(57)【要約】【課題】  レーザ損傷耐力を低下させることなく光学素子の表層に埋没した研磨砥粒を除去することが可能な、光学素子の表面処理方法を提供する。【解決手段】  光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、イオンエッチングされた表面を、光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップとを備える。【選択図】図１
2007072121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学研磨された光学素子の表面を処理する光学素子表面処理方法であって、
前記光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、
前記イオンエッチングされた表面を、前記光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップと
を備えることを特徴とする光学素子表面処理方法。
【請求項２】
前記イオンエッチングステップにおいて前記光学素子がエッチングされる深さは、前記ケミカルエッチングステップにおいてエッチングされる深さよりも深いことを特徴とする請求項１に記載の光学素子表面処理方法。
【請求項３】
光学研磨された前記光学素子には、その表層に研磨砥粒が埋没した研磨不純物層が存在し、
前記イオンエッチングステップは、その研磨不純物層を除去するステップであることを特徴とする請求項２に記載の光学素子表面処理方法。
【請求項４】
前記研磨不純物層は、光学研磨された前記光学素子の表面から１０００ｎｍ以下の深さまで存在することを特徴とする請求項３に記載の光学素子表面処理方法。
【請求項５】
前記光学素子は、石英ガラス、フッ化カルシウム、及び酸化アルミニウムのいずれかから成ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学素子表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザシステムに用いられる光学素子の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、光としての際だった特徴により、化学技術から産業技術に至るさまざまの分野の基盤技術として実用化が進められている。そのために、レーザ光を発生させて出力するレーザシステムは、高密度なエネルギーの発生や紫外から赤外に及ぶ領域での特定波長出力など、さまざま特性が要求されている。しかし、エネルギー密度が極めて高いレーザ光を発生させようとすると、レーザシステム内部のレンズや反射鏡等の光学素子には、非常に強力なレーザ光が通過する。この場合、光学素子の表面や内部にレーザによる損傷が生じ、その損傷が原因となって、レーザ光の強度を増大させていくことが困難になるという問題が生じていた。以上からわかるように、レーザの出力や寿命等の特性は、レーザシステムにおける光学素子のレーザ損傷耐力で決まっているといっても過言ではない。
【０００３】
一方、光学素子のレーザ損傷耐力は、切断や光学研磨加工等により生じた表面変質層の影響により、内部よりも表面の方が低くなっている。よって、高いレーザ損傷耐力をもつ光学素子表面を創製することが、レーザシステムの高寿命化、高性能化には不可欠な要素である。
【０００４】
ここで、光学素子の表面変質層について簡単に説明する。図７は、表面変質層の状態を図式的に示した図である。図７に示されるように、表面変質層１０１は、研磨不純物層１０２、欠陥層１０３、及び歪み層１０４からなる。特に、研磨不純物層１０２は、研磨工程でその表層に研磨砥粒が埋没することにより生じる層であり、研磨方法によっても異なるが、おおよそ光学素子の表面から１００ｎｍ〜１０００ｎｍの深さまで存在する。
【０００５】
従来、光学素子のレーザ損傷耐力を改善するために、その研磨不純物層に埋没した研磨砥粒を除去する技術が開発されている。例えば、従来の表面処理方法には、機械的に研磨された結晶光学素子の表面にイオンビームを照射して残留砥粒を有する表層を除去するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、従来の他の表面処理方法には、研磨剤と反応する薬液によって光学素子の表面を化学処理して、光学素子の表面に影響を与えないで残留付着した研磨剤を除去するものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
なお、光学素子の材料と反応する薬液によって光学素子の表面を化学処理する方法は、光学素子の表面状態を劣化させるため、これまで用いられていなかった。
【特許文献１】特開２０００−２７１７６４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１等のイオンビームによる表面処理方法では、照射するイオンより、光学素子の表面の原子結合が破壊されて欠陥が生じる場合があった。その結果、その表面がレーザをより吸収するようになり、レーザ損傷耐力が低下するという課題があった。
