JP6264106B2 - フッ化カルシウム光学部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はフッ化カルシウム光学部材及びその製造方法に関し、より詳細には、フッ化カルシウム単結晶の光学部材及びその製造方法に関する。

フッ化カルシウム（ＣａＦ_２、蛍石）単結晶は、真空紫外領域から赤外領域にわたる広い波長領域の光に対して高い透過率を有している。そのためＣａＦ_２単結晶は光学部材として広く使用されており、例えば、エキシマランプの発光管の材料として用いられている（特許文献１）。

特開２００９−１６３９６５号公報

ＣａＦ_２単結晶により形成された光学部材は、温度や圧力の異なる様々な環境下で使用されるが、高温・高圧の環境下においては、強度が十分ではないことが分かっている。そのため、光学部材の用途や使用環境によっては、ＣａＦ_２単結晶により形成された光学部材が適さないことがあった。

そこで本発明は、上記の課題を解決することを目的とし、高温且つ高圧下においても、確実に使用できるＣａＦ_２単結晶光学部材を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、
フッ化カルシウム光学部材であって、
単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
前記筒の中心軸と、単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝結晶面のいずれか１面とが直交しており、
前記筒の周壁の半径方向の厚さが、前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所、及び前記３つの{１００}結晶面の残りの１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの前記一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所において他の箇所より大きいフッ化カルシウム光学部材が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、
単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ内部に円柱状の空間が形成された略四角筒状の光学部材であって、前記略四角筒の対向する１組の外側面が単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝面のうちの第１面と平行であり、前記略四角筒の対向する別の１組の外側面が｛１００｝面のうちの第２面と平行であり、前記略四角筒の底面又は上面が、｛１００｝面のうちの第３面と平行である光学部材が提供される。

本発明の第３の態様に従えば、
フッ化カルシウム光学部材の製造方法であって、
単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝結晶面の存在する方向を特定することと、
前記単結晶フッ化カルシウムを筒状に削り出すこととを有し、
前記削り出しは、前記筒の中心軸と、前記３つの｛１００｝結晶面のいずれか１面とが直交し、且つ前記筒の周壁の半径方向の厚さが、前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所、及び前記３つの{１００}結晶面の残りの１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの前記一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所において他の箇所より大きくなるように行われるフッ化カルシウム光学部材の製造方法が提供される。

本発明によれば、高温且つ高圧の環境下においても、十分な強度を有するＣａＦ_２単結晶光学部材が提供される。

図１は、本発明の実施形態に係る光学部材の斜視図である。 図２は、シミュレーションにおける位置拘束条件及び荷重条件を示す説明図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、光学部材とＣａＦ_２単結晶の単位格子（立方格子）との位置関係、及び光学部材と単位格子の主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚとの位置関係を示す。 図４は、実施例の光学部材と比較例の光学部材について、解析条件及び解析結果を示す表である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、実施例の光学部材の解析結果であり、内圧が３０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図６（ａ）〜（ｃ）は、実施例の光学部材の解析結果であり、内圧が９０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図７は、実施例の光学部材において、内圧によるせん断応力の生じる位置を示す説明図である。 図８は、ＣａＦ_２単結晶の臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）と温度との関係を、結晶面ごとに示すグラフである。 図９（ａ）〜（ｃ）は、比較例の光学部材の解析結果であり、内圧が３０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、比較例の光学部材の解析結果であり、内圧が９０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図１１は、比較例の光学部材において、内圧によるせん断応力の生じる位置を示す説明図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、比較例の光学部材の解析結果であり、内圧が３０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図１３（ａ）〜（ｃ）は、比較例の光学部材の解析結果であり、内圧が９０ａｔｍのときに光学部材に生じるせん断応力の様子を示す。 図１４は、比較例の光学部材において、内圧によるせん断応力の生じる位置を示す説明図である。

＜第１実施形態＞
図１〜図１４を参照して、本願の第１実施形態について説明する。

本実施形態の光学部材１０は、図１に示す通り、中心軸Ａを有する筒状のＣａＦ_２管であり、管を形成する内周面１０i及び外周面１０ｏを有する。中心軸に直交する断面形状は、外形が略正方形であり中心軸Ａと同心の円形開口を有する。すなわち光学部材１０は、その内部に円柱状の空間が形成された略四角柱状の形状を有する。外周面１０ｏの４つの角部Ｃは所定の曲率で丸みが与えられている。

光学部材１０はＣａＦ_２単結晶によって形成されており、ＣａＦ_２単結晶の互いに直交する三つの{１００}結晶面（第１面、第２面、第３面）、すなわち（１００）結晶面、（０１０）結晶面、（００１）結晶面のうち、いずれか一つの結晶面が中心軸Ａと直交する方向に存在している。一例として図３（ａ）に、（００１）結晶面が中心軸Ａに直交する方向に存在する光学部材をＣａＦ_２単結晶の単位格子ＵＬとともに示す。以下、｛１００｝結晶面、（１００）結晶面、（０１０）結晶面等は、単に{１００}面、（１００）面、（０１０）面等と記載する。

