JP2012199425A - マスタオシレータ、レーザシステム、およびレーザ生成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マスタオシレータは、励起光を出力するポンピングレーザと、前記励起光によってレーザ発振するシードレーザと、前記シードレーザから出力されたパルスレーザ光を前記励起光によって増幅する増幅器と、前記シードレーザと前記増幅器との間の光路上に設置された少なくとも1つの光シャッタと、前記ポンピングレーザを所定の繰返し周波数で継続的に発振させるとともに、前記光シャッタを開閉制御するコントローラと、を備えてもよい。
【選択図】図3
Description
1.概要
2.用語の説明
3.波長変換装置を有するマスタオシレータと増幅装置とを含むレーザシステム(実施の形態1)
3.1 構成
3.2 動作
3.3 バースト発振
4.光シャッタを含むマスタオシレータと増幅装置とを組み合わせたレーザシステム(実施の形態2)
4.1 構成
4.1.1 光シャッタを含むマスタオシレータ
4.1.2 光シャッタ(ポッケルスセルと偏光子との組み合わせ)
4.2 動作
4.2.1 マスタオシレータのタイミングチャート
4.2.2 レーザシステムのフローチャート
4.3 作用
5.光シャッタを含むマスタオシレータと増幅装置とを組み合わせたレーザシステム(実施の形態3)
5.1 構成
5.2 動作
5.2.1 マスタオシレータのタイミングチャート
5.2.2 レーザシステムのフローチャート
5.3 作用
6.ポンピングレーザの光軸制御装置を備えたマスタオシレータ(実施の形態4)
6.1 構成
6.2 動作
6.3 作用
7.補足説明
7.1 Ti:サファイアレーザ(シードレーザ)
7.2 増幅器(PA)
7.3 増幅器の代替例(光共振器を含む増幅器(PO))
7.4 光軸制御機構
7.4.1 光軸センサ(構成例1)
7.4.2 光軸センサ(構成例2)
7.4.3 光軸調整部(2軸傾斜ステージ付きミラー)
以下で例示する実施の形態では、マスタオシレータ内に配置された光シャッタを開閉することで、所定繰返し周波数で継続的に出力されたパルスレーザ光のバーストを生成してもよい。
KBBF結晶とは、化学式KBe2BO3F2で表される非線形光学結晶であり、波長変換素子である。バースト発振とは、所定の期間に、所定の繰返し周波数で、パルスレーザ光を出力することである。光路とは、レーザ光が伝搬する経路のことである。
3.1 構成
図1に本開示の実施の形態1による2ステージレーザ装置の一例の概略構成を示す。
2ステージレーザ装置(以下、レーザシステムという)1は、大別すると、マスタオシレータ2と、増幅装置3とを含む。マスタオシレータ2は、たとえば波長変換素子を有してもよい。増幅装置3は、たとえば放電励起式ArFエキシマ増幅器であってよい。前記マスタオシレータ2と前記増幅装置3との間には、低コヒーレンス化光学システム4が設置されてもよい。低コヒーレンス化光学システム4としては、光学パルスストレッチャーやランダム位相板等のシステムを使用してよい。
マスタオシレータ2は、波長がおよそ193nmのパルスレーザ光31を出力してもよい。低コヒーレンス化光学システム4は、前記パルスレーザ光31のコヒーレンシーを低下させてもよい。増幅装置3は、コヒーレンシーの低下したパルスレーザ光32を増幅してパルスレーザ光33として出力してもよい。パルスレーザ光33は、例えば図示していない半導体露光機へ送られて、露光処理に使用されてもよい。
図2は、レーザシステム1の運転動作を示すタイミングチャートである。レーザシステム1を用いた露光では、所定の繰返し周波数のパルスレーザ光33を用いてたとえば半導体ウエハを露光してもよい。ただし、例えば、露光装置におけるウエハの移動、ウエハの交換、マスクの交換等を行う期間では、パルスレーザ光33による露光が休止してもよい。すなわち、図2に示すように、レーザシステム1を用いた露光では、パルスレーザ光33を所定の繰返し周波数で露光装置へ出力するバースト出力期間TBと、パルスレーザ光33の露光装置への出力を停止するバースト休止期間TRとが繰り返してもよい。
