JP2005022921A - Synthetic quartz glass optical member, manufacturing method thereof, optical system, exposure equipment and surface heating furnace for synthetic quartz glass - Google Patents

Synthetic quartz glass optical member, manufacturing method thereof, optical system, exposure equipment and surface heating furnace for synthetic quartz glass Download PDF

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明子 吉田
Yasushi Ishida
安司 石田
Tomohisa Yamaguchi
倫央 山口
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00Annealing glass products
    • C03B25/02Annealing glass products in a discontinuous way

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a synthetic quartz glass optical member which can be used in combination with an optical member comprising a calcium fluoride crystal or one or more synthetic quartz glass whose characteristics are not suitable for annealing treatment to decrease distribution of birefringence value of the calcium fluoride crystal or one or more synthetic quartz glass whose characteristics are not suitable for annealing treatment. <P>SOLUTION: The manufacturing method comprises a surface heating step wherein the surface of a synthetic quartz glass block is heated to 500-1,100°C at a heating rate of ≥300°C/hr so that the surface temperature becomes higher than the temperature at the center and a subsequent cooling step wherein the surface of the synthetic quartz glass block is cooled at a cooling rate of ≥50°C/hr and <300°C/hr. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エキシマレーザリソグラフィなどの300nm以下の紫外線レーザの結像光学系のレンズ材料等に使用される合成石英ガラス光学部材の製造方法、光学部材、光学系、露光装置及び合成石英ガラスの加熱炉に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリコン等のウエ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ー技術においては、露光装置と呼ばれる露光装置が用いられている。この露光装置の光源は、近年のLSIの高集積化に伴ってi線(365nm)から、KrF(248nm)、ArF(193nm)エキシマレーザへと短波長化が進められている。
【0003】
一般に、i線よりも長い波長の光源を用いる露光装置の照明光学系あるいは投影光学系に使用される光学ガラスは、i線よりも短い波長領域では光透過率が著しく低下し、特に250nm以下の波長領域では、ほとんどの光学ガラスで光は透過しなくなる。そのため光源にエキシマレーザを用いる露光装置においては石英ガラスあるいは蛍石等のフッ化物結晶のみが使用可能である。石英ガラスや蛍石は紫外線及び真空紫外線の光学系に広く用いられている材料である。
【0004】
合成石英ガラスを光リソグラフィ装置の光学系で用いる場合、集積回路パターンを大きな面積で高解像度で露光するためには、その石英ガラス光学部材には非常に高品質が要求される。例えば、部材の屈折率分布が、直径250mm以上の非常に大きな口径内で、10−6オーダー以下であることが要求される。また、複屈折量を減少させること、すなわち光学部材の内部歪を減少させることが、屈折率分布の均質性を向上させることと同様に、光学系の解像度に対して重要であるとされてきた。さらに、エキシマレーザを用いた露光装置の照明光学系・投影光学系の全光路長は1mを超えることから、光量のロスを避けるために使用される硝材には内部透過率99.75%/cmという高い透過率が要求される。
【0005】
またエキシマレーザを用いた露光装置の稼動中に高透過率を維持するために、耐紫外線性向上因子のひとつとして知られる水素分子濃度を適切な値に調整する必要がある。水素分子は気相合成中に石英ガラスに取り込まれるものである。このような高均質・高透過率・耐紫外線性大口径石英ガラスは従来直接法と呼ばれる気相合成法によって製造される。
【0006】
この製造方法は、石英ガラス製バーナにて酸素ガス及び水素ガスを混合・燃焼させ、前記バーナの中心部から原料ガスとして高純度の四塩化ケイ素ガスや有機ケイ素化合物をキャリアガスで希釈して噴出させ、前記原料ガスを周囲の前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼により生成する水と加水分解反応、または火炎との燃焼反応によって石英ガラス微粒子を発生させ、その前記石英ガラス微粒子を前記バーナ下方にあり、回転および揺動および引き下げ運動を行っている不透明石英ガラス板からなるターゲット上に堆積させ、同時に前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼熱により溶融・ガラス化して石英ガラスインゴットを得る方法である。
【0007】
上記気相合成法により製造された合成石英ガラス部材内部には、製造時の熱履歴に由来するさまざまな応力が残留しており、そのためガラス内部の屈折率・複屈折均質性は良好とは言えず露光装置光学素子として適さない。また、石英ガラスインゴットは合成終了後大気によって急速に冷却されるため構造決定温度が高く、耐紫外線性が悪い。そのため残留応力を解放して屈折率及び複屈折値等の均質性を向上し、かつ構造決定温度を適切な値に調整し耐紫外線性を良化させるために、製造後にアニールを施すことが一般的である。
【0008】
このようにアニールを施した合成石英ガラス部材では、屈折率均質性や耐紫外線性を満足できる程度まで向上できるものの、複屈折性能を向上することは容易でない。そのため、このような合成石英ガラスから形成した各種のレンズ等の光学部材を多数配列して露光装置を構成すると、各光学部材の複屈折が積算され、露光装置全体として大きな複屈折が形成される。
【0009】
この複屈折値の分布を低減するため、例えば、下記特許文献1では、各光学部材の透過面方向の複屈折値の分布が互いに相殺されるように複数の光学部材を組み合わせることによって、露光装置全体としての複屈折値の分布を抑えることが知られている(下記特許文献1参照)。
【0010】
ここでは、合成石英ガラスからなるブロックにアニールを施して、できるだけ残留応力を解放して均質化することにより複屈折値の分布を小さくしている。更に、アニール処理では十分に解消できない複屈折値の分布を、一部の光学部材を再び加熱して50℃/h以上の降温速度で急冷することにより変化させ、一部の光学部材の複屈折値の分布を他の光学部材と異なる傾向に形成し、それらを組合わせて用いることにより、複屈折値を相殺して光学系全体の分布を低減させている。
【0011】
【特許文献1】
国際公開第01/12566号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、KrF(248nm)、ArF(193nm)エキシマレーザ等の短波長の光を用いた露光装置においては、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材が使用されているものがある。フッ化カルシウム結晶からなる光学部材は、特有の比較的大きな複屈折値の分布を有している。しかも、フッ化カルシウム結晶が結晶体であるため、この複屈折値の分布は合成石英ガラス部材等のようにアニールやその後の加熱処理では解消できない。
【0012】
また、合成成形ガラス部材においても、製法によっては単独で、或いは複数個組み合わせることによりフッ化カルシウム結晶の複屈折値の分布と類似の傾向を有するものがあり、その特性上、アニール等の熱処理を施すことができないこともある。このような合成石英ガラス部材からなる光学部材や上述のフッ化カルシウム結晶からなる光学部材を備えた露光装置では、装置全体で大きな複屈折値の分布を生じることがあった。
【0013】
そこで、この発明では、熱処理により合成石英ガラスの複屈折値の分布を制御し、フッ化カルシウム結晶やこれに類似する傾向の複屈折値の分布を低減し易い合成石英ガラス光学部材及びその製造方法を提供することを課題とする。
【0014】
また、他の課題は、その合成石英ガラス光学部材を用いた光学系及び露光装置を提供することである。
【0015】
更に、別の課題は、その合成石英ガラス光学部材を製造し易い表面加熱炉を提供することも課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材や、一部の合成石英ガラスからなる光学部材の比較的大きな複屈折値の分布を変化させるのではなく、該光学部材に合成石英ガラスからなる光学部材を組み合わせることにより、その複屈折値の分布を積算して相殺できることを見出した。ところが、該光学部材の複屈折値の分布が特有の比較的大きな変化を有するため、これを相殺できる程度に大きな変化を有する複屈折値の分布を備えた合成石英ガラスが必要となる。その場合、合成石英ガラス光学部材の複屈折値の分布が、ただ小さければよいというよりは、その値や分布を制御することが必要となるのである。
【0017】
そこで、本発明者らは、合成石英ガラスに対し、アニール後に新たに熱処理を施して複屈折を制御することを試み、様々な温度で熱処理を施して処理前後の屈折率・複屈折の変化を調査した。
【0018】
その結果、以下のことを明らかにした。
【0019】
▲1▼処理温度が高いほど複屈折値の変化量が大きくなる。
【0020】
▲2▼昇温速度が速いほど複屈折値の変化量が大きくなる。
【0021】
▲3▼処理温度が高いほど、また、処理時間が長いほど屈折率均質性の悪化や水素分子濃度の低減すなわち耐紫外線性の劣化が大きくなる。
【0022】
このうち、▲1▼、▲2▼は処理中の被処理部材内における温度分布が複屈折値の分布を決定していることを示している。従って、加熱処理により(部材中心の温度)<(部材周辺の温度)となるような温度勾配を短時間に形成し、この温度分布が保たれるように冷却することによって、進相軸の方向が合成石英ガラス光学部材の径方向に配向するものを正としたときに、2次曲線的に増加する正の複屈折値の分布を持つ合成石英ガラスを得ることができる。
【0023】
▲3▼にあげた問題点は、特に被処理物の外周部で生ずる。そのため、物性の悪化を見越してあらかじめ最終部品形状よりも大きな形状、すなわち駄肉を付けた形状にて熱処理を行えば所望の品質の石英ガラスを得ることが出来る。しかし、駄肉を付けることにより被処理物の体積は約1.5倍になり素材の無駄が非常に大きくなる。
【0024】
また、処理温度を下げることにより物性の悪化を避けることが出来るが、このような低温の熱処理では充分な複屈折値の変化量、好ましくは+2nm/cm以上を得ることが出来ない。
【0025】
図1に、熱処理温度に対して複屈折値の変化量Aおよび屈折率均質性悪化領域Bをプロットした。処理時間は各温度とも30分である。処理温度が高くなるほど複屈折値の変化量が大きくなり、同時に屈折率均質性悪化領域が増加、すなわち、屈折率均質性が悪化していることが明確である。
【0026】
そこで、大きな駄肉を付けることなく、十分な複屈折値の分布の変化が得られれるとともに、屈折率均質性が悪化する領域を抑えることにより、上記のような課題を解決する請求項1に記載の製造方法は、合成石英ガラスブロックを加熱処理して光学部材を製造する方法であって、前記合成石英ガラスブロックの表面を500℃以上1100℃以下の範囲の表面加熱温度まで300℃/時間以上の昇温速度で昇温し、該表面を中心部より高い温度に加熱する表面加熱工程と、該表面加熱工程後に前記合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上300℃/時間未満の降温速度で冷却する冷却工程とを備えたことを特徴とする。
【0027】
また、請求項2に記載の製造方法は、請求項1に記載の構成に加え、前記冷却工程において、前記合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上200℃/時間以下の降温速度で冷却することを特徴とする。
【0028】
更に、請求項3に記載の製造方法は、前記表面加熱工程前に、前記インゴット又は前記合成石英ガラスブロックを900℃以上のアニール温度に加熱し、該アニール温度で所定時間保持した後、500℃以下の温度まで10℃/時間以下の降温速度で冷却するアニール工程を備えたことを特徴とする。
【0029】
更に、請求項4に記載の製造方法は、請求項1乃至3の何れか一つに記載の構成に加え、前記表面加熱工程は、表面温度が300℃以下の前記合成石英ガラスブロックを予め前記表面加熱温度に加熱された加熱炉内に収容することにより、該合成石英ガラスブロックの表面を昇温することを特徴とする。
【0030】
また、請求項5に記載の製造方法は、請求項1乃至4の何れか一つに記載の構成に加え、回転加熱しつつ形成された合成石英ガラスインゴットから前記合成石英ガラスブロックを作製し、前記表面加熱工程及び前記冷却工程において、回転させながら加熱及び冷却することを特徴とする。
【0031】
更に、請求項6に記載の製造方法は、請求項1乃至5の何れか一つに記載の構成に加え、前記表面加熱工程及び前記冷却工程の少なくとも一方の工程において、前記合成石英ガラスブロックを大気又は不活性ガス雰囲気下で処理することを特徴とする。
【0032】
また、請求項7に記載の製造方法は、請求項1乃至6の何れか一つに記載の構成に加え、前記表面加熱工程及び前記冷却工程を行うことにより、進相軸の方向が該合成石英ガラス部材の径方向に配向するものを正として測定される複屈折値が、中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を形成することを特徴とする。
