JP4304409B2 - 石英ガラス部材の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、石英ガラス部材、その製造方法、並びにそれを用いた投影露光装置に関する。より詳しくは、エキシマレーザ光等の紫外域、真空紫外域の光源を利用して所定のマスクパターンを基板上に転写する結像光学系に用いられるレンズ、集積回路の回路パターンを焼き付けるために用いられるレチクル等のフォトマスク、回折光学素子（ＤＯＥ）、光源用のエタロン板、或いはこれらの母材、となる石英ガラス部材、その製造方法、並びにそれを用いた投影露光装置に関する。
背景技術
従来、半導体製造用の投影露光装置としては、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すような構造を有するものが用いられている。
すなわち、図１６Ａに示す投影露光装置８００においては、水銀アーク灯等の光源５０１からの光束は楕円鏡５０２により集光された後、コリメータレンズ５０３により平行光束に変換される。そしてこの平行光束は、図１６Ｂに示すような断面が四角形の光学素材５０４ａの集合体よりなるフライアイレンズ５０４を通過することにより、これの射出側に複数の光源像が形成される。この光源像位置には、円形状の開口部を有する開口絞り５０５が設けられている。この複数の光源像からの光束はコンデンサーレンズ５０６によって集光され、被照射物体としてのレチクルＲを重畳的に均一照明する。
このようにして照明光学系によって均一照明されたレチクルＲ上のパターンは、複数のレンズよりなる投影光学系５０７によって、レジストが塗布されたウェハＷ上に投影露光される。このウェハＷは２次元的に移動するウェハステージＷＳ上に載置されており、図１６Ａの投影露光装置８００では、ウェハ上での１ショット領域の露光が完了すると、次のショット領域への露光のために、順次ウェハステージを２次元移動させるいわゆるステップアンドリピート方式の露光が行われる。
また、近年においては、レチクルＲに対し長方形状または円弧状の光束を照射し、投影光学系５０７に関して兵役に配置されたレチクルＲとウェハＷとを一定方向に走査することにより、高いスループットでレチクルＲのパターンをウェハＷ上へ転写することが可能な走査露光方式が提案されている。
更に、近年においては、ウェハ面上により微細なマスクパターン像を転写する、すなわち解像度を向上させるために、光源の波長を短くすることが提案されている。例えば、これまでのｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）から、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。
上記の投影露光装置内の光学系に用いられる光学部材としては、使用する光源の波長に対する透過率が高いことが望まれる。これは、投影露光装置の光学系は多数の光学部材の組み合わせにより構成されており、たとえレンズ１枚当たりの光損失が少なくとも、それが光学部材の使用枚数分だけ積算されると、トータルでの透過率低下の影響が大きいからである。透過率が悪い光学部材を用いると、露光光を吸収することによって光学部材の温度が上昇して光学部材内の屈折率の不均質化が生じ、さらには光学部材の局所的熱膨張によって研磨面の変形をもらたす。これによって光学性能の劣化が生じる。特に、投影光学系においては、より微細かつ鮮明な投影露光パターンを得るために、光学部材の屈折率の高い均質性が要求される。これは、屈折率のばらつきにより光の進み遅れが生じ、これが投影光学系の結像性能に大きく影響するからである。
一般に、ｉ線より長波長の光を利用した投影露光装置では、その照明光学系あるいは投影光学系のレンズ部材として多成分系の光学ガラスが用いられているが、このような光学ガラスの場合、光の波長がｉ線より短くなるとその光に対する内部透過率が急激に低下し、特に２５０ｎｍ以下の波長を有する光に対してはほとんど透過性を示さなくなる。そこで、波長４００ｎｍ以下の紫外域の光源を備えた投影露光装置の光学系に用いられる光学部材の材料としては、紫外域での透過率が高く、均質性に優れた石英ガラスあるいはフッ化カルシウム単結晶が一般的に用いられている。この２つの材料はエキシマレーザの結像光学系で色収差補正を行う上で必要とされる材料である。
上記の光学材料のうち、石英ガラスは光透過性が高いことに加えて、耐エキシマレーザ性が良好である；温度変化に対して耐性がある；耐食性及び弾性性能が良好である；室温付近の線膨張率が小さい（約５．５×１０^−７／Ｋ）；等の優れた性質を有する。そのため、投影露光装置において、耐紫外線性（ＵＶ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ）が良好であり、且つ基板の発熱及びそれによる熱膨張が生じにくいといった光学特性が要求されるレチクル等の光学部材の材料に適用する試みがなされている。
また、フッ化カルシウム単結晶は、特に１９０ｎｍ以下の特定波長を有する光と共に用いる光学部材の材料として使用された場合、高い光透過性と高い耐紫外線性を有していることからこのような光学部材への適用が検討されている。
発明の開示
しかしながら、石英ガラスからなるレンズ、フォトマスク基板等の光学部材であっても、２５０ｎｍ以下の特定波長を有する光に対しては、光透過性や耐紫外線性等の光学特性が不十分であった。これは、先に延べたように、複数のレンズ（レンズ群）で構成た光学系全体としての光透過率は各レンズの光透過率が積算されたものとなることと、光の内部吸収や内部散乱による石英ガラスの透過損失の増大、レーザ誘起により生じるカラーセンター、発熱や蛍光による光学性能の低下、密度が変化するコンパクション等の問題があり、特に１９０ｎｍ以下の波長を有する光と共に用いる場合にその傾向が顕著であるからである。
つまり、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）やＦ_２レーザ（波長１５７．６ｎｍ）等の光源を用いた投影露光装置にこれらの光学部材を使用すると、パターン転写工程における線幅ムラ（焼き付けムラ；ｌｉｎｅ ｗｉｄｔｈ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）等が問題となり高い解像度を達成することは非常に困難であった。
更に、フッ化カルシウム単結晶は、温度変化に対する耐性が低く脆弱で傷つき易いのでパターンの形成過程において破損が生じやすいという欠点があった。また、フッ化カルシウム単結晶は、線膨張率が石英ガラスの約４０倍と大きいので、高い精度のマスクパターンの形成が困難であると共に、露光処理を行う場合の温度を極めて厳密に管理しなければならないという欠点があった。
このように、投影露光装置に利用する光の波長が短くなるにつれて、レンズ部材やフォトマスク部材等の光学部材は、より高い光学性能が要求されるようになってきているが、２５０ｎｍ以下の波長を有する光、中でも１９０ｎｍ以下の波長を有する光を利用した装置等を構成する光学系に適した所望の光学性能を有する光学部材は未だ開発されていなかった。また、高い透過率や高い屈折率の均質性を有する材料であっても、このような材料を複数組み上げて光学系とした際に所望の解像度が得られないことがあった。
そこで本発明は、高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材、その製造方法、並びに高い解像度を得ることが可能な投影露光装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、まず、光学部材内に生じる複屈折（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）に影響を与える因子について検討したところ、従来、光学部材内に生じる複屈折は、熱処理を施した光学部材を冷却する過程において光学部材内に生じる熱応力の影響によって決定されると考えられていたが、特に石英ガラス部材については、その内部における構造分布（ＳｉＯ_２の結合分布）や不純物分布が大きく影響していることを見出した。
そこで、本発明者らは石英ガラス部材内に存在する不純物について詳細に検討した結果、石英ガラス部材内部の構造分布や不純物の中でも特に水酸基濃度の分布が石英ガラス部材内に生じる複屈折の分布に対して大きな影響を与えていることを見出した。また、本発明者らは、熱処理後の冷却（降温）工程について検討した結果、複屈折の度合のより小さい石英ガラス部材を得るためには、１５００〜１８００℃の温度領域における降温速度が、石英ガラス内に生じるの複屈折の度合を左右する大きな要因であることを見出した。
更に、本発明者らは、光学部材の材料の複屈折が投影光学系の結像性能と投影露光装置の解像度とに大きく影響を与えることを突き止めた。そして、光学部材の材料の複屈折の大きさ、すなわち複屈折値（絶対値）が２ｎｍ／ｃｍ以下で且つ光学部材内の複屈折の分布が中央対称であれば、投影光学系の設計性能に近い結像性能及び投影露光装置の設計性能に近い解像度が得られることを見出し、特開平８−１０７０６０号公報において開示している。
しかしながら、投影露光装置の解像度に対する要求がさらに高まり、光源としてより短波長の光を用いたり、光学部材として大口径かつ厚みの大きなものを用いる場合には、上記従来の設計思想を採用しても投影光学系の良好な結像性能及び投影露光装置の良好な解像度を得ることができない場合があった。
そこで、本発明者らは更に研究した結果、良好な透過率や良好な屈折率の均質性を有する光学部材を使用しても所望の光学性能を有する投影光学系及び投影露光装置を得ることができない原因として、光学部材内の複屈折の分布状態が光学部材ごとに異なるため、複数の光学部材を投影光学系として組み上げた場合に光学系全体で異なる複屈折の分布が積算され、結果として光学系全体での光の波面に乱れを生じさせ、投影光学系の結像性能や投影露光装置の解像度に大きな影響を与えていることを見出した。
すなわち、従来の光学部材の複屈折の評価は、その大きさ（絶対値）の大小で議論されているに過ぎず、また、上記の光学部材内の複屈折値（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ）の分布という概念もなかった。例えば、石英ガラス部材の複屈折値を測定する場合は、部材の径の９５％付近の数箇所の複屈折値を測定し、その最大値をその部材における複屈折値として用いることが当業者の認識であった。ところが、石英ガラス部材内の複数の測定点において測定される複屈折値の分布を詳細に測定したところ、本発明者らは複屈折値は実際は不均一な分布を有していることを見出したのである。
従って、屈折率の均質性の高い石英ガラス部材であっても部材内の数カ所の複屈折値の最大値の管理だけでは部材内の複屈折の影響を十分に評価することができず、特に、複数の部材を組み合わせる場合に所望の性能の光学系を得ることは非常に困難であることがわかった。このような石英ガラス部材内の複屈折値の不均一な分布は、合成時の温度分布、不純物の不均一な分布、あるいはＳｉＯ_２の構造欠陥の不均一な分布に起因して、石英ガラス部材の冷却時に部材内に複屈折値の不均一な分布が形成されるものと考えられる。
このように、複数の光学部材により構成された光学系全体での複屈折の評価は、個々の光学部材の複屈折の大きさのみでは単純に表すことはできないため、本発明者らは、光学部材内に複屈折値の不均一な分布が光学系に与える影響を詳細に検討した。その結果、この複屈折値の不均一な分布を進相軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）の向きに注目してみた場合に、進相軸の向きが同じである複屈折値の分布を有する光学部材を用いて光学系を構成すると複屈折値が積算され、光学系の性能に悪影響を及ぼすこと、反対に進相軸の向きの異なる光学部材を組み合わせることにより、個々の部材の有する複屈折による悪影響が光学系全体では打ち消されることを初めて見出した。そして、本発明者らは、先に延べた石英ガラス部材内の水酸基濃度が石英ガラス部材内に生じる複屈折に与える知見をあわせて本発明に到達した。
すなわち、本発明の石英ガラス部材は、２５０ｎｍ以下の特定波長を有する光と共に使用される石英ガラス部材であって、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複数の複屈折値とその進相軸の向きとに基づいて求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍであることを特徴とする。
このように、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度分布の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下で、且つ石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材は、高い光透過性及び耐紫外線性を有する。従って、本発明の石英ガラス部材を使用して投影露光装置の光学系を構成するレンズやフォトマスク基板に用いた場合には、光学系全体の光透過性の低下が抑制され、また、フォトマスク基板においては高い光透過性が得られると共に部材の局所的な熱膨張による複屈折の発生が抑制されるので、パターン転写工程において線幅ムラ（焼き付けムラ）を生じることのない高い解像度を有する投影露光装置を構成することができる。
また、本発明の石英ガラスの製造方法は、複数の管を有するバーナを備えた合成炉内において、バーナの複数の管から原料と燃焼ガスとを噴出させることにより原料を酸水素火炎中で加水分解し、内部における所定の面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下となる石英ガラスバルクを合成する石英ガラスバルク合成工程と、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御し、０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域において石英ガラスバルクを冷却する石英ガラスバルク冷却工程と、石英ガラスバルクを切り出して所望の形状及び大きさを有する石英ガラス部材を得る石英ガラスバルク切断工程と、石英ガラス部材に熱処理を施し、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複数の複屈折値とその進相軸の向きとに基づいて求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得る石英ガラス部材熱処理工程とを有することを特徴とする。
石英ガラス部材内の複屈折の分布に大きな影響を及ぼす石英ガラス部材内の水酸基濃度分布の制御は、石英ガラスバルクを合成する合成工程において、多重管バーナの各管から噴出するガスの種類（原料、酸素又は水素）及びその流量等の噴出条件を適宜調節すると共に、各種の石英ガラスバルクの合成法に応じてその後の具体的な合成処理を適宜調節することにより主として行なうことができる。例えば、直接法においては、ターゲットの揺動幅（ｒｏｃｋｉｎｇ ｗｉｄｔｈ）を調節することにより水酸基濃度分布を小さくすることができる。また、スート法においては、水酸基濃度の最大値を５０ｐｐｍ以下とすることにより、水酸基濃度分布を小さくすることができる。
更に、上記のように石英ガラスバルク合成工程において石英ガラス部材内の水酸基濃度分布の制御を施した後に、石英ガラスバルクを冷却する冷却工程において、従来の製造方法においては行われていなかった高温領域、すなわち、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御することとと、石英ガラスバルク切断工程後に得られる石英ガラス部材に施す熱処理の条件を適宜調節することによって、石英ガラス部材内の不純物の分布、ＳｉＯ_２の構造分布を均質化することができる。その結果、内部の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材を得ることができる。
