JP3520541B2 - Quartz glass burner, quartz glass produced using the same, method for producing quartz glass using quartz glass burner - Google Patents

Quartz glass burner, quartz glass produced using the same, method for producing quartz glass using quartz glass burner

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、多重管構造の石英ガラ
ス製バーナー、石英ガラス製バーナーを用いた石英ガラ
スの製造方法、石英ガラス製バーナーを用いて製造され
た石英ガラスに関するものである。これらのバーナーお
よび製造方法を用いて製造された石英ガラスは、半導体
マスク基板や光学用レンズなどの素材として用いられ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quartz glass burner having a multi-tube structure, a method for producing quartz glass using the quartz glass burner, and quartz glass produced using the quartz glass burner. Quartz glass manufactured using these burners and manufacturing methods is used as a material for semiconductor mask substrates, optical lenses, and the like.

【0002】[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、ステッパーと呼ばれる露光装置が用いられ
ている。このステッパーの光源は、近年のLSIの高集
積化にともなってg線(436nm)からi線(365
nm)、さらにはKrF(248nm)やArF(19
3nm)エキシマレーザーへと短波長化が進められてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, an exposure apparatus called a stepper has been used in an optical lithography technique for exposing and transferring a fine pattern of an integrated circuit on a wafer such as silicon. The light source of this stepper is g-line (436 nm) to i-line (365 nm) with the recent high integration of LSI.
nm), and further KrF (248 nm) and ArF (19 nm)
(3 nm) Shorter wavelengths are being promoted to excimer lasers.

【0003】一般に、ステッパーの照明系あるいは投影
レンズとして用いられる光学ガラスは、i線よりも短い
波長領域では光透過率が低下するため、従来の光学ガラ
スにかえて合成石英ガラスやCaF2(蛍石)等のフッ
化物単結晶を用いることが提案されている。この紫外線
リソグラフィー用の光学素子として用いられる石英ガラ
スには、紫外領域の高透過率と屈折率分布の高均質性が
要求されている。
Generally, the optical glass used as an illumination system or a projection lens of a stepper has a low light transmittance in a wavelength region shorter than the i-line, and therefore synthetic quartz glass or CaF 2 (fluorite) is used instead of the conventional optical glass. It has been proposed to use a fluoride single crystal such as stone. Quartz glass used as an optical element for this ultraviolet lithography is required to have high transmittance in the ultraviolet region and high homogeneity of the refractive index distribution.

【0004】紫外領域の高透過率を確保するための合成
法としては高純度な合成法、すなわち、原料ガス(Si
化合物ガス等とSi化合物ガス等を送り出すためにキャ
リアガスが同時に用いられる)と加熱・反応のための可
燃性ガス及び支燃性ガス(H 2ガス、O2ガス等)とをバ
ーナーから流出させ、火炎内で石英ガラス粉を堆積させ
る火炎加水分解法が一般的に用いられている。
Synthesis for ensuring high transmittance in the ultraviolet region
The method is a high-purity synthesis method, that is, the source gas (Si
In order to send out compound gas etc. and Si compound gas etc.
(Rear gas is used at the same time) and possible for heating and reaction
Combustible gas and supporting gas (H 2Gas, O2Gas etc.)
The quartz glass powder in the flame.
The flame hydrolysis method is generally used.

【0005】しかしながら、この合成法を用いて製造さ
れた石英ガラスが屈折率分布を持つことは避けられず、
製造方法及び装置として様々な提案がなされている。石
英ガラス製バーナーとしては、特公平2-5694に合成石英
素塊の製造方法及び装置において、高透過率を意識し、
残留気泡の低減を目的とした石英ガラス製バーナーが開
示されている(図3に示す)。また、特開昭64-28239の
石英ガラス製バーナーには、被処理物への適切な熱処理
や熱加工を行う治具としての石英ガラス製バーナーの設
計が開示されている。
However, it is unavoidable that the silica glass produced by this synthetic method has a refractive index distribution,
Various proposals have been made as manufacturing methods and devices. As a quartz glass burner, in Japanese Patent Publication No. 2-5694, in the method and apparatus for producing a synthetic quartz ingot, conscious of high transmittance,
A quartz glass burner for reducing residual bubbles is disclosed (shown in FIG. 3). Further, in the quartz glass burner of JP-A-64-28239, there is disclosed a design of a quartz glass burner as a jig for appropriately performing heat treatment or thermal processing on an object to be processed.

【0006】一方、紫外線リソグラフィー用の光学素子
として用いられる石英ガラスは、近年の投影レンズの形
状に対応し、大口径化している。大口径石英ガラスを合
成するためには多量の可燃性ガス、支燃性ガス、原料ガ
スを供給すると同時に、多量の原料ガスを効率よく反応
させなければならない。この大火力を得る手段として、
バーナーの可燃性ガスの噴き出し口の面積を大きくして
多量の可燃性ガスを供給できる構造とすることが考えら
れる。
On the other hand, quartz glass used as an optical element for ultraviolet lithography has a large diameter corresponding to the shape of a projection lens in recent years. In order to synthesize large-diameter quartz glass, it is necessary to supply a large amount of combustible gas, a combustion-supporting gas, and a raw material gas, and at the same time, to efficiently react a large amount of the raw material gas. As a means to obtain this large firepower,
It is conceivable to increase the area of the combustible gas ejection port of the burner to supply a large amount of combustible gas.

