JP3401942B2

JP3401942B2 - 合成石英ガラス製造装置

Info

Publication number: JP3401942B2
Application number: JP24244994A
Authority: JP
Inventors: 昭司矢島; 潤高野; 和博中川; 弘之平岩
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 2003-04-28
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH08109026A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は合成石英ガラスの製造装
置、特に合成石英ガラス製造装置の排気管内へのシリカ
微粒子等の付着を防止した、紫外線リソグラフィー用光
学素子として使用可能な合成石英ガラス光学部材を製造
する製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＬＳＩの高集積化にともない、シ
リコンウエハ上に集積回路を露光、転写する光リソグラ
フィー露光装置における微細パターン化が進められてい
る。そのため、光源の短波長化が進められ、紫外線リソ
グラフィーの光学素子としての石英ガラスには、紫外域
の高透過性と屈折率の高均質性が要求されている。紫外
域の高透過性を実現するためには、石英ガラス中の不純
物濃度を抑えることが必要となる。そこで、石英ガラス
の原料となるケイ素化合物ガスとケイ素化合物ガスを送
るキャリアガス（Ｈ₂、もしくはＯ₂ガス）、および、加
熱のための燃焼ガスをバーナーから流出し、火炎内で石
英ガラスを堆積させる火炎加水分解法が一般的に用いら
れている。

【０００３】この方法は、原料、燃焼ガスの不純物を抑
えることが容易なため、高純度な石英ガラスを得られる
ことが知られているが、この種の石英ガラスには、屈折
率分布を持つことも知られている。石英ガラスの屈折率
分布が均質にならない主な原因は、石英ガラスを合成す
る際に生ずるさまざまな条件のゆらぎ、例えば、火炎に
よる合成面の温度分布の変化、石英ガラスへの不純物の
拡散状態の変化等のためである。これらの因子、すなわ
ち合成時に石英ガラスが受けた熱的条件や化学反応、不
純物の拡散等は結果的に石英ガラス内に脈理と呼ばれる
成長縞や、径方向の屈折率に分布をもたらすことが知ら
れている。

【０００４】合成石英ガラスの製造装置は、大きく分け
て、炉の一部が大気に開放された開放系の製造装置と、
炉内を大気と遮断した密閉系の製造装置とがある。これ
らは、それぞれ用途によって使い分けられる。たとえ
ば、石英ガラスにＳｉＯ₂以外の成分をドープするよう
な場合、反応により生成する有毒ガスが炉外に流出しな
いように密閉系の製造装置を使用する。また、大口径の
光学部材用の石英ガラスを製造するにはインゴットも大
口径化するが、この場合には炉内の雰囲気を均一に保つ
ことが容易な開放系の製造装置を使用する。

【０００５】図２には、火炎加水分解法により石英ガラ
スを合成するための炉が開放系の製造装置の一例を示
す。開放系の製造装置は、炉の一部が大気に常時開放さ
れている構造を持つ。具体的には、炉と、該炉内部に設
置された耐火物と、該耐火物内部に設置されたインゴッ
ト形成用のターゲットと、ターゲットに先端を向けて設
置された石英ガラス合成用のバーナーと、ターゲット上
に堆積されなかったシリカ微粒子を排気する排気手段と
からなる。この装置を用いて、火炎加水分解法によりタ
ーゲットを鉛直軸を中心に回転させながらこの上にシリ
カ微粒子を堆積させ、堆積速度に合わせてバーナーから
インゴット上部の合成面までの距離を一定に保つよう引
き下げながら合成石英ガラスの製造を行う。バーナーか
らインゴットの合成面までの距離を一定にするのは、距
離の変化に応じて合成面の温度やＯＨ、Ｃｌなどの濃度
が変化し、これらが石英ガラスの屈折率分布に影響を及
ぼすからである。そこで、バーナーからインゴットの合
成面までの距離を一定に保つことにより、合成される石
英ガラスの屈折率分布を小さくすることができる。

【０００６】インゴットの成長に伴い、バーナーとの距
離を一定にするためにターゲットを引き下げるが、この
ときインゴット下部は炉内部から炉外に出される。つま
り、炉の下方が大気に開放されている。開放系の製造装
置の利点は、上述した、大口径のインゴットの合成に有
利であることの他に、炉内の圧力を一定に保つのが容易
であること、大気導入量や導入経路をコントロールする
ことによりインゴットを冷却することが可能となり安定
なインゴット形状の保持を行えること等が挙げられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】インゴットの成長方向
の屈折率分布を小さくするには、石英ガラス合成用のバ
ーナーから合成面までの距離を一定に保つだけでは不充
分である。これは、バーナーから合成面までの距離を一
定にしても、合成面の温度が一定になっていないことが
原因である。

