JP4626117B2

JP4626117B2 - 石英ガラス部材の製造方法

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Publication number: JP4626117B2
Application number: JP2001507758A
Authority: JP
Inventors: 和博中川; 弘之平岩
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Priority date: 1999-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2011-02-02
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Description

技術分野
本発明は石英ガラス部材の製造方法に関するものであり、詳しくは、所定のマスクパターンを基板上に転写する投影露光装置における照明光学系、投影光学系などの結像光学系に用いるのに適した石英ガラス部材の製造方法に関するものである。
背景技術
従来より、投影露光装置としては、図１８Ａ及び図１８Ｂ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１８Ａに示す投影露光装置においては、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１８Ｂ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１８Ａの投影露光装置では、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に関して共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。
上記いずれの方式の投影露光装置においても、その光学系に用いられる光学部材としては、使用する露光光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。透過率が低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屈折率が不均質となり、さらには光学部材の局所的熱膨張によって研磨面が変形する。これによって光学性能の劣化が生じる。
一方、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。
そこで、紫外光（波長４００ｎｍ以下）を利用する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、紫外光に対する透過率が高く、均質性に優れた石英ガラスあるいはフッ化カルシウム結晶が一般的に用いられている。
また、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。
このような短波長のエキシマレーザを用いた投影露光においては、より微細なマスクパターンを得ることを目的としているため、透過率や屈折率の均質性について、より高い特性を有する材料が用いられている。
しかしながら、透過率や屈折率が高く且つ均質な材料であっても、複数の材料を組み上げて光学系を作製した場合に所望の解像度が得られないことがあった。
発明の開示
本発明は上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、投影露光装置の結像光学系において十分に高い解像度を得るために必要な石英ガラス部材を効率よく且つ確実に得ることを可能とする石英ガラス部材の製造方法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、先ず、投影光学系の結像性能及び投影露光装置の解像度が光学部材の複屈折の影響を受けるものであり、光学部材の複屈折の大きさ、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値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、露光光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且つ厚みの大きなものを用いたりする場合には、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、本発明者らはさらに研究を重ねた結果、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、光学部材がそれぞれ複屈折値の分布を有するため、複数の光学部材を投影光学系として組み上げた場合に異なる複屈折値の分布が光学系全体で積算され、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値の評価は、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、上記の光学部材の複屈折値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％付近の数カ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、石英ガラス部材の複屈折値の分布を詳細に測定したところ、複屈折値は実際は不均一な分布を有していることを本発明者らが見出したのである。
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を有する光学系を得ることは非常に困難であることが分かった。
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値の大きさ（絶対値）のみでは単純に表すことができないため、本発明者らは、光学部材内の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、光学部材における複屈折値の不均一な分布を進相軸の向きに注目してみた場合に、直接法による石英ガラスの合成、及びその後のアニール処理や高温熱処理において、従来の方法では石英ガラス部材の複屈折値の分布における進相軸の向きを制御することは困難であり、このようにして得られた複数の石英ガラス部材はいずれも進相軸の向きが同じである複屈折値の分布を有するので、これらを用いて光学系を構成すると複屈折値が積算されて光学系に悪影響を及ぼすことが分かった。そして、石英ガラス部材の製造工程において得られる石英ガラスインゴットが特定の温度分布を有するように制御することによって、上記従来の製造方法で得られる石英ガラス部材とは進相軸の向きが異なる複屈折値の分布を有する石英ガラス部材が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の石英ガラス部材の第一の製造方法は、多重管構造を有するバーナを用いてケイ素化合物を酸水素火炎中で反応させて石英ガラス微粒子を得る第一のステップと、
