WO2009125745A1 - ガス放電チャンバ - Google Patents

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WO2009125745A1
WO2009125745A1 PCT/JP2009/057064 JP2009057064W WO2009125745A1 WO 2009125745 A1 WO2009125745 A1 WO 2009125745A1 JP 2009057064 W JP2009057064 W JP 2009057064W WO 2009125745 A1 WO2009125745 A1 WO 2009125745A1
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laser
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axis
light
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PCT/JP2009/057064
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伸治 永井
文香 吉田
若林　理
弘司 柿崎
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ギガフォトン株式会社
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    • H01S3/2251—ArF, i.e. argon fluoride is comprised for lasing around 193 nm

Definitions

  • the present invention relates to a gas discharge chamber, and more particularly to a vacuum ultraviolet laser apparatus used in a semiconductor exposure apparatus such as an excimer laser or a fluorine molecular laser.
  • Light source for exposure As semiconductor integrated circuits are miniaturized and highly integrated, improvement in resolving power is demanded in semiconductor exposure apparatuses. For this reason, the wavelength of light emitted from the exposure light source has been shortened, and a gas laser device is used as the exposure light source in place of the conventional mercury lamp.
  • a gas laser apparatus for exposure a KrF excimer laser apparatus that emits deep ultraviolet light having a wavelength of 248 nm and an ArF excimer laser apparatus that emits vacuum ultraviolet light having a wavelength of 193 nm are used.
  • an immersion technique for shortening the apparent wavelength of the exposure light source by filling the space between the exposure lens and the wafer with a liquid and changing the refractive index is being applied to ArF excimer laser exposure.
  • ArF excimer laser immersion a wavelength of 134 nm is obtained when pure water is used as the immersion liquid.
  • F 2 laser immersion exposure using an F 2 (fluorine molecule) laser device that emits vacuum ultraviolet light having a wavelength of 157 nm may be employed as an exposure light source for the next generation.
  • the F 2 laser immersion is said to have a wavelength of 115 nm.
  • a projection optical system is adopted as an optical system of many semiconductor exposure apparatuses.
  • chromatic aberration correction is performed by combining optical elements such as lenses having different refractive indexes.
  • the lens material of the projection optical system other than synthetic quartz and calcium fluoride in the 248 nm to 157 nm wavelength range (ultraviolet rays) of the laser wavelength as the exposure light source.
  • the projection lens for the KrF excimer laser an all-refractive type monochromatic lens composed only of synthetic quartz is adopted, and as the projection lens for the ArF excimer laser, composed of synthetic quartz and calcium fluoride.
  • Non-Patent Document 1 describes the laser polarization of the exposure apparatus.
  • the polarization state of polarized light (that is, linearly polarized light, elliptically polarized light, and circularly polarized light) is described as the sum of mutually perpendicular polarized light components.
  • the light intensity of polarized components perpendicular to each other is equal.
  • a parameter indicating the polarization state of the laser beam required by the exposure apparatus is newly defined as follows.
  • the ratio of the polarization component in the desired axis direction with respect to the entire laser light is defined as the linear polarization degree (LP).
  • the linear polarization degree is a ratio between the light intensity of the linearly polarized light component measured in the desired axial direction and the energy of the entire laser light, and the polarization degree of the laser is required to be kept high.
  • Imin lotion prism installation angle is ⁇ + 90 °.
  • the polarization state represents linearly polarized light, circularly polarized light, or elliptically polarized light
  • the linear polarization degree is a parameter expressed by equation (1).
  • Patent Document 1 allows light to pass through the optical element so that the optical axis of the laser beam is transmitted perpendicular to the (100) plane of the calcium fluoride crystal of the optical element used in the laser. This is a method for preventing deterioration of the degree of linear polarization due to intrinsic birefringence that is sometimes received.
  • the linear polarization degree of the laser light is deteriorated by the birefringence of the optical element when the laser light passes through the optical element in the laser device.
  • Birefringence includes stress birefringence due to external mechanical stress or thermal stress, and intrinsic intrinsic birefringence that is manifested by the crystal structure even in the absence of such stress.
  • the cut surface was cut at an angle of 17.58 ° or 26.76 ° with the (111) surface, and this cut surface was used as both surfaces of the chamber window, so the following two problems occurred.
  • the cut surface cannot be polished with high precision and small surface roughness, the threshold for surface damage due to laser irradiation is low.
  • a gas pressure of about 4000 hPa is applied. For example, there is a possibility of breakage on the (111) surface that tends to be a wall boundary.
  • the angle formed by the chamber window and the optical axis is 70 °, and the Fresnel reflection of P-polarized light and S-polarized light is 4.2%.
  • the P-polarized light component is selected by transmitting through this window.
  • the Fresnel reflection of P-polarized light is large, there is a problem that the output of the laser cannot be secured.
  • At least one of the optical elements for an ultraviolet gas laser such as a window made of calcium fluoride crystal, which has two planes and ultraviolet rays enter from one plane 2 and exit from the other planes.
  • the optical element for ultraviolet gas laser whose plane is parallel to the (110) crystal plane of calcium fluoride crystal prevents deterioration of linear polarization due to intrinsic birefringence and stress birefringence, and also makes laser irradiation with a smooth cut surface. Discloses a technique for preventing the occurrence of cracks and defects.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to reduce the phenomenon of damage due to mechanical stress (window holder and gas pressure) and thermal stress due to light absorption, etc.
  • An object of the present invention is to provide a gas discharge chamber using a calcium fluoride crystal that increases the degree of linear polarization of laser light and suppresses reduction of the degree of linear polarization due to irradiation with intense ultraviolet (particularly ArF) laser light.
  • the gas discharge chamber includes a chamber, a laser gas sealed inside the chamber, a means for exciting the laser gas, and light generated from the excited laser gas to be emitted to the outside of the chamber.
  • a gas discharge chamber having a first window and a second window provided, wherein the first window and the second window are disposed along an optical axis, wherein the first window and the second window are: A crystal having birefringence, wherein the first polarization state of the laser light incident on the first window is transmitted through the first window and converted into a second polarization state; Polarized laser light passes through the excited laser gas, passes through the second window, and from the second polarized state to the first polarized light. Characterized in that arranged relative to the laser beam axis crystals of the first window and the second window so as to be substantially converted to state.
  • the second invention is the first invention, wherein the crystals of the first window and the second window are arranged with respect to the laser optical axis so that the first polarization state and the second polarization state substantially coincide with each other. It is characterized by being.
  • a third invention is the first and second inventions, wherein the first window and the second window of the chamber are installed to be inclined in substantially the same direction, and the first polarization state is the first window and the second window. It is characterized by being linearly polarized with respect to the P-polarized light of the window.
  • the fourth invention is characterized in that, in the third invention, the second polarization state is elliptically polarized light.
  • the gas discharge chamber of the fifth invention is provided in the chamber, the laser gas sealed in the chamber, means for exciting the laser gas, and light emitted from the excited laser gas is emitted to the outside of the chamber.
  • the first window and the second window are incident in the gas discharge chamber, wherein the first window and the second window are incident, the first window and the second window are incident on the optical axis.
  • the plane and the emission plane are parallel to the (111) crystal plane of the calcium fluoride crystal, and the laser beam incident on the calcium fluoride crystal as viewed from the inside of the chamber is the first window and the second window, respectively.
  • the first window and the 2 windows For the arrangement passing through the plane including the ⁇ 111> axis and the ⁇ 001> axis, the first window and the 2 windows, characterized in that it is installed in a position the same angular rotation in the same direction about the ⁇ 111> axis.
  • the first window and the second window installed in the gas discharge chamber are birefringent crystals, and the first polarization state of the laser light incident on the first window is changed from the first polarization state.
  • the light passes through the excited laser gas in a second polarization state through the window, and the laser light in the second polarization state passes through the second window and substantially returns to the first polarization state.
  • the crystals of the first window and the second window are arranged with respect to the laser optical axis.
  • first window and the second window of the chamber are installed to be inclined in substantially the same direction, and the first polarization state is linearly polarized with respect to the P-polarized light of the first window and the second window.
  • the Fresnel reflection of P-polarized light on the surfaces of the first window and the second window can be reduced, so that the laser resonator loss is reduced and the amplification efficiency is increased.
  • the gas laser optical element of the present invention has a (111) plane as the crystal surface, enabling high-precision polishing with a small surface roughness, preventing light absorption by laser irradiation due to latent scratches and preventing surface damage. It becomes possible to do.
  • the laser beam incident on the calcium fluoride crystal is disposed in the first window and the second window through the plane including the ⁇ 111> axis and the ⁇ 001> axis. Since the first window and the second window are installed at positions rotated by the same angle in the same direction around the ⁇ 111> axis, they can be canceled by combining two effects of stress birefringence on the windows.
  • FIG. 1 shows a crystal lattice of calcium fluoride.
  • the calcium fluoride crystal is cut along the (111) plane in accordance with the crystal orientation.
  • the calcium fluoride crystal is composed of a face-centered cubic lattice as shown in FIG.
  • FIG. 3 and 4 show a chamber 1 using a calcium fluoride window according to the present embodiment.
  • 3 is a view showing the chamber 1
  • FIG. 4A is a view of the first window 2 as viewed from the arrow A inside the chamber
  • FIG. 4B is a view showing the second window 3 from the arrow B inside the chamber.
  • first windows 2 and second windows 3 are attached to the chamber 1 on the optical axis L.
  • Laser light emitted from an oscillation stage laser (not shown) is configured to enter the chamber 1.
  • a large number of laser beams reciprocate in the first and second windows 2 and 3 by the first partial reflection mirror 4 and the second partial reflection mirror 5.
  • laser light oscillated from the oscillation stage laser is injected as seed light from the back surface of the partial reflection mirror 4.
  • the first window 1 and the second window 2 of the chamber 1 are installed so as to be inclined at the Brewster angle in substantially the same direction.
  • the seed laser light is incident as linearly polarized light in the P-polarized direction of the first and second windows.
  • the seed light passes through the first window 2 installed in the chamber 1.
  • the seed light is amplified by passing through the laser medium that is discharge-excited inside the chamber 1, passes through the second window 3, and enters the partially reflecting mirror 5.
  • part of the light is transmitted by the partial reflection mirror and output to the outside as output laser light, and part of the light is reflected and transmitted through the second window 3 again.
