ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО


RU (11) 2077513 (13) C1

(51) 6 C03C3/064 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1997.04.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 93039372/03 
(22) Дата подачи заявки: 1993.08.02 
(45) Опубликовано: 1997.04.20 
(56) Аналоги изобретения: 1. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог.- М.: 1990, с.78 и 79. 2. Авторское свидетельство N 389039, кл. C 03 C 3/091, 1973. 
(71) Имя заявителя: Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" 
(72) Имя изобретателя: Щавелев О.С.; Головина О.А.; Петровский Г.Т.; Глебов Л.Б. 
(73) Имя патентообладателя: Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" 

(54) ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО 
Использование: для электронной и оптиэлектронной техники, в частности фотолитографии. Сущность изобретения: оптическое стекло содержит в мас.%: оксид кремния 20 - 40 БФ SiO2, оксид бора 25 - 40 БФ B2O3, оксид алюминия 13 - 22 БФ Al2O3, оксид магния 1-4 БФ MgO, оксид кальция 7 - 15 БФ СаО, по крайней мере один оксид из группы: оксид титана, оксид циркония, оксид олова, оксид гафния 1 - 6 БФ ТiO2, ZrO2, SnО2, НfO2. ТКЛР стекла (28 - 35) 107 1/град.с, группа химической устойчивости по ГОСТ 101.34.0-82 - 2. 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Настоящее изобретение относится к составам стекол на основе оксидов кремния, алюминия, бора, несодержащих щелочные компоненты.
В последнее время для решения задач электронной и оптиэлектронной техники, в частности фотолитографии, требуются стекла высокого оптического качества, имеющие:

небольшой (4010-7К-1) термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР),

высокие термомеханические и прочностные характеристики (термостойкость , предельная упругая деформация sp/E

где p предел прочности на разрыв

Е модуль Юнга,

высокую химическую устойчивость.
Для указанных целей используется оптическое стекло ЛК 5, относящееся к пирексам [1]

Это стекло обладает самым малым для оптических стекол (за исключением кварцевого стекла) значением ТКЛР и самым большим значением термостойкости. Однако оно имеет очень высокую температуру в области вязкости 100 пуаз, при которой происходит осветление стекломассы, т.е. очень высокую температуру варки. Это делает стекло ЛК 5 очень "трудным" с технологической точки зрения и не позволяет получить из этого стекла изделий высокого качества по бессвильности, пузырям и включениям.
Наиболее близким по составу к заявляемому стеклу является стекло [2] которое содержит в мас.
SiO2 50 62

B2O3 15 25

Al2O3 12 22

SnO2 5 8

по крайней мере один оксид из группы PbО, BaO 0,5 5. Это стекло разработано на основе старых, традиционных принципов выбора состава стекла с повышенной термической и химической прочностью. Это стекла обладает более высокой термической стойкостью, чем многие промышленные силикатные стекла, однако его термостойкость в два раза меньше, чем у пирекса. По методике, принятой в оптикомеханической промышленности для образцов, размером 60 х 9 х 9 мм, термостойкость стекла [2] cоставляет 100 К. Предельная упругая деформация у этого стекла того же порядка sp/E(5 6)10-4) или несколько меньше, чем у пирекса. Коэффициент термического расширения =50-6010-7, т.е. больше чем у последнего. Весьма существенным недостатком стекла прототипа является весьма высокая температура варки, которая выше 1500oC, но даже при таких высоких температурах стекломасса остается достаточно вязкой, что не дает возможность хорошо ее вымешивать и следовательно получать оптические изделия с высокой однородностью и малой пузырностью. Трудности получения высокооднородных изделий усугубляются еще и тем, что при температурах варки выше 1500oC исключена возможность использования платиновых огнеупоров, а керамические огнеупоры интенсивно разъедаются расплавленной стекломассой.
При создании изобретения решалась задача создания стекла, обладающего следующим комплексом параметров: хорошими технологическими свойствами, высокими термомеханическими параметрами (dT,, p/E), низким на уровне пирекса ТКЛР, повышенной химической устойчивостью.
Предлагается стекло, содержащее как и стекло по [2] SiO2, B2O3, Al2O3, оксид щелочно-земельного металла, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит по крайней мере один оксид из группы: ТiO2, ZrO2, SnO2, НfO2, а в качестве оксида щелочно-земельного металла СаО и MgO при следующем соотношении компонентов, в мас.
SiO2 20 40

