JPH11274632A - 狭帯域化レーザの波面制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】波面制御を行うことで要求されるビームサイ
ズ、レーザ出力効率、スペクトル線幅の仕様を全て常に
満足することができるようにして、露光品質、加工品質
を向上させる。 【解決手段】レーザ媒質を放電励起することによってレ
ーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからのレーザ
光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射されたレーザ
光の波面を補正して出射する波面調整手段を有する狭帯
域化モジュール６と、前記励起強度を制御することでレ
ーザ出力が一定になるようにパワーロック制御するパワ
ーロック制御手段４０とを具えるようにした狭帯域化レ
ーザ装置において、レーザ光のスペクトル線幅を検出す
る線幅検出手段１５と、レーザ光のビームサイズを検出
するビームサイズ検出手段１４と、前記励起強度を検出
する励起強度検出手段４０と、前記検出されたスペクト
ル線幅、ビームサイズおよび励起強度が各所定の仕様範
囲内に入るように前記波面調整手段を制御する制御手段
４０とを備えるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、狭帯域化レーザ
出力の波面を調整してレーザ出力の光品位の最適化を図
る狭帯域化レーザの波面制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置製造用のステッパの光源とし
てエキシマレーザの利用が注目されている。これは、エ
キシマレーザの波長が短いことから光露光の限界０．３
５μｍ以下に延ばせる可能性があること、同じ解像度な
ら従来用いていた水銀ランプのｇ線やｉ線に比較して焦
点深度が深いこと、レンズの開口数（ＮＡ）が小さくて
すみ、露光領域を大きくできること、大きなパワーが得
られること等の多くの優れた利点が期待できるからであ
る。

【０００３】ところが、このエキシマレーザを半導体露
光装置の光源として用いる場合、エキシマレーザの波長
（ＫｒＦエキシマレーザの波長は２４８ｎｍ、ＡｒＦエ
キシマレーザでは１９３ｎｍ）で製作可能な光学系のレ
ンズの材料としては合成石英素材しかないが（ＣａＦ2
では加工が困難）、合成石英素材単一では色収差の機能
を持たせることはできない。

【０００４】例えば、ＫｒＦエキシマレーザの自然発振
光の場合は、スペクトル線幅は３００ｐｍと広く、この
ままでは露光装置のレンズの色収差を無視することはで
きず、露光結果に充分な解像度を得る事はできない。

【０００５】そこで、エキシマレーザを半導体露光装置
の光源として用いる場合は、レーザ共振器内にエタロン
あるいはグレーティングおよびプリズム等の波長選択素
子を配置することによりレーザ光を狭帯域化するように
している。

【０００６】ところで、光共振器内においては、様々な
原因によって、レーザ光の波面はダイバージェンス（拡
がり）および曲率を有することになる。

【０００７】例えば、共振器内にスリットが配置されて
いる場合には、このスリットによる回折によりスリット
通過後の光は球面波となる。

【０００８】また、共振器内に配置されている光学素子
自身の収差によって波面が歪むこともある。例えば、狭
帯域化素子として用いられるプリズムエキスパンダのよ
うな透過型の光学素子では (a)内部の屈折率分布が完全に一様ではない (b)プリスムの研磨面が歪んでいる (c)レーザ運転に伴って熱的影響を受けて光学材料の屈
折率に分布が発生する などにより、この光学素子を通過したレーザ光の波面は
凸面または凹面の曲率を持つものとなる。

【０００９】そして、このような曲率を有する波面を持
つレーザ光が平坦な形状のグレーティングに入射された
場合は、グレーティングによる波長選択性能を低下させ
てしまうことになる。すなわち、グレーティングへのレ
ーザ光の入射波面が曲率を持つ場合は、グレーティング
のそれぞれの溝にレーザ光が異なる角度で入射されるこ
とになるので、グレーティングの波長選択特性が低下
し、狭帯域化したレーザ光のスペクトル線幅が広くな
る。

【００１０】そこで、ＵＳＰ−５０９５４９２において
は、グレーティングに入射するレーザ光の波面に一致す
るようにグレーティング自体を曲げることにより、上記
不具合に対処するようにしていた。

【００１１】すなわち、この従来技術における狭帯域化
エキシマレーザでは、グレーティングの両端部を固定し
て中央部を引っ張ることで、グレーティングへの入射波
面の曲率に応じてグレーティングを曲げるようにしてい
る。そして、レーザ光のスペクトル線幅に応じて適正な
グレーティングのテンションを予め設定し、この設定関
係に基づきグレーティングのテンションがスペクトル線
幅検出センサの検出値に対応する設定テンション値にな
るようにグレーティングを曲げる。

【００１２】このように、上記従来技術によれば、グレ
ーティングを機械的に曲げながら波面を制御してレーザ
のスペクトル線幅を要求される仕様範囲内にスペックイ
ンさせるようにしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
露光装置側から要求されるレーザ光の仕様としては、ス
ペクトル線幅の他に、レーザ光出力エネルギー、励起強
度（放電電圧）、ビームプロファイル（レーザビーム断
面の出力分布、ビームサイズ、放電方向に垂直および平
行な方向のビーム幅）などの他のパラメータがあり、こ
れらも仕様範囲内に収めることが要求される。なお、ビ
ームプロファイル（ビームサイズ）δは、レーザ光のエ
ネルギー密度に影響を与え、半導体露光装置側での露光
品質またはレーザ加工装置での加工品質を大きく変化さ
せる。また、ビームサイズは、レーザ出力ともに密接な
関係を持ち、仕様範囲内ではビームサイズができるだけ
大きい方が、放電空間のゲイン領域を有効に使うことが
できるのでレーザ出力Ｅを大きくすることができる。

