DE69634667T2

DE69634667T2 - Boule-oszillationsmuster für die herstellung von geschmolzenem quarzglas

Info

Publication number: DE69634667T2
Application number: DE69634667T
Authority: DE
Inventors: E. John MAXON
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: EP0850202A1; JPH11512383A; US5696038A; EP0850202B1; DE69634667D1; JP3841435B2; WO1997010184A1; EP1524246A1; EP0850202A4

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Quarzglas, und speziell auf Verfahren zur Verbesserung der Homogenität eines derartigen Glases, d.h. zum Reduzieren von Brechungsindexvariationen des Glases.
Beschreibung der Technologie
1 zeigt einen Schmelzofen 10 für die Herstellung von Quarzglas. Im Überblick werden siliziumhaltige Gasmoleküle in einer Flamme in Reaktion gebracht, um SiO₂-Rußpartikel zu bilden. Diese Partikel werden auf der heißen Oberfläche eines sich drehenden Körpers aufgebracht, wo sie zu einer viskosen Flüssigkeit verdichtet werden, welche später zu einem glasigen (festen) Zustand abgekühlt wird. Entsprechend dem Stand der Technik sind derartige Glasherstellungsverfahren als Dampfphase-Hydrolyse/Oxidationsprozesse oder einfach als Flammenhydrolyseprozesse bekannt. Der durch die abgelagerten Partikel gebildete Körper wird häufig als ein "Boule" bzw. eine "Vorform" bezeichnet, und diese Terminologie wird hier genutzt, wobei darunter verstanden wird, dass der Term jeden siliziumhaltigen Körper beinhaltet, der durch einen Flammenhydrolyseprozess gebildet ist.
Der Schmelzofen 10 beinhaltet eine Krone 12, welche eine Vielzahl von Aufdampfbrennern 14, eine Ringwand 16, welche die Krone lagert, und eine drehbare Grundplatte 18, welche auf einem x-y-Oszillationstisch 20 befestigt ist, besitzt. Die Kro ne, die Ringwand und die Grundplatte sind jeweils aus feuerfesten Materialien hergestellt.
Die feuerfesten Blöcke 22 sind auf der Grundplatte 18 befestigt, um das Flüssigkeitsgefäß 13 zu bilden. Die Blöcke bilden die Wand des Flüssigkeitsgefäßes, und der Teil der Grundplatte 18, welcher von der Wand umgeben ist (der Boden des Gefäßes), ist mit hochreinem Sand zum Beschicken 24 bedeckt, welcher die anfänglichen Rußpartikel sammelt. Die feuerfesten Blöcke 22 können aus einem äußeren Aluminium-Grundblock 22a und einer inneren Unterlage 22b, welche z.B. aus Zirkonerde oder Zirkon hergestellt ist, aufgebaut sein. Es können natürlich, falls gewünscht, andere feuerfeste Materialien und Konstruktionen benutzt werden. Eine bevorzugte Konstruktion für das Flüssigkeitsgefäß 13, welche für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird in der allgemein zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 60/003,608 mit dem Titel "Containment Vessel for Producing Fused Silica Glass" beschrieben, welches unter dem Namen von John E. Maxon vom 12. September 1995 aufgeführt ist.
Der Zwischenraum 26 zwischen dem oberen Teil des Flüssigkeitsgefäßes 13 und der Krone 12, welche hier als "Plenum" bzw. "Beckenhohlraum" bezeichnet wird, wird durch eine Vielzahl von Ventilen 28 belüftet, welche am oberen Teil der Ringwand 16 bei deren Verbindung mit der Krone gebildet sind. Die Ventile sind über Leitungen an ein gewöhnliches Entlüftungssystem angeschlossen, welches einen negativen Druck in dem Hohlraum erzeugt. Durch den negativen Druck fließt Luft durch einen ringförmigen Spalt 30 zwischen der Ringwand und dem Flüssigkeitsgefäß nach oben. Ein Brennersystem, welches die Variationen im Luftstrom um das Flüssigkeitsgefäß herum steuert, und welches in der Praxis in der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, wird in der allgemein zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 60/003,595 mit dem Titel "Furnace For Producing Fused Silica Glass" beschrieben, welches unter dem Namen von Paul M. Schermerhorn vom 12. September 1995 aufgeführt ist.
Wie kommerziell praktiziert, können Vorformen, welche einen Durchmesser in der Größenordnung von fünf Fuß (1,5 m) und eine Dicke in der Größenordnung von 5-8 inch (13-20 cm) besitzen, hergestellt werden, wobei Brennöfen des Typs benutzt werden, wie er in 1 gezeigt wird. Mannigfaltige Rohlinge werden aus derartigen Vorformen geschnitten, und sie werden benutzt, um verschiedene Produkte herzustellen, wobei optische Elemente, wie z.B. Linsen (Linsen für Mikrolithographiesysteme eingeschlossen), Prismen u.Ä. beinhaltet sind. Die Rohlinge werden im Allgemeinen in einer Richtung parallel zu der Drehachse der Vorform in dem Brennofen 10 geschnitten, und die optische Achse eines Linsenelementes, welches aus einem derartigen Rohling hergestellt ist, wird auch im Allgemeinen parallel zur Drehachse der Vorform sein. Des leichten Bezugs wegen wird die Richtung hier als die "z-Richtung" oder die "z-Achse" bezeichnet. Messungen der Inhomogenität, welche in einer Richtung senkrecht zur z-Achse durchgeführt werden, werden als "offaxis"-Messungen bzw. Messungen „außerhalb der Achse" bezeichnet.
