JPH0336402B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、レーザ用反射鏡に関するものであ
る。さらに詳しくは、本発明はレーザ共振機内反
射鏡およびレーザ共振機外反射鏡などのレーザ用
反射鏡に関するものである。 従来より、計測及び加工技術等の分野において
赤外用炭酸ガスレーザや紫外用エキシマーレーザ
（たとえば、稀ガス−ハロゲン系ガスレーザ）が
一般的に利用されている。そして、レーザ共振器
内反射鏡およびレーザ共振機外反射鏡（光偏光鏡
など）には、大型、小型など種々の寸法の反射鏡
が用いられており、その形状についても、平面、
曲面等が用途や仕様に従つて多様な形状が利用さ
れている。また、計測用には精密な光学像を作る
ために特別な高精度の光学面を必要とする。 レーザ用反射鏡は、基板とその上に形成した多
層膜からなる基本構成を有するものである。従来
ではレーザ用反射鏡の基板として、溶融石英、低
膨張係数石英などのガラス質誘電体材料、あるい
は銅、モリブデンなどの金属材料から形成された
基板が利用されており、そしてその基板上に、対
象のレーザ光の波長に対応するように選択された
特定の値の屈折率を有する二種類もしくはそれ以
上の物質（高屈折率物質、低屈折率物質など）を
交互に多重層に蒸着することにより多層膜を形成
したレーザ用反射鏡が一般的に用いられている。 しかしながら、近年注目を浴びている大型紫外
エキシマーレーザ外部反射鏡や赤外用炭酸ガスレ
ーザ反射鏡の基板として、従来の誘電体材料製基
板を用いたレーザ用反射鏡を用いると、その基板
の熱伝導性が不良であるため放熱が充分におこな
われず、熱エネルギーが反射鏡内に蓄積されて加
熱状態になり、反射鏡の性能が低下しやすいとの
問題が発生する。 一方、このような欠点を克服するためにレーザ
反射鏡の基板を金属製とした場合には、基板自体
の熱伝導性は良い半面、金属製基板は軟らかいた
め加工中に傷がつき易いこと、また金属製基板の
重量が増加するため反射鏡自身の重量で鏡面が変
形し易いことなどの問題が発生する。このような
反射鏡の歪や傷はレーザ光の特性である指向性を
低下させるものであるため、それらの発生はでき
るだけ回避しなければならない。特に大型紫外エ
キシマーレーザ外部反射鏡などの大型のレーザ用
反射鏡の場合においては、その反射鏡は通常直径
50cm程度の大型鏡となり、また反射鏡の重量は
100Kgを超すようにもなるため、このような反射
鏡は、基板表面の前処理や基板表面への多層膜の
蒸着の際において、自重により基板に物理的な歪
が発生しやすく、このような反射鏡を使用した場
合にはレーザ光の指向性が損なわれるとの問題が
ある。 一方、紫外用エキシマーレーザ用内部鏡などの
ようにハロゲン化合物を含有するレーザ共振機内
部において使用する反射鏡は、活性なハロゲンガ
スに常時曝されるので高度な耐ハロゲン腐食性が
要求される。実際、エキシマーレーザ共振機など
の共振機内においてはハロゲンガスは極度に励起
された活性状態にあり、これに接触している金属
の腐食は、一般のハロゲン含有環境下における腐
食速度とは比較にならないほど速いため、そのよ
うな内部反射鏡として金属製基板を用いた反射鏡
を使用することには問題がある。 また、レーザ用反射鏡の多層膜は一定時間の使
用により劣化して性能が低下するため、交換が必
要となる。しかし、通常はその基板自体の劣化は
問題とならない程度であるため、一般には劣化し
た多層膜を基板から除去したのち、その基板表面
を研磨して新たに鏡面を形成させ、次いでその鏡
面化された基板表面に蒸着法により新たに多層膜
を形成してレーザ用反射鏡を再生するような方法
で基板の再使用が行なわれている。従つて基板の
再使用のための処理工程においては、多層膜の除
去が容易に行なわれ、かつ表面研磨により容易に
高精度の鏡面が形成されなければならない。しか
しながら、従来使用されている反射鏡基板は特に
高精度の鏡面の形成（再形成）が容易でなく、鏡
面が損傷を受けやすいとの問題があつた。さらに
金属製基板は、薬品（酸を含む溶液など）による
多層膜の除去処理の際において腐食、溶解などの
現象を起すため、金属製基板の再使用は困難であ
つた。 また、レーザ共振器内部において用いる反射鏡
については、レーザ光発振時の発熱によつて劣化
