JPH02102139A - 光透過体用石英ガラス母材とその製造方法、及び前記母材を用いて形成した光透過体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、高出力のかつ赤外光、可視光、紫外光に対し
高均質性と耐久性を保証し得るレンズ、ウィンドウ、ミ
ラー、プリズム、フィルター等の光透過体、該透過体を
製造する為の光透過体用ガラス母材、該母材を製造する
為の石英ガラス素塊に係り、特にエキシマレーザ発振装
置、リソグラフィー用レーザ露光装置、レーザＣＶＤ装
置、レーザ加工装置、レーザ医療装置等の紫外線波長域
のレーザを利用した各種装置に用いるレーザ光用透過体
として好適な光透過体と、該透過体を製造する為の母材
、及び主として母材の出発材として機能する石英ガラス
素塊に関する。

「従来の技術」 高純度の石英ガラスは他の光学ガラスに比較して光透過
率が高く且つ歪のない高均質なレンズやミラ一部材等の
光学用光透過体を得る事が出来る為に、リソグラフィー
用レーザ露光装置その他の高解像度を必要とする各種装
置の光透過体として多用されている。

そしてこの種の光透過体を製造する為の母材は一般によ
り高純度化を図る為に、例えば四塩化珪素を酸水素炎中
で反応させて形成される合成石英ガラスを用い、該合成
石英ガラスを略円柱状１円板状、又は球状等の所望形状
に成型した後、１０００℃前後の高温で加熱し、ついで
徐冷を行う事により内部歪を除去し均質化を図っている
。（尚、本願では加熱−徐冷前後の石英ガラス塊の状態
を区別する為に、加熱−徐冷前のガラス塊を石英ガラス
素塊、加熱−徐冷後必要に応じてその周縁部位を研削し
て半製品化されたガラス塊を石英ガラス母材として呼称
し、更に該母材を用いてレンズ、ウィンド、エタロン板
等に製品化又は半製品化したものを光透過体と呼称する
。） 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら例え前記徐冷速度を極力遅くしても、外気
と接する周縁側と中心部位側の除冷速度を均一化しなが
ら徐冷する事は不可能であり、該徐冷中高温状態にある
ガラス素塊の中心部より周縁部の冷却速度が必然的に早
くなってしまい、いわゆる中心部より周縁側に向は同心
状にして且つその断面内における仮想温度（Ｆｉｃｔｖ
ｅ　ｔｅｍｐｅｒｔｕマｅ）分布が中心部から外縁部に
向ってなめらかに大きくなる仮想温度値を示す、上に凹
型の曲線となってしまう。

尚、室温における石英ガラスの密度屈折率等の特性値は
そのガラスが過去に高温度域にてなじまされた時の温度
条件によって決定されていると推定される。そしてこの
特性値が決定された時の温度を仮想温度という。

そして前記のような仮想温度分布差が生じたまま室温状
態にまで冷却すると、組成上理想的に均一なガラス素塊
を用いて前記加熱−徐冷処理を行ったとしても、該処理
により形成されたガラス母材の屈折率分布は前記仮想温
度分布に依存してしまう為に、ガラス塊の中心部より周
縁部の屈折率の方が大きい、軸対称で且つ上に凹型の曲
線状の屈折率分布が生じてしまう。

従って前記石英ガラス母材の屈折率分布の均一化を図る
為には、石英ガラスの合成による高純度化とともに、そ
の後における前記熱処理時における仮想温度分布の平坦
化を図らねばならないが、特に仮想温度分布の平坦化に
ついては熱処理炉の改良や熱処理温度プログラムの改善
等を図っても、徐冷速度を実質的に無限大に近づけるの
が不可能である以上、その改善には限界があり、結果と
して前記屈折率分布の均質化を図るのは極めて困難であ
る。

一方近年、ＬＳＩの高集積化が進むに伴い露光波長の短
波長化により、より高解像化を図ったリソグラフィー用
レーザ露光装置が提案されているが、前記のような短波
長レーザ光（１９３〜３０８ｎｍ）特にエキシマレーザ
光を用いた光透過体の屈折率の均一性は従来の水銀灯の
使用波長であるｇ線（４３８ｍｓ）或いはｉ線（３８５
ｎｍ）の場合に比較して１桁以上高いものが要求される
が、前記のように光学的均質性の低い石英ガラス母材か
ら製造された光透過体では高い屈折率の均一性を得る事
は出来ない為に、微細且つ鮮明な線画像の露光が不可能
になる。

