(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスあたりのエネルギー密度の範囲が０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを透過するＡｒＦ露光装置の光学系に用いられる合成石英ガラス素材であって、屈折率の均質性Δｎが１×１０-6以下、複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下、及び波長１９３．４ｎｍの紫外光に対する内部透過率が９９．７％以上であり、ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下、及び水素分子濃度が１×１０16分子／ｃｍ3以上２×１０17分子／ｃｍ3未満であることを特徴とするＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項２】
パルスあたりのエネルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを１×１０9ショット照射した時の屈折率の変化が、屈折率が上昇する変化であることを特徴とする請求項１に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項３】
前記屈折率の変化の幅が、δｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下であることを特徴とする請求項２に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項４】
パルスあたりのエネルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを１×１０9ショット照射した時に生じる複屈折量の分布形が、照射部分と未照射部分の境界面に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつ照射部分の中央における複屈折量変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項５】
パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時の屈折率の変化が、屈折率が上昇する変化であって、その変化の幅がδｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項６】
パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時に生じる複屈折量の分布形が、照射部分と未照射部分の境界面に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつ照射部分の中央における複屈折量変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【請求項７】
パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時の１９３．４ｎｍの紫外光に対する透過率低下が、０．４％以内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスあたりのエネルギー密度が０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2（以下ｍＪ／ｃｍ2ｐと略称することがある）の領域であるＡｒＦエキシマレーザー光を透過する光学系、特に半導体ウエハーの露光装置に好適に用いられる光学部品、例えば、レンズ、プリズム、ウインドウ等の光学系を構成する、レーザーの照射に対して複屈折量変化の少ない合成石英ガラス素材に関する。
【０００２】
【関連技術】
超ＬＳＩの高集積化に伴う露光パターンの微細化が進み、回路パターンを半導体ウエハー上に描画する露光装置においても露光光源はより短波長化が求められてきている。この結果、露光装置の光源として、従来のＩ線（波長３６５ｎｍ）からＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）が主流となり、近年ではＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）の実用化が始まっている。
【０００３】
このような光源の短波長化に伴い、露光装置の光学系に使用されるレンズ、ウインドウ、プリズム等の光学部品についても、より高精度なものが求められてきている。
【０００４】
特にＡｒＦエキシマレーザーに関しては、屈折率の高い均質性、低い複屈折量、エキシマレーザーの高い透過率、エキシマレーザー照射に対する高い安定性等、極めて重要な品質的要求が多数存在している。即ち、このような光学部品に対して求められる光学特性は、屈折率の均質性Δｎとして１×１０-6以下、複屈折量が２ｎｍ／ｃｍ以下、波長１９３．４ｎｍの紫外光に対する内部透過率が９９．７％以上という極めて高品質な特性が要求されている。
【０００５】
また、このような光学部品を製造する場合の材料である合成石英ガラス素材については、例えば、レンズを形成するための円盤状石英ガラス素材の場合には、図１（ａ）（ｂ）に示すように、円盤状石英ガラス素材１０においてレンズとして光が透過する面（一般的に光が透過する方向を使用方向１２、透過する面を使用面１４と言う）の面積で最外周を除く９０％の領域（保証面１４ａ）で確保されていることが必要である。最外周部分の面積１０％（除外面１０ｂ）は除外される。つまり、保証面１４ａは使用面１４の面積の９０％である。本明細書における屈折率の均質性Δｎ、複屈折量に関する規定は上記保証面１４ａに関する規定である。
【０００６】
