JP2008189547A - 合成石英ガラスおよびその製造方法 - Google Patents

合成石英ガラスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】波長157.6nmおける光透過率が安定している合成石英ガラスを得る。
【解決手段】(a)ガラス形成原料を火炎加水分解して得られる石英ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて多孔質石英ガラスを形成する工程と、(b)該多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減を行う工程と、(c)該多孔質石英ガラスを、フッ素化合物含有雰囲気下にて処理し、多孔質石英ガラスにフッ素をドープする工程と、(d)該多孔質石英ガラスを、メタル炉にて、1300℃以上の温度に昇温して透明ガラス化し、フッ素を含有した実質的に酸素欠乏型欠陥を含有しない透明石英ガラス体を得る工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、波長180nm以下の光を光源とする光学装置の光学部材用合成石英ガラスおよびその製造方法に関する。より詳細には、Xeエキシマランプ(波長172nm)や重水素ランプ(波長170〜400nm)、Fレーザ(波長157nm)等を光源とした光学装置の、レンズ(投影系、照明系)、プリズム、エタロン、回折格子、フォトマスク、ペリクル(ペリクル材、ペリクルフレームまたはその両者)、窓材などの光学部品材料として用いられる光学部材用合成石英ガラスとその製造方法に関する。
従来から光リソグラフィ技術において、ウエハ上に微細な回路パターンを転写して集積回路を製造するための露光装置が広く利用されている。集積回路の高集積化および高機能化に伴い、集積回路の微細化が進み、高解像度の回路パターンを深い焦点深度でウエハ面上に結像させることが露光装置に求められ、露光光源の短波長化が進められている。露光光源は、従来のg線(波長436nm)やi線(波長365nm)から進んで、KrFエキシマレーザ(波長248nm)やArFエキシマレーザ(波長193nm)が用いられようとしている。またさらに回路パターンが100nm以下となる次世代の集積回路に対応するため、露光光源としてFレーザ(波長157.6nm)を用いることが検討され始めている。
こうした光源を用いた光学装置に使用される光学部材に対して、使用波長域での光透過性(以下、単に「真空紫外線透過性」という)に安定して優れることが要求される。
真空紫外線透過性の向上を図るためには、合成石英ガラス中のOH基含有量を所定の範囲内にする必要があり、例えば特開平8−75901公報において、OH基含有量が10ppb〜100ppmでありかつフッ素含有量が100ppm以上であることを特徴とする合成石英ガラスが提案されている。
前記特開平8−75901公報において、このような合成石英ガラスの製造方法として、珪素化合物を火炎中で加水分解してガラス微粒子を得、該ガラス微粒子を堆積させて多孔質石英ガラスを形成し、次いでフッ素含有雰囲気中で多孔質石英ガラスを加熱処理した後、透明化してフッ素ドープされた合成石英ガラスを得ることを特徴とする合成石英ガラスの製造方法が提案されている。しかしながらこの方法は、多孔質石英ガラスをフッ素含有雰囲気で加熱処理することによりそのOH基含有量を低減するものであり、続く透明ガラス化工程で酸素欠乏型欠陥が生成する場合があり得、真空紫外線透過性に優れた合成石英ガラスを安定して製造することができない。
また透明ガラス化工程以前の工程にて生成した酸素欠乏型欠陥を修復するために、透明合成石英ガラスブロックを酸素ガス含有雰囲気中にて加熱処理する方法も同公報には提案されているが、その処理には非常に時間を要すること、酸素過剰型欠陥が生成し真空紫外域光透過性や耐光性が損なわれる場合があるなどの問題があった。
また特開2001−89170公報においては、多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減処理、またはフッ素ドープ処理の後、あるいはこれらの処理を実施する際に、酸素ガスを含んだ雰囲気中で多孔質石英ガラスを処理することにより、酸素欠乏型欠陥を修復する方法が提案されている。しかしこの場合も酸素過剰型欠陥が生成する場合があり問題であった。
特開平8−75901号公報 特開2001−89170号公報
本発明は、優れた真空紫外線透過性を安定して発揮する合成石英ガラスおよびその製造方法の提供を目的とする。
