JPH11292551A - 合成石英ガラスの製造方法及びこの方法により得られた合成石英ガラス - Google Patents

合成石英ガラスの製造方法及びこの方法により得られた合成石英ガラス

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JPH11292551A
JPH11292551A JP10330462A JP33046298A JPH11292551A JP H11292551 A JPH11292551 A JP H11292551A JP 10330462 A JP10330462 A JP 10330462A JP 33046298 A JP33046298 A JP 33046298A JP H11292551 A JPH11292551 A JP H11292551A
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synthetic quartz
oxyhydrogen
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hydrogen
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Akiko Yoshida
明子 吉田
Masashi Fujiwara
誠志 藤原
Hiroki Jinbo
宏樹 神保
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Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外線洗浄により表面が効果的に洗浄されて
透過率が向上する合成石英ガラスを製造する方法を提供
する。 【解決手段】 先ず、中心部に原料噴出管17、原料噴
出管17の周囲に第1の酸水素噴出管群22、第1の酸
水素噴出管群22の外部に第2の酸水素噴出管群23を
をそれぞれ有するバーナ7を用いてターゲット6上に石
英ガラスインゴットIGを合成する。この合成時におい
ては、第1の酸水素噴出管群22からは理論等量比より
も水素ガスが過剰となる第1所定比率で、また第2の酸
水素噴出管群23からはほぼ理論等量比に近い第2所定
比率で酸素ガス及び水素ガスを噴出させる。次に、合成
された石英ガラスインゴットIGを、900°C以上で
10時間以上保持した後、毎時10°C以下の降温速度
で500℃以下まで降温し、その後放冷する熱処理を施
す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光リソグラフィー
技術において、400nm以下、好ましくは300nm
以下の特定波長帯域で、レンズやミラー等の光学系に使
用される光リソグラフィー用の合成石英ガラスを製造す
る方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン等のウエハ上に集積回路の微細
パターンを露光・転写する光リソグラフィー技術におい
ては、ステッパと呼ばれる露光装置が用いられる。この
ステッパの光源は、近年のLSIの高集積化に伴ってg
線(436nm)からi線(365nm)、更にはKr
F(248.3nm)やArF(193.4nm)エキ
シマレーザへと短波長化が進められている。VLSIの
中でDRAMを例に挙げれば、LSIからVLSIへと
展開されて、1K→256K→1M→4M→16M→6
4M→256Mと容量が増大してゆくにつれ、加工線幅
がそれぞれ10μm→2μm→1μm→0.8μm→
0.5μm→0.3μm→0.2μmとなり、より微細
な最小加工線幅が露光可能なステッパが要求されるよう
になってきた。
【0003】このようなエキシマレーザステッパの照明
光学系或いは投影レンズには、もはや一般の光学ガラス
は使用できず、紫外光領域において高い透過特性を持
ち、また、エキシマレーザに対して優れた耐久性を持つ
石英ガラスや蛍石などの素材に限定される。エキシマレ
ーザステッパの照明光学系或いは投影レンズに用いられ
る石英ガラス、蛍石において、その内部透過率は99.
