JP2007027624A - ２ステージ狭帯域化レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 分布特性が良好な領域のみ増幅段ゲイン領域に入射させることにより、２ステージ狭帯域化レーザ装置のスペクトル性能を大幅に向上させること。
【解決手段】 発振段レーザ１からのレーザビームは、伝播ミラー４ａ、ビーム整形ユニット５、伝播ミラー４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれ注入される。ビーム整形ユニット５は、増幅段レーザ２のゲイン領域に入射する発振段レーザ１から出射するビームのスペクトル特性が良好となるように、発振段レーザ１から増幅段レーザ２に注入されるレーザビームを整形する。ビーム整形ユニット５としては、例えばビーム切り出しやビーム拡大手段あるいはビーム光軸調整手段などを用いることができる。必要に応じて増幅後のスペクトル性能、スペクトル幅の分布情報を適宜診断してそれに応じてビーム整形の状態を調整してもいい。
【選択図】 図１
【解決手段】 発振段レーザ１からのレーザビームは、伝播ミラー４ａ、ビーム整形ユニット５、伝播ミラー４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれ注入される。ビーム整形ユニット５は、増幅段レーザ２のゲイン領域に入射する発振段レーザ１から出射するビームのスペクトル特性が良好となるように、発振段レーザ１から増幅段レーザ２に注入されるレーザビームを整形する。ビーム整形ユニット５としては、例えばビーム切り出しやビーム拡大手段あるいはビーム光軸調整手段などを用いることができる。必要に応じて増幅後のスペクトル性能、スペクトル幅の分布情報を適宜診断してそれに応じてビーム整形の状態を調整してもいい。
【選択図】 図１
Description
本発明は発振段と増幅段を有する２ステージ狭帯域化レーザ装置に関し、特に、スペクトル性能を大幅に向上させることができる２ステージ狭帯域化レーザ装置に関するものである。
近年、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいては、露光機のスループット向上および均一な超微細加工実現のため、高出力化と超狭帯域化が同時に要求され続けている。
超狭帯域化と高パルスエネルギーと両要請を同時に満足させるため、２台のレーザを用いた同期レーザ装置（以下では、２ステージレーザ装置という）が、例えば、特許文献１等で提案されている。
１台目の発振段レーザは低パルスエネルギーながら超狭帯域化スペクトルをもつ。２台目の増幅段レーザにおいて、発振段レーザの超狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。この方法は２台目の増幅段レーザにＬＮＭなどの光学的ロスを含まないため、非常にレーザ発振効率が高い。この２ステージレーザ装置により所望の超狭帯域化スペクトル、高出力を得ることが可能となる。
超狭帯域化と高パルスエネルギーと両要請を同時に満足させるため、２台のレーザを用いた同期レーザ装置（以下では、２ステージレーザ装置という）が、例えば、特許文献１等で提案されている。
１台目の発振段レーザは低パルスエネルギーながら超狭帯域化スペクトルをもつ。２台目の増幅段レーザにおいて、発振段レーザの超狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。この方法は２台目の増幅段レーザにＬＮＭなどの光学的ロスを含まないため、非常にレーザ発振効率が高い。この２ステージレーザ装置により所望の超狭帯域化スペクトル、高出力を得ることが可能となる。
上記した２ステージレーザ装置の形態としてはアンプ側に共振器ミラーを設けないＭＯＰＡ方式と共振器ミラーを設けるＭＯＰＯ方式とに大別される。
本発明の前提となる２ステージレーザ装置の構成例を図２９に示す。なお、図２９はＭＯＰＯ方式のレーザ装置に構成を示すが、ＭＯＰＡ方式の場合は、増幅段レーザの構成が例えば、図３０に示すようになり、発振段レーザには例えば、図２９に示す発振段レーザと同様のものが用いられる。
本発明の前提となる２ステージレーザ装置の構成例を図２９に示す。なお、図２９はＭＯＰＯ方式のレーザ装置に構成を示すが、ＭＯＰＡ方式の場合は、増幅段レーザの構成が例えば、図３０に示すようになり、発振段レーザには例えば、図２９に示す発振段レーザと同様のものが用いられる。
発振段レーザ（ＯＳＣ）１から放出されるレーザビームは２ステージレーザ装置のシードレーザビーム（種レーザビーム）としての機能を有する。増幅段レーザ（ＡＭＰ）２はそのシードレーザ光を増幅する機能を有する。すなわち、発振段レーザ１のスペクトル特性によりレーザ装置の全体のスペクトル特性が決定される。そして、増幅段レーザ２によってレーザ装置からのレーザ出力（エネルギーまたはパワー）が決定される。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２は各々レーザチャンバ１ａ，２ａを有し、レーザチャンバ１ａ，２ａの内部にはレーザガス供給ユニットから供給されたレーザガスが満たされており、内部には対向し、かつ所定距離だけ離間した一対の電極１ｂ，２ｂが設置される。
２ステージレーザ装置がフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置のとき、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。２ステージレーザ装置がＫｒＦレーザ装置のときには、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、クリプトン（Ｋｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。
さらに、２ステージレーザ装置がＡｒＦレーザ装置のときには、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、アルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２は各々レーザチャンバ１ａ，２ａを有し、レーザチャンバ１ａ，２ａの内部にはレーザガス供給ユニットから供給されたレーザガスが満たされており、内部には対向し、かつ所定距離だけ離間した一対の電極１ｂ，２ｂが設置される。
２ステージレーザ装置がフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置のとき、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。２ステージレーザ装置がＫｒＦレーザ装置のときには、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、クリプトン（Ｋｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。
さらに、２ステージレーザ装置がＡｒＦレーザ装置のときには、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａには、アルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。
発振段レーザ１と増幅段レーザ２ともにレーザチャンバ１ａ，２ａは内部に放電部を有している。放電部は紙面と平行方向に上下に設置されている一対のカソード、アノード電極１ｂ，２ｂからなる。これらの一対の電極１ｂ，２ｂに電源１ｃ，２ｃから高電圧パルスが印加されることにより、電極１ｂ，２ｂ間で放電が発生する。
また、発振段レーザ１と増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａ内に設置された一対の電極１ｂ，２ｂの光軸延長上両端に、ＣａＦ2 等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウィンドウ部材（図示せず）がそれぞれ設置されている。ここでは両ウィンドウ部材のチャンバと反対側の面は互いに平行にそして、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースタ角で設置されている。また、レーザ光のＰ偏光成分が図の紙面に対して垂直になるよう、ウィンドウは設置されている。
チャンバ１ａ，２ａ内には、図示されないクロスフローファンが設置されており、レーザガスをチャンバ１ａ，２ａ内で循環させ、放電部にレーザガスを送り込んでいる。また、チャンバ１ａ，２ａ内には、レーザガスの温度調節をするための熱交換器（図示せず）が設けられている。
また、発振段レーザ１と増幅段レーザ２ともにチャンバ１ａ，２ａ内に設置された一対の電極１ｂ，２ｂの光軸延長上両端に、ＣａＦ2 等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウィンドウ部材（図示せず）がそれぞれ設置されている。ここでは両ウィンドウ部材のチャンバと反対側の面は互いに平行にそして、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースタ角で設置されている。また、レーザ光のＰ偏光成分が図の紙面に対して垂直になるよう、ウィンドウは設置されている。
チャンバ１ａ，２ａ内には、図示されないクロスフローファンが設置されており、レーザガスをチャンバ１ａ，２ａ内で循環させ、放電部にレーザガスを送り込んでいる。また、チャンバ１ａ，２ａ内には、レーザガスの温度調節をするための熱交換器（図示せず）が設けられている。
また、発振段レーザ１、増幅段レーザ２ともに、チャンバへＦ2 ガス、バッファーガスを供給するＦ2 ガス供給系、希ガス供給系、バッファーガス供給系、および、チャンバ内のレーザガスを排気するガス排気系が設けられている。図２９ではこれらをまとめて“ガス供給排気用制御バルブ１６ａ”及び“ガス供給排気用制御バルブ１６ｂ”として図示している。
チャンバ内ガス圧力は圧力センサＰ１，Ｐ２によってモニタされ、ガス圧力情報はユーティリティコントローラ２４へ送られる。そして、ユーティリティコントローラ２４がガス供給配給制御バルブ１６ａ，１６ｂを制御し、発振段チャンバ１ａ並びに増幅段チャンバ２ａ内ガス組成、ガス圧力が夫々制御される。
チャンバ内ガス圧力は圧力センサＰ１，Ｐ２によってモニタされ、ガス圧力情報はユーティリティコントローラ２４へ送られる。そして、ユーティリティコントローラ２４がガス供給配給制御バルブ１６ａ，１６ｂを制御し、発振段チャンバ１ａ並びに増幅段チャンバ２ａ内ガス組成、ガス圧力が夫々制御される。
発振段レーザ１は拡大プリズムとグレーティング（回折格子）によって構成された狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３を有し、この狭帯域化モジュール３内の光学素子とフロントミラー（ＯＣ）１ｆとでレーザ共振器を構成する。または図示していないが拡大プリズム、グレーティングの代わりにエタロンと全反射ミラーを用いた狭帯域化モジュールを用いてもよい。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２から放出されたレーザ光の一部は図示されていないビームスプリッタによって分岐され、モニターモジュール１５ａ，１５ｂに導光される。モニターモジュール１５ａ，１５ｂは夫々発振段レーザ１、増幅段レーザ２の出力、線幅そして中心波長等のレーザビーム特性をモニタする。