従来は、石英ガラスバルクを冷却する冷却工程において、失透（ｄｅｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を防止のため降温速度を通常１５℃／ｍｉｎ以上としていていたのに対し、本発明の石英ガラス部材の製造方法は、特に１５００〜１８００℃の温度領域における降温速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御して失透を防止すると共に０．０１〜０．１５ＭＰａの圧力領域において冷却することにより加圧による石英ガラス部材内の応力の発生を防止して石英ガラス部材内の不純物の分布、ＳｉＯ_２の構造分布を均一化することを可能としたものである。
また、本発明の石英ガラスの製造方法は、複数の管を有するバーナを備えた合成炉内において、バーナの複数の管から原料と燃焼ガスとを噴出させることにより原料を酸水素火炎中で加水分解し、内部における所定の面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下となる石英ガラスバルクを合成する石英ガラスバルク合成工程と、石英ガラスバルクを合成炉内に保持した状態で当該石英ガラスバルクを合成炉の外部環境温度との温度差に基づき冷却する石英ガラスバルク冷却工程と、石英ガラスバルクを切り出して所望の形状及び大きさを有する石英ガラス部材を得る石英ガラスバルク切断工程と、０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において、石英ガラス部材を１６００〜２３００℃の間の所定の温度にまで昇温させる石英ガラス部材第一熱処理工程と０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御して石英ガラス部材を冷却することにより、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複数の複屈折値とその進相軸の向きとに基づいて求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得る石英ガラス部材第二熱処理工程とを有することを特徴とする。
上記の石英ガラス部材の方法は、内部の水酸基濃度分布の制御のみを施した石英ガラスバルクを製造し、更に、石英ガラスバルクを切断して部材の原形を製造した後に当該部材の原形に熱処理を施す場合の方法である。この場合であっても、部材の原形を上記の条件の下で昇温させ、その後、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御することによって、石英ガラス部材内の不純物の分布、ＳｉＯ_２の構造分布を均質化することができる。その結果、内部の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材を得ることができる。
更に、本発明の投影露光装置は、２５０ｎｍ以下の波長の光を露光光として出射する露光光源と、パターン原像の形成されたレチクルと、露光光源から出力される光をレチクルに照射する照射光学系と、レチクルから出力されるパターン像を感光基板上に投影する投影光学系と、レチクルと感光基板の位置合わせを行うアライメント系と、を有する投影露光装置であって、照射光学系を構成する光学部材、投影光学系を構成する光学部材及びレチクルのうち少なくとも一部が、本発明の石英ガラス部材からなるものであることを特徴とする。
前記本発明の石英ガラス部材により構成した光学系を備えることにより、本発明の投影露光装置は、優れた解像度を得ることができる。
ここで、本発明における「符号付複屈折値」の概念について説明する。
符号付複屈折値とは、光学部材の複屈折値を求める際に屈折率楕円体（ｉｎｄｅｘ ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）において定義される進相軸の向きを考慮して複屈折値に符号を付したものである。
より詳しくは、光学部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において、光束の円形照射を受ける領域を略円形の有効断面とし、この有効断面上にある複屈折測定点の微小領域内の進相軸の向きと、光学部材の光軸との交点である中心からの放射方向とが平行な場合に測定された複屈折値にプラス（或いはマイナス）の符号を付し、垂直な場合にマイナス（或いはプラス）の符号を付するものである。
また、上記の複屈折値への符号の付し方は、光学部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内に複数の光束が照射される場合にも適用できる。この場合にも、光学部材の光軸との交点である中心からの放射方向と、複数の光束が照射されているそれぞれの有効断面上にある複屈折測定点の微小領域内の進相軸の向きとが平行な場合に測定された複屈折値にプラス（或いはマイナス）の符号を付し、垂直な場合にマイナス（或いはプラス）の符号を付するものである。
更に、上記の複屈折値への符号の付し方は、光学部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内に断面円形状以外の形状を有する光束、例えば断面リング状或いは断面楕円状の光束が照射される場合にも適用できる。この場合にも、光学部材の光軸との交点である中心からの放射方向と、複数の光束が照射されているそれぞれの有効断面上にある複屈折測定点の微小領域内の進相軸の向きとが平行な場合に測定された複屈折値にプラス（或いはマイナス）の符号を付し、垂直な場合にマイナス（或いはプラス）の符号を付するものである。
なお、以下の説明においては、光束が照射されている有効断面上にある複屈折測定点の微小領域内の進相軸の向きと、光学部材の光軸との交点である中心からの放射方向とが平行な場合に測定された複屈折値にプラスの符号を付し、垂直な場合にマイナスの符号を付する場合について説明する。
以下に、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、及び図３Ｂを用いて符号付複屈折値を更に具体的に説明する。
図１Ａは、光学部材Ｌ１の有効断面上の中心Ｏからそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ４の距離にある複屈折測定点Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_１３，Ｐ_１４における進相軸の向きを示す模式図である。なお、この図においては説明の便宜上、複屈折測定点Ｐ_１１〜Ｐ_１４は中心Ｏ１を通り半径方向にのびる直線Ｑ_１上に設定されている。図中、各測定点の円で示される微小領域の大きさは各測定点における光路差に相当する。また、これらの微小領域内の線分Ｗ_１１，Ｗ_１２，Ｗ_１３，Ｗ_１４の向きは進相軸の向きを示す。測定点Ｐ_１１〜Ｐ_１４の進相軸の向きは全て直線Ｑ_１の方向すなわち半径方向に平行であるので、測定点Ｐ_１１〜Ｐ_１４の複屈折値は全てプラスの符号を付して表現される。このようにして得られた図１Ａに示す測定点Ｐ_１１〜Ｐ_１４の符号付複屈折値Ａ_１１，Ａ_１２，Ａ_１３，Ａ_１４の半径方向に対する分布を描くと、例えば図１Ｂのようなプロフィールとなる。
図２Ａは、図１Ａと同様に光学部材Ｌ２の有効断面上の中心Ｏ_２からそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４の距離にある複屈折測定点Ｐ_２１，Ｐ_２２，Ｐ_２３，Ｐ_２４における進相軸の向きを示す模式図である。この場合には、測定点Ｐ_２１〜Ｐ_２４の進相軸Ｗ_２１，Ｗ_２２，Ｗ_２３，Ｗ_２４の向きは全て直線Ｑ_２の方向すなわち半径方向に垂直であるので、測定点Ｐ_２１〜Ｐ_２４の符号付複屈折値Ａ_２１，Ａ_２２，Ａ_２３，Ａ_２４は全てマイナスの符号を付して表現される。このようにして得られた図２Ａに示す測定点Ｐ_２１〜Ｐ_２４の符号付複屈折値Ａ_２１〜Ａ_２４の半径方向に対する分布を描くと、例えば図２Ｂのようなプロフィールとなる。
図３Ｂは、図１Ａと同様に光学部材Ｌ２の有効断面上の中心Ｏからそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４，ｒ_５の距離にある複屈折測定点Ｐ_３１，Ｐ_３２，Ｐ_３３，Ｐ_３４における進相軸の向きを示す模式図である。この場合には、測定点Ｐ_１１〜Ｐ_１４の進相軸Ｗ_３１，Ｗ_３２，Ｗ_３３，Ｗ_３４，Ｗ_３５の向きは、測定点Ｐ_３１〜Ｐ_３３においては直線Ｑ３の方向すなわち半径方向に平行であり、測定点Ｐ_３４，Ｐ_３５においては半径方向に垂直であるので、測定点Ｐ_３１〜Ｐ_３５において得られる符号付複屈折値Ａ_３１〜Ａ_３５の半径方向に対する分布は、図３Ｂに示すようなプロフィールとなる。
図４Ａは、光学系を構成するｍ個の石英ガラス部材を光源から順に配列させた模式的側面図である。また、図４Ｂは、図４Ａに示すｍ個の石英ガラス部材のうち光源からｉ番目に配置される石英ガラス部材Ｌｉの光軸に垂直な有効断面を示す模式的断面図である。
本発明においては、石英ガラス部材内の複屈折値の分布は光軸方向に平行な部材の厚み方向については均一であり、光軸に垂直な有効断面上の半径方向については不均一であると仮定する。ここで、「有効断面」とは石英ガラス部材の光軸に垂直な面内のうち光束の照射を受ける領域を示す。そして、光軸との交点を有効断面の中心とし、その半径を石英ガラス部材の有効断面の有効半径とする。また、光学系全体の符号付複屈折特性値を測定する際には、石英ガラス部材ごとにその有効断面の大きさが相違するため、図４Ａに示すように各石英ガラス部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全石英ガラス部材の有効断面の大きさをノーマライズする。
なお、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内に複数の光束が照射される場合には、個々の光束に対応する有効断面について各石英ガラス部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全石英ガラス部材の有効断面の大きさをノーマライズする。
更に、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内に断面円形状以外の形状を有する光束、例えば断面リング状或いは断面楕円状の光束が照射される場合にも、個々の光束に対応する有効断面について各石英ガラス部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全石英ガラス部材の有効断面の大きさをノーマライズする。
例えば、断面リング状の光束が照射される場合には、リングの最大外径が１となるように予め全石英ガラス部材の有効断面の大きさをノーマライズし、符号付複屈折値の測定については以下に説明する断面円形状の光束に対する測定と同様に行えばよい。また、断面楕円状の光束が照射される場合には、楕円の長軸の最大外径が１となるように予め全石英ガラス部材の有効断面の大きさをノーマライズし、符号付複屈折値の測定については以下に説明する断面円形状の光束に対する測定と同様に行えばよい。
投影光学系全体の符号付複屈折特性値を測定するためには、先ず、図４Ｂに示すように、１つの光学部材Ｌｉについてその有効断面上に中心をＯ_ｉとし且つ中心からの半径が互いに相違する複数の同心円Ｃ_ｉｊのモデルを仮定する。次に中心Ｏ_ｉからの半径がｒ_ｊであるｊ番目の同心円Ｃ_ｉｊ上にあるｋ番目の測定点Ｐ_ｉｊｋの複屈折値を測定する。更に、測定点Ｐ_ｉｊｋにおける進相軸の向きと半径方向との関係から符号を付して測定点Ｐ_ｉｊｋの符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋとする。
ここで、ｉは、投影光学系を構成する前記光学部材Ｌの番号（ｉ＝１，２，…，ｍ；２≦ｍ）を示す。また、ｊは、光学部材Ｌにおける光軸に垂直な有効断面上に想定される、光軸を中心とし且つ該光軸からの半径が互いに相違する同心円Ｃの番号（ｊ＝１，２，…，ｎ；１≦ｎ）を示す。更に、ｋは、同心円Ｃの円周上にある測定点の番号（ｋ＝１，２，…，ｈ；１≦ｈ）を示す。このようにして同一の同心円Ｃ_ｉｊ上の所定の測定点Ｐ_ｉｊｌ〜Ｐ_ｉｊｈにおける符号付複屈折値Ａ_ｉｊｌ〜Ａ_ｉｊｈを測定する。
次に、下記式に従い、光学部材Ｌｉにおける同心円Ｃ_ｉｊの円周上にある測定点の符号付複屈折値の相加平均である平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊを算出する。

次に、このようにして求めた石英ガラス部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが下記式を満たす場合にその石英ガラス部材は、高い光透過性及び耐紫外線性を示し、更に、このような石英ガラス部材を使用した光学系全体は優れた結像性能を示し、このような投影光学系を備える投影露光装置は優れた解像度を示す。
−２．０≦Ｂ_ｉｊ≦２．０ｎｍ／ｃｍ （１）
発明を実施するための最良の形態
以下、場合により図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一及び相当部分については同一符号を付するものとする。
先ず、本発明の石英ガラス部材について説明する。
本発明の石英ガラス部材は、２５０ｎｍ以下の特定波長を有する光と共に使用される合成石英ガラス製石英ガラス部材であって、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度の分布の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所の複屈折値を測定し、複数の複屈折値をその進相軸の向きが光軸との交点に対して放射方向のときを正、前記放射方向に垂直なときを負として求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである。
石英ガラス部材内に存在する水酸基は、石英ガラスの構造を安定化させる作用があり、レーザが照射された際に石英ガラス中の酸素欠乏型の欠陥（Ｖｏ）（≡Ｓｉ−Ｓｉ≡、ここで、≡は三重結合ではなく、３つの酸素と結合していることを示す）に起因する１６０ｎｍ付近の吸収帯が石英ガラス部材内に生成することを抑制して石英ガラス部材の耐紫外線性を向上させる作用がある。しかし、その一方で、石英ガラス部材内の水酸基の分布状態は石英ガラス部材内の複屈折の分布に大きな影響を及ぼすことが本発明者らが行なった検討により明らかになっている。
このような石英ガラス部材内の水酸基濃度及び水酸基の分布状態の制御は、後述するように、石英ガラスバルクを合成する合成工程において、多重管バーナの各管から噴出するガスの種類（原料、酸素又は水素）及びその流量等の噴出条件を適宜調節すると共に、各種の石英ガラスバルクの合成法に応じてその後の具体的な合成処理を適宜調節することにより可能である。例えば、石英ガラスバルクを堆積させるターゲット又は容器と、バーナとの相対的な位置関係や、ターゲット又は容器の回転数を調整しつつ石英ガラスバルクを合成することにより石英ガラス部材内の水酸基濃度及び水酸基の分布状態の制御を行うことが可能である。
上記のように石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度の分布の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であれば、内部の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材を得ることが容易にできる傾向が大きくなる。また、これらの高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材を複数枚使用して構成される光学系においても光学系全体の光透過性の低下が抑制される。更に、複数の石英ガラス部材を用いて光学系を構成する際に、使用する石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度の分布の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、且つ、内部の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍであれば、後述するように、各々の石英ガラス部材の有する符号付複屈折値の分布に基づいて互いの複屈折値の分布が打ち消し合うように容易に配置することができる。
