JPH09171103A

JPH09171103A - 光学部品の保護器具

Info

Publication number: JPH09171103A
Application number: JP7330608A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kitamoto; 達也北本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】何らかの原因で光路上に強度の高い光が発生し
た場合に、この異常光から各光学部品を保護する保護器
具を提供する。【解決手段】ガラス基板１と、この上に交互に積層され
た、低屈折率の薄膜２及び高屈折率の薄膜３とを含んで
構成され、中央の薄膜３は、光の吸収量が大きい物質を
用いて形成されている。入射した光の強度が所定値以上
になった場合には中央の薄膜３が破壊され、出射する光
の強度が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、装置の故障をはじ
め何らかの原因で光路上に所定値以上の強度を持つ光が
発生した場合に、この異常光から各光学部品を保護する
保護器具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学技術の中でも特にレーザー技術は、
最近急速に進展しており、光通信、光ディスク、計測制
御、レーザー加工、医療、バイオテクノロジー、エネル
ギー開発等の様々な分野で応用されている。また、それ
ぞれの分野での発展に伴い、レーザーの高品質化、高精
度化の要求が高まっている。そのため、使用するレーザ
ー光もますます高出力化している。

【０００３】また、レーザー光を利用する装置には、様
々な安全対策が施されているのが普通である。例えば、
レーザー光の光強度をモニターして、その値が設計値以
上に達したときには、レーザー光の光路を遮蔽するとい
った機構も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来で
は、この遮蔽機構をはじめ、装置の異常によって発生し
た高出力のレーザー光から各光学部品を保護するための
保護機構は、その装置に対して付加的に設けられるもの
であった。

【０００５】そのため、保護機構用のスペースを装置内
に確保する必要があり、装置の大型化につながってい
た。さらに、このような保護機構は複雑な構造を有して
いるのが普通であり、高価であった。

【０００６】また、レーザー光の光強度をモニターして
異常を発見する場合、レーザー光学系において主光路を
通過するレーザー光の一部をモニター用に取り出す必要
がある。この場合、照射対象におけるレーザー光の出力
が減少してしまう。

【０００７】以上のような問題点を考慮し、本発明の目
的は、スペースをとらず、しかも低コストで高出力の異
常光から光学部品を保護することができる保護器具を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の態様によれば、光路上に配置された一
又は二以上の光学部品を、所定値以上の強度を持つ光か
ら保護する光学部品の保護器具であって、入射した光の
一部又は全部を目的の方向に射出するための光路を形成
すると共に、入射した光の強度が前記所定値以上になっ
た場合には自身の一部を破壊して、射出する光の強度を
減少させる光学部品の保護器具が提供される。

【０００９】また、本発明の第２の態様によれば、その
保護器具は、所定の強度以上の光が入射した際に、入射
した光により破壊される破壊膜を有していることを特徴
とする第１の態様の光学部品の保護器具が提供される。

【００１０】また、本発明の第３の態様によれば、その
破壊膜は、所定の強度以上の光により破壊する一種類以
上の酸化膜を有していることを特徴とする第２の態様の
光学部品の保護器具が提供される。

【００１１】また、本発明の第４の態様によれば、その
保護器具は、破壊膜と、破壊膜とは屈折率の異なる物質
で成膜された第１膜と、基板とで形成され、所望の波長
域の光を分離することを特徴とする第２または第３の態
様の光学部品の保護器具が提供される。

【００１２】また、本発明の第５の態様によれば、第１
膜とは屈折率の異なる物質であり、かつ、破壊膜とは異
なる物質で成膜された第２膜と、第１膜とを交互に基板
上に有し、破壊膜が所望の部位に設けられ、所望の波長
域の光を分離することを特徴とする第４の態様の光学部
品の保護器具が提供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る保護器具（以
下、光ヒューズと呼ぶ）の実施形態について図面を参照
しながら説明する。

