JP2005187319A - 合成石英ガラス製造用バーナー及び合成石英ガラスインゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 シリカ原料化合物を供給する中心管、この中心管を囲繞し、支燃性ガスを供給する第１の包囲管、この第１の包囲管を囲繞し、可燃性ガスを供給する第２の包囲管を備えた少なくとも三重管構造を有する多重管と、この多重管を囲繞し、可燃性ガスを供給する外殻管と、この外殻管内に配設され、支燃性ガスを供給する複数のノズルから構成される主バーナーにおいて、該主バーナーの少なくとも先端口部側を包囲する二重管を設けるように構成してなる合成石英ガラス製造用バーナー。
【効果】 本発明によれば、エキシマレーザー、特にはＡｒＦエキシマレーザー用に使用される光学用高均質合成石英ガラス部材用途、耐レーザー性に強い光学部材用途、あるいはその他エキシマレーザー等の光源が用いられる光学部材用途、紫外線用光ファイバー用途等に用いられる素材となる合成石英ガラスインゴットを提供することができる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、エキシマレーザー用、特にＡｒＦエキシマレーザー用に使用されるレンズ、プリズム、ミラー、窓材、フォトマスク用石英ガラス基板等の光学用素材として有効で、光学的高均質で光透過率変化の少ない、エキシマレーザー用合成石英ガラス光学部材用原料素材として好適に用いられる合成石英ガラスインゴットや液晶用大型フォトマスク基板等の素材として用いられる大口径合成石英ガラスインゴットを製造するための合成石英ガラス製造用バーナー及びこのバーナーを用いた合成石英ガラスインゴットの製造方法に関する。

近年、超ＬＳＩの高集積化に伴い、ウエハー上に集積回路パターンを描画する光リソグラフィー技術において、サブミクロン単位の描画技術が要求されており、より微細な線幅描画を行うために、露光系の光源の短波長化が進められてきている。このため、リソグラフィー用のステッパー装置の光源として、従来のｉ線（波長３６５ｎｍ）からＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）が主流となり、近年ではＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）の実用化が始まっている。このようなステッパー装置に用いられるレンズには、優れた紫外線の透過性及び紫外線照射に対して強い耐性と均質性が要求されている。

合成石英ガラスは、通常、紫外線吸収の原因となる金属不純物の混入を避けるために、例えば四塩化ケイ素等高純度の有機ケイ素化合物の蒸気を直接酸水素火炎中に導入し、これを火炎加水分解させてシリカ微粒子を生成させ、直接回転する石英ガラス等の耐熱性基体上に堆積・溶融ガラス化させて、透明な合成石英ガラスとして製造される。

このようにして製造された透明な合成石英ガラスは、ＬＳＩ分野の１９０ｎｍ程度の短波長領域まで良好な光透過性を示し、紫外線レーザー光、具体的にはｉ線の他、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＢｒ（２８２ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１，３５３ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）等のエキシマレーザー光及びＹＡＧの４倍高調波（２５０ｎｍ）等についての透過材料として用いられてきた。

この場合、合成石英ガラスにエキシマレーザーのような強烈なエネルギーをもつ紫外線を照射することによって新たに生じる紫外線領域における光の吸収は、合成石英ガラス中の固有欠陥から光反応により生じた常磁性欠陥によるものと考えられている。このような常磁性欠陥による光吸収は、これまでＥＳＲスペクトル等で数多く同定されており、例えば、Ｅ’センター（Ｓｉ・）やＮＢＯＨＣ（Ｓｉ−Ｏ・）等がある。

このように、常磁性欠陥は、一般的に光学的吸収帯を有しているため、石英ガラスに紫外線を照射した場合、紫外線領域において石英ガラスの常磁性欠陥により問題となる吸収帯は、例えばＥ’センター（Ｓｉ・）の２１５ｎｍと、まだ正確に同定されていないが、２６０ｎｍである。これらの吸収帯は、比較的ブロードで、しかも強い吸収を生じる場合があり、例えば、ＡｒＦエキシマレーザーやＫｒＦエキシマレーザーの透過材料として用いる際には大きな問題となる場合があった。

常磁性欠陥の原因となる合成石英ガラス中の固有欠陥は、例えばＳｉ−ＯＨ、Ｓｉ−Ｃｌ等のＳｉＯ₂以外の構造や、Ｓｉ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｏ−Ｏ−Ｓｉ等の酸素欠損、酸素過剰の構造に起因している。

