JP2006169033A - 石英ガラスの成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 石英ガラス塊を加熱加圧成形する際、石英ガラスを所定形状に歩留よく成形することができる成形方法及び成形装置を提供する。
【解決手段】 石英ガラス７塊をモールド８内に収容して加熱し、天板１３を移動させることにより、石英ガラス７塊を側壁部１２との間で加圧して所定形状に成形する方法において、石英ガラス７塊の温度分布を底部７ｂ側が側面側より高温となるように制御した状態で、天板１３により加圧して所定形状の石英ガラスを成形する方法。
【選択図】 図２

Description

この発明は、モールド内に石英ガラスを収容して加熱しつつ、加圧して均質な石英ガラスを所定形状に成形するための成形方法及び成形装置に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ等の集積回路パターン転写には、主に投影露光装置（または、光リソグラフィ装置）が用いられる。この装置に用いられる投影光学系には、集積回路の高集積化に伴い、広い露光領域と、その露光領域全体にわたって、より高い解像力が要求される。投影光学系の解像力の向上については、露光波長をより短くするか、あるいは、投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくすることが行われる。

露光波長については、ｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）やＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザーへと短波長化が進められている。また、更に高集積化を進めるに当たって、現在、Ｆ_２（１５７ｎｍ）エキシマレーザ，Ｘ線，電子線を光源に用いる方法が検討されている。この中で、これまでの設計思想を生かして作製することが可能なＦ_２エキシマレーザを用いた縮小投影露光装置がにわかに脚光を浴びてきている。

一般に、ｉ線より長波長の光源を用いた縮小投影露光装置の照明光学系あるいは投影光学系のレンズ部材として用いられる光学ガラスは、ｉ線よりも短い波長領域では光透過率が急激に低下し、特に２５０ｎｍ以下の波長領域ではほとんどの光学ガラスでは透過しなくなる。そのため、エキシマレーザを光源とした縮小投影露光装置の光学系を構成するレンズの材料には、石英ガラスとフッ化カルシウム結晶のみが使用可能である。この２つの材料はエキシマレーザの結像光学系で色収差補正を行う上で不可欠な材料である。

縮小投影露光装置でウェハー上に回路を焼き付けるためのもう一つの重要な要素としてレチクルが挙げられる。このレチクルに用いられる材料としては、エキシマレーザ耐久性はもとより、基板の発熱による熱膨張が大きな問題になるため、耐久性が良好で、なおかつ熱膨張係数の小さい、直接法と呼ばれる方法（火炎加水分解により透明石英ガラスを製造する方法）で合成された石英ガラスが用いられている。

直接法では、石英ガラス製バーナにて支燃性ガス（酸素含有ガス、例えば酸素ガス）及び可燃性ガス（水素含有ガス、例えば水素ガスあるいは天然ガス）を混合・燃焼させ、前記バーナの中心部から原料ガスとして高純度のケイ素化合物（例えば四塩化ケイ素ガス）をキャリアガス（通常酸素ガス）で希釈して噴出させ、前記原料ガスを周囲の前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼により反応（加水分解反応）させて石英ガラス微粒子を発生させ、その前記石英ガラス微粒子を、前記バーナ下方に配置され、回転および揺動および引き下げ運動を行う不透明石英ガラス板からなるターゲット上に堆積させ、同時に前記酸素ガス及び水素ガスの燃焼熱により溶融・ガラス化して石英ガラスインゴットを得ている。

この方法によると、比較的大きな径の石英ガラスインゴットを得易いため、インゴットからブロックを切り出して所望の形状，大きさの光学部材を製造することができる。

また、近年、大型のレンズやレチクル、或いは大型の液晶ディスプレイ等、広い面積の面を有する光学部材を得るため、予め形成されたインゴット等の石英ガラス塊を加熱加圧成形することにより扁平形状にして面積を拡大する成形方法が利用されている。

この成形方法では、石英ガラス塊をモールド内に収容して加熱した状態で、加圧板により加圧することにより成形を行い、その後モールド内で徐冷したり、更にアニール処理を行い、１対向面の面積が拡大された所定形状の成形体を得ることができる。

