JP3879889B2 - インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置に関し、特に、オシレータ段と増幅段との発光タイミングを出力調整、環境変化等にかかわらず、適正に同期制御することができるインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザでは、２４８ｎｍの紫外レーザ光をパルス発振する際、出力レーザ光の一部を取り出し、レーザ出力とレーザ波長とを検出し、波長制御及び出力制御を行っていた。
【０００３】
例えば、図１９は、従来の狭帯域化エキシマレーザの概要構成を示し、この狭帯域化エキシマレーザは、放電電極１０２のパルス放電によってレーザチャンバ１０１内に充填されたレーザガスが励起され、フロントミラー１０５とリアミラー１０４とで構成される共振器によってレーザ発振し、フロントミラー１０５からレーザ出力光ＬＡが出力される。レーザ出力光ＬＡの一部はビームスプリッタ１０６によって取り出され、波長モニタ１０７に入力される。波長モニタ１０７では、ビームスプリッタ１０７ｅ、エタロン１０７ｂ、レンズ１０７ｃを介して入力されたレーザ出力光ＬＡの干渉縞がラインセンサ１０７ｄに撮像され、その結果が波長コントローラ１０８に入力される。また、波長モニタ１０７内には、レーザ出力光ＬＡの波長に近い基準光１０７ａを発する光源を有し、基準光１０７ａは、ビームスプリッタ１０７ｅ、エタロン１０７ｂ、レンズ１０７ｃを介して出力され、基準光１０７ａの干渉縞がラインセンサ１０７ｄに撮像されて波長コントローラ１０８に入力される。波長コントローラ１０８は、入力されたレーザ出力光の干渉縞と基準光の干渉縞とからレーザ出力光の波長を算出するとともに、目標波長との波長ずれを算出し、この算出結果をもとに、ドライバ１０９を介して、狭帯域化モジュール１０３内の波長選択素子１１０を駆動して所望の発振波長となるように制御する。このようなフィードバック制御によってレーザ出力光ＬＡの波長は目標波長に制御される。
【０００４】
一方、狭帯域化されたレーザ光を発生するオシレータ段とこのレーザ光を増幅する増幅段とを連結して、増幅段から出力の大きな狭帯域化されたレーザ光を出力する同期注入（インジェクションロック）型パルスレーザが知られており、このインジェクションロック型パルスレーザを用いることによっても狭帯域化されたレーザ光を得ることができる（特開昭６３−５４７８６号参照）。
【０００５】
また、露光装置では、極微細加工をさらに精密に行うことができる要求から、さらに波長が短く、安定し、微細加工が可能な出力をもった紫外レーザ光を発振できるレーザ装置の出現が望まれている。
【０００６】
このため、例えば図２０に示すように、固体レーザを用いたインジェクションロック型パルスレーザの研究が行われている。このインジェクションロック型パルスレーザでは、１９３ｎｍの波長のレーザ光を出力することができる。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１２１が発振したレーザ光の第２高調波（５３２ｎｍ）をポンピング光として、狭帯域化チタンサファイヤレーザ１２２を発振させ、発振した７７３．６ｎｍのレーザ光を波長変換部１２３で４倍の高調波（１９３ｎｍ）のレーザ光ＬＢ１として出力する。そして、このレーザ光ＬＢ１は、全反射ミラー１３１，１３２を介して増幅段１２４に入力され、増幅されたレーザ光ＬＢ２として出力される。この増幅段１２４における増幅は、オシレータ段１２０のレーザ発振に同期して放電電極１２６が放電し、レーザ励起ガスが充填されたチャンバ１２５内に入力されたレーザ光ＬＢ１が凸面ミラー１２７、凹面ミラー１２８を介して通過出力されるまでの間に誘導放出により光増幅することによって行われる。これによって、狭帯域化された１９３ｎｍのレーザ光を得ることができる。
【０００７】
この図２０に示すインジェクションロック型パルスレーザでは、長波長光を波長選択し、かつ波長モニタすれば、狭帯域化されたパルスレーザ光を露光装置等の処理加工装置に出力することができ、図１９に示す従来のシングル型のエキシマレーザにおいて生じる問題点、すなわち、（１）ＡｒＦのエキシマによる発振波長（１９３ｎｍ）のように波長が短くなると、耐久性のある適切な母材およびコーティング材がない。
例えば、蛍石（ＣａＦ2）のようなフッ化物結晶材料であっても耐久性に問題があり、反射防止膜等のＡＲあるいはＨＲコートも耐久性に問題がある。
【０００８】
（２）ＡｒＦのエキシマによる発振波長（１９３ｎｍ）のように波長が短くなると、波長および線幅を高精度に検出することが困難である。
具体的には、１９３ｎｍの波長に適合した基準光源が存在しない。また、１９３ｎｍの波長に適合した吸収線がない。さらに１９３ｎｍ用の高精度のエタロンを製造できない。さらには、波長モニタ自体の耐久性もない。
といった問題点を解消することができる。
【０００９】
ところで、インジェクションロック型パルスレーザは、半導体露光装置用の光源として用いられるが、この光源のスペクトル純度は非常に高いことが要求される。これは、線幅がどんなに細くても、バックグランド光が高ければ半導体露光装置におけるレンズの解像力を悪化させることになるからである。
【００１０】
ここで、図２１は、スペクトル純度を説明するための図であり、スペクトル純度は、
スペクトル純度（％）＝（波長±δλの範囲内の面積）／（全面積）＊１００で表すことができる。
【００１１】
一方、ロッキング効率も約９５％以上に高くかつ安定に維持する必要がある。ここで、図２２は、ロッキング効率を説明するための図であり、ロッキング効率は、
ロッキング効率（％）＝Ｎ／（Ａ＋Ｎ）＊１００
で表すことができる。但し、Ｎは、狭帯域化光成分であり、Ａは、自然放出成分である。
【００１２】
インジェクションロック型パルスレーザの場合、狭帯域化光Ｎのスペクトルの拡がりを非常に小さいと仮定すると、スペクトル純度とロッキング効率とはほぼ同じ値になる。
【００１３】
しかし、従来のインジェクションロック型パルスレーザでは、上述したスペクトル純度およびロッキング効率を満足することができず、半導体露光装置用の光源としては用いることができなかった。これは、
１）オシレータ段の発振するタイミングと増幅段の発振するタイミングとが変動する
２）ミスショットが発生する。すなわち、オシレータ段の光が増幅段に注入されずに増幅段が発光した場合は自然発光成分Ａのみの出力となる
３）オシレータ段１２０と増幅段１２４の発光パルス幅が変動する
４）オシレータ段１２０と増幅段１２４の光強度及び発光パルス幅の最適化がされていない
５）オシレータ段１２０のレーザ出力が安定していない
等の原因による。
【００１４】
一般的に、オシレータ段１２０がＡｒＦエキシマレーザである場合、オシレータ段１２０を発光させるためのオシレータ段トリガから増幅段１２４が発光するまでのタイミングチャートは図２３に示すようになる。すなわち、オシレータ段１２０のトリガが時点Ｔ１で印加されると、その時点Ｔ１からオシレータ段１２０は放電し、この放電励起によってオシレータ段１２０は時点Ｔ２から期間ＴOの間、発光して増幅段１２４に注入される。このオシレータ段１２０の発光の間に、所定の遅延時間をもった時点Ｔ３において増幅段１２４にトリガが印加され、増幅段１２４は放電する。この放電によって放電励起されて増幅段１２４は時点Ｔ４から期間Ｔaの間、発光する。ここで、オシレータ段１２０のトリガ印加から増幅段１２４のトリガ印加までのトリガ遅延時間は（Ｔ３−Ｔ１）となり、発光の遅延時間は（Ｔ４−Ｔ２）となる。なお、オシレータ段１２０の発光期間ＴOは、増幅段１２４の発光期間Ｔaよりも小さい。
【００１５】
このようなタイミングで動作するインジェクションロック型パルスレーザのロッキング効率を調べてみると、図２４に示すような関係が得られる。ここで、発光期間ＴOは１０ｎｓであり、発光期間Ｔaは２０ｎｓである。図２４では、増幅段１２４に注入されるオシレータ段１２０のエネルギーをパラメータとして示しており、この関係から、増幅段１２４に注入されるオシレータ段１２０のエネルギーが所定値以上、ここでは５７μＪ以上でないと、ロッキング効率を高く維持することができないということがわかる。また、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）を２０ｎｓ〜６０ｎｓの範囲で動作しないとロッキング効率を高く維持することができないことがわかる。
【００１６】
さらに、図２５は、オシレータ段１２０の注入エネルギーをパラメータとして、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）に対する増幅段１２４の相対出力の関係を示し、この関係から、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）の値は２２ｎｓ近傍でエネルギー効率がよく、この遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）の範囲でなければ、増幅段１２４からのレーザ出力の安定性を維持することができないことになる。
【００１７】
ところで、放電励起型のエキシマレーザをオシレータ段として用いる場合、実際にオシレータ段に放電のためのトリガを印加してもジッタ、すなわち電気的にトリガが印加されてからオシレータ段が発光するまでの時間のばらつき、が非常に大きいので、この放電励起型のエキシマレーザをオシレータ段として用いることは困難である。
【００１８】
また、放電励起型のエキシマレーザの場合、オシレータ段の発光パルス幅を１０ｎｓ以上にすることが困難である。すなわち、発光パルス幅を長くするためには、放電時間を長くする必要があり、放電時間を長くすると、放電が乱れてレーザ発振しなくなるからである。
【００１９】
従って、図２０に示すようにオシレータ段１２０としてチタンサファイヤレーザ１２２と波長変換部１２３とを用いたインジェクションロック型パルスレーザが提案されているが、このインジェクションロック型パルスレーザでも、ロッキング効率が９０％程度でスペクトル純度も低く、半導体露光装置用の光源としては用いることができない。これは、ポンピングレーザとしてのＮｄ：ＹＡＧレーザ１２１の発光パルス幅が短く（１０ｎｓ以下）、このため、チタンサファイヤレーザ１２２および波長変換部１２３から出力される注入光ＬＢ１のパルス幅も非常に短くなるからである。この結果、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）が許容範囲内に維持することができず、スペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を高く維持することができなかった。
【００２０】
このため、オシレータ段１２０で発光パルス幅を調整できるオシレータ段レーザが各種提案されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オシレータ段として発光パルス幅を所望の値に適切に調整できるインジェクションロック型パルスレーザであっても、増幅段として放電励起型のエキシマレーザを用いている限り、高いスペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を維持することができないという問題点があった。
【００２２】
すなわち、近年の放電励起型のエキシマレーザでは、サイラトロンによるトリガスイッチの寿命が短いため、ＧＴＯ等の固体スイッチと複数の磁気スイッチとを組み合わせたレーザ源源が用いられるのが主流となり、この固体スイッチによるトリガ入力から磁気スイッチを介して実際に放電されるまでのタイミングが、充電される電圧および温度等によって大きく変化し、この増幅段の放電タイミングの変化がロッキング効率を著しく悪化させ、たとえ、適切な遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）を設定しても連続運転すると高いスペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を維持することができなかった。
【００２３】
特に、半導体露光装置の光源として用いて連続パルス発振（バーストモード発振）を行う場合、その連続パルス発振の初期段階のレーザパルス出力が大きくなるというスパイキング現象が生じ、このスパイキング現象を解消するために充電電圧等を低く設定制御して安定した連続レーザパルス発振を常に行わせるが、この充電電圧等を低く抑える設定制御によって、放電タイミングが遅延することなる。また、一般にバーストモード発振中においては毎パルス毎にもパルスエネルギー制御を行っているため、この調整制御によっても放電タイミングが変化し、高いロッキング効率と安定したパルスエネルギーを出力することができない。
【００２４】
また、半導体露光装置側では連続パルス発振であることから、エネルギーを一定に制御する必要から、連続パルス発振のパルス幅時間間隔が同じになるように指定する場合があり、このパルス幅時間間隔の制御にも対応しなければならない場合もある。
【００２５】
ここで、上述したパルス圧縮を行うレーザ電源において、充電電圧等の変化に伴う放電タイミングすなわち発光タイミングのずれが生じる現象について詳細に説明しておく。
【００２６】
図２６は、一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮放電装置の等価回路を示す。また。図２７は、図２６の回路各部における電圧および電流の波形例を示す。
【００２７】
この図２６の放電回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象を利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。
【００２８】
まず、１発目のレーザ発振トリガ信号が受信されると、図示しない露光装置側からエネルギー指令値Ｅまたはレーザ電源の電源電圧値Ｖ0が入力され、図示しないレーザコントローラはこのエネルギーを出すのに必要な電源電圧値Ｖ0を計算し、この計算値に基づき高電圧電源ＨＶの電圧を調整する。そして、この時点でコンデンサＣ0に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源ＨＶからの電荷をプリチャージしておく。
【００２９】
その後、露光装置側からの１発目にパルス発振同期信号（トリガ信号）ＴＲが受信されると、この受信時点で主スイッチＳＷがオンにされる（図２７、時刻t0）。主スイッチＳＷがオンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下がり、この後、磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコンデンサＣ0と主スイッチＳＷの電位差ＶCO−ＶSWの時間積（電圧ＶCOの時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t1において磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のループに電流パルスi0が流れる。