前記バーナと対向するように配置されており回転している支持体上に、石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な少なくとも一つの面内において前記回転軸に関して対称であり且つ面の中心と周縁部との間に極大値を有する温度分布をもって、前記石英ガラス微粒子を堆積させて石英ガラスインゴットを得る第二のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複屈折値及びその進相軸の向きに基づいて符号付複屈折値の分布を求め、符号付複屈折値が面の中心から周縁部にむけて単調増加する石英ガラス部材を前記石英ガラスインゴットから切り出す第三のステップと、
を含むものである。
また、本発明の石英ガラス部材の第二の製造方法は、石英ガラスインゴットを所定の温度まで昇温する第四のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な少なくとも一つの面内において前記回転軸に関して対称であり且つ面の中心と周縁部との間に極大値を有する温度分布をもって、前記石英ガラスインゴットを冷却する第五のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複屈折値及びその進相軸の向きに基づいて符号付複屈折値の分布を求め、符号付複屈折値が面の中心から周縁部にむけて単調増加する石英ガラス部材を前記石英ガラスインゴットから切り出す第六のステップと、
を含むものである。
本発明によれば、石英ガラス部材の製造工程において石英ガラスインゴットが上記の特定の温度分布を有するように制御し、得られた石英ガラスインゴットについて、所定の面内の複数の箇所において測定される複屈折値及びその進相軸の向きに基づいて符号付複屈折値の分布を求め、符号付複屈折値の分布が面の中心から周縁部に向けて単調増加する石英ガラス部材を切り出すことによって、面の中心から周縁部に向けて単調増加する複屈折値の分布を有する石英ガラス部材を効率よく且つ確実に得ることが可能となる。そして、このようにして得られる本発明の石英ガラス部材と、面の中心から周縁部に向けて単調減少する符号付複屈折値の分布を有する従来の石英ガラス部材と、を用いることによって、光学系全体の高い透過率と高い屈折率の均質性とともに複屈折値が十分に均質化される。従って、投影露光装置の結像光学系において十分に高い解像度を得ることが可能となる。
ここで、本発明にかか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の符号を付し、垂直な場合にマイナ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の符号を付し、垂直な場合にマイナスの符号を付するものである。
さらに、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の符号を付し、垂直な場合にマイナ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さら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，ｒ_４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Ｏ_１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Ｑ_３の方向すなわち半径方向に平行であり、測定点Ｐ_３３，Ｐ_３４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。
発明を実施するための最良の形態
先ず、本発明の石英ガラスの第一の製造方法について説明する。
図４は本発明の石英ガラスの第一の製造方法において用いられる石英ガラスインゴットの合成炉の一例を示す説明図である。図４においては、多重管構造を有する石英ガラス製のバーナ４１０が合成炉４００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及び排気系４６０が設けられている。合成炉４００の下部には石英ガラスインゴット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軸サーボモータ及びＹ軸サーボモータによりＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元的に移動可能とされている。
本発明の第一の製造方法においては、先ず、バーナ４１０から酸素含有ガス及び水素含有ガスが噴出され、これらが混合されて酸水素火炎が形成される。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４１０の中心部から噴出させると、ケイ素化合物の加水分解により石英ガラス微粒子（スート）が発生する。ここで、本発明において使用されるケイ素化合物としては、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３等のケイ素の塩化物、ＳｉＦ_４、Ｓｉ_２Ｆ_６などのケイ素のフッ化物、ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、テトラメチルシクロテトラシロキサン等のシロキサン類、メチルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、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、その他、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等が挙げられる。