本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑み、前記加熱−徐
冷処理により生じる仮想温度分布の変動幅を許容しつつ
前記屈折率分布の均一性の向上を図った石英ガラス母材
と該母材を製造する為の石英ガラス素塊を提供する事を
目的とする。

本発明の他の目的は、短波長レーザ光（１８３〜３０８
ｎ■）特に高出力のエキシマレーザ光を利用した各種装
置に用いるレーザ光用透過体として好適な光透過体を提
供する事にある。

「課題を解決する為の手段」 従来より仮想温度分布を有するガラス母材の屈折率変動
幅は、例えばＲ、Ｂ　ｒｕｃｋｎｅｒ（１９７０）によ
ると、略１５００℃以下の温度領域で熱処理した場合、
仮想温度１℃当りの屈折率変動幅Δｎは、約１．５Ｘ１
０４上昇する。とされている。

Δｎ中＋１．５　Ｘ　１０４／　”ＣＦｙ　　　　　　
’＝■Δｎ　：屈折率変動幅　”ＯＦＴ：仮想温度一方
、例えば酸水素淡加水分解法を用いて石英ガラス素塊を
製造した場合は、該ガラス素塊中に所定量のＯＨ基が含
有される事となるが、もし、このＯＨ基濃度に分布が存
在すると当然に前記屈折率分布にも影響を与える事は従
来より知られた事実であり、そのＯＨ基濃度差が屈折率
を左右する割合については、Ｇ　、　Ｈｅｔｈｅｒｉｎ
ｇｔｏｎ　　（１９８２）によると、ＯＨ基含有量１　
ｐｐｍ当りの屈折率変動幅Δｎは、約ｌＸ１０’？低下
する、とされている。

Δｎ中−Ｉ　Ｘ　１０’Ｆ　／ｐｐｍ　　（ＯＨ基濃度
）・・・■そこで、本研究者らは鋭意研究を重ねた結果
、前記ＯＨ基濃度分布が中心域から周縁部に移行するに
連れ順次大になるように制御して合成石英ガラスを製造
し、必要に応じ該石英ガラスを前記濃度分布と平行する
面内に沿って切断して円柱状１円板状または球状素塊を
形成した後、該素塊を、前記ＯＨ基濃度分布と対応する
断面方向に形成される仮想温度分布をもって加熱−放冷
処理をする事により、前記両分布により屈折率変動が互
いに相殺され屈折率分布をほぼ一定にした石英ガラス母
材を製造する事が出来ることを見い出した。

即ち、先ず請求項５）に記載された発明は主として前記
母材を製造する出発材としての石英ガラス素塊に関する
もので、ＯＨ基を含有する合成石英ガラスを用いるとと
もに、該ガラス体の選択された一又は複数の断面内にお
ける濃度分布を中心域から周縁部に移行するに連れ順次
大、好ましくは前記ＯＨ基濃度分布曲線が、その極小点
が素塊中心域にあり、且つなめらかに上に凹型曲線状に
設定した点を特徴とする請 求 熱−放冷処理して形成された石英ガラス母材に関するも
ので、その特徴とする所は、少なくとも一の所定断面方
向に沿って形成したＯＨ基濃度分布と、加熱−放冷によ
り前記断面方向に沿って形成される仮想温度勾配を効果
的に組み合わせる事により，前記断面方向における屈折
率分布の変動幅を小さく抑制した点にある。

この場合、前記ＯＨ基濃度分布曲線と仮想温度分布曲線
は，同様に極小点が母材中心域にあり、周縁部に移行す
るに従いなめらかに大きい値を示す軸対称の曲線である
ことが好ましい。

すなわち、　ＯＨ基濃度分布曲線が上記特徴とする上に
凹型曲線であればＯＨ基濃度分布により決定される屈折
率分布曲線は、上に凸型曲線となり、また仮想温度分布
曲線が上記特徴とする上に凹型曲線であれば、仮想温度
分布により決定される屈折率分布曲線も上に凹型曲線と
なり、互いの屈折率変動を打ち消し合う結果となる。

また、耐レーザー光性の点からは該石英ガラス組織中に
含まれるＯＨ基含有量は中心部において少なくとも１ｏ
ｏｐｐ層以上に設定するのが好ましい。

更に又請求項７）及び８）に記載された発明は、前記母
材を加工する事により形成されたレンズその他の光透過
体、好ましくはレーザ光用透過体に関するもので、該透
過体を、少なくとも一の所定断面方向に沿ってなめらか
な凹型曲線の一部をなす曲線からなるＯＨ基濃度分布を
有する石英ガラスを用いて形成するとともに、該透過体
の先便用債域すなわちクリアアパーチャーにおけるＯＨ
基濃度分布差を３〜２００ｐｐｍの範囲に設定した点を
特徴とするものであり、これにより該断面方向における
少なくとも光使用領域における屈折率分布変動幅（Δｎ
）を２×１０″６以下に抑制され且つレーザ光用透過体
として好ましい透過体を得る事が出来る。

