JP6066634B2 - エシェル型回折格子の製造方法およびエキシマレーザの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エシェル型回折格子、該エシェル型回折格子を使用するエキシマレーザとその製造方法に関する。

エキシマレーザ内で波長選択（狭帯域化）に用いられる回折格子は、レーザ共振器を構成する光学部品であるから、高い回折効率を提供すると共に長期使用に耐えられる耐久性を備えることが重要である。この回折格子に適用可能なものとして格子断面上で非対称の三角形形状の格子を有するエシェル型回折格子（ブレーズ型回折格子）が使用されている。

例えば、特許文献１は、反射型のエシェル型回折格子の各格子のＡｌ反射膜にＡｌ_２Ｏ_３を含む保護膜を積層して反射膜を酸化及びそれに伴う反射膜表面の変形から保護する方法を提案している。特許文献２は保護膜の厚さを調節し、特許文献３は回折格子の溝形状を調節することによって、それぞれレーザインストール時の回折効率の初期値を高める方法を提案している。

特許第４５４９０１９号明細書 米国特許出願公開第２００９／００２７７７６号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０３２８７７５号明細書

エシェル型回折格子にレーザ光を照射した後では、ブレーズ次数とそれよりも一つ低い次数との間の回折効率の比率（配向比）が照射前と比べて変化していることが分かった。この変化は格子溝形状が変形していることを示しており、この変形はブレーズ次数の回折効率を低下させる要因となっている。これに対して、特許文献２、３の方法は効果的ではない。

そこで、本発明は、長期の使用にわたって回折効率を維持することが可能なエシェル型回折格子、該エシェル型回折格子を使用するエキシマレーザとその製造方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明のエキシマレーザの製造方法は、紫外光を発する光源と、複数の格子を有し、前記複数の格子が並ぶ断面において各格子は非対称な三角形形状を有する反射型のエシェル型回折格子と、を有するエキシマレーザの製造方法であって、前記光源の波長、前記波長を有する入射光に対して設定されたブレーズ次数、前記格子の繰り返しピッチ、前記格子の材料の情報、以下の条件式を満足する前記ブレーズ次数の回折効率ａとその一つ低次の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａを取得するステップと、
０．０２５≦ｂ／ａ≦０．４００
前記取得するステップで取得した情報に基づいて、各格子のブレーズ面と格子平面とがなす角であるブレーズ角の初期値が取り得る範囲を提示するステップと、を有することを特徴とする。
本発明のエシェル型回折格子の製造方法は、複数の格子を有するエシェル型回折格子の製造方法において、紫外光を発する光源の波長の情報、前記光源からの入射光に対して設定されたブレーズ次数の情報、前記格子の繰り返しピッチの情報、前記格子の材料の情報を取得するステップと、前記取得するステップで取得した情報を用いて、前記ブレーズ次数の回折効率ａとその一つ低次の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａが以下の条件式を満足するように、各格子のブレーズ面と格子平面とがなす角であるブレーズ角の角度を決定するステップと、
０．０２５≦ｂ／ａ≦０．４００
前記ブレーズ角が該決定された角度となるようにエシェル型回折格子を製造するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、長期の使用にわたって回折効率を維持することが可能なエシェル型回折格子、該エシェル型回折格子を有するエキシマレーザとその製造方法を提供することができる。

本実施形態のエシェル型回折格子の部分拡大断面図である。 エシェル型回折格子のブレーズ角度とブレーズ次数での回折効率との関係を示すグラフである。 配向比のブレーズ角依存性を示すグラフである。 ブレーズ次数での回折効率及び配向比のブレーズ角依存性を示すグラフである。

図１（ａ）は、本実施形態のエシェル型回折格子（ブレーズ型回折格子）１の部分拡大断面図であり、格子が並ぶ格子断面の一部を示している。エシェル型回折格子１は、ＡｒＦ（アルゴン−フッ素）エキシマレーザやＫｒＦ（クリプトン−フッ素）エキシマレーザなどのエキシマレーザに使用可能である。またこれ以外にも、ＸｅＣｌ（キセノン−塩素）エキシマレーザやＸｅＦ（フッ化キセノン）エキシマレーザなどのエキシマレーザに使用可能である。この場合、エシェル型回折格子１は反射ミラーと波長選択機能を有するため、一定の回折効率を維持しないとレーザ機能を失うことになる。以下、ＡｒＦエキシマレーザに適用された場合を例として説明する。