  • the laser beam is further amplified by passing through a laser medium that is discharge-excited by a discharge electrode (not shown) inside the chamber 1, passes through the first window 2, and enters the partial reflection mirror 4. Then, the laser beam reflected by the partial reflection mirror 4 is again incident on the second window, so that the laser beam is amplified and oscillated a plurality of times between the partial reflection mirror 4 and the partial reflection mirror 5. As a result, the amplified light is output from the partial reflection mirror 5 in a state where the optical characteristics (spectral line width, etc.) of the amplification stage are maintained.
  • the P-polarized Fresnel reflection at the first and second windows is small, so the seed light is efficiently amplified. can do. It is desirable that the first and second windows be installed at the Brewster angle, but no major problem occurs if the reflectance of the P-polarized light is in the range of 45 degrees to 62 degrees.
  • the first window 2 and the second window 3 in which the calcium fluoride crystal is cut on both sides of the (111) plane as the windows installed to be inclined with respect to the laser optical axis L. Is used.
  • the first window 2 and the second window 3 are viewed from the inside of the chamber 1 (see arrows A and B in FIG. 3). Each is placed at a position where the laser light incident on the crystal passes through a plane including the ⁇ 111> axis and the ⁇ 001> axis, and the two are rotated at substantially the same angle ⁇ ° with the ⁇ 111> axis as the central axis.
  • the angle ⁇ ° is positive in the counterclockwise direction and negative in the counterclockwise direction.
  • the crystal orientation angle is ( ⁇ , + ⁇ ) with respect to the optical axis L of one pass, so it is estimated that the change in phase difference can be canceled. .
  • the polarization state incident on the first window changes to the second polarization state by passing through the first window.
  • the orientation of the calcium fluoride crystals in the first and second windows is set so that the laser light in the second polarization state substantially returns to the first polarization state by passing through the second window. Is arranged against.
  • the polarization state of the laser hardly changes by transmitting through the first window and the second window, and the partial reflection mirror 5 can be moved back and forth between the partial reflection mirror 4 and the partial reflection mirror 5 a plurality of times.
  • the polarization state of the amplified laser light output from the polarization state of the seed light from the oscillation stage is maintained.
  • the angle it is preferable to perform X-ray diffraction analysis in advance and measure the crystal orientation ⁇ 001> axis, ⁇ 010> axis, and ⁇ 100> axis. It is efficient to mark the side surfaces of the ⁇ 001> axis, ⁇ 010> axis, and ⁇ 100> axis direction of the window and rotate the window according to the marks by rotating the angle ⁇ °.
  • the second window 3 will be described, but the first window 2 is configured in the same manner as the second window 3, and thus the description thereof is omitted.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the second window 3 before rotation using calcium fluoride according to the present embodiment
  • FIG. 6 is a top view showing the second window 3 after rotation.
  • FIG. 5 is a view of the calcium fluoride crystal seen in a cross section including the ⁇ 001> axis, the ⁇ 110> axis, and the ⁇ 111> axis.
  • the second window 3 made of calcium fluoride crystal is polished with a first surface 3a and a second surface 3b that are parallel to the (111) plane.
  • the refractive optical axis L inside the calcium fluoride is within the plane including the ⁇ 001> axis, the ⁇ 110> axis, and the ⁇ 111> axis of the calcium fluoride crystal, and the ⁇ 111> axis and the ⁇ 001> axis.
  • the calcium fluoride crystal is disposed so as to transmit between the angles formed (0 ° ⁇ ⁇ 54.7 °).
  • the present invention is not limited to this embodiment, and the output of the laser does not decrease due to Fresnel reflection with respect to the P-polarized light of the window.
  • the second window 3 is installed at a position rotated by an angle ⁇ about the ⁇ 111> axis as a central axis.
  • FIG. 6 is a view of the calcium fluoride crystal as viewed from directly above the ⁇ 111> axis, and shows each surface orientation axis of the calcium fluoride crystal in a radial pattern. Since the calcium fluoride crystal has a face-centered cubic lattice as shown in FIG. 1, the axis of crystal orientation is three-fold symmetric when the ⁇ 111> axis is the axis of symmetry.
  • the clockwise angle is negative, and the counterclockwise angle is positive
  • the ⁇ 001> axis The angle between the ⁇ 001> axis and the ⁇ 010> axis is ⁇ 120 degrees, the angle between the ⁇ 001> axis and the ⁇ 110> axis is 180 degrees, and ⁇ 001>.
  • the angle between the axis and the ⁇ 101> axis is 60 degrees, and the angle between the ⁇ 001> axis and the ⁇ 100> axis is 120 degrees.
  • the second window 3 has an angle about the ⁇ 111> axis as a central axis with respect to the arrangement in which the laser light incident on the crystal passes through a plane including the ⁇ 111> axis and the ⁇ 001> axis. Installed at a position rotated by ⁇ °.
  • the optical axis of the crystal is arranged in a direction perpendicular to both side surfaces of the crystal.
  • a case where the optical axis is a horizontal plane and is a fast axis is considered.
  • the phase of the fast axis component (Ey) and the slow axis component (Ex) of the linearly polarized light is shifted by ⁇ .
  • the linearly polarized light transmitted through the crystal is converted into elliptically polarized light.
  • the phase difference due to birefringence depends on the crystal orientation in which light propagates. When propagating in the crystal orientation as the optical axis, the phase difference is zero because there is no birefringence.
  • the optical axes are the ⁇ 111> axis, the ⁇ 001> axis, the ⁇ 100> axis, the ⁇ 010> axis, and an equivalent axis.
  • FIG. 8 schematically shows a state in which a phase difference occurs in linearly polarized light due to crystal birefringence. That is, linearly polarized light is decomposed into two components, a fast axis component (Ey) and a slow axis component (Ex), and the fast axis component (Ey) and the slow axis are set with the traveling direction of the light as the z axis.
  • the light state when the phase difference ⁇ is generated by the component (Ex) birefringence is shown.
  • the polarization direction of incident light is parallel or perpendicular to the fast axis or slow axis of the crystal, it is not divided into two components, so that no phase difference is generated.
  • the measurement window 102 is installed at the light incident angle used in the chamber 1, rotated around the ⁇ 111> axis as a central axis, and the crystal orientation in the light propagation direction is changed to change the polarization state. The observation results are shown.
  • FIG. 9 is a diagram showing a polarization state observation experimental system.
  • the polarization direction of the incident laser was also incident in a direction parallel to the paper surface as shown in FIG. 9 together with the actual apparatus.
  • the laser beam that passed through the measurement window 102 was put into a linear polarization measuring device 103, and the linear polarization degree was measured.
  • the linear polarization meter 103 uses two folding windows 104a and 104b so that the light intensity of each polarization component of the reflected laser light does not change by folding the optical path.
  • the laser light that has passed through the measurement window 102 enters the folded window 104a at an incident angle of 45 degrees, and is reflected by a surface reflection within a plane perpendicular to the paper surface at an angle of 45 degrees. Then, the light enters the folding window 104b at an incident angle of 45 degrees, and is reflected in a plane perpendicular to the paper surface at an angle of 45 degrees by surface reflection.
  • the light that has been surface-reflected once each of these two folded windows 104a and 104b has different reflectances for the P-polarized component and the S-polarized component of the light reflected from the surface of the window 104b.
  • the reflectance is canceled because the P-polarized light is reflected as S-polarized light and the S-polarized light is reflected as P-polarized light by the surface reflection of the window 104b.
  • the light reflected from the window 104b can match the light intensity of each polarization component of the light L transmitted through the optical measurement window 102.
  • the measurement window 102 uses a (111) plane cut, and rotates at 10 ° intervals around the ⁇ 111> axis as the rotation center, over a range of 0 ° to about 180 °. The change in the degree of linear polarization was measured.
  • FIG. 11 is a graph showing the measurement result of the linear polarization with respect to the rotation angle when the linear polarization of the incident laser beam is 0.999.
  • ⁇ 0 ° indicates that the optical axis L is in the ⁇ 001> axis direction.
  • the plus direction of the rotation angle ⁇ indicates the time when the measurement window 102 is rotated counterclockwise.
  • FIG. 12 is a graph showing the measurement result of the linear polarization degree with respect to the rotation angle when the linear polarization degree of the incident laser light is 0.971.
  • the linear polarization degree becomes the maximum point at 60 °, and the same linear polarization degree as the incident linear polarization degree is maintained. .
  • FIG. 14 and 15 are diagrams in which laser light passes through two windows
  • FIG. 16 is a graph schematically showing the rotation angle and phase change of the windows.
  • 14 is a cross-sectional view of the laser beam passing through the two windows
  • FIG. 15A is a view of the first window viewed from the arrow C in FIG. 14
  • FIG. 15B is the first window in the arrow of FIG. It is the figure seen from D.
  • the change in the polarization state due to the thermal stress of one window can be restored (cancellation of phase difference change) with the second window. That is, it can be canceled by combining two effects of stress birefringence on the window.
  • the amplitude (change) ⁇ of the phase difference varies depending on the manufacturer and grade of the calcium fluoride crystal. In order to efficiently obtain a canceling effect by combining two sheets, it is preferable to combine those of the same manufacturer's grade that have the same phase difference amplitude (change).
  • the experimental chamber 221 is installed, the experimental first and second windows 222 and 223 are rotated about the ⁇ 111> axis as the central axis, and the crystal orientation in the light propagation direction and the gas pressurization amount of the chamber are set. The result of observing the change in the degree of linear polarization is shown.
  • FIGS. 17 and 18 are diagrams showing an experimental system for observing the degree of linear polarization using the experimental chamber 221.
  • FIG. 17 an experimental chamber 221 having first and second windows 222 and 223 for experiment and capable of applying a gas pressure therein is manufactured, and a laser beam is transmitted through the chamber 221 to measure the linear polarization degree.
  • the effect was measured.
  • FIG. 18A shows a first experimental window 222 when the experimental chamber 221 is viewed from the arrow C in FIG. 17, and FIG. 18B shows a second experimental window when the experimental chamber 201 is viewed from the arrow D in FIG. 223.
  • the linear polarization degree was compared with the second arrangement in which the first and second windows 222 were rotated by + 90 ° and the experimental second window 223 was rotated by + 90 °.
  • the angle indicates a positive sign in the counterclockwise direction and a negative sign in the clockwise direction.
  • FIG. 19 is a graph showing the measurement result of the degree of linear polarization with respect to the gas pressurization amount.
