KR100719817B1 - 합성석영유리의 제조방법 및 열처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 합성석영유리의 제조방법은, 규소화합물과 산소 및 수소를 함유하는 연소가스를 버너에서 분출시켜 규소화합물을 산수소화염중에서 가수분해시킴으로써 석영유리 미립자를 생성시킨 후, 석영유리 미립자를 버너와 대향하는 타깃상에 퇴적시킴과 동시에 투명화하여 합성석영유리 잉곳을 얻는 제 1 스텝과, 제 1 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 등을 900 ℃ 이상의 제 1 유지온도까지 가열하여 유지한 후, 500 ℃ 이하의 온도까지 10℃/h 이하의 강온속도로 냉각하는 제 2 스텝과, 제 2 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 등을 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 제 2 유지온도까지 가열하여 유지한 후, 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도까지 50 ℃/h 이상의 강온속도로 냉각하는 제 3 스텝을 포함하는 것이다.

Description

합성석영유리의 제조방법 및 열처리장치 {METHOD FOR PREPARATION OF SYNTHETIC VITREOUS SILICA AND APPARATUS FOR HEAT TREATMENT}

본 발명은 합성석영유리의 제조방법 및 열처리장치에 관한 것으로서, 상세하게는 자외선 레이저와 함께 사용되는 광학부재 등의 재료로서 유용한 합성석영유리의 제조방법, 그리고 이것에 사용하는 열처리장치에 관한 것이다.

종래부터 실리콘 등의 웨이퍼상에 집적회로의 미세패턴을 노광, 전사하는 광리소그래피기술에 있어서는, 도 22a 및 도 22b 에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 투영노광장치 (스테퍼) 가 사용되고 있다.

즉, 도 22a 에 나타낸 투영노광장치에서는, 수은아크등 등의 광원 (601) 으로부터의 광속(光束)은, 타원경 (602) 에 의해 집광된 후, 콜리메이터 렌즈 (603) 에 의해 평행광속으로 변환된다. 그리고, 이 평행광속은 도 22b 에 나타낸 바와 같은 단면이 사각형인 광학소재 (604a) 의 집합체로 이루어지는 플라이아이렌즈 (604) 를 통과함으로써, 이것의 사출측에 복수의 광원상(像)이 형성된다. 이 광원상(像) 위치에는 원형상의 개구부를 갖는 개구조리개 (605) 가 설치되어 있다. 이 복수의 광원상(像)으로부터의 광속은 콘덴서 렌즈 (606) 에 의해 집광되며, 피조사물체로서의 레티클 (R) 을 중첩적으로 균일조명한다.

이와 같이 하여 조명광학계에 의해 균일조명된 레티클 (R) 상의 패턴은, 복수의 렌즈로 이루어지는 투영광학계 (607) 에 의해 레지스트가 도포된 웨이퍼 (W) 상에 투영노광된다. 이 웨이퍼 (W) 는 2 차원적으로 이동하는 웨이퍼 스테이지 (WS) 상에 탑재되어 있으며, 도 22a 의 투영노광장치에서는 웨이퍼상에서의 1 쇼트영역의 노광이 완료되면, 다음 쇼트영역으로의 노광을 위하여 순차 웨이퍼 스테이지를 2 차원 이동시키는, 소위 스텝 앤드 리피트방식의 노광이 실시된다.

또한, 최근에는 레티클 (R) 에 대하여 장방형상 또는 원호형상의 광속을 조사하여 투영광학계 (507) 에 관하여 공역(共役)으로 배치된 레티클 (R) 과 웨이퍼 (W) 를 일정 방향으로 주사함으로써, 높은 스루풋으로 레티클 (R) 의 패턴을 웨이퍼 (W) 상에 전사할 수 있는 주사노광방식이 제안되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 투영노광장치에 있어서는, 최근의 LSI (large scale integration) 의 고집적화에 따라 보다 높은 해상도가 요구되고 있다. LSI 의 일종인 VLSI (초LSI, very large scale integration) 중에서 DRAM (dynamic random access memory) 을 예로 들면, LSI 에서 VLSI 로 전개되어 감에 따라 그 용량은 1K →256K →1M →4M →16M →64M →256M →1G 로 증대한다. 그리고, 이와 같은 용량의 증대에 따라 투영노광장치에 요구되는 패턴의 가공선폭은 각각 10 ㎛ →2 ㎛ →1 ㎛ →0.8 ㎛ →0.5 ㎛ →0.35 ㎛ →0.25 ㎛ →0.18 ㎛ 로 된다.

투영노광장치의 해상도를 향상시키기 위해서는, 그 광학계에 사용되는 광학부재가 사용하는 노광광에 대하여 높은 투과율을 가질 필요가 있다. 이것은 투영노광장치의 광학계는 다수의 광학부재의 조합에 의해 구성되어 있으며, 예컨대 렌즈 1 장당 광 손실이 적어도, 이것이 광학부재의 사용매수분만큼 적산되면, 전체적인 투과율 저하의 영향이 커지기 때문이다. 투과율이 낮은 광학부재를 사용하면, 노광광을 흡수함으로써 광학부재의 온도가 상승하여 굴절률이 불균질로 되며, 나아가서는 광학부재의 국소적 열팽창에 의해 연마면이 변형된다. 그럼으로써 광학성능의 열화가 발생한다.

한편, 투영광학계에 있어서는 보다 미세하면서 선명한 투영노광패턴을 얻기 위하여, 광학부재의 굴절률의 높은 균질성이 요구된다. 이것은 굴절률의 편차로 인해 광의 진행지연이 생기고, 이것이 투영광학계의 결상성능에 크게 영향을 미치기 때문이다.

따라서, 자외광 (파장 400 ㎚ 이하) 을 이용하는 투영노광장치의 광학계에 사용되는 광학부재의 재료로서는, 자외광에 대한 투과율이 높고, 균질성이 우수한 석영유리 혹은 플루오르화칼슘결정이 일반적으로 사용되고 있다. 특히, 16 M 이상의 대용량 VRAM 이나 0.25 ㎛ 마이크로프로세서 등의 대량생산라인에 사용되는 엑시머 레이저를 이용한 투영노광장치에 있어서는, 자외선 리소그래피용 광학소자 (조명광학계 또는 투영광학계에 사용되는 렌즈소재) 의 재료로서 고순도의 합성석영유리가 사용되고 있다.

합성석영유리의 제조방법으로서는, 화염가수분해법 (직접법이라고도 함) 이 알려져 있다. 화염가수분해법이란, 원료로서의 규소화합물과, 산소 및 수소를 함유하는 연소가스를 버너에서 분출시켜 규소화합물을 산수소화염중에서 연소시킨 후, 생성되는 석영유리 미립자를 버너와 대향하는 타깃상에 퇴적시킴과 동시에 투명화하여 잉곳 (ingot) 형상의 합성석영유리를 얻는 것이다.

일반적으로 화염가수분해법에 있어서는, 소위 베르누이 (Bernoull) 로(爐)와 유사한 구조를 갖는 제조장치가 사용되고, 계내 온도를 1000 ℃ 이상의 고온으로 유지하면서 합성이 실시된다. 이와 같은 방법으로 얻어진 잉곳형상의 석영유리는 방랭(放冷)에 의해 1000 ℃ 이상의 고온영역에서 상온까지 급격하게 냉각되며, 필요에 따라 절단가공, 둥글림가공이 실시된 후, 어닐처리 (서랭(徐冷)처리) 등의 열처리공정을 거쳐 블록재로서 채취된다. 이와 같이 하여 얻어지는 블록재는 직경방향의 굴절률 균질성을 검사한 후에 렌즈형상으로 가공되며, 코팅처리가 더욱 실시되어 자외선 리소그래피용 광학부재로서 사용할 수 있게 된다.

그런데, 최근 투영노광장치에 있어서는, 보다 높은 해상도를 얻기 위하여 이용하는 광원의 파장을 짧게 하는 것이 제안되어 있으며, 예컨대 종래부터 이용되어 온 g 선 (436 ㎚) 이나 i 선 (365 ㎚) 대신에 KrF 엑시머 레이저 (248 ㎚) 나 ArF 엑시머 레이저 (193 ㎚) 로 단파장화가 진행되고 있다.

이와 같은 단파장의 엑시머 레이저를 사용한 투영노광장치에 있어서는, 보다 미세한 마스크 패턴을 얻는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 투과율이나 굴절률의 균질성에 대하여 보다 높은 특성을 갖는 재료가 사용되고 있다.

그러나, 투과율이나 굴절률이 높고 또한 균질한 재료로서, 복수의 재료를 쌓아올려 광학계를 제작한 경우에 원하는 해상도를 얻을 수 없는 경우가 있었다.

발명의 개시

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 투영 광학장치 (스테퍼) 의 광학계를 구성하는 광학부재 (광학소자) 등의 재료로서 유용한 KrF 엑시머 레이저나 ArF 엑시머 레이저 등의 짧은 파장을 갖는 광원과 함께 사용하는 경우라도 광학계에 있어서의 충분히 높은 결상성능 및 투영노광장치에 있어서의 충분히 높은 해상도를 얻을 수 있는 합성석영유리의 제조방법, 그리고 이것에 사용하는 열처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 우선 투영광학계의 결상성능 및 투영노광장치의 해상도가 광학부재의 영향을 받는 것이며, 광학부재의 복굴절의 크기, 즉 복굴절치 (절대치) 가 2 ㎚/㎝ 이하이고 또한 광학부재의 복굴절치의 분포가 중앙대칭이면, 투영광학계의 설계성능에 가까운 결상성 및 투영노광장치의 설계성능에 가까운 해상도를 얻을 수 있음을 발견하여 일본 공개특허공보 평8-107060 호에 개시하고 있다.

그러나, 투영노광장치의 해상도에 대한 요구가 더욱 높아져서 노광광으로서 보다 단파장의 광을 사용하거나 광학부재로서 큰 구경이면서 두께가 큰 것을 사용하는 경우에는, 상기 종래의 설계사상을 채용하여도 투영광학계의 양호한 결상성능 및 투영노광장치의 양호한 해상도를 얻을 수 없는 경우가 있었다.

따라서, 본 발명자들은 연구를 더욱 거듭한 결과, 양호한 투과율이나 양호한 굴절률의 균질성을 갖는 광학부재를 사용하여도 원하는 광학성능을 갖는 투영광학계 및 투영노광장치를 얻을 수 없는 원인으로서, 광학부재가 각각 다른 복굴절치의 분포를 갖기 때문에, 복수의 광학부재를 투영광학계로서 쌓아올린 경우에 다른 복굴절치의 분포가 광학계 전체로서 적층되며, 결과적으로 광학계 전체에서의 광의 파면에 흐트러짐을 발생시켜 투영광학계의 결상성능이나 투영노광장치의 해상도에 큰 영향을 미침을 발견하였다.

즉, 종래의 광학부재의 복굴절치의 평가는, 그 크기 (절대치) 의 대소로 논의되고 있는 것에 불과하며, 또한 상기 광학부재의 복굴절치의 분포라는 개념도 없었다. 예컨대, 석영유리부재의 복굴절치를 측정하는 경우에는, 부재 직경의 95 % 부근의 여러 곳의 복굴절치를 측정하여, 그 최대치를 그 부재에 있어서의 복굴절치로서 사용하는 것이 당업자의 인식이었다. 그런데, 석영유리부재의 복굴절치의 분포를 상세하게 측정한 결과, 복굴절치는 실제로는 불균일한 분포를 갖고 있음을 본 발명자들이 발견한 것이다.