【００１４】まず、図１の実施形態を用いて、本発明の
基本原理を説明する。

【００１５】本実施形態の光ヒューズは、ガラス基板１
と、この上に交互に積層された、低屈折率の薄膜２及び
高屈折率の薄膜３とを含んで構成されており、実際に
は、目的の装置内に光学部品の一つとして組み込まれて
用いられる。薄膜２、３の光学的膜厚は、それぞれ、入
射する光の１／４波長にほぼ等しくなっている。隣合う
薄膜２、３のそれぞれは、ガラス基板１から積層方向に
向かって周期的に繰り返された、いわゆる周期層を構成
しており、更に、その周期層の上に最終層として薄膜２
が積層されている。そして、本実施形態では、３層の高
屈折率の薄膜３のうちの一つ（中央の薄膜３）に、光の
吸収量が大きい物質を用いている。光の吸収量が大きい
膜物質としては、例えば、ＣｅＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｓｉ
Ｏ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｔｉ₂Ｏ₃、ＴｉＯ、ＺｒＯ₂、
ＺｒＯなどの酸化物がある。これらの酸化物は、目的に
合わせて、単一で、若しくは組み合わせて使用すればよ
い。

【００１６】この光ヒューズが装置内において例えば反
射ミラーとして使用される場合、光源から発せられた光
が所定の光学系を経て光ヒューズに入射すると、この光
の所定の波長域の成分は、目的の方向へ反射される。も
ちろん、所定の波長の光のみを透過させる透過フィルタ
ーとして光ヒューズが使用される場合もある。いずれに
せよ、光ヒューズは、入射した光の少なくとも一部を目
的の方向に出射するための光路を形成する。

【００１７】このような光の反射若しくは透過は、通
常、反射ミラーや透過フィルターの前段として配置され
た光学系が正常に機能している限り維持されるものであ
る。しかしながら、装置を長期間に渡って使用していく
うちに、この光学系の一部に不具合が生じたり、また、
光源自体が故障することもあり、この場合、故障の発生
部分以降の光路に通常時とは異なる光が通過することに
なる。この光の強度が通常使用される光のそれよりも低
くなるようなケースは装置の光学性能の低下といった問
題に留まるが、この逆のケースは、各光学部品の破損に
つながることがある。特に、レーザー光を用いている場
合には、各光学部品の破壊や焼失に至る。

【００１８】そこで、光ヒューズを光学部品の一つとし
て予め装置に組み込んでおけば、以下に示すように光ヒ
ューズ以降の光学部品が保護される。

【００１９】すなわち、何らかの原因で光ヒューズに高
強度の異常光が入射した際、そのエネルギーによって、
前述した中央の薄膜３が溶けて蒸発し、その上に積層さ
れていた各薄膜が乖離される。この様子は、図２に示さ
れている。ガラス基板１上に積層された周期層の周期数
が減ると、当該光ヒューズの分光特性が低下する。例え
ば、光ヒューズが反射ミラーとして用いられている場合
には、その反射光量が大幅に減少することになる。

【００２０】ところで、光ヒューズに高い強度を有する
異常光が入射した際に発生する薄膜の破壊のメカニズム
の一例としては、次のようなものが考えられる。電子雪
崩による破壊によるもの、熱破裂と溶融を引き起こす薄
膜の単純吸収による破壊によるもの、そして、ブリュア
ン散乱による損傷によるものである。ただし、本発明の
光学部品の保護器具は、このような破壊を起こすものに
限定されるわけではない。