光学部材１０においては、ＣａＦ_２単結晶の互いに直交する三つの{１００}面のうち、中心軸Ａと直交しない残りの２つの{１００}面が、それぞれ、外周面１０ｏの対向する２組の面とそれぞれ平行に存在している。図３（ａ）に示す光学部材１０では、（０１０）面が、外周面１０ｏの対向する１組の面と平行に存在し、（１００）面が、外周面１０ｏの対向するもう１組の面と平行に存在していることがわかる。

なお、本明細書において「ＣａＦ_２単結晶」とは、一つの結晶からなる文字通りの単結晶のみではなく、２つ以上の数えられる程度の数の結晶からなるＣａＦ_２結晶であって、ＣａＦ_２単結晶と同程度の光学特性を備えるＣａＦ_２結晶も含むものとする。また本明細書において「軸（中心軸）と直交する面」、「軸（中心軸）と直交して存在する面」とは、軸と直交する面（「直交面」）のみではなく、直交面を、当該直交面内に含まれ且つ当該軸と交差する任意の軸まわりに、任意の回転方向に、約５度以下の角度だけ回転させた面も含まれるものとする。また、「軸（中心軸）を含む面」とは、軸を含む面を、上記の任意の軸まわりに、任意の回転方向に、約５度以下の角度だけ回転させた面も含むものとする。

光学部材１０は様々な分野で用いることができるが、例えば半導体製造装置の分野では、露光装置の光源、ウエハ検査装置の光源等において用いることができる。この場合は、光学部材１０の両側の端面１０ｅの開口１０ａの少なくとも一方から、光学部材１０の内側に気体を与えた後、両側の端面１０ｅの開口１０ａに不図示の蓋を取り付け、気体を密封する。そして内側に気体が密封された光学部材１０を任意の保持部材（不図示）によって保持する。この状態で密封した気体に赤外線等の励起光を照射して気体原子（気体分子）をプラズマ状態に至らせることにより、内周面１０i及び外周面１０ｏを介して、光学部材１０の外部にプラズマ光を取り出すことができる。

以下に本発明の実施例を更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

＜実施例１＞

実施例１の光学部材１０は、中心軸Ａ方向の長さが５０ｍｍ、内周面１０iの断面が直径２５ｍｍの円形、外周面１０ｏの断面が一辺３０ｍｍの略正方形である光源用筒状部材である。また、光学部材１０の角部Ｃは、Ｒ＝５ｍｍの丸みを有している。また光学部材１０は１つの結晶からなる狭義のＣａＦ_２単結晶により形成されており、（００１）結晶面が中心軸Ａに直交する方向に、（０１０）面及び（１００）面が、外周面１０ｏの対向する２組の面にそれぞれ平行に存在している（図３（ａ））。

実施例１の光学部材１０の内部に収容されるガス圧（内圧）に対する強度、すなわち耐圧性又は耐久性を調べるために、次のシミュレーション（有限要素解析）を行った。

＜解析条件＞
シミュレーションにおいては、上記の光学部材１０を対象として、このような光学部材１０に内圧が生じた時に、光学部材１０を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値及びせん断応力の生じる位置を解析した。まず、本シミュレーションの解析条件について説明する。

（１）位置拘束条件
図１、図２に示す通り、光学部材１０の端面１０ｅを含む面と中心軸Ａとの交点に仮想拘束点ＶＣを設定し、この仮想拘束点ＶＣの位置を拘束することにより、光学部材１０の仮想拘束点全拘束を行った。これにより光学部材１０を、荷重に応じた形状変化に関してはなんら規制を受けず自在に変形することが可能な状態で、且つ荷重を受けて全体の位置がシフトすることがないよう係止された状態で拘束した。

（２）材料物性
ＣａＦ_２単結晶が直交異方性材料であるため、直交異方性材料であると設定した。また、光学部材１０（すなわちＣａＦ_２単結晶）の温度は２５℃であるとした。ＣａＦ_２単結晶は立方晶系単結晶体であり、したがって解析に用いられる構成式中の弾性マトリクスは下記の式（１）となる。

ここで、Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４は、それぞれ弾性スティフネス［ＧＰａ］である。

本解析に用いた弾性スティフネスＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４は、ＪＩＳＲ１６０２の「ファインセラミックスの弾性率試験方法」”動的弾性率試験方法 超音波パルス法”に準拠してＣａＦ_２単結晶内を伝搬する超音波の音速［ｍ／ｓ］を測定し、この測定値を用いて算出したものである。ＣａＦ_２単結晶の２５℃における弾性スティフネスは、Ｃ_１１＝１６４ＧＰａ、Ｃ_１２＝４３．７ＧＰａ、Ｃ_４４＝３４．６ＧＰａである。