따라서, 굴절률의 균질성이 높은 석영유리부재라도, 부재내의 복굴절치의 최대치의 관리만으로는 부재내의 복굴절의 영향을 충분히 평가할 수 없고, 특히 복수의 부재를 조합하는 경우에 원하는 성능을 갖는 광학계를 얻기는 매우 어려움을 알 수 있었다.

이와 같이 복수의 광학부재에 의해 구성된 광학계 전체에서의 복굴절의 평가는, 개개의 광학부재의 복굴절치의 크기 (절대치) 만으로는 단순히 나타낼 수 없기 때문에, 본 발명자들은 진상축(進相軸)의 방향을 고려한 복굴절치 (부호부여 복굴절치) 의 개념을 도입하여, 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 불균일한 분포가 광학계에 미치는 영향을 상세하게 검토하였다. 그 결과, 합성석영유리의 제조공정에 있어서 복굴절의 편차를 개선하는 수단으로 알려져 있는 종래의 어닐처리에서는 부호부여 복굴절치의 분포를 충분히 균질화하기는 어렵고, 이와 같이 하여 얻 어진 합성석영유리로 이루어지는 복수의 광학부재를 사용하여 광학계를 구성하면 부호부여 복굴절치가 적산되어 광학계에 악영향을 미침을 알 수 있었다. 그리고, 합성석영유리의 제조공정에 있어서, 화염가수분해법에 의해 얻어지는 합성석영유리에 특정 열처리를 실시함으로써, 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 분포가 균질화됨을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 합성석영유리의 제조방법은, 규소화합물과 산소 및 수소를 함유하는 연소가스를 버너에서 분출시켜 상기 규소화합물을 산수소화염중에서 가수분해시킴으로써 석영유리 미립자를 생성시킨 후, 상기 석영유리 미립자를 상기 버너와 대향하는 타깃상에 퇴적시킴과 동시에 투명화하여 합성석영유리 잉곳을 얻는 제 1 스텝과, 상기 제 1 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 잉곳을 절단가공하여 얻어지는 합성석영유리 블록을 900 ℃ 이상의 범위내에 있는 제 1 유지온도까지 가열하여 소정 시간 유지한 후, 500 ℃ 이하의 온도까지 10℃/h 이하의 강온속도로 냉각하는 제 2 스텝과, 상기 제 2 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 합성석영유리 블록을 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 범위내에 있는 제 2 유지온도까지 가열하여 소정 시간 유지한 후, 상기 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도까지 50 ℃/h 이상의 강온속도로 냉각하는 제 3 스텝을 포함하는 것이다.

본 발명의 제조방법에 의해 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 분포가 균질화되는 이유는 밝혀지지 않았으나, 본 발명자들은 다음과 같이 추찰한다.

즉, 종래의 합성석영유리의 제조방법에 있어서의 어닐처리는, 일본 공개특허공보 평7-113902 호에 기재되어 있는 바와 같이 회전가능한 테이블상에 탑재된 블 록형상 합성석영유리를 벽면에 설치된 히터에 의해 가열한 후, 가능한 한 작은 강온속도로 냉각하는 것으로서, 이와 같은 방법에서는 냉각과정에 있어서의 합성석영유리의 온도분포에서 기인하는 복굴절치의 분포의 불균질성을 개선할 수는 있지만, 합성시의 열이력이나 불순물의 분포 등에서 기인하는 복굴절치의 분포의 불균질성을 개선하기는 어렵다고 생각된다.

이에 비하여 본 발명의 제조방법에 의하면, 상기 제 1 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 잉곳을 절단가공하여 얻어지는 합성석영유리 블록을 900 ℃ 이상의 범위내에 있는 제 1 유지온도까지 가열하여 소정 시간 유지한 후, 500 ℃ 이하의 온도까지 10 ℃/h 이하의 강온속도로 냉각하고, 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 범위내에 있는 제 2 유지온도까지 더 가열하여 소정 시간 유지한 후, 상기 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도까지 50 ℃/h 이상의 강온속도로 냉각함으로써, 냉각과정에 있어서의 합성석영유리의 온도분포에서 기인하는 복굴절치 분포의 불균질성에 더하여, 합성시의 열이력이나 불순물의 분포 등에서 기인하는 부호부여 복굴절치의 분포의 불균질성을 개선할 수 있는 것으로 본 발명자들은 추찰한다.

그리고, 본 발명의 제조방법에 있어서, 가열, 유지 및 냉각의 각 과정에 있어서의 온도란, 합성석영유리의 표면온도를 의미한다.

또한, 본 발명의 제조방법에 있어서, 강온속도란, 유지온도부터 소정 온도에 도달할 때까지의 평균 강온속도를 말한다. 즉, 본 발명에 관한 제 2 스텝에 있어서, 강온속도란 900 ℃ 이상의 범위내에 있는 제 1 유지온도부터 500 ℃ 이하의 소정 온도까지의 냉각공정에 있어서의 평균 강온속도를 말한다. 한편, 본 발명에 관한 제 3 스텝에 있어서, 강온속도란 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 범위내에 있는 제 2 유지온도부터 100 ℃ 가까운 온도까지의 냉각공정에 있어서의 평균 강온속도를 말하며, 냉각개시후 100 ℃ 강온할 때까지 필요한 시간을 t[h] 로 표시할 때에 강온속도는 하기 식 :

(강온속도 [℃/h]) = 100/t

으로 주어진다.

본 발명의 제조방법에 있어서는, 상기 제 3 스텝에 있어서의 강온속도가 70 ℃/h 이상 800 ℃/h 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 강온속도로 냉각을 실시하면, 얻어지는 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 분포가 보다 균질로 되는 경향이 있다.

또한, 본 발명의 제조방법에 있어서는, 상기 제 2 스텝 및 상기 제 3 스텝에서 동일한 노를 사용하고, 상기 제 2 스텝후, 상기 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 블록을 상기 노외로 꺼내지 않고 연속적으로 제 3 스텝을 실시하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 스텝 및 상기 제 3 스텝에서 동일한 노를 사용하고, 상기 제 2 스텝후, 상기 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 블록을 상기 노외로 꺼내지 않고 연속적으로 제 3 스텝을 실시하면, 충분히 균질한 부호부여 복굴절치의 분포를 갖는 합성석영유리를 효율적으로 얻을 수 있음과 동시에 열처리조건의 선택폭이 넓어지는 경향이 있다.

그리고, 본 발명의 제조방법에 있어서는, 상기 제 3 스텝에 있어서, 합성석 영유리 잉곳 또는 합성석영유리 잉곳을 회전시키면서 가열, 유지 및 냉각을 순차 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이 석영유리를 회전시키면서 가열, 유지, 급랭을 순차 실시함으로써, 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 분포가 보다 균질화되는 경향이 있다.

또한, 본 발명의 열처리장치는 내화물로 이루어지는 노와, 합성석영유리를 탑재하고, 상기 합성석영유리를 노내에 수용하기 위한 제 1 스테이지의 위치와, 상기 합성석영유리를 노외로 꺼내기 위한 제 2 스테이지의 위치 사이를 이동할 수 있는 스테이지와, 상기 합성석영유리를 가열하기 위한 발열체와, 상기 스테이지에 접속되어 있으며, 상기 스테이지를 상기 제 1 스테이지의 위치와 상기 제 2 스테이지의 위치 사이에서 이동시키기 위한 구동부를 구비하는 것이다.

본 발명의 열처리장치에 있어서는, 우선 합성석영유리가 탑재된 스테이지를 합성석영유리가 노내에 수용되도록 상기 제 1 스테이지의 위치로 이동한 후, 발열체에 의해 합성석영유리를 원하는 온도에서 원하는 시간 가열, 유지할 수 있다. 그 후, 상기 제 2 스테이지의 위치까지 스테이지를 이동시킴으로써 합성석영유리를 노외로 쉽게 꺼낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 열처리장치를 상기 본 발명의 제조방법에 사용함으로써, 원하는 조건에 있어서의 합성석영유리의 가열, 유지, 냉각이라는 열처리를 효율적으로 또한 확실하게 실시할 수 있으며, 그 결과 부호부여 복굴절치의 분포가 충분히 균질화된 합성석영유리를 효율적으로 또한 확실하게 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 열처리장치에 있어서는, 상기 스테이지를 회전시키기 위한 회전구 동부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 스테이지를 회전시키면서 본 발명에 관한 열처리를 실시함으로써, 얻어지는 합성석영유리의 복굴절치의 분포가 보다 균질로 되는 경향이 있다.

여기서, 본 발명에 관한 부호부여 복굴절치의 개념에 대하여 설명한다.

부호부여 복굴절치란, 광학부재의 복굴절치를 구할 때에 굴절률 타원체에 있어서 정의되는 진상축의 방향을 고려하여 복굴절치에 부호를 부여한 것이다.

보다 상세하게는 광학부재의 광축과의 교점을 중심으로 하는 광축에 수직인 면내에 있어서, 광속의 원형조사를 받는 영역을 대략 원형의 유효단면으로 하고, 이 유효단면상에 있는 복굴절 측정점의 미소영역내의 진상축의 방향과 광학부재의 광축의 교점인 중심으로부터의 방사방향이 평행한 경우에 측정된 복굴절치에 플러스 부호를 부여하고, 수직인 경우에 마이너스 부호를 부여하는 것이다.

또한, 상기한 복굴절치로의 부호의 부여방법은, 광학부재의 광축과의 교점을 중심으로 하는 광축에 수직인 면내에 복수의 광속이 조사되는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우에도 광학부재의 광축과의 교점인 중심으로부터의 방사방향과, 복수의 광속이 조사되고 있는 각각의 유효단면상에 있는 복굴절 측정점의 미소영역내의 진상축의 방향이 평행한 경우에 측정된 복굴절치에 플러스 부호를 부여하고, 수직인 경우에 마이너스 부호를 부여하는 것이다.

그리고, 상기 복굴절치로의 부호의 부여방법은, 광학부재의 광축과의 교점을 중심으로 하는 광축에 수직인 면내에 단면 원형상 이외의 형상을 갖는 광속, 예컨대 단면 링형상 혹은 단면 타원형상의 광속이 조사되는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우에도 광학부재의 광축과의 교점인 중심으로부터의 방사방향과 복수의 광속이 조사되고 있는 각각의 유효단면상에 있는 복굴절 측정점의 미소영역내의 진상축의 방향이 평행한 경우에 측정된 복굴절치에 플러스 부호를 부여하고, 수직인 경우에 마이너스 부호를 부여하는 것이다.

그리고, 이하의 설명에서는 광속이 조사되고 있는 유효단면상에 있는 복굴절 측정점의 미소영역내의 진상축의 방향과 광학부재의 광축의 교점인 중심으로부터의 방사방향이 평행한 경우에 측정된 복굴절치에 플러스 부호를 부여하고, 수직인 경우에 마이너스 부호를 부여하는 경우에 대하여 설명한다.

