JPWO2016046871A1 - レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

このレーザ装置は、シード光を出力する発振器と、シード光の光路に配置されたレーザチャンバと、レーザチャンバの中に配置された一対の放電電極と、を含む増幅器と、発振器と増幅器との間のシード光の光路に配置され、増幅器から出力されるレーザ光の偏光純度の低下を抑制するように、シード光を変換する変換光学系と、を備えてもよい。

Description

本開示は、レーザ装置に関する。
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、露光用のガス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１９３ｎｍ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。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。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 Narrow Module）が設けられ、この狭帯域化モジュールによりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、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。
 概要
本開示の１つの観点に係るレーザ装置は、シード光を出力する発振器と、シード光の光路に配置されたレーザチャンバと、レーザチャンバの中に配置された一対の放電電極と、を含む増幅器と、発振器と増幅器との間のシード光の光路に配置され、増幅器から出力されるレーザ光の偏光純度の低下を抑制するように、シード光を変換する変換光学系と、を備えてもよい。
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１Ａは、第１の実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成を模式的に示す。図１Ｂは、図１Ａに示されるエキシマレーザ装置の内部構成をＶ方向から見た模式図である。 図２Ａは、図１ＡにＩＩＡ−ＩＩＡ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。図２Ｂは、図１ＡにＩＩＢ−ＩＩＢ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。図２Ｃは、図１ＡにＩＩＣ−ＩＩＣ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。 図３Ａ及び図３Ｂは、第２の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３１の構成を模式的に示す。 図４Ａ及び図４Ｂは、第３の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３２の構成を模式的に示す。 図５Ａ及び図５Ｂは、第４の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３３の構成を模式的に示す。 図６は、第５の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３４の構成を模式的に示す。 図７は、第６の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３５の構成を模式的に示す。 図８Ａ及び図８Ｂは、第７の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３６の構成を模式的に示す。 図９Ａ及び図９Ｂは、第８の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３７の構成を模式的に示す。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、第９の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３８の構成を模式的に示す。 図１１Ａは、第１０の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３９の構成を模式的に示す。図１１Ｂは、図１１Ａに示される変換光学系３９が用いられた場合の増幅器ＰＯ内の光路を示す。 図１２は、第１１の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる増幅器ＰＡの構成を模式的に示す。 図１３は、第１２の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる増幅器ＰＯの構成を模式的に示す。
実施形態
＜内容＞
１．概要
２．変換光学系を有するエキシマレーザ装置（第１の実施形態）
２．１ 発振器ＭＯ
２．２ 高反射ミラー１８ａ及び１８ｂ
２．３ 増幅器ＰＯ
２．４ 変換光学系３０
３．シード光をトップハット状に変換する変換光学系
３．１ 第２の実施形態
３．２ 第３の実施形態
４．シード光をビームエキスパンドする変換光学系
４．１ 第４の実施形態
４．２ 第５の実施形態
４．３ 第６の実施形態
５．シード光を２つのビームに分割する変換光学系
５．１ 第７の実施形態
５．２ 第８の実施形態
５．３ 第９の実施形態
５．４ 第１０の実施形態
６．増幅器のバリエーション
６．１ 第１１の実施形態
６．２ 第１２の実施形態