このような加熱加圧成形を行うものとして、例えば、グラファイト製のモールド内で、絶対圧が ０．１Ｔｏｒｒ以上大気圧以下へのヘリウムガス雰囲気下に
、１７００℃以上の温度に加熱加圧成形し、ついで１１００〜１３００℃まで急冷する方法が知られている。また、石英ガラスとモールドの型材との熱膨張率差に起因する応力を緩和する構造を有するグラファイト製のモールドを用いて１６００℃〜１７００℃で加圧成形する方法（下記、特許文献１参照。）や、そのグラファイト製のモールドが２分割以上の縦型構造である成型装置が提案されている（下記、特許文献２及び３参照。）。更には、黒鉛製のモールド内面に石英粉末からなる被覆層を設けて、１５５０℃〜１７００℃で加圧成形する方法（下記、特許文献４参照。）も知られている。
特開昭６１−８３６３８号公報。 特開昭５６−１２９６２１号公報。 特開昭５７−６７０３１号公報。 特開２００２−２２０２４０号公報。

しかしながら、従来の加熱加圧成形では、均一に加熱可能なヒータで所定温度に加熱されたチャンバー内に、石英ガラス塊を収容したモールドを所定時間保持して石英ガラスを成形可能温度に昇温していた。そのため、円柱状或いは角柱状の石英ガラス塊を長手方向に加圧して成形する場合、石英ガラス塊の略全体が一様に成形可能温度に昇温されて軟化されているため、加圧終了時にガラス塊の底部が所定形状に変形されないことがあった。

特に、昨今の大面積を一括露光するために要求される大型のレンズ、ミラー、レチクル等の光学部材を形成する場合には、より大きな石英ガラス塊を用いて、大型の成形装置で成形しなければならず、より成形ガラスの底部が所定形状になり難くくなるため、歩留が悪くなり易かった。

そこで、この発明では、石英ガラス塊を加熱加圧成形する際、石英ガラスを所定形状に歩留よく成形することができる成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１に記載の発明は、石英ガラス塊をモールド内に収容して加熱し、加圧部を移動させることにより、前記石英ガラス塊を側壁部との間で加圧して所定形状に成形する方法において、前記石英ガラス塊の温度分布を底部側が側面側より高温となるように制御した状態で、前記加圧部により加圧することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に加え、前記石英ガラス塊の底部側と頂部側との間の温度分布の幅が、５℃以上５０℃以下であることを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、石英ガラス塊を収容可能な中空部を有するモールドと、前記中空部に移動可能に配置された加圧部と、前記中空部に収容された前記石英ガラス塊を加熱する加熱手段とを備え、前記石英ガラス塊を前記加熱手段で加熱しつつ、前記加圧部を前記底部側に移動させることにより、該石英ガラス塊を加圧して所定形状に成形する装置であって、前記加熱手段が、前記石英ガラス塊の底部側を側面側より高温となるように加熱するものであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の構成に加え、前記加熱手段は、前記モールドの側面側と底部側に配置され、前記モールド側面側と前記モールド底部側とで発熱量を独立して調整可能に構成されていることを特徴とする。

上記請求項１に記載の発明によれば、石英ガラス塊の温度分布を、モールド底部側がモールド側面側より高温となるように調整して加圧するので、石英ガラス塊の底部側が側面部側より成形され易くて、加圧時に底部側から順に成形することが可能となる。そのため、石英ガラスが底部より変形するため成形後のガラス形状が所定形状に変形でき、歩留を向上させることができる。

更に、請求項２に記載の発明によれば、前記石英ガラス塊の底部側と頂部側との間の温度分布の幅が、５℃以上５０℃以下であるので、成形後の石英ガラスが所定形状に確実に変形でき、且つ不純物による汚染、屈折率均質性の低下を抑制することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、モールドの中空部に収容された石英ガラス塊を加熱する加熱手段が、石英ガラス塊の底部側を側面側より高温となるように加熱するものであるので、成形時に加圧部をモールドの底部側に移動させて石英ガラス塊を加圧すると、底部側から順に成形することが可能である。そのため確実に石英ガラスが底部より変形するため成形後のガラス形状が所定形状に変形でき、歩留を向上させることができる。

更に、請求項４に記載の発明によれば、加熱手段がモールドの側面側及び底部側に配置され、それぞれ発熱量を独立して調整可能に構成されているので、モールドの中空部内に収容された石英ガラス塊の温度を調整し易い。

［発明の実施の形態］
以下、この発明の実施の形態について説明する。

図１及び図２はこの実施の形態の成形装置を示す。

この成形装置１は、四塩化ケイ素、シラン、有機ケイ素等のケイ素化合物を原料として製造される合成石英ガラスのインゴットやその一部、または、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｂ、Ｆ、Ａｌ等の屈折率を変化させる成分を添加した合成石英ガラスのインゴットやその一部等の石英ガラス塊から、例えば、大型の液晶用マスク、半導体用マスク等のレチクル（フォトマスク）用基板、結像光学系の大型のレンズ材料などのように広い面を有する板状体やその他の大型ガラスブロックを成形するための装置である。

