JP2013214707A - 透過型光学素子、レーザチャンバ、増幅段レーザ、発振段レーザ、およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の高出力レーザ光に対する耐性を改善する。
【解決手段】透過型光学素子は、結晶構造上のｃ軸を備え、レーザ光が入射する面を備えた透過型光学素子であって、前記レーザ光の入射面内において前記ｃ軸が前記レーザ光の入射方向に対して傾くように配置されてもよい。もしくは、前記ｃ軸が、前記面と実質的に平行であって、前記レーザ光の入射面に対して実質的に垂直であるように配置されてもよい。
【選択図】図１１

Description

本開示は、透過型光学素子、レーザチャンバ、増幅段レーザ、発振段レーザ、およびレーザ装置に関する。

半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置（以下、「露光装置」という）においては解像力の向上が要請されている。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いる。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用の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。

次世代の露光技術としては、露光装置側の露光用レンズとウエハ間を液体で満たして、屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が研究されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として液侵露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４nmの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光（又はＡｒＦ液浸リソグラフィー）という。

ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振幅は約３５０〜４００ｐｍと広い。そのため、これらの投影レンズが使用されると色収差が発生して解像力が低下する。そこで、色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から放出されるレーザビームのスペクトル線幅（スペクトル幅）を狭帯域化する必要がある。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子（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（Ｌｉｎｅ Ｎａｒｒｏｗ Ｍｏｄｕｌｅ）が設けられ、スペクトル幅の狭帯域化が実現されている。このようにスペクトル幅が狭帯域化されるレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。

米国特許第６８６８１０６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１５８２８１号明細書

概要

本開示の一態様による透過型光学素子は、結晶構造上のｃ軸を備え、レーザ光が入射する面を備えた透過型光学素子であって、前記レーザ光の入射面内において前記ｃ軸が前記レーザ光の入射方向に対して傾くように配置されてもよい。

また、本開示の他の態様による透過型光学素子は、結晶構造上のｃ軸を備え、レーザ光が入射する面を備えた透過型光学素子であって、前記ｃ軸が、前記面と実質的に平行であって、前記レーザ光の入射面に対して実質的に垂直であるように配置されてもよい。

本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、ＭｇＦ_２結晶の単結晶構造を模式的に示す。 図２は、ＭｇＦ_２結晶が用いられたウィンドウ一例を模式的に示す。 図３は、図２に示されるウィンドウの偏光特性を評価する評価装置の一例を示す。 図４は、図３に示される評価装置におけるウィンドウの配置例を示す。 図５は、図４に示されるウィンドウをレーザ光の入射面で切断した際の構成を概略的に示す。 図６は、図３に示される評価装置におけるローションプリズムおよびエネルギーセンサの配置例を示す。 図７は、図６に示されるローションプリズムを回転した際にエネルギーセンサで計測されるレーザ光のパルスエネルギー値を示す。 図８は、図３に示されるウィンドウを法線上から見た際の構成を概略的に示す。 図９は、図３に示される評価装置においてウィンドウを回転方向に３６０°回転させた過程に得られた偏光度特性を示す。 図１０は、実施の形態１にかかるウィンドウをレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面構造を示す。 図１１は、図１０に示されるウィンドウを法線上から見た際の構成を示す。 図１２は、実施の形態２にかかるウィンドウをレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面構造を示す。 図１３は、図１２に示されるウィンドウを法線上から見た際の構成を示す。 図１４は、実施の形態３にかかる安定共振器を備えた増幅段レーザの構成を概略的に示す。 図１５は、実施の形態４にかかるリング共振器を備えた増幅段レーザの構成を概略的に示す。 図１６は、実施の形態４にかかる２ステージ型のレーザ装置の構成を概略的に示す。 図１７は、実施の形態６にかかる検出器とパルスストレッチャとを含むレーザ装置の構成を概略的に示す。

実施の形態

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示の一例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。

以下の説明では、下記目次の流れに沿って説明する。

目次
１．概要
２．用語の説明
３．ＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子
３．１ ＭｇＦ_２結晶の構造と物性値
３．２ ＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子の例（光学ウィンドウ）
３．３ ＭｇＦ_２ウィンドウの偏光特性評価
３．３．１ 評価装置
３．３．２ 偏光度の計測方法
３．３．３ 偏光特性評価結果
４．ＭｇＦ_２ウィンドウの第１例（実施の形態１）
５．ＭｇＦ_２ウィンドウの第２例（実施の形態２）
６．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えた増幅段レーザの第１例（実施の形態３）
７．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えた増幅段レーザの第２例（実施の形態４）
８．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えたレーザ装置の第１例（実施の形態５）
９．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えたレーザ装置の第２例（実施の形態６）

１．概要
実施の形態の概要について、以下に説明する。

従来のエキシマレーザでは、レーザチャンバに取り付ける光学ウィンドウの材料にＣａＦ_２結晶のウィンドウ（以下、ＣａＦ_２ウィンドウという）が使用されていた。しかしながら、ＣａＦ_２ウィンドウは、高出力の紫外線レーザ光によって劣化し易い。劣化したＣａＦ_２ウィンドウは、熱を吸収して複屈折を生じさせる。そのため、ＣａＦ_２ウィンドウを用いたエキシマレーザでは、出力レーザ光の偏光度変化や出力の低下などが生じる場合があった。