이하, 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b 를 이용하여 부호부여 복굴절치를 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1a 는 광학부재 (L₁) 의 유효단면상의 중심 (O) 에서 각각 r₁, r₂, r ₃, r₄ 의 거리에 있는 복굴절 측정점 (P₁₁, P₁₂, P₁₃, P₁₄) 에 있어서의 진상축의 방향을 나타낸 모식도이다. 그리고, 이 도면에 있어서는 설명의 편의상 복굴절 측정점 (P₁₁ ∼ P₁₄) 은 중심 (O₁) 을 통과하여 반경방향으로 연장되는 직선 (Q ₁) 상에 설정되어 있다. 도면중, 각 측정점의 원으로 표시되는 미소영역의 크기는 각 측정점에 있어서의 광로차에 상당한다. 또한, 이들 미소영역내의 선분 (W₁₁, W₁₂, W₁₃, W₁₄) 의 방향은 진상축의 방향을 나타낸다. 측정점 (P₁₁ ∼ P ₁₄) 의 진상축의 방향은 모두 직선 (Q₁) 의 방향, 즉 반경방향에 평행하기 때문에, 측정점 (P₁₁ ∼ P₁₄) 의 복굴절치는 모두 플러스 부호를 부여하여 표현된다. 이와 같이 하여 얻어진 도 1a 에 나타낸 측정점 (P₁₁ ∼ P₁₄) 의 부호부여 복굴절치 (A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₁₄) 의 반경방향에 대한 분포를 그리면, 예컨대 도 1b 와 같은 프로필로 된다.

도 2a 는 도 1a 와 마찬가지로 광학부재 (L₂) 의 유효단면상의 중심 (O₂) 에서 각각 r₁, r₂, r₃, r₄ 의 거리에 있는 복굴절 측정점 (P₂₁ , P₂₂, P₂₃, P₂₄) 에 있어서의 진상축의 방향을 나타낸 모식도이다. 이 경우에는 측정점 (P₂₁ ∼ P₂₄) 의 진상축 (W₂₁, W₂₂, W₂₃, W₂₄) 의 방향은 모두 직선 (Q₂) 의 방향, 즉 반경방향에 수직이기 때문에, 측정점 (P₂₁ ∼ P₂₄) 의 부호부여 복굴절치 (A₂₁, A₂₂ , A₂₃, A₂₄) 는 모두 마이너스 부호를 부여하여 표현된다. 이와 같이 하여 얻어진 도 2a 에 나타낸 측정점 (P₂₁ ∼ P₂₄) 의 부호부여 복굴절치 (A₂₁ ∼ A₂₄) 의 반경방향에 대한 분포를 그리면, 예컨대 도 2b 와 같은 프로필로 된다.

도 3a 는, 도 1a 와 마찬가지로 광학부재 (L₃) 의 유효단면상의 중심 (O) 에서 각각 r₁, r₂, r₃, r₄, r₅ 의 거리에 있는 복굴절 측정점 (P₃₁, P₃₂, P₃₃, P₃₄, P₃₅) 에 있어서의 진상축의 방향을 나타낸 모식도이다. 이 경우에는 측정점 (P₁₁ ∼ P₁₄) 의 진상축 (W₃₁, W₃₂, W₃₃, W₃₄, W₃₅) 의 방향은 측정점 (P₃₁ ∼ P₃₃) 에서는 직선 (Q₃) 의 방향, 즉 반경방향에 평행하고, 측정점 (P₃₃, P₃₄) 에서는 반경방향에 수직이기 때문에, 측정점 (P₃₁ ∼ P₃₅) 에서 얻어지는 부호부여 복굴절치 (A₃₁ ∼ A₃₅) 의 반경방향에 대한 분포는 도 3b 에 나타낸 바와 같은 프로필로 된다.

도 1a 는 부호부여 복굴절치의 개념을 나타낸 설명도이고, 도 1b 는 도 1a 에 나타낸 광학부재내에 있어서의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 2a 는 부호부여 복굴절치의 개념을 나타낸 다른 설명도이고, 도 2b 는 도 2a 에 나타낸 광학부재내에 있어서의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 3a 는 부호부여 복굴절치의 개념을 나타낸 다른 설명도이고, 도 3b 는 도 3a 에 나타낸 광학부재내에 있어서의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 4 는 본 발명에서 사용되는 석영유리 잉곳의 합성로의 일례를 나타낸 설명도이다.

도 5 는 본 발명의 열처리장치의 바람직한 일실시형태를 나타낸 설명도이다.

도 6a 및 도 6b 는 각각 본 발명에 관한 제 2 스텝과 제 3 스텝을 연속적으로 실시하는 경우의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 7a 는 투영광학계를 구성하는 복수의 광학부재를 나타낸 측면도이고, 도 7b 는 투영광학계를 구성하는 광학부재의 단면도이다.

도 8 은 본 발명에 관한 투영광학계의 일례를 나타낸 개략구성도이다.

도 9 는 본 발명에 관한 투영노광장치의 일례를 나타낸 개략구성도이다.

도 10a 및 도 10b 는 각각 도 9 에 나타낸 투영노광장치의 조명광학계의 구성의 일례를 나타낸 설명도이다.

도 11a 및 도 11b 는 각각 실시예 1 의 열처리 1 및 열처리 2 에 있어서의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 12a 및 도 12b 는 각각 실시예 1 에 있어서의 열처리 1 후 및 열처리 2 후의 블록 A, B 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 13 은 실시예 2 의 열처리 2 에 있어서의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 14a 및 도 14b 는 각각 실시예 2 에 있어서의 열처리 1 후 및 열처리 2 후의 블록 C, D 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 15 는 실시예 3 의 열처리 2 에 있어서의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 16a 및 도 16b 는 각각 실시예 3 에 있어서의 열처리 1 후 및 열처리 2 후의 블록 E, F 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 17a 및 도 17b 는 각각 비교예 1 에 있어서의 열처리 1 전 및 열처리 2 후의 블록 G, H 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 18 은 비교예 2 의 열처리 2 에 있어서의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 19a 및 도 19b 는 각각 비교예 2 에 있어서의 열처리 1 후 및 열처리 2 후의 블록 I, J 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 20 은 비교예 3 의 열처리 2 에 있어서의 합성석영유리의 표면온도와 시간의 상관을 나타낸 그래프이다.

도 21a 및 도 21b 는 각각 비교예 3 에 있어서의 열처리 1 후 및 열처리 2 후의 블록 K, L 의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 22a 는 종래의 투영노광장치의 일례를 나타낸 개략구성도이고, 도 22b 는 도 22a 의 투영노광장치에 사용되는 플라이아이렌즈의 일례를 나타낸 단면도이다.

우선, 본 발명의 합성석영유리의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 제조방법에 있어서의 제 1 스텝은 규소화합물과, 산소 및 수소를 함유하는 연소가스를 버너에서 분출시켜 상기 규소화합물을 산수소화염중에서 가수분해시킴으로써 석영유리 미립자를 생성시킨 후, 상기 석영유리 미립자를 상기 버너와 대향하는 타깃상에 퇴적시킴과 동시에 투명화하여 합성석영유리 잉곳을 얻는 것으로서, 이와 같은 공정은 도 4 에 나타낸 합성로(合成爐)를 사용하여 실시할 수 있다.

도 4 에 있어서는 다중관구조를 갖는 석영유리제 버너 (410) 가 합성로 (400) 의 상부에서 타깃 (420) 에 그 선단부를 향해 설치되어 있다. 노벽은 노틀 (440) 및 내화물 (430) 에 의해 구성되어 있으며, 관찰용 창 (도시생략), IR 카메라 감시용 창 (450) 및 배기계 (460) 가 설치되어 있다. 합성로 (400) 의 하부에는 석영유리 잉곳 형성용 타깃 (420) 이 배치되어 있으며, 타깃 (420) 은 지지축 (480) 을 통해 노의 바깥에 있는 XY 스테이지 (도시생략) 에 접속되어 있다. 지지축 (480) 은 모터에 의해 회전가능하게 되어 있으며, XY 스테이지는 X 축 서보모터 및 Y 축 서보모터에 의해 X 축방향 및 Y 축방향으로 2 차원적으로 이동가능하게 되어 있다.

본 발명의 제조방법에 있어서의 제 1 스텝에서는, 우선 버너 (410) 에서 산소함유가스 및 수소함유가스가 분출되고, 이들이 혼합되어 산수소화염이 형성된다. 이 화염중에 원료인 규소화합물을 캐리어가스로 희석하여 버너 (410) 의 중심부에서 분출시키면, 규소화합물의 가수분해에 의해 석영유리 미립자 (수트; soot) 가 발생한다. 여기서, 본 발명에서 사용되는 규소화합물로서는, SiCl₄, SiHCl₃ 등의 규소의 염화물, SiF₄, Si₂F₆ 등의 규소의 플루오르화물, 헥사메틸디실록산, 옥타메틸시클로테트라실록산, 테트라메틸시클로테트라실록산 등의 실록산류, 메틸트리메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란 등의 실란류 등의 유기규소화합물, 그 외에 SiH₄, Si₂H₆ 등을 들 수 있다.

이어서, 상기 공정에서 얻어지는 석영유리 미립자를 회전, 요동하는 타깃 (420) 상에 퇴적시킴과 동시에 용융·유리화함으로써 합성석영유리 잉곳이 얻어진다. 이 때, 잉곳 상부는 화염에 덮여 있으며, 타깃 (420) 은 잉곳 상부의 합성면의 위치를 항상 버너에서 등거리로 유지하도록 Z 방향으로 끌려내려간다.

상기 제 1 스텝에서 얻어지는 잉곳은, 버너로부터의 연소가스의 공급을 정지함으로써 급속하게 냉각되기 때문에, 통상 그 내부에 열충격에 의한 복굴절치의 불균일한 분포를 갖고 있다.

본 발명의 제조방법에 있어서는, 상기 제 1 스텝에서 얻어지는 합성석영유리 잉곳 혹은 이 잉곳에서 원하는 사이즈로 잘려진 합성석영유리 블록을 사용하여 후술하는 제 2 및 제 3 스텝이 실시된다. 그리고 상기 제 1 스텝에서 얻어지는 잉곳은 복굴절치의 분포에 있어서의 회전대칭성이 충분히 높은 것으로서, 굴절률 분포에서 기인하는 파면수차의 광학설계에 의한 보정을 용이하게 하는 것인데, 이와 같은 잉곳에서 블록을 잘라낼 때에는 블록의 기하학적 중심과 잉곳의 중심을 일치시킬 필요가 있다.

본 발명의 제조방법에 있어서의 제 2 스텝은, 상기 제 1 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 합성석영유리 잉곳을 절단가공하여 얻어지는 합성석영유리 블록을 900 ℃ 이상의 범위내에 있는 제 1 유지온도까지 가열하여 소정 처리시간 유지한 후, 500 ℃ 이하의 온도까지 10 ℃/h 이하의 강온속도로 냉각하는 것이다.

여기서, 상기 제 1 유지온도는 상술한 바와 같이 900 ℃ 이상이고, 바람직하게는 1000 ℃ 이상 1200 ℃ 이하이다. 제 1 유지온도가 900 ℃ 미만이면, 합성석영유리의 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해진다. 한편, 제 1 유지온도가 1200 ℃ 를 넘으면, 합성석영유리 표면이 변질되거나 수소 등의 함유가스가 방출되어 물성변화를 일으키는 경향이 있다.