【００２１】まず、最初に電子雪崩による破壊について
は、高強度の異常光が入射すると光ヒューズの中央の薄
膜３の物質が電子雪崩を引き起こす。電子雪崩が引き起
こされることによって、中央の薄膜３において材料のイ
オン化および爆発的蒸発が生じ光ヒューズの中央の薄膜
３が破壊される。電子雪崩は価電子帯の電子によるエネ
ルギーの吸収で始まり、電子がバンドギャップを飛び越
えて伝導帯へと移ることにより生じる。入射された光が
臨界エネルギー密度を超えると破壊、損傷が発生する。
純粋な誘電体へのフォトンの入射では電子を励起させバ
ンドギャップを越えるだけの充分なエネルギーが存在し
ない。しかし、不純物の混在、酸素欠損やフッソ欠損に
よるＦ中心などの格子欠陥が存在すると、局所的な場所
に電子雪崩の高い電位がかかる場合があり、これが損傷
の原因となる。レーザーのフルエンスレベルが高い場合
には、異なったメカニズムが作用して電子雪崩のプロセ
スがはたらく。多光子吸収によるイオン化は、荷電子帯
の電位がバンドギャップを超えるために多数のフォトン
をほとんど同時に吸収することによりイオン化状態に達
する。したがって、電子は単一フォトン吸収エネルギー
に相当する多数の中間エネルギー状態を通ってエネルギ
ー準位を上がっていく。基底状態へ緩和する前にフォト
ンの電場の影響下にありながら、これらのエネルギーレ
ベルは非常に短い時間でしか存在できない。通常の照射
レベルでは、このような多重衝突の発生確率はかなり低
いが、高エネルギーの短パルスレーザーの場合には、そ
の確率は高くなる。

【００２２】また、熱破裂と溶融を引き起こす薄膜の単
純吸収による破壊については、薄膜の物質に高強度の異
常光が入射すると薄膜による過剰な光の吸収によって薄
膜が高温状態となる。そして中央の薄膜３と他の薄膜と
の熱膨張率の不均一により応力破断が発生して破壊され
たり、中央の薄膜３が高温状態になることで溶融してし
まい破壊される。多くの場合、熱応力による損傷は不純
物の局所加熱が原因である。

【００２３】最後に、ブリュアン散乱による膜の破壊
は、高強度の光が中央の薄膜３に照射されると音波が発
生する。さらに高強度の光が照射され続けると、その結
果光学部品内で機械的応力が発生し破壊が生じる。

【００２４】このようなメカニズムが光ヒューズの薄膜
の破壊のメカニズムの一例として考えられる。

【００２５】以上が本発明の基本原理であるが、本発明
は、もちろん図１の光ヒューズの構成に限定されるわけ
ではない。例えば、３層の薄膜３の全てに、光の吸収量
が大きい物質を用いてもよい。また、薄膜２、３の各膜
厚を独立的に設定し、これら全てを任意膜厚の任意層と
してもよい。なお、透過フィルターとして使用された光
ヒューズに異常光が入射した場合にも、前述と同様、光
の吸収量が大きい物質で形成された膜が溶融・乖離す
る。積層された膜の構成が変化すれば、透過する光の波
長域がシフトしたり、また、目的の波長における透過率
が減少するので透過光の光量を減少させることができ
る。

【００２６】つぎに、図３〜図５を用いて光ヒューズの
作用について具体的に説明する。

【００２７】図３の光ヒューズは、装置の内部において
レーザー光の通過光路上に配置されて、所定の波長成分
を反射光として取り出すものである。レーザー光の波長
（λ）は、４３６ｎｍである。この光ヒューズは、透明
ガラス基板１と、この上に設けられた交互多層膜とを有
する。交互多層膜は、低屈折率物質２としてのＡｌ₂Ｏ₃
と、高屈折率物質３としてのＴｉＯ₂とを交互に積層す
ることによって形成した。波長λ（＝４３６ｎｍ）にお
ける屈折率は、透明ガラス基板１が１．５２、ＴｉＯ₂
が２．３５、Ａｌ₂Ｏ₃が１．６７である。各薄膜の光学
的膜厚は、０．２５λである。なお、光学的膜厚が０．
２５λの高屈折率物質をＨ、光学的膜厚が０．２５λの
低屈折率物質をＬとした場合、前述の交互多層膜は、
（ＨＬ）⁵Ｈとして表される。これは、５つの周期層
（ＨＬ）と、１つの高屈折率物質層（Ｈ）によって交互
多層膜が形成されていることを意味する。なお、これら
の積層構造については、図面が煩雑になるため、図３で
は簡略化されて示されている。