【００１４】また、放電電圧は、パワーロック制御（レ
ーザ出力を一定にするよう放電電圧Ｖを制御する）の場
合は、レーザ出力効率（＝出力エネルギー／投入エネル
ギー）を判断するための重要なパラメータである。すな
わち、パワーロック制御の場合は、放電電圧を制御する
ことによってレーザ出力が一定になるように制御されて
いるために、放電電圧が下がるということは、レーザ出
力効率が上がったことになり、したがってパワーロック
制御の場合は印加電圧はその値をできるだけ小さいほう
が望ましい。

【００１５】このように、半導体露光装置側から要求さ
れるレーザ光の仕様としては、スペクトル線幅の他に、
レーザ光出力エネルギー、放電電圧、ビームプロファイ
ルなどの他の重要なパラメータがあるにもかかわらず、
従来技術では、スペクトル線幅のみを制御対象にして波
面制御を行うようにしているので、波面制御によって上
記した他の重要なパラメータも変化し、これらのパラメ
ータが仕様範囲外へスペックアウトすることがある。

【００１６】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、波面制御を行った場合でも半導体露光装置側
から要求されるスペックを全て常に満足することができ
るようにして、半導体露光や他のレーザ加工の際の露光
品質、加工品質を向上させるようにした狭帯域化レーザ
の波面制御装置を提供することを目的とする。

【００１７】また、この発明では、スペクトル線幅以外
のレーザ出力、レーザ出力効率、ビームサイズなどが最
適になるような波面制御を行うようにした狭帯域化レー
ザの波面制御装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段及び作用効果】請求項１に
対応する発明では、レーザ媒質を放電励起することによ
ってレーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからの
レーザ光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射された
レーザ光の波面を補正して出射する波面調整手段を有す
る狭帯域化モジュールと、前記励起強度を制御すること
でレーザ出力が一定になるようにパワーロック制御する
パワーロック制御手段とを具えるようにした狭帯域化レ
ーザ装置において、レーザ光のスペクトル線幅を検出す
る線幅検出手段と、レーザ光のビームサイズを検出する
ビームサイズ検出手段と、前記励起強度を検出する励起
強度検出手段と、前記検出されたスペクトル線幅、ビー
ムサイズおよび励起強度が各所定の仕様範囲内に入るよ
うに前記波面調整手段を制御する制御手段とを備えるよ
うにしている。

【００１９】この請求項１に対応する発明では、励起強
度を制御することでレーザ出力が一定になるようにする
パワーロック制御の際に、スペクトル線幅、ビームサイ
ズおよび励起強度の全てが各所定の仕様範囲内に入るよ
うに波面調整制御を行うようにしているので、波面制御
を行った場合でも半導体露光装置側から要求されるスペ
ックを全て常に満足することができるようになり、半導
体露光処理の露光品質またはレーザ加工の加工品質を向
上させることができるようになる。

【００２０】請求項２に対応する発明では、前記請求項
１の制御手段は、前記スペクトル線幅およびビームサイ
ズが各所定の仕様範囲内に入る波面調整領域内で前記検
出された励起強度が最小になるように前記波面調整手段
を制御するようにしたことを特徴とする。

【００２１】この請求項２の発明では、励起強度（放電
電圧）が最小になるように波面制御するようにしたの
で、レーザ出力効率（＝出力エネルギー／投入エネルギ
ー）を向上させることができる。

【００２２】請求項３に対応する発明では、レーザ媒質
を放電励起することによってレーザ光を発生させるレー
ザと、前記レーザからのレーザ光を狭帯域化する狭帯域
化素子および入射されたレーザ光の波面を補正して出射
する波面調整手段を有する狭帯域化モジュールと、前記
レーザ媒質の励起強度を一定に制御する制御手段とを具
えるようにした狭帯域化レーザ装置において、レーザ光
の出力エネルギーを検出する出力エネルギー検出手段
と、レーザ光のスペクトル線幅を検出する線幅検出手段
と、前記検出された出力エネルギーを前記スペクトル線
幅で割った値が最大になるように前記波面調整手段を制
御する制御手段とを備える。

【００２３】この請求項３に対応する発明では、レーザ
光の出力エネルギーをスペクトル線幅で割った値が最大
になるように前記波面調整手段を制御するようにしてい
るので、波面制御によってスペクトル線幅を最小にする
ことができかつレーザ出力を最大にすることができるよ
うになる。

【００２４】請求項４に対応する発明では、レーザ媒質
から発生されたレーザ光を狭帯域化する狭帯域化素子
と、入射されたレーザ光の波面を補正して出射する波面
調整手段とを有する狭帯域化モジュールを具えるように
した狭帯域化レーザ装置において、レーザ光のビームサ
イズを検出するビームサイズ検出手段と、前記検出され
たビームサイズが所定の仕様範囲内で最大になるように
前記波面調整手段を制御する制御手段とを備えるように
している。