一方、ＭｇＦ_２結晶は、ＣａＦ_２結晶に比べ、原理的にバンドギャップが大きい。そのため、ＭｇＦ_２結晶が用いられた光学ウィンドウ（以下、ＭｇＦ_２ウィンドウという）の方がＣａＦ_２ウィンドウに比べて、ＡｒＦレーザに対する耐性が高い。また、ＭｇＦ_２結晶は、ａ軸とｃ軸の結晶格子の長さが異なる正方晶系の結晶構造を有しているため、複屈折性を備えている。以下の実施の形態では、このようなＭｇＦ_２結晶が、レーザチャンバの光学ウィンドウやその他の透過型光学素子に用いられる。

２．用語の説明
つぎに、本開示において使用される用語を、以下のように定義する。

「光路」とは、レーザ光が通過する経路である。「光路長」とは、実際に光が通過する距離と、光が通過した媒質の屈折率の積であってよい。「ビーム断面」とは、レーザ光の進行方向に対して垂直な面で一定以上の光強度となる領域であってよい。「光軸」とは、レーザ光の進行方向に沿ってレーザ光のビーム断面の略中心を通る軸であってもよい。

レーザ光の光路において、レーザ光の生成源側を「上流」とし、レーザ光の到達目標側を「下流」とする。「ビーム拡大」とは、レーザ光が光路に沿って下流へ向かうに連れてビーム断面が徐々に広がることをいう。このようにビーム拡大するレーザ光は、拡大ビームとも称される。「ビーム縮小」とは、レーザ光が光路に沿って下流へ向かうに連れてビーム断面が徐々に狭まることをいう。このようにビーム縮小するレーザ光は、縮小ビームとも称される。

「所定繰返し周波数」とは、略所定の繰返し周波数であればよく、必ずしも一定の繰返し周波数でなくてもよい。「バースト運転」とは、所定繰返し周波数でパルス状のレーザ光を出力させる期間と、レーザ光を出力させない期間とを交互に繰り返す運転であってよい。

エキシマレーザガスとは、励起された際にエキシマレーザの媒質となる混合ガスで、例えばＫｒガス、Ａｒガスのいずれか一方、及びＦ_２ガス、Ｎｅガスを含み、更に必要に応じてＸｅガスを含んでいてもよい。

「プリズム」とは、プリズムとは、三角柱またはそれに類似した形状を有し、レーザ光を含む光を透過し得るものをいう。プリズムの底面および上面は、三角形またはそれに類似した形状であってもよい。プリズムの底面および上面に対して略９０°に交わる３つの面を側面という。直角プリズムの場合、これらの側面のうち他の２面と９０°に交わらない面を斜面という。なお、プリズムの頂辺を削るなどして形状を変形したものについても、本説明におけるプリズムに含まれ得る。

反射型の光学素子に対する「入射面」とは、光学素子に入射するレーザ光の光軸と該光学素子によって反射したレーザ光の光軸との双方を含む面と定義される。透過型の光学素子に対する「入射面」とは、光学素子に入射するレーザ光の光軸と該光学素子を透過したレーザ光の光軸との双方を含む面と定義される。「Ｓ偏光」とは、上記のように定義される入射面に対して垂直な方向の直線偏光状態であるとする。一方、「Ｐ偏光」とは、光軸に直交し、且つ入射面に対して平行な方向の直線偏光状態であるとする。

３．ＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子
ＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子について説明するにあたり、ＭｇＦ_２結晶について説明する。

３．１ ＭｇＦ_２結晶の構造と物性値
ここで、ＭｇＦ_２結晶の結晶構造と物性値とについて説明する。図１は、ＭｇＦ_２結晶の結晶構造を模式的に示す。表１は、ＭｇＦ_２結晶の物性値を示す。図１および表１に示されるように、ＭｇＦ_２結晶は、格子定数の等しい２つの辺（格子定数ａ＝４．６０オングストローム）が正方形を形成し、格子定数の異なる辺（格子定数ｃ＝３．０６オングストローム）がこれらと垂直に交わる、正方晶系の結晶構造を備えてもよい。本説明では、格子定数ｃ＝３．０６オングストロームの辺の延在方向をｃ軸としている。そこで、ＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子のｃ軸を光の入射軸に対して傾けて配置した場合、このような透過型光学結晶は偏光方向に依存した複屈折性を有する光学素子として振る舞うことができる。

また、表１に示されるように、ＭｇＦ_２結晶は、１１．８ｅＶ（エレクトロンボルト）と、たとえばＣａＦ_２結晶のバンドギャップ（１０．０ｅＶ）と比較して大きいバンドギャップを備えている。

以上のような結晶構造および物性値を有するＭｇＦ_２結晶を用いることで、高出力および高繰返し周波数のレーザ光に対して比較的耐性の高い透過型光学素子を実現することができてもよい。

３．２ ＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子の例（光学ウィンドウ）
つぎに、ＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子を、例を挙げて説明する。以下では、レーザチャンバなどに取り付けられる光学ウィンドウ（以下、単にウィンドウという）を例に挙げて説明する。

図２は、ＭｇＦ_２結晶が用いられたウィンドウ１００の一例を模式的に示す。図２に示されるように、ウィンドウ１００は、レーザ光が入出射する第１主面１００ａおよび第２主面１００ｂを備えてもよい。第１主面１００ａおよび第２主面１００ｂは、互いに平行であってもよい。ただし、これに限られず、たとえばウェッジ基板やプリズムなどのように、互いに傾いていてもよい。

第１主面１００ａおよび第２主面１００ｂが平行である場合、それらの法線は共通の法線Ｎ１であってよい。ウィンドウ１００を構成するＭｇＦ_２結晶のｃ軸Ｃ１は、この法線Ｎ１に対して傾いていてもよい。以下では、法線Ｎ１とｃ軸Ｃ１との傾き角度を角度βとする。

