KR20010032101A - Optical component made of silica glass and method for the production thereof - Google Patents

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게르하르트 빌스마이어
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마쯔자끼히로시
신에쯔 세끼에이 가부시키가이샤
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Abstract

염소 프리 규소 화합물을 화염 가수분해시키고 미립 SiO2의 형태로 기판 상에 증착시키고 바로 유리화시켜 제조된 합성 석영 유리로 제조한 250 nm 이하 파장의 자외선 광 전송용 광소자는 이미 공지되었다. 상술한 광소자를 기초로하여, 본 발명은 250 nm 이하 하장의 UV 광 전송용으로 장기간의 안정도를 나타내며 특히 유도 흡수가 저 레벨에서 포화되는 열화 거동을 나타내는 광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 때문에, 석영 유리는 5 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량을 갖는다. 광소자의 제조 방법은, 염소 프리 화합물의 화염 가수분해에 의해 미립 SiO2를 합성하고 기판상에 미립 SiO2를 증착하고 유리화시켜 수소 함유 석영 유리를 형성시키는 합성 수소 함유 석영 유리의 제조를 포함하며, 수소 함유 석영 유리는 수소 감소 처리되고, 수소 함량은 5 ×1016분자/㎤ 이하의 값으로 설정된다.Optical devices for ultraviolet light transmission of wavelengths up to 250 nm made from synthetic quartz glass prepared by flame hydrolyzing a chlorine free silicon compound, deposited on a substrate in the form of fine SiO 2 and immediately vitrified, have been known. On the basis of the optical element described above, an object of the present invention is to provide an optical element exhibiting long-term stability and particularly exhibiting deterioration behavior in which induced absorption is saturated at low levels for UV light transmission of 250 nm or less. For this reason, quartz glass has a hydrogen content of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less. The manufacturing method of the optical device includes the production of synthetic hydrogen-containing quartz glass which synthesizes fine SiO 2 by flame hydrolysis of a chlorine-free compound and deposits and vitrifies fine SiO 2 on a substrate to form a hydrogen-containing quartz glass, The hydrogen containing quartz glass is subjected to hydrogen reduction treatment, and the hydrogen content is set to a value of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less.

Description

석영 유리로 제조된 광소자 및 그 제조 방법 {OPTICAL COMPONENT MADE OF SILICA GLASS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}Optical device made of quartz glass and its manufacturing method {OPTICAL COMPONENT MADE OF SILICA GLASS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 염소 프리 (free) 실리카 화합물을 화염 가수분해하고 미립 SiO2로서 기판에 증착하고 직접 유리화시켜 얻어진 합성 석영 유리로 제조된, 250 nm 이하 파장의 자외선 광 전송용 광소자에 관한 것이다.The present invention relates to an optical element for transmission of ultraviolet light having a wavelength of 250 nm or less, made of synthetic quartz glass obtained by flame hydrolysis of a chlorine free silica compound, deposited on a substrate as fine SiO 2 , and directly vitrified.

또한, 본 발명은 250 nm 이하 파장의 자외선 전송용 합성 석영 유리제 광소자 제조 방법에 관한 것이며, 제조 방법은 염소 프리 실리카 화합물의 화염 가수분해를 통해 미립 SiO2를 합성하고, 기판상에 미립 SiO2를 증착하고 직접 유리화시켜 수소 함유 석영 유리를 형성하는 합성의 수소 함유 석영 유리 제조를 포함한다.The present invention is 250 nm will hereinafter regarding UV transmission composite quartz glass optical element in the manufacturing method for a wavelength, a method is synthesis of fine SiO 2 by flame hydrolysis of a chlorine free silica compounds, and particulate SiO 2 on a substrate Synthesis of hydrogen containing quartz glass, which deposits and directly vitrifies to form hydrogen containing quartz glass.

합성 석영 유리의 광소자는, 예컨대, 반도체 칩 내의 고집적 회로의 제조시의 미세 식각 장비용 노광렌즈, 또는 광섬유 형태로 고파워의 자외선 레이저 빔의 전송을 위해 특별히 사용된다. 근래의 미세식각 장비의 노광 시스템에는 248 nm (KrF 레이저) 또는 193 nm (ArF 레이저) 의 고에너지 펄스화 UV 광을 생성하는 엑시머 레이저가 구비된다. 그러한 단파 UV 광은 광소자에 결함을 야기하여 각각의 석영 유리의 품질 또는 종류에 특유한 흡수를 야기한다. 예컨대, 결함의 양상은 연속적인 UV 광에 대하여 유도 흡수가 선형적으로 증가하는 곳, 또는 초기 상승 후 포화 레벨에 이르는 곳, 또는 야기된 결함이 축적되어 돌발적이고 강한 흡수를 나타내는 곳에서 관찰된다. 후자 결함 양상의 강한 흡수 증가는 SAT 결함으로 문헌에 기재된다.Optical devices of synthetic quartz glass are particularly used for the transmission of high power ultraviolet laser beams, for example in the form of exposure lenses for fine etching equipment in the manufacture of highly integrated circuits in semiconductor chips, or optical fibers. Recent exposure systems for microetching equipment are equipped with excimer lasers that produce high energy pulsed UV light of 248 nm (KrF laser) or 193 nm (ArF laser). Such shortwave UV light causes defects in the optical device, resulting in absorption specific to the quality or type of each quartz glass. For example, the pattern of defects is observed where the induced absorption increases linearly with successive UV light, or where the saturation level is reached after the initial rise, or where the resulting defects accumulate and show sudden and strong absorption. The strong increase in absorption of the latter defect pattern is described in the literature as SAT defects.

