JP2005308876A - Optical member, optical system and exposure device - Google Patents

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JP2005308876A JP2004122952A JP2004122952A JP2005308876A JP 2005308876 A JP2005308876 A JP 2005308876A JP 2004122952 A JP2004122952 A JP 2004122952A JP 2004122952 A JP2004122952 A JP 2004122952A JP 2005308876 A JP2005308876 A JP 2005308876A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce stress double refraction quantity and the anisotropy of stress double refraction in an optical system having crystalline optical members. <P>SOLUTION: A plurality of optical members each of which consists of single crystal whose crystal structure belongs to a point group O, Oh or Td and has axially symmetrical stress distribution having a prescribed crystal axis direction as a symmetrical axis are arranged so as to be relatively rotated around the symmetrical axis by prescribed angles so that the symmetrical axes of the stress distribution coincide with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、応力複屈折を低減した光学系および該光学系を備えた露光装置に関し、特に半導体素子などのマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置に好適な光学系に関するものである。   The present invention relates to an optical system with reduced stress birefringence and an exposure apparatus equipped with the optical system, and more particularly to an optical system suitable for an exposure apparatus used when manufacturing a microdevice such as a semiconductor element in a photolithography process. Is.

近年、半導体製造における光を用いた精密加工や計測の分野では、要求される加工・計測精度の向上に合わせて光源の短波長化が進んでいる。これに伴い使用可能な光学部材は、より短波長まで光吸収の少ない材料に限定されることになる。現在主流の光源であるArFエキシマレーザー(波長193nm)に使用可能な光学部材は合成石英ガラスまたはフッ化カルシウム等のフッ化物単結晶であり、さらに波長の短いF2レーザー(波長157nm)を光源とする場合は、事実上フッ化物単結晶のみが光学部材として使用できる。 In recent years, in the field of precision processing and measurement using light in semiconductor manufacturing, the wavelength of a light source has been shortened in accordance with improvement in required processing / measurement accuracy. Accordingly, usable optical members are limited to materials that absorb less light up to shorter wavelengths. Optical members that can be used for the ArF excimer laser (wavelength: 193 nm), which is currently the mainstream light source, are synthetic quartz glass or fluoride single crystals such as calcium fluoride, and a short wavelength F 2 laser (wavelength: 157 nm) as the light source. In this case, virtually only a fluoride single crystal can be used as the optical member.

光学部材としてのフッ化物単結晶には等軸晶系結晶が好適に用いられる。等軸晶系結晶は一般に複屈折を持たないとされているためである。しかしながら等軸晶系結晶であっても光の波長がその結晶の吸収端波長に近い場合、または結晶に応力が働き歪みを生じている場合には、複屈折を生じることが知られている。以下、前者の場合に生じる複屈折を固有複屈折(Intrinsic Birefringence、真性複屈折又は本質的複屈折ともいう)、後者の場合に生じる複屈折を応力複屈折(Stress Birefringence)と呼ぶ。なお今後特に断らない限り、結晶とは等軸晶系結晶を指すものとする。   An equiaxed crystal is preferably used for the fluoride single crystal as the optical member. This is because the equiaxed crystal generally has no birefringence. However, it is known that even if it is an equiaxed crystal, birefringence occurs when the wavelength of light is close to the absorption edge wavelength of the crystal, or when stress is applied to the crystal to cause distortion. Hereinafter, the birefringence generated in the former case is referred to as intrinsic birefringence (also referred to as intrinsic birefringence, intrinsic birefringence or intrinsic birefringence), and the birefringence generated in the latter case is referred to as stress birefringence. Unless otherwise specified in the future, the crystal refers to an equiaxed crystal.

固有複屈折は結晶の本質的な性質である周期構造の反映であるため、理想的な結晶においても発生し、結晶製造上の工夫で解消することはできない。そこで固有複屈折が認められる結晶性光学部材を用いる光学系では、光線に対して所定の結晶方位に配向させた複数の光学部材を組み合わせ、光学系全体の複屈折を見かけ上打ち消すことが行われる。この手法を一般にクロッキングと呼ぶ。   Intrinsic birefringence is a reflection of the periodic structure, which is an essential property of the crystal, and therefore occurs even in an ideal crystal and cannot be eliminated by means of crystal manufacturing. Therefore, in an optical system using a crystalline optical member in which intrinsic birefringence is recognized, a plurality of optical members oriented in a predetermined crystal orientation with respect to a light beam are combined to apparently cancel the birefringence of the entire optical system. . This method is generally called clocking.

Burnettらは<111>方向を光軸とする一対のフッ化カルシウム(CaF2)単結晶製レンズを光軸の周りに結晶学的に60度回転した関係に置くことによって、光学系全体としての複屈折が改善されることを示した(非特許文献1参照)。フッ化カルシウム結晶は<111>方向の光線に対して光軸周りに3回対称の固有複屈折分布を持つが、Burnettらの方法によれば、3回対称成分は打ち消され、固有複屈折は同心円状の分布すなわち軸対称の分布となって、光学設計上の問題がある程度改善される。しかしながら軸対称成分は依然残存するため、この固有複屈折の軸対称成分を低減する手段として、<111>方向を光軸とする一対のフッ化カルシウム単結晶製レンズに加え、<100>方向を光軸とし、光軸の周りに相対的に45度回転させた一対のフッ化カルシウム単結晶製レンズを追加した光学系が提案されている(特許文献1)。 Burnett et al. As a whole optical system by placing a pair of calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal lenses having the <111> direction as the optical axis in a crystallographically rotated 60 degrees around the optical axis. It was shown that birefringence is improved (see Non-Patent Document 1). Calcium fluoride crystals have an intrinsic birefringence distribution that is three-fold symmetric around the optical axis with respect to the light beam in the <111> direction, but according to the method of Burnett et al., The three-fold symmetric component is canceled and the intrinsic birefringence is A concentric distribution, that is, an axially symmetric distribution, improves the optical design problem to some extent. However, since the axially symmetric component still remains, as a means for reducing the axially symmetric component of this intrinsic birefringence, in addition to a pair of calcium fluoride single crystal lenses having the <111> direction as the optical axis, the <100> direction is There has been proposed an optical system in which a pair of calcium fluoride single crystal lenses which are optical axes and are rotated by 45 degrees around the optical axis are added (Patent Document 1).

なお特に断らない限り、以下の説明において軸対称とは、対称軸の回りに同心円状の∞回回転対称を指すものとする。
特開2003−50349号公報 J.H.Burnett, Z.H.Levine, E.L.Shirley and J.H.Bruing, "Symmetry of spatial-dispersion-induced birefringence and its implications for CaF2 ultraviolet optics", Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, Vol.1 No.3, p.213-224, October 2002
Unless otherwise specified, in the following description, axial symmetry refers to concentric ∞ rotation symmetry around the symmetry axis.
JP 2003-50349 A JHBurnett, ZHLevine, ELShirley and JHBruing, "Symmetry of spatial-dispersion-induced birefringence and its implications for CaF2 ultraviolet optics", Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, Vol.1 No.3, p.213-224, October 2002

結晶性光学部材が示す複屈折のうち、固有複屈折についてはクロッキング等の光学設計上の検討がなされている一方、応力複屈折についてはこれまで特に技術的検討はなされていなかった。ところが最近になって応力複屈折の存在がクローズアップされ、ArF、F2といった真空紫外波長領域での光露光の実現可能性を左右するほどの大きな問題になっている。レンズ等の光学部材が複屈折を持つと、結像性能等の光学性能を悪化させるためである。 Among the birefringence exhibited by the crystalline optical member, the intrinsic birefringence has been studied in terms of optical design such as clocking, while the stress birefringence has not been particularly studied so far. Recently, however, the existence of stress birefringence has been highlighted, and has become a serious problem that affects the feasibility of light exposure in the vacuum ultraviolet wavelength region such as ArF and F 2 . This is because, when an optical member such as a lens has birefringence, optical performance such as imaging performance is deteriorated.

現在、露光装置の光学系を想定した場合に問題となるレベルの応力複屈折が観測されているのは、フッ化カルシウム単結晶の<100>方向である。
前述のように、固有複屈折を打ち消すためのクロッキングにおいては、<111>方向を光軸とする単結晶のペアに加え、<100>方向を光軸とする単結晶のペアを用いることが有効である(特許文献1)。ところが<100>方向を光軸とするフッ化カルシウム単結晶では、レタデーションで数nm〜数10nm/cm程度という比較的大きな応力複屈折が観測されている。また<100>方向と比べて複屈折量は小さいものの、<111>方向についても無視できない量の応力複屈折が存在することがわかっている。つまりクロッキングによって固有複屈折を完全に打ち消すことができたとしても、応力複屈折の影響は排除することができないのである。また<111>方向の周りでは、光線と<111>軸のなす角によって応力複屈折量が大きく異なる、つまり応力複屈折の入射角依存性が大きいという現象も知られており、露光装置の光学設計上の問題となっている。
At present, stress birefringence at a level that poses a problem when an optical system of an exposure apparatus is assumed is observed in the <100> direction of a calcium fluoride single crystal.
As described above, in the clocking for canceling the intrinsic birefringence, in addition to the single crystal pair having the <111> direction as the optical axis, a single crystal pair having the <100> direction as the optical axis may be used. It is effective (patent document 1). However, in the calcium fluoride single crystal having the <100> direction as the optical axis, a relatively large stress birefringence of about several nanometers to several tens of nanometers / cm is observed by retardation. Further, although the birefringence amount is smaller than that in the <100> direction, it is known that there is a non-negligible amount of stress birefringence in the <111> direction. In other words, even if the intrinsic birefringence can be completely canceled by clocking, the influence of stress birefringence cannot be eliminated. Also, around the <111> direction, the phenomenon that the amount of stress birefringence differs greatly depending on the angle between the light beam and the <111> axis, that is, the incident angle dependency of the stress birefringence is known to be large. It is a design problem.

固有複屈折は結晶の本質的な対称性に由来するものであり、外的要因とは無関係に結晶自体が備える特性であるから、固有複屈折に対するクロッキング等の対策は、同一の対称性を備える結晶であれば製造方法や使用条件によらず必ず同一の効果を得ることができる。これに対して応力複屈折は結晶に働く応力によって生じる現象であって、応力は結晶の製造条件や使用条件等、個々の結晶に付随する外的要因に依存するので、応力複屈折の低減手段は一般化することが難しい。また応力複屈折は結晶の対称性と応力の双方に依存した複雑な挙動を示すため、固有複屈折と比較して異方性が高く、その解消は困難と考えられる。
応力複屈折の影響を減らすため、結晶のアニール方法を改良する等の対策によって応力の絶対値自体を低減する試みもあるが、完全な応力フリーの状態を作り出すことは困難であり、現在のところ有効な解決手段は見出されていない。
本発明は光学部材および光学系において応力複屈折量および応力複屈折の異方性を低減することを目的とする。
Intrinsic birefringence is derived from the intrinsic symmetry of the crystal and is a characteristic of the crystal itself regardless of external factors. Therefore, measures such as clocking against intrinsic birefringence have the same symmetry. As long as the crystals are provided, the same effect can always be obtained regardless of the production method and use conditions. On the other hand, stress birefringence is a phenomenon caused by stress acting on the crystal, and stress depends on external factors associated with individual crystals such as crystal manufacturing conditions and usage conditions. Is difficult to generalize. Moreover, since stress birefringence shows a complicated behavior depending on both the symmetry of the crystal and the stress, the anisotropy is higher than the intrinsic birefringence and it is considered difficult to eliminate it.
In order to reduce the effect of stress birefringence, there are attempts to reduce the absolute value of the stress itself by measures such as improving the crystal annealing method, but it is difficult to create a completely stress-free state at present. No effective solution has been found.
An object of the present invention is to reduce the amount of stress birefringence and the anisotropy of stress birefringence in an optical member and an optical system.

