WO2018020564A1 - レーザシステム - Google Patents

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    • H01S3/2375—Hybrid lasers

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser system including a laser device and an optical pulse stretcher.
  • the semiconductor exposure apparatus As semiconductor integrated circuits are miniaturized and highly integrated, improvement in resolving power is demanded in semiconductor exposure apparatuses.
  • the semiconductor exposure apparatus is simply referred to as “exposure apparatus”. For this reason, the wavelength of light output from the light source for exposure is being shortened.
  • a gas laser device As a light source for exposure, a gas laser device is used instead of a conventional mercury lamp.
  • a KrF excimer laser device that outputs ultraviolet light with a wavelength of 248 nm and an ArF excimer laser device that outputs ultraviolet light with a wavelength of 193.4 nm are used as the exposure laser device.
  • Current exposure technology includes immersion exposure that fills the gap between the projection lens on the exposure apparatus side and the wafer with liquid and changes the refractive index of the gap to shorten the apparent wavelength of the exposure light source.
  • immersion exposure is performed using an ArF excimer laser device as an exposure light source, the wafer is irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 134 nm in water. This technique is called ArF immersion exposure.
  • ArF immersion exposure is also called ArF immersion lithography.
  • the spectral line width in natural oscillation of KrF and ArF excimer laser devices is as wide as about 350 to 400 pm, the chromatic aberration of laser light (ultraviolet light) projected on the wafer by the projection lens on the exposure device side is generated, resulting in high resolution. descend. Therefore, it is necessary to narrow the spectral line width of the laser light output from the gas laser device until the chromatic aberration becomes negligible. For this reason, a narrowband module (Line Narrowing Module) having a narrowband element is provided in the laser resonator of the gas laser device. With this narrowband module, the spectral linewidth is narrowed.
  • the band narrowing element may be an etalon or a grating.
  • a laser device whose spectral line width is narrowed in this way is called a narrow-band laser device.
  • an optical pulse stretcher that extends the pulse width of the laser beam is used for the laser device so that damage to the optical system of the exposure apparatus is reduced.
  • the optical pulse stretcher lowers the peak power level of each pulsed light by decomposing each pulsed light included in the laser light output from the laser device into a plurality of pulsed lights having a time difference.
  • JP 2011-176358 A Japanese Patent No. 2760159 JP-A-11-312631 JP 2012-156531 A
  • a laser system comprises: A. A laser device for outputting a pulsed laser beam; and B. A first optical pulse stretcher including a delayed optical path for extending the pulse width of a pulsed laser beam, wherein the beam waist position of the circulating light output by circulating around the delayed optical path is determined in the direction of the optical path axis according to the number of rotations.
  • a first optical pulse stretcher configured to change to
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a laser system according to a comparative example.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the positional relationship between the beam splitter and the first to fourth concave mirrors.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining output light from the OPS.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an OPS that decomposes pulsed laser light temporally and spatially.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an incident optical path of the extended pulse laser beam into the discharge space.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the laser system according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the positional relationship between the beam splitter and the first to fourth concave mirrors.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the extended pulse laser beam incident on the amplifier.
  • FIG. 9A is a diagram for explaining zero-round light output from the OPS.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating one-round light output from the OPS.
  • FIG. 9C is a diagram illustrating the two-round light output from the OPS.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an incident optical path of the extended pulse laser beam into the discharge space.
  • FIG. 11A is a schematic diagram illustrating a method for measuring a change in the beam waist position of output light from the OPS according to the first embodiment.
  • FIG. 11A is a schematic diagram illustrating a method for measuring a change in the beam waist position of output light from the OPS according to the first embodiment.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a measurement example of a change in the beam waist position of the output light from the OPS of the comparative example.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a change in the spot diameter of output light from the OPS.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of the OPS according to the first modification.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of the OPS according to the second modification.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of the OPS used in the laser system according to the second embodiment.
  • FIG. 16A is a diagram for describing zero-round light output from the OPS.
  • FIG. 16B is a diagram illustrating one-round light output from the OPS.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the two-round light output from the OPS.
  • FIG. 16A is a diagram for describing zero-round light output from the OPS.
  • FIG. 16B is a diagram illustrating one-round light output from the OPS.
  • FIG. 18 is a perspective view showing an amplifier and an OPS arranged at the subsequent stage of the amplifier.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of an amplifier according to a first modification.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration of an amplifier according to a second modification.
  • FIG. 1 schematically illustrates a configuration of a laser system 2 according to a comparative example.
  • the laser system 2 includes a solid-state laser device 3 as a master oscillator, an optical pulse stretcher (OPS) 10, a beam expander 20, and an amplifier 30.
  • OPS optical pulse stretcher
  • the solid-state laser device 3 includes a semiconductor laser, an amplifier, a nonlinear crystal, and the like (not shown).
  • the solid-state laser device 3 outputs pulsed laser light PL in a single transverse mode.
  • the pulse laser beam PL is a Gaussian beam, and has a center wavelength in a wavelength range of 193.1 nm to 193.5 nm and a spectral line width of about 0.3 pm, for example.
  • the solid-state laser device 3 may be a solid-state laser device including a titanium sapphire laser that outputs a narrow-band pulsed laser beam having a center wavelength of about 773.4 nm and a nonlinear crystal that outputs a fourth harmonic. Good.
  • the OPS 10 includes a beam splitter 11 and first to fourth concave mirrors 12a to 12d.
  • the beam splitter 11 is a partial reflection mirror.
  • the reflectance of the beam splitter 11 is preferably in the range of 40% to 70%, and more preferably about 60%.
  • the beam splitter 11 is disposed on the optical path of the pulse laser beam PL output from the solid-state laser device 3.
  • the beam splitter 11 transmits a part of the incident pulsed laser light PL and reflects the other part.
  • the first to fourth concave mirrors 12a to 12d constitute a delay optical path for extending the pulse width of the pulse laser beam PL.
  • the first to fourth concave mirrors 12a to 12d all have mirror surfaces having the same curvature radius R.
  • the first and second concave mirrors 12a and 12b are arranged so that the light reflected by the beam splitter 11 is reflected by the first concave mirror 12a and enters the second concave mirror 12b.
  • the third and fourth concave mirrors 12c and 12d the light reflected by the second concave mirror 12b is reflected by the third concave mirror 12c, further reflected by the fourth concave mirror 12d, and again by the beam splitter.
  • 11 is arranged so as to be incident on 11.
  • the distance between the beam splitter 11 and the first concave mirror 12a and the distance between the fourth concave mirror 12d and the beam splitter 11 are each half the radius of curvature R, that is, R / 2. Further, the distance between the first concave mirror 12a and the second concave mirror 12b, the distance between the second concave mirror 12b and the third concave mirror 12c, and the third concave mirror 12c and the fourth concave mirror 12c. The distance from the concave mirror 12d is the same as the radius of curvature R.
  • the first to fourth concave mirrors 12a to 12d all have the same focal length F.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the positional relationship between the beam splitter 11 and the first to fourth concave mirrors 12a to 12d.
  • the first to fourth concave mirrors 12a to 12d are replaced with convex lenses 13a to 13d having a focal length of F, respectively.
  • P0 represents the position of the beam splitter 11.
  • P1 to P4 represent the positions of the first to fourth concave mirrors 12a to 12d, respectively.
  • the delay optical system constituted by the first to fourth concave mirrors 12a to 12d is a collimating optical system, when the incident light to the first concave mirror 12a is collimated light, the fourth concave mirror 12d The light emitted from the light becomes collimated light.
  • the first to fourth concave mirrors 12a to 12d are arranged such that the optical path length L OPS is equal to or greater than the temporal coherent length L C of the pulse laser beam PL.
  • ⁇ is the center wavelength of the pulse laser beam PL.
  • the beam expander 20 is disposed on the optical path of the extended pulse laser beam PT output from the OPS 10.
  • the extended pulse laser beam PT is light in which the pulse width of the pulse laser beam PL is extended by the OPS 10.
  • the beam expander 20 includes a concave lens 21 and a convex lens 22. The beam expander 20 expands the beam diameter of the extended pulse laser beam PT input from the OPS 10 and outputs it.
  • the amplifier 30 is disposed on the optical path of the extended pulse laser beam PT output from the beam expander 20.
  • the amplifier 30 is an excimer laser device that includes a laser chamber 31, a pair of discharge electrodes 32 a and 32 b, a rear mirror 33, and an output coupling mirror 34.
  • the rear mirror 33 and the output coupling mirror 34 are partial reflection mirrors and constitute a Fabry-Perot resonator.
  • the rear mirror 33 and the output coupling mirror 34 are coated with a film that partially reflects light having a wavelength that causes laser oscillation.
