JP5630758B2 - エキシマレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスレーザ装置に関し、特に露光用の高出力のエキシマレーザ装置に関するものである。

半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体基板の露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出されるレーザビームの短波長化が進められている。半導体露光用光源としては、従来の水銀ランプが放出する光より短い波長の光を放出するガスレーザ装置が用いられている。露光用のガスレーザ装置としては、現在は波長２４８ｎｍの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。

近年は、露光光の短波長化とともに、露光用のエキシマレーザ装置にさらなる高出力化が強く求められる傾向にある。その大きな理由としては、ＡｒＦエキシマレーザでの露光の際に用いられるレジストはＫｒＦエキシマレーザでの露光の際に用いられるレジストよりも感度が悪いことや、高スループットの要請があること、などが上げられる。

高出力のレーザ光を出力するための装置として、一つのレーザチャンバで発振と増幅を兼ねるエキシマレーザ装置がある。このようなエキシマレーザ装置を以下ではシングルチャンバのエキシマレーザ装置と呼ぶ。

一方、図１に示す２ステージレーザシステムによる増幅方法がある。

２ステージレーザシステムは、狭帯域化したレーザ光を出力するための発振段レーザ１０と、その狭帯域化されたレーザビーム（これをシード光という）を増幅するための増幅段レーザ２０から構成される。

実際の２ステージレーザシステムは、レーザ光を増幅する手段の違いにより、ＭＯＰＯ方式とＭＯＰＡ方式の２種類に分けられる。ＭＯＰＯ方式のレーザシステムは、共振器を有する増幅段レーザを備える。ＭＯＰＯとはMaster Oscillator, Power Oscillatorの略号であり、インジェクションロック方式（ＩＬ方式）とも呼ばれる。一方、ＭＯＰＡ方式のレーザシステムは、共振器を有さない増幅器を備える。ＭＯＰＡはMaster Oscillator, Power Amplifierの略号である。なお、２ステージシステムの詳細については後述する。

エキシマレーザ装置の高出力化を実現するためには、たとえば発振周波数が一定の場合、１パルスあたりの出力エネルギーを上げればよい。しかしながら、１パルスあたりの出力エネルギーを高くすると、以下に述べるような問題が発生する。

一般に、共振器は、レーザ光を出射する出力側ミラーと、高反射率を持ったリア側ミラーから構成される。出力側ミラーには、片面に数１０％の反射率のＰＲ膜（部分反射ミラーコーティング）、もう片方の面にＡＲ膜（反射防止コーティング）が付いている。シングルレーザチャンバのリア側ミラーには、ＨＲ膜（全反射ミラーコーティング）が付いており、また、増幅段レーザのリア側ミラーには、９０％程度の高反射率のＰＲ膜が付いている。増幅段レーザから出力されるレーザ光は、出力側ミラーに到達したレーザ光の一部のみが出力されるため、共振器内部のレーザエネルギーは、外部に出力されるエネルギーよりも数倍高くなる。

たとえばＭＯＰＯシステムの場合、発振段レーザから出力されるレーザビームのエネルギー密度は数（ｍＪ／ｃｍ^２）であるが、増幅段レーザでは、レーザエネルギーが増幅されるので、共振器内部では数１０（ｍＪ／ｃｍ^２）以上の高エネルギー密度のレーザビームとなる。その結果、高エネルギー密度のレーザビームが増幅段レーザのチャンバのウィンドウを透過するため、ウィンドウの表面および内部におけるレーザ光の吸収量が大きくなりウィンドウは発熱する。この発熱によってウィンドウに熱応力が生じると、たとえばＣａＦ_２で形成したウィンドウが劣化してしまう。ウィンドウの劣化が一定以上進むと、光学素子としてウィンドウを使用できなくなり、その時点でウィンドウの寿命が尽きる。

図２は、ＭＯＰＯレーザシステムにおける出力エネルギーと光学素子の寿命の関係を示す実験結果である。実験では発振周波数を４ｋＨｚとしている。

図１において、従来条件の１パルスあたりの出力エネルギーが１２（ｍＪ）の場合、ウィンドウに照射される平均エネルギー密度は３３．８（ｍＪ／ｃｍ^２）であり、ピークエネルギー密度は９１．４（ｍＪ／ｃｍ^２）である。また、ウィンドウは１４（Bｐｌｓ）発振まで寿命がある。レーザビーム幅は０．３３（ｃｍ）である。

これに対して、新規条件の１パルスあたりの出力エネルギーが１５（ｍＪ）の場合、ウィンドウに照射される平均エネルギー密度は４２．３（ｍＪ／ｃｍ^２）であり、ピークエネルギー密度は１１４．２（ｍＪ／ｃｍ^２）である。また、ウィンドウは１（Bｐｌｓ）発振で寿命となる。レーザビーム幅は０．３３（ｃｍ）である。

また、出力側ミラーにおいても、従来条件では２４．１（Ｂｐｌｓ）発振以上寿命があるのに対し、新規条件では１（Ｂｐｌｓ）発振で寿命となってしまう。

上記比較によれば、出力されるレーザビームの幅が一定の場合、出力エネルギーを従来に対して約２５％増加させると、たとえばウィンドウの寿命は従来の寿命の１４分の１に低下してしまう。この理由としては、出力されるレーザビームの幅が一定であるため、出力エネルギーが増加するとともに、ウィンドウに照射されるピークエネルギー密度あるいは平均エネルギー密度が増加し、ある閾値を越えた時点でウィンドウの劣化が急激に進み、ウィンドウ寿命が急激に低下したことが考えられる。

以上のように、ＭＯＰＯレーザシステムの増幅段レーザにおいて、出力エネルギーが増加し、共振器内のピークエネルギー密度あるいは平均エネルギー密度が所定の閾値を越えると、増幅段レーザチャンバに設けたウィンドウの寿命あるいは出力側ミラーの寿命は急激に低下する。なお、このことは、原理上、エキシマレーザ装置がシングルレーザチャンバで構成されたレーザ発振器あるいはレーザ増幅器であっても同じである。

そこで、ピークエネルギー密度を減らすために、放電電極幅を拡大して、光学素子への照射ビームの断面積を大きくすることが考えられる。

図３は放電電極幅を拡大した場合を説明する概念図である。

図３において、対向して配置された放電電極２４、２５の従来の放電電極幅Ｔ０に対して、拡大した放電電極の放電電極幅Ｔ１は大きくなっている。放電電極２４、２５の間は放電領域であり、この空間でレーザビームが増幅される。発振時には、放電電極２４，２５間に、図の左側（上流側）から右側方向（下流側）に高速レーザガス３が流される。以下において、放電電極間を単にゲイン領域という。

しかしながら放電電極幅を拡大すると以下のような問題が発生する。

単に放電電極幅を拡大して高繰り返し発振動作した場合、先の発振でゲイン領域に発生した放電生成物の移動が十分になされないうちに次ぎの発振動作が行われるので、放電電極２４、２５の下流側でアーク放電４が発生し、出力エネルギーの安定性が悪くなる。

そこでアーク放電を防止するために、レーザチャンバに内蔵したファンの回転数Ｎを上げて、ゲイン領域のレーザガス流速を上げることが考えられる。

しかしながら、アーク放電を防止するために、レーザガス流速を放電電極幅Ｔに比例させた場合、ファンの回転数Ｎとレーザガス流速は比例するので、ファンの回転数Ｎと放電電極幅Ｔは比例する。すなわち、Ｎ∝Ｔである。

ところで一般的に、ファンの消費電流Ｉはファンの回転数Ｎの３乗に比例するので、ファンの消費電流は放電電極幅Ｔの３乗に比例する。すなわち、Ｉ∝Ｔ^３である。ファンの消費電流は放電電極幅の３乗に比例して急激に増加してしまう。現在、ファンの消費電流は上限値に近く、これ以上消費電流を増加させることは困難である。よって、放電電極幅を拡大させてファンの回転数を増加させることは回避したい。

本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、１パルスあたりの出力エネルギーを従来以上に増加させたとしても、レーザチャンバに設けられた光学素子の劣化を抑制することができるエキシマレーザ装置を提供することを目的としている。

以上のような目的を達成するために、
第１発明は、所望するレーザ出力以上の範囲内で、レーザチャンバに設けられた光学素子に照射するレーザビームのエネルギー密度を低下させるように、レーザビームの幅を広げるレーザビーム幅拡大手段を有することを特徴とする。

第１発明について、図４（ｂ）、図５および図６を用いて説明する。

図４（ｂ）に示すように、共振器光軸３０に対して、放電電極の軸３２を傾けることにより、従来の構成に対してゲイン領域幅Ｗ１を拡大させることができ、したがって、レーザビーム幅を拡大させることができる。