석영 유리의 내광성은 밀도, 굴절률 분포, 균질성, 또는 화학 조성과 같은 구조적 특성에 의존한다. 석영 유리의 화학 조성과 손상을 주는 고파워 UV 광하에서의 그것의 거동 사이의 관계는 예컨대 EP 401,845 A1 에 기재된다. 100 내지 1000 wt.ppm 범위의 비교적 높은 OH 함량과, ㎤ 당 (석영 유리의 체적에 대하여) 5 ×1016분자/㎤ 이상의 비교적 높은 수소 농도를 갖는 고순도 석영 유리는 높은 내광성을 갖는다. 내광성에서의 수소의 유익한 작용은 수소가 결함을 치유하여 광 유도 흡수의 증가를 느리게하는데 도움이 된다는 것으로 설명될 수 있다. 그러한 수소의 작용으로 인하여, EP 401,845 A1 에서는 높은 내광성을 필요로하는 광소자에 수소를 충전시킬 것을 추천한다.Light resistance of quartz glass depends on structural properties such as density, refractive index distribution, homogeneity, or chemical composition. The relationship between the chemical composition of quartz glass and its behavior under damaging high power UV light is described, for example, in EP 401,845 A1. High purity quartz glass having a relatively high OH content in the range of 100 to 1000 wt.ppm and a relatively high hydrogen concentration of 5 × 10 16 molecules / cm 3 per cm 3 (relative to the volume of quartz glass) has high light resistance. The beneficial action of hydrogen at light resistance can be explained that hydrogen helps to heal the defect and slow down the increase in light induced absorption. Because of the action of hydrogen, EP 401,845 A1 recommends charging hydrogen to optical devices that require high light resistance.

그러나, 석영 유리의 유사한 화학적 또는 구조적 특성에도 불구하고, 광소자의 열화 양상은 석영 유리를 다른 제조 방법에 의해서 얻는 경우 변할 수 있으며, 또는 심지어 화학적 또는 구조적 차이가 있는 경우에도 그것들이 반드시 관찰된 열화 양상의 원인이 되는 것은 아니다. 따라서 본 발명에 따른 광소자는 그것의 제조 방법에 가장 특징이 있다.However, despite the similar chemical or structural properties of quartz glass, the deterioration pattern of the optical element may change if the quartz glass is obtained by other manufacturing methods, or even if there are chemical or structural differences, they must be observed. It does not cause. Therefore, the optical device according to the present invention is most characterized in its manufacturing method.

실리카 함유 화합물의 화염 가수분해에 의한 합성 석영 유리의 제조 방법은 시작 물질뿐만 아니라, 증착된 SiO2입자를 유리화하는데 사용된 방법에 의해서 구분될 수 있다. SiCl4는 합성 석영 유리의 화염 가수분해 제조시 빈번히 사용되는 시작 물질이다. 그러나, 실란 또는 실로산 (siloxane) 등의 유기 화합물을 포함하는 예컨대, 염소 프리 실리카 등의 다른 물질을 사용할 수도 있다. 알콕시실란을 사용한 석영 유리의 제조는 EP 525,984 A1 에 기재되며; 실로산을 사용한 석영 유리의 제조는 EP 463,045 A1 에 기재된다. 시작 물질을 기초로하여 실질적으로 염소를 함유하지 않는 석영 유리를 제조할 수 있다.The method for producing synthetic quartz glass by flame hydrolysis of silica containing compounds can be distinguished by the method used to vitrify the deposited SiO 2 particles as well as the starting material. SiCl 4 is a frequently used starting material in the production of flame hydrolysis of synthetic quartz glass. However, other materials, such as chlorine-free silica, may also be used, including organic compounds such as silane or siloxane. The preparation of quartz glass using alkoxysilanes is described in EP 525,984 A1; The production of quartz glass using silosic acid is described in EP 463,045 A1. It is possible to produce quartz glass that is substantially free of chlorine based on the starting material.

SiO2입자의 유리화는 기판상에 증착하는 동안에 직접 진행시킬 수 있고, 이하에서는 그것을 ″직접 유리화″ 라 한다. 대조적으로, 수트법 (soot method) 에서는 SiO2입자의 증착 동안에 온도를 매우 낮게 유지하여 다공성 수트 보디 (body) 를 형성시키지만, SiO2입자의 최소의 유리화만이 일어난다. 석영 유리의 유리화 및 제조를 위해 수트 보디를 추가로 소결할 필요가 있다. 양자의 제조 방법에 의해 조밀하고 투명하며 고순도인 석영 유리가 제조된다.The vitrification of SiO 2 particles can proceed directly during deposition on the substrate, hereinafter referred to as ″ direct vitrification ″. In contrast, the soot method keeps the temperature very low during the deposition of SiO 2 particles to form a porous soot body, but only minimal vitrification of the SiO 2 particles occurs. It is necessary to further sinter the soot body for the vitrification and production of quartz glass. Both manufacturing methods produce dense, transparent and high purity quartz glass.

300 nm 이하 파장의 UV 광 전송을 위한 그러한 종류의 광소자, 및 그것의 제조 방법은 EP 780,345 A1 에 공지된다. 그곳에 기재된 소자는 다음과 같이 얻어진다. 합성 석영 유리는 염소 프리 폴리메틸실로산 화합물의 화염 가수분해에 의해서 SiO2입자 형태로 기판상에 증착되고 직접 유리화된다.Optical devices of this kind for the UV light transmission of wavelengths below 300 nm, and methods for their preparation are known from EP 780,345 A1. The device described therein is obtained as follows. Synthetic quartz glass is deposited and directly vitrified on the substrate in the form of SiO 2 particles by flame hydrolysis of the chlorine free polymethylsiloxy acid compound.

엑시머 레이저 (파장: 248 nm, 파워 출력: 360 mJ/㎠) 의 펄스광에 노출되는 경우, 그러한 방식으로 얻어진 광소자의 열화는 통상의 소자와 비교하여 SAT 결함이 없는 특징이 있다. 통상의 소자는 또한 합성 석영 유리로 제조되지만, 염소함유 시작 물질 (SiCl4) 이 그것의 제조시 사용된다. 따라서, 공지된 광소자에서 발견된 결함은 3 ppm 이하의 낮은 염소 함량의 결과일 수 있다.When exposed to pulsed light of an excimer laser (wavelength: 248 nm, power output: 360 mJ / cm 2), deterioration of an optical device obtained in such a manner is characterized by no SAT defects as compared with conventional devices. Conventional devices are also made of synthetic quartz glass, but chlorine-containing starting material (SiCl 4 ) is used in its preparation. Thus, defects found in known optical devices may be the result of low chlorine content of 3 ppm or less.