【０００９】
また、特許文献２等の化学処理による表面処理方法では、研磨砥粒が埋没している層を除去した場合に、表面状態の劣化が不可避であり、この表面状態の劣化によって、レーザ損傷耐力が低下する場合があった。これは、石英ガラス以外の材料について、より顕著であった。
【００１０】
さらに、近年は、高エネルギーの深紫外域のレーザ光の利用が期待されており、これらのレーザ光を用いる場合には、レーザシステムにおける光学素子のレーザ損傷耐力の低下は大きな障害となる。よって、レーザ損傷耐力の高い表面を有する光学素子が強く要求されている。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光学研磨された光学素子に対して、レーザ損傷耐力を低下させることなく、その光学素子の表層に埋没した研磨砥粒を除去することが可能な、光学素子の表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光学素子表面処理方法は、光学研磨された光学素子の表面を処理する光学素子表面処理方法であって、前記の光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、前記のイオンエッチングされた表面を、前記の光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップとを備える。以下、この光学素子表面処理方法を「第１の光学素子表面処理方法」という。
【００１３】
好ましくは、前記のイオンエッチングステップにおいて前記の光学素子がエッチングされる深さは、前記のケミカルエッチングステップにおいてエッチングされる深さよりも深い。以下、この光学素子表面処理方法を「第２の光学素子表面処理方法」という。
【００１４】
好ましくは、第２の光学素子表面処理方法において、光学研磨された前記の光学素子には、その表層に研磨砥粒が埋没した研磨不純物層が存在する。また、前記のイオンエッチングステップは、その研磨不純物層を除去するステップである。以下、この光学素子表面処理方法を「第３の光学素子表面処理方法」という。
【００１５】
好ましくは、第３の光学素子表面処理方法において、前記の研磨不純物層は、光学研磨された前記の光学素子の表面から１０００ｎｍ以下の深さまで存在する。以下、この光学素子表面処理方法を「第４の光学素子表面処理方法」という。
【００１６】
好ましくは、第１から第４のいずれかの光学素子表面処理方法において、前記の光学素子は、石英ガラス、フッ化カルシウム、及び酸化アルミニウムのいずれかから成る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による光学素子の表面処理方法によれば、光学素子の表面にイオンビームを照射することによりエッチングを行うイオンエッチングステップと、イオンエッチングされた表面を、光学素子の材料と反応する所定の溶液に浸して溶解させることによりエッチングを行うケミカルエッチングステップとを備えるので、レーザ損傷耐力を低下させることなく、光学素子の表層に埋没した研磨砥粒を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による光学素子の表面処理方法では、まず、光学研磨された表面に対してイオンビームを照射し、その表層に埋没している研磨砥粒を除去する。さらに、そのイオンビームのエネルギーにより状態が劣化した表面に対してケミカルエッチングを行い、劣化部分を除去する。ここで、光学素子とは、レーザシステムにおいてレーザ光の光路に配置される素子であり、例えば、レンズ、窓材、プリズム、偏光子、ミラー基板、波長変換素子、及びＱスイッチ等が挙げられる。また、光学素子の材料には、レンズ等に用いられる光学ガラス及びセラミック材料、並びに波長変換素子やＱスイッチに用いられる非線形結晶等がある。本実施の形態１による光学素子の表面処理方法では、イオンエッチングの後にケミカルエッチングを行うことにより、イオンエッチングによって劣化した表面状態を改善し、レーザ損傷耐性を向上させることが可能である。よって、イオンエッチング時に照射イオンエネルギーにより物理的又は化学的な欠陥が生じて表面状態の劣化が起こり、レーザ損傷耐性の改善がほとんど得られない光学材料、例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等に適用するとより効果的である。
【００１９】