つぎに、レーザシステムの他の形態を、本開示の実施の形態2として、図面を用いて詳細に説明する。
図3は、実施の形態2によるレーザシステム1Aの概略構成を示す。図3に示すように、レーザシステム1Aは、マスタオシレータ2Aと、高反射ミラー11と、低コヒーレンス化光学システム4と、増幅装置3Aと、レーザコントローラ220Aとを備えてもよい。レーザコントローラ220Aは、レーザシステム1Aの全体動作を制御してもよい。
ここで、図4に、実施の形態2によるマスタオシレータ2Aの概略構成を示す。図4に示すように、マスタオシレータ2Aは、固体レーザ装置200と、コントローラ210とを含んでもよい。また、マスタオシレータ2Aは、コントローラ210から固体レーザ装置200へ入力する各種信号を、タイミング調整のために遅延させる1つ以上の遅延回路を含んでもよい。
ここで、図5に、実施の形態2による光シャッタの一例を示す。なお、図5に示す光シャッタ40は、光シャッタ41〜44のいずれに対しても適用可能である。
つづいて、実施の形態2によるレーザシステム1Aの動作を、図面を用いて詳細に説明する。
図7〜図9は、実施の形態2によるマスタオシレータ2Aの動作の概略を示すタイミングチャートの一例である。図7は、ポンピングレーザ5から出力される励起光51を示す。図8は、光シャッタ41〜44の開閉動作を示す。図9は、マスタオシレータ2Aから出力されるパルスレーザ光31を示す。
つぎに、図3に示すレーザシステム1Aの動作を、図面を用いて詳細に説明する。図10は、レーザシステム1Aの概略動作を示すフローチャートである。図11は、図10のステップS101に示すパラメータ初期設定ルーチンの概略動作を示すフローチャートである。図12は、図10のステップS104によってコントローラ210が開始する動作を示すフローチャートである。図13は、図10のステップS105によってレーザコントローラ220Aが開始する動作を示すフローチャートである。なお、図10、図11および図14では、レーザコントローラ220Aの動作を示す。図12では、コントローラ210の動作を示す。
以上のように動作することで、マスタオシレータ2Aをバースト出力期間TBとバースト休止期間TRとを繰り返す運転動作させる際に、ポンピングレーザ5を継続的に所定の繰返し周波数で発振させることができる。これによりポンピングレーザ5を熱的に安定し得る。また、Ti:サファイアレーザ6にポンピングレーザ5からの励起光51を継続的に入力することができる。これにより、Ti:サファイアレーザ6を熱的に安定させることができる。さらに、励起光51を増幅器7に継続的に入力することができる。これにより、増幅器7を熱的に安定し得る。この結果、マスタオシレータ2Aから出力するパルスレーザ光31が安定し得る。すなわち、安定したパルスレーザ光31からなるバースト発振を繰り返すことができる。また、マスタオシレータ2Aから出力されたパルスレーザ光が増幅装置3A内の放電空間23を通過するタイミングに合わせて、放電空間23に放電を発生させることが可能である。
また、レーザシステムのさらなる他の形態を、本開示の実施の形態3として、図面を用いて詳細に説明する。
図14は、実施の形態3によるレーザシステム1Bの概略構成を示す。図14に示すように、レーザシステム1Bは、図3に示すレーザシステム1Aと同様の構成を備えてもよい。ただし、レーザシステム1Bでは、レーザシステム1Aのマスタオシレータ2Aがマスタオシレータ2Bに置き換えられている。
つづいて、実施の形態3によるレーザシステム1Bの動作を、図面を用いて詳細に説明する。
