專利名稱：用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過拉拔法(Czochralski法)拉拔諸如氟化鈣之類的金屬氟化物的單晶拉拔裝置。
背景技術：
諸如氟化鈣、氟化鋇、氟化鎂或氟化鋰的金屬氟化物的單晶在寬范圍內的波長帶上具有高的透射性，并具有低的散射和極佳的化學穩(wěn)定性。
為此原因，這些金屬氟化物的單晶已被廣泛地要求用作光學材料，例如，利用具有一紫外線波長或真空紫外線波長的激光的各種裝置，照相機的透鏡或CVD器件和窗材料。
在金屬氟化物的單晶中，尤其是，氟化鈣單晶有望做成用于在真空紫外線波長區(qū)域內的F2激發(fā)器激光(波長157nm)的凸透鏡，其已發(fā)展成一短波長的光源，在半導體器件的生產(chǎn)中，將在下一代光平版印刷技術中成為主流。
在傳統(tǒng)上，已知這樣的單晶金屬氟化物可通過坩鍋滴落法(Bridgman-Stockbarger法)和拉拔法(Czochralski法)進行制造。
在生長單晶的過程中，拉拔法不受到坩鍋的約束。因此，在晶體上很難產(chǎn)生變形，此外，在生長過程中，由于偏析現(xiàn)象可以減少雜質。因此，拉拔法通常已用于制造諸如鍺單晶的半導體單晶。
在拉拔法中，致使一包括成為目標單晶的晶種在坩鍋中與單晶制造材料的熔融熔液接觸，其后，晶種逐漸地拉出坩鍋的加熱區(qū)域，并因此進行冷卻，由此，生長出在晶種以下的單晶。
為了執(zhí)行這樣的拉拔法，在傳統(tǒng)上，已使用一如圖2所示的單晶拉拔裝置100。
單晶拉拔裝置100包括一構成單晶生長爐的腔室102，而腔室102包括一穿過腔室102的底壁104的可轉動的支承軸106。
支承軸106的下端穿過腔室102的底壁104，并從腔室102伸出，與冷卻器接觸，然后，連接到用來轉動和垂直移動坩鍋110的驅動機構(未示出)。
此外，底板108固定在支承軸106上，而坩鍋110安裝在底板108的上表面上。單晶制造材料的熔融熔液112被充填在坩鍋110內。
一熔化加熱器114從腔室102的底壁104上豎起而包圍坩鍋110。此外，一絕熱壁116從腔室102的底壁104豎起而包圍熔化加熱器114和坩鍋110。
通常地，熔化加熱器114的上端的高度幾乎等于坩鍋110上端的高度。
另一方面，一垂直可移動和轉動的單晶拉拔桿122從腔室102的上壁118通過一開口部分120借助于驅動裝置(未示出)向下懸掛。一晶種124通過一夾持工具123連接到單晶拉拔桿122的末端上，而晶種124設置定位在坩鍋110的中心軸線上。
在具有這樣結構的單晶拉拔裝置100中，單晶拉拔桿122向下朝向單晶制造材料的熔融熔液112中，通過熔化加熱器114的加熱操作，單晶制造材料處于坩鍋110中的熔化狀態(tài)。然后，設置在單晶拉拔桿122的末端上的晶種124的下端面接觸在坩鍋110中的熔融材料的熔液112，此后向上拉拔單晶拉拔桿122，這樣，生長出在晶種124下面的單晶126。
在圖2中，標號128表示設置在腔室頂部的檢查窗。
在傳統(tǒng)的具有這樣一結構的單晶拉拔裝置100中，該結構通常已用于制造具有硅等的相對高的晶體生長速度的單晶，包圍熔化加熱器114和坩鍋110的絕熱壁116的上端，通常設置成的高度略微高于如圖2所示的坩鍋110的上端的高度。
具體地來說，由于晶體生長速度在硅等的單晶中相對較高，所以，坩鍋110的熱量可充分地保持。為了輻射晶化熱，絕熱壁116的上端最好定位成其高度略微高于坩鍋110的上端的高度。
然而，在利用這樣傳統(tǒng)的單晶拉拔裝置100來制造金屬氟化物的單晶的情形中，常存在這樣的問題，在由此拉上的單晶上產(chǎn)生裂縫。
其原因在于，金屬氟化物的單晶的晶體生長速度遠低于硅等的單晶的生長速度。具體來說，包括有定位成其高度略微高于坩鍋110的上端的高度的絕熱壁116的上端的拉拔裝置100，其用于具有如上所述的極其低的晶體生長速度的金屬氟化物的單晶，在這樣的拉拔裝置100的情形中，絕熱壁116不存在于設置在坩鍋110上的單晶拉拔區(qū)域內。其結果，畢竟溫度下降梯度增加，所以，難于穩(wěn)定地和緩慢地生長晶體。
出于此原因，一公開在日本專利公開No.Sho 63(1988)-270385中的單晶拉拔裝置已提出一種拉拔諸如LiTaO3的具有相當?shù)偷木w生長速度的氧化物的單晶的裝置(見該出版物中的第1至2頁和圖2)。
公開在日本專利公開No.Sho 63(1988)-270385中的單晶拉拔裝置200具有如圖3所示的結構。