  • the reflectance of the partial reflection film of the rear mirror 33 is in the range of 80% to 90%.
  • the reflectance of the partial reflection film of the output coupling mirror 34 is in the range of 20% to 40%.
  • the laser chamber 31 is filled with a laser medium such as ArF laser gas.
  • the pair of discharge electrodes 32a and 32b are disposed in the laser chamber 31 as electrodes for exciting the laser medium by discharge.
  • a pulsed high voltage is applied between a pair of discharge electrodes 32a and 32b from a power source (not shown).
  • the traveling direction of the extended pulse laser beam PT output from the beam expander 20 is referred to as the Z direction.
  • a discharge direction between the pair of discharge electrodes 32a and 32b is referred to as a V direction.
  • the V direction is orthogonal to the Z direction.
  • the direction orthogonal to the Z direction and the V direction is referred to as the H direction.
  • Windows 31 a and 31 b are provided at both ends of the laser chamber 31.
  • the extended pulse laser beam PT output from the beam expander 20 passes through the rear mirror 33 and the window 31a and enters the discharge space 35 between the pair of discharge electrodes 32a and 32b as seed light.
  • the width of the discharge space 35 in the V direction substantially coincides with the beam diameter expanded by the beam expander 20.
  • the solid-state laser device 3 and the amplifier 30 are controlled by a synchronization control unit (not shown).
  • the amplifier 30 is controlled by the synchronization control unit such that the amplifier 30 is discharged at the timing when the extended pulse laser beam PT enters the discharge space 35.
  • the pulsed laser light PL output from the solid-state laser device 3 enters the beam splitter 11 in the OPS 10.
  • a part of the pulsed laser light PL incident on the beam splitter 11 passes through the beam splitter 11 and is output from the OPS 10 as zero-round light PS 0 that does not go around the delay optical path.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 11 enters the delay optical path and is reflected by the first concave mirror 12a and the second concave mirror 12b.
  • the light image of the reflected light from the beam splitter 11 is formed as a first-magnification first transfer image by the first and second concave mirrors 12a and 12b.
  • the second transfer image of the same magnification is formed at the position of the beam splitter 11 by the third concave mirror 12c and the fourth concave mirror 12d.
  • a part of the light that has entered the beam splitter 11 as the second transfer image is reflected by the beam splitter 11 and is output from the OPS 10 as one-round light PS 1 that has made one round of the delay optical path.
  • c is the speed of light.
  • the transmitted light that has passed through the beam splitter 11 again enters the delay optical path, is reflected by the first to fourth concave mirrors 12a to 12d, and again.
  • the light enters the beam splitter 11.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 11 is output from the OPS 10 as the two-round light PS s that circulates the delay optical path twice.
  • the two-round light PS s is output with a delay of ⁇ t from the one-round light PS 1 .
  • the OPS 10 outputs pulsed light in order of the three-round light PS 3 , the four-round light PS 4 ,.
  • the light intensity of the pulsed light output from the OPS 10 decreases as the number of circulations of the delayed optical path increases.
  • the pulse laser beam PL is decomposed into a plurality of pulse beams PS 0 , PS 1 , PS 2 ,. .
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents light intensity.
  • n represents the number of circulations of the delay optical path.
  • the optical path length L OPS is equal to or greater than the temporal coherent length L C , the mutual coherence of the plurality of pulse lights PS n is reduced. Therefore, coherence of elongated pulse laser beam PT constituted by a plurality of light pulses PS n decreases.
  • the extended pulse laser beam PT output from the OPS 10 enters the beam expander 20, and the beam expander 20 increases the beam diameter and outputs it.
  • the extended pulse laser beam PT output from the beam expander 20 enters the amplifier 30.
  • the extended pulse laser beam PT incident on the amplifier 30 passes through the rear mirror 33 and the window 31a and enters the discharge space 35 as seed light.
  • discharge is generated by a power source (not shown) in synchronization with the incident of the extended pulse laser beam PT.
  • the extended pulse laser beam PT passes through the discharge space 35 excited by the discharge, so that stimulated emission occurs and is amplified.
  • the amplified extended pulse laser beam PT is oscillated by the optical resonator and output from the output coupling mirror 34.
  • the laser system 2 outputs the extended pulse laser beam PT having a reduced peak power level and reduced coherence compared to the pulse laser beam PL output from the solid-state laser device 3.
  • the pulse width TIS of the laser beam is defined by the following formula 1.
  • t is time.
  • I (t) is the light intensity at time t.
  • the pulse width of the extended pulse laser beam PT is obtained using the following formula 1.
  • the coherence is reduced by temporally decomposing the pulsed laser light PL by the OPS 10, but the pulsed laser light is further reduced. It is possible to reduce coherence by spatially decomposing PL.
  • FIG. 4 shows a configuration of the OPS 40 that makes it possible to decompose the pulsed laser light PL temporally and spatially.
  • the OPS 40 has the same configuration as the OPS 10 described above except that the arrangement of the fourth concave mirror 12d is different.
  • the fourth concave mirror 12d is disposed at a position slightly rotated about the H direction as the rotation axis with respect to the position of the fourth concave mirror 12d of the OPS 10 indicated by a broken line.
  • the emission angles of the plurality of pulse lights PS n output from the OPS 40 change in the V direction according to the number of times n of the delay optical path. That is, a plurality of light pulses PS n output from OPS40 the optical path axis are different from each other.
  • a plurality of light pulses PS n output from OPS40 is spatially resolved in the V direction is incident on the beam expander 20.
  • the incident direction of the pulsed laser light PL to the OPS 40 is slightly inclined from the Z direction.
  • the plurality of light pulses PS n depending on the number of turns n of the delay optical path, passes through the optical path in the discharge space 35 is different.
  • OPS40 Because generates a plurality of pulsed light PS n of the pulsed laser beam PL temporally and spatially resolved, coherent output beam of the amplifier 30 is further reduced.
  • the discharge space 35 is not filled with the seed light at the same time in the V direction.
  • the seed light exists only for the time when the zero-round light PS 0 is incident. For this reason, there is no seed light on the optical path of the zero-round light PS 0 during the time when the round light after the first round light PS 1 is incident.
  • the upper level lifetime which is the lifetime of the atoms excited to the upper level is as short as about 2 ns. For this reason, if there is a space in the discharge space 35 that is not filled with seed light, spontaneous emission occurs in that space before stimulated emission by the seed light occurs. As a result, the output light of the amplifier 30 includes a lot of amplified (ASE) light as a result of spontaneous emission, as well as amplified light by stimulated emission.
  • ASE amplified
  • the OPS 40 configured as shown in FIG. 4
  • the coherence of the output light of the amplifier 30 is reduced, but the ASE light is increased.
  • the reflectance of the optical resonator is increased, the energy in the optical resonator is increased, which may damage the optical element.
  • the pulse width of the extended pulse laser light PT it is conceivable to increase the pulse width of the extended pulse laser light PT.
  • the pulse width of the extended pulse laser beam PT is increased, the light intensity of the seed light is reduced, and components that do not contribute to amplification increase, so that more ASE light may be generated.
  • the laser system according to the first embodiment is the same as the configuration of the laser system according to the comparative example shown in FIG. 1 except that the configuration of the OPS is different.
  • substantially the same parts as those of the laser system according to the comparative example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 6 shows a configuration of the laser system 50 according to the first embodiment.
  • the laser system 50 includes a solid-state laser device 3, an OPS 60, a beam expander 20, and an amplifier 30.
  • the OPS 60 includes a beam splitter 61 and first to fourth concave mirrors 62a to 62d.
  • the beam splitter 61 has the same configuration as the beam splitter 11 of the comparative example.
  • the arrangement of the first to fourth concave mirrors 62a to 62d is the same as that of the comparative example.
  • the distance between the beam splitter 61 and the first concave mirror 62a and the distance between the fourth concave mirror 62d and the beam splitter 61 are the radius of curvature R of the first to third concave mirrors 62a to 62c. Half, ie R / 2.
  • the distance from the concave mirror 62d is the same as the radius of curvature R.
  • the beam splitter 11 and the first to fourth concave mirrors 12a to 12d are arranged such that the optical path axis of the 0-round light PS 0 and the optical path axis of the 1-round light PS 1 output from the OPS 60 coincide with each other. Yes. That is, in the first embodiment, the optical path axis of the plurality of light pulses PS n output from OPS60 will match.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the positional relationship between the beam splitter 61 and the first to fourth concave mirrors 62a to 62d.
  • the first to fourth concave mirrors 62a to 62d are replaced with convex lenses 63a to 63c having a focal length F and a convex lens 63d having a focal length shorter than F, respectively.
  • P0 represents the position of the beam splitter 61.