【0033】
そして、請求項8に記載の光学部材は、前記請求項1乃至6に記載の製造方法により製造された合成石英ガラス光学部材であって、進相軸の方向が該合成石英ガラス部材の径方向に配向するものを正として測定される複屈折値が、前記中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を有することを特徴とする。
【0034】
また、請求項9に記載の光学系は、前記請求項8に記載の合成石英ガラス光学部材と、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材とを、光路に直列に配置したことを特徴とする。
【0035】
更に、請求項10に記載の露光装置は、前記請求項9に記載の光学系を、照明光学系又は投影光学系に備えたことを特徴とする。
【0036】
また、発明者らは、加熱処理時に、熱処理炉内の炉壁や底面と接触する部位で均質性が特に悪化することから、一連の加熱処理を出来る限り中空で行うことにより、均質性の悪化が避けられることを見出した。
【0037】
そのため、前記請求項1乃至7に記載の製造方法に好適な請求項11に記載の表面加熱炉は、合成石英ガラスブロックを収容して加熱する表面加熱炉であって、中空部を備えて合成石英ガラスブロックを載置する合成石英ガラス製のブロック載置台を有し、前記中空部を通して、該ブロック載置台の上部に載置された前記合成石英ガラスブロックの底面が炉内の雰囲気に曝露されることを特徴とする。
【0038】
また、請求項12に記載の表面加熱炉は、前記炉内の容積に対する合成石英ガラスブロックの体積の比率が0.0005より大きく、且つ、0.10より小さい範囲であって、前記合成石英ガラスブロックが、前記炉内の底面及び炉壁から20mm以上離れて配置されることを特徴とする。
【0039】
なお、この発明では、複屈折値は、進相軸の方向と光学部材の径方向とが平行である場合には+(プラス)、垂直である場合には−(マイナス)を付す。また、複屈折の測定値が小さい場合には進相軸は必ずしも部材の径方向と完全に平行もしくは垂直にはならず傾きを有する場合があるが、このような複屈折値には、径方向に対する進相軸の角度が45度より小さい場合には+、45度より大きい場合には−を付して取り扱えばよい。
【0040】
また、複屈折値の測定方法としては、位相変調法、回転検光子法等が上げられる。位相変調において、光学系は光源、偏光子、位相変調素子、試料および検光子によって構成される。光源としてはHe−Neレーザまたはレーザダイオード、位相変調素子としては光弾性変換器、がそれぞれ使用される。光源からの光は偏光子により直線偏光となって位相変調素子に入射する。試料上に投射される位相変調素子からの光束は素子により直線偏光→円偏光→直線偏光と連続的に偏光状態が変化する変調光である。測定に際しては、試料上の測定点に入射する光束を中心として試料を回転させて検知器の出力のピークを見つけ、そのときの振幅を測定することによって進相軸の方向と複屈折位相差の大きさとを求める。なお、光源にゼーマンレーザを用いると試料を回転させずに測定を行うことが出来る。また、位相シフト法、光へテロダイン干渉法も本発明において使用することが可能である。
【0041】
回転検光子法では、光源と光検出器との間の試料を偏光子と回転検光子とによって挟むような装置構成となっており、試料の後に配置した検光子を回転させながら検知器からの信号を測定し、検知器からの信号の最大値と最小値とから位相差を求める。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【0043】
図2は、この実施の形態の露光装置の基本構造を示している。
【0044】
この露光装置10は少なくとも、エキシマレーザ等を露光光として供給するための光源11、この露光光をマスクRに供給するための照明光学系12、マスクRのパターンのイメージを被露光基板W上に投影するための投影光学系13を含んでいる。
【0045】
照明光学系12は、マスクRと被露光基板Wとの間の相対位置を調節するためのアライメント光学系14を含んでいる。マスクRは、マスク交換系15により位置が制御されるマスクステージ16に配置されている。被露光基板Wは、ステージ制御系17により位置が制御されるウェハーステージ18に配置されている。更に、光源11、アライメント光学系14、マスク交換系15、ステージ制御系17は、主制御部19によって制御されている。
【0046】
このような露光装置10では、詳細な図示は省略されているが、多数の光学部材が、照明光学系12及び/又は投影光学系13に配置されている。これらの多数の光学部材うちの一部には、種々の理由で、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材が用いられることがあり、この実施の形態の露光装置10でも、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材が配置されている。即ち、照明光学系12及び/又は投影光学系13は、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材と合成石英ガラスからなる光学部材とが配列された光学系となっている。
【0047】
フッ化カルシウム結晶からなる光学部材は、[110]面において材料固有のマイナス方向の複屈折があることが知られており、[111]面から蛍石部材を切り出しレンズ形状に加工した場合には、中心からレンズ周辺部に向かって複屈折値が減少し、図3の曲線Aに示すような比較的大きなマイナス複屈折分布を持っている。
【0048】
一方、多数の光学部材に用いられている合成石英ガラスは、合成した状態或いはアニール処理した状態のままでは、符号付複屈折値の分布が合成時の熱履歴などによって、中心側から光学部材の周縁側までほとんど0であるもの、中心側から周辺側へ向けて単調に増加(+)または減少(−)するもの、変曲点を持つものなどさまざまな分布となる。
【0049】
このような合成石英ガラスをそのまま光学部材に形成してフッ化カルシウム結晶からなる光学部材と組合せて使用すると、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材のマイナス複屈折分布に対してマイナス複屈折分布を持つ合成石英ガラス光学部材が組合わされ、より大きなマイナス複屈折となり、露光装置全体としての結像性能が悪化することになる。
【0050】
また、このような合成石英ガラスからなる光学部材の場合、通常、アニール処理を施して複屈折値の分布を低減して使用されるが、このようにしたとしても、フッ化カルシウム結晶の複屈折値の分布が大きく、大きなマイナス複屈折が残留して、露光装置全体としての結像性能が不足することになる。
【0051】
更に、この合成石英ガラスからなる光学部材の中には、特性上アニール処理を施すことのできないものがあり、このような合成石英ガラスからなる光学部材が1個乃至複数個存在することにより、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材と類似のマイナス複屈折分布となることがあり、このような光学部材を用いた露光装置の場合でも、同様に全体として結像性能が悪化することになる。
【0052】
そのため、この実施の形態の露光装置では、少なくとも一部の合成石英ガラスからなる光学部材の複屈折値の分布を中心側から周縁側へ向けて単調増加するように変化させ、この合成石英ガラス光学部材を光路に直列に配置して光学系を形成することにより、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材の複屈折値の分布と、所定の合成石英ガラス光学部材の複屈折値の分布とが、光路で積算されることにより、露光装置全体としての複屈折値の分布を低減している。
【0053】
即ち、例えば、図3の曲線Bに示すような複屈折値の分布にした合成石英ガラス光学部材を配置すれば、光路において、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材の曲線Aで示すような複屈折値の分布とこの合成石英ガラス光学部材の複屈折値の分布が積算されて、光学系全体としては、図3の曲線Cで示すような複屈折値の分布になる。
【0054】
この実施の形態において、複屈折値の分布を中心側から周縁側へ向けて単調増加するように変化させて合成石英ガラス光学部材を製造するには、予め、作製された合成石英ガラスのインゴットから合成石英ガラスブロックを形成し、このブロックの表面を急昇温して、合成時に形成された複屈折値の分布を変化させ、この複屈折値の分布を維持するようにして冷却し、その後、光学部材に加工することによって製造できる。
【0055】
まず、この製造方法においては、予め、直接法等により合成石英ガラスを合成してインゴットを作製する。その際、インゴットを回転させて周方向に温度分布が均一になるように加熱して作製すれば、インゴットから形成される合成石英ガラスブロックの複屈折値の分布を回転対称に形成することができる。
【0056】
そして、得られたインゴットから、インゴットの中心とブロックの中心とが一致するように合成石英ガラスブロックを形成する。
【0057】
この合成石英ガラスブロックとしては、インゴットそのものであっても、また、目的の光学部材を複数個取り出せる大きさの塊であってもよいが、好ましくは、目的の光学部材の形状を有するもの、或いは、研磨等の仕上加工を施すことにより目的の光学部材が得られる形状を有するものが好適である。
【0058】
この実施の形態では、合成石英ガラスブロックを900℃以上のアニール温度に加熱し、このアニール温度で所定時間保持した後、500℃以下の温度まで10℃/時間以下の降温速度で冷却するアニール工程を行う。これにより合成石英ガラスブロックの歪を均質化することができる。なお、このアニール工程は、インゴットの状態で予め行うことも可能である。
【0059】
次に、合成石英ガラスブロックの表面を急昇温する表面加熱工程を行う。
【0060】
図4は、この表面加熱工程に用いる表面加熱炉である。
【0061】
この表面加熱炉30は、円柱形状の合成石英ガラスブロック31を収容可能に構成されており、炉内32を均一に加熱可能な炉内ヒータ34と、炉内32の底面を形成する炉床板36とを備えている。炉床板36の上部にはベース部材としての2個の耐火煉瓦38が、適当な間隔の隙間39を設けて平行に載置され、更に、2個の耐火煉瓦38の上部には、合成石英ガラスブロック31の外径に略対応した外周形状を有するブロック載置台としての石英ガラス製円筒40が配置されている。
【0062】
そして、合成石英ガラスブロック31は、石英ガラス製円筒40の上部に、石英ガラスチップ42を介して載置されている。この石英ガラスチップ42は、合成石英ガラスブロック31を3点で支持することにより、合成石英ガラスブロック31との接触面をできるだけ小さくしている。なお、石英ガラス製円筒40の厚さは石英ガラスチップ42が安定して配置できる厚さで、薄肉であることが望ましい。
【0063】
このような表面加熱炉30では、2つの耐火煉瓦38間に間隔39が設けらているとともに、この間隔39から石英ガラス製円筒40の中空部40aが連続することにより、通気路44が形成されており、この通気路44に合成石英ガラスブロック31の底面31aが露出されている。そのため、合成石英ガラスブロック31は、実質的に全周囲が炉内32の雰囲気と接触しない中空配置状態にすることができ、これにより、表面加熱炉30の炉床板36や炉壁30aから直接熱が供給されることがなく、合成石英ガラスブロックの表面全体を均一に昇温させることができる。
【0064】
このような表面加熱炉30では、炉内の金属ナトリウムなどの汚染物質が屈折率均質性を悪化させることから、合成石英ガラスブロック31に表面加熱工程を施す前に表面加熱炉30を空焼きする必要がある。また表面加熱作業時には、最低限手袋とマスクを着用する。しかし、このようにしても炉内汚染を完全になくすことは出来ないため、合成石英ガラスブロック31と表面加熱炉30の炉内物質とをできるだけ接触させないことが重要である。
【0065】
そのため、この表面加熱炉30では、合成石英ガラスブロック31が炉内32の炉床板36及び炉壁30aから20mm以上離れて配置されている。また、石英ガラスチップ42により3点支持されているので、合成石英ガラスブロック31と炉内物質との接触を最小限に抑えることができ、合成石英ガラスブロック31への炉内物質からの不純物の拡散を抑制できる。
【0066】
この実施の形態では、このような表面加熱炉30により合成石英ガラスブロック31の表面加熱工程を行う。
【0067】
この表面加熱工程では、まず、合成石英ガラスブロック31の表面を500℃以上1100℃以下の範囲の表面加熱温度まで急昇温する。
【0068】
ここで、表面加熱温度が500℃未満では複屈折値が変化し難く、また、1100℃より大きいと屈折率分布が悪化したり、水素分子濃度が低下するなど、合成石英ガラス部材の各種の物性を悪化させやすい。
【0069】
また、この急昇温時の昇温速度は、300℃/時間以上の昇温速度とする必要があり、好ましくは、表面加熱温度まで400℃/時間以上の昇温速度で昇温するのが好適である。
【0070】
この急昇温の際、300℃/時間より小さい昇温速度で加熱すると、昇温時に合成石英ガラスの中心部まで熱が伝達され易くなり、外表面と中心部との温度差が小さくなり、得られる合成石英ガラス光学部材の複屈折値の分布が小さくなるため、好ましくない。
【0071】
また、400℃/時間以上の昇温速度で表面加熱温度まで昇温すれば、合成石英ガラスブロック31の表面を確実に急昇温し易く、周縁側の複屈折値を中心側の複屈折値からより大きく変化させ易い。
【0072】
更に、この急昇温の前には、合成石英ガラスブロック31を予め予熱しておくことにより、昇温時間を短縮することも可能である。その場合、合成石英ガラスブロック31の予熱温度は300℃未満とするのが好ましい。300℃未満であれば、合成石英ガラスブロック31の含有水素分子濃度が低下し難いためである。
【0073】
前記のような表面加熱炉30を用いる場合、予め表面加熱炉30の炉内32を表面加熱温度に加熱しておき、この炉内32に合成石英ガラスブロック31を収容することにより表面を急昇温することができる。このようにすれば、合成石英ガラスブロック31の表面の温度を表面加熱温度より高い温度に加熱することを確実に防止して、急昇温することができる。
【0074】
なお、その場合、表面加熱炉30の容積、具体的には、炉内32の炉床板36と炉壁30aとにより囲まれる空間の容積と、合成石英ガラスブロック31の体積との比率(合成石英ガラスブロック体積)/(炉内容積)が、0.0005より大きく、且つ、0.10より小さい範囲とするのが好ましく、特に、0.025以上0.05以下の範囲とするのが好ましい。
【0075】
この比率が小さすぎると、短時間の表面加熱処理でも、合成石英ガラスブロック31の内部まで均一に加熱されて、複屈折値の分布が小さくなり易くなる。一方、この比率が大きすぎると、炉壁30aや炉床板36と合成石英ガラスブロック31との距離が近くなりすぎ、炉壁30aや炉床板36から合成石英ガラスブロック31への不純物が拡散し易くなる。
【0076】
次に、この表面加熱工程では、合成石英ガラスブロック31の表面を表面加熱温度まで急昇温させた後、その温度で保持することができる。このようにすれば、複屈折値の分布の穏やかな勾配を形成し易いからである。
