JP6920354B2 - レーザシステム - Google Patents

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Description

本開示は、レーザシステムに関する。
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用レーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３．４ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけ上の波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には、狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール（Line Narrowing Module）が設けられている。この狭帯域化モジュールによりスペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。狭帯域化素子は、エタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル線幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
また、レーザ装置には、露光装置の光学系に与えるダメージが小さくなるように、レーザ光のパルス幅を伸長する光学パルスストレッチャが用いられる。光学パルスストレッチャは、レーザ装置から出力されるレーザ光に含まれる各パルス光を、時間差を有する複数のパルス光に分解することにより、各パルス光のピークパワーレベルを下げる。
特開２０１１−１７６３５８号公報 特許第２７６０１５９号公報 特開平１１−３１２６３１号公報 特開２０１２−１５６５３１号公報 特開平３−２１５９３０号公報 特開２０１２−２０４８１９号公報 特開２０１１−１９２８４９号公報
概要
本開示の１つの観点に係るレーザシステムは、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．パルスレーザ光のパルス幅を伸長するための遅延光路を含む光学パルスストレッチャ；及び
Ｃ．遅延光路内に含まれ、パルスレーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる機能を含む位相光学素子。
本開示の他の１つの観点に係るレーザシステムは、以下を備える：
レーザシステムであって、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；
Ｂ．光共振器を含み、レーザ装置から出力されるパルスレーザ光を増幅する増幅器；及び
Ｃ．光共振器の光路内に含まれ、パルスレーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる機能を含む第１の位相光学素子。
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、比較例に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。 図２は、ビームスプリッタ及び第１〜第４の凹面ミラーの位置関係を説明する図である。 図３は、ＯＰＳからの出力光について説明する図である。 図４は、パルスレーザ光を時間的及び空間的に分解するＯＰＳの構成を示す図である。 図５は、伸長パルスレーザ光の放電空間内への入射光路を説明する図である。 図６は、増幅器の入射側にランダム位相板を配置したレーザシステムの構成を示す図である。 図７は、第１の実施形態に係るレーザシステムの構成を示す図である。 図８は、ランダム位相板の構成を示す斜視図である。 図９は、ランダム位相板の構成を示す断面図である。 図１０は、ランダム位相板の第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図１１は、ランダム位相板の第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図１２は、第２の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳの構成を示す図である。 図１３は、空間的ランダム位相シフト機能を含む凹面ミラーの構成を示す断面図である。 図１４は、凹面ミラーの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図１５は、凹面ミラーの第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図１６は、第３の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳの構成を示す図である。 図１７は、空間的ランダム位相シフト機能を含むビームスプリッタの構成を示す断面図である。 図１８は、ビームスプリッタの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図１９は、ビームスプリッタの第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図２０は、第４の実施形態に係るレーザシステムの構成を示す図である。 図２１は、第５の実施形態に係るレーザシステムの構成を示す図である。 図２２は、第６の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器の構成を示す図である。 図２３は、空間的ランダム位相シフト機能を含むウィンドウの変形例を示す断面図である。 図２４は、リング共振器を含む増幅器の変形例を示す図である。 図２５は、第７の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器の構成を示す図である。 図２６は、空間的ランダム位相シフト機能を含むリアミラーの構成を示す断面図である。 図２７は、リアミラーの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図２８は、リアミラーの第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図２９は、第８の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器の構成を示す図である。 図３０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む出力結合ミラーの構成を示す断面図である。 図３１は、出力結合ミラーの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図３２は、出力結合ミラーの第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図３３は、第９の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器の構成を示す図である。 図３４は、空間的ランダム位相シフト機能を含む高反射ミラーの構成を示す断面図である。 図３５は、高反射ミラーの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図３６は、高反射ミラーの第２の変形例に係る構成を示す断面図である。 図３７は、第１０の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器の構成を示す図である。 図３８は、空間的ランダム位相シフト機能を含む出力結合ミラーの構成を示す断面図である。 図３９は、出力結合ミラーの第１の変形例に係る構成を示す断面図である。 図４０は、出力結合ミラーの第２の変形例に係る構成を示す断面図である 図４１は、リング共振器の変形例を示す図である。
実施形態
＜内容＞
１．比較例
１．１ 構成
１．２ 動作
１．３ パルス幅の定義
１．４ 課題
１．４．１ 空間分解による可干渉性の低下
１．４．２ ランダム位相板による可干渉性の低下
２．第１の実施形態
２．１ 構成
２．２ 動作
２．３ 効果
２．４ 変形例
３．第２の実施形態
３．１ 構成
３．２ 動作
３．３ 効果
３．４ 変形例
４．第３の実施形態
４．１ 構成
４．２ 動作
４．３ 効果
４．４ 変形例
５．第４の実施形態
５．１ 構成
５．２ 動作
５．３ 効果
５．４ 変形例
６．第５の実施形態
６．１ 構成
６．２ 動作
６．３ 効果
６．４ 変形例
７．第６の実施形態
７．１ 構成
７．２ 動作
７．３ 効果
７．４ 変形例
８．第７の実施形態
８．１ 構成
８．２ 動作
８．３ 効果
８．４ 変形例
９．第８の実施形態
９．１ 構成
９．２ 動作
９．３ 効果
９．４ 変形例
１０．第９の実施形態
１０．１ 構成
１０．２ 動作
１０．３ 効果
１０．４ 変形例
１１．第１０の実施形態
１１．１ 構成
１１．２ 動作
１１．３ 効果
１１．４ 変形例
１２．リング共振器の変形例
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
１．比較例
１．１ 構成
図１は、比較例に係るレーザシステム２の構成を概略的に示す。図１において、レーザシステム２は、マスターオシレータとしての固体レーザ装置３と、光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ：Optical Pulse Stretcher）１０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０と、を含む。
固体レーザ装置３は、図示しない半導体レーザ、増幅器、非線形結晶等を含んで構成されている。固体レーザ装置３は、シングル横モードで、パルスレーザ光ＰＬを出力する。パルスレーザ光ＰＬは、ガウシアンビームであって、例えば、中心波長が１９３．１ｎｍ〜１９３．５ｎｍの波長範囲内であり、かつスペクトル線幅が約０．３ｐｍである。固体レーザ装置３は、中心波長が約７７３．４ｎｍの狭帯域化されたパルスレーザ光を出力するチタンサファイアレーザと、４倍高調波を出力する非線形結晶と、を含む固体レーザ装置であってもよい。
ＯＰＳ１０は、ビームスプリッタ１１と、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄと、を含む。ビームスプリッタ１１は、部分反射ミラーである。ビームスプリッタ１１の反射率は、４０％〜７０％の範囲内であることが好ましく、約６０％であることがより好ましい。ビームスプリッタ１１は、固体レーザ装置３から出力されるパルスレーザ光ＰＬの光路上に配置されている。ビームスプリッタ１１は、入射したパルスレーザ光ＰＬの一部を透過させるとともに、他の一部を反射させる。
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅を伸長するための遅延光路を構成している。第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、全て同じ曲率半径Ｒの鏡面を有する。第１及び第２の凹面ミラー１２ａ，１２ｂは、ビームスプリッタ１１で反射された光が、第１の凹面ミラー１２ａで高反射され、第２の凹面ミラー１２ｂに入射するように配置されている。第３及び第４の凹面ミラー１２ｃ，１２ｄは、第２の凹面ミラー１２ｂで高反射された光が、第３の凹面ミラー１２ｃで高反射され、さらに第４の凹面ミラー１２ｄで高反射され、再びビームスプリッタ１１に入射するように配置されている。
ビームスプリッタ１１と第１の凹面ミラー１２ａとの間の距離、及び第４の凹面ミラー１２ｄとビームスプリッタ１１との間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｒ／２である。また、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとの間の距離、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間の距離、及び第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとの間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒと同じである。
