JP5185727B2 - 偏光純度制御装置及びそれを備えたガスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、エキシマレーザやフッ素分子レーザ等の半導体露光装置で使用される偏光純度制御装置及びそれを備えたガスレーザ装置に関するものである。

（露光用光源）
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの深紫外光を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置、並びに、波長１９３ｎｍの真空紫外光を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハー間を液体で満たして屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をＡｒＦエキシマレーザ露光に適用しようとしている。ＡｒＦエキシマレーザ液浸では、純水を液浸液にした場合１３４ｎｍの波長になる。また、次々世代の露光用光源として、波長１５７ｎｍの真空紫外光を放出するＦ₂ （フッ素分子）レーザ装置によるＦ₂ レーザ液浸露光が採用される可能性もある。Ｆ₂ レーザ液浸では、１１５ｎｍの波長になると言われている。

（露光用光学素子と色収差）
多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行われる。現在、露光用光源であるレーザ波長の２４８ｎｍ〜１５７ｎｍの波長（紫外線）域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とＣａＦ₂ 以外にはない。このため、ＫｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ＡｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英とＣａＦ₂ で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。ところが、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振スペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いために、これらの投影レンズを使用すると、色収差が発生して解像力が低下する。そこで、色収差が無視できるまでに、これらのガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このため、これらのガスレーザ装置には狭帯域化素子（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。

（液浸リソグラフィーと偏光照明）
上記したように、ＡｒＦエキシマレーザ液浸リソグラフィーの場合、媒体としてＨ₂ Ｏを使用したとき、屈折率が１．４４になるため、屈折率に比例するレンズ開口数ＮＡは原理的に従来の開口数に対して１．４４倍に増やすことができる。ＮＡが高くなるにつれ、光源であるレーザ光の偏光純度の影響が大きくなる。偏光の向きがマスクパターンの方向に平行であるＴＥ偏光の場合は影響がないが、それが直交するＴＭ偏光の場合は、像のコントラストが低くなってしまう。これは、後者の場合、ウエハー上の焦点における電界のベクトルが異なる方向であるため、ウエハーへの入射角が大きくなるに従い、電界のベクトルが同一である前者に比べ、強度が弱くなってしまうためである。この影響はＮＡが１．０に近づくか超える場合に強くなり、ＡｒＦエキシマレーザ液浸はこの場合に該当する。そのため、以上のように露光装置の照明系では、所望の偏光状態を制御する必要がある。この偏光照明の制御には、露光装置の照明系に入力されるレーザの偏光状態が直線偏光であることが要求されている。偏光純度は、計測される直線偏光と非直線偏光の割合であ
り、レーザの偏光は、偏光純度が高く維持されることが要求されている。図２０に示されるように、偏光子を回転させて、透過光強度の最大値Ｉmax及び最小値Ｉminを測定したときに、偏光純度は、以下の式で示される。
Ｐ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin） ・・・（１）

（偏光純度を高めるための従来技術）
レーザ光の偏光純度を高めるための技術として、これまでに特許文献１と特許文献２に記載の技術がある。

特許文献１に記載のものは、レーザに使用する光学素子のフッ化カルシウム結晶の（１００）面に垂直にレーザ光の光軸が透過するようにして、光学素子内部を光が通過するときに受ける真性複屈折による偏光純度の悪化を防ぐ方法である。

しかしながら、上記の従来技術には、次に述べるような問題がある。

レーザ光の偏光純度はレーザ装置内の光学素子をレーザ光が通過するときに、光学素子の複屈折によって悪化する。複屈折には、外部からの機械応力や熱応力による応力複屈折と、それらの応力が無い状態でも、その結晶構造によって発現する本来的に存在する真性複屈折がある。

特許文献１に記載のものでは、光学素子の（１００）面に垂直にレーザ光が通過するように配置することによって、真性複屈折による偏光純度の悪化を防いでいるが、応力を与えたときに発生する応力複屈折は、（１００）面に垂直な［１００］方向が最も大きく、チャンバウィンドウとして使用する場合、ウィンドウのホールド時の応力やチャンバ内の数気圧のガスによる圧力、また、レーザ照射による発熱応力等によって応力複屈折が発生する可能性がある問題があった。

また、カット面は（１１１）面と１７．５８°または２６．７６°をなす角度でカットして、このカット面をチャンバウィンドウの両面としているため以下の２つの課題が発生していた。一つは、このカット面を表面荒さが小さな高精度研磨ができないため、レーザ照射による表面損傷の閾値が低くなっていた。二つ目は、チャンバウィンドウとして使用する場合、約４０００ｈＰａのガス圧力がかかるため、例えば、壁界しやすい（１１１）面で、破損する可能性があった。さらに、カット面を（１１１）面と１７．５８°でカットした場合には、チャンバウィンドウと光軸とのなす角度は、７０°となり、Ｐ偏光とＳ偏光のフレネル反射がそれぞれ４．２％と３０．０％なり、このウィンドウを透過することにより、Ｐ偏光成分は選択されるが、Ｐ偏光のフレネル反射が大きいため、レーザの出力を確保することができないという問題があった。

