JP2009023875A

JP2009023875A - 硝材の製造方法

Info

Publication number: JP2009023875A
Application number: JP2007188651A
Authority: JP
Inventors: Taiichiro Yamashita; 泰一郎山下
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】硝材の歩留まりを向上させてコスト低減を図ることができ、また、屈折率のばらつきΔｎが小さい大口径の硝材の製造が容易な硝材の製造方法を得る。
【解決手段】石英ガラス棒１を石英パイプ３に挿入し高温下で前記石英パイプ３を収縮させることにより両部材が互いに密着状態になされた硝材母材５を形成し、該硝材母材５をアニール後、前記硝材母材５の石英パイプ３部分を削除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ガラスレンズ等の光学素子の材料となる硝材の製造方法に関する。

光学ガラスレンズ等の光学素子の材料となる硝材は、高度に均質な屈折率分布を持つことが不可欠となる。
また、近年の紫外線リソグラフィー装置に使用される光学素子は、紫外域の高透過率性が求められるため、その材料となる硝材には、石英ガラスが使用される。また、このような石英ガラスには、屈折率のばらつきΔｎが、１０^−６程度以下の光学的に均質なものが求められている。
そのため、石英ガラスの熱処理の条件（圧力、処理温度、降温時間等）を調整することにより、屈折率のばらつきΔｎをより小さくする試みがなされている。

例えば、石英ガラスは、大気圧下で1800℃〜2200℃に昇温し熱処理を行なうと、中央部の屈折率の不均一分布は少なくなる。そして、その後、所定温度でアニールした後に、更に常温まで徐冷することにより、中央部にΔｎ＝１０^−６程度の良好な屈折率分布の硝材を得ることができる。しかしながら、冷却時の温度は、外周部と中心部とでずれが生じるため、外周部にはΔｎ＝１０^−４程度の変質層と呼ばれる不均質な部分ができてしまう。この部分は高度な均質性が要求される分野用（例えばステッパ用途）のレンズとして使用することはできないので、中央部のみを削り取るなどして均質性の十分に高い部分を選択的に用いるしかないが、これでは、下記の（ａ）、（ｂ）のような問題が生じる。

（ａ）原料の石英ガラスは高価なものであり、その原料のうち中央部のみレンズとして使用するのでは、歩留まりが悪く、最終製品はさらに高価なものとなる。
（ｂ）近年の紫外線リソグラフィーでは、レンズの解像度を高める必要があり、レンズを大口径化してＮＡを大きくすることが急務とされているが、中央部のみの均質化では、大口径のレンズを製造することが難しい。

このような問題を解消するために、屈折率のばらつきΔｎ＝１０^−５程度の光学的に不均質な石英ガラスを、ＳｉＯ_２の粉末又は塊で作った母型の中で０〜１０kg/cm^２の加圧下で熱処理をすることで、高温で保持しているときには共に溶融状態にあり、しかも、これらの物性が非常に近いことから、冷却時の温度勾配が大きくなる外周部位を、石英ガラスの外周を包む母型に受け持たせて、当初の石英ガラス部分となる中央部から周辺部の広範囲にわたる全体を良好な屈折率分布の硝材に仕上げるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１１６９６９号公報

ところが、ＳｉＯ_２微粒子を固めた母型は、微粒子間に残る微細な隙間が断熱作用を生じるため、熱伝導や温度勾配が石英ガラスとは大きく異なる不連続な性状となる。
従って、アニール処理以降の温度管理をかなり慎重に行っても、石英ガラス部分にも温度勾配が大きくなる部位が生じてしまい、石英ガラス部分の外周にΔｎの大きな変質層が残ってしまう虞がある。
そして、変質層の削除のために、相変わらず、硝材の歩留まりの低下に起因した高額化や、大口径化が難しいという問題が残った。

本発明の目的は上記課題を解消することに係り、硝材の歩留まりを向上させてコスト低減を図ることができ、また、屈折率のばらつきΔｎが小さい大口径の硝材の製造が容易な硝材の製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記した課題を解決するために、本発明による硝材の製造方法は、石英ガラス棒を石英パイプに挿入し高温下で前記石英パイプを収縮させることにより両部材が互いに密着状態となるように硝材母材を形成し、該硝材母材をアニール後、前記石英パイプ部分を削除することを特徴とする。

（２）また、上記(1)に記載の硝材の製造方法は、前記硝材母材の前記石英パイプ部分を前記石英ガラス棒との界面近傍まで、若しくは界面を含めて削除することを特徴としても良い。