３．３ ＭｇＦ_２ウィンドウの偏光特性評価
つづいて、図２に示されるウィンドウ１００の偏光特性について評価した結果を説明する。

３．３．１ 評価装置
図３は、ウィンドウ１００の偏光特性を評価する評価装置２００の一例を示す。図４は、図３に示される評価装置２００におけるウィンドウ１００の配置例を示す。図５は、図４に示されるウィンドウ１００をレーザ光Ｌ１１の入射面で切断した際の構成を概略的に示す。図６は、図３に示される評価装置２００におけるローションプリズム２３３およびエネルギーセンサ２３４の配置例を示す。

図３に示されるように、評価装置２００は、ＡｒＦエキシマレーザ装置２１０と、光導波管２１１と、計測用チャンバ２２０と、光導波管２２１と、偏光度計測系２３０とを備えてもよい。

ＡｒＦエキシマレーザ装置２１０は、たとえばパルスエネルギーが１０ｍＪ（ミリジュール）のパルス状のレーザ光Ｌ１１を出力してもよい。レーザ光Ｌ１１は、図３の紙面と平行な直線偏光の光であってもよい。レーザ光Ｌ１１は、光導波管２１１を介して計測用チャンバ２２０内へ入射してもよい。計測用チャンバ２２０の内部は、窒素（Ｎ_２）ガスで満たされていてもよい。光導波管２１１は、レーザ光Ｌ１１の光路を大気から遮蔽しつつＡｒＦエキシマレーザ装置２１０と計測用チャンバ２２０内部とを接続してもよい。

ウィンドウ１００は、（１１１）面でカットされたＭｇＦ_２結晶基板であってもよい。ウィンドウ１００は、Ｎ_２ガスが充填された計測用チャンバ２２０内に配置されてもよい。この際、図４および図５に示されるように、ウィンドウ１００は、レーザ光Ｌ１１の入射方向（以下、光路ともいう）に対して実際にレーザチャンバに設置する際に傾ける設置角度で傾いて配置されてもよい。このとき設置角度は、たとえばブリュースター角度であってもよい。法線Ｎ１に対してレーザ光Ｌ１１の光軸の傾く角度を入射角度α１とする。また、ウィンドウ１００は、法線Ｎ１を中心軸とした回転方向Ｒ１に回転可能に保持されてもよい。

図３に示されるように、ウィンドウ１００を透過したレーザ光Ｌ１２は、光導波管２２１を介して偏光度計測系２３０に入射してもよい。光導波管２２１は、レーザ光Ｌ１２の光路を大気から遮蔽しつつ計測用チャンバ２２０内部と偏光度計測系２３０内部とを接続してもよい。

偏光度計測系２３０は、ローションプリズム２３３とエネルギーセンサ２３４とを含んでもよい。偏光度計測系２３０は、ウィンドウ１００を透過したレーザ光Ｌ１２の光路を折り曲げる光学系を含んでもよい。この光学系は、通過する前後のレーザ光Ｌ１２の偏光度を変化させないように構成されているとよい。本例では、光学系は２つの折返しミラー２３１および２３２を含んでいる。その場合、たとえば一方の折返しミラー２３１にＰ偏光で入射したレーザ光Ｌ１２が他方の折返しミラー２３２にＳ偏光で入射するというように、レーザ光Ｌ１２の光軸に対してそれぞれの傾く方向が９０°異なっているとよい。

折返しミラー２３１および２３２で構成された光学系を通過したレーザ光Ｌ１２は、ローションプリズム２３３に入射してもよい。図６に示されるように、ローションプリズム２３３は、２つのプリズム２３３ａおよび２３３ｂが接合された構成を備えてもよい。これらの接合面は、オプティカルコンタクト面２３３ｃであってもよい。ローションプリズム２３３は、入射するレーザ光Ｌ１２の光軸を回転軸として回転可能であってもよい。

オプティカルコンタクト面２３３ｃに入射したレーザ光Ｌ１２のうちＰ偏光のレーザ光Ｌ１２ａは、入射側のレーザ光Ｌ１２の光路の延長線上へ出射され得る。そこで、エネルギーセンサ２３４は、入射側のレーザ光Ｌ１２の光路の延長線上に配置されるとよい。一方、オプティカルコンタクト面２３３ｃに入射したレーザ光Ｌ１２のうちＳ偏光のレーザ光Ｌ１２ｂは、入射側のレーザ光Ｌ１２の光路の延長線に対して角度を持って出射され得る。そこで、レーザ光Ｌ１２ｂの光路上には、これを吸収するためのリング状のビームダンパ２３５が配置されてもよい。

３．３．２ 偏光度の計測方法
図７は、図６に示されるローションプリズム２３３の回転角度δに対する、エネルギーセンサ２３４で計測されるレーザ光Ｌ１２ａのパルスエネルギー値を示す。図８は、図３に示されるウィンドウ１００を法線Ｎ１上から見た際の構成を概略的に示す。

図６に示される構成において、ローションプリズム２３３は、これに入射するレーザ光Ｌ１２の偏光状態を変化させないようにしつつ、レーザ光Ｌ１２の光軸を回転軸として回転させられてもよい。その場合、図７に示されるように、エネルギーセンサ２３４で検出されるパルスエネルギーは、回転角度δについて１８０°の周期を持って変化する。この際、レーザ光Ｌ１２の偏光状態が完全な直線偏光である場合、エネルギーセンサ２３４で検出されるパルスエネルギーの最小値Ｉｍｉｎは、ほぼゼロとなってもよい。なお、図７には、図８におけるウィンドウ１００においてレーザ光Ｌ１１の光軸に対するｃ軸Ｃ１の角度が基準角度である場合にレーザ光Ｌ１２がオプティカルコンタクト面２３３ｃに対して完全なＳ偏光で入射する場合が例示されている。また、本説明において、ウィンドウ１００の第１主面１００ａを法線Ｎ１上から見た際に第１主面１００ａに投影されるレーザ光Ｌ１１の光軸と、第１主面１００ａに投影されるｃ軸Ｃ１とのなす角度を角度θとする。角度θの定義は、レーザ光Ｌ１１の光軸とｃ軸Ｃ１とのウィンドウ１００の第２主面１００ｂにに関しても同様であってよい。角度θが０°である場合を、ｃ軸Ｃ１の基準角度とする（図８参照）。