一方、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度の分布の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍを超えると、石英ガラス部材内部の複屈折の度合が大きくなると共に複屈折の分布も不均一となり、石英ガラス部材の各製造工程における諸条件、例えば石英ガラスバルクの冷却工程における降温速度等を調整しても複屈折の分布を均一化することが困難となる傾向が大きくなる。
また、本発明の石英ガラス部材が１８０ｎｍ以下の波長を有する真空紫外線レーザと共に用いられる場合、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は１０ｐｐｂ〜５０ｐｐｍであることが好ましい。石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度が５０ｐｐｍを超えると、水酸基が１５０ｎｍ付近に吸収帯を有するため石英ガラス部材の初期透過率が低下する傾向が大きくなる。一方、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度が１０ｐｐｂ未満であると石英ガラス部材の構造が不安定となる傾向が大きくなると共に石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度の最大値と最小値の差が５０ｐｐｍを超える傾向が大きくなる。
更に、本発明の石英ガラス部材が１８０ｎｍ〜２５０ｎｍの波長を有する紫外線レーザと共に用いられる場合、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は１０ｐｐｂ〜１０００ｐｐｍであることが好ましい。石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は１０ｐｐｂ未満であると、１８０ｎｍ〜２５０ｎｍの波長を有する紫外線レーザのレーザビームに対して光透過性が低下する傾向がある。一方、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は１０００ｐｐｍを超えると、水酸基濃度分布の制御が困難になる。
また、本発明者らは、本発明の石英ガラス部材において内部の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが下記式を満たす場合に、このような光学部材を用いて光学系を構成することにより、光学系の良好な結像性能を得ることができることを見出した。例えば、このような光学系としては、投影露光装置の照射光学系、投影光学系が挙げられ、また、レチクル等に用いることにより、レチクルの長寿命化が達成可能となる。
−２．０≦Ｂ_ｉｊ≦＋２．０ｎｍ／ｃｍ （１）

［式（１）及び（２）中、
ｉは、前記光学部材Ｌの番号（ｉ＝１，２，…，ｍ；２≦ｍ）を示し、
ｊは、前記光学部材Ｌにおける光軸に垂直な有効断面上に想定される、前記光軸を中心とし且つ該光軸からの半径が互いに相違する同心円Ｃの番号（ｊ＝１，２，…，ｎ；１≦ｎ）を示し、
ｋは、前記同心円Ｃの円周上にある測定点の番号（ｋ＝１，２，…，ｈ；１≦ｋ）を示し、
Ａ_ｉｊｋは、光学部材Ｌｉにおける同心円Ｃ_ｉｊの円周上にあるｋ番目の測定点Ｐ_ｉｊｋにおける前記符号付複屈折値を示し、
Ｂ_ｉｊは、光学部材Ｌｉにおける同心円Ｃ_ｉｊの円周上にある測定点の符号付複屈折値の相加平均である平均符号付複屈折値を示す］
石英ガラス部材内の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内において求められる複数の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが上記の範囲を超える場合、すなわち、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが−２．０ｎｍ／ｃｍ未満である場合及び／または平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが＋２．０ｎｍ／ｃｍを超える場合、光学部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊ、更には、符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋの石英ガラス部材内におけるばらつきが大きいことになる。このような石英ガラス部材から構成された光学系に光を照射した場合、光の通る位置によって符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋの差が大きいため、光束の波面に乱れを生じ、光学系の結像性能が極端に低下する傾向がある。
更に、本発明の投影光学系は、光学部材Ｌｉの中心Ｏ_ｉ周辺の符号付複屈折値が、０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることが好ましい。光学部材に照射される光のほとんどは、光学部材の中心部に光軸を持つため、上記の条件を満たす光学部材を用いることにより、中心部に複屈折を有する光学部材を用いた場合と比較して複屈折の影響を大幅に低減することが可能となる。
また、本発明の石英ガラス部材は、複数枚を組にして光学系を構成する場合において石英ガラス部材Ｌｉにおいて平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布が、中心Ｏ_ｉ以外に極値を持たないことが好ましい。このように石英ガラス部材の符号付複屈折値の分布が中心以外に極値を持たないものであれば、光学系全体での符号付複屈折特性値を見積もることが容易であり、個々の部材の複屈折の影響を効果的に打ち消し合って所望の光学性能を得ることが可能となる。
次に、本発明の石英ガラス部材を使用して構成される光学系の一例について説明する。図５は、本発明の石英ガラス部材を使用して構成される投影光学系の一例を示す概略構成図である。
図５に示す投影光学系１０００は、第１物体としてのレチクルＲ側より順に、正のパワーの第１レンズ群Ｇ１と、正のパワーの第２レンズ群Ｇ２と、負のパワーの第３レンズ群Ｇ３と、正のパワーの第４レンズ群Ｇ４と、負のパワーの第５レンズ群Ｇ５と、正のパワーの第６レンズ群Ｇ６とから構成されている。そして、物体側（レチクルＲ側）及び像側（ウエハＷ側）においてほぼテレセントリックとなっており、縮小倍率を有するものである。また、この投影光学系のＮ．Ａ．は０．６、投影倍率が１／４である。
この投影光学系においては、Ｌ４５、Ｌ４６、Ｌ６３、Ｌ６５、Ｌ６６、Ｌ６７の６箇所に、色収差を補正する目的でフッ化カルシウム単結晶を用いる。
上記の本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系は、先に述べた（１）〜（２）式の算出法により、各光学部材Ｌ１１〜Ｌ６１０について光軸ＡＸとの交点を中心とする光軸ＡＸに垂直な面内の平均符号付複屈折値の分布を計測し、更に以下に説明する光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈを算出して、この光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈが−０．５〜＋０．５ｎｍ／ｃｍとなる配置条件を満たすように各光学部材が互いに組み合わされている。
ここで、本発明の石英ガラス部材により構成された光学系における「光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈ」について図４Ａ及び図４Ｂに基づき説明する。
先ず、下記式に従い、各石英ガラス部材Ｌｉごとに計測された平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊと石英ガラス部材Ｌｉの見かけの厚みＴ_ｉとの積である平均符号付複屈折量を示しＥ_ｉｊを算出する。
Ｅ_ｉｊ＝Ｂ_ｉｊ×Ｔ_ｉ （３）
ここで、Ｔ_ｉは、石英ガラス部材Ｌｉの見かけの厚みを示す。この見かけの厚みとしては、石英ガラス部材Ｌｉの有効断面内の厚みの平均値、又は、光学系内に配置した場合に石英ガラス部材Ｌｉの上下の位置に組み合わされる他の部材とのマッチングによる実効的な厚みのどちらかが適宜選択されることになる。
次に、下記式に従い、光学系全体における平均符号付複屈折量Ｅ_ｉｊの総和を総光路長Ｄで除した符号付複屈折値の平均変化量Ｇ_ｊを算出する。

ここで、Ｄは、下記式で表される光学系全体の見かけの総光路長を示す。

次に、下記式に従い、光学系全体における符号付複屈折値の平均変化量Ｇ_ｊの総和を同心円の数ｎで除した光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈを算出する。

このようにして求めた光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈが下記式を満たす場合にその光学系全体は優れた結像性能を示し、このような光学系を備える投影露光装置は優れた解像度を示すことになる。
−０．５≦Ｈ≦＋０．５ｎｍ／ｃｍ （７）
各石英ガラス部材を上記の符号付複屈折値に基づく配置条件を満たすように組み合わせることにより、個々の石英ガラス部材の有する複屈折値の不均一な分布を進相軸の向きに注目して定量的に評価することができ、更に石英ガラス部材の複屈折値の分布が互いに打ち消し合うようにそれぞれの符号付複屈折値から光学系全体の符号付複屈折特性値を定量的に見積もりながら光学系を組み上げることが可能となるので、良好な結像性能を有する投影光学系を得ることができる。
また、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系は、石英ガラス部材が、投影光学系全体の実効光路に基づく符号付複屈折値のストレール（Ｓｔｒｅｈｌ）値が０．９３以上となる配置条件を更に満たすように互いに組み合わされていることが好ましい。
本発明者らは石英ガラス部材内の複屈折の分布の評価について、石英ガラス部材有効断面の中心及びその周辺部の実効光路を考慮した符号付複屈折値のストレール強度を用いることが有効であることを見出した。本発明者らによりはじめて導入された複屈折のストレール値は、有効断面を通過する光線の実効光路を考慮しているため、光学系全体の符号付複屈折特性値による評価とあわせることにより、石英ガラス部材内の更に精密な複屈折の分布の評価を行うことができる。
この符号付複屈折値のストレール値による各石英ガラス部材の配置条件は下記式に基づいて表現される。

［式（７）〜（９）中、λは光源の波長を示す。χは、光学系全体の光線追跡試験により石英ガラス部材Ｌｉについて得られる実効光路に基づく符号付複屈折値の有効半径方向に対する分布から決定される符号付複屈折値の平均値を示す。σは、光学系全体の光線追跡試験により石英ガラス部材Ｌｉについて得られる実効光路に基づいた符号付複屈折値の有効半径方向に対する分布から決定される符号付複屈折値の標準偏差を示す。Ｓ_ｉは、各石英ガラス部材Ｌｉごとの実効光路に基づいた符号付複屈折値のストレール（Ｓｔｒｅｈｌ）強度を示す。Ｓは、各石英ガラス部材Ｌｉを全て組み合わせた場合における光学系全体の実効光路に基づいた符号付複屈折値のストレール強度を示す。］
また、本発明の石英ガラス部材により構成された光学系は、各石英ガラス部材Ｌｉにおいて平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向における分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが、半径方向の幅１０ｍｍ当たり０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることが好ましい。このような石英ガラス部材を用いて光学系を構成することにより、光学系良好な結像性能を得ることができる。更にこのような光学系を投影露光装置に備えた場合には、ウェハ面全体にわたって均一な解像度が得られる。平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向における分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが大きいということは、石英ガラス部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊ、更には、符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋのばらつきが大きいことになる。平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向における分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが、半径方向の幅１０ｍｍ当たり０．２ｎｍ／ｃｍより大きい石英ガラス部材に光を照射した場合、光の通る位置によって符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋの差が大きいため、光束の波面に乱れを生じ、光学系の結像性能が極端に低下する傾向がある。
次に、本発明の石英ガラス部材の製造方法及び本発明の石英ガラス部材により構成された光学系の製造方法について説明する。なお、ここでは、石英ガラス部材により構成された光学系としては、投影露光装置に使用される投影光学系を例に説明する。
図６は、本発明の石英ガラス部材の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図示の通り、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法は、主として石英ガラスバルク（石英ガラスインゴット）を合成する石英ガラスバルク合成工程１００と、合成した石英ガラスバルクを冷却する石英ガラスバルク冷却工程１２０と、冷却した石英ガラスバルクを熱処理する石英ガラスバルク熱処理工程１４０と、熱処理済みの石英ガラスバルクから石英ガラス部材の切り出しを行う石英ガラスバルク切断工程１６０と、切り出した石英ガラス部材の熱処理を行う石英ガラス部材の熱処理１８０とから構成されている。
一般的な光学ガラスの場合、部材内部に発生する歪を低減する手法として、一般に溶融後固化したガラスに対して徐冷操作が行われる。これは、溶融後固化したガラスをゆっくりとした速度で温度を下げることにより、部材内部に残留する永久歪（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｓｔｒａｉｎ）を取り除く操作である。多成分系の光学ガラスにおいては、例えば歪点（ｓｔｒａｉｎ ｐｏｉｎｔ）以上の十分に高い温度、（光学ガラスの場合通常数百℃）で所定時間保持し、その後できる限り遅い冷却速度で冷却することにより、ほぼ無歪（ｓｔｒａｉｎ ｆｒｅｅ）に近いガラスを得ることができる。
このような徐冷操作を行なうことができる理由は、一般的な光学ガラスの製造においては、ガラス熔解（ｇｌａｓｓ ｍｅｌｔｉｎｇ）時に均質化を目的として溶融状態になったガラスを白金製の撹拌翼などを用いて撹拌を行うため、ガラスが完全に均質化され、ガラス内に熱膨張率などの熱的物性の偏りが存在しない状態を作り出すことが可能なためである。従って、無限に長い時間でガラスを準静的に冷却することができれば理論上は光学ガラス内の歪をゼロにすることが可能になる。
しかし、石英ガラスの場合は、このような熔解により得られた光学ガラスとは全く異なる挙動を示すことがわかった。石英ガラスは、その熱膨張率が一般的な光学ガラスより一桁小さい。そのため、石英ガラスは、その内部における歪の度合を光学ガラスよりもはるかに容易に低減することが可能なはずである。しかし、それにもかかわらず、石英ガラスは、上記の徐冷操作を行い、光学ガラス並の非常に遅い冷却速度で冷却した場合であってもその内部に歪が残留してしまい、十分に除去できない場合が多く見られるのである。