次に、上記の工程において得られる石英ガラス微粒子を、回転、揺動するターゲット４２０上に堆積させるとともに溶融・ガラス化することによって、透明の石英ガラス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、ターゲット４２０上に形成される石英ガラスインゴットの温度はＩＲカメラ（図示せず）の観測結果に基づいてその回転軸に垂直な面内において回転軸に関して対称であり且つ面の中心と周縁部との間に極大値を有する温度分布をもつように制御される。また、ターゲット４２０は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Ｚ方向に引き下げられる。
すなわち、上記の工程においてターゲット４２０上に形成される石英ガラスインゴットは回転軸に垂直な面の中心から径ｒ方向に向けて図５に示す温度分布を有しているものであり、このように石英ガラスインゴットの温度分布を制御し、さらに後述する符号付複屈折値の分布に基づいて部材を切り出すことによって初めて、中心から径方向に単調増加する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。なお、従来の直接法では、石英ガラスインゴットの周縁部が急激に冷却されて密度が高くなるのに対し、中心部は周縁部に比べて高温のまま保持されるので疎となり、得られる石英ガラスインゴットが中心から径方向に向けて単調減少する符号付複屈折値の分布を示すものと本発明者らは推察する。
図５において、ターゲット４２０上に形成される石英ガラスインゴットの回転軸と垂直な面の中心（ｒ＝０）の温度をＴ_０、ｒ＝ｒ_ｍａｘにおける温度の極大点をＴ_ｍａｘで表すとき、その温度差ΔＴ＝Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_０は０℃を超え２００℃以下であることが好ましい。ΔＴが２００℃を超えると得られる石英ガラスインゴットの歪が大きくなる傾向にある。
このようにして得られる石英ガラスインゴットについて回転軸に垂直な面内の複数の箇所における複屈折値及びその進相軸の向きを測定すると、通常、中心からの距離ｒと符号付複屈折値Ａとの間に図３Ｂに示すような相関が見られる。ここで、本発明にかかる複屈折値の測定方法としては、位相変調法、回転検光子法、位相補償法等が挙げられる。
位相変調法において、光学系は光源、偏光子、位相変調素子、試料及び検光子によって構成される。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、がそれぞれ使用される。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として試料を回転させて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の方向と複屈折位相差の大きさとを求める。なお、光源にゼーマンレーザーを用いると試料を回転させずに測定を行うことができる。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。
回転検光子法では、光源と光検出器との間の試料を偏光子と回転検光子とによって挟むような装置構成となっており、試料の後に配置し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とから位相差を求める。
位相補償法では、光源、偏光子、試料、位相補償板、検光子、光検出器を配置する。なお、偏光子と検光子とはそれぞれの軸が互いに直交するように配置する。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となるが、位相補償板を調節することによって再び直線偏光となり、光検出器での信号を実質的にゼロとすることができる。そして、最も良く消光したときの位相補償値が複屈折の量となる。
なお、試料の厚みが十分である場合には、クロスニコル光学系の中に被測定試料と標準試料とをそれぞれ配置して比較するといった簡便な方法であっても、複屈折値を求めることが可能である。
複屈折の測定値には、先に述べたように進相軸の方向と部材の径方向とが平行である場合には＋（プラス）、垂直である場合には−（マイナス）を付す。なお、複屈折の測定値が小さい場合には進相軸は必ずしも部材の径方向と完全に平行もしくは垂直にはならず傾きを有する場合があるが、このような複屈折値には、径方向に対する進相軸の角度が４５度より小さい場合には＋、４５度より大きい場合には−を付して取り扱えばよい。
このようにして得られる符号付複屈折値の分布に基づいて、中心（ｒ＝０）から極大値Ａ_３２を与えるｒ＝ｒ_２までの間の所定の部分を切り出すことによって、面の中心から周縁部に向けて単調増加する符号付複屈折値の分布を有する石英ガラス部材が得られる。なお、このようにして得られる本発明の石英ガラス部材は複屈折値の分布における回転対称性が十分に高いものであり、屈折率分布に起因する波面収差の光学設計による補正を容易とするものであるが、このような石英ガラス部材を得る際には、上記の切り出し工程において石英ガラス部材の幾何学的中心とインゴットの中心とを一致させることが必要である。また、本発明の第一の方法において得られる石英ガラス部材は、温度分布や炉内雰囲気が不安定となりやすいインゴット周縁部を含まないので、ＯＨやＣｌ等の不純物濃度が十分に低く、より高い光学特性を得ることができる。
上記の本発明の第一の製造方法においては、得られる石英ガラスインゴット又は石英ガラス部材に対してアニール処理を行ってもよい。アニール処理とは、具体的には、光学材料又は光学部材を徐冷点付近の温度（通常１０００〜１２００℃）まで昇温させた後同温で一定時間保持し、所定の降温速度で冷却することをいい、このような処理を行うことによって光学部材の透過率や屈折率を均質にすることができる。
なお、本発明の第一の製造方法においては、石英ガラスインゴット又は石英ガラス部材に対して高温熱処理を行わないことが好ましい。従来の製造方法では、得られる石英ガラスインゴットに脈理が見られるなど屈折率の不均質化が顕著な場合には、石英ガラスの失透温度域よりも高く且つ石英ガラスの軟化変形が起こる温度（通常１６００℃以上）での高温熱処理が行われるが、本発明の第一の製造方法で得られる石英ガラスインゴット又は石英ガラス部材にこのような高温熱処理を行うと、冷却工程において周縁部から冷却されることによって中心から径方向に向けて単調減少する符号付複屈折値の分布を示すようになり、所望の石英ガラス部材が得られない傾向にある。なお、前記高温熱処理を含む従来の製造方法によって得られる石英ガラス部材には、後述する本発明の第二の製造方法によって中心から径方向に向けて単調増加する符号付複屈折値の分布が付与される。