本発明者らは、最終的に得られる合成石英ガラス体中に存在する酸素欠乏型欠陥の含有量に対して、多孔質石英ガラス中のOH基含有量を低減する工程および透明硝子化する工程の各条件が及ぼす影響を詳細に検討した結果、多孔質石英ガラスを透明ガラス化する際に使用する電気炉の種類および透明ガラス化する際の雰囲気が非常に重要であり、所定の電気炉にて透明ガラス化すれば酸素欠乏型欠陥を含まないフッ素ドープ合成石英ガラスが得られることを見出した。
そこで本発明は、波長180nm以下の光を光源とする光学装置の光学部材用合成石英ガラスの製造方法において、
(a)ガラス形成原料を火炎加水分解して得られる石英ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて多孔質石英ガラスを形成する工程と、
(b)該多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減を行う工程と、
(c)該多孔質石英ガラスを、フッ素化合物含有雰囲気下にて処理し、多孔質石英ガラスにフッ素をドープする工程と、
(d)該多孔質石英ガラスを、メタル炉にて、1300℃以上の温度に昇温して透明ガラス化し、フッ素を含有した実質的に酸素欠乏型欠陥を含有しない透明石英ガラス体を得る工程と、
を含むことを特徴とする合成石英ガラスの製造方法を提供するものである。
本発明によれば、波長157.6nmおける光透過率が安定している合成石英ガラスが得られる。
本発明の工程(a)は多孔質石英ガラスの製造工程である。
合成石英ガラスの形成原料としては、ガス化可能な原料であれば特に制限されないが、SiCl、SiHCl、SiHCl、SiCHClなどの塩化物、SiF、SiHF、SiHなどのフッ化物、SiBr、SiHBrなどの臭化物、SiIなどの沃化物といったハロゲン化珪素化合物、またはRSi(OR)4−n(ここにRは炭素数1〜4のアルキル基、nは0〜3の整数)で示されるアルコキシシランや(CHSi−O−Si(CHなどのハロゲンを含まない珪素化合物が挙げられる。
本発明の工程(b)は、OH基含有量を低減する工程である。
多孔質石英ガラスに含まれるOH基の含有量を低減するためには、いくつかの方法が可能である。具体的には、以下の方法が例示できるが、本発明は、これらに限定されるものではない。
(方法1)該多孔質石英ガラスをフッ素化合物含有雰囲気下に保持する。この場合はフッ素ドープが同時に行われる。
(方法2)該多孔質石英ガラスを塩素化合物含有雰囲気下に保持する。
(方法3)該多孔質石英ガラスを一酸化炭素含有雰囲気下に保持する。
(方法4)該多孔質石英ガラスを水素ガス含有雰囲気下に保持する。この場合は、多孔質石英ガラスに水素がドープされる。したがって、必要に応じて、ドープされた水素の含有量低減処理が併用される。
これら4つの方法の中では、最終的に得られる合成石英ガラス中の残留塩素含有量が少ないことや安全性が高いことから、方法1または方法4が好ましい。
また本発明において、OH基含有量制御工程を実施する際の多孔質石英ガラスの平均かさ密度は1.6g/cm以下、かさ密度分布(すなわち、多孔質石英ガラスの成長軸方向に垂直な断面において、外周から20mmを除いた領域内でのかさ密度の最大と最小との差)は0.6g/cm以下であることが好ましい。これは、多孔質石英ガラスの形成条件を調整したり、あるいは多孔質石英ガラスの製造工程とOH基含有量を低減する工程との間で多孔質石英ガラスを1000℃〜1500℃の範囲内にて加熱したりして、行える。
OH基含有量制御工程における、多孔質石英ガラスの平均かさ密度を前記範囲内とすることにより、多孔質石英ガラス中のOH基含有量を充分に制御することができ、また、この後のフッ素ドープ工程におけるフッ素ドープを充分に行うことができる。またかさ密度分布を前記範囲内とすることにより、最終的に得られた合成石英ガラス体中のOH基含有量やフッ素含有量に分布が生じにくく、屈折率や光透過率の均一性が向上する。
本発明の工程(c)は、フッ素ドープ工程である。
フッ素をドープするためには、多孔質石英ガラスをフッ素化合物含有雰囲気中に保持する。フッ素化合物含有雰囲気としては、含フッ素ガス(例えばSiF、SF、CHF、CF、Fなど)を0.1〜50体積%含有する不活性ガス雰囲気が好ましい。雰囲気温度は室温〜1300℃が好ましい。また、雰囲気圧力100Pa〜101kPa(101kPa=大気圧)が好ましい。さらに、保持時間は、数十分〜数十時間が好ましい。
この場合、多孔質石英ガラスへ均一に短時間でフッ素をドープできることから、減圧下(100Torr(13.3kPa)以下、特に10Torr(1.33kPa)以下が好ましい。)で保持した状態で含フッ素ガスを常圧になるまで導入し、フッ素化合物含有雰囲気とすることが好ましい。また400℃以上の高温でフッ素ドープする場合には、酸素欠乏型欠陥などの還元型欠陥が生成しやすくなる。このため、400℃以上の高温でフッ素ドープする場合は、含フッ素ガスの他に酸素ガスを含んだ不活性ガス雰囲気下で多孔質石英ガラスを保持し、還元型欠陥の生成を防ぐことが好ましい。
