JP3768321B2

JP3768321B2 - ガスレーザ装置用レーザチャンバ

Info

Publication number: JP3768321B2
Application number: JP3786297A
Authority: JP
Inventors: 宏和田中; 徹五十嵐
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: JPH10233542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーザチャンバ内部と外部とのレーザ光通過窓として機能するウィンドウを備えたガスレーザ装置用レーザチャンバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用の縮小投影露光装置の光源としてエキシマレーザが注目されているが、その場合には出射されるエキシマレーザ光に線幅３pm以下の狭帯域化が要求されるとともに、大きな出力パワーが要求される。
【０００３】
縮小投影露光装置用エキシマレーザの狭帯域化技術として有望なものとしては、波長選択素子としてエタロンあるいはグレーティング（回折格子）を用いるもの等がある。
【０００４】
図３は、波長選択素子としてグレーティングを用いた従来の狭帯域化エキシマレーザの光学系の構成を示すもので、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【０００５】
図３のエキシマレーザ装置は、フロントミラーとして機能するハーフミラー１と、リアミラー及び波長選択素子として機能するグレーティング２との間に、レーザチャンバ３と、ビームエキスパンダとして機能する２つのプリズム４ａ，４ｂとが配設される。
【０００６】
レーザチャンバ３内部には、ハロゲンガス（Ｆ2，Ｃｌ2など）、希ガスおよびバッファガス（Ｋｒ，Ｎｅ，Ｈｅ，Ｘｅなど）から適宜選択されたガスを含むレーザガス（例えばＫｒＦエキシマレーザでは、Ｆ2，Ｋｒ，Ｎｅ、Ｈｅ）が循環可能に充填されており、またレーザガスを励起するための放電電極５ａ，５ｂが設けられている。
【０００７】
また、レーザチャンバ３の前後部には、レーザチャンバ内部と外部とのレーザ光通過窓として機能するウィンドウ６（フロントウィンドウ６ａ，リアウィンドウ６ｂ）が設けられている。これらのウィンドウ６はＣａＦ2や石英などのガラスで構成されており、通常はレーザ光軸に対してブリュースタ角となるように傾斜させている。
【０００８】
かかる構成においては、ハーフミラー１およびグレーティング２によって光共振器が構成され、プリズム４ａ，４ｂおよびグレーティングによって波長選択を行うようになっているが、プリズム４ａ，４ｂに対するレーザ光の入射角度はビーム拡大率やＰ偏光の反射率を適正に保つために所定の角度に維持する必要があり、また角度分散型波長選択素子であるグレーティング２に対するレーザ光入射角度も選択すべき波長に対応する角度に保つ必要がある。なお、グレーティング２に代えてエタロンを用いた場合も、サイドピーク低減のために、共振器を成す反射鏡へレーザ光を所定の角度で入射しなくてはいけない。
【０００９】
このように、狭帯域化レーザ装置においては、各光学素子（この場合は波長選択素子４，２とハーフミラー１）の光軸や配置角度を調整するアライメント作業がレーザ光の品質を向上且つ安定させる上で重要となる。
【００１０】
ここで、通常、アライメント作業においては、レーザチャンバ３を装置から取り外した後、他のレーザ光源（例えばＨｅ−Ｎｅレーザ）を用いて光学系のアライメントを行い、アライメント終了後にレーザチャンバ３を再設置するようにしている。すなわち、このアライメント作業においては、レーザチャンバ３が存在しない状態で、別言すればレーザ光軸上にレーザチャンバ内のレーザガスが存在しない状態で光学系のアライメントを行うようにしているが、実際にレーザ発振が行われるときには光軸上にレーザガスが存在する。
【００１１】
このため、従来技術によれば、実際のレーザ発振時に次のような問題が発生する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、光学系のアライメントの際には、ハーフミラー１およびプリズム４ａ間の媒質として、実際のレーザ運転時には存在するレーザガス（レーザチャンバ３）を外部空気で代用して調整を行うようにしているが、レーザガスの比屈折率は空気の比屈折率とは異なっているので、アライメント作業をどんなに高精度に行ったとしても、実際のレーザ運転時には、ウィンドウ６ａを経てレーザチャンバ３内に入った光の光軸は、ウィンドウ６ａへの入射前の光の光軸と一致せずかつ平行でもなくなるという問題が発生する。