【００２５】この請求項４に対応する発明では、レーザ
光のビームサイズが所定の仕様範囲内で最大になるよう
に波面制御を行うようにしているので、放電空間のゲイ
ン領域を有効に使うことができるようになり、波面制御
によってより高パワーのレーザ出力を取り出すことがで
きるようになる。

【００２６】請求項５に対応する発明では、レーザ媒質
を放電励起することによってレーザ光を発生させるレー
ザと、前記レーザからのレーザ光を狭帯域化する狭帯域
化素子および入射されたレーザ光の波面を補正して出射
する波面調整手段を有する狭帯域化モジュールと、前記
レーザ媒質の励起強度を一定に制御する制御手段とを具
えるようにした狭帯域化レーザ装置において、レーザ光
の出力エネルギーを検出する出力エネルギー検出手段
と、前記検出された出力エネルギーが最大になるように
前記波面調整手段を制御する波面制御手段とを備えるよ
うにした。

【００２７】この請求項５に対応する発明では、放電電
圧を一定にするなどレーザ光の励起強度を一定に制御し
てレーザ発振を行っている際、出力エネルギーが最大に
なるように波面調整制御を行うようにしており、これに
より波面制御によってより高パワーのレーザ出力を取り
出すことができるようになる。

【００２８】請求項６に対応する発明では、レーザ媒質
を放電励起することによってレーザ光を発生させるレー
ザと、前記レーザからのレーザ光を狭帯域化する狭帯域
化素子および入射されたレーザ光の波面を補正して出射
する波面調整手段を有する狭帯域化モジュールと、前記
励起強度を制御することでレーザ出力が一定になるよう
にパワーロック制御するパワーロック制御手段とを具え
るようにした狭帯域化レーザ装置において、前記励起強
度を検出する励起強度検出手段と、この励起強度が最小
になるように前記波面調整手段を制御する制御手段とを
備えるようにしている。

【００２９】この請求項６に対応する発明では、励起強
度を制御することでレーザ出力が一定になるようにする
パワーロック制御の際に、励起強度が最小になるように
波面調整制御を行うようにしたので、より少ない投入エ
ネルギーでより大きなレーザ出力を取り出すことができ
るようになり、波面制御によってレーザ出力効率を向上
させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施形態を添付図
面に従って詳細に説明する。

【００３１】図１は、エキシマレーザの全体的構成を示
している。

【００３２】図１において、エキシマレーザ１のレーザ
チャンバ２は紙面に垂直な方向に陽極および陰極が対向
して配設された放電電極３を有し、レーザチャンバ２内
に充填されたハロゲンガス、希ガス、バッファガスなど
からなるレーザガスを放電電極３間の放電によって励起
させてレーザ発振を行う。

【００３３】レーザチャンバ２の両レーザ出射口にはウ
ィンドウ４が設けられている。レーザチャンバ２のレー
ザ光出力側にはフロントミラー５が設けられている。

【００３４】狭帯域化モジュール６は、この場合、ビー
ム拡大光学系７と、ミラー９と、角度分散型波長選択素
子であるグレーティング９と、波面調整器１０とで構成
されている。グレーティング９は、図示しない回転ステ
ージによって回転自在に構成されており、グレーティン
グに対するレーザ光の入射角度が調整可能になってい
る。

【００３５】すなわち、図１の実施形態の場合は、フロ
ントミラー５とグレーティング９との間で光共振器が構
成されている、この場合、波面補正器１０は、図２に示
すように、グレーティング９をグレーティング９に張り
付けられた温調素子によって実際に曲げることによっ
て、結果的にグレーティング９に入射される波面を平面
波、凸面波または凹面波に調整するようにしている。

【００３６】すなわち、図２においては、グレーティン
グ９のブランク材（基板材）にＢＫ−７などの熱膨張、
熱収縮のあるものを使用し、グレーティング９の背面に
１箇所（図２(a)）または複数箇所（図２(b)）に、温調
素子３０を張り付けるようにしており、温調素子３０の
温度制御によってブランク材に温度分布を与えること
で、グレーティング９の回折面を図示の破線で示すよう
に実際に曲げ、これにより、グレーティング９に入射さ
れる波面の調整を行うようにしている。

【００３７】図３は、他の波面補正器１０の例を示すも
ので、この場合はビーム拡大系７として、プリズムが使
用されている場合を想定している。すなわち、この場
合、図２と同様にして、光学部材として合成石英、Ｃａ
Ｆ2、ＭｇＦ2等を使用し、プリズムの光入出射面に直角
な両面に温調素子３０を張り付けるようにしており、温
調素子３０の温度制御によってプリズムに温度分布を与
えることで、熱膨張、熱収縮そして熱による屈折率の変
化を用いてプリズムの入出射面を図示の破線で示すよう
に実際に曲げ、これにより、プリズムから出射される波
面の調整を行うようにしている。

【００３８】図４は、更に他の波面補正器１０の例を示
すものであり、この場合は、狭帯域化モジュール６内
に、グレーティング９、ビーム拡大光学系７とは別の波
面調整用の光学系を設けるようにしている。

【００３９】図５に、この波面調整用の光学系の各種の
例を示す。

【００４０】図５(a)においては、波面調整器１０は、
凹レンズ２１および凸レンズ２２で構成され、凸レンズ
２２を適宜の機構によって光軸方向に移動可能にしてお
り、入射された波面を凹レンズ２１と凸レンズ２２の光
軸方向の相対位置に応じて任意の曲率をもつ波面（凹波
面、凸波面）または平面波に変換することができるよう
にしている。

