JPWO2019012642A1 - レーザシステム - Google Patents

Abstract

レーザシステムであって、以下を備える：Ａ．光強度分布が光路軸を中心とした回転対称のガウシアン形状のパルスレーザ光を出力する固体レーザ装置；Ｂ．一対の放電電極を含み、一対の放電電極の間の放電空間においてパルスレーザ光を増幅する増幅器；及び、Ｃ．増幅器から出力されるパルスレーザ光の光強度分布を変換し、一対の放電電極の放電方向と、放電方向に直交する方向とのいずれの方向についてもトップハット形状とする変換光学系。

Description

本開示は、レーザシステムに関する。

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１９３．４ｎｍ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上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。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 Narrowing Module）が設けられている。この狭帯域化モジュールによりスペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。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線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。

国際公開第２０１６／０４６８７１号 特開２０１１−１７６１１６号公報 特開２０１３−１４５８６３号公報 国際公開第２０１７／００６４１８号

概要

本開示の１つの観点に係るレーザシステムであって、以下を備える：
Ａ．光強度分布が光路軸を中心とした回転対称のガウシアン形状のパルスレーザ光を出力する固体レーザ装置；
Ｂ．一対の放電電極を含み、一対の放電電極の間の放電空間においてパルスレーザ光を増幅する増幅器；及び
Ｃ．増幅器から出力されるパルスレーザ光の光強度分布を変換し、一対の放電電極の放電方向と、放電方向に直交する方向とのいずれの方向についてもトップハット形状とする変換光学系。

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１Ａは、比較例に係るレーザシステムの構成を概略的に示す断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示されるレーザシステムにおいて、増幅器の内部構成をＶ方向から見た模式図である。 図２は、スリットをＺ方向からみた模式図である。 図３Ａは、図１Ａ中のＡ−Ａ線におけるパルスレーザ光のビーム断面の光強度分布を示す図である。図３Ｂは、図１Ａ中のＢ−Ｂ線におけるパルスレーザ光のビーム断面の光強度分布を示す図である。 図４Ａは、第１の実施形態に係るレーザシステムの構成を概略的に示す断面図である。 図４Ｂは、図４Ａに示されるレーザシステムにおいて、増幅器の内部構成をＶ方向から見た模式図である。 図５Ａは、図４Ａ中のＤ−Ｄ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布を示す図である。図５Ｂは、図４Ａ中のＥ−Ｅ線におけるパルスレーザ光のビーム断面の光強度分布を示す図である。 図６は、光強度分布のトップハット形状の定義について説明するグラフである。 図７は、図７は、変形例に係る変換光学系を示す図である。 図８は、図７及び表１に示す設計値に基づく光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図９は、第２の実施形態に係るレーザシステムに含まれる拡大光学系及び圧縮光学系を示す図である。 図１０は、第３の実施形態に係るレーザシステムの全体構成を示す図である。 図１１は、第１及び第２の非球面ミラーの設計例を示す図である。 図１２は、スリットにより部分的に遮蔽されたパルスレーザ光を示す図である。 図１３は、図１１及び表２に示す上記設計値に基づく光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、第４の実施形態に係るレーザシステムの全体構成を示す図である。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、変形例に係る変換光学系を示す図である。 図１６Ａは、変換光学系に入射するパルスレーザ光の光強度分布を示す図である。図１６Ｂは、増幅器から出力されるパルスレーザ光の光強度分布を示す図である。 図１７Ａ及び図１７Ｂは、マルチパス増幅器の課題を説明する図である。 図１８は、第５の実施形態に係るレーザシステムの全体構成を示す図である。 図１９は、位相フィルタの構成を示す図である。 図２０は、位相フィルタによる位相変調により光強度分布が変換される原理を示す図である。 図２１は、位相フィルタに形成された位相分布の一例を示す図である。 図２２は、固体レーザ装置の構成を示す図である。 図２３は、変形例に係る増幅器の構成を示す図である。

実施形態

＜内容＞
１．比較例
１．１ 構成
１．１．１ 固体レーザ装置
１．１．２ 増幅器
１．２ 動作
１．３ 課題
２．第１の実施形態
２．１ 構成
２．２ 動作
２．３ 効果
２．４ トップハット形状の定義
２．５ 変換光学系の変形例
３．第２の実施形態
３．１ 構成
３．２ 動作
３．３ 効果
４．第３の実施形態
４．１ 構成
４．１．１ 設計例
４．２ 動作
４．３ 効果
５．第４の実施形態
５．１ 構成
５．２ 動作
５．３ 効果
５．４ 変換光学系の変形例
５．４．１ 構成
５．４．２ 動作
５．４．３ 効果
６．第５の実施形態
６．１ 構成
６．２ 動作
６．３ 効果
７．固体レーザ装置の具体例
７．１ 構成
７．２ 動作
８．増幅器の変形例
８．１ 構成
８．２ 動作

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及び動作の全てが本開示の構成及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．比較例
１．１ 構成
図１Ａ及び図１Ｂは、比較例に係るレーザシステム２の全体構成を示す。レーザシステム２は、マスターオシレータとしての固体レーザ装置１０と、パワーアンプとしての増幅器２０と、を含む。

１．１．１ 固体レーザ装置
固体レーザ装置１０は、図示しない半導体レーザ、増幅器、非線形結晶等を含んで構成されている。固体レーザ装置１０は、シングル横モードで、紫外のパルスレーザ光Ｌｐを出力する。パルスレーザ光Ｌｐは、ガウシアンビームであって、たとえば、中心波長が１９３．４ｎｍである。以下、固体レーザ装置１０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの光路軸方向をＺ方向という。

１．１．２ 増幅器
増幅器２０は、チャンバ２１と、凸面シリンドリカルミラー２２と、凹面シリンドリカルミラー２３と、を含むエキシマ増幅器である。チャンバ２１内には、第１の放電電極２４ａと、第２の放電電極２４ｂと、第１のウインドウ２５ａと、第２のウインドウ２５ｂと、が設けられている。また、チャンバ２１内には、たとえば、レアガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのフッ素ガスと、バッファガスとしてのＮｅガスと、を含むＡｒＦレーザガスが封入されている。

第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとは、レーザガスを放電により励起するための一対の電極として、それらの間の放電空間２６を介して対向配置されている。第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとは、それぞれＺ方向に延伸している。第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとの間には、図示しない電源からパルス状の高電圧が印加される。以下、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとが対向する方向、すなわち放電方向をＶ方向という。Ｖ方向は、Ｚ方向に直交する方向である。また、Ｖ方向とＺ方向とに直交する方向をＨ方向という。

第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとは、互いに平行であって、放電空間２６を介してＺ方向に対向するように配置されている。第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとは、固体レーザ装置１０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐが入射する位置に配置されている。また、第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとは、レーザ光の入射角が、ブリュースタ角に近い角度、たとえば、５６．３４±５°となるように配置されている。第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとは、それぞれＣａＦ₂結晶からなる平行平面基板である。

凸面シリンドリカルミラー２２は、凸面２２ａを有する。凹面シリンドリカルミラー２３は、凹面２３ａを有する。凸面２２ａと凹面２３ａとは、それぞれＨ方向に平行な軸を中心軸とした円筒面の一部である。凸面２２ａと凹面２３ａとには、波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光Ｌｐに対する図示しない高反射膜が形成されている。凸面シリンドリカルミラー２２は、固体レーザ装置１０から出力され、第２のウインドウ２５ｂと第１のウインドウ２５ａとを通過したパルスレーザ光Ｌｐが凸面２２ａに入射するように配置されている。凸面シリンドリカルミラー２２は、パルスレーザ光Ｌｐのビーム径を、放電方向であるＶ方向に拡大させる。

凹面シリンドリカルミラー２３は、凸面２２ａにより高反射され、第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとを通過したパルスレーザ光Ｌｐが凹面２３ａに入射するように配置されている。また、凹面シリンドリカルミラー２３は、凹面２３ａに入射したパルスレーザ光Ｌｐを反射し、第２のウインドウ２５ｂと第１のウインドウ２５ａとを介してＺ方向に出力するように配置されている。凹面２３ａは、パルスレーザ光Ｌｐの反射光がコリメートされるように曲率が設定されている。

