JP2005527971A - 高ピークパワーレーザ共振器および斯かる共振器の複数からなる組体 - Google Patents

高ピークパワーレーザ共振器および斯かる共振器の複数からなる組体 Download PDF

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Abstract

本発明は、連続的に動作しているダイオードによって駆動かつ励起される固体増幅レーザ共振器２、４、６であって、少なくとも２本のレーザロッド３６a、３６bと、共振器内のビームの発散が最も少ない部分に配列された、光パルスをトリガするための少なくとも１つの手段５０、５２と、前記共振器を画成している、一方が高反射性であり、もう一方が部分反射性である２つのミラー４２、４４とを備えていることを特徴とするレーザ共振器に関する。

Description

本発明は、最も安価かつ単純で、平均パワーが大きく、繰返し率の高い高ピークパワー光共振器に関する。また、本発明は、これらの複数の光共振器の組合せに関し、特に極紫外線の光生成器の励起に関する。
したがって本発明は、とりわけ極紫外領域における光生成に適用することができる。
「EUV放射」とも呼ばれている極紫外領域における放射は、８ナノメートルから２５ナノメートルまで変化する波長を有している。
適切なターゲットと相互作用する本発明による装置を使用して生成される光パルスを発生させることによって得られるEUV放射は、特に材料科学および顕微鏡法、より具体的には超大規模集積回路を製造するためのマイクロリソグラフィに多くの応用分野を有している。超大規模集積回路の場合、繰返し率が高いことがとりわけ有利であるが、ピークパワーの大きいレーザを得ることは極めて困難である。
本発明は、マイクロリソグラフィに必要なタイプの励起（ポンピング）レーザを必要とするあらゆる分野に適用することができる。
寸法が０．１マイクロメートル未満の集積回路を製造するための超小型電子技術にはEUVリソグラフィが必要である。いくつかのEUV放射源には、レーザを使用して生成されるプラズマが用いられている。
詳細には、強力なレーザ源を使用してキセノンジェットを励起することによって波長が約１３nmの紫外放射を生成することが求められる。
このレーザ源が経済的に満足のいくものであるためには、次の３つの条件が組み合わされなければならない。
- １３nm近辺の十分な放射性のプラズマを生成するために、レーザ光は、極めて大きいピークパワーを有していなければならない（１０１１W/cm２程度）。
- １時間当たりの半導体ウェハの数をできるだけ多くするため、繰返し率が高くなければならない（数キロヘルツ）。
- レーザ源が単純でなければならず、また、その投資コストが適正であり、かつ、運転コストが安価でなければならない。
したがって、プラズマを生成するためには、高いピーク照度を生成するレーザを利用できなければならない。これは、例えばパルス当たり３００mJ程度、もしくはそれ以上のエネルギーを出力するパルスレーザを用いることによって実現されている。
本発明は、例えばネオジムが添加されたYAGレーザが利用可能で、しかも、このレーザに対しては、多くの産業分野において多くの開発がなされていることに留意されたい。もっとも、他の固体レーザ、つまり増幅媒体が固体であるレーザを本発明に使用しても構わない。
この点に関しては、後でより詳細に考察する。
発射毎に極めて良好なエネルギー安定性を得るための、レーザダイオードによるポンピングを用いる方法が知られている。
また、フォトリソグラフィに使用するためのEUV放射の生成に必要なピークパワーを得るためのパルスダイオードの使用方法も知られている。
次の文献に、この問題に関する詳細な情報が提供されている。
[１] H.Rieger et al.、High brightness and power Nd:YAG laser、Advanced solid-state lasers、1999年、Boston MA、49〜53頁（非特許文献１）
この文献には、フォトリソグラフィのための、比較的小さい繰返し率でピーク振幅の大きいレーザパルスを生成する装置が公表されている。
また、必要なピークパワーを得るための発振器および増幅器の使用方法についても知られているが、この方法はレーザが複雑かつ高価である。
次の文献に、この問題に関する詳細な情報が提供されている。
[２] G.Holleman et al.、Modeling high brightness kW solid-state lasers、SPIE Vol.2989、15〜22頁（非特許文献２）
この文献は、２つの相対する技術に対応したパワーレーザのニーズについて言及している。
第１のニーズは、極めて単純な技術によって得られる、ロングパルスを放出するレーザを必要とする溶接、加工および材料処理応用分野であり、
第２のニーズは、極めて高性能かつ高価な技術、より詳細には２つの光増幅段を使用して得られる、できるだけ高いレートのショートパルスを必要とするフォトリソグラフィ応用分野である。
また、次の文献を参照すると、高ピークパワーレーザ装置について記述されている。
[３] G.Kubiak et al.、Scale-up of a cluster jet laser plasma source for extreme Ultraviolet lithography、SPIE Vol.3676、669〜678頁（非特許文献３）
この文献[３]に記載されている装置には、フォトリソグラフィに関連するその他の従来技術の場合と同様、パルスダイオードによってポンプされる、ネオジムがドープされたYAGレーザが使用されている。また、この装置には、複雑で高価な光増幅器が使用されている。さらに、この文献[３]の目標繰返し率は、パルスのエネルギーが２８０mJの場合、６kHzである。
このレーザの改良型バージョンについては、以下で考察する文献[６]に記載されている。
また、次の文献、
[４] H.Rieger et al.、High brightness and power Nd:YAG Laser、OSA trends in Optics and Photonics、Vol.26、from the topical Meeting January 31、1999年2月3日、Boston、Optical Society of America、49〜53頁（非特許文献４）
