JP4994873B2 - 光学系及び該光学系を用いた光学装置の使用方法 - Google Patents
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マイクロ波共振器4は円筒形状の導体の両端を同じ材質の導体で封じた構造を有する。円筒の内径と長さはマイクロ波の周波数、マイクロ波共振器内部に励起したい電磁界分布によって決める。
放電管1の機能は真空境界であること、放電ガスの流路であること、放電プラズマを生成する空間であることであり、図7の例では、放電プラズマを生成させる空間を限定するために、放電管1に沿ってマイクロ波共振器端面からマイクロ波共振器内部に向けて導体の内筒を伸ばしている。従って、マイクロ波共振器チューナ18の端と内筒端に挟まれた空間で放電プラズマ7が生成される。
前記フランジ26の開口部には光透過窓8が設けられていて、2つの機能を有する。一つ目は放電管1内と大気の真空境界であり、二つ目は放電プラズマ7からの発光を真空外へ取出すことである(例えば非特許文献1または同2参照。)。
又水銀ランプにおける石英ガラスの失透も従来より問題にされている。水銀ランプにおける石英ガラスは、ランプ内部と外部の真空境界という機能と、水銀の発光による紫外線を透過させる機能を併せ持つが、失透現象により、光透過率の減少が生じ、ランプの寿命を決める一因になっている。
しかしながらかかる技術は、石英ガラスあるいは高珪酸ガラスを用いた発光管に適用する技術であり、250〜360nmの普通紫外光では適用が可能であるが、石英ガラス自体波長が190nmの真空紫外光では透過率が大幅に低減し、利用できない。
更に特許文献4において、石英管の両端に電極を封着し内部に水銀を封入してなる発光管の内表面にAl2O3等の薄膜を被着してなる放電灯において、発光管中央部に形成する薄膜は、その他の部分より厚く形成するように構成し、具体的には前記発光管の内表面の厚膜部が発光管両端の電極間距離である有効発光長に対して1/3から1/2の長さで、前記厚膜部の膜厚が0.2μm〜0.3μmであり、その他の部分の膜厚が0.1μm〜0.15μmである技術が開示されている。
しかもSiO2の光透過率の確保は200nm程度が下限であり、それ以上の短波長紫外線である真空紫外域の200nm以下では急激に低下し、更に短波長化し150nm前後の真空紫外線である高エネルギフッ素レーザを使用した場合前記光透過率の低下のみならず失透が生じ実用に耐えない。
ここで真空紫外域とは0.2〜200nm、普通紫外域とは200〜380nmの波長範囲をいう(「物理学辞典」培風館、「理科年表」国立天文台)。
しかしながらフッ化物をドープしたとしても母材として合成シリカガラスを用いている以上、その透過率50%程度が確保できるのはせいぜい160〜190nm程度であり、それ以下の真空紫外波長域ではやはり使用に耐えない。
特に従来例として前述したマイクロ波励起水素紫外光ランプの場合、利用する紫外線は水素の発光線である波長122nmの真空紫外光であり、この波長帯域で光透過窓として実際に使用できる材料はLiF、CaF2、MgF2しか知られていないが、このうち、LiFとCaF2はカラーセンターによる透過率低下が顕著であるので、MgF2が多用されているが、MgF2の失透対策として開示された報告例はない。このような放電ランプにおいては、次のような問題点がある。
これは光透過窓8に用いた材料の吸収端波長よりも高いフォトンエネルギーを持つ光、特に真空紫外域の光が放電プラズマから光透過窓8に照射されると該窓8に欠陥、いわゆるカラーセンターが生成し、光透過率の低下が起こるためで、このような現象は、CaF2、LiF、MgF2などのアルカリハライド材料で一般的に発生する現象で、フッ素原子の位置が正しい格子位置から僅かにずれていることが原因である。
光透過窓8としては、MgF2(フッ化マグネシウム)単結晶を用いている。
その結果、真空紫外光照射後、透過率劣化が生じた光透過窓8の真空紫外線が照射された領域では、MgF2結晶の表層(数十nm)が酸化されていた。更に結晶の表層、数十nm深さの領域において、フッ素の存在量が減少していることが確認された。
また、分光透過率スペクトル計測により、光透過窓8のカラーセンター発生状況と透過率劣化との相関を調べた結果、光透過窓8の劣化の主因は、カラーセンターによる吸収ではなく、結晶の表層に生成するフッ素の欠損と酸素の存在が原因であることが判明した。