【0077】
この急昇温後の表面加熱温度を保持する操作は、少なくとも中心部が表面加熱温度に達する以前に終了する必要がある。
【0078】
より好ましくは、中心部の温度が、例えば、500℃未満の範囲で終了すれば、中心側の複屈折値の変化を少なくして、周縁側の複屈折値の変化を大きくし易いため好適である。
【0079】
次に、表面加熱工程後、合成石英ガラスブロック31の表面を50℃/時間以上300℃/時間未満の降温速度で、例えば、500℃以下の温度まで冷却する冷却工程を行う。この冷却工程では、表面加熱炉30内で炉内ヒータ34の熱量を調整することにより行うことが可能である。
【0080】
冷却工程では、50℃/時間より遅い速度で冷却すると、表面からの中心部へ伝達される熱量が大きくなるため、急昇温により形成された表面の温度と中心部の温度との差が小さくなり、その結果、歪が小さくなって複屈折値の分布が均質化され易くなるため好ましくない。
【0081】
一方、300℃/時間より大きい降温速度で冷却すると、冷却後に急昇温により形成される熱的な歪とは逆の熱的な歪が残留し易くなる。その結果、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材の複屈折値の分布と逆の傾向の分布を得難くなるため、好ましくない。
【0082】
特に、この冷却工程では、合成石英ガラスブロック31の表面を、50℃/時間以上200℃/時間以下の降温速度で冷却するのが好適である。この冷却速度であれば、より確実にフッ化カルシウム結晶からなる光学部材の複屈折値の分布と逆の傾向の分布を形成することができる。
【0083】
なお、表面加熱工程及び冷却工程は、大気又は不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
【0084】
また、この実施の形態のように、回転加熱することにより得られたインゴットから形成された合成石英ガラスブロック31の場合には、表面加熱工程及び冷却工程においても、回転させながら加熱及び冷却するのが好ましい。
【0085】
このようにすれば、合成石英ガラスブロックが回転対称の複屈折値の分布を有しているため、表面加熱工程及び冷却工程においても合成石英ガラスブロック31の表面を周方向に均一に昇温又は降温することにより、合成石英ガラスブロックの複屈折値の分布を回転対称に形成することができる。
【0086】
そして、この実施の形態では、以上のように表面加熱工程及び冷却工程を行った後、 研削、研磨、芯取りと称する外周加工等の加工を施すことにより、合成石英ガラス光学部材を形成する。
【0087】
そして、このようにして製造された合成石英ガラス光学部材では、複屈折値が中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を有するものとなる。
【0088】
以上のように合成石英ガラス光学部材を製造すれば、表面加熱工程において、表面を急昇温するので、合成石英ガラス光学部材の表面側の熱的な歪を大きくすることにより周縁側の歪を大きくして、周縁側の複屈折値を中心側の複屈折値から大きく変化させることが可能である。また、冷却工程において、合成石英ガラスブロック31の表面を適度な降温速度で冷却するので、その複屈折値の分布を維持して冷却し易い。そのため、周縁側の複屈折値が中心側の複屈折値より大きく変化した合成石英ガラス光学部材を容易に形成することが可能である。
【0089】
しかも、このようにして形成される複屈折値の分布が、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材とは逆の傾向を有するため、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材とともに用いることにより、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスの比較的大きな複屈折値の分布を低減することが可能である。
【0090】
更に、冷却工程において、表面が急冷されていないので、表面加熱工程で形成された複屈折値の分布の傾向が変化し難い。そのため、周縁側と中心側とで複屈折値の差を大きく、しかも、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスの複屈折値の分布とは逆の傾向を有する合成石英ガラスをより確実に製造し易い。
【0091】
また、この実施の形態では、表面加熱工程前に合成石英ガラスブロック31をアニール処理したので、合成石英ガラスの合成時の不均一な残留歪みを低減してから、表面加熱工程を行うことができ、表面加熱工程において、所望の複屈折値の分布を形成し易い。
【0092】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
【0093】
実施例1〜5及び比較例1〜4の合成石英ガラスブロックを以下のようにして作製した。
【0094】
まず、気相合成法により石英ガラスインゴットを得、石英ガラス光学部材が1枚または数枚切り出すことが可能な表1に示す大きさの円柱形状の合成石英ガラスブロックに切り出した。この切り出した石英ガラスブロックに第一のステップの熱処理としてアニールを施した。アニールは炉内温度を次のように制御して行った。140℃/時間で1000℃まで昇温し、1000℃で10時間保持する。その後10℃/時間で500℃まで降温し放冷する。処理中の炉内雰囲気は大気とした。
【0095】
アニール後の各合成石英ガラスブロックを、図4に示すような表面加熱炉を用いて表1に示す条件で第二のステップの表面加熱処理を施した。
【0096】
このようにして得られた合成石英ガラスブロックの屈折率均質性、複屈折、水素分子濃度、透過率を第二のステップの表面加熱処理の前後で測定し、その変化量を算出した。結果を表2に示す。
【0097】
【表1】

Figure 2005022921
【0098】
【表2】
Figure 2005022921
【0099】
なお、屈折率均質性の測定はオイルオンプレート法を用い、合成石英ガラスブロックの95%の面積において行った。
【0100】
複屈折値はヘテロダイン干渉法を用い、30°刻みに同心円状に外周から5mm内側の範囲まで測定した。
【0101】
屈折率・複屈折の測定は露光装置の光軸方向に使用する方向で行った。また、測定波長はヘリウムネオンレーザ発振波長である632.8nmである。
【0102】
水素分子濃度はレーザラマン分光光度計を用いて測定した。波長488nmのアルゴンイオンレーザ(出力 400mW)を部材に入射させ、入射光方向と直角方向に放射されるラマン散乱光のうち800cm−1(石英ガラスの基本構造の振動に起因するピーク:参照光)と4135cm−1(水素分子の振動に起因するピーク)の強度を測定し、その強度比をとることにより水素分子濃度を算出した。
【0103】
この水素分子濃度の測定では、合成石英ガラスブロック内の厚さ方向・径方向について適当なピッチで水素分子濃度の測定を行うことによって、合成石英ガラスブロック内の水素分子濃度の分布を知ることが出来る。
【0104】
透過率については実施例及び比較例の合成石英ガラスブロックと同等の透過率を持ち、両面研磨されたφ60×t10mmの形状の試料片を合成石英ガラスブロックと同時に処理し、処理前後にArFエキシマレーザ発振波長である193.4nmの透過率を測定した。なお試料片の透過率変化と合成石英ガラスブロックの透過率変化が等しいことはあらかじめ確認していた。
【0105】
実施例1では直径298mm、厚さ57mmの合成石英ガラスブロックを昇温速度3000℃/時間で1000℃まで昇温し、15分保持した後90℃/時間で降温した。熱処理中、合成石英ガラスブロックは図4に示すように出来るだけ炉壁や炉床から離して配置した(以後、このような配置を中空配置と呼ぶ)。
【0106】
このとき、表面加熱処理前後の複屈折変化量は最大で+2nm/cmで、+複屈折分布を得た。この表面加熱処理前後の複屈折値の分布を図5に示した。図は中心側から周縁側までの分布であり、Aが表面加熱前、Bが表面加熱後を示している。
【0107】
また、屈折率均質性変化領域は周縁部から3mmで許容できる範囲内だった。更に、水素分子濃度、透過率の変化量も許容範囲内だった。
【0108】
実施例2では、直径298mm、厚さ57mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、実施例1と同様の昇温速度、保持温度で、保持時間を5分とし、120℃/時間で降温した。このとき、複屈折変化量は最大2nm/cmで、+複屈折分布を得た。
【0109】
実施例3は直径253mm、厚さ76mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、昇温速度3000℃/時間で1000℃まで昇温し、30分保持した後90℃/時間で降温した。このとき複屈折変化量は最大で+2nm/cmで、+複屈折分布を得た。
【0110】
実施例4では直径298mm、厚さ48mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、昇温速度400℃/時間で800℃まで昇温し、30分保持した後10℃/時間で降温した。このとき複屈折変化量は最大で+2nm/cmで、+複屈折分布を得た。なお、処理温度が低いため、屈折率変化領域は0mmだった。
【0111】
実施例5では直径282mm、厚さ49mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、実施例1と同様の昇温速度、保持温度で、保持時間を10分とし、100℃/時間で降温した。このとき複屈折変化量は最大で2nm/cmで、+複屈折分布を得た。
【0112】
比較例1は直径255mm、厚さ40mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、実施例3に示した表面加熱処理において降温速度を500℃/時間とした。複屈折変化は最大で−5nm/cmで、所望の分布とは全く逆の−複屈折分布となった。
【0113】
比較例1の表面加熱処理前後の複屈折値の分布を図6に示した。図は中心側から周縁側までの分布であり、Aが表面加熱前、Bが表面加熱後を示している。
【0114】
比較例2は直径255mm、厚さ40mmの合成石英ガラスブロックを中空配置し、実施例5に示した熱処理において、昇温速度を10℃/時間とした。
【0115】
この熱処理による複屈折変化は観察されなかった。昇温に時間をかけたため、合成石英ガラスブロック内の温度分布が無くなり均熱となったために複屈折変化が生じなかったと考えられる。また昇温時間が長いため熱処理の全体時間が長くなり、均質性悪化領域も10mmとかなり大きかった。
【0116】
比較例3は直径237mm、厚さ38mmの合成石英ガラスブロックに対して実施例3とほぼ同じ条件の熱処理を施したが、中空配置ではなく、合成石英ガラスブロックを炉床の上に直接置いた。複屈折変化量は最大3nm/cmと適切な値だったが、炉内雰囲気からの汚染による均質性の悪化が著しく、悪化領域は10mmとかなり大きかった。
【0117】
比較例4では直径237mm、厚さ38mmの合成石英ガラスブロックを炉床上に直接配置し、昇温速度2800℃/時間で700℃まで昇温し、60分保持した後300℃/時間で降温した。このとき複屈折変化は最大で−2nm/cmで、+複屈折分布を得ることが出来なかった。
【0118】
以上の実施例及び比較例から明らかな通り、実施例1〜5では、第2ステップの表面加熱処理において、300℃/時間以上の急昇温を行うとともに、50℃/時間以上300℃/時間未満の降温速度で冷却したので、複屈折値が単調増加するとともに、比較例1〜4より大きな変化を有する分布を形成することができた。
【0119】
【発明の効果】
以上、詳述の通り、請求項1に記載の発明によれば、表面加熱工程において、合成石英ガラスブロックの表面を500℃以上1100℃以下の範囲の熱処理温度まで300℃/時間以上の昇温速度で昇温して、表面を中心部より高い温度に加熱するので、光学部材の表面側の熱的な歪を大きくすることにより、周縁側の歪を大きくして、周縁側の複屈折値を中心側の複屈折値から大きく変化させることが可能である。また、冷却工程において、合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上300℃/時間未満の降温速度で冷却するので、その複屈折値の分布を維持して冷却し易い。そのため、周縁側の複屈折値が中心側の複屈折値より大きく変化した光学部材を容易に形成することが可能である。
【0120】
しかも、このようにして形成される複屈折値の分布がフッ化カルシウム結晶からなる光学部材とは逆の傾向を有する。従って、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスからなる光学部材とともに用いることにより、フッ化カルシウム結晶や、特性上アニール処理を施すことのできない1個乃至複数個の合成石英ガラスの比較的大きな複屈折値の分布を低減することが可能な合成石英ガラス光学部材を容易に製造することができる。
【0121】
また、請求項2に記載の製造方法によれば、冷却工程において合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上200℃/時間以下の降温速度で冷却するので、表面加熱工程で形成した複屈折値の分布をより維持し易くて合成石英ガラスブロックを冷却し易いとともに、冷却工程において、表面側が急冷されないため、表面加熱工程で形成された複屈折値の分布の傾向が変化し難い。そのため、周縁側と中心側とで複屈折値の差を大きくして、フッ化カルシウム結晶の複屈折値の分布とは逆の傾向を有する合成石英ガラスをより確実に製造し易い。
【0122】
また、請求項3に記載の合成石英ガラスの製造方法によれば、前記表面加熱工程前にインゴット又は合成石英ガラスブロックをアニール処理するので、合成石英ガラスの合成時の不均一な残留歪みを低減してから、表面加熱工程を行うことができる。そのため、表面加熱工程において、所望の複屈折値の分布を形成し易い。
【0123】
更に、請求項4に記載の製造方法によれば、表面温度が300℃以下の合成石英ガラスブロックを予め500℃以上1100℃以下に加熱された加熱炉内に収容することにより合成石英ガラスブロックの表面を昇温するので、合成石英ガラスブロックの表面の温度を表面加熱温度より高い温度に加熱することを確実に防止して、急速に昇温することが可能であり、合成石英ガラスをより容易に製造することができる。
【0124】
更に、請求項5に記載の製造方法によれば、回転加熱しつつ形成された合成石英ガラスインゴットから得られた合成石英ガラスブロックが、回転対称の複屈折値の分布を有しているので、この合成石英ガラスブロックを、表面加熱工程及び冷却工程において、回転させながら加熱及び冷却すれば、合成石英ガラスブロックの表面を周方向に均一に昇温又は降温し易い。そのため、合成石英ガラスブロックの複屈折値の分布を回転対称に形成することが容易である。
【0125】
更に、請求項6に記載の製造方法によれば、光学部材を大気又は不活性ガス雰囲気下で表面加熱工程及び/又は冷却工程を行うので、合成石英ガラス光学部材の製造が容易である。
【0126】
