DE19841932A1 - Optisches Bauteil aus Quarzglas und Verfahren für seine Herstellung - Google Patents

Abstract

Es ist ein optisches Bauteil für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer aus synthetischem Quarzglas bekannt, das hergestellt wird, durch Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung, die in Form von feinkörnigem SiO¶2¶ gebildet, auf einem Substrat abgeschieden und direkt verglast wird. Um hiervon ausgehend ein optisches Bauteil bereitzustellen, das für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer eine hohe Langzeitstabilität aufweist, und das inbesondere ein Schädigungsverhalten zeigt, bei dem die induzierte Absorption in eine Sättigung auf niedrigem Niveau einmündet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Quarzglas einen Wasserstoffgehalt von weniger als 5 x 10·16· Molekülen/cm·3· aufweist. Ein Verfahren zur Herstellung des optischen Bauteils umfasst die Herstellung von synthetischem, wasserstoffhaltigem Quarzglas, durch Synthese von feinkörnigem SiO¶2¶ mittels Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung, sowie Abscheiden und Verglasen des feinkörnigen SiO¶2¶ auf einem Substrat unter Bildung des wasserstoffhaltigen Quarzglases, wobei das wasserstoffhaltige Quarzglas einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterzogen wird, in der sein Wasserstoffgehalt auf einen Wert unterhalb von 5 x 10·16· Molekülen/cm·3· eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauteil für die Übertragung ultravioletter Strah­ lung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer, aus synthetischem Quarzglas, das erhalten wird, indem feinkörniges SiO₂ durch Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung gebildet, auf einem Substrat abgeschieden und direkt verglast wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus syn­ thetischem Quarzglas für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer, umfassend die Herstellung von synthetischem, wasserstoffhaltigem Quarzglas, durch Synthese von feinkörnigem SiO₂ mittels Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung, sowie Abscheiden und direktes Verglasen des feinkörnigen SiO₂ auf ei­ nem Substrat unter Bildung des wasserstoffhaltigen Quarzglases.

Derartige optische Bauteile aus synthetischem Quarzglas werden insbesondere für die Übertra­ gung energiereicher, ultravioletter Laserstrahlung eingesetzt, beispielsweise in Form von opti­ schen Fasern oder in Form von Belichtungsoptiken in Mikrolithographiegeräten für die Herstel­ lung hochintegrierter Schaltungen in Halbleiterchips. Die Belichtungssysteme moderner Mikro­ lithographiegeräte sind mit Excimerlasern bestückt, die energiereiche, gepulste UV-Strahlung einer Wellenlänge von 248 nm (KrF-Laser) oder von 193 nm (ArF-Laser) abgeben. Es ist be­ kannt, daß derartige kurzwellige UV-Strahlung in den optischen Bauteilen Defekte und damit einhergehend Absorptionen induzieren kann, die für Art und Qualität des jeweiligen Quarzgla­ ses charakteristisch sind. So werden beispielsweise Schädigungsverhalten beobachtet, bei de­ nen bei andauernder UV-Bestrahlung die induzierte Absorption linear ansteigt, oder bei der sie nach einem anfänglichen Anstieg in eine Sättigung mündet, oder bei der sich die induzierten Defekte derart akkumulieren, daß sie sich in einer plötzlichen und starken Zunahme der Ab­ sorption äußern. Der starke Anstieg der Absorption bei dem zuletzt beschriebenen Schädi­ gungsverhalten wird in der Literatur als SAT-Effekt bezeichnet.

Die Strahlenbeständigkeit eines Quarzglases kann von seinen strukturellen Eigenschaften, wie Dichte, Brechungszahlverlauf und Homogenität, oder von seiner chemischen Zusammenset­ zung abhängen. Der Einfluß der chemischen Zusammensetzung des Quarzglases auf das Schädigungsverhalten bei der Bestrahlung mit energiereichem UV-Licht ist beispielsweise in der EP-A1 401 845 beschrieben. Eine hohe Strahlenbeständigkeit wurde demnach bei einem hochreinen Quarzglas gefunden, das einen relativ hohen OH-Gehalt im Bereich von 100 bis ca. 1000 Gew.-ppm und gleichzeitig eine relativ hohe Wasserstoffkonzentration von minde­ stens 5 × 10¹⁶ Molekülen pro cm³ (bezogen auf das Volumen des Quarzglases) aufweist. Der günstige Einfluß des Wasserstoffes auf die Strahlenbeständigkeit läßt sich dadurch erklären, daß dieser zu einem Ausheilen von Defekten, und damit zu einem langsameren Anstieg der strahleninduzierten Absorption beitragen kann. Aufgrund dieser Wirkung des Wasserstoffes wird in der EP-A1 401 845 empfohlen, optische Bauteile, an die hohe Anforderungen hinsicht­ lich der Strahlenbeständigkeit gestellt werden, mit Wasserstoff zu beladen.