【００３０】
そして、この電流パルスi0が流れはじめてから０になる（時刻t2）までの時間δ0、すなわちコンデンサＣ0からコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視すれば、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、コンデンサＣ1の各容量、インダクタンスによって決定される。
【００３１】
一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t3において磁気スイッチＡＬ1は飽和し、低インピーダンスとなる。これにより、コンデンサＣ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電流パルスi1が流れる。この電流パルスi1は、コンデンサＣ1，Ｃ2および磁気スイッチＡＬ1の容量、インダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1を経由した後、時刻t4で０になる。
【００３２】
また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t5において磁気スイッチＡＬ2は飽和し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデンサＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスi2が流れる。
【００３３】
その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定の主放電開始電圧に達すると、この時点t6において主電極２０６間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。
【００３４】
この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電開始前の状態に戻る。
【００３５】
このような放電動作がトリガ信号ＴＲに同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。
【００３６】
図２６の磁気圧縮回路によれば、磁気スイッチおよびコンデンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタンスが後段にいくにつれて小さくなるように設定されているので、電流パルスi0〜i2のピーク値が順次高くなりかつその通電幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、この結果主放電電極２０６間に短時間での強い放電が得られることになる。また、各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2は各パルス毎に可飽和リアクトルのリセット回路で初期状態にリセットされるようになっているので、各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和点（動作点）は、電圧さえ同じであれば、各パルス毎にわたって一定となる。
【００３７】
しかしながら、上記磁気圧縮回路においては、初期充電電圧Ｖ0が変化すると、これに伴い電圧時間積によって決定される各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和時間σ0、（σ0＋σ1）、（σ1＋σ2）が変化することになり、これに応じてトリガ信号ＴＲが入力されて主スイッチＳＷが点呼される時点t0から実際にレーザ光が発生する時点t6までの時間tdも変化することになる。
【００３８】
この時間tdの変化によって増幅段の放電（発光）タイミングが変化し、ロッキング効率が悪化する。
【００３９】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、光学素子の寿命を長くすることができ、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、かつ安定したレーザ出力を得ることができるインジェクションロック型パルスレーザを提供することを目的とする。
【００４０】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、前記発振指示から前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段とを具備したことを特徴とする。
【００４１】
請求項１に係る発明では、遅延時間設定手段が、オシレータ段の第１のタイミングに対応し、露光装置等の処理加工装置からの発振指示から第２のパルスレーザ光が出力されるまでの間が常に一定となる固定遅延時間を設定し、この固定遅延時間経過後に増幅段の放電が行われるようにエネルギー転送の開始が制御されるので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４２】
また、発振指示から常に固定遅延時間後に第２のパルスレーザ光が得られるので、処理加工装置側における第２のパルスレーザ光の使用が容易になる。さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００４３】
請求項２に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段とを具備したことを特徴とする。
【００４４】
請求項２に係る発明では、遅延時間演算手段が磁気パルス圧縮回路における実遅延時間を演算し、この演算結果をもとにオシレータ段における第１のタイミングを適正に制御しているので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４５】
特に、磁気スイッチ動作センサによって放電電極側に近い磁気スイッチの実オン時から第１のタイミングを制御しているので、時間誤差を小さくすることがき、より精度の高い同期タイミング制御を行うことができる。
【００４６】
さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００４７】
請求項３に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した第１の遅延時間を算出する第１の遅延時間演算手段と、前記発振指示から前記第１の遅延時間演算手段が算出した第１の遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段と、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる第２の遅延時間を算出する第２の遅延時間演算手段と、前記第２の遅延時間演算手段が算出した第２の遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段とを具備したことを特徴とする。
【００４８】
請求項３に係る発明では、遅延時間設定手段が、オシレータ段の第１のタイミングに対応し、露光装置等の処理加工装置からの発振指示から第２のパルスレーザ光が出力されるまでの間が常に一定となる固定遅延時間を設定し、この固定遅延時間経過後に増幅段の放電が行われるようにエネルギー転送の開始を制御するとともに、オシレータ段側でも磁気パルス圧縮回路における実遅延時間を演算し、この演算結果をもとにオシレータ段における第１のタイミングを適正に制御しているので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４９】
特に、磁気スイッチ動作センサによって放電電極側に近い磁気スイッチの実オン時から第１のタイミングを制御しているので、時間誤差を小さくすることができ、より精度の高い同期タイミング制御を行うことができる。
【００５０】
また、発振指示から常に固定遅延時間後に第２のパルスレーザ光が得られるので、処理加工装置側における第２のパルスレーザ光の使用が容易になる。さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００５１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、前記磁気パルス圧縮回路の温度を検出する温度センサをさらに具備し、前記温度センサが検出した温度を前記レーザ出力に関連するパラメータとして用いることを特徴とする。
【００５２】
請求項４に係る発明では、レーザ出力に関連するパラメータとして磁気パルス圧縮回路の温度を検出するようにしているので、連続発振等による磁気パルス圧縮回路の温度変化に伴うエネルギー転送時間を正確に予測演算することができ、第１のタイミングと第２のタイミングとの同期を適正に制御することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図２は、図１に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートを示す。
【００５４】
図１において、インジェクションロック型パルスレーザは、主としてオシレータ段１０および増幅段２０とから構成される。
【００５５】
オシレータ段１０は、狭帯域化基本波レーザ１と波長変換部６とを有し、狭帯域化基本波レーザ１は、オシレータ段電源４４によって励起される増幅媒体４を有し、この増幅媒体４によって発光された光は、波長選択素子３によって所定の帯域の光にフィルタリングし、波長選択素子３とフロントミラー５との間で形成される光共振器内でレーザ発振し、フロントミラー５からレーザ光としての基本波光Ｌを波長変換部６に出力する。
【００５６】
波長変換部６は、入力された基本波光Ｌを最終的に出力される出力光ＬＢの波長と同じ波長に変換し、高調波光ＬＡとして出力する。例えば、基本波光Ｌが、７７３．６ｎｍである場合、波長変換部６は、この基本波光Ｌを和周波混合によって４倍の高調波である１９３．４ｎｍのレーザ光に変換する。この波長変換部６は、非線形光学効果をもつ波長変換素子によって実現される。例えば、非線形光学素子を３つ用い、最初の非線形光学素子によって、入力された波長ωと２ωのレーザ光を生成し、次の非線形光学素子によって波長ωと波長３ω（ω＋２ω）のレーザ光を生成し、さらに次の非線形光学素子によって波長ωと４ω（ω＋３ω）のレーザ光を生成し、この波長４ωのレーザ光を透過させるダイクロイックミラーまたはプリズム等の分光素子を用いて出力させるようにする。この高調波光ＬＡは、全反射ミラー７，８を介して増幅段２０に入力される。
【００５７】
増幅段２０のチャンバ２１内には、例えば１９３ｎｍのレーザ光を発生することができるＡｒＦガスが充填され、このＡｒＦガスをエキシマ状態に励起する放電電極２４を有する。この放電電極２４での放電は、増幅段電源４５によって行われる。入力された高調波光ＬＡは、凹面ミラー２２のカップリングホール２２’を介してチャンバ２１内に入力され、凸面ミラー２３を介して反射し、さらに凹面ミラー２２に反射し、出力光ＬＢとして出力する。高調波光ＬＡがチャンバ２１内を往復する間に、誘導放出による光増幅を行うことにより、高調波光ＬＡが増幅された出力光ＬＢとして出力される。そして、この出力光ＬＢは、露光装置３０の照明光学系３３に入力されるとともに、エネルギーモニタ４０によって出力光ＬＢの一部光ＬＢ１を取り出して出力光ＬＢのエネルギーＥａをモニタする。
【００５８】
露光装置３０の露光装置コントローラ３１は、インジェクションロック型パルスレーザ側に発振パルス同期信号ＴＲと、エネルギー指令Ｅまたはレーザ電源の電源電圧値ＶOとをレーザコントローラ４１に入力して、インジェクションロック型パルスレーザからの出力光ＬＢのパルスレーザ発振時期およびその出力を指示するとともに、露光装置３０を制御する。
【００５９】
レーザコントローラ４１は、露光装置コントローラ３１から入力された発振パルス同期信号ＴＲをオシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の増幅段遅延部５１に出力するとともに、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに増幅段電源４５の電圧指令値Ｖ0をオシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の遅延時間演算部５３に出力する。
【００６０】
オシレータ段遅延処理部４３は、発振パルス同期信号ＴＲの入力後、所定の遅延時間Ｔdo遅延させたオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力し、オシレータ段１０の狭帯域化基本波レーザ１から基本波光Ｌを発振させ、波長変換部６を介して高調波光ＬＡを増幅段２０に注入する。この基本波光Ｌは、オシレータ段トリガ信号ＴＯのトリガが増幅媒体４に加えられた後であって、発振パルス同期信号ＴＲからオシレータ段遅延時間Ｔos経過後に発光し、期間Ｔｂ間発光する。トリガ信号ＴＯ入力から、オシレータ段１０が実際に発光するまでの遅延時間は、オシレータ段１０として使われる固体レーザの特性で決まる固有の値である。
【００６１】
増幅段電源４５に入力された電圧指令値Ｖ0をもとに、増幅段電源４５は、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧となるように充電を行う。なお、増幅段電源４５は、例えば図２６に示すような磁気パルス圧縮回路で構成され、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧は、コンデンサＣ0に蓄積充電されることになる。
【００６２】
増幅段遅延処理部４２は、増幅段遅延部５１、基準遅延時間設定部５２、および遅延時間演算部５３を有する。
【００６３】
基準遅延時間設定部５２は、増幅段基準遅延時間Ｔdsを設定する。この増幅段基準遅延時間Ｔdsは、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段電源４５が放電するまでの時間であり、オシレータ段遅延時間Ｔos後の所定時間後に期間Ｔａ放電するように設定される。出力光ＬＢはこの増幅段基準遅延時間Ｔds後に発光出力することになる。なお、オシレータ段発光の期間Ｔｂは、増幅段の放電期間Ｔａを包含する期間となり、これにより、ロッキング効率およびレーザ出力が安定して出力することになる。