モニターモジュール１５ａ又は１５ｂからの中心波長の信号は波長コントローラ２３に送られる。そして、波長コントローラ２３はドライバ１８により狭帯域化モジュール３内の光学素子を駆動させて、波長を選択して発振段レーザ１の中心波長が所望の波長になるよう波長制御する。
なお、上記した波長制御を、増幅段レーザ２から放出されるレーザ光の一部が導光されるモニターモジュール１５ｂからの波長情報に基き、発振段レーザ１から放出されるレーザ光の波長が所定の波長となるように波長コントローラからドライバ１８に指令を出して行うことも可能である。
モニターモジュール１５ａ，１５ｂからのレーザ出力信号はエネルギーコントローラ２２へ送られる。そして、同期コントローラ２１を経由し印加電圧が制御され、発振段レーザ１、増幅段レーザ２の出力光エネルギーが所望の値になるよう制御される。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２から放出されたレーザ光の一部は図示されていないビームスプリッタによって分岐され、モニターモジュール１５ａ，１５ｂに導光される。モニターモジュール１５ａ，１５ｂは夫々発振段レーザ１、増幅段レーザ２の出力、線幅そして中心波長等のレーザビーム特性をモニタする。
モニターモジュール１５ａ又は１５ｂからの中心波長の信号は波長コントローラ２３に送られる。そして、波長コントローラ２３はドライバ１８により狭帯域化モジュール３内の光学素子を駆動させて、波長を選択して発振段レーザ１の中心波長が所望の波長になるよう波長制御する。
なお、上記した波長制御を、増幅段レーザ２から放出されるレーザ光の一部が導光されるモニターモジュール１５ｂからの波長情報に基き、発振段レーザ１から放出されるレーザ光の波長が所定の波長となるように波長コントローラからドライバ１８に指令を出して行うことも可能である。
モニターモジュール１５ａ，１５ｂからのレーザ出力信号はエネルギーコントローラ２２へ送られる。そして、同期コントローラ２１を経由し印加電圧が制御され、発振段レーザ１、増幅段レーザ２の出力光エネルギーが所望の値になるよう制御される。
発振段レーザ１からのレーザビーム（シードレーザビーム）はモニターモジュール１５ａを通過した後、光軸調整等を行うために設けられた反射ミラー等を含むビーム伝播系１７により増幅段レーザ２へ導かれ、注入される。
ＭＯＰＯ方式では、小入力でも増幅できるように、増幅段レーザ２には、例えば倍率が３倍以上の増幅段出力ミラー２ｆと増幅段リア側ミラー２ｅとで構成された不安定型共振器が採用される。
ＭＯＰＯ方式における増幅段レーザの不安定共振器のリア側ミラー２ｅには穴が開いており、この穴を通過したレーザが上図の矢印のように反射し、また注入されたシードレーザビームは拡大し、放電部を有効に通過し、レーザビームのパワーが増大する。そして、増幅段出力ミラー２ｆよりレーザが出射される。
凹面ミラー２ｅに中心部には空間的穴が施してあり、周囲にはＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施されている。凸面ミラー２ｆの中心部にはＨＲコートが施され、周囲のレーザ出射部にはＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施されてある。
凸面ミラー２ｆの穴は空間的に開いているのではなく、穴部のみＡＲコートが施されたミラー基板を用いてもよい。また、ミラーに透過部を持たせない不安定共振器を用いてもよい。
ＭＯＰＯ方式では、小入力でも増幅できるように、増幅段レーザ２には、例えば倍率が３倍以上の増幅段出力ミラー２ｆと増幅段リア側ミラー２ｅとで構成された不安定型共振器が採用される。
ＭＯＰＯ方式における増幅段レーザの不安定共振器のリア側ミラー２ｅには穴が開いており、この穴を通過したレーザが上図の矢印のように反射し、また注入されたシードレーザビームは拡大し、放電部を有効に通過し、レーザビームのパワーが増大する。そして、増幅段出力ミラー２ｆよりレーザが出射される。
凹面ミラー２ｅに中心部には空間的穴が施してあり、周囲にはＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施されている。凸面ミラー２ｆの中心部にはＨＲコートが施され、周囲のレーザ出射部にはＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施されてある。
凸面ミラー２ｆの穴は空間的に開いているのではなく、穴部のみＡＲコートが施されたミラー基板を用いてもよい。また、ミラーに透過部を持たせない不安定共振器を用いてもよい。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２の各一対の電極１ｂ，２ｂには、それぞれ、スイッチ１２ａ−磁気パルス圧縮回路（ＭＰＣ）１３ａによって構成された電源１ｃおよびスイッチ１２ｂ−磁気パルス圧縮回路（ＭＰＣ）１３ｂによって構成された電源２ｃが接続されている。
そして、電源１ｃ，２ｃより高電圧パルスが印加され、上記電極１ｂ，２ｂ間で放電が生じる。この放電により、レーザチャンバ１ａ，２ａ内に充填されたレーザガスが励起される。
図２９の場合には、電源１ｃ、２ｃは一台の充電器１１によって充電されるが、電源１ｃ、２ｃにそれぞれの充電器を設けてもよい。
また、磁気パルス圧縮回路１３ａ，１３ｂ内の温度は、温度センサＴ１，Ｔ２によりモニタされ、信号は同期コントローラ２１に送られる。
電源１ｃ，２ｃにおいて、充電器１１によりコンデンサが充電される。コンデンサに充電されたエネルギーは、スイッチ１２ａ，１２ｂがＯＮ状態になると、電圧パルスとして磁気パルス圧縮回路１３ａ，１３ｂに転送され、パルス圧縮され、上記した一対の電極１ｂ，２ｂに印加される。
そして、電源１ｃ，２ｃより高電圧パルスが印加され、上記電極１ｂ，２ｂ間で放電が生じる。この放電により、レーザチャンバ１ａ，２ａ内に充填されたレーザガスが励起される。
図２９の場合には、電源１ｃ、２ｃは一台の充電器１１によって充電されるが、電源１ｃ、２ｃにそれぞれの充電器を設けてもよい。
また、磁気パルス圧縮回路１３ａ，１３ｂ内の温度は、温度センサＴ１，Ｔ２によりモニタされ、信号は同期コントローラ２１に送られる。
電源１ｃ，２ｃにおいて、充電器１１によりコンデンサが充電される。コンデンサに充電されたエネルギーは、スイッチ１２ａ，１２ｂがＯＮ状態になると、電圧パルスとして磁気パルス圧縮回路１３ａ，１３ｂに転送され、パルス圧縮され、上記した一対の電極１ｂ，２ｂに印加される。
上記スイッチ１２ａ，１２ｂのＯＮ，ＯＦＦは、同期コントローラ２１からの動作指令（トリガ信号）によってなされる。
同期コントローラ２１は、発振段レーザ１から放出されるレーザビームが増幅段レーザ２に注入されるタイミングで増幅段レーザ２において放電が発生するように、スイッチ１２ａ−磁気パルス圧縮回路１３ａによって構成された電源１ｃそしてスイッチ１２ｂ−磁気パルス圧縮回路１３ｂによって構成された電源２ｃにトリガ信号を送出する。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２の放電のタイミングがずれると、発振段レーザ２から放出されるレーザビームは効率よく増幅されない。同期コントローラ２１は、光・放電検出器１４ａ，１４ｂからの発振段レーザ１および増幅段レーザ２の放電開始の情報、そしてエネルギーコントローラ２２からのレーザ出力情報を基に、発振段レーザ１の電源１ｃに送出するトリガ信号と増幅段レーザ２の電源２ｃに送出するトリガ信号との間の遅延時間を設定する。
同期コントローラ２１は、発振段レーザ１から放出されるレーザビームが増幅段レーザ２に注入されるタイミングで増幅段レーザ２において放電が発生するように、スイッチ１２ａ−磁気パルス圧縮回路１３ａによって構成された電源１ｃそしてスイッチ１２ｂ−磁気パルス圧縮回路１３ｂによって構成された電源２ｃにトリガ信号を送出する。
発振段レーザ１、増幅段レーザ２の放電のタイミングがずれると、発振段レーザ２から放出されるレーザビームは効率よく増幅されない。同期コントローラ２１は、光・放電検出器１４ａ，１４ｂからの発振段レーザ１および増幅段レーザ２の放電開始の情報、そしてエネルギーコントローラ２２からのレーザ出力情報を基に、発振段レーザ１の電源１ｃに送出するトリガ信号と増幅段レーザ２の電源２ｃに送出するトリガ信号との間の遅延時間を設定する。
ユーティリティーコントローラ２４、エネルギーコントローラ２２そして波長コントローラ２３はメインコントローラ２６と接続されている。また、メインコントローラ２６はインターフェース２７を介して露光装置２８と接続している。
メインコントローラ２６は露光装置２８から指令に従い、各コントローラに制御分担を振り分け、その指令によって各コントローラは分担する制御を行う。
なお、図２９では、ＭＯＰＯ方式の増幅段レーザ２のレーザ共振器が不安定共振器である場合を示したが、安定共振器であってもよい。
また、ＭＯＰＡ方式は、光が増幅段レーザを通過する回数は１回であるが、これに限るものではない。例えば、折り返しミラーを設けて、増幅段レーザを複数回通過させてもよい。このように構成することにより、より高い出力のレーザ光を取り出すことが可能となる
メインコントローラ２６は露光装置２８から指令に従い、各コントローラに制御分担を振り分け、その指令によって各コントローラは分担する制御を行う。
なお、図２９では、ＭＯＰＯ方式の増幅段レーザ２のレーザ共振器が不安定共振器である場合を示したが、安定共振器であってもよい。
また、ＭＯＰＡ方式は、光が増幅段レーザを通過する回数は１回であるが、これに限るものではない。例えば、折り返しミラーを設けて、増幅段レーザを複数回通過させてもよい。このように構成することにより、より高い出力のレーザ光を取り出すことが可能となる
ところで、一般的に露光用エキシマレーザから放出されるレーザビームのビームプロファイルは、例えば、縦１５ｍｍ×横３ｍｍ程度の縦長の長方形である。このビーム形状（ビームプロファイル）は電極間隔、放電幅、光路上に配置される図示を省略したスリット、レーザ共振器構成等により決定される。
長方形ビームプロファイル断面におけるスペクトル空間分布は、放電空間、レーザ共振器内光学素子が光軸に垂直なビーム断面において均一性を保った理想的な場合、スペクトル幅は略均一、波長は略一方向に連続性をもった分布となる。
近年の高繰り返しエキシマレーザおよびフッ素分子レーザにおいては、繰り返し周波数として４ｋＨｚ以上が求められ、そのパルス間隔は２５０μs 以下と非常に短くなっている。そのため、放電時に発生した衝撃波が次、あるいは次以降の放電パルスまで音響波として放電空間に残存し、レーザガス密度の疎密を形成する。
長方形ビームプロファイル断面におけるスペクトル空間分布は、放電空間、レーザ共振器内光学素子が光軸に垂直なビーム断面において均一性を保った理想的な場合、スペクトル幅は略均一、波長は略一方向に連続性をもった分布となる。
近年の高繰り返しエキシマレーザおよびフッ素分子レーザにおいては、繰り返し周波数として４ｋＨｚ以上が求められ、そのパルス間隔は２５０μs 以下と非常に短くなっている。そのため、放電時に発生した衝撃波が次、あるいは次以降の放電パルスまで音響波として放電空間に残存し、レーザガス密度の疎密を形成する。