Es hat sich aber gezeigt, daß trotz ähnlicher chemischer oder struktureller Eigenschaften des Quarzglases das Schädigungsverhalten von optischen Bauteilen verschieden sein kann, wenn das Quarzglas nach unterschiedlichen Herstellungsverfahren erhalten worden ist, oder, daß zwar chemische oder strukturelle Unterschiede vorhanden sein mögen, diese aber nicht ein­ deutig Ursache für die beobachteten Unterschiede im Schädigungsverhalten sind. Aus diesen Gründen läßt sich das optische Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung am besten durch sein Herstellungsverfahren kennzeichnen.

Die Herstellungsverfahren von synthetischem Quarzglas durch Flammenhydrolyse siliciumhal­ tiger Verbindungen kann man anhand der Ausgangssubstanzen sowie anhand der Art und Weise der Verglasung der abgeschiedenen SiO₂-Partikel unterscheiden. Eine häufig einge­ setzte Ausgangssubstanz bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas durch Flammen­ hydrolyse ist SiCl₄. Es werden aber auch siliciumhaltige organische Verbindungen verwendet, wie Silane oder Siloxane. Die Herstellung von Quarzglas unter Verwendung von Alkoxysilanen ist in der EP-A1 525 984 beschrieben; die Herstellung von Quarzglas unter Verwendung von Siloxanen in der EP-A1 463 045. Aufgrund dieser Ausgangssubstanzen kann praktisch chlor­ freies Quarzglas erzeugt werden.

Das Verglasen der SiO₂-Partikel kann direkt, während der Abscheidung auf dem Substrat er­ folgen, was im folgenden als "direkte Verglasung" bezeichnet wird. Im Unterschied dazu wird bei dem sogenannten "Soot-Verfahren" die Temperatur während der Abscheidung der SiO₂-Partikel so niedrig gehalten, daß ein poröser Sootkörper gebildet wird, aber keine oder nur eine geringe Verglasung der SiO₂-Partikel eintritt. Das Verglasen unter Bildung von Quarz­ glas erfordert ein nachträgliches Sintern des Sootkörpers. Beide Herstellungsverfahren führen zu einem dichten, transparenten, hochreinen Quarzglas.

Ein gattungsgemäßes optisches Bauteil für die Übertragung von UV-Strahlung einer Wellen­ länge von weniger als 300 nm, und ein Verfahren für seine Herstellung sind aus der EP-A1 780 345 bekannt. Das darin beschriebene Bauteil wird erhalten, indem synthetisches Quarzglas durch Flammenhydrolyse einer chlorfreien Polymethylsiloxan-Verbindung in Form von SiO₂-Partikeln auf einem Substrat abgeschieden und direkt verglast wird.

Das so hergestellte optische Bauteil zeigt bei Bestrahlung mit gepulstem Excimerlaser (Wel­ lenlänge: 248 nm; Intensität 360 mJ/cm²) ein Schädigungsverhalten, das im Vergleich zu ei­ nem Standardbauteil durch ein Ausbleiben des sogenannten SAT-Effektes gekennzeichnet ist. Das Standardbauteil besteht ebenfalls aus synthetischem Quarzglas, bei dessen Herstellung aber ein chlorhaltiges Ausgangsmaterial - nämlich SiCl₄ - eingesetzt wurde. Der beobachtete Effekt ist bei dem bekannten optischen Bauteil daher möglicherweise auf dessen niedrigen Chlor-Gehalt zurückzuführen, der mit kleiner 3 ppm angegeben wird.

