JP3797643B2

JP3797643B2 - 結晶作製装置

Info

Publication number: JP3797643B2
Application number: JP32746798A
Authority: JP
Inventors: 光陽雨宮
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2018-11-02
Also published as: JP2000137101A

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。
Ｌ≧ｒ _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Ｔ_A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Ｔ_A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Ｔ_B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、Ｑ_i（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、
Ｑ_i＝（Ｊ_a・Ｓ_a・Ｆ_a-i−Ｊ_i・Ｓ_i・Ｆ_i-a）
＋（Ｊ_b・Ｓ_b・Ｆ_b-i−Ｊ_i・Ｓ_i・Ｆ_i-b）
で表わせる。但し、Ｓ_iは面ｉの面積、Ｆ_i-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、Ｆ_a-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
Ｓ_i・Ｆ_i-a＝Ｓ_a・Ｆ_a-i （式２）
の関係がある。Ｊ_i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】
Ｊ_i＝ε_i・Ｅ_i＋（１・ε_i）Ｇ_i （式３）
但し、ε_iは射出率で、Ｅ_iは黒体射出量でＥ_i＝σ・Ｔ_i ⁴で与えられる。σはシュテファンボルツマン定数、Ｔ_iは面ｉの絶対温度である。更に、Ｇ_i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。Ｆ_a-5＝Ｆ_5-a＝Ｆ_b-4＝Ｆ_4-b＝Ｆ_b-3＝Ｆ_3-b＝０なので、１式は次のようになる。
【００３１】

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】

Ｆ_a-1＋Ｆ_a-2＋Ｆ_a-3＝１かつＦ_b-1＋Ｆ_b-2＋Ｆ_b-5＝１、Ｓ_a＝Ｓ_b、Ｓ_a・Ｆ_a-1＝Ｓ₁・Ｆ_1-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Ｆ_a-1とＦ_a-2がＦ_a-3やＦ_a-4に比べて十分小さいので、ΔＦ_a-1＝ΔＦ_a-2＝０として、次に示す式５が得られる。
（ΔＪ_a＋ΔＪ_b＝［（Ｊ₃−Ｊ_a）ΔＦ_a-3＋（Ｊ₄−Ｊ_a）・ΔＦ_a-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、ΔＦ_a-3＝−ΔＦ_a-4と仮定することにより、次に示す式６が求まる。
【００３３】
（ΔＪ_a＋ΔＪ_b）＝（Ｊ₄−Ｊ₃）・ΔＦ_a-4 （式６）
ここで、Ｊ_i＝ε_i・Ｅ_i＋（１−ε_i）・Ｇ_i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ε_i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ε_i＝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）・ΔＦ_a-4
ΔＦ_a-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】
Ｔ₄＞Ｔ₃なので、式７はるつぼとヒーターとの間の形態係数Ｆ_a-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、
ΔＦ_a-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ｒ_c、ヒーターの半径ｒ_hとすると、ヒーターの一部αとるつぼの形態係数Ｆ_aは、以下の式で表わせる。
【００３７】
Ｆ_a（Ｘ，Ｙ）＝Ｆ_a'（Ｘ，Ｙ）＋Ｆ_a'（∞，Ｙ）（式９）
但し、Ｘ、Ｙ、Ｆ_a'（Ｘ，Ｙ）は以下に示す通りである。
【００３８】

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Ｆ_a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ｒ_cの比Ｘを、縦軸に形態係数Ｆ_a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、Ｆ_a（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、Ｆ_a＝０．７７のＸ（＝Ｌ／ｒ_c）は０．３なので、よって、Ｌ＝０．３・ｒ_c＝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≧ｒ_c・（Ｃ₂・ΔＴ²＋Ｃ₁・ΔＴ＋Ｃ₀）・（ｒ_h／ｒ_c−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ｒ_c、ｒ_h）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（Ｃ_p）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Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯなどのセラミックが使用できる。
【００６７】
【表１】

【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（Ｃ_p）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ｒ_c、ヒーターの内側の半径をｒ_h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、ｒ_c＝１００ｍｍ、ｒ_h＝１２０ｍｍの場合、ｒ_h／ｒ_c＝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。

Claims

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≧ｒ_c・（Ｃ₂・ΔＴ²＋Ｃ₁・ΔＴ＋Ｃ₀）・（ｒ_h／ｒ_c−１）
（但し、Ｃ₂＝０．００４、Ｃ₁＝−０．１６６、Ｃ₀＝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）
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。
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。
前記補助原料が、Ａｌ₂Ｏ₃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。
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。
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５に記載の結晶作製装置。