(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス合成炉内に設けられたインゴット形成用ターゲットに、石英ガラス合成用バーナーによりＳｉ化合物ガス，酸素含有ガスおよび水素含有ガスを噴出し、Ｓｉ化合物の火炎加水分解反応を利用して前記ターゲット上に石英ガラスインゴットを形成するために、前記石英ガラス合成用バーナーと前記石英ガラスインゴットの合成面との距離がほぼ一定になるように前記インゴット形成用ターゲットを前記石英ガラス合成用バーナーから離れる方向に移動させる石英ガラス製造方法において、
前記石英ガラスインゴットについてその合成面から１２００℃の温度位置までのインゴット成長方向の温度勾配を、前記合成面の温度から前記１２００℃までのいずれの温度領域においても５０℃／ｈ以下とし、且つ、前記１２００℃の温度位置から１０００℃の温度位置までのインゴット成長方向の温度勾配を、前記１２００℃から前記１０００℃までのいずれの温度領域においても３０℃／ｈ以上とすることを特徴とする石英ガラス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合成石英ガラスの製造に用いられる石英ガラス製造装置および石英ガラス製造方法、並びに石英ガラス光学部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハ上に集積回路の微細パターンを露光・転写する投影露光装置では、照明光学系あるいは投影光学系のレンズに用いられるガラス材として、従来の光学ガラスに代えて合成石英ガラスや蛍石（CaF2）などのフッ化物単結晶を用いることが提案されている。このような投影露光装置の光学系などに用いられる石英ガラスには、紫外光の高透過性と屈折率の高均質化が要求される。
【０００３】
例えば、投影レンズ用の石英ガラスには、３方向に脈理が無く、光軸方向の屈折率均質性Δｎが４×１０-6以下、かつ、レンズの光軸方向の屈折率分布が中央対称性を有し、非回転対称成分のＲＭＳ（二乗平均平方根）値が０．００５０λ以下（λは光の波長を表す）、回転対称成分を２次および４次でカーブフィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が０．００５０λ以下であって、さらに、歪の最大値と最小値との差が２．０（ｎｍ／ｃｍ）以下であることが要求されている。
【０００４】
一方、紫外光の高透過性を実現するためには、石英ガラス中の不純物の濃度を抑制する必要がある。このため、底部に開口部を有する炉と、この開口部に対向するターゲットと、石英ガラス合成用のバーナーとを備え、石英ガラスの原料となるＳｉ化合物ガスと加熱のための燃焼ガスとをバーナーから流出させ、火炎内で石英ガラスを堆積させる火炎加水分解法により石英ガラスを製造する装置が提案されている。この火炎加水分解法によれば、不純物の混入を抑制することが容易であるため、高純度の石英ガラスが得られる。
【０００５】
しかしながら、火炎加水分解法により製造される石英ガラスは、不純物の濃度は低く抑えられるが、温度分布が不均一なことにより生じる脈理や、径方向の屈折率、歪の均質性に関しては満足のいくものが得られていないことがあった。ここで、屈折率の均質性は、ターゲット上にインゴットが形成されるときのインゴットの径方向の温度分布に依存すると考えられる。このため、屈折率の均質性を最適化するようにインゴットのヘッド部の温度分布を調節すべく、ターゲットを回転させるとともに、インゴットのヘッド部の温度分布に応じてバーナーとインゴットとを相対的に平面移動させるようにした石英ガラスの製造装置が提案されている（特開平６−２３４５３１号公報）。この装置によれば、屈折率の均質性を最適化するような温度分布を形成し、その結果として石英ガラスの均質性を向上させることができる。
【０００６】
ところで、このような石英ガラス製造装置では、インゴット合成時に発生する塩素ガスなどを排気するための排気口を備えており、炉の底部に形成された開口部から排気を行うための二次空気が供給される。しかし、合成が進行するにつれてインゴットが開口部方向に降下するため、開口部の開口面積が時間の経過とともに小さくなり、排気効率が低下して炉内の温度が上昇する。炉内温度の上昇によりインゴット合成面付近の温度も上昇するので、インゴットの粘度が低下してインゴットの「つぶれ」が生じるおそれがあった。
【０００７】