そこで、常磁性欠陥を抑制する方法として、塩素を含有しないテトラメトキシシランのようなアルコキシシランをシラン化合物として用いることにより、常磁性欠陥の一つであるＳｉ−Ｃｌをガラス中に含有させない方法が提案されている（特許文献１：特開平６−１９９５３２号公報参照）。

また、石英ガラス中に一定以上の濃度の水素分子が存在すると、酸素欠陥であるＥ’センター（Ｓｉ・）の欠陥が生じにくくなり、レーザー耐久性が向上することが知られている。

ＫｒＦエキシマレーザー光に比べてＡｒＦエキシマレーザー光は、数倍強烈なダメージを石英ガラスに与えるため、ＡｒＦ用途の石英ガラスには、ＫｒＦ用途の石英ガラスに対して数倍の水素分子濃度が必要になる。

合成石英ガラス中の水素分子濃度の制御方法も提案されており（特許文献２：特開平６−３０５７３６号公報参照）、ＡｒＦレーザーのエネルギー使用条件によって、ガラス中の水素分子濃度の調整が行われてきた。

このように光源の短波長化に伴い、光のエネルギーが従来のｉ線光よりもエキシマレーザー光等で強烈になってきた場合におけるガラスのレーザー耐久性は鋭意研究されてきている。

また、これら短波長化に伴う露光装置に使用されるレンズ、ウインドウ、プリズム、フォトマスク用石英ガラス基板等の光学部品に対しては、最近、特には露光装置で使用される投影レンズ材の高ＮＡ化が進み、レンズ材の口径も年々大きくなってきていると同時に、レンズ材の光学的均質性もより高精度なものが求められてきている。特にＡｒＦエキシマレーザーに関しては、石英ガラスの初期透過率、波長１９３．４ｎｍでの光学部材全面の透過率が理論値；多重反射を考慮した時の波長１９３．４ｎｍでの理論値９９．８５％に近い値が要求されてきている。これは露光装置内の光学系がレンズを数枚から数十枚で構成されているため、少しでも石英ガラスの初期透過率を高くすることで石英ガラス内部への光エネルギーの吸収を抑制し、光エネルギーを吸収した場合の熱エネルギーへの変換によって密度変化をきたし、場合によっては屈折率変化をも引き起こす可能性を極力抑えることが重要になってきている。また、本来の屈折率の均質性に加え、複屈折の低減も極めて重要な課題になっている。

従来から、合成石英ガラスは、通常、紫外線吸収の原因となる金属不純物の混入を避けるために、例えば四塩化ケイ素等の高純度有機ケイ素化合物の蒸気を直接酸水素火炎中に導入し、これを火炎加水分解させてシリカ微粒子を生成させ、直接回転する石英ガラス等の耐熱性基体上に堆積させ、これを溶融ガラス化させて、透明な合成石英ガラスとして製造されている。この時、製造された合成石英ガラスインゴットを成長方向に対して垂直に切断して（輪切り）成長方向面の波長１９３．４ｎｍでの透過率分布を測ると、面内で分布が生じており、通常は中心部から外周部にかけて透過率は低下傾向にある。ここで、初期透過率として要求される値が、例えば内部透過率で９９．７％以上とした場合に、合成石英ガラスインゴットの使用可能な有効部分、所謂歩留まりがここで決まる。

一方、最近ではＬＳＩ用分野とは別にＬＣＤ用分野、所謂液晶用分野において、大型のフォトマスク用石英ガラス基板が用いられており、この素材として使用される合成石英ガラスインゴットの大口径化が、大型用ガラス基板を作製する工程の歩留まりを考慮すると必須である。これまでの通常のＩＣ用の合成石英ガラス基板であると６インチ角サイズが主流であるが、大型用ガラス基板サイズは１辺が１ｍ以上の基板が既に要求されている。これを作製するのに、従来のＩＣ用合成石英ガラスインゴットの径としては例えば直径１００〜１４０ｍｍ程度が必要であるが、大型用石英ガラス基板では、従来インゴットサイズであると製品重量を確保するにはインゴット長さをより長くする必要が生ずるのと、所望の形状までサイズを整えるのには何回もの成型を繰り返す必要があり、歩留まり、効率の面で不利な状況になっている。