Die strahlungsinduzierte Absorption bei dem nach dem oben beschriebenen Verfahren herge­ stellten, bekannten optischen Bauteil zeigt zwar keinen SAT-Effekt, sondern einen relativ fla­ chen Anstieg. Es ist aber nicht ersichtlich, daß der Anstieg in eine Sättigung münden könnte und welches Sättigungsniveau sich gegebenenfalls einstellen würde. Für Anwendungen opti­ scher Bauteile, bei denen die Langzeitstabilität im Vordergrund steht, ist häufig aber nicht der anfängliche Anstieg der Absorption entscheidend, sondern das Erreichen eines Sättigungs­ wertes und dessen absolutes Niveau.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauteil bereitzu­ stellen, das für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer eine hohe Langzeitstabilität aufweist, und das insbesondere ein Schädigungsverhalten zeigt, bei dem die induzierte Absorption in eine Sättigung auf niedrigem Niveau einmündet. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derar­ tigen optischen Bauteils anzugeben.

Hinsichtlich des optischen Bauteils wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs angege­ benen optischen Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Quarzglas einen Wasser­ stoffgehalt von weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ aufweist.

Das optische Bauteil gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine Kombination von Merkma­ len aus, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: Das Bauteil besteht aus synthetisch her­ gestelltem Quarzglas, das Quarzglas wird durch Flammenhydrolyse von chlorfreien Ausgangs­ stoffen synthetisiert, das Quarzglas wird bei der Abscheidung direkt verglast, und der Wasser­ stoffgehalt des Quarzglases wird auf maximal 5 × 10¹⁶ Moleküle/cm³ (bezogen auf das Volumen des Quarzglases) eingestellt.

Das charakteristische Schädigungsverhalten des so hergestellten optischen Bauteils gegen­ über energiereicher UV-Strahlung zeigt sich darin, daß die induzierte Absorption zwar zu­ nächst rasch ansteigt, jedoch anschließend schnell in eine Sättigung auf niedrigem Niveau einmündet. Dieses charakteristisches Schädigungsverhalten ist deutlich abhängig von den oben angegebenen Herstellungsbedingungen. Es verändert sich, sobald einer der Parameter bei der Herstellung des Bauteils geändert wird, indem beispielsweise für die Synthese des Quarzglases anstelle der direkten Verglasung ein Sootprozeß eingesetzt wird. Besonders überraschend ist, daß der Wasserstoffgehalt des Quarzglases weniger als 5 × 10¹⁶ Moleküle/cm³ betragen muß, damit sich die gewünschte Strahlenbeständigkeit ergibt. Eine Er­ klärung dafür wäre, daß der Wasserstoff nicht nur zur Ausheilung strahleninduzierter Defekte beiträgt, sondern auch selbst Defekte erzeugt, die sich insbesondere bei Langzeit-Bestrahlun­ gen bemerkbar machen. Es hat sich gezeigt, daß durch den niedrigen Wasserstoffgehalt von weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ nicht nur eine Sättigung der strahlungsinduzierten Absorpti­ on erzielt wird, sondern auch, daß das Sättigungsniveau im Vergleich mit einem Quarzglas mit höherem Wasserstoffgehalt vergleichsweise niedrig ist.

Dabei ist zu beachten, daß bedingt durch die Gegenwart von Wasserstoff beim Herstellungs­ verfahren des optischen Bauteils, das Quarzglas nach dem Verglasen Wasserstoff enthält, und zwar in einer Konzentration, die oberhalb der oben genannten Maximalgrenze von 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ liegen kann. Gegebenenfalls ist es erforderlich, den Wasserstoff aus dem Bau­ teil auszutreiben.

Unter dem Wasserstoffgehalt wird hier und im folgenden ein über das Volumen des optischen Bauteils gemittelter Wasserstoffgehalt verstanden (arithmetisches Mittel von mindestens drei über das Bauteil gleichmäßig verteilten Meßstellen), wobei davon ausgegangen wird, daß das gesamte Bauteil für die Übertragung der UV-Strahlung beansprucht wird. Bei optischen Bautei­ len, bei denen diese Voraussetzung nicht erfüllt ist, genügt es, wenn mindestens im optisch beanspruchten Volumenbereich der mittlere Wasserstoffgehalt unterhalb des oben genannten Maximalwertes liegt.

Der Wasserstoffgehalt wird aufgrund einer Raman-Messung ermittelt, die von Khotimchenko et al., "Determining the Content of Hydrogen Dissolved in Quartz Glass Using the Methods of Raman Scattering and Mass Spectrometry" in "Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii", Vol 46, No. 6, (1987), Seiten 987 bis 991 beschrieben worden ist.