図15〜図17は、実施の形態3によるマスタオシレータ2Bの動作の概略を示すタイミングチャートの一例である。図15は、ポンピングレーザ5から出力される励起光51を示す。図16は、光シャッタ41〜44の開閉動作を示す。図17は、マスタオシレータ2Aから出力されるパルスレーザ光31を示す。
つぎに、図14に示すレーザシステム1Bの動作を、図面を用いて詳細に説明する。図18は、レーザシステム1Bの概略動作を示すフローチャートである。図19は、図18のステップS201に示すパラメータ初期設定ルーチンの概略動作を示すフローチャートである。図20は、図18のステップS203によってコントローラ210が開始する動作を示すフローチャートである。図21は、図18のステップS204によってレーザコントローラ220Aが開始する動作を示すフローチャートである。なお、図18、図19および図21では、レーザコントローラ220Aの動作を示す。図20では、コントローラ210の動作を示す。
以上のように動作することで、実施の形態2と同様の作用を得ることができる。さらに、実施の形態3では、パルスレーザ光が各光シャッタ41〜44を通過するタイミングに合わせて光シャッタ41〜44を開閉動作した場合、各光シャッタ41〜44は下流側からの自励発振光や戻り光を抑制することができる。すなわち、光シャッタ41〜44は、自励発振光や戻り光の抑制およびバースト生成の2つの機能を果たすことができる。
つぎに、本開示の実施の形態4によるレーザシステムを、図面を用いて詳細に説明する。
図22は、実施の形態4によるマスタオシレータ2Cの概略構成を示す。図22に示すように、マスタオシレータ2Cは、たとえばポンピングレーザ5から出力された励起光51の光軸を調整する光軸制御機構90を備えてもよい。その他の構成は、たとえば図14に示すマスタオシレータ2Bと同様の構成を備えてもよい。ただし、ビームスプリッタ81および高反射ミラー82のアレンジメントは異なる。
図22に示す構成において、ポンピングレーザ5から出力された励起光51は、光軸制御機構90のビームスプリッタ91によって2経路に分岐されてもよい。ビームスプリッタ91を透過した励起光51は、光軸センサ92に入射してもよい。光軸センサ92は、励起光51の光軸を検出し、この検出結果を光軸コントローラ93に入力してもよい。
このように、各Ti:サファイア結晶に入射する励起光51の光軸を、光軸制御機構90を用いて高精度に調整することで、Ti:サファイアレーザ6および増幅器7でのエネルギー効率を向上できる。この結果、安定した高エネルギーのパルスレーザ光を効率的に生成し得る。
つづいて、上述した各実施の形態における各部の補足説明を、以下に記す。
図23は、上述のTi:サファイアレーザ6の一例を示す。図23に示すように、Ti:サファイアレーザ6は、いわゆるリットマン型のレーザであってよい。このTi:サファイアレーザ6は、高反射ミラー61と、出力結合ミラー65と、Ti:サファイア結晶62と、グレーティング63と、高反射ミラー64と、を備える。高反射ミラー61および出力結合ミラー65は、光共振器を形成する。Ti:サファイア結晶62およびグレーティング63は、この光共振器内の光路上に配置される。高反射ミラー64は、グレーティング63で回折されたレーザ光を反射してグレーティング63に戻す。高反射ミラー61および64は、高反射ミラー61および出力結合ミラー65とは別の共振器を形成する。また、出力結合ミラー65は、パルスレーザ光L1aを出力する光出力端としても機能する。
図24は、上述の増幅器7の一例を示す。なお、本例では、光共振器を含まないマルチパス増幅方式のパワー増幅器を例に挙げる。図24に示すように、増幅器7は、複数の高反射ミラー72〜78と、Ti:サファイア結晶71と、を備える。この複数の高反射ミラー72〜78は、Ti:サファイアレーザ6から入力したパルスレーザ光L1がTi:サファイア結晶71を複数回(本例では4回)通過するマルチパスを形成する。Ti:サファイア結晶71には、高反射ミラー72を介して、ポンピングレーザ5からの励起光51も入射する。Ti:サファイア結晶71の光入出力端面は、ブリュースタカットされている。Ti:サファイア結晶71は、マルチパスを進行するパルスレーザ光L1に基づいて、励起光51からエネルギーを得つつ発振する。これにより、複数回通過する際に、パルスレーザ光L1がマルチパス増幅される。この結果、増幅器7から増幅されたパルスレーザ光L1aが出射する。なお、高反射ミラー72は、励起光51を透過し、Ti:サファイア結晶71からのレーザ光を反射する。