また、請求講7に記載の製造方法によれば、表面加熱工程及び冷却工程を行うことにより、進相軸の方向が該合成石英ガラス部材の径方向に配向するものを正として測定される複屈折値が、中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を形成するので、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材ととともに用いることによって、その複屈折値の分布を解消し易い合成石英ガラス光学部材を確実に製造することができる。
【0127】
そして、請求項8に記載の光学部材によれば、進相軸が中心部から放射方向に配向するものを正として測定される複屈折値の分布が、中心部から周縁部全周に向けて単調増加する分布を有するので、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材ととともに用いることによって、その複屈折値の分布を解消し易く、光学系全体の複屈折値の分布を低減することが可能な光学部材を提供することができる。
【0128】
また、請求項9に記載の光学系によれば、請求項8に記載の合成石英ガラス光学部材と、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材とを、光路に直列に配置したので、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材の複屈折値の分布を、合成石英ガラス光学部材の複屈折値の分布により抑制でき、より複屈折値の分布を抑えた光学系を提供することができる。
【0129】
更に、請求項10に記載の露光装置によれば、より複屈折値の分布を抑えた光学系を照明光学系又は投影光学系に備えているので、複屈折値の分布が全体として小さく抑制されているため、より高精度に露光することが可能な露光装置を提供することができる。
【0130】
また、請求項11又は12に記載の表面加熱炉によれば、中空部を備えて合成石英ガラスブロックを載置する合成石英ガラス製のブロック載置台を有し、この中空部を通して合成石英ガラスブロックの底面が炉内の雰囲気に曝露されるので、合成石英ガラスブロックの底面に、熱処理炉の底面から直接熱が供給されることがなく、合成石英ガラスブロックの表面全体を均一に昇温させ易い。また、表面加熱時に底面から直接合成石英ガラスブロックに不純物が拡散されるのを防止することができる。そのため、不純物による品質の悪化を防止しつつ、光学部材の外表面全体を均一に表面加熱し易い表面加熱炉を提供することができる。
【0131】
更に、請求項12に記載の表面加熱炉によれば、炉内の容積に対する合成石英ガラスブロックの体積の比率が0.0005より大きく、且つ、0.10より小さい範囲であって、合成石英ガラスブロックが、炉内の底面及び炉壁から20mm以上離れて配置されるので、炉内の底面及び炉壁から直接不純物が合成石英ガラスブロックに拡散されることを防止しつつ、より表面側を急昇温させ易い表面加熱炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】合成石英ガラス部材の熱処理温度に対する複屈折変化量及び屈折率均質性悪化領域をプロットしたグラフである。
【図2】この発明の実施の形態の露光装置の基本構成を示す図である。
【図3】フッ化カルシウム結晶からなる光学部材の複屈折値の分布及び合成石英ガラスからなる光学部材の複屈折値の分布並びに両光学部材を備えた光学系の複屈折値の分布を示す図である。
【図4】この発明の実施の形態の製造方法において用いる表面加熱炉の断面図である。
【図5】実施例1の合成石英ガラスブロックの表面加熱工程前後の複屈折値の分布を示す図である。
【図6】比較例1の合成石英ガラスブロックの表面加熱工程前後の複屈折値の分布を示す図である。
【符号の説明】
10 露光装置
12 照明光学系
14 投影光学系
30 表面加熱炉
31 合成石英ガラスブロック
40 合成石英筒体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a synthetic quartz glass optical member used for a lens material of an imaging optical system of an ultraviolet laser of 300 nm or less such as excimer laser lithography, an optical member, an optical system, an exposure apparatus, and heating of the synthetic quartz glass. Related to the furnace.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an exposure apparatus called an exposure apparatus is used in an optical lithography technique that exposes and transfers a fine pattern of an integrated circuit onto a wafer such as silicon. The light source of this exposure apparatus has been shortened from i-line (365 nm) to KrF (248 nm) and ArF (193 nm) excimer lasers with the recent high integration of LSI.
[0003]
In general, an optical glass used in an illumination optical system or projection optical system of an exposure apparatus that uses a light source having a wavelength longer than that of i-line has a significantly reduced light transmittance in a wavelength region shorter than that of i-line. In the wavelength region, most optical glass does not transmit light. Therefore, in an exposure apparatus using an excimer laser as a light source, only a fluoride crystal such as quartz glass or fluorite can be used. Quartz glass and fluorite are materials widely used in the optical system of ultraviolet rays and vacuum ultraviolet rays.
[0004]
When synthetic quartz glass is used in an optical system of an optical lithography apparatus, the quartz glass optical member is required to have very high quality in order to expose an integrated circuit pattern with a large area and high resolution. For example, when the refractive index distribution of the member is within a very large aperture having a diameter of 250 mm or more, 10 -6 It is required to be below the order. Further, reducing the amount of birefringence, that is, reducing the internal distortion of the optical member, has been regarded as important for the resolution of the optical system as well as improving the homogeneity of the refractive index distribution. . Further, since the total optical path length of the illumination optical system / projection optical system of the exposure apparatus using the excimer laser exceeds 1 m, the internal transmittance of the glass material used to avoid the loss of the light amount is 99.75% / cm. High transmittance is required.
[0005]
Further, in order to maintain a high transmittance during the operation of an exposure apparatus using an excimer laser, it is necessary to adjust the hydrogen molecule concentration, which is known as one of the ultraviolet resistance improving factors, to an appropriate value. Hydrogen molecules are incorporated into quartz glass during gas phase synthesis. Such a high-homogeneity, high-transmittance, UV-resistant large-diameter quartz glass is conventionally produced by a vapor phase synthesis method called the direct method.
[0006]
In this manufacturing method, oxygen gas and hydrogen gas are mixed and burned in a quartz glass burner, and high-purity silicon tetrachloride gas or organosilicon compound is diluted with a carrier gas as a raw material gas from the center of the burner. Quartz glass particles are generated by a hydrolysis reaction with water generated by combustion of the surrounding oxygen gas and hydrogen gas, or a combustion reaction with a flame, and the quartz glass particles are below the burner. In this method, a quartz glass ingot is obtained by depositing on a target made of an opaque quartz glass plate that is rotating, swinging and pulling down, and simultaneously melting and vitrifying by the combustion heat of the oxygen gas and hydrogen gas.
[0007]
Various stresses derived from the thermal history at the time of manufacture remain in the synthetic quartz glass member manufactured by the above-mentioned vapor phase synthesis method, and therefore it can be said that the refractive index and birefringence homogeneity inside the glass are good. Therefore, it is not suitable as an optical element for an exposure apparatus. In addition, since the quartz glass ingot is rapidly cooled by the atmosphere after the synthesis is completed, the structure determination temperature is high and the ultraviolet resistance is poor. Therefore, in order to release residual stress and improve homogeneity such as refractive index and birefringence value, and to adjust the structure determination temperature to an appropriate value and improve UV resistance, it is common to anneal after manufacturing Is.
[0008]
Although the synthetic quartz glass member thus annealed can improve the refractive index homogeneity and UV resistance to a satisfactory level, it is not easy to improve the birefringence performance. Therefore, when an exposure apparatus is configured by arranging a large number of optical members such as various lenses formed from such synthetic quartz glass, the birefringence of each optical member is integrated, and a large birefringence is formed in the entire exposure apparatus. .