Der Betrag an Brechungsindexvariation eines Rohlings, welcher toleriert werden kann, hängt von dem Produkt ab, welches aus dem Rohling herzustellen ist. Die Homogenität eines Rohlings oder eines optischen Elements wird normalerweise unter Nutzung interferometrischer Techniken gemessen. Wenn große Teile hergestellet werden sollen, wird ein Interferometer mit großer Apertur benutzt, z.B. ein Interferometer, welches eine Apertur von 18 inch (46 cm) besitzt.
2 zeigt einen 17,3-inch-(43,9-cm-)Interferometerausdruck (Phasenausdruck) für eine Quarzvorform, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung fertig gestellt wurde. Die Vorform wurde fertig gestellt, indem benutzt wurde: (1) ein Brennofen des Typs, wie er in 1 gezeigt wird, (2) ein Flüssigkeitsgefäß, dessen innere Wände unter einem Winkel von 10° zur Vertikalen geneigt sind, und (3) das Oszillations-/Drehmuster, welches unten als "Prozess 3" bezeichnet wird.
Quantitativ wird die Homogenität in der z-Richtung eines Rohlings durch seinen Δn-Wert ausgedrückt, welcher aus dem Interferometerausdruck berechnet wird, wobei die Gleichung benutzt wird: Δn = (λ·PV)/tb, (1)wobei λ die Lichtwellenlänge ist, welche in dem Interferometer benutzt wird, PV der Unterschied zwischen dem höchsten Berg und niedrigsten Tal des Phasenplottes ist und t_b die Dicke des Rohlings ist. Die Homogenität eines Rohlings kann auch in anderer Weise ausgedrückt werden, wie z.B. in dem Ausdruck der Quadratwurzel-(RMS-)Abweichung des Phasenplottes, welcher eine Messung der Variationen bzw. Änderungen von n zwischen unterschiedlichen Punkten des Rohlings liefert. Siehe hierzu z.B. die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 6-308717, veröffentlicht am 4. November 1994.
Eine Anwendung für Quarzrohlinge, welche sehr niedrige Wert von Δn haben müssen (z.B. Δn-Werte kleiner als oder gleich 1,0 × 10^-6 und vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,5 × 10^-6 für Rohlinge, welche einen Durchmesser von 125 mm und größer besitzen), ist die Herstellung optischer Elemente für Mikrolithographiesysteme.
Mikrolithographiesysteme werden verwendet, um integrierte Schaltungen herzustellen, und beinhalten im Allgemeinen eine Laserquelle im tiefen UV, ein Beleuchtungslinsensystem und ein Projektions-(Abbildungs-)Linsensystem. Siehe z.B. Pfau et al., "Quartz inhomogeneity effects in diffraction-limited deep ul traviolet imaging", Applied Optics, Band 31, Nr. 31, S. 6658-6661 (1. November 1992). Das Beleuchtungslinsensystem weitet den Laserstrahl auf und homogenisiert bzw. vereinheitlicht dessen Intensität. Das Projektionslinsensystem projiziert ein sehr hoch aufgelöstes Bild einer Maske auf einen mit einer Photoresistschicht überzogenen IC-Wafer.
Beugungseffekte begrenzen die Linienbreite, welche auf dem IC-Wafer hergestellt wird, und begrenzen damit die Dichte der Schaltungen, welche auf den Wafer geschrieben werden können. Speziell wird die Auflösung (R) auf dem Wafer gegeben durch: R = K·λL/NA, (2)wobei K eine Konstante ist, deren Wert von dem einzelnen System und Prozess abhängt, welcher benutzt wird, λ_L die Arbeitswellenlänge der Laserlichtquelle ist und NA die numerische Apertur des Projektionslinsensystems ist.
Durch Reduzieren der Wellenlänge des Laserlichtes wird damit die Auflösung verbessert, und es können damit engere Linien auf dem Wafer geschrieben werden. Entsprechend wurden in den letzten Jahren kürzere Laserwellenlängen, z.B. Laser, welche eine Wellenlänge von 400 nm oder weniger besitzen, in Mikrolithographiesystemen angewendet. Beispiele derartiger Laser beinhalten KrF- und ArF-Excimer-Laser, welche bei 248 nm und 193 nm jeweils arbeiten.
Bei diesen kurzen (UV-)Wellenlängen können optische Standardgläser für die optischen Elemente des Systems nicht benutzt werden, da sie eine sehr hohe Absorption besitzen. Quarzglas ist auf der anderen Seite in dem UV-Bereich transparent und ist damit das Material der Wahl für diese Anwendung.
Da das Ziel eines Mikrolithographiesystems darin besteht, ein Bild herzustellen, welches eine Auflösung im Submikrometerbereich besitzt, müssen die Linsenelemente, welche in derartigen Systemen benutzt werden, und damit die Linsenrohlinge, welche benutzt werden, um die Linsenelemente herzustellen, von höchster Qualität sein. Neben anderen Eigenschaften müssen derartige Rohlinge hohe interne Transmissionswerte, z.B. oberhalb von ungefähr 99,8% ± 0,1% pro Zentimeter, einen niedrigen Grad an Einschlüssen, an niedriger Doppelbrechung, niedriger Fluoreszenz und eine hohe Beständigkeit gegen Laserzerstörung bei UV-Wellenlängen besitzen.
Von kritischer Bedeutung ist der Δn-Wert des Rohlings, da unkontrollierte Variationen in n selbst als unkorrigierbare Fehler sich in dem Bild niederschlagen, welches auf dem IC-Wafer hergestellt wird. Außerdem werden nach obiger Gleichung (2) große NA-Werte benötigt, um eine hohe Auflösung zu erreichen. Umgekehrt bedeuten große NA-Werte große Linsenelemente. Entsprechend muss nicht nur Δn klein sein, sondern es muss auch für große Rohlingsabmessungen klein sein.
