JP2000026126A

JP2000026126A - 石英ガラス製造装置

Info

Publication number: JP2000026126A
Application number: JP10195644A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Suwa; 俊嗣諏訪; Michiaki Yamaguchi; 倫央山口; Shoji Yajima; 昭司矢島; Hiroki Jinbo; 宏樹神保
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2000-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】炉内壁へのシリカ微粒子の付着を抑制し、安
定した品質の石英ガラスを合成することができる石英ガ
ラス製造装置の提供。【解決手段】インゴット形成用ターゲット４と、ター
ゲット４が配設され、排気口１０を有する炉２と、ター
ゲット４に先端を向けて配設された石英ガラス合成用バ
ーナー３と、排気口１０から合成炉２内のガスを排気す
る排気管８を備え、合成炉２内においてターゲット４上
に石英ガラスのインゴット１２を形成する石英ガラス製
造装置において、可燃性の水素ガスおよび支燃性の酸素
ガスをそれぞれ合成炉２内に流出して合成炉２の内壁面
に沿った火炎流２１を形成するノズル９を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火炎加水分解法に
より石英ガラスを合成する石英ガラス製造装置に関す
る。

【０００２】

【発明の背景】従来、シリコン等のウェハ上に集積回路
の微細パターンを露光・転写する光リソグラフィ技術に
おいては、ステッパーと呼ばれる露光装置が用いられて
いる。近年、ＬＳＩの高集積化に伴って加工線幅がより
微細になりつつある。例えば、ＤＲＡＭの場合には１Ｇ
と容量が増大するとともに加工線幅も０．１８μｍとな
り、より波長の短いＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエ
キシマレーザーがステッパーの光源として用いられつつ
ある。

【０００３】一般に、ＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦ
エキシマレーザーを用いる露光装置では、光の透過率低
下を考慮して照明光学系や投影光学系のレンズの材料と
して、従来の光学ガラスに代えて合成石英ガラスや蛍石
（CaF₂）等のフッ化物単結晶を用いることが提案されて
いる。このような紫外線リソグラフィー用光学素子とし
て用いられる石英ガラスには、紫外光の高透過性と屈折
率の高均質性とが要求される。高透過性を実現するため
には石英ガラス中の不純物濃度を低濃度に抑える必要が
あるが、そのような石英ガラスの製造方法の一つとして
火炎加水分解法が知られている。

【０００４】火炎加水分解法では、インゴット形成用タ
ーゲットを高温に加熱した後、石英ガラスの原料である
ケイ素化合物のガスと燃焼ガスとを炉の天井部に設けら
れたバーナーからターゲットに向けて流出する。このと
き、燃焼ガスにより酸水素火炎を発生させ、その酸水素
火炎中でケイ素化合物を加熱するとともに加水分解反応
を起こさせる。この加水分解反応により酸水素火炎中に
シリカ（SiO₂）の微粒子が生成され、それがターゲット
上に堆積すると共に溶融してガラス化する。

【０００５】シリカ微粒子を含んだ酸水素火炎は、イン
ゴットの合成面に吹き付けられた後、合成面に沿って炉
の側壁方向に流れる。炉の側壁には反応生成ガス（HCl
など）やターゲットに捕捉されなかったシリカ微粒子等
を排気するための排気口が設けられており、この位置は
火炎流の流れを考慮して決められる。酸水素火炎の流れ
はインゴットの先端形状や火炎流の流速によってほぼ決
まるが、それに対応させて排気口を必要以上に上部に設
けると炉内温度を低下させる要因となるので、できるだ
け炉の下方位置に設けられる。

【０００６】このようにして合成される石英ガラスで
は、合成の際に生じる様々な条件のゆらぎによって石英
ガラスの屈折率の均質性が悪化する。条件のゆらぎとし
ては、例えば、炉の劣化による構造変化、酸水素火炎に
よる合成面の温度分布の変化、火炎加水分解反応や熱分
解・熱酸化反応やガラスへの不純物の拡散状態の変化な
どがある。これらの条件のゆらぎは、石英ガラス内に脈
理と呼ばれる成長縞を発生させたり、径方向の屈折率均
質性に影響を及ぼす。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、酸水素火炎
中で生成されたシリカ微粒子はその全てがターゲット
（またはインゴットの合成面）に捕捉されるわけではな
く、ターゲットへのシリカ微粒子の平均的捕捉率は６０
％前後である。捕捉されなかったシリカ微粒子の一部は
炉の内壁等に付着し、残りは排気ガスと共に排気口から
炉外部へ排気される。

【０００８】本発明者らは、石英ガラス合成の実験を種
々重ねた結果、石英ガラスに生じる泡や屈折率の局所的
不均質や脈理などは、石英ガラス製造時に炉天井部に付
着した付着物が落下したり、炉内壁面に付着物が生成さ
れて炉内温度変化が生じることに起因することを解明し
た。