一方、放電電極の軸３２の傾き角度θが増加するに従い、レーザビームはゲイン領域内を長く通過することができなくなる。傾き角度θがあまり大きくなると、共振器内を反射往復するレーザビームはゲイン領域で有効に増幅されないことが予想される。

実験によれば、ゲインＧ０および注入光量が高ければ、傾き角度が図５に示す対角線角度θ１になるまでは、出力エネルギーをほぼ一定に保つことができるが、傾き角度がθ１を越えると出力エネルギーは急激に減少してしまう。

すなわち図６に示すように、傾き角度θが増加するにともないレーザビーム幅Ｂも単調に増加する。一方、出力エネルギーＰは、ゲインＧ０および注入光量が高ければ、対角線角度θ１まではほぼ一定であるが、対角線角度θ１を越えると、出力エネルギーＰは急激に減少する。

そこで、第１発明では、図６の知見に基づき、所望するレーザ出力以上の範囲内で、レーザチャンバに設けられた光学素子に照射するレーザビームのエネルギー密度を低下させるように、共振器光軸３０に対する放電電極の軸３２の傾き角度θを設定し、レーザビーム幅を拡大させている。たとえば出力エネルギー一定の条件でレーザビーム幅を最大に拡大するには、放電電極の軸３２の傾き角度をθ１に設定する。

第２発明は、第１発明において、前記エキシマレーザ装置はシングルチャンバであることを特徴とする。

第２発明を図４（ｂ）を用いて説明する。

図４（ｂ）において、エキシマレーザ装置はシングルチャンバ構成であり、単一のレーザチャンバ２３内の放電によりレーザが発振および増幅される。なお、共振器光軸３０を構成する光学系は図の左側および右側に配置されている。

シングルチャンバのエキシマレーザ装置においても、共振器光軸３０に対して放電電極の軸３２を傾けることにより、ゲイン領域幅Ｗ１を拡大することができる。その場合、図６の知見に基づき傾き角度θを設定し、レーザビーム幅を拡大する。

第３発明は、第１発明において、発振段レーザおよび増幅段レーザからなる２ステージレーザ装置の前記増幅段レーザに用いられていることを特徴とする。

第３発明を図４（ｂ）および図１を用いて説明する。

図４（ｂ）に示すレーザチャンバ２３は図１の増幅段レーザのレーザチャンバ２３であり、発振段レーザ１０で生成されたシード光がレーザチャンバ２３側に注入され、増幅段レーザ２０でシード光のエネルギーが増幅される。

この場合においても、共振器光軸３０に対して放電電極の軸３２を傾けることにより、ゲイン領域幅Ｗ１を拡大することができる。その場合、図６の知見に基づき傾き角度θを設定し、レーザビーム幅を拡大する。

第４発明は、第２発明または第３発明において、
前記エキシマレーザ装置は、共に平面型のリア側ミラーと出力側ミラーで構成される共振器と、前記共振器中に配置されたレーザチャンバと、前記レーザチャンバ内に互いに対向する１対の放電電極とを備え、
前記レーザビーム幅拡大手段は、前記共振器の前記リア側ミラーと前記出力側ミラーが互いに平行になるように配置して形成した共振器の軸と前記放電電極の軸のうち長手方向に平行する軸を、前記放電電極の電極幅方向に平行となる平面内で傾けることを特徴とする
第４発明について、図１２（ｂ）を用いて説明する。

第４発明では、図１２（ｂ）に示すように、チャンバ中心光軸３１を、共振器光軸３０に対して傾き角度θで傾斜させている。

図１２（ｂ）によれば、共振器光軸３０に対してチャンバ中心光軸３１を傾けたので、それと同時に放電電極２４、２５のゲイン領域も傾くため、共振器光軸３０方向から見たゲイン領域幅Ｗ１は、放電電極の長さをＬとして、近似的にＷ１＝Ｗ０＋Ｌｓｉｎθとなり、図の上下方向にＬｓｉｎθ拡大する。

ゲイン領域幅がＬｓｉｎθ拡大するため、これに伴い共振器内で発振（増幅）されるレーザビーム幅も図の上下方向に拡大される。

第５発明は、第３発明において、
前記エキシマレーザ装置は、共に平面型のリア側ミラーと出力側ミラーで構成される共振器と、前記共振器中に配置されたレーザチャンバと、前記レーザチャンバ内に互いに対向する１対の放電電極とを備え、
前記レーザビーム幅拡大手段は、前記共振器の前記リア側ミラーと前記出力側ミラーが互いに平行になるように配置して形成した共振器光軸に対して、前記発振段レーザで生成したシード光を、前記放電電極の電極幅方向に平行となる平面内で、前記増幅段レーザチャンバに傾けて注入することを特徴とする。

第５発明を図を用いて説明する。

図１４によれば、シード光が共振器光軸３０対して傾き角度θで注入され、出力側ミラー２２に到達する。リア側ミラー２１と出力側ミラー２２との距離をＭとすると、注入されたシード光は、リア側ミラー２１から出力側ミラー２２に到達する間に、紙面内縦方にＭｔａｎθシフトされる。出力側ミラー２２で反射角度θで反射されたレーザビームは、リア側ミラー２１に到達する。リア側ミラー２１に到達する間に、さらに紙面内縦方にＭｔａｎθシフトされる。次に、リア側ミラー２１により反射角度θで反射されたレーザビームは、出力側ミラー２２に到達する。

以下同様に、一定の反射角度θで共振器内の反射が繰り返えされるとともに、レーザビームは反射する毎に紙面内縦方にＭｔａｎθシフトされる。すなわち、レーザビーム幅は紙面内縦方向に拡大される。

第６発明は、第５発明において、前記レーザビーム幅拡大手段は、前記注入したシード光を、前記放電電極間のゲイン領域の略全領域を通過させる手段をさらに含むことを特徴とする。

第６発明では、図２３（ｂ）に示すように、注入されるシード光が部分領域Ｇｂを通過できるように、破線で示すシード光の位置から、図の下方にＧｍだけシフトさせて、実線で示すシード光の位置まで移動させる。

具体的には、注入光軸３５を図の下方にＧｍだけシフトするために、レーザ光案内ミラー３４のシード光の光軸の反射位置を、位置Ｋ０から位置Ｋ１に変更する。反射位置をＫ０からＫ１に変更したことにより、シード光の注入光軸３５は図の下方にＧｍだけ移動させられる。

第７発明は、第３発明において、
前記レーザビーム幅拡大手段は、前記発振段レーザで生成したシード光を、前記放電電極の軸のうち長手方向に平行する軸に対して、前記放電電極の幅方向に平行する平面内で、前記増幅段レーザチャンバに傾けて注入する手段と、
前記注入したシード光を、前記放電電極間のゲイン領域の略全領域を通過させる手段と、
前記リア側ミラーと出力側ミラーのうち一方のミラーを前記放電電極の長手方向に平行する軸に対して直交させて配置するとともに、他方のミラーで反射されたレーザ光が、前記ゲイン領域を通過するように、他方のミラーを配置する手段と
を含むことを特徴とする。

第８発明は、第７発明において、他方のミラーを配置する手段は、前記放電電極の光軸と前記放電電極の電極幅方向のいずれにも直交する方向を軸として、前記一方のミラーに対して、他方のミラーを傾斜させる手段であることを特徴とする。

第７発明および第８発明を図２４を用いて説明する。

図２４に示すように、リア側ミラー２１は、放電電極の軸３２に直交するように配置される。一方、出力側ミラー２２は、放電電極２４、２５と平行する軸を中心として傾き角度θ２で傾斜させ、出力側ミラー２２に到達したレーザ光を反射させている。

第９発明は、第３発明において、
前記レーザビーム幅拡大手段は、前記リア側ミラーと出力側ミラーの一方のミラーを前記放電電極の長手方向の軸に対して直交させて配置するとともに、
他方のミラーで反射されたレーザ光が、前記放電電極間のゲイン領域から遠ざかるように、他方のミラーを配置する手段であることを特徴とする。

第１０発明は、第９発明において、他方のミラーを配置する手段は、前記放電電極の長手方向の軸と前記放電電極の電極幅方向の軸のいずれにも直交する軸を回転中心として、前記一方のミラーに対して、他方のミラーを傾斜させる手段であることを特徴とする。

第９発明および第１０発明を図２７を用いて説明する。

図２７に示すように、実施例６では、リア側ミラー２１を、放電電極の軸３２に直交するように配置する。そして、リア側ミラー２１に対して、出力側ミラー２２を、放電電極２４、２５の放電方向を軸として傾き角度θで傾斜させ、出力側ミラー２２に到達したレーザ光を反射させる。