（３）荷重条件
光学部材１０の内側を３０ａｔｍ又は９０ａｔｍに設定し、これにより光学部材１０が、半径方向の圧力Ｐ（図２）を、内周面１０iの周方向において均等に受けるものと設定した。

（４）結晶面配置
光学部材１０の結晶面配置について、図３を参照してより詳細に説明する。図３（ａ）の上側には、光学部材１０を基準として、光学部材１０に対するＣａＦ_２単結晶の単位格子（立方格子）ＵＬ及び単位格子ＵＬの主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚの配置を示し、同図の下側には、ＣａＦ_２単結晶の単位格子ＵＬを基準として、単位格子ＵＬに対する光学部材１０の配置を示す。図の上下は互いに対応しており、光学部材１０の中心軸Ａの方向と、単位格子ＵＬの主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚの方向との関係は、図３（ａ）の上下でそれぞれ同一である。なお便宜上、図３（ａ）の上側においては、光学部材１０の中心軸Ａが主軸ｘ、ｙ、ｚの原点を通るものとして描いた。同図の下側においては、光学部材１０の配置を表すため、光学部材１０の中心軸Ａ及び縮小した端面１０ｅの輪郭のみを描いた。

本解析の対象である光学部材１０の結晶面配置においては、図３（ａ）に示すとおり、単位格子ＵＬの主軸ｚと光学部材１０の中心軸Ａが一致している。また、単位格子ＵＬの主軸ｘは、中心軸Ａと直交する面内において、外周面１０ｏの対向する１組の面と平行に存在しており、且つ同面内に投射した対角線ＤＬ１、ＤＬ２の投射線とそれぞれ４５°の角度を有して存在している。主軸ｙも同様に、中心軸Ａと直交する面内において、外周面１０ｏの対向するもう１組の面と平行に存在しており、且つ同面内に投射した対角線ＤＬ１、ＤＬ２の投射線とそれぞれ４５°の角度を有して存在している。したがって本解析の結晶面配置においては、ＣａＦ_２単結晶の互いに直交する３つの{１００}面のうち、主軸ｘと主軸ｙとにより画成される面（以下、適宜「ｘｙ面」と称する）と平行に存在する（００１）面が、中心軸Ａと直交して存在している。また、主軸ｙと主軸ｚとにより画成される面（以下、適宜「ｙｚ面」と称する）と平行に存在する（１００）面が外周面１０ｏの対向する１組の面と平行に存在しており、主軸ｘと主軸ｚとにより画成される面（以下、適宜「ｘｚ面」と称する）と平行に存在する（０１０）面が外周面１０ｏの対向するもう１組の面と平行に存在している。

次に、上記の条件の下で行ったシミュレーションの結果について述べる。本発明者は、上記の解析条件の下で、光学部材１０を形成するＣａＦ_２単結晶の３つの｛１００｝面、すなわち（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力の大きさ、及びせん断応力の生じる位置を推定した。

図４の表中に示す通り、内圧が３０ａｔｍの時は、（００１）面に生じる最大せん断応力が８．９５ＭＰａ、（１００）面に生じる最大せん断応力が０．４６ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力が０．４６ＭＰａである。また、せん断応力の生じる位置は、図５に示す通りである。図５（ａ）が（００１）面に生じるせん断応力の位置を、図５（ｂ）が（１００）面に生じるせん断応力の位置を、図５（ｃ）が（０１０）面に生じるせん断応力の位置をそれぞれ示しており、目安として赤色又は紺色で表される領域において８〜１０ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が、橙色又は青色で表わされる領域において６〜８ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が、黄色又は水色で表される領域において４〜６ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が生じている。緑色の領域においては、これよりも小さいせん断応力が生じているか、又はせん断応力が生じていない。なお図５はカラーであるが、白黒で表示された場合は、赤色、紺色、青色で表される領域が特に色の濃い領域として、水色で表される領域がやや色の薄い領域として、黄色で表される領域が特に色の薄い領域として表示される。図４の表と図５より、光学部材１０の内部に気体を封入して内圧を３０ａｔｍにした場合、光学部材１０の周壁内の４箇所において、（００１）面にせん断応力が生じ、その最大値は内周面１０i上における８．９５ＭＰａであることが推定される。