B2O3 25 40

Al2O3 13 22

MgO 1 4

СаО 7 15

причем суммарное содержание RO2 1-6, где R элемент из группы Тi, Zr, Sn, Нf.
Заявляемое стекло относится к другой области составов базовой системы SiO2 B2O3 Al2O3. Оно содержит значительно меньше SiO2 и существенно больше B2O3. Т.е. является не боросиликатным, а силикоборатным, что является основной причиной высокой предельной упругой деформации, т.к. при высоком содержании оксидов бора и алюминия ионы бора строят полимерную структуру из треугольников (ВО3), в которых ион бора трехкоординирован. Предлагаемое стекло содержит меньше оксидов четвертой группы, что также принципиально важно, т. к. при введении больших количеств этих компонентов, в наибольшей степени повышающих модуль упругости, при относительно мало изменяющемся пределе прочности величина предельной упругой деформации p/E будет лишь сначала немного возрастать, а затем снижаться. А это приводит к снижению термостойкости и к повышению хрупкости. Существенно и то, что предлагаемое стекло вместо двух оксидов тяжелых щелочно-земельных компонентов BаO, PbO содержит MgO и СаО. Такая замена в группе RO на более легкие элементы приводит к повышению предела прочности, при мало изменяющемся модуле упругости ведет к повышению предельной упругой деформации.
Заявляемое стекло имеет малую температуру в области вязкости, отвечающей 100 пуаз 1300 1400oC (cм. таблицу 1), что определяет малую летучесть стекла в процессе варки, малую коррозию керамического огнеупора и возможность использования для варки стекол платиновых сосудов. Последнее предопределяет высокое качество изделий по однородности, пузырям и включениям.
Обычно введение в состав стекол тугоплавких оксидов элементов IV группы приводит к существенному увеличению варочной вязкости. Однако в нашем случае введение ТiO2, ZrO2, SnO2, НfO2 очень мало увеличило вязкость. В качестве иллюстрации в табл.3 приведено сопоставление вязкостей заявляемого стекла, содержащего 2,65oC/ ZrO2 и стекла, отличающегося только тем, что в его состав не входит ни один оксид из группы RО2.
Заявляемое стекло имеет небольшое, на уровне пирексов, значение ТКЛР. Термостойкость и термомеханические параметры такие же или выше, чем у ЛК 5 (см. таблицу).
Заявляемое стекло имеет высокую химическую устойчивость к растворам кислот и щелочей (см. таблицу). Это позволяет существенно расширить область применения заявляемого стекла в различных областях техники.
В отличие от стекла [2] предлагаемое стекло имеет высокое светопропускание по всему спектральному диапазону особенно в ближней ультрафиолетовой области. Это позволяет применять заявляемые стекла и в фотолитографии и в тех областях техники, где требуется высокое пропускание в ближнем ультрафиолете. При этом максимально высокое пропускание имеют стекла с оксидами циркония и гафния.
Стекло варится в платиновом тигле при температуре 1350oC. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1 Оптическое стекло, включающее SiO2, B2O3, Al2O3, оксид щелочноземельного металла, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит по крайней мере один оксид из группы TiO2, ZrO2, SnO2, HfO2, а в качестве оксида щелочноземельного металла CaO, MgO при следующем содержании компонентов, мас.3 SiO27 20 403 В2О37 25 403 Al2O37 13 223 MgO7 1 43 СаО7 7 153 По крайней мере один оксид из группы TiO2, ZrO2, SnO2, HfO27 1 6