「実施例」 次に製造手順に従って本発明の好ましい実施例を説明す
る。

先ず酸水素炎加水分解法より、高純度の四塩化珪素を酸
水素炎中で反応させながら円柱状の合成石英ガラスを製
造するとともに、前記両ガスの混合比を調整して円柱軸
Ｐに対してほぼ直交する断面におけるＯＨ基濃度分布が
同心状にして且つ軸を通る断面内における分布曲線が円
柱軸で極小値を示し、外縁部に移行するに従いなめらか
に大きい値つ示す曲線、具体的には極小点が母材中心域
にある上に凹型の曲線になるように制御する。

尚、前記合成石英ガラス素塊中のＯＨ基濃度分布は原料
ガスと酸水素ガスとの混合比率を調整するのみならず、
合成装置のバーナー形状、バーナー位置等を変化させて
も容易に制御することが可能である。

また、前記ＯＨ基濃度分布における。極小点（中心域）
と周縁部間のＯＨ基濃度変動幅（ΔＯ）りは後記する加
熱−放冷処理による仮想温度分布と対応させる事が好ま
しく、具体的には現状の熱処理による仮想温度分布差が
前記合成ガラスの直径によっても異なるが、光使用領域
（クリアーアパーチャー）において略０．２〜１３℃Ｆ
Ｔの範囲内にある事がらＯＨ基濃度分布差もこれに対応
して３〜２００ｐｐｍの範囲、好ましくは１００　ｐｐ
ｍ前後に設定するのがよい。

そして前記のようにして製造された合成石英ガラスは必
要に応じて円柱軸ＰすなわちＯＨ基濃度分布対称軸と直
交する断面内に沿って切断して第１図（Ｉ）に示すよう
な石英ガラス素塊を形成する。

次に、このガラス素塊を電気炉内に設置し８００°Ｃか
ら１３００℃の範囲で所定時間一定温度を保持して加熱
温度の均一化を図った後、仮想温度分布差が有効域（光
透過域）において略３℃ＦＴ前後になるように制御しな
から徐冷を行う。

この際熱処理温度を８００℃から１３００℃の範囲とし
た理由は、合成石英ガラスの歪点が約１０２０”Ｏ１徐
冷点が約１１２０℃とされており、　１０２０℃から１
１２０℃のガラス転移領域を含む温度領域で熱処理する
ことが、工業上、非常に重要で有効であると考えられる
からである。

又仮想温度分布差を略３℃ＦＴ前後又はそれ以下に設定
した理由は、これより大に設定すると温度分布曲線が乱
れ易い為である。

この結果前記仮想温度分布による屈折率分布が、軸を通
る断面内における分布曲線が軸において極小値を示し、
外縁部に移行するに従いなめらかに大きい値を示す曲線
、具体的には極小値が母、柱中心域にある上に凹型曲線
状になり、ＯＨ基の濃度分布に基づく屈折率分布曲線と
対称形状となる。

従って第１図　ＩＩ　（ａ）　　（ｂ）　　（ａ＋ｂ）
　ニ示すように、前記熱処理後の石英ガラス塊の周縁部
を研削された石英ガラス母材は、前記前記仮想温度勾配
により形成される屈折率分布と、ＯＨ基の濃度勾配によ
り形成される屈折率分布が加算される結果屈折率変動幅
（Δｎ）の小さい高均質な石英ガラス母材を得ることが
できる。

モして該母材を必要に応じて加工し製品化されたものは
、屈折率変動幅（Δｎ）２Ｘ１０４以下という高い均質
性を示す事になる。従って、必要に応じさらにこれを所
望形状に切断及び研磨、コーティング等の各種加工工程
を経て形成されたレンズその他の光透過体最終製品は、
高出力パルス光であるエキシマレーザ光を長時間照射し
た場合においてもダメージを受けにくく、該レーザ光用
透過体として極めて好ましい。

次に本発明の実施例による効果を下記実験結果により確
認する。

「実験結果」 先ず酸水素炎加水分解法より原料ガスと酸水素ガスとの
混合比率を適宜調整しながら合成石英ガラスを製造した
後、その両端を軸と直交する面内に沿って切断する事に
よりφ１５０　Ｘｔ？Ｏ鳳ｌの円柱状の合成石英ガラス
素塊３ケ形成する。

