JP2000053434A - 石英ガラス製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 屈折率均質性に優れた石英ガラスインゴット
を製造することができる石英ガラス製造装置の提供。 【解決手段】 石英ガラス合成用炉２の底部に設けられ
た開閉扉９と、開閉扉９の開口部を介して炉２内に配設
されるインゴット形成用ターゲット３と、ターゲット３
に先端を向けて配設された石英ガラス合成用バーナー１
と、炉２内に流入した空気を炉２に設けられた排気口２
ａを介して炉外へ排出するための排気管５と、炉２の底
部と最上部との間に設けられ、バーナー１からの熱が石
英ガラス合成面４ａより下部のインゴット表面へ侵入す
るのを阻止する開閉扉１１とを備える。

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】

【従来の技術】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。例えば、投影レンズ用の
石英ガラスには、３方向に脈理が無く、光軸方向の屈折
率均質性Δｎが４×１０^-6以下、かつ、レンズの光軸方
向の屈折率分布が中央対称性を有し、屈折率分布のうち
非回転対称成分のＲＭＳ（二乗平均平方根）値が０．０
０５０λ以下、回転対称成分を２次および４次でカーブ
フィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が０．００
５０λ以下であることが要求される。

【０００４】一方、紫外光の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。この火炎加水分解法によ
れば、不純物の混入を抑制することが容易であるため、
高純度の石英ガラスが得られる。

【０００５】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。

【０００６】しかし、火炎加水分解法により製造される
石英ガラスは、不純物の濃度は抑えられるが、温度分布
が不均一なことにより生じる脈理や光軸方向の屈折率均
質性に関して、満足のいくものが必ずしも得られなかっ
た。屈折率均質性は、合成時のインゴット径方向の温度
分布に依存すると考えられる。そのため、屈折率均質性
を最適化するようにインゴットの合成面部分の温度分布
を調整すべく、ターゲットを回転させると共に、合成面
部分の温度分布に応じてバーナーとインゴットとを相対
的に平行移動させるようにした石英ガラス製造装置が提
案されている（特開平６−２３４５３１号）。この装置
によれば、屈折率均質性を最適化するような温度分布を
形成し、均質性の良い石英ガラスを得られることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、石英ガラス
合成最中において、インゴットが炉内にある間は常に高
温雰囲気に曝されている。そのため、石英ガラス合成の
初期段階に合成されたインゴット下部は、上部に比べて
長時間高温雰囲気に曝されることになる。その結果、イ
ンゴット下部では「内部は比較的低温で外部に近い部分
は高温」という状態が長時間続き、インゴットの下部に
なればなるほど径方向の屈折率不均質が生じ易くなる。

【０００８】また、合成時には炉内の加熱を防止するた
めに反応生成ガスは炉に設けられた排気口から排気され
るが、このとき炉底部の開口部から二次空気が供給され
る。しかし、合成の進行と共にインゴットが降下して開
口部の開口面積が小さくなって排気効率が低下し、その
結果炉内温度が上昇する。炉内温度の上昇はインゴット
合成面付近の温度上昇を招き、インゴットの粘度低下に
よるインゴットのつぶれが生じてしまう。この場合、バ
ーナーからの燃焼ガス流量を小さくすることにより温度
上昇を抑えることができるが、バーナーからの供給熱量
の差や炉内の温度分布の変化が生じてしまい、それによ
り脈理が生じてインゴットの品質が低下してしまう。

【０００９】本発明の目的は、屈折率均質性に優れた石
英ガラスインゴットを製造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。

