えば図10の装置において、るつぼの下に補助るつぼを設置し、るつぼ移動以前に位置Aのヒーターが補助るつぼと面する構成によって達成される。
【0023】
さらに、補助るつぼの構造について検討した結果を以下に述べる。
図13、図14を参考にしながら、るつぼが移動してもヒーターの温度が変化しないるつぼ構造を求める。
【0024】
図13は、るつぼとヒーターとの位置関係を示す模式図である。固液界面の位置近辺のヒーターの一部αが、るつぼの底からLの高さにある状態を示している。もし、るつぼが上方に無限に大きく、更にLも無限に大きければ、るつぼが下方に移動して破線の位置にきても、ヒーターの一部αと熱のやりとりをするるつぼの位置関係は変化しない。その場合、るつぼが移動してもヒーターの温度が変化しない。
【0025】
しかし、Lの増加に伴って、炉が大きくなりすぎる他、熱が逃げにくくなるなどの欠点がでてきた。更に、従来はるつぼ内部の原料を十分溶かす必要があることから、固液界面に相当する温度に達しているヒーターの位置が、るつぼの底より低い(L<0)もしくは、Lがかなり小さい(L≒0)状態になっていた。
【0026】
本発明の基本的な構造は、事実上、るつぼが下方に移動して、ヒーターの一部αと熱のやりとりをするるつぼの位置関係が変化しない条件を求めることにある。まず、ヒーターの一部αと周囲の面とのエネルギーのやり取りを考える。
【0027】
図14は、るつぼ及びヒーターからなるチャンバーの模式的な断面図であり、ヒーターと周囲の壁との熱収支を説明する図面である。図14において、ヒーターの一部分α(内側の面A、外側の面B)は、斜線で示された面、即ち面1(天井)と面2(チャンバー底)、面3(るつぼ下の断熱材)、面4(るつぼ側壁)、面5(チャンバー内壁)とふく射によって熱交換をしている。更に、ヒーターの一部分αとヒーターの他の部分の間で、熱交換を行なっているが、面1〜5との熱交換量に比べて小さい上、るつぼの移動に伴う熱交換量の変化が小さいので、無視する。実際、るつぼとヒーターの距離は、ヒーターの半径に比べて小さく、ヒーターの一部から他のヒーター面からほとんど見込めない関係であり、これは妥当な仮定である。熱平衡に達しているとすると、次の方程式が成立する。
【0028】
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 (式1)
ここで、Qはヒーターの一部αの単位時間の当たり発熱量で、Qi(i=1〜5)は、面Aまたは面Bと面iとの正味の熱の交換量であり、
i=(Ja・Sa・Fa-i−Ji・Si・Fi-a
+(Jb・Sb・Fb-i−Ji・Si・Fi-b
で表わせる。但し、Siは面iの面積、Fi-aは形態係数で面iを発するエネルギーで面aに達するエネルギーの割合で、Fa-iは面aを発するエネルギーで面iに達するエネルギーの割合を示す。
【0029】
また、面積Sと形態係数Fとの間には
i・Fi-a=Sa・Fa-i (式2)
の関係がある。Jiは射度で、単位時間・単位面積当たりに表面iから発する全ふく射エネルギーであって、更に、EとG、εによって次の関係がある。
【0030】
i=εi・Ei+(1・εi)Gi (式3)
但し、εiは射出率で、Eiは黒体射出量でEi=σ・Ti 4で与えられる。σはシュテファンボルツマン定数、Tiは面iの絶対温度である。更に、Giは入射量で、単位時間・単位面積当たりに表面iに入射する全ふく射エネルギーである。Fa-5=F5-a=Fb-4=F4-b=Fb-3=F3-b=0なので、1式は次のようになる。
【0031】

Figure 0003797643
るつぼが下方向に移動した場合、ヒーター以外の温度は変化しないとして式4の両辺を全微分する。
【0032】
Figure 0003797643
a-1+Fa-2+Fa-3=1かつFb-1+Fb-2+Fb-5=1、Sa=Sb、Sa・Fa-1=S1・F1-a等を代入する。その際、実際の形状はるつぼとヒーターの距離がヒーターの半径に比べて十分小さく、またFa-1とFa-2がFa-3やFa-4に比べて十分小さいので、ΔFa-1=ΔFa-2=0として、次に示す式5が得られる。
(ΔJa+ΔJb=[(J3−Ja)ΔFa-3+(J4−Ja)・ΔFa-4)](式5)
また、面Aに関しては面3(断熱材の表面)を見込む立体角が減った分だけ、面4(るつぼの側面)を見込む立体角が増加するので、ΔFa-3=−ΔFa-4と仮定することにより、次に示す式6が求まる。
【0033】
(ΔJa+ΔJb)=(J4−J3)・ΔFa-4 (式6)
ここで、Ji=εi・Ei+(1−εi)・Giであり、第2項は周囲の面から入射したエネルギーを反射する項である。反射された光線が再び周囲の面を照射するために、JとGを求めるには周囲の詳細な形状を求める必要があり複雑になってしまう。幸い射出率εiはカーボンで概ね0.8であるので、式を簡単化するためにεi=1とする。更に、ヒーターの温度は両面とも等しくT0とすると、次に示す式7が得られる。
【0034】
8・T0 3・ΔT=(T4 4−T3 4)・ΔFa-4
ΔFa-4=(8・T0 3/(T4 4−T3 4))・ΔT (式7)
但し、T3,T4は各々面3(るつぼ下の断熱材)と面4(るつぼの側壁)の温度とする。
【0035】
4>T3なので、式7はるつぼとヒーターとの間の形態係数Fa-4が増加すればヒーターの温度Tが上昇することを示している。T0=T4=1700K、T3=1500Kとし、温度変化の許容量ΔTを5Kとすると、
ΔFa-4<0.06 (式8)
となる。したがって、るつぼが下降してもヒーターの温度を一定に保つ条件は、ヒーターとるつぼとの間の形態係数が0.06以下しか変化しないるつぼ構造ということになる。
【0036】
次に、図13を参考しながら、るつぼとヒーターの半径から、実際のるつぼ構造を求める。図13に示す様に、ヒーターの一部αより下方にLだけ長いるつぼを考える。ヒーターの一部αより上方のるつぼの大きさは十分長いとして、るつぼが移動しても上方のるつぼの形態係数の変化は無いものとする。るつぼの半径rc、ヒーターの半径rhとすると、ヒーターの一部αとるつぼの形態係数Faは、以下の式で表わせる。
【0037】
a(X,Y)=Fa'(X,Y)+Fa'(∞,Y) (式9)
但し、X、Y、Fa'(X,Y)は以下に示す通りである。
【0038】
Figure 0003797643
である。図15は、ヒーターの一部αの内側の面aとるつぼ全体との間の形態係数Faを示すグラフである。るつぼの半径とヒーターの半径との比Yが1.20の場合、例えば、各々の半径が100mmと120mmの構造の形態係数を示すものである。横軸にLとるつぼの半径rcの比Xを、縦軸に形態係数Faをとった。
【0039】
るつぼが十分下降した(L=∞)場合の形態係数として図15のX=1.0の形態係数0.83を使用し、更に、式8からるつぼの下降開始時で、Fa(X,1.20)=0.83−0.06=0.77以上の1を選べば、温度変化ΔTを5K以下にすることが可能となる。図15から、Fa=0.77のX(=L/rc)は0.3なので、よって、L=0.3・rc=30mmが求められる。
【0040】
同様に、種々のヒーターの半径に対して、ヒーターの温度変化ΔTを5K,10K,15K以下にすることができるLを求めたものを図16のグラフに実線で示す。これらのグラフを1次近似する。
【0041】
X=const(ΔT)・(Y−1)
さらに、const(ΔT)を複数のΔTに対して求めて、最小2乗近似し式10を使ってX,Yを書き直すとヒーターの温度変化をΔT以下にする条件式12が得られる。
【0042】
L≧rc・(C2・ΔT2+C1・ΔT+C0)・(rh/rc−1)(式12)
但し、C2=0.004、C1=−0.166、C0=2.22である。
【0043】
式12を使用して、得られるXの値を図16中に、×印で示した。式12は、るつぼとヒーターの半径(それぞれrc、rh)と許容される温度変動値ΔTから、固液界面より下方のるつぼの大きさの最低値を決定するのものである。温度の変動値ΔTは、できた結晶の性質の均一性から決定される。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係る結晶作製装置の実施の形態について詳述する。なお、第1〜7の実施の形態には装置の基本構成例を示す。
【0045】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態を図1に示す。図1は本発明に係る結晶作製装置の模式的な断面図であり、炉内が第1の領域(高温領域)と第2の領域(低温領域)に分けられ、それぞれ独立したヒーターによって温度が制御がされている炉において、本発明を適応した一例を示す断面図である。
【0046】
図1において、1aと1bはそれぞれは第1と第2のヒーター、2aと2bはそれぞれ第1と第2の熱電対、3は本るつぼであり、本るつぼの底が結晶成長の開始点となる。4は本るつぼ内に入れられた原料であるCaF2、5aと5bはそれぞれ第1と第2の電源、6aと6bはそれぞれ第1と第2の温度測定器、7は電源制御系である。8はるつぼ支持棒、9はるつぼ下断熱材、10は補助るつぼ、11は補助原料であるCaF2、14はチャンバー、15は断熱材である。
【0047】
チャンバー14は、その内部が減圧できる真空チャンバーであり、ステンレス等の金属で作製されており、不図示の真空ポンプに接続されチャンバー内は10-5Torrから10-6Torrの真空度に減圧される。
【0048】
断熱材15は、真空チャンバー14の内壁に取り付けられ、チャンバー内の熱が外部に逃げないようにするために用いた。
【0049】
ヒーター1aと1bは、カーボン等で構成され、それぞれ5aと5bの電源を通して通電することで発熱する。そして、発生した熱はヒーター内に配置されたるつぼ3に輻射によって供給される。
【0050】
るつぼ3は、作製する結晶の原料4と反応しないカーボン等の物質からなっており、るつぼ3内には原料4であるCaF2が入っている。そして、るつぼ3の下には、補助原料9が入っている補助るつぼ10が配置されている。補助原料11はCaF2であるが、るつぼ3と補助るつぼ10の間は隔壁で完全に仕切られているため、補助原料11が本るつぼ3の種結晶となることはない。したがって、本るつぼ3の最下部が本るつぼ3における結晶の成長開始点となる。さらに、補助るつぼ10の下には、るつぼを支える支持棒8が取り付けられている。支持棒8は不図示の昇降機構に取り付けられ、この昇降機構を駆動することによってるつぼ3は上下動される。