を起すとの問題以外にも、その劣化に関連した反
射鏡構成成分の分解、蒸発、昇華、反応等により
ガスが発生しやすいとの問題がある。このような
ガスの発生によつてレーザ共振器内のガス組成が
変化するため、発振するレーザ光の波長の変動要
因ともなる。 本発明は、上に述べたような従来のレーザ用反
射鏡の欠点を解決することを目的として完成され
たものである。 本発明は、基板、蒸着法またはスパツタ法によ
り該支持体上に形成された炭化ケイ素と窒化ケイ
素とからなる群より選ばれるケイ素化合物の表面
層、および該表面層の上に設けられた多層膜から
なることを特徴とするレーザ用反射鏡を提供する
ものである。 本発明のレーザ用反射鏡は、CO₂、KrF、
ArF、XeClなどのガスレーザ共振器用あるいは
光偏光用の反射鏡などのようなレーザ用反射鏡と
して特に有用である。 次に本発明を詳しく説明する。 本発明のレーザ用反射鏡は、基板上に蒸着法ま
たはスパツタ法（スパツタ蒸着法）により形成さ
れた特定のケイ素化合物から成る表面層の上に、
好ましくは二酸化ケイ素からなる中間層を介在さ
せて、多層膜を形成させてなることを特徴とする
ものである。 本発明で表面層を形成するケイ素化合物は炭化
ケイ素と窒化ケイ素とからなる群より選ばれるも
のであり、基板上に蒸着法もしくはスパツタ法に
より形成して表面層とする。基板上へのケイ素化
合物の形成方法として蒸着法またはスパツタ法を
採用することにより表面平滑性が極めて高い表面
層とすることができる。蒸着法またはスパツタ法
以外の方法、例えば焼結法によるケイ素化合物層
の付設では焼結の際に空気の混入が免れないため
必然的に表面に気孔を生じ表面の平滑性が損われ
好ましい表面層を得ることはできない。 本発明で用いる炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素
からなる層は基板の表面層として機能するもので
あるが、その強靭性および硬さは、従来の反射鏡
用レーザの基板として用いられていた石英ガラス
などの誘電体製の基板および銅などの金属製の基
板のいずれの基板に比較しても高く（後掲の第１
および第２表参照）、また熱変形指数（＝熱伝導
率／熱膨張係数）も従来の基板と同等のレベルに
あるため、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素からな
る層を基板の表面層とするレーザ用反射鏡は、そ
の製造、加工時における傷、歪などの発生が低減
し、かつレーザ用反射鏡としての使用時において
も物理的変形および熱的変形を受けにくい。ま
た、炭化ケイ素および窒化ケイ素は化学的にも安
定で耐腐食性が高いため、レーザ共振機内反射鏡
としても長期間に渡つて安定な性能を示すことが
できる。なかでも炭化ケイ素の熱変形指数は銅基
板などの金属製基板と同等もしくはそれ以上のレ
ベルにあるところから、レーザ照射を受けた場合
における放熱も効率的に行なわれるため、劣化お
よび変形を起しにくく、従つてこの炭化ケイ素は
特に好ましい材料である。 本発明のレーザ用反射鏡において用いる基板と
しては従来知られている各種の基板を用いること
もできるが、本発明において特に好ましいのは、

【表】

【表】

【表】 なお、第２表に併記されている鏡面の研磨性お
よび再蒸着性は、硬質炭素もしくは多結晶ケイ素
基板を用いたレーザ用反射鏡の該基板を再使用す
る際の特性を示すもので、劣化した炭化ケイ素あ
るいは窒化ケイ素からなるは表面層いずれも容易
に除去することができ、また硬質炭素基板および
多結晶ケイ素基板はいずれも鏡面研磨性が優れて
いるところから、この系を用いたレーザ用反射鏡
の再生は非常に容易となる。 また、本発明のレーザ用反射鏡で表面層材料と
して使用する炭化ケイ素と窒化ケイ素、そして基
板材料として好ましい多結晶ケイ素と硬質炭素は
いずれも比重が低いため、大型のレーザ用反射鏡
の構成材料として使用した場合においても比較的
軽量を維持できる。従つて、多層膜形成時あるい
は他の処理もしくは実際の使用時における物理的
な変形の発生を回避することができ、非常に有利
となる。 本発明において、上記表面層の厚さは、0.1μm
〜１mmの範囲にあることが好ましく、また該表面
層と該基板との厚さの比は、１：５〜１：100000
の範囲にあることが好ましい。 本発明のレーザ用反射鏡においては、上記ケイ
