(57)【要約】  【課題】  ２ステージレーザの使用にあたり、直線偏光であって所望の偏光方位のレーザ光を得る。  【解決手段】  ＡＭＰ内の光軸上又はＡＭＰの後の光軸上に、光軸を中心にして回転自在の偏光子を備える。偏光子は、レーザ光を互いに直交する二つの直線偏波成分すなわちＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離して出射する。露光装置側で所望