【0051】
熱電対2aは、本るつぼ3の低部付近の温度が測定されるように、ヒーター1aに取り付けらている。熱電対2bは、本るつぼ3の底と補助るつぼ10の底の間もしくは補助るつぼ10の底部付近の温度が測定されるように、ヒーター1bに取付けられている。
【0052】
ヒーター1aは、電源5aから電力が供給される。また、熱電対2aの電圧信号は測定器6aによって温度信号に変換され制御系7に送られる。そして、制御系7は電源5aを制御し、ヒーター1aへの投入電力を制御する役割を担っている。同様に、ヒーター1bは、電源5bによって電力を供給される。また、熱電対2bの電圧信号は測定器6bによって温度信号に変換され制御系7に送られる。そして、制御系7は電源5bを制御し、ヒーター1bへの投入電力を制御する。
【0053】
以下では、図1に示した構成からなる装置の動作について、結晶の作製手順に従って説明する。
【0054】
(1)初め熱電対2aの温度Taが結晶の融点の上、即ちCaF2の融点1360℃より高い温度になるように、ヒーター1aへの入力が制御される。熱電対2bの温度Tbが結晶の融点の下、即ちCaF2の融点1360℃より低い設定になるように、ヒーター1bへの入力が制御される。
【0055】
(2)ヒーターからの熱を受けて本るつぼ3は暖められ、やがて本るつぼ3内の原料4はCaF2の融点に達し溶けはじめ、ついには本るつぼ3内の原料4は完全に融解する。
【0056】
(3)さらに、補助るつぼ10内の補助原料11のCaF2の一部も融解する。この状態で、十分時間が経過し融液が安定するまで放置される。補助るつぼ10の最下部はCaF2の融点より低い温度に設定されているために、補助るつぼ10内の補助原料11のCaF2は時間が十分経過しても補助るつぼ10の底まで完全に融解することはない。
【0057】
(4)融液が安定したら、徐々にるつぼを引き下げはじめる。
その際、補助るつぼ10の内部の補助原料11は完全に融けていないので、結晶成長開始点が複数できる可能性があり、単結晶のできる可能性は低い。また、結晶成長の開始点である本るつぼ3の下部と補助るつぼ10の上部は仕切られているので、補助るつぼ10の結晶性が本るつぼ3の結晶性に影響を及ぼすことはない。
【0058】
次に、温度変動に関して考察する。固液界面付近である位置Aのヒーターの温度は、本るつぼ3が引き下げられてもほとんど変動しない。何故ならば、位置Aのヒーター1aは本るつぼ3の移動開始以前から本るつぼ3と面しており、本るつぼ3が引き下げられても、本るつぼ3と位置Aのヒーター1aとの位置関係は変わらないからである。しかし、初め本るつぼ3が内側になかった位置Cのヒーター1bの温度は、本るつぼ3が下降するにしたがって急激に上昇する。しかし、位置Cの温度は融点より十分低く位置も固液界面から十分離れているので、位置Cの温度変動が、固液界面付近の位置Aにあるヒーター1aの温度に影響を及ぼす可能性は小さい。
【0059】
また、上述したように固液界面付近の温度は本るつぼ3の位置に依存しないので、固液界面の上下に設けられた熱電対2aと2bの出力の変動は、結晶作製装置の環境の変化によるものと考えてよい。従って、熱電対2aと2bの出力が一定になるように、制御系7によって電源5aと5bを制御し、ヒーター1aと1bへの投入電力を制御することによって、さらに本るつぼ3の温度を一定に保てるので、結晶作製装置の環境が変化しても安定した結晶の成長が可能となる。
【0060】
ゆえに、本発明に係る装置では、るつぼが移動しても固液界面付近の位置および温度勾配は変動しない、言い換えれば、るつぼの移動に伴い、るつぼに入れた原料の固液界面付近を、ヒーター側から見た立体角が変わらないので、安定した結晶の作製が可能となる。さらに、熱電対の出力を一定に保つことにより結晶作製装置の環境の影響をも排除することが可能となる。
【0061】
(第2の実施の形態)
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る結晶作製装置の要部、すなわち図1における本るつぼ3、補助るつぼ10及びこれらに付属する部分のみを示した模式的な断面図である。図2の装置は、成長させる結晶の方位を制御するために、本るつぼの下部に種結晶を入れるための本るつぼの直径より細い円筒形の部分を設けた点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0062】
図2の装置では、本るつぼ3の下部に本るつぼ3の直径より細い円筒形の部分20を設ける。そして、円筒形の部分20の周囲、すなわち本るつぼ3の下部に、補助るつぼ10を取り付け、補助るつぼ10の内部には、補助原料11を入れる。
【0063】
本るつぼ3において結晶を成長する際に用いる種結晶は、所望の方位の結晶が成長できるように円筒形の部分20内に入れる。そして、円筒形の部分20の上部の温度は原料4の融点より高く、円筒形の部分20の下部の温度は原料4の融点より低くなるように、ヒーター(不図示)のパワーを制御系(不図示)で調整する。このような温度制御によって、円筒形の部分20の内部の種結晶は上部が溶け下部が結晶の状態となる。
【0064】
このような状態に種結晶をしてから、第1の実施の形態と同様に、本るつぼ3を引き下げることによって結晶の成長が開始される。本るつぼ3における固液界面に対応する温度領域は補助るつぼ10の内部にあるので、本るつぼ3が移動しても固液界面付近の位置および温度勾配は変動しない。さらに、円筒形の部分20の内部の種結晶の下部は溶けていないので、種結晶と融液の界面を成長の開始点として結晶が成長する。従って、図2の装置では、所望の方位の結晶が安定して得られる。
【0065】
上述した実施の形態では、補助るつぼ10内にいれる補助原料11としてCaF2を用いたが、補助原料11は、必ずしもCaF2である必要は無く、熱容量(Cp)と密度(ρ)との積及び熱伝導率(λ)がCaF2と同等の材料であればよい。
【0066】
従って、補助原料11としては、表1に示すようなAl23やMgOなどのセラミックが使用できる。
【0067】
【表1】
Figure 0003797643
【0068】
さらに、本るつぼ3の引き下げ速度が十分小さい場合には、熱容量(Cp)と密度(ρ)との積のみCaF2と同等な物質を、補助原料11として用いても構わない。
【0069】
(第3の実施の形態)
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る結晶作製装置の要部、すなわち図1における本るつぼ3、補助るつぼ10及びこれらに付属する部分のみを示した模式的な断面図である。図3の装置は、原料4としてCaF2の融点より高温の融点をもつ材料を補助材料11として使用した点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0070】
この場合には、本るつぼ3の位置に関係無くヒーターの熱流出量を等しくするために、図3に示す様にヒーター(不図示)と向かい合う面は本るつぼ3の輻射率と同じ材料で覆う必要があるが、下部は補助原料11が剥きだしでもよい。
【0071】
(第4の実施の形態)
図4は、本発明の第4の実施の形態に係る結晶作製装置の要部、すなわち図1における本るつぼ3、補助るつぼ10及びこれらに付属する部分のみを示した模式的な断面図である。図4の装置は、補助原料11の形状の簡単化を図った点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0072】
図4に示す様に、本るつぼ3の底を平面(図4)にすることによって、本るつぼ3及び補助るつぼ10の作製が容易な結晶作製装置が得られる。このように、本発明は、本るつぼ3の形状に依存せず様々な形状のるつぼに適応できる技術である。
【0073】
(第5の実施の形態)
図5は、本発明の第5の実施の形態に係る結晶作製装置の要部、すなわち図1における本るつぼ3、補助るつぼ10及びこれらに付属する部分のみを示した模式的な断面図である。図5の装置は、本るつぼ3を複数の領域に分かれているディスク型るつぼとした点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。図5において、12はダミーるつぼであり、この領域で成長した結晶が、上の領域の結晶の種となる構造である。実施例1と同様にダミーるつぼ12の下部に補助るつぼ10が取り付けられ、補助るつぼ10の上部と底部との間に補助原料11の融点がくるようにヒーターへの投入電力が調整されている。このような構成のるつぼにも、本発明は十分に適用できる。
【0074】
(第6の実施の形態)
図6は、本発明の第6の実施の形態に係る結晶作製装置の要部、すなわち図1における本るつぼ3、補助るつぼ10及びこれらに付属する部分のみを示した模式的な断面図である。図6の装置は、本るつぼ3を複数の領域に分かれているディスク型るつぼとし、さらに本るつぼ3で成長させる結晶の方位を制御するために、ダミーるつぼの代わりに本るつぼ3の底に円筒形の部分20を取り付けた点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0075】
図6の装置では、所望の方位の結晶が成長できるように円筒形の部分20内に種結晶を入れる。ここで、円筒形の部分20の上部の温度が融点より高く、円筒形の部分20の下部の温度が融点より低くなるように、ヒーター(不図示)のパワーを制御して用いる。
【0076】
(第7の実施の形態)
図7は、本発明の第7の実施の形態に係る結晶作製装置の模式的な断面図である。図7の装置は、ヒーターが分割されておらず一つの構造体である点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0077】
図7の装置では、ヒーター1aの最も低い位置より、補助るつぼ10の底が低くなるようにヒーター1aとるつぼ3及び補助るつぼ10との相対的な位置関係を設定した。この状態において、ヒーター1aの最低部の温度が原料4の融点より低く、かつ、本るつぼ3の最低部の温度が原料4の融点より高くなるように、ヒーターの投入電力を制御する。このような構成により、るつぼ3が引き下げられても、ヒーター1aの全ての点は本るつぼ3の引き下げ前から、本るつぼ3もしくは補助るつぼ10と面しているために、ヒーター1aの温度分布は変化しない。よって、上述した本発明の作用が得られる。
【0078】
(第8の実施の形態)