상술한 방법에 따라 제조된 공지된 광소자에서의 광 유도 흡수가 SAT 결함을 나타내지 않을지라도, 비교적 평탄한 증가를 보인다. 그러나, 그러한 증가가 포화시 끝날 수 있는가와, 설사 있다하더라도 어떠한 포화 레벨이 도달될지는 명확하지 않다. 그러나, 장기간의 안정도가 중요한 곳의 광소자 적용시, 결정적인 인자는 초기의 흡수 증가가 아니라, 포화 지점의 도달과 그것의 절대 레벨이다.Although light induced absorption in known optical devices manufactured according to the method described above does not exhibit SAT defects, it shows a relatively flat increase. However, it is not clear whether such an increase can end upon saturation, and even if any saturation level is reached, if any. However, in photonic applications where long-term stability is important, the decisive factor is not the initial increase in absorption, but the arrival of the saturation point and its absolute level.

따라서, 본 발명의 목적은 250 nm 이하 파장의 UV 광 전송시 장기간의 안정도를 가지며, 특히 유도된 흡수가 낮은 레벨에서 포화되는 열화 양상을 나타내는 광소자를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 그러한 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical device having a long-term stability when transmitting UV light having a wavelength of 250 nm or less, and particularly exhibiting a deterioration pattern in which induced absorption is saturated at a low level. It is also an object of the present invention to provide a method for manufacturing such a device.

그러한 목적은 석영 유리가 5 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량을 갖는 초기에 기재한 광소자를 기초로하여 본 발명에 따라 달성된다.Such an object is achieved according to the invention on the basis of an optical element described earlier in which quartz glass has a hydrogen content of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less.

본 발명에 따른 광소자는, 그 소자가 합성적으로 제조된 석영 유리로 제조되며, 그 석영 유리는 염소 프리 시작 물질의 화염 가수분해에 의해서 합성되며, 그 석영 유리는 증착하는 동안에 직접 유리화되고, 석영 유리의 수소 함량은 5 ×1016분자/㎤ (석영 유리의 체적에 대하여) 를 넘지 않는다는 특징이 있다.The optical device according to the present invention is made of quartz glass from which the device is synthetically produced, the quartz glass is synthesized by flame hydrolysis of a chlorine free starting material, and the quartz glass is directly vitrified during deposition, and quartz The hydrogen content of the glass is characterized by not exceeding 5 × 10 16 molecules / cm 3 (relative to the volume of the quartz glass).

그러한 방식으로 제조된 광소자의 특징적인 열화 양상은 유도 흡수가 초기에는 빠르게 증가하지만, 그후 낮은 레벨의 포화에서 빨리 끊나게 한다. 그러한 특징적인 열화 양상은 명백하게 상술한 바와 같은 제조 변수에 달려있다. 예컨대 합성을 위해 직접 유리화 대신에 수트법이 사용되는 등의 소자 제조시의 한가지 변수가 변경되면 변한다. 특히 놀라운 것은 바라는 내광성을 얻기 위하여 석영 유리의 수소 함량은 5 ×1016분자/㎤ 이하여야 한다는 것이다. 수소는 광 유도 결함을 치유할뿐만 아니라 그 자체가 장기간의 광 조사하에서 매우 현저해지는 결함을 생성시킨다. 5 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량에서는 광유도 흡수의 포화 레벨이 달성될뿐만 아니라, 그 포화 레벨은 높은 수소 함량을 갖는 석영 유리와 비교하여 비교적 낮다.Characteristic degradation patterns of optical devices fabricated in such a manner cause the induced absorption to increase rapidly initially but then to break off quickly at low levels of saturation. Such characteristic degradation aspect obviously depends on the manufacturing parameters as described above. One variable in device fabrication changes, for example, the soot method is used instead of direct vitrification for synthesis. What is particularly surprising is that the hydrogen content of the quartz glass must be less than 5 x 10 16 molecules / cm 3 to achieve the desired light resistance. Hydrogen not only heals light-induced defects, but also creates defects that themselves become very noticeable under prolonged light irradiation. In the hydrogen content of 5 × 10 16 molecules / cm 3 or less, not only the saturation level of photoinduced absorption is achieved, but also its saturation level is relatively low compared to quartz glass having a high hydrogen content.

소자를 제조하는 동안 수소의 존재로 인하여 석영 유리는 유리화 후 상술한 상한인 5 ×1016분자/㎤ 보다 높은 농도의 수소를 함유할 수도 있다. 그러한 상황하에서는 소자로부터 수소를 방출시킬 필요가 있다.Due to the presence of hydrogen during device fabrication, the quartz glass may contain hydrogen at concentrations higher than the above-mentioned upper limit of 5 × 10 16 molecules / cm 3 after vitrification. Under such circumstances it is necessary to release hydrogen from the device.

여기에서 그리고 추가로 이하에서의 수소 함량은 소자의 체적에 대한 평균 (소자에서 고르게 분포된 3 곳 이상 측정 위치의 산술 평균) 수소 함량이다. 그러한 조건이 충족되지 않은 광소자에서는 평균 수소 함량이 적어도 광학적으로 활용되는 영역에서 상술한 최대값 이하이면 충분하다.The hydrogen content here and further below is the mean (the arithmetic mean of three or more measurement positions evenly distributed in the device) of the device volume. In optical devices in which such conditions are not satisfied, it is sufficient that the average hydrogen content is at least equal to or above the above-mentioned maximum value in the area where it is optically utilized.

