(57)【要約】【課題】回転対称軸を有するレンズの交換寿命を延長可能な紫外光学系を提供する。【解決手段】紫外光学系は、中心に回転対称軸CLを有しレンズ半径が紫外レーザビームの直径よりも大径の第１レンズと４３、第１レンズ４３を回転させるレンズ回転機構５３と、レンズ回転機構５３の作動を制御する制御装置６０とから構成される。紫外レーザビームは回転対称軸CLから離間した半径方向位置に入射され、制御装置６０は所定時間ごとにレンズ回転機構５３により第１レンズ４３を回転させて、紫外レーザビームが第１レンズの異なる周方向位置を透過するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に回転対称軸を有しレンズ半径がレンズを透過する紫外レーザビームの直径よりも大径の第１レンズと、
前記回転対称軸を中心として前記第１レンズを回転させるレンズ回転機構と、
前記レンズ回転機構による前記第１レンズの回転を制御する制御装置とを備え、
前記紫外レーザビームは、前記第１レンズにおける前記回転対称軸から離間した半径方向位置に入射され、前記制御装置は前記紫外レーザビームを入射した前記第１レンズの使用に応じた所定間隔ごとに前記レンズ回転機構により前記第１レンズを回転させ、前記紫外レーザビームが前記第１レンズの異なる周方向位置を透過するように構成したことを特徴とする紫外光学系。
【請求項２】
中心に回転対称軸を有して前記第１レンズの回転対称軸と同一軸上に並んで配設され、前記第１レンズを透過した前記紫外レーザビームを透過させる第２レンズを備え、
前記第１レンズおよび前記第２レンズが前記レンズ回転機構により前記回転対称軸まわりに一体的に回転されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の紫外光学系。
【請求項３】
前記第１レンズおよび前記第２レンズによりリレー光学系が形成され、
前記回転対称軸に沿って前記第１レンズに入射した前記紫外レーザビームが前記回転対称軸に沿って前記第２レンズから出射されるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の紫外光学系。
【請求項４】
中心に回転対称軸を有するレンズに、直径が前記レンズの半径よりも小径の紫外レーザビームを前記回転対称軸から離間した半径方向位置に入射させ、
前記紫外レーザビームを入射した前記レンズの使用に応じた所定間隔ごとに前記レンズを前記回転対称軸まわりに回転させて、前記紫外レーザビームが前記レンズの異なる周方向位置を通るようにしたことを特徴とする紫外光透過レンズの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中心に回転対称軸を有し紫外レーザビームを透過させるレンズを備えた紫外光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスに微細構造を形成する露光装置、微細構造を観察するレーザ顕微鏡、眼科治療に用いる医療装置等の分野において、水銀ランプのｉ線（波長λ＝３６５[ｎｍ]）よりも波長が短い紫外光の利用が進展している。紫外光を出力するレーザ装置として、発振波長λ＝２４８[ｎｍ]のＫｒＦエキシマレーザ、発振波長λ＝１９３[ｎｍ]のＡｒＦエキシマレーザ、発振波長λ＝１５７[ｎｍ]のＦ2レーザ等のガスレーザが従来から用いられている。近年では、半導体レーザから出射した赤外〜可視領域のレーザ光をファイバー光増幅器により増幅し、これを複数段の波長変換部からなる波長変換光学系により波長変換して紫外光（例えばＡｒＦエキシマレーザと同じ波長λ＝１９３[ｎｍ]の深紫外光）を出力するような全固体型のレーザ装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
上記のようなレーザ装置から出射された紫外光を利用するシステム、あるいは全固体型レーザ装置の波長変換部等において、紫外光を透過させる光学素子を用いる必要がある。しかし、紫外領域では波長が短くなるほど透明な材料が少なくなり、光強度が高い紫外領域のレーザ光を透過させる光学素子は損傷を受けやすい。そのため、例えば、波長λ＝３８６[ｎｍ]の紫外光を集光入射してλ＝１９３[ｎｍ]の深紫外光に波長変換する波長変換光学結晶のようなブロック状ないし平板状の光学素子については、紫外光のレーザビームに対して光軸に直交する面内で光学素子を一定時間ごとに移動させ、交換寿命を延ばす手法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、波長変換光学結晶に紫外光を集光入射させる凸レンズのように、中心に回転対称軸を有するレンズは、レーザビームがレンズの中心を通るように配置されており、レンズを移動させると光軸がずれてしまう。