(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉と、該炉内に配設されたインゴット形成用ターゲットと、該ターゲットに先端を向けて配設された石英ガラス合成用バーナと、前記ターゲットに形成されたインゴットのヘッド部の径方向の温度分布に応じて、前記インゴットを水平面上において前記バーナに対して相対的に平面移動させる移動手段とを備えた石英ガラスの製造装置において、
前記炉の水平面における断面形状が、略長円または略楕円をなし、
前記インゴットの移動領域の輪郭形状の面積と前記炉の水平面における断面形状の面積との比率が０．３〜０．７の範囲にあることを特徴とする石英ガラスの製造装置。
【請求項２】
前記断面形状における略長円または略楕円の長軸が、前記インゴットの移動領域の輪郭形状の長軸と平行であることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスの製造装置。
【請求項３】
前記断面形状における略長円または略楕円の長軸が、前記インゴットの移動領域の輪郭形状の長軸と一致していることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスの製造装置。
【請求項４】
前記バーナが、前記インゴットのヘッド部の上方に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の石英ガラスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラスの製造装置に関し、とくに屈折率の均質性に優れた石英ガラスを製造する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンなど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装置の照明系あるいは投影レンズとして用いられるガラスとして、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、光リソグラフィ装置の光学系などに用いられる石英ガラスには、光の紫外線域の高透過性と屈折率の高均質化が要求されている。紫外線域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、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が一般に行われている。この火炎加水分解法によれば、原料、燃焼ガスの不純物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。
【０００３】
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屈折率の均質性に関しては満足のいくものが得られなかった。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ている。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、その結果として均質性が向上した石英ガラスを得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開平６−２３４５３１号公報に記載された装置においては、インゴットの移動平面におけるインゴットの移動領域よりも大きい領域を囲うように炉が形成される。しかしながら、上記炉のインゴットの移動平面における断面形状が略矩形をなしているため、インゴットと炉の壁面との距離が部分的に大きくなって、インゴットに加えられるバーナからの熱がインゴットと炉との間の隙間から炉の下方に逃げてしまい、その結果、バーナからインゴットへ加えられる熱の利用効率が低下していた。また、図６に矢印Ａ１で示すように、インゴットと炉のコーナ部との距離が他の部位より大きいため、インゴットの移動位置によっては炉のコーナ部からの輻射熱を有効利用できないという問題もあった。
【０００５】
本発明の目的は、インゴットの移動位置に拘わらず、屈折率の均質性を向上させるとともに脈理を抑制することができる石英ガラスの製造装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１を参照して説明すると、請求項１の発明は、炉２と、炉２内に配設されたインゴット形成用ターゲット３と、ターゲット３に先端を向けて配設された石英ガラス合成用バーナ１と、ターゲット３に形成されたインゴット７のヘッド部の径方向の温度分布に応じて、インゴット７を水平面上においてバーナ１に対して相対的に平面移動させる移動手段８，１２，１３とを備えた石英ガラスの製造装置に適用され、炉２の水平面における断面形状が、略長円または略楕円をなし、インゴット７の移動領域の輪郭形状の面積と炉２の水平面における断面形状の面積との比率が０．３〜０．７の範囲にあることにより上記目的を達成する。
【０００７】
請求項２の発明は、炉２の断面形状における略長円または略楕円の長軸が、インゴット７の移動領域の輪郭形状の長軸と平行である。
請求項３の発明は、炉２の断面形状における略長円または略楕円の長軸が、インゴット７の移動領域の輪郭形状の長軸と一致している。
請求項４の発明は、バーナ１が、インゴット７のヘッド部の上方に配設されている。
【０００８】