この成形装置１では、金属製の真空チャンバー２の内壁に、全面にわたって設けられた断熱材３と、断熱材３の縦壁の内側に設けられた加熱手段としての複数のカーボンヒータ４、及び断熱材３の底壁の上面側に設けられた加熱手段としてのカーボンヒータ５とが設けられ、更に、真空チャンバー２内部の略中央部に中空部６を有するモールド８が収容されている。ここでは、側面カーボンヒータ４、及び底面カーボンヒータ５はそれぞれ独立して発熱量を調整可能に構成されており、モールド８の側面側及び底面側全面に配置されている。

なお、ここでは、加熱手段としてカーボンヒータ４，５を用いているが、これに限らず、他のヒータでも良く、又、配設位置もこの実施の形態の位置に限定されず、モールド８との間に絶縁性等を確保することにより、このモールド８に接触させて配置することも可能である。但し、この実施の形態のように、モールド８からカーボンヒータ４，５を離間させて、雰囲気を介して間接的に加熱することにより、石英ガラス７での温度むらを抑制できる。

モールド８は、底板９及び受板１０を備えた底部１１と、底部１１の上側に筒状に形成された側壁部１２とを備え、この筒状の側壁部１２と底部１１とにより中空部６が形成されている。その側壁部１２は、４枚の板状部材を互いに直角に組み合わせて構成され、底板９及び天板１３と合わさって直方体状の中空部６が構成されている。

この中空部６には、中空部６の形状に対応する形状の加圧部としての天板１３が配置され、天板１３の押圧面１３ａ（上面）を、真空チャンバー２の外部に配設された油圧シリンダのシリンダロッド１４で押圧することにより、その天板１３がモールド８の底部１１側に移動可能となっている。

なお、このシリンダロッド１４を備えた油圧シリンダは、外部から供給する油圧を調整することにより加圧されて移動するように構成されているが、詳細な図示は省略されている。

これらのモールド８及び天板１３は、塊状の石英ガラス７の成形時の温度及び圧力に対する耐熱性及び強度を有し、且つ、成形時に塊状の石英ガラス７と接触しても不純物を混入し難い材料から形成されており、ここでは全てグラファイトにより形成されている。

また、図示していないが、真空チャンバー２内やモールド８等の温度を検出する温度センサが設けられ、この温度センサからの信号が制御装置に入力されて、この制御装置により、カーボンヒータ４，５等が後述するように制御されるように構成されている。

次に、以上のような構成の成形装置１を用いて、この実施の形態の方法により、塊状の石英ガラス７を成形する場合について説明する。まず、真空チャンバー２内に底板９、受板１０、側壁部１２を組合わせてモールド８を形成する。そして、モールド８の中空部６内に塊状の石英ガラス７を配置する。この実施の形態では、塊状の石英ガラス７として合成石英ガラスインゴットを使用する。

そして、中空部６内に収容した塊状の石英ガラス７の上部に天板１３を配置し、更に、天板１３の押圧面１３ａに油圧シリンダのシリンダロッド１４の押圧部位１４ａを当接させてセットする。そして、真空チャンバー１１内を不活性ガスで置換し、真空チャンバー２内を圧力を、例えば１０４KＰａ〜１１０KＰａとする。

次に、カーボンヒータ４、５により、モールド８及びその中空部６に収容された塊状の石英ガラス７を加熱する。この加熱時には、まず、カーボンヒータ４、５を発熱させて、真空チャンバー２内を５００〜１０００℃／ｈｒの昇温速度で昇温する。そして、モールド８の底部側のカーボンヒータ５の発熱量を増加させて、塊状の石英ガラス７の底板９側の温度が側壁部１２側よりも高くなるように、カーボンヒータ４、５の発熱量を制御する。

この状態で、塊状の石英ガラス７の内部まで十分に加熱される程度の時間、例えば１５〜４５分間保持することにより、塊状の石英ガラス７の温度分布の幅、即ち、天板１３側の頂部７ａとモールド８の底部１１側の底部７ｂとの温度差を５℃以上５０℃以下とすることができる。ここでは、塊状の石英ガラス７の温度分布が５℃以上とすると、５℃未満の場合と比べ、成形終盤時に石英ガラス７の底部７ｂをより精度良く所定形状に変形させることができる一方、５０℃以下とすると、５０℃より高い場合と比べ、石英ガラス７の加圧方向の温度勾配が小さいため、石英ガラス７の加圧変形が狭い範囲で起こり難く、その結果、加圧変形に要する時間が短くなり、種々の利点が生じる。例えば、不純物による汚染が小さくなり、又、一回の成形に要するサイクルタイムが短くなることによって生産効率が向上し、更に屈折率の均質性の向上する。

