WO2018061098A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2018061098A1 PCT/JP2016/078540 JP2016078540W WO2018061098A1 WO 2018061098 A1 WO2018061098 A1 WO 2018061098A1 JP 2016078540 W JP2016078540 W JP 2016078540W WO 2018061098 A1 WO2018061098 A1 WO 2018061098A1
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light
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浩孝 宮本
若林　理
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ギガフォトン株式会社
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    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/225—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms comprising an excimer or exciplex
    • H01S3/2251—ArF, i.e. argon fluoride is comprised for lasing around 193 nm

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser device, and particularly relates to a discharge excitation type laser device.
  • the semiconductor exposure apparatus As semiconductor integrated circuits are miniaturized and highly integrated, improvement in resolving power is demanded in semiconductor exposure apparatuses.
  • the semiconductor exposure apparatus is simply referred to as “exposure apparatus”. For this reason, the wavelength of light output from the light source for exposure is being shortened.
  • a gas laser device As a light source for exposure, a gas laser device is used instead of a conventional mercury lamp.
  • a gas laser apparatus for exposure a KrF excimer laser apparatus that outputs ultraviolet light with a wavelength of 248 nm and an ArF excimer laser apparatus that outputs ultraviolet light with a wavelength of 193 nm are used.
  • the spectral line width in natural oscillation of KrF and ArF excimer laser devices is as wide as about 350 to 400 pm, the chromatic aberration of laser light (ultraviolet light) projected on the wafer by the projection lens on the exposure device side is generated, resulting in high resolution. descend. Therefore, it is necessary to narrow the spectral line width of the laser light output from the gas laser device until the chromatic aberration becomes negligible.
  • the spectral line width is also called the spectral width.
  • a narrow band module (Line Narrow) Module) having a narrow band element is provided in the laser resonator of the gas laser device, and the narrow band of the spectral width is realized by this narrow band module.
  • the band narrowing element may be an etalon, a grating, or the like.
  • Such a laser device having a narrowed spectral width is called a narrow-band laser device.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2003-518757
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3590524
  • a laser apparatus includes a laser chamber in which a pair of discharge electrodes are disposed inside, a narrow-band optical system including a grating disposed outside the laser chamber, and an output from the laser chamber
  • a beam expander optical system that expands the beam diameter of the light beam in a first direction parallel to the discharge direction between the pair of discharge electrodes and a second direction perpendicular to the discharge direction, separate from the laser chamber and the grating
  • a holder that is formed on the body and holds the beam expander optical system, and forms a beam expander unit together with the beam expander optical system.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a laser device according to a comparative example.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the laser device according to the comparative example.
  • FIG. 3 is a side view schematically showing the laser apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing the laser apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view schematically showing the laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a side view schematically showing a laser apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing a laser device according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a lens used in the third embodiment.
  • FIG. 9 is a side view schematically showing a laser device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing a laser device according to the fourth embodiment.
  • a laser apparatus includes a laser chamber in which a pair of discharge electrodes are disposed inside, and a narrow-band optical system including a grating disposed outside the laser chamber.
  • the laser device further emits a light beam output from the laser chamber and traveling toward the grating in a first direction parallel to the discharge direction between the pair of discharge electrodes and a second direction perpendicular to the discharge direction.
  • a beam expander optical system for expanding the diameter is provided. This beam expander optical system is held on a holding stand formed separately from the laser chamber and the grating.
  • a beam expander unit is configured by the holding base and the beam expander optical system.
  • FIGS. 1 and 2 schematically show the configuration of a laser device according to a comparative example.
  • the laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2 includes a laser chamber 10, a pair of discharge electrodes 11 a and 11 b, a narrow-band optical system 14, and an output coupling mirror 15.
  • the narrow-band optical system 14 and the output coupling mirror 15 constitute an optical resonator.
  • the laser chamber 10 is disposed in the optical path of the optical resonator.
  • the laser device may be a master oscillator that oscillates and outputs seed light incident on an amplifier (not shown).
  • FIG. 1 shows the internal configuration of the laser device viewed from a direction substantially perpendicular to the discharge direction between the pair of discharge electrodes 11a and 11b.
  • FIG. 2 the internal configuration of the laser device viewed from a direction substantially parallel to the discharge direction between the pair of discharge electrodes 11 a and 11 b and substantially perpendicular to the traveling direction of the laser beam output from the output coupling mirror 15. It is shown.
  • the traveling direction of the laser light output from the output coupling mirror 15, that is, the direction in which the optical path extends is defined as the Z direction.
  • This Z direction is the longitudinal direction of the discharge electrodes 11a and 11b.
  • the discharge direction between the pair of discharge electrodes 11a and 11b is a V direction perpendicular to the Z direction.
  • the direction perpendicular to both of these is defined as the H direction.
  • the ⁇ V direction may substantially coincide with the direction of gravity.
  • the laser chamber 10 is filled with a laser gas as a laser medium containing, for example, argon gas or krypton gas as a rare gas, fluorine gas as a halogen gas, neon gas as a buffer gas, and the like.
  • a laser gas as a laser medium containing, for example, argon gas or krypton gas as a rare gas, fluorine gas as a halogen gas, neon gas as a buffer gas, and the like.
  • Windows 10 a and 10 b are provided at both ends of the laser chamber 10.
  • the windows 10a and 10b are disposed so that amplified laser light is incident upon discharge excitation between the discharge electrodes.
  • the laser chamber 10 is supported by a holder 20.
  • the pair of discharge electrodes 11a and 11b are arranged in the laser chamber 10 as electrodes for exciting the laser medium by discharge.
  • a pulsed high voltage is applied to the pair of discharge electrodes 11a and 11b from a pulse power module (not shown).
  • the windows 10a and 10b are arranged such that the light incident surfaces and the HZ surfaces with respect to these windows are substantially parallel, and the light incident angle is substantially a Brewster angle.
  • the narrowing optical system 14 includes at least one prism, a grating 14e, holders 16a to 16e, and a housing 12.
  • the at least one prism is the four prisms 14a to 14d that expand the beam in the H direction substantially perpendicular to the discharge direction.
  • Each of the four prisms 14a to 14d is made of calcium fluoride (CaF 2 ) crystals.
  • Each of the four prisms 14a-14d has two surfaces 18 and 19 through which the beam passes. These prisms are arranged so that the beam passing through the surface 18 is obliquely incident on the surface 18 and the beam passing through the surface 19 is incident substantially perpendicularly on the surface 19.
  • the grating 14e is an shale grating in which a surface includes a highly reflective material and a large number of grooves are formed at predetermined intervals.
  • the housing 12 accommodates the prisms 14a to 14d, the grating 14e, and the holders 16a to 16e.
  • the prism 14a is supported by the holder 16a
  • the prism 14b is supported by the holder 16b
  • the prism 14c is supported by the holder 16c
  • the prism 14d is supported by the holder 16d
  • the grating 14e is supported by the holder 16e. Is done.
  • the holder 16c that supports the prism 14c can be rotated about an axis parallel to the V axis by the rotary stage 16f.
  • the housing 12 is connected to the laser chamber 10 by an optical path tube 21a.
  • the inside of the optical path tube 21a and the inside of the housing 12 communicate with each other.
  • An inert gas introduction tube 12c is connected to the housing 12 at a position away from the optical path tube 21a.
  • An inert gas discharge pipe 21 c is connected to the optical path pipe 21 a at a position away from the housing 12. The inert gas is purged so as to be introduced into the housing 12 from the inert gas introduction pipe 12c and discharged from the inert gas discharge pipe 21c of the optical path pipe 21a.
  • the output coupling mirror 15 is accommodated in the housing 13.
  • the output coupling mirror 15 is supported by a holder 17 inside the housing 13.