また、図４の表中に示す通り、内圧が９０ａｔｍの時は、（００１）面に生じる最大せん断応力が２６．８５ＭＰａ、（１００）面に生じる最大せん断応力が１．３９ＭＰａ、（０１０）面に生じる最大せん断応力が１．３９ＭＰａである。また、せん断応力の生じる位置は、図６に示す通りである。図６（ａ）が（００１）面に生じるせん断応力の位置を、図６（ｂ）が（１００）面に生じるせん断応力の位置を、図６（ｃ）が（０１０）面に生じるせん断応力の位置をそれぞれ示しており、目安として赤色又は紺色で表される領域において２４〜３２ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が、橙色又は青色で表わされる領域において１６〜２４ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が、黄色又は水色で表される領域において８〜１６ＭＰａ程度の大きさのせん断応力が生じている。緑色の領域においては、これよりも小さいせん断応力が生じているか、又はせん断応力が生じていない。なお図６はカラーであるが、白黒で表示された場合は、赤色、紺色、青色で表される領域が特に色の濃い領域として、水色で表される領域がやや色の薄い領域として、黄色で表される領域が特に色の薄い領域として表示される。図４の表と図６より、光学部材１０の内部に気体を封入して内圧を９０ａｔｍにした場合、光学部材１０の周壁内の４箇所において（００１）面にせん断応力が生じ、その最大値は、内周面１０i上における２６．８５ＭＰａであることが推定される。

上記の解析結果によれば、光学部材１０においては、図７に示す通り、周壁内の４箇所において、集中的に{１００}面のせん断応力が生じている。この方向は、ＣａＦ_２単結晶の結晶面配置に依存しており、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りの一方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する位置、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸回りに同じ一方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する位置である。ここで、実施例１の光学部材１０においては、（０１０）面は、外周面１０ｏの対向する１組の面と平行であり、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面は、外周面１０ｏの対向する１組の面と平行な主軸ｘと中心軸Ａとによって画成される面に等しい。よって（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りの一方向に４５°回転した面は、対角線ＤＬ１、ＤＬ２のいずれか一方を含む面となる。同様に、光学部材１０においては、（１００）面は、外周面１０ｏの対向するもう１組の面と平行であり、（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面は、外周面１０ｏの対向するもう１組の面と平行な主軸ｙと中心軸Ａとによって画成される面に等しい。よって（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りの同じ一方向に４５°回転した面は、対角線ＤＬ１、ＤＬ２のいずれか他方を含む面となる。したがって、光学部材１０においてせん断応力が集中的に生じる位置は、対角線ＤＬ１と光学部材１０の周壁とが交差する位置、及び対角線ＤＬ２と光学部材１０の周壁とが交差する位置（外表面１０ｏの対角部）に一致している。

また、図５、６によれば、上記の位置において（００１）面に生じるせん断応力は、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに一方向に４５°回転した面が光学部材１０の内周面１０iと交差する位置、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸回りに同じ一方向に４５°回転した面が光学部材１０の内周面１０iと交差する位置（又は対角線ＤＬ１及び対角線ＤＬ２と内周面１０iとが交わる位置）において最も大きい。この最も大きいせん断応力が生じる部分を、以下適宜「最大せん断応力部」と称する。最大せん断応力部に生じるせん断応力は、図４の表より、内圧が３０ａｔｍの場合には８．９５ＭＰａ、内圧が９０ａｔｍの場合には２６．８５ＭＰａである。一方で、せん断応力の大きさは、最大せん断応力部から周方向に離れるに従い、また半径方向に離れるに従い、次第に小さくなっている（図５、６）。

ここで、図８に示すとおり、ＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面、｛１１０｝面、｛１１１｝面の臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）は、約６００℃以下の温度域においては、｛１００｝面の値がもっとも小さいことが知られている。また、{１００}面の臨界分解せん断応力と、{１１０}面、{１１１}面の臨界分解せん断応力との差は、ＣａＦ_２単結晶に塑性変形が生じる温度（約２５０℃）以下の温度域において特に大きいことが知られている。したがって、６００℃以下の温度領域、特に２５０℃以下の温度領域においては、ＣａＦ_２単結晶で形成された光学部材１０に応力が生じた場合に光学部材１０に生じる破壊は、主に、{１００}面に生じるせん断応力が臨界分解せん断応力に達して、ＣａＦ_２単結晶内部にすべりが生じることに起因すると考えられる。

本実施例の光学部材１０においては、上記の通り、最大せん断応力部に生じるせん断応力の大きさは、内圧が９０ａｔｍの時には２６．８５ＭＰａにも達している。この値は、図８から読み取れる２５℃におけるＣａＦ_２単結晶のＣＲＳＳ（約１３ＭＰａ）を大きく上回っており、最大せん断応力部において、ＣａＦ_２単結晶にすべりが生じるとも考えられる。しかしながら実施例１の光学部材１０は、最大せん断応力部の半径方向の外側に十分な肉厚を有しており、図６及び図７に示す通り、最大せん断応力部から半径方向に一定距離だけ離れた位置から、外周面１０ｏに至るまでの位置においては、{１００}面にはせん断応力が生じていない。したがって最大せん断応力部の外側に位置するこの部分においては、ＣａＦ_２単結晶にすべりは生じない。よって、最大せん断応力部においても、その外側に位置する部分においてすべりが生じないためすべりの発生は抑制され、結果として、実施例１の光学部材１０の周壁においてはすべりは生じない。

