JP2000264650A - エキシマレーザー用光学石英ガラスの製造方法および縦型加熱炉 - Google Patents
エキシマレーザー用光学石英ガラスの製造方法および縦型加熱炉Info
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Abstract
上に、耐レーザー性にも優れたエキシマレーザー用光学
石英ガラスの製造方法およびそれを実施する縦型加熱炉
を提供すること。 【解決手段】高純度の揮発性珪素化合物を火炎加水分解
して生成するすす状シリカを基体上に堆積させて多孔質
シリカ母材を形成したのち、該多孔質シリカ母材を水蒸
気及び水素を含有する雰囲気中で透明ガラス化すること
を特徴とするエキシマレーザー用光学石英ガラスの製造
方法およびそれを実施する縦型加熱炉。
Description
学石英ガラスの製造方法、詳しくはエキシマレーザー光
を光源とするリソグラフィー装置の光学系の作成に好適
な光学用石英ガラスの製造方法、さらに詳しくはArF
エキシマレーザーリソグラフィー装置の大型のレンズ、
プリズム、ビームスプリッター等の光学系の作成に好適
な合成石英ガラスの製造方法、およびそれを実施するた
めの縦型加熱炉に関するものである。
ーハ上に描く集積回路のパターンも微細化の一途をたど
り、クオーターミクロン(0.25μm)以下の超微細
パターンが描画された超LSIの量産化が始まりだして
いる。このような超微細パターンを得るには、それを描
画する露光光源も短波長化する必要があり、エキシマレ
ーザーを光源とするステッパーが開発され、既にKrF
エキシマレーザー(波長248nm)を光源とするステ
ッパーが実用化され、さらに次世代のステッパーとして
ArFエキシマレーザー(波長193nm)を光源とす
るステッパーが注目を集めている。このKrFエキシマ
レーザーやArFエキシマレーザーのような短波長領域
においても十分な透過性を示す硝材としては石英ガラス
や蛍石等が挙げられるが、中でも高純度の揮発性珪素化
合物を火炎加水分解し、生成するすす状シリカを透明ガ
ラス化して得た合成石英ガラスは、260nm以下の波
長領域でも高い透過性を示すところから、エキシマレー
ザーを光源とするリソグラフィー用光学材料として好適
である。
成石英ガラスにKrFエキシマレーザーやArFエキシ
マレーザー等のエキシマーレーザーを長時間照射する
と、該エキシマレーザーが寿命20n秒程度のパルス光
で時間当りのエネルギーが高いため合成石英ガラス中に
E’centerやNBOHCと呼ばれる常磁性欠陥が
生成し、長期の安定性に欠ける問題があった。この問題
を解決する方法として、合成石英ガラス体に水素をドー
プする方法が特開平3−88742号で提案されてい
る。しかしこの方法では合成石英ガラスの製造段階で還
元性欠陥が発生することがあり、この還元性欠陥がエキ
シマレーザーにより容易に分解されて常磁性欠陥を生
じ、これが波長215nmに吸収バンドを生じ、エキシ
マレーザー、特にArFエキシマレーザーの透過率を著
しく低下させる不具合があった。前記常磁性欠陥は、石
英ガラス組織(SiO2)中のSiが化学量論以下の酸
素と結合した欠陥である酸素欠損型欠陥等の欠陥である
が、この常磁性欠陥の発生を防止するため石英ガラスを
酸素を含む雰囲気で600℃〜1500℃の温度で酸化
処理したのち、300℃〜600℃で水素含有雰囲気中
で処理する光学用石英ガラスの製造方法が特開平6−1
66528号公報で提案されている。前記方法では水素
含有雰囲気中の処理温度が300℃〜600℃と低温で
あるため、水素の合成石英ガラス体への拡散速度が小さ
く大型の石英ガラス部材を作成する場合、非常に時間が
かかる欠点を有していた。特に、近年、露光面積の拡大
に伴い使用される大口径化、肉厚化した光学系を前記温
度範囲で水素処理しても数箇月以上を要し工業的実施が
不可能であった。
に生じる還元性欠陥を効率的に治癒するには予め石英ガ
ラス中に酸素過剰型欠陥を作成しておき、それを水素処
理をするのが有効であるところから、本発明者等は、上
記公報記載のエキシマレーザー用光学石英ガラスの製造
方法を改善すべく研究を続け、高純度の揮発性珪素化合
物を火炎加水分解して生成したすす状シリカを基体上に
堆積させて多孔質シリカ母材を形成したのち酸化性雰囲
気中で加熱し透明ガラス化したのち、還元性雰囲気中で
熱処理するエキシマレーザー用光学石英ガラスの製造方
法を開発し特願平10−371084号で提案してい
る。しかしながら、前記製造方法では酸化雰囲気中の透
