JP5410344B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置に関し、特に半導体装置製造の露光に用いられるレーザ装置に関する。

従来、半導体装置製造における露光用の光源としては、ＡｒＦレーザのような真空紫外光領域のレーザ光を出力するレーザ装置が使用されていた。この露光用レーザ光源装置では、投影レンズの色収差を無視できる程度にまで、スペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。また、露光でのスペックルの発生を抑制するためには、レーザ装置から出力されるレーザ光を低コヒーレンス化する必要がある。そこで、たとえば以下に示す特許文献１では、光路上に光遅延素子を配置することで、出力レーザ光を低コヒーレンス化していた。また、たとえば以下に示す特許文献２では、発振器（マスターオシレータ：ＭＯ）と増幅器（プリアンプ：ＰＡ）との間にパルス幅伸長装置を配置することで、レーザ光を低コヒーレンス化していた。

特開平１１−３１２６３１号公報 特開平４−２６１０８３号公報

しかしながら、波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザなど、比較的波長が短い波長領域では、透過率７０％以上の比較的透過効率の高い低コヒーレンス機構（ＯＰＳ等）を実現することが困難であった。特に、２段階露光（ダブルパターニング）をする場合に露光装置に要求される解像度を満足するためには、さらなる低コヒーレンス化が必要となる。ただし、低コヒーレンス化を促進するためには、低コヒーレンス機構の部品点数を増加する必要がある。しかしながら、部品点数が増加すると、低コヒーレンス機構の透過効率が低下してしまう。この結果、露光装置に入力するレーザ光の光強度が低下し、これにより、露光装置のスループットが低下してしまうという問題が発生する。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、レーザ光の低コヒーレンス化と高強度とを実現できるレーザ装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明によるレーザ装置は、レーザ光源から出力されたレーザ光を該レーザ光よりも短波長のレーザ光に変換した後、該レーザ光を増幅して出力する増幅部を有するレーザ装置であって、前記レーザ光を前記短波長のレーザ光に変換する前に、該レーザ光を低コヒーレンス化する低コヒーレンス化部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光を短波長に変換する前にレーザ光を低コヒーレンス化するため、エネルギーロスが比較的小さい長い波長の段階でレーザ光を低コヒーレンス化することが可能となる。これにより、低コヒーレンス化と高強度とが実現されたレーザ光を出力可能なレーザ装置を実現することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１によるマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態１によるＴｉ：サファイアマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態１によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態１による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態１による波長変換機構の概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態１の変形例１による波長変換機構の概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態１の変形例２による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態１の変形例３による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。 図１０は、図９に示す低コヒーレンス機構を別の角度から見た際の概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態１の変形例４による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。 図１２は、図１１に示す低コヒーレンス機構を光軸上から見た際の概略構成を示す模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態１の変形例５による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。 図１４は、本発明の実施の形態１の変形例６によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す模式図である。 図１５は、本発明の実施の形態１の変形例７によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す模式図である。 図１６は、本発明の実施の形態１の変形例８によるＴｉ：サファイアパワー増幅器ＰＡ１０の概略構成を示す模式図である。 図１７は、本発明の実施の形態１の変形例９によるレーザ装置におけるマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。 図１８は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置の概略構成を示す模式図である。 図１９は、図１８に示すレーザ装置における光学系を他の角度から見た際の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、従って、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。また、各図では、構成の明瞭化のため、断面におけるハッチングの一部が省略されている。さらに、後述において例示する数値は、本発明の好適な例に過ぎず、従って、本発明は例示された数値に限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を、図面を用いて詳細に説明する。本実施の形態１では、レーザ装置として、出力レーザ光の中心波長が１９３ｎｍのＡｒＦレーザを例に挙げる。ただし、これに限定されるものではなく、ＫｒＦレーザやＸｅＣｌレーザやＸｅＦレーザなどのエキシマレーザや、極端紫外光の光源であるＥＵＶ光源など、種々のレーザ装置を適用することができる。

たとえば１９３ｎｍ程度のレーザ光など、比較的波長の短いレーザ光は、高反射ミラーまたは部分反射ミラーなどの光学素子によるエネルギーロスが、比較的波長の長いレーザ光よりも大きい。このため、波長の短いレーザ光を高反射ミラーや部分反射ミラーを用いて繰り返し反射させると、散乱や吸収によるエネルギーロスが非常に大きくなる。これに対し、本実施の形態１によれば、波長を短波長に変換する波長変換機構（波長変換部）の前段に低コヒーレンス機構（低コヒーレンス化部）を設けている。このため、エネルギーロスが比較的小さい長い波長の段階でレーザ光を低コヒーレンス化することが可能となる。これにより、本実施の形態１では、色収差が無視できる程度のスペクトル線幅を維持しつつ、低コヒーレンス化と高強度とが実現されたレーザ光を出力可能なレーザ装置１を実現することが可能となる。この結果、露光装置でのスループットを向上できるレーザ装置を実現できる。