  • the second arrangement (+ 90 °, + 90 °) in which the crystal orientation is arranged in the same direction the influence is doubled, and the linear polarization degree decreases as the mechanical stress increases due to an increase in gas pressure.
  • the experimental first and second windows 222 and 223 are in the first arrangement (+ 90 °, ⁇ 90 °)
  • the linear polarization does not change (decrease) even when the mechanical stress due to the gas pressure is increased. It was.
  • This arrangement is also effective for the following reasons.
  • the output decreases due to deterioration of the chamber electrode and the like.
  • the pressure of the laser gas in the chamber is increased. Therefore, in the case of not being related to the crystal orientation of the present invention, it is predicted that the linear polarization degree of the laser is lowered due to the influence of the increase of the stress birefringence due to the increase of the gas pressure.
  • the arrangement of the present invention can prevent a decrease in the degree of linear laser polarization due to this increase in gas pressure.
  • the window itself is also deteriorated by light irradiation. It is presumed that the thermal stress increases mainly due to the increase in absorption. In this case, if the deterioration degree of the two windows used as the chamber window is the same, it is possible to prevent a decrease in the degree of linear polarization due to the deterioration of the element by the canceling effect of the present invention.
  • FIG. 20 shows a schematic configuration mainly of an optical system of a two-stage laser system and an arrangement example of the optical device for an ultraviolet gas laser according to the present invention therein.
  • the two-stage laser system includes an oscillation stage laser 10 and an amplification stage laser 20 that amplifies the laser light (seed light) oscillated from the oscillation stage laser 10 and makes it particularly high in a narrow band of 40 W or more. This is expected for an ArF excimer laser device or F 2 laser device for exposure that requires output.
  • the oscillation stage laser 10 includes a chamber 11 in which a laser gas is enclosed, a band narrowing module 14 constituting a resonator, and a partial reflection mirror 15 as an output mirror, and further includes a laser gas excitation system and control not shown. Systems, as well as cooling systems, gas exchange systems and the like.
  • the band narrowing module 14 includes one or a plurality of beam expanding prisms 16 (two in the drawing) constituting the beam expanding optical system and a grating 17 (or etalon) as a band narrowing element.
  • the illustrated grating 17 is arranged in a Littrow arrangement so that the incident angle and the diffraction angle are the same. In this Littrow arrangement, the band narrowing element and the role of the rear mirror of the oscillation stage laser 10 are also played.
  • an etalon is used as the band narrowing element, it is necessary to arrange a rear mirror behind the etalon.
  • the amplification stage laser 20 also includes a chamber 21 in which a laser gas is enclosed, and partial reflection mirrors 24 and 25 that constitute a resonator. Further, a laser gas excitation system and a control system (not shown), a cooling system, Gas exchange system etc. are included.
  • the chamber 21 has two windows 22 and 23 mounted on the optical axis L.
  • the laser light oscillated from the oscillation stage laser 10 is reflected by the mirrors 18 and 19 and is incident on the amplification stage laser 20. Since the laser window is disposed in the resonator of the oscillation stage and amplification stage laser, the laser beam reciprocates many times (multiple times).
  • the laser beam output from the oscillation stage laser 10 is first highly reflected by the mirror 18. Then, the light enters the oscillation stage laser power monitor 30.
  • the oscillation stage laser power monitor 30 includes a first beam splitter 31 and an optical sensor 32.
  • the oscillation stage laser light is partially reflected by the beam splitter 31 and enters the optical sensor 32.
  • the output of the oscillation stage laser 10 is monitored.
  • the laser beam that has passed through the first beam splitter 31 is highly reflected by the mirror 10 and is injected from the back surface of the partial reflection mirror 24 as seed light. Then, it is injected into the partial reflection mirror 24 and the partial reflection mirror 25 which are resonators of the amplification stage laser.
  • the laser gas is excited by the discharge by the discharge electrode installed in the chamber 21 (not shown).
  • the seed light is amplified by passing through the excitation gas.
  • the first polarization state of the seed light is converted to the second polarization state by passing through the first window 22, and is amplified by passing through the excitation region. Then, the light passes through the second window 23 and returns to the first polarization state again.
  • a part of the transmitted light of the laser beam that reaches the partial reflection mirror 25 is output as a laser beam, and a part of the light is reflected and is fed back as feedback light in the resonator composed of the partial reflection mirror 24 and the partial reflection mirror 25.
  • the polarization state of the feedback light is the first polarization state, and is incident on and transmitted through the second window 23, so that it is transmitted through the second window 23 and converted into the second polarization state.
  • the laser light is amplified by passing through the amplification region, and is again converted to the first polarization state by passing through the first window 22.
  • a part of the laser light is reflected by the partial reflection mirror 24 and is incident on the first window again with the laser light in the first polarization state. In this manner, by amplifying and oscillating the seed light, it is possible to increase the output while maintaining the spectrum and polarization state of the laser light output from the oscillation stage laser.
  • the laser beam output from the partial reflection mirror 25 enters the monitor module 40.
  • a second beam splitter 41 for sampling the output laser beam is disposed inside the monitor module 40. This sample light is input to the power and spectrum detector 42 for detecting the pulse energy and spectrum of the output laser light.
  • the laser light that has passed through the monitor module 40 is incident on an optical pulse stretcher 50 for increasing the time width of the laser pulse.
  • the optical pulse stretcher 50 includes a third beam splitter 51 for inputting a part of the laser beam to the optical delay circuit and four high reflection mirrors 52 constituting the optical delay circuit.
  • a part of the laser light passes through the third beam splitter 51 as it is and is input to an exposure apparatus (not shown).
  • the delayed laser pulse light reaches the third beam splitter 51 again by the optical delay circuit composed of the four high reflection mirrors 52, and a part of the reflected light is reflected by the third beam splitter 51.
  • Light is input to the exposure apparatus.
  • a part of the transmitted light again enters the optical delay circuit.
  • the surface of the crystal is polished with the (111) plane, and calcium fluoride is used on the ⁇ 111> axis. By rotating the crystal, laser output light with a high degree of linear polarization can be obtained.
  • the polarization state of the laser before and after passing through the two windows 22 and 23 is changed.
  • the rotation is arranged around the ⁇ 111> axis so as not to change. As a result, it is possible to obtain laser output light having a high degree of linear polarization even at high output.
  • the windows 12, 13, 22, and 23 attached to the chambers 11 and 21 are constituted by the optical element for ultraviolet gas laser according to the present invention.
  • the same effect can be obtained when the present invention is applied to a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) system in which the partial reflection mirrors 24 and 25 of the amplification stage laser 20 are removed, and a ring amplification type.
  • MOPA Master Oscillator Power Amplifier
  • FIG. 21 shows an embodiment when the present invention is applied to a ring amplification type.
  • the seed light output from the oscillation stage laser is injected into the ring resonator from the partially reflecting mirror 113 at an angle of 45 degrees which is an output coupling mirror of the ring resonator.
  • the first window 22 and the second window 23 of the chamber 21 are installed to be inclined at the Brewster angle in substantially the same direction.
  • the seed laser light is incident so that the seed laser light is linearly polarized in the direction of the P-polarized light of the first window 21 and the second window 22.
  • the light is incident and reflected by the high reflection mirror 110 at an angle slightly smaller than 45 degrees, is transmitted through the second window 23 in the first polarization state, and is converted into the second polarization state. Then, by passing through the discharge region, it is amplified, passes through the first window 22, and returns to the first polarization state.
  • the light is incident and reflected by the high reflection mirror 112 at the same angle as that of the high reflection mirror 110, is reflected by the high reflection mirror 111 in the first polarization state at 45 degrees, and enters the first window 22. Then, by passing through the first window 22, it is converted into a second ′ polarization state. Then, it is amplified by passing through the discharge region of the laser. Then, the amplified light passes through the second window 23 and returns to the first polarization state again. A part of the light is output as output laser light by the partial reflection mirror at an incident angle of 45 degrees. On the other hand, the reflected light returns as feedback light of the ring resonator.
  • the second polarization state and the second 'polarization state are almost the same, but are strictly different because the incident angle with respect to the window is somewhat different.
  • the cancellation effect by the first and first windows is the same, and a laser beam with high pulse energy is output through the partial reflection mirror 113 of the ring resonator in a polarization state almost the same as the polarization state of the seed light. .
  • the present invention is not limited to this embodiment, and the incident angle is in the range of 45 degrees to 62 degrees. There is no big problem.
  • FIG. 22 and 23 show a chamber 1 using a window of MgF 2 (magnesium fluoride) as a reference example.
  • FIG. 22 is a view showing the chamber 1
  • FIG. 23 (a) is a view of the first window 2 viewed from the arrow A inside the chamber
  • FIG. 23 (b) is a view showing the second window 3 from the arrow B inside the chamber.
  • FIG. 22 is a view showing the chamber 1 using a window of MgF 2 (magnesium fluoride) as a reference example.
  • FIG. 22 is a view showing the chamber 1
  • FIG. 23 (a) is a view of the first window 2 viewed from the arrow A inside the chamber
  • FIG. 23 (b) is a view showing the second window 3 from the arrow B inside the chamber.
  • MgF 2 is calcium fluoride Compared to the above, since the band gap is large in principle, the laser resistance of the ArF laser is high.
  • the MgF 2 crystal has a tetragonal crystal structure and has birefringence because the crystal lattice lengths of the a-axis and c-axis are different.
  • the chamber window is composed of the first chamber window 2 and the second chamber window 3. These two c-axis (optical axes) azimuth angles are mounted in the same manner as shown in FIG. 23 when viewed from the inside of the chamber (see arrows A and B in FIG. 22). When viewed in one pass, the change in phase difference can be canceled by attaching the crystal orientation angle to ( ⁇ , + ⁇ ) with respect to the optical axis L of one pass.
  • the c-axis is a window perpendicular to the normal of the window (90 degrees) is shown.
  • the direction of the c-axis is relative to the normal of the window. Even if the angle between the normals is manufactured in the range of 0 ⁇ ⁇ 90 degrees, both chamber windows are manufactured at the same angle ⁇ , and the chamber windows are installed at the installation angles ⁇ ° and ⁇ ⁇ ° of both chamber windows. Good.
  • a single chamber is also effective, and it is also effective for MOPO type (injection lock), MOPA type (amplification stage), and ring amplification type.
