晶體調節溫場結構的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于晶體生長領域，涉及一種采用下降法在真空條件下生長CaF2晶體調節溫場結構的方法及裝置，特別適用于生長直徑大于100_的CaF2晶體。
【背景技術】
[0002]CaF2晶體是一種綜合性能優異的光學材料，其透光范圍寬，可應用于紫外、可見、紅外等波段。在可見波段常利用其色差小的優點制造高檔相機的鏡頭；在紅外波段常用作紅外窗口材料；近些年由于紫外光刻技術的發展，CaF2晶體在紫外波段的應用優勢日益突出，目前高端半導體光刻設備均采用紫外級CaF2晶體作為其主鏡頭材料，目前世界上半導體工業用193nm紫外光刻設備中的主鏡頭都是由紫外級的CaF2晶體材料加工而成的。
[0003]目前通常采用下降法在真空中生長CaF2晶體，由于CaF2晶體在紫外領域的應用不斷拓展，尤其是紫外光刻設備的應用，使得市場對CaF2晶體質量的要求越來越高，尺寸越來越大，通常用于193nm紫外光刻機主鏡頭的CaF2晶體材料，直徑為100— 220毫米，厚度30一50毫米的CaF2晶體毛還,要求其雙折射小于lnm/cm,吸收系數小于lxlOE-4/cm,并且內部缺陷少，能夠在193nm波長的紫外光照射下穩定工作。
[0004]在CaF2晶體生長的過程中，理想的溫場結構為坩堝內的溫度梯度沿著晶體生長方向均勻分布，當溫場為這種結構時，固液界面呈現向上微凸的平滑球面或平面，在這種情況下生長的晶體質量最好，而通過合適方法調節溫場結構可使得固液界面呈現微凸的平滑球面或者平面是晶體生長成功的關鍵。
[0005]為了能夠生長出大尺寸高質量的紫外級CaF2晶體，上海光機所周國清等發明了名為“大面積晶體的溫梯法生長裝置”(中國專利公開號:CN2637505)，以及名為“大面積晶體的溫梯法生長裝置及其生長晶體的方法”(中國專利公開號:CN1485467)，這兩項發明的核心技術為采用雙加熱系統來獲得合適的溫度梯度。其特征是采用分別控制溫度的兩個發熱體加熱系統，在晶體生長過程中通過不斷調整兩個加熱器的功率達到對固液界面處溫度梯度的控制，獲得理想的向上微凸界面，最終獲得大尺寸的CaF2晶體。由于該發明增加了一套發熱系統以及相應的溫度控制系統，使得設備過于復雜，影響了在實際應用中的使用效果。另外該兩項發明涉及的輔助發熱體具有的溫場調節功能有限，輔助發熱體的作用可使過于向上凸起的固液界面變得平整和微凸，卻無法使凹的固液界面變成平或者向上微凸的固液界面，這是該兩項發明的局限性。
[0006]美國Optoscint, Inc.公司的Pandelisev K A.發明了大尺寸CaF2平板爐生長技術(美國專利公開號:US6334899 BI)，該技術的特征為采用截面為長方形坩堝水平方向生長晶體，該技術的優點是固液界面處的結晶潛熱非常容易擴散出去，有利于獲得平面或微凸的平滑固液界面，有利于生長出質量更好的大體積CaF2晶體。但該技術還沒有解決坩堝在水平狀態下是如何被支撐的，以及是否會因為支撐改變溫場結構的問題，同時還存在水平狀態下長方形截面坩堝的溫場穩定性等諸多問題，所以說該發明涉及的水平生長爐以及相關技術還沒有成熟。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提出一種調節坩堝中固液界面處溫場結構的方法以及實現這一方法的技術方案。所要解決的關鍵問題是固液界面處溫場結構的可調節性，這是關系到CaF2晶體生長成敗的最關鍵問題之一。固液界面處溫場結構決定了熔體中固液界面的形狀，熔體中固液界面的法線方向即為該處溫度梯度的方向，當溫場結構為溫度梯度沿著晶體軸向，即晶體生長的方向均勻分布時，固液界面呈現向上微凸的平滑球面或平面形狀，只有在這種情況下生長的晶體具有最小的內應力和最少的缺陷。