次に、本発明の石英ガラス部材の第二の製造方法について説明する。
図６は本発明の第二の製造方法に用いられる熱処理装置の一例を示す説明図である。図６において、熱処理装置６００は試料台６２０上に配設された１対のセラミック板６１０、６１０を備えており、セラミック板６１０、６１０の間に試料としての石英ガラスインゴットを配置することが可能となっている。また、セラミック板６１０、６１０及び試料台６２０はヒータ６３０を備える炉壁６４０に収容されている。そして、セラミック板６１０、６１０及びヒータ６３０はそれぞれコントローラ（図示せず）と電気的に接続されており、コントローラからセラミック板６１０、６１０又はヒータ６３０の温度を制御するための制御信号が送られる。さらに、熱処理装置６００においては、ＩＲカメラにより石英ガラスインゴットの温度分布を観測することが可能である。なお、本発明においては、熱処理装置６００内の雰囲気は、不活性ガス雰囲気、空気雰囲気又は水素雰囲気であることが好ましい。特に、後述する各工程を水素雰囲気中で行うと、石英ガラス中の水素分子が放出されにくくなるのでより好ましい。
本発明の第二の製造方法においては、先ず、セラミック板６１０、６１０の間に円筒状の石英ガラスインゴットを配置し、ヒータ６３０により熱処理装置６００内の雰囲気温度を上昇させて石英ガラスインゴットを昇温させる。ここで、本発明の第二の製造方法において用いられる石英ガラスインゴットは、本発明の第一の製造方法により得られるものであってもよく、従来より公知の方法によって得られるものであってもよい。従来より公知の石英ガラスの製造方法としては、例えば、ａ）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、そのガラス粒子を堆積させて多孔質ガラス（スート体）を形成させ、さらにその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て透明石英ガラスを得る方法、ｂ）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って透明石英ガラスを得る方法、等が挙げられる。ａの方法はスート法、ｂの方法は直接法と呼ばれ、スート法における多孔質ガラスの形成方法としては、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ゾルゲル法等が挙げられる。上記の従来の方法により得られる石英ガラスインゴットは、通常、図２Ｂに示す複屈折値の分布を有するものである。
昇温後の石英ガラスインゴットは、所定の温度（好ましくは１６００℃以上２０００℃以下）で所定の時間（好ましくは１時間以上１００時間以下）保持される。そして、セラミック板６１０、６１０の温度が熱処理装置６００内の雰囲気温度に対して常に低くなるように、すなわち、石英ガラスインゴットが図５に示す温度分布を有するように、セラミック板６１０、６１０及びヒータ６３０の温度を制御しながら石英ガラスインゴットが冷却される。ここで、熱処理装置６００内の雰囲気温度とセラミック板６１０、６１０の温度との差は２０℃以上３００℃以下であることが好ましい。これらの温度差が前記下限値未満であると正の符号付複屈折値を有する石英ガラス部材が得られにくくなる傾向にあり、他方、温度差が前記上限値を超えると得られる部材中の符号付複屈折値の最大値と最小値との差が増加して不均質化する傾向にある。また、上記の冷却工程における降温速度は１℃／時間以上５０℃／時間以下であることが好ましい。降温速度が前記下限値未満であると作業効率が低下する傾向にあり、他方、降温速度が前記上限値を超えると得られる石英ガラス部材が不均質化する傾向にある。さらに、上記の冷却工程において、所定の保持温度から５００℃まで降温した後放冷すると、符号付複屈折値の分布に影響を及ぼす因子を排除したまま工程を簡便化することができるので好ましい。さらにまた、石英ガラスインゴットと当接するセラミック板の面積は目的とする石英ガラス部材の口径によって適宜選択されるが、石英ガラスインゴットの周縁部とセラミック板の周縁部との距離は２０ｍｍ以上であることが好ましい。石英ガラスインゴットの周縁部とセラミック板の周縁部との距離が２０ｍｍ以下であると、石英ガラスインゴットにおけるセラミック板当接部分と周縁部との間に温度差がなくなり、符号付複屈折値が中心から径方向に単調増加する石英ガラス部材が得られなくなる傾向にある。
上記の冷却工程後の石英ガラスインゴットの複数の箇所における複屈折値及びその進相軸の向きを測定すると、通常、中心からの距離ｒと符号付複屈折値との間に図１Ｂに示す相関が得られる。ここで、符号付複屈折値の測定方法としては、上記の本発明の第一の製造方法の説明において例示された符号付複屈折値の測定方法が挙げられる。
本発明においては、本発明の第一の製造方法と第二の製造方法を組み合わせることが特に好ましい。すなわち、本発明の第一の製造方法により得られる石英ガラスインゴットは既に中心から径方向に単調増加する符号付複屈折値の分布（図３Ｂ）を有するものであるが、本発明の第二の製造方法に含まれる上記の熱処理工程及び冷却工程を施すことによって符号付複屈折値の最大値と最小値との差が小さくなって屈折率がより均質化されたものとなる。そして、この符号付複屈折値の分布に基づいて所定の部分を切り出すことによって、面の中心から周縁部に向けて単調増加する符号付複屈折値の分布を有する石英ガラス部材が得られる。なお、このようにして得られる本発明の石英ガラス部材は複屈折値の分布における回転対称性が十分に高いものであり、屈折率分布に起因する波面収差の光学設計による補正を容易とするものであるが、このような石英ガラス部材を得る際には、上記の切り出し工程において石英ガラス部材の幾何学的中心とインゴットの中心とを一致させることが必要である。
なお、図６にはセラミック板６２０、６２０を備える熱処理装置６００を示したが、本発明においては、雰囲気温度よりも低温の不活性ガスを石英ガラスインゴットの中央部に吹き付けることによって、石英ガラスインゴットの中央部と周縁部とが所定の温度差を保持するように冷却することもできる。ここで、本発明において使用される不活性ガスとしては、ドライエアー、窒素ガス、水素ガス等が挙げられる。また、これらの不活性ガスの温度は０〜３００℃であることが好ましく、その露点は−５０℃以下であることが好ましい。
