JP3337638B2 - フッ化物結晶の製造方法及び光学部品の製造方法 - Google Patents
フッ化物結晶の製造方法及び光学部品の製造方法Info
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Description
造方法とそれを用いたエキシマレーザー用の光学部品の
製造方法に係る。
唯一の高出力レーザーとして注目されており、電子産業
や化学産業やエネルギー産業において応用が期待されて
いる。
クス、半導体等の加工や化学反応等に利用されている。
シマレーザー発振装置として知られている。チャンバ内
に充填されたAr、Kr、Xe、F2、Cl2等のレーザ
ーガスを電子ビーム照射や放電等により励起状態にす
る。すると、励起された原子は基底状態の原子と結合し
て励起状態でのみ存在する分子を生成する。この分子が
エキシマと呼ばれるものである。エキシマは不安定な
為、直ちに紫外光を放出して基底状態に落ちる。これを
ボンドフリー遷移というが、この遷移によってえられた
紫外光を一対のミラーで構成される光共振器内で増倍し
てレーザー光として取り出すものがエキシマレーザー発
振装置である。
ーやArFレーザーはそれぞれ波長が248nmの光、
又は、193nmといった真空紫外域と呼ばれる波長域
の光であり、光学系にはこうした波長域の光の透過率が
高いものを用いなければならない。蛍石(フッ化カルシ
ウム結晶)はこうした光学系の為の硝材として好ましい
ものである。
製造方法について説明する。図9は、本発明者がこれま
でに行った蛍石結晶の製造方法を示す概念図である。
程S2でこれを容器にいれて熔融した後、冷却する。工
程S3では固化した塊をステンレス製の粉砕機で粉砕す
る。その後工程S4では、粉砕された塊を結晶成長用の
ルツボに入れて熔融した後、徐冷して結晶を成長させて
蛍石ブロックを作製する。
融する前と熔融する後との嵩嵩密度の変化を少なくする
為になされる工程であり、また、原料中の不純物を除去
する工程でもあり、より高純度のものを得るには複数回
繰り返される。
aF2)が水分等と反応して生成したCaOやもともと
原料中に存在する不純物を除去するために、金属のフッ
化物であるスカベンジャーを加える。例えば、ZnF2
のスカベンジャーはCaOと反応してCaF2とし、自
らはZnO等となって結晶熔融時に酸素を除去するもの
である。この結果、不純物としてのCaOは除去され、
透過率特性の優れた蛍石が得られる。
厚さに切断され、所望のレンズ形状等に加工整形され光
学物品として使用される。
蛍石は通常の可視光の光学系の物品としては満足できる
性能を示すものの、エキシマレーザーのように短波長で
高出力の光を長時間繰り返し照射するとその光学特性が
劣化することがあった。
それが原料中の不純物のみならず、添加するスカベンジ
ャーに起因することを見い出した。即ち、酸素のような
不純物除去のために添加するスカベンジャーの量を多く
すると、スカベンジャーそのもの及びその反応物が結晶
中に残留し、これが蛍石の内部透過率及び耐久性を低下
させることが分かったのである。そうとはいえ、単にス
カベンジャーの量を減らしただけでは酸素を十分除去で
きない。
のであって、短波長光に対する透過率が高く、しかも高
出力の短波長光を長期間繰り返し照射した場合であって
も、透過率特性が劣化し難いフッ化物結晶の製造方法を
提供することを目的とする。
を長期間繰り返し照射しても光学特性が劣化しないエキ
シマレーザー用の光学部品を提供することにある。
製造方法は、フッ化カルシウム原料にスカベンジャーを
添加して行う精製工程を行った後、精製した前記フッ化
カルシウム原料にスカベンジャーを更に添加してルツボ
降下法により結晶成長させるフッ化物結晶の製造方法で
あって、前記精製工程において添加する前記スカベンジ
ャーの添加量を、前記フッ化カルシウム原料の0.04
〜0.1mol%とし、その後の更にスカベンジャーを
添加して精製及び/又は結晶成長を行う工程を含み、そ
の工程において添加するスカベンジャーの総添加量は前
記添加量の10%〜50%とすることを特徴とする。
1wt.%以下であるのが好ましい。本発明は、前記ス
カベンジャーがフッ化亜鉛である場合に特に好適であ
る。
品は、上記のフッ化物結晶又は上記のフッ化物結晶の製
造方法で作製したフッ化物結晶を用いて構成することを
特徴とする。
d,Pb,Li,Bi,Na等の原子、即ち、フッ化物
結晶の精製工程及び成長工程で添加するスカベンジャー
の構成金属原子の含有量を10ppm以下とし、かつ酸
素原子の含有量を50ppm以下としたものである。
フッ化物結晶では、その光学特性及びレーザー光耐久性
が大幅に向上する。即ち、エキシマレーザー光に対する
内部透過率が高く、しかもレーザーの長期照射に対して
光劣化の少ないフッ化物結晶とすることができる。
うにして作製することができる。
ルシウム原料にスカベンジャーを原料の0.04〜0.