本発明は、応力複屈折の異方性を改善した光学部材および光学系を提供するものである。
本発明が提供する請求項1に記載の光学部材は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有することを特徴とする。
The present invention provides an optical member and an optical system having improved anisotropy of stress birefringence.
The optical member according to claim 1 provided by the present invention has an axially symmetric stress distribution having a crystal structure of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and having the <111> axis as an axis of symmetry. It is characterized by having.

応力複屈折は特に短波長の光に対して問題となる。したがって短波長の光に対して透明な光学部材であるフッ化カルシウム単結晶に適用すれば大きな効果が得られる。そこで本発明の請求項2に記載の光学部材は、請求項1に記載の光学部材であって、前記単結晶がフッ化カルシウム(CaF2)単結晶であることを特徴とする。 Stress birefringence is particularly problematic for short wavelength light. Therefore, if it is applied to a calcium fluoride single crystal that is an optical member that is transparent to light having a short wavelength, a great effect can be obtained. Accordingly, an optical member according to a second aspect of the present invention is the optical member according to the first aspect, wherein the single crystal is a calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal.

請求項3に記載の光学系は、請求項1または請求項2に記載の光学部材を少なくとも1枚有するものである。
本発明はまた、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、所定の結晶方位に軸対称な応力分布を有する複数の光学部材を、所定の方位に配置した、以下の光学系を提供する。
An optical system according to a third aspect has at least one optical member according to the first or second aspect.
The present invention also includes a plurality of optical members having a crystal structure of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and having a stress distribution that is axially symmetric with respect to a predetermined crystal orientation. The following optical system is provided.

請求項4に記載の光学系は、請求項3に記載の光学系であって、前記光学部材を2枚有し、該2枚の光学部材の前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置したことを特徴とする。   An optical system according to claim 4 is the optical system according to claim 3, wherein the optical system has two optical members, the symmetry axes of the two optical members are aligned, and one optical member Is arranged by being rotated 60 degrees around the axis of symmetry with respect to the other optical member.

請求項5に記載の光学系は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置したことを特徴とする。   The optical system according to claim 5 includes two optical elements each having an axially symmetric stress distribution with a <100> axis as an axis of symmetry, the crystal structure being a single crystal belonging to any of point group O, Oh, or Td. The members are arranged such that the symmetry axes coincide with each other and one optical member is rotated 45 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member.

請求項12に記載の光学系は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<110>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する4枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ前記4枚の光学部材のうち3枚の光学部材を、他の1枚の光学部材に対して前記対称軸の周りにそれぞれ45度、90度、135度回転させて配置したことを特徴とする。   The optical system according to claim 12 is composed of a single crystal having a crystal structure belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and has four axisymmetric stress distributions with the <110> axis as an axis of symmetry. The members are aligned with the symmetry axis, and three of the four optical members are 45 degrees, 90 degrees, 135 around the symmetry axis with respect to the other optical member, respectively. It is characterized in that it is arranged rotated at a degree.

以上の光学系は、前記2枚または4枚の光学部材の応力分布が互いに等しい場合に、応力分布の異方性が最も低減される。そこで本発明は以下の光学系を提供する。
請求項6に記載の光学系は、請求項4または請求項5に記載の光学系であって、前記2枚の光学部材の応力分布が互いに等しいことを特徴とする。
In the above optical system, when the stress distributions of the two or four optical members are equal to each other, the anisotropy of the stress distribution is most reduced. Therefore, the present invention provides the following optical system.
An optical system according to a sixth aspect is the optical system according to the fourth or fifth aspect, wherein the stress distributions of the two optical members are equal to each other.

請求項13に記載の光学系は、請求項12に記載の光学系であって、前記4枚の光学部材の応力分布が互いに等しいことを特徴とする。
本発明はまた、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなる光学部材を複数組み合わせた光学系であって、前記それぞれの光学部材が所定の複屈折量および進相軸方向の分布を有するものであり、かつ所定の方位に配置されたことを特徴とする、以下の光学系を提供する。ここで所定の複屈折量および進相軸方向の分布とは、前記軸対称の応力分布を有する光学部材に特有に観測される分布である。
An optical system according to a thirteenth aspect is the optical system according to the twelfth aspect, wherein stress distributions of the four optical members are equal to each other.
The present invention is also an optical system in which a plurality of optical members made of single crystals whose crystal structure belongs to any one of the point groups O, Oh, or Td are combined, and each of the optical members has a predetermined birefringence amount and a phase advance. The following optical system is provided which has an axial distribution and is arranged in a predetermined direction. Here, the predetermined birefringence amount and the distribution in the fast axis direction are distributions specifically observed in the optical member having the axially symmetric stress distribution.

請求項7に記載の光学系は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[100]面内において4回回転対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記4回回転対称の対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置したことを特徴とする。   The optical system according to claim 7 is made of a single crystal having a crystal structure belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and has a birefringence amount and a fast axis direction of a light beam incident in a <100> direction of [100]. The two optical members exhibiting a four-fold rotational symmetry in the plane are aligned with the four-fold rotational symmetry axis, and one optical member is placed around the symmetry axis with respect to the other optical member. It is characterized by being rotated 45 degrees.

請求項9に記載の光学系は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[111]面内において軸対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置したことを特徴とする。   The optical system according to claim 9 is made of a single crystal having a crystal structure belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and the birefringence amount and the fast axis direction with respect to the light incident in the <111> direction are [111]. The two optical members exhibiting an axially symmetric distribution in the plane are arranged by aligning the symmetric axes and rotating one optical member 60 degrees around the symmetric axis with respect to the other optical member. It is characterized by that.

以上の光学系において応力複屈折の異方性が最も低減されるのは、前記2枚の光学部材の複屈折量および進相軸方向の分布が互いに等しい場合である。そこで本発明は以下の光学系を提供する。   The anisotropy of stress birefringence is most reduced in the above optical system when the birefringence amount and the distribution in the fast axis direction of the two optical members are equal to each other. Therefore, the present invention provides the following optical system.

請求項8に記載の光学系は、請求項7に記載の光学系であって、前記2枚の光学部材の[100]面内における複屈折量および進相軸方向の分布が互いに等しいことを特徴とする。   An optical system according to claim 8 is the optical system according to claim 7, wherein the birefringence amount and the distribution in the fast axis direction in the [100] plane of the two optical members are equal to each other. Features.

請求項10に記載の光学系は、請求項9に記載の光学系であって、前記2枚の光学部材の[111]面内における複屈折量および進相軸方向の分布が互いに等しいことを特徴とする。   An optical system according to claim 10 is the optical system according to claim 9, wherein the birefringence amount and the distribution in the fast axis direction in the [111] plane of the two optical members are equal to each other. Features.

前記2枚または4枚の光学部材が、互いに等しい応力分布または複屈折分布を有する場合、該光学部材を隣接して配置することによって光学系の応力複屈折の異方性が最も低減される。そこで本発明は以下の光学系を提供する。   When the two or four optical members have the same stress distribution or birefringence distribution, the anisotropy of the stress birefringence of the optical system is most reduced by arranging the optical members adjacent to each other. Therefore, the present invention provides the following optical system.

請求項11に記載の光学系は、請求項6または請求項8または請求項10に記載の光学系であって、前記2枚の光学部材が隣接して配置されたことを特徴とする。
請求項14に記載の光学系は、請求項13に記載の光学系であって、前記4枚の光学部材が隣接して配置されたことを特徴とする。
An optical system according to an eleventh aspect is the optical system according to the sixth, eighth, or tenth aspect, wherein the two optical members are arranged adjacent to each other.
An optical system according to a fourteenth aspect is the optical system according to the thirteenth aspect, wherein the four optical members are arranged adjacent to each other.

以上の構成を有する光学系を露光装置の光学系に適用すれば、複屈折の改善により結像性能が向上するという効果がある。特に複屈折が問題となるのは光源として紫外光を用いた光学系および該光学系を備えた露光装置であり、該光学系においてはフッ化カルシウム単結晶が光学部材として用いられる。そこで本発明は以下の光学系および露光装置を提供する。   When the optical system having the above configuration is applied to the optical system of the exposure apparatus, there is an effect that the imaging performance is improved by improving the birefringence. In particular, birefringence becomes a problem in an optical system using ultraviolet light as a light source and an exposure apparatus equipped with the optical system. In the optical system, a calcium fluoride single crystal is used as an optical member. Therefore, the present invention provides the following optical system and exposure apparatus.

請求項15に記載の光学系は、請求項5ないし請求項14のいずれか一項に記載の光学系であって、前記単結晶がフッ化カルシウム(CaF2)単結晶であることを特徴とする。
請求項16に記載の露光装置は、請求項1または請求項2に記載の光学部材を備えたことを特徴とする。
An optical system according to claim 15 is the optical system according to any one of claims 5 to 14, wherein the single crystal is a calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal. To do.
An exposure apparatus according to a sixteenth aspect includes the optical member according to the first or second aspect.

請求項17に記載の露光装置は、請求項3ないし請求項15のいずれか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする。
なお、本発明において応力分布が互いに等しいとは、応力分布の対称軸から距離rの点における応力テンソルの成分が、それぞれの光学部材について互いに等しいことを指し、対称軸を一致させるとは、対称軸を同一直線上に位置させることを指す。また複屈折量は進相軸方向と遅相軸方向のレタデーション量により表される量である。
An exposure apparatus according to a seventeenth aspect includes the optical system according to any one of the third to fifteenth aspects.
In the present invention, the stress distributions being equal to each other means that the components of the stress tensor at a distance r from the symmetry axis of the stress distribution are equal to each other for each optical member. Refers to positioning the axes on the same straight line. The birefringence amount is an amount represented by the retardation amount in the fast axis direction and the slow axis direction.

本発明によれば、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなる光学部材および該光学部材を有する光学系において、応力複屈折量ならびに応力複屈折の異方性を低減することができる。   According to the present invention, the amount of stress birefringence and the anisotropy of stress birefringence in an optical member made of a single crystal whose crystal structure belongs to any one of point groups O, Oh, or Td, and an optical system having the optical member. Can be reduced.

まず始めに、点群OまたはOhまたはTdに属する結晶が軸対称の応力分布を有する場合における応力複屈折の挙動について、本発明者が行った解析結果を示し、本発明による応力複屈折の低減効果を説明する。なお点群O、Oh、Tdは、シェーンフリースの表記法による表示である。   First, an analysis result performed by the present inventor on the behavior of stress birefringence when a crystal belonging to the point group O, Oh, or Td has an axially symmetric stress distribution is shown. Reduction of stress birefringence according to the present invention is shown. Explain the effect. Note that the point groups O, Oh, and Td are displayed using the Shane Fleece notation.

