JP5428323B2 - TiO2を含有するシリカガラス - Google Patents

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本発明は、TiO2を含有するシリカガラス(以下、本明細書では、TiO2−SiO2ガラスと記す)に関し、特にEUVリソグラフィ用の露光装置の光学系部材として用いられるTiO2−SiO2ガラスに関する。なお、本発明でいうEUV(Extreme Ultra Violet)光とは、軟X線領域または真空紫外域の波長帯の光を指し、具体的には波長が0.2〜100nm程度の光のことである。
従来から、光リソグラフィ技術においては、ウェハ上に微細な回路パターンを転写して集積回路を製造するための露光装置が広く利用されている。集積回路の高集積化および高機能化に伴い、集積回路の微細化が進み、露光装置には深い焦点深度で高解像度の回路パターンをウェハ面上に結像させることが求められ、露光光源の短波長化が進められている。露光光源は、従来のg線(波長436nm)、i線(波長365nm)やKrFエキシマレーザ(波長248nm)から進んでArFエキシマレーザ(波長193nm)が用いられ始めている。また、さらに回路パターンの線幅が70nm以下となる次世代の集積回路に対応するため、ArFエキシマレーザを用いた液浸露光技術や二重露光技術が有力視されているが、これも線幅が45nm世代までしかカバーできないと見られている。
このような流れにあって、露光光源としてEUV光(極端紫外光)のうち代表的には波長13nmの光を用いたリソグラフィ技術が、回路パターンの線幅が32nm以降の世代にわたって適用可能と見られ注目されている。EUVリソグラフィ(以下、「EUVL」と略する)の像形成原理は、投影光学系を用いてマスクパターンを転写する点では、従来のフォトリソグラフィーと同じである。しかし、EUV光のエネルギー領域では光を透過する材料が無いために、屈折光学系は用いることができず、光学系はすべて反射光学系となる。
EUVL用露光装置の光学系部材はフォトマスクやミラーなどであるが、(1)基材、(2)基材上に形成された反射多層膜、(3)反射多層膜上に形成された吸収体層、から基本的に構成される。反射多層膜としては、Mo層と、Si層と、を交互に積層させたMo/Si反射多層膜を形成することが検討され、吸収体層には、成膜材料として、TaやCrが検討されている。基材としては、EUV光照射の下においても歪みが生じないよう低熱膨張係数を有する材料が必要とされ、低熱膨張係数を有するガラス等が検討されている。
TiO2−SiO2ガラスは、石英ガラスよりも小さい熱膨張係数(Coefficient of Thermal Expansion;CTE)を有する超低熱膨張材料として知られ、またガラス中のTiO2含有量によって熱膨張係数を制御できるために、熱膨張係数が0に近いゼロ膨張ガラスが得られる。したがって、TiO2−SiO2ガラスはEUVL用露光装置の光学系部材に用いる材料としての可能性がある。
従来のTiO2−SiO2ガラスの作製方法は、まず、シリカ前駆体とチタニア前駆体をそれぞれ蒸気形態に転化させてこれらを混合する。この蒸気形態となった混合物は、バーナーに導入され熱分解することでTiO2−SiO2ガラス粒子となる。このTiO2−SiO2ガラス粒子は耐火性容器中に堆積され、堆積と同時にそこで溶融されてTiO2−SiO2ガラスとなる。
また、特許文献1には、TiO2−SiO2多孔質ガラス体を形成し、ガラス体にした後、マスク基板を得る方法が開示されている。
EUVL用露光装置の光学系部材は、その製造時において、反射膜などの成膜の際に、100℃程度の温度になる。また、EUVL用露光装置での使用時に、高エネルギーのEUV光が照射されるので、部材の温度が局所的に上昇するおそれがある。
このため、EUVL用露光装置の光学系部材は、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度領域が広いことが好ましいが、従来のTiO2−SiO2ガラスでは、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度領域が狭く、EUVL用露光装置の光学系部材に用いるには不充分であった。
上記した従来技術の問題点を解決するため、本願発明者らは、特許文献2において、仮想温度が1200℃以下であり、F濃度が100ppm以上であり、かつ0〜100℃での熱膨張係数が0±200ppb/℃であることを特徴とするTiO2−SiO2ガラス、およびこのTiO2−SiO2ガラスの製造方法を開示している。
このTiO2−SiO2ガラスは、熱膨張係数の温度変化が小さい、つまり熱膨張係数がほぼゼロとなる温度範囲が広く、またガラス中の熱膨張係数および機械的特性の均質性に優れており、EUVLに使用される光学系を構成する部材の素材としてきわめて好適であると考えられていた。
米国特許出願公開第2002/157421号明細書 特開2005−104820号公報
しかしながら、特許文献2の図2から明らかなように、より具体的には、図2の例1および例2の比較から明らかなように、仮想温度が1200℃以下で、F濃度が100ppm以上のTiO2−SiO2ガラスであっても、F濃度が異なる場合、熱膨張係数の温度変化が異なっている。
また、Fを含有するTiO2−SiO2ガラスではないが、図2の例3〜例5の比較から明らかなように、仮想温度が異なる場合、熱膨張係数の温度変化が異なっている。
したがって、特許文献2に記載のTiO2−SiO2ガラスは、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度範囲が広くなっているが、F濃度および仮想温度のうち、少なくとも一方が異なる場合、熱膨張係数の温度変化が異なり、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度領域が異なってくる。
EUVLを実施する際、EUVL露光装置内の温度は厳密に管理される。EUVL用露光装置の光学系部材は、この厳密に管理された温度下において、熱膨張係数がほぼゼロになっていることが必要となるが、特許文献2に記載のTiO2−SiO2ガラスは、露光装置内の温度において、熱膨張係数がほぼゼロとはならない場合があり、EUVL用露光装置の光学系部材として決して十分ではなかった。