  • the gas discharge chamber according to the present invention is applied as a MOPO PO, a MOPA PA, or a single laser chamber.
  • the gas discharge chamber of the present invention has been described based on the embodiments.
  • the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made.
  • the first window and the second window installed in the gas discharge chamber are birefringent crystals, and the first polarization state of the laser light incident on the first window is changed from the first polarization state.
  • the light passes through the excited laser gas in a second polarization state through the window, and the laser light in the second polarization state passes through the second window and substantially returns to the first polarization state.
  • the crystals of the first window and the second window are arranged with respect to the laser optical axis.

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Abstract

　機械応力（ウインドウホルダやレーザガス圧力）及び光の吸収による熱応力等により破損する現象を低減し、出力レーザの直線偏光度を高くすると共に、強い紫外線（特にＡｒＦ）レーザ光照射による劣化を抑制するフッ化カルシウム結晶を用いたガス放電チャンバを提供する。ガス放電チャンバの第１ウィンドウ（２）及び第２ウィンドウ（３）は、入射平面及び射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、チャンバ（１）内部から見て、フッ化カルシウム結晶内に入射したレーザ光が、第１ウィンドウ（２）及び第２ウィンドウ（３）それぞれの＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置に対して、第１ウィンドウ（２）及び第２ウィンドウ（３）は、＜１１１＞軸を中心として同じ角度回転した位置に設置されることを特徴とする。

Description

ガス放電チャンバ
　本発明は、ガス放電チャンバに関し、特に、エキシマレーザやフッ素分子レーザ等の半導体露光装置で使用される真空紫外レーザ装置に関するものである。
　（露光用光源）
　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。このため、露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、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。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの深紫外光を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置、並びに、波長１９３ｎｍの真空紫外光を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハー間を液体で満たして屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をＡｒＦエキシマレーザ露光に適用しようとしている。ＡｒＦエキシマレーザ液浸では、純水を液浸液にした場合１３４ｎｍの波長になる。また、次々世代の露光用光源として、波長１５７ｎｍの真空紫外光を放出するＦ2 （フッ素分子）レーザ装置によるＦ2 レーザ液浸露光が採用される可能性もある。Ｆ2 レーザ液浸では、１１５ｎｍの波長になると言われている。
　（露光用光学素子と色収差）
　多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行われる。現在、露光用光源であるレーザ波長の２４８ｎｍ～１５７ｎｍの波長（紫外線）域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とフッ化カルシウム以外にはない。このため、ＫｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ＡｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英とフッ化カルシウム で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。ところが、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振スペクトル線幅は約３５０～４００ｐｍと広いために、これらの投影レンズを使用すると、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までに、これらのガスレーザ装置から放出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、これらのガスレーザ装置には狭帯域化素子（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
　（液浸リソグラフィーと偏光照明）
　上記したように、ＡｒＦエキシマレーザ液浸リソグラフィーの場合、媒体としてＨ2 Ｏを使用したとき、屈折率が１．４４になるため、屈折率に比例するレンズ開口数ＮＡは原理的に従来の開口数に対して１．４４倍に増やすことができる。ＮＡが高くなるにつれ、光源であるレーザ光の偏光の影響が大きくなる。偏光の向きがマスクパターンの方向に平行であるＴＥ偏光の場合は影響がないが、それが直交するＴＭ偏光の場合は、像のコントラストが低くなってしまう。これは、後者の場合、ウエハー上の焦点における電界のベクトルが異なる方向であるため、ウエハーへの入射角が大きくなるに従い、電界のベクトルが同一である前者に比べ、強度が弱くなってしまうためである。この影響はＮＡが１．０に近づくか超える場合に強くなり、ＡｒＦエキシマレーザ液浸はこの場合に該当する。そのため、以上のように露光装置の照明系では、所望の偏光状態を制御する必要がある。この偏光照明の制御には、露光装置の照明系に入力されるレーザの偏光状態が所望軸方向の直線偏光であることが要求されている。
　非特許文献１には、露光装置のレーザ偏光に関する記載がある。
　一般に、偏光光の偏光状態（すなわち直線偏光、楕円偏光及び円偏光）は、互いに垂直な偏光成分の和で記述される。一方、非偏光は、互いに垂直な偏光成分の光強度は均等となる。
　ここで、本明細書において、露光装置が要求するレーザ光の偏光状態を示すパラメータを以下に新しく定義する。全体のレーザ光に対して所望軸方向の偏光成分の割合を直線偏光度（ＬＰ）と定義する。
　直線偏光度は、所望軸方向で計測される直線偏光成分の光強度とレーザ光全体のエネルギーの割合であり、レーザの偏光は、直線偏光度が高く維持されることが要求されている。
　レーザの直線偏光度ＬＰは以下に示すような方法で計測される。図２８に示されるように、偏光子（ローションプリズム）を光軸中心に回転させて、透過光強度の最大値Ｉmax及び最小値Ｉminを測定したときに、直線偏光度は、以下の式で示される。
　　ＬＰ＝（Ｉmax－Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）　　　　　　・・・（１）
　ここで、Imaxをローションプリズムの設置角度γ＝０°を所定軸方向成分とすると、Iminのローションプリズムの設置角度はγ＋９０°となる。
　これ以降の記述では、偏光状態とは、直線偏光または円偏光または楕円偏光を表し、直線偏光度は（１）式で表現されるパラメータとする。
　（直線偏光度を高めるための従来技術）
　レーザ光の直線偏光度を高めるための技術として、これまでに特許文献１と特許文献２に記載の技術がある。
　特許文献１に記載のものは、レーザに使用する光学素子のフッ化カルシウム結晶の（１００）面に対して垂直にレーザ光の光軸が透過するようにして、光学素子内部を光が通過するときに受ける真性複屈折による直線偏光度の悪化を防ぐ方法である。
　しかしながら、上記の従来技術には、次に述べるような問題がある。
　レーザ光の直線偏光度はレーザ装置内の光学素子をレーザ光が通過するときに、光学素子の複屈折によって悪化する。複屈折には、外部からの機械応力や熱応力による応力複屈折と、それらの応力が無い状態でも、その結晶構造によって発現する本来的に存在する真性複屈折がある。
　特許文献１に記載のものでは、光学素子の（１００）面に垂直にレーザ光が通過するように配置することによって、真性複屈折による直線偏光度の悪化を防いでいるが、応力を与えたときに発生する応力複屈折は、（１００）面に垂直な＜１００＞方向が最も大きく、チャンバウィンドウとして使用する場合、ウィンドウのホールド時の応力やチャンバ内の数気圧のガスによる圧力、また、レーザ照射による発熱応力等によって応力複屈折が発生する可能性がある問題があった。
　すなわち、従来のレーザのガス放電チャンバ用に搭載しているフッ化カルシウム結晶のウィンドウは真性複屈折の問題を主に解決する方法が提案されていが、フッ化カルシウムウィンドウ結晶の機械及び熱応力による複屈折の問題が発生していた。
　また、カット面は（１１１）面と１７．５８°または２６．７６°をなす角度でカットして、このカット面をチャンバウィンドウの両面としているため以下の２つの課題が発生していた。一つは、このカット面を表面荒さが小さな高精度研磨ができないため、レーザ照射による表面損傷の閾値が低くなっていた。二つ目は、チャンバウィンドウとして使用する場合、約４０００ｈＰａのガス圧力がかかるため、例えば、壁界しやすい（１１１）面で、破損する可能性があった。さらに、カット面を（１１１）面と１７．５８°でカットした場合には、チャンバウィンドウと光軸とのなす角度は、７０°となり、Ｐ偏光とＳ偏光のフレネル反射がそれぞれ４．２％と３０．０％なり、このウィンドウを透過することにより、Ｐ偏光成分は選択されるが、Ｐ偏光のフレネル反射が大きいため、レーザの出力を確保することができないという問題があった。
　ここで、レーザの場合は、レーザ共振器内で、レーザ光が２枚のウィンドウが設置されたガス放電チャンバを何回も往復するため、Ｐ偏光のフレネル反射が４．５％でもレーザの出力が低下する課題があった。
