JP4818871B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は露光装置用のレーザ装置に関する。

露光システムに使用される露光装置用レーザ装置には高繰り返し発振周波数で高出力のレーザパルスを出射できることが求められる。

高繰り返し発振周波数で高出力のレーザパルスを出射するレーザ装置として、増幅段に不安定共振器を配置したインジェクションロック方式のレーザ装置が従来から知られている。このように発振段レーザの光を増幅段レーザに注入して増幅発振させるMaster Oscillator Power Oscillator （ＭＯＰＯ）方式の２ステージレーザシステム（＝ＭＯＰＯシステム）という。

しかしながら、上記レーザ装置の場合、発振段レーザの共振器中にピンホールを配置して、横モードをシングルモードとして、細いビームで発振段レーザを発振させたビームを増幅段レーザの不安定共振器の凹面ミラーの中央の穴から注入し、凸面ミラーと凹面ミラーによりビームを拡大して増幅する。

発振段レーザにおいて、シングル横モードの光を生成し、このシード光を増幅段レーザの不安定共振器によりビームを拡大して発振増幅するので、増幅段レーザから出射されるレーザ光の空間的コヒーレンスはさらに高くなり、露光装置用レーザ光源として使用すると、マスク上にスペックル（干渉縞）が発生してしまい、露光むらの原因となる。したがって、増幅段レーザに不安定共振器を採用したレーザは露光システムの露光装置用レーザ光源としては採用できない。

そこで本願発明者等は、上記要望に答えるレーザ装置として、増幅段レーザに安定型共振器を備えたMaster Oscillator Power Oscillator （ＭＯＰＯ）方式の２ステージレーザシステム（＝ＭＯＰＯシステム）を発明した。ＭＯＰＯシステムは下記の特許文献１に開示されている。

以下に特許文献１に開示されたＭＯＰＯシステムについて説明する。

図１５は開示されたＭＯＰＯシステムを説明するための概念図である。

図１５に示すように、ＭＯＰＯシステム１は、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０とで構成され、発振段レーザ１０を狭帯域化レーザとし、増幅段レーザ２０に平行平面ミラー２１、２２を用いた安定共振器であるファブリペロー型共振器３０が配置される。増幅段レーザ２０のレーザチャンバ２３内には、対向する放電電極２４、２５が配置される。放電電極２４、２５には図示しない高繰り返しパルス電源から所定の繰返し周波数の高圧パルスが印加される。

ＭＯＰＯシステム１では、発振段レーザ１０にはシングル横モードを選択するためのピンホールを共振器内に配置せず、発振段レーザ１０では、複数の横モードが存在する状態でレーザ発振する。したがって、シード光は空間コヒーレンスが低い（複数の横モードが存在する）状態で、増幅段レーザ２０の安定共振器に注入している。したがって、増幅段レーザ２０に注入されたシード光は安定共振器内でそのまま横モードが減少せずに共振する。増幅段レーザの安定共振器間には増幅段レーザに配置した放電電極２４、２５が配置されている。この安定共振器内にシード光が注入されると同期して放電電極２４、２５の間に高電圧が印加され放電する。そしてこの放電で形成される放電領域でシード光が増幅され、増幅段レーザが発振する。

これにより、増幅段レーザ２０により空間コヒーレンスが低いシード光の空間横モードを減少させることなく安定して増幅発振できるので、ＭＯＰＯシステム１は、高繰り返し周波数で空間的コヒーレンスの低い高出力レーザ光を露光装置側に出射することができる。

ＭＯＰＯシステムについては後述する。また、安定型共振器と不安定型共振器についても後述する。

ここであとの説明の都合のために、図１５の放電電極２４、２５まわりの方向を定義しておく。

図１６は、図１５のＭＯＰＯシステム１の増幅段レーザ２０の放電電極近傍のＳ−Ｓ断面図である。

図１６において、紙面内で、増幅段レーザ２０のレーザチャンバ２３内に上下方向に放電電極２４、２５が設けられている。レーザ光軸は放電電極の長手方向と平行であり、紙面に対して垂直の方向である。放電電極２４，２５の対向する方向を「放電電極方向」という。また、レーザ光軸方向と放電電極方向のいずれにも垂直な方向を「放電電極幅方向」という。発振段レーザ１０の放電電極まわりの場合も同様に定義される。

さて、現場における露光システムでは、露光装置側の指令により、露光装置用レーザ装置は、レジストの変更や露光条件の変更等により下記のようなレーザ運転を行う。

（１）レーザ運転停止から高負荷レーザ運転へ移行
（２）低負荷レーザ運転から高負荷レーザ運転へ移行
（３）高負荷レーザ運転から低負荷レーザ運転へ移行
高負荷レーザ運転とは、全レーザ運転の時間におけるパルスレーザ光の発振時間の割合が高い運転のことであり、低負荷レーザ運転とは、全レーザ運転の時間におけるパルスレーザ光の発振時間の割合が低い運転のことである。

高負荷レーザ運転あるいは低負荷レーザ運転の程度を数値的に表す指標として、以下に述べる「デューティ比（％）」がある。

デューティ比は、レーザ運転の所定サイクル時間Ｔの間に発振されるパルス数をＮ，最大繰り返し発振周波数をｆとして式（３）で定義される。

デューティ比（％）＝（Ｎ／Ｔ×ｆ）×１００（％） （１）
図１７は所定サイクル時間Ｔにおけるレーザ運転パターン例である。

図１７において、ダイ（ｄｉｅ）とは個々のウェハーチップに対する露光工程のことであり、ダイあたりの露光時間をＴｄとする。露光時間Ｔｄはレジスト感度に依存して変化する。ダイを行うためにウェハーチップ間を移動する時間をステージ移動時間Ｔｓとし、ダイ終了後ウェハー交換に要する時間をウェハー交換時間Ｔｗとする。また発振周波数は６ｋＨｚとし、ウェハーのチップ数（＝ダイの数）を１００個とする。

図１７のレーザ運転パターンによりデューティ比を計算することができる。

（イ） 高負荷レーザ運転の場合（例えば、レジスト感度が低い場合）
図１７において、ダイあたりの露光時間Ｔｄ＝１（ｓ）、ステージ移動時間Ｔｓ＝０．２（ｓ）、ウェハー交換時間Ｔｗ＝１３（ｓ）とすると、
Ｎ＝１００×１（ｓ）×６０００（Ｈｚ）＝６０００００（パルス）
Ｔ×ｆ＝（１００×（１＋０．２）（ｓ）＋１３（ｓ））×６０００（Ｈｚ）＝７９８０００（パルス）
を式（３）に代入して、ディーティ比＝７５．２（％）を得る。すなわちデューティ比７５．２（％）のレーザ運転は、高負荷レーザ運転に対応する。

（ロ） 低負荷レーザ運転の場合（例えば、レジスト感度が高い場合）
図１６において、ダイあたりの露光時間Ｔｄ＝０．０６（ｓ）、ＴｓおよびＴｗを（イ）と同じ値とすると、
Ｎ＝１００×０．０６（ｓ）×６０００（Ｈｚ）＝３６０００（パルス）
Ｔ×ｆ＝（（１００×（０．０６＋０．２）（ｓ）＋１３（ｓ））×６０００（Ｈｚ）＝２３４０００（パルス）
を式（３）に代入して、デューティ比＝１５．４（％）を得る。すなわちデューティ比１５．４（％）のレーザ運転は、低負荷レーザ運転に対応する。
ＷＯ ２００４/０９５６６１ A1

ところが、たとえば、図１５で説明したＭＯＰＯシステム１を、露光装置の指令によりレーザ運転のデューティ比が変化する露光装置用レーザ光源として使用すると、以下の問題が発生する。

露光装置用レーザ装置から出射されたレーザ光は、所定の露光性能を出すために、出射されたレーザ光のビームダイバージェンス（Beam Divergence）の大きさ（＝BD値）およびビームポインティング（Beam Pointing）の角度変化（＝BP値）が所定の基準レベル内に収まっている必要がある。