応力と複屈折の関係は一般に(1)式で表される。   The relationship between stress and birefringence is generally expressed by equation (1).

ここでπijmnは光弾性定数のテンソル、Tmnは応力テンソルである。また左辺は屈折率のマイナス2乗の、応力が働かない場合(添字0)に対する差分を表すテンソルであり、以下の説明では(1)式で表されるテンソルを応力複屈折テンソルと呼ぶことにする。 Here, π ijmn is a photoelastic constant tensor, and T mn is a stress tensor. The left side is a tensor representing the difference between the negative square of the refractive index and the case where no stress is applied (subscript 0). In the following description, the tensor represented by the equation (1) is referred to as a stress birefringence tensor. To do.

本発明の特徴は光学部材の有する応力が軸対称な点にある。そこで応力テンソルT'mnを、応力の対称軸方向をz、zに垂直な径方向をr、rの方位角方向をφとする円筒座標上で定義する。軸対称すなわちz方向に均等な同心円状の応力分布を考えると、応力テンソルはrのみの関数T'mn(r)となり、次式のように表される。 The feature of the present invention is that the stress of the optical member is axisymmetric. Therefore, the stress tensor T ′ mn is defined on cylindrical coordinates where the symmetric axis direction of stress is z, the radial direction perpendicular to z is r, and the azimuth direction of r is φ. Considering an axially symmetric, ie, concentric, stress distribution that is uniform in the z direction, the stress tensor is a function T ′ mn (r) of only r, and is expressed by the following equation.

ここでr=一定すなわちz軸(応力の対称軸)から等距離にある周上の点を解析対象とすれば、応力テンソルTmn’(r)の成分はそれぞれ定数となり、応力テンソルはTmn’となる。 Here, if r = constant, that is, a point on the circumference that is equidistant from the z-axis (stress symmetry axis) is to be analyzed, the components of the stress tensor T mn ′ (r) are constants, and the stress tensor is T mn 'Become.

なお、以下の説明では2階のテンソルAijおよび4階のテンソルXijmnをそれぞれ次のように列ベクトルおよび行列の形で表記することにする。 In the following description, the second-order tensor A ij and the fourth-order tensor X ijmn are respectively expressed in the form of column vectors and matrices as follows.

光弾性定数のテンソルπijmnは一般に結晶軸(本発明に係る結晶点群が属する等軸晶系では直交座標)を基準に表示されるので、計算上の便宜のため、円筒座標で定義された応力テンソルTmn’を、結晶の[100][010][001]を3軸とする直交座標上のテンソルTmnに一旦変換する。このとき応力の対称軸すなわちz軸を結晶の[001]軸に一致させ、φ=0を[100]軸にとると、応力テンソルTmnは(6)式で表される。 Since the tensor π ijmn of the photoelastic constant is generally displayed with reference to the crystal axis (orthogonal coordinates in the equiaxed crystal system to which the crystal point group according to the present invention belongs), it is defined by cylindrical coordinates for convenience of calculation. The stress tensor T mn ′ is once converted into a tensor T mn on orthogonal coordinates with [100] [010] [001] of the crystal as three axes. At this time, if the symmetry axis of stress, that is, the z-axis is made coincident with the [001] axis of the crystal and φ = 0 is taken as the [100] axis, the stress tensor T mn is expressed by equation (6).

また点群OまたはOhまたはTdに属する結晶のπijmnは(7)式のとおりである。(結晶の対称性から等価となる項については一つのシンボルで代表して表記する) Further, π ijmn of the crystal belonging to the point group O, Oh, or Td is as shown in the equation (7). (Terms that are equivalent due to crystal symmetry are represented by a single symbol.)

したがって点群OまたはOhまたはTdに属する結晶に軸対象の応力が働く場合の応力複屈折は、(8)式のように両テンソルの積で表される。   Therefore, the stress birefringence when the stress of the axis acts on the crystal belonging to the point group O, Oh, or Td is expressed by the product of both tensors as shown in the equation (8).

(8)式のテンソルは直交座標に対応している。そこでこれを再び円筒座標に変換すれば、円筒座標上での応力複屈折テンソルは、結晶の光弾性定数のテンソルπijmnの成分と、円筒座標で定義された応力テンソルTmn’の成分を用いて、最終的に(9)式のように表される。 The tensor in equation (8) corresponds to the orthogonal coordinates. If this is converted again into cylindrical coordinates, the stress birefringence tensor on the cylindrical coordinates uses the component of the tensor π ijmn of the photoelastic constant of the crystal and the component of the stress tensor T mn ′ defined by the cylindrical coordinates. Finally, it is expressed as in equation (9).

(9)式の応力複屈折テンソルは、点群OまたはOhまたはTdに属する結晶からなり、対称軸が<100>方向である軸対称の応力分布を有する光学部材について、応力の対称軸から距離r、方位角φにある点の応力複屈折を表すものである。   The stress birefringence tensor of the formula (9) is a distance from the symmetry axis of stress for an optical member having an axisymmetric stress distribution made of a crystal belonging to the point group O, Oh, or Td and having the symmetry axis in the <100> direction. r represents stress birefringence at a point at an azimuth angle φ.

引き続いて本発明者は、(9)式の応力複屈折テンソルについて固有値方程式を解き、応力複屈折量および進相軸方向を導き出した。固有値方程式からは固有値と固有ベクトルが導かれるが、応力複屈折量は二つの固有値の差であり、大きい方の固有値に対応する固有ベクトルが進相軸方向を表す。この計算を行うことによって、応力分布の対称軸に平行な<100>方向に入射する光線についての応力複屈折量は、   Subsequently, the present inventor solved the eigenvalue equation for the stress birefringence tensor of Equation (9), and derived the amount of stress birefringence and the fast axis direction. Although the eigenvalue and the eigenvector are derived from the eigenvalue equation, the amount of stress birefringence is the difference between the two eigenvalues, and the eigenvector corresponding to the larger eigenvalue represents the fast axis direction. By performing this calculation, the amount of stress birefringence for a light ray incident in the <100> direction parallel to the symmetry axis of the stress distribution is

であり、進相軸の方向は、rベクトルと進相軸とがなす角をΨとして、 The direction of the fast axis is the angle between the r vector and the fast axis as Ψ,

であることが導き出された。
図1(a)は、フッ化カルシウム単結晶[100]面において応力の対称軸からr=一定の距離にある点の、応力複屈折量と進相軸方向を、(10)式および(11)式により計算した結果である。紙面が[100]面、図の中心が応力の対称軸であり、r=一定の周上に書かれた円の直径がその点における応力複屈折量の相対的な大小を、また円内の直線が進相軸の方向を表す。
It was derived that.
FIG. 1 (a) shows the amount of stress birefringence and the fast axis direction at a point where r = a constant distance from the stress symmetry axis on the calcium fluoride single crystal [100] plane. It is the result calculated by the formula. The plane of the paper is the [100] plane, the center of the figure is the axis of symmetry of the stress, and r = diameter of the circle written on a constant circumference indicates the relative magnitude of the stress birefringence at that point, A straight line represents the direction of the fast axis.

図1(a)から明らかなように、応力複屈折量および進相軸方向のいずれも軸対称ではなく、4回回転対称の異方性が認められる。応力複屈折量は、<100>方向で最大となり<110>方向で最小になるような、応力の対称軸を中心とする4回回転対称の分布をもつ。また進相軸方向は、<100>方向で周方向となり<110>方向で径方向となるような4回回転対称の分布をもつ((Tr-Tφ)>0の場合)。<100>方向と<110>方向の間では、進相軸方向は連続的に回転し、観測位置が時計回りに1周する間に、進相軸は反時計回りに1周するような挙動を示す。(Tr-Tφ)<0の場合の進相軸方向は、(Tr-Tφ)>0の場合の進相軸方向と直交する方向である。   As is clear from FIG. 1A, neither the stress birefringence amount nor the fast axis direction is axially symmetric, and an anisotropy of four-fold rotational symmetry is recognized. The amount of stress birefringence has a four-fold rotational symmetric distribution around the symmetry axis of stress, which is maximum in the <100> direction and minimum in the <110> direction. The fast axis direction has a four-fold rotationally symmetric distribution in which the <100> direction is the circumferential direction and the <110> direction is the radial direction (when (Tr-Tφ)> 0). Between the <100> direction and the <110> direction, the fast axis direction rotates continuously, and the fast axis rotates once counterclockwise while the observation position rotates once clockwise. Indicates. The fast axis direction when (Tr-Tφ) <0 is a direction orthogonal to the fast axis direction when (Tr-Tφ)> 0.

以上の解析結果から、点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶性光学部材は、応力分布を<100>方向を対称軸とする軸対称な分布としても、応力複屈折量と進相軸方向は軸対称にはならないことが明らかとなった。そこで本発明者は以上の解析過程で得られた知見を基に、複数の光学部材の組み合わせによる応力複屈折低減法の開発を開始した。その結果、所定の応力分布を有する光学部材を所定の結晶方位に向けて配置することで応力複屈折の異方性が打ち消された光学系を実現可能であることを見出し、本発明をなすに至ったのである。   From the above analysis results, the crystalline optical member belonging to any of the point groups O, Oh, and Td has a stress birefringence amount and a phase advance even if the stress distribution is an axially symmetric distribution with the <100> direction as the symmetric axis. It became clear that the axial direction was not axisymmetric. Therefore, the present inventor has started development of a method for reducing stress birefringence by combining a plurality of optical members based on the knowledge obtained in the above analysis process. As a result, it has been found that an optical system in which the anisotropy of stress birefringence is canceled can be realized by disposing an optical member having a predetermined stress distribution in a predetermined crystal orientation. It has come.

以下、本発明の実施形態について説明する。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置した光学系に関するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[First embodiment]
In the first embodiment of the present invention, two optical elements each having an axially symmetric stress distribution with a <100> axis as an axis of symmetry, the crystal structure of which is a single crystal belonging to either the point group O, Oh, or Td. The present invention relates to an optical system in which a member is arranged such that the symmetry axis coincides and one optical member is rotated 45 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member.

(9)式は<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有する1枚の光学部材に関する応力複屈折テンソルであり、図1(a)はその応力複屈折と進相軸方向の分布を表すものであった。ここで(9)式においてφをφ+45度に置き換えた応力複屈折テンソルを計算する。これは(9)式の解析対象とした光学部材と同一の光学部材を、応力の対称軸周りに45度回転させた場合に相当する。点群OまたはOhまたはTdに属する結晶の<100>軸(この場合の応力の対称軸)は、結晶構造の対称性に関して4回回転対称軸であるから、45度回転の回転方向の左右は問われない。結果は(12)式となる。   Equation (9) is a stress birefringence tensor for one optical member having an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetry axis. FIG. 1A shows the stress birefringence and the fast axis direction. It was a distribution. Here, the stress birefringence tensor in which φ is replaced with φ + 45 degrees in the equation (9) is calculated. This corresponds to the case where the same optical member as the analysis target of the equation (9) is rotated 45 degrees around the stress symmetry axis. The <100> axis (stress symmetry axis in this case) of the crystal belonging to the point group O, Oh, or Td is a four-fold rotational symmetry axis with respect to the symmetry of the crystal structure. It doesn't matter. The result is equation (12).

