JP5260797B2 - 蛍石の製造方法 - Google Patents
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- C30B33/02—Heat treatment
Description
しかし、このような高精度ステッパに用いるレンズ材料には、転位や亜粒界組織が少なくて均質な蛍石である必要があるが、そのような蛍石を製造することは容易なことではない。
例えば特許文献1には、蛍石単結晶を1020℃〜1150℃の範囲にある第1の温度(1080℃)に所定時間保持した後、第1の温度(1080℃)から第2の温度(700℃以下)まで1.0(℃/時間)以下の冷却速度で降温する方法が開示されており、特許文献2には、結晶成長したフッ化物単結晶をアニール炉に入れ、るつぼを900〜1000℃に加熱し、20時間以上加熱する方法が開示され、特許文献3には、熱処理炉内を真空雰囲気にし、1000℃で24時間保持して熱処理した後、冷却する方法が開示されている。
特許文献6には、蛍石単結晶の熱処理装置として、蛍石単結晶の周囲に、熱処理する蛍石と同一物性を有する蛍石等からなる均熱化部材を配置する構成の熱処理装置が開示されている。
そこで本発明は、CaF2結晶の熱処理方法を工夫することにより、レーザ耐久性に優れた蛍石を製造できる新たな方法を提案せんとするものである。
そこで本発明では、熱処理する蛍石結晶の周囲に、隔壁を介して、フッ化物ガス吸着材を含有するフッ化物ガス捕捉層を設けて、熱処理炉の壁面などから発生する遷移金属のフッ化物ガスを該フッ化物ガス捕捉層で捕捉するようにしたところ、転位や亜粒界組織が少なくて均質であり、レーザ耐久性に優れた蛍石結晶を得ることに成功した。
よって、本発明の製造方法により得られる蛍石は、例えばTVカメラレンズ、顕微鏡レンズ、赤外線分析用窓材、半導体リソグラフィ装置に用いられるレンズなどのレンズ材料、特に高度な光学特性が要求されるArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザ露光装置やF2(フッ素)エキシマレーザ露光装置など、紫外或いは真空紫外波長域のレーザを光源に用いた露光装置等のステッパ用レンズ材料として好適に用いることができる。
なお、結晶育成工程及び熱処理工程での処理温度は、特にことわらない限り、炉内の雰囲気温度を示すものである。
本製造方法では、フッ化カルシウム(CaF2)の原料を特に限定するものではなく、CaF2の原料として知られている全ての原料を用いることができる。一例としては、粉末状のCaF2原料、若しくはこれと、スカベンジャー或いはフッ化剤、すなわち蛍石内の不純物(主に酸素)を除去する反応材料との混合物を挙げることができる。
本製造方法では、CaF2結晶の結晶育成方法を特に限定するものではない。例えばBridgman−Stockbarger法(「BS法」ともいう)、Czochralski(「CZ法」ともいう)、ゾーンメルト法、これらの改良法、その他の融液成長法等、公知の結晶育成方法を適宜採用することができる。
坩堝内の原料が融解した後、坩堝を0.1mm/時間〜3mm/時間程度の速度で徐々に鉛直下方に引き下げると、坩堝内で融液となった原料は底部付近から固化が始まり、単結晶が育成される。坩堝内の原料がすべて固化した段階で坩堝の引き下げを終了し、加熱装置により徐冷しつつ、坩堝を室温程度にまで冷却し、インゴット状のCaF2結晶を育成することができる。
熱処理工程では、上記結晶育成工程で得られたCaF2結晶を、例えば図1に示すように熱処理する。すなわち、熱処理するCaF2結晶50の周囲に、隔壁を介して、フッ化物ガス吸着材を有するフッ化物ガス捕捉層5を設けて熱処理すればよい。
真空容器1の雰囲気を所定状態に調整するには、例えば排気系統により真空容器1内の気体を排気し、導入系統により所定の気体を適切量導入して調整するようにすればよい。
