含铝熔凝石英玻璃制造技术

熔凝石英玻璃器件经激光束辐照，与低铝熔凝石英玻璃器件相比内透射率提高了，吸光变化降低了。该器件还呈现激光束辐照时诱发透光率。还具有提高了的轴外折射率均匀性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Aluminized fused silica glass

Compared with the low alumina fused silica glass devices, the internal transmittance of fused silica glass irradiated by laser beams is increased, and the light absorption is decreased. The device also exhibits light transmittance when laser beams are irradiated. It also improves the uniformity of the off axis refractive index.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及熔凝石英玻璃器件以及光学器件。更具体地说，本专利技术涉及熔凝石英玻璃以及由此二氧化硅制造的光学器件，这种器件提高了垂直于光轴方向的折射率的均匀性。
技术介绍
商用熔凝石英玻璃器件，诸如透镜，棱镜，滤光镜，光掩模，反射镜，校准板与玻璃窗，都通常由在大窑炉内生产的熔凝石英玻璃大件制作而成。在大窑炉内生产的熔凝石英玻璃大件在本领域内所知为锭料。而从该锭料切割成坯料，光学器件成品则由该玻璃坯料制成，制作步骤包括，但不仅限于此的步骤包括切割，对由玻璃坯料切下的器件进行抛光和/或镀膜。这些光学器件用于各种环境下的装置，这些装置受到波长为360nm以下的高能紫外线，如受激准分子激光束或某些其它高能紫外激光束的辐照。将这些光学器件装在各种设备，包括生产高集成度线路的光刻激光印刷辐射设备，激光加工设备，医疗设备，核融合设备，或其他一些采用高能紫外激光束的设备中。总的来说，锭料的制造是由含硅的气体分子在火焰中反应形成二氧化硅烟灰颗粒，这些烟灰颗粒沉积在一旋转体或振荡体的炽热表面上，然后再凝结成玻璃体。在本领域中，这类玻璃制作方法称之为蒸气相水解/氧化工艺，或简称为火焰沉积工艺。这里采用“锭料”一词是指包括由火焰沉积工艺生成的含二氧化硅的物体。直径约为5呎(1.5m)，厚度大于5-10时(13-25cm)的锭料可以在大窑炉内常规生产。多种坯料可以从这类锭料上切割下来，用来制作如前所述的各种光学器件。由这些坯料制成的透镜器件的主光学轴通常平行于锭料在炉内的转轴。为便于表示，该方向称之为“轴1”或“使用轴”。在垂直于轴1即使用轴方向上进行的测量称之为“轴外”测量。随激光器能量与脉冲频率增加，与这种激光器一同使用的光学器件就受到较高能量激光的辐照。熔凝石英玻璃光学器件由于其优异光学特性并能耐受激光引起的破坏，是广泛用作这类激光光学器件首选的制作材料。激光技术现已进入短波，高能紫外波段区，它的作用是提高激光器产生的光的频率(波长减小)。令人特别感兴趣的是在UV和深UV(DUV)波段工作的受激准分子激光器，这些激光器包括在约193nm与248nm波长工作的激光器。受激准分子激光系统在微光刻领域中应用非常普遍，而且短波长可以提高制作集成电路与微芯片的线密度，因而可制作出具有特征尺寸小的电路。短波(高频率)的直接物理后果是由于每个光子的能量较高而致使光束光子能量较高。在这样一种受激准分子激光系统里，熔凝石英玻璃器件受到高能光子辐射较长一段时间照射后，其光学性能会下降。已知激光引发的性能下降就使熔凝石英玻璃光学器件的性能下降，表现为透光性的下降，折射率的改变，密度的改变，玻璃吸收率的增加。多年来，曾采用多种方法来提高熔凝石英玻璃的抗光学破坏能力。人们一般知道，采用火焰水解法、CVD烟灰重熔法、等离子CVD法，石英晶体粉末电熔法，以及其它一类方法制备的高纯熔凝石英玻璃容易遭受不同程度的激光破坏。一种已知的降低玻璃光吸收，提高玻璃光透射的方法是降低玻璃中，诸如钠、铝和铁等金属杂质的总含量。过去，由本专利技术受让人制造与销售了熔凝石英玻璃，其杂质铝高达50ppb，钠高达100ppb，193nm的内透光率≯99.4％。一种降低玻璃内金属杂质的已知方法是用卤素气体处理熔凝石英玻璃生产炉所采用的耐火材料。