このような場合、温度上昇を防止するためにバーナーからの燃焼ガスの流量を小さくする等が考えられるが、バーナーからの供給熱量の差や炉内の温度分布が生じるために、脈理が発生してインゴットの品質低下を招いてしまう。そのため、上記開口部の下部に開口面積を制御できる可変開口を設けて、開口部からの二次空気の量を調整して炉内の温度分布を最適化するようにした石英ガラス製造装置が提案されており（特開平１０−２３６８３７号公報）、この装置によれば脈理によるインゴットの品質低下を抑えることができる。
【０００８】
さらに、インゴット成長方向に一様な温度勾配が形成されていないと、インゴットが受ける熱履歴が変動して品質が不安定となるが、特開平８−８１２２４号公報においてこのような問題に対処できる装置が提案されている。この装置では、合成面より下部における歪点から石英ガラスの安定状態までの温度領域において、インゴットあるいは炉壁を冷却して温度勾配を一様にする機構を設けている。その結果、インゴット成長方向の屈折率均質性のばらつきを低減することができた。ここで、歪点とは歪応力の拡散の可否を分ける温度のことであり、安定状態とは屈折率均質性の低下が生じない温度領域を指す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した装置では、インゴットの引き下げによりバーナーの火炎が当たっている部分およびその近辺しか歪点より高温とならず、高温域での保持時間が短い。一方、粘性の高い石英ガラス中では、歪応力の拡散は上述した歪点より高温の温度領域でのみ生じ、かつ、その拡散速度が遅いという性質がある。そのため、従来の装置では充分な歪除去を行うことができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、歪の少ない石英ガラスインゴットを合成することができる石英ガラス製造装置および石英ガラス製造方法、並びに歪の少ない石英ガラス光学部材を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明は、石英ガラス合成炉内に設けられたインゴット形成用ターゲットに、石英ガラス合成用バーナーによりＳｉ化合物ガス，酸素含有ガスおよび水素含有ガスを噴出し、Ｓｉ化合物の火炎加水分解反応を利用してターゲット上に石英ガラスインゴットを形成するために、石英ガラス合成用バーナーと石英ガラスインゴットの合成面との距離がほぼ一定になるようにインゴット形成用ターゲットを石英ガラス合成用バーナーから離れる方向に移動させる石英ガラス製造方法において、石英ガラスインゴットについてその合成面から１２００℃の温度位置までのインゴット成長方向の温度勾配を、合成面の温度から１２００℃までのいずれの温度領域においても５０℃／ｈ以下とし、且つ、１２００℃の温度位置から１０００℃の温度位置までのインゴット成長方向の温度勾配を、１２００℃から１０００℃までのいずれの温度領域においても３０℃／ｈ以上とすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による石英ガラス製造装置の一実施の形態を示す図であり、装置の概略構成を示す断面図である。釣り鐘形状の炉１は開口９ａが形成された炉床板９上に設置されており、炉１の周囲は炉枠８で覆われている。炉１の内部には石英ガラスインゴット形成用のターゲット５が設けられており、炉１の上部にはターゲット５に噴出口を向けて設置された石英ガラス合成用のバ−ナー６が設けられている。バ−ナー６は石英管の多重管からなり、石英ガラスの原料であるケイ素（Ｓｉ）化合物（例えば、SiCl4）のガス、酸素含有ガス（例えば、Ｏ2）および水素含有ガス（例えば、Ｈ2）が多重管を構成する別々の管からそれぞれターゲット５に向けて供給される。
【００１４】
なお、インゴット１１のヘッド部の温度分布調整のために、ターゲット５はモータ１２により回転駆動されるとともに、モータ１５により図示左右方向（矢印方向）に揺動駆動される。また、ターゲット５上に形成されたインゴット１１の成長に対応して、ターゲット５をモータ１６により図示下方に下げて、インゴット１１のヘッド部とバーナー６との距離が所定の値となるように調整する。モータ１２，１５，１６は制御装置２０で制御される。
【００１５】