75%/cm以上が要求されており、これらの素材の紫
外光領域での高透過率化を目指した開発が進められてい
る。
【0004】石英ガラス等の光学素材の透過率を向上さ
せる技術の一つとして、紫外線照射による素材表面の洗
浄(紫外線洗浄)が注目されている。これは紫外線を照
射することにより素材表面近傍に非常に酸化力の強い励
起酸素原子を生成し、一方で、素材表面に付着した有機
化合物を紫外線によってラジカルや励起分子とし、これ
らを反応させて揮発性低分子化合物を生成し、揮発除去
するものである。この一連の反応により光学素材表面は
非常に清浄な状態となり、透過率の向上に極めて優れた
効果がある。また、この紫外線洗浄用の光源には、低圧
水銀ランプ、エキシマランプ、Arイオンレーザの第2
高調波、或いはNe:Yag第3高調波のような紫外域
CWレーザ等が用いられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、石英ガラスに
紫外線を照射した場合、内部に吸収を生じ、却って透過
率が低下する現象が観測されている。よく知られている
ように、ArFエキシマレーザのような紫外線を石英ガ
ラスに照射した場合、石英ガラス中で≡Si−O−Si
≡結合、≡Si−Si≡結合などの壊裂が起こり、ラジ
カル≡Si・(E’センター)が生成し、215nm付
近の吸収帯を生じる。従来の合成法で製造された合成石
英ガラス部材においては、この215nm吸収帯は、エ
キシマレーザのような高エネルギーの紫外線だけでな
く、Hgランプを用いた紫外線洗浄のような比較的低エ
ネルギーの照射によっても生じていた。そしてこの吸収
帯は、裾を長く引くため、エキシマレーザ波長、特にA
rF波長(193.4nm)の透過率を低下させる。こ
のため、合成石英ガラスに紫外線洗浄を施すことで、却
ってエキシマレーザに対する透過率を低下させてしま
い、ステッパ用の光学部材としての仕様を満たせなくな
ってしまう場合があった。
【0006】一般に、エキシマレーザなどの高いエネル
ギーの紫外線を照射する際に発生する吸収は、石英ガラ
ス中に含まれる水素分子濃度が高いほど減少する。この
ため、エキシマレーザを露光光源とするステッパ用の石
英ガラスにおいては、エキシマレーザ耐性を向上させる
目的で、より多くの水素分子を含ませるように強い還元
雰囲気下で石英ガラスを合成することが多い。しかし、
このような水素ガス過剰の雰囲気下で合成した石英ガラ
スほど、紫外線洗浄のような低エネルギーの紫外線を照
射したときの吸収発生量も大きくなることが分かってい
る。これは、水素ガス過剰の雰囲気下で石英ガラスを合
成した場合には酸素欠乏欠陥≡Si−Si≡が生成する
ためと考えられる。この欠陥は上述したE’センターの
前駆体であり、エキシマレーザを照射すると容易にE’
センターを生成し215nm吸収帯を生成する。
【0007】ここで、水素分子は合成時に石英ガラス中
に導入され、熱処理時には放出されることから、製造さ
れる合成石英ガラスに溶存する水素分子濃度は合成条件
及び熱処理条件により制御することができると考えられ
る。そこで、本発明は、このような水素分子濃度の制御
を行うことにより、紫外線洗浄により表面が効果的に洗
浄されて透過率が向上する合成石英ガラスを製造する方
法を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る合成石英ガ
ラスの製造方法は、炉と、この炉の内側空間内に位置す
るターゲットと、噴出口がターゲットに向けて設置され
た多重管バーナ(例えば、実施形態におけるバーナ7)
とを用いて火炎加水分解を行い、ターゲット上に石英ガ
ラス粉を堆積しガラス化させて合成石英ガラスインゴッ
トを生成する第1工程と、この合成石英ガラスインゴッ
トに、溶存する水素分子濃度を制御する所定の熱処理を
施す第2工程とを有する。ここでバーナが、中心部に配
置され原料である珪素化合物を噴出する原料噴出管と、
この原料噴出管の周囲に同心円状に配置されて酸素ガス
及び水素ガスを噴出する第1酸水素噴出管群と、この第
1酸水素噴出管群の外部に配置されて酸素ガス及び水素
ガスを噴出する第2酸水素噴出管群とを有して構成さ
れ、第1酸水素噴出管群における酸素ガスの水素ガスに
対する流量比率(すなわち、酸素ガス流量/水素ガス流