を参照すると、複雑で高価な増幅システムを後段に備えた、極めてパワーの小さい、最高周波数１kHzで１mJのパルスを出力する（したがって平均パワーがせいぜい１Wの）マスタ発振器を備えた装置が簡潔に記述されている。この文献の基本的な部分は、この増幅システム内におけるビームの品質の劣化についての考察からなっている。記述されている装置の性能は、平均パワーおよび繰返し周波数の両方の点で、マイクロリソグラフィに使用するEUV源に必要な性能にはほど遠い性能である。
半導体産業のニーズと両立する強力なEUV放射源を励起することができるレーザ装置に必要な特性は、仕様の形で世界的な規模で標準化されており、この仕様を満足するために多くの試行がなされている。
しかしながら、これまでのところ、これら全ての試みは成功していない。
仕様の厳しい制約条件には、極めて高い繰返し率で高いピーク強度を生成する能力が明確に規定されているが、同時に、ビームの直径とビームの発散角度および定数の積として定義されている量M２の最小可能値によって特徴付けられる良好な品質のビームも達成しなければならない。
M２の理論的な下限は１であるが、レーザのパワーが増加するとM２の値も増加する。ネオジムがドープされた、Nd:YAGレーザとも呼ばれているYAGレーザの場合、M２の値は、通常、数十の値に達する。
上述した仕様の規定は、M２≦１０である。
さらに最近の他の文献によれば、この仕様を満たすことを目的とした装置が公表されており、
[５] K.Nicklaus et al.、Industry-Laser Based Short Pulse Diode Pumped Solid State Power Amplifier With kW Average Power、OSA Trends in Optics and Photonics、Vol.50、Advanced Solid-State Lasers、Christopher Marshall、ed.、Optical Society of America、2001年、388〜391頁（非特許文献５）
には、光共振器が２個のダブルパス前置増幅器の組に２kHzで４mJのパルス（あるいは１kHzで８mJのパルス）を出力する装置が記述されている。ビームの戻り経路は、７６mJを出力する直列に接続された２個の増幅器に向かって偏光キューブで偏向される（このような装置の構造は、主発振出力増幅装置−MOPA：Master Oscillator Power Amplifierと呼ばれている）。
[６] D.A.Tichenor et al.、EUV Engineering Test Stand、Emerging Lithographic Technologies IV、Elisabeth A.、Dobisz、Editor、Proceeding of SPIE Vol.3997(2000)、48〜69頁（非特許文献６）
この論文には、並列に接続された３個の同じモジュールを使用したレーザの導入が記述されている。モジュールの各々は、次の文献：
[７] Active Tracker Laser(ATLAS)、Randall St.Pierre et al.、OSA TOPS、Vol.10、Advanced Solid State Lasers、1997年、288〜291頁（非特許文献７）
に記載されているTRW社製のレーザから構成されている。
文献[７]に記載されているNd:YAG固体光共振器は、２．５kHzで１．６mJのパルスを出力している。出力されたパルスはダブルパス構造で増幅され、２７６mJの出力パルスを生成している。このTRWレーザより若干前のバージョンが、文献[３]に記載されている。
文献[５]および[６]によれば、光パルスは、平均パワーが小さい（１５W未満）極めて小型の低エネルギー発振器（１パルス当たり１０mJ未満）を備えた基本レーザの中で生成され、また、パワーが大きく、かつ、M２の値が小さい極めて短いパルスを得るために、ロッドないしプレート増幅段内を複数回に渡って通過することによって増幅される。
この場合の問題は、入射する光パワーが、使用しているレーザロッドの飽和流束量と比較して小さい場合（およびNd:YAGの場合、とりわけ入射流束量が２００mJ/cm２未満の場合）、ロッドによって提供される増幅度が極めて小さいことである。したがって極めて高価な多数の増幅ロッドを、同じく極めて高価な数十個のダイオードと共に使用しなければならず、また、最終的に得られるエネルギー効率も極めて小さい。
通常、設置コストを制限するために、第１ステージ（１または複数）を通る２つの径路（ダブルパス増幅器と呼ばれている所以である順方向-戻り経路）が存在しているが、そのことによって、戻り経路が発振器に戻ることなく、増幅が引き続き行なわれることになるもう１つの光路に沿って切り換えられるように、偏光ビームを用いた動作、ならびに偏光子（例えば偏光キューブ）の使用が余儀なくされている。
ビームを偏光させなければならないというこのことが、ダブルパス増幅の増幅ロッドとして例えばNd:YAGあるいはYb:YAGなどの等方的な物質を使用している場合に、さらなる問題をもたらしている。この種の物質の等方性はポンピング時に変えられ、これが入射するビームの偏光を劣化させている。
したがって、この現象を制限するために複雑な装置を導入しなかったとすると、偏光が十分に維持されないであろうし、戻りビームが偏光子に入射したときには、ビームエネルギーの大部分（Nd:YAGの場合、約２５%）が失われることになり、これが発振器を破壊しかねないであろう。
この複雑な装置、つまり偏光回転子と適切に配置された位相板との基本的な組み合わせが、発振器に戻るビームのパワーを小さい値（Nd:YAGの場合、約２．４%）に制限してしまっている。
したがって、半導体産業のニーズと両立する強力なEUV放射源を励起できるレーザ装置を得るという問題を解決するために、文献[５]の著者、同じく文献[６]および[７]の著者は、パワーが極めて小さな出来る限り完全なパルスを生成し、生成したパルスに増幅器の数を掛け合わせ、そのすべての努力をこれら増幅器内での減偏極損失を抑制するための手段の研究に集中している。
この方法は、エネルギー効率が小さくて複雑かつ高価な装置を必要とする。さらに、文献[５]および[７]に記載されている装置の場合、主要な構成要素が直列に配置されているため、それらのうちのいずれかが故障すると、その影響が装置全体に及ぶことになる。
次の文献に別の方法が提案されている。
[８] Compact 300-W diode-pumped oscillator with 500kW pulse peak power and external frequency doubling、Oliver Melh et al.、OSA trends in Optics and Photonics(TOPS)、Vol.56、Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO 2001、2001年5月6〜11日、Technical Digest、421〜422頁)（非特許文献８）