（３）また、上記した課題を解決するために、本発明による硝材の製造方法は、石英ガラス棒を石英パイプに挿入し高温下で前記石英パイプを収縮させることにより両部材が互いに密着状態となるように硝材母材を形成し、該硝材母材をアニール後、前記硝材母材の屈折率のばらつきΔｎが規格となる値以上となる部分を削除することを特徴とする。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の硝材の製造方法は、前記石英パイプに前記石英ガラス棒よりも石英純度が低いものを用いていることを特徴としても良い。

本発明による硝材の製造方法によれば、石英ガラス棒が挿入された石英パイプは、所定の高温（例えば、約１８００℃）に加熱して収縮させることにより、所謂コラプス化が起こり、石英ガラス棒と石英パイプとが一体的に密着した硝材母材となる。
この硝材母材においては、外周部を提供している石英パイプと中央部を提供している石英ガラス棒は、いずれも物性が略同一の石英同士で、しかも隙間なく密着（溶着）しているため、ＳｉＯ_２の粉末で作った母型を使用した場合とは異なり、熱伝導や温度勾配の不連続性が発生しない。
即ち、この硝材母材を所定温度（例えば、１１５０℃）でアニールした後、常温まで徐冷する冷却プロセスでは、コラプス化により互いに密着状態になされた石英パイプと石英ガラス棒との間に、温度勾配の不連続点ができず、予め、石英ガラス棒の直径に対して、石英パイプの厚みを適宜に選定しておけば、冷却時の温度分布に起因して形成される外周部の変質層を石英パイプの厚み内に集約させて、当初の石英ガラス棒の範囲は、例えば、屈折率のばらつきΔｎが１０^−６程度に収まる均質層にすることができる。

以下、本発明に係る硝材の製造方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る硝材の製造方法の一実施の形態の工程説明図である。
この一実施の形態の硝材の製造方法は、まず、（ａ）及び（ｂ）に示すように、石英ガラス棒１を石英パイプ３に挿入した状態にする。
石英ガラス棒１としては、硝材に適した高純度石英ガラス製で、例えば、直径が１００〜１３０ｍｍ、長さが６０ｍｍ程度の円柱状のものを使用する。
石英パイプ３としては、石英ガラス棒１よりも石英純度が低く安価な石英ガラス製で、内径が石英ガラス棒１の直径よりも１〜数ｍｍ大きく、肉厚が後述するコラプス化後に５〜２０ｍｍ程度になる肉厚の円筒状で、長さが石英ガラス棒１と略同一のものを使用する。

これらの石英ガラス棒１の外周面や石英パイプ３の内周面は、予め、フッ化水素等でクリーニングして、表面の汚れを除去しておく。また、次工程であるコラプス化工程の前に、それぞれの面を、Ｃ１_２及びＳＦ_６などでエッチングして更に清浄化するようにしても良い。

次いで、（ｃ）に示すようにコラプス化を実施して、石英ガラス棒１と石英パイプ３を溶着一体化させた硝材母材５を得る。
コラプス化工程では、石英パイプ３を約１８００℃に加熱する一方で、石英パイプ３の内部を減圧することで石英パイプ３を収縮させて、石英ガラス棒１と石英パイプ３とを互いに密着状態となるように溶着させた硝材母材５を形成する。

次いで、（ｃ）で形成した硝材母材５を冷ました後、（ｄ）に示すように１１５０℃まで加熱して焼きならすアニール工程を実施する。
そして、アニール工程が終了したら、（ｅ）に示す徐冷工程において、毎分０．１℃の速度でゆっくりと冷却する冷却プロセスを実施する。

（ｅ）の徐冷工程で硝材母材５の温度が所定温度に下がったら、（ｆ）に示すように硝材母材５における屈折率分布を測定する。
（ｆ）において、直径Ｄ１は元の石英ガラス棒１による部分、直径Ｄ２は元の石英パイプ３部分を含めた外径であり、直径Ｄ３は屈折率特性線ＦにおいてばらつきΔｎが所定値（例えば、２ｐｐｍ以下（即ち、Δｎ≦２×１０^−６））に収まる範囲である。

次いで、（ｇ）に示すように、屈折率のばらつきが大きい直径Ｄ３の外側の部分を削除する研削工程を実施して、外周部までの屈折率のばらつきが２ｐｐｍ以下で、屈折率がほぼ均質な高品位の硝材７を得る。

