JP2000281358A

JP2000281358A - 合成石英ガラスの製造方法、製造装置、および合成石英ガラス

Info

Publication number: JP2000281358A
Application number: JP11092109A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Yamaguchi; 倫央山口; Masashi Fujiwara; 誠志藤原; Hiroki Jinbo; 宏樹神保
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラス中のＯＨ基濃度を所定の濃度に抑える
ことのできる、有機珪素化合物を原料とする合成石英ガ
ラスの製造方法および製造装置。【解決手段】第１燃焼ガスを噴出させて得られる火炎
中で、原料を反応させることにより合成石英ガラス微粒
子を生成し、この合成石英ガラス微粒子を堆積して合成
石英ガラスを製造する方法において、原料として、有機
珪素化合物を用い、酸素含有ガスと水素含有ガスとを含
んで構成されていて、この水素含有ガスのガス流量に対
する酸素含有ガスのガス流量の割合が小さい第２燃焼ガ
スを、原料の反応を妨げないように火炎内に加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、合成石英ガラス
の製造方法、製造装置及び合成石英ガラスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化に伴って、光リ
ソグラフィ技術に用いられている露光装置の光源の波長
は、ｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）、さら
にはＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキ
シマレーザ（１９３ｎｍ）へと短波長化が進められてい
る。このような露光装置の光学素子として用いられる光
学ガラスにおいて、以下に挙げるような条件が要求され
ている。

【０００３】紫外線の高透過性（使用波長での透過率
が高いこと）屈折率の高均質性紫外線の透過性に優れたガラスとしては、合成石英ガラ
スや、ＣａＦ₂ （蛍石）等のフッ化物の単結晶を用いた
ガラスが提案されている。ここでは、石英ガラスに注目
する。

【０００４】石英ガラスの合成は、ＳｉＣｌ₄ 等の珪素
化合物からなる原料ガスと、Ｈ₂ （水素）等の可燃性ガ
スおよびＯ₂ （酸素）等の支燃性ガスからなる、反応お
よび加熱を行うための燃焼ガスとを、バーナーから噴出
させて火炎を形成する。この火炎内で反応して生成する
石英ガラス粉をターゲットに堆積させて、溶融、ガラス
化させることにより石英ガラスインゴットを得る、いわ
ゆる火炎加水分解法が一般的に用いられている。

【０００５】しかしながら、例えばＳｉＣｌ₄ を原料と
して石英ガラスを合成すると、Ｃｌ（塩素）がガラス中
の構造欠陥の原因となるという問題があった。

【０００６】このＣｌに起因する構造欠陥の発生を防ぐ
ために、原料ガスとなる珪素化合物として、特に有機珪
素化合物を用いることが提案されている。これにより合
成される石英ガラスの、ＡｒＦエキシマレーザのような
高エネルギーの光に対する耐久性を向上させることがで
きる。

【０００７】また、火炎加水分解法に用いられる石英ガ
ラス製バーナーのガス噴出部の設計によって、合成され
るガラスの品質を著しく向上させることができる。例え
ば、この発明にかかる発明者等は、屈折率の均質性に優
れた石英ガラスが得られる石英ガラス製バーナーを、特
開平７−１８７６８３号公報（文献１）で提案してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】文献１で提案されてい
る石英ガラス製バーナーの噴出部の概略的な構成を図３
に示す。この従来のバーナーは、噴出部１００の、略中
央部に配置され原料ガスを噴出する円状中央原料噴出部
１０１と、これの周囲に同心円状に配置され可燃性ガス
および支燃性ガスを噴出するリング状燃焼ガス噴出部１
０３と、最外部のリング状燃焼ガス噴出部１０３ｅの内
部に配置され支燃性ガスを噴出する複数の円状燃焼ガス
噴出部１０５とを具えていて、この円状原料噴出部１０
１とリング状燃焼ガス噴出部１０３（第１噴出部１０３
ａ、第２噴出部１０３ｂ、第３噴出部１０３ｃ、第４噴
出部１０３ｄおよび第５噴出部１０３ｅ）とで六重管構
造を形成し、かつ円状燃焼ガス噴出部１０５を、最外部
のリング状燃焼ガス噴出部１０３ｅの内部で、六重管と
同心円関係にある円の円周上に等間隔に配置してある。

【０００９】なお、円状中央原料噴出部１０１を構成す
る管を第１管１１１とし、リング状燃焼ガス噴出部１０
３を構成するための、最内部の管から最外部の管を順
に、第２管１１３、第３管１１５、第４管１１７、第５
管１１９および第６管１２１とする。そして、円状燃焼
ガス噴出部１０５を構成するための管を第７管１２３と
する。

【００１０】しかしながら、このような従来の石英ガラ
ス製バーナーを用いて、有機珪素化合物からなる原料ガ
スとして石英ガラスを製造すると、次のような問題が生
じる。

【００１１】有機珪素化合物は、バーナーからの火炎中
で加水分解反応だけでなく、酸化反応によっても分解さ
れる。このため、有機珪素化合物を原料として石英ガラ
スを合成する場合に消費される酸素の量は、ＳｉＣｌ₄
を原料として石英ガラスを合成するときに消費される酸
素の量よりも多くなる。この結果、合成された石英ガラ
ス中に含まれるＯＨ基（ヒドロキシル基）の濃度が高く
なる。

