CN109314365B - 激光系统 - Google Patents

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Abstract

激光系统具有：A.激光装置，其输出脉冲激光；以及B.第1光学脉冲展宽器，其包含用于使脉冲激光的脉冲宽度延长的延迟光路，并且被构成为使环回延迟光路而输出的环回光的束腰位置根据环回数而在光路轴方向上发生变化。在环回光通过理想透镜而被会聚的情况下，该环回光的会聚位置根据环回数而在光路轴方向上发生变化。

Description

激光系统
技术领域
本公开涉及包含激光装置和光学脉冲展宽器的激光系统。
背景技术
随着半导体集成电路的细微化、高集成化，在半导体曝光装置中要求提高分辨率。以下，将半导体曝光装置简称为“曝光装置”。因此，进行着从曝光用光源输出的光的短波长化。对于曝光用光源，代替以往的水银灯而使用气体激光装置。目前，作为曝光用激光装置，使用输出波长为248nm的紫外线的KrF准分子激光装置以及输出波长为193.4nm的紫外线的ArF准分子激光装置。
作为当前的曝光技术，实际使用的是一种液浸曝光，在该液浸曝光中，通过用液体填满曝光装置侧的投影透镜与晶片之间的间隙而改变该间隙的折射率，从而使曝光用光源所表现出的波长短波长化。在将ArF准分子激光装置用作曝光用光源来进行液浸曝光的情况下，使在水中波长为134nm的紫外光照射到晶片上。将该技术称为ArF液浸曝光。ArF液浸曝光也被称为ArF液浸光刻。
KrF、ArF准分子激光装置的自然振荡下的谱线宽度为大约350pm～400pm，是较宽的，因此，通过曝光装置侧的投影透镜而缩小投影在晶片上的激光(紫外线光)会产生色像差，从而分辨率会下降。因此，需要使从气体激光装置输出的激光的谱线宽度窄带化至能够无视色像差的程度。因此，在气体激光装置的激光谐振器内设置有具有窄带化元件的窄带化模块(Line Narrowing Module)。通过该窄带化模块来实现谱线宽度的窄带化。窄带化元件可以是标准具或光栅等。像这样使谱线宽度窄带化了的激光装置被称为窄带激光装置。
此外，针对激光装置使用使激光的脉冲宽度延长的光学脉冲展宽器，以使得对曝光装置的光学系统带来的损伤变小。光学脉冲展宽器将从激光装置输出的激光所包含的各脉冲光分解成具有时间差的多个脉冲光，由此，使各脉冲光的峰值功率电平下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-176358号公报
专利文献2：日本特许第2760159号公报
专利文献3：日本特开平11-312631号公报
专利文献4：日本特开2012-156531号公报
发明内容
本公开的1个观点的激光系统具有：A.激光装置，其输出脉冲激光；以及B.第1光学脉冲展宽器，其包含用于使脉冲激光的脉冲宽度延长的延迟光路，并且被构成为使在延迟光路中环回后而输出的环回光的束腰位置根据环回数而在光路轴方向上发生变化。
附图说明
以下，作为示例，参照附图对本公开的几个实施方式进行说明。
图1是概略地示出比较例的激光系统的结构的图。
图2是说明分束器和第1～第4凹面镜的位置关系的图。
图3是说明来自OPS的输出光的图。
图4是示出将脉冲激光在时间上和空间上分解的OPS的结构的图。
图5是说明延长脉冲激光向放电空间内的入射光路图。
图6是示出第1实施方式的激光系统的结构的图。
图7是说明分束器和第1～第4凹面镜的位置关系的图。
图8是说明入射到放大器的延长脉冲激光的图。
图9A是说明从OPS输出的0次环回光的图。图9B是说明从OPS输出的1次环回光的图。图9C是说明从OPS输出的2次环回光的图。
图10是说明延长脉冲激光向放电空间内的入射光路的图。
图11A是说明计测来自第1实施方式的OPS的输出光的束腰位置的变化的方法的示意图。图11B是示出来自比较例的OPS的输出光的束腰位置的变化的测量例的图。
图12是例示出来自OPS的输出光的光斑直径的变化的图。
图13是示出第1变形例的OPS的结构的图。
图14是示出第2变形例的OPS的结构的图。
图15是示出在第2实施方式的激光系统中使用的OPS的结构的图。
图16A是说明从OPS输出的0次环回光的图。图16B是说明从OPS输出的1次环回光的图。
图17是说明从OPS输出的2次环回光的图。
图18是示出放大器和配置在放大器的后级的OPS的立体图。
图19是示出第1变形例的放大器的结构的图。
图20是示出第2变形例的放大器的结构的图。
具体实施方式
＜内容＞
1.比较例
1.1结构
1.2动作
1.3脉冲宽度的定义
1.4课题
1.4.1通过空间分解使相干性下降
2.第1实施方式
2.1结构
2.2动作
2.3效果
2.4关于束腰位置
2.5 OPS的变形例
2.5.1第1变形例
2.5.2第2变形例
3.第2实施方式
3.2动作
3.3效果
4.在放大器的后级配置OPS的例子
5.放大器的变形例
5.1第1变形例
5.2第2变形例