또한, 상기 제 2 스텝에 있어서의 처리시간은 제 1 유지온도에 따라 적절히 선택되는데, 0.5 시간 이상 5 시간 이하인 것이 바람직하다. 유지시간이 상기 하한치 미만이면 합성석영유리의 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해지는 경향이 있다. 한편, 상기 상한치를 넘으면 처리시간에 알맞는 복굴절치의 분포의 균질 화 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 합성석영유리 표면이 변질되거나 수소 등의 함유유리가 방출되어 물성변화를 일으키는 경향이 있다.

그리고, 상기 제 2 스텝에서는 상술한 바와 같이 500 ℃ 이하, 바람직하게는 400 ∼ 450 ℃ 의 온도까지 합성석영유리가 냉각된다. 냉각공정의 종점에 있어서의 온도가 상기 상한치를 넘으면, 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해진다. 한편, 냉각공정의 종점에 있어서의 온도가 상기 하한치 미만인 경우, 냉각에 지나치게 많은 시간을 요하여 효율이 저하되는 경향이 있다.

또한 이 냉각공정에 있어서의 강온속도는, 상술한 바와 같이 10 ℃/h 이하이고, 바람직하게는 5 ℃/h 이상 10 ℃/h 이하이다. 강온속도가 상기 상한치를 넘으면, 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해진다. 한편, 강온속도가 상기 하한치 미만이 되도록 서랭하여도, 강온속도에 알맞는 복굴절치의 균질화 효과를 얻을 수 없음과 아울러 효율이 저하되는 경향이 있다.

그리고 본 발명에 관한 제 2 스텝에서는, 합성석영유리를 500 ℃ 이하의 온도까지 냉각한 후, 계속해서 소정 강온속도로 냉각하여도 되고, 강온속도를 제어하지 않고 방랭하여도 된다. 또한 후술하는 바와 같이, 합성석영유리의 온도가 500 ℃ 이하의 소정 온도에 도달한 후, 즉시 제 3 스텝에 있어서의 가열공정을 실시할 수도 있다.

상기 제 2 스텝에 있어서는, 제 1 유지온도, 냉각공정의 종점에 있어서의 온도 및 강온속도가 상기 조건을 만족하는 한, 그 처리방법에 대하여 특별히 제한은 없고, 예컨대 일본 공개특허공보 평7-113902 호에 기재되어 있는 방법에 준거하여 실시할 수 있다. 또한, 상기 제 2 스텝은 종래부터 공지의 열처리로를 사용하여 실시할 수 있으나, 후술하는 본 발명의 열처리장치를 사용하면, 제 2 스텝과 제 3 스텝을 연속적으로 실시할 수 있으므로 효율이 향상되어 바람직하다.

이어서, 본 발명의 제조방법에 있어서의 제 3 스텝, 즉 상기 제 2 스텝에서 얻어진 합성석영유리를 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 범위내에 있는 제 2 유지온도까지 가열하고, 소정 시간 유지한 후, 상기 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도까지 50 ℃/h 이상의 강온속도로 냉각함으로써, 부호부여 복굴절치의 분포가 충분히 균질화된 합성석영유리를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 제 2 유지온도는 상술한 바와 같이 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하이고, 바람직하게는 800 ℃ 이상 1000 ℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 600 ℃ 이상 900 ℃ 이하이다. 제 2 유지온도가 500 ℃ 미만이면 부호부여 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해진다. 한편, 제 2 유지온도가 1100 ℃ 를 넘으면, 합성석영유리 표면이 변질되거나 수소 등의 함유가스가 방출되어 물성변화를 일으킨다.

또한, 상기 제 3 스텝에 있어서의 유지시간은 제 2 유지온도에 따라 적절히 선택되는데, 10 분 이상 1 시간 이하인 것이 바람직하다. 유지시간이 상기 하한치 미만이면 합성유리의 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해지는 경향이 있다. 한편, 상기 상한치를 넘으면 유지시간에 알맞는 복굴절치의 균질화 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 합성석영유리 표면이 변질되거나 수소 등의 함유가스가 방출되어 물성변화를 일으키는 경향이 있다.

그리고, 상기 제 3 스텝에 있어서의 냉각공정의 종점의 온도는, 상기 제 2 유지온도에 따라 결정되는 온도, 즉 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도이고, 구체적으로는 400 ℃ 이상 1000 ℃ 이하이고, 바람직하게는 700 ℃ 이상 900 ℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 500 ℃ 이상 800 ℃ 이하이다.

그리고 또한, 상기 제 3 스텝에 있어서의 강온속도는 상술한 바와 같이 50 ℃/h 이상이고, 바람직하게는 70 ℃/h 이상 800 ℃/h 이하이고, 보다 바람직하게는 75 ℃/h 이상 800 ℃/h 이하이고, 더욱 바람직하게는 100 ℃/h 이상 800 ℃/h 이하이다. 강온속도가 상기 하한치 미만이면 합성석영유리의 복굴절치의 분포의 균질화가 불충분해진다. 한편, 강온속도가 상기 상한치를 넘으면 합성석영유리가 파손되기 쉬워지는 경향이 있다.

그리고, 본 발명에 관한 제 3 스텝에 있어서는, 제 2 유지온도에서 100 ℃ 낮은 온도까지 합성석영유리를 냉각한 후, 계속해서 소정 강온속도로 냉각하여도 되고, 강온속도를 제어하지 않고 방랭하여도 된다.

상기 제 3 스텝에 있어서의 합성석영유리의 냉각방법으로서는, 강온속도가 상기 조건을 만족하는 한 특별히 제한은 없으나, 구체적으로는 하기 (a) ∼ (d) :

(a) 대기중에서 냉각하는 방법

(b) 실온 ∼ 유지온도의 범위내에서 석영유리와의 반응성이 없는 미립자 (알루미나 (Al₂O₃), 실리카 (SiO₂) 또는 이들 혼합물을 주성분으로 하는 미립자 등) 를 사용하는 방법

(c) 질소 등의 불활성가스를 분사하는 방법

(d) 수랭(水冷)하는 방법

에 나타낸 방법 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 상기 (a) 또는 (b) 에 나타낸 방법을 이용하는 것은, 합성석영유리의 복굴절치의 분포의 균질화를 효율적으로 또한 확실하게 실시할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 있어서의 제 3 스텝은 후술하는 본 발명의 열처리장치를 사용하여 바람직하게 실시할 수 있다.

도 5 는 본 발명의 열처리장치의 바람직한 일실시형태를 나타낸 모식단면도이다. 도 5 의 열처리장치에 있어서 노 (501) 는 금속제 노틀 (502) 및 노틀 (502) 의 내측에 점착된 내화보드 (503) 에 의해 구성되어 있으며, 내화보드 (503)에는 노 (501) 내를 승온하기 위한 발열체 (504) 가 매립되어 있다. 또한, 도 5 의 열처리장치는 스테이지 (505) 를 구비하고 있으며, 스테이지 (505) 는 잭형 구조를 가지며 또한 전자실린더 (도시생략) 를 구비하는 구동부 (506) 에 의해 스테이지 (505) 상에 탑재된 합성석영유리 (510) 를 노 (501) 내에 배치하기 위한 제 1 스테이지의 위치와, 합성석영유리 (510) 를 노 (501) 외로 꺼내기 위한 제 2 스테이지의 위치 사이에서 이동할 수 있다. 그리고, 스테이지 (505) 상에는 내화벽돌 (507), 석영유리판 (508) 및 석영유리통 (509) 이 배치되어 있고, 시료로서의 합성석영유리 (510) (잉곳 또는 블록) 를 석영유리판 (508) 과 석영유리통 (509) 으로 구성되는 시료실 (511) 에 수용할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 도 5 의 열처리장치에 있어서는, 우선 합성석영유리 (510) 를 시료실 (511) 에 수용한 후, 스테이지 (505) 를 상기 제 1 스테이지의 위 치까지 이동시킴으로써 합성석영유리 (510) 가 노내에 배치되고, 발열체 (504) 에 의해 노 (501) 내 온도를 상승시킴으로써 합성석영유리 (510) 가 가열되어 소정 처리온도에서 소정 처리시간 유지된다. 그리고, 합성석영유리의 표면온도는 발열체 (504) 및 열전쌍 (도시생략) 과 전기적으로 접속된 온도 컨트롤러 (도시생략) 를 사용함으로써 제어할 수 있다.

이어서, 구동부 (506) 에 의해 스테이지 (505) 를 상기 제 2 스테이지의 위치까지 이동시킴으로써, 합성석영유리 (510) 가 노 (501) 외로 꺼내져서 냉각된다. 이 냉각공정에서는 (a) 대기중에서 냉각하는 방법 혹은 (b) 실온 ∼ 유지온도의 범위내에서 석영유리와의 반응성이 없는 미립자 (알루미나 (Al₂O₃), 실리카 (SiO₂ ) 또는 이들 혼합물을 주성분으로 하는 미립자 등) 를 사용하는 방법에 의해 효율적으로 또한 확실하게 냉각할 수 있다.

여기서, 본 발명에 있어서는 합성석영유리 (510) 를 스테이지 (505) 상에 직접 탑재하여 상기 공정을 실시하여도 되지만, 도 5 에 나타낸 바와 같이 석영유리판 (508) 및 석영유리통 (509) 을 사용하면, 노내의 공간을 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 상기 (b) 의 방법을 이용하여 냉각을 실시할 때에는 뚜껑으로 되어 있는 석영유리판 (508) 을 제거하여 시료실 (511) 에 미립자를 충전함으로써, 합성석영유리의 냉각을 쉽게 또한 확실하게 실시할 수 있다. 그리고, 합성석영유리 (510) 의 하면이 가능한 한 노출되도록 합성석영유리 (510) 와 석영유리판 (508) 사이에 내화물로 이루어지는 작은 지지체를 배치하면, 상기한 가열 및 냉각과정에 있어서 합성석영유리의 온도를 보다 균일하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 열처리장치에 있어서는, 도 5 에 나타낸 바와 같이 스테이지 (505) 를 회전시키기 위한 회전구동부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 회전구동부에 의해 스테이지를 회전시키면서 열처리를 실시하면, 얻어지는 합성석영유리의 복굴절치의 분포가 보다 균질화되는 경향이 있다.

상기 본 발명의 열처리장치는 본 발명의 제조방법에 있어서의 제 2 스텝에도 사용할 수 있다. 그리고, 상기 제 2 스텝 및 상기 제 3 스텝에서 동일한 노를 사용하고, 상기 제 2 스텝후, 상기 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 블록을 상기 노외로 꺼내지 않고 연속적으로 제 3 스텝을 실시하면, 열처리조건의 선택폭이 넓어져서 효율도 향상되므로 바람직하다. 예컨대, 도 6a 에 나타낸 바와 같이 제 2 스텝에 있어서의 냉각과정의 도중에서 제 3 스텝을 개시하거나, 도 6b 에 나타낸 바와 같이 제 2 스텝에 있어서의 냉각과정의 종료후에 제 3 스텝을 개시하는 등, 원하는 조건으로 열처리를 실시할 수 있다. 그리고, 미리 얻어진 열처리조건과 복굴절치의 분포의 균질화 효과의 상관에 의거하여 열처리조건을 선택하여 제 2 스텝과 제 3 스텝을 연속적으로 실시하는 것은, 합성석영유리의 복굴절치의 분포의 균질화에 있어서의 정밀도와 효율을 보다 높은 수준으로 양립시킬 수 있는 점에서 특히 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어지는 합성석영유리의 부호부여 복굴절치의 측정방법으로서는 위상변조법, 회전검광자법, 위상보상법 등을 들 수 있다.