これは、石英ガラスの合成工程における熱処理や合成工程とほぼ同等の温度領域において施されるその他の熱処理の際に、通常の徐冷操作を行ってもそれを取り去ることができない程度の石英ガラス内の不均一な温度分布、石英ガラス内の不均一な不純物の分布、或いはＳｉＯ_２の不均一な構造分布が発生しているからであると考えられる。例えば、石英ガラスバルク内部に不純物が不均一な状態で分布していると、これに起因した不均一な熱膨張率分布が石英ガラスバルクの内部に生じる。そのため、石英ガラスバルクを十分に時間をかけて冷却しても、この不均一な熱膨張率分布に起因する収縮の程度の差が内部に生じてしまうため、歪を生じてしまう。
更に、石英ガラスは粘性が低下する温度が非常に高く、また、溶融温度と揮発を起こす温度が近く、溶融状態を得ようとすると石英ガラスの揮発が激しく進行するようになるため、光学ガラスのように、撹拌翼を用いるような完全な均質化を行う事ができない。
従って、本発明の石英ガラス部材の製造方法では、石英ガラスバルクを得る合成工程の段階において、できる限りその内部に含まれる不純物やＳｉＯ_２の構造分布の分布状態を均一にして、より均質な石英ガラスバルクを合成することを意図した。
先ず、石英ガラスバルク合成工程１００について説明する。
本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系に用いられる石英ガラス部材は、例えば、ａ）ケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解し、得られたガラス微粒子をターゲット上に堆積させると同時に透明ガラス化を行い、透明石英ガラスを得る方法と、ｂ）ケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解してガラス微粒子（いわゆるスート）を得、該ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス（いわゆるスート体）を形成して該多孔質ガラスを軟化点（好ましくは融点）近傍以上の温度で透明化させ、透明石英ガラスを得る方法等を用いて合成する。
ａ）の方法は直接法、ｂ）の方法はスート法と呼ばれる。ここで、ａ）のスート法における多孔質ガラスの形成方法は特に限定されず、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ゾルゲル法などが用いられる。
上記の直接法及びスート法において、原料に用いるケイ素化合物としては、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）等のシロキサン類、メチルトリメトキシシラン、テロラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等のシラン類、等の有機ケイ素化合物；ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３等のケイ素の塩化物；ＳｉＦ_４、Ｓｉ_２Ｆ_６等のケイ素のフッ化物；その他ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等のケイ素化合物が挙げられる。これらのケイ素化合物の中でも、有機ケイ素化合物及びケイ素のフッ化物を用いることは、石英ガラスへの塩素の混入量が低減され、耐紫外線性の優れた石英ガラスが得られる傾向にあるので好ましい。
以下に、直接法（火炎加水分解法とも呼ばれる）により石英ガラス部材を製造する方法を説明する。
図７に、本発明において用いられる石英ガラスインゴット４７０を合成するための合成炉４００を示す。
石英製バーナ４１０は多重管構造となっており、炉の上部からターゲット４２０にその先端部を向けて設置されている。炉壁は炉枠４４０及び耐火物４３０により構成されており、観察用の窓（図示せず）、ＩＲカメラ監視用窓４５０、及び排気管４６０に接続された排気口４９０が設けられている。炉の下部には、石英ガラスインゴット４７０形成用のターゲット４２０が配設されており、ターゲット４２０は支持軸４８０を介して炉の外にあるＸＹステージ（図示せず）に接続されている。支持軸４８０はモータにより回転可能とされており、ＸＹステージはＸ軸サーボモータおよびＹ軸サーボモータによりＸ方向およびＹ方向に２次元的に移動可能とされている。
次に、図７における多重管構造を有するバーナ４１０の一例を図８に概略的に示す。図８のバーナは、中心部に配置された第一の管６０１と、第一の管の周囲に同心円状に配置された第二の管６０２と、第二の管の周囲に同心円状に配置された第三の管６０３と、第三の管の周囲に同心円状に配置された第四の管６０４と、第四の管の外周と該第四の管の内周との間に配置された複数の第五の管６０５と、第四の管の周囲に同心円状に配置された第六の管６０６と、該第四の管の外周と該第六の管の内周との間に配置された複数の第七の管６０７と、を備えたものである。
ここで、原料がハロゲン化ケイ素の場合、第一の管６０１からは窒素、ヘリウム、酸素、水素等のキャリアガスで希釈されたハロゲン化ケイ素が噴出される。なお、ハロゲン化ケイ素が常温で液体の場合にはこれを加熱してガス化させ、また、常温で気体の場合はそのままマスフローコントローラを用いて流量制御して、それぞれキャリアガスと共に第一の管５０１に導入される。また、原料が有機ケイ素化合物の場合、マスフローコントローラで流量制御をしながらベーパライザによりガス化した後、窒素、ヘリウム等のキャリアガスと共に第１の管６０１に導入される。ここで、ケイ素化合物の種類に応じて、酸素ガス又は水素ガスが第二の管６０２から第七の管６０７までの管の所定の管から所定の条件（流量、流速等）で噴出される。具体的には、ハロゲン化ケイ素を原料に用いた場合には、内側、すなわち第二の管６０２から順に酸素、水素、水素、酸素、水素、酸素を噴出させることによって、本発明にかかる石英ガラスを好適に得ることができる。また、有機ケイ素化合物を原料に用いた場合には、内側、すなわち第二の管６０２から順に水素、酸素、水素、酸素、水素、酸素を噴出させることによって、本発明にかかる石英ガラスを好適に得ることができる。
なお、図８においては、同心円上に配置された五重の管とそれらの管の間に配置された複数の細管とを備えたバーナについて説明したが、同心円上に配置された七重の管とそれらの管の間に配置された複数の細管とを備えたバーナを用いることによっても、本発明にかかる石英ガラス部材を好適に得ることができる。
バーナ４１０から酸素含有ガス、水素含有ガスが噴出され、これが混合され火炎を形成する。この火炎中に原料のケイ素化合物をキャリアガスで希釈してバーナの中心部から噴出させると、原料が加水分解されて石英ガラス微粒子（スート）が発生する。これを、回転、揺動するターゲット上に堆積させ、これと同時に溶融・ガラス化することにより、透明石英ガラスのインゴットが得られる。このとき、インゴット上部は火炎に覆われており、インゴット上部の合成面の位置を常にバーナから等距離に保つようにターゲットがＺ方向に引き下げられる。
この石英ガラスバルク合成工程１００において、多重管バーナの各管から噴出するガスの種類（原料、酸素又は水素）及びその流量等の噴出条件を適宜調節することにより、石英ガラスバルク内の水酸基濃度及び水酸基の分布状態の制御を行なうことができる。
具体的には、多重管バーナ４１０の各管から噴出するガスの種類（原料、酸素又は水素）及び流量等の噴出条件を適宜調節する他に、ターゲット４２０を揺動幅がインゴット直径の１０〜５０％以下、揺動速度１００ｍｍ／ｓｅｃ以下で揺動運動させる。ターゲット４２０の揺動幅が１０％未満であると得られる石英ガラスバルク内部の水酸基濃度のばらつきが大きくなる傾向にあり、また、揺動幅が５０％を越えると石英ガラスバルクの形成が困難になる傾向にある。更に、揺動速度が１００ｍｍ／ｓｅｃを越えると石英ガラスバルクの形成が困難となる傾向にある。なお、ターゲット４２０の揺動運動の向きが反転するときに、その揺動速度は０ｍｍ／ｓｅｃとなる。このように、ターゲット４２０の揺動運動を行なう目的の一つとして、バーナ４１０からの酸水素火炎の化学的組成上、ターゲット上に形成される石英ガラスバルク４７０のＳｉＯ_２構造の中に水酸基がある程度の濃度と分布を有して含有されることが挙げられる。そのため、バーナ４１０とターゲット４２０上の石英ガラスバルク４７０が形成される合成面（石英ガラスバルク上部の酸水素火炎にさらされる面）の位置関係を常に一定の条件の下で変化させることにより、ターゲット４２０上に形成される石英ガラスバルク４７０内に水酸基を均一に分散させ、不均一な分布を防止する。このようなのターゲット４２０の揺動運動により、バーナ４１０により加熱されるターゲット上に形成される石英ガラスバルク４７０の合成面の位置が常に変化するので、石英ガラスバルク４７０内の水酸基などの不純物の分布の均一化を行なうことのみならず、温度分布も均一化も効果的に行なうことができるようになる。その結果、石英ガラスバルク合成工程１００において規定される石英ガラスバルク内のＳｉＯ_２の構造分布もより効果的に均一化される。なお、ターゲット４２０は回転運動のみを行い、バーナ４１０側をＸＹ揺動運動させても良く、この場合にも同等の作用効果が得られる。
また、ターゲット４２０のＸＹ揺動運動を行わない場合は、バーナ４１０から噴出されるガスの酸水素比率を理論空燃比の１：２より水素過剰側で燃焼させことにより、石英ガラスバルク内の温度分布及び水酸基濃度分布を均一化することができる。更に、ターゲット４２０上に形成される石英ガラスバルクの酸水素火炎の当たる部位をターゲット４２０の中心から５ｍｍ以上、より好ましくは１５ｍｍ以上オフセットさせることにより、石英ガラスバルク内の水酸基濃度分布、ＳｉＯ_２の構造分布を均一化することができる。このオフセット量を大きくすることにより、石英ガラスバルクの合成面の中央部に原料ガスが集中して供給されるのを防ぐことができ、石英ガラスバルクの合成面の温度が低下する現象を防ぎ、石英ガラスバルクの合成面内の水酸基濃度分布や温度分布を均一に保つことができる。なお、複数のバーナを用いて合成を行うことにより、原料ガスが石英ガラスバルクの合成面の中央に集中して供給されるのを防ぐことができ、１つのバーナでオフセットを行ったときと同様の効果が得られる。
更に、ターゲット４２０の回転数は、７．０〜５０ｒｐｍとすることが好ましい。このようにすることにより、石英ガラスバルクの合成面内の水酸基濃度分布を効果的に均一化することが可能となる。ターゲット４２０の回転数が、５０ｒｐｍを超えると、ターゲット上に堆積される石英ガラス微粒子が減少してしまうという不具合が生じる。一方、７．０ｒｐｍ未満であると、ターゲット上に石英ガラス微粒子を均一に堆積させることが困難となる傾向が大きくなる。
上記の石英ガラスバルクの合成面内の水酸基濃度分布を効果的に均一化するためのターゲット４２０の最適な回転数は、ターゲット上に堆積される石英バルクの直径の大きさにも依存する。例えば、ターゲット上に堆積される石英バルクの直径の大きさが２００ｍｍ以下の場合には、ターゲット４２０の回転数は、２０〜５０ｒｐｍとすることが好ましい。この場合には、石英バルクの直径の大きさが比較的小さいので、ターゲット４２０の回転数が２０ｒｐｍ未満となると、ターゲット上に石英ガラス微粒子を均一に堆積させることが困難となる傾向が大きくなり、ひいては石英ガラスバルクの合成面内の水酸基濃度分布を均一化することができなくなる。また、ターゲット上に堆積される石英バルクの直径の大きさが２００ｍｍを超える場合には、ターゲット４２０の回転数は、７．０〜２０ｒｐｍとすることが好ましい。この場合には、石英バルクの直径の大きさが比較的大きいので、ターゲット４２０の回転数が、２０ｒｐｍを超えると、ターゲット上に堆積される石英バルクの外周部の周速度が速くなりすぎる為、ターゲット上に堆積される石英ガラス微粒子が減少してしまうという不具合が生じる。なお、直径の大きさが２００ｍｍ以下の石英バルクを合成し、これを成形して直径２００ｍｍを超える部材を製造する場合には、石英ガラスバルクの成長方向に沿って圧力変形或いは熱変形させて大口径化することにより、合成時に得られる水酸基濃度分布の状態を維持した部材を製造することができる。
更に、石英ガラス部材の有効断面の中心周辺の符号付複屈折値が−０．２〜＋０．２ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得る方法としては、大口径の石英ガラスバルクを製造し、ここから所望の口径の石英ガラス部材を切り出すことが最も簡易な方法である。この場合、石英ガラスバルクと、石英ガラス部材の幾何学的中心を一致させることが必要となる。大口径の石英ガラスバルクは、口径の小さい石英ガラスバルクと比較して符号付複屈折値の分布がフラットとなる傾向があるため、ここから切り出された石英ガラス部材内の複屈折の分布もフラットとなる。これは、石英ガラスバルクの合成面中央部の温度勾配が、石英ガラスバルク側面に近い合成面周辺部の温度勾配より小さいことによると考えられる。
更に、有効断面の中心周辺以外に符号付複屈折値の分布の極値を持たない石英ガラスを得る際もやはり大口径の石英ガラスバルクを製造し、その符号付複屈折値の分布を確認して中心部以外に複屈折を持たないように石英ガラス部材を切り出す。あるいは、複屈折が緩和される充分に高い温度で保持した後、徐々に冷却するアニール操作を行うことにより、中心部の複屈折が０．２ｎｍ／ｃｍ以下で、中心部以外に極値を持たない符号付複屈折値の分布を有する石英ガラス部材を得ることができる。
符号付複屈折値の最大値と最小値の差が２．０ｎｍ／ｃｍ以下、あるいは符号付複屈折値の半径方向に対する符号付複屈折値の分布の勾配の最大値が、幅１０ｍｍに対して０．２ｎｍ／ｃｍ以下といった、部材内の符号付複屈折値の分布のばらつきの小さい石英ガラス部材を得る際にも大口径の石英ガラスバルクから切り出す方法や複屈折を緩和するようなアニール操作を行うことが効果的である。また、石英ガラスバルク合成工程の石英ガラスバルク上部（合成面）の温度分布を最適化する等、合成条件を制御することによっても、符号付複屈折値のばらつきを小さくすることが可能である。
次に、図６に示す石英ガラスバルク冷却工程１２０について説明する。
石英ガラスバルク合成工程１２０においては、１５００〜１８００℃の温度領域における降温速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御し、０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において前記石英ガラスバルクを冷却する。
合成した石英ガラスバルクは、１８００℃以上の高温領域において粘性変形をさせることができる。そしてこの石英ガラスバルクを１８００℃以下に冷却する際に、冷却速度を制御することで一般の光学ガラスのように撹拌できないまでも、石英ガラスバルク内の水酸基等の不純物の分布状態及びＳｉＯ_２の構造分布状態の均質化をある程度行うことができる。このような高温の温度領域で一旦生成した石英ガラスバルク内の不純物の分布、或いは石英ガラスバルク内のＳｉＯ_２の構造分布は、１２００℃未満の温度領域における徐冷操作では完全に消すことができない。そのため、１２００℃以上の高温の温度領域における熱処理におけるが最終的な石英ガラスバルク内の複屈折の分布状態を決定する。
本発明者らは、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度、より好ましくは１５５０〜１６５０℃の温度領域における冷却速度が、石英ガラス部材内部の複屈折の大きさ及びその分布状態を左右する大きな要因であることを見いだした。
石英ガラスバルク合成工程の段階で生成した石英ガラスバルク内の水酸基濃度分布やＳｉＯ_２の構造分布は、その後の熱処理や均質化工程において完全に消去する事はできないが、石英ガラスインゴットを冷却する際の温度管理を行うことにより、内部に発生する複屈折の度合いの小さい石英ガラスバルクを得ることができる。特に重要なのは１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度、より好ましくは１５５０〜１６５０℃の温度領域における冷却速度であり、この温度領域における冷却速度を０．１〜１０℃／ｍｉｎとして制御し、０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において石英ガラスバルクを冷却することにより、石英ガラスバルク内の水酸基濃度分布や合成工程において規定される石英ガラスバルク内のＳｉＯ_２の構造分布をある程度緩和させることができる。また、石英ガラスバルク冷却工程において、石英ガラスパルクに不必要な圧縮応力や引っ張り応力がかかることを防止するために、石英ガラスバルクの成形ワク（ｍｏｌｄｉｎｇ ｆｒａｍｅ）及び成形容器（ｍｏｌｄｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ）を設けずに、石英ガラスバルクは合成炉内に平置き（自己保持）にすることが好ましい。