量)が理論等量比よりも水素ガスが過剰となる第1所定
比率(例えば、0.29以上0.4以下の範囲内の値)
に設定されるとともに、第2酸水素噴出管群における酸
素ガスの水素ガスに対する流量比率がほぼ理論等量比に
近い第2所定比率(例えば、0.4以上0.5未満の範
囲内の値)に設定される。これにより、溶存する水素分
子濃度が2×1017分子/cm3 以上5×1018分子/
cm3 以下となる合成石英ガラスが得られる。
【0009】ここで、理論等量比とは、四塩化珪素を原
料に用いた場合、四塩化珪素を酸素ガス及び水素ガスで
加水分解することにより石英ガラスが合成されるときの
化学反応式SiCl4 +O2 +2H2 →SiO2 +4H
Clにおける酸素ガス流量の水素ガス流量に対する比を
意味し、この場合0.5である。なお、上記所定の熱処
理は、合成ガラスインゴットを900°C以上で10時
間以上保持した後、毎時10°C以下の降温速度で50
0℃以下まで降温し、その後放冷する処理であることが
好ましい。
【0010】また、上記水素分子濃度を有する合成石英
ガラスは、適当な紫外線洗浄、例えば、150〜300
nmの範囲内の紫外線を表面照度1mW/cm2 以上で
30秒以上1時間以下照射する紫外線洗浄を施すことに
より、215nm吸収帯を実質的に生じさせることなく
(波長215nmにおける吸収係数の変化が0.003
/cm以下となる)、波長193.4nmの透過率を向
上させることが可能である(193.4nmにおける吸
収係数の変化が0以下となる)。更に、このような紫外
線洗浄を施した合成石英ガラスの波長193.4nmに
おける内部透過率は99.75%/cm以上となり、前
述した実用上の要求値を満たすものとなる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。図1に本発明に係る
合成石英ガラスの製造方法に用いられる合成石英ガラス
製造装置1の構成を示す。合成石英ガラス製造装置1の
炉2は、炉枠3と、この炉枠3内に設けられた耐火物4
と、これらが載せられる炉床板5とを有して構成され
る。耐火物4の内部にはインゴットIG形成用のターゲ
ット6に噴出口7aを向けて設置された石英ガラス合成
用のバーナ7を有しており、ターゲット6上に石英ガラ
ス粉を堆積しガラス化させるようになっている。
【0012】また、炉枠3には石英ガラスの合成時に炉
内に発生するHClなどの廃ガスを炉外に排出させるた
めの排気口12が形成され、この排気口12には排気管
13が接続されている。
【0013】更に、炉の外部から炉内を観察するため、
炉内監視用窓14が形成されている。この炉内監視用窓
14の外側にはCCDカメラ等の炉内監視用カメラ16
が設けられており、炉内の撮影ができるようになってい
る。
【0014】石英ガラス合成用バーナ7の構成を図2に
示す。バーナ7の中心部には原料(四塩化珪素:SiC
4 )及びこれを希釈するためのキャリヤガス(通常、
酸素ガス)を噴出させる原料噴出管17が配置されてお
り、原料噴出管17の周囲には、その内方空間18a、
19aから酸素ガス又は水素ガスを噴出させる二つの酸
水素噴出管18、19が同心円状に配置されている。ま
た、酸水素噴出管19の外部には、その内方空間20a
から水素ガスを噴出させる水素噴出管20が配置されて
おり、更に、この水素噴出管20の内側で、且つ、酸水
素噴出管19の外側の領域には酸素ガスを噴出させる複
数の酸素噴出管21、21、・・・が適当な間隔で配列
されている。ここで、酸素ガス及び水素ガスを噴出管を
分けて噴出させているのは、これらのガスを均一に反応
させるためである。なお、以下、二つの酸水素噴出管1
8、19を併せて第1酸水素噴出管群22と称し、ま
た、水素噴出管20及び複数の酸素噴出管21、21、
・・・を併せて第2酸水素噴出管群23と称することに
する。
【0015】このバーナ7を用いて火炎加水分解を行
い、石英ガラス微粒子を発生させてターゲット6上に堆
積、溶融させる。このときターゲット6は1分間に7回
転の速度で中心軸まわりに回転させ、且つ、80〜10
0mmの移動距離で水平方向に90秒周期で揺動させ
る。なお、ターゲット6は1時間当たり1.4〜4mm
の速度で引き下げを行う。このようにして、合成石英ガ
ラスインゴットIGが製造される。
【0016】次に、この合成石英ガラスインゴットIG