【0007】しかしながら大火力を目的とした多重管バ
ーナーでは、径方向の温度分布が整った火炎を形成する
のが難しく、また、ガス流速を極端に大きくすると噴き
出し口が抵抗となって供給ガスが流れ難くなったり、ガ
スが偏って流れ、良好な火炎を形成することができな
い。その結果、紫外線リソグラフィー用の光学素子とし
て用いられる大口径石英ガラス及び要求される屈折率分
布の高均質性が得られなかった。
However, it is difficult to form a flame with a uniform temperature distribution in the radial direction in a multi-tube burner for the purpose of large thermal power. Moreover, if the gas flow velocity is extremely increased, the ejection port becomes a resistance and the supply gas becomes It becomes difficult to flow or the gas flows unevenly, and a good flame cannot be formed. As a result, the large-diameter quartz glass used as an optical element for ultraviolet lithography and the required high homogeneity of the refractive index distribution could not be obtained.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】特開昭64-28239の石英
ガラス製バーナーにおいては、バーナー噴き出し口を大
口径化した場合でもガスの偏りをなくすためにガスの噴
き出し用細管の手前に膨張部位を設ける等による工夫が
なされている。これにより、大口径な火炎は確保できる
がバーナーの能力は石英ガラスの合成には不十分であっ
た。
In the quartz glass burner of Japanese Patent Laid-Open No. 64-28239, an expansion part is provided in front of the gas ejection thin tube in order to eliminate the gas deviation even when the burner ejection port has a large diameter. It has been devised by providing such as. As a result, a flame with a large diameter can be secured, but the burner's ability was insufficient for synthesizing quartz glass.

【0009】一方、図3に示したようなバーナーでは、
大口径石英ガラスが得られなかった。本発明の目的は、
半導体マスク基板や光学用レンズなどの素材として使用
可能な石英ガラス、特に理想的な合成面の温度分布によ
り合成された高均質な屈折率分布を持つ大口径石英ガラ
ス、その製造方法、及び合成に使用する多重管構造の石
英ガラス製のバーナーを提供するものである。
On the other hand, in the burner as shown in FIG.
Large-diameter quartz glass could not be obtained. The purpose of the present invention is to
Quartz glass that can be used as a material for semiconductor mask substrates, optical lenses, etc., especially large-diameter quartz glass with a highly uniform refractive index distribution synthesized by the ideal temperature distribution of the synthesis surface, its manufacturing method, and its synthesis The present invention provides a burner made of quartz glass having a multi-tube structure for use.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、大口径化
に対応したバーナーとして、バーナーを反応ガス部分
(Si化合物等の原料ガスを噴出する原料用円状管と、
原料ガスと反応させ石英ガラス粉を得るための可燃性ガ
ス及び支燃性ガスを噴出する複数の燃焼用リング状管)
と燃焼ガス部分(石英ガラス粉を得るために充分な炉内
の温度を得るための最外部の燃焼用リング状管と燃焼用
細管)に分け、さらに反応ガス部分でも充分に温度が上
がるように反応ガス部分を五重管構造とすることを見い
出した。
Means for Solving the Problems The present inventors have proposed, as a burner corresponding to an increase in diameter, a burner which is a reaction gas portion (a raw material circular tube for ejecting a raw material gas such as a Si compound),
Plural combustion ring-shaped tubes that eject flammable gas and supporting gas to react with raw material gas to obtain quartz glass powder)
And combustion gas part (outermost combustion ring-shaped tube and combustion thin tube for obtaining sufficient temperature in the furnace to obtain quartz glass powder), and to further increase the temperature in the reaction gas part. It has been found that the reaction gas portion has a quintuple pipe structure.

【0011】よって、本発明においては、第一の手段と
して、石英ガラス製バーナーにおいて、原料用円状管と
燃焼用リング状管とで六重管構造とし、燃焼用細管を最
外部の燃焼用リング状管の内部で六重管と同心円の円周
上に等間隔に配置した。これにより、燃焼ガス部分(最
外部の燃焼用リング状管と燃焼用細管)は大火力が得ら
れるので、炉内温度を上げると同時に原料ガスを効率よ
く反応させ、石英ガラス粉の堆積速度を増加させること
ができる。したがって、効率よく石英ガラスが製造で
き、経済的である。また、燃焼用細管を六重管と同心円
の円周上に等間隔に複数本配置しているので、理想的な
温度分布(極値がひとつの中央対称で緩やかな球面状の
温度分布)を持った安定な火炎が得られる。
Therefore, in the present invention, as a first means, a quartz glass burner has a hexagonal tube structure composed of a circular tube for raw material and a ring tube for combustion, and the combustion thin tube is used for the outermost combustion. Inside the ring-shaped tube, they were arranged at equal intervals on the circumference of a circle concentric with the hexagonal tube. As a result, large combustion power can be obtained in the combustion gas portion (the outermost ring-shaped tube for combustion and the thin tube for combustion), so that the temperature inside the furnace is raised and the raw material gas is made to react efficiently and the deposition rate of the quartz glass powder is increased. Can be increased. Therefore, quartz glass can be produced efficiently, which is economical. In addition, since multiple combustion thin tubes are placed at equal intervals on the circumference of a concentric circle with the hexagonal tube, an ideal temperature distribution (a temperature distribution in a spherical shape with a central symmetry with a single extreme value) You can get a stable flame.

【0012】これにより、上記石英ガラス製バーナーを
用いて初めて、脈理が無く入射光軸を含む断面に極値が
ひとつで中央対称な屈折率分布を持つ石英ガラスの合成
が可能となった。石英ガラスを半導体製造装置に使用す
る場合、理想的な屈折率分布は屈折率差が全く無いこと
であるが、現実には屈折率分布を持たない石英ガラスを
製造することは不可能である。つまり、どのような屈折
率分布にしろ、ある程度の屈折率差が生じる。しかし、
屈折率分布の形によっては、レンズ形状や光学系組み立
て時の光軸の補正により屈折率差を小さくすることが可
能である。この補正可能な屈折率分布は、石英ガラスを
光学素子として用いたときの入射光の光軸に対して極値
がひとつで中央対称な屈折率分布のみであるため、重要
な物性であると考えられる。
As a result, the use of the above-mentioned quartz glass burner made it possible to synthesize quartz glass without striae and having a centrally symmetric refractive index distribution with a single extreme value in the cross section including the incident optical axis. When quartz glass is used in a semiconductor manufacturing apparatus, the ideal refractive index distribution has no difference in refractive index, but in reality it is impossible to manufacture quartz glass having no refractive index distribution. That is, regardless of the refractive index distribution, a certain degree of refractive index difference occurs. But,
Depending on the shape of the refractive index distribution, it is possible to reduce the refractive index difference by correcting the lens shape and the optical axis when assembling the optical system. This correctable refractive index profile is considered to be an important physical property because it has only one central value and a single extreme value with respect to the optical axis of the incident light when quartz glass is used as the optical element. To be