ここで、１５００〜１８００℃の温度領域の熱履歴が支配的であるため、１８００℃を超える温度領域においては、冷却速度を上記の条件で制御してもその影響は小さい。また、１５００℃未満の温度領域の熱履歴は、後の石英ガラス部材熱処理工程１８０におけるアニール処理で調整可能であるため、１５００℃未満の温度領域においては、冷却速度を上記の条件で必ずしも制御する必要はない。また、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度が、０．１℃／ｍｉｎ未満であると、失透等の不具合が生じ、一方、１０℃／ｍｉｎを超えると歪の不具合が生じる。更に、この石英ガラスバルク冷却工程における不活性ガスの分圧が、０．０１ＭＰａ未満であると、脱ガス等の不具合が生じ、一方、０．１５ＭＰａを超えると歪の不具合が生じる。
なお、図６には図しないが、合成炉内での石英ガラスバルクの温度を調整できない場合、石英ガラスバルクをこの冷却速度以上で冷却させざるを得ない場合或いは、装置上の制約で、石英ガラスバルク冷却工程における温度制御が充分に行えない場合には、石英ガラスバルクを室温まで一旦冷却して、合成炉から石英ガラスバルクを取り出した後、所定の熱処理装置において再度１８００℃以上の所定温度まで昇温し、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を０．１〜１０℃／ｍｉｎとして冷却しても良い。この場合にも、内部の複数の測定点における平均符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得ることができる。なお、上記の説明において、石英ガラスバルクを再度１８００℃以上の所定温度まで昇温した際に、例えば、昇温速度が比較的速い場合など、石英ガラスバルクの内部温度を当該所定の温度に均一化する必要がある場合には、必要に応じて所定時間保持してもよい。
以上のように合成工程あるいは合成後の冷却工程において、１８００℃以上の温度から冷却する際の冷却速度を制御することにより、内部の複数の測定点における平均符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得ることができる。
次に、図６に石英ガラスバルク切断工程１６０としてに示すように、熱処理済みの石英ガラスバルクを切り出して所望の形状及び大きさを有する石英ガラス部材を得る。
次に、図６に示す石英ガラス部材熱処理工程１８０について説明する。
石英ガラスバルク切断工程１６０において、切り出した石英ガラス部材を、急速加熱→短時間保持→急速冷却といった熱処理を施して石英ガラス部材内の符号付複屈折値のばらつきを抑制する。例えば、先ず、切り出した石英ガラス部材を１２００℃以下の所定温度にまで昇温する。次に、必要に応じてその所定温度において切り出した石英ガラス部材の温度を所定時間保持して当該石英ガラス部材の内部温度を均一化する。次に、１２００℃以下の所定温度領域における冷却速度を所定値に制御して冷却して、切り出した石英ガラス部材をアニール処理する。なお、上記の「１２００℃以下の所定温度」とは、一般に徐冷点と呼ばれる１０００℃〜１２００℃の温度領域ないの温度である。アニール処理は、石英ガラスバルク内の複屈折の大きさを低減し、その分布状態を均一化する効果があるが、１５００〜１８００℃の温度よりも高温の熱履歴による歪分布を完全に均一化することはできない。また、アニール処理後の冷却速度が速いと、熱応力による歪が石英ガラスバルク内に残存する現象が起こるため、好ましくは６００℃付近までの冷却速度を１℃／分以下、さらに好ましくは０．５℃／分以下とする。
このようにして、図５に示した光学系を構成する様々な形状を有する石英ガラス部材の候補が製造される。すなわち、例えば、図５に示した投影光学系を製造する場合、図５に示した石英ガラスレンズＬ１１に対して同じ形状と大きさを有する複数枚の石英ガラスレンズが製造される。
ここで、本発明の石英ガラス部材の製造方法は、上記のように石英ガラスバルクを得る段階で石英ガラスバルクの内部の水酸基濃度分布とＳｉＯ_２の構造分布を所望の状態に制御する場合の他に、先ず、内部の水酸基濃度分布の制御のみを施した石英ガラスバルクを製造し、更に、石英ガラスバルクを切断して部材の原形を製造した後に当該部材の原形に熱処理を施す場合もある。
この場合の石英ガラス部材の製造方法について、図６に従い説明する。先ず、石英ガラスバルク合成工程１００において、複数の管を有するバーナを備えた合成炉を使用して、バーナの複数の管から原料と燃焼ガスとを噴出させることにより原料を酸水素火炎中で加水分解し、内部における所定の面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下となる石英ガラスバルクを合成する。次に、石英ガラスバルク冷却工程１２０において、石英ガラスバルクを合成炉内に保持した状態で冷却速度を制御せずに当該石英ガラスバルクを合成炉の外部環境温度との温度差に基づき冷却する。次に、石英ガラスバルク切断工程１６０において、石英ガラスバルクを切り出して所望の形状及び大きさを有する石英ガラス部材を得る。
そして、このようにして得られた内部の水酸基濃度分布のみ所望の状態に制御された石英ガラス部材を後段の石英ガラス部材処理工程１８０において以下のように熱処理する。先ず、図６に図示しない石英ガラス部材第一熱処理工程において、石英ガラス部材を０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中に置き、例えば、１〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度に制御して当該石英ガラス部材を１６００〜２３００℃の間の所定の温度にまで昇温させる。次に、石英ガラス部材第二熱処理工程において、石英ガラス部材を０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中に置き、当該石英ガラス部材を１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御して冷却する。このようにすることにより、、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複数の複屈折値とその進相軸の向きとに基づいて求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得る事ができる。
なお、石英ガラス部材処理工程１８０は、必要に応じて以下の熱処理工程をもうけてもよい。すなわち、石英ガラス部材第一熱処理工程と石英ガラス部材第二熱処理工程との間に、石英ガラス部材を１６００〜２３００℃の保持温度において所定時間保持することにより、昇温された石英ガラス部材の内部温度を十分均一化する石英ガラス部材第三熱処理工程を設けてもよい。この石英ガラス部材第三熱処理工程を含む場合の石英ガラス部材処理工程１８０に基づく熱処理による石英ガラスバルク内の温度の時間変化の一例を示すプロフィールを、図９に示す。
上記の本発明の石英ガラス部材により製造した石英ガラス部材を紫外線あるいは真空紫外線レーザ用の光学部材として用いる場合には、石英ガラス中に含まれる水素分子濃度が５×１０^１７個／ｃｍ^３以上であることが好ましい。石英ガラス部材内の水素濃度を制御して水素分子を多く含む石英ガラス部材得る方法が提案されているが、合成後に５００℃以上の温度領域における高温熱処理を行うことにより石英ガラス部材中に含まれる水素分子が石英ガラス表面から抜けてしまうことがある。そこで、本発明においては、上記の各工程において、例えば、水素ドープ等の目的で行う熱処理やアニール処理などの石英ガラスバルク或いは石英ガラス部材を昇温する必要が生じる場合には、好ましくは１℃／分以上、さらに好ましくは２℃／分の速度で昇温することすることで、拡散により石英ガラス表面から水素分子が放出されるのを防止する。なお、先に述べたように、水素ドープ等の目的で行う熱処理やアニール処理後の冷却速度は、熱応力による歪が石英ガラス内部に残存する現象を防止するため、好ましくは６００℃付近までの降温速度を１℃／分以下、さらに好ましくは０．５℃／分以下とする。
更に、得られる石英ガラスバルクが脈理（ｓｔｒｉａｅ）を有する場合であっても、本発明に従い石英ガラスバルクを熱処理することにより、石英ガラスバルク内のＳｉＯ２の構造分布と水酸基濃度分布を所望の状態に保持すると同時に脈理も除去することが可能となる。すなわち、先ず、室温の状態に置かれた脈理を有する石英ガラスバルクを、合成炉内において酸水素バーナで再び加熱するか又は雰囲気炉内に移して再び加熱することにより、合成工程における温度に近い１８００℃以上の温度領域まで昇温し、石英ガラスバルクの粘性変形を伴う均質化操作を行う。次に、必要に応じて１８００℃以上の温度領域で所定時間保持する。次に、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を１０℃／ｍｉｎに制御して冷却する。その後、必要に応じて１２００℃以下の所定の温度領域において石英ガラスバルクのアニール処理を施す。例えば、１０００〜６００℃までの温度領域における冷却速度を１０℃／ｈに制御して冷却する。
また、得られる石英ガラス部材が脈理（ｓｔｒｉａｅ）を有する場合であっても、上記の説明と同様に本発明に従い石英ガラス部材を熱処理することにより、石英ガラス部材内のＳｉＯ２の構造分布と水酸基濃度分布を所望の状態に保持すると同時に脈理も除去することが可能となる。
更に、本発明の石英ガラス部材が１８０ｎｍ以下の波長を有する真空紫外線レーザと共に用いられる場合、先に述べたように、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は１０ｐｐｂ〜５０ｐｐｍであることが好ましい。このような石英ガラス部材は、スート法のうちＶＡＤ法により製造することができる。
すなわち、ケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解してガラス微粒子（スート）を得、前記ガラス微粒子をターゲット上に堆積させて多孔質ガラス（スート体）を形成させて、得られた多孔質ガラスに脱水処理を施した後、これを軟化点（好ましくは融点）近傍以上の温度で透明化させて石英ガラスインゴットを得る方法である。
実際には、多重管構造を有するバーナを用いて、各管から噴出するガスの種類（原料、酸素又は水素）及びその噴出条件（流量、流速等）を適宜調節して石英ガラス微粒子を合成する。
ここで、この製造方法により得られた石英ガラスのフッ素含有量は０．５ｗｔ％以上であることが好ましく、また、フッ素含有量の分布は最大値と最小値との差が１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。フッ素含有量が０．５ｗｔ％未満であると厚さ１ｃｍ当たりの内部吸収が５％／ｃｍを越える等十分な光透過性が得られない傾向にあり、また、フッ素含有量の分布において最大値と最小値との差が１．０ｗｔ％を越えると透過率のばらつきが増大する傾向にある。
石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は、以下のようにして測定する。
はじめに、中心より、半径方向にテストピースを切り出し、厚さ１０ｍｍに研磨する。次に、赤外分光光度計を使用して水酸基の吸収波長である１３８０ｎｍまたは、２７３０ｎｍの吸収量を測定し、水酸基濃度分布を計算して求める。なお、製造工程の再現性が良好な場合には、石英ガラス部材の光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の水酸基濃度は、或いは得られる石英ガラス部材ごとに毎回行う必要はない。
図１０は、本発明の石英ガラス部材により構成された光学系の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図示の通り、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法は、主として石英ガラス部材を製造するステップ２００と、得られた石英ガラス部材内の符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋを測定するステップ２３０と、得られた符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋから平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊ及びとから平均符号付複屈折値Ｅ_ｉｊを算出するステップ２４０と、ステップ２４０において得られた石英ガラス部材内の符号付複屈折値の分布データから使用する石英ガラス部材を選択するステップ２５０と、ステップ２５０において選択された複数の石英ガラス部材を投影光学系全体の複屈折複屈折特性値に基づく配置条件のもとに配列するステップ２６０と、ステップ２６０において組み上げた投影光学系について実効光路に基づく符号付複屈折値のストレール値を測定するステップ２７０と、ステップ２７０において得られたストレール値に基づく配置条件のもとに石英ガラス部材を再び配列するステップ２８０とから構成されている。
以下、図１０のフローチャートに従い、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法の詳細について説明する。
はじめに、ステップ２００、すなわち、図６に示した本発明の石英ガラス部材の製造方法により製造した石英ガラス部材を複数準備する。
次に、ステップ２３０において準備した複数の石英ガラス部材について１つずつその符号付複屈折値を測定する。すなわち、石英ガラス部材の光軸に垂直な有効断面内に仮定される複数の同心円上にある複数の測定点Ｐ_ｉｊｋにおける符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋを測定する。
以下に本発明において用いられる複屈折の測定法について説明する。まず、位相変調法について説明する。光学系は光源、偏光子、位相変調素子、試料、検光子を配置している。光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザーまたはレーザーダイオード、位相変調素子としては光弾性変換器が用いられる。光源からの光は偏光子により直線偏光となって位相変調素子に入射する。試料上に投射される位相変調素子からの光束は素子により直線偏光→円偏光→直線偏光と連続的に偏光状態が変化する変調光である。測定に際しては、試料上の測定点に入射する光束を中心に試料を回転させ、検知器の出力のピークを見つけ、そのときの振幅を測定することによって進相軸（または遅相軸）の方向と複屈折位相差の大きさを求める。光源にゼーマンレーザーを用いれば試料を回転させない測定も可能になる。また、位相シフト法、光ヘテロダイン干渉法も、本発明において使用することが可能である。
その他、測定精度ではやや劣るが以下のような方法での測定も可能である。
回転検光子法では、光源と光検出器の間の試料を偏光子と回転検光子で挟むような装置構成となっている。被測定資料の後においた検光子を回転させながら検知器からの信号を測定し、検知器からの信号の最大値と最小値から位相差を求める。
位相補償法では、光源、偏光子、試料、位相補償版、検光子、光検出器を配置する。偏光子と検光子の軸はお互いに直交状態に置く、被測定試料に入射した直線偏光は試料の複屈折により楕円偏光になるので、位相補償版を調節してやることにより直線偏光に戻してやる。補償版を調節することにより、検知器での信号はほとんどゼロになる。最も良く消光した位相補償値が複屈折の量となる。
クロスニコル光学系の中で標準試料を置き比較する簡便な方法でも、測定試料の厚みが十分あれば、測定は可能になる。
