JP2014187129A - 光学装置及びこれを用いたレーザチャンバ、並びにガスレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光学素子を保持する際の機械的応力を抑制する。
【解決手段】フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、構成材料が３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる緩衝部材と、を備えてもよい。
【選択図】図１
【解決手段】フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、構成材料が３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる緩衝部材と、を備えてもよい。
【選択図】図１
Description
本開示は、光学装置及びこれを用いたレーザチャンバ、並びにガスレーザ装置に関する。
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール（Line Narrowing Module）が設けられ、この狭帯域化モジュールによりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、狭帯域化素子はエタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
本開示の一態様に係る光学装置は、フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、構成材料が３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる緩衝部材と、を有してもよい。
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、構成材料が３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる緩衝部材と、を有してもよい。
本開示の他の態様に係る光学装置は、フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、フッ化カルシウム以上の硬さを有する緩衝部材と、を備える。
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、フッ化カルシウム以上の硬さを有する緩衝部材と、を備える。
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
本開示の実施形態に係る露光用ガスレーザ装置の一例を示した図である。
本実施形態に係る光学装置の一例を示した図である。
本実施形態に係る光学装置に用いられる緩衝部材の一例を示した図である。図３（Ａ）は、本実施形態に係る光学装置の緩衝部材の上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した緩衝部材のＡ−Ａ断面図である。
加工精度を示す項目を説明するための図である。図４（Ａ）は、エッジ突部の高さについて説明するための図である。図４（Ｂ）は、表面の粗さについて説明するための図である。図４（Ｃ）は、平面度について説明するための図である。
本実施形態に係る光学装置の緩衝部材を製造するためのバフ研磨工程の一例を示した図である。
本実施形態に係る光学装置の緩衝部材を製造するためのラップ研磨工程の一例を示した図である。図６（Ａ）は、ラップ研磨工程の一例を示した側面図である。図６（Ｂ）は、ラップ研磨工程の一例を示した斜視図である。
実施例及び比較例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置から出力されたレーザ光の偏光純度のレーザ出力依存性を示した図である。
以下、本開示の実施形態について、下記の目次の流れに沿って説明する。
目次
１．概要
２．ガスレーザ装置
２．１ 構成
２．２ 動作
３．光学装置
３．１ 構成
３．２ 応力複屈折による偏光の変化
４．緩衝部材
４．１ 構造
４．２ 物質の硬度比較
４．３ 試験結果
１．概要
２．ガスレーザ装置
２．１ 構成
２．２ 動作
３．光学装置
３．１ 構成
３．２ 応力複屈折による偏光の変化
４．緩衝部材
４．１ 構造
４．２ 物質の硬度比較
４．３ 試験結果
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示の一例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
１．概要
光学装置及びこれを用いたレーザチャンバ、並びにガスレーザ装置に関し、例えば、光学装置は、ウィンドウを含むウィンドウホルダに関する。
光学装置及びこれを用いたレーザチャンバ、並びにガスレーザ装置に関し、例えば、光学装置は、ウィンドウを含むウィンドウホルダに関する。
２．ガスレーザ装置
２．１ 構成