そこで、図４および図５に示されるウィンドウ１００を、図８に示されるように、基準角度から回転方向Ｒ１にある角度回転させる。その際のレーザ光Ｌ１２の偏光度Ｐは、ウィンドウ１００をこの回転角度で維持しつつ、図６に示されるローションプリズム２３３を０°から１８０°（または３６０°）まで回転させる過程で計測される。偏光度Ｐは、その過程で検出されるパルスエネルギー値の最大値Ｉｍａｘと最小値Ｉｍｉｎとから、以下の式（１）を用いて算出することができる。なお、本説明において、回転方向Ｒ１は、第１主面１００ａおよび第２主面１００ｂと平行な平面内での回転方向であってよい。

３．３．３ 偏光特性評価結果
図９は、図３に示される評価装置２００においてウィンドウ１００を回転方向Ｒ１に３６０°回転させた過程に得られた偏光度特性を示す。なお、図９では、ウィンドウ１００の回転角度θを１０°刻みとした場合に各回転角度θで得られた偏光度を示す。また、図９を測定するにあたり、図５に示される入射角度α１をブリュースター角度に近い６０．５とし、角度βを３７．３８°とした。その場合、ウィンドウ１００内を進行するレーザ光Ｌ１１の光軸と法線Ｎ１とがなす角度α２は、以下の式（２）に示されるスネルの式から、３７．３８°となる（図５参照）。したがって、ウィンドウ１００内を進行するレーザ光Ｌ１１の光軸とｃ軸Ｃ１とがなす角度γ（＝α２＋β）は、７４．７６°となる（図５参照）。なお、ウィンドウ１００のある空間の屈折率を１としている。

ｓｉｎα１＝ｎ×ｓｉｎα２ ・・・（２）
ｎ：レーザ光Ｌ１１の波長に対するＭｇＦ_２結晶の屈折率

図９において、白丸‘○’および実線Ｐ１は、ＡｒＦエキシマレーザ装置２１０から出力されるレーザ光Ｌ１１の照射パワーを２Ｗ（ワット）（パルスエネルギー１０ｍＪ、繰返し周波数２００Ｈｚ）とした場合の偏光度特性を示す。また、黒丸および破線Ｐ２はレーザ光Ｌ１１の照射パワーを１０Ｗ（パルスエネルギー１０ｍＪ、繰返し周波数１０００Ｈｚ）とした場合の偏光度特性を示す。黒四角はレーザ光Ｌ１１の照射パワーを３０Ｗ（パルスエネルギー１０ｍＪ、繰返し周波数３０００Ｈｚ）とした場合の偏光度特性を示す。黒三角はレーザ光Ｌ１１の照射パワーを６０Ｗ（パルスエネルギー１０ｍＪ、繰返し周波数６０００Ｈｚ）とした場合の偏光度特性を示す。

図９に示されるように、回転角度θが０°（および０°と同じ３６０°）付近では、レーザ光Ｌ１１の照射パワーを２Ｗ（ワット）の場合に偏光度Ｐが、９０％以上であるが、レーザ光Ｌ１１の照射パワーが増加するにしたがって偏光度Ｐが低下している。

また、回転角度θが１７０°以上１９０°以下の範囲では、レーザ光Ｌ１１の照射パワーが２Ｗから６０Ｗまで９５％以上の偏光度Ｐが維持されている。特に、回転角度θが１８０°付近では、偏光度Ｐが９８％以上となっている。これは、レーザ光Ｌ１１の照射パワーを増加させた場合でも、維持されている。

以上のことから、回転角度θは、１８０°程度であることが好ましいことが分かる。特に、回転角度θを１７０°以上１９０°以下とすることで、実質的に９５％以上の偏光度Ｐが得られ得る。また、回転角度θを１７５°以上１８５°以下とすることで、実質的に９７．５％以上の偏光度Ｐが得られ得る。さらに、回転角度θを１７９°以上１８１°以下とすることで、実質的に９８％以上の偏光度Ｐが得られ得る。

なお、図５に示される角度βを３７．３８°とし、入射角度α１を６０．５°とし、回転角度θを１８０°とし、レーザＬ１１の照射パワーを６０Ｗ（パルスエネルギー１５ｍＪ、繰返し周波数４０００Ｈｚ）とした場合、９８．６％の偏光度Ｐが得られた。この偏光度は、一般的な半導体露光に用いられる露光装置に対して使用できる値である。以上の結果から、高出力および高繰返し周波数のレーザ光に対して比較的耐性の高いＭｇＦ_２結晶を所定の構成・配置で利用する場合、良好な偏光度を得られるという新たな知見を得たといってよい。

４．ＭｇＦ_２ウィンドウの第１例（実施の形態１）
以上の知見に基づいて、本開示の実施の形態１にかかる透過型光学素子を以下に説明する。以下の説明では、ウィンドウ１００Ａを例に挙げる。なお、本開示では、たとえば部分反射ミラーなどの半透過型光学素子も、透過型光学素子に含まれるものとする。