凸面シリンドリカルミラー２２と凹面シリンドリカルミラー２３とは、増幅器２０に入射したパルスレーザ光Ｌｐを、放電空間２６を３回通過させて増幅器２０の外部に出力させるように構成されている。また、凸面シリンドリカルミラー２２は、入射したパルスレーザ光Ｌｐを反射して、ビーム径を、放電方向であるＶ方向に拡大させる。このように、凸面シリンドリカルミラー２２と凹面シリンドリカルミラー２３とは、パルスレーザ光Ｌｐの光路を折り返して放電空間２６中に複数の光路を形成する一対の折り返しミラーを構成している。増幅器２０は、マルチパス増幅器と称される。

また、増幅器２０は、スリット２７を含む。スリット２７は、チャンバ２１から出力されたパルスレーザ光Ｌｐの光路上に配置されている。図２は、スリット２７を、Ｚ方向からみた模式図である。スリット２７は、遮光部材の中央に矩形状の開口部２７ａを形成することにより構成されている。開口部２７ａのＶ方向の長さは、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとの間隔にほぼ等しい。開口部２７ａのＨ方向の長さは、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとのそれぞれの幅にほぼ等しい。

スリット２７は、開口部２７ａのＶ方向及びＨ方向に関する位置が放電空間２６に対応するように配置されている。スリット２７は、入射したパルスレーザ光Ｌｐのうち、開口部２７ａ外の部分を遮蔽する。なお、スリット２７は、チャンバ２１の外部には限られず、チャンバ２１の内部に配置されていてもよい。

１．２ 動作
次に、比較例に係るレーザシステム２の動作について説明する。固体レーザ装置１０からパルスレーザ光Ｌｐが出力されると、パルスレーザ光ＬｐはＺ方向に進行する。このパルスレーザ光Ｌｐは、凹面シリンドリカルミラー２３の下方を通過し、放電空間２６にシード光として入射する。放電空間２６に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、Ｚ方向に進行して、凸面シリンドリカルミラー２２に入射する。パルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６を通過する際に、放電空間２６において生じる放電によって励起されたレーザガスによって増幅される。

凸面シリンドリカルミラー２２に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、凸面２２ａで高反射され、ビーム径がＶ方向に拡大されながら放電空間２６を通過することによって、さらに増幅され、凹面シリンドリカルミラー２３に入射する。凹面シリンドリカルミラー２３に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、凹面２３ａにより高反射されることによりコリメートされ、放電空間２６をＺ方向に進行する。コリメートされたパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６を通過することによりさらに増幅され、凸面シリンドリカルミラー２２の上方を通過して、スリット２７に入射する。図２に示すように、スリット２７に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、開口部２７ａ外の成分が遮蔽され、開口部２７ａを通過した成分がレーザシステム２の外部に出力される。レーザシステム２から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、図示しない露光装置に入射する。

１．３ 課題
次に、比較例に係るレーザシステム２の課題について説明する。図３Ａは、図１Ａ中のＡ−Ａ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布を示す。図３Ｂは、図１Ａ中のＢ−Ｂ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布を示す。

図３Ａに示すように、固体レーザ装置１０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐは、光強度分布が光路軸であるＺ軸を中心とした回転対称のガウシアン形状である。このパルスレーザ光Ｌｐは、シード光として増幅器２０に入射し、放電空間２６において増幅されながら、第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとを通過して、増幅器２０から出力される。図３Ｂに示すように、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、光強度分布がＶ方向に延伸されたガウシアン形状となる。

シード光として増幅器２０に入射するパルスレーザ光Ｌｐは、光強分布の中央部で光強度Ｉが高く、端部で光強度Ｉが低い。このため、増幅器２０による増幅後のパルスレーザ光Ｌｐの光強度、すなわちエネルギ密度の最大値は、通常のエキシマレーザ装置から出力されたレーザ光の場合よりも高くなる恐れがある。したがって、比較例に係るレーザシステム２では、パルスレーザ光Ｌｐの通過により、第１のウインドウ２５ａ及び第２のウインドウ２５ｂの劣化が生じやすく、耐久性が低いという課題がある。

２．第１の実施形態
次に、本開示の第１の実施形態に係るレーザレーザシステムについて説明する。

２．１ 構成
図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態に係るレーザシステム２ａの全体構成を示す。レーザシステム２ａは、固体レーザ装置１０と増幅器２０との間のパルスレーザ光Ｌｐの光路上に配置された変換光学系３０を含む。レーザシステム２ａのその他の構成は、比較例に係るレーザシステム２の構成と同一である。

変換光学系３０は、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布を、ガウシアン形状からトップハット形状に変換する光学系である。変換光学系３０は、第１のアキシコンレンズ３１ａと、第２のアキシコンレンズ３１ｂと、を含む。第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとは、それぞれ円錐状であって、中心軸がパルスレーザ光Ｌｐの光路軸に一致するように配置されている。また、第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとは、互いの頂点がＺ方向に対向するように配置されている。

２．２ 動作
次に、第１の実施形態に係るレーザシステム２ａの動作について説明する。固体レーザ装置１０からパルスレーザ光Ｌｐが出力されると、パルスレーザ光ＬｐはＺ方向に進行し、変換光学系３０に入射する。固体レーザ装置１０から変換光学系３０に入射するパルスレーザ光Ｌｐは、光路軸であるＺ軸を中心とする回転対称のガウシアン形状である。図４Ａ中のＣ−Ｃ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布は、図３Ａに示した光強度分布と同様である。

変換光学系３０に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、第１のアキシコンレンズ３１ａに入射する。第１のアキシコンレンズ３１ａに入射したパルスレーザ光Ｌｐは、中心軸より正側の部分が負側に屈折して移動し、中心軸より負側の部分が正側に屈折して移動する。この移動距離は、たとえば光強度分布の半値半幅にほぼ一致する。これらの光が第２のアキシコンレンズ３１ｂを透過することにより、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布がトップハット形状となる。このように、変換光学系３０に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、光強度分布がガウシアン形状からトップハット形状に変換されて出力される。図４Ａ中のＤ−Ｄ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布は、図５Ａに示すように、Ｖ方向とＨ方向とのいずれの方向に関してもトップハット形状となる。

光強度分布がトップハット形状となったパルスレーザ光Ｌｐは、シード光として増幅器２０に入射し、比較例と同様に、放電空間２６を通過することにより増幅されるとともに、放電方向であるＶ方向にビーム径が拡大される。ここで、増幅器２０の放電空間２６内のゲイン分布がほぼ均一である場合には、図４Ａ中のＥ−Ｅ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布は、図５Ｂに示すように、Ｖ方向とＨ方向とのいずれの方向に関してもトップハット形状となる。

２．３ 効果
図５Ａ及び図５Ｂ中に示される破線は、比較例に係るレーザシステム２の場合におけるガウシアン形状の光強度分布を示す。このように、第１の実施形態に係るレーザシステム２ａでは、固体レーザ装置１０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、増幅器２０に入射する前に、変換光学系３０によって光強度分布がガウシアン形状からトップハット形状に変換される。パルスレーザ光Ｌｐは、光強度分布がトップハット形状に変換されることにより、最大エネルギ密度が低下するので、第１のウインドウ２５ａ及び第２のウインドウ２５ｂの劣化が低減し、耐久性が向上する。

２．４ トップハット形状の定義
次に、図６に基づいて、光強度分布のトップハット形状の定義について説明する。トップハット形状は、下式（１）で表されるトップハット領域比Ｒ_TOP（％）と、下式（２）で表される均一性Ｃ（％）とを用いて定義される。
Ｒ_TOP＝Ｗ_FWHM／Ｗ_e2×１００ ・・・（１）
Ｃ＝（Ｉ_max−Ｉ_min）／（Ｉ_max＋Ｉ_min）×１００ ・・・（２）

ここで、Ｉ_maxは、光強度分布中の光強度の最大値である。Ｉ_minは、Ｉ_max／２以上の領域における光強度の極小値である。Ｗ_FWHMは、Ｉ＝Ｉ_max／２におけるビーム径、いわゆる半値全幅である。Ｗ_e2は、Ｉ＝Ｉ_max／ｅ²におけるビーム径、いわゆる１／ｅ²幅である。