BD値およびBP値の検出は、次のように行われる。

図１５において、出力ミラーの右方に焦点距離ｆの集光レンズ６０が設けられている。さらに右方には集光レンズ６０と焦点距離ｆの長さ分だけ離間した位置にＣＣＤ検出器６１が設けられている。BD値およびBP値はＣＣＤ検出器６１により検出することができる。

図１８はＣＣＤ検出器６１で検出されるBD値とBP値を説明するための概念図である。

図１８において、横軸は放電電極方向または放電電極幅方向（任意目盛）であり、縦軸はＣＣＤ検出器で検出したレーザ光の光強度（任意目盛）である。

図１８に示すように、出射されたレーザ光は、最大の光強度領域を中央部に有し、中央部から離れるに従って光強度が低下するような光強度分布を持っている。

BD値は、たとえば中央部の最大光強度Ｉｍａｘに対して１／ｅ^２（ｅは自然対数）の値で決まるレーザ光の幅をＷとし、レーザ光を集光する集光レンズの焦点距離をｆとして、
BD値＝Ｗ／ｆ （２）
で定義される。

すなわちBD値はレーザ光の広がり（広がり角）を表す指標であり、露光性能に影響を及ぼす。

またBP値は、たとえば図１８の光強度分布の重心位置をＧとし、レーザ光を集光する集光レンズの焦点距離をｆとして、
BP値＝Ｇ／ｆ （３）
で定義される。

すなわち、BP値はレーザ光の方向ずれを表す指標であり、露光装置の露光性能に影響を及ぼす。

ところが、露光装置の指令によりデューティ比を変化させて例えばＭＯＰＯシステム１のレーザ運転を行うと、出力されたレーザ光の放電電極方向のBD値が変化して基準レベルを超えたり、出力されたレーザ光の放電電極方向のBP値が不安定になり基準レベルを超えてしまうことが明らかになった。

図１９（ａ）は、ＭＯＰＯシステムを運転したときのBD値の変化を示す図であり、図１９（ｂ）は、そのときに同時に検出したBP値の変化を示す図である。横軸はレーザ運転時間（分）であり、縦軸は図１９（ａ）ではBD値（任意目盛）であり、図１９（ｂ）ではBP値（任意目盛）である。レーザ運転に使用した発振周波数は６ｋＨｚである。

図１９（ａ）、（ｂ）において、ＭＯＰＯシステムは、運転停止の状態から、約７５％のデューティ比で高負荷レーザ運転が開始される。１２０分後に約１５％のデューティ比の低負荷レーザ運転に切り替えられる。

図１９（ａ）に示すように、放電電極方向のBD値は、運転停止の状態から高負荷レーザ運転に移行すると、運転開始（ｔ＝０分）から約２分で基準レベル０．６７を超え、その後１０分までは０．５５から０．７７まで変化し、その後安定する。１２０分後に高負荷レーザ運転から低負荷レーザ運転に切り替えると、BD値は０．７７から０．４８に急激に小さくなり、基準レベル以内に収まる。

一方、放電電極幅方向のBD値に関しては、運転負荷による影響は少なく、レーザ運転の全時間の間、基準レベルを超えることはない。

また図１９（ｂ）に示すように、放電電極方向のBP値は、運転停止の状態から高負荷運転に移行すると、運転開始（ｔ＝０分）から約２０分で基準レベル０．２４を超え、その後約６０分までは基準レベル０．２４を超えている。１２０分後に高負荷レーザ運転から低負荷レーザ運転に切り替えると、BP値は約０．２から約０．０４に急激に小さくなり、基準レベル以内に収まる。

一方、放電電極幅方向のBP値に関しては、運転負荷による影響は少なく、レーザ運転の全時間の間、基準レベルを超えることはない。

以上のように、例えば、ＭＯＰＯシステムの場合、露光装置の指令によりレーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変化すると、放電電極方向のBD値およびBP値が基準レベル以内に収まらす、そのため、ＭＯＰＯシステムを露光システムの露光装置用のレーザ光源として使用するには問題があった。

本願発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、露光装置の指令によりレーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変化しても、ビームダイバージェンスの大きさ（＝BD値）とビームポインティングの角度変化（＝BP値）を基準レベル以内に収めることができる露光装置用のレーザ装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、第１発明は、
露光装置の指令により、レーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変化するようにパルスレーザ光を出射する、発振段と増幅段を有するレーザ装置であって、
前記レーザ装置の前記発振段と前記増幅段の間に、出射されたレーザ光のビームダイバージェンスの大きさおよびビームポインティングの角度変化を基準レベル以下に収めるような拡大率に設定されたビームエキスパンダを設けたことを特徴としている。

第１発明について、図４を用いて説明する。

第１発明では、図４に示すように、所定の拡大率Ｍを有するビームエキスパンダ７０を発振段レーザ１０の出力ミラー１２とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に配置している。

そのため、発振段レーザ１０で生成したシード光のBD値およびBP値をビームエキスパンダ７０により所定値まで低減し、その後BD値およびBP値が低減したシード光を増幅段レーザ２０に注入することができる。

第２発明は、
露光装置の指令により、レーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変動するようにパルスレーザ光を出射する、発振段と増幅段を有するレーザ装置であって、
前記レーザ装置の前記発振段と前記増幅段の間にレーザ光を拡大するビームエキスパンダを設け、
前記レーザ装置から出射されたパルスレーザ光のビームダイバージェンスの大きさおよびビームポインティングの角度変化を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した値に基づき、ビームダイバージェンスの大きさおよびビームポインティングの角度変化を基準レベル以下に収めるように、前記ビームエキスパンダの拡大率を制御する制御手段と
を設けたことを特徴としている。

第２発明を図１２を用いて説明する。

第２発明は、図１２に示すように、ＭＯＰＯシステム１およびビームエキスパンダ７０の配置は第１発明と同じである。

一方、第２発明では、ビームエキスパンダ７０を制御するためのビームポインティング調整ドライバ９０およびビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０が設けられている。ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０は、レーザ光モニタ手段で検出したBD値及びBP値に基づいて、ビームダイバージェンス調整ドライバ９０に所定の拡大率になるように指令する。指令を受けたビームダイバージェンス調整ドライバ９０はビームエキスパンダ７０の拡大率Ｍを所定の拡大率になるように設定する。

そのため、レーザ光モニタ手段により検出したBD値およびBP値に基づいて、発振段レーザ１０で生成したレーザ光のBD値およびBP値をビームエキスパンダ７０により所定値まで低減し、その後BD値およびBP値が低減したレーザ光を増幅段レーザ２０に注入することができる。

第３発明は、第１発明または第２発明において、前記増幅段にファブリペロー型の共振器が配置されたことを特徴とする。

第３発明を図４を用いて説明する。

図４に示すように、増幅段レーザ２０は、共に平板型の注入ミラー２１と出力ミラー２２とからなるファブリペロー型共振器（安定共振器）３０を備えている。

そのため、発振段レーザ１０で生成した空間的コヒーレンスの低いシード光を、増幅段レーザ２０に設けたファブリペロー型安定共振器により空間的コヒーレンスを高くすることなく安定共振器より増幅発振して高出力のレーザ光を出射することができる。

第４発明は、第１発明または第２発明において、前記増幅段にリング共振器が配置されたことを特徴とする。

第４発明を図８および図９を用いて説明する。

図８に示すように、実施例２においても、実施例１と同様に発振段レーザ１０とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に、略放電電極方向のレーザビームを所定の拡大率で拡大するビームエキスパンダ７０が設けられる。また、増幅段レーザ２０の共振器として、リング共振器部品３２、３３からなるリング共振器３１が設けられる。図９において、リング共振器３１は、図の右方のリング共振器部品３２と図の左方のリング共振器部品３３とで構成され、その中に増幅段のレーザチャンバ２３が配置される。

