JP2006165484A - 多段増幅型レーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体露光装置の２ステージシステムの紫外ガスレーザにおいて、出力エネルギーを減少させることなくレーザ光の偏光純度を高くすること。
【解決手段】レーザ光を出力する発振段レーザと、前段のレーザから出力されたレーザ光を増幅して出力する一以上の増幅段レーザと、少なくとも一つの前記増幅段レーザのレーザ光軸上に設けられ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光子と、を備えている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、エキシマレーザやフッ素分子レーザ等の半導体露光装置で使用される２ステージレーザシステムの紫外ガスレーザ装置に関するものである。

（露光用光源）
半導体集積回路の微細化、高集積化が進むにつれて、半導体露光装置においては解像力の向上が強く要請されている。このため露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源として、従来用いられてきた水銀ランプに代わって、短波長化に適したガスレーザ装置が用いられるようになってきた。

現在、露光用ガスレーザ装置としては、波長２４８nmの紫外線を放出するKrFエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３nmの紫外線を放出するArFエキシマレーザ装置が用いられている。

また、次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハの間の空間を液体で満たし、この空間の屈折率を高くすることによって、露光光源の見かけ上の波長を短波長化する液浸露光がArF露光に適用されようとしている。ArFエキシマレーザ装置において、上記空間を満たす液体を水（H2O）とした場合、水の屈折率が1.44となるため、ArFエキシマレーザ光の見かけ上の波長を１３４nmとすることができる。これをArF液浸露光という。

また、次々世代の露光用光源として、波長１５７nmの紫外線を放出するF2レーザ装置が有力であり、この場合においても、液浸露光技術が採用される可能性もある。F2レーザ装置に液浸露光を適用した場合、F2レーザ光の見かけ上の波長は１１５nmになると言われている。これをF2レーザ液浸露光という。

（露光用光学素子と色収差）
多くの半導体露光装置の光学系として、投影光学系が採用されている。この投影光学系では、色収差補正を行なうために、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされている。露光用光源として用いられる２４８nm〜１１５nmのレーザ波長領域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料としては、合成石英（SiO2）とフッ化カルシウム（CaF2）以外にはない。このため、KrFエキシマレーザ用の投影レンズとしては、SiO2のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、また、ArFエキシマレーザ用の投影レンズとしては、SiO2とCaF2で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。

ところが、KrF、ArFエキシマレーザの自然発振におけるレーザ光のスペクトル線幅は約350〜400pmと広いために、これらの投影レンズを使用すると色収差が発生して、解像力が低下する。そこで、露光用ガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅を色収差が無視できるまでに狭帯域化する必要がある。このため、レーザ装置には狭帯域化素子（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が行われている。

（液浸露光によるリソグラフィーと偏光照明）
ArF液浸露光によるリソグラフィーの場合、露光用レンズとウエハ間の空間を満たす液体としてH2Oを使用すると、屈折率が1.44になるため、屈折率に比例するレンズ開口数NAを1.44倍に増やすことができる。

しかしながら、開口数NAが高くなるにつれ、露光光源であるレーザ光の偏光純度が半導体露光に大きな影響を与える。すなわち、偏光の向きがマスクパターンの方向に平行であるTE偏光（後述するｐ偏光に対応）の場合は影響がないが、偏光の向きがマスクパターンの方向に直交するTM偏光（後述するｓ偏光に対応）場合は、投影された像のコントラストが低くなってしまう。

その理由は、ＴＥ偏光の場合、ウエハ上の焦点における電界ベクトルが同一方向であるのにたいして、ＴＭ偏光の場合、ウエハ上の焦点における電界ベクトルが異なる方向であるため、ウエハへの入射角が大きくなるに従い電界ベクトル強度が弱くなってしまうためである。この影響は開口数NAが1.0に近づくか、あるいは超える場合に顕著になる。ArF液浸露光はこの場合に該当する。

このように、TE偏光とTM偏光の2つの偏光が混ざり合っているとコントラストが低くなってしまうため、露光光源としてのレーザ光は、TE偏光であることが要求される。つまり、TE偏光とTM偏光の2つの偏光の各光の強度の比で表される偏光純度が高く安定していることが要求される。

（２ステージレーザシステムによるレーザ光高出力化）
液浸露光を適用すると、高NA化によりレンズの枚数が増えて透過率が低下する。そのため、一定の露光量を得るためには、露光光源であるレーザの高出力化が必要とされている。また、露光装置の高スループット化のためにも、露光光源であるレーザの高出力化が必要とされている。

スペクトル線幅を狭帯域化した上でレーザ光の高出力を得るための方法として、２ステージレーザシステムによる増幅方法がある。２ステージレーザシステムは、狭帯域化したレーザ光を出力するための発振段レーザ（OSCレーザ）と、その狭帯域化されたレーザビーム（これをシード光という）を増幅するための増幅段レーザ（AMPレーザ）から構成される。シード光の光源となるOSCレーザの場合、狭帯域化モジュールで狭帯域化されたレーザ出力光は線偏光となっており、その偏光純度は約99％である。

実際の２ステージレーザシステムは、レーザ光を増幅する手段の違いにより、MOPO方式とMOPA方式の２種類に分けられる。MOPO方式のレーザシステムは、AMPレーザに共振器が設けられている。ＭＯＰＯとはMaster Oscillator, Power Oscillatorの略号であり、インジェクションロック方式（ＩＬ方式）とも呼ばれる。一方、MOPA方式のレーザシステムは、増幅段に共振器が設けられていない。ＭＯＰＡはMaster Oscillator, Power Amplifierの略号である。

OSCレーザから出力されるレーザビームのエネルギー密度は数mJ/cm2であるが、AMPレーザでは、レーザエネルギーが増幅されるので、十数mJ/cm2の高エネルギー密度のレーザビームとなる。高エネルギー密度のレーザビームがAMPレーザのチャンバのウィンドウを透過するため、ウィンドウの表面と内部におけるレーザ光の吸収量が大きくなりウィンドウは発熱する。この発熱によってウィンドウに熱応力が生じると、たとえばCaF2ウィンドウ内での複屈折量が増加する。複屈折物質内を偏光した光が透過すると、透過した光の位相が変化する。すると、複屈折物質内を通過後の光の位相がずれて直線偏光が楕円偏光になる。

以上のことにより、２ステージレーザシステムの場合、約９９％の偏光純度の線偏光であるシード光をAMPレーザ側に注入し増幅するのであるが、その増幅過程で、ウィンドウを通過する際に、ウィンドウで生じる複屈折のために、線偏光が楕円偏光に変化する。このため、AMPレーザからの出力光の偏光純度は悪化する。また、レーザ出力に依存してウィンドウに照射する光エネルギー密度が変化するため複屈折量が変化する。それによって偏光純度も変化するため安定したレーザ露光用光源とすることができない。

また、AMPレーザ光ほどではないが、OSCレーザにおいてもCaF2ウィンドウでのレーザ光の吸収によって、OSCレーザ出力光の偏光純度が変化する場合がある。この場合は、AMPレーザに注入されるシード光の偏光純度が変化するわけであるから、結果としてAMPレーザ出力光の偏光純度が変化することになる。