具體來說，在單晶拉拔裝置200中，底板204設置在爐體底部202上，且一氧化鋁臺206設置在底板204上。一由銥形成的坩鍋210通過坩鍋底板208設置在氧化鋁底板206的上方，且一由銥形成的后加熱器212設置在坩鍋210上。
一溫度保持圓柱214設置來包圍坩鍋210的圓周和形成在坩鍋210上方的單晶拉拔區(qū)域。此外，一氧化鋯泡216設置在溫度保持圓柱214和坩鍋210之間。一用于加熱的高頻線圈218設置成包圍溫度保持圓柱。
此外，一上蓋(一天花板)222設置在形成在溫度保持圓柱214的上端上的開口部分220上，由此，關閉開口部分220。天花板222設置有一用于單晶拉拔桿224的插入孔225，單晶拉拔桿224通過插入孔225插入。此外，一晶種(晶籽)226設置在單晶拉拔桿224的末端上。當單晶拉拔桿224向上拉時，單晶228在晶種226下面生長。
在日本專利公開No.Sho 63(1988)-270385中，在具有這樣結構的單晶拉拔裝置200中，已提出一在天花板222和單晶拉拔桿224之間的開口區(qū)域，即，調節(jié)單晶拉拔桿224和插入孔225之間的開口區(qū)域來控制位于坩鍋210內的熔融材料熔液上方5mm處的溫度梯度，由此，防止在單晶內產(chǎn)生裂縫。
根據(jù)具有這樣結構的單晶拉拔裝置200，單晶拉拔區(qū)域保持在一由溫度保持圓柱214和天花板222形成的腔室230內(一單晶拉拔腔室)。因此，一熱保持特性可得到很大的提高，并且走向該區(qū)域上部的沿這樣方向的溫度下降梯度可顯著地下降。
因此，根據(jù)這樣一傳統(tǒng)的單晶拉拔裝置200，可制造諸如LiTaO3的氧化物的單晶，而顯著地抑制裂縫的產(chǎn)生。
然而，在利用這樣的單晶拉拔裝置200制造金屬氟化物的單晶的情形中，金屬氟化物的單晶的晶體生長速度極其低。其結果，對金屬氟化物單晶來說，在單晶拉拔區(qū)域中的熱保持特性變得多余，在單晶拉拔區(qū)域內的溫度梯度的下降變得不充分，這樣，在許多情形中，難于充分地生長一單晶。
在單晶生長的狀況下，同樣地，在這樣高滿足的水平下，不能抑制裂縫的產(chǎn)生。在金屬氟化物是氟化鈣的情形中，或尤其是在設置的坩鍋是具有最大內直徑為11cm或以上的大規(guī)模的裝置中的情形中，裂縫仍顯著地產(chǎn)生。
此外，在在日本專利公開No.Sho 63(1988)-270385中，根本不考慮天花板222的材料。天花板222的厚度大于側壁的絕熱材料的厚度，且天花板222的厚度的陰影圖形顯示為與成為底蓋的氧化鋁臺206的陰影相同，根據(jù)這兩個事實，可以推測，天花板222由與氧化鋁臺206或溫度保持圓柱214相同部件的絕熱材料形成。
根據(jù)本發(fā)明的研究，諸如氟化鈣的金屬氟化物特別地要求被均勻地和逐漸地冷卻，以便生長一穩(wěn)定的晶體。另一方面，如日本專利公開No.Sho63(1988)-270385所述，在具有這樣結構的單晶拉拔裝置200中通過調節(jié)單晶拉拔桿224和插入孔225之間的開口區(qū)域來控制單晶的溫度下降的方法中，以及在根本未考慮天花板222的絕熱特性和導熱參數(shù)及溫度保持圓柱214的方法中，可以推測沿徑向方向或垂直方向產(chǎn)生溫度分布的不均勻性，這導致阻礙晶體的穩(wěn)定生長。
此外，日本專利公開No.Heill(1999)-21197公開一用于諸如氟化鈣的金屬氟化物的單晶拉拔裝置。
在日本專利公開No.Heill(1999)-21197中公開的一單晶拉拔裝置300中，坩鍋304設置在生長爐腔室302內，且加熱器306設置在如圖4所示的坩鍋304的周圍。
一絕熱件308設置成包圍坩鍋304和加熱器306。一向內延伸部分310設置在絕熱件308的上部，以覆蓋加熱器306的上部。
此外，一熔融熔液316充填在坩鍋304內，且一設置在一單晶拉拔桿312的末端的晶種314構造成與坩鍋304中的熔融熔液316接觸。
然而，在單晶拉拔裝置300中，絕熱件308的向內延伸部分310就覆蓋住加熱器306的上部，以便有效地執(zhí)行加熱器306的加熱操作。此外，一具有相當大面積的開口存在于坩鍋304和單晶拉拔桿312之間。
因此，在單晶拉拔裝置300中，絕熱件308的上端基本上與

圖1所示的傳統(tǒng)的單晶拉拔裝置100相同的方式定位成其高度略微高于坩鍋304的上端的高度。在單晶拉拔裝置300用于具有極其低的晶體生長速度的金屬氟化物的單晶的情形中，溫度梯度的下降畢竟增加，因為絕熱件308不存在于在坩鍋304上方的單晶拉拔區(qū)域。其結果，難于穩(wěn)定地和緩慢地生長晶體。因此，在向上拉拔的單晶上產(chǎn)生裂縫。