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．概要
露光装置の光源として用いられるエキシマレーザ装置においては、高出力化の要求に応えるために、発振器と増幅器とを含むダブルチャンバ方式のレーザ装置が実用化されている。ダブルチャンバ方式のレーザ装置の形態としては、増幅器に共振器ミラーを設けないＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）方式と、増幅器に共振器ミラーを設けるＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）方式とがある。このようなエキシマレーザ装置を用いて、ダブルパターンニングやトリプルパターンニングのような多重露光も行われており、スループットを改善するためにさらなる高出力化が求められている。
しかしながら、レーザ装置を高出力化すると、出力されたレーザ光の偏光純度が低下することがあり得た。偏光純度が低下すると、露光性能に悪影響を及ぼすことがあり得た。また、偏光純度が低下すると、ウインドウなどの透過光学素子において反射ロスが発生し、増幅効率が低下することがあり得た。ここで、偏光純度とは、測定対象の光のうち、所望の偏光方向の直線偏光の度合いを示す値でもよい。なお、偏光純度Ｐは以下の式で定義する。
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）×１００（％）
ここで、Ｉ１は所定の偏光成分の光強度とし、Ｉ２は上記所定の偏光成分と直交する偏光成分の光強度とする。
本開示の１つの観点によれば、増幅器から出力されるレーザ光の偏光純度の低下を抑制するようにシード光を変換する変換光学系が、発振器と増幅器との間に配置されてもよい。
２．変換光学系を有するエキシマレーザ装置（第１の実施形態）
図１Ａは、第１の実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成を模式的に示す。図１Ａに示されるエキシマレーザ装置は、発振器ＭＯと、増幅器ＰＯと、高反射ミラー１８ａ及び１８ｂと、変換光学系３０と、を含んでもよい。
２．１ 発振器ＭＯ
発振器ＭＯは、レーザチャンバ１０と、一対の放電電極１１ａ及び１１ｂと、狭帯域化モジュール１４と、出力結合ミラー１５と、を含んでもよい。発振器ＭＯは、増幅器ＰＯに入射させるシード光をレーザ発振して出力するマスターオシレータであってもよい。
図１Ａにおいては、発振器ＭＯの内部におけるレーザ光の進行方向に略垂直で、且つ、一対の放電電極１１ａ及び１１ｂの間の放電方向に略垂直な方向からみたレーザチャンバ１０の内部構成が示されている。図１Ａにおいて、レーザ光の進行方向は、Ｚ方向又は−Ｚ方向であってよい。一対の放電電極１１ａ及び１１ｂの間の放電方向は、Ｖ方向であってよい。これらの両方に垂直な方向は、Ｈ方向であってよい。高反射ミラー１８ａ又は１８ｂによってレーザ光の進行方向が変化するとき、Ｚ方向及びＶ方向は、当該進行方向の変化に追随して変化してもよい。
レーザチャンバ１０は、例えばアルゴン、ネオン及びフッ素等を含むレーザ媒質としてのレーザガスが封入されるチャンバでもよい。一対の放電電極１１ａ及び１１ｂ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１０内に配置されてもよい。一対の放電電極１１ａ及び１１ｂには、図示しないパルスパワーモジュールからパルス状の高電圧が印加されてもよい。
一対の放電電極１１ａ及び１１ｂ間に高電圧が印加されると、一対の放電電極１１ａ及び１１ｂ間に放電が起こり得る。この放電のエネルギーにより、レーザチャンバ１０内のレーザ媒質が励起されて高エネルギー準位に移行し得る。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギー準位に移行するとき、そのエネルギー準位差に応じた光を放出し得る。
レーザチャンバ１０の両端にはウインドウ１０ａ及び１０ｂが設けられてもよい。図１Ａには表れていないが、ウインドウ１０ａ及び１０ｂは、これらのウインドウに対する光の入射面とＨＺ平面とが略一致し、かつ、この光の入射角度が略ブリュースター角となるように配置されてもよい。入射面とは、入射する光の光軸と、この光が入射する境界面の法線とを含む面を意味してもよい。レーザチャンバ１０内で発生した光は、ウインドウ１０ａ及び１０ｂを介してレーザチャンバ１０の外部に出射してもよい。
狭帯域化モジュール１４は、プリズム１４ａと、グレーティング１４ｂとを含んでもよい。プリズム１４ａは、レーザチャンバ１０のウインドウ１０ａから出射された光のＨ方向のビーム幅を拡大させて、その光をグレーティング１４ｂに入射させてもよい。また、プリズム１４ａは、グレーティング１４ｂからの反射光のＨ方向のビーム幅を縮小させるとともに、その光をレーザチャンバ１０側に透過させてもよい。また、プリズム１４ａは、光を透過させるとき、光の波長に応じて異なった角度で光を屈折させてもよい。従って、プリズム１４ａは波長分散素子としても機能し得る。さらに、プリズム１４ａは、プリズム１４ａの斜面に対する光の入射面がＨＺ平面と略一致するように配置されてもよい。プリズム１４ａの斜面には、ｐ偏光の反射を抑制する膜がコートされていてもよい。
グレーティング１４ｂは、高反射率の材料によって構成され、表面に多数の溝が所定間隔で形成されていてもよい。各溝は例えば三角溝であってもよい。グレーティング１４ｂは、プリズム１４ａからグレーティング１４ｂに入射する光の入射角と、所望波長の回折光の回折角とが一致するようにリトロー配置されてもよい。これにより、所望波長付近の光がプリズム１４ａを介してレーザチャンバ１０に戻されてもよい。従って、グレーティング１４ｂは波長分散素子として機能し得る。
