JPWO2017175561A1 - 固体レーザ装置、固体レーザシステム、及び露光装置用レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.比較例
1.1 構成
1.2 動作
1.3 課題
2.第1の実施形態
2.1 構成
2.2 動作
2.3 効果
2.4 第1及び第2の信号の設定条件
2.5 波長変換閾値の定義
3.光強度制御部の変形例
3.1 第1の変形例
3.2 第2の変形例
3.3 第3の変形例
3.4 第4の変形例
3.5 第5の変形例
3.6 第6の変形例
4.外部トリガ信号のパルス間隔が非周期である場合
5.光強度可変部の構成例
5.1 第1の構成例
5.1.1 構成
5.1.2 動作
5.2 第2の構成例
5.2.1 構成
5.2.2 動作
6.MOと増幅器とを含むレーザ装置への固体レーザ装置の適用例
6.1 構成
6.2 動作
6.3 効果
6.4 波長変換閾値の定義
6.5 波長変換部に関する変形例
6.6 増幅器の変形例
6.6.1 第1の変形例
6.6.2 第2の変形例
7.その他の変形例
1.1 構成
図1は、比較例に係る固体レーザ装置10の構成を概略的に示す。図1において、固体レーザ装置10は、固体レーザ制御部11と、CW励起レーザ12と、増幅器13と、シードレーザ14と、光強度可変部15と、ダイクロイックミラー16と、ワンショット回路17と、波長変換部18と、を含む。
図2は、図1に示される固体レーザ装置10の動作を説明するフローチャートである。図3A〜図3Hは、固体レーザ装置10の動作を示すタイミングチャートである。なお、図3A及び図3Dのタイミングチャートの縦軸は、電圧値である。図3B、図3C、図3E、図3G、及び図3Hのタイミングチャートの縦軸は、光強度である。図3Fのタイミングチャートの縦軸は、増幅ゲインである。
図3A〜図3Hは、固体レーザ装置10に入力される外部トリガ信号Trのパルス間隔Tが「Ta」である場合のタイミングチャートである。これに対して、図4A〜図4Hは、固体レーザ装置10に入力される外部トリガ信号Trのパルス間隔Tが「Tb」である場合のタイミングチャートである。ここで、Tb>Taである。
次に、本開示の第1の実施形態に係る固体レーザ装置について説明する。なお、以下では、図1に示した比較例の固体レーザ装置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。
図5は、本開示に係る固体レーザ装置10aの構成を概略的に示す。図5において、第1の実施形態に係る固体レーザ装置10aは、図1に示した比較例の固体レーザ装置10の構成におけるワンショット回路17に代えて、光強度制御部20を備えている。また、第1の実施形態では、固体レーザ制御部11は、外部トリガ信号Trに加えて、パルス状のセット信号Stを光強度制御部20に入力するように構成されている。固体レーザ装置10aのその他の構成要素は、比較例の固体レーザ装置10の構成要素と同一である。
図7は、図5及び図6に示される固体レーザ装置10aの動作を説明するフローチャートである。図8A〜図8Jは、固体レーザ装置10aの動作を示すタイミングチャートである。第1の実施形態に係る固体レーザ装置10aに含まれる固体レーザ制御部11は、以下の処理により、固体レーザ装置10aの動作を制御する。
第1の実施形態に係る固体レーザ装置10aによれば、固体レーザ装置10aに外部トリガ信号Trが入力された時点から、増幅器13の増幅ゲインの増加が開始し、一定時間Tdの経過後の増幅ゲインによって増幅光LAが生成される。したがって、第1の実施形態では、「T>Td」の関係を満たすことを条件とし、増幅光LAの光強度は、外部トリガ信号Trのパルス間隔Tに依らず一定となる。すなわち、レーザ光照射装置2へ出力するパルスレーザ光の光強度及びパルスエネルギは、パルス間隔Tに依らず一定となる。
第1の実施形態では、抑制光LDは、シードパルス光LPよりも光強度が低く設定されているが、抑制光LDの光強度は、増幅光LAの生成後に増幅器13がCW励起光LEを受けて生じる光励起を消費し、反転分布の形成を抑制可能とする大きさであればよい。
0.1≦ID/IP≦1.0 ・・・(1)
0.1≦VS2/VS1≦1.0 ・・・(2)