音響波が完全に減衰する以前に、放電空間に大きな密度疎密を持つタイミング（特定の繰り返し周波数) でレーザ発振すると、レーザビームのビームプロファイルはきれいな長方形を保たず、歪んだ凹凸のあるビームとなることが多い。
このような音響波の影響は、繰り返し周波数が高くなるほど顕著に、不連続に観測されるようになる。音響波の影響によるビームプロファイルの歪みは、同じ繰り返し周波数においては再現性があるが、繰り返し周波数が変化すると歪む位置及び歪みの強度も異なる。
そのとき得られるスペクトル幅は通常のスペクトルよりかなり大きな広がりを持ち、露光性能を悪化させる。また、他のレーザパラメータであるスペクトル中心値、エネルギー、エネルギー安定度等も悪化することがある。
そのため、例えば、特許文献２に記載されているように音響波を分散減衰させるバッフルを用いたり、特許文献３に記載されているように吸収減衰させる吸収剤等を用い対策を行っている。
しかしながら、レーザ光の波面の歪みは、音響波以外の他の因子によっても引き起こされる可能性がある。たとえば共振器内光学素子であるレーザチャンバーが具えるチャンバーウィンドウ、狭帯域化光学系を構成するプリズムやグレーティング、レーザ共振器を構成する出力鏡といった光学部品の歪み、また、例えば、狭帯域化光学系を収容する箱内に導入されるパージガス、レーザチャンバー内ガス温度による雰囲気の揺らぎ、放電による光学波面の歪み等による急激な屈折率変化によってである。
このような、音響波以外の他の因子によっても引き起こされるレーザ光の波面の歪みは、前記した特許文献３，特許文献４に記載されるように手法では除去することができない。
そこで、本出願人は、先にレーザ波面のゆがんでいないビーム品質のよいビーム部分を切り出して増幅段レーザに注入するようにした２ステージレーザ装置を提案した（特許文献４）。
このような音響波の影響は、繰り返し周波数が高くなるほど顕著に、不連続に観測されるようになる。音響波の影響によるビームプロファイルの歪みは、同じ繰り返し周波数においては再現性があるが、繰り返し周波数が変化すると歪む位置及び歪みの強度も異なる。
そのとき得られるスペクトル幅は通常のスペクトルよりかなり大きな広がりを持ち、露光性能を悪化させる。また、他のレーザパラメータであるスペクトル中心値、エネルギー、エネルギー安定度等も悪化することがある。
そのため、例えば、特許文献２に記載されているように音響波を分散減衰させるバッフルを用いたり、特許文献３に記載されているように吸収減衰させる吸収剤等を用い対策を行っている。
しかしながら、レーザ光の波面の歪みは、音響波以外の他の因子によっても引き起こされる可能性がある。たとえば共振器内光学素子であるレーザチャンバーが具えるチャンバーウィンドウ、狭帯域化光学系を構成するプリズムやグレーティング、レーザ共振器を構成する出力鏡といった光学部品の歪み、また、例えば、狭帯域化光学系を収容する箱内に導入されるパージガス、レーザチャンバー内ガス温度による雰囲気の揺らぎ、放電による光学波面の歪み等による急激な屈折率変化によってである。
このような、音響波以外の他の因子によっても引き起こされるレーザ光の波面の歪みは、前記した特許文献３，特許文献４に記載されるように手法では除去することができない。
そこで、本出願人は、先にレーザ波面のゆがんでいないビーム品質のよいビーム部分を切り出して増幅段レーザに注入するようにした２ステージレーザ装置を提案した（特許文献４）。
一方、上記のように狭帯域化モジュールを設けても、放射されるレーザのバンド幅が比較的広がる傾向がある。
このため、この種のレーザを搭載した投影露光装置は、投影レンズの色収差を抑制するのに充分なバンド幅のレーザ光を得ることができない場合が生じたり、レーザ光のバンド幅の変化により投影レンズ系で色収差が発生したりするなど、安定性にかけるといった問題が生じていた。
上記問題点を解決するため、例えば、特許文献５では、絞りにより回折格子の格子線方向と直交する方向に関してビームを絞ることによってバンド幅の変化を補正するようにした露光装置が提案されている。
特開２００２−１５１７７６号公報
特開２００１−３０８４１９号公報
特許３２５３９３０号公報
特開２００４−３１１７６６号公報
特開平４−２１１１０８号公報
このため、この種のレーザを搭載した投影露光装置は、投影レンズの色収差を抑制するのに充分なバンド幅のレーザ光を得ることができない場合が生じたり、レーザ光のバンド幅の変化により投影レンズ系で色収差が発生したりするなど、安定性にかけるといった問題が生じていた。
上記問題点を解決するため、例えば、特許文献５では、絞りにより回折格子の格子線方向と直交する方向に関してビームを絞ることによってバンド幅の変化を補正するようにした露光装置が提案されている。
図３１に前記した２ステージ狭帯域化レーザ装置の概略構成を示す。前記したように、発振段レーザ１、増幅段レーザ２は各々レーザチャンバー１ａ，２ａを有し、内部にはレーザガスが満たされており、内部には一対の電極１ｂ，２ｂが設置され、チャンバ１ａ，２ａ内に設置された一対の電極１ｂ，２ｂの光軸延長上両端にウィンドウ部材１ｄ，２ｄがそれぞれ設置されている。
また、発振段レーザ１はレーザチャンバー１ａを挟んで各々配置される部分反射ミラーであるフロントミラー１ｆと、拡大プリズム３ｂと回折格子３ａによって構成された狭帯域化モジュール３を有し、発振段レーザ１からのレーザビームは、反射ミラーからなる伝播ミラー４ａ，４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれ注入される。
増幅段レーザ２は、レーザチャンバー２ａを挟んで各々配置される、部分反射ミラーであるフロントミラー２ｆとリアミラー２ｅとからなるレーザ共振器を有し、リアミラー２ｅを介して注入されたレーザビームは、放電部を通過しレーザビームのパワーが増大し、フロントミラー２ｆよりレーザが出射する。
また、発振段レーザ１はレーザチャンバー１ａを挟んで各々配置される部分反射ミラーであるフロントミラー１ｆと、拡大プリズム３ｂと回折格子３ａによって構成された狭帯域化モジュール３を有し、発振段レーザ１からのレーザビームは、反射ミラーからなる伝播ミラー４ａ，４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれ注入される。
増幅段レーザ２は、レーザチャンバー２ａを挟んで各々配置される、部分反射ミラーであるフロントミラー２ｆとリアミラー２ｅとからなるレーザ共振器を有し、リアミラー２ｅを介して注入されたレーザビームは、放電部を通過しレーザビームのパワーが増大し、フロントミラー２ｆよりレーザが出射する。
上記構成の２ステージ狭帯域化レーザ装置において、本発明者らは発振段レーザビームのスペクトル性能分布を詳細に測定した。その結果、音響波対策を施し、あるいは低繰り返し状態であって音響波によるチャンバ放電波面のゆがみやレーザ発振に伴う光学素子の波面のゆがみといったスペクトル性能への擾乱がない状態においても、本来波長分布がないはずの回折格子の格子線方向と平行する方向において、ビーム内で波長が変化する場合があることを発見した。
また各部位におけるスペクトル幅もビームの部位で異なっており、十分細い領域と太い領域とがあることを発見した。
図３２は後ほど説明を行う「スペクトル分布モニタ」で計測を行ったスペクトル分布を、中心波長分布、スペクトル幅分布、光量分布の各々に着眼して図示したものである。同図（ａ）は中心波長分布、（ｂ）はスペクトル幅分布、（ｃ）は光量分布を示している。横軸はレーザビーム断面の横方向（ｍｍ）、縦軸はレーザビーム断面の縦方向（ｍｍ）であり、いずれも横方向が回折格子の格子線方向と直交する方向で、縦方向が回折格子の格子線方向と平行方向となっている。
図３３（ａ）はスペクトル形状を示し、同図（ｂ）はレーザビーム断面における中心波長の等高線と増幅段レーザのゲイン領域を示す。
上記のようなビーム内での波長シフトがあると、図３３に示すように、ビーム全体で積分されたスペクトル幅が太くなり所定のスペクトル幅を上回ってしまう事態が発生してしまう。
また各部位におけるスペクトル幅もビームの部位で異なっており、十分細い領域と太い領域とがあることを発見した。
図３２は後ほど説明を行う「スペクトル分布モニタ」で計測を行ったスペクトル分布を、中心波長分布、スペクトル幅分布、光量分布の各々に着眼して図示したものである。同図（ａ）は中心波長分布、（ｂ）はスペクトル幅分布、（ｃ）は光量分布を示している。横軸はレーザビーム断面の横方向（ｍｍ）、縦軸はレーザビーム断面の縦方向（ｍｍ）であり、いずれも横方向が回折格子の格子線方向と直交する方向で、縦方向が回折格子の格子線方向と平行方向となっている。
図３３（ａ）はスペクトル形状を示し、同図（ｂ）はレーザビーム断面における中心波長の等高線と増幅段レーザのゲイン領域を示す。
上記のようなビーム内での波長シフトがあると、図３３に示すように、ビーム全体で積分されたスペクトル幅が太くなり所定のスペクトル幅を上回ってしまう事態が発生してしまう。
本現象が発生する原因としてわれわれは以下のように推定している。
本来回折格子の格子線方向と平行に放電すべきところが予備電離強度や電極の微妙な形状の影響を受けて、少し角度がついた状態で放電が発生してしまう。
図３４は、図３１の発振段レーザ１においてフロントミラー１ｆ側からチャンバ１ａを覗き込んだときの模式図である。なお、同図では、本来あるはずの拡大プリズムなどは省略している。
一対の電極間１ｂ，１ｂ間で放電するのであるが、なんらかの影響によって、同図に示すように放電方向と回折格子３ａの格子線方向とが平行にならないことがある。
このとき放電波面もビームの上部と下部で異なってしまい、共振する波長が異なってしまう。
たとえば図３５（ａ）のＡＡ断面においては同図（ｂ）に示すように光が放電領域を伝播するにつれ屈折率分布による光学波面の影響を受けてビームが図示したように左側に曲がってしまう。したがって回折格子で回折される波長のうち、共振する条件（フロントミラーに垂直の角度をもって戻る）を満たす回折角度αの波長が発振される。
本来回折格子の格子線方向と平行に放電すべきところが予備電離強度や電極の微妙な形状の影響を受けて、少し角度がついた状態で放電が発生してしまう。
図３４は、図３１の発振段レーザ１においてフロントミラー１ｆ側からチャンバ１ａを覗き込んだときの模式図である。なお、同図では、本来あるはずの拡大プリズムなどは省略している。
一対の電極間１ｂ，１ｂ間で放電するのであるが、なんらかの影響によって、同図に示すように放電方向と回折格子３ａの格子線方向とが平行にならないことがある。
このとき放電波面もビームの上部と下部で異なってしまい、共振する波長が異なってしまう。
たとえば図３５（ａ）のＡＡ断面においては同図（ｂ）に示すように光が放電領域を伝播するにつれ屈折率分布による光学波面の影響を受けてビームが図示したように左側に曲がってしまう。したがって回折格子で回折される波長のうち、共振する条件（フロントミラーに垂直の角度をもって戻る）を満たす回折角度αの波長が発振される。
逆に同図（ｃ）に示すＢＢ断面においては、ＡＡ断面の場合に比べて光が放電領域を伝播するにつれ屈折率分布による光学波面の影響を受けてビームが図示したように右側に曲がってしまう。ここで、回折格子で回折される波長のうち、共振する条件（フロントミラーに垂直の角度をもって戻る）を満たす回折角度βの波長が発振される。図からα＜βなので、ＡＡ断面での発振波長λＡＡはＢＢ断面での発振波長λＢＢよりも短くなる。
ここで放電波面の説明を行う。