各格子は、図１に示す断面において非対称な三角形形状の短辺を有する面（ファセット）であるブレーズ面３とブレーズ面３に隣接して非対称な三角形形状の長辺を有する面（アンチファセット）であるカウンタ面８を有する。本実施形態では、短辺を有するブレーズ面３がＡｒＦエキシマレーザの不図示の光源から１９３．３００ｎｍの波長を有する入射光２を最も多く受光する。このように、本実施形態では、短辺を有するブレーズ面３が不図示の光源から波長１９３．３ｎｍの入射光２を最も多く受光するが、別の実施形態では長辺を有するカウンタ面８が入射光２を最も多く受光し、この場合には長辺を有する面がブレーズ面と呼ばれる。

ブレーズ面３が格子平面４となす角度はブレーズ角５と呼ばれる。ブレーズ面３がカウンタ面８となす角度は頂角６と呼ばれる。また、７は格子の繰り返しピッチである。本発明では、頂角６の角度について特に限定されないが、本実施形態では頂角６の角度を９０°未満（特に８５°以上９０°未満の範囲内）に設定している。これは、頂角６とブレーズ角５の和が光の入射角θに９０度を足したものより大きくなればカウンタ面８に入射光２が照射されるので、実効的なブレーズ角５と入射角θを考慮した際にカウンタ面に光が入射されないようにするためのものである。

ある入射角である波長でエシェル型回折格子１に入射するある使用次数範囲の光のうち回折エネルギー量が最も高い次数は「ブレーズ次数」と呼ばれている。ブレーズ次数で回折する回折光と入射光が同一経路をとるように構成されたエシェル型回折格子は「リトロー配置」と呼ばれている。エシェル型回折格子１はリトロー配置を有する。このように本発明では、エシェル型回折格子がリトロー配置を有する場合を例として説明するが、本発明はこれに限定されず、例えばツェルニターナマウンテング配置を有するエシェル型回折格子に適用されてもよい。

リトロー配置を有するエシェル型回折格子１においては、ブレーズ次数の入射光の入射角θは、図示のように、格子平面４に垂直な格子法線（グレーティングノーマル）９と入射光２となす角度に等しい。ブレーズ面３には入射光２が垂直に入射してもよいが、本実施形態では、これよりも若干角度をもって入射する。従って、本実施形態では、ブレーズ次数の角度θはブレーズ角度５とは一致しないが、近い値である。

リトロー配置を有するエシェル型回折格子１においては以下の条件式が成立することが知られている。ここで、ｍはブレーズ次数、λは入射光２の光源の波長（従って、ここでは、１９３．３ｎｍ）、ｄは繰り返しピッチ７、θはブレーズ次数の角度である。

数式１から、入射光２の角度θ、繰り返しピッチ７、入射光源の波長λを選択すると次数ｍが一義的に定まることが分かる。入射光２は数式１を満たすようにブレーズ面３に入射する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造を示す模式図である。エシェル型回折格子は、ガラス基板１０の上にエポキシ樹脂やアクリル樹脂などの光硬化性樹脂からなる断面三角形形状の樹脂層１１を有する。樹脂層１１の表面にはアルミニウムからなる反射膜層１２が形成され、反射膜層１２の上には、反射膜層１２を酸化などから保護する保護層１３が形成される。保護層１３は、ＬａＦ_３膜、ＭｇＦ_２膜等の誘電体膜から構成される。

樹脂層１１は厚さが２μｍ〜１０μｍ、反射膜層１２は厚さが１２０ｎｍから５００ｎｍである。なお、図１（ｂ）に示す構造は単なる一例であり、保護層１３の上に反射膜層が更に積層されたり、保護層１３が複数の種類の誘電体膜の積層であったりしてもよい。

