JP6365659B2 - フッ化カルシウム光学部材、その製造方法、気体保持容器及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明はフッ化カルシウム光学部材、その製造方法、気体保持容器及び光源装置に関し、より詳細には、フッ化カルシウム単結晶の光学部材とその製造方法、フッ化カルシウム単結晶の光学部材を含む気体保持容器及び光源装置に関する。

フッ化カルシウム（ＣａＦ_２、蛍石）単結晶は、真空紫外領域から赤外領域にわたる広い波長領域の光に対して高い透過率を有している。そのためＣａＦ_２単結晶は光学部材として広く使用されており、例えば、エキシマランプの発光管の材料として用いられている（特許文献１）。

特開２００９−１６３９６５号公報

ＣａＦ_２単結晶により形成された光学部材は、温度や圧力の異なる様々な環境下で使用されるが、高温、高圧の環境下においては、強度が十分ではないことが分かっている。そのため、光学部材の用途や環境によっては、ＣａＦ_２単結晶により形成された光学部材が適さないことがあった。

そこで本発明は、上記の課題を解決することを目的とし、高温且つ高圧下においても確実に使用できるＣａＦ_２単結晶光学部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、
フッ化カルシウム光学部材であって、
単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面が、前記筒の中心軸に直交しているフッ化カルシウム光学部材が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、
フッ化カルシウム光学部材の製造方法であって、
単結晶フッ化カルシウムの{１１０}結晶面又は{１１１}結晶面の方向を特定することと、
前記単結晶フッ化カルシウムを筒状に削り出すこととを有し、
前記削り出しは、前記筒の中心軸と、前記特定した{１１０}結晶面又は{１１１}結晶面の方向とが互いに直交するように行われるフッ化カルシウム光学部材の製造方法が提供される。

本発明の第３の態様に従えば、
フッ化カルシウム部材であって、
単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面と前記筒の延伸方向とが交わる角度が９０°±５°の範囲であるフッ化カルシウム部材が提供される。

本発明の第４の態様に従えば、
フッ化カルシウム部材であって、
単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面と前記筒の延伸方向とが９０°に近い角度で交わるフッ化カルシウム部材が提供される。

本発明によれば、高温且つ高圧の環境下においても十分な強度を有するＣａＦ_２単結晶光学部材、及びその製造方法が提供される。

図１は、本発明の実施形態に係る光学部材の斜視図である。 図２は、シミュレーションにおける位置拘束条件及び荷重条件を示す説明図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、光学部材とＣａＦ_２単結晶の単位格子（立方格子）との位置関係、及び光学部材と単位格子の主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚとの位置関係を示す。 図４は、シミュレーションで用いる弾性スティフネスの値である。 図５は、各解析例ごとの解析条件、及び解析結果を示す。 図６は、ＣａＦ_２単結晶の臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）と温度との関係を、結晶面ごとに示すグラフである。 図７は、本発明の実施形態に係る光源装置の概略図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係る光源装置の概略図である。

＜第１実施形態＞
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。

本実施形態の光学部材１は、図１に示す通り、中心軸（回転軸）Ａを有する円筒状のＣａＦ_２管である。光学部材１はＣａＦ_２単結晶によって形成されており、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面が、中心軸Ａと直交する方向に存在している。光学部材１の外表面１ｏ、内表面１i、及び端面１ｅには、それぞれ光学研磨が施されている。以下、｛１１０｝結晶面、{１１１}結晶面等は、単に{１１０}面、{１１１}面等と記載する。

なお、本明細書において「ＣａＦ_２単結晶」とは、一つの結晶からなる文字通りの単結晶のみではなく、２つ以上の数えられる程度の数の結晶からなるＣａＦ_２結晶であって、文字通りのＣａＦ_２単結晶と同程度の光学特性を備えるＣａＦ_２結晶も含むものとする。また本明細書において「軸（中心軸、回転軸）と直交している面」、「軸（中心軸、回転軸）と直交して存在する面」とは、軸と直交する（９０°の角度で交差する）面（「直交面」）のみではなく、直交面を、当該直交面内に含まれ且つ当該軸と交差する任意の軸まわりに、任意の回転方向に、約５°以下の角度だけ回転させた面（９０°±５°の角度で軸と交差する面）も含まれるものとする。

光学部材１は様々な分野で用いることができるが、例えば半導体製造装置の分野では、露光装置の光源、ウエハ検査装置の光源等において用いることができる。この場合は、一例として、光学部材１の両側の端面１ｅの開口１ａの少なくとも一方から、光学部材１の内側に気体を与えた後、両側の端面１ｅの開口１ａに不図示の蓋を取り付け、気体を密封する。そして内側に気体が密封された光学部材１を任意の保持部材（不図示）によって保持する。この状態で密封した気体に赤外線等の励起光を照射して気体原子（気体分子）をプラズマ状態に至らせることにより、内表面１i及び外表面１ｏを介して、光学部材１の外部にプラズマ光を取り出すことができる。