複屈折の測定値には、先に述べたように進相軸の方向が部材の直径と平行な方向な場合は＋、垂直な方向を−の符号を付ける。なお、複屈折の測定値が小さいような場合は進相軸は必ずしも直径と完全に平行もしくは垂直にはならず、傾きを持つことがある。この場合は直径に対して４５度の角度より平行に近いものは＋、垂直に近いものは−の符号を付けて取り扱えばよい。
次に、ステップ２４０においてステップ２３０で得られた石英ガラス部材Ｌｉごとの符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋから平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊを求める。ここで、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊは、有効断面の中心Ｏ_ｉから等距離ｒ_ｊにある同心円Ｃ_ｉｊ上にある複数の測定点における複数の符号付複屈折値の相加平均である。
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて、符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋから平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊを求める場合について説明する。
図１１Ａは、石英ガラス部材Ｌ１の有効断面上の中心Ｏ_１からそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４の半径を有する同心円Ｃ_１１，Ｃ_１２，Ｃ_１３，Ｃ_１４と中心Ｏから半径方向にのびる２つの直線Ｑ１０１及びＱ１０２との交点Ｐ_１１１，Ｐ_１２１，Ｐ_１３１，Ｐ_１４１Ｐ_１１２，Ｐ_１２２，Ｐ_１３２，Ｐ_１４２を測定点とした場合の模式図である。この場合には、同一の同心円の円周上にある２つの測定点から得られる符号付複屈折値の相加平均が石英ガラス部材Ｌ１の同心円ごとの平均符号付複屈折値となる。すなわち、同心円Ｃ_１１の場合には、同心円Ｃ_１１の円周上にある測定点Ｐ_１１１と測定点Ｐ_１１２とにおいて得られる符号付複屈折値Ａ_１１１とＡ_１１２との相加平均が同心円Ｃ_１１の円周上にある点群の符号付複屈折値を代表する平均符号付複屈折値Ｂ_１１となる。以下同様にして、同心円Ｃ_１２〜Ｃ_１４について平均符号付複屈折値Ｂ_１２〜Ｂ_１４が得られる。そして平均符号付複屈折値Ｂ_１１〜Ｂ_１４を中心Ｏ_１からの距離の関数として図示することにより、石英ガラス部材Ｌ１の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布を定量的に理解することができる。例えば、平均符号付複屈折値Ｂ_１１〜Ｂ_１４が全て正の値を取り半径方向に単調増加をしている場合には、図１１Ｂに示すような石英ガラス部材Ｌ１の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布のプロフィールを得ることができる。
図１２Ａは、石英ガラス部材Ｌ２の有効断面上の中心Ｏ_２からそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４の半径を有する同心円Ｃ_２１，Ｃ_２２，Ｃ_２３，Ｃ_２４と中心Ｏ_２から半径方向にのびる２つの直線Ｑ_２０１及びＱ_２０２との交点Ｐ_２１１，Ｐ_２２１，Ｐ_２３１，Ｐ_２４１，Ｐ_２１２，Ｐ_２２２，Ｐ_２３２，Ｐ_２４２を測定点とした場合の模式図である。この場合にも、図１１Ａにおいて説明したように同心円Ｃ_２１〜Ｃ_２４について平均符号付複屈折値Ｂ_２１〜Ｂ_２４が得られる。そして平均符号付複屈折値Ｂ_２１〜Ｂ_２４を中心Ｏ_２からの距離の関数として図示することにより、石英ガラス部材Ｌ２の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布を定量的に理解することができる。例えば、平均符号付複屈折値Ｂ_２１〜Ｂ_２４が全て負の値を取り半径方向に単調減少をしている場合には、図１２Ｂに示すような石英ガラス部材Ｌ２の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布のプロフィールを得ることができる。
図１３Ａは、石英ガラス部材Ｌ３の有効断面上の中心Ｏ_３からそれぞれｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４，ｒ_５の半径を有する同心円Ｃ_３１，Ｃ_３２，Ｃ_３３，Ｃ_３４，Ｃ_３５と中心Ｏ_３から半径方向にのびる２つの直線Ｑ_３０１及びＱ_３０２との交点Ｐ_３１１，Ｐ_３２１，Ｐ_３３１，Ｐ_３４１，Ｐ_３５１，Ｐ_３１２，Ｐ_３２２，Ｐ_３３２，Ｐ_３４２，Ｐ_３５２を測定点とした場合の模式図である。この場合にも、図１１Ａにおいて説明したように同心円Ｃ_３１〜Ｃ_３５について平均符号付複屈折値Ｂ_２１〜Ｂ_２５が得られる。そして平均符号付複屈折値Ｂ_３１〜Ｂ_３５を中心Ｏ_３からの距離の関数として図示することにより、石英ガラス部材Ｌ３の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布を定量的に理解することができる。例えば、平均符号付複屈折値Ｂ_３１〜Ｂ_３３が正の値、Ｂ_３４及びＢ_３５が負の値を取り、これらの平均符号付複屈折値Ｂ_３１〜Ｂ_３３がｒ_２付近において極大値をとりｒ_２からｒ_５にかけて半径方向に単調減少をしている場合には、図１３Ｂに示すような石英ガラス部材Ｌ３の半径方向に対する平均符号付複屈値の分布のプロフィールを得ることができる。
更にステップ２４０では、このようにして得られた石英ガラス部材ごとの平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊと石英ガラス部材ごとの見かけの厚みＴ_ｉから、（３）式に従い石英ガラス部材ごとの平均符号付複屈量Ｅ_ｉｊを算出する。
次に、ステップ２５０において使用する石英ガラス部材を選択する。この際に、図５に示す投影光学系において示すように、石英ガラス部材は投影光学系内において果たす役割に応じてその有効断面がそれぞれ異なるため、図４Ａにおいて示したように全ての石英ガラス部材について最大有効半径が１となるようにその有効断面をノーマライズする。そしてノーマライズされた共通の有効半径のもとで、全石英ガラス部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布をみることにより、以下の石英ガラス部材の選択を行い、投影光学系の各部位に使用する石英ガラス部材の候補を絞り込む。
このステップ２５０における石英ガラス部材の選択条件は、選択条件２５１；石英ガラス部材Ｌｉの中心Ｏ_ｉ周辺の符号付複屈折値が０．２ｎｍ／ｃｍ以下であること、選択条件２５２；石英ガラス部材Ｌｉにおいて光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍであること、選択条件２５３；各石英ガラス部材Ｌｉにおいて平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向における分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが、半径方向の幅１０ｍｍ当たり０．２ｎｍ／ｃｍ以下であること、選択条件２５４；石英ガラス部材Ｌｉにおいて平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布が、中心Ｏｉ以外に極値を持たないこと、である。
以上の選択条件２５１〜２５４の全てか或いは少なくとも１つをクリアする石英ガラス部材を使用することにより、結像性能の高い投影光学系をより効率良く構成することができる。
次に、ステップ２６０において先に（７）で示した投影光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈが−０．５〜＋０．５ｎｍ／ｃｍとなるように石英ガラス部材を配列する。この時、投影光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈは、先に示した（５）〜（６）式により算出される。このように配列された投影光学系は優れた結像性能を示す。
次に、ステップ２４０において投影光学系全体の実効光路に基づく符号付複屈折値のストレール（Ｓｔｒｅｈｌ）値が０．９３以上となる配置条件を更に満たすように互いに組み合わせる。複屈折のストレール値は、有効断面を通過する光線の実効光路を考慮しているため、光学系全体の符号付複屈折特性値による評価とあわせることにより、石英ガラス部材内の更に精密な複屈折の分布の評価を行うことができる。複屈折のストレール値Ｓは、光線追跡試験により得られる符号付複屈折値の半径方向の分布のデータを用いて（９）式及び（１０）式に基づき算出される。
例えば、図５に示した投影光学系１０００の場合、フッ化カルシウム単結晶から製造したレンズＬ４５、Ｌ４６、Ｌ６３、Ｌ６５、Ｌ６６、Ｌ６７を除く石英ガラスレンズＬ１１〜Ｌ６１０に対応する符号付複屈折値の半径方向に対する分布の測定結果をストレール値計算用のコンピュータに入力する。そして、光軸上、近軸域、軸外等と、光学系の収差計算等に用いられる光線追跡に準ずる手法により、各レンズ上の光線通過ポイントを求め、そのポイントに対応する符号付複屈折値を式（１０）に代入し、ストレール値を求める。つまり、種々の入射角度で投影光学系１０００に入射する複数の光線に対応する複数のストレール値を求め、このうちの最低値をそのサンプルの組み合わせのストレール値と定める。
なお、フッ化カルシウム単結晶から製作される６枚のレンズの符号付複屈折の分布については、理論値をコンピュータに代入しても良いし、標準的な複屈折値の分布を有する材料の実測値を入力しても良い。或いはこれら６枚のレンズ用材料を同時に作製し、石英ガラスレンズと共に評価を行うことも可能である。
なお、以上の投影光学系の製造方法においては、石英ガラス部材を選択するステップ２５０と、ストレール値を測定するステップ２７０、及びストレール値に基づいて石英ガラス部材を配列するステップ２８０とを設ける場合について説明したが、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法は上記形態に限定されるものではなく、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法においては、上記の３つのステップはいずれも省略可能なステップである。
また、上記の説明においては、石英ガラス部材ごとに平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向に対する分布を測定した際に、全ての石英ガラス部材についてその中心周辺の複屈折値がほぼゼロであって、半径方向における平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの分布が僅かに単調増加するか、或いは僅かに単調減少するような分布の場合には、上記の投影光学系全体の符号付複屈折特性値の代わりに投影光学系全体の複屈折の影響を評価する基準として以下の方法により算出される値を目安とすることもできる。すなわち、石英ガラス部材内の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の値の相加平均をとりその部材を代表する符号付複屈折値とし、全石英ガラス部材について加算した値である。この加算値が光学系全体でゼロとなるように部材を組み合わせることにより、簡便に複屈折の影響を考慮した部材の選択を行うことが可能である。
図１４は、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系を備える投影露光装置の一例の概略構成図を示す。図１４において、投影光学系３０４の光軸に平行な方向をＺ方向、紙面内にあってＺ方向に垂直な方向をＹ方向、紙面及びＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
図１４に示す投影露光装置は、主として露光光源３０３と、パターン原像の形成されたレチクルＲと、露光光源３０３から出力される光をレチクルＲに照射する照射光学系３０２と、レチクルＲから出力されるパターン像をウェハ（感光基板）Ｗ上に投影する投影光学系３０４と、レチクルＲとウェハＷの位置合わせを行うアライメント系３０５とから構成されている。
ウェハＷは、レベリングステージ（図示せず）上に載置され、このレベリングステージは、駆動モーター３２０により投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ３０１上に設置されている。Ｚステージ３０１は、駆動モーター３２０よりステップ・アンド・リピート方式で２次元方向（ＸＹ）方向に移動可能なＸＹステージ３１５に載置されている。レチクルＲは水平面内で２次元移動可能なレチクルステージ３０６上に載置されている。露光光源３０３からの露光光は、照明光学系３０２を介してレチクルＲに形成されたパターンを均一に照明し、レチクルＲのパターン像は投影光学系３０４によってウェハＷのショット領域に露光転写される。この露光光には、２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ）、１５７ｎｍ（Ｆ_２レーザ）等の波長を有する露光光を用いることができる。
ＸＹステージ３１５は、ウェハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、ウェハＷの次のショット領域が投影光学系３０４の露光領域と一致するようにステッピング移動される。ウェハＷが載置されたレベリングステージの２次元的な位置はレベリングステージに固定された移動鏡３４０との距離をレーザー干渉計（図示せず）で計測することによって、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時モニターされており、レーザー干渉計の出力はステージコントロール系３１１に供給されている。
レチクルＲはレチクルステージ３０６上で、レチクルＲ上の転写パターンの中心が投影光学系３０４の光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。レチクルＲの位置決めは、レチクルＲの外周付近に設けられた複数のレチクルアライメントマーク（レチクルマーク）を用いて行われる。レチクルマークは、Ｘ方向の位置決めを行うためのレチクルマークと、Ｙ方向の位置決めを行うためのレチクルマークの２種類のものが設けられている。アライメント系３０５は、露光光源３０３から露光光の一部を分岐して取り出した露光光を照明光（アライメント光）として使用する。アライメント系３０５は各レチクルアライメントマークの位置に１つずつ設けられている。
照明光学系３０２を通過した照明光は、レチクルＲのパターン領域の外側に設けられたレチクルマークに入射する。レチクルマークは、例えば、パターン周囲の不透明部に形成された矩形の透明窓からなる。レチクルマーク部で反射されたアライメント光は、アライメント系３０５に再び入射する。一方レチクルマークを通過したアライメント光は、投影光学系３０４を通ってウェハＷ上の各ショット領域の周囲に設けられた基板アライメントマーク（ウェハマーク）上に入射する。ウェハマークは各ショット領域の周囲にそれぞれ設けるのではなく、ウェハの所定の位置、例えばウェハの外周部領域にのみ設けてもよい。ウェハマークもレチクルマークに対応してＸ方向の位置決めを行うためのウェハマークと、Ｙ方向の位置決めを行うためのウェハマークの２種類のものが設けられている。ウェハマークからの反射光は入射光と逆の経路を辿り、投影光学系３０４、レチクルマーク部を通過してアライメント系３０５に再び入射する。