図２は、リトロー配置を有するエシェル型回折格子においてブレーズ角度５とブレーズ次数での回折効率との関係を示すグラフの一例であり、横軸はブレーズ角５（°）、縦軸はブレーズ次数の回折効率（任意単位）である。

図２は、最大の回折効率を１として規格化されている。この計算は厳密結合波理論（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）法を用いてコンピュータにより計算された結果である。

図２に示すように、ブレーズ角５にはブレーズ次数の回折効率を最大にする角度が存在する。従来のエシェル型回折素子はブレーズ次数効率が高いことが望まれるので、効率が最も高くなる８０．４９°がブレーズ角５の初期値として選択されていた。

８０．４９°をブレーズ角５の初期値として有する従来のエシェル型回折素子を作製したところ回折効率の初期値は６２．３％であり、レーザ光を照射すると２００億パルス照射時に回折効率は３４．２％まで低下した。

この原因をブレーズ次数ｍの回折効率ａとその一つ低次（ｍ−１）の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａに着目して鋭意検討した。この結果、エシェル型回折格子はＡｒＦエキシマレーザに使用されるとブレーズ面３の反射膜層あるいはその下に存在する樹脂層そのものに変形を生じ、それに伴い配向比ｂ／ａも増加している事がわかった。

変形が生じた結果、回折光が飛ぶ方向が変化し、回折効率の低下が起こる。その効率低下及び表面組成変化などの三角形形状以外に起因する効率低下によって、回折効率は低下し、前述の例のように３４．２％まで低下した際にはレーザ使用としての許容範囲から外れてしまう。

このように、従来のエシェル型回折格子は初期の回折効率は高いが、レーザの照射量と共に回折効率が低下して最終的には所望の回折効率の許容範囲から外れてしまうという問題を有する。

本実施形態のエシェル型回折格子１は、ブレーズ次数ｍの回折効率ａとその一つ低次（ｍ−１）の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａが０．０２５（２．５％）以上で０．４００（４０％）以下の値になるように格子の初期形状を決定している。即ち、初期形状においては配向比ｂ／ａは以下の条件式を満足する。これによって、エシェル型回折格子１の寿命を改善している。格子形状は、ブレーズ角５、頂角６、繰り返しピッチ７を含み、ここではブレーズ角５が以下の条件式を満足するように設定されている。

配向比の値は、レーザ照射中に変形による効率上昇及び効率低下が生じるように設定されている。上述したように、従来のエシェル型回折格子においては、ブレーズ次数効率を最大にする第１のブレーズ角（８０．４９°）がブレーズ角５の初期値に設定されていたが、本実施形態ではそれよりも小さい第２のブレーズ角が設定されている。そして、第２のブレーズ角が第１のブレーズ角よりもどの程度小さいかは数式２によって決定される。

配向比が０．０２５よりも小さくなると格子変形に伴う効率低下を抑制する効果が低下し、０．４を超えると初期の回折効率が大きく低下して平均の回折効率が低下する。この数値範囲は、配向比のブレーズ角依存性を、頂角６、繰り返しピッチ７を変更しながら調べ、実際に使用される頂角６と繰り返しピッチ７の範囲においてエシェル型回折格子１の回折効率の長寿命化が認められる範囲に対応している。

図３は、配向比ｂ／ａのブレーズ角依存性の計算結果であり、横軸がブレーズ角（°）であり、縦軸が配向比（単位なし）である。配向比ｂ／ａの最小値（極小値）を与えるブレーズ角は図２に示すブレーズ次数の回折効率最大値（極大値）を与える８０．４９°である。

図３に示す関係からブレーズ角５を設定することで、エシェル型回折格子１の耐久性を改善することができる。配向比ｂ／ａが０．０８８９（８．８９％）となるようにブレーズ角５の初期値を７９．８０°に設定した。

レーザ光をブレーズ面３に照射すると変形が生じ、図３においてブレーズ角が増加することに相当する配向比ｂ／ａの変化が生じる。すなわち、ブレーズ角８０．４９°相当よりも小さい領域では配向比ｂ／ａは減少し、ブレーズ角８０．４９°相当よりも大きい領域では配向比ｂ／ａは増加する。