放電により電子が生成される。また電子の生成される密度は放電の電界強度に応じて変化する。さらに電子の密度に応じて放電媒質中の屈折率が変化する。これにより放電によって光の波面が変化する。
そのため光の平面波を放電媒質に入射させたときに、出射される光の波面は平面波からずれる。このずれのことを放電波面とよぶ。この放電波面は一般的には、凹波面となる。放電方向に対して垂直な平面では、波面の形状は、略左右対称であるが、放電が斜めになっている場合は、ＡＡ断面及びＢＢ断面に示すように、非対称な形状となり、メインのビームはこの波面に沿って曲がってしまう。
ここで放電波面の説明を行う。
放電により電子が生成される。また電子の生成される密度は放電の電界強度に応じて変化する。さらに電子の密度に応じて放電媒質中の屈折率が変化する。これにより放電によって光の波面が変化する。
そのため光の平面波を放電媒質に入射させたときに、出射される光の波面は平面波からずれる。このずれのことを放電波面とよぶ。この放電波面は一般的には、凹波面となる。放電方向に対して垂直な平面では、波面の形状は、略左右対称であるが、放電が斜めになっている場合は、ＡＡ断面及びＢＢ断面に示すように、非対称な形状となり、メインのビームはこの波面に沿って曲がってしまう。
また、ある場合には図３６（ａ）にあるように片方の電極側で、放電が２つに分かれる場合もある。
図３６（ｃ）のＤＤ断面のようにこの場合の放電波面もふたつに割れてしまう。このときスペクトル形状も波面の影響によってふたつに割れてしまいスペクトル幅が大幅に悪化してしまう。
このように、放電と回折格子の格子線方向とが傾いてしまったり、放電波面がふたつに割れてしまう場合には、前記特許文献５に記載されるように、絞りにより回折格子の格子線方向と直交する方向に関してビームを絞っても、スペクトル幅の悪化を改善することはできない。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、スペクトルのビーム内での分布に着眼し、分布特性が良好な領域のみ増幅段ゲイン領域に入射させることにより、２ステージ狭帯域化レーザ装置のスペクトル性能を大幅に向上させることを目的とする。
図３６（ｃ）のＤＤ断面のようにこの場合の放電波面もふたつに割れてしまう。このときスペクトル形状も波面の影響によってふたつに割れてしまいスペクトル幅が大幅に悪化してしまう。
このように、放電と回折格子の格子線方向とが傾いてしまったり、放電波面がふたつに割れてしまう場合には、前記特許文献５に記載されるように、絞りにより回折格子の格子線方向と直交する方向に関してビームを絞っても、スペクトル幅の悪化を改善することはできない。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、スペクトルのビーム内での分布に着眼し、分布特性が良好な領域のみ増幅段ゲイン領域に入射させることにより、２ステージ狭帯域化レーザ装置のスペクトル性能を大幅に向上させることを目的とする。
上記課題を本発明においては、次のように解決する。
（１）狭帯域化部を有する発振段レーザと、発振段レーザから注入されるレーザビームを増幅する第２レーザから構成される２ステージ狭帯域化レーザ装置において、図１に示すように、発振段レーザのチャンバと上記第２のレーザのチャンバ間にビーム整形手段（ビーム整形ユニット５）を設ける。
上記ビーム整形手段は、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出し、上記第２のレーザに注入されるレーザビームの断面形状と光軸を、上記第２のレーザのゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させる。
（２）上記（１）において、上記ビーム整形手段は、ビームの断面形状を拡大させる拡大光学系を含む。
（３）上記（１）（２）において、上記ビーム整形手段は、ビームを光軸の周りに回転させる回転光学系を含む。
（４）上記（１）（２）（３）において、発振段レーザから放出されるレーザビームの断面を複数の領域に分割し、各分割領域のスペクトル特性を計測する手段と、上記レーザビームから、予め設定されたｎ×ｍの大きさの領域を複数切り出し、上記計測された各分割領域のスペクトル特性に基づき、切り出したｎ×ｍの大きさの各領域におけるスペクトル特性を算出する手段と、上記切り出したｎ×ｍの大きさの複数の領域の中から、スペクトル特性が所望の条件を満たす領域を選択する手段と、上記選択された領域のレーザビームが上記第２のレーザに注入されるように上記ビーム整形手段を制御する手段を設ける。
（１）狭帯域化部を有する発振段レーザと、発振段レーザから注入されるレーザビームを増幅する第２レーザから構成される２ステージ狭帯域化レーザ装置において、図１に示すように、発振段レーザのチャンバと上記第２のレーザのチャンバ間にビーム整形手段（ビーム整形ユニット５）を設ける。
上記ビーム整形手段は、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出し、上記第２のレーザに注入されるレーザビームの断面形状と光軸を、上記第２のレーザのゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させる。
（２）上記（１）において、上記ビーム整形手段は、ビームの断面形状を拡大させる拡大光学系を含む。
（３）上記（１）（２）において、上記ビーム整形手段は、ビームを光軸の周りに回転させる回転光学系を含む。
（４）上記（１）（２）（３）において、発振段レーザから放出されるレーザビームの断面を複数の領域に分割し、各分割領域のスペクトル特性を計測する手段と、上記レーザビームから、予め設定されたｎ×ｍの大きさの領域を複数切り出し、上記計測された各分割領域のスペクトル特性に基づき、切り出したｎ×ｍの大きさの各領域におけるスペクトル特性を算出する手段と、上記切り出したｎ×ｍの大きさの複数の領域の中から、スペクトル特性が所望の条件を満たす領域を選択する手段と、上記選択された領域のレーザビームが上記第２のレーザに注入されるように上記ビーム整形手段を制御する手段を設ける。
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）発振段レーザのチャンバと上記第２のレーザのチャンバ間にビーム整形手段を設け、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出し、上記第２のレーザに注入されるレーザビームの断面形状と光軸を上記第２のレーザのゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させるようにしたので、放電と回折格子の格子線方向とが傾いてしまったり、放電波面がふたつに割れてしまう場合であっても、スペクトル性能が悪化することがなく、従来に比べ、スペクトル性能を大幅に向上させることができる。
（２）ビーム整形手段にビームの断面形状を拡大させる拡大光学系を含ませることにより、ビームの広がり角を大きくすることができ、第２レーザのゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和することができる。
（３）ビーム整形手段に、ビームを光軸の周りに回転させる回転光学系を含ませることにより、レーザビーム断面の中心波長の等高線が傾いているなど中心波長の等高線に特徴があっても、効率的にビーム切り出しを行うことができる。
（４）レーザビームの断面を複数の領域に分割し、各分割領域のスペクトル特性を計測すして、上記レーザビームから、予め設定されたｎ×ｍの大きさの領域を複数切り出し、上記計測された各分割領域のスペクトル特性に基づき切り出したｎ×ｍの大きさの複数の領域の中から、スペクトル特性が所望の条件を満たす領域を選択し、選択された領域のレーザビームが上記第２のレーザに注入されるように上記ビーム整形手段を制御することにより、放電状況が変化したり、光学モジュールなどが劣化してスペクトル特性の空間的部分状況が変化しても、スペクトル性能が悪化することがなく、常にも、スペクトル性能を最適に保つことができる。
（１）発振段レーザのチャンバと上記第２のレーザのチャンバ間にビーム整形手段を設け、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出し、上記第２のレーザに注入されるレーザビームの断面形状と光軸を上記第２のレーザのゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させるようにしたので、放電と回折格子の格子線方向とが傾いてしまったり、放電波面がふたつに割れてしまう場合であっても、スペクトル性能が悪化することがなく、従来に比べ、スペクトル性能を大幅に向上させることができる。
（２）ビーム整形手段にビームの断面形状を拡大させる拡大光学系を含ませることにより、ビームの広がり角を大きくすることができ、第２レーザのゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和することができる。
（３）ビーム整形手段に、ビームを光軸の周りに回転させる回転光学系を含ませることにより、レーザビーム断面の中心波長の等高線が傾いているなど中心波長の等高線に特徴があっても、効率的にビーム切り出しを行うことができる。
（４）レーザビームの断面を複数の領域に分割し、各分割領域のスペクトル特性を計測すして、上記レーザビームから、予め設定されたｎ×ｍの大きさの領域を複数切り出し、上記計測された各分割領域のスペクトル特性に基づき切り出したｎ×ｍの大きさの複数の領域の中から、スペクトル特性が所望の条件を満たす領域を選択し、選択された領域のレーザビームが上記第２のレーザに注入されるように上記ビーム整形手段を制御することにより、放電状況が変化したり、光学モジュールなどが劣化してスペクトル特性の空間的部分状況が変化しても、スペクトル性能が悪化することがなく、常にも、スペクトル性能を最適に保つことができる。
以下本発明の実施例について説明する。
なお、以下の実施例では、増幅段として増幅段共振器をもつＭＯＰＯ方式のレーザ装置について説明するが、ＭＯＰＡ方式のレーザ装置にも、本発明を同様に適用することができる。
図１は本発明の原理構成を示す図であり、前記図２９に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、前述した電源１ｃ，２ｃや、同期コントローラ２１、エネルギーコントローラ２２等からなる制御系は省略されている。
同図において、発振段レーザ１、増幅段レーザ２は各々レーザチャンバ１ａ，２ａを有し、内部にはレーザガスが満たされており、内部には一対の電極１ｂ，２ｂが設置され、レーザチャンバ１ａ，２ａ内に設置された一対の電極１ｂ，２ｂの光軸延長上両端にウィンドウ部材１ｄ，２ｄがそれぞれ設置されている。
また、発振段レーザ１はレーザチャンバー１ａを挟んで各々配置される部分反射ミラーであるフロントミラー１ｆと、拡大プリズム３ｂと回折格子３ａによって構成された狭帯域化モジュール３を有し、増幅段レーザ２は、レーザチャンバー２ａを挟んで各々配置される、部分反射ミラーであるフロントミラー２ｆとリアミラー２ｅとからなるレーザ共振器を有する。
発振段レーザ１からのレーザビームは、伝播ミラー４ａ、ビーム整形ユニット５、伝播ミラー４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれそのゲイン領域へ注入される。
