(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部に開口部を有する炉と、該開口部から該炉内に対向するよう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、前記開口部から前記炉内に流入した空気を該炉外へ放出する排気系とを備え、前記炉内において前記ターゲット上に石英ガラスのインゴットを形成する石英ガラスの製造装置において、
前記開口部の開口面積を変更可能な変更機構を備えたことを特徴とする石英ガラスの製造装置。
【請求項２】
前記炉内の温度を測定する温度測定器と、
該温度測定器による測定結果に基づいて、前記開口部の開口面積を変更するよう前記変更機構を制御する制御系とをさらに備えた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、前記ターゲットを水平面上において前記バーナに対して相対的に水平移動させる移動機構を備え、
前記開口部は、前記ターゲットの移動範囲に適合する形状をなすことを特徴とする請求項１または２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、転写する縮小露光装置の照明光学系あるいは投影光学系の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、縮小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ている。例えば、光リソグラフィ用の投影レンズ材料としての石英ガラスは、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値が０．００５０λ以下、その回転対称成分を２・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以下であることが要求されている。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。
【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、光軸方向の屈折率の均質性に関しては満足のいくものが得られないことがあった。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。
一方、このような石英ガラスの製造装置においては、インゴットの合成時において発生する塩素ガスなどを排気するための排気口を有するものであるが、排気を行うための二次空気は、炉の底部に形成された開口部から供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した石英ガラスの製造装置においては、ターゲット上に合成されるインゴットは時間の経過とともに大きくなるため、炉の底部に形成された開口部はその開口面積が小さくなるものである。しかしながら、開口部の面積が小さくなると、排気効率が低下して炉内の温度が上昇する。また、インゴットの合成を行うと、合成面に捕捉されなかったＳｉＯ2粉の堆積物が排気管に付着して排気効率が低下し、これによっても炉内温度が上昇する。このように、炉内温度が上昇すると、インゴット合成面付近の温度も上昇するため、インゴットの粘度が低下し、インゴットのつぶれが生じてしまう。この場合、バーナからの燃焼ガスの流量を小さくして温度上昇を防止することが考えられるが、バーナからの供給熱量の差や温度分布が生じてしまい、脈理が発生してインゴットの品質が低下してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、インゴットの品質を低下させることなくその合成を行う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〜図３を参照して説明すると、請求項１の発明は、底部に開口部２Ａを有する炉２と、開口部２Ｂから炉２内に対向するよう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、開口部２Ｂから炉２内に流入した空気を炉２外へ放出する排気系１３とを備え、炉２内においてターゲット３上に石英ガラスのインゴット１５を形成する石英ガラスの製造装置に適用され、開口部２Ｂの開口面積を変更可能な変更機構１６〜１９，２０を備えたことにより上記目的を達成する。
請求項２の発明は、炉２内の温度を測定する温度測定器８と、温度測定器８による測定結果に基づいて、開口部２Ｂの開口面積を変更するよう変更機構１６〜１９，２０を制御する制御系２１とをさらに備える。
請求項３の発明は、ターゲット３に形成されたインゴット１５のヘッド部の径方向の温度分布に応じて、ターゲット３を水平面上においてバーナ１に対して相対的に水平移動させる移動機構を備え、開口部２Ｂは、ターゲット３の移動範囲に適合する形状をなす。
【０００７】
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。
【０００８】
【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は後述する開閉扉の構成を示す図である。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、炉２内には図２に示すように長円形断面の炉内空間が形成され、炉２の上部にはターゲット３にその先端部を向けてバーナ１が設置されている。炉壁には、ＩＲカメラ５による観察窓４と、排気口６，７とがそれぞれ設けられている。また、熱電対８により炉２内の温度を測定している。さらに、炉２の下部には、インゴット１５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の外にある不図示のモータにより回転可能かつ図１の左右方向（図２の矢印Ａ方向）に揺動可能とされている。また、ターゲット３はインゴットの成長速度に応じて降下可能とされている。