このように、プリズム１４ａとグレーティング１４ｂとによって、レーザ光のスペクトル幅を狭くする狭帯域化モジュール１４が構成してもよい。
出力結合ミラー１５の表面には、部分反射膜がコーティングされていてもよい。従って、出力結合ミラー１５は、レーザチャンバ１０のウインドウ１０ｂから出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ１０内に戻してもよい。
狭帯域化モジュール１４と出力結合ミラー１５とが、光共振器を構成してもよい。レーザチャンバ１０から出射した光は、狭帯域化モジュール１４と出力結合ミラー１５との間で往復し、放電電極１１ａ及び１１ｂの間のレーザゲイン空間を通過する度に増幅されレーザ発振し得る。レーザ光は狭帯域化モジュール１４と出力結合ミラー１５との間で往復することによって狭帯域化され、上述したウインドウ１０ａ及び１０ｂの配置によって、Ｈ方向の偏光成分が選択され得る。その結果、パルスレーザ光が出力結合ミラー１５からシード光として出力され得る。この出力されたシード光は、放電電極１１ａ及び１１ｂの間の放電方向と略直交する方向（Ｈ方向）に偏光方向を有する直線偏光となり得る。
２．２ 高反射ミラー１８ａ及び１８ｂ
高反射ミラー１８ａ及び１８ｂは、発振器ＭＯから出力されたシード光を高い反射率で反射して、変換光学系３０に導くように配置されてもよい。
変換光学系３０は、シード光のビームプロファイル又はビーム幅を変換して、増幅器ＰＯに向けて出力する光学系であってもよい。変換光学系３０については、後述する。
２．３ 増幅器ＰＯ
図１Ｂは、図１Ａに示されるエキシマレーザ装置の内部構成の一部をＶ方向から見た模式図である。図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、増幅器ＰＯについて説明する。増幅器ＰＯは、レーザチャンバ２０と、一対の放電電極２１ａ及び２１ｂと、リアミラー２４と、出力結合ミラー２５と、を含んでもよい。増幅器ＰＯは、リアミラー２４と出力結合ミラー２５とで構成される光共振器と、この光共振器内に配置されたレーザチャンバ２０と、を含んでもよい。この増幅器ＰＯは、シード光が光共振器内に注入されるとシード光を増幅しながら発振して、図示しない露光装置等に向けてレーザ光として出力するパワーオシレータであってもよい。
レーザチャンバ２０、一対の放電電極２１ａ及び２１ｂ、及び出力結合ミラー２５の構成は、発振器ＭＯに含まれるレーザチャンバ１０、一対の放電電極１１ａ及び１１ｂ、及び出力結合ミラー１５の構成とそれぞれ同様でもよい。レーザチャンバ２０の両端にはウインドウ２０ａ及び２０ｂが設けられてもよい。図１Ｂに示されるように、ウインドウ２０ａ及び２０ｂは、入射面がＨＺ面と略一致し、入射角度が略ブリュースター角となるように配置されてもよい。
リアミラー２４は、レーザ光の一部を反射し、当該レーザ光の他の一部を透過させる素子でもよい。リアミラー２４は、変換光学系３０を介してリアミラー２４に入射するシード光を、レーザチャンバ２０内に導くように配置されてもよい。リアミラー２４がシード光の一部を透過させることによって、シード光が、リアミラー２４と出力結合ミラー２５とによって構成されている光共振器内に注入され得る。ここで、リアミラー２４の反射率は９０％〜７０％であってもよく、出力結合ミラー２５の反射率は２０％〜４０％であってもよい。
一対の放電電極２１ａ及び２１ｂには、図示しないパルスパワーモジュールからパルス状の高電圧が印加されてもよい。一対の放電電極２１ａ及び２１ｂにパルス状の高電圧が印加されるタイミングは、シード光が増幅器ＰＯに入力されるタイミングと同期させてもよい。変換光学系３０を介して入射するシード光の偏光方向は、放電電極２１ａ及び２１ｂの間の放電方向に対して直交するＨ方向と略一致していてもよい。シード光がリアミラー２４と出力結合ミラー２５との間で往復することによってレーザ発振してもよい。増幅されたシード光が、出力結合ミラー２５からレーザ光として出力されてもよい。ここで、ウインドウ２０ａ及び２０ｂの複屈折の影響がなければ、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光の偏光特性は、シード光の偏光特性と略一致し得る。
２．４ 変換光学系３０
図２Ａは、図１ＡにＩＩＡ−ＩＩＡ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。図２Ｂは、図１ＡにＩＩＢ−ＩＩＢ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。図２Ｃは、図１ＡにＩＩＣ−ＩＩＣ線で示されるビーム断面のビームプロファイルを示す。
図２Ａに示されるように、発振器ＭＯから出力されるシード光のビーム断面は、放電方向すなわちＶ方向に長い形状であってよく、ほぼ長方形状であってもよい。さらに、発振器ＭＯから出力されるシード光のＶ方向のビームプロファイルは、略均一なエネルギー密度を有する略トップハット状であってもよい。また、発振器ＭＯから出力されるシード光のＨ方向のビームプロファイルは、中央付近でエネルギー密度が高く、端部付近ではエネルギー密度が低いガウス分布状であってもよい。
このようなビーム断面を有するシード光を、変換光学系３０を介さずに増幅器ＰＯに入射させて増幅すると、Ｈ方向のビームプロファイルにおける中央付近のエネルギー密度がさらに高くなり得る。そうすると、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子のレーザ光が通過する領域が、光のエネルギーの吸収によって加熱され得る。特に、Ｈ方向のビームプロファイルにおける中央付近の光のエネルギーの吸収が増加することによって、光学素子に温度分布が生じ、光学素子に熱応力が発生し得る。この熱応力の発生により、光学素子を透過する光が複屈折して、直線偏光が楕円変更に変換され、偏光純度が低下し得る。その結果、露光装置における結像性能を悪化させる場合がある。また、光学素子の寿命が低下する場合がある。