そのため、発振段レーザ１０で生成した空間的コヒーレンスの低いシード光を、増幅段レーザ２０に設けたリング共振器により空間的コヒーレンスを高くすることなくリング共振器により増幅発振することができる。

第５発明は、第１発明乃至第４発明のいずれかの発明において、前記発振段から出射されたレーザ光が前記ビームエキスパンダで拡大される方向は略放電電極方向であることを特徴とする。

図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、放電電極方向のＢＤ値およびＢＰ値がデューティ変化により基準レベル以内に収まらないことが問題であった。

そこで、第５発明では、たとえば図４に示すように、放電電極方向に所定の拡大率Ｍを有するビームエキスパンダ７０を発振段レーザ１０の出力ミラー１２とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に配置している。

そのため、放電電極方向のＢＤ値およびＢＰ値が（１／Ｍ）倍に低減された所定値のBD値およびBP値をもつシード光を増幅段レーザ側に注入することができる。

第６発明は、第１発明乃至第５発明のいずれかの発明において、前記発振段レーザの共振器内に略放電電極方向のレーザビームを狭くするためのスリットが設けられていることを特徴とする。

第６発明を図８を用いて説明する。

図８において、発振段レーザ１０のスリット１８、１８の放電電極方向のスリット幅が放電電極間の幅よりやや小さくなっている。

そのため、発振段レーザ１０のシード光は、発振段レーザ１０に設けたスリット１８、１８により放電電極方向のシード光成分が狭められて出射される。すなわち放電電極方向のシード光のＢＤ値が低減される。

第７発明は、前記ビームエキスパンダはプリズム型あるいはウェッジ型のビームエキスパンダであることを特徴とする。

第７発明を図６（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。

プリズム型のビームエキスパンダは図６（ｂ）に示す構成である。また、ウェッジ型のビームエキスパンダは図６（ｃ）に示す構成である。

プリズム型およびウェッジ型のビームエキスパンダの場合、すべて平面加工した光学部品により構成できる。

第８発明は、第２発明において、さらにレーザ光案内ミラーのあおり調整機構が設けられていることを特徴とする。

第８発明を図１２を用いて説明する。

図１２に示すように、レーザ光モニタ手段８０により検出したBD値およびBP値に基づいて、ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０からミラー縦あおり調整ドライバ１００に指令され、レーザ光案内ミラー５０ｂの回転駆動が行われる。

そのため、レーザ光案内ミラー５０ｂにより、シード光の放電電極方向の角度を調整することができる。

第９発明は、第８発明において、さらに狭帯域化モジュールにあおり調整機構が設けられている。

第９発明を図１４を用いて説明する。

図１４において、狭帯域化モジュール４０内の回折格子１１ｂの放電電極方向の角度を調整するために、発振段レーザ縦あおり調整ドライバ１２０が設けられる。そのため、増幅段レーザ２０で出力したレーザ光のＢＤ値をレーザ光モニタ手段８０で検出し、その検出したBD値に基づいて、ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０の指示により、発振段レーザ縦あおり調整ドライバ１２０を駆動して回折格子１１ｂの放電電極方向の角度を調整することができ、所定のＢＤ値を有するシード光を容易に増幅段レーザ２０に注入することができる。

第１発明によれば、発振段レーザで生成したレーザ光のBD値およびBP値をビームエキスパンダにより所定値まで低減し、その後BD値およびBP値が低減したレーザ光を増幅段レーザに注入することができるので、露光装置の指令によりレーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変化しても、増幅段レーザから出射されるレーザ光のBD値とBP値を基準レベル以内に収めることができる。

第２発明によれば、レーザ光モニタ手段により検出したBD値およびBP値に基づいて、発振段レーザ１０で生成したレーザ光のBD値およびBP値をビームエキスパンダ７０により所定値まで低減し、その後BD値およびBP値が低減したレーザ光を増幅段レーザ２０に注入することができるので、露光装置側にBD値およびBP値を基準レベル以下に収めたレーザ光を容易に出射することができる。

第３発明によれば、BD値およびBP値が基準レベル以内に収まったレーザ光を露光装置側に出射できるとともに、発振段レーザ１０で生成した空間的コヒーレンスの低いシード光を、増幅段レーザ２０に設けたファブリペロー型安定共振器により空間的コヒーレンスを高くすることなく安定共振器より増幅発振できるので、増幅段レーザ２０から出射されたレーザ光を用いてウェハー面上にスペックル（干渉縞）が発生しない均一なウェハー露光を行うことができる。

第４発明によれば、BD値およびBP値が基準レベル以内に収まったレーザ光を露光装置側に出射できるとともに、発振段レーザ１０で生成した空間的コヒーレンスの低いシード光を、増幅段レーザ２０に設けたリング共振器により空間的コヒーレンスを高くすることなくリング共振器により増幅発振することができるので、増幅段レーザ２０から出射されたレーザ光を用いてウェハー面上にスペックル（干渉縞）が発生しない均一なウェハー露光を行うことができる。

第５発明によれば、放電電極方向のBD値およびBP値が（１／Ｍ）倍に低減された所定値のBD値およびBP値をもつシード光を増幅段レーザ側に注入することができるので、増幅段レーザから出射されるレーザ光のBD値およびBP値を基準レベル以内に収めることができる。これによりBD値およびBP値が基準レベル以内に収まったレーザ光を露光装置側に出射することができる。

第６発明によれば、発振段レーザの共振器内に略放電電極方向のレーザビームを狭くするためのスリットが設けられているので、放電電極方向のBD値が低減される。さらに、このビームをM倍に拡大するため、（１／Ｍ）倍に低減された所定値のBD値およびBP値をもつシード光が出力される。したがって、BD値及びBP値を低減したシード光を増幅段レーザに注入でき、これによりBD値およびBP値が基準レベル以内に収まったレーザ光を露光装置側に出射することができる。

第７発明によれば、すべて平面加工した光学部品を用いることができるので、製造が容易である。また、短い光路長でビーム拡大および位置調整がし易くなる利点がある。

第８発明によれば、レーザ光案内ミラー５０ｂにより、シード光の放電電極方向の角度を調整することができる。これにより、増幅段レーザ２０に注入するレーザ光のBP値を最適化することがさらに容易になる。

第９発明によれば、所定のBD値を有するシード光を容易に増幅段レーザ２０に注入することができるので、増幅段レーザで増幅したレーザ光のBD値が基準レベル以内に収まったレーザ光を露光装置側に出射することができる。

本願発明の露光装置用のレーザ装置に適用されるＭＯＰＯシステムでは、増幅段レーザ側に安定型共振器が配置される。

そこでまず安定型共振器と不安定型共振器およびＭＯＰＯシステムについて説明し、その後、実施例について図を参照しながら説明する。

（安定型共振器と不安定型共振器）
以下では、非特許文献（ Anthony E. Siegman : LASERS , pp.744-748(1986), University Science Books , Sausalito , California ）に基づき、レーザ装置に設けられる共振器における安定および非安定の意味について説明する。

図１は増幅段レーザに配置された共振器の概念図である。

注入されたレーザ光を増幅する増幅段レーザチャンバは、注入ミラーと出力ミラーで構成された共振器の間に配置される。注入ミラーと出力ミラーにはそれぞれ共振（内側）部に部分反射膜がコーティングされている。それぞれのミラーの外側の面には反射防止膜がコーティングされている。この図では、ミラーの外側の面は平面となっているが、ビームが透過する際にレンズの機能を果たさないように、メニスカスタイプのミラーを設置してもよい。図１の左方（裏面）から、注入ミラーに発振段レーザで生成したレーザ光を注入すると、注入されたレーザ光は増幅段レーザの共振器により増幅発振し、出力ミラーから増幅されたレーザ光が図の右方に出力される。

注入ミラーと出力ミラーの曲率をそれぞれＲ1、Ｒ2とする。ここで、ミラーが共振器の内部方向に向かって凹面になっている場合、曲率を正とし、同様にしてミラーが共振器の内部方向に向かって凸面になっている場合、曲率を負とする。また注入ミラーと出力ミラーの間の距離をＬとする。図１では、注入ミラーと出力ミラーがともに曲率が正の場合を示した。