図１は、本開示の実施形態に係る露光用ガスレーザ装置の一例を示した図である。本実施形態に係る露光用ガスレーザ装置１２０は、レーザチャンバ２０と、狭帯域化モジュール（LNM：Line Narrowing Module）１００と、出力結合ミラー（OC：Output Coupler）１１０とを含んでいてもよい。なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標が示されており、レーザ光の偏光方向については、この座標を用いて説明する。
２．１ 構成
図１は、本開示の実施形態に係る露光用ガスレーザ装置の一例を示した図である。本実施形態に係る露光用ガスレーザ装置１２０は、レーザチャンバ２０と、狭帯域化モジュール（LNM：Line Narrowing Module）１００と、出力結合ミラー（OC：Output Coupler）１１０とを含んでいてもよい。なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標が示されており、レーザ光の偏光方向については、この座標を用いて説明する。
レーザチャンバ２０は、筐体２１を有してよい。筐体２１は、レーザ光Ｌが通過し得る対向する側面２２、２３を備えていれば、用途に応じて種々の形状（例えば、管状）に構成されてよい。なお、レーザチャンバ２０と筐体２１はほぼ同義であるが、レーザチャンバ２０が内部又は外部に備えている種々の付随する構成要素も含めて呼ぶときはレーザチャンバ２０と呼び、付随する構成要素を含まずに、箱体のみを指す場合には筐体２１と呼ぶこととする。
レーザチャンバ２０は、筐体２１の内部に、レーザ媒質として希ガスと、バッファガスと、ハロゲンガスを密封して含有してもよい。希ガスの例としては、Ａｒ又はＫｒガスが挙げられ、バッファガスの例としては、ＮｅガスやＨｅガスが挙げられる。また、ハロゲンガスとしては、Ｆ２ガス、Ｃｌ２ガスを使用してもよい。
レーザチャンバ２０は、筐体２１の内部に一対の電極１０、１１を備えてもよい。電極１０、１１は、筐体２１の外部の電源９０の出力端子に接続され、高電圧が印加されるように構成されてもよい。なお、一対の電極１０、１１は、所定のギャップ間隔を有して対向配置されてもよい。
筐体２１の対向する両側面には、開口２４、２５が形成され、開口２４、２５を外部から覆うように、一対の光学装置８０、８１が設置されてもよい。電極１０、１１の放電により発生したレーザ光が、狭帯域化モジュール１００と出力結合ミラー１１０との間で共振器を構成するように配置してもよい。この共振器の光路上に光学装置８０、８１が配置されてもよい。光学装置８０、８１は、ウィンドウ４０と、ウィンドウホルダ５０を備えてよい。ウィンドウ４０は、ウィンドウホルダ５０に保持された状態で、筐体２１の対向する側面の開口２４、２５を塞ぎ、かつ、共振するレーザ光Ｌが透過するように配置してもよい。
２つのウィンドウホルダ５０は、電極１０、１１間で増幅されたレーザ光Ｌが所定の入射角度θでウィンドウ４０を通過するように、レーザ光Ｌの光路に対して角度θを有して配置されてもよい。ウィンドウ４０の入射角度θは、プリュースタ角付近（５５°〜６２°）で、入射面がＸ軸を含むように設置してもよい。
ウィンドウ４０の材料は、フッ化カルシウム結晶であってもよい。フッ化カルシウム結晶は、紫外線の波長領域（１９３ｎｍや２４８ｎｍ）での透過率が高く、この波長領域での光の吸収が少ないため、レーザチャンバ２０のウィンドウ４０の材料として好適に利用できる。本実施形態に係る光学装置８０、８１、レーザチャンバ２０及び露光用ガスレーザ装置１２０においても、フッ化カルシウム結晶をウィンドウ４０に用いた例を挙げて説明する。
なお、光学装置８０、８１の構成の詳細については後述する。
狭帯域化モジュール１００は、複数のプリズム１０１、１０２と、グレーティング１０３とを含んでいてもよい。狭帯域化モジュール１００は、光学装置８０の外側に配置されてよく、複数のプリズム１０１、１０２及びグレーティング１０１は、レーザ光Ｌの光路上に配置されてよい。
複数のプリズム１０１、１０２は、レーザ光Ｌのビーム幅が拡大するように配置してもよい。プリズム１０１、１０２の斜面には、Ｐ偏光に対して、反射を抑制する膜がコートされていてもよい。複数のプリズム１０１、１０２の入射面は、Ｘ軸を含むように配置してもよい。
グレーティング１０３は、プリズム１０１、１０２によって拡大されたレーザ光Ｌが、グレーティング１０３の溝に入射角と回折角が一致するリトロー配置となるように配置してもよい。グレーティング１０３の入射面は、Ｘ軸を含むように配置してもよい。
出力結合ミラー１１０は、光学装置８１の外側に配置されてよい。また、出力結合ミラー１１０は、狭帯域化モジュール１００とともにレーザ共振器を構成するように配置してもよい。出力結合ミラー１１０の表面には、レーザ光Ｌを部分反射する膜が被覆されていてもよい。
レーザチャンバ２０は、狭帯域化モジュール１００と出力結合ミラー１１０とで構成するレーザ共振器内の光路上に配置してもよい。また、レーザチャンバ２０に設けられた２つのウィンドウ４０は、レーザ共振器内の光路上のレーザ光Ｌが通過する位置に配置されてもよい。