수소 함량은 ″Khotimchenko″ 등에 의해서 ″Zhumal Prikladnoi Spektroskopii″ vol.46, No.6, (1987) 페이지 987∼991 에 ″Determining the content of Hydrogen Dissoloved in Quartz Glass Using the Methods of Raman Scattering and Mass Spectrometry″ 의 제하로 기재된 라만 측정에 의해서 구해진다. 수소 함량은 석영 유리내의 수소 분자로 인한 4,135 cm-1파 (wave) 에서의 라만 흡수 밴드와, SiO2로 인한 800 cm-1파에서의 라만 흡수 밴드의 표면 인텐시티 (surface intensity) 비율을 구하고 그 비율에 상수 k (k=1.22 ×1021) 를 곱하여 얻어진다. 그 결과가 1 ㎤ 에서의 수소 농도이다.Hydrogen content is determined by `` Khotimchenko '' et al. It is calculated | required by the Raman measurement described below. The hydrogen content is obtained by calculating the ratio of the surface intensity of the Raman absorption band at 4,135 cm -1 wave due to hydrogen molecules in quartz glass and the Raman absorption band at 800 cm -1 wave due to SiO 2 . It is obtained by multiplying the ratio by the constant k (k = 1.22 × 10 21 ). The result is the hydrogen concentration at 1 cm 3.

현재 그러한 측정법에 의하여 수소 레벨을 결정하는 측정능 한계는 5 ×1015분자/㎤ 이다. 특히, 이로운 광소자는 2 ×1016분자/㎤ 이하, 특히 5 ×1015분자/㎤ 의 수소 함량을 갖는 것이며, 그리하여 수소 함량은 현재의 측정능 한계 이하가 된다. 그러한 소자는 고파워의 UV 광에 노출될 때 매우 오랫동안 지속되는 안정성을 갖고 UV 광 유도 흡수의 포화 레벨이 매우 낮게 된다.Currently, the measurable limit for determining the hydrogen level by such a measurement is 5 x 10 15 molecules / cm 3. In particular, advantageous optical elements have a hydrogen content of 2 × 10 16 molecules / cm 3 or less, in particular 5 × 10 15 molecules / cm 3, such that the hydrogen content is below the current measurable limit. Such devices have very long lasting stability when exposed to high power UV light and very low saturation levels of UV light induced absorption.

특히 이로운 열화 양상은, 석영 유리가 400 wt.ppm 이상의 OH 함량을 갖는 경우의 광소자에서 나타난다. 수소 함량과 유사하게, OH 함량은 석영 유리의 체적에 걸친 평균값을 반영하고, 분광학적으로 정해진다.Particularly advantageous aspects of degradation occur in optical devices where the quartz glass has an OH content of at least 400 wt. Ppm. Similar to the hydrogen content, the OH content reflects the mean value over the volume of the quartz glass and is spectroscopically determined.

또한, 최대 1 wt.ppm 의 염소 함량을 갖는 석영 유리가 이롭다. 염소 함량 또한 석영 유리의 체적에 걸친 평균값을 반영하며 습식-화학법 (wet-chemical process) 에 의해서 정해진다. 염소 또는 염소 함유 화합물이 히드록시 이온 또는 오염물을 석영 유리로부터 제거하기 위하여 종종 사용된다. 그러나, 1 wt.ppm 이상의 염소 함량은 광소자의 열화 양상에 유해한 영향을 끼칠수 있다.Also advantageous is quartz glass with a chlorine content of at most 1 wt.ppm. The chlorine content also reflects the mean value over the volume of the quartz glass and is determined by the wet-chemical process. Chlorine or chlorine containing compounds are often used to remove hydroxy ions or contaminants from quartz glass. However, chlorine content of more than 1 wt.ppm may adversely affect the deterioration pattern of the optical device.

공정에 관하여, 상술한 기술적 목적은, 5 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량을 얻도록 수소 함유 석영 유리를 수소 감소 처리시키는 상술한 방법을 기초로 한 본 발명에 따라 달성된다.With regard to the process, the above technical object is achieved according to the present invention based on the above-described method of hydrogen reduction treatment of hydrogen-containing quartz glass to obtain a hydrogen content of 5 × 10 16 molecules / cm 3 or less.

본 발명에 따라 제조된 광소자의 열화 양상의 특성 및 ″수소 함량″ 이란 표현의 의미에 대하여, 상술한 설명을 참조한다. 광소자의 제조시 석영 유리의 수소 함량을 수소 감소 처리에 의해서 5 ×1016분자/㎤ 이하의 값으로 조절하는 것이 중요하다. 상기 처리에 의해서 수소 함량을 규정된 방식으로 조절할 수 있고, 그리하여 처음의 고농도로부터 5 ×1016분자/㎤ 이하의 농도로 재현적으로 조절할 수 있다. 그러한 방식으로 제조된 광소자는 재현적인 열화 양상을 갖는다.For the characteristics of the deterioration aspect of the optical element manufactured according to the present invention and the meaning of the expression "hydrogen content", reference is made to the above description. It is important to adjust the hydrogen content of the quartz glass to a value of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less by the hydrogen reduction treatment in the manufacture of the optical device. By this treatment the hydrogen content can be adjusted in a defined manner, and thus reproducibly from the first high concentration to a concentration of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less. Optical devices manufactured in such a manner have a reproducible deterioration pattern.

바람직한 방법에 따르면, 수소 감소 처리에 의해 석영 유리의 수소 함량이 2 ×1016분자/㎤ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ×1015분자/㎤ 이하, 즉 라만 측정 방법의 현재의 한계 이하 농도가 된다. 그러한 방식으로 제조된 소자는 고파워의 UV 광에 노출되었을 때 매우 우수한 장기간의 안정도를 갖고 광유도 흡수의 포화 레벨이 매우 낮은 특징이 있다.According to a preferred method, the hydrogen reduction treatment results in a hydrogen content of quartz glass of 2 × 10 16 molecules / cm 3 or less, more preferably of 5 × 10 15 molecules / cm 3 or less, i.e. below the current limit of the Raman measurement method. . Devices fabricated in such a manner are characterized by very good long term stability when exposed to high power UV light and very low saturation levels of light induction absorption.