【００２８】この光ヒューズの分光特性は、図４に示さ
れている。４３６ｎｍの波長を有するレーザー光を、本
光ヒューズは、およそ１００％反射する。

【００２９】ここで、レーザー光の強度が高まり、光ヒ
ューズの薄膜の一部が溶融・乖離した場合を考える。図
４には、このときの分光特性も示されている。同図に示
すように、薄膜損傷後においてレーザー光の反射率は５
５％程度に減少している。すなわち、図３の反射光の光
量が減少し、その結果、通常時において反射光を利用し
ている、光ヒューズ以降の各光学部品が保護される。

【００３０】また、図５には、干渉フィルターとして機
能する光ヒューズの一例の特性が示されている。この光
ヒューズは、与えられたレーザー光の所定の波長成分の
みを透過させるものである。前述と同様、レーザー光の
波長（λ）は、４３６ｎｍである。この光ヒューズの構
造は、前述と同様、透明ガラス基板１と、この上に設け
られた交互多層膜とを有するが、高屈折率物質としてＴ
ｉＯ₂を、低屈折率物質としてＳｉＯ₂を用いている。波
長λ（＝４３６ｎｍ）における屈折率は、透明ガラス基
板１が１．５２、ＴｉＯ₂が２．３５、ＳｉＯ₂が１．４
８である。各薄膜の光学的膜厚は、０．２５λである。
前述の表記法を用いた場合、この交互多層膜は、（Ｈ
Ｌ）³ＨＨ（ＬＨ）³として表される。

【００３１】ここで、レーザー光の強度が高まり、光ヒ
ューズの薄膜の一部が溶融・乖離した場合を考える。図
５には、このときの分光特性も示されている。同図に示
されているように、薄膜損傷後においてレーザー光の透
過率は、３２％程度に減少している。すなわち、透過光
の光量が減少し、通常時に透過光を利用している、光ヒ
ューズ以降の各光学部品が保護される。

【００３２】なお、レーザー光による薄膜損傷は、主に
膜自身の光の吸収によるものであるが、このような薄膜
損傷は、薄膜形成時の欠陥や不純物の混入によっても発
生することが知られている。したがって、薄膜物質に所
定の不純物を混入し、意図的に膜破壊を起こすように構
成してもよい。

【００３３】図６には、反射ミラーとして機能する光ヒ
ューズのその他の形態が示されている。

【００３４】この光ヒューズは、ガラス基板１上におい
て、光の吸収効果の高い酸化膜４を挾んで、屈折率の高
い誘電薄膜３と屈折率の低い誘電薄膜２が交互に積層さ
れている。この酸化膜は、前述と同様、ＣｅＯ₂、Ｎｂ₂
Ｏ₅、ＳｉＯ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｔｉ₂Ｏ₃、ＴｉＯ、
ＺｒＯ₂、ＺｒＯなどの酸化物を少なくとも一種類含ん
で形成される。酸化膜４は、必要に応じて２層以上設け
ても構わない。また、酸化膜４の破壊をまねくレーザー
の強度のしきい値は、当該酸化膜の組成によって定まる
が、例えば、つぎの通りである。

【００３５】使用したレーザの波長（λ’）は、３５０
ｎｍで、パルス幅（τ）は、０．０１７ｎｓである。基
板としては、合成石英を２つ用意し、その一方に、Ｔｉ
Ｏ₂を１／４λの光学膜厚で成膜し、他方には、ＺｒＯ₂
を、同じく１／４λの光学膜厚で成膜して２つの試料を
製作した。

【００３６】２つの試料のそれぞれにレーザを照射する
と、ＴｉＯ₂の損傷発生のしきい値は、０．１４Ｊ／ｃ
ｍ²、ＺｒＯ₂の損傷発生のしきい値は、１．７Ｊ／ｃｍ
²であった。