【００１２】このヒドロキシル基は、石英ガラスのＳｉ
とＯとからなる四面体構造を安定化させるために必要な
基である。しかしながら、石英ガラス中のＯＨ基濃度が
高すぎると、石英ガラスの構造変化が起こりやすくなっ
て、ガラスの屈折率が変化してしまう。また、ガラスに
歪みが生じる。この屈折率の変化や歪みは石英ガラスの
光学特性を著しく劣化させる原因である。

【００１３】また、ガラス中のＯＨ基濃度が高くなるに
つれて、石英ガラス中の水素濃度は低くなる。ガラス中
に含まれる水素は、ガラスの構造欠陥部分を修復する役
目を果たす。このため、水素濃度が低くなるとガラス中
に構造欠陥が増えて、この結果、石英ガラスの、エキシ
マレーザに対する耐久性は低下してしまう。

【００１４】このため、有機珪素化合物を原料とする石
英ガラスの製造方法において、ガラス中のＯＨ基濃度を
所定の濃度に抑えることのできる製造方法の出現が望ま
れていた。また、このような石英ガラスを製造すること
のできる装置の出現が望まれていた。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の合
成石英ガラスの製造方法によれば、第１燃焼ガスを噴出
させて得られる火炎中で、原料を反応させることにより
合成石英ガラス微粒子を生成し、この合成石英ガラス微
粒子を堆積させて製造する。このとき、原料として有機
珪素化合物を用い、酸素含有ガスと水素含有ガスとを含
んで構成されていて、水素含有ガスのガス流量に対する
酸素含有ガスのガス流量の割合が、化学量論的な割合よ
りも小さい第２燃焼ガスを、原料の反応を妨げないよう
に、火炎中に加える。

【００１６】ここで、化学量論的とは、水素と酸素との
反応にあずかる水素および酸素の数量的関係を意味す
る。水素および酸素は、モル比で言うと、化学量論的に
は２：１で反応する。すなわち、水素含有ガスのガス流
量に対する酸素含有ガスのガス流量の化学量論的な割合
は、０．５となる。これにより、直接法により、有機珪
素化合物を原料として用いて合成石英ガラスを製造する
場合に、火炎内には水素が従来よりも多く含有される。
この結果、製造される合成石英ガラス中の水素濃度を高
くすることができる。合成石英ガラス中の水素濃度が高
くなるのに対応して、ガラス中のヒドロキシル基濃度は
低くなる。このため、ガラスの屈折率の変化や歪みを生
じるおそれはなくなる。よって、光学特性に優れた合成
石英ガラスが得られる。また、ガラス中には十分な水素
を含ませることができるため、従来よりも耐久性に優れ
た合成石英ガラスが得られる。

【００１７】また、上記第２燃焼ガス中の水素含有ガス
のガス流量に対する酸素含有ガスのガス流量の割合は、
多くても０．３であるのがよい。

【００１８】ここで、第１燃焼ガスは、通常の直接法に
よる合成石英ガラスの製造と同じ条件で構成しておく。
すなわち、酸素含有ガスと水素含有ガスとを含んでい
て、これらを噴出させて火炎を作るために、水素含有ガ
スのガス流量に対する酸素含有ガスのガス流量の割合
が、約０．５となるように調製してある。この第１燃焼
ガスによって形成される火炎中に、上記のようなガス流
量の割合の第２燃焼ガスを加えることによって、火炎中
に水素を従来よりも多く含ませることができる。この結
果、製造される合成石英ガラス中のヒドロキシル基濃度
を４００ｐｐｍ〜９００ｐｐｍ程度の濃度にすることが
できる。ヒドロキシル基濃度がこの範囲（４００ｐｐｍ
〜９００ｐｐｍ）内の濃度であれば、ヒドロキシル基に
起因してガラスの光学特性を劣化させるおそれはなくな
る。

【００１９】また、上述したような合成石英ガラスを製
造する装置は、以下のような構成でとするのがよい。

【００２０】主バーナーと副バーナーとを備えていて、
主バーナーは、原料を噴出する原料管と、第１燃焼ガス
を噴出する第１の燃焼管とを具えている。そして、副バ
ーナーは、主バーナーの外側に設けられ、第２燃焼ガス
を噴出する第２の燃焼管を含んでいる。そして、この第
２燃焼ガスは酸素含有ガスおよび水素含有ガスを含んで
構成されており、副バーナーから噴出させる酸素含有ガ
スおよび水素含有ガスの各々のガス流量を調節するガス
流量調節手段が設けられている。

【００２１】この発明では、主バーナーから噴出される
第１燃焼ガスにより火炎が形成される。この第１燃焼ガ
スも、好ましくは酸素含有ガスおよび水素含有ガスを含
んで構成されているのがよい。そして、形成された火炎
中で、原料である有機珪素化合物が加水分解反応および
酸化反応することによって、合成石英ガラス微粒子が生
成される。この発明では、さらに、副バーナーから第２
燃焼ガスが火炎中に加えられている。第２燃焼ガスは、
ガス流量調節手段によって、水素含有ガスおよび酸素含
有ガスのガス流量を調節することができる。よって、第
２ガス中の水素含有ガスのガス流量に対する酸素含有ガ
スのガス流量の割合を所望の割合、すなわち、ここでは
水素および酸素の化学量論的な割合より小さくすること
ができる。このため、火炎内は水素の多い状態（これを
水素リッチと称する。）となる。このような水素リッチ
の火炎中で形成される合成石英ガラスは、ガラス中のヒ
ドロキシル基濃度を適当な濃度に抑えることができ、光
学特性に優れたガラスとなる。また、ヒドロキシル基の
濃度が抑えられた分、ガラス中の水素濃度を十分な濃度
にすることができるため、耐久性に優れた合成石英ガラ
スが得られる。