本発明者は、円筒形状の光学部材１の、内部に収容される気体のガス圧（内圧）に対する強度、すなわち耐圧性又は耐久性が、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の結晶面の配置に依存することを見出し、以下のシミュレーション（有限要素解析）により、光学部材１の内圧に対する強度を最も高めることのできる結晶面配置を特定した。

＜解析対象＞
シミュレーションにおける解析対象は、図１に示した円筒形状の光学部材１である。シミュレーションにおいては、光学部材１の寸法は、外径を３０ｍｍ、内径を２５ｍｍ、中心軸Ａ方向の長さを５０ｍｍに設定した。また、シミュレーションにおいては、光学部材１は１つの結晶からなる狭義のＣａＦ_２単結晶により形成されているものとした。

＜解析条件＞
シミュレーションにおいては、上記の寸法の光学部材１を対象として、このような光学部材１に内圧が生じた時に、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値を解析した。まず、本シミュレーションで解析を行った９通りの解析例（解析例１〜９）の各解析条件について説明する。

次の解析条件は、すべての解析例において同一である。
（１）位置拘束条件
解析例１〜９のすべてにおいて、図１、図２に示す通り、光学部材１の端面１ｅを含む面と中心軸Ａとの交点に仮想拘束点ＶＣを設定し、この仮想拘束点ＶＣの位置を拘束することにより、光学部材１の仮想拘束点全拘束を行った。これにより光学部材１を、荷重に応じた形状変化に関してはなんら規制を受けず自在に変形することが可能な状態で、且つ荷重を受けて全体の位置がシフトすることがないよう係止された状態で拘束した。
（２）荷重条件
解析例１〜９のすべてにおいて、光学部材１の内側を３０ａｔｍに設定し、これにより光学部材１が、半径方向の圧力Ｐ（図２）を、円周方向において均等に受けるものとした。

次の解析条件は解析例ごとに異なるものとした。
（３）結晶面配置
本解析においては、次の３通りの結晶面配置を有する光学部材１を解析対象とした。
配置Ｉ： 光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１００}面が存在する（解析例１〜３。図３（ａ））。
配置ＩＩ： 光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面が存在する（解析例４〜６。図３（ｂ））。
配置ＩＩＩ 光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１１１}面が存在する（解析例７〜９。図３（ｃ））。

配置Ｉ〜ＩＩＩについて、図３を参照してより詳細に説明する。図３（ａ）〜（ｃ）の上側には、光学部材１を基準として、光学部材１に対するＣａＦ_２単結晶の単位格子（立方格子）ＵＬ及び単位格子ＵＬの主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚの配置を示し、同図の下側には、ＣａＦ_２単結晶の単位格子ＵＬを基準として、単位格子ＵＬに対する光学部材１の配置を示す。各図の上下は互いに対応しており、光学部材１の中心軸Ａの方向と、単位格子ＵＬの主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚの方向との関係は、図３（ａ）〜（ｃ）の上下でそれぞれ同一である。なお、便宜上、図３（ａ）〜（ｃ）の上側においては、光学部材１の中心軸Ａが主軸ｘ、ｙ、ｚの原点を通るものとして描いた。同図の下側においては、光学部材１の配置は、光学部材１の中心軸Ａと端面１ｅの輪郭のみにより表されている。

配置Ｉにおいては、図３（ａ）に示されるとおり、光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１００}面の１つである（００１）面が存在する。この時、単位格子ＵＬの主軸ｚと光学部材１の中心軸Ａとは一致している。また、主軸ｘ、主軸ｙは、中心軸Ａと直交する面内に存在している。

配置ＩＩにおいては、図３（ｂ）に示されるとおり、光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面の１つである（０１１）面が存在する。なお、図３（ｂ）における単位格子ＵＬは、図３（ａ）における単位格子ＵＬを、主軸ｘを中心に主軸ｙの正方向から主軸ｚの正方向に向かって４５°回転した位置に配置されている。すなわち、図３（ｂ）においては、単位格子ＵＬの主軸ｘは中心軸Ａと直交する面内に存在しており、単位格子ＵＬの主軸ｙ、ｚはそれぞれ、主軸ｙと主軸ｚによって画成される面内において、光学部材１の中心軸Ａに対して４５°傾いている。

配置ＩＩＩにおいては、図３（ｃ）に示されるとおり、光学部材１の中心軸Ａと直交する方向に、ＣａＦ_２単結晶の{１１１}面の１つである（１１１）面が存在する。なお、図３（ｃ）における単位格子ＵＬの配置は、図３（ａ）における単位格子ＵＬを、主軸ｘを中心に主軸ｙの正方向から主軸ｚの正方向に向かって５４．７３５９°回転した後、回転後の主軸ｚを中心に主軸ｘの正方向から主軸ｙの正方向に向かって４５°回転することで得られる。このため、図３（ｃ）においては、単位格子ＵＬの主軸ｘ、ｙ、ｚはいずれも光学部材１の中心軸Ａと直交する面内にはなく、それぞれ中心軸Ａに対して所定角だけ傾いている。