このため、このようなレンズについては上記手法を採用することができず、比較的短期間で交換しなければならない、という課題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、中心に回転対称軸を有するレンズの交換寿命を延長可能な紫外光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は紫外光学系である。この紫外光学系は、中心に回転対称軸を有しレンズ半径がレンズを透過する紫外レーザビームの直径よりも大径の第１レンズと、回転対称軸を中心として第１レンズを回転させるレンズ回転機構と、レンズ回転機構による第１レンズの回転を制御する制御装置とを備え、紫外レーザビームは、第１レンズにおける回転対称軸から離間した半径方向位置に入射され、制御装置は紫外レーザビームを入射した第１レンズの使用に応じた所定間隔ごとにレンズ回転機構により第１レンズを回転させ、紫外レーザビームが第１レンズの異なる周方向位置を透過するように構成される。ここで、中心に回転対称軸を有するレンズとして、前述した球面・非球面の凸レンズのほか、同様の凹レンズやメニスカスレンズなどが例示される。また「使用に応じた所定間隔」として、紫外レーザビームの入射時間やパルス数、ドーズ量などが例示される。
【０００８】
なお、中心に回転対称軸を有して前記第１レンズの回転対称軸と同一軸上に並んで配設され第１レンズを透過した紫外レーザビームを透過させる第２レンズを備え、第１レンズおよび第２レンズがレンズ回転機構により回転対称軸まわりに一体的に回転されるように構成することは本発明の好ましい構成態様である。
【０００９】
本発明の第２の態様は紫外光透過レンズの使用方法である。この使用方法は、中心に回転対称軸を有するレンズに、直径がレンズの半径よりも小径の紫外レーザビームを回転対称軸から離間した半径方向位置に入射させ、紫外レーザビームを入射したレンズの使用に応じた所定間隔ごとにレンズを回転対称軸まわりに回転させて、紫外レーザビームがレンズの異なる周方向位置を通るように構成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レンズ半径が紫外レーザビームの直径よりも大きく形成された第１レンズの回転対称軸から半径方向に離間した位置に紫外光が入射され、第１レンズがレンズ回転機構により使用に応じた所定間隔ごとに回転対称軸を中心に回転されて、紫外光が異なる周方向位置を通るように構成される。このとき、紫外光が通る周方向位置が相対的に変化しても光軸は変化しない。従って、本発明によれば、中心に回転対称軸を有するレンズの交換寿命を延長可能な紫外光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の適用例として示す全固体型のレーザ装置の概要構成である。
【図２】本発明の第２の適用例として示すリレー光学系の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用した第１の適用例として、紫外光を出力する全固体型のレーザ装置１の概要構成を図１に示す。レーザ装置１は、シード光を発生するレーザ光発生部１０、レーザ光発生部１０により発生されたシード光を増幅する光増幅部２０、光増幅部２０により増幅された基本波レーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部３０、及び各部の作動を制御することによりレーザ装置１からの紫外光の出射を制御する制御装置６０などから構成される。
【００１３】
レーザ光発生部１０は、シード光Ｌ10を発生するレーザ光源１１を主体とし、詳細図示を省略するが、出射されたシード光の波形を成形する電気光学変調器（ＥＯＭ）などが設けられて構成される。レーザ光源１１は、例えば、波長λ＝１．５４４[μｍ]の単一波長のレーザ光を発生する分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）を用いることができる。シード光Ｌ10は、光増幅部２０に入射される。
【００１４】
光増幅部２０は、レーザ装置１を用いるシステムの用途および機能に応じ、適宜な増幅率のものが用いられ、例えば、第１段目の光増幅器２１として半導体レーザ励起のエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡと略記する）、第２段目の光増幅器２２として、ラマン・レーザ励起のＥＤＦＡを用いた構成が例示される。光増幅部２０に入射されたシード光Ｌ10は、これら２段の光増幅器により所定強度に増幅され、増幅された基本波レーザ光Ｌ20が波長変換部３０に入射される。