上記２個のミラーで構成された共振器の「ｇパラメータ」として次のように定義する。

ｇ1＝１―Ｌ／Ｒ1、ｇ2＝１−Ｌ／Ｒ2 （４）
式（４）のｇ1とｇ2を用いて、以下の条件式（５）を満たす共振器を「安定共振器」という。ここで、この安定共振器を増幅段レーザに配置したレーザ装置を安定共振器型レーザ装置と定義する。

０≦ｇ1×ｇ2≦１ （５）
式（５）を満たさない共振器を「不安定共振器」という。また、この不安定共振器を増幅段に配置したレーザ装置を不安定共振器型レーザ装置と定義する。

さて、不安定共振器型レーザ装置の場合、発振段レーザでは横モードを選択するために共振器内にピンホールを配置しているので、発振段レーザは細いシングル横モードのシード光を出力する。このシード光はシングル横モードなので空間コヒーレンスは高く、このシード光が増幅段レーザの不安定共振器に注入される。

そのため、増幅段レーザで増幅されたレーザ光は不安定共振器によりビームが拡大されて発振段レーザよりもさらに、空間的コヒーレンス（干渉性）が高くなる。

その結果、不安定共振器型レーザ装置を露光装置用レーザ光源として使用すると、レーザ光が干渉し合うことにより、ウェハー面上にスペックル（干渉縞）が発生してしまい、均一なウェハー露光を行うことができなくなる。したがって、不安定共振器型レーザ装置は露光装置用レーザ光源として採用することができない。

一方、たとえば２個の平行平面ミラーで構成されたファブリペロー型共振器の場合、式（４）において、Ｒ1およびＲ2が無限大であるから、ｇ1×ｇ2＝１×１＝１となる。したがって、式（５）によりファブリペロー型共振器は安定共振器である。発振段レーザでは横モードを選択せず、空間的コヒーレンスの低い状態でシード光を発振させ、このシード光を増幅段レーザの安定共振器により拡大せず、増幅発振することができる。このようにして、空間コヒーレンスの低い光を出力することができる。

（ＭＯＰＯシステムについて）
図２は、本願発明の露光装置用のレーザ装置に適用されるＭＯＰＯシステムの概念図とビームダイバージェンスとビームポインティングを計測する図である。

なお以下では安定共振器がファブリペロー型である場合について説明するが、他の安定共振器の場合においても基本構成は同じである。

図２において、ＭＯＰＯシステム１は、シード光を生成する発振段レーザ１０と、発振段レーザ１０で生成したシード光を増幅して出力する増幅段レーザ２０とからなる。

発振段レーザ１０のレーザチャンバ１３内に設けた放電電極１４、１５のレーザ光軸上には、ウィンドウ１７、１７が互いに平行かつブリュースター角になるように設けられる。

増幅段レーザ２０のレーザチャンバ２３内に設けた放電電極２４、２５のレーザ光軸上には、ウィンドウ２７、２７が、互いに平行かつブリュースター角になるように設けられる。

また、ウィンドウ１７、１７の近傍にはスリット１８、１８が、ウィンドウ２７、２７の近傍にはスリット２８、２８が設けられる。各スリットの放電電極方向のスリット幅は放電電極間の幅と略同じである。

増幅段レーザ２０は、共に平板型の注入ミラー２１と出力ミラー２２とからなるファブリペロー型共振器３０を備えており、その間にレーザガスが封止されたレーザチャンバ２３が配置される。

ファブリペロー型共振器３０を構成する注入ミラー２１と出力ミラー２２には、所定の反射率を有する部分反射膜がコーティングされ、発振段から注入されたシード光は注入ミラー２１と出力ミラー２２の間で反射・往復され、その一部が出力ミラー２２を通して図の右方に出力される。

発振段レーザ１０は、狭帯域化モジュール４０内の光学素子１１（プリズム１１ａと回折格子１１ｂ）のリアミラーとして機能するリトロー配置された回折格子１１ｂと出力ミラー１２とで構成される共振器を備えており、その間にレーザガスが封止されたレーザチャンバ１３が配置される。狭帯域化モジュール４０で狭帯域化されたシード光は大部分が紙面に対して垂直な偏光成分であり、この偏光成分を保存した状態でシード光が増幅段レーザ２０に注入される。

また、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０との間に、発振段レーザ１０で生成したシード光を増幅段レーザ２０に案内するためレーザ光案内ミラー５０ａ、５０ｂを備える。

図２において、放電電極１４、１５および放電電極２４、２５は、紙面内で図の上下方向に対向して配置してある。これらの１対の放電電極１４と１５、２４と２５にそれぞれ図示しない電源から高電圧パルスが印加されることにより、放電電極１４、１５および放電電極２４、２５間の空間（放電領域）に放電が発生する。放電が発生すると放電領域のレーザガスは励起される。レーザ光が放電領域を通過する毎にレーザ光のエネルギーは増幅される。ここで、発振段レーザ１０の放電電極１４、１５間の空間で放電が開始されると、発振段レーザはレーザ発振し、シード光が出力される。シード光はミラー５０ａ及びミラー５０ｂにより注入ミラー２１に導かれる。シード光が増幅段レーザ２０の安定共振器に注入されると同期して、放電電極２４、２５間の空間で放電が開始され、増幅段レーザ２０が増幅発振する。

ＭＯＰＯシステム１がＫｒＦエキシマレーザ装置のときは、発振段レーザ１０、増幅段レーザ２０のそれぞれのレーザチャンバ１３、２３は、クリプトン（Ｋｒ）ガス、フッ素（Ｆ２）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファガスとからなるレーザガスが封止される。またＭＯＰＯシステム１がＡｒＦエキシマレーザ装置のときには、発振段レーザ１０、増幅段レーザ２０のそれぞれのレーザチャンバ１３、２３は、アルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ２）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファガスとからなるレーザガスが封止される。

図２には、ＭＯＰＯシステム１から出射されたレーザ光のBD値およびBP値を検出するために、出力ミラー２２の右方近傍に焦点距離ｆの集光レンズ６０が設けられ、また集光レンズ６０の右方に、集光レンズ６０と焦点距離ｆの位置にＣＣＤ検出器６１が設けられている。ＣＣＤ検出器６１によりBD値およびBP値が検出される。

（ＢＤ値およびＢＰ値の変動の原因）
従来技術で説明したように、たとえばＭＯＰＯシステムの場合、図１９に示したように、デューティ比が変化すると増幅段レーザ２０から出射されるレーザ光のBD値およびBP値が大きく変動してしまい、露光システムの露光装置用レーザ装置として使用するには問題であった。

本願発明者等は、図１９におけるBD値およびBP値の変動の原因を以下のように推定した。

図３（ａ）は、発振段レーザで生成したシード光とシード光を増幅発振させた後のそれぞれのBD値の変化を示す図であり、図３（ｂ）は、それぞれの場合のそのときに同時に検出したBP値の変化を示す図である。
なお、比較のために、図３（ａ）、（ｂ）には図１９における増幅段レーザから出射されたレーザ光のBD値およびBP値もあわせてプロットしてある。

横軸と縦軸の単位および発振周波数は図１９の場合と同じである。またBD値およびBP値をＣＣＤ検出器で検出する方法は基本的に図１９の場合と同じであるのでその説明を省略する。

図３（ａ）、（ｂ）において、発振段レーザ１０は、運転停止の状態から、約７５％のデューティ比で高負荷レーザ運転が開始される。１２０分後に約１５％のデューティ比の低負荷レーザ運転に切り替えられる。

図３（ａ）に示すように、放電電極方向のBD値（▲）は、運転停止の状態から高負荷レーザ運転に移行すると、運転開始（ｔ＝０分）直後に基準レベル０．６７を超え、その後０．８０から０．８８の間で安定する。１２０分後に高負荷運転から低負荷運転に切り替えると、BD値は０．８８から約０．６０に急激に小さくなり、基準レベル以内に収まる。