【０００８】そこで、合成面の温度を管理するべく、さ
まざまな工夫がなされている。たとえば、特開平5-9745
2号では、赤外線放射温度計で温度モニターをすること
により、合成面の温度管理を行っている。これにより、
合成面の温度を測定した上で、このデータをフィードバ
ックして、合成面の温度を±１０℃以下に保持し成長方
向の屈折率分布を均質にしようとする試みがなされてい
る。

【０００９】しかしながら、この様な温度モニターによ
る合成面の温度管理では、測温時に窓を開けることによ
り炉内へ何らかの影響が生じ、インゴットの合成面にも
温度変化が生じてしまう。つまり、温度モニターにより
常時炉内の温度を管理することは、炉内の雰囲気や温度
に影響を及ぼし、正確に温度計測を行うことは非常に難
しい。

【００１０】本発明は、このような従来の合成石英ガラ
ス製造装置の欠点を解消し、紫外域の光透過性と屈折率
分布の均質性に優れた合成石英ガラスを合成するための
製造装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、火炎加水分解法
により合成石英ガラスを製造する装置の基本構造を再検
討した結果、合成時にインゴットの成長方向の屈折率分
布に変化を生じさせないように、合成面の温度の経時変
化を制御する上で、排気手段の位置及び排気効率が重要
であることがわかった。

【００１２】ここで、実際の製造過程における排気につ
いて述べる。一般に、石英ガラス合成用のバーナーから
供給されたケイ素化合物は、加水分解されてシリカ微粒
子を生成するが、その全てが合成石英ガラスとして堆積
されるわけではなく、２０〜５０％は排気ガスとして排
気ファンにより排気ラインへと導かれる。この様に、排
気ガス内にはスート状のシリカ微粒子（以下スートと
略）として含有されているため、排気ファン及び排気ラ
イン内にこれが付着、離脱することにより、排気ライン
の実質的な内径が経時的に変化するという問題がある。

【００１３】そこで、本発明者らは、排気手段について
鋭意研究を行った結果、炉内の耐火物に複数の排気口
（穴）を設け、その部分からターゲットに堆積されなか
ったスートを排気するための排気手段を設けることによ
り、局所排気に比べ炉内温度分布の変化、すなわち合成
面の温度分布の変化を最小限に抑えることが可能となる
ことがわかった。

【００１４】よって、本発明は第１に、耐火物に複数の
排気口を設けた合成石英ガラスの製造装置を提供する。
複数の排気口は、耐火物の高さの異なる位置に複数設け
ると効果的である。ターゲットを回転させて合成を行う
場合には、インゴットの径方向は回転により排気状態が
保たれるが、インゴットの成長方向の排気の状態は排気
口の位置に大きく依存し、排気口の位置によっては、イ
ンゴットの成長方向に屈折率分布をもたらすからであ
る。

【００１５】インゴットの直径を２ｒとし、かつインゴ
ットの合成面から排気口までの距離をａとしたとき、耐
火物に設けられた排気口の位置が１．０ｒ＜ａ＜２．５
ｒの範囲とすることが好ましい。ここで言う排気口の位
置とは、排気口の中心であり、排気ガスの流速が早い位
置である。排気口が合成面に近いと排気による冷却でイ
ンゴット形状の保持、スートのインゴットへの付着の防
止効果が期待できるが、あまり近すぎると合成面の温度
を下げてしまう。また、排気口の位置が炉床に近くなる
と、排気ガスの排気経路が長くなり、排気効率が低下す
るので、上記範囲が望ましい。

【００１６】また、本発明は第２に、耐火物に設けられ
た排気口と、除害装置と、排気ファンとを有し、これら
が排気ラインにより連設されている排気手段を有する合
成石英ガラスの製造装置を提供する。除害装置とは、タ
ーゲットに堆積されなかったシリカ微粒子と合成により
生成されるＨＣｌが大気中に放出されないよう、排気か
ら取り除くための装置である。

【００１７】排気口と除害装置との間の排気ラインを複
数とすることや、除害装置と排気ファンとの間の排気ラ
インを複数とすることにより、排気ファン及び排気ライ
ン内にスートが付着、離脱することによる炉内への排気
状態の変化の影響を少なくすることができる。