【0013】また、上記の本発明にかかる石英ガラス製
バーナーにおいては、ガラス化反応を促進し、合成面の
温度を上げ捕捉を補助し、かつ合成面の温度分布がひと
つの極値を持つと同時に中央対称にするために、燃焼用
リング状管と燃焼用細管とをテーパー構造とし、燃焼用
リング状管の焦点距離を燃焼用細管の焦点距離より短く
することにより、反応ガス部分が合成面もしくは合成面
よりも手前に焦点を結ぶ様にバーナーを設計することが
好ましい。
In the above quartz glass burner according to the present invention, when the vitrification reaction is promoted, the temperature of the synthetic surface is raised to assist the capture, and the temperature distribution of the synthetic surface has one extreme value. At the same time, in order to achieve central symmetry, the combustion ring tube and the combustion thin tube have a tapered structure, and the focal length of the combustion ring tube is shorter than the focal length of the combustion thin tube, so that the reaction gas portion is a synthetic surface. Alternatively, it is preferable to design the burner so as to focus on the front side of the synthetic surface.

【0014】また、バーナーを設計するにあたり注意す
るべき点は、合成する石英ガラスの形状に応じてバーナ
ー自体の径が大口径になる点に加え、合成時に使用する
供給ガス量を想定し、供給ガス流速が速すぎずかつ遅す
ぎないように考慮する事である。そこで、本発明におい
ては、第二の手段として、原料用円状管と燃焼用リング
状管とで多重管構造を持つ石英ガラス製バーナーを用い
た石英ガラスの製造方法において、可燃性ガス及び支燃
性ガスの流速を5〜50m/sの範囲に設定し、第三の
手段として、燃焼用リング状管の隣合って噴出するガス
流速の比を1〜0.4の範囲に設定した。
Further, in designing the burner, in addition to the fact that the diameter of the burner itself becomes large according to the shape of the silica glass to be synthesized, the amount of supply gas used at the time of synthesis is assumed and the burner is supplied. It is important to consider that the gas flow velocity is neither too fast nor too slow. Therefore, in the present invention, as a second means, in a method for producing quartz glass using a quartz glass burner having a multiple tube structure of a raw material circular tube and a combustion ring tube, a combustible gas and a support gas are used. The flow velocity of the flammable gas was set in the range of 5 to 50 m / s, and as a third means, the ratio of the flow velocity of the gas ejected adjacent to the combustion ring tube was set in the range of 1 to 0.4.

【0015】合成石英ガラスをφ200mm以上と想定
し、供給ガス量を見積もり、合成石英ガラスの品質も合
わせて検討した結果、供給ガス流速が50m/sを超え
るとガス同士の混合が不完全のままガスが合成面に達し
てしまい合成面の温度を逆に下げてしまう。また、逆に
供給ガス流速が5m/sより下がるとバーナー近辺で可
燃性ガス及び支燃性ガスが燃焼してしまいバーナー自体
が劣化してしまう。すると、バーナーを構成している石
英ガラスが合成面に剥がれ落ち泡や斑点状不均質となっ
てしまう。また、バーナーから剥がれ落ちないとしても
揮発して炉内を浮遊しガラスへの不純物混入の原因にな
る上に、バーナーの変形により火炎に乱れを生じる。そ
の結果、安定な合成が不可能になるので供給ガス流速を
十分に考慮する必要がある。
Assuming that the synthetic quartz glass has a diameter of 200 mm or more, the amount of gas supplied is estimated, and the quality of the synthetic quartz glass is also examined. As a result, when the gas flow velocity exceeds 50 m / s, the mixing of gases remains incomplete. The gas reaches the synthetic surface and lowers the temperature of the synthetic surface. On the contrary, when the supply gas flow rate is lower than 5 m / s, the combustible gas and the combustion supporting gas are burned in the vicinity of the burner and the burner itself is deteriorated. Then, the quartz glass forming the burner is peeled off on the synthetic surface to cause bubbles and spot-like heterogeneity. Further, even if it does not come off from the burner, it volatilizes and floats in the furnace, causing impurities to be mixed in the glass, and deformation of the burner causes turbulence in the flame. As a result, stable synthesis cannot be performed, so it is necessary to sufficiently consider the supply gas flow rate.

【0016】また、ガス流速を上記した範囲に抑えてい
ても隣接するガス同士の相対差が大きくなると、やはり
ガスの混合が抑制され燃焼反応及びガラス化反応へ影響
を与える。このため、このガス流速の相対差をマトリク
ス状に振っていったところ流速の比(隣り合うガス流速
の速い方を1とした時の比率)が1〜0.4の範囲を超
えると反応率が悪くなることを見い出した。よって、本
発明のように、多重管バーナーを設計するにあたって
は、ガス流速を考慮し、かつ隣接するガス流速差をも考
慮することが必要である。本発明の第二、第三の手段
は、第一の手段に記載された六重管構造のバーナーに限
られず、その他の多重管バーナーにも共通する手段であ
る。
Further, even if the gas flow velocity is suppressed within the above range, when the relative difference between adjacent gases becomes large, the mixing of the gases is also suppressed and the combustion reaction and the vitrification reaction are affected. For this reason, when the relative difference of the gas flow rates was shaken in a matrix, when the ratio of the flow rates (the ratio when the faster of the adjacent gas flow rates is 1) exceeds the range of 1 to 0.4, the reaction rate I found out that it got worse. Therefore, when designing a multi-tube burner as in the present invention, it is necessary to consider the gas flow rate and also the difference between adjacent gas flow rates. The second and third means of the present invention are not limited to the burner having the hexagonal tube structure described in the first means, but are means common to other multi-tube burners.