特開平６−１９９５３２号公報 特開平６−３０５７３６号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、エキシマレーザーに使用されるレンズ、プリズム、ウインドウ、フォトマスク用石英ガラス基板等の光学部材に用いられる光学用高均質合成石英ガラス部材や液晶用大型ガラス基板用部材において、光学的により高均質な合成石英ガラス部材を得やすくするため、あるいは大型用合成石英ガラス基板用部材を効率よく得やすくするための原料となる合成石英ガラスインゴットを製造するための合成石英ガラスインゴット製造用バーナー及びこのバーナーを用いた合成石英ガラスインゴットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、シリカ原料化合物を酸水素火炎によって気相加水分解又は酸化分解して合成石英ガラスインゴットを製造する際に火炎を形成するバーナー構造を、従来は、中心三重管構造、該三重管を囲繞する外殻管、該三重管と外殻管との間に設けた複数個のノズルからなり、更に外殻管を覆って外套管を主バーナー先端に位置するように配設、構成してなる合成石英ガラス製造用バーナーを用いていたが、これを少なくとも中心三重管構造、該三重管を囲繞する外殻管、該三重管と外殻管との間にこの外殻管内に存して設けた複数個のノズルからなる主バーナーとして、該主バーナーの外環に二重管を設けることにより、光学的に高均質な合成石英ガラス及び液晶用大型ガラス基板用部材を得ることができる合成石英ガラスインゴットの製造を可能にすることを知見したものである。
即ち、本発明者らは、上述した合成石英ガラスインゴットの有効部分を合成石英ガラスインゴットの全面領域まで広げることを狙ったものである。この合成石英ガラスインゴットの初期透過率を決定する製法因子は、直接火炎法を構成する重要要素であるバーナー（構造、セット状態）及びそこへ供給する原料シラン化合物、水素等の可燃性ガス、酸素等の支燃性ガス、これらのガスバランスによってほぼ決定される。これらの中でも特にバーナーの構造に依存するところが大変大きいことが判った。

従って、本発明は、下記の合成石英ガラス製造用バーナー及びこれを用いた合成石英ガラスインゴットの製造方法を提供する。
請求項１：
シリカ原料化合物を供給する中心管、この中心管を囲繞し、支燃性ガスを供給する第１の包囲管、この第１の包囲管を囲繞し、可燃性ガスを供給する第２の包囲管を備えた少なくとも三重管構造を有する多重管と、この多重管を囲繞し、可燃性ガスを供給する外殻管と、この外殻管内に配設され、支燃性ガスを供給する複数のノズルから構成される主バーナーにおいて、該主バーナーの少なくとも先端口部側を包囲する二重管を設けるように構成してなることを特徴とする合成石英ガラス製造用バーナー。
請求項２：
二重管が外側管とその内側に配設された内側管とからなり、上記外側管が上記主バーナーの先端口部を包囲してこれより前方に突出していると共に、内側管の先端部が、該主バーナーの先端口部と同一位置又はこれより後部位置にあることを特徴とする請求項１記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
請求項３：
該主バーナーを包囲する二重管内が、支燃性ガス通路として形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
請求項４：
前記外殻管内に配設される複数のノズルのガス噴出し部の総断面積（ノズルの中空部における断面積の総和）が、多重管と外殻管との間のガス噴出し部の断面積（多重管と外殻管との間の中空部における断面積（第１のノズルが配設されていないとした場合の多重管と外殻管との間の中空部総面積））に占める比率として５〜２０％である請求項１，２又は３記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
請求項５：
シリカ原料化合物を供給する中心管、この中心管を囲繞し、支燃性ガスを供給する第１の包囲管、この第１の包囲管を囲繞し、可燃性ガスを供給する第２の包囲管を備えた少なくとも三重管構造を有する多重管と、この多重管を囲繞し、可燃性ガスを供給する外殻管と、この外殻管内に配設され、支燃性ガスを供給する複数のノズルから構成される主バーナー、及び該主バーナーの少なくとも先端口部側を包囲する二重管を設けた合成石英ガラス製造用バーナーを、回転する基体上に取り付けられた石英ガラス製ターゲットに向けて配設し、上記バーナーの中心管よりシリカ原料化合物を供給すると共に、第１の包囲管及びノズルから支燃性ガスを供給し、第２の包囲管及び外殻管から可燃性ガスを供給し、かつ二重管から支燃性ガスを供給し、上記支燃性ガスと可燃性ガスとから形成される酸水素火炎によってシリカ原料化合物を気相加水分解又は酸化分解することで得られるシリカ微粒子を上記ターゲット上に堆積させ、これを溶融ガラス化することを特徴とする合成石英ガラスインゴットの製造方法。
請求項６：
シリカ原料化合物がシラン又はシロキサン化合物であり、支燃性ガスが酸素であり、可燃性ガスが水素であり、バーナーに供給するシリカ原料化合物と酸素との割合として、シリカ原料化合物が酸素量論量の１．３倍モル以上であると共に、バーナーに供給するシリカ原料化合物と水素が必要とする酸素量論量に対する実酸素量のモル比が０．６〜１．３である請求項５記載の製造方法。
請求項７：
二重管から流通させる支燃性ガスの流速が０．５〜１．３ｍ／ｓｅｃである請求項５又は６記載の製造方法。
請求項８：
インゴットの直径が１５０ｍｍ以上である請求項５，６又は７記載の製造方法。