図17は、本発明の第8の実施の形態に係る結晶作製装置の模式的な断面図である。図17の装置は、補助るつぼの代わりに、るつぼ3の底が厚い即ち結晶の成長点であるCとるつぼ3の底との距離を大きく取ることで、固液界面近辺の温度変化を小さくした点が図1の装置と異なっている。他の点は、図1の装置と同様とした。
【0079】
図17の装置では、るつぼ3の外周の半径をrc、ヒーターの内側の半径をrhとし、るつぼ3の大きさと設置位置を決める。温度が融点であるヒーターの位置をA、位置Aとるつぼの底の高さの差をLとする。るつぼ3が下降しても位置Aの温度上昇ΔTが5K以下の変動にするには、式12からLを求めればよい。例えば、rc=100mm、rh=120mmの場合、rh/rc=1.2となるので、
L≧0.3・100mm=30mm
となる。
【0080】
よって、るつぼの底の厚さは30mm以上例えば40mmとして、位置Aとるつぼ3の底の距離Lが30mmとなるようにるつぼ3の位置とヒーターの温度が調節され、原料をいれたるつぼ3が設置されて原料が溶かされる。結晶成長の開始点Cは位置Aより高い位置にあるので、結晶成長の開始点でも原料は溶ける。るつぼ内の原料が十分溶かされ安定した後、るつぼが徐々に引き下げられる。そして、融点の位置Aに結晶成長の開始点Cが達したとき、結晶成長が開始される。るつぼが下降してきても、位置Aの温度変動は5K程度しか変動しないので、固液界面の位置は変化せず安定した結晶成長が可能となる。
【0081】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る結晶作製装置は、るつぼの移動に伴い、該るつぼに入れた原料の固液界面付近を、ヒーター側から見た立体角が変わらないので、るつぼの移動開始前後で、ヒーターとるつぼに入れた原料の固液界面との位置関係を所定の位置関係に保持することができる。
【0082】
従って、るつぼに入れた原料の固液界面の位置と、固液界面に対して垂直方向の温度勾配とを一定に保つことが可能な結晶作製装置が得られる。
【0083】
上記装置を用いることにより、屈折率の均質性に優れた大口径の単結晶光学材を安定して製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る結晶作製装置の模式的な断面図である。
【図2】第2の実施の形態に係る結晶作製装置の要部を示した模式的な断面図である。
【図3】第3の実施の形態に係る結晶作製装置の要部を示した模式的な断面図である。
【図4】第4の実施の形態に係る結晶作製装置の要部を示した模式的な断面図である。
【図5】第5の実施の形態に係る結晶作製装置の要部を示した模式的な断面図である。
【図6】第6の実施の形態に係る結晶作製装置の要部を示した模式的な断面図である。
【図7】第7の実施の形態に係る結晶作製装置の模式的な断面図である。
【図8】従来の結晶作製装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図9】図8の装置において、原料が溶融状態になったときのヒーターの温度分布を示すグラフである。
【図10】従来の結晶作製装置の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図11】図10の装置において、るつぼが上方にあった場合の温度分布(実線a)と、るつぼが下降してきた場合の温度分布(実線b)とを示すグラフである。
【図12】図10の装置において、るつぼの移動に伴う、位置A及びBのヒーターの温度変化を示すグラフである。
【図13】るつぼとヒーターとの位置関係を示す模式図である。
【図14】るつぼ及びヒーターからなるチャンバの模式的な断面図であり、ヒーターと周囲の壁との熱収支を説明する図面である。
【図15】るつぼの構造に対する形態係数を示すグラフである。
【図16】炉の構造とヒーターの温度変化との関係を示すグラフである。
【図17】第8の実施の形態に係る結晶作製装置の模式的な断面図である。
【符号の説明】
1a、1b ヒーター、
2a、2b 熱電対、
3 本るつぼ、
4 原料、
5a、5b 電源、
6a、6b 温度測定器、
7 電源制御系、
8 つぼ支持棒、
9 るつぼ下断熱材、
10 補助るつぼ、
11 補助原料、
12 ダミーるつぼ、
14 チャンバー、
15 断熱材、
20 円筒形の部分。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystal manufacturing apparatus. More specifically, the present invention relates to a crystal manufacturing apparatus capable of keeping a position of a solid-liquid interface of a raw material put in a crucible and a temperature gradient in a direction perpendicular to the solid-liquid interface constant.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as the integration of semiconductors progresses, semiconductor printing apparatuses used in the semiconductor manufacturing process are required to have higher resolution. In order to meet this requirement, semiconductor baking apparatuses have come to use excimer lasers with short wavelengths such as KrF lines (248 nm) and ArF lines (193 nm) as light sources. Along with this, since the amorphous optical material used conventionally cannot transmit 193 nm light, fluorite (CaF) can be used as an alternative to the amorphous optical material.2) Came to be expected. In addition, in order to achieve a high resolving power, a single crystal having a large diameter is also required for fluorite as an optical material.
[0003]
Conventionally, single crystal optical materials such as fluorite have been manufactured by the crucible descent method (Bridgeman method). As a typical crystal production apparatus, for example, an apparatus described in US Pat. No. 2,214,976 (FIG. 8) can be cited.
[0004]
In the apparatus having the configuration shown in FIG. 8, two upper and lower heaters 1a and 1b are attached, and these are controlled independently. And the thermocouple 2a was attached to the upper part of the heater 1a, and the input of the heater was controlled so that the temperature became constant. With such a configuration, a constant temperature can be maintained even if the environment (for example, temperature or voltage) of the crystal manufacturing apparatus changes. The apparatus shown in FIG. 8 includes a chamber 14, a heat insulating material 15 attached to the inner wall of the chamber, and graphite heaters 1 a and 1 b disposed inside the chamber 14, and the crucible support rod 8 that penetrates the chamber 14. Is installed to support the crucible.
[0005]
Hereinafter, a method for manufacturing a crystal using the apparatus of FIG. 8 will be described.
[0006]
First, CaF which is raw material 4 of fluorite2Is put in the crucible 3 and installed in a place surrounded by the heater 1a. Next, the raw material 4 is brought into a molten state by applying heat from the heaters 1 a and 2 a to the crucible 3 to a temperature exceeding the melting point of the raw material 4 (about 1360 ° C. in fluorite).
[0007]