  • P1 to P4 represent the positions of the first to fourth concave mirrors 62a to 62d, respectively.
  • the delay optical system is a non-collimating optical system that does not satisfy the collimating condition. For this reason, when the incident light on the first concave mirror 62a is collimated light, the light emitted from the fourth concave mirror 62d becomes non-collimated light.
  • the beam waist position is the position where the beam spot size is the smallest, and coincides with the position where the radius of curvature of the wavefront is a plane.
  • the divergence angle represents the angular spread of the beam at a distance sufficiently away from the beam waist position.
  • the extension pulse laser beam PT is periodically incident on the amplifier 30.
  • the interval ⁇ PT of the extended pulse laser beam PT is preferably shorter than the upper level lifetime which is the lifetime of the atoms excited to the upper level in the amplifier 30. This upper level lifetime is about 2 ns.
  • the pulse width ⁇ DT of the extended pulse laser beam PT may be made as long as possible.
  • the interval ⁇ PT is a period in which the light intensity is almost zero. For example, it is assumed that the light intensity is 0 when the light intensity is 1% or less of the peak intensity.
  • the optical path length L OPS may be set so as to satisfy the following expression 2.
  • the pulse width ⁇ DT of the extended pulse laser beam PT preferably satisfies the following expression 3 when the optical path length of the optical resonator of the amplifier 30 is L amp .
  • the pulsed laser light PL output from the solid state laser device 3 enters the beam splitter 61 in the OPS 60. Part of the pulsed laser light PL incident on the beam splitter 61 passes through the beam splitter 61 and is output from the OPS 60 as zero-round light PS 0 .
  • FIG. 9A shows the zero-round light PS 0 output from the OPS 60.
  • the zero-round light PS 0 is collimated light.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 61 enters a delay optical path constituted by the first to fourth concave mirrors 62a to 62d, and passes through the delay optical path once. It goes around and enters the beam splitter 61 again. A part of the light incident on the beam splitter 61 is reflected by the beam splitter 61 and output from the OPS 60 as one-round light PS 1 .
  • FIG. 9B shows the one-round light PS 1 output from the OPS 60.
  • the delay optical system is a non-collimating optical system
  • the one-round light PS 1 becomes non-collimated light and converges far from the OPS 60. That is, one beam waist position w 1 of the orbiting beam PS 1 is located far from OPS60.
  • FIG. 9C shows the two-round light PS 2 output from the OPS 60.
  • Beam waist position w 2 of 2 circulating light PS 2 approaches the 1 OPS60 side than the beam waist position w 1 of the orbiting light PS 1.
  • the OPS 60 outputs the pulse light in order of the three-round light PS 3 , the four-round light PS 4 ,. Greater the laps n delay optical path, the beam waist position w n of the output light from the OPS60, approaches OPS60 side.
  • a plurality of light pulses PS n constitute the stretched pulse laser light PT.
  • the extended pulse laser beam PT is expanded by the beam expander 20 so that the beam diameter matches the width of the discharge space 35, and enters the amplifier 30 as seed light.
  • the extended pulse laser beam PT that has entered the amplifier 30 passes through the rear mirror 33 and the window 31 a and enters the discharge space 35.
  • a plurality of light pulses PS n is the optical path axis respectively coincide with each other, overlapping in the discharge space 35.
  • discharge is generated by a power source (not shown) in synchronization with the incident of the extended pulse laser beam PT.
  • the extended pulse laser beam PT passes through the discharge space 35 excited by the discharge, so that stimulated emission occurs and is amplified.
  • the amplified extended pulse laser beam PT is oscillated by the optical resonator and output from the output coupling mirror 34.
  • Effect OPS60 is changed in addition to decomposition temporally pulsed laser beam PL, resolved plurality of pulse light PS n, without changing the traveling direction, the beam waist position w n in the optical path axis
  • the plurality of light pulses PS n because each beam waist position w n and diverging angle theta n different, reduced coherence mutual further coherence constituted stretched pulse laser light PT in these Is further reduced.
  • a plurality of light pulses PS n entering the discharge space 35 is seed light, since overlap with the discharge space 35, discharge space 35 is filled with simultaneously in time the seed light with respect to the V direction. Thereby, generation
  • the discharge space 35 is filled with the seed light at any time during the discharge period. Generation is further suppressed.
  • the laser system 50 according to the first embodiment can reduce the coherence of the output light and suppress the generation of ASE light.
  • Figure 11A for the beam waist positions are schematic views for explaining a method of measuring the change in the beam waist position w n of the plurality of light pulses PS n output from OPS60 of the first embodiment.
  • An ideal lens 70 having a focal length f is arranged on the optical path axis of the output light of the OPS 60, and the condensing position of the output light by the ideal lens 70 is measured. This condensing position corresponds to the beam waist position.
  • the ideal lens 70 is a lens that can ignore aberrations. As shown in FIG. 12, the condensing position is obtained by measuring the position where the spot diameter of the beam is minimum.
  • the condensing position FP 0 by the ideal lens 70 coincides with the focal position of the ideal lens 70.
  • Condensing position FP 1 in one round light PS 1 by the ideal lens 70 is moved from the focusing position FP 0 the ideal lens 70 side.
  • the condensing position FP 2 of the two-round light PS 2 by the ideal lens 70 moves to the ideal lens 70 side from the condensing position FP 1 .
  • the condensing position approaches the ideal lens 70 side.
  • Figure 11B shows a measurement example of a beam waist position w n of the plurality of light pulses PS n output from OPS40 described as a comparative example. Since the OPS 40 changes the traveling direction of the plurality of pulse lights PS n , the condensing positions FP 0 , FP 1 , FP 2 ,... Sequentially move in the V direction.
  • the delay optical system is changed to a non-collimating optical system by changing the curvature of the fourth concave mirror 62d. It is set to become.
  • the curvature of other concave mirrors may be changed without being limited to the fourth concave mirror 62d.
  • the delay optical system may be a non-collimating optical system by making the curvature of at least one concave mirror of the plurality of concave mirrors constituting the delay optical system different from the curvature of other concave mirrors.
  • FIG. 13 shows a configuration of an OPS 80 according to the first modification.
  • the OPS 80 includes a beam splitter 81 and first to fourth concave mirrors 82a to 82d.
  • the beam splitter 81 has the same configuration as the beam splitter 11 of the comparative example.
  • the first to fourth concave mirrors 82a to 82d all have mirror surfaces having the same curvature radius R.
  • the first to fourth concave mirrors 82a to 82d all have the same focal length F.
  • the OPS 80 has the same configuration as the OPS 10 according to the comparative example except that the position of the fourth concave mirror 82d is different.
  • the fourth concave mirror 82d is moved in the direction of increasing the optical path length L OPS of the delayed optical path from the position of the fourth concave mirror 12d of the OPS 10 indicated by a broken line. Specifically, the distance between the third concave mirror 62c and the fourth concave mirror 62d is longer than twice the focal length F, and the distance between the fourth concave mirror 62d and the beam splitter 61 is increased. The distance is made longer than the focal length F. That is, the OPS 80 has a relationship of L OPS > 8F.
  • the delay optical system constituted by the first to fourth concave mirrors 82a to 82d is a non-collimating optical system, the circulating light that has circulated in the delay optical path becomes non-collimated light.
  • the divergence angle ⁇ n changes according to the number of times n of the delay optical path, and the beam waist position w n moves in the Z direction.
  • the optical path axis of the plurality of light pulses PS n is almost the same.
  • the concave mirror that moves in the direction of increasing the optical path length L OPS is not limited to the fourth concave mirror 82d, and may be other concave mirrors. What is necessary is just to move at least 1 concave-surface mirror among the several concave-surface mirrors which comprise a delay optical system from the position which satisfy
  • FIG. 14 shows a configuration of an OPS 90 according to the second modification.
  • the OPS 90 includes a beam splitter 91, first to fourth concave mirrors 92a to 92d, a first lens 93, and a second lens 94.
  • the beam splitter 91 has the same configuration as the beam splitter 11 of the comparative example.
  • the first and second lenses 93 and 94 are made of synthetic quartz or calcium fluoride (CaF 2 ).
  • the first lens 93 is disposed on the optical path between the second concave mirror 92b and the third concave mirror 92c.
  • the first lens 93 is a concave lens and changes the divergence angle of incident light and emits it.
  • the first lens 93 sets the delay optical system to be a non-collimating optical system.
  • the second lens 94 is disposed on the optical path of the pulsed laser light PL that is incident on the beam splitter 91.
  • the second lens 94 is a concave lens and is provided to correct the divergence angle changed by the first lens 93. Note that the second lens 94 is not an essential component and may be omitted.