【００１８】

【作用】本発明がどの様にして排気手段の排気流量を一
定に保持し、炉内温度を制御することができるかを説明
する。開放系の合成石英ガラスの製造装置において、絶
対的な排気流量が増加すればその分を炉床の開口部から
大気を取り込むことになり、炉内温度は低下する。この
ため、排気流量は炉内及び合成面の温度にも変化を与
え、成長方向の屈折率分布の原因となっていた。

【００１９】前記したように、火炎加水分解法により石
英ガラスを合成する場合において、ターゲットに堆積さ
れなかったスートは排気ガスと共に排気される。この
際、スートの一部は排気ライン内に付着し、成長する。
この影響により、ライン内のスートが付着した部分の圧
力が上昇し、一定の量に達すると、この圧力増加に伴い
スートが離脱する。この際、排気有効内径が変化し、排
気効率を突発的に上げることになる。この突発的な変化
は炉内温度に変化をもたらす。

【００２０】そこで、合成石英ガラスの製造装置におい
て、耐火物に複数の排気口を設けることにより、局所排
気型から分散排気型にし、１つの排気口に対する排気の
依存率を下げることで、変動を見かけ上軽減させ、炉内
温度の分布を緩和することができる。また、この装置に
よれば排気口の絶対的に必要な面積を確保しながら炉内
温度分布に応じた排気口を設けることができる。

【００２１】また、インゴットの合成面と排気口との位
置を考えたとき、位置が近いほどスートやガスの排気が
スムーズに行われるが、合成面近くは炉内温度の高い部
分であり、この部分に排気口が近いと炉内温度を低下さ
せ、さらにはインゴット合成面の温度を低下させること
になる。それにより、合成面と周辺部で温度差が生じ、
屈折率分布の原因となる。そこで、本発明においては、
図４に示すようにインゴットの直径を２ｒとし、かつイ
ンゴットの合成面から排気口までの距離をａとしたと
き、１．０ｒ＜ａ＜２．５ｒの範囲とすることにより、
炉内温度を下げずに排気を効率的かつスムーズに行うこ
とができる。

【００２２】インゴットの径方向の温度分布にはターゲ
ットを回転して合成を行っているため、排気口が１つで
も影響がない。しかし、排気口に付着したスートの離脱
する絶対量が多いため、炉内温度に影響を与えてしま
う。よって、耐火物の排気口は複数必要である。次に、
排気口から連設される排気手段について説明する。

【００２３】従来使用していた排気手段は、排気口、排
気ファン、除害装置の順に連設され、さらに排気口に対
して排気ラインが単一な構造であった。しかしながら、
排気されるガスは高温であり、腐食性雰囲気の強いもの
であり、排気ファンの耐久性が問題となる。さらに、排
気ガスと共に排気されるスートがファンに付着すると、
排気効率を低下させる原因になる。

【００２４】そこで、本発明においては、排気口と排気
ファンとの間に除害装置を設けることにより、排気ファ
ンにかかるダメージを低減し、排気効率を向上した。ま
た、排気口に対して排気ラインが単一な構造であると、
排気されたスートが排気口、排気ライン等から離脱する
とき、直接的に炉内の温度変動を引き起こし、同時に合
成面の温度変化に影響を与えていた。これにより、合成
されたインゴットの成長方向の屈折率分布を小さくする
ことは困難であった。

【００２５】この問題点を改善するため、排気ラインを
除害装置前後で区切って検討した。その結果、前後各々
の排気ラインにおいて、排気ラインを複数設け、各ライ
ンに排気ファンを設置することを考えた。本発明の排気
手段の一例として、排気口と除害装置の間の排気ライン
数が１つで除害装置と排気ファンとの間の排気ライン数
が４つの場合の概略図を図１に、排気口と除害装置の間
の排気ライン数が４つで除害装置と排気ファンとの間の
排気ライン数が４つの場合の概略図を図３に示す。

【００２６】図１は除害装置が１台のため、合成石英ガ
ラス製造装置の設備コスト面及び除害装置の設置場所等
を考えると図３の場合より有利である。しかしながら、
排気流量の安定という面からすると、最もスートの付着
する量の多い炉付近からの排気ラインを複数所有してい
る図３の方が有利である。この様に除害装置前後の排気
ライン数、除害装置数及びファン数の組み合わせは、こ
れに限られず考えられる。上記構造においては、図１の
方が排気流量の安定の差を差し引いても工業的に考えて
有力であると考えられる。