A curve a shown in FIG. 9 shows a temperature distribution of the heater when the raw material 4 is in a molten state. In FIG. 9, the vertical axis represents the position in the chamber, and the horizontal axis represents the heater temperature. From FIG. 9, it can be seen that the apparatus of FIG. 8 has a structure in which the temperature rapidly decreases at the lower end α of the heater 1a. Therefore, in the apparatus shown in FIG. 8, the input powers of the heaters 1a and 2a are adjusted so that the freezing point of the crystal comes near that point and has an appropriate temperature gradient.
[0008]
In the apparatus of FIG. 8, the inside of the chamber 14 is 10 by a vacuum pump (not shown).-FiveTorr to 10-6A vacuum of about Torr is maintained. Crystal growth is performed by lowering the crucible 3 at a low speed of about several mm / hour (sometimes accompanied by rotation). The crucible 3 gradually escapes from the space surrounded by the heater 1 a and is cooled from below the crucible 3. Along with this, the crystallization of the raw material 4 in a molten state starts from the bottom of the low temperature, and is crystallized when the solid-liquid interface that is the growth point of the crystal that is the boundary between the solid and the liquid reaches the top of the melt. The conversion ends.
[0009]
In the above-described apparatus, the size of the crystal to be produced is not so large. For example, when the thickness of the crystal is about several tens of millimeters, the temperature distribution of the heater hardly changes even if the crucible containing the raw material moves downward. So there was no problem.
[0010]
However, if the diameter of the crucible is increased to obtain a large-diameter crystal, the heat capacity of the crucible and the raw material contained therein becomes larger than the heat capacity of the heater. For this reason, it was found that when the crucible descends, the temperature distribution of the heater changes depending on the position of the crucible even if the input power to the heater is constant.
[0011]
In addition, since the crystal growth rate depends on the vertical temperature gradient (dT / dy) near the solid-liquid interface, the position of the solid-liquid interface and the crystal growth rate change depending on the position of the crucible. It became clear that stable crystal growth could not be expected.
[0012]
Furthermore, even if the temperature at a specific position is measured with a thermocouple to control the input power of the heater, the factor of whether the temperature changes due to the movement of the crucible or the environment (temperature and voltage) of the crystal manufacturing equipment is separated. I couldn't. Therefore, it is difficult to apply feedback to the input power to the heater. Rather, keeping the input power to the heater constant irrespective of the measured temperature has resulted in a stable temperature.
[0013]
For example, in the apparatus shown in FIG. 10, when the crucible is above, the temperature distribution indicated by the solid line a in FIG. 11 is obtained. However, it was found that when the crucible descends, the temperature distribution changes to the solid line b in FIG. 11 and the solid-liquid interface that is the crystal growth point moves. In addition, even if the heater power is controlled so that the temperature measured by the thermocouple 2a is constant, the temperature distribution changes, so it is clear that the position of the solid-liquid interface cannot be kept constant. It became. Even if the temperature near the solid-liquid interface is measured and the input power is controlled so that the temperature does not change, it is difficult to keep the temperature gradient (dT / dy) in the vertical direction constant.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a crystal production apparatus capable of keeping a position of a solid-liquid interface of a raw material placed in a crucible and a temperature gradient in a direction perpendicular to the solid-liquid interface constant.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The crystal production apparatus of the present invention comprises:In an apparatus for producing a crystal by providing a crucible containing a raw material and a heater arranged so as to surround the crucible, and cooling the raw material from below the crucible by lowering the crucible with respect to the heater. The crucible length L below the temperature corresponding to the solid-liquid interface of the raw material placed in the crucible satisfies the following formula.