また、増幅器7は、内部に光共振器を備えたパワー発振器に置き換えることも可能である。図25は、ファブリーペロー型の増幅器7Aの概略構成を示す。図25に示すように、増幅器7Aは、高反射ミラー172と、出力結合ミラー173と、Ti:サファイア結晶174と、高反射ミラー171と、を備える。高反射ミラー172および出力結合ミラー173は、光共振器を形成する。Ti:サファイア結晶174は、この光共振器内の光路上に配置される。高反射ミラー171は、Ti:サファイアレーザ6から入射したパルスレーザ光L1およびポンピングレーザ5から入射した励起光51を光共振器内に導く。
つぎに、図22に示す光軸制御機構90について、その一例を説明する。
図26は、光軸制御機構90における光軸センサ92の一例(構成例1)を示す。図26に示すように、光軸センサ92は、ビームスプリッタ191と、高反射ミラー194と、レンズ192および195と、ビームプロファイラ193および196とを含む。ビームプロファイラ193の受光面には、ビーム伝播経路上の位置A1での励起光51のビームプロファイル(レーザビームの断面強度プロファイル)が、レンズ192によって結像される。一方、ビームプロファイラ196の受光面には、分岐したビーム伝播経路上の位置A2での励起光51のビームプロファイルが、レンズ195によって結像される。このように、離れた複数の位置(A1およびA2)におけるビームプロファイルを計測することで、励起光51の方向(光軸)やダイバージェンス(波面の曲率)などを算出することができる。たとえば各ビームプロファイルの中心位置と、位置A1およびA2間のビーム伝播経路上の距離とから、ビーム伝播経路の空間位置およびビーム伝播経路の方向を計算することができる。さらに、位置A1およびA2におけるビームプロファイルの大きさの差から、励起光51のダイバージェンス(波面の曲率)を計算することができる。
また、光軸センサ92は、図27のようにも変形することができる。図27は、光軸センサ92の他の一例(構成例2)を示す。図27に示すように、光軸センサ92Aは、ウェッジビームスプリッタ291と、レンズ292および294と、ビームプロファイラ293および295とを含む。レンズ292およびビームプロファイラ293は、光軸センサ92のレンズ192およびビームプロファイラ193と同様に、ウェッジビームスプリッタ291を透過した励起光51のビームプロファイルを計測する。一方、ビームプロファイラ295は、レンズ294の焦点位置に配置される。ビームプロファイラ295は、ウェッジビームスプリッタ291で反射された励起光51の集光位置におけるビームプロファイルを計測する。各ビームプロファイルの中心位置とレンズ294の焦点距離から、励起光51のビーム伝播経路の空間位置およびビーム伝播経路の方向を求めることができる。さらに、各ビームプロファイルの大きさと各プロファイラの観測位置から、励起光51のダイバージェンスを求めることができる。
また、励起光51の光軸調整は、上述のように、2つの2軸傾斜ステージ付き高反射ミラー94および95を用いて実現することができる。ここでは、2つの2軸傾斜ステージ付き高反射ミラー94および95を光軸調整部という。図28に、光軸調整部の一例を示す。図28に示すように、2軸傾斜ステージ付き高反射ミラー94および95は、それぞれの姿勢角度(θx、θy)を制御することによって、励起光51のビーム伝播経路を所望のビーム伝播経路に調整できる。ここで、θxの方向とθyの方向とは、互いに垂直であってもよい。
