JP2007096359A - 紫外レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透光部の温度勾配の変化を抑え、レーザ光を高品位に保つことの可能な狭帯域化紫外レーザ装置を提供する。
【解決手段】 プリズムとグレーティング（３３）とを有する狭帯域化ユニットによりレーザ光を狭帯域化し、レーザ光（１１）を透過させる開口からなる透光部（４７Ａ〜４７Ｃ）と、透光部の周囲にあって不要レーザ光（１１Ａ）を光路から除去し、レーザ光（１１）を所定形状に整形する遮光部（４９Ａ〜４９Ｃ）とを有してなる遮光素子（３７Ａ〜３７Ｃ）を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、遮光素子近傍に、透光部を加熱する加熱手段（４５）を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、狭帯域化された紫外レーザ装置に関する。

従来から紫外レーザ装置において、加工用光源としての性能を向上させるために、共振器内に波長選択素子を搭載してレーザ光のスペクトル幅を狭くし、かつその中心波長を安定化する、狭帯域化という技術が知られている（例えば、日本特開平１０−３１３１４３号参照）。
特開平１０−３１３１４３号公報

以下、エキシマレーザ装置を例にとって、従来技術を説明する。図７は、従来技術に係る狭帯域化されたエキシマレーザ装置１の構成説明図である。図７において、エキシマレーザ装置１は、レーザガスを封入したレーザチャンバ２と、このレーザチャンバ２から発振されるレーザ光１１を狭帯域化する狭帯域化ユニット１０とを備えている。レーザチャンバ２内で放電によって発振したレーザ光１１は、レーザチャンバ２の外部後方に設けられた狭帯域化ユニット１０に入射する。

狭帯域化ユニット１０に入射したレーザ光１１は、プリズム３２，３２によって拡大され、グレーティング３３に入射する。そして、グレーティング３３によって所定の波長のレーザ光１１のみが入射光と同じ方向に折り返され、レーザチャンバ２に再入射し、フロントミラー８から出射する。そして、加工機１５に入射し、その内部で精密加工を行なうための光源となる。

このとき、レーザ光１１の一部が、狭帯域化ユニット１０内部のプリズム３２やグレーティング３３の端部に当たることがある。このような狭帯域化されない反射光（これを不要レーザ光１１Ａと言う）がレーザチャンバ２に戻ると、中心波長やスペクトル幅等のレーザ光１１の光品位が低下する。また、レーザ光１１が所定の入射面以外の面から光学部品に入射することにより、熱が発生して光学部品が歪むことがある。さらには、グレーティング３３に対して所定の入射角以外の角度でレーザ光１１が入射すると、グレーティング３３の波長選択が良好に行なわれず、レーザ光１１の光品位が低下する。

これを避けるために、狭帯域化ユニット１０にレーザ光１１が入射する位置には不要レーザ光１１Ａを除去する第１の遮光素子３７Ａが、また、狭帯域化ユニット１０内には、第２の遮光素子３７Ｂが、それぞれ設けられている。さらに、フロントミラー８の内側には、レーザ光１１のビーム形状を加工に好適な所定の形状とするために、第３の遮光素子３７Ｃが設けられている。

図８に、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの形状を示す。図８において遮光素子３７Ａ〜３７Ｃはそれぞれ、不要レーザ光１１Ａを除去するプレート状の遮光部４９Ａ〜４９Ｃと、レーザ光１１が透過する長方形の開口からなる透光部４７Ａ〜４７Ｃとを有している。レーザ光１１が遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに照射されると、遮光部４９Ａ〜４９Ｃに当たった不要レーザ光１１Ａは、乱反射して光路から外れ、エキシマレーザ装置１を覆う図示しないカバー等に吸収される。残りのレーザ光１１は、透光部４７Ａ〜４７Ｃを通過し、長方形のビーム形状に整形される。

しかしながら、上記従来技術には、次に述べるような問題点がある。
即ち、従来技術によれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの材質に関しては記載されておらず、一般的には金属が使用されている。この遮光素子３７Ａ〜３７Ｃにレーザ光１１が照射されると、その一部が遮光部４９Ａ〜４９Ｃに吸収され、遮光部４９Ａ〜４９Ｃが熱を帯びてくる。このとき、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内には、例えば空気や不活性ガス等の気体が存在している。従って、遮光部４９Ａ〜４９Ｃの内縁５０Ａ〜５０Ｃからの発熱により、この気体に温度勾配が生じる。即ち、透光部４７Ａ〜４７Ｃの内縁５０Ａ〜５０Ｃ近傍の気体の温度は高くなるが、中央近傍の気体の温度はさほど高くならない状態となってしまう。

その結果、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が不均一となり、気体があたかもレンズのように作用して、透光部４７Ａ〜４７Ｃを通過するレーザ光１１の波面が歪むことになる。そのため、エキシマレーザ装置１から出射するレーザ光１１のビーム形状が歪んだりスペクトル幅が太くなったりして、レーザ光１１の品位が低下し、加工が良好に行なわれなくなるという問題がある。