光路軸を基準とし、Ｖ方向とＨ方向とのいずれについても、トップハット領域比Ｒ_TOPと均一性Ｃとが第１の条件及び第２の条件を満たす場合に、光強度分布の形状がトップハット形状と定義する。第１の条件は、トップハット領域比Ｒ_TOPが７０％以上、好ましくは８０％以上である。第２の条件は、均一性Ｃが２０％以下、好ましくは１０％以下である。

なお、上記の定義では、１次元の光強度分布に基づいてトップハット形状を定義しているが、２次元の強度分布に基づいてトップハット形状を定義してもよい。２次元の強度分布は、２次元のイメージセンサで計測可能である。この場合、トップハット領域比Ｒ_TOP（％）を、下式（３）により定義すればよい。
Ｒ_TOP＝Ｓ_FWHM／Ｓ_e2×１００ ・・・（３）

ここで、Ｓ_FWHMは、Ｉ_max／２以上の光強度を有する領域の面積である。Ｓ_e2は、Ｉ_max／ｅ²以上の光強度を有する領域の面積である。

２．５ 変換光学系の変形例
次に、変換光学系の変形例について説明する。第１の実施形態では、光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換する変換光学系として、２つのアキシコンレンズを組み合わせたものを用いているが、変換光学系は、この構成には限られない。

図７は、変形例に係る変換光学系４０を示す。変換光学系４０は、第１の実施形態の変換光学系３０に代えて用いられる。変換光学系４０は、第１の非球面レンズ４１ａと、第２の非球面レンズ４１ｂと、を含む。第１の非球面レンズ４１ａと第２の非球面レンズ４１ｂとはいずれも回転対称な形状であって、それぞれ中心軸がパルスレーザ光Ｌｐの光路軸に一致するように配置されている。第１の非球面レンズ４１ａは、非球面である凹面Ｓ１と、平坦面Ｓ２と、を有する。第２の非球面レンズ４１ｂは、非球面である凸面Ｓ３と、平坦面Ｓ４と、を有する。

一般的に、回転対称の非球面は、球面からの偏差の多項展開式で表される。たとえば、偶数次非球面モデルでは、動径座標の偶数次項のみを用いて非球面性が表される。この偶数次非球面モデルでは、非球面のＺ方向のサグ量ｚは、下式（４）で表される。

ここで、ｃは、原点における曲率、すなわち中心曲率である。ｈは、原点からの距離であって、ｈ²＝Ｈ²＋Ｖ²と表される。Ｋは、コーニック定数である。Ａ〜Ｄは、非球面係数である。式（４）で表される曲線をＺ軸の周りに回転させると、軸対称の回転曲面が得られる。

表１は、図７中の面Ｓ０においてガウシアン形状であって、１／ｅ²幅が０．７５ｍｍである光強度分布を、図７中の面Ｓ５においてトップハット形状であって、１／ｅ²幅が１．５０ｍｍである光強度分布に変換するための変換光学系４０の設計値の例を示す。ここで、光の波長は、１９３．４ｎｍとしている。

表１において、中心曲率、半径、コーニック定数は、各面の値を表している。なお、Ａ〜Ｄを含む高次の非球面係数は、すべて０としている。面間隔は、２つの面の原点間の距離を表している。媒質は、２つの面間の媒質を表している。面Ｓ０と面Ｓ５は、光軸に垂直な仮想的な面である。面Ｓ１と面Ｓ２との面間隔は、第１の非球面レンズ４１ａの厚みを表す。面Ｓ３と面Ｓ４との面間隔は、第２の非球面レンズ４１ｂの厚みを表す。

図８は、上記設計値に基づく光強度分布のシミュレーション結果を示す。破線は、面Ｓ０におけるパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布を示す。実線は、面Ｓ５におけるパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布を示す。変形例では、コーニック定数や非球面係数を最適化することにより、第１の実施形態よりも、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布のトップハット性、すなわちトップハット領域比Ｒ_TOP及び均一性Ｃを向上させることができる。

３．第２の実施形態
第１の実施形態に係るレーザシステムでは、２つのアキシコンレンズを組み合わせた変換光学系を用いている。各アキシコンレンズの頂点の形状が微細であるほどガウシアン形状からトップハット形状への変換性能が高まるが、頂点の微細化には限界がある。また、各アキシコンレンズの頂点とその付近を含む領域αは、高精度な研磨が困難であるので、光の散乱が生じやすい。したがって、各アキシコンレンズに入射するパルスレーザ光のビーム径が小さい場合には、ビーム径に対する領域αの大きさの比率が大きく、光の散乱等の影響により透過率が低下する。これにより、光強度分布の中央部の強度が低下する。なお、本明細書では、領域αは、アキシコンレンズの頂点及びその付近の加工精度が保障できない領域と定義する。

エキシマレーザの場合のビームの断面サイズが、たとえば３ｍｍ×１６ｍｍであるのに対して、第１の実施形態で用いられる固体レーザ装置１０から出力されるパルスレーザ光のビーム径は、１ｍｍ〜２ｍｍ程度と小さい。このため、第１の実施形態に係る変換光学系は、変換効率に関して課題がある。以下、第２の実施形態として、変換光学系の変換効率を向上させることを可能とするレーザシステムについて説明する。

３．１ 構成
第２の実施形態に係るレーザシステムは、図９に示すように、変換光学系５０に加えて、拡大光学系５２と、圧縮光学系５３とを含むこと以外は、第１の実施形態に係るレーザシステム２ａと同一の構成である。

図９において、変換光学系５０は、第１のアキシコンレンズ５１ａと、第２のアキシコンレンズ５１ｂと、を含む。第１の実施形態と同様に、第１のアキシコンレンズ５１ａと第２のアキシコンレンズ５１ｂとは、それぞれ円錐状であって、中心軸がパルスレーザ光Ｌｐの光路軸に一致するように配置されている。また、第１のアキシコンレンズ５１ａと第２のアキシコンレンズ５１ｂとは、互いの頂点がＺ方向に対向するように配置されている。

拡大光学系５２は、第１の凹レンズ５２ａと第１の凸レンズ５２ｂとを含み、変換光学系５の入射側に配置されている。第１の凹レンズ５２ａと第１の凸レンズ５２ｂとは、それぞれの中心軸がパルスレーザ光Ｌｐの光路軸に一致するとともに、両者の焦点の位置が一致するように配置されている。第１の凹レンズ５２ａは、第１の凸レンズ５２ｂのパルスレーザ光Ｌｐの入射側に配置されている。拡大光学系５２は、たとえば、パルスレーザ光Ｌｐのビーム径を、Ｖ方向及びＨ方向にそれぞれ５〜１０倍の拡大率で拡大する。

圧縮光学系５３は、第２の凹レンズ５３ａと第２の凸レンズ５３ｂとを含み、変換光学系５０の出射側に配置されている。第２の凹レンズ５３ａと第２の凸レンズ５３ｂとは、それぞれの中心軸がパルスレーザ光Ｌｐの光路軸に一致するとともに、両者の焦点の位置が一致するように配置されている。第１の凹レンズ５３ａは、第１の凸レンズ５３ｂのパルスレーザ光Ｌｐの出射側に配置されている。圧縮光学系５３は、たとえば、パルスレーザ光Ｌｐのビーム径を、Ｖ方向及びＨ方向にそれぞれ１／５〜１／１０倍の圧縮率で圧縮する。

第１の凹レンズ５２ａと第２の凹レンズ５３ａとは、同一サイズの凸レンズである。第１の凸レンズ５２ｂと第２の凸レンズ５３ｂとは、同一サイズの凹レンズである。第１の凹レンズ５２ａ及び第１の凸レンズ５２ｂと、第２の凹レンズ５３ａ及び第２の凸レンズ５３ｂとは、Ｚ方向に関して逆向きで、かつ対称に配置されている。すなわち、拡大光学系５２の拡大率は、圧縮光学系５３の圧縮率の逆数と同一である。

３．２ 動作
固体レーザ装置１０から変換光学系５０に、光強度分布がガウシアン形状であるパルスレーザ光Ｌｐが入射する。変換光学系５０に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、まず、拡大光学系５２に入射し、ビーム径が拡大される。ビーム径が拡大されたパルスレーザ光Ｌｐは、変換光学系５０を通過することにより、光強度分布がガウシアン形状からトップハット形状に変換される。