次に、(9)式と(12)式の算術平均を求める。結果は(13)式となる。(13)式は、互いに等しい軸対称の応力分布を有し、応力の対称軸が<100>方向である2枚の光学部材を、応力の対称軸を一致させ、かつ応力の対称軸周りに相対的に45度回転させて配置した光学系全体の応力複屈折テンソルに相当する。   Next, the arithmetic average of the equations (9) and (12) is obtained. The result is equation (13). Equation (13) shows that two optical members having the same axially symmetric stress distribution and whose stress symmetry axis is in the <100> direction are arranged so that the stress symmetry axes coincide with each other and around the stress symmetry axis. This corresponds to the stress birefringence tensor of the entire optical system arranged with a relative rotation of 45 degrees.

図8は本実施形態の光学系を、応力の対称軸に垂直な<100>方向を回転角度の基準として表示した模式図である。図8の光学系を構成する光学部材21および22は同一の軸対称の応力分布を有し、かつ応力分布の対称軸周りに45度回転して配置されている。   FIG. 8 is a schematic view showing the optical system of the present embodiment with the <100> direction perpendicular to the stress symmetry axis as the reference for the rotation angle. The optical members 21 and 22 constituting the optical system of FIG. 8 have the same axially symmetric stress distribution and are rotated by 45 degrees around the symmetric axis of the stress distribution.

(13)式の応力複屈折テンソルの特徴は、テンソル成分にφを含まない点にある。応力複屈折率テンソルがφを含まないということは、テンソルの固有値および固有ベクトルである応力複屈折量および進相軸方向の双方にφ依存性がなく、応力の対称軸周りの異方性が完全に打ち消された、同心円状の分布となることを意味する。すなわち本実施形態の、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置した光学系は、光学系全体として応力複屈折の異方性が打ち消され、応力の対称軸の周りに軸対称な複屈折分布をもつものとなる。   The feature of the stress birefringence tensor of the equation (13) is that the tensor component does not include φ. The fact that the stress birefringence tensor does not contain φ means that the eigenvalue and eigenvector of the tensor are independent of both the amount of stress birefringence and the fast axis direction, and the anisotropy around the symmetry axis of the stress is completely Means a concentric distribution that has been canceled by That is, the two optical members of the present embodiment, which are composed of a single crystal whose crystal structure belongs to any of the point group O, Oh, or Td, and have an axially symmetric stress distribution with the <100> axis as the axis of symmetry, An optical system in which the symmetry axes are aligned and one optical member is rotated by 45 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member cancels the anisotropy of stress birefringence as a whole. Thus, it has an axially symmetric birefringence distribution around the stress symmetry axis.

図1(b)は、(13)式から求めた本発明に係る光学系の応力複屈折量および進相軸方向を、図1(a)と同様の手法で図示したものである。単一の光学部材の応力複屈折分布を表す図1(a)と比較すると、本実施形態の光学系では応力の対称軸周りの異方性が解消し、さらに応力複屈折量の絶対値も低減されていることが明らかである。   FIG. 1B illustrates the amount of stress birefringence and the fast axis direction of the optical system according to the present invention obtained from the equation (13) in the same manner as in FIG. 1A. Compared with FIG. 1A showing the stress birefringence distribution of a single optical member, the optical system of this embodiment eliminates the anisotropy around the symmetry axis of the stress, and the absolute value of the stress birefringence is also It is clear that it has been reduced.

以上の解析結果は、本実施形態を構成する2枚の光学部材の応力分布が完全に等しい場合についてのものである。応力分布が異なる光学部材を組み合わせた場合は、応力テンソルのφ依存性は完全には打ち消されないが、応力複屈折および進相軸方向の異方性について低減効果が認められることは言うまでもない。   The above analysis results are for the case where the stress distributions of the two optical members constituting this embodiment are completely equal. When optical members having different stress distributions are combined, the φ dependence of the stress tensor is not completely canceled, but it goes without saying that a reduction effect is observed in terms of stress birefringence and anisotropy in the fast axis direction.

本実施形態において所定の角度回転して配置された2枚の光学部材は、光学系内において隣接して配置されることが望ましく、オプティカルコンタクト等を用いて密着して配置されることが最も好ましい。これは2枚の光学部材の間の距離が小さいほど、1本の光線が夫々の光学部材を通過する点の、応力の中心軸からの距離rの差が小さくなり、応力複屈折の打ち消し効果がより大きくなるからである。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材に関するものである。
In the present embodiment, the two optical members arranged to rotate by a predetermined angle are desirably arranged adjacent to each other in the optical system, and most preferably arranged in close contact using an optical contact or the like. . This is because the smaller the distance between the two optical members, the smaller the difference in the distance r from the central axis of the stress at which one light beam passes through each optical member, thereby canceling the effect of stress birefringence. This is because becomes larger.
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention relates to an optical member having an axially symmetric stress distribution with a <111> axis as a symmetric axis, the crystal structure being made of a single crystal belonging to any of point group O, Oh, or Td. It is.

本発明者は、<111>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材について、<100>方向と同様の解析を行った。(14)式は<111>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材の応力複屈折テンソルである。   The present inventor conducted an analysis similar to that in the <100> direction for an optical member having an axially symmetric stress distribution with the <111> direction as the symmetry axis. Expression (14) is a stress birefringence tensor of an optical member having an axially symmetric stress distribution with the <111> direction as an axis of symmetry.

(14)式について固有値方程式を解くと、応力分布の対称軸に平行な<111>方向に進行する光に対する応力複屈折量は(15)式に、進相軸方向は(16)式になる。 When the eigenvalue equation is solved for equation (14), the amount of stress birefringence for light traveling in the <111> direction parallel to the symmetry axis of the stress distribution becomes equation (15), and the fast axis direction becomes equation (16). .

(15)式および(16)式のいずれにもφは含まれない。すなわち点群O、Oh、Tdのいずれかに属し、<111>方向に対称軸を持つ軸対称の応力分布を有する光学部材の、応力分布の対称軸に平行な<111>方向に進行する光に対する応力複屈折量および進相軸方向は、応力の対称軸の周りに軸対称の分布を示すことが明らかとなったのである。 Neither φ (15) nor (16) includes φ. That is, light traveling in the <111> direction parallel to the symmetry axis of the stress distribution of an optical member belonging to any of the point groups O, Oh, Td and having an axially symmetrical stress distribution having the symmetry axis in the <111> direction. It has been clarified that the stress birefringence amount and the fast axis direction show an axially symmetric distribution around the stress symmetry axis.

本発明者が見出したこの性質は<111>方向に応力の対称軸を有する光学部材に特有の性質であって、<100>方向に応力の対称軸を有する光学部材の場合とは異なり、複数の光学部材を組み合わせること無しに、軸対称の応力複屈折量分布および進相軸方向分布を実現できるという特徴がある。
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<110>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する4枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ前記4枚の光学部材のうち3枚の光学部材を、他の1枚の光学部材に対して前記対称軸の周りにそれぞれ45度、90度、135度回転させて配置した光学系に関するものである。
This property found by the present inventor is a property peculiar to an optical member having a symmetry axis of stress in the <111> direction, and is different from that of an optical member having a symmetry axis of stress in the <100> direction. There is a feature that an axially symmetric stress birefringence distribution and a fast axis distribution can be realized without combining these optical members.
[Third embodiment]
In the third embodiment of the present invention, four optical elements each having an axially symmetric stress distribution with a <110> axis as a symmetric axis, the crystal structure being a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td. The members are aligned with the symmetry axis, and three of the four optical members are 45 degrees, 90 degrees, 135 around the symmetry axis with respect to the other optical member, respectively. The present invention relates to an optical system that is rotated at a degree.

以下、本発明者が行った<110>方向に応力の対称軸を有する光学部材についての解析結果を説明する。
(17)式は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<110>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する1枚の光学部材の応力複屈折テンソルである。
Hereinafter, the analysis result about the optical member which has the symmetrical axis of stress in <110> direction which this inventor performed is demonstrated.
The equation (17) is a single crystal having a crystal structure of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and having an axially symmetrical stress distribution with the <110> axis as the axis of symmetry. Refractive tensor.

この場合の応力複屈折テンソルは成分中にφを含むことから、応力複屈折は応力の対称軸の周りに異方性を示すと考えられる。そこで本発明者は上記光学部材の組み合わせについて種々の解析を行った結果、応力複屈折の異方性を打ち消し、軸対称の応力複屈折分布を得ることのできる組み合わせ手法を見出すに至った。 Since the stress birefringence tensor in this case includes φ in the component, it is considered that the stress birefringence exhibits anisotropy around the stress symmetry axis. Therefore, as a result of various analyzes on the combination of the optical members, the present inventor has come up with a combination method that can cancel the anisotropy of stress birefringence and obtain an axially symmetric stress birefringence distribution.

(18)式〜(20)式は、(17)式で表される光学部材を応力の対称軸の周りにそれぞれ45度、90度、135度回転させた場合の応力複屈折テンソルである。また(21)式は(17)式〜(20)式の算術平均を取ったものである。   Expressions (18) to (20) are stress birefringence tensors when the optical member represented by Expression (17) is rotated by 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees around the stress symmetry axis, respectively. Equation (21) is an arithmetic average of Equations (17) to (20).

(21)式は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<110>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する4枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ前記4枚の光学部材のうち3枚の光学部材を、他の1枚の光学部材に対して前記対称軸の周りにそれぞれ45度、90度、135度回転させて配置した光学系の、光学系全体としての応力複屈折を表すテンソルに相当する。   The formula (21) is expressed as follows: four optical members having an axially symmetric stress distribution with a <110> axis as a symmetric axis, the crystal structure being made of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td. The symmetry axes are matched, and three of the four optical members are rotated 45, 90, and 135 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member, respectively. This corresponds to a tensor representing the stress birefringence of the optical system as a whole.

図12は本実施形態の光学系を、<100>方向を回転角度の基準として模式的に表した図である。光学部材61〜64は応力の対称軸が同一直線上に来るように配置され、光学部材61を基準として光学部材62は45度、光学部材63は90度、光学部材64は135度、それぞれ応力の対称軸の周りに回転して配置される。
(21)式のテンソル成分にはφが含まれないことから、(21)式を固有値方程式として解いて得られる応力複屈折量および進相軸方向もφに依存しないことが明らかである。したがって上記光学系は光学系全体として応力複屈折の異方性が打ち消された、軸対称の応力複屈折を有するものとなる。
FIG. 12 is a diagram schematically showing the optical system of the present embodiment with the <100> direction as a reference for the rotation angle. The optical members 61 to 64 are arranged so that the symmetry axis of stress is on the same straight line, the optical member 62 is 45 degrees, the optical member 63 is 90 degrees, and the optical member 64 is 135 degrees with respect to the optical member 61. Is arranged around the axis of symmetry.
Since the tensor component of equation (21) does not include φ, it is clear that the amount of stress birefringence and the fast axis direction obtained by solving equation (21) as an eigenvalue equation do not depend on φ. Therefore, the optical system has axially symmetric stress birefringence in which the anisotropy of stress birefringence is canceled as a whole optical system.