本発明は、露光装置の光源として有用な２ステージレーザシステムにおいて、最近明らかになってきた上記問題点に鑑みてなされたものであり、偏光純度を高め（たとえば９９％以上）、かつ安定化させる高エネルギーのレーザビームを出力できる２ステージシステムの紫外ガスレーザ装置を提供することを目的としている。

以上のような目的を達成するために、第１発明の多段増幅型レーザシステムにおいては、レーザ光を出力する発振段と、前段から出力されたレーザ光を増幅して出力する一以上の増幅段と、少なくとも一つの前記増幅段のレーザ光軸上又は前記増幅段以降のレーザ光軸上に設けられ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光子と、を備えたことを特徴としている。

第２発明の多段増幅型レーザシステムは、第１発明において、前記増幅段レーザのレーザ光出力側に前記偏光子を備えたことを特徴としている。

第３発明の多段増幅型レーザシステムは、第１発明において、前記増幅段レーザは、レーザガスを封入する増幅段レーザチャンバと、前記レーザチャンバを介して互いに対峙する二つの部分透過鏡からなる増幅段光共振器と、を少なくとも有し、前記増幅段光共振器の間に一以上の前記偏光子を備えたことを特徴としている。

第４発明の多段増幅型レーザシステムは、第１発明において、前記発振段は、レーザガスを封入する発振段レーザチャンバと、前記レーザチャンバを介して互いに対峙する狭帯域化モジュール及び部分透過鏡からなる発振段光共振器と、を少なくとも有し、前記発振段光共振器の間に前記偏光子とは異なる偏光子をさらに備えたことを特徴としている。

第５発明の多段増幅型レーザシステムは、第１発明において、前記発振段と前記増幅段との間のレーザ光軸上に前記偏光子とは異なる偏光子をさらに備えたことを特徴としている。

第６発明の多段増幅型レーザシステムは、レーザガスを封入する発振段チャンバを有し、前記発振段チャンバ内からレーザ光を出力する発振段と、レーザガスを封入する増幅段チャンバを有し、前段から出力されたレーザ光を前記増幅段チャンバ内で増幅して出力する一以上の増幅段と、前記増幅段チャンバに設けられたレーザ光入出力用のウィンドウにコーティングされ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光膜と、を備えたことを特徴としている。

第７発明の多段増幅型レーザシステムは、レーザガスを封入する発振段チャンバを有し、前記発振段チャンバ内からレーザ光を出力する発振段と、レーザガスを封入する増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバを介して互いに対峙する部分透過鏡及び一以上の拡大プリズムと、を有し、前段のレーザから出力されたレーザ光を前記増幅段チャンバ内で増幅して出力する一以上の増幅段と、前記拡大プリズムの斜面にコーティングされ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光膜と、を備えたことを特徴としている。

以上の手段は、第３、第７発明を除き、増幅段に光共振器を設けていないＭＯＰＡにも適用することができる。

第１発明によれば、たとえシード光や増幅段レーザチャンバ、あるいはチャンバウィンドウ等において、ｓ偏光成分が発生しｐ偏光成分の純度が低下したレーザ光となったとしても、偏光子にこのレーザ光を通すことで、ｓ偏光成分を減少させるとともに、ｐ偏光成分は略１００％透過させることができるので、レーザ出力光のｐ偏光純度を高めることが可能となる。

第２発明によれば、たとえば図６に示すように、増幅段の出力側に偏光子が配置してあるので、この位置においてｓ偏光成分を大きく減少させることができ、レーザ出力光のｐ偏光純度を高くすることができる。

第３発明によれば、図６に示すように、ｓ偏光成分を高反射させる偏光子１０ａ、１０ｂをAMPレーザ３のレーザ共振器５内に配置したことによって、ｓ偏光成分が減少し、ｐ偏光純度が高くなる。よって、フロントミラー７の右方に出射される高エネルギーのレーザ光のｐ偏光純度を低下させることなく出力できる。

また、ウィンドウ１ａ、１ｂの複屈折によるｓ偏光成分の生成量がレーザ強度に依存して変動したとしても、ｓ偏光成分を偏光子１０ａ、１０ｂで大きく減少させることができるので、変動による影響が小さくなり、ｐ偏光純度の高いレーザ光（たとえば９９％以上）を安定して出力することが可能となる。

第４発明によれば、図７に示すように、レーザ共振器５の内部に、１個の偏光子１０がリアミラー６とリア側のウィンドウ１ａとの間に配置され、また偏光子１０が、ＯＳＣレーザチャンバ３１と狭帯域化モジュール３２との間に設けられているので、ＯＳＣレーザ３１で生成したシード光の偏光純度が高くなり、ＡＭＰレーザ３の偏光純度がさらに良くなる。

第５発明によれば、図８に示すように、ＯＳＣレーザ３０とＡＭＰレーザ３との間のレーザ光路上にも偏光子１０が備えられているので、シード光の偏光純度を高めることができる。

第６発明によれば、図１６に示すように、レーザチャンバ１０１のウィンドウ１０２ａ、１０２ｂの少なくとも1面に、ｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる膜をコーティングしてあるので、ｓ偏光成分を高反射させ、ｐ偏光のみ光軸上に残れるようにすることができる。すなわち、ｐ偏光純度の高いレーザ光を出力することができる。

第７発明によれば、図１７に示すように、レーザビームを、ｓｐ分離膜がコーティングされた拡大プリズム１１２、１１３を通過させることによって、レーザビームのｓ偏光成分を効果的に減少させることができる。また、拡大プリズムによってビーム断面積を大きくすることができるため、照射される光のエネルギー密度が下がり、ミラーの役割を持つ部分反射鏡のダメージを抑えることができる。

以下、最初に本発明の光学素子による偏光純度を高める手段の原理を説明し、その後、実施例について図を参照しながら説明する。

（ブリュースタ角と偏光）
一般に、ガスレーザ共振器内に使用されるチャンバウィンドウは、光軸に対してブリュースタ角の角度で配置されることが多い。これをブリュースタウィンドウという。ブリュースタウィンドウにすると、ウィンドウに入射する光のｐ偏光成分（入射面内で振動する電界成分）のウィンドウ表面におけるフレネル反射は略零になる。よって、レーザ光のｐ偏光成分は略100％透過する。一方、レーザ光のｓ偏光成分（入射面に垂直に振動する電界成分）はフレネル反射（14.86%）を受けて減衰する。

ArFレーザ（波長193.368nm）の場合、20℃においてCaF2の屈折率が1.501958となるため、ブリュースタ角度は、56.336度になる。また、F2レーザ（波長157.63 nm）の場合、20℃においてCaF2の屈折率が1.559261となるため、ブリュースタ角度は、57.318度になる。

通常、レーザ出力光は、レーザ共振器内を数〜十数回往復して増幅されたあと出力される。偏光素子としてのブリュースタウィンドウを数〜十数回通過する間に、レーザ光のｓ偏光成分は透過するごとにフレネル反射（14.86%）を受け急激に減衰するのに対し、レーザ光のｐ偏光成分はほとんど減衰されることがないので、ｐ偏光成分はレーザ媒質内を通過することによって増幅されていく。よって、レーザ光は概ねｐ偏光方向の直線偏光として出力される。