明ガラス化に続いて、還元性雰囲気中での熱処理を行う
という2工程でエキシマレーザー用光学石英ガラスを製
造するところからコスト高となる欠点がある。そこで、
本発明者等は、より低コストで透過性、耐レーザー性に
優れたエキシマレーザー用光学石英ガラスを製造する方
法を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、高純度の揮発性
珪素化合物を火炎加水分解して生成したすす状シリカを
堆積して得た多孔質シリカ母材を水蒸気及び水素を含有
する雰囲気中で透明ガラス化することで、前記目的が達
成できることを見出して本発明を完成したものである。
すなわち、
透過性を有し、かつレーザー耐性にも優れたエキシマレ
ーザー用光学石英ガラスを低コストで製造する方法を提
供することを目的とする。
に対して高い透過率を示すとともに、耐レーザー性にも
優れた大型のArFエキシマレーザー用光学石英ガラス
を低コストで製造する方法を提供することを目的とす
る。
るための縦型加熱炉を提供することを目的とする。
明は、高純度の揮発性珪素化合物を火炎加水分解して生
成するすす状シリカを基体上に堆積させて多孔質シリカ
母材を形成したのち、該多孔質シリカ母材を水蒸気及び
水素を含有する雰囲気中で透明ガラス化することを特徴
とするエキシマレーザー用光学石英ガラスの製造方法お
よび該透明ガラス化を実施するための縦型加熱炉に係
る。
例えば四塩化珪素、メチルトリメトキシシラン、テトラ
メトキシシラン等が挙げられ、これらを火炎加水分解し
て生成したすす状シリカを回転する耐熱性基体上に堆積
することで多孔質シリカ母材(以下スート体という)が
形成される。本発明にあっては、前記スート体は続いて
水蒸気および水素を含有する雰囲気中で透明ガラス化さ
れるが、その加熱温度は1400〜1700℃の範囲が
よい。さらに好ましくは1500〜1600℃の範囲が
よい。前記温度未満ではスート体の溶け残りが生じ、1
700℃を超えると処理炉の変形が起こり危険である。
また、水蒸気および水素を含有する雰囲気中での水蒸気
濃度は1〜20vol%、水素濃度は20〜90vol
%の範囲がよい。水蒸気濃度が1vol%未満では得ら
れた石英ガラスのレーザー耐性が劣り、水蒸気濃度が2
0vol%を超えると石英ガラス中に気泡が残存するよ
うになる。また、水素濃度が20vol%未満ではレー
ザー耐性の向上がみれず、90vol%を超えると還元
性欠陥によるエキシマレーザーの透過率の低下が起こ
る。前記水蒸気及び水素を含有する雰囲気中の他のガス
成分としては、He、Ar、N2等の不活性ガスが挙げ
られる。前記スート体の透明ガラス化に当たっては、ス
ート体を予め加熱して緻密化した上で透明ガラス化する
のがよい。この緻密化で透明ガラス化時に変形がなく、
整形性に優れた合成石英ガラス体が製造できる。また、
緻密化は得られた合成石英ガラス体の光学的均質性を向
上させるという利点も有する。前記予備加熱は、不活性
ガス又は酸化性ガス中800〜1400℃の範囲で行う
のがよい。
本発明の縦型加熱炉の一実施例を図1に示す。図1にお
いて、1は石英製炉芯管、2はスート体、3は加熱ヒー
ター、4は水蒸気発生装置、5は水、6はキャリアガス
導入口、7は水蒸気導入口、8は水素ガス導入口、9は
排ガス排出口、10は遮蔽蓋体、11は水素ガス希釈
室、12は窒素ガス導入口、13は窒素ガス排出口であ
る。図1にみるようにスート体2は、縦型加熱炉の石英
製炉芯管1内に支持部材(図示せず)に支持されて懸架
される。次いで石英製炉芯管1の周囲に設けた加熱用ヒ
ーターでスート体を加熱するとともに石英製炉芯管1の
下部に設けた水蒸気導入口7および水素ガス導入口8か
ら水蒸気および水素ガスが導入され透明ガラス化が達成
される。前記水蒸気および水素ガスの導入量は、水蒸気
導入口7および水素ガス導入口8に連結する導入管に設
けた流量コントローラーにより制御する。前記石英製炉
芯管の頭部には水素ガス希釈室11が配設されそこに窒
素ガス導入口12から窒素ガスが導入され、石英製炉芯
管1の遮蔽蓋体10から漏洩する水素ガスが希釈され窒
素ガス排出口13から外部に排出される。一方、石英製
炉芯管1内の排ガスは該管の上部に設けた排ガス排出口
9から外部に排出される。加熱され透明ガラス化された
合成石英ガラス体は支持部材により回転されながらゆっ
くり上方に引き上げられる。また、前記石英製炉芯管1
に供給される水蒸気は、水5を内蔵する水蒸気発生装置
4にキャリアガスを導入し、バブリングし、発生した水