【０００９】
炉２は、炉枠１０により囲繞されており、炉枠１０の観察窓４に対応する位置には観察窓１２が形成されている。また、炉枠１０には排気管１３が接続されており、炉２に形成された排気口６，７から排気を行う。排気管１３の先端には、スクラバーなどの除害設備や排気ファンが設置されている。また、炉２の底部の開口２Ａは、断面形状長円形であるが、本実施の形態では、炉２の開口２Ａの内側には図２に示すように、例えば耐火ボードからなる開閉自在な開閉扉１６，１７，１８，１９により形成された可変開口部２Ｂが設けられている。
図３に示すように、開閉扉１６〜１９はモータなどからなる開閉機構２０により開閉されるものである。開閉機構２０の駆動は、熱電対８により測定される炉２内の温度分布に基づいて制御装置２１により制御される。例えば、開閉扉１８，１９を駆動することにより可変開口部２Ｂは図５に示すように開き、開閉扉１６，１７を駆動することにより可変開口部２Ｂは図６に示すように開く。そして、開閉扉１６〜１９を駆動することにより、可変開口部２Ｂは最終的に図７に示すように最大限に開放する。
【００１０】
次いで、本実施の形態の動作について説明する。まずターゲット３を十分な温度（２０００℃以上）に加熱した後、バーナ１から例えばＳｉＣｌ4などの原料ガスを供給し、加水分解反応によりインゴット１５の合成を開始する。そして、徐々にＳｉＯ2粉をターゲット３に堆積するとともに溶解してガラス化する。この際、ターゲット３を支持軸１１の周りに回転させるとともに、図１の左右方向に揺動して、インゴット１５が均一に加熱されるようにする。さらに、ＩＲカメラ５によりインゴット合成面とバーナ１との距離をモニタし、インゴットの成長に拘わらずその距離が一定となるようにターゲット３を降下させる。また、排気口６，７を介して排気管１３から炉２内の排気を行うことにより、炉２内の過熱を防止する。すなわち、炉２の底部に形成された可変開口部２Ｂから室温の大気を炉２内に導入して炉２内の熱量を制御する。そして、この状態を数週間続けることによりインゴット１５を得る。
【００１１】
この際、インゴット１５は徐々に成長して合成開始時のターゲット３の径よりも大きくなるため、開口部２Ｂの面積が実質的に減少する。このように開口部２Ｂの面積が減少すると、開口部２Ｂからの二次空気が少なくなり、排気管１３からの排気量が減少する。同時に輻射熱の外部への放出が減少するため、炉２内の温度が上昇する。また、排気管１３に堆積物３０が付着すると、圧力損失が増加するため排気量が減少して炉２内の温度が上昇する。このように、炉２内の温度が上昇すると、インゴット１５が不均一に加熱されることとなる。本実施の形態においては、炉２内の温度を熱電対８により検出し、この炉２内の温度が常に一定となるように、制御装置２１により開閉機構２０を駆動して開閉扉１６〜１９を開き、開口部２Ｂの面積を大きくする。これにより、炉２内には排気のための二次空気が効率よく取り込まれることとなり、排気管１３による炉２内の排気を滞りなく行うことができる。したがって、上昇しかけた炉２内の温度はまた元の温度に戻るため、炉２内の温度を常に略一定としてインゴット１５の合成を行うことができる。また、図４に示すように、インゴット１５の成長方向の温度分布は、従来の開口部２Ｂの面積を一定としてバーナからの供給熱量を制御する方式のものと比較して、開口部２Ｂを変更可能としたものは小さくなっている。これにより、インゴット１５の成長過程における温度変化を小さくすることができるため、最終的に合成されるインゴット１５は均一に加熱され、成長方向にも脈理のない均質なインゴット１５を得ることができる。
【００１２】
なお、上記実施の形態においては、開口部２Ｂの面積を長円形としているが、矩形あるいは円形としてもよい。また、ターゲット３を図１の左右方向あるいは前後方向に揺動可能としているが、とくに揺動させなくともよい。ターゲット３を揺動させる場合、その揺動と同期して開閉扉１６，１７を同方向に駆動すれば、インゴット周囲の開口面積の対称性が保持され、さらに炉内の温度分布を一定とすることができる。
【００１３】
また、上記実施の形態においては、熱電対８により炉２内の温度を検出し、この検出結果に基づいて開閉扉１６〜１９を開閉しているが、インゴット１５の合成時の炉２内の温度変化を予めデータとして記憶しておき、このデータに基づいて開閉扉１６〜１９の開閉を制御してもよい。さらに、上記実施の形態においては、制御装置２１により開閉扉１６〜１９の開閉を制御しているが、手動により開閉扉１６〜１９を開閉してもよい。
【００１４】
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合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比較例と比較して説明する。
【００１５】
（１）実施例１
上述した本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置により約φ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴットを合成した。この際、開口部２Ｂを３６０×５００ｍｍ（炉開口２Ａの６７％の面積）〜４５０×６３０ｍｍ（長円形）の間にて制御した。このようにして得られたインゴットの屈折率の均質性を測定するための試料（φ２５０×ｔ４０）を作製後、１０００℃で１０時間以上保持し、１０℃／時の降温速度で除冷して十分歪みを取り除いた後、干渉計を用いたオイルオンプレート法にて屈折率均質性Δｎの測定を行い、さらにピンホール法による脈理の測定を行った。
【００１６】