また、真空容器1の温度を決められた温度プロファイルに従って高精度に制御するには、例えば真空容器1内に設置した支持部材4の外壁付近の適宜高さ、例えば上層部、中層部及び下層部の各高さに温度センサを設置し、これら温度センサと温度制御装置によって、真空容器1の側壁に沿って配設された複数個のヒータ2a、2a・・の温度を制御すればよい。
アニーリングケース3は、被熱処理物即ちCaF2結晶の保持或いは支持するための支持容器4を支持するための役割を果たす容器であり、カーボン素材から形成することができる。また、支持容器4の周囲温度を均熱に分布させるための役割を果たす容器でもある。
このアニーリングケース3内には、複数の支持容器4を上下に積み重ねた状態で収納されている。
各支持容器4内には、それぞれ隔壁容器6が収容され、各隔壁容器6内にはそれぞれCaF2結晶50が収容され、各隔壁容器6と各支持容器4との間にはフッ化物ガス捕捉層5が形成されている。
隔壁容器6は、CaF2結晶50がフッ化物ガス捕捉層5に直接接触しないように隔てる役割を果たす容器であり、例えば、上方を開口してなる枡状の容器本体と蓋体とからなり、例えばカーボンの押出成型品やCIP成型品等の一般的なカーボン素材から形成することができる。
CaF2結晶50とフッ化物ガス捕捉層5が接触すると、熱処理中にCaF2結晶50の表面にフッ化物ガス吸着材が固着してCaF2結晶50の光学的性質が損なわれるばかりか、接触した結晶表面の粒界組織が発達して光学的性質が損なわれてしまうため、両者を隔てることが重要である。
フッ化物ガス吸着材は、化学反応の観点から、例えばCr、Fe、Ni、Mnなどの遷移金属のフッ化物ガスを効果的に吸着できる材料であって、スカベンジャーであるPbF2と蒸気圧が同等或いはそれよりも低いものが好ましい。中でもその蒸気圧がCaF2と同等或いはそれよりも低いものが好ましい。具体的には、フッ化物の粉体、破砕物及び解砕物、例えばCaのフッ化物の粉体、破砕物或いは解砕物、又は、Caと同族である元素、例えばMg、Sr、Baなどのアルカリ土類元素のフッ化物の粉体、破砕物或いは解砕物粉体、又は、これら2種類以上の混合物であるのが好ましい。中でもCaのフッ化物の粉体、破砕物及び解砕物の何れか或いはこれら2種類以上の混合物であるのがより好ましい。
フッ化物ガス吸着材は、ガス捕捉性の観点から、細密充填できるように、大きさのバラバラである混在物であるのが好ましい。
この際、用いるスカベンジャーとしては、特に金属フッ化物の粉体又は破砕物、その中でも特にフッ化鉛の粉体又は破砕物がより一層好ましい。
なお、フッ化物ガス捕捉層5は、隔壁容器6の全周囲を囲むように形成するのが好ましいが、その一部を囲むように形成するものであってもよい。
また、フッ化物ガス捕捉層5は、複数層に形成してもよい。
フッ化剤としては、例えば、テフロン(登録商標)、酸性フッ化アンモニウム(NH4F・HF)等、或いは、フッ化鉛、フッ化亜鉛等、或いは、昇温することによりフッ素成分を気化させることができる物質を用いることができる。
このフッ化剤は、CaF2結晶50の表面や、隔壁容器6の内部に残る酸素や水分がCaF2結晶50と反応することを防ぐために用いるものであるが、必ず用いる必要はない。
昇温速度は特に限定するものではないが、隔壁容器6内に収容されたCaF2結晶50が熱衝撃により割れ等の破損が生じないように炉内温度を上昇させる必要があるため、例えば10℃/h〜200℃/hで昇温するのが好ましい。
上記のような本製造方法によれば、蛍石結晶における転位や亜粒界組織を少なくして均質化することができ、レーザ耐久性に優れた新たな蛍石(「本蛍石」と称する)を製造することができる。
よって、本蛍石は、例えば色消レンズ(アポクロマート)、TVカメラレンズ、顕微鏡レンズ、赤外線分析用窓材、半導体リソグラフィ(ステッパ、スキャナ)装置に用いられるレンズ、その他の光学レンズとして用いることができる。特に巨視的に結晶の均質性が高く、且つレーザ耐久性に優れた蛍石を得ることができるから、高精度ステッパ、すなわちArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザ等の紫外或いは真空紫外波長域のレーザを光源に用いた露光装置等のステッパ用レンズ材料として好適に用いることができる。さらに、本蛍石は、優れたレーザ耐久性を有することから、ArFエキシマレーザ等の紫外或いは真空紫外波長域のレーザ光源の窓材、あるいは共振器鏡等の光学素子として好適に用いることができる。