[0008]當所生長的CaF2晶體直徑大于100毫米時，晶體熔體中固液界面處溫場的控制變得非常困難，目前生產中所采用的Bridgman法生長出大尺寸單晶的成功率很低，即使成功生長出大單晶，內部應力和缺陷也很多。這就使大尺寸CaF2晶體價格居高不下，限制了大尺寸CaF2晶體進一步取得廣泛的應用。
[0009]在晶體生長過程中，無論是采用籽晶還是自發成核生長單晶，熔體中固液界面相對于發熱體和保溫結構的位置總是在不斷地改變，所處的溫場結構也是實時變化的。傳統的Bridgman法中，在晶體生長過程的初期，由于坩堝與水冷下降桿距離較近，帶走熱量的速度快，導致在晶體生長初期階段固液界面呈向上凸起的形狀，隨著晶體生長過程的進行，坩堝不斷向下移動，固液界面的形狀也由向上凸起的形狀向平面變化，并隨著時間的推移進一步向凹面變化。固液界面呈向下的凹面生長晶體時，將直接影響所生長晶體的缺陷濃度和熱應力等指標，使晶體質量變差。本發明就是通過調整固液界面處的溫場結構，在整個晶體生長過程中使固液界面始終保持平滑向上微凸形狀或者平面，可以有效地減小晶體內應力，減少晶體內部的缺陷，提聞晶體的質量。
[0010]本發明的工作原理與技術方案:
為了增加晶體生長過程中固液界面5處溫場的可控制性，使坩堝3中的固液界面5保持微向上凸起的平滑平面，為此本發明采用一種可調節溫場結構的裝置，該裝置由連接于坩堝3底部的石墨下降桿7和位于該石墨桿中可上下移動的水冷不銹鋼桿8組成。石墨下降桿7下部連接于水冷下拉傳動機構11，水冷下拉傳動機構11通過外密封膠圈9伸到爐夕卜，并連接于速度獨立控制的石墨下降桿升降機構16 ;水冷不銹鋼桿8也由速度獨立控制的水冷桿升降機構15來移動，石墨下降桿7和水冷不銹鋼桿8各自按照預先設定的速度移動。其中石墨下降桿7向下移動，將坩堝3從熱區移向冷區，實現晶體6的長大；水冷不銹鋼桿8對于石墨下降桿7作向上的相對運動。水冷桿升降機構15的速度由測量水冷桿位移光柵尺13實施精密測量，并傳至電機速度控制電路，石墨下降桿升降機構16的速度由測量石墨下降桿位移光柵尺14實施精密測量，并傳至電機速度控制電路。
[0011]隨著晶體6的不斷長大，熔體4和晶體6之間的固液界面5距離坩堝3底部越來越遠，固液界面5處產生的結晶潛熱通過坩堝3底部釋放的路徑越來越長，這就導致晶體6生長初期微凸起的固液界面5逐漸變平，甚至變成凹面的形狀。本發明就是在晶體6逐漸長大的過程中，通過不斷調整石墨下降桿7和水冷不銹鋼桿8的相對位置，來調節坩堝3通過石墨下降桿7帶走熱量的速度，這種調節作用改變了坩堝3內的溫場結構，直接影響到固液界面5的形狀。其結果是可使坩堝3中固液界面5處的溫場結構得到調整和控制。使固液界面5保持理想的形狀，逐漸加大通過坩堝3底部釋放結晶潛熱的速率，使固液界面5保持平面或者向上微凸的形狀，可以有效地減少晶體內部缺陷，生長出高質量的晶體。