図１０および図１１は、実施の形態１にかかるウィンドウ１００Ａの構成を概略的に示す。なお、図１０は、ウィンドウ１００Ａをレーザ光Ｌ１１の入射面を含む面で切断した際の断面構造を示す。図１１は、ウィンドウ１００Ａを法線Ｎ１上から見た際の構成を示す。

図１０および図１１に示されるように、ウィンドウ１００Ａの配置は、上述したウィンドウ１００と同様の配置であってよい。したがって、ウィンドウ１００Ａを構成するＭｇＦ_２結晶のｃ軸Ｃ１は、ＭｇＦ_２結晶の第１主面１００ａおよび／または第２主面１００ｂの法線Ｎ１に対して傾いている。この傾きの角度が角度βである。

図１１における回転角度θは、１８０°であるとよい。ただし、これに限定されず、上述において図９を用いて説明したように、回転角度θが以下の式（３）の範囲に含まれることで、９５％以上の偏光度を得ることができる。

１７０°≦θ≦１９０° ・・・（３）

より好ましくは、回転角度θが以下の式（４）の範囲に含まれることで、９７％以上の偏光度を得ることができる。

１７５°≦θ≦１８５° ・・・（４）

さらに好ましくは、回転角度θが以下の式（５）の範囲に含まれることで、９８％以上の偏光度を得ることができる。

１７９°≦θ≦１８１° ・・・（５）

ところで、上述したように、法線Ｎ１に対して入射するレーザ光Ｌ１１の光軸が傾く角度が入射角度α１である。

そして、ＭｇＦ_２結晶の屈折率は、上述した表１の通り、屈折率ｎｏ＝１．４３、屈折率ｎｅ＝１．４５である。したがって、ブリュースター角度θｂは、以下の式（６）および式（７）のようになる。

θｂ＝ｔａｎ^−１（ｎｏ）＝５５．０°（ｎｏ＝１．４３の場合） ・・・（６）
θｂ＝ｔａｎ^−１（ｎｅ）＝５５．４°（ｎｅ＝１．４５の場合） ・・・（７）

角度α１は、ブリュースター角度θｂに近いとよい。そのため、ウィンドウ１００Ａに入射するレーザ光Ｌ１１の入射角度α１は、以下の式（８）の範囲に含まれることが好ましい。

４５°≦α１≦７０° ・・・（８）
より好ましくは、入射角度α１は、以下の式（９）の範囲に含まれる。

５０°≦α１≦６５° ・・・（９）
さらに好ましくは、入射角度α１は、以下の式（１０）の範囲に含まれる。

５４°≦α１≦５６．４° ・・・（１０）

また、ウィンドウ１００Ａ内でのレーザ光Ｌ１１の光軸とｃ軸Ｃ１とがなす角度γは、９０°に近いとよい。そのため、角度γが以下の式（１１）の範囲に含まれるとよい。

６０°≦γ≦１１０° ・・・（１１）
より好ましくは、角度γが以下の式（１２）の範囲に含まれる。

７０°≦γ≦１００° ・・・（１２）
さらに好ましくは、角度γが以下の式（１３）の範囲に含まれる。

８５°≦γ≦９５° ・・・（１３）

以上のようなＭｇＦ_２結晶で構成されたウィンドウ１００Ａを、上記条件を満たすようにレーザ光Ｌ１１の光軸に対して配置することで、高出力および高繰返し周波数のレーザ光に対して比較的耐性の高いウィンドウ１００Ａが実現され得る。また、透過させるレーザ光の偏光度を高めることが可能となってよい。ただし、上記の条件のうち回転角度θ以外の条件は、より良い光学特性を得るための条件であって、必須の条件ではなくともよい。

５．ＭｇＦ_２ウィンドウの第２例（実施の形態２）
また、ＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子は、以下で実施の形態２として例示するようにも構成されてよい。なお、以下の説明では、ウィンドウ１００Ｂを例に挙げる。

図１２および図１３は、実施の形態２にかかるウィンドウ１００Ｂの構成を概略的に示す。なお、図１２は、ウィンドウ１００Ｂをレーザ光Ｌ１１の入射面を含む面で切断した際の断面構造を示す。図１３は、ウィンドウ１００Ｂを法線Ｎ１上から見た際の構成を示す。

図１２および図１３に示されるように、ウィンドウ１００Ｂにおいては、ｃ軸Ｃ１の向きが第１主面１００ａおよび／または第２主面１００ｂと平行な方向であってもよい。ｃ軸Ｃ１の向きが第１主面１００ａおよび／または第２主面１００ｂと平行であれば、レーザ光Ｌ１１の光軸とｃ軸Ｃ１とがなす角度γは、９０°となってよく、これは上述の知見から導かれ得る。

レーザ光Ｌ１１の入射面を基準としたｃ軸Ｃ１の向き、すなわち図１１における回転角度θは、９０°であるとよい。ただし、これに限定されず、回転角度θが以下の式（１４）の範囲に含まれることが好ましい。