以下，参照附图对本公开的实施方式进行详细说明。以下说明的实施方式示出本公开的几个例子，其并不限定本公开的内容。此外，在各实施方式中说明的结构和动作并不一定全都是本公开的结构和动作所必须的。另外，对同一结构要素标注同一参照标号，省略重复的说明。
1.比较例
1.1结构
图1概略地示出比较例的激光系统2的结构。在图1中，激光系统2包含光学脉冲展宽器(OPS：Optical Pulse Stretcher)10、扩束器20、放大器30以及作为主振荡器的固体激光装置3。
固体激光装置3构成为包含未图示的半导体激光器、放大器以及非线形晶体等。固体激光装置3以单横模输出脉冲激光PL。脉冲激光PL是高斯光束，例如，其中心波长在193.1nm～193.5nm的波长范围内，并且谱线宽度为大约0.3pm。固体激光装置3也可以是包含输出中心波长为大约773.4nm的被窄带化后的脉冲激光的蓝宝石激光器以及输出4倍谐波的非线形晶体的固体激光装置。
OPS10包含分束器11和第1～第4凹面镜12a～12d。分束器11是部分反射镜。分束器11的反射率优选在40％～70％的范围内，更优选为大约60％。分束器11配置在从固体激光装置3输出的脉冲激光PL的光路上。分束器11使入射的脉冲激光PL的一部分透射并且使其他的一部分反射。
第1～第4凹面镜12a～12d构成了用于使脉冲激光PL的脉冲宽度延长的延迟光路。第1～第4凹面镜12a～12d具有曲率半径R全部都相同的镜面。第1和第2凹面镜12a、12b配置为，被分束器11反射的光被第1凹面镜12a反射并入射到第2凹面镜12b。第3和第4凹面镜12c、12d配置为，被第2凹面镜12b反射的光被第3凹面镜12c反射，进而被第4凹面镜12d反射，而再次入射到分束器11。
分束器11与第1凹面镜12a之间的距离以及第4凹面镜12d与分束器11之间的距离分别是曲率半径R的一半、即R/2。此外，第1凹面镜12a与第2凹面镜12b之间的距离、第2凹面镜12b与第3凹面镜12c之间的距离以及第3凹面镜12c与第4凹面镜12d之间的距离分别与曲率半径R相同。
第1～第4凹面镜12a～12d具有全部都相同的焦距F。焦距F是曲率半径R的一半、即F＝R/2。因此，由第1～第4凹面镜12a～12d构成的延迟光路的光路长度LOPS是焦距F的8倍。即，OPS10具有LOPS＝8F的关系。
图2是说明分束器11和第1～第4凹面镜12a～12d的位置关系的图。在图2中，示出了将第1～第4凹面镜12a～12d分别置换成焦距为F的凸透镜13a～13d。P0表示分束器11的位置。P1～P4分别表示第1～第4凹面镜12a～12d的位置。
由第1～第4凹面镜12a～12d构成的延迟光学系统是准直光学系统，因此，在向第1凹面镜12a入射的入射光是准直光的情况下，从第4凹面镜12d射出的射出光是准直光。
此外，第1～第4凹面镜12a～12d配置为使得光路长度LOPS在脉冲激光PL的时间相干长度LC以上。时间相干长度LC是根据LC＝λ2/Δλ的关系式而计算出的。这里，λ是脉冲激光PL的中心波长。Δλ是脉冲激光PL的谱线宽度。例如，在λ＝193.35nm、Δλ＝0.3pm的情况下，LC＝0.125m。
扩束器20配置在从OPS10输出的延长脉冲激光PT的光路上。延长脉冲激光PT是脉冲激光PL的脉冲宽度被OPS10延长后的光。扩束器20包含凹透镜21和凸透镜22。扩束器20将从OPS10输入的延长脉冲激光PT的束径放大，并输出该延长脉冲激光PT。
放大器30配置在从扩束器20输出的延长脉冲激光PT的光路上。放大器30是包含激光腔31、一对放电电极32a和32b、反光镜33以及输出耦合镜34的准分子激光装置。反光镜33和输出耦合镜34是部分反射镜，构成了法珀(Fabry-Perot)谐振器。在反光镜33和输出耦合镜34上涂覆有使激光振荡的波长的光部分反射的膜。反光镜33的部分反射膜的反射率在80％～90％的范围内。输出耦合镜34的部分反射膜的反射率在20％～40％的范围内。
在激光腔31内填充有ArF激光气体等激光介质。一对放电电极32a和32b作为用于通过放电来激励激光介质的电极而配置于激光腔31内。从未图示的电源向一对放电电极32a和32b之间施加脉冲状的高电压。
以下，将从扩束器20输出的延长脉冲激光PT的行进方向称为Z方向。将一对放电电极32a和32b之间的放电方向称为V方向。V方向与Z方向垂直。将与Z方向和V方向垂直的方向称为H方向。
在激光腔31的两端设置有窗口31a和31b。从扩束器20输出的延长脉冲激光PT作为种子光而通过反光镜33和窗口31a入射到一对放电电极32a和32b之间的放电空间35。放电空间35的V方向上的宽度与被扩束器20放大后的束径大致一致。
固体激光装置3和放大器30由未图示的同步控制部控制。放大器30被同步控制部控制成在延长脉冲激光PT入射到放电空间35中的时刻放电。
1.2动作
接下来，对比较例的激光系统2的动作进行说明。首先，从固体激光装置3输出的脉冲激光PL入射到OPS10内的分束器11。入射到分束器11的脉冲激光PL中的一部分透过分束器11，并作为没有在延迟光路中环回的0次环回光PS0而从OPS10输出。