위상변조법에 있어서, 광학계는 광원, 편광자, 위상변조소자, 시료 및 검광자에 의해 구성된다. 광원으로서는 He-Ne 레이저 또는 레이저 다이오드, 위상 변조소자로서는 광탄성변환기가 각각 사용된다. 광원으로부터의 광은 편광자에 의해 직선편광으로 되어 위상변조소자로 입사한다. 시료상에 투사되는 위상변조소자로부터의 광속은 소자에 의해 직선편광 →원편광 →직선편광으로 연속적으로 편광상태가 변화하는 변조광이다. 측정시에는, 시료상의 측정점으로 입사하는 광속을 중심으로 하여 시료를 회전시켜 검지기의 출력의 피크를 찾아내서, 이 때의 진폭을 측정함으로써 진상축의 방향과 복굴절위상차의 크기를 구한다. 그리고, 광원에 제만레이저를 사용하면 시료를 회전시키지 않고 측정할 수 있다. 또한, 위상시프트법, 광 헤테로다인 간섭법도 본 발명에서 사용할 수 있다.

회전검광자법에서는 광원과 광검파기 사이의 시료를 편광자와 회전검광자에 의해 끼우는 장치구성으로 이루어져 있으며, 시료의 뒤에 배치한 검광자를 회전시키면서 검지기로부터의 신호를 측정하여 검지기로부터의 신호의 최대치와 최소치로부터 위상차를 구한다.

위상보상법에서는 광원, 편광자, 시료, 위상보상판, 검광자, 광검출기를 배치한다. 그리고, 편광자와 검광자는 각각의 축이 서로 직교하도록 배치한다. 시료에 입사한 직선편광은 시료의 복굴절에 의해 타원편광으로 되는데, 위상보상판을 조절함으로써 다시 직선편광으로 되어 광검출기에서의 신호를 실질적으로 제로로 할 수 있다. 그리고, 가장 잘 소거하였을 때의 위상보상치가 복굴절의 양으로 된다.

그리고 시료의 두께가 충분한 경우에는, 크로스니콜 광학계중에 피측정시료와 표준시료를 각각 배치하여 비교하는 간편한 방법으로도 복굴절치를 구할 수 있 다.

복굴절의 측정치에는 앞에서 설명한 바와 같이 진상축의 방향과 부재의 직경방향이 평행한 경우에는 + (플러스), 수직인 경우에는 - (마이너스) 를 붙인다. 그리고, 복굴절의 측정치가 작은 경우에는 진상축은 반드시 부재의 직경방향과 완전히 평행 혹은 수직으로 되지 않고 기울기를 갖는 경우가 있는데, 이와 같은 복굴절치에는 직경방향에 대한 진상축의 각도가 45 도보다 작은 경우에는 +, 45 보다 큰 경우에는 - 를 붙여서 취급하면 된다.

그리고, 종래의 제조방법에서는 합성석영유리에 맥리(脈理)가 보이는 등 굴절률의 불균질화가 현저한 경우에, 석영유리의 실투(失透)온도역보다 높고 또한 유리의 연화변형이 일어나는 온도 (통상 1600 ℃ 이상) 에서의 고온열처리가 실시되는데, 이와 같은 고온열처리에 의해 얻어진 합성석영유리에 대하여 회전축에 수직인 면내의 복수 개소에 있어서의 복굴절치 및 그 진상축의 방향을 측정하면, 통상 중심으로부터의 거리 (r) 와 부호부여 복굴절치 (A) 사이에 도 2b 에 나타낸 바와 같은 상관이 보인다. 본 발명에 있어서는, 이와 같은 합성석영유리에 대해서도 상기 제 2 및 제 3 스텝을 실시함으로써 부호부여 복굴절치의 분포를 균질화할 수 있다. 단, 상기 제 2 또는 제 3 스텝에서 얻어지는 합성석영유리에 상기 고온열처리를 실시하면, 복굴절치의 분포가 불균질로 되므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 제조방법에 의해 얻어지는 합성석영유리는 복굴절치의 분포가 충분히 균질화된 것으로서, 이와 같은 합성석영유리로 제작되는 렌즈 등의 광학부재를 투영노광장치의 광학계에 사용함으로써 충분히 높은 광학계의 결상성능 및 충분 히 높은 투영노광장치의 해상도를 달성할 수 있다. 여기서, 복수의 광학부재를 쌓아올려 광학계를 제작할 때에는, 복굴절치의 분포가 서로 상쇄하도록 각각의 부호부여 복굴절치로부터 광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치를 견적하면서 광학계를 제작함으로써, 결상성능 및 해상도를 보다 향상시킬 수 있다.

여기서, 본 발명에 관한 광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치의 개념에 대하여 도 7a 및 도 7b 에 의거하여 설명한다.

도 7a 는 투영광학계를 구성하는 m 개의 광학부재를 광원으로부터 차례로 배열시킨 모식적 측면도이다. 또한, 도 7b 는 도 7a 에 나타낸 m 개의 광학부재중 광원으로부터 i 번째에 배치되는 광학부재 (L_i) 의 광축에 수직인 유효단면을 나타낸 모식적 단면도이다.

본 발명에 있어서는, 광학부재내의 복굴절치의 분포는 광축방향에 평행한 부재의 두께방향에 대해서는 균일하고, 광축에 수직인 유효단면상의 반경방향에 대해서는 불균일하다고 가정한다. 여기서, 유효단면이란 광학부재의 광축에 수직인 면내중 광속의 조사를 받는 영역을 말한다. 그리고, 광축과의 교점을 유효단면의 중심으로 하고, 그 반경을 광학부재의 유효단면의 유효반경으로 한다. 또한, 투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치를 측정할 때에는, 광학부재마다 그 유효단면의 크기가 상이하기 때문에, 도 7a 에 나타낸 바와 같이 각 광학부재의 최대 유효반경 (r_n) 이 1 로 되도록 미리 전광학부재의 유효단면의 크기를 노멀라이즈한다.

그리고, 광학부재의 광축과의 교점을 중심으로 하는 광축에 수직인 면내에 복수의 광속이 조사되는 경우에는, 개개의 광속에 대응하는 유효단면에 대하여 각 광학부재의 최대 유효반경 (r_n) 이 1 로 되도록 미리 전광학부재의 유효단면의 크기를 노멀라이즈한다.

또한, 광학부재의 광축과의 교점을 중심으로 하는 광축에 수직인 면내에 단면 원형상 이외의 형상을 갖는 광속, 예컨대 단면 링 형상 혹은 단면 타원형상의 광속이 조사되는 경우에도, 개개의 광속에 대응하는 유효단면에 대하여 각 광학부재의 최대 유효반경 (r_n) 이 1 로 되도록 미리 전광학부재의 유효단면의 크기를 노멀라이즈한다.

예컨대, 단면 링형상의 광속이 조사되는 경우에는, 링의 최대외경이 1 로 되도록 미리 전광학부재의 유효단면의 크기를 노멀라이즈하고, 부호부여 복굴절치의 측정에 대해서는 이하 설명하는 단면 원형상의 광속에 대한 측정과 동일한 방법으로 실시하면 된다. 또한, 단면 타원형상의 광속이 조사되는 경우에는, 타원의 장축의 최대외경이 1 로 되도록 미리 전광학부재의 유효단면의 크기를 노멀라이즈하고, 부호부여 복굴절치의 측정에 대해서는 이하 설명하는 단면 원형상의 광속에 대한 측정과 동일한 방법으로 실시하면 된다.

투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치를 측정하기 위해서는, 우선 도 7b 에 나타낸 바와 같이 1 개의 광학부재 (L_i) 에 대하여 그 유효단면상에 중심을 O_i 라 하고 또한 중심으로부터의 반경이 서로 상이한 복수의 동심원 (C_ij) 의 모델을 가정한다. 이어서, 중심 (O_i) 으로부터의 반경이 r_j 인 j 번째의 동심원 (C_ij ) 상에 있는 k 번째의 측정점 (P_ijk) 의 복굴절치를 측정한다. 그리고, 측정점 (P_ijk) 에 있어서의 진상축의 방향과 반경방향의 관계로부터 부호를 붙여서 측정점 (P_ijk) 의 부호부여 복굴절치 (A_ijk) 로 한다.

여기서, i 는 투영광학계를 구성하는 상기 광학부재 (L) 의 번호 (i = 1, 2, …, m ; 2 ≤m) 를 나타낸다. 또한, j 는 광학부재 (L) 에 있어서의 광축에 수직인 유효단면상에 상정되는, 광축을 중심으로 하며 또한 이 광축으로부터의 반경이 서로 상이한 동심원 (C) 의 번호 (j = 1, 2, …, n ; 1 ≤n) 를 나타낸다. 그리고, k 는 동심원 (C) 의 원주상에 있는 측정점의 번호 (k = 1, 2, …, h ; 1 ≤h) 를 나타낸다. 이와 같이 하여 동일한 동심원 (C_ij) 상의 소정 측정점 (P_ij1 ∼ P_ijh) 에 있어서의 부호부여 복굴절치 (A_ij1 ∼ A_ijh) 를 측정한다.

이어서, 하기 식 (1) 에 따라 광학부재 (L_i) 에 있어서의 동심원 (C_ij) 의 원주상에 있는 측정점의 부호부여 복굴절치의 산술평균인 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 를 산출한다.

이어서, 하기 식 (2) 에 따라 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 와 겉보기 두께 (T_i) 의 곱인 평균 부호부여 복굴절량을 나타내는 E_ij 를 산출한다.

E_ij = B_ij ×T_i

여기서, T_i 는 광학부재 (L_i) 의 겉보기 두께를 나타낸다. 이 겉보기 두께로서는, 광학부재 (L_i) 의 유효단면내의 두께의 평균치 또는 광학계내에 배치한 경우에 광학부재 (L_i) 의 상하 위치에 조합되는 다른 부재와의 매칭에 의한 실효적인 두께 중 어느 한쪽이 적절히 선택된다.

이어서, 하기 식 (3) 에 따라 투영광학계 전체에 있어서의 평균 부호부여 복굴절량 (E_ij) 의 총합을 총광로길이 (D) 로 나눈 부호부여 복굴절치의 평균변화량 (G_j) 을 산출한다.

여기서, D 는 하기 식 (4) 로 표시되는 투영광학계 전체의 겉보기 총광로길이를 나타낸다.

이어서, 하기 식 (5) 에 따라 투영광학계 전체에 있어서의 부호부여 복굴절 치의 평균변화량 (G_j) 의 총합을 동심원의 수 (n) 로 나눈 투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치 (H) 를 산출한다.

본 발명에 있어서는, 상기 수순으로 구한 광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치 (H) 가 하기 식 (6) 을 만족하면, 그 투영광학계 전체의 우수한 결상성능을 나타내며, 이와 같은 투영광학계를 구비하는 투영노광장치가 우수한 해상도를 나타내는 경향에 있으므로 바람직하다.

-0.5 ≤H ≤+0.5 ㎚/㎝

이와 같이 하여 얻어지는 투영광학계의 일례를 도 8 에 나타낸다.