【００６４】
従って、オシレータ段遅延時間Ｔosが固定時間である場合、増幅段基準遅延時間Ｔdsがオシレータ段遅延時間Ｔosより大きくなり、期間Ｔｂが期間Ｔａより大きくなるように、増幅段基準遅延時間Ｔdsを常に一定とする必要がある。そのために、上述した増幅段遅延設定部５２は、この増幅段基準遅延時間Ｔdsを設定することになる。従って、増幅段基準遅延時間Ｔdsは、オシレータ段遅延時間Ｔosの長短に応じて変化する設定時間である。
【００６５】
ところで、増幅段電源４５は磁気パルス圧縮回路を用いているため、電圧指令値Ｖ0の変化あるいは増幅段電源の環境、例えば温度によってエネルギー転送時間が変化し、増幅段トリガＴＲＬの印加時点を調整し、増幅段電源４５の放電時期を常に、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段基準遅延時間Ｔds後に放電できるようにする必要がある。
【００６６】
このため、遅延時間演算部５３は、磁気パルス圧縮回路の温度を検出するセンサ４７からの温度データおよびレーザコントローラ４１からの電圧指令値Ｖ0が入力され、この温度データおよび電圧指令値Ｖ0をもとに増幅段トリガＴＲＬが印加された後に実際に放電が行われるまでの実遅延時間Ｔreを演算し、増幅段基準遅延時間Ｔdsからこの実遅延時間Ｔreを減算した時間τを算出し、この時間τを増幅段遅延部５１に出力する。
【００６７】
増幅段遅延部５１は、発振パルス同期信号ＴＲから、遅延時間演算部５３から入力された時間τ経過後に、増幅段トリガＴＲＬを増幅段電源４５のスイッチ４６に印加し、エネルギー転送を開始させ、遅延時間演算部５３が演算した実遅延時間Ｔre後に放電させる。なお、このスイッチ４６は、例えば図２７の磁気パルス圧縮回路におけるスイッチＳＷに相当する。
【００６８】
これにより、オシレータ段発光は発振パルス同期信号ＴＲ後、オシレータ段遅延時間Ｔos後に期間Ｔｂ間、発光し、増幅段放電は発振パルス同期信号ＴＲ後、増幅段基準遅延時間Ｔds後に常に期間Ｔａ間、放電することになり、オシレータ段１０の発光と増幅段２０の放電（発光）とのタイミングが高精度に同期することになる。そして、この結果、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００６９】
次に、図３および図４を参照して、本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザについて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図４は、図３に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【００７０】
第１の実施の形態では、オシレータ段遅延時間Ｔosを一定として、増幅段電源のエネルギー転送時間の変化に対応させて増幅段トリガＴＲＬの印加時期を制御するようにして、オシレータ段１０の発光と増幅段２０の発光のタイミングを制御したが、第２の実施の形態では、増幅段遅延時間Ｔdsに相当する増幅段遅延時間Ｔdを、実遅延時間Ｔreと同じ時間に設定した可変時間のままとし、この可変時間内にオシレータ段遅延時間Ｔoを調整して、オシレータ段１０の発光時期を増幅段放電時期に同期させるべき、オシレータ段トリガＴＯの印加時期を制御しようとするものである。
【００７１】
まず、レーザコントローラ４１は、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに増幅段電源４５の電圧指令値Ｖ0を出力し、または露光装置３０側からレーザ電源電圧指令ＶOを受け取り、増幅段電源４５は、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧となるように充電を行う。一方、この電圧指令値Ｖ0は、オシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１に入力される。
【００７２】
また、レーザコントローラ４１は、露光装置コントローラ３１から入力された発振パルス同期信号ＴＲを増幅段電源４５に出力し、増幅段トリガＴＲＬとして、発信パルス同期信号ＴＲ入力直後に磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させ、充電されたエネルギーを放電電極２４まで転送させる。この転送時間は、増幅段遅延時間Ｔdであり、実遅延時間Ｔreでもある。
【００７３】
増幅段電源４５は、磁気スイッチ動作センサ４８を有する。この磁気スイッチ動作センサ４８は、磁気パルス圧縮回路で用いられる可飽和リアクトル、例えば図２７の可飽和リアクトルＡＬ１，ＡＬ２のうちのいずれかの飽和を検出するセンサであり、この構成については後述する。
【００７４】
例えば、磁気スイッチ動作センサ４８が可飽和リアクトルＡＬ１の飽和を検出するものとすると、この磁気スイッチ動作センサ４８は、この検出時点をオシレータ段遅延処理部４３のオシレータ段遅延部６２に出力する。この検出時点は、発振パルス同期信号ＴＲからの時間Ｔｍとなる。この時間Ｔｍは、電圧指令値Ｖ0の変化および温度によって変化する。
【００７５】
遅延時間演算部６１は、レーザコントローラ４１から入力される電圧指令値Ｖ0と、磁気パルス圧縮回路の温度を検出するセンサ４７からの温度データとをもとに、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から適切なオシレータ段発振までの時間Ｔdmを演算し、この時間Ｔdmからオシレータ段電源４４固有のオシレータ段遅延時間Ｔdoを減算した時間τ２を算出し、この時間τ２をオシレータ段遅延部６２に出力する。すなわち、発振同期を図るためのオシレータ段遅延時間Ｔdoに対してさらに増幅段遅延時間Ｔdsの変動を吸収する時間τ２を加え合わせて発振同期精度の向上を図っている。
【００７６】
オシレータ段遅延部６２は、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から、オシレータ段遅延時間Ｔdoに時間τ２を加算した時間Ｔdm後にオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力する。
【００７７】
すなわち、第２の実施の形態では、磁気パルス圧縮回路における磁気スイッチ動作時点を確実に検出して出力光ＬＢの発光時点を一層確実に求め、オシレータ段１０の発光を増幅段２０の発光に精度よく同期させようとするものである。すなわち、第２の実施の形態では、放電電極２４側に近い磁気スイッチ動作時点を起点として制御することにより、磁気パルス圧縮回路内で生じる時間誤差量を小さくしている。
【００７８】
これにより、オシレータ段発光は増幅段発光に同期することになり、この結果、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００７９】
次に、図５および図６を参照して、本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザについて説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図６は、図５に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【００８０】
この第３の実施の形態では、第２の実施の形態におけるオシレータ段１０と増幅段２０との発光同期に加え、発振パルス同期信号ＴＲから最終的な増幅段２０の発光までの時間を第１の実施の形態と同様に、増幅段遅延時間Ｔdsという一定時間にしようとするものである。
【００８１】
まず、レーザコントローラ４１は、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに算出した電圧指令値Ｖ0、または露光装置コントローラ３１から直接送出される電圧指令値Ｖ0を増幅段電源４５、増幅段遅延処理部４２の遅延時間演算部５３、およびオシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１に出力するとともに、発振パルス同期信号ＴＲを増幅段遅延処理部４２の増幅段遅延部５１に出力する。
【００８２】
増幅段電源４５は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0をもとに充電する。
【００８３】
基準遅延時間設定部５２は、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段放電が行われるまでの増幅段遅延時間Ｔdsを設定し、遅延時間演算部５３に出力する。この増幅段遅延時間Ｔdsは一定であり、これにより、発振パルス同期信号ＴＲの入力から一定時間後に増幅段２０から出力光ＬＢが出力されることになる。なお、後述する発振パルス同期信号ＴＲの入力からオシレータ段１０が発光するまでの時間であるオシレータ段遅延時間Ｔoも一定である。
【００８４】
遅延時間演算部５３は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0と増幅段電源４５のセンサ４７からの温度データとをもとに、増幅段トリガＴＲＬが印加されてから増幅段２０が放電するまでの実遅延時間Ｔreを演算し、一定時間である増幅段遅延時間Ｔdsからこの実遅延時間Ｔreを減算した時間τ１を算出し、この時間τ１を増幅段遅延部５１に出力する。
【００８５】
増幅段遅延部５１は、レーザコントローラ４１から入力された発振パルス同期信号ＴＲを時間τ１だけ、遅延した増幅段トリガＴＲＬを増幅段電源４５のスイッチ４６に印加してエネルギー転送を開始させる。
【００８６】
一方、第２の実施の形態と同様に、増幅段電源４５は、磁気スイッチ動作センサ４８を有し、所定の可飽和リアクトルの飽和時点を検出し、この時点をオシレータ段遅延処理部４３のオシレータ段遅延部６２に出力する。
【００８７】
オシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0と増幅段電源４５のセンサ４７から入力される温度データとをもとに、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点からオシレータ段発振までの適切な時間Ｔdmを演算し、この時間Ｔdmからオシレータ段電源４４固有のオシレータ段遅延時間Ｔdoを減算した時間τ２を算出し、この時間τ２をオシレータ段遅延部６２に出力する。ここで、オシレータ段遅延時間Ｔdoと時間τ２の技術的意義は、第２の実施の形態と同じである。
【００８８】
オシレータ段遅延部６２は、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から、オシレータ段遅延時間Ｔdoに時間τ２を加算した時間Ｔdm後にオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力する。
【００８９】
これにより、オシレータ段発光は増幅段発光に同期して、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができるとともに、発振パルス同期信号ＴＲの印加から出力光ＬＢが出力されるまでの時間を一定にすることができる。本実施の形態において、レーザ電源電圧値および磁気パルス圧縮回路の温度によって実遅延時間Ｔreを計算し、その値に基づいてオシレータ段トリガ信号ＴＯを出力することも可能である。しかしながら、そのような計算で求めた実遅延時間Ｔreは誤差を含み、オシレータ段１０と増幅段２０との厳密な発振同期という点においては、第３の実施の形態において説明したように磁気スイッチセンサを用いて時間Ｔdmを求める制御の方が望ましい。
【００９０】
ここで、第２および第３の実施の形態における磁気スイッチ動作センサ４８の具体的な構成について説明する。
【００９１】
図７は、磁気パルス圧縮回路上における磁気スイッチ動作センサ４８の配置構成を示す図であり、図７では、磁気スイッチ動作センサ４８は可飽和リアクトルＡＬ1の飽和時点を検出し、検出信号Ｓａをオシレータ段遅延部６２に出力する。
【００９２】
この磁気スイッチ動作センサ４８によって、レーザ出力に関連するパラメータとして磁気パルス圧縮回路の温度を検出するようにしているので、連続発振等による磁気パルス圧縮回路の温度変化に伴うエネルギー転送時間を正確に予測演算することができ、オシレータ段１０と増幅段２０との発光タイミングの同期を適正に制御することができる。
【００９３】
図８〜図１２は、磁気スイッチ動作センサ４８の具体例を示す図である。
図８では、可飽和リアクトル（磁気スイッチ）ＡＬ1に直列にインダクタンス手段としての磁芯（またはコイル）７２を接続するようにしている。図８（ａ）に示すように、電流パルスi1の電流変化による自己誘導により磁芯７２には誘導電圧vsが発生するので、この誘導電圧vsを検出することで、電流パルスi1の立ち上がり時点t3（図２７の時点t3に相当）を検出することができる。
【００９４】
図９では、磁気スイッチＡＬ1の２次巻線７３に誘導される誘導起電圧vs（図９（ｂ）参照）を検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９５】
図１０では、磁気スイッチＡＬ1に直列に１次コイル７４を接続し、この１次コイル７４を流れる電流パルスi0の電流変化によって発生する２次コイル７５の誘導電圧vsを検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９６】
図１１では、磁気スイッチＡＬ1のリセット回路７６（磁気スイッチのＢ−Ｈ特性を所定の初期状態にする回路）中の空心コイル７７を接続し、この空心コイル７７の誘導電圧vsを検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９７】
図１２では、コンデンサＣ１を並列に抵抗r1，r2を接続し、その分圧vsを検出することに基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９８】
ところで、上述した第１〜第３の実施の形態におけるセンサ４７は温度センサであり、熱電対等によって磁気スイッチの絶縁油の温度を検知するようにしているが、この温度センサでなくても、磁気スイッチ動作センサを組み合わせることによっても、この温度センサの機能を実現することができる。
【００９９】
図１３は、センサ４７および磁気スイッチ動作センサ４８の機能を２つの磁気スイッチ動作センサ４８ａ，４８ｂによって実現する構成を示す図である。
【０１００】