上記した従来技術の問題点を解決するため、本発明は、EUVL用露光装置の光学系部材として好適な熱膨張特性を有するTiO2−SiO2ガラスを提供することを目的とする。より具体的には、EUVL用露光装置の光学系部材として使用した場合に、EUV光の照射時の熱膨張係数がほぼゼロとなるTiO2−SiO2ガラスを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、熱膨張係数が0ppb/℃となる温度が23±4℃の範囲にあり、熱膨張係数が0±5ppb/℃となる温度幅が5℃以上であり、仮想温度が850℃以下であり、TiO 2 含有量が3〜9質量%であり、OH濃度が100ppm以上であることを特徴とするTiO2を含有するシリカガラス(以下、「本発明のTiO2−SiO2ガラス」という。)を提供する。
本発明のTiO2−SiO2ガラスは、仮想温度が800℃以下であることが好ましい。
また、本発明のTiO2−SiO2ガラスは、OH濃度が200ppm以上であることが好ましい。
本発明のTiO2−SiO2ガラスは、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度範囲が広く、かつ、熱膨張係数がほぼゼロとなる温度領域が、EUV光照射時の光学系部材の温度と一致するため、EUVL用露光装置の光学系部材としてきわめて好適である。
以下、図面を参照して本発明のTiO2−SiO2ガラスを説明する。
本発明のTiO2−SiO2ガラスは、熱膨張係数(CTE)が0ppb/℃となる温度(クロスオーバー温度:Cross−over Temperature;COT)が23±4℃の範囲にあり、熱膨張係数(CTE)が0±5ppb/℃となる温度幅ΔTが5℃以上であることを特徴とする。
TiO2−SiO2ガラスのCOTおよびΔTは、TiO2−SiO2ガラスの熱膨張係数(CTE)を公知の方法、例えば、レーザー干渉式熱膨張計を用いて−150〜+200℃の範囲で測定し、CTEと温度の関係を図1に示すようにプロットすることにより求めることができる。
EUVLを実施する際、ミラー等の光学系部材の温度変化による寸法形状変化を防ぐ目的から、EUVL用露光装置内に置かれる光学系部材は22±2℃で熱膨張係数が0±5ppb/℃、すなわち熱膨張係数がほぼゼロとなることが望ましい。より望ましくは、EUVL用露光装置内に置かれる光学系部材は22±3℃で熱膨張係数が0±5ppb/℃、すなわち熱膨張係数がほぼゼロである。但し、光学系部材の温度は、特に光源に近い部材においては、高エネルギーのEUV光が照射されるため、局所的に上昇することが示唆されている。
EUV光の照射条件にもよるが、EUVLを実施する際のEUV光の通常の照射条件では、光学系部材の温度は、4〜6℃程度局所的に上昇する場合がある。
COTが23±4℃の範囲、すなわち、19℃(23−4℃)〜27℃(23+4℃)の範囲にあり、熱膨張係数が0±5ppb/℃となる温度範囲ΔTが5℃以上であれば、EUV光照射時の光学系部材の温度条件下(22±2℃)において、該光学系部材の熱膨張係数がほぼゼロとなる。本明細書において、熱膨張係数がほぼゼロと言った場合、熱膨張係数が0±5ppb/℃であることを指す。
また、本発明のTiO2−SiO2ガラスにおいて、ΔTが6℃以上であることが好ましく、7℃以上であることがより好ましい。ΔTが8℃以上になると、上記23±4℃といった温度範囲で±5ppb/℃となることが可能となるので、ΔTは8℃以上であることが特に好ましい。
COTおよびΔTが上記を満たす本発明のTiO2−SiO2ガラスは、ガラス組成、もしくは仮想温度、またはその両方を調節することによって得ることができる。
COTおよびΔTが上記を満たす本発明のTiO2−SiO2ガラスの一態様(以下、「TiO2−SiO2ガラス(1)」とする。)は、下記を満たす。
TiO2含有量:3〜9質量%
仮想温度:850℃以下
OH濃度:100ppm以上
したがって、TiO2−SiO2ガラス(1)は、TiO2およびSiO2以外にOHを含有する。TiO2−SiO2ガラス(1)において、TiO2およびOHを除いた残部はSiO2であるが、TiO2、SiO2およびOH以外の成分を含有してもよい。
TiO2−SiO2ガラスは、含有するTiO2濃度により、熱膨張係数が変化することが知られている。(例えば、P.C.Schultz and H.T.Smyth, in: R.W.Douglas and B.Ellis, Amorphous Materials, Willey, New York, p.453(1972)参照)。
したがって、TiO2−SiO2ガラス(1)のTiO2含有量を調節することによって、該TiO2−SiO2ガラス(1)のCOTを調節することができる。具体的には、TiO2−SiO2ガラス(1)の仮想温度をより低くした場合はTiO2含有量を増やすことにより、該TiO2−SiO2ガラス(1)のCOTを調節することができる。また、TiO2−SiO2ガラス(1)のOH含有量をより多くした場合はTiO2含有量を増やすことにより、該TiO2−SiO2ガラス(1)のCOTを調節することができる。
TiO2−SiO2ガラス(1)は、TiO2含有量が3〜9質量%である。TiO2含有量が3質量%未満、若しくは9質量%超だと、COTが23±4℃の範囲に存在しない。具体的には、TiO2含有量が3質量%未満だと、COTが19℃未満となる。また、TiO2含有量が9質量%超だと、COTが27℃超となる。TiO2含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは6質量%以上である。また、TiO2含有量は、好ましくは8質量%以下である。
特許文献2で述べているように、本願発明者らは、仮想温度とゼロ膨張の温度範囲の広さに関連があること、すなわち、仮想温度とΔTに関連があること、より具体的には、仮想温度が高くなるとΔTが狭くなり、仮想温度が低くなるとΔTが広くなることを見出している。
TiO2−SiO2ガラス(1)は、仮想温度が850℃以下であることで、ΔTが5℃以上となる。仮想温度が850℃超だと、ΔTが5℃未満となり、TiO2−SiO2ガラス(1)をEUVL用露光装置の光学系部材として使用した場合に、EUV光照射時の光学系部材の熱膨張係数がほぼゼロとならないおそれがある。
仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラス(1)を得るためには、所定の形状に成形したTiO2−SiO2ガラス成形体を600〜1200℃の温度にて2時間以上保持した後、5℃/hr以下の平均降温速度で700℃以下まで降温する方法が効果的である。後述する実施例では、上記の方法に従って、TiO2−SiO2ガラス成形体を1100℃で10時間保持した後、5℃/hrの速度で500℃まで降温し、大気放冷したところ、得られたTiO2−SiO2ガラス(1)の仮想温度が840℃となることが示されている。より遅い平均降温速度で降温すれば、より低い仮想温度が達成される。例えば、1℃/hrの速度で降温すれば、仮想温度は800℃以下に成りえる。
TiO2−SiO2ガラスの仮想温度は公知の手順で測定することができる。後述する実施例では、以下の手順でTiO2−SiO2ガラスの仮想温度を測定した。
鏡面研磨されたTiO2−SiO2ガラスについて、吸収スペクトルを赤外分光計(後述する実施例では、Nikolet社製Magna760を使用)を用いて取得する。この際、データ間隔は約0.5cm-1にし、吸収スペクトルは、64回スキャンさせた平均値を用いる。このようにして得られた赤外吸収スペクトルにおいて、約2260cm-1付近に観察されるピークがTiO2−SiO2ガラスのSi−O−Si結合による伸縮振動の倍音に起因する。このピーク位置を用いて、仮想温度が既知で同組成のガラスにより検量線を作成し、仮想温度を求める。あるいは、表面の反射スペクトルを同様の赤外分光計を用いて、同様に測定する。このようにして得られた赤外反射スペクトルにおいて、約1120cm-1付近に観察されるピークがTiO2−SiO2ガラスのSi−O−Si結合による伸縮振動に起因する。このピーク位置を用いて、仮想温度が既知で同組成のガラスにより検量線を作成し、仮想温度を求める。なお、ガラス組成の変化によるピーク位置のシフトは、検量線の組成依存性から外挿することが可能である。
TiO2−SiO2ガラス(1)をEUVL用露光装置の光学系部材として使用するときに、ガラス中におけるTiO2/SiO2組成比を均一にすることは、ガラス内での熱膨張係数のばらつきを小さくするという点で重要である。
TiO2−SiO2ガラス(1)は、仮想温度のばらつきが50℃以内であることが好ましく、より好ましくは30℃以内である。仮想温度のばらつきが上記範囲を超えると、場所により、熱膨張係数に差を生じるおそれがある。
本明細書では、「仮想温度のばらつき」を少なくとも1つの面内における50mm×50mm内での仮想温度の最大値と最小値の差と定義する。
仮想温度のばらつきは以下のように測定できる。所定のサイズに成形した透明TiO2−SiO2ガラス体をスライスし、50mm×50mm×2.0mmのTiO2−SiO2ガラスブロックとする。このTiO2−SiO2ガラスブロックの50mm×50mm面について、10mmピッチの間隔で前述の方法に従い仮想温度の測定を行うことで、成形TiO2−SiO2ガラス体の仮想温度のばらつきを求める。
TiO2−SiO2ガラス(1)は、仮想温度を850℃以下とするため、OH濃度が100ppm以上であることが好ましい。
OHの添加により、ガラスの構造緩和が促進され、仮想温度が低いガラス構造が実現しやすくなる。よって、OHの含有は、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を低くするのに有効な手段である。TiO2−SiO2ガラス(1)のOH濃度を100ppm以上とし、段落[0026]に記載の手順を実施することにより、仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラス(1)を得ることができる。OH濃度が100ppm未満だと、仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラスを得るには非常に長い時間を要する。
ガラスの仮想温度を低くするためには、OH濃度を200ppm以上とすることが好ましく、400ppm以上とすることがより好ましい。より効果的に仮想温度さげる、例えば、段落[0026]に記載の手順で平均降温速度を下げずに仮想温度を下げるためには、OH濃度は900ppm以上であることが好ましく、1000ppm以上であることがより好ましい。
TiO2−SiO2ガラスのOH濃度は公知の方法を用いて測定することができる。例えば、赤外分光光度計による測定を行い、2.7μm波長での吸収ピークからOH濃度を求めることができる(J.P.Williams et.al.,American Ceramic Sciety Bulletin,55(5),524,1976)。本法による検出限界は0.1ppmである。
OHを含有させたTiO2−SiO2ガラスの製造方法としては以下のようないくつかの方法がある。ひとつに、スート法により、ガラス形成原料となるSi前駆体とTi前駆体を火炎加水分解もしくは熱分解させて得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子(スート)を堆積、成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を得る。得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体を水蒸気含有雰囲気にて処理した後、水蒸気含有雰囲気中で緻密化温度以上まで加熱し、さらに透明ガラス化温度以上まで加熱してOHを含有させたTiO2−SiO2ガラスを得る製造方法がある。スート法はその作り方により、MCVD法、OVD法、およびVAD法などがある。
本明細書では、緻密化温度とは、光学顕微鏡で空隙が確認できなくなるまで多孔質ガラス体を緻密化できる温度をいう。また、透明ガラス化温度とは、光学顕微鏡で結晶が確認できなくなり、透明なガラスが得られる温度をいう。
また、直接法により、ガラス形成原料となるSi前駆体とTi前駆体を1800〜2000℃の酸水素火炎中で加水分解・酸化させることで、OHを含有させたTiO2−SiO2ガラス体を得る製造方法がある。このとき、火炎温度やガス濃度を調整することで、OH濃度が調整される。