炉枠８には石英ガラス合成時に炉１内に発生する排ガスを外部に排出するための排気ロ７が形成されており、排気ロ７から排出された排ガスは、炉枠８に設けられた排気管１２を介して不図示の排気処理装置（排気ファンやスクラバー等により構成される）に送られる。１０は炉１内の温度を測定するための熱電対であり、１７は熱電対１０用のコントローラである。なお、図示しなかったが、炉１および炉枠８には外部から炉１内を観察するための炉内監視用窓が設けられており、炉内監視用窓の外側に設けられたＣＣＤカメラ等の炉内監視用カメラにより炉内の様子を撮影することができる。特に、インゴット１１の石英ガラス合成面とバーナー６との距離の把握に活用される。
【００１６】
炉１の中間部にはインゴット１１を加熱するための加熱バーナー２が、インゴット１１に向けて水平に配設されている。加熱バーナー２は石英管の二重管から成り、二重管の内側の石英管からは可燃性ガスである水素含有ガスが炉１内に供給され、外側の石英管からは支燃性ガスである酸素含有ガスが供給される。これらのガスは加熱ガス供給装置１８から供給され、加熱バーナー２から噴出された水素含有ガスおよび酸素含有ガスは、炉内温度が高温（１０００℃以上）なため反応して火炎流となりインゴット１１を加熱する。加熱バーナー２の下側には先端をインゴット１１に向けて配設された冷却ノズル３が設けられており、冷却ガス供給装置１９から供給される冷却エアーがこの冷却ノズル３からインゴット１１に向けて噴出される。加熱ガス供給装置１８および冷却ガス供給装置１９からのガス供給量は、熱電対１０により測定された炉内温度に基づいて制御装置２０により制御される。
【００１７】
図２は図１に示した炉１を炉底部側から見た図であり、炉床板９の下側には水平方向に開閉自在な開閉蓋４が二対設けられている。これらの開閉蓋４をモータ４Ａにより図示上下方向および左右方向に開閉駆動することにより、炉底部の開口面積を調整することができる。開閉蓋４としては、水平方向に駆動する枠体に耐火ボードを取り付けたもの等が用いられる。このような開閉蓋４を用いて炉底部の開口面積を制御することによって、図１に示す開口９ａから炉１内に流入する二次空気（排ガスの排気に利用される）の流量を制御することができる。その結果、バーナー６および炉中間部に設けた加熱バーナー２からの熱供給量を一定に保ったまま、炉１内の温度を制御することが可能となる。炉１内の温度は熱電対１０により測定され、測定された炉１内の温度分布に基づいて温度制御が行われる。
【００１８】
ターゲット５上にインゴット１１を形成する際には、図３に示すようにターゲット５とバーナー６との間隔が所定の距離になるようにターゲット５を位置決めし、ターゲット５を石英ガラス形成に充分な温度（２０００℃以上）に加熱する。その後、石英ガラスの原料であるケイ素化合物のガスと、燃焼ガス（可燃性の水素含有ガスと支燃性の酸素含有ガス）とをバーナー６からターゲット５に向けて噴出させる。バーナー６から噴出された燃焼ガスは高温雰囲気によりにより酸水素火炎を形成し、ケイ素化合物が酸水素火炎中で加水分解されてシリカ（SiO2）の微粒子が生成される。酸水素火炎中で生成されたシリカの微粒子はターゲット５上に堆積し、溶融してガラス化して石英ガラスが形成される。このとき、ターゲット５を回転させるとともに左右に揺動させて、インゴット１１が均一に加熱されるようにする。なお、図３ではターゲット５を駆動するモータ１２，１５，１６、および制御装置２０は図示を省略した。
【００１９】
また、石英ガラスの合成開始と同時に、炉１の中間部に設けられた加熱バーナー２による加熱および冷却ノズル３による冷却を開始する。この加熱および冷却によって、炉内部における総合的な熱量が増加して炉温が上昇するので、炉底部の開閉蓋４を駆動して炉１内に流入する二次空気の流入量を制御し、炉１内の温度を適正に保つようにする。このようにしてターゲット５上に石英ガラスを形成すると、時間の経過とともに石英ガラスのインゴット１１が成長するので、バーナー６とインゴット１１の合成面との距離が一定となるようにターゲット５を下降させる。そして、この状態を数週間続けることにより、図１に示すような成長したインゴットｌｌを得ることができる。
【００２０】
図４は本実施の形態の石英ガラス合成を説明するための概念図であり、（ａ）はインゴット１１と加熱バーナー２および冷却ノズル３を示す図、（ｂ）は石英ガラス形成時におけるインゴット１１の成長方向の温度分布を定性的に示したものである。なお、以下の説明では、石英ガラス合成面の温度を２０００℃、歪点（歪応力の拡散の可否を分ける温度）を１２００℃、石英ガラスの安定状態（屈折率均質性の低下が生じない状態）の温度領域は１０００℃以下であるとして説明する。