第１１発明は、第３発明において、前記レーザビーム幅拡大手段は、前記発振段レーザで生成したシード光を、前記放電電極の電極幅方向に広がるように、前期増幅段レーザのレーザチャンバに注入する手段であることを特徴とする。

第１１発明では、図２９に示すように、図示しない発振段レーザで生成されたシード光を、紙面内の縦方向に広がるように共振器に注入している。

図の上方に偏向するレーザビームは傾き角度θで出力側ミラー２２に到達しその後反射される。一方、図の下方に偏向するレーザビームは傾き角度θで出力側ミラー２２に到達しその後反射される。そのため、反射往復を繰り返すレーザビームのレーザビーム幅は次第に図の上下方向に拡大される。

第１２発明は、第３発明において、前記増幅段レーザの前記レーザチャンバと前記出力側ミラーとの間にビームエキスパンダを設けたことを特徴とする。

第１２発明では、図３１に示すように、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２で構成される共振器内にレーザチャンバ２３とビームエキスパンダ３６が配置されている。

本願第１発明〜第１１発明のレーザビーム幅拡大手段によれば、レーザビームのビーム幅を拡大することができる。そのため、１パルスあたりの出力が従来より高いレーザ出力であっても、レーザチャンバに設けられた光学素子に照射されるエネルギー密度を低下させることができるので、ウィンドウの劣化を抑制することができる。

なお、第６発明の場合、シード光がゲイン領域の大部分を通過できるので、ウィンドウの劣化を抑制できるとともに、放電エネルギーを有効活用することができる。

また、第７発明および第８発明の場合、ウィンドウの劣化を抑制することができるとともに、共振器内を反射往復するレーザビームがゲイン領域から外れるのを抑制できるので、放電エネルギーを有効活用することができる。

また、第１２発明によれば、ウィンドウの劣化を抑制できるとともに、出力側ミラーの劣化も同時に抑制することができる。

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。

最初に、本願発明を適用するエキシマレーザ装置の基本構造およびその動作について２ステージレーザシステムを用いて概説する。なお、本願発明は、以下の実施例に述べるように、シングルレーザチャンバのエキシマレーザ装置にも適用できる。

以下の実施例において、紙面内とは、各図において放電電極の電極幅方向に平行となる平面をいう。また、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２が互いに平行に配置される場合は、両ミラー２１、２２で形成される共振器光軸３０を紙面内横方向とし、紙面内で共振器光軸３０に直交する方向を縦方向とする。両ミラー２１、２２が互いに平行でない場合は、放電電極２４、２５の長手方向に平行する軸（放電電極の軸）３２を紙面内横方向とし、紙面内で放電電極の軸３２に直交する方向を縦方向とする。なお、本願発明における傾き角度はすべて数（ｍｒａｄ）程度の小さな角度を対象としている。傾き角度はすべて放電電極幅方向に平行となる平面における角度である。

（２ステージレーザシステム）
図１は、本発明に係る２ステージレーザシステムの概念図である。

図１において、２ステージレーザシステム１は、増幅段レーザ２０にレーザ共振器を備えたＭＯＰＯ（Master Oscillator,Power Oscillator）システムであり、発振段レーザ（ＭＯ：Master Oscillator ）１０と、発振段レーザ１０で発振されたシード光を注入して増幅してレーザ光を出力する増幅段レーザ（ＰＯ：Power Oscillator）２０とからなる。

増幅段レーザ２０は、共に平板型のリア側ミラー２１と出力側ミラー２２とからなるファブリペローエタロン型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２３が配置されている。

発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０のそれぞれのレーザチャンバ１３、２３内に設けた放電電極１４、１５および放電電極２４、２５のレーザ光軸上には、ＣａＦ_２等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって形成されたウィンドウ１７、１７および２７、２７が、それぞれ互いに平行になるように設けられている。また、ウィンドウ１７、１７、２７、２７は、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースタ角で配置されている。

発振段レーザ１０は、狭帯域化モジュール１１内のリア側ミラーと出力側ミラー１２とで構成されるレーザ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が配置されている。狭帯域化モジュール１１内には、たとえばプリズムとグレーティングが設けられ、グレーティングがミラーを兼ねる。

また、発振段レーザ１０と増幅段レーザ２０との間に、レーザ光案内部１８が設けられている。レーザ光案内部１８は、発振段レーザ１０で生成したシード光を増幅段レーザ２０に案内するため複数のレーザ光案内ミラーを備える。

図１において、放電電極１４、１５および放電電極２４、２５は、紙面内で手前と奥側に互い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間に放電が発生する。放電が発生すると放電電極１４、１５および放電電極２４、２５間のレーザガスは励起される。すなわち、放電電極１４、１５および放電電極２４、２５間の空間がゲイン領域である。レーザ光軸は放電電極１４、１５および放電電極２４、２５の長手方向に平行しており、レーザ光がゲイン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。

ＭＯＰＯシステムの場合、発振段レーザ１０では、数（ｍＪ／ｃｍ²）の平均エネルギー密度のレーザビームであるが、増幅段レーザ２０では、数１０（ｍＪ／ｃｍ²） の平均エネルギー密度のレーザビームとなる。また、レーザビーム内のエネルギー密度は均一ではなく、一般的にビームの中央部が高く、ビームの裾野が低くなるように分布している。このため、通常、ピークエネルギー密度は平均エネルギー密度の数倍になる。

ＭＯＰＯシステムが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、３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。

ここでレーザビームおよびゲインに関する用語を説明しておく。

出力側ミラーから出力されるレーザ光のスペクトルには分布があり、中央部にピークエネルギー密度を持ち、中央部から裾野に向かってエネルギー密度が低下する。本願発明でいうレーザビーム幅は、ピークエネルギー密度に対して５％以上のエネルギー密度を有する領域（幅）として定義される。また、平均エネルギー密度はレーザビーム幅内のエネルギー密度分布の平均値として定義される。

また、ゲイン領域を単位距離１（ｍｍ）通過する間にどれだけレーザビームが増幅されるかを示す値をＧ０とする。すなわちＧ０は単位距離当りのゲイン領域の増幅率である。

図４（ａ）は、従来のエキシマレーザ装置の構成を説明するための概念図である。図４（ｂ）は、実施例１の構成を説明するための概念図である。なお、説明の都合上、図４（ａ）、（ｂ）において、図１の増幅段レーザ２０と共通する部品番号を用いたが、部品番号は部品が機能上同等であることを意味しているだけで、とくに増幅段レーザ２０に限定されるものではなく、シングルチャンバのエキシマレーザ装置に適用してもよい。

図４（ａ）に示すように、従来構成のエキシマレーザ装置の場合、共振器光軸３０とレーザチャンバ内に設けた放電電極２４、２５の長手方向の軸は平行になっている。したがって、共振器光軸３０側からみた紙面内縦方向のゲイン領域幅Ｗ０は放電電極の電極幅Ｔと同じである。すなわち、発振幅はゲイン領域幅Ｗ０と同じである。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、実施例１のエキシマレーザ装置の場合、共振器光軸３０に対して、放電電極２４、２５の放電電極の軸３２が傾き角度θで傾けられる。

放電電極２４、２５の長手方向の長さをＬとすると、共振器光軸３０側からみたゲイン領域幅をＷ１とすると、近似的にＷ１＝Ｗ０＋Ｌｓｉｎθで表すことができる。すなわち、従来の構成の場合に対してゲイン領域幅をＬｓｉｎθだけ拡大させることができる。共振器光軸３０側からみたゲイン領域幅を拡大させることができるので、共振器内の発振幅を拡大することができる。

一方、放電電極の軸３２の傾き角度θが増加するに従い、レーザビームはゲイン領域内を長く通過することができなくなる。すなわち、傾き角度θがあまり大きくなると、共振器内を反射往復するレーザビームはゲイン領域で有効に増幅されないことが予想される。

実験によれば、ゲインＧ０および注入光量が高ければ、傾き角度が図５に示す放電電極２４、２５の対角線角度θ１になるまでは、出力エネルギーをほぼ一定に保つことができるが、傾き角度がθ１を越えると出力エネルギーは急激に減少してしまう。

図６は、傾き角度θとレーザビーム幅Ｂとレーザ光の出力エネルギーＰの関係を示す図である。

横軸は放電電極３２の傾き角度θであり、縦軸はレーザビーム幅Ｂ（任意）またはレーザ出力Ｐ（任意）である。なお、図４（ｂ）の構成から明らかなように、放電電極の軸３２の正負の傾き角度θに対して、レーザビーム幅とレーザ出力は対称である。

図６において、レーザビーム幅Ｂは傾き角度θとともに単調に増加する。一方、レーザ光の出力エネルギーＰは、ゲインＧ０が高く、また、シード光の注入光量が高ければ、傾き角度θがある程度増加しても変化しない。しかしながら、傾き角度θが図５に示す対角線角度θ１を越えると、レーザ光の出力エネルギーが急激に低下している。