TiO2−SiO2ガラス(1)において、仮想温度のばらつきが50℃以内、OH濃度のばらつきが50ppm以内であれば、熱膨張係数分布を少なくとも1つの面内における50mm×50mm内で30ppb/℃以内となし得、EUVL用露光装置の光学系部材として適している。
TiO2−SiO2ガラスの熱膨張係数分布は公知の方法を用いて測定することができる。例えば、所定のサイズに成形した透明TiO2−SiO2ガラス体を切断し、15mm×15mm×1mmのTiO2−SiO2ガラス小片となるよう分割し、この各小片について、前述の方法に従い、熱膨張係数の測定を行うことで、成形TiO2−SiO2ガラスブロックの熱膨張係数のばらつきを求める。
TiO2−SiO2ガラス(1)を製造するためには、下記(a)〜(e)工程を含む製法が採用できる。
(a)工程
ガラス形成原料であるSi前駆体およびTi前駆体を火炎加水分解させて得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積、成長させて多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成させる。ガラス形成原料としては、ガス化可能な原料であれば特に限定されないが、Si前駆体としては、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Clなどの塩化物、SiF4、SiHF3、SiH22などのフッ化物、SiBr4、SiHBr3などの臭化物、SiI4などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またRSi(OR)4-n(ここにRは炭素数1〜4のアルキル基、nは0〜3の整数)で示されるアルコキシシランが挙げられ、またTi前駆体としては、TiCl4、TiBr4などのハロゲン化チタン化合物、またRnTi(OR)4-n(ここにRは炭素数1〜4のアルキル基、nは0〜3の整数)で示されるアルコキシチタンが挙げられる。また、Si前駆体およびTi前駆体として、シリコンチタンダブルアルコキシドなどのSiとTiの化合物を使用することもできる。
基材としては石英ガラス製の種棒(例えば特公昭63−24973号公報記載の種棒)を使用できる。また棒状に限らず板状の基材を使用してもよい。
(b)工程
(a)工程で得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体を水蒸気含有雰囲気にて緻密化温度まで昇温して、OHを含有したTiO2−SiO2緻密体を得る。緻密化温度は、通常は1250〜1550℃であり、特に1300〜1500℃であることが好ましい。OHの含有量が600ppm以上の場合は、ガラスの粘性が低下し、緻密化温度が低下するため、1250〜1450℃が好ましく、特に1300〜1400℃であることが好ましい。この水蒸気含有雰囲気としては、水蒸気分圧(pH2O)が10000〜200000Paとなる不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガスとしては、ヘリウムが好ましい。このような雰囲気下、圧力10000〜200000Pa程度で処理を行うことが好ましい。
OH濃度を200ppm未満としたい場合は、水蒸気分圧が10000〜30000Paとなる不活性ガス雰囲気にて、OH濃度を200〜400ppmとしたい場合は、水蒸気分圧が20000〜50000Paとなる不活性ガス雰囲気にて、OH濃度を400〜600ppmとしたい場合は、水蒸気分圧が30000〜80000Paとなる不活性ガス雰囲気にて、OH濃度を600ppm超としたい場合は、水蒸気分圧が50000Pa以上となる不活性ガス雰囲気にて処理を行えばよい。なお、本明細書における「Pa」は、ゲージ圧ではなく絶対圧を意味する。
また(b)工程においては、TiO2−SiO2緻密体の均質性が上がることから、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を減圧下(好ましくは13000Pa以下、特に1300Pa以下)に置いた後、ついで、不活性ガスおよび水蒸気を含有する不活性ガス、あるいは水蒸気を所定の水蒸気分圧になるまで導入し、水蒸気含有雰囲気とすることが好ましい。
さらに(b)工程においては、TiO2−SiO2緻密体の均質性が上がることから、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を水蒸気含有雰囲気下、室温、あるいは緻密化温度以下の温度にて保持した後に、緻密化温度まで昇温することが好ましい。
(c)工程
(b)工程で得られたOHを含有したTiO2−SiO2緻密体を、透明ガラス化温度まで昇温して、OHを含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を得る。透明ガラス化温度は、通常は1350〜1800℃であり、特に1400〜1750℃であることが好ましい。OHの含有量が600ppm以上の場合は、ガラスの粘性が低下し、透明ガラス化温度が低下するため、1350〜1750℃が好ましく、特に1400〜1700℃であることが好ましい。
雰囲気としては、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガス100%の雰囲気、またはヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを主成分とする雰囲気であることが好ましい。圧力については、減圧または常圧であればよい。減圧の場合は13000Pa以下が好ましい。
(d)工程
(c)工程で得られたOHを含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度に加熱して所望の形状に成形し、OHを含有した成形TiO2−SiO2ガラス体を得る。成形加工の温度としては、1500〜1800℃が好ましい。1500℃未満では、OHを含有した透明TiO2−SiO2ガラスの粘度が高いため、実質的に自重変形が行われず、またSiO2の結晶相であるクリストバライトの成長またはTiO2の結晶相であるルチルもしくはアナターゼの成長が起こり、いわゆる失透が生じる。1800℃超では、SiO2の昇華が無視できなくなる。