本発明の第一の製造方法及び第二の製造方法においては、切り出し等の加工処理後の石英ガラス部材について、必要に応じて、急速加熱→短時間保持→急速冷却といった熱処理、あるいはフッ酸処理、芯取り加工などの処理が施される。このような処理を行うと、石英ガラス部材が本来的に有する符号付複屈折値のばらつきや切り出し工程等によって生じる加工歪みが抑制される傾向にある。なお、前記芯取り加工においては、加工歪みが発生しない程度の速度で石英ガラス部材の側面（円周面）を０．１ｍｍ程度研削することが好ましい。
このようにして得られる本発明の光学部材は、その幾何学的中心に関して対称であり且つ中心から径方向に向けて単調増加する符号付複屈折値の分布を有するものであり、中心に関して対称であり且つ中心から径方向に向けて単調減少する符号付複屈折値の分布を有する従来の光学部材と本発明の石英ガラス部材とを、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見積もりながら光学系を作製することによって、良好な結像性能を得ることができる。
ここで、本発明にかかる光学系全体の符号付複屈折特性値の概念について、図７Ａ及び図７Ｂに基づいて説明する。
図７Ａは、投影光学系を構成するｍ個の光学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７Ｂは、図７Ａに示すｍ個の光学部材のうち光源からｉ番目に配置される光学部材Ｌ_ｉ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、光学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、有効断面とは光学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いう。そして、光軸との交点を有効断面の中心とし、その半径を光学部材の有効断面の有効半径とする。また、投影光学系全体の符号付複屈折特性値を測定する際には、光学部材ごとにその有効断面の大きさが相違するため、図７Ａに示すように各光学部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全光学部材の有効断面の大きさをノーマライズする。
なお、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は、個々の光束に対応する有効断面について各光学部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全光学部材の有効断面の大きさをノーマライズする。
さらに、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、個々の光束に対応する有効断面について各光学部材の最大有効半径ｒ_ｎが１となるように予め全光学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光学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光学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７Ｂに示すように、１つの光学部材Ｌ_ｉ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。さらに、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。さらに、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_ｉｊ１〜Ｐ_ｉｊｈにおける符号付複屈折値Ａ_ｉｊ１〜Ａ_ｉｊｈを測定する。
次に、下記式（１）に従い、光学部材Ｌ_ｉ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。
【数１】

次に、下記式（２）に従い、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊと見かけの厚み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（２）
ここで、Ｔ_ｉは、光学部材Ｌ_ｉの見かけの厚みを示す。この見かけの厚みとしては、光学部材Ｌ_ｉ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光学部材Ｌ_ｉ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（３）に従い、投影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。
【数２】

ここで、Ｄは、下記式（４）で表される投影光学系全体の見かけの総光路長を示す。
【数３】

次に、下記式（５）に従い、投影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で除した投影光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈを算出する。
【数４】

本発明においては、上記の手順で求めた光学系全体の符号付複屈折特性値Ｈが下記式（６）を満たすと、その投影光学系全体の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が優れた解像度を示す傾向にあるので好ましい。
−０．５≦Ｈ≦＋０．５ｎｍ／ｃｍ（６）
このようにして得られる投影光学系の一例を図８に示す。
図８に示す投影光学系１００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、Ｌ_４５、Ｌ_４６、Ｌ_６３、Ｌ_６５、Ｌ_６６、Ｌ_６７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。
上記の本発明の投影光学系は、上記式（１）〜（６）を用いた算出法により、各光学部材Ｌ_１１〜Ｌ_６１０について光軸Ｚとの交点を中心とする光軸Ｚに垂直な面内の符号付複屈折値の分布から投影光学系全体の符号付複屈折特性値を算出しており、この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光学部材が互いに組み合わされている。