波長変換部18において、増幅器13からの入射光の高調波光への波長変換効率は、入射光の光強度に依存する。この波長変換効率は、入射光の光強度が小さいほど低くなる。前述の波長変換閾値ICは、波長変換効率が所定値となる入射光の光強度として定義される。この所定値は、例えば、1%〜2%の範囲内の値であることが好ましい。また、この所定値は、0%〜0.01%の範囲内の値であることも好ましい。
前述の光強度制御部20は、様々な変形が可能である。以下に、光強度制御部20の変形例について説明する。
3.1 第1の変形例
次に、光強度制御部20の第1の変形例ついて説明する。図8Dに示すように、第1の実施形態の光強度制御部20は、第1の信号S1を生成した直後に第2の信号S2を生成するように構成されている。第1の変形例として、光強度制御部20を、第1の信号S1を生成した後、所定時間経過後に第2の信号S2を生成するように構成する場合について説明する。
次に、光強度制御部20の第2の変形例ついて説明する。第1の実施形態では、光強度制御部20は、論理回路により構成されている。これに対して、第2の変形例として、光強度制御部20を、FPGA(field-programmable gate array)等の制御プログラムをプログラミングすることが可能な集積回路によって構成する場合について説明する。
次に、光強度制御部20の第3の変形例ついて説明する。第1の実施形態では、第1の信号S1に基づいて光強度可変部15により生成されるシードパルス光LPにより増幅器13の反転分布が完全には消費しきれず、増幅光LAの生成後においても増幅ゲインが残存する可能性がある。増幅光LAの生成後に残存する増幅ゲインが大きい場合には、第2の信号S2に基づいて光強度可変部15により生成される抑制光LDが増幅され、この結果生成される副次光LBの光強度が前述の波長変換閾値ICを超える可能性がある。したがって、第1の実施形態では、第1の信号S1に対応して高調波光LHが出力された後、波長変換部18において波長変換が生じ、これに伴う高調波光が出力される可能性がある。
次に、光強度制御部20の第4の変形例ついて説明する。第1の実施形態の光強度制御部20は、電圧値が一定の第2の信号S2を出力している。これに対して、第4の変形例として、光強度制御部20を、連続パルスからなる第2の信号S2を出力するように構成する場合について説明する。
次に、光強度制御部20の第5の変形例ついて説明する。第4の変形例では、光強度制御部20は、論理回路により構成されている。これに対して、第5の変形例として、第4の変形例に係る光強度制御部20を、FPGA(field-programmable gate array)等の制御プログラムをプログラミングすることが可能な集積回路によって構成する場合について説明する。
次に、光強度制御部20の第6の変形例ついて説明する。第4及び第5の変形例では、光強度制御部20が第2の信号S2として出力する各パルスの電圧値は一定である。第4及び第5の変形例においても、増幅光LAの生成後に残存する増幅ゲインが大きい場合には、第2の信号S2に基づいて光強度可変部15により生成される抑制光LDが増幅され、副次光LBの光強度が波長変換閾値ICを超える可能性がある。
本開示の第1の実施形態及び各変形例では、バースト期間において、レーザ光照射装置2から固体レーザ制御部11に外部トリガ信号Trが周期的に一定のパルス間隔Tで入力される例を示しているが、このパルス間隔は、非周期的であってもよい。
前述の光強度可変部15は、様々な構成が可能である。以下に、光強度可変部15の具体的な構成例について説明する。
次に、図16を参照して、光強度可変部15として適用可能な光シャッタ100の具体的な構成を説明する。
図16は、光シャッタ100の一構成例を示す。光シャッタ100は、ポッケルスセル110と、偏光子120とを含む。ポッケルスセル110は、高電圧電源111と、第1の電極112aと、第2の電極112bと、電気光学結晶113とを含む。第1の電極112aと第2の電極112bとは対向配置され、それらの間に電気光学結晶113が配置されている。第1の電極112aは、高電圧電源111に接続されている。第2の電極112bは、接地されている。
高電圧電源111は、光強度制御部20から入力される制御信号の電圧値に応じて、第1の電極112aと第2の電極112bとの間に高電圧を印加する。電気光学結晶113は、第1の電極112aと第2の電極112bとの間に、制御信号の最大電圧値に対応する高電圧が印加されると、入射光に対してλ/2板と等価な作用を奏する。