この文献には、２本のNd:YAGロッドと、これらのロッドの間の偏光回転子と、この２本のロッドの各両端のうち一方の側に設けられた２個の音響光学変調器と、各変調器およびその変調器に対応したロッドの間の発散レンズとをすべて光共振器内に備えたNd:YAGレーザが記述されている。
光共振器の平均出力パワーは２６０Wであり、繰返し率は１０kHzである。
しかしながら、この文献に記載されている実施態様では、光パルストリガ（Qスイッチング）デバイス、とりわけこの文献に記載されているレーザに使用されている音響光学Qスイッチデバイスに関連する重要な問題、つまり、その動作がレーザビームの発散に影響を受けるという問題が無視されている。
音響光学トリガ（Qスイッチ）は、基本的には音響光学結晶および制御装置を備えており、その動作は次の通りである。
音響光学トリガ（Qスイッチ）が電気信号を受信すると、制御装置が結晶中に高周波の励起波を放射し、この結晶中にブラッグ回折格子が生成される。励起していない場合、この結晶は、入射する光線を素通りさせる。入射する光線は、公称動作条件下では、結晶の入射面の法線に沿って達するのではなく、法線に対してブラッグ角をなしている。
制御が開始されると、高周波によってブラッグ回折格子が生成され、それにより入射する光線が偏向する。偏向する角度は、入射する光線が光共振器から離れるのに十分で、これがビームレーザの遮断に対応している。
光線がブラッグ角に等しくない角度で結晶の入射面に到達すると、光線は、とりわけ光線が限界角すなわち臨界角に近い角度、あるいはこの限界角より大きい角度でずれている場合には、もはや適切に偏向されない。
この限界角の値は、事実上、励起によってこの結晶中に形成されるブラッグ回折格子で回折する一次ビームの方向と二次ビームの方向の間の角度の値と同じ値である（通常、約４mrad）。
この角度に近い角度で入射する光線は、結晶が励起される際に適切に遮断されない。この角度より大きい角度で入射する光線は、もはや適切に偏向されることはなく、入射する角度が光共振器の許容角度範囲内であるため、光共振器の中心部分に向かって戻る。
すると、そういった光が共振器に望ましくない仕方で放出を起させ、それが、出力にやや連続したレーザ光パワーを放出させる。動作が不規則になり、共振器からの出力では、振幅および継続時間が安定しないパルスが上記連続したレーザ放出に重なり合う。
ビームの発散が同じとすると、不安定性は共振器から要求されるパルスパワーの増加に伴って大きくなる。
H.Rieger et al.、High brightness and power Nd:YAG laser、Advanced solid-state lasers、1999年、Boston MA、49〜53頁 G.Holleman et al.、Modeling high brightness kW solid-state lasers、SPIE Vol.2989、15〜22頁 G.Kubiak et al.、Scale-up of a cluster jet laser plasma source for extreme Ultraviolet lithography、SPIE Vol.3676、669〜678頁 H.Rieger et al.、High brightness and power Nd:YAG Laser、OSA trends in Optics and Photonics、Vol.26、from the topical Meeting January 31、1999年2月3日、Boston、Optical Society of America、49〜53頁 K.Nicklaus et al.、Industry-Laser Based Short Pulse Diode Pumped Solid State Power Amplifier With kW Average Power、OSA Trends in Optics and Photonics、Vol.50、Advanced Solid-State Lasers、Christopher Marshall、ed.、Optical Society of America、2001年、388〜391頁 D.A.Tichenor et al.、EUV Engineering Test Stand、Emerging Lithographic Technologies IV、Elisabeth A.、Dobisz、Editor、Proceeding of SPIE Vol.3997(2000)、48〜69頁 Active Tracker Laser(ATLAS)、Randall St.Pierre et al.、OSA TOPS、Vol.10、Advanced Solid State Lasers、1997年、288〜291頁 Compact 300-W diode-pumped oscillator with 500kW pulse peak power and external frequency doubling、Oliver Melh et al.、OSA trends in Optics and Photonics(TOPS)、Vol.56、Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO 2001、2001年5月6〜11日、Technical Digest、421〜422頁)
本発明の目的は、文献[５]ないし[７]に記載されている形態に使用されているMOPA構造に固有の問題、および文献[８]に記載されている形態におけるように、出力するパワーは大きいが、そのために音響光学トリガ（Qスイッチ）に対する制限によってその安定性が影響を受けるような発振器を備えた構造に固有の問題を解決することにある。
本発明は、ピークパワーが大きく、かつ、繰返し率の高い光共振器を使用し、この共振器と他の同型の共振器とを組み合わせることによってそれらの問題を解決し、それにより、より単純、より安価、かつより高い信頼性の動作でありながらも、文献[５]ないし[８]に開示されている装置を使用して達成することができるピークパワー性能より高い性能を実現するレーザ装置を形成することを目的としている。
また、文献[５]に開示されているレーザ装置は、継続時間の短い５nsから２０nsまでのパルスを得るように設計されていることに留意されたい。当分野の技術者の間では、これは、極めて放射性の高いプラズマを得るには有利であるとされている。