ここで、本発明にかかる投影光学系は、光学部材が、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さら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。
本発明者らは光学部材内の複屈折の分布の評価について、光学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併せることにより、光学部材内のさら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光学部材の配置条件は下記式に基づいて表現される。
０．９３≦Ｓ（７）
【数５】

【数６】

［式（７）〜（９）中、λは光源の波長を表し、χは投影光学系全体の光線追跡試験により光学部材Ｌ_ｉ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表し、σは投影光学系全体の光線追跡試験により光学部材Ｌ_ｉ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表し、Ｓ_ｉは各光学部材Ｌ_ｉ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）強度を表し、Ｓは各光学部材Ｌ_ｉを全て組み合わせた場合における投影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表す。］
さらに、本発明にかかる投影光学系は、光学部材Ｌ_ｉ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。
さらにまた、本発明にかかる投影光学系は、光学部材Ｌ_ｉ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。さらに、光学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。
さらにまた、本発明にかかる投影光学系は、光学部材Ｌ_ｉにおいて平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの最大値と最小値の差ΔＢ_ｉが２．０ｎｍ／ｃｍ以下であることが好ましい。平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布における最大値と最小値の差ΔＢ_ｉが大きいということは、光学部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊ、さらには符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋのばらつきが大きいことを表し、平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの最大値と最小値の差ΔＢ_ｉが２．０ｎｍ／ｃｍより大きい光学部材に光を照射する場合、光の通る位置によって符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋの差が大きいので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。
さらにまた、本発明にかかる投影光学系は、各光学部材Ｌ_ｉ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０．２０ｍ／ｃｍ以下であることが好ましい。このような光学部材を用いて投影光学系を構成することにより、投影光学系の良好な結像性能を得ることができ、このような投影光学系を備える投影露光装置においてウェハ面全体にわたって均一な解像度が得られる。上記の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊの半径方向の分布における最大値と最小値の差ΔＢ_ｉが大きい場合と同様に、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、光学部材の平均符号付複屈折値Ｂ_ｉｊ、さらには符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋのばらつきが大きいことを表し、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より大きい光学部材に光を照射する場合、光の通る位置によって符号付複屈折値Ａ_ｉｊｋの差が大きいので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、図８に示す投影光学系を備える投影露光装置の一例を図９に示す。
図９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１０Ａ及び図１０Ｂは、図９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１０Ａは、照明光学系３０２を図９のＹ方向からみた場合の正面図であり、図１０Ｂは、照明光学系３０２を図９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１０Ａの紙面方向と図１０Ｂ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。さらに、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１１における投影光学系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光学部材が互いに組み合わされている。また、各光学部材が、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さらに満たすように互いに組み合わされている。さらに、使用されている光学部材は、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、平均符号付複屈折値の最大値と最小値の差ΔＢ_ｉが２．０ｎｍ／ｃｍ以下であり、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。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１