【００１５】
波長変換部３０は、光増幅部２０から入射した基本波レーザ光Ｌ20を、所定波長の紫外レーザ光に波長変換して出力する。図１では光増幅部２０により増幅された波長λ＝１．５４４[μｍ]の基本波レーザ光Ｌ20を、３段の波長変換光学素子３１，３２，３３によって順次波長変換し、基本波の８倍波（第８次高調波）でＡｒＦエキシマレーザと同一波長である波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外レーザ光Ｌ33に波長変換する構成を示す。
【００１６】
波長変換部３０に入射した基本波レーザ光Ｌ20は、レンズ４１により１段目の波長変換光学素子３１に集光入射され、第２高調波発生によって波長λ＝７７２[ｎｍ]のレーザ光Ｌ31に波長変換される。波長λ＝７７２[ｎｍ]のレーザ光はレンズ４２により２段目の波長変換光学素子３２に集光入射され第２高調波発生によって波長λ＝３８６[ｎｍ]のレーザ光Ｌ32に波長変換される。波長変換光学素子３１，３２は、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶、ＰＰＬＮ（周期分極反転したＬｉＮｂＯ3）などを用いることができる。
【００１７】
この第１、第２段の波長変換部では、レンズを透過するレーザ光の波長帯域が赤外〜可視領域である。そのため、レンズ４１，４２は一般的な光学ガラス（例えばＢＫ７等）を用い、回転軸対称なレンズ４１，４２の中心を透過させる。これにより、波長変換部３０の前段部を簡明かつ安価な構成とすることができる。
【００１８】
２段目の波長変換光学素子３２から出射した波長λ＝３８６[ｎｍ]のレーザ光Ｌ32は、レンズ４３により集光して３段目の波長変換光学素子３３に入射させ、第２高調波発生により波長λ＝１９３[ｎｍ]のレーザ光Ｌ33に波長変換する。ここで、レンズ４３に入射するレーザ光Ｌ32は、波長が既に紫外領域に入っており、レンズ４３は石英または水晶を基材とするが、高ピークパワーの紫外レーザ光の透過により損傷を受けることがある。
【００１９】
そこで、レンズ４３は、レンズ半径がこのレンズを透過する紫外レーザビームの直径よりも大径で、回転対称軸CLから半径方向に離間した位置に回転対称軸と平行に入射される。３段目の波長変換光学素子３３は、レンズ４３により屈折され集光されたレーザ光が回転対称軸CLと交わるレンズ４３の焦点位置に、レーザ光の光路に合わせた傾斜角で配設される。レンズ４３は、このレンズ４３の外周を保持する回転ステージ５１に収容され、回転ステージ５１を回転させる電動モータ等からなるステージ回転機構５３により回転対称軸CLまわりに回転される。ステージ回転機構５３の作動は制御装置６０により制御され、レンズ４３が回転ステージ５１とともに使用に応じた所定間隔ごと回転される。
【００２０】
この配置構成により、レンズ４３が回転対称軸CLまわりに回転されても、このレンズ４３を透過するレーザビームの光路は移動せず、レンズ４３を透過した波長λ＝３８６[ｎｍ]のレーザ光Ｌ32が波長変換光学素子３３に集光入射される。ここで、レンズ４３が回転される使用に応じた所定間隔は、波長λ＝３８６[ｎｍ]の紫外光に対するレンズ４３の耐光強度に応じて設定される。使用に応じた所定間隔は、レーザ光発生部１０によるシード光Ｌ10の発生時間や、光増幅部２０から波長変換部３０に入射したレーザ光Ｌ20の入射時間、パルス数、ドーズ量などに基づいて設定することができる。
【００２１】
これを入射時間に基づいて設定する場合について具体的に説明すると、例えば、レンズ４３に入射する波長λ＝３８６[ｎｍ]の所定光強度の紫外レーザ光に対するレンズ４３の耐光強度が２０時間であると仮定した場合に、制御装置６０は、波長変換部３０にレーザ光を入射した時間が２０時間経過するごとにステージ回転機構５３によりレンズ４３を回転対称軸CLまわりに所定角度（例えば０．１度）回転させ、２段目の波長変換光学素子３２からレンズ４３に入射するレーザビームが、回転前の入射位置と重複しない周方向位置に入射するように移動させる。このため、レンズ４３は、交換が必要となる以前（透過率が所定以下に低下する以前）に、損傷のない新たな透過位置に相対移動され、波長変換光学素子３３には位置変化なく集光入射させることができる。
【００２２】
３段目の波長変換光学素子３３に集光入射されたレーザ光は、第２高調波発生により波長λ＝１９３[ｎｍ]のレーザ光Ｌ33に波長変換される。この３段目の波長変換光学素子３３には、ＳＢＢＯ（Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7）結晶、水晶の疑似位相整合結晶（特開２００２−１２２８９８号公報を参照）などを用いることができる。