1mol%添加して熔融、結晶化する精製工程を行い、
続いて精製した原料にスカベンジャーを上記添加量の1
0〜50%の割合で添加してルツボ降下法により結晶成
長させることにより得ることができる。以上の工程をと
ることにより、スカベンジャーを構成する金属元素含有
量が10ppm以下で、酸素含有量が50ppm以下の
フッ化物結晶を作製することができる。ここでいうpp
mとは、重量百万分率のことで、フッ化カルシウム1g
あたりの対象原子の重量(μg)である。
を1又は2回以上繰り返し行い、続いて結晶成長させる
のが好ましい。この場合、フッ化カルシウム中のスカベ
ンジャー金属元素及び酸素含有量をそれぞれ10ppm
及び50ppm以下にするために、第1回の精製工程で
添加するスカベンジャーは原料の0.04〜0.1mo
l%であるが、第2回目以降の精製工程及び結晶成長工
程で添加するスカベンジャー総量は、第1回目の精製工
程で添加する量の10〜50%とする。以上のように、
精製工程を繰り返し行うことにより、更にLa、Y等の
不純物濃度を下げることができ、内部透過率及びレーザ
ー光耐久性は一層向上する。特に、La、Yはそれぞれ
5ppm、10ppm以下となる。また、本発明のフッ
化カルシウム結晶はスカベンジャーの構成原子を含み、
その含有量を10ppm以下とし、且つ波長135nm
における内部透過率が70%以上のものである。
基準にした理由は以下の通りである。
件を変えて数多くのフッ化カルシウム結晶を製造し、そ
の内部透過率及び耐レーザー特性について測定を行っ
た。
レーザーを1×103パルス照射と、1×104R/Hの
ガンマ線の1時間照射をしたところ、レーザー波長であ
る248nmや193nmに対する初期透過率は同じで
あっても、試料のうちのいくつかは着色した。このこと
から、使用するレーザー光の波長における透過率を基準
に良品をサンプリングしても、将来劣化しやすい試料と
劣化しがたい試料とを区別することができないことが分
かった。
の特性を解析した結果、エキシマレーザーの波長よりず
っと短い波長である135nm付近における透過率を基
準にすると、良品とそうでないものとを区別できること
を見い出した。即ち、レーザーやガンマ線の照射前であ
っても照射後であっても透過率測定時に波長135nm
における内部透過率が70%以上であるフッ化カルシウ
ム結晶はエキシマレーザーに対し安定であり、この光学
部材をエキシマレーザー光学系に使用すれば被処理体に
照射されるレーザー光の安定化が可能となる。
び露光装置組立までの製造工程を図2のフローチャート
に従って、詳細に説明する。
フッ化物原料を準備する。そのためには、炭酸カルシウ
ムとフッ化水素を用意し、これら炭酸カルシウムとフッ
化水素とを反応させて粉末状のフッ化カルシウムを合成
する。
される。
たのち、焼成して水分を除去するとよい。このようにし
て得られたフッ化カルシウム原料はできるだけ大気にさ
らされないように真空パックして保存しておく。
ムの0.04〜0.1mol%となる割合で混合する。
このとき、フッ化カルシウムとスカべンジャーとを容器
に入れてこの容器回転させて混合するとよい。スカベン
ジャーには、酸素含有量0.1wt.%以下のものを用
いるのが好ましい。具体的には、フッ化亜鉛、フッ化カ
ドミウム、フッ化鉛、フッ化リチウム、フッ化ビスマ
ス、フッ化ナトリウム等である。
は、水分の存在により発生した酸化カルシウムをフッ化
カルシウムに変える。
の0.04〜0.1mol%である。
ーの混合物を図3に示す精製炉のルツボの中に入れる。
なお、図3において、301は精製炉のチャンバーであ
り、真空排気系に接続されている。302は断熱材、3
03はヒーター、304はルツボ、305はフッ化カル
シウムである。
し、続いて熔融したフッ化カルシウムを徐冷し、結晶を
成長させる。
ものであってよいため、後述する結晶成長工程のように
精密な温度管理は必要としない。なお、徐冷の際、ルツ
ボを引き下げるのが好ましい。引き下げることにより、
不純物の除去効果は一層向上する。
ち経時的に最後に結晶化した部分を除去する。この部分