本実施形態における応力複屈折の低減効果は、上述の解析過程から明らかなように、光学系を構成する4枚の光学部材における応力分布が互いに等しい場合に最も大きくなる。応力分布が異なる光学部材を組み合わせた場合は、応力テンソルのφ依存性は完全には打ち消されないが、応力複屈折および進相軸方向の異方性について低減効果が認められることは言うまでもない。   As is apparent from the above analysis process, the effect of reducing the stress birefringence in the present embodiment is greatest when the stress distributions in the four optical members constituting the optical system are equal to each other. When optical members having different stress distributions are combined, the φ dependence of the stress tensor is not completely canceled, but it goes without saying that a reduction effect is observed in terms of stress birefringence and anisotropy in the fast axis direction.

本実施形態において所定の角度回転して配置された4枚の光学部材は、光学系内において隣接して配置されることが望ましく、オプティカルコンタクト等を用いて密着して配置されることが最も好ましい。これは4枚の光学部材の間の距離が小さいほど、1本の光線が夫々の光学部材を通過する点の、応力の中心軸からの距離rの差が小さくなり、応力複屈折の打ち消し効果がより高くなるからである。
[第4の実施形態]
さて、ここまでに本発明者が行った解析は、入射光軸が応力の対称軸と平行な場合についてのものであった。ところが現実に光学部材として用いられているフッ化カルシウム単結晶の場合、応力複屈折には入射角依存性があり、特に<111>方向の周りに入射する光に対しては応力複屈折の入射角依存性が大きいことが知られている。そこで本発明者は応力複屈折の入射角依存性の低減を目的として、<111>方向に応力の対称軸を有する部材を複数組み合わせた光学系についての解析を行った。その結果を以下に説明する。
In the present embodiment, the four optical members that are rotated by a predetermined angle are desirably disposed adjacent to each other in the optical system, and most preferably disposed in close contact using an optical contact or the like. . This is because the smaller the distance between the four optical members, the smaller the difference in the distance r from the central axis of the stress at which one light beam passes through each optical member, thereby canceling the effect of stress birefringence. Because it becomes higher.
[Fourth Embodiment]
By the way, the analysis performed by the present inventor so far has been the case where the incident optical axis is parallel to the symmetry axis of stress. However, in the case of a calcium fluoride single crystal that is actually used as an optical member, stress birefringence has an incident angle dependency, and particularly for light incident around the <111> direction, stress birefringence is incident. It is known that the angle dependency is large. Therefore, the present inventor has analyzed an optical system in which a plurality of members having a symmetry axis of stress in the <111> direction are combined for the purpose of reducing the incident angle dependency of stress birefringence. The results will be described below.

本発明者は、光学部材の応力複屈折テンソルを、光線の入射方向をz軸とする円筒座標に変換した上で固有値方程式を解き、任意の方向に入射する光線に対する応力複屈折を算出した。解析の際には、図2に示すように、応力分布の対称軸に平行な<111>方向からの入射光線の倒れ角をθ、倒れ方向をχとした。   The inventor converted the stress birefringence tensor of the optical member into cylindrical coordinates having the incident direction of the light beam as the z axis, solved the eigenvalue equation, and calculated the stress birefringence for the light beam incident in an arbitrary direction. In the analysis, as shown in FIG. 2, the tilt angle of incident light from the <111> direction parallel to the symmetry axis of the stress distribution was θ, and the tilt direction was χ.

座標変換後の応力複屈折テンソルは膨大な表式となるため説明を省略し、最終的に得られた応力複屈折の入射角(θ)依存性を図3に示す。図3(a)は、<111>方向に軸対称な応力分布を有するフッ化カルシウム単結晶の、φ=π/6すなわち[01−1]方向の点における応力複屈折量を、χ=0で入射する波長157nmの光について、本発明者が計算した結果である。応力複屈折量はTr(Pa)×(−no 3/2)×10-12で規格化した値で表示してある。図3(a)によれば、光線の入射方向が応力分布の対称軸に平行な<111>方向から傾くにつれて応力複屈折量が急激に増大することが明らかである。これは実際の光学部材で観測される傾向と一致する。 Since the stress birefringence tensor after coordinate conversion is an enormous expression, the explanation is omitted, and the incident angle (θ) dependence of the finally obtained stress birefringence is shown in FIG. FIG. 3A shows the amount of stress birefringence of a calcium fluoride single crystal having an axisymmetric stress distribution in the <111> direction at a point in the φ = π / 6, that is, [01-1] direction, χ = 0. This is a result calculated by the present inventor for light having a wavelength of 157 nm incident at 1. Stress birefringence are designated with a value normalized by T r (Pa) × (-n o 3/2) × 10 -12. FIG. 3A clearly shows that the amount of stress birefringence increases rapidly as the incident direction of the light beam tilts from the <111> direction parallel to the symmetry axis of the stress distribution. This is consistent with the trend observed with actual optical members.

ここで(14)式の応力複屈折テンソルにおいて、φ→φ+π/3に置き換えたテンソルを計算する。結果は(22)式となる。   Here, in the stress birefringence tensor of the equation (14), the tensor replaced with φ → φ + π / 3 is calculated. The result is Equation (22).

(14)式と(22)式の幾何平均を取ると(23)式の応力複屈折テンソルが得られる。 Taking the geometric mean of the equations (14) and (22), the stress birefringence tensor of the equation (23) is obtained.

(23)式は、点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶からなり、<111>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有し、該応力分布が互いに等しい2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置した、本発明に係る光学系の応力複屈折テンソルに相当する。   Equation (23) is composed of crystals belonging to any one of the point groups O, Oh, and Td, has an axially symmetric stress distribution with the <111> direction as the symmetric axis, and two optical elements having the same stress distribution. Corresponding to the stress birefringence tensor of the optical system according to the present invention, in which the members are arranged so that the symmetry axes coincide with each other and one optical member is rotated 60 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member. To do.

図11は、<110>方向を回転角度の基準として表示した本実施形態に係る光学系の模式図である。第1の光学部材51と第2の光学部材52とは、応力の対称軸が同一直線上に来るように配置され、かつ対称軸の周りに60度回転して配置される。   FIG. 11 is a schematic diagram of the optical system according to the present embodiment, displaying the <110> direction as a reference for the rotation angle. The first optical member 51 and the second optical member 52 are arranged so that the symmetry axis of stress is on the same straight line, and are rotated by 60 degrees around the symmetry axis.

図3(b)は、(23)式の応力複屈折テンソルを用いて、任意の方向から入射する光線に対する応力複屈折量を、フッ化カルシウムに波長157nmの光が入射する場合を想定して計算した結果である。図3(a)および図3(b)を比較すると、応力分布の対称軸に平行な<111>方向すなわちθ=0から入射光を傾斜させた場合の応力複屈折量はほぼ同じであるが、この方向から外れた(θ≠0)入射光に対する応力複屈折量には大きな差が生じ、2枚の光学部材を所定の角度で組み合わせたことにより、光学部材を単独で用いた場合と比較して応力複屈折量の入射角依存性が著しく改善されたことが明らかである。   FIG. 3 (b) assumes that the stress birefringence amount with respect to the light incident from an arbitrary direction using the stress birefringence tensor of the equation (23) is the case where light having a wavelength of 157 nm is incident on calcium fluoride. It is the result of calculation. Comparing FIG. 3A and FIG. 3B, the amount of stress birefringence when the incident light is tilted from the <111> direction parallel to the axis of symmetry of the stress distribution, that is, θ = 0, is almost the same. A large difference occurs in the amount of stress birefringence with respect to incident light deviating from this direction (θ ≠ 0), and by combining two optical members at a predetermined angle, the optical member is used alone. It is clear that the incident angle dependence of the stress birefringence is remarkably improved.

なお、上記の効果は2枚の光学部材の応力分布が絶対値を含めて等しい場合に最大となり、両者の応力分布に差があると効果は減少することになる。
また、本実施形態において所定の角度回転して配置された2枚の光学部材は、光学系内において隣接して配置されることが望ましく、オプティカルコンタクト等を用いて密着して配置されることが最も好ましい。これは2枚の光学部材の間の距離が小さいほど、1本の光線が夫々の光学部材を通過する点の、応力の中心軸からの距離rの差が小さくなり、応力複屈折の打ち消し効果がより高くなるからである。
[第5の実施形態]
本実施形態は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[100]面内において4回回転対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記4回回転対称の対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置した光学系に関するものである。
The above effect is maximized when the stress distributions of the two optical members are equal, including the absolute value, and the effect decreases if there is a difference between the stress distributions of the two optical members.
Further, in the present embodiment, the two optical members arranged to rotate by a predetermined angle are preferably arranged adjacent to each other in the optical system, and are arranged in close contact using an optical contact or the like. Most preferred. This is because the smaller the distance between the two optical members, the smaller the difference in the distance r from the central axis of the stress at which one light beam passes through each optical member, thereby canceling the effect of stress birefringence. Because it becomes higher.
[Fifth Embodiment]
In the present embodiment, the crystal structure is made of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and the birefringence amount and the fast axis direction with respect to the light incident in the <100> direction are 4 in the [100] plane. Two optical members exhibiting a rotationally symmetric distribution are aligned with the four-fold rotationally symmetric symmetry axis, and one optical member is rotated 45 degrees around the symmetric axis with respect to the other optical member. The present invention relates to the arranged optical system.

第1から第4の実施形態で説明した光学部材および光学系は、所定の結晶方位に軸対称の応力分布を有する光学部材について理論的解析を行った結果から導かれたものであった。かかる光学部材または光学系を実現するためには、光学系を構成する光学部材について、実際に結晶方位と応力分布を測定・評価する必要がある。   The optical member and the optical system described in the first to fourth embodiments are derived from the result of theoretical analysis of an optical member having an axially symmetric stress distribution in a predetermined crystal orientation. In order to realize such an optical member or optical system, it is necessary to actually measure and evaluate the crystal orientation and stress distribution of the optical member constituting the optical system.

光学部材の結晶方位を測定する方法としてはX線構造解析の手法が一般的であり、例えばラウエ法により測定される回折スポットの解析によって、結晶方位を容易に決定することができる。   As a method for measuring the crystal orientation of the optical member, an X-ray structure analysis method is generally used. For example, the crystal orientation can be easily determined by analyzing a diffraction spot measured by the Laue method.

一方、光学部材の応力分布測定は結晶方位測定ほど容易ではなく、実際に製造した光学部材の応力分布が軸対称であることを確かめるためには、簡便な応力分布測定法が求められる。そこで本発明者は、ここまでの応力複屈折解析を通じて得られた知見を元に、光学部材の応力分布が軸対称であることを容易に判別する手段を見出した。   On the other hand, the stress distribution measurement of the optical member is not as easy as the crystal orientation measurement, and in order to confirm that the stress distribution of the actually manufactured optical member is axisymmetric, a simple stress distribution measurement method is required. Therefore, the present inventor has found a means for easily determining that the stress distribution of the optical member is axially symmetric based on the knowledge obtained through the stress birefringence analysis so far.