さらに、レーザ発振を開始した時点では、温度勾配はほとんど存在せず、レーザ光を長時間発振させるに従って温度勾配が生じてバランスするため、発振の開始時と長時間経過後とでは透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が変化する。そのため、発振の開始時に光品位が良好となるようにレーザ光１１のグレーティング３３への入射角を調整しても、時間の経過と共に波面が歪んで、光品位が低下する。また、ビーム形状やビーム中心位置が変動して加工に悪影響を与えるという問題がある。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、透光部の温度勾配の変化を抑えてレーザ光を高品位に保つことの可能な狭帯域化紫外レーザ装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る紫外レーザ装置の第１は、狭帯域化ボックス内部に設置された、プリズムと波長選択素子であるグレーティングとを有する狭帯域化ユニットによりレーザ光を狭帯域化し、レーザ光を透過させる開口からなる透光部と、透光部の周囲にあって不要レーザ光を光路から除去し、レーザ光を所定形状に整形する遮光部とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、遮光素子近傍に、透光部を加熱する加熱手段を備える構成としている。
かかる構成によれば、遮光素子近傍に、透光部を加熱する加熱手段を備えている。これにより、透光部内の気体が全体に熱せられて略均一な温度となるので、レーザ光が遮光板に照射された際に生じる透光部内の気体の温度勾配を緩和することができる。従って、透光部の屈折率の不均一が小さくなるので、レーザ光が透光部を透過した際に波面が歪むことがなく、高品位のレーザ光を得ることが可能となる。さらに、予め遮光素子の全体を加熱しておくことにより、レーザ光の発振開始時と時間経過後との、透光部の屈折率の変動を小さくできる。従って、発振開始時に狭帯域化ユニット内の光学部品の配置や角度を調整しておけば、時間の経過に伴う波面の変動が小さく、光品位が低下するということがない。

また、狭帯域化紫外レーザ装置において、加熱手段は、レーザ光が発振していない状態においても加熱を行なう構成としてもよい。
かかる構成により、レーザ光が発振する際には既に透光部内の気体の温度が略均一化されているので、発振直後の気体の温度変化が小さくなる。従って、発振直後から高品位のレーザ光を安定して得ることが可能である。

また、狭帯域化紫外レーザ装置において、レーザ発振をコントロールするレーザコントローラと、透光部内の気体の温度を測定する温度測定器とを備え、温度測定器は、気体温度に関する情報をレーザコントローラに通知し、レーザコントローラは、この情報に基づいてレーザ発振を開始する構成としてもよい。
かかる構成によれば、気体温度に関する情報、例えば透光部内の気体の温度が充分高いという情報に基づいて、レーザ発振を開始している。これにより、レーザ発振を開始する際に、すでに透光部内の気体の温度が上がって略均一化されているので、レーザ光が温度変化による屈折率変動の影響を受けず、常に高品位のレーザ光を得ることが可能である。

本発明に係る紫外レーザ装置の第２は、狭帯域化ボックス内部に設置された、プリズムと波長選択素子であるグレーティングとを有する狭帯域化ユニットによりレーザ光を狭帯域化し、レーザ光を透過させる透光部と、透光部の周囲にあって不要レーザ光を光路から除去し、レーザ光を所定形状に整形する遮光部とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、遮光部は、アルミニウム、アルミニウム合金及び銅の少なくともいずれか一つを含む材質で形成される構成としている。
かかる構成によれば、遮光素子の遮光部が熱伝導性の良いアルミニウム、アルミニウム合金及び銅のいずれか一つを含む材質で形成されている。これにより、遮光素子にレーザ光が照射された際に、発生した熱が短時間で伝導する。これに加え、アルミニウム及びアルミニウム合金は、レーザ光を高い反射率で反射するので、遮光素子にレーザ光が殆んど吸収されない。これらの理由から、遮光部の内縁の熱上昇が非常に小さいため、透光部内の気体に温度の不均一が生じにくく、その屈折率が均一になる。従って、レーザ光が透光部を透過する際に波面の乱れが起こらないので、レーザ光の光品位を高品位に保つことが可能である。

本発明に係る紫外レーザ装置の第３は、狭帯域化ボックス内部に設置された、プリズムと波長選択素子であるグレーティングとを有する狭帯域化ユニットによりレーザ光を狭帯域化し、レーザ光を透過させる透光部と、透光部の周囲にあって不要レーザ光を光路から除去し、レーザ光を所定形状に整形する遮光部とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、遮光部は、レーザ光を透過する材質で形成されると共に、不要レーザ光を光路から除去する機能を有する構成としている。
また、狭帯域化紫外レーザ装置において、この除去機能は、遮光部の表面に形成される全反射コーティングである構成としてもよい。
かかる構成によれば、遮光部が例えばＣａＦ２や合成石英等の、レーザ光が透過する材質で形成されているので、遮光部にレーザ光が吸収されず、遮光部が熱を帯びることが少ない。従って、透光部内に気体があったとしても、その気体が温められることがなく、屈折率が均一になるので、レーザ光が透光部を透過する際に波面の乱れが起こらない。即ち、レーザ光の光品位を高品位に保つことが可能である。また、遮光部の表面に全反射コーティングを施すことにより、レーザ光を高反射率で反射するので、レーザ光の品位を低下させる原因となる不要レーザ光を効率良く除去できる。