【００４１】図５(b)においては、反射型の光学素子基
板２３に実際に物理的力を加えて反射面を歪ませるよう
にしている。すなわち、反射ミラー２３の両端を支持部
材２４に形成した凹部２５に係合させて、これら凹部２
５で反射ミラー２３の両端を支持するとともに、反射ミ
ラー２３の背面中央付近に設けた適宜の機構によって反
射ミラー２３の背面中央部を押圧または引張ることによ
って、ミラー反射面を凹面または凸面に曲げるようにし
ている。

【００４２】図５(c)(d)においては、透過型の光学素子
基板２６に対し、温度分布を故意に与えることで基板２
６に屈折率分布を発生させて波面調整器１０を実現する
ようにしている。図５(d)は図３(c)の平面図である。す
なわち、例えば、石英硝子基板２６の四方の各側面に、
熱電素子のような加熱および冷却が可能な加熱冷却器２
７ａ〜２７ｄを設置し、これら各加熱冷却器２７ａ〜２
７ｄを温度制御することで石英硝子基板２６に所望の屈
折率分布を与える。なお、図５(d)において、２７はレ
ーザビームが通過するエリアである。

【００４３】なお、波面調整器２０で、波面を平面波、
凸面波、凹面波のいずれにするか、あるいは凸面波、凹
面波の曲率をどの程度に選ぶかは光学素子の特性のばら
つきに応じて異なっており、都度最適の波面に調整する
ようにする。

【００４４】図１において、レーザチャンバ２で発振さ
れたレーザ光は、狭帯域化モジュール６に入射され、ビ
ーム拡大光学系８に入射されてその放電方向に垂直な方
向のビーム幅が拡大される。さらに、レーザ光はグレー
ティング９に入射されて回折されることにより、所定の
波長成分のレーザ光のみが入射光と同じ方向に折り返さ
れる。グレーティング９で折り返されたレーザ光は、ビ
ーム拡大光学系７でビーム幅が縮小された後、レーザチ
ャンバ２に入射される。レーザチャンバ２を通過して増
幅されたレーザ光は、フロントミラー５を介してその一
部が出力光として取り出されると共に、残りが再度レー
ザチャンバ２に戻って増幅される。

【００４５】図１において、レーザ光の出力側には、３
個のビームスプリッタ１１〜１３、ビームプロファイル
センサ１４、スペクトル線幅センサ１５、および光出力
センサ１６などから成るモニタモジュール２０が設けら
れている。

【００４６】すなわち、フロントミラー５から出力され
たレーザ光の一部はビームスプリッタ１１、ビームスプ
リッタ１２を経由してＣＣＤなどでの２次元センサで構
成されたビームプロファイルセンサ１４に入力され、そ
のビームプロファイル（レーザビーム断面の空間的強度
分布とビームサイズ）が検出される。

【００４７】また、ビームスプリッタ１２を透過したレ
ーザ光は、図示しない、モニタエタロン（又は分光
器）、集光レンズなどを経由してラインフォトセンサか
ら成る線幅センサ１５に入射されてサンプリングされ
る。

【００４８】また、ビームスプリッタ１３を透過したレ
ーザ光は、光出力センサ１６に入射されてサンプリング
される。

【００４９】電源回路４１は、充電回路により電荷を一
旦充電した後、ＧＴＯやサイラトロン等のスイッチ素子
のスイッチ動作によって、レーザチャンバ２の放電電極
３間にパルス放電の繰り返し周波数に同期した高周波電
圧を印加する。この際、電源回路４１は、コントローラ
４０から入力される印加電圧指令（充電電圧指令）Ｖに
従って放電電極３間に印加する電圧を制御調整する。

【００５０】コントローラ４０では、 (1)ビームプロファイルセンサ１４の出力に基づきレー
ザ光のビームプロファイル（レーザビーム断面の空間的
強度分布、ビームサイズ、放電方向に平行および垂直な
方向のビーム幅）を計測する (2)線幅センサ１５の出力に基づいて出力レーザ光の波
長λ、スペクトル線幅Δλを計測する、また、線幅セン
サ１５に形成された干渉縞からレーザ光の波面を計測す
る (3)光出力センサ１６の出力に基づきレーザ出力エネル
ギーＥを計測する (4)電源回路４１の電源電圧Ｖの制御 (5)グレーティング９の回転またはミラー８の回転によ
る波長制御 (6)波面調整器１０による波面調整制御 等を実行する。

【００５１】図６に、コントローラ４０で行われる波面
制御についての第１の実施形態を示す。

【００５２】この第１実施形態では、レーザ発振が開始
されると（ステップ９０）、コントローラ４０は、線幅
センサ１５および光出力センサ１６の出力からスペクト
ル線幅Δλおよび出力エネルギーＥを計測し、出力エネ
ルギーＥをスペクトル線幅Δλで割った値Ｅ／Δλを計
算する（ステップ９１、９２）。そして、この値Ｅ／Δ
λが最大になるように波面調整器１０で波面調整を実行
する（ステップ９３）。そして、レーザ発振期間の間、
スペクトル線幅Δλおよび出力エネルギーＥを計測しな
がら波面制御を行うことで、Ｅ／Δλが最大値を維持で
きるように波面調整器１０で波面調整を実行する（ステ
ップ９４）。

