JP2001342027A - 石英ガラスの製造方法 - Google Patents
石英ガラスの製造方法Info
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Abstract
長域での透過率が高いフッ素ドープ石英ガラスが容易に
得られる製造方法の提供。 【解決手段】石英ガラス形成原料を火炎加水分解させて
多孔質石英ガラス体化する工程と、前記多孔質石英ガラ
ス体を不活性ガスの雰囲気中で加熱し、加熱温度100
0〜1200℃の時点でSiF4濃度1〜20%の雰囲
気に切り換えてフッ素ドープ処理する工程と、前記フッ
素ドープ処理した雰囲気中にて、昇温して透明化処理す
る工程と、前記透明化処理した後に、水素ガス含有雰囲
気中、200〜300℃の温度で水素ドープ処理する工
程とを有することを特徴とする石英ガラスの製造方法で
ある。
Description
り、さらに詳しくはF2レーザ(157nm)の真空紫
外波長域の光透過を要する光学系に使用される石英ガラ
スの製造方法に関する。
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、ステッパと呼ばれる露光装置が使用される。そし
て、このステッパの光源は、LSIの高集積化に伴っ
て、KrF(248nm)やArF(193nm)エキシマ
レーザーから、F2(157nm)レーザリソグラフィ
へと短波長化が進められている。なお、ステッパの照明
系もしくは投影系のレンズに用いられる光学素材として
は、短波長域での高透過率および耐紫外線性が要求され
るため、合成石英ガラスが使用されている。
した真空紫外用石英ガラスの製造手段(特開平8−75
901号公報)が提案されている。すなわち、スート合
成した多孔質ガラスにフッ素をドープした後、フッ素ド
ープ多孔質ガラスを透明化(石英ガラス化)し、さらに
水素をドープする製造方法と、フッ素濃度50ppm以
上および水素濃度が1x1017 分子/cm3以上の石
英ガラス光学部材が知られている。
石英ガラス光学部材の製造手段(特開平11−3020
25号公報)も提案されている。すなわち、スート合成
した多孔質ガラスにフッ素をドープした後、フッ素ドー
プ多孔質ガラスを酸素−He系ガス雰囲気中で透明化
(石英ガラス化)し、さらに水素をドープする製造方法
と、フッ素濃度400ppm以上および酸素の含有量が
真空中1000℃昇温時における酸素分子放出量換算で
2x1018分子/m2以下、さらに要すれば水素濃度が
1x1015 分子/cm3以上の合成石英ガラス光学部
材が知られている。
ベースとした合成石英ガラスは、一般的に、F2 レー
ザーの波長である157nmでの透過率が約5%と低く、特
性的にステッパの照明系もしくは投影系での使用に適さ
ない。なお、ガラス形成原料としてSiCl4を用い、
酸水素火炎中で加水分解して得られる多孔質ガラスに対
するフッ素ドープに当たって、フッ素化物としてSiF
4 を使用することが、前記短波長域の透過率向上に有
効なことも知られている。
して得たフッ素ドープ石英ガラスは、157nmの短波
長域での透過率が必ずしも高いとはいえない。そして、
157nmの短波長域の透過率を高めるには、フッ素ド
ープだけでは十分でなく、酸素欠乏欠陥と呼ばれる≡S
i−Si≡(≡は3個のSi−O結合を示す)の欠陥生
成を抑制することの重要性も指摘されている。つまり、
≡Si−Si≡欠陥は、163nmの吸収ピークを持って
おり、この酸素欠乏欠陥がフッ素ドープ石英ガラス中に
生成すると、その吸収裾の影響で、157nm波長域で
の透過率が低下することが知られている。
記載された手段で得られた真空紫外用石英ガラスの場
合、真空紫外透過率スペクトルで163nmをピークとし
た吸収が観察され、≡Si−Si≡欠陥がフッ素ドープ
石英ガラス中に生成していることも認められる。そし
て、≡Si−Si≡欠陥の影響により、厚さ6.4mm
のフッ素ドープ石英ガラスの157nm波長域での透過
率は、約30%と低いものである。