図１は、本実施の形態１によるレーザ装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、レーザ装置１は、レーザ光Ｌ１を出力するマスタオシレータＭＯ１と、マスタオシレータＭＯ１から出力されたレーザ光Ｌ１を増幅して出力レーザ光Ｌ２として出力するパワーオシレータＰＯ１と、を備える。マスタオシレータＭＯ１から出力されたレーザ光Ｌ１は、たとえば高反射ミラーＭ１およびＭ２よりなる光学系を介してパワーオシレータＰＯ１に入力される。

マスタオシレータＭＯ１は、たとえばＴｉ：サファイア結晶などのレーザ結晶からなる固体レーザ１０と、固体レーザ１０から出力されたレーザ光Ｌｃを低コヒーレンス化する低コヒーレンス機構２０と、低コヒーレンス化されたレーザ光（以下、低コヒーレンス光という）Ｌｄを短波長のレーザ光Ｌ１に変換する波長変換機構３０と、を備える。すなわち、本実施の形態１では、増幅する前であって波長変換による短波長化の前に、レーザ光を低コヒーレンス化する。これにより、低コヒーレンス化時に生じるレーザ光のエネルギーロスを低減することができる。

一方、パワーオシレータＰＯ１は、共振器の一方の共振器ミラーとして機能するリアミラー４１と、共振器内を往復するレーザ光を増幅する増幅領域を備えたチャンバ４３と、共振器の一方の共振器ミラーとして機能するとともにレーザ光の出力端として機能する出力カプラ４６と、共振器内を往復するレーザ光の指向性を維持するスリット４２と、を備える。チャンバ４３には、チャンバ４３の気密性を高めるとともにレーザ光を内部に取り込むためのウィンドウ４４ａおよび４４ｂが設けられている。また、チャンバ４３の内部には、レーザ光が通過する領域（増幅領域）を挟むように配置された一対の放電電極４５ａおよび４５ｂが設けられるとともに、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）ガスが充填されている。放電電極４５ａおよび４５ｂには、不図示のＲＦ電源から高周波の電圧が印加される。これにより、放電電極４５ａおよび４５ｂ間に、活性化されたＡｒＦガスよりなる増幅領域が形成され、この増幅領域を通過するレーザ光が増幅される。なお、増幅後のレーザ光は、出力レーザ光Ｌ２として出力カプラ４６から出力される。

つぎに、図１におけるマスタオシレータＭＯ１について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施の形態１によるマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。図２に示すように、マスタオシレータＭＯ１の固体レーザ１０は、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０と、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０と、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から出力されたレーザ光をＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０に導く高反射ミラーＭ１１およびＭ１２よりなる光学系と、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０およびＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０に増幅用のレーザ光を供給するポンピングレーザＰＬと、を備える。固体レーザ１０から出力された比較的波長の長いレーザ光（たとえば３８６〜７７４ｎｍ付近に含まれる波長帯域のレーザ光）は、低コヒーレンス機構２０によって低コヒーレンス化された後、波長変換機構３０において比較的短い目的の波長（たとえば１９３ｎｍの波長帯域）のレーザ光に変換され、その後、高反射ミラーＭ１およびＭ２を含む光学系を介して図１におけるパワーオシレータＰＯ１に入力される。なお、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０およびＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０の詳細、ならびに、低コヒーレンス機構２０および波長変換機構３０の詳細については、後述において触れる。

つぎに、図２の固体レーザ１０におけるＴｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０について、図面を参照して詳細に説明する。図３は、本実施の形態１によるＴｉ：サファイアマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。図３に示すように、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０は、いわゆるリットマン型のレーザである。このＴｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０は、共振器を形成する高反射ミラー１１および出力カプラ１５と、この共振器内の光路上に配置されたＴｉ：サファイア結晶１２およびグレーティング１３と、グレーティング１３で回折されたレーザ光を反射してグレーティング１３に戻す高反射ミラー１４と、を備える。なお、高反射ミラー１１および１４は、高反射ミラー１１および出力カプラ１５とは別の共振器を形成する。また、出力カプラ１５は、シード光Ｌｂを出力する光出力端としても機能する。

この構成において、高反射ミラー１１は、ポンピングレーザＰＬ（図２参照）からの光（以下、ポンプ光という）Ｌａ１を透過し、Ｔｉ：サファイア結晶１２からのレーザ光を反射する。高反射ミラー１１を介して入力されたポンプ光Ｌａ１は、Ｔｉ：サファイア結晶１２に入射する。Ｔｉ：サファイア結晶１２の光入出力端面は、ブリュースタカットされている。これにより、この端面でのレーザ光の反射が抑えられる。ポンプ光Ｌａ１が入射したＴｉ：サファイア結晶１２は、高反射ミラー１１、グレーティング１３、高反射ミラー１４および出力カプラ１５で構成される共振器によって発振することで、パルスレーザ光を出射する。Ｔｉ：サファイア結晶１２から出射されたレーザ光は、グレーティング１３によって回折される。ここで、出力カプラ１５は、グレーティング１３に対してたとえば０次回折光の出射方向に配置される。また、高反射ミラー１４は、グレーティング１３に対して±ｍ次回折光の出射方向に配置される。したがって、グレーティング１３に対する高反射ミラー１４の角度を調節することで、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０が出力するシード光Ｌｂの波長を選択することができる。この結果、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０が出力するレーザ光Ｌｂのスペクトル線幅を、露光時の色収差が無視できる程度のスペクトル線幅にすることが可能となる。

Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から出力されたシード光Ｌｂは、上述のように、高反射ミラーＭ１１およびＭ１２よりなる光学系を介してＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０に入射する。ここで図４に、本実施の形態１によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す。図４に示すように、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０は、いわゆるファブリペロー型のレーザである。このＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０は、共振器を形成する高反射ミラー１７および出力カプラ１９と、この共振器内の光路上に配置されたＴｉ：サファイア結晶１８と、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から入射したシード光ＬｂおよびポンピングレーザＰＬからポンプ光Ｌａ２を共振器内に導く高反射ミラー１６と、を備える。

この構成において、高反射ミラー１６は、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０からのシード光Ｌｂを共振器側へ反射するとともに、ポンピングレーザＰＬからのポンプ光Ｌａ２を共振器側へ透過する。また、共振器を形成する一方の高反射ミラー１７は、高反射ミラー１６を介するシード光Ｌｂおよびポンプ光Ｌａ２を透過し、Ｔｉ：サファイア結晶１８からのレーザ光を反射する。高反射ミラー１７を介して入力されたポンプ光Ｌａ２およびシード光Ｌｂは、Ｔｉ：サファイア結晶１８に入射する。Ｔｉ：サファイア結晶１８の光入出力端面は、ブリュースタカットされている。これにより、この端面でのレーザ光の反射が抑えられる。ポンプ光Ｌａ２およびシード光Ｌｂが入射したＴｉ：サファイア結晶１８は、高反射ミラー１７および出力カプラ１９で構成される共振器によって発振することで、ポンプアップされたパルスレーザ光を出射する。Ｔｉ：サファイア結晶１８から出射されたレーザ光は、出力カプラ１９を介してレーザ光Ｌｃとして出力される。

Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０から出力されたレーザ光Ｌｃは、低コヒーレンス機構２０に入力されて、低コヒーレンス化される。ここで図５に、本実施の形態１による低コヒーレンス機構の概略構成を示す。図５に示すように、低コヒーレンス機構２０は、レーザ光Ｌｃの一部を反射し一部を透過するビームスプリッタ２１ａと、ビームスプリッタ２１ａで反射されたレーザ光Ｌｃの光学像を再びビームスプリッタ２１ａに転写結像する光路を形成する複数の凹面高反射ミラー２１ｂ〜２１ｅと、を備える。このように、入射したレーザ光Ｌｃの一部を遅延させることで、レーザ光を低コヒーレンス化することができる。なお、本説明では、低コヒーレンス機構２０で低コヒーレンス化されたレーザ光を低コヒーレンス光Ｌｄという。

ここで、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から出力されるシード光Ｌｂの波長をλ_{ｓｏｌｉｄ＿ｍｏ}とし、そのスペクトル線幅をΔλ_{ｓｏｌｉｄ＿ｍｏ}とし、固体レーザ１０におけるＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０の高反射ミラー１７および出力カプラ１９が形成する共振器の光路長をＬ_ｒｅｓｏとし、低コヒーレンス機構２０の光路長をＬ_ｏｐｓとすると、低コヒーレンス光Ｌｃのコヒーレント長Ｌ_ｃｏｈは、以下の式１の関係を満たす。

また、以上のようにして、低コヒーレンス機構２０から出力された低コヒーレンス光Ｌｄは、波長変換機構３０に入力されて、所望の波長帯域のレーザ光に変換される。ここで図６に、本実施の形態１による波長変換機構の概略構成を示す。図６に示すように、波長変換機構３０は、集光レンズ１３１と、ＳＨＧ結晶３０ａと、コリメートレンズ１３２と、高反射ミラー１３３および１３４と、集光レンズ１３５と、ＳＨＧ結晶３０ｂと、コリメートレンズ１３６と、高反射ミラー１３７と、を備える。

低コヒーレンス機構２０からの低コヒーレンス光Ｌｄは、まず、波長変換機構３０における集光レンズ１３１によってＳＨＧ結晶３０ａに集光される。ＳＨＧ結晶３０ａは、たとえばＢＢＯ結晶であり、入射した低コヒーレンス光Ｌｄ（波長＝ω）に対してたとえば第２高調波光（波長＝２ω）のパルス状のレーザ光を出射する。ＳＨＧ結晶３０ａから出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１３２で平行光化された後、高反射ミラー１３３および１３４を介して集光レンズ１３５に入射する。なお、高反射ミラー１３３は、波長が２ωのレーザ光を反射し、波長がωのレーザ光を透過する。したがって、集光レンズ１３５には、波長が２ωのレーザ光のみが導かれる。この結果、レーザ光のスペクトル線幅を、露光時の色収差が無視できる程度のスペクトル線幅に維持することが可能となる。

