JP3835634B2

JP3835634B2 - 合成石英ガラス製造装置

Info

Publication number: JP3835634B2
Application number: JP04173597A
Authority: JP
Inventors: 昭司矢島; 宏樹神保
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: JPH10236836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光リソグラフィ技術において４００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下の特定波長帯域でレンズやミラー等の光学系に使用される光リソグラフィー用石英ガラス光学部材として用いるのに適した石英ガラスを合成するための合成石英ガラス製造装置に関する。
【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技術においては、ステッパと呼ばれる露光装置が用いられる。このステッパの光源は、近年のＬＳＩの高集積化に伴ってｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）、さらにはＫｒＦ（２４８ｎｍ）やＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザへと短波長化が進められている。
【０００３】
ＬＳＩの一種であるＶＬＳＩ（超ＬＳＩ）のうちでＤＲＡＭを例に挙げれば、ＬＳＩからＶＬＳＩへと展開されていくにつれ、１Ｋ→２５６Ｋ→１Ｍ→４Ｍ→１６Ｍ→６４Ｍ→２５６Ｍ→１Ｇと容量が増大していく。このような容量の増大に伴い、パターンの加工線幅がそれぞれ１０μｍ→２μｍ→１μｍ→０.８μｍ→０.５μｍ→０.３５μｍ→０.２５μｍ→０.１８μｍと微細な線幅の露光が可能なステッパが要求されるようになってきた。
【０００４】
このため、ステッパの投影レンズには、高い解像度と深い焦点深度とが必要とされる。一般に、ステッパの照明あるいは投影光学系に用いられるレンズ素材は、ｉ線では主に高透過率化した多成分の光学ガラスが用いられ、ＫｒＦ及びＡｒＦエキシマレーザでは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が用いられている。
【０００５】
特に１６Ｍ以上の大容量のＶＲＡＭとして用いられるマクロプロセッサ等の量産ラインには、０.２５μｍの線幅の露光が可能なエキシマレーザを用いたステッパが導入されている。このような微細な線幅の露光が可能なステッパに用いられる紫外線リソグラフィー用光学素子（照明あるいは投影光学系に用いられるレンズ素材）としては、紫外域での高透過率を達成するために高純度な合成石英ガラスが用いられる。
【０００６】
この合成石英ガラスの有用な製法の一つとして、火炎加水分解法が知られている。火炎加水分解法は、合成石英ガラスの原料となるケイ素化合物を燃焼用バーナーからの火炎内へ酸水素炎と共に供給し、加水分解反応させシリカ微粒子を合成、堆積させると同時に溶融ガラス化する合成方法である。
【０００７】
この合成方法を実現する合成石英ガラス製造装置は、いわゆるベルヌーイ炉に類似した構造であり、熱を逃さないように外壁を二重壁にして排気を通し、炉内温度を１０００℃以上の高温に保ちながら合成を行うものである。この製造装置は、炉本体（炉枠）と、この炉本体を載置保持する板（以下、「炉床板」と称する）と、炉本体内に設置されたインゴット形成用のターゲットと、この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とを備えている。
【０００８】
このように構成された合成石英ガラス製造装置を用いて合成（形成）される石英ガラスは、種々の原因により屈折率均質性が悪化することがある。屈折率均質性を悪化させる主な原因としては、石英ガラスを合成する際に生じるさまざまな条件のゆらぎ（合成条件の変化）がある。
【０００９】