一方、放電電極幅方向のBD値（×）に関しては、運転負荷による影響は少なく、レーザ運転の全時間の間、基準レベルを超えることはない。

また図３（ｂ）に示すように、放電電極方向のBP値（▲）は、運転停止の状態から高負荷運転に移行すると、運転開始（ｔ＝０分）から約２０分で基準レベル０．２４を超え、その後約９０分までは基準レベル０．２４を超えている。１２０分後に高負荷運転から低負荷運転に切り替えると、BP値は約０．２４から約０．０４に急激に小さくなり、基準レベル以内に収まる。

一方、放電電極幅方向のBP値（×）に関しては、運転負荷による影響は少なく、レーザ運転の全時間の間、基準レベルを超えることはない。

図３（ａ）、（ｂ）にあわせてプロットした増幅段レーザ２０から出射したレーザ光のBD値およびBP値と、発振段レーザ１０から出射したシード光のBD値およびBP値を比較すると、その変化の傾向がほぼ一致していることがわかる。

そこで本願発明者等は、デューティ比の変化によるBD値およびBP値の変動は、発振段レーザ１０のシード光の放電電極方向のBD値およびBP値の変動が原因であると推定した。

本願発明者等は、上記推定に基づき、発振段レーザ１０のシード光の放電電極方向のBD値の大きさおよびBP値の角度変化を所定値内に収めておけば、その後注入されたシード光を増幅段レーザ２０で増幅しても、増幅段レーザ２０から出射されるレーザ光のBD値およびBP値は大きくならないであろうと予測し、鋭意実験を行い本願発明をなすに到った。

以下、本願発明に係る実施形態を図を参照しながら詳細に説明する。

図４は、実施例１の構成を説明するための概念図である。

図４に示すように、実施例１の露光システムは、露光装置とＭＯＰＯシステム１からなる。ＭＯＰＯシステム１は、露光装置の指令に応じてレーザ運転のデューティ比を変更し、露光装置側に基準レベル以内のBD値およびBP値を有するレーザパルスを出射する。たとえば露光装置はＭＯＰＯシステム１に対して、最初に高デューティ比のレーザ運転を行うように指令し、ある時点で低デューティ比のレーザ運転を行うように指令する。

以下の説明においては、ＭＯＰＯシステム１に指令する露光装置を前提とし、露光装置に指令されるＭＯＰＯシステム１について詳細に説明する。なお、図４において、図２のＭＯＰＯシステムと共通する部品番号を用いてある部品は機能上同等であることを意味している。よって同番号の部品につては説明を省略する。

実施例１のＭＯＰＯシステム１では、図２のＭＯＰＯシステム１と異なり、発振段レーザ１０とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に、略放電電極方向のレーザビームを所定の拡大率で拡大するビームエキスパンダ７０が設けられる。

ここでビームエキスパンダ７０について説明する。

図５は２個のシリンドリカル凸レンズ７０ａ、７０ｂを組み合わせたビームエキスパンダ７０の構成図である。シリンドリカル凸レンズ７０ａ、７０ｂの両面には、レンズ表面に略垂直に入射する（零度入射する）レーザ光に対する零度入射反射防止膜がコーティングされている。

図５において、シリンドリカル凸レンズ７０ａの焦点距離Ｆ1はシリンドリカル凸レンズ７０ｂの焦点距離Ｆ２より小さい。すなわちＦ1＜Ｆ2である。またシリンドリカル凸レンズ７０ａ、７０ｂ間の距離はＦ1＋Ｆ2である。

図５のレンズ配置において、紙面内で、図の右方からレーザ光軸に対して角度θ１をもつレーザビーム光（矢印Ａ及びＢ）が、光線Ｂはシリンドリカル凸レンズ７０ａの中心に入射し、シリンドリカル凸レンズ７０ａから焦点距離Ｆ1の距離だけ離間した位置Ｃまで直進し、光線Ａはシリンドリカル凸レンズ７０ａの中心から離れた位置に入射し、屈折して位置Ｃに到達したとする。

紙面内で、位置Ｃとレーザ光軸との距離をＨとすると、角度θ1が微小と仮定すれば、ｔａｎθ1＝θ1と近似できるので、
θ1＝Ｈ／Ｆ1 （６）
と表せる。

一方、光線Ａの場合、シリンドリカル凸レンズ７０ａで屈折して位置Ｃを透過し、シリンドリカル凸レンズ７０ｂの中心を直進するレーザ光（矢印Ｄ）を考える。レーザ光軸に対するレーザ光の角度をθ2とすると、角度θ2が微小と仮定すれば、ｔａｎθ２＝θ２と近似できるので、
θ2＝Ｈ／Ｆ2 （７）
と表せる。

式（６）と式（７）から、
θ2＝（Ｆ1／Ｆ2）θ1 （８）
の関係が導かれる。

実際は、角度θ1で入射したレーザ光（矢印Ｂ）はＣ位置をそのまま直進し、シリンドリカル凸レンズ７０ｂに到達し、その後屈折され、レーザ光（矢印Ｅ）となって出射される。ところで、シリンドリカル凸レンズ７０ｂから焦点距離Ｆ2の距離だけ離間したＣ位置から放射されたレーザ光は、レンズの原理によりシリンドリカル凸レンズ７０ｂを通過後互いに平行になる。すなわち、レーザ光（矢印Ｅ）とレーザ光（矢印Ｄ）は平行光線であり、レーザ光（矢印Ｅ）のレーザ光軸に対する角度も式（８）のθ2と同じである。

以上のように、図５の構成のビームエキスパンダ７０の場合、レーザ光軸に対して角度θ1でビームエキスパンダ７０に入射したレーザ光は、レーザ光軸に対して（Ｆ1／Ｆ2）θ1の角度でビームエキスパンダ７０から出射される。すなわちビームエキスパンダ７０を通過後、レーザ光軸に対するレーザ光の角度は（Ｆ1／Ｆ2）倍に低減される。

ここでビームエキスパンダ７０の拡大率Ｍを
Ｍ＝Ｆ2／Ｆ1 （９）
と定義すると、式（８）は
θ2＝θ1／Ｍ （１０）
と表すことができる。すなわち、ビームエキスパンダ７０を通過後、レーザ光軸に対するレーザ光の角度は（1／Ｍ）倍に低減される。

さて、ビームダイバージェンスはレーザ光軸方向に対する広がり角度であるから、図５の角度θ１に対応するレーザ光のＢＤ値は、ビームエキスパンダ７０を通過後、（１／Ｍ）倍に低減される。

ビームポインティングについても、方向の角度の低減メカニズムはビームダイバージェンスの場合と同様であり、レーザ光のＢＰ値は、ビームエキスパンダ７０を通過後、（１／Ｍ）倍に低減される。

実施例１では、このようなエキスパンダ７０の性質を利用して、所定の拡大率Ｍを有するビームエキスパンダ７０を発振段レーザ１０の出力ミラー１２とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に配置し、発振段レーザ１０で生成したレーザ光のBD値およびBP値を所定値まで低減させ、ビームエキスパンダ７０で拡大後のレーザ光を増幅段レーザ２０に注入している。

そのため、増幅段レーザ２０は、BD値およびBP値が所定値まで低減したレーザ光を増幅することができるので、BD値およびBP値が基準レベル以内に収まったレーザ光を出射することができる。

上記したビームエキスパンダ７０はシリンドリカル凸レンズ７０ａ、７０ｂの組み合わせであったが、実施例１に適用されるビームエキスパンダ７０は他の構成であってもよい。

図６（ａ）〜（ｃ）は、実施例１に適用されるビームエキスパンダを説明するための図である。なお、それぞれの図の右方から発振段レーザのシード光がビームエキスパンダに入射し、図の左方に出射したシード光が増幅段レーザに注入されることは図５の場合と同様である。