本発明に係る紫外レーザ装置の第４は、狭帯域化ボックス内部に設置された、プリズムと波長選択素子であるグレーティングとを有する狭帯域化ユニットによりレーザ光を狭帯域化し、レーザ光を透過させる透光部と、透光部の周囲にあって不要レーザ光を光路から除去し、レーザ光を所定形状に整形する遮光部とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、透光部は、レーザ光が透過する固体で形成される構成としている。
かかる構成によれば、例えばＣａＦ２や合成石英等のレーザ光が透過する固体で透光部を構成している。これにより、レーザ光が透過する透光部内には気体が存在しなくなるので、気体の温度勾配が生じることがない。また、透光部はレーザ光を高透過率で透過させるので、透光部にレーザ光が吸収されて温められることもない。従って、透光部に温度勾配が生じて屈折率が不均一になるということがないので、レーザ光が透光部を透過した際に、波面の乱れが起こらない。そしてこのとき、例えば透光部の周囲に、遮光部としてレーザ光を高反射率で反射するような金属製のプレートや全反射コーティングされた光学部品を配置するならば、レーザ光の品位を低下させる原因となる不要レーザ光を効率良く除去できる。従って、レーザ光の光品位を高品位に保つことが可能である。

本願発明によると、開口からなる透光部内の気体の温度勾配を緩和する、または透光部内の気体に温度の不均一が生じにくくすることができるから、透光部の屈折率の不均一が小さくなるので、レーザ光が透光部を透過した際に波面が歪むことがなく、高品位のレーザ光を得ることが可能となる。また、例えばＣａＦ２や合成石英等のレーザ光が透過する固体で透光部を構成している場合には、レーザ光が透過する透光部内には気体が存在しなくなるので、気体の温度勾配が生じることがなく、しかも、透光部はレーザ光を高透過率で透過させるので、透光部にレーザ光が吸収されて温められることもない。さらに、遮光部の光路除去機能として遮光部表面を全反射コーティングした場合には、レーザ光を高反射率で反射するので、レーザ光の品位を低下させる原因となる不要レーザ光を効率良く除去でき、遮光部の温度上昇を抑制できる。従って、透光部に温度勾配が生じて屈折率が不均一になるということがないので、レーザ光が透光部を透過した際に、波面の乱れが起こらない。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。尚、各実施形態において、前記従来技術の説明に使用した図と同じ要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。以下の実施形態では、紫外レーザ装置の一例としてＫｒＦエキシマレーザ装置（以下、エキシマレーザ装置と略称する）を例にとって説明する。

まず、図１に基づいて第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係るエキシマレーザ装置１の構成を示している。図１において、エキシマレーザ装置１は、レーザガスを封入し、内部で放電を起こして真空紫外領域のレーザ光１１を発振させるレーザチャンバ２と、このレーザチャンバ２から発振されるレーザ光１１を狭帯域化する狭帯域化ユニット１０とを備えている。

レーザチャンバ２の内部には、レーザガスとして例えばフッ素（Ｆ２）、クリプトン（Ｋｒ）、及びネオン（Ｎｅ）が所定の圧力比で封入されており、所定位置には１組の放電電極５，５が設置されている。この放電電極５，５間に図示しない高圧電源から高電圧を印加することにより、放電によってレーザガスを励起し、約２４８ｎｍの波長を有するレーザ光１１を発振させている。尚、一般にこのようなエキシマレーザ装置１において、高電圧はパルス状に印加され、レーザ光１１はパルス発振する。

レーザチャンバ２で発生したレーザ光１１は、レーザチャンバ２の後端に設けられたリアウィンドウ９を透過して、レーザチャンバ２の外部後方に設けられた狭帯域化ユニット１０に入射する。狭帯域化ユニット１０は、狭帯域化ボックス１４で周囲をカバーされ、その内部に例えば２個のプリズム３２，３２と、波長選択素子であるグレーティング３３とを備えている。

狭帯域化ボックス１４の内部に入射したレーザ光１１は、プリズム３２，３２によって拡大され、グレーティング３３に入射する。そして、グレーティング３３によって所定の波長のレーザ光１１のみが入射光と同じ方向に折り返され、狭帯域化される。レーザ光１１は、レーザチャンバ２に再入射し、レーザチャンバ２前端に設けられたフロントウィンドウ７を透過して、レーザチャンバ２前方に設けられたフロントミラー８から出射する。そして、加工機１５に入射し、その内部で精密加工を行なうための光源となる。

レーザ光１１が入射する狭帯域化ボックス１４の入口には不要レーザ光１１Ａを光路上から除去する第１の遮光素子３７Ａが、また、狭帯域化ユニット１０内には第２の遮光素子３７Ｂが、それぞれ設けられている。さらに、フロントミラー８の内側には、レーザ光１１のビーム形状を加工に好適な所定の形状とするために、第３の遮光素子３７Ｃが設けられている。

遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの形状は、図８に示したものと同様である。即ち、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは不要レーザ光１１Ａを除去するプレート状の遮光部４９Ａ〜４９Ｃと、レーザ光１１が透過する長方形の開口からなる透光部４７Ａ〜４７Ｃとを有している。遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの遮光部４９Ａ〜４９Ｃは、熱伝導率の高い物質、例えばアルミニウム合金又は銅を主成分とする材質で形成されている。

遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに照射されたレーザ光１１は、透光部４７Ａ〜４７Ｃを通過することにより、長方形のビーム形状に整形される。また、遮光部４９Ａ〜４９Ｃに当たった不要レーザ光１１Ａは、反射して光路から外れ、エキシマレーザ装置１を覆う図示しないカバー等に吸収される。