すなわち、磁気スイッチ動作センサ４８ａは、磁気スイッチ動作センサ４８と同様に、磁気スイッチＡＬ1の飽和動作を検出し、磁気スイッチ動作センサ４８ｂは、磁気スイッチＡＬ1の前段の磁気スイッチＡＬ0の飽和動作を検出し、磁気スイッチ動作センサ４８ａの検出信号Ｓａおよび磁気スイッチ動作センサ４８ｂの検出信号Ｓｂは、遅延時間演算部６２に送出される。遅延時間演算部６２は、この検出信号Ｓａ，Ｓｂの時間差から、温度データに対応する値を演算し、電圧指令値Ｖ0の値とを加味して、時間τ２を演算し、オシレータ段遅延部６２に出力する。従って、この２つの磁気スイッチ動作センサ４８ａ，４８ｂによって温度データに対応する値を取得することができる。
【０１０１】
一方、磁気スイッチ動作センサ４８ａは磁気スイッチ動作センサ４８と同様の機能をも有し、磁気スイッチ動作センサ４８ａの検出信号Ｓａは、オシレータ段遅延部６２に送出され、この検出信号Ｓａの時点を基準に遅延処理が施されることになる。
【０１０２】
このようにして温度センサとしてのセンサ４７を設けないで実際に温度を検出しなくても、磁気スイッチ動作センサを組み合わせることによって温度データに対応する値を取得することもできる。
【０１０３】
なお、上述した遅延時間演算部５３，６１は、温度データを用いるようにしているが、この温度データを用いなくても、ある程度の同期が取れるので、許容値が大きい場合は温度データを用いなくてもよく、この温度データを取得するための構成を削除することができる。
【０１０４】
また、上述した遅延時間演算部５３，６１は、テーブルを用いて時間τ，τ１，τ２を算出するようにしてもよい。すなわち、電圧指令値Ｖ0、温度データに対応して予め算定されたτ，τ１，τ２を直ちに変換出力するようにしてもよい。この場合には、高速出力が可能となり、特に第２および第３の実施の形態では、さらに放電電極２４側に近い磁気スイッチの動作を検出することが可能となり、一層精度の高い同期をとることが可能となる。
【０１０５】
なお、上述したインジェクションロック型パルスレーザは、オシレータ段１０に狭帯域化基本波レーザ１としてチタンサファイヤレーザ（７７３．６ｎｍ）を用いる場合として説明したが、図１４に示すように、このチタンサファイヤレーザは、実際、ポンピングパルスレーザＰＬによって光励起される。このポンピングパルスレーザＰＬとしては、具体的にはＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）やＹＬＦレーザの第２高調波（５２７ｎｍ）が用いられ、これらのポンピングパルスレーザＰＬに対してオシレータ段遅延処理部４３からオシレータ段トリガ信号ＴＯが送出されることになる。
【０１０６】
さらに、第１〜第３の実施の形態が適用される具体的なインジェクションロック型パルスレーザの具体的な構成について図１５を参照して説明する。
【０１０７】
図１５では、狭帯域化ＣＷチタンサファイヤレーザまたは狭帯域化ＣＷ半導体レーザの出力光をさらにパルスのチタンサファイヤレーザ増幅段８０で増幅して、波長変換部６に入力し、この波長変換部６からの高調波光を増幅段２０に入力する構成としてインジェクションロック型パルスレーザである。
【０１０８】
すなわち、オシレータ段１０では、まずＣＷ（連続発振）レーザ光を発振させておく。これには、ＣＷチタンサファイヤレーザまたはＣＷ半導体レーザが用いられ、ＣＷチタンサファイヤレーザの場合にはそのポンピングＣＷレーザとして、アルゴンイオンレーザ（４８８ｎｍ，５１５ｎｍ等のマルチライン）ＰＬ１が用いられる。ＣＷ半導体レーザの場合にはポンピングＣＷレーザＰＬ１は不用である。このＣＷレーザ８１からのＣＷレーザ光は、チタンサファイヤレーザ増幅段８０に入力され、ポンピングパルスレーザＰＬ２によってパルス光とされる。このチタンサファイヤレーザ増幅段８０は具体的にはリング共振器等によって実現される。そして、このチタンサファイヤレーザ増幅段８０から出力されるパルスの基本波光Ｌ（７７３．６ｎｍ）が波長変換部６に入力され、４倍の高調波としての高調波光ＬＡ（１９３．４ｎｍ）が増幅段２０に入力される。
【０１０９】
このＣＷレーザ８１を用いる利点は、ＣＷレーザであるが故に、非常にスペクトル幅の狭いシングルモードのレーザ光を得ることができるからである。ただし、このＣＷレーザからのレーザ光の光強度は非常に小さいため、チタンサファイヤレーザ増幅段８０によって非常に強いパルスのレーザ光に増幅することになる。なお、上述したように、ポンピングパルスレーザＰＬ２としては、実際には、ＹＡＧレーザまたはＹＬＦレーザの第２高調波を用いることができる。
【０１１０】
このような構成により狭帯域化されたパルスレーザ光を高出力で得ることができる。
【０１１１】
ここで、オシレータ段１０から注入されるレーザ光の発光パルス幅を変化させた場合について説明する。
【０１１２】
図１６は、本発明によるインジェクションロック型パルスレーザによるレーザ発光の計測関係図を示す。レーザコントローラ４１からオシレータ段遅延処理部４３を介してオシレータ段電源４４にオシレータ段トリガ信号ＴＯが入力されると、オシレータ段電源４４は、ポンピングパルスレーザＰＬとしてのＹＬＦ（またはＹＡＧ）レーザの図示しないロッドを励起し、ポンピングパルスレーザＰＬは、１０５４（１０６４）ｎｍのレーザ光を所定の発光パルス幅で出力する。このレーザ光は、波長変換部９０によって第２高調波光（５３６ｎｍ）のレーザ光に変換される。なお、レーザ光の発光パルス幅を調整する方法としては、ＹＬＦ（ＹＡＧ）レーザの利得、共振器長、Ｑ値、またはＱスイッチドライバのパルス波形を変化させることにより実現される。
【０１１３】
この第２高調波光は、狭帯域化基本波レーザ１としての狭帯域化チタンサファイヤレーザ１ａの増幅媒体４であるチタンサファイヤロッドを励起し、所定の発光パルス幅で発光し、波長７７３．６ｎｍの狭帯域化レーザ光が基本波光Ｌとして出力される。この基本波光Ｌは、波長変換部６によって第４高調波光ＬＡ（１９３．４ｎｍ）に変換され、所定の発光パルス幅を有する高調波光として出力される。
【０１１４】
この高調波光ＬＡの一部はビームスプリッタ９１によって取り出され、光センサ９３によって検出される。一方、ビームスプリッタ９１を透過した高調波光ＬＡは、増幅段２０に入力される。ここで、上述した第１〜第３の実施の形態によって実現される同期制御によって増幅段２０が放電を行い増幅出力する。ビームスプリッタ９２によって出力光ＬＢの一部が取り出され、光センサ９４によって検出される。
【０１１５】
この光センサ９３によって、注入された高調波光ＬＡの発光タイミングと発光パルス幅とパルスエネルギーを計測し、光センサ９４によって、出力光ＬＢの発光タイミングと発光パルス幅とパルスエネルギーを計測し、そのスペクトル純度を測定することができる。なお、ポンピングパルスレーザＰＬであるＹＬＦレーザの共振器やＱ値を変化させることにより、狭帯域化チタンサファイヤレーザ１ａの発光パルス幅を制御することができる。さらに、レーザ光を波長変換部９０，６によって変換することによって、任意のタイミングで注入光のパルス幅を制御することができる。また、オシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の遅延調整によって、任意のタイミングで注入光の入力と増幅段２０の励起タイミングを制御することができる。
【０１１６】
ここで、注入光（高調波光ＬＡ）のパルス幅とスペクトル純度との関係を測定すると、図１７に示すようになる。
【０１１７】
図１７から、注入光のパルス幅を長くすることによって、スペクトル純度を高く維持することができる注入タイミングの遅延時間許容範囲を、注入光のパルス幅の長さがのびた時間と同程度に長くすることができることがわかる。
【０１１８】
これは、遅延時間許容範囲がのびることによって、注入光と増幅段の励起のタイミングがジッタによって多少変化してもスペクトル純度が悪化しないことを意味する。
【０１１９】
また、図１８は、注入光のパルス幅とパルスエネルギーとの関係を示す。図１８から、注入光のパルス幅が長くなると、増幅されたパルスエネルギーが安定な許容範囲は、注入光のパルス幅の長さがのびた時間と同程度に長くすることができることがわかる。
【０１２０】
これは、遅延時間許容範囲がのびることによって、注入光と増幅段の励起タイミングがジッタによって変化しても、増幅段のパルスエネルギーが安定に維持できることを意味する。
【０１２１】
なお、上述した実施の形態では、オシレータ段のレーザとして固体レーザを用いて説明したが、これは、固体レーザの方が安定して注入光を発光することができるからであり、その他の気体レーザ、液体レーザを用いても安定出力することができるならば、オシレータ段として用いることができる。例えば、電源電圧および温度等を一定に保って安定したレーザ出力を行うことができるエキシマレーザを用いることも可能であり、固体レーザに限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図４】図３に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図６】図５に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図７】磁気パルス圧縮回路上における磁気スイッチ動作センサの配置構成を示す図である。
【図８】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図９】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１０】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１１】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１２】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１３】２つの磁気スイッチ動作センサによってセンサ４７および磁気スイッチ動作センサ４８の機能を実現する構成を示す図である。
【図１４】第１〜第３の実施の形態におけるインジェクションロック型パルスレーザの具体的構成を示す図である。
【図１５】第１〜第３の実施の形態におけるインジェクションロック型パルスレーザの具体的構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザによる性能を測定するブロック図である。
【図１７】注入光のパルス幅と出力光のスペクトル純度との関係を示す図である。
【図１８】注入光のパルス幅とパルスエネルギーとの関係を示す図である。
【図１９】従来の狭帯域化エキシマレーザの概要構成を示す図である。
【図２０】インジェクションロック型パルスレーザの一例を示す図である。
【図２１】スペクトル純度を説明する図である。
【図２２】ロッキング効率を説明する図である。
【図２３】従来のインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【図２４】注入エネルギーとロッキング効率との関係を示す図である。
【図２５】注入エネルギーと相対レーザ出力との関係を示す図である。
【図２６】一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮放電装置の等価回路を示す図である。
【図２７】図２６の回路各部における電圧および電流の波形例を示す図である。
【符号の説明】
１…狭帯域化基本波レーザ ２…リアーミラー ３…波長選択素子
４…増幅媒体 ５…フロントミラー ６…波長変換部
７，８…全反射ミラー １０…オシレータ段 ２０…増幅段
２１…チャンバ ２２…凹面ミラー ２３…凸面ミラー ２４…放電電極
３０…露光装置 ３１…露光装置コントローラ ３２…ウェハテーブル
４０…エネルギーモニタ ４１…レーザコントローラ
４２…増幅段遅延処理部 ４３…オシレータ段遅延処理部
４４…オシレータ段電源 ４５…増幅段電源 ４６…スイッチ
４７…センサ ４８，４８ａ，４８ｂ…磁気スイッチ動作センサ
５１…増幅段遅延部 ５２…基準遅延時間設定部
５３，６１…遅延時間演算部 ６２…オシレータ段遅延部
ＴＲ…発振パルス同期信号 Ｖ0…電圧指令値
ＴＯ…オシレータ段トリガ信号 ＴＲＬ…増幅段トリガ
τ，τ１，τ２…遅延時間 Ｔds…増幅段基準遅延時間
Ｔos…オシレータ段遅延時間 Ｔre…実遅延時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置に関し、特に、オシレータ段と増幅段との発光タイミングを出力調整、環境変化等にかかわらず、適正に同期制御することができるインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザでは、２４８ｎｍの紫外レーザ光をパルス発振する際、出力レーザ光の一部を取り出し、レーザ出力とレーザ波長とを検出し、波長制御及び出力制御を行っていた。
【０００３】
例えば、図１９は、従来の狭帯域化エキシマレーザの概要構成を示し、この狭帯域化エキシマレーザは、放電電極１０２のパルス放電によってレーザチャンバ１０１内に充填されたレーザガスが励起され、フロントミラー１０５とリアミラー１０４とで構成される共振器によってレーザ発振し、フロントミラー１０５からレーザ出力光ＬＡが出力される。レーザ出力光ＬＡの一部はビームスプリッタ１０６によって取り出され、波長モニタ１０７に入力される。波長モニタ１０７では、ビームスプリッタ１０７ｅ、エタロン１０７ｂ、レンズ１０７ｃを介して入力されたレーザ出力光ＬＡの干渉縞がラインセンサ１０７ｄに撮像され、その結果が波長コントローラ１０８に入力される。また、波長モニタ１０７内には、レーザ出力光ＬＡの波長に近い基準光１０７ａを発する光源を有し、基準光１０７ａは、ビームスプリッタ１０７ｅ、エタロン１０７ｂ、レンズ１０７ｃを介して出力され、基準光１０７ａの干渉縞がラインセンサ１０７ｄに撮像されて波長コントローラ１０８に入力される。波長コントローラ１０８は、入力されたレーザ出力光の干渉縞と基準光の干渉縞とからレーザ出力光の波長を算出するとともに、目標波長との波長ずれを算出し、この算出結果をもとに、ドライバ１０９を介して、狭帯域化モジュール１０３内の波長選択素子１１０を駆動して所望の発振波長となるように制御する。このようなフィードバック制御によってレーザ出力光ＬＡの波長は目標波長に制御される。
【０００４】
一方、狭帯域化されたレーザ光を発生するオシレータ段とこのレーザ光を増幅する増幅段とを連結して、増幅段から出力の大きな狭帯域化されたレーザ光を出力する同期注入（インジェクションロック）型パルスレーザが知られており、このインジェクションロック型パルスレーザを用いることによっても狭帯域化されたレーザ光を得ることができる（特開昭６３−５４７８６号参照）。
【０００５】