このように、実施例１の光学部材１０においては、周壁上の{１００}面せん断応力が生じる位置、すなわち（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに一方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する位置、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに同じ一方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する位置が、それぞれ外周面１０ｏの対角部に位置しており、これらの位置における周壁の半径方向の厚さが、他の位置における厚さよりも大きくなっている。したがって光学部材１０は、内圧が高くなり、内周面１０i上やその近傍においてＣＲＳＳを超える{１００}面せん断応力が生じた場合であっても、大きな{１００}面せん断応力が生じる位置における周壁の厚みが大きいため、すべりの発生が抑制される。よって実施例１の光学部材１０は、内圧に対して高い強度を備える。

＜比較例１、２＞
次に、比較例１の光学部材１１（図３（ｂ））、比較例２の光学部材１２（図３（ｃ））の内部に収容されるガス圧（内圧）に対する強度、すなわち耐圧性又は耐久性を調べるために、次のシミュレーション（有限要素解析）を行った。

比較例１、２の光学部材１１、１２は、それぞれ１つの結晶からなる狭義のＣａＦ_２単結晶で形成されており、実施例１の光学部材１０と同じ形状を有する。一方で、比較例１の光学部材１１においては、ＣａＦ_２単結晶の{１１０}面が中心軸Ａに直交する方向に存在しており、比較例２の光学部材１２においては、ＣａＦ_２単結晶の{１１１}面が中心軸Ａに直交する方向に存在している。光学部材１１、１２の結晶面配置については後に詳述する。

＜解析条件＞
シミュレーションにおいては、上記の光学部材１１、１２を対象として、このような光学部材１１、１２に内圧が生じた時に、光学部材１１、１２を形成するＣａＦ_２単結晶の｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値及びせん断応力の生じる位置を解析した。本シミュレーションの解析条件のうち、（１）位置拘束条件、（２）材料物性、（３）荷重条件は、実施例１の光学部材１０について行ったシミュレーションと同じであるため説明を省略する。

（４）結晶面配置
光学部材１１、１２の結晶面配置について、図３を参照してより詳細に説明する。図３（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）と同様に、光学部材１１、１２と、ＣａＦ_２単結晶の単位格子（立方格子）ＵＬ及び単位格子ＵＬの主軸ｘ、主軸ｙ、主軸ｚの配置関係を示す。なお、下側の図においては、光学部材１１、１２の配置を表すため、光学部材１１、１２の中心軸Ａ及び縮小した端面１１ｅ、１２ｅの輪郭のみを描いた。比較例１の光学部材１１においては、図３（ｂ）に示すとおり{１１０}面が中心軸Ａに直交する方向に存在する。なお、図３（ｂ）における単位格子ＵＬは、図３（ａ）における単位格子ＵＬを、主軸ｘを中心に主軸ｚの正方向から主軸ｙの正方向に向かって４５°回転した位置に配置されている。したがって単位格子ＵＬの主軸ｘは、中心軸Ａと直交する面内において、対角線ＤＬ１を同面内へ投射した投射線に対して４５°傾いて存在しており、主軸ｙ、ｚはそれぞれ、ｙｚ面内において、中心軸Ａに対して１３５°、４５°だけ傾いて存在している。比較例１の光学部材１１においては、（００１）面、（１００）面、（０１０）面は、主軸ｘ、ｙ、ｚが上記の通り存在する状態において、それぞれｘｙ面、ｙｚ面、ｘｚ面と平行に存在している。

比較例２の光学部材１２においては、図３（ｃ）に示すとおり{１１１}面が中心軸Ａに直交する方向に存在する。なお、図３（ｃ）における単位格子ＵＬの配置は、図３（ａ）における単位格子ＵＬを、主軸ｘを中心に主軸ｚの正方向から主軸ｙの正方向に向かって５４．７３５９°回転した後、回転後の主軸ｚを中心に主軸ｙの正方向から主軸ｘの正方向に向かって４５°回転し、次いで中心軸Ａを中心に、上方から光学部材１２を見た反時計まわりに４５°回転することで得られる。したがって単位格子ＵＬの主軸ｘ、ｙ、ｚは、中心軸Ａに対してそれぞれ所定の角度だけ傾いている。比較例２の光学部材１２においては、（００１）面、（１００）面、（０１０）面は、主軸ｘ、ｙ、ｚが上記の通り存在する状態において、それぞれｘｙ面、ｙｚ面、ｘｚ面と平行に存在している。

次に、上記の条件の下で行ったシミュレーションの結果について述べる。本発明者は、上記の解析条件の下で、光学部材１１、１２を形成するＣａＦ_２単結晶の３つの｛１００｝面、すなわち（１００）面、（０１０）面、（００１）面に生じる最大せん断応力の大きさ、及びせん断応力の生じる位置を推定した。