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、全て同じ焦点距離Ｆを有する。焦点距離Ｆは、曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｆ＝Ｒ／２である。したがって、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより構成される遅延光路の光路長ＬOPSは、焦点距離Ｆの８倍である。すなわち、ＯＰＳ１０は、ＬOPS＝８Ｆの関係を有する。
図２は、ビームスプリッタ１１及び第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄの位置関係を説明する図である。図２では、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄを、それぞれ焦点距離がＦである凸レンズ１３ａ〜１３ｄに置き換えて示している。Ｐ０は、ビームスプリッタ１１の位置を表している。Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれ第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄの位置を表している。
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより構成される遅延光学系は、コリメート光学系であるので、第１の凹面ミラー１２ａへの入射光がコリメート光である場合、第４の凹面ミラー１２ｄからの射出光はコリメート光となる。
また、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、光路長ＬOPSが、パルスレーザ光ＰＬの時間的コヒーレント長ＬC以上となるように配置されている。時間的コヒーレント長ＬCは、ＬC＝λ2／Δλの関係式に基づいて算出される。ここで、λは、パルスレーザ光ＰＬの中心波長である。Δλは、パルスレーザ光ＰＬのスペクトル線幅である。例えば、λ＝１９３．３５ｎｍ、Δλ＝０．３ｐｍの場合には、ＬC＝０．１２５ｍとなる。
ビームエキスパンダ２０は、ＯＰＳ１０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの光路上に配置されている。伸長パルスレーザ光ＰＴは、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅がＯＰＳ１０により伸長された光である。ビームエキスパンダ２０は、凹レンズ２１と凸レンズ２２とを含む。ビームエキスパンダ２０は、ＯＰＳ１０から入力された伸長パルスレーザ光ＰＴを、そのビーム径を拡大して出力する。
増幅器３０は、ビームエキスパンダ２０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの光路上に配置されている。増幅器３０は、レーザチャンバ３１と、一対の放電電極３２ａ及び３２ｂと、リアミラー３３と、出力結合ミラー３４と、を含むエキシマレーザ装置である。リアミラー３３及び出力結合ミラー３４は、光共振器としてのファブリペロ共振器を構成している。リアミラー３３及び出力結合ミラー３４には、レーザ発振する波長の光を部分反射する部分反射膜がコートされている。リアミラー３３の部分反射膜の反射率は、８０％〜９０％の範囲内である。出力結合ミラー３４の部分反射膜の反射率は、２０％〜４０％の範囲内である。
レーザチャンバ３１内には、ＡｒＦレーザガス等のレーザ媒質が充填されている。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ３１内に配置されている。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間には、図示しない電源からパルス状の高電圧が印加される。
以下、ビームエキスパンダ２０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの進行方向を、Ｚ方向と言う。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間の放電方向をＶ方向と言う。Ｖ方向はＺ方向に直交する。Ｚ方向とＶ方向とに直交する方向をＨ方向と言う。
レーザチャンバ３１の両端には、ウィンドウ３１ａ及び３１ｂが設けられている。ウィンドウ３１ａ及び３１ｂは、例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）により形成された平行平面基板である。ウィンドウ３１ａ及び３１ｂは、伸長パルスレーザ光ＰＴの入射角がほぼブルースター角となるように配置されている。ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間の放電空間３５に、シード光として入射する。放電空間３５のＶ方向に関する幅は、ビームエキスパンダ２０により拡大されたビーム径とほぼ一致している。
固体レーザ装置３と増幅器３０とは、図示しない同期制御部によって制御される。増幅器３０は、伸長パルスレーザ光ＰＴが放電空間３５に入射したタイミングで放電するように、同期制御部によって制御される。
１．２ 動作
次に、比較例に係るレーザシステム２の動作について説明する。まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、ＯＰＳ１０内のビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、ビームスプリッタ１１を透過し、遅延光路を周回していない０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１０から出力される。
ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１１により反射された反射光は、遅延光路に進入し、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとにより高反射される。ビームスプリッタ１１における反射光の光像は、第１及び第２の凹面ミラー１２ａ，１２ｂにより、等倍の第１の転写像として結像される。そして、第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとによって、等倍の第２の転写像が、ビームスプリッタ１１の位置に結像する。
第２の転写像としてビームスプリッタ１１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１１により反射され、遅延光路を１回周回した１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１０から出力される。この１周回光ＰＳ1は、０周回光ＰＳ0から遅延時間Δｔだけ遅れて出力される。このΔｔは、Δｔ＝ＬOPS／ｃと表される。ここで、ｃは光速である。
第２の転写像としてビームスプリッタ１１に入射した光のうち、ビームスプリッタ１１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより高反射されて、再びビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１により反射された反射光は、遅延光路を２回周回した２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ１０から出力される。この２周回光ＰＳ2は、１周回光ＰＳ1から遅延時間Δｔだけ遅れて出力される。
この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ１０からは、３周回光ＰＳ3、４周回光ＰＳ4、・・・と、順にパルス光が出力される。ＯＰＳ１０から出力されるパルス光は、遅延光路の周回数が多くなるほど光強度が低下する。
図３に示すように、パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ１０に入射した結果、パルスレーザ光ＰＬは、時間差を有する複数のパルス光ＰＳ0，ＰＳ1，ＰＳ2，・・・に分解されて出力される。図３において、横軸は時間を表し、縦軸は光強度を表している。前述の伸長パルスレーザ光ＰＴは、パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ１０により分解されてなる複数のパルス光ＰＳnが合成されたものである。ここで、ｎ＝０，１，２，・・・であり、ｎは遅延光路の周回数を表す。
光路長ＬOPSが時間的コヒーレント長ＬC以上であるので、複数のパルス光ＰＳnの相互の可干渉性（coherence）が低下する。したがって、複数のパルス光ＰＳnで構成される伸長パルスレーザ光ＰＴの可干渉性が低下する。
ＯＰＳ１０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０に入射し、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大されて出力される。ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、増幅器３０に入射する。増幅器３０に入射された伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して放電空間３５にシード光として入射する。
放電空間３５には、伸長パルスレーザ光ＰＴが入射するのに同期して、図示しない電源により放電が生じる。伸長パルスレーザ光ＰＴが、放電によって励起された放電空間３５を通過することによって、誘導放出が生じ、増幅される。そして、増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、光共振器によって発振して、出力結合ミラー３４から出力される。
この結果、レーザシステム２からは、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬに比べて、ピークパワーレベルが低下し、かつ可干渉性が低下した伸長パルスレーザ光ＰＴが出力される。
１．３ パルス幅の定義
レーザ光のパルス幅ＴＩＳは、下式１により定義される。ここで、ｔは時間である。Ｉ（ｔ）は、時間ｔにおける光強度である。伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ＴＩＳは、下式１を用いて求められる。
Figure 0006920354
１．４ 課題
次に、比較例に係るレーザシステム２の課題について説明する。レーザシステム２から露光装置に供給されるレーザ光は、可干渉性が低いほど好ましいため、さらなる可干渉性の低下が求められている。
１．４．１ 空間分解による可干渉性の低下
比較例に係るレーザシステム２では、ＯＰＳ１０によりパルスレーザ光ＰＬを時間的に分解することにより可干渉性を低下させているが、さらにパルスレーザ光ＰＬを空間的に分解することにより可干渉性を低下させることが可能である。
図４は、パルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解することを可能とするＯＰＳ１０ａの構成を示す。ＯＰＳ１０ａは、第４の凹面ミラー１２ｄの配置が異なること以外は、前述のＯＰＳ１０の構成と同一である。
図４において、第４の凹面ミラー１２ｄは、破線で示すＯＰＳ１０の第４の凹面ミラー１２ｄの位置に対して、Ｈ方向を回転軸として僅かに回転させた位置に配置されている。この構成により、ＯＰＳ１０ａから出力される複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、出射角がＶ方向に変化する。すなわち、ＯＰＳ１０ａから出力される複数のパルス光ＰＳnは、光路軸が互いに異なる。この結果、ＯＰＳ１０ａから出力される複数のパルス光ＰＳnは、Ｖ方向に空間的に分解されてビームエキスパンダ２０に入射する。なお、図４では、パルスレーザ光ＰＬのＯＰＳ１０ａへの入射方向を、Ｚ方向から僅かに傾けている。
図５は、ビームエキスパンダ２０から出力された複数のパルス光ＰＳnが、シード光として増幅器３０の放電空間３５に入射する光路を示す。このように、複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、放電空間３５内の通過光路が異なる。ＯＰＳ１０ａは、パルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解した複数のパルス光ＰＳnを生成するので、増幅器３０の出力光の可干渉性がさらに低下する。
しかしながら、上記のようにパルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解すると、放電空間３５は、Ｖ方向に関して時間的に同時にシード光で満たされることはない。例えば、放電空間３５中の０周回光ＰＳ0が入射する空間は、０周回光ＰＳ0が入射する時間しかシード光が存在しない。このため、１周回光ＰＳ1以降の周回光が入射する時間には、０周回光ＰＳ0の光路上には、シード光は存在しない。