【００２３】
波長λ＝１９３[ｎｍ]に波長変換されたレーザ光Ｌ33は、レンズ４４に入射され、回転対称軸CLと平行に出射される。すなわち、レンズ４４はレンズ４３と焦点位置を共通とし同一軸上に配設される。レンズ４４に射するレーザ光は、波長が２００[ｎｍ]以下の深紫外領域の光（真空紫外光）であり、高純度の合成石英または水晶を基材とするが、高ピークパワーの紫外レーザ光の透過により損傷を受けやすい。そのため、レンズ４４も、レンズ半径がこのレンズを透過するレーザビームの直径よりも大径で、このレンズ４４の回転対称軸CLから半径方向に離間した位置に入射される。レンズ４４の回転対称軸CLは、レンズ４３の回転対称軸CLと同一軸上に設定される。
【００２４】
レンズ４４は、このレンズ４４の外周を保持する回転ステージ５２に収容され、回転ステージ５２を回転させる電動モータ等からなるステージ回転機構５４により回転対称軸CLまわりに回動される。ステージ回転機構５４の作動は制御装置６０により制御され、レンズ４４が回転ステージ５２とともに使用に応じた所定間隔ごと回転される。
【００２５】
この配置構成はレンズ４３と同様（レンズ４３およびレンズ４４の共通焦点を挟んで対称）であり、レンズ４４が回転対称軸CLまわりに回転してもレンズ４４を透過するレーザ光の光路は移動しない。従って３段目の波長変換光学素子３３からレンズ４４に入射した波長λ＝１９３[ｎｍ]のレーザ光は、レンズ４４の回転角度位置に拘わらず、回転対称軸CLに平行に出射される。レンズ４４の使用に応じた所定間隔は、波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外光に対するレンズ４４の耐光強度に応じて設定され、レーザ光発生部１０によるシード光Ｌ10の発生時間や、光増幅部２０から波長変換部３０に入射したレーザ光Ｌ20の入射時間、波長変換部３０に入射するレーザ光Ｌ20がパルス光である場合のパルス数、ドーズ量などに基づいて設定することができる。
【００２６】
例えば、レンズ４４に入射する波長λ＝１９３[ｎｍ]の所定光強度の紫外光に対するレンズ４４の耐光強度が１０時間であると仮定した場合に、制御装置６０は、波長変換部３０にレーザ光を入射した時間が１０時間を経過するごとにステージ回転機構５４によりレンズ４４を回転対称軸CLまわりに所定角度（例えば前記同様に０．１度）回動させ、３段目の波長変換光学素子３３からレンズ４４に入射するレーザビームが、回動前の入射位置と重複しない周方向位置に入射するように移動させる。このため、レンズ４４は、交換が必要となる以前（透過率が所定以下に低下する以前）に、損傷のない新たな透過位置に相対移動され、かつレンズ４４を透過する紫外レーザ光を位置変化なく出射させることができる。
【００２７】
この実施例では、説明簡明化のため、レンズ４４の耐光寿命をレンズ４３の耐光寿命の半分と仮定し、各々異なる時間間隔で回動し、個別に着脱交換可能な構成を例示した。このような場合でも、レーザ光が透過する半径位置における周長が、レンズ４３に対してレンズ４４が２倍となるように構成すれば、各々を異なる時間間隔で別個に回転させながら、レンズ４３と４４の交換時期を同一とすることができる。なお、レンズ４３とレンズ４４の対向寿命が同一であるような場合には、次述する紫外光学系を用いることにより構成を簡明化することができる。
【００２８】
次に、本発明を適用した第２の適用例として、図２に、レーザ装置１から出力された紫外レーザ光Ｌ33を、露光装置等のレーザシステムＬＳに導くリレー光学系２に適用した場合の概要構成図を示す。
【００２９】
図１では、紫外光を出力する光源装置の例として、上述した波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外レーザ光を出力するレーザ装置１を例示するが、発振波長λ＝１９３[ｎｍ]のＡｒＦエキシマレーザや、発振波長λ＝２４８[ｎｍ]のＫｒＦエキシマレーザ、発振波長λ＝１５７[ｎｍ]のＦ2レーザ等、あるいは、これらのガスレーザと同じ波長帯域の紫外レーザ光を出力する全固体型のレーザ装置などを用いることができる。
【００３０】
リレー光学系２は、ともに中心に回転対称軸を有し、同一軸上に並んで配設された第１レンズ７１および第２レンズ７２からなり、第２レンズ７２はレンズ直径および焦点距離が第１レンズよりも大きく、両レンズの焦点Ｏが共通の回転対称軸CL上で同一位置になるように配置される。すなわち、リレー光学系２はケプラータイプのビームエキスパンダを構成し、第１レンズ７１側から回転対称軸CLに沿って入射した紫外レーザ光のビーム径が拡大され第２レンズ７２側から回転対称軸CLに沿って出射され、レーザシステムＬＳに導かれる。