例えば、耐火物の劣化による製造装置の構造変形、火炎による合成面の温度分布の変化、火炎加水分解反応あるいは熱分解・熱酸化反応、ガラスへの不純物の拡散状態の変化等である。これらの条件の変化は、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均質性に影響をもたらす。
【００１０】
ここで、上記のような合成を使用した時、石英ガラスの合成面温度は１９００°Ｃ以上で、炉内温度は１０００〜１５００°Ｃと高温状態を維持する必要がある。このため、一般的な金属を用いて炉床板を形成した場合、炉床板が変形することがあり、このように変形したときには炉床板の交換を行う必要が生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように炉床板の交換が必要となった場合、炉床板を交換するには当然その上に積載（載置保持）された炉本体の交換にも発展するため、炉床板の寿命は合成石英ガラス製造装置の寿命を左右すると言える。従って、炉床板の交換はなるべく行わないようにすることが好ましい。また、炉本体は複数の耐火煉瓦を積み上げて形成された耐火部材を内側に有して構成されているが、これらの耐火部材は常温で炉床板上にセッティングされる。
【００１２】
このため、バーナによって炉内が昇温されることにより炉床板が熱変形を起こすと、炉床板の上に積載された耐火部材の構造変化が生じる。このことにより、同条件下で安定した品質の合成石英ガラスのインゴットを得る条件を維持することができないことがあるという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、安定した品質の合成石英ガラスのインゴットを形成することができる合成石英ガラス製造装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る合成石英ガラスの製造装置においては、炉本体と、合成石英ガラス製造用のターゲットと、石英ガラス合成用のバーナと、炉本体を載置保持する炉床板と、冷媒給排手段とを備えている。ターゲットは炉本体の内側空間内に位置し、バーナはその噴出口がターゲットに向けて設置されている。また、炉床板には流体冷媒が流通可能な冷媒流路が設けられており、この冷媒流路へは冷媒給排手段によって流体冷媒の給排がなされる。そして、バーナを用いてターゲット上に合成石英ガラスを製造する時には、冷媒流路への流体冷媒の給排を行うことにより炉床板を冷却する。
【００１５】
このように構成された合成石英ガラス製造装置によれば、石英ガラスの原料となるＳｉ化合物ガスと加熱のための燃焼ガスとをバーナの噴出口から噴出させることにより火炎内でターゲット上に石英ガラスを堆積させることができる。このとき、バーナから噴出される火炎によって炉本体内が加熱されて炉床板の温度も上昇するが、炉床板に設けられた冷媒流路内には冷媒が流れているため炉床板を冷却することができる。
【００１６】
なお、炉床板を冷却するための流体冷媒としては空気を用いることが好ましい。このように流体冷媒に空気を用いた場合には、製作される石英ガラスに悪影響を与えることなく、冷媒給排手段も簡単な構成とすることができるため、合成石英ガラス製造装置を簡単に且つ安価に製作することができる。
【００１７】
また、この合成石英ガラス製造装置において、炉床板は、上面に炉本体を載置保持する板状の炉本体載置部材と、冷却部材とを備えていることが好ましい。この場合、冷却部材は流体冷媒が流れる流路が形成されて炉本体載置部材の下面に取り付けるように構成するとともに、流路における流体冷媒の入口から出口への経路を形成する経路形成手段を設けることが好ましい。このような構成とすることにより、簡単な構成で炉床板をむらなく冷却することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の合成石英ガラス製造装置の好ましい実施形態について図１および図２を参照して説明する。この合成石英ガラス製造装置１０は、炉本体１１と、この炉本体１１を載置保持する炉床板１２と、炉本体１１内に設置されたインゴットＩＧ形成用のターゲット１３と、このターゲット１３に噴出口１４ａを向けて設置された石英ガラス合成用のバーナ１４とを有して構成されている。
【００１９】