【０００９】すなわち、炉の内壁面にシリカ微粒子が付
着すると、以下のような問題が生じる。例えば、炉の天
井部に位置するバーナーに付着した場合には、合成時に
付着物がインゴットの合成面に落下するおそれがあり、
インゴット内の泡の発生源となったり、屈折率の局所的
不均質部分が生成されたりする。また、炉壁側面に付着
した場合には、炉内のガス流を乱して炉下部への放熱を
妨げることになり、合成面の温度変化を生じさせる要因
となる。

【００１０】また、排気口付近は火炎流に含まれるシリ
カ微粒子が吹き付けられるため付着物が形成されやす
く、他の内壁面に比べて付着物の成長が著しい。そのた
め、付着物がインゴット方向に大きく成長した場合にイ
ンゴットと接触するという問題あった。通常、付着物が
成長してインゴットおよび付着物間の隙間が小さくなる
と、安全のため事前に付着物を取り除く。この付着物除
去作業の際には、一時的に原料ガスを停止するとともに
インゴットの回転・揺動を停止させるが、このとき合成
面の温度が急激に低下するため、インゴットの除去作業
前後に合成された部分に屈折率が急激に変化する脈理が
生じる。また、作業時に舞い上がったシリカ微粒子が合
成面に付着して、その部分に大量の泡が発生することも
あった。

【００１１】ところで、炉内壁面へのシリカ微粒子付着
を防止するために、壁面にそって常温の不活性ガスを流
す石英ガラス製造装置が特開平７−１０９１３４号で提
案されている。しかし、常温の不活性ガスを流した場合
には炉内温度を低下させて石英ガラスの合成条件が変化
してしまうという欠点があった。また、常温の不活性ガ
スを炉内へ流出するためのノズルの温度が低くなるた
め、ノズルの周囲にシリカ微粒子が付着しやすくなりノ
ズルを詰まらせるおそれがあった。

【００１２】本発明の目的は、炉内壁へのシリカ微粒子
の付着を抑制し、安定した品質の石英ガラスを合成する
ことができる石英ガラス製造装置を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１に対応付けて説明する。（１）請求項１の発明は、インゴット形成用ターゲット
４と、ターゲット４が配設され、排気口１０を有する合
成炉２と、ターゲット４に先端を向けて配設された石英
ガラス合成用バーナー３と、排気口１０から合成炉２内
のガスを排気する排気系８とを備え、合成炉２内におい
てターゲット４上に石英ガラスのインゴット１２を形成
する石英ガラス製造装置に適用され、合成炉２の内壁面
に沿った火炎流２１を形成するためのガス（例えば、水
素ガスと酸素ガス）を流出するガス流出装置９を設けた
ことにより上述の目的を達成する。（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の石英ガラス
製造装置において、ガス流出装置９は、ガスを合成炉２
の内壁面に沿って排気口１０方向に流出する。

【００１４】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照して本発
明の一実施の形態を説明する。図１は本発明による石英
ガラス製造装置の一実施の形態を示す図であり、（ａ）
は装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の図示左側から
見た断面図である。なお、図１（ｂ）ではインゴット１
２を省略して示した。

【００１６】図１は石英ガラス合成の完了間際の状態を
示した図であってターゲット４上に石英ガラスのインゴ
ット１２が形成されている。合成開始時にはターゲット
４を図２に示すような位置にセットし、ターゲット４を
充分な温度（２０００℃以上）に加熱した後、石英ガラ
スの原料であるケイ素化合物（例えば、SiCl₄）のガス
と、燃焼ガス（可燃性の水素ガスと支燃性の酸素ガス）
とを炉２の天井部に設けられたバーナー３からターゲッ
ト４に向けて流出する。

【００１７】その後、石英ガラスの合成が進むにつれて
ターゲット４上に石英ガラスのインゴット１２が形成さ
れる。合成の最中には、インゴット１２の石英ガラス合
成面１１とバーナー３との距離が常に一定に保たれるよ
うに、インゴット１２の成長とともにターゲット４を徐
々に炉底部方向に降下させる。また、炉内温度は１００
０℃以上に保たれるとともに、均質性の良い石英ガラス
インゴット１２が形成されるようにターゲット４をモー
タ等で回転および揺動運動させつつ石英ガラスを形成す
る。

【００１８】炉２は熱散逸を抑えるための炉枠１で覆わ
れており、炉２内の温度分布は熱電対７により計測され
る。炉２の内部状況は、炉２および炉枠１に設けられた
窓５，１５を通してＣＣＤカメラ６で観察される。石英
ガラス合成の際にはHClなどのガスが発生するが、これ
らのガスは炉２に設けられた排気口１０および排気管８
を介して炉外部に排気される。この排ガスは炉２の底部
開口から流入する二次空気と共に排気され、排気管８の
下流に設けられた不図示の排気処理システム（スクラバ
ーや排気ファン等で構成される）により処理される。