入射到分束器11的脉冲激光PL中的被分束器11反射的反射光进入延迟光路，并被第1凹面镜12a和第2凹面镜12b反射。分束器11中的反射光的光像通过第1凹面镜和第2凹面镜12a、12b而成像为等倍的第1转印像。然后，通过第3凹面镜12c和第4凹面镜12d，在分束器11的位置成像出等倍的第2转印像。
作为第2转印像而入射到分束器11的光的一部分被分束器11反射，并作为在延迟光路中环回了1次的1次环回光PS1而从OPS10输出。该1次环回光PS1与0次环回光PS0相比，被延迟了延迟时间Δt而输出。该Δt表示为Δt＝LOPS/c。这里，c是光速。
作为第2转印像而入射到分束器11的光中的透过分束器11的透过光再次进入延迟光路，并被第1～第4凹面镜12a～12d反射而再次入射到分束器11。被分束器11反射的反射光作为在延迟光路中环回了2次的2次环回光PS2而从OPS10输出。该2次环回光PS2与1次环回光PS1相比，被延迟了延迟时间Δt而输出。
此后，光反复在延迟光路中环回，由此，从OPS10依次输出如下脉冲光：3次环回光PS3、4次环回光PS4…。在延迟光路中环回的次数越多，则从OPS10输出的脉冲光的光强度越下降。
如图3所示，脉冲激光PL入射到OPS10的结果为，脉冲激光PL被分解为具有时间差的多个脉冲光PS0、PS1、PS2、…而输出。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示光强度。上述的延长脉冲激光PT是由脉冲激光PL被OPS10分解而得到的多个脉冲光PSn(n＝0、1、2、···)合成而得到的。这里，n表示在延迟光路中环回的次数。
由于光路长度LOPS在时间相干长度LC以上，因此，多个脉冲光PSn的相互的相干性(coherence)下降。因此，由多个脉冲光PSn构成的延长脉冲激光PT的相干性下降。
从OPS10输出的延长脉冲激光PT入射到扩束器20，被扩束器20放大了束径并被输出。从扩束器20输出的延长脉冲激光PT入射到放大器30。入射到放大器30的延长脉冲激光PT通过反光镜33和窗口31a而作为种子光入射到放电空间35。
在放电空间35内，与延长脉冲激光PT的入射同步，通过未图示的电源产生放电。延长脉冲激光PT穿过利用放电而被激励的放电空间35，由此，产生受激发射并被放大。而且，放大后的延长脉冲激光PT通过光谐振器而振荡，从输出耦合镜34输出。
其结果为，从激光系统2输出了延长脉冲激光PT，该延长脉冲激光PT相比于从固体激光装置3输出的脉冲激光PL而言，峰值功率电平下降并且相干性下降。
1.3脉冲宽度的定义
激光的脉冲宽度TIS由下式1来定义。这里，t是时间。I(t)是时间t下的光强度。延长脉冲激光PT的脉冲宽度使用下式1来求出。
[式1]
Figure GDA0002083748530000071
1.4课题
接下来，对比较例的激光系统2的课题进行说明。从激光系统2提供给曝光装置的激光优选相干性较低，因此，要求相干性进一步下降。
1.4.1通过空间分解使相干性下降
在比较例的激光系统2中，是通过OPS10将脉冲激光PL在时间上分解而使相干性下降的，但也可以使脉冲激光PL在空间上进一步分解，由此使相干性下降。
图4示出能够将脉冲激光PL在时间上和空间上分解的OPS 40的结构。OPS 40除了第4凹面镜12d的配置不同以外，与上述OPS10的结构相同。
在图4中，第4凹面镜12d配置于相对于虚线所示的OPS10的第4凹面镜12d的位置而以H方向为旋转轴稍微旋转后的位置。通过该结构，从OPS 40输出的多个脉冲光PSn的出射角会按照脉冲光在延迟光路中环回的次数n而在V方向上发生变化。即，从OPS 40输出的多个脉冲光PSn的光路轴互相不同。该结果为，从OPS 40输出的多个脉冲光PSn在V方向上被空间性地分解而入射到扩束器20。另外，在图4中，使脉冲激光PL向OPS 40入射的入射方向相对于Z方向稍微倾斜。
图5示出了从扩束器20输出的多个脉冲光PSn作为种子光而入射到放大器30的放电空间35的光路。这样，多个脉冲光PSn在放电空间35内的通过光路根据在延迟光路中环回的次数n而不同。由于OPS 40生成脉冲激光PL在时间上和空间上被分解而得到的多个脉冲光PSn，因此，放大器30的输出光的相干性进一步下降。
但是，当像上述那样将脉冲激光PL在时间上和空间上进行分解时，放电空间35在V方向上，在时间上不会同时被种子光充满。例如，在放电空间35中的供0次环回光PS0入射的空间内，只在0次环回光PS0入射的时间存在种子光。因此，在1次环回光PS1以后的环回光入射的时间，在0次环回光PS0的光路上不存在种子光。
在作为准分子激光器的放大器30中，作为被激励成上能级的原子的寿命的上能级寿命为2ns左右，是较短的。因此，当在放电空间35中存在未被种子光充满的空间时，在该空间中，在产生基于种子光的受激发射之前会产生自发发射。其结果为，在放大器30的输出光中除了基于受激发射而产生的放大光以外，还包含了较多基于自发发射而产生的放大(ASE：Amplified Spontaneous Emission)光，该放大光是噪声。