なお、(c)工程と(d)工程を連続的に、あるいは同時に行うこともできる。
(e)工程
(d)工程で得られた成形TiO2−SiO2ガラス体を、600〜1200℃の温度にて1時間以上保持した後、5℃/hr以下の平均降温速度で500℃以下まで降温するアニール処理を行い、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を制御する。あるいは、1200℃以上の(d)工程で得られた成形TiO2−SiO2ガラス体を500℃まで60℃/hr以下の平均降温速度で降温するアニール処理を行い、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を制御する。500℃以下まで降温した後は放冷できる。この場合の雰囲気は、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス100%の雰囲気下、これらの不活性ガスを主成分とする雰囲気下、または空気雰囲気下で、圧力は減圧または常圧が好ましい。
より低い仮想温度を達成するためには、ガラスの徐冷点や歪点付近の温度域をより遅い冷却速度で冷却することが有効である。
具体的には、(e)工程の冷却プロファイルにおいて、最も遅い冷却速度が5℃/hr以下であることが好ましく、4℃/hr以下であることがより好ましく、2.5℃/hr以下であることがさらに好ましく、2℃/hr以下であることが特に好ましく、1.5℃/hr以下であることが最も好ましい。
但し、TiO2−SiO2ガラスのF含有量が1000ppm未満である場合は、最も遅い冷却速度が2.0℃/hr以下であることが好ましく、1.5℃/hr以下であることがより好ましく、1.0℃/hr以下であることがさらに好ましい。
ここで、(e)工程は温度保持工程を有してもよい。本明細書において、±5℃以内の温度変化に要する時間が100時間以上かかる工程を温度保持工程とする。
(e)工程において、上記した温度保持工程を除いた場合に、5℃を超える温度低下とその温度低下に要する時間から求められる平均降温速度を冷却速度と定義する。このように定義した冷却速度のうち、最も小さい冷却速度のことを最も遅い冷却速度とする。
COTおよびΔTが上記を満たす本発明のTiO2−SiO2ガラスの別の一態様(以下、「TiO2−SiO2ガラス(2)」とする。)は、下記を満たす。
TiO2含有量:3〜9質量%
仮想温度:850℃以下
F濃度:1000ppm以上
したがって、TiO2−SiO2ガラス(2)は、TiO2およびSiO2以外にFを含有する。TiO2−SiO2ガラス(2)において、TiO2およびFを除いた残部はSiO2であるが、TiO2、SiO2およびF以外の成分を含有してもよい。
TiO2−SiO2ガラス(1)と同様に、TiO2−SiO2ガラス(2)の場合もTiO2含有量を調節することによって、該TiO2−SiO2ガラスのCOTを調節することができる。具体的には、TiO2−SiO2ガラス(2)の仮想温度をより低くした場合はTiO2含有量を増やすことにより、該TiO2−SiO2ガラス(2)のCOTを調節することができる。また、TiO2−SiO2ガラス(2)のOH含有量をより多くした場合はTiO2含有量を増やすことにより、該TiO2−SiO2ガラス(2)のCOTを調節することができる。
TiO2−SiO2ガラス(2)は、TiO2含有量が3〜9質量%である。TiO2含有量が3質量%未満、若しくは9質量%超だと、COTが23±4℃の温度範囲にないおそれがある。具体的には、TiO2含有量が3質量%未満だと、COTが19℃(23−4℃)未満となる。また、TiO2含有量が9質量%超だと、COTが27℃(23+4℃)超となる。TiO2含有量は好ましくは4質量%以上、より好ましくは5質量%以上である。また、TiO2含有量は好ましくは8質量%以下、より好ましくは7.5質量%以下、特に好ましくは7.0質量%以下である。
TiO2−SiO2ガラス(2)は、仮想温度が850℃以下であり、かつF濃度が1000ppm以上であることにより、ΔTが5℃以上となる。仮想温度が850℃超だと、ΔTが5℃未満となり、ガラスのCOTにもよるが、TiO2−SiO2ガラス(2)をEUVL用露光装置の光学系部材として使用した場合に、EUV光照射時の光学系部材の熱膨張係数がほぼゼロとならないおそれがある。仮想温度が低くなるほど、ΔTが広くなることを考慮すると、仮想温度が830℃以下であることが好ましく800℃以下であることがより好ましい。ΔTをさらに広げるには、仮想温度を780℃以下にすることが好ましい。
仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラス(2)を得るためには、所定の形状に成形したTiO2−SiO2ガラス成形体を600〜1200℃の温度にて2時間以上保持した後、5℃/hr以下の平均降温速度で500℃まで降温する方法が効果的である。後述する実施例では、上記の方法に従って、TiO2−SiO2ガラス成形体を1000℃で10時間保持した後、5℃/hrの速度で300℃まで降温し、大気放冷したところ、得られたTiO2−SiO2ガラス(2)の仮想温度が750℃となることが示されている。
TiO2−SiO2ガラス(2)をEUVL用露光装置の光学系部材として使用するときに、ガラス中におけるTiO2/SiO2組成比を均一にすることは、ガラス内での熱膨張係数のばらつきを小さくするという点で重要である。
TiO2−SiO2ガラス(2)は、仮想温度のばらつきが50℃以内であることが好ましく、特に好ましくは30℃以内である。仮想温度のばらつきが上記範囲を超えると、場所により、熱膨張係数に差を生じるおそれがある。
TiO2−SiO2ガラス(2)は、仮想温度を850℃以下とするため、F濃度が1000ppm以上である。
Fの添加がガラスの構造緩和に影響を及ぼすことは以前から知られており(Journal・of・Applied・Physics・91(8)、4886(2002))、これによればFの添加により構造緩和時間が促進され、仮想温度が低いガラス構造が実現しやすくなる(第1の効果)。よってFの添加は、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を低くするのに有効な手段である。また、Fの添加は、ΔTの範囲を広げる効果(第2の効果)があると考えられる。