【００１０】

【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および図３に対応付けて説明する。 （１）図１に対応付けて説明すると、請求項１の発明に
よる石英ガラス製造装置は、石英ガラス合成用炉２の底
部に設けられた第１の可変開口機構９，１０と、第１の
可変開口機構９，１０の開口部を介して炉２内に配設さ
れるインゴット形成用ターゲット３と、ターゲット３に
先端を向けて配設された石英ガラス合成用バーナー１
と、炉２内の空気を炉２に設けられた排気口２ａを介し
て炉外へ排出する排気系５と、炉２の底部と最上部との
間に設けられ、バーナー１からの熱が石英ガラス合成面
４ａより下部のインゴット表面へ侵入するのを阻止する
熱遮蔽装置１１，１２とを備えて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、熱遮蔽装置１１，１２を、排気口２
ａに関して炉２の上部側に配設した。 （３）図１および図３に対応付けて説明すると、請求項
３の発明は、請求項１または２に記載の石英ガラス製造
装置において、炉２内の温度を測定する温度測定器７
ａ，７ｂと、温度測定器７ａ，７ｂによる測定結果に基
づいて、第１の可変開口機構９，１０の開口面積を制御
する制御装置１３とを設けた。 （４）請求項４の発明は、請求項１または２に記載の石
英ガラス製造装置において、熱遮蔽装置を開口面積が変
更可能な第２の可変開口機構１１，１２で構成するとと
もに、炉２内の温度を測定する温度測定器７ａ，７ｂ
と、温度測定器７ａ，７ｂによる測定結果に基づいて、
第１および第２の可変開口機構９，１０，１１，１２の
各開口面積をそれぞれ制御する制御装置１３とを設け
た。

【００１１】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。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図４を参照して本発
明の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断面図である。図１
は石英ガラス合成の完了間際の状態を示す図であり、タ
ーゲット３上には石英ガラスのインゴット４が形成され
ている。図２は合成開始時の装置を示しており、ターゲ
ット３を充分な温度（２０００℃以上）に加熱し、その
後石英ガラスの原料であるケイ素化合物（例えば、SiCl
₄）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１か
らターゲット３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形成し、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３上に堆積する
と共に溶融してガラス化する。

【００１３】炉２には反応生成ガス（HClなど）やター
ゲット３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２ａが設けられている。この排気の際の二
次空気は、炉２の底部に形成された開口部２ｂから流入
する。また、排気口２ａを介して炉２内を排気すること
により、炉２内の加熱を防止している。排気口２ａから
炉外へ排出された排気ガスは、排気管５を介して不図示
の排気処理システム（排気ファンやスクラバーで構成さ
れる）に送られる。なお、炉２は熱散逸を抑えるための
炉枠６で覆われている。

【００１４】石英ガラスの合成が進むにつれて、ターゲ
ット３上には図１に示すような石英ガラスのインゴット
４が形成される。合成の最中には、インゴット４の合成
面４ａ（破線で示す部分）とバーナー１との距離が常に
一定に保たれるように、インゴット４の成長とともにタ
ーゲット３を徐々に降下させる。合成の間、炉内温度は
バーナー１の燃焼熱により１０００℃以上の高温に保た
れる。合成の際には、均質性の良い石英ガラスが得られ
るように、ターゲット３を不図示のモータ等により回転
運動および左右に揺動運動させる。

【００１５】図１において７ａ，７ｂは炉２内の温度分
布を測定するための熱電対であり、炉２の外側には炉２
および炉枠６に設けられた窓２ｃ，６ａを通して炉２の
内部状況を監視する炉内監視用カメラ８が設けられてい
る。このカメラ８によりバーナー１とインゴット４の合
成面４ａとの距離を把握することができる。なお、炉内
監視用カメラ８にはＣＣＤカメラ等が用いられる。

【００１６】炉２の底部には開口部２ｂと対向するよう
に一対の開閉扉９が設けられており、開閉扉９は駆動装
置１０により水平方向（図１，２の左右方向）に開閉駆
動される。図３は開閉扉９をターゲット１方向から見た
図であり、炉２の内壁２ｄの断面は長円形をしている。
図３（ａ）に示すように開閉扉９を開いた場合には、開
閉扉９と内壁２ｄとにより形成される開口（斜線を施し
た領域Ａ）の開口面積はSaとなる。一方、図３（ｂ）に
示すように開閉扉９を閉じた場合の開口（斜線を施した
領域Ｂ）の開口面積SbはSaより小さくなる。なお、Sa，
Sbは開閉扉９の開口部分にインゴット４が無い場合の開
口面積であり、インゴット４がある場合にはそれぞれイ
ンゴット４の断面積を差し引いた値となる。