【００１９】ところで、上述したように炉２の排気口１
０付近にはシリカ微粒子が付着しやすいので、この付着
を防止するために本実施の形態の装置では排気口１０付
近にガスを噴出するノズル９を設けた。図１（ｂ）に示
すように、３本のノズル９はガスが炉２の内壁面に沿っ
て排気口１０方向に噴出されるように配設される。ノズ
ル９は石英管を用いた二重管となっており、内側の石英
管には可燃性ガスである水素ガスを流し、外側の石英管
には支燃性ガスである酸素ガスを流す。ノズル９から噴
出された水素ガスおよび酸素ガスは、炉内温度が高温
（１０００℃以上）なため反応して火炎流２１となる。
なお、図３はノズル９を設けない場合の製造装置（従来
の石英ガラス製造装置に相当する）を示しており、この
ような製造装置では排気口１０の周辺にシリカ微粒子の
付着物が生じやすい。

【００２０】ノズル９に用いられる石英二重管を構成す
る石英管としては、例えば、内側には外径６ｍｍ、肉厚
１．２ｍｍの石英管が、外側には外径１０ｍｍ、肉厚
１．２ｍｍの石英管が用いられる。管材には、インゴッ
ト１２への不純物の混入防止や高温酸性雰囲気下での使
用を考慮し、バーナー３の管材と同じ溶融石英ガラスを
用いた。また、各ガスの流速は２０〜３０ｍ／ｓとし
た。ノズル９に関するこれらの条件（形状、本数、寸
法、ガスの流速等）は、炉２の形状や石英ガラス合成の
条件に応じて適宜変更すれば良い。なお、バーナー３お
よびノズル９にはガス供給装置（図示せず）から所望の
ガスが導入される。

【００２１】以上説明したように、本実施の形態では、
火炎流２１を形成する酸素ガスおよび水素ガスを炉２の
内壁面に沿って噴出しているため、シリカ微粒子の内壁
面への付着を抑制することができる。その結果、付着物
が生成されて生じる炉内温度変化や付着物のインゴット
１２への落下に起因する石英ガラス内の泡や屈折率の局
所的不均質や脈理などの発生を抑制することができると
ともに、付着物とインゴット１２との接触を避けること
ができる。

【００２２】また、前述した特開平７−１０９１３４号
に開示された石英ガラス製造装置のように常温の不活性
ガスを流した場合には、炉内温度を低下させて石英ガラ
スの合成条件が変化してしまったり、ノズルの温度が低
くなってノズルの周囲にシリカ微粒子が付着するような
欠点があったが、本実施の形態ではノズル９から流出し
たガスは火炎流を形成するためこのような問題が無い。
さらに、常温の不活性ガスに安価な窒素ガスを使用した
場合には、炉内で窒素酸化物が発生するおそれがある
が、本実施の形態ではそのような問題も避けることがで
きる。

【００２３】また、本発明による石英ガラス製造装置で
は付着物が生成し難いため、従来のような付着物除去作
業を省略することが可能となり、除去作業を原因とする
泡や脈理の発生を防止することができる。

【００２４】さらにまた、従来は、炉内壁面に付着する
付着物の状態に応じて付着物除去作業を行う必要があっ
たため装置の自動運転制御が困難であったが、本実施の
形態の製造装置によれば、付着物除去作業を省略するこ
とができるので自動制御も可能となり、より安定した合
成を行うことが可能となる。

【００２５】なお、上述した実施の形態では、付着の著
しい排気口１０の上部壁面に沿って酸素ガスおよび水素
ガスを噴出したが、さらに、これ以外の内壁面に噴出さ
せるようにしても良い。

【００２６】

【実施例】「実施例１」上述した製造装置で、ガスの平
均流速を２０ｍ／ｓとし、外径４６０ｍｍ，軸方向寸法
（図１の上下方向寸法）１０００ｍｍのインゴットを合
成した。この場合、合成最中に付着物塊の生成は観測さ
れず、付着物除去作業の作業回数は０回であった。合成
されたインゴットの側面を研削してピンホール法により
脈理測定を行った結果、屈折率差３．０×１０^-6以上の
濃い脈理は発見されず、また、泡や斑点状の局部的屈折
率変化も発見されなかった。