図４の表中に示す通り、比較例１の光学部材１１においては、内圧が３０ａｔｍの時は、（００１）面に生じるせん断応力が６．５ＭＰａ、（１００）面に生じるせん断応力が８．９４ＭＰａ、（０１０）面に生じるせん断応力が６．５ＭＰａであり、内圧が９０ａｔｍの時は、（００１）面に生じるせん断応力が１９．４９ＭＰａ、（１００）面に生じるせん断応力が２６．８２ＭＰａ、（０１０）面に生じるせん断応力が１９．４９ＭＰａである。またせん断応力の生じる位置は、図９（内圧が３０ａｔｍの場合）、図１０（内圧が９０ａｔｍの場合）に示す通りである。図９（ａ）、図１０（ａ）が（００１）面に生じるせん断応力の位置を、図９（ｂ）、図１０（ｂ）が（１００）面に生じるせん断応力の位置を、図９（ｃ）、図１０（ｃ）が（０１０）面に生じるせん断応力の位置をそれぞれ示しており、図９の読みとり方は図５と、図１０の読みとり方は図６とそれぞれ同じである。

上記の解析結果によれば、光学部材１１においては、周壁内の６か所において{１００}面に大きなせん断応力が生じている（図９、１０、１１の領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６。領域Ｒ１〜Ｒ４は白黒の図においてはせん断応力が生じていない領域との色の濃度の差を読み取り難いが、カラー表示では橙色、水色、青色で表示されており、周囲よりも大きいせん断応力が生じていることが読み取れる）。また、光学部材１１においては、対角線ＤＬ１、ＤＬ２と交差しない位置、すなわち周壁の厚さが比較的薄い位置においても、{１００}面に大きなせん断応力が生じている（領域Ｒ５、Ｒ６）。その位置は、図９（ｂ）、図１０（ｂ）より、外周壁１１ｏの対向する２辺のそれぞれ中央部分における、外周壁１１ｏの表面である。またその大きさは、図４の表より、２６．８２ＭＰａであり、２５℃におけるＣＲＳＳ（約１３ＭＰａ）を大きく上回っている。

以上より、比較例１の光学部材１１においては、内圧を９０ａｔｍとした場合、周壁の比較的厚さの小さい部分において、ＣＲＳＳよりも大きな{１００}面せん断応力が外周面１１ｏ上に生じる。したがって、比較例１の光学部材１１は、実施例１の光学部材１０とは異なり、９０ａｔｍの内圧に耐えることができず、破断が生じる。また比較例１の光学部材１１においては、周壁内の６か所において{１００}面に大きなせん断応力が生じている。したがって、{１００}面のせん断応力が大きくなる位置において周壁を厚く形成すれば、光学部材１１の形状は複雑となり、光学特性の面で不利であるばかりでなく加工上の不都合も大きい。

また、図４の表中に示す通り、比較例２の光学部材１２においては、内圧が３０ａｔｍの時は、（００１）面に生じるせん断応力が９．４４ＭＰａ、（１００）面に生じるせん断応力が９．０８ＭＰａ、（０１０）面に生じるせん断応力が９．０８ＭＰａであり、内圧が９０ａｔｍの時は、（００１）面に生じるせん断応力が２８．３１ＭＰａ、（１００）面に生じるせん断応力が２７．２３ＭＰａ、（０１０）面に生じるせん断応力が２７．４３ＭＰａである。またせん断応力の生じる位置は、図１２（内圧が３０ａｔｍの場合）、図１３（内圧が９０ａｔｍの場合）に示す通りである。図１２（ａ）、図１３（ａ）が（００１）面に生じるせん断応力の位置を、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）が（１００）面に生じるせん断応力の位置を、図１２（ｃ）、図１３（ｃ）が（０１０）面に生じるせん断応力の位置をそれぞれ示しており、図１２の読みとり方は図５と、図１３の読みとり方は図６とそれぞれ同じである。

上記の解析結果によれば、光学部材１２においては、周壁内の６か所において{１００}面に大きなせん断応力が生じている（図１４）。また、光学部材１２においては、対角線ＤＬ１、ＤＬ２と交差しない位置、すなわち周壁の厚さが比較的薄い位置においても、{１００}面に大きなせん断応力が生じている。その位置は、図１２（ｂ）、（ｃ）、図１３（ｂ）、（ｃ）より、角部Ｃの近傍の外周壁１２ｏ表面上の４箇所である。またその大きさは、図４の表より、２７．２３ＭＰａ〜２７．４３ＭＰａ程度であり、２５℃におけるＣＲＳＳ（約１３ＭＰａ）を大きく上回っている。