【0017】次に、ガス流速以外の要因、反応ガス部分
の各ガス同士が離れすぎるとガス同士の混合が不十分に
なることが考えられる。すると、合成温度が不均質にな
るばかりでなく、合成温度自体が上がらず反応も不活性
になる。そこで、投入原料に対する反応率を上げるため
に、本発明の第四の手段として、石英ガラス製バーナー
の燃焼用リング状管から隣合って噴出するガスの間隔
(つまり石英ガラス管の肉厚、クリアランス)は2mm
以下にした。
Next, it is conceivable that the factors other than the gas flow rate and that the gases in the reaction gas portion are too far apart from each other will result in insufficient mixing of the gases. Then, not only the synthesis temperature becomes heterogeneous, but also the synthesis temperature itself does not rise and the reaction becomes inactive. Therefore, in order to increase the reaction rate with respect to the input raw material, as a fourth means of the present invention, as a fourth means of the present invention, the distance between the gas ejected adjacently from the combustion ring-shaped tube of the quartz glass burner (that is, the thickness of the quartz glass tube, the clearance) ) Is 2 mm
I did the following.

【0018】また、反応ガス部分での可燃性ガスおよび
支燃性ガスの噴出が、クリアランスのばらつきを生じて
しまうとガスの流れに偏りが起き、合成面の温度分布に
偏心が生じてしまうため、本発明の第五の手段として、
このばらつきを0.2mm以下に抑えた。本発明の第
四、第五の手段についても、第一の手段に記載された六
重管構造のバーナーに限られず、その他の多重管バーナ
ーにも共通する手段である。
Further, if the ejection of the flammable gas and the combustion-supporting gas in the reaction gas portion causes a variation in clearance, the gas flow becomes uneven, and the temperature distribution on the synthesis surface becomes eccentric. As the fifth means of the present invention,
This variation was suppressed to 0.2 mm or less. The fourth and fifth means of the present invention are not limited to the burner having the hexagonal tube structure described in the first means, and are common to other multi-tube burners.

【0019】[0019]

【作用】上述した、紫外線リソグラフィー用の光学素子
として要求される大口径、及び屈折率分布を持った石英
ガラスを合成する本発明の石英ガラス製バーナーについ
て、以下に詳細に説明する。石英ガラスの屈折率分布を
支配している要因は、大きく分けて不純物とガラスの構
造に分けられる。この内、不純物については原料ガス、
可燃性ガスや支燃性ガス、炉材等の純度、また合成時に
おけるガス量やガス比等に起因するところが大きい。一
方、合成時にガラスの構造を決定しているのは合成面の
温度分布に起因するところが大きい。
The quartz glass burner of the present invention for synthesizing the above-mentioned quartz glass having a large diameter and a refractive index distribution required as an optical element for ultraviolet lithography will be described in detail below. The factors that control the refractive index distribution of quartz glass can be broadly divided into impurities and the structure of glass. Of these, the source gas for impurities,
It is largely due to the purity of flammable gases, combustion-supporting gases, furnace materials, etc., and the amount and ratio of gases during synthesis. On the other hand, the fact that the structure of glass is determined during synthesis is largely due to the temperature distribution on the synthesis surface.

【0020】そこで、図3のような四重管構造で原料ガ
スと支燃性ガスの供給(反応ガス部分)が二重管の石英
ガラス製バーナーを用いて石英ガラスを合成し、合成時
の温度分布と合成石英ガラスの屈折率の均質性を測定し
た。結果を図4に示す。図からわかるように合成面の温
度分布と合成石英ガラスの屈折率の均質性は対応してお
り、合成時に温度が低い部分の屈折率は高く、逆に温度
の高い部分は屈折率が低くなった。
Therefore, in the quadruple tube structure as shown in FIG. 3, the raw material gas and the combustion-supporting gas are supplied (reaction gas portion) using a double-tube quartz glass burner to synthesize quartz glass. The homogeneity of temperature distribution and refractive index of synthetic quartz glass was measured. The results are shown in Fig. 4. As can be seen from the figure, the temperature distribution on the synthetic surface and the homogeneity of the refractive index of the synthetic quartz glass correspond, and the refractive index is high in the low temperature part during synthesis, and conversely the low refractive index in the high temperature part. It was

【0021】すなわち、本発明者らは、合成面の温度分
布を測定することによって、これと合成される石英ガラ
スの屈折率分布が対応することを確認した。この事実か
ら、炉内および合成面温度を制御することによって、光
学素子等の素材として有用な石英ガラスを合成すること
を考えた。そして、本発明者らは、このような炉内およ
び合成面温度を制御する手段でもあるバーナーに着目
し、合成された石英ガラスの屈折率分布の制御を行える
画期的な石英ガラス製バーナーを提案するに至った。
That is, the present inventors confirmed that the refractive index distribution of the silica glass to be synthesized corresponds to the temperature distribution of the synthesized surface by measuring the temperature distribution. Based on this fact, it was considered to synthesize quartz glass useful as a material for optical elements by controlling the temperature in the furnace and the synthesis surface temperature. Then, the inventors of the present invention focused on a burner which is also a means for controlling the temperature in the furnace and the synthesis surface, and an epoch-making quartz glass burner capable of controlling the refractive index distribution of the synthesized quartz glass. I came to propose.