（４）材料物性
本解析においては、次の３通りの材料物性を有する光学部材１を解析対象とした。
材料物性Ｉ： 直交異方性材料であり、その温度が２５℃である光学部材１（解析例１、４、７）。
材料物性ＩＩ： 直交異方性材料であり、その温度が１００℃である光学部材１（解析例２、５、８）。
材料物性ＩＩＩ： 直交異方性材料であり、その温度が２００℃である光学部材１（解析例３、６、９）。

光学部材１が直交異方性を有する点は材料物性Ｉ〜ＩＩＩにおいて共通している。これはＣａＦ_２単結晶が直交異方性材料であるためである。またＣａＦ_２単結晶は立方晶系単結晶体であり、したがって解析に用いられる構成式中の弾性マトリクスは、材料物性Ｉ〜ＩＩＩの全てにおいて下記の式（１）となる。

ここで、Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４は、それぞれ弾性スティフネス［ＧＰａ］である。

一方で、式（１）に含まれる各弾性スティフネスの値は、温度ごとに異なり、すなわち材料物性Ｉ〜ＩＩＩでそれぞれ異なる。本解析に用いた弾性スティフネスＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４の値を図４に示す。これらの値は、ＪＩＳＲ１６０２の「ファインセラミックスの弾性率試験方法」”動的弾性率試験方法 超音波パルス法”に準拠してＣａＦ_２単結晶内を伝搬する超音波の音速［ｍ／ｓ］を測定し、この測定値を用いて算出したものである。材料物性Ｉの条件下において解析を行う場合は、図４中２５℃の欄に記載された弾性スティフネスＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４を式（１）に適用して解析が行われる。同様に、材料物性ＩＩ、ＩＩＩの条件下において解析を行う場合には、図４中の１００℃、２００℃の欄に記載された、弾性スティフネスＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４を式（１）に適用して解析が行われる。

上述した諸条件、即ち位置拘束条件、荷重条件、結晶面配置、材料物性の組合せで得られる解析例１〜解析例９を図５の表中に整理する。位置拘束条件、及び荷重条件は上述の通りすべての解析例で同一であるため図５の表中の「解析条件」欄では記載を省略している。結晶面配置は、解析例１〜３では、｛１００｝面が光学部材１の中心軸Ａに直交している配置Ｉであり、解析例４〜６では｛１１０｝面が光学部材１の中心軸Ａに直交している配置ＩＩであり、解析例７〜９では｛１１１｝面が光学部材１の中心軸Ａに直交している配置ＩＩＩである。また、材料物性は、解析例１、４、７では光学部材１の温度が２５℃であり、解析例２、５、８では光学部材１の温度が１００℃であり、解析例３、６、９では光学部材１の温度が２００℃である。

次に、上記の条件の下で行ったシミュレーションの結果について述べる。本発明者は、上記の解析条件の下で、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の３つの｛１００｝面、すなわち（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力の大きさを推定した。

＜解析例１〜３＞
解析例１〜３においては、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面、より詳細には（００１）面が、光学部材１の中心軸Ａと直交している光学部材１（図３（ａ））について解析を行った。この解析により得られた、ＣａＦ_２単結晶の（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力［ＭＰａ］の値は図５の表中に示す通りである。なお、図３（ａ）に示す通り、解析例１〜３における（１００）面は、単位格子ＵＬの主軸ｚが光学部材１の中心軸Ａと一致した状態において、主軸ｙと主軸ｚにより画成される面（以下、適宜「ｙｚ面」と称する）と平行に存在している。同様に（０１０）面は、同状態において主軸ｘと主軸ｚにより画成される面（以下、適宜「ｘｚ面」と称する）と平行に存在している。

図５の表中に示す通り、材料物性が２５℃の時（解析例１）、１００℃の時（解析例２）、２００℃の時（解析例３）のいずれの場合においても、（１００）面に生じる最大せん断応力は０．０１ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は０.０１ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は９．２１ＭＰａである。よって、解析例１〜３のいずれの場合においても、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（００１）面に生じる値が最も大きく、その値は９．２１ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。

なお、その他の条件は変えずに荷重条件のみを、内圧３０ａｔｍから２０ａｔｍ、１０ａｔｍへと低下させた場合の、｛１００｝面に生じる最大せん断応力の解析値を更に図５の表中に示す。材料物性が２５℃の時（解析例１）、１００℃の時（解析例２）、２００℃の時（解析例３）のいずれの場合においても、内圧が２０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（００１）面に生じる６．１４ＭＰａであり、内圧が１０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（００１）面に生じる３．０７ＭＰａである。また、上記の各条件下において、最大せん断応力が生じる位置は、光学部材１の内表面１i上であった。