また、狭帯域化レーザ装置の場合、狭帯域化モジュールでスペクトル線幅を狭帯域化するために、たとえばビームエキスパンダプリズムでビームを拡大し、波長分散素子であるグレーティングに入射させている。

ビームエキスパンダプリズムは通常数個使用されることが多い。そのため、各々のビームエキスパンダプリズムのフレネル反射による出力光減少をできるだけ防止するために、入射面には、光の入射角に対して、ｐ偏光成分を略100%透過するためのｐ偏光AR（Anti-Reflection）膜がコーティングされている。このｐ偏光AR膜はｓ偏光成分の光を大きく反射させることができる。このため、狭帯域化レーザの場合、結果としてｐ偏光成分が高まり（通常９９％程度）、狭帯域化モジュールを備えないフリーランニングのレーザと比較して出力光のｐ偏光純度が高くなる。

（複屈折による偏光の変化）
一般に媒体を伝播する光は、互いに直交する2つの直線偏波状態の波の線形結合であり、それぞれの位相速度と振幅の大きさで、偏光状態と偏光方向が決まる。光の複屈折性を有する物質（以下複屈折物質という）では、複屈折物質中を伝播する光の位相速度がその偏波方向に依存してずれていく。これにより、直線偏光であった光は、複屈折物質を通過することによって、互いに直交する2つの波の位相がずれ、直線偏光でなくなる（概ね楕円偏光になる）。このため、結晶内に複屈折が発生すると、透過したあとの光の偏光純度が悪くなる。

ブリュースタウィンドウを備えたレーザ装置では、略100％透過するp偏光方向の線偏光状態が増幅されていくはずであるが、一方、レーザ光の大出力化に伴うウィンドウの発熱とその結果生じる熱応力によってウィンドウでの複屈折量が増加するため、直線偏光が楕円偏光に変化し、ｓ偏光成分が発生してしまう。

以下に図１を用いてさらに説明する。

図１は、複屈折物質で形成されたCaF2ウィンドウを通過するときの偏光の変化を説明するための図である。また、図１（ａ）は偏光の変化を模式化した図であり、図１（ｂ）は偏光の変化をさらに記号化した図である。以下においては図１（ａ）、図１（ｂ）の中の記号を適宜用いて説明する。

図１において、CaF2で形成されたウィンドウ１は、入射するレーザ光に対してブリュースタ角（ここでは５６．３３６度）を有するように配置されている。ウィンドウ１に入射するレーザ光は、図の紙面に対して平行方向であって且つ入射方向に対して垂直方向に振動している完全な線偏光（ｐ偏光）のみであり、図の紙面に対して垂直方向に振動しているｓ偏光成分は全く含まれていない。ウィンドウ１に入射したあと、大部分のｐ偏光成分はCaF2ウィンドウ１をそのまま透過していく。しかしながら、CaF2ウィンドウ１が熱応力で複屈折を発生すると、ウィンドウ１を通過中にレーザ光は位相を大きくずらされてしまい、ウィンドウ１を通過後、楕円偏光の状態で出射される。

すなわち、高純度で偏光したｐ偏光をウィンドウに入射させても、ウィンドウ透過後のレーザ光は楕円偏光（ｓ偏光成分が発生する）となり、結果的にｐ偏光純度が低下する。またｓ偏光成分の発生量も、レーザ強度によって変化する（複屈折の原因となる熱応力の発生量が変化するため）ため、安定していない。

（ｓ偏光成分の増幅過程）
実際のレーザ装置におけるウィンドウでの複屈折による影響を以下に説明する。

ここでは、インジェクションロック式の２ステージシステムのレーザ装置を使って説明する。

図２および図３は、偏光子がレーザ共振器内に無いインジェクションロック式の、ＡＭＰレーザにおける偏光状態の変化を説明するための模式図である。

図２において、レーザ光軸上であってＡＭＰレーザチャンバ４のレーザ光入出力側にはブリュースタ角を有するウィンドウ１ａ、１ｂがそれぞれ設けられている。またＡＭＰレーザチャンバ４の外部であってレーザ光入力側には部分反射鏡（リアミラー）６が配置され、ＡＭＰレーザチャンバ４の外部であってレーザ光出力側には部分反射鏡（フロントミラー）７が配置されている。リアミラー６は５０％〜９５％程度の部分反射膜を有し、フロントミラー７は１０％〜５０％程度の部分反射膜を有する。これらリアミラー６、フロントミラー７はＡＭＰレーザ３におけるレーザ共振器５を形成している。

図２（ａ）〜（ｃ）は、共振器内におけるレーザ光の偏光状態の初期段階における変化態様を示している。

図２（ａ）において、２ステージシステムのレーザ装置のAMPレーザ３内に、図には示さないOSCレーザから出力されたシード光が注入されるとする。シード光は、ＡＭＰレーザチャンバ４のブリュースタ角を有するウィンドウ１ａに対して略p偏光成分のみのレーザ光である。シード光はリアミラー６を通して注入される。

略ｐ偏光成分であるシード光は、ＡＭＰレーザチャンバ４のウィンドウ１ａを透過する際に、ウィンドウ１ａが有する複屈折により、一部がｓ偏光成分に変化する。ウィンドウ１ａを透過したレーザ光は、増幅領域８を通過する。ＡＭＰチャンバ４内には、レーザ媒質となるレーザガスが充填されており、レーザガスは図示しない一対の電極による放電によって上準位に励起される。通過中のレーザ光が上準位に励起された分子に当たると、同エネルギーで同位相の光が誘導放出される。この時、上準位の分子はエネルギーを失って下準位に落ちる。この誘導放出によって、レーザ光が増幅されていく。

レーザ光が増幅領域８を通過すると、レーザ光の強度が増幅されるが、このときｐ偏光成分のみならず、ｓ偏光成分のレーザ光も同様に増幅されることになる。図２（ａ）の増幅領域８には、増幅中あるいは増幅後のｐ偏光成分とｓ偏光成分が示されている。レーザ光がウィンドウ１ｂを通過すると、ブリュースタ角でのフレネル反射でｓ偏光の14.86%は反射損失を受け減少する。しかし、ウィンドウ１ｂの複屈折によって、ｐ偏光成分の一部はｓ偏光成分に変化し、フロントミラー７の方向に出射される。

次に、図２（ｂ）の段階のレーザ光の偏光の変化について説明する。

図２（ｂ）において、レーザ共振器５の出力側にあるフロントミラー７は１0〜50％の反射率の部分反射膜（ＰＲ膜）を有している。リア側からフロント側へ通過してきたレーザ光の９0〜50％はフロントミラー７を通過してそのまま外部へ出力される。また、１0〜50％はフロントミラー７で反射されて、フロント側からリア側へ再び伝播していく。この段階では、ｐ偏光とｓ偏光がすでに混ざり合った状態になっている。この伝播においても、ｓ偏光成分は減少することなく増加していく。