【００１７】さらに、図１に示すように、炉２の中間部
分であって排気口２ａの上部に一対の開閉扉１１が設け
られる。この開閉扉１１は駆動装置１２により開閉駆動
される。開閉扉１１をターゲット１方向から見た図は図
３に示した開閉扉９の場合と同様であり、図３において
括弧付きの符号で開閉扉１１および駆動装置１２を示し
た。なお、開閉扉９，１１としては、例えば、駆動装置
１０，１２により駆動される枠に耐火ボードを取り付け
たものが用いられる。また、図１に示すように熱電対７
ａは開閉扉１１より上部（以下では上部空間と呼ぶ）の
炉内温度を測定し、熱電対７ｂは開閉扉１１と開閉扉９
との間（以下では下部空間と呼ぶ）の炉内温度を測定す
る。

【００１８】本実施の形態の装置のように炉２の中間部
分に開閉扉１１を設けると、以下に述べるような利点が
ある。例えば、開閉扉１１を閉じて図３（ａ）の状態か
ら図３（ｂ）の状態にすると、上部空間から下部空間へ
流入する高温排ガスの流量が減少すると共に、上部空間
からインゴット下部４ｂへの輻射熱が開閉扉１１により
遮蔽されて減少する。その結果、石英ガラス合成最中に
おけるインゴット下部４ｂの表面温度が低下する。前述
したように、従来の石英ガラス製造装置ではインゴット
下部４ｂが長時間にわたって１０００℃以上の高温に曝
されるため、インゴット４の径方向に屈折率不均質が生
じてしまう。しかし、本実施の形態の装置では、開閉扉
１１があることによって１０００℃以上の高温に曝され
る時間（上部空間に滞在する時間）が短縮され、インゴ
ット４の径方向の屈折率不均質が抑制される。

【００１９】また、図１に示すように開閉扉１１を排気
口２ａの上方に設けると、下部空間からの排気量に比べ
て上部空間からの排気量は小さくなり、上部空間と下部
空間との間の温度勾配が大きくなる。その結果、合成面
４ａがある上部空間を１０００℃以上の高温状態に保っ
ても下部空間はより低い温度となり、インゴット４の径
方向の屈折率不均質性を抑制するのに効果的である。ま
た、温度勾配の増大に加えて、１０００℃以上に保持す
べき上部空間の容積が小さくなるため、上部空間の温度
保持に必要な燃焼ガス（酸素ガス、水素ガス）の量を少
なくすることができる。

【００２０】なお、図１では排気口２ａの上方に開口面
積を変えることができる開閉扉１１を設けたが、開口面
積が一定な熱遮蔽部材でも良い。このような単なる熱遮
蔽部材であっても、熱遮蔽および温度勾配の形成という
作用を奏することができる。ただし、インゴット４の径
は合成中に変化するため、開口面積が一定な熱遮蔽部材
の場合にはそのような変化を考慮して余裕を持った開口
面積とする必要がある。一方、可変開口である開閉扉１
１の場合には、インゴット４の径が変化してもインゴッ
ト４と開閉扉１１との隙間を常に最適に保つことによっ
て、インゴット下部４ｂへの熱輻射を最小限に保つこと
ができる。また、以下に述べるように、上部空間の温度
調整の観点からも可変開口である開閉扉１１の方が優れ
ている。

【００２１】上部空間の温度を調整する際には、炉底部
に設けられた開閉扉９の開口面積を変えて炉２内に流入
する二次空気の量を変化させる。二次空気の量が変化す
ると上部空間からの排気量が変化するため、上部空間の
温度も変化する。例えば、開口面積が減少するように開
閉扉９を駆動すると、下部空間に流入する二次空気の流
入量が減少して排気口２ａ付近の圧力が低下する。とこ
ろで、開閉扉１１があるため上部空間と排気口２ａ部分
との間には圧力勾配が生じており、二次空気の流入量が
減少して排気口２ａ付近の圧力が低下すると上記の圧力
勾配がさらに大きくなり、上部空間からの排気量が増大
する。その結果、上部空間の温度が低下する。逆に、開
口面積が増加するように開閉扉９を駆動すると下部空間
への二次空気の流入量が増加し、上部空間からの排気量
が減少して上部空間の温度が上昇する。

【００２２】このように、開閉扉９の開閉を制御して上
部空間の温度を制御することができるが、開閉扉９で制
御しきれないような場合には、開閉扉１１の開き具合を
調整して開口面積を変えることにより開閉扉９で制御可
能な状態にすることができる。さらに、開閉扉９および
１１を同時に制御することにより、より細かな温度調整
を行うことができる。また、排気管５に堆積物（例え
ば、炉２外へ排気されたシリカ微粒子の堆積物）が付着
すると圧力損失が増加して排気量が減少するが、このよ
うな場合にも開閉扉９，１１の開閉度合いを調整するこ
とにより上部空間の温度を最適に保つことができる。