因此，当使用如图4所示那样构成的OPS 40时，放大器30的输出光的相干性下降，但存在ASE光增加的问题。为了抑制该ASE光的产生，考虑了提高放大器30的光谐振器的反射率，使光谐振器内存在更多种子光。但是，当提高光谐振器的反射率时，光谐振器内的能量变高，光学元件可能损伤。
此外，为了抑制ASE光的产生，考虑了使延长脉冲激光PT的脉冲宽度变长。但是，当使延长脉冲激光PT的脉冲宽度变长时，种子光的光强度下降，不有助于放大的成分增加，因此，可能产生更多ASE光。
2.第1实施方式
接下来，对本公开的第1实施方式的激光系统进行说明。第1实施方式的激光系统除了OPS的结构不同以外与图1所示的比较例的激光系统的结构相同。以下，对与图1所示的比较例的激光系统的结构要素大致相同的部分标注同一标号，并适当省略说明。
2.1结构
图6示出第1实施方式的激光系统50的结构。激光系统50包含固体激光装置3、OPS60、扩束器20以及放大器30。OPS 60包含分束器61以及第1～第4凹面镜62a～62d。分束器61采用与比较例的分束器11相同的结构。
关于第1～第4凹面镜62a～62d，仅第4凹面镜62d的镜面的曲率半径与其他的凹面镜不同。具体而言，当设第1凹面镜62a的曲率半径为R1、设第2凹面镜62b的曲率半径为R2、设第3凹面镜62c的曲率半径为R3、设第4凹面镜62d的曲率半径为R4时，满足R1＝R2＝R3＝R且R4＜R的关系。此外，当设第1凹面镜62a的焦距为F1、设第2凹面镜62b的焦距为F2、设第3凹面镜62c的焦距为F3、设第4凹面镜62d的焦距为F4时，满足F1＝F2＝F3＝F且F4＜F的关系。
第1～第4凹面镜62a～62d的配置与比较例同样。分束器61与第1凹面镜62a之间的距离以及第4凹面镜62d与分束器61之间的距离是第1～第3凹面镜62a～62c的曲率半径R的一半、即R/2。此外，第1凹面镜62a与第2凹面镜62b之间的距离、第2凹面镜62b与第3凹面镜62c之间的距离以及第3凹面镜62c与第4凹面镜62d之间的距离分别与曲率半径R相同。
因此，由第1～第4凹面镜62a～62d构成的延迟光路的光路长度LOPS是第1～第3凹面镜62a～62c的焦距F的8倍、即LOPS＝8F。另外，分束器11和第1～第4凹面镜12a～12d配置为，使得从OPS 60输出的0次环回光PS0的光路轴与1次环回光PS1的光路轴一致。即，在第1实施方式中，从OPS 60输出的多个脉冲光PSn的光路轴完全一致。
图7是说明分束器61和第1～第4凹面镜62a～62d的位置关系的图。在图7中示出了将第1～第4凹面镜62a～62d分别置换为焦距为F的凸透镜63a～63c和焦距比F短的凸透镜63d。P0表示分束器61的位置。P1～P4分别表示第1～第4凹面镜62a～62d的位置。
LOPS＝8F，与此相对，F1＝F2＝F3＝F并且F4＜F，因此，延迟光学系统是不满足准直条件的非准直光学系统。因此，在向第1凹面镜62a入射的入射光是准直光的情况下，从第4凹面镜62d射出的射出光是非准直光。
OPS 60与比较例的OPS10同样，如图3所示，将从固体激光装置3入射的脉冲激光PL分解为具有时间差的多个脉冲光PSn(n＝0、1、2、…)并作为延长脉冲激光PT而输出。由于脉冲激光PL是高斯光束，因此，从OPS 60输出的多个脉冲光PSn的各发散角θn根据在延迟光路中环回的次数n而发生变化。此外，多个脉冲光PSn的各束腰位置wn根据在延迟光路中环回的次数n而在Z方向上移动。发散角θn与束腰位置wn为反比例的关系。发散角θn和束腰位置wn由第4凹面镜62d的曲率来确定。
束腰位置是光束的光斑尺寸最小的位置，该束腰位置与波面的曲率半径成为平面的位置一致。发散角表示与束腰位置相距足够远的距离处的光束的展开角。
如图8所示，在放大器30中周期性地入射有延长脉冲激光PT。为了抑制ASE光的产生，优选为，延长脉冲激光PT的间隔ΔPT比在放大器30内被激励成上能级的原子的寿命、即上能级寿命短。该上能级寿命为大约2ns。因此，只要使延长脉冲激光PT的脉冲宽度ΔDT尽可能长即可。间隔ΔPT是光强度大致为0的期间。例如，在光强度为峰值强度的1％以下的情况下，光强度为0。
为了使脉冲宽度ΔDT变长，优选以使上述延迟时间Δt与脉冲激光PL的脉冲宽度ΔD一致的方式设定光路长度LOPS。在该情况下，只要将光路长度LOPS设定为满足下式2即可。
LOPS＝c·ΔD…(2)
脉冲宽度ΔD与多个脉冲光PSn的各脉冲宽度大致相同。例如，当设ΔD＝3nm时，LOPS＝1m，光路长度LOPS在时间相干长度LC以上。
此外，为了抑制ASE光的产生，在设放大器30的光谐振器的光路长度为Lamp的情况下，优选延长脉冲激光PT的脉冲宽度ΔDT满足下式3。另外，光谐振器的光路长度Lamp是反光镜33与输出耦合镜34之间的距离即谐振器长La的2倍、即Lamp＝2La。
ΔDT≧Lamp/c…(3)
2.2动作