そこで、図２Ｂに示されるように、変換光学系３０は、例えば、Ｈ方向におけるガウス分布状のビームプロファイルを略トップハット状のビームプロファイルに変換する素子であってもよい。図２Ａと図２Ｂとを比較するとわかるように、ガウス分布状のビームプロファイルを略トップハット状のビームプロファイルに変換することにより、ビームプロファイルの中央部のエネルギー密度が低減され得る。そして、Ｈ方向において略トップハット状のビームプロファイルを有するシード光を増幅器ＰＯに入射させることにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され得る。これにより、熱応力による複屈折が抑制され、偏光純度の低下が抑制され得る。その結果、露光装置における結像性能の悪化が抑制され得る。
Ｈ方向において略トップハット状のビームプロファイルを有するシード光を増幅器ＰＯに入射させる場合には、図２Ｃに実線で示されるように、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光も、Ｈ方向において略トップハット状のビームプロファイルを有し得る。図２Ｃには、Ｈ方向においてガウス分布状のビームプロファイルを有するシード光を、変換光学系３０を介さずに増幅器ＰＯに入射させて増幅した場合に増幅器ＰＯから出力されるレーザ光のビームプロファイルが、破線で示されている。図２Ｃからわかるように、変換光学系３０を介してシード光を増幅器ＰＯに入射させることにより、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光のビームプロファイルの中央部のエネルギー密度も低減され得る。そして、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光は、Ｈ方向において略トップハット状のビームプロファイルを有し得る。これにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂにおいて、温度分布の不均一性が緩和され、熱応力による複屈折が抑制され得る。その結果、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光の偏光純度の低下が抑制され得る。
変換光学系３０は、高反射ミラー１８ｂと増幅器ＰＯとの間に限らず、高反射ミラー１８ａと高反射ミラー１８ｂとの間に設けられてもよいし、発振器ＭＯと高反射ミラー１８ａとの間に設けられてもよい。
３．シード光をトップハット状に変換する変換光学系
次に述べる第２及び第３の実施形態においては、一対の放電電極２１ａ及び２１ｂの間の放電方向と直交する方向のビームプロファイルが略トップハット状となるようにシード光を変換する変換光学系の、具体的な構成について説明する。
３．１ 第２の実施形態
図３Ａ及び図３Ｂは、第２の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３１の構成を模式的に示す。図３ＡはＶ方向から見た状態を示し、図３ＢはＨ方向から見た状態を示す。第２の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３１が用いられる他は、第１の実施形態と同様でよい。
変換光学系３１は、２つのプリズム３１ａ及び３１ｂを含んでもよい。プリズム３１ａ及び３１ｂは、それぞれＺＨ面に平行な断面が二等辺三角形の形状を有してもよい。プリズム３１ａ及び３１ｂは、これらの断面の二等辺三角形の頂角が等しく、且つ、これらの頂点が互いに向き合うように配置されてもよい。
Ｈ方向のビームプロファイルがガウス分布状であるシード光が、プリズム３１ａに入射してもよい。シード光がプリズム３１ａを透過すると、シード光のＨ方向のビーム幅のうち、Ｈ軸の正の方向側の部分がＨ軸の負の方向側に屈折して移動し、Ｈ軸の負の方向側の部分がＨ軸の正の方向側に屈折して移動し得る。この移動の距離は、例えば半値半幅でもよい。これらの光がプリズム３１ｂを透過することにより、プリズム３１ａに入射する前のシード光と同程度のビームダイバージェンスを有するシード光となり、且つ、ビームプロファイルは略トップハット状となってもよい。
図３Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルは、ほとんど変化しなくてもよい。
３．２ 第３の実施形態
図４Ａ及び図４Ｂは、第３の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３２の構成を模式的に示す。図４ＡはＶ方向から見た状態を示し、図４ＢはＨ方向から見た状態を示す。第３の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３２が用いられる他は、第１の実施形態と同様でよい。
変換光学系３２は、２つのシリンドリカル凸レンズ３２ａ及び３２ｂを含んでもよい。シリンドリカル凸レンズ３２ａ及び３２ｂは、それぞれＶＨ面に平行な平面と、Ｖ軸に平行な中心軸を有する円筒面とを有してもよい。シリンドリカル凸レンズ３２ａ及び３２ｂは、それぞれの円筒面が互いに向き合い、かつ、両シリンドリカル凸レンズ３２ａ及び３２ｂの焦点位置が略一致するように配置されてもよい。