図３では、配向比ｂ／ａが８．８９％を与えるブレーズ角の解は２つ存在する。図２を参照すると、本実施例で用いられるアクリル樹脂においてはブレーズ角が８０．４９°よりも大きい領域での配向比変化に対応した変形によって回折効率が減少することから、図３においては、８０．４９°よりも小さい領域においてブレーズ角５を選択する。

従来のエシェル型回折格子の初期の回折効率６２．３％は本実施形態のエシェル型回折格子１の初期の回折効率５５．２％よりも高い。しかしながら、本実施形態の２００億パルス照射時の回折効率は４８．０％となり、従来例の２００億パルス照射時の回折効率３４．２％を大幅に上回った。例えば、回折効率３５％になるまでのレーザ照射線量は従来の回折格子が１９０億パルスであるのに対して本実施形態のエシェル型回折格子１は３６０億パルスであり、１．８９倍に耐久性（寿命）が改善している。以上の現象に関し、図４を用いて説明を行う。従来のエシェル型回折格子では照射に伴う格子変形により回折効率が単調減少する一方で、本実施形態のエシェル型回折格子では照射中に格子変形による回折効率の増加が生じ、結果として照射期間中の最低回折効率が従来のエシェル型回折格子よりも高くなる。これにより、長寿命化が達成される。

なお、照射中の効率変化量に関して従来例では初期効率６２．３％からその５４．８％にあたる３４．２％まで効率減少が生じており、図２の８０．４９°＋１．４°＝８１．８９°の約７０％と対応していないように見える。しかし、これは反射面表面の組成変化など、形状変化以外の要因に起因するものと考えられる。つまり、計算結果と実際の効率変化が完全に一致しない原因は表面酸化など変形とは別の物理現象に起因する効率低下の影響と考える。

また、照射の格子変形に関わらず使用されるブレーズ次数は変化せずに一定である。これは、図１（ａ）に示す入射光２の入射角度θが設定された時点でこの角度は一定に維持され、数式１からブレーズ次数ｍも一定に維持されるからである。

格子を構成する材料によっては図２において変形が生じる方向が逆になる（即ち、レーザ照射量が増加するとブレーズ角５が減少する）場合もある。その際には、図３においてブレーズ角を従来のブレーズ角（８０．４９°）よりも大きい領域から選択することで回折格子の長寿命化を達成すればよい。

本実施形態は、反射型のエシェル型回折格子１を有するエキシマレーザの製造方法としても機能する。このエキシマレーザは、１９３．３ｎｍ、２４８．４ｎｍ、３０８ｎｍ、または３５１ｎｍなどの波長を有する紫外光を発する不図示の光源と、エシェル型回折格子１を有する。そして、光源は、数式１を満足するように入射光をブレーズ面３に入射させる。

この製造方法は、幾つかのステップを有し、各ステップは、ＰＣなどのコンピュータ（プロセッサ）に各ステップの機能を実現させるためのプログラム（ソフトウェア）として具現化が可能である。

まず、ユーザは、コンピュータの入力部を操作して、数式１の光源の波長λ（例えば、１９３．３ｎｍ）、ブレーズ次数ｍ、繰り返しピッチｄを入力する。適用可能な光源の波長λは、ＡｒＦエキシマレーザの１９３．３ｎｍやＫｒＦエキシマレーザの２４８．４ｎｍなどである。また、適用可能なブレーズ次数ｍの例は、ＡｒＦエキシマレーザであれば９６次から１１４次であり、ＫｒＦエキシマレーザであれば７４次から８９次である。