【００３７】これらは一例に過ぎないが、光ヒューズを
製作する場合には、目的のしきい値が設定されるような
酸化膜を成膜すればよい。

【００３８】なお、２つの直角プリズムの互いの斜面
を、前述したような交互多層膜を挾むようにして重ね合
わせて、これらを接合すれば、キューブ型の光ヒューズ
を実現することができる。この際、先程の交互多層膜に
加えて、当該光ヒューズの出射面や入射面に所定の交互
多層膜を新たに設け、保護効果を高めてもよい。

【００３９】つぎに、本発明に係る光ヒューズが組み込
まれる装置について説明する。本発明の光ヒューズは、
光学系を備えたあらゆる装置に適用可能であるが、特
に、高価な光学部品が多数内蔵されている高性能・高精
度な装置に有用である。この装置としては、例えば、金
属／非金属材料の高速加工に用いられるレーザー加工機
や大規模集積回路（ＬＳＩ）を製造するための縮小投影
露光装置がある。

【００４０】図７は、代表的なレーザー加工機のブロッ
ク図である。このレーザー加工機には、半導体レーザー
５と、半導体レーザー５から発せられたレーザー光を反
射する光ヒューズ６と、光ヒューズ６の反射光を利用す
る光学系が含まれている。この光学系には、光ヒューズ
６からのレーザー光を反射するミラー７と、この反射光
をもとにジャイアントパルスを発生させるための光学系
（反射ミラー８、Ｑスイッチ９、ビームシャッター１
０、レーザーヘッド１１、モードセレクター１２、出力
ミラー１３）と、加工表面を観察するための光学系（ダ
イクロイックミラー１４、視野レンズ１７、反射プリズ
ム１８、十字線標準板１９、リレーレンズ２０、ＣＣＤ
カメラ２１、ハーフミラー２２、照明光源２３）と、レ
ーザー光のパワーをモニターするパワーモニター１６
と、ダイクロイックミラー１４からのレーザー光を集光
する集光レンズ１５が含まれている。図示しない被加工
物は、移動テーブルに載置されている。この移動テーブ
ルの位置は、集光レンズ１５からのレーザー光が加工対
象面の目的の箇所に照射されるよう自動制御される。

【００４１】レーザー加工機は、既によく知られている
ので詳細な説明は省くが、図７に示すようにレーザーミ
ラーとして機能する光ヒューズ６を予め組み込んでおけ
ば、万一、半導体レーザー５に異常が生じて、ここから
高強度のレーザー光が出力されても、光ヒューズのみが
破損するだけで、これ以降の各光学部品は保護される。
なお、この光ヒューズは、加工機本体に着脱可能に設け
られており、破損した場合には、新品に交換される。

【００４２】図８は、代表的な縮小投影露光装置（いわ
ゆるステッパー）のブロック図である。このステッパー
は、超高圧水銀灯３３と、楕円凹面鏡３４と、第１ミラ
ー２４と、光ヒューズ２５と、コリメートレンズ２６
と、インテグレーター２７と、第２ミラー２８と、コン
デンサーレンズ２９と、レチクル３０と、縮小レンズ３
１とを有する。光ヒューズ２５は、第１ミラー２４で反
射された光をコリメートレンズ２６に導くものであり、
前述と同様、交換可能に取り付けられている。

【００４３】このステッパーは、超高圧水銀灯３３から
発せられた光束を楕円凹面鏡３４で集光して、インテグ
レーター２７で均一にする。その後、この均一な光をコ
ンデンサーレンズ２９に通してレチクル３０を照明し、
レチクルパターンをウエハー３２上に転写する。ウエハ
ー３２は、移動ステージ（図示省略）に載置されてお
り、この移動ステージを順次移動させることによってウ
エハー３２の露光を行っていく。本例の光ヒューズ２５
は、干渉フィルタとして機能するが、万一、光源側に異
常が生じて強度の高い光が発生しても前述と同様、光ヒ
ューズのみが破損するだけで済む。すなわち、光ヒュー
ズ２５以降に配置されている各光学部品が保護される。
破損した光ヒューズは、新たなものに交換すればよい。
なお、図８に示すように、光が集光する部分に光ヒュー
ズを用いれば、光ヒューズの大きさを小さくすることが
できる。