エキシマレーザである増幅器３０では、上準位に励起された原子の寿命である上準位寿命が、２ｎｓ程度と短い。このため、放電空間３５中にシード光で満たされない空間が存在すると、その空間では、シード光による誘導放出が生じる前に、自然放出が生じてしまう。この結果、増幅器３０の出力光には、誘導放出による増幅光以外に、自然放出による増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）光がノイズとして多く含まれることになる。
したがって、図４に示すように構成されたＯＰＳ１０ａを用いると、増幅器３０の出力光は、可干渉性が低下するが、ＡＳＥ光が増加するという問題がある。このＡＳＥ光の発生を抑制するためには、増幅器３０の光共振器の反射率を高め、光共振器内にシード光をより多く存在させることが考えられる。しかし、光共振器の反射率を高めると、光共振器内のエネルギーが高くなり、光学素子が損傷する可能性がある。
また、ＡＳＥ光の発生を抑制するためには、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅を長くすることが考えられる。しかし、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅を長くすると、シード光の光強度が低下し、増幅に寄与しない成分が増加するため、ＡＳＥ光がより多く発生する可能性がある。
１．４．２ ランダム位相板による可干渉性の低下
また、パルスレーザ光ＰＬの可干渉性を低下させるために、ランダム位相板を用いることが可能である。図６は、増幅器３０の入射側にランダム位相板４０を配置したレーザシステム２ａの構成を示す。レーザシステム２ａは、ＯＰＳ１０とビームエキスパンダ２０との間にランダム位相板４０が配置されていること以外は、比較例に係るレーザシステム２の構成と同一である。
ランダム位相板４０は、図示しない回転機構により、ランダム位相板４０の中心を通り、ランダム位相板４０に垂直な軸Ｃを回転中心として回転する。軸Ｃは、Ｚ方向に平行である。ランダム位相板４０は、レーザ光の位相をシフトさせる複数種のセルがランダムに２次元配置されたものである。
ＯＰＳ１０から射出された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ランダム位相板４０を通過することにより、通過するセルに応じて位相がシフトされ、空間的な可干渉性が低下する。ただし、ランダム位相板４０は、複数のセルによる位相シフト分布に対応したスペックルを発生させる可能性がある。そこで、ランダム位相板４０を回転させることにより、位相シフト分布を変化させ、スペックルを変化させることが考えられる。例えば、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルスごとにランダム位相板４０を回転させることが可能であれば、スペックルがパルスごとに異なり、スペックルの分布が平均化される。これにより、伸長パルスレーザ光ＰＴの実質的なスペックルを低減することができる。
しかし、パルスごとにランダム位相板４０を回転させたとしても、各パルスのビームプロファイルには、スペックルが発生してしまう。このため、各パルスのスペックルを低減するには、１パルスのパルス幅の間に、ランダム位相板４０を１セルのサイズよりも大きく回転させる必要がある。
しかしながら、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅は２０ｎｓ程度、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅は２００ｎｓ程度と非常に短いため、１パルスの時間幅の間に、回転機構によってランダム位相板４０を１セルのサイズよりも大きく回転させることは困難である。このため、伸長パルスレーザ光ＰＴのランダム位相板４０における照射位置の変化量は、１パルスの時間幅の間では、１セルのサイズよりも小さく、スペックルが殆ど変化しない。すなわち、ランダム位相板４０を回転させたとしても、各パルスは、ビームプロファイルにランダム位相板４０によるスペックルパターンがほぼそのまま反映されて増幅器３０に注入される。この結果、増幅後のレーザ光にはスペックルパターンが維持される。
したがって、パルスごとにランダム位相板４０を回転させることによりスペックルをある程度低減することは可能であるが、露光装置におけるウエハの露光パルス数が少ない場合には、スペックルが十分に低減されないという課題がある。
２．第１の実施形態
次に、本開示の第１の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第１の実施形態に係るレーザシステムは、ＯＰＳの構成が異なること以外は、図１に示した比較例に係るレーザシステムの構成と同一である。以下では、図１に示した比較例に係るレーザシステムの構成要素と略同じ部分については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
２．１ 構成
図７は、第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂの構成を示す。レーザシステム２ｂは、固体レーザ装置３と、ＯＰＳ１０ｂと、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０と、を含む。ＯＰＳ１０ｂは、ビームスプリッタ１１と、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄと、ランダム位相板５０と、を含む。レーザシステム２ｂは、ＯＰＳ１０ｂがランダム位相板５０を含むこと以外は、比較例に係るレーザシステム２ｂと同一の構成である。
ランダム位相板５０は、位相光学素子であり、遅延光路を構成する光学素子である第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄとは別の部材として、遅延光路内に個別に設けられている。本実施形態では、ランダム位相板５０は、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間の遅延光路上に固定配置されている。なお、遅延光路を構成する光学素子とは、ビームスプリッタにより分離され遅延光路に進入した光を周回させるための光学素子を意味する。
図８は、ランダム位相板５０の構成を示す。ランダム位相板５０は、円盤状の透明基板５１を含む。透明基板５１の表面には、位相シフト量が異なる第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとが、ランダムに２次元配列されている。ここで、ランダムとは、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの配列が、透明基板５１の表面内におけるいずれの方向にも非周期的であることを意味する。第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂは、それぞれ正方形である。
第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂは、図９に示すように、透明基板５１上に、位相シフト量に応じた所定の厚みの位相コート層５２を形成することにより構成されている。第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとは、位相コート層５２の厚みが異なっている。なお、透明基板５１上に位相シフト量に応じた所定の厚みの位相コート層５２を形成する方法には、少なくとも２つの方法がある。第１の方法は、第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとについて、透明基板５１上に、マスク等を用いて厚みの異なる膜をそれぞれ個別に成膜する方法である。第２の方法は、透明基板５１上に一定の厚みの膜を成膜した後、第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとについて、所定の厚みとなるように、エッチング等で膜を削る方法である。
透明基板５１は、紫外線を高透過させる材料であって、例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）結晶や合成石英ガラスであってもよい。透過光の波長が約１９３ｎｍである場合には、透明基板５１の材料は、フッ化カルシウム結晶であることが好ましい。また、位相コート層５２の材料は、フッ化物であることが好ましく、例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、又はフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ3）が用いられる。なお、耐久性が問題ない場合には、位相コート層５２の材料は、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）であってもよい。
第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとの位相コート層５２の厚みの差は、第１のセル５２ａの透過光と第２のセル５２ｂの透過光とに、ｋπの位相差を生じさせる値である。ここで、ｋは、ｋ＝１，２，３，・・・のいずれかの値である。位相コート層５２の厚みは、位相コート層５２の屈折率、透過光の波長、所望とする位相差に基づいて設定される。なお、第１のセル５２ａは、位相コート層５２を設けず、パルスレーザ光ＰＬに与える位相シフト量をほぼ０としてもよい。この場合、第２のセル５２ｂがパルスレーザ光ＰＬに与える位相シフト量がほぼπとなるように位相コート層５２の厚みを設定してもよい。
透明基板５１上において、第１のセル５２ａが占める面積をＡ１、第２のセル５２ｂが占める面積をＡ２とすると、面積比Ａ１／Ａ２は、０．１〜１０の範囲内であることが好ましい。面積比Ａ１／Ａ２は、ほぼ１であることがより好ましい。
第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの各面積は、ランダム位相板５０に入射するパルスレーザ光ＰＬのビーム径に応じて決定することが好ましい。例えば、パルスレーザ光ＰＬが入射する第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとの総数が、約１０〜１００００個となるように第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの各面積を決定することが好ましい。パルスレーザ光ＰＬのビーム径は、約１ｍｍである。
第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂは、一辺の上限が２００μｍであることが好ましい。また、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂは、サイズが小さすぎると回折が生じるので、一辺の下限が１０μｍであることが好ましい。すなわち、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの各一辺は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。なお、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの形状は、正方形に限られず、正三角形や正六角形等の多角形であってもよい。また、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの形状は、多角形以外のどのような形状であってもよい。さらに、第１のセル５２ａと第２のセル５２ｂとで、形状や大きさが異なっていてもよい。
ランダム位相板５０は、以上の構成により、レーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる機能を含む。以下、この機能を、空間的ランダム位相シフト機能と称する。
また、増幅器３０からのＡＳＥ光の発生を抑制するために、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ＴＩＳは、増幅器３０の光共振器の光路長をＬampとした場合に、下式２を満たすことが好ましい。なお、光共振器の光路長Ｌampは、リアミラー３３と出力結合ミラー３４との間の距離である共振器長Ｌaの２倍である。すなわち、Ｌamp＝２Ｌaである。
ＴＩＳ≧Ｌamp／ｃ ・・・（２）
２．２ 動作