集光レンズ１３５は、入射したレーザ光をＳＨＧ結晶３０ｂに集光する。ＳＨＧ結晶３０ｂは、たとえばＫＢＢＦ結晶であり、入射したレーザ光（波長＝２ω）に対してたとえば第２高調波光（２倍の波長＝４ω）のパルス状のレーザ光を射する。なお、ＫＢＢＦ結晶は、１９３ｎｍ程度である真空紫外光の波長帯域のレーザ光への波長変換に適しており、その寿命も長いという利点を備える。ＳＨＧ結晶３０ｂから出射したレーザ光は、コリメートレンズ１３６で平行光化された後、高反射ミラー１３７に入射する。高反射ミラー１３７は、波長が２ωのレーザ光を透過するとともに、波長が４ωのレーザ光を反射して、レーザ光Ｌ１として出力する。この結果、レーザ光Ｌ１のスペクトル線幅を、露光時の色収差が無視できる程度のスペクトル線幅に維持することが可能となる。なお、このレーザ光Ｌ１が、マスタオシレータＭＯ１が出力するレーザ光Ｌ１である。

また、以上のようにマスタオシレータＭＯ１から出力されたレーザ光Ｌ１は、上述のように、高反射ミラーＭ１およびＭ２を介してパワーオシレータＰＯ１に入射し、パワーオシレータＰＯ１において露光用に増幅された後、出力レーザ光Ｌ２として不図示の露光装置へ出力される。

以上のように、本実施の形態１では、波長を短波長に変換する波長変換機構の前段に低コヒーレンス機構を設けている。このため、エネルギーロスが比較的小さい短い波長の段階でレーザ光を低コヒーレンス化することが可能となる。これにより、本実施の形態１では、低コヒーレンス化と高強度とが実現されたレーザ光を出力可能なレーザ装置１を実現することが可能となる。また、本実施の形態１では、各段階において目的の波長のレーザ光のみを反射する光学素子（たとえば高反射ミラー１３３および１３７）を設けているため、露光時の色収差が無視できる程度のスペクトル線幅が維持された出力レーザ光Ｌ２を生成することが可能である。

・変形例１
ここで、本実施の形態１の変形例１について、図面を参照して詳細に説明する。上述の実施の形態１では、波長変換機構３０の前段（入力段）に、低コヒーレンス機構２０が配置されていた。すなわち、レーザ装置１は、短波長化される前のレーザ光を低コヒーレンス化する構成を備えていた。ただし、本発明はこれに限定されず、たとえば図７に示すように、波長変換機構３０−１内に低コヒーレンス機構２０を設けてもよい。図７は、本実施の形態１の変形例１による波長変換機構の概略構成を示す模式図である。

図７に示すように、波長変換機構３０−１は、２つのＳＨＧ結晶３０ａおよび３０ｂの間の光路上に、低コヒーレンス機構２０が配置されている。言い換えれば、波長変換機構３０−１は、２段階の短波長化における１段目の後にレーザ光を低コヒーレンス化する構成を備える。このような構成によっても、上述の実施の形態１と同様に、エネルギーロスが比較的小さい短い波長の段階でレーザ光を低コヒーレンス化することが可能となる。これにより、本変形例１では、低コヒーレンス化と高強度とが実現されたレーザ光を出力可能なレーザ装置１を実現することが可能となる。本変形例に限らず、複数の波長変換機構を有する場合は、それら複数の波長変換機構の間に低コヒーレンス機構を設けてもよい。

たとえばＴｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０からのシード光Ｌｂの波長が７７３．６ｎｍ程度の場合、この第２高調波光の波長（＝３８６．８ｎｍ程度）に対しても、エネルギーロスの小さい光学素子が存在する。そこで、本変形例１のように、１段目の短波長化の後のレーザ光を低コヒーレンス化する構成とすることで、１段目の短波長化の前に低コヒーレンス化する場合と比較して、波長変換効率を向上することが可能となる。なお、他の構成は、上述の実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