出力結合ミラー１１０と露光装置の間のレーザ光の光路上には、出力されたレーザ光が露光装置１３０に入射するように図示しない高反射ミラーを含むビームデリバリーシステムを設置してもよい。露光装置１３０は、本実施形態に係るガスレーザ装置１２０から出力されるレーザ光Ｌを用いて、露光工程を行うようにしてもよい。
２．２ 動作
次に、本実施形態に係るガスレーザ装置１２０の動作について説明する。
次に、本実施形態に係るガスレーザ装置１２０の動作について説明する。
まず、電源９０によって、一対の電極１０、１１間にパルス状の電圧が印加されると、一対の電極１０、１１間で放電し得る。レーザ媒質にエネルギーを与え得る放電により、エネルギーが与えられたレーザ媒質は、励起状態となり、基底状態に戻る際に自然放出光である紫外光を発生し得る。この自然放出光の紫外光はランダム偏光となり得る。このランダム偏光の紫外光は、誘導放出によって増幅されて、例えば、光学装置８０のウィンドウ４０を透過して、ウィンドウ４０の入射面に対してＰ（Ｘ方向の）偏光成分が高透過し得る。光学装置８０のウィンドウ４０を透過した光は、複数のプリズム１０１、１０２を透過することによって、更に、プリズムの斜面の入射面に対してＰ（Ｘ方向の）偏光成分が高透過し、Ｓ（Ｙ方向の）偏光成分が高反射し得る。その結果、紫外光のビームが拡大され、Ｘ方向の偏光成分の割合が高くなり得る。
拡大された紫外光は、グレーティング１０３に所定の角度で入射し、入射角度と同じ角度で回折した光は、再び複数のプリズム１０１、１０２を透過してビームが圧縮され、Ｘ方向の偏光成分の割合がさらに高くなり得る。この紫外光は、再び光学装置８０のウィンドウ４０を透過することによって、ウィンドウの入射面に対してＰ（Ｘ方向の）偏光成分は高透過し、放電空間を通過することによって誘導放出され、この偏光状態を維持した状態（Ｘ方向の成分が多い紫外光）で増幅され得る。増幅光は、光学装置８１のウィンドウ４０を透過することによって、Ｐ偏光成分が高透過し得る。
出力結合ミラー１１０によって、一部の増幅光は出力され、一部の増幅光は、再びレーザ共振器中を往復することによって、レーザ発振し得る。このとき、出力されるレーザ光Ｌは、狭帯域化モジュール１００によって、狭帯域化され得る。そして、出力されるレーザ光Ｌは、２つのウィンドウ４０と複数のプリズム１０１、１０２の斜面の反射特性によって、Ｘ方向の偏光成分の割合が高くなり得る。このＸ方向の偏光成分が高くなったレーザ光Ｌが、露光装置１３０に入射し得る。
このように、本実施形態に係るガスレーザ装置１２０においては、２つのウィンドウ４０及び複数のプリズム１０１、１０２を用いることにより、露光装置１３０には、例えば、Ｘ方向の偏光成分の割合が高いレーザ光Ｌを露光装置１３０に出力し得る。
３．光学装置
３．１ 構成
図２は、本実施形態に係る光学装置８１の一例を示した図である。なお、図２においては、筐体２１の開口２５をシールするように配置された光学装置８１について説明するが、筐体２１の開口２４をシールするように配置された光学装置８０も同様の構成を有してよい。また、光学装置８０が光学装置８１と同様の構成を有してよい点は、以下の説明においても同様である。
３．１ 構成
図２は、本実施形態に係る光学装置８１の一例を示した図である。なお、図２においては、筐体２１の開口２５をシールするように配置された光学装置８１について説明するが、筐体２１の開口２４をシールするように配置された光学装置８０も同様の構成を有してよい。また、光学装置８０が光学装置８１と同様の構成を有してよい点は、以下の説明においても同様である。
本実施形態に係る光学装置８１は、ウィンドウ４０と、ウィンドウホルダ５０と、緩衝部材６０と、シール部材７０とを有する。また、関連構成要素として、レーザチャンバ２０の筐体２１の側面２３と、シール部材３０とが示されている。
ウィンドウ４０は、平板状の形状を有すれば、外周形状は用途に応じて種々の形状に構成されてよいが、例えば、円盤状に構成されてもよい。また、ウィンドウ４０は、フッ化カルシウム結晶から構成されてもよい。
ウィンドウホルダ５０は、ウィンドウ４０の外縁部を両面から挟時することによりウィンドウ４０を保持する保持部材であってよい。よって、ウィンドウホルダ５０は、平板状のウィンドウ４０を両面から挟時すべく、ホルダ５１とホルダ５２とを有してよい。図２において、レーザチャンバ２０と離れた側のホルダ５１と、レーザチャンバ２０側のホルダ５２が示され、両者でウィンドウ４０を厚さ方向に挟持している。ウィンドウホルダ５０は、ウィンドウ４０の外周側から、ウィンドウ４０の外縁部の両面を挟み込むことによりウィンドウ４０を保持してよい。
ウィンドウホルダ５０は、ウィンドウ４０の外縁部を保持するので、ウィンドウ４０の外周形状に沿った形状を有してよい。例えば、ウィンドウ４０が円盤状に形成される場合には、ウィンドウホルダ５０も円環状（リング状）の形状を有してよい。
緩衝部材６０は、レーザチャンバ２０と反対側のホルダ５１とウィンドウ４０との間に当接して設けられ、ホルダ５１によるウィンドウ４０の保持力を緩衝するための部材である。緩衝部材６０をホルダ５１とウィンドウ４０との間に設けることにより、ホルダ５１からウィンドウ４０に加わる押圧力を緩和し得る。