Ｈ方向のビームプロファイルがガウス分布状であるシード光は、シリンドリカル凸レンズ３２ａを透過することにより、Ｈ方向のエネルギー密度分布を再分配され、シリンドリカル凸レンズ３２ｂに入射してもよい。シリンドリカル凸レンズ３２ｂは、シリンドリカル凸レンズ３２ａによって歪んだ波面を補正してもよい。シリンドリカル凸レンズ３２ｂから出射されるシード光は、シリンドリカル凸レンズ３２ａに入射する前のシード光と同程度のビームダイバージェンスを有するシード光となり、且つ、ビームプロファイルは略トップハット状となってもよい。
図４Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルは、ほとんど変化しなくてもよい。
４．シード光をビームエキスパンドする変換光学系
次に述べる第４〜第６の実施形態においては、変換光学系が、一対の放電電極２１ａ及び２１ｂの間の放電方向と直交する方向に、シード光をビームエキスパンドしてもよい。
４．１ 第４の実施形態
図５Ａ及び図５Ｂは、第４の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３３の構成を模式的に示す。図５ＡはＶ方向から見た状態を示し、図５ＢはＨ方向から見た状態を示す。第４の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３３が用いられる他は、第１の実施形態と同様でよい。
変換光学系３３は、２つのプリズム３３ａ及び３３ｂを含んでもよい。プリズム３３ａ及び３３ｂは、それぞれＺＨ面に平行な断面が三角形の形状を有してもよい。
シード光は、プリズム３３ａの１つの面に斜めに入射してＨ方向にビームエキスパンドされ、さらにプリズム３３ｂの１つの面に斜めに入射してＨ方向にビームエキスパンドされてもよい。プリズム３３ｂから出射するシード光の進行方向は、プリズム３３ａに入射する前のシード光の進行方向とほぼ同じでもよい。プリズム３３ａに入射する前のシード光に対して、プリズム３３ｂから出射するシード光のＨ方向のビームの拡大率は、１．２〜１．３であってもよい。
プリズム３３ｂから出射するシード光のビームプロファイルは、プリズム３３ａに入射する前のシード光と同様のガウス分布状であってもよい。但し、プリズム３３ｂから出射するシード光は、プリズム３３ａに入射する前のシード光に比べて、Ｈ方向にビームエキスパンドされているので、ビームプロファイルの全体にわたってエネルギー密度が低下し得る。従って、ビームプロファイルの中央部のエネルギー密度も低減され、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され得る。これにより、熱応力による複屈折が抑制され、偏光純度の低下が抑制され得る。その結果、露光装置における結像性能の悪化が抑制され得る。
プリズム３３ｂから出射するシード光のＨ方向のビーム幅は、増幅器ＰＯにおける増幅領域のＨ方向の幅より大きいことがあってもよい。すなわち、Ｈ方向にビームエキスパンドされたシード光のうち、エネルギー密度の低い両端部分は、増幅器ＰＯの増幅領域に入らないことがあってもよい。なお、プリズム３３ａ及び３３ｂによるビームエキスパンダでは、入射したレーザ光と出射したレーザ光では光路軸が平行移動し得る。このレーザ光の光路軸を略元に戻すために、レーザ光が透過する図示しない平行平面基板が配置されてもよい。この平行平面基板は、入射面とＨＺ平面とが略一致し、かつ、入射角が略ブリュースター角となるように傾けて配置されてもよい。
図５Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルやビーム幅は、ほとんど変化しなくてもよい。
４．２ 第５の実施形態
図６は、第５の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３４の構成を模式的に示す。図６はＶ方向から見た状態を示す。第５の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３４が用いられる他は、第４の実施形態と同様でよい。
変換光学系３４は、２つのウェッジ基板３４ａ及び３４ｂを含んでもよい。ウェッジ基板３４ａ及び３４ｂは、それぞれテーパー状の厚みを有してもよい。
シード光は、ウェッジ基板３４ａの１つの面に斜めに入射してＨ方向にビームエキスパンドされ、さらにウェッジ基板３４ｂの１つの面に斜めに入射してＨ方向にビームエキスパンドされてもよい。ウェッジ基板３４ｂから出射するシード光の進行方向は、ウェッジ基板３４ａに入射する前のシード光の進行方向とほぼ同じでもよい。
ウェッジ基板３４ｂから出射するシード光のビームプロファイルは、ウェッジ基板３４ａに入射する前のシード光と同様のガウス分布状であってもよい。但し、ウェッジ基板３４ｂから出射するシード光は、ウェッジ基板３４ａに入射する前のシード光に比べて、Ｈ方向にビームエキスパンドされているので、ビームプロファイルの全体にわたってエネルギー密度が低下し得る。従って、ビームプロファイルの中央部のエネルギー密度も低減され、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され得る。なお、この場合においても光路軸がシフトするので、図示しない平行平面基板を傾けて配置することによって、光路軸を略元に戻してもよい。
第４の実施形態と同様に、Ｖ方向のビームプロファイルやビーム幅は、ほとんど変化しなくてもよい。
４．３ 第６の実施形態
図７は、第６の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３５の構成を模式的に示す。図７はＶ方向から見た状態を示す。第６の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３５が用いられる他は、第４の実施形態と同様でよい。