该方法在US Pat.No.6,174,509有详细描述。改进熔凝石英玻璃光学器件透光率与抗破坏能力的另一个方法公开于US Pat.No.6,174,830中，该方法将石英玻璃光学器件在1000℃下退火处理10小时以上。使该器件中氢的含量低于5×1018分子/cm3。US Pat.No.6,174,830的方法，虽然非常有利于制作性能优异的光学器件，但它在形成锭料后制造这种器件所采用的退火工艺时间很长，成本很大。熔凝石英玻璃光学器件还会呈现瞬间吸收。正如Charlene Smigh，Nicholas Borrelli和Roger Araujo在Applied Optics(应用光学)Vol.39，No.31，5778-5784(Nov.1，2000)上发表的“Transient absorption inexcimer-exposed silica”(“受激光辐照的二氧化硅的瞬间吸收”所述，其内容参考结合于此)，瞬间吸收有二种形式。其一种形式，当辐照光源除去后，玻璃在UV波段的透光率稍有恢复，而再次受光照射时会快速变暗。其第二种形式，玻璃经初次辐照后出现吸收，而且这种吸收会随该光学器件的稳定辐照而下降。这种瞬间吸收这里称之为“吸收峰”(“absorption spike”)。这种吸收峰是有问题的，因为为了避免光学器件吸光变化所造成的不利影响，阶梯透镜机一类光学设备的制造厂家必须将该光学器件接受辐照足够多次的脉冲，用以通过“吸收峰”，从而降低器件的吸收值。这种曝光过程要求光学设备制造厂家在时间上与资源上作出不少花费通过这种“吸收峰”，力求将吸收值降低到可以令人接受的水平。要求提供一种提高了透光率并降低吸收峰的熔凝石英玻璃器件。此外，要求提供提高了轴外(off-axis)折射率均匀性的熔凝石英玻璃器件。如果能提供这样的熔凝石英玻璃器件，且没有借助高成本和耗时的处理，如在形成制造熔凝石英玻璃器件用的玻璃锭料之后的退火或延长辐照，将是有利的。专利技术综述本专利技术涉及熔凝石英玻璃器件。这里采用“熔凝石英玻璃器件”一词包括在窑炉内生产的熔凝石英玻璃锭料或大件，从该锭料切出坯料，然后将该坯料制成熔凝石英玻璃光学器件。熔凝石英玻璃光学器件的生产可以包括，但不限于熔凝石英玻璃的切割，研磨，抛光和/或镀膜等加工步骤。根据本专利技术一个实施方式，提供熔凝石英玻璃，它抵抗紫外波段辐射破坏的性能很高，特别在190-300nm之间的波段。在本专利技术一个实施方式中，本专利技术制作的熔凝石英玻璃器件含有至少大约50ppb铝，在193nm的最小内透光率为99.5％/cm。在一个实施方式中，在熔凝石英玻璃器件中掺铝。根据另一个实施方式，该光学器件中铝的含量大于100ppb，而在另一实施方式中，含铝量在200-400ppb之间。在其它实施方式中，其最小内透光率在193nm波长大于或等于99.65％/cm。在某些实施方式中，制成的玻璃器件，其最小内透光率在193nm波长大于或等于99.75％/cm。本专利技术制作的熔凝石英玻璃器件，比含铝量小于50ppb的熔凝石英玻璃器件相比，呈现较低的吸光变化。按照本专利技术制作的熔凝石英玻璃，当被193nm、通量至少为0.97mJ/cm2/脉冲的激光辐照后，呈现的吸光变化小于0.0006/cm(以10为底)。在一较佳实施方式中，本专利技术制造的熔凝石英玻璃，受到193nm、通量为0.97mJ/cm2/脉冲的激光辐照后，呈现的吸光变化小于0.0005/cm(以10为底)。在另一个较佳实施方式中，受到193nm、通量为0.97mJ/cm2/脉冲的激光辐照后，呈现的吸光变化小于0.0002/cm(以10为底)。其他实施方式中，提供含铝的熔凝石英玻璃器件，这种器件的折射率一般在垂直于光轴方向，在至少50mm和最大100mm的深度上的变化小于约0.05ppm/mm。另一些实施方式提供的熔凝石英玻璃器件的折射率一般在垂直于光轴方向，在至少约50mm深度上的变化小于约0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
熔凝石英玻璃器件，其光轴在基本平行于器件的深度的方向，该器件在１９０－３００ｎｍ波段处具有抗紫外线辐射破坏，并在基本垂直于光轴方向，在至少１００ｍｍ深度上，其折射率变化小于约０．１０ｐｐｍ／ｍｍ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CE海克尔，JE麦克松，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]