以上より、比較例２の光学部材１２においては、内圧を９０ａｔｍとした場合、周壁の比較的薄い部分において、ＣＲＳＳよりも大きな{１００}面せん断応力が外周面１２ｏ上に生じる。したがって、比較例２の光学部材１２は、実施例１の光学部材１０とは異なり、９０ａｔｍの内圧に耐えることができず、破断が生じる。また比較例１の光学部材１２においては、周壁内の６か所において{１００}面に大きなせん断応力が生じている。したがって、{１００}面のせん断応力が大きくなる位置において周壁を厚く形成すれば、光学部材１２の形状は複雑となり、光学特性の面で不利であるばかりでなく加工上の不都合も大きい。

次に、本実施形態の光学部材１０の製造方法を説明する。光学部材１０の材料となるＣａＦ_２単結晶は、例えば、特許第４５６９８７２号、特開第２００６−３２７８３７号等に記載された単結晶製造方法を用いて製造することができる。得られたＣａＦ_２単結晶のインゴットに対して、Ｘ線結晶方位測定装置等を用いて結晶方位の測定を行う。

上記の測定によってＣａＦ_２単結晶インゴットにおける互いに直交する３つの｛１００｝面の存在方向を特定した後、この３つの{１００}面のいずれか１つが中心軸Ａと直交する方向となるように削り出し加工を行って、断面形状が略正方形の角柱を得る。この時、角柱の直交する２つの対角線の方向と、３つの{１００}面のうち、中心軸Ａと直交しない２つの{１００}面の存在する方向とが、それぞれ中心軸Ａ回りに４５°の傾きを有するように削り出しを行う。すなわち、角柱の対向する２組の面と、３つの｛１００｝面のうち、中心軸Ａと直交しない２つの｛１００｝面の存在する方向とが、それぞれ平行となるように削り出しを行う。その後、更に削り出しにより角柱の中心部を削り出し、角柱の角部に所定の曲率で丸みを与え、図１に示すような筒状部材を得る。

最後に、削り出し加工により得られた筒状部材の内周面、外周面、端面に対して光学研磨処理を施すことで、本実施形態の光学部材１０を得ることができる。本実施形態における光学研磨処理には、光学部品に適用される一般的な研磨方法をそのまま用いることができ、例えば研磨パッド、研磨砂を用いて研磨することができる。

次に、本実施形態の効果についてまとめる。

本実施形態の光学部材１０は、上記の通り、周壁内において｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値が大きくなる４箇所と、光学部材１０の４つの対角部が一致している。すなわち本実施形態の光学部材１０は、周壁内において｛１００｝面に生じる最大せん断応力の値が大きくなる位置において、周壁の厚みが大きくなっている。よって本実施形態の光学部材１０によれば、単純な形状であり且つ内圧に対して高い強度を有する光学部材を得ることができる。

また本実施形態の光学部材１０は、断面形状が略正方形の四角筒状であるため、削り出し加工が容易であり、かつ製造後の保存、運搬等の取扱いも容易である。また角部Ｃに丸みが与えられているため、保存や運搬時に欠け等の欠損が生じることも防止されている。

なお、上記の実施形態においては、対角線ＤＬ１、ＤＬ２が、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面に対して、それぞれ中心軸Ａ回りに４５°傾いているがこれには限られない。対角線ＤＬ１、ＤＬ２の、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面に対する中心軸Ａ回りの傾きは約４５°±５°の範囲であればよい。このような配置によっても、（０１０）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに所定の方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する箇所、及び（１００）面と平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに同じ所定の方向に４５°回転した面が光学部材１０の周壁と交差する箇所において、光学部材１０の周壁が他の箇所よりも厚くなっていれば、本発明の効果を得ることが可能である。

なお、上記の実施形態においては、{１００}面のうち（００１）面が中心軸Ａと直交して存在するとした。しかしながらＣａＦ_２単結晶においては、（１００）面、（０１０）面、（００１）面は互いに等価であるため、ＣａＦ_２単結晶の結晶面は、（１００）面、または（０１０）面が中心軸Ａと直交するよう配置されていてもよい。

なお、上記の実施形態においては、光学部材１０は、断面形状が円形の内周面１０iと断面形状が略正方形の外周面１０ｏとを備える筒形状であるものとしたがこれには限られず、筒状の形状であって、その周壁が、{１００}面のいずれか１つと平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに所定の方向に４５°回転した面と交差する箇所、及び｛１００｝面の他の１つと平行な面であって中心軸Ａを含む面を中心軸Ａ回りに同じ所定の方向に４５°回転した面と交差する箇所において他の箇所よりも厚い形状であれば、どのような形状であってもよい。一例として、円筒において周方向の４箇所の厚みを局部的に大きく形成した形状や、これらの箇所の厚みを他の箇所よりも大きく形成した略八角形の外周を有する筒形状等が挙げられる。また、中空部の断面形状も円形には限られず、例えば八角形等の多角形等でもよい。なお、厚みが大きいことが必要とされる箇所における厚みは、もっとも厚みが小さい箇所における厚みに対して約２倍から１６倍程度であることが望ましい。