このようにしてアライメント系３０５は、レチクルＲとウェハＷとからのアライメント光の反射を入力することにより、レチクルＲとウェハＷとの相対的な位置を検出する。このアライメント系３０５の出力は主制御系３１２に供給される。そして主制御系３１２の出力がレチクル交換系３０７とステージコントロール系３１１に供給されることにより、レチクルＲとウェハＷとの空間的な位置が調整される。その結果、ウェハＷ上の各ショット領域に形成されているパターンと、これから転写露光するレチクルＲのパターン像との重ね合わせ精度を高精度に維持することができる。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１４に示す投影露光装置の照明光学系３０２の詳細な構造を示す概略構成図である。
図１５Ａは、照明光学系３０２を図１４のＹ方向からみた場合の正面図であり、図１５Ｂは、照明光学系３０２を図１４のＸ方向からみた場合の正面図である。なお、いずれの図においても照明光学系３０２に入射する露光光の一部を分岐して使用するアライメント系３０２を省略している。
露光光源３０３（図示せず）からは、２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ）、１５７ｎｍ（Ｆ_２レーザ）等の波長を有するほぼ平行な光束が出力され、このときの平行光束の断面形状は矩形状となっている。この露光光源３０３からの平行光束は、所定の断面形状の光束に整形する光束整形部としてのビーム整形光学系２０に入射する。このビーム整形光学系２０は、Ｙ方向に屈折力を持つ２つのシリンドリカルレンズ（２０Ａ、２０Ｂ）で構成されており、光源側のシリンドリカルレンズ２０Ａは、負の屈折力を有し、Ｘ方向の光束を発散させる一方、被照射面側のシリンドリカルレンズ２０Ｂは、正の屈折力を有し、光源側のシリンドリカルレンズＡからの発散光束を集光して平行光束に変換する。従って、ビーム整形光学系２０を介した露光光源３０３からの平行光束は、Ｙ方向の光束幅が拡大されて光束断面が所定の大きさを持つ長方形状に整形される。なお、ビーム整形光学系２０としては、正の屈折力を持つシリンドリカルレンズを組み合わせたものでも良く、さらにはアナモルフィックプリズム等でも良い。
ビーム整形光学系２０からの整形された光束は、第１リレー光学系２１に入射する。ここで、第１リレー光学系２１は、２枚の正レンズからなる正の屈折力の前群（２１Ａ、２１Ｂ）と、２枚の正レンズからなる正の屈折力の後群（２１Ｃ、２１Ｄ）とを有しており、第１リレー光学系２１の前群（２１Ａ、２１Ｂ）は、この前群のレチクルＲ側（後側）の焦点位置に集光点（光源像）Ｉを形成し、第１リレー光学系２１の後群（２１Ｃ、２１Ｄ）は、その前群（２１Ａ、２１Ｂ）の焦点位置に光源側（前側）の焦点位置が一致するように配置されている。そして、この第１リレー光学系２１は、露光光源３０３の射出面と後述する第１多光源像形成手段としてのオプティカルインテグレータ３０の入射面とを共役にする機能を有している。この第１リレー光学系２１の機能によって、露光光源３０３からの光の角度ずれに伴うオプティカルインテグレータ３０を照明する光束のずれを補正し、露光光源３０３からの光の角度ずれに対する許容度を大きくしている。なお、露光光源３０３からの光を第１多光源形成手段へと導く導光光学系は、ビーム整形光学系２０と第１リレー光学系２１とで構成される。
第１リレー光学系２１を介した光束は、直線状に３列配列された複数の光源像を形成する第１多光源形成手段としてのオプティカルインテグレータ３０に入射する。このオプティカルインテグレータ３０は、ほぼ正方形状のレンズ断面を有する複数の両凸形状のレンズ素子が複数配置されて構成されており、オプティカルインテグレータ３０全体としては長方形状の断面を有している。そして、各々の両凸形状のレンズ素子は、Ｙ方向とＸ方向とで互いに等しい曲率（屈折力）を有している。
このため、オプティカルインテグレータ３０を構成する個々のレンズ素子を通過する平行光束は、それぞれ集光されて各レンズ素子の射出側には光源像が形成される。従って、オプティカルインテグレータ３０の射出側位置Ａ１にはレンズ素子の数に相当する複数の光源像が形成され、ここには実質的に２次光源が形成される。
オプティカルインテグレータ３０によって形成された複数の２次光源からの光束は、第２リレー光学系４０によって集光されて、さらに複数の光源像を形成する第２多光源像形成手段としてのオプティカルインテグレータ５０に入射する。
このオプティカルインテグレータ５０は、長方形のレンズ断面を有する複数の両凸形状のレンズ素子が複数配置されて構成されており、このレンズ素子は断面形状がオプティカルインテグレータ３０の断面形状と相似になるように構成されている。そして、オプティカルインテグレータ５０全体としては正方形状の断面を有している。また、各々のレンズ素子は、図１５Ａの紙面方向と図１５Ｂの紙面方向とで互いに等しい曲率（屈折力）を有している。
このため、オプティカルインテグレータ５０を構成する個々のレンズ素子を通過するオプティカルインテグレータ３０からの光束は、それぞれ集光されて各レンズ素子の射出側には光源像が形成される。従って、オプティカルインテグレータ５０の射出側位置Ａ２には、正方形状に配列された複数の光源像が形成され、ここには実質的に３次光源が形成される。
なお、第２リレー光学系４０は、オプティカルインテグレータ３０の入射面位置Ｂ１とオプティカルインテグレータ５０の入射面位置Ｂ２とを共役にすると共に、オプティカルインテグレータ３０の射出面位置Ａ１とオプティカルインテグレータ５０の射出面位置Ａ２とを共役にしている。更に、上記の説明においてオプティカルインテグレータ３０及びオプティカルインテグレータ５０は、フライアイレンズの形状で示したが本発明の投影露光装置の照明系に使用されるオプティカルインテグレータの形状は特に限定されるものではなく、例えば極めて微小な複数のレンズ素子から構成されるマイクロフライアイや、ロッド状内面反射型の光学素子（カレイドスコープロッド）や、回折光学素子（ＤＯＥ）等を用いることが可能である。
この３次光源が形成される位置Ａ２若しくはその近傍位置には、所定形状の開口部を有する開口絞りＡＳが設けられており、この開口絞りＡＳにより円形状に形成された３次光源からの光束は、集光光学系としてのコンデンサー光学系６０により集光されて被照射物体としてのレチクルＲ上をスリット状に均一照明する。
また、図１４に示す投影光学系３０４は、投影光学系全体の符号付複屈折特性値が−０．５〜＋０．５ｎｍ／ｃｍとなる配置条件を満たすように各石英ガラス部材が互いに組み合わされている。また、各石英ガラス部材が、投影光学系全体の実効光路に基づく符号付複屈折値のストレール（Ｓｔｒｅｈｌ）値が０．９３以上となる配置条件を更に満たすように互いに組み合わされている。更に、使用されている石英ガラス部材は、その有効断面の中心周辺の符号付複屈折値が、−０．２〜＋０．２ｎｍ／ｃｍであり、平均符号付複屈折値の半径方向の分布が、中心以外に極値を持たないものであり、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊが−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍであり、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向における分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが、半径方向の幅１０ｍｍ当たり０．２ｎｍ／ｃｍ以下である。
このように本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系、照射光学系及びレチクルを備えることにより、石英ガラス部材の複屈折による影響を最小限に抑制することができるので、解像度の高い投影露光装置を得ることが可能となる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の石英ガラス部材、その製造方法及び石英ガラス部材により構成された光学系を用いた投影露光装置について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
図７に示す合成炉を用いて、図６の製造法に従い、直接法（火炎加水分解法）により石英ガラス部材を製造した。まず、石英ガラス合成工程において、合成炉内の温度を１３００〜１５００℃に保持して四塩化ケイ素を多重管バーナの中央部より噴出させ、酸水素火炎中で加水分解してガラス微粒子を得た。このとき、図８に示したものと同様の構造を有する多重管バーナを使用した。ここで、原料ガス、酸素ガス及び水素ガスの噴出条件は、以下のように設定した。なお、この際に、図８の多重管バーナに関して説明した要素に相当する要素については同一の表現を用いて説明する。すなわち、原料ガスの流量を３０ｇ／ｍｉｎ、第一の水素ガスの流量を７５ｓｌｍ、第一の水素ガスの流速を５３ｍ／ｓｅｃ、第二の水素ガスの流量を１５０ｓｌｍ、第二の水素ガスの流速を６ｍ／ｓｅｃ、第三の水素ガスの流量を５００ｓｌｍ、第三の水素ガスの流速を３ｍ／ｓｅｃ、第一の酸素ガスの流量を３７．５ｓｌｍ、第一の酸素ガスの流速を３７ｍ／ｓｅｃ、第二の酸素ガスの流量を７５ｓｌｍ、第二の酸素ガスの流速を２１ｍ／ｓｅｃ、第三の酸素ガスの流量を２５０ｓｌｍ、第三の酸素ガスの流速を９ｍ／ｓｅｃとした。
このガラス微粒子を回転及び揺動が行われているターゲット上に堆積すると同時に透明化してφ４００ｍｍ×ｔ８００ｍｍの石英ガラスバルク４７０を得た。このとき、ターゲットの回転速度を７．５０ｒｐｍに設定した。また、Ｘ軸方向の揺動幅（ストローク）を、Ｘ方向に４０ｍｍ、Ｙ方向に１２０ｍｍに設定した。このようにして、内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度の最大値が１０３０ｐｐｍ、最小値が９８０ｐｐｍ、すなわち内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍの石英ガラスバルクを得た。なお、使用する炉とバーナーを変えて、上記の合成条件のもとで１０回の予備合成試験を先行して行なった結果、上記の合成条件における石英ガラスバルク内の水酸基濃度とその分布状態の再現性は、±１０ｐｐｍとなり、十分に信頼できる範囲あることを予め確認した。
次に、石英ガラスバルク合成工程終了後、排気流量を１／１０まで減少させ、排気口及び炉の開口部からの熱のロスを防ぎながら、石英ガラスバルク冷却工程において、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を１０℃／ｍｉｎに制御し、０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域において合成した石英ガラスバルクを１０００℃まで冷却した。特に合成炉の開口部は、合成炉内の熱を保持するための開閉機構により調節した。
次に、室温にまで冷却した石英ガラスバルクを石英ガラスバルク切断工程において切断し、φ２５０ｍｍ×ｔ７０ｍｍの円筒形状のテストピースを切り出した。このとき、石英ガラスバルク外径から割り出した石英ガラスバルク回転対称な中心位置と切り出されるテストピースの中心位置を合わせた。
次に、石英ガラス部材熱処理工程において、アニール処理のためこのテストピースを１０００℃まで昇温して１０時間保持した。その後、このテストピースを１０℃／ｈの冷却速度に制御して５００℃まで冷却し１０時間保持した。その後このテストピースを１℃／ｈの冷却速度に制御して再び室温にまで冷却し熱処理済みのテストピースを得た。このとき、熱処理やアニールを行ったテストピースの熱処理中心とテストピースの中心位置を合わせた。
次に、熱処理済みの円板状のテストピースについて、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布を測定した。なお、複屈折の測定は、位相変調法により行った。また、測定点は、図１３Ａに示したようにテストピースについて有効断面上に想定される複数の同心円と、有効断面の中心から半径方向にのびる２つの直線との交点とした。
この測定の結果、熱処理済みの円板状のテストピースの平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向のばらつきは−０．９ｎｍ／ｃｍ〜−０．１ｎｍ／ｃｍの範囲内にあることを確認した。また、このテストピースの中心周辺の符号付複屈折値Ａ_ｉｏはいずれも−０．２〜＋０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。また、このテストピースが中心以外に平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの極値を持たないことを確認した。更に、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが１０ｍｍあたり０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。
［実施例２］
図７に示す合成炉を用いて、図６の製造法に従い、直接法（火炎加水分解法）により石英ガラス部材を製造した。基本的には、図６の製造法の各工程における処理条件を以下に示すように変更した以外は実施例１と同様にしてテストピースを製造した。
先ず、石英ガラスバルク合成工程においては、多重管バーナから噴出されるガスの酸ガス／水素ガス比率を１：３とし、理論空燃比の１：２より水素ガスリッチな側の雰囲気中で燃焼させた。具体的には、原料ガスの流量を３０ｇ／ｍｉｎ、第一の水素ガスの流量を７５ｓｌｍ、第一の水素ガスの流速を５２ｍ／ｓｅｃ、第二の水素ガスの流量を１５０ｓｌｍ、第二の水素ガスの流速を６ｍ／ｓｅｃ、第三の水素ガスの流量を５００ｓｌｍ、第三の水素ガスの流速を３ｍ／ｓｅｃ、第一の酸素ガスの流量を２５ｓｌｍ、第一の酸素ガスの流速を２５ｍ／ｓｅｃ、第二の酸素ガスの流量を５０ｓｌｍ、第二の酸素ガスの流速を１４ｍ／ｓｅｃ、第三の酸素ガスの流量を１６５ｓｌｍ、第三の酸素ガスの流速を６ｍ／ｓｅｃとした。
また、石英ガラスバルクの酸水素火炎の当たる部位をターゲットの回転中心から１５ｍｍの位置にオフセットした。更に、このとき、ターゲットの回転速度を７．５０ｒｐｍとした。そして、ターゲットのＸＹ揺動運動は行わなかった。
このようにして、内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度の最大値が１０５０ｐｐｍ、最小値が１００５ｐｐｍ、すなわち内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度の最大値と最小値との差が４５ｐｐｍの石英ガラスバルクを得た。
次に、石英ガラスバルクを特に温度制御を行わずに炉内に保持して冷却した。得られた石英ガラスバルクからφ４００×ｔ１００の円筒形状のテストピースを切り出した。
ここで、得られたテストピースは脈理を有するものであったため、一旦室温まで冷却した後、テストピースを石英ガラス部材熱処理工程において、カーボン発熱体を熱源として備える熱処理炉内に配置し、図９に示した条件の下でテストピースにアニール処理を施した。
すなわち、図９に示すように、０．１ＭＰａの窒素ガス雰囲気中で昇温速度を２℃／ｍｉｎに制御して熱処理炉内の温度を室温から２０００℃まで昇温し、約０．５時間保持した。その後、このテストピースを２０００℃から１０００℃までの温度領域における冷却速度を１０℃／ｍｉｎに制御して冷却した。次に、１００分経過後に冷却を停止し、テストピースの内部温度を均一化するために、１０００℃の状態で１時間保持した。次に、アニール処理のため、１０００℃から６００℃までの温度領域における冷却速度を１０℃／ｈに制御してこのテストピースを冷却した。その後、６００℃から室温の温度領域における冷却速度を１０℃／ｈに制御してこのテストピースを冷却した。
熱処理済みの円板状のテストピースについて、平均符号付複屈折値Ｂｉｊの半径方向の分布を測定したところ、熱処理済みの円板状のテストピースの平均符号付複屈折値Ｂｉｊの半径方向のばらつきは＋０．１ｎｍ／ｃｍ〜＋１．０ｎｍ／ｃｍの範囲内にあった。
このテストピースの中心周辺の符号付複屈折値Ａ_ｊｏはいずれも−０．２〜＋０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。また、このテストピースが中心以外に平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの極値を持たないことも確認した。更に、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが１０ｍｍあたり０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。