緩衝部材６０は、例えば、３０４ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、３０３ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４３０３）、３１６ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）、ハステロイ合金（耐食ニッケル合金）、インコネル（耐熱ニッケル合金）、Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）のいずれかから選択される材料により構成されてもよい。これらの材料は、研磨加工を行うのに適切な硬度を有し、研磨加工により十分な加工精度を出すことが可能な材料である。よって、緩衝部材６０の表面は、研磨加工により形成された研磨面を有してもよく、好適には、鏡面研磨加工された鏡面研磨面を有してもよい。上述の材料は、鏡面研磨面を形成するのに適する。なお、緩衝部材６０の材料についての詳細は後述する。
緩衝部材６０は、ウィンドウ４０の外縁部を保持するホルダ５１とウィンドウ４０との間に挿入されて用いられるので、ウィンドウ４０の外周形状に沿った形状を有してよい。よって、例えば、ウィンドウ４０が円盤状の形状を有する場合には、緩衝部材６０は、円環状（リング状）の形状を有してもよい。
シール部材７０は、Ｏ−リングであってもよく、例えば、ゴムやメタル等の弾性部材で構成されてもよい。シール部材７０は、レーザチャンバ２０中のレーザガスを、ウィンドウ４０の片面とホルダ５２間でシールするように配置してもよい。なお、シール部材７０は、レーザチャンバ２０側のホルダ５２との間で、ウィンドウ４０をシールしてよい。
ホルダ５１とホルダ５２とは、図示しないボルトで、緩衝部材６０と、ウィンドウ４０と、シール部材７０とを挟み込むように合わせてもよい。この状態でボルトを締めることにより、ウィンドウホルダ５０は、緩衝部材６０とシール部材７０とを介して、ウィンドウ４０を挟持して保持し得る。
また、ウィンドウホルダ５０とレーザチャンバ２０との間は、シール部材３０によってシールして固定してもよい。シール部材３０は、シール部材７０と同様に、弾性部材からなるＯ−リングで構成されてもよい。これにより、ウィンドウホルダ５０をレーザチャンバ２０に密着させるようにして、筐体２１の側面２３にウィンドウホルダ５０及びウィンドウ４０を含む光学装置８１を配置することができる。また、光学装置８１の設置により、筐体２１の開口２５を塞いでシールするとともに、ウィンドウ４０からレーザ光Ｌがレーザチャンバ２０の内部を透過し得る。
３．２ 応力複屈折による偏光の変化
次に、ウィンドウを含む光学装置における課題について説明する。
次に、ウィンドウを含む光学装置における課題について説明する。
図２に示した光学装置８１に示すように、ホルダ５０からのウィンドウ４０に対する押圧力による機械的応力と、レーザ光Ｌが吸収されることによって発生する熱により、ウィンドウ４０のレーザ光Ｌが透過する部分に応力が発生する場合がある。具体的には、以下のような動作により、応力が発生すると考えられる。
レーザチャンバ２０側からＸ方向の直線偏光が所定の入射角度でウィンドウ４０に入射したと仮定すると、ウィンドウ４０内部に発生した機械的応力と熱応力によって、ウィンドウ４０に複屈折が発生し得る。複屈折が発生すると、直線偏光は、ウィンドウ４０を透過することによって位相がずれて楕円偏光に変換し得る。その結果、偏光純度が低下するという課題が生じ得る。なお、偏光純度は、下記（１）式により求められる。
偏光純度＝Ｘ方向偏光成分／（Ｘ方向偏光成分＋Ｙ方向の偏光成分） （１）
また、ウィンドウ４０に応力複屈折が発生すると偏光純度が悪化するため、出力結合ミラー１１０から出力されるレーザ光Ｌの偏光純度も悪化し得る。更に、紫外光のウィンドウ４０に応力複屈折が発生すると、ウィンドウ４０を透過した紫外光の偏光純度が悪化するために、ウィンドウ４０の面やプリズム１０１、１０２の面での反射損失が大きくなり、出力されるレーザ光Ｌのパワーが減少し得る。つまり、ウィンドウ４０及びプリズム１０１、１０２ではＸ方向偏光成分が高透過し、Ｙ方向の偏光成分は高反射され得る。その結果、Ｙ方向の偏光成分が増加し、Ｘ方向の偏光成分が減少する程損失は大きくなり得る。
そして、ウィンドウホルダ５０による機械的応力が最初からフッ化カルウム結晶に加わっている場合に、レーザ発振させると出力レーザ光のパワーが増大するにつれて、偏光純度の悪化が増大することがあり得た。
ここで、緩衝部材６０にアルミニウム又は錫めっきアルミニウムを用いた場合、ウィンドウホルダ５０によるウィンドウ４０の保持の際の緩衝という役割は果たせるが、素材が柔らかすぎて十分な加工精度を得られないおそれがあるということを発明者等は見出した。４０Ｗ出力のＡｒＦレーザ装置では、十分な加工精度が得られなくても出力レーザ光の偏光純度の悪化はそれほど問題にはならなかったが、６０Ｗ以上のＡｒＦレーザ装置では、緩衝部材６０の加工精度が悪いと、ウィンドウホルダ５０がウィンドウ４０を保持した際に、緩衝部材６０の表面に存在する凹凸等に起因して機械的応力が発生し、ウィンドウ４０に機械的応力が生成し得る。