【００２７】「実施例２」上述した製造装置で、ガスの
平均流速を３０ｍ／ｓとし、実施例１と同様のインゴッ
トを合成した。この場合には、合成最中に排気口１０の
下部に付着物塊が観測された。しかし、成長量が小さか
ったので、付着物除去作業の作業回数は０回であった。
合成終了後、付着物塊の重量を測定した結果、総重量は
１．５ｋｇであった。合成されたインゴットの側面を研
削してピンホール法により脈理測定を行った結果、屈折
率差３．０×１０^-6以上の濃い脈理は発見されず、ま
た、泡や斑点状の局部的屈折率変化も発見されなかっ
た。

【００２８】実施例２で排気口１０の下部に付着物塊が
生成されたのは、ノズル９からの火炎流速が速すぎたた
めと考えられる。合成中に開口部１０において排気ガス
中に含まれる塩酸（HCl）蒸気の白煙は観測されなかっ
たが、流速が速すぎると排気口１０の下部壁面への付着
物生成を促進するだけでなく、炉２外への有害ガスの流
出をもたらすと考えられるので好ましくない。

【００２９】「比較例１」上述した製造装置で、ノズル
９から噴出させるガスを常温の窒素ガスとし、ガスの平
均流速を２０ｍ／ｓとして実施例１と同様のインゴット
を合成した。合成最中に開口部１０の上部壁面への付着
物塊の生成は観測されなかったが、ノズル９周囲に付着
物が観測された。ただし、付着物除去作業の回数は０回
であった。合成されたインゴットの側面を研削してピン
ホール法により脈理測定を行った結果、屈折率差３．０
×１０^-6以上の濃い脈理は発見されなかったが、インゴ
ット全般にわたり泡が７個、斑点状の局部的屈折率変化
が１２ヶ所観測された。これは、ノズル９に付着した比
較的細かい付着物が落下・浮遊し、合成面１１へ付着し
て泡や斑点状の屈折率不均質を生じさせたものと考えら
れる。

【００３０】「比較例２」上述した実施例を従来の装置
で合成した場合と比較する意味で、比較例を一例だけ示
す。ここでは、ノズル９を備えない従来の装置で実施例
１と同様のインゴットを合成した。合成最中に排気口１
０の上部に付着物塊が観測された。付着物除去作業回数
は２回であり、合成終了後に付着物塊の重量を測定した
結果、総重量は５．０ｋｇであった。合成されたインゴ
ットの側面を研削してピンホール法により脈理測定を行
った結果、屈折率差３．０×１０^-6以上の濃い脈理が各
付着物除去作業に対応する部位に数本ずつ観測された。
また、同じ箇所に泡が数個、斑点状の局部的屈折率変化
が多数観測された。これらは、付着物除去作業に伴う炉
温の急激な変化や付着物の浮遊が原因であると考えられ
る。

【００３１】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、炉２は合成炉を、ノズル９は
ガス流出装置をそれぞれ構成する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成しているため、炉
内壁へのシリカ微粒子の付着を抑制することができる。
その結果、付着物が生成されて生じる炉内温度変化や付
着物のインゴットへの落下に起因する石英ガラス内の泡
や屈折率の局所的不均質や脈理などの発生を抑制するこ
とができるとともに、付着物とインゴットとの接触を避
けることができる。さらに、付着物ができにくいため従
来のような付着物除去作業を省略することが可能とな
り、除去作業を原因とする泡や脈理の発生を防止するこ
とができる。特に、請求項２の発明では、ガスを炉の内
壁面沿って排気口方向に流出しているため、シリカ微粒
子を効率よく炉外に排出することができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による石英ガラス製造装置の一実施の形
態を示す図であり、（ａ）は装置の断面図、（ｂ）は
（ａ）の図示左側から見た断面図。

【図２】合成開始時のターゲット４の状態を示す図。

【図３】ノズル９を備えていない石英ガラス製造装置に
おける付着物を説明する図。

【符号の説明】

１炉枠２炉３バーナー４ターゲット８排気管９ノズル１０排気口１１合成面１２インゴット２０酸水素火炎２１火炎流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢島昭司東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者神保宏樹東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 4G014 AH12 AH15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インゴット形成用ターゲットと、前記タ
ーゲットが配設され、排気口を有する合成炉と、前記タ
ーゲットに先端を向けて配設された石英ガラス合成用バ
ーナーと、前記排気口から前記合成炉内のガスを排気す
る排気系とを備え、前記合成炉内において前記ターゲッ
ト上に石英ガラスのインゴットを形成する石英ガラス製
造装置において、前記合成炉の内壁面に沿った火炎流を形成するためのガ
スを流出するガス流出装置を設けたことを特徴とする石
英ガラス製造装置。
【請求項２】請求項１に記載の石英ガラス製造装置に
おいて、前記ガス流出装置は、前記ガスを前記合成炉の内壁面に
沿って前記排気口方向に流出することを特徴とする石英
ガラス製造装置。