TiO2−SiO2ガラス(2)のF濃度を1000ppm以上とし、段落[0048]に記載の手順を実施することにより、仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラス(2)を得ることができる。F濃度が1000ppm未満の条件で段落[0048]に記載の手順を実施した場合、仮想温度が850℃以下のTiO2−SiO2ガラスを得ることが困難であり、TiO2−SiO2ガラスのΔTが5℃以上とならない。
ガラスの仮想温度を低くし、ΔTを広くするためには、F濃度を3000ppm以上とすることが好ましく、5000ppm以上とすることがより好ましい。特に好ましくは7000ppm以上である。
F濃度は公知の方法を用いて測定することができ、例えば、以下の手順で測定することができる。TiO2−SiO2ガラスを無水炭酸ナトリウムにより加熱融解し、得られた融液に蒸留水および塩酸を融液に対する体積比でそれぞれ1ずつ加えて試料液を調整する。
試料液の起電力をフッ素イオン選択性電極および比較電極としてラジオメータトレーディング社製No.945−220およびNo.945−468をそれぞれ用いてラジオメータにより測定し、フッ素イオン標準溶液を用いてあらかじめ作成した検量線に基づいて、フッ素含有量を求める(日本化学会誌、1972(2),350)。なお本法による検出限界は10ppmである。
フッ素を含有するTiO2−SiO2ガラスは、上記したOHを含有するTiO2−SiO2ガラスと同様にスート法または直接法を用いて製造することができる。但し、スート法において、ガラス形成原料となるSi前駆体とTi前駆体にフッ素を含むものを用いたり、Si前駆体とTi前駆体をフッ素含有雰囲気にて火炎加水分解もしくは熱分解させてフッ素を含有する多孔質TiO2−SiO2ガラス体を得て、フッ素を含有するTiO2−SiO2ガラス体を得る。また、直接法において、ガラス形成原料となるSi前駆体とTi前駆体にフッ素を含むものを用いたり、Si前駆体とTi前駆体をフッ素含有雰囲気にて1800〜2000℃の酸水素火炎中で加水分解・酸化させることで、フッ素を含有するTiO2−SiO2ガラス体を得る。
TiO2−SiO2ガラス(2)の製造には上記した(a)〜(e)工程を含む製造方法を採用できる。但し、(b)工程において、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を緻密化温度以下の温度にて、フッ素含有雰囲気下にて保持し、フッ素を含有した多孔質TiO2−SiO2ガラス体を得る。このフッ素含有雰囲気としては、含フッ素ガス(例えばSiF4、SF6、CHF3、CF4、C26、C38、F2)を0.1〜100体積%含有する不活性ガス雰囲気が好ましい。これらの雰囲気下、圧力10000〜200000Paで数十分〜数時間の処理を、後述する緻密化温度以下の高温で行うことが好ましい。また、同じフッ素ドープ量を得る場合において処理温度を下げたい時は、処理時間を延ばし5〜数十時間保持するようにすればよい。得られるガラスの透過率を上げるためには、熱処理雰囲気に酸素ガスを混ぜることが好ましい。
緻密化温度よりも高い温度を用いた場合、多孔質TiO2−SiO2ガラス体の緻密化が進行し、多孔質TiO2−SiO2ガラス体内部にまでフッ素を含有させることが困難になるため好ましくない。
例えば、フッ素含有雰囲気としてSiF4を用いる場合、多孔質TiO2−SiO2ガラス体にドープさせたいフッ素量に合わせ、以下のように処理温度、処理時間を設定すればよい。
フッ素ドープ量を1000ppm以上3000ppm未満としたい場合は、含フッ素ガスを2〜10体積%含むガス雰囲気にて、500〜1000℃で2〜数十時間保持すればよい。フッ素ドープ量を3000〜7000ppmとしたい場合は、水蒸気を5〜数十体積%含む不活性ガス雰囲気にて、800〜1100℃で2〜数十時間保持すればよい。フッ素ドープ量を7000ppm超としたい場合は、水蒸気を5〜数十体積%含む不活性ガス雰囲気にて、1000℃以上で2〜数十時間保持すればよい。得られるガラスの透過率を上げるためには、熱処理雰囲気に酸素ガスを混ぜることが好ましい。あるいは、酸素を含む雰囲気にて、ガラス体を緻密化しない程度に、300〜1300℃で5〜数十時間保持する。これはその後の熱処理においてガラスの着色を防ぐためである。雰囲気中の酸素は、1〜100%であることが好ましく、より確実にガラスの着色を防ぐためには、20〜100%であることがより好ましい。
従来のようにスート法で合成された合成石英ガラスにフッ素をドープする場合は、高温でフッ素をドープすると酸素欠乏欠陥が生じて光透過率低下の原因になることが指摘されている。しかしながら、反射光学系に用いる光学部材に使用する場合は光透過率の低下は問題にならない。よって、透明ガラス化温度以下の高温で処理することにより、極めて多いフッ素を含有させることが可能になり、フッ素ドープ量は最大で数千ppm以上とすることができる。
さらに(a)工程と(b)工程との間においては、多孔質TiO2−SiO2ガラス体へ均一に短時間でフッ素をドープできることから、TiO2−SiO2ガラス体を減圧下(好ましくは13000Pa以下、特に1300Pa以下)に置いた後、ついで、含フッ素ガスと不活性ガスの混合ガスを常圧になるまで導入し、フッ素含有雰囲気とすることが好ましい。
また、(e)工程において、成形TiO2−SiO2ガラス体を、600〜1200℃の温度にて1時間以上保持した後、60℃/hr以下の平均降温速度で500℃以下まで降温するアニール処理を行い、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を制御する。あるいは、1200℃以上の(d)工程で得られた成形TiO2−SiO2ガラス体を500℃まで60℃/hr以下の平均降温速度で降温するアニール処理を行い、TiO2−SiO2ガラスの仮想温度を制御する。500℃以下まで降温した後は放冷できる。この場合の雰囲気は、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス100%の雰囲気下、これらの不活性ガスを主成分とする雰囲気下、または空気雰囲気下で、圧力は減圧または常圧が好ましい。