変換光学系５０から出射されたパルスレーザ光Ｌｐは、圧縮光学系５３に入射し、トップハット形状の光強度分布が維持されたまま、ビーム径が圧縮される。圧縮光学系５３から出射されたパルスレーザ光Ｌｐは、トップハット形状の光強度分布が維持されたまま、シード光として増幅器２０に入射する。

３．３ 効果
第２の実施形態によれば、拡大光学系５２により変換光学系５０には、ビーム径が拡大されたパルスレーザ光Ｌｐが入射するので、変換光学系５０を構成する第１のアキシコンレンズ５１ａと第２のアキシコンレンズ５１ｂとの各サイズを大きくすることができる。これにより、変換光学系５０に入射するパルスレーザ光Ｌｐのビーム径に対する第１のアキシコンレンズ５１ａと第２のアキシコンレンズ５１ｂとの各領域αの大きさの比率が低下するので、パルスレーザ光Ｌｐの透過率が向上する。すなわち、第２の実施形態によれば、変換光学系５０により変換されたパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布における中央部の強度の低下が抑制される。その結果、光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換する変換効率が向上する。

なお、第２の実施形態では、２つのアキシコンレンズを組み合わせた変換光学系５０を用いているが、変換光学系５０に代えて、第１の変形例として示した非球面の凹レンズと非球面の凸レンズとを組み合わせた変換光学系を用いてもよい。この場合、凹レンズと凸レンズとの各サイズを大きくすることができるので、非球面の形成が容易となり、かつ非球面が高精度化する。

４．第３の実施形態
第１の実施形態に係るレーザシステム２ａでは、固体レーザ装置１０と増幅器２０との間に、光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換する変換光学系３０を配置しているが、この変換光学系３０の変換機能を増幅器内に組み込むことも可能である。以下、第３の実施形態として、光強度分布の変換機能が組み込まれた増幅器を含むレーザシステムについて説明する。

４．１ 構成
図１０は、第３の実施形態に係るレーザシステム２ｂの全体構成を示す。レーザシステム２ｂは、固体レーザ装置１０と、増幅器６０と、を含む。固体レーザ装置１０は、第１の実施形態と同一の構成である。

増幅器６０は、凸面シリンドリカルミラー２２と凹面シリンドリカルミラー２３とに代えて、第１の非球面ミラー６１と、第２の非球面ミラー６２とを含む。チャンバ２１及びスリット２７の構成は、第１の実施形態と同一である。

第１の非球面ミラー６１は、第１の非球面６１ａを有する。第２の非球面ミラー６２は、第２の非球面６２ａを有する。第１の非球面６１ａと第２の非球面６２ａとには、波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光Ｌｐに対する図示しない高反射膜が形成されている。第１の非球面ミラー６１は、固体レーザ装置１０から出力され、第２のウインドウ２５ｂと第１のウインドウ２５ａとを通過したパルスレーザ光Ｌｐが第１の非球面６１ａに入射するように配置されている。第２の非球面ミラー６２は、第１の非球面６１ａにより高反射され、第１のウインドウ２５ａと第２のウインドウ２５ｂとを通過したパルスレーザ光Ｌｐが第２の非球面６２ａに入射するように配置されている。

第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とは、パルスレーザ光Ｌｐの光路を折り返すための一対の折り返しミラーを構成している。第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とは、増幅器６０に入射したパルスレーザ光Ｌｐを、放電空間２６を３回通過させて増幅器６０の外部に出力させる。増幅器６０は、マルチパス増幅器である。

第１の非球面６１ａと第２の非球面６２ａとは、それぞれ中心軸を中心とした回転対称な形状であって、互いに対向するように配置されている。第１の非球面６１ａと第２の非球面６２ａとの面形状は、上式（４）で表される。第１の非球面６１ａと第２の非球面６２ａとは、入射したパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換するように、中心曲率、コーニック定数、非球面係数等が設定されている。

また、第１の非球面ミラー６１は、たとえば、回転対称な凸形状であって、入射したパルスレーザ光Ｌｐを反射して、ビーム径をＶ方向及びＨ方向に拡大させる。第２の非球面ミラー６２は、たとえば、回転対称な凹形状であって、パルスレーザ光Ｌｐの反射光が、Ｖ方向及びＨ方向にコリメートするように配置されている。

４．１．１ 設計例
図１１及び表２は、第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２との設計例を示す。図１１に示すように、第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とのＺ方向に関する原点間距離を１０００ｍｍとし、Ｖ方向に関する原点間距離を９ｍｍとし、Ｈ方向に関する原点間距離を０ｍｍとする。

表２は、第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とのそれぞれの中心曲率、半径、コーニック定数、非球面係数の具体例である。

４．２ 動作
次に、第３の実施形態に係るレーザシステム２ａの動作について説明する。固体レーザ装置１０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、Ｚ方向に進行し、シード光として増幅器６０に入射する。増幅器６０に入射するパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布は、光路軸であるＺ軸を中心とする回転対称のガウシアン形状である。

増幅器６０に入射するパルスレーザ光Ｌｐは、第１の非球面ミラー６１の下方を通過し、放電空間２６に入射する。放電空間２６に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、増幅された後、第１の非球面ミラー６１に入射する。第１の非球面ミラー６１に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、第１の非球面６１ａで高反射され、ビーム径がＶ方向及びＨ方向に拡大されながら放電空間２６を通過することによって、さらに増幅され、第２の非球面ミラー６２に入射する。

第２の非球面ミラー６２に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、第２の非球面６２ａで高反射されることにより、光強度分布がガウシアン形状からトップハット形状に変換される。また、パルスレーザ光Ｌｐは、第２の非球面６２ａで高反射されることにより、Ｖ方向及びＨ方向にコリメートされ、放電空間２６をＺ方向に進行する。コリメートされたパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６を通過することによりさらに増幅され、第１の非球面ミラー６１の上方を通過して、スリット２７に入射する。スリット２７に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、図１２に示すように、開口部２７ａ外の成分が遮蔽され、開口部２７ａを通過した成分がレーザシステム２ｂの外部に出力される。

図１３は、図１１及び表２に示す上記設計値に基づく光強度分布のシミュレーション結果を示す。破線は、図１１中のＦ−Ｆ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布を示す。実線は、図１１中のＧ−Ｇ線におけるパルスレーザ光Ｌｐのビーム断面の光強度分布を示す。

４．３ 効果
第３の実施形態では、増幅器６０に含まれる一対の折り返しミラーである第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とに、光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換する変換光学系の機能を組み込んでいる。このため、第３の実施形態では、固体レーザ装置１０と増幅器６０との間に変換光学系を設ける必要がない。

また、第３の実施形態では、第１の非球面ミラー６１と第２の非球面ミラー６２とのそれぞれについて、中心曲率、コーニック定数、非球面係数を最適化することにより、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布のトップハット性、すなわちトップハット領域比Ｒ_TOP及び均一性Ｃを向上させることができる。

５．第４の実施形態
第１の実施形態に係るレーザシステム２ａでは、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂの形状によって放電空間２６内のゲイン分布が最初から不均一であることがある。さらに、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂとが消耗し、放電空間２６内のゲイン分布が変化することにより、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの最大エネルギ密度が変化する恐れがある。たとえば、ゲイン分布が最初から不均一である場合は、ゲイン分布に合わせて増幅後のパルスレーザ光Ｌｐのビームの光強度分布をトップハット形状とすることを可能とする。さらに、ゲイン分布が変化して、最大エネルギ密度が上昇すると、その上昇量に応じて、第１のウインドウ２５ａ及び第２のウインドウ２５ｂの劣化量が増大する。以下、第４の実施形態として、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの最大エネルギ密度を安定化させることを可能とするレーザシステムについて説明する。

５．１ 構成
図１４は、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃの全体構成を示す。レーザシステム２ｃは、固体レーザ装置１０と、増幅器２０と、変換光学系３０ａと、光強度分布計測部７０と、制御部７１と、を含む。固体レーザ装置１０と増幅器２０とは、第１の実施形態と同一の構成である。

変換光学系３０ａは、第１のアキシコンレンズ３１ａと、第２のアキシコンレンズ３１ｂと、リニアステージ３２と、を含む。第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとは、第１の実施形態と同一の構成である。本実施形態では、第２のアキシコンレンズ３１ｂは、リニアステージ３２に保持されており、Ｚ方向に往復移動が可能とされている。リニアステージ３２は、制御部７１により制御される。リニアステージ３２を制御し、第２のアキシコンレンズ３１ｂの位置を変化させることにより、第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとの間隔を調節することができる。