　そこで、特許文献２のように、２つの平面を備えて紫外線がその１つの平面２から入射し、他の平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなるウィンドウ等の紫外線ガスレーザ用光学素子において、少なくとも一方の平面がフッ化カルシウム結晶の（１１０）結晶面に平行である紫外線ガスレーザ用光学素子により、真性複屈折及び応力複屈折による直線偏光度の悪化を防止すると共に、カット面を平滑にしてレーザ照射により割れや欠陥の発生を防止する技術が開示されている。
米国特許出願公開第２００３／２１９０５６号明細書 特開２００６－７３９２１号公報
Denis G. Flagello, Steve Hansen, Bernd Geh, Michael Totzeck, "Challenges with Hyper-NA(NA>1.0)Polarized Light Lithography for Sub λ/4 resolution"Proceedings of SPIE Vol.5754(2005)p.53-68
　しかしながら、特許文献２に示す技術では、真性複屈折及び応力複屈折による直線偏光度の悪化を防止すると共に、フッ化カルシウム結晶のカット面を（１１０）面にすることにより、ウィンドウに対して垂直方向にかかるチャンバガス圧力やウィンドウをホールドするための機械応力によって、使用時に、へき開する可能性があった。すなわち、結晶内部でへき開面である（１１１）面に沿ってスリップしたり、これにより、ウィンドウが割れたりしてしまう可能性があった。
　本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械応力（ウインドウホルダやガス圧力）と光の吸収による熱応力等により破損する現象を低減し、出力レーザ光の直線偏光度を高くすると共に、強い紫外線（特にＡｒＦ）レーザ光照射による直線偏光度の低化を抑制するフッ化カルシウム結晶を用いたガス放電チャンバを提供することである。
　そのために、第１発明のガス放電チャンバは、チャンバと、チャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられた第１ウィンドウ及び第２ウィンドウとを有し、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウが光軸上に沿って配置されているガス放電チャンバにおいて、前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、複屈折性を有した結晶であって、前記第１のウィンドウに入射するレーザ光の第１の偏光状態から前記第１のウィンドウを透過して第２の偏光状態に変換され、前記第２の偏光状態のレーザ光が前記励起されたレーザガス中を通過し、前記第２のウィンドウを透過して、前記第２の偏光状態から前記第１の偏光状態に略変換されるように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置したことを特徴とする。
　そして、第２発明は、第１発明において、前記第１の偏光状態と第２の偏光状態が略一致するように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置されることを特徴とする。
　さらに、第３発明は、第１及び第２発明において、前記チャンバの前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウは略同じ方向に傾けて設置され、前記第１の偏光状態は第１ウィンドウ及び第２ウィンドウのＰ偏光に対して、直線偏光であることを特徴とする。
　そして、第４発明は、第３発明において、前記第２の偏光状態は楕円偏光であることを特徴とする。
　さらに、第５発明のガス放電チャンバは、チャンバと、チャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられた第１ウィンドウ及び第２ウィンドウとを有し、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウが光軸上に沿って配置されているガス放電チャンバにおいて、前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、入射平面及び射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、前記チャンバ内部から見て、前記フッ化カルシウム結晶内に入射したレーザ光が、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウそれぞれの＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置に対して、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウは、＜１１１＞軸を中心として同方向へ同じ角度回転した位置に設置されることを特徴とする。
　すなわち、ガス放電チャンバに設置した前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、複屈折性を有した結晶であって、前記第１のウィンドウに入射するレーザ光の第１の偏光状態から前記第１のウィンドウを透過して第２の偏光状態で前記励起されたレーザガス中を通過し、前記第２の偏光状態のレーザ光が前記第２のウィンドウを透過して、前記第１の偏光状態に略戻るように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置する。これにより、ガス放電チャンバ内をレーザ光が透過または往復しても直線偏光度の低下を抑制できる。
　そして、前記第１の偏光状態と第２の偏光状態が略一致するように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置することにより、ガス放電チャンバ内をレーザ光が透過または往復しても直線偏光度の低下を抑制できる。
　さらに、前記チャンバの前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウは略同じ方向に傾けて設置され、前記第１の偏光状態は第１ウィンドウ及び第２ウィンドウのＰ偏光に対して、直線偏光とすることによって、第１ウィンドウ及び第２ウィンドウの表面におけるＰ偏光のフレネル反射を低減できるのでレーザの共振器ロスを低減し、増幅効率が高くなる。
　また、本発明のガスレーザ用光学素子は、結晶表面を（１１１）面とすることにより、表面粗さが小さな高精度研磨が可能となり、潜傷によるレーザ照射による光の吸収を防ぎ表面損傷を防止することが可能となる。
　また、チャンバ内部から見て、フッ化カルシウム結晶内に入射したレーザ光が、第１ウィンドウ及び第２ウィンドウそれぞれの＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置に対して、第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、＜１１１＞軸を中心として同方向へ同じ角度回転した位置に設置されるので、ウィンドウでの応力複屈折の影響を２枚組み合わせることによって、キャンセルすることができる。
　さらに、チャンバ電極等の劣化による出力低下分を補償するためのチャンバ内のレーザガス圧力増加に対して、レーザ直線偏光度の低下を防止することができる。また、２枚のウィンドウの劣化具合が同じである場合は、キャンセル効果によって、素子の劣化による直線偏光度の低下を防止することができる。
フッ化カルシウム の結晶格子を示す図である。 フッ化カルシウム結晶の軸＜００１＞、＜１００＞に対する光の進行方向Ｌの角度θとφの定義を示す図である。 本発明によるフッ化カルシウム を用いたウィンドウを示す図である。 図３のウィンドウをチャンバ内部から見た図である。 回転前の第２ウィンドウを示す断面図である。 回転後の第２ウィンドウを示す上面図である。 結晶の偏光状態を示す図である。 位相差を示す図である。 偏光状態観測実験系を示す図である。 計測用ウィンドウを示す図である。 入射レーザ光の偏光度を０．９９９の場合の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。 入射レーザ光の直線偏光度を０．９７１の場合の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。 入射光のパルスエネルギーを変化させた時の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。 レーザ光が２枚のウィンドウを通過する断面図である。 ウィンドウを図１４の矢印から見た図である。 ウィンドウの回転角度と位相変化を示すグラフである。 実験用チャンバを用いた偏光状態観測実験系を示す図である。 実験用ウィンドウを図１７の矢印から見た図である。 ガス加圧量に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。 ２ステージレーザシステムを示す図である。 リング共振器を増幅段レーザに適用した場合を示す図である。 参考例としてのチャンバを示す図である。 図２２のウィンドウをチャンバ内部から見た図である。 ２枚のチャンバウィンドウを平行に傾けて取り付けた場合を示す図である。 ２枚のチャンバウィンドウを平行に傾けて取り付けた場合を示す図である。 ２枚のチャンバウィンドウの傾きの方向が逆である場合を示す図である。 ２枚のチャンバウィンドウの傾きの方向が逆である場合を示す図である。 透過光強度の測定を示す図である。
　以下、本発明に係る実施形態の紫外線ガスレーザ用光学素子及び紫外線ガス放電チャンバについて説明する。
　図１は、フッ化カルシウムの結晶格子を示す。本実施形態では、フッ化カルシウムの結晶は、結晶方位に合わせて（１１１）面でカットされる。フッ化カルシウム結晶は、図１に示すような、面心立方格子で構成されている。
　図２に示すように、フッ化カルシウム結晶の軸＜００１＞、＜１００＞に対する光の進行方向Ｌの角度θとφを定義すると、図２のφ＝４５°、θ=５４．７４°の方向が＜１１１＞軸方向となる。（１１１）面の表面は他の結晶軸表面よりも、一番硬いため、表面粗さが小さく、潜傷が少ない研磨が可能となる。
　図３及び図４は、本実施形態によるフッ化カルシウムのウィンドウを用いたチャンバ１を示す。図３は、チャンバ１を示す図、図４（ａ）は、第１ウィンドウ２をチャンバ内部の矢印Ａから見た図、図４（ｂ）は、第２ウィンドウ３をチャンバ内部の矢印Ｂから見た図である。
　チャンバ１には、前記のように、光軸Ｌ上に２つの第１ウィンドウ２及び第２ウィンドウ３が取り付けてある。図示しない発振段レーザから発振されたレーザ光は、チャンバ１に入射するように構成されている。レーザ光は、第１部分反射ミラー４及び第２部分反射ミラー５により第１及び第２ウィンドウ２，３を多数往復する。