詳細には、本発明の目的は、固体増幅媒体を備えた、連続的に動作するダイオードによってパルス化されかつ励起される光共振器であって、
- 少なくとも２本のレーザロッドと、
- 共振器によって生成されるレーザビームの発散が最も少ない共振器部分に配置された、光パルスをトリガするための少なくとも１つの手段と、
- この共振器の境界を定める、一方が高反射ミラー、もう一方が部分反射ミラーである２つのミラーと
を備えたことを特徴とする光共振器である。
２本のレーザロッドを備えた共振器の最も単純な場合では、レーザの発散が最も少ない共振器部分は、２本のロッドの間に位置する部分である。
逆に、共振器のミラーのうちの１つと複数のロッドのうちの１つとの間におけるロッドの外側に位置する共振器部分は、ビームの発散が最も多い部分である。
文献[８]に記載されている実施態様では、これらの部分に光パルストリガ手段が置かれており、背景技術で説明した欠点の原因になっている。
レーザロッドが、Nd:YAGあるいはYb:YAGなどの等方的な物質でできている場合、２本の前後するロッドによって形成されるそれぞれの空間におけるビームの経路上に偏光回転手段を加えなければならない。マイクロリソグラフィ産業で規定されているビーム品質を得るためには、この回転は９０°であることが好ましい。
有利にも、いくつかのレーザロッド、特にNd:YAGによって生み出されるわずかな収束は、収束とは逆の効果を有するレンズを、ビーム経路上の、隣接する２本のロッド間の各区間の中間に配置することによって修正される。
本発明による装置の好ましい一実施形態によれば、レーザロッドを形成するレーザ材料は、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YALO、Yb:YAG、Nd:ScO３およびYb:Y２O３からなるグループから選択されている。
本発明による共振器は、好ましくは実質的に同じレーザ材料でできた２本のロッドと、共振器内のこれらの２本のロッドの間に配置された偏光回転手段と、偏光回転手段の両側に、上記２本のロッドとの間に配置された、２つのパルストリガ手段とを備えていることが好ましい。
このトリガ手段は、音響光学式の手段であることが好ましい。
一変形実施形態によれば、本発明による光共振器は、ダイオードによって励起される１つまたは複数のシングルパス（単一通過）レーザ増幅器と一緒に用いることができ、各増幅器のロッドは、その長さ全体に渡って、ロッド材料の飽和流束量以上で活性化されている。
この流束量は、材料の飽和流束量の少なくとも３倍であることが好ましい。
機能の面では、この光共振器は、ビームを、必ずしも該ビームが収束を生じるようにさせることなく、流束量の大きい安定した出力を生成できる点に特徴がある。この光共振器は、このビームを平行に維持することができ、また、ロッドの長さ全体に渡ってこの飽和流束量を達成もしくはこれを凌駕することができる。
追って詳細に説明する好ましい応用分野では、この流束量は、材料の飽和流束量の約１０倍に等しい。
また、本発明は、上で説明したタイプの少なくとも３つの光共振器を一緒に用いることにも関係している。これらの光共振器は、並列に配列されているが、それらが生成するビームは、同じターゲットに向かって導かれる。
これらの共振器をこのように組み合わせることによって得られるレーザ装置は、
- 固体増幅媒体を備えた、本発明に係る光共振器に適合する少なくとも３つのパルス光共振器（パルス化された光共振器）と、
- これらの光パルスを、ターゲット上の実質的に同じ位置に、実質的に同時にこの位置に送るための手段と
を備え、さらに、
パルス光共振器を制御する手段を備え、該制御手段は、すべてのパルスが、事実上、要求される瞬間に５nsより良好な精度、好ましくは１nsより良好な精度でターゲットに到達するように設計されていることを特徴としている。
一変形態様によれば、光共振器は、１つまたは複数のシングルパス増幅器と結び付けられている。
本発明による装置の特定の実施形態によれば、各パルス光共振器のトリガ手段は、この共振器内に配置された２つのトリガ（Qスイッチ）を備えている。この２つのトリガ（Qスイッチ）は、偏光回転手段の両側に、これらの偏光回転手段とレーザ材料からなるロッドとの間に配置されている。
本発明の特定の一実施形態によれば、光パルスを送る手段は、同じ経路に沿ってこれらの光パルスをターゲットに送る手段を備えている。
本発明による装置の特定の一実施形態によれば、この装置は、さらに、光共振器から出力される光パルスを足し合わせることによって得られる光パルスの空間分布を修正変更する手段を備えている。
他の特定の実施形態によれば、光共振器を制御する手段は、複合パルスを生成するために、光共振器によって供給される光パルスを足し合わせることによって得られる光パルスの時間分布を修正変更することもできる。
本発明の特定の一実施形態によれば、複合パルスの各々のプロファイルは、光パルスとターゲットとの相互作用によって生成されることになる第１のプラズマ点火パルスと、プラズマが成長している間の、レーザが出力する光エネルギーが最小になる期間と、プラズマの成長によって決まるシーケンスに一致する複数の基本パルスから構成された第２のパルスとからなっている。
複合パルスが生成される場合、本発明による装置は、好ましくは、密に集束した第１のビームをターゲットに送り、続いて残りの光エネルギーを、集束をもっと広くしてターゲットに当てることができる。
本発明による装置中の光共振器が放出する光パルスは、ターゲットに向かって放出されるが、このターゲットは、これらの光パルスとの相互作用によって極紫外領域の光を出力するように設計することができる。
しかしながら、本発明は、EUV放射を得ること限定されることはなく、ターゲットに向かって導かれる高ピークパワーレーザビームを必要とするあらゆる分野への適用が可能である。
本発明には空間的な重ね合わせ（空間的重畳）が用いられており、また、特定の実施形態では時間シーケンス（時間系列）が使用されている。
「空間的な重ね合わせ」とは、複数のレーザビームがターゲットの概ね同じ位置に、概ね同時に重なり合うことを意味している。
「概ね（実質的に）同時に」とは、レーザ装置内の異なる光共振器によって供給される様々な基本パルス間の時間の差が、これらの光共振器の繰返し周期と比較して小さいことを意味している。この重畳が、１パルス当たりのエネルギーとピークパワーを倍増することを可能にしている。
後で分かるように、ほぼ同じ位置に、ほぼ同時にレーザビームを重畳することによって多用性が得られる。この多用性により、得られるレーザビームをプラズマの要求に適合させることができる。