[0009]
In order to reduce the distribution of the birefringence value, for example, in Patent Document 1 below, an exposure apparatus is configured by combining a plurality of optical members so that the birefringence value distributions in the transmission surface direction of the optical members cancel each other. It is known to suppress the distribution of birefringence values as a whole (see Patent Document 1 below).
[0010]
Here, the distribution of the birefringence value is reduced by annealing the block made of synthetic quartz glass to release the residual stress as much as possible and homogenize it. Furthermore, the distribution of birefringence values that cannot be sufficiently eliminated by annealing treatment is changed by heating some optical members again and quenching them at a cooling rate of 50 ° C./h or more, thereby birefringence of some optical members. The distribution of the values is formed in a tendency different from that of other optical members, and these are used in combination, thereby canceling the birefringence value and reducing the distribution of the entire optical system.
[0011]
[Patent Document 1]
International Publication No. 01/12566
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, some exposure apparatuses using short-wavelength light such as KrF (248 nm) and ArF (193 nm) excimer lasers use an optical member made of calcium fluoride crystals. An optical member made of calcium fluoride crystals has a characteristic relatively large distribution of birefringence values. Moreover, since the calcium fluoride crystal is a crystal, this birefringence value distribution cannot be eliminated by annealing or subsequent heat treatment as in a synthetic quartz glass member.
[0012]
In addition, some synthetic molded glass members have a tendency similar to the distribution of birefringence of calcium fluoride crystals, depending on the production method, alone or in combination, and due to their characteristics, heat treatment such as annealing is performed. Sometimes it can not be applied. In an exposure apparatus provided with such an optical member made of a synthetic quartz glass member or the optical member made of the above-mentioned calcium fluoride crystal, a large distribution of birefringence values may occur in the entire apparatus.
[0013]
Therefore, in the present invention, a synthetic quartz glass optical member that easily controls the distribution of birefringence values of synthetic quartz glass by heat treatment and can easily reduce the distribution of birefringence values that tend to be similar to calcium fluoride crystals, and a method for manufacturing the same. It is an issue to provide.
[0014]
Another object is to provide an optical system and an exposure apparatus using the synthetic quartz glass optical member.
[0015]
Furthermore, another problem is to provide a surface heating furnace in which the synthetic quartz glass optical member can be easily manufactured.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors do not change the distribution of relatively large birefringence values of an optical member made of calcium fluoride crystal or an optical member made of some synthetic quartz glass. It has been found that the distribution of birefringence values can be integrated and canceled by combining optical members. However, since the distribution of the birefringence value of the optical member has a characteristic and relatively large change, a synthetic quartz glass having a distribution of birefringence value that has a change that is large enough to cancel this is required. In this case, it is necessary to control the value and distribution of the birefringence value of the synthetic quartz glass optical member rather than just having a small distribution.
[0017]
Therefore, the present inventors tried to control the birefringence by performing a new heat treatment on the synthetic quartz glass after annealing, and performing the heat treatment at various temperatures to change the refractive index and the birefringence before and after the treatment. investigated.
[0018]
As a result, the following was clarified.
[0019]
(1) The amount of change in the birefringence value increases as the processing temperature increases.
[0020]
(2) The amount of change in the birefringence value increases as the heating rate increases.
[0021]
(3) The higher the processing temperature and the longer the processing time, the worse the refractive index homogeneity and the reduction in hydrogen molecule concentration, that is, the deterioration in UV resistance.
[0022]
Among these, (1) and (2) indicate that the temperature distribution in the member to be processed determines the distribution of birefringence values. Therefore, by forming a temperature gradient such that (temperature at the center of the member) <(temperature around the member) by heat treatment in a short time and cooling so that this temperature distribution is maintained, the direction of the fast axis Can be obtained which has a distribution of positive birefringence values increasing in a quadratic curve when the one oriented in the radial direction of the synthetic quartz glass optical member is positive.
[0023]
The problem described in (3) occurs particularly at the outer periphery of the workpiece. For this reason, if heat treatment is performed in advance in a shape larger than the final part shape, that is, a shape with burrs in anticipation of deterioration of physical properties, quartz glass having a desired quality can be obtained. However, adding waste meat increases the volume of the object to be processed by about 1.5 times, and waste of the material becomes very large.
[0024]
Further, deterioration of physical properties can be avoided by lowering the treatment temperature, but such a low temperature heat treatment cannot provide a sufficient amount of change in birefringence value, preferably +2 nm / cm or more.
[0025]
In FIG. 1, the amount of change A of the birefringence value and the refractive index homogeneity deterioration region B are plotted against the heat treatment temperature. The processing time is 30 minutes at each temperature. It is clear that the amount of change in the birefringence value increases as the processing temperature increases, and at the same time, the refractive index homogeneity deterioration region increases, that is, the refractive index homogeneity deteriorates.
[0026]
Accordingly, the present invention solves the above-described problem by suppressing a region where the refractive index homogeneity is deteriorated while sufficiently changing the distribution of the birefringence value without adding a large sword. The manufacturing method described is a method of manufacturing an optical member by heat-treating a synthetic quartz glass block, and the surface of the synthetic quartz glass block is heated to a surface heating temperature in the range of 500 ° C. to 1100 ° C. to 300 ° C./hour. The surface heating step of heating at the above temperature rising rate and heating the surface to a temperature higher than the central portion, and the surface of the synthetic quartz glass block after the surface heating step is 50 ° C./hour or more and less than 300 ° C./hour And a cooling step of cooling at a temperature lowering rate.
[0027]
In addition to the structure of claim 1, the manufacturing method according to claim 2 cools the surface of the synthetic quartz glass block at a cooling rate of 50 ° C./hour or more and 200 ° C./hour or less in the cooling step. It is characterized by doing.
[0028]
Furthermore, in the manufacturing method according to claim 3, before the surface heating step, the ingot or the synthetic quartz glass block is heated to an annealing temperature of 900 ° C. or more and held at the annealing temperature for a predetermined time, and then 500 ° C. An annealing step for cooling to the following temperature at a cooling rate of 10 ° C./hour or less is provided.
[0029]
Furthermore, in the manufacturing method according to claim 4, in addition to the configuration according to any one of claims 1 to 3, in the surface heating step, the synthetic quartz glass block having a surface temperature of 300 ° C. or less is preliminarily described. The surface of the synthetic quartz glass block is heated by being housed in a heating furnace heated to a surface heating temperature.
[0030]
Moreover, the manufacturing method of Claim 5 produces the said synthetic quartz glass block from the synthetic quartz glass ingot formed in addition to the structure as described in any one of Claims 1 thru | or 4, and rotating, In the surface heating step and the cooling step, heating and cooling are performed while rotating.
[0031]
Furthermore, in the manufacturing method according to claim 6, in addition to the structure according to any one of claims 1 to 5, the synthetic quartz glass block is added in at least one of the surface heating step and the cooling step. The treatment is performed in an atmosphere or an inert gas atmosphere.
[0032]
Further, in the manufacturing method according to claim 7, in addition to the configuration according to any one of claims 1 to 6, by performing the surface heating step and the cooling step, the direction of the fast axis is the synthesis. The birefringence value measured with the one oriented in the radial direction of the quartz glass member as positive forms a distribution that monotonously increases from the center side toward the peripheral side.
[0033]
The optical member according to claim 8 is a synthetic quartz glass optical member manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, wherein the direction of the fast axis is the radial direction of the synthetic quartz glass member. The birefringence value measured with positive orientation is positively increasing from the center side toward the peripheral side.
[0034]
An optical system according to a ninth aspect is characterized in that the synthetic quartz glass optical member according to the eighth aspect and an optical member made of calcium fluoride crystal are arranged in series in the optical path.
[0035]
Furthermore, an exposure apparatus according to a tenth aspect is characterized in that the optical system according to the ninth aspect is provided in an illumination optical system or a projection optical system.
[0036]
In addition, the inventors, especially during the heat treatment, the homogeneity is particularly deteriorated at the portion in contact with the furnace wall and the bottom surface in the heat treatment furnace. Found that can be avoided.
[0037]
Therefore, the surface heating furnace according to claim 11 suitable for the manufacturing method according to claims 1 to 7 is a surface heating furnace that accommodates and heats a synthetic quartz glass block, and is provided with a hollow portion and synthesized. A synthetic quartz glass block mounting table for mounting the quartz glass block is provided, and the bottom surface of the synthetic quartz glass block mounted on the upper portion of the block mounting table is exposed to the atmosphere in the furnace through the hollow portion. It is characterized by that.
[0038]
Further, in the surface heating furnace according to claim 12, the ratio of the volume of the synthetic quartz glass block to the volume in the furnace is in a range larger than 0.0005 and smaller than 0.10, and the synthetic quartz glass The block is disposed at a distance of 20 mm or more from the bottom surface and the furnace wall in the furnace.
[0039]
In the present invention, the birefringence value is + (plus) when the fast axis direction and the radial direction of the optical member are parallel, and-(minus) when the direction is vertical. In addition, when the measured value of birefringence is small, the fast axis may not always be completely parallel or perpendicular to the radial direction of the member but may have an inclination. If the angle of the fast axis relative to is less than 45 degrees, it can be handled with +, and if it is greater than 45 degrees, it can be treated with-.
[0040]
Examples of the method for measuring the birefringence value include a phase modulation method and a rotation analyzer method. In phase modulation, the optical system includes a light source, a polarizer, a phase modulation element, a sample, and an analyzer. A He—Ne laser or a laser diode is used as the light source, and a photoelastic converter is used as the phase modulation element. The light from the light source is converted into linearly polarized light by the polarizer and enters the phase modulation element. The light beam from the phase modulation element projected onto the sample is modulated light whose polarization state continuously changes from linearly polarized light → circularly polarized light → linearly polarized light by the element. When measuring, rotate the sample around the light beam incident on the measurement point on the sample to find the output peak of the detector, and measure the amplitude at that time to determine the direction of the fast axis and the birefringence phase difference. Find the size. When a Zeeman laser is used as the light source, measurement can be performed without rotating the sample. In addition, phase shift method and optical heterodyne interferometry can also be used in the present invention.
[0041]
The rotating analyzer method has a device configuration in which a sample between a light source and a photodetector is sandwiched between a polarizer and a rotating analyzer, and the detector placed after the sample is rotated while rotating from the detector. The signal is measured, and the phase difference is obtained from the maximum value and the minimum value of the signal from the detector.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0043]
FIG. 2 shows the basic structure of the exposure apparatus of this embodiment.
[0044]
The exposure apparatus 10 includes at least a light source 11 for supplying an excimer laser or the like as exposure light, an illumination optical system 12 for supplying the exposure light to the mask R, and a pattern image of the mask R on the substrate W to be exposed. A projection optical system 13 for projecting is included.
[0045]
The illumination optical system 12 includes an alignment optical system 14 for adjusting the relative position between the mask R and the substrate W to be exposed. The mask R is disposed on a mask stage 16 whose position is controlled by a mask exchange system 15. The substrate to be exposed W is disposed on the wafer stage 18 whose position is controlled by the stage control system 17. Further, the light source 11, the alignment optical system 14, the mask exchange system 15, and the stage control system 17 are controlled by the main control unit 19.
[0046]
In such an exposure apparatus 10, detailed illustration is omitted, but a large number of optical members are arranged in the illumination optical system 12 and / or the projection optical system 13. Some of these optical members are made of calcium fluoride crystals or one or more synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to characteristics for various reasons. Even in the exposure apparatus 10 of this embodiment, an optical member made of calcium fluoride crystal or one or a plurality of synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to characteristics is disposed. In other words, the illumination optical system 12 and / or the projection optical system 13 is composed of calcium fluoride crystals, one or more optical members made of synthetic quartz glass that cannot be annealed due to their characteristics, and optics made of synthetic quartz glass. This is an optical system in which members are arranged.