このように、放電電極の傾き角度θをあまり大きくすると、所望するレーザ出力が得られないが、傾き角度θが対角線角度θ１より小さければ、レーザ光の出力エネルギーをほぼ一定に保ちながら、レーザビーム幅を拡大させることができる。したがって、共振器内に配置した光学素子へのレーザビームの照射面積を拡大することができる。

以上のように、実施例１では、所望するレーザ光の出力エネルギー以上の範囲内で、レーザチャンバに設けられた光学素子に照射するレーザビームのエネルギー密度を低下させるように、レーザビームの幅を拡大している。これにより、放電電極幅を変更せずに、１パルスあたりの出力エネルギーを従来以上に増加させたとしても、したがってレーザチャンバに設けられた光学素子の劣化を抑制することができる。

（計算によるシミュレーション）
ここまでは、ゲインＧ０の大きさと注入光量の大きさを考慮しなかった。以下において、さらにゲインＧ０と注入光量をパラメータとして計算したシミュレーション結果を示す。

図７は、図４（ｂ）に基づいた実施例１のシミュレーション用モデル図である。

図７において、従来の放電電極の軸３２は共振器光軸３０と平行になっている。共振器光軸３０方向からみたゲイン領域の幅Ｗ０は放電電極幅Ｔと同じ大きさである。

これに対して、本実施例では、放電電極の軸３２’は共振器光軸３０に対して傾き角度θで傾いている。共振器光軸３０方向からみたゲイン領域の幅Ｗ１は、放電電極の長手方向の長さをＬとして、近似的にＷ１＝Ｗ０＋Ｌｓｉｎθで表せる。共振器光軸３０方向からみたゲイン幅はＬｓｉｎθだけ拡大される。なお、原理上、ゲイン幅はレーザビーム幅より大きい。

図８は、ゲイン長Ｌｇに対するピークエネルギー密度およびレーザビーム幅をシミュレーションするためのモデル図である。横軸がゲイン長Ｌｇである。縦軸がゲイン領域幅Ｗであり、傾き角度θで決定される。設定したゲイン領域Ｇに対してピークエネルギー密度Ｅｐおよびレーザビーム幅Ｂをシミュレーションする。

図９は、図７のモデルを用いてゲイン長Ｌｇとレーザ光の出力エネルギーＰの関係をシミュレーションした図である。ただしゲインＧ０を小（相対値）、増幅段レーザへのシード光の注入エネルギーを小（相対値）とした。なお、放電電極幅を３（ｍｍ）とした。

図９によれば、ゲイン長Ｌｇが約３３０（ｍｍ）以下では、出力エネルギーＰは零である。また、ゲイン長Ｌｇが３３０（ｍｍ）を越えると、出力エネルギーＰは単調に増加していく。たとえばゲイン長Ｌｇが７００（ｍｍ）の場合、出力エネルギーＰは約２０（ｍＪ）となっている。すなわち、ゲイン長Ｌｇが長いほどレーザ光の出力エネルギーＰは高くなる。

図１０は、放電電極の傾き角度θとレーザビーム幅Ｂとの関係を表すシミュレーションである。ただし、図８を考慮して、放電電極の長さＬを７００（ｍｍ）、電極幅Ｔを３（ｍｍ）とした。横軸は放電電極の傾き角度θ（ｍｒａｄ）であり、縦軸はレーザビーム幅Ｂ（ｍｍ）である。

図１０によれば、Ｂ１（ゲインＧ０小、注入エネルギー小の条件）の場合、レーザビーム幅は、放電電極の傾き角度θが大きくなるほど低下している。一方、Ｂ４（ゲインＧ０大、注入エネルギー大の条件）の場合、レーザビーム幅は、放電電極の傾き角度θが大きくなるほど増加している。すなわち、図９によれば、レーザビーム幅を効率的に拡大するには、ゲインＧ０および注入エネルギーを大きくすればよい。

図１１は、傾き角度に対するピークエネルギー密度およびレーザビーム幅の関係を表すシミュレーションである。ここでは最適な条件である図１０のＢ４のパラメータ条件を用いた。横軸は放電電極の傾き角度θ（ｍｒａｄ）であり、縦軸は右側がピークエネルギー密度Ｅｐ（任意単位）、左側がレーザビーム幅Ｂ（ｍｍ）である。なお、放電電極の長さＬを７００（ｍｍ）、放電電極の電極幅Ｔを３（ｍｍ）とした。よって対角線角度θ１は４．３（ｍｒａｄ）である。

図１１によれば、レーザビーム幅Ｂは、傾き角度θが大きくなるにつれて増加し、傾き角度θが０〜５（ｍｒａｄ）の範囲では、レーザビーム幅Ｂは３（ｍｍ）から４（ｍｍ）に増加しており、レーザビーム幅Ｂの拡大率は、（４−３）／（５−０）（ｍｍ／ｍｒａｄ）＝０．２４（ｍｍ／ｍｒａｄ）である。一方、ピークエネルギー密度Ｅｐは、傾き角度θが４．３（ｍｒａｄ）になるまでは一定である。傾き角度θが４．３（ｍｒａｄ）を越えるとピークエネルギー密度は急激に低下する。すなわち、この傾き角度以上になるとゲイン領域の中心部のゲインは急激に減少する。よって、対角線角度θ１近傍がピークエネルギー密度が低下する傾き角度であることがわかる。

図１１によれば、元のレーザビーム幅３（ｍｍ）に対して、傾き角度θが４．３（ｍｒａｄ）のときのレーザビーム幅Ｂは約４（ｍｍ）である。すなわち、上記シミュレーションによれば、レーザ出力を減少させない条件で、レーザビーム幅Ｂを元のレーザビーム幅より約１（ｍｍ）拡大できることがわかった。計算上では、レーザビーム幅Ｂは３３％拡大されたことになる。

よって、たとえばレーザ光の出力エネルギーを従来に比べて３３％増加しても、ウィンドウに照射されるレーザビーム幅Ｂを従来に比べて３３％拡大できるので、ウィンドウに照射されるレーザ光のエネルギー密度を従来と同程度以下にすることが計算上では可能となる。

以上のように、ゲイン幅を拡大するとレーザビーム幅も拡大することがシミュレーションからも明らかになった。シミュレーションにより傾き角度θの具体的な数値を得ることができるので、実験を行う指針とすることができる。

実施例１では、共振器光軸３０を構成する共振器については特に言及しなかった。

実施例２は、図３の２ステージレーザシステム１の増幅段レーザ２０を想定している。

実施例2では、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２を互いに平行に配置して形成した共振器光軸に対して、放電電極の長手方向の軸を傾けている。

図１２（ａ）は、従来の増幅段レーザ２０の構成を示す図である。図１２（ｂ）は、実施例２における増幅段レーザ２０の構成を示す図である。また、図１２（ｃ）は実施例２の変形例である。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、増幅段レーザ２０に配置されたリア側ミラー２１と出力側ミラー２２は互いに平行に配置され、共振器光軸３０を形成している。

図１２（ａ）に示すように、共振器内部に配置された放電電極２４、２５の長手方向に平行な放電電極の軸３２は、共振器光軸３０と平行している。そのため、従来の増幅段レーザ２０の場合、共振器光軸３０方向からみて放電電極２４、２５の放電電極幅Ｔとゲイン領域幅Ｗ０は一致している。

これに対し、図１２（ｂ）に示すように、実施例２では、共振器光軸３０に対して、放電電極２４、２５の放電電極の軸３２を紙面内で傾き角度θで傾斜させている。このように傾斜させるためには、レーザチャンバ２３を紙面内で反時計周りに回転移動させればよい。

図１２（ｂ）によれば、共振器光軸３０に対してレーザチャンバ２３を任意に設定した回転軸を中心にして傾けたので、それと同時に放電電極２４、２５のゲイン領域も傾くため、共振器光軸３０方向から見たゲイン領域幅Ｗ１は、放電電極の長さをＬとして、近似的にＷ１＝Ｗ０＋Ｌｓｉｎθとなり、共振器光軸３０に直交する紙面内縦方向にＬｓｉｎθ拡大される。

ゲイン領域幅がＬｓｉｎθ拡大するため、これに伴い共振器内で発振（増幅）されるレーザビーム幅も共振器光軸３０に直交する紙面内縦方向に拡大される。拡大されたレーザビーム幅をＢ１とする。レーザビーム幅Ｂ１は拡大されたゲイン領域幅Ｗ１より小さい。すなわち、Ｗ１＞Ｂ１である。