図４に示す合成炉を用いて、以下の手順に従って石英ガラス部材の製造を行った。
先ず、多重管構造を有するバーナの中央部から四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）を流速３０ｇ／分で噴出させて、酸水素火炎（酸素／水素比：０．５）中で加水分解させて石英ガラス微粒子を得、これをターゲット（回転速度：５ｒｐｍ、揺動速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ）上に堆積させると同時に透明化して石英ガラスインゴット（直径：４００ｍｍ以上）を得た。この工程におけるインゴットの回転軸に垂直な面内の温度分布を図１１Ａに示す。
次に、得られた石英ガラスインゴットから、円筒形状の石英ガラス部材（直径：４００ｍｍ、厚さ：１００ｍｍ）を、石英ガラスインゴットの回転中心と石英ガラス部材の幾何学的中心とが一致するように切り出し、これを１０００時間まで昇温した後同温で１０時間保持し、降温速度１０℃／時間で５００℃まで冷却し、さらに放冷した（アニール処理）。
得られた石英ガラス部材について、位相変調法により符号付複屈折値の測定を行った。その結果を図１２Ａに示す。
実施例２
四塩化ケイ素の流速を１００ｇ／分としたこと、及びアニール処理の条件を表１に示す条件１としたこと以外は実施例１と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１１Ｂに、符号付複屈折値の測定結果を図１２Ｂにそれぞれ示す。
実施例３
四塩化ケイ素の流速を５０ｇ／分としたこと以外は実施例２と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１１Ｃに、符号付複屈折値の測定結果を図１２Ｃにそれぞれ示す。
比較例１
四塩化ケイ素の流速を１０ｇ／分としたこと以外は実施例２と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１１Ｄに、符号付複屈折値の測定結果を図１２Ｄにそれぞれ示す。
実施例４
酸素／水素比を０．２５としたこと、及びアニール処理の条件を表１に示す条件１としたこと以外は実施例１と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１３Ａに、符号付複屈折値の測定結果を図１４Ａにそれぞれ示す。
実施例５
酸素／水素比を０．４としたこと以外は実施例４と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１３Ｂに、符号付複屈折値の測定結果を図１４Ｂにそれぞれ示す。
比較例２
酸素／水素比を０．５としたこと以外は実施例４と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１３Ｃに、符号付複屈折値の測定結果を図１４Ｃにそれぞれ示す。
比較例３
実施例１における酸素／水素比を０．４５としたこと以外は実施例１と同様にして石英ガラス部材を得、その符号付複屈折値を測定した。石英ガラスインゴット作製時の温度分布を図１３Ｄに、符号付複屈折値の測定結果を図１４Ｄにそれぞれ示す。
実施例６
実施例１で得られた石英ガラス部材について比較例４と同様にして高温熱処理を行い、符号付複屈折値の測定を行った。その結果を図１６Ｃに示す。
次に、この石英ガラス部材について表１に示す条件１でアニール処理を行い、さらに、図６に示す熱処理装置を用いて表１に示す条件２で熱処理及び冷却処理を行い、得られた石英ガラス部材について符号付複屈折値を測定した。冷却開始５時間後の石英ガラス部材の温度分布を図１５Ａに、冷却処理後の石英ガラス部材の符号付複屈折値の分布を図１６Ａにそれぞれ示す。
実施例７
実施例６におけるアニール処理後の石英ガラス部材について、図６に示す装置においてセラミック板を用いる代わりに石英ガラス部材の上下両面からドライエアー（温度：２５℃、露点：−７０℃）を２０Ｌ／分で吹き付けて冷却を行ったこと以外は実施例６と同様にして、表１に示す条件２で熱処理及び冷却処理を行い、得られた石英ガラス部材の符号付複屈折値の分布を測定した。冷却開始５時間後における石英ガラス部材の温度分布を図１５Ｂに、冷却処理後の石英ガラス部材の符号付複屈折値の分布を図１６Ｂにそれぞれ示す。
【表１】

比較例４
実施例１で得られた石英ガラス部材を２１００℃まで昇温して同温で２時間保持し、降温速度１０℃／時間で５００℃まで冷却し、その後放冷した。このようにして高温熱処理した石英ガラス部材についてその符号付複屈折値を測定した。結果を図１６Ｄに示す。
比較例５
実施例１で得られた石英ガラス部材の代わりに比較例３で得られた石英ガラス部材を用いたこと以外は比較例４と同様にして高温熱処理を行い、得られた石英ガラス部材の符号付複屈折値を測定した。結果を図１６Ｅに示す。
このように、実施例１〜７の石英ガラス部材はいずれも、中心から径方向に単調増加する符号付複屈折値の分布を有するものであることが確認された。これに対して比較例１〜５の石英ガラス部材はいずれも、中心から径方向に単調減少する符号付複屈折値の分布を有するものであった。
（投影光学系１及び投影露光装置１の作製）
実施例１の石英ガラス部材と比較例４の石英ガラス部材とを用い、上記式（１）〜（６）を用いて得られる符号付複屈折特性値に基づいて図８に示す投影光学系を作製し、得られた投影光学系について上記式（７）〜（９）に基づき光学系全体の複屈折を評価した。一般に、ストレール値が０．９５以上の投影光学系であれば所望の性能が得られるが、上記の手順で得られた投影光学系においてはストレール値０．９９を達成することができ、従来の光学部材を用いた場合には得られなかった十分に高い結像性能を有することが確認された。
次に、上記の投影光学系を用いて図９に示す投影露光装置を作製し、その解像度を評価したところ、本実施の投影露光装置においては解像度約０．１５μｍが達成されることが確認された。
（投影光学系２及び投影露光装置２の作製）
実施例６における高温熱処理後の石英ガラス部材と実施例６における冷却処理後の石英ガラス部材とを用い、上記式（１）〜（６）を用いて得られる符号付複屈折特性値に基づいて図８に示す投影光学系を作製し、得られた投影光学系について上記式（７）〜（９）に基づき光学系全体の複屈折を評価した。このようにして得られた投影光学系においてもストレール値０．９９を達成することができ、従来の光学部材を用いた場合には得られなかった十分に高い結像性能を有することが確認された。