次に、図17を参照して、光強度可変部15として適用可能な半導体光増幅器200の具体的な構成を説明する。
図17は、半導体光増幅器200の一構成例を示す。半導体光増幅器200は、半導体素子210と、電流制御部220とを含む。半導体素子210は、第1の電極211aと、第2の電極211bと、P型半導体層212aと、N型半導体層212bと、活性層213とを含む。第1の電極211aと第2の電極211bとは対向配置され、それらの間に、P型半導体層212a、N型半導体層212b、及び活性層213が配置されている。さらに、P型半導体層212aとN型半導体層212bとは対向配置され、それらの間に活性層213が配置されている。第1及び第2の電極211a,211bは、電流制御部220に接続されている。
電流制御部220は、光強度制御部20から入力される制御信号に応じて、第1の電極211aと第2の電極211bとの間に電流を流す。活性層213は、第1の電極211aと第2の電極211bとの間に電流が流されると、この電流により励起される。活性層213が励起された状態で、活性層213にシード光LSが入射すると、シード光LSは光強度が増幅される。
次に、MOと増幅器とを含む露光装置用レーザ装置のMOに固体レーザ装置を使用し、増幅器にエキシマレーザ装置を使用する例について説明する。
図18は、MOと増幅器とを含む露光装置用レーザ装置50の構成を概略的に示す。図18において、露光装置用レーザ装置50は、MOとしての固体レーザシステム51と、第1の高反射ミラー52と、第2の高反射ミラー53と、増幅器54と、レーザ制御部55と、同期制御部56と、を含む。
レーザ制御部55は、露光装置制御部5から発振準備信号Rdを受信すると、固体レーザシステム51内の固体レーザ制御部66と、増幅器54内の増幅器制御部90とに、発振準備信号Rdを送信する。
以上のように、固体レーザシステム51内の第1及び第2の光強度制御部74,84は、それぞれ外部トリガ信号の入力に同期して、前述の第1の信号S1及び第2の信号S2を第1及び第2の光強度可変部73,83に出力する。このため、固体レーザシステム51から出力される第3のパルスレーザ光67cの光強度及びパルスエネルギは、外部トリガ信号のパルス間隔に依らず一定となる。
固体レーザシステム51では、前述の波長変換閾値を、波長変換部77の波長変換効率に加えて、和周波波長変換部62の波長変換効率を含めて定義することが好ましい。すなわち、波長変換閾値を、波長変換の最終段まで考慮して定義することが好ましい。具体的には、第1の固体レーザ装置60について、波長変換部77及び和周波波長変換部62を合わせた波長変換閾値を第1の波長変換閾値とする。第2の固体レーザ装置61について、和周波波長変換部62の波長変換閾値を第2の波長変換閾値とする。
図19に示される固体レーザシステム51では、第1の固体レーザ装置60内に波長変換部77を設けているが、この波長変換部77を削除してもよい。すなわち、波長変換部を含まない第1の固体レーザ装置60から出力される第1のパルスレーザ光と、波長変換部を含まない第2の固体レーザ装置61から出力される第2のパルスレーザ光とを、和周波波長変換部62に入射させるように構成してもよい。
露光装置用レーザ装置50では、図20に示される増幅器54を適用しているが、増幅器は、様々な構成をとり得る。
図21は、第1の変形例に係る増幅器300の構成を概略的に示す。図21において、増幅器300は、図20に示される増幅器54の構成における部分反射ミラー96と出力結合ミラー97とに代えて、凹面ミラー310と凸面ミラー320とを備えている。凹面ミラー310と凸面ミラー320とは、第3のパルスレーザ光67cが一対の放電電極98間の放電空間を3回通過して、ビームが拡大されるように配置されている。増幅器300のその他の構成は、増幅器54と同様である。
図22は、第2の変形例に係る増幅器400の構成を概略的に示す。図22において、増幅器400は、チャンバ95と、出力結合ミラー410と、高反射ミラー420〜422とを含む。また、増幅器400は、図示していないが、図20に示される増幅器54と同様に、増幅器制御部90と、充電部91と、トリガ補正部92と、スイッチ93を含むパルスパワーモジュール94とを含む。さらに、増幅器400は、第3のパルスレーザ光67cを固体レーザシステム51から増幅器400に導く高反射ミラーを含んでもよいし、増幅器400から出力されたパルスレーザ光を露光装置4に導く高反射ミラーを含んでもよい。