[0047]
Optical members made of calcium fluoride crystals are known to have negative birefringence inherent in the material on the [110] plane, and when a fluorite member is cut out from the [111] plane and processed into a lens shape The birefringence value decreases from the center toward the lens periphery, and has a relatively large negative birefringence distribution as shown by curve A in FIG.
[0048]
On the other hand, the synthetic quartz glass used for many optical members, in the synthesized state or the annealed state, the distribution of the signed birefringence values from the center side of the optical member due to the thermal history during synthesis, etc. There are various distributions such as those that are almost zero to the peripheral side, those that monotonously increase (+) or decrease (-) from the central side to the peripheral side, and those that have inflection points.
[0049]
When such synthetic quartz glass is directly formed on an optical member and used in combination with an optical member made of calcium fluoride crystal, it has a negative birefringence distribution with respect to the negative birefringence distribution of the optical member made of calcium fluoride crystal. A synthetic quartz glass optical member is combined, resulting in a larger negative birefringence, and the imaging performance of the exposure apparatus as a whole deteriorates.
[0050]
In addition, in the case of such an optical member made of synthetic quartz glass, it is usually used by performing an annealing treatment to reduce the distribution of birefringence values, but even if this is done, the birefringence of the calcium fluoride crystal The distribution of values is large and large negative birefringence remains, resulting in insufficient imaging performance as the entire exposure apparatus.
[0051]
Furthermore, some optical members made of synthetic quartz glass cannot be annealed due to their characteristics, and the presence of one or more optical members made of such synthetic quartz glass makes it difficult to perform annealing. A negative birefringence distribution similar to that of an optical member made of calcium fluoride crystal may be obtained. Even in the case of an exposure apparatus using such an optical member, the imaging performance as a whole is similarly deteriorated.
[0052]
Therefore, in the exposure apparatus of this embodiment, the distribution of the birefringence value of at least a part of the optical member made of synthetic quartz glass is changed so as to monotonically increase from the center side toward the peripheral side, and this synthetic quartz glass optical By forming the optical system by arranging the members in series in the optical path, the birefringence value of the optical member made of calcium fluoride crystal or one or a plurality of synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to characteristics is obtained. The distribution and the distribution of the birefringence value of the predetermined synthetic quartz glass optical member are integrated in the optical path, thereby reducing the distribution of the birefringence value of the exposure apparatus as a whole.
[0053]
That is, for example, if a synthetic quartz glass optical member having a birefringence distribution as shown by curve B in FIG. 3 is arranged, birefringence as shown by curve A of an optical member made of calcium fluoride crystal in the optical path. The distribution of the values and the distribution of the birefringence values of the synthetic quartz glass optical member are integrated, so that the entire optical system has a birefringence value distribution as shown by a curve C in FIG.
[0054]
In this embodiment, in order to manufacture a synthetic quartz glass optical member by changing the distribution of birefringence values so as to monotonically increase from the center side toward the peripheral side, from a previously prepared synthetic quartz glass ingot, A synthetic quartz glass block is formed, the surface of this block is rapidly heated, the distribution of birefringence values formed during synthesis is changed, the birefringence value distribution is maintained and cooled, and then It can manufacture by processing into an optical member.
[0055]
First, in this manufacturing method, synthetic quartz glass is synthesized in advance by a direct method or the like to produce an ingot. At that time, if the ingot is rotated and heated so that the temperature distribution is uniform in the circumferential direction, the birefringence distribution of the synthetic quartz glass block formed from the ingot can be formed rotationally symmetrically. .
[0056]
Then, a synthetic quartz glass block is formed from the obtained ingot so that the center of the ingot coincides with the center of the block.
[0057]
The synthetic quartz glass block may be an ingot itself or a lump of a size from which a plurality of target optical members can be taken out, preferably having the shape of the target optical member, or It is preferable to have a shape capable of obtaining a target optical member by performing a finishing process such as polishing.
[0058]
In this embodiment, the synthetic quartz glass block is heated to an annealing temperature of 900 ° C. or higher, held at this annealing temperature for a predetermined time, and then cooled to a temperature of 500 ° C. or lower at a temperature lowering rate of 10 ° C./hour or lower. I do. Thereby, the distortion of the synthetic quartz glass block can be homogenized. This annealing step can be performed in advance in an ingot state.
[0059]
Next, a surface heating process for rapidly increasing the temperature of the surface of the synthetic quartz glass block is performed.
[0060]
FIG. 4 shows a surface heating furnace used in this surface heating step.
[0061]
The surface heating furnace 30 is configured to accommodate a cylindrical synthetic quartz glass block 31, a furnace heater 34 capable of uniformly heating the furnace interior 32, and a hearth plate 36 that forms the bottom surface of the furnace 32. And. Two refractory bricks 38 as base members are placed in parallel on top of the hearth plate 36 with a gap 39 at an appropriate interval. Further, synthetic quartz glass is placed on the upper part of the two refractory bricks 38. A quartz glass cylinder 40 is disposed as a block mounting table having an outer peripheral shape substantially corresponding to the outer diameter of the block 31.
[0062]
The synthetic quartz glass block 31 is placed on the quartz glass cylinder 40 via a quartz glass chip 42. The quartz glass chip 42 supports the synthetic quartz glass block 31 at three points, thereby making the contact surface with the synthetic quartz glass block 31 as small as possible. The thickness of the quartz glass cylinder 40 is such that the quartz glass chip 42 can be stably disposed, and is desirably thin.
[0063]
In such a surface heating furnace 30, an interval 39 is provided between the two refractory bricks 38, and a hollow portion 40 a of the quartz glass cylinder 40 is continuous from the interval 39, whereby an air passage 44 is formed. The bottom surface 31 a of the synthetic quartz glass block 31 is exposed in the air passage 44. Therefore, the synthetic quartz glass block 31 can be in a hollow arrangement state in which substantially the entire periphery does not come into contact with the atmosphere in the furnace 32, so that heat is directly applied from the hearth plate 36 or the furnace wall 30 a of the surface heating furnace 30. Without being supplied, the entire surface of the synthetic quartz glass block can be heated uniformly.
[0064]
In such a surface heating furnace 30, since contaminants such as metallic sodium in the furnace deteriorate the refractive index homogeneity, the surface heating furnace 30 is baked before the surface heating process is performed on the synthetic quartz glass block 31. There is a need. At the time of surface heating work, wear gloves and a mask at a minimum. However, even if it does in this way, in-furnace contamination cannot be eliminated completely, it is important that the synthetic quartz glass block 31 and the in-furnace material of the surface heating furnace 30 are not contacted as much as possible.
[0065]
Therefore, in this surface heating furnace 30, the synthetic quartz glass block 31 is disposed 20 mm or more away from the hearth plate 36 and the furnace wall 30a in the furnace 32. Further, since three points are supported by the quartz glass chip 42, the contact between the synthetic quartz glass block 31 and the in-furnace material can be minimized, and impurities from the in-furnace material to the synthetic quartz glass block 31 can be reduced. Diffusion can be suppressed.
[0066]
In this embodiment, the surface heating process of the synthetic quartz glass block 31 is performed by such a surface heating furnace 30.
[0067]
In this surface heating step, first, the surface of the synthetic quartz glass block 31 is rapidly heated to a surface heating temperature in the range of 500 ° C. to 1100 ° C.
[0068]
Here, when the surface heating temperature is less than 500 ° C., the birefringence value hardly changes. When the surface heating temperature is higher than 1100 ° C., various physical properties of the synthetic quartz glass member such as the refractive index distribution deteriorates and the hydrogen molecule concentration decreases. It is easy to worsen.
[0069]
Further, the rate of temperature increase during this rapid temperature increase needs to be a rate of temperature increase of 300 ° C./hour or more, and preferably the temperature is increased to a surface heating temperature at a rate of temperature increase of 400 ° C./hour or more. Is preferred.
[0070]
During this rapid temperature increase, if heating is performed at a temperature increase rate of less than 300 ° C./hour, heat is easily transferred to the central portion of the synthetic quartz glass at the time of temperature increase, and the temperature difference between the outer surface and the central portion is reduced. Since the distribution of the birefringence value of the obtained synthetic quartz glass optical member becomes small, it is not preferable.
[0071]
Further, if the temperature is raised to the surface heating temperature at a temperature rising rate of 400 ° C./hour or more, the surface of the synthetic quartz glass block 31 can be surely rapidly heated rapidly, and the birefringence value on the peripheral side is changed to the birefringence value on the center side It is easy to change from.
[0072]
Furthermore, the temperature raising time can be shortened by preheating the synthetic quartz glass block 31 before the rapid temperature raising. In that case, the preheating temperature of the synthetic quartz glass block 31 is preferably less than 300 ° C. This is because if it is lower than 300 ° C., the concentration of hydrogen molecules contained in the synthetic quartz glass block 31 is difficult to decrease.
[0073]
When the surface heating furnace 30 as described above is used, the furnace 32 in the surface heating furnace 30 is heated to a surface heating temperature in advance, and the surface is rapidly increased by accommodating the synthetic quartz glass block 31 in the furnace 32. Can be warmed. In this way, it is possible to reliably prevent the temperature of the surface of the synthetic quartz glass block 31 from being heated to a temperature higher than the surface heating temperature, thereby rapidly increasing the temperature.
[0074]
In this case, the ratio of the volume of the surface heating furnace 30, specifically, the volume of the space surrounded by the hearth plate 36 and the furnace wall 30 a in the furnace 32 and the volume of the synthetic quartz glass block 31 (synthetic quartz). The glass block volume) / (furnace volume) is preferably in the range of more than 0.0005 and less than 0.10, and particularly preferably in the range of 0.025 to 0.05.
[0075]
If this ratio is too small, even within a short time surface heat treatment, the inside of the synthetic quartz glass block 31 is heated uniformly, and the distribution of birefringence values tends to be small. On the other hand, if this ratio is too large, the distance between the furnace wall 30a and the hearth plate 36 and the synthetic quartz glass block 31 becomes too short, and impurities from the furnace wall 30a and the hearth plate 36 to the synthetic quartz glass block 31 are likely to diffuse. Become.
[0076]
Next, in this surface heating step, the surface of the synthetic quartz glass block 31 can be rapidly raised to the surface heating temperature and then held at that temperature. This is because it is easy to form a gentle gradient of the birefringence distribution.
[0077]
The operation of maintaining the surface heating temperature after the rapid temperature increase needs to be completed before at least the center reaches the surface heating temperature.
[0078]
More preferably, if the temperature at the center is, for example, less than 500 ° C., the change in the birefringence value on the center side can be reduced and the change in the birefringence value on the peripheral side can be easily increased. is there.
[0079]
Next, after the surface heating step, a cooling step is performed in which the surface of the synthetic quartz glass block 31 is cooled to a temperature of, for example, 500 ° C. or less at a temperature drop rate of 50 ° C./hour or more and less than 300 ° C./hour. This cooling step can be performed by adjusting the amount of heat of the in-furnace heater 34 in the surface heating furnace 30.
[0080]
In the cooling process, if the cooling is performed at a rate slower than 50 ° C./hour, the amount of heat transferred from the surface to the central portion increases, so the difference between the surface temperature formed by rapid temperature rise and the central portion temperature is small. As a result, the distortion becomes small and the distribution of birefringence values is easily homogenized, which is not preferable.
[0081]
On the other hand, when the cooling is performed at a temperature lowering rate higher than 300 ° C./hour, thermal strain opposite to the thermal strain formed by the rapid temperature increase after cooling tends to remain. As a result, it is difficult to obtain a distribution having a tendency opposite to that of the birefringence value of the optical member made of calcium fluoride crystal, which is not preferable.
[0082]
In particular, in this cooling step, it is preferable to cool the surface of the synthetic quartz glass block 31 at a temperature decreasing rate of 50 ° C./hour or more and 200 ° C./hour or less. With this cooling rate, a distribution having a tendency opposite to the distribution of the birefringence value of the optical member made of calcium fluoride crystal can be more reliably formed.