本発明によれば、エキシマレーザー、特にはＡｒＦエキシマレーザー用に使用される光学用高均質合成石英ガラス部材用途、耐レーザー性に強い光学部材用途、あるいはその他エキシマレーザー等の光源が用いられる光学部材用途、紫外線用光ファイバー用途等に用いられる素材となる合成石英ガラスインゴットを製造するための合成石英ガラス製造用バーナーを提供することができる。

以下、本発明につき更に詳しく説明すると、本発明の合成石英ガラスインゴット製造用バーナーは、少なくとも三重管構造を有する多重管、該多重管を囲繞する外殻管、この外殻管内に設けた複数個のノズルから構成される主バーナーを具備する。該主バーナーの外環に二重管を設ける。

図１，２は、本発明に係るバーナーの一実施例を示すもので、１は、中心管２と、この中心管２を囲繞する第１の包囲管３と、この第１の包囲管３を囲繞する第２の包囲管４とからなる三重管構造の多重管である。５はこの多重管（三重管）１を囲繞する外殻管であり、この外殻管５と前記三重管１との間には外殻管５内に存して複数個のノズル６が配設されて、主バーナー７が構成されている。更に、８はこの主バーナー７の少なくとも先端口部側を包囲して配設された二重管で、外側管９と、この外側管９の内側に配設された内側管１０とからなるものである。このとき、二重管８の外側管９の先端部は、主バーナー７の先端口部を包囲してこれより前方に突出し、主バーナー７からのガス流が外側管９の側方に広がらないように防護していると共に、内側管１０の先端部は、主バーナー７の先端口部と同一位置に存している。なお、内側管１０の先端部は主バーナー７の先端口部より後部に位置していてもよい。

この場合、中心管２内には、シリカ原料化合物が供給、流通し、更に酸素ガス又はキャリアーガスが通常供給、流通するものである。また、二重管目（第１の包囲管３内）には酸素等の支燃性ガス、三重管目（第２の包囲管４内）には水素等の可燃性ガスが供給、流通する。更に、前記ノズル６内、及び二重管８内（外側管９と内側管１０との間）には、それぞれ酸素ガス等の支燃性ガスが供給、流通し、前記外殻管５内には、水素ガス等の可燃性ガスが前記ノズル６の周りに流通するように供給、流通する。

ここで、前記外殻管５内に配設される複数のノズル６のガス噴出し部の総断面積（ノズル６の中空部における断面積の総和）は、多重管１と外殻管５との間のガス噴出し部の断面積（多重管１と外殻管５との間の中空部における断面積（ノズル６が配設されていないとした場合の多重管１と外殻管５との間の中空部総面積））に占める比率として５％以上、より好ましくは５〜２０％、更に好ましくは８〜１３％であることが好ましい。

また、該主バーナーの外環に設けた二重管は特に石英製が好ましく、またここから流通させる支燃性ガスの流速は０．５〜１．３ｍ／ｓｅｃであることが望ましい。これは、０．５ｍ／ｓｅｃより流速が低いと、火炎が後方へ戻ってしまうという不具合を生じてしまうためである。一方、１．３ｍ／ｓｅｃを超えると、該主バーナーの火炎を乱してしまうおそれがあるためである。