このとき、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、遮光部４９Ａ〜４９Ｃで反射した不要レーザ光１１Ａがレーザチャンバ２に戻って共振器内で共振しないよう、レーザ光１１の光軸に対して非垂直な所定の角度をなすように配設されている。これにより、例えば第１の遮光素子３７Ａで反射した不要レーザ光１１Ａは、エキシマレーザ装置１を覆うカバー（図示せず）の内壁に当たって吸収される。また、第２の遮光素子３７Ｂで反射した不要レーザ光１１Ａは、狭帯域化ボックス１４内に設けられたアルミニウム等からなる吸収材４２に当たって乱反射し、狭帯域化ボックス１４の内壁に吸収される。このとき、吸収材４２の表面は、反射した不要レーザ光１１Ａが狭帯域化ボックス１４の内壁の一点に集中しないよう、適度に不規則な凹凸を有しているのが好ましい。

即ち、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、所定の形状（本実施形態では所定の幅及び高さを有する長方形）の透光部４７Ａ〜４７Ｃを備え、この遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを通過するレーザ光１１のビーム形状を整形している。そして、遮光部４９Ａ〜４９Ｃによって不要レーザ光１１Ａを光路から除去して、レーザ光１１が所定以外の位置に照射されるのを防止している。

また、これらの遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、グレーティング３３に対してレーザ光１１が所定の入射角以外の角度で入射するのを防止している。これにより、グレーティング３３の波長選択が良好に行なわれるので、レーザ光１１の光品位を良好に保つことが可能となる。そして本実施形態によれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの遮光部４９Ａ〜４９Ｃを、銅やアルミニウム合金のように熱伝導率の高い材質を主成分として構成している。

これにより、遮光部４９Ａ〜４９Ｃに不要レーザ光１１Ａが照射されても、内縁５０Ａ〜５０Ｃに発生した熱が短時間で周囲に伝導して放熱するので、内縁５０Ａ〜５０Ｃの熱上昇が非常に小さい。そのため、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体に温度の不均一が生じにくく、その屈折率が均一になる。従って、レーザ光１１が透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過しても波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

またこのとき、遮光部４９Ａ〜４９Ｃの表面に、アルミニウム膜を蒸着するとさらに好適である。即ち、アルミニウムはレーザ光１１の波長である紫外線に対する反射率が高いので、遮光部４９Ａ〜４９Ｃに不要レーザ光１１Ａが照射された際に大部分が反射し、その内縁５０Ａ〜５０Ｃの温度上昇が非常に小さくなる。そのため、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の屈折率が均一となり、波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

或いは、このようなアルミニウム膜の表面に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）等の誘電体からなる無反射コーティングを施すとさらに好適である。即ち、アルミニウム膜に不要レーザ光１１Ａが繰り返し照射されると、次第にアルミニウム膜が劣化してその反射率が低下するので、それを防止する効果がある。

また、アルミニウム合金の表面にアルミニウム膜を蒸着することなく、直接無反射コーティングを施してもよい。アルミニウム合金もレーザ光１１に対する反射率は高いので、同様の効果がある。また、遮光部４９Ａ〜４９Ｃをアルミニウムで形成してもよい。

或いは、遮光部４９Ａ〜４９Ｃの材質を、熱伝導性の低いセラミックにしてもよい。これにより、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃにレーザ光１１が照射されても、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃが熱くなることが少ないので、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体の温度上昇が非常に小さくなる。そのため、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が均一となり、波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

さらには他の例として、遮光部４９Ａ〜４９Ｃの材質を合成石英、ＣａＦ２、ＭｇＦ２のような、紫外線波長のレーザ光１１が高透過率で透過する材質としてもよい。このようにすれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃにレーザ光１１が照射されても、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに入射するレーザ光１１のうち表面で反射される以外のレーザ光１１は遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを透過し、吸収されることが少ない。このとき、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを光軸に対して適当な角度で傾けて配置するようにすれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの表面で反射される成分が増えて入射する成分が経るためにレーザ光１１の吸収が少なくなり、さらに熱上昇が小さい。さらには、遮光部４９Ａ〜４９Ｃの表面に全反射コーティングを施すようにすれば、不要レーザ光１１Ａを高反射率で反射し、遮光部４９Ａ〜４９Ｃが熱せられることが少ない。従って、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体の温度上昇が非常に小さくなり、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が均一となって波面の乱れが起こらず、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

即ち、本実施形態によれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを、レーザ光１１に対する吸収率が非常に低い材質で形成しているので、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの温度上昇が小さく、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が均一となって波面の乱れが起こらない。

次に、本実施形態に係る狭帯域化ユニット１０について詳細に説明する。狭帯域化ボックス１４の外壁には小孔３８が設けられ、配管を連結する継手３９が固定されている。狭帯域化ボックス１４外側で継手３９の一端側には、パージ配管３０の一端が接続されている。パージ配管３０の他端は、パージバルブ２７を介して、例えば窒素（Ｎ２）等の不活性ガスが充填されたパージボンベ２６に接続されている。パージバルブ２７を開くと、パージボンベ２６内の不活性ガスが、常時狭帯域化ボックス１４の内部に供給され、狭帯域化ボックス１４の内部の空気を追い出して内部を清浄に保つことができる。これを不活性ガスによるパージと言う。