素化合物表面層の上に公知技術に従つて多層膜が
付設されるが、この多層膜の形成は、二酸化ケイ
素中間層を介して行なわれることが望ましい。す
なわち、炭化ケイ素および／または窒化ケイ素か
らなる表面層と多層膜との間の親和性をさらに高
め、層間の耐剥離強度を高めるため、二酸化ケイ
素中間層を設けることが望ましい。この二酸化ケ
イ素中間層を介在させることにより、機械的強度
の優れたレーザ用反射鏡を得ることができる。 炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素の表面層上への
二酸化ケイ素中間層の形成は、たとえば蒸着法ま
たはスパツタ法などを利用して実施することがで
きる。 ただし、ケイ素化合物の表面層と二酸化ケイ素
中間層とは厳格に区画されている必要はない。 たとえば、多結晶ケイ素基板上に炭化ケイ素基
板を形成し、その上に二酸化ケイ素を形成する場
合には、多結晶ケイ素基板の上に蒸着法またはス
パツタ法を利用して、先ず炭素含有量の多い炭化
ケイ素薄層を形成し、ついでその上にケイ素原子
と炭素原子との比率が、表面層から離れるに従つ
て炭素の量が順次多くなるように炭化ケイ素を蒸
着またはスパツタし、そしてさらに炭化ケイ素と
二酸化ケイ素が混合層（炭化ケイ素と二酸化炭素
の混合量は順次、後者が多くなるように連続的に
変化させる）を形成するように蒸着系への供給原
料の調整を行なう。そして最後にほぼ純粋な二酸
化ケイ素層を形成して、表面層と中間層の形成を
完了する。 上述したようにして形成した表面層と中間層と
からなる連続層の組成と屈折率の関係を第１−Ａ
図および第１−Ｂ図に示す。この内第１−Ａ図は
表面層材料として炭化ケイ素を用いた場合の関係
を示しており、第１−Ｂ図は表面層材料として窒
素ケイ素を用いた場合の関係を示している。それ
ぞれの図に示されているるように連続層における
屈折率はケイ素の持つ屈折率である4.01から二酸
化ケイ素の1.46に連続的に変化するため、このよ
うな構成からなる表面層と中間層が備えられた反
射鏡は、レーザ用反射鏡として特に好ましい特性
を示す。 本発明のレーザ用反射鏡は、前記の表面層の上
に、好ましくは二酸化ケイ素中間層を介して、対
象のレーザ光の波長に対応するように選択された
特定の値の屈折率を有する二種類以上の物質（高
屈折率物質、低屈折率物質など）が交互に多重層
に積層された多層膜が形成される。 レーザ用反射鏡に付設する多層膜は既に公知で
あり、本発明のレーザ用反射鏡の多層膜の材料お
よび構成などについては、それらの公知技術に従
つて適宜選択することができる。 すなわち、一般的な多層膜の構成は、高屈折率
物質（層厚＝λ／４、ただしλは対象のレーザの
波長）と低屈折率物質（層厚＝λ／４）の交互層
から形成されるものである。ただし、必要により
その層厚および膜材料を一部相違させることもあ
る。多層膜材料としては紫外線等反射するレーザ
光に対して吸収が少なく、かつ、高耐久性を有す
る材料を選ばれる。高屈折率物質の例としては酸
化ジルコニウム等を挙げることができ、また低屈
折率の例としてはフツ化マグネシウム等を挙げる
ことができる。 多層膜の上には、表面の物理的劣化（傷など）
および化学的な変性を防止するための表面保護層
が設けられることも多く、本発明においてもその
ような構成をとることができる。そのような表面
保護層の材料の例としては二酸化ケイ素を挙げる
ことができる。 次に本発明の実施例を示す。 ［実施例 １］ 直径30mm、厚さ３mmの円盤状硬質炭素基板の表
面を光学研磨した。この表面に反応性高速スパツ
タ法により炭化ケイ素を主成分とする表面層と二
酸化ケイ素を主成分とする中間層を形成した。 ただし、上記の表面層と中間層とは連続層とし
て形成した。すなわち、表面を光学研磨した硬質
炭素基板表面の上に、反応性高速スパツタ法を利
用して先ず炭素含有量の多い炭化ケイ素薄層を形
成し、ついでその上にケイ素と炭素との比率が、
表面層から離れるに従つて炭素の量が順次多くな
るように炭化ケイ素を蒸着し、そしてさらに炭化
ケイ素と二酸化ケイ素が混合層（炭化ケイ素と二
酸化炭素の混合量は順次、後者が多くなるように
連続的に変化させる）を形成するように蒸着系へ
の供給ガスの調整を行なつた。そして最後にほぼ
純粋な二酸化ケイ素層を形成して、表面層と中間