바람직하게는, 수소 감소 처리는 석영 유리의 열처리, 진공에서의 처리, 및/또는 화학적으로 반응성인 분위기에서의 처리를 포함한다. 상술한 처리 방법은 택일적으로 또는 중복하여 사용할 수 있다. 그렇지만, 예컨대 불활성 가스 또는 진공에서의 열처리와 같은 수소가 없는 분위기에서의 열처리 (이하 '템퍼링' 이라함) 가 석영 유리의 수소 함량 조절에 특히 효과적이다. 그 방법은 유리화후에 매우 높은 수소 함량을 가지며 열성형 (heat shaping) 또는 균질화 (homogenizing) 와 같은 임의의 부수적인 처리가 필요한 석영 유리에 적용한다. 수소는 템퍼링 동안에 석영 유리 블랭크 (blank) 로부터 확산하고, 표면 근처의 부위의 수소가 먼저 소실된 후 블랭크 중앙 부위의 수소가 소실된다. 따라서, 블랭크로부터 소자를 제조한 후 의도한대로 사용할 때 높은 광학적 로드가 가해지는 영역에서의 수소 함량을 충분히 감소시키는 것이 중요하며, 일반적으로 그러한 영역은 정확히 블랭크의 중심 영역이다. 수소를 제거하는 동안에, 수소를 바라는 정도까지 제거하기 위해서는 온도, 템터링 기간 및 템퍼링 분위기의 조절시 석영 유리 블랭크의 두께 또는 벽 두께를 고려해야 한다. 석영 유리의 템퍼링은, 예컨대, 석영 유리의 특성에 악영향을 끼치는 기계적 응력의 제거를 위해서 통상적으로 자주 사용된다. 수소의 제거를 위해 여기에 제안된 템퍼링은 본 발명에 따른 석영 유리가 5 ×1016분자/㎤ 이하, 바람직하게는 2 ×1016분자/㎤ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ×1015분자/㎤ 이하의 평균 수소 함량을 갖는다는 점에서 공지된 템퍼링 방법과는 그 목적 및 결과가 다르다.Preferably, the hydrogen reduction treatment includes heat treatment of the quartz glass, treatment in vacuum, and / or treatment in a chemically reactive atmosphere. The above-described processing methods can be used alternatively or in duplicate. However, heat treatment in a hydrogen-free atmosphere such as heat treatment in an inert gas or vacuum (hereinafter referred to as 'tempering') is particularly effective for controlling the hydrogen content of quartz glass. The method applies to quartz glass which has a very high hydrogen content after vitrification and requires any additional treatment such as heat shaping or homogenizing. Hydrogen diffuses from the quartz glass blank during tempering, and the hydrogen in the region near the surface is first lost and then the hydrogen in the central region of the blank is lost. Therefore, it is important to sufficiently reduce the hydrogen content in areas where high optical loads are applied when intended to be used after fabricating the device from the blanks, and in general such areas are exactly the center areas of the blanks. During the removal of hydrogen, the thickness or wall thickness of the quartz glass blank must be taken into account in adjusting the temperature, tempering period and tempering atmosphere to remove hydrogen to the desired extent. Tempering of quartz glass is commonly used, for example, for the removal of mechanical stresses which adversely affect the properties of quartz glass. The tempering proposed here for the removal of hydrogen is such that the quartz glass according to the invention has a 5 × 10 16 molecule / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 molecules / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 15 molecules / cm 3 The purpose and result differ from the known tempering method in that it has the following average hydrogen content.

수소를 함유하는 석영 유리가 가장 작은 측면의 치수가 100 mm, 바람직하게는 80 mm 를 초과하지 않는 중간 생성품으로 성형되는 경우와, 수소 감소 처리가 중간 생성품에 부분적으로 또는 완전히 실행되는 경우에 상기 방법이 특히 효율적이다. 수소 감소 처리는 예컨대, 템퍼링 동안 수소의 외부 확산과 같은 석영 유리에서의 확산 프로세스에 기초를 둔다. 상대적인 층 두께는 확산에 소요되는 시간에 중요한 인자이다. 예컨대, 미세식각 장치의 렌즈는 250 mm 의 직경과 100 mm 의 두께를 가질 수 있다. 따라서 석영 유리 블랭크는 300 mm 의 직경과 100 mm 이상의 두께를 가질 필요가 있다. 그러한 소자에서의 적절한 수소 감소 처리는 경제적이지 않는 매우 긴 처리 시간을 요할 것이다. 온도 증가에 의해서 확산 프로세스는 가속될 수 있지만, 소자의 플라스틱 변형 또는 열적으로 유도된 다른 손상을 이끌기 때문에 온도를 상승시키는데는 한계가 있다. 그러한 문제를 해결하기 위하여, 수소 함유 석영 유리로부터 중간 생성품을 형성하고 그 치수를 수소가 쉽게 제거될 수 있게 선택한다. 가장 작은 측면 치수는 예컨대, 로드 (rod) 형상 중간 생성품의 외부 직경이거나, 관형 생성품의 벽 두께, 또는 디스트 형상 생성품의 두께가 된다. 그러한 중간 생성품은 경제적인 기간내에 수소 감소 처리를 할 수 있게 한다. 석영 유리의 추가의 처리에 의해서 본 발명 내에서 수소를 완전히 감소시킬 수 있다면 상기 방법은 중간 생성품에서의 수소 함량이 상기한 최대값 이하가 되지는 않지만 단지 감소시키는데는 충분하다. 소자는 다음의 단계에서 상기 중간 생성품으로부터 제조된다.When the quartz glass containing hydrogen is formed into an intermediate product whose dimension of the smallest side does not exceed 100 mm, preferably 80 mm, and when the hydrogen reduction treatment is partially or completely performed on the intermediate product. The method is particularly efficient. Hydrogen reduction treatment is based on diffusion processes in quartz glass, such as, for example, external diffusion of hydrogen during tempering. Relative layer thickness is an important factor in the time taken for diffusion. For example, the lens of the microetching device may have a diameter of 250 mm and a thickness of 100 mm. The quartz glass blank therefore needs to have a diameter of 300 mm and a thickness of at least 100 mm. Proper hydrogen reduction treatment in such devices will require a very long treatment time which is not economical. The diffusion process can be accelerated by increasing temperature, but there is a limit to raising the temperature because it leads to plastic deformation of the device or other thermally induced damage. To solve such a problem, an intermediate product is formed from the hydrogen containing quartz glass and its dimensions are selected so that hydrogen can be easily removed. The smallest lateral dimension is, for example, the outer diameter of the rod-shaped intermediate product, the wall thickness of the tubular product, or the thickness of the dish-shaped product. Such intermediates allow for hydrogen reduction treatment in economic terms. If the hydrogen can be completely reduced in the present invention by further treatment of the quartz glass, the method is sufficient to reduce but not reduce the hydrogen content in the intermediate product below the above maximum value. The device is manufactured from the intermediate product in the next step.