８０°≦θ≦１００° ・・・（１４）
より好ましくは、回転角度θは、以下の式（１５）の範囲に含まれる。

８５°≦θ≦９５° ・・・（１５）
さらに好ましくは、回転角度θは、以下の式（１６）の範囲に含まれる。

８９°≦θ≦９１° ・・・（１６）

また、ウィンドウ１００Ｂに入射するレーザ光Ｌ１１の入射角度α１は、ブリュースター角度θｂとの関係から、以下の式（１７）の範囲に含まれることが好ましい。

４５°≦α１≦７０° ・・・（１７）
より好ましくは、入射角度α１は、以下の式（１８）の範囲に含まれる。

５０°≦α１≦６５° ・・・（１８）
さらに好ましくは、入射角度α１は、以下の式（１９）の範囲に含まれる。

５４°≦α１≦５６．４° ・・・（１９）

以上のようなＭｇＦ_２結晶で構成されたウィンドウ１００Ｂを、上記条件を満たすようにレーザ光Ｌ１１の光軸に対して配置することで、実施の形態１と同様に、高出力および高繰返し周波数のレーザ光に対して比較的耐性の高いウィンドウ１００Ｂを実現できる。また、透過させるレーザ光の偏光度を高めることが可能となる。ただし、上記の条件のうち回転角度θ以外の条件は、より良い光学特性を得るための条件であって、必須の条件ではない。

６．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えた増幅段レーザの第１例（実施の形態３）
つづいて、上記で説明した透過型光学素子を備えた増幅段レーザの例を、図面を用いて詳細に説明する。図１４は、実施の形態３にかかる安定共振器を備えた増幅段レーザ３００の構成を概略的に示す。図１４に示されるように、増幅段レーザ３００は、２つの部分反射ミラー１１１および１１２と、レーザチャンバ３１０とを備えてもよい。２つの部分反射ミラー１１１および１１２は、光共振器を構成してもよい。その際、下流側の部分反射ミラー１１２は、出力結合ミラーとして機能してもよい。

レーザチャンバ３１０には、光共振器内を伝播するレーザ光Ｌ１が入出射するウィンドウ１０１および１０２が設けられてもよい。ウィンドウ１０１および１０２のレーザ光Ｌ１の光軸に対する設置角度は、上述した入射角度α１であってよい。レーザ光Ｌ１は、それぞれのウィンドウ１０１および１０２に対して、たとえばＰ偏光で入射してもよい。

レーザチャンバ３１０の内部は、エキシマレーザガスで満たされていてもよい。レーザチャンバ３１０の内部には、不図示の電源に接続された一対の放電電極３１１が配置されてもよい。放電電極３１１による放電方向は、たとえばレーザ光Ｌ１の光軸および偏光成分の両方を含む面に対して垂直な方向であってよい。

以上のような構成のうち、ウィンドウ１０１および１０２と、部分反射ミラー１１１および１１２とは、それぞれ上述した実施の形態１または２によるＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子であってもよい。たとえばウィンドウ１０１および１０２は、それぞれ実施の形態１によるウィンドウ１００Ａまたは実施の形態２によるウィンドウ１００Ｂであってよい。また、部分反射ミラー１１１および１１２は、それぞれ実施の形態１または２によるウィンドウ１００Ａまたは１００Ｂが基板として用いられた構成を備えてもよい。この基板の第１主面１００ａには、レーザ光Ｌ１を高透過させる高透過膜が形成され、第２主面１００ｂには、レーザ光Ｌ１を部分反射する部分反射膜が形成されてもよい。

なお、安定共振器を構成する部分反射ミラー１１１および１１２は、たとえばレーザ光Ｌ１の入出射面（第１主面１００ａおよび／または第２主面１００ｂに相当）の法線Ｎ１がレーザ光Ｌ１の光軸に平行となるように配置される。その場合、部分反射ミラー１１１および１１２それぞれのｃ軸Ｃ１は、ウィンドウ１０１のｃ軸Ｃ１またはウィンドウ１０２のｃ軸Ｃ１とレーザ光Ｌ１の光軸とを含む面に対して平行となるように配置されてもよい。

以上のように、実施の形態１および２にかかるＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子は、ウィンドウ１０１および１０２に限らず、部分反射ミラー１１１および１１２などの透過型光学素子に適用されてもよい。

７．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えた増幅段レーザの第２例（実施の形態４）
また、上述した透過型光学素子は、リング共振器を備えた増幅段レーザに用いられてもよい。図１５は、実施の形態４にかかるリング共振器を備えた増幅段レーザ４００の構成を概略的に示す。図１５に示されるように、増幅段レーザ４００は、部分反射ミラー１１３と、３つの高反射ミラー４０１〜４０３と、レーザチャンバ３１０とを備えてもよい。レーザチャンバ３１０は、図１４に示されたレーザチャンバ３１０と同様であってよい。

部分反射ミラー１１３は、レーザ光Ｌ１の入射光学素子および増幅後のレーザ光Ｌ２の出射光学素子として機能してもよい。部分反射ミラー１１３および高反射ミラー４０１〜４０３を共振器ミラーは、リング共振器を構成してもよい。レーザチャンバ３１０は、このリング共振器の光路上に配置されてもよい。このような構成では、リング共振器内を伝播するレーザ光Ｌ１は、異なる２つの光路でレーザチャンバ３１０のウィンドウ１０１および１０２にそれぞれまたはいずれかに対して、上述の実施の形態１または２で例示された条件を満足するように構成・配置されるとよい。

以上のような構成のうち、レーザチャンバ３１０のウィンドウ１０１および１０２と、部分反射ミラー１１３とは、それぞれ上述した実施の形態１または２によるＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子であってもよい。また、部分反射ミラー１１３は、レーザ光Ｌ１の光軸に対する回転角度θが上述した実施の形態１または２で例示された条件を満足するように構成・配置されるとよい。その際、部分反射ミラー１１３を透過する増幅後のレーザ光Ｌ２の光軸は、部分反射ミラー１１３に入射するレーザ光Ｌ１の光軸と部分反射ミラー１１３のｃ軸Ｃ１との両方を含む面に含まれるとよい。また、この面には、ウィンドウ１０１および１０２のｃ軸Ｃ１も含まれてよい。なお、レーザ光Ｌ１およびＬ２の偏光成分は、この面に平行であってよい。