から40mm厚の塊を切り出し、所定の温度に保持した
後、所定の降温速度で降温し、その後放冷する過程を有
する熱処理を行う。そしてこの熱処理を行ったインゴッ
トIGより直径60mm、厚さ10mmの形状の試料を
切り出し、SiO2 微粒子を用いた精密研磨を施す。試
料の平行度は10秒以下、表面粗さRMSは10オング
ストローム以下とする。
【0017】次に、この試料に対し、150〜300n
mの範囲内の波長の紫外線を、試料の照射表面における
照度(表面照度)が1mW/cm2 以上で、30秒から
1時間以下照射する紫外線洗浄を施す。この紫外線洗浄
の前後において、ArF波長である193.4nm及び
215nmの吸収係数を算出する。光の反射損失を含ん
だ吸収係数α(/cm)は次式のように定義する。
【0018】
【数1】α=−LN((透過率の測定値)/(理論透過
率))/(試料の厚さ)
【0019】ここで、石英ガラスの193.nm及び2
15nmの反射損失を含んだ理論透過率をそれぞれ9
0.8748%/cm及び91.5278%/cmと
し、紫外線照射前の吸収係数αiと紫外線照射後の吸収
係数αfとを算出し、その差、Δα=αf−αiを求め
た。193.nmにおける吸収係数の差Δα193.4 が0
以下である場合、試料表面が清浄化されたことになる。
また、215nmにおける吸収係数の差Δα215 が0.
003より大きい場合、実質的に吸収が発生したことに
なる。
【0020】このようにして、様々な試料につき吸収係
数の差Δαを測定し、図3に示す評価基準をもとに評価
した。その結果、(1)バーナ7を用いた酸水素火炎加
水分解法において、バーナ7の中心部付近の第1酸水素
噴出管群22における酸素ガスの水素ガスに対する流量
比率(=酸素ガス流量/水素ガス流量)が0.29以上
0.4以下の範囲内の値であるとともに、バーナ7の周
辺部の第2酸水素噴出管群23における酸素ガスの水素
ガスに対する流量比率が0.4以上0.5未満の範囲内
の値であり、(2)合成後に、900℃以上で10時間
保持し、毎時10℃以下の降温速度で500℃以下まで
降温し、その後放冷する熱処理を施した合成石英ガラス
は、溶存する水素分子濃度が適切に制御され、2×10
17分子/cm3 以上5×1018分子/cm3 以下となる
ことが分かった。
【0021】また、このような水素分子濃度を有する合
成石英ガラスに適当な紫外線洗浄、例えば、150〜3
00nmの範囲内の波長の紫外線を表面照度1mW/c
2以上で30秒以上1時間以下照射する紫外線洗浄を
施した場合には、193.4nmにおける吸収係数の変
化は0以下となる一方で、波長215nmにおける吸収
係数の変化は0.003/cm以下となることが分かっ
た。これは、上記紫外線洗浄により、215nm吸収帯
を実質的に生じさせることなく、193.4nmの透過
率を向上させたことを意味する。また、上記紫外線洗浄
を施した合成石英ガラスの193.4nmにおける内部
透過率は99.75%/cm以上となり、実用上の要求
値を満たすものとなる。以下に、具体的な実施例及び比
較例を示し、これら実施例及び比較例における合成石英
ガラスについて判定評価した結果を図4に示す。
【0022】
【実施例1】バーナ7を用い、第1酸水素噴出管群22
における酸素ガスの水素ガスに対する流量比率をO2
2 =0.29に設定し、また、第2酸水素噴出管群2
3における酸素ガスの水素ガスに対する流量比率をO2
/H2 =0.44に設定して合成石英ガラスインゴット
IGを生成した。そしてこのインゴットIGを1000
℃で10時間保持した後、毎時10℃の降温速度で50
0℃まで冷却し、その後放冷した。この熱処理を行った
塊から前述した形状に試料を切り出し精密研磨を行っ
た。この時、試料中の水素分子濃度は1.1×1018
子/cm3 であった。150〜300nmの範囲の波長
の紫外線光源として低圧水銀ランプを用い、このランプ
から放射される波長185nmと254nmの連続的な
紫外光をそれぞれ1mW/cm2 、10mW/cm2
照度で、試料の両面に同時に10分間照射した。紫外線
照射前後での吸収係数の差は、193.4nmにおいて
Δα19 3.4 =−0.0035/cm、215nmにおい
てはΔα215 =0.00065/cmであった。また、