次に、第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂの動作について説明する。まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、ＯＰＳ１０ｂ内のビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、ビームスプリッタ１１を透過し、遅延光路を周回していない０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１０ｂから出力される。
ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１１により反射された反射光は、遅延光路に進入し、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとにより高反射され、ランダム位相板５０に入射する。ランダム位相板５０に入射したパルスレーザ光ＰＬは、ランダム位相板５０を透過することによって位相が空間的にランダムにシフトする。ランダム位相板５０を透過したパルスレーザ光ＰＬは、第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとによって高反射され、再びビームスプリッタ１１に入射する。
第４の凹面ミラー１２ｄからビームスプリッタ１１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１１により反射され、遅延光路を１回周回した１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１０ｂから出力される。第４の凹面ミラー１２ｄからビームスプリッタ１１に入射した光のうち、ビームスプリッタ１１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとにより高反射され、ランダム位相板５０に入射する。ランダム位相板５０に入射したパルスレーザ光ＰＬは、ランダム位相板５０を透過することによって位相がさらに空間的にランダムにシフトする。ランダム位相板５０を透過したパルスレーザ光ＰＬは、第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとによって高反射され、再びビームスプリッタ１１に入射する。
第４の凹面ミラー１２ｄからビームスプリッタ１１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１１により反射され、遅延光路を２回周回した２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ１０ｂから出力される。この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ１０ｂからは、３周回光ＰＳ3、４周回光ＰＳ4、・・・と、順にパルス光が出力される。ｎ周回光ＰＳnは、ランダム位相板５０をｎ回通過したパルス光である。ＯＰＳ１０ｂから出力されるパルス光は、光路軸がほぼ一致する。
しかし、ＯＰＳ１０ｂは、各周回光の光路軸が完全に一致するように作成することは現実的には困難であるので、各周回光の光路軸にはある程度のズレが生じる。この光路軸のズレ量は、通常、ランダム位相板５０の第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂのサイズより大きくなる。遅延光路の周回光には、ランダム位相板５０の位相シフト分布に対応したスペックルが発生するが、光路軸のズレにより、発生するスペックルの分布がランダム位相板５０を通過するたびに変化することとなる。このため、周回光は、周回数ｎが大きくなるほど、スペックルの分布が平均化される。
ＯＰＳ１０ｂから出力されるパルス光ＰＳ0，ＰＳ1，ＰＳ2，・・・は、それぞれ周回数ｎが異なるので、スペックルの分布が異なる。これらのパルス光が合成されてなる伸長パルスレーザ光ＰＴは、各パルス光のスペックルの分布が異なるので、実質的なスペックルが低減する。
ＯＰＳ１０ｂから出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０に入射し、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大されて出力される。ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、増幅器３０に入射する。増幅器３０に入射された伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して放電空間３５にシード光として入射し、放電空間３５で放電が生じることにより増幅される。
増幅器３０に入射する伸長パルスレーザ光ＰＴに含まれる各パルス光は、光路軸がほぼ一致しているので、放電空間３５内において互いに重なり合う。また、上式２に示すように、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ＴＩＳが光共振器の光路長Ｌampよりも大きいので、増幅器３０の放電時間中はいずれの時間においてもシード光が放電空間３５を満たす。
そして、増幅器３０により増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、光共振器によって発振して、出力結合ミラー３４から出力される。その他の動作及び作用については、比較例と同様である。
２．３ 効果
第１の実施形態では、ＯＰＳ１０ｂに含まれる遅延光路上にランダム位相板５０を配置しているので、遅延光路を周回する周回光は、ランダム位相板５０を通過するたびに位相が空間的にランダムにシフトし、可干渉性が低下する。また、周回光は、ランダム位相板５０を通過するたびにスペックルの分布が変化するので、ＯＰＳ１０ｂから出力される伸長パルスレーザ光ＰＴは、実質的なスペックルが低減する。したがって、第１の実施形態によれば、ランダム位相板５０を回転させることなく、スペックルを低減することができる。また、第１の実施形態では、ランダム位相板５０の回転機構が不要であるので、図６に示した構成に比べてレーザシステム２ｂの製造が容易であるという利点がある。
また、第１の実施形態では、増幅器３０に入射する伸長パルスレーザ光ＰＴに含まれる各パルス光は、光路軸がほぼ一致しており、放電空間３５を空間的に満たすので、図４及び図５に示した構成に比べて、ＡＳＥ光の発生が抑制される。さらに、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ＴＩＳが光共振器の光路長Ｌampよりも大きく、増幅器３０の放電時間中はいずれの時間においても放電空間３５がシード光で満たされるので、ＡＳＥ光の発生をさらに抑制される。
２．４ 変形例
以下、第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂの変形例について説明する。第１の実施形態では、ランダム位相板５０を、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間の遅延光路上に配置している。ランダム位相板５０は、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間に限られず、遅延光路上であればいずれの位置に配置してもよい。
なお、図２に示したように、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間は、周回光がコリメート光であり、ビーム径が大きいので、ランダム位相板５０の位置として好ましい。また、周回光がコリメート光となるビームスプリッタ１１と第１の凹面ミラー１２ａとの間や、第４の凹面ミラー１２ｄとビームスプリッタ１１との間の遅延光路上にランダム位相板５０を配置することも好ましい。すなわち、ランダム位相板５０は、遅延光路内においてコリメートされたコリメート光の光路上に配置されていることが好ましい。
また、第１の実施形態では、ＯＰＳ１０ｂと増幅器３０との間にビームエキスパンダ２０を配置しているが、ビームエキスパンダ２０を用いなくても放電空間３５をシード光で満たすことが可能な場合は、ビームエキスパンダ２０を配置しなくてもよい。
また、第１の実施形態では、ランダム位相板５０を、透明基板５１上に位相コート層５２を形成することにより構成しているが、さらに、透明基板５１上に反射抑制（ＡＲ：Anti Reflective）コート層を形成してもよい。ＡＲコート層を設けることにより、光量のロスが低減される。
図１０は、透明基板５１の一方の表面にＡＲコート層６０を形成した例を示す。ＡＲコート層６０は、透明基板５１において位相コート層５２が形成される面とは反対側の面に形成されている。ＡＲコート層６０の厚みは、λ／４である。ＡＲコート層６０は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）により形成され、かつ単層であることが好ましい。
図１１は、透明基板５１の一方の表面に第１のＡＲコート層６１を形成し、他方の表面に第２のＡＲコート層６２を形成した例を示す。第１のＡＲコート層６１は、透明基板５１において位相コート層５２が形成される面とは反対側の面に形成されている。第２のＡＲコート層６２は、透明基板５１において位相コート層５２が形成される側の面に形成されている。第１のＡＲコート層６１及び第２のＡＲコート層６２の厚みは、それぞれλ／４である。第１のＡＲコート層６１及び第２のＡＲコート層６２は、ＭｇＦ2により形成され、かつ単層であることが好ましい。
また、第１の実施形態では、ランダム位相板５０は、透過光に位相シフトを生じさせるセルとして、第１のセル５２ａ及び第２のセル５２ｂの２種のセルを含むが、これに限られず、位相シフト量が異なる３種以上のセルを含んでもよい。ランダム位相板が３種以上のセルを含む場合には、各セルの位相シフト量は、０〜πで設定することが好ましいが、位相シフト量をπ以上とすることも可能である。
３．第２の実施形態
次に、本開示の第２の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第１の実施形態では、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子として、ランダム位相板が、ＯＰＳを構成する光学素子とは別の部材として個別に設けられている。第２の実施形態では、ＯＰＳを構成する光学素子である凹面ミラーに、空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
３．１ 構成
図１２は、第２の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳ１０ｃの構成を示す。第２の実施形態に係るレーザシステムは、ＯＰＳ１０ｂに代えてＯＰＳ１０ｃを用いること以外、第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂと同一の構成である。
ＯＰＳ１０ｃは、第２の凹面ミラー１２ｂに代えて、空間的ランダム位相シフト機能を含む第２の凹面ミラー７０を用いることのみが、比較例に係るＯＰＳ１０の構成と異なる。図１３に示すように、第２の凹面ミラー７０は、基板７１ａと、高反射膜７１ｂと、位相コート層７２と、を含む。基板７１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成されており、凹面状に加工された表面を有する。
高反射膜７１ｂは、基板７１ａの凹面状の表面に形成されている。高反射膜７１ｂは、例えば、厚みが数μｍの誘電体多層膜である。この誘電体多層膜としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）膜と二酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜とを交互に積層した誘電体多層膜や、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）膜とフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ3）膜とを交互に積層した誘電体多層膜が用いられる。
位相コート層７２は、高反射膜７１ｂの表面に形成されている。位相コート層７２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層７２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、第２の凹面ミラー７０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。なお、第２の凹面ミラー７０に入射する光は、高反射膜７１ｂによる一回の反射において位相コート層７２を２回通過するので、同一の位相シフト量に対する位相コート層７２の厚みは、位相コート層５２の半分でよい。