ここで重要なポイントとして、ＡｒＦエキシマレーザーの照射に対して、これらの光学特性が長期にわたって安定していることが挙げられる。露光コスト低減のため、最新の露光装置においては露光光源であるＡｒＦエキシマレーザーの高周波数化が進んでおり、最近では２ＫＨｚという非常に高い周波数のエキシマレーザーも開発されていることから、露光装置に使用される光学部材に要求されるエキシマレーザー照射パルス数に対する安定性は、２〜５×１０11ショット以上という膨大な照射に対して諸光学特性が変化しないことという極めて厳しい要求がなされている。
【０００７】
石英ガラスのＡｒＦエキシマレーザー照射に対する光学特性の変化については、従来から多くの研究がなされており、特性変化の挙動についても詳しい報告が数多く存在するが、特に重要な特性変化は、常磁性欠陥の生成に伴う紫外線透過率の低下とレーザーコンパクションと呼ばれる石英ガラスの体積変化に伴う屈折率の上昇と複屈折の発生である。
【０００８】
エキシマレーザー照射による石英ガラスの常磁性欠陥の生成とは、例えば波長１９３．４ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー照射の場合、紫外線としてのエネルギーが非常に高いために、長時間レーザー照射を続けると、石英ガラスの結合が破壊されてＥ＊センターと呼ばれる常磁性欠陥が生成する現象である。ここでＥ＊センターは波長２１５ｎｍに吸収センターを持っているために、この波長領域の紫外線の透過率が低下する。
【０００９】
光学部品にこのような紫外線の透過率低下が生じると、光学部品が本来透過するべきエキシマレーザー光のエネルギーの一部を吸収してしまうが、吸収エネルギーは熱に変換されるために、吸収した部分が加熱されて屈折率変化を生じ、結果的に高精度な露光が出来なくなってしまう。このような理由から、エキシマレーザー露光装置に使用される光学部品を形成する合成石英ガラス材料に関しては長期間にわたるエキシマレーザー照射によってもＥ＊センター等の常磁性欠陥が生じ難い材料が必要とされている。
【００１０】
また、レーザーコンパクションとは、エキシマレーザー光の照射に伴い石英ガラスが緻密化する現象である。石英ガラスが緻密化するとは文字通りエキシマレーザーが透過した部分の石英ガラスの密度が高くなることで、その部分では、石英ガラスの網目状構造が切断され、より緻密な構造に再配列されている。
【００１１】
この石英ガラスの緻密化に伴って、石英ガラスの屈折率は上昇する。また、レーザーコンパクションにおいては、図２及び図３に示すように、石英ガラス２０の緻密化はレーザーの照射部分２０ａにしか生じないためにレーザーの未照射部分２０ｂとの境界２２に応力が発生し、これが複屈折（複屈折量２４）として観察され、図２に示すように、石英ガラス２０の複屈折の方向性（軸向２６）は比較的ランダムに現れる。このようにレーザーコンパクションは屈折率変化と複屈折変化という二重の光学特性の変化をもたらすためにエキシマレーザー露光装置に使用される光学部品に使用される合成石英ガラスにとっては常磁性欠陥の生成以上に避けなければならない光学特性変化であるとされてきた。
【００１２】
実は、先に述べた常磁性欠陥の生成も、レーザーコンパクションも、同一の原因から生じる現象であると考えられる。即ち、石英ガラスを形成するＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合はＡｒＦエキシマレーザー光を２光子吸収という特殊なメカニズムで吸収し、そのエネルギーにより開裂する。
【００１３】
開裂したＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合は、その殆どが瞬時にエネルギーを放出して再結合するが、この際、より密度の高い方向で再配列される。これがレーザーコンパクションである。一方で、例えば開裂したＳｉ−Ｏ軌道上の電子が開裂に伴い飛び出してしまったような場合にはＳｉ−Ｏ−Ｓｉへの再結合が出来なくなってしまう。このような場合、Ｓｉ軌道上の電子が残留して常磁性欠陥であるＥ＊センターを形成すると考えられる。
【００１４】
このような考えに従うと、レーザーコンパクションは常磁性欠陥の生成よりもより多数の反応であると言えるが、実際にレーザーコンパクションに関与する分子数はＥ＊センターの数よりも２桁近く多いと計算される。このため、石英ガラスのエキシマレーザー特性を改善するためにはレーザーコンパクションを改善することが非常に重要な課題であると考えられて来た。
【００１５】
レーザーコンパクション及び常磁性欠陥の生成を防止し、合成石英ガラスのエキシマレーザー照射に対する安定性を飛躍的に高める手段として、合成石英ガラス中に含まれる水素分子濃度を一定レベル以上にすることが広く知られている。例えば、特開平３−８８７４２号には合成石英ガラス中の水素分子濃度を５×１０16分子／ｃｍ3以上に保持することにより、主としてＫｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置に好適な光学部材を形成する技術が開示されている。
【００１６】
また、特開平１１−２９２５５１号あるいは特開２０００−２５８６０１号には合成石英ガラス中の水素分子濃度を２×１０17分子／ｃｍ3以上に保持することにより、ＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光装置に好適な光学部材を形成する技術が開示されている。ここで、特開２０００−２５８６０１号で要求される水素分子濃度が特開平３−８８７４２号で要求される水素分子濃度に比較して４倍も高いのはＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）がＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）に比べて波長が短く、石英ガラスに及ぼすダメージがより強烈であるため、それに対して十分な耐久性を確保するためにはより多くの水素分子濃度が必要であるからである。
【００１７】