【００４４】以上、本発明の光ヒューズの適用例を２つ
挙げたが、何れにおいても、光ヒューズは、比較的精度
を問わない、すなわち安価な光学部品として装置に組み
込まれている。このようにすれば、光学装置を使用して
いく上でのコストを大幅に低減させることができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明の保護器具（光ヒューズ）によれ
ば、装置の異常により発生する高い強度を有する光から
各光学部品を保護するための機構を簡素化することがで
きる。また、本発明の光ヒューズを、装置の所定の機能
を達成するために直接必要な光学部品の一部として組み
込めば、光ヒューズ用のスペースを特に確保する必要が
ないので、装置全体の小型化を図ることができる。ま
た、比較的安価に実現できる光学性能を持った光ヒュー
ズであれば、繰返し交換していった場合でもコストがか
からない。

【００４６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）の原理を
示す説明図（その１）。

【図２】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）の原理を
示す説明図（その２）。

【図３】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）の一実施
形態を示した構成図。

【図４】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）を反射ミ
ラーに適用した場合の分光特性の一例を示すグラフ。

【図５】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）を干渉フ
ィルタに適用した場合の分光特性の一例を示すグラフ。

【図６】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）のその他
の実施形態を示した構成図。

【図７】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）が組み込
まれるレーザー加工機の一例の光学系に関するブロック
図。

【図８】本発明に係る保護器具（光ヒューズ）が組み込
まれる縮小投影露光装置の一例の光学系に関するブロッ
ク図。

【符号の説明】

１：ガラス基板、２、３、４：薄膜、５：半導体レ
ーザー、６、２５：光ヒューズ、７：ミラー、
８：反射ミラー、９：Ｑスイッチ、１０：ビームシ
ャッター、１１：レーザーヘッド、１２：モードセ
レクター、１３：出力ミラー、１４：ダイクロイッ
クミラー、１５：集光レンズ、１６：パワーモニタ
ー、１７：視野レンズ、１８：反射プリズム、１
９：十字線標準板、２０：リレーレンズ、２１：Ｃ
ＣＤカメラ、２２：ハーフミラー、２３：照明光
源、２４：第１ミラー、２６：コリメートレンズ、
２７：インテグレーター、２８：第２ミラー、２
９：コンデンサーレンズ、３０：レチクル、３１：
縮小レンズ、３２：ウエハー、３３：超高圧水銀
灯、３４：楕円凹面鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光路上に配置された一又は二以上の光学部
品を、所定値以上の強度を持つ光から保護する光学部品
の保護器具であって、入射した光の一部又は全部を目的の方向に射出するため
の光路を形成すると共に、入射した光の強度が前記所定
値以上になった場合には自身の一部を破壊して、射出す
る光の強度を減少させる光学部品の保護器具。
【請求項２】前記保護器具は、所定の強度以上の光が入
射した際に、入射した前記光により破壊される破壊膜を
有していることを特徴とする請求項１記載の光学部品の
保護器具。
【請求項３】前記破壊膜は、所定の強度以上の光により
破壊する一種類以上の酸化膜を有していることを特徴と
する請求項２記載の光学部品の保護器具。
【請求項４】前記保護器具は、前記破壊膜と、前記破壊
膜とは屈折率の異なる物質で成膜された第１膜と、基板
とで形成され、所望の波長域の光を分離することを特徴
とする請求項２または３記載の光学部品の保護器具。
【請求項５】前記第１膜とは屈折率の異なる物質であ
り、かつ、前記破壊膜とは異なる物質で成膜された第２
膜と、前記第１膜とを交互に前記基板上に有し、前記破
壊膜が所望の部位に設けられ、所望の波長域の光を分離
することを特徴とする請求項４記載の光学部品の保護器
具。