193.4nmにおける内部透過率は99.76%/c
mであった。
【0023】
【実施例2】実施例2の試料は、合成条件は実施例1と
同様とし、熱処理時の放冷温度を300℃として得られ
たものである。水素分子濃度は6.0×1017分子/c
3であった。この試料に対して実施例1と同様の照度
において、15分間紫外線を照射し洗浄を行って吸収係
数の差Δαを求めた。Δαは193.4nmにおいてΔ
α193.4 =−0.0043/cm、215nmにおいて
はΔα215 =0.00053/cmであった。また、1
93.4nmにおける内部透過率は99.76%/cm
であった。
【0024】
【比較例1】比較例1の試料は、実施例1における合成
石英ガラス塊に対して熱処理を施さずに得たものであ
る。試料中の水素分子濃度は5.8×1018分子/cm
3 であった。この試料に対して実施例1と同様の条件に
よって紫外線洗浄を行い、吸収係数の差Δαを求めた。
紫外線照射前後での吸収係数の差は、193.4nmに
おいてΔα193.4 =0.0065/cm、215nmに
おいてはΔα215 =0.0123/cmであった。ま
た、193.4nmにおける内部透過率は99.69%
/cmであった。熱処理を経ていないため、水素分子濃
度が不適切なままであり、低圧水銀ランプによる紫外線
洗浄時に215吸収帯が生成し、このため193.4n
mの透過率も低下している。
【0025】
【比較例2】比較例2の試料は、実施例1において、第
1酸水素噴出管群22における酸素ガスの水素ガスに対
する流量比率をO2 /H2 =0.15に設定し、また、
第2酸水素噴出管群23における酸素ガスの水素ガスに
対する流量比率をO2 /H2=0.29に設定して得ら
れた合成石英ガラスインゴットIGから得たものであ
る。得られた合成石英ガラス塊に対し実施例1と同様の
熱処理を施した。試料中の水素分子濃度は5.1×10
18分子/cm3 であった。この試料に対して実施例1と
同様の条件によって紫外線洗浄を行い、吸収係数の差Δ
αを求めた。紫外線照射前後での吸収係数の差は、19
3.4nmにおいてΔα193.4 =0.00688/c
m、215nmにおいてはΔα215 =0.0120/c
mであった。また、193.4nmにおける内部透過率
は98.81%/cmであった。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る合成
石英ガラスの製造方法は、炉と、ターゲットと、多重管
バーナとを用いて火炎加水分解を行い、ターゲット上に
石英ガラス粉を堆積しガラス化させて合成石英ガラスイ
ンゴットを生成する第1工程と、この合成石英ガラスイ
ンゴットに、溶存する水素分子濃度を制御する所定の熱
処理を施す第2工程とを有するのであるが、ここで、バ
ーナが、中心部に配置され原料である珪素化合物を噴出
する原料噴出管と、この原料噴出管の周囲に同心円状に
配置されて酸素ガス及び水素ガスを噴出する第1酸水素
噴出管群と、この第1酸水素噴出管群の外部に配置され
て酸素ガス及び水素ガスを噴出する第2酸水素噴出管群
とを有して構成され、第1酸水素噴出管群における酸素
ガスの水素ガスに対する流量比率が理論等量比よりも水
素ガスが過剰となる第1所定比率(例えば、0.29以
上0.4以下の範囲内の値)に設定されるとともに、第
2酸水素噴出管群における酸素ガスの水素ガスに対する
流量比率がほぼ理論等量比に近い第2所定比率(例え
ば、0.4以上0.5未満の範囲内の値)に設定され
る。これにより、溶存する水素分子濃度が2×1017
子/cm3 以上5×1018 分子/cm3 以下となる合成
石英ガラスが得られる。なお、上記所定の熱処理は、合
成ガラスインゴットを900°C以上で10時間以上保
持した後、毎時10°C以下の降温速度で500℃以下
まで降温し、その後放冷する処理であることが好まし
い。
【0027】また、このような水素分子濃度を有する合
成石英ガラスに適当な紫外線洗浄(例えば、150〜3
00nmの範囲内の波長の紫外線を表面照度1mW/c
2以上で30秒以上1時間以下照射する)を施すこと
により、波長215nm吸収帯を実質的に生じさせるこ
となく、193.4nmの透過率を向上させることが可
能である。更に、このような紫外線洗浄を施した合成石
英ガラスの193.4nmにおける内部透過率は99.