そこで、特許文献２のように、２つの平面を備えて紫外線がその１つの平面２から入射し、他の平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなるウィンドウ等の紫外線ガスレーザ用光学素子において、少なくとも一方の平面がフッ化カルシウム結晶の（１１０）結晶面に平行である紫外線ガスレーザ用光学素子により、真性複屈折及び応力複屈折による偏光純度の悪化を防止すると共に、カット面を平滑にしてレーザ照射により割れや欠陥の発生を防止する技術が開示されている。

また、１／２波長板と偏光子を光軸上に配置し、回転させて、その偏光方位を制御し、偏光純度を高める技術が開示されている（特許文献３）。
米国特許出願公開第２００３／２１９０５６号明細書 特開２００６−７３９２１号公報 特開２００６−１７９６００号公報

しかしながら、特許文献２に示す技術では、真性複屈折及び応力複屈折による偏光純度の悪化を防止すると共に、フッ化カルシウム結晶のカット面を（１１０）面にすることにより、ウィンドウに対して垂直方向にかかるチャンバガス圧力やウィンドウをホールドするための機械応力によって、使用時に、へき開する可能性があった。また、結晶内部で（１１１）面に沿ってスリップしたり、これにより、ウィンドウが割れたりしてしまう可能性があった。

また、特許文献３に示す技術では、ｐ偏光のみを通過させる偏光子を通過することで、偏光純度を高めているおり、ｓ偏光成分は反射や光軸を変更して除外している。

そのため、ｓ偏光成分の光強度が失われ、損失が発生することになる。損失を補償するためには、チャンバのガス応力を増加させたり、放電電圧を増加させる必要がある。チャンバのガス応力を増加させた場合、ガス応力が増加し、偏光純度が低下する原因のチャンバウィンドウにかかる負荷が増大することになり、装置の寿命が短くなる問題があった。また、放電電圧を増加させた場合、光エネルギ密度の高い光軸上に置いたｐｓ分離膜やローションプリズム等の偏光子にかかる負荷が増加し、短時間で損傷してしまう問題があった。さらに、偏光純度を制御することはできなかった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械応力やガス応力等により破損する現象を低減し、偏光純度を制御すると共に、強い紫外線（特にＡｒＦ）レーザ光照射による劣化を抑制するフッ化カルシウム結晶を用いた偏光純度制御装置及びそれを備えたガスレーザ装置を提供することである。

そのために、本発明の偏光純度制御装置は、（１１１）結晶面に平行な入射平面及び射出平面を含み、入射角がブリュースタ角となるように設置され、レーザ光を透過するフッ化カルシウム結晶基板と、
フッ化カルシウム結晶基板を透過したレーザ光の偏光純度を計測する偏光モニタと、
前記偏光モニタの計測した偏光純度に応じて、所望の偏光純度となるように、［１１１］軸を中心軸として前記フッ化カルシウム結晶基板の回転角を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする。

また、前記フッ化カルシウム結晶基板を複数有する。

また、レーザ光の状態を計測するモニタモジュールを有し、前記フッ化カルシウム結晶基板は、前記モニタモジュールへレーザ光を入射するために、レーザ光を分割する。

さらに、本発明の偏光純度制御装置を備えたガスレーザ装置は、チャンバと、チャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生するレーザ光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられたウィンドウと、前記ウィンドウから出射したレーザ光の偏光純度を制御する前記偏光純度制御装置と、を備えた。

機械応力やガス応力等により破損する現象を低減し、偏光純度を制御すると共に、強い紫外線（特にＡｒＦ）レーザ光照射による劣化を抑制することができる。

以下、本発明に係る実施形態の真空紫外レーザ装置について説明する。

図１は、ＣａＦ₂ の結晶格子を示す。本実施形態では、ＣａＦ₂ の結晶は、結晶方位に合わせて（１１１）面でカットされる。ＣａＦ₂ 結晶は、図１に示すような、面心立方格子で構成されている。

図２に示すように、ＣａＦ₂ 結晶の軸［００１］、［１００］に対する光の進行方向Ｌの角度θとφを定義すると、図２のφ＝４５°、θ=５４．７４°の方向が［１１１］軸
方向となる。（１１１）面の表面は他の結晶軸表面よりも、一番硬いため、表面粗さが小さく、潜傷が少ない研磨が可能となる。