なお、上記の実施形態においては角部Ｃに所定の曲率の丸みを与えているが、角部Ｃに丸みをつけなくてもよい。または角部Ｃに面取りを施しても良い。

なお、上記の実施形態においては、光学部材１０の両側の端部１０ｅの開口１０ａに不図示の蓋を取り付けて気体を密封し、光学部材１０を単独で光源用部材として用いているが、光学部材１０の使用方法はこれには限られない。例えば、光学部材１０と他のＣａＦ_２単結晶部材とを圧着等により接合して得られるより大きな光学部材の一部として光学部材１０を用いてもよい。このようにして得られるより大きな光学部材は、一例として、中心軸Ａを共有する２つの光学部材１０、及び中心軸Ａ方向において該２つの光学部材１０に挟まれ、且つ中心軸Ａと同軸上に回転軸を有する球殻部とを有する光学部材であり得る。また例えば、光学部材１０の一端に板状の蓋部を圧着し、他端に環状のフランジ部を圧着した光学部材であり得る。

なお、上記の実施形態において、気体はプラズマ光を発するための気体には限られず、エキシマ光等、真空紫外領域から赤外領域にわたる波長領域の光を発するための任意の気体であればよい。

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明のフッ化カルシウム光学部材によれば、高温・高圧の環境下においても、破壊することなく好適に使用できるＣａＦ_２単結晶光学部材を簡便に得ることができる。よって半導体製造装置等の様々な分野に、十分な強度を有するフッ化カルシウム光学部材を提供することが可能となる。

１０、１１、１２ 光学部材
１０i、１１i、１２i 内周面
１０ｏ、１１ｏ、１２ｏ 外周面
Ａ 中心軸
ＤＬ１、ＤＬ２ 対角線
ＵＬ 単位格子

Claims (11)

1. 内部に気体を密封する気体密封用容器に用いるフッ化カルシウム光学部材であって、
   単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ筒状の形状を有し、
   前記筒の中心軸と、単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝結晶面のいずれか１面とが直交しており、
   前記筒の周壁の半径方向の厚さが、前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所、及び前記３つの{１００}結晶面の残りの１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの前記一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所において他の箇所より大きいフッ化カルシウム光学部材。
2. 前記筒の内周面の前記中心軸に直交する断面が円形状である請求項１に記載のフッ化カルシウム光学部材。
3. 前記筒の外周面の前記中心軸に直交する断面が略正方形である請求項１又は２に記載のフッ化カルシウム光学部材。
4. 前記略正方形の断面の２組の対向する辺の一方と前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面が存在する方向とが平行であり、前記対向する辺の他方と前記３つの｛１００｝結晶面の残りの１面が存在する方向とが平行である請求項３に記載のフッ化カルシウム光学部材。
5. 光源用部材として用いられる請求項１〜４のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム光学部材。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のフッ化カルシウム部材を備えた気体密封用容器。
7. 気体密封用容器に用いられ、単結晶フッ化カルシウムで形成され且つ内部に気体が密封される円柱状の空間が形成された略四角筒状の光学部材であって、
   前記略四角筒の対向する１組の外側面が単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝面のうちの第１面と平行であり、前記略四角筒の対向する別の１組の外側面が｛１００｝面のうちの第２面と平行であり、前記略四角筒の底面又は上面が、｛１００｝面のうちの第３面と平行である光学部材。
8. 内部に気体を密封する気体密封用容器に用いるフッ化カルシウム光学部材の製造方法であって、
   単結晶フッ化カルシウムの互いに直交する３つの｛１００｝結晶面の存在する方向を特定することと、
   前記単結晶フッ化カルシウムを筒状に削り出すこととを有し、
   前記削り出しは、前記筒の中心軸と、前記３つの｛１００｝結晶面のいずれか１面とが直交し、且つ前記筒の周壁の半径方向の厚さが、前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所、及び前記３つの{１００}結晶面の残りの１面と平行で且つ前記筒の中心軸を含む面を前記中心軸周りの前記一方向に４５°回転した面と前記周壁とが交わる箇所において他の箇所より大きくなるように行われるフッ化カルシウム光学部材の製造方法。
9. 前記筒の内周面の前記中心軸に直交する断面が円形状である請求項８に記載の製造方法。
10. 前記筒の外周面の前記中心軸に直交する断面が略正方形である請求項８又は９に記載の製造方法。
11. 前記略正方形の断面の２組の対向する辺の一方と前記３つの{１００}結晶面の他のいずれか１面が存在する方向とが平行であり、前記対向する辺の他方と前記３つの｛１００｝結晶面の残りの１面が存在する方向とが平行である請求項１０に記載の製造方法。

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