接下来，对第1实施方式的激光系统50的动作进行说明。首先，从固体激光装置3输出的脉冲激光PL入射到OPS 60内的分束器61。入射到分束器61的脉冲激光PL中的一部分透过分束器61，作为0次环回光PS0而从OPS 60输出。图9A示出从OPS 60输出的0次环回光PS0。0次环回光PS0是准直光。
入射到分束器61的脉冲激光PL中的被分束器61反射的反射光进入由第1～第4凹面镜62a～62d构成的延迟光路，并在延迟光路中环回1次，然后再次入射到分束器61。入射到分束器61的光的一部分被分束器61反射，并作为1次环回光PS1而从OPS 60输出。图9B示出从OPS 60输出的1次环回光PS1。如上所述，由于延迟光学系统是非准直光学系统，因此，1次环回光PS1是非准直光，并收敛于距OPS 60较远的位置。即，1次环回光PS1的束腰位置w1位于距OPS 60较远的位置。
入射到分束器61的光中的透过分束器61的透过光再次进入延迟光路，再在延迟光路中环回1次，然后再次入射到分束器61。入射到分束器61的光的一部分被分束器61反射，作为2次环回光PS2而从OPS 60输出。图9C示出从OPS 60输出的2次环回光PS2。2次环回光PS2的束腰位置w2比1次环回光PS1的束腰位置w1靠近OPS 60侧。
此后，通过使光反复在延迟光路中环回，从OPS 60依次输出如下脉冲光：3次环回光PS3、4次环回光PS4、…。在延迟光路中环回的次数n越多，则从OPS 60输出的输出光的束腰位置wn越接近OPS 60侧。
脉冲激光PL入射到OPS 60的结果为，脉冲激光PL被分解为具有时间差的多个脉冲光PSn(n＝0、1、2、…)而输出。多个脉冲光PSn构成了延长脉冲激光PT。
如图10所示，延长脉冲激光PT的束径被扩束器20放大为与放电空间35的宽度相匹配，并且延长脉冲激光PT作为种子光而入射到放大器30。入射到放大器30的延长脉冲激光PT通过反光镜33和窗口31a而入射到放电空间35。多个脉冲光PSn由于各自的光路轴一致，因此在放电空间35内重合。
在放电空间35内，与延长脉冲激光PT的入射同步，通过未图示的电源产生放电。延长脉冲激光PT穿过通过放电而被激励的放电空间35，由此，产生受激发射而被放大。然后，被放大后的延长脉冲激光PT通过光谐振器而振荡，并从输出耦合镜34输出。
2.3效果
OPS 60将脉冲激光PL在时间上分解，并且在不改变分解后的多个脉冲光PSn的行进方向的前提下使束腰位置wn在光路轴方向上发生变化。由此，多个脉冲光PSn各自的束腰位置wn和发散角θn不同，因此，相互的相干性进一步下降，由它们构成的延长脉冲激光PT的相干性进一步下降。
此外，作为种子光而入射到放电空间35内的多个脉冲光PSn在放电空间35内重合，因此，在V方向上，放电空间35内在时间上同时被种子光充满。由此，抑制了ASE光的产生。
而且，通过将延长脉冲激光PT的脉冲宽度ΔDT设定为满足上述式3，在放电期间中的任何时间，放电空间35内都被种子光充满，因此，进一步抑制了ASE光的产生。
因此，第1实施方式的激光系统50能够使输出光的相干性下降并且抑制ASE光的产生。
2.4关于束腰位置
图11A是说明对从第1实施方式的OPS 60输出的多个脉冲光PSn的束腰位置wn的变化进行计测的方法的示意图。在OPS 60的输出光的光路轴上配置焦距为f的理想透镜70，并计测基于理想透镜70的输出光的会聚位置。该会聚位置与束腰位置对应。理想透镜70是能够无视像差的程度的透镜。如图12所示，会聚位置是通过计测光束的光斑直径成为最小的位置而求出的。
由于0次环回光PS0是准直光，因此，基于理想透镜70的会聚位置FP0与理想透镜70的焦点位置一致。基于理想透镜70的1次环回光PS1的会聚位置FP1比会聚位置FP0向理想透镜70侧移动。基于理想透镜70的2次环回光PS2的会聚位置FP2比会聚位置FP1向理想透镜70侧移动。以下，同样地，环回数n越多，则会聚位置越接近理想透镜70侧。
图11B示出作为比较例来说明的、从OPS 40输出的多个脉冲光PSn的束腰位置wn的计测例。OPS 40使多个脉冲光PSn的行进方向发生变化，因此，会聚位置FP0、FP1、FP2、…依次在V方向上移动。
另外，在第1实施方式中，是通过改变构成延迟光学系统的第1～第4凹面镜62a～62d中的第4凹面镜62d的曲率，将延迟光学系统设定为非准直光学系统的。不限于第4凹面镜62d，也可以改变其他的凹面镜的曲率。
此外，构成延迟光学系统的凹面镜不限于4块。而且，改变曲率的凹面镜的块数不限于1块。因此，可以通过使构成延迟光学系统的多个凹面镜中的至少1个凹面镜的曲率与其他的凹面镜的曲率不同、来使延迟光学系统成为非准直光学系统。
2.5OPS的变形例
接下来，说明用于使延迟光学系统成为非准直光学系统的其他的例子。
2.5.1第1变形例
图13示出第1变形例的OPS 80的结构。OPS 80包含分束器81以及第1～第4凹面镜82a～82d。分束器81采用与比较例的分束器11相同的结构。