以上のように、実施例２によれば、ゲイン領域幅が拡大するに応じて、レーザビーム幅も拡大するので、レーザチャンバ２３に設けたウィンドウ２７、２７に照射されるレーザビームのエネルギー密度を低下させることができる。

図１３は、実施例２における実験結果を示す図である。横軸は傾き角度θ（ｍｒａｄ）であり、縦軸はレーザビーム幅Ｂ（ｍｍ）である。

図１３によれば、レーザビーム幅Ｂの拡大率は約０．３３（ｍｍ／ｍｒａｄ）であり、上記シミュレーションの場合の拡大率０．２４（ｍｍ／ｍｒａｄ）よりやや大きい値となっている。よって実施例２では、レーザビーム幅を１（ｍｍ）拡大するには、傾き角度θを約３（ｍｒａｄ）にすればよい。

図１２（ｃ）は実施例２の変形例である。

ここでは、図１２（ｂ）の場合と異なり、レーザチャンバ２３を固定しておき、レーザチャンバ２３内の放電電極２４、２５のみを移動して、共振器光軸３０に対して放電電極の軸３２を傾き角度θだけ傾けている。

図１２（ｃ）から明らかなように、共振器光軸３０と放電電極の軸３２の位置関係に限れば、図１２（ｂ）と全く同じ位置関係である。したがって、その作用およびそれによる効果も図１２（ｂ）の場合と同じである。よって、変形例の説明については省略する。

ここまで２ステージレーザシステムの増幅段レーザを用いて実施例２を説明してきたが、実施例２の発明は、シングルレーザチャンバにも適用できる。

なお、図１２（ｂ）、（ｃ）では、レーザチャンバあるいは放電電極を、紙面内で反時計周りに回転させたが、レーザチャンバあるいは放電電極を、紙面内で時計周りに回転させてもよいことは明らかである。

以上説明したように、実施例２によれば、２ステージレーザシステムの増幅段あるいはシングルチャンバのエキシマレーザ装置において、所望するレーザ出力以上の範囲内で、ウィンドウに照射するレーザビームのエネルギー密度を低下させるように、レーザビームの幅を設定することができる。

そのため、１パルスあたりの出力エネルギーを従来以上に増加させたとしても、レーザビーム幅を拡大して、光学素子に照射されるレーザビームのエネルギー密度を低下させることができる。

これにより、１パルスあたりの出力エネルギーを従来以上に増加させたとしても、レーザチャンバに設けた光学素子が劣化するのを抑制することができる。

実施例３はシード光を用いるＭＯＰＯシステムに適用される。

（実施例３の基本原理とシミュレーション）
以下に実施例３の基本原理とシミュレーション結果を説明する。

図１４は、実施例３における共振器内のレーザビームが反射毎にシフトする様子を説明するための概念図である。

増幅段レーザ２０に配置されたリア側ミラー２１と出力側ミラー２２は互いに平行に配置され、共振器光軸３０を形成している。放電電極の軸３２は共振器光軸３０に平行している。

上記構成において、シード光が共振器光軸３０に対して傾き角度θで注入され、出力側ミラー２２に到達する（１パス目という）。リア側ミラー２１と出力側ミラー２２との距離をＭとすると、注入されたシード光は、リア側ミラー２１から出力側ミラー２２に到達する間に、図の上方にＭｔａｎθシフトされる。出力側ミラー２２で反射角度θで反射されたレーザビームは、リア側ミラー２１に到達する。リア側ミラー２１に到達する間に、さらに図の上方にＭｔａｎθシフトされる。次に、リア側ミラー２１により反射角度θで反射されたレーザビームは、出力側ミラー２２に到達する（２パス目という）。以下同様に、一定の反射角度θで共振器内の反射が繰り返えされるとともに、レーザビームは反射する毎に図の上方にＭｔａｎθシフトされる。

図１５は、実施例３におけるレーザビームの拡大の様子をさらに説明するための概念図である。

図１５において、中央の斜線部は放電電極２４、２５のゲイン領域Ｇである。リア側ミラー２１から注入されたシード光（レーザビーム）は、共振器光軸３０に対する傾き角度θで、ゲイン領域Ｇの大半を通過し出力側ミラー２２に到達する（１パス目）。１パス目のレーザビームは、注入されたレーザビームに対して、図の上方にＭｔａｎθシフトされる。

出力側ミラー２２に到達したレーザビームの一部は、１パス目の出力エネルギーＰ１として、出力側ミラー２２を通過して矢印方向Ｅに出射される。１パス目のレーザビームのイメージを領域Ｇ１で示す。

出力側ミラー２２に到達したレーザビームの大部分は、反射角度θで反射され、再びゲイン領域Ｇを通過し、増幅されてリア側ミラー２１に到達する。リア側ミラー２１に到達したレーザビームは、反射角度θで反射され、再びゲイン領域Ｇを通過し、増幅されて出力側ミラー２２に到達する（２パス目）。２パス目のレーザビームは、注入されたレーザビームに対して図の上方に３Mｔａｎθシフトされる。

出力側ミラー２２に到達したレーザビームの一部は、２パス目の出力エネルギーＰ２として、出力側ミラー２２を通過して矢印方向Ｅに出射される。２パス目のレーザビームのイメージを領域Ｇ２で示す。

次に、出力側ミラー２２に到達したレーザビームの大部分は、反射角度θで反射され、再びゲイン領域Ｇを通過し、増幅されてリア側ミラー２１に到達する。リア側ミラー２１に到達したレーザビームは、傾き角度θで反射され、再びゲイン領域Ｇを通過し、増幅されて出力側ミラー２２に到達する（３パス目）。３パス目のレーザビームは、注入されたレーザビームに対して図の上方に５Mｔａｎθシフトされる。

出力側ミラー２２に到達したレーザビームの一部は、３パス目の出力エネルギーＰ３として、出力側ミラー２２を通過して矢印方向Ｅに出射される。３パス目のレーザビームのイメージを領域Ｇ３で示す。以下同様のことが繰り返される。

図１６は、図１５で説明したレーザビームの反射往復の態様を示す図である。

図１６において、１パス目のレーザビームはゲイン領域Ｇで増幅され出力側ミラー２２に到達する。すなわち、１パス目のレーザビームはゲイン領域Ｇを１回通過する。２パス目のレーザビームはゲイン領域Ｇを３回通過する。３パス目のレーザビームはゲイン領域Ｇを５回通過する。

図１６の下部には、レーザビームがゲイン領域Ｇを複数回通過したときのレーザビームの増幅率を表すゲインＧｐを示した。

ゲインＧｐは、レーザビームがゲイン領域Ｇを通過する間に増幅される増加率を表すもので、レーザビームがゲイン領域をどのように通過するかで決定される。ゲインＧｐが大きいほど増幅率が高くなりレーザ光は高出力となる。また、レーザビームがゲイン領域Ｇから外れる（ゲイン領域Ｇを通過する経路が短い）ほどゲインＧｐは小さくなる。そこでシミュレーションでは、ゲインＧｐが０．３５以上になる位置をピークエネルギー密度が５％以上になる位置と仮定した。すなわち、ゲインＧｐが０．３５以上の範囲（幅）がレーザビーム幅に対応する。

図１７は、２パス目のレーザビームがゲイン領域から外れる場合のモデル図である。

図１７において、レーザチャンバ２３に傾き角度θで注入されたシード光は、斜線部のゲイン領域Ｇを通過して出力側ミラー２２に到達し反射される。この間にレーザビームがゲイン領域を通過するゲイン長をＬｇ１とする。反射したレーザビームは、ゲイン領域を通過してリア側ミラー２１に到達し反射される。この間にレーザビームがゲイン領域を通過するゲイン長をＬｇ２とする。反射したレーザビームはゲイン領域を通過して出力側ミラー２２に到達し反射される。この間にレーザビームがゲイン領域を通過するゲイン長をＬｇ３とする。３パス目以後は、反射されたレーザビームはもはやゲイン領域を通過することがなく、増幅されることはない。ゲイン領域でない空間をレーザビームのロス領域という。ロス領域ではレーザ光のエネルギーはロスするのみである。ゲイン長Ｌｇ１、Ｌｇ２、Ｌｇ３は傾き角度θをパラメータとして決定できる。

ここで、単位長さあたりのエネルギーのロスは一定とした。そのため、１パスにおける吸収長Ｌａは共振器長と同じである。

図１８は、代表的なパラメータに基づいてシミュレーションした結果を整理したものである。

図１８では、ゲインＧ０を小、注入エネルギーを中としている。図によれば、１パス目のゲインＧｐは２．１６であり、２パス目のゲインＧｐは２．７１であり、３パス目のゲインＧｐは３．４１となっており、出力ゲインＧｐは５．７９である。入力２（ｍＪ）に対して出力は１１．６（ｍＪ）と増加する。