請求項１の発明によれば、炉２の水平面における断面形状が、略長円または略楕円をなしているため、インゴット７の移動範囲の輪郭と炉壁との距離が、インゴット７の移動位置に拘わらず略均一とされ、これにより、炉壁からインゴット７に加えられる輻射熱はインゴット７の位置に拘わらず略均一となる。したがって、バーナ１からインゴット７に加えられる熱を効率よく利用することができる。
【０００９】
さらに、請求項１の発明によれば、インゴット７の移動領域の輪郭形状と炉２の水平面における断面形状との比率が０．３〜０．７の範囲にあるものとすることにより、インゴット７と炉壁との間隔が大きすぎて、バーナ１から加えられる熱が炉２の下方に逃げてしまうことがなくなり、また、インゴット７と炉壁との間隔が小さすぎて、インゴット７が、インゴット７の製造中に炉壁に形成されるスートやガラス質の付着物に接触することが防止される。
【００１０】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置の構成を示す図、図２はバーナ先端部の概略図である。図１に示すように、本実施の形態に係る石英ガラスの製造装置においては、バーナ１は炉２の上部からターゲット３にその先端部を向けて設置されている。炉壁には観察用の窓４と、ＩＲカメラ観察用の窓５と、排気口６とがそれぞれ設けられている。さらに、炉２の下部には、インゴット７の形成用のターゲット３が配設されており、ターゲット３は、支持軸１１を介して炉２の外にあるＸＹステージ８に接続されている。支持軸１１は不図示のモータにより回転可能とされており、ＸＹステージ８はＸ軸サーボモータ１２およびＹ軸サーボモータ１３により図１のＸ方向およびＹ方向に２次元的に移動可能とされている。Ｘ軸サーボモータ１２およびＹ軸サーボモータ１３はコンピュータ１０によりその駆動が制御される。
【００１２】
図２に示すように、バーナ１は中央の円状管２０と、中央管２０と同心円状に形成された同心円状管２１と、円状管２０の同心円上に等間隔で形成された細管２２とからなる。そして、円状管２０からは原料ガスがキャリアガスとともに噴出され、同心円状管２１からは可燃性ガスの水素と支燃性ガスの酸素とが交互に噴出され、細管２２からは支燃性ガスの酸素が噴出される。このようなバーナから上記ガスを噴出させた場合のインゴット７上の合成面の温度分布を図３に示す。図３に示すように、温度分布は中央部が低くなる。
【００１３】
ここで、従来の炉の形状は、炉の鉛直方向および水平方向での断面形状が矩形をなしている。このため、インゴットの大口径化に伴って炉の形状が大きくなり、とくに上記特開平６−２３４５３１号公報に記載された装置のように、ターゲットの揺動による相対的にな移動量を考慮すると炉がかなり大型化してしまう。また、合成するインゴットの屈折率の均質性の向上および脈理をなくすためには、それぞれ合成面の温度分布を小さくするあるいは合成面の温度を上げる必要があるが、炉が大型化するに伴い、とくに開放型の炉においては炉底からの放熱量が大きくなるため、炉内の温度を高温に維持するため燃焼ガス（可燃性ガスおよび支燃性ガス）を大量に供給する必要が生じる。
【００１４】
そこで、本実施の形態においては、炉２の水平方向断面形状を図４に示すような形状とすることにより、インゴット７の移動範囲を大きく取るとともに、炉底からの放熱を最小限に抑えるようにした。図４（ａ），（ｂ）において、矢印Ｙ１，Ｙ２はインゴット７の移動範囲であり、Ｃ１，Ｃ２はインゴット７の移動範囲の輪郭と炉壁とのクリアランスである。図４（ａ）においては、インゴット７の中心点Ｘ１が移動する範囲は、炉２の中心線から所定量オフセットされており、図４（ｂ）においては、インゴット７の中心点Ｘ１が移動する範囲は炉２の中心線上にある。図４（ｂ）に示す炉２によれば、クリアランスＣ１，Ｃ２を一定に保つことによりインゴット７に輻射される熱を均一にすることができる。また、図４（ａ）においては、インゴット７の中心点Ｘ１が炉２の中心軸からずれているため、クリアランスＣ１，Ｃ１′が異なるものである。しかしながら、この場合もターゲット３を回転させているため、インゴット７に対して均一に輻射熱が加えられることとなる。したがって、図４（ａ），（ｂ）いずれの場合も、ターゲット３上に形成されるインゴット７は、移動時においても炉壁から効率よく輻射熱を受けるため、合成面の放熱が抑えられ温度分布を小さくすることができる。
【００１５】
ここで、炉壁からはクリアランスが小さいほど大きな輻射熱を受けるが、クリアランスが小さすぎると、図６に示すように、ターゲット３に堆積されなかった酸化ケイ素などの付着物３０が炉壁に付着して堆積したものにインゴット７が接触してしまう。逆にクリアランスが大きすぎると、そのクリアランスを通って炉壁２からの輻射熱がとくに図６の斜線部に示す炉の角部から炉２の下方に逃げるため、インゴット７に効率よく加えられなくなってしまう。そこで、本出願人が検討したところ、屈折率の均質性Δｎが５×１０-6程度の良好なものとなる範囲は、ａ／３≦移動距離≦４ａ／３（ａ＝ターゲット３の半径）となることが確認された。ここで、屈折率の均質性とは、φ１００×ｔ５０（ｍｍ）の試料を用いて、直径に沿った所定範囲の測定領域において干渉計により測定した屈折率分布を求めた場合において、この測定領域における屈折率の最大値と最小値との差のことをいう。
【００１６】
さらに、輻射熱あるいはバーナ１からの熱の炉２の下方への逃げを防止するため、および炉壁に形成された付着物へのインゴット７の接触を防止するためには、インゴット７の移動面積（πａ2＋２ａ（Ｗ−２ａ））と炉２の断面積との比が０．３〜０．７の範囲にあることが好ましい。