記載された合成石英ガラス光学部材の場合は、フッ素ド
ープ石英ガラス中における≡Si−Si≡欠陥の生成を
抑制できるが、酸素分子がガラス中に含有されるため、
F2レーザー(157nm)を照射すると赤色蛍光が発
生し、F2レーザー用に好適するとは言い難い。
ので、F2レーザーリソグラフィに適する157nm波長域で
の透過率が高いフッ素ドープ石英ガラスを容易に得られ
る製造方法の提供を目的とする。
ガラス形成原料を火炎加水分解させて多孔質石英ガラス
体化する工程と、前記多孔質石英ガラス体を不活性ガス
の雰囲気中で加熱し、加熱温度1000〜1200℃の
時点でSiF4濃度1〜20%の雰囲気に切り換えてフ
ッ素ドープ処理する工程と、前記フッ素ドープ処理雰囲
気中で昇温して、前記フッ素ドープした多孔質石英ガラ
ス体を透明化処理する工程と、前記透明化処理した後
に、水素ガス含有雰囲気中、200〜300℃の温度で
水素ドープ処理する工程とを有することを特徴とする石
英ガラスの製造方法である。請求項2の発明は、請求項
1記載の石英ガラスの製造方法において、フッ素ドープ
した多孔質石英ガラス体を透明化処理する工程にて透明
石英ガラスインゴットを作製し、このインゴットから切
り出した透明石英ガラス板に、水素ガス含有雰囲気中、
200〜300℃の温度で水素ドープ処理することを特
徴とする。
≡欠陥の生成が、フッ素ドープ石英ガラスの製造過程で
の過剰な脱水に起因することに着目してなされたもので
ある。すなわち、VAD法をベースとしたフッ素ドープ
石英ガラスの製造では、フッ素をドープする前に、塩素
あるいは水素による脱水が行われる。また、≡Si−S
i≡欠陥は、脱水処理したVAD合成石英ガラスによく
見られる。
カニズムは明確でないが、脱水し過ぎるとガラスネット
ワーク構造にある≡Si−O−Si≡結合中の酸素が抜
け、≡Si−Si≡欠陥が生成すると考えられる。つま
り、VAD法をベースとしたフッ素ドープ石英ガラスの
製造方法において、過度の脱水を防止ないし抑制するこ
とにより、157nm波長域での透過率が高いフッ素ド
ープ石英ガラスを提供するに至ったものである。
ス体化は、たとえばSiCl4 を酸水素火炎中で加水
分解し、得られたガラス微粒子を堆積させることによっ
て行われる。そして、この多孔質石英ガラス体に対し
て、いわゆるフッ素ドープなどを行うが、特に、このと
きの操作条件に考慮が払われる。
4 ガス雰囲気に曝して、フッ素ドープを行うと同時に
脱水も行われる。この過程で、SiF4 濃度が1%未
満では、所要のフッ素ドープが困難であり、20%を超
えると脱水し過ぎて、効果的に、≡Si−Si≡欠陥の
生成を抑制することができない。したがって、SiF4
濃度は、1〜20%の範囲内に選ぶ必要がある。
度(多孔質石英ガラス体の)が、1000℃未満では、
透明化温度である1450℃まで、SiF4 ガス雰囲
気に曝す時間が必然的に長くなり、脱水し過ぎて、≡S
i−Si≡欠陥の生成を抑制することが困難となる。一
方、1200℃を超えると、多孔質石英ガラス体の熱に
よる収縮が始まり、十分なフッ素ドープが行われない。
したがって、上記所定濃度のSiF4 ガスを導入する
ときの温度は、1000〜1200℃の範囲内で選ばれ
る必要がある。
ドープした多孔質石英ガラス体の透明化は、前記フッ素
ドープ処理した雰囲気中で行われる。ここで、SiF
4 ガスを含まない雰囲気中で透明化処理すると、フッ
素の拡散が起こり易く、結果的に、多孔質石英ガラス体
にドープされたフッ素が抜け出して、≡Si−Si≡欠
陥が生成する。したがって、透明化処理は、フッ素ドー
プ処理と同様の雰囲気中で行なわれる必要がある。
処理したフッ素ドープ多孔質石英ガラス体に対する水素
ドープは、200〜300℃の温度範囲内で行われる。
すなわち、水素ガス含有雰囲気中で、水素ドープ処理す
るに当たり、そのときの加熱温度が200℃未満では水
素ドープが不十分であり、逆に、300℃を超えると、
化学反応が起こってSi−H結合が生成する。このSi
−H結合の生成は、F 2レーザー(157nm)耐性の