なお、以下の実施例では、増幅段として増幅段共振器をもつＭＯＰＯ方式のレーザ装置について説明するが、ＭＯＰＡ方式のレーザ装置にも、本発明を同様に適用することができる。
図１は本発明の原理構成を示す図であり、前記図２９に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、前述した電源１ｃ，２ｃや、同期コントローラ２１、エネルギーコントローラ２２等からなる制御系は省略されている。
同図において、発振段レーザ１、増幅段レーザ２は各々レーザチャンバ１ａ，２ａを有し、内部にはレーザガスが満たされており、内部には一対の電極１ｂ，２ｂが設置され、レーザチャンバ１ａ，２ａ内に設置された一対の電極１ｂ，２ｂの光軸延長上両端にウィンドウ部材１ｄ，２ｄがそれぞれ設置されている。
また、発振段レーザ１はレーザチャンバー１ａを挟んで各々配置される部分反射ミラーであるフロントミラー１ｆと、拡大プリズム３ｂと回折格子３ａによって構成された狭帯域化モジュール３を有し、増幅段レーザ２は、レーザチャンバー２ａを挟んで各々配置される、部分反射ミラーであるフロントミラー２ｆとリアミラー２ｅとからなるレーザ共振器を有する。
発振段レーザ１からのレーザビームは、伝播ミラー４ａ、ビーム整形ユニット５、伝播ミラー４ｂを介して増幅段レーザ２へ導かれそのゲイン領域へ注入される。
本発明では、上記のように発振段レーザ１と増幅段レーザ２の間に、ビーム整形ユニット５を有し、発振段レーザ１から出射して増幅段レーザ２のゲイン領域に入射するビームのスペクトル特性を良好とするように、ビーム整形ユニット５により発振段レーザ１から増幅段レーザ２に注入されるレーザビームを整形する。ここで、スペクトル特性とは波長分布およびスペクトル幅双方を加味したものである。
上記ビーム整形ユニット５としては、後述するように、例えばビーム切り出しやビーム拡大手段あるいはビーム光軸調整手段などを用いることができ、いずれにせよ増幅段のゲイン領域に入射するビームを調整する。
２ステージレーザ装置においては、発振段レーザ１から注入されるレーザビームのうち、増幅段レーザ２におけるゲイン領域（図２および前記図３３参照）を透過する部分のみが増幅されて出力され、残りは各種構造物で蹴られてしまうか、もしくは増幅段で増幅を受けないためにほとんど出力されない。
上記ビーム整形ユニット５としては、後述するように、例えばビーム切り出しやビーム拡大手段あるいはビーム光軸調整手段などを用いることができ、いずれにせよ増幅段のゲイン領域に入射するビームを調整する。
２ステージレーザ装置においては、発振段レーザ１から注入されるレーザビームのうち、増幅段レーザ２におけるゲイン領域（図２および前記図３３参照）を透過する部分のみが増幅されて出力され、残りは各種構造物で蹴られてしまうか、もしくは増幅段で増幅を受けないためにほとんど出力されない。
したがって、上記ビーム整形ユニット５により、増幅段レーザ２に注入されるレーザビームを整形し、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出して、増幅段レーザ２に注入されるレーザビームの断面形状と光軸を上記ゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させることにより、増幅段レーザ２から出射するレーザビームのスペクトル性能を大幅に向上させることができる。
なお、必要に応じて増幅後のスペクトル性能、スペクトル幅の分布情報を適宜診断してそれに応じてビーム整形の状態を調整してもいい。
また増幅後の中心波長λｃが所望のものとなるように発振段レーザ１に波長制御機構を設け、例えば狭帯域化モジュール３内のプリズム３ｂを回転することで波長をシフトするようにしてもよい。ここで波長をシフトした場合ビーム全域の波長特性が略均一に変化する。
なお、必要に応じて増幅後のスペクトル性能、スペクトル幅の分布情報を適宜診断してそれに応じてビーム整形の状態を調整してもいい。
また増幅後の中心波長λｃが所望のものとなるように発振段レーザ１に波長制御機構を設け、例えば狭帯域化モジュール３内のプリズム３ｂを回転することで波長をシフトするようにしてもよい。ここで波長をシフトした場合ビーム全域の波長特性が略均一に変化する。
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例では、図１に示したものと同一のものには同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
（１）第１の実施例
本実施例は、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択してビーム切り出し手段を設け、このビーム切り出し手段によって切り出されたレーザビームが増幅段レーザのゲイン領域を透過するようにしたものである。
従来の２ステージ狭帯域化レーザ装置においては図３に示すように、発振段レーザ１のレーザビームは広がり角をもつために増幅段レーザ２に入射するときには増幅段のゲイン領域に対して発振段から注入されるビームが大きいという傾向がある。
このとき注入されるビームにおいてゲイン領域に入射した成分のみが増幅されて出力される。
たとえば発振段レーザビームのスペクトル特性が前記図３３に示したような中心波長分布特性をもっているとする。このとき中心波長が場所ごとにずれるので、ビーム全体をみるとスペクトル幅が太くなってしまう。
そこで注入されるレーザビームをなんらかの遮光方法で一部切り出して注入すれば、図４に示すように増幅出力されるスペクトル幅も細くすることができる。
すなわち、図４に示すように、レーザビームのＡ部分のみ切り出して増幅段レーザ２に注入すれば、スペクトル分布の内、ａの部分のみが増幅段レーザ２に注入され、ｂ，ｃの部分は増幅段レーザ２に注入されない。したがって、スペクトル幅を狭くすることができる。
（１）第１の実施例
本実施例は、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択してビーム切り出し手段を設け、このビーム切り出し手段によって切り出されたレーザビームが増幅段レーザのゲイン領域を透過するようにしたものである。
従来の２ステージ狭帯域化レーザ装置においては図３に示すように、発振段レーザ１のレーザビームは広がり角をもつために増幅段レーザ２に入射するときには増幅段のゲイン領域に対して発振段から注入されるビームが大きいという傾向がある。
このとき注入されるビームにおいてゲイン領域に入射した成分のみが増幅されて出力される。
たとえば発振段レーザビームのスペクトル特性が前記図３３に示したような中心波長分布特性をもっているとする。このとき中心波長が場所ごとにずれるので、ビーム全体をみるとスペクトル幅が太くなってしまう。
そこで注入されるレーザビームをなんらかの遮光方法で一部切り出して注入すれば、図４に示すように増幅出力されるスペクトル幅も細くすることができる。
すなわち、図４に示すように、レーザビームのＡ部分のみ切り出して増幅段レーザ２に注入すれば、スペクトル分布の内、ａの部分のみが増幅段レーザ２に注入され、ｂ，ｃの部分は増幅段レーザ２に注入されない。したがって、スペクトル幅を狭くすることができる。
前記特許文献５に記載されるように、通常ビーム内における波長分布は回折格子の格子線方向と直交する方向に関してのみ存在するはずであるが、本発明者らの詳細な計測において、前記したように回折格子の格子線方向と平行する方向においても波長分布が発生している場合があることが発見された。
このような場合、特許文献５に記載される方法だけでは不充分であって、回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方に切り出し機構を備えていることが望ましい。
またスペクトル幅が前述した図３６に示したような放電の割れと推定される原因で一部顕著に太くなっている領域がある場合は、そこを遮光されるようにスリットを配置すればよい。
このような場合、特許文献５に記載される方法だけでは不充分であって、回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方に切り出し機構を備えていることが望ましい。
またスペクトル幅が前述した図３６に示したような放電の割れと推定される原因で一部顕著に太くなっている領域がある場合は、そこを遮光されるようにスリットを配置すればよい。
図５に本実施例の構成を示す。
図５に示すように、本実施例において、前記ビーム整形ユニット５としてスリット５ａを用い、スリット５ａによりビームを切り出している。なお、同図（ａ）は側面図、（ｂ）はレーザチャンバ内のレーザビームの光軸方向から見たときのスリット５ａの位置を示している。
スリット５ａからなる切り出し機構は回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方に備えていることが望ましい。もちろん片方だけでも問題ない。
ここで、スリット５ａを配置する位置は任意であって、図６のＡ〜Ｇのどこにあってもいい。また回折格子３ａの格子線方向と直交する方向で切り出すスリットと、平行する方向で切り出すスリットのそれぞれを別の位置に配置してもいい。発振段レーザ１の共振器の内部もしくは増幅段レーザ２の共振器の内部にあってもかまわない。とくに、注入効率が高いのは、スリット５ａを発振段レーザ共振器の内部に設置するのがよく、ロスが少ない。なお、スリット５ａの開口部内で光の乱反射が生じないように、スリットの厚さはなるべく薄いことが望ましい。
図５に示すように、本実施例において、前記ビーム整形ユニット５としてスリット５ａを用い、スリット５ａによりビームを切り出している。なお、同図（ａ）は側面図、（ｂ）はレーザチャンバ内のレーザビームの光軸方向から見たときのスリット５ａの位置を示している。
スリット５ａからなる切り出し機構は回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方に備えていることが望ましい。もちろん片方だけでも問題ない。
ここで、スリット５ａを配置する位置は任意であって、図６のＡ〜Ｇのどこにあってもいい。また回折格子３ａの格子線方向と直交する方向で切り出すスリットと、平行する方向で切り出すスリットのそれぞれを別の位置に配置してもいい。発振段レーザ１の共振器の内部もしくは増幅段レーザ２の共振器の内部にあってもかまわない。とくに、注入効率が高いのは、スリット５ａを発振段レーザ共振器の内部に設置するのがよく、ロスが少ない。なお、スリット５ａの開口部内で光の乱反射が生じないように、スリットの厚さはなるべく薄いことが望ましい。
またこのとき同期出力が最大となるように１枚もしくは２枚の伝播ミラーで注入光軸を調整するようにするといい。
例えば図７、図８に示すようにスリット５ａの位置が変化した場合それに応じて伝播ミラー４ａを調整する。
また、伝播ミラー４ａを調整するかわりに、図９に示すように光路中に薄いウィンドウ（平行平板）６を配置しこれの角度を変化させることでビーム位置を調整するような構造としても構わない。
さらに図１０に示すように、中心波長の等高線に傾斜等の特徴があるならば、中心波長の等高線に沿うようにスリット５ａを傾けて、角度を設けて設置してもよい。これにより効率的にビーム切り出しを行うことが可能であり、スペクトル幅の狭いビームを効率的に切り出すことができる。
例えば図７、図８に示すようにスリット５ａの位置が変化した場合それに応じて伝播ミラー４ａを調整する。