[0012]本發明效果:
在晶體生長過程中，固液界面5和坩堝3之間的相對位置隨著晶體生長過程的進行而改變，同時固液界面5處的溫場結構也隨之而變化，在傳統的下降法中，隨著晶體生長過程的進行，坩堝3中固液界面5距離下降桿越來越遠，下降桿帶走熱量的速率慢慢下降，難以保障結晶潛熱順利釋放出去。本發明在晶體生長的過程中，通過水冷不銹鋼桿8不斷向坩堝3底部靠近，使通過石墨下降桿7來自坩堝3的熱量加速向外傳遞，調節了固液界面5處的溫場結構，使固液界面5保持平界面或者向上微凸界面，這種界面條件下生長出的晶體，具有較小的晶體內應力，較少的內部缺陷，較高的晶體質量。
[0013]采用本發明的裝置，用下降法在真空條件下生長出直徑220毫米的CaF2晶體，高度180毫米的CaF2晶體，采用紫外級CaF2原料，CaF2原料純度為4N，所生長的CaF2晶體為完整單晶，檢測結果雙折射小于4nm/cm，吸收系數小于l*10E_4/cm，并且經過腐蝕解理面檢測晶體內部缺陷，位錯密度小于1Vcm2，通過精密退火，應力雙折射小于lnm/cm，可以滿足紫外波段的使用需要。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明生長CaF2晶體調節溫場結構裝置的簡圖【具體實施方式】:
為了增加晶體生長過程中固液界面處溫場的可調節性，使坩堝中的固液界面保持平面或者微凸的平滑面，本發明提出一種可調節溫場結構的裝置，裝置的結構如圖1所示。圖中I是發熱體，為高純石墨材質，通過石墨電阻來加熱；2是坩堝蓋，由高純石墨制成；3是坩堝，由高純石墨制成；4是CaF2熔體；5是固液界面，為晶體生長過程中所生長的固態晶體和熔體之間的界面；6是晶體，在生長過程中不斷長大；7是石墨下降桿，高純石墨材質制成；8是不銹鋼水冷桿；9是外密封膠圈，用來保證爐內的真空度；10是爐殼底盤；11是水冷下拉傳動機構，用來移動石墨下降桿7 ;12是內密封膠圈,用于水冷下拉傳動機構11和不銹鋼水冷桿8之間的密封，用來保持爐內的真空度；13是水冷桿位移光柵尺，用來測量不銹鋼水冷桿8的位移；14是石墨下降桿位移光柵尺，用來測量石墨下降桿7的位移；15是水冷桿升降機構，用來帶動不銹鋼水冷桿8運動；16是下降桿升降機構，通過傳動機構11帶動不銹鋼下降桿8運動。
[0015]晶體原料裝在坩堝3中，當密封的爐體抽真空到預定的真空度后，開始給發熱體I送電，開始按照預定的速率升溫，當升溫至原料的熔點后，恒溫一定時間使原料完全融化，然后開始生長晶體，有籽晶的情況下按照籽晶的方向晶體逐漸長大，在沒有籽晶的情況下，熔體4靠近坩堝3底部椎體尖端的部分率先結晶，并按照自然淘汰的法則，具有最快生長速度方向的小晶體首先長大，并占據了進一步向上發展的空間，使其他方向的自發成核小晶體無法長大，具有最快生長速度方向的晶體不斷長大，形成晶體6。在晶體生長的初期階段，①坩堝3的底部椎體距離石墨下降桿7很近；②這時由于固液界面5處于椎體中，面積較小，結晶潛熱釋放較少；③坩堝3的底部距離發熱體I較遠，上述3個因素將導致固液界面5呈現向上凸起的形狀，晶體6不斷長大，隨著時間的推移，固液界面5距離坩堝3的底部越來越遠，固液界面5處產生的結晶潛熱通過坩堝3底部釋放的路徑越來越長，坩堝3內固液界面5沿著底部椎體的截面積越來越大，這時調節水冷桿8對石墨下降桿7作相對向上的移動