【００２２】また、好ましくは、第２燃焼ガス中の水素
含有ガスのガス流量に対する酸素含有ガスのガス流量の
割合を、多くても０．３と調節するのがよい。

【００２３】これにより、この製造装置を用いて合成石
英ガラスを製造すると、ガラス中に含まれるヒドロキシ
ル基の濃度を４００ｐｐｍ〜９００ｐｐｍ程度の濃度に
抑えることができる。この結果、ヒドロキシル基に起因
する、ガラスの屈折率の変化や歪みのない、光学特性に
優れた合成石英ガラスが得られる。また、この合成石英
ガラス中には十分な濃度の水素を含ませることができる
ために、耐久性に優れたガラスが得られる。

【００２４】また、合成石英ガラスの製造装置におい
て、好ましくは、主バーナーの先端部が、この先端部の
略中央に配置された円状中央原料噴出部と、この外側に
同心円状に配置された２以上のリング状第１燃焼ガス噴
出部と、最外部に位置するリング状第１燃焼ガス噴出部
の内部に配置された複数の円状第１燃焼ガス噴出部とを
有している。そして、副バーナーの先端部は、この先端
部の略中央に配置された円状中央第２燃焼ガス噴出部
と、この外側に同心円状に配置された２つのリング状第
２燃焼ガス噴出部とを有している。

【００２５】第１の燃焼管は、リング状第１燃焼ガス噴
出部と円状第１燃焼ガス噴出部とで構成されている。こ
の燃焼管から噴出される第１燃焼ガスは、支燃性ガスお
よび可燃性ガスである。支燃性ガスとして例えば酸素含
有ガスを用い、可燃性ガスとして例えば水素含有ガスを
用いるのがよい。また、水素含有ガスとしてメタンガス
等を用いることもできる。

【００２６】そして、リング状第１燃焼ガス噴出部が設
けてあるため、第１燃焼ガスと円状中央原料噴出部から
噴出される原料とを高温で好適に反応させることができ
る。

【００２７】また、円状第１燃焼ガス噴出部から噴出さ
れる第１燃焼ガスが燃焼することにより、ガラスを合成
する炉内の温度を、石英ガラス微粒子を得られる温度に
まで上げることができる。また、この円状第１燃焼ガス
噴出部を設けることによって大火力が得られ、これによ
り原料を効率よく反応させて、石英ガラス微粒子の堆積
速度を増加させることができる。また、ガラスの合成面
内での温度差を低減することができる。

【００２８】また、第２の燃焼管は、円状中央第２燃焼
ガス噴出部とリング状第２燃焼ガス噴出部とで構成され
ている。そして、第２燃焼ガスは水素含有ガスおよび酸
素含有ガスとを含んで構成されている。よって、例え
ば、円状中央第２燃焼ガス噴出部から水素含有ガスを噴
出させて、このすぐ外側のリング状第２燃焼ガス噴出部
から酸素含有ガスを噴出させて、さらにこの外側のリン
グ状第２燃焼ガス噴出部から水素含有ガスを噴出させ
る。これらの噴出部から噴出される第２燃焼ガスの構成
ガス（酸素含有ガスおよび水素含有ガス）のガス流量
は、ガス流量調節手段によって、調節することができ
る。これにより、水素含有ガスのガス流量に対する酸素
ガスのガス流量の割合が、化学量論的な割合よりも小さ
い第２燃焼ガスを、第２の燃焼管から火炎内に噴出させ
ることができる。しかも、第２燃焼ガスを上述したよう
な構造の噴出部から噴出させることによって、有機珪素
化合物の反応を妨げることなく、火炎内に第２燃焼ガス
を加えることができる。この結果、火炎内を水素リッチ
にすることができる。

【００２９】また、このような主バーナーと副バーナー
とを備えた合成石英ガラスの製造装置において、好まし
くは、合成炉と、この合成炉内に合成石英ガラス微粒子
を堆積させるターゲットと、合成炉内に、ターゲットの
方へ噴出部が向くようにセットされた上記主バーナーお
よび副バーナーとを備えているのがよい。

【００３０】例えば、合成炉の上方に主バーナーおよび
副バーナーを、噴出部が下方を向くようにセットして、
合成炉の下方にターゲットを設けてあるような構成にす
るのがよい。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図を参照してこの発明の実
施の形態につき説明する。なお、各図は発明を理解でき
る程度に概略的に示してあるに過ぎず、したがって発明
を図示例に限定するものではない。また、図において、
図を分かり易くするために断面を示すハッチング（斜
線）は一部分を除き省略してある。