図１９は、図１７のモデル図を用いて計算した１パス目、２パス目および３パス目のゲインＧｐを示す図である。横軸はゲイン領域幅方向の位置Ｓ（ｍｍ）であり、縦軸は各パスのゲインＧｐ（数値）である。

図１９に示すように、１パス目および２パス目はゲインが高いが、３パス目はロスが大きいためにゲインは減少している。パスを繰り返す毎にレーザビームがゲイン領域幅の正の方向にシフトしていることがわかる。すなわち、レーザビーム幅は拡大している。

図２０は、図１７のモデル図におけるすべてのパスのゲインＧｐを積分した結果である。

図の横軸はゲイン領域幅方向の位置Ｓ（ｍｍ）であり、縦軸は総ゲインＧｓ（数値）である。なお、シード光の傾き角度を０．６（ｍｒａｄ）とし、放電電極の幅を３（ｍｍ）、吸収長を９８２（ｍｍ）、ゲイン長Ｌｇを５２５（ｍｍ）とした。従来のゲイン領域幅を−３〜０（ｍｍ）の間としている。

総ゲインＧｓは出力レーザのスペクトルと同じ形状である。図１９によれば、ゲインが０．３５以上の範囲は−２．８４〜０．８１（ｍｍ）となる。すなわち、レーザビーム幅は３．６５（ｍｍ）となり、元のゲイン領域幅３（ｍｍ）より０．６５（ｍｍ）拡大している。

以上、図１４〜図２０によれば、増幅段レーザ２０にシード光を傾けて注入することにより、レーザビームの幅を拡大できることが予想される。シード光の注入角度θは正でも負でも取ることができる。
（実施例３）
図２１（ａ）は従来の増幅段レーザ２０の構成である。図２１（ｂ）は実施例２の増幅段レーザ２０の構成の図である。

図２１（ａ）の場合、増幅段レーザ２０に配置されたリア側ミラー２１と出力側ミラー２２は互いに平行に配置され、共振器光軸３０を形成している。

また、図示しない発振段レーザで生成したシード光が、レーザ光案内部１８のレーザ光案内ミラー３４により案内され、放電電極の軸３２と平行するように、増幅段レーザチャンバ２３に注入される。すなわちシード光の注入光軸３５は共振器光軸３０に平行している。

これに対し、実施例４の場合、図２１（ｂ）に示すように、増幅段レーザ２０の共振器光軸３０に対して、シード光の注入光軸３５が注入角度θ（＞０）を持つように、シード光が注入される。シード光の注入光軸３５を傾けるには、レーザ光案内ミラー３４を、放電電極２４、２５の放電方向と平行する軸を中心にして反時計周り（図の矢印方向Ｄ）に回転すればよい。

図２２は、実施例３における実験結果を示す図である。横軸はシード光の注入角度θであり、縦軸はレーザビーム幅Ｂ（ｍｍ）である。

図２２によれば、注入角度θを負側に変化させたとき、レーザビーム幅の拡大率は約０．６７（ｍｍ／ｍｒａｄ）となることがわかる。よって、たとえば傾き角度を０．６（ｍｒａｄ）とした場合、レーザビーム幅Ｗを約０．４（ｍｍ）拡大させることができる。

以上のように、実施例３によれば、発振段レーザで生成したシード光を、共振器光軸３０に対して角度を有して増幅段レーザ２０に注入することにより、レーザビームの幅を拡大することができる。

よって、１パルスあたりの出力エネルギーを従来以上に増加させたとしても、増幅段レーザチャンバのウィンドウに照射されるレーザビームのエネルギー密度を低下することができるので、増幅段レーザチャンバに設けたウィンドウの劣化を抑制することができる。

なお、図２１（ｂ）ではレーザ光案内ミラー３５を反時計周りに回転させたが、レーザ光案内ミラー３５を時計周りに回転させてもよい。

実施例３の場合、出力側ミラー２２から出力されるレーザ光は、共振器光軸３０に対して傾き角度θだけ傾いているが、エキシマレーザ装置のレーザ光出口に到達する間に傾き角度を補正することができる。

実施例４は、シード光を用いるＭＯＰＯシステムに適用される。

図２３（ａ）は実施例３の図２１（ｂ）に対応する図である。また、図２３（ｂ）は実施例４の増幅段レーザの構成図である。

図２３（ａ）では、レーザ光案内ミラー３４を調節して、シード光の注入光軸３５を共振器光軸３０に対して傾き角度θで傾けている。なお、シード光の注入光軸３５がレーザ光案内ミラー３４で反射される位置をＫ０とする。図２３（ａ）の場合、注入されたシード光は１パス目で斜線部のゲイン領域Ｇの大半を通過するが、ゲイン領域Ｇのうち１パス目のシード光が通過しない部分領域Ｇｂは、その後反射往復するレーザ光が通過することはなく、部分領域Ｇｂの放電エネルギーをレーザ光の増幅（発振）に役立てることができない。部分領域Ｇｂの紙面内共振器光軸３０に直交する縦方向の最大長さをＧｍとする。

そこで実施例４では、図２３（ｂ）に示すように、注入されるシード光が部分領域Ｇｂを通過できるように、破線で示すシード光の位置から、図の下方にＧｍだけシフトさせて、実線で示すシード光の位置まで移動させる。

具体的には、注入光軸３５を図の下方にＧｍだけシフトするために、レーザ光案内ミラー３４のシード光の光軸の反射位置を、位置Ｋ０から位置Ｋ１に変更する。反射位置をＫ０からＫ１に変更したことにより、シード光の注入光軸３５は図の下方にＧｍだけ移動させられる。変更後のシード光の注入光軸を３５’とした。

計算によれば、例えばシード光の傾き角度を０．６（ｍｒａｄ）とした場合、Ｇｍは０．４３（ｍｍ）である。よって、この場合、注入光軸３５を図の下方に０．４３（ｍｍ）移動させればよい。図の下方に０．４３（ｍｍ）だけ移動するためのレーザ光案内ミラー３４の反射位置Ｋ１は、実験により適宜求めることができる。

以上のように、実施例４によれば、シード光の注入光軸３５を図の下方に所定距離シフトさせることにより、レーザ光をすべてのゲイン領域Ｇを通過させることができるので、ゲイン領域Ｇ全体の放電エネルギーをレーザ光の増幅に使用することができる。

これにより、実施例３の効果が得られるとともに、実施例３に比べて放電エネルギーをより活用できる効果が得られる。

実施例５は、シード光を用いるＭＯＰＯシステムに適用される。

実施例４の図２３（ｂ）の場合、ゲイン領域Ｇ全体が有効活用される。しかしながら、出力側ミラー２２に到達したレーザビームは、出力側ミラー２２がリア側ミラー２１と互いに平行に配置されているため、注入角度θと同じ大きさの反射角度θで反射される。そのため、共振器内で反射往復を繰り返したレーザビームは、次第にゲイン領域Ｇから外れる方向（図の上方）にシフトする。すなわち、反射回数が大きくなるとレーザビームはゲイン領域Ｇで有効に増幅されなくなる。

そこで実施例５では、ゲイン領域全体を有効活用できる構成にするとともに、共振器内を反射往復するレーザビームがゲイン領域Ｇから外れるのを抑制する構成としている。

図２４は、実施例５を説明するための概念図である。

図２４の場合、図２３（ｂ）と同様に、シード光の注入光軸３５は、放電電極の軸３２に対して傾き角度θになるように配置される。また、ゲイン全体を有効活用できるように注入光軸３５の位置が最適化されている。

図２３（ｂ）と異なるところは、共振器を構成するリア側ミラー２１および出力側ミラー２２の配置である。

図２４に示すように、リア側ミラー２１は、放電電極の軸３２に直交するように配置される。一方、出力側ミラー２２は、放電電極２４、２５と平行する軸を中心として傾き角度θ２で傾斜させ、出力側ミラー２２に到達したレーザ光を反射させる。このような構成にすることにより、共振器内で反射往復したレーザビームが、図の上部の破線領域で示したレーザビームがシフトした領域に移動するのを抑制することができる。

なお、注入光軸３５の傾き角度θが正であれば、出力側ミラー２２を反時計周りに回転させる。また、注入光軸３５の傾き角度θが負であれば、出力側ミラー２２を時計周りに回転させる。

図２５は、出力側ミラー２２近傍の拡大図である。

出力側ミラー２２に入射する放電電極の軸３２に対するシード光の注入角度をθ（＞０）、出力側ミラー２２の傾き角度をθ２（＞０）、出力側ミラー２２で反射されるレーザビームの放電電極の軸３２に対する反射角度をθ３（＞０）とすると、θ３＝θ−θ２である。すなわち、実施例５では、出力側ミラー２２に入射する注入角度θより、反射する反射角度θ３をかならず小さくしている。すなわち実施例４の傾けた場合の反射レーザビームＺ１は、傾けない場合の反射レーザビームＺ０より、低角度で反射される。したがって、反射後のレーザビームは、図の上方にシフトするシフト量が抑制される。