Beispiele für die Anstrengungen, welche gemacht werden, um diese Kombination eines niedrigen Δn-Wertes und einer großen Rohlingsabmessung zu erreichen, beinhalten das US-Patent Nr. 5,086,352 von Yamagata et al., die PCT-Veröffentlichung Nr. WO 93/00307, veröffentlicht am 7. Januar 1993, die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 5-116969, veröffentlicht am 14. Mai 1993, die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 6-166527, veröffentlicht am 14. Juli 1994, die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 6-234530, veröffentlicht am 23. August 1994, und die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 6-234531, veröffentlicht am 23. August 1994.
Zusätzlich zu kleinen Δn-Werten für große Rohlingsabmessungen müssen optische Elemente, welche in Mikrolithographiesystemen benutzt werden, eine hohe Homogenität außerhalb der Achse auf weisen, wiederum für große Rohlingsabmessungen. Siehe dazu z.B. die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 5-97452, veröffentlicht am 20 April 1993, in welcher die Notwendigkeit für die Homogenität in drei Richtungen diskutiert wird. Dies ist speziell für prismatische Elemente wichtig, welche in solchen Systemen genutzt werden, in welchen optische Ebenen unter Winkeln gebildet werden, in Bezug auf eine z-Richtung des Rohlings. (Siehe den oben zitierten Artikel von Pfau et al.; man beachte, dass die Homogenität außerhalb der Achse auch für Prismen und andere optische Elemente wichtig ist, welche in anderen Anwendungen als den Mikrolithographiesystemen benutzt werden.)
Die Homogenität außerhalb der Achse kann auf verschiedene Weise beobachtet und/oder gemessen werden, wobei das Anwenden eines Schatten-Aufzeichnungsverfahrens beinhaltet ist, bei welchem divergierendes Licht von einer Punktquelle durch einen Prüfling geführt wird und das sich ergebende Muster auf einem Beobachtungsschirm und über auf Beugung basierenden Techniken beobachtet wird, wobei parallel gerichtetes Licht durch einen Prüfling gelenkt wird und das Beugungsmuster im Fernfeld in der Fourier-Transformationsebene einer Linse mit langer Brennweite beobachtet wird (siehe "Corning Tests for Striae in Fused Silica", Laser Focus World, S. 110, August 1993).
Ein bevorzugtes Verfahren zum Messen der Inhomogenität außerhalb der Achse geschieht mit Hilfe eines Interferometer-/Kamerasystems, welches eine ausreichend feine räumliche Auflösung besitzt, um die interessierenden Inhomogenitäten zu detektieren, z.B. eine räumliche Auflösung von 18-20 Pixel/mm des Glases. Eine derartige Auflösung kann durch Anwenden einer Kamera mit hoher Auflösung erreicht werden, oder durch das Anwenden einer Strahlverkleinerung, welche zwischen dem Interferometer und dem Prüfling platziert ist, wobei diese letztere Vorgehensweise jedoch den Nachteil hat, dass nur ein kleiner Teil des Rohlings oder des optischen Elementes zur gleichen Zeit untersucht werden kann. Um Inhomogenitäten außerhalb der Achse von Rauschen unterscheiden zu können, kann das Bearbeiten des Interferometersignals entsprechend den Techniken durchgeführt werden, welche in der allgemein zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 60/003,607 beschrieben werden, mit dem Titel "Methods for Detecting Striae", welche am 12. September 1995 im Namen von David R. Fladd und Stephen J. Rieks aufgeführt wurde.
Beim Benutzen der Vorgehensweise entsprechend dem vorausgegangenen Typ wurden Inhomogenitäten außerhalb der Achse in Form von periodischen (sinusförmigen) Rillen für Rohlinge beobachtet, welche durch Benutzen von Brennöfen des Typs hergestellt wurden, wie er in 1 gezeigt wird. 3 ist ein Außer-Achse-Phasenplot eines Rohlings, welcher mit einem Oszillations-/ Drehmuster entsprechend dem Stand der Technik und einem Brennofen des Typs hergestellt wurde, wie er in 1 gezeigt wird. In dieser Figur kann eine deutliche periodische außerhalb der Achse liegende Inhomogenität klar gesehen werden, welche eine Durchschnitts-Spitze-zu-Spitze-Periode von ungefähr einem halben Millimeter besitzt.
Quantitativ wurde herausgefunden, dass derartige Rillen δn-Werte um 10 × 10^-8 besitzen, wobei δn = (λ·PV)/PL, (3)λ die Lichtwellenlänge ist, welche in dem Interferometer benutzt wird, PV der Unterschied zwischen dem höchsten Berg und dem niedrigsten Tal des Phasenplottes ist, welcher mit dem Interferometer für die Rillen hergestellt wurde, und PL die Außerachs-Pfadlänge durch den Rohling ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Reduzieren der Inhomogenität außerhalb der Achse, während gleichzeitig ein hoher Grad an Homogenität in der z-Richtung beibehalten wird. Speziell ist die Erfindung darauf gerichtet, sowohl die durchschnittliche Spitze-zu-Spitze-Periode (Beabstandung) der Rillen (Δz_striae) zu erhöhen, als auch deren durchschnittliche Berg-zu-Tal-Größe (Δn_striae) wenigstens im gleichen Maße zu reduzieren. Auf diese Weise können diese Durchschnittswerte, d.h. das Verhältnis von Δn_striae/Δz_striae reduziert werden, wodurch die optischen Effekte der Rillen vermindert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Unter Berücksichtigung des Vorausgegangenen ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, verbesserte Verfahren für das Herstellen von siliziumhaltigen Vorformen mit dem Flammenhydrolyse-Prozess zu liefern. Speziell ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Homogenität außerhalb der Achse derartiger Vorformen und damit die Homogenität außerhalb der Achse von Rohlingen und optischen Elementen zu verbessern, wobei Prismen und Linsenelemente eingeschlossen sind, welche daraus hergestellt werden. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Rohlinge und optische Elemente zu liefern, welche eine hohe Homogenität außerhalb der Achse, eine hohe z-Achsen-Homogenität und große Abmessungen besitzen.
Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren geliefert, wie im Anspruch 1 aufgeführt. Es wurde entdeckt, dass die Homogenität außerhalb der Achse einer Vorform und damit die Homogenität außerhalb der Achse von Rohlingen und optischen Elementen, welche daraus hergestellt werden, von zwei Gesichtspunkten des Oszillationsmusters abhängen, welches zum Herstellen der Vorform benutzt wird.
Der erste Gesichtspunkt ist die Wiederholperiode des Oszillationsmusters, d.h. die Zeitperiode, welche für das Zurückkehren der Vorform zum im Wesentlichen gleichen Platz in dem Brennofen benötigt wird, welches im Wesentlichen in die gleiche Richtung mit der im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit geht. Entsprechend der Erfindung wurde herausgefunden, dass Δz_striae wie es interferometrisch gemessen wird, im Wesentlichen in linearer Beziehung zu der Wiederholperiode ist. D.h., wenn die Wiederholperiode sich erhöht, erhöht sich Δz_striae. Ein Erhöhen von Δz_striae bedeutet umgekehrt ein Abnehmen des Δn_striae/Δz_striae-Verhältnisses, was, wie oben diskutiert, bedeutet, dass die optischen Effekte der Rillen reduziert werden.
Speziell wurde herausgefunden, dass periodische Außerachs-Rillen signifikant reduziert werden können, wenn Oszillationsmuster, welche Wiederholperioden größer als ungefähr 8 Minuten und vorzugsweise ungefähr 10 Minuten besitzen, in dem Vorform-Fertigungsstellungsprozess benutzt werden.
Es wurde ferner herausgefunden, dass es einen substanziellen Unterschied zwischen dem physikalischen Betrag an Glas, welches während einer Wiederholperiode aufgebracht wird, und dem beobachteten Δz_striae gibt. D.h., Δz_striae ist in der Größenordnung um 10-15-mal größer als die Dicke des während der Wiederholperiode aufgebrachten Glases. Entsprechend diesem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Wiederholperiode des Oszillationsmusters derart gewählt, dass diese der Ablagerung von wenigstens ungefähr 0,15 mm an Glas und vorzugsweise von ungefähr 0,20 mm an Glas entspricht.
Der zweite Gesichtspunkt des Oszillationsmusters, welcher einen Einfluss auf die Außerachs-periodischen Striae hat, ist die Beziehung des Musters auf die Gesamtdrehung der Vorform relativ zu den Brennern des Brennofens. Entsprechend der Erfindung wurde herausgefunden, dass periodische Außerachs-Rillen wesentlich reduziert werden können, wenn das Oszillationsmuster und die Gesamtrotationsrate so ausgewählt werden, dass die Brenner im Wesentlichen auf Spiralpfaden über die Vorform schwenken.
Entsprechend diesem Gesichtspunkt der Erfindung wurde ferner herausgefunden, dass das Verwenden einer reinen Spirale die Außerachs-Rillen reduziert, aber auf Kosten der Homogenität in der z-Achse. Entsprechend wird in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung den Spiralpfaden wenigstens ein gewisser Wobble aufgeprägt, um Δn innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten (derartige Pfade werden hier als "im Wesentlichen Spiralpfade" oder als "spiralähnliche Pfade" bezeichnet). Zusätzlich können die Herstellungsbedingungen und das Flüssigkeitsgefäß, welches in der oben aufgeführten Anmeldung mit dem Titel "Containment Vessel for Producing Fused Silica Glass" beschrieben wird, mit den spiralförmigen oder spiralähnlichen Mustern benutzt werden, um den notwendigen Grad an z-Achse-Homogenität zu liefern. Allgemein ausgedrückt liefern die Verfahren und das Gerät für diese Applikation Folgendes:

(1) Beibehalten einer ausreichend hohen Vorformtemperatur während des Vorformbildungsprozesses, so dass die Vorform unter ihrem eigenen Gewicht radial mit einer minimalen Höhe des Kopfes fließt, speziell mit einer Höhe des Kopfes kleiner als oder gleich zu ungefähr 5,0 mm und vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr 0,125 inch (3,2 mm) an Glas;
(2) Bilden der Vorform in einem Flüssigkeitsgefäß, dessen innerer Radius r_v im Wesentlichen größer als der Radius r_b des äußersten Brenners für den Ablageprozess ist, welcher benutzt wird, um die Vorform zu bilden, z.B. das Verhältnis von r_v zu r_b ist wenigstens ungefähr 1,1; und/oder
(3) Bilden der Vorform in einem Flüssigkeitsgefäß, welches eine innere Gefäßwand oder -wände besitzt, deren vertikale Höhe h mit zunehmender Entfernung d vom Zentrum des Gefäßes mit einem Verhältnis Δh/Δd zunimmt, welches kleiner als oder gleich ungefähr 3 ist.