本実施の形態１による光学素子の表面処理方法では、まず、イオンビームを照射すると表面状態が劣化するＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３等の光学材料に対して、始めにイオンビームを照射して埋没している研磨砥粒を除去する。当然、イオンのエネルギーにより表面状態が劣化する。ＣａＦ２結晶の場合は、その影響により透過率が低下する。レーザ損傷耐力は、表面処理を行わない光学研磨されたまま（以下、「未処理」という。）の場合に比べて低下するか、僅かに向上する。発明者が使用しているエネルギー領域では、イオンビームによる表面状態の劣化が数原子層程度ぐらいであることに着目し、ケミカルエッチングで僅かに表面を溶かすことによってイオンビームで劣化した数原子程度を除去する。この場合、ケミカルエッチングの処理が非常に短時間で済むために、表面状態の劣化は生じない。このケミカルエッチングの処理により、低下した透過率は未処理の時の状態に戻る。さらに、レーザ損傷耐力は、未処理の場合に比べて２倍まで向上する。
【００２０】
以下に、本実施の形態１による光学素子の表面処理方法について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１による光学素子の表面処理方法を説明するためのフローチャートである。図１に示されるように、まず、光学研磨された光学素子の表面にイオンビームを照射してイオンエッチングを行う（ステップＳ１）。これにより、光学素子の表層に埋没している研磨砥粒を除去することができる。イオンビームの加速電圧は、例えば、１０ｅＶ〜１０００ｅＶである。このイオンエッチングにより、研磨砥粒が埋没した研磨不純物層が除去される。研磨不純物層の表面からの深さは、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍである。
【００２１】
しかしながら、照射したイオンのエネルギーにより、化学的及び／又は物理的欠陥が生じて、その表面状態は劣化する。これにより、例えば、光学素子がＣａＦ２から成る場合、その光学素子の透過率は低下する。よって、イオンエッチングされた表面に対してケミカルエッチングを行い、その表面を溶かす（ステップＳ２）ことによって、イオンビームにより劣化した表面を除去する。その際、用いられるエッチング溶液は、光学素子の材料と反応する溶液であり、その光学素子の表面粗さや材料表面の組成などの表面状態を劣化させずに化学反応により０．１〜６０ｎｍ程度の極表面層を除去することができる酸やアルカリ等の溶液である。例えば、光学素子が酸に可溶するＣａＦ２から成る場合、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）等が用いられる。これは、塩酸や硫酸等の酸では濃度を極めて低くし長時間エッチングしなければ反応性が強すぎて表面状態の劣化が起こってしまうのに対し、リン酸は比較的高い濃度でも反応が極めて穏やかに進むためである。上述の表面処理方法により、光学素子の表面変質層を構成する研磨不純物層を除去することができる。
【００２２】
以下に、上述の表面処理方法で処理した光学素子のレーザ損傷耐力の測定方法及び測定結果について説明する。図２は、レーザ損傷耐力の測定装置の構成例を示した図である。図２に示されるように、レーザ損傷耐力測定装置１は、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ２、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０(ＣＬＢＯ）結晶３、プリズム４、ビームダンパ（ｂｅａｍ ｄｕｍｐｅｒ）５、反射ミラー６、アテニュエータ７、パワーメータ８、及び短焦点レンズ９を備える。また、アテニュエータ７は、１／２波長板１０、偏光子１１、及びビームスプリッタ１２を備える。ＣＬＢＯ結晶３は、レーザ光の波長を５３２ｎｍから２６６ｎｍに変換する波長変換素子であり、ビームダンパ５は、入射した波長１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍのレーザ光を遮断する素子であり、アテニュエータ７は、入射したレーザ光を減衰させる素子である。この測定装置１を用いて、Ｎｄ：ＹＡＧの第２高調波パルスレーザ（波長５３２ｎｍ）から出射したレーザ光を非線形光学結晶であるＣＬＢＯ結晶３に照射して第４高調波である波長２６６ｎｍのレーザ光を発生させ、その波長２６６ｎｍのレーザ光を、アテニュエータ７を介して、例えば４００ｍｍの焦点距離を有する短焦点レンズ９で集光し、その集光したレーザ光を測定対象の光学素子１３に照射する。ここで、光学素子１３に対するレーザ光の照射は、そのレーザ光の強度をアテニュエータ７によって変化させつつ、その照射位置をずらしながら行う。具体的に、レーザ光の強度は、アテニュエータ７の１／２波長板１０を回転させることによってレーザ光の偏光の向きを変えることにより変化させる。また、レーザ光の強度は、パワーメータ８によってモニタされる。これにより、レーザ照射が行われた後の光学素子の表面には、異なるレーザ強度で照射された複数の痕跡が存在する。
【００２３】