［実施例３］
図６の製造法に従い、スート法により石英ガラス部材を製造した。基本的には、図６の製造法の各工程における処理条件を以下に示すように変更した以外は実施例１と同様にしてテストピースを製造した。
まず、石英ガラスバルク合成工程において、酸水素火炎中でけい素化合物を加水分解し、直径１８０ｍｍ、長さ５００ｍｍの多孔質ガラス（スート体）を得た。このときの多重管バーナから噴出されるガスの噴出条件は、スート法で一般的に行われている条件とした。また、ターゲットの回転速度は、２０ｒｐｍに設定した。
このスート体を塩素ガス／ヘリウムガス比率が１：２０の混合ガス雰囲気下において、１１００℃にて２０時間脱水処理を行った。その後、１６５０℃にて１５時間透明化処理を行った。透明化処理後、冷却速度を５℃／ｍｉｎに制御してスート体を５００℃まで冷却した。その後、冷却速度を５℃／ｍｉｎに制御してスート体を室温まで冷却した。
このようにして、内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度は全て１ｐｐｍ以下であった。すなわち内部における所定の面内の複数の測定点における水酸基濃度の最大値と最小値との差が１ｐｐｍ以下の石英ガラスバルクを得た。
得られた石英ガラスバルクからφ２５０×ｔ７０の円筒形状のテストピースを切り出した。次にテストピースを石英ガラス部材熱処理工程を実施例１と同様の条件のもとで行なった。
熱処理済みの円板状のテストピースについて、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布を測定したところ、熱処理済みの円板状のテストピースの平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向のばらつきは−０．１ｎｍ／ｃｍ〜＋１．８ｎｍ／ｃｍの範囲内にあった。
このテストピースの中心周辺の符号付複屈折値Ａ_ｉｏはいずれも−０．２〜＋０２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。また、このテストピースが中心以外に平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの極値を持たないことを確認した。更に、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布曲線の勾配の最大値Ｆ_ｉが１０ｍｍあたり０．２ｎｍ／ｃｍ以下であることを確認した。
また、得られた石英ガラスのフッ素含有量は０．５ｗｔ％以上であり、フッ素含有量の分布は最大値と最小値との差が１．０ｗｔ％以下であることを確認した。
［比較例１］
図７に示す合成炉を用いて、図６の製造法に従い、直接法により石英ガラス部材を製造した。基本的には、図６の製造法の各工程における処理条件を以下に示すように変更した以外は実施例１と同様にしてテストピースを製造した。合成時のターゲットの回転速度は、５．０ｒｐｍに設定した。また、合成時のＸＹ揺動を止めて、ターゲットをＸ方向に±０、Ｙ方向に±０の原点に停止させた状態で回転のみさせた。
［比較例２］
図７に示す合成炉を用いて、図６の製造法に従い、スート法により石英ガラス部材を製造した。基本的には、図６の製造法の各工程における処理条件を以下に示すように変更した以外は実施例１と同様にしてテストピースを製造した。
合成時のターゲットの回転速度は、５．０ｒｐｍに設定した。また、冷却工程では、温度制御をしなかった。そのため、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度は、１００〜２００℃／ｈとなっていた。
＜石英ガラス部材の評価試験＞
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のテストピースに対して、ＫｒＦエキシマレーザ（波長；２４８ｎｍ）を１０分間照射し、それぞれの初期透過率と１０分経過後の透過率を測定した。また、スート法により製造した実施例３のテストピースについては、Ｆ_２レーザ（波長；１５７ｎｍ）を１０分間照射し、初期透過率と１０分経過後の透過率を測定した。そして、それぞれのテストピースのレーザ照射後１０分間における透過率の低下量を算出して比較することにより、それぞれのテストピースのレーザ耐久性を評価した。
これらのテストピースの試験結果を、２；レーザ照射後１０分間における透過率の低下量が５％未満、１；レーザ照射後１０分間における透過率の低下量が５％以上とした評価基準に基づいて表１に示す。

表１からわかるように実施例１〜３のテストピースは、内部の複屈折が小さく、初期透過率、レーザ耐久性に優れたものであり、２５０ｎｍ以下の波長域の紫外線光学系に用いられる光透過性部材として適したものであること確認された。
＜石英ガラス部材から構成された光学系を備えた投影露光装置の評価試験＞
実施例１〜３及び比較例１〜２のテストピースを使用して以下に示す図５に示した構成の投影光学系１０００を組み上げ、図１４に示した投影露光装置にセットした場合の解像度を測定した。
なお、上記の実施例１〜３及び比較例１〜２のテストピースは、これらを使用して投影光学系を実際に組むためにそれぞれ複数個用意した。すなわち、先ず複数の石英ガラスバルクを先に述べた製造法と同じ条件のもとに製造し、次いで製造した複数の石英ガラスバルクから切り出すテストピースの平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布特性が上記の実施例１〜３及び比較例１〜２のテストピースと一致するものをそれぞれ複数個用意した。
［実施例１〜３から構成された投影光学系を備えた投影露光装置１］
上記の実施例１〜３において得られるテストピースをそれぞれレンズ状に加工して図５に示す投影光学系１０００を組んだ。より詳しくは、投影光学系１０００を構成する石英ガラス部材のうち、フッ化カルシウム結晶から製造したレンズＬ４５、Ｌ４６、Ｌ６３、Ｌ６５、Ｌ６６、Ｌ６７を除く残り２３枚を実施例１〜３において得られるテストピースから構成した。そして、完成した投影光学系に対して投影光学系系全体の符号付複屈折特性値Ｈ、及び符号付複屈折値のストレール値Ｓを算出して最も良好な値を示した配置のものを実施例１とした。更に、図１４に示した投影露光装置の投影光学系として使用した場合の解像度を測定した。
［比較例１及び比較例２から構成された投影光学系を備えた投影露光装置２］
比較例１及び比較例２において得られたテストピースを用いた以外は上記の実施例１〜３から構成された投影光学系と同様にして投影光学系を組んだ。更に、図１４に示した投影露光装置の投影光学系として使用した場合の解像度を測定した。
以上の２つの投影光学系の符号付複屈折に基づく光学特性とこれらを使用した投影露光装置の解像度の測定値を表２に示す。

表２に示す２つの投影露光装置の有する解像度の値から、実施例１〜３のテストピースから構成された投影光学系を使用した投影露光装置は、優れた解像度を示すことが明らかとなった。また、符号付複屈折値に基づく配置条件、すなわち投影光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈが−０．５〜＋０．５ｎｍ／ｃｍである条件を満たす本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系は良好な結像性能を示すことが確認された。また、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系を投影露光装置の投影光学系として使用した場合には、非常に高い解像度が達成されることが確認された。実施例１〜３のテストピースを使用した投影露光装置においては、０．１２μｍという高い解像度が達成されている。
一方、比較例１及び比較例２のテストピースから構成された投影光学系は、符号付複屈折特性値Ｈが＋０．５ｎｍ／ｃｍ以上であり良好な結像特性を示さず、これらを用いた投影露光装置は、実施例１〜３のように良好な値の解像度を得ることができなかった。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、石英ガラス部材内の複屈折値の不均一な分布を進相軸の向きに注目して定量的に評価しつつ石英ガラス部材内の水酸基濃度分布を所定の濃度範囲に制御してその分布状態を有効に均一化することができる。更に、石英ガラス部材内の複屈折の分布が互いに打ち消し合うようにそれぞれの符号付複屈折値から光学系全体の符号付複屈折特性値を定量的に見積もりながら光学系を組み上げることが可能となる。従って、石英ガラス部材内の複屈折値の不均一な分布がその光透過性に与える影響、或いは石英ガラス部材を使用した光学系を備えた投影露光装置の解像度に与える影響を有効に抑制にすることが可能となり、高い光透過性及び耐紫外線性を有する石英ガラス部材、その製造方法、並びに高い解像度を得ることが可能な投影露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、符号付複屈折値の概念を示す模式図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す光学部材内における符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図２Ａは、符号付複屈折値の概念を示す別の模式図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す光学部材内における符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図３Ａは、符号付複屈折値の概念を示す別の模式図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す光学部材内における符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図４Ａは、光学系を構成する複数の石英ガラス部材を示す側面図であり、図４Ｂは、図４Ａの光学系を構成する石英ガラス部材の断面図である。
図５は、本発明の石英ガラス部材により構成された投影光学系の一例を示す概略構成図である。
図６は、本発明の石英ガラス部材の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図７は、本発明において用いられる合成炉の概略構成図である。
図８は、本発明にかかる石英ガラス部材の製造に用いるバーナの一例を示す概略構成図である。
図９は、本発明の石英ガラス部材の製造方法の各工程において施される熱処理による石英ガラスバルク内の温度の時間変化の一例を示すプロフィールである。
図１０は、本発明石英ガラス部材により構成された投影光学系の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図１１Ａは、本発明の投影光学系を構成する光学部材内の符号付複屈折値の測定点を示す光学部材の断面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示す光学部材内の平均符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図１２Ａは、本発明の投影光学系を構成する光学部材内の符号付複屈折値の測定点を示す光学部材の別の断面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示す光学部材内の平均符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図１３Ａは、本発明の投影光学系を構成する光学部材内の符号付複屈折値の測定点を示す光学部材の別の断面図であり、図１３Ｂは、図１３Ａに示す光学部材内の平均符号付複屈折値の分布を示すグラフである。
図１４は、本発明の投影露光装置の一例を示す概略構成図である。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１４に示す投影露光装置の照明光学系の構成の一例を示す概略構成図である。
図１６Ａは、従来の投影露光装置の一例を示す概略構成図であり、図１６Ｂは図１６Ａの投影露光装置に用いられるフライアイレンズの断面図である。

Claims (6)

1. 複数の管を有するバーナを備えた合成炉内において、前記バーナの複数の管から原料と燃焼ガスとを噴出させることにより前記原料を酸水素火炎中で加水分解し、内部における所定の面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下となる石英ガラスバルクを合成する石英ガラスバルク合成工程と、
   前記石英ガラスバルクを前記合成炉内に保持した状態で当該石英ガラスバルクを前記合成炉の外部環境温度との温度差に基づき冷却する石英ガラスバルク冷却工程と、
   前記石英ガラスバルクを切り出して所望の形状及び大きさを有する石英ガラス部材を得る石英ガラスバルク切断工程と、
   ０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において、前記石英ガラス部材を１６００〜２３００℃の間の所定の温度にまで昇温させる石英ガラス部材第一熱処理工程と
   ０．０１〜０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）の圧力領域における不活性ガス雰囲気中において、１５００〜１８００℃の温度領域における冷却速度を５〜１０℃／ｍｉｎに制御して前記石英ガラス部材を冷却することにより、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値と最小値との差が５０ｐｐｍ以下であり、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複数の複屈折値とその進相軸の向きとに基づいて求められる複数の符号付複屈折値が−２．０〜＋２．０ｎｍ／ｃｍである石英ガラス部材を得る石英ガラス部材第二熱処理工程と、
   を有する石英ガラス部材の製造方法。
2. 前記石英ガラス部材を、１６００〜２３００℃の保持温度において所定時間保持する石英ガラス部材第三熱処理工程を前記石英ガラス部材第一熱処理工程と前記石英ガラス部材第二熱処理工程との間に更に有する請求項１に記載の石英ガラス部材の製造方法。
3. 前記石英ガラス部材第一熱処理工程の昇温速度が１〜１０℃／ｍｉｎである請求項１に記載の石英ガラス部材の製造方法。
4. 前記石英ガラス部材内の前記符号付複屈折値を測定する符号付複屈折値測定工程を前記石英ガラス部材第二熱処理工程の後段に更に有する請求項１に記載の石英ガラス部材の製造方法。
5. 前記石英ガラス部材熱処理工程において得られた石英ガラス部材が、光軸との交点を中心とする光軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される水酸基濃度の最大値が５０ｐｐｍ以下のものである請求項１に記載の石英ガラス部材の製造方法。
6. 前記石英ガラス部材中の有する前記複数の符号付複屈折値が下記式に基づいて表現される請求項１に記載の石英ガラス部材の製造方法。
   −２．０≦Ｂ_ｉｊ≦２．０ｎｍ／ｃｍ （１）
   

   

   ［式（１）及び（２）中、
   ｉは、前記石英ガラス部材Ｌの番号（ｉ＝１，２，…，ｍ；２≦ｍ）を示し、
   ｊは、前記石英ガラス部材Ｌにおける光軸に垂直な有効断面上に想定される、前記光軸を中心とし且つ該光軸からの半径が互いに相違する同心円Ｃの番号（ｊ＝１，２，…，ｎ；１≦ｎ）を示し、
   ｋは、前記同心円Ｃの円周上にある測定点の番号（ｋ＝１，２，…，ｈ；１≦ｋ）を示し、
   Ａ_ｉｊｋは、石英ガラス部材Ｌｉにおける同心円Ｃ_ｉｊの円周上にあるｋ番目の測定点Ｐ_ｉｊｋにおける前記符号付複屈折値を示し、
   Ｂ_ｉｊは、石英ガラス部材Ｌｉにおける同心円Ｃ_ｉｊの円周上にある測定点の符号付複屈折値の相加平均である平均符号付複屈折値を示す］

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