狭帯域化ボックス１４内側で継手３９の他端側には、吹付配管（吹付手段）４０の一端が接続されている。吹付配管４０の他端は２叉に分かれ、遮光素子３７Ａ，３７Ｂの近傍にそれぞれ固定されている。これにより、パージを行なうと、不活性ガスが遮光素子３７Ａ，３７Ｂの透光部４７Ａ，４７Ｂに吹きつけられる。

従って、遮光部４９Ａ，４９Ｂの内縁５０Ａ，５０Ｂが加熱されても、透光部４７Ａ，４７Ｂ内の気体が常に入れ替わるので、透光部４７Ａ，４７Ｂ中央近傍の気体と内縁５０Ａ，５０Ｂ近傍の気体との間の温度差が小さくなる。従って、透光部４７Ａ，４７Ｂの屈折率が均一になり、従来技術のようにレーザ光１１の波面が歪むということが少なくなる。即ち、レーザ光１１の高品位が保たれる。

尚、本実施形態では第１、第２の遮光素子３７Ａ，３７Ｂの近傍にのみ吹付配管４０を配置するよう説明したが、第３の遮光素子３７Ｃの近傍にも吹付配管４０を配置し、不活性ガスを吹きつけるようにするとさらに好適である。
また、このとき図示しない冷却手段によって不活性ガスを冷却して遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに吹きつけると、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの温度上昇が抑えられるのでさらに好適である。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。図２は、本実施形態に係る狭帯域化ユニット１０の構成を示している。
図２において、遮光素子５１Ａ，５１Ｂはそれぞれ、２個のプリズム形状の光学部品からなり、このプリズム形状の頂角部を互いに向かい合うようにつき合わせることによって、所定の間隙を有するスリットを構成している。そして、このスリットによって透光部４７Ａ，４７Ｂが決定され、プリズム部分が図８における遮光部４９Ａ，４９Ｂと同様な機能を有する。この遮光素子５１Ａ，５１Ｂは、合成石英、ＣａＦ２、ＭｇＦ２等の、紫外線波長のレーザ光が透過する材質で構成されている。

即ち、遮光素子５１Ａ，５１Ｂに照射された不要レーザ光１１Ｂは、プリズムの内部で屈折し、光軸から外れるような向きを有して、遮光素子５１Ａ，５１Ｂから出射する。そして、アルミニウム製の吸収材４２に照射され、吸収材４２の表面で乱反射して狭帯域化ボックス１４の内壁に吸収される。これにより、レーザ光１１は、透光部４７Ａ，４７Ｂで表わされるスリット部分を通過した成分のみとなるように、ビーム幅が制限される。

このとき、遮光素子５１Ａ，５１Ｂは不要レーザ光１１Ｂを吸収しない材質からなっているので、不要レーザ光１１Ｂに照射されても熱くなることが非常に少ない。そのため、透光部４７Ａ，４７Ｂ内の気体には、温度の不均一が生じず、透光部４７Ａ，４７Ｂの屈折率が均一になる。従って、レーザ光１１が透光部４７Ａ，４７Ｂを透過しても波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

尚、図２ではプリズム形状の頂角部を向き合わせてスリットを形成しているが、これに限られるものではなく、例えば直角部や他の頂角部を向き合わせてスリットを形成しても良い。
また、所定の入射角以外の角度でグレーティング３３に入射する不要レーザ光１１Ｂを除去するために、各２個のプリズムを組み合わせてスリット状の透光部４７Ａ，４７Ｂを構成するのではなく、各１個のプリズムによって光路の片側のみを遮光する構成としてもよい。

或いは、２個のプリズムを向い合わせるだけではなく、例えば４個のプリズムを上下左右に組み合わせて遮光素子５１Ａ，５１Ｂを構成し、透光部４７Ａ，４７Ｂを長方形の形状としてもよい。このようにすれば、スリットが１方向のビーム幅のみを制限しているのに対し、これに垂直な他方向に対してもビーム幅を制限できるので、不要レーザ光１１Ｂをより確実に除去することが可能である。即ち、不要レーザ光１１Ｂがレーザチャンバ２に戻るのをより確実に防止できる。

或いは、上記のように２個又は４個のプリズムを独立に組み合わせるのではなく、そのような形状の光学素子を予め製作し、これを所定位置に配置してもよい。このようにすれば、遮光素子５１Ａ，５１Ｂを向い合わせるのに比べて透光部４７Ａ，４７Ｂの寸法精度をより精密に構成できる。従って、不要レーザ光１１Ｂをより確実に除去することが可能であり、レーザ光１１の光品位が向上する。

尚、本実施形態では第１、第２の遮光素子５１Ａ，５１Ｂのみについて説明したが、図１で説明した構成、例えばフロントミラー８とレーザチャンバ２との間に第３の遮光素子３７Ｃを設ける構成のように、第３の遮光素子（図２では図示せず）を設けて、第１実施形態と同様の構成としてもよい。