なお、図（ｆ）では、屈折率のばらつきの限度（２ｐｐｍ）となる直径Ｄ３が石英パイプ３による肉厚内にあり、この直径Ｄ３の外側を屈折率分布のばらつきが大きな変質層と見なして削除するため、製造した硝材７の外周部には、直径Ｄ３の内側に入っていた石英パイプ３の部分３ａが一部残存している。
しかし、石英パイプ３には石英ガラス棒１よりも原料コストが安価な石英ガラス材を使用しているため、石英パイプ３の部分の全てを削除したものを硝材７としても、コスト的には、さほど不利にならない。

以上に説明した硝材の製造方法によれば、石英ガラス棒１が挿入された石英パイプ３は、所定の高温（例えば、約１８００℃）に加熱して収縮させることにより、所謂コラプス化が起こり、石英ガラス棒１と石英パイプ３とが互いに密着状態になされた硝材母材５となる。
この硝材母材５においては、外周部を提供している石英パイプ３と中央部を提供している石英ガラス棒１は、いずれも物性が略同一の石英同士で、しかも隙間なく密着（溶着）しているため、ＳｉＯ_２微粒子を固めた母型を使用した場合とは異なり、熱伝導や温度勾配の不連続性が発生しない。
即ち、この硝材母材５を所定温度（例えば、１１５０℃）でアニールした後、常温まで徐冷する冷却プロセスでは、コラプス化により互いに密着状態になされた石英パイプ３と石英ガラス棒１との間に、温度勾配の不連続点ができず、予め、石英ガラス棒１の直径に対して、石英パイプ３の厚みを適宜に選定しておけば、冷却時の温度分布に起因して形成される外周部の変質層を石英パイプ３の厚み内に集約させて、当初の石英ガラス棒１の範囲は、例えば、屈折率のばらつきΔｎが１０^−６程度に収まる均質層にすることができる。

従って、冷却プロセス後に、石英パイプ３の部分を石英ガラス棒１との界面近傍まで、若しくは界面を含めて削除することで、高度に均質な屈折率分布の硝材を得ることができる。

そして、最終的に硝材７とする石英ガラス棒１は、硝材に適した高純度石英材により形成されたものを使用するが、石英パイプ３部分には、予め、石英ガラス棒１よりも石英純度が低く安価な石英材を採用しておくことで、冷却プロセス後の削除域を、原料コストの安価な石英パイプ３に止めることができ、原料コストの高い石英ガラス棒１による硝材の歩留まりを向上させてコスト低減を図ることができる。

また、硝材７となる石英ガラス棒１は、冷却プロセスで外周が変質層にならないため、当初の石英ガラス棒１の口径に応じた硝材を得ることができ、石英ガラス棒１として口径の大きなものを採用することにより、屈折率のばらつきが小さい大口径の硝材の製造が容易になる。

なお、過去の製造ロット等における実績等により、石英パイプ３の肉厚を適宜に選定しておけば、アニール工程後の硝材母材５において、屈折率のばらつきの限度（２ｐｐｍ）となる直径Ｄ３の範囲が、石英パイプ３の肉厚内に収まることが明らかな場合には、（ｆ）に示した屈折率分布測定工程を省略して、（ｅ）の徐冷工程の次に、直接、（ｇ）の研削工程を実施するようにしても良い。
その場合に、石英パイプ３部分を全て削除するようにすれば、より確実に、屈折率が均質な硝材７を得ることができる。

また、（ｃ）のコラプス化工程により石英ガラス棒と石英パイプとが互いに密着状態になされた硝材母材５は、次のアニール工程を実施する前に、加圧成形して、外径を所望に拡径してもよい。このようにすることによって、当初に用意した石英ガラス棒１の外径以上の口径の硝材７を得ることが可能になる。

本発明に係る硝材の製造方法の一実施の形態の工程説明図である。

符号の説明

１石英ガラス棒
３石英パイプ
５硝材母材
７硝材

Claims

石英ガラス棒を石英パイプに挿入し高温下で前記石英パイプを収縮させることにより両部材が互いに密着状態となるように硝材母材を形成し、該硝材母材をアニール後、前記石英パイプ部分を削除することを特徴とする硝材の製造方法。
前記硝材母材の前記石英パイプ部分を前記石英ガラス棒との界面近傍まで、若しくは界面を含めて削除することを特徴とする請求項１に記載の硝材の製造方法。
石英ガラス棒を石英パイプに挿入し高温下で前記石英パイプを収縮させることにより両部材が互いに密着状態となるように硝材母材を形成し、該硝材母材をアニール後、前記硝材母材の屈折率のばらつきΔｎが規格となる値以上となる部分を削除することを特徴とする硝材の製造方法。
前記石英パイプに前記石英ガラス棒よりも石英純度が低いものを用いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の硝材の製造方法。