【0022】また、バーナー設計は従来、試作段階のバ
ーナーで実際に合成を行い、被合成物の物性その他が所
望の値であればその設計を採用するものである。そのた
め、バーナーの個体差が大きく再現性がないので、被合
成物の安定供給及びコストの面で問題となっていた。本
発明では、この問題点についても、バーナーの構造と合
成される石英ガラスとの対応を見いだしたことにより解
決するに至った。
In the burner design, conventionally, a burner at a trial production stage is actually used for synthesis, and the design is adopted if the physical properties and the like of the object to be synthesized have desired values. Therefore, the burner has a large individual difference and is not reproducible, which has been a problem in terms of stable supply of the compound and cost. The present invention has solved this problem by finding a correspondence between the structure of the burner and the synthetic quartz glass.

【0023】さて、ガラスの大口径化により炉が大きく
なり、その合成に必要な原料ガスの流量も増加してい
る。その結果、図3の様な従来のバーナーでは炉内の温
度を石英ガラスを合成するのに充分な温度まで昇温する
大火力、能力が得られなくなった。また、上述したよう
に、炉内の温度が低くなりガラスに与える熱量が不十分
になるとガラスの成長方向に垂直な方向から観察すると
脈理と呼ばれる屈折率の不均質が生じてしまう。そこ
で、紫外線リソグラフィー用光学素子等の素材として使
用可能な石英ガラスの均質性を得る合成面の温度を検討
した。可燃性ガス、支燃性ガスおよび原料ガスの温度に
着目すると、合成時における原料ガスは他のガスに比べ
反応熱が小さいので炉内では一番温度が低くなる。この
原料ガスが火炎中で加水分解され合成面に堆積していく
わけだが、原料ガスが噴き付け、微粒子が堆積している
部分の温度は当然一番低くなる。
Now, as the glass diameter increases, the size of the furnace becomes larger, and the flow rate of the raw material gas required for its synthesis also increases. As a result, with the conventional burner as shown in FIG. 3, it was not possible to obtain a large thermal power and ability to raise the temperature in the furnace to a temperature sufficient to synthesize quartz glass. Further, as described above, when the temperature in the furnace is lowered and the amount of heat applied to the glass is insufficient, when observed from the direction perpendicular to the growth direction of the glass, inhomogeneity in the refractive index called striae occurs. Therefore, the temperature of the synthetic surface for obtaining the homogeneity of quartz glass that can be used as a material for optical elements for ultraviolet lithography was examined. Focusing on the temperatures of the combustible gas, the combustion-supporting gas, and the raw material gas, the raw material gas at the time of synthesis has a smaller reaction heat than other gases, and thus the temperature becomes the lowest in the furnace. This raw material gas is hydrolyzed in the flame and is deposited on the synthesis surface, but the temperature of the portion where the raw material gas is sprayed and the fine particles are deposited is naturally the lowest.

【0024】そこで、ガラスの大口径化に伴う原料ガス
流量の増加により合成面の中央の温度はますます低くな
り、従来のバーナーで合成した場合は、図4(a)の様
な極値を3つ以上持つ温度分布となり、これに対応して
図4(b)の様な屈折率分布を持った石英ガラスとなっ
た。この様に、単なる大火力を目的とした多重管バーナ
ーや従来のバーナー設計でガス流量を増やしただけのバ
ーナーでは可燃性ガス、支燃性ガス、原料ガスの混合が
不十分となり、炉内や合成面の温度が充分に上がらず、
結果として投入原料ガスに対するガラス化反応が不十分
になり、捕捉率が悪化する現象が生じた。
Therefore, the temperature at the center of the synthetic surface becomes lower and lower due to the increase in the flow rate of the raw material gas accompanying the increase in the diameter of the glass. When the conventional burner is used for the synthesis, the extreme value as shown in FIG. The temperature distribution has three or more, and correspondingly, the quartz glass has a refractive index distribution as shown in FIG. 4 (b). In this way, with a multi-tube burner for the purpose of mere large thermal power or a burner that simply increases the gas flow rate with a conventional burner design, the combustible gas, the combustion-supporting gas, and the raw material gas are not sufficiently mixed, and The temperature of the composite surface does not rise sufficiently,
As a result, the vitrification reaction with respect to the input raw material gas became insufficient, and the phenomenon that the capture rate deteriorated occurred.

【0025】そこで、本発明のバーナーを用いることに
より、理想的な合成面の温度分布(極値がひとつ持ち中
央対称で非常に緩やかな温度分布)をつくることが可能
となり、得られる石英ガラスの屈折率分布の制御と大口
径化とを同時に行えるようになった。本発明の石英ガラ
ス製バーナーの断面を図1及び図2に示す。炉内温度を
上げるためには燃焼ガス部分、すなわち最外部の燃焼用
リング状管と燃焼用細管の可燃性及び支燃性ガスによっ
て行い、原料ガスのガラス化への反応には反応ガス部
分、すなわち五重管部分を使用して行う。
Therefore, by using the burner of the present invention, it becomes possible to create an ideal temperature distribution on the composite surface (a temperature distribution having one extreme value and having a central symmetry and a very gentle temperature distribution). It has become possible to simultaneously control the refractive index distribution and increase the aperture. A cross section of the quartz glass burner of the present invention is shown in FIGS. In order to raise the temperature in the furnace, the combustion gas portion, that is, the flammable and combustion-supporting gas of the outermost combustion ring-shaped tube and combustion thin tube is used, and the reaction gas portion for the reaction to vitrify the raw material gas, That is, the quintuple pipe is used.

【0026】大口径の炉において炉内温度を充分に高い
温度まで昇温するのに必要なガス量を供給する事は従来
のバーナーではバーナー内の圧力損失によって不可能で
あった。しかしながら、上記のように燃焼ガス部分を設
けて、図1及び図2の様な構造とすると、可燃性ガス及
び支燃性ガスの混合が促進されて炉内の温度を高温に保
つ事ができる。また、使用する石英ガラス管をガス流量
から計算し、流速にマッチしたものを使用する事によっ
てバーナー内の圧力損失も低減できるため、多量なガス
流量を一時に流せる様になった。
In a large-diameter furnace, it was impossible to supply the amount of gas required to raise the temperature in the furnace to a sufficiently high temperature by the conventional burner due to the pressure loss in the burner. However, if the combustion gas portion is provided as described above and the structure is as shown in FIGS. 1 and 2, mixing of the combustible gas and the combustion-supporting gas is promoted and the temperature in the furnace can be kept high. . In addition, by calculating the quartz glass tube to be used from the gas flow rate and using the one that matches the flow rate, the pressure loss in the burner can be reduced, and a large amount of gas flow rate can be passed at one time.