【００２７】本発明の複数の排気ラインによる効果は、
除害装置前後の排気ライン数１・４ライン及び４・４の
各構成において、炉内温度の変動を比較して評価した。
これは、排気流量が増加すれば炉内温度は下がり、減少
すれば炉内温度は上がるという対応があるためである。
その結果、除害装置前の排気ラインが４本ある方が炉内
温度の変動が少なくなった。これは、以下のように説明
づけられる。

【００２８】各排気ライン及びファンに付着するスート
の量は、１／（排気ライン数）に減少する。また、各離
脱量も同様に１／（排気ライン数）に減少する。よっ
て、排気有効内径の変化が少なく、各ラインのスートの
離脱量にも時間的ずれが生じるため、互いに排気流量の
変動を打ち消し合い、全体の排気流量の変動が減少す
る。したがって、各排気ラインのスートの離脱量は排
気ラインが増加するほど少ないため、排気ラインが多い
ほど全体の排気流量の変動は減少する。

【００２９】以上のように、排気口を複数、あるいは排
気ラインを複数で使用すること排気流量の変動が抑えら
れることにより、炉内温度の変動も軽減され、同様に合
成面の温度変動を軽減することができる。これにより、
成長方向の屈折率分布が小さい、例えば、インゴットか
ら光学部材用に切り出したときの成長方向の屈折率分布
がΔｎ＝４×１０^-6以下で、成長方向の屈折率勾配が最
大１×１０^-6以下となる石英ガラスを安定して合成する
ことができる。

【００３０】炉内の圧力は、一定であることが望まし
い。なぜなら、圧力の変動は、炉内のガスの各成分の分
圧や、温度を変化させ、それによりインゴットの屈折率
分布の均質性に影響を与えるからである。さらに、排気
手段以外の開放部分からの炉外への排気ガス（ＨＣｌ
等）の流出を防止するため、大気圧に対してわずかに負
圧（−１〜−１０ｍｍＨ₂Ｏ程度）に保つ必要がある。
このとき、炉外の大気の一部が炉内に流入し、これによ
る炉内の汚染が考えられるが、インゴット上部の合成面
はバーナーから噴出するガスによる火炎におおわれてお
り、さらに炉内に流入した大気は排気手段によりただち
に炉外に排出される構造となっているので、炉内圧力を
この範囲に保てば大気の流入による炉内の汚染は無視す
ることができる。また、合成面の温度を低下させてしま
うこともない。

【００３１】なお、本発明において、複数設けた排気口
は、排気口として用いる他、必要に応じて観察用窓や温
度計測用窓としても用いることが可能である。

【００３２】

【実施例】

〔実施例１〕合成石英ガラス製造装置として、金属製の
炉壁内に鋳物の炉床板を置き、その上に耐火物を組み上
げ、これを用いて石英ガラスを合成した。この耐火物の
内容量は１２６ｌで下部は炉床板・耐火物共に開放型で
ある。

【００３３】上記合成石英ガラスの製造装置の耐火物に
４個の排気口を開け、この部分から炉内の排気を行っ
た。除害装置への排気は１ラインで行い、１台の除害装
置からファン数に応じ１排気ラインで大気へ放出され
る。この様な装置を用いて、原料として使用されるケイ
素化合物を８０℃で気化させ、石英ガラス合成用のバー
ナーの中心から酸水素炎と共に火炎加水分解させること
によりターゲットに吹き付け、シリカ微粒子を合成・堆
積させることにより、φ３００×ｌ５００ｍｍの高純度
の石英ガラスを合成した。

【００３４】上記合成石英ガラスの製造装置において
は、０．５ｍ³／ｍｉｎ（炉内圧−１ｍｍＨ₂Ｏ相当）以
下では排気ファンの回転数が小さいため安定せず、この
影響で排気流量が不安定となった。また、６．４ｍ³／
ｍｉｎ（炉内圧−１０ｍｍＨ₂Ｏ相当）以上では炉内温
度及び合成面の温度が下がり、紫外線リソグラフィー用
光学素子として使用可能な石英ガラスを合成することが
できなかった。そこで、排気手段の排気流量を２．５ｍ
³／ｍｉｎ（炉内圧−２ｍｍＨ₂Ｏ相当）に制御して、石
英ガラスを合成した。

【００３５】耐火物に開いている排気口の数・・・４除害装置からの排気ライン数・・・・１（除害装置とフ
ァンの数も同様）この時の炉内温度の経時変化の測定は、合成面を基準と
してａ＝ｒの位置での耐火物の内面に熱電対を設置し、
温度を測定した。結果を図５に示す。さらに、形成され
たインゴットから一辺１５０ｍｍの直方体形状の石英ガ
ラスを切り出し、研削、研磨後、干渉計によりインゴッ
トの成長方向に垂直な方向から屈折率分布を測定した。