도 8 에 나타낸 투영광학계 (100) 는, 제 1 물체로서의 레티클 (R) 측부터 차례로 정의 파워의 제 1 렌즈군 (G1) 과, 정의 파워의 제 2 렌즈군 (G2) 과, 부의 파워의 제 3 렌즈군 (G3) 과, 정의 파워의 제 4 렌즈군 (G4) 와, 부의 파워의 제 5 렌즈군 (G5) 과, 정의 파워의 제 6 렌즈군 (G6) 으로 구성되어 있다. 그리고, 물체측 (레티클 (R) 측) 및 이미지측 (웨이퍼 (W) 측) 에 있어서 거의 텔레센트릭으로 되어 있으며, 축소배율을 갖는 것이다. 또한, 이 투영광학계의 N.A. 는 0.6, 투영배율이 1/4 이다.

이 투영광학계에 있어서는 L₄₅, L₄₆, L₆₃, L₆₅, L₆₆, L₆₇ 의 6 개소에 색수차를 보정하는 목적으로 플루오르화 칼슘 단결정을 사용한다.

상기한 본 발명의 투영광학계는 상기 식 (1) ∼ (6) 을 사용한 산출법에 의해, 각 광학부재 (L₁₁ ∼ L₆₁₀) 에 대하여 광축 (Z) 의 교점을 중심으로 하는 광축 (Z) 에 수직인 면내의 부호부여 복굴절치의 분포로부터 투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치를 산출하고 있으며, 이 투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치가 -0.5 ∼ +0.5 ㎚/㎝ 로 되는 배치조건을 만족하도록 각 광학부재가 서로 조합되어 있다.

여기서, 본 발명에 관한 투영광학계는 광학부재가 투영광학계 전체의 실효광로에 의거하는 부호부여 복굴절치의 스트레일 (Strehl) 값이 0.93 이상으로 되는 배치조건을 더욱 만족하도록 서로 조합되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명자들은 광학부재내의 복굴절의 분포의 평가에 대하여, 광학부재 유효단면의 중심 및 그 주변부의 실효광로를 고려한 부호부여 복굴절치의 스트레일 강도를 이용하는 것이 유효함을 발견하였다. 본 발명자들에 의해 처음으로 도입된 복굴절의 스트레일 값은 유효단면을 통과하는 광선의 실효광로를 고려하고 있기 때문에, 광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치에 의한 평가와 병행함으로써, 광학부재내의 복굴절의 분포를 더욱 정밀하게 평가할 수 있다.

이 부호부여 복굴절치의 스트레일 값에 의한 각 광학부재의 배치조건은 하기 식에 의거하여 표현된다.

0.93 ≤S

[식 (7) ∼ (9) 중 λ는 광원의 파장을 나타내고, χ는 투영광학계 전체의 광선추적시험에 의해 광학부재 (L_i) 에 대하여 얻어지는 실효광로에 의거한 부호부여 복굴절치의 유효반경방향에 대한 분포로부터 결정되는 부호부여 복굴절치의 평균치를 나타내고, σ는 투영광학계 전체의 광선추적시험에 의해 광학부재 (L_i) 에 대하여 얻어지는 실효광로에 의거한 부호부여 복굴절치의 유효반경방향에 대한 분포로부터 결정되는 부호부여 복굴절치의 표준편차를 나타내고, S_i 는 각 광학부재 (L_i) 마다의 실효광로에 의거한 부호부여 복굴절치의 스트레일 강도를 나타내고, S 는 각 광학부재 (L_i) 를 모두 조합한 경우에 있어서의 투영광학계 전체의 실효광로에 의거한 부호부여 복굴절치의 스트레일 강도를 나타낸다.]

그리고, 본 발명에 관한 투영광학계는 광학부재 (L_i) 의 중심 (O_i) 주변의 부호부여 복굴절치가 0.2 ㎚/㎝ 이하인 것이 바람직하다. 광학부재에 조사되는 광의 대부분은 광학부재의 중심부에 광축을 갖기 때문에, 상기 조건을 만족하는 광학부재를 사용함으로써, 중심부에 복굴절을 갖는 광학부재를 사용한 경우와 비교하여 복굴절의 영향을 대폭 저감할 수 있게 된다.

그리고 또한 본 발명에 관한 투영광학계는, 광학부재 (L_i) 에 있어서 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향의 분포가 중심 (O_i) 이외에 극값을 갖지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 광학부재의 부호부여 복굴절치의 분포가 중심 이외에 극값을 갖지 않는 것이면, 광학계 전체에서의 부호부여 복굴절 특성치를 견적하기가 용이하여 개개의 부재의 복굴절의 영향을 효과적으로 상쇄하여 원하는 광학성능을 얻을 수 있게 된다.

그리고 또한 본 발명에 관한 관한 투영광학계는, 광학부재 (L_i) 에 있어서 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 최대치와 최소치의 차 (ΔB_i) 가 2.0 ㎚/㎝ 이하인 것이 바람직하다. 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향의 분포에 있어서의 최대치와 최소치의 차 (ΔB_i) 가 크다는 것은, 광학부재의 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij), 나아가서는 부호부여 복굴절치 (A_ijk) 의 편차가 큰 것을 나타내고, 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 최대치와 최소치의 차 (ΔB_i) 가 2.0 ㎚/㎝ 보다 큰 광학부재에 광을 조사하는 경우, 광이 통과하는 위치에 따라 부호부여 복굴절치 (A_ijk) 의 차가 크기 때문에 광속의 파면에 흐트러짐을 일으켜서 광학계의 결상성능이 극단적으로 저하되는 경향이 있다.

그리고 또한 본 발명에 관한 투영광학계는, 각 광학부재 (L_i) 에 있어서 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향에 있어서의 분포곡선의 구배의 최대치 (F_i) 가 반경방향의 폭 10 ㎜ 당 0.2 ㎚/㎝ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 광학부재를 사용하여 투영광학계를 구성함으로써 투영광학계의 양호한 결상성능을 얻을 수 있고, 이와 같은 투영광학계를 구비하는 투영노광장치에 있어서 웨이퍼면 전체에 걸쳐 균일한 해상도를 얻을 수 있다. 상기한 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향의 분포에 있어서의 최대치와 최소치의 차 (ΔB_i) 가 큰 경우와 마찬가지로, 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향에 있어서의 분포곡선의 구배의 최대치 (F_i) 가 크다는 것은, 광학부재의 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij), 나아가서는 부호부여 복굴절치 (A_ijk) 의 편차가 큰 것을 나타내고, 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향에 있어서의 분포곡선의 구배의 최대치 (F₁) 가 반경방향의 폭 10 ㎜ 당 0.2 ㎚/㎝ 보다 큰 광학부재에 광을 조사하는 경우, 광이 통과하는 위치에 따라 부호부여 복굴절치 (A_ijk) 의 차가 크기 때문에 광속의 파면에 흐트러짐을 일으켜서 광학계의 결상성능이 극단적으로 저하되는 경향이 있다.

이어서, 도 8 에 나타낸 투영광학계를 구비하는 투영노광장치의 일례를 도 9 에 나타낸다.

도 9 에 나타낸 투영노광장치는, 주로 노광광원 (303) 과, 패턴원상(原像)이 형성된 레티클 (R) 과, 노광광원 (303) 에서 출력되는 광을 레티클 (R) 에 조사하 는 조사광학계 (302) 와, 레티클 (R) 에서 출력되는 패턴상(像)을 웨이퍼 (감광기판) (W) 상에 투영하는 투영광학계 (304) 와, 레티클 (R) 과 웨이퍼 (W) 의 위치맞춤을 실시하는 얼라인먼트계 (305) 로 구성되어 있다.

웨이퍼 (W) 는 레벨링 스테이지 (도시생략) 상에 탑재되고, 이 레벨링 스테이지는 구동모터 (330) 에 의해 투영광학계의 광축방향 (Z 방향) 으로 미동가능한 Z 스테이지 (301) 상에 설치되어 있다. Z 스테이지 (301) 는 구동모터 (330) 에서 스텝·앤드·리피트방식으로 2 차원 방향 (XY) 방향으로 이동가능한 XY 스테이지 (315) 에 탑재되어 있다. 레티클 (R) 은 수평면내에서 2 차원 이동가능한 레티클 스테이지 (306) 상에 탑재되어 있다. 노광광원 (303) 으로부터의 노광광은 조명광학계 (302) 를 통해 레티클 (R) 에 형성된 패턴을 균일하게 조명하여, 레티클 (R) 의 패턴상 (像) 은 투영광학계 (304) 에 의해 웨이퍼 (W) 의 쇼트영역에 노광전사된다. 이 노광광에는 248 ㎚ (KrF 엑시머 레이저), 193 ㎚ (ArF 엑시머 레이저), 157 ㎚ (F₂ 레이저) 등의 파장을 갖는 노광광을 사용할 수 있다.

XY 스테이지 (315) 는 웨이퍼 (W) 상의 1 개의 쇼트영역에 대한 레티클 (R) 의 패턴의 전사노광이 종료되면, 웨이퍼 (W) 의 다음 쇼트영역이 투영광학계 (304) 의 노광영역과 일치하도록 스테핑이동된다. 웨이퍼 (W) 가 탑재된 레벨링 스테이지의 2 차원적인 위치는 레벨링 스테이지에 고정된 이동경 (340) 과의 거리를 레이저 간섭계 (도시생략) 로 계측함으로써, 예컨대 0.01 ㎛ 정도의 분해능으로 항상 모니터되고 있으며, 레이저 간섭계의 출력은 스테이지 컨트롤계 (311) 로 공급되고 있다.

레티클 (R) 은 레티클 스테이지 (306) 상에서 레티클 (R) 상의 전사패턴의 중심이 투영광학계 (304) 의 광축 (AX) 과 일치하도록 위치결정된다. 레티클 (R) 의 위치결정은, 레티클 (R) 의 외주부근에 설치된 복수의 레티클 얼라인먼트 마크 (레티클 마크) 를 사용하여 실시된다. 레티클 마크는 X 방향의 위치결정을 실시하기 위한 레티클 마크와, Y 방향의 위치결정을 실시하기 위한 레티클 마크의 2 종류가 설치되어 있다. 얼라인먼트계 (305) 는 노광광원 (303) 에서 노광광의 일부를 분기하여 꺼낸 노광광을 조명광 (얼라인먼트광) 으로서 사용한다. 얼라인먼트계 (305) 는 각 레티클 얼라인먼트 마크의 위치에 1 개씩 설치되어 있다.

조명광학계 (302) 를 통과한 조명광은, 레티클 (R) 의 패턴영역의 외측에 설치된 레티클 마크로 입사한다. 레티클 마크는 예컨대 패턴주위의 불투명부에 형성된 직사각형의 투명창으로 이루어진다. 레티클 마크부에서 반사된 얼라인먼트광은 얼라인먼트계 (305) 로 다시 입사한다. 한편, 레티클 마크를 통과한 얼라인먼트광은 투영광학계 (304) 를 통과하여 웨이퍼 (W) 상의 각 쇼트영역의 주위에 설치된 기판 얼라인먼트 마크 (웨이퍼 마크) 상으로 입사한다. 웨이퍼 마크는 각 쇼트영역의 주위에 각각 설치하는 것이 아니라, 웨이퍼의 소정 위치, 예컨대 웨이퍼의 외주부 영역에만 설치하여도 된다. 웨이퍼 마크도 레티클 마크에 대응하여 X 방향의 위치결정을 실시하기 위한 웨이퍼 마크와, Y 방향의 위치결정을 실시하기 위한 웨이퍼 마크의 2 종류가 설치되어 있다. 웨이퍼 마크로부터의 반사광은 입사광과 반대 광로를 거쳐 투영광학계 (304), 레티클 마크부를 통과하여 얼라인먼트계 (305) 로 다시 입사한다.