＜解析例４〜６＞
解析例４〜６においては、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面、より詳細には（０１１）面が、光学部材１の中心軸Ａと直交している光学部材１（図３（ｂ））について解析を行った。この解析により得られた、ＣａＦ_２単結晶の（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力［ＭＰａ］の値は図５の表中に示す通りである。なお、図３（ｂ）に示す通り、解析例４〜６における（１００）面は、単位格子ＵＬの主軸ｘが光学部材１の中心軸Ａと直交する面内に存在し、主軸ｙ及び主軸ｚが、ｙｚ面内において中心軸Ａに対してそれぞれ４５°の角度を有して存在する状態において、ｙｚ面と平行に存在している。同様に（０１０）面は、同状態においてｘｚ面と平行に存在しており、（００１）面は、同状態において主軸ｘと主軸ｙにより画成される面（以下、適宜「ｘｙ面」と称する）と平行に存在している。

図５に示す通り、材料物性が２５℃の時（解析例４）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．６７ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は６．９２ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は６．９２ＭＰａである。したがって、材料物性が２５℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（１００）面において生じる７．６７ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。

また、材料物性が１００℃の時（解析例５）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．６６ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は６．９３ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は６．９３ＭＰａである。したがって、材料物性が１００℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（１００）面において生じる７．６６ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。同様に、材料物性が２００℃の時（解析例６）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．６７ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は６．９２ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は６．９２ＭＰａである。したがって、材料物性が２００℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（１００）面において生じる７．６７ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。

なお、その他の条件は変えずに荷重条件のみを、内圧３０ａｔｍから２０ａｔｍ、１０ａｔｍへと低下させた場合の、｛１００｝面に生じる最大せん断応力の解析値を更に図５の表中に示す。材料物性が２５℃の時（解析例４）、１００℃の時（解析例５）、２００℃の時（解析例６）のいずれの場合においても、内圧が２０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（１００）面に生じる５．１１ＭＰａであり、内圧が１０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（１００）面に生じる約２．５６ＭＰａである。また、上記の各条件下において、最大せん断応力が生じる位置は、光学部材１の内表面１i上であった。

＜解析例７〜９＞
解析例７〜９においては、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面、より詳細には（１１１）面が、光学部材１の中心軸Ａと直交している光学部材１（図３（ｃ））について解析を行った。この解析により得られた、ＣａＦ_２単結晶の（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力［ＭＰａ］の値は図５の表中に示す通りである。なお、図３（ｃ）に示す通り、解析例７〜９における（１００）面は、単位格子ＵＬの主軸ｘ、ｙ、ｚが、光学部材１の中心軸Ａに対して、それぞれ所定角だけ傾いて存在する状態において、ｙｚ面と平行に存在している。同様に（０１０）面は、同状態においてｘｚ面と平行に存在しており、（００１）面は、同状態においてｘｙ面と平行に存在している。

図５の表中に示す通り、材料物性が２５℃の時（解析例７）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．１７ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は７．８０ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は５．７０ＭＰａである。したがって、材料物性が２５℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（０１０）面において生じる７．８０ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。

また、材料物性が１００℃の時（解析例８）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．１８ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は７．８０ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は５．７０ＭＰａである。したがって、材料物性が１００℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（０１０）面において生じる７．８０ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。同様に、材料物性が２００℃の時（解析例９）においては、（１００）面に生じる最大せん断応力は７．１９ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力は７．７９ＭＰａ、（００１）面に生じる最大せん断応力は５．６９ＭＰａである。したがって、材料物性が２００℃の時には、｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、（０１０）面において生じる７．７９ＭＰａ（図５の表中の「最大値」欄）である。

なお、その他の条件は変えずに荷重条件のみを、内圧３０ａｔｍから２０ａｔｍ、１０ａｔｍへと低下させた場合の、｛１００｝面に生じる最大せん断応力の解析値を更に図５の表中に示す。材料物性が２５℃の時（解析例７）、１００℃の時（解析例８）、２００℃の時（解析例９）のいずれの場合においても、内圧が２０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（０１０）面に生じる約５．２０ＭＰａであり、内圧が１０ａｔｍの時に｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値は、（０１０）面に生じる２．６０ＭＰａである。また、上記の各条件下において、最大せん断応力が生じる位置は、光学部材１の内表面１i上であった。

以上のシミュレーションより、光学部材１の内圧を３０ａｔｍとした場合に、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１においては、２５℃、１００℃、２００℃のいずれの条件下においても、９．２１ＭＰａである。さらに内圧を２０ａｔｍ、１０ａｔｍと小さくした場合には、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力も、２５℃、１００℃、２００℃のすべての条件下において、６．１４ＭＰａ、３．０７ＭＰａと小さくなる。