また、遮光素子５１の、不要レーザ光１１Ｂが透過する面に、無反射コーティングを施してもよい。このようにすれば、遮光素子５１での不要レーザ光１１Ｂの反射を抑えられ、反射光のレーザ光１１への混入を防止してその影響を小さくできる。従って、不要レーザ光１１Ｂをより確実に除去することができ、レーザ光１１の光品位が向上する。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。図３は、本実施形態に係る遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの形状を示す斜視図である。
図３において遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、合成石英、ＣａＦ２、ＭｇＦ２のような紫外線波長のレーザ光１１が透過する材質で形成されている。この遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの一側の面（例えば図３における手前側の面）及び他側の面には、斜線で示すようにレーザ光１１の反射を抑える長方形の無反射コーティングが施されている。また、この無反射コーティング部即ち透光部４７Ａ〜４７Ｃを除き、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの両面にはレーザ光１１を高反射率で反射する全反射コーティングが施されている。尚、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの無反射コーティング部を図中Ｙ方向にさらに広げて、スリット状にしてもよい。

このような遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを、例えば図１に示したようなエキシマレーザ装置１に配設すると、無反射コーティングを施された部分に照射されたレーザ光１１は、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを透過し、方形のレーザ光１１となる。そしてそれ以外の、全反射コーティングを施された部分に照射された不要レーザ光１１Ａは高反射率で反射し、図１で示したように吸収材４２に照射される。即ち、無反射コーティングを施された部分が透光部４７Ａ〜４７Ｃとなり、全反射コーティングを施された部分が遮光部４９Ａ〜４９Ｃとなる。

或いはこのとき、透光部４７Ａ〜４７Ｃに無反射コーティングを施すのではなく、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃをレーザ光１１の光軸に対してブリュースター角をなすように配設してもよい。これにより、レーザ光１１が透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過する際の損失を最小とすることが可能である。

遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの一側の面と他側の面とは、平行にならないようにするのが良い。このような、一側の面に対して他側の面を傾けるのを、ウェッジを設けると言う。これは、レーザ光１１が遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの一側の面と他側の面との間で何度も反射してレーザチャンバ２に戻るという現象を、避けるためである。

また、一側の面に図３に示したような無反射コーティング及び全反射コーティングを施し、他側の面は全面に無反射コーティングを施してもよい。即ち、一側の面のみに遮光素子３７Ａ〜３７Ｃとしての作用をさせてもよい。このようにすれば、透光部４７Ａ〜４７Ｃの位置を一側の面だけ正確に合わせればよく、一側の面と他側の面との両方で合わせる必要がなくなるので、コーティング加工及び光軸合わせが簡単になる。

このように、本実施形態によれば、遮光素子３７Ａ〜３７ＣをＣａＦ２等のレーザ光１１の透過率が大きな材質で形成し、透光部４７Ａ〜４７Ｃに無反射コーティングを、その外周の遮光部４９Ａ〜４９Ｃに全反射コーティングを、それぞれ施している。これにより、透光部４７Ａ〜４７Ｃに照射されたレーザ光１１は、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを損失なく通過する。また、遮光部４９Ａ〜４９Ｃに照射された不要レーザ光１１Ａは、全反射コーティングによって高反射率で反射される。

従って、レーザ光１１が遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに照射されても吸収されることがなく、透光部４７Ａ〜４７Ｃの温度が上昇しない。しかも、透光部４７Ａ〜４７Ｃは透過率の大きな固体で構成されているので、温度勾配の生じるような気体が存在せず、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が不均一になることがない。従って、レーザ光１１が透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過した際に波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

このとき、透光部４７Ａ〜４７Ｃに無反射コーティングを施すのではなく、透光部４７Ａ〜４７Ｃをレーザ光１１の光軸に対してブリュースター角をなすように配設しても良い。このようにしても、透光部４７Ａ〜４７Ｃの透過率が大きくなるので、同様の効果が得られる。

図４に、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの他の第１例を示す。即ち、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、第１実施形態において説明したものと同様の、長方形の開口を有する熱伝導率が大きな材質（アルミニウム合金、銅等）の遮光部４９Ａ〜４９Ｃを、備えている。その開口には、合成石英、ＣａＦ２、ＭｇＦ２のような紫外線波長のレーザ光１１が透過する材質からなる部材が埋め込まれ、透光部４７Ａ〜４７Ｃを構成している。この透光部４７Ａ〜４７Ｃを構成する部材には、無反射コーティングが施され、また図示はされていないがウェッジが設けられているのが、好適である。

このような遮光素子３７Ａ〜３７Ｃに照射された不要レーザ光１１Ａは、熱伝導性が大きな遮光部４９Ａ〜４９Ｃにより、ほとんど吸収されることなく反射される。しかも、上述したように透光部４７Ａ〜４７Ｃが固体であるので、温度勾配の生じるような気体が存在せず、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が不均一になることがない。従って、レーザ光１１の波面が歪まず、光品位を高品位に保つことが可能である。

また、図５に遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの他の第２例を示す。図５に示すように、狭帯域化ユニット１０を構成するプリズム３２には、レーザ光１１が入射する入射面３２Ａ及び出射する出射面３２Ｂの略中央部の所定位置に、それぞれ長方形の無反射コーティングが施されている。また、この無反射コーティングされた部分を除く、プリズム３２の入射面３２Ａ及び出射面３２Ｂの全面には、全反射コーティングが施されている。

