(57)【要約】【課題】  フッ化カルシウム単結晶からなる紫外線光学素子のレーザー光耐性をその単結晶の純度を向上させること以外の方法で高める。【解決手段】  フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材２は、表面2aが（１００）面方位を持っている。この素材２を効率的に得るために、端面が（１００）面方位を有する種結晶を矢印方向に成長させることで端面が（１００）面方位を有するフッ化カルシウム単結晶インゴットを得る。次に、この単結晶インゴットを（１００）面方位に平行に切断して、（１００）面方位の紫外線光学素子の素材２を得る。このようにして得た表面が（１００）面方位を有する素材２を窓板に用いる場合は素材２の両面を平行に精密研磨を行い、レンズに用いる場合は素材２の片面又は両面が適度な曲率を持つように精密研磨を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ化カルシウム単結晶からなる透明な光学素子であって、その表面が（１００）面方位を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、前記光学素子は窓板状であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１記載の光学素子において、前記光学素子はレンズであることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１記載の光学素子において、前記光学素子はプリズムであることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項２記載の光学素子及び／又は請求項３記載の光学素子をその光学系に備えたことを特徴とする紫外線レーザー光発生装置。
【請求項６】
請求項５記載の紫外線レーザー光発生装置において、前記光学素子の表面に対して紫外線レ―ザー光が垂直からブリュースター角に相当する角度以内の角度で入射するように前記光学素子が配置されていることを特徴とする紫外線レーザー光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ化カルシウム単結晶の紫外線透過特性を利用した紫外線光学素子に関し、特に、深紫外線レーザー光に対する耐性を向上させたフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年レーザー光を用いた溶接、切断などの材料加工は、従来の炭酸ガスレーザー(10.6μｍ)やYAGレーザー(1064nm)等の波長の長い光線による加工から、波長の短いレーザー光線を用いた分野まで広がりをみせている。そこでは精密切断、微小穴あけ、溝加工、ダイシング、アニーリング、トリミング、リペア、  その他リソグラフィー、レーザーアブレーション、クリーニング、膜生成、熱処理、結晶成長等、精密加工が幅広く実施されている。紫外線利用レーザープロセスにおいては、YAGレーザー光（1064nm）の３倍波（355nm）、４倍波（266nm）、５倍波（213nm）や、あるいはエキシマーレーザー（XeF；351nm,XeCl;308nm,KrF;248nm,ArF;193nm,F2;157nm） を用いた紫外光線のレーザー光を使うことが有効である。ここでレーザー光を透過させ、集光させる光学材料には石英ガラスやフッ化カルシウム単結晶を用いた紫外線光学素子が使用されている。
【０００３】
特に波長が400nmより短い紫外線レーザー光で使用される紫外線光学素子には、紫外線レーザー光の波長での高い透過率と高いレーザー光耐性が必要となる。中でもフッ化カルシウム単結晶は、紫外線レーザー光のような波長が短くエネルギー密度の高いレーザー光に対しては石英ガラスよりも優れたレーザー光耐性を持つので、これを使用することが有効である（非特許文献１参照）。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、フッ化カルシウム単結晶５１の結晶構造は、カルシウムイオン(Ca)とフッ素イオン(F)からなる蛍石構造をしており、カルシウムイオン(Ca)は面心立方格子をフッ素イオン(F)は単純立方格子をとる位置にあり、お互いがイオン結合している。この単結晶は図６に破線で示す（１１１）面方位51aでのへき開性を持っており、単結晶インゴットより板状の素材を切り出す場合には、この（１１１）面方位に平行に切断をすることが最も材料歩留まりが良い。そのために、図６（ｂ）に示すように紫外線光学素子に利用される板状フッ化カルシウム単結晶52は板の表面52aが（１１１）面方位を有しているものが殆どである。
【０００５】
図７に示すように、フッ化カルシウム単結晶インゴット61は、端面が（１１１）面方位又は（１００）面方位を有する種結晶62を矢印方向に成長させることで得られる。例えば端面が（１１１）面方位になっている場合は、板状の素材52を得るには、この面方位に平行に、へき開又は切断をしている。このようにして得た（１１１）面方位の紫外線光学素子の素材52を窓板に用いる場合は、素材52の両面が平行になるように精密研磨を行い、レンズに用いる場合は素材52の片面又は両面を適度な曲率を持つように精密研磨を行う。
【０００６】