また、露光装置では、極微細加工をさらに精密に行うことができる要求から、さらに波長が短く、安定し、微細加工が可能な出力をもった紫外レーザ光を発振できるレーザ装置の出現が望まれている。
【０００６】
このため、例えば図２０に示すように、固体レーザを用いたインジェクションロック型パルスレーザの研究が行われている。このインジェクションロック型パルスレーザでは、１９３ｎｍの波長のレーザ光を出力することができる。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１２１が発振したレーザ光の第２高調波（５３２ｎｍ）をポンピング光として、狭帯域化チタンサファイヤレーザ１２２を発振させ、発振した７７３．６ｎｍのレーザ光を波長変換部１２３で４倍の高調波（１９３ｎｍ）のレーザ光ＬＢ１として出力する。そして、このレーザ光ＬＢ１は、全反射ミラー１３１，１３２を介して増幅段１２４に入力され、増幅されたレーザ光ＬＢ２として出力される。この増幅段１２４における増幅は、オシレータ段１２０のレーザ発振に同期して放電電極１２６が放電し、レーザ励起ガスが充填されたチャンバ１２５内に入力されたレーザ光ＬＢ１が凸面ミラー１２７、凹面ミラー１２８を介して通過出力されるまでの間に誘導放出により光増幅することによって行われる。これによって、狭帯域化された１９３ｎｍのレーザ光を得ることができる。
【０００７】
この図２０に示すインジェクションロック型パルスレーザでは、長波長光を波長選択し、かつ波長モニタすれば、狭帯域化されたパルスレーザ光を露光装置等の処理加工装置に出力することができ、図１９に示す従来のシングル型のエキシマレーザにおいて生じる問題点、すなわち、（１）ＡｒＦのエキシマによる発振波長（１９３ｎｍ）のように波長が短くなると、耐久性のある適切な母材およびコーティング材がない。
例えば、蛍石（ＣａＦ2）のようなフッ化物結晶材料であっても耐久性に問題があり、反射防止膜等のＡＲあるいはＨＲコートも耐久性に問題がある。
【０００８】
（２）ＡｒＦのエキシマによる発振波長（１９３ｎｍ）のように波長が短くなると、波長および線幅を高精度に検出することが困難である。
具体的には、１９３ｎｍの波長に適合した基準光源が存在しない。また、１９３ｎｍの波長に適合した吸収線がない。さらに１９３ｎｍ用の高精度のエタロンを製造できない。さらには、波長モニタ自体の耐久性もない。
といった問題点を解消することができる。
【０００９】
ところで、インジェクションロック型パルスレーザは、半導体露光装置用の光源として用いられるが、この光源のスペクトル純度は非常に高いことが要求される。これは、線幅がどんなに細くても、バックグランド光が高ければ半導体露光装置におけるレンズの解像力を悪化させることになるからである。
【００１０】
ここで、図２１は、スペクトル純度を説明するための図であり、スペクトル純度は、
スペクトル純度（％）＝（波長±δλの範囲内の面積）／（全面積）＊１００で表すことができる。
【００１１】
一方、ロッキング効率も約９５％以上に高くかつ安定に維持する必要がある。ここで、図２２は、ロッキング効率を説明するための図であり、ロッキング効率は、
ロッキング効率（％）＝Ｎ／（Ａ＋Ｎ）＊１００
で表すことができる。但し、Ｎは、狭帯域化光成分であり、Ａは、自然放出成分である。
【００１２】
インジェクションロック型パルスレーザの場合、狭帯域化光Ｎのスペクトルの拡がりを非常に小さいと仮定すると、スペクトル純度とロッキング効率とはほぼ同じ値になる。
【００１３】
しかし、従来のインジェクションロック型パルスレーザでは、上述したスペクトル純度およびロッキング効率を満足することができず、半導体露光装置用の光源としては用いることができなかった。これは、
１）オシレータ段の発振するタイミングと増幅段の発振するタイミングとが変動する
２）ミスショットが発生する。すなわち、オシレータ段の光が増幅段に注入されずに増幅段が発光した場合は自然発光成分Ａのみの出力となる
３）オシレータ段１２０と増幅段１２４の発光パルス幅が変動する
４）オシレータ段１２０と増幅段１２４の光強度及び発光パルス幅の最適化がされていない
５）オシレータ段１２０のレーザ出力が安定していない
等の原因による。
【００１４】
一般的に、オシレータ段１２０がＡｒＦエキシマレーザである場合、オシレータ段１２０を発光させるためのオシレータ段トリガから増幅段１２４が発光するまでのタイミングチャートは図２３に示すようになる。すなわち、オシレータ段１２０のトリガが時点Ｔ１で印加されると、その時点Ｔ１からオシレータ段１２０は放電し、この放電励起によってオシレータ段１２０は時点Ｔ２から期間ＴOの間、発光して増幅段１２４に注入される。このオシレータ段１２０の発光の間に、所定の遅延時間をもった時点Ｔ３において増幅段１２４にトリガが印加され、増幅段１２４は放電する。この放電によって放電励起されて増幅段１２４は時点Ｔ４から期間Ｔaの間、発光する。ここで、オシレータ段１２０のトリガ印加から増幅段１２４のトリガ印加までのトリガ遅延時間は（Ｔ３−Ｔ１）となり、発光の遅延時間は（Ｔ４−Ｔ２）となる。なお、オシレータ段１２０の発光期間ＴOは、増幅段１２４の発光期間Ｔaよりも小さい。
【００１５】
このようなタイミングで動作するインジェクションロック型パルスレーザのロッキング効率を調べてみると、図２４に示すような関係が得られる。ここで、発光期間ＴOは１０ｎｓであり、発光期間Ｔaは２０ｎｓである。図２４では、増幅段１２４に注入されるオシレータ段１２０のエネルギーをパラメータとして示しており、この関係から、増幅段１２４に注入されるオシレータ段１２０のエネルギーが所定値以上、ここでは５７μＪ以上でないと、ロッキング効率を高く維持することができないということがわかる。また、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）を２０ｎｓ〜６０ｎｓの範囲で動作しないとロッキング効率を高く維持することができないことがわかる。
【００１６】
さらに、図２５は、オシレータ段１２０の注入エネルギーをパラメータとして、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）に対する増幅段１２４の相対出力の関係を示し、この関係から、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）の値は２２ｎｓ近傍でエネルギー効率がよく、この遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）の範囲でなければ、増幅段１２４からのレーザ出力の安定性を維持することができないことになる。
【００１７】
ところで、放電励起型のエキシマレーザをオシレータ段として用いる場合、実際にオシレータ段に放電のためのトリガを印加してもジッタ、すなわち電気的にトリガが印加されてからオシレータ段が発光するまでの時間のばらつき、が非常に大きいので、この放電励起型のエキシマレーザをオシレータ段として用いることは困難である。
【００１８】
また、放電励起型のエキシマレーザの場合、オシレータ段の発光パルス幅を１０ｎｓ以上にすることが困難である。すなわち、発光パルス幅を長くするためには、放電時間を長くする必要があり、放電時間を長くすると、放電が乱れてレーザ発振しなくなるからである。
【００１９】
従って、図２０に示すようにオシレータ段１２０としてチタンサファイヤレーザ１２２と波長変換部１２３とを用いたインジェクションロック型パルスレーザが提案されているが、このインジェクションロック型パルスレーザでも、ロッキング効率が９０％程度でスペクトル純度も低く、半導体露光装置用の光源としては用いることができない。これは、ポンピングレーザとしてのＮｄ：ＹＡＧレーザ１２１の発光パルス幅が短く（１０ｎｓ以下）、このため、チタンサファイヤレーザ１２２および波長変換部１２３から出力される注入光ＬＢ１のパルス幅も非常に短くなるからである。この結果、遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）が許容範囲内に維持することができず、スペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を高く維持することができなかった。
【００２０】
このため、オシレータ段１２０で発光パルス幅を調整できるオシレータ段レーザが各種提案されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オシレータ段として発光パルス幅を所望の値に適切に調整できるインジェクションロック型パルスレーザであっても、増幅段として放電励起型のエキシマレーザを用いている限り、高いスペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を維持することができないという問題点があった。
【００２２】
すなわち、近年の放電励起型のエキシマレーザでは、サイラトロンによるトリガスイッチの寿命が短いため、ＧＴＯ等の固体スイッチと複数の磁気スイッチとを組み合わせたレーザ源源が用いられるのが主流となり、この固体スイッチによるトリガ入力から磁気スイッチを介して実際に放電されるまでのタイミングが、充電される電圧および温度等によって大きく変化し、この増幅段の放電タイミングの変化がロッキング効率を著しく悪化させ、たとえ、適切な遅延時間（Ｔ４−Ｔ２）を設定しても連続運転すると高いスペクトル純度およびパルスエネルギーの安定性を維持することができなかった。
【００２３】
特に、半導体露光装置の光源として用いて連続パルス発振（バーストモード発振）を行う場合、その連続パルス発振の初期段階のレーザパルス出力が大きくなるというスパイキング現象が生じ、このスパイキング現象を解消するために充電電圧等を低く設定制御して安定した連続レーザパルス発振を常に行わせるが、この充電電圧等を低く抑える設定制御によって、放電タイミングが遅延することなる。また、一般にバーストモード発振中においては毎パルス毎にもパルスエネルギー制御を行っているため、この調整制御によっても放電タイミングが変化し、高いロッキング効率と安定したパルスエネルギーを出力することができない。
【００２４】
また、半導体露光装置側では連続パルス発振であることから、エネルギーを一定に制御する必要から、連続パルス発振のパルス幅時間間隔が同じになるように指定する場合があり、このパルス幅時間間隔の制御にも対応しなければならない場合もある。
【００２５】
ここで、上述したパルス圧縮を行うレーザ電源において、充電電圧等の変化に伴う放電タイミングすなわち発光タイミングのずれが生じる現象について詳細に説明しておく。
【００２６】
図２６は、一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮放電装置の等価回路を示す。また。図２７は、図２６の回路各部における電圧および電流の波形例を示す。
【００２７】
この図２６の放電回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象を利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。
【００２８】
まず、１発目のレーザ発振トリガ信号が受信されると、図示しない露光装置側からエネルギー指令値Ｅまたはレーザ電源の電源電圧値Ｖ0が入力され、図示しないレーザコントローラはこのエネルギーを出すのに必要な電源電圧値Ｖ0を計算し、この計算値に基づき高電圧電源ＨＶの電圧を調整する。そして、この時点でコンデンサＣ0に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源ＨＶからの電荷をプリチャージしておく。
【００２９】
その後、露光装置側からの１発目にパルス発振同期信号（トリガ信号）ＴＲが受信されると、この受信時点で主スイッチＳＷがオンにされる（図２７、時刻t0）。主スイッチＳＷがオンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下がり、この後、磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコンデンサＣ0と主スイッチＳＷの電位差ＶCO−ＶSWの時間積（電圧ＶCOの時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t1において磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のループに電流パルスi0が流れる。
【００３０】
そして、この電流パルスi0が流れはじめてから０になる（時刻t2）までの時間δ0、すなわちコンデンサＣ0からコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視すれば、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、コンデンサＣ1の各容量、インダクタンスによって決定される。
【００３１】
一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t3において磁気スイッチＡＬ1は飽和し、低インピーダンスとなる。これにより、コンデンサＣ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電流パルスi1が流れる。この電流パルスi1は、コンデンサＣ1，Ｃ2および磁気スイッチＡＬ1の容量、インダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1を経由した後、時刻t4で０になる。
【００３２】
また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点t5において磁気スイッチＡＬ2は飽和し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデンサＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスi2が流れる。
【００３３】
その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定の主放電開始電圧に達すると、この時点t6において主電極２０６間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。
【００３４】
この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電開始前の状態に戻る。
【００３５】
このような放電動作がトリガ信号ＴＲに同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。
【００３６】