このようなプリズム３２にレーザ光１１が照射されると、無反射コーティングを施した部分に照射されたレーザ光１１は、無反射コーティングを施した部分と同じ形状でプリズム３２に入射する。即ち、プリズム３２の無反射コーティングされた入射面３２Ａが、透光部４７Ａ〜４７Ｃを構成している。一方、全反射コーティングを施した部分に照射された不要レーザ光１１Ａは、反射されて光路から除去され、図示しない吸収材４２等に照射される。即ち、プリズム３２の全反射コーティングされた入射面３２Ａが、遮光部４９Ａ〜４９Ｃを構成している。

このように、レーザ光１１を拡大するためのプリズム３２にコーティングを施すことで、プリズム３２に遮光素子としての役割を兼ねさせることが可能である。これにより、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを別途設ける必要がなく、部品点数が減少して装置の構成が簡単になる。また、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを配置する位置の調整が不要となり、エキシマレーザ装置１の組立調整が簡単になる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。図６は、本実施形態に係るエキシマレーザ装置１の構成を示している。図６において、エキシマレーザ装置１は発振をコントロールするレーザコントローラ４を備えている。また、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃは、例えば第１実施形態に示したものと同様のものとする。

遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの近傍には、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃとほぼ同一の形状でレーザ光１１が透過する開口４６を有するヒータ４５が、それぞれ配設されている。レーザ光１１は、透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過した後、このヒータ４５の開口４６を透過する。このヒータ４５には、図示しない給電線から電力供給が行なわれ、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの近傍を加熱している。これにより、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体の温度が略均一に上昇するので、レーザ光１１が照射された際に内縁５０Ａ〜５０Ｃの加熱の影響が小さくなる。このため、透光部４７Ａ〜４７Ｃの略中央部と内縁５０Ａ〜５０Ｃ近傍とで、気体の温度勾配が緩やかなものとなる。
従って、透光部４７Ａ〜４７Ｃでの屈折率の不均一が小さく、レーザ光１１が透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過した際に波面の乱れが起こらないので、レーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

このような加熱は、エキシマレーザ装置１を発振させないときにも行なうようにするのが良い。即ち、透光部４７Ａ〜４７Ｃの気体を予熱しておくことにより、透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が発振前から略均一になるので、レーザ発振を開始した際に遮光素子３７Ａ〜３７Ｃが急激に熱せられることがない。従って、発振直後からレーザ光１１の光品位を高品位に保つことが可能である。

また、図６に示すように、透光部４７Ａ〜４７Ｃ近傍に温度測定器４８をそれぞれ設置し、透光部４７Ａ〜４７Ｃの気体の温度を測定している。そして、加熱によって気体の温度が所定値になったことを、温度測定器４８からレーザコントローラ４に通知している。レーザコントローラ４は、この通知に基づいてレーザ発振を開始する。これにより、温度が所定値以上になって常に透光部４７Ａ〜４７Ｃの屈折率が略均一な状態でレーザ発振を行なうことが可能となり、レーザ光１１の波面が乱れることがない。尚、レーザコントローラ４は、温度測定器４８から温度情報のみを受け取り、その情報に基づいてレーザ発振の開始を判断するとしてもよい。

また、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃを加熱する他の例として、図６に示すように、狭帯域化ボックス１４の内部に清浄な不活性ガスをパージするパージ配管３０の途中に、ヒータ４５を設けている。即ち、ヒータ４５によって温められた不活性ガスをパージすることにより、狭帯域化ボックス１４の内部の温度を一様に高くしている。従って、レーザ発振時に遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの内縁５０Ａ〜５０Ｃが熱くなっても、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体が予め温められているので、気体の温度に生じる勾配が小さい。即ち、屈折率が略均一となるので、レーザ光１１の波面が乱れることがない。また、このようなヒータ４５は、レーザ光１１の光路を覆うカバー（図示せず）や狭帯域化ボックス１４の外壁に接触して設けられてもよく、これらの内部に設けられてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃ近傍にヒータ４５等の加熱手段を設け、遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの透光部４７Ａ〜４７Ｃを加熱している。従って、レーザ光１１が照射されて遮光素子３７Ａ〜３７Ｃの温度が高くなっても、透光部４７Ａ〜４７Ｃ内の気体の温度に大きな勾配が生じることがない。即ち、屈折率が略均一となるので、この透光部４７Ａ〜４７Ｃを透過するレーザ光１１の波面が乱れず、高品位のレーザ光１１を得ることが可能である。

上記各実施形態においては、遮光素子は、長方形の形状又はスリット形状として説明したが、これに限られるものではない。即ち、ピンホールのような形状でも良い。又は、上述したようにレーザ光の片側のみを遮光するような形状でもよい。

また、第１〜第３の遮光素子が、すべて装置内に設けられているように記載しているが、このような形態に限られるものではない。即ち、第１〜第３の遮光素子のうち、少なくともいずれか１つが設けられているエキシマレーザ装置に対して、本発明は有効である。また、狭帯域化ボックス内に設けられた第２の遮光素子は１箇所のみに設けられているとは限らず、複数箇所に設けられている場合もある。