【００３１】
これらのレンズ７１，７２は、波長λ＝１９３[ｎｍ]の深紫外光を透過させるため、ともに高純度の合成石英または水晶を基材とするが、高ピークパワーの紫外レーザ光の透過により損傷を受けやすい。そこで、第１，第２レンズ７１，７２は、レンズ半径が各レンズを透過する紫外レーザビームの直径よりも大径に形成され、共通の焦点Ｏを挟んで回転対称軸CLから反対方向に離間した半径方向位置を透過するように構成される。
【００３２】
第１レンズ７１および第２レンズ７２は、これらのレンズ７１，７２の外周を保持する筒状の回転ステージ７５に収容され、回転ステージ７５を回転させる超音波モータ等からなるステージ回転機構７６により回転対称軸CLまわりに一体回転される。ステージ回転機構７６の作動は制御装置８０により制御され、第１レンズ７１と第２レンズ７２とが使用に応じた所定間隔ごとに一体的に回転される。
【００３３】
第１レンズ７１および第２レンズ７２の配置構成は、既述したレンズ４３及びレンズ４４と同様であり、これらのレンズ７１，７２を回転対称軸CLまわりに一体回転してもリレー光学系２を透過するレーザビームの光路は変化しない。従ってレーザ装置１から回転対称軸CLに沿って第１レンズ７１に入射した波長λ＝１９３[ｎｍ]のレーザ光Ｌ33は、第１レンズ７１および第２レンズ７２（回転ステージ７５）の回転角度位置に拘わらず、第２レンズ７２から回転対称軸CLに平行に出射される。
【００３４】
第１レンズ７１および第２レンズ７２における使用に応じた所定間隔は、波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外光に対するこれらのレンズの耐光強度（一般的には、ビーム径が小径でパワー密度が高くなる第１レンズの耐光強度）に応じて設定され、レーザ装置１の出射時間や、レーザ装置１から出射された紫外レーザ光Ｌ33がパルス光である場合のパルス数、ドーズ量などに基づいて設定される。
【００３５】
使用に応じた所定期間の具体例は前述同様であり、制御装置８０は、例えば、レーザ装置１からの紫外レーザ光の出射時間が１０時間を経過するごとにステージ回転機構７６により回転ステージ７５を回転対称軸CLまわりに所定角度回動させ、第１レンズ７１に入射する紫外レーザ光および第２レンズから出射する紫外レーザ光が、ともに回動前と重複しない周方向位置になるように移動させる。このため、第１，第２レンズ７１，７２は、交換が必要となる以前に、損傷のない新たな透過位置に相対移動され、かつリレー光学系２から出射する紫外レーザ光を位置変化なく出射させることができる。
【００３６】
なお、リレー光学系２への紫外レーザ光の入出射方向は逆でもよく、２枚の凸レンズにより構成されるリレー光学系を例示したが、凸レンズと凹レンズのレンズのように異なる種別のレンズの組み合わせからなるリレー光学系（例えばガリレオタイプのビームエキスパンダ）や、複数のレンズ群からなるリレー光学系についても同様に適用し同様の効果を得ることができる。
【００３７】
以上説明したように、本発明においては、レンズ半径が紫外レーザビームの直径よりも大きく形成されたレンズの回転対称軸から半径方向に離間した位置に紫外光が入射され、レンズがレンズ回転機構により使用に応じた所定間隔ごとに回転対称軸を中心に回転されて、紫外光が異なる周方向位置を通るように構成される。すなわち断面形状が回転対称体であるレンズの回転対称軸であり、かつレンズ回転機構の回転軸である中心軸CLに対してオフセットした半径位置に紫外光を入射させるように構成し、レンズを回転させても紫外光の透過位置におけるレンズ断面が変化しないように構成している。このため、レンズの回転により紫外光の通る周方向位置が相対的に変化しても光軸が変化することがない。従って、本発明によれば、中心に回転対称軸を有するレンズ、および複数のレンズからなるレンズ系の交換寿命を延長することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  レーザ装置
２  リレー光学系
３０  波長変換部
４３，４４  レンズ（第１レンズ、レンズ）
５１，５２  回転ステージ（レンズ回転機構）
５３，５４  ステージ回転機構（レンズ回転機構）
６０  制御装置
７１  第１レンズ
７２  第２レンズ
７５  回転ステージ（レンズ回転機構）
７６  ステージ回転機構（レンズ回転機構）
８０  制御装置
CL  回転対称軸
【図１】
2010204398.tif 000003
【図２】
2010204398.tif 000004