第1～第4凹面镜82a～82d具有曲率半径R全部都相同的镜面。此外，第1～第4凹面镜82a～82d具有全部都相同的焦距F。OPS 80除了第4凹面镜82d的位置不同以外，采用与比较例的OPS10相同的结构。
在图13中，第4凹面镜82d从虚线所示的OPS10的第4凹面镜12d的位置起、向使延迟光路的光路长度LOPS变长的方向移动。具体而言，使第3凹面镜62c与第4凹面镜62d之间的距离比焦距F的2倍长，并且使第4凹面镜62d与分束器61之间的距离比焦距F长。即，OPS 80具有LOPS＞8F的关系。
由第1～第4凹面镜82a～82d构成的延迟光学系统是非准直光学系统，因此，在延迟光路中环回的环回光是非准直光。从OPS 80输出的多个脉冲光PSn的发散角θn根据在延迟光路中环回的次数n而发生变化，并且该多个脉冲光PSn的束腰位置wn在Z方向上移动。另外，多个脉冲光PSn的光路轴大致相同。
第1～第4凹面镜82a～82d中的朝向使光路长度LOPS变长的方向移动的凹面镜不限于第4凹面镜82d，也可以是其他的凹面镜。只要使构成延迟光学系统的多个凹面镜中的至少1个凹面镜从满足准直条件的位置起朝向变更延迟光路的光路长度的方向移动即可。
2.5.2第2变形例
图14示出第2变形例的OPS 90的结构。OPS 90包含分束器91、第1～第4凹面镜92a～92d、第1透镜93以及第2透镜94。分束器91采用与比较例的分束器11相同的结构。第1～第4凹面镜92a～92d采用与比较例的第1～第4凹面镜12a～12d相同的结构，并且配置于相同位置。即，OPS 90具有LOPS＝8F的关系。
第1透镜和第2透镜93、94由合成石英或者氟化钙(CaF2)形成。第1透镜93配置在第2凹面镜92b与第3凹面镜92c之间的光路上。第1透镜93是凹面透镜，使入射的光的发散角发生变更而射出。通过第1透镜93将延迟光学系统设定为非准直光学系统。
第2透镜94配置在入射到分束器91的脉冲激光PL的光路上。第2透镜94是凹面透镜，是为了修正被第1透镜93变更的发散角而设置的。另外，第2透镜94不是必须的结构要素，可以省略。
由第1～第4凹面镜92a～92d和第1透镜93构成的延迟光学系统是非准直光学系统，因此，在延迟光路中环回后的环回光是非准直光。从OPS 90输出的多个脉冲光PSn的发散角θn根据在延迟光路中环回的次数n而发生变化，并且其束腰位置wn在Z方向上移动。另外，多个脉冲光PSn的光路轴大致相同。
第1透镜93不限于配置在第2凹面镜92b与第3凹面镜92c之间的光路上，也可以配置在第4凹面镜92d与分束器91之间的光路上或分束器91与第1凹面镜92a之间的光路上。
第1透镜和第2透镜93、94不限于凹面透镜，也可以由其他的光学元件构成。例如，第1透镜和第2透镜93、94可以分别是柱面透镜。而且，第1透镜和第2透镜93、94可以分别是将弯曲方向互相垂直的2个柱面透镜组合而成的透镜。
3.第2实施方式
接下来，对本公开的第2实施方式的激光系统进行说明。第2实施方式的激光系统除了OPS的结构不同以外，与图6所示的第1实施方式的激光系统50的结构相同。在第1实施方式中，OPS采用包含多个凹面镜的结构，但在第2实施方式中，OPS采用包含会聚透镜的结构。
图15示出在第2实施方式的激光系统中所使用的OPS100的结构。OPS100包含分束器101、第1～第4高反射镜102a～102d以及第1～第5会聚透镜103～107。分束器101采用与第1实施方式的分束器61相同的结构。第1～第5会聚透镜103～107分别是凸透镜。
第1会聚透镜和第2会聚透镜103、104是用于调整0次环回光PS0的发散角θ0的第1透镜组。第1会聚透镜103配置在从固体激光装置3入射的脉冲激光PL向分束器101入射的光路上。第2会聚透镜104配置在脉冲激光PL中的透过分束器101的光的光路上。
第2会聚透镜104被单轴载台104a保持。单轴载台104a能够使第2会聚透镜104在光路轴方向即Z方向上进行移动。通过调整第2会聚透镜104在光路轴方向上的位置，能够调整0次环回光PS0的发散角θ0。
图16A示出第1会聚透镜和第2会聚透镜103、104的位置关系。P1表示第1会聚透镜103的位置。P2表示第2会聚透镜104的位置。P0表示分束器101的位置。设第1会聚透镜103的焦距为F1、设第2会聚透镜104的焦距为F2。位置P2被设定为使得位置P1与位置P2之间的光路长度为“F1+F2”。即，第1透镜组是准直光学系统。另外，可以通过使位置P2从满足准直条件的位置偏离而使第1透镜组成为非准直光学系统。
在图15中，包含第1～第4高反射镜102a～102d以及第3～第5会聚透镜105～107的第2透镜组构成了延迟光路。第1～第4高反射镜102a～102d是在表面上形成有高反射膜的平面镜。第1～第4高反射镜102a～102d的基板由合成石英或者氟化钙(CaF2)形成。高反射膜是电介质多层膜，例如是包含氟化物的膜。