図２６の磁気圧縮回路によれば、磁気スイッチおよびコンデンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタンスが後段にいくにつれて小さくなるように設定されているので、電流パルスi0〜i2のピーク値が順次高くなりかつその通電幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、この結果主放電電極２０６間に短時間での強い放電が得られることになる。また、各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2は各パルス毎に可飽和リアクトルのリセット回路で初期状態にリセットされるようになっているので、各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和点（動作点）は、電圧さえ同じであれば、各パルス毎にわたって一定となる。
【００３７】
しかしながら、上記磁気圧縮回路においては、初期充電電圧Ｖ0が変化すると、これに伴い電圧時間積によって決定される各磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和時間σ0、（σ0＋σ1）、（σ1＋σ2）が変化することになり、これに応じてトリガ信号ＴＲが入力されて主スイッチＳＷが点呼される時点t0から実際にレーザ光が発生する時点t6までの時間tdも変化することになる。
【００３８】
この時間tdの変化によって増幅段の放電（発光）タイミングが変化し、ロッキング効率が悪化する。
【００３９】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、光学素子の寿命を長くすることができ、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、かつ安定したレーザ出力を得ることができるインジェクションロック型パルスレーザを提供することを目的とする。
【００４０】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、前記発振指示から前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段とを具備したことを特徴とする。
【００４１】
請求項１に係る発明では、遅延時間設定手段が、オシレータ段の第１のタイミングに対応し、露光装置等の処理加工装置からの発振指示から第２のパルスレーザ光が出力されるまでの間が常に一定となる固定遅延時間を設定し、この固定遅延時間経過後に増幅段の放電が行われるようにエネルギー転送の開始が制御されるので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４２】
また、発振指示から常に固定遅延時間後に第２のパルスレーザ光が得られるので、処理加工装置側における第２のパルスレーザ光の使用が容易になる。さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００４３】
請求項２に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段とを具備したことを特徴とする。
【００４４】
請求項２に係る発明では、遅延時間演算手段が磁気パルス圧縮回路における実遅延時間を演算し、この演算結果をもとにオシレータ段における第１のタイミングを適正に制御しているので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４５】
特に、磁気スイッチ動作センサによって放電電極側に近い磁気スイッチの実オン時から第１のタイミングを制御しているので、時間誤差を小さくすることがき、より精度の高い同期タイミング制御を行うことができる。
【００４６】
さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００４７】
請求項３に係る発明は、狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段とを有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、前記同期制御手段は、前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した第１の遅延時間を算出する第１の遅延時間演算手段と、前記発振指示から前記第１の遅延時間演算手段が算出した第１の遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段と、レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる第２の遅延時間を算出する第２の遅延時間演算手段と、前記第２の遅延時間演算手段が算出した第２の遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段とを具備したことを特徴とする。
【００４８】
請求項３に係る発明では、遅延時間設定手段が、オシレータ段の第１のタイミングに対応し、露光装置等の処理加工装置からの発振指示から第２のパルスレーザ光が出力されるまでの間が常に一定となる固定遅延時間を設定し、この固定遅延時間経過後に増幅段の放電が行われるようにエネルギー転送の開始を制御するとともに、オシレータ段側でも磁気パルス圧縮回路における実遅延時間を演算し、この演算結果をもとにオシレータ段における第１のタイミングを適正に制御しているので、温度等の環境変化や、増幅段からの出力を規定するエネルギー値の変化によって変化する磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送時間が変化しても、常に第１のタイミングと第２のタイミングとの同期が適正に制御され、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したパルスエネルギーを維持することができるという作用効果を奏する。
【００４９】
特に、磁気スイッチ動作センサによって放電電極側に近い磁気スイッチの実オン時から第１のタイミングを制御しているので、時間誤差を小さくすることができ、より精度の高い同期タイミング制御を行うことができる。
【００５０】
また、発振指示から常に固定遅延時間後に第２のパルスレーザ光が得られるので、処理加工装置側における第２のパルスレーザ光の使用が容易になる。さらに、インジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置であるので、狭帯域のための光学素子にかかる負荷を軽減することができ、光学素子等の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００５１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、前記磁気パルス圧縮回路の温度を検出する温度センサをさらに具備し、前記温度センサが検出した温度を前記レーザ出力に関連するパラメータとして用いることを特徴とする。
【００５２】
請求項４に係る発明では、レーザ出力に関連するパラメータとして磁気パルス圧縮回路の温度を検出するようにしているので、連続発振等による磁気パルス圧縮回路の温度変化に伴うエネルギー転送時間を正確に予測演算することができ、第１のタイミングと第２のタイミングとの同期を適正に制御することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図２は、図１に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートを示す。
【００５４】
図１において、インジェクションロック型パルスレーザは、主としてオシレータ段１０および増幅段２０とから構成される。
【００５５】
オシレータ段１０は、狭帯域化基本波レーザ１と波長変換部６とを有し、狭帯域化基本波レーザ１は、オシレータ段電源４４によって励起される増幅媒体４を有し、この増幅媒体４によって発光された光は、波長選択素子３によって所定の帯域の光にフィルタリングし、波長選択素子３とフロントミラー５との間で形成される光共振器内でレーザ発振し、フロントミラー５からレーザ光としての基本波光Ｌを波長変換部６に出力する。
【００５６】
波長変換部６は、入力された基本波光Ｌを最終的に出力される出力光ＬＢの波長と同じ波長に変換し、高調波光ＬＡとして出力する。例えば、基本波光Ｌが、７７３．６ｎｍである場合、波長変換部６は、この基本波光Ｌを和周波混合によって４倍の高調波である１９３．４ｎｍのレーザ光に変換する。この波長変換部６は、非線形光学効果をもつ波長変換素子によって実現される。例えば、非線形光学素子を３つ用い、最初の非線形光学素子によって、入力された波長ωと２ωのレーザ光を生成し、次の非線形光学素子によって波長ωと波長３ω（ω＋２ω）のレーザ光を生成し、さらに次の非線形光学素子によって波長ωと４ω（ω＋３ω）のレーザ光を生成し、この波長４ωのレーザ光を透過させるダイクロイックミラーまたはプリズム等の分光素子を用いて出力させるようにする。この高調波光ＬＡは、全反射ミラー７，８を介して増幅段２０に入力される。
【００５７】
増幅段２０のチャンバ２１内には、例えば１９３ｎｍのレーザ光を発生することができるＡｒＦガスが充填され、このＡｒＦガスをエキシマ状態に励起する放電電極２４を有する。この放電電極２４での放電は、増幅段電源４５によって行われる。入力された高調波光ＬＡは、凹面ミラー２２のカップリングホール２２’を介してチャンバ２１内に入力され、凸面ミラー２３を介して反射し、さらに凹面ミラー２２に反射し、出力光ＬＢとして出力する。高調波光ＬＡがチャンバ２１内を往復する間に、誘導放出による光増幅を行うことにより、高調波光ＬＡが増幅された出力光ＬＢとして出力される。そして、この出力光ＬＢは、露光装置３０の照明光学系３３に入力されるとともに、エネルギーモニタ４０によって出力光ＬＢの一部光ＬＢ１を取り出して出力光ＬＢのエネルギーＥａをモニタする。
【００５８】
露光装置３０の露光装置コントローラ３１は、インジェクションロック型パルスレーザ側に発振パルス同期信号ＴＲと、エネルギー指令Ｅまたはレーザ電源の電源電圧値ＶOとをレーザコントローラ４１に入力して、インジェクションロック型パルスレーザからの出力光ＬＢのパルスレーザ発振時期およびその出力を指示するとともに、露光装置３０を制御する。
【００５９】
レーザコントローラ４１は、露光装置コントローラ３１から入力された発振パルス同期信号ＴＲをオシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の増幅段遅延部５１に出力するとともに、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに増幅段電源４５の電圧指令値Ｖ0をオシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の遅延時間演算部５３に出力する。
【００６０】
オシレータ段遅延処理部４３は、発振パルス同期信号ＴＲの入力後、所定の遅延時間Ｔdo遅延させたオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力し、オシレータ段１０の狭帯域化基本波レーザ１から基本波光Ｌを発振させ、波長変換部６を介して高調波光ＬＡを増幅段２０に注入する。この基本波光Ｌは、オシレータ段トリガ信号ＴＯのトリガが増幅媒体４に加えられた後であって、発振パルス同期信号ＴＲからオシレータ段遅延時間Ｔos経過後に発光し、期間Ｔｂ間発光する。トリガ信号ＴＯ入力から、オシレータ段１０が実際に発光するまでの遅延時間は、オシレータ段１０として使われる固体レーザの特性で決まる固有の値である。
【００６１】
増幅段電源４５に入力された電圧指令値Ｖ0をもとに、増幅段電源４５は、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧となるように充電を行う。なお、増幅段電源４５は、例えば図２６に示すような磁気パルス圧縮回路で構成され、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧は、コンデンサＣ0に蓄積充電されることになる。
【００６２】
増幅段遅延処理部４２は、増幅段遅延部５１、基準遅延時間設定部５２、および遅延時間演算部５３を有する。
【００６３】
基準遅延時間設定部５２は、増幅段基準遅延時間Ｔdsを設定する。この増幅段基準遅延時間Ｔdsは、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段電源４５が放電するまでの時間であり、オシレータ段遅延時間Ｔos後の所定時間後に期間Ｔａ放電するように設定される。出力光ＬＢはこの増幅段基準遅延時間Ｔds後に発光出力することになる。なお、オシレータ段発光の期間Ｔｂは、増幅段の放電期間Ｔａを包含する期間となり、これにより、ロッキング効率およびレーザ出力が安定して出力することになる。
【００６４】
従って、オシレータ段遅延時間Ｔosが固定時間である場合、増幅段基準遅延時間Ｔdsがオシレータ段遅延時間Ｔosより大きくなり、期間Ｔｂが期間Ｔａより大きくなるように、増幅段基準遅延時間Ｔdsを常に一定とする必要がある。そのために、上述した増幅段遅延設定部５２は、この増幅段基準遅延時間Ｔdsを設定することになる。従って、増幅段基準遅延時間Ｔdsは、オシレータ段遅延時間Ｔosの長短に応じて変化する設定時間である。
【００６５】
ところで、増幅段電源４５は磁気パルス圧縮回路を用いているため、電圧指令値Ｖ0の変化あるいは増幅段電源の環境、例えば温度によってエネルギー転送時間が変化し、増幅段トリガＴＲＬの印加時点を調整し、増幅段電源４５の放電時期を常に、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段基準遅延時間Ｔds後に放電できるようにする必要がある。
【００６６】
このため、遅延時間演算部５３は、磁気パルス圧縮回路の温度を検出するセンサ４７からの温度データおよびレーザコントローラ４１からの電圧指令値Ｖ0が入力され、この温度データおよび電圧指令値Ｖ0をもとに増幅段トリガＴＲＬが印加された後に実際に放電が行われるまでの実遅延時間Ｔreを演算し、増幅段基準遅延時間Ｔdsからこの実遅延時間Ｔreを減算した時間τを算出し、この時間τを増幅段遅延部５１に出力する。
【００６７】
増幅段遅延部５１は、発振パルス同期信号ＴＲから、遅延時間演算部５３から入力された時間τ経過後に、増幅段トリガＴＲＬを増幅段電源４５のスイッチ４６に印加し、エネルギー転送を開始させ、遅延時間演算部５３が演算した実遅延時間Ｔre後に放電させる。なお、このスイッチ４６は、例えば図２７の磁気パルス圧縮回路におけるスイッチＳＷに相当する。