이와 같이 하여 얼라인먼트계 (305) 는, 레티클 (R) 과 웨이퍼 (W) 로부터의 얼라인먼트광의 반사를 입력함으로써, 레티클 (R) 과 웨이퍼 (W) 의 상대적인 위치를 검출한다. 이 얼라인먼트계 (305) 의 출력은 주제어계 (312) 로 공급된다. 그리고, 주제어계 (312) 의 출력이 레티클 교환계 (307) 와 스테이지 컨트롤계 (311) 로 공급됨으로써, 레티클 (R) 과 웨이퍼 (W) 의 공간적인 위치가 조정된다. 그 결과, 웨이퍼 (W) 상의 각 쇼트영역에 형성되어 있는 패턴과, 이것으로부터 전사노광하는 레티클 (R) 의 패턴상(像)의 중첩정밀도를 고정밀도로 유지할 수 있다.

도 10a 및 도 10b 는 도 9 에 나타낸 투영노광장치의 조명광학계 (302) 의 상세한 구조를 나타낸 개략구성도이다.

도 10a 는 조명광학계 (302) 를 도 9 의 Y 방향에서 본 경우의 정면도이고, 도 10b 는 조명광학계 (302) 를 도 9 의 X 방향에서 본 경우의 정면도이다. 그리고, 모든 도면에 있어서 조명광학계 (302) 로 입사하는 노광광의 일부를 분기하여 사용하는 얼라인먼트계 (302) 를 생략하고 있다.

노광광원 (303) (도시생략) 으로부터는 248 ㎚ (KrF 엑시머 레이저), 193 ㎚ (ArF 엑시머 레이저), 157 ㎚ (F₂ 레이저) 등의 파장을 갖는 거의 평행한 광속이 출력되고, 이 때의 평행광속의 단면형상은 직사각형상으로 되어 있다. 이 노광광원 (303) 으로부터의 평행광속은 소정 단면형상의 광속으로 정형하는 광속정형부로서의 빔 정형광학계 (20) 로 입사한다. 이 빔 정형광학계 (20) 는 Y 방향으로 굴절력을 갖는 2 개의 실린드리컬 렌즈 (20A,20B) 로 구성되어 있으며, 광원측 실 린드리컬 렌즈 (20A) 는 부의 굴절력을 갖고 X 방향의 광속을 발산시키는 한편, 피조사면측 실린드리컬 렌즈 (20B) 는 정의 굴절력을 갖고 광원측 실린드리컬 렌즈 (20A) 로부터의 발산광속을 집광하여 평행광속으로 변환한다. 따라서, 빔 정형광학계 (20) 를 통한 노광광원 (303) 으로부터의 평행광속은, Y 방향의 광속폭이 확대되어 광속단면이 소정 크기를 갖는 장방형상으로 정형된다. 그리고, 빔 정형광학계 (20) 로서는 정의 굴절력을 갖는 실린드리컬 렌즈를 조합한 것이어도 되고, 나아가서는 에너모픽(anamorphic) 프리즘 등이어도 된다.

빔 정형광학계 (22) 로부터의 정형된 광속은, 제 1 릴레이 광학계 (21) 로 입사한다. 여기서, 제 1 릴레이 광학계 (21) 는 2 장의 정렌즈로 이루어지는 정의 굴절력의 전군 (21A,21B) 과, 2 장의 정렌즈로 이루어지는 정의 굴절력의 후군 (21C,21D) 을 갖고 있으며, 제 1 릴레이 광학계 (21) 의 전군 (21A,21B) 은 이 전군의 레티클 (R) 측 (후측) 의 초점위치에 집광점 (광원상(像)) (I) 을 형성하고, 제 1 릴레이 광학계 (21) 의 후군 (21C,21D) 은 그 전군 (21A,21B) 의 초점위치에 광원측 (전측) 의 초점위치가 일치하도록 배치되어 있다. 그리고, 이 제 1 릴레이 광학계 (21) 는 노광광원 (303) 의 사출면과 후술하는 제 1 다광 원상(原像) 형성수단으로서의 옵티컬 인테그레이터 (30) 의 입사면을 공역으로 하는 기능을 갖고 있다. 이 제 1 릴레이 광학계 (21) 의 기능에 의해 노광광원 (303) 으로부터의 광의 각도어긋남에 수반하는 옵티컬 인테그레이터 (30) 를 조명하는 광속의 어긋남을 보정하여 노광광원 (303) 으로부터의 광의 각도 어긋남에 대한 허용도를 크게 하고 있다. 그리고, 노광광원 (303) 으로부터의 광을 제 1 다광원상 형성수단으로 안내하는 도광광학계는, 빔 정형광학계 (20) 와 제 1 릴레이 광학계 (21) 로 구성된다.

제 1 릴레이 광학계 (21) 를 통한 광속은, 직선형상으로 3 열 배열된 복수의 광원상을 형성하는 제 1 다광원상 형성수단으로서의 옵티컬 인테그레이터 (30) 로 입사한다. 이 옵티컬 인테그레이터 (30) 는 대략 정방형상의 렌즈단면을 갖는 복수의 양볼록형상의 렌즈소자가 복수 배치되어 구성되어 있으며, 옵티컬 인테그레이터 (30) 전체로서는 장방형상의 단면을 갖고 있다. 그리고, 각각의 양볼록형상의 렌즈소자는 Y 방향과 X 방향에서 서로 같은 곡률 (굴절력) 을 갖고 있다.

따라서, 옵티컬 인테그레이터 (30) 를 구성하는 개개의 렌즈소자를 통과하는 평행광속은, 각각 집광되어 각 렌즈소자의 사출측에는 광원상이 형성된다. 따라서, 옵티컬 인테그레이터 (30) 의 사출측 위치 (A1) 에는 렌즈소자의 수에 상당하는 복수의 광원상이 형성되며, 여기에는 실질적으로 2 차 광원이 형성된다.

옵티컬 인테그레이터 (30) 에 의해 형성된 복수의 2 차 광원으로부터의 광속은, 제 2 릴레이 광학계 (40) 에 의해 집광되어 복수의 광원상을 더욱 형성하는 제 2 다광원상 형성수단으로서의 옵티컬 인테그레이터 (50) 로 입사한다.

이 옵티컬 인테그레이터 (50) 는 장방형의 렌즈단면을 갖는 복수의 양볼록형상의 렌즈소자가 복수 배치되어 구성되어 있으며, 이 렌즈소자는 단면형상이 옵티컬 인테그레이터 (30) 의 단면형상과 상사(相似)로 되도록 구성되어 있다. 그리고, 옵티컬 인테그레이터 (50) 전체로서는 정방형상의 단면을 갖고 있다. 또한, 각각의 렌즈소자는 도 10a 의 지면방향과 도 10b 의 지면방향에서 서로 같은 곡률 (굴절력) 을 갖고 있다.

따라서, 옵티컬 인테그레이터 (50) 를 구성하는 개개의 렌즈소자를 통과하는 옵티컬 인테그레이터 (30) 로부터의 광속은, 각각 집광되어 각 렌즈소자의 사출측에는 광원상이 형성된다. 따라서, 옵티컬 인테그레이터 (50) 의 사출측 위치 (A2) 에는 정방형상으로 배열된 복수의 광원상이 형성되며, 여기에는 실질적으로 3 차 광원이 형성된다.

그리고, 제 2 릴레이 광학계 (40) 는 옵티컬 인테그레이터 (30) 의 입사면 위치 (B1) 와 옵티컬 인테그레이터 (50) 의 입사면 위치 (B2) 를 공역으로 함과 동시에 옵티컬 인테그레이터 (30) 의 사출면 위치 (A1) 와 옵티컬 인테그레이터 (50) 의 사출면 위치 (A2) 를 공역으로 하고 있다. 그리고, 상기 설명에 있어서 옵티컬 인테그레이터 (30) 및 옵티컬 인테그레이터 (50) 는 플라이아이렌즈의 형상으로 나타냈으나, 본 발명의 투영노광장치의 조명계에 사용되는 옵티컬 인테그레이터의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 매우 미소한 복수의 렌즈소자로 구성되는 마이크로플라이아이나 로드형상 내면 반사형 광학소자 (컬라이더스코프로드) 나 회절광학소자 (DOE) 등을 사용할 수 있다.

이 3 차 광원이 형성되는 위치 (A2) 혹은 그 근방위치에는 소정 형상의 개구부를 갖는 개구조리개 (AS) 가 설치되어 있고, 이 개구조리개 (AS) 에 의해 원형상으로 형성된 3 차 광원으로부터의 광속은, 집광광학계로서의 콘덴서 광학계 (60) 에 의해 집광되어 피조사물체로서의 레티클 (R) 상을 슬릿형상으로 균일조명한다.

또한, 도 9 에 있어서의 투영광학계 (304) 는, 투영광학계 전체의 부호부여 복굴절 특성치가 -0.5 ∼ +0.5 ㎚/㎝ 로 되는 배치조건을 만족하도록 각 광학부재가 서로 조합되어 있다. 또한, 각 광학부재가 투영광학계 전체의 실효광로에 의거하는 부호부여 복굴절치의 스트레일 값이 0.93 이상으로 되는 배치조건을 더욱 만족하도록 서로 조합되어 있다. 그리고, 사용되는 광학부재는 그 유효단면의 중심주변의 부호부여 복굴절치가 -0.2 ∼ +0.2 ㎚/㎝ 이고, 평균 부호부여 복굴절치의 반경방향의 분포가 중심 이외에 극값을 갖지 않는 것이고, 평균 부호부여 복굴절치의 최대치와 최소치의 차이 (ΔB_i) 가 2.0 ㎚/㎝ 이하이고, 평균 부호부여 복굴절치 (B_ij) 의 반경방향에 있어서의 분포곡선의 구배의 최대치 (F_i) 가 반경방향의 폭 10 ㎜ 당 0.2 ㎚/㎝ 이하이다.

이하, 실시예 및 비교예에 의거하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 다음 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

(합성석영유리 잉곳의 제작)

우선, 도 4 에 나타낸 합성로를 사용하여 다음 수순에 따라 잉곳형상의 합성석영유리를 제작했다.

즉, 다중관구조를 갖는 버너의 중앙부에서 사염화규소 (SiCl₄, 유량 : 40 g/min) 와 산소 (O₂, 유량 : 1.8 slm) 의 혼합기체를 유속 9.8 m/s 로 분출시켜 산수소화염 (산소/수소비 : 0.4) 중에서 가수분해시켜 석영유리 미립자를 얻고, 이것을 타깃 (회전속도 : 7.5 rpm, 요동속도 : 100 ㎜/min) 상에 퇴적시킴과 동시에 투 명화하여 잉곳형상의 합성석영유리 (직경 : 420 ㎜) 를 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부에서 블록을 잘라내고, 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 A 및 B 를 얻었다.

(열처리 1)

블록 A 및 B 를 각각 도 5 에 나타낸 열처리장치의 스테이지상에 설치된 시료실로 넣어 회전시키면서, 1000 ℃ 로 가열하여 10 시간 유지한 후에 500 ℃ 까지 강온속도 10 ℃/h 로 냉각하고, 500 ℃ 에 도달한 후에 방랭했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 상관을 도 11a 에 나타낸다.