Die Nachweisgrenze für Wasserstoff liegt bei dieser Meßmethode derzeit bei ca. 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³. Als besonders vorteilhaft hat sich ein optisches Bauteil erwiesen, bei dem das Quarzglas einen Wasserstoffgehalt von weniger als 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ aufweist, der Was­ serstoffgehalt also unterhalb der derzeitigen Nachweisgrenze liegt. Ein derartiges Bauteil zeichnet sich durch eine besonders gute Langzeitstabilität gegenüber energiereicher UV- Strahlung und ein besonders niedriges Sättigungsniveau der durch die UV-Strahlung induzier­ ten Absorption aus.

Ein besonders günstiges Schädigungsverhalten zeigt ein optisches Bauteil, bei dem das Quarzglas einen OH-Gehalt von mindestens 400 ppm aufweist. Der OH-Gehalt bezieht sich, entsprechend dem Wasserstoff-Gehalt, auf einen über das Quarzglas-Volumen gemittelten Wert. Er wird spektroskopisch ermittelt.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das wasserstoff­ haltige Quarzglas einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterzogen wird, in der sein Was­ serstoffgehalt auf einen Wert unterhalb von 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³eingestellt wird.

Bezüglich der Charakteristika des Schädigungsverhaltens beim erfindungsgemäß herzustel­ lenden optischen Bauteil sowie hinsichtlich der Bedeutung des Ausdruckes "Wasserstoffge­ halt" wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Beim Verfahren zur Herstellung des opti­ schen Bauteils ist es wesentlich, daß der Wasserstoffgehalt des Quarzglases mittels einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung auf einen Wert unterhalb von 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ ein­ gestellt wird. Mittels der Wasserstoff-Reduktionsbehandlung läßt sich der Wasserstoff-Gehalt ausgehend von einer ersten, hohen Konzentration, in definierter Art und Weise und daher re­ produzierbar auf eine zweite Konzentration unterhalb von 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ einstellen. Die so hergestellten optischen Bauteile zeigen daher ein reproduzierbares Schädigungsverhalten.

Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird der Wasserstoffgehalt des Quarzglases in der Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterhalb von 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ gebracht, also auf eine Konzentration, die unterhalb der derzeitigen Nachweisgrenze der Raman-Methode liegt. Ein so hergestelltes Bauteil zeichnet sich durch eine besonders gute Langzeitstabilität gegenüber energiereicher UV-Strahlung und ein besonders niedriges Sättigungsniveau der strahlungsinduzierten Absorption aus.

Die Wasserstoff-Reduktionsbehandlung umfaßt vorteilhafterweise eine thermische Behand­ lung des Quarzglases, eine Behandlung unter Vakuum, und/oder eine Behandlung in einer chemisch reaktiven Atmosphäre. Die genannten Behandlungsvarianten können alternativ oder kumulativ angewandt werden. Als besonders wirksam erweist sich jedoch eine thermische Be­ handlung (im folgenden als Tempern bezeichnet) in einer wasserstoff-freien Atmosphäre, zum Beispiel unter Inertgas oder im Vakuum, um den Wasserstoffgehalt des Quarzglases einzu­ stellen. Dies gilt für Quarzglas, das nach dem Verglasen und gegebenenfalls erforderlichen Nachbehandlungsschritten, wie beispielsweise einem Heißverformungs- oder einem Homoge­ nisierungs-Schritt, einen zu hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Durch das Tempern diffundiert Wasserstoff aus dem Quarzglas-Rohling heraus, wobei die oberflächennahen Bereiche zuerst an Wasserstoff verarmen und erst später die zentralen Bereiche des Rohlings. Es ist deshalb darauf zu achten, daß der Wasserstoffgehalt insbesondere in demjenigen Bereich ausrei­ chend entfernt wird, der beim bestimmungsgemäßen Einsatz des daraus hergestellten Bau­ teils am stärksten optisch belastet wird; das sind im allgemeinen gerade die zentralen Bereiche des Rohlings. Beim Austreiben des Wasserstoffes durch Tempern sind die Temperatur, die Temperzeit und die Temper-Atmosphäre unter Berücksichtigung der Wandstärke oder Dicke des zu tempernden Quarzglas-Rohlings so einzustellen, daß der Wasserstoff in ausreichen­ dem Maße entfernt wird. Das Tempern von Quarzglas für optische Bauteile ist ein häufig ange­ wandter Verfahrensschritt, der üblicherweise zum Abbau mechanischer Spannungen dient, die die optischen Eigenschaften des Glases beeinträchtigen. In der Zielsetzung und im Ergebnis unterscheidet sich das hier zum Entfernen von Wasserstoff vorgeschlagene Tempern von den bekannten Temperverfahren darin, daß erfindungsgemäß ein Quarzglas mit einem mittleren Wasserstoffgehalt von weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³, und bevorzugt von weniger 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ eingestellt wird.