また、伝播ミラー４ａを調整するかわりに、図９に示すように光路中に薄いウィンドウ（平行平板）６を配置しこれの角度を変化させることでビーム位置を調整するような構造としても構わない。
さらに図１０に示すように、中心波長の等高線に傾斜等の特徴があるならば、中心波長の等高線に沿うようにスリット５ａを傾けて、角度を設けて設置してもよい。これにより効率的にビーム切り出しを行うことが可能であり、スペクトル幅の狭いビームを効率的に切り出すことができる。
図１１に、上記のようにスリット位置を角度をつけて配置したい場合に、切り出されたビームを増幅段レーザ２の放電領域に効率よく入射させるためのドーププリズム７を用いた例を示す。
このドーププリズム７を回転させることにより、このプリズムの透過後のビームを回転させることができる。図１１ではドーププリズムを用いた例にしたがこれに限定されることなく、ドーププリズムと同様の光路となるよう３枚の全反射ミラーを用いて同様に回転させてもよい。
このドーププリズム７を回転させることにより、このプリズムの透過後のビームを回転させることができる。図１１ではドーププリズムを用いた例にしたがこれに限定されることなく、ドーププリズムと同様の光路となるよう３枚の全反射ミラーを用いて同様に回転させてもよい。
（２）第２の実施例
増幅段のゲイン領域に入射する部分の波長分布を緩和する別の実施例を図１２に示す。本実施例では、発振段レーザ１と増幅段レーザの光路途上にビーム整形ユニットとして凹レンズ５ｂを挿入することでビームの拡がり角を大きくしてゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和させる。
図１３にレンズをいれることによる注入ビーム拡大の様子とゲイン領域との関係を示す。同図（ａ）はビームを拡大しない場合、（ｂ）はビームを拡大した場合を示し、点線で囲まれた部分が増幅段のゲイン領域に入射する部分を示す。同図（ｂ）に示すようにビームを拡大することで、増幅段のゲイン領域に入射する波長分布を緩和することができる。 また、変形例として、上記凹レンズ５ｂを設ける代わりに、反射ミラーからなる伝播ミラー４ａ（または４ｂ）に前述した平面ミラーでなく凸面ミラーを用いてこれでビームを広げるようにしてもよい。
増幅段のゲイン領域に入射する部分の波長分布を緩和する別の実施例を図１２に示す。本実施例では、発振段レーザ１と増幅段レーザの光路途上にビーム整形ユニットとして凹レンズ５ｂを挿入することでビームの拡がり角を大きくしてゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和させる。
図１３にレンズをいれることによる注入ビーム拡大の様子とゲイン領域との関係を示す。同図（ａ）はビームを拡大しない場合、（ｂ）はビームを拡大した場合を示し、点線で囲まれた部分が増幅段のゲイン領域に入射する部分を示す。同図（ｂ）に示すようにビームを拡大することで、増幅段のゲイン領域に入射する波長分布を緩和することができる。 また、変形例として、上記凹レンズ５ｂを設ける代わりに、反射ミラーからなる伝播ミラー４ａ（または４ｂ）に前述した平面ミラーでなく凸面ミラーを用いてこれでビームを広げるようにしてもよい。
図１２に示した実施例では、凹レンズによってビームの拡がり角が大きくなるため増幅段等でのケラレによる損失が大きくなってしまう。
図１４に示すように、レンズ対を用いたり、図１５に示すように拡大プリズムを用いることにより、上記問題を解決しつつ、かつゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和させることができる。
図１４は凹レンズ５ｂに加えコリメータレンズ５ｃを用いたものであり、凹レンズ５ｂでビームを拡大し、コリメータレンズ５ｃで平行光にして、増幅段レーザ２に導入したものである。また、図１５はプリズム５ｄ，５ｅを用いてビームを拡大するようにしたものである。
上記構成とすれば、ビームサイズの拡大とともに広がり角が小さくなるために取り出し効率の低下を抑えることができる。
図１４に示すように、レンズ対を用いたり、図１５に示すように拡大プリズムを用いることにより、上記問題を解決しつつ、かつゲイン領域に入射するビームの波長分布を緩和させることができる。
図１４は凹レンズ５ｂに加えコリメータレンズ５ｃを用いたものであり、凹レンズ５ｂでビームを拡大し、コリメータレンズ５ｃで平行光にして、増幅段レーザ２に導入したものである。また、図１５はプリズム５ｄ，５ｅを用いてビームを拡大するようにしたものである。
上記構成とすれば、ビームサイズの拡大とともに広がり角が小さくなるために取り出し効率の低下を抑えることができる。
（３）第３の実施例
前記第１の実施例では、スリットによりビーム切り出しを行なっているだけなので、注入されるビームが必ずしも増幅段のゲイン領域を満たさない場合もあり出力取り出し効率の観点で十分でないときもある。
そこで、ビームを切り出した後に、レンズやプリズムなどで注入されるビーム形状をゲイン領域に合わせて調整するようにしてもよい。
例えば、図１６に示すようにスリット５ａでビームを切り出した後に、プリズム５ｄ，５ｅで、増幅段のゲイン領域のビーム形状に合わせて、増幅段レーザ２に導入する。これにより、例えば図１７（ａ）のように切り出したビームを同図（ｂ）に示すように増幅段のゲイン領域のビーム形状に合わせることができ出力効率をあげることが可能である。
拡大する方向は切り出し後のビーム形状に応じて回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方でもいいし、どちらか片方でもいい。
前記第１の実施例では、スリットによりビーム切り出しを行なっているだけなので、注入されるビームが必ずしも増幅段のゲイン領域を満たさない場合もあり出力取り出し効率の観点で十分でないときもある。
そこで、ビームを切り出した後に、レンズやプリズムなどで注入されるビーム形状をゲイン領域に合わせて調整するようにしてもよい。
例えば、図１６に示すようにスリット５ａでビームを切り出した後に、プリズム５ｄ，５ｅで、増幅段のゲイン領域のビーム形状に合わせて、増幅段レーザ２に導入する。これにより、例えば図１７（ａ）のように切り出したビームを同図（ｂ）に示すように増幅段のゲイン領域のビーム形状に合わせることができ出力効率をあげることが可能である。
拡大する方向は切り出し後のビーム形状に応じて回折格子の格子線方向と直交する方向、および平行する方向両方でもいいし、どちらか片方でもいい。
（４）第４の実施例
スペクトル特性の空間分布状況はレーザショット数の増加行に伴う放電状況の変化や光学モジュールの劣化などにより長期的に変化していく可能性が有る。そこで適宜スペクトル特性の空間分布を把握し、それに応じてビーム整形方法をコントロールすることが望ましい。
図１８は上記コントロール手段を備えた第４の実施例の構成を示す図である。これまで説明した実施例で言及した「ビーム整形ユニット５」とスペクトル特性のビーム分布を計測するための「スペクトル分布モニタ３１」とを有し、スペクトル分布モニタ３１の出力に基づきコントローラ３２でビーム整形ユニット５を制御するように構成したものである。スペクトル分布モニタ３１には、発振段レーザ１の出力レーザビームの一部が導入される。
さらに、同図に示したものでは、増幅段レーザに注入されるレーザビームの一部をサンプルするビームスプリッタ３３ａと増幅段レーザ２から出射するレーザビームの一部をサンプルするビームスプリッタ３４ａとを備え、ビームスプリッタ３３ａでサンプルされたレーザビームの一部は注入エネルギーモニタ３３に導入され、増幅段レーザ２に注入されるエネルギーがモニタされる。
また、ビームスプリッタ３４ａでサンプルされたレーザビームの一部はモニタモジュール３４に導入され、ビーム増幅段レーザ２から放出されるレーザビームのスペクトル線幅、中心波長、レーザのパルスエネルギーがモニタされる。そして、これらのモニタ３３，３４により検出されたデータがコントローラ３２に送られる。また、増幅段レーザ２の出射側には、レーザ出射口シャッタ３５が設けられている。
その他の構成は前記図１に示したものと同じであり、同一のものには同一の符号が付されている。
スペクトル特性の空間分布状況はレーザショット数の増加行に伴う放電状況の変化や光学モジュールの劣化などにより長期的に変化していく可能性が有る。そこで適宜スペクトル特性の空間分布を把握し、それに応じてビーム整形方法をコントロールすることが望ましい。
図１８は上記コントロール手段を備えた第４の実施例の構成を示す図である。これまで説明した実施例で言及した「ビーム整形ユニット５」とスペクトル特性のビーム分布を計測するための「スペクトル分布モニタ３１」とを有し、スペクトル分布モニタ３１の出力に基づきコントローラ３２でビーム整形ユニット５を制御するように構成したものである。スペクトル分布モニタ３１には、発振段レーザ１の出力レーザビームの一部が導入される。
さらに、同図に示したものでは、増幅段レーザに注入されるレーザビームの一部をサンプルするビームスプリッタ３３ａと増幅段レーザ２から出射するレーザビームの一部をサンプルするビームスプリッタ３４ａとを備え、ビームスプリッタ３３ａでサンプルされたレーザビームの一部は注入エネルギーモニタ３３に導入され、増幅段レーザ２に注入されるエネルギーがモニタされる。
また、ビームスプリッタ３４ａでサンプルされたレーザビームの一部はモニタモジュール３４に導入され、ビーム増幅段レーザ２から放出されるレーザビームのスペクトル線幅、中心波長、レーザのパルスエネルギーがモニタされる。そして、これらのモニタ３３，３４により検出されたデータがコントローラ３２に送られる。また、増幅段レーザ２の出射側には、レーザ出射口シャッタ３５が設けられている。
その他の構成は前記図１に示したものと同じであり、同一のものには同一の符号が付されている。
上記スペクトル分布モニタ３１の一例を図１９に示す。
レーザ運転を妨げないようにメイン光路でないたとえばビームを反射使用で用いる伝播ミラー４ａの抜け光（透過光）を利用し、計測を行う。
光ファイバ３１ａが自動ＸＹステージ３１ｂ上に配置され、適宜Ｘ方向とＹ方向にステージ３１ｂをスキャンさせて、ビームの各部分の光をサンプルし、光ファイバ３１ａを介してスペクトル計測装置３１ｃに導き、発振段レーザ１のスペクトル特性の空間分布を取得する。
スペクトル計測装置３１ｃはエタロンもしくは回折格子を用いた分光器であり、中心波長とスペクトル幅両方をモニタできるようになっている。
空間分布特性は急激に変化しないので計測／および後述する診断、計算には多少時間がかかっても問題ない。なお、計測ポイント数は無闇に大きくすると計測、計算に時間がかかるようになるので目安として５×５〜１０×１０とするのが望ましい。
定期的なガス交換のタイミングに合わせてメイン光路での計測を行うようにしてもいい。
レーザ運転を妨げないようにメイン光路でないたとえばビームを反射使用で用いる伝播ミラー４ａの抜け光（透過光）を利用し、計測を行う。
光ファイバ３１ａが自動ＸＹステージ３１ｂ上に配置され、適宜Ｘ方向とＹ方向にステージ３１ｂをスキャンさせて、ビームの各部分の光をサンプルし、光ファイバ３１ａを介してスペクトル計測装置３１ｃに導き、発振段レーザ１のスペクトル特性の空間分布を取得する。
スペクトル計測装置３１ｃはエタロンもしくは回折格子を用いた分光器であり、中心波長とスペクトル幅両方をモニタできるようになっている。