석영 유리의 균질화는 중간 생성품을 형성할 때 성공적이었다. 석영 유리의 균질화 처리는 존재하는 스트랜드 (strand) 를 빈번히 제거할 필요가 있다. 석영 유리는 균질화 동안에 플라스틱 변형된다. 그러한 균질화 동안에 중간 생성품을 성형한 후 수소 감소처리시키는 것이 제안된다.Homogenization of quartz glass was successful when forming intermediate products. Homogenizing treatment of quartz glass needs to remove the existing strand frequently. Quartz glass deforms plastic during homogenization. Hydrogen reduction treatment is proposed after shaping the intermediate product during such homogenization.

이하 도면과 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 광소자 및 방법을 상세히 설명한다. 단일 도면은 두 흡수 커브를 도시하며, 커브중 하나는 본 발명에 따른 광소자의 열화 양상을 반영하고, 다른 하나는 종래 기술에 따른 열화 양상을 반영하고 있다. 레이저 펄스의 수는 도 1 에서 X 축에 나타내고, 흡수 계수 (베이스 e 에 대한 1/cm) 는 Y 축에 나타낸다.Hereinafter, an optical device and a method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings and embodiments. The single figure shows two absorption curves, one of which reflects the degradation aspect of the optical device according to the present invention, and the other reflects the degradation aspect according to the prior art. The number of laser pulses is shown on the X axis in FIG. 1, and the absorption coefficient (1 / cm for base e) is shown on the Y axis.

이하, 실시예를 이용하여 본 발명에 따른 광소자의 제조를 설명한다.Hereinafter, the manufacture of an optical device according to the present invention will be described using an embodiment.

평탄면중의 한쪽이 수직으로 하방을 향하도록 디스크 형상 기판을 배치한다. 4 개의 링 노즐에 의해서 동축으로 둘러싸인 중심 노즐을 구비한 증착 버너를 기판 하부에 배치한다. 증착 버너는 기판을 향해 있고 기판은 중심축을 중심으로 회전한다. 캐리어 가스 (질소) 에 의해 메틸트리메톡시실란을 증착 버너의 중심 노즐에 공급하고, 다른 노즐에는 (안쪽에서 부터 바깥쪽으로 순서대로) 분리가스 (질소), 산소, 그리고 가장 바깥쪽에 수소를 공급한다. 산소와 수소는 반응하여 산수소 화염 (oxyhydrogen flame) 을 형성하고 중앙 노즐로부터 나오는 메틸트리메톡시실란이 가수분해되어 미립 SiO2의 형태로 기판에 증착된다. 기판에 증착된 SiO2는 로드형상 석영 유리 블랭크를 형성하는 동안에 산수소 화염의 열에 의해서 즉시 유리화된다. 사용된 시작 물질로 인하여 석영 유리 블랭크는 실질적으로 염소가 없다 (염소 함량은 1 wt.ppm 이하이다).The disk-shaped board | substrate is arrange | positioned so that one of the flat surfaces may face vertically downward. A deposition burner having a center nozzle coaxially surrounded by four ring nozzles is disposed below the substrate. The deposition burner is towards the substrate and the substrate rotates about the central axis. Carrier gas (nitrogen) supplies methyltrimethoxysilane to the central nozzle of the deposition burner, while the other nozzles (in order from inner to outer) separate gas (nitrogen), oxygen and hydrogen to the outermost. . Oxygen and hydrogen react to form an oxyhydrogen flame, and methyltrimethoxysilane from the central nozzle is hydrolyzed and deposited on the substrate in the form of fine SiO 2 . SiO 2 deposited on the substrate is immediately vitrified by the heat of an oxyhydrogen flame during the formation of rod-shaped quartz glass blanks. Due to the starting materials used, the quartz glass blanks are substantially free of chlorine (chlorine content is less than 1 wt. Ppm).

그후, 석영 유리 블랭크는 균질화를 위하여 석영 유리 회전 기기에 위치시키고 약 2,000 ℃ 까지 가열시키며 뒤튼다. 적절한 균질화 방법은 EP 673,888 A1 에 기재된다. 석영 유리를 반복하여 뒤틀고 난 후에 보디는 80 mm 의 직경과 800 mm 의 길이를 갖고 입체적으로 스트랜드가 없으며, 체적에 걸친 평균 수소 함량이 약 5 ×1017분자/㎤ 이며, OH 함량이 약 900 vol.ppm 인 둥근 로드 형태가 된다. 둥근 로드는 진공하에서 200 시간동안 1,100 ℃ 온도에서 템퍼링함으로써 수소 감소 처리된다. 그후, 둥근 로드의 평균 수소 농도는 약 3 ×10㎤ 분자/㎤ 이다.The quartz glass blanks are then placed in a quartz glass rotating machine for homogenization and heated and twisted to about 2,000 ° C. Suitable homogenization methods are described in EP 673,888 A1. After repeated twisting of the quartz glass, the body has a diameter of 80 mm and a length of 800 mm, no three-dimensional strands, an average hydrogen content of about 5 × 10 17 molecules / cm 3, and an OH content of about 900 It will be in the form of a round rod, vol.ppm. Round rods are hydrogen reduced by tempering at 1,100 ° C. for 200 hours under vacuum. The average hydrogen concentration of the round rod is then about 3 x 10 cm 3 molecules / cm 3.