本発明者の解析結果によれば、点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶からなり、<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材において、応力分布の対称軸に平行な<100>方向に入射する光に対する応力複屈折量および進相軸方向の相対的な分布は、Tr、Tφ、Tzの値の如何によらず、図1(a)に示すとおりである。したがって点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶光学部材の<100>方向に入射する光に対する応力複屈折量および進相軸方向を測定し、その分布が[100]面内において図1(a)に示すような4回回転対称であるならば、該光学部材は<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有することになる。<100>方向に軸対称の応力分布を有する光学部材を所定の方位に配置することで応力複屈折が改善されることは第1の実施形態として説明したとおりであるから、本実施形態の光学系も第1の実施形態の光学系と同様の効果が得られることは明らかである。
[第6の実施形態]
第6の実施形態は、結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[111]面内において軸対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置した光学系に関するものである。
According to the analysis result of the present inventor, in an optical member made of a crystal belonging to any one of the point groups O, Oh, and Td and having an axisymmetric stress distribution with the <100> axis as an axis of symmetry, the stress distribution is symmetric. FIG. 1A shows the stress birefringence amount and the relative distribution in the fast axis direction for light incident in the <100> direction parallel to the axis, regardless of the values of T r , Tφ, and T z . It is shown. Therefore, the amount of stress birefringence and the fast axis direction with respect to light incident in the <100> direction of the crystal optical member belonging to any of the point groups O, Oh, and Td are measured, and the distribution is shown in FIG. If it is four-fold rotational symmetry as shown in (a), the optical member will have an axisymmetric stress distribution with the <100> axis as the axis of symmetry. As described in the first embodiment, the optical birefringence is improved by arranging an optical member having an axially symmetric stress distribution in the <100> direction in a predetermined direction. It is obvious that the system can obtain the same effect as the optical system of the first embodiment.
[Sixth Embodiment]
In the sixth embodiment, the crystal structure is made of a single crystal belonging to any one of the point group O, Oh, or Td, and the birefringence amount and the fast axis direction with respect to the light incident in the <111> direction are in the [111] plane. The optical system in which two optical members exhibiting an axially symmetric distribution are arranged so that the symmetry axes coincide with each other and one optical member is rotated 60 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member. Is.

点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶からなり、<111>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材について本発明者が解析したところによれば、応力分布の対称軸に平行な<111>方向に入射する光に対する応力複屈折量および進相軸方向の相対的な分布は、Tr、Tφ、Tzの値の如何によらず軸対称の分布となる((15)式および(16)式)。したがって点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶光学部材の<111>方向に入射する光に対する応力複屈折量および進相軸方向を測定し、その分布が[111]面内において軸対称の分布を示すならば、該光学部材は<111>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有することになる。かかる軸対称の応力分布を有する光学部材を所定の方向に組み合わせれば、応力複屈折の入射角依存性が低減されることは第4の実施形態で説明したとおりである。よって本実施形態の光学系も第4の実施形態と同様に応力複屈折の入射角依存性を低減することができるのである。 According to the inventor's analysis of an optical member made of a crystal belonging to any one of the point groups O, Oh, and Td and having an axisymmetric stress distribution with the <111> axis as a symmetry axis, the stress distribution is symmetric. The amount of stress birefringence and the relative distribution in the fast axis direction with respect to light incident in the <111> direction parallel to the axis is an axisymmetric distribution regardless of the values of T r , Tφ, and T z ( (15) and (16)). Therefore, the amount of stress birefringence and the fast axis direction with respect to light incident in the <111> direction of the crystal optical member belonging to any of the point groups O, Oh, and Td are measured, and the distribution is axially symmetric in the [111] plane. The optical member has an axisymmetric stress distribution with the <111> axis as the symmetry axis. As described in the fourth embodiment, if the optical member having such an axially symmetric stress distribution is combined in a predetermined direction, the incident angle dependency of the stress birefringence is reduced. Therefore, the optical system of the present embodiment can also reduce the incident angle dependency of stress birefringence as in the fourth embodiment.

実施例1では、対称軸が<100>方向である軸対称の応力分布を有するフッ化カルシウム単結晶からなる光学部材を製造した。図4は、軸対称の応力分布を有するフッ化カルシウム単結晶を製造するための熱処理装置の概略図である。   In Example 1, an optical member made of a calcium fluoride single crystal having an axially symmetric stress distribution in which the symmetry axis is the <100> direction was manufactured. FIG. 4 is a schematic view of a heat treatment apparatus for producing a calcium fluoride single crystal having an axisymmetric stress distribution.

熱処理装置は、処理対象のフッ化カルシウム単結晶を収納するカーボン製の第1容器1と、内部にフッ化カルシウム単結晶が収納された第1容器1を収納した後に密閉されて真空排気される気密化可能なステンレス製の第2容器2と、該第2容器2の外側に配置されたヒーター3とを有するものである。第2容器2の排気口4には、図示しない真空排気装置が接続されている。   The heat treatment apparatus is sealed and evacuated after housing the first container 1 made of carbon containing the calcium fluoride single crystal to be treated and the first container 1 containing the calcium fluoride single crystal inside. A stainless steel second container 2 that can be hermetically sealed and a heater 3 disposed outside the second container 2 are provided. A vacuum exhaust device (not shown) is connected to the exhaust port 4 of the second container 2.

また該熱処理装置は、熱処理時においてフッ化カルシウム単結晶の内部温度分布が軸対称となるように前記第1容器1および第2容器2およびヒーター3が構成されている。具体的にはヒーター3は前記第1容器1および第2容器2の水平断面の中心位置を中心とする円の円周上に配置されており、処理対象のフッ化カルシウム単結晶は、その中心を第1容器1、第2容器2、ヒーター3の中心に一致させて収納される。   In the heat treatment apparatus, the first container 1 and the second container 2 and the heater 3 are configured so that the internal temperature distribution of the calcium fluoride single crystal is axisymmetric during the heat treatment. Specifically, the heater 3 is arranged on the circumference of a circle centering on the center position of the horizontal section of the first container 1 and the second container 2, and the calcium fluoride single crystal to be treated is at its center. Is accommodated in the center of the first container 1, the second container 2, and the heater 3.

ヒーター3としては円筒形状の支持体に等間隔に巻き付けられた線状の発熱体や、円筒形状の発熱体を用いることができる。具体例としては、ニクロム線ヒーターを使用し、ヒーター同士が一定間隔となるようにして第2容器の外周をらせん状に取り巻くように第2容器から等距離に配置したもの、棒状の発熱体を使用して発熱体の長手方向を第2容器の長手方向と一致させ、一定間隔に第2容器外周の全周に等距離に配置したもの、ヒーター形状を第2容器の外周に沿った形状に特別に製造・加工して発熱体としてもの等を挙げることができる。   As the heater 3, a linear heating element wound around a cylindrical support member at equal intervals or a cylindrical heating element can be used. As a specific example, a nichrome wire heater is used, and the heater is arranged at an equal distance from the second container so as to spirally surround the outer periphery of the second container so that the heaters are spaced apart from each other. The heater is used so that the longitudinal direction of the heating element coincides with the longitudinal direction of the second container, and is arranged at regular intervals on the entire circumference of the second container, and the heater is shaped along the outer circumference of the second container. Specially manufactured and processed can be listed as heating elements.

またヒーターの材質としては、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、二珪化モリブデン(MoSi2)、炭素などを用いることができる。
次に、実際の熱処理工程について説明する。
Moreover, as a material of the heater, silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), molybdenum disilicide (MoSi 2 ), carbon, or the like can be used.
Next, an actual heat treatment process will be described.

本実施例では、従来の垂直ブリッジマン法により製造された高純度フッ化カルシウム単結晶のインゴットを用意し、上面および下面を[100]面とする、直径240mm厚さ50mmの円柱状の光学部材10を切り出した。インゴットから切り出した光学部材10は、図5に示すように上下面を直径300mm、厚さ10mmの円板状カーボン材7で挟み、さらに周囲をフェルト状カーボン材8で覆った上で、光学部材10の中心軸(<100>軸)を熱処理装置の中心軸に一致させた状態で第1容器1に収納した。円板状カーボン材7の直径は300mm、厚さは10mmである。熱処理装置を密閉した後、所定の真空度まで排気し、図6に示すスケジュールに従って熱処理を行った。   In this example, an ingot of a high-purity calcium fluoride single crystal manufactured by a conventional vertical Bridgman method is prepared, and a cylindrical optical member having a diameter of 240 mm and a thickness of 50 mm, having an upper surface and a lower surface of [100]. 10 were cut out. As shown in FIG. 5, the optical member 10 cut out from the ingot is sandwiched between disc-like carbon materials 7 having a diameter of 300 mm and a thickness of 10 mm, and the periphery is covered with a felt-like carbon material 8. Ten central axes (<100> axes) were stored in the first container 1 in a state in which the central axes coincided with the central axis of the heat treatment apparatus. The disk-shaped carbon material 7 has a diameter of 300 mm and a thickness of 10 mm. After sealing the heat treatment apparatus, it was evacuated to a predetermined degree of vacuum and heat treatment was performed according to the schedule shown in FIG.

熱処理後の光学部材について、円柱状部材の軸方向(<100>方向)に入射する波長633nmの光に対する複屈折を測定した。図7は円柱状部材の軸方向に垂直な[100]面内における複屈折量および進相軸の測定結果を表し、紙面が[100]面、上下方向および左右方向が<110>、45度方向が<100>である。[100]面内の各測定点における複屈折量を円の大きさで、その点における進相軸方向を円内の直線で表示した。   About the optical member after heat processing, the birefringence with respect to the light of wavelength 633nm which injects into the axial direction (<100> direction) of a cylindrical member was measured. FIG. 7 shows the measurement results of the birefringence amount and the fast axis in the [100] plane perpendicular to the axial direction of the cylindrical member. The paper plane is the [100] plane, the vertical and horizontal directions are <110>, 45 degrees. The direction is <100>. The amount of birefringence at each measurement point in the [100] plane is indicated by the size of the circle, and the fast axis direction at that point is indicated by a straight line in the circle.

図7からは本実施例で製造した光学部材について以下の特徴を読み取ることができる。第一に複屈折量の分布は<100>方向を極大、<110>方向を極小とする4回回転対称を示し、その対称軸は光学部材の幾何学的中心とほぼ一致する。第二に進相軸の方向は<100>方向で直径に垂直な方向、<110>方向で直径方向の4回回転対称を示し、その対称軸は光学部材の幾何学的中心とほぼ一致する。以上の測定結果より、本実施例で製造した光学部材は<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有することが確認され、その対称軸は幾何学形状の対称軸とほぼ一致することが判明した。また結晶方位と進相軸方向の関係から、本実施例で製造された光学部材はTr−Tφ>0であることが判明した。 From FIG. 7, the following features can be read about the optical member manufactured in this example. First, the distribution of birefringence exhibits a four-fold rotational symmetry with the <100> direction as a maximum and the <110> direction as a minimum, and its axis of symmetry substantially coincides with the geometric center of the optical member. Secondly, the direction of the fast axis is the <100> direction perpendicular to the diameter, and the <110> direction is the four-fold rotational symmetry in the diameter direction, and the axis of symmetry is substantially coincident with the geometric center of the optical member. . From the above measurement results, it is confirmed that the optical member manufactured in this example has an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetry axis, and the symmetry axis substantially coincides with the symmetry axis of the geometric shape. It has been found. Further, from the relationship between the crystal orientation and the fast axis direction, it was found that the optical member manufactured in this example satisfies T r −Tφ> 0.