【００３２】＜実施の形態例＞実施の形態例として、こ
の発明の製造装置を用いて、合成石英ガラスを製造する
例につき、図１および図２を参照して説明する。図１
は、この発明の合成石英ガラスの製造装置の構造を示
す、概略図である。図２は、主バーナーおよび副バーナ
ーのガス噴出部の構造を示す、概略的な構造図である。

【００３３】この実施の形態の製造装置は、主バーナー
１０と副バーナー１２とを備えている。そして、主バー
ナー１０は、原料を噴出する原料管と、第１燃焼ガスを
噴出する第１の燃焼管とを具え、先端部１０ａから原料
および燃焼ガスを噴出する。そして、副バーナー１２
は、主バーナー１０の外側に設けられ、かつ先端部１２
ａから第２燃焼ガスを噴出する第２の燃焼管を具えてい
る。そして、この主バーナー１０および副バーナー１２
は、合成炉１４の上方に、それぞれの噴出部（１０ａお
よび１２ａ）がターゲット１６の方を向くように取り付
けられている（図１）。

【００３４】原料管は噴出部１０ａの略中央に位置する
単一の円状中央原料噴出部１８である。そして、この円
状中央原料噴出部１８を構成するための管を第１管２０
とする（図２（Ａ））。

【００３５】また、第１の燃焼管は、リング状第１燃焼
ガス噴出部２２と円状第１燃焼ガス噴出部２４とからな
る。リング状第１燃焼ガス噴出部２２は、ここでは円状
中央原料噴出部１８の外側に、同心円状に５つ配置され
ている。この５つのリング状第１燃焼ガス噴出部２２を
構成するための管が、第１管２０の周囲に、第１管２０
と同心円状に、その内壁が内側にある管の外壁よりも大
きい円となるように順次設けられている。この管をそれ
ぞれ、第２管２６ａ、第３管２６ｂ、第４管２６ｃ、第
５管２６ｄおよび第６管２６ｅとする。最内部の、つま
り一番円状中央原料噴出部１８よりにあるリング状第１
燃焼ガス噴出部（これを第１噴出部２２ａとする。）
は、第１管２０の外壁と第２管２６ａの内壁との間に形
成される空間を指す。よって、第２管２６ａと第３管２
６ｂとで第２噴出部２２ｂを、第３管２６ｂと第４管２
６ｃとで第３噴出部２２ｃを、第４管２６ｃと第５管２
６ｄとで第４噴出部２２ｄを、および第５管２６ｄと第
６管２６ｅとで第５噴出部２２ｅをそれぞれ構成する
（図２（Ａ））。

【００３６】また、円状第１燃焼ガス噴出部２４は、リ
ング状第１燃焼ガス噴出部２２の第５噴出部２２ｅ内
に、ここでは、２３個配置されている第７管２８の内部
の円状の空間を指す。第７管２８は、第５噴出部２２ｅ
の領域に、第５管２６ｄと第６管２６ｅとの間にある円
であって、かつ第１管２０と同心円関係にある円の円周
に沿って、互いに等距離の間隔を以て配置されている。

【００３７】また、円状中央原料噴出部１８からは、原
料として有機珪素化合物を噴出させる。ここでは、有機
珪素化合物として例えば、ヘキサメチルジシロキサン
（ＨＭＤＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン
（ＯＭＣＴＳ）またはテトラメチルシクロテトラシロキ
サン等のシロキサン類、および、メチルトリメトキシシ
ラン（ＭＴＭＳ）、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）
またはテトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）等のシラン類
の中から選ばれる一種若しくは二種以上の物質を用いて
好適である。これらの原料ガスとキャリアガスとの混合
ガスを噴出させる。キャリアガスとしては、例えば窒素
ガスを用いる。

【００３８】また、リング状第１燃焼ガス噴出部２２の
うち、第１噴出部２２ａからは可燃性ガスである水素含
有ガスを噴出させる。そして第２噴出部２２ｂからは支
燃性ガスである酸素含有ガスを噴出させる。第３噴出部
２２ｃからは水素含有ガスを噴出させ、第４噴出部２２
ｄからは酸素含有ガスを噴出させる。そして、第５噴出
部２２ｅからは水素含有ガスを噴出させる。この第５噴
出部２２ｅ内には円状第１燃焼ガス噴出部２４がある。
この円状第１燃焼ガス噴出部２４からは酸素含有ガスを
噴出させるようにしてある（図２（Ａ））。

【００３９】また、副バーナー１２の噴出部１２ａは、
第２燃焼ガスを噴出する第２の燃焼管を備えている。

【００４０】第２の燃焼管は、円状中央第２燃焼ガス噴
出部３０とリング状第２燃焼ガス噴出部３２とからな
る。ここで、円状中央第２燃焼ガス噴出部３０を構成す
るための管を第８管３４とする。また、リング状第２燃
焼ガス噴出部３２は、円状中央第２燃焼ガス噴出部３０
の外側に同心円状に２つ配置されている。この２つのリ
ング状第２燃焼ガス噴出部３２を構成するための管が、
第８管３４の周囲に、第８管３４と同心円状に、その内
壁が内側にある管の外壁よりも大きい円となるように順
次設けられている。この管をそれぞれ、第９管３６およ
び第１０管３８とする。そして、一番円状第２燃焼ガス
噴出部３０よりにある、リング状第２燃焼ガス噴出部
（これを第６噴出部３２ａとする。）は、第８管３４の
外壁と第９管３６の内壁との間に形成される空間を指
す。同様に、第９管３６と第１０管３８とで第７噴出部
３２ｂを構成している（図２（Ｂ））。