  • the surface of the output coupling mirror 15 on the laser chamber 10 side is coated with a partial reflection film, and the other surface is coated with a reflection suppression film.
  • the housing 13 is connected to the laser chamber 10 by an optical path tube 21b.
  • the inside of the optical path tube 21b and the inside of the housing 13 communicate with each other.
  • An inert gas introduction pipe and an inert gas discharge pipe (not shown) are connected to the inside of the optical path pipe 21b and the housing 13, and the inside is purged with the inert gas.
  • the light generated in the laser chamber 10 is emitted to the outside of the laser chamber 10 through the windows 10a and 10b.
  • the beam-like light emitted from the window 10a of the laser chamber 10 has its beam diameter in the H direction sequentially expanded by the prisms 14a to 14d and is incident on the grating 14e.
  • the beam-like light is referred to as “light beam B” and is indicated as “B” in the drawings.
  • the light beam B incident on the grating 14e from the prisms 14a to 14d is reflected by a plurality of grooves of the grating 14e and diffracted in a direction corresponding to the wavelength of the light.
  • the grating 14e is desirably arranged in a Littrow arrangement so that the incident angle of the light beam B incident on the grating 14e from the prisms 14a to 14d matches the diffraction angle of the diffracted light having a desired wavelength. As a result, the light beam B near the desired wavelength is returned to the laser chamber 10 via the prisms 14a to 14d.
  • the prisms 14a to 14d reduce the beam diameter in the H direction of the light beam B reflected and diffracted by the grating 14e, and return the light beam B to the discharge region of the laser chamber 10 through the window 10a.
  • the output coupling mirror 15 transmits and outputs part of the light beam B output from the window 10b of the laser chamber 10, reflects the remainder, and returns it to the laser chamber 10.
  • the light beam B emitted from the laser chamber 10 reciprocates between the narrow-band optical system 14 and the output coupling mirror 15, and is amplified each time it passes through the discharge space between the discharge electrodes 11a and 11b. And can oscillate.
  • the light beam B is narrowed every time it is folded by the narrow band optical system 14.
  • the linearly polarized light component in the H direction can be selected by the arrangement of the windows 10a and 10b and the coating of the prisms 14a to 14d.
  • the light thus amplified can be output as laser light from the output coupling mirror 15.
  • This laser beam may have a wavelength in the vacuum ultraviolet region.
  • the wavelength of this laser light may be about 193.4 nm.
  • the oscillation wavelength of the laser beam can be controlled by changing the incident angle of the light beam B to the grating 14e by allowing the prism 14c to be rotated by the rotary stage 16f as described above.
  • the narrow-band optical system 14 Due to the non-uniform thermal expansion of the optical material and inert gas in the narrow-band optical system 14, a non-uniform refractive index distribution is generated in the optical path of the light beam B, resulting in distortion of the wave front of the light beam B. Due to the distortion of the wavefront of the light beam B, the wavelength range selected by the narrow-band optical system 14 is widened, and as a result, the spectral line width of the laser light output from the laser device is broadened or fluctuated.
  • the laser beam is a pulsed beam
  • the energy density of the laser beam on the diffraction surface of the grating 14e is increased, the speed at which the diffraction efficiency is lowered according to the number of pulses of the laser beam is increased. Life is shortened.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate a laser apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the laser device of this embodiment is different from the laser device of the comparative example shown in FIGS. 1 and 2 in that a beam expander unit 40 is provided.
  • the beam expander unit 40 sets the beam diameter of the light beam B output from the laser chamber 10 in a first direction parallel to the discharge direction in the pair of discharge electrodes 11a and 11b and a second direction perpendicular to the discharge direction. To enlarge.
  • the first direction is the V direction
  • the second direction is the H direction.
  • An optical system that expands the beam diameter of the light beam B in the V direction includes prisms 43 and 44 as an example.
  • an optical system that expands the beam diameter of the light beam B in the H direction includes prisms 14a and 14b as an example.
  • the beam expander unit 40 includes a beam expander optical system 45 composed of these four prisms 43, 44, 14 a and 14 b, and a holding table 41 that holds the beam expander optical system 45.
  • the holding table 41 is formed separately from the laser chamber 10 and the grating 14e.
  • the holding base 41 is disposed, for example, inside the housing 12 and the optical path tube 21a of the narrow-band optical system 14, and is attached to the housing 12 and the optical path tube 21a by means not shown.
  • the prisms 14a and 14b are directly fixed to the holding table 41, for example.
  • the prisms 43 and 44 are fixed to a holder 42 attached to the holding table 41.
  • the four prisms 43, 44, 14a and 14b are arranged in a state where the incident optical path axis and the outgoing optical path axis of the light beam B are parallel to each other.
  • the holding table 41 is preferably configured to be removable with respect to the laser device, specifically, with respect to the housing 12 and the optical path tube 21a.
  • the holding base 41 may be divided into a portion for holding the prisms 43 and 44 and a portion for holding the prisms 14a and 14b. That is, for example, the holding base portion holding the prisms 14 a and 14 b is arranged in the housing 12 of the narrow-band optical system 14, and the holding base portion holding the prisms 43 and 44 is between the housing 12 and the laser chamber 10. You may arrange
  • Each of the prisms 43, 44, 14a, and 14b is made of calcium fluoride (CaF 2 ) crystals.
  • Each of the prisms 43, 44, 14a and 14b has two surfaces 18 and 19 through which the light beam B passes. These prisms are arranged so that the beam passing through the surface 18 is obliquely incident on the surface 18 while the beam passing through the surface 19 is incident substantially perpendicular to the surface 19. The light beam B is refracted on the surface 18, and the refraction of the light beam B is suppressed on the surface 19.
  • the prisms 14a and 14b disperse the light beam B in the HZ plane in the same manner as the prisms 14c and 14d of the band narrowing optical system 14. That is, in the present embodiment, the prisms 14 a and 14 b also constitute part of the narrow-band optical system 14.
  • the surface 18 of the prisms 43 and 44 is coated with a film that reduces the reflection of the S-polarized component contained in the incident light beam B.
  • the surfaces 18 of the prisms 14a and 14b are coated with a film for reducing the reflection of the P-polarized component contained in the incident light beam B.
  • the surfaces 19 of the prisms 43, 44, 14a, and 14b are coated with a film that suppresses reflection of the light beam B.
  • Embodiment 1 Operation of Embodiment 1
  • the light beam B output from the laser chamber 10 and traveling toward the grating 14e is transmitted through the prisms 43 and 44, and the beam diameter is expanded in the first direction, that is, the V direction.
  • the surface 18 of the prisms 43 and 44 is coated with a film that reduces reflection of the S-polarized component included in the incident light beam B, the component linearly polarized in the H direction of the light beam B is high. To Penetrate.
  • the light beam B whose beam diameter is expanded in the V direction is then transmitted through the prisms 14a and 14b, and the beam diameter is expanded in the second direction, that is, the H direction.
  • the surface 18 of the prisms 14a and 14b is coated with a film that reduces reflection of the P-polarized component contained in the incident light beam B, the component linearly polarized in the H direction of the light beam B is high.
  • the light beam B whose beam diameter has been expanded in the V direction and the H direction as described above subsequently enters the prism 14c, the prism 14d, and the grating 14e of the narrow-band optical system 14 one after another.
  • the prisms 14a and 14b also form part of the narrowband optical system 14 as described above.
  • the band narrowing of the light beam B by the band narrowing optical system 14 is the same as in the comparative example described above.
  • the narrow-band light beam B is incident on the laser chamber 10 again and is amplified by passing through the discharge region.
  • the output coupling mirror 15 outputs a pulse laser beam having a narrow band and a high linear polarization component in the H direction.