光強度分布計測部７０は、ビームスプリッタ７２と、転写光学系７３と、２次元イメージセンサ７４と、を含む。ビームスプリッタ７２は、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐの光路上に、光路に対して傾斜するように配置されている。転写光学系７３は、ビームスプリッタ７２により部分反射されたパルスレーザ光Ｌｐの一部を、２次元イメージセンサ７４に転写するように構成されている。

２次元イメージセンサ７４は、転写光学系７３により転写された転写像を撮像し、２次元イメージデータを制御部７１に出力する。この２次元イメージデータは、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光ＬｐのＶＨ断面における光強度分布を表す。制御部７１には、２次元イメージセンサ７４から入力された２次元イメージデータに基づいて、リニアステージ３２を制御する制御回路が構成されている。

５．２ 動作
次に、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃの動作について説明する。固体レーザ装置１０からパルスレーザ光Ｌｐが出力されると、第１の実施形態と同様に、パルスレーザ光Ｌｐは変換光学系３０ａを介して増幅器２０に入射し、増幅器２０から増幅されたパルスレーザ光Ｌｐが出力される。増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、光強度分布計測部７０に入射し、その一部がビームスプリッタ７２により反射されて転写光学系７３に入射する。転写光学系７３に入射した部分反射光は、２次元イメージセンサ７４に転写される。２次元イメージセンサ７４は、転写像を撮像し、２次元イメージデータとして制御部７１に出力する。

制御部７１は、２次元イメージデータにより表される光強度分布に基づいて、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐの最大エネルギ密度が、所定値以下となるようにリニアステージ３２を制御し、第２のアキシコンレンズ３１ｂの位置を調整する。

５．３ 効果
第４の実施形態では、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布の計測値に基づいて第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとの間隔を調整することにより、最大エネルギ密度を放電空間２６内のゲイン分布に合わせて、所定値以下に安定化させることができる。これにより、増幅器２０のウインドウ等の劣化を抑制することができる。

なお、第４の実施形態では、リニアステージ３２により第２のアキシコンレンズ３１ｂの位置を制御しているが、第１のアキシコンレンズ３１ａの位置や、第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとの両方の位置を制御してもよい。

また、第４の実施形態では、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐの最大エネルギ密度に基づいてリニアステージ３２を制御しているが、最大エネルギ密度に加えて、パルスエネルギに基づいてリニアステージ３２を制御してもよい。この場合、制御部７１は、２次元イメージセンサ７４から入力された２次元イメージデータに基づいて、最大エネルギ密度と、パルスエネルギとを算出する。たとえば、制御部７１は、最大エネルギ密度が所定値以下で、かつパルスエネルギが所定の範囲内となるようにリニアステージ３２を制御する。これによって、増幅器２０の増幅効率を維持しつつ、最大エネルギ密度を所定値以下に安定化させることができる。

５．４ 変換光学系の変形例
次に、変換光学系の変形例について説明する。第４の実施形態では、光強度分布をガウシアン形状からトップハット形状に変換する変換光学系として、２つのアキシコンレンズを組み合わせたものを用いているが、変換光学系の構成はこれに限られない。

５．４．１ 構成
図１５Ａ及び図１５Ｂは、変形例に係る変換光学系８０を示す。変換光学系４０は、第４の実施形態の変換光学系３０ａに代えて用いられる。変換光学系８０は、第１のプリズム８１と、第２のプリズム８２と、第３のプリズム８３と、第４のプリズム８４と、第１のリニアステージ８５と、第２のリニアステージ８６と、を含む。

第１のプリズム８１と第２のプリズム８２とは、光路軸に平行でかつ放電方向に直交するＨＺ面に沿った断面が二等辺三角形である。第１のプリズム８１と第２のプリズム８２とは、光路軸及び放電方向に平行なＨＺ面に沿った断面の二等辺三角形の頂角が等しく、かつ、これらの頂点がＺ方向に対向するように配置されている。第３のプリズム８３と第４のプリズム８４とは、それぞれＶＺ面に平行な断面が二等辺三角形である。第３のプリズム８３と第４のプリズム８４とは、ＶＺ面に平行な断面の二等辺三角形の頂角が等しく、かつ、これらの頂点がＺ方向に対向するように配置されている。第２のプリズム８２と第３のプリズム８３とは、互いの平坦面が接触した状態で接合され、固定配置されている。なお、第２のプリズム８２と第３のプリズム８３とは、一体的に形成されていてもよい。

第１のプリズム８１は、第１のリニアステージ８５に保持されており、Ｚ方向に往復移動が可能とされている。第４のプリズム８４は、第２のリニアステージ８６に保持されており、Ｚ方向に往復移動が可能とされている。第１のリニアステージ８５と第２のリニアステージ８６とは、制御部７１により制御される。制御部７１は、第１のリニアステージ８５を制御し、第１のプリズム８１の位置を変化させることにより、第１のプリズム８１と第２のプリズム８２との間隔を調節することができる。また、制御部７１は、第２のリニアステージ８６を制御し、第４のプリズム８４の位置を変化させることにより、第３のプリズム８３と第４のプリズム８４との間隔を調節することができる。第１のプリズム８１と第４のプリズム８４とは、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの最大エネルギ密度が低くなるように、予め位置が調整されている。

５．４．２ 動作
固体レーザ装置１０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、変換光学系８０の第１のプリズム８１に入射する。第１のプリズム８１に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、Ｈ方向に関して中心軸より正側の部分が負側に屈折して移動し、Ｈ方向に関して中心軸より負側の部分が正側に屈折して移動する。この移動距離は、たとえば光強度分布の半値半幅よりも大きい。これらの光が第２のプリズム８２を透過することにより、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布は、Ｈ方向の中央部に光強度の低い凹部を有し、その両端に光強度の高いピークを有するダブルピーク形状となる。

また、第２のプリズム８２を透過したパルスレーザ光Ｌｐは、第３のプリズム８３に入射する。第３のプリズム８３に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、中心軸よりＶ方向に関して正側の部分が負側に屈折して移動し、Ｖ方に関して中心軸より負側の部分が正側に屈折して移動する。これらの光が第４のプリズム８４を透過することにより、パルスレーザ光Ｌｐの光強度分布は、Ｖ方向の中央部に光強度の低い凹部を有し、その両端に光強度の高いピークを有するダブルピーク形状となる。

このように、変換光学系８０に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、図１６Ａに示すように、Ｈ方向及びＶ方向に関して、光強度分布がガウシアン形状からダブルピーク形状に変換されて出力される。変換光学系８０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、シード光として増幅器２０に入射し、放電空間２６を通過することにより増幅されるとともに、放電方向であるＶ方向にビーム径が拡大される。

一般に、増幅器２０において放電空間２６の中央部のゲインが高くなる可能性がある。このため、図１６Ｂに示すように、増幅器２０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布は、図１６Ａに示す場合よりも中央部の光強度が高くなり、Ｈ方向及びＶ方向に関して、中央部がやや凹んだトップハット形状となる。

５．４．３ 効果
本変形例では、第１のプリズム８１と第４のプリズム８４との位置をそれぞれ調整することにより、Ｈ方向及びＶ方向に関する光強度分布の形状をそれぞれ調整することができる。これにより、増幅器２０の放電空間２６のゲイン分布や、ゲイン分布の変化に応じて、光強度分布の形状を調整し、最大エネルギ密度を低減することができる。

また、第４の実施形態と同様に、制御部７１は、光強度分布計測部７０に含まれる２次元イメージセンサ７４から入力された２次元イメージデータに基づいて、第１のリニアステージ８５と第２のリニアステージ８６とを制御してもよい。

なお、本変形例では、第１のプリズム８１と第４のプリズム８４とを移動させているが、移動させるプリズムはこれらに限られず、第１のプリズム８１と第２のプリズム８２とのいずれか一方または両方、第３のプリズム８３と第４のプリズム８４とのいずれか一方または両方を移動させればよい。

また、第４の実施形態においても、増幅器２０に入射するパルスレーザ光ＬｐのＶＨ断面における光強度分布の中央部が低下するように第１のアキシコンレンズ３１ａと第２のアキシコンレンズ３１ｂとの間隔を調節してもよい。