図８は紫外線レーザー光発生装置の１例を示している。この図において、（１１１）面方位を有する素材52を研磨加工した窓板状紫外線光学素子71が防塵ボックス72の左右に１枚ずつ固定されており、その中央にはレーザー光波長変換素子73であるホウ酸リチウム(LB0)やセシウム・リチウム・ホウ酸(CLBO)が配置されている。また、防塵ボックス72の左方（光軸方向後方）には（１１１）面方位を有する素材52を研磨加工したレンズ状紫外線光学素子74が配置され、その左方には被加工物75が配置されている。以上の構成を有する紫外線レーザー光発生装置において、YAGレーザー光の２倍波である波長532nmのレーザー光（以下、532nmレーザー光という）76がレーザー光波長変換素子73を通過して波長266nmのレーザー光（以下、266nmレーザー光という）77に波長変換される。この266nmレーザー光77は、窓板状紫外線光学素子71を透過し、レンズ状紫外線光学素子74を透過し集光されたレーザー光78となり、被加工物75に当たり、その表面で化学反応、熱反応などが起きて微小孔79が開けられる。
【０００７】
しかし、前述した紫外線レーザー光発生装置を実用化する場合には以下の問題点を抱えている。それは、波長変換された266nmレーザー光77が窓板状紫外線光学素子71を透過し、レンズ状紫外線光学素子74を透過し、集光される過程で、フッ化カルシウム単結晶内部においてレーザー光との物理化学反応が起き、透過率が時間とともに低下していくことである。この現象は「レーザー光損傷劣化」と言われ、その原因は主に不純物によるもの又は物質固有な性質によるものなどである。これらのメカニズムについて学問的に解明されつつあるがその詳細については不明な部分が残されている。紫外線光学素子においてはこの様な透過率低下がつきまとい、その程度が大きい場合には、266nmレーザー光が紫外線光学素子を透過する毎にレーザー光の強度は時間と伴に低下し、紫外線レーザー光発生装置はレーザー加工装置として機能しないことになる。この紫外線光学素子の透過率低下は深紫外波長領域へいく程顕著になってくる傾向が見出されている。
【０００８】
近年、フッ化カルシウム単結晶の製造技術の向上とそこに用いられる原料の純度向上が図られ、266nmレーザー光に対するフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の劣化レベルは、石英ガラス紫外線光学素子と較べ大幅に少なくなっている。例えば非特許文献１のデータより、266nmレーザー光が500ミクロン程度のビーム口径で、その平均パワー600ミリワット（ピークパワー密度1.22メガワット/cm2）をフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子に当てた場合の劣化は、50時間後でも全く見られておらず、実用に近いレベルになってきた。
【０００９】
しかし現実問題としては、266nmレーザー光を用いた加工では、その出力を上げて作業効率を図る必要が出てきている。実際に266nmレーザー光の強度は年々増加しており、最近は40ワット程度になってきた。この場合のフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子表面上の平均エネルギー密度は以前より１桁から２桁高くなり、その劣化を最小にするには光学素子に対する透過率の向上、レーザー光に対する耐性の向上が更に求められることになる。
【００１０】
そこでまず考えられることがフッ化カルシウム単結晶中の不純物を極限レベルまで減らして、品質を高めることである。しかし、フッ化カルシウム単結晶の高品質化については、既に原料の純度が99.9999999％の領域まで向上し、技術上の限界に近づいてきた。この様な状況を打破するには、フッ化カルシウム単結晶素材の純度向上による品質改良以外での対処が求められている。
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics;  Vol.43,  No.2  (2004)  P644  ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、従来のフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子のレーザー光耐性への対処は、（１１１）面方位を持つフッ化カルシウム単結晶中の不純物を減らすことでなされてきた。しかしながら、今後266nmレーザー光強度の増加とともに、そのレーザー光耐性は（１１１）面方位を有した高純度フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子では不十分であるという問題がある。
【００１２】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子のレーザー光耐性をフッ化カルシウム単結晶の純度を向上させること以外の方法で高めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、このような問題点に鑑み、鋭意研究した結果、フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子に関し、その表面が（１００）面方位を有したフッ化カルシウム単結晶は、その深紫外線レーザー光に対する耐性が、（１１１）面方位を有するものよりも大幅に優れていることを見出し、本発明に到達した。
【００１４】