しかしながら、傾き角度θ２をあまり大きくして傾き角度θ３を小さくしてしまうと、共振器を反射往復して形成されるレーザビーム幅を拡大することができなくなる。よって実験により最適な傾斜角度θ２を求めておく必要がある。

実験によれば、シード光の傾き角度を０．６（ｍｒａｄ）としたとき、出力側ミラー２２の傾き角度θ２を０．０４（ｍｒａｄ）にするのが最適であることがわかった。

上記設定の場合、出力側ミラー２２で反射されるシード光の反射角度は０．５６（ｍｒａｄ）となる（ここまでが１パス目）。反射されたレーザ光はリア側ミラー２１で入射角度と同じ角度、すなわち０．５６（ｍｒａｄ）の反射角度で反射され、再び出力側ミラー２２に入射する。傾き角度０．５６（ｍｒａｄ）で出力側ミラー２２に入射したレーザ光は、出力側ミラー２２の傾き角度θ１を差し引いた傾き角度、すなわち傾き角度０．５２（ｍｒａｄ）で反射される（２パス目）。以下同様に、出力側ミラー２２で反射される毎に、レーザ光の反射角度は０．０４（ｍｒａｄ）ずつ減少していく。それに伴い、レーザビームが反射往復する毎に図の上方にシフトするシフト量も減少することになる。

図２６は、実施例５における実験結果と図１の従来条件および新規条件の実験結果とを比較した図である。

図１でも説明したように、新規条件の場合、出力エネルギーを１５（ｍＪ）としている。そのとき、ウィンドウに照射される平均エネルギー密度は４２．３（ｍJ／ｃｍ^２）、ピークエネルギー密度は１１４．２（ｍJ／ｃｍ^２）であり、ウィンドウの寿命1（Bｐｌｓ）発振である。出力されるレーザビーム幅は０．３３（ｃｍ）である。

これに対して、実施例５を適用した本願発明では、レーザビーム幅を０．４２（ｃｍ）まで拡大させている。ビーム拡大率は１．２７である。そのため、本願発明では、ウィンドウに照射される平均エネルギー密度を３３．２（ｍJ／ｃｍ^２）、ピークエネルギー密度を８９．７（ｍJ／ｃｍ^２）とすることができた。これらの値は図１における従来条件の平均エネルギー密度およびピークエネルギー密度と同等である。その結果、ウィンドウの寿命を従来と同じ１４（Ｂｐｌｓ）までもたせることができた。

なお、図２４では出力側ミラー２２を傾斜させたが、出力側ミラー２２を放電電極の軸３２に対して直交させて配置し、リア側ミラー２１を傾斜させてもよい。その場合、放電電極の軸３２に対して所定の注入角度θで注入されたシード光が、出力側ミラー２２で最初に反射されるときの放電電極の軸３２に対する反射角度が変わらないことを除けば、その後のレーザビームの反射角度の変化は図２３の場合と全く同じである。

以上のように、実施例５によれば、レーザビーム幅を拡大することができるとともに、ゲイン領域でレーザ光を往復させることができるので、ゲイン領域の放電エネルギーを有効活用することができる。

なお、図２４では放電電極の軸３２を紙面内横方向としたが、変形例として、図２４において、さらに放電電極の軸３２を紙面内で回転させてもよい。

その場合、出力側ミラー２２で反射されたレーザ光がゲイン領域Ｇから外れないように放電電極の軸３２を傾ける。すなわち、放電電極の軸３２を時計周りに回転させる。こうすることにより、出力側ミラー２２で反射されたレーザ光がゲイン領域から外れるのを抑制することができる。したがって、図２３の場合よりさらに放電エネルギーを有効活用することが可能になる。

実施例６は、ＭＯＰＯシステムおよびシングルエキシマレーザ装置に適用される。

図２７は、実施例６を説明するための概念図である。

図２７に示すように、実施例６では、リア側ミラー２１を、放電電極の軸３２に直交するように配置する。そして、リア側ミラー２１に対して、出力側ミラー２２を、放電電極２４、２５の放電方向を軸として傾き角度θで傾斜させ、出力側ミラー２２に到達したレーザ光を反射させる。

なお、図２７では、出力側ミラー２２を時計周りに回転させて傾き角度θを持たせているが、本実施例では、出力側ミラー２２を反時計周りに回転させ傾き角度θを持たせてもよい。

図２８は、実施例６における共振器内のレーザビームの反射態様を説明するための概念図である。

放電電極の軸３２方向に注入されたシード光は、そのまま出力側ミラー２２に到達する（１パス目）。出力側ミラー２２が傾き角度θで傾斜しているので、傾き角度θの大きさの反射角度θで反射される。リア側ミラー２１と出力側ミラー２２の距離をＭとすると、ここで反射されたレーザビームは、リア側ミラー２１に到達するまでに図の上方にＭｔａｎθシフトされる。リア側ミラー２１で反射されたレーザビームは、さらに図の上方にＭｔａｎθシフトされて出力側ミラー２２に到達する（２パス目）。出力側ミラー２２が傾き角度θで傾斜しているので、反射角度θで入射したレーザビームは、反射角度２θで反射される。反射されたレーザビームは、リア側ミラー２１に到達するまでに図の上方にＭｔａｎ２θシフトされる。リア側ミラー２１で反射されたレーザビームは、さらに図の上方にＭｔａｎ２θシフトされて出力側ミラー２２に到達する（３パス目）。以下、出力側ミラー２２で反射される毎に、反射角度をθだけ増加させ、同時にシフト量を増加させていく。すなわち、１パス目、２パス目、３パス目等、パスの回数が増加するほどレーザビームは図の上方にシフトされる。すなわち、実施例６においてもレーザビーム幅は図の上方に拡大される。

以上のように、実施例６によれば、出力側ミラー２２から出力されるレーザビームの幅を拡大することができる。よって、共振器内のレーザチャンバに設けたウィンドウに照射されるレーザビームのエネルギー密度を低下させることができ、ウィンドウが劣化するのを抑制することができる。

実施例７は、シード光を用いるＭＯＰＯシステムに適用される。

図２９は、実施例７を説明するための概念図である。

図２９に示すように、実施例７の場合、図示しない発振段レーザで生成されたシード光を、図の紙面内上下方向の広がり角度を有して共振器に注入している。広がり角度は、共振器光軸３０に平行する光線に対して図の上下方向に偏向する角度であり、図の場合、共振器光軸３０に対する図の上下方向の傾き角度θ、θの合計角度２θが広がり角度である。

図２９によれば、図の上方に偏向するレーザビームは傾き角度θで出力側ミラー２２に到達しその後反射される。一方、図の下方に偏向するレーザビームは傾き角度θで出力側ミラー２２に到達しその後反射される。

さて、上記２つのレーザビームのその後の反射形態は、実施例３の、共振器光軸３０に対してシード光を傾き角度θでレーザチャンバ２３に注入する場合と全く同じである。すなわち、図の上方に偏向したレーザビームは図の上方にレーザビーム幅を拡大する。同様に、図の下方に偏向したレーザビームは図の下方にレーザビーム幅を拡大する。

以上のように、実施例７によれば、共振器内を反射往復するレーザビームの幅を拡大することができる。よって、共振器内のレーザチャンバに設けたウィンドウに照射されるレーザビームのエネルギー密度を低下させることができ、ウィンドウが劣化するのを抑制することができる。

以上の実施例では、共振器を構成するリア側ミラーと出力側ミラーはともに平面型であった。本願発明の場合、共振器を構成するミラーは必ずしも平面型でなくてもよい。

図３０（ａ）〜（ｄ）は、実施例７を説明するための概念図である。

図３０（ａ）は、共焦点型ミラー配置の場合であり、同形の凹面鏡であるリア側ミラー２１と出力側ミラー２２は、共焦点を持つように互いの凹面が対向するように配置される。

図３０（ｂ）は、半共焦点型ミラー配置とした場合であり、凹面鏡である出力側ミラー２２は、リア側ミラー２１に凹面が対向するように配置され、出力側ミラー２２の焦点はリア側ミラー２１の面上に設定される。

図３０（ｃ）は、半径型ミラー配置の場合である。すなわち、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２は、互いに半径を共有する面が対向するように配置される。当然ながら、各ミラーの焦点は半径中心である。

図３０（ｄ）は、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２をともに三角プリズムとした場合である。