【００５３】このようにこの実施形態では、レーザ発振
期間、波面制御を行う事によってスペクトル線幅を最小
にすることができかつレーザ出力を最大にすることがで
きるようになる。

【００５４】図７に、コントローラ４０で行われる波面
制御についての第２の実施形態を示す。

【００５５】この場合は、図１のエキシマレーザ１は、
パワーロック制御によってその出力Ｅが一定に制御され
ているものとする。

【００５６】すなわち、パワーロック制御は、ハロゲン
ガスの消耗などの各種の原因によるレーザ出力の低下を
補うためのもので、レーザガスの励起強度すなわち放電
電極３への印加電圧Ｖを大きくするとレーザ出力が増加
する特性を利用し、レーザ出力Ｅを検出し、この検出値
Ｅが設定エネルギーに対し大きくなると印加電圧Ｖを小
さくし、検出値Ｅが設定エネルギーに対し小さくなると
印加電圧Ｖを大きくすることで、レーザ出力が一定にな
るように制御するものである。

【００５７】図８は、波面形状とビームサイズδ（この
場合は放電方向に平行な方向のビーム幅）との関係と
（図８(a)）、波面形状と印加電圧Ｖとの関係と（図８
(b)）、波面形状とレーザスペクトル線幅Δλ（図８
(c)）とを示すものである。波面形状の評価パラメータ
として波面を近似した曲線の（１／曲率半径）を採用
し、各グラフの横軸としている。

【００５８】ビームサイズδは、図８(a)に示すよう
に、（１／曲率半径）の増加に伴って単調増加し、印加
電圧Ｖは、図８(b)に示すように、（１／曲率半径）の
変動に伴って極小点をもつ曲線となり、スペクトル線幅
Δλは、図８(c)に示すように、（１／曲率半径）の変
動に伴って極小点をもつ曲線となっている。

【００５９】これらのグラフからも判るように、ビーム
サイズδ、印加電圧Ｖ、スペクトル線幅Δλを仕様範囲
内へスペックインさせることができる波面調整領域は、
各パラーメータ毎にそれぞれ異なっており、また、ビー
ムサイズδ、印加電圧Ｖ、スペクトル線幅Δλをそれぞ
れ最適値にする波面の曲率半径もそれぞれ異なる値とな
っている。

【００６０】したがって、例えば、従来技術のように、
線幅のみを最小値になるように波面調整を行った場合
は、それ以外のパラメータである印加電圧、ビームサイ
ズが仕様範囲外へスペックアウトすることがある。

【００６１】そこで、図７の波面制御では、これらビー
ムサイズδ、印加電圧Ｖ、スペクトル線幅Δλの各パラ
メータが仕様範囲内へスペックインするように波面制御
を行うようにしている。

【００６２】ここで、前述したように、印加電圧Ｖは、
パワーロック制御の場合は、レーザ出力効率＝出力エネ
ルギー／投入エネルギーを観察するための重要なパラメ
ータであり、パワーロック制御の際に波面制御を行うこ
とでその印加電圧Ｖが平均的に下がるということは、波
面制御によってレーザ出力効率が上がったことになる。
そこで、この実施形態では、ビームサイズδおよびスペ
クトル線幅Δλは、波面制御によって仕様範囲内へスペ
ックインさせるだけであるが、印加電圧Ｖに関しては、
ビームサイズδ、スペクトル線幅Δλおよび印加電圧Ｖ
のスペックイン波面領域内でその平均的な値が最小にな
るように制御するようにしている。

【００６３】以下、図７のフローチャートに従って、そ
の詳細手順について説明する。

【００６４】まず、パワーロック制御をもってレーザ発
振が開始されると、コントローラ４０は、線幅センサ１
５の検出出力を取り込み、その出力からスペクトル線幅
Δλを計測する（ステップ１０１）。そして、この計測
したスペクトル線幅Δλが予め設定されている仕様範囲
内に入っているか否かを判定し（ステップ１０３）、仕
様範囲外へスペックアウトしているときは、波面調整器
１０に指令を与えて波面調整を行わせることで、図８
(c)に示した仕様範囲内へ線幅Δλを入れるようにする
（ステップ１０４）。

【００６５】このような線幅を目標対象とした波面制御
を線幅が仕様範囲内に入るまで実行する。

【００６６】つぎに、コントローラ４０は、ビームプロ
ファイルセンサ１４の検出出力を取り込み、その出力か
らビームサイズδ（またはビーム幅）を計測する（ステ
ップ１０５）。そして、この計測したビームサイズδが
予め設定されている仕様範囲内に入っているか否かを判
定し（ステップ１０６）、仕様範囲外へスペックアウト
しているときは、波面調整器１０に指令を与えて波面調
整を行わせることで、図７(a)に示した仕様範囲内へビ
ームサイズδを入れるようにする（ステップ１０７）。
この波面調整の際、コントローラ４０は、図８(c)に示
した線幅スペックイン領域内で波面調整を行い、ビーム
サイズを目標対象とした波面制御の際に線幅が仕様範囲
外にスペックアウトしないようにしている。