本発明の工程(d)は、透明ガラス化工程である。
透明ガラス化は、多孔質石英ガラスを所定の透明ガラス化温度で所定時間保持することにより行われる。透明ガラス化温度は、通常は1300〜1600℃であり、特に1350〜1500℃であることが好ましい。またこの際の雰囲気としては、ヘリウムや窒素などの不活性ガス100体積%の雰囲気、またはヘリウムや窒素などの不活性ガスを主成分とする雰囲気を用いることができる。圧力については、減圧または常圧であればよい。特に常圧の場合にはヘリウムガスを用いることができる。また、減圧の場合には100Torr(13.3kPa)以下とすることが好ましい。
透明ガラス化の際に用いる電気炉としては、断熱材、試料容器、試料台およびヒーター材料がカーボンではない電気炉、通称黒鉛炉以外の炉を用いる。具体的にはタングステンまたはモリブテンを含む材料をヒーターおよびリフレクター(熱反射板や遮熱板)に用いた電気炉(以下、メタル炉ともいう)を使用できる。また、二珪化モリブテンや炭化珪素をヒーターに用い、またアルミナを主成分とする耐熱セラミックスを断熱材にそれぞれ用いた電気炉(以下、マルチ炉ともいう)を使用することができる。透明ガラス化の際の雰囲気中に酸素ガスが含まれる場合にはマルチ炉を使用することが好ましい。
本発明の方法により得られた合成石英ガラスは、露光装置用のレンズ、その他の光学部材として用いるために、光学部材として必要な屈折率均質性や低複屈折性などの光学特性を与えるための均質化、成形、アニールなどの各熱処理(以下、光学的熱処理という)を適宜行う必要がある。窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下、温度500〜1200℃、圧力101kPa(大気圧)〜1Paにて数十〜数百時間保持して、アニールを実施することにより合成石英ガラス中の三員環構造や四員環構造などの歪んだ構造を低減することができるが、合成石英ガラス中のフッ素含有量が多いほどよりより短時間のアニール処理により合成石英ガラス中の歪んだ構造を低減できる。光学的熱処理は透明ガラス化の後に行うことができる。
本発明において、合成石英ガラス中のOH基含有量は波長180nm以下の光透過率に影響を及ぼし、OH基含有量が多いほど初期真空紫外線透過性は低下する。その含有量は1ppm以下であることが好ましく、特に0.1ppm以下であることが好ましい。
本発明において、合成石英ガラス中のフッ素は、OH基と置換しOH基含有量を低減する効果を有するうえ、三員環構造、四員環構造などの歪んだ構造を低減する効果がある。具体的には本発明の合成石英ガラスはフッ素を100ppm以上、特には300ppm以上含有することが好ましい。
本発明において、合成石英ガラス中の酸素欠乏型欠陥(≡Si−Si≡(≡は、Si−O結合を示す。以下同様)、酸素過剰型欠陥(≡Si−O−O−Si≡)、≡SiH結合、溶存酸素分子などは、真空紫外光透過性および耐光性に悪影響を及ぼすため、実質的に含有しない方が好ましい。
特に、酸素欠乏欠陥は波長163nmを中心とする吸収帯を有するため、実質的に含有しないことが特に好ましい。また、酸素過剰型欠陥は、波長155〜180nmにかけてブロードな吸収帯を有するだけでなく、紫外線照射時にNBOHCを生成させる。NBOHCは紫外線照射中の赤色蛍光の原因であり、かつ180nm付近と260nm付近に吸収帯を有するため、155〜300nmの広い波長域における光透過率が損なわれる。以上のように、酸素過剰型欠陥も実質的に含有しないことが特に好ましい。
本発明において、合成石英ガラス中の三員環構造、四員環構造などの歪んだ構造は、波長165nm以下の光透過率を低下させる傾向があるため、少ない方が好ましい。具体的にはレーザラマンスペクトルにおける495cm−1の散乱ピーク強度Iおよび606cm−1の散乱ピーク強度Iが、440cm−1の散乱ピーク強度Iに対してそれぞれI/I≦0.59、I/I≦0.15であることが好ましい。
本発明において、合成石英ガラス中の塩素は、真空紫外域における光透過性および耐光性を悪化させるため、その含有量が少ない方が好ましい。具体的には合成石英ガラス中の塩素含有量は10ppm以下、特には5ppm以下、さらには実質的に含有しないことが好ましい。