  • the delay optical system constituted by the first to fourth concave mirrors 92a to 92d and the first lens 93 is a non-collimating optical system, the circulating light that has circulated around the delay optical path becomes non-collimated light.
  • the divergence angle ⁇ n changes according to the number of times n of the delay optical path, and the beam waist position w n moves in the Z direction.
  • the optical path axis of the plurality of light pulses PS n is almost the same.
  • the first lens 93 is not limited to the optical path between the second concave mirror 92b and the third concave mirror 92c, but on the optical path between the fourth concave mirror 92d and the beam splitter 91, or the beam splitter. You may arrange
  • the first and second lenses 93 and 94 are not limited to concave lenses, and may be constituted by other optical elements.
  • the first and second lenses 93 and 94 may be cylindrical lenses, respectively.
  • each of the first and second lenses 93 and 94 may be a combination of two cylindrical lenses whose bending directions are orthogonal to each other.
  • the laser system according to the second embodiment is the same as the configuration of the laser system 50 according to the first embodiment shown in FIG. 6 except that the configuration of the OPS is different.
  • the OPS is configured to include a plurality of concave mirrors.
  • the OPS is configured to include a condenser lens.
  • FIG. 15 shows the configuration of the OPS 100 used in the laser system according to the second embodiment.
  • the OPS 100 includes a beam splitter 101, first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d, and first to fifth condenser lenses 103 to 107.
  • the beam splitter 101 has the same configuration as the beam splitter 61 of the first embodiment.
  • the first to fifth condenser lenses 103 to 107 are convex lenses, respectively.
  • the first and second condenser lenses 103 and 104 are a first lens group for adjusting the divergence angle ⁇ 0 of the 0-round light PS 0 .
  • the first condenser lens 103 is arranged on the optical path until the pulse laser beam PL incident from the solid-state laser device 3 enters the beam splitter 101.
  • the second condenser lens 104 is disposed on the optical path of the light transmitted through the beam splitter 101 in the pulsed laser light PL.
  • the second condenser lens 104 is held by the uniaxial stage 104a.
  • the uniaxial stage 104a makes it possible to move the second condenser lens 104 in the Z direction, which is the optical path axis direction.
  • the divergence angle ⁇ 0 of the zero-circular light PS 0 can be adjusted.
  • FIG. 16A shows the positional relationship between the first and second condenser lenses 103 and 104.
  • P ⁇ b> 1 represents the position of the first condenser lens 103.
  • P ⁇ b> 2 represents the position of the second condenser lens 104.
  • P0 represents the position of the beam splitter 101.
  • the focal length of the first condenser lens 103 is F 1
  • the focal length of the second condenser lens 104 is F 2 .
  • the position P2 is set such that the optical path length between the position P1 and the position P2 is “F 1 + F 2 ”. That is, the first lens group is a collimating optical system.
  • the first lens group may be a non-collimating optical system by shifting the position P2 from a position that satisfies the collimating condition.
  • the first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d and the second lens group including the third to fifth condenser lenses 105 to 107 constitute a delay optical path.
  • the first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d are flat mirrors having a high reflection film formed on the surface.
  • the substrates of the first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d are made of synthetic quartz or calcium fluoride (CaF 2 ).
  • the highly reflective film is a dielectric multilayer film, for example, a film containing fluoride.
  • the first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d are arranged so that the light reflected by the beam splitter 101 of the pulsed laser light PL is sequentially highly reflected and incident on the beam splitter 61 again. .
  • the third and fourth condenser lenses 105 and 106 are disposed between the beam splitter 101 and the first high reflection mirror 102a.
  • the fifth condenser lens 107 is disposed between the second high reflection mirror 102b and the third high reflection mirror 102c.
  • the fourth condenser lens 106 is held by the uniaxial stage 106a.
  • the uniaxial stage 104a makes it possible to move the fourth condenser lens 106 in the V direction that is the optical path axis direction.
  • the divergence angle ⁇ n of the n-circular light PS n (n ⁇ 1) can be adjusted.
  • FIG. 16B and 17 show the positional relationship between the first to fifth condenser lenses 103 to 107.
  • FIG. P 3 represents the position of the third condenser lens 105.
  • P4 represents the position of the fourth condenser lens 106.
  • P5 represents the position of the fifth condenser lens 107.
  • the focal length of the third condenser lens 105 is F 3
  • the focal distance of the fourth condenser lens 106 is F 4
  • the focal distance of the fifth condenser lens 107 is F 5 .
  • the position P3 is set so that the optical path length between the position P1 and the position P3 is “F 1 + F 3 ”.
  • P4 ′ represents the position of the fourth condenser lens 106 when the delayed optical path satisfies the collimating condition.
  • the optical path length between the position P4 ′ and the position P5 is “F 4 + 2F 5 ”
  • the optical path length between the position P2 and the position P5 is “F 2 + 2F 5 ”
  • the position of the fourth condenser lens 106 is adjusted in the optical path axis direction by the uniaxial stage 106a so that the delay optical system becomes a non-collimating optical system, that is, the position P4 is shifted from the position P4 ′. ing.
  • the beam splitter 101, the first to fourth high reflection mirrors 102a to 102d, and the first to fifth condenser lenses 103 to 107 are connected to the optical path axis of the zero-round light PS 0 output from the OPS 100. 1 and the optical path axis of the orbiting light PS 1 is arranged to coincide. That is, in the second embodiment, the optical path axis of the plurality of light pulses PS n output from OPS100 will match.
  • L OPS represents the optical path length of the delay optical path.
  • the optical path length L OPS satisfies the relationship of Equation 2 described above.
  • the pulse width ⁇ DT of the extension pulse laser beam PT generated by the OPS 100 satisfies the relationship of the above-described Expression 3.
  • the pulsed laser light PL output from the solid-state laser device 3 enters the beam splitter 101 via the first condenser lens 103. Part of the pulsed laser light PL that has entered the beam splitter 101 passes through the beam splitter 101 and enters the second condenser lens 104. The light emitted from the second condenser lens 104 is output from the OPS 100 as 0-round light PS 0 . As shown in FIG. 16A, the zero-round light PS 0 is collimated light.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 101 enters the delayed optical path.
  • the reflected light that has entered the delayed optical path is reflected by the third condenser lens 105, the fourth condenser lens 106, the first high reflection mirror 102a, the second high reflection mirror 102b, the fifth condenser lens 107,
  • the light enters the beam splitter 101 again via the third high reflection mirror 102c and the fourth high reflection mirror 102d.
  • a part of the light incident on the beam splitter 101 is reflected by the beam splitter 101 and enters the second condenser lens 104.
  • the light emitted from the second condenser lens 104 is output from the OPS 100 as one-round light PS 1 .
  • the one-round light PS 1 is non-collimated light and converges far from the OPS 100. That is, one beam waist position w 1 of the orbiting beam PS 1 is located far from OPS100.
  • the transmitted light that has passed through the beam splitter 101 enters the delay optical path again, goes around the delay optical path once more, and enters the beam splitter 101 again.
  • a part of the light incident on the beam splitter 101 is reflected by the beam splitter 101 and output from the OPS 100 as the two-round light PS 2 through the second condenser lens 104.
  • FIG. 17 shows the two-round light PS 2 output from the OPS 100. Beam waist position w 2 of 2 circulating light PS 2 approaches the 1 OPS100 side than the beam waist position w 1 of the orbiting light PS 1.
  • the OPS 100 outputs the pulsed light in order of the three-round light PS 3 , the four-round light PS 4 ,. Greater the laps n delay optical path, the beam waist position w n of the output light from OPS100, approaches OPS100 side.
  • the following operation is the same as the operation of the laser system 50 according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the laser system according to the second embodiment can reduce the coherence of the output light and suppress the generation of ASE light, as in the first embodiment.
  • the laser system according to the second embodiment by adjusting the positions of the second condenser lens 104 and the fourth condenser lens 106, the divergence angle ⁇ n and the beam waist position of the n-circular light PS n are adjusted. w n can be adjusted.
  • the first lens group is provided to adjust the divergence angle ⁇ 0 of the zero-round light PS 0 , but the first lens group is not an essential component. Arrangement of a plurality of highly reflective mirrors and condenser lenses constituting the delay optical system can be changed as appropriate.
  • Example in which OPS is placed after amplifier In the laser system according to the first and second embodiments, OPS is placed between solid-state laser device 3 and amplifier 30, but OPS is further placed after amplifier 30. You may arrange. The OPS arranged between the solid-state laser device 3 and the amplifier 30 corresponds to the first optical pulse stretcher. An OPS arranged after the amplifier corresponds to the second optical pulse stretcher.
  • FIG. 18 is a perspective view showing the amplifier 30 and the OPS 200 arranged at the subsequent stage of the amplifier 30.