次に、光軸ＬがＣａＦ₂ 結晶３を通過する状態について説明する。

図３は、本実施形態によるＣａＦ₂ （フッ化カルシウム）を用いた回転前のＣａＦ₂ 結晶３を示す断面図、図４は、回転後のＣａＦ₂ 結晶３を示す上面図である。

図３は、ＣａＦ₂結晶３を［００１］軸、［１１０］軸及び［１１１］軸を含む断面で
見た図である。ＣａＦ₂ 結晶からなるＣａＦ₂結晶３は、（１１１）面に対して、平行な
面の第１表面３ａ及び第２表面３ｂで研磨されている。例えば、本実施形態では、［００１］軸、［１１０］軸及び［１１１］軸を含む面内で、入射角度α＝５５．７°でＣａＦ₂ 結晶３に対してレーザビームがＣａＦ₂結晶３の中央に入射する。すると、第１表面３
ａにおいて、光がスネルの法則にしたがって、屈折角度β＝３３．４°で屈折する。この時、ＣａＦ₂ 内部の屈折光軸ＬがＣａＦ₂ 結晶の［００１］軸、［１１０］軸及び［１１１］軸を含む面内で、且つ、［１１１］軸と［００１］軸のなす角度の間（０°＜γ＜５４．７°）を透過するように、ＣａＦ₂ 結晶３を配置する。そして、ＣａＦ₂ 結晶３内を透過して、第２表面３ｂで再び、第１表面３ａと同様にスネルの法則にしたがって、レーザ光は、［００１］軸、［１１０］軸及び［１１１］軸を含む面内で、出射角α＝５５．７°でＣａＦ₂ 結晶３から出射する。

本実施形態では、この状態からＣａＦ₂結晶３を、［１１１］軸を中心軸として角度θ
回転した位置に設置する。

図４はＣａＦ₂ 結晶３を［１１１］軸の真上から見た図であり、ＣａＦ₂ 結晶３の各面方位軸を放射状に示している。ＣａＦ₂ 結晶３は、図１に示したような面心立方格子であるため、結晶方位の軸は［１１１］軸を対称軸とすると３回対称となる。したがって、ＣａＦ₂ 結晶３の［１１１］軸の真上から見て、［００１］軸を基準軸とし、時計回りの角度を負とし、反時計回りの角度を正とすると、［００１］軸と［０１１］軸とのなす角度−６０度、［００１］軸と［０１０］軸となす角度は−１２０度、［００１］軸と［１１０］軸とのなす角度は１８０度、［００１］軸と［１０１］軸とのなす角度は６０度、［００１］軸と［１００］軸とのなす角度は１２０度となる。

図４に示すように、ＣａＦ₂ 結晶３は、結晶内に入射したレーザ光が［１１１］軸と［００１］軸を含む面を通過する配置に対して、［１１１］軸を中心軸として角度θ°回転した位置に設置される。

次に、複屈折による偏光の変化を説明する。一般に、結晶内を伝播する光は、互いに直交する２つの直線偏波状態の波の線形結合であり、それぞれの位相速度と振幅の大きさで、偏光状態と偏光方向が決まる。結晶内に熱応力や機械応力等による複屈折が発生すると、結晶中を伝播する光ビームの位相速度がその偏波方向に依存してずれていく。これによ
り、結晶中を伝播する光は、結晶中の互いに直交する進相軸と遅相軸方向の２方向に分けた時、２方向の伝播する光の速度（複屈折であるため）が異なることによって、それぞれの位相が変化する。

この現象のため、図５に示すように、例えば、直線偏光を入射した場合、楕円偏光（２つ成分の位相差が９０°ずれた場合は円偏光）となって、偏光状態が変化して出射する。複屈折による位相差の大きさは、光が伝播する結晶方位によって異なる。光学軸となる結晶方位に伝播した場合は、複屈折性が無いため、位相差は０である。ＣａＦ₂結晶の真性
複屈折のみを考えた場合では、光学軸は、［１１１］軸と［００１］軸、［１００］軸又は［０１０］軸とこれに等価な軸となる。また、図６に示すように、入射する光の偏波方向が、結晶の進相軸または遅相軸と平行もしくは、垂直であれば、２成分に分かれないため、位相差は発生しない。

次に、チャンバ１で使用する光入射角で計測用ＣａＦ₂ 結晶を設置して、［１１１］軸を中心軸として回転させ、光の伝播方向の結晶方位を変化させて、その偏光状態の変化を観測した結果を示す。

図７は、偏光状態観測実験系を示す図である。使用したレーザ光は直線偏光の狭帯域ＡｒＦレーザ１０１（4kHz,10mJ）を用い、ＣａＦ₂ 結晶３は、入射角α＝５５．７°で設
置し、入射するレーザの偏光方向も、実際の装置と合わせて、図７に示すように紙面と平行方向で入射させた。ＣａＦ₂ 結晶３を通過したレーザ光は、偏光度計測器１０３に入れて、その直線偏光純度を計測した。偏光度計測器１０３では、光路を折り返すことによって、反射するレーザ光の偏光度が変化しない様に、２枚の折り返しウィンドウ１０４ａ，１０４ｂを使用している。ローションプリズム１０５を通過し、センサー１０６で出力を計測する。そして、ローションプリズム１０５を回転させて出力を計測し、前述した式（１）で、直線偏光純度を計測した。図８に示すように、ＣａＦ₂ 結晶３は、（１１１）面カットのものを使用し、［１１１］軸を回転中心として、１０°間隔で回転させながら、０〜３６０°の範囲にわたって、その直線偏光純度の変化を計測した。