本発明において、合成石英ガラス中のアルカリ金属(Na,K,Liなど)、アルカリ土類金属(Mg,Caなど)、遷移金属(Fe,Ni,Cr,Cu,Mo,W,Al,Ti,Ceなど)などの金属不純物は、紫外域から真空紫外域における透過率を低下させるだけでなく、耐紫外線性を低下させる原因ともなるため、その含有量は極力少ない方が好ましい。具体的には金属不純物の合計含有量が100ppb以下、特に50ppb以下が好ましい。
さらに本発明の方法により得られた合成石英ガラスは、耐紫外線性を向上させるために、水素分子を含有させると効果的な場合がある。具体的には合成石英ガラスを水素含有雰囲気下、600℃以下の温度で加熱処理することにより、合成石英ガラス中へ水素分子を拡散、含有させる。
水素分子は紫外線照射により生じるE’センターやNBOHCなどの常磁性欠陥を修復し波長180〜300nmにおける吸収帯の生成を抑制するはたらきを有する。波長180〜250nmの光を光源とする光学装置の光学部材として用いる場合には、水素分子を1×1017分子/cm以上含有させることが好ましい。
しかしながら、合成石英ガラス体中の水素分子は紫外線照射中の酸素欠乏型欠陥(≡Si−Si≡)生成を促進する作用があり、同欠陥は波長163nmを中心とする吸収体を有するため、波長155〜180nmの光を光源とする光学装置の光学部材として用いる場合には、用途、使用条件にもよるが、合成石英ガラス中の水素分子含有量を1×1017分子/cm以下とすることが好ましい場合がある。
[例1〜8]
表1に示すガラス形成原料、すなわち四塩化珪素またはヘキサメチルジシラザン(HMDS)を酸水素火炎中で加水分解させ、形成されたSiO微粒子を基材上に堆積させて直径350mm、長さ600mmの多孔質石英ガラス(平均かさ密度=0.5g/cm、かさ密度分布=0.3g/cm)を作製した。この多孔質石英ガラスを雰囲気制御可能な電気炉に設置し、表1に示す条件にて工程(b)および工程(c)を実施し、多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減およびフッ素ドープを行った。なお工程(b)および工程(c)の実施に際しては、多孔質石英ガラスを150Pa以下の圧力にて表1に記載の所定の温度にまで昇温した後、所定のガスを導入し、所定の雰囲気とした。
続いて、タングステンロッドヒーター、タングステンリフレクターからなる電気炉(メタル炉)に多孔質石英ガラスを入れて表1に示す条件にて透明石英ガラス体(直径180mm、長さ400mm)を作製した。
[例9〜11]
四塩化珪素を酸水素火炎中で加水分解させ、形成されたSiO微粒子を基材上に堆積させて直径350mm、長さ600mmの多孔質石英ガラス(平均かさ密度=0.5g/cm、かさ密度分布=0.3g/cm)を作製した。この多孔質石英ガラスを雰囲気制御可能な電気炉に設置し、表1に示す条件にて工程(b)および工程(c)を実施し、多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減およびフッ素ドープを行った。なお工程(b)および工程(c)の実施に際しては、多孔質石英ガラスを150Pa以下の圧力にて表1記載の所定の温度にまで昇温した後、所定のガスを導入し、所定の雰囲気とした。多孔質石英ガラスを、二珪化モリブテンヒーター、アルミナ断熱材から成る電気炉(マルチ炉)に入れて、表1に示す条件にて透明石英ガラス体(直径180mm、長さ400mm)を作製した。
[例12〜14]
四塩化珪素を酸水素火炎中で加水分解させ、形成されたSiO微粒子を基材上に堆積させて直径350mm、長さ600mmの多孔質石英ガラス(平均かさ密度=0.5g/cm、かさ密度分布=0.3g/cm)を作製した。この多孔質石英ガラスを雰囲気制御可能な電気炉に設置し、表1に示す条件にて工程(b)および工程(c)を実施し、多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減およびフッ素ドープを行った。なお工程(b)および工程(c)の実施に際しては、多孔質石英ガラスを150Pa以下の圧力にて表1記載の所定の温度にまで昇温した後、所定のガスを導入し、所定の雰囲気とした。多孔質石英ガラスを、カーボンヒーター、カーボン断熱材から成る電気炉(黒鉛炉)に入れて、表1に示す条件にて透明石英ガラス体(直径180mm、長さ400mm)を作製した。
各例で得られた透明石英ガラス体を内径240mmのカーボン製るつぼの中にセットし、同るつぼを電気炉内でアルゴンガス、100vol%、1atmにて1750℃まで昇温して、この温度にて10時間保持することにより、透明石英ガラス体の成形を行った。
各例で得られた試料について、以下の評価を行った。
(OH基含有量評価)