図６（ａ）はシリンドリカル凸レンズ７０ｃとシリンドリカル凹レンズ７０ｄを組み合わせたビームエキスパンダの例である。それぞれのレンズの両面には、レンズ表面に略垂直に入射する（零度入射する）レーザ光に対する零度入射光反射防止膜がコーティングされている。

図６（ｂ）は２個のプリズム７０ｅ、７０ｆを使用したビームエキスパンダの例である。

プリズムにシード光が零度入射する面には零度入射反射防止膜がコーティングされている。またシード光のプリズムの斜面に対するＳ偏光成分が反射しないように、斜め入射する面にはＳ偏光反射防止膜がコーティングされている。

図６（ｃ）は２個のウェッジ基板７０ｇ、７０ｈを使用したビームエキスパンダの例である。シード光のウェッジ基板の斜面に対するＳ偏光成分が反射しないように、それぞれのエッジ基板の両面にはＳ偏光反射防止膜がコーティングされている。

上記図６（ｂ）、（ｃ）のビームエキスパンダは、すべて平面加工した光学部品により構成できるので製造し易く、短い光路長でビーム拡大可能で、位置調整がし易い利点がある。

図７（ａ）は、実施例１においてビームエキスパンダの拡大率を１．３としたときのレーザ運転におけるＢＤ値の改善を示す図である。図７（ｂ）は、同時に計測したＢＰ値の改善を示す図である。横軸と縦軸の単位および発振周波数は図１９の場合と同じである。

図７（ａ）によれば、図１９（ａ）の場合と異なり、放電停止状態から高負荷レーザ運転に移行した場合も、高負荷レーザ運転から低負荷運転に移行した場合も、放電電極方向のBD値はすべて基準レベル０．６７以内に収まっている。また、放電電極幅方向のBD値は、ビームエキスパンダの拡大に関係しないことから、図１９（ａ）におけるBD値とほとんど変わらすすべて基準レベル内に収まっている。

また図７（ｂ）によれば、放電停止の状態から高負荷レーザ運転に移行した場合も、高負荷レーザ運転から低負荷運転に移行した場合も、放電電極方向のBP値はすべて基準レベル０．２４以内に収まっている。また、放電電極幅方向のBP値は、ビームエキスパンダの拡大に関係しないことから、図１９（ｂ）におけるBP値とほとんど変わらすすべて基準レベル以内に収まっている。

図７においては、実験結果に基づきBD値およびBP値が基準レベル以内に収まるように、ビームエキスパンダ７０の略放電電極方向の拡大率Ｍを１．３としたが、ビームエキスパンダ７０の拡大率Ｍの値をさらに大きくしてもよいことはあきらかである。ただし、拡大率を大きくすると以下のデメリットがある。シード光の注入効率が悪化し、空間コヒーレンスが高くなる。したがって、拡大率は１から２の間程度でよい。

以上のように、実施例１によれば、図３のＭＯＰＯシステム１において、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０の間に、所定の拡大率に設定されたビームエキスパンダを配置している。そのため、シード光の段階でBD値およびBP値をあらかじめ所定値に設定できる。これにより、露光装置の指令によりレーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変化しても、出射されたレーザ光のBD値およびBP値を基準レベル以内に収めることができる。

実施例１では発振段レーザとレーザ光案内ミラー５０ａとの間にビームエキスパンダ７０を配置したが、ビームエキスパンダ７０の配置場所はこの位置に限られるものではなく、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０の間の任意の場所に設けることができる。このことは他の実施例においても同様である。

なお、実施例１ではＭＯＰＯシステム１にファブリペロー型の安定共振器３０を用いたが、ファブリペロー型でない他の安定共振器を適宜適用することができる。

図８は実施例２を説明するための概念図である。

図８に示すように、実施例２のレーザ装置を含む露光システムは、露光装置とＭＯＰＯシステム１からなる。ＭＯＰＯシステム１は、露光装置の指令に応じてデューティ比を変更し、露光装置側に基準レベル以内のＢＤ値およびＢＰ値を有するレーザパルスを出射する。たとえば露光装置はＭＯＰＯシステム１に対して、最初に高負荷のレーザ運転を行うように指令し、ある時点で低負荷のレーザ運転を行うように指令する。

図８に示すように、実施例２においても、実施例１と同様に発振段レーザ１０とレーザ光案内ミラー５０ａとの間に、略放電電極方向のレーザビームを所定の拡大率で拡大するビームエキスパンダ７０が設けられる。

実施例２が実施例１と異なるのは、増幅段レーザ２０の共振器として、リング共振器部品３２、３３からなるリング共振器３１が設けられ、かつ、発振段レーザ１０のスリット１８、１８の放電電極方向のスリット幅が放電電極間の幅より小さくなっていることである。なお、スリット１８、１８のスリット幅を放電電極間の幅と略同じにしておくこともできる。増幅段レーザ２０のスリット２８、２８幅は放電電極２４、２５間の幅と略同じにしておく。

図９は、図８の紙面内の上方（矢印Ｈ）からみたリング共振器３１の概念図である。

図９において、リング共振器３１は、図の右方のリング共振器部品３２と図の左方のリング共振器部品３３とで構成され、その中に増幅段のレーザチャンバ２３が配置される。

リング共振器部品３２は、２個の全反射ミラー３２ａ、３２ｂで構成される。全反射ミラー３２ａ、３２ｂは放電電極方向に略平行に、かつ、互いに略直角になるように配置される。すなわち、リング共振器部品３２は、リング共振器部品３２側に入射・到達したレーザ光を、入射してきた方向に再び反射する構成をしている。

またリング共振器部品３３は、全反射ミラー３３ａと部分反射ミラー３３ｂとで構成される。全反射ミラー３３ａと部分反射ミラー３３ｂは放電電極方向に略平行に、かつ、互いに略直角になるように配置される。部分反射ミラー３３ｂは出力ミラーとして機能する。

また、レーザ光案内ミラー５０ｃは、レーザ光案内ミラー５０ｂから案内されたシード光（破線Ｓ１）を、放電電極幅方向に平行になるように案内し、その後そのシード光（矢印Ｓ２）を全反射ミラー３３ａ側に略４５度の入射角度で入射させるミラーである。

次に上記構成されたリング共振器を用いた動作について説明する。

図８および図９において、発振段レーザ１０のシード光は、発振段レーザ１０に設けたスリット１８、１８により放電電極方向のシード光成分が狭められて出射される。すなわち放電電極方向のシード光のＢＤ値が低減される。

次に、発振段レーザ１０から出射されたシード光は、発振段レーザ１０とレーザ光案内ミラー５０ａの間に設けたビームエキスパンダ７０により、放電電極方向のＢＤ値およびＢＰ値が低減される。

ＢＤ値およびＢＰ値が低減されたシード光はレーザ光案内ミラー５０ａ、５０ｂで反射され、レーザ光案内ミラー５０ｃに到達する。レーザ光案内ミラー５０ｃで放電電極幅方向に平行になるように案内されたシード光は、リング共振器３１内に導入される。リング共振器３１内に導入されたシード光は、放電領域を通過してリング共振器部品３２側に到達する。

リング共振器３２側に到達したレーザ光は、再び反射され放電領域を通過して部分反射ミラー３３ｂに到達する。すなわちリング共振器３１に導入されたシード光はリング形状の態様でリング共振器部品３３側に再び反射・案内される。この間、放電領域を通過したレーザ光は増幅される。

部分反射ミラー３３ｂに到達したレーザ光の一部は図の左方に出力レーザ光として出力される。また、部分反射ミラー３３ｂで反射されたレーザ光は再び全反射ミラー３３ａに入射し、その後上記したリング形状の態様で反射・案内され、再び部分反射ミラー３３ｂに到達する。以下はその繰り返しである。