【００６７】線幅のスペックイン波面領域は、予め試し
運転などを行ったり、あるいは先のステップ１０４の波
面制御の際に、その領域をコントローラ４０内に設定記
憶するようにしておけば、ステップ１０７の波面制御の
際に線幅センサ１５およびプロファイルセンサ１４の双
方の検出出力を見ながら波面制御をする必要がなくな
る。勿論、ステップ１０７の波面制御の際に、線幅セン
サ１５およびプロファイルセンサ１４の双方の検出値を
観察しながら線幅およびプロファイルの双方がスペック
インするように波面制御を行うようにしてもよい。

【００６８】このようにして、線幅およびビームサイズ
が仕様範囲内に入るまで波面制御を実行する。

【００６９】つぎに、コントローラ４０は、現在の電源
回路４１に出力されている放電電圧指令Ｖを取り込み、
この放電電圧指令Ｖが予め設定されている仕様範囲内に
入っているか否かを判定し（ステップ１０９）、仕様範
囲外へスペックアウトしているときは、波面調整器１０
に指令を与えて波面調整を行わせることで、図８(b)に
示した仕様範囲内へ印加電圧Ｖを入れるようにする（ス
テップ１１０）。この波面調整の際、コントローラ４０
は、図８(c)(a)に示した線幅およびビームサイズのスペ
ックイン領域内で波面調整を行い、印加電圧Ｖを目標対
象とした波面制御の際に線幅およびビームサイズが仕様
範囲外にスペックアウトしないようにしている。

【００７０】ビームサイズのスペックイン波面領域も、
予め試し運転などを行ったり、あるいは先のステップ１
０７の波面制御の際に、その領域をコントローラ４０内
に設定記憶するようにしておけば、ステップ１１０の波
面制御の際に線幅センサ１５、プロファイルセンサ１４
および印加電圧Ｖの全ての検出出力を見ながら波面制御
をする必要がなくなる。勿論、ステップ１１０の波面制
御の際に、線幅センサ１５、プロファイルセンサ１４お
よび印加電圧Ｖの全ての検出出力を観察しながら線幅、
プロファイルおよび印加電圧の全てがスペックインする
ように波面制御を行うようにしてもよい。

【００７１】印加電圧Ｖをスペックイン領域にいれるこ
とができると、コントローラ４０は、次に、この印加電
圧Ｖが線幅、プロファイルおよび印加電圧の全てがスペ
ックインする波面領域内で最小になるように波面制御す
ることで、レーザの出力効率を最良な状態にする（ステ
ップ１１１）。

【００７２】そして、波面制御によって印加電圧Ｖの平
均的な値を最小にすることができると、コントローラ４
０はこの状態で波面を固定する（ステップ１１２）。

【００７３】このような波面制御をレーザ発振中定期的
に実行する（ステップ１１３）。

【００７４】図９に、コントローラ４０で行われる波面
制御についての第３の実施形態を示す。

【００７５】この第３実施形態では、パワーロック方式
でレーザ発振が開始されると（ステップ１２０）、コン
トローラ４０は、ビームプロファイルセンサ１４の出力
からビームサイズδを計測し（ステップ１２１）、この
計測したビームサイズδが仕様範囲内で最大になるよう
に波面調整器１０による波面調整を実行する（ステップ
１２２）。そして、コントローラ４０は、このビームサ
イズの最大状態で波面を固定する（ステップ１２３）。

【００７６】そして、レーザ発振期間の間、定期的に、
ビームサイズδを計測しながら波面制御を行うことで、
ビームサイズδが最大値を維持できるように波面調整器
１０による波面調整を実行する（ステップ１２４）。

【００７７】このようにこの実施形態では、パワーロッ
クでのレーザ発振中、波面制御を行う事によってビーム
サイズを仕様範囲内で最大にするようにしたので、放電
空間のゲイン領域を有効に使うことができるようにな
り、レーザ出力Ｅを大きくすることができる。

【００７８】図１０に、コントローラ４０で行われる波
面制御についての第４の実施形態を示す。

【００７９】この第４実施形態では、パワーロック方式
でレーザ発振が開始されると（ステップ１２０）、コン
トローラ４０は、印加電圧Ｖを計測し（ステップ１３
１）、この計測した印加電圧Ｖが仕様範囲内で最小にな
るように波面調整器１０による波面調整を実行する（ス
テップ１３２）。そして、コントローラ４０は、この印
加電圧最小状態で波面を固定する（ステップ１３３）。

【００８０】そして、レーザ発振期間の間、定期的に、
印加電圧Ｖを計測しながら波面制御を行うことで、印加
電圧Ｖが最小値を維持できるように波面調整器１０によ
る波面調整を実行する（ステップ１３４）。

【００８１】このようにこの実施形態では、パワーロッ
クでのレーザ発振中、波面制御を行う事によって印加電
圧Ｖを仕様範囲内で最小にするようにしたので、レーザ
出力効率を向上させることができる。なお、図８(b)(c)
を比較すれば判るように、印加電圧Ｖが最小になる波面
と、スペクトル線幅Δλが最小になる波面は、ほぼ同じ
値である。したがって、印加電圧Ｖを最小に制御するこ
とでスペクトル線幅をほぼ最小値にすることができる。
すなわち、印加電圧を検出しながら波面制御を行うこと
で結果的にスペクトル線幅を所望の値に制御することが
できる。

【００８２】したがって、スペクトル線幅に関して厳し
い仕様規定のないレーザ加工装置などにおいては、印加
電圧を検出しながら波面制御を行うようにすれば、高価
で、スペースをとるスペクトル線幅を検出するための分
光器を省略することができるようになる。