  • Embodiment 1 The light beam B is in a state in which the beam diameter is expanded in both the V direction and the H direction with respect to the optical element such as the grating 14e constituting the narrowband optical system 14. Incident. Therefore, the thermal load on the optical element is reduced. As a result, the distortion of the wavefront of the light beam B in the narrow-band optical system 14 is reduced, and the fluctuation of the spectrum waveform of the pulse laser beam output from the output coupling mirror 15 is suppressed.
  • the energy density of the light beam B incident on the diffraction surface of the grating 14e is reduced, the reduction of the diffraction efficiency of the grating 14e is suppressed, and the life of the grating 14e is extended.
  • the surface 18 of the prisms 43 and 44 that expands the beam diameter of the light beam B in the V direction is coated with a film that reduces the reflection of S-polarized light, the component of the light beam B that is linearly polarized in the H direction. Loss is suppressed. As a result, the loss due to the prisms 43 and 44 can be suppressed to several percent or less.
  • a laser device in which the holding base 41 is detachable can be made compatible with a laser device in which the prisms 14a and 14b are fixed in the housing 12. That is, in this case, the prisms 14a and 14b included in the beam expander unit 40 can be applied instead of the prisms 14a and 14b fixed in the housing 12.
  • FIG. 5 illustrates a laser apparatus according to Embodiment 2 of the present disclosure.
  • the laser apparatus of the present embodiment is different from the laser apparatus of the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in the configuration of the beam expander unit. That is, in the beam expander optical system 145 of the beam expander unit 140 applied to the present embodiment, the prisms 14 a and 14 b that expand the beam diameter of the light beam B in the second direction, that is, the H direction are provided by the laser chamber 10. It is arranged in a close position.
  • the prisms 43 and 44 for expanding the beam diameter of the light beam B in the first direction, that is, the V direction are arranged on the grating 14e side with respect to the prisms 14a and 14b.
  • the magnification in the first direction by the prisms 43 and 44 is preferably 1.5 to 4 times.
  • the magnification in the second direction by the prisms 14a and 14b is preferably 3 to 5 times.
  • the holding stand 41 may be made detachable with respect to a laser apparatus.
  • the holding base 41 may be divided into a portion for holding the prisms 43 and 44 and a portion for holding the prisms 14a and 14b. That is, for example, the holding base portion holding the prisms 43 and 44 is disposed in the casing 12 of the narrow-band optical system 14, and the holding base portion holding the prisms 14 a and 14 b is between the casing 12 and the laser chamber 10. You may arrange
  • Embodiment 2 Operation of Embodiment 2
  • the light beam B output from the laser chamber 10 and traveling toward the grating 14e is transmitted through the prisms 14a and 14b, and the beam diameter is expanded in the second direction, that is, the H direction.
  • the surface 18 of the prisms 14a and 14b is coated with a film that reduces reflection of the P-polarized component contained in the incident light beam B, the component linearly polarized in the H direction of the light beam B is high. To Penetrate.
  • the light beam B whose beam diameter is expanded in the H direction is then transmitted through the prisms 43 and 44, and the beam diameter is expanded in the first direction, that is, the V direction.
  • the surface 18 of the prisms 43 and 44 is coated with a film that reduces reflection of the S-polarized component included in the incident light beam B, the component linearly polarized in the H direction of the light beam B is high.
  • the light beam B whose beam diameter is expanded in the H direction and the V direction as described above is then sequentially incident on the prism 14c, the prism 14d, and the grating 14e of the narrow-band optical system 14.
  • the prisms 14a and 14b also form part of the narrowband optical system 14.
  • Embodiment 2 Basically, the same functions and effects as in Embodiment 1 can be obtained.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate a laser apparatus according to Embodiment 3 of the present disclosure.
  • the laser apparatus of the present embodiment is different from the laser apparatus of the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in the configuration of the beam expander unit. That is, the beam expander optical unit 245 of the beam expander unit 240 applied to this embodiment includes two spherical lenses, and has a configuration in which the beam diameter of the light beam B is enlarged at the same magnification M in the V direction and the H direction. Has been.
  • the two spherical lenses are a concave lens 50 and a convex lens 51.
  • These lenses 50 and 51 are made of calcium fluoride (CaF 2 ) crystals.
  • the light passing surfaces of these lenses 50 and 51 are coated with a anti-reflection film.
  • the concave lens 50 is fixed to the holding table 41 via the holder 52, and the convex lens 51 is fixed to the holding table 41 via the holder 53, respectively.
  • F in FIGS. 6 and 7 is the focal point of the concave lens 50 and the convex lens 51, and they are at the same position.
  • the magnification M by the concave lens 50 and the convex lens 51 is preferably 3 to 5 times, and most preferably about 4 times.
  • Table 1 shows preferable examples of the radius of curvature of the light passing surface of the concave lens 50 and the convex lens 51 and the distance t between the surfaces of both lenses for each wavelength ⁇ of the light beam B.
  • FIG. 8 shows the light passing surfaces P1 to P4 and the inter-surface distance t in this preferred example.
  • a plano-concave lens is used as the concave lens 50 and a plano-convex lens is used as the convex lens 51 is shown.
  • a numerical value is shown when it is arranged toward the side.
  • the unit of the numerical values shown in Table 1 is nm for the wavelength ⁇ and mm for the other.
  • the radius of curvature indicates a positive value when convex toward the light incident side, that is, the laser chamber 10, and a negative value when concave.
  • the magnification by these lenses 50 and 51 is 3.9.
  • the beam expander unit 240 is composed of two spherical lenses.
  • the present invention is not limited to this embodiment, and the optical path direction size is shortened and the wavefront aberration is suppressed. Therefore, a spherical lens may be further added.
  • the beam expander unit composed of lenses may have a configuration in which aspherical lenses are combined.
  • Embodiment 3 Operation of Embodiment 3
  • the light beam B output from the laser chamber 10 and traveling toward the grating 14e passes through the concave lens 50 and the convex lens 51, and the beam diameter is enlarged at the same magnification in the V direction and the H direction. Is done.
  • the anti-reflection film is coated on the light passage surfaces of both lenses 50 and 51, both the components linearly polarized in the V direction and the component linearly polarized in the H direction of the light beam B are both lenses 50 and 51. Highly transparent.
  • the light beam B whose beam diameter has been expanded in the V direction and the H direction as described above subsequently enters the prism 14c, the prism 14d, and the grating 14e of the narrow-band optical system 14 one after another.
  • the concave lens 50 and the convex lens 51 which are two spherical lenses expand the beam diameter of the light beam B at the same magnification in the V direction and the H direction, and It is possible to make the incident optical path axis of the light beam B substantially coincide with the outgoing optical path axis.
  • the light beam B is incident on the optical element such as the grating 14e constituting the narrow-band optical system 14 in a state where the beam diameter is expanded in both the V direction and the H direction. Therefore, the thermal load on the optical element is reduced. As a result, the distortion of the wavefront of the light beam B in the narrow-band optical system 14 is reduced, and the fluctuation of the spectrum waveform of the pulse laser beam output from the output coupling mirror 15 is suppressed.
  • the energy density of the light beam B incident on the diffraction surface of the grating 14e is reduced, the reduction of the diffraction efficiency of the grating 14e is suppressed, and the life of the grating 14e is extended.
  • FIGS. 9 and 10 illustrate a laser apparatus according to Embodiment 4 of the present disclosure.
  • the laser apparatus of the present embodiment is different from the laser apparatus of the first embodiment shown in FIGS. 3 and 4 in the configuration of the beam expander unit.
  • the beam expander optical 345 of the beam expander unit 340 applied to the present embodiment includes two spherical mirrors, and expands the beam diameter of the light beam B at the same magnification M in the V direction and the H direction. Has been.