[0083]
The surface heating step and the cooling step can be performed in the atmosphere or an inert gas atmosphere.
[0084]
Moreover, in the case of the synthetic quartz glass block 31 formed from the ingot obtained by rotating and heating as in this embodiment, heating and cooling are performed while rotating in the surface heating step and the cooling step. Is preferred.
[0085]
In this way, since the synthetic quartz glass block has a rotationally symmetric birefringence distribution, the surface of the synthetic quartz glass block 31 is uniformly heated in the circumferential direction even in the surface heating step and the cooling step. By lowering the temperature, the distribution of birefringence values of the synthetic quartz glass block can be formed rotationally symmetrical.
[0086]
In this embodiment, after performing the surface heating step and the cooling step as described above, the synthetic quartz glass optical member is formed by performing processing such as grinding, polishing, and outer periphery processing called centering.
[0087]
And in the synthetic quartz glass optical member manufactured in this way, the birefringence value has a distribution that monotonously increases from the center side toward the peripheral side.
[0088]
If the synthetic quartz glass optical member is manufactured as described above, the surface temperature is rapidly raised in the surface heating step, so that the thermal strain on the surface side of the synthetic quartz glass optical member is increased to reduce the peripheral strain. The birefringence value on the peripheral side can be greatly changed from the birefringence value on the center side by increasing the value. Further, in the cooling process, the surface of the synthetic quartz glass block 31 is cooled at an appropriate temperature drop rate, so that the birefringence value distribution is maintained and cooling is easy. Therefore, it is possible to easily form a synthetic quartz glass optical member in which the birefringence value on the peripheral side has changed more than the birefringence value on the center side.
[0089]
Moreover, the distribution of birefringence values formed in this way tends to be opposite to that of optical members made of calcium fluoride crystals or one or more synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to their characteristics. Therefore, it can be used together with calcium fluoride crystals and optical members made of one or more synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to their characteristics. It is possible to reduce the distribution of relatively large birefringence values of one or more synthetic quartz glasses that cannot.
[0090]
Furthermore, since the surface is not rapidly cooled in the cooling step, the tendency of the distribution of the birefringence values formed in the surface heating step is difficult to change. Therefore, the difference in birefringence value between the peripheral side and the center side is large, and the distribution of birefringence values of calcium fluoride crystal or one or more synthetic quartz glasses that cannot be annealed due to their characteristics. Is easier to produce synthetic quartz glass having the opposite tendency more reliably.
[0091]
Further, in this embodiment, since the synthetic quartz glass block 31 is annealed before the surface heating process, the surface heating process can be performed after reducing non-uniform residual strain during the synthesis of the synthetic quartz glass. In the surface heating step, it is easy to form a desired birefringence value distribution.
[0092]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0093]
The synthetic quartz glass blocks of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 were produced as follows.
[0094]
First, a quartz glass ingot was obtained by a vapor phase synthesis method and cut into a cylindrical synthetic quartz glass block having a size shown in Table 1 in which one or several quartz glass optical members can be cut out. The cut quartz glass block was annealed as a heat treatment in the first step. The annealing was performed by controlling the furnace temperature as follows. The temperature is raised to 1000 ° C. at 140 ° C./hour and held at 1000 ° C. for 10 hours. Thereafter, the temperature is lowered to 500 ° C. at 10 ° C./hour and allowed to cool. The atmosphere in the furnace during the treatment was air.
[0095]
Each synthetic quartz glass block after annealing was subjected to the surface heating treatment of the second step under the conditions shown in Table 1 using a surface heating furnace as shown in FIG.
[0096]
The refractive index homogeneity, birefringence, hydrogen molecule concentration, and transmittance of the synthetic quartz glass block thus obtained were measured before and after the surface heating treatment in the second step, and the amount of change was calculated. The results are shown in Table 2.
[0097]
[Table 1]
Figure 2005022921
[0098]
[Table 2]
Figure 2005022921
[0099]
The refractive index homogeneity was measured using an oil-on-plate method in an area of 95% of the synthetic quartz glass block.
[0100]
The birefringence value was measured using a heterodyne interferometry in a range of 5 mm from the outer periphery concentrically in increments of 30 °.
[0101]
The refractive index and birefringence were measured in the direction used in the optical axis direction of the exposure apparatus. The measurement wavelength is 632.8 nm which is a helium neon laser oscillation wavelength.
[0102]
The hydrogen molecule concentration was measured using a laser Raman spectrophotometer. Argon ion laser with a wavelength of 488 nm (output: 400 mW) is incident on the member, and 800 cm −1 of Raman scattered light emitted in a direction perpendicular to the incident light direction (peak: reference light due to vibration of the basic structure of quartz glass) And 4135 cm −1 (peak due to vibration of hydrogen molecules) were measured, and the hydrogen molecule concentration was calculated by taking the intensity ratio.
[0103]
In this hydrogen molecule concentration measurement, the hydrogen molecule concentration distribution in the synthetic quartz glass block can be known by measuring the hydrogen molecule concentration at an appropriate pitch in the thickness direction and radial direction in the synthetic quartz glass block. I can do it.
[0104]
The transmittance is the same as that of the synthetic quartz glass block of the example and the comparative example, and a sample piece of φ60 × t10 mm shape polished on both sides is processed simultaneously with the synthetic quartz glass block, and before and after the processing, an ArF excimer laser is processed. The transmittance at 193.4 nm, which is the oscillation wavelength, was measured. It was confirmed in advance that the transmittance change of the sample piece was equal to the transmittance change of the synthetic quartz glass block.
[0105]
In Example 1, a synthetic quartz glass block having a diameter of 298 mm and a thickness of 57 mm was heated to 1000 ° C. at a heating rate of 3000 ° C./hour, held for 15 minutes, and then cooled at 90 ° C./hour. During the heat treatment, the synthetic quartz glass block was placed as far away from the furnace wall and hearth as possible as shown in FIG. 4 (hereinafter, this kind of arrangement is called a hollow arrangement).
[0106]
At this time, the maximum birefringence change before and after the surface heat treatment was +2 nm / cm, and a + birefringence distribution was obtained. The distribution of birefringence values before and after the surface heat treatment is shown in FIG. The figure shows the distribution from the center side to the peripheral side, where A indicates before surface heating and B indicates after surface heating.
[0107]
Further, the refractive index homogeneity changing region was within an allowable range of 3 mm from the peripheral edge. Furthermore, the amount of change in the hydrogen molecule concentration and transmittance was also within acceptable ranges.
[0108]
In Example 2, a synthetic quartz glass block having a diameter of 298 mm and a thickness of 57 mm was arranged in a hollow space, and the temperature was lowered at 120 ° C./hour with a temperature rising rate and holding temperature similar to those in Example 1 and a holding time of 5 minutes. At this time, the maximum birefringence change amount was 2 nm / cm, and a + birefringence distribution was obtained.
[0109]
In Example 3, a synthetic quartz glass block having a diameter of 253 mm and a thickness of 76 mm was hollowly arranged, heated to 1000 ° C. at a temperature rising rate of 3000 ° C./hour, held for 30 minutes, and then cooled to 90 ° C./hour. At this time, the maximum change in birefringence was +2 nm / cm, and a + birefringence distribution was obtained.
[0110]
In Example 4, a synthetic quartz glass block having a diameter of 298 mm and a thickness of 48 mm was arranged in a hollow, heated to 800 ° C. at a heating rate of 400 ° C./hour, held for 30 minutes, and then cooled to 10 ° C./hour. At this time, the maximum change in birefringence was +2 nm / cm, and a + birefringence distribution was obtained. Since the processing temperature was low, the refractive index change region was 0 mm.
[0111]
In Example 5, a synthetic quartz glass block having a diameter of 282 mm and a thickness of 49 mm was disposed in a hollow manner, and the temperature was lowered at 100 ° C./hour with a temperature rising rate and holding temperature similar to those in Example 1 and a holding time of 10 minutes. At this time, the maximum change in birefringence was 2 nm / cm, and a + birefringence distribution was obtained.
[0112]
In Comparative Example 1, a synthetic quartz glass block having a diameter of 255 mm and a thickness of 40 mm was arranged in a hollow manner, and the temperature decreasing rate was 500 ° C./hour in the surface heating treatment shown in Example 3. The maximum change in birefringence was −5 nm / cm, which was a birefringence distribution completely opposite to the desired distribution.
[0113]
The distribution of birefringence values before and after the surface heat treatment of Comparative Example 1 is shown in FIG. The figure shows the distribution from the center side to the peripheral side, where A indicates before surface heating and B indicates after surface heating.
[0114]
In Comparative Example 2, a synthetic quartz glass block having a diameter of 255 mm and a thickness of 40 mm was arranged in a hollow manner, and in the heat treatment shown in Example 5, the rate of temperature increase was 10 ° C./hour.
[0115]
No change in birefringence due to this heat treatment was observed. Since it took time to raise the temperature, the temperature distribution in the synthetic quartz glass block disappeared and soaking was considered to have caused no birefringence change. In addition, since the temperature raising time is long, the entire heat treatment time is lengthened, and the homogeneity degradation region is as large as 10 mm.
[0116]
In Comparative Example 3, a synthetic quartz glass block having a diameter of 237 mm and a thickness of 38 mm was subjected to heat treatment under substantially the same conditions as in Example 3, but the synthetic quartz glass block was placed directly on the hearth, not in a hollow arrangement. . The amount of change in birefringence was an appropriate value of 3 nm / cm at the maximum, but the deterioration of homogeneity due to contamination from the furnace atmosphere was remarkable, and the deterioration area was as large as 10 mm.
[0117]
In Comparative Example 4, a synthetic quartz glass block having a diameter of 237 mm and a thickness of 38 mm was directly placed on the hearth, heated to 700 ° C. at a heating rate of 2800 ° C./hour, held for 60 minutes, and then cooled to 300 ° C./hour. . At this time, the maximum change in birefringence was −2 nm / cm, and a + birefringence distribution could not be obtained.
[0118]
As is clear from the above examples and comparative examples, in Examples 1 to 5, in the surface heating treatment of the second step, a rapid temperature increase of 300 ° C./hour or more is performed, and 50 ° C./hour or more and 300 ° C./hour is performed. Since cooling was performed at a temperature lowering rate of less than 1, the birefringence value monotonously increased, and a distribution having a greater change than Comparative Examples 1 to 4 could be formed.
[0119]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, in the surface heating step, the temperature of the synthetic quartz glass block is increased by 300 ° C./hour or more to a heat treatment temperature in the range of 500 ° C. to 1100 ° C. Since the surface is heated to a higher temperature and heated to a temperature higher than the center portion, the thermal distortion on the surface side of the optical member is increased, the distortion on the peripheral side is increased, and the birefringence value on the peripheral side is increased. Can be largely changed from the birefringence value on the center side. Further, in the cooling step, the surface of the synthetic quartz glass block is cooled at a rate of temperature decrease of 50 ° C./hour or more and less than 300 ° C./hour, so that the birefringence value distribution is maintained and cooling is easy. Therefore, it is possible to easily form an optical member in which the birefringence value on the peripheral side has changed more than the birefringence value on the center side.
[0120]
In addition, the birefringence distribution thus formed has a tendency opposite to that of an optical member made of calcium fluoride crystals. Therefore, calcium fluoride crystals or annealing treatment cannot be performed due to the use of calcium fluoride crystals or one or a plurality of synthetic quartz glass optical members that cannot be annealed due to properties. A synthetic quartz glass optical member capable of reducing the distribution of relatively large birefringence values of one or more synthetic quartz glasses can be easily manufactured.