【００１３】
すなわち、レーザチャンバ内に入ったレーザ光の光軸が放電電極の放電方向に対して垂直とはならず、若干斜めに傾斜されることになり、この結果放電励起エネルギーの利用効率が低下する。
【００１４】
また同様に、ウィンドウ６ｂを経てレーザチャンバ外部に出た光の光軸は、アライメント調整を行ったときのレーザ光軸とはずれてしまい、このため実際のレーザ発振の際にはレーザ光は波長選択素子４、２に対してアライメント調整時の角度では入射されず、この結果実際に選択される波長が目標波長からずれてしまう。
【００１５】
図４は、ウィンドウ６ａ，６ｂを介してレーザチャンバ３を通過するレーザ光の光軸を示すもので、レーザチャンバ３の外部雰囲気の比屈折率をｎa、ウィンドウ６ａ，６ｂを構成する材料の比屈折率をｎw、レーザチャンバ３内のレーザガスの比屈折率をｎb、レーザチャンバの外部からウィンドウ６ａへの光入射角度をθ1、ウィンドウ６ａでの屈折角をθ2、レーザチャンバ３への出射角度をθ3とすると、スネルの法則から次式が成立する。
【００１６】
sinθ2／sinθ1＝ｎa／ｎw …(1)
sinθ3／sinθ2＝ｎw／ｎb …(2)
また、上記(1)(2)を整理すると、次式(3)が成立する。
【００１７】
sinθ3＝（ｎa／ｎb）sinθ1 …(3)
上記(3)式によれば、ｎa≠ｎbである場合には、θ3≠θ1となることが判る。
【００１８】
また、レーザチャンバ３内部からウィンドウ６ｂへの入射角度をθ4，その屈折角をθ5、レーザチャンバ外への出射角度をθ6とすると、前記同様にして、
sinθ5／sinθ4＝ｎb／ｎw …(4)
sinθ6／sinθ5＝ｎw／ｎa …(5)
sinθ6＝（ｎb／ｎa）sinθ4 …(6)
が成立し、ｎa＝ｎbが成立しないことには、θ6＝θ4とはならないことがわかる。
【００１９】
このように、従来技術によれば、光学系のアライメント調整を、レーザ光軸上にレーザガスが存在しない状態で行うようにしているので、このアライメント調整後にレーザチャンバを装填して実際にレーザ発振を行った際には、レーザ光軸がアライメント調整を行ったときの光軸からずれ且つ傾斜し、狭帯域化の際の選択波長が目標波長からずれる、放電励起エネルギーの利用効率が低下する
などの問題が発生する。
【００２０】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、光学系のアライメント調整をレーザチャンバが存在しない状態で行ったとしても、実際のレーザ発振時にはその光軸がアライメント調整時の光軸に一致するようにして、上記問題点を解決するようにしたガスレーザ装置用レーザチャンバを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段および作用効果】
この発明では、互いに対向する一対の主放電電極と、前記主放電電極を介して互いに対向し発振されたレーザ光を透過させる２つのウィンドウとを有し、レーザガスが充填されるガスレーザ装置用レーザチャンバにおいて、
前記２つのウィンドウはそれぞれ、レーザチャンバ外部と接する第１の境界面とレーザチャンバ内部と接する第２の境界面とを有し、前記第１の境界面に対して前記第２の境界面を所定の角度αだけ傾斜させるとともに、
前記２つのウィンドウを構成する材料の比屈折率をｎw、レーザチャンバ内のレーザガスの比屈折率をｎb、レーザチャンバの外部から前記第１の境界面への光入射角度をθ1、該第１の境界面での屈折角をθ2としたとき、
前記傾斜角度αを
tanα＝（ｎw・sinθ2−ｎb・sinθ1）／（ｎw・cosθ2−ｎb・cosθ1）
という関係を満たす値に設定し、
また、前記角度αの傾斜に伴い前記２つのウィンドウの厚さの薄くなった部分同士を前記角度αの傾斜に伴い厚さの厚くなった部分同士よりも近づけ、
さらに、前記第１の境界面の法線と前記第２の境界面の法線が、前記主放電電極の放電方向と直交する平面に対して平行となるように前記２つのウィンドウを配置するようにしている。
【００２２】