第1～第4高反射镜102a～102d配置为使得脉冲激光PL中的被分束器101反射的光依次被高反射，并再次入射到分束器61。第3会聚透镜和第4会聚透镜105、106配置在分束器101与第1高反射镜102a之间。第5会聚透镜107配置在第2高反射镜102b与第3高反射镜102c之间。
第4会聚透镜106被单轴载台106a保持。单轴载台104a能够使第4会聚透镜106在光路轴方向即V方向上移动。通过调整第4会聚透镜106在光路轴方向上的位置，能够调整n次环回光PSn(n≧1)的发散角θn。
图16B和图17示出第1～第5会聚透镜103～107的位置关系。P3表示第3会聚透镜105的位置。P4表示第4会聚透镜106的位置。P5表示第5会聚透镜107的位置。设第3会聚透镜105的焦距为F3、设第4会聚透镜106的焦距为F4、设第5会聚透镜107的焦距为F5。位置P3被设定为使得位置P1与位置P3之间的光路长度为“F1+F3”。
此外，P4’表示延迟光路满足准直条件的情况下的第4会聚透镜106的位置。位置P5被设定为使得位置P4’与位置P5之间的光路长度为“F4+2F5”、位置P2与位置P5之间的光路长度为“F2+2F5”、位置P3与位置P5之间的光路长度为“F3+2F5”。通过单轴载台106a在光路轴方向上对第4会聚透镜106进行位置调整，使得延迟光学系统成为非准直光学系统、即、使得位置P4处于从位置P4’偏离的位置。
此外，分束器101、第1～第4高反射镜102a～102d以及第1～第5会聚透镜103～107被配置为，使得从OPS100输出的0次环回光PS0的光路轴与1次环回光PS1的光路轴一致。即，在第2实施方式中，从OPS100输出的多个脉冲光PSn的光路轴全都一致。
此外，在图16B和图17中，LOPS表示延迟光路的光路长度。光路长度LOPS满足上述式2的关系。此外，由OPS100生成的延长脉冲激光PT的脉冲宽度ΔDT满足上述式3的关系。
3.2动作
接下来，对第2实施方式的激光系统的动作进行说明。首先，从固体激光装置3输出的脉冲激光PL经由第1会聚透镜103入射到分束器101。入射到分束器101的脉冲激光PL中的一部分透过分束器101，并入射到第2会聚透镜104。从第2会聚透镜104射出的光作为0次环回光PS0而从OPS100输出。如图16A所示，0次环回光PS0是准直光。
入射到分束器101的脉冲激光PL中的被分束器101反射的反射光进入延迟光路。进入到延迟光路的反射光经由第3会聚透镜105、第4会聚透镜106、第1高反射镜102a、第2高反射镜102b、第5会聚透镜107、第3高反射镜102c以及第4高反射镜102d而再次入射到分束器101。入射到分束器101的光的一部分被分束器101反射而入射到第2会聚透镜104。从第2会聚透镜104射出的光作为1次环回光PS1而从OPS100输出。如图16B所示，1次环回光PS1是非准直光，并收敛于距OPS100较远的位置。即，1次环回光PS1的束腰位置w1位于距OPS100较远的位置。
入射到分束器101的光中的透过分束器101的透过光再次进入延迟光路，并再在延迟光路中环回1次，然后再次入射到分束器101。入射到分束器101的光的一部分被分束器101反射，并经由第2会聚透镜104而作为2次环回光PS2从OPS100输出。图17示出从OPS100输出的2次环回光PS2。2次环回光PS2的束腰位置w2比1次环回光PS1的束腰位置w1接近OPS100侧。
此后，通过反复使光在延迟光路中环回，而从OPS100依次输出如下脉冲光：3次环回光PS3、4次环回光PS4、…。在延迟光路中环回的次数n越多，则从OPS100输出的输出光的束腰位置wn越接近OPS100侧。之后的动作与第1实施方式的激光系统50的动作同样，因此，省略说明。
3.3效果
第2实施方式的激光系统与第1实施方式同样，能够使输出光的相干性下降并且抑制ASE光的产生。此外，在第2实施方式的激光系统中，能够通过调整第2会聚透镜104和第4会聚透镜106的位置来调整n次环回光PSn的发散角θn和束腰位置wn。
另外，在第2实施方式中，为了调整0次环回光PS0的发散角θ0而设置了第1透镜组，但第1透镜组不是必须的结构要素。构成延迟光学系统的多个高反射镜或会聚透镜的配置能够适当变更。
4.在放大器的后级配置OPS的例子
在第1实施方式和第2实施方式的激光系统中，是在固体激光装置3与放大器30之间配置OPS的，但还可以在放大器30的后级配置OPS。另外，配置在固体激光装置3与放大器30之间的OPS与第1光学脉冲展宽器对应。配置在放大器的后级的OPS与第2光学脉冲展宽器对应。
图18是示出放大器30和配置在放大器30的后级的OPS 200的立体图。OPS 200包含分束器201以及第1～第4凹面镜202a～202d。OPS 200采用与图4所示的OPS 40同样的结构。第1～第4凹面镜202a～202d具有全部都相同的曲率半径的镜面。由第1～第4凹面镜202a～202d构成的延迟光路的光路长度是焦距的8倍。第4凹面镜202d配置于相对于满足准直条件的位置而以Z方向为旋转轴稍微旋转后的位置。