Mit Hilfe der Erfindung können Rohlinge und optische Elemente produziert werden, welche Δn_striae/Δz_striae-Werte kleiner als oder gleich 2,0 × 10^-8 mm^-1 und vorzugsweise kleiner oder gleich ungefähr 1,5 × 10^-8 mm^-1 und z-Achse-Homogenitätswerte (Δn-Werte) kleiner als oder gleich 1,0 × 10^-6 und vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,5 × 10^-6 für Rohling-(Element-)Abmessungen (z.B. Durchmesser für zylindrische Rohlinge) größer als oder gleich 125 mm, vorzugsweise größer als oder gleich 150 mm und am bevorzugtesten größer als oder gleich 200 mm besitzen. Um z-Achse-Homogenitätswerte von 0,5 × 10^-6 oder weniger zu erreichen, sind im Allgemeinen das Gerät und die Verfahren der oben aufgeführten Anmeldung mit dem Titel "Containment Vessel for Producing Fused Silica Glass" notwendig. Abhängig von der Möglichkeit bzw. Leistungsfähigkeit des benutzten Test-Equipments kann das Erfüllen von Δn_striae/Δz_striae und des Δn-Kriteriums durch Prüfen des Rohlings oder des Elementes insgesamt oder durch Testen repräsentativer Abschnitte desselbigen bestimmt werden. Werte des Δn_striae/Δz_striae-Verhältnisses können manuell oder automatisch durch Computer bestimmt werden, wobei ein Phasenplot oder vorzugsweise eine davon abgeleitete Profillinie benutzt wird. Siehe die oben zitierte Anmeldung mit dem Titel "Methods for Detecting Striae", und speziell die Diskussion der 11 dieser Anmeldung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung eines Brennofens entsprechend dem Stand der Technik, welcher zur Herstellung von Quarzvorformen benutzt wird, wobei ein Flammenhydrolyse-Prozess angewandt wird.
2 zeigt einen 17,3-inch-(43,9-cm-)Interferometer-Phasenplot für einen Abschnitt einer Quarzvorform, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung fertig gestellt wurde. Der Phasenplot ist entlang der z-Achse der Vorform aufgenommen. Wie gezeigt wird, wurden die PST-, TLT- und PWR-Komponenten von den Original-Rohdaten entfernt (ZYGO-Terminologie; Zygo Corporation, Middlefield, CT).
Die 3, 4 und 5 sind Außerachs-Phasenplots für Rohlinge, welche fertig gestellt wurden, wobei Brennöfen entsprechend dem Stand der Technik des Typs verwendet wurden, welcher in 1 gezeigt wird, und Flüssigkeitsgefäße, deren innere Wände unter einem Winkel von 10° bezüglich der Vertikalen geneigt waren. Die Vorform-Oszillations- und Drehparameter, welche für das Fertigstellen dieser Rohlinge benutzt wurden, sind diejenigen, auf welche in Tabelle 1 als Prozess 1 (3), Prozess 2 (4) und Prozess 3 (5) Bezug genommen wird. Die Phasenplots dieser Figuren wurden erstellt, indem eine Strahlverengung zwischen dem Interferometer und dem Prüfling benutzt wurde und dadurch eine Apertur von nur ungefähr 6,5 mm vorlag. Die Datenanalyseverfahren der oben zitierten Anwendung mit dem Titel "Methods for Detecting Striae" wurden nicht für das Erstellen dieser Plots benutzt. Wie gezeigt wird, wurden die PST- und TLT-Komponenten von den Rohdaten für jede dieser Figuren entfernt.
Es sollte beachtet werden, dass die vertikalen Maßstäbe in 2 auf der einen Seite und in den 3, 4 und 5 auf der anderen Seite unterschiedlich sind, ebenso wie die horizontalen Maßstäbe. Speziell sind in den 3, 4 und 5 erweiterte Maßstäbe sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung verglichen mit 2.
6a, 7A und 8A sind Plots von x(t) in Abhängigkeit von t für jeweils Prozesse 1, 2 und 3. 6B, 7B und 8B sind Plots von y(t) in Abhängigkeit von t, wiederum für jeweils Prozesse 1, 2 und 3.
9A, 10A und 11A sind "Spiralgraphen" für jeweils Prozesse 1, 2 und 3 bei 300 Sekunden. Die 9B, 10B und 11B sind die entsprechenden Spiralgraphen bei 700 Sekunden.
12 ist eine schematische Zeichnung der Brennerplatzierungen, welche zum Erstellen der 9–11 benutzt wurden.
Die vorherigen Zeichnungen, welche in die Spezifikation eingearbeitet wurden und deren Bestand darstellen, erläutern die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Es ist natürlich davon auszugehen, dass sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur zur Erklärung dienen und nicht dazu, die Erfindung einzuschränken.
Die Zeichnung der 1 soll nicht maßstäbliche oder relative Proportionen der Elemente aufzeigen, welche darin gezeigt werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie oben diskutiert wurde, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren, um die Homogenität von siliziumhaltigen Körpern zu verbessern, welche durch Aufdampftechniken hergestellt werden. Der siliziumhaltige Körper kann im Wesentlichen reines Quarzglas sein oder er kann eine oder mehrere Dotiermittel je nach Wunsch beinhalten, z.B. kann der Körper ein Titan-Dotiermittel aufweisen, welches den thermischen Expansi onskoeffizienten des Glases erniedrigt. Ein kleiner Anteil an Kontaminierstoffen kann auch im Körper vorhanden sein.