更に、この成形に際しては、塊状の石英ガラス７の全体の温度を、結晶化温度以上軟化点以下にするのが好ましく、その温度は水酸基濃度により変化し、ここでは１５７０℃〜１６７０℃の成形温度に昇温している。成形の開始段階で、塊状の石英ガラス７の底部７ｂ付近を加圧する時点では、少なくとも底部７ｂ側が、成形温度に到達していればよい。

そして、このように塊状の石英ガラス７を加熱した状態で、油圧シリンダへの油圧を制御調整することにより、シリンダロッド１４を下方へ移動させて、シリンダロッド１４の押圧部位１４ａで天板１３の押圧面１３ａを押圧する。これにより、天板１３がモールド８の底部１１側の加圧方向へ移動し、天板１３の加圧面１３ｂと底部１１の底部７ｂとの間で塊状の石英ガラス７が加圧される。

すると、石英ガラス７は底部７ｂ側が頂部７ａ側より高温となっているため、底部７ｂ側が頂部７a側より変形し易く、天板１３の加圧面１３ｂにより加圧されると、底部７ｂ側から順次変形されることになる。

このとき、天板１３の下降速度を、例えば５〜１５ｃｍ／ｍｉｎとすることにより、より底部７ｂ側から変形させ易くできる。

また、成形時に天板１３から加える圧力は、成形初期の段階で天板１３の圧力を小さくし、最終段階で最大加圧力となるようにするのが好ましく、例えば、初期の段階では天板１３の加圧面１３ａの単位面積当りに換算した圧力を０．１〜０．５Ｋｇ／ｃｍ^２とし、成形の最終段階では０．５〜２．０Ｋｇ／ｃｍ^２とすることができる。このような範囲とすることによっても、底部７ｂ側から変形させ易くできる。

そして、石英ガラス７が所定形状の板状体に成形された段階で、天板１３による加圧を終了する。その後、板状に成形された石英ガラス７を、モールド８内に配置した状態のままで冷却し、真空チャンバ２から成形体を取り出すことにより成形が完了する。

以上のようにして、塊状の石英ガラス７を成形すれば、モールド８の中空部６に収容された塊状の石英ガラス７を、モールド８の底部１１側の底部７ｂを天板１３側の頂部７ａより高温となるようにカーボンヒータ４、５で加熱するので、塊状の石英ガラス７の底部１１側が天板１３側より成形され易く、成形時に天板１３で塊状の石英ガラス７を加圧すると、底部１１側から順に成形することができる。そのため、石英ガラス７が底部７ｂより変形するため、成形後の石英ガラス７の形状が所定形状に変形でき歩留が向上する。

また、ここでは、発熱量を独立して調整可能なカーボンヒータ４、５を、モールド８の側面及び底部に配置したので、モールド８の中空部６内に収容された塊状の石英ガラス７を、加圧方向に温度分布を形成するように加熱し易い。

なお、上記実施の形態では、結晶化温度以上軟化点温度以下の温度で成形する例について説明したが、成形温度は石英ガラス７の結晶化温度以上であればよく、例えば一部を軟化点より高い温度にして成形することも可能である。

以下、実施例について説明する。
［実施例１］

図１に示すような成形装置（中空部６の横断面形状が１００ｃｍ×１００ｃｍの正方形である装置）を用い、直径５０ｃｍで高さが７０ｃｍの合成石英ガラスインゴットからなる塊状の石英ガラス７から、一辺が１００ｃｍの正方形形状で厚さが１３．７ｃｍの直方体状の石英ガラス７を成形した。

この成形では、真空ポンプにて、真空チャンバー２内の圧力を０．６７Ｐａまで減圧した後、純粋な窒素ガスを圧力１１０ｋＰａまで充填させた後、４００℃／ｈｒの昇温速度で、塊状の石英ガラス７の頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度が１６２０℃、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度が１６４０℃で、分布の幅が２０℃となるように制御して昇温し、その後、４０分間保持した。

このとき、モールド８の温度は温度センサとして二色温度計により測定した。

その後、シリンダロッド１４により、初期荷重を０．５ｔｏｎ、プレス速度を１ｍｍ／ｓｅｃにて天板１３を押圧し、インゴットの成形を行った。プレス荷重が１５ｔｏｎとなった時点で加圧を終了し、冷却した。

得られた石英ガラス７の成形体の形状を観察したところ、石英ガラス７の頂部７ａ及び底部７ｂとも、モールド８の中空部６の形状に沿った形状が得られ、成形体のエッジ部分及びコーナ部分に肉眼で判別可能なＲ形状は認められなかった。また、不純物による汚染、屈折率均質性の低下を抑制することができた。
［実施例２］