  • the two spherical mirrors are a convex mirror 61 and a concave mirror 62.
  • the surface shapes of the light reflecting surfaces of these mirrors 61 and 62 are off-axis paraboloids, and the light reflecting surfaces are coated with a film that highly reflects at least S-polarized light.
  • F in FIG. 9 is the focal point of the convex mirror 61 and the concave mirror 62, and both mirrors 61 and 62 are arranged so that they are at the same position.
  • These mirrors 61 and 62 are respectively fixed to the holding base 41 via holders not shown.
  • magnification M by the convex mirror 61 and the concave mirror 62 is preferably 3 to 5 times, and most preferably about 4 times.
  • Embodiment 4 Operation of Embodiment 4
  • the light beam B output from the laser chamber 10 and traveling toward the grating 14e is reflected by the convex mirror 61 and the concave mirror 62, and has the same beam diameter in the V direction and H direction. Is enlarged.
  • the light reflecting surfaces of both mirrors 61 and 62 are coated with a film that highly reflects S-polarized light, the linearly polarized component of the light beam B in the H direction is highly reflected by both mirrors 61 and 62.
  • the light beam B whose beam diameter has been expanded in the V direction and the H direction as described above subsequently enters the prism 14c, the prism 14d, and the grating 14e of the narrow-band optical system 14 one after another.
  • the beam diameter of the light beam B is expanded at the same magnification in the V direction and the H direction by the convex mirror 61 and the concave mirror 62 which are two spherical mirrors.
  • the incident optical path axis and the outgoing optical path axis of the light beam B can be made substantially parallel.
  • the light beam B is incident on the optical element such as the grating 14e constituting the narrow-band optical system 14 in a state where the beam diameter is expanded in both the V direction and the H direction. Therefore, the thermal load on the optical element is reduced. As a result, the distortion of the wavefront of the light beam B in the narrow-band optical system 14 is reduced, and the fluctuation of the spectrum waveform of the pulse laser beam output from the output coupling mirror 15 is suppressed.
  • the energy density of the light beam B incident on the diffraction surface of the grating 14e is reduced, the reduction of the diffraction efficiency of the grating 14e is suppressed, and the life of the grating 14e is extended.
  • the two mirrors 61 and 62 are used in the beam expander unit 340, chromatic aberration does not occur in the beam expander unit, unlike the case where the beam expander unit is configured from lenses. . Therefore, even if the oscillation wavelength of the laser device changes, the change in the wavefront of the light beam B is suppressed.

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Abstract

【課題】狭帯域化光学系を備えた放電励起式のレーザ装置において、狭帯域化光学系に加わる熱負荷を低減する。 【解決手段】レーザ装置は、一対の放電電極（１１ａ、１１ｂ）が内部に配置されたレーザチャンバ（１０）と、レーザチャンバ（１０）の外に配置されたグレーティング（１４ｅ）を含む狭帯域化光学系（１４）とを備える。レーザ装置はさらに、レーザチャンバ（１０）から出力されてグレーティング（１４ｅ）に向かって進行する光ビーム（Ｂ）を、放電電極（１１ａ、１１ｂ）の間の放電方向と平行な第１の方向、および放電方向に垂直な第２の方向にビーム径を拡大させるビームエキスパンダ光学系を備える。ビームエキスパンダ光学系は、レーザチャンバ（１０）およびグレーティング（１４ｅ）と別体に形成された保持台（４１）に保持される。保持台（４１）およびビームエキスパンダ光学系によりビームエキスパンダユニット（４０）が構成される。

Description

レーザ装置
　本開示はレーザ装置に関し、特に詳しくは放電励起式のレーザ装置に関する。
　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。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。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、露光用のガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
　現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。
　ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０～４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の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程度となるまでガスレーザ装置から出力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。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール（Line Narrow Module）が設けられ、この狭帯域化モジュールによりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、狭帯域化素子はエタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