Entsprechend der Erfindung wird eine verbesserte Homogenität außerhalb der Achse mit Hilfe des Oszillations-/Drehmusters erreicht werden, welches während der Bildung der Vorform benutzt wird. Die speziellen Muster, welche in den Experimenten, über die hier berichtet wird, benutzt wurden, werden durch die folgenden Gleichungen definiert: x(t) = r1 sin 2πω1t + r2 sin 2πω2t (4) y(t) = r1 cos 2πω1t + r2 cos 2πω2t (5)wobei x(t) und y(t) die Koordinaten im Zentrum der Vorform wiedergeben, wie sie vom Zentrum der Ringwand 16 als Funktion der Zeit (t) gemessen werden, und die Zeit in Minuten gemessen wird. Diese Geometrie wird schematisch in 12 dargestellt, wobei 100 das Zentrum der Ringwand und 200 das Zentrum der Vorform wiedergibt. Es sollte beachtet werden, dass die Summe von r₁ und r₂ kleiner als die Differenz zwischen dem Radius der Ringwand und dem Radius des Flüssigkeitsgefäßes ist, um eine Berührung zwischen diesen Strukturen während des Bildens der Vorform zu vermeiden.
Zusätzlich zu den vier Parametern r₁, r₂, ω₁ und ω₂ wird die Gesamtbewegung der Vorform auch durch einen fünften Parameter, ω₃, definiert, welcher die Drehrate der Vorform um ihr Zentrum in Umdrehungen pro Minute (UpM) angibt. Diese Gesamtdrehung der Vorform wird mit der Referenznummer 3 in 1 dargestellt.
Es sollte beachtet werden, dass die Oszillationsmuster, welche mehr oder minder komplex gegenüber denen sind, welche durch die Gleichungen (4) und (5) definiert werden, in der praktischen Anwendung der Erfindung benutzt werden können, falls dies gewünscht wird. Speziell können mehr als zwei Frequenzen benutzt werden, um x(t) und/oder y(t) zu definieren.
Die Tabelle 1 stellt drei Sätze von Werten für r₁, r₂, ω₁, ω₂ und ω₃ dar, welche die Merkmale der Erfindung erläutern. Zweckdienlicherweise werden dieses Sätze von Werten als "Prozess 1", "Prozess 2" und "Prozess 3" bezeichnet. Die Prozesse 1 und 2 sind Muster, welche entsprechend dem Stand der Technik benutzt wurden, während der Prozess 3 entsprechend dem Inhalt der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde. Die Werte in Tabelle 1 sind zum Herstellen einer Vorform geeignet, welche einen Durchmesser von ungefähr fünf Fuß (1,5 m) besitzt. Geeignete Werte zum Herstellen größerer oder kleinerer Vorformen können von Fachleuten aus der hier gegebenen Veröffentlichung berechnet werden.
Wie oben diskutiert wurde, wurde entsprechend gewisser Gesichtspunkte der Erfindung herausgefunden, dass die optischen Effekte von periodischen Außerachs-Rillen durch Benutzen eines Oszillationsmusters reduziert werden können, welches eine ausreichend lange Wiederholperiode besitzt. Die Wiederholperiode kann aus x(t)- und/oder y(t)-Plots in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden, entsprechend der Art wie sie in den 6–8 gezeigt wird.
6 zeigt die Muster, welche erhalten werden, wenn ω₁ < ω₂; 7 zeigt den Fall von ω₁ ≈ ω₂; und 8 zeigt den Fall von ω₁ << ω₂.
Eine Untersuchung von z.B. 6A zeigt, dass bei t = 0 und wiederum bei ungefähr t = 120 Sekunden, x(t) in seinem Maximum ist. Dieses Maximum entspricht sin 2πω₁t und sin 2πω₂t, wobei beide gleich oder ungefähr gleich +1 sind, was auftritt, wenn die Argumente dieser Sinusfunktionen jeweils gleich 2nπ sind, wobei n unterschiedlich für ω₁ und für ω₂ ist. Speziell treten Maxima für x(t) immer dann auf, wenn ω₁/ω₂ im Wesentlichen gleich n₁/n₂ ist.
Der Maximalwert für t um 120 Sekunden entspricht n₁ = 3 und n₂ = 7. Dieses Maximum tritt bei ungefähr 2,1 Minuten (126 Sekunden), wo 2πωt = 14π und 2πω₁t = 6π. Die Wiederholperiode für den Prozess 1 beträgt damit ungefähr 2,1 Minuten.
Die Abtastungen bzw. Kurvenverläufe in der 7 zeigen ein klassisches Schwebemuster, welches eine Schwebefrequenz gleich der Größenordnung der Differenz zwischen ω₂ und ω₁ aufweist. Die Schwebeperiode ist einfach um 1 über der Schwebefrequenz. Entsprechend ist die Wiederholperiode, wenn ω₁ ≈ ω₂ einfach 1/|ω₂ – ω₁|. Für die Parameter des Prozesses 2 der Tabelle 1 beträgt die Wiederholperiode ungefähr 4,9 Minuten (294 Sekunden).
Die Kurvenverläufe in 8 stellen den Fall dar, bei welchem ω₁ << ω₂. Für diesen Zustand ist die Wiederholperiode im Wesentlichen die gleiche wie die Periode für die langsamere Oszillation, d.h. die Wiederholperiode ist ungefähr 1/ω₁. Für die Parameter des Prozesses 3 der Tabelle 1 beträgt damit die Wiederholperiode ungefähr 10 Minuten (600 Sekunden).
Wie oben diskutiert wurde, wurde entsprechend der Erfindung herausgefunden, dass die optischen Effekte von periodischen Rillen durch Benutzen einer Wiederholungsperiode von wenigstens ungefähr 8 Minuten reduziert werden können. Es sollte beachtet werden, dass eine derartige Wiederholperiode für irgendeine Beziehung zwischen ω₁ zu ω₂, wie sie in 6, 7 und 8 dargestellt wird, erreicht werden kann, obwohl die Beziehung der 8, d.h. ω₁ << ω₂ vorgezogen wird. In ähnlicher Weise kann die gewünschte Wiederholungsperiode für Oszillations muster erreicht werden, deren Zusammensetzung anders als zwei Sinuswellen ist.