【００４１】また、ここでは、副バーナー１２から噴出
させる第２燃焼ガスを、酸素含有ガスと水素含有ガスと
を含んで構成する。そして、この第２燃焼ガス中の酸素
含有ガスおよび水素含有ガスの、それぞれ噴出させるガ
ス流量は、製造装置に設けられているガス流量調節手段
によって、調節することができる（図示せず。）ここで
は、水素含有ガスのガス流量に対する酸素含有ガスのガ
ス流量の割合を、化学量論的な割合よりも小さくする。
より具体的には、水素含有ガスのガス流量に対する酸素
含有ガスのガス流量の割合が０．３以下であるのがよ
い。

【００４２】このような第２燃焼ガスを、火炎中での原
料の反応を妨げないように火炎中に加えるためには、例
えば、円状中央第２燃焼ガス噴出部３０から水素含有ガ
スを噴出させる。そして、リング状第２燃焼ガス噴出部
３２のうち、第６噴出部３２ａから酸素含有ガス噴出さ
せ、第７噴出部３２ｂから水素含有ガスを噴出させる
（図２（Ｂ））。

【００４３】また、この主バーナー１０の噴出部１０ａ
および副バーナー１２の噴出部１２ａをそれぞれ構成す
る各管の寸法は表１に示すとおりである。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１より、第１管２０の外径は６．９ｍｍ
および内径３．５ｍｍ、第２管２６ａの外径は１０．１
ｍｍおよび内径は７．５ｍｍ、第３管２６ｂの外径は１
３．９ｍｍおよび内径は１１．５ｍｍ、第４管２６ｃの
外径は１８．５ｍｍおよび内径は１５．５ｍｍ、第５管
２６ｄの外径は２４ｍｍおよび内径は２１ｍｍ、第６管
２６ｅの外径は７４ｍｍおよび内径は６８ｍｍ、第７管
２８の外径は７．９ｍｍおよび内径は５．５ｍｍ、第８
管３４の外径は６．９ｍｍおよび内径は３．５ｍｍ、第
９管３６の外径は１０．１ｍｍおよび内径は７．５ｍ
ｍ、第１０管３８の外径は１３．９ｍｍおよび内径は１
１．５ｍｍである。

【００４６】また、この発明の主バーナー１０および副
バーナー１２の噴出部（１０ａおよび１２ａ）におい
て、各管の形状は、図に示したような断面が円形となる
ものに限られるものではない。また、この噴出部の大き
さ等の条件に応じて、円状第１燃焼ガス噴出部の数を増
減させてもよい。また、リング状第１燃焼ガス噴出部お
よびリング状第２燃焼ガス噴出部においても、必要に応
じてその数を自由に変えて構成させて良い。

【００４７】また、副バーナーは主バーナーの外側に１
つ設けるのが好ましいが、必要に応じて２つ以上設けて
もよい。但し、２つ以上設ける場合には、各副バーナー
を主バーナーの周囲であって、同心円関係の位置に、互
いに等しい間隔で設けるのが良い。

【００４８】このような主バーナー１０および副バーナ
ー１２を備えた製造装置４０は、さらに、合成炉１４
と、合成石英ガラス微粒子を堆積させるターゲット１６
とを備えている（図１）。そして、合成炉１４は、炉枠
１４ａと、炉枠１４ａの内側に設置された耐火物１４ｂ
とで構成されている。そして、耐火物１４ｂで覆われた
空間が、燃焼ガス（第１燃焼ガスおよび第２燃焼ガス）
が燃焼する燃焼空間４２（原料が反応する反応空間とも
称する。）を構成している。また、炉枠１４ａの上部
に、耐火物１４ｂの内側の燃焼空間４２に、噴出部１０
ａおよび１２ａが突き出すように、上記主バーナー１０
および副バーナー１２が設置されている。副バーナー１
２は主バーナー１０の外側に隣り合うように設けられて
いる。また、燃焼空間４２の下方に、ターゲット１６が
設けられている。このターゲット１６は、主バーナー１
０の噴出部１０ａから第１燃焼ガスが噴出する方向に対
して垂直の方向に回転する。この回転軸を上方にのばし
た延長線上に主バーナー１０の噴出部１０ａがくるよう
に、ターゲット１６を設置する。また、ターゲット１６
には合成石英ガラス微粒子が堆積して石英ガラスインゴ
ットが形成され、このインゴットは主バーナー１０の噴
出部１０ａの方へ向かって成長する。このインゴットの
成長速度に合わせて、ターゲット１６を、主バーナー１
０の噴出部１０ａから遠ざける方向に引き下げることが
できる。

【００４９】また、ここでは、ターゲット１６の直径を
２００ｍｍとする。また、耐火物１４ｂの厚さは１００
ｍｍとし、この耐火物１４ｂで覆われた燃焼空間４２
（反応空間）の幅および高さがそれぞれ６００ｍｍの製
造装置４０を用いる。