従って、複数個のノズル６の本数は上記の条件に合わせて決めればよい。また二重管８から流通する支燃性ガスの流速は、外側管９と内側管１０との間のクリアランスと支燃性ガス流量によって決めればよい。
即ち、従来のバーナー構造に対し、主バーナーの外殻管の周りに二重管を設けることで、合成石英ガラスインゴットを直接火炎法にて製造する際、インゴット成長面の中心部から外周部にかけての溶融面温度分布を見ると、中心部の高温領域が外周部まで拡がり均一な状態になる。これによりインゴット成長溶融面上のシリカ微粒子の堆積・溶融・ガラス化過程でのシリカ構造が中心部から外周部にかけて同一条件下で形成されることになり、インゴット外周部の初期透過率を中心部より低下させずに外周部の初期透過率と中心部の初期透過率との差を極力抑えることが可能になった。また、同時に溶融面積が広がることにより合成石英ガラスインゴットを大口径化することが可能になったものである。

これは、バーナー構造を従来構造の主バーナーの外殻管の周りに二重管を新たに設けることで、形成される火炎内の内炎から外炎まで高温領域が拡がり、この外炎部分がインゴット溶融成長面の外周部分に照射されることになる。また、主バーナーの外殻管と二重管との間から支燃性ガスを流通できる構造にすることと、多重管と外殻管との間に設けた複数個のノズル群の断面積の比率を５％以上にすることで、複数個のノズル群の周囲から供給される水素ガス等の可燃性ガスの燃焼効率が増して火炎全体の中で高温領域を広げることが可能になった。更に、主バーナーの先端を二重管の外殻管で包囲することにより、炉内の気流による火炎の乱れを防止して、火力を集中させることができる。

次に、本発明の合成石英ガラス製造用バーナーを用いた時の合成石英ガラスインゴットの製造方法について説明すると、上記バーナーを回転する基体上に取り付けられた石英ガラス製ターゲットに向けて配設し、シリカ原料化合物、水素ガス等の可燃性ガス及び酸素ガス等の支燃性ガスの各々を本発明のバーナーに供給し、酸水素火炎によって気相加水分解又は酸化分解してシリカ微粒子をターゲット上に堆積させると共に、これを溶融ガラス化して合成石英ガラスインゴットを製造する。

この場合、原料のシリカ原料化合物としては有機ケイ素化合物を用い、下記一般式（１），（２）又は（３）で示されるシラン化合物、シロキサン化合物が好適に用いられる。
（Ｒ¹）_nＳｉ（ＯＲ²）_4-n （１）
（式中、Ｒ¹、Ｒ²はそれぞれ同一又は異種の脂肪族一価炭化水素基、水素原子又はハロゲン原子を示し、ｎは０〜４の整数を示す。）

（式中、Ｒ³は水素原子又は脂肪族一価炭化水素基を示し、ｍは１以上、特に１又は２である。また、ｐは３〜５の整数である。）

ここで、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³の脂肪族一価炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ｎ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等の炭素数１〜４のアルキル基、シクロヘキシル基等の炭素数３〜６のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基等の炭素数２〜４のアルケニル基等が挙げられる。

具体的に上記一般式（１）で示されるシラン化合物としては、ＳｉＣｌ₄、ＣＨ₃ＳｉＣｌ₃、Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₄、Ｓｉ（ＯＣＨ₂ＣＨ₃）₄、ＣＨ₃Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃等が挙げられ、上記一般式（２），（３）で示されるシロキサン化合物としては、ヘキサメチルジシロキサン、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン等が挙げられる。

そして、酸水素火炎を形成する本発明の合成石英ガラス製造用バーナーには、原料のシラン又はシロキサン化合物、水素、一酸化炭素、メタン、プロパン等の可燃性ガス、酸素等の支燃性ガスの各々を供給する。

ここで、合成石英ガラスインゴットを製造する装置は、竪型又は横型のいずれも使用することができる。

本発明の合成石英ガラス製造用バーナーによって製造された合成石英ガラスインゴットの波長１９３．４ｎｍでの内部透過率は、９９．７０％以上であることが好ましい。これはこの合成石英ガラスインゴットが原料として最終的に光学部材として使用される際に、この時の使用波長が、例えばＡｒＦエキシマレーザーの場合、波長１９３．４ｎｍでの透過率が内部透過率で９９．７０％以上必要とされる場合があるからである。内部透過率が９９．７０％未満であると、ＡｒＦエキシマレーザー光が石英ガラス部材を通過した時に光エネルギーが吸収されて熱エネルギーに変化し、これによりガラスの密度変化をきたし更に屈折率変化をも生じるおそれがある。例えば光源がＡｒＦエキシマレーザー光とする露光装置のレンズ材に上記内部透過率が９９．７０％未満の合成石英ガラスインゴットを使用した場合に、レンズ材の光の屈折率変化で像面がゆがむ等の不具合を引き起こしてしまう場合がある。