　特許文献１：特表２００３－５１８７５７号公報
　特許文献２：特許第３５９０５２４号公報
概要
　本開示の１つの観点に係るレーザ装置は、一対の放電電極が内部に配置されたレーザチャンバと、レーザチャンバの外に配置されたグレーティングを含む狭帯域化光学系と、レーザチャンバから出力された光ビームのビーム径を、一対の放電電極の間における放電方向と平行な第１の方向、および放電方向に垂直な第２の方向に拡大させるビームエキスパンダ光学系と、レーザチャンバおよびグレーティングと別体に形成されてビームエキスパンダ光学系を保持し、ビームエキスパンダ光学系と共にビームエキスパンダユニットを構成する保持台と、を備える。
　本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、比較例に係るレーザ装置を模式的に示す側面図である。 図２は、上記比較例に係るレーザ装置を模式的に示す平面図である。 図３は、実施形態１に係るレーザ装置を模式的に示す側面図である。 図４は、実施形態１に係るレーザ装置を模式的に示す平面図である。 図５は、実施形態２に係るレーザ装置を模式的に示す平面図である。 図６は、実施形態３に係るレーザ装置を模式的に示す側面図である。 図７は、実施形態３に係るレーザ装置を模式的に示す平面図である。 図８は、実施形態３に用いられるレンズを示す概略図である。 図９は、実施形態４に係るレーザ装置を模式的に示す側面図である。 図１０は、実施形態４に係るレーザ装置を模式的に示す平面図である。
実施形態
＜内容＞
１．概要
２．狭帯域化光学系を有するレーザ装置
２．１ 構成
２．１．１ レーザチャンバ
２．１．２ 狭帯域化光学系
２．１．３ 出力結合ミラー
２．２ 動作
２．３ 課題
３．１ 実施形態１の構成
３．２ 実施形態１の動作
３．３ 実施形態１の作用・効果
４．１ 実施形態２の構成
４．２ 実施形態２の動作
４．３ 実施形態２の作用・効果
５．１ 実施形態３の構成
５．２ 実施形態３の動作
５．３ 実施形態３の作用・効果
６．１ 実施形態４の構成
６．２ 実施形態４の動作
６．３ 実施形態４の作用・効果
７．その他
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成および動作の全てが本開示の構成および動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
１．概要
　レーザ装置は、一対の放電電極が内部に配置されたレーザチャンバと、レーザチャンバの外に配置されたグレーティングを含む狭帯域化光学系とを備える。レーザ装置はさらに、レーザチャンバから出力されてグレーティングに向かって進行する光ビームを、一対の放電電極の間における放電方向と平行な第１の方向、および放電方向に垂直な第２の方向にビーム径を拡大させるビームエキスパンダ光学系を備える。このビームエキスパンダ光学系は、レーザチャンバおよびグレーティングと別体に形成された保持台に保持される。この保持台およびビームエキスパンダ光学系により、ビームエキスパンダユニットが構成される。
　なお、本開示における「平行」、「垂直」等の語は、角度等の数値を厳密に規定するものではなく、実用的範囲内での誤差を含む趣旨である。この誤差の範囲は一般的には、厳密な平行あるいは垂直から±１０度以内程度である。
２．狭帯域化光学系を有するレーザ装置
２．１ 構成
　図１および図２は、比較例に係るレーザ装置の構成を模式的に示す。図１および図２に示されるレーザ装置は、レーザチャンバ１０と、一対の放電電極１１ａおよび１１ｂと、狭帯域化光学系１４と、出力結合ミラー１５とを含んでいる。狭帯域化光学系１４と出力結合ミラー１５とにより、光共振器が構成される。レーザチャンバ１０は、光共振器の光路に配置されている。レーザ装置は、図示しない増幅器に入射させるシード光をレーザ発振して出力するマスターオシレータであってもよい。
　図１においては、一対の放電電極１１ａおよび１１ｂの間の放電方向に略垂直な方向から見たレーザ装置の内部構成が示されている。図２においては、一対の放電電極１１ａおよび１１ｂの間の放電方向に略平行で、かつ、出力結合ミラー１５から出力されるレーザ光の進行方向に略垂直な方向から見たレーザ装置の内部構成が示されている。出力結合ミラー１５から出力されるレーザ光の進行方向、つまり光路が延びる方向を、Ｚ方向と規定する。このＺ方向は、放電電極１１ａおよび１１ｂの長手方向である。一対の放電電極１１ａおよび１１ｂの間の放電方向は、Ｚ方向に対して垂直なＶ方向である。これらの両方に垂直な方向を、Ｈ方向と規定する。－Ｖ方向は、重力の方向と略一致していてもよい。
２．１．１ レーザチャンバ
　レーザチャンバ１０には、例えばレアガスとしてアルゴンガスまたはクリプトンガス、ハロゲンガスとしてフッ素ガス、バッファガスとしてネオンガス等を含むレーザ媒質としてのレーザガスが封入される。レーザチャンバ１０の両端にはウインドウ１０ａおよび１０ｂが設けられている。ウインドウ１０ａおよび１０ｂは、放電電極間で放電励起し、増幅したレーザ光が入射するように配置される。レーザチャンバ１０は、ホルダ２０によって支持されている。
　一対の放電電極１１ａおよび１１ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ１０内に配置される。一対の放電電極１１ａおよび１１ｂには、図示しないパルスパワーモジュールからパルス状の高電圧が印加される。ウインドウ１０ａおよび１０ｂは、これらのウインドウに対する光の入射面とＨＺ面とが略平行となり、かつ、この光の入射角度が略ブリュースタ角となるように配置される。
２．１．２ 狭帯域化光学系
　狭帯域化光学系１４は、少なくとも１つのプリズムと、グレーティング１４ｅと、ホルダ１６ａ～１６ｅと、筐体１２とを含む。本例において、少なくとも１つのプリズムは、放電方向と略垂直なＨ方向にビームを拡大させる４つのプリズム１４ａ～１４ｄである。４つのプリズム１４ａ～１４ｄの各々は、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）の結晶で構成されている。４つのプリズム１４ａ～１４ｄの各々は、ビームが通過する２つの面１８および１９を有する。面１８を通過するビームが面１８に対して斜め入射し、面１９を通過するビームが面１９に対して略垂直入射するように、これらのプリズムが配置される。面１８においては、ビームが屈折し、Ｖ軸に垂直な面内に波長分散がなされる。面１９においては、ビームの屈折が抑制される。面１８には、レーザ光に含まれるＰ偏光成分の反射を抑制する膜がコーティングされている。面１９には、レーザ光の反射を抑制する膜がコーティングされている。グレーティング１４ｅは、表面に高反射率の材料を含み、多数の溝が所定間隔で形成されたエシェールグレーティングである。
　筐体１２は、プリズム１４ａ～１４ｄ、グレーティング１４ｅおよびホルダ１６ａ～１６ｅを収容する。筐体１２の内部において、プリズム１４ａはホルダ１６ａに支持され、プリズム１４ｂはホルダ１６ｂに支持され、プリズム１４ｃはホルダ１６ｃに支持され、プリズム１４ｄはホルダ１６ｄに支持され、グレーティング１４ｅはホルダ１６ｅに支持される。発振波長を調整するため、プリズム１４ｃを支持するホルダ１６ｃは、回転ステージ１６ｆによってＶ軸に平行な軸を中心として回転可能である。
　筐体１２は、光路管２１ａによってレーザチャンバ１０に接続されている。光路管２１ａの内部と筐体１２の内部とは連通している。筐体１２には、光路管２１ａから離れた位置に不活性ガス導入管１２ｃが接続されている。光路管２１ａには、筐体１２から離れた位置に不活性ガス排出管２１ｃが接続されている。不活性ガスは、不活性ガス導入管１２ｃから筐体１２内に導入され、光路管２１ａの不活性ガス排出管２１ｃから排出されるようにパージされている。
２．１．３ 出力結合ミラー
　出力結合ミラー１５は、筐体１３に収容されている。出力結合ミラー１５は、筐体１３の内部で、ホルダ１７によって支持されている。出力結合ミラー１５のレーザチャンバ１０側の表面には、部分反射膜がコーティングされ、もう一つの面には反射抑制膜がコーティングされている。
　筐体１３は、光路管２１ｂによってレーザチャンバ１０に接続されている。光路管２１ｂの内部と筐体１３の内部とは連通している。光路管２１ｂの内部および筐体１３には図示しない不活性ガス導入管と不活性ガス排出管が接続され、これらの内部には、不活性ガスがパージされる。
２．２ 動作
　一対の放電電極１１ａおよび１１ｂ間に高電圧が印加されると、一対の放電電極１１ａおよび１１ｂ間に放電が生じる。この放電のエネルギーにより、レーザチャンバ１０内のレーザ媒質が励起されて高エネルギー準位に遷移する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギー準位に遷移するとき、そのエネルギー準位差に応じた波長の光を放出する。
　レーザチャンバ１０内で発生した光は、ウインドウ１０ａおよび１０ｂを介してレーザチャンバ１０の外部に出射する。レーザチャンバ１０のウインドウ１０ａから出射したビーム状の光は、そのＨ方向のビーム径をプリズム１４ａ～１４ｄによって順次拡大されて、グレーティング１４ｅに入射する。なお、以下では上記ビーム状の光を「光ビームＢ」と称し、図面中では「Ｂ」として示す。
