JP5110634B2

JP5110634B2 - レーザ光軸調整装置及びレーザ光軸調整方法

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Publication number: JP5110634B2
Application number: JP2007130693A
Authority: JP
Inventors: 雅也吉野; 貴仁熊崎; 徹鈴木
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: JP2008288322A

Description

本発明は、例えば、空間コヒーレンスが低い露光用２ステージレーザ装置におけるレーザ光軸調整装置及びレーザ光軸調整方法に関する。

従来、発振段レーザと、この発振段レーザから放出されるレーザ光を増幅する増幅段レーザとからなり、高安定性、高出力効率及び細い線幅を実現したいわゆるＭＯＰＯ方式の２ステージレーザ装置がある
（特許文献１参照）。
特再表２００４−０９５６６１号公報

露光用エキシマレーザ装置は、高スループット化に伴い益々高出力化を要求されている。そのため、近年の露光用エキシマレーザ装置は、発振段と増幅段のツインチャンバを形成するＭＯＰＯ方式２ステージ型が主流となっている。エキシマレーザ装置は、２ステージ型になったことにより、従来よりも装置の構成が複雑化し、光軸のアライメント方法も単純ではなくなっている。

特に、ビームダイバージェンス（発散角）は、光軸の状態に影響を受けやすいため、その調整方法が重要になっている。ビームダイバージェンスとは、ビームの広がりをあらわす物理量であり、図３（ａ）で示される角度θに相当する。レーザ光Ｌのビームダイバージェンスは、露光機の入口や途中の光学系でビームがけられてしまうことを防ぐために、規定値以下になるように設計、及び、調整される必要があり、平行光に近いこと、つまりビームダイバージェンスが小さいことが望ましい。

図３（ｂ）は、ビームダイバージェンスの測定方法を示すものである。ビームダイバージェンスは、レーザ光Ｌをレンズ４１で集光し、焦点位置Ｆに配置したセンサ４２により光軸からのずれを計測することで測定される。

図４は、ＭＯＰＯ方式２ステージ型露光用レーザ装置の概略図である。ＭＯＰＯ方式２ステージ型露光用レーザ装置１において、発振段レーザ１０の狭帯域化モジュール１１、発振段チャンバ１２及び発振段出力ミラー１３で発振された初めの注入光Ｌ_a1は、増幅段注入ミラー２１から増幅段レーザ２０内に注入される。このとき、増幅段注入ミラー２１の反射コートにより、一部のみ増幅段レーザ２０内側へ透過し、残りは増幅段レーザ２０外側へ反射して戻り光Ｌ_b1となる。

この戻り光Ｌ_b1が発振段レーザ１０の発振段出力ミラー１３に反射し、再び増幅段注入ミラー２１へ戻るとき、この再注入光Ｌ_a2と初めの注入光Ｌ_a1との入射角度が僅かでも異なると、それぞれの注入光Ｌ_a1，Ｌ_a2が増幅され、露光用レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのビームダイバージェンスθが大きくなる。戻り光Ｌ_b1が再び注入されないように、斜めに入射すると出力・出力安定性などの性能が最適ではなくなる。

本発明は、上記課題を解決するものであって、ビームダイバージェンスの悪化を改善し、安定なレーザ性能をもつ露光用レーザ装置におけるレーザ光軸調整装置及びレーザ光軸調整方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光軸調整装置は、電極の放電によってレーザガスを励起し、レーザ光である注入光を発振する発振段チャンバを有する発振段レーザと、前記発振段レーザから出力された前記注入光の光軸上に配置される調整ミラーと、前記調整ミラーで反射した前記注入光の光軸上に配置され、電極の放電によってレーザガスを励起し、レーザ光である増幅段光を発振する増幅段チャンバ、並びに前記増幅段チャンバの入力側に配置される入力側ミラーを含み前記注入光の光軸上で前記増幅段チャンバの両側に配置され、前記注入光及び前記増幅段光を共振させる共振器を有するファブリペロー型レーザと、前記ファブリペロー型レーザの出力側に配置され、前記注入光及び前記増幅段光のポインティングをそれぞれ計測する計測器と、前記計測器の計測値に応じて前記調整ミラーの角度を制御して、前記注入光を前記入力側ミラーに垂直に入力させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、前記計測器は、ポインティングを計測するセンサを含むことを特徴とする。
また、前記計測器は、前記注入光及び前記増幅段光を集光する集光レンズを含むことを特徴とする。
また、前記センサは、前記集光レンズの焦点位置に配置されることを特徴とする。
また、前記共振器は、前記増幅段チャンバの出力側に配置され、部分反射する出力側ミラーを含むことを特徴とする。
また、前記調整ミラーは、第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを有することを特徴とする。