より低い仮想温度を達成するためには、ガラスの徐冷点や歪点付近の温度域をより遅い冷却速度で冷却することが有効である。具体的には、(e)工程の冷却プロファイルにおいて、最も遅い冷却速度が5℃/hr以下であることが好ましく、より好ましくは4℃/hr以下、さらに好ましくは2.5℃/hr以下、特に好ましくは2℃/hr以下、最も好ましくは1.5℃/hr以下である。
但し、TiO2−SiO2ガラスのOH含有量が100ppm未満である場合は、最も遅い冷却速度が2.0℃/hr以下であることが好ましく、1.5℃/hr以下であることがより好ましく、1.0℃/hr以下であることがさらに好ましい。
また、TiO2−SiO2ガラス(1)の場合と同様に、(e)工程は温度保持工程を有してもよい。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
なお、例1、2、6は実施例であり、その他は比較例である。
[例1]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて6時間保持したのち、基材から外した。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて10Torrまで減圧した後、水をガラス製のバブラー内で大気圧100℃で沸騰させ、Heガスと共に水蒸気を炉内に導入しながら、この雰囲気にて1000℃、常圧下4時間保持し、OHドープを行った。
その後、同じ雰囲気下で1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しOHを含有したTiO2−SiO2緻密体を得た((b)工程)。
得られたOHを含有したTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1700℃に加熱して、OHを含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を得た((c)工程)。
得られたOHを含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1750℃)に加熱して所望の形状に成形し、OHを含有した成形TiO2−SiO2ガラス体を得る((d)工程)。
得られたガラスを1100℃にて10時間保持し、5℃/hrの速度で500℃まで降温し、大気放冷した((e)工程)。
なお、例1においては、(c)工程でガラス体にOHを含有させ、かつ、(e)工程の徐冷によりガラス体の仮想温度を低くしているため、OHを含有せず仮想温度がより高いガラス体に比べ、(a)工程でのTiCl4量を増やし、ガラス体のTiO2含有量を多くすることにより、COTを調整している。
[例2]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて4時間保持したのち、基材から外した。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて10Torrまで減圧した後、He/SiF4=90/10(体積比)の混合ガスを導入しながら、この雰囲気にて1100℃、常圧下4時間保持し、フッ素ドープを行った。
その後、O2100%雰囲気下にて1050℃、常圧下4時間保持した後、He100%雰囲気下で1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しフッ素を含有したTiO2−SiO2緻密体を得た((b)工程)。
得られたフッ素を含有したTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1650℃に加熱して、フッ素を含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を得た((c)工程)。
得られたフッ素を含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1700℃)に加熱して所望の形状に成形し、フッ素を含有した成形TiO2−SiO2ガラス体を得た((d)工程)。
得られたガラスを1000℃にて10時間保持し、5℃/hrの速度で300℃まで降温し、大気放冷した((e)工程)。
なお、例2においても、(e)工程の徐冷によりガラス体の仮想温度を低くしていることおよび(c)工程でガラス体にフッ素を含有させていることを考慮して、(a)工程でガラス体のTiO2含有量を調整することによりCOTを調整している。
[例3]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて4時間保持したのち、基材から外した。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて10Torrまで減圧した後、He/SiF4=90/10(体積比)の混合ガスを導入しながら、この雰囲気にて900℃、常圧下4時間保持し、フッ素ドープを行った。
その後、O2100%雰囲気下にて1050℃、常圧下4時間保持した後、He100%雰囲気下で1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しフッ素を含有したTiO2−SiO2緻密体を得た((b)工程)。
得られたフッ素を含有したTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1700℃に加熱して、フッ素を含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を得た((c)工程)。
得られたフッ素を含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1750℃)に加熱して所望の形状に成形し、フッ素を含有した成形TiO2−SiO2ガラス体を得た((d)工程)。
得られたガラスを1100℃にて10時間保持し、150℃/hrの速度で300℃まで降温し、大気放冷した((e)工程)。