上記式を満たすようにウィンドウの一方の境界面を他方の境界面に対して角度αだけ傾斜させるようにすれば、ウィンドウを経由してレーザチャンバ内または外に出射されるレーザ光の光軸がウィンドウ入射前のレーザ光の光軸に対して常に平行になるようになり、これによりレーザチャンバが存在しない状態での光学系のアライメント終了後、レーザチャンバ３を装填して実際のレーザ発振を行ったときに、レーザ光軸がずれて斜めになるという問題点を解消され、これにより放電励起エネルギーの利用効率が向上し、また本発明のウィンドウを狭帯域化ガスレーザに適用するようにすれば、所望の波長を正確且つ高精度に選択することが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００２４】
図１にこの発明の実施例を示す。
【００２５】
図１において、レーザチャンバ３にはフロントウィンドウ６ａ，リアウィンドウ６ｂが設けられており、これらの各ウィンドウ６ａ，６ｂをレーザ光が通過するようになっている。
【００２６】
ここで、これらのウィンドウ６ａ，６ｂは、それぞれ、レーザチャンバ３の外部雰囲気と接する第１の境界面１０と、レーザチャンバ内部と接する第２の境界面１１とを有し、これらの各境界面は平面で構成されているが、これら境界面のうちの一方の境界面を他方の境界面に対して所定の角度αだけ傾斜させるようにしている。これらのウィンドウ６ａ，６ｂは、通常のウィンドウと同様、ＣａＦ2や石英などのガラスで構成されている。
【００２７】
ここで、レーザチャンバ３の外部雰囲気の比屈折率をｎa、ウィンドウ６ａ，６ｂを構成する材料の比屈折率をｎw、レーザチャンバ３内のレーザガスの比屈折率をｎbとし、図２に示すように、レーザチャンバ外部からウィンドウ６ａを経由してレーザチャンバ内部にレーザ光を入射させる場合を考える。
【００２８】
この場合、レーザチャンバの外部からウィンドウ６ａの第１の境界面１０へのへの光入射角度をθ1、第１の境界面１０での屈折角をθ2、第２の境界面への入射角度をφ1、第２の境界面１１での屈折角（レーザチャンバ内への出射角）をφ2とすると、前記同様、スネルの法則から次式が成立する。
【００２９】
sinθ2／sinθ1＝ｎa／ｎw …(7)
sinφ2／sinφ1＝ｎw／ｎb …(8)
ここで、ウィンドウ６ａへの入射角θ1と、ウィンドウ６ａからの出射角φ2を平行にする為には、下記２式が成立する必要がある。
【００３０】
θ2＝α＋φ1 …(9)
θ1＝α＋φ2 …(10)
そこで、上記(9)(10)式を(7)(8)式に代入して、整理すると、下記(11)式を得ることができる。
【００３１】
tanα＝（ｎw・sinθ2−ｎb・sinθ1）／（ｎw・cosθ2−ｎb・cosθ1）…(11)
すなわち、ウィンドウ６が有する２つの境界面１０，１１のうちの一方の境界面を他方の境界面に対して所定の角度αだけ傾斜させ、かつこの傾斜角度αを上記第(11)式が成立するように設定し、そのようなウィンドウ６をレーザチャンバ３に装填するようにすれば、レーザチャンバ３が存在しない状態での光学系のアライメント終了後、レーザチャンバ３を装填して実際のレーザ発振を行ったときに、ウィンドウを経由してレーザチャンバ内または外に出射されるレーザ光の光軸がウィンドウ入射前のレーザ光の光軸に対して常に平行になるようになり、前述した従来の問題点が解消される。
【００３２】
なお、図１のリアウィンドウ６ｂについても、フロントウィンドウ６ａと同様の傾斜角αを設けるようにする。
【００３３】
ここで、上記第(11)式において、θ1は任意の角度にアライメント調整してもよいが、通常はブリュースタ角θBに設定される。また、空気の比屈折率ｎaおよびウィンドウ６を構成するガラスの比屈折率ｎwもそれぞれほぼ１．０および１．５と既知であるので、前記(7)式からθ2の値を計算することができる。
【００３４】
また、レーザガスの比屈折率ｎbは、レーザガスを構成している各ガスの比屈折率およびガス組成比などを用いて計算することもできるし、また実測することもできる。
【００３５】
したがって、上記第(11)式によれば、傾斜角度αを設定するために必要なパラメータは全て予め求めることができる。
【００３６】
なお、レーザガスの比屈折率ｎbは、レーザガスの圧力、混合ガスの組成、温度などのパラメータによって変動するため、レーザガスの比屈折率ｎbをいずれの時点で決定するかは重要な選択事項である。
【００３７】