６．第５の実施形態
上記各実施形態では、増幅器として、折り返し光路を有するマルチパス増幅器を用いているので、Ｖ方向に増幅率の偏りが生じる可能がある。図１７Ａ及び図１７Ｂは、Ｖ方向に増幅率の偏りが生じる過程を示す。増幅器に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間に生成された反転分布、すなわちゲインを消費することにより増幅される。図１７Ａに示すように、増幅器２０の放電空間２６に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６のＶ方向下部のゲインを消費することにより増幅されて、凸面シリンドリカルミラー２２に入射する。

凸面シリンドリカルミラー２２により反射されたパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６に入射してゲインを消費することによりさらに増幅されて、凹面シリンドリカルミラー２３に入射する。凸面シリンドリカルミラー２２に対する入射光路と反射光路とが重なる領域Ａ１では、既にゲインが消費されているので、凸面シリンドリカルミラー２２により反射されたパルスレーザ光Ｌｐは、Ｖ方向に関して下方ほど増幅率が低くなる。

図１７Ｂに示すように、凹面シリンドリカルミラー２３により反射されたパルスレーザ光Ｌｐは、放電空間２６のＶ方向上部のゲインを消費することにより増幅されて、増幅器２０から出力される。凹面シリンドリカルミラー２３に対する入射光路と反射光路とが重なる領域Ａ２では、既にゲインが消費されているので、凹面シリンドリカルミラー２３により反射されたパルスレーザ光Ｌｐは、Ｖ方向に関して下方ほど増幅率が低くなる。

したがって、光強度分布がトップハット形状のパルスレーザ光Ｌｐを増幅器２０に入射させた場合、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布は、Ｖ方向に関して下方ほど光強度が低下し、偏りが生じる可能性がある。以下、第５の実施形態として、折り返し光路に起因する光強度分布の偏りを低減することを可能とするレーザシステムについて説明する。

６．１ 構成
図１８は、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄの全体構成を示す。レーザシステム２ｄは、固体レーザ装置１０と、増幅器２０と、変換光学系９０と、を含む。固体レーザ装置１０と増幅器２０とは、第１の実施形態と同一の構成である。

変換光学系９０は、空間光位相変調素子としての位相フィルタ９１と、フーリエ変換素子としての集光レンズ９２と、を含む。変換光学系９０は、固体レーザ装置１０と増幅器２０との間の光路上に配置されている。位相フィルタ９１は、集光レンズ９２よりも固体レーザ装置１０側に配置されている。集光レンズ９２は、中心軸がパルスレーザ光Ｌｐに一致するように配置されている。また、集光レンズ９２は、たとえば、焦点が第１のウインドウ２５ａとなる位置に配置し、平行光として入射するパルスレーザ光Ｌｐを集光して焦点面に結像させる。

集光レンズ９２は、光学的フーリエ変換作用を有する。すなわち、集光レンズ９２の焦点面における複素振幅分布は、集光レンズ９２に入射するパルスレーザ光Ｌｐが有する複素振幅分布の２次元フーリエ変換となる。したがって、集光レンズ９２に入射するパルスレーザ光Ｌｐの位相を変調することにより、焦点面における電場振幅、すなわち光強度を変換することができる。

位相フィルタ９１は、集光レンズ９２に入射するパルスレーザ光Ｌｐの位相を、ＶＨ面において空間的に変調するように構成されている。図１９に示すように、位相フィルタ９１は、平面基板９１ａと、平面基板９１ａ上に形成された誘電体膜９１ｂと、を含む。なお、誘電体膜９１ｂは多層であってもよい。平面基板９１ａは、たとえば、紫外のレーザ光に対して耐久性の高いＣａＦ₂結晶により形成されている。おり、平面基板９１ａは、ＶＨ面に平行に配置されている。

誘電体膜９１ｂは、平面基板９１ａの表面上に蒸着形成されており、エッチング処理により２次元の位相分布が形成されている。誘電体膜９１ｂは、Ｚ方向への機械的厚みの差Δｔにより、パルスレーザ光Ｌｐに空間的に異なる位相差を与える。パルスレーザ光Ｌｐの波長をλ、誘電体膜９１ｂの屈折率をｎとすると、機械的厚みの差がΔｔの場合の位相差Δφは、下式（５）で表される。

Δφ＝ｎΔｔ／λ ・・・（５）

６．２ 動作
図２０は、平面波として変換光学系９０に入射したパルスレーザ光Ｌｐが、位相フィルタ９１により位相が変調されることにより光強度分布が変換される原理を示す。固体レーザ装置１０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐは、高コヒーレンスであり、平面波として位相フィルタ９１に入射する。このパルスレーザ光Ｌｐは、ガウシアン振幅Ａ（Ｈ，Ｖ）を有する。すなわち、振幅の二乗で表される光強度分布は、ガウシアン形状である。

位相フィルタ９１に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、位相フィルタ９１を透過することにより、位相が空間的に変調される。位相フィルタ９１を透過したパルスレーザ光Ｌｐの位相は、位相フィルタ９１に形成された位相分布が反映され、φ（Ｈ，Ｖ）となる。たとえば、集光レンズ９２に入射するパルスレーザ光Ｌｐの複素振幅分布が、振幅Ａ（Ｈ，Ｖ）と位相φ（Ｈ，Ｖ）との畳み込み積分で表されるとする。この場合、集光レンズ９２の焦点面におけるパルスレーザ光Ｌｐの複素振幅分布は、振幅Ａ（Ｈ，Ｖ）と位相φ（Ｈ，Ｖ）とのそれぞれのフーリエ変換後の関数の積となる。Ａ’（Ｈ’，Ｖ’）は、Ａ（Ｈ，Ｖ）のフーリエ変換後の関数である。φ’（Ｈ’，Ｖ’）は、φ（Ｈ，Ｖ）のフーリエ変換後の関数である。なお、変数Ｈ'、Ｖ'は、空間周波数であり、それぞれＨ、Ｖの長さの単位の逆数の次元を持つ。

本実施形態では、振幅Ａ’（Ｈ’，Ｖ’）に対応する光強度分布が、トップハット形状に対して、Ｖ方向に関して下方ほどの光強度が単調増加する形状とするように位相フィルタ９１の位相分布が形成されている。このように光強度が変調された形状の光強度分布は、増幅器２０の折り返し光路に起因する光強度分布の偏りを低減する。図２１は、位相フィルタ９１に形成された位相分布の一例を示す。

６．３ 効果
第５の実施形態では、固体レーザ装置１０から出力されたパルスレーザ光Ｌｐを、位相フィルタ９１により位相変調し、集光レンズ９２により光学的にフーリエ変換することにより、光強度分布を変換する。位相フィルタ９１の位相分布の設計することにより、変換後の光強度分布を、トップハット形状に対して、Ｖ方向に関して下方ほどの光強度が単調増加する形状とすることができる。折り返し光路を有する増幅器２０では、Ｖ方向に関して下方ほど増幅率が小さくなる。このため、上記のように光強度分布が変調されたトップハット形状のパルスレーザ光Ｌｐを、増幅器２０に入射させることにより、増幅器２０から出力されるパルスレーザ光Ｌｐの光強度分布の偏りを低減することができる。

なお、第５の実施形態では、空間光位相変調素子として、図１９に示す位相フィルタ９１を用いているが、これに代えて、回折格子や、電気信号によって位相分布を任意に変更可能な空間光位相変調素子を用いることも可能である。また、位相フィルタ９１は透過型であるが、反射型の空間光位相変調素子を用いることも可能である。反射型の空間光位相変調素子として、たとえば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator）が知られている。さらに、１９３ｎｍの波長域においても使用可能な反射型の空間光位相変調素子として、複数のマイクロミラーの角度をそれぞれ制御して、複数方向に反射させさせることができるデジタルミラーデバイスを用いてもよい。

７．固体レーザ装置の具体例
次に、固体レーザ装置１０の具体例について説明する。

７．１ 構成
図２２は、固体レーザ装置１０の構成を示す。固体レーザ装置１０は、第１の固体レーザ装置１１１と、第２の固体レーザ装置１１２と、ダイクロイックミラー１１３と、高反射ミラー１１４と、波長変換システム１１５と、同期回路１１６と、固体レーザ制御部１１７と、を含む。