외경이 240 mm 이고, 길이가 90 mm 인 환상 석영 유리 블록이 1,700 ℃ 에서의 가열 성형 및 질소 플러쉬드 (flushed) 몰드 사용에 의해서 둥근 로드로부터 제조된다.Annular quartz glass blocks having an outer diameter of 240 mm and a length of 90 mm are made from round rods by heating molding at 1,700 ° C. and using nitrogen flushed molds.

석영 유리 블록이 대기압 공기중에서 1,100 ℃ 까지 가열되고 1℃/hr 속도로 냉각되는 추가의 템터링 단계 이후에, 스트레인 더블 굴절 (strain double refraction) 은 최대 2 nm/cm 이고 굴절률은 최대와 최소 굴절률 차이가 1 ×10-6인 정도로 균일하다. 석영 유리 블록의 수소 함량은 라만법에 의해서는 더이상 관찰되지 않아서 5 ×1015분자/㎤ 이하가 되며, 평균 OH 함량은 약 900 wt.ppm 에서 변경되지 않는다. 이러한 방식으로 제조된 석영 유리 블록은 미세식각 장비에서의 광학 렌즈 제조용인 블랭크로서 직접 사용하는데 적합하다.After an additional tempering step in which the quartz glass block is heated to 1,100 ° C in atmospheric air and cooled at 1 ° C / hr, the strain double refraction is up to 2 nm / cm and the refractive index is the difference between the maximum and the minimum refractive index. Is uniform to a degree of 1 × 10 −6 . The hydrogen content of the quartz glass block is no longer observed by the Raman method so that it is 5 × 10 15 molecules / cm 3 or less, and the average OH content does not change at about 900 wt. Ppm. The quartz glass blocks produced in this way are suitable for direct use as blanks for the manufacture of optical lenses in microetch equipment.

도 1 에 도시된 열화 양상을 갖는 테스트 샘플을 변형 방법으로 제조하였다. 그러한 변형예에서는 수소 감소 처리의 절차없이 템퍼링에 의해서 로드를 뒤튼후 바로 석영 유리 블록을 형성시켰다. 10×10×40 mm 의 치수를 갖는 2 개의 실린더형 테스트 샘플 (A 및 B) 을 석영 유리 블록으로부터 절단한 후 4 개의 긴 사이드를 연마하였다.Test samples having the degradation aspect shown in FIG. 1 were prepared by a modification method. In such a variant, quartz glass blocks were formed immediately after the rod was twisted by tempering without the procedure of hydrogen reduction treatment. Two cylindrical test samples (A and B) having dimensions of 10 × 10 × 40 mm were cut from the quartz glass blocks and then four long sides were polished.

그후, 테스트 샘플 (B) 을 공기중에서 5 시간동안 800℃ 의 온도까지 가열하는 통상적인 템퍼링 프로그램으로 처리하였다. 템퍼링 처리후 테스트 샘플 (B) 의 평균 수소 함량은 1 ×1017분자/㎤ 이고 평균 OH 함량은 900 wt.ppm 이였다.The test sample (B) was then subjected to a conventional tempering program which was heated in air for 5 hours to a temperature of 800 ° C. The average hydrogen content of the test sample (B) after the tempering treatment was 1 × 10 17 molecules / cm 3 and the average OH content was 900 wt.ppm.

테스트 샘플 (A) 은 수소 감소처리하였고, 그 처리는 샘플 (B) 와 유사하게 800 ℃ 의 온도까지 가열하지만 그 기간은 15 시간인 처리로 이루어졌다. 그러한 템퍼링 후의 샘플 (A) 의 평균 수소 함량은 5 ×1015분자/㎤ 이고 평균 OH 함량은 900 wt.ppm 이였다.The test sample (A) was hydrogen reduced and the treatment consisted of a treatment that heated up to a temperature of 800 ° C. similarly to sample (B) but with a duration of 15 hours. The average hydrogen content of the sample (A) after such tempering was 5 × 10 15 molecules / cm 3 and the average OH content was 900 wt.ppm.

테스트 샘플 (A 및 B) 을 UV 엑시머 레이저 광 (파장 = 193 nm, 임펄스 에너지 = 100 mJ/cm2, 펄스 반복율 = 200 Hz) 에 노출시키고 동시에 파장 193 nm 에서의 전송도를 측정하였다. 그 결과의 흡수 커브를 도 1 에 나타내었고 테스트 샘플 A 에는 ″A″ 로 표시하였고, 테스트 샘플 B 에는 ″B″ 로 표시하였다.Test samples (A and B) were exposed to UV excimer laser light (wavelength = 193 nm, impulse energy = 100 mJ / cm 2 , pulse repetition rate = 200 Hz) and at the same time the transmission at wavelength 193 nm was measured. The resulting absorption curve is shown in FIG. 1 and denoted as ″ A ″ for test sample A and ″ B ″ for test sample B. FIG.

다음의 열화 양상을 흡수 커브로부터 알 수 있다.The following deterioration pattern can be seen from the absorption curve.