その後、レーザ光が照射された光学素子の表面を、ノマルスキー顕微鏡により観察する。レーザ損傷が発生すれば損傷部分でプラズマの発光、及び表面に不可逆的な損傷痕が生じるため、その損傷痕の位置に対応するレーザ強度が、その光学素子に損傷を引き起こすレーザ強度の限界とみなせる。よって、その損傷が発生した時のレーザビームの入射エネルギー強度と、そのビーム径およびパルス幅とから単位面積及び単位時間当たりのレーザ強度を算出し、そのレーザ強度を損傷閾値とする。すなわち、レーザ損傷耐力は、算出した損傷閾値に比例するものであり、損傷閾値を用いて表すことができる。
【００２４】
図３は、本実施の形態１による表面処理方法を用いて、石英ガラスから成る光学素子、及びＣａＦ２から成る光学素子をそれぞれ処理した場合の各光学素子のレーザ損傷耐力の測定結果を示したグラフである。ここでは、高精度にその表面を光学研磨した大きさ４０ｍｍφの石英ガラスから成る光学素子、及びＣａＦ２から成る光学素子をそれぞれ準備し、各光学素子の光学研磨された表面に対して本実施の形態１による表面処理方法を用いて表面処理を行い、表面から１００ｎｍの深さまでエッチングを行って研磨不純物層を除去した。さらに、その表面処理後の表面に対して、図２に示された測定装置を用いて波長２６６ｎｍの紫外レーザ光を照射し、レーザ損傷耐力を測定した。
【００２５】
図３のグラフの縦軸は、光学研磨を行った後に表面処理を行わなかった未処理の場合の石英ガラスのレーザ損傷耐力を「１」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。図３に示されるように、本実施の形態１による表面処理方法によって処理すると、石英ガラスから成る光学素子、及びＣａＦ２から成る光学素子のいずれについても、未処理の場合に比べて深紫外域でのレーザ損傷耐力を約２倍向上させることができた。さらに、ＣａＦ２については、本実施の形態１による表面処理方法、すなわち、イオンエッチングとケミカルエッチングとを組み合わせた方法によって表面を処理した場合と処理しなかった場合の他に、その表面に対してイオンエッチングのみを行った場合についてもレーザ損傷耐力を測定した。イオンエッチングのみを行った場合は、図３に示されるように、未処理の場合に比べてレーザ損傷耐力は大きいが、ケミカルエッチングを組み合わせた場合に比べてレーザ損傷耐力は小さくなることが明らかになった。すなわち、イオンエッチングとケミカルエッチングを組み合わせることにより、レーザ損傷耐力が飛躍的に向上することがわかった。
【００２６】
本実施の形態１による光学素子の表面処理方法では、まず、光学素子の研磨された表面に対してイオンエッチングを行うことにより研磨砥粒を除去し、その後、イオンエッチングされて劣化した表面をケミカルエッチングにより溶解して除去する。本実施の形態１による表面処理方法においては、イオンビームの照射によって生じる表面状態の劣化が光学素子表面の数個の原子に起因するものであるので、その数個程度の原子をケミカルエッチングで除去することにより表面状態の劣化を改善する。この場合、研磨不純物層全体をケミカルエッチングにより除去する従来の方法と比較して、ケミカルエッチングの処理が非常に短時間で済むために、表面状態の劣化はほとんど生じない。このケミカルエッチングにより、例えばＣａＦ２から成る光学素子の透過率は、イオンビームエッチングを行う前の状態に戻る。
【００２７】
なお、光学素子における研磨不純物層の表面からの深さは、光学研磨の方法及び条件によって異なり、例えば超精密研磨を行ったときのように表面変質層がほとんど発生しない場合もある。そのような場合には、本実施の形態１による表面処理方法を用いてエッチングされる深さは、表面から１００ｎｍ未満であってよい。例えば、図４は、ＣａＦ２から成る光学素子に対してある方法により光学研磨を行った後、本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、エッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は、ＣａＦ２から成る光学素子について、未処理の場合のレーザ損傷耐力を「１」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。なお、イオンエッチングは、イオンビームの加速電圧を４００ｅＶに設定した。また、ケミカルエッチングは、リン酸をエッチング溶液として１０分間行った。図４に示されるように、光学研磨された表面から４０ｎｍの深さまでエッチングを行うと、レーザ損傷耐力は未処理の場合に比べて２倍以上向上した。すなわち、光学研磨の方法及び条件によっては、本実施の形態１による処理方法を用いてエッチングされる深さが１００ｎｍに満たない場合であっても、レーザ損傷耐力を２倍程度向上させることができる。なお、図４における黒丸及び白丸は、光学素子を構成する結晶の（１００）面及び（１１１）面に対して表面処理を行った場合の各表面のレーザ損傷耐力の測定結果をそれぞれ示している。また、図４に点線で示されるように、各エッチング深度に対応する相対値の平均値は、約２．２である。
【００２８】