第１の固体レーザ装置１１１は、第１の半導体レーザ１２０と、第１の半導体光増幅器１２１と、第１の増幅器１２２と、波長変換部１２３と、を含む。第１の増幅器１２２は、ファイバ増幅器１２２ａと、固体増幅器１２２ｂと、図示しないＣＷ励起半導体レーザと、を含む。波長変換部１２３は、ＬＢＯ結晶１２３ａと、ＣＬＢＯ結晶１２３ｂと、を含む。

第１の半導体レーザ１２０は、シングル縦モードであって、波長が約１０３０ｎｍのＣＷレーザ光を第１のシード光として出力する。第１の半導体レーザ１２０は、たとえば、分布帰還型の半導体レーザである。第１の半導体光増幅器１２１は、第１のシード光をパルス増幅して所定のパルス幅のレーザ光を生成する。以下、第１の半導体光増幅器１２１によって生成されたレーザ光を、第１のシードパルス光という。

ファイバ増幅器１２２ａは、Ｙｂがドープされた複数の石英ファイバが多段に接続されたものである。固体増幅器１２２ｂは、ＹｂがドープされたＹＡＧ結晶である。ファイバ増幅器１２２ａ及び固体増幅器１２２ｂは、図示しないＣＷ励起半導体レーザから入力されるＣＷ励起光によって光励起される。第１の増幅器１２２は、第１の半導体光増幅器１２１から入射する第１のシードパルス光を増幅する。

波長変換部１２３は、第１の増幅器１２２によって増幅された第１のシードパルス光を波長変換して、第１のパルスレーザ光ＰＬ１として出力する。具体的には、波長変換部１２３は、ＬＢＯ結晶１２３ａとＣＬＢＯ結晶１２３ｂとを含むことにより、第１のシードパルス光から、波長が約２５７．５ｎｍの第４高調波光を生成し、これを第１のパルスレーザ光ＰＬ１として出力する。

第２の固体レーザ装置１１２は、第２の半導体レーザ１３０と、第２の半導体光増幅器１３１と、第２の増幅器１３２と、を含む。第２の増幅器１３２は、ＥｒとＹｂが共にドープされた複数の石英ファイバが多段に接続された図示しないＥｒファイバ増幅器と、図示しないＣＷ励起半導体レーザと、を含む。

第２の半導体レーザ１３０は、シングル縦モードであって、波長が約１５５４ｎｍのＣＷレーザ光を第２のシード光として出力する。第２の半導体レーザ１３０は、たとえば、分布帰還型の半導体レーザである。第２の半導体光増幅器１３１は、第２のシード光をパルス増幅して所定のパルス幅のレーザ光を生成する。以下、第２の半導体光増幅器１３１によって生成されたレーザ光を、第２のシードパルス光という。

第２の増幅器１３２に含まれるＥｒファイバ増幅器は、図示しないＣＷ励起半導体レーザから入力されるＣＷ励起光によって光励起される。第２の増幅器１３２は、第２の半導体光増幅器１３１から入射する第２のシードパルス光を増幅し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２として出力する。

ダイクロイックミラー１１３は、第１の固体レーザ装置１１１から出力される第１のパルスレーザ光ＰＬ１が入射する位置に配置されている。高反射ミラー１１４は、第２の固体レーザ装置１１２から出力される第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高反射し、高反射された第２のパルスレーザ光ＰＬ２がダイクロイックミラー１１３に入射するように配置されている。

ダイクロイックミラー１１３には、波長が約２５７．５ｎｍの第１のパルスレーザ光ＰＬ１を高透過し、波長が約１５５４ｎｍの第２のパルスレーザ光ＰＬ２を高反射する膜がコートされている。ダイクロイックミラー１１３は、高透過した第１のパルスレーザ光ＰＬ１の光路軸と、高反射した第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路軸とが一致するように配置されている。

波長変換システム１１５は、第１のＣＬＢＯ結晶１４０と、第２のＣＬＢＯ結晶１４１と、第１のダイクロイックミラー１４４と、第２のダイクロイックミラー１４５と、高反射ミラー１４６と、を含む。第１のＣＬＢＯ結晶１４０と、第１のダイクロイックミラー１４４と、第２のＣＬＢＯ結晶１４１と、第２のダイクロイックミラー１４５とは、この順序で、第１のパルスレーザ光ＰＬ１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ２の光路上に配置されている。第１のＣＬＢＯ結晶１４０には、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが入射する。

第１のＣＬＢＯ結晶１４０では、第１のパルスレーザ光ＰＬ１と第２のパルスレーザ光ＰＬ２とが重なり、波長約２５７．５ｎｍと波長約１５５４ｎｍとの和周波に対応する波長約２２０．９ｎｍの第３のパルスレーザ光ＰＬ３が生成される。波長変換されなかった第１のパルスレーザ光ＰＬ１及び第２のパルスレーザ光ＰＬ２は、第１のＣＬＢＯ結晶１４０を透過する。

第１のダイクロイックミラー１４４は、パルスレーザ光ＰＬ１を高反射し、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第３のパルスレーザ光ＰＬ３とを高透過する膜がコートされている。第１のダイクロイックミラー１４４を高透過した第２及び第３のパルスレーザ光ＰＬ２，ＰＬ３が、第２のＣＬＢＯ結晶１４１に入射する。

第２のＣＬＢＯ結晶１４１では、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と第３のパルスレーザ光ＰＬ３とが重なり、波長約１５５４ｎｍと波長約２２０．９ｎｍとの和周波に対応する波長約１９３．４ｎｍの第４のパルスレーザ光ＰＬ４が生成される。波長変換されなかった第２及び第３のパルスレーザ光ＰＬ２，ＰＬ３は、第２のＣＬＢＯ結晶１４１を透過する。

第２のダイクロイックミラー１４５は、第４のパルスレーザ光ＰＬ４を高反射し、第２及び第３のパルスレーザ光ＰＬ２，ＰＬ３を高透過する膜がコートされている。高反射ミラー１４６は、第２のダイクロイックミラー１４５により高反射された第４のパルスレーザ光ＰＬ４が高反射されて、波長変換システム１１５から出力される位置に配置されている。第４のパルスレーザ光ＰＬ４が、前述のパルスレーザ光Ｌｐに対応する。

７．２ 動作
同期回路１１６は、固体レーザ制御部１１７からの発振トリガ信号の入力に応じて、第１の内部トリガ信号Ｔｒ１と第２の内部トリガ信号Ｔｒ２とを生成する。同期回路１１６により生成された第１の内部トリガ信号Ｔｒ１は、第１の半導体光増幅器１２１に入力され、第２の内部トリガ信号Ｔｒ２は、第２の半導体光増幅器１３１に入力される。第１の半導体光増幅器１２１は、第１の内部トリガ信号Ｔｒ１の入力に応じて第１のシードパルス光を出力する。第２の半導体光増幅器１３１は、第２の内部トリガ信号Ｔｒ２の入力に応じて第２のシードパルス光を出力する。

同期回路１１６は、波長変換システム１１５において、第１のパルスレーザ光ＰＬ１が、第２のパルスレーザ光ＰＬ２と時間的に重なるように、第１の内部トリガ信号Ｔｒ１と第２の内部トリガ信号Ｔｒ２とのタイミングを調整する。この結果、固体レーザ装置１０から波長約１９３．４ｎｍのパルスレーザ光Ｌｐが出力される。

固体レーザ装置１０は、第１の固体レーザ装置１１１からの出力光と、第２の固体レーザ装置１１２からの出力光との和周波光を生成して出力するものであので、強度の高い紫外のパルスレーザ光Ｌｐを出力することができる。

８．増幅器の変形例
次に、増幅器の変形例について説明する。上記各実施形態では、増幅器としてマルチパス増幅器を用いているが、増幅器の構成はこれに限られない。

８．１ 構成
図２３は、変形例に係る増幅器２００の構成を示す。増幅器２００は、チャンバ２１と、出力結合ミラー２１０と、高反射ミラー２２０〜２２２と、を含む。高反射ミラー２２０〜２２２は、平面ミラーである。チャンバ２１の構成は、第１の実施形態と同一である。出力結合ミラー２１０と高反射ミラー２２０〜２２２とは、リング共振器を構成している。このリング共振器は、チャンバ２１の放電空間２６内において交差する２つの光路を形成している。また、リング共振器により形成される光路は、放電方向に垂直なＨＺ面内にほぼ平行である。出力結合ミラー２１０は、たとえば、反射率が２０％〜４０％の範囲内の部分反射ミラーである。