【0027】石英ガラスの成長方向に垂直な方向に生じ
る脈理を消失させるためには、合成面の温度を充分に高
く保つ事が必要であるが、バーナー構造を上記のように
した事で脈理の生成を抑える事が可能となった。そし
て、屈折率分布を決定する重要なファクターである合成
面の温度分布制御も反応ガス部分を制御する事で可能と
なった。
In order to eliminate striae generated in the direction perpendicular to the growth direction of quartz glass, it is necessary to keep the temperature of the composite surface sufficiently high. It became possible to suppress the generation of reason. The temperature distribution of the synthetic surface, which is an important factor that determines the refractive index distribution, can be controlled by controlling the reaction gas portion.

【0028】[0028]

【実施例1】本発明の概念図、図1及び図2に示した反
応ガス部分が5重管構造の石英ガラス製バーナーを、肉
薄の石英ガラス管で構成、作製した。この石英ガラス製
バーナーを内容積126lの炉に用い、石英ガラスを合
成した。表1に、使用した石英ガラス製バーナの各部分
の寸法、合成時の供給ガス流量及びその時のガス流速を
示す。
Example 1 A quartz glass burner having a quintuple tube structure for the reaction gas portion shown in the conceptual diagram of the present invention and FIGS. 1 and 2 was constructed and manufactured by a thin quartz glass tube. This quartz glass burner was used in a furnace having an internal volume of 126 l to synthesize quartz glass. Table 1 shows the dimensions of each part of the quartz glass burner used, the supply gas flow rate during synthesis, and the gas flow rate at that time.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】上記条件で合成した結果、紫外リソグラフ
ィー用の光学素子として使用可能な高透過率で高均質な
φ200mmの石英ガラスが得られた。さらに、赤外線
カメラによって計測した合成面の温度分布は極値をひと
つ持ち中央対称で非常に緩やかな球面状になっていた。
そして、このバーナーによって合成した石英ガラスの屈
折率均質性を干渉計によって測定したところ、合成面の
温度分布(極値をひとつ持ち中央対称で非常に緩やかな
球面状の分布)に対応した屈折率分布になっていた(図
5参照)。
As a result of synthesizing under the above conditions, a quartz glass having a high transmittance and a high homogeneity of φ200 mm which can be used as an optical element for ultraviolet lithography was obtained. Furthermore, the temperature distribution of the composite surface measured by the infrared camera had one extreme value, and was a central symmetry and a very gentle spherical shape.
Then, when the homogeneity of the refractive index of the silica glass synthesized by this burner was measured by an interferometer, the refractive index corresponding to the temperature distribution of the synthetic surface (a spherical distribution with one extreme and central symmetry and very gentle) It was distributed (see FIG. 5).

【0031】[0031]

【実施例2】実施例1に記載の合成炉を用い、同様の径
の石英ガラスを合成した。表2に示したような諸条件で
作製した石英ガラス製バーナーを用い、合成時の五重管
のガス流速を5m/sより小さくして合成を行った。
Example 2 Using the synthesis furnace described in Example 1, quartz glass having the same diameter was synthesized. Using a quartz glass burner manufactured under the conditions as shown in Table 2, the gas flow rate of the quintuple tube during the synthesis was made smaller than 5 m / s to perform the synthesis.

【0032】[0032]

【表2】 [Table 2]

【0033】このバーナーによって合成を行ったとこ
ろ、バーナーの劣化により、無数の泡や斑点(不均質)
ができた。このため、屈折率均質性は測定できなかっ
た。
When this burner was used for synthesizing, countless bubbles and spots (heterogeneous) were observed due to deterioration of the burner.
I was able to. Therefore, the refractive index homogeneity could not be measured.

【0034】[0034]

【実施例3】実施例1に記載の合成炉を用い、同様の径
の石英ガラスを合成した。表3に、使用したバーナーの
各部分の寸法と合成時に使用したガス量及びその時のガ
ス流速を示す。
Example 3 Using the synthesis furnace described in Example 1, silica glass having the same diameter was synthesized. Table 3 shows the dimensions of each part of the burner used, the amount of gas used during synthesis, and the gas flow rate at that time.

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】この様に、隣接するガスの流速差が大き
く、流速の比が0.4より小さい状態で合成した石英ガ
ラスの屈折率均質性を干渉計によって測定したところ、
図6に示すように、極値を幾つも持ち補正の効かない分
布となった。
Thus, when the refractive index homogeneity of the silica glass synthesized under the condition that the flow velocity difference between adjacent gases is large and the flow velocity ratio is smaller than 0.4 is measured by an interferometer,
As shown in FIG. 6, the distribution has many extreme values and is not corrected.

【0037】[0037]

【実施例4】実施例1に記載の合成炉を用い、同様の径
の石英ガラスを合成した。表4に、使用したバーナーの
各部分の寸法と合成時に使用したガス量及びその時のガ
ス流速を示した。
Example 4 Using the synthesis furnace described in Example 1, silica glass having the same diameter was synthesized. Table 4 shows the dimensions of each part of the burner used, the amount of gas used during synthesis, and the gas flow rate at that time.