そこで、本実施形態に係る光学装置８１においては、緩衝部材６０に、現状の研磨加工で高精度な研磨面を形成することが可能な材料を用い、研磨面を有する緩衝部材６０を用いて光学装置８１を構成してもよい。上述のように、３０４ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、３０３ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４３０３）、３１６ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）、ハステロイ合金（耐食ニッケル合金）、インコネル（耐熱ニッケル合金）、Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）は、６０Ｗ以上の高出力ＡｒＦレーザ装置１２０に使用され得る緩衝部材６０に要求される加工精度を満たすことができる研磨加工が可能な材料である。これらの材料は、鏡面研磨加工により、鏡面研磨面を形成することが可能な材料である。また、緩衝部材６０は、要求される加工精度を満たすことができれば、上述の材料以外にも、種々の材料を用いることができる。例えば、研磨加工による加工精度の観点からは、ある程度の硬度を有する材料が有効であるとも考えられ、例えば、フッ化カルシウム結晶よりも硬い材料、又はフッ化カルシウム結晶以上の硬度を有する材料であれば、加工精度の要求を満たす高精度な研磨加工、特に鏡面研磨加工が可能であると考えられる。
本実施形態に係る光学装置８１においては、緩衝部材６０のウィンドウ４０と接触する面を研磨面、好ましくは鏡面研磨面に構成し、ウィンドウ４０と接触する面の加工精度を高め、ウィンドウ４０のレーザ光Ｌの透過部分に応力複屈折の発生を抑制する構成としている。なお、光学装置８０においても、光学装置８１と同様の構成が採用されてよく、ウィンドウ４０と当接する面が研磨面、好ましくは鏡面研磨面として構成されてよい。
４．緩衝部材
４．１ 構造
次に、本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０の構成について、より詳細に説明する。
４．１ 構造
次に、本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０の構成について、より詳細に説明する。
図３は、本実施形態に係る光学装置に用いられる緩衝部材の一例を示した図である。図３（Ａ）は、本実施形態に係る光学装置の緩衝部材の上面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した緩衝部材のＡ−Ａ断面図である。
図３（Ａ）に示すように、緩衝部材６０は、リング状の形状を有してもよい。また、図３（Ｂ）に示すように、緩衝部材６０は、上面及び下面に平坦面を有し、上面と下面が平行に構成されてもよい。
本実施形態に係る緩衝部材６０のウィンドウ４０に当接する側の表面は、以下の（２）〜（５）式に示す加工精度の条件を満たすことが好ましい。
平行度≦０．０１ｍｍ （２）
エッジ突部の高さ＜０．２μｍ （３）
表面の粗さ＜０．２μｍ （４）
平面度≦０．０１ｍｍ （５）
エッジ突部の高さ＜０．２μｍ （３）
表面の粗さ＜０．２μｍ （４）
平面度≦０．０１ｍｍ （５）
以下、個々の条件について説明する。
図３（Ｂ）に示すように、平行度は、緩衝部材６０の左側の厚さをＴ１、右側の厚さをＴ２とすると、（６）式のように表される。
平行度＝|Ｔ１−Ｔ２| （６）
（２）式においては、|Ｔ１−Ｔ２|≦０．０１ｍｍであることが要求され、緩衝部材６０の厚さの均一性が高いことが要求されている。
図４は、加工精度を示す項目を説明するための図である。図４（Ａ）は、エッジ突部の高さについて説明するための図である。図４（Ａ）において、緩衝部材６０のエッジ突部６１ｅの高さＨが示しされているが、エッジ突部６１ｅの高さＨが高いと、エッジ突部６１ｅが接触した箇所に応力が集中し、ウィンドウ４０を破損する蓋然性が高くなることが分かる。
よって、（３）式に示したように、本実施形態に係る光学装置８０、８１においては、緩衝部材６０のウィンドウ４０と当接する表面のエッジ突部６１ｅの高さが０．２μｍ未満である条件を満たすことが好ましい。エッジ突部６１ｅの高さを０．２μｍよりも小さな値とすることにより、ウィンドウ４０に発生する応力及び破損を低減させることができる。
図４（Ｂ）は、表面の粗さについて説明するための図である。図４（Ｂ）において、緩衝部材６０の表面が示されているが、表面が粗く加工され、凹凸の形成により、表面に突部６１が形成される。これがウィンドウ４０と接触すると、突部６１と接触している箇所に応力が集中し、レーザ光のビームが透過する部分にまで応力が進み、ウィンドウ４０の破損を招くことがあり得る。