[0121]
Moreover, according to the manufacturing method of Claim 2, since the surface of the synthetic quartz glass block is cooled at a cooling rate of 50 ° C./hour or more and 200 ° C./hour or less in the cooling step, the birefringence formed in the surface heating step It is easy to maintain the distribution of values and to cool the synthetic quartz glass block, and the surface side is not rapidly cooled in the cooling process, so the tendency of the distribution of birefringence values formed in the surface heating process is difficult to change. Therefore, it is easier to reliably manufacture synthetic quartz glass having a tendency opposite to the distribution of the birefringence value of the calcium fluoride crystal by increasing the difference in birefringence value between the peripheral side and the center side.
[0122]
According to the method for producing synthetic quartz glass according to claim 3, since the ingot or the synthetic quartz glass block is annealed before the surface heating step, nonuniform residual strain during synthesis of the synthetic quartz glass is reduced. Then, a surface heating process can be performed. Therefore, it is easy to form a desired birefringence distribution in the surface heating step.
[0123]
Further, according to the manufacturing method of claim 4, the synthetic quartz glass block having a surface temperature of 300 ° C. or less is accommodated in a heating furnace heated in advance to 500 ° C. or more and 1100 ° C. or less. Since the temperature of the surface is raised, the temperature of the surface of the synthetic quartz glass block can be reliably prevented from being heated to a temperature higher than the surface heating temperature, and the temperature can be raised rapidly, making synthetic quartz glass easier. Can be manufactured.
[0124]
Furthermore, according to the manufacturing method of claim 5, since the synthetic quartz glass block obtained from the synthetic quartz glass ingot formed while rotating and heating has a rotationally symmetric birefringence distribution, If the synthetic quartz glass block is heated and cooled while rotating in the surface heating step and the cooling step, the surface of the synthetic quartz glass block can be easily heated or lowered uniformly in the circumferential direction. Therefore, it is easy to form a birefringence distribution of the synthetic quartz glass block in a rotationally symmetrical manner.
[0125]
Furthermore, according to the manufacturing method of the sixth aspect, since the surface heating step and / or the cooling step are performed in the atmosphere or in an inert gas atmosphere, the synthetic quartz glass optical member can be easily manufactured.
[0126]
Further, according to the manufacturing method described in claim 7, by performing the surface heating step and the cooling step, a compound in which the direction of the fast axis is oriented in the radial direction of the synthetic quartz glass member is measured as positive. Synthetic quartz glass optical member whose birefringence value distribution can be easily eliminated by using it together with an optical member made of calcium fluoride crystal because the refractive value forms a monotonically increasing distribution from the center side toward the peripheral side. Can be reliably manufactured.
[0127]
According to the optical member according to claim 8, the distribution of the birefringence values measured with the fast axis oriented in the radial direction from the center as positive is directed from the center toward the entire periphery. Since it has a monotonically increasing distribution, it can be used together with an optical member made of calcium fluoride crystal to easily eliminate the birefringence value distribution and to reduce the birefringence value distribution of the entire optical system. A member can be provided.
[0128]
Further, according to the optical system of the ninth aspect, since the synthetic quartz glass optical member according to the eighth aspect and the optical member made of calcium fluoride crystal are arranged in series in the optical path, the calcium fluoride crystal The birefringence value distribution of the optical member can be suppressed by the birefringence value distribution of the synthetic quartz glass optical member, and an optical system in which the birefringence value distribution is further suppressed can be provided.
[0129]
Furthermore, according to the exposure apparatus of the tenth aspect, since the illumination optical system or the projection optical system is provided with the optical system in which the birefringence value distribution is further suppressed, the birefringence value distribution is suppressed to be small as a whole. Therefore, an exposure apparatus that can perform exposure with higher accuracy can be provided.
[0130]
Moreover, according to the surface heating furnace of Claim 11 or 12, it has a synthetic quartz glass block mounting base which has a hollow part and mounts a synthetic quartz glass block, and a synthetic quartz glass block is passed through this hollow part. Since the bottom surface of the glass is exposed to the atmosphere in the furnace, heat is not directly supplied to the bottom surface of the synthetic quartz glass block from the bottom surface of the heat treatment furnace, and the entire surface of the synthetic quartz glass block is easily heated uniformly. . Further, it is possible to prevent impurities from diffusing directly from the bottom surface into the synthetic quartz glass block during surface heating. Therefore, it is possible to provide a surface heating furnace that can easily heat the entire outer surface of the optical member uniformly while preventing deterioration of quality due to impurities.
[0131]
Furthermore, according to the surface heating furnace of claim 12, the ratio of the volume of the synthetic quartz glass block to the volume in the furnace is in a range larger than 0.0005 and smaller than 0.10, and the synthetic quartz glass Since the block is arranged at a distance of 20 mm or more from the bottom surface and the furnace wall in the furnace, impurities are prevented from diffusing directly from the bottom surface and the furnace wall in the furnace to the synthetic quartz glass block, and the surface side is more abrupt. A surface heating furnace that can easily raise the temperature can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph plotting a birefringence change amount and a refractive index homogeneity deterioration region with respect to a heat treatment temperature of a synthetic quartz glass member.
FIG. 2 is a view showing the basic arrangement of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution of birefringence values of an optical member made of calcium fluoride crystal, a distribution of birefringence values of an optical member made of synthetic quartz glass, and a distribution of birefringence values of an optical system including both optical members. It is.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a surface heating furnace used in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the distribution of birefringence values before and after the surface heating step of the synthetic quartz glass block of Example 1. FIG.
6 is a graph showing the distribution of birefringence values before and after the surface heating step of the synthetic quartz glass block of Comparative Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
10 Exposure equipment
12 Illumination optics
14 Projection optical system
30 Surface heating furnace
31 Synthetic quartz glass block
40 Synthetic quartz cylinder

Claims (12)

合成石英ガラスブロックを加熱処理して光学部材を製造する方法であって、
前記合成石英ガラスブロックの表面を500℃以上1100℃以下の範囲の表面加熱温度まで300℃/時間以上の昇温速度で昇温し、該表面を中心部より高い温度に加熱する表面加熱工程と、
該表面加熱工程後に前記合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上300℃/時間未満の降温速度で冷却する冷却工程とを備えたことを特徴とする合成石英ガラス光学部材の製造方法。
A method of manufacturing an optical member by heat-treating a synthetic quartz glass block,
A surface heating step of heating the surface of the synthetic quartz glass block to a surface heating temperature in the range of 500 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower at a temperature rising rate of 300 ° C./hour or higher, and heating the surface to a temperature higher than the central portion; ,
A method for producing a synthetic quartz glass optical member, comprising: a cooling step of cooling the surface of the synthetic quartz glass block at a temperature lowering rate of 50 ° C./hour or more and less than 300 ° C./hour after the surface heating step.
前記冷却工程において、前記合成石英ガラスブロックの表面を50℃/時間以上200℃/時間以下の降温速度で冷却することを特徴とする請求項1に記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。2. The method for producing a synthetic quartz glass optical member according to claim 1, wherein, in the cooling step, the surface of the synthetic quartz glass block is cooled at a temperature lowering rate of 50 ° C./hour or more and 200 ° C./hour or less. 前記表面加熱工程前に、前記インゴット又は前記合成石英ガラスブロックを900℃以上のアニール温度に加熱し、該アニール温度で所定時間保持した後、500℃以下の温度まで10℃/時間以下の降温速度で冷却するアニール工程を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。Prior to the surface heating step, the ingot or the synthetic quartz glass block is heated to an annealing temperature of 900 ° C. or more, held at the annealing temperature for a predetermined time, and then a temperature decrease rate of 10 ° C./hour or less to a temperature of 500 ° C. or less. The method for producing a synthetic quartz glass optical member according to claim 1, further comprising an annealing step of cooling at a step. 前記表面加熱工程は、表面温度が300℃以下の前記合成石英ガラスブロックを予め前記表面加熱温度に加熱された加熱炉内に収容することにより、該合成石英ガラスブロックの表面を昇温することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。The surface heating step is to heat up the surface of the synthetic quartz glass block by storing the synthetic quartz glass block having a surface temperature of 300 ° C. or less in a heating furnace previously heated to the surface heating temperature. The method for producing a synthetic quartz glass optical member according to any one of claims 1 to 3. 回転加熱しつつ形成された合成石英ガラスインゴットから前記合成石英ガラスブロックを作製し、前記表面加熱工程及び前記冷却工程において、回転させながら加熱及び冷却することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一つに記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。The synthetic quartz glass block is produced from a synthetic quartz glass ingot formed while rotating and heated and cooled while rotating in the surface heating step and the cooling step. The manufacturing method of the synthetic quartz glass optical member as described in any one. 前記表面加熱工程及び前記冷却工程の少なくとも一方の工程において、前記合成石英ガラスブロックを大気又は不活性ガス雰囲気下で処理することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一つに記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。The synthesis according to any one of claims 1 to 5, wherein the synthetic quartz glass block is treated in the atmosphere or an inert gas atmosphere in at least one of the surface heating step and the cooling step. A method for producing a quartz glass optical member. 前記表面加熱工程及び前記冷却工程を行うことにより、進相軸の方向が該合成石英ガラス部材の径方向に配向するものを正として測定される複屈折値が、中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を形成することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一つに記載の合成石英ガラス光学部材の製造方法。By performing the surface heating step and the cooling step, the birefringence value measured as positive when the direction of the fast axis is oriented in the radial direction of the synthetic quartz glass member is directed from the center side toward the peripheral side. The method for producing a synthetic quartz glass optical member according to claim 1, wherein a monotonically increasing distribution is formed. 前記請求項1乃至6に記載の製造方法により製造された合成石英ガラス光学部材であって、
進相軸の方向が該合成石英ガラス部材の径方向に配向するものを正として測定される複屈折値が、中心側から周縁側に向けて単調増加する分布を有することを特徴とする合成石英ガラス光学部材。
A synthetic quartz glass optical member manufactured by the manufacturing method according to claim 1,
Synthetic quartz characterized in that the birefringence value measured by assuming that the direction of the fast axis is positive in the radial direction of the synthetic quartz glass member has a distribution that monotonously increases from the center side toward the peripheral side. Glass optical member.
前記請求項8に記載の合成石英ガラス光学部材と、フッ化カルシウム結晶からなる光学部材とを、光路に直列に配置したことを特徴とする光学系。An optical system comprising the synthetic quartz glass optical member according to claim 8 and an optical member made of calcium fluoride crystal arranged in series in an optical path. 前記請求項9に記載の光学系を、照明光学系又は投影光学系に備えたことを特徴とする露光装置。An exposure apparatus comprising the optical system according to claim 9 in an illumination optical system or a projection optical system. 合成石英ガラスブロックを収容して加熱する表面加熱炉であって、
中空部を備えて合成石英ガラスブロックを載置する合成石英ガラス製のブロック載置台を有し、
前記中空部を通して、該ブロック載置台の上部に載置された前記合成石英ガラスブロックの底面が炉内の雰囲気に曝露されることを特徴とする表面加熱炉。
A surface heating furnace that houses and heats a synthetic quartz glass block,
It has a block mounting table made of synthetic quartz glass that has a hollow portion and mounts a synthetic quartz glass block,
A surface heating furnace characterized in that the bottom surface of the synthetic quartz glass block placed on the upper part of the block placing table is exposed to the atmosphere in the furnace through the hollow part.
前記炉内の容積に対する合成石英ガラスブロックの体積の比率が0.0005より大きく、且つ、0.10より小さい範囲であって、
前記合成石英ガラスブロックが、前記炉内の底面及び炉壁から20mm以上離れて配置されることを特徴とする請求項11に記載の表面加熱炉。
The ratio of the volume of the synthetic quartz glass block to the volume in the furnace is greater than 0.0005 and less than 0.10,
The surface heating furnace according to claim 11, wherein the synthetic quartz glass block is disposed at a distance of 20 mm or more from a bottom surface and a furnace wall in the furnace.
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