さらに、本発明のレーザ光軸調整方法は、ファブリペロー型レーザを単体で発振させて、増幅段光のポインティングを行う工程と、発振段レーザで発振し、前記ファブリペロー型レーザを通過したレーザ光である注入光のポインティングを行う工程と、前記注入光のポインティング及び前記増幅段光のポインティングを計測する工程と、前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとが重なっているか否かを判定する工程と、前記発振段レーザから発振された注入光の光軸が前記ファブリペロー型レーザの入力側ミラーに垂直に入力するように前記注入光の光軸を調整する工程と、を有することを特徴とする。

また、前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとが重なっている場合に、前記注入光の光軸の調整を終了する工程を有することを特徴とする。
また、前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとがずれている場合に、前記注入光の光軸を調整する工程を有することを特徴とする。
また、前記注入光の光軸上で前記発振段レーザと前記増幅段レーザの間に配置された調整ミラーによって前記注入光の光軸を調整する工程を有することを特徴とする。
また、第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、前記第２の調整ミラーを調整する工程を有することを特徴とする。
また、第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、前記第１の調整ミラーを調整する工程を有することを特徴とする。
また、第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、前記第１の調整ミラーを調整する工程の後、前記第２の調整ミラーを調整する工程を有することを特徴とする。
また、前記注入光と前記増幅段光のポインティングを同時に計測する工程を有することを特徴とする。
また、前記調整ミラーの調整は、角度を変更させることによって行うことを特徴とする。

本発明によれば、注入光の光軸が前記増幅段レーザの入力側ミラーに垂直に入力するように注入光の光軸を調整するので、簡単な構造又は方法で、ビームダイバージェンスを最小にすることができ、ビームダイバージェンスの悪化を改善し、安定なレーザ性能をもつことができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態における露光用レーザ装置１を示す。

本実施形態の露光用レーザ装置１は、ＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）方式２ステージ型露光用レーザ装置であって、発振段レーザ１０と、発振段レーザ１０で発振されたレーザ光Ｌを増幅して出力する増幅段レーザ２０と、を備える。

発振段レーザ１０は、例えば、拡大プリズムや回折格子等によって構成され、リアミラーとしても機能する狭帯域化モジュール１１と、充填されたレーザガスを放電電極により励起する発振段チャンバ１２と、狭帯域化モジュール１１内の図示しないリアミラーとしても機能する回折格子と共振器を構成するフロントミラー１３と、を有する。

増幅段レーザ２０は、発振段レーザ１０で発振されたレーザ光Ｌを入力する入力側ミラー２１と、充填されたレーザガスを放電電極により励起する増幅段チャンバ２２と、入力側ミラー２１と共振器を構成する出力側ミラー２３と、を有する。

そして、本実施形態の露光用レーザ装置１におけるレーザ光軸調整装置は、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０との間に、調整手段３０を備える。本実施形態では、調整手段３０は、第１調整ミラー３１及び第２調整ミラー３２で構成される。

このような構造の露光用レーザ装置１では、まず、発振段チャンバ１２において励起された注入光Ｌ_a1が、狭帯域化モジュール１１で狭帯域化され、狭帯域化モジュール１１内の図示しないリアミラーとしても機能する回折格子とフロントミラー１３とで共振され、発振段レーザ１０から出射される。次に、注入光Ｌ_a1は、調整手段３０の第１調整ミラー３１及び第２調整ミラー３２で反射され、増幅段レーザ２０の入力側ミラー２１に入射する。

ここで、注入光Ｌ_a1が入力側ミラー２１に対して垂直な場合は、入力側ミラー２１を透過する注入光Ｌ_a1と、入力側ミラー２１で反射する戻り光Ｌ_b1との光路が重なり、何ら問題はなく、増幅段レーザ２０の増幅段チャンバ２２で励起され、入力側ミラー２１と出力側ミラー２３とで、共振され、増幅されて出射する。