【００５０】

【実施例】以下、この発明の合成石英ガラスの製造方法
を用いて合成石英ガラスを製造する実施例について比較
例と共にそれぞれ説明する。しかしながら、以下の説明
中で挙げる使用原料、使用ガスおよびそのガス流量など
の数値的条件はこれら発明の範囲内の一例にすぎないこ
とを理解されたい。

【００５１】実施例として、上述した合成石英ガラスの
製造装置４０を用いて、以下の表２で示す条件下で合成
石英ガラスを製造した。

【００５２】

【表２】

【００５３】表２より、円状中央原料噴出部１８から
は、原料ガスとしてのＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシロキ
サン）ガスと、窒素ガスとの混合ガスを噴出させる。こ
の混合ガスの流量を５．６ｓｌｍ（standard liter/min
utes）とする。このうち、キャリアガスである窒素ガス
の流量を３．５ｓｌｍとする。また、この円状中央原料
噴出部１８の外側に位置して設けられているリング状第
１燃焼ガス噴出部２２の第１噴出部２２ａからは、水素
含有ガスを５０ｓｌｍの流量で噴出させている。ここで
は、水素含有ガスとして水素ガスを用いる。また、第２
噴出部２２ｂからは、酸素含有ガスを４０ｓｌｍの流量
で噴出させる。ここでは、酸素含有ガスとして、酸素ガ
スを用いる。第３噴出部２２ｃからは、水素ガスを流量
１００ｓｌｍで噴出させる。第４噴出部２２ｄからは、
酸素ガスを流量６０ｓｌｍで噴出させる。第５噴出部２
２ｅからは、水素ガスを流量２００ｓｌｍで噴出させ
る。

【００５４】また、円状第１燃焼ガス噴出部２４は、第
５噴出部２２ｅの領域に、複数設けられていて、酸素ガ
スを噴出させる。ここでは、円状第１燃焼ガス噴出部２
４を合計２３本設けてある。そして、２３本の円状第１
燃焼ガス噴出部２４から噴出される酸素ガスの合計流量
を９０ｓｌｍとする（図２（Ａ）参照。）。

【００５５】これにより、主バーナー１０から噴出する
第１燃焼ガス中の水素含有ガスのガス流量に対する酸素
含有ガスのガス流量の割合は、約０．５４である。これ
は、ほぼ化学量論的な割合である。

【００５６】また、副バーナー１２の円状中央第２燃焼
ガス噴出部３０からは、水素ガスを７５ｓｌｍの流量で
噴出させる。そして、円状中央第２燃焼ガス噴出部３０
の外側に位置するリング状第２燃焼ガス噴出部３２の、
第６噴出部３２ａからは、酸素ガスを２２ｓｌｍの流量
で噴出させる。さらに、第７噴出部３２ｂからは、水素
ガスを１５０ｓｌｍの流量で噴出させる（図２（Ｂ）参
照。）。

【００５７】よって、この例では、副バーナー１２から
噴出する第２燃焼ガス中の水素含有ガスのガス流量に対
する酸素含有ガスのガス流量の割合は約０．１とする。

【００５８】これにより、主バーナー１０および副バー
ナー１２から噴出される第１燃焼ガスおよび第２燃焼ガ
スによって、製造装置４０の燃焼空間４２内には火炎が
形成され、この火炎内で原料が加水分解反応および酸化
反応することによって、合成石英ガラス微粒子が生成す
る。この火炎内に噴出される水素ガスの合計ガス流量に
対する酸素ガスの合計ガス流量の割合は、０．３４であ
った。なお、この割合は、原料の反応に必要な酸素ガス
流量１６．５ｓｌｍを除いてある。

【００５９】次に、製造された合成石英ガラス中のヒド
ロキシル基濃度を、ラマン分光光度計を用いて測定し
た。この結果、実施例の合成石英ガラス中には、８００
ｐｐｍの濃度のヒドロキシル基が含まれていることが分
かった。

【００６０】また、実施例の合成石英ガラスの屈折率を
測定した後、１９３ｎｍの波長のエキシマレーザを、
０．１ｍＪ／ｃｍ² 、１×１０¹¹パルスという照射条件
で照射した。その後、再びこの石英ガラスの屈折率を測
定した。この結果、２回目に測定した屈折率の値は、最
初に測定した屈折率の値から０．８８×１０^-6だけ変化
していることが分かった。

【００６１】（比較例）次に、この発明の比較例とし
て、上述した実施例と同じサイズおよび形状の製造装置
４０を用いて、主バーナー１０のみから原料および第１
燃焼ガスを噴出させて合成石英ガラスを製造する。原料
および第１燃焼ガスは、実施例と同様のものを使用す
る。

【００６２】この比較例では、以下の表３で示す条件下
で合成石英ガラスを製造した。なお、比較例では主バー
ナー１０から噴出する第１燃焼ガスのガス流量が、実施
例とは異なっている。これは、火炎を形成し、かつ原料
を反応させる熱量を一定にするためであり、また実施例
とほぼ同じ程度の熱量にするためである。