以上のような共振器構成を用いても、共振器内でレーザビームを反射往復させることにより、レーザビームの幅を拡大することができる。

なお、実施例８は、ＭＯＰＯシステムおよびシングルチャンバレーザ装置のいずれにも適用可能である。

さて、レーザビーム幅を拡大する技術と公知技術のビームエキスパンダ（ＢＥＸ）技術とを組み合わせることにより、出力側ミラー２２に照射されるエネルギー密度をさらに低下させることもできる。以下にその実施例を示す。

図３１は、実施例９を説明するための概念図である。なお、図ではＭＯＰＯシステムの増幅段レーザで説明するが、シングルチャンバにおいても同様に適用できる。

図３１において、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２で構成される共振器内にレーザチャンバ２３とビームエキスパンダ３６が配置されている。共振器内で反射増幅されるレーザビームは、実施例１〜８で説明した技術によりレーザビーム幅を拡大される。

ビームエキスパンダ３６は、楔型の透過性のある光学部品３７、３７がレーザ光軸上に配置されており、レーザ光を拡大することができる。

実施例９によれば、レーザチャンバ２３側のウィンドウ２７、２７に照射されるレーザビームの幅を拡大できるとともに、出力側ミラー２２に照射されるレーザビームの幅をビームエキスパンダ３６で拡大することができる。

そのため、出力側ミラー２２に照射されるレーザ光のエネルギー密度を低下させることができるので、高い出力エネルギーが出力側ミラー２２から出力されても、出力側ミラー２２の劣化を抑制することができる。

上記ＭＯＰＯシステムでは、発振段レーザ１０で生成したシード光は、すべてリア側ミラー２１の裏面から注入していた。この方式を裏面注入方式という。本願発明では、シード光の注入方式を裏面注入方式に限ることなく、他の注入方式を適用することができる。

図３２（ａ）〜（ｃ）は、代表的な注入方式を説明するための概念図である。

図３２（ａ）は、裏面注入方式であり、発振段レーザ１０で生成されたシード光は、レーザ光案内ミラー３４、３４により案内され、リア側ミラー２１の裏面（図の左側）から増幅段レーザ２０に注入される。

図３２（ｂ）は、サイド注入方式であり、発振段レーザ１０で生成されたシード光は、レーザ光案内ミラー３４、３４により案内され、リア側ミラー２１を介さずに、直接レーザチャンバ２３に注入される。よって、サイド注入方式の場合、リア側ミラー２１を全反射タイプにすることができ、共振器内のレーザエネルギーを効率よく増幅することができる。

図３２（ｃ）は、前注入方式であり、発振段レーザ１０で生成されたシード光は、レーザ光路変換ミラー３５、３５により出力側ミラー２２近傍に案内され、直接レーザチャンバ２３に注入される。よって、前注入方式の場合、リア側ミラー２１を全反射タイプにすることができ、共振器内のレーザエネルギーを効率よく増幅することができる。

たとえば、サイド注入方式と前注入方式の場合、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２を平行にしておき、シード光を共振器光軸に対してシード光を傾けて注入するのに適している。なお、その場合、両ミラー２１、２２の反射角度を調整して、共振器内のレーザビームの幅が最適になるようにしてもよい。

なお、以上の実施例においては、放電電極幅を変更せずに、ゲイン領域幅を拡大することによりレーザビーム幅を拡大していた。場合によっては、放電電極幅を拡大してゲイン領域幅を拡大することにより、結果的にレーザビーム幅を拡大するようにしてもよい。

本発明のエキシマレーザ装置は、大出力を伴う微細加工用のレーザ源として、半導体製造に限られずあらゆる分野に応用できる。

本発明に係る２ステージレーザシステムの概念図である。 ＭＯＰＯレーザシステムにおける出力エネルギーと光学素子の寿命の関係を示す実験結果である。 放電電極幅を拡大した場合の概念図である。 （ａ）は、従来のエキシマレーザ装置の構成を説明するための概念図である。（ｂ）は、実施例１の構成を説明するための概念図である。 放電電極の長手方向の長さＬと放電電極幅Ｔで決定される対角線角度θ１を示す図である。 傾き角度θとレーザビーム幅Ｂとレーザ光の出力エネルギーＰの関係を示す図である。 実施例１のシミュレーション用モデル図である。 ゲイン長Ｌｇに対するピークエネルギー密度およびレーザビーム幅をシミュレーションするためのモデル図である。 図８のモデルを用いてゲイン長Ｌｇとレーザ光の出力エネルギーＰの関係をシミュレーションした図である。 放電電極の傾き角度θとレーザビーム幅Ｂとの関係を表すシミュレーションである。 傾き角度に対するピークエネルギー密度およびレーザビーム幅の関係を表すシミュレーションである。 （ａ）は、従来の増幅段レーザ２０の構成を示す図である。（ｂ）は、実施例２における増幅段レーザ２０の構成を示す図である。（ｃ）は実施例２の変形例である。 実施例２における実験結果を示す図である。 実施例３における共振器内のレーザビームが反射毎にシフトする様子を説明するための概念図である。 実施例３におけるレーザビームの拡大の様子をさらに説明するための概念図である。 図１５で説明したレーザビームの反射往復の態様を示す図である。 ２パス目のレーザビームがゲイン領域から外れる場合のモデル図である。 代表的なパラメータに基づいてシミュレーションした結果を整理したものである。 図１７のモデル図を用いて計算した１パス目、２パス目および３パス目のゲインＧｐを示す図である。 図１７のモデル図におけるすべてのパスのゲインＧｐを積分した結果である。 （ａ）は従来の増幅段レーザ２０の構成である。（ｂ）は実施例２の増幅段レーザ２０の構成の図である。 実施例３における実験結果を示す図である。 （ａ）は実施例３の図２２（ｂ）に対応する図である。（ｂ）は実施例４の増幅段レーザの構成図である。 実施例５を説明するための概念図である。 出力側ミラー２２近傍の拡大図である。 実施例５における実験結果と図１の従来条件および新規条件の実験結果とを比較した図である。 実施例６を説明するための概念図である。 実施例６における共振器内のレーザビームの反射態様を説明するための概念図である。 実施例７を説明するための概念図である。 （ａ）は、共焦点型ミラー配置の場合の図であり、（ｂ）は、半共焦点型ミラー配置とした場合の図であり、（ｃ）は、半径型ミラー配置の場合の図であり、（ｄ）は、リア側ミラー２１と出力側ミラー２２をともに三角プリズムとした場合の図である。 実施例９を説明するための概念図である。 （ａ）は、裏面注入方式を説明する図であり、（ｂ）は、サイド注入方式を説明する図であり、（ｃ）は、前注入方式を説明する図である。

符号の説明

Ｅｐ ピークエネルギー密度
Ｇ ゲイン領域
Ｌ 放電電極の長さ
Ｍ リア側ミラーと出力側ミラーとの距離
θ 傾き角度（反射角度）
ＭＯＰＯ Master Oscillator, Power Oscillator
１０ 発振段レーザ
２０ 増幅段レーザ
２１ リア側ミラー
２２ 出力側ミラー
２３ レーザチャンバ
２４、２５ 放電電極
３０ 共振器光軸
３２ 放電電極の軸
３４ レーザ光案内ミラー
３５ 注入光軸

Claims (1)

1. 発振段レーザおよび増幅段レーザからなる２ステージレーザ装置であって、
   前記増幅段レーザは、
   共に平面型のリア側ミラーと出力側ミラーで構成される共振器であって、前記発振段レーザで生成されるシード光を透過して前記増幅段レーザの当該共振器内に注入するリア側ミラーを備えた共振器と、
   前記共振器中に配置されたレーザチャンバと、
   前記レーザチャンバ内に互いに対向する１対の放電電極と
   を備え、
   所望するレーザ出力以上の範囲内で、前記レーザチャンバに設けられた光学素子に照射するレーザビームのエネルギー密度を低下させるように、前記放電電極の電極幅方向に平行となる平面内で拡がるレーザビームの幅を広げるレーザビーム幅拡大手段が備えられ、
   前記レーザビーム幅拡大手段は、
   前記共振器の前記リア側ミラーと前記出力側ミラーが互いに平行になるように配置して形成した共振器光軸に対して、前記発振段レーザで生成したシード光が、前記放電電極の電極幅方向に平行となる平面内で、所定の傾き角度で、前記増幅段レーザチャンバに傾けて注入するものであって、
   かつ、前記レーザチャンバの外部へ出力されるレーザビームの幅を前記放電電極の電極幅よりも大きくし、
   前記レーザビーム幅拡大手段は、さらに前記注入したシード光を、前記放電電極間のゲイン領域の略全領域を通過させること
   を特徴とするエキシマレーザ装置。

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