変換光学系３５は、シリンドリカル凹レンズ３５ａとシリンドリカル凸レンズ３５ｂとを含んでもよい。シリンドリカル凹レンズ３５ａ及びシリンドリカル凸レンズ３５ｂは、それぞれＶＨ面に平行な平面と、Ｖ軸に平行な中心軸を有する円筒面とを有してもよい。シリンドリカル凹レンズ３５ａの焦点距離に比べて、シリンドリカル凸レンズ３５ｂの焦点距離が長くてもよい。シリンドリカル凹レンズ３５ａとシリンドリカル凸レンズ３５ｂとは、それらの前方焦点の位置が互いに略重なるように配置されてもよい。
シード光は、シリンドリカル凹レンズ３５ａを透過してＨ方向にビームエキスパンドされてもよい。
シリンドリカル凸レンズ３５ｂから出射するシード光のビームプロファイルは、シリンドリカル凹レンズ３５ａに入射する前のシード光と同様のガウス分布状であってもよい。但し、シリンドリカル凸レンズ３５ｂから出射するシード光は、シリンドリカル凹レンズ３５ａに入射する前のシード光に比べて、Ｈ方向にビームエキスパンドされているので、ビームプロファイルの全体にわたってエネルギー密度が低下していてもよい。従って、ビームプロファイルの中央部のエネルギー密度も低減され、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され得る。
第４の実施形態と同様に、Ｖ方向のビームプロファイルやビーム幅は、ほとんど変化しなくてもよい。
５．シード光を２つのビームに分割する変換光学系
次に述べる第７〜第１０の実施形態においては、変換光学系が、一対の放電電極２１ａ及び２１ｂの間の放電方向と直交する方向に並ぶ２つの分割ビームに、シード光を変換してもよい。
５．１ 第７の実施形態
図８Ａ及び図８Ｂは、第７の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３６の構成を模式的に示す。図８ＡはＶ方向から見た状態を示し、図８ＢはＨ方向から見た状態を示す。第７の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３６が用いられる他は、第１の実施形態と同様でよい。
変換光学系３６は、２つのプリズム３６ａ及び３６ｂを含んでもよい。プリズム３６ａ及び３６ｂは、それぞれＺＨ面に平行な断面が二等辺三角形の形状を有してもよい。プリズム３６ａ及び３６ｂは、これらの断面の二等辺三角形の頂角が等しく、且つ、これらの頂点が互いに向き合うように配置されてもよい。
プリズム３６ａは、シード光が入射する位置に、ホルダ３６ｃによって固定されていてもよい。ホルダ３６ｃは、固定プレート３６ｄに固定されていてもよい。
プリズム３６ｂは、プリズム３６ａを透過したシード光が入射する位置に、ホルダ３６ｅによって支持されていてもよい。ホルダ３６ｅは、リニアステージ３６ｆを介して固定プレート３６ｄに支持されていてもよい。リニアステージ３６ｆは、ホルダ３６ｅによって支持されたプリズム３６ｂが、シード光の光軸に沿って固定プレート３６ｄに対して往復動できるように、ホルダ３６ｅを支持してもよい。
Ｈ方向のビームプロファイルがガウス分布状であるシード光が、プリズム３６ａに入射してもよい。シード光がプリズム３６ａを透過すると、シード光のＨ方向のビーム幅のうち、Ｈ軸の正の方向側の部分がＨ軸の負の方向側に屈折して移動し、Ｈ軸の負の方向側の部分がＨ軸の正の方向側に屈折して移動してもよい。この移動の距離は、例えば半値半幅より大きくてもよい。これらの光がプリズム３６ｂを透過することにより、シード光のビームプロファイルは、Ｈ方向の中央部にエネルギー密度の低い窪みを有し、その両端にエネルギー密度のピークを１つずつ有するビームプロファイルとなってもよい。両端のピークのうち、１つのピークが第１の分割ビームを構成し、もう１つのピークが第２の分割ビームを構成してもよい。
リニアステージ３６ｆによってプリズム３６ｂを移動させることにより、プリズム３６ｂから出力されるシード光のＨ方向のビームプロファイルにおける窪みの大きさを調節可能であってもよい。
図８Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルは、ほとんど変化しなくてもよい。
一般に、増幅器における放電の中央部の励起は強くなり、ゲインが高くなる可能性がある。そこで、Ｈ方向のビームプロファイルの中央部にエネルギー密度の低い窪みを有するシード光を増幅器ＰＯに入射させて増幅させることにより、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光が略トップハット状に近いビームプロファイルを有するようにしてもよい。これにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され得る。その結果、熱応力による複屈折が抑制され、偏光純度の低下が抑制され得る。
５．２ 第８の実施形態
図９Ａ及び図９Ｂは、第８の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３７の構成を模式的に示す。図９ＡはＶ方向から見た状態を示し、図９ＢはＨ方向から見た状態を示す。第８の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３７が用いられる他は、第７の実施形態と同様でよい。
変換光学系３７は、平行平面基板３７ａを含んでもよい。平行平面基板３７ａは、シード光の入射面とＨＺ平面とが略一致し、かつ、入射角が略ブリュースター角となるように配置されてもよい。