  • the OPS 200 includes a beam splitter 201 and first to fourth concave mirrors 202a to 202d.
  • the OPS 200 has the same configuration as the OPS 40 shown in FIG.
  • the first to fourth concave mirrors 202a to 202d all have mirror surfaces having the same radius of curvature.
  • the optical path length of the delay optical path constituted by the first to fourth concave mirrors 202a to 202d is eight times the focal length.
  • the fourth concave mirror 202d is disposed at a position slightly rotated about the Z direction as the rotation axis with respect to the position satisfying the collimating condition.
  • the output light PA output from the amplifier 30 is spatially decomposed in the H direction by the OPS 200.
  • the fourth concave mirror 202d is preferably rotated in a range where the output light from the laser system does not affect the optical system of the exposure apparatus.
  • any of the above-described OPSs 40, 60, 80, 90, and 100 may be applied instead of the OPS 200.
  • a plurality of OPSs may be arranged after the amplifier 30.
  • the OPS 40 may be disposed after the OPS 200 disposed after the amplifier 30, and the output light PA from the amplifier 30 may be decomposed in the H direction and the V direction.
  • FIG. 19 shows a configuration of an amplifier 300 according to a first modification.
  • the amplifier 300 includes a concave mirror 310 and a convex mirror 320 in place of the rear mirror 33 and the output coupling mirror 34 in the configuration of the amplifier 30 shown in FIG.
  • the concave mirror 310 and the convex mirror 320 are arranged so that the extended pulse laser beam PT passes through the discharge space 35 between the pair of discharge electrodes 32a and 32b three times and the beam is expanded.
  • the other configuration of the amplifier 300 is the same as that of the amplifier 30.
  • Amplifier 300 is referred to as a multipath amplifier.
  • the above-described beam expander 20 can be omitted.
  • FIG. 20 shows a configuration of an amplifier 400 according to the second modification.
  • an amplifier 400 includes a laser chamber 31, an output coupling mirror 410, and high reflection mirrors 420 to 422.
  • the high reflection mirrors 420 to 422 are plane mirrors.
  • the amplifier 400 may include a high reflection mirror for guiding the extended pulse laser beam PT to the high reflection mirror 420.
  • the output coupling mirror 410 and the high reflection mirrors 420 to 422 constitute a ring resonator.
  • the extended pulse laser beam PT is repeatedly amplified in the order of the output coupling mirror 410, the high reflection mirror 420, the discharge space 35, the high reflection mirror 421, the high reflection mirror 422, and the discharge space 35.
  • the high reflection mirrors 420 to 422 may be concave mirrors so that the divergence angle changes every time the light incident on the resonator circulates in the resonator.
  • the beam waist position of the output light from the output coupling mirror 410 changes in the direction of the optical path axis according to the number of circulations in the resonator.
  • the amplifier 400 can have a function of reducing the coherence of the output light.
  • the solid-state laser device 3 as a master oscillator is used.
  • the master oscillator is not limited to the solid-state laser device, and may be other laser devices such as an excimer laser device. Good.

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Abstract

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；及び、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第１の光学パルスストレッチャであって、遅延光路を周回して出力される周回光のビームウェスト位置を、周回数に応じて光路軸方向に変化させるように構成された第１の光学パルスストレッチャ。周回光は、理想レンズで集光した場合に、集光位置が、周回数に応じて光路軸方向に変化する。

Description

レーザシステム
　本開示は、レーザ装置及び光学パルスストレッチャを含む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
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；及び
　　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第１の光学パルスストレッチャであって、遅延光路を周回して出力される周回光のビームウェスト位置を、周回数に応じて光路軸方向に変化させるように構成された第１の光学パルスストレッチャ。
　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、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７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８は、増幅器に入射される伸長パルスレーザ光について説明する図である。 図９Ａは、ＯＰＳから出力される０周回光について説明する図である。図９Ｂは、ＯＰＳから出力される１周回光について説明する図である。図９Ｃは、ＯＰＳから出力される２周回光について説明する図である。 図１０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１１Ａは、第１の実施形態のＯＰＳからの出力光のビームウェスト位置の変化を計測する方法を説明する模式図である。図１１Ｂは、比較例のＯＰＳからの出力光のビームウェスト位置の変化の計測例を示す図である。 図１２は、ＯＰＳからの出力光のスポット径の変化を例示する図である。 図１３は、第１の変形例に係るＯＰＳの構成を示す図である。 図１４は、第２の変形例に係るＯＰＳの構成を示す図である。 図１５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１６Ａは、ＯＰＳから出力される０周回光について説明する図である。図１６Ｂは、ＯＰＳから出力される１周回光について説明する図である。 図１７は、ＯＰＳから出力される２周回光について説明する図である。 図１８は、増幅器と、増幅器の後段に配置されたＯＰＳとを示す斜視図である。 図１９は、第１の変形例に係る増幅器の構成を示す図である。 図２０は、第２の変形例に係る増幅器の構成を示す図である。
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
　２．第１の実施形態
　　２．１　構成
　　２．２　動作
　　２．３　効果
　　２．４　ビームウェスト位置について
　　２．５　ＯＰＳの変形例
　　　２．５．１　第１の変形例
　　　２．５．２　第２の変形例
　３．第２の実施形態
　　３．２　動作
　　３．３　効果
　４．増幅器の後段にＯＰＳを配置する例
　５．増幅器の変形例
　　５．１　第１の変形例
　　５．２　第２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で反射された光が、第３の凹面ミラー１２ｃで反射され、さらに第４の凹面ミラー１２ｄで反射され、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、部分反射ミラーであり、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。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ＰＳsとしてＯＰＳ１０から出力される。この２周回光ＰＳs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（ｎ＝０，１，２，・・・）が合成されたものである。ここで、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のパルス幅は、下式１を用いて求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　　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ＯＰＳ４０の構成を示す。ＯＰＳ４０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、ＯＰＳ４０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、ＯＰＳ４０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、ＯＰＳ４０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ＯＰＳ４０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。ＯＰＳ４０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ＯＰＳ４０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。