さらに、図２（ｃ）の段階において、リアミラー６に到達したレーザ光は、リアミラー６で反射され、再度フロント側へ伝播していく。そして、ｐ偏光、ｓ偏光共にさらに増幅されたのち、その一部がフロントミラー７を通過して外部に出力される。

図３は、図２の各段階に対応する、横軸を時間軸としたｐ偏光とｓ偏光の強度変化を示した図である。すなわち、図２（ａ）は図３のイの領域に、図２（ｂ）は図３のロの領域に、図２（ｃ）は図３のハの領域にそれぞれ対応する。

図３によれば、共振器を１．５往復したあと、ｐ偏光成分の強度が増加するとともに、ｓ偏光の強度も、ｐ偏光成分よりは小さいが、徐々に増加して行くことが分かる。すなわち、偏光子がレーザ共振器内に無い場合、フロント側から出力されるレーザ光のｐ偏光純度は高くならない。

図２では、説明を簡単にするため、三つの段階（１.5往復）でレーザ光が出力されるように示している。

実際に観測されるレーザパルスは、１往復、２往復、３往復と数回共振器内を往復して出力されるレーザ光の積分である。ｐ偏光成分と共にｓ偏光成分も出力されるため、ｐ偏光純度は低下する。またウィンドウを通過するときのレーザビーム強度によって、ウィンドウの熱応力が変化し、それに伴ってｓ偏光成分の生成割合が変化するため、ｐ偏光純度は安定しない。

（本発明の基本原理）
図４および図５は、本発明によるレーザ装置の原理を説明するための模式図である。

図４（ａ）〜（ｃ）は、ＡＭＰレーザ３に設けたレーザ共振器内に偏光子を挿入した場合におけるレーザ光の偏光状態の変化を段階ごとに示している。

図４において、AMPレーザ３のリアミラー６とリア側のウィンドウ１ａの間、フロントミラー７とフロント側のウィンドウ１ｂの間に、ｓ偏光成分を例えば80％以上高反射させることによって減少させ、ｐ偏光成分は略100%透過させる偏光子１０ａ、１０ｂがそれぞれ設けられている。

ウィンドウ１ａ、１ｂはブリュースタ角で取り付けられているので、それ自身偏光子であるといえる。しかし、ブリュースタウィンドウにおけるｓ偏光反射率は14.86%でしかないので、ｓ偏光成分の85％程度は透過してしまう。そのため、ｓ偏光成分を抑えるのにブリュースタウィンドウだけでは不十分である。

なお、ウィンドウ１ａ，１ｂには、ＡＭＰレーザチャンバ４への取り付けによる応力とＡＭＰレーザチャンバ４内部のガス圧力による機械的応力が同時に加わっている。この機械的応力によっても複屈折が発生する。しかし、外部に置かれた偏光子は機械的応力に起因する複屈折は発生しない利点がある。

図４（ａ）の段階において、ｐ偏光方向の線偏光のシード光がAMPレーザ３にリアミラー６を通して注入されたとする。シード光はｐ偏光をほぼ100％透過する偏光子１０ａを通過後、リア側のウィンドウ１ａを透過する。この時にウィンドウ１ａの複屈折によってｐ偏光成分の一部はｓ偏光成分に変化する。その後、増幅領域８を通過中にｐ、ｓ偏光はともに増幅される。さらにフロント側のウィンドウ１ｂを通過して、フロント側に置かれた偏光子１０ｂを通過する。

ｓ偏光成分の大部分は偏光子１０ｂで反射されるためｓ偏光成分が大きく減少する。一方、ｐ偏光成分はそのまま透過する。これにより、一度生成されたｓ偏光成分が減少するため、フロントミラー７に到達するレーザ光はｐ偏光純度が高い。

次に、図４（ｂ）の段階において、フロントミラー７で反射されたレーザ光は、リア側へ伝播する。レーザ光がフロント側のウィンドウ１ｂを通過する際に、ウィンドウ１ｂの複屈折によってｐ偏光成分の一部がｓ偏光成分に変化する。しかし、リア側に配置された偏光子１０ａによって、ｓ偏光成分は減衰する。この場合もまた、リアミラー６に到達する光はｐ偏光純度が高いレーザ光となる。

さらに図４（ｃ）の段階において、リアミラー６で反射されたレーザ光は、再度、フロント側へ伝播する。このときも、ウィンドウ１ａ、１ｂでｓ偏光成分が生成されるが、フロント側に配置された偏光子１０ｂによって、ｓ偏光成分が反射され、減少する。そして、大部分p偏光方向に線偏光された光がフロントミラー７から外部へ出力される。

図５は、図４の各段階に対応する、横軸を時間軸としたｐ偏光とｓ偏光の強度変化を示した図である。すなわち、図４（ａ）は図５のイの領域に、図４（ｂ）は図５のロの領域に、図４（ｃ）は図５のハの領域にそれぞれ対応する。

図５によれば、共振器を１．５往復したあと、ｐ偏光成分の強度が増加するが、ｓ偏光の強度は、偏光子を通過するたびに略零まで減衰される。すなわち、偏光子がレーザ共振機内に挿入された場合、フロント側から出力される、ｓ偏光成分に対するレーザ光のｐ偏光純度は極めて高くなる。

図４の場合においても、図２と同様に、三つの段階（１．５往復）で出力されるように示している。

このように、ｓ偏光成分を高反射させる偏光子１０ａ、１０ｂをAMPレーザ３のレーザ共振器５内に配置することによって、ｓ偏光成分が減少し、ｐ偏光純度が高くなる。また、ウィンドウ１ａ、１ｂの複屈折によるｓ偏光成分の生成量がレーザ強度に依存して変動したとしても、ｓ偏光成分を偏光子１０ａ、１０ｂで大きく減少させることができるので、変動の影響が小さくなり、高偏光純度のレーザ光を安定して出力することが可能となる。

また、ｓ偏光成分が減少すると、レーザ媒質内の上準位の分子は、ｓ偏光を誘導放出させることによって下準位に落ちてしまうことが抑制されるとともに、ｐ偏光の光を誘導放出させる励起分子として使用されるので、ｐ偏光成分の増幅量が大きくなるという利点も生まれる。

なお、偏光子を共振器内に挿入した技術が記載された文献としては、特願平1-181680号公報と特願2000-357174号公報がある。しかし、いずれの技術も２ステージレーザシステムに関するものではなく、シングルレーザに関するものである。また、これらの文献で開示された偏光子は、狭帯域化モジュール内での効率を高めるためのものである。２ステージレーザにおける複屈折はエネルギーの高いAMPレーザで多く生ずる。AMPレーザに偏光子を挿入しないと、偏光純度を高めることはできない。また、本発明が対象としている十数mJ/cm2の高エネルギー密度のレーザビームをシングルレーザでは扱うことがない。

図６は、２ステージレーザシステム（ＩＬ方式）のAMPレーザに設けたレーザ共振器内に２個の偏光子を入れた概念図である。

図６において、シード光を発生させるＯＳＣレーザ３０は、レーザガスを封入するＯＳＣレーザチャンバ３１と、ＯＳＣレーザ共振器３４とで構成される。ＯＳＣレーザ共振器３４は、ＯＳＣレーザチャンバ３１を介して対峙する狭帯域化モジュール３２と、フロントミラー３３で構成される。ＯＳＣレーザチャンバ３１の両端部にはブリュースタ角でもってウィンドウ３６ａ、３６ｂが取り付けられている。