同様に、光学部材１の内圧を３０ａｔｍとした場合に、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１においては、２５℃、１００℃、２００℃のいずれの条件下においても、約７．６７ＭＰａである。さらに内圧を２０ａｔｍ、１０ａｔｍと小さくした場合には、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力も、２５℃、１００℃、２００℃のすべての条件化において５．１１ＭＰａ、約２．５６ＭＰａと小さくなる。また、光学部材１の内圧を３０ａｔｍとした場合に、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、ＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１においては、２５℃、１００℃、２００℃のいずれの条件下においても、約７．８０ＭＰａである。さらに内圧を２０ａｔｍ、１０ａｔｍと小さくした場合には、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力も、２５℃、１００℃、２００℃のすべての条件下において約５．２０ＭＰａ、２．６０ＭＰａと小さくなる。

ここで、図６に示すとおり、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面、｛１１０｝面、｛１１１｝面の臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）は、約６００℃以下の温度域においては、｛１００｝面の値がもっとも小さい。また、{１００}面の臨界分解せん断応力と、{１１０}面、{１１１}面の臨界分解せん断応力との差は、ＣａＦ_２単結晶に塑性変形が生じる温度（約２５０℃）以下の温度域において特に大きい。したがって、６００℃以下の温度領域、特に２５０℃以下の温度領域においては、ＣａＦ_２単結晶で形成された光学部材１に応力が生じた場合に光学部材１に生じる破壊は、主に、{１００}面に生じるせん断応力が臨界分解せん断応力に達して、ＣａＦ_２単結晶内部にすべりが生じることに起因すると考えられる。

したがって、上記のシミュレーションに従えば、２５℃〜２００℃の温度領域において｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値が最も小さい光学部材１、すなわちＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１が、内圧に対して最も優れた強度（耐圧性）を有し、｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値が次に小さい光学部材１、すなわちＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１が、内圧に対して次に優れた強度を有することが分かる。

より具体的には、図５の表より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１の内圧が３０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約７．６７ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧３０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約１１０℃まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。またさらに、内圧が２０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約５．１１ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧２０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約１６０℃まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。またさらに、内圧が１０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約２．５６ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧１０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも２００℃以上の温度域まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、特に約２５０℃（ＣａＦ_２単結晶に塑性変形が生じる温度）以下の温度域全域において好適に使用することができる。また、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。

また図５の表より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１の内圧が３０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約７．８０ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧３０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約１１０℃まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。またさらに、内圧が２０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約５．２０ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧２０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約１６０℃まで、｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。またさらに、内圧が１０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約２．６０ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧１０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも２００℃以上の温度域まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができ、特に約２５０℃（ＣａＦ_２単結晶に塑性変形が生じる温度）以下の温度域全域において好適に使用することができる。また、光学部材１の半径方向の厚みを大きくすれば、これ以上の温度まで好適に使用することができる。

一方で、図５の表より、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１の内圧が３０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において９．２１ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧３０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約７０℃まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができるが、この温度は、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に同じ内圧を加えた場合にこれらの光学部材１を安全に使用できる温度（上述した１１０℃）に比較して低い。またさらに、内圧が２０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約６．１４ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧２０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約１２０℃まで｛１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができるが、この温度も、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に同じ内圧を加えた場合にこれらの光学部材１を安全に使用できる温度（上述した約１６０℃）に比較して低い。またさらに、内圧が１０ａｔｍの時には、光学部材１を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力は、２５℃から２００℃の温度域において約３．０７ＭＰａである。よって図６より、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に内圧１０ａｔｍが加えられた場合には、少なくとも約２００℃程度まで{１００｝面のすべりによる破壊を生じることなく好適に使用することができるが、この温度もまた、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している光学部材１に同じ内圧を加えた場合にこれらの光学部材１を安全に使用できる温度範囲（上述した通り、約２５０℃以下の温度域全域）に比較して狭い。

以上より、光学部材１において、ＣａＦ_２単結晶の｛１１０｝面又は｛１１１｝面が中心軸Ａと直交している場合に光学部材１の内圧に対する強度は高まる。よって、光学部材１において、中心軸Ａと直交する方向にＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は{１１１}面を配置することが好ましく、{１１０}面を配置することがより好ましい。これにより、光学部材１を、高温且つ高圧下で使用することができる。

次に、本実施形態の光学部材１の製造方法を説明する。光学部材１の材料となるＣａＦ _２単結晶は、例えば、特許第４５６９８７２号、特開第２００６−３２７８３７号等に記載された単結晶製造方法を用いて製造することができる。得られたＣａＦ_２単結晶のインゴットに対して、Ｘ線結晶方位測定装置等を用いて結晶方位の測定を行う。

上記の測定によってＣａＦ_２単結晶インゴットにおける｛１１０｝面又は｛１１１｝面の延在方向を特定した後、当該方向が中心軸Ｘと直交する方向となるように、削り出し加工を行って、図１に示すような円筒を得る。円筒の削り出し加工においては、ＣａＦ_２単結晶インゴットを直接円筒形状に削り出してもよく、ＣａＦ_２単結晶インゴットを一旦角柱状に削り出したのちに、これを円筒へと削り出してもよい。