・変形例２
つぎに、本実施の形態１による低コヒーレンス機構２０の変形例について、図面を参照して詳細に説明する。図８は、本実施の形態１の変形例２による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。図８に示すように、低コヒーレンス機構２０−１は、入射光（レーザ光Ｌｃ）に対して所定角度θ傾斜した部分反射ミラー１２１および高反射ミラー１２２を備える。部分反射ミラー１２１の光入射面には、部分反射コート１２１ａが形成されている。高反射ミラー１２２の反射面には、高反射コート１２２ａが形成されている。一方、部分反射ミラー１２１および高反射ミラー１２２は、部分反射コート１２１ａおよび高反射コート１２２ａが形成された面が互いに対向するように配置される。この部分反射ミラー１２１および高反射ミラー１２２は、レーザ光Ｌｃの入射軸に対して傾斜して配置されるとともに、互いに平行に配置されることで、レーザ光Ｌｃがその一部を部分反射ミラー１２１を介して出射しつつ繰り返し反射する繰返し光路を形成する。すなわち、部分反射コート１２１に入射したレーザ光Ｌｃは、その一部が部分反射ミラー１２１を透過するとともに、残りが高反射ミラー１２２へ反射する。高反射ミラー１２２に入射したレーザ光は、再び部分反射ミラー１２１に入射し、その一部が部分反射ミラー１２１を透過するとともに、残りが高反射ミラー１２２へ反射する。これを繰り返すことで、部分反射ミラー１２１からは、部分反射ミラー１２１を透過した複数のレーザ光（繰返し反射レーザビーム光束）Ｌｄ１が出力される。

ここで、部分反射ミラー１２１と高反射ミラー１２２とのギャップをｄとすると、低コヒーレンス機構２０−１の光路長Ｌ_ｏｐｓは、２ｄとなる。したがって、繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ１における各レーザ光間の光路長の差は、コヒーレント長Ｌ_ｃｏｈよりも長い。このため、繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ１における複数のレーザ光は、互いに干渉することはない。これにより、この繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ１を波長変換機構３０によって波長変換したレーザ光Ｌ１は、低コヒーレンス光となる。この結果、パワーオシレータＰＯ１に入力されるレーザ光Ｌ１を低コヒーレンス光とすることができる。

・変形例３
つぎに、低コヒーレンス機構の他の変形例について、図面を参照して詳細に説明する。図９は、本実施の形態１の変形例３による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。図１０は、図９に示す低コヒーレンス機構を別の角度から見た際の概略構成を示す模式図である。図９および図１０に示すように、低コヒーレンス機構２０−２は、図８に示す低コヒーレンス機構２０−１の構成に加え、部分反射ミラー１２１を透過した繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ１をさらにその一部を部分反射ミラー２２１を介して出射させつつ繰り返し反射させる繰返し光路を形成する部分反射ミラー２２１および高反射ミラー２２２を備える。ただし、レーザ光Ｌｃの光軸に対する部分反射ミラー２２１および高反射ミラー２２２の傾きは、部分反射ミラー１２１および高反射ミラー１２２のレーザ光Ｌｃの光軸に対する傾きに対して、その方向がたとえば９０°回転している。また、部分反射ミラー２２１の光入射面には、部分反射コート１２１ａが形成されている。高反射ミラー２２２の反射面には、高反射コート１２２ａが形成されている。

このように、レーザ光Ｌｃの光軸に対して傾く方向が異なる２つの繰返し光路を形成することで、２次元的に干渉のない繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ２を生成することができる。これにより、この繰返し反射レーザビーム光束Ｌｄ２を波長変換機構３０によって波長変換したレーザ光Ｌ１が低コヒーレンス光となるため、パワーオシレータＰＯ１に入力されるレーザ光Ｌ１を低コヒーレンス光とすることができる。

・変形例４
つぎに、低コヒーレンス機構の他の変形例について、図面を参照して詳細に説明する。図１１は、本実施の形態１の変形例４による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。図１２は、図１１に示す低コヒーレンス機構を光軸上から見た際の概略構成を示す模式図である。図１１および図１２に示すように、低コヒーレンス機構２０−２は、レーザ光Ｌｃに対して透明な透明基板３２２と、透明基板３２２における少なくともレーザ光Ｌｃが入射するレーザビーム領域ＲＢに形成された複数の微細膜３２１ａと、を備えたランダムフェーズシフタ３２１よりなる。各微細膜３２１ａは、レーザ光Ｌｃを透過することができ、且つ、真空に対して屈折率が異なる。また、各微細膜３２１ａの光軸に沿った膜厚はランダムである。このため、ランダムフェーズシフタ３２１を透過したレーザ光Ｌｃは、その部分部分で位相がランダムにずれる。このため、ランダムフェーズシフタ３２１を透過したレーザ光Ｌｃは、空間的に位相がランダムにずれた低コヒーレンス光Ｌｄとなる。

・変形例５
また、図１３に示すように、図１１および図１２に示すランダムフェーズシフタ３２１の透明基板３２２を、レーザ光Ｌｃを反射する反射基板３２４に置き換えたランダムフェーズシフタ３２３を用いることで、上述の変形例４で示した透過型の低コヒーレンス機構２０−２を、反射型の低コヒーレンス機構２０−３に変形することができる。なお、図１３は、本実施の形態１の変形例５による低コヒーレンス機構の概略構成を示す模式図である。