前述の固体レーザ装置では、CW励起レーザを、波長が約976nmのCWレーザ光を出力する半導体レーザとしているが、この半導体レーザは、CW励起光を供給する増幅器の種類に応じて変更してもよい。例えば、Ybがドープされたファイバ増幅器に対しては、CW励起レーザとして、波長が約976nmのCWレーザ光を出力する半導体レーザが好ましいが、他の例として、波長が約915nmや約969nmのCWレーザ光を出力する半導体レーザを用いることも可能である。また、Ybがドープされたファイバ増幅器に対しては、CW励起レーザとして、波長が約938nmのCWレーザ光を出力する半導体レーザが好ましい
Claims (24)
- CWレーザ光であるシード光を出力するシードレーザと、
前記シード光の光強度を変更することにより、前記シード光をパルス化してシードパルス光として出力する光強度可変部と、
CW励起光を出力するCW励起レーザと、
前記CW励起光による光励起により増加した増幅ゲインに基づいて、前記シードパルス光を増幅して増幅光として出力する増幅器と、
前記増幅光を波長変換して高調波光を出力する波長変換部と、
外部トリガ信号の入力に応じて前記光強度可変部を制御する光強度制御部であって、外部トリガ信号の入力ごとに、前記光強度可変部に、外部トリガ信号の入力から一定時間の経過後に、前記シードパルス光を出力させ、前記シードパルス光の出力後から次の外部トリガ信号の入力までの期間内に、前記増幅ゲインの増加を抑制させる抑制光を出力させる光強度制御部と、
を備える固体レーザ装置。 - 前記一定時間は、固定値である請求項1に記載の固体レーザ装置。
- 前記固定値は、前記高調波光のパルスエネルギに応じて前記光強度制御部に設定される請求項2に記載の固体レーザ装置。
- 前記光強度制御部は、外部トリガ信号の入力から前記一定時間が経過するまでの間は、前記増幅ゲインが増加するように、前記光強度可変部に前記シード光の透過を抑制させる請求項1に記載の固体レーザ装置。
- 前記抑制光が前記増幅器に入力することにより生成される副次光の光強度は、前記波長変換部の波長変換閾値未満である請求項4に記載の固体レーザ装置。
- 前記波長変換閾値は、前記波長変換部の波長変換効率が1%〜2%の範囲内の値となる光強度である請求項5に記載の固体レーザ装置。
- 前記波長変換閾値は、前記波長変換部の波長変換効率が0%〜0.01%の範囲内の値となる光強度である請求項5に記載の固体レーザ装置。
- 前記波長変換閾値は、前記増幅光が前記波長変換部により波長変換されることにより生成される高調波光の光強度である第1の光強度と、前記副次光が前記波長変換部により波長変換されることにより生成される高調波光の光強度である第2の光強度との比により表され、前記第1の光強度に対する前記第2の光強度の比が0%〜10%の範囲内となる値である請求項5に記載の固体レーザ装置。
- 前記抑制光は、CWレーザ光又はパルスレーザ光である請求項1に記載の固体レーザ装置。
- 前記光強度制御部は、前記シードパルス光の出力後、一定期間の間、前記抑制光の光強度を徐々に大きくする請求項9に記載の固体レーザ装置。
- 前記光強度可変部は、光シャッタ又は半導体光増幅器である請求項1に記載の固体レーザ装置。
- 前記増幅器は、Ybがドープされた固体増幅器と、Ybがドープされたファイバ増幅器との少なくとも1つを含む請求項1に記載の固体レーザ装置。
- 前記波長変換部は、LBO結晶、BBO結晶、CLBO結晶、及びKBBF結晶のうち少なくとも1つを含み、2次以上の高調波光を生成する請求項1に記載の固体レーザ装置。
- CWレーザ光である第1のシード光を出力する第1のシードレーザと、
前記第1のシード光の光強度を変更することにより、前記第1のシード光をパルス化して第1のシードパルス光として出力する第1の光強度可変部と、
第1のCW励起光を出力する第1のCW励起レーザと、
前記第1のCW励起光による光励起により増加した増幅ゲインに基づいて、前記第1のシードパルス光を増幅して第1の増幅光として出力する第1の増幅器と、
外部トリガ信号の入力に応じて前記第1の光強度可変部を制御する第1の光強度制御部であって、外部トリガ信号の入力ごとに、前記第1の光強度可変部に、外部トリガ信号の入力から一定時間の経過後に、前記第1のシードパルス光を出力させ、前記第1のシードパルス光の出力後から次の外部トリガ信号の入力までの期間内に、前記第1の増幅器の増幅ゲインの増加を抑制させる第1の抑制光を出力させる第1の光強度制御部と、