Besonders effektiv gestaltet sich das Verfahren, wenn das wasserstoffhaltige Quarzglas zu ei­ nem Zwischenprodukt geformt wird, dessen kleinste laterale Abmessung 100 mm, vorzugswei­ se 80 mm, nicht übersteigt, wobei die Wasserstoff-Reduktionsbehandlung teilweise oder voll­ ständig an dem Zwischenprodukt vollzogen wird. Die Wasserstoff-Reduktionsbehandlung er­ fordert beruht auf Diffusionsvorgängen in Quarzglas, beispielsweise dem Ausdiffundieren von Wasserstoff beim Tempern. Die erforderlichen Diffusionszeiten hängen entscheidend von der relevanten Schichtdicke ab. Optische Bauteile können jedoch in sehr großen Schichtdicken vorliegen. Beispielsweise können Linsen für Mikrolithographiegeräte Durchmesser um 250 mm und gleichzeitig Dicken um 100 mm aufweisen. Die dafür benötigten Quarzglasrohlinge haben Durchmesser um 300 mm und Dicken über 100 mm. Eine ausreichende Wasserstoff-Redukti­ onsbehandlung würde bei derartigen Bauteilen extrem lange Behandlungszeiten erfordern, die wirtschaftlich nicht mehr vertretbar wären. Zwar lassen sich Diffusionsvorgänge durch Tempe­ raturerhöhung beschleunigen; allerdings sind einer Temperaturerhöhung ebenfalls Grenzen gesetzt, da diese mit unerwünschter plastischer Verformung oder anderen thermisch beding­ ten Beschädigungen des Bauteils einhergehen kann. Zur Lösung dieses Problems wird aus dem wasserstoffhaltigen Quarzglas ein Zwischenprodukt geformt, dessen geometrische Ab­ messungen so gewählt sind, daß dich der Wasserstoff leicht austreiben läßt. Unter der klein­ sten lateralen Abmessung wird beispielsweise der Außendurchmesser bei einem stabförmi­ gen, die Wandstärke bei einem rohrförmigen, oder die Dicke bei einem plattenförmigen Zwi­ schenprodukt verstanden. Eine derartiges Zwischenprodukt erlaubt die Durchführung der Wasserstoff-Reduktionsbehandlung in wirtschaftlich vertretbaren Zeitspannen. Dabei kann es ausreichen, den Wasserstoffgehalt im Zwischenprodukt nur zu reduzieren, ohne daß die oben genannten Maximalwerte unterschritten werden, wenn die weitere Behandlung des Quarzgla­ ses eine vollständige Wasserstoffreduktion im Sinne der vorliegenden Erfindung erlaubt. Aus dem Zwischenprodukt wird in einem nachfolgenden Formschritt das Bauteil gebildet.

Als günstig hat es sich erwiesen, das Quarzglas unter Bildung des Zwischenproduktes zu ho­ mogenisieren. Häufig ist eine Homogenisierungsbehandlung des Quarzglases erforderlich, um vorhandene Schlieren zu entfernen. Für die Homogenisierung wird das Quarzglas plastisch verformt. Es bietet sich an, im Rahmen einer solchen Homogenisierung das Zwischenprodukt zu formen, das dann anschließend der Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterzogen wird.

Nachfolgend werden das optische Bauteil und das Verfahren gemäß der Erfindung anhand ei­ nes Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur der Patentzeichnung (Fig. 1) zeigt ein Diagramm mit zwei Absorptionskurven, von denen die eine das Schädigungsverhalten eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils wiedergibt und die andere das Schädigungsverhalten eines optischen Bauteils nach dem Stand der Technik. Auf der x-Achse des Diagramms nach Fig. 1 ist eine Anzahl an Laserpulsen aufgetragen, auf der y-Achse der Absorptionskoeffizient in der Einheit 1/cm.