このように石英ガラス中の水素分子濃度を適切に制御することによってエキシマレーザー、特にＡｒＦエキシマレーザー照射に対する石英ガラスの光学特性の安定性は十分に確保できたと考えられて来た。例えば、１９９９年の石英ガラス材料のレーザー耐久性に関する評価報告では、パルスあたりエネルギー密度０．６ｍＪ／ｃｍ2、４×１０9ショットの照射試験の結果をもとに、パルスあたりエネルギー密度０．１ｍＪ／ｃｍ2という実際の使用を想定した低エネルギー密度での光学部材の寿命予測を行っているが、その結果としてレーザーコンパクション、透過率ともに１０年以上の耐久性が得られる石英ガラス材料が開発されているとしている（Optical Microlithography XII Proceedings of SPIE vol. 3679(1999) pp.1137-1145）。
【００１８】
しかし、これらの照射試験は短期間に石英ガラスの安定性を評価するための試験であり、ＡｒＦエキシマレーザー露光装置に用いられている光学部品が実際に照射されるエキシマレーザーのエネルギー密度に比べて、数倍強いエネルギーのレーザー光を用いた加速試験であった。
【００１９】
そこで、実際の露光において光学部品を透過するエネルギー密度とほぼ同程度のエネルギー密度で合成石英ガラスを照射しその特性変化を調べてみると、高エネルギー密度の照射試験の結果とは正反対に石英ガラスの屈折率が低下する現象が観察された（Optical Microlithography XIII Proceedings of SPIE vol. 4000 (2000) pp.496-510）。
【００２０】
この現象についてやや詳しく説明をすると、数種類の合成石英ガラスに実際の露光装置で用いられるエネルギー密度とほぼ同じ程度のエネルギー密度（０．０１ｍＪ／ｃｍ2ｐ〜０．５ｍＪ／ｃｍ2ｐ）のＡｒＦエキシマレーザー光を１×１０10パルス以上照射すると、照射部分の屈折率が低下するという現象である。この時、特異的な現象として屈折率の低下に加えて、照射部分の全面に極めて強い複屈折が観察されている。その強度は最大５ｎｍ／ｃｍ程度であり、屈折率変化以上に光学部材に供する合成石英ガラスとしては好ましくない現象であることが判った。この低エネルギー密度のエキシマレーザー光の長時間照射により石英ガラスの屈折率が低下し、大きな複屈折が現れる現象はレーザーコンパクションに対応する現象としてレーザーレアファクション（希薄化）と呼ばれて、ＡｒＦ露光装置の光学的安定性を考える場合の重要な問題となっている。
【００２１】
発明者らはレーザーレアファクション現象について、それを生じる合成石英ガラスの物性を主体にいくつかの実験を行った結果、極めて興味深い現象を見出した。即ち、従来行われてきた加速試験において高いレーザーコンパクション耐性を示す石英ガラスほど大きな屈折率低下を生じることが判った。つまり、屈折率変化に関しては石英ガラスのレーザーレアファクション特性とコンパクション特性は相反する性質であることが判明した。一方でレーザーレアファクションに伴い生じる複屈折の強度に関しては、レーザーレアファクションによる屈折率変化の量とは独立して、実験に供した全ての素材において、ほぼ同等のかなり大きな数値を示すことが判った。
【００２２】
また、レーザーレアファクションに起因する複屈折の特徴として、図４に示すように複屈折方向（例えば遅相軸の方向）がレーザーの偏光方向に対して平行であるという特徴があることが判った。
【００２３】
非常に高精度なパターンの描画が要求されるＡｒＦ露光装置の場合、光学部品の複屈折の影響は非常に重要である。光学系内の複屈折の分布パターンにもよるが、一般的な露光装置の投影光学系の光路長は１００ｃｍ程度あり、かかる光路長を構成する個々の光学系部材の複屈折量が例えば１ｎｍ／ｃｍあり、かつその方向が平行であるとすると全体的には光学系の前後におけるリタデーション（進相軸と遅相軸の間の光路差）は１００ｎｍと膨大な値になってしまい、適正な露光をすることは不可能である。
【００２４】
しかしながら、光学用合成石英ガラスの場合、一般的には複屈折の方向は比較的ランダムに現れるし、レンズの中心部分では複屈折量が小さくなるため、複屈折方向が互いに相殺するような複数のレンズを組み合わせることにより、その影響を低減することが可能なので個々の光学部材の複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ程度あっても、結像位置における複屈折量を例えば特許第３０８９９５５号に示される様に２ｎｍ／ｃｍ以下に調整して使用することが出来るのである。
【００２５】
ところが、レーザーレアファクションに伴って石英ガラスに生じる複屈折の場合は、図４に示すように、石英ガラス２０における複屈折方向（軸向２６）が平行であり、かつ図４及び図５に示すように、レーザー照射部分２０ａの中央部（実際のレンズにおいてはレンズの中央部に相当する）において最大値を与えるような強度分布であるために、複屈折量が例えば０．５ｎｍ程度の小さな値であっても、露光時のコントラスト低下等の障害が発生し、露光特性を著しく阻害することが判った。なお、図４において、２０ｂはレーザー未照射部分、２２は境界、２４は複屈折量である。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は上記問題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、ＡｒＦ露光装置に供される、エネルギー密度の範囲がパルスあたり０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2と小さい光学系を構成する合成石英ガラス材料に関して、多大な複屈折を誘起するレーザーレアファクションを生じず、かつレンズ特性に殆ど影響を及ぼさない範囲の微小なレーザーコンパクションを生じる合成石英ガラスを選択することにより、長期に渡って露光特性の安定した光学系を得ることが出来ることを見出した。
