JPS6066202A - レ−ザ用反射鏡 - 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】 本発明は、レーザ用反射鏡番ご関するものである。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−レーザ（たとえば、稀
ガスー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っ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１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
以りの物質（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
−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ｄ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１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
−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−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
−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。従って基板の再使用
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った
。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った。

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っ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ってレーザ共振器内
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、蒸着法またはスパッタ法により該支持
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＠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、
ＸｅＣＡ、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。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明のレーザ用反射鏡は、基板上に蒸着法またはスパ
ッタ法（スパッタ蒸着法）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イビケイ素
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ッ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
法またはスパッ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。Ｍ着法またはス
パッタ法以外の方法、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表および第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１゛怜が高いため、レーザ共
振機内反射鏡としても長期間に渡っ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、従っ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、多結晶ケイ素もしくは
硬質炭素からなる基板である。ただし、基板は耐熱性、
比重、強度、表面層との親和性等の要件を満足する物質
であれば良く多結晶ケイ素および硬質炭素に限定される
ものではない。

すなわち、炭化ケイ素または窒化ケイ素の表面層は、同
じく耐熱、ｌＮ１１腐食性について良好な硬質材料であ
る多結晶ケイ素もしくは硬質炭素（後掲の第１表および
第２表参照）からなる基板上に付設することにより特に
優れたレーザ用反射鏡表面層となる。この多結晶ケイ素
もしくは硬質炭素の基板に対しては、炭化ケイ素と窒化
ケイ素とはいずれも親和性も高いため、多結晶ケイ素も
しくは硬質炭素の基板表面に、蒸着法またはスパッタ法
により炭化ケイ素または窒化ケイ素の均質かつ堅固な表
面層を形成することができる。

本発明において表面層の材料として使用する炭化ケイ素
と窒化ケイ素、そして基板の材料として好ましい多結晶
ケイ素と硬質炭素の代表的な物性値を第１表と第２表に
示す。また従来から一般的に用いられている基板材料の
石英ガラスと銅の物性値についても併せて第１表とｆＪ
、２表に示す。

第１表 熱変形指数　強靭性 ［熱伝導率／　［ヤング率／ 熱膨張係数］　密度］ （Ｗ／ｃｍ）　（ｃｍ） 石英カラス　３．９　Ｘ　１０’　３．Ｉ　Ｘ　１０’
銅　２．４　Ｘ　１０５　１．３５Ｘ　１０８（Ｉ史　
質　）父　、Ｊ　８．５　Ｘ　１０５　１．８　Ｘ　１
０’多結晶ケイ素　３．Ｂ　Ｘ　１０５　４．８５Ｘ　
１０９炭化ケイ素　４．２　Ｘ　１０５　１．５４Ｘ　
１０９窒化ケイ素　３．６　Ｘ　１０’　３．７　Ｘ　
１０８以下余白 第２表 硬　さ　鏡面　再蒸着 （Ｋｇ／ｍｍ２）　研磨性　性 石英ガラス　４．８４Ｘ　１０２　良　長鋼　１．１７
〜１．２７Ｘ　１０２　不良　不良硬質炭素　２．２５
Ｘ　１０２　良　−多結晶ケイ素　Ｉ　ＸＩＯ３良　− 炭化ケイ素　２．５〜３．５　ＸＩＯ３−極めて良窒化
ケイ素　３．３　ＸＩＯ３−極めて良なお、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・ｒ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呈を維持できる。従って、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、０．１ｇｍ〜１
ｍｍ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、ｌ：５〜ｌ：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って多層膜が旧設されるが、
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、居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５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」二への二酸化
ケイ素中間層の形成は、たとえば蒸着法またはスパッタ
法などを利用して実施することできる。

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ッタ法を利用して、
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
離れるに従っ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ッタし、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化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、Ｏｌ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って適宜選択すること
ができる。

すなわち、一般的な多Ｎ膜の構成は、高屈折率物質（層
厚＝入／４、ただし入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
例としてはフッ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ッタ法によ
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、」−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、反応性高速スパッ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って炭素の
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
の調整を行なった。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ッ化マグネシウムをそれぞ
れの膜厚が入／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」二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ッタ法や高
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や高周
波スパッタ電力およびケイ素等基板の温度等を制御する
ことによっ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。従ってこの基板部分
の反射率の値と波長域とを用途・仕様に適応させ、さら
に用途によって選択した素材からなる多層膜をその基板
」二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。従って、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、Ｋ
ｒＦ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。 ｌ二基板、２二表面層、３：中間層、４：表面保護層、
Ｈ：高屈折率層、Ｌ：低屈折率層特許出願人　工業技術
院長　用田裕部 同」二日本薄膜光学株式会社 第２図 夕尺丸　（・ｎｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ。基板、蒸着法またはスパッタ法により該基板」二に
   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　、１　ｇｍ〜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＝５〜１：１ＯＯ
   ０００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。