Zusätzlich zur Abhängigkeit von der Wiederholperiode des Oszillationsmusters, hängen die periodischen Rillen außerhalb der Achse auch von der Beziehung zwischen dem Oszillationsmuster und der Gesamtdrehung der Vorform um ihr Zentrum ab. Speziell wurde herausgefunden, dass periodische Rillen außerhalb der Achse signifikant reduziert werden können, wenn das Oszillationsmuster und die Drehungsrate der Vorform so ausgewählt werden, dass die Pfade, auf denen die Brenner über die Oberfläche der Vorform fahren, Spiralen sind.
Ein Satz von ω's und r's, welcher für das Herstellen einer Vorform geeignet ist, welche einen Durchmesser von ungefähr fünf Fuß (1,5 m) besitzt und mit welcher ein derartiges Spiralmuster hergestellt wird, ist wie folgt: r₁ = 0, r₂ = 2,5 inch (6,35 cm); ω₁ = 0 UpM bzw. 1/min; ω₂ = 0,45 UpM bzw. 1/min; und ω₃ = 6,0 UpM bzw. 1/min. Man beachte, dass ω₃ größer als ω₂ ist, wie dies erforderlich ist, um einen Spiralpfad auf der Vorform zu erzeugen. Geeignete Werte für das Herstellen größerer oder kleinerer Vorformen können schließlich durch Fachleute aus der vorliegenden Veröffentlichung berechnet werden.
Obwohl ein Spiralmuster effektiv ist, wenn es sich um periodische Rillen außerhalb der Achse handelt, hat es den Nachteil, dass es dazu neigt, relativ große Δn-Werte zu erzeugen. Entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird auf dieses Problem durch Benutzen von Brennerpfaden eingegangen, welche im Wesentlichen Spiralen sind, aber nicht reine Spiralen. Die Parameter des Prozesses 3 stellen derartige spiralenähnliche Brennermuster her.
11 zeigt berechnete Ablagemuster für die Parameter des Prozesses 3 für drei Brenner, welche nahe dem Zentrum 100 der Ringwand 16 platziert sind. Die relativen Orte dieser Brenner werden in 12 gezeigt. Deren radialen Entfernungen vom Zentrum sind 2,75 inch (7,0 cm) für den Brenner 1, 5,00 inch (12,7 cm) für den Brenner 2 und 6,63 inch (16,8 cm) für den Brenner 3. 11A zeigt das Muster bei 300 Sekunden, während 11B dieses bei 700 Sekunden zeigt. Die spiralähnliche Beschaffenheit der Brennerpfade wird in diesen Figuren offensichtlich.
Zum Vergleich zeigen 9 und 10 berechnete Ablage- bzw. ausgeführte Muster für die gleichen Brennerorte, wenn die Prozesse 1 und 2 benutzt werden. Wie diese Figuren zeigen, führen diese Prozesse zu Mustern, welche nicht spiralähnlich sind, sondern welche ziemlich ablaufinvariant sind, d.h. der Pfad des Brenners kreuzt und überkreuzt sich selbst, wenn das Muster entsteht.
Tabelle 2 und 3 (Prozess 1), 4 (Prozess 2) und 5 (Prozess 3) stellen die signifikante Verbesserung bei den periodischen Rillen außerhalb der Achse dar, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden. Wie dabei gezeigt wird, führt der Prozess 3 zu einem signifikant geringerem Δn_striae/Δz_striae-Wert als entweder der Prozess 1 oder der Prozess 2. Die Reduktion dieses Wertes bedeutet, dass die optischen Effekte der Rillen im Wesentlichen reduziert sind.
Z.B. erzeugten in dem Schattendiagrammtest, bei welchem divergierendes Licht durch einen Prüfling geführt wird und das sich ergebende Muster auf einem Schirm beobachtet wird, Prüflinge, welche mit dem Prozess 1 fertig gestellt wurden, leicht sichtbare parallele Linien mit hohem Kontrast auf dem Schirm, und diejenigen, welche durch Benutzen des Prozesses 2 hergestellt wurden, wenig sichtbare parallele Linien mit niedrigem Kon trast. Mit dem Prozess 2 auf der anderen Seite hergestellte Muster waren auf dem Schirm nahezu unsichtbar, was das Ziel ist.
Wie oben diskutiert wurde, wurde herausgefunden, dass ein wesentlicher Unterschied zwischen dem beobachteten Δz_striae und dem physikalischen Betrag bzw. der Menge an während einer Wiederholperiode abgelagerten Glases besteht. Obwohl es in den Phasenplots der 3–5 nicht sichtbar ist, kann die zugrunde liegende Struktur des Glases, welche die periodischen Rillen dieser Plots erzeugt, mit Hilfe der Schattendiagrammtechnik gesehen werden. Speziell wurde herausgefunden, dass eine Bewegung eines Prüflings, weg von der Lichtquelle der Schattenaufzeichnung hin zu einer Position nahe des Schirmes der Schattenaufzeichnung, dazu führt, dass ein Muster auf dem Schirm auftritt, welches eine Raumfrequenz viel höher als diejenige besitzt, welche beobachtet wird, wenn der Prüfling nahe an der Lichtquelle ist. Obwohl nicht gewünscht wird, durch irgendeine spezielle Theorie der Durchführung gebunden zu sein, glaubt man, dass dieses feinere Muster mit der feinen Struktur des Glases korrespondiert, welches die periodischen Rillen verursacht, welche in den Phasenplots beobachtet werden.