次に、ユーザはブレーズ次数ｍの回折効率ａと次数（ｍ−１）の回折効率ｂの配向比ｂ／ａを決定する。

また、ユーザは回折格子の材料（上述した、基材、樹脂層、反射膜層、保護膜層）の情報を入力する。

これらの情報が入力（取得）されると、コンピュータは、ブレーズ角（横軸）と頂角（縦軸）の関係を示した不図示のマップにおいて、設定された配向比とブレーズ面３の変形の傾向に対応して、取り得る範囲を表示（提示）する。不図示のマップは、コンピュータの不図示のメモリ（記憶装置）に予め格納されている。それに応答して、ユーザは、その範囲内で頂角６とブレーズ角５を決定（選択）する。

なお、頂角６を先に決定した場合には図３に示すグラフからブレーズ角５を決定してもよい。図３において、ブレーズ角５を極小値を与えるブレーズ角８０．４９°の右側から決定するか左側から決定するかは使用材質の変形の傾向に依存する。

その後、最初に刻印された格子をマスターとして、それを樹脂やアルミ層により転写して、構造材となるブランク（基材）に写し取ったレプリカとして使用される。

実施例１のエシェル型回折格子１においては、繰り返しピッチ７を１０．７０８１μｍ（１ｍｍあたり９３．３６３６本）、ブレーズ次数を１０９次、頂角６を８５．５０°とする。ＡｒＦエキシマレーザの光源から発せられる波長１９３．３ｎｍの光がブレーズ面３に照射される。エシェル型回折格子１は、ＡｒＦエキシマレーザにおいて狭帯域化用の反射型回折素子として用いられ、リトロー配置を有し、入射角と出射角は共に７９．６０度である。

レーザ照射前においてブレーズ次数である１０９次の回折効率ａとその１次低次側に同時発生する１０８次の回折効率ｂの配向比ｂ／ａは０．０８８９となるようにブレーズ角５を設定した。実施例１のエシェル型回折格子１は図４に示す特性を示した。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

エシェル型回折格子はエキシマレーザの共振器に適用することができる。

１…エシェル型回折格子（ブレーズ型回折格子）、２…入射角（反射角）、３…ブレーズ面、５…ブレーズ角（パラメータ）、６…頂角（パラメータ）、７…繰り返しピッチ、８…カウンタ面、９…格子法線

Claims (5)

1. 紫外光を発する光源と、
   複数の格子を有し、前記複数の格子が並ぶ断面において各格子は非対称な三角形形状を有する反射型のエシェル型回折格子と、
   を有するエキシマレーザの製造方法であって、
   前記光源の波長、前記波長を有する入射光に対して設定されたブレーズ次数、前記格子の繰り返しピッチ、前記格子の材料の情報、以下の条件式を満足する前記ブレーズ次数の回折効率ａとその一つ低次の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａを取得するステップと、
   ０．０２５≦ｂ／ａ≦０．４００
   前記取得するステップで取得した情報に基づいて、各格子のブレーズ面と格子平面とがなす角であるブレーズ角の初期値が取り得る範囲を提示するステップと、
   を有することを特徴とするエキシマレーザの製造方法。
2. 複数の格子を有するエシェル型回折格子の製造方法において、
   紫外光を発する光源の波長の情報、前記光源からの入射光に対して設定されたブレーズ次数の情報、前記格子の繰り返しピッチの情報、前記格子の材料の情報を取得するステップと、
   前記取得するステップで取得した情報を用いて、前記ブレーズ次数の回折効率ａとその一つ低次の回折効率ｂの比率である配向比ｂ／ａが以下の条件式を満足するように、各格子のブレーズ面と格子平面とがなす角であるブレーズ角の角度を決定するステップと、
   ０．０２５≦ｂ／ａ≦０．４００
   前記ブレーズ角が該決定された角度となるようにエシェル型回折格子を製造するステップとを有することを特徴とするエシェル型回折格子の製造方法。
3. 前記ブレーズ角の角度を決定するステップにおいて、前記ブレーズ角を、前記ブレーズ次数の回折効率を最大にする第１のブレーズ角よりも小さい角度に決定する、ことを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
4. 前記光源の波長は１９３．３ｎｍであり、前記ブレーズ次数は９６次から１１４次の間で設定されることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
5. 前記光源の波長は２４８．４ｎｍであり、前記ブレーズ次数は７４次から８９次の間で設定されることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。

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