【００２７】
本発明は、パルスあたりのエネルギー密度が０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2の領域であるＡｒＦエキシマレーザー光を透過する光学系、特に半導体ウエハーの露光装置に好適に用いられるレンズ、プリズム、ウインドウ等の光学系を構成する、レーザーの照射に対して複屈折量変化の少ない合成石英ガラス素材を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材は、パルスあたりのエネルギー密度の範囲が０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを透過するＡｒＦ露光装置の光学系に用いられる合成石英ガラス素材であって、屈折率の均質性Δｎが１×１０-6以下、複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下、及び波長１９３．４ｎｍの紫外光に対する内部透過率が９９．７％以上であり、ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下、及び水素分子濃度が１×１０16分子／ｃｍ3以上２×１０17分子／ｃｍ3未満であることを特徴とする。
【００２９】
上記ＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材に対して、パルスあたりのエネルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを１×１０9ショット照射した時の該合成石英ガラス素材の屈折率の変化は、屈折率が上昇する変化である。
【００３０】
上記屈折率の変化の幅は、δｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下であるのが好ましい。
【００３１】
上記ＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材に対して、パルスあたりのエネルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを１×１０9ショット照射した時に該合成石英ガラス素材に生じる複屈折の分布形が、照射部分と未照射部分の境界面に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつ照射部分の中央における複屈折変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下であるのが好適である。
【００３２】
上記ＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材に対して、パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時の該合成石英ガラス素材の屈折率の変化が、屈折率が上昇する変化であって、その変化の幅がδｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下であるのが好ましい。
【００３３】
上記ＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材に対して、パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時に該合成石英ガラス素材に生じる複屈折量の分布形が、照射部分と未照射部分の境界面に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつ照射部分の中央における複屈折変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下であるのが好適である。
【００３４】
上記ＡｒＦ露光装置用合成石英ガラス素材に対して、パルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時に該合成石英ガラス素材における１９３．４ｎｍの紫外光に対する透過率低下が、０．４％以内であるのが好ましい。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面とともに説明するが、下記の説明は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００３６】
従来の考え方においては合成石英ガラスにおけるレーザーコンパクションは、屈折率の上昇と複屈折の増加をもたらすために、可及的に小さくすることが必要であった。しかし、新たに見出された、レーザーレアファクション特性との関係においては、レーザーコンパクションはレアファクションを防止する目的上、露光装置としての許容範囲であれば、むしろ必要な特性であると考えられた。
【００３７】
このため、実際の長時間の露光によって、許容範囲のレーザーコンパクションを生じるが、レーザーレアファクションを生じないような合成石英ガラス素材の物性を検討した結果、屈折率の均質性Δｎが１×１０-6以下、複屈折率が１ｎｍ／ｃｍ以下、及び波長１９３．４ｎｍの紫外光に対する内部透過率が９９．７％以上の合成石英ガラス素材であり、水素分子濃度が１×１０16分子／ｃｍ3以上２×１０17分子／ｃｍ3未満であることを特徴とする合成石英ガラス素材がＡｒＦ露光装置用として好適であることが判った。
【００３８】
これは従来考えられて来たのと異なり、水素分子濃度が２×１０17分子／ｃｍ3以上の場合、ＡｒＦエキシマレーザーのパルスあたりエネルギー密度が０．５ｍＪ／ｃｍ2を超える場合には、レーザーコンパクションをはじめとし、Ｅ＊センター等の生成が抑制され、極めて良好な耐レーザー特性を示すものの、ＡｒＦエキシマレーザーのパルスあたりエネルギー密度が０．５ｍＪ／ｃｍ2以下の場合には、１×１０9ショット以上の長時間照射した際にレーザーレアファクションが生じて、屈折率が低下し、大きな複屈折が生じてしまい不都合であることが判った。