は不純物が集まりやすいので、この除去作業によって特
性に悪影響を与える不純物を除去する。
化、上部除去の一連の工程を複数回繰り返し行う。
2回行うのが好ましい。
晶成長工程で添加するスカベンジャーの総量は、上記第
1回目の精製工程での添加量の10〜50%にする。
のスカベンジャーとともにルツボに入れ、これを図4に
示す成長炉に取り付ける。図4において、401は成長
炉のチャンバーであり、真空排気系に接続されている。
402は断熱材、403はヒーター、404はルツボ、
405はルツボ引き下げ機構、406はフッ化カルシウ
ムである。
熱して、熔融させた後、徐々にルツボを徐々に引き下
げ、冷却して結晶を成長させる。
対(不図示)を用いた。熱電対はルツボの外壁近傍より
ルツボの温度を測定するが、本発明者が詳細に検討した
結果、測定温度が1380〜1450℃の範囲にあるこ
とが分かった。即ち、1380℃以下ではルツボ内のフ
ッ化物原料の実際の温度は低く、それが融点近い温度の
場合、原料が完全に融解するまでに長時間を必要とし、
生産性の向上を図ることができない。また、1450℃
以上では、フッ化物原料の気化が激しく、原料損失によ
る生産性の低下を避けることができない。
〜5.0mmの速度でルツボを降下させて徐冷すること
が好ましいものである。
ル炉で熱処理する。なお、図5において、501はアニ
ール炉のチャンバー、502は断熱材、503はヒータ
ー、504はルツボ、505はフッ化物結晶である。
1000℃に加熱する。加熱時間は20時間以上、より
好ましくは20〜30時間である。
レンズ、円盤状、板状等)に整形する。又、必要に応じ
て、反射防止膜をフッ化物結晶の光学物品表面に設ける
とよい。反射防止膜としては、フッ化マグネシウムや酸
化アルミニウム、酸化タンタルが好適に用いられ、これ
らは抵抗加熱による蒸着や電子ビーム蒸着やスパッタリ
ングなどで形成できる。本発明により得られた光学物品
は水をほとんど含まない為に反射防止膜の密着性も優れ
たものとなる。
れば、エキシマレーザー、特にArFエキシマレーザー
に適した光学系を構成できる。そして、エキシマレーザ
ー光源と、フッ化カルシウムからなるレンズを有する光
学系と、基板を移動させ得るステージとを組み合わせ
て、露光装置を構成できる。
いて説明する。
縮小投影露光装置、レンズ式等倍投影露光装置が挙げら
れる。
エハーの1小区画(フィールド)を露光してはウエハー
を1ステップ移動させて隣の1フィールドを露光する、
ステップ・アンド・リピート方式を採用したステッパー
が望ましい。勿論、マイクロスキャン方式の露光装置に
も好適に用いられる。
す。同図において21は照明光源部であり、22は露光
機構部であり、21,22は別個独立に構成されてい
る。即ち両者は物理的に分離状態にある。23は照明光
源で、例えばエキシマレーザのような高出力の大型光源
である。24はミラーであり、25は凹レンズ、26は
凸レンズであり、25,26はビームエキスパンダーと
しての役割を持っており、レーザのビーム径をおおよそ
オプティカルインテグレータの大きさに拡げるものであ
る。27はミラーであり、28はレチクル上を均一に照
明するためのオプティカルインテグレータである。照明
光源部21はレーザ23からオプティカルインテグレー
タ28までで構成されている。29はミラーであり、3
0はコンデンサレンズでオプティカルインテグレータ2
8を発した光束をコリメートする。31は回路パターン
が描かれているレチクル、31aはレチクルを吸着保持
するレチクルホルダ、32はレチクルのパターンを投影
する投影光学系、33は投影レンズ32においてレチク
ル31のパターンが焼付けられるウエハである。34は
XYステージでありウエハ33を吸着保持し、かつステ
ップアンドリピートで焼付けを行う際にXY方向に移動
する。35は露光装置の定盤である。
るミラー29から定盤35までで構成されている。36
は、TTLアライメントに用いられるアライメント手段
である。通常露光装置は、この他にオートフォーカス機
構、ウエハー搬送機構等々によって構成されこれらも露
光機構部22に含まれる。