図９は、入射レーザ光の偏光度を９９．９％にした場合の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。θ＝０°は、光軸Ｌが［００１］軸方向であることを示す。回転角度θのプラス方向は、ＣａＦ₂ 結晶３を反時計方向に回転させた時を示す。

図９に示すように、θ＝３０°，９０°，１５０°と６０°間隔で、偏光度が低下しているのが分かった。逆に、θ＝０°，６０°，１２０°の方位では、偏光度が変化していないことが分かった。これにより、［００１］軸, ［１０１］軸の方向に光が伝播した場合は、その位相差は変化せず、その中間の角度で、位相差が変化していることが分かった。特に、［００１］軸方向から、３０°ずれた角度が、位相差変化が最大になる角度となっていることが分かった。

図１０は、入射レーザ光の偏光度を９７．１％にした場合の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。この結果も、同じ様に、θ＝０°，６０°，１２０°付近で、透過後のレーザ偏光度は入射光と同じで変わらないが、θ＝３０°，９０°，１５０°付近で偏光度の変化が最大になっている。
つまり、［００１］軸, ［１０１］軸の方向に光が伝播した場合は、その位相差は変化せず、その中間の角度で、位相差が変化している。特に、［００１］軸方向から、３０°、９０°ずれた角度が、位相差変化が最大となっている。位相変化により偏光度が良くなるのは、結晶を通過することによって、もともとずれていた位相差が小さくなる方向へシフトしたためである。

図１１は、入射光のパルスエネルギーを変化させた時の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。入射するレーザ光のパルスエネルギーを変化させた時、この特性の振幅（位相差の大きさ）が変化することも分かった。つまり、熱応力による応力複屈折の大きさが変化していることになる。
このため、この特性は、応力複屈折に対する特性であり、［００１］軸や［１０１］軸方向が進相軸あるいは、遅相軸である（あるいは光学軸）ため、この方向に光を伝播させると、位相差は変化しないが、その中間の３０°で、位相差が最大になることが分かった。

図１２は、２ステージレーザシステム１の主として光学系の概略の構成と、その中での本発明にかかる第１実施形態の偏光純度制御装置の配置例を示す。

２ステージレーザシステム１は、発振用レーザ１０とその発振用レーザ１０から発振されたレーザ光（シード光）を入射させて増幅する増幅用レーザ２０とからなるもので、特に狭帯域で４０Ｗ以上の高出力が必要な露光用のＡｒＦエキシマレーザ装置やＦ₂レーザ
装置で採用されているものである。

発振用レーザ１０にはレーザガスが封入されるチャンバ１１と、共振器を構成する狭帯域化モジュール１４及び出力鏡としての部分反射ミラー１５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。

チャンバ１１には、光軸Ｌ上に２つのウィンドウ１２と１３が取り付けてある。また、狭帯域化モジュール１４には、ビーム拡大光学系を構成する単数あるいは複数のビーム拡大プリズム１６（図では２個）と、狭帯域化素子としてのグレーティング１７（又はエタロン）が含まれる。

増幅用レーザ２０も、レーザガスが封入されるチャンバ２１と、共振器を構成する部分反射ミラー２４、２５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。

チャンバ２１には、光軸Ｌ上に２つのウィンドウ２２と２３が取り付けてある。なお、図１２においては、発振用レーザ１０から発振されたレーザ光は、ミラー１８と１９でそれぞれ反射されて増幅用レーザ２０に入射するように構成されている。

部分反射ミラー２５から出射したレーザ光は、光学パルスストレッチャ５０を通過し、偏光純度制御装置３０に入射する。

偏光純度制御装置３０は、ＣａＦ₂ 結晶基板３１と、ＣａＦ₂ 結晶基板３１を取り付けた回転ステージ３２と、ＣａＦ₂ 結晶基板３１と回転ステージ３２を有する制御モジュール３３と、ＣａＦ₂ 結晶基板３１の後段でレーザ光の一部を取り出すビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４から取り出したレーザ光を入射し、レーザ光の偏光純度を計測する偏光モニタ３５と、偏光モニタ３５で計測した偏光純度の出力信号から制御の必要性を判断し、必要であればＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転量を求めるコントローラ３６と、コントローラ３６の計算した回転量を受け、回転ステージ３２を回転させる回転ドライバ３７と、を備える。

ＣａＦ₂ 結晶基板３１は、ＰＯレーザ２０以降のレーザ光軸上に、（１１１）面で表面を研磨し、入射角がブリュースタ角になるようにし、かつ、［１１１］軸で回転可能な平行平板からなる。