【００３９】
逆に水素分子濃度が１×１０16分子／ｃｍ3未満である場合には、レーザーコンパクション及びＥ＊センターの生成による透過率低下の程度が許容値を超えるほど大きくなってしまうために不都合であることが判った。
【００４０】
このようなことから、水素分子濃度の好適な範囲は１×１０16分子／ｃｍ3以上２×１０17分子／ｃｍ3未満であり、より好適な範囲としては５×１０16分子／ｃｍ3以上１×１０17分子／ｃｍ3以下であることが判った。
【００４１】
このような構成によって、本発明の合成石英ガラス素材に対してパルスあたりのエネルギー密度が０．１ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを１×１０9ショット照射した時の屈折率の変化が、屈折率が上昇する変化であって、その変化の幅がδｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下であり、さらに同じ条件でＡｒＦエキシマレーザーを本発明の合成石英ガラス素材に対して照射した時に生じる複屈折量の分布形が、図２及び図３に示したように、レーザー照射部分２０ａとレーザー未照射部分２０ｂの境界面２２に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつレーザー照射部分２０ａの中央における複屈折量変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下という許容範囲内に収めることができる。
【００４２】
一方で、上記のように相対的に少ない水素分子濃度でＥ＊センター等の常磁性欠陥を許容量に押え込むためには、石英ガラスに含まれるＯＨ基濃度が適正な範囲にあることが重要であることが判った。即ち、ＯＨ基濃度が高いと石英ガラス中に含まれる水素分子濃度が同じであっても、Ｅ＊センターが生成しやすいため、その濃度が５ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下、より好適には２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。逆に５ｐｐｍ未満のＯＨ基濃度の場合には石英ガラス中に酸素欠損欠陥が生じやすくなるために、レーザー照射開始直後からＥ＊センターが生じ、速やかな透過率の低下が生じ易くなることがわかった。
【００４３】
更に石英ガラス中に含まれる塩素は石英ガラスの短波長の透過率を低下させることがあるのでなるべく少ない方が好ましく、２０ｐｐｍ以下、出来れば塩素を含まない原料等を用いることによって塩素が含まれないのが好ましい。しかし、フッ素に関しては微量の添加により石英ガラスの遠紫外領域の透過率を向上させる上、ＡｒＦ等のエキシマレーザーの耐久性、特にＥ＊センターの出現を抑制することから、若干存在することが好ましい。しかし、フッ素に関しても多量に存在する場合には石英ガラスの屈折率の安定性を劣化させるためにその濃度は最大でも１０００ｐｐｍ以下に、好ましくは３００ｐｐｍ以下の範囲に抑制することが好ましい。
【００４４】
ちなみに石英ガラスの屈折率の安定及びΔｎの低減のためには仮想温度が１０００℃以下であることが必要であり、好ましくは８５０℃から９８０℃の範囲にあることが好ましい。
【００４５】
一方で、水素を含有する石英ガラス中には石英ガラスの還元性欠陥種であるＳｉＨ基が存在することがあるが、その濃度が高すぎる場合にはレーザー照射によりＳｉＨ基が容易に壊れてＥ＊センターを形成することから少ないことが好ましい。ＳｉＨ基の濃度については標準試料がないため定量的な数値への換算が困難であるが、ラマン分光測定における波数２２５０ｃｍ-1における散乱強度と８００ｃｍ-1における散乱強度の比が検出下限値以下（１×１０-4以下）であれば問題はないといえる。
【００４６】
また、ガラス材料の耐久性を決定するための加速試験での評価条件として、パルスあたりのエネルギーが２０ｍＪ／ｃｍ2以下のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時の光学特性の変化を調べれば良いことを見出し、この条件を用いて実際の使用においても、長時間の照射によってもレーザーレアファクションを生じず、かつ、レーザーコンパクションによる屈折率変化と複屈折の発生が許容範囲であると同時に、Ｅ＊センターによる透過率低下も許容される範囲である石英ガラスの範囲を特定することに成功した。
【００４７】
すなわち、本発明の特徴的構成を採用することによって、本発明の合成石英ガラス素材に対してパルスあたりのエネルギー密度が２０ｍＪ／ｃｍ2のＡｒＦエキシマレーザーを５×１０6ショット照射した時の屈折率の変化が、屈折率が上昇する変化であって、その変化の幅がδｎ／ｎで０．０１×１０-6以上０．７×１０-6以下とすることができる。さらに同じ条件でＡｒＦエキシマレーザーを本発明の合成石英ガラス素材に対して照射した時に生じる複屈折量の分布形が、図２及び図３に示したように、レーザー照射部分２０ａとレーザー未照射部分２０ｂの境界面２２に沿って最大値を与える分布形で、その最大値が１．０ｎｍ／ｃｍ以下で、かつレーザー照射部分２０ａの中央における複屈折量変化が０．５ｎｍ／ｃｍ以下とすることができる。さらにまた同じ条件でＡｒＦエキシマレーザーを本発明の合成石英ガラス素材に対して照射した時の１９３．４ｎｍの紫外光に対する透過率低下が、０．４％以内とすることができる。
【００４８】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００４９】
なお、下記の実施例、比較例及び実験例において、透過率、複屈折、仮想温度、ＯＨ基濃度、水素濃度の測定方法はそれぞれ以下に示される測定方法によった。
【００５０】