2、2A、2B、2C マスタオシレータ
3 増幅装置
4 低コヒーレンス化光学システム
5 ポンピングレーザ
6 Ti:サファイアレーザ
7 増幅器
8 波長変換装置
81 ビームスプリッタ
11、82 高反射ミラー
9 LBO結晶
10 KBBF結晶
14 出力結合ミラー
15〜17 高反射ミラー
18、19 ウィンドウ
20 チャンバ
21 アノード
22 カソード
23 放電空間
24 レーザ電源
25 スイッチ
26 磁気パルス圧縮回路
31 パルスレーザ光(出力パルスレーザ光)
32〜33 パルスレーザ光
41〜44 光シャッタ
141、143 偏光子
142 ポッケルスセル
144 高圧電源
200 固体レーザ装置
210 コントローラ
211 内部トリガ発振器
220 外部装置
220A レーザコントローラ
311 発振遅延回路
341〜344 シャッタ遅延回路
600 露光装置
601 露光コントローラ
AL1 可飽和リアクトル
L0 シードパルスレーザ光
L1 通過パルスレーザ光
L1a 増幅パルスレーザ光
S1 トリガ信号
S11 ポンピングレーザ発振信号
S41〜S44 光シャッタ動作信号
S5 スイッチ信号
S61 電圧
TB バースト出力期間
TR バースト休止期間
Claims (7)
- 励起光を出力するポンピングレーザと、
前記励起光によってレーザ発振するシードレーザと、
前記シードレーザから出力されたパルスレーザ光を前記励起光によって増幅する増幅器と、
前記シードレーザと前記増幅器との間の光路上に設置された少なくとも1つの光シャッタと、
前記ポンピングレーザを所定の繰返し周波数で継続的に発振させるとともに、前記光シャッタを開閉制御するコントローラと、
を備える、マスタオシレータ。 - 前記光シャッタは、
電気光学素子と、
前記電気光学素子の光入力端側に配置される第1の光フィルタと、
前記電気光学素子の光出力端側に配置される第2の光フィルタと、
前記電気光学素子に接続され、前記電気光学素子に電圧を印加する電源と、
を備える、
請求項1記載のマスタオシレータ。 - 前記電気光学素子は、ポッケルスセルである、請求項2記載のマスタオシレータ。
- 前記第1および第2の光フィルタは、それぞれ少なくとも1つの偏光子を含む、請求項2記載のマスタオシレータ。
- 前記コントローラは、前記ポンピングレーザの継続発振中に前記光シャッタの少なくとも1つを開閉制御することで、前記パルスレーザ光のバースト出力を生成する、
請求項1記載のマスタオシレータ。 - パルスレーザ光を出力するマスタオシレータと、該マスタオシレータから出力された前記パルスレーザ光を増幅する増幅装置とを備えるレーザシステムであって、
前記マスタオシレータは、
励起光を出力するポンピングレーザと、
前記励起光によってレーザ発振するシードレーザと、
前記シードレーザから出力されたパルスレーザ光を前記励起光によって増幅する第2増幅器と、
前記シードレーザと前記第2増幅器との間の光路上に設置された少なくとも1つの光シャッタと、
前記ポンピングレーザを所定の繰返し周波数で継続的に発振させるとともに、前記光シャッタを開閉制御するコントローラと、
を備える、
レーザシステム。 - 励起光を出力するポンピングレーザと、前記励起光によってレーザ発振するシードレーザと、前記シードレーザから出力されたパルスレーザ光を前記励起光によって増幅する増幅器と、前記シードレーザと前記増幅器との間の光路上に設置された少なくとも1つの光シャッタと、を備える装置のレーザ生成方法であって、
前記ポンピングレーザを所定の繰返し周波数で継続的に発振させ、
前記ポンピングレーザの継続発振中に前記光シャッタを開閉制御することで、前記パルスレーザ光のバースト出力を生成する、
レーザ生成方法。
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