そのために、上記の如く、本発明のバーナー構造にする必要があるわけで、更に加えてよりこのバーナーを最適に使用するためには、バーナーに供給するシリカ原料化合物と酸素との混合比は、シリカ原料化合物が酸素量論量の１．３倍モル以上、特に好ましくは２．０〜３．０倍モルの範囲であることが好ましい。

また、このバーナーに供給するシリカ原料化合物（シラン又はシロキサン化合物）と水素が必要とする酸素量論量に対する実酸素量のモル比は、０．６〜１．３、特に０．７〜０．９の範囲とすることが好ましい。

更に、中心管に供給するシリカ原料化合物のガス流量は、０．３〜０．７Ｎｍ³／ｈｒ、特に０．４〜０．５Ｎｍ³／ｈｒであることが好ましい。この場合、この中心管には、酸素等の支燃性ガスを２．０〜４．０Ｎｍ³／ｈｒ、特に２．５〜３．５Ｎｍ³／ｈｒで流通させることが好ましく、またＡｒ等の不活性ガスを流通させることができる。
上記第１の包囲管を流れる支燃性ガス流量は０．３〜２．５Ｎｍ³／ｈｒ、第２の包囲管を流れる可燃性ガス流量は１２〜１５Ｎｍ³／ｈｒ、外殻管を流れる可燃性ガス流量は２０〜２５Ｎｍ³／ｈｒ、ノズルを流れる支燃性ガスの総流量は１０〜１６Ｎｍ³／ｈｒ、また、上記二重管には支燃性ガス流量２〜５Ｎｍ³／ｈｒにおいて供給することが好ましく、そのガス流速は０．５〜１．３ｍ／ｓｅｃとすることが好ましい。

上記のようにバーナーに所用のガスを供給することにより、シリカ原料化合物は、酸水素火炎によって気相加水分解又は酸化分解されてシリカ微粒子を生成し、上記ターゲット上に堆積される。そして、これを溶融ガラス化するが、成長面でのガラス化温度は、成長面で温度分布を有しており、この時の最低温度が１，８００℃以上、好ましくは２，０００℃以上（なお、上限は２，５００℃以下、好ましくは２，４００℃以下である）にすることによって、合成石英ガラスの波長１９３．４ｎｍでの内部透過率を９９．７０％以上に保つ領域を広げることが可能になる。この成長面の溶融ガラス化温度に大きく寄与するのが上記の如く本発明の合成石英ガラス製造用バーナーを使用し、最適な酸水素等のガスバランスにすることである。

即ち、本発明者らは、成長面の溶融ガラス化温度と透過率との関係において、溶融面温度が波長２００ｎｍより短波長、特にはＡｒＦ（１９３．４ｎｍ）の波長での透過率に影響を与えることを知見した。つまり、溶融ガラス化温度がより高温であれば、内部透過率も９９．７０％以上を維持できる。また、同様にこの条件範囲内で合成石英ガラス中に含有される水素分子含有量も３×１０¹⁸分子数／ｃｍ³以上に保つことが可能になり、エキシマレーザー照射時の長期的安定性（透過率劣化抑制）も十分維持できる。また、合成石英ガラスインゴットも直径１５０ｍｍ以上、特に１５０〜５００ｍｍ、とりわけ２００〜３００ｍｍの大口径なインゴットの製造も可能になった。

ここで、本発明の合成石英ガラス製造用バーナーを用いて製造された合成石英ガラスインゴットは、波長１９３．４ｎｍにおける内部透過率が、例えば、インゴットを輪切りにした状態でその全面が９９．７０％以上であることが好ましい。また、ガラス中のＯＨ基量が５００〜１，３００ｐｐｍ、特に８００〜９００ｐｐｍであることが好ましい。更に、水素分子濃度が３×１０¹⁸分子数／ｃｍ³以上、特に３×１０¹⁸〜６×１０¹⁸分子数／ｃｍ³、とりわけ３×１０¹⁸〜５×１０¹⁸分子数／ｃｍ³であることが耐レーザー性の点より好ましい。また、本発明のバーナーを用いることにより、大口径な合成石英ガラスインゴットを製造することができるため、液晶用大型ガラス基板用部材としても使用可能となり、好ましい。