還有，在所有傳統(tǒng)的單晶制造裝置中，因此，主要的目的在于，研制一種單晶拉拔裝置，其能改進在單晶拉拔區(qū)域內溫度分布的不均勻性，并能在不產(chǎn)生裂縫的情況下制造良好的金屬氟化物的單晶。
為了解決這些問題，本發(fā)明人進行了努力的研究。其結果，他們發(fā)現(xiàn)上述問題可以采用在單晶拉拔裝置內具有高輻射熱能力的材料形成一天花板的方法來解決，由此，完成本發(fā)明。

發(fā)明內容
提出本發(fā)明來解決在上述現(xiàn)有技術中的諸問題和達到目的，并提供一用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其包括一構成晶體生長爐的腔室；一設置在腔室內并充填單晶制造材料的熔融熔液的坩鍋；一設置成包圍坩鍋的熔化加熱器；一可垂直移動的單晶拉拔桿，其包括一在末端上并與充填在坩鍋內的單晶制造材料的熔融熔液接觸的晶種；一設置在腔室內的絕熱壁，其包圍在坩鍋上部的單晶拉拔區(qū)域的至少一周緣側部分；一用來關閉絕熱壁的上部的上端的開口部分的天花板；以及一由絕熱壁和天花板包圍的單晶拉拔腔室，其中，天花板設置有用來插入單晶拉拔桿的至少一個插入孔，以及沿天花板的厚度方向的導熱參數(shù)是1000至50000W/m2K。
根據(jù)用于金屬氟化物的具有這樣一結構的單晶拉拔裝置，單晶拉拔區(qū)域保持在由絕熱壁和天花板形成的單晶拉拔腔室內。因此，可大大地提高保持熱的特性。
此外，一具有沿厚度方向的導熱參數(shù)是1000至50000W/m2K的腔室使用天花板。因此，在單晶拉拔腔室中，從天花板輻射的熱也得到適當?shù)奶岣?。因此，單晶拉拔腔室沿徑向方向和高度方向緩慢地冷卻。其結果，可顯著地改進溫度分布的不均勻性。
因此，在單晶拉拔區(qū)域內，單晶緩慢地和均勻地冷卻，以使晶體的生長更加穩(wěn)定。即使單晶是諸如氟化鈣的具有極低的晶體生長速度的金屬氟化物，因此，也可非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
此外，用于金屬氟化物的根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，沿絕熱壁的厚度方向的導熱參數(shù)是100W/m2K或不到。
如果沿絕熱壁的厚度方向的導熱參數(shù)設定在這樣一范圍內，則單晶拉拔腔室也沿徑向方向緩慢地冷卻。其結果，可明顯地改進溫度分布的不均勻性。在單晶拉拔區(qū)域內，單晶緩慢地和均勻地冷卻，以使晶體的生長更加穩(wěn)定。即使單晶是諸如氟化鈣的金屬氟化物，因此，也可非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，天花板是石墨板。
因此，如果天花板是石墨板，可達到上述所要求的導熱參數(shù)，且抵抗拉拔中的惡劣環(huán)境的能力和機械強度也均是優(yōu)秀的。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，天花板定位在一較高的地方，其比坩鍋的上端高出坩鍋的最大內直徑的50至500％。
天花板定位在這樣的范圍內。因此，可充分地將拉拔具有實際尺寸的金屬氟化物的單晶所要求的單晶拉拔區(qū)域保持在單晶拉拔腔室的內部空間部分內。其結果，可大大地提高熱保持的特性，且單晶緩慢地和均勻地冷卻，以使晶體在單晶拉拔區(qū)域內更加穩(wěn)定地生長。即使單晶是諸如氟化鈣的具有極低的晶體生長速度的金屬氟化物，因此，也可非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，形成在天花板上的孔的總開口面積是絕熱壁的圓周包圍內的上端的開口面積的5至60％。
通過在這樣的范圍內調節(jié)形成在天花板上孔的總開口面積，可控制在單晶拉拔腔室內的導熱參數(shù)和控制朝向單晶拉拔區(qū)域的上部的溫度的下降梯度，以便適當?shù)乩谓饘俜锏膯尉А?br> 此外，根據(jù)本發(fā)明的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，金屬氟化物是氟化鈣。
因此，在單晶拉拔區(qū)域，單晶緩慢地和均勻地冷卻，以使晶體的生長更加穩(wěn)定。即使單晶是具有極低的晶體生長速度的氟化鈣，也可非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，坩鍋具有最大內直徑為11cm或以上。