また、シード光を増幅するＡＭＰレーザ３は、レーザガスを封入するＡＭＰレーザチャンバ４と、レーザ共振器５とで構成される。レーザ共振器５は、ＡＭＰレーザチャンバ４を介して対峙するリアミラー６とフロントミラー７で構成される。ＡＭＰレーザチャンバ４の両端部にはブリュースタ角でもってウィンドウ１ａ、１ｂが取り付けられている。また、レーザ共振器５の内部であって、フロントミラー６、７とウィンドウ１ａ、１ｂとの間に、２つの偏光子１０ａ、１０ｂがそれぞれ配置されている。

また、ＯＳＣレーザ３０側とＡＭＰレーザ３側とは、ミラー３５ａ、３５ｂを介した光路で光学的に結ばれている。

ＯＳＣレーザ３０で生成されたシード光は、前述したように略９９％の純度のｐ偏光成分を有するレーザ光であり、ミラー３５ａ、３５ｂで形成された光路を通過して、ＡＭＰレーザ３に入射される。

実施例１の場合、基本原理の説明（図４、５も参照）で述べたように、ｓ偏光成分を高反射させる偏光子１０ａ、１０ｂをAMPレーザ３のレーザ共振器５内に配置したことによって、ｓ偏光成分が減少し、ｐ偏光純度が高くなる。よって、ＡＭＰレーザ３から出射されるレーザ光のｐ偏光純度を低下させることがない。

また、ウィンドウ１ａ、１ｂの複屈折によるｓ偏光成分の生成量がレーザ強度に依存して変動したとしても、ｓ偏光成分を偏光子１０ａ、１０ｂで大きく減少させることができるので、変動の影響が小さくなり、ｐ偏光純度の高いレーザ光（たとえば９９％以上）を安定して出力することが可能となる。

配置する偏光子の位置と個数は、必要とされるｐ偏光純度の値によって左右される。実施例１においては、高エネルギーの光がウィンドウに入射するAMPレーザ３の共振器の内部に２個の偏光子を配置したが、場合によっては、１個だけにすることもできる。偏光子は、ｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる役割を持つ。完全にｐ偏光100％にするならば、ウィンドウ１ａ、１ｂの両側に偏光子を置き、その個数も複数個配置するとさらに良い。

AMPレーザ３に注入するシード光は、OSCレーザ３０からの出力光である。この注入光は初めからｓ偏光成分をできるだけ含まない方がAMPレーザ３の効率が良い。

図７は、OSCレーザ３０側にも偏光子をいれ、更にｓ偏光を減少させた実施例を説明するための概念図である。なお、基本的な構成は図６の場合と同じである。

図７において、レーザ共振器５の内部に、１個の偏光子１０がリアミラー６とリア側のウィンドウ１との間に配置されている。また偏光子１０が、ＯＳＣレーザチャンバ３１と狭帯域化モジュール３２との間に設けられている。こうすることによって、ｓ偏光成分だけがレーザ光軸から分離され、ＯＳＣレーザ３０で生成したシード光の偏光純度が高くなるので、ＡＭＰレーザ３の偏光純度がさらに良くなる利点がある。

そもそも、拡大プリズムは、プリズム斜面にｐ偏光反射防止コート（ＡＲコート）がされている（ｓ偏光は反射損失する）ため、偏光子の役割をする。OSCレーザ３０では、狭帯域化モジュール３２をレーザ共振器３４内に配置しているので、それだけで、ｐ偏光純度が高い（略９９％）のであるが、更にOSC共振器３４内にｓ偏光成分を減少させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる偏光子を挿入することによって、さらに、ｐ偏光純度を高めることが可能になる。

図８は、OSCレーザ３０とAMPレーザ３のレーザ光路上に偏光子を入れた実施例を説明するための概念図である。

図８においては、実施例２の構成に加えて、さらにＯＳＣレーザ３０とＡＭＰレーザ３との間のレーザ光路上にも偏光子１０が備えられている。本実施例は、実施例２と同様な理由で、シード光の偏光純度を高める方法である。

OSCレーザ３０からAMPレーザ３にシード光を伝播する光学系において、偏光純度が変化することがある。そのため、AMPレーザ３とOSCレーザ３０との間にｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる偏光子１０を挿入する。偏光子１０の位置は、本実施例に示すように、シード光をAMPレーザ３へ注入する直前の位置が一番効率が良いが、たとえばミラー３５ａ、３５ｂの間に配置してもよい。実施例２（図７参照）では、OSCレーザ３０のレーザ共振器３４内にも偏光子１０が入っているが、OSCレーザ３０とAMPレーザ３との間に偏光子を1個挿入するだけでもよい。

実施例１〜３は、いずれもインジェクションロック式であったが、MOPA方式の２ステージレーザにも本発明は適用できる。

図９は、２ステージシステムのMOPA方式レーザ装置において、ＰＡ（Power Amplifier）側に偏光子を配置した実施例を説明するための概念図である。

図９において、シード光を発生させるＭＯ（Master Oscillator）レーザ４０は、レーザガスを封入するＭＯレーザチャンバ４１と、ＭＯレーザチャンバ４１を介して互いに対峙する狭帯域化モジュール４２及びフロントミラー４３を有するＭＯレーザ共振器４４で構成されている。ＭＯレーザチャンバ４１の両端部にはブリュースタ角でもってウィンドウ４５ａ、４５ｂが取り付けられている。

また、シード光を増幅するＰＡ５０は、レーザガスを封入するＰＡチャンバ５１からなっており、ＰＡチャンバ５１の両端部にはブリュースタ角でもってウィンドウ１ａ、１ｂが取り付けられている。また、ＰＡチャンバ５１の両側のレーザ光軸上には偏光子１０ａ、１０ｂがそれぞれ配置されている。

また、ＭＯレーザ４０側とＰＡ５０側とは、ミラー３５ａ、３５ｂを介した光路で光学的に結ばれている。

図９において、左方からＰＡ５０側に入射したシード光は、リア側の偏光子１０ａによってｓ偏光成分が大きく減少するので、ＰＡチャンバ５１内でｐ偏光成分を効率よく増幅させることができる。さらに、フロント側の偏光子１０ｂでｓ偏光成分を減少させることができるので、レーザ出力光のｐ偏光純度を高めることができる。

なお、図９において、偏光子は１０ｂの１個のみとしても効果がある。

２ステージレーザの増幅段の別な方式としてリング増幅器（Regenerative ring Amplifier:RRA）がある。リング増幅器方式の場合、ＡＭＰレーザチャンバのフロント側からでてきた光を、ＡＭＰレーザチャンバ内を通過させずにリア側へに迂回させ、再度リア側からＡＭＰレーザチャンバ内にレーザ光を入れている。