【００６８】
これにより、オシレータ段発光は発振パルス同期信号ＴＲ後、オシレータ段遅延時間Ｔos後に期間Ｔｂ間、発光し、増幅段放電は発振パルス同期信号ＴＲ後、増幅段基準遅延時間Ｔds後に常に期間Ｔａ間、放電することになり、オシレータ段１０の発光と増幅段２０の放電（発光）とのタイミングが高精度に同期することになる。そして、この結果、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００６９】
次に、図３および図４を参照して、本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザについて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図４は、図３に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【００７０】
第１の実施の形態では、オシレータ段遅延時間Ｔosを一定として、増幅段電源のエネルギー転送時間の変化に対応させて増幅段トリガＴＲＬの印加時期を制御するようにして、オシレータ段１０の発光と増幅段２０の発光のタイミングを制御したが、第２の実施の形態では、増幅段遅延時間Ｔdsに相当する増幅段遅延時間Ｔdを、実遅延時間Ｔreと同じ時間に設定した可変時間のままとし、この可変時間内にオシレータ段遅延時間Ｔoを調整して、オシレータ段１０の発光時期を増幅段放電時期に同期させるべき、オシレータ段トリガＴＯの印加時期を制御しようとするものである。
【００７１】
まず、レーザコントローラ４１は、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに増幅段電源４５の電圧指令値Ｖ0を出力し、または露光装置３０側からレーザ電源電圧指令ＶOを受け取り、増幅段電源４５は、この電圧指令値Ｖ0に対応する電圧となるように充電を行う。一方、この電圧指令値Ｖ0は、オシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１に入力される。
【００７２】
また、レーザコントローラ４１は、露光装置コントローラ３１から入力された発振パルス同期信号ＴＲを増幅段電源４５に出力し、増幅段トリガＴＲＬとして、発信パルス同期信号ＴＲ入力直後に磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させ、充電されたエネルギーを放電電極２４まで転送させる。この転送時間は、増幅段遅延時間Ｔdであり、実遅延時間Ｔreでもある。
【００７３】
増幅段電源４５は、磁気スイッチ動作センサ４８を有する。この磁気スイッチ動作センサ４８は、磁気パルス圧縮回路で用いられる可飽和リアクトル、例えば図２７の可飽和リアクトルＡＬ１，ＡＬ２のうちのいずれかの飽和を検出するセンサであり、この構成については後述する。
【００７４】
例えば、磁気スイッチ動作センサ４８が可飽和リアクトルＡＬ１の飽和を検出するものとすると、この磁気スイッチ動作センサ４８は、この検出時点をオシレータ段遅延処理部４３のオシレータ段遅延部６２に出力する。この検出時点は、発振パルス同期信号ＴＲからの時間Ｔｍとなる。この時間Ｔｍは、電圧指令値Ｖ0の変化および温度によって変化する。
【００７５】
遅延時間演算部６１は、レーザコントローラ４１から入力される電圧指令値Ｖ0と、磁気パルス圧縮回路の温度を検出するセンサ４７からの温度データとをもとに、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から適切なオシレータ段発振までの時間Ｔdmを演算し、この時間Ｔdmからオシレータ段電源４４固有のオシレータ段遅延時間Ｔdoを減算した時間τ２を算出し、この時間τ２をオシレータ段遅延部６２に出力する。すなわち、発振同期を図るためのオシレータ段遅延時間Ｔdoに対してさらに増幅段遅延時間Ｔdsの変動を吸収する時間τ２を加え合わせて発振同期精度の向上を図っている。
【００７６】
オシレータ段遅延部６２は、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から、オシレータ段遅延時間Ｔdoに時間τ２を加算した時間Ｔdm後にオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力する。
【００７７】
すなわち、第２の実施の形態では、磁気パルス圧縮回路における磁気スイッチ動作時点を確実に検出して出力光ＬＢの発光時点を一層確実に求め、オシレータ段１０の発光を増幅段２０の発光に精度よく同期させようとするものである。すなわち、第２の実施の形態では、放電電極２４側に近い磁気スイッチ動作時点を起点として制御することにより、磁気パルス圧縮回路内で生じる時間誤差量を小さくしている。
【００７８】
これにより、オシレータ段発光は増幅段発光に同期することになり、この結果、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００７９】
次に、図５および図６を参照して、本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザについて説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図であり、図６は、図５に示すインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【００８０】
この第３の実施の形態では、第２の実施の形態におけるオシレータ段１０と増幅段２０との発光同期に加え、発振パルス同期信号ＴＲから最終的な増幅段２０の発光までの時間を第１の実施の形態と同様に、増幅段遅延時間Ｔdsという一定時間にしようとするものである。
【００８１】
まず、レーザコントローラ４１は、エネルギーモニタ４０のエネルギー値Ｅａと露光装置コントローラ３１が要求するエネルギー指令Ｅをもとに算出した電圧指令値Ｖ0、または露光装置コントローラ３１から直接送出される電圧指令値Ｖ0を増幅段電源４５、増幅段遅延処理部４２の遅延時間演算部５３、およびオシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１に出力するとともに、発振パルス同期信号ＴＲを増幅段遅延処理部４２の増幅段遅延部５１に出力する。
【００８２】
増幅段電源４５は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0をもとに充電する。
【００８３】
基準遅延時間設定部５２は、発振パルス同期信号ＴＲから増幅段放電が行われるまでの増幅段遅延時間Ｔdsを設定し、遅延時間演算部５３に出力する。この増幅段遅延時間Ｔdsは一定であり、これにより、発振パルス同期信号ＴＲの入力から一定時間後に増幅段２０から出力光ＬＢが出力されることになる。なお、後述する発振パルス同期信号ＴＲの入力からオシレータ段１０が発光するまでの時間であるオシレータ段遅延時間Ｔoも一定である。
【００８４】
遅延時間演算部５３は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0と増幅段電源４５のセンサ４７からの温度データとをもとに、増幅段トリガＴＲＬが印加されてから増幅段２０が放電するまでの実遅延時間Ｔreを演算し、一定時間である増幅段遅延時間Ｔdsからこの実遅延時間Ｔreを減算した時間τ１を算出し、この時間τ１を増幅段遅延部５１に出力する。
【００８５】
増幅段遅延部５１は、レーザコントローラ４１から入力された発振パルス同期信号ＴＲを時間τ１だけ、遅延した増幅段トリガＴＲＬを増幅段電源４５のスイッチ４６に印加してエネルギー転送を開始させる。
【００８６】
一方、第２の実施の形態と同様に、増幅段電源４５は、磁気スイッチ動作センサ４８を有し、所定の可飽和リアクトルの飽和時点を検出し、この時点をオシレータ段遅延処理部４３のオシレータ段遅延部６２に出力する。
【００８７】
オシレータ段遅延処理部４３の遅延時間演算部６１は、レーザコントローラ４１から入力された電圧指令値Ｖ0と増幅段電源４５のセンサ４７から入力される温度データとをもとに、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点からオシレータ段発振までの適切な時間Ｔdmを演算し、この時間Ｔdmからオシレータ段電源４４固有のオシレータ段遅延時間Ｔdoを減算した時間τ２を算出し、この時間τ２をオシレータ段遅延部６２に出力する。ここで、オシレータ段遅延時間Ｔdoと時間τ２の技術的意義は、第２の実施の形態と同じである。
【００８８】
オシレータ段遅延部６２は、磁気スイッチ動作センサ４８が検出した時点から、オシレータ段遅延時間Ｔdoに時間τ２を加算した時間Ｔdm後にオシレータ段トリガ信号ＴＯをオシレータ段電源４４に出力する。
【００８９】
これにより、オシレータ段発光は増幅段発光に同期して、ロッキング効率およびスペクトル純度が高く、安定したレーザ出力を得ることができるとともに、発振パルス同期信号ＴＲの印加から出力光ＬＢが出力されるまでの時間を一定にすることができる。本実施の形態において、レーザ電源電圧値および磁気パルス圧縮回路の温度によって実遅延時間Ｔreを計算し、その値に基づいてオシレータ段トリガ信号ＴＯを出力することも可能である。しかしながら、そのような計算で求めた実遅延時間Ｔreは誤差を含み、オシレータ段１０と増幅段２０との厳密な発振同期という点においては、第３の実施の形態において説明したように磁気スイッチセンサを用いて時間Ｔdmを求める制御の方が望ましい。
【００９０】
ここで、第２および第３の実施の形態における磁気スイッチ動作センサ４８の具体的な構成について説明する。
【００９１】
図７は、磁気パルス圧縮回路上における磁気スイッチ動作センサ４８の配置構成を示す図であり、図７では、磁気スイッチ動作センサ４８は可飽和リアクトルＡＬ1の飽和時点を検出し、検出信号Ｓａをオシレータ段遅延部６２に出力する。
【００９２】
この磁気スイッチ動作センサ４８によって、レーザ出力に関連するパラメータとして磁気パルス圧縮回路の温度を検出するようにしているので、連続発振等による磁気パルス圧縮回路の温度変化に伴うエネルギー転送時間を正確に予測演算することができ、オシレータ段１０と増幅段２０との発光タイミングの同期を適正に制御することができる。
【００９３】
図８〜図１２は、磁気スイッチ動作センサ４８の具体例を示す図である。
図８では、可飽和リアクトル（磁気スイッチ）ＡＬ1に直列にインダクタンス手段としての磁芯（またはコイル）７２を接続するようにしている。図８（ａ）に示すように、電流パルスi1の電流変化による自己誘導により磁芯７２には誘導電圧vsが発生するので、この誘導電圧vsを検出することで、電流パルスi1の立ち上がり時点t3（図２７の時点t3に相当）を検出することができる。
【００９４】
図９では、磁気スイッチＡＬ1の２次巻線７３に誘導される誘導起電圧vs（図９（ｂ）参照）を検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９５】
図１０では、磁気スイッチＡＬ1に直列に１次コイル７４を接続し、この１次コイル７４を流れる電流パルスi0の電流変化によって発生する２次コイル７５の誘導電圧vsを検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９６】
図１１では、磁気スイッチＡＬ1のリセット回路７６（磁気スイッチのＢ−Ｈ特性を所定の初期状態にする回路）中の空心コイル７７を接続し、この空心コイル７７の誘導電圧vsを検出し、この電圧検出に基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９７】
図１２では、コンデンサＣ１を並列に抵抗r1，r2を接続し、その分圧vsを検出することに基づいて電流パルスi1の立ち上がり時点t3を検出するようにしている。
【００９８】
ところで、上述した第１〜第３の実施の形態におけるセンサ４７は温度センサであり、熱電対等によって磁気スイッチの絶縁油の温度を検知するようにしているが、この温度センサでなくても、磁気スイッチ動作センサを組み合わせることによっても、この温度センサの機能を実現することができる。
【００９９】
図１３は、センサ４７および磁気スイッチ動作センサ４８の機能を２つの磁気スイッチ動作センサ４８ａ，４８ｂによって実現する構成を示す図である。
【０１００】
すなわち、磁気スイッチ動作センサ４８ａは、磁気スイッチ動作センサ４８と同様に、磁気スイッチＡＬ1の飽和動作を検出し、磁気スイッチ動作センサ４８ｂは、磁気スイッチＡＬ1の前段の磁気スイッチＡＬ0の飽和動作を検出し、磁気スイッチ動作センサ４８ａの検出信号Ｓａおよび磁気スイッチ動作センサ４８ｂの検出信号Ｓｂは、遅延時間演算部６２に送出される。遅延時間演算部６２は、この検出信号Ｓａ，Ｓｂの時間差から、温度データに対応する値を演算し、電圧指令値Ｖ0の値とを加味して、時間τ２を演算し、オシレータ段遅延部６２に出力する。従って、この２つの磁気スイッチ動作センサ４８ａ，４８ｂによって温度データに対応する値を取得することができる。
【０１０１】
一方、磁気スイッチ動作センサ４８ａは磁気スイッチ動作センサ４８と同様の機能をも有し、磁気スイッチ動作センサ４８ａの検出信号Ｓａは、オシレータ段遅延部６２に送出され、この検出信号Ｓａの時点を基準に遅延処理が施されることになる。
【０１０２】
このようにして温度センサとしてのセンサ４７を設けないで実際に温度を検出しなくても、磁気スイッチ動作センサを組み合わせることによって温度データに対応する値を取得することもできる。
【０１０３】
なお、上述した遅延時間演算部５３，６１は、温度データを用いるようにしているが、この温度データを用いなくても、ある程度の同期が取れるので、許容値が大きい場合は温度データを用いなくてもよく、この温度データを取得するための構成を削除することができる。
【０１０４】
また、上述した遅延時間演算部５３，６１は、テーブルを用いて時間τ，τ１，τ２を算出するようにしてもよい。すなわち、電圧指令値Ｖ0、温度データに対応して予め算定されたτ，τ１，τ２を直ちに変換出力するようにしてもよい。この場合には、高速出力が可能となり、特に第２および第３の実施の形態では、さらに放電電極２４側に近い磁気スイッチの動作を検出することが可能となり、一層精度の高い同期をとることが可能となる。
【０１０５】