Mit Hilfe der Erfindung wurden signifikante Verbesserungen in der Homogenität und der Homogenität außerhalb der Achse erreicht. Durch Benutzen des Prozesses 3 z.B. und des Gerätes und der Verfahren der oben zitierten Anmeldung mit dem Titel "Containment Vessel for Producing Fused Silica Glass" können Vorformen, welche einen Durchmesser von bis zu 1,53 Meter besitzen, hergestellt werden und für das Herstellen von Rohlingen benutzt werden, welche Durchmesser von bis zu 360 Millimeter, Δn-Werte von weniger als 0,5 × 10^-6 und Δn_striae/Δz_striae-Werte von weniger als 1,5 × 10^-8 mm^-1 besitzen. Derartige Rohlinge können dazu benutzt werden, optische Elemente für Mikrolithographiesysteme herzustellen, wobei z.B. KrF-Laser angewendet werden.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und erläutert wurden, ist davon auszugehen, dass Modifikationen, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzugehen, gemacht werden können. Beispielsweise ist die Relativbewegung zwischen der Quelle der Rußpartikel und der Vorform wichtig, obwohl die Erfindung mit Bezug auf stationäre Brenner und eine bewegte Vorform beschrieben wurde. Entsprechend kann die erforderliche Bewegung auch durch stationäres Halten der Vorform und durch Bewegen der Quelle der Rußpartikel oder durch Bewegen sowohl der Vorform als auch der Quelle der Rußpartikel erreicht werden, zusätzlich zum Benutzen einer stationären Quelle und einer sich bewegenden Vorform, wie dies oben beschrieben wurde (die bevorzugte Vorgehensweise).
Eine Vielfalt von anderen Modifikationen, welche nicht vom Umfang und Geist der Erfindung abweichen, wird für normale Fachleute aus der vorliegenden Veröffentlichung offensichtlich werden. Die folgenden Ansprüche sind dazu gedacht, sowohl die hier aufgestellten speziellen Ausführungsformen als auch die Modifikationen, Variationen und Äquivalente abzudecken. TABELLE 1
TABELLE 2

Claims

Verfahren zum Herstellen eines siliziumhaltigen Körpers zum Reduzieren außer Achse liegender periodischer Rillen im Brechungsindex eines Rohlings, welcher aus dem siliziumhaltigen Körper gebildet ist, wobei die außer Achse liegenden periodischen Rillen eine durchschnittliche Größe Δn_striae von Berg-zu-Tal- bzw. von Maximal-zu-Minimalwert und eine durchschnittliche Periodendauer Δz_striae von Maximal-zu-Minimalwert besitzen, wobei das Verfahren aufweist: (a) Liefern einer Quelle (14) von Rußpartikeln; (b) Sammeln der Rußpartikel, um den Körper (19) zu bilden, Drehen des Körpers um eine Achse, wobei die Rußpartikel, während sie gesammelt werden, zu einer viskosen Flüssigkeit verdichtet werden, wobei das Sammeln das Erhöhen der Dicke des Körpers verursacht; (c) Liefern einer Relativ-Oszillationsbewegung zwischen der Quelle und dem Körper, wenn die Rußpartikel gesammelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung orthogonal zur Dicke des Körpers ist, und dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wiederholperiode besitzt, welche genügend lang ist, so dass Δn_striae/Δz_striae für den Rohling kleiner oder gleich zu ungefähr 2,0 × 10^-8 mm^-1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Sammeln und das Oszillieren so durchgeführt werden, dass die Dicke des Körpers (19) um wenigstens ungefähr 0,15 mm während der Wiederholperiode zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dicke des Körpers (14) um wenigstens ungefähr 0,2 mm während der Wiederholperiode zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wiederholperiode länger als ungefähr 8 Minuten dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wiederholperiode ungefähr 10 Minuten dauert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Rotations- und Oszillationsbewegung derartig sind, dass die Projektion der Quelle auf den Körper (19) einer Spur folgt, welche im Wesentlichen eine Spirale ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Spur eine reine Spirale ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Quelle eine Vielzahl von Ruß produzierenden Brennern (14) aufweist und jeder Brenner einer Spur folgt, welche im Wesentlichen eine Spirale ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oszillationsbewegung eine Wiederholperiode besitzt und das Sammeln und das Oszillieren so ausgeführt werden, dass die Dicke des Körpers sich um wenigstens 0,15 mm während der Wiederholperiode erhöht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Dicke des Körpers (19) sich um wenigstens 0,2 mm während der Wiederholperiode erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wiederholperiode ausreichend lang ist, so dass Δn_striae/Δz_striae für den Rohling kleiner als ungefähr gleich 1,5 × 10^-8 mm^-1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rohling eine Homogenität Δn auf der z-Achse besitzt, welche für eine Rohlingsabmessung größer als oder gleich 125 mm kleiner oder gleich 1,0 × 10^-6 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rohling eine Homogenität Δn auf der z-Achse besitzt, welche für eine Rohlingsabmessung größer als oder gleich 125 mm kleiner oder gleich 1,0 × 10^-6 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rohling eine Homogenität Δn auf der z-Achse besitzt, welche für eine Rohlingsabmessung größer als oder gleich 125 mm kleiner als oder gleich 0,5 × 10^-6 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rohling eine Homogenität Δn auf der z-Achse besitzt, welche für eine Rohlingsabmessung größer als oder gleich 125 mm kleiner als oder gleich 0,5 × 10^-6 ist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Rohlingsabmessung größer als oder gleich 150 mm ist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Rohlingsabmessung größer als oder gleich 200 mm ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Rohling ein Dotiermittel enthält.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, welches aufweist: Herstellen eines Rohlings, wobei ein Verfahren entsprechend einem der vorausgehenden Ansprüche benutzt wird, und Herstellen eines optischen Elementes aus dem Rohling.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das optische Element ein Prisma ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das optische Element ein Linsenelement ist.