３．２ 動作
次に、第２の実施形態に係るレーザシステムの動作について説明する。第２の実施形態は、第２の凹面ミラー７０によってパルスレーザ光ＰＬの位相が空間的にランダムにシフトする点のみが第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂの動作と異なる。
ＯＰＳ１０ｃの遅延光路を周回する周回光は、第２の凹面ミラー７０に入射して位相コート層７２を通過し、高反射膜７１ｂにより高反射された後、位相コート層７２を再び通過する。周回光は、位相コート層７２を通過することにより、位相が空間的にランダムにシフトする。周回光は、第２の凹面ミラー７０に入射して高反射されるたびに、位相が空間的にランダムにシフトする。
３．３ 効果
第２の実施形態では、第２の凹面ミラー１２ｂが、凹面ミラーの機能と、空間的ランダム位相シフト機能とを含むので、第１の実施形態に比べて、ＯＰＳに含まれる光学素子の数を削減することができる。
３．４ 変形例
以下、第２の実施形態に係るレーザシステムの変形例について説明する。第２の実施形態では、遅延光路を構成する第１〜第４の凹面ミラーのうち、第２の凹面ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、いずれの凹面ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。また、複数の凹面ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。
次に、空間的ランダム位相シフト機能を含む凹面ミラーの変形例について説明する。図１４は、空間的ランダム位相シフト機能を含み、凹面ミラーと光学的に等価な高反射ミラー８０を示す。高反射ミラー８０は、平凸状の基板８１ａと、高反射膜８１ｂと、位相コート層８２とにより構成されている。高反射膜８１ｂは、基板８１ａの平面側の表面に形成されている。高反射膜８１ｂが形成された基板８１ａは、凹面ミラーと等価な光学特性を有する。高反射膜８１ｂは、高反射膜７１ｂと同様の誘電体多層膜によって形成されている。基板８１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成されている。
位相コート層８２は、基板８１ａの凸状の表面に形成されている。位相コート層８２は、位相コート層７２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、高反射ミラー８０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。この高反射ミラー８０は、遅延光路を構成する第１〜第４の凹面ミラーのいずれに適用してもよい。
また、図１５に示す高反射ミラー８０ａのように、基板８１ａの凸状の表面にＡＲコート層８３を形成し、ＡＲコート層８３の表面に位相コート層８２を形成してもよい。ＡＲコート層８３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である。高反射ミラー８０ａは、ＡＲコート層８３を含むことにより、高反射ミラー８０よりも光量のロスが低減される。
図１４及び図１５に示す高反射ミラー８０，８０ａの場合には、遅延光路を周回する周回光は、高反射ミラー８０，８０ａへの入射時と反射時とで位相コート層８２を通過する位置がずれることにより、スペックルの分布がずれる可能性がある。これにより、さらにスペックルが低減されるという利点がある。
なお、図１３〜図１５に示されるミラー７０，８０，８０ａを比較すると、パルスレーザ光ＰＬに対する耐久性の面では、図１３に示されるミラー７０が最も優れる。
４．第３の実施形態
次に、本開示の第３の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第２の実施形態では、ＯＰＳに含まれる光学素子である凹面ミラーに、空間的ランダム位相シフト機能を付加している。第３の実施形態では、ＯＰＳに含まれる光学素子の１つであるビームスプリッタに空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
４．１ 構成
図１６は、第３の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳ１０ｄの構成を示す。第３の実施形態に係るレーザシステムは、ＯＰＳ１０ｂに代えてＯＰＳ１０ｄを用いること以外、第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂと同一の構成である。
ＯＰＳ１０ｄは、ビームスプリッタ１１に代えて、空間的ランダム位相シフト機能を含むビームスプリッタ９０を用いることのみが、比較例に係るＯＰＳ１０の構成と異なる。図１７に示すように、ビームスプリッタ９０は、基板９１ａと、部分反射膜９１ｂと、位相コート層９２と、を含む。基板９１ａは、平行平面基板であって、ＣａＦ2結晶や合成石英ガラスにより形成されている。基板９１ａの一方の面に部分反射膜９１ｂが形成されており、他方の面に位相コート層９２が形成されている。
部分反射膜９１ｂは、基板９１ａにおいて、固体レーザ装置３からパルスレーザ光ＰＬが入射する面とは反対側の面に形成されている。部分反射膜９１ｂは、誘電体多層膜であって、反射率が約６０％となるように、膜数が設定されている。この誘電体多層膜としては、Ａｌ2Ｏ3膜とＳｉＯ2膜とを交互に積層した誘電体多層膜や、ＭｇＦ2膜とＧｄＦ3膜とを交互に積層した誘電体多層膜が用いられる。
位相コート層９２は、基板９１ａにおいて、固体レーザ装置３からパルスレーザ光ＰＬが入射する面に形成されている。位相コート層９２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層９２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、ビームスプリッタ９０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
４．２ 動作
次に、第３の実施形態に係るレーザシステムの動作について説明する。第３の実施形態は、ビームスプリッタ９０によってパルスレーザ光ＰＬの位相が空間的にランダムにシフトする点のみが第１の実施形態に係るレーザシステム２ｂの動作と異なる。
まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、ＯＰＳ１０ｄ内のビームスプリッタ９０に入射する。ビームスプリッタ９０に入射したパルスレーザ光ＰＬは、位相コート層９２及び基板９１ａを透過し、部分反射膜９１ｂに入射する。部分反射膜９１ｂに入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、部分反射膜９１ｂを透過し、０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１０ｄから出力される。本実施形態では、０周回光ＰＳ0は、位相コート層９２を通過しているので、位相が空間的にランダムにシフトする。
部分反射膜９１ｂに入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、部分反射膜９１ｂにより反射された反射光は、基板９１ａ及び位相コート層９２を透過して出力され、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより構成される遅延光路に進入する。遅延光路を周回した光は、第４の凹面ミラー１２ｄから再びビームスプリッタ９０に入射する。ビームスプリッタ９０に入射した光の一部は、部分反射膜９１ｂにより反射され、１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１０ｄから出力される。
部分反射膜９１ｂを透過した透過光は、再び位相コート層９２を透過して、遅延光路を周回する。遅延光路の周回光は、ビームスプリッタ９０を透過するたびに、位相が空間的にランダムにシフトする。
４．３ 効果
第３の実施形態では、ビームスプリッタ９０が、ビーム分割の機能と、空間的ランダム位相シフト機能とを含むので、第１の実施形態に比べて、ＯＰＳに含まれる光学素子の数を削減することができる。
また、第３の実施形態では、０周回光ＰＳ0も位相が空間的にランダムにシフトされるので、第１及び第２の実施形態よりもさらにＯＰＳから出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの可干渉性が低下するとともに、実質的なスペックルが低減する。
４．４ 変形例
第３の実施形態では、ビームスプリッタ９０を、基板９１ａの一方の面に部分反射膜９１ｂを形成し、他方の面に位相コート層９２を形成することにより構成しているが、さらに、基板９１ａ上にＡＲコート層を形成してもよい。図１８に示すビームスプリッタ９０ａは、基板９１ａの部分反射膜９１ｂが形成された面とは反対側の面にＡＲコート層９３が形成されている。位相コート層９２は、ＡＲコート層９３の表面に形成されている。ＡＲコート層９３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である。
図１９に示すビームスプリッタ９０ｂは、基板９１ａにおいて、固体レーザ装置３からパルスレーザ光ＰＬが入射する面に部分反射膜９１ｂが形成されており、部分反射膜９１ｂとは反対側の面にＡＲコート層９３が形成されている。位相コート層９２は、部分反射膜９１ｂの表面に形成されている。
ビームスプリッタ９０ａ，９０ｂは、ＡＲコート層９３を含むことにより、ビームスプリッタ９０よりも光量のロスが低減される。
また、第３の実施形態及び各変形例では、位相コート層９２を、基板９１ａにおいて、固体レーザ装置３からパルスレーザ光ＰＬが入射する入射側に設けているが、入射側とは反対側に設けてもよい。さらに、部分反射膜９１ｂについても、基板９１ａのいずれの面に形成してもよい。
なお、図１７〜図１９に示されるビームスプリッタ９０，９０ａ，９０ｂを比較すると、パルスレーザ光ＰＬに対する耐久性の面では、図１９に示されるビームスプリッタ９０ｂが最も優れる。
５．第４の実施形態
本開示の第４の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第１〜３の実施形態では、位相光学素子をＯＰＳに含まれる遅延光路内に設けている。第４の実施形態では、位相光学素子として、ランダム位相板を、増幅器に含まれる光共振器の光路内に設ける。
５．１ 構成
図２０は、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃの構成を示す。レーザシステム２ｃは、固体レーザ装置３と、ＯＰＳ１０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０ａと、を含む。レーザシステム２ｃは、増幅器３０ａの構成以外は、比較例に係るレーザシステム２と同一の構成である。
増幅器３０ａは、光共振器の光路内に、第１の実施形態と同様の構成のランダム位相板５０を含む。ランダム位相板５０は、増幅器３０ａを構成する光学素子であるリアミラー３３、出力結合ミラー３４、及びウィンドウ３１ａ，３１ｂとは別の部材である。また、ランダム位相板５０は、リアミラー３３と出力結合ミラー３４により構成されるファブリペロ共振器の光路内に個別に設けられている。具体的には、ランダム位相板５０は、リアミラー３３とレーザチャンバ３１との間の光路上に配置されている。なお、増幅器を構成する光学素子とは、レーザチャンバ及び光共振器に含まれる光学素子を意味する。
５．２ 動作
次に、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃの動作について説明する。ＯＰＳ１０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大され、シード光として増幅器３０ａに入射する。増幅器３０ａに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３を透過してランダム位相板５０に入射する。伸長パルスレーザ光ＰＴは、ランダム位相板５０を通過することにより位相が空間的にランダムにシフトする。ランダム位相板５０を通過した伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ａを介して放電空間３５を通過することにより増幅される。