【００２３】例えば、合成開始時は、開閉扉９および１
１をインゴットに接触しない程度の隙間を保って可能な
限り閉じることにより、インゴット合成面の温度を速や
かにかつ少ない燃焼ガスで上昇させることができる。イ
ンゴット合成面付近の温度が融解温度に達する段階で
は、開閉扉１１の開閉度を制御してインゴット合成面付
近の温度を一定に保つ。その後、開閉扉１１より下部で
は温度が上昇して行くが、屈折率均質性に影響を及ぼす
１０００℃にならないように開閉扉９の開閉度を制御し
て二次空気の流入量を調整し、開閉扉１１より下部の炉
温が上昇しすぎないようにする。開閉扉１１では主に炉
内上部の輻射熱量の制御が行われ、インゴット合成面の
状態の制御は主にこの開閉扉１１により行われる。

【００２４】なお、二次空気の流量の調整は主に開閉扉
９によって行われ開閉扉１１の開閉調整量は少ないの
で、上記のような調整を行ってもインゴット下部４ｂへ
の熱輻射量の増加は僅かであり、屈折率均質性への影響
はほとんどない。

【００２５】図４は制御装置、第１および第２の可変開
口機構の構成を示すブロック図である。第１の可変開口
機構は開閉扉９および駆動装置１０から成り、第２の可
変開口機構は開閉扉１１および駆動装置１２から成る。
熱電対７ａ，７ｂにより測定された炉２の上部空間およ
び下部空間の温度は制御装置１３へ送られ、これらの温
度に基づいて開閉扉９，１１の開閉が制御装置１３によ
り制御される。

【００２６】上述したように、本実施の形態の製造装置
では、インゴット下部４ｂに入射する輻射熱を防止する
開閉扉１１を設けたので、インゴット４の径方向の屈折
率不均質性を抑制することができる。また、熱電対７ａ
で測定した上部空間の温度に基づいて開閉扉９，１１を
開閉を制御することによって、インゴット４の合成面４
ａが含まれる上部空間の温度を最適に保つことができ、
インゴット４の成長方向の脈理を抑制することができ
る。

【００２７】なお、上述した装置では、制御装置１３を
用いて開閉扉９，１１を自動制御したが、マニュアルで
開閉しても良い。

【００２８】

【実施例】上述した図１に示す石英ガラス製造装置を用
いて、直径３５０ｍｍ，軸方向寸法（図１の上下方向寸
法）１０００ｍｍのインゴット４を合成した。開閉扉
９，１１はそれぞれ一対の扉から成るが、合成開始時に
はインゴット４の側面と扉との隙間が５０ｍｍ程度とな
るように位置決めする。各扉とも、この位置を中心に開
方向に６０ｍｍ、閉方向に６０ｍｍの範囲で移動制御し
た。得られたインゴット４の均質性を測定するために、
インゴット下部４ｂより直径２５０ｍｍ、軸方向寸法４
０ｍｍの試料を作製し、その試料の屈折率均質性Δｎを
測定した。屈折率均質性Δｎは１．５×１０^-6でかつ３
方向に脈理のない石英ガラスが得られた。この石英ガラ
スにより作製したレンズの光軸方向の屈折率分布は中央
対称性を有し、かつ非回転対称成分のＲＭＳ値が０．０
０１２λであり、その回転対称成分を２次および４次で
カーブフィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が
０．００１０λであった。これは光リソグラフィー用投
影レンズの硝材の仕様を充分満たしている。

【００２９】ちなみに、上述した実施例と同一装置で、
開閉扉１１を全開にしたままで直径３５０ｍｍ，軸方向
寸法１０００ｍｍのインゴット４を合成した場合、すな
わち従来と同様にインゴット下部４ｂが高温に曝される
ような条件で石英ガラスを合成した場合には、以下のよ
うな結果となった。この場合も、インゴット下部より直
径２５０ｍｍ、軸方向寸法４０ｍｍの試料を作製し、そ
の試料の屈折率均質性Δｎを測定した。屈折率均質性Δ
ｎは４×１０^-6で、３方向に脈理のない石英ガラスが得
られた。しかし、この石英ガラスにより作製したレンズ
の光軸方向の屈折率分布は中央対称性が悪く、また、非
回転対称成分のＲＭＳ値が０．００７６λで、その回転
対称成分を２次および４次でカーブフィッティングした
後の残差成分のＲＭＳ値が０．０１１８λであった。明
らかに上述した実施例の方が均質性が良いことが分か
る。