本発明において、「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と記載した場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含するものである。
また、「X以上」(Xは任意の数字)と記載した場合、特にことわらない限り「好ましくはXより大きい」の意を包含し、「Y以下」(Yは任意の数字)と記載した場合、特にことわらない限り「好ましくはYより小さい」の意も包含するものである。
先ず、得られた蛍石の評価方法について説明する。
ArFエキシマレーザを蛍石に照射した際に、透過率の低下として観測されるレーザ耐久性に関し、本発明では、よりエネルギーの高い放射線源からの放射線を照射した時に誘起される透過率低下、即ち、誘起されたカラーセンターの吸収を観察することでレーザ耐久性を評価することとした。
そこで、本発明では、放射線源に放射性同位体である60Coから放射されるγ線(1.17MeV、1.33MeV)を所定の線量を照射し、その時、結晶内に誘起されるカラーセンターを分光光度計にて測定し、誘起カラーセンター吸収スペクトルを得た。レーザ耐久性とγ線誘起カラーセンター吸収強度との関係は、負の相関があることが知られている。即ち、レーザ耐久性の高い結晶においては、γ線誘起カラーセンター吸収強度が小さい。この相関関係から、本蛍石のレーザ耐久性を評価することができる。
また、誘起カラーセンター吸収強度を定量化するために、得られた吸収スペクトルを、波長200nmから800nmの区間において積分した値を用いた。この積分値を、γ線誘起カラーセンター強度と定義する。即ち、レーザ耐久性が低い(高い)と、誘起された吸収スペクトル積分値は大きい(小さい)ことになる。
本実施例では、CaF2結晶のエッチピット分布に対して、以下に述べるVoronoi面積及びDelaunay距離を定義し、それらのバラツキ(標準偏差)を算出することにより、CaF2結晶における転位分布(エッチピットの分布)を定量的に評価した。
1) CaF2結晶の清浄面を得るために、(111)面での劈開或いは精密研磨した。
ここで、CaF2(111)面をエッチング面とするのは、容易に平坦面(即ち、劈開面)を得ることができるからである。また、得られるエッチピットは、他の(111)面で構成された三角錐状のピットが得られることが特徴となる。
2) エッチャント(7%HCl溶液)に浸し、25℃×1時間のエッチングを実施した。
3) エッチングされた面(4mm四方)を光学顕微鏡で写真撮影し、画像をデジタル化した。
4) このようにしてデジタル化されたエッチピット画像をもとに、エッチピットとそれ以外の部分を二値化(Background除去, 閾値設定)処理した。また、エッチピット以外のごみや傷を消去した。さらに、隣接し重なり合っているエッチピットを、手作業及びwatershed細分化により分割した。
5) 亜粒界や粒界においてエッチピットが規則的に配列し隣接し重なりがある場合は、平均的な隣接距離をもとに各エッチピットを分割した。具体的には、二値化され、線として認識されているエッチピット群に対して、メッシュ(Grid)を切ることで分割した。
次に、有効視野内のVoronoi図におけるVoronoi領域(Voronoi図形)の面積を「Voronoi面積」として定義して算出し、このVoronoi面積のばらつきを統計処理を行うことで、標準偏差を算出し、Voronoi面積のバラツキを評価した。
また、上記Delaunay図(Dealunay分割)における各図形の辺の長さ(「Dealunay距離」と定義する)を算出し、統計処理を行うことで、Delaunay距離の標準偏差を求め、バラツキを評価した。