を含む第1の固体レーザ装置と、
CWレーザ光である第2のシード光を出力する第2のシードレーザと、
前記第2のシード光の光強度を変更することにより、前記第2のシード光をパルス化して第2のシードパルス光として出力する第2の光強度可変部と、
第2のCW励起光を出力する第2のCW励起レーザと、
前記第2のCW励起光による光励起により増加した増幅ゲインに基づいて、前記第2のシードパルス光を増幅して第2の増幅光として出力する第2の増幅器と、
外部トリガ信号の入力に応じて前記第2の光強度可変部を制御する第2の光強度制御部であって、外部トリガ信号の入力ごとに、前記第2の光強度可変部に、外部トリガ信号の入力から一定時間の経過後に、前記第2のシードパルス光を出力させ、前記第2のシードパルス光の出力後から次の外部トリガ信号の入力までの期間内に、前記第2の増幅器の増幅ゲインの増加を抑制させる第2の抑制光を出力させる第2の光強度制御部と、
を含む第2の固体レーザ装置と、
前記第1の固体レーザ装置から出力される第1のパルスレーザ光と、前記第2の固体レーザ装置から出力される第2のパルスレーザ光との和周波を有する第3のパルスレーザ光を生成する和周波波長変換部と、
を備える固体レーザシステム。 - 前記一定時間は、固定値である請求項14に記載の固体レーザシステム。
- 前記固定値は、前記第3のパルスレーザ光のパルスエネルギに応じて前記第1及び第2の光強度制御部に設定される請求項15に記載の固体レーザシステム。
- 前記第1の光強度制御部は、外部トリガ信号の入力から前記一定時間が経過するまでの間は、前記第1の増幅器の増幅ゲインが増加するように、前記第1の光強度可変部に前記第1のシード光の透過を抑制させ、
前記第2の光強度制御部は、外部トリガ信号の入力から前記一定時間が経過するまでの間は、前記第2の増幅器の増幅ゲインが増加するように、前記第2の光強度可変部に前記第2のシード光の透過を抑制させる請求項14に記載の固体レーザシステム。 - 前記第1の抑制光が前記第1の増幅器に入力することにより生成される第1の副次光の光強度は、前記和周波波長変換部の第1の波長変換閾値未満であり、
前記第2の抑制光が前記第2の増幅器に入力することにより生成される第2の副次光の光強度は、前記和周波波長変換部の第2の波長変換閾値未満である請求項17に記載の固体レーザシステム。 - 前記第1の波長変換閾値は、前記第1の増幅光が前記和周波波長変換部に入力することにより生成される和周波光の光強度である第1の光強度と、前記第1の副次光が前記和周波波長変換部に入力することにより生成される和周波光の光強度である第2の光強度との比により表され、前記第1の光強度に対する前記第2の光強度の比が0%〜10%の範囲内となる値であり、
前記第2の波長変換閾値は、前記第2の増幅光が前記和周波波長変換部に入力することにより生成される和周波光の光強度である第3の光強度と、前記第2の副次光が前記和周波波長変換部に入力することにより生成される和周波光の光強度である第4の光強度との比により表され、前記第3の光強度に対する前記第4の光強度の比が0%〜10%の範囲内となる値である請求項18に記載の固体レーザシステム。 - 前記第1の固体レーザ装置は、前記第1の増幅光を波長変換して高調波光を生成し、前記第1のパルスレーザ光として出力する波長変換部を含む請求項17に記載の固体レーザシステム。
- 前記波長変換部は、LBO結晶、BBO結晶、CLBO結晶、及びKBBF結晶のうち少なくとも1つを含み、
前記和周波波長変換部は、少なくとも1つのCLBO結晶を含む請求項20に記載の固体レーザシステム。 - 前記第1及び第2の光強度可変部は、それぞれ光シャッタ又は半導体光増幅器である請求項14に記載の固体レーザシステム。
- 前記第1の増幅器は、Ybがドープされた固体増幅器と、Ybがドープされたファイバ増幅器との少なくとも1つを含み、
前記第2の増幅器は、Erがドープされたファイバ増幅器を含む請求項14に記載の固体レーザシステム。 - 請求項14に記載の固体レーザシステムと、
前記固体レーザシステムから出力される前記第3のパルスレーザ光を増幅するエキシマレーザ装置からなる増幅器と、
を備える露光装置用レーザ装置。
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