【0038】[0038]

【表4】 [Table 4]

【0039】この様に、隣接するガスのクリアランスが
大きく、流速が小さい状態で合成した石英ガラスの屈折
率均質性を干渉計によって測定したところ、図7に示す
ように、極値は一つながら、均質性のPV値(屈折率の
最大−最小値の差)が5.0×10-6と大きく、均質性
が悪いものが得られた。
As described above, when the refractive index homogeneity of the synthesized quartz glass was measured by an interferometer in the state where the clearance of the adjacent gas was large and the flow velocity was small, as shown in FIG. The PV value of the homogeneity (difference between the maximum value and the minimum value of the refractive index) was as large as 5.0 × 10 −6, and the homogeneity was poor.

【0040】[0040]

【効果】以上のように、本発明によれば、合成面の温度
分布を制御することが可能な石英ガラス製バーナーが得
られる。これにより、得られる石英ガラスの屈折率分布
の制御、大口径化が可能となる。また、本発明の石英ガ
ラス製バーナーを用いれば、脈理が無く入射光軸を含む
断面に極値がひとつで中央対称な屈折率分布を持つ石英
ガラスが得られる。この石英ガラスを紫外線リソグラフ
ィー等の装置に用いれば、光学系の組み立てにより理想
的な屈折率差(一般的には、小さいほど良い)を持つ光
学系が得られる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a quartz glass burner capable of controlling the temperature distribution on the composite surface. This makes it possible to control the refractive index distribution of the obtained quartz glass and increase the diameter. Further, if the quartz glass burner of the present invention is used, quartz glass having no striae and having a centrally symmetric refractive index distribution with a single extreme value in the cross section including the incident optical axis can be obtained. If this quartz glass is used in a device such as ultraviolet lithography, an optical system having an ideal refractive index difference (generally, the smaller the better) can be obtained by assembling the optical system.

【0041】そして、脈理のない石英ガラスが得られる
ことから、脈理を消去するための二次処理にかかるコス
トが無く、汚染による紫外線透過率の低下を防ぐ事がで
きる。さらに、単位投入原料当たりのガラス化反応の効
率をよくすることができ、これにより排気変動や泡、斑
点の原因となる炉内の付着物が少なく、安定した合成が
できる。
Further, since a quartz glass having no striae is obtained, there is no cost for the secondary treatment for erasing striae, and it is possible to prevent a decrease in ultraviolet transmittance due to contamination. Furthermore, the efficiency of the vitrification reaction per unit raw material can be improved, and as a result, the amount of deposits in the furnace that cause fluctuations in exhaust gas, bubbles, and spots can be reduced, and stable synthesis can be performed.

【0042】また、本発明の第一の手段〜第五の手段を
組み合わせ、バーナーの構成やこれを用いたときのガス
流速等の関係をより正確に規定することによって、バー
ナー製作の負担が軽減でき、得られる石英ガラスの性能
もある程度予測可能となる。
Further, by combining the first to fifth means of the present invention to more accurately define the relationship of the burner configuration and the gas flow velocity when using the burner, the burden of burner production is reduced. Therefore, the performance of the obtained quartz glass can be predicted to some extent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明を代表するバーナーの断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a burner representative of the present invention.

【図2】 図1のA−A断面におけるテーパー構造の図
である。
FIG. 2 is a diagram of a taper structure taken along the line AA in FIG.

【図3】 従来の多重管バーナーの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional multi-tube burner.

【図4】 石英ガラスの合成時における、(a)合成面
の温度分布と、(b)それに対応した屈折率均質性の対
応図である。
FIG. 4 is a correspondence diagram of (a) temperature distribution of a synthesis surface and (b) corresponding refractive index homogeneity during synthesis of quartz glass.

【図5】 実施例1で得られた石英ガラスの屈折率分布
の図である。
FIG. 5 is a view showing a refractive index distribution of the quartz glass obtained in Example 1.

【図6】 実施例3で得られた石英ガラスの屈折率分布
の図である。
FIG. 6 is a diagram showing a refractive index distribution of the quartz glass obtained in Example 3.

【図7】 実施例4で得られた石英ガラスの屈折率分布
の図である。
FIG. 7 is a diagram showing a refractive index distribution of the quartz glass obtained in Example 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原料用円状管 2 燃焼用リング状管 3 燃焼用細管 1 Circular tube for raw material 2 Combustion ring tube 3 Combustion thin tubes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平岩 弘之 東京都千代田区丸の内3丁目2番3号 株式会社ニコン内 (56)参考文献 特開 平5−9035(JP,A) 特開 昭64−28239(JP,A) 特開 平7−138028(JP,A) 特公 平2−5694(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03B 8/04 C03B 20/00 F23D 14/58 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Hiroyuki Hiraiwa Inventor Hiroyuki Hiraiwa 3 2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Nikon Corporation (56) References JP-A-5-9035 (JP, A) JP-A-64- 28239 (JP, A) JP-A-7-138028 (JP, A) JP-B 2-5694 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C03B 8/04 C03B 20 / 00 F23D 14/58