Lr c ・ (C 2 ・ ΔT 2 + C 1 ・ ΔT + C 0 ) ・ (R h / R c -1)
(However, C 2 = 0.004, C 1 = -0.166, C 0 = 2.22 and r c Crucible radius, r h Is the heater radius and ΔT is the allowable temperature change of the heater)
[0016]
According to the above configuration, since the positional relationship with the solid-liquid interface of the raw material placed in the heater crucible does not change before and after the start of the movement of the crucible, the position of the solid-liquid interface of the raw material placed in the crucible and the solid-liquid interface On the other hand, the temperature gradient in the vertical direction can be kept constant. As a result, a crystal production apparatus suitable for producing a large-diameter single crystal optical material excellent in refractive index homogeneity can be obtained.
[0017]
The apparatus according to the present invention was born from the following research and development by the present inventors.
Using the conventional apparatus shown in FIG. 10, the temperature change of the heaters at positions A and B accompanying the movement of the crucible was examined.
[0018]
FIG. 12 is a graph showing the temperature change, where the horizontal axis represents the moving distance of the crucible and the vertical axis represents the temperature. The following points became clear from FIG.
[0019]
(1) Temperature T of the heater at position A lower than the bottom of the crucibleAIt was found that the temperature rapidly increased as the crucible moved. Before the movement of the crucible, the heater at position A did not face the side of the crucible, and the heater exchanged heat with the bottom of the crucible and the heat insulating material to reach thermal equilibrium. However, when the crucible moves downward and the crucible descends inside the heater at position A, the heater temperature TAWas found to rise. This was considered because the temperature of the crucible was higher than the temperature of the heat insulating material and the temperature of the heater exchanging heat with the crucible increased.
[0020]
(2) On the other hand, the temperature T of the heater at position B higher than the bottom of the crucibleBFrom the beginning of the crucible movement, it was found that the temperature change with the movement of the crucible was small because the heater crucible was facing.
[0021]
From the results of (1) and (2) above, in order to prevent the movement of the solid-liquid interface accompanying the temperature change, the method of controlling the temperature of the heater so that the solid-liquid interface comes near the position B is considered desirable. . However, according to this method, the temperature change in the vicinity of the solid-liquid interface is reduced, but since the lowermost part of the crucible is below the solid-liquid interface, the lowermost part of the crucible cannot serve as a starting point for crystal growth. Accordingly, it has been found that in order to set the lowest part of the crucible as the starting point of crystal growth, it is necessary to control the temperature of the heater so that at least the bottom temperature is higher than the melting point.
[0022]
Therefore, the present inventor has studied a configuration in which the positional relationship between the heater and the crucible does not change before and after the crucible starts moving so that the temperature of the heater does not change with the movement of the crucible. Based on this idea, the present inventor has devised the apparatus of the present invention described above. For example, in the apparatus of FIG. 10, an auxiliary crucible is installed under the crucible, and the heater at position A faces the auxiliary crucible before the crucible is moved.
[0023]
Furthermore, the results of studying the structure of the auxiliary crucible are described below.
Referring to FIGS. 13 and 14, a crucible structure is obtained in which the temperature of the heater does not change even if the crucible moves.
[0024]
FIG. 13 is a schematic diagram showing the positional relationship between the crucible and the heater. A part α of the heater in the vicinity of the position of the solid-liquid interface shows a state at a height L from the bottom of the crucible. If the crucible is infinitely large upward and L is also infinitely large, even if the crucible moves downward and reaches the position of the broken line, the positional relationship of the crucible that exchanges heat with part of the heater α changes. do not do. In that case, even if the crucible moves, the temperature of the heater does not change.
[0025]
However, with the increase in L, there are drawbacks such as the furnace becoming too large and heat becoming difficult to escape. Furthermore, since it is necessary to sufficiently dissolve the raw material in the crucible conventionally, the position of the heater that has reached the temperature corresponding to the solid-liquid interface is lower than the bottom of the crucible (L <0) or L is considerably small ( L≈0) state.
[0026]
The basic structure of the present invention is to obtain a condition in which the crucible moves practically downward and the positional relationship of the crucible for exchanging heat with a part α of the heater does not change. First, consider the exchange of energy between part α of the heater and the surrounding surface.
[0027]
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a chamber composed of a crucible and a heater, and is a view for explaining a heat balance between the heater and a surrounding wall. In FIG. 14, a part α (inner surface A, outer surface B) of the heater is a hatched surface, that is, surface 1 (ceiling) and surface 2 (chamber bottom), surface 3 (insulation material under the crucible). ), Surface 4 (crucible side wall), surface 5 (chamber inner wall) and heat exchange by radiation. Furthermore, the heat exchange is performed between the part α of the heater and the other part of the heater, but the heat exchange amount with the faces 1 to 5 is small, and the change in the heat exchange amount due to the movement of the crucible is small. Ignore it because it is small. In fact, the distance between the crucible and the heater is small compared to the radius of the heater, and is a relation that is hardly expected from one part of the heater to the other, and this is a reasonable assumption. Assuming that thermal equilibrium is reached, the following equation holds:
[0028]
Q = Q1+ Q2+ QThree+ QFour+ QFive          (Formula 1)
Here, Q is a calorific value per unit time of a part α of the heater, and Qi(I = 1 to 5) is the amount of net heat exchange between surface A or surface B and surface i,
Qi= (Ja・ Sa・ Fai-Ji・ Si・ Fia)
+ (Jb・ Sb・ Fbi-Ji・ Si・ Fib)
It can be expressed as However, SiIs the area of surface i, FiaIs the ratio of the energy to reach the surface a with the energy that generates the surface i with the form factor, FaiIndicates the proportion of energy that reaches the surface i with the energy emitted from the surface a.
[0029]
In addition, between the area S and the form factor F
Si・ Fia= Sa・ Fai               (Formula 2)
There is a relationship. JiIs the emissivity, and is the total radiation energy emitted from the surface i per unit time and unit area. Further, E, G, and ε have the following relationship.
[0030]
Ji= Εi・ Ei+ (1 · εi) Gi        (Formula 3)
Where εiIs the injection rate, EiIs the black body injection amount Ei= Σ · Ti FourGiven in. σ is the Stefan-Boltzmann constant, TiIs the absolute temperature of surface i. Furthermore, GiIs the amount of incident light, and is the total radiation energy incident on the surface i per unit time and unit area. Fa-5= F5-a= Fb-4= F4-b= Fb-3= F3-bSince = 0, the formula 1 is as follows.
[0031]
Figure 0003797643
When the crucible moves downward, both sides of Equation 4 are fully differentiated assuming that the temperature other than the heater does not change.
[0032]
Figure 0003797643
Fa-1+ Fa-2+ Fa-3= 1 and Fb-1+ Fb-2+ Fb-5= 1, Sa= Sb, Sa・ Fa-1= S1・ F1-aAnd so on. At that time, the actual shape is such that the distance between the crucible and the heater is sufficiently smaller than the radius of the heater, and Fa-1And Fa-2Is Fa-3Or Fa-4ΔF because it is sufficiently small compared toa-1= ΔFa-2Assuming = 0, the following formula 5 is obtained.
(ΔJa+ ΔJb= [(JThree-Ja) ΔFa-3+ (JFour-Ja) ・ ΔFa-4]] (Formula 5)
In addition, with respect to the surface A, the solid angle for which the surface 4 (side surface of the crucible) is expected to increase by the amount of the solid angle for which the surface 3 (surface of the heat insulating material) is expected to decrease.a-3= -ΔFa-4As a result, Equation 6 shown below is obtained.
[0033]
(ΔJa+ ΔJb) = (JFour-JThree) ・ ΔFa-4      (Formula 6)
Where Ji= Εi・ Ei+ (1-εi) ・ GiThe second term is a term that reflects the energy incident from the surrounding surface. Since the reflected light beam irradiates the surrounding surface again, it is necessary to obtain the detailed shape of the surrounding area to obtain J and G, which is complicated. Fortunately, the injection rate εiIs approximately 0.8 for carbon, so to simplify the equation εi= 1. Furthermore, the temperature of the heater is the same on both sides.0Then, the following Expression 7 is obtained.