増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ｂを介して出力結合ミラー３４に入射する。出力結合ミラー３４に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴのうち、出力結合ミラー３４を透過した透過光は、露光装置へ出力される。出力結合ミラー３４に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴのうち、出力結合ミラー３４により反射された反射光は、ウィンドウ３１ｂを介して再び放電空間３５を通過することにより増幅される。
増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ａを介して再びランダム位相板５０を通過することにより、位相がさらに空間的にランダムにシフトする。ランダム位相板５０を通過した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３により反射され、ランダム位相板５０を通過することにより、位相がさらに空間的にランダムにシフトする。
以上の動作を繰り返すことにより、増幅発振し、出力結合ミラー３４から増幅された複数のパルスレーザ光が出力され、露光装置に入射する。
５．３ 効果
第４の実施形態では、増幅器３０ａに含まれる光共振器の光路内にランダム位相板５０を配置しているので、光共振器を往復する光は、ランダム位相板５０を通過するたびに位相が空間的にランダムにシフトし、可干渉性が低下する。また、この往復光は、ランダム位相板５０を通過するたびにスペックルの分布が変化するので、増幅器３０ａから出力されるパルスレーザ光は、実質的なスペックルが低減する。
５．４ 変形例
以下、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃの変形例について説明する。第４の実施形態では、レーザシステム２ｃは、比較例に係るＯＰＳ１０を用いているが、ＯＰＳ１０に代えて、第１〜第３の実施形態において説明した位相光学素子を含むＯＰＳ１０ｂ〜１０ｄのいずれかを用いてもよい。このように増幅器とＯＰＳとに位相光学素子が含まれる場合には、増幅器に含まれる位相光学素子を第１の位相光学素子と称し、ＯＰＳに含まれる位相光学素子を第２の位相光学素子と称する。
また、第４の実施形態では、ランダム位相板５０をリアミラー３３とレーザチャンバ３１との間に配置しているが、これに代えて、ランダム位相板５０を出力結合ミラー３４とレーザチャンバ３１との間に配置してもよい。
また、第１の実施形態では、ＯＰＳ１０と増幅器３０ａとの間にビームエキスパンダ２０を配置しているが、ビームエキスパンダ２０を用いなくても放電空間３５をシード光で満たすことが可能な場合は、ビームエキスパンダ２０を配置しなくてもよい。
６．第５の実施形態
本開示の第５の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第４の実施形態では、光共振器としてファブリペロ共振器を含む増幅器３０ａを用いている。第５の実施形態では、光共振器としてリング共振器を含む増幅器を用いる。
６．１ 構成
図２１は、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄの構成を示す。レーザシステム２ｄは、固体レーザ装置３と、ＯＰＳ１０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０ｂと、高反射ミラー１００と、を含む。レーザシステム２ｄは、増幅器３０ｂの構成と、高反射ミラー１００を含むこと以外は、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃと同一の構成である。高反射ミラー１００は、ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴを高反射して増幅器３０ｂに入射させる。
増幅器３０ｂは、レーザチャンバ３１と、出力結合ミラー１１０と、高反射ミラー１２０〜１２２と、ランダム位相板５０と、を含む。高反射ミラー１２０〜１２２は、平面ミラーである。出力結合ミラー１１０と高反射ミラー１２０〜１２２とは、リング共振器を構成している。このリング共振器は、レーザチャンバ３１の放電空間３５内において交差する２つの光路を形成している。また、リング共振器により形成される光路は、放電方向に垂直なＨＺ面内にほぼ平行である。なお、出力結合ミラー１１０の反射率は、２０％〜４０％の範囲内である。
ランダム位相板５０は、第１の実施形態と同様の構成である。ランダム位相板５０は、増幅器３０ｂを構成する光学素子である出力結合ミラー１１０、高反射ミラー１２０〜１２２、及びウィンドウ３１ａ，３１ｂとは別の部材である。また、ランダム位相板５０は、出力結合ミラー１１０と高反射ミラー１２０〜１２２とにより構成されるリング共振器の光路内に個別に設けられている。具体的には、ランダム位相板５０は、レーザチャンバ３１と、高反射ミラー１２１，１２２との間であって、かつ、放電空間３５内で交差する２つの光路が通過するように配置されている。
６．２ 動作
次に、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄの動作について説明する。ＯＰＳ１０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大され、高反射ミラー１００を介して増幅器３０ｂの出力結合ミラー１１０に入射する。出力結合ミラー１１０に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴの一部は、出力結合ミラー１１０を透過した後、高反射ミラー１２０により高反射される。高反射ミラー１２０により高反射された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ｂを介して放電空間３５に入射する。
放電空間３５に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、放電電極３２ａ，３２ｂの長手方向であるＺ方向に対して傾斜した光路に沿って進行し、増幅される。増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ａを介してレーザチャンバ３１から出力され、ランダム位相板５０に入射する。伸長パルスレーザ光ＰＴは、ランダム位相板５０を通過することにより位相が空間的にランダムにシフトする。
ランダム位相板５０を通過した伸長パルスレーザ光ＰＴは、高反射ミラー１２１及び１２２により高反射され、再びランダム位相板５０に入射する。伸長パルスレーザ光ＰＴは、ランダム位相板５０を通過することにより位相がさらに空間的にランダムにシフトする。ランダム位相板５０を通過した伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ａを介して放電空間３５に入射する。放電空間３５に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、ほぼＺ方向に平行な光路に沿って進行し、増幅される。増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ウィンドウ３１ｂを介してレーザチャンバ３１から出力され、出力結合ミラー１１０に入射する。
出力結合ミラー１１０に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴのうち、出力結合ミラー１１０を透過した透過光は、露光装置へ出力される。出力結合ミラー１１０に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴのうち、出力結合ミラー１１０により反射された反射光は、再びリング共振器の光路を周回する。以上の動作を繰り返すことにより、増幅発振し、出力結合ミラー１１０から増幅された複数のパルスレーザ光が出力され、露光装置に入射する。
６．３ 効果
第５の実施形態では、増幅器３０ｂに含まれるリング共振器の光路内にランダム位相板５０を配置しているので、リング共振器を周回する光は、ランダム位相板５０を通過するたびに位相が空間的にランダムにシフトし、可干渉性が低下する。また、この周回光は、ランダム位相板５０を通過するたびにスペックルの分布が変化するので、増幅器３０ｂから出力されるパルスレーザ光は、実質的なスペックルが低減する。
６．４ 変形例
以下、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄの変形例について説明する。第５の実施形態では、放電空間３５内において交差する２つの光路が通過するようにランダム位相板５０を配置しているが、一方の光路のみが通過するようにランダム位相板５０を配置してもよい。また、第５の実施形態では、ランダム位相板５０を、レーザチャンバ３１と高反射ミラー１２１，１２２との間に配置しているが、レーザチャンバ３１と出力結合ミラー１１０及び高反射ミラー１２０との間に配置してもよい。
さらに、第５の実施形態においても第４の実施形態と同様の変形が可能である。例えば、ＯＰＳ１０に代えて、第１〜第３の実施形態において説明したＯＰＳ１０ｂ〜１０ｄのいずれかを用いてもよい。また、ビームエキスパンダ２０を用いなくても放電空間３５をシード光で満たすことが可能な場合は、ビームエキスパンダ２０を配置しなくてもよい。
７．第６の実施形態
次に、本開示の第６の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第４及び第５の実施形態では、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子として、ランダム位相板が、個別の部材として増幅器内に設けられている。第６の実施形態では、増幅器に含まれる光学素子であるレーザチャンバのウィンドウに、空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
７．１ 構成
図２２は、第６の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器３０ｃの構成を示す。第６の実施形態に係るレーザシステムは、増幅器３０ａに代えて増幅器３０ｃを用いること以外、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃと同一の構成である。
増幅器３０ｃは、レーザチャンバ３１のリア側に、位相コート層１３２が形成されたウィンドウ１３０を含む。増幅器３０ｃは、ウィンドウ１３０以外の構成は、比較例に係る増幅器３０と同一の構成である。ウィンドウ１３０は、基板１３１ａと位相コート層１３２とを含む。基板１３１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成された平行平面基板である。
位相コート層１３２は、基板１３１ａのレーザチャンバ３１とは反対側の面に形成されている。位相コート層１３２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層１３２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、ウィンドウ１３０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
７．２ 動作
第６の実施形態では、シード光として増幅器３０ｃに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３と出力結合ミラー３４とにより構成された光共振器を往復する際に、ウィンドウ１３０を通過するたびに位相が空間的にランダムにシフトする。その他の動作は、第４の実施形態と同様である。
７．３ 効果
第６の実施形態では、レーザチャンバ３１に設けられたウィンドウ１３０が空間的ランダム位相シフト機能を含むので、第４の実施形態に比べて、増幅器に含まれる光学素子の数を削減することができる。また、第６の実施形態では、位相コート層１３２は、基板１３１ａのレーザチャンバ３１とは反対側の面に設けられているので、放電電極３２ａ，３２ｂから放出される金属ダストが付着すること等による損傷を抑制される。
７．４ 変形例