レーザチャンバに新しいガスを充填した直後の比屈折率ｎbがその後のレーザ発振によっても変化が少ない装置の場合は、レーザチャンバに新しいガスを充填した直後の比屈折率ｎbを用いて上記傾斜角αを決定するようにすればよい。
【００３８】
また、レーザ発振によるガスの劣化、減少、補給が無視し得ないほどの比屈折率ｎbの変動をもたらすレーザの場合は、所定の期間中における比屈折率ｎbの平均値を用いて上記傾斜角αを決定するようにすればよい。
【００３９】
また、光軸ズレが問題になるのは、レーザ発振の最中であるから、レーザ発振中の比屈折率ｎbを計測し、この計測値に基づいて上記傾斜角αを決定するようにしてもよい。この場合、レーザ発振動作（特にパルス発振レーザの放電）によって比屈折率ｎbは短い周期で変動している可能性があるので、これも所定の期間中における比屈折率ｎbの平均値を用いて上記傾斜角αを決定するようにしたほうが好ましい。
【００４０】
なお、上記実施例では、ウィンドウ６が大気と接する第１の境界面１０での入射角θ1をブリュースタ角θBに設定するようにしたが、ウィンドウがレーザガスと接する第２の境界面１１での出射角φ2をブリュースタ角θBに設定するようにしてもよい。また、空気の比屈折率ｎaとレーザガスの比屈折率ｎbとが近い値である場合は、(θ1+φ2)／２＝θBが成立するようにθ1およびφ2の双方をブリュースタ角θBに近づけるように設定するようにしてもよい。
【００４１】
また、空気の比屈折率ｎaとレーザガスの比屈折率ｎbとの差が大きい場合は、θ1およびφ2の双方をブリュースタ角θBに近づけるように設定することはできないので、ウィンドウがレーザガスと接する第２の境界面１１での出射角φ2をブリュースタ角θBに設定し、もう一方の第１の境界面１０に反射防止膜（グレーティングを用いる場合はＰ偏光反射防止膜）をコーティングするようにすれば、反射防止膜がレーザガスによって劣化することもなく、光の反射を少なくすることができる
また、本発明は波長選択素子を用いる狭帯域化ガスレーザだけに限らず、波長選択素子の代わりに全反射鏡を用いて狭帯域化を行っていないガスレーザに対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す図。
【図２】ウィンドウの傾斜設定角度を説明するための図。
【図３】従来技術を示す図。
【図４】従来技術を示す図。
【符号の説明】
１…ハーフミラー
２…グレーティング
３…レーザチャンバ
４…プリズム
５…放電電極
６…ウィンドウ
１０，１１…境界面

Claims

互いに対向する一対の主放電電極と、前記主放電電極を介して互いに対向し発振されたレーザ光を透過させる２つのウィンドウとを有し、レーザガスが充填されるガスレーザ装置用レーザチャンバにおいて、
前記２つのウィンドウはそれぞれ、レーザチャンバ外部と接する第１の境界面とレーザチャンバ内部と接する第２の境界面とを有し、前記第１の境界面に対して前記第２の境界面を所定の角度αだけ傾斜させるとともに、
前記２つのウィンドウを構成する材料の比屈折率をｎw、レーザチャンバ内のレーザガスの比屈折率をｎb、レーザチャンバの外部から前記第１の境界面への光入射角度をθ1、該第１の境界面での屈折角をθ2としたとき、
前記傾斜角度αを
tanα＝（ｎw・sinθ2−ｎb・sinθ1）／（ｎw・cosθ2−ｎb・cosθ1）
という関係を満たす値に設定し、
また、前記角度αの傾斜に伴い前記２つのウィンドウの厚さの薄くなった部分同士を前記角度αの傾斜に伴い厚さの厚くなった部分同士よりも近づけ、
さらに、前記第１の境界面の法線と前記第２の境界面の法線が、前記主放電電極の放電方向と直交する平面に対して平行となるように前記２つのウィンドウを配置するようにしたことを特徴とするガスレーザ装置用レーザチャンバ。
前記傾斜角度αの設定の際、レーザガスの比屈折率をｎbは、レーザチャンバ内にレーザガスを充填した後のレーザ発振開始前の値を用いる請求項１記載のガスレーザ装置用レーザチャンバ。
前記傾斜角度αの設定の際、レーザガスの比屈折率をｎbは、レーザ発振開中の値を用いる請求項１記載のガスレーザ装置用レーザチャンバ。
前記ウィンドウの第１の境界面に反射防止膜をコーティングするようにした請求項１乃至３記載のガスレーザ装置用レーザチャンバ。
前記ウィンドウの第２の境界面とレーザ光軸とがブリュースタ角度をなすようにウィンドウを設置するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のガスレーザ装置用レーザチャンバ。