[0034]
8.T0 ThreeΔT = (TFour Four-TThree Four) ・ ΔFa-4
ΔFa-4= (8 ・ T0 Three/ (TFour Four-TThree Four)) ・ ΔT (Formula 7)
However, TThree, TFourAre the temperatures of surface 3 (insulating material under the crucible) and surface 4 (side wall of the crucible), respectively.
[0035]
TFour> TThreeTherefore, Equation 7 is a form factor F between the crucible and the heater.a-4It shows that the temperature T of the heater rises if the value increases. T0= TFour= 1700K, TThree= 1500K, and the allowable temperature change ΔT is 5K,
ΔFa-4<0.06 (Formula 8)
It becomes. Accordingly, the condition for keeping the heater temperature constant even when the crucible is lowered is a crucible structure in which the shape factor between the heater and the crucible changes only by 0.06 or less.
[0036]
Next, referring to FIG. 13, the actual crucible structure is obtained from the radius of the crucible and the heater. As shown in FIG. 13, consider a crucible having a length L below a part α of the heater. It is assumed that the size of the crucible above the part α of the heater is sufficiently long and that the shape factor of the upper crucible does not change even if the crucible moves. Crucible radius rc, Heater radius rhThen, form factor F of crucible part α of heateraCan be expressed by the following equation.
[0037]
Fa(X, Y) = Fa'(X, Y) + Fa'(∞, Y) (Formula 9)
However, X, Y, Fa'(X, Y) is as follows.
[0038]
Figure 0003797643
It is. FIG. 15 shows a form factor F between the inner surface a of the heater part α and the entire crucible.aIt is a graph which shows. When the ratio Y between the radius of the crucible and the radius of the heater is 1.20, for example, it indicates the form factor of a structure in which each radius is 100 mm and 120 mm. Radius r of L crucible on the horizontal axiscThe ratio X ofaI took.
[0039]
As the form factor when the crucible is sufficiently lowered (L = ∞), the form factor 0.83 of X = 1.0 in FIG. 15 is used.aIf 1 of (X, 1.20) = 0.83−0.06 = 0.77 is selected, the temperature change ΔT can be made 5K or less. From FIG.a= 0.77 X (= L / rc) Is 0.3, so L = 0.3 · rc= 30 mm is required.
[0040]
Similarly, the solid line in the graph of FIG. 16 shows L obtained for various heater radii so that the temperature change ΔT of the heater can be 5K, 10K, or 15K or less. These graphs are approximated by first order.
[0041]
X = const (ΔT) · (Y−1)
Furthermore, when const (ΔT) is obtained for a plurality of ΔTs, and approximated to the least squares and X and Y are rewritten using Equation 10, Conditional Equation 12 that makes the heater temperature change equal to or less than ΔT is obtained.
[0042]
L ≧ rc・ (C2・ ΔT2+ C1・ ΔT + C0) ・ (Rh/ Rc-1) (Formula 12)
However, C2= 0.004, C1= -0.166, C0= 2.22.
[0043]
Using Equation 12, the value of X obtained is shown in FIG. Equation 12 shows the radius of the crucible and the heater (rc, Rh) And the allowable temperature fluctuation value ΔT, the minimum value of the size of the crucible below the solid-liquid interface is determined. The temperature fluctuation value ΔT is determined from the uniformity of the properties of the resulting crystal.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the crystal manufacturing apparatus according to the present invention will be described in detail.The first to seventh embodiments show examples of the basic configuration of the apparatus.
[0045]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a crystal production apparatus according to the present invention, in which a furnace is divided into a first region (high temperature region) and a second region (low temperature region), and the temperature is controlled by independent heaters. It is sectional drawing which shows an example which applied this invention in the furnace currently controlled.
[0046]
In FIG. 1, 1a and 1b are first and second heaters, 2a and 2b are first and second thermocouples, respectively, 3 is a main crucible, and the bottom of the main crucible is the starting point of crystal growth. Become. 4 is CaF which is the raw material put in this crucible25a and 5b are first and second power sources, 6a and 6b are first and second temperature measuring devices, and 7 is a power control system. 8 is a crucible support rod, 9 is a crucible lower heat insulating material, 10 is an auxiliary crucible, and 11 is an auxiliary material, CaF.2, 14 is a chamber, and 15 is a heat insulating material.
[0047]
The chamber 14 is a vacuum chamber whose inside can be depressurized, and is made of metal such as stainless steel. The chamber 14 is connected to a vacuum pump (not shown) and has 10 chambers.-Five10 from Torr-6The pressure is reduced to a vacuum level of Torr.
[0048]
The heat insulating material 15 was attached to the inner wall of the vacuum chamber 14 and used to prevent the heat in the chamber from escaping to the outside.
[0049]
The heaters 1a and 1b are made of carbon or the like, and generate heat when energized through the power sources 5a and 5b, respectively. The generated heat is supplied by radiation to the crucible 3 arranged in the heater.
[0050]
The crucible 3 is made of a material such as carbon that does not react with the crystal raw material 4 to be produced.2Is included. Under the crucible 3, an auxiliary crucible 10 containing the auxiliary raw material 9 is arranged. Auxiliary material 11 is CaF2However, since the crucible 3 and the auxiliary crucible 10 are completely partitioned by a partition wall, the auxiliary raw material 11 does not become a seed crystal of the main crucible 3. Therefore, the lowest part of the main crucible 3 is a crystal growth start point in the main crucible 3. Further, a support bar 8 that supports the crucible is attached below the auxiliary crucible 10. The support bar 8 is attached to an elevating mechanism (not shown), and the crucible 3 is moved up and down by driving the elevating mechanism.
[0051]
The thermocouple 2a is attached to the heater 1a so that the temperature near the lower part of the crucible 3 is measured. The thermocouple 2b is attached to the heater 1b so that the temperature between the bottom of the main crucible 3 and the bottom of the auxiliary crucible 10 or near the bottom of the auxiliary crucible 10 is measured.
[0052]
The heater 1a is supplied with electric power from the power source 5a. The voltage signal of the thermocouple 2a is converted into a temperature signal by the measuring instrument 6a and sent to the control system 7. The control system 7 controls the power source 5a and plays a role of controlling the input power to the heater 1a. Similarly, the heater 1b is supplied with power by the power source 5b. The voltage signal of the thermocouple 2b is converted into a temperature signal by the measuring instrument 6b and sent to the control system 7. The control system 7 controls the power source 5b and controls the input power to the heater 1b.
[0053]
In the following, the operation of the apparatus having the configuration shown in FIG. 1 will be described in accordance with the crystal production procedure.
[0054]
(1) Initially, the temperature Ta of the thermocouple 2a is above the melting point of the crystal, that is, CaF.2The input to the heater 1a is controlled to be higher than the melting point of 1360 ° C. The temperature Tb of the thermocouple 2b is below the melting point of the crystal, that is, CaF2The input to the heater 1b is controlled to be lower than the melting point of 1360 ° C.
[0055]
(2) The main crucible 3 is warmed by receiving heat from the heater, and eventually the raw material 4 in the main crucible 3 is CaF.2At this point, the raw material 4 in the crucible 3 is completely melted.
[0056]
(3) Further, CaF of auxiliary raw material 11 in auxiliary crucible 102A part of it melts. In this state, it is left until a sufficient time has passed and the melt is stabilized. The bottom of the auxiliary crucible 10 is CaF2Since the temperature is lower than the melting point of the auxiliary crucible 10, the auxiliary raw material 11 CaF in the auxiliary crucible 102Does not melt completely to the bottom of the auxiliary crucible 10 even after sufficient time has passed.