最後に、削り出し加工により得られた円筒の内周面、外周面、端面に対して光学研磨処理を施すことで、本実施形態の光学部材１を得ることができる。本実施形態における光学研磨処理には、光学部品に適用される一般的な研磨方法をそのまま用いることができる。例えば研磨パッド、研磨砂を用いて削り出した円筒を研磨することができる。

次に、本実施形態の効果についてまとめる。

本実施形態の光学部材１においては、光学部材１の内部に内圧が生じた場合に｛１００｝面に生じる分解せん断応力、すなわちＣａＦ_２単結晶のすべりの原因となる分解せん断応力が小さくなるように、ＣａＦ_２単結晶の結晶面が配置されている。したがって本実施形態の光学部材１によれば、破壊を生じることなく、より高温且つ高圧の気体を内部に封入することが可能となり、プラズマ発光効率の向上や、プラズマ発光に用いる気体の選択肢の増加等を実現することができる。

また本実施形態の光学部材１によれば、円筒状のＣａＦ_２単結晶部材に対して、なんらの追加的な部材や構造を加えることなく、ＣａＦ_２単結晶の結晶面の配置を適切に設定するのみで、円筒状のＣａＦ_２単結晶部材の内圧に対する強度を高めている。したがって本実施形態の光学部材１は、簡易な形状のままより高温且つ高圧の環境下で使用することが可能であり、且つ光学部材１の内部で発生する光を、ケラレを生じることなく高い効率で外側に取り出すことができる。

＜第２実施形態＞
次に、図７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。

図７に示す通り、第２実施形態の光源装置２０は、チャンバ２１、点火源２２、及び集光部材２３を主に備える。チャンバ２１は、第１実施形態の円筒状の光学部材１の中心軸Ａ方向両端部に蓋Ｌを取り付けた気体保持容器であり、内部に気体（イオン性媒体）が保持されている。蓋Ｌは封止部材の一例であり、金属、合金等が使用できる。封止部材は、蓋Ｌと光学部材１との間に設けた密封部材を含んでもよい。密封部材としては金属、合金を軟化させた状態のものを用いることができ、これにより蓋Ｌと光学部材１とを接合してもよい。また、密封部材としてのフッ素ゴム（ＦＫＭ）等のシールリングを光学部材１と蓋Ｌとの間に介在させ、光学部材１の両端部の蓋Ｌを軸方向に加圧することにより蓋Ｌが光学部材１の端面を保持する構成としてもよい。あるいは、セラミックスを蓋Ｌと光学部材との間に介在させて密封部材としてもよい。

点火源２２は、アノード２２ａ、カソード２２ｃ、及びこの二つの電極に接続された電源２２ｓを有する。アノード２２ａはチャンバ２１の両端部の蓋Ｌの内の一方の中央を貫通して蓋Ｌに固定されており、アノード２２ａの先端部はチャンバ２１の内部に位置している。カソード２２ｃも同様に、チャンバ２１の他方の蓋Ｌの中央を貫通して蓋Ｌに固定されており、カソード２２ｃの先端部はチャンバ２１の内部に位置している。これにより、アノード２２ａの先端部とカソード２２ｃの先端部とは、チャンバ２１の内部において、隙間を有して対向している。

点火源２２は、電源２２ｓによりアノード２２ａ及びカソード２２ｃ間に電位差を生じさせて、アノード２２ａとカソード２２ｃとの間の隙間に放電を生じさせる。以下の説明では、点火源２２によって放電が起こされるアノード２２ａとカソード２２ｃとの間の隙間を放電領域ＤＡと呼ぶ。電極の材料としては、貴金属、貴金属を含む合金、ニッケル等を使用することができる。

光源装置２０の使用時には、点火源２２により放電領域ＤＡに放電を発生させ、チャンバ２１内に保持されたイオン性媒体を励起する。これにより、プラズマ状態に至ったイオン性媒体が発光して、プラズマ光ＬＨ１が放射される。放射されたプラズマ光ＬＨ１は、チャンバ２１の光学部材１を透過した後、集光部材２３（一例として放射面鏡である）で反射され、検査装置（一例としてウエハ検査システム）や露光装置等の対象物に向けられる。

なお、レーザ源（不図示）を用いて放電領域ＤＡに励起レーザを照射してもよい。この場合は例えば、点火源２２により放電領域ＤＡに放電を発生させ、プラズマ状態となった放電領域ＤＡのイオン性媒体からプラズマ発光させる。次いでレーザ源により放電領域ＤＡのイオン性媒体にレーザエネルギーを供給し、放電領域ＤＡからの高輝度のプラズマ光ＬＨ１を維持又は生成する。レーザ源を用いて放電領域ＤＡにレーザエネルギーを供給するための構造としては、例えば後述する第３実施形態の構造を用いることができる。