低下を招来して、実用性が損なわれる。したがって、水
素ドープ処理温度は、200〜300℃の温度範囲内と
する必要がある。
体に対する水素ドープは、次のように行ってもよい。す
なわち、多孔質石英ガラス体を透明化する際に透明石英
ガラスインゴットを作製し、その透明石英ガラスインゴ
ットから任意の厚さに石英ガラス板を切り出して、板の
状態で上記水素ドープ処理を行ってもよい。そして、こ
の場合は、水素ドープ処理の時間を過剰に長くする必要
もなくなり、数十時間の処理で済ませることができ、工
業的生産性の上で、大きな利点となる。
炎中で加水分解させ、生成したシリカ微粒子を石英ガラ
ス製のターゲットに堆積させて、直径250mm、長さ
500mmの多孔質シリカ(スート)を得た。次いで、
前記スートを試料として、流量20l/minのHeガ
ス雰囲気中、400℃/hの昇温速度で1200℃まで
昇温した後、雰囲気ガスをSiF4 10%+He90
%の混合ガスに切り換え(流量20l/min)、12
00℃で2hキープしてフッ素ドープを行った。
のままとして、400℃/hの昇温速度で1450℃ま
で昇温し、1450℃で2hキープして透明化処理行っ
て、直径125mm、長さ250mmの合成石英ガラス
インゴットを得た。この合成石英ガラスインゴットを切
断し、直径125mm、厚さ8mmの円盤状のガラスを
切り出して、流量20l/minのH2雰囲気中、30
0℃で30hキープして水素ドープ処理を行った。
さ62.5mm、幅15mm、厚さ8mmの片を切り出
し、光学研磨を施して長さ62.5mm、幅12mm、
厚さ6.4mmの角棒状ガラスに調製し、次のような試
験・評価を行った。すなわち、イオンクロマトグラフィ
法でフッ素濃度測定(評価1)、赤外線分光測定装置で
OH吸収ピークによりOH濃度測定(評価2)、ラマン
分光装置でH2吸収ピークにより水素濃度測定(評価
3)、真空紫外測定装置(JACSO VUV−20
0)で163nmの吸光度α163
(評価4)、同じ真空紫外測定装置でF2レーザ波長で
ある157nmの透過率T157
ス雰囲気中、400℃/hの昇温速度で1200℃まで
昇温した後、雰囲気ガスをSiF4 20%+He80
%の混合ガス(実施例2)もしくはSiF4 1%+H
e99%の混合ガス(実施例3)に切り換え(流量20
l/min)、1200℃で2hキープしてフッ素ドー
プを行った他は、同様の条件としてフッ素および水素を
ドープした石英ガラスを製造し、同様の試験・評価を行
った。
ス雰囲気中、400℃/hの昇温速度で1200℃まで
昇温した後、雰囲気ガスをSiF4 25%+He75
%の混合ガス(比較例1)もしくはSiF4 0.5%
+He99.5%の混合ガス(比較例2)に切り換え
(流量20l/min)、1200℃で2hキープして
フッ素ドープを行った他は、同様の条件としてフッ素お
よび水素をドープした石英ガラスを製造し、同様の試験
・評価を行った。
は、Heガス雰囲気をSiF4 +He混合ガスに切り
換えるときのSiF4 濃度の影響を示すものである。
そして、これら石英ガラスの製造における主要条件を表
1に、また、製造した石英ガラスの真空紫外透過スペク
トルを図1に、評価1〜評価5の結果を表2にそれぞれ
示した。図1において、曲線Aは実施例1の場合、曲線
Bは実施例2の場合、曲線Cは実施例3の場合、曲線a
は比較例1の場合、曲線bは比較例2の場合をそれぞれ
示す。
明に係る石英ガラスの場合は、F2レーザー波長である
157nmの透過率がいずれも80%を超えている。こ
れに対して比較例1、2の石英ガラスは、≡Si−Si
≡欠陥の発生ねあるいはSiF4 濃度の低さによるフ
ッ素ドープの悪さなどによって、157nm波長での透
過率が45〜56%程度に過ぎない。
加水分解させ、生成したシリカ微粒子を石英ガラス製の
ターゲットに堆積させて、直径250mm、長さ500
mmの多孔質シリカ(スート)を得た。次いで、前記ス
ートを試料として、流量20l/minのHeガス雰囲
気中、400℃/hの昇温速度で1000℃まで昇温し