【００２１】
図４（ｂ）において、実線は本実施の形態の装置における温度分布を示したものであり、破線は加熱バーナー２および冷却ノズル３を備えていない従来の装置の場合の温度分布である。従来の装置では、バーナー６の火炎が当たる合成面１１ａの近傍でしか歪の拡散が行われず、合成面１１ａから遠ざかるにつれて急激に温度が低下し、歪点（１２００℃）付近以降は温度勾配が小さくなる。そのため、１２００℃〜１０００℃の温度領域に保持される時間が長くなり、この温度領域において屈折率均質性の低下が生じ易くなる。
【００２２】
一方、本実施の形態の装置では、炉１の中間部においてインゴット１１を加熱バーナー２により加熱しているので、合成面１１ａから遠ざかった位置での温度低下を小さくすることができ、加熱バーナー２による熱供給量を制御することによって図４（ｂ）のように加熱バーナー２付近まで１２００℃以上に保持することができる。その結果、加熱バーナー２より上部では、従来の装置よりも高温（１２００℃以上）でかつ温度均一性が増し、歪応力の拡散が生じやすくなり、インゴット１１内の歪を低減することができる。
【００２３】
また、従来の装置では、図３（ｂ）の破線で示すように歪点（１２００℃）付近まで温度が下がると温度勾配が非常に小さくなり、石英ガラスが安定状態となる温度領域（１０００℃以下）よりも高温（１２００℃〜１０００℃）の状態に長時間保持されることになる。そのため、この温度領域においてインゴット１１に温度変動が生じたときに、屈折率均質性の低下を招きやすかった。さらに、１０００℃以下となっているインゴット下部が高温の輻射に曝されて表面付近の温度が上昇することにより、径方向の屈折率の差を発生させるという問題もあった。
【００２４】
しかしながら、本実施の形態の装置では、加熱バーナー２により歪点以上に加熱された部分を、加熱バーナー２の下部に設けられた冷却ノズル３で急冷することにより、インゴット１１の加熱された部分の温度を歪点より高い温度から安定状態温度領域へと急速に低下させることができる。その結果、インゴット１１の屈折率均質性の低下を防止することができる。また、炉中間部に設けた冷却ノズル３により、インゴット下部への熱の伝達が抑えられ、インゴット下部での歪応力の再発生および屈折率均質性の再変動を防止することができる。なお、加熱バーナー２の代わりに加熱ヒーターを用いてインゴット１１を加熱するようにしても良い。
【００２５】
上述した実施の形態では、加熱バーナー２および冷却ノズル３によりインゴット１１の加熱および冷却を行ったが、図５（ａ）の変形例に示すような方法で加熱および冷却をするようにしても良い。図５はインゴット１１と輻射との関係を定性的に示した図であり、（ａ）は変形例を（ｂ）は従来の装置をそれぞれ示す。図５（ｂ）に示す従来の炉４１では、バーナー６からの輻射熱は炉４１により反射されてインゴット１１の下部１１ｃに入射する。そのため、インゴット下部が高温の輻射熱で加熱され、上述したような屈折率均一性の低下を生じさせていた。
【００２６】
一方、図５（ａ）に示す炉４２の場合には、熱輻射をインゴット１１の上部１１ｂ（合成面１１ａを有するヘッド部より下部）に反射するような面４２ａを炉４２の内壁に形成して、輻射熱をインゴット上部１１ｂに反射させるようにした。そのため、従来に比べてインゴット１１の上部１１ｂに入射する輻射熱が増加し、インゴット上部１１ｂの温度が上昇する。逆に、インゴット１１の下部１１ｃは、入射する輻射熱の量が減少して従来よりも温度が低下する。その結果、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
【実施例】
図１に示した装置において、加熱バーナー２により炉天井部のバーナー６の約５分の１の熱供給を行うとともに、冷却ノズル３から毎分３０リットルの室温のクリーンエアーをインゴット１１に向け噴出させることにより、インゴット１１の温度分布を図４（ｂ）の実線で示すような条件にして、φ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴット１１を合成した。その際、インゴットヘッド部の径方向の温度分布を調整するために、ターゲットを回転させるとともに、バーナーとインゴットとを相対的に平面移動させた。また、インゴットの成長に伴い、バーナーとインゴットヘッドとの間隔を従来の装置と同様な距離を保てるように、インゴットを下方に制御しながら下げた。