【００３０】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、開閉扉９，および駆動装置１
０は第１の可変開口機構を、開閉扉１１，および駆動装
置１２は熱遮蔽装置および第２の可変開口機構を、熱電
対７ａ，７ｂは温度測定器を、排気管５は排気系をそれ
ぞれ構成する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱遮蔽装置を炉の底部と最上部との間に設けたので、合
成された石英ガラスインゴットの熱遮蔽装置より底部側
部分に侵入する熱を低減することができ、インゴットが
高温に曝されている時間が従来の装置より減少する。そ
の結果、径方向の屈折率均質性に優れたインゴットを製
造することができる。請求項２の発明では、熱遮蔽装置
を排気口より炉の上部側に配設したので、炉内の熱遮蔽
装置より上部の空間と下部の空間との間の温度勾配を大
きくすることができる。その結果、石英ガラス合成が行
われる上部空間の温度を高温に保ちつつ、既に合成され
た石英ガラスインゴットの周囲温度をより低い温度状態
にすることが可能となり、径方向の屈折率均質性に優れ
たインゴットを製造することができる。請求項３の発明
では、炉内の温度に基づいて第１の可変開口機構の開口
面積を制御するようにしたため、インゴットの合成面が
含まれる空間の温度を最適に保つことが可能となり、イ
ンゴットの成長方向の脈理を抑制することができる。特
に、請求項４では、熱遮蔽装置を開口面積を変えること
ができる第２の可変開口機構で構成し、炉内温度に応じ
て第１および第２の可変開口機構の開口面積をそれぞれ
制御するようにしたため、請求項３の発明による製造装
置と比べてさらに細かな温度制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による石英ガラス製造装置の一実
施の形態を示す断面図。

【図２】合成開始時のターゲット３の位置を示す図。

【図３】開閉扉９，１１をターゲット１方向から見た図
であり、（ａ）は開閉扉９，１１を開いた状態を示し、
（ｂ）は開閉扉９，１１を閉じた状態を示す。

【図４】制御装置１３、第１および第２の可変開口機構
の構成を示すブロック図。

【符号の説明】 １ バーナー ２ 炉 ２ａ 排気口 ３ ターゲット ４ インゴット ４ａ 合成面 ４ｂ インゴット下部 ５ 排気管 ６ 炉枠 ７ａ，７ｂ 熱電対 ８ 炉内監視用カメラ ９，１１ 開閉扉 １０，１２ 駆動装置 １３ 制御装置

フロントページの続き (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 AH11 5F046 BA04 BA05 CB17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英ガラス合成用炉の底部に設けられた
   第１の可変開口機構と、 前記第１の可変開口機構の開口部を介して前記炉内に配
   設されるインゴット形成用ターゲットと、 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、 前記炉内の空気を前記炉に設けられた排気口を介して炉
   外へ排出する排気系と、 前記炉の底部と最上部との間に設けられ、前記バーナー
   からの熱が石英ガラス合成面より下部のインゴット表面
   へ侵入するのを阻止する熱遮蔽装置とを備えることを特
   徴とする石英ガラス製造装置。
2. 【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、 前記熱遮蔽装置を、前記排気口に関して前記炉の上部側
   に配設したことを特徴とする石英ガラス製造装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の石英ガラス製
   造装置において、 前記炉内の温度を測定する温度測定器と、 前記温度測定器による測定結果に基づいて、前記第１の
   可変開口機構の開口面積を制御する制御装置とを設けた
   ことを特徴とする石英ガラス製造装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の石英ガラス製
   造装置において、 前記熱遮蔽装置を開口面積が変更可能な第２の可変開口
   機構で構成するとともに、 前記炉内の温度を測定する温度測定器と、 前記温度測定器による測定結果に基づいて、前記第１お
   よび第２の可変開口機構の各開口面積をそれぞれ制御す
   る制御装置とを設けたことを特徴とする石英ガラス製造
   装置。