た後、雰囲気ガスをSiF4 10%+He90%の混
合ガスに切り換え(流量20l/min)、1000℃
で2hキープしてフッ素ドープを行った。
のままとして、400℃/hの昇温速度で1450℃ま
で昇温し、1450℃で2hキープして透明化処理を行
って、直径125mm、長さ250mmの合成石英ガラ
スインゴットを得た。この合成石英ガラスインゴットを
切断し、直径125mm、厚さ8mmの円盤状のガラス
を切り出して、流量20l/minのH2雰囲気中、3
00℃で30hキープして水素ドープ処理を行った。
さ62.5mm、幅15mm、厚さ8mmの片を切り出
し、光学研磨を施して長さ62.5mm、幅12mm、
厚さ6.4mmの角棒状ガラスに調製し、実施例1の場
合と同様の条件で試験・評価を行った。
ス雰囲気中、400℃/hの昇温速度で1000℃まで
昇温した後、雰囲気ガスをSiF4 10%+He90
%の混合ガスに切り換える代わりに、切り換え時の温度
を900℃(比較例3)、もしく1300℃(比較例
4)とした他は、同様の条件としてフッ素および水素を
ドープした石英ガラスを製造し、同様の試験・評価を行
った。
ガス雰囲気をSiF4 10%+He90%の混合ガス
に切り換えるときの温度の影響を示すものである。そし
て、石英ガラスの製造における主要条件を表1に併せて
示し、また、製造した石英ガラスの真空紫外透過スペク
トルを図2に、さらに、評価1〜評価5の結果を表2に
併せて示した。
曲線Dは実施例4の場合、曲線cは比較例3の場合、曲
線dは比較例4の場合をそれぞれ示す。
明に係る石英ガラスの場合は、F2レーザー波長である
157nmの透過率が80%以上とすぐれている。これ
に対して、比較例3、4の石英ガラスは、≡Si−Si
≡欠陥の発生、あるいは熱収縮によるフッ素ドープの悪
さなどによって、157nm波長での透過率が30〜5
5%程度に過ぎない。
するときの雰囲気の影響を比較したものである。すなわ
ち、上記実施例1の場合は、フッ素ドープ処理時と同じ
雰囲気で行ったのに対して、この比較例では、SiF
4 を含まないHeガス雰囲気で透明化処理を行った。
そして、この石英ガラスの製造における主要条件を表1
に併せて示し、また、製造した石英ガラスの真空紫外透
過スペクトルを図3に、さらに、評価1〜評価5の結果
を表2に併せて示した。なお、図3において、曲線Aは
実施例1の場合、曲線eは比較例5の場合をそれぞれ示
す。比較例5の石英ガラスは、≡Si−Si≡欠陥の発
生によって、157nm波長での透過率が68%程度に
過ぎない。
加水分解させ、生成したシリカ微粒子を石英ガラス製の
ターゲットに堆積させて、直径250mm、長さ500
mmの多孔質シリカ(スート)を得た。次いで、前記ス
ートを試料として、流量20l/minのHeガス雰囲
気中、400℃/hの昇温速度で1200℃まで昇温し
た後、雰囲気ガスをSiF4 10%+He90%の混
合ガスに切り換え(流量20l/min)、1200℃
で2hキープしてフッ素ドープを行った。
のままとして、400℃/hの昇温速度で1450℃ま
で昇温し、1450℃で2hキープして透明化処理行っ
て、直径125mm、長さ250mmの合成石英ガラス
インゴットを得た。この合成石英ガラスインゴットを切
断し、直径125mm、厚さ8mmの円盤状のガラスを
切り出して、流量20l/minのH2雰囲気中、20
0℃で30hキープして水素ドープ処理を行った。
さ62.5mm、幅15mm、厚さ8mmの片を切り出
し、光学研磨を施して長さ62.5mm、幅12mm、
厚さ6.4mmの角棒状ガラスに調製し、実施例1の場
合と同様の条件で試験・評価を行った。
囲気中に、200℃、30hキープする水素ドープ処理
条件を、150℃、30hキープ(比較例6)、もしく
350℃、30hキープ(比較例7)とした他は、同様
の条件としてフッ素および水素をドープした石英ガラス
を製造し、同様の試験・評価を行った。
ドープ処理時の温度の影響を示すものである。そして、