平行平面基板３７ａに対するシード光の入射位置には、図示しない反射抑制膜がコーティングされていてもよい。平行平面基板３７ａに入射したシード光の第１の出射位置には、部分反射膜３７ｂがコーティングされてもよい。部分反射膜３７ｂにおいて、シード光の一部は第１の分割ビームとして増幅器ＰＯに向けて透過し、他の一部は平行平面基板３７ａの入射側の面に向けて反射されてもよい。平行平面基板３７ａの入射側の面の一部には、高反射膜３７ｃがコーティングされていてもよい。部分反射膜３７ｂによって反射されたシード光は、高反射膜３７ｃによって高い反射率で反射され、平行平面基板３７ａの第２の出射位置から第２の分割ビームとして増幅器ＰＯに向けて透過してもよい。第２の出射位置には、図示しない反射抑制膜がコーティングされていてもよい。
第１の出射位置を透過した第１の分割ビームと、第２の出射位置を透過した第２の分割ビームとは、互いにほぼ平行であり、平行平面基板３７ａに入射するシード光のピーク強度の約半分のピーク強度をそれぞれ有してもよい。第１及び第２の分割ビームは、それぞれＨ方向のビームプロファイルが略ガウス分布状であってもよい。第１の分割ビームと第２の分割ビームとの間には、エネルギー密度の低い窪み部分があってもよい。
図９Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルは、ほとんど変化しなくてもよい。
一般に、増幅器における放電の中央部の励起は強くなり、ゲインが高くなる可能性がある。そこで、Ｈ方向のビームプロファイルの中央部にエネルギー密度の低い窪みを有するシード光を増幅器ＰＯに入射させて増幅させることにより、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光が略トップハット状に近いビームプロファイルを有するようにしてもよい。これにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され、熱応力による複屈折が抑制され得る。
５．３ 第９の実施形態
図１０Ａ及び図１０Ｂは、第９の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３８の構成を模式的に示す。図１０ＡはＶ方向から見た状態を示し、図１０ＢはＨ方向から見た状態を示す。第９の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３８が用いられる他は、第７の実施形態と同様でよい。
変換光学系３８は、２つのプリズム３８ａ及び３８ｂを含んでもよい。プリズム３８ａは、ＺＨ面に平行な断面が凹五角形の形状を有してもよい。プリズム３８ｂは、ＺＨ面に平行な断面が二等辺三角形の形状を有してもよい。プリズム３８ａ及び３８ｂは、これらを互いに近接させると互いの傾斜面がほぼ隙間なく接触して、全体で直方体状となるような形状であってもよい。
プリズム３８ａを固定し、プリズム３８ｂを移動可能とする構成は、第７の実施形態と同様でもよい。
Ｈ方向のビームプロファイルがガウス分布状であるシード光は、プリズム３８ａを透過すると、Ｈ軸の正の方向側と負の方向側とに分かれて屈折して互いに離れるように進み得る。これらの光がプリズム３８ｂを透過することにより、シード光のビームプロファイルは、Ｈ方向の中央部にエネルギー密度の低い窪みを有し、その両端にエネルギー密度のピークを１つずつ有するものとなってもよい。両端のピークのうち、１つのピークが第１の分割ビームを構成し、もう１つのピークが第２の分割ビームを構成してもよい。
図１０Ｂに示されるように、Ｖ方向のビームプロファイルは、ほとんど変化しなくてもよい。
一般に、増幅器における放電の中央部の励起は強くなり、ゲインが高くなる可能性がある。そこで、Ｈ方向のビームプロファイルの中央部にエネルギー密度の低い窪みを有するシード光を増幅器ＰＯに入射させて増幅させることにより、増幅器ＰＯから出力されるレーザ光が略トップハット状に近いビームプロファイルを有するようにしてもよい。これにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され、熱応力による複屈折が抑制され得る。
５．４ 第１０の実施形態
図１１Ａは、第１０の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる変換光学系３９の構成を模式的に示す。図１１ＡはＶ方向から見た状態を示す。第１０の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、変換光学系３９が用いられる他は、第７の実施形態と同様でよい。
変換光学系３９は、２つのプリズム３９ａ及び３９ｂを含んでもよい。プリズム３９ａ及び３９ｂは、ＺＨ面に平行な断面が二等辺三角形の形状を有してもよい。但し、プリズム３９ｂの断面は、プリズム３９ａの断面に比べて、二等辺三角形の頂角が小さくてもよい。
プリズム３９ａを固定し、プリズム３９ｂを移動可能とする構成は、第７の実施形態と同様でよい。
Ｈ方向のビームプロファイルがガウス分布状であるシード光が、プリズム３９ａ及び３９ｂを透過してもよい。プリズム３９ａ及び３９ｂを透過したシード光は、Ｈ方向の中央部にエネルギー密度の低い窪みを有し、その両端にエネルギー密度のピークを１つずつ有するビームプロファイルを有してもよい。両端のピークのうち、１つのピークが第１の分割ビームを構成し、もう１つのピークが第２の分割ビームを構成してもよい。
但し、第１０の実施形態においては、図１１Ａに示されるように、変換光学系３９から出射する第１及び第２の分割ビームは、同一方向ではなく互いに近づく方向に出射してもよい。第１及び第２の分割ビームと増幅器の中心軸との角度Θは、０ｍｒａｄ＜Θ≦１．５ｍｒａｄでもよい。より好ましくは、０ｍｒａｄ＜Θ≦１ｍｒａｄでもよい。