　　すなわち、発振段レーザから発振されたレーザ光は部分反射ミラー４の裏面からシード光として注入される。チャンバ１の第１ウィンドウ１及び第２ウィンドウ２は略同じ方向にブリュースタ角度に傾けて設置されている。シードレーザ光は、これら第１及び第２ウィンドウのＰ偏光の方向に直線偏光で入射する。そして、このシード光は、チャンバ１に設置されている第１のウィンドウ２を透過する。さらに、チャンバ１内部で放電励起されたレーザ媒体を通過することによってシード光が増幅され、第２のウィンドウ３を透過し、部分反射ミラー５に入射する。ここで、部分反射ミラーにより一部は透過し出力レーザ光として外部に出力され、一部は反射されて、再び第２のウィンドウ３を透過する。そして、チャンバ１内部で図示しない放電電極により放電励起されたレーザ媒体を再び通過することによってさらにレーザ光が増幅され、第１のウィンドウ２を透過して、部分反射ミラー４に入射する。そして、この部分反射ミラー４を反射したレーザ光が再び、第２のウィンドウに入射することを繰り返すことによって、部分反射ミラー４と部分反射ミラー５の間で複数回往復して増幅発振する。その結果、増幅段の光特性（スペクトル線幅等）が維持された状態で、増幅光が部分反射ミラー５から出力される。このように、第１及び第２ウィンドウに対してＰ偏光の直線偏光をシード光として注入することにより、第１及び第２ウィンドウでのＰ偏光のフレネル反射が小さいので、効率よくシード光を増幅することができる。第１及び第２ウィンドウの設置角度はブリュースタ角度で設置することが望ましいが、Ｐ偏光の反射率が小さな４５度から６２度の範囲であれば大きな問題は発生しない。
　本実施形態では、図３に示すように、レーザ光軸Ｌに対して傾けて設置されるウィンドウとして、フッ化カルシウム結晶を両面とも（１１１）面でカットした第１ウィンドウ２及び第２ウィンドウ３を用いる。そして、本実施形態では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、チャンバ１の内部から見て（図３の矢印Ａ，Ｂ参照）、第１ウィンドウ２及び第２ウィンドウ３それぞれを、結晶内に入射したレーザ光が＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置から、＜１１１＞軸を中心軸として２枚とも略同じ角度θ°回転した位置に設置する。ここで、角度θ°は反時計回りの方向を正とし、反時計周りの方向を負とする。
　レーザ光を１パスで見た場合は、１パスの光軸Ｌに対して、結晶方位の角度が（－θ、＋θ）となるため、位相差の変化をキャンセルすることができると推定される。
　すなわち、第１ウィンドウに入射する偏光状態が第１のウィンドウを透過することによって第２の偏光状態に変化する。そして、第２の偏光状態のレーザ光が第２ウィンドウを透過することによって、第１の偏光状態に略戻るように前記第１及び第２のウィンドウのフッ化カルシウム結晶の方位をレーザの光軸に対して配置している。これにより、第１ウィンドウ及び第２ウィンドウ透過することによってレーザの偏光状態がほとんど変化することがなく、部分反射ミラー４及び部分反射ミラー５のミラー間を複数回往復しても、部分反射ミラー５から出力される増幅レーザ光の偏光状態は、発振段からのシード光の偏光状態が維持される。
　なお、角度を決定する時は、事前にＸ線回折分析を行い、結晶方位＜００１＞軸、＜０１０＞軸、＜１００＞軸を計測しておくと良い。ウィンドウの＜００１＞軸、＜０１０＞軸、＜１００＞軸方向の側面に印を付けておき、その印に従って、角度θ°回転させて取り付けるようにすると効率が良い。
　次に、光軸Ｌがウィンドウを通過する状態について説明する。なお、ここでは、第２ウィンドウ３について説明するが、第１ウィンドウ２については第２ウィンドウ３と同様に構成されるので、説明は省略する。
　図５は、本実施形態によるフッ化カルシウムを用いた回転前の第２ウィンドウ３を示す断面図、図６は、回転後の第２ウィンドウ３を示す上面図である。
　図５は、フッ化カルシウム結晶を＜００１＞軸、＜１１０＞軸及び＜１１１＞軸を含む断面で見た図である。フッ化カルシウム結晶からなる第２ウィンドウ３は、（１１１）面に対して、平行な面の第１表面３ａ及び第２表面３ｂで研磨されている。例えば、本実施形態では、＜００１＞軸、＜１１０＞軸及び＜１１１＞軸を含む面内で、入射角度α＝５５．７°でフッ化カルシウム結晶基板に対してレーザビームが第２ウィンドウ２３の中央に入射する。すると、第１表面３ａにおいて、光がスネルの法則にしたがって、屈折角度β＝３３．４°で屈折する。この時、フッ化カルシウム内部の屈折光軸Ｌがフッ化カルシウム結晶の＜００１＞軸、＜１１０＞軸及び＜１１１＞軸を含む面内で、且つ、＜１１１＞軸と＜００１＞軸のなす角度の間（０°＜γ＜５４．７°）を透過するように、フッ化カルシウム結晶を配置する。そして、フッ化カルシウム結晶内を透過して、第２表面３ｂで再び、第１表面３ａと同様にスネルの法則にしたがって、レーザ光は、＜００１＞軸、＜１１０＞軸及び＜１１１＞軸を含む面内で、出射角α＝５５．７°で第２ウィンドウ３から出射する。
　この実施例では、ウィンドウへの入射または出射角度をα＝５５．７°の例を示したが、この実施例に限定されることなく、ウィンドウのＰ偏光に対するフレネル反射によりレーザの出力が低下しない範囲例えば、α＝４５°から６２度程度の範囲であってもよい。
　本実施形態では、この状態から第２ウィンドウ３を、＜１１１＞軸を中心軸として角度θ回転した位置に設置する。
　図６はフッ化カルシウム結晶を＜１１１＞軸の真上から見た図であり、フッ化カルシウム結晶の各面方位軸を放射状に示している。フッ化カルシウム結晶は、図１に示したような面心立方格子であるため、結晶方位の軸は＜１１１＞軸を対称軸とすると３回対称となる。したがって、フッ化カルシウム結晶ウィンドウの＜１１１＞軸の真上から見て、＜００１＞軸を基準軸とし、時計回りの角度を負とし、反時計回りの角度を正とすると、＜００１＞軸と＜０１１＞軸とのなす角度－６０度、＜００１＞軸と＜０１０＞軸となす角度は－１２０度、＜００１＞軸と＜１１０＞軸とのなす角度は１８０度、＜００１＞軸と＜１０１＞軸とのなす角度は６０度、＜００１＞軸と＜１００＞軸とのなす角度は１２０度となる。なお、＜００１＞軸と＜１１０＞軸とのなす角度は－１８０度（＝１８０度）とも表記できる。
　図６に示すように、第２ウィンドウ３は、結晶内に入射したレーザ光が＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置に対して、＜１１１＞軸を中心軸として角度θ°回転した位置に設置される。
　次に、複屈折による偏光の変化を説明する。一般に、結晶内を伝播する光は、互いに直交する２つの直線偏光の波の線形結合であり、それぞれの位相速度と振幅の大きさで、偏光状態と偏光方向が決まる。結晶内に熱応力や機械応力等による複屈折が発生すると、結晶中を伝播する光ビームの位相速度がその偏光方向に依存してずれていく。これにより、結晶中を伝播する光は、結晶中の互いに直交する進相軸と遅相軸方向の２方向に分けた時、２方向の伝播する光の速度（複屈折であるため）が異なることによって、それぞれの位相が変化する。
　この現象のため、図７に示すように、例えば、直線偏光を入射した場合、楕円偏光（２つ成分の位相差が９０°ずれた場合は円偏光）となって、偏光状態が変化して出射する。
　図７に示す偏光状態の変化に関して、以下に詳しく説明する。結晶の光学軸が図に示すように、結晶の両側面に対して垂直方向に配置されている。ここで、光学軸は水平面であって、進相軸となっている場合を考える。そして、位相差δ＝０°の直線偏光が結晶の光学軸（進相軸）に対して４５度の偏光方向で入射したと過程する。この直線偏光の光が結晶を透過することによって、直線偏光の進相軸成分（Ｅｙ）と遅相軸成分（Ｅｘ）の位相がδだけずれる。その結果、結晶を透過した直線偏光は楕円偏光に変換される。ここで、δ＝９０°の場合は円偏光に変換される。
　複屈折による位相差の大きさは、光が伝播する結晶方位によって異なる。光学軸となる結晶方位に伝播した場合は、複屈折性が無いため、位相差は０である。フッ化カルシウム結晶の真性複屈折のみを考えた場合では、光学軸は、＜１１１＞軸と＜００１＞軸、＜１００＞軸又は＜０１０＞軸とこれに等価な軸となる。
　図８に、直線偏光が結晶の複屈折によって位相差が発生する状態を模式的に示す。すなわち、直線偏光の光を進相軸成分（Ｅｙ）と遅相軸成分（Ｅｘ）２つの成分に分解して、光の進行方向をｚ軸として、進相軸成分（Ｅｙ）と遅相軸成分（Ｅｘ）複屈折によって位相差δが発生した場合の光の状態を示す。また、図８に示すように、入射する光の偏光方向が、結晶の進相軸または遅相軸と平行もしくは、垂直であれば、２成分に分かれないため、位相差は発生しない。
　次に、チャンバ１で使用する光入射角に計測用ウィンドウ１０２を設置して、＜１１１＞軸を中心軸として回転させ、光の伝播方向の結晶方位を変化させて、その偏光状態の変化を観測した結果を示す。
　図９は、偏光状態観測実験系を示す図である。使用したレーザ光は直線偏光の狭帯域ＡｒＦレーザ１０１（4kHz,10mJ）を用い、チャンバウィンドウで使用する場合を模擬できるように、計測用ウィンドウ１０２は、入射角α＝５５．７°で設置し、入射するレーザの偏光方向も、実際の装置と合わせて、図９に示すように紙面と平行方向で入射させた。計測用ウィンドウ１０２を通過したレーザ光は、直線偏光度計測器１０３に入れて、その直線偏光度を計測した。直線偏光度計測器１０３では、光路を折り返すことによって、反射するレーザ光の各偏光成分の光強度が変化しない様に、２枚の折り返しウィンドウ１０４ａ，１０４ｂを使用している。
　ここで、２枚の折返しウィンドウ１０４ａ，１０４ｂの作用に関して詳しく説明する。計測用ウィンドウ１０２を透過したレーザ光は、入射角４５度の角度で折返しウィンドウ１０４ａに入射し、表面反射で４５度の角度で紙面に対して垂直な平面内で反射させる。そして、入射角４５度の角度で折返しウィンドウ１０４ｂに入射し、表面反射で４５度の角度で紙面に対して垂直な平面内で反射させる。これら２枚の折り返しウィンドウ１０４ａ，１０４ｂを各々１回表面反射した光は、ウィンドウ１０４ｂの表面反射した光のＰ偏光成分とＳ偏成分の反射率が異なる。そこで、ウィンドウ１０４ｂの表面反射によって、このＰ偏光がＳ偏光として反射し、Ｓ偏光がＰ偏光として反射するため反射率がキャンセルされる。その結果、ウィンドウ１０４ｂを反射した光は光計測用ウィンドウ１０２を透過した光Ｌの各偏光成分の光強度を一致させることができる。
　ローションプリズム（偏光子）１０５を通過し、センサ１０６で出力を計測する。そして、ローションプリズム１０５を回転させて出力を計測し、前述した式（１）で、直線偏光度を計測した。図１０に示すように、計測用ウィンドウ１０２は、（１１１）面カットのものを使用し、＜１１１＞軸を回転中心として、１０°間隔で回転させながら、０°～約１８０°の範囲にわたって、その直線偏光度の変化を計測した。
　図１１は、入射レーザ光の直線偏光度を０．９９９の場合の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。θ＝０°は、光軸Ｌが＜００１＞軸方向であることを示す。回転角度θのプラス方向は、計測用ウィンドウ１０２を反時計方向に回転させた時を示す。
　図１１に示すように、θ＝３０°，９０°，１５０°と略６０°間隔で、直線偏光度が低下しているのが分かった。逆に、θ＝０°，６０°，１２０°の方位では、直線偏光度がほとんど変化していないことが分かった。これにより、＜００１＞軸, ＜１０１＞軸の方向に光が伝播した場合は、その位相差は変化せず、その中間の角度で、位相差が変化していることが分かった。特に、＜００１＞軸方向から、３０°ずれた角度が、位相差変化の変極点となっていることが分かった。
　図１２は、入射レーザ光の直線偏光度を０．９７１の場合の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。この結果も、同じ様に、θ＝０°，６０°，１２０°付近で、透過後のレーザ直線偏光度は入射光と同じで変わらないが、θ＝３０°，９０°，１５０°付近で直線偏光度の変化が最大になっている。