更に、得られた合成石英ガラスインゴットは、円筒研削等を施した後、マスク基板用として１，７００〜１，８００℃の範囲で加熱溶融して四角いブロック状に熱間成型し、１，０００〜１，３００℃の範囲内で歪除去のためのアニール処理後、スライス、研磨によって合成石英ガラス基板とすることができる。また、光学用レンズ材用とする場合には、合成石英ガラスインゴットに均質化処理を実施することにより、三方向において脈理がない合成石英ガラスが得られる。即ち、得られた合成石英ガラスインゴットの両端を旋盤に把持した合成石英ガラス棒（足場管）に溶接し、直径８０ｍｍに延伸してから、一方の端部を酸水素バーナーで１，７００℃以上、好ましくは１，８００℃以上で強熱し、溶融帯域を形成した後、左右のチャックの回転数を変えて、溶融帯域に剪断応力を与えることで石英ガラスインゴットを均質化しつつ、バーナーを一方の端部から他方の端部まで移動させることによりインゴット成長面内のＯＨ基濃度及び水素濃度を均質化する（帯域溶融法による均質化）。得られた合成石英ガラスを所望のサイズに成型した後、均一な仮想温度（ＦＴ）にするためのアニール処理を加えることが好ましい。なお、アニール処理は常法によって行うことができる。

このようにして得られた合成石英ガラス部材は、ＬＳＩ分野のエキシマレーザー用レンズ等、フォトマスク用合成石英ガラス基板や、ステッパーの照明系レンズ、投影光学用レンズ、窓材、ミラー、ビームスプリッター、プリズム等の光学用石英ガラス部材や更にはＬＣＤ用の液晶用分野の大型石英ガラス基板用部材、例えばカラーフィルター用基板、防塵ガラス用基板、対向用ガラス基板等としても使用される。

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、下記例で、内部透過率の測定方法は以下の通りである。
内部透過率：紫外分光光度法により測定した（バリアン社製、Ｃａｒｙ４００）。

［実施例、比較例］
原料としてメチルトリメトキシシランを本発明の合成石英ガラス製造用バーナー（図１）と従来型の合成石英ガラス製造用バーナー（図３）に供給し、酸水素火炎にて酸化又は燃焼分解させてシリカ微粒子を生成させ、これを回転している石英製ターゲット上に堆積すると同時に溶融ガラス化して合成石英ガラス部材を得た。

この場合、図４に示したように、回転する耐熱性基体１１上に石英ガラス製ターゲット１２を取り付ける一方、原料蒸発器１３内に入れたメチルトリメトキシシラン１４にアルゴンガス１５を導入し、このアルゴンガス１５にメチルトリメトキシシラン１４の蒸気を随伴させ、かつこれに酸素ガス１６を混合した混合ガスを主バーナー１７の中心ノズルに供給すると共に、この主バーナー１７には、更に上記混合ガスを中心にして順次内側から外側に酸素ガス１８、水素ガス１９、水素ガス２０、酸素ガス２１、酸素ガス２２を供給し、主バーナー１７から上記原料メチルトリメトキシシラン１４、酸水素火炎２３をターゲット１２に向けて噴出して、シリカ微粒子２４をターゲット１２に堆積させ、同時に溶融透明ガラス化させて合成石英ガラスインゴット２５を得た。得られた合成石英ガラスインゴットのサイズは、直径１５０ｍｍ×５００ｍｍであった。なお、二重管から流通させる支燃性ガスの流速は０．６ｍ／ｓｅｃであり、実施例及び比較例のバーナーのノズル断面積、断面積比、ガス供給条件を表１に示す。

注：断面積比は、第２の包囲管と外殻管との間の中空部面積に対するノズル群の中空部総
面積の割合を示す。

次に、この実施例及び比較例から作製した合成石英ガラスインゴットから輪切りに切断し、鏡面加工後、このガラス体の中心部から外周部にかけての１９３．４ｎｍにおける初期透過率分布を紫外分光光度法により測定した（バリアン社製、Ｃａｒｙ４００）。これを図５に示した。