本発明においては、以下で説明するポイント（a）ないし（c）が重要である。
a）空間的な重ね合わせ（空間的重畳）
空間的な重ね合わせによってピークパワーが大きくなり、光共振器が放出する基本光パルスを加え合わせることによって得られる光パルスの空間分布を修正整形するための広範囲の自由度が得られる。
例えば、本発明による好ましい実施形態の１つで実施されているように、一方のパルスを他方のパルスより密に集束させて用いることにより、図１および図２に概略的に示すように、より高い局所的照度が得られる。図面を分かり易くするために、図１および図２には２本のビームしか示されていない。
図１は、直交する２本の軸OxおよびOyによって規定される平面内の第１の光ビームF１および第２の光ビームF２を断面で示したものである。この２本のビームに共通の軸は、Oy軸である。
２本のビームは、このOy軸の周りにほぼ同じ回転対称をなしており、ポイントOの近辺の、Ox軸およびOy軸に対して直角をなしかつポイントOを通る軸とOy軸とによって規定される観察平面内に概ね集束している。
２本のビームの集束は、それぞれ異なっており、第１のビームF１は、第２のビームF２より高集束（密に集束）している。
図２は、観察平面内における、Ox軸に沿った横座標xの関数としての照度Iの変化を示したものである。
ビームF１がビームF２より５倍だけ密に集束している場合、このビームF１によってOy軸上に生成される照度は、２本のビームが同じパワーを有している場合にビームF１によって生成される照度より２５倍高い。しかしながら、本発明によれば、同じパワーのビームを使用することも、あるいは互いに異なるパワーもしくは著しく異なるパワーのビームを使用することも可能であることに留意されたい。
同じターゲットに対する複数のビームの同じ時間におけるこの「空間的な重ね合わせ」により、より短い時間スケールで、各基本光共振器のパルスの時間のオフセットが可能になる。
b）異なるレーザパルスの時間的な順序付けないし系列化（「複合」パルス）
２つのバースト間の繰返し時間に比べて２つの基本光共振器からの２つのパルス間の時間オフセットが極めて小さいようなパルスバーストを生成することができる。この種のバーストは、複合パルスと考えることができる。
また、これらの光パルスの時間オフセットによってプリパルスを生成することも可能である。
この問題に関する詳細な情報については、プラズマを点火するための荷電プリパルスを生成する可能性について言及した次の文献を参照されたい。
[９]M.Berglund et al.、Ultraviolet prepulse for enhanced X-ray emission and brightness from droplet-target laser plasma、Applied Physics Letters、Vol.69,1996年,1683頁
本発明は、様々なレーザパルスに対して、上記の時間におけるシーケンス（時間的な順序化ないし系列化）を好適に用いている。
例えば、時間におけるシーケンスを使用して、以下で説明される順序化が得られる。
ターゲットに密に集束した第１のパルス（例えばこのパルスは、図１に示すビームF１のタイプのパルスである）がプラズマを点火し、次に、プラズマが成長している間、ターゲットが最小もしくはゼロの照度の状態に置かれる。プラズマの直径がビームF２の直径になると、最大光パワーがターゲットに付与される。この場合、図３に示すように、専ら第１のパルスのために用いられるエネルギーが、専ら複合パルスの残りの部分のために用いられるエネルギーより小さいことが有利である。
図３では、光パルスの振幅Aは、時間tの関数として示されている。図３は、複合パルスI１の例を示したものである。この複合パルスは、プリパルスI２と、このプリパルスI２に後続する、プラズマの成長に必要な時間Tだけプリパルスから離れた第１の組の同時基本パルスI３と、第１の組に後続する第２の組の基本同時パルスI４とからなっている。
c）レーザ材料をポンピング（励起）するための連続ダイオードの使用
ネオジムがドープされたYAG材料を使用した光共振器を連続励起で使用する場合、光共振器の上の準位の寿命（２５０マイクロ秒に近い）のため、蓄えられた光パワーを実際に引き出すためには５kHzを超えたレートで動作させなければならない。
従来技術とは異なり、本発明を使用することで、ピークパワーには不利な点（ポイントc）および有利な点（ポイントa）、そして基本光共振器の数が増加するにつれて重くなる重量とを関連させることによって高ピークパワーが得られる。
ポイント（b）は、本発明を可能な限り良好に本発明の応用分野に適合させるための可能な方法の１つに過ぎない。
この可能性のおかげで、マイクロリソグラフィに応用する場合、レーザ装置によって励起されるEUV源の振る舞いを、他のプラズマ要件に適合するように最適化することができる。
しかしながら、現在の状況では、すべてのパルスを５ns以内、さらには１ns以内に同時に到着させることが好ましいと考えられている。
本発明の場合、ポイント（a）、（b）および（c）のすべてを同時に使用することができる。大きいピークパワーを得るための有利な点および不利な点のこの組合せは、従来技術とは相反している。
以下に、大パワーで高速のレーザパルスの生成以外の本発明の利点について説明する。
安定した平均パワーのためのダイオードのコストは、ダイオードが連続的に動作する場合には著しく低い。
また、本発明によるレーザ装置は、増幅器を直列に配置することなく動作させることができるため、従来技術によるレーザ装置よりはるかに簡単である。
本発明によるレーザ装置の操作および保全は、使われる光学コンポーネントの数が少ないため、より安価である。
複数の発振器が並列に配置されているため、より柔軟性に富んだ使用が可能である。
また、光共振器の数が多いため、本発明による装置は、突発的な事象が複数の光共振器のうちの１つの瞬間的な性能に影響を与えることに対してあまり左右されない。
本発明については、添付の図面を参照して行う具体的な実施形態についての以下の説明を通して、より深く理解されよう。具体的な実施形態についての以下の説明は、単に情報を提供するためのものであり、本発明を何ら限定するものではない。
図５は、本発明による光共振器を示したもので、この光共振器については、追ってより詳細に説明するが、この光共振器には、１つまたは複数のシングルパス増幅器を後置することができる。
図４は、極紫外光源の励起装置を形成するための、本発明による複数のパルス光共振器の組合せを示したものである。