次に、上記の投影光学系を用いて図９に示す投影露光装置を作製し、その解像度を評価したところ、解像度約０．１５μｍが達成されることが確認された。
（投影光学系３の作製）
図１７に示す符号付複屈折値の分布を有する従来の石英ガラス部材のみを用い、上記式（１）〜（６）を用いて得られる符号付複屈折特性値に基づいて図８と同様の投影光学系を作製し、得られた投影光学系について上記式（７）〜（９）に基づき光学系全体の複屈折を評価した。このようにして得られた投影光学系のストレール値は０．７０であり、所望の光学性能が得られないことが確認された。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、符号付複屈折値が中心から周縁部に向けて単調増加する石英ガラス部材を効率よく且つ確実に得ることが可能となる。そして、本発明の製造方法により得られる本発明の石英ガラス部材と、符号付複屈折値が中心から周縁部に向けて単調減少する従来の石英ガラス部材と、を用いることによって、光学系全体の高い透過率や高い屈折率の均質化が達成される。従って、本発明の製造方法及びそれによって得られる本発明の石英ガラス部材によれば、投影露光装置の結像光学系において十分に高い解像度を効率よく且つ確実に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは符号付複屈折値の概念を示す説明図であり、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説明図であり、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説明図であり、図３Ｂは図３Ａに示す光学部材内における複屈折値の分布を示すグラフである。
図４は本発明において用いられる石英ガラスインゴットの合成炉の一例を示す説明図である。
図５は本発明の第一の製造方法における石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な面内における中心からの距離と温度との相関を示すグラフである。
図６は本発明において用いられる熱処理装置の一例を示す説明図である。
図７Ａは投影光学系を構成する複数の光学部材を示す側面図であり、図７Ｂは投影光学系を構成する光学部材の断面図である。
図８は本発明にかかる光学系の一例を示す概略構成図である。
図９は本発明にかかる投影露光装置の一例を示す概略構成図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂはそれぞれ、図９に示す投影露光装置の照明光学系の構成の一例を示す説明図である。
図１１Ａ〜図１１Ｄはそれぞれ本発明の実施例１〜３及び比較例１の石英ガラスインゴットの製造工程におけるガラス直径と温度との相関を示すグラフである。
図１２Ａ〜図１２Ｄはそれぞれ本発明の実施例１〜３及び比較例１で得られた石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフである。
図１３Ａ〜図１３Ｄはそれぞれ、本発明の実施例４〜５及び比較例２〜３の石英ガラスインゴットの製造工程におけるガラス直径と温度との相関を示すグラフである。
図１４Ａ〜図１４Ｄはそれぞれ本発明の実施例４〜５及び比較例２〜３で得られた石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフである。
図１５Ａ及び図１５Ｂはそれぞれ本発明の実施例６及び実施例７の熱処理工程における石英ガラス部材のガラス直径と温度との相関を示すグラフである。
図１６Ａ及び図１６Ｂはそれぞれ本発明の実施例６〜７で得られた石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフであり、図１６Ｃは実施例６の高温熱処理後の石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフであり、図１６Ｄ及び図１６Ｅはそれぞれ比較例３及び比較例４で得られた石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフである。
図１７は本発明の実施例において光学系３の作製に用いた石英ガラス部材のガラス直径と符号付複屈折値との相関を示すグラフである。
図１８Ａ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１８Ｂは図１８Ａの投影露光装置に用いられるフライアイレンズの一例を示す断面図である。

Claims

多重管構造を有するバーナを用いてケイ素化合物を酸水素火炎中で反応させて石英ガラス微粒子を得る第一のステップと、
前記バーナと対向するように配置されており回転している支持体上に、石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な少なくとも一つの面内において前記回転軸に関して対称であり且つ面の中心と周縁部との間に極大値を有する温度分布をもって、前記石英ガラス微粒子を堆積させて石英ガラスインゴットを得る第二のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複屈折値及びその進相軸の向きに基づいて符号付複屈折値の分布を求め、符号付複屈折値が面の中心から周縁部にむけて単調増加する石英ガラス部材を前記石英ガラスインゴットから切り出す第三のステップと、
を含む石英ガラス部材の製造方法。
前記第二のステップにおいて、面の中心における温度と極大値との差が０℃を超え２００℃以下である請求項１に記載の製造方法。
石英ガラスインゴットを所定の温度まで昇温する第四のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な少なくとも一つの面内において前記回転軸に関して対称であり且つ面の中心と周縁部との間に極大値を有する温度分布をもって、前記石英ガラスインゴットを冷却する第五のステップと、
前記石英ガラスインゴットの回転軸に垂直な面内の複数の箇所において測定される複屈折値及びその進相軸の向きに基づいて符号付複屈折値の分布を求め、符号付複屈折値が面の中心から周縁部にむけて単調増加する石英ガラス部材を前記石英ガラスインゴットから切り出す第六のステップと、
を含む石英ガラス部材の製造方法。
前記第五のステップにおいて、面の中心における温度と極大値との差が２０℃以上３００℃以下である、請求項３に記載の製造方法。