　プリズム１４ａ～１４ｄからグレーティング１４ｅに入射した光ビームＢは、グレーティング１４ｅの複数の溝によって反射されると共に、光の波長に応じた方向に回折する。グレーティング１４ｅは、プリズム１４ａ～１４ｄからグレーティング１４ｅに入射する光ビームＢの入射角と、所望波長の回折光の回折角とが一致するようにリトロー配置されるのが望ましい。これにより、所望波長付近の光ビームＢがプリズム１４ａ～１４ｄを介してレーザチャンバ１０に戻される。
　プリズム１４ａ～１４ｄは、グレーティング１４ｅで反射回折した光ビームＢのＨ方向のビーム径を縮小させると共に、その光ビームＢを、ウインドウ１０ａを介して、レーザチャンバ１０の放電領域に戻す。
　出力結合ミラー１５は、レーザチャンバ１０のウインドウ１０ｂから出力される光ビームＢのうちの一部を透過させて出力し、残余を反射させてレーザチャンバ１０内に戻す。
　このようにして、レーザチャンバ１０から出射した光ビームＢは、狭帯域化光学系１４と出力結合ミラー１５との間で往復し、放電電極１１ａおよび１１ｂの間の放電空間を通過する度に増幅されレーザ発振し得る。この光ビームＢは、狭帯域化光学系１４で折り返される度に狭帯域化される。さらに、上述したウインドウ１０ａおよび１０ｂの配置とプリズム１４ａ～１４ｄのコーティングとによって、Ｈ方向の直線偏光成分が選択され得る。こうして増幅された光が、出力結合ミラー１５からレーザ光として出力され得る。このレーザ光は、真空紫外域の波長を有してもよい。このレーザ光の波長は、約１９３．４ｎｍであってもよい。なお、プリズム１４ｃを回転ステージ１６ｆによって前述のように回転可能させることにより、グレーティング１４ｅへの光ビームＢの入射角を変えて、レーザ光の発振波長を制御することができる。
２．３ 課題
　狭帯域化光学系１４への光ビームＢの通過の際に、狭帯域化光学系１４を構成する光学材料のわずかな光吸収により、これらの光学材料の不均一な熱膨張が発生する。同様に筐体１２の内部をパージする不活性ガスのわずかな光吸収による不均一な熱膨張や、狭帯域化光学系１４を構成する光学素子の表面温度の上昇に伴う、表面付近の不活性ガスの不均一な熱膨張が発生する。これらの狭帯域化光学系１４内の光学材料や不活性ガスの不均一な熱膨張により、光ビームＢの光路に不均一な屈折率分布が発生し、光ビームＢの波面の歪みをもたらす。光ビームＢの波面の歪みにより、狭帯域化光学系１４で選択される波長域が広がることによって、結果的にレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅に広がりや変動が発生する。
　また、レーザ光がパルス光である場合は、グレーティング１４ｅの回折面でのレーザ光のエネルギー密度が高くなると、レーザ光のパルス数に応じて回折効率が低下する速度が速くなり、そのためにグレーティングの寿命が短くなる。
３．１ 実施形態１の構成
　図３および図４は、本開示の実施形態１によるレーザ装置を示している。本実施形態のレーザ装置は、図１および図２に示した比較例のレーザ装置と対比すると、ビームエキスパンダユニット４０を備えている点で異なる。ビームエキスパンダユニット４０は、レーザチャンバ１０から出力された光ビームＢのビーム径を、一対の放電電極１１ａおよび１１ｂにおける放電方向と平行な第１の方向、および放電方向に垂直な第２の方向に拡大させる。本実施形態において第１の方向はＶ方向であり、第２の方向はＨ方向である。
　光ビームＢのビーム径をＶ方向に拡大させる光学系は、一例としてプリズム４３および４４から構成されている。一方、光ビームＢのビーム径をＨ方向に拡大させる光学系は、一例としてプリズム１４ａおよび１４ｂから構成されている。これらのプリズム１４ａおよび１４ｂとしては、例えば、先に説明した比較例のレーザ装置に用いられたプリズム１４ａおよび１４ｂと同じものを用いることができる。ビームエキスパンダユニット４０は、これら４個のプリズム４３、４４、１４ａおよび１４ｂからなるビームエキスパンダ光学系４５と、このビームエキスパンダ光学系４５を保持する保持台４１とから構成されている。
　保持台４１は、レーザチャンバ１０およびグレーティング１４ｅと別体に形成されている。この保持台４１は、例えば狭帯域化光学系１４の筐体１２および光路管２１ａの内部に配置されて、図示外の手段によって筐体１２および光路管２１ａに取り付けられる。プリズム１４ａおよび１４ｂは、例えば保持台４１に直接固定されている。一方プリズム４３および４４は、保持台４１に取り付けられたホルダ４２に固定されている。４個のプリズム４３、４４、１４ａおよび１４ｂは、光ビームＢの入射光路軸と出射光路軸とが互いに平行となる状態に配置されている。
　なお保持台４１は、レーザ装置に対して、具体的には筐体１２および光路管２１ａに対して、取り外し自在に構成されるのが望ましい。また保持台４１は、プリズム４３および４４を保持する部分と、プリズム１４ａおよび１４ｂを保持する部分とに分割されていてもよい。すなわち、例えばプリズム１４ａおよび１４ｂを保持した保持台部分が狭帯域化光学系１４の筐体１２内に配置され、プリズム４３および４４を保持した保持台部分が、筐体１２とレーザチャンバ１０との間に配置されてもよい。
　プリズム４３、４４、１４ａおよび１４ｂの各々は、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）の結晶で構成されている。プリズム４３、４４、１４ａおよび１４ｂの各々は、光ビームＢが通過する２つの面１８および１９を有する。面１８を通過するビームが面１８に対して斜め入射する一方、面１９を通過するビームが面１９に対して略垂直に入射するように、これらのプリズムが配置されている。面１８においては光ビームＢが屈折し、面１９においては光ビームＢの屈折が抑制される。
　なお、プリズム１４ａおよび１４ｂは、狭帯域化光学系１４のプリズム１４ｃおよび１４ｄと同様に、光ビームＢをＨＺ面内で波長分散させる。つまり本実施形態においてプリズム１４ａおよび１４ｂは、狭帯域化光学系１４の一部も構成している。
　プリズム４３および４４の面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＳ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされている。一方、プリズム１４ａおよび１４ｂの面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＰ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされている。プリズム４３、４４、１４ａおよび１４ｂの面１９には、光ビームＢの反射を抑制する膜がコーティングされている。
３．２ 実施形態１の動作
　レーザチャンバ１０から出力されてグレーティング１４ｅに向かって進行する光ビームＢは、プリズム４３および４４を透過して、第１の方向つまりＶ方向にビーム径が拡大される。ここで、プリズム４３および４４の面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＳ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分が高透過する。
　Ｖ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次にプリズム１４ａおよび１４ｂを透過して、第２の方向つまりＨ方向にビーム径が拡大される。ここで、プリズム１４ａおよび１４ｂの面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＰ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分が高透過する。
　以上のようにしてＶ方向およびＨ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次に狭帯域化光学系１４のプリズム１４ｃ、プリズム１４ｄおよびグレーティング１４ｅに順次入射する。なお、本実施形態ではプリズム１４ａおよび１４ｂも狭帯域化光学系１４の一部を構成していることは、先に述べた通りである。
　この狭帯域化光学系１４により光ビームＢが狭帯域化されるのは、先に述べた比較例におけるのと同様である。狭帯域化された光ビームＢは再びレーザチャンバ１０に入射し、放電領域を通過することによって増幅される。その結果、出力結合ミラー１５から、狭帯域化され、かつＨ方向の直線偏光成分が高いパルスレーザ光が出力される。
３．３ 実施形態１の作用・効果
　光ビームＢは、狭帯域化光学系１４を構成するグレーティング１４ｅ等の光学素子に対して、Ｖ方向およびＨ方向の双方にビーム径が拡大された状態で入射する。そこで、上記光学素子への熱負荷が低減される。その結果、狭帯域化光学系１４内における光ビームＢの波面の歪みが低減され、出力結合ミラー１５から出力されるパルスレーザ光のスペクトル波形の変動が抑制される。
　また、グレーティング１４ｅの回折面に入射する光ビームＢのエネルギー密度が低下するので、グレーティング１４ｅの回折効率の低下が抑制され、グレーティング１４ｅの寿命が長くなる。