図４に示す装置は、パルスレーザとも呼ばれている、４つ以上、例えば１０個のパルス光共振器（パルス化された光共振器）を備えているが、図４には、そのうちの３つのみが示されており、その参照符号は、それぞれ２、４および６である。
これらのパルス光共振器２、４および６によって供給される光ビーム８、１０および１２（より正確には光パルス）は、一組のミラー１４を介してターゲット１６上のほぼ同じポイントPに向けて送られ、ほぼ同時にこのポイントPに到着する。
また、図４には、レーザパルスが得られるレーザ制御手段１８が示されている。
図４には、さらに、光ビーム８、１０および１２の各々をターゲット１６のポイントPに集束させるように設計された例えば色消しダブレットである集束手段２０、２２および２４が示されている。
考察している実施形態の場合、レーザおよびターゲットは、光ビームとこのターゲットとの相互作用によってEUV放射２６を出力するように選択されている。これを行なうために、ターゲットには、例えばノズル３０から出力される凝集体噴流２８（例えばキセノン）が含まれている。
このEUV放射２６は、例えば集積回路３２のマイクロリソグラフィに使用することができる。図４のブロック３４は、集積回路３２に到達する前にEUV放射を整形するために使用される様々な光学手段を表している。
レーザ２、４および６は、同じレーザであるか、あるいはほぼ同じレーザであり、光パルスを供給することができる。
レーザの各々は、収差および複屈折が小さい２つのポンピング（励起）構造部３６aおよび３６bを備えている。
ポンピング構造部３６aは、連続的に動作する一組のレーザダイオード４０aによってポンプされるレーザロッド３８aを備えており、また、ポンピング構造部３６bは、連続的に動作する一組のレーザダイオード４０bによってポンプされるレーザロッド３８bを備えている。
本発明者らの実験のために選択された材料はNd:YAGであり、その飽和流束量は２００mJ/cm２である。
しかしながら、プリパルスと呼ばれる第１のパルスを生成するためには、他のレーザとは異なるレーザを選択することが有利であると思われる。
光共振器の各々は、１０kHzで３００Wのパワーを直接生成しており、そのビーム品質は多重化と両立する品質であり、パルスの継続時間およびエネルギーは、それぞれ５０nsおよび３００mJである。共振器出口におけるビームの流束量は２．３J/cm２であり、Nd:YAG材料の飽和流束量のほぼ１０倍である。
レーザ２、４および６の各々によって生成されるビームの、直径５０μmのターゲット領域への集束により、３×１０１０W/cm２ないし６×１０１０W/cm２のピークパワーがもたらされる。
液体キセノンターゲット上で十分な放射率を得るためには、５×１０１１W/cm２の典型的な目標値を達成しなければならない。
したがって、この値は、上で言及した性能を備えたレーザを１０個組み合わせることによって得られる。
図４に示す実施例では、レーザ２、４および６には光増幅器は使用されていない。
しかしながら、ピークパワーを実験によって決められた最適条件に調整するのに必要だと判明した場合、光共振器の後段に斯かる増幅器を１個加えることは可能であり、さらにはこのような増幅器を複数個加えることも可能である。
本発明による光共振器の特徴を付与することにより、比較的小さい利得でこれらの増幅器を動作させることができ、かつ、ロッド材料の飽和流束量より約１０倍多い流束量を考慮すると、光増幅器のロッド中に蓄えられたエネルギーを最適条件で抽出することができる。
図５は、本発明によるパルス光共振器の概略図を示したものである。このパルス光共振器は、共振器２、４および６のうちの任意の１つと同様であり、したがって構造部３６aおよび３６b、ミラー４２および４４、偏光回転子４６および/またはレンズ４６a、およびパルスをトリガする手段５０および５２を備えている。このトリガ手段については、追って説明する。
一変形実施形態では、この光共振器の出力部に光増幅器３６cが配置されている。この増幅器３６cは、連続的に動作する一組のレーザダイオード４０cによってポンプされるシングルパスレーザロッド３８cを備えている。
また、この増幅器３６cを制御するための制御手段１８が提供されている。この増幅器は、構造部３６aおよび３６bと実質的に同じであり、そのレーザロッド３８cは、レーザロッド３８aおよび３８bと同じレーザ材料でできていることが好ましい。
このレーザ材料は、Nd:YAG（好ましい材料である）、Nd:YLF、Nd:YALO、Yb:YAG、Nd:ScO３およびYb:Y２O３の中から選択される。
もう一度図４を参照すると、光共振器の各々は、第１の高反射ミラー４２（例えば１０６４nmにおける反射係数Rは１００%である）と、この光共振器が生成する光ビームを通過させるために部分反射する第２のミラー４４（７０%ないし８０%程度のR）によって画成されている。
これらのミラーは、湾曲していることが好ましく、その曲率半径は、ビームの発散が小さくかつパラメータM２が約１０になるように計算されている。
また、共振器の長さは、パルスの継続時間の関数として選択されている。
２つの湾曲したミラーは、発散レンズおよび平面鏡を個々に備えた２つの組に置き換えることができる。
発生し得る様々な熱的影響を補償するためには、同じポンピング構造部をレーザ２、４および６の各々に使用することが好ましいが、この事例の場合、２本のレーザロッド３８aと３８bの間の任意の位置に９０°偏光回転子４６を使用する方がより好ましい。
回転子４６の代わりに、２本のロッド間の経路の正確な中間位置に、わずかに発散するレンズ４６aを使用することも可能である。
変形態様として、このレンズをこの配置で使用しかつ同じくこのレンズに隣接する２本のロッド間に配置された回転子４６を使用することも可能である。
これらのレーザロッドの直径は、３mmと６mmの間である。
本発明者らの実験に使用されたロッドは、１．１%でドープされたNd:YAG製の直径４mmのロッドである。
また、図４に示す実施形態では、Nd:YAGロッドの各々は、それぞれ３０Wのパワーを有しかつ８０８nmで発光する４０個のレーザダイオードによって励起されている。
球面収差を最小化するためには、ロッドの各々は一様に励起されることが好ましい。
レーザの各々をパルスレーザにするために、共振器内のビーム経路上におけるビームの発散が最も少ない位置、つまりロッドの各々と偏光回転子との間に音響光学パルストリガ手段が配置されており、これらのパルスを高いレートでトリガすることができる。
これらの音響光学トリガまたはQスイッチの各々には、２７MHzで９０Wの高周波出力により圧縮モードで動作するシリカ結晶が使用されている。この出力は、４mmトランスデューサによって結晶に付与されている。