【００１７】
以下、上述したように構成した石英ガラスの製造装置により作成されるインゴットについて、屈折率の均質性についての実験結果を説明する。
【００１８】
（１）比較例１
図５（ａ）に示すように炉の鉛直方向の断面形状および水平方向の断面形状が略正方形をなす場合において、図２に示すバーナを使用してφ１５０ｍｍのインゴットを合成した。合成条件を表１に示す。このようにして得られたインゴットから屈折率の均質性を測定するための試料（φ１００×ｔ５０）を作成し、干渉計により屈折率の分布を測定した。なお、屈折率の均質性（測定領域内の屈折率のばらつき）は、試料の直径に沿った所定範囲の帯状の測定領域において測定を行い、この測定領域における屈折率の最大値と最小値との差として求めた。脈理は、石英ガラス中に存在する筋状あるいは層状の光学的不均質な部分である。その測定は、日本光学硝子工業規格の光学ガラスの脈理の測定方法に従い、５０×５０×２０ｍｍの直方体であり、かつ長方形側面が互いに平行となるように研磨された試料と標準試料Ｂ，Ｃとを目視により比較することにより行った。ここで、標準試料Ｂは薄く分散した脈理であり目に見える限界のもの、標準試料Ｃは研磨面に対して垂直な方向と平行な脈理が僅かに確認できるものである。脈理の測定結果を表２に示す。
【００１９】
（２）比較例２
図５（ｂ）に示すように炉の鉛直方向の断面形状および水平方向の断面形状が略長方形をなす場合において、図２に示すバーナを使用してφ２５０ｍｍのインゴットを合成した。合成条件を表１に示す。このようにして得られたインゴットから屈折率の均質性を測定するための試料（φ２００×ｔ５０）を作成し、比較例１と同様に干渉計により屈折率の分布を測定した。また、比較例１と同様に脈理を測定した。
【００２０】
（３）実施例１
図５（ａ）に示すように、炉の水平方向の断面形状が長円をなす場合において、図２に示すバーナを使用してφ３００ｍｍのインゴットを合成した。合成条件を表１に示す。このようにして得られたインゴットから屈折率の均質性を測定するための試料（φ２５０×ｔ５０）を作成し、比較例１，２と同様に干渉計により屈折率の分布を測定した。また、比較例１，２と同様に脈理を測定した。
【００２１】
（３）実施例２
図５（ｂ）に示すように、炉の水平方向の断面形状が楕円をなす場合において、図２に示すバーナを使用してφ２５０ｍｍのインゴットを合成した。合成条件を表１に示す。このようにして得られたインゴットから屈折率の均質性を測定するための試料（φ２００×ｔ５０）を作成し、比較例１，２と同様に干渉計により屈折率の分布を測定した。また、比較例１，２と同様に脈理を測定した。
【表１】
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【表２】
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【００２２】
以上の比較例１，２および実施例１，２を検討すると、本発明の石英ガラスの製造装置のように、炉の形状を長円あるいは楕円としたものにおいて製造されたインゴットは、従来の装置により製造されたインゴットと比較して、屈折率の均質性は良好となり、脈理も認められないものであった。
【００２３】
なお、上記実施の形態においては、インゴットに対して垂直にバーナから加熱するようにしているが、インゴットに対して斜め方向からバーナにより加熱を行うようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、炉の形状を長円あるいは楕円としているが、インゴットの移動範囲における輪郭の形状と略相似する形状であれば、いかなる形状をなしてもよいものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１の発明によれば、炉の水平面における断面形状を、略長円または略楕円をなすようにしたため、炉壁とインゴットとの間のクリアランスがインゴットの移動位置に拘わらず略均一となる。また、炉壁からインゴットに加えられる輻射熱もインゴットの位置に拘わらず略均一となる。したがって、バーナからインゴットに加えられる熱を効率よく利用することができ、これにより、屈折率の均質性に優れ、かつ脈理のないインゴットを製造することができる。
【００２５】
さらに、請求項１の発明によれば、インゴットの移動領域の輪郭形状と炉の水平面における断面形状との比率が０．３〜０．７の範囲にあるものとしたため、インゴットと炉壁との間隔が大きすぎて、バーナから加えられる熱が炉の下方に逃げて熱効率が低下することを防止することができる。また、インゴットと炉壁との間隔が小さすぎて、インゴットが、炉壁に形成される付着物に接触することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置の構成を示す図
【図２】バーナ先端部の概略図
【図３】インゴットの合成面の温度分布を示すグラフ
【図４】本実施の形態に係る炉の形状を示す図
【図５】比較例の炉の形状を示す図
【図６】従来のインゴットの移動領域と炉の断面形状とを示す図
【符号の説明】
１  バーナ
２  炉
３  ターゲット
７  インゴット
８  ＸＹステージ
１２  Ｘ軸サーボモータ
１３  Ｙ軸サーボモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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