以上のように、実施の形態１および２にかかるＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子は、ウィンドウ１０１および１０２に限らず、部分反射ミラー１１３などの透過型光学素子に適用されてもよい。

８．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えたレーザ装置の第１例（実施の形態５）
つづいて、上記で説明した透過型光学素子を備えたレーザ装置の例を、図面を用いて詳細に説明する。図１６は、実施の形態４にかかる２ステージ型のレーザ装置１０００の構成を概略的に示す。

図１６に示されるように、レーザ装置１０００は、発振段レーザ１と、増幅段レーザ２とを備えてもよい。このうち、増幅段レーザ２は、たとえば図１４に示された増幅段レーザ３００と同様であってよい。ただし、これに限らず、図１５に示された増幅段レーザ４００が用いられてもよい。

発振段レーザ１は、たとえば狭帯域化モジュール１０と、レーザチャンバ３１０と、出力結合ミラー１３３とを備えてもよい。レーザチャンバ３１０は、図１４に示されたレーザチャンバ３１０と同様であってよい。また、出力結合ミラー１３３の配置は、図１４に示された部分反射ミラー１１２の配置と同様であってよい。

狭帯域化モジュール１０は、グレーティング１１と、複数のプリズム１３１および１３２とを含んでもよい。グレーティング１１は、出力結合ミラー１３３とともに光共振器を構成してもよい。また、グレーティング１１は、光共振器内に存在するレーザ光Ｌ２１の波長を選択する波長選択部としても機能してよい。プリズム１３１および１３２は、グレーティング１１に入射するレーザ光Ｌ２１のビーム幅と光路を調整する目的で設けられてもよい。なお、プリズムの数は、２つに限られるものではない。

発振段レーザ１から出射したレーザ光Ｌ２２は、高反射ミラー３１および３２を含む光学系を経由して、増幅段レーザ２に入射してよい。増幅段レーザ２は、入射したレーザ光Ｌ２２を増幅し、レーザ光Ｌ２３として出射してもよい。

発振段レーザ１および増幅段レーザ２それぞれのレーザチャンバ３１０のウィンドウ１０１および１０２と、部分反射ミラー１１１、１１２および１３３の各配置は、それぞれ上述した実施の形態１または２の透過型光学素子と同様の配置であってもよい。プリズム１３１および１３２の配置は、それぞれ実施の形態１によるウィンドウ１００Ａと同様の配置または実施の形態２によるウィンドウ１００Ｂと同様の配置であってよい。ただし、いずれの実施の形態にかかるウィンドウが用いられた場合であっても、第１主面１００ａおよび第２主面１００ｂに相当するプリズム１３１および１３２それぞれの２つの入出射面は、互いに平行ではない。そのような場合、上述した各実施の形態における条件は、たとえば入出射面のいずれか一方を基準として適用されればよい。たとえばプリズム１３２に関しては、レーザチャンバ３１０側の入出射面とグレーティング１１側の入出射面とのうち、レーザチャンバ３１０側の入出射面の法線がレーザ光Ｌ２１の光軸に対して入射角度α１傾くように配置されてよい。その場合、レーザ光Ｌ２１の入射面を基準としたｃ軸Ｃ１の回転角度θ、法線Ｎ１とｃ軸Ｃ１とがなす角度β、およびプリズム１３２内のレーザ光Ｌ２１の光軸とｃ軸Ｃ１とがなす角度γについても、レーザチャンバ３１０側の入出射面を基準として設定されてよい。ただし、これに限らず、グレーティング１１側の入出射面が基準とされてもよい。これは、プリズムやウインドウに替えてウエッジ基板を用いる場合、ウェッジ基板などにも適用されてよい。

以上のように、実施の形態１および２にかかるＭｇＦ_２結晶を用いた透過型光学素子の構成・配置は、部分反射ミラー１１１、１１２および１３３などの透過型光学素子や、プリズム１３１および１３２などの２つの入出射面が平行でない場合であっても、それらの透過型光学素子に適用されてもよい。

９．ＭｇＦ_２結晶による透過型光学素子を備えたレーザ装置の第２例（実施の形態６）
また、上記で説明した透過型光学素子は、発振段レーザや増幅段レーザや光共振器などに限られず、検出器やその他の光学システムに適用されてもよい。図１７は、実施の形態６にかかる検出器５０および６０とパルスストレッチャ７０とを含むレーザ装置２０００の構成を概略的に示す。

図１７に示されるように、レーザ装置２０００は、図１６に示されるレーザ装置１０００と同様に、発振段レーザ１と、増幅段レーザ２と、２つの高反射ミラー３１および３２を含む光学系とを備えてもよい。また、レーザ装置２０００は、２つの検出器５０および６０と、パルスストレッチャ７０とをさらに備えてもよい。発振段レーザ１、増幅段レーザ２および２つの高反射ミラー３１および３２を含む光学系とは、それぞれ図１６に示されたものと同様であってよい。なお、発振段レーザ１から出力されたレーザ光Ｌ２２の偏光方向は、たとえば図１７の紙面と平行な方向であってよい。

検出器５０は、たとえば発振段レーザ１と増幅段レーザ２との間の光路上に配置されてもよい。検出器５０は、レーザ光Ｌ２２の光路を分岐するビームスプリッタ１４１と、分岐されたレーザ光Ｌ２２の各種パラメータを検出する光センサ５２とを含んでもよい。このビームスプリッタ１４１は、レーザ光Ｌ２２の光軸に対するｃ軸の配置が上述した実施の形態１または２で例示された条件を満足するように配置されるとよい。