図１０は、ＯＳＣレーザ１０とリング増幅器を有するＡＭＰレーザ３から構成される２ステージシステムのレーザ装置に偏光子を配置した実施例を説明するための概念図である。

図１０において、リング増幅器７０は、ＡＭＰレーザチャンバ４と、ＡＭＰレーザ３の両側に設けられたビームスプリッタ６０ａ、６０ｂと、ビームスプリッタ６０ａ、６０ｂの下方に配置されたミラー６１ａ、６１ｂとで構成されている。リング増幅器７０のウィンドウ１ａ、１ｂは、ビームスプリッタ６０ａ、６１ｂとミラー６１ａ、６１ｂを介した光路で光学的に結ばれている。さらに、リア側のビームスプリッタ６０ａとＡＭＰレーザチャンバ４の間のレーザ光軸上には、ｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる偏光子１０が配置されている。

また、リング増幅器７０側とＯＳＣレーザ３０側とは、ミラー３５ａ、３５ｂを介した光路で光学的に結ばれている。

上記構成により、ＡＭＰレーザチャンバ４内で増幅されたレーザ光の一部はフロント側のビームスプリッタ６０ｂで分離され、ミラー６１ａ、６１ｂを介した光路を迂回する。そして、迂回したレーザ光は、リア側のビームスプリッタ６０ａで反射され、偏光子１０を透過してＡＭＰレーザチャンバ４に再び入射する。

そのため、シード光のｓ偏光成分を偏光子１０によって減少させてから、ＡＭＰレーザチャンバ４内に入射させることができるとともに、ＡＭＰレーザチャンバ４内で増幅したレーザ光の一部を、再び偏光子１０で純化してＡＭＰレーザチャンバ４内に再入射させ増幅させることができる。

以上のように、本実施例によれば、リング増幅器７０のレーザ光軸上にｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる偏光子を少なくとも１個配置することによって、ｓ偏光を取り除き、ｐ偏光純度を高めることができる。

（偏光子の種類）
以上の説明では、ｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる偏光子とだけ記載した。具体的な偏光子としては、図１１〜１５図に示すようなものが考えられる。

図１１は、CaF2材料で形成した平面基板９１の面にｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させるｐｓ分離膜９２をコーティングしたものである。このｐｓ分離膜９２によって、ｓ偏光のみを反射させ、ｐ偏光のみを透過させることができる。

ｐｓ分離膜９２は、CaF2の母材上に、例えば、MgF2薄膜とLaF3薄膜を交互にコーティングして製作する。各膜厚と層数によって、反射率、透過率を制御することができる。

ところで、偏光子として使用されるCaF2母材に高強度のレーザ光が照射されると、熱応力で発生する複屈折によって、レーザの偏光が変化する。コーティング膜形成の条件として、ps分離膜によるｓ偏光成分の減少量が、偏光子の母材でのｓ偏光成分の増加量より大きいことが必要である。

そのため、偏光子として使用されるCaF2母材の厚みはできるだけ薄くするのが良い。また、ＣａＦ2の両面にｐｓ分離膜９２をコーティングすると、CaF2内部で偏光が変化しても外部へ光が出射するときに、ｓ偏光は反射されるので、出力されるのはｐ偏光のみとなり好ましい。また母材がCaF2の場合、結晶方位が＜１１１＞方向と平行にレーザ光が伝播すると、真性複屈折は零になり、応力複屈折も最少に抑えられる。CaF2内のビームの進行方向が偏光子の結晶方位＜１１１＞軸になるように設計するとなお良い。

他に、照射されるレーザ光のエネルギー密度を減らして、発生する熱応力を減らせば、CaF2母材での複屈折発生を抑えることができる。そのためには、偏光子へのレーザ光の入射角をできるだけ大きくし、照射するレーザ光の断面積を大きくしてＣａＦ2面に照射されるエネルギー密度を減らす工夫をすると効果的である。なおこの場合、大きい入射角に応じたｐｓ分離膜を製作する必要がある。

図１２は、Glan Thompson偏光ビームスプリッタ９３といわれるものである。レーザ光がこのような形状の光学素子を通過すると、ｓ偏光は途中で異なる方向へ反射され、進行方向がｐ偏光から外れる。このため、ｐ偏光のみをレーザ光軸上に残すことができる。

図１３は、２枚の偏光子９４ａ、９４ｂを組み合わせたタイプのものである。このような対称な配置を取ることによって、レーザ光軸がずれることなく、ｓ偏光成分を分離して、ｐ偏光成分のみを所定の方向に通過させることができる。

図１４は、偏光ビームスプリッタの一例で、９０度方向にｓ偏光を反射させるタイプである。偏光ビームスプリッタには９０度以外の角度でｓ偏光を反射させるタイプがいろいろある。

図１５は、Rochonプリズムの例である。このプリズムの場合は、ｓ偏光の透過光の進行方向を入射光軸からずらすことができる。進行方向がずれたｓ偏光成分は先においたスリットなどで簡単に吸収できる。

以上説明した各種の偏光素子を、実施例１〜５に適宜適用することができる。

図１６は、ＭＯＰＯシステムにおいて、チャンバウィンドウにｐｓ分離膜をつける実施例を説明するための概念図である。

図１６において、ＡＭＰレーザチャンバ１０１のウィンドウ１０２ａ、１０２ｂの少なくとも1面に、ｓ偏光成分を高反射させｐ偏光成分をほぼ100％透過させる膜をコーティングする。これによって、ｓ偏光成分を高反射し、ｐ偏光のみ光軸上に残すようにすることができる。

本実施例では、ウィンドウ１０２ａ、１０２ｂのそれぞれの両面にｓ偏光高反射膜１０３がコーティングされている。ウィンドウ１０２ａ、１０２ｂの両面にｐｓ分離膜をつけると、たとえCaF2母材内で偏光が変化したとしても、母材から外部へ出射するときにｓ偏光は反射されるので分離効果が大きい。よって、ＡＭＰレーザチャンバ１０１内におけるｓ偏光成分の増幅が抑制されるため、ｐ偏光純度の高いレーザ光を出力することができる。

なお前述したように、CaF2内のレーザビームの進行方向とCaF2結晶の＜１１１＞軸方向が同軸になるように配置すると、複屈折が最少に抑えられる。

またｐｓ分離膜のレーザ耐性が悪い場合は、ｐｓ分離膜にレーザ照射しているうちに、次第に膜がダメージを受ける場合がある。一般に、ダメージはレーザエネルギー密度に依存しており、エネルギー密度が高いほど膜はダメージを早く受けるようになる。このため、エネルギー密度を減少させるために、レーザ光が照射する面積を大きくしてやると良い。具体的には、ウィンドウの設置角をブリュースター角（約５６度）以上に角度を大きくする。設置角が大きくなればなるほど、レーザ光があたる面積が大きくなるので、ウィンドウ上で照射されるエネルギー密度を減少させることができる。

図１７は、レーザ共振器内にBEX（Beam Expander）フロントミラーを設置し、そのBEXにPS分離膜をつける実施例を説明するための概念図である。

図１７において、レーザ共振器１１０を構成するフロントミラーとしてBEXフロントミラー１１１が設けてある。BEXを設ける理由は、レーザ光のエネルギー密度を減少させて、フロントミラーのダメージを減少させるためであり、あるいはレーザビーム形状（アスペクト比）を変更するためである。BEXフロントミラー１１１はレーザビームの幅を広げる役割を持つ。