この結果、実施例１においては、屈折率均質性Δｎは１．８×１０-6でかつ３方向に脈理のない石英ガラスが得られた。この石英ガラスにより作製したレンズの光軸方向の屈折率分布は中央対称性を有し、かつ非回転対称成分のＲＭＳ値が０．００１０λであり、その回転対称成分を２．４次でカーブフィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が０．０００８λであった。これは光リソグラフィ投影レンズ用石英ガラス、とくに２５６Ｍ以降の短波長光を用いる縮小露光装置に用いられるレンズ用石英ガラスの仕様を十分に満たすものであった。
【００１７】
（２）実施例２
上述した本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置により約φ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴット１５を合成した。この際、開口部２Ｂを３６０×５００ｍｍ〜４５０×６３０ｍｍの間にて制御するとともに、インゴット１５の成長方向において図４に示すような温度分布となるようにした。このようにして得られたインゴット１５の屈折率の均質性を測定するための試料（φ２５０×ｔ４０）を作製後、１０００℃で１０時間以上保持し、１０℃／時の降温速度で除冷して十分歪みを取り除いた後、干渉計を用いたオイルオンプレート法にて屈折率均質性Δｎの測定を行い、さらにピンホール法による脈理の測定を行った。
【００１８】
この結果、実施例２においては、屈折率均質性Δｎは１．６×１０-6でかつ３方向に脈理のない石英ガラスが得られた。この石英ガラスにより作製したレンズの光軸方向の屈折率分布は中央対称性を有し、かつ非回転対称成分のＲＭＳ値が０．０００８λであり、その回転対称成分を２．４次でカーブフィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が０．０００５λであった。これは光リソグラフィ投影レンズ用石英ガラスの仕様を十分に満たすものであった。
【００１９】
（３）比較例１
上述した実施例１と同一条件下において、φ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴット１５を合成した。この際、開口部２Ｂを４５０×６３０ｍｍ（長円形）にて一定に保持した。このようにして得られたインゴット１５の屈折率の均質性を測定するための試料（φ２５０×ｔ４０）を作製後、屈折率均質性Δｎおよび脈理の測定を行った。
【００２０】
この結果、比較例１においては、屈折率均質性Δｎは５×１０-6でかつ光軸方向側面から観察した結果、層状の脈理が認められた。この石英ガラスにより作製したレンズの光軸方向の屈折率分布は中央対称性が悪く、かつ非回転対称成分のＲＭＳ値が０．００７１λであり、その回転対称成分を２．４次でカーブフィッティングした後の残差成分のＲＭＳ値が０．００７８λであった。これは光リソグラフィ投影レンズ用石英ガラスの仕様を満たしていないものであった。
【００２１】
（４）比較例２
上述した実施例１と同一条件下において、φ３５０×ｔ１０００ｍｍのインゴット１５を合成した。この際、開口部２Ｂを３６０×５００ｍｍ（開口２Ａの６７％）にて一定に保持した。この際、開口部の面積をインゴット１５の径付近まで小さくしたが、合成開始時にインゴットの径が非常に大きくなり、バーナ１からのガス供給量を減少させた。しかしながら、炉２内の温度上昇を抑制することができず、バーナ１からの供給ガス量の下限値に達し、供給する火炎が上昇気流に乗ってバーナ１に戻ってしまい、合成不可能となってしまった。
【００２２】
以上の実施の形態と請求項との対応において、開閉扉１６〜１９および開閉機構２０が変更機構を、熱電対８が温度測定器を、制御装置２１が制御系をそれぞれ構成する。
【００２３】
【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、炉の開口部の面積を変更可能としたため、インゴットの成長に応じて開口部の面積を変更することにより、炉内の温度を略一定に保持することができる。これにより、合成開始時と終了時とにおいて同一条件下にて最適に合成を行うことができるため、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。
請求項２の発明によれば、炉内の温度に基づいて開口部の開口面積を変更するようにしたため、炉内の温度を略一定に保持し、これによりインゴットの成長方向における温度分布をなくして脈理のないインゴットを製造することができる。
請求項３の発明によれば、インゴットはそのヘッド部の径方向における温度分布に応じてバーナに対して相対的に水平移動するため、インゴットは径方向に均一に加熱されることとなる。したがって、インゴットの温度分布をなくして均質性の良いインゴットを製造することができる。
【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】本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置の水平方向断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る石英ガラスの製造装置における制御装置および開閉機構の構成を示すブロック図
【図４】インゴットの上下方向の位置における温度分布を示すグラフ
【図５】開閉扉の開閉状態を示す図
【図６】開閉扉の開閉状態を示す図
【図７】開閉扉の開閉状態を示す図
【符号の説明】
１  バーナ
２  炉
２Ａ  炉底開口部
２Ｂ  開口部
３  ターゲット
４，１２  観察窓
８  熱電対
１０  炉枠
１５  インゴット
１６，１７，１８，１９  開閉扉
２０  開閉機構
２１  制御装置
【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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【図７】
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