偏光モニタ３５には、特開２００７−２１４１８９号公報に開示したいずれかの技術を適用するのが好ましい。例えば、図１３に示すように、偏光モニタ用ＣａＦ₂ 結晶基板３５ａにｐｓ分離膜３５ｂを施した基板を使用し、レーザ光のｐ偏光成分と、ｓ偏光成分を計測する。偏光純度が悪化すると、ｓ偏光成分が増加するので、その比率で偏光純度を計測することができる。

次に、第１実施形態の偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第１実施例について説明する。図１４は、偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第１実施例を示す図である。

まず、ステップ１で、パラメータとして、所望の偏光純度ＰＯと、制御を実行する偏光純度としての閾値Ｐｔｈを設定する（ＳＴ１）。続いてステップ２で、予め定めたレーザ動作中の偏光純度をチェックする計測ショット数か否か判断する（ＳＴ２）。

ステップ２において、計測ショット数でない場合、ステップ２に戻る。ステップ２において、計測ショット数である場合、ステップ３で、偏光モニタ３５で偏光純度Ｐを計測する（ＳＴ３）。

次に、ステップ４で、ステップ３において計測した偏光純度Ｐが、ステップ１において設定した閾値Ｐｔｈより小さいか否か判断する（ＳＴ４）。

ステップ４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さくないと判断した場合、ステップ２に戻る。ステップ４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さいと判断した場合、ステップ５で、現在の偏光純度Ｐ、所望偏光純度Ｐ０、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転位置θから予め定めた偏光純度テーブルより制御モジュール３３の回転角θａを求める（ＳＴ５）。ただし、偏光純度テーブルとは、図９や図１０に示すように、入射レーザ偏光純度に対して、回転角と結晶透過後の偏光純度の関係を表にしたものであり、この表により、所望偏光純度Ｐ０にするための回転角θａを求める。また、偏光純度テーブルは素子により異なるものである。

次に、ステップ６で、回転ドライバ３７に信号を送信し、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転ステージ３２をｄθ（ｄθ＝θａ―θ）回転させる（ＳＴ６）。ここで、θ＝θａ，ｎ＝ｎ＋１とする。

次に、ステップ７で、制御ルーチンの回数ｎが規定数ｎｔｈを超えて、ｎ＞ｎｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ７）。ステップ７において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返しておらず、ｎ＞ｎｔｈでないと判断した場合、ステップ３に戻る。ステップ７において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返し、ｎ＞ｎｔｈであると判断した場合、偏光純度異常と判断し、異常信号を出して制御を終了する。

次に、第１実施形態の偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第２実施例について説明する。図１５は、偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第２実施例を示す図である。

まず、ステップ１１で、パラメータとして、所望の偏光純度ＰＯと、制御を実行する偏光純度としての閾値Ｐｔｈを設定する（ＳＴ１１）。続いてステップ１２で、予め定めたレーザ動作中の偏光純度をチェックする計測ショット数か否か判断する（ＳＴ１２）。

ステップ１２において、計測ショット数でない場合、ステップ１２に戻る。ステップ１２において、計測ショット数である場合、ステップ１３で、偏光モニタ３５で偏光純度Ｐ
を計測する（ＳＴ１３）。ここで、ｄＰ＝Ｐ０―Ｐとする。

次に、ステップ１４で、ステップ１３において計測した偏光純度Ｐが、ステップ１１において設定した閾値Ｐｔｈより小さいＰ＜Ｐｔｈか否か判断する（ＳＴ１４）。

ステップ１４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さくないと判断した場合、ステップ１２に戻る。ステップ１４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さいと判断した場合、ステップ１５で、回転ドライバ３７に信号を送信し、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転ステージ３２を予め定めた微小回転角ｄθに係数ｋを掛けた＋ｋｄθ回転させる（ＳＴ１５）。ここで、ｎ＝ｎ＋１とする。

次に、ステップ１６で、回転後、再度偏光モニタ３５により偏光純度Ｐｎを計測する（ＳＴ１６）。ここで、ｄＰｎ＝Ｐ０−Ｐｎとする。

次に、ステップ１７で、計測した偏光純度がｄＰｎ＜ｄＰか否か判断する（ＳＴ１７）。ステップ１７において、ｄＰｎ＜ｄＰでないと判断した場合、所望する偏光純度Ｐ０から遠ざかり、回転方向が逆であるため、ｋ＝ｋ・（−１）とし、ステップ１５に戻る。

ステップ１７において、ｄＰｎ＜ｄＰであると判断した場合、ステップ１８で、偏光純度が許容値Ｐａを加味した範囲に到達しているか否か、すなわちｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａであるか否か判断する（ＳＴ１８）。ステップ１８において、ｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａであると判断した場合、ステップ１２に戻る。

ステップ１８において、ｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａでないと判断した場合、ステップ１９で、制御ルーチンの回数ｎが規定数ｎｔｈを超えて、ｎ＞ｎｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ１９）。