본 발명에 따른 광소자의 흡수 커브 ″A″ 는 초기에 단차가 커지고 석영 유리의 빠른 열하를 나타내지만, 약 1,000,000 의 임펄스후에 열화는 약 0.12 cm-1의 흡수 계수의 절대값에서 포화되어 멈추며, 이는 그러한 조건하에서 매우 낮은 포화 레벨이다.The absorption curve ″ A ″ of the optical element according to the invention initially shows a large step and shows rapid heat drop of quartz glass, but after about 1,000,000 impulses, the degradation stops at the absolute value of the absorption coefficient of about 0.12 cm −1 . Very low saturation level under such conditions.

대조적으로, 테스트 샘플 B 인 종래기술에 따른 광소자의 흡수 커브 ″B″ 는 거의 일정한 비율로 천천히 증가한다. 샘플 B 에서는 15,000,000 펄스까지 유도흡수의 포화가 보이지 않는다. 5,000,000 펄스에서 흡수 커브 ″A″ 와 ″B″ 가 엇갈린다. 이는 높은 임펄스 수에서 본 발명에 따른 광소자의 전송능이 다른 광소자의 전송능보다 우수함을 보여준다. 이는 본 발명에 따른 광소자가 장기간의 안정도와 관련하여 우수한 열화 양상을 갖는다는 것을 보여준다.In contrast, the absorption curve ″ B ″ of the optical element according to the prior art, which is the test sample B, slowly increases at an almost constant rate. Sample B shows no saturation of the induced absorption up to 15,000,000 pulses. At 5,000,000 pulses, the absorption curves ″ A ″ and ″ B ″ are staggered. This shows that the transmission capability of the optical device according to the present invention is superior to that of other optical devices at a high impulse number. This shows that the optical device according to the present invention has an excellent deterioration pattern with respect to long term stability.

Claims (11)

염소 프리 실리카 화합물의 화염 가수분해에 의해서 생성되어 미립 SiO2의 형태로 기판상에 증착된 후 직접 유리화된 합성 석영 유리로 제조된 250 nm 이하 파장의 UV 광 투과용 광소자에 있어서, 석영 유리는 5 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 광소자.In the optical device for transmitting UV light having a wavelength of 250 nm or less, which is produced by flame hydrolysis of a chlorine-free silica compound, deposited on a substrate in the form of fine SiO 2, and made of directly vitrified synthetic quartz glass, An optical device having a hydrogen content of 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less. 제 1 항에 있어서, 상기 석영 유리는 2 ×1016분자/㎤ 이하의 수소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 광소자.The optical device according to claim 1, wherein the quartz glass has a hydrogen content of 2 x 10 16 molecules / cm 3 or less. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 석영 유리는 5 ×1015분자/㎤ 이하의 수소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 광소자.The optical device according to claim 1 or 2, wherein the quartz glass has a hydrogen content of 5 x 10 15 molecules / cm 3 or less. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 석영 유리는 400 wt.ppm 이상의 OH 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 광소자.The optical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the quartz glass has an OH content of 400 wt. Ppm or more. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 석영 유리는 최대 1wt.ppm 의 염소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 광소자.The optical device according to claim 1, wherein the quartz glass has a chlorine content of at most 1 wt.ppm. 염소 프리 실리카 화합물의 화염 가수분해를 통하여 미립 SiO2을 합성하고, 기판상에 미립 SiO2를 증착 및 유리화 하면서 수소 함유 석영 유리를 형성시켜 제조된 합성의 수소 함유 석영 유리의 제조를 포함하는, 250 nm 이하 파장의 UV 광 전송용 석영 유리제 광소자의 제조 방법에 있어서, 수소 함유 석영 유리는 수소 감소 처리되고 그 처리 동안 수소의 함량은 5 ×1016분자/㎤ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 방법.250, comprising preparing a synthetic hydrogen-containing quartz glass prepared by synthesizing particulate SiO 2 through flame hydrolysis of a chlorine-free silica compound, and forming a hydrogen-containing quartz glass while depositing and vitrifying the fine SiO 2 on a substrate. A method for producing a quartz glass optical element for UV light transmission having a wavelength of less than or equal to nm, wherein the hydrogen-containing quartz glass is subjected to a hydrogen reduction treatment and the content of hydrogen is 5 x 10 16 molecules / cm 3 or less during the treatment. 제 5 항에 있어서, 상기 수소 감소 처리에서 상기 석영 유리의 수소 함량은 2 ×1016분자/㎤ 이하, 바람직하게는 5 ×1015분자/㎤ 이하의 수준으로 되는 것을 특징으로 하는 방법.6. The method according to claim 5, wherein the hydrogen content of the quartz glass in the hydrogen reduction treatment is at a level of 2 x 10 16 molecules / cm 3 or less, preferably 5 x 10 15 molecules / cm 3 or less. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 수소 감소 처리는 석영 유리의 열처리, 진공 처리 및/또는 화학적으로 활성인 분위기에서의 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.8. A method according to claim 6 or 7, wherein the hydrogen reduction treatment comprises heat treatment, vacuum treatment and / or treatment in a chemically active atmosphere of quartz glass. 전항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 함유 석영 유리는 측면 길이가 100 mm, 바람직하게는 80 mm 를 초과하지 않는 중간 생성품으로 형성되고, 상기 수소 감소처리가 상기 중간 생성품에 부분적으로 또는 완전히 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The hydrogen-containing quartz glass of claim 1, wherein the hydrogen-containing quartz glass is formed of an intermediate product having a lateral length not exceeding 100 mm, preferably 80 mm, wherein the hydrogen reduction treatment is partially or completely applied to the intermediate product. Characterized in that it is carried out. 제 9 항에 있어서, 상기 석영 유리는 상기 중간 생성품이 형성되는 동안에 균질화되는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 9, wherein the quartz glass is homogenized while the intermediate product is formed. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 석영 유리는 균질화되고 상기 수소 감소 처리는 상기 석영 유리의 균질화 이전에 부분적으로 또는 완전히 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method according to any one of claims 6 to 9, wherein the quartz glass is homogenized and the hydrogen reduction treatment occurs partially or completely before homogenization of the quartz glass.
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