学物品の一例であり、図6に示す露光装置の投影光学系
に用いられるレンズである。このレンズアセンブリはL
1〜L11の11枚のレンズをお互いに接着することなく
組みあわせて構成されている。そして、本発明の蛍石か
らなる光学物品は、図6、図7に示すレンズやミラーと
して、或いは不図示ではあるが、ミラー式露光装置のミ
ラーやレンズとして用いられる。より好ましくは、レン
ズ又はミラーの表面に反射防止膜または増反射膜を設け
るとよい。
品は、プリズムやエタロンとして使用することが出来
る。図8(a)と(b)は本発明のフッ化物結晶からな
る光学部晶を用いたエキシマレーザー発振器の構成を模
式的に表した図である。
は、エキシマレーザーを発光させ共振させるための共振
器83と、該共振器83から出たエキシマレーザーを絞
る絞り穴82と、エキシマレーザーの波長を単波長化さ
せるためのプリズム84と、エキシマレーザーを反射さ
せるための反射鏡81とから構成される。
振器は、エキシマレーザーを発光させ共振させるための
共振器83と、該共振器83から出たエキシマレーザー
を絞る絞り穴82と、エキシマレーザーの波長を単波長
化させるためのエタロン85と、エキシマレーザー光を
反射させるための反射鏡81とから構成される。
プリズムやエタロンとして装置内に設けたエキシマレー
ザ光発振器は前記プリズムやエタロンを介してエキシマ
レーザーの波長をより狭くすることが出来、言い換えれ
ばエキシマレーザーを単波長化することが出来る。
光をレチクルのパターンを介して基板上の光増感型レジ
ストに照射すれば、形成すべきパターンに対応した潜像
が形成できる。
は、フッ化鉛、フッ化カドミウム、フッ化亜鉛等が用い
られるが、鉛とカドミウムは毒性を有することから、使
用後の廃棄処理や作業者の安全確保が必要となり、結果
としてフッ化物結晶の製造コストの増加をもたらすた
め、フッ化亜鉛が好ましい。
有量を1wt.%以下にするのが好ましい。このスカベ
ンジャーを用いることによって、より透過率及びレーザ
ー光耐久性の高いフッ化物結晶を製造することができ
る。
明する。
有量1wt.%の フッ化亜鉛を添加し混合した。添加
量は、フッ化カルシウムに対して0.02〜0.2mo
l%の範囲の種々の値とした。
ルツボに入れて1360℃に加熱して原料を熔融した
後、ルツボを降下させて徐冷し、原料を結晶化した。ル
ツボ上部にあたる結晶化したフッ化カルシウムの上部を
厚さ1mm除去した。
を繰り返し行い、スカベンジャー添加量及び繰り返し回
数の異なるフッ化カルシウム結晶ブロックの試料を多数
作製した。
もに図4に示す結晶成長用のルツボに入れた。炉内を真
空排気して、ルツボを加熱した。真空度を6×10-4T
orr、温度は1380℃とした。
60℃として11時間保った後、成長用のルツボを2m
m/hの速度で降下させた。この時の温度降下速度はは
約100℃/hに相当する。
化カルシウム結晶と、0.1重量%のフッ化亜鉛を入れ
た。炉内を排気してルツボの濃度を室温から900℃に
速度100℃/hで上昇させた後、20時間900℃に
保持した。そして、6℃/Hの速度で低下させ、室温ま
で冷却した。
切断、研磨して10mm厚の円盤とし、真空紫外域の透
過スペクトル、内部透過率の劣化率、Zn、O、La、
Y含有量等を測定した。その一部を表1及び図1に示
す。
他の含有量は、ICP質量分析法により測定した。な
お、酸素含有量は不活性ガス融解赤外線吸収法により定
量した。装置は堀場製作所製EMGA620を使用し、
ハロゲントラップを装着した。本装置を用い、試料であ
るフッ化カルシウム結晶を不活性ガス中において黒鉛ル
ツボ内で融解し、酸素をCOに変えて取り出し、その赤
外線吸収量を測定した。
定した。また、劣化率は、出力30mJ/cm2のレー
ザーを1×103パルス照射と、1×104R/Hのガン
マ線を1時間照射し、照射前後の波長波長193nmに
おけるの内部透過率の減少率で表した。
る。
程及び結晶成長時のZnF2添加量により、真空紫外域
の透過スペクトルが大きく変化するのが分かる。即ち、
高い透過率及びレーザー光耐久性の優れたフッ化カルシ