石英ガラスの製造における主要条件を表1に併せて示
し、また、製造した石英ガラスの評価1〜評価5の結果
を表2に併せて示した。表2から分かるように、水素ド
ープ温度が150℃(比較例6)の場合は、水素ドープ
濃度が上記実施例の場合に比べ低く、また、水素ドープ
温度が350℃(比較例7)の場合は、OH濃度が上記
実施例の場合に比べ高い値となった。
か否かの影響を比較したものである。すなわち、上記実
施例1の場合は、フッ素ドープ処理前に、脱水処理を施
さなかったのに対して、この比較例では、H2雰囲気中
に、1200℃、2hの熱処理を施し、脱水処理を行っ
た他は上記実施例1の場合と同様の条件で石英ガラスを
製造した。
要条件を表1に併せて示し、また、製造した石英ガラス
の真空紫外透過スペクトルを図4に、さらに、評価1〜
評価5の結果を表2に併せて示した。なお、図4におい
て、曲線Aは実施例1の場合、曲線fは比較例8の場合
をそれぞれ示す。図4から分かるように、脱水工程を加
えた場合(比較例8)は、≡Si−Si≡欠陥が生成
し、157nm波長における透過率が30%程度に低下
している。
び比較例6、7に係る石英ガラスについて、紫外光レー
ザーを照射し、その照射中における157nm波長での
透過率変化を試験評価した。その結果、実施例1〜5に
係る石英ガラスの場合は、いずれも157nm波長での
透過率変化が認められず、また、赤色発光も観察されな
かった。一方、比較例6、7に係る石英ガラスの場合
は、157nm波長での透過率が急激に低下した。すな
わち、これらは紫外光レーザ照射試験での耐紫外線特性
が劣ると云った結果が得られた。
なく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を
採ることができる。たとえばSiF4 +He混合ガス
中のSiF4 濃度、SiF4 +He混合ガスへの切り
換え温度などは、所定の範囲内で、任意に選択・設定で
きる。また、本発明では、フッ素ドープの手段として、
SiF4 含有雰囲気での熱処理を選択したが、工業的
な取り扱い難さ、コストアップなどを考慮しなければ、
SiF4 の代わりにF2 を用いることもできる。
の吸収を持つ≡Si−Si≡欠陥の生成が抑制ないし防
止され、157nm波長で80%程度の透過率を有する
フッ素ドープ系の石英ガラスを容易に、再現性よく得る
ことができる。しかも、このフッ素ドープ系の石英ガラ
スは、紫外光レーザーの照射による157nm波長での
透過率変化も認められない。つまり、F2レーザー用な
どに適する耐久性、透過率を有する石英ガラスを容易に
提供できる。
時間を高々数十時間程度に短縮することができ、生産性
の向上や低コスト化などが図られる。
した石英ガラスの真空紫外透過スペクトルとの関係例を
示す特性図。
造した石英ガラスの真空紫外透過スペクトルとの関係例
を示す特性図。
石英ガラスの真空紫外透過スペクトルとの関係例を示す
特性図。
英ガラスの真空紫外透過スペクトルとの関係例を示す特
性図。
Claims (2)
- 【請求項1】 石英ガラス形成原料を火炎加水分解させ
て多孔質石英ガラス体化する工程と、 前記多孔質石英ガラス体を不活性ガスの雰囲気中で加熱
し、加熱温度1000〜1200℃の時点でSiF4濃
度1〜20%の雰囲気に切り換えてフッ素ドープ処理す
る工程と、前記フッ素ドープ処理雰囲気中で昇温して、
前記フッ素ドープした多孔質石英ガラス体を透明化処理
する工程と、前記透明化処理した後に、水素ガス含有雰
囲気中、200〜300℃の温度で水素ドープ処理する
工程と、を有することを特徴とする石英ガラスの製造方
法。 - 【請求項2】 フッ素ドープした多孔質石英ガラス体を
透明化処理する工程にて透明石英ガラスインゴットを作
製し、このインゴットから切り出した透明石英ガラス板
に、水素ガス含有雰囲気中、200〜300℃の温度で
水素ドープ処理することを特徴とする請求項1記載の石
英ガラスの製造方法。
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