【００８３】図１１に、コントローラ４０で行われる波
面制御についての第５の実施形態を示す。

【００８４】この第５実施形態では、励起強度（放電電
圧Ｖ）を一定にしてレーザを運転させる場合を想定して
おり、この放電電圧一定でのレーザ運転は、定期的に行
われる調整発振の際に実行される。

【００８５】すなわち、この放電電圧一定でのレーザ運
転の際は、放電電圧Ｖは一定であるので、波面制御の際
の調整パラメータとはならず、レーザ出力Ｅ、ビームサ
イズδ、レーザ出力Ｅをスペクトル線幅Δで割った値λ
Ｅ／Δλが波面制御の際の調整パラメータとなる。

【００８６】まず、図１１に従ってレーザ出力Ｅを調整
パラメータとした場合の動作を説明する。

【００８７】電圧Ｖ一定でレーザ発振が開始されると
（ステップ１４０）、コントローラ４０は、光出力セン
サ１６の出力に基づきレーザ出力Ｅを計測し（ステップ
１４１）、この計測したレーザ出力Ｅが最大になるよう
に波面調整器１０による波面調整を実行する（ステップ
１４２）。そして、コントローラ４０は、このレーザ出
力Ｅが最大となった状態で波面を固定する（ステップ１
４３）。

【００８８】このようにこの実施形態では、放電電圧一
定でのレーザ運転中、レーザ出力Ｅが最大になるように
波面制御を行うようにしたので、波面制御によってレー
ザ出力Ｅをより増大させることができる。

【００８９】図１２に、コントローラ４０で行われる波
面制御についての第６の実施形態を示す。

【００９０】この第６実施形態も、励起強度（放電電圧
Ｖ）を一定にしてレーザを運転させる場合を想定してお
り、この場合は、線幅Δλおよびレーザ出力Ｅを調整パ
ラメータとしている。

【００９１】電圧Ｖ一定でレーザ発振が開始されると
（ステップ１５０）、コントローラ４０は、線幅センサ
１５および光出力センサ１６の出力からスペクトル線幅
Δλおよび出力エネルギーＥを計測し、出力エネルギー
Ｅをスペクトル線幅Δλで割った値Ｅ／Δλを計算する
（ステップ１５１、１５２）。そして、この値Ｅ／Δλ
が最大になるように波面調整器１０で波面調整を実行す
る（ステップ１５３）。そして、コントローラ４０は、
このＥ／Δλが最大となった状態で波面を固定する（ス
テップ１５４）。

【００９２】このようにこの実施形態では、放電電圧一
定でのレーザ発振期間中、波面制御を行う事によってス
ペクトル線幅を最小にすることができかつレーザ出力を
最大にすることができるようになる。

【００９３】図１３に、コントローラ４０で行われる波
面制御についての第７の実施形態を示す。

【００９４】この第７実施形態も、励起強度（放電電圧
Ｖ）を一定にしてレーザを運転させる場合を想定してお
り、この場合は、ビームサイズδを調整パラメータとし
ている。

【００９５】電圧Ｖ一定でレーザ発振が開始されると
（ステップ１６０）、コントローラ４０は、ビームプロ
ファイルセンサ１４の出力からビームサイズδを計測し
（ステップ１６１）、この計測したビームサイズδが仕
様範囲内で最大になるように波面調整器１０による波面
調整を実行する（ステップ１６２）。

【００９６】そして、コントローラ４０は、このビーム
サイズの最大状態で波面を固定する（ステップ１６
３）。

【００９７】このようにこの実施形態では、放電電圧一
定でのレーザ発振期間中、波面制御を行う事によってビ
ームサイズを仕様範囲内で最大にするようにしたので、
放電空間のゲイン領域を有効に使うことができるように
なり、レーザ出力Ｅを大きくすることができる。

【００９８】なお、波面制御を行うに当たって、初回運
転時や試し運転の際に、各調整パラメータ（印加電圧、
ビームサイズ、Ｅ／Δλ、スペクトル線幅Δλ、レーザ
出力Ｅなど）と波面形状との対応関係を求めておき、こ
れをコントローラ４０内に記憶するようにしておけば、
２回目以降のレーザ運転時や実際のレーザ加工の際のレ
ーザ運転時にこの記憶データを用いて波面制御を行うよ
うにすれば、波面形状の調整方向やその調整量が予め判
っているために、より応答性のよい波面制御を行うこと
ができる。

【００９９】また、レーザ運転するに当たって、最初に
放電電圧一定でレーザ運転を行い、その後にパワーロッ
クに切り替えてレーザ運転を行うようにしてもよく、そ
のような際には、前述した放電電圧一定の際の各種波面
制御と、パワーロックの際の各種波面制御を適宜組み合
わせて波面制御を行うようにしてもよい。

【０１００】また、上記実施例では、波面形状の評価パ
ラメータとして１／曲率半径を用いるようにしたが、こ
の評価パラメータとして曲率半径あるいは曲率を用いる
ようにしてもよい。また、干渉計などの波面計測器の分
野で用いられる、「Ｐｏｗｅｒ」、「ＲＭＳ（Root Mea
n Square Deviation）」、「ＰＶ（Peak to Vally Devi
ation）」を波面形状の評価パラメータとして用いるよ
うにしてもよい。