・変形例６
つぎに、本実施の形態１による固体レーザ１０におけるＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０の変形例について、図面を参照して詳細に説明する。図１４は、本実施の形態１の変形例６によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す模式図である。図１４に示すように、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０−１は、いわゆるリング型のレーザである。このＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０−１は、リング状（８字状）の光路を有する共振器を形成する高反射ミラー２１７〜２１９および入出力カプラ２１６と、この共振器内の光路上に配置されたＴｉ：サファイア結晶１８と、を備える。

この構成において、入出力カプラ２１６は、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０からのシード光Ｌｂを透過し、Ｔｉ：サファイア結晶１８からのレーザ光を反射する。また、高反射ミラー２１８は、ポンピングレーザＰＬからのポンプ光Ｌａ２を共振器側へ透過し、Ｔｉ：サファイア結晶１８からのレーザ光を反射する。共振器内に取り込まれたシード光Ｌｂは、高反射ミラー２１７〜２１９および入出力カプラ２１６が形成するリング状（８字状）の光路を進み、その後、入出力カプラ２１６を介して出力される。このように、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０−１にリング状のレーザを用いることで、たとえばファブリペロー型のレーザを用いた場合よりも効率よくレーザ光を増幅することができる。さらに、シード光Ｌｂの入射端に、反射率の比較的低い入出力カプラ２１６を用いているため、シード光Ｌｂの光量下限値を抑えることが可能となる。

・変形例７
つぎに、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータの他の変形例について、図面を参照して詳細に説明する。図１５は、本実施の形態１の変形例７によるＴｉ：サファイアパワーオシレータの概略構成を示す模式図である。図１５に示すように、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０−２は、いわゆる再生増幅型の増幅器である。このＴｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０−２は、共振器を形成する高反射ミラー３１５および３１９と、この共振器内の光路上に配置されたポッケルスセル３１６、Ｔｉ：サファイア結晶１８、偏光子３１７およびポッケルスセル３１８と、を備える。ポッケルスセル３１６および３１８は、たとえば電圧が印加されている期間、λ／４板として機能する。

この構成において、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０からは、たとえばＳ偏光のシード光Ｌｂが入射する。このシード光Ｌｂは、まず、共振器の光路に対して４５°傾いた偏光子３１７に入射する。偏光子３１７は、たとえばＳ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過する。したがって、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から入射されたＳ偏光のシード光Ｌｂは、偏光子３１７で反射することで、共振器内に導入される。この際、ポッケルスセル３１８のみに電圧を印加しておく。これにより、高反射ミラー３１９で反射する際に２度、ポッケルスセル３１８を通過したシード光ＬｂをＰ偏光のレーザ光に変換することができる。なお、ポッケルスセル３１８へは、シード光Ｌｂを共振器内に導入する期間のみ電圧が印加される。つづいて、ポッケルスセル３１８への電圧印加を停止する。これにより、共振器内のレーザ光の偏光状態が変化しないため、共振器内にレーザ光を閉じ込められる。閉じ込められたレーザ光は、共振器を１回以上往復する。この際、Ｔｉ：サファイア結晶１８を複数回通過することで再生増幅される。その後、ポッケルスセル３１６に電圧を印加する。これにより、高反射ミラー３１５での反射時にポッケルスセル３１６を２度通過したレーザ光がＳ偏光のレーザ光に変換される。この結果、このレーザ光が偏光子３１７によって反射され、レーザ光Ｌｃとして出力される。

・変形例８
つぎに、本実施の形態１において、Ｔｉ：サファイアパワーオシレータＰＯ１０の代わりに、Ｔｉ：サファイアパワー増幅器ＰＡ１０を用いた場合について、図面を参照して詳細に説明する。図１６は、本実施の形態１の変形例８によるＴｉ：サファイアパワー増幅器ＰＡ１０の概略構成を示す模式図である。図１６に示すように、Ｔｉ：サファイアパワー増幅器ＰＡ１０は、複数の高反射ミラー４１３〜４１９と、Ｔｉ：サファイア結晶１８と、を備える。この複数の高反射ミラー４１３〜４１９は、Ｔｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０から入力したシード光ＬｂがＴｉ：サファイア結晶１８を複数回（本例では４回）通過するマルチパスを形成する。また、Ｔｉ：サファイア結晶１８には、高反射ミラー４１３を介して、ポンピングレーザＰＬからのポンプ光Ｌａ２も入射する。すなわち、高反射ミラー４１３は、ポンプ光Ｌａ２を透過し、Ｔｉ：サファイア結晶１８からのレーザ光を反射する。これにより、Ｔｉ：サファイア結晶１８を複数回通過する際に、シード光Ｌｂがマルチパス増幅され、その後、レーザ光Ｌｃとして出力される。

・変形例９
また、上述の実施の形態１では、レーザ装置１がＡｒＦレーザの場合を例に挙げた。ただし、上述したように、レーザ装置１はＡｒＦレーザに限定されるものではない。そこで、本実施の形態１の変形例９として、レーザ装置１をＫｒＦレーザとした場合を例に挙げて説明する。図１７は、本実施の形態１の変形例９によるレーザ装置におけるマスタオシレータの概略構成を示す模式図である。なお、本変形例９においても、上述のパワーオシレータＰＯ１０を用いることが可能である。