図４に示す実施形態では、上で定義したタイプの２つの音響光学偏向器５０および５２が使用されており、偏向回転子４６の両側におけるレーザロッド３８aおよび３８bによって画成された空間に配置され、制御手段１８によって制御されている。
この２つの音響光学偏向器５０および５２を使用して、上で言及した平均パワーに対応する利得で共振器をブロックしている。
制御手段１８は、EUV源の動作をトリガし、その特性をマイクロリソグラフィのニーズに適合させている。適用可能であれば、制御手段１８がターゲットにおけるレーザ２、４および６の光パルスの同時性を決定している。
光路の長さに著しい相異がある場合、とりわけ制御手段１８は、光パルスの同期を達成するために、これらの光路長の差を補償し、かつ、図４に示す装置に含まれているすべての音響光学偏向器のトリガを管理することができる。
制御手段１８は、
- ポンピングレーザダイオード４０aおよび４０b（場合によっては４０c）へのパワー供給電流を生成する手段（図示せず）と、
- 音響光学偏向器５０および５２の各々の対をほぼ同期（これらの偏向器の間のオフセットが１ns未満であることが好ましい）させて制御するための変調高周波電流を生成する手段（図示せず）と
を備えている。
さらに、これらの制御手段１８は、センサ５４などの適切な１つまたは複数のセンサ、例えばスペクトルフィルタリング機能を備えた１つまたは複数の高速シリコンダイオードによって供給されるプラズマ放射測定信号（レーザビームとターゲット１６との相互作用によって生成される）の関数としてレーザ２、４および６を制御するように設計されている。EUV放射の場合、このフィルタリングは、ジルコニウムによって行なうことができ、また、場合によっては二重のモリブデン-シリコン多層膜反射鏡によって行なうことができる。プラズマの成長速度を観察する場合は、このフィルタリングを変えるか、あるいは可視スペクトルにより近いフィルタリング機能を備えた１つまたは複数の他の高速フォトダイオードを付け加えなければならない。
また、制御手段１８は、
- 例えば積分手段を備えた高速シリコンフォトダイオードなどの適切なセンサ５６、５８および６０によってそれぞれ提供される、レーザ２、４および６からの光パルスのエネルギーを測定するための信号と、
- 例えば、積分手段の入力側で信号が除去される点を除き、センサ５６、５８および６０と同じセンサにできる高速シリコンフォトダイオードなどの適切な３つのセンサ６２、６４および６６によってそれぞれ提供される、レーザ２、４および６からの光パルスの時間形状を測定するための信号
との関数としてレーザ２、４および６を制御するように設けられている。
偏向ミラー１４と、色消し集束ダブレット２０、２２および２４とからなる光学手段は、位置の変動が比較的低い割合に収まっている、例えば位置変動が焦点（ポイントP）の直径の１%ないし１０%程度での空間的な重ね合わせを可能にするように選択されていることに留意されたい。
また、図４に示すレーザ装置は、レーザ２、４および６がそれぞれ放出する光パルスを加え合わせることによって得られるパルスの空間分布を変更するように設けられた手段を備えている。矢印７４、７６および７８で示すこれらの手段は、例えば、色消しダブレット２０、２２および２４を変位させ、それにより、これらのダブレットの各々によってそれぞれ出力される焦点のサイズを変更するように設けることができる。
制御手段１８は、レーザのトリガを適切な方法で互いに対してシフトさせることにより、レーザ２、４および６が放出する光パルスを互いに対して時間的に適宜シフトさせるように設計することができる。
周知の他のレーザ装置、例えば文献[５]に記載されているような装置とは異なり、図４に示すレーザ装置は偏光していないことに留意されたい。
Nd:YAGベースのレーザを使用して偏光を維持することは困難であり、しかも装置がより複雑になるが、空間多重化を使用した本発明によるモジュール方式の設計は、レーザ装置を偏光させることが必ずしも本質ではないことを意味している。
１０kHz以上のより高い繰返し率を必要とする場合は、時間多重化を用いた変形態様の使用を避けることが好ましい。そうすれば、N個のレーザ（例えばN=１０）から誘導されるパルスが、正確に同時にターゲットに到達する。
図６は、本発明の一変形実施形態の一部を概略図で示したものである。この変形態様では、ターゲットPに集束させる前に、レーザビーム８、１０および１２の空間多重化が行なわれる。
この空間多重化は、ビーム１０および１２に対して設けられた最下流側の２つのミラー１４（図４の一番上）を、ビーム８に対して設けられた最下流側のミラー１４（図４の一番上）に整列させた、穿孔された２つのミラー８０および８２（穿孔ミラー）に置き換えることによって実現されている。
したがって穿孔ミラー８０は、ビーム８の一部をターゲットに向けて通過させ、かつ、ビーム１０の一部をターゲットへ向けて反射している。ビーム１０の残りの（ターゲットに向かって反射されない）部分を遮断するためのビーム遮断手段８４が設けられている。
同様に、開けられた穴がミラー８０に開けられた穴より大きい穿孔ミラー８２は、ビーム８および１０の一部をターゲットに向けて通過させ、かつ、ビーム１２の一部をターゲットへ向けて反射している。ビーム１２の残りの（ターゲットに向かって反射されない）部分を遮断するためのビーム遮断手段８６が設けられている。
色消し集束ダブレット８８は、整列したミラー１４、８０および８２から出力されるビームをターゲットに集束させるように構成されている。
図７は、本発明の他の変形実施形態の一部を概略図で示したものである。この変形態様では、穿孔ミラー８０が、ビーム８の一部をターゲットへ向けて反射させるように設けられたシャープエッジミラー９０に置換されている。ビーム１０の残りの（ターゲットに向かって反射されない）部分を遮断するためのビーム遮断手段９４が設けられている。
また、穿孔ミラー８２は、入射するビーム１２の一部をターゲットへ向けて反射させるように設けられたもう１つのシャープエッジミラー９２に置換されており、ビーム８および１０の周辺部分をターゲットに向けて通過させている。ビーム１２の残りの（ターゲットに向かって反射されない）部分を遮断するためのビーム遮断手段９６が提供されている。
色消し集束ダブレット２０、２２、２４および８８は、収差を最小化するように設計されていることが有利であるが、これらを湾曲したミラーに置き換えることも可能である。