本実施例における円板状カーボン材7およびフェルト状カーボン材8の作用は以下のように解釈することができる。
円板状カーボン材7およびフェルト状カーボン材8はいずれも伝熱性部材として作用する。これらの伝熱性部材によって、熱処理対象である光学部材10の周方向の温度分布が均一化され、残留応力の形成過程が周方向に対称なかたちで進み、円柱状に加工された光学部材に軸対称の応力分布を実現するものと考えられる。また光学部材10の側面を伝熱性部材で覆うことにより、円柱側面からの冷却が促進され、円柱中心部との間に引っ張り応力が形成されて、径方向の引っ張り応力が支配的な状態すなわちTr−Tφ>0が実現されたものと考えられる。
The effects of the disk-like carbon material 7 and the felt-like carbon material 8 in this embodiment can be interpreted as follows.
Both the disk-like carbon material 7 and the felt-like carbon material 8 act as heat conductive members. By these heat conductive members, the temperature distribution in the circumferential direction of the optical member 10 to be heat-treated is made uniform, the residual stress formation process proceeds in a symmetric manner in the circumferential direction, and the optical member processed into a cylindrical shape has an axis. It is considered that a symmetric stress distribution is realized. Further, by covering the side surface of the optical member 10 with a heat conductive member, cooling from the side surface of the cylinder is promoted, and tensile stress is formed between the center of the cylinder and the tensile stress in the radial direction is dominant, that is, T It is considered that r− Tφ> 0 is realized.

以上の工程により、フッ化カルシウム単結晶からなり<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材が製造されたので、これを所定の角度回転させて配置すれば応力複屈折の異方性を低減した光学系が実現される。   Through the above steps, an optical member made of a calcium fluoride single crystal and having an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetric axis has been manufactured. An optical system with reduced anisotropy is realized.

図8はかかる光学系の一例であって、光学部材の<100>方向を光軸とし、さらに各光学部材の応力の対称軸と光軸とを一致させて配置したものである。図8の光学系を構成する光学部材21および22はいずれも同一の軸対称の応力分布を有し、かつ応力分布の対称軸周りに45度回転して配置されているので、応力複屈折の異方性が打ち消されて軸対称となる。さらに光軸が複屈折分布の対称軸と一致しているから、図8の光学系を構成要素として含む上位の光学系について、光学設計が容易になるという特徴がある。   FIG. 8 shows an example of such an optical system, in which the <100> direction of the optical member is the optical axis, and the symmetrical axis of stress of each optical member is aligned with the optical axis. The optical members 21 and 22 constituting the optical system of FIG. 8 both have the same axially symmetric stress distribution and are rotated by 45 degrees around the symmetric axis of the stress distribution. Anisotropy is canceled out and it becomes axisymmetric. Further, since the optical axis coincides with the symmetry axis of the birefringence distribution, the optical design of the higher-order optical system including the optical system of FIG. 8 as a constituent element is easy.

本実施例では<100>方向に応力分布の対称軸を有する光学部材を製造したが、他の結晶方位、すなわち<111>方向または<110>方向に応力の対称軸を有する光学部材を製造する場合は、前記熱処理時における光学部材の中心軸を<111>軸または<110>軸として熱処理を行えばよい。   In this example, an optical member having a symmetry axis of stress distribution in the <100> direction is manufactured. However, an optical member having a symmetry axis of stress in another crystal orientation, that is, the <111> direction or the <110> direction is manufactured. In this case, the heat treatment may be performed with the central axis of the optical member at the time of the heat treatment being the <111> axis or the <110> axis.

実施例2では対称軸が<100>方向である軸対称の応力分布を有するフッ化カルシウム単結晶からなる光学部材を製造した。軸対称の応力分布を有するフッ化カルシウム単結晶を製造するための熱処理装置は、実施例1と同一のものを使用した。   In Example 2, an optical member made of a calcium fluoride single crystal having an axially symmetrical stress distribution in which the axis of symmetry is the <100> direction was manufactured. The same heat treatment apparatus as that of Example 1 was used for producing a calcium fluoride single crystal having an axisymmetric stress distribution.

始めに、フッ化カルシウム単結晶のインゴットから、上面および下面を[100]面とする、直径270mm厚さ55mmの円柱状の光学部材11を切り出した。このインゴットは従来の垂直ブリッジマン法により製造されたフッ化カルシウム単結晶であって、熱処理を経ていないものである。インゴットから切り出した光学部材11は、図9に示すように上下面の中程のみを直径200mm、厚さ10mmのカーボン板9で挟み込み、光学部材11の中心軸(<100>軸)を熱処理装置の中心軸に一致させた状態で第1容器1に収納した。このとき第1容器1とカーボン板9の間はフェルト状カーボン12で熱接触を取った。   First, a cylindrical optical member 11 having a diameter of 270 mm and a thickness of 55 mm was cut out from an ingot of calcium fluoride single crystal with the upper surface and the lower surface being a [100] surface. This ingot is a calcium fluoride single crystal produced by a conventional vertical Bridgman method and has not undergone heat treatment. As shown in FIG. 9, the optical member 11 cut out from the ingot is sandwiched between carbon plates 9 having a diameter of 200 mm and a thickness of 10 mm, and the central axis (<100> axis) of the optical member 11 is a heat treatment apparatus. Was stored in the first container 1 in a state of being aligned with the central axis. At this time, the first container 1 and the carbon plate 9 were in thermal contact with the felt-like carbon 12.

熱処理は実施例1と同様に図6に示すスケジュールで行った。
熱処理後の光学部材について、円柱状部材の軸方向(<100>方向)に入射する波長633nmの光に対する複屈折を測定した。図10は円柱状部材の軸方向に垂直な[100]面内における複屈折量および進相軸の測定結果を表し、紙面が[100]面、上下方向および左右方向が<100>、45度方向が<110>である。[100]面内の各測定点における複屈折量を円の大きさで、その点における進相軸方向を円内の直線で表示した。
The heat treatment was performed according to the schedule shown in FIG.
About the optical member after heat processing, the birefringence with respect to the light of wavelength 633nm which injects into the axial direction (<100> direction) of a cylindrical member was measured. FIG. 10 shows the measurement results of the birefringence amount and the fast axis in the [100] plane perpendicular to the axial direction of the cylindrical member. The paper plane is the [100] plane, the vertical and horizontal directions are <100>, 45 degrees. The direction is <110>. The amount of birefringence at each measurement point in the [100] plane is indicated by the size of the circle, and the fast axis direction at that point is indicated by a straight line in the circle.

図10からは本実施例で製造した光学部材について以下の特徴を読み取ることができる。第一に複屈折量の分布は<100>方向を極大、<110>方向を極小とする4回回転対称を示し、その対称軸は光学部材の幾何学的中心とほぼ一致する。第二に進相軸の方向は<100>方向で直径方向、<110>方向で直径に垂直な方向の4回回転対称を示し、その対称軸は光学部材の幾何学的中心とほぼ一致する。以上の測定結果より、本実施例で製造した光学部材は<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有することが確認され、その対称軸は幾何学形状の対称軸とほぼ一致することが判明した。また結晶方位と進相軸方向の関係から、本実施例で製造された光学部材はTr−Tφ<0であることが判明した。 From FIG. 10, the following features can be read about the optical member manufactured in this example. First, the distribution of birefringence exhibits a four-fold rotational symmetry with the <100> direction as a maximum and the <110> direction as a minimum, and its axis of symmetry substantially coincides with the geometric center of the optical member. Secondly, the direction of the fast axis shows four-fold rotational symmetry in the diametrical direction in the <100> direction and the direction perpendicular to the diameter in the <110> direction, and the symmetric axis substantially coincides with the geometric center of the optical member. . From the above measurement results, it is confirmed that the optical member manufactured in this example has an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetry axis, and the symmetry axis substantially coincides with the symmetry axis of the geometric shape. It has been found. Further, from the relationship between the crystal orientation and the fast axis direction, it was found that the optical member manufactured in this example satisfies T r −Tφ <0.

本実施例では実施例1と異なり円柱状の光学部材11の側面にフェルト状カーボンを配置しなかったので、円柱側面の冷却が中心部より遅れることによって周方向に引っ張り応力が形成され、Tr−Tφ<0が実現されたものと考えられる。 In this embodiment, since not arranged a felt-like carbon on a side surface of a cylindrical optical member 11 unlike the first embodiment, tensile stress in the circumferential direction by the cylindrical side surface cooling is delayed from the center portion is formed, T r It is considered that −Tφ <0 is realized.

以上の工程により、フッ化カルシウム単結晶からなり<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材が製造されたので、これを実施例1と同様に所定の角度回転させて配置すれば、応力複屈折を低減した光学系が実現される。   Through the above-described steps, an optical member made of a calcium fluoride single crystal and having an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetry axis is manufactured, and this is rotated by a predetermined angle in the same manner as in Example 1. If arranged, an optical system with reduced stress birefringence is realized.

図13は、本発明に係る露光装置の構成例である。実施例3では屈折型の投影露光装置を備えた露光装置に本発明を適用している。本実施例の露光装置は第1面に配置されるレチクル(マスク)31を照明するための照明装置30を備えている。   FIG. 13 is a configuration example of an exposure apparatus according to the present invention. In Embodiment 3, the present invention is applied to an exposure apparatus provided with a refractive projection exposure apparatus. The exposure apparatus of this embodiment includes an illumination device 30 for illuminating a reticle (mask) 31 disposed on the first surface.

照明装置30は、例えば波長193nmの光を供給するArFエキシマレーザー光源、光源からのレーザー光により所定形状(円形状、輪帯状、二極状、四極状など)の二次光源を形成するオプティカルインテグレータ、レチクル31上の照明領域を規定するための照明視野絞りなどを有し、レチクル31上の照明領域をほぼ均一な照度分布のもとで照明する。   The illumination device 30 is, for example, an ArF excimer laser light source that supplies light having a wavelength of 193 nm, an optical integrator that forms a secondary light source of a predetermined shape (circular, ring-shaped, bipolar, quadrupolar, etc.) by laser light from the light source. The illumination field stop for defining the illumination area on the reticle 31 is provided, and the illumination area on the reticle 31 is illuminated with a substantially uniform illuminance distribution.

ここで、照明装置30内の照明光路は不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施例では高純度窒素ガスでパージしている。レチクル31はレチクルステージ32上に載置されており、レチクル31およびレチクルステージ32はケーシング33によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング33の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施例では高純度窒素ガスでパージしている。   Here, the illumination optical path in the illumination device 30 is preferably purged with an inert gas. In this embodiment, the illumination optical path is purged with a high-purity nitrogen gas. The reticle 31 is placed on a reticle stage 32, and the reticle 31 and the reticle stage 32 are isolated from the external atmosphere by a casing 33. The internal space of the casing 33 is also preferably purged with an inert gas, and in this embodiment, it is purged with high-purity nitrogen gas.

照明装置30により照明されたレチクル31からの光は、光軸AXに沿って配置された複数のレンズ素子34〜39およびコヒーレンスファクタ(σ値)を制御するための開口絞り40を有する投影光学系41を介して、感光性基板としてのウェハ42へ導かれ、ウェハ42上の感光領域内にレチクル31のパターン像を形成する。この投影光学系41内の投影光路は不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施例では高純度窒素ガスでパージしている。   The light from the reticle 31 illuminated by the illumination device 30 is a projection optical system having a plurality of lens elements 34 to 39 arranged along the optical axis AX and an aperture stop 40 for controlling a coherence factor (σ value). A pattern image of the reticle 31 is formed in a photosensitive area on the wafer 42 by being guided to a wafer 42 as a photosensitive substrate through 41. The projection optical path in the projection optical system 41 is preferably purged with an inert gas. In this embodiment, the projection optical path is purged with high-purity nitrogen gas.