【００２８】
合成されたインゴット１１からφ２５０×ｔ５０ｍｍの試料を作製し、歪の測定を行ったところ、歪の最大値と最小値の差が、１．５ｎｍ／ｃｍであった。また、屈折率均質性（径方向）は１．５×１０-6であった。比較のために、加熱機構２および冷却機構３を動作させずに、すなわち、従来の装置と同様の条件でφ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴット１１を合成し、歪の測定を行ったところ、歪の最大値と最小値の差は３．２ｎｍ／ｃｍで、屈折率均質性（径方向）は２．０×１０-6であった。このように、本発明による石英ガラス製造装置によれば、従来より歪の少ないインゴット１１を得ることができるとともに、このようなインゴット１１から光学部材を形成することにより、露光装置等に適する光学特性に優れた光学部材を得ることができる。
【００２９】
また、インゴット合成中のインゴット表面温度をＩＲカメラにより測定したところ、インゴット１１の成長方向の温度勾配は、合成面から歪点までにおいて５０℃／ｈ以下であって、歪点から安定状態において３０℃／ｈ以上であった。すなわち、このような条件でインゴットを合成すると、歪の少ないインゴットが得られることが分かった。
【００３０】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲との対応において、加熱バーナー２，熱電対１０，コントローラ１７，加熱ガス供給装置１８および制御装置２０は熱制御手段を、熱電対１０およびコントローラ１７は温度検出手段を、加熱ガス供給装置１８および制御装置２０はバーナー制御手段を、冷却ノズル３および冷却ガス供給手段１９は冷却手段を、面４２ａは反射部をそれぞれ構成する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２および請求項４の発明によれば、石英ガラスインゴットの合成面よりターゲット側の部分を石英ガラスの歪点以上の温度に制御することにより、合成面近傍だけでなくターゲット側の所定部分においても歪応力を拡散することができ、歪の少ない石英ガラスインゴットを合成することができる。
請求項３の発明によれば、歪点以上に加熱された部分を冷却手段により石英ガラスの安定状態温度領域まで急冷することにより、屈折率均質性に優れた石英ガラスインゴットを合成することができる。
請求項５の発明によれば、石英ガラスインゴットの合成面から歪点までのインゴット成長方向の温度勾配を５０℃／ｈ以下とすることにより、歪の少ない、例えば歪の最大値と最小値の差が２．０ｎｍ／ｃｍ以下の石英ガラスインゴットを合成することができる。
請求項６の発明では、石英ガラスインゴットの歪点から安定状態までのインゴット成長方向の温度勾配を３０℃／ｈ以上とすることにより、屈折率均質性に優れた石英ガラスインゴットを合成することができる。
請求項７の発明によれば、歪の無い、光学特性に優れた石英ガラス光学部材が得られる。さらに、請求項８の発明では、屈折率均質性に良い石英ガラス光学部材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による石英ガラス製造装置の一実施の形態を示す断面図。
【図２】図１に示した炉１を炉底部側から見た図。
【図３】石英ガラス合成開始時のバーナー６とターゲット５との関係を示す図。
【図４】石英ガラス合成を説明するための概念図であり、（ａ）はインゴット１１と加熱バーナー２および冷却ノズル３を示す図、（ｂ）は石英ガラス形成時におけるインゴット１１の成長方向の温度分布を示す図。
【図５】インゴット１１と輻射との関係を定性的に示した図であり、（ａ）は変形例を、（ｂ）は従来の装置を示す。
【符号の説明】
１，４１，４２  炉
２  加熱バーナー
３  冷却ノズル
４  開閉蓋
５  ターゲット
６  バーナー
８  炉枠
１０  熱電対
１８  加熱ガス供給装置
１９  冷却ガス供給装置
１１  インゴット
【図１】
0004474736.tif 000002
【図２】
0004474736.tif 000003
【図３】
0004474736.tif 000004
【図４】
0004474736.tif 000005
【図５】
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