本発明の第1の提案は、CaF2、LiF、MgF2のいずれかのフッ化物からなる光学系母材の吸収端波長よりも高いフォトンエネルギーを持つ真空紫外線光源、具体的には波長が160nm以下の真空紫外線が照射される環境下に配置されるフッ化物からなる光学系において、
前記光学系の少なくとも光入射側に、光照射による前記光学系表層のフッ素原子の脱離を抑制するSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成し、前記光学系の真空紫外域照射によるフッ素原子の脱離を抑制したことを特徴とする光学系にある。
特許文献4は、水銀放電灯において、発光管中に封入された水銀が発光管内壁に固定されるのを防ぐために、膜厚が0.1μm〜0.15μmのアルミナ等の保護膜を被着させるものである。
一方、本発明は光学系母材の吸収端波長よりも高いフォトンエネルギーを持つ真空紫外域、具体的には波長が160nm以下の真空紫外域において、光学特性のある程度の初期劣化を甘受しつつ真空紫外域照射によるフッ素原子の脱離を抑制する2nm〜20nmという極めて薄膜の1の保護膜だけを被着させたものである。
ここで1の保護膜の膜厚を20nm以下に限定したのは、それ以上の膜厚では真空紫外光の吸収により、光学系としての機能を維持できないからである。
又フッ素の脱離は一方ではMgの酸化に起因するものであり、このため前記光学系の少なくとも光入射側に光照射による前記光学系表層の酸化を抑制する2nm〜20nm、好ましくは2〜12nm、更に好ましくは2〜10nmの保護膜を形成するようにしてもよい。
かかる提案により、前記光学系表層のフッ素原子脱離および酸化を抑制することができ、光学系の透過率減少を抑制できる。
従って請求項2記載の発明は、前記光学系の少なくとも光入射側に、光照射による前記光学系表層の酸化を抑制し且つ前記真空紫外波長を通さない材料であるSiO 2 若しくはAl 2 O 3 、MgO、TiO 2 、ZrO 2 の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成したことを特徴とする。
このような薄膜の前記一の金属酸化物からなる1の保護膜だけの生成は、蒸着、イオンプレーティング、CVD等の気相成長方法があるが、特にイオンビームスパッタ成膜法やプラズマCVDにより膜着することにより光学系表面に存在する研磨加工に起因した凹凸に沿って、数nmの極めて薄膜の膜厚で均一な被着が可能となる。
プラズマに曝される面に前記フッ化物よりプラズマ耐性が高いSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成したことを特徴とする。
かかる提案により、光学系表面をプラズマ環境に曝露することによる発生する、前記光学系表層のフッ素原子脱離および酸化を抑制することができ、光学系の透過率減少を抑制できる。
又、本発明の光学系を組み込んだ光利用装置は装置寿命が長く、出力特性の長期間安定性を確保することができるため、長期環境モニタリングのような計測装置に適した光出力装置を提供することができる。
以下に本発明の好適な実施形態として、光透過窓の劣化を防止あるいは抑制することを目的として、保護膜をコーティングした実施例について図面に基づいて説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、放電若しくは加熱等により生じる発光を光として取り出すランプ、またはレーザー装置であれば本発明の要件の範囲において有効に適用できる。
光透過窓8の窓取り付け部材17は、円盤形状であり、その中心は放電管1の中心軸と一致し、その径が放電管内径以上である開口を有する。窓取り付け部材17には前記開口を光透過窓8で封止するためのOリング溝13bと、窓取り付け部材17を真空を保ちながら放電管1に接続するための中空蓋状の冶具20を固定するボルト穴及びOリング溝13aが設けられている。
コーティングは、イオンビームスパッタ成膜方法により実施した。
保護膜14のコーティング方法は上記イオンビームスパッタ製膜方法に限られるものではなく、所望の組成の保護膜が成膜可能な方法、装置を適宜選択すれば良い。他の成膜方法として蒸着、イオンプレーティング、CVD等の気相成長方法がある。
図6はAl2O3を保護膜14として透過窓コーティングした場合の保護膜の膜厚と保護膜の無い初期状態と保護膜コーティング後の透過率の変化を示したものである。図6に示すように光学系の初期状態に対する透過率減少は保護膜厚の関数であり、初期劣化を抑えるためには、極力薄い方が望ましい。一方、保護膜としての実効を得るためには、光学系表面全体を被覆することが求められる。一般に薄膜の成膜の初期段階では均一な膜構造ではなく、光学系表面に島構造上で存在することになるため、部分的に光学系表面が露出している状態となり、保護膜としての実効を得ることはできなくなる。