ウェハ42は、その表面が投影光学系41の像面としての第2面に位置決めされるようにウェハステージ43上に載置されており、ウェハ42およびウェハステージ43はケーシング44によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング44の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施例では高純度窒素ガスでパージしている。そして、レチクルステージ32とウェハステージ43とを投影光学系41の倍率に応じた速度比で投影光学系41に対して相対的に移動させつつ、レチクル31を照明することにより、ウェハ42上の露光領域内にレチクル31上のパターンが転写される。   The wafer 42 is placed on the wafer stage 43 so that the surface thereof is positioned on the second surface as the image plane of the projection optical system 41. The wafer 42 and the wafer stage 43 are separated from the external atmosphere by the casing 44. Isolated. The internal space of the casing 44 is also preferably purged with an inert gas. In this embodiment, the casing 44 is purged with high-purity nitrogen gas. Then, exposure on the wafer 42 is performed by illuminating the reticle 31 while moving the reticle stage 32 and the wafer stage 43 relative to the projection optical system 41 at a speed ratio corresponding to the magnification of the projection optical system 41. The pattern on the reticle 31 is transferred into the region.

本実施例では、屈折型の投影光学系41中で隣接するレンズ素子37および38がフッ化カルシウム単結晶で構成されており、それぞれ実施例1で製造された同一の軸対称の応力分布を有する光学部材からレンズ形状に加工・研磨され、表面に反射防止処理が施されたものである。すなわちレンズ素子37は<100>方向を対称軸とする軸対称の応力分布を有し、かつ応力の対称軸と光軸とが一致するように配置されている。またレンズ素子38はレンズ素子37と同一の応力分布を有するものであって、やはり応力の対称軸と光軸とが一致するように配置され、かつレンズ素子37に対して光軸周りに結晶学的に45度回転させて配置されている。本実施例の投影光学系は、レンズ素子37と38とが本発明が提供する所定の方位に配置されていることに加え、レンズ素子37と38とは投影光学系41中で隣接して配置されているので、応力複屈折の異方性が十分低減されたものである。   In this embodiment, adjacent lens elements 37 and 38 in the refraction-type projection optical system 41 are made of a calcium fluoride single crystal, and each has the same axially symmetric stress distribution manufactured in the first embodiment. The optical member is processed and polished into a lens shape, and the antireflection treatment is applied to the surface. That is, the lens element 37 has an axially symmetric stress distribution with the <100> direction as the symmetric axis, and is arranged so that the symmetric axis of the stress coincides with the optical axis. The lens element 38 has the same stress distribution as the lens element 37, and is also arranged so that the symmetry axis of the stress coincides with the optical axis, and the crystallography around the optical axis with respect to the lens element 37. Specifically, they are arranged by rotating 45 degrees. In the projection optical system of the present embodiment, the lens elements 37 and 38 are arranged in a predetermined direction provided by the present invention, and the lens elements 37 and 38 are arranged adjacent to each other in the projection optical system 41. Therefore, the anisotropy of stress birefringence is sufficiently reduced.

なお、本実施例では光学部材としてフッ化カルシウム単結晶を用いているが、これに限定されることなく、点群O、Oh、Tdのいずれかに属する結晶性光学部材であれば、例えばフッ化バリウム(BaF2)やチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などもフッ化カルシウムと同様にして用いることができる。 In this embodiment, a calcium fluoride single crystal is used as the optical member. However, the present invention is not limited to this, and any crystalline optical member belonging to any of the point groups O, Oh, Td can be used. Barium fluoride (BaF 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), and the like can also be used in the same manner as calcium fluoride.

本実施例の露光措置では、照明装置によってレチクル(マスク)を照明し、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光することにより、半導体素子や撮像素子、液晶表示素子等のマイクロデバイスを製造することができる。   In the exposure measure of the present embodiment, a reticle (mask) is illuminated by an illuminating device, and a transfer pattern formed on the mask is exposed to a photosensitive substrate using a projection optical system, whereby a semiconductor element, an imaging element, Micro devices such as liquid crystal display elements can be manufactured.

応力複屈折の分布を表す図である。It is a figure showing distribution of stress birefringence. 解析に用いた座標系を表す図である。It is a figure showing the coordinate system used for the analysis. 応力複屈折量の光線入射角依存性を示す図である。It is a figure which shows the light beam incident angle dependence of the amount of stress birefringence. 熱処理装置の概略図である。It is the schematic of a heat processing apparatus. 熱処理時における光学部材の収納配置を示す図である。It is a figure which shows the accommodation arrangement | positioning of the optical member at the time of heat processing. 実施例1における熱処理の温度スケジュールである。2 is a temperature schedule for heat treatment in Example 1. FIG. 実施例1で製造した光学部材の応力複屈折測定結果である。It is a stress birefringence measurement result of the optical member manufactured in Example 1. 本発明にかかる光学系の概略図である。It is the schematic of the optical system concerning this invention. 熱処理時における光学部材の収納配置を示す図である。It is a figure which shows the accommodation arrangement | positioning of the optical member at the time of heat processing. 実施例2で製造した光学部材の応力複屈折測定結果である。It is a stress birefringence measurement result of the optical member manufactured in Example 2. 本発明にかかる光学系の概略図である。It is the schematic of the optical system concerning this invention. 本発明にかかる光学系の概略図である。It is the schematic of the optical system concerning this invention. 本発明にかかる露光装置の構成例である。It is a structural example of the exposure apparatus concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…第1容器、2…第2容器、3…ヒーター、4…排気口、7…円板状カーボン材、8…フェルト状カーボン材、9…円板状カーボン材10…光学部材、11…光学部材、12…フェルト状カーボン材、21…光学部材、22…光学部材、30…照明装置、31…レチクル、34〜39…レンズ素子、41…投影光学系、42…ウェハ、51〜52…光学部材、61〜64:光学部材   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st container, 2 ... 2nd container, 3 ... Heater, 4 ... Exhaust port, 7 ... Disc shaped carbon material, 8 ... Felt-like carbon material, 9 ... Disc shaped carbon material 10 ... Optical member, 11 ... Optical member, 12 ... felt-like carbon material, 21 ... optical member, 22 ... optical member, 30 ... illumination device, 31 ... reticle, 34-39 ... lens element, 41 ... projection optical system, 42 ... wafer, 51-52 ... Optical member, 61-64: Optical member

Claims (17)

結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する光学部材。 An optical member comprising a single crystal whose crystal structure belongs to any of point group O, Oh, or Td, and having an axially symmetric stress distribution with the <111> axis as the axis of symmetry. 前記単結晶がフッ化カルシウム(CaF2)単結晶である請求項1に記載の光学部材。 The optical member according to claim 1, wherein the single crystal is a calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal. 請求項1または請求項2に記載の光学部材を少なくとも1枚有する光学系。 An optical system having at least one optical member according to claim 1. 前記光学部材を2枚有する光学系であって、該2枚の光学部材の前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置した請求項3に記載の光学系。 An optical system having two optical members, wherein the symmetry axes of the two optical members are matched, and one optical member is rotated 60 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member. The optical system according to claim 3, which is arranged as described above. 結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置した光学系。 Two optical members each having an axially symmetrical stress distribution with a <100> axis as a symmetry axis are made to coincide with the symmetry axis, and the crystal structure is made of a single crystal belonging to either the point group O, Oh, or Td. An optical system in which one optical member is rotated 45 degrees around the axis of symmetry with respect to the other optical member. 前記2枚の光学部材の応力分布が互いに等しい請求項4または請求項5に記載の光学系。 The optical system according to claim 4, wherein stress distributions of the two optical members are equal to each other. 結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<100>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[100]面内において4回回転対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記4回回転対称の対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに45度回転させて配置した光学系。 The crystal structure is a single crystal belonging to either point group O, Oh, or Td, and the birefringence amount and the fast axis direction with respect to the light incident in the <100> direction are four-fold rotationally symmetric in the [100] plane. An optical system in which two optical members indicating the same are aligned with the four-fold rotational symmetry axis, and one optical member is rotated 45 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member. 前記2枚の光学部材の[100]面内における複屈折量および進相軸方向の分布が互いに等しい請求項7に記載の光学系。 The optical system according to claim 7, wherein the birefringence amount and the distribution in the fast axis direction in the [100] plane of the two optical members are equal to each other. 結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<111>方向に入射する光線に対する複屈折量および進相軸方向が[111]面内において軸対称の分布を示す2枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ一方の光学部材を他方の光学部材に対して前記対称軸の周りに60度回転させて配置した光学系。 The crystal structure is composed of a single crystal belonging to any of the point group O, Oh, or Td, and the birefringence amount and the fast axis direction with respect to the light incident in the <111> direction show an axisymmetric distribution in the [111] plane. An optical system in which two optical members are arranged such that the symmetry axes coincide with each other and one optical member is rotated 60 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member. 前記2枚の光学部材の[111]面内における複屈折量および進相軸方向の分布が互いに等しい請求項9に記載の光学系。 The optical system according to claim 9, wherein the birefringence amount and the distribution in the fast axis direction in the [111] plane of the two optical members are equal to each other. 前記2枚の光学部材が隣接して配置された、請求項6または請求項8または請求項10に記載の光学系。 The optical system according to claim 6, wherein the two optical members are arranged adjacent to each other. 結晶構造が点群OまたはOhまたはTdのいずれかに属する単結晶からなり、<110>軸を対称軸とする軸対称の応力分布を有する4枚の光学部材を、前記対称軸を一致させ、かつ前記4枚の光学部材のうち3枚の光学部材を、他の1枚の光学部材に対して前記対称軸の周りにそれぞれ45度、90度、135度回転させて配置した光学系。 Four optical members comprising a single crystal having a crystal structure belonging to any of point group O, Oh, or Td, and having an axially symmetric stress distribution with the <110> axis as the axis of symmetry, are made to coincide with the axis of symmetry, An optical system in which three of the four optical members are rotated 45, 90, and 135 degrees around the symmetry axis with respect to the other optical member, respectively. 前記4枚の光学部材の応力分布が互いに等しい請求項12に記載の光学系。 The optical system according to claim 12, wherein stress distributions of the four optical members are equal to each other. 前記4枚の光学部材が隣接して配置された請求項13に記載の光学系。 The optical system according to claim 13, wherein the four optical members are arranged adjacent to each other. 前記単結晶がフッ化カルシウム(CaF2)単結晶である請求項5ないし請求項14のいずれか一項に記載の光学系。 The optical system according to claim 5, wherein the single crystal is a calcium fluoride (CaF 2 ) single crystal. 請求項1または請求項2に記載の光学部材を備えた露光装置。 An exposure apparatus comprising the optical member according to claim 1. 請求項3ないし請求項15のいずれか一項に記載の光学系を備えた露光装置。 An exposure apparatus comprising the optical system according to any one of claims 3 to 15.
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