[0057]
(4) When the melt is stable, gradually start lowering the crucible.
At this time, since the auxiliary raw material 11 inside the auxiliary crucible 10 is not completely melted, there is a possibility that a plurality of crystal growth start points can be formed, and a possibility that a single crystal can be formed is low. Further, since the lower part of the main crucible 3 and the upper part of the auxiliary crucible 10 which are the starting points of crystal growth are partitioned, the crystallinity of the auxiliary crucible 10 does not affect the crystallinity of the main crucible 3.
[0058]
Next, the temperature variation will be considered. The temperature of the heater at position A near the solid-liquid interface hardly fluctuates even when the crucible 3 is pulled down. This is because the heater 1a at the position A faces the main crucible 3 before the movement of the main crucible 3 starts, and even if the main crucible 3 is pulled down, the positional relationship between the main crucible 3 and the heater 1a at the position A is Because it doesn't change. However, the temperature of the heater 1b at the position C where the main crucible 3 was not initially inside increases rapidly as the main crucible 3 descends. However, since the temperature at the position C is sufficiently lower than the melting point and the position is also sufficiently away from the solid-liquid interface, the temperature fluctuation at the position C may affect the temperature of the heater 1a at the position A near the solid-liquid interface. small.
[0059]
Further, as described above, since the temperature near the solid-liquid interface does not depend on the position of the crucible 3, the fluctuations in the outputs of the thermocouples 2a and 2b provided above and below the solid-liquid interface are caused by changes in the environment of the crystal production apparatus. It can be considered that. Accordingly, the power supply 5a and 5b are controlled by the control system 7 so that the outputs of the thermocouples 2a and 2b are constant, and the power supplied to the heaters 1a and 1b is controlled to further keep the temperature of the main crucible 3 constant. Therefore, stable crystal growth is possible even if the environment of the crystal production apparatus changes.
[0060]
Therefore, in the apparatus according to the present invention, even if the crucible moves, the position and temperature gradient in the vicinity of the solid-liquid interface do not change.In other words, as the crucible moves, the vicinity of the solid-liquid interface of the raw material placed in the crucible is heated. Since the solid angle seen from the side does not change, a stable crystal can be produced. Furthermore, it is possible to eliminate the influence of the environment of the crystal production apparatus by keeping the output of the thermocouple constant.
[0061]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing only the main part of the crystal manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention, that is, only the main crucible 3, the auxiliary crucible 10 and the parts attached thereto. . The apparatus shown in FIG. 2 differs from the apparatus shown in FIG. 1 in that a cylindrical portion thinner than the diameter of the main crucible for containing a seed crystal is provided at the bottom of the main crucible in order to control the orientation of the crystal to be grown. Yes. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0062]
In the apparatus of FIG. 2, a cylindrical portion 20 that is thinner than the diameter of the main crucible 3 is provided at the bottom of the main crucible 3. Then, an auxiliary crucible 10 is attached around the cylindrical portion 20, that is, at the lower part of the main crucible 3, and the auxiliary raw material 11 is placed inside the auxiliary crucible 10.
[0063]
A seed crystal used for growing a crystal in the crucible 3 is placed in the cylindrical portion 20 so that a crystal having a desired orientation can be grown. Then, the power of the heater (not shown) is controlled so that the temperature of the upper part of the cylindrical part 20 is higher than the melting point of the raw material 4 and the temperature of the lower part of the cylindrical part 20 is lower than the melting point of the raw material 4. Adjust with (not shown). By such temperature control, the upper portion of the seed crystal inside the cylindrical portion 20 is melted and the lower portion is in a crystalline state.
[0064]
After the seed crystal is formed in such a state, the growth of the crystal is started by pulling down the crucible 3 as in the first embodiment. Since the temperature region corresponding to the solid-liquid interface in the main crucible 3 is inside the auxiliary crucible 10, the position and temperature gradient in the vicinity of the solid-liquid interface do not change even if the main crucible 3 moves. Furthermore, since the lower part of the seed crystal inside the cylindrical portion 20 is not melted, the crystal grows with the interface between the seed crystal and the melt as the starting point of growth. Therefore, in the apparatus of FIG. 2, a crystal having a desired orientation can be stably obtained.
[0065]
In the above-described embodiment, CaF is used as the auxiliary raw material 11 placed in the auxiliary crucible 10.2However, the auxiliary material 11 is not necessarily CaF.2The heat capacity (Cp) And density (ρ) and thermal conductivity (λ) is CaF2As long as the material is the same as that.
[0066]
Therefore, as the auxiliary material 11, Al as shown in Table 1 is used.2OThreeCeramics such as MgO can be used.
[0067]
[Table 1]
Figure 0003797643
[0068]
Further, when the pulling speed of the main crucible 3 is sufficiently small, the heat capacity (Cp) And density (ρ) only CaF2A substance equivalent to the above may be used as the auxiliary material 11.
[0069]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing only the main part of the crystal manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention, that is, only the main crucible 3 and the auxiliary crucible 10 in FIG. . The apparatus of FIG. 3 uses CaF as the raw material 421 is different from the apparatus shown in FIG. 1 in that a material having a melting point higher than the melting point is used as the auxiliary material 11. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0070]
In this case, the surface facing the heater (not shown) is covered with the same material as the radiation rate of the main crucible 3 as shown in FIG. 3 in order to equalize the heat outflow amount of the heater regardless of the position of the main crucible 3. Although it is necessary, the auxiliary material 11 may be exposed at the bottom.
[0071]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing only the main part of the crystal manufacturing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, that is, only the main crucible 3, the auxiliary crucible 10 and the parts attached thereto. . The apparatus in FIG. 4 is different from the apparatus in FIG. 1 in that the shape of the auxiliary raw material 11 is simplified. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0072]
As shown in FIG. 4, by making the bottom of the main crucible 3 flat (FIG. 4), a crystal manufacturing apparatus in which the main crucible 3 and the auxiliary crucible 10 can be easily manufactured can be obtained. Thus, the present invention is a technique that can be applied to crucibles of various shapes without depending on the shape of the crucible 3.
[0073]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing only the main part of the crystal manufacturing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention, that is, only the main crucible 3 and the auxiliary crucible 10 in FIG. . The apparatus shown in FIG. 5 differs from the apparatus shown in FIG. 1 in that the main crucible 3 is a disc-type crucible divided into a plurality of regions. The other points were the same as in the apparatus of FIG. In FIG. 5, reference numeral 12 denotes a dummy crucible having a structure in which a crystal grown in this region becomes a seed of crystals in the upper region. The auxiliary crucible 10 is attached to the lower part of the dummy crucible 12 as in the first embodiment, and the input power to the heater is adjusted so that the melting point of the auxiliary raw material 11 is between the upper part and the bottom part of the auxiliary crucible 10. The present invention can be sufficiently applied to a crucible having such a configuration.
[0074]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the main part of the crystal manufacturing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention, that is, only the main crucible 3, the auxiliary crucible 10 and the parts attached to them in FIG. . The apparatus shown in FIG. 6 uses a disc-type crucible divided into a plurality of regions as the main crucible 3 and a cylinder at the bottom of the main crucible 3 instead of a dummy crucible in order to control the orientation of the crystal grown in the main crucible 3. 1 differs from the apparatus of FIG. 1 in that a shaped portion 20 is attached. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0075]
In the apparatus of FIG. 6, a seed crystal is placed in a cylindrical portion 20 so that a crystal of a desired orientation can be grown. Here, the power of a heater (not shown) is controlled so that the temperature of the upper part of the cylindrical part 20 is higher than the melting point and the temperature of the lower part of the cylindrical part 20 is lower than the melting point.