　さらに詳しく説明すると、計測用ウィンドウ１０２を透過したレーザ光の直線偏光度はθ＝０°，６０°，１２０°付近では、入射レーザ光の直線偏光度と略同じとっているが、θ＝３０°，１５０°付近では極大となり、θ＝６０°付近で極小となった。また、回転角度θ＝０°及び１２０°の場合と６０°の場合を比較すると、６０°の場合は直線偏光度が極大点となり、入射した直線偏光度と同じ直線偏光度を維持している。このため、回転角度θ＝０°及び１２０°の場合に比べて、回転角度の設置精度が回転角度θ＝６０°のほうが悪くても直線偏光度を維持できるメリットがある。フッ化カルシウム結晶は３回対称の結晶構造であるため、θ＝１２０°及び－１２０°でも同様な結果になると推定される。
　このような回転角度と直線偏光度関係が図１２のグラフのようになった推定原因を以下に述べる。つまり、回転角度０°（＜００１＞軸）, ６０°（＜１０１＞軸）の方向に光が伝播した場合は、その位相差はほとんど変化せず、その中間の角度で、位相差が変化していると推定している。特に、＜００１＞軸方向から、３０°、９０°ずれた角度が、位相差変化の変極点（それぞれ、極大点と極小点）となっている。位相変化により直線偏光度が良くなるのは、結晶を通過することによって、もともとずれていた位相差が小さくなる方向へシフトしたためであると推定している。
　ここで、図１１と図１２の共通の点は、回転角度θ＝０°、６０°及び１２０°では、計測用ウィンドウ１０２を透過しても、レーザ光の直線偏光度がほとんど変化していないことである。
　図１３は、入射光の直線偏光度が約０．９９５、繰り返し周波数４ｋＨｚの条件で、パルスエネルギーを変化させた時の回転角度に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。入射光のエネルギーが大きくなるにつれて回転角度θ＝－３０°，３０°，９０°付近の極小値が小さくなることが判明した。
　この計測結果の推定原因を以下に述べる。入射するレーザ光のパルスエネルギーを変化させた時、位相差の大きさが変化していると推定される。つまり、ウィンドウのレーザ光の吸収により熱が発生し、その結果、熱応力による応力複屈折の大きさが変化していると推定される。このため、この特性は、応力複屈折に対する特性であり、＜００１＞軸や＜１０１＞軸方向（回転角度θ＝０°や６０°の軸）では複屈折性がほとんどなく、その中間の３０°で、位相差が最大になることが分かった。
　以下に、図１５、図１６及び図１７を使用して、第１のウィンドウ及び第２のウィンドウを透過させることによって、直線偏光度を変化させない推定原理に関して説明する。
　図１４及び図１５は、レーザ光が２枚のウィンドウを通過する図であり、図１６は、ウィンドウの回転角度と位相変化を模式的に示すグラフである。図１４はレーザ光が２枚のウィンドウを通過する断面図、図１５（ａ）は第１ウィンドウを図１４の矢印Ｃから見た図、図１５（ｂ）は第１ウィンドウを図１４の矢印Ｄから見た図である。
　図１４及び図１５に示すように、１枚のウィンドウで、結晶方位を＋θの位置にすると、光の位相差ｄを+δ変えることができる。逆に、結晶方位を－θの位置にすると、光の位相差ｄを－δ変えることができる。そのため、+θと－θの角度に合わせた２枚のウィンドウを組み合わせることによって、図１６に示すように、どんな偏光状態の光を入れても、２枚のウィンドウを通過することによって元の偏光状態に戻る。その結果、直線偏光度の変化（低下）を低減することが可能となる。
　また、１枚のウィンドウの熱応力による偏光状態の変化を２枚目のウィンドウで元に戻す（位相差変化のキャンセル）ことができる。つまりウィンドウでの応力複屈折の影響を２枚組み合わせることによって、キャンセルすることができる。位相差の振幅（変化）δは、フッ化カルシウム結晶のメーカやグレードによって異なる。２枚を組み合わせ、キャンセル効果を効率良く得るには、その位相差の振幅（変化）が同じである同メーカ同グレードのものを組み合わせると良い。
　次に、実験用チャンバ２２１を設置して、＜１１１＞軸を中心軸として実験用第１及び第２ウィンドウ２２２，２２３を回転させ、光の伝播方向の結晶方位とチャンバのガス加圧量を変化させて、その直線偏光度の変化を観測した結果を示す。
　図１７及び図１８は、実験用チャンバ２２１を用いた直線偏光度観測実験系を示す図である。図１７に示す様に、実験用第１及び第２ウィンドウ２２２，２２３を有し、内部にガス圧力を印加できる実験用チャンバ２２１を製作し、ここにレーザ光を透過させ、直線偏光度計測器２２４で、その影響を計測した。
　図１８（ａ）は実験用チャンバ２２１を図１７の矢印Ｃから見た実験用第１ウィンドウ２２２、図１８（ｂ）は実験用チャンバ２０１を図１７の矢印Ｄから見た実験用第２ウィンドウ２２３である。この実験では、＜１１１＞軸を中心軸として実験用第１ウィンドウ２２２を＋９０°、実験用第２ウィンドウ２２３を－９０°回転させる第１の配置と、＜１１１＞軸を中心軸として実験用第１及ウィンドウ２２２を＋９０°、実験用第２ウィンドウ２２３を＋９０°回転させる第２の配置とで直線偏光度を比較した。ここで、角度は反時計回りが正の符号で、時計回りが負の符号を示している。
　図１９は、ガス加圧量に対する直線偏光度の計測結果を示すグラフである。同じ方向に結晶方位を配置した第２の配置（＋９０°、＋９０°）の場合は、その影響を２倍受け、直線偏光度がガス圧力増加による機械応力の増加に伴い低下していくのが分かる。しかし、実験用第１及び第２ウィンドウ２２２，２２３を第１の配置（＋９０°、－９０°）にすると、直線偏光度は、ガス圧力による機械応力を増加させても変化（低下）しなかった。この特性は、（＋３０°、－３０°）、（＋０°、－０°）に配置しても同じであり、（＋３０°、－３０°）、（＋０°、－０°）の配置の場合も直線偏光度は、変化しなかった。したがって、実験用第１及び第２ウィンドウ２２２，２２３を第１の配置のようなキャンセル配置にすることで、ガス圧力による機械応力が加わっても、直線偏光度の低下を低減することができる。
　また、この配置は、次の理由でも、有効である。
　（１）レーザ装置として使用時、チャンバ電極等の劣化により、出力が低下する。この出力低下分を補償するため、チャンバ内のレーザガスの圧力を増加させている。よって、本発明の結晶方位の関係でない場合は、このガス圧力増加による応力複屈折の増加による影響を受けて、レーザの直線偏光度が低下することが予測される。しかし、本発明の配置をすることによって、このガス圧増加によるレーザ直線偏光度の低下を防止することができる。
　（２）レーザ使用時、ウィンドウ自身も光照射により劣化する。主に、吸収の増加により、熱応力が増加していくものと推測される。この場合、チャンバウィンドウとして使用される２枚のウィンドウの劣化具合が同じであれば、本発明のキャンセル効果によって、素子の劣化による直線偏光度の低下を防止することができる。
　以上、本実施形態のガスレーザ用光学装置について説明した。その例を説明するために、図２０に、２ステージレーザシステムの主として光学系の概略の構成と、その中での本発明による紫外線ガスレーザ用光学装置の配置例を示す。
　２ステージレーザシステムは、発振段レーザ１０とその発振段レーザ１０から発振されたレーザ光（シード光）を入射させて増幅する増幅段レーザ２０とからなるもので、特に狭帯域で４０Ｗ以上の高出力が必要な露光用のＡｒＦエキシマレーザ装置やＦ2レーザ装置に期待されているものである。
　発振段レーザ１０にはレーザガスが封入されるチャンバ１１と、共振器を構成する狭帯域化モジュール１４及び出力鏡としての部分反射ミラー１５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。
　チャンバ１１には、前記のように、光軸Ｌ上に２つのウィンドウ１２と１３が取り付けてある。また、狭帯域化モジュール１４には、ビーム拡大光学系を構成する単数あるいは複数のビーム拡大プリズム１６（図では２個）と、狭帯域化素子としてのグレーティング１７（又はエタロン）が含まれる。図示されているグレーティング１７はリトロー配置されており、入射角度と回折角度が同じとなるように配置されている。このリトロー配置では、狭帯域化素子すると同時に、発振段レーザ１０のリアミラーの役目も果たしている。狭帯域化素子としてエタロンが使用された場合は、リアミラーをエタロンの後ろに配置する必要がある。
　増幅段レーザ２０も、レーザガスが封入されるチャンバ２１と、共振器を構成する部分反射ミラー２４、２５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。
　チャンバ２１には、光軸Ｌ上に２つのウィンドウ２２と２３が取り付けてある。なお、図２０においては、発振段レーザ１０から発振されたレーザ光は、ミラー１８と１９でそれぞれ反射されて増幅段レーザ２０に入射するように構成されている。レーザウィンドウは発振段及び増幅段レーザの共振器内に配置されているので、レーザ光が多数（複数回）往復する。
　以下に発振段レーザから出力されたレーザ光のモニタ、レーザ光の増幅、及び光学パルスストレッチ機構に関して詳しく説明する。
　この発振段レーザ１０から出力されたレーザ光はまずミラー１８により高反射される。そして、発振段レーザパワーモニタ３０に入射する。この発振段レーザパワーモニタ３０には、第１ビームスプリッタ３１と光センサ３２により構成されている。
　発振段レーザ光はビームスプリッタ３１により、一部反射され、光センサ３２に入射する。ここで、発振段レーザ１０の出力をモニタしている。第１ビームスプリッタ３１を透過したレーザ光はミラー１０により高反射されて、シード光として、部分反射ミラー２４の裏面から注入される。そして、増幅段レーザの共振器である部分反射ミラー２４と部分反射ミラー２５の中に注入される。
　シード光が注入されると同期して、図示しないチャンバ２１内に設置されている放電電極による放電によりレーザガスが励起される。この励起ガス中をシード光が通過することにより増幅される。ここで、シード光の第１の偏光状態は第１ウィンドウ２２を透過することにより、第２偏光状態に変換され、励起領域を通過することにより増幅される。そして、第２ウィンドウ２３を透過することにより、再び第１の偏光状態に戻る。
　部分反射ミラー２５に到達して、一部のレーザ光の透過光は、レーザ光として出力され、一部の光は反射してフィードバック光として部分反射ミラー２４と部分反射ミラー２５からなる共振器中に戻る。このフィードバック光の偏光状態は第１の偏光状態で、第２ウィンドウ２３に入射し、透過することによって、第２ウィンドウ２３を透過して、第２の偏光状態に変換される。そして、このレーザ光は増幅領域を通過増幅し、第１ウィンドウ２２を透過することにより再び第１の偏光状態に変換される。そして、部分反射ミラー２４によって、一部のレーザ光を反射して、再び第１の偏光状態のレーザ光で第１ウィンドウに入射する。このようにして、シード光を増幅発振させることによって、発振段レーザから出力されたレーザ光のスペクトルと偏光状態を維持した状態で、高出力化が可能となる。
　さらに、部分反射ミラー２５から出力されたレーザ光はモニタモジュール４０に入射する。モニタモジュール４０内部には出力レーザ光をサンプルするための第２ビームスプリッタ４１が配置されている。このサンプル光は出力レーザ光のパルスエネルギーとスペクトルを検出するためのパワー及びスペクトル検出器４２に入力される。モニタモジュール４０を通過したレーザ光は、レーザパルスの時間幅を長くするための光学パルスストレッチャ５０に入射する。