炉本体１１は、耐火部材１１１および炉枠１１２とから構成されている。耐火部材１１１は、いわゆる耐火煉瓦によって形成され、複数の耐火煉瓦を炉床板１２上に積み重ねることにより形成されている。また、炉枠１１２は金属製の板材によって、下方が開口した箱状に形成され、耐火部材１１１の外周を覆うように炉床板１２上に載置される。
【００２０】
炉枠１１２には、石英ガラスの合成時に炉本体１１の内周空間１５において発生する排ガスを外部に排出させるための排気口１６が形成され、この排気口１６には排気管１７が接続されている。この合成石英ガラス製造装置１０における排気システムは、排気管１７の先にスクラバー等の除害装置、排気ファン（共に図示せず）等を有して構成されている。そして、この排気システムによって排ガスとともに排気される二次空気は、その大半が炉床板１２に形成された炉底開口１２ａ（インゴットＩＧが炉床板１２の下方にまで成長した状態においては、炉底開口１２ａとインゴットＩＧとの間隙）から導入される。
【００２１】
耐火部材１１１および炉枠１１２には、外部から内周空間１５内を観察するための炉内監視用窓１１１ａ，１１２ａが形成されている。なお、この炉内監視用窓１１２ａの外側には炉内の冷却を防止して正確な内周空間１５の観察を行うために耐熱ガラス１１３が取り付けられている。
【００２２】
この耐熱ガラス１１３の外方にはＣＣＤカメラ等の炉内監視用カメラ１８が設けられており、内周空間１５の撮影、特にターゲット１３部分の撮影が可能に構成されている。なお、ターゲット１３は、内周空間１５における昇降が自在であり、さらには回転、Ｘ−Ｙ方向の水平移動もしくは揺動が自在に構成されている。また、炉本体１１には、内周空間１５の温度の検出を行うための熱電対１９が設けられている。
【００２３】
このように構成された炉本体１１は、炉床板１２上に載置保持される。炉床板１２は、載置部１２１と、この載置部１２１の下面に形成された冷却部１２２とからなる。載置部１２１は金属の板材を用いて矩形状に形成され、中央部には貫通孔１２１ａが形成されている。
【００２４】
冷却部１２２は載置部１２１よりも薄い金属板を用いて有底箱状に形成され、上部が載置部１２１の下面に当接した状態で固定されている。冷却部１２２の中央部にも載置部１２１に形成された貫通孔１２１ａに対応した位置に貫通孔１２２ａが形成され、これら両貫通孔１２１ａ，１２２ａによって炉底開口１２ａが形成されることとなる。貫通孔１２２ａには上方に伸びる内周パイプ１２２ｂが配設されているため、冷却部１２２には空洞の流路（冷媒流路）１２２ｃが形成されることとなる。
【００２５】
冷却部１２２の側面には流路１２２ｃに連通する流入パイプ（入口）１２２ｄおよび流出パイプ（出口）１２２ｅが設けられている。流入パイプ１２２ｄと流出パイプ１２２ｅとの間における冷却部１２２の側面内側には、流出パイプ１２２ｅに繋がる仕切板（経路形成手段）１２２ｆが設けられている。これにより、流路１２２ｃ内には図示しないコンプレッサー（冷媒給排手段）から供給される圧縮空気（冷却用のエアー（冷媒））の入口から出口への経路が形成されることとなる。
【００２６】
このように構成された冷却部１２２によれば、コンプレッサーから供給された圧縮空気は矢印Ａで示すように流入パイプ１２２ｄから流路１２２ｃ内に流入する。流路１２２ｃ内に流入した圧縮空気は、仕切板１２２ｆの作用によって矢印Ｂ，ＣおよびＤに示すように、内周パイプ１２２ｂの外周を回るようにして流出パイプ１２２ｅから冷却部１２２外に流出する。これにより、載置部１２１の下面には冷却用のエアーが溜ることなく一定方向に流れるため、載置部１２１との熱交換を効率よく行うことができる。
【００２７】
また、上記のように構成された炉床板１２には、石英ガラス合成用のバーナ１４が取り付けられている。バーナ１４は、ターゲット１３に噴出口１４ａを向けて炉本体１１の上面を貫通した状態で設置されている。バーナ１４は、石英ガラスの原料となるＳｉ化合物ガスと、このＳｉ化合物ガスを送り出すためのキャリアガスの噴出が可能に構成されている。
【００２８】
次いで、上記のように構成された合成石英ガラス製造装置１０を用いてインゴットＩＧを形成する場合について説明する。合成石英ガラスのインゴットＩＧを形成するには、まず炉床板１２の下方から炉底開口１２ａ内を通って内周空間１５内に位置させたターゲット１３を十分な温度に加熱した後、バーナ１４から原料ガスをキャリアガスとともに噴出させて合成を開始する。そして、徐々にＳｉＯ₂粉（シリカ微粒子）をターゲット１３に堆積させると共に溶解しガラス化させ、これを数週間続けることでインゴットＩＧを得る。