【００６３】

【表３】

【００６４】表３より、円状中央原料噴出部１８から
は、実施例と同様に、原料としてのＨＭＤＳガスと窒素
ガスとの混合ガスを、５．６ｓｌｍの流量で噴出させ
る。また、第１噴出部２２ａからは、水素ガスを５０ｓ
ｌｍの流量で噴出させる。第２噴出部２２ｂからは酸素
ガスを４０ｓｌｍの流量で噴出させる。第３噴出部２２
ｃからは水素ガスを流量１２０ｓｌｍで噴出させ、第４
噴出部２２ｄからは酸素ガスを流量７０ｓｌｍで噴出さ
せ、第５噴出部２２ｅからは水素ガスを流量２５０ｓｌ
ｍで噴出させる。そして、円状第１燃焼ガス噴出部２４
からは、合計１１０ｓｌｍの流量で酸素ガスを噴出させ
る。

【００６５】これにより、第１燃焼ガス中の水素ガスの
ガス流量に対する酸素ガスのガス流量の割合は約０．５
２である。そして、原料の反応に必要な酸素ガス流量１
６．５ｓｌｍを除いた、水素ガス流量に対する酸素ガス
流量の割合は、０．４９となり、原料の反応に必要な酸
素ガス流量を除いて計算しても、水素ガス流量に対する
酸素ガス流量の割合には、ほとんど差が見られなかっ
た。

【００６６】比較例で製造された合成石英ガラス中のヒ
ドロキシル基濃度を、実施例と同様の条件下で測定し
た。この結果、比較例の合成石英ガラス中には１２００
ｐｐｍの濃度のヒドロキシル基が含まれていることが確
認できた。

【００６７】また、実施例と同様に、製造した石英ガラ
スの屈折率を測定した後、エキシマレーザをガラスに照
射する。その後再びこのガラスの屈折率を測定した。こ
の結果、２回目に測定した屈折率の値は、エキシマレー
ザを照射する前に測定した屈折率の値と比べて、１．３
×１０^-6変化していることが確認された。

【００６８】従って、主バーナー１０に加えて副バーナ
ー１２を設けて、副バーナー１２から水素ガスの含有率
の高い第２燃焼ガスを火炎中に加えることによって、製
造される合成石英ガラス中に含まれるヒドロキシ基濃度
を低くすることができる。石英ガラス中のヒドロキシ基
濃度が高すぎると、石英ガラスのコンパクションを大き
くして光学特性を劣化させるおそれがあるため、９００
ｐｐｍ以下の濃度であるのが好ましい。また、ヒドロキ
シル基は、光学特性ガラス中の珪素と酸素とが結合して
なる構造体を安定化するために必要な基である。よっ
て、石英ガラス中に４００ｐｐｍ以上の濃度で含まれて
いる必要がある。このため、第２燃焼ガス中の水素含有
ガスのガス流量に対する酸素含有ガスのガス流量を、
０．３以下の範囲内で調製することによって、ガラス中
のヒドロキシル基濃度を４００ｐｐｍ〜９００ｐｐｍの
範囲内に抑えることができる。

【００６９】また、比較例と比べて実施例では、エキシ
マレーザの照射前と照射後の屈折率の変化は小さい。こ
れは、エキシマレーザに対する耐久性が向上したことを
意味している。よって、ヒドロキシル基濃度が低減し、
かつ石英ガラス中の水素濃度を高くすることができたた
めに、エキシマレーザに対する耐久性が向上したものと
考えられる。

【００７０】なお、実施例および比較例の、合成石英ガ
ラス中のヒドロキシル基濃度の測定結果と、エキシマレ
ーザに対する耐久性を調べた結果を、下記表４に示す。
エキシマレーザに対する耐久性は、エキシマレーザ照射
前の屈折率と照射後の屈折率との差で表している。値が
大きい方が耐久性が低い。

【００７１】

【表４】

【００７２】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の合成石英ガラスの製造方法によれば、第１燃焼
ガスを噴出させて得られる火炎中で、原料を反応させる
ことにより合成石英ガラス微粒子を生成し、この合成石
英ガラス微粒子を堆積させて製造する。このとき、原料
として有機珪素化合物を用い、酸素含有ガスと水素含有
ガスとを含んで構成されていて、水素含有ガスのガス流
量に対する酸素含有ガスのガス流量の割合が、化学量論
的な割合よりも小さい第２燃焼ガスを、原料の反応を妨
げないように火炎中に加える。

【００７３】これにより、直接法により、有機珪素化合
物を原料として用いて合成石英ガラスを製造した場合
に、火炎内には水素が従来よりも多く含有される。この
結果、製造される合成石英ガラスの水素濃度を高くする
ことができる。合成石英ガラス中の水素濃度が高くなる
のに対応して、ガラス中のヒドロキシル基濃度は低くな
る。このため、ガラスの屈折率の変化や歪みを生じるお
それはなくなる。よって、光学特性に優れた合成石英ガ
ラスが得られる。また、ガラス中には十分な水素を含ま
せることができるため、従来よりも耐久性に優れた合成
石英ガラスが得られる。

【００７４】また、上述したような合成石英ガラスを製
造する装置は、以下のような構成であるのがよい。すな
わち、主バーナーと副バーナーとを備えていて、主バー
ナーは、原料を噴出する原料管と、第１燃焼ガスを噴出
する第１の燃焼管とを具えている。また、副バーナー
は、主バーナーの外側に設けられ、かつ先端部から第２
燃焼ガスを噴出する第２の燃焼管を具えている。そし
て、副バーナーから噴出させる第２燃焼ガス中の酸素含
有ガスおよび水素含有ガスの、各々のガス流量を調節す
るガス流量調節手段が設けられている。