　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。
　　１．１　構成
　図６は、第１の実施形態に係るレーザシステム５０の構成を示す。レーザシステム５０は、固体レーザ装置３と、ＯＰＳ６０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０と、を含む。ＯＰＳ６０は、ビームスプリッタ６１と、第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄと、を含む。ビームスプリッタ６１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。
　第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄは、第４の凹面ミラー６２ｄのみ、他のものとは鏡面の曲率半径が異なる。具体的には、第１の凹面ミラー６２ａの曲率半径をＲ1、第２の凹面ミラー６２ｂの曲率半径をＲ2、第３の凹面ミラー６２ｃの曲率半径をＲ3、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率半径をＲ4とすると、Ｒ1＝Ｒ2＝Ｒ3＝Ｒ、及びＲ4＜Ｒの関係を満たす。また、第１の凹面ミラー６２ａの焦点距離をＦ1、第２の凹面ミラー６２ｂの焦点距離をＦ2、第３の凹面ミラー６２ｃの焦点距離をＦ3、第４の凹面ミラー６２ｄの焦点距離をＦ4とすると、Ｆ1＝Ｆ2＝Ｆ3＝Ｆ、及びＦ4＜Ｆの関係を満たす。
　第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄの配置は、比較例と同様である。ビームスプリッタ６１と第１の凹面ミラー６２ａとの間の距離、及び第４の凹面ミラー６２ｄとビームスプリッタ６１との間の距離は、第１～第３の凹面ミラー６２ａ～６２ｃの曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｒ／２である。また、第１の凹面ミラー６２ａと第２の凹面ミラー６２ｂとの間の距離、第２の凹面ミラー６２ｂと第３の凹面ミラー６２ｃとの間の距離、及び第３の凹面ミラー６２ｃと第４の凹面ミラー６２ｄとの間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒと同じである。
　したがって、第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄにより構成される遅延光路の光路長ＬOPSは第１～第３の凹面ミラー６２ａ～６２ｃの焦点距離Ｆの８倍、すなわち、ＬOPS＝８Ｆである。なお、ビームスプリッタ１１及び第１～第４の凹面ミラー１２ａ～１２ｄは、ＯＰＳ６０から出力される０周回光ＰＳ0の光路軸と１周回光ＰＳ1の光路軸とが一致するように配置されている。すなわち、第１の実施形態では、ＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、全て一致する。
　図７は、ビームスプリッタ６１及び第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄの位置関係を説明する図である。図７では、第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄを、それぞれ焦点距離がＦである凸レンズ６３ａ～６３ｃと、焦点距離がＦより短い凸レンズ６３ｄとに置き換えて示している。Ｐ０は、ビームスプリッタ６１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６２ａ～６２ｄの位置を表している。
　ＬOPS＝８Ｆであるのに対して、Ｆ1＝Ｆ2＝Ｆ3＝Ｆ、及びＦ4＜Ｆであるので、遅延光学系は、コリメート条件を満たさない非コリメート光学系である。このため、第１の凹面ミラー６２ａ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６２ｄからの射出光は非コリメート光となる。
　ＯＰＳ６０は、比較例のＯＰＳ１０と同様に、図３に示されるように、固体レーザ装置３から入射したパルスレーザ光ＰＬを、時間差を有する複数のパルス光ＰＳn（ｎ＝０，１，２，・・・）に分解し、伸長パルスレーザ光ＰＴとして出力する。パルスレーザ光ＰＬは、ガウシアンビームであるので、ＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnの各発散角θnは、遅延光路の周回数ｎに応じて変化する。また、複数のパルス光ＰＳnの各ビームウェスト位置ｗnは、遅延光路の周回数ｎに応じてＺ方向に移動する。発散角θnとビームウェスト位置ｗnとは、反比例の関係にある。発散角θn及びビームウェスト位置ｗnは、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率によって決定される。
　ビームウェスト位置は、ビームのスポットサイズが最小となる位置であり、波面の曲率半径が平面となる位置と一致する。発散角は、ビームウェスト位置から十分離れた距離でのビームの角度広がりを表す。
　図８に示すように、増幅器３０には、伸長パルスレーザ光ＰＴが周期的に入射される。ＡＳＥ光の発生を抑制するために、伸長パルスレーザ光ＰＴの間隔ΔＰＴは、増幅器３０内で上準位に励起された原子の寿命である上準位寿命より短いことが好ましい。この上準位寿命は、約２ｎｓである。このためには、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴを可能な限り長くすればよい。間隔ΔＰＴは、光強度がほぼ０となる期間である。例えば、光強度がピーク強度の１％以下である場合に、光強度が０であるとする。
　パルス幅ΔＤＴを長くするためには、前述の遅延時間Δｔが、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅ΔＤと一致するように、光路長ＬOPSを設定することが好ましい。この場合、光路長ＬOPSを、下式２を満たすように設定すればよい。
　ＬOPS＝ｃ・ΔＤ　・・・（２）
　パルス幅ΔＤは、複数のパルス光ＰＳnの各パルス幅とほぼ同一である。例えば、ΔＤ＝３ｎｍとすると、ＬOPS＝１ｍとなり、光路長ＬOPSは、時間的コヒーレント長ＬC以上となる。
　また、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ΔＤＴは、増幅器３０の光共振器の光路長をＬampとした場合に、下式３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、すなわち、Ｌamp＝２Ｌaである。
　ΔＤＴ≧Ｌamp／ｃ　・・・（３）
　　２．２　動作
　次に、第１の実施形態に係るレーザシステム５０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、ＯＰＳ６０内のビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１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６１を透過し、０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ａは、ＯＰＳ６０から出力される０周回光ＰＳ0を示す。０周回光ＰＳ0は、コリメート光である。
　ビームスプリッタ６１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ６１により反射された反射光は、第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄにより構成される遅延光路に進入し、遅延光路を１回周回して再びビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ６１により反射され、１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ｂは、ＯＰＳ６０から出力される１周回光ＰＳ1を示す。前述のように、遅延光学系は非コリメート光学系であるので、１周回光ＰＳ1は、非コリメート光となり、ＯＰＳ６０から遠くに収束する。すなわち、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1は、ＯＰＳ６０から遠くに位置する。
　ビームスプリッタ６１に入射した光のうち、ビームスプリッタ６１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、遅延光路をさらに１回周回して再びビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ６１により反射され、２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ｃは、ＯＰＳ６０から出力される２周回光ＰＳ2を示す。２周回光ＰＳ2のビームウェスト位置ｗ2は、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1よりもＯＰＳ６０側に近づく。
　この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ６０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。遅延光路の周回数ｎが多くなるほど、ＯＰＳ６０からの出力光のビームウェスト位置ｗnは、ＯＰＳ６０側に近づく。
　パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ６０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ＰＳn（ｎ＝０，１，２，・・・）に分解されて出力される。複数のパルス光ＰＳnは、伸長パルスレーザ光ＰＴを構成する。
　図１０に示すように、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、放電空間３５の幅に合うように拡大され、シード光として増幅器３０に入射する。増幅器３０に入射し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に入射する。複数のパルス光ＰＳnは、それぞれ光路軸が一致しているので、放電空間３５内で重なり合う。
　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。
　　２．３　効果
　ＯＰＳ６０は、パルスレーザ光ＰＬを時間的に分解することに加え、分解された複数のパルス光ＰＳnを、進行方向を変えずに、ビームウェスト位置ｗnを光路軸方向に変化させる。これにより、複数のパルス光ＰＳnは、それぞれビームウェスト位置ｗn及び発散角θnが異なるので、相互の可干渉性がさらに低下し、これらで構成される伸長パルスレーザ光ＰＴの可干渉性がさらに低下する。
　また、シード光として放電空間３５内に入射する複数のパルス光ＰＳnは、放電空間３５内で重なり合うので、放電空間３５内がＶ方向に関して時間的に同時にシード光で満たされる。これにより、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ΔＤＴを、前述の式３を満たすように設定することにより、放電期間中の何れの時間においても放電空間３５内がシード光で満たされるので、ＡＳＥ光の発生がさらに抑制される。
　したがって、第１の実施形態に係るレーザシステム５０は、出力光の可干渉性を低下させるとともに、ＡＳＥ光の発生を抑制することができる。
　　２．４　ビームウェスト位置について