図１７に示すように、本変形例９によるマスタオシレータＭＯ２は、図２に示すマスタオシレータＭＯ１と同様の構成において、波長変換機構３０が波長変換機構３０Ａに置き換えられている。また、本変形例９において、固体レーザ１０のＴｉ：サファイアマスタオシレータＭＯ１０は、たとえば波長が７４５．３ｎｍのシード光Ｌｂを出力する。他の構成は、上述の実施の形態１と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。

波長変換機構３０Ａは、波長変換機構３０と同様の構成において、ＢＢＯ結晶であった１段目のＳＨＧ結晶３０ａがＬＢＯ結晶であるＳＨＧ結晶３０ｃに、ＫＢＢＦ結晶であった２段目のＳＨＧ結晶３０ｂがＢＢＯ結晶であるＴＨＧ結晶３０ｄに、それぞれ置き換えられる。ＳＨＧ結晶３０ｃは、低コヒーレンス機構２０から入射した低コヒーレンス光Ｌｄ（波長＝７４５．３ｎｍ）の第２高調波光（波長＝４９６．８ｎｍ）を出力する。また、ＴＨＧ結晶３０ｄは、低コヒーレンス光Ｌｄを基本波とし、もしくは、低コヒーレンス光ＬｄとＳＨＧ結晶３０ｃから出力された第２高調波光との和周波を基本波として、これの第３高調波光（波長＝２４８．４ｎｍ）を出力する。この第３高調波光は、レーザ光Ｌ１として、パワーオシレータＰＯ１へ導波される。

以上のように、本実施の形態１によるレーザ装置１は、ＡｒＦレーザに限らず、ＫｒＦレーザやその他のレーザに適宜適用可能である。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２によるレーザ装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１８は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置の概略構成を示す模式図である。図１９は、図１８に示すレーザ装置における光学系を他の角度から見た際の概略構成を示す模式図である。なお、上述した実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付すことで、その重複する説明を省略する。

図１８に示すように、レーザ装置２は、図１に示すレーザ装置１と同様の構成において、パワーオシレータＰＯ１が、リング型のレーザであるパワーオシレータＰＯ２に置き換えられている。また、レーザ装置２は、パワーオシレータＰＯ２から出力されたレーザ光Ｌ２が露光装置へ導波されることを防止するシャッタＭ３を備える。

図１８および図１９に示すように、パワーオシレータＰＯ２は、リング状の光路を形成する高反射ミラー４６ａ、４６ｂ、４１ａおよび４１ｂ、ならびに部分反射ミラーで形成された出力カプラ４６と、この光路上に配置されたチャンバ４３とを備える。なお、図１８および図１９では、スリット４２（図１参照）が省略されているが、スリット４２を光路上に配置してもよい。

上記の構成において、図１９に示すように、マスタオシレータＭＯ１から出力されたレーザ光Ｌ１は、高反射ミラーＭ１およびＭ２を含む光学系を介してパワーオシレータＰＯ２に入射する。入射したレーザ光Ｌ１は、まず、高反射ミラー４６ａおよび４６ｂで反射された後、ウィンドウ４４ａを介してチャンバ４３内に入射する。チャンバ４３内に入射したレーザ光Ｌ１は、電圧が印加された２つの放電電極４５ａおよび４５ｂ間の増幅領域を通過する際に増幅され、その後、ウィンドウ４４ｂを介してチャンバ４３から出射する。出射したレーザ光Ｌ１は、高反射ミラー４１ａおよび４１ｂで反射されることで、ウィンドウ４４ｂを介して再びチャンバ４３内に入射し、チャンバ４３内の増幅領域を通過する際に増幅され、その後、ウィンドウ４４ａを介して出射する。このようにチャンバ４３内の増幅領域を２度通過したレーザ光Ｌ１は、その後、その一部が出力カプラ４６を介してレーザ光Ｌ２として出力される。また、出力カプラ４６で反射された残りのレーザ光Ｌ１は、再度、高反射ミラー４６ａ、４６ｂ、４１ａおよび４１ｂ、ならびに出力カプラ４６が形成する光路を進行する。

以上のように構成することで、本実施の形態２では、パワーオシレータＰＯ２においてレーザ光Ｌ１をマルチパス増幅することが可能となるため、より高強度のレーザ光Ｌ２を生成することができる。また、本実施の形態２では、パワーオシレータＰＯ２の出力段に配置したシャッタＭ３を用いて露光装置へのレーザ光Ｌ２の導波を遮断することが可能である。なお、このシャッタＭ３は、たとえば不図示の制御機構による駆動制御のもとで、レーザ光Ｌ２の光路を開放／遮断する。なお、他の構成および効果は、上述の実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

また、上記実施の形態およびその変形例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。例えば各実施の形態に対して適宜例示した変形例は、他の実施の形態に対して適用することも可能であることは言うまでもない。