また、各実施形態では、遮光素子のすべてに対して同一の対策を施すように説明したが、これに限られるものではない。例えば、第１の遮光素子には不活性ガスを吹きつけ、第２の遮光素子を第２実施形態に示したようにレーザ光の吸収率の低い物質で構成するようにしてもよい。また、第３の遮光素子をレーザ光の吸収率の低い物質で構成し、かつ、不活性ガスを吹きつけるようにしてもよい。即ち、各実施形態に記した発明を、各遮光素子に対して適宜応用すればよい。

更に、上記各実施形態においては、紫外レーザ装置の一例としてＫｒＦエキシマレーザ装置を例にとって説明したが、これに限られるものではない。例えば、ＡｒＦエキシマレーザ装置等の他のエキシマレーザ装置や、Ｆ２レーザ等の紫外レーザ装置に対しても有効である。

本発明は、透光部の温度勾配の変化を抑えてレーザ光を高品位に保つことの可能な狭帯域化紫外レーザ装置として有用である。

本発明の第１実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成説明図。 本発明の第２実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成説明図。 本発明の第３実施形態に係る遮光素子の斜視図。 本発明に係る遮光素子の他の第１例を示す斜視図。 本発明に係る遮光素子の他の第２例を示す斜視図。 本発明の第４実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成説明図。 従来技術に係るエキシマレーザ装置の構成説明図。 従来技術に係る遮光素子の形状図。

符号の説明

１…エキシマレーザ装置、２…レーザチャンバ、４…レーザコントローラ、７…フロントウィンドウ、８…フロントミラー、９…リアウィンドウ、１０…狭帯域化ユニット、１１…レーザ光、１１Ａ…不要レーザ光、１４…狭帯域化ボックス、３２…プリズム、３３…グレーティング、３７Ａ〜３７Ｃ…遮光素子、４０…吹付手段、４２…吸収材、４５…加熱手段、４６…開口、４７Ａ〜４７Ｃ…透光部、４８…温度測定器、４９Ａ〜４９Ｃ…遮光部、５０Ａ〜５０Ｃ…遮光部の内縁、５１Ａ，５１Ｂ…遮光素子

Claims (7)

1. 狭帯域化ボックス(14)内部に設置された、プリズム(32)と波長選択素子であるグレーティング(33)とを有する狭帯域化ユニット(10)によりレーザ光を狭帯域化し、
   レーザ光(11)を透過させる開口からなる透光部(47A〜47C)と、
   前記透光部(47A〜47C)の周囲にあって不要レーザ光(11A) を光路から除去し、レーザ光(11)を所定形状に整形する遮光部(49A〜49C)とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子(37A〜37C)を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記遮光素子(37A〜37C)近傍に、前記透光部(47A〜47C)を加熱する加熱手段(45)を備えることを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
2. 請求の範囲１記載の狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記加熱手段(45)は、レーザ光(11)が発振していない状態においても加熱を行なうことを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
3. 請求の範囲１又は２記載の狭帯域化紫外レーザ装置において、
   レーザ発振をコントロールするレーザコントローラ(4) と、
   前記透光部(47A〜47C)内の気体の温度を測定する温度測定器(48)とを備え、
   前記温度測定器(48)は、前記気体温度に関する情報を前記レーザコントローラ(4) に通知し、
   前記レーザコントローラ(4) は、前記情報に基づいてレーザ発振を開始するようにすることを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
4. 狭帯域化ボックス(14)内部に設置された、プリズム(32)と波長選択素子であるグレーティング(33)とを有する狭帯域化ユニット(10)によりレーザ光を狭帯域化し、
   レーザ光(11)を透過させる透光部(47A〜47C)と、
   前記透光部(47A〜47C)の周囲にあって不要レーザ光(11A) を光路から除去し、レーザ光(11)を所定形状に整形する遮光部(49A〜49C)とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子(37A〜37C)を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記遮光部(49A〜49C)は、アルミニウム、アルミニウム合金及び銅の少なくともいずれか一つを含む材質で形成されていることを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
5. 狭帯域化ボックス(14)内部に設置された、プリズム(32)と波長選択素子であるグレーティング(33)とを有する狭帯域化ユニット(10)によりレーザ光を狭帯域化し、
   レーザ光(11)を透過させる透光部(47A〜47C)と、
   前記透光部(47A〜47C)の周囲にあって不要レーザ光(11A) を光路から除去し、レーザ光(11)を所定形状に整形する遮光部(49A〜49C)とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子(37A〜37C)を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記遮光部(49A〜49C)は、レーザ光(11)を透過する材質で形成されると共に、不要レーザ光(11A) を光路から除去する機能を有することを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
6. 請求の範囲６記載の狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記除去機能は、前記遮光部(49A〜49C)の表面に形成される全反射コーティングであることを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。
7. 狭帯域化ボックス(14)内部に設置された、プリズム(32)と波長選択素子であるグレーティング(33)とを有する狭帯域化ユニット(10)によりレーザ光を狭帯域化し、
   レーザ光(11)を透過させる透光部(47A〜47C)と、
   前記透光部(47A〜47C)の周囲にあって不要レーザ光(11A) を光路から除去し、レーザ光(11)を所定形状に整形する遮光部(49A〜49C)とを有してなる、少なくとも１つの遮光素子(37A〜37C)を備える狭帯域化紫外レーザ装置において、
   前記透光部(47A〜47C)は、レーザ光(11)が透過する固体で形成されていることを特徴とする狭帯域化紫外レーザ装置。