蒸気を前記キャリアガスに随伴した状態で導入される。
このように本発明の縦型加熱炉にあっては、水素ガスが
いずれも爆発限界濃度範囲以下に希釈されて排気される
ところから、水素ガスによる爆発が起こることがなく、
安全にスート体の透明ガラス化できる。
質化処理、成型およびアニール処理等が採られる。前記
均質化処理は耐火炉中で1800℃以上の高温に保持す
ることで行われ、成型は1600℃以上の高温のルツボ
内で行われる。さらに、アニール処理は石英ガラスの徐
冷点(1120℃)近傍の比較的低温で行われるもの
の、処理時間が10時間以上と長い。このように前記均
質化処理、成型およびアニール処理は処理温度が高いま
たは長いことから、炉材、治具および雰囲気等からの不
純物により合成石英ガラス体の汚染が起こる。特にNa
による汚染が重大で、ArFエキシマレーザーの透過率
の低下に大きく影響する。そのため均質化処理としては
例えば特開平7−267662号公報に記載するような
炉材を使用しない均質化処理手段を採用するのが推奨さ
れるが、何れにしても均質化処理、成型およびアニール
処理による合成石英ガラス成型体の汚染が起こる。しか
しNaの含有量が24〜60ppbの範囲内であれば、
波長260nm以下の連続紫外線を長時間照射すること
で合成石英ガラス部材の透過率を容易に回復することが
できる。特にArFエキシマレーザーの透過率は、内部
透過率で99.8%以上にまで回復できる。前記連続紫
外線を照射するランプとしては、主波長253.7nm
及び184.9nmの低圧水銀ランプ、波長172nm
のXeエキシマランプ、或は波長222nmのKrCl
エキシマランプが挙げられる。また、紫外線の照度は少
なくとも1mW/cm2、照射時間は50時間以上とす
るのがよい。
るがこれによって本発明はなんら限定されるものではな
い。
以下の測定方法で求めた値である。 i)屈折率分布:フィゾー型干渉計による測定法。 ii)複屈折量:直交ニコル法による測定法。 iii)脈理:目視。 iv)193nm内部透過率:193nmにおける石英
ガラスの理論透過率90.86%からレイリー散乱にお
けるロスとして知れる0.18%を減じた90.68%
を用いて、厚さ10mmにおける見掛け透過率T%に対
し、式(T/90.68)×100より求める測定法。 v)水素分子濃度:V.S.Khotimchenko
et al., J.Appl. Spectros
c.,46. 632〜635(1987)に記載の測
定法。
し、火炎加水分解して形成したすす状シリカを回転する
耐熱性基体上に堆積させスート体を得た。得られたスー
ト体は外部が低密度で中心部が相対的に高い密度を示
し、平均的な嵩密度が1.2g/cm3であった。この
スート体を予備加熱炉(図示せず)内で酸素20vol
%、窒素80vol%の雰囲気内で1000℃に加熱
し、8時間密度が均一になるように仮焼結した。前記仮
焼結によりスート体の嵩密度は1.5g/cm3に増大
し、また全体の密度分布ば低減した。次いでスート体を
図1に示す縦型加熱炉の石英製炉芯管1内に懸架し、水
蒸気導入口7から水蒸気をまた水素を水素導入口8から
導入した。前記水蒸気は、水蒸気発生装置4にHeガス
を導入し、同装置内の水をバブリングすることで得た水
蒸気随伴Heガスである。そして石英製炉芯管内の雰囲
気を水蒸気5vol%、水素40vol%、He55v
ol%の混合雰囲気に調整した。前記調整は石英製炉芯
管に開口する水蒸気導入口7水素導入口8に接続する管
に設けた流量コントローラー(図示せず)による。前記
石英製炉芯管1はその周囲に設けた加熱ヒーター3で加
熱され1550℃に昇温される。スート体は透明ガラス
化とともに上方に支持部材により徐々に引き上げられ
る。得られた石英ガラス体中のOH濃度は90ppm
で、水素濃度は2×1018分子/cm3であった。この
石英ガラス体を高純度のグラファイト坩堝内に載置し、
窒素置換した雰囲気で1800℃に加熱し自重で外径2
50mm、高さ100mmの円盤状に成型した。
部分を十分にHFエッチング処理で除去し、次いでアニ
ール処理を施した。該アニール処理では大気中で115
0℃に20時間保持した。該処理後、石英ガラス成型体
は600℃まで5℃/時間の降温速度で徐冷され、次い
で自然冷却された。得られた成型体の屈折率分布(Δ
n)は1×10-6、複屈折率は1nm/cm以下で、3
方向脈理や層状構造がみれなかった。またOH基濃度は
90ppm、水素分子濃度は1.5×1018分子/cm
3であった。前記成型体から直径60mm、厚さ10m