図１に示すような成形装置を用い、頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度が１６００℃、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度が１６５０℃で、分布の幅が５０℃となるように昇温した他は、実施例１と同様にして板状体の石英ガラス７を成形した。

得られた石英ガラス７の成形体の形状を観察したところ、石英ガラス７の頂部７ａ及び底部７ｂとも、モールド８の中空部６の形状に沿った形状が得られ、成形体のエッジ部分及びコーナ部分に肉眼で判別可能なＲ形状は認められなかった。また、不純物による汚染、屈折率均質性の低下を抑制することができた。
［実施例３］

頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度を１５５０℃、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度を１６５０℃、分布の幅を１００℃とした他は、実施例１と同様にして板状体の石英ガラス７を成形した。

得られた石英ガラス７の成形体の形状を観察したところ、石英ガラス７の頂部７ａ及び底部７ｂとも、モールド８の中空部６の形状に沿った形状が得られ、成形体のエッジ部分及びコーナ部分に肉眼で判別可能なＲ形状は認められなかった。但し、成形前に比べて若干の不純物の混入が認められた。また、屈折率の均質性について僅かな悪化が認められた。
［実施例４］

頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度を１６００℃、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度を１６０４℃、分布の幅を４℃とした他は、実施例１と同様にして板状体の石英ガラス７を成形した。

得られた石英ガラス７の成形体の形状を観察したところ、石英ガラス７の頂部７ａ及び底部７ｂとも、モールド８の中空部６の形状にほぼ沿った形状が得られたが、成形体のエッジ部分及びコーナ部分に肉眼で判別可能な若干のＲ形状が認められた。
［比較例１］

頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度を１６００℃、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度を１６００℃として、底部７ｂ側の温度を上げることなく、分布の幅をなくした他は、実施例１と同様にして板状体の石英ガラス７を成形した。

得られた石英ガラス７の成形体の形状を観察したところ、石英ガラス７の底部７ｂにおいて、石英ガラス７がモールド８の隅まで流動しなかったため、成形体のエッジ部分及びコーナ部分が大きなＲ形状となっており、その曲率半径は５ｍｍ以上であった。

以上のように、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度を、頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度より高くしていない比較例１にあっては、石英ガラス底部７ｂの角の部分がＲ形状となっていたが、上記各実施例のように、底部７ｂに相当する部分のモールド８の温度を、頂部７ａに相当する部分のモールド８の温度より高くしたものにあっては、石英ガラス７の頂部７ａ及び底部７ｂともモールド８の中空部６に沿った所定形状に成形されていた。

そして、その所定の効果を奏する各実施例の中でも、温度分布の幅を５℃以上５０℃以下とした実施例１，２にあっては、他の実施例と比較してもより精度良く所定の形状に形成できると共に、不純物による汚染、屈折率均質性の低下を抑制することができた。

この発明の実施の形態の成形装置の一部を示す概略縦断面図である。 この発明の実施の形態のモールドの一部を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ 成形装置
２ 真空チャンバー
３ 断熱材
４ 側面カーボンヒータ（加熱手段）
５ 底面カーボンヒータ（加熱手段）
６ 中空部
７ 石英ガラス
８ モールド
９ 底板
１０ 受板
１１ 底部
１２ 側壁部
１３ 天板
１４ シリンダロッド

Claims (4)

1. 石英ガラス塊をモールド内に収容して加熱し、加圧部を移動させることにより、前記石英ガラス塊を側壁部との間で加圧して所定形状に成形する方法において、
   前記石英ガラス塊の温度分布を底部側が側面側より高温となるように制御した状態で、前記加圧部により加圧することを特徴とする石英ガラスの成形方法。
2. 前記石英ガラス塊の底部側と頂部側との間の温度分布の幅が、５℃以上５０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスの成形方法。
3. 石英ガラス塊を収容可能な中空部を有するモールドと、該中空部に移動可能に配置された加圧部と、前記中空部に収容された前記石英ガラス塊を加熱する加熱手段とを備え、前記石英ガラス塊を前記加熱手段で加熱しつつ、前記加圧部を前記モールドの底部側に移動させることにより、該石英ガラス塊を加圧して所定形状に成形する装置であって、
   前記加熱手段は、前記石英ガラス塊の底部側を側面側より高温となるように加熱するものであることを特徴とする石英ガラスの成形装置。
4. 前記加熱手段は、前記モールドの側面側と前記モールドの底部側に配置され、それぞれ発熱量を独立して調整可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の石英ガラスの成形装置。

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