具體來說，在使用大規(guī)模的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置的情形中，其中，坩鍋具有最大內直徑為11cm或以上，導致單晶上裂縫的產(chǎn)生特別地顯著，優(yōu)點可體現(xiàn)得特別明顯，這樣，可制造出沒有裂縫的大規(guī)模的單晶。
附圖的簡要說明圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一單晶拉拔裝置的實例的示意圖，
圖2是示出傳統(tǒng)的一單晶拉拔裝置的示意圖，圖3是示出傳統(tǒng)的一單晶拉拔裝置的示意圖，以及圖4是示出傳統(tǒng)的一單晶拉拔裝置的示意圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖較為詳細地描述本發(fā)明的一實施例(實例)。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一單晶拉拔裝置的實例的示意圖。
一單晶拉拔裝置10包括一構成單晶生長爐的腔室12，而腔室12包括一穿過腔室12的底壁14的可轉動的支承軸16。
支承軸16的下端穿過腔室12的底壁14，并從腔室12伸出，且與一冷卻器接觸，然后，連接到一驅動機構(未示出)，以便轉動和垂直地移動坩鍋20。
此外，一底板18固定在支承軸16上，而坩鍋20安裝在底板18的上表面上。一單晶制造材料的熔融熔液22充填在坩鍋20內。
一加熱器24從腔室12的底壁14豎起并包圍坩鍋20。此外，一絕熱壁26從腔室12的底壁14豎起，并包圍熔化加熱器24和坩鍋20。
另一方面，一可垂直移動和轉動的單晶拉拔桿32從腔室12的上壁28通過一開口部分30借助于驅動裝置(未示出)向下懸掛。一晶種34通過一夾持工具33連接到單晶拉拔桿32的末端上，而晶種34設置定位在坩鍋20的中心軸線上。
在具有這樣結構的單晶拉拔裝置10中，單晶拉拔桿32向下朝向單晶制造材料的熔融熔液22中，通過熔化加熱器24的加熱操作，單晶制造材料處于坩鍋20中的熔化狀態(tài)。然后，設置在單晶拉拔桿32的末端上的晶種34的下端面接觸在坩鍋20中的熔融材料的熔液22，此后，向上拉拔單晶拉拔桿32，這樣，生長出在晶種34下面的單晶36。
在圖1的單晶拉拔裝置中，絕熱壁26向上延伸，其長度大于如圖2所示的用于制造單晶硅等的單晶拉拔裝置中的高度。此外，絕熱壁26從坩鍋20內的下端到上端包圍(圓形地包圍)一全圓周，此外，包圍設置在其上方的單晶拉拔區(qū)域38的側周緣部分。
在本發(fā)明中，單晶拉拔區(qū)域38是指，從坩鍋20的上端的高度到生長的金屬氟化物(即，一晶種的下端面)的單晶36的上端到達拉拔的端部的高度，在腔室12內的坩鍋20的上部。
在該情形中，單晶拉拔區(qū)域38的最上部分根據(jù)被拉拔的單晶36的長度而變化，且通常是定位在坩鍋上端高出坩鍋20的最大內直徑的50至500％的地方，特別合適地是坩鍋20的最大內直徑的100至300％。
絕熱壁26上端的高度以這樣的方式設定具有這樣尺寸的單晶拉拔區(qū)域38充分地保持在單晶腔室內(將在下面描述)。如果絕熱壁26的上端遠高于單晶拉拔區(qū)域38的最上部分，則溫度保持作用變得多余，這樣，單晶不能獲得。為此原因，高度最好應從與單晶拉拔區(qū)域38的最上部相同的范圍中選擇。
在本發(fā)明中，由眾所周知的絕熱材料形成的絕熱壁26可無限制地被使用。為了提高抑制在單晶36上產(chǎn)生裂紋的作用，一沿厚度方向的導熱參數(shù)較佳地是100W/m2K或不到，更佳地是1至50W/m2K。
在本發(fā)明中，沿厚度方向的導熱參數(shù)由一值表示，其由一物體的沿厚度方向在1500℃時的平均熱導率(W/mK)除以厚度(m)求得。
具有這樣的導熱參數(shù)的的絕熱壁26的材料較佳地具有在1500℃下的0.2至1.0W/mK，更佳地是0.3至0.8W/mK。具體來說，材料的實例包括一瀝青型石墨模制的絕熱材料(例如，商標名為“DONACARBO”)，一纖維型石墨模制絕熱材料，一碳氈型絕熱材料，一多孔碳型絕熱材料以及諸如此類的材料。
可特別優(yōu)選地采用瀝青型石墨模制的絕熱材料，因為它可達到要求的導熱參數(shù)，并在耐受拉拔中的惡劣環(huán)境和機械強度方面堪稱優(yōu)秀。
然而，如果絕熱壁26在整體上的絕熱特性是優(yōu)秀的話，則除了由單一材料形成的壁件之外，還可使用一種結構，其中，設置多個包括至少一種類型的絕熱板的板形的部件，此外，還有一種結構，其中，這些板形部件設置有一插入在其間的氣相。絕熱壁26的厚度不受特別的約束，但通常為3至10cm。