ステップ１９において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返しておらず、ｎ＞ｎｔｈでないと判断した場合、ステップ１５に戻る。ステップ１９において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返し、ｎ＞ｎｔｈであると判断した場合、ステップ２０で、偏光純度Ｐｎが閾値Ｐｔｈより小さいＰｎ＜Ｐｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ２０）。ステップ２０において、Ｐｎ＜Ｐｔｈである場合、ステップ１２に戻る。ステップ２０において、Ｐｎ＜Ｐｔｈでない場合、異常信号を出して、制御を終了する。

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、偏光純度制御装置３０に複数のＣａＦ２結晶基板３１を設けたものである。例えば、図１６に示すように、第１ＣａＦ₂ 結晶基板３１ａ、第１回転ステージ３２ａ、第１ＣａＦ₂ 結晶基板３１ａと第１回転ステージ３２ａを有する第１制御モジュール３３ａ及び第１回転ドライバ３７ａ、並びに、第２ＣａＦ₂ 結晶基板３１ｂ、第２回転ステージ３２ｂ、第２ＣａＦ₂ 結晶基板３１ｂと第２回転ステージ３２ｂを有する第１制御モジュール３３ｂ及び第２回転ドライバ３７ｂを備える。その他の構造については第１実施形態と同様なので、説明は省略する。

第２実施形態の偏光制御装置３０は、第１ＣａＦ₂ 結晶基板３１ａを含む第１制御モジュール３３ａを制御しても、所望の偏光純度まで改善できない場合、第２ＣａＦ₂ 結晶基板３１ｂを含む第２制御モジュール３３ｂの制御を開始して、偏光純度を所望の値まで戻すものである。当初は第１ＣａＦ₂ 結晶基板３１ａのみを制御し、第２ＣａＦ₂ 結晶基板３１ｂはθ＝０とし、制御しないのが好ましい。また、ＣａＦ₂ 結晶基板３１は、２個に限らず、２個以上設け、順次制御する構成としてもよい。この場合、基板表面での損失を防ぐために入射角はｐ偏光成分で反射率が０になるブリュースタ角にするとよい。

次に、第２実施形態の偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第１実施例について説明する。図１７は、偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第１実施例を示す図である。

まず、ステップ２１で、パラメータとして、所望の偏光純度Ｐ０と、制御を実行する偏光純度としての閾値Ｐｔｈを設定する（ＳＴ２１）。続いてステップ２２で、予め定めたレーザ動作中の偏光純度をチェックする計測ショット数か否か判断する（ＳＴ２２）。

ステップ２２において、計測ショット数でない場合、ステップ２２に戻る。ステップ２２において、計測ショット数である場合、ステップ２３で、偏光モニタ３５で偏光純度Ｐを計測する（ＳＴ２３）。ここで、ｄＰ＝Ｐ０−Ｐとする。

次に、ステップ２４で、ステップ２３において計測した偏光純度Ｐが、ステップ２１において設定した閾値Ｐｔｈより小さいＰ＜Ｐｔｈか否か判断する（ＳＴ２４）。

ステップ２４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さくないと判断した場合、ステップ２２に戻る。ステップ２４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さいと判断した場合、ステップ２５で、現在の偏光純度Ｐ、所望偏光純度Ｐ０、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転位置θから予め定めた偏光純度テーブルより制御モジュール３３の回転角θａを求める（ＳＴ２５）。ただし、偏光純度テーブルとは、図９や図１０に示すように、入射レーザ偏光純度に対して、回転角と結晶透過後の偏光純度の関係を表にしたものであり、この表により、所望偏光純度Ｐ０にするための回転角θａを求める。また、偏光純度テーブルは素子により異なるものである。

次に、ステップ２６で、回転ドライバ３７に信号を送信し、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転ステージ３２をｄθ（ｄθ＝θａ―θ）回転させる（ＳＴ２６）。ここで、θ＝θａ，ｎ＝ｎ＋１とする。

次に、ステップ２７で、制御ルーチンの回数ｎが規定数ｎｔｈを超えて、ｎ＞ｎｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ７）。

ステップ２７において、ｎ＞ｎｔｈであると判断した場合、ステップ２８で、制御モジュールの数ｍ＝ｍｍａｘであるか否か、すなわちモジュールすべてを制御したか否かを判断する（ＳＴ２８）。ステップ２８において、ｍ＝ｍｍａｘである場合、異常信号を出して制御を終了する。ステップ２８において、ｍ＝ｍｍａｘでない場合、ステップ２９で、ｍ＝ｍ＋１，ｎ＝０とし、ステップ２２へ戻る。

次に、第２実施形態の偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第２実施例について説明する。図１８は、偏光純度制御装置３０の制御フローチャートの第２実施例を示す図である。