从放大器30输出的输出光PA被OPS 200在空间上、于H方向上被分解。从OPS 200输出的多个PAn(n＝0、1、2、…)的出射角根据在OPS 20内、于延迟光路中环回的次数n而在H方向上发生变化。该结果为，来自激光系统的输出光的相干性进一步下降。
另外，第4凹面镜202d优选为使得来自激光系统的输出光在不对曝光装置的光学系统带来影响的范围内旋转。此外，也可以代替OPS 200而使用上述OPS 40、60、80、90、100中的任意一个。而且，也可以在放大器30的后级配置多个OPS。例如，可以是，在配置于放大器30的后级的OPS 200的后级配置OPS 40，将来自放大器30的输出光PA在H方向和V方向上分解。
5.放大器的变形例
在第1实施方式和第2实施方式的激光系统中，使用了图6所示的放大器30，但放大器可采取各种结构。
5.1第1变形例
图19示出第1变形例的放大器300的结构。放大器300具有凹面镜310和凸面镜320以代替图6所示的放大器30的结构中的反光镜33和输出耦合镜34。凹面镜310和凸面镜320配置为使得延长脉冲激光PT三次穿过一对放电电极32a和32b之间的放电空间35，从而光束被扩大。放大器300的其他的结构与放大器30同样。放大器300被称为多程放大器。
这样，在应用了放大器300的情况下，能够省略上述扩束器20。
5.2第2变形例
图20示出第2变形例的放大器400的结构。在图20中，放大器400包含激光腔31、输出耦合镜410以及高反射镜420～422。高反射镜420～422是平面镜。而且，放大器400可以包含用于将延长脉冲激光PT向高反射镜420引导的高反射镜。
输出耦合镜410和高反射镜420～422构成了环形谐振器。在放大器400中，延长脉冲激光PT反复地依次行进于输出耦合镜410、高反射镜420、放电空间35、高反射镜421、高反射镜422以及放电空间35，并被放大。
另外，也可以采用如下结构：使高反射镜420～422为凹面镜，每当向谐振器入射的入射光在谐振器内环回时，其发散角便会发生变化。在该情况下，从输出耦合镜410输出的输出光的束腰位置根据该输出光在谐振器内的环回数而在光路轴方向上发生变化。这样，能够使放大器400具有使输出光的相干性下降的功能。
另外，在上述各实施方式的激光系统中，使用了作为主振荡器的固体激光装置3，但主振荡器不限于固体激光装置，也可以是准分子激光装置等其他的激光装置。
上述说明的目的并非进行限制而仅是例示。因此，对于本领域技术人员而言，能够不脱离于所添加的权利要求书而对本公开的各实施方式施加变更是显而易见的。
在本说明书和所添加的权利要求书整体中使用的用语应当被解释为“非限定”用语。例如，“包含”或者“所包含的”这一类用语应当被解释为“不限于所记载的包含的内容”。“具有”这样的用语应当被解释为“不限于所记载的具有的内容”。此外，本说明书和添加的权利要求书中记载的修饰句“1个”应当被解释为意味着“至少1个”或者“1个或1个以上”的意思。

Claims (10)

1.一种激光系统，其具有：
A.激光装置，其输出脉冲激光；以及
B.第1光学脉冲展宽器，其包含用于使所述脉冲激光的脉冲宽度延长的延迟光路，并且被构成为使在所述延迟光路中环回后输出的环回光的束腰位置根据环回数而在光路轴方向上变化，
所述第1光学脉冲展宽器具有多个凹面镜，所述多个凹面镜包含具有第1曲率半径的第1凹面镜和具有第2曲率半径的第2凹面镜，在光路上相邻的各凹面镜之间的各距离等于所述第1曲率半径。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其中
所述延迟光路的光路长度在所述脉冲激光的时间相干长度以上。
3.根据权利要求1所述的激光系统，其中，该激光系统还包含：
C.放大器，该放大器对从所述第1光学脉冲展宽器输出的延长脉冲激光进行放大。
4.根据权利要求3所述的激光系统，其中，
所述放大器包含法珀谐振器或者环形谐振器。
5.根据权利要求3所述的激光系统，其中，
所述放大器是多程放大器。
6.根据权利要求3所述的激光系统，其中，该激光系统还包含：
D.扩束器，该扩束器配置于所述第1光学脉冲展宽器与所述放大器之间，
所述扩束器将所述延长脉冲激光的束径放大为与所述放大器的放电空间的宽度相匹配。
7.根据权利要求3所述的激光系统，其中，该激光系统还包含：
E.第2光学脉冲展宽器，该第2光学脉冲展宽器使从所述放大器输出的输出光的脉冲宽度延长。
8.根据权利要求1所述的激光系统，其中，
在设所述脉冲激光的脉冲宽度为ΔD、所述延迟光路的光路长度为L OPS、光速为c的情况下，满足下式(a)：
L OPS＝c·ΔD…(a)。
9.根据权利要求3所述的激光系统，其中，
所述放大器是法珀谐振器，
在设延长脉冲激光的脉冲宽度为ΔDT、所述法珀谐振器的光路长度为L amp、光速为c的情况下，满足下式(b)：
ΔDT≧L amp/c…(b)。
10.根据权利要求1所述的激光系统，其中，
所述激光装置是固体激光装置。
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