【００２９】
このようにしてインゴットＩＧを形成する場合には、炉内監視用窓１１１ａから炉内監視用カメラ１８によってインゴットＩＧの合成面の位置を観察し、合成面の位置をバーナ１４に対して一定に保持させるように、供給ガス量を制御するとともにターゲット１３を回転させたりＸ−Ｙ方向に移動もしくは揺動させたりする。なお、このようなターゲット１３の移動は、熱電対１９によって検出された内周空間１５の温度分布をも参酌して制御される。そして、ターゲット１３はインゴットＩＧの成長速度と等速度で引き下げられる。
【００３０】
これにより、インゴットＩＧの形状を保持して定常状態を維持することができ、均質性の向上した石英ガラスを得ることができる。なお、このような合成を行う場合、内周空間１５内にＨＣｌ等の排ガスが発生するが、発生した排ガスは炉底開口１２ａから供給される二次空気とともに、耐火部材１１１に形成された排気孔１１１ｂを通り、排気システムによって合成石英ガラス製造装置１０外に排気される。
【００３１】
従って、炉床板１２は流路１２２ｃ内を流れる冷却用のエアーによって冷却される他、炉底開口１２ａから供給される二次空気によっても冷却されるため、より炉床板１２の熱膨張を抑えることができ、新たに耐火部材１１１を製作（築炉）するまでのスパンを長くできる。
【００３２】
このように構成された合成石英ガラス製造装置１０によれば、一旦石英ガラスの合成条件出し（各ガスの噴出量の設定や、炉内温度の設定、さらにはターゲットの作動条件の設定等）を行った場合、再度の築炉によりかなり条件をリセットせざるを得ない状態に陥る。しかしながら、再度の築炉のスパンを長くできることにより、安定した高品質な光リソグラフィー用投影レンズに使用可能な合成石英ガラスを長期にわたって生成することがより容易なこととなる。
【００３３】
すなわち、石英ガラスを合成する上で築炉を行うことは、非常に条件的に変動の大きなファクターである。よって、築炉のスパンを可能な限り長くすることが安定した高品質な合成石英ガラスを生成することにおいて重要なテーマとなる。従って、炉床板を冷却して変形を抑えることにより、その上部に組み上げている耐火部材の構造が常温時と合成時で変化が無いため、炉床板の変形により耐火部材が崩れたり割れを生じることもない。これにより耐火部材の寿命も長くなり、安定した合成石英ガラスを生成することができる。
【００３４】
さらに、前記のようにバーナ１４を炉床板１２に取り付けた場合には、炉床板１２の変形に伴ってバーナ１４の取付位置（各ガスの噴出方向）にも変動が生じて安定した合成石英ガラスを生成することができなくなるが、炉床板１２の変形を防止することによりバーナ１４の取付位置の変動も防止することができる。
【００３５】
なお、上記の合成石英ガラス製造装置１０においては、仕切板１２２ｆを設けることにより冷媒の入口から出口への経路を形成することとしたが、本発明においては、この仕切板１２２ｆは必ずしも必要ではない。例えば、冷却部１２２全体の形状を変更したり、冷却用エアーの供給圧力の調整を行ったり、さらには冷却用エアー以外の冷媒を用いることにより炉床板１２に変形を生じないような冷却ができればよい。従って、冷媒としては空気に限られるものではなく、フロンガス等の他の気体や、水等の液体でもよい。
【００３６】
さらに、冷媒流路の形状は上記の流路１２２ｃのような形状に限られるものではなく、載置部１２１全体に空気が流れるように空気の流れを変えるための板を複数設けるようにしてもよい。また、冷却部１２２の形状も必ずしも箱状である必要はなく、冷媒が流れるパイプを載置部１２１の下面に当接させるようにしてもよい。
【００３７】
炉床板も上記のように載置部１２１と冷却部１２２とから構成する必要はなく、載置部に相当する板材のみによって構成し、この板材の内部に直接冷媒流路を形成するようにしてもよい。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明に係る合成石英ガラス製造装置１０の好ましい実施例について説明する。この合成石英ガラス製造装置１０においては、炉床板１２はＳＳ４１の板材を用いて平面視において１６００ｍｍ角の正方形に形成されている。また、炉枠１１２は平面視において１２００ｍｍ角の正方形に形成されている。炉床板１２の冷却部１２２はこの炉枠１１２の寸法と同じく平面視における寸法が１２００ｍｍ角に形成されている。なお、炉底開口１２ａは、耐火部材１１１の内法と同一の直径で形成されている。