固体レーザ装置１０及び変換光学系３０は、固体レーザ装置１０から出力され、変換光学系３０により光強度分布が変換されたパルスレーザ光Ｌｐが、出力結合ミラー２１０に入射するように配置されている。なお、変換光学系は、第１の実施形態に係る変換光学系３０に限られず、図７または図９に示した構成の変換光学系を用いることも可能である。

また、第１の放電電極２４ａと第２の放電電極２４ｂの放電幅に対して電極間ギャップが大きい場合は、変換光学系３０と増幅器２００との間に光路上に図示しないビームエスパンダを配置してもよい。このビームエキスパンダは、たとえば、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズとを含んで構成され、パルスレーザ光Ｌｐのビーム径をＶ方向に拡大する。

８．２ 動作
変換光学系３０から出力結合ミラー２１０に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、一部が出力結合ミラー２１０を透過し、高反射ミラー２２０により高反射される。高反射ミラー２２０により高反射されたパルスレーザ光Ｌｐは、第１のウインドウ２５ａを介して放電空間２６に入射する。放電空間２６に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、第１及び第２の放電電極２４ａ，２４ｂの長手方向であるＺ方向に対して傾斜した光路に沿って進行して増幅される。増幅されたパルスレーザ光Ｌｐは、第２のウインドウ２５ｂを介してチャンバ２１から出力される。

チャンバ２１から出力されたパルスレーザ光Ｌｐは、高反射ミラー２２１及び２２２により高反射され、第２のウインドウ２５ｂを介して放電空間２６に入射する。放電空間２６に入射したパルスレーザ光Ｌｐは、ほぼＺ方向に平行な光路に沿って進行し、増幅される。増幅されたパルスレーザ光Ｌｐは、第１のウインドウ２５ａを介してチャンバ２１から出力され、出力結合ミラー２１０に入射する。

出力結合ミラー２１０に入射したパルスレーザ光Ｌｐのうち、出力結合ミラー２１０を透過した透過光は、露光装置へ出力される。出力結合ミラー２１０に入射したパルスレーザ光Ｌのうち、出力結合ミラー２１０により反射された反射光は、再びリング共振器の光路を周回する。以上の動作を繰り返すことにより、増幅発振が生じ、増幅された複数のパルスレーザ光が露光装置に入射する。

上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各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。

本明細書及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。たとえば、「含む」又は「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、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (18)

1. レーザシステムであって、以下を備える：
   Ａ．光強度分布が光路軸を中心とした回転対称のガウシアン形状のパルスレーザ光を出力する固体レーザ装置；
   Ｂ．一対の放電電極を含み、前記一対の放電電極の間の放電空間において前記パルスレーザ光を増幅する増幅器；及び
   Ｃ．前記増幅器から出力される前記パルスレーザ光の光強度分布を変換し、前記一対の放電電極の放電方向と、前記放電方向に直交する方向とのいずれの方向についてもトップハット形状とする変換光学系。
2. 請求項１に記載のレーザシステムであって、
   前記変換光学系は、前記固体レーザ装置と前記増幅器との間における前記パルスレーザ光の光路上に配置されている。
3. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
   前記変換光学系は、第１のアキシコンレンズと、第２のアキシコンレンズとを含み、
   前記第１のアキシコンレンズと前記第２のアキシコンレンズとは、それぞれ中心軸が前記光路軸に一致し、互いの頂点が対向するように配置されている。
4. 請求項３に記載のレーザシステムであって、さらに以下を備える：
   Ｄ．第１のアキシコンレンズと第２のアキシコンレンズとのうちの一方を、前記光路軸の方向に往復移動させるリニアステージ；及び
   Ｅ．前記リニアステージを制御して前記第１のアキシコンレンズと第２のアキシコンレンズとの間隔を調整する制御部。
5. 請求項４に記載のレーザシステムであって、さらに以下を備える：
   Ｆ．前記増幅器から出力された前記パルスレーザ光の光強度分布を計測する光強度分布計測部；
   ここで、前記制御部は、前記光強度分布計測部により計測される前記光強度分布の計測値に基づいて前記リニアステージを制御する。
6. 請求項５に記載のレーザシステムであって、
   前記光強度分布計測部は、前記増幅器から出力された前記パルスレーザ光の一部を反射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された前記パルスレーザ光の一部を転写する転写光学系と、前記転写光学系により転写された転写像を撮像する２次元イメージセンサとを含む。
7. 請求項２に記載のレーザシステムであって、さらに以下を備える：
   Ｇ．前記変換光学系の入射側に配置され、前記パルスレーザ光のビーム径を拡大する拡大光学系；及び
   Ｈ．前記変換光学系の出射側に配置され、前記パルスレーザ光のビーム径を圧縮する圧縮光学系。
8. 請求項７に記載のレーザシステムであって、
   前記変換光学系の前記ビーム径の拡大率は、前記圧縮光学系の前記ビーム径の圧縮率の逆数と同一である。
9. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
   前記変換光学系は、第１の非球面レンズと、第２の非球面レンズとを含み、
   前記第１の非球面レンズと前記第２の非球面レンズとは、それぞれ中心軸が前記光路軸に一致するように配置されている。
10. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
    前記変換光学系は、前記増幅器に組み込まれている。
11. 請求項１０に記載のレーザシステムであって、
    前記増幅器は、一対の折り返しミラーを構成する第１の非球面ミラーと第２の非球面ミラーとを含むマルチパス増幅器であって、
    前記変換光学系は、前記第１の非球面ミラーと前記第２の非球面ミラーとにより構成されている。
12. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
    前記変換光学系は、前記光路軸に平行でかつ前記放電方向に直交する断面が二等辺三角形である第１のプリズム及び第２のプリズムと、前記光路軸及び前記放電方向に平行な断面が二等辺三角形である第３のプリズム及び第４のプリズムとを含み、
    前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとは、前記断面における互いの頂点が対向するように配置されており、
    前記第３のプリズムと前記第４のプリズムとは、前記断面における互いの頂点が対向するように配置されている。
13. 請求項１２に記載のレーザシステムであって、さらに以下を備える：
    Ｉ．第１のプリズムと第２のプリズムとのうちの一方を、前記光路軸の方向に往復移動させる第１のリニアステージ；
    Ｊ．第３のプリズムと第４のプリズムとのうちの一方を、前記光路軸の方向に往復移動させる第２のリニアステージ；及び
    Ｋ．前記第１のリニアステージを制御して前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとの間隔を調整し、前記第２のリニアステージを制御して前記第３のプリズムと前記第４のプリズムとの間隔を調整する制御部。
14. 請求項１３に記載のレーザシステムであって、さらに以下を備える：
    Ｌ．前記増幅器から出力された前記パルスレーザ光の光強度分布を計測する光強度分布計測部；
    ここで、前記制御部は、前記光強度分布計測部により計測される前記光強度分布の計測値に基づいて前記第１のリニアステージと前記第２のリニアステージとを制御する。
15. 請求項１４に記載のレーザシステムであって、
    前記光強度分布計測部は、前記増幅器から出力された前記パルスレーザ光の一部を反射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された前記パルスレーザ光の一部を転写する転写光学系と、前記転写光学系により転写された転写像を撮像する２次元イメージセンサとを含む。
16. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
    前記変換光学系は、前記パルスレーザ光の位相を空間的に変調させる空間光位相変調素子と、前記空間光位相変調素子により位相が変調された前記パルスレーザ光を集光して結像するフーリエ変換素子としての集光レンズとを含む。
17. 請求項１６に記載のレーザシステムであって、
    前記増幅器は、一対の折り返しミラーを含み、前記パルスレーザ光のビーム径を前記放電方向に拡大するマルチパス増幅器であって、
    前記空間光位相変調素子には、前記集光レンズによるフーリエ変換後の前記パルスレーザ光が、前記放電方向に光強度が単調増加する形状の光強度分布となるように位相分布が形成されている。
18. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
    前記増幅器は、リング共振器を含む。

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