次に、ケミカルエッチングのエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係について説明する。図５は、図４を用いて説明されたようにＣａＦ２から成る光学素子に対して本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、ケミカルエッチングのエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。このグラフの横軸は、イオンエッチング後のケミカルエッチングにおけるエッチング深度を示しており、縦軸は、図４のグラフと縦軸と同様に、ＣａＦ２から成る光学素子について、未処理の場合のレーザ損傷耐力を「１」とした場合のレーザ損傷耐力の相対値を示している。なお、ケミカルエッチングは、上述したように、リン酸をエッチング溶液として用いた。図５に示されるように、イオンエッチングされた表面から１３Å（１．３ｎｍ）の深さまでエッチングを行うと、レーザ損傷耐力は、未処理の場合に比べて２倍以上向上した。すなわち、本実施の形態１による表面処理方法では、イオンエッチングによる表面状態の劣化が数原子層程度であり、その数原子層程度をケミカルエッチングにより除去すれば所望のレーザ損傷耐力が得られることがわかった。
【００２９】
なお、光学素子がＣａＦ２から成る場合、本実施の形態１による表面処理方法を用いても、未処理の場合と比べてその透過率が低下することはない。これは、イオンエッチングによって表面状態が劣化することにより低下した透過率が、その後のケミカルエッチングによって表面状態が改善されることにより向上するからである。図６は、ＣａＦ２から成る光学素子に対して本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、イオンエッチング後及びケミカルエッチング後の光学素子の透過率の測定結果を示したグラフである。ここで、透過率の測定は、分光光度計を用いて行われた。グラフの横軸は、分光光度計によって光学素子に照射された光の波長を示し、縦軸は、各波長の光が照射された場合の透過率の測定結果を示している。また、図６において、実線Ａは、イオンエッチング及びケミカルエッチングを行った後の透過率を示し、実線Ｂは、未処理の場合の透過率を示し、実線Ｃは、イオンエッチングのみを行った後、すなわちケミカルエッチングを行う前の透過率を示している。図６に示されるように、ＣａＦ２結晶の透過率はイオンエッチングにより低下するが、その後のケミカルエッチングにより未処理の場合の透過率まで回復することがわかった。
【００３０】
なお、石英ガラス及びＣａＦ２は、深紫外用光学材料として使用することができるので、本実施の形態１による表面処理方法を用いてその表面を処理すれば、深紫外域で高出力レーザ光を発生させる深紫外用レーザシステムへの応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１による光学素子の表面処理方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】レーザ損傷耐力の測定装置の構成例を示した図である。
【図３】本実施の形態１による表面処理方法を用いて光学素子の表面を処理した場合のレーザ損傷耐力の測定結果を示したグラフである。
【図４】ＣａＦ２から成る光学素子に対して、本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、エッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。
【図５】ＣａＦ２から成る光学素子に対して、本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、ケミカルエッチングにおけるエッチング深度とレーザ損傷耐力との関係を示したグラフである。
【図６】ＣａＦ２から成る光学素子に対して、本実施の形態１による方法を用いて表面処理を行った場合の、イオンエッチング後及びケミカルエッチング後の光学素子の透過率の測定結果を示したグラフである。
【図７】表面変質層の状態を示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  レーザ損傷耐力の測定装置
２  Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ
３  ＣＬＢＯ結晶
４  プリズム
５  ビームダンパ
６  反射ミラー
７  アテニュエータ
８  パワーメータ
９  短焦点レンズ
１０  １／２波長板
１１  偏光子
１２  ビームスプリッタ
１３  光学素子
【図１】
2007072121.tif 000003
【図２】
2007072121.tif 000004
【図３】
2007072121.tif 000005
【図４】
2007072121.tif 000006
【図５】
2007072121.tif 000007
【図６】
2007072121.tif 000008
【図７】
2007072121.tif 000009