第２実施形態の光源装置２０は、チャンバ２１の一部に第１実施形態の光学部材１を使用している。したがって第１実施形態と同様に、プラズマ発光効率の向上や、プラズマ発光に用いる気体の選択肢の増加等を実現することができる。また、チャンバ２１の内部で発生するプラズマ光ＬＨ１を、ケラレを生じることなく高い効率でチャンバ２１の外側に取り出すことができる。

＜第３実施形態＞
図８を参照して本発明の第３施形態について説明する。

図８に示す通り、第３実施形態の光源装置３０は、チャンバ３１と集光部材３２を主に備える。チャンバ３１は、第１実施形態の円筒状の光学部材１の中心軸Ａ方向両端部に蓋Ｌを取り付けた気体保持容器であり、内部に気体（イオン性媒体）が保持されている。集光部材３２は一例として放物面鏡である。

光源装置３０の使用時には、レーザ源（不図示）より矢印ａ（図８）の方向に供給される励起光ＬＨ２を、ビームスプリッタＢＳ及び集光部材３２を介して、チャンバ３１内のイオン性媒体に照射する。これにより、照射された励起光ＬＨ２からエネルギーを供給されたイオン性媒体がプラズマ状態に至り、高輝度のプラズマ光ＬＨ１を発生する。発生したプラズマ光ＬＨ１は、チャンバ３１の光学部材１を透過した後、集光部材３２、及びビームスプリッタＢＳで反射されて矢印ｂ（図８）の方向に進み、検査装置（一例としてウエハ検査システム）や露光装置等の対象物に供給される。なお、以下においては、チャンバ３１内における、イオン性媒体がプラズマ状態に至る領域をプラズマ領域ＰＡと呼ぶ。

本実施形態の光源装置３０においては、集光部材３２を用いて励起光ＬＨ２を集光し、チャンバ２１内の小さい領域にプラズマ領域ＰＡを形成してプラズマ光ＬＨ１を発生させている。したがって、高輝度のプラズマ光ＬＨ１を発生することができる。なお、集光部材３２の形状等を調整してプラズマ領域ＰＡをより小さくすれば、より高輝度のプラズマ光ＬＨ１を発生することができる。

第３実施形態の光源装置３０は、チャンバ３１の一部に第１実施形態の光学部材１を使用している。したがって第１実施形態と同様に、プラズマ発光効率の向上や、プラズマ発光に用いる気体の選択肢の増加等を実現することができる。また、チャンバ３１の内部のプラズマ領域ＰＡに効率良く励起光ＬＨ２を与えることができると同時に、チャンバ３１の内部で発生するプラズマ光ＬＨ１を、ケラレを生じることなく高い効率でチャンバ３１の外側に取り出すことができる。

なお上記の各実施形態においては、光学部材１は円筒であるとしたが、光学部材１の形状はこれには限られず、筒状であれば円筒ではなくてもよい。例えば、中心軸Ａに直交する断面の形状が、楕円、長円、中心からの距離が一部において周囲とは異なる略円形等である筒であってよく、その他、任意の断面形状であり得る。また円筒及び筒は、半径方向の厚さが一定のものには限られず、一部における半径方向の厚さが、他の部分における半径方向の厚さよりも大きくなっていてもよい。

なお、上記の第２実施形態、第３実施形態においては、光学部材１の中心軸Ａ方向の両側において、端部１ｅの開口１ａに蓋Ｌを取り付けて気体を密封し、光学部材１を単独で光源用部材として用いているが、光学部材１の使用方法はこれには限られない。例えば、光学部材１と他のＣａＦ_２単結晶部材とを圧着等により接合して得られるより大きな光学部材の一部として光学部材１を用いてもよい。このようにして得られるより大きな光学部材は、一例として、中心軸Ａを共有する２つの光学部材１、及び中心軸Ａ方向において該２つの光学部材１に挟まれ、且つ中心軸Ａと同軸上に回転軸を有する球殻部とを有する光学部材であり得る。また例えば、光学部材１の一端に円板状の蓋部を圧着し、他端に円環状のフランジ部を圧着した光学部材であり得る。

なお、上記の実施形態の光学部材１においては、中心軸Ａと９０°±５°の角度を有して交差する方向にＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は{１１１}面が配置されていた。しかしながら、中心軸Ａと９０°±３°の角度を有して交差する方向にＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は{１１１}面が配置されていることがより望ましく、中心軸Ａと９０°の角度を有して交差する方向にＣａＦ_２単結晶の{１１０}面又は{１１１}面が配置されていることがより一層望ましい。

第２実施形態のチャンバ２１及び第３実施形態のチャンバ３１は、気体保持容器として使用することもできる。気体保持容器中に、検査または測定対象となる物体を気体中に保存した状態で密封して使用してもよい。