　さらに、光ビームＢのビーム径をＶ方向に拡大するプリズム４３および４４の面１８には、Ｓ偏光の反射を低減する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分の損失が抑制される。その結果、プリズム４３および４４による損失が数％以下に抑えられ得る。
　また、特に保持台４１が取り外し自在に構成されたレーザ装置は、筐体１２内にプリズム１４ａおよび１４ｂが固定されたレーザ装置に対して、互換性を持たせることが可能になる。すなわち、その場合は、筐体１２内に固定されたプリズム１４ａおよび１４ｂに替えて、ビームエキスパンダユニット４０が備えるプリズム１４ａおよび１４ｂを適用可能となる。
４．１ 実施形態２の構成
　図５は、本開示の実施形態２によるレーザ装置を示している。本実施形態のレーザ装置は、図３および図４に示した実施形態１のレーザ装置と対比すると、ビームエキスパンダユニットの構成が異なる。すなわち本実施形態に適用されたビームエキスパンダユニット１４０のビームエキスパンダ光学系１４５においては、光ビームＢのビーム径を第２の方向つまりＨ方向に拡大させるプリズム１４ａおよび１４ｂが、レーザチャンバ１０により近い位置に配されている。そして、光ビームＢのビーム径を第１の方向つまりＶ方向に拡大させるプリズム４３および４４が、プリズム１４ａおよび１４ｂよりもグレーティング１４ｅ側に配置されている。なお、プリズム４３および４４による第１の方向の倍率は、１．５～４倍が好ましい。一方、プリズム１４ａおよび１４ｂによる第２の方向の倍率は、３～５倍が好ましい。
　なお、本実施形態のように構成する場合も、保持台４１がレーザ装置に対して取り外し自在とされてもよい。また保持台４１が、プリズム４３および４４を保持する部分と、プリズム１４ａおよび１４ｂを保持する部分とに分割されていてもよい。すなわち、例えばプリズム４３および４４を保持した保持台部分が狭帯域化光学系１４の筐体１２内に配置され、プリズム１４ａおよび１４ｂを保持した保持台部分が、筐体１２とレーザチャンバ１０との間に配置されてもよい。
４．２ 実施形態２の動作
　レーザチャンバ１０から出力されてグレーティング１４ｅに向かって進行する光ビームＢは、プリズム１４ａおよび１４ｂを透過して、第２の方向つまりＨ方向にビーム径が拡大される。ここで、プリズム１４ａおよび１４ｂの面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＰ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分が高透過する。
　Ｈ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次にプリズム４３および４４を透過して、第１の方向つまりＶ方向にビーム径が拡大される。ここで、プリズム４３および４４の面１８には、入射する光ビームＢに含まれるＳ偏光成分の反射を低減する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分が高透過する。
　以上のようにしてＨ方向およびＶ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次に狭帯域化光学系１４のプリズム１４ｃ、プリズム１４ｄおよびグレーティング１４ｅに順次入射する。なお、本実施形態でもプリズム１４ａおよび１４ｂも狭帯域化光学系１４の一部を構成している。
４．３ 実施形態２の作用・効果
　基本的に、実施形態１におけるのと同じ作用・効果が得られる。
５．１ 実施形態３の構成
　図６および図７は、本開示の実施形態３によるレーザ装置を示している。本実施形態のレーザ装置は、図３および図４に示した実施形態１のレーザ装置と対比すると、ビームエキスパンダユニットの構成が異なる。すなわち本実施形態に適用されたビームエキスパンダユニット２４０のビームエキスパンダ光学２４５は、２個の球面レンズを含み、光ビームＢのビーム径をＶ方向およびＨ方向に同じ倍率Ｍで拡大する構成とされている。
　より具体的に上記２個の球面レンズは、凹レンズ５０および凸レンズ５１である。これらのレンズ５０および５１は、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）の結晶から構成されている。これらのレンズ５０および５１の光通過面には、減反射膜がコーティングされている。凹レンズ５０はホルダ５２を介して、また凸レンズ５１はホルダ５３を介して、それぞれ保持台４１に固定されている。なお、図６および図７中のＦは、凹レンズ５０および凸レンズ５１の焦点であり、それらは同じ位置にある。
　ここで、凹レンズ５０および凸レンズ５１による倍率Ｍは、好ましくは３～５倍、最も好ましくは約４倍である。なお、これらの凹レンズ５０および凸レンズ５１の光通過面の曲率半径と、両レンズの面間距離ｔの好ましい例を、光ビームＢの波長λ毎に表１に示す。この好ましい例における光通過面Ｐ１～Ｐ４、および面間距離ｔを図８に示す。ここでは、凹レンズ５０としては平凹レンズが、そして凸レンズ５１としては平凸レンズが用いられた場合の例を示すが、本例では図６および図７の構成と異なって、凹レンズ５０が凹面を凸レンズ５１側に向けて配置された場合について数値を示す。表１に示す数値の単位は、波長λに関してはｎｍ、その他に関してはｍｍである。また曲率半径は、光入射側つまりレーザチャンバ１０側に向かって凸の場合を正値とし、凹の場合を負値として示す。なお、これらのレンズ５０および５１による倍率は３．９である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお本実施形態では、２個の球面レンズからビームエキスパンダユニット２４０が構成されているが、この実施形態に限定されることなく、光路方向サイズを短くして、かつ、波面の収差を抑制するために、さらに球面レンズが追加されてもよい。また、レンズからなるビームエキスパンダユニットは、非球面レンズを組み合せた構成であってもよい。
５．２ 実施形態３の動作
　レーザチャンバ１０から出力されてグレーティング１４ｅに向かって進行する光ビームＢは、凹レンズ５０および凸レンズ５１を通過して、Ｖ方向およびＨ方向に同じ倍率でビーム径が拡大される。ここで、両レンズ５０および５１の光通過面には減反射膜がコーティングされているので、光ビームＢのＶ方向に直線偏光した成分も、Ｈ方向に直線偏光した成分も両レンズ５０および５１を高透過する。
　以上のようにしてＶ方向およびＨ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次に狭帯域化光学系１４のプリズム１４ｃ、プリズム１４ｄおよびグレーティング１４ｅに順次入射する。
５．３ 実施形態３の作用・効果
　本実施形態においては、２個の球面レンズである凹レンズ５０および凸レンズ５１により、光ビームＢのビーム径がＶ方向およびＨ方向に同じ倍率で拡大され、そして光ビームＢの入射光路軸と出射光路軸とを略一致させることが可能になる。
　また光ビームＢは、狭帯域化光学系１４を構成するグレーティング１４ｅ等の光学素子に対して、Ｖ方向およびＨ方向の双方にビーム径が拡大された状態で入射する。そこで、上記光学素子への熱負荷が低減される。その結果、狭帯域化光学系１４内における光ビームＢの波面の歪みが低減され、出力結合ミラー１５から出力されるパルスレーザ光のスペクトル波形の変動が抑制される。
　また、グレーティング１４ｅの回折面に入射する光ビームＢのエネルギー密度が低下するので、グレーティング１４ｅの回折効率の低下が抑制され、グレーティング１４ｅの寿命が長くなる。
　さらに、前述した実施形態１および２の構成ではビームエキスパンダユニットにおいて４個のプリズムが用いられているのに対し、本実施形態では２個レンズ５０および５１が用いられているので、光学素子の個数が低減され得る。
６．１ 実施形態４の構成
　図９および図１０は、本開示の実施形態４によるレーザ装置を示している。本実施形態のレーザ装置は、図３および図４に示した実施形態１のレーザ装置と対比すると、ビームエキスパンダユニットの構成が異なる。すなわち本実施形態に適用されたビームエキスパンダユニット３４０のビームエキスパンダ光学３４５は、２個の球面ミラーを含み、光ビームＢのビーム径をＶ方向およびＨ方向に同じ倍率Ｍで拡大する構成とされている。
　より具体的に上記２個の球面ミラーは、凸面ミラー６１および凹面ミラー６２である。これらのミラー６１および６２の光反射面の表面形状は軸外放物面であり、それらの光反射面には、少なくともＳ偏光を高反射する膜がコーティングされている。なお図９中のＦは、凸面ミラー６１および凹面ミラー６２の焦点であり、それらが同じ位置にあるように両ミラー６１および６２が配置されている。これらのミラー６１および６２は、図示外のホルダを介してそれぞれ保持台４１に固定されている。
　ここで、凸面ミラー６１および凹面ミラー６２による倍率Ｍは、好ましくは３～５倍、最も好ましくは約４倍である。
６．２ 実施形態４の動作
　レーザチャンバ１０から出力されてグレーティング１４ｅに向かって進行する光ビームＢは、凸面ミラー６１および凹面ミラー６２で反射して、Ｖ方向およびＨ方向に同じ倍率でビーム径が拡大される。ここで、両ミラー６１および６２の光反射面にはＳ偏光を高反射する膜がコーティングされているので、光ビームＢのＨ方向に直線偏光した成分が両ミラー６１および６２において高反射する。