よって、（４）式に示したように、本実施形態に係る光学装置８０、８１においては、緩衝部材６０のウィンドウ４０と当接する表面の表面粗さＲａが０．２μｍ未満であることが好ましい。表面粗さＲａを０．２μｍよりも小さくすることにより、ウィンドウ４０に発生する応力及び破損を低減させることができる。なお、表面粗さＲａは、例えば、算術平均粗さＲａを用いるようにしてもよい。
図４（Ｃ）は、平面度について説明するための図である。図４（Ｃ）に示すように、緩衝部材６０の表面には、突部６１と凹部６２とが形成され、平面度Ｆは、幾何学的に正しい平面からの狂いの大きさであり、幾何学的に正しい平行な２平面で凹部６２と突部６１とを挟んだときに、平行２平面の差が最小となる場合の２平面の間隔で表される。図４（Ｃ）において、突部６１と凹部６２とを挟む平行２平面の間隔が最小となれば、それが平面度Ｆであるが、かかる場合において、突部６１と接触する箇所にウィンドウ４０は応力が集中する。
よって、本実施形態に係る光学装置８０、８１では、（５）式に示したように、緩衝部材６０のウィンドウ４０と当接する表面の平面度Ｆが、０．０１ｍｍ以下であることが好ましい。緩衝部材６０の表面の平面度Ｆを０．０１ｍｍ以下とすることにより、その表面と接触するウィンドウ４０に発生する応力及び破損を低減させることができる。
図５は、本実施形態に係る光学装置の緩衝部材を製造するためのバフ研磨工程の一例を示した図である。バフ研磨工程においては、布又はその他の材料で作られた研磨輪１４０の外周面に研磨剤を染み込ませるか、又は緩衝部材６０の表面に塗布して研磨輪１４０を回転させ、緩衝部材６０を押し付けることにより、緩衝部材６０の表面を研磨する。研磨輪１４０の回転は、例えば、約時速１２０ｋｍの高速回転で行われてよい。また、研磨輪１４０には、バフ（羽布）と呼ばれる布が用いられてもよい。
なお、緩衝部材６０は、図２、３で説明したように、例えば、上述のステンレス鋼等の金属材料であってもよい。緩衝部材６０は、研磨加工により適切な加工精度で研磨面が得られる材料が選択されてよく、形状は、例えば、リング状であってもよい。
かかるバフ研磨を行うことにより、緩衝部材６０の表面を研磨することができる。
図６は、本実施形態に係る光学装置の緩衝部材を製造するためのラップ研磨工程の一例を示した図である。図６（Ａ）は、ラップ研磨工程の一例を示した側面図であり、図６（Ｂ）は、ラップ研磨工程の一例を示した斜視図である。
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ラップ研磨工程においては、ラップ盤１５０上に研磨材１６０が載置された状態で、研磨材１６０の上にワーク６５が載置される。更に、緩衝部材６０の上から圧力プレート１７０で押圧して圧力を加え、研磨材１６０と緩衝部材６０との間に遊離砥流を供給しながらラップ盤１５０及び圧力プレート１７０の双方を回転させることにより、緩衝部材６０の表面を研磨する。また、緩衝部材６０の周囲には、ワーク端部が中央部分よりも多く削れることを防ぐため、樹脂１８０が設けられてもよい。
なお、緩衝部材６０は、図５において説明した通り、研磨加工により、適切な加工精度を実現し得る材料が選択されてよく、形状は、例えば、リング形状を有してもよい。
ラップ研磨工程を行うことにより、ワーク６５の表面は鏡面研磨され、鏡面研磨面が形成されて本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０が形成される。よって、ラップ研磨工程を、鏡面研磨工程と呼んでもよい。
なお、研磨工程は、図５で示したバフ研磨工程を行ってから、図６に示したラップ研磨工程を行うようにしてもよいし、ラップ研磨工程のみを行うようにしてもよい。また、バフ研磨で十分な研磨が可能であれば、バフ研磨のみを行うようにしてもよい。かかる研磨工程を行うことにより、緩衝部材６０の表面を研磨して式（２）〜（５）の条件を満たす研磨面を有する緩衝部材６０を形成することができ、例えば、表面粗さＲａが０．２μｍ以下となるように研磨することができる。このラップ研磨の実施形態として片面のみのラップ研磨の場合を示したが、この実施形態に限定されることなく、両面研磨のラップ研磨機で両面研磨加工してもよい。両面ラップ研磨することにより、緩衝部材６０の平行度が改善し得る。
４．２ 物質の硬度比較
次に、緩衝部材６０に用いられ得る金属材料について説明する。表１は、種々の金属材料を、硬度（ビッカーズ硬さ：ＨＶ換算）の高い順に上から配列して示した表である。
次に、緩衝部材６０に用いられ得る金属材料について説明する。表１は、種々の金属材料を、硬度（ビッカーズ硬さ：ＨＶ換算）の高い順に上から配列して示した表である。
表１に示すように、金属材料の硬度は、個々の材料毎に変化し、若干の幅がある。しかしながら、平均的な硬度を基準として配列すると、表１のような硬度の順となる。