【０１０１】また、この発明をエキシマレーザ以外の他
の狭帯域化が必要なレーザに適用するようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例についてエキシマレーザの全
体的構成を示す図。

【図２】波面調整器の一具体例を示す図。

【図３】波面調整器の他の具体例を示す図。

【図４】波面調整器の他の配置例を示す図

【図５】波面調整器の他の具体例を示す図。

【図６】波面制御についての第１の実施形態を示すフロ
ーチャート図。

【図７】波面制御についての第２の実施形態を示すフロ
ーチャート図。

【図８】各種調整パラメータと波面形状との関係を示す
図。

【図９】波面制御についての第３の実施形態を示すフロ
ーチャート図。

【図１０】波面制御についての第４の実施形態を示すフ
ローチャート図。

【図１１】波面制御についての第５の実施形態を示すフ
ローチャート図。

【図１２】波面制御についての第６の実施形態を示すフ
ローチャート図。

【図１３】波面制御についての第７の実施形態を示すフ
ローチャート図。

【符号の説明】

１…エキシマレーザ ２…レーザチャンバ ３…放
電電極 ４…ウィンドウ ５…フロントミラー ６…狭帯域
化モジュール ７…ビーム拡大光学系 ８…ミラー ９…グレーテ
ィング １０…波面調整器 １１，１２，１３…ビームスプリ
ッタ １４…ビームプロファイルセンサ １５…スペクトル
線幅センサ １６…光出力センサ ３０…温調素子 ４０…コン
トローラ ４１…電源回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ媒質を放電励起することによってレ
   ーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからのレーザ
   光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射されたレーザ
   光の波面を補正して出射する波面調整手段を有する狭帯
   域化モジュールと、前記励起強度を制御することでレー
   ザ出力が一定になるようにパワーロック制御するパワー
   ロック制御手段とを具えるようにした狭帯域化レーザ装
   置において、レーザ光のスペクトル線幅を検出する線幅
   検出手段と、レーザ光のビームサイズを検出するビーム
   サイズ検出手段と、前記励起強度を検出する励起強度検
   出手段と、前記検出されたスペクトル線幅、ビームサイ
   ズおよび励起強度が各所定の仕様範囲内に入るように前
   記波面調整手段を制御する制御手段と、 を備えるようにしたことを特徴とする狭帯域化レーザの
   波面制御装置。
2. 【請求項２】前記制御手段は、前記スペクトル線幅およ
   びビームサイズが各所定の仕様範囲内に入る波面調整領
   域内で前記検出された励起強度が最小になるように前記
   波面調整手段を制御するようにしたことを特徴とする請
   求項１記載の狭帯域化レーザの波面制御装置。
3. 【請求項３】レーザ媒質を放電励起することによってレ
   ーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからのレーザ
   光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射されたレーザ
   光の波面を補正して出射する波面調整手段を有する狭帯
   域化モジュールと、前記レーザ媒質の励起強度を一定に
   制御する制御手段とを具えるようにした狭帯域化レーザ
   装置において、 レーザ光の出力エネルギーを検出する出力エネルギー検
   出手段と、 レーザ光のスペクトル線幅を検出する線幅検出手段と、 前記検出された出力エネルギーを前記スペクトル線幅で
   割った値が最大になるように前記波面調整手段を制御す
   る制御手段と、 を備えるようにしたことを特徴とする狭帯域化レーザの
   波面制御装置。
4. 【請求項４】レーザ媒質から発生されたレーザ光を狭帯
   域化する狭帯域化素子と、入射されたレーザ光の波面を
   補正して出射する波面調整手段とを有する狭帯域化モジ
   ュールを具えるようにした狭帯域化レーザ装置におい
   て、 レーザ光のビームサイズを検出するビームサイズ検出手
   段と、 前記検出されたビームサイズが所定の仕様範囲内で最大
   になるように前記波面調整手段を制御する制御手段と、 を備えるようにしたことを特徴とする狭帯域化レーザの
   波面制御装置。
5. 【請求項５】レーザ媒質を放電励起することによってレ
   ーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからのレーザ
   光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射されたレーザ
   光の波面を補正して出射する波面調整手段を有する狭帯
   域化モジュールと、前記レーザ媒質の励起強度を一定に
   制御する制御手段とを具えるようにした狭帯域化レーザ
   装置において、 レーザ光の出力エネルギーを検出する出力エネルギー検
   出手段と、 前記検出された出力エネルギーが最大になるように前記
   波面調整手段を制御する波面制御手段と、 を備えるようにしたことを特徴とする狭帯域化レーザの
   波面制御装置。
6. 【請求項６】レーザ媒質を放電励起することによってレ
   ーザ光を発生させるレーザと、前記レーザからのレーザ
   光を狭帯域化する狭帯域化素子および入射されたレーザ
   光の波面を補正して出射する波面調整手段を有する狭帯
   域化モジュールと、前記励起強度を制御することでレー
   ザ出力が一定になるようにパワーロック制御するパワー
   ロック制御手段とを具えるようにした狭帯域化レーザ装
   置において、 前記励起強度を検出する励起強度検出手段と、 この励起強度が最小になるように前記波面調整手段を制
   御する制御手段と、 を備えるようにしたことを特徴とする狭帯域化レーザの
   波面制御装置。