ブリッジマン・ストックバーガー法(BS法)により育成されたCaF2結晶インゴットを<111>方位に切り出し、直径約80mm、厚さ約30mmの大きさの円板状に加工してas-grown結晶基板を得た。
なお、後述する実施例及び比較例においては、同一の結晶インゴットの同じ部位からそれぞれの結晶基板を採取した。
その際、CaF2結晶の粉砕粉(粒度分布10μm〜10mm)をフッ化物ガス吸着材として、隔壁容器6と支持容器4との間に充填して隔壁容器6の全周囲を囲むように、20mm厚さのフッ化物ガス捕捉層5を形成した。
また、図1に示すように、アニーリングケース3内にフッ化剤として、PbF2粉を置いた。
先ず、室温にて、熱処理炉内を減圧して真空雰囲気とした後、炉内雰囲気を速やかにArガス雰囲気に置換した。
その後、加熱装置にて、昇温時間36時間で、最高温度1100℃まで昇温した後、24時間温度を保持した。その後、10日掛けて室温まで冷却した。
また、レーザ耐久性の評価のための試料を切り出し、(111)面両端面に光学研磨を施した。
実施例1の熱処理工程のプロフィールにおいて、昇温時間36時間で、最高温度1000℃まで昇温した後、24時間温度を保持した以外は、実施例1と同様に試料(サンプル)を得た。
CaF2結晶の粉砕粉(粒度分布10μm〜10mm)と、フッ化鉛の粉体(粒度約50μm)とを、質量比率99:1で混合した混合物を、隔壁容器6と支持容器4との間に充填して隔壁容器6の全周囲を囲むように、20mm厚さのフッ化物ガス捕捉層5を形成した以外は、実施例1同様に試料(サンプル)を得た。
実施例1において、CaF2結晶の粉砕粉を充填しない以外は、実施例1と同様に試料(サンプル)を得た。
実施例2において、CaF2結晶の粉砕粉を充填しない以外は、実施例2と同様に試料(サンプル)を得た。
実施例1の熱処理工程のプロフィールにおいて、昇温時間30〜36時間で、最高温度950〜1200℃まで昇温した後、24時間温度を保持するようにした以外は、実施例1と同様に試料(サンプル)を得た。
比較例1の熱処理工程のプロフィールにおいて、昇温時間30〜36時間で、最高温度950〜1200℃まで昇温した後、24時間温度を保持するようにした以外は、比較例1と同様に試料(サンプル)を得た。
蛍石結晶において転位や亜粒界組織が発生する原因を研究した結果、熱処理炉内の高温F2ガスが熱処理炉の壁面と反応することにより、壁面を構成する材料(例えばステンレス)の構成元素(例えばCr、Fe、Ni、Mnなど)がフッ化物化されて遷移金属のフッ化物ガスが炉内に発生し、この遷移金属フッ化物ガスが蛍石結晶の表面に付着し結晶内に拡散することにより、転位や亜粒界組織の成長を促す一因となっていることが分かってきた。
2 加熱装置
3 アニーリングケース
4 支持容器
5 フッ化物ガス捕捉層
6 隔壁容器
7 スカベンジャー或いはフッ化剤
50 CaF2結晶
Claims (4)
- 遷移金属を含有する壁面材料を備えた熱処理炉を使用する蛍石の製造方法において、
蛍石結晶の周囲に、カーボン製の隔壁を介して、フッ化物ガス吸着材を含有するフッ化物ガス捕捉層を設けて、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気、或いは、不活性ガスにフッ素ガスが混合した雰囲気下で、熱処理することを特徴とする蛍石の製造方法であって、
前記フッ化物ガス吸着材は、Ca、Mg、Sr又はBaのフッ化物の粉体、破砕物或いは解砕物を含むことを特徴とする蛍石の製造方法。 - 1000〜1350℃で熱処理することを特徴とする請求項1に記載の蛍石の製造方法。
- フッ化物ガス吸着材と、スカベンジャーとしての金属フッ化物の粉体又は破砕物との混合物からフッ化物ガス捕捉層を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の蛍石の製造方法。
- スカベンジャーとして、フッ化鉛の粉体又は破砕物を用いることを特徴とする請求項3に記載の蛍石の製造方法。
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