しかしながら、注入光Ｌ_a1が入力側ミラー２１に対して垂直でない場合は、入力側ミラー２１を透過する注入光Ｌ_a1と、入力側ミラー２１で反射する戻り光Ｌ_b1との光路にズレが生じる。そして、戻り光Ｌ_b1は、第１調整ミラー３１及び第２調整ミラー３２を介してフロントミラー１３で反射され、再注入光Ｌ_a2として入力側ミラー２１に入射する。

再注入光Ｌ_a2は、注入光Ｌ_a1と同様に、入力側ミラー２１で一部が透過し、一部が反射する。再注入光Ｌ_a2が反射した図示しない再戻り光は、フロントミラー１３で反射され、注入光Ｌ_a1の場合と同様に、再々注入光Ｌ_a3として入力側ミラー２１に入射する。なお、光路によって、第１調整ミラー３１、第２調整ミラー３２及びフロントミラー１３からはずれて反射しない場合もある。

入力側ミラー２１を透過した再注入光Ｌ_a2は、出力側ミラー２３を透過し出射する。すると、図１に示すように、注入光Ｌ_a1の光軸Ａ１と再注入光Ｌ_a2の光軸Ａ２とでズレが生じる。このズレにより、ビームダイバージェンスが大きくなる。

次に、露光用レーザ装置１のレーザ光軸調整方法について説明する。本実施形態のレーザ光軸調整装置では、注入光Ｌ_a1及び再注入光Ｌ_a2のポインティングを計測するためのポインティング計測器４０に増幅段レーザ２０からの出力を入射させる。ポインティング計測器４０は、レンズ４１及びレンズ４１の焦点位置に配置されたセンサ４２を有し、注入光Ｌ_a1をレンズで集光し、センサ４２にてポインティングを計測する。計測したポインティングの値は、制御手段５０に入力され、制御手段５０により調整手段３０を制御することで、露光用レーザ装置１の調整が実行される。

ここで、ポインティングとは、光の進行方向をあらわす物理量であり、一般にビームダイバージェンスの重心や半値全副ＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）、１０％全副ＦＷ１０％（Full Width at 10%）等の方法で表される。

図１に示すように、注入光Ｌ_a1と再注入光Ｌ_a2のポインティングを同時に計測する。再注入光Ｌ_a2は発振段レーザ１０のフロントミラー１３で再反射するときに、部分反射膜によって減衰するため、注入光Ｌ_a1よりも光量が少ないことが一般的である。しかしながら、以下の調整方法に影響がないので、この段階で注入光Ｌ_a1と再注入光Ｌ_a2を識別する必要はない。

注入光Ｌ_a1はレーザの特性上、発振段レーザ１０のフロントミラー１３から垂直に出射される。一方、注入光Ｌ_a1が増幅段レーザ２０の入力側ミラー２１に垂直になるためには調整が必要となる。ここで、注入光Ｌ_a1が入力側ミラー２１に垂直に入射されることと、注入光Ｌ_a1と再注入光Ｌ_a2のポインティングが一致することとは、一義的な関係にある。

したがって、これら２つのポインティングが重なるように第２調整ミラー３２の角度を調整するとき、注入光Ｌ_a1が入力側ミラー２１に垂直になる。第２調整ミラー３２を調整した際に、注入光Ｌ_a1の入射位置が増幅段チャンバ２２の所定の位置からずれたとき、第１調整ミラー３１の角度を調整して入射位置を修正し、再び、第２調整ミラー３２を調整する。それぞれの第１調整ミラー３１及び第２調整ミラー３２を調整することにより、注入光Ｌ_a1を所望の光軸に合わせることが可能である。

図２は、露光用レーザ装置１の調整前後のダイバージェンスの関係を示すものである。一点鎖線が注入光Ｌ_a1のダイバージェンスＤ_a1、点線が再注入光Ｌ_a2のダイバージェンスＤ_a2、実線が露光用レーザ装置１のダイバージェンスＤ₁である。

注入光Ｌ_a1も再注入光Ｌ_a2も増幅段２０で増幅されるため、図２（ｂ）に示すように、それぞれの注入角度が異なるとき露光用レーザ装置１全体のダイバージェンスＤ₁が太くなる。露光用レーザ装置１全体のダイバージェンスＤ₁は、図２（ａ）に示すように、注入光Ｌ_a1と再注入光Ｌ_a2のポインティングが一致している場合、すなわち、注入光Ｌ_a1が入力側ミラー２１に垂直である場合に最小となる。