　以上のようにしてＶ方向およびＨ方向にビーム径が拡大された光ビームＢは、次に狭帯域化光学系１４のプリズム１４ｃ、プリズム１４ｄおよびグレーティング１４ｅに順次入射する。
６．３ 実施形態４の作用・効果
　本実施形態においては、２個の球面ミラーである凸面ミラー６１および凹面ミラー６２により、光ビームＢのビーム径がＶ方向およびＨ方向に同じ倍率で拡大され、そして光ビームＢの入射光路軸と出射光路軸とを略平行にさせることが可能になる。
　また光ビームＢは、狭帯域化光学系１４を構成するグレーティング１４ｅ等の光学素子に対して、Ｖ方向およびＨ方向の双方にビーム径が拡大された状態で入射する。そこで、上記光学素子への熱負荷が低減される。その結果、狭帯域化光学系１４内における光ビームＢの波面の歪みが低減され、出力結合ミラー１５から出力されるパルスレーザ光のスペクトル波形の変動が抑制される。
　また、グレーティング１４ｅの回折面に入射する光ビームＢのエネルギー密度が低下するので、グレーティング１４ｅの回折効率の低下が抑制され、グレーティング１４ｅの寿命が長くなる。
　さらに、前述した実施形態１および２の構成ではビームエキスパンダユニットにおいて４個のプリズムが用いられているのに対し、本実施形態では２個のミラー６１および６２が用いられているので、光学素子の個数が低減され得る。
　また本実施形態では、ビームエキスパンダユニット３４０に２個のミラー６１およびミラー６２が用いられているので、レンズからビームエキスパンダユニットを構成する場合と異なって、ビームエキスパンダユニットにおいて色収差が発生しない。そこで、レーザ装置の発振波長が変化しても、光ビームＢの波面の変化が抑制される。
７．その他
　以上の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。したがって、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
　本明細書および添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」または「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書、および添付の請求の範囲に記載される不定冠詞「１つの」は、「少なくとも１つ」または「１またはそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
１０　　　：レーザチャンバ
１０ａ　　：ウインドウ
１０ｂ　　：ウインドウ
１１ａ　　：放電電極
１１ｂ　　：放電電極
１２　　　：筐体
１２ｃ　　：不活性ガス導入管
１３　　　：筐体
１４　　　：狭帯域化光学系
１４ａ　　：プリズム
１４ｂ　　：プリズム
１４ｃ　　：プリズム
１４ｄ　　：プリズム
１４ｅ　　：グレーティング
１５　　　：出力結合ミラー
１６ａ　　：ホルダ
１６ｂ　　：ホルダ
１６ｃ　　：ホルダ
１６ｄ　　：ホルダ
１６ｅ　　：ホルダ
１６ｆ　　：回転ステージ
１７　　　：ホルダ
１８　　　：プリズムの面
１９　　　：プリズムの面
２０　　　：ホルダ
２１ａ　　：光路管
２１ｂ　　：光路管
２１ｃ　　：不活性ガス排出管
４０　　　：ビームエキスパンダユニット
４１　　　：保持台
４２　　　：ホルダ
４３　　　：プリズム
４４　　　：プリズム
４５　　　：ビームエキスパンダ光学系
５０　　　：凹レンズ
５１　　　：凸レンズ
５２　　　：ホルダ
５３　　　：ホルダ
６１　　　：凸面ミラー
６２　　　：凹面ミラー
１４０　　：ビームエキスパンダユニット
１４５　　：ビームエキスパンダ光学系
２４０　　：ビームエキスパンダユニット
２４５　　：ビームエキスパンダ光学系
３４０　　：ビームエキスパンダユニット
３４５　　：ビームエキスパンダ光学系
Ｂ　　　　：光ビーム
Ｍ　　　　：倍率
Ｐ１　　　：レンズの光通過面
Ｐ２　　　：レンズの光通過面
Ｐ３　　　：レンズの光通過面
Ｐ４　　　：レンズの光通過面
ｔ　　　　：レンズの面間距離

Claims (20)

  1. 　一対の放電電極が内部に配置されたレーザチャンバと、
    　前記レーザチャンバの外に配置されたグレーティングを含む狭帯域化光学系と、
    　前記レーザチャンバから出力されて前記グレーティングに向かって進行する光ビームのビーム径を、前記一対の放電電極の間における放電方向と平行な第１の方向、および前記放電方向に垂直な第２の方向に拡大させるビームエキスパンダ光学系と、
    　前記レーザチャンバおよび前記グレーティングと別体に形成されて前記ビームエキスパンダ光学系を保持し、前記ビームエキスパンダ光学系と共にビームエキスパンダユニットを構成する保持台と、
    を備えるレーザ装置。
  2. 　前記ビームエキスパンダ光学系は、前記光ビームの入射光路軸と出射光路軸とが互いに平行となる状態に配置されている請求項１記載のレーザ装置。
  3. 　前記ビームエキスパンダ光学系は、少なくとも４個のプリズムを含む請求項１記載のレーザ装置。
  4. 　前記４個のプリズムは、前記第１の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムおよび、前記２個のプリズムよりも前記グレーティング側に配置されて前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムである請求項３記載のレーザ装置。
  5. 　前記４個のプリズムは、前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムおよび、前記２個のプリズムよりも前記グレーティング側に配置されて前記第１の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムである請求項３記載のレーザ装置。
  6. 　前記４個のプリズムは、前記第１の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムおよび、前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムであり、
    　前記第１の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムの光ビームが斜め入射する面には、Ｓ偏光の反射を抑制する膜がコーティングされ、
    　前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムの光ビームが斜め入射する面には、Ｐ偏光の反射を抑制する膜がコーティングされている請求項３記載のレーザ装置。
  7. 　前記４個のプリズムは、前記第１の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムおよび、前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる２個のプリズムであり、
    　前記４個のプリズムの光ビームが垂直入射する面には、この光ビームの反射を抑制する膜がコーティングされている請求項３記載のレーザ装置。
  8. 　前記４個のプリズムによる前記第１の方向の倍率は１．５～４倍であり、前記第２の方向の倍率は３～５倍である請求項３記載のレーザ装置。
  9. 　前記ビームエキスパンダ光学系は、少なくとも凹レンズと凸レンズとを含む請求項１記載のレーザ装置。
  10. 　前記凹レンズおよび凸レンズによる倍率は３～５倍である請求項９記載のレーザ装置。
  11. 　前記凹レンズおよび凸レンズによる倍率は約４倍である請求項９記載のレーザ装置。
  12. 　前記凹レンズおよび凸レンズは、フッ化カルシウムの結晶で構成されている請求項９記載のレーザ装置。
  13. 　前記凹レンズおよび凸レンズの光通過面には、減反射膜がコーティングされている請求項９記載のレーザ装置。
  14. 　前記ビームエキスパンダ光学系は、少なくとも凹面ミラーと凸面ミラーとを含む請求項１記載のレーザ装置。
  15. 　前記凹面ミラーおよび凸面ミラーによる倍率は３～５倍である請求項１４記載のレーザ装置。
  16. 　前記凹面ミラーおよび凸面ミラーによる倍率は約４倍である請求項１４記載のレーザ装置。
  17. 　前記凹面ミラーおよび凸面ミラーの光反射面には、Ｓ偏光を高反射させる膜がコーティングされている請求項１４記載のレーザ装置。
  18. 　前記保持台は、レーザ装置に対して取り外し自在に構成されている請求項１記載のレーザ装置。
  19. 　前記保持台は、前記光ビームのビーム径を前記第１の方向に拡大させる光学系を保持した部分と、前記光ビームのビーム径を前記第２の方向に拡大させる光学系を保持した部分とに分割されている請求項１記載のレーザ装置。
  20. 　前記狭帯域化光学系は、前記グレーティングの他に、前記第２の方向に前記ビーム径を拡大させる少なくとも１個のプリズムを含む請求項１記載のレーザ装置。
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