本実施形態に係る光学装置８０、８１のウィンドウ４０に用いられる材料は、フッ化カルシウム結晶である。一方、本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０として挙げてきたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６、ハステロイ合金、Ｓ４５Ｃ及びインコネルは、フッ化カルシウム結晶よりも、平均的には硬い材料である。図５、６で示した研磨加工を行う場合には、フッ化カルシウム結晶よりも硬い材料の方が、加工精度は高くなる傾向がある。また、フッ化カルシウム結晶と同等の場合も含め、フッ化カルシウム結晶の硬度以上の硬度を有すれば、（２）〜（５）式で示した加工精度を実現する研磨加工を行うことが可能である。
よって、本実施形態に係る光学装置８０、８１においては、フッ化カルシウム結晶の硬度以上の金属材料を用いて、緩衝部材６０を構成している。硬度が大き過ぎると、加工に時間がかかる場合があるが、その点が問題無ければ、例えば、チタン合金６０種、ＳＵＳ６３０等も本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０に用いてもよい。
このように、本実施形態に係る光学装置８０、８１の緩衝部材６０は、フッ化カルシウム結晶よりも硬い、又はフッ化カルシウム結晶以上の硬度を有する材料であれば、種々の材料を適用することができる。
なお、従来の光学装置の緩衝部材として用いられていたアルミニウムと、アルミニウムのめっき材料として用いられていた錫は、フッ化カルシウム結晶よりも硬度が非常に小さく、柔らかい材料であることが示されている。
４．３ 試験結果（実施例）
次に、本実施形態に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の実施例について説明する。表２は、実施例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置と、比較例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の種々の項目における測定結果を示した図である。
次に、本実施形態に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の実施例について説明する。表２は、実施例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置と、比較例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の種々の項目における測定結果を示した図である。
実施例に係る光学装置においては、緩衝部材にステンレス鋼（ＳＵＳ３０３又はＳＵＳ３０４）を用いた。一方、比較例に係る光学装置においては、緩衝部材として、基材アルミニウムの表面にＮｉめっきを施し、更にＮｉめっき層上にＳｎめっきを施した構造の緩衝部材を用いた。
表２において、比較例の緩衝部材は、エッジ突部高さ、平面度、平行度の項目については、実施例に係る緩衝部材と同等の加工精度を実現することができ、実施例の緩衝部材と同様に、式（２）、（３）、（５）の条件を満たすことができた。しかしながら、表面粗さＲａの項目については、比較例の緩衝部材はＲａ＝１．６μｍであり、実施例の緩衝部材のみが（４）式のＲａ＜０．２の条件を満たすことができた。
このように、緩衝部材に、フッ化カルシウムの硬度以上の硬度を有するステンレス鋼（ＳＵＳ３０３又はＳＵＳ３０４）を用いた場合には、鏡面研磨を行うことにより、表面粗さＲａ＜０．２μｍの加工精度を満たす緩衝部材を歩留まりよく製作することができた。なお、鏡面研磨は、図５及び図６で説明したバフ研磨、ラップ研磨又はこれらの組み合わせにより行ってよい。
一方、緩衝部材の表面が、フッ化カルシウムよりも軟らかいＳｎでめっきされた比較例の場合は、表面粗さが１．６μｍとなった。Ｓｎのような軟らかい金属の表面粗さＲａを０．２μｍ未満にすることが困難であり、歩留まりが悪くなった。Ｓｎのような軟らかい金属の研磨加工は難しく、研磨面の形成が困難である。
また、表２において、ウィンドウ表面の損傷、ウィンドウ内部の損傷伸展においては、実施例に係る光学装置も比較例に係る光学装置も問題無かった。しかしながら、ホルダの機械応力による複屈折は、実施例に係る光学装置が０．５ｎｍ未満だったのに対し、比較例に係る光学装置は１．３ｎｍであり、実施例に係る光学装置よりも大きな複屈折が見られた。このように、本実施例に係る光学装置によれば、複屈折の発生を大幅に低減できることが示された。
図７は、実施例及び比較例に係る光学装置を用いたＡｒＦレーザ装置から出力されたレーザ光の偏光純度のレーザ出力依存性を示した図である。図７において、実施例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の特性は曲線Ａで示され、比較例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置の特性は曲線Ｂで示されている。
実施例に係るガスレーザ装置及び比較例に係るＡｒＦレーザ装置の双方とも、レーザ光の出力が増加するにつれて、偏光純度が悪化している。しかしながら、実施例に係るＡｒＦレーザ装置の方が、比較例に係るガスレーザ装置よりも、レーザ出力が増加しても、偏光純度の低下の度合いが小さくなっている。このように、偏光純度の悪化の度合いは、実施例に係るガスレーザ装置の場合のほうが、比較例に係るガスレーザ装置よりも改善していることが示された。