本発明による実施例に係る合成石英ガラス製造用バーナーのガス噴出し口の横断面図を示す。 本発明による実施例に係る合成石英ガラス製造用バーナーの縦断面図を示す。 比較例に係る従来型の合成石英ガラス製造用バーナーのガス噴出し口の横断面図を示す。 本発明の合成石英ガラスの製造装置の一例を示す概略図である。 実施例及び比較例で得られた合成石英ガラスインゴットの径方向面での初期透過率分布を示す。

符号の説明

１ 多重管
２ 中心管
３ 第１の包囲管
４ 第２の包囲管
５ 外殻管
６ ノズル
７ 主バーナー
８ 石英製二重管
９ 石英製二重管外側管
１０ 石英製二重管の内側管
１１ 耐熱性基材
１２ 合成石英ガラス製ターゲット
１３ 原料蒸発器
１４ メチルトリメトキシシラン
１５ アルゴンガス
１６ 酸素ガス
１７ 主バーナー
１８ 酸素ガス
１９ 水素ガス
２０ 水素ガス
２１ 酸素ガス
２２ 酸素ガス
２３ 酸水素火炎
２４ シリカ微粒子
２５ 合成石英ガラスインゴット

Claims (8)

1. シリカ原料化合物を供給する中心管、この中心管を囲繞し、支燃性ガスを供給する第１の包囲管、この第１の包囲管を囲繞し、可燃性ガスを供給する第２の包囲管を備えた少なくとも三重管構造を有する多重管と、この多重管を囲繞し、可燃性ガスを供給する外殻管と、この外殻管内に配設され、支燃性ガスを供給する複数のノズルから構成される主バーナーにおいて、該主バーナーの少なくとも先端口部側を包囲する二重管を設けるように構成してなることを特徴とする合成石英ガラス製造用バーナー。
2. 二重管が外側管とその内側に配設された内側管とからなり、上記外側管が上記主バーナーの先端口部を包囲してこれより前方に突出していると共に、内側管の先端部が、該主バーナーの先端口部と同一位置又はこれより後部位置にあることを特徴とする請求項１記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
3. 該主バーナーを包囲する二重管内が、支燃性ガス通路として形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
4. 前記外殻管内に配設される複数のノズルのガス噴出し部の総断面積（ノズルの中空部における断面積の総和）が、多重管と外殻管との間のガス噴出し部の断面積（多重管と外殻管との間の中空部における断面積（第１のノズルが配設されていないとした場合の多重管と外殻管との間の中空部総面積））に占める比率として５〜２０％である請求項１，２又は３記載の合成石英ガラス製造用バーナー。
5. シリカ原料化合物を供給する中心管、この中心管を囲繞し、支燃性ガスを供給する第１の包囲管、この第１の包囲管を囲繞し、可燃性ガスを供給する第２の包囲管を備えた少なくとも三重管構造を有する多重管と、この多重管を囲繞し、可燃性ガスを供給する外殻管と、この外殻管内に配設され、支燃性ガスを供給する複数のノズルから構成される主バーナー、及び該主バーナーの少なくとも先端口部側を包囲する二重管を設けた合成石英ガラス製造用バーナーを、回転する基体上に取り付けられた石英ガラス製ターゲットに向けて配設し、上記バーナーの中心管よりシリカ原料化合物を供給すると共に、第１の包囲管及びノズルから支燃性ガスを供給し、第２の包囲管及び外殻管から可燃性ガスを供給し、かつ二重管から支燃性ガスを供給し、上記支燃性ガスと可燃性ガスとから形成される酸水素火炎によってシリカ原料化合物を気相加水分解又は酸化分解することで得られるシリカ微粒子を上記ターゲット上に堆積させ、これを溶融ガラス化することを特徴とする合成石英ガラスインゴットの製造方法。
6. シリカ原料化合物がシラン又はシロキサン化合物であり、支燃性ガスが酸素であり、可燃性ガスが水素であり、バーナーに供給するシリカ原料化合物と酸素との割合として、シリカ原料化合物が酸素量論量の１．３倍モル以上であると共に、バーナーに供給するシリカ原料化合物と水素が必要とする酸素量論量に対する実酸素量のモル比が０．６〜１．３である請求項５記載の製造方法。
7. 二重管から流通させる支燃性ガスの流速が０．５〜１．３ｍ／ｓｅｃである請求項５又は６記載の製造方法。
8. インゴットの直径が１５０ｍｍ以上である請求項５，６又は７記載の製造方法。
   

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