次に前記３ケのガラス素塊を同時に同一の加熱処理用電
気炉内に設置し、約１０００℃の温度条件にて長時間の
熱処理を行った。その後、これらのガラス素塊を室温ま
で冷却した後円柱体側面の外周研削と上下面の平行研削
を行いφ１２０　Ｘｔ５０ｍｍのガラス母材を形成し、
ＯＨ基濃度分布測定と干渉計による屈折率分布の測定を
行った。

その結果、第１図（ａ）及び（ａ＋ｂ）に示すように、
サンプルＮ００１、Ｎ０９２では、屈折率変動幅（Δｎ
）ＩＸｌＯ″６以下という非常に高均質なガラスを得る
ことができた。しかし、サンプルＮ００３では、ＯＨ基
基布布より非常に悪い屈折率分布パターンとなってしま
った。

さらにサンプルＮｏ、１．　Ｎｏ、２、について、同一
条件にてＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）を照射し
たところ、蛍光や内部歪、複屈折変動等のダメージを受
けることなく耐レーザ性の面で実用的に問題のない事が
確認出来た。

かかる実験結果より本発明の効果が円滑に達成されてい
る事が理解出来る。

「発明の効果」 以上記載した如く本発明によれば、内部歪を除去しガラ
ス組織の均質化を図る為に行われる加熱−徐冷処理によ
り生じる仮想温度分布を許容しつつ、該仮想温度分布が
存在する場合でも均一な屈折率分布を得る事が出来、特
に１９３〜３０８　ｎｍ前後の高出力のエキシマレーザ
光を利用した各種装置に用いるレーザ光用透過体として
好適な光透過体を提供する事が出来る０等の種々の著効
を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図ＣＩ）（ＩＩ）は本発明の製造過程を示す作用図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＯＨ基を含有する合成石英ガラス素塊を加熱し、つ
   いで放冷処理した後、必要に応じてその周縁部位を研削
   して形成される光透過体用石英ガラス母材において、少
   なくとも一の所定断面方向に沿って形成したＯＨ基濃度
   分布と、前記加熱し、ついで放冷処理により前記断面方
   向に沿って形成される仮想温度分布を効果的に組み合わ
   せる事により、前記断面方向における屈折率分布の変動
   幅を抑制した事を特徴とする光透過体用石英ガラス母材
   ２）前記ＯＨ基濃度分布が、母材中心域から周縁部に移
   行するに連れＯＨ基濃度が順次大になるように形成した
   請求項１）記載の光透過体用石英ガラス母材 ３）前記ＯＨ基濃度分布曲線が、極小点が母材中心域に
   あり、周縁部に移行するに従い、なめらかに大きい値を
   示す軸対称の曲線である請求項１）記載の光透過体用石
   英ガラス母材 ４）前記仮想温度分布が、極小点が母材中心域にあり、
   周縁部に移行するに従い、なめらかに大きい値を示す軸
   対称の曲線により形成される仮想温度分布である請求項
   １）記載の光透過体用石英ガラス母材 ５）ＯＨ基を含有する合成石英ガラスからなり、該ガラ
   ス体の選択された一又は複数の断面内におけるＯＨ基濃
   度分布を中心域から周縁部に移行するに連れ順次大にな
   るように設定したことを特徴とする石英ガラス素塊 ６）前記ＯＨ基濃度分布曲線が、極小値が素塊中心域に
   あり、周縁部に移行するに従い、なめらかに大きく値を
   示す軸対称の曲線である請求項５）記載の石英ガラス素
   塊 ７）光の反射、屈折若しくは直進を生じせしめる光透過
   体を、少なくとも一の所定断面方向に沿って、なめらか
   な上に凹型のＯＨ基濃度分布を有する石英ガラスを用い
   て形成するとともに、該透過体の光使用領域におけるＯ
   Ｈ基濃度分布差を３〜２００ｐｐｍの範囲に設定した事
   を特徴とする光透過体８）光の反射、屈折若しくは直進
   運動を生じせしめる光透過体を石英ガラスを用いて形成
   し、その入射面と直交する面内における最少濃度領域最
   大濃度領域に至るＯＨ基濃度分布を、変異点をもつ事な
   く順次大になる如く設定しつつ、該透過体の光使用領域
   における屈折率分布変動幅（Δｎ）を２×１０＾−＾６
   以下に設定した事を特徴とする光透過体９）前記光透過
   体の形状がレンズ状、円板状、円柱状であり、かつ寸法
   が直径８０〜２５０ｍｍ、厚さ２０〜１００ｍｍの範囲
   である請求項７）記載の光透過体