Im folgenden wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils anhand eines Beispiels beschrieben:

Ein scheibenförmiges Substrat wird so angeordnet, daß es mit einer seiner Flachseiten senk­ recht nach unten weist. Unterhalb des Substrates ist ein Abscheidebrenner angeordnet, der einer Mitteldüse aufweist, die von vier Ringdüsen koaxial umgeben ist. Der Abscheidebrenner ist auf das Substrat gerichtet, das um seine Mittelachse rotiert. Der Mitteldüse des Abscheide­ brenners wird mittels einem Trägergases (Stickstoff) Methyltrimethoxysilan zugeführt, den ande­ ren Düsen (in der Reihenfolge von innen nach außen) ein Trenngas (Stickstoff), Sauerstoff und ganz außen Wasserstoff. Sauerstoff und Wasserstoff reagieren unter Bildung einer Knall­ gasflamme miteinander, in der das aus der Mitteldüse ausströmende Methyltrimethoxysilan hy­ drolisiert und in Form von feinteiligem SiO₂ auf dem Substrat abgeschieden wird. Das auf dem Substrat abgeschiedene SiO₂ wird unmittelbar durch die Hitze der Knallgasflamme unter Bil­ dung eines stabförmigen Quarzglasrohlings verglast. Aufgrund der verwendeten Ausgangs­ substanzen ist der Quarzglas-Rohling praktisch chlorfrei.

Zum Homogenisieren wird der Quarzglasrohling anschließend in eine Quarzglas-Drehbank eingespannt, zonenweise auf eine Temperatur von ca. 2000°C erhitzt und dabei verdrillt. Nach mehrmaligem Verdrillen liegt ein Quarzglaskörper in Form eines Rundstabes mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von ca. 800 mm vor, der in drei Richtungen schlie­ renfrei und der über sein Volumen gemittelt eine Wasserstoffkonzentration von ca. 5 × 10¹⁷ Molekülen/cm³ und einen OH-Gehalt von ca. 900 Gew.-ppm aufweist. Der Rundstab wird an­ schließend einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterzogen, indem er unter Vakuum bei 1100°C über eine Dauer von 50 h getempert wird. Danach liegt die mittlere Wasserstoffkon­ zentration des Rundstabes bei ca. 3 × 10¹⁶ Molekülen/cm³.

Durch eine Heißverformung bei einer Temperatur von 1700°C und unter Verwendung einer stickstoffgespülten Schmelzform wird daraus ein kreisrunder Quarzglas-Block mit einem Au­ ßendurchmesser von 240 mm und einer Dicke von Länge 90 mm gebildet.

Nach einem weiteren Tempervorgang, bei der der Quarzglas-Block unter Luft und Atmosphä­ rendruck auf 1100°C erhitzt und anschließend mit einer Abkühlrate von 1°C/h abgekühlt wird, wird lediglich noch eine Spannungsdoppelbrechung von 2 nm/cm gemessen, und die Brech­ zahlverteilung ist derart homogen, daß der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert unterhalb von 1 × 10^-6 liegt. Der Wasserstoffgehalt des Quarzglas-Blocks ist mittels der Raman-Methode nicht mehr nachweisbar und liegt somit unterhalb von 2 × 10¹⁶ Moleküle/cm³; sein mittlerer OH-Gehalt liegt unverändert bei ca. 900 Gew.-ppm. Der so herge­ stellte Quarzglas-Block ist als Rohling für die Herstellung einer optischen Linse für ein Mikroli­ thographiegerät unmittelbar geeignet.

Anhand einer Verfahrensvariante wurden die Meßproben hergestellt, deren Schädigungsver­ halten in Fig. 1 dargestellt ist. Bei dieser Verfahrensvariante wurde der nach dem Verdrillen vorliegende Rundstab ohne vorherige Wasserstoff-Reduktionsbehandlung durch Tempern un­ mittelbar zu dem Quarzglas-Block geformt. Aus dem Quarzglas-Block wurden zwei zylindri­ sche Meßproben A und B mit den Abmessungen 10 mm × 10 mm × 40 mm geschnitten, und deren vier lange Seiten jeweils poliert.

Die Meßprobe B wurde anschließend einem üblichen Temperprogramm unterworfen, das ein Heizen bei einer Temperatur von 800°C während einer Dauer von 50 Stunden in Luft umfaßt. Der mittlere Wasserstoffgehalt der Meßprobe B lag nach dieser Temper-Behandlung bei 1 × 10¹⁷ Molekülen/cm³; und der mittlere OH-Gehalt bei 900 Gew.-ppm.