在以上所示的腔室12中，絕熱壁26設置在坩鍋20外側的位置并不特別地受約束。通常，加熱器24設置在坩鍋20的周圍。為此原因，絕熱壁26通常定位在熔化加熱器24的外側。如果離坩鍋20的外端的距離做得較大，則單晶拉拔區(qū)域38的熱保持作用變壞。因此，該距離應做成是坩鍋20的最大內直徑的20至100％，且特別較佳地是30至60％。
在本發(fā)明中，形成在絕熱壁26的圓形封閉內上端的一上端開口部分40被天花板44關閉，在天花板上至少形成一用于單晶拉拔桿32的插入孔42。由于單晶拉拔區(qū)域38保持在由絕熱壁26和天花板44形成的單晶拉拔腔室46內，因此，可大大地提高其熱保持特性。
本發(fā)明具有的最大的特征在于，具有沿厚度方向的1000至50000W/m2K的導熱參數(shù)的天花板44被用在具有上述結構的的單晶拉拔裝置。因此，在單晶拉拔腔室46中，也可適當?shù)卦黾訌奶旎ò?4發(fā)出的熱輻射。因此，單晶拉拔腔室在徑向方向和高度方向上緩慢地冷卻。其結果，可明顯地改進溫度分布的不均勻性。
因此，根據(jù)本發(fā)明，單晶36在單晶拉拔區(qū)域38內緩慢地和均勻地冷卻，這樣，晶體可更加穩(wěn)定地生長。即使單晶是諸如氟化鈣之類的金屬氟化物，其結果，也能非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
在考慮這樣一效應的特性的表達時，在本發(fā)明中，天花板44的沿厚度方向的導熱參數(shù)應特別優(yōu)選為1000至50000W/m2K，且最佳地為2000至20000W/m2K。
在大多數(shù)情形中，其中，天花板44的沿厚度方向的導熱參數(shù)小于1000W/m2K，從天花板44發(fā)出的熱輻射變得不充足，這樣，沿單晶拉拔區(qū)域38的高度方向的溫度梯度不充足，而單晶不能產(chǎn)生。此外，還有在產(chǎn)生晶體生長的情形中，在單晶拉拔區(qū)域38內的溫度分布變得不均勻，這樣，它難于有效地抑制裂縫的產(chǎn)生。另一方面，在天花板44的沿厚度方向的導熱參數(shù)于50000W/m2K的情形中，沿高度方向上的溫度梯度過分地增加，導致大量裂縫的產(chǎn)生。
具有這樣一導熱參數(shù)的天花板44的材料較佳地具有在1500℃下的15至200W/mK的熱導率，更佳地是30至150W/mK。具體來說，該材料的實例包括石墨、鎢等。
石墨是特別優(yōu)選的使用材料，因為它可達到要求的導熱參數(shù)，并在耐受拉拔中的惡劣環(huán)境和機械強度方面堪稱優(yōu)秀。
此外，如果天花板44滿足整體的導熱參數(shù)的值，則除了由單一材料以與絕熱壁26的情形相同的方式形成的板件之外，還可使用一種結構，其中，設置多個包括至少一種類型的熱輻射板的板形的部件，此外，還有一種結構，其中，這些板形部件設置有一插入在其間的氣相。
此外，天花板44不需是平板形的，而可以是任何的形狀，其能關閉除在下文中描述的孔部分之外的絕熱壁26的圓形封閉的上端開口部分40。例如，它還可呈這樣的形狀一截頭圓錐、一倒置截頭圓錐、一罩、一倒置的罩、一圓頂、一倒置圓頂?shù)取?br> 在本發(fā)明中，如果天花板44是平板形的，則天花板44的高度等于絕熱壁26的上端的高度。在本發(fā)明中，當天花板44呈從上述的絕熱壁26的上端向上凸起的形狀時，則最高部分的高度設定為天花板的高度。
在本發(fā)明中，當天花板44呈從上述的絕熱壁26的上端向下凹陷的形狀時，則最低部分的高度設定為天花板44的高度。以與平板形天花板的高度同樣的方式，不是平板形的天花板的高也可設定為絕熱壁26的上端的高度，即，同樣的天花板定位在比坩鍋20的上端高出坩鍋20的最大內直徑的50至500％的地方。
天花板44的厚度不特別地受到約束，但通?？梢允?.3至3cm，較佳地是0.5至1.5cm。
在本發(fā)明中，除了單晶拉拔桿32的插入孔42，天花板44可適當?shù)卦O置有觀察孔，以保持設置在腔室頂上的檢查窗48的視野，一用來放入一工作機構的工作孔，該工作機構用來舀去漂浮在熔融材料熔液22表面上的固體雜質等。
在本發(fā)明中，還可通過調整形成在天花板44上的孔的總的開口面積來控制單晶拉拔腔室46內的導熱參數(shù)。可控制單晶拉拔區(qū)域38的向上的溫度下降梯度來適當?shù)乩谓饘俜锏膯尉?。當天花?4的導熱參數(shù)未被控制而具有上述的值，但溫度梯度僅通過調節(jié)孔的總開口面積而得到控制時，則不能有效地防止裂縫的產(chǎn)生，這種做法不是較佳的。