請求項１に係る発明は、フッ化カルシウム単結晶からなる透明な光学素子であって、その表面が（１００）面方位を有することを特徴とする光学素子である。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光学素子において、前記光学素子は窓板状であることを特徴とする光学素子である。窓板状の光学素子としてはレーザー光取り出し窓板、エタロン板、ビームスプリッターなどがある。
請求項３に係る発明は、請求項１記載の光学素子において、前記光学素子はレンズであることを特徴とする光学素子である。
請求項４に係る発明は、請求項１記載の光学素子において、前記光学素子はプリズムであることを特徴とする光学素子である。
請求項５に係る発明は、請求項２記載の光学素子及び／又は請求項３記載の光学素子をその光学系に備えたことを特徴とする紫外線レーザー光発生装置である。
請求項６に係る発明は、請求項５記載の紫外線レーザー光発生装置において、前記光学素子の表面に対して紫外線レ―ザー光が垂直からブリュースター角に相当する角度以内の角度で入射するように前記光学素子が配置されていることを特徴とする紫外線レーザー光発生装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る光学素子によれば、フッ化カルシウム単結晶の純度を向上させること以外の方法でレーザー光耐性を高めることができる。また、本発明に係る紫外線レーザー光発生装置によれば、紫外線レーザー光発生装置の長寿命化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１(a)はフッ化カルシウム単結晶１の結晶構造を示し、図１(b)は（１００）面1a上でのカルシウムイオン(Ca)とフッ素イオン(F)との配置を示し、図１(c)は本発明に係るフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材２を示す。
【００１７】
図１（ｃ）に示すように、本実施形態に係るフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材２は、表面2aが（１００）面方位を持っている。この素材２を効率的に得るために、図２に示すように、端面が（１００）面方位を有する種結晶12を矢印方向に成長させることで端面が（１００）面方位を有するフッ化カルシウム単結晶インゴット11を得る。次に、この単結晶インゴット11を（１００）面方位に平行に切断して（１００）面方位を有する紫外線光学素子の素材２を得る。このようにして得た表面が（１００）面方位を有する紫外線光学素子の素材２を窓板に用いる場合は素材２の両面が平行になるように精密研磨を行い、レンズに用いる場合は素材２の片面又は両面が適度な曲率を持つように精密研磨を行う。
【００１８】
図３は本実施形態に係る紫外線レーザー光発生装置の構成を示す図である。この紫外線レーザー光発生装置では、（１００）面方位を有する紫外線光学素子の素材２を研磨加工した窓板状紫外線光学素子21が防塵ボックス22の左右に１枚ずつ固定されており、その中央にはレーザー光波長変換素子23であるホウ酸リチウム(LB0)やセシウム・リチウム・ホウ酸(CLBO)が配置されている。また、防塵ボックス22の左方（光軸方向後方）には（１００）面方位を有する素材２を研磨加工したレンズ状紫外線光学素子24が配置され、その左方には被加工物25が配置されている。以上の構成を有する紫外線レーザー光発生装置において、YAGレーザー光の２倍波である532nmレーザー光26がレーザー光波長変換素子23を通過して266nmレーザー光27に波長変換される。この266nmレーザー光27は、窓板状紫外線光学素子21を透過し、レンズ状紫外線光学素子24を透過し、集光されたレーザー光28となり、被加工物25に当たり、その表面で化学反応、熱反応などが起きて微小孔29が開けられる。
【００１９】
このように、本実施形態に係る窓板状光学素子21及びレンズ状光学素子24は、フッ化カルシウム単結晶の表面が（１００）面方位になるように加工されているので、レーザー光を（１００）面方位に垂直に入射させることで、高強度紫外線レーザー光への窓板又はレンズとしての使用が可能となる。また、本実施形態に係る紫外線レーザー光発生装置は、窓板及び集光レンズとして、それぞれフッ化カルシウム単結晶の表面を（１００）面方位になるように加工した窓板状紫外線光学素子21及びレンズ状紫外線光学素子24を用い、レーザー光を窓板状紫外線光学素子材21及びレンズ状紫外線光学素子24に垂直に入射させることで、レーザー光耐性を向上させたので、紫外線レーザー光の強度を上げることが可能なため、レーザー加工の時間短縮ができ、作業能率が向上するという利点がある。なお、窓板状紫外線光学素子21又はレンズ状紫外線光学素子24に対する紫外線レーザー光の入射角度をブリュースター角（60°程度）より小さい範囲内で垂直から傾けてもよい。
【００２０】
本実施形態での説明は266nm光発生の固体レーザー装置で行ったが、本発明でのフッ化カルシウム単結晶からなる透過光学素子が適用される紫外線レーザー光発生装置は、各種のエキシマーガスレーザー（XeF；351nm,XeCl;308nm,KrF;248nm,ArF;193nm,F2;157nm）も含まれることは当然である。
【実施例】
【００２１】