層とを連続層として形成した。 さらに、この中間層の表面に249nmの紫外波長
域で最高反射率が得られるように高・低屈折率の
交互層多層膜、すなわち高屈折率物質として酸化
ジルコニウムを、そして低屈折率物質としてフツ
化マグネシウムをそれぞれの膜厚がλ／４となる
ように交互に層を形成させて多層膜（23層）を調
製した。さらにこの高・低屈折率層の上に二酸化
ケイ素表面保護層を付設した。 第２図に本実施例において作成したレーザ用反
射鏡の構成模式図を示す。また作成したレーザ用
反射鏡の中心波長249nmのKrFレーザの反射鏡と
しての特性を示す分光反射率を表わすスペクトル
を第３図として示す。 以上詳述したように、本発明に係るレーザ用反
射鏡は、ガラス質や金属の基材を用いた従来のレ
ーザ用反射鏡に比べて耐久性に優れ、かつ高反射
特性を有するため、特に高出力レーザ用光学素子
として好適である。また、本発明に係るレーザ用
反射鏡は反応性高速スパツタ法や高温イオン化反
応蒸着法等により製造することができるため、そ
の製造時において真空中の反応ガスの圧力が高周
波スパツタ電力およびケイ素等基板の温度等を制
御することによつて所望の組成や微視的構造を有
する炭化ケイ素層あるいは窒化ケイ素層、そして
二酸化ケイ素層を形成させることができる。この
ようにして製造されたレーザ用反射鏡の基板部分
は、互いに優れた密着性を有し、かつ強固で緻密
な構造を有する。従つてこの基板部分の反射率の
値と波長域とを用途・仕様に適応させ、さらに用
途によつて選択した素材からなる多層膜をその基
板上に形成した反射鏡は、高出力の炭酸ガスレー
ザや稀ガスハロゲン系エキシマーレーザ等の反射
鏡として有用である。 さらに本発明のレーザ用反射鏡は、高・低屈折
率の多重膜の組み合わせを適宜選択することによ
り、単なる全反射鏡以外の用途、例えば回折格子
などの光学素子へ応用することも可能となる。従
つて、たとえば、大出力レーザやシンクロトロン
軌道放射光のような高輝度光用の各種光学素子の
性能向上を目指す分野においても本発明に係るレ
ーザ用反射鏡を使用することができるため、本発
明のレーザ用反射鏡の産業上の有用性は非常に高
い。

【図面の簡単な説明】

第１−Ａ図および第１−Ｂ図は、表面層と中間
層の組成と屈折率の関係図であり、第２図は、本
発明のレーザ用反射鏡の構成の例を示す模式図で
あり、そして第３図は、本発明に従うレーザ用反
射鏡の分光反射率特性を、KrFレーザ用反射鏡の
分光反射率特性の例にして示すスペクトルであ
る。 １：基板、２：表面層、３：中間層、４：表面
保護層、Ｈ：高屈折率層、Ｌ：低屈折率層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板、蒸着法またはスパツタ法により該基板
   上に形成された炭化ケイ素と窒化ケイ素とからな
   る群より選ばれるケイ素化合物の表面層、および
   該表面層の上に設けられた多層膜からなることを
   特徴とするレーザ用反射鏡。 ２ 該表面層の上に二酸化ケイ素中間層を介して
   多層膜が設けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ用反射鏡。 ３ 該基板が、多結晶ケイ素もしくは硬質炭素で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のレーザ用反射鏡。 ４ 該表面層と該中間層とが、ケイ素に富む炭化
   ケイ素もしくは窒化ケイ素部分、炭素もしくは窒
   素に富む炭化ケイ素もしくは窒化ケイ素部分、炭
   化ケイ素もしくは窒化ケイ素と二酸化ケイ素との
   混合部分、そして実質的に二酸化ケイ素からなる
   部分が順次連続的に形成された構成からなる連続
   層として存在することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載のレーザ用反射鏡。 ５ 該表面層の厚さが0.1μm〜１mmであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ用
   反射鏡。 ６ 該表面層と該基板の厚さの比が１：５〜１：
   100000であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のレーザ用反射鏡。