Die Meßprobe A wurde einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterworfen, die ähnlich dem Temperprogramm für Meßprobe B ein Heizen bei einer Temperatur von 800°C in Luft umfaßt, dies jedoch während einer Dauer von 200 Stunden. Der mittlere Wasserstoffgehalt der Meßprobe A lag nach dieser Temper- und Wasserstoff-Reduktionsbehandlung bei ca. 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³; und der mittlere OH-Gehalt bei 900 Gew.-ppm.

Die Meßproben A und B wurden anschließend mit einem UV-Excimerlaser bestrahlt (Wellen­ länge λ = 193 nm, Impulsenergie = 100 mJ/cm², Pulswiederholungsrate = 200 Hz), wobei gleichzeitig die Transmission bei einer Wellenlänge λ = 193 nm gemessen wurde. Dabei wur­ de für Meßprobe A die in Fig. 1 mit "A" bezeichnete Absorptionskurve, und für Meßprobe B die mit "B" bezeichnete Absorptionskurve erhalten.

Aus den Absorptionskurven lassen sich folgende Schädigungsverhalten entnehmen:

Die Absorptionskurve "A" für das erfindungsgemäß hergestellte optische Bauteil entsprechend der Meßprobe A zeigt zunächst einen schnellen Anstieg, was also eine rasch einsetzende Schädigung des Quarzglases anzeigt, der aber nach einer Impulszahl von etwa 1 000 000 in eine Sättigung bei einem Absolutwert des Absorptionskoeffizienten von ca. 0,12 einmündet, was unter diesen Bedingungen ein überraschend niedriges Sättigungsniveau bedeutet.

Die Absorptionskurve "B", für ein optisches Bauteil nach dem Stand der Technik, entspre­ chend der Meßprobe B zeigt demgegenüber einen deutlich langsameren Anstieg mit etwa kon­ stanter Steigung. Bei der Meßprobe B ist bis zu einer Impulszahl von 15 000 000 noch keine Sättigung der induzierten Absorption erkennbar. Bei einer Impulszahl von ca. 5 000 000 schneiden sich die Absorptionskurven "A", "B". Das bedeutet, daß die Transmission des erfin­ dungsgemäßen optischen Bauteils bei höheren Impulszahlen besser ist, als die des anderen optischen Bauteils. Dies zeigt, daß das erfindungsgemäße optische Bauteil in bezug auf die Langzeitstabilität eine günstigeres Schädigungsverhalten aufweist.

Claims (8)

1. Optisches Bauteil für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer, aus synthetischem Quarzglas, das durch Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung in Form von feinkörnigem SiO₂ gebildet, auf einem Substrat abgeschieden und direkt verglast wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas einen Wasserstoffgehalt von weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ aufweist.

2. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas einen Wasserstoffgehalt von weniger als 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ aufweist.

3. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas einen OH-Gehalt von mindestens 400 ppm aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus synthetischem Quarzglas für die Übertragung ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 250 nm und kürzer, umfas­ send die Herstellung von synthetischem, wasserstoffhaltigem Quarzglas, durch Synthese von feinkörnigem SiO₂ mittels Flammenhydrolyse einer chlorfreien Siliciumverbindung, sowie Abscheiden und Verglasen des feinkörnigen SiO₂ auf einem Substrat unter Bil­ dung des wasserstoffhaltigen Quarzglases, dadurch gekennzeichnet, daß das wasser­ stoffhaltige Quarzglas einer Wasserstoff-Reduktionsbehandlung unterzogen wird, in der sein Wasserstoffgehalt auf einen Wert unterhalb von 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffgehalt des Quarzglases in der Wasserstoff-Reduktionsbehandlung auf einen Wert unterhalb von 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoff-Re­ duktionsbehandlung eine thermische Behandlung des Quarzglases, eine Behandlung unter Vakuum, und/oder eine Behandlung in einer chemisch reaktiven Atmosphäre umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffhaltige Quarzglas zu einem Zwischenprodukt geformt wird, dessen klein­ ste laterale Abmessung 100 mm, vorzugsweise 80 mm, nicht übersteigt, und daß die Wasserstoff-Reduktionsbehandlung teilweise oder vollständig an dem Zwischenprodukt vollzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas unter Bildung des Zwischenproduktes homogenisiert wird.