【００７５】これにより、第２燃焼ガス中の水素含有ガ
スのガス流量に対する酸素含有ガスのガス流量の割合を
化学量論的な割合よりも小さくすることができる。この
第２燃焼ガスを、主バーナーから噴出される第１燃焼ガ
スにより形成される火炎中に、加えることによって、火
炎内は水素リッチとなる。

【００７６】このような水素リッチの火炎中で、有機珪
素化合物が加水分解反応および酸化反応することによっ
て製造される合成石英ガラスは、ガラス中のヒドロキシ
ル基濃度が適当な濃度に抑えられている。よって、光学
特性に優れたガラスとなる。また、ヒドロキシル基の濃
度が抑えられた分、石英ガラス中の水素濃度を十分な濃
度にすることができるため、耐久性に優れた合成石英ガ
ラスが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の合成石英ガラスの製造装置の構造を
示す概略図である。

【図２】（Ａ）は、主バーナーのガス噴出部の構造を示
す概略図で、（Ｂ）は、副バーナーのガス噴出部の構造
を示す概略図である。

【図３】従来の石英ガラス製バーナーの噴出部の構造を
示す概略図である。

【符号の説明】

１０：主バーナー１０ａ，１２ａ：噴出部（先端部）１２：副バーナー１４：合成炉１４ａ：炉枠１４ｂ：耐火物１６：ターゲット１８，１０１：円状中央原料噴出部２０，１１１：第１管２２：リング状第１燃焼ガス噴出部２２ａ，１０３ａ：第１噴出部２２ｂ，１０３ｂ：第２噴出部２２ｃ，１０３ｃ：第３噴出部２２ｄ，１０３ｄ：第４噴出部２２ｅ，１０３ｅ：第５噴出部２４：円状第１燃焼ガス噴出部２６ａ，１１３：第２管２６ｂ，１１５：第３管２６ｃ，１１７：第４管２６ｄ，１１９：第５管２６ｅ，１２１：第６管２８，１２３：第７管３０：円状中央第２燃焼ガス噴出部３２：リング状第２燃焼ガス噴出部３２ａ：第６噴出部３２ｂ：第７噴出部３４：第８管３６：第９管３８：第１０管４０：製造装置４２：燃焼空間（反応空間）１００：噴出部１０３：リング状燃焼ガス噴出部１０５：円状燃焼ガス噴出部

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 AH15 AH16 4G062 AA04 BB02 CC07 MM02 NN16 5H309 AA02 CC20 DD08 EE04 FF01 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１燃焼ガスを噴出させて得られる火炎
中で、原料を反応させることにより合成石英ガラス微粒
子を生成し、該合成石英ガラス微粒子を堆積させて合成
石英ガラスを製造する方法において、前記原料として、有機珪素化合物を用い、酸素含有ガスと水素含有ガスとを含んで構成されてい
て、該水素含有ガスのガス流量に対する前記酸素含有ガ
スのガス流量の割合が、化学量論的な割合よりも小さい
第２燃焼ガスを、前記原料の反応を妨げないように、前
記火炎内に加えることを特徴とする合成石英ガラスの製
造方法。
【請求項２】請求項１に記載の合成石英ガラスの製造
方法において、前記第２燃焼ガス中の水素含有ガスのガス流量に対する
酸素含有ガスのガス流量の割合は、多くても０．３であ
ることを特徴とする合成石英ガラスの製造方法。
【請求項３】主バーナーと副バーナーとを備え、該主バーナーは、原料を噴出する原料管と、第１燃焼ガ
スを噴出する第１の燃焼管とを含み、前記副バーナーは、前記主バーナーの外側に設けられ、
かつ第２燃焼ガスを噴出する第２の燃焼管を含んでい
て、前記第２燃焼ガスは、酸素含有ガスと水素含有ガスとを
含んで構成されており、前記副バーナーから噴出させる
前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの、各々のガ
ス流量を調節するガス流量調節手段が設けられているこ
とを特徴とする合成石英ガラスの製造装置。
【請求項４】請求項３に記載の合成石英ガラスの製造
装置において、前記主バーナーの先端部が、該先端部の略中央に配置さ
れた円状中央原料噴出部と、該円状中央原料噴出部の外
側に同心円状に配置された２以上の第１リング状第１燃
焼ガス噴出部と、最外部に位置する前記第１リング状第
１燃焼ガス噴出部の内部に配置された複数の円状第１燃
焼ガス噴出部とを有し、前記副バーナーの先端部は、該先端部の略中央に配置さ
れた円状中央第２燃焼ガス噴出部と、該円状中央第２燃
焼ガス噴出部の外側に同心円状に配置された２つの第２
リング状第２燃焼ガス噴出部とを有することを特徴とす
る合成石英ガラスの製造装置。
【請求項５】請求項１または請求項２に記載の合成石
英ガラスの製造方法により製造された、ヒドロキシル基
濃度が４００ｐｐｍ以上９００ｐｐｍ以下であることを
特徴とする合成石英ガラス。