ウム結晶が得るには、精製工程及び成長工程全体のスカ
ベンジャー添加量のみならず、第1回目の精製工程と他
の工程と添加量の比を所定の範囲にする必要があり、7
0%の内部透過率のフッ化カルシウム結晶とするには第
1回目の精製工程での添加量を0.04〜0.1mol
%とし、他の工程での添加量をその10〜50%とする
必要がある。
数を増やすことにより減少させることができ、精製工程
1回ではそれぞれ5ppm、10ppmとなり、また精
製工程2回ではそれぞれ、1ppm、3ppmとなり、
3回行うことでそれぞれ1ppm以下、1ppm以下と
なった。即ち、スカベンジャー添加量を上記のごとく所
定の範囲とし、精製工程の回数を増やすことにより、L
a,Y等の不純物含有量を低減することになり、透過率
及び耐久性を一層向上させることができる。
nF2を用いた以外は、実施例1と同様にしてフッ化カ
ルシウム結晶を作製した。
ーを用いて作製した結晶は、残留酸素の影響が少ないた
め、実施例1において同一条件で作製したフッ化カルシ
ウム結晶の分光透過率の比較にするとより安定した高透
過率と低劣化率を得ることができる。
F2を用いて実施例1と同様にして作製 したフッ化カル
シウム結晶の不純物、光学特性の比較表である。
は、酸素含有量の少ないスカベンジャーを用い、0.0
4〜0.1mol%という比較的少量のスカベンジャー
を添加することにより、スカベンジャー構成金属原子と
酸素原子をわずかな量含むフッ化カルシウムが得られる
長期間繰り返し照射した場合であっても、透過率特性が
劣化し離いフッ化物結晶を提供するこどができる。その
結果、安定性、信頼性の高いエキシマレーザー用の光学
部品、ひいてはステッパ光学系を提供することが可能と
なる。
透過スペクトルを示すグラフである。
フローチャートである。
模式図である。
示す模式図である。
表した図である。
系である。
振器を模式的に表した図である。
ヒーター、304 ルツボ、305 フッ化カルシウ
ム、401 成長炉のチャンバー、402 断熱材、4
03 ヒーター、404 ルツボ、405 ルツボ引き
下げ機構、406 フッ化カルシウム、501 アニー
ル炉のチャンバー、502 断熱材、503 ヒータ
ー、504 ルツボ、505 フッ化物結晶、21 照
明光源部、22 露光機構部、23 照明光源、24
ミラー、25 凹レンズ、26 凸レンズ、27 オプ
ティカルインテグレーター、29 ミラー、30 コン
デンサーレンズ、31 レチクル、31a レチクルホ
ルダ、32 投影光学系、33 ウエハ、34 XYス
テージ、35 定盤、36 アライメント手段、L1〜
L11 レンズ、81 反射鏡、82 絞り穴、83 共
振器、84 プリズム、85 エタロン。
Claims (4)
- 【請求項1】 フッ化カルシウム原料にスカベンジャー
を添加して行う精製工程を行った後、精製した前記フッ
化カルシウム原料にスカベンジャーを更に添加してルツ
ボ降下法により結晶成長させるフッ化物結晶の製造方法
であって、前記精製工程において添加する前記スカベン
ジャーの添加量を、前記フッ化カルシウム原料の0.0
4〜0.1mol%とし、その後の更にスカベンジャー
を添加して精製及び/又は結晶成長を行う工程を含み、
その工程において添加するスカベンジャーの総添加量を
前記添加量の10%〜50%とすることを特徴とするフ
ッ化物結晶の製造方法。 - 【請求項2】 前記スカベンジャー中の酸素含有量が
0.1wt.%以下であることを特徴とする請求項1に
記載のフッ化物結晶の製造方法。 - 【請求項3】 前記スカベンジャーがフッ化亜鉛である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のフッ化物結晶
の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載のフ
ッ化物結晶の製造方法により作製したフッ化物結晶を成
形する工程を含むエキシマレーザー用の光学部品の製造
方法。
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