また、低下の度合いの差は、レーザ出力が６０Ｗ以上、例えば、７０Ｗ、８０Ｗのときに非常に顕著となっている。よって、レーザ出力が６０Ｗ以上の高出力を要求される場合には、本実施例に係る光学装置を用いたガスレーザ装置は、非常に有効であることが分かる。
以上、本開示の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本開示は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本開示の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本実施形態及び本実施例においては、光学装置をガスレーザ装置のウィンドウ周辺に適用した例を説明したが、光学素子を保持する構成を有する部品又は装置であれば、種々の部品又は装置に適用することができる。
１０、１１ 電極
２０ レーザチャンバ
２１ 筐体
２４、２５ 開口
４０ ウィンドウ
５０、５１、５２ ウィンドウホルダ
６０ 緩衝部材
７０ シール部材
８０、８１ 光学装置
１００ 狭帯域化モジュール
１１０ 出力結合ミラー
１２０ ガスレーザ装置
１３０ 露光装置
２０ レーザチャンバ
２１ 筐体
２４、２５ 開口
４０ ウィンドウ
５０、５１、５２ ウィンドウホルダ
６０ 緩衝部材
７０ シール部材
８０、８１ 光学装置
１００ 狭帯域化モジュール
１１０ 出力結合ミラー
１２０ ガスレーザ装置
１３０ 露光装置
Claims (16)
- フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、構成材料が３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる緩衝部材と、を備える光学装置。 - 前記緩衝部材の前記光学素子と当接する側の表面は、以下の条件を満足する請求項１に記載の光学装置。
平行度≦０．０１ｍｍ
エッジ突部の高さ＜０．２μｍ
表面の粗さ＜０．２μｍ
平面度≦０．０１ｍｍ - 前記緩衝部材の前記光学素子と当接する側の前記表面は、研磨加工により形成された研磨面を有する請求項１又は２に記載の光学装置。
- 前記研磨面は、バフ研磨及びラップ研磨の少なくとも１つにより研磨された鏡面研磨面である請求項３に記載の光学装置。
- 前記光学素子は、レーザ光を透過させるウィンドウであり、
前記保持部材は、ウィンドウホルダである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。 - 一対の電極と、
該一対の電極を収容する筐体と、
該筐体の対向する一対の側面に設置された請求項５に記載の光学装置と、を備えるレーザチャンバ。 - 請求項６に記載のレーザチャンバと、
前記光学装置の両外側に配置された光共振器と、を備えるガスレーザ装置。 - フッ化カルシウム結晶からなる板状の光学素子と、
該光学素子を挟持するための保持部材と、
該保持手段と前記光学素子の一方の面との間に密着して配置されたシール部材と、
前記保持手段と前記光学素子の他方の面との間に当接して配置され、フッ化カルシウム以上の硬さを有する緩衝部材と、を備える光学装置。 - 前記緩衝部材の前記光学素子と当接する側の表面は、以下の条件を満足する請求項８に記載の光学装置。
平行度≦０．０１ｍｍ
エッジ突部の高さ＜０．２μｍ
表面の粗さ＜０．２μｍ
平面度≦０．０１ｍｍ - 前記緩衝部材は、金属材料から構成される請求項８又は９に記載の光学装置。
- 前記金属材料は、３０４ステンレス鋼、３０３ステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、ハステロイ合金、機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ及びインコネルからなる群から選択される物質からなる請求項１０に記載の光学装置。
- 前記緩衝部材の前記光学素子と当接する側の前記表面は、研磨加工により形成された研磨面を有する請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の光学装置。
- 前記研磨面は、バフ研磨及びラップ研磨の少なくとも１つにより研磨された鏡面研磨面である請求項１２に記載の光学装置。
- 前記光学素子は、レーザ光を透過させるウィンドウであり、
前記保持部材は、ウィンドウホルダである請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の光学装置。 - 一対の電極と、
該一対の電極を収容する筐体と、
該筐体の対向する一対の側面に設置された請求項１４に記載の光学装置と、を備えるレーザチャンバ。 - 請求項１５に記載のレーザチャンバと、
前記光学装置の両外側に配置された光共振器と、を備えるガスレーザ装置。
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