空間分布特性は急激に変化しないので計測／および後述する診断、計算には多少時間がかかっても問題ない。なお、計測ポイント数は無闇に大きくすると計測、計算に時間がかかるようになるので目安として５×５〜１０×１０とするのが望ましい。
定期的なガス交換のタイミングに合わせてメイン光路での計測を行うようにしてもいい。
スペクトル分布モニタ３１の別の構成を図２０に示す。
有限幅のスリット３１ｄを配備し、ＸＹステージ３１ｂでこれを動かすことで、ビームの各部分の光をサンプルし、拡散板３１ｅ、レンズ３１ｆ、光ファイバ３１ａを介してスペクトル計測装置３１ｃに導き、発振段レーザ１のスペクトル特性の空間分布を取得するようにしてもよい。なお、スリット幅はビーム幅と上記の分割数（５×５〜１０×１０）とを目安に決めるのがいい。
いずれにしてもビーム領域内のスペクトル特性が検出できる構造となっていることが必要である。
有限幅のスリット３１ｄを配備し、ＸＹステージ３１ｂでこれを動かすことで、ビームの各部分の光をサンプルし、拡散板３１ｅ、レンズ３１ｆ、光ファイバ３１ａを介してスペクトル計測装置３１ｃに導き、発振段レーザ１のスペクトル特性の空間分布を取得するようにしてもよい。なお、スリット幅はビーム幅と上記の分割数（５×５〜１０×１０）とを目安に決めるのがいい。
いずれにしてもビーム領域内のスペクトル特性が検出できる構造となっていることが必要である。
以下、図１８に示した実施例の動作について説明する。
図２１は、図１８に示した２ステージ狭帯域化レーザ装置の動作を示すメインフローチャートである。
以下、図２１のメインフローチャートに沿って本実施例を説明する。
Ｓ１０１ステップ：図示していない露光装置にスペクトル線幅ＮＧ信号を送信し、レーザの出射口シャッタ３５を閉じる。
Ｓ１０２ステップ：ビーム整形ユニット調整のサブルーチンに入る。このサブルーチンでは後述するが、スペクトル線幅が所望のスペクトル線幅となるようにビーム整形ユニット５の調整を行う。
Ｓ１０３ステップ：モニタモジュール３５において、スペクトル線幅Δλ、中心波長λ、レーザ（増幅段後の最終出力）のパルスエネルギーＥを検出する。
Ｓ１０４ステップ：目標の中心波長と検出された中心波長に基づいての中心波長λを制御する。
中心波長λを制御するには、発振段レーザ１の狭帯域化モジュール３内に設置された回折格子３ａへの光の入射角度を制御することにより実現できる。また、パルスエネルギーの制御は、増幅段レーザ２の電源（図１８には図示していない）の充電電圧を制御することにより励起強度を変化させて行うことが可能である。
図２１は、図１８に示した２ステージ狭帯域化レーザ装置の動作を示すメインフローチャートである。
以下、図２１のメインフローチャートに沿って本実施例を説明する。
Ｓ１０１ステップ：図示していない露光装置にスペクトル線幅ＮＧ信号を送信し、レーザの出射口シャッタ３５を閉じる。
Ｓ１０２ステップ：ビーム整形ユニット調整のサブルーチンに入る。このサブルーチンでは後述するが、スペクトル線幅が所望のスペクトル線幅となるようにビーム整形ユニット５の調整を行う。
Ｓ１０３ステップ：モニタモジュール３５において、スペクトル線幅Δλ、中心波長λ、レーザ（増幅段後の最終出力）のパルスエネルギーＥを検出する。
Ｓ１０４ステップ：目標の中心波長と検出された中心波長に基づいての中心波長λを制御する。
中心波長λを制御するには、発振段レーザ１の狭帯域化モジュール３内に設置された回折格子３ａへの光の入射角度を制御することにより実現できる。また、パルスエネルギーの制御は、増幅段レーザ２の電源（図１８には図示していない）の充電電圧を制御することにより励起強度を変化させて行うことが可能である。
Ｓ１０５ステップ：中心波長λ及びパルスエネルギーＥの許容範囲か否か判断する。
Ｙｅｓの場合は次のステップＳ１０６に移行し、Ｎｏの場合はＳ１０３のステップまで戻る。
Ｓ１０６ステップ：スペクトル線幅Δλが許容範囲か否か判断する。Ｙｅｓの場合は次のステップＳ１０７に移行し、Ｎｏの場合はＳ１０２のステップまで戻る。
Ｓ１０７ステップ：露光装置にスペクトルＯＫ信号送信し、レーザ出射口３５を開ける。Ｓ１０８ステップ：実露光を実施する。
Ｓ１０９ステップ：このステップは、露光中のスペクトル線幅を監視するステップである。スペクトル線幅Δλが許容範囲か否か判断する。
Ｙｅｓの場合はステップＳ１０８に移行し、実露光を継続する。Ｎｏの場合は最初のステップＳ１０１まで戻る。
Ｙｅｓの場合は次のステップＳ１０６に移行し、Ｎｏの場合はＳ１０３のステップまで戻る。
Ｓ１０６ステップ：スペクトル線幅Δλが許容範囲か否か判断する。Ｙｅｓの場合は次のステップＳ１０７に移行し、Ｎｏの場合はＳ１０２のステップまで戻る。
Ｓ１０７ステップ：露光装置にスペクトルＯＫ信号送信し、レーザ出射口３５を開ける。Ｓ１０８ステップ：実露光を実施する。
Ｓ１０９ステップ：このステップは、露光中のスペクトル線幅を監視するステップである。スペクトル線幅Δλが許容範囲か否か判断する。
Ｙｅｓの場合はステップＳ１０８に移行し、実露光を継続する。Ｎｏの場合は最初のステップＳ１０１まで戻る。
図２２に上述したビーム整形ユニット調整のサブルーチン例を示す。
Ｓ２０１ステップ：スペクトル分布モニタ３１にて計測されたビーム内スペクトル特性を取得する。
Ｓ２０２ステップ：良好なビーム領域を選択するサブルーチンに入る。後述するが、このサブルーチンでは、スペクトル線幅Δλが所望の幅以下となる領域を求め、ビーム調整ユニットで調整するパラメータを計算する。たとえば、選択領域のセルサイズはｍ’×ｎ’で選択を行う（後述する）。
Ｓ２０３ステップ：実際に上記切り出し範囲となるようにビーム整形ユニットを調整する。
Ｓ２０４ステップ：このステップでは、所望の中心波長になっているかどうか判断する。 Ｙｅｓの場合は次のステップＳ２０５に移行し、Ｎｏの場合はＳ２０８に移行して発振段レーザ１の狭帯域化モジュール３の選択波長を所望の中心波長になるように制御し、中心波長が所望の波長になるまでこれを繰り返す。
Ｓ２０５ステップ：注入エネルギーモニタ３３により計測される注入エネルギーを取得し、エネルギーが所定値以上であるか否かを判断する。
Ｙｅｓの場合は次のステップＳ２０６に移行し、Ｎｏの場合はＳ２０７に移行して、発振段の電源の充電電圧を制御し、注入エネルギーが所望の値になるまでこれを繰り返す。Ｓ２０６ステップ：スペクトル線幅が所定値以内であるか否かを判断する。
Ｙｅｓの場合はメインルーチンに戻り、Ｎｏの場合はＳ２０２に戻り、上記処理を繰り返す。
Ｓ２０１ステップ：スペクトル分布モニタ３１にて計測されたビーム内スペクトル特性を取得する。
Ｓ２０２ステップ：良好なビーム領域を選択するサブルーチンに入る。後述するが、このサブルーチンでは、スペクトル線幅Δλが所望の幅以下となる領域を求め、ビーム調整ユニットで調整するパラメータを計算する。たとえば、選択領域のセルサイズはｍ’×ｎ’で選択を行う（後述する）。
Ｓ２０３ステップ：実際に上記切り出し範囲となるようにビーム整形ユニットを調整する。
Ｓ２０４ステップ：このステップでは、所望の中心波長になっているかどうか判断する。 Ｙｅｓの場合は次のステップＳ２０５に移行し、Ｎｏの場合はＳ２０８に移行して発振段レーザ１の狭帯域化モジュール３の選択波長を所望の中心波長になるように制御し、中心波長が所望の波長になるまでこれを繰り返す。
Ｓ２０５ステップ：注入エネルギーモニタ３３により計測される注入エネルギーを取得し、エネルギーが所定値以上であるか否かを判断する。
Ｙｅｓの場合は次のステップＳ２０６に移行し、Ｎｏの場合はＳ２０７に移行して、発振段の電源の充電電圧を制御し、注入エネルギーが所望の値になるまでこれを繰り返す。Ｓ２０６ステップ：スペクトル線幅が所定値以内であるか否かを判断する。
Ｙｅｓの場合はメインルーチンに戻り、Ｎｏの場合はＳ２０２に戻り、上記処理を繰り返す。
ここで、上記図２２のフローチャートにおけるビームの切り出しについて説明する。
図２３に示すように発振段レーザビームをｍ×ｎに分割し、それぞれの部位におけるスペクトル形状を取得、記憶しておく。
ここから切り出しでもってｍ’×ｎ’の長方形のセルサイズを選択するが、ｍ’，ｎ’が任意である場合、以下のような領域選択の組合せがある。
（ｍ＋１）Ｃ２・（ｎ＋１）Ｃ２＝ｍ・（ｍ＋１）・ｎ（ｎ＋１）／４
なお、上記式のＣは組み合わせを意味する。例えば（ｍ＋１）Ｃ２はｍ＋１の中から２つを選ぶ組み合わせの数を意味する。図２４はこれらすべての組み合わせにおいて記憶されたスペクトル形状を選択領域内で足しこんだときのスペクトル波形を評価したものの典型例を示す。
選択領域を狭くするほど、同図に示すようにスペクトル幅は狭くなるが透過率（注入エネルギー）が低下してしまう。
したがって上述した図２２のフローチャートに示すように注入エネルギーと増幅後スペクトル幅との両方をモニタして、ともに所定の値を満たすように調整を行う。
この場合具体的には、同図Ａのラインから状況に応じて適切な部位を選択することになる。
増幅後のスペクトル幅が仕様を満たしていなければさらにセルサイズを小さくしてビーム透過領域のスペクトル幅を狭くさせる。また、スペクトル幅が余裕をもって仕様を満たしかつ注入エネルギーが閾値に対して不足していればセルサイズを大きくして注入エネルギーを大きくさせるように調整を行う。
図２３に示すように発振段レーザビームをｍ×ｎに分割し、それぞれの部位におけるスペクトル形状を取得、記憶しておく。
ここから切り出しでもってｍ’×ｎ’の長方形のセルサイズを選択するが、ｍ’，ｎ’が任意である場合、以下のような領域選択の組合せがある。
（ｍ＋１）Ｃ２・（ｎ＋１）Ｃ２＝ｍ・（ｍ＋１）・ｎ（ｎ＋１）／４
なお、上記式のＣは組み合わせを意味する。例えば（ｍ＋１）Ｃ２はｍ＋１の中から２つを選ぶ組み合わせの数を意味する。図２４はこれらすべての組み合わせにおいて記憶されたスペクトル形状を選択領域内で足しこんだときのスペクトル波形を評価したものの典型例を示す。
選択領域を狭くするほど、同図に示すようにスペクトル幅は狭くなるが透過率（注入エネルギー）が低下してしまう。
したがって上述した図２２のフローチャートに示すように注入エネルギーと増幅後スペクトル幅との両方をモニタして、ともに所定の値を満たすように調整を行う。
この場合具体的には、同図Ａのラインから状況に応じて適切な部位を選択することになる。
増幅後のスペクトル幅が仕様を満たしていなければさらにセルサイズを小さくしてビーム透過領域のスペクトル幅を狭くさせる。また、スペクトル幅が余裕をもって仕様を満たしかつ注入エネルギーが閾値に対して不足していればセルサイズを大きくして注入エネルギーを大きくさせるように調整を行う。
図２５により、注入エネルギーとスペクトル幅との両方が所定の値を満たすように調整する方法について更に説明する。
スペクトル幅の仕様を満たすための閾値があり（同図では０．１５ｐｍ）これを下回った領域での運転を行う必要がある。さらに注入エネルギーが規定値よりも低いとブロードバンド成分が出てしまう恐れがあるのでこれを避けるためにやはり閾値があり、これを上回る領域での運転を行う必要がある。この両者を満たす図の左上の点線で囲まれた領域の点のいずれかを選択する。
仮に、図２６（ａ）に示すように両者を満たす点が存在しない場合には、例えば前記したように発振段の電源の充電電圧を制御するなどして、発振段レーザ１のエネルギーをなんらかの方法で増加させ、図２６（ｂ）に示すようにこれを満たすようにする。