　図１１Ａは、第１の実施形態のＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnのビームウェスト位置ｗnの変化を計測する方法を説明する模式図である。ＯＰＳ６０の出力光の光路軸上に焦点距離がｆの理想レンズ７０を配置し、理想レンズ７０による出力光の集光位置を計測する。この集光位置がビームウェスト位置に対応する。理想レンズ７０とは、収差を無視できる程度のレンズである。集光位置は、図１２に示すように、ビームのスポット径が最小となる位置を計測することにより求まる。
　０周回光ＰＳ0は、コリメート光であるので、理想レンズ７０による集光位置ＦＰ0は、理想レンズ７０の焦点位置と一致する。理想レンズ７０による１周回光ＰＳ1の集光位置ＦＰ1は、集光位置ＦＰ0より理想レンズ７０側に移動する。理想レンズ７０による２周回光ＰＳ2の集光位置ＦＰ2は、集光位置ＦＰ1より理想レンズ７０側に移動する。以下、同様に、周回数ｎが多くなるほど、集光位置は理想レンズ７０側に近づく。
　図１１Ｂは、比較例として説明したＯＰＳ４０から出力される複数のパルス光ＰＳnのビームウェスト位置ｗnの計測例を示している。ＯＰＳ４０は、複数のパルス光ＰＳnの進行方向を変化させるので、集光位置ＦＰ0，ＦＰ1，ＦＰ2，・・・は、順にＶ方向に移動する。
　なお、第１の実施形態では、遅延光学系を構成する第１～第４の凹面ミラー６２ａ～６２ｄのうち、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率を変えることにより、遅延光学系を非コリメート光学系となるように設定している。第４の凹面ミラー６２ｄに限られず、その他の凹面ミラーの曲率を変えてもよい。
　また、遅延光学系を構成する凹面ミラーは４枚に限られない。さらに、曲率を変える凹面ミラーの枚数は１枚に限られない。したがって、遅延光学系を構成する複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーの曲率を、他の凹面ミラーの曲率と異ならせることにより、遅延光学系を非コリメート光学系とすればよい。
　　２．５　ＯＰＳの変形例
　次に、遅延光学系を非コリメート光学系とするためのその他の例について説明する。
　　　２．５．１　第１の変形例
　図１３は、第１の変形例に係るＯＰＳ８０の構成を示す。ＯＰＳ８０は、ビームスプリッタ８１と、第１～第４の凹面ミラー８２ａ～８２ｄと、を含む。ビームスプリッタ８１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。
　第１～第４の凹面ミラー８２ａ～８２ｄは、全て同じ曲率半径Ｒの鏡面を有する。また、第１～第４の凹面ミラー８２ａ～８２ｄは、全て同じ焦点距離Ｆを有する。ＯＰＳ８０は、第４の凹面ミラー８２ｄの位置が異なること以外は、比較例に係るＯＰＳ１０と同一の構成である。
　図１３において、第４の凹面ミラー８２ｄは、破線で示すＯＰＳ１０の第４の凹面ミラー１２ｄの位置から、遅延光路の光路長ＬOPSを長くする方向に移動されている。具体的には、第３の凹面ミラー６２ｃと第４の凹面ミラー６２ｄとの間の距離を焦点距離Ｆの２倍よりも長くし、かつ第４の凹面ミラー６２ｄとビームスプリッタ６１との間の距離を焦点距離Ｆよりも長くする。すなわち、ＯＰＳ８０は、ＬOPS＞８Ｆの関係を有する。
　第１～第４の凹面ミラー８２ａ～８２ｄにより構成される遅延光学系は、非コリメート光学系であるので、遅延光路を周回した周回光は、非コリメート光となる。ＯＰＳ８０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、発散角θnが変化するとともに、ビームウェスト位置ｗnがＺ方向に移動する。なお、複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、ほぼ同一である。
　第１～第４の凹面ミラー８２ａ～８２ｄのうち、光路長ＬOPSを長くする方向に移動させる凹面ミラーは、第４の凹面ミラー８２ｄに限られず、その他の凹面ミラーであってもよい。遅延光学系を構成する複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーを、コリメート条件を満たす位置から、遅延光路の光路長を変更する方向に移動させればよい。
　　　２．５．２　第２の変形例
　図１４は、第２の変形例に係るＯＰＳ９０の構成を示す。ＯＰＳ９０は、ビームスプリッタ９１と、第１～第４の凹面ミラー９２ａ～９２ｄと、第１のレンズ９３と、第２のレンズ９４と、を含む。ビームスプリッタ９１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。第１～第４の凹面ミラー９２ａ～９２ｄは、比較例の第１～第４の凹面ミラー１２ａ～１２ｄと同一の構成であり、かつ同一の位置に配置されている。すなわち、ＯＰＳ９０は、ＬOPS＝８Ｆの関係を有する。
　第１及び第２のレンズ９３，９４は、合成石英又はフッ化カルシウム（ＣａＦ2）により形成されている。第１のレンズ９３は、第２の凹面ミラー９２ｂと第３の凹面ミラー９２ｃとの間の光路上に配置されている。第１のレンズ９３は、凹面レンズであり、入射した光の発散角を変更して射出する。第１のレンズ９３により、遅延光学系が非コリメート光学系となるように設定される。
　第２のレンズ９４は、ビームスプリッタ９１に入射するパルスレーザ光ＰＬの光路上に配置されている。第２のレンズ９４は、凹面レンズであり、第１のレンズ９３により変更される発散角を補正するために設けられている。なお、第２のレンズ９４は、必須の構成要素ではなく、省略してもよい。
　第１～第４の凹面ミラー９２ａ～９２ｄ及び第１のレンズ９３により構成される遅延光学系は、非コリメート光学系であるので、遅延光路を周回した周回光は、非コリメート光となる。ＯＰＳ９０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、発散角θnが変化するとともに、ビームウェスト位置ｗnがＺ方向に移動する。なお、複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、ほぼ同一である。
　第１のレンズ９３は、第２の凹面ミラー９２ｂと第３の凹面ミラー９２ｃとの間の光路上に限られず、第４の凹面ミラー９２ｄとビームスプリッタ９１との間の光路上や、ビームスプリッタ９１と第１の凹面ミラー９２ａとの間の光路上に配置してもよい。
　第１及び第２のレンズ９３，９４は、凹面レンズに限られず、その他の光学素子により構成してもよい。例えば、第１及び第２のレンズ９３，９４は、それぞれシリンドリカルレンズであってもよい。さらに、第１及び第２のレンズ９３，９４は、それぞれ、湾曲方向が互い直交する２つのシリンドリカルレンズを組み合わせたものであってもよい。
　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２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６に示した第１の実施形態に係るレーザシステム５０の構成と同一である。第１の実施形態では、ＯＰＳを複数の凹面ミラーを含む構成としているが、第２の実施形態では、ＯＰＳを、集光レンズを含む構成とする。
　図１５は、第２の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳ１００の構成を示す。ＯＰＳ１００は、ビームスプリッタ１０１と、第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄと、第１～第５の集光レンズ１０３～１０７と、を含む。ビームスプリッタ１０１は、第１の実施形態のビームスプリッタ６１と同一の構成である。第１～第５の集光レンズ１０３～１０７は、それぞれ凸レンズである。
　第１及び第２の集光レンズ１０３，１０４は、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整するための第１のレンズ群である。第１の集光レンズ１０３は、固体レーザ装置３から入射したパルスレーザ光ＰＬが、ビームスプリッタ１０１に入射するまでの光路上に配置されている。第２の集光レンズ１０４は、パルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１を透過した光の光路上に配置されている。
　第２の集光レンズ１０４は、一軸ステージ１０４ａに保持されている。一軸ステージ１０４ａは、第２の集光レンズ１０４を光路軸方向であるＺ方向に移動させることを可能とする。第２の集光レンズ１０４の光路軸方向に関する位置を調整することにより、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整することができる。
　図１６Ａは、第１及び第２の集光レンズ１０３，１０４の位置関係を示している。Ｐ１は、第１の集光レンズ１０３の位置を表している。Ｐ２は、第２の集光レンズ１０４の位置を表している。Ｐ０は、ビームスプリッタ１０１の位置を表している。第１の集光レンズ１０３の焦点距離をＦ1、第２の集光レンズ１０４の焦点距離をＦ2とする。位置Ｐ２は、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の光路長が「Ｆ1＋Ｆ2」となるように設定されている。すなわち、第１のレンズ群は、コリメート光学系である。なお、位置Ｐ２を、コリメート条件を満たす位置からずらすことにより、第１のレンズ群を非コリメート光学系としてもよい。
　図１５において、第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄと、第３～第５の集光レンズ１０５～１０７を含む第２のレンズ群とは、遅延光路を構成している。第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄは、表面に高反射膜が形成された平面ミラーである。第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄの基板は、合成石英又はフッ化カルシウム（ＣａＦ2）により形成されている。高反射膜は、誘電体多層膜、例えば、フッ化物を含む膜である。
　第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄは、パルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１により反射された光を、順に高反射して、再びビームスプリッタ６１に入射させるように配置されている。第３及び第４の集光レンズ１０５，１０６は、ビームスプリッタ１０１と第１の高反射ミラー１０２ａとの間に配置されている。第５の集光レンズ１０７は、第２の高反射ミラー１０２ｂと第３の高反射ミラー１０２ｃとの間に配置されている。
　第４の集光レンズ１０６は、一軸ステージ１０６ａに保持されている。一軸ステージ１０４ａは、第４の集光レンズ１０６を光路軸方向であるＶ方向に移動させることを可能とする。第４の集光レンズ１０６の光路軸方向に関する位置を調整することにより、ｎ周回光ＰＳn（ｎ≧１）の発散角θnを調整することができる。
　図１６Ｂ及び図１７は、第１～第５の集光レンズ１０３～１０７の位置関係を示している。Ｐ３は、第３の集光レンズ１０５の位置を表している。Ｐ４は、第４の集光レンズ１０６の位置を表している。Ｐ５は、第５の集光レンズ１０７の位置を表している。第３の集光レンズ１０５の焦点距離をＦ3、第４の集光レンズ１０６の焦点距離をＦ4、第５の集光レンズ１０７の焦点距離をＦ5とする。位置Ｐ３は、位置Ｐ１と位置Ｐ３との間の光路長が「Ｆ1＋Ｆ3」となるように設定されている。
　また、Ｐ４’は、遅延光路がコリメート条件を満たす場合の第４の集光レンズ１０６の位置を表している。位置Ｐ５は、位置Ｐ４’と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ4＋２Ｆ5」となり、位置Ｐ２と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ2＋２Ｆ5」となり、位置Ｐ３と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ3＋２Ｆ5」となるように設定されている。第４の集光レンズ１０６は、遅延光学系が非コリメート光学系となるように、すなわち、位置Ｐ４が位置Ｐ４’からずれた位置となるように、一軸ステージ１０６ａによって光路軸方向に位置調整されている。
　また、ビームスプリッタ１０１と、第１～第４の高反射ミラー１０２ａ～１０２ｄと、第１～第５の集光レンズ１０３～１０７とは、ＯＰＳ１００から出力される０周回光ＰＳ0の光路軸と１周回光ＰＳ1の光路軸とが一致するように配置されている。すなわち、第２の実施形態では、ＯＰＳ１００から出力される複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、全て一致する。