以下、第６の実施形態に係るレーザシステムの変形例について説明する。第６の実施形態では、リア側のウィンドウに空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、フロント側のウィンドウに空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。この場合、フロント側のウィンドウのレーザチャンバとは反対側の面に位相コート層を形成することが好ましい。また、フロント側のウィンドウとリア側のウィンドウとの両方に空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。
図２３は、位相コート層１３２を含むウィンドウ１３０の変形例を示す。ウィンドウ１３０は、保護コート層１３１ｂを含む。この保護コート層１３１ｂは、基板１３１ａのレーザチャンバ３１とは反対側の面に形成されている。位相コート層１３２は、保護コート層１３１ｂの表面上に形成されている。保護コート層１３１ｂは、フッ化物で形成されていることが好ましく、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）やフッ化ガドリニウム（ＧｄＦ3）で形成する。基板１３１ａは、保護コート層１３１ｂを形成することにより損傷が抑制される。なお、フロント側のウィンドウに空間的ランダム位相シフト機能を付加する場合についても同様に、保護コート層を形成してもよい。
図２４は、リング共振器を含む増幅器３０ｄにおいて、レーザチャンバ３１のリア側に、位相コート層１３２を含むウィンドウ１３０を設けた例を示す。この増幅器３０ｄは、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄに含まれる増幅器３０ｂに代えて用いられる。なお、増幅器３０ｄは、第６の実施形態に係る増幅器３０ｃと同様の変形が可能である。
８．第７の実施形態
次に、本開示の第７の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第６の実施形態では、レーザチャンバのウィンドウに、空間的ランダム位相シフト機能を付加している。第７の実施形態では、光共振器としてのファブリペロ共振器を構成するリアミラーと出力結合ミラーのうちリアミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
８．１ 構成
図２５は、第７の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器３０ｅの構成を示す。第７の実施形態に係るレーザシステムは、増幅器３０ａに代えて増幅器３０ｅを用いること以外、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃと同一の構成である。
増幅器３０ｅは、位相コート層１４２が形成されたリアミラー１４０を含む。増幅器３０ｅは、リアミラー１４０の構成以外、比較例に係る増幅器３０と同一の構成である。
図２６に示すように、リアミラー１４０は、基板１４１ａと、部分反射膜１４１ｂと、位相コート層１４２とを含む。基板１３１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成された平行平面基板である。部分反射膜１４１ｂは、基板１４１ａのレーザチャンバ３１側の面に形成されている。位相コート層１４２は、部分反射膜１４１ｂの表面に形成されている。位相コート層１４２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層１４２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、リアミラー１４０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
８．２ 動作
第７の実施形態では、シード光として増幅器３０ｅに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー１４０と出力結合ミラー３４とにより構成される光共振器を往復する際に、リアミラー１４０で反射されるたびに位相が空間的にランダムにシフトする。その他の動作は、第４の実施形態と同様である。
８．３ 効果
第７の実施形態では、光共振器に含まれる光学素子であるリアミラー１４０が空間的ランダム位相シフト機能を含むので、第４の実施形態に比べて、増幅器に含まれる光学素子の数を削減することができる。
８．４ 変形例
以下、第７の実施形態に係るリアミラー１４０の変形例について説明する。図２７に示すリアミラー１４０ａは、基板１４１ａのレーザチャンバ３１側の面に位相コート層１４２を形成し、他方の面に部分反射膜１４１ｂを形成することにより構成されている。図２８に示すリアミラー１４０ｂは、図２７に示すリアミラー１４０ａの構成に加えて、基板１４１ａと位相コート層１４２との間にＡＲコート層１４３を形成したものである。ＡＲコート層１４３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である
図２６〜図２８に示されるリアミラー１４０，１４０ａ，１４０ｂを比較すると、レーザ光に対する耐久性の面では、リアミラー１４０が優れる。しかし、リアミラー１４０ａ，１４０ｂは、部分反射膜１４１ｂと位相コート層１４２との間に、基板１４１ａの厚み分の距離があるので、空間的ランダム位相シフト機能がリアミラー１４０よりも優れる。さらに、リアミラー１４０ｂは、ＡＲコート層１４３を含むことにより、リアミラー１４０ａよりも光量のロスが低減される。
９．第８の実施形態
次に、本開示の第８の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第７の実施形態では、リアミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、第８の実施形態では、出力結合ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
９．１ 構成
図２９は、第８の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器３０ｆの構成を示す。第８の実施形態に係るレーザシステムは、増幅器３０ａに代えて増幅器３０ｆを用いること以外、第４の実施形態に係るレーザシステム２ｃと同一の構成である。
増幅器３０ｆは、位相コート層１５２が形成された出力結合ミラー１５０を含む。増幅器３０ｆは、出力結合ミラー１５０の構成以外、比較例に係る増幅器３０と同一の構成である。
図３０に示すように、出力結合ミラー１５０は、基板１５１ａと、部分反射膜１５１ｂと、位相コート層１５２と、ＡＲコート層１５３と、を含む。基板１５１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成された平行平面基板である。部分反射膜１５１ｂは、基板１５１ａのレーザチャンバ３１側の面に形成されている。位相コート層１５２は、部分反射膜１５１ｂの表面に形成されている。位相コート層１５２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層１５２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、出力結合ミラー１５０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
ＡＲコート層１５３は、基板１５１ａのレーザチャンバ３１とは反対側の面に形成されている。ＡＲコート層１５３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である。
９．２ 動作
第８の実施形態では、シード光として増幅器３０ｆに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３と出力結合ミラー１５０とにより構成される光共振器を往復する際に、出力結合ミラー１５０で反射されるたびに位相が空間的にランダムにシフトする。その他の動作は、第４の実施形態と同様である。
９．３ 効果
第７の実施形態では、光共振器に含まれる光学素子である出力結合ミラー１５０がラ空間的ランダム位相シフト機能を含むので、第４の実施形態に比べて、増幅器に含まれる光学素子の数を削減することができる。
９．４ 変形例
以下、第９の実施形態に係る出力結合ミラーの変形例について説明する。図３１に示す出力結合ミラー１５０ａは、基板１５１ａのレーザチャンバ３１側の面に位相コート層１５２を形成し、他方の面に部分反射膜１５１ｂを形成することにより構成されている。図３２に示す出力結合ミラー１５０ｂは、図３１に示す出力結合ミラー１５０ａの構成に加えて、基板１５１ａと位相コート層１５２との間にＡＲコート層１５３を形成したものである。
図３０〜図３２に示される出力結合ミラー１５０，１５０ａ，１５０ｂを比較すると、レーザ光に対する耐久性の面では、出力結合ミラー１５０が優れる。しかし、出力結合ミラー１５０ａ，１５０ｂは、部分反射膜１５１ｂと位相コート層１５２との間に、基板１５１ａの厚み分の距離があるので、空間的ランダム位相シフト機能が出力結合ミラー１５０よりも優れる。さらに、出力結合ミラー１５０ｂは、ＡＲコート層１５３を含むことにより、出力結合ミラー１５０ａよりも光量のロスが低減される。
第７の実施形態と第８の実施形態とを比較すると、耐久性の面では、第７の実施形態のほうが優れる。これは、リアミラーのほうが出力結合ミラーよりもレーザ光のエネルギ負荷が低く、リアミラーの寿命が延びるためである。
また、第７の実施形態では、リアミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加し、第８の実施形態では、出力結合ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、リアミラーと出力結合ミラーとの両方に空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。
１０．第９の実施形態
次に、本開示の第９の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第７及び第８の実施形態では、ファブリペロ共振器に含まれる光学素子に空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、第９の実施形態では、リング共振器に含まれる光学素子としての高反射ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
１０．１ 構成
図３３は、第９の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器３０ｇの構成を示す。第９の実施形態に係るレーザシステムは、増幅器３０ｂに代えて増幅器３０ｇを用いること以外、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄと同一の構成である。
増幅器３０ｇは、位相コート層１６２が形成された高反射ミラー１６０を、リング共振器内に含む。増幅器３０ｇは、高反射ミラー１６０の構成以外、第５の実施形態に係る増幅器３０ｂと同一の構成である。
図３４に示すように、高反射ミラー１６０は、基板１６１ａと、高反射膜１６１ｂと、位相コート層１６２と、を含む。基板１６１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成された平行平面基板である。高反射膜１６１ｂは、基板１６１ａの伸長パルスレーザ光ＰＴの入射側の面に形成されている。位相コート層１６２は、高反射膜１６１ｂの表面に形成されている。位相コート層１６２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層１６２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、高反射ミラー１６０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
１０．２ 動作
第９の実施形態では、シード光として増幅器３０ｇに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、出力結合ミラー１１０を透過し、高反射ミラー１６０により反射される。伸長パルスレーザ光ＰＴは、高反射ミラー１６０を含むリング共振器を周回する際に、高反射ミラー１６０で反射されるたびに位相が空間的にランダムにシフトする。その他の動作は、第５の実施形態と同様である。
１０．３ 効果
第９の実施形態では、リング共振器に含まれる光学素子である高反射ミラー１６０が空間的ランダム位相シフト機能を含むので、第５の実施形態に比べて、増幅器に含まれる光学素子の数を削減することができる。
１０．４ 変形例