[例4]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて4時間保持したのち、基材から外した。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて10Torrまで減圧した後、He100%の雰囲気にて1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しTiO2−SiO2緻密体を得た((b)工程)。
得られたTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1750℃に加熱して、透明TiO2−SiO2ガラス体を得た((c)工程)。
得られた透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1750℃)に加熱して所望の形状に成形し、成形TiO2−SiO2ガラス体を得た((d)工程)。
得られたガラスを1100℃にて10時間保持し、150℃/hrの速度で500℃まで降温し、大気放冷した((e)工程)。
[例5]
ゼロ膨張TiO2−SiO2ガラスとして知られるCorning社ULE#7972である。
[例6]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて6時間保持したのち、基材から外した。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて約1000Pa(7.50Torr)まで減圧した後、水をガラス製のバブラー内に入れ、大気圧100℃で沸騰させ、Heガスでバブリングを行い、Heガスと共に水蒸気を炉内に導入しながら、この雰囲気にて1000℃、常圧下4時間保持し、OHドープを行った。
その後、同じ雰囲気下で1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しOHを含有したTiO2−SiO2緻密体を得た((b)工程)。
得られたOHを含有したTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1700℃に加熱して、OHを含有した透明TiO2−SiO2ガラス体を得た((c)工程)。
得られた透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1750℃)に加熱して所望の形状に成形し、成形TiO2−SiO2ガラス体を得た((d)工程)。
得られたガラスを1100℃にて10時間保持し、10℃/hrの速度で900℃まで降温後、1℃/hrの速度で700℃まで降温、さらに10℃/hrの速度で500℃まで降温し、大気放冷した((e)工程)。
なお、例6においては、(c)工程でガラス体にOHを含有させ、かつ、(e)工程の徐冷によりガラス体の仮想温度を低くしているため、OHを含有せず仮想温度がより高いガラス体に比べ、(a)工程でのTiCl4量を増やし、ガラス体のTiO2含有量を多くすることにより、COTを調整している。
[例7]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合させ、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成する((a)工程)。
得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて6時間保持したのち、基材から外す。
その後、多孔質TiO2−SiO2ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて10Paまで減圧した後、そのまま真空雰囲気にて1450℃まで昇温した後、この温度で4時間保持しTiO2−SiO2緻密体を得る((b)工程)。
得られたTiO2−SiO2緻密体を、カーボン炉を用いてアルゴン雰囲気下で1750℃に加熱して、透明TiO2−SiO2ガラス体を得る((c)工程)。
得られた透明TiO2−SiO2ガラス体を、軟化点以上の温度(1750℃)に加熱して所望の形状に成形し、成形TiO2−SiO2ガラス体を得る((d)工程)。
得られたガラスを1100℃にて10時間保持し、3℃/hrの速度で500℃まで降温し、大気放冷する((e)工程)。
なお、例7においては、(e)工程の徐冷によりガラス体の仮想温度を低くしているため、OHを含有せず仮想温度がより高いガラス体に比べ、(a)工程でのTiCl4量を増やし、ガラス体のTiO2含有量を多くすることにより、COTを調整する。
上記例1〜例7で得られるガラスの熱膨張係数の温度変化を図2、図3に示す。なお、ガラスの熱膨張係数は、レーザー干渉式熱膨張系(ULVAC理工社製レーザー膨張計LIX−1)を用いて測定する。
また、各物性の測定結果を表1にまとめる。なお、評価方法については、それぞれ前述の測定方法に従って行う。また、表1のCOTは、図2および図3の曲線から熱膨張係数が0ppb/℃となる温度を求め、導出する。表1のΔTは、図2および図3の曲線から熱膨張係数が−5〜5ppb/℃となる温度の範囲を求め、導出する。
Figure 0005428323

表1から明らかなように、COTが23±4℃の範囲内にあり、ΔTが5℃以上である例1、2および6は、EUVL実施時の露光装置内の温度条件下(22±2℃)において、熱膨張係数がほぼゼロとなるため、EUVL用露光装置の光学系部材に好適である。
図1は、CTEと温度の関係をプロットしたグラフである。 図2は、例1〜例5について、CTEと温度の関係をプロットしたグラフである。 図3は、例6、例7について、CTEと温度の関係をプロットしたグラフである。

Claims (3)

  1. 熱膨張係数が0ppb/℃となる温度が23±4℃の範囲にあり、熱膨張係数が0±5ppb/℃となる温度幅が5℃以上であり、仮想温度が850℃以下であり、TiO 2 含有量が3〜9質量%であり、OH濃度が100ppm以上であることを特徴とするTiO2を含有するシリカガラス。
  2. 仮想温度が800℃以下である、請求項1に記載のTiO 2 を含有するシリカガラス。
  3. OH濃度が200ppm以上である、請求項1または2に記載のTiO 2 を含有するシリカガラス。
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