　光学パルスストレッチャ５０は、レーザビームの一部を光学遅延回路に入力するための第３ビームスプリッタ５１と光学遅延回路を構成する４枚の高反射ミラー５２からなっている。レーザ光は第３ビームスプリッタ５１により一部の光は、そのまま通過し図示しない露光装置に入力される。一方、第３ビームスプリッタ５１により反射された光は４枚の高反射ミラー５２から構成している光遅延回路により、遅れたレーザパルス光が再び第３ビームスプリッタ５１に到達し、一部の反射光は露光装置に入力される。一方、一部の透過光は再び光学遅延回路に入射する。これを繰り返すことによって、露光装置にパルス幅が伸張させたレーザパルスを露光装置に供給できる。
　ところで、レーザの出力高いビームが通過する第２ビームスプリッタ及び第３ビームスプリッタは熱応力による複屈折が発生すると予測され、直線偏光度を悪化させる可能性がある。そこで、（１１１）面で研磨されたフッ化カルシウム結晶をビームスプリッタとして採用し、図１１のグラフに示したように、＜１１１＞軸を中心に回転角度θ＝０°，６０°１２０°、１８０°（＝－１８０°）、－６０°、－１２０°付近に配置することによって、直線偏光度の悪化を抑制することができる。また、第１ビームスプリッタ３１も同様な結晶と配置にすることによって、発振段レーザの出力光の直線偏光度をほとんど悪化させずにシード光として増幅段レーザ２０に注入することができる。
　したがって、フッ化カルシウム 結晶の表面を（１１１）面で研磨し、かつ、＜１１１＞軸でフッ化カルシウム 結晶を回転させることにより、直線偏光度の高いレーザの出力光を得ることができる。
　つまり、レーザチャンバ２１のウィンドウ２２と２３として、表面が（１１１）面のフッ化カルシウム結晶を使用する場合に、上記２枚のウィンドウ２２と２３を透過する前と透過後のレーザの偏光状態が変化しないように、＜１１１＞軸を中心に回転配置させる。その結果、高出力においても直線偏光度の高いレーザ出力光を得ることができる。
　そして、チャンバ１１、２１に取り付けるウィンドウ１２、１３、２２、２３を本発明による紫外線ガスレーザ用光学素子で構成することが望ましい。
　また、増幅段レーザ２０の部分反射ミラー２４、２５を取り外したＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier ）システムや、リング増幅タイプに本発明を適用しても同様の効果がある。
　図２１にリング増幅タイプに本発明を適用した場合の実施例を示す。発振段レーザから出力されたシード光はリング共振器の出力結合ミラーである４５度の角度で部分反射ミラー１１３からリング共振器中に第１の偏光状態のシード光が注入される。ここで、チャンバ２１の第１ウィンドウ２２及び第２ウィンドウ２３は略同じ方向にブリュースタ角度に傾けて設置されている。シードレーザ光は、これら第１ウィンドウ２１及び第２ウィンドウ２２のＰ偏光の方向に直線偏光となるようにシード光は入射する。そして高反射ミラー１１０により、４５度よりも多少小さな角度で入反射され第１の偏光状態で第２ウィンドウ２３を透過し、第２の偏光状態に変換される。そして、放電領域を通過することにより、増幅され、第１ウィンドウ２２を透過して、第１の偏光状態に戻る。
　そして、高反射ミラー１１２により、高反射ミラー１１０と同じ角度で入反射して、高反射ミラー１１１により４５度で第１の偏光状態で反射されて、第１ウィンドウ２２に入射する。そして、第１ウィンドウ２２を透過することにより、第２’の偏光状態に変換される。そして、レーザの放電領域を通過して増幅される。そして、この増幅光は第２ウィンドウ２３を透過することによって、再び第１の偏光状態に戻る。そして、入射角度４５度で部分反射ミラーにより一部は出力レーザ光として出力する。一方、反射光は、リング共振器のフィードバック光として戻る。ここで、第２の偏光状態と第２’の偏光状態はほとんど同じであるが、ウィンドウに対する入射角度が多少ことなるため厳密には異なる。しかし、第１及び第１のウィンドウによるキャンセル効果は同じであり、シード光の偏光状態とほとんど同じ偏光状態でリング共振器の部分反射ミラー１１３を透過して高パルスエネルギーのレーザ光が出力される。
　この実施例では、第１及び第２ウィンドウの設置角度をブリュースタ角度で設置した例を示したが、この実施例に限定されることなく、入射角度は４５度から６２度の範囲であれば大きな問題は発生しない。
　ところで、（１１１）面で研磨されたフッ化カルシウムのウィンドウの＜１１１＞軸中心での回転角度は、第１の偏光状態と第２及び２‘の偏光状態と略同じになるような回転角度θ＝０°、６０°、１２０°、１８０°（＝－１８０°）、－６０°、－１２０°に設置してもよい。
　次に、参考例について説明する。前述の実施例では、フッ化カルシウム 結晶をチャンバウィンドウ１に用いた実施例に関して説明したが、フッ化カルシウム 結晶だけでなく、例えば、エキシマレーザの波長域で使用可能なＭｇＦ2 結晶を第１チャンバウィンドウ２及び第２チャンバウィンドウ３として使用する場合に、同様な原理で実施することができる。
　図２２及び図２３は、参考例としてのＭｇＦ2 （フッ化マグネシウム）のウィンドウを用いたチャンバ１を示す。図２２は、チャンバ１を示す図、図２３（ａ）は、第１ウィンドウ２をチャンバ内部の矢印Ａから見た図、図２３（ｂ）は、第２ウィンドウ３をチャンバ内部の矢印Ｂから見た図である。
　ＭｇＦ2 はフッ化カルシウム に比べて、原理的にバンドギャップが大きいのでＡｒＦレーザのレーザ耐性は高い。ＭｇＦ2 結晶は、正方晶系の結晶構造であり、ａ軸とｃ軸の結晶格子の長さが異なるので、複屈折性をもっている。この複屈折性によるレーザの直線偏光度の悪化を防ぐ解決手段で示した様に、チャンバウィンドウは第１チャンバウィンドウ２及び第２チャンバウィンドウ３の２枚で構成されている。この２枚のｃ軸（光学軸）の方位の角度を、図２３に示すように、チャンバ内部から見て（図２２の矢印Ａ，Ｂ参照）、同じ様に取り付ける。１パスで見た場合は、１パスの光軸Ｌに対して、結晶方位の角度が（－θ、＋θ）となるように取り付けることにより、位相差の変化をキャンセルすることができる。
　角度を決定する時は、事前にＸ線回折分析を行い、ｃ軸の結晶方位を計測しておくと良い。ウィンドウのｃ軸方向の側面に印を付けておき、その印に従って、θ°回転させて取り付けるようにすると効率が良い。
　この実施例ではｃ軸がウィンドウの法線に対して垂直（９０度）なウィンドウの場合の例を示したが、ｃ軸の方向がウィンドウの法線に対して、例えば、ｃ軸とウィンドウの法線のなす角度を０＜τ＜９０度の範囲で製作し、両チャンバウィンドウを同一角度τで製作して、両チャンバウィンドウの設置角度θ°と－ θ°でチャンバウィンドウを設置してもよい。
　レーザとしては、シングルチャンバでも効果があるし、MOPOタイプ（インジェクションロック）、MOPAタイプ（増幅段）や、リング増幅タイプにも効果がある。
　なお、本発明に係るガス放電チャンバは、MOPOのPO、MOPAのPA、シングルレーザのレーザチャンバとして適用される。
　以上の説明では、図２４及び図２５に示した様に、２枚のチャンバウィンドウを平行に傾けて取り付けた場合について説明した。この場合、チャンバ内部から見て、同方向へ同角度（例えば＋θ）結晶を＜１１１＞軸で回転させると、１パスで見た場合に、（－θ、＋θ）の関係になる。この配置とは異なり、図２６及び図２７に示すように、２枚のチャンバウィンドウの傾きの方向が逆である場合（ハの字型）もウィンドウの配置として考えられる。この場合も、チャンバ内部から見て、同方向へ同角度（例えば＋θ）結晶を＜１１１＞軸で回転させると、１パスで見た場合に、（－θ、＋θ）の関係にすることが可能である。
　以上、本発明のガス放電チャンバを実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
　すなわち、ガス放電チャンバに設置した前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、複屈折性を有した結晶であって、前記第１のウィンドウに入射するレーザ光の第１の偏光状態から前記第１のウィンドウを透過して第２の偏光状態で前記励起されたレーザガス中を通過し、前記第２の偏光状態のレーザ光が前記第２のウィンドウを透過して、前記第１の偏光状態に略戻るように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置する。これにより、ガス放電チャンバ内をレーザ光が透過または往復しても直線偏光度の低下を抑制できる。

Claims (5)

  1. 　　チャンバと、チャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられた第１ウィンドウ及び第２ウィンドウとを有し、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウが光軸上に沿って配置されているガス放電チャンバにおいて、
    　前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、複屈折性を有した結晶であって、前記第１のウィンドウに入射するレーザ光の第１の偏光状態から前記第１のウィンドウを透過して第２の偏光状態に変換され、前記第２の偏光状態のレーザ光が前記励起されたレーザガス中を通過し、前記第２のウィンドウを透過して、前記第２の偏光状態から前記第１の偏光状態に略変換されるように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置したことを特徴とするガス放電チャンバ。
  2. 　　前記第１の偏光状態と第２の偏光状態が略一致するように前記第１のウィンドウ及び第２のウィンドウの結晶をレーザ光軸に対して配置したことを特徴とする請求項１記載のガス放電チャンバ。
  3. 　前記チャンバの前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウは略同じ方向に傾けて設置され、前記第１の偏光状態は第１ウィンドウ及び第２ウィンドウのＰ偏光に対して、直線偏光であることを特徴とする請求項１または２記載のガス放電チャンバ。
  4. 　前記第２の偏光状態は楕円偏光であることを特徴とする請求項３記載のガス放電チャンバ。
  5. 　チャンバと、チャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がチャンバ外部へ出射するためにチャンバに設けられた第１ウィンドウ及び第２ウィンドウとを有し、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウが光軸上に沿って配置されているガス放電チャンバにおいて、
    　前記第１ウィンドウ及び第２ウィンドウは、入射平面及び射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、
    　前記チャンバ内部から見て、前記フッ化カルシウム結晶内に入射したレーザ光が、前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウそれぞれの＜１１１＞軸と＜００１＞軸を含む面を通過する配置に対して、
    　前記第１ウィンドウ及び前記第２ウィンドウは、＜１１１＞軸を中心として同方向へ同じ角度回転した位置に設置される
    　ことを特徴とするガス放電チャンバ。


    　
    　
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