[0076]
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus according to a seventh embodiment of the present invention. The apparatus of FIG. 7 is different from the apparatus of FIG. 1 in that the heater is not divided and is a single structure. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0077]
In the apparatus of FIG. 7, the relative positional relationship between the heater 1a and the crucible 3 and the auxiliary crucible 10 is set so that the bottom of the auxiliary crucible 10 is lower than the lowest position of the heater 1a. In this state, the input power of the heater is controlled so that the temperature of the lowest part of the heater 1 a is lower than the melting point of the raw material 4 and the temperature of the lowest part of the crucible 3 is higher than the melting point of the raw material 4. With such a configuration, even if the crucible 3 is lowered, all points of the heater 1a face the main crucible 3 or the auxiliary crucible 10 before the main crucible 3 is lowered. It does not change. Therefore, the operation of the present invention described above can be obtained.
[0078]
(Eighth embodiment)
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention. The apparatus of FIG. 17 reduces the temperature change in the vicinity of the solid-liquid interface by increasing the distance from the bottom of the crucible 3 where the bottom of the crucible 3 is thick, that is, the crystal growth point, instead of the auxiliary crucible. This is different from the apparatus of FIG. The other points were the same as in the apparatus of FIG.
[0079]
In the apparatus of FIG. 17, the radius of the outer periphery of the crucible 3 is set to r.c, The radius inside the heater is rhThe size and installation position of the crucible 3 are determined. Let A be the position of the heater whose temperature is the melting point, and L be the difference in the height of the bottom of the crucible at position A. In order to make the temperature rise ΔT at the position A fluctuate 5K or less even when the crucible 3 is lowered, L can be obtained from Equation 12. For example, rc= 100 mm, rh= 120 mm for rh/ Rc= 1.2, so
L ≧ 0.3 ・ 100mm = 30mm
It becomes.
[0080]
Therefore, the thickness of the bottom of the crucible is 30 mm or more, for example, 40 mm, the position of the crucible 3 and the temperature of the heater are adjusted so that the distance L between the bottom of the crucible 3 at position A is 30 mm, and the crucible 3 containing the raw material is It is installed and the raw material is melted. Since the starting point C of crystal growth is higher than the position A, the raw material is melted even at the starting point of crystal growth. After the raw material in the crucible is sufficiently melted and stabilized, the crucible is gradually pulled down. Then, when the crystal growth start point C reaches the melting point A, the crystal growth is started. Even if the crucible descends, the temperature fluctuation at the position A varies only by about 5K, so that the position of the solid-liquid interface does not change and stable crystal growth is possible.
[0081]
【The invention's effect】
As described above, the crystal production apparatus according to the present invention starts moving the crucible because the solid angle seen from the heater side in the vicinity of the solid-liquid interface of the raw material put in the crucible does not change with the movement of the crucible. Before and after, the positional relationship with the solid-liquid interface of the raw material put in the heater and the crucible can be maintained in a predetermined positional relationship.
[0082]
Therefore, it is possible to obtain a crystal manufacturing apparatus capable of keeping constant the position of the solid-liquid interface of the raw material placed in the crucible and the temperature gradient in the direction perpendicular to the solid-liquid interface.
[0083]
By using the above apparatus, it becomes possible to stably manufacture a large-diameter single crystal optical material excellent in refractive index homogeneity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a crystal manufacturing apparatus according to a second embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a crystal manufacturing apparatus according to a third embodiment.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a crystal production apparatus according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a crystal manufacturing apparatus according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a crystal manufacturing apparatus according to a sixth embodiment.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus according to a seventh embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional crystal manufacturing apparatus.
9 is a graph showing the temperature distribution of the heater when the raw material is in a molten state in the apparatus of FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional crystal manufacturing apparatus.
11 is a graph showing a temperature distribution (solid line a) when the crucible is above and a temperature distribution (solid line b) when the crucible is lowered in the apparatus of FIG.
12 is a graph showing the temperature change of the heaters at positions A and B accompanying the movement of the crucible in the apparatus of FIG.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a positional relationship between a crucible and a heater.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a chamber composed of a crucible and a heater, illustrating the heat balance between the heater and the surrounding wall.
FIG. 15 is a graph showing the form factor for the structure of the crucible.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the furnace structure and the temperature change of the heater.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a crystal manufacturing apparatus according to an eighth embodiment.
[Explanation of symbols]
1a, 1b heater,
2a, 2b thermocouple,
3 crucibles,
4 raw materials,
5a, 5b power supply,
6a, 6b Temperature measuring device,
7 Power control system,
8 vase support rods,
9 Insulation material under crucible,
10 auxiliary crucible,
11 auxiliary materials,
12 Dummy crucible,
14 chambers,
15 thermal insulation,
20 Cylindrical part.

Claims (6)

原料を入れたるつぼと、該るつぼを取り囲む様に配置されたヒーターとを備え、該るつぼを該ヒーターに対して引き下げることによって、該原料を該るつぼの下方から冷却し結晶を作製する装置において、前記るつぼに入れた原料の固液界面に相当する温度の位置より下方のるつぼの長さLが、次式を満たすことを特徴とする結晶作製装置。
L≧rc・(C2・ΔT2+C1・ΔT+C0)・(rh/rc−1)
(但し、C2=0.004、C1=−0.166、C0=2.22で、rcはるつぼの半径、rhはヒーターの半径、ΔTはヒーターの温度変化の許容値である)
An apparatus comprising a crucible containing a raw material and a heater arranged so as to surround the crucible, and lowering the crucible with respect to the heater to cool the raw material from below the crucible to produce crystals. A crystal production apparatus, wherein the length L of the crucible below the temperature corresponding to the solid-liquid interface of the raw material put in the crucible satisfies the following formula.
L ≧ r c · (C 2 · ΔT 2 + C 1 · ΔT + C 0 ) · (r h / r c -1)
(Where C 2 = 0.004, C 1 = −0.166, C 0 = 2.22, r c is the crucible radius, r h is the heater radius, and ΔT is the allowable temperature change of the heater. is there)
前記原料を入れたるつぼの下に、該原料と同じ、熱容量と密度との積を有する補助原料を設置し、該補助原料の上部の温度が該原料の融点より高く該補助原料の下部の温度が該原料の融点より低くなるように前記ヒーターへの入力を制御する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の結晶作製装置。 Under the crucible containing the raw material, an auxiliary material having the same product of heat capacity and density as the raw material is installed, and the temperature of the upper part of the auxiliary material is higher than the melting point of the raw material and the temperature of the lower part of the auxiliary material. 2. The crystal manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising means for controlling an input to the heater so that a temperature of the raw material is lower than a melting point of the raw material. 前記補助原料が、MgOであることを特徴とする請求項2に記載の結晶作製装置。 The crystal preparation apparatus according to claim 2, wherein the auxiliary material is MgO. 前記補助原料が、Al23であることを特徴とする請求項2に記載の結晶作製装置。The crystal preparation apparatus according to claim 2, wherein the auxiliary material is Al 2 O 3 . 前記るつぼは、該るつぼの中央に小孔の開いた板によって区切られた複数の領域を有することを特徴とする請求項2に記載の結晶作製装置。 The crystal manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the crucible has a plurality of regions separated by a plate having a small hole in the center of the crucible. 前記るつぼを構成する複数の領域のうち、前記原料を入れた最下部の領域をなす該るつぼの底に、種結晶を入れる小穴が設けられていることを特徴とする請求項に記載の結晶作製装置。6. The crystal according to claim 5 , wherein a small hole for containing a seed crystal is provided at a bottom of the crucible forming a lowermost region containing the raw material among a plurality of regions constituting the crucible. Production device.
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