孔的總的開口面積較佳地是絕熱壁26的圓形封閉的上端的開口面積的5至60％，特別較佳地是8至40％。
在根據(jù)本發(fā)明的特征結構應用于用于金屬氟化物的大規(guī)模的單晶拉拔裝置的情形中，其中，一裂縫特別明顯地產(chǎn)生在單晶上，且坩鍋具有11cm或以上的最大內直徑，可特別明顯地產(chǎn)生諸優(yōu)點，這種做法是合適的。
接下來，將給出根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置的其它的結構。熔化加熱器24不特別地受到約束，但使用阻止熱的方法，引入熱的方法等。較佳地是，加熱器上端具有的高度幾乎等于或略大于坩鍋20的上端的高度。
可在熔化加熱器24和坩鍋20的外端之間沿圓周設置一分隔壁50，以致加熱器均勻地發(fā)出輻射熱。為了更顯著地體現(xiàn)本發(fā)明的諸優(yōu)點，較佳地是，分隔壁50的上端應略高于熔化加熱器24的上端，一用來關閉分隔壁50和絕熱壁26之間的間隙的蓋部件52應設置在上端和絕熱壁26之間，由此，關閉間隙來防止熔化加熱器24的熱量向上跑逸。
較佳地是，分隔壁50和蓋部件52的材料應是石墨。
在單晶拉拔裝置中，較佳地是，單晶拉拔桿32，支承軸16，檢查窗48等應借助于一O形環(huán)、一磁性流體密封或諸如此類的密封進行氣密密封。當在熔融一金屬氟化物材料的過程中，或生長晶體的過程中，從上述的部分發(fā)生泄漏時，則有可能造成諸如單晶的顏色或透明度下降之類的質量方面的明顯的變壞。
較佳地是，放入坩鍋20的金屬氟化物材料應在熔化前去除吸收的潮氣的減壓條件下，經(jīng)受一加熱的過程。盡管可使用用來抽真空一裝置的眾所周知的真空泵，但最好使用一旋轉泵和一油擴散泵的組合，或一旋轉泵和一分子泵的組合。
此外，如圖1所示，一底部絕熱件54設置在腔室12的底壁14的絕熱壁26的內周緣側上。此外，一絕熱支承軸氣密密封件56設置在支承軸16的周緣和底部絕熱件54之間。此外，一絕熱底部氣密密封件58設置在絕熱壁26的下端、底部絕熱件54的外周緣和熔化加熱器24之間。
因此，可防止熱從腔室12的底部跑出，并防止腔室12的氣氛泄漏到外面。
底部絕熱件54、支承軸氣密密封件56和底部氣密密封件58的材料并不特別地約束，而可沒有限制地使用任何的材料，其具有與通過眾所周知的絕熱材料形成的絕熱壁26的導熱參數(shù)相同的沿厚度方向的導熱參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的拉拔裝置用來制造在拉拔單晶過程中特別明顯地產(chǎn)生裂縫的金屬氟化物的單晶。金屬氟化物的實例包括氟化鈣、氟化鎂、氟化鋇、氟化鋰、氟化鋁、LiCaAlF6等。在拉拔裝置應用于制造氟化鈣的單晶的情形中，特別地，優(yōu)點可最明顯地得到體現(xiàn)。
參照拉拔方法的具體的操作過程，通過使用一般的單晶拉拔裝置而實施的眾所周知的方法可以無限制地執(zhí)行。較佳地是，應采用放置到坩鍋金屬氟化物材料經(jīng)受一充分的凈化過程，特別是去除潮氣的過程。氟化物材料可進行熔化，單晶可在一非活性的氣體氛圍中或真空中生長。
較佳地是，單晶應在在金屬氟化物的坩鍋的底部的測量溫度處，加熱進行到熔點至熔點+100℃的條件下向上拉拔，例如，如果金屬氟化物是氟化鈣，則加熱到1380至1480℃的溫度，較佳地是，溫度提升速度應為50至500℃/小時。
為了消除殘余濕度的影響，較佳地是，拉拔方法在吸收劑存在的情況下執(zhí)行。對于吸收劑來說，可使用固體的吸收劑，例如，氟化鋅、氟化鉛，或與金屬氟化物材料一起制備的聚四氟乙烯，或可使用氣體的吸收劑，例如，作為腔室中一氣氛引入的四氟化碳。
較佳地是，具有與生長的金屬氟化物相同成分的單晶應被用作為用于拉拔方法的一晶種。盡管晶種的生長表面可任意地選擇，但當利用金屬氟化物的晶種時，可適當?shù)厥褂靡?111)平面。在生長晶體的過程中，較佳地是，這些晶種可圍繞拉拔軸線轉動。另一方面，較佳地是，坩鍋也應沿晶種轉動方向的相對方向轉動。
盡管下面將描述本發(fā)明的諸實例，但本發(fā)明不局限于這些實例。
實例1利用圖1所示的單晶拉拔裝置，制造氟化鈣的單晶。
設置在腔室12內由高純度的石墨形成的坩鍋20具有的內直徑為38cm(外直徑為40cm)，高度為30cm。絕熱壁26由瀝青型石墨模制絕熱材料形成，且沿厚度方向的導熱參數(shù)是9W/m2K。另一方面，天花板44由石墨形成，且沿厚度方向的導熱參數(shù)是5000W/m2K。