なお、上記の実施形態において、気体（イオン性媒体）はプラズマ光を発するための気体には限られず、エキシマ光等、真空紫外領域から赤外領域にわたる波長領域の光を発するための任意の気体であればよい。

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明のフッ化カルシウム光学部材によれば、高温・高圧の環境下においても、破損することなく好適に使用できるＣａＦ_２単結晶光学部材を簡便に得ることができる。よって半導体製造装置等の様々な分野に、十分な強度を有するフッ化カルシウム光学部材を提供することが可能となる。また、十分な強度を有するフッ化カルシウム光学部材を備えた気体保持容器や光源装置を提供することが可能となり、ひいてはより精密な半導体デバイス等の製造が可能となる。

１ 光学部材
１ａ 開口
１ｅ 端面
１i 内表面
１ｏ 外表面
２０、３０ 光源装置
２１、３１ チャンバ
２２ 点火源
２３、３２ 集光部材
Ａ 中心軸
ＢＳ ビームスプリッタ
Ｌ 蓋
ＬＨ１ プラズマ光
ＬＨ２ 励起光
ＵＬ 単位格子

Claims (22)

1. フッ化カルシウム光学部材であって、
   単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
   単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面が、前記筒の中心軸に直交しているフッ化カルシウム光学部材。
2. 前記筒状は円筒状である請求項１に記載のフッ化カルシウム光学部材。
3. 単結晶フッ化カルシウムの{１１０}結晶面が、前記筒の中心軸に直交している請求項１又は２に記載のフッ化カルシウム光学部材。
4. 前記フッ化カルシウム光学部材は、内部に気体を密封する気体密封用容器である請求項１〜３のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム光学部材。
5. 光源用部材として用いられる請求項１〜４のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム光学部材。
6. フッ化カルシウム光学部材の製造方法であって、
   単結晶フッ化カルシウムの{１１０}結晶面又は{１１１}結晶面の方向を特定することと、
   前記単結晶フッ化カルシウムを筒状に削り出すこととを有し、
   前記削り出しは、前記筒の中心軸と、前記特定した{１１０}結晶面又は{１１１}結晶面の方向とが互いに直交するように行われるフッ化カルシウム光学部材の製造方法。
7. 前記筒状は円筒状である請求項６に記載の製造方法。
8. フッ化カルシウム部材であって、
   単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
   単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面と前記筒の延伸方向とが交わる角度が９０°±５°の範囲であるフッ化カルシウム部材。
9. 単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面と前記筒の延伸方向とが交わる角度が９０°である請求項８に記載のフッ化カルシウム部材。
10. 前記筒状フッ化カルシウム部材の延伸方向が前記筒の中心軸の方向である請求項８又は９に記載のフッ化カルシウム部材。
11. 前記フッ化カルシウム部材は、内部に気体を密封する気体密封用容器である請求項８〜１０のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材。
12. 前記筒状は円筒状である請求項８〜１１のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材。
13. 単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面と、前記筒の延伸方向とが交わる角度が９０°である請求項８〜１２のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材。
14. フッ化カルシウム部材であって、
    単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
    単結晶フッ化カルシウムの｛１１０｝結晶面又は｛１１１｝結晶面と前記筒の延伸方向とが９０°に近い角度で交わるフッ化カルシウム部材。
15. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム光学部材と、
    前記筒状のフッ化カルシウム光学部材に連結して前記筒状のフッ化カルシウム光学部材の内部に閉空間を形成する封止部材とを有する気体保持容器。
16. 請求項８〜１４のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材と、
    前記筒状のフッ化カルシウム部材に連結して前記筒状のフッ化カルシウム部材の内部に閉空間を形成する封止部材とを有する気体保持容器。
17. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム光学部材と、
    前記筒状のフッ化カルシウム光学部材に連結して前記筒状のフッ化カルシウム光学部材の内部に閉空間を形成する封止部材と、
    前記閉空間に保持された気体に対して該気体を励起するためのエネルギーを付与する気体励起部とを有する光源装置。
18. 前記気体励起部は、前記フッ化カルシウム光学部材の内部に励起光を集光する集光部である請求項１７に記載の光源装置。
19. 前記気体励起部は、前記フッ化カルシウム光学部材の内部の閉空間に設けられた電極を含む請求項１７又は１８に記載の光源装置。
20. 請求項８〜１４のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材と、
    前記筒状のフッ化カルシウム部材に連結して前記筒状のフッ化カルシウム部材の内部に閉空間を形成する封止部材と、
    前記閉空間に保持された気体に対して該気体を励起するためのエネルギーを付与する気体励起部とを有する光源装置。
21. 前記気体励起部は、前記フッ化カルシウム部材の内部に励起光を集光する集光部である請求項２０に記載の光源装置。
22. 前記気体励起部は、前記フッ化カルシウム部材の内部の閉空間に設けられた電極を含む請求項２０又は２１に記載の光源装置。

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