BEXフロントミラー１１１は、２つの拡大プリズム１１２、１１３を図のように組み合わせて使用される。そして拡大プリズム１１３のレーザ光軸に垂直な面に部分反射するＰＲ（Partial Reflection ）膜１１４をコーティングすることによって、通常のフロントミラーと同様の役割をＰＲ膜１１４に持たせている。

また、図１７において、拡大プリズム１１２、１１３の斜面にｐｓ分離膜１１５、１１６がコーティングされている。レーザビームを、ｐｓ分離膜がコーティングされた拡大プリズム１１２、１１３を通過させることによって、レーザビームのｓ偏光成分を効果的に減少させることができる。

なお前述したように、CaF2内のレーザビームの進行方向とCaF2結晶の＜１１１＞軸方向が同軸になるように配置すると、複屈折が最少に抑えられる。またＡＭＰレーザチャンバ１１７の両端部に配置されたウィンドウ１１８ａ、１１８ｂも、CaF2内のレーザビームの進行方向とCaF2結晶の＜１１１＞軸方向が同軸になるように配置すると、ウィンドウ１１８ａ、１１８ｂでの偏光の変化量が小さくなるので、これと組み合わせるとなお良い。

レーザ出力をなるべく減少させないためには、レーザ共振器長を短くするのがよい。そのため、一般にレーザチャンバのウィンドウとレーザ共振器との間のスペースはあまり無い。

図１８は、狭いスペースを有するＭＯＰＯシステムにおいて偏光子を取り付ける実施例を説明するための概念図である。

図１８において、レーザ共振器１２１を構成する高反射ミラー１２２とＡＭＰレーザチャンバ１２０のリアウィンドウ１２４との間は極めて狭いため、偏光子１２３がリアウィンドウ１２４に接近した態様で取り付けられている。

このような態様で偏光子を取り付けることによって、従来のチャンバのウィンドウとレーザ共振器との間のスペースを何ら変更することなく、偏光子によるｓ偏光成分の減少を実現することができる。

なお、実施例６で説明したｓ偏光高反射膜の場合も同様な作用効果が得られるが、図１０から明らかであるので説明を省く。

本実施例は、実施例８と同様、狭いスペースに偏光子を入れる工夫であり、リアミラーをプリズムに置き換えたタイプである。

図１９は、ＭＯＰＯシステムにおいて、ＡＭＰレーザチャンバのリア側に配置したプリズムHR（High Reflection）ミラーにｐｓ分離膜をつけた実施例を説明するための概念図である。

図１９において、ＡＭＰレーザチャンバ１３０のリア側ウィンドウ１３１ａに接近した位置に配置した２個のプリズム１３２、１３３を組み合わせて、プリズム１３２のレーザ光軸に垂直な面にHR膜１３４をコーティングする。このＨＲ膜１３４がリアミラーの役割を果たす。なお、プリズム１３３のレーザ光軸に垂直な面にはＡＲ（Anti Reflection）膜１３５をコーティングしておく。プリズム１３２、１３３の斜面にｓ偏光高反射膜１３６を付けると、プリズム１３２、１３３を透過することによって、ｓ偏光が減少することになる。

MOPAシステムの場合は、ＰＡチャンバ内の増幅領域を１パスもしくはプリズムやミラーで折り返されて２パス通過する。このときに、ウィンドウ表面に、実施例６と同様にｐｓ分離膜を付けることによって、ｓ偏光成分を減少させることができる。

図２０は、MOPAシステムのＰＡレーザチャンバのウィンドウにもｐｓ分離膜をつける実施例を説明するための概念図である。

図２０において、ＰＡレーザチャンバ１４０の両端部に配置されたリアウィンドウ１４１ａとフロントウィンドウ１４１ｂには、図示するように、その片面にｓ偏光高反射膜１４２、１４３がそれぞれ形成されている。また、本実施例では、リア側に偏光子１４４が設けられている。
なお、ウィンドウ以外の光軸上にさらに偏光子を挿入しても良いし、なくてもよい。また、ウィンドウの両面にｐｓ分離膜をコーティングしても良い。

また前述したように、CaF2内で複屈折が発生しないようにCaF2内のレーザビームの進行方向とCaF2結晶の＜１１１＞軸方向が同軸になるように配置すると良い。また、ウィンドウにおけるエネルギー密度を減少させるために、ウィンドウの設置角をブリュースタ角以上に大きくすると、ウィンドウで発生する熱応力が減少するので、複屈折量も小さくなりなお良い。

図２１は、AMPレーザを反射型のレーザ共振器構成にした場合の実施例を説明するための概念図である。

図２１において、ＡＭＰレーザチャンバ１５０で増幅され出てきたレーザ光をｓ偏光高反射膜１５１で一回反射し、その先にある反射ミラー１５２ａで垂直に反射させ、もとの光軸に戻す。このｓ偏光は、図示するチャンバウィンドウ上ではｐ偏光となる。このような構成の場合、ｓ偏光高反射膜上でのｐ偏光は透過して光軸から外れてしまうため、完全にｓ偏光のみを共振させることができる。

図２２はAMPレーザ３の後のレーザ光軸上に偏光子を入れた実施例の図である。

実施例１〜３、５〜９、１１ではAMPレーザの共振器内に偏光子が設けられるが、本実施例ではAMPレーザの共振器外に偏光子が設けられる。偏光子１６１はAMPレーザ３から出力されるレーザ光の光軸上に設けられる。本実施形態を実施例１〜３、５〜９、１１と組み合わせても良い。

ＡＭＰレーザチャンバのウィンドウ自体はブリュースター角で取り付けられているので、それ自身偏光子であるといえる。しかしウィンドウでのｓ偏光反射率は１５％程度でしかないので、ｓ偏光の８５％程度は透過する。そのためｓ偏光成分を抑えるのにウィンドウだけでは不十分である。またＡＭＰレーザチャンバのウィンドウには、ＡＭＰレーザチャンバへの取り付けによる応力とＡＭＰレーザチャンバ内部のガス圧力による応力がかかる。これらの応力によっても複屈折が発生する。一方、ＡＭＰレーザチャンバの外部に設けられる図１１〜１５図に示すような偏光子はそれらに起因する複屈折は発生しないので、有効である。

図１１で示す偏光子のｐ偏光選択率Ｓp及びｓ偏光選択率Ｓsは、ｓ偏光の透過率をＴs、ｐ偏光の透過率をＴpとすると、
Ｓp＝Ｔp ／（Ｔp＋Ｔs）
Ｓs＝Ｔs ／（Ｔp＋Ｔs）
で表される。Ｔp／Ｔsが大きい値であるほどｐ偏光が選択され透過する。すなわち高い純度のｐ偏光を得ることができる。

ｐｓ分離膜９２としては、例えばＭｇＦ2薄膜とＬａＦ3薄膜が交互に積層される誘電体多層膜が望ましい。誘電体多層膜によれば、各膜厚と層数によってｐ偏光選択率Ｓpを制御することができる。