このように、注入光Ｌ_a1の光軸Ａが増幅段レーザ２０の入力側ミラー２１に垂直に入力するように注入光Ｌ_a1の光軸Ａを調整するので、簡単な構造又は方法で、ビームダイバージェンスＤ₁を最小にすることができ、ビームダイバージェンスＤ₁の悪化を改善し、安定なレーザ性能をもつことができる。

本実施形態の露光用レーザ装置を示す図である。本実施形態の露光用レーザ装置の調整前後のダイバージェンスの関係を示す図である。ビームダイバージェンスを示す図である。従来の一般的な露光用レーザ装置を示す図である。

符号の説明

１…露光用レーザ装置、１０…発振段レーザ、１１…狭帯域化モジュール、１２…発振段チャンバ、１３…フロントミラー、２０…増幅段レーザ、２１…入力側ミラー、２２…増幅段レーザ、２３…出力側ミラー、３０…調整手段、３１…第１調整ミラー、３２…第２調整ミラー、４０…ポインティング計測器、４１…レンズ、４２…センサ

Claims

電極の放電によってレーザガスを励起し、レーザ光である注入光を発振する発振段チャンバを有する発振段レーザと、
前記発振段レーザから出力された前記注入光の光軸上に配置される調整ミラーと、
前記調整ミラーで反射した前記注入光の光軸上に配置され、電極の放電によってレーザガスを励起し、レーザ光である増幅段光を発振する増幅段チャンバ、並びに前記増幅段チャンバの入力側に配置される入力側ミラーを含み前記注入光の光軸上で前記増幅段チャンバの両側に配置され、前記注入光及び前記増幅段光を共振させる共振器を有するファブリペロー型レーザと、
前記ファブリペロー型レーザの出力側に配置され、前記注入光及び前記増幅段光のポインティングをそれぞれ計測する計測器と、
前記計測器の計測値に応じて前記調整ミラーの角度を制御して、前記注入光を前記入力側ミラーに垂直に入力させる制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ光軸調整装置。
前記計測器は、ポインティングを計測するセンサを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光軸調整装置。
前記計測器は、前記注入光及び前記増幅段光を集光する集光レンズを含む
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光軸調整装置。
前記センサは、前記集光レンズの焦点位置に配置される
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ光軸調整装置。
前記共振器は、
前記増幅段チャンバの出力側に配置され、部分反射する出力側ミラー、
を含む
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザ光軸調整装置。
前記調整ミラーは、第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザ光軸調整装置。
ファブリペロー型レーザを単体で発振させて、増幅段光のポインティングを行う工程と、
発振段レーザで発振し、前記ファブリペロー型レーザを通過したレーザ光である注入光のポインティングを行う工程と、
前記注入光のポインティング及び前記増幅段光のポインティングを計測する工程と、
前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとが重なっているか否かを判定する工程と、
前記発振段レーザから発振された注入光の光軸が前記ファブリペロー型レーザの入力側ミラーに垂直に入力するように前記注入光の光軸を調整する工程と、
を有する
ことを特徴とするレーザ光軸調整方法。
前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとが重なっている場合に、前記注入光の光軸の調整を終了する工程を有する
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ光軸調整方法。
前記注入光のポインティングと前記増幅段光のポインティングとがずれている場合に、前記注入光の光軸を調整する工程を有する
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ光軸調整方法。
前記注入光の光軸上で前記発振段レーザと前記増幅段レーザの間に配置された調整ミラーによって前記注入光の光軸を調整する工程を有する
ことを特徴とする請求項９に記載のレーザ光軸調整方法。
第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、
前記第２の調整ミラーを調整する工程を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ光軸調整方法。
第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、
前記第１の調整ミラーを調整する工程を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ光軸調整方法。
第１の調整ミラー及び前記第１の調整ミラーと前記増幅段レーザの間に配置された第２の調整ミラーを含む前記調整ミラーのうち、
前記第１の調整ミラーを調整する工程の後、前記第２の調整ミラーを調整する工程を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ光軸調整方法。
前記注入光と前記増幅段光のポインティングを同時に計測する工程を有する
ことを特徴とする請求項７乃至請求項１３のいずれか１項に記載のレーザ光軸調整方法。
前記調整ミラーの調整は、角度を変更させることによって行う
ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に記載のレーザ光軸調整方法。