以下、第９の実施形態に係る高反射ミラー１６０の変形例について説明する。図３５に示す高反射ミラー１６０ａは、基板１６１ａの伸長パルスレーザ光ＰＴの入射側の面に位相コート層１６２を形成し、他方の面に高反射膜１６１ｂを形成することにより構成されている。図３６に示す高反射ミラー１６０ｂは、図３５に示す高反射ミラー１６０ａの構成に加えて、基板１６１ａと位相コート層１６２との間にＡＲコート層１６３を形成したものである。ＡＲコート層１６３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である。
図３４〜図３６に示される高反射ミラー１６０，１６０ａ，１６０ｂを比較すると、レーザ光に対する耐久性の面では、高反射ミラー１６０が優れる。しかし、高反射ミラー１６０ａ，１６０ｂは、高反射膜１６１ｂと位相コート層１６２との間に、基板１６１ａの厚み分の距離があるので、空間的ランダム位相シフト機能が高反射ミラー１６０よりも優れる。さらに、高反射ミラー１６０ｂは、ＡＲコート層１６３を含むことにより、高反射ミラー１６０ａよりも光量のロスが低減される。
また、第９の実施形態では、リング共振器に含まれる３つの高反射ミラーのうち、最初に伸長パルスレーザ光ＰＴが入射する高反射ミラー１６０に空間的ランダム位相シフト機能を付加しているが、いずれの高反射ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。しかし、最初に伸長パルスレーザ光ＰＴが入射する高反射ミラー１６０が最もレーザ光のエネルギ密度が小さく、エネルギ負荷が小さいため、高反射ミラー１６０に空間的ランダム位相シフト機能を付加することが好ましい。また、複数の高反射ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加してもよい。
１１．第１０の実施形態
次に、本開示の第１０の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第９の実施形態では、リング共振器に含まれる光学素子としての高反射ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加している。第１０の実施形態では、リング共振器に含まれる光学素子としての出力結合ミラーに空間的ランダム位相シフト機能を付加する。
１１．１ 構成
図３７は、第１０の実施形態に係るレーザシステムに用いられる増幅器３０ｈの構成を示す。第１０の実施形態に係るレーザシステムは、増幅器３０ｂに代えて増幅器３０ｈを用いること以外、第５の実施形態に係るレーザシステム２ｄと同一の構成である。
増幅器３０ｈは、位相コート層１７２が形成された出力結合ミラー１７０を、リング共振器内に含む。増幅器３０ｈは、出力結合ミラー１７０の構成以外、第５の実施形態に係る増幅器３０ｂと同一の構成である。
図３８に示すように、出力結合ミラー１７０は、基板１７１ａと、部分反射膜１７１ｂと、位相コート層１７２と、を含む。基板１７１ａは、例えば、ＣａＦ2により形成された平行平面基板である。部分反射膜１７１ｂは、基板１６１ａのレーザチャンバ３１側の面に形成されている。位相コート層１７２は、部分反射膜１７１ｂの表面に形成されている。位相コート層１７２の材料は、第１の実施形態に係る位相コート層５２の材料と同様である。
位相コート層１７２は、第１の実施形態に係る位相コート層５２と同様に、厚みの設定により、位相シフト量が異なる複数のセルを構成している。したがって、出力結合ミラー１７０は、空間的ランダム位相シフト機能を含む位相光学素子を兼ねている。
１１．２ 動作
第１０の実施形態では、シード光として増幅器３０ｈに入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、出力結合ミラー１７０を含むリング共振器を周回する。この周回光は、出力結合ミラー１７０を透過し、または出力結合ミラー１７０により反射されるたびに、位相が空間的にランダムにシフトする。その他の動作は、第５の実施形態と同様である。
１１．３ 効果
第１０の実施形態では、リング共振器に含まれる光学素子である出力結合ミラー１７０が空間的ランダム位相シフト機能を含むので、第５の実施形態に比べて、増幅器に含まれる光学素子の数を削減することができる。
１１．４ 変形例
以下、第１０の実施形態に係る出力結合ミラー１７０の変形例について説明する。図３９に示す出力結合ミラー１７０ａは、基板１７１ａのレーザチャンバ３１側の面に位相コート層１７２を形成し、他方の面に部分反射膜１７１ｂを形成することにより構成されている。図４０に示す出力結合ミラー１７０ｂは、図３９に示す出力結合ミラー１７０ａの構成に加えて、基板１７１ａと位相コート層１７２との間にＡＲコート層１７３を形成したものである。ＡＲコート層１７３は、前述のＡＲコート層６０と同様の構成である。
１２．リング共振器の変形例
次に、第５の実施形態に係る増幅器３０ｂ等に含まれるリング共振器の変形例について説明する。図４１に示す増幅器３０ｉは、リング共振器として、出力結合ミラー１１０と、高反射ミラー１２０と、高反射プリズム１８０とを含むこと以外は、第５の実施形態に係る増幅器３０ｂと同様の構成である。
増幅器３０ｉは、図２１に示される増幅器３０ｂに含まれる高反射ミラー１２１，１２２に代えて、高反射プリズム１８０を設けたものである。本変形例では、高反射ミラー１２０は、高反射ミラー１２０による反射光の光路は、放電電極３２ａ，３２ｂの長手方向であるＺ方向にほぼ平行である。高反射プリズム１８０には、Ｚ方向にほぼ平行な光路に沿って光が入射する。高反射プリズム１８０は、入射した光の光路を屈曲させ、Ｚ方向にほぼ平行な光路に沿って射出する。したがって、本変形例では、レーザチャンバ３１の放電空間３５内における２つの光路はほぼ平行である。また、リング共振器により形成される光路は、ほぼ長方形であって、放電方向に平行なＶＺ面にほぼ平行である。
なお、上記各実施形態に係るレーザシステムでは、マスターオシレータとしての固体レーザ装置３を用いているが、マスターオシレータは、固体レーザ装置に限られず、エキシマレーザ装置等、その他のレーザ装置であってもよい。
また、上記各実施形態では、位相シフト量が異なる複数のセルは、基板上に厚みの異なる位相コート層を形成することにより構成されている。位相シフト量は、レーザ光が通過する媒質の厚みと屈折率とに依存するので、セルの領域ごとに基板の屈折率を変えることにより、位相シフト量が異なる複数のセルを構成することも可能である。例えば、基板にイオン等をドープすることにより、基板の屈折率をセルの領域ごとに設定してもよい。この場合、位相シフト量は、ドーパントの濃度により設定可能である。このドーパントとして、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）、フッ素（Ｆ）、ネオジム（Ｎｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）等を用いることが可能である。
このように、レーザ光に対して位相シフトを与える層を、位相シフト層と称する。この位相シフト層には、上記のように位相シフト量に応じて厚みが設定された位相コート層と、位相シフト量に応じて屈折率が設定された基板とが含まれる。
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (18)

  1. レーザシステムであって、
    パルスレーザ光を出力するレーザ装置と、
    前記パルスレーザ光のパルス幅を伸長するための遅延光路を含む光学パルスストレッチャと、
    前記遅延光路内に含まれ、前記パルスレーザ光の位相をシフトさせる位相シフト量が異なり、配列のいずれの方向にも非周期である複数種のセルを含む位相光学素子と、
    を備え、
    前記遅延光路内を周回する各周回光の光路軸のズレ量が前記セルのサイズより大きい、
    レーザシステム。
  2. 請求項１に記載のレーザシステムであって、
    前記位相光学素子は、前記遅延光路を構成する光学素子とは別の部材として、前記遅延光路内に個別に設けられたランダム位相板である。
  3. 請求項２に記載のレーザシステムであって、
    前記位相光学素子は、前記遅延光路内においてコリメートされたコリメート光の光路上に配置されている。
  4. 請求項１に記載のレーザシステムであって、
    前記光学パルスストレッチャは、複数の凹面ミラーを含み、
    前記複数の凹面ミラーのうちの少なくとも１つが前記位相光学素子を兼ねている。
  5. 請求項４に記載のレーザシステムであって、
    前記位相光学素子を兼ねた凹面ミラーは、凹面ミラーと光学的に等価な高反射ミラーにより構成されており、
    前記高反射ミラーは、平凸状の基板と、高反射膜と、位相シフト層とを含み、
    高反射膜は、前記基板の平面側の表面に形成されており、
    前記位相シフト層は、前記基板の凸状の表面に形成されており、前記パルスレーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる。
  6. 請求項１に記載のレーザシステムであって、
    前記光学パルスストレッチャは、ビームスプリッタを含み、
    前記ビームスプリッタが前記位相光学素子を兼ねている。
  7. 請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに備える：
    前記光学パルスストレッチャから出力される伸長パルスレーザ光を増幅する増幅器。
  8. レーザシステムであって、
    パルスレーザ光を出力するレーザ装置と、
    光共振器を含み、前記レーザ装置から出力される前記パルスレーザ光を増幅する増幅器と、
    前記光共振器の光路内に含まれ、前記パルスレーザ光の位相をシフトさせる位相シフト量が異なり、配列のいずれの方向にも非周期である複数種のセルを含む第１の位相光学素子と、
    を備え、
    前記光共振器内を往復する光の光路軸のズレ量が前記セルのサイズより大きい、
    レーザシステム。
  9. 請求項８に記載のレーザシステムであって、
    前記第１の位相光学素子は、前記増幅器を構成する光学素子とは別の部材として、前記光共振器の光路内に個別に設けられたランダム位相板である。
  10. 請求項９に記載のレーザシステムであって、
    前記増幅器は、一対の放電空電極を含み、
    前記光共振器は、前記一対の放電電極の間の放電空間内を通過する２つの光路を形成するリング共振器であり、
    前記ランダム位相板は、前記２つの光路が通過するように配置されている。
  11. 請求項８に記載のレーザシステムであって、
    前記光共振器は、ファブリペロ共振器及びリング共振器のうちのいずれか１つである。
  12. 請求項８に記載のレーザシステムであって、
    前記増幅器は、複数のウィンドウが設けられたレーザチャンバを含み、
    前記複数のウィンドウのうちの少なくとも１つが前記第１の位相光学素子を兼ねている。
  13. 請求項１２に記載のレーザシステムであって、
    前記第１の位相光学素子を兼ねたウィンドウは、前記パルスレーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる位相シフト層を含み、
    前記位相シフト層は、前記ウィンドウの前記レーザチャンバとは反対側の面に形成されている。
  14. 請求項８に記載のレーザシステムであって、
    前記光共振器は、リアミラーと出力結合ミラーとにより構成されたファブリペロ共振器であり、
    前記リアミラー及び前記出力結合ミラーのうちの少なくとも１つが前記第１の位相光学素子を兼ねている。
  15. 請求項８に記載のレーザシステムであって、
    前記光共振器は、複数の高反射ミラーと出力結合ミラーとにより構成されたリング共振器であり、
    前記複数の高反射ミラー及び前記出力結合ミラーのうちの少なくとも１つが前記第１の位相光学素子を兼ねている。
  16. 請求項１５に記載のレーザシステムであって、
    前記複数の高反射ミラーのうち、最初に前記パルスレーザ光が入射する高反射ミラーが前記第１の位相光学素子を兼ねている。
  17. 請求項８に記載のレーザシステムであって、以下をさらに備える：
    前記レーザ装置と前記増幅器との間に配置され、前記パルスレーザ光のパルス幅を伸長するための遅延光路を含み、前記パルスレーザ光のパルス幅を伸長して前記増幅器に入射させる光学パルスストレッチャ。
  18. 請求項１７に記載のレーザシステムであって、以下をさらに備える：
    前記遅延光路内に含まれ、前記パルスレーザ光の位相を空間的にランダムにシフトさせる機能を含む第２の位相光学素子。
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