評価用試料の中央付近から20mm×20mm×30mm厚の試料を切り出し、20mm角の2面を鏡面研磨した。ついで評価用試料の中央付近について赤外分光光度計による測定を行い、波長2.7μmにおける吸収ピークからOH基含有量を求めた(J.P.Wiliams et.al.,Ceramic Bulletin, 55(5), 524, 1976)。本法による検出限界は0.1ppmである。
(フッ素含有量評価)
評価用試料中央付近から重量約5gの試料を切出し、フッ素含有量をフッ素イオン電極法により分析した。フッ素含有量の分析方法は下記の通りである。日本化学会誌、1972(2), 350に記載された方法に従って、合成石英ガラスを無水炭酸ナトリウムにより加熱融解し、得られた融液に蒸留水および塩酸(体積比で1:1)を加えて試料液を調整した。試料液の起電力をフッ素イオン選択性電極および比較電極としてラジオメータトレーディング社製No.945−220およびNo.945−468をそれぞれ用いてラジオメータにより測定し、フッ素イオン標準溶液を用いてあらかじめ作成した検量線に基づいて、フッ素含有量を求めた。本法による検出限界は10ppmである。
(塩素含有量評価)
評価用試料の中央付近から20mm×20mm×10mm厚の試料を切出し、20mm角の1面を鏡面研磨した。鏡面研磨した面について蛍光X線分析を行い、合成石英ガラス中の塩素含有量を求めた。本法による検出限界は10ppmである。
(波長157.6nmでの内部光透過率評価)
評価用試料の中央より20mm×20mm×5mmの試料、および20mm×20mm×30mmの試料を切り出し、それぞれ20mm角の2面を鏡面研磨し、試料の温度を25℃に保持した状態で真空紫外分光光度計(分光計器社製UV201M)により波長157.6nmでの光透過率を窒素雰囲気下にて測定した。厚み5mmおよび厚み30mmの2種類の試料の波長157.6nm光透過率T、Tより、波長157.6nmにおける内部光透過率T157.6を下記の式(1)に従って求めた。
Figure 2008189547
(酸素欠乏型欠陥の有無評価)
波長157.6nmでの内部光透過率評価にて作製した試料を用いて、試料の温度を25℃に保持した状態で真空紫外分光光度計(分光計器社製「UV201M」、以下同じ)により波長163nmでの光透過率を窒素雰囲気下にて測定し、式(2)より163nmにおける内部透過率T163を算出し、石英ガラス中のOH基濃度COH(ppm)から式(3)により計算される値Tidと比較することにより酸素欠乏型欠陥の有無を評価した。
Figure 2008189547
Figure 2008189547
酸素欠乏型欠陥があると、163nmを中心とした吸収帯があるため、上式(3)より計算される値より低くなる。
(酸素過剰型欠陥の有無評価)
評価用試料の中央付近より20mm角×10mm厚の合成石英ガラス試料を準備し試料中のOH基含有量を赤外分光光度計にて測定する。次いで同試料を水素ガス100%、101kPa,1000℃にて30時間保持し、室温まで冷却した後に、再度試料中のOH基含有量を同様の方法で測定する。熱処理前後での試料中のOH基含有量の変化量を算出し、同変化量が1ppm以下であれば、同試料中には酸素過剰型欠陥が含まれていないと判断した。
結果を表2に示す。例1〜11は実施例、例12〜14は比較例である。例1から例11までは、波長157.6nmの内部透過率が高いことわかる。
Figure 2008189547
Figure 2008189547

Claims (3)

  1. 波長180nm以下の光を光源とする光学装置の光学部材用合成石英ガラスの製造方法において、
    (a)ガラス形成原料を火炎加水分解して得られる石英ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて多孔質石英ガラスを形成する工程と、
    (b)該多孔質石英ガラスのOH基含有量の低減を行う工程と、
    (c)該多孔質石英ガラスを、フッ素化合物含有雰囲気下にて処理し、多孔質石英ガラスにフッ素をドープする工程と、
    (d)該多孔質石英ガラスを、メタル炉にて、1300℃以上の温度に昇温して透明ガラス化し、フッ素を含有した実質的に酸素欠乏型欠陥を含有しない透明石英ガラス体を得る工程と、
    を含むことを特徴とする合成石英ガラスの製造方法。
  2. 減圧下で透明ガラス化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。
  3. 1300℃〜1500℃の温度に昇温して透明ガラス化することを特徴とする請求項1または2記載の合成石英ガラスの製造方法。
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