まず、ステップ３１で、パラメータとして、所望の偏光純度ＰＯと、制御を実行する偏光純度としての閾値Ｐｔｈを設定する（ＳＴ３１）。続いてステップ３２で、予め定めたレーザ動作中の偏光純度をチェックする計測ショット数か否か判断する（ＳＴ３２）。

ステップ３２において、計測ショット数でない場合、ステップ３２に戻る。ステップ３２において、計測ショット数である場合、ステップ３３で、偏光モニタ３５で偏光純度Ｐを計測する（ＳＴ３３）。ここで、ｄＰ＝Ｐ０―Ｐとする。

次に、ステップ３４で、ステップ３３において計測した偏光純度Ｐが、ステップ３１において設定した閾値Ｐｔｈより小さいＰ＜Ｐｔｈか否か判断する（ＳＴ３４）。

ステップ３４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さくないと判断した場合、ステップ３２に戻る。ステップ３４において、偏光純度Ｐが閾値Ｐｔｈより小さいと判断した場合、ステップ３５で、回転ドライバ３７に信号を送信し、現在のＣａＦ₂ 結晶基板３１の回転ステージ３２を予め定めた微小回転角ｄθに係数ｋを掛けた＋ｋｄθ回転させる（ＳＴ３５）。ここで、ｎ＝ｎ＋１とする。

次に、ステップ３６で、回転後、再度偏光モニタ３５により偏光純度Ｐｎを計測する（ＳＴ３６）。ここで、ｄＰｎ＝Ｐ０−Ｐｎとする。

次に、ステップ３７で、計測した偏光純度がｄＰｎ＜ｄＰか否か判断する（ＳＴ３７）。ステップ３７において、ｄＰｎ＜ｄＰでないと判断した場合、所望する偏光純度Ｐ０から遠ざかり、回転方向が逆であるため、ｋ＝ｋ・（−１）とし、ステップ３５に戻る。

ステップ３７において、ｄＰｎ＜ｄＰであると判断した場合、ステップ３８で、偏光純度が許容値Ｐａを加味した範囲に到達しているか否か、すなわちｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａであるか否か判断する（ＳＴ３８）。ステップ３８において、ｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａであると判断した場合、ステップ３２に戻る。

ステップ３８において、ｄＰｎ＜Ｐ０±Ｐａでないと判断した場合、ステップ３９で、制御ルーチンの回数ｎが規定数ｎｔｈを超えて、ｎ＞ｎｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ３９）。

ステップ３９において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返しておらず、ｎ＞ｎｔｈでないと判断した場合、ステップ３５に戻る。ステップ３９において、制御ルーチンｎを制御ルーチン規定数ｎｔｈ回繰り返し、ｎ＞ｎｔｈであると判断した場合、ステップ４０で、偏光純度Ｐｎが閾値Ｐｔｈより小さいＰｎ＜Ｐｔｈであるか否かを判断する（ＳＴ４０）。

ステップ４０において、Ｐｎ＜Ｐｔｈである場合、ステップ３２に戻る。ステップ４０において、Ｐｎ＜Ｐｔｈでない場合、ステップ４１で、制御モジュールの数ｍ＝ｍｍａｘであるか否か、すなわちモジュールすべてを制御したか否かを判断する（ＳＴ４１）。

ステップ４１において、ｍ＝ｍｍａｘである場合、異常信号を出して制御を終了する。ステップ４１において、ｍ＝ｍｍａｘでない場合、ステップ４２で、ｍ＝ｍ＋１，ｎ＝０とし（ＳＴ４２）、ステップ３３へ戻る。

次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、例えば、図１９に示すように、２ステージレーザシステム１に、レーザ出力エネルギ、スペクトル幅や中心波長等を計測するためのモニタモジュール６０を設ける。そして、偏光純度制御装置３０のＣａＦ₂ 結晶基板３１にモニタモジュール６０へ光を入射するためのビームスプリッタの役割を持たせている。この場合、４５°の入射角となるが、レーザ光の偏光純度を変化させる特性は、ブリュースタ角入射の場合と同様である。その他の構造については第１実施形態と同様なので、説明は省略する。

このように、偏光純度制御装置３０のＣａＦ₂ 結晶基板３１がモニタモジュール６０のためのビームスプリッタの役割を兼ねることにより、コストの低下やスペースの減少の効果を有する。また、モニタモジュール６０のためのビームスプリッタ以外にも、システム
上のメイン光軸に配置された透過素子に偏光制御用の回転機構を付属し制御する構成としても同様の効果を有する。

なお、ＣａＦ₂ 結晶基板の透過による位相差の変化量は、ある回転角θで固定した場合、熱応力の大きさで変化する。そのため、レーザ出力のエネルギや周波数が変化した場合、偏光純度が変わらないように、エネルギや周波数を変更する指令がきた時に、その回転角θを同時に調整することが好ましい。