ＯＨ基濃度：赤外分光光度法による測定（具体的にはフーリエ変換赤外分光光度法にて波数４５２２ｃｍ-1の吸光係数より求める。但し、換算式としてＯＨ基濃度（ｐｐｍ）＝４５２２ｃｍ-1における吸光係数×４４００を用いる。）。
【００５１】
透過率：紫外分光光度法による測定。
【００５２】
複屈折量：複屈折測定装置（例えば、米国Hinds Instruments社製複屈折測定装置EXICOR 350AT）による測定。
【００５３】
仮想温度：レーザーラマン分光光度法による測定(具体的にはThe American Physical Society, Vol.28 No.6 pp.3266-3271, September, 1983に示される方法にて行った。)。
【００５４】
水素分子濃度：レーザーラマン分光光度法による測定(具体的にはZhurnal Priklandnoi Spektroskopii Vol.46, No.6, pp.987-991, 1987に示される方法にて行った。５×１０15分子／ｃｍ3レベルの水素分子濃度を検出する場合、散乱強度が非常に微小なため励起Ａｒイオンレーザーは最低でも１０Ｗレベルの強力なレーザーが必要である。)。
【００５５】
脈理：米国ミリタリー規格（ＭＩＬ−Ｇ−１７４Ｂ規格）に従い、溝尻光学製シュリーレン装置を用いて測定。
【００５６】
（実施例１）
四塩化珪素を酸素・水素火炎中で火炎加水分解し微細なすす状シリカを形成し、これを回転する基体上に堆積してすす状シリカの凝集体（以下スート体という）を作成した。
【００５７】
得られたスート体を５０体積％の水素、３体積％水蒸気、残部Ｈｅの混合気体中で１５００℃にて１０時間加熱して透明ガラス化を行った。得られた合成石英ガラスのＯＨ基濃度、塩素濃度、水素分子濃度はそれぞれ、ＯＨ基濃度１５０ｐｐｍ、塩素濃度９ｐｐｍ、水素分子濃度５×１０17分子／ｃｍ3であった。
【００５８】
得られた合成石英ガラス体を特開平７−２６７６６２号に開示された帯域溶融法によって３方向に均質化処理を行った後、高純度グラファイト型内に設置し、電気炉を用いて直径２８０ｍｍ、厚さ１００ｍｍの円盤状に成型した。
【００５９】
上記成型体は金属汚染の拡散を防止する目的でグラファイト型との接触部分を１０ｍｍ研削除去した後、合成石英ガラス容器内に収納した後、電気炉にて１１５０℃に４０時間保持後、９２０℃まで２℃／時間の降温速度で徐冷した後、炉の通電を停止し、自然冷却した。
【００６０】
得られた合成石英円盤（直径２６０ｍｍ、厚さ８０ｍｍ）の使用方向の屈折率均質性を干渉計（Zygo Mark GPI）で、同方向の複屈折量分布を複屈折計で測定した結果、直径の８０％の領域での屈折率の均質性Δｎは１×１０-6、複屈折量は最大０．５ｎｍ／ｃｍで、複屈折量分布は外周で最大であり、かつ複屈折方向は遅相軸が円周方向と平行であった。なお、石英ガラス円盤の使用方向における屈折率の均質性とは図１に示すように円盤の厚さ方向に透過する光に現れる屈折率の最大値と最小値の差を意味する。複屈折に関しても同様である。
【００６１】
得られた合成石英ガラス体から透過率測定用にφ６０×１０ｍｍ3のサンプル（サンプルＡ）を、水素分子濃度、ＳｉＨ基濃度、仮想温度測定用サンプルとして１０×１０×５０ｍｍ3のサンプル（サンプルＢ）を、高エネルギー密度でのレーザー耐久性測定用サンプルとしてφ６０×２０ｍｍ3のサンプル（サンプルＣ）を、低エネルギー密度のレーザー照射用サンプルとして３０×３０×８０ｍｍ3のサンプル（サンプルＤ）を切り出し、高精度鏡面研磨を施し、各種特性の測定を行った。その測定結果を評価項目及び評価方法とともに表１に示す。
【００６２】
【表１】
0004104338.tif 000002
【００６３】
表１における（注）は次の通りである。
（注１）ＳｉＨ基濃度はラマン分光測定における波数２２５０ｃｍ-1における散乱強度と８００ｃｍ-1における散乱強度の比を示す。
（注２）測定領域は使用面の最外周を除く９０%の領域(保証面)。
（注３）測定領域は使用面の最外周を除く９０%の領域(保証面)。
なお、ＯＨ基濃度、塩素濃度は熱処理によってあまり変化しないため測定は行わなかった。
【００６４】
表１に示されるように、実施例１において作成した合成石英ガラス体は、本発明の合成石英ガラス素材の必須の構成成分、即ち屈折率の均質性Δｎが１×１０-6以下、複屈折量が１ｎｍ／ｃｍ以下、波長１９３．４ｎｍの紫外光に対する内部透過率が９９．７％以上であり、ＯＨ基濃度が、５ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下、及び水素分子濃度が１×１０16分子／ｃｍ3以上２×１０17分子／ｃｍ3未満という条件をいずれも充足している。また、脈理はＡクラスで脈理フリーの状態であった。
【００６５】
次に、切り出したサンプルＣを用いて高エネルギー密度でのレーザー照射試験を行った。ラムダフィジック社製のＡｒＦエキシマレーザーを用い、パルスあたりのエネルギー密度を２０ｍＪ／ｃｍ2に調整したφ３ｍｍのレーザービーム径のＡｒＦエキシマレーザー光を、試料に発振周波数２００Ｈzで５×１０6パルス照射した。
【００６６】
照射前と照射後にサンプルの波長１９３．４ｎｍにおける透過率を紫外分光光度計で計測し、照射前の透過率と５×１０6パルス照射後の透過率の差をレーザー透過率変化量として表わした。照射後サンプルを干渉計にて屈折率分布を測定し、照射部分と未照射部分の屈折率差から照射によって生じた屈折率変化をδｎ／ｎとして測定した。また、複屈折計を用いて照射部分周辺の複屈折量を測定した。その測定結果を表２に示す。
【００６７】
【表２】
0004104338.tif 000003
【００６８】
表２における（注）は次の通りである。
（注１）透過率変化量：試料１０ｍｍ当たりの照射前後の波長１９３．４ｎｍにおける透過率の差。
（注２）複屈折量分布における境界：複屈折の最大値を与える部位の最大値が試料中のレーザー照射部分と未照射部分の境界に沿って存在することを意味する。