　また、図１６Ｂ及び図１７において、ＬOPSは、遅延光路の光路長を表している。光路長ＬOPSは、前述の式２の関係を満たしている。また、ＯＰＳ１００により生成される伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴは、前述の式３の関係を満たしている。
　　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。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、第１の集光レンズ１０３を介してビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１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１０１を透過し、第２の集光レンズ１０４に入射する。第２の集光レンズ１０４から出射される光は、０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１００から出力される。図１６Ａに示すように、０周回光ＰＳ0は、コリメート光である。
　ビームスプリッタ１０１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１により反射された反射光は、遅延光路に進入する。遅延光路に進入した反射光は、第３の集光レンズ１０５、第４の集光レンズ１０６、第１の高反射ミラー１０２ａ、第２の高反射ミラー１０２ｂ、第５の集光レンズ１０７、第３の高反射ミラー１０２ｃ、第４の高反射ミラー１０２ｄを経由して、再びビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１０１により反射され第２の集光レンズ１０４に入射する。第２の集光レンズ１０４から出射される光は、１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１００から出力される。図１６Ｂに示すように、１周回光ＰＳ1は、非コリメート光であり、ＯＰＳ１００から遠くに収束する。すなわち、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1は、ＯＰＳ１００から遠くに位置する。
　ビームスプリッタ１０１に入射した光のうち、ビームスプリッタ１０１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、遅延光路をさらに１回周回して再びビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１０１により反射され、第２の集光レンズ１０４を介して、２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ１００から出力される。図１７は、ＯＰＳ１００から出力される２周回光ＰＳ2を示す。２周回光ＰＳ2のビームウェスト位置ｗ2は、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1よりもＯＰＳ１００側に近づく。
　この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ１００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。遅延光路の周回数ｎが多くなるほど、ＯＰＳ１００からの出力光のビームウェスト位置ｗnは、ＯＰＳ１００側に近づく。以下の動作は、第１の実施形態に係るレーザシステム５０の動作と同様であるので、説明は省略する。
　　３．３　効果
　第２の実施形態に係るレーザシステムは、第１の実施形態と同様に、出力光の可干渉性を低下させるとともに、ＡＳＥ光の発生を抑制することができる。また、第２の実施形態に係るレーザシステムでは、第２の集光レンズ１０４及び第４の集光レンズ１０６の位置を調整することにより、ｎ周回光ＰＳnの発散角θn及びビームウェスト位置ｗnを調整することができる。
　なお、第２の実施形態では、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整するために第１のレンズ群を設けているが、第１のレンズ群は、必須の構成要素ではない。遅延光学系を構成する複数の高反射ミラーや集光レンズの配置は、適宜変更可能である。
　４．増幅器の後段にＯＰＳを配置する例
　第１及び第２の実施形態に係るレーザシステムでは、固体レーザ装置３と増幅器３０との間にＯＰＳを配置しているが、さらに増幅器３０の後段にＯＰＳを配置してもよい。なお、固体レーザ装置３と増幅器３０との間に配置されたＯＰＳが、第１の光学パルスストレッチャに対応する。増幅器の後段に配置されたＯＰＳが、第２の光学パルスストレッチャに対応する。
　図１８は、増幅器３０と、増幅器３０の後段に配置されたＯＰＳ２００とを示す斜視図である。ＯＰＳ２００は、ビームスプリッタ２０１と、第１～第４の凹面ミラー２０２ａ～２０２ｄと、を含む。ＯＰＳ２００は、図４に示したＯＰＳ４０と同様の構成である。第１～第４の凹面ミラー２０２ａ～２０２ｄは、全て同じ曲率半径の鏡面を有する。第１～第４の凹面ミラー２０２ａ～２０２ｄにより構成される遅延光路の光路長は、焦点距離の８倍である。第４の凹面ミラー２０２ｄは、コリメート条件を満たす位置に対して、Ｚ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。
　増幅器３０から出力された出力光ＰＡは、ＯＰＳ２００によりＨ方向に空間的に分解される。ＯＰＳ２００から出力される複数のＰＡn（ｎ＝０，１，２，・・・）は、ＯＰＳ２０内の遅延光路の周回数ｎに応じて、出射角がＨ方向に変化する。この結果、レーザシステムからの出力光の可干渉性がさらに低下する。
　なお、第４の凹面ミラー２０２ｄは、レーザシステムからの出力光が、露光装置の光学系に影響のない範囲で回転させることが好ましい。また、ＯＰＳ２００に代えて、前述のＯＰＳ４０，６０，８０，９０，１００のうちのいずれかを適用してもよい。さらに、増幅器３０の後段に、複数のＯＰＳを配置してもよい。例えば、増幅器３０の後段に配置したＯＰＳ２００の後段にＯＰＳ４０を配置し、増幅器３０からの出力光ＰＡを、Ｈ方向及びＶ方向に分解してもよい。
　５．増幅器の変形例
　第１及び第２の実施形態に係るレーザシステムでは、図６に示される増幅器３０を適用しているが、増幅器は、様々な構成を取り得る。
　　５．１　第１の変形例
　図１９は、第１の変形例に係る増幅器３００の構成を示す。増幅器３００は、図６に示される増幅器３０の構成におけるリアミラー３３と出力結合ミラー３４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、伸長パルスレーザ光ＰＴが一対の放電電極３２ａ及び３２ｂ間の放電空間３５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３０と同様である。増幅器３００は、マルチパス増幅器と称される。
　このように、増幅器３００を適用する場合には、前述のビームエキスパンダ２０を省略することが可能である。
　　５．２　第２の変形例
　図２０は、第２の変形例に係る増幅器４００の構成を示す。図２０において、増幅器４００は、レーザチャンバ３１と、出力結合ミラー４１０と、高反射ミラー４２０～４２２とを含む。高反射ミラー４２０～４２２は、平面ミラーである。さらに、増幅器４００は、伸長パルスレーザ光ＰＴを高反射ミラー４２０に導くための高反射ミラーを含んでもよい。
　出力結合ミラー４１０と高反射ミラー４２０～４２２とは、リング共振器を構成している。増幅器４００では、伸長パルスレーザ光ＰＴは、出力結合ミラー４１０、高反射ミラー４２０、放電空間３５、高反射ミラー４２１、高反射ミラー４２２、放電空間３５の順に繰り返し進行して、増幅される。
　なお、高反射ミラー４２０～４２２を凹面ミラーとし、共振器への入射光が共振器内を周回するたびに発散角が変化するように構成してもよい。この場合、出力結合ミラー４１０からの出力光は、共振器内の周回数に応じて、ビームウェスト位置が光路軸方向に変化する。このように、増幅器４００に、出力光の可干渉性を低下させる機能を持たせることが可能である。
　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。
　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 (15)

  1. 　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；及び
    　　Ｂ．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第１の光学パルスストレッチャであって、前記遅延光路を周回して出力される周回光のビームウェスト位置を、周回数に応じて光路軸方向に変化させるように構成された第１の光学パルスストレッチャ。
  2. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記周回光は、理想レンズで集光した場合に、集光位置が、周回数に応じて光路軸方向に変化する。
  3. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
    　前記複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーの曲率が、他の凹面ミラーの曲率と異なる。
  4. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
    　前記複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーが、コリメート条件を満たす位置から、前記遅延光路の光路長を変更する方向に移動されている。
  5. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
    　前記遅延光路には、発散角を変更して出力するレンズが配置されている。
  6. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　前記遅延光路は、複数の高反射ミラーと、複数の集光レンズとにより構成されており、
    　前記複数の集光レンズのうち少なくとも１つの集光レンズは、コリメート条件を満たす位置から光路軸方向に移動されている。
  7. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記遅延光路の光路長が、前記パルスレーザ光の時間的コヒーレント長以上である。
  8. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　　Ｃ．前記第１の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。
  9. 　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、ファブリペロ共振器またはリング共振器を含む。
  10. 　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、マルチパス増幅器である。
  11. 　請求項８に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　　Ｄ．前記第１の光学パルスストレッチャと前記増幅器との間に配置されたビームエキスパンダ；
    　ここで、前記ビームエキスパンダは、前記伸長パルスレーザ光のビーム径を、前記増幅器の放電空間の幅に合わせるように拡大する。
  12. 　請求項８に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
    　　Ｅ．前記増幅器からの出力光のパルス幅を伸長する第２の光学パルスストレッチャ。
  13. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記パルスレーザ光のパルス幅をΔＤ、前記遅延光路の光路長をＬOPS、光速をｃとした場合に、下式（ａ）を満たす。
    　ＬOPS＝ｃ・ΔＤ　・・・（ａ）
  14. 　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、ファブリペロ共振器であり、
    　伸長パルスレーザ光のパルス幅をΔＤＴ、前記ファブリペロ共振器の光路長をＬamp、光速をｃとした場合に、下式（ｂ）を満たす。
    　ΔＤＴ≧Ｌamp／ｃ　　・・・（ｂ）
  15. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記レーザ装置は、固体レーザ装置である。
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