【００３９】
冷却部１２２に供給される空冷用のエアーはレギュレータ（図示せず）により１〜４ｋｇ／ｃｍ²に減圧されて供給される。なお、石英ガラスの原料となるＳｉ化合物ガスとしてはＳｉＣｌ₄のガスが用いられ、このＳｉ化合物ガスを送り出すためのキャリアガスとしてはＯ₂ガスおよびＨ₂ガスが用いられている。そして、ターゲット１３を２０００℃以上に加熱した後、バーナ１４からＳｉＣｌ₄ガスをキャリアガスとともに噴出させ、インゴットＩＧの形成を行う。
【００４０】
ここで、炉床板を空冷していない合成石英ガラス製造装置で同様の合成を行ったときは、約８０００ｈの合成時間を経た状態で炉床板のたわみが発生し、炉枠等の荷重によって最大約１０ｍｍのたわみが確認され、引き続き合成を継続したところ、約１４０００ｈの合成時間で炉床板の上部に組み上げられている耐火物に割れや組み合わせ部分のずれを生じ築炉を要する状態となった。しかしながら、本発明に係る合成石英ガラス製造装置１０によれば、約２００００ｈの合成時間を経た状態でも炉床板１２、耐火部材１１１等に変形を生じることなく、問題なく合成を持続することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の合成石英ガラス製造装置は、炉本体を載置保持する炉床板に流体冷媒が流通可能な冷媒流路が設けられ、バーナを用いたターゲットにおける合成石英ガラス製造時には、冷媒流路への流体冷媒の給排を行って炉床板の冷却を行う。これにより、炉床板を冷却しない場合に比較して炉床板の熱膨張及び炉枠他の荷重による変形を抑えることが可能となり、合成石英ガラス製造装置の耐久性が向上するため、築炉等の品質に影響を与える部品交換作業の頻度を著しく低下させて大幅なコストダウンを図ることができる。
【００４２】
なお、炉床板を冷却するための流体冷媒としては空気を用いることが好ましく、流体冷媒に空気を用いた場合には、冷媒給排手段も簡単な構成とすることができるため、合成石英ガラス製造装置を簡単に且つ安価に製作することができる。また、炉床板は炉本体載置部材と流体冷媒が流れる流路が形成された冷却部材とを備えて構成することが好ましく、さらには、流路における流体冷媒の入口から出口への経路を形成する経路形成手段を設けることが好ましい。これにより、簡単な構成で炉床板をむらなく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る合成石英ガラス製造装置の一例を示す模式図である。
【図２】この合成石英ガラス製造装置の図１におけるＩＩ矢視図である。
【符号の説明】
１０合成石英ガラス製造装置
１１炉本体
１２炉床板
１３ターゲット
１４バーナ
１６排気口
１７排気管
１８炉内監視用カメラ
１９熱電対
１２２ｃ流路
ＩＧインゴット

Claims

炉本体と、
この炉本体の内側空間内に位置する合成石英ガラス製造用のターゲットと、
噴出口が前記ターゲットに向けて設置された石英ガラス合成用のバーナと、
流体冷媒が流通可能な冷媒流路が設けられて前記炉本体を載置保持する炉床板と、
前記冷媒流路への前記流体冷媒の給排を行う冷媒給排手段とを備え、
前記バーナを用いた前記ターゲットにおける前記合成石英ガラス製造時に前記冷媒流路への前記流体冷媒の給排を行って前記炉床板を冷却することを特徴とする直接法合成石英ガラス製造装置。
前記流体冷媒が空気であることを特徴とする請求項１に記載の直接法合成石英ガラス製造装置。
前記炉床板が、
上面に前記炉本体を載置保持する板状の炉本体載置部材と、
前記冷媒流路が形成されて前記炉本体載置部材の下面に取り付けられ、前記冷媒流路における前記冷媒の入口から出口への経路を形成する経路形成手段が設けられた冷却部材とを備えたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の直接法合成石英ガラス製造装置。