スペクトル幅の仕様を満たすための閾値があり（同図では０．１５ｐｍ）これを下回った領域での運転を行う必要がある。さらに注入エネルギーが規定値よりも低いとブロードバンド成分が出てしまう恐れがあるのでこれを避けるためにやはり閾値があり、これを上回る領域での運転を行う必要がある。この両者を満たす図の左上の点線で囲まれた領域の点のいずれかを選択する。
仮に、図２６（ａ）に示すように両者を満たす点が存在しない場合には、例えば前記したように発振段の電源の充電電圧を制御するなどして、発振段レーザ１のエネルギーをなんらかの方法で増加させ、図２６（ｂ）に示すようにこれを満たすようにする。
次に上記ビーム領域の選択方法について更に説明する。
前記図２３に示したように各々のセルサイズを表記すると、図２２のＳ２０１ステップにてｍ×ｎのスペクトル形状データが取得されている。
ここでｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）をセル（Ｍ，Ｎ）における取得されたスペクトル形状においてピクセルｘでの強度であるとする。
（Ｍ，Ｎ）におけるエネルギーはｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）をｘに関して積分すれば見積もることができる。また、（Ｍ，Ｎ）におけるスペクトル幅はｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）においてその半値幅などを計算すればそれで見積もることが可能にある。さらに、（Ｍ，Ｎ）における中心波長はｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）においてそのピークｃｈもしくは重心ｃｈを計算することで見積もることが可能である。なお、このときレーザ装置の制御系は発振波長が略一定になるように制御を行っている。
これから図２７の (ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ）〜 (ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）で決まる領域を選択した際に予想されるスペクトル形状は、以下の式で見積もることができ、上と同様にエネルギーおよびスペクトル幅を算出することができる。
前記図２３に示したように各々のセルサイズを表記すると、図２２のＳ２０１ステップにてｍ×ｎのスペクトル形状データが取得されている。
ここでｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）をセル（Ｍ，Ｎ）における取得されたスペクトル形状においてピクセルｘでの強度であるとする。
（Ｍ，Ｎ）におけるエネルギーはｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）をｘに関して積分すれば見積もることができる。また、（Ｍ，Ｎ）におけるスペクトル幅はｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）においてその半値幅などを計算すればそれで見積もることが可能にある。さらに、（Ｍ，Ｎ）における中心波長はｆ（Ｍ，Ｎ，ｘ）においてそのピークｃｈもしくは重心ｃｈを計算することで見積もることが可能である。なお、このときレーザ装置の制御系は発振波長が略一定になるように制御を行っている。
これから図２７の (ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ）〜 (ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）で決まる領域を選択した際に予想されるスペクトル形状は、以下の式で見積もることができ、上と同様にエネルギーおよびスペクトル幅を算出することができる。
すなわち、図２７に示すように（ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ，ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）を定め、すべての組み合わせの（ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ）〜（ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）を計算することで前記図２４に示したようなスペクトル幅とエネルギーとの関係が得られる。さらにスペクトル幅とエネルギーとの制約から図２５に示したような良好な選択領域を決定することが可能である。
条件を満たす選択領域が複数ある場合はエネルギーがもっとも高いところから使うのが望ましい。
条件を満たす選択領域が複数ある場合はエネルギーがもっとも高いところから使うのが望ましい。
上述した良好なビーム領域を選択するためのサブルーチン例を図２８に示す。
同図に示すようにビーム領域の選択は例えば以下のように行われる。
Ｓ３０１ステップ：スペクトル分布モニタ３１にてビーム内スペクトル特性を計測して取得し、記憶する。
Ｓ３０２ステップ：すべての切り出しパターン（ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ，ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）において積算されたスペクトル形状を計算し記憶する。
Ｓ３０３ステップ：Ｓ３０２ステップで計算されたスペクトル形状データをエネルギーが高い順にナンバリングし、ｆ１，ｆ２，・・・，ｆｋと記憶する。
Ｓ３０４ステップ：ｋ＝１とおく。
Ｓ３０５ステップ：ｆｋに関してスペクトル線幅が所定値以下であるかどうか判断する。 Ｎｏの場合は次のステップＳ３０６に移行する。Ｙｅｓの場合はこのサブルーチンを終了し、ビーム整形ユニット調整サブルーチンに移行する。
Ｓ３０６ステップ：ｋ＝ｋ＋１を行う。
Ｓ３０７ステップ：ｋがｋｅｎｄよりも大きくなっていないか判断する。
Ｙｅｓの場合はＳ３０８に移行し、レーザ狭帯域化不能信号を露光装置に送信し、レーザ発振停止を行う。Ｎｏの場合はＳ３０５に移行しこれを繰り返す。
以上のようにして良好なビーム領域が選択されたら、前記図２２のＳ２０２ステップからＳ２０３に行き、選択した切り出し領域が 増幅段ゲイン領域に入射するようにビーム整形ユニット５を調整する。また、必要に応じて伝播ミラー４ａ（あるいは４ｂ）で注入光軸を調整する。
同図に示すようにビーム領域の選択は例えば以下のように行われる。
Ｓ３０１ステップ：スペクトル分布モニタ３１にてビーム内スペクトル特性を計測して取得し、記憶する。
Ｓ３０２ステップ：すべての切り出しパターン（ｍｓｔａｒｔ，ｎｓｔａｒｔ，ｍｅｎｄ，ｎｅｎｄ）において積算されたスペクトル形状を計算し記憶する。
Ｓ３０３ステップ：Ｓ３０２ステップで計算されたスペクトル形状データをエネルギーが高い順にナンバリングし、ｆ１，ｆ２，・・・，ｆｋと記憶する。
Ｓ３０４ステップ：ｋ＝１とおく。
Ｓ３０５ステップ：ｆｋに関してスペクトル線幅が所定値以下であるかどうか判断する。 Ｎｏの場合は次のステップＳ３０６に移行する。Ｙｅｓの場合はこのサブルーチンを終了し、ビーム整形ユニット調整サブルーチンに移行する。
Ｓ３０６ステップ：ｋ＝ｋ＋１を行う。
Ｓ３０７ステップ：ｋがｋｅｎｄよりも大きくなっていないか判断する。
Ｙｅｓの場合はＳ３０８に移行し、レーザ狭帯域化不能信号を露光装置に送信し、レーザ発振停止を行う。Ｎｏの場合はＳ３０５に移行しこれを繰り返す。
以上のようにして良好なビーム領域が選択されたら、前記図２２のＳ２０２ステップからＳ２０３に行き、選択した切り出し領域が 増幅段ゲイン領域に入射するようにビーム整形ユニット５を調整する。また、必要に応じて伝播ミラー４ａ（あるいは４ｂ）で注入光軸を調整する。
１ 発振段レーザ
１ａ チャンバ
１ｂ 電極
１ｄ ウィンドウ部材
１ｅ リアミラー
１ｆ フロントミラー
２ 増幅段レーザ
２ａ チャンバ
２ｂ 電極
２ｄ ウィンドウ部材
２ｅ リアミラー
２ｆ フロントミラー
３ 狭帯域化モジュール
３ａ 回折格子（グレーティング）
３ｂ 拡大プリズム
４ａ，４ｂ 伝播ミラー
５ ビーム整形ユニット
５ａ スリット
５ｂ 凹レンズ
５ｃ コリメータレンズ
５ｄ，５ｅ プリズム
６ ウィンドウ（平行平板）
７ ドーププリズム
３１ スペクトル分布モニタ
３２ コントローラ
３３ 注入エネルギーモニタ
３４ モニタモジュール
３５ レーザ出射口シャッタ
１ａ チャンバ
１ｂ 電極
１ｄ ウィンドウ部材
１ｅ リアミラー
１ｆ フロントミラー
２ 増幅段レーザ
２ａ チャンバ
２ｂ 電極
２ｄ ウィンドウ部材
２ｅ リアミラー
２ｆ フロントミラー
３ 狭帯域化モジュール
３ａ 回折格子（グレーティング）
３ｂ 拡大プリズム
４ａ，４ｂ 伝播ミラー
５ ビーム整形ユニット
５ａ スリット
５ｂ 凹レンズ
５ｃ コリメータレンズ
５ｄ，５ｅ プリズム
６ ウィンドウ（平行平板）
７ ドーププリズム
３１ スペクトル分布モニタ
３２ コントローラ
３３ 注入エネルギーモニタ
３４ モニタモジュール
３５ レーザ出射口シャッタ
Claims (4)
- 狭帯域化部を有する発振段レーザと、発振段レーザから注入されるレーザビームを増幅する増幅部から構成される放電励起式の２ステージ狭帯域化レーザ装置であって、放電から発生する音響波がレーザ発振波長へもたらす影響が実質的に無い２ステージ狭帯域化レーザ装置において、
発振段レーザのチャンバと上記増幅部のチャンバ間にビーム整形手段を備え、
上記ビーム整形手段は、レーザビームのビーム品質が良好な部分を選択的に切り出し、上記増幅部のゲイン領域へ注入する
ことを特徴とする２ステージ狭帯域化レーザ装置。 - 上記ビーム整形手段は、ビームの断面形状を拡大させる拡大光学系を含み、上記増幅部に注入されるレーザビームの断面形状と光軸を、上記増幅部のゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させる
ことを特徴とする請求項１記載の２ステージ狭帯域化レーザ装置。 - 上記ビーム整形手段は、ビームを光軸の周りに回転させる回転光学系を含み、上記増幅部に注入されるレーザビームの断面形状と光軸を、上記増幅部のゲイン領域の形状と光軸とにほぼ一致させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の２ステージ狭帯域化レーザ装置。 - 発振段レーザから放出されるレーザビームの断面を複数の領域に分割し、各分割領域のスペクトル特性を計測する手段と、
上記レーザビームから、予め設定されたｎ×ｍの大きさの領域を複数切り出し、上記計測された各分割領域のスペクトル特性に基づき、切り出したｎ×ｍの大きさの各領域におけるスペクトル特性を算出する手段と、
上記切り出したｎ×ｍの大きさの複数の領域の中から、スペクトル特性が所望の条件を満たす領域を選択する手段と、
上記選択された領域のレーザビームが上記第２のレーザに注入されるように上記ビーム整形手段を制御する手段を備えた
ことを特徴とする請求項１、２または請求項３記載の２ステージ狭帯域化レーザ装置。
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| JP2005211176A JP2007027624A (ja) | 2005-07-21 | 2005-07-21 | ２ステージ狭帯域化レーザ装置 |
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