【００３６】得られた石英ガラスの屈折率分布は、内接
する円形を測定範囲としてΔｎ＝３×１０^-6であった。
屈折率勾配は、測定範囲内で最大１×１０^-6だった。〔比較例１〕実施例１の合成石英ガラス製造装置におい
て、耐火物に開いている排気口を塞ぎ、下記の条件の排
気手段を用いて、同様に石英ガラスを合成した。

【００３７】耐火物に開いている排気口の数・・・１除害装置からの排気ライン数・・・・１（除害装置とフ
ァンの数も同様）この時の炉内温度の経時的変化を図６に示す。この条件
下で、得られた石英ガラスの屈折率分布は、内接する円
形を測定範囲としてΔｎ＝５×１０^-6であった。屈折率
勾配は、測定範囲内で最大２×１０^-6だった。〔実施例２〕下記の条件の排気手段を用いて、実施例１
と同様に石英ガラスを合成した。

【００３８】耐火物に開いている排気口の数・・・４除害装置からの排気ライン数・・・・４（除害装置とフ
ァンの数も同様）この時の炉内温度の経時的変化を図７に示す。この条件
下で、得られた石英ガラスの屈折率分布は、内接する円
形を測定範囲としてΔｎ＝１．５×１０^-6であった。屈
折率勾配は、測定範囲内で最大１×１０^-6だった。

【００３９】この様に、排気流量の安定により、炉内温
度が安定した。このことにより成長方向に垂直な方向の
屈折率勾配が減少した。

【００４０】

【発明の効果】以上の様に、本発明の合成石英ガラスの
製造装置によれば、排気流量（排気効率）を一定に保持
し、炉内の状態（炉温、合成面温度等）に変化を与えず
合成を行うことができるため、インゴットの成長方向の
屈折率分布を少なくする、たとえば、Δｎ＝４×１０^-6
以下、成長方向の屈折率勾配が最大１×１０^-6以下とす
ることが可能になった。

【００４１】また、排気温度が低く抑えることができる
ため、排気ラインや除害装置等の耐久性も上がる。本発
明の合成石英ガラス製造装置は、火炎加水分解法、ある
いはＶＡＤ法等の排気にスートが含まれる合成石英ガラ
スの製造方法に用いられる製造装置に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合成石英ガラス製造装置の模式図の
一例である。

【図２】従来の合成石英ガラス装置の模式図である。

【図３】本発明の合成石英ガラス製造装置の模式図の
一例である。

【図４】本発明のインゴットの合成面から排気口まで
の位置を示した図である。

【図５】実施例１の製造装置を使用した際の合成時の
炉内温度変化を示すグラフである。

【図６】比較例１の製造装置を使用した際の合成時の
炉内温度変化を示すグラフである。

【図７】実施例２の製造装置を使用した際の合成時の
炉内温度変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１バーナー２ターゲット３インゴット４炉床５炉枠６耐火物７除害装置８排気ファン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−183627（ＪＰ，Ａ) 特開平２−64645（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−3035（ＪＰ，Ａ) 特開平６−235829（ＪＰ，Ａ) 特開平５−155630（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−164644（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C03B 8/04 C03B 19/14 C03B 20/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炉と、該炉内部に設置された耐火物と、該
耐火物内部に設置されたインゴット形成用のターゲット
と、該ターゲットに先端を向けて設置された石英ガラス
合成用のバーナーと、ターゲット上に堆積されなかった
シリカ微粒子を排気する排気手段とからなる開放系の合
成石英ガラス製造装置であって、前記排気手段が耐火物
に設けられた排気口と、除害装置と、排気ファンとを有
し、これらが排気ラインにより連設されている合成石英
ガラス製造装置において、排気口と除害装置との間の排
気ラインが複数であることを特徴とする合成石英ガラス
製造装置。
【請求項２】炉と、該炉内部に設置された耐火物と、該
耐火物内部に設置されたインゴット形成用のターゲット
と、該ターゲットに先端を向けて設置された石英ガラス
合成用のバーナーと、ターゲット上に堆積されなかった
シリカ微粒子を排気する排気手段とからなる開放系の合
成石英ガラス製造装置であって、前記排気手段が耐火物
に設けられた排気口と、除害装置と、排気ファンとを有
し、これらが排気ラインにより連設されている合成石英
ガラス製造装置において、除害装置と排気ファンとの間
の排気ラインが複数であることを特徴とする合成石英ガ
ラス製造装置。