상기한 열처리후의 블록 A 및 B 에 대하여 복수의 개소에 있어서의 복굴절치 및 진상축의 방향을 위상변조법에 의해 측정했다 (이하의 실시예 및 비교예에 대해서도 동일하다). 얻어진 부호부여 복굴절치의 분포를 도 12a 에 나타낸다. 그리고, 도 12a 는 블록의 회전축에 대하여 수직인 면내에 있어서의 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내는 것이고, 도면중「외경」이란 회전축과 면의 교점을 중심으로 하는 원의 외경을 말한다. 예컨대, 외경 200 ㎚ 에 있어서의 부호부여 복굴절치란, 중심으로부터의 거리 100 ㎜ 에 있어서의 부호부여 복굴절치를 의미한다 (이하, 동일하다).

(열처리 2)

그리고, 도 5 에 나타낸 열처리장치를 사용하여 상기 열처리 1 에서 얻어진 블록 A 및 B 를 800 ℃ 로 가열하고, 동온도에서 30 분 유지한 후, 스테이지를 내 려 블록을 대기중에 개방하여 강온속도 620 ℃/h 로 냉각했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 상관을 도 11b 에 나타낸다.

상기 열처리후의 블록 A 및 B 에 대하여 얻어진 부호부여 복굴절치의 분포를 도 12b 에 나타낸다. 블록 A 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +0.3 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 B 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -0.2 ㎚/㎝ 였다.

(투영노광장치의 제작)

이와 같이 하여 얻어진 블록 A 및 블록 B 를 렌즈형상으로 가공하고, 상기 식 (1) ∼ (6) 을 사용하여 얻어지는 부호부여 복굴절 특성치에 의거하여 도 8 에 나타낸 투영광학계를 제작했다.

이어서, 얻어진 투영광학계를 사용하여 도 9 에 나타낸 투영노광장치를 제작하고, 그 해상도를 측정한 결과, 가공선폭 0.19 ㎛ 를 달성할 수 있었다.

실시예 2

(열처리 1)

우선, 실시예 1 과 동일한 방법으로 제작한 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부로부터 블록을 잘라내고, 각각 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 C 및 D 를 얻었다.

이어서, 블록 C 및 D 에 대하여 실시예 1 에 있어서의 열처리 1 과 동일한 열처리를 실시했다. 이와 같이 하여 얻어진 블록 C 및 D 의 부호부여 복굴절치 의 분포를 도 14a 에 나타낸다.

(열처리 2)

이와 같이 하여 얻어진 블록 C 및 D 를 도 5 에 나타낸 열처리장치를 사용하여 800 ℃ 로 가열하고, 동온도에서 30 분간 유지한 후, 노내에서 강온속도 70 ℃/h 로 냉각했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 관계를 도 13 에 나타낸다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 블록 C 및 D 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 14b 에 나타낸다. 블록 C 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하고, 그리고 극대점을 넘어 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +1.0 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 D 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -1.0 ㎚/㎝ 였다.

이와 같이 하여 얻어진 블록 C 및 D 를 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 투영노광장치를 제작하여 그 해상도를 평가한 결과, 가공선폭 0.28 ㎛ 를 달성할 수 있었다.

실시예 3

(열처리 1)

우선, 실시예 1 과 동일한 방법으로 제작한 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부에서 블록을 잘라내고, 각각 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 E 및 F 를 얻었다.

이어서, 블록 E 및 F 에 대하여 실시예 1 에 있어서의 열처리 1 과 동일한 열처리를 실시했다. 이와 같이 하여 얻어진 블록 E 및 F 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 16a 에 나타낸다.

(열처리 2)

이와 같이 하여 얻어진 블록 E 및 F 를 도 5 에 나타낸 열처리장치를 사용하여 800 ℃ 로 가열하고, 동온도에서 30 분간 유지한 후, 노외로 꺼내서 시료실로 알루미나 및 실리카를 주성분으로 하는 미립자를 충전하여 강온속도 335 ℃/h 로 냉각했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 관계를 도 15 에 나타낸다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 블록 E 및 F 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 16b 에 나타낸다. 블록 E 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +0.2 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 F 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -0.18 ㎚/㎝ 였다.

이와 같이 하여 얻어진 블록 E 및 F 를 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 투영노광장치를 제작하여 그 해상도를 평가한 결과, 가공선폭 0.12 ㎛ 를 달성할 수 있었다.

비교예 1

(열처리 1)

실시예 1 과 동일한 방법으로 제작한 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부에서 블록을 잘라내고, 각각 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 G 및 H 를 얻었다.

이어서, 블록 G 및 H 에 대하여 상기 열처리 1 과 동일한 열처리를 실시했다. 블록 G 및 H 의 열처리전의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 17a, 열처리후의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 17b 에 각각 나타낸다. 블록 G 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하고, 그리고 극대점을 넘어 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +2.3 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 H 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -3.1 ㎚/㎝ 였다.

이와 같이 하여 얻어진 블록 G 및 H 를 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 투영노광장치를 제작한 결과, 투영광학계 전체의 파면수차가 측정범위를 크게 초과하여 해상도의 평가 (가공선폭의 측정) 를 실시할 수 없었다.

비교예 2

(열처리 1)

우선, 실시예 1 과 동일한 방법으로 제작한 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부로부터 블록을 잘라내고, 각각 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 I 및 J 를 얻었다.

이어서, 블록 I 및 J 에 대하여 실시예 1 에 있어서의 열처리 1 과 동일한 열처리를 실시했다. 이와 같이 하여 얻어진 블록 I 및 J 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 19a 에 나타낸다.

(열처리 2)

이와 같이 하여 얻어진 블록 I 및 J 를 도 5 에 나타낸 열처리장치를 사용하 여 800 ℃ 로 가열하고, 동온도에서 30 분간 유지한 후, 노내에서 강온속도 30 ℃/h 로 냉각했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 관계를 도 18 에 나타낸다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 블록 I 및 J 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 19b 에 나타낸다. 블록 I 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하고, 그리고 극대점을 넘어 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +2.0 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 J 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -2.0 ㎚/㎝ 였다.

이와 같이 얻어진 블록 I 및 J 를 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 투영노광장치를 제작하여 그 해상도를 평가한 결과, 가공선폭이 0.42 ㎛ 로 되어 충분한 해상도를 얻을 수 없었다.

비교예 3

(열처리 1)

우선, 실시예 1 과 동일한 방법으로 제작한 합성석영유리 잉곳의 상부 및 하부에서 블록을 잘라내고, 각각 절단·둥글림가공을 실시하여 직경 300 ㎜, 두께 80 ㎜ 의 블록 K 및 L 을 얻었다.

이어서, 블록 K 및 L 에 대하여 실시예 1 에 있어서의 열처리 1 과 동일한 열처리를 실시했다. 이와 같이 하여 얻어진 블록 K 및 L 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 21a 에 나타낸다.

(열처리 2)

이와 같이 하여 얻어진 블록 K 및 L 을 도 5 에 나타낸 열처리장치를 사용하여 400 ℃ 로 가열하고, 동온도에서 30 분간 유지한 후, 노내에서 280 ℃/h 로 냉각했다. 이 공정에 있어서의 블록의 표면온도와 시간의 관계를 도 20 에 나타낸다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 블록 K 및 L 의 부호부여 복굴절치의 분포를 도 21b 에 나타낸다. 블록 K 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조증가하고, 그리고 극대점을 넘어 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최대치는 +1.7 ㎚/㎝ 였다. 또한, 블록 L 의 경우에는 중심에서 직경방향으로 단조감소하는 부호부여 복굴절치의 분포를 나타내고, 그 최소치는 -1.8 ㎚/㎝ 였다.

이와 같이 하여 얻어진 블록 K 및 L 을 사용하여 실시예 1 과 동일한 방법으로 투영노광장치를 제작하여 그 해상도를 평가한 결과, 가공선폭이 0.39 ㎛ 로 되어 충분한 해상도를 얻을 수 없었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 부호부여 복굴절치의 분포가 충분히 균질화된 합성석영유리를 효율적으로 또한 확실하게 얻을 수 있게 되고, 이와 같이 하여 얻어지는 합성석영유리를 광학계를 구성하는 렌즈 등의 광학부재에 사용함으로써, KrF 엑시머 레이저나 ArF 엑시머 레이저 등의 단파장의 광원을 사용하는 경우라도 광학계에 있어서의 충분히 높은 결상성능 및 투영노광장치에 있어서의 충분히 높은 해상도를 얻을 수 있게 된다. 나아가서는 본 발명의 열처리장치를 상기 본 발명의 제조방법에 사용함으로써 상기 특성을 갖는 합성석영유리 를 보다 효율적으로 또한 확실하게 얻을 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 규소화합물과 산소 및 수소를 함유하는 연소가스를 버너에서 분출시켜 상기 규소화합물을 산수소화염중에서 가수분해시킴으로써 석영유리 미립자를 생성시킨 후, 상기 석영유리 미립자를 상기 버너와 대향하는 타깃상에 퇴적시킴과 동시에 투명화하여 합성석영유리 잉곳 (ingot) 을 얻는 제 1 스텝과,

   상기 제 1 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 잉곳을 절단가공하여 얻어지는 합성석영유리 블록을 900 ℃ 이상의 범위내에 있는 제 1 유지온도까지 가열하여 소정 시간 유지한 후, 500 ℃ 이하의 온도까지 10 ℃/h 이하의 강온속도로 냉각하는 제 2 스텝과,

   상기 제 2 스텝에서 얻어진 합성석영유리 잉곳 또는 합성석영유리 블록을 500 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 범위내에 있는 제 2 유지온도까지 가열하여 소정 시간 유지한 후, 상기 제 2 유지온도보다 100 ℃ 낮은 온도까지 50 ℃/h 이상의 강온속도로 냉각하는 제 3 스텝을 포함하는 합성석영유리의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 스텝에 있어서의 강온속도가 70 ℃/h 이상 800 ℃/h 이하인 합성석영유리의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스텝 및 상기 제 3 스텝에 있어서 동일한 노를 사용하고, 상기 제 2 스텝후, 상기 합성석영유리 잉곳 또는 상기 합성석영유리 블 록을 상기 노외로 꺼내지 않고 연속적으로 제 3 스텝을 실시하는 합성석영유리의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 스텝에 있어서, 합성석영유리 잉곳 또는 합성석영유리 블록을 회전시키면서 가열, 유지 및 냉각을 순차 실시하는 합성석영유리의 제조방법.
5. 내화물로 이루어지는 노와,

   합성석영유리를 탑재하고, 상기 합성석영유리를 노내에 수용하기 위한 제 1 스테이지의 위치와, 상기 합성석영유리를 노외로 꺼내기 위한 제 2 스테이지의 위치 사이를 이동할 수 있는 스테이지와,

   상기 노의 측면에 배치되어 있고, 상기 합성석영유리를 가열하기 위한 발열체와,

   상기 스테이지에 접속되어 있으며, 상기 스테이지를 상기 제 1 스테이지의 위치와 상기 제 2 스테이지의 위치 사이에서 이동시키기 위한 구동부를 구비하는 열처리장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 스테이지를 회전시키기 위한 회전구동부를 더 구비하는 열처리장치.

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