mの試料を切り出し、透過率を測定した。また同じ試料
を用いてArFエキシマレーザーを20mJ/cm2の
エネルギー密度で、200Hzで所定のパルス数照射
し、その時の透過率変化を測定した。その結果、ArF
エキシマレーザーの未照射時の透過率は99.8%、A
rFエキシマレーザーの1×105パルス照射後の透過
率は99.8%、ArFエキシマレーザーの2×107
パルス照射後の透過率は99.7%であった。また、レ
ーザー照射に伴う石英ガラスの収縮もみられなかった。
濃度及び水素濃度を変えた雰囲気中で1550℃で加熱
し透明ガラス化した。得られた石英ガラス体のレーザー
照射による透過率変化を測定し、未照射とArFエキシ
マレーザー1×105パルス照射後との透過率の差を初
期特性、未照射時とArFエキシマレーザー2×107
パルス照射後との透過率の差を長期特性としてArFエ
キシマレーザーに対する石英ガラスの特性を調べた。ま
た、その時の石英ガラス中の水素濃度を求めた。それら
の結果を表1に示す。
vol%、水素濃度20〜90vol%を含有する雰囲
気中でスート体を透明ガラス化した合成石英ガラスは水
素濃度が5×1017分子/cm3以上となり長期特性に
優れる。これに対し、水蒸気濃度及び水素濃度が前記範
囲から逸脱した雰囲気中で透明ガラス化した合成石英ガ
ラスは比較例1〜5に示すように水素含有濃度が低く、
長期特性に劣る。なお、上記比較例6の石英ガラスは水
素含有量が多く、かつ優れた長期特性を示すが、石英ガ
ラス中に気泡が残存し好適な石英ガラスではなかった。
囲気中の水蒸気濃度を10vol%、水素濃度を50v
ol%とするとともに、ガラス化温度を表2の温度とし
た以外、実施例2と同様にして石英ガラス体を得た。得
られた各石英ガラス体について、水素分子濃度を測定
し、その結果を表2に示す。
1350℃では溶け残りと思われる白濁部があった。ま
た、透明ガラス化温度が1750℃では炉芯管が変形し
非常に危険であった。
ーに対して高い透過率を有すると共に、耐レーザー性に
も優れた光学用石英ガラスが水蒸気及び水素含有雰囲気
中での透明ガラス化で容易に製造でき、その製造コスト
を低く維持できる。しかも得られた光学用石英ガラスは
大型であっても、均一な透過率及び耐レーザー性を示し
大口径、肉厚化したArFエキシマレーザー用光学石英
ガラス部材が良好に作成できる。さらに本発明で使用す
る縦型加熱炉にあっては、水素ガスの漏洩に基づく爆発
がなく安全に透明ガラス化ができ、その工業的価値は高
いものがある。
Claims (7)
- 【請求項1】高純度の揮発性珪素化合物を火炎加水分解
して生成するすす状シリカを基体上に堆積させて多孔質
シリカ母材を形成したのち、該多孔質シリカ母材を水蒸
気及び水素を含有する雰囲気中で透明ガラス化すること
を特徴とするエキシマレーザー用光学石英ガラスの製造
方法。 - 【請求項2】水蒸気及び水素を含有する雰囲気中の水蒸
気濃度が1〜20vol%、水素濃度が20〜90vo
l%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のエ
キシマレーザー用光学石英ガラスの製造方法。 - 【請求項3】透明ガラス化温度が1400℃〜1700
℃の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のエキ
シマレーザー用光学石英ガラスの製造方法。 - 【請求項4】透明ガラス化前に多孔質シリカ母材を不活
性ガス又は酸化性ガス雰囲気中で予備加熱処理すること
を特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載のエ
キシマレーザー用光学石英ガラスの製造方法。 - 【請求項5】予備加熱温度が800〜1400℃の範囲
にあることを特徴とする請求項4に記載のエキシマレー
ザー用光学石英ガラスの製造方法。 - 【請求項6】多孔質シリカ母材を透明ガラス化する縦型
加熱炉において、前記加熱炉が石英製炉芯管とその上部
に配設する水素ガス希釈室からなり、前記石英製炉芯管
の下部に水蒸気および水素導入口が、上部に排ガス排出
口が開口し、かつ前記水素ガス希釈室に窒素導入口およ
び窒素排出口が開口することを特徴とする縦型加熱炉。 - 【請求項7】水蒸気導入口が水蒸気発生装置に接続し、
該水蒸気発生装置で発生する水蒸気をキャリアガスに随
伴して供給することを特徴とする請求項6記載の縦型加
熱炉。
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