75%/cm以上となり、実用上の要求値を満たすもの
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る合成石英ガラスの製造方法に用い
られる合成石英ガラス製造装置の構成を示す模式的な断
面図である。
【図2】噴出口側から見たバーナの構成を示す図であ
る。
【図3】製造された合成石英ガラスについての判定評価
基準を示した図表である。
【図4】実施例及び比較例における合成石英ガラスにつ
いて判定評価した結果を示す図表である。
【符号の説明】
1 合成石英ガラス製造装置 2 炉 6 ターゲット 7 バーナ(多重管バーナ) 7a 噴出口 17 原料噴出管 18、19 酸水素噴出管 20 水素噴出管 21 酸素噴出管 22 第1酸水素噴出管群 23 第2酸水素噴出管群 IG 合成石英ガラスインゴット
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G02B 1/00 G02B 1/00 // H01L 21/027 H01L 21/30 515D

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炉と、この炉の内側空間内に位置するタ
    ーゲットと、噴出口が前記ターゲットに向けて設置され
    た多重管バーナとを用いて火炎加水分解を行い、前記タ
    ーゲット上に石英ガラス粉を堆積しガラス化させて合成
    石英ガラスインゴットを生成する第1工程と、 前記合成石英ガラスインゴットに、溶存する水素分子濃
    度を制御する所定の熱処理を施す第2工程とを有する合
    成石英ガラスの製造方法であって、 前記バーナが、中心部に配置され原料である珪素化合物
    を噴出する原料噴出管と、前記原料噴出管の周囲に同心
    円状に配置されて酸素ガス及び水素ガスを噴出する第1
    酸水素噴出管群と、前記第1酸水素噴出管群の外部に配
    置されて酸素ガス及び水素ガスを噴出する第2酸水素噴
    出管群とを有して構成され、 前記第1酸水素噴出管群における酸素ガスの水素ガスに
    対する流量比率が理論等量比よりも水素ガスが過剰とな
    る第1所定比率に設定されるとともに、前記第2酸水素
    噴出管群における酸素ガスの水素ガスに対する流量比率
    がほぼ理論等量比に近い第2所定比率に設定されること
    を特徴とする合成石英ガラスの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第1所定比率が0.29以上0.4
    以下の範囲内の値であり、前記第2所定比率が0.4以
    上0.5未満の範囲内の値であることを特徴とする請求
    項1記載の合成石英ガラスの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記所定の熱処理が、前記合成ガラスイ
    ンゴットを900°C以上で10時間以上保持した後、
    毎時10°C以下の降温速度で500°C以下まで降温
    し、その後放冷する熱処理を施す処理であることを特徴
    とする請求項1又は請求項2記載の合成石英ガラスの製
    造方法。
  4. 【請求項4】 前記熱処理を施した前記合成石英ガラス
    インゴットに、150〜300nmの範囲内の波長の紫
    外線を表面照度1mW/cm2 以上で30秒以上1時間
    以下照射する紫外線洗浄を施す第3工程を有することを
    特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の合成
    石英ガラスの製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の合成石
    英ガラスの製造方法を用いて得られたことを特徴とする
    合成石英ガラス。
  6. 【請求項6】 溶存する水素分子濃度が2×1017分子
    /cm3 以上5×1018分子/cm3 以下であることを
    特徴とする請求項5記載の合成石英ガラス。
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