本発明に係る紫外線光学素子の効果を確認するために図４に示す装置を試作し、紫外線光学素子のレーザー光耐性を測定した。図４に示すように、棒状フッ化カルシウム単結晶31の右側（光軸方向前方）にレンズ状紫外線光学素子32を配置し、左側（光軸方向後方）にパワーメーター33を配置した。レンズ状紫外線光学素子32は、図３のレンズ状紫外線光学素子24と同様に（１００）面方位を有する素材２から加工したものである。また、棒状フッ化カルシウム単結晶31は、両端面31aが（１１１）面方位を持つ試料及び両端面31aが（１００）面を持つ試料を複数ずつ用意した。
【００２２】
以上の構成を有する実施例装置において、266nmレーザー光34はレンズ状紫外線光学素子32で集光され、棒状フッ化カルシウム単結晶31に導入される。棒状フッ化カルシウム単結晶31を透過した266nmレーザー光36は、パワーメーター33によりその強度が観測される。棒状フッ化カルシウム単結晶31の試料に当てる266nmレーザー光34の強度を徐々に増加させていき、ある強度になるとパワーメーター33で観測される値が急減する点が出てくる。これが「レーザー光耐光強度閾値」であり、これ以上のパワーは透過できない限界点を示したことになる。これらの実験で両端面31aが（１１１）面方位の試料及び（１００）面方位の試料のそれぞれの「レーザー光耐光強度閾値」でのパワーメーター33の出力を観測することで、各試料のレーザー耐光強度限界点（閾値）を知ることができる。
【００２３】
図５はこれらのデータをまとめたもので、試料番号No.1は（１１１）面方位を有する試料、試料番号No.2から試料番号No.4までは（１００）面方位を有する試料のもので、それぞれについて266nmレーザー光に対する耐光強度限界点を示してある。例えば（１１１）面方位を有する試料番号No.1の試料の限界点は３ギガワット／cm2であるが、（１００）面方位を有する試料番号No.3のそれは10ギガワット／cm2となっている。これら二つの266nmレーザー光に対する耐光強度限界点の比をとってみると3.33となり、試料番号No.3の266nmレーザー光に対する耐光強度限界点は試料番号No.1の試料の限界点よりも３倍以上も耐性が向上していることが判った。この傾向は（１００）面方位を有する試料番号No.2及びNo.4の試料についても同様であった。
【００２４】
この実施例より、深紫外線レーザー光用のフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子において、266nmレーザー光に対する耐光強度は（１００）面方位を有する紫外線光学素子が（１１１）面方位を有する紫外線光学素子より明らかに優れていることが確認できた。このように「レーザー光耐光強度閾値」が高いということは紫外線光学素子の長時間使用での劣化が少ないことを裏付けていることになる。その結果、（１００）面方位を有するフッ化カルシウム単結晶を加工した紫外線光学素子は、紫外線レーザー用として耐性の高い優れた紫外線光学素子であることが証明され、今後の深紫外線レーザー光の強度増加に対し、有用であることが判った。
【００２５】
なお、表面が（１００）面方位を有するフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の266nmレーザー光以外の紫外線レーザー光に対する耐光強度が（１１１）面方位を有する紫外線光学素子より優れていることはいうまでもない。従って、（１００）面方位を有するフッ化カルシウム単結晶は、波長400nm以下の紫外線レーザー光に対して有用で耐性の高い優れた素材であることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】フッ化カルシウム単結晶の結晶構造及び本発明の実施形態に係るフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材を得る工程を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る紫外線レーザー光発生装置を示す図である。
【図４】本発明に係る紫外線光学素子の効果を確認するための実施例装置の構成を示す図である。
【図５】図４の実施例装置で取得した実験データを示す図である。
【図６】フッ化カルシウム単結晶の結晶構造及び従来のフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材を示す図である。
【図７】従来のフッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材を得る工程を説明するための図である。
【図８】従来の紫外線レーザー光発生装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１・・・フッ化カルシウム単結晶、1a・・・（１００）面、２・・・フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材、2a・・・フッ化カルシウム単結晶紫外線光学素子の素材の表面、21・・・窓板状紫外線光学素子、22・・・防塵ボックス、23・・・レーザー光波長変換素子、24・・・レンズ状紫外線光学素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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