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 中心部に配置され原料ガスを噴出する原
料用円状管と、これの周囲に同心円状に配置され可燃性
ガス及び支燃性ガスを噴出する複数の燃焼用リング状管
と、最外部の燃焼用リング状管の内部に配置され支燃性
ガスを噴出する複数の燃焼用細管とを有する石英ガラス
製バーナーを用いた石英ガラスの製造方法において、 前記バーナーが原料用円状管と燃焼用リング状管とで六
重管構造を有し、最外部の燃焼用リング状管の内部に配
置された燃焼用細管が前記六重管構造と同心円の円周上
に等間隔に配置されるバーナーであり、 前記製造方法が可燃性ガスと支燃性ガスとを燃焼して得
られる火炎中に原料ガスを吹き込み、火炎加水分解また
は熱分解によって石英ガラス粉を堆積するものであり、
可燃性ガス及び支燃性ガスの流速が5〜50m/sの範
囲にある事を特徴とする石英ガラスの製造方法。
1. A circular tube for raw material, which is arranged in the center and ejects the raw material gas, and a plurality of ring-shaped tubes for combustion, which are arranged concentrically around it and ejects flammable gas and supporting gas. A quartz glass manufacturing method using a quartz glass burner having a plurality of combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube for ejecting combustion-supporting gas, wherein the burner is a circular material The pipe and the combustion ring-shaped tube have a hexagonal tube structure, and the combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube are equidistant on the circumference of a circle concentric with the hexagonal tube structure. Is a burner that is arranged, in which the raw material gas is blown into the flame obtained by burning the combustible gas and the combustion-supporting gas in the manufacturing method, and quartz glass powder is deposited by flame hydrolysis or thermal decomposition. ,
A method for producing quartz glass, characterized in that the flow rates of the combustible gas and the combustion supporting gas are in the range of 5 to 50 m / s.
【請求項2】 中心部に配置され原料ガスを噴出する原
料用円状管と、これの周囲に同心円状に配置され可燃性
ガス及び支燃性ガスを噴出する複数の燃焼用リング状管
と、最外部の燃焼用リング状管の内部に配置され支燃性
ガスを噴出する複数の燃焼用細管とを有する石英ガラス
製バーナーを用いた石英ガラスの製造方法において、 前記バーナーが原料用円状管と燃焼用リング状管とで六
重管構造を有し、最外部の燃焼用リング状管の内部に配
置された燃焼用細管が前記六重管構造と同心円の円周上
に等間隔に配置されるバーナーであり、 前記製造方法が可燃性ガスと支燃性ガスとを燃焼して得
られる火炎中に原料ガスを吹き込み、火炎加水分解また
は熱分解によって石英ガラス粉を堆積するものであり、
燃焼用リング状管の隣合って噴出するガス流速の比が1
〜0.4である事を特徴とする石英ガラスの製造方法。
2. A circular tube for raw material, which is arranged in the center and ejects the raw material gas, and a plurality of ring-shaped tubes for combustion, which are arranged concentrically around this and eject the combustible gas and the combustion supporting gas. A quartz glass manufacturing method using a quartz glass burner having a plurality of combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube for ejecting combustion-supporting gas, wherein the burner is a circular material The pipe and the combustion ring-shaped tube have a hexagonal tube structure, and the combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube are equidistant on the circumference of a circle concentric with the hexagonal tube structure. Is a burner that is arranged, in which the raw material gas is blown into the flame obtained by burning the combustible gas and the combustion-supporting gas in the manufacturing method, and quartz glass powder is deposited by flame hydrolysis or thermal decomposition. ,
The ratio of the velocity of gas ejected adjacent to the combustion ring tube is 1
The method for producing quartz glass is characterized in that it is 0.4.
【請求項3】 中心部に配置され原料ガスを噴出する原
料用円状管と、これの周囲に同心円状に配置され可燃性
ガス及び支燃性ガスを噴出する複数の燃焼用リング状管
と、最外部の燃焼用リング状管の内部に配置され支燃性
ガスを噴出する複数の燃焼用細管とを有する石英ガラス
製バーナーにおいて、 前記バーナーが原料用円状管と燃焼用リング状管とで六
重管構造を有し、最外部の燃焼用リング状管の内部に配
置された燃焼用細管が前記六重管構造と同心円の円周上
に等間隔に配置されるバーナーであり、 燃焼用リング状管から隣合って噴出するガスの間隔が2
mm以下である事を特徴とする石英ガラス製バーナー。
3. A circular tube for raw material, which is arranged in the center and ejects the raw material gas, and a plurality of ring-shaped tubes for combustion, which are arranged concentrically around the central tube and eject the combustible gas and the combustion supporting gas. In a burner made of quartz glass having a plurality of combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube and ejecting a combustion-supporting gas, the burner comprises a raw material circular tube and a combustion ring-shaped tube. The combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube are burners arranged at equal intervals on the circumference of a circle concentric with the above-mentioned hexatube structure. The distance between the gas ejected from the ring-shaped pipe for use next to each other is 2
A quartz glass burner characterized by being less than or equal to mm.
【請求項4】 中心部に配置され原料ガスを噴出する原
料用円状管と、これの周囲に同心円状に配置され可燃性
ガス及び支燃性ガスを噴出する複数の燃焼用リング状管
と、最外部の燃焼用リング状管の内部に配置され支燃性
ガスを噴出する複数の燃焼用細管とを有する石英ガラス
製バーナーにおいて、 前記バーナーが原料用円状管と燃焼用リング状管とで六
重管構造を有し、最外部の燃焼用リング状管の内部に配
置された燃焼用細管が前記六重管構造と同心円の円周上
に等間隔に配置されるバーナーであり、 燃焼用リング状管から隣合って噴出するガスの間隔のば
らつきが0.2mm以下である事を特徴とする石英ガラ
ス製バーナー。
4. A circular tube for raw material, which is arranged in the center and ejects the raw material gas, and a plurality of ring-shaped tubes for combustion, which are arranged concentrically around this and eject the combustible gas and the combustion supporting gas. In a burner made of quartz glass having a plurality of combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube and ejecting a combustion-supporting gas, the burner comprises a raw material circular tube and a combustion ring-shaped tube. The combustion thin tubes arranged inside the outermost combustion ring-shaped tube are burners arranged at equal intervals on the circumference of a circle concentric with the above-mentioned hexatube structure. A burner made of quartz glass, characterized in that the variation of the distance between the gas ejected from the ring-shaped pipe for adjacent use is 0.2 mm or less.
【請求項5】 請求項3または請求項4に記載の石英ガ
ラス製バーナーであって、燃焼用リング状管と燃焼用細
管とをテーパー構造とし、燃焼用リング状管の焦点距離
を燃焼用細管の焦点距離より短くする事を特徴とする石
英ガラス製バーナー。
5. The quartz glass burner according to claim 3 or 4, wherein the combustion ring-shaped tube and the combustion thin tube have a tapered structure, and the focal length of the combustion ring-shaped tube is the combustion thin tube. A quartz glass burner characterized by being shorter than the focal length of.
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