以上のように、実施例２では、まず発振段レーザ１０で生成したシード光の放電電極方向のＢＤ値をスリット１８、１８で低減し、次にビームエキスパンダ７０により放電電極方向に対してシード光のＢＤ値およびＢＰ値を低減させ、その後ＢＤ値およびＢＰ値が低減したシード光を増幅段レーザ２０に注入しているので、さらなるＢＤ値の低減およびＢＰ値の安定化を実現することができる。

なお、スリット１８、１８の放電電極方向のスリット幅の最適値およびビームエキスパンダの拡大率Ｍは実験で決定することができる。

実施例１および実施例２ではエキスパンダの拡大率を所定の値にしていたが、出力されるレーザ光のＢＤ値およびＢＰ値に基づいて、エキスパンダの拡大率Ｍを制御してもよい。

まずエキスパンダの拡大率Ｍを変更する機構について説明する。

図１０は、図６（ｂ）のビームエキスパンダ７０を用いて拡大率を変更する機構例である。

図１０において、プリズム７０ｆはマイクロメータ７２が付いた回転ステージ７１に搭載される。プリズム７０ｅはマイクロメータ７４が付いた回転ステージ７３に搭載される。またプリズム７０ｆが搭載された回転ステージ７１とプリズム７０ｅが搭載された回転ステージ７３は位置Ｐを中心にして略反対称の配置になっている。

プリズム７０ｅとプリズム７０ｆを回転することにより、ビームエキスパンダ７０の拡大率Ｍを適宜変化させることができる。その際、レーザ光のビームポインティング（図の右方のレーザ光の方位：矢印Ｎ）がプリズム回転前の方位からずれないように、プリズム７０ｅとプリズム７０ｆは互いに逆向きに同じ角度だけ回転させる必要がある。それにはマイクロメータ７２と７３の調整移動距離Ｎ１、Ｎ２を同じに変化させ、プリズム７０ｅとプリズム７０ｆを互いに反対方向に同じ角度だけ回転させればよい。

図１０では、拡大率Ｍ１（破線Ｑ）とそれより大きい拡大率Ｍ２（実線Ｒ）の場合のプリズム配置が示してある。拡大率がＭ１の場合のＢＤ値に比較して、拡大率がＭ２の場合のＢＤ値は小さい（狭い）。

図１０の場合、プリズム７０ｅとプリズム７０ｆの角度調整により拡大率Ｍを設定するにあわせて、プリズム７０ｅとプリズム７０ｆの角度調整によりＢＰ値が基準レベル以内に収まるように調整してもよい。

図１０の場合、たとえば圧電素子あるいはパルスモータを用いて電気的にそれぞれのプリズムを回転制御することができる。

なお、図１０で説明した機構は図６（ｃ）のエッジ基板を用いたビームエキスパンダにもそのまま適用することができる。

図１１（ａ）、（ｂ）は、シリンドリカルの凸レンズ７０ｊとシリンドリカルの凹レンズ７０ｋを組み合わせたビームエキスパンダ７０の例における拡大率Ｍの制御法を説明するための図である。

図１１（ａ）では、図の上部で固定ねじで移動ブロック７６に固定した凸レンズ７０ｊを、図の下方に配置したマイクロメータ７５で図の横方向（矢印Ｑ）に移動させた場合の光の波面の様子を説明する。図の右方から発振段レーザの出力ビームが凹レンズ７０ｋに向かって平面波で入射してきたとする。レーザ光は広がり凸レンズ７０ｊを通過すると凹レンズ７０ｋの焦点の位置Ｋと凸レンズｊ焦点の位置Ｊが一致せずに凸レンズ７０ｊの位置が左側になった場合に収束光となる。

次に、発振段のレーザの出力光がかすかに収束する状態で出力された場合に関して説明する。

図１１（ｂ）では、図の上部で固定ねじで移動ブロック７６に固定した凸レンズ７０ｊを、図の下方に配置したマイクロメータ７５で図の横方向（矢印Ｒ）に移動させ場合の光の波面の様子を説明する。図の右方から発振段レーザの出力ビームが凹レンズ７０ｋに向かって平面波で入射してきたとする。レーザ光は広がり凸レンズ７０ｊを通過すると凹レンズ７０ｋの焦点の位置Ｋと凸レンズｊ焦点の位置Ｊが一致せずに凸レンズ７０ｊの位置が右側になった場合に発散光となる。そして、図示していないが、凹レンズ７０ｋの焦点の位置と凹レンズｊ焦点の位置が一致した場合には、平行光となり発振段レーザのビームが拡大されることになる。

以上のように、凹凸レンズの位置調整をパルスモータで行うことにより、ＢＤ値の調節を最適化できる。そして、M倍のビームエキスパンダとして機能することにより、ＢＤ値及びＢＰ値を低減することが可能となる。

図１２は実施例３を説明するための概念図である。

なお、ＭＯＰＯシステムを適用した露光システムの構成については、実施例１および実施例２から明らかであるので、実施例３ではＭＯＰＯシステム１についておもに説明する。

図１２において、ＭＯＰＯシステム１およびビームエキスパンダ７０の配置は実施例１と基本的には同じである。ただ発振段レーザ１０のスリット１８、１８の放電電極方向のスリット幅が放電電極間の幅より小さくなっている。すなわち、図１２では発振段レーザ１０のシード光の放電電極方向のＢＤ値およびＢＰ値を小さくしている。

さらに実施例３では、レーザ光モニタ手段８０とビームダイバージェンス調整ドライバ９０とミラー縦あおり調整ドライバ１００とビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０が設けられている。

ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０は、レーザ光モニタ手段８０で検出したＢＤ値とＢＰ値に基づいてビームダイバージェンス調整ドライバ９０とミラー縦あおり調整ドライバ１００を制御するものである。

レーザ光モニタ手段８０は、増幅段レーザ２０から出射されたレーザ光の一部を取り出し、レーザ光のＢＤ値およびＢＰ値を検出する手段である。部分反射ミラー８０ａで反射させたレーザ光のＢＤ値およびＢＰ値は焦点距離ｆの集光レンズ８０ｂから距離ｆだけ離間したところに配置したＣＣＤ検出器８０ｃにより検出される。検出されたＢＤ値およびＢＰ値はビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０に入力される。

ビームダイバージェンス調整ドライバ９０は、ビームエキスパンダ７０の拡大率を調整するためのもので、ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０により拡大率の大きさが調整される。

ミラー縦あおり調整ドライバ１００は、シード光のＢＰ値を最適化するためのものであり、レーザ光案内ミラー５０ｂを放電電極幅方向に平行な軸を中心にして回転駆動させる（矢印Ｌ方向）。

図１３は、実施例３におけるＢＤ値とＢＰ値の調整動作を説明するための工程図である。

図１２において、ＭＯＰＯシステム１を所定のデューティ比で運転させ、増幅段レーザ２０から出射されたレーザ光のＢＤ値とＢＰ値をレーザ光モニタ手段８０で検出する（Ｓ１００）。検出したＢＤ値とＢＰ値はビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０に入力される（Ｓ１０１）。ＢＤ値の大きさを判断する（Ｓ１０２）。入力されたＢＤ値が基準レベル以内に収まっていればビームエキスパンダの拡大率Ｍを変更せずそのままとする（Ｓ１０６）。入力されたＢＤ値が基準レベル以内に収まっていなければ、ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０は、ビームダイバージェンス調整ドライバ９０を駆動してビームエキスパンダ７０の拡大率Ｍを大きくする（Ｓ１０３）。

拡大率Ｍを大きくした段階で、再度レーザ光モニタ手段によりＢＤ値とＢＰ値を検出し（Ｓ１０４）、ＢＤ値の大きさを判断する（Ｓ１０５）。ＢＤ値が基準レベル以下であればステップＳ１０６に移行する。ＢＤ値が基準レベル以下でなければ、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５を繰り返す。