また、回転角を固定して、入射角を変化させても、その位相差の変化量は変わる。そのため、回転角の代わりに、入射角を制御して、その偏光純度を制御することも可能である。ただし、この場合は、透過後の光軸が変化してしまうので、露光機に入る前に、光軸が変わらないように補償用素子を一枚挿入して、この補償用素子も一緒に制御すると良い。補償用素子を透過することによって偏光純度が変化しないように、その回転角はθ＝０°にしておくとよい。

さらに、ＣａＦ₂ 結晶基板３１の透過による位相差の変化量は、素子メーカや素子グレードによっても異なる。そのため、制御したい範囲にある最適な素子を選定するとよい。

また、以上の記載では、(１１１)面でカットしたＣａＦ₂ 結晶を使用する場合について述べているが、これ以外でも別の結晶方位でカットした素子を用い、透過する光軸と結晶方位の関係を変えることで、偏光純度も変化することが容易に予測される。そのため、別の結晶方位でカットした素子を用い、回転させた場合の特性を計測し、その特性にあった制御をしてもよい。

さらに、以上の記載では、ＭＯＰＯ型レーザについて述べているが、これ以外のＭＯＰＡ型や、リング増幅型のレーザに関しても、当然効果は同じであるので、適用ができる。

また、以上の記載では、増幅段以降の光軸上に本発明を適用しているが、発振段レーザの後に偏光制御モジュール３３と偏光モニタ３５を配置して、シードレーザ光の偏光純度をコントロールすることも、可能である。

さらに、以上の記載では、ＣａＦ₂ 結晶について述べたが、ＭｇＦ₂ 結晶についても、同様な効果があるので、ＭｇＦ₂ 結晶に透過する光軸と結晶方位の関係をコントロールして、偏光純度を制御してもよい。

以上、本発明の偏光純度制御装置３０を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

ＣａＦ₂ の結晶格子を示す図である。 ＣａＦ₂ 結晶の軸［００１］、［１００］に対する光の進行方向Ｌの角度θとφの定義を示す図である。 ＣａＦ₂ 結晶基板の断面図である。 ＣａＦ₂ 結晶基板の上面図である。 結晶の偏光状態を示す図である。 位相差を示す図である。 偏光状態観測実験系を示す図である。 計測用素子を示す図である。 入射レーザ光の偏光度を９９．９％にした場合の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。 入射レーザ光の偏光度を９７．１％にした場合の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。 入射光のパルスエネルギーを変化させた時の回転角度に対する直線偏光純度の計測結果を示すグラフである。 第１実施形態のシステムを示す図である。 第１実施形態のシステムの偏光モニタを示す図である。 第１実施形態の第１実施例のフローチャートを示す図である。 第１実施形態の第２実施例のフローチャートを示す図である。 第２実施形態のシステムを示す図である。 第２実施形態の第１実施例のフローチャートを示す図である。 第２実施形態の第２実施例のフローチャートを示す図である。 第３実施形態のシステムを示す図である。 透過光強度の測定を示す図である。

符号の説明

１０…発振用レーザ
１１…チャンバ
１２、１３…ウィンドウ
１４…狭帯域化モジュール
１５…出力鏡（部分反射ミラー）
１６…ビーム拡大プリズム
１７…グレーティング（回折格子）
１８、１９…ミラー
２０…増幅用レーザ
２１…チャンバ
２２、２３…ウィンドウ
２４、２５…部分反射ミラー
３０…偏光純度制御装置
３１…第１ビームスプリッタ
３３…モジュール
３４…ビームスプリッタ
３５…偏光モニタ
３６…コントローラ
３７…回転ドライバ
５０…光学パルスストレッチャ
５１…ビームスプリッタ
５２…高反射ミラー
６０…モニタモジュール

Claims (4)

1. （１１１）結晶面に平行な入射平面及び射出平面を含み、入射角がブリュースタ角となるように設置され、レーザ光を透過するフッ化カルシウム結晶基板と、
   フッ化カルシウム結晶基板を透過したレーザ光の偏光純度を計測する偏光モニタと、
   前記偏光モニタの計測した偏光純度に応じて、所望の偏光純度となるように、［１１１］軸を中心軸として前記フッ化カルシウム結晶基板の回転角を制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする偏光純度制御装置。
2. 前記フッ化カルシウム結晶基板を複数有する
   請求項１に記載の偏光純度制御装置。
3. レーザ光の状態を計測するモニタモジュールを有し、
   前記フッ化カルシウム結晶基板は、前記モニタモジュールへレーザ光を入射するために、レーザ光を分割する
   請求項１又は請求項２に記載の偏光純度制御装置。
4. チャンバと、
   チャンバ内部に封入されたレーザガスと、
   そのレーザガスを励起する手段と、
   励起されたレーザガスから発生するレーザ光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられたウィンドウと、
   前記ウィンドウから出射したレーザ光の偏光純度を制御する偏光純度制御装置と、
   を備え、
   前記偏光純度制御装置として請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された偏光純度制御装置を備えたガスレーザ装置。

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