１、２ レーザ装置
１０ 固体レーザ
１２、１８ Ｔｉ：サファイア結晶
１３ グレーティング
１５、１９、４６ 出力カプラ
２０、２０−１、２０−２、２０−３ 低コヒーレンス機構
２１ａ ビームスプリッタ
２１ｂ〜２１ｅ 凹面高反射ミラー
３０、３０−１、３０Ａ 波長変換機構
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ ＳＨＧ結晶
４１ リアミラー
４２ スリット
４３ チャンバ
４４ａ、４４ｂ ウィンドウ
４５ａ、４５ｂ 放電電極
１２１、２２１ 部分反射ミラー
１２１ａ 部分反射コート
１２２ａ 高反射コート
１３１、１３５ 集光レンズ
１３２、１３６ コリメートレンズ
２１６ 入出力カプラ
３１６、３１８ ポッケルスセル
３１７ 偏光子
３２１、３２３ ランダムフェーズシフタ
３２１ａ 微細膜
３２２ 透明基板
３２４ 反射基板
Ｌ１、Ｌ２、Ｌｃ レーザ光
Ｌａ１、Ｌａ２ ポンプ光
Ｌｂ シード光
Ｌｄ 低コヒーレンス光
Ｌｄ１、Ｌｄ２ 繰返し反射レーザビーム光束
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ１１、Ｍ１２、１１、１４、１６、１７、４１ａ、４１ｂ、４６ａ、４６ｂ、１２２、１３３、１３４、１３７、２１７〜２１９、２２２、３１５、３１９、４１３〜４１９ 高反射ミラー
Ｍ３ シャッタ
ＭＯ１、ＭＯ２ マスタオシレータ
ＭＯ１０ Ｔｉ：サファイアマスタオシレータ
ＰＡ１０ Ｔｉ：サファイアパワー増幅器
ＰＬ ポンピングレーザ
ＰＯ１、ＰＯ２ パワーオシレータ
ＰＯ１０、ＰＯ１０−１、ＰＯ１０−２ Ｔｉ：サファイアパワーオシレータ
ＲＢ レーザビーム領域

Claims (12)

1. レーザ光源から出力されたレーザ光を該レーザ光よりも短波長のレーザ光に変換した後、該レーザ光を増幅して出力する増幅部を有するレーザ装置であって、
   前記レーザ光を前記短波長のレーザ光に変換する前に、該レーザ光を低コヒーレンス化する低コヒーレンス化部を備えたことを特徴とするレーザ装置。
2. 複数段階の短波長化を行うことで前記レーザ光を前記短波長のレーザ光に変換する波長変換部を備え、
   前記低コヒーレンス化部は、前記複数段階の短波長化の間で前記レーザ光を低コヒーレンス化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記低コヒーレンス化部は、前記レーザ光の少なくとも一部の位相を該レーザ光の位相に対してシフトさせる光路を形成する１つ以上の光学素子を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記１つ以上の光学素子は、
   前記レーザ光の一部を透過しつつ一部を反射するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタで反射された前記一部のレーザ光の光学像を前記ビームスプリッタに転写結像する前記光路を形成する１つ以上のミラーと、
   を含み、
   前記ビームスプリッタを透過したレーザ光の光軸と前記光路を介した後に前記ビームスプリッタで反射されたレーザ光の光軸とは、一致することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記１つ以上の光学素子は、前記レーザ光の少なくとも一部を該レーザ光の透過方向と同一方向へ透過しつつ繰り返し反射させることで、前記レーザ光の少なくとも一部の位相を該レーザ光の位相に対してシフトさせることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
6. 前記１つ以上の光学素子は、
   前記レーザ光の入射軸に対して傾斜して配置され、前記レーザ光の一部を透過しつつ一部を反射する部分反射ミラーと、
   前記部分反射ミラーと平行に対向配置された高反射ミラーと、
   を含み、
   前記レーザ光は、前記部分反射ミラーに入射した後、一部が該レーザ光の透過方向と同一方向へ透過されつつ前記部分反射ミラーと前記高反射ミラーとの間を繰り返し反射されることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
7. 前記部分反射ミラーを透過したレーザ光の少なくとも一部を該透過したレーザ光の透過方向と同一方向へ透過しつつ繰り返し反射させることで、該透過したレーザ光の少なくとも一部の位相を該透過したレーザ光の位相に対してさらにシフトさせることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記１つ以上の光学素子は、前記レーザ光の一部の位相をランダムにシフトするランダムフェーズシフタを含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
9. 前記ランダムフェーズシフタは、真空に対して屈折率が異なり且つ互いに膜厚が異なる複数の微細な膜が２次元配列した構造を備えることを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記複数の微細な膜は、前記レーザ光を透過する透明基板に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
11. 前記複数の微細な膜は、前記レーザ光を反射する反射基板に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
12. 前記レーザ装置は、ＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ、ＸｅＣｌレーザまたはＸｅＦレーザであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載のレーザ装置。

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