また、増幅段レーザ２のレーザ出力側に配置される検出器６０のビームスプリッタ１４２の配置も、たとえば検出器５０におけるビームスプリッタ１４１の配置と同様であってよい。なお、検出器６０の光センサ６２は、分岐されたレーザ光Ｌ２３の各種パラメータを検出してよい。

さらに、検出器６０を通過したレーザ光Ｌ２３の光路上に配置されたパルスストレッチャ７０のうち、レーザ入力段に位置するビームスプリッタ１４３の配置も、たとえば検出器５０におけるビームスプリッタ１４１の配置と同様であってよい。なお、パルスストレッチャ７０は、ビームスプリッタ１４３の他、ビームスプリッタ１４３を含むリング状の光路を形成する複数の高反射ミラー７２〜７５を含んでもよい。

また、レーザ装置２０００は、検出器５０および６０やパルスストレッチャ７０に限られず、たとえばレーザ光のコヒーレンスを低下させる低コヒーレンス化機構や、レーザ光Ｌ２３のバースト出力の実現やレーザ光が照射された物からの戻り光がレーザ装置内へ進入するのを防止するための光シャッタなど、他の光学系を含んでもよい。その際、それらの光学系が備える透過型光学素子の配置は、上述した実施の形態１または２にかかるＭｇＦ_２結晶が用いられた透過型光学素子の配置を適用されるとよい。

上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。

本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書、及び添付の特許請求の範囲に記載される不定冠詞「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

１０００、２０００ レーザ装置
１ 発振段レーザ
２ 増幅段レーザ
１００、１００Ａ、１００Ｂ ウィンドウ
１００ａ 第１主面
１００ｂ 第２主面
１０１、１０２ ウィンドウ
１１１、１１２、１１３ 部分反射ミラー
１３１、１３２ プリズム
１３３ 出力結合ミラー
１４１、１４２、１４３ ビームスプリッタ
２００ 評価装置
２１０ ＡｒＦエキシマレーザ装置
２１１、２２１ 光導波管
２２０ 計測用チャンバ
２３０ 偏光度計測系
２３１、２３２ ウィンドウ
２３３ ローションプリズム
２３４ エネルギーセンサ
２３５ ビームダンパ
３００、４００ 増幅段レーザ
３１０ レーザチャンバ
３１１ 放電電極
１１ グレーティング
３１、３２、７２〜７５、４０１〜４０３ 高反射ミラー
５０、６０ 検出器
５２、６２ 光センサ
Ｃ１ ｃ軸
Ｎ１ 法線
Ｒ１ 回転方向
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１２ａ、Ｌ１２ｂ、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３ レーザ光

Claims (22)

1. 結晶構造上のｃ軸を備え、レーザ光が入射する面を備えた透過型光学素子であって、
   前記レーザ光の入射面内において前記ｃ軸が前記レーザ光の入射方向に対して傾くように配置される、透過型光学素子。
2. 前記透過型光学素子は、ＭｇＦ_２結晶を用いて構成される、請求項１記載の透過型光学素子。
3. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、１７０°以上１９０°以下である、請求項１記載の透過型光学素子。
4. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、１７５°以上１８５°以下である、請求項１記載の透過型光学素子。
5. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、１７９°以上１８１°以下である、請求項１記載の透過型光学素子。
6. 前記レーザ光の前記入射方向が前記面の法線に対してブリュースター角度傾くように配置される、請求項１記載の透過型光学素子。
7. ウィンドウ、ビームスプリッタ、プリズムおよび出力結合ミラーのうちのいずれかである、請求項１記載の透過型光学素子。
8. 請求項１記載の透過型光学素子をウィンドウとして含む、レーザチャンバ。
9. 請求項１記載の透過型光学素子をウィンドウおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、増幅段レーザ。
10. 請求項１記載の透過型光学素子をウィンドウ、プリズムおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、発振段レーザ。
11. 請求項１記載の透過型光学素子をウィンドウ、ビームスプリッタ、プリズムおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、レーザ装置。
12. 結晶構造上のｃ軸を備え、レーザ光が入射する面を備えた透過型光学素子であって、
    前記ｃ軸は、前記面と実質的に平行であって、前記レーザ光の入射面に対して実質的に垂直であるように配置される、透過型光学素子。
13. 前記透過型光学素子は、ＭｇＦ_２結晶を用いて構成される、請求項１２記載の透過型光学素子。
14. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、８０°以上１００°以下である、請求項１２記載の透過型光学素子。
15. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、８５°以上９５°以下である、請求項１２記載の透過型光学素子。
16. 前記面と平行な平面内における前記ｃ軸の前記入射面に対する回転角度は、８９°以上９１°以下である、請求項１２記載の透過型光学素子。
17. 前記レーザ光の前記入射方向が前記面の法線に対してブリュースター角度傾くように配置される、請求項１２記載の透過型光学素子。
18. ウィンドウ、ビームスプリッタ、プリズムおよび出力結合ミラーのうちのいずれかである、請求項１２記載の透過型光学素子。
19. 請求項１２記載の透過型光学素子をウィンドウとして含む、レーザチャンバ。
20. 請求項１２記載の透過型光学素子をウィンドウおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、増幅段レーザ。
21. 請求項１２記載の透過型光学素子をウィンドウ、プリズムおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、発振段レーザ。
22. 請求項１２記載の透過型光学素子をウィンドウ、ビームスプリッタ、プリズムおよび出力結合ミラーのうち少なくとも１つとして含む、レーザ装置。

Images