高い照度を局所的に得るための、集束が異なる２本のレーザビームの使用を示す概略図である。 高い照度を局所的に得るための、集束が異なる２本のレーザビームの使用を示す概略図である。 本発明に使用できる複合光パルスの一例を示す概略図である。 極紫外光源の励起装置を構成するための、本発明による複数の光共振器の組合せを示す概略図である。 本発明による光共振器の特定の実施形態を示す概略図である。 複数の光共振器によって個別に生成される基本レーザビームの空間多重化を可能にする、本発明による他の実施形態の一部を示す概略図である。 複数の光共振器によって個別に生成される基本レーザビームの空間多重化を可能にする、本発明による他の実施形態の一部を示す概略図である。
符号の説明
２、４、６ パルス光共振器
１４ 光パルスをターゲット上の実質的に同じ位置に、実質的に同時に送る手段
１６ ターゲット
１８ パルス光共振器を制御する手段
３８a、３８b ロッド
５０、５２ トリガ手段
７４、７６、７８ 光パルスの空間分布を修正する手段
８０、８２、９０、９２ 光パルスを送る手段
F１ 密に集束した第１のビーム

Claims (17)

  1. 固体増幅媒体を備え、連続的に動作するダイオードによってパルス化されかつ励起される光共振器において、
    少なくとも２本のレーザロッドと、
    前記共振器によって生成されるレーザビームの発散が最も少ない共振器部分に配置された、光パルスをトリガするための少なくとも１つの手段と、
    前記共振器の境界を定めて、一方が高反射性とされるとともに、もう一方が部分反射性とされた２つのミラーとを備えていることを特徴とする光共振器。
  2. 前記レーザロッドがNd:YAGあるいはYb:YAGといった等方的な物質から形成され、前記共振器が、並んだ２本の前記ロッドによって形成される各空間内のビーム経路上に偏光回転手段をさらに備え、この回転が好ましくは９０°とされていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
  3. 隣接する２本のロッド間の各区間の中間に、好ましくは発散レンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
  4. 前記レーザロッドを形成しているレーザ材料が、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YALO、Yb:YAG、Nd:ScO３およびYb:Y２O３からなるグループから選択されていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
  5. 好ましくは略同じレーザ材料からなる２本のロッド（３８a、３８b）と、前記２本のロッドの間の前記共振器内に配置された偏光回転手段とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光共振器。
  6. 該パルス化された光共振器のそれぞれの中に配置された前記パルスをトリガするための手段は、前記共振器内の前記偏光回転手段の両側に、前記偏光回転手段と前記ロッドの間に配置された２つのQスイッチを備えていることを特徴とする請求項３に記載の光共振器。
  7. 前記トリガ手段（５０、５２）は、音響光学型の手段とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光共振器。
  8. １つまたは複数のシングルパス増幅器に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
  9. レーザ装置であって、
    少なくとも３つの、請求項１から請求項３および請求項８のいずれか一項に記載のパルス化された光共振器（２、４、６）と、
    光パルスをターゲット（１６）上の略同じ位置に送りかつ該位置に略同時に送るための手段（１４）とを備え、
    前記パルス化された光共振器を制御するための手段（１８）をさらに備えて、該装置の一部を形成するすべてのトリガ手段が同期して動作するように前記手段が構成されていることを特徴とするレーザ装置。
  10. 前記パルス化された光共振器（２、４、６）が少なくとも１０個並列に備えられていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  11. 前記光パルスを送る手段は、前記光パルスを同じ経路に沿って前記ターゲット（１６）に送る手段（８０、８２、９０、９２）を備えていることを特徴とする請求項９および請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記光共振器が出力する光パルスを加え合わせることによって得られる前記光パルスの空間分布を変更する手段（７４、７６、７８）をさらに備えていることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. 複合パルスを生成するために、前記光共振器を制御する前記手段（１８）は、前記光共振器が供給する光パルスを加え合わせることによって得られる前記光パルスの時間分布を変更することもできるように設けられていることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の装置。
  14. 各複合パルスの形状は、前記光パルスと前記ターゲットとが相互作用すると生成されることになる第１のプラズマ点火パルスと、プラズマ成長中においてレーザが出力する光エネルギーが最小となる時間間隔と、プラズマ成長によって決まるシーケンスに応じて複数の基本パルスから構成された第２のパルスとからなることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  15. 前記光共振器が放射する光パルスの繰返し率、あるいは前記光共振器が放射する前記光パルスのシーケンスを変更する手段（１８）をさらに備えていることを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載の装置。
  16. 高集束された第１のビーム（F１）を前記ターゲットに送ることができるとともに、前記光エネルギーの残りの部分をより広い集束で前記ターゲットに送ることができるように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  17. 前記ターゲット（１６）は、前記光共振器（２、４、６）が放出する前記光パルスとの相互作用によって極紫外領域の光を出力するように設けられていることを特徴とする請求項９から請求項１６のいずれか一項に記載の装置。


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