図１１Ｂは、図１１Ａに示される変換光学系３９が用いられた場合の増幅器ＰＯ内の光路を示す。図１１Ｂに示されるように、変換光学系３９によって分割された第１及び第２の分割ビームは、増幅器ＰＯの中心軸から＋Ｈ方向及び−Ｈ方向に離れた位置においてウインドウ２０ａに入射してもよい。第１及び第２の分割ビームは、増幅器ＰＯの共振器を往復することによって増幅器ＰＯの中心軸に近づき、放電領域を満たしながら増幅されてもよい。これにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂなどの光学素子における温度分布の不均一性が緩和され、熱応力による複屈折が抑制され得る。
第１０の実施形態のように、第１及び第２の分割ビームが互いに近づく方向に変換光学系から出射するようにする構成は、プリズムを用いたものに限られない。例えば、図９に示される平行平面基板３７ａを、テーパー状の厚みを有するウェッジ基板に置き換えることによって、第１及び第２の分割ビームが互いに近づく方向に増幅器ＰＯに入射するようにすることができる。
６．増幅器のバリエーション
６．１ 第１１の実施形態
図１２は、第１１の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる増幅器ＰＡの構成を模式的に示す。図１２はＶ方向から見た状態を示す。第１１の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、増幅器ＰＡが用いられる他は、第１〜第１０の実施形態と同様でよい。
増幅器ＰＡは、光共振器を含まない点で、図１Ａを参照しながら説明した増幅器ＰＯと異なってもよい。変換光学系３０を介して増幅器ＰＡに入射したシード光は、レーザチャンバ２０内の増幅領域を１回通過して増幅され、増幅器ＰＡからレーザ光として出力されてもよい。また、増幅器ＰＡには、レーザチャンバ２０内の増幅領域を複数回通過させるための高反射ミラーが配置されてもよい。
本実施形態においても、変換光学系３０によって変換されたシード光を増幅器ＰＡに入射させることにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂにおいて、温度分布の不均一性が緩和され、複屈折が抑制され、偏光純度の低下が抑制され得る。
６．２ 第１２の実施形態
図１３は、第１２の実施形態に係るエキシマレーザ装置において用いられる増幅器ＰＯの構成を模式的に示す。図１３はＶ方向から見た状態を示す。第１２の実施形態に係るエキシマレーザ装置は、増幅器ＰＯがリング共振器を含む他は、第１〜第１０の実施形態と同様でよい。
第１２の実施形態において、増幅器ＰＯは、高反射ミラー１８ｃと、出力結合ミラー２５ａと、高反射ミラー２６ａ〜２６ｃと、を含んでもよい。
変換光学系３０を介して増幅器ＰＯに入射したシード光は、高反射ミラー１８ｃを介して、出力結合ミラー２５ａに導入されてもよい。
増幅器ＰＯは、高反射ミラー２６ａ〜２６ｃ及び出力結合ミラー２５ａによって構成されるリング型の光路によってレーザ光がレーザチャンバ２０内を複数回通過するようにして、レーザ光を増幅してもよい。
増幅器ＰＯによって増幅されたレーザ光は、出力結合ミラー２５ａを介して、出力レーザ光として出力され得る。
本実施形態においても、変換光学系３０によって変換されたシード光を増幅器ＰＯに入射させることにより、ウインドウ２０ａ及び２０ｂにおいて、温度分布の不均一性が緩和され、熱応力による複屈折が抑制され得る。その結果、偏光純度の低下が抑制され得る。
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 (8)

  1. シード光を出力する発振器と、
    前記シード光の光路に配置されたレーザチャンバと、前記レーザチャンバの中に配置された一対の放電電極と、を含む増幅器と、
    前記発振器と前記増幅器との間の前記シード光の光路に配置され、前記増幅器から出力されるレーザ光の偏光純度の低下を抑制するように、前記シード光を変換する変換光学系と、
    を備えるレーザ装置。
  2. 前記レーザチャンバは、前記シード光の光路に配置された光学素子を含み、
    前記変換光学系は、前記光学素子に熱応力が発生することを抑制して、前記増幅器から出力されるレーザ光の偏光純度の低下を抑制する、請求項１記載のレーザ装置。
  3. 前記変換光学系は、前記一対の放電電極の間の放電方向と直交する方向のビームプロファイルの中央部のエネルギー密度を低減するように、前記シード光を変換する、請求項１記載のレーザ装置。
  4. 前記変換光学系は、前記一対の放電電極の間の放電方向と直交する方向のビームプロファイルが略トップハット状となるように、前記シード光を変換する、請求項３記載のレーザ装置。
  5. 前記変換光学系は、前記一対の放電電極の間の放電方向と直交する方向に前記シード光をビームエキスパンドする、請求項３記載のレーザ装置。
  6. 前記変換光学系は、前記一対の放電電極の間の放電方向と直交する方向に並ぶ２つのビームに前記シード光を変換する、請求項３記載のレーザ装置。
  7. 前記変換光学系は、前記２つのビームが互いに近づく方向に前記シード光を出射する、請求項６記載のレーザ装置。
  8. 前記増幅器は、前記シード光の少なくとも一部を前記レーザチャンバに向けて透過させ、且つ前記レーザチャンバの内部で増幅されたレーザ光の少なくとも一部を前記レーザチャンバに向けて反射するリアミラーと、前記レーザチャンバを挟んで前記リアミラーと反対側に配置され、前記レーザチャンバの内部で増幅されたレーザ光の少なくとも一部を前記レーザチャンバに向けて反射し、他の一部を前記増幅器からの出力光として透過させる出力結合ミラーと、をさらに含み、
    前記変換光学系は、前記２つのビームが前記リアミラーを透過して前記レーザチャンバに入射するように、前記シード光を出力する、請求項６記載のレーザ装置。
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