【００６９】
表２から明らかなように、実施例１の合成石英ガラス体に対する高エネルギー密度でのレーザー照射試験において、レーザーレアファクションが生じず、かつレーザーコンパクションによる屈折率変化と複屈折の発生が許容範囲であるとともに、Ｅ＊センターによる透過率低下も許容範囲であることがわかった。
【００７０】
続いて、切り出したサンプルＤを用いて低エネルギー密度でのレーザー照射試験を行った。ラムダフィジック社製のＡｒＦエキシマレーザーを用い、パルスあたりのエネルギー密度を０．１ｍＪ／ｃｍ2に調整したφ８ｍｍのレーザービーム径のＡｒＦエキシマレーザー光を、試料に発振周波数２ＫＨｚで１×１０9パルス照射した。
【００７１】
照射後サンプルを干渉計にて屈折率分布を測定し、照射部分と未照射部分の屈折率差から照射によって生じた屈折率変化をδｎ／ｎとして測定した。また、複屈折計を用いて照射部分周辺の複屈折量を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００７２】
【表３】
0004104338.tif 000004
【００７３】
表３から明らかなように、実施例１の合成石英ガラス体に対する低エネルギー密度でのレーザー照射試験においても、レーザーレアファクションが生じず、かつレーザーコンパクションによる屈折率変化と複屈折の発生が許容範囲であることが確認できた。
【００７４】
（実施例２）
実施例１と同様にして作成したスート体を９７体積％の水素、３体積％の水蒸気の混合気体中で１５００℃にて１０時間加熱して透明ガラス体を作成した。得られた合成石英ガラスのＯＨ基濃度、塩素濃度、水素分子濃度はそれぞれＯＨ基濃度１００ｐｐｍ、塩素濃度１０ｐｐｍ、水素分子濃度１×１０18分子／ｃｍ3であった。
【００７５】
得られた合成石英ガラス体を実施例１と全く同様に均質化処理、成型処理、外周研削、徐冷を行い、直径２６０ｍｍ、厚さ８０ｍｍの合成石英円盤を得た。得られた合成石英円盤から実施例１のサンプルＡ〜Ｄと同様の形状の４つのサンプルＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’を切り出し、特性評価を行った。評価項目及び評価方法は全て実施例１と同様にした。レーザー評価試験以外の諸物性を表４に、サンプルＣ'及びＤ’を用いたレーザー評価の結果を表５、表６に示す。
【００７６】
【表４】
0004104338.tif 000005
【００７７】
表４における（注）は次の通りである。
（注１）ＳｉＨ基濃度はラマン分光測定における波数２２５０ｃｍ-1における散乱強度と８００ｃｍ-1における散乱強度の比を示す。
（注２）測定領域は使用面の最外周を除く９０%の領域(保証面)。
（注３）測定領域は使用面の最外周を除く９０%の領域(保証面)。
【００７８】
表４に示されるように、実施例２において作成した合成石英ガラス体は、本発明の合成石英ガラス素材の必須の構成部分をいずれも含んでいる。
【００７９】
【表５】
0004104338.tif 000006
【００８０】
表５から明らかなように、実施例２の合成石英ガラス体に対する高エネルギー密度でのレーザー照射試験において、レーザーレアファクションが生じず、かつレーザーコンパクションによる屈折率変化と複屈折の発生が許容範囲であるとともに、Ｅ＊センターによる透過率低下も許容範囲であることがわかった。
【００８１】
表５における（注）は次の通りである。
（注１）透過率変化量：試料１０ｍｍ当たりの照射前後の波長１９３．４ｎｍにおける透過率の差。
【００８２】
【表６】
0004104338.tif 000007
【００８３】
表６から明らかなように、実施例２の合成石英ガラス体に対する低エネルギー密度でのレーザー照射試験においても、レーザーレアファクションが生じず、かつレーザーコンパクションによる屈折率変化と複屈折の発生が許容範囲であることが確認できた。
【００８４】
（比較例１）
四塩化珪素を、酸素・水素体積比が１：２．５と水素過多の条件による酸素・水素火炎中で火炎加水分解し得られたシリカ微粒子を回転する基体上に溶融堆積して透明な合成石英ガラスインゴットを作成した（直接法合成石英ガラス）。得られた合成石英ガラスのＯＨ基濃度、塩素濃度、水素分子濃度はそれぞれ、ＯＨ基濃度８００ｐｐｍ、塩素濃度７０ｐｐｍ、水素分子濃度４×１０18分子／ｃｍ3であった。
【００８５】
得られた合成石英ガラス体を実施例１と全く同様に均質化処理、成型処理、外周研削、徐冷を行い、直径２６０ｍｍ、厚さ８０ｍｍの合成石英円盤を得た。得られた合成石英円盤から実施例１と同様に４つのサンプルＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈを切り出し、特性評価を行った。評価項目及び評価方法は全て実施例１と同様にした。レーザー評価試験以外の諸物性を表７に、サンプルＧ及びＨを用いたレーザー評価の結果を表８、表９に示す。
【００８６】
【表７】
0004104338.tif 000008
【００８７】
表７における（注）は次の通りである。
（注１）ＳｉＨ基濃度はラマン分光測定における波数２２５０ｃｍ-1における散乱強度と８００ｃｍ-1における散乱強度の比を示す。
（注２）測定領域は使用面の最外周を除く９０％の領域(保証面)。
（注３）測定領域は使用面の最外周を除く９０％の領域(保証面)。
【００８８】
表７に示されるように、比較例１の合成石英ガラス体は、本発明の合成石英ガラス素材の必須の構成部分のうち水素分子濃度が規定範囲外（高濃度）となっており、本発明の合成石英ガラス素材には含まれないものである。
【００８９】
【表８】
0004104338.tif 000009
【００９０】
表８における（注）は次の通りである。
（注１）透過率変化量：試料１０ｍｍ当たりの照射前後の波長１９３．４ｎｍにおける透過率の差。
【００９１】