ステップＳ１０６に到達した段階で、ＢＤ値とＢＰ値を検出し（Ｓ１０７）、ＢＰ値の角度変化を判断する（Ｓ１０８）。ＢＰ値が基準レベル以内におさまっていればレーザ光案内ミラー５０ｂを回転駆動せずそのままとする（Ｓ１０９）。ＢＰ値が基準レベル以内に収まっていなければ、ミラー縦あおり調整ドライバ１００によりレーザ光案内ミラー５０ｂを回転駆動させる（Ｓ１１０）。ミラーの回転方向およびその回転量は予め実験したデータにより決定できる。

ミラーを回転駆動した段階で、ＢＰ値を検出し（Ｓ１１１）、ＢＰ値の角度変化を判断する（Ｓ１１２）。ＢＰ値が基準レベル以下であればステップＳ１０９に移行する。ＢＰ値が基準レベル以下でなければ、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２を繰り返す。

以上のように、実施例３によれば、レーザ光モニタ手段で検出したＢＤ値とＢＰ値に基づいて、ＢＤ値についてはビームダイバージェンス調整ドライバ９０により調整し、ＢＰ値についてはミラー縦あおり調整ドライバ１００により調整することができる。

これにより、露光装置の指令によりレーザ運転のデューティ比を変更する場合に、ただちにＢＤ値およびＢＰ値が基準レベル以内に収まるように制御することができ、その後のレーザ運転に支障をきたすことがない。

図１２においては、ビームダイバージェンス調整ドライバとミラー縦あおり調整ドライバ１００を設けたが、場合によってはビームダイバージェンス調整ドライバ９０のみで調整してもよい。すなわち、ビームエキスパンダ７０の拡大率Mのみの調整によってＢＤ値とＢＰ値の両方を基準レベル以内に収める制御も可能である。

発振段レーザ１０で生成したシード光のＢＤ値は、発振段レーザ１０のアライメントにより変化する。

そこで、実施例４では、実施例３の各調整ドライバに加え、発振段レーザ１０の狭帯域化レーザモジュール４０内に発振段レーザ縦あおり調整ドライバ１２０が設けられる。なお、ＭＯＰＯシステムを適用した露光システムの構成については、実施例１および実施例２から明らかであるので、実施例４ではＭＯＰＯシステム１についておもに説明する。

図１４は実施例４を説明するための概念図である。

図１４において、狭帯域化モジュール４０内の回折格子１１ｂの放電電極方向の角度を調整するための発振段レーザ縦あおり調整ドライバ１２０が設けられる。また、実施例３と異なり、ミラー縦あおり調整ドライバ１００は、レーザ光案内ミラー５０ｂとともにレーザ光案内ミラー５０ａを回転駆動している。

そのため、増幅段レーザ２０で出力したレーザ光のＢＤ値をレーザ光モニタ手段８０で検出し、その検出したＢＤ値に基づいて、ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ１１０の指示により、発振段レーザ縦あおり調整ドライバ１２０を駆動してシード光のＢＤ値が最適になるように制御することができる。

実施例３ではレーザ光案内ミラー５０ｂのみをミラー縦あおり調整ドライバ１００で回転駆動していたが、図１４に示すように、ＢＰ値の調整において、レーザ光案内ミラー５０ａとレーザ光案内ミラー５０ｂを同時に回転駆動し、ＢＰ値を調整することができる。これにより、ＢＰ値の調整がさらに容易になる。

以上のように、実施例４によれば、レーザ光モニタ手段で検出したＢＤ値とＢＰ値に基づいて、ＢＤ値についてはビームダイバージェンス調整ドライバ９０および発振段レーザ縦あおり調整ドライバにより調整し、ＢＰ値についてはミラー縦あおり調整ドライバ１００により調整することができるので、ＢＤ値およびＢＰ値をさらに容易に調整できる。

これにより、露光装置の指令によりレーザ運転のデューティ比を変更する場合に、ＢＤ値およびＢＰ値が基準レベル以内に収まるように容易に制御することができ、その後のレーザ運転に支障をきたすことがない。

増幅段レーザに配置された共振器の概念図である。 本願発明の露光装置用のレーザ装置に適用されるＭＯＰＯシステムの概念図とビームダイバージェンスとビームポインティングを計測する図である。 （ａ）は、発振段レーザで生成したシード光とシード光を増幅発振させた後のそれぞれのＢＤ値の変化を示す図であり、（ｂ）は、それぞれの場合のそのときに同時に検出したＢＰ値の変化を示す図である。 実施例１の構成を説明するための概念図である。 ２個のシリンドリカル凸レンズ７０ａ、７０ｂを組み合わせたビームエキスパンダ７０の構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施例１に適用されるビームエキスパンダを説明するための図である。 （ａ）は、実施例１においてビームエキスパンダの拡大率を１．３としたときのレーザ運転におけるＢＤ値の改善を示す図である。（ｂ）は、同時に計測したＢＰ値の改善を示す図である。 実施例２を説明するための概念図である。 図８の紙面内の上方（矢印Ｈ）からみたリング共振器３１の概念図である。 図６（ｂ）のビームエキスパンダ７０を用いて拡大率を変更する機構例である。 は、凸レンズ７０ｊと凹レンズ７０ｋを組み合わせたビームエキスパンダ７０の例における拡大率Ｍの制御法を説明するための図である。 実施例３を説明するための概念図である。 実施例３におけるＢＤ値とＢＰ値の調整動作を説明するための工程図である。 実施例４を説明するための概念図である。 開示されたＭＯＰＯシステムを説明するための概念図である。 図１５のＭＯＰＯシステム１の増幅段レーザ２０の放電電極近傍のＳ−Ｓ断面図である。 所定サイクル時間Ｔにおけるレーザ運転パターン例である。 ＣＣＤ検出器６１で検出されるＢＤ値とＢＰ値を説明するための概念図である。 （ａ）は、ＭＯＰＯシステムを運転したときのＢＤ値の変化を示す図であり、（ｂ）は、そのときに同時に検出したＢＰ値の変化を示す図である。

符号の説明

ＭＯＰＯ Master Oscillator, Power Oscillator
１０ 発振段レーザ
２０ 増幅段レーザ
３０ ファブリペロー型共振器
４０ 狭帯域化モジュール
５０ レーザ光案内ミラー
６０ 集光レンズ
６１ ＣＣＤ検出器
８０ レーザ光モニタ手段
９０ ビームダイバージェンス調整ドライバ
１００ ミラー縦あおり調整ドライバ
１１０ ビームダイバージェンス・ビームポインティング調整コントローラ
１２０ 発振段レーザ縦あおり調整ドライバ

Claims (8)

1. 露光装置の指令により、レーザ運転の全時間に対するパルスレーザ光の発振時間が変動するようにパルスレーザ光を出射する、発振段と増幅段を有するレーザ装置であって、
   前記レーザ装置の前記発振段と前記増幅段の間にレーザ光を拡大するビームエキスパンダを設け、
   前記レーザ装置から出射されたパルスレーザ光のビームダイバージェンスの大きさおよびビームポインティングの角度変化を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出した値に基づき、ビームダイバージェンスの大きさおよびビームポインティングの角度変化を基準レベル以下に収めるように、前記ビームエキスパンダの拡大率を制御する制御手段と
   を設けたことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記増幅段にファブリペロー型共振器が配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記増幅段にリング共振器が配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
4. 前記発振段から出射されたレーザ光が前記ビームエキスパンダで拡大される方向は略放電電界方向であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のレーザ装置。
5. 前記発振段レーザの共振器内に略放電電界方向のレーザビームを狭くするためのスリットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のレーザ装置。
6. 前記ビームエキスパンダはプリズム型あるいはウェッジ型のビームエキスパンダであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のレーザ装置。
7. さらに、前記ビームエキスパンダと前記増幅段との間に、放電電極幅方向に平行な軸を中心にして回転駆動するレーザ光案内ミラーが設けられ、当該レーザ光案内ミラーを回転駆動させるあおり調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
8. さらに、前記発振段に設けられた狭帯域化モジュール内の回折格子の放電電界方向の角度を調整するあおり調整機構が設けられていることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。

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