保護膜成膜後の表面形状をAFM(原子間力顕微鏡)で観察した結果、ほぼ基材を被覆した平滑な薄膜を形成するためには2nm以上の膜厚が必要であることを確認した。
まず、放電プラズマ7によって水素原子を励起し、真空紫外域の波長光を90時間(約4日間)発光させた。次にブランクとして、保護膜がコーティングされていない光透過窓8に交換して同様の試験を実施し、結果を比較した。
評価は次の方法によった。
まず、ブランクの使用前の透過率をT0とし、すべての基準に設定した。
光透過窓の使用前の透過率をT1(ブランクの場合、T0=T1)とし、使用後のすなわち90時間後に、透過率T2に低下したとして、透過率の変化量ΔT[%]を、
ΔT = (T1−T2)/90 式(1)
から求め、さらに、変化の割合を表す量として劣化率K[%/Hr]を次式に定義した。
K = 100 ・ ΔT/ T0 式(2)
この劣化率Kの大小を比較することで、光透過窓8の劣化の早さを定量的に評価することができる。当然ながら、Kが小さいほど、劣化が緩やかであり、寿命が長く、光透過窓の交換の頻度を少なくできることを表している。
又透過率を問題とする露光装置の本体の光学系に対しては不適であるが、真空紫外光を照射して物品の表面汚れを光洗浄する洗浄装置の透過窓材や露光装置に用いる真空紫外光の光源部と露光装置光学系の圧力境界とするための透過窓部材として有効に利用でき且つ保護膜の設置位置は、窓材の光源側が好ましい。
8 光透過窓
10 内側表面
11 外側表面
13 Oリング
14 保護膜
17 窓取り付け部材
Claims (7)
- 波長が160nm以下の真空紫外線が照射される環境下に配置されるフッ化物からなる光学系において、
前記光学系の少なくとも光入射側に、光照射による前記光学系表層のフッ素原子の脱離を抑制するSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成したことを特徴とする光学系。 - 波長が160nm以下の真空紫外線が照射される環境下に配置されるフッ化物からなる光学系において、
前記光学系の少なくとも光入射側に、光照射による前記光学系表層の酸化を抑制し且つ前記真空紫外波長を通さない材料であるSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成したことを特徴とする光学系。 - プラズマが存在する内部空間を有する光学装置にプラズマに曝される位置に対面配置したフッ化物からなる光学系において、
プラズマに曝される面に前記フッ化物よりプラズマ耐性が高いSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを被着させ、該被着させた1の保護膜の膜厚を2nm〜20nmに形成したことを特徴とする光学系。 - 前記フッ化物からなる光学系が、結晶軸(c軸)が光入射線方向に沿った単結晶フッ化物であって結晶軸と垂直な面にSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけが被着されていることを特徴とする請求項1又は2若しくは3に記載の光学系。
- 前記1の保護膜がイオンビームスパッタ成膜法若しくはプラズマCVDにより膜着されていることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1に記載の光学系。
- CaF2、LiF、MgF2のいずれかのフッ化物からなる光学系母材の真空紫外光照射又はプラズマ曝露による母材表面からの母材構成元素の脱離若しくは母材表面の酸化による経時劣化を抑制し且つ前記真空紫外波長を通さない材料であるSiO2若しくはAl2O3、MgO、TiO2、ZrO2の何れか一の金属酸化物からなる1の保護膜だけを前もって前記光学系に2nm〜20nm被着させた後、波長が160nm以下の真空紫外線光源若しくはプラズマ光源が存在する目的装置に前記光学系を組込んで使用することを特徴とする光学装置の使用方法。
- 前記光源が、前記1の保護膜だけによる光学系の透過率初期劣化を補填するだけの光出力を有する光源であって、該光源の光路上に前記光学系を配置し、初期劣化後の光学特性の低下を抑制して10%以上の光学特性を確保したことを特徴とする請求項6記載の光学装置の使用方法。
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