此外，除了所示的單晶拉拔桿32的插入孔(具有14cm的直徑)42之外，天花板44設置有觀察孔，以保持檢查窗48的視野，其總的開口面積是絕熱壁26的圓形封閉內的上端的開口面積的13％。
此外，天花板44比坩鍋20的上端，高出坩鍋20的最大內直徑的160％。一介于絕熱壁26和坩鍋20的外端之間的間距是9cm(坩鍋20的最大內直徑的25％)50公斤的高純度材料氟化鈣的塊體經(jīng)受充分的凈化過程和去濕過程，作為吸收劑的高純度的氟化鋅的0.1％放入設置在腔室12內的坩鍋20內，并且對腔室12進行排氣。然后，熔化加熱器24通電開始加熱材料，由此，將溫度提高到250℃。材料在此溫度下保持2小時。溫度保持之后，再次開始提升溫度。當溫度達到600℃時，阻塞住排氣管，高純度的氬氣供應到腔室12內，將內壓保持在106.4Kpa。
材料在1480℃下保持40分鐘之后，材料在此溫度下完全熔化，減小加熱器的輸出，材料在1440℃下保持120分鐘。然后，單晶拉拔桿32向下懸掛，致使晶種34的下端面與熔融材料的熔液22的表面接觸。因此，單晶開始生長。
晶種34以15轉/分轉動，同時，坩鍋20也以1轉/分沿相對方向轉動，在此狀態(tài)下，晶種34以5毫米/小時的速度向上拉拔持續(xù)40小時。在目視觀察中，由此，在單晶36上根本沒有產(chǎn)生一裂縫，但單晶卻光滑地生長。在生長結束之后，將溫度下降到常溫。
如上所述，獲得具有最大直徑為28cm和重量為27kg的氟化鈣的單晶。
實例2在實例1所采用的、如圖1所示的單晶拉拔裝置中，以與實例1相同的方式制造氟化鈣的單晶，不同之處在于，采用由鎢制成、并具有2000W/m2K的沿厚度方向的導熱參數(shù)的天花板44。由此獲得的氟化鈣的單晶中根本未觀察到裂縫的產(chǎn)生，且單晶可光滑地生長。
對比實例1在實例1所采用的、如圖1所示的單晶拉拔裝置中，以與實例1相同的方式制造氟化鈣的單晶，不同之處在于，天花板44排斥在外。其結果，發(fā)現(xiàn)有五個裂縫。
對比實例2在實例1所采用的、如圖1所示的單晶拉拔裝置中，以與實例1相同的方式制造氟化鈣的單晶，不同之處在于，采用由瀝青型石墨模制絕熱材料制成、并具有15W/m2K的沿厚度方向的導熱參數(shù)的天花板44。其結果，未獲得晶體。
對比實例3在實例1所采用的、如圖1所示的單晶拉拔裝置中，以與實例1相同的方式制造氟化鈣的單晶，不同之處在于，采用由瀝青型石墨模制絕熱材料制成、并具有15W/m2K的沿厚度方向的導熱參數(shù)的天花板44，且天花板44僅設置有具有直徑為30cm的單晶拉拔桿的插入孔(一開口的面積是絕熱壁26的圓形封閉中的上端的開口面積的30％)。其結果，發(fā)現(xiàn)有兩個裂縫。
對比實例4對于一單晶拉拔裝置，坩鍋的內直徑設定為9cm，其它的尺寸按比例減小，排除在實例1所采用的、如圖1所示的裝置中的天花板44。
0.35公斤的具有6cm的最大直徑的氟化鈣的單晶以與實例1中相同的方式進行制造，不同之處在于，0.7公斤的氟化鈣材料塊放置入這樣的一單晶拉拔裝置。其結果，發(fā)現(xiàn)一個裂縫。
(本發(fā)明的優(yōu)點)根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，單晶拉拔區(qū)域可保持在由絕熱壁和天花板形成的單晶拉拔腔室內。因此，單晶拉拔區(qū)域在熱保持特性上是優(yōu)秀的。在單晶拉拔區(qū)域內的溫度分布中，一溫度向上均勻地和緩慢地減小。因此，可穩(wěn)定地生長金屬氟化物的單晶，并高度有效地抑制所制造的單晶上的裂縫的產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，沿絕熱壁的厚度方向的導熱參數(shù)是100W/m2K或不到。因此，單晶拉拔區(qū)域在熱保持特性上特別地優(yōu)秀，且可明顯地體現(xiàn)上述的優(yōu)點。
此外，根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，天花板是石墨板。因此，可利用具有要求的導熱參數(shù)的材料形成天花板，且在抵抗拉拔過程中的惡劣環(huán)境和機械強度上也堪稱優(yōu)秀。
此外，根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，天花板定位在一較高的地方，其比坩鍋的上端高出坩鍋的最大內直徑的50至500％。因此，可充分地將拉拔具有實際尺寸的金屬氟化物的單晶所要求的單晶拉拔區(qū)域保持在單晶拉拔腔室的內部空間部分內。