表８の結果から明らかなように、比較例１の合成石英ガラス素材に対して、高エネルギー密度での耐レーザー性評価としては極めて良好な評価結果であり、高エネルギー密度のレーザー照射に対しては問題ないことがわかった。
【００９２】
【表９】
0004104338.tif 000010
【００９３】
表９に示されるように、比較例１における合成石英ガラス素材は、低エネルギー密度でのレーザー照射においてレアファクションを生じてしまい、照射中央部に大きな複屈折を生じているため、ＡｒＦ露光装置用の光学部材としては使用出来ないと判断される。
【００９４】
（比較例２）
実施例１と同様にして作成したスート体を１００％Ｈeガス雰囲気で１５００℃にて１０時間加熱して透明ガラス体を作成した。得られた合成石英ガラスのＯＨ基濃度、塩素濃度、水素分子濃度はそれぞれＯＨ基濃度８０ｐｐｍ、塩素濃度７ｐｐｍ、水素分子濃度５×１０15分子／ｃｍ3（検出下限値）以下であった。
【００９５】
得られた合成石英ガラス体を実施例１と全く同様に均質化処理、成型処理、外周研削、徐冷を行い、直径２６０ｍｍ、厚さ８０ｍｍの合成石英円盤を得た。得られた合成石英円盤から実施例１と同様に４つのサンプルＥ'，Ｆ'，Ｇ'，Ｈ'を切り出し、特性評価を行った。評価項目及び評価方法は全て実施例１と同様にした。レーザー評価試験以外の諸物性を表１０に、サンプルＧ'及びＨ'を用いたレーザー評価の結果を表１１、表１２に示す。
【００９６】
【表１０】
0004104338.tif 000011
【００９７】
表１０における（注）は次の通りである。
（注１）ＳｉＨ基濃度はラマン分光測定における波数２２５０ｃｍ-1における散乱強度と８００ｃｍ-1における散乱強度の比を示す。
（注２）測定領域は使用面の最外周を除く９０％の領域(保証面)。
（注３）測定領域は使用面の最外周を除く９０％の領域(保証面)。
【００９８】
表１０に示されるように、比較例２の合成石英ガラス体は、本発明の合成石英ガラス素材の必須の構成成分のうち水素分子濃度が規定範囲外（低濃度）となっており、本発明の合成石英ガラス素材には含まれないものである。
【００９９】
【表１１】
0004104338.tif 000012
【０１００】
表１１における（注）は次の通りである。
（注１）透過率変化量：試料１０ｍｍ当たりの照射前後の波長１９３．４ｎｍにおける透過率の差。
【０１０１】
表１１に示されるように、比較例２の合成石英ガラス素材は、高エネルギー密度でのレーザー照射において、レーザーコンパクションが大きすぎ、また、Ｅ＊センター生成によるレーザー透過率低下が大きすぎるため、使用出来ないと判断される。
【０１０２】
【表１２】
0004104338.tif 000013
【０１０３】
比較例２における合成石英ガラス素材は、低エネルギー密度でのレーザー照射においても、レーザーコンパクションが大きすぎるため、使用出来ないと判断される。
【０１０４】
（実験例１）
ＯＨ基濃度の許容値を決定するために次の実験を行った。実施例１と同様にして得たスート体をさまざまな水蒸気濃度のＨｅ雰囲気でガラス化し表１３に示すようにＯＨ基濃度の異なる合成石英ガラス体を作成した。この際、ガラス化雰囲気中に水素が存在するとＯＨ量が変わってしまうために、水素濃度の調整は得られたガラスに対する後処理で行った。
【０１０５】
得られた合成石英ガラス体（１０×１０×５０ｍｍ3）を還元性欠陥が生じないように十分な低温である３００℃で１００時間、６％水素、９４％Ｈｅ中で加熱処理し、水素分子を均一にドープした。
【０１０６】
得られた合成石英ガラスサンプルのＯＨ基濃度、水素分子濃度、ＡｒＦエキシマレーザーを２０ｍＪ／ｃｍ2ｐで５×１０6ショット照射した時の、照射前後の試料１ｃｍあたりの１９３．４ｎｍの紫外線に対する透過率変化量を表１３に示す。
【０１０７】
【表１３】
0004104338.tif 000014
【０１０８】
表１３に示されるように、ＯＨ基濃度が８０ｐｐｍ〜２５０ｐｐｍの範囲では透過率変化量が少なく良好乃至使用可能であることがわかった。なお、ＯＨ基濃度としては、５ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下であれば使用可能であることも確認してある。
【０１０９】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、パルスあたりのエネルギー密度が０．００１〜０．５ｍＪ／ｃｍ2の領域であるＡｒＦエキシマレーザー光を透過する光学系、特に半導体ウエハーの露光装置に好適に用いられるレンズ、プリズム、ウインドウ等の光学系を構成する、レーザーの照射に対して複屈折変化の少ない合成石英ガラス素材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  円盤状石英ガラス素材の使用方向、使用面、保証面を表わす図面で、（ａ）は斜視説明図、（ｂ）は平面説明図である。
【図２】  石英ガラスにおけるレーザーコンパクションによる複屈折の態様を模式的に示す説明図である。
【図３】  石英ガラスにおけるレーザーコンパクションによる複屈折量分布を模式的に示す説明図である。
【図４】  石英ガラスにおけるレーザーレアファクションによる複屈折の態様を模式的に示す説明図である。
【図５】  石英ガラスにおけるレーザーレアファクションによる複屈折量分布を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０：円盤状石英ガラス素材、１２：使用方向、１４：使用面、１４ａ：保証面、１４ｂ除外面、２０：石英ガラス、２０ａ：レーザー照射部分、２０ｂ：レーザー未照射部分、２２：境界、２４：複屈折量、２６：軸向。
【図１】
0004104338.tif 000015
【図２】
0004104338.tif 000016
【図３】
0004104338.tif 000017
【図４】
0004104338.tif 000018
【図５】
0004104338.tif 000019