なお、上述したインジェクションロック型パルスレーザは、オシレータ段１０に狭帯域化基本波レーザ１としてチタンサファイヤレーザ（７７３．６ｎｍ）を用いる場合として説明したが、図１４に示すように、このチタンサファイヤレーザは、実際、ポンピングパルスレーザＰＬによって光励起される。このポンピングパルスレーザＰＬとしては、具体的にはＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）やＹＬＦレーザの第２高調波（５２７ｎｍ）が用いられ、これらのポンピングパルスレーザＰＬに対してオシレータ段遅延処理部４３からオシレータ段トリガ信号ＴＯが送出されることになる。
【０１０６】
さらに、第１〜第３の実施の形態が適用される具体的なインジェクションロック型パルスレーザの具体的な構成について図１５を参照して説明する。
【０１０７】
図１５では、狭帯域化ＣＷチタンサファイヤレーザまたは狭帯域化ＣＷ半導体レーザの出力光をさらにパルスのチタンサファイヤレーザ増幅段８０で増幅して、波長変換部６に入力し、この波長変換部６からの高調波光を増幅段２０に入力する構成としてインジェクションロック型パルスレーザである。
【０１０８】
すなわち、オシレータ段１０では、まずＣＷ（連続発振）レーザ光を発振させておく。これには、ＣＷチタンサファイヤレーザまたはＣＷ半導体レーザが用いられ、ＣＷチタンサファイヤレーザの場合にはそのポンピングＣＷレーザとして、アルゴンイオンレーザ（４８８ｎｍ，５１５ｎｍ等のマルチライン）ＰＬ１が用いられる。ＣＷ半導体レーザの場合にはポンピングＣＷレーザＰＬ１は不用である。このＣＷレーザ８１からのＣＷレーザ光は、チタンサファイヤレーザ増幅段８０に入力され、ポンピングパルスレーザＰＬ２によってパルス光とされる。このチタンサファイヤレーザ増幅段８０は具体的にはリング共振器等によって実現される。そして、このチタンサファイヤレーザ増幅段８０から出力されるパルスの基本波光Ｌ（７７３．６ｎｍ）が波長変換部６に入力され、４倍の高調波としての高調波光ＬＡ（１９３．４ｎｍ）が増幅段２０に入力される。
【０１０９】
このＣＷレーザ８１を用いる利点は、ＣＷレーザであるが故に、非常にスペクトル幅の狭いシングルモードのレーザ光を得ることができるからである。ただし、このＣＷレーザからのレーザ光の光強度は非常に小さいため、チタンサファイヤレーザ増幅段８０によって非常に強いパルスのレーザ光に増幅することになる。なお、上述したように、ポンピングパルスレーザＰＬ２としては、実際には、ＹＡＧレーザまたはＹＬＦレーザの第２高調波を用いることができる。
【０１１０】
このような構成により狭帯域化されたパルスレーザ光を高出力で得ることができる。
【０１１１】
ここで、オシレータ段１０から注入されるレーザ光の発光パルス幅を変化させた場合について説明する。
【０１１２】
図１６は、本発明によるインジェクションロック型パルスレーザによるレーザ発光の計測関係図を示す。レーザコントローラ４１からオシレータ段遅延処理部４３を介してオシレータ段電源４４にオシレータ段トリガ信号ＴＯが入力されると、オシレータ段電源４４は、ポンピングパルスレーザＰＬとしてのＹＬＦ（またはＹＡＧ）レーザの図示しないロッドを励起し、ポンピングパルスレーザＰＬは、１０５４（１０６４）ｎｍのレーザ光を所定の発光パルス幅で出力する。このレーザ光は、波長変換部９０によって第２高調波光（５３６ｎｍ）のレーザ光に変換される。なお、レーザ光の発光パルス幅を調整する方法としては、ＹＬＦ（ＹＡＧ）レーザの利得、共振器長、Ｑ値、またはＱスイッチドライバのパルス波形を変化させることにより実現される。
【０１１３】
この第２高調波光は、狭帯域化基本波レーザ１としての狭帯域化チタンサファイヤレーザ１ａの増幅媒体４であるチタンサファイヤロッドを励起し、所定の発光パルス幅で発光し、波長７７３．６ｎｍの狭帯域化レーザ光が基本波光Ｌとして出力される。この基本波光Ｌは、波長変換部６によって第４高調波光ＬＡ（１９３．４ｎｍ）に変換され、所定の発光パルス幅を有する高調波光として出力される。
【０１１４】
この高調波光ＬＡの一部はビームスプリッタ９１によって取り出され、光センサ９３によって検出される。一方、ビームスプリッタ９１を透過した高調波光ＬＡは、増幅段２０に入力される。ここで、上述した第１〜第３の実施の形態によって実現される同期制御によって増幅段２０が放電を行い増幅出力する。ビームスプリッタ９２によって出力光ＬＢの一部が取り出され、光センサ９４によって検出される。
【０１１５】
この光センサ９３によって、注入された高調波光ＬＡの発光タイミングと発光パルス幅とパルスエネルギーを計測し、光センサ９４によって、出力光ＬＢの発光タイミングと発光パルス幅とパルスエネルギーを計測し、そのスペクトル純度を測定することができる。なお、ポンピングパルスレーザＰＬであるＹＬＦレーザの共振器やＱ値を変化させることにより、狭帯域化チタンサファイヤレーザ１ａの発光パルス幅を制御することができる。さらに、レーザ光を波長変換部９０，６によって変換することによって、任意のタイミングで注入光のパルス幅を制御することができる。また、オシレータ段遅延処理部４３および増幅段遅延処理部４２の遅延調整によって、任意のタイミングで注入光の入力と増幅段２０の励起タイミングを制御することができる。
【０１１６】
ここで、注入光（高調波光ＬＡ）のパルス幅とスペクトル純度との関係を測定すると、図１７に示すようになる。
【０１１７】
図１７から、注入光のパルス幅を長くすることによって、スペクトル純度を高く維持することができる注入タイミングの遅延時間許容範囲を、注入光のパルス幅の長さがのびた時間と同程度に長くすることができることがわかる。
【０１１８】
これは、遅延時間許容範囲がのびることによって、注入光と増幅段の励起のタイミングがジッタによって多少変化してもスペクトル純度が悪化しないことを意味する。
【０１１９】
また、図１８は、注入光のパルス幅とパルスエネルギーとの関係を示す。図１８から、注入光のパルス幅が長くなると、増幅されたパルスエネルギーが安定な許容範囲は、注入光のパルス幅の長さがのびた時間と同程度に長くすることができることがわかる。
【０１２０】
これは、遅延時間許容範囲がのびることによって、注入光と増幅段の励起タイミングがジッタによって変化しても、増幅段のパルスエネルギーが安定に維持できることを意味する。
【０１２１】
なお、上述した実施の形態では、オシレータ段のレーザとして固体レーザを用いて説明したが、これは、固体レーザの方が安定して注入光を発光することができるからであり、その他の気体レーザ、液体レーザを用いても安定出力することができるならば、オシレータ段として用いることができる。例えば、電源電圧および温度等を一定に保って安定したレーザ出力を行うことができるエキシマレーザを用いることも可能であり、固体レーザに限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図４】図３に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザの全体構成を示す図である。
【図６】図５に示すインジェクションロック型パルスレーザの各部信号のタイミングチャートである。
【図７】磁気パルス圧縮回路上における磁気スイッチ動作センサの配置構成を示す図である。
【図８】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図９】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１０】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１１】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１２】磁気スイッチ動作センサの具体例を示す図である。
【図１３】２つの磁気スイッチ動作センサによってセンサ４７および磁気スイッチ動作センサ４８の機能を実現する構成を示す図である。
【図１４】第１〜第３の実施の形態におけるインジェクションロック型パルスレーザの具体的構成を示す図である。
【図１５】第１〜第３の実施の形態におけるインジェクションロック型パルスレーザの具体的構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態であるインジェクションロック型パルスレーザによる性能を測定するブロック図である。
【図１７】注入光のパルス幅と出力光のスペクトル純度との関係を示す図である。
【図１８】注入光のパルス幅とパルスエネルギーとの関係を示す図である。
【図１９】従来の狭帯域化エキシマレーザの概要構成を示す図である。
【図２０】インジェクションロック型パルスレーザの一例を示す図である。
【図２１】スペクトル純度を説明する図である。
【図２２】ロッキング効率を説明する図である。
【図２３】従来のインジェクションロック型パルスレーザにおける各部信号のタイミングチャートである。
【図２４】注入エネルギーとロッキング効率との関係を示す図である。
【図２５】注入エネルギーと相対レーザ出力との関係を示す図である。
【図２６】一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮放電装置の等価回路を示す図である。
【図２７】図２６の回路各部における電圧および電流の波形例を示す図である。
【符号の説明】
１…狭帯域化基本波レーザ ２…リアーミラー ３…波長選択素子
４…増幅媒体 ５…フロントミラー ６…波長変換部
７，８…全反射ミラー １０…オシレータ段 ２０…増幅段
２１…チャンバ ２２…凹面ミラー ２３…凸面ミラー ２４…放電電極
３０…露光装置 ３１…露光装置コントローラ ３２…ウェハテーブル
４０…エネルギーモニタ ４１…レーザコントローラ
４２…増幅段遅延処理部 ４３…オシレータ段遅延処理部
４４…オシレータ段電源 ４５…増幅段電源 ４６…スイッチ
４７…センサ ４８，４８ａ，４８ｂ…磁気スイッチ動作センサ
５１…増幅段遅延部 ５２…基準遅延時間設定部
５３，６１…遅延時間演算部 ６２…オシレータ段遅延部
ＴＲ…発振パルス同期信号 Ｖ0…電圧指令値
ＴＯ…オシレータ段トリガ信号 ＴＲＬ…増幅段トリガ
τ，τ１，τ２…遅延時間 Ｔds…増幅段基準遅延時間
Ｔos…オシレータ段遅延時間 Ｔre…実遅延時間
Claims (4)
- 狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、
磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、
前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段と
を有したインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置において、
前記同期制御手段は、
前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、
レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、
前記発振指示から前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段と
を具備したことを特徴とするインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置。 - 狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、
磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、
前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段と
を有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、
前記同期制御手段は、
前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、
レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる遅延時間を算出する遅延時間演算手段と、
前記遅延時間演算手段が算出した遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段と
を具備したことを特徴とするインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置。 - 狭帯域化した第１のパルスレーザ光を第１のタイミングで発振するオシレータ段と、
磁気パルス圧縮回路を用いて第２のタイミングで放電励起し、前記第１のパルスレーザ光を注入光として誘導放出して増幅された第２のパルスレーザ光を出力する増幅段と、
前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとを適正に同期調整する同期制御手段と
を有したインジェクションロック型狭帯域パルスレーザ装置において、
前記同期制御手段は、
前記第２のパルスレーザ光を用いて所定の加工処理を行う加工処理装置から送出される発振指示から前記第２のタイミングまでの間の固定遅延時間を前記第１のタイミングに対応して設定する遅延時間設定手段と、
前記磁気パルス圧縮回路上で用いられる磁気スイッチのオン時を検出する磁気スイッチ動作センサと、
レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、前記固定遅延時間から前記実遅延時間を減算した第１の遅延時間を算出する第１の遅延時間演算手段と、
前記発振指示から前記第１の遅延時間演算手段が算出した第１の遅延時間経過後に前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送を開始させるエネルギー転送開始手段と、
レーザ出力に関連するパラメータに基づいて前記磁気パルス圧縮回路のエネルギー転送開始から前記第２のタイミングまでの実遅延時間を予測演算し、該予測演算による第２のタイミングに対応する第１のタイミングを生成すべく前記オシレータ段の発振を遅延させる第２の遅延時間を算出する第２の遅延時間演算手段と、
前記第２の遅延時間演算手段が算出した第２の遅延時間を加えた時間後に前記オシレータ段の発振を行わせるオシレータ段発振遅延手段と
を具備したことを特徴とするインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置。 - 前記磁気パルス圧縮回路の温度を検出する温度センサをさらに具備し、
前記温度センサが検出した温度を前記レーザ出力に関連するパラメータとして用いることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のインジェクションロック型狭帯域化パルスレーザ装置。
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