此外，根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，形成在天花板上的孔的總開口面積是絕熱壁的圓周包圍內的上端的開口面積的5至60％。因此，通過調節(jié)形成在天花板上孔的總開口面積，可控制在單晶拉拔腔室內的導熱參數(shù)和控制單晶拉拔區(qū)域內的向上的溫度的下降梯度，以便適當?shù)乩谓饘俜锏膯尉?。其結果，可以區(qū)域內的均勻地和緩慢地向上遞減的溫度梯度，很好地平衡在單晶拉拔區(qū)域內的溫度保持特性。
氟化鈣是特別明顯地在單晶上產(chǎn)生裂縫的材料。根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，在單晶拉拔區(qū)域中，即使單晶是氟化鈣，單晶也是緩慢地和均勻地冷卻，且晶體更加穩(wěn)定地生長。因此，單晶具有極其低的晶體生長速度的氟化鈣可非常高效地抑制裂縫的產(chǎn)生。
此外，在使用大規(guī)模的、其坩鍋具有最大內直徑為11cm或以上的裝置來制造金屬氟化物單晶的情形中，導致裂縫的產(chǎn)生特別地顯著。因此，根據(jù)本發(fā)明的單晶拉拔裝置，甚至在這樣大規(guī)模裝置的情形中，本發(fā)明的諸優(yōu)點可特別明顯地體現(xiàn)，且可制造出沒有大的裂縫的單晶。
權利要求
1.一用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其包括一構成晶體生長爐的腔室；一設置在腔室內并充填單晶制造材料的熔融熔液的坩鍋；一設置成包圍坩鍋的熔化加熱器；一可垂直移動的單晶拉拔桿，其包括一在末端上并與充填在坩鍋內的單晶制造材料的熔融熔液接觸的晶種；一設置在腔室內的絕熱壁，其包圍在坩鍋上部的單晶拉拔區(qū)域的至少一周緣側部分；一用來關閉絕熱壁的上部的上端的開口部分的天花板；以及一由絕熱壁和天花板包圍的單晶拉拔腔室，其中，天花板設置有用來插入單晶拉拔桿的至少一個插入孔，以及沿天花板的厚度方向的導熱參數(shù)是1000至50000W/m2K。
2.如權利要求1所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，沿絕熱壁的厚度方向的導熱參數(shù)是100W/m2K或不到。
3.如權利要求1或2所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，天花板是石墨板。
4.如權利要求1至3中任何一項所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，天花板定位在一較高的地方，其比坩鍋的上端高出坩鍋的最大內直徑的50至500％。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，形成在天花板上的孔的總開口面積是絕熱壁的圓形包圍內的上端的開口面積的5至60％。
6.如權利要求1至5中任何一項所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，金屬氟化物是氟化鈣。
7.如權利要求1至6中任何一項所述的用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其特征在于，坩鍋具有的最大內直徑為11cm或以上。
全文摘要
一用于金屬氟化物的單晶拉拔裝置，其包括一設置在腔室內并充填單晶制造材料的熔融熔液的坩堝，一設置成包圍坩堝的熔化加熱器，一可垂直移動的單晶拉拔桿，其包括一在末端上并與充填在坩堝內的單晶制造材料的熔融熔液接觸的晶種，一設置在腔室內的絕熱壁，其包圍在坩堝上部的單晶拉拔區(qū)域的至少一周緣側部分，一用來關閉絕熱壁的上部的上端的開口部分的天花板，以及一由絕熱壁和天花板包圍的單晶拉拔腔室，其中，天花板設置有用來插入單晶拉拔桿的至少一個插入孔，以及沿天花板的厚度方向的導熱參數(shù)是1000至50000W/m
文檔編號C30B29/12GK1502726SQ200310116500
公開日2004年6月9日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權日2002年11月19日
發(fā)明者繩田輝彥, 宮崎英孝, 柳裕之, 新田真一, 伊藤春正, 山鹿功雄, 一, 孝, 正, 雄 申請人:德山株式會社