例えば、消光比がＴp：Ｔs＝５００：１なる偏光子を用いれば、ＡＭＰレーザ３から出射される光のｐ偏光純度がウィンドウ１ａ、１ｂの複屈折などの発生により５０％に悪化しても、９９．８％以上のｐ偏光純度に改善できる。

偏光子の個数は、必要とされるｐ偏光純度の値とＡＭＰレーザ３から出射される光のｐ偏光純度の最悪値および偏光子５１のｐ偏光選択率Ｓpによって決めるのが望ましい。

またｓ偏光は反射されて失われるので、一定のレーザ出力を得るためにはＡＭＰレーザ３の出力を上昇させｓ偏光の損失分を補うことが必要である。また反射されたｓ偏光が余計な迷光とならないように吸収（ダンプ）することが望ましい。

図２３はAMPレーザ３の後のレーザ光軸上にBEXプリズムを入れた実施例の図である。

本実施例は実施例１２の偏光子１６１を偏光BEX１７０に置き換えたものである。偏光BEX１７０は一以上のプリズムを有する。図２３には二つのプリズム１７１、１７２が組み合わされた形態が示されている。プリズム１７１、１７２の斜面にはＳＰ分離膜１７３、１７４がコーティングされる。また斜面以外の光路となる面にはＡＲ膜がコーティングされるとよい。プリズム１７１は、ＡＭＰレーザ３からのレーザ光が自身の斜面に入射するように配置され、プリズム１７２は、プリズム１７１からのレーザ光が自身の斜面に入射するように配置される。

以上実施例について説明してきたように、本発明によれば、特に液浸露光装置の光源として有用な２ステージレーザシステムにおいて、偏光純度を高め（たとえば９９％以上）、かつ安定化させる高エネルギーのレーザビームを出力できる。

なお、上記実施例においては、２ステージシステムのレーザ装置を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、レーザ光を出力する発振段レーザと、前段のレーザから出力されたレーザ光を増幅して出力する１個以上の増幅段レーザで構成される多段増幅型レーザシステムに適用することができる。

本発明の多段増幅型レーザシステムは、半導体露光装置等に於ける、安定した大出力レーザ光源として利用することができる。

複屈折物質で形成されたCaF2ウィンドウを通過するときの偏光の変化を説明する図である。 偏光子がレーザ共振器内に無い場合を説明するための図である。 偏光子がレーザ共振器内に無い場合をさらに説明するための図である。 本発明によるレーザ装置の原理を説明するための模式図である。 本発明によるレーザ装置の原理をさらに説明するための模式図である。 ２ステージレーザシステム（ＩＬ方式）のAMPレーザに設けたレーザ共振器内に２個の偏光子を入れた図である。 ２ステージレーザシステム（ＩＬ方式）においてOSCレーザ３１にも偏光子１０をいれた実施例の図である。 OSCレーザ３０とAMPレーザ３のレーザ光路上に偏光子を入れた実施例の図である。 ２ステージシステムのMOPA方式レーザ装置においてＰＡレーザ側に偏光子を配置した実施例を説明するための図である。 ＯＳＣレーザ１０とリング増幅器を用いた実施例の図である。 偏光子の一具体例を示す図である。 偏光子の一具体例を示す図である。 偏光子の一具体例を示す図である。 偏光子の一具体例を示す図である。 偏光子の一具体例を示す図である。 チャンバウィンドウにｐｓ分離膜をつける実施例の図である。 レーザ共振器内にBEX（Beam Expander）フロントミラーを設置した実施例の図である。 狭いスペースを有するＭＯＰＯシステムにおいて偏光子を取り付ける実施例の図である。 ＡＭＰレーザチャンバのリア側に配置したプリズムHRミラーにｓｐ分離膜をつけた実施例の図である。 MOPAシステムのＰＡレーザチャンバのウィンドウにｐｓ分離膜をつけた実施例の図である。 AMPレーザを反射型のレーザ共振器構成にした場合の実施例の図である。 AMPレーザ３の後のレーザ光軸上に偏光子を入れた実施例の図である。 AMPレーザ３の後のレーザ光軸上にBEXプリズムを入れた実施例の図である。

符号の説明

１ ＣａＦ2材料のウィンドウ
１ａ、１ｂ ウィンドウ
３ ＡＭＰレーザ
４ ＡＭＰレーザチャンバ
５ レーザ共振器
６ リアミラー
７ フロントミラー
１０ａ、１０ｂ 偏光子
３０ ＯＳＣレーザ
３１ ＯＳＣレーザチャンバ
３２ 狭帯域化モジュール
３３ フロントミラー
３５ａ ミラー
４０ ＭＯレーザ
５０ ＰＡレーザ
７０ リング増幅器
１０２ａ、１０２ｂ ウィンドウ
１０３ ｓ偏光高反射膜
１１１ ビームエキスパンダフロントミラー
１１４ ＰＲ膜
１５２ 反射ミラー

Claims (7)

1. レーザ光を出力する発振段と、
   前段から出力されたレーザ光を増幅して出力する一以上の増幅段と、
   少なくとも一つの前記増幅段のレーザ光軸上又は前記増幅段以降のレーザ光軸上に設けられ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光子と、
   を備えた多段増幅型レーザシステム。
2. 前記増幅段のレーザ光出力側に前記偏光子を備えた請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
3. 前記増幅段は、レーザガスを封入する増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバを介して互いに対峙する二つの部分透過鏡からなる増幅段光共振器と、を少なくとも有し、前記増幅段光共振器の間に一以上の前記偏光子を備えた請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
4. 前記発振段は、レーザガスを封入する発振段レーザチャンバと、前記レーザチャンバを介して互いに対峙する狭帯域化モジュール及び部分透過鏡からなる発振段光共振器と、を少なくとも有し、前記発振段光共振器の間に前記偏光子とは異なる偏光子をさらに備えた請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
5. 前記発振段と前記増幅段との間のレーザ光軸上に前記偏光子とは異なる偏光子をさらに備えた請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
6. レーザガスを封入する発振段チャンバを有し、前記発振段チャンバ内からレーザ光を出力する発振段と、
   レーザガスを封入する増幅段チャンバを有し、前段から出力されたレーザ光を前記増幅段チャンバ内で増幅して出力する一以上の増幅段と、
   前記増幅段チャンバに設けられたレーザ光入出力用のウィンドウにコーティングされ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光膜と、
   を備えた多段増幅型レーザシステム。
7. レーザガスを封入する発振段チャンバを有し、前記発振段チャンバ内からレーザ光を出力する発振段と、
   レーザガスを封入する増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバを介して互いに対峙する部分透過鏡及び一以上の拡大プリズムと、を有し、前段のレーザから出力されたレーザ光を前記増幅段チャンバ内で増幅して出力する一以上の増幅段と、
   前記拡大プリズムの斜面にコーティングされ、レーザ光に含まれ互いに直交する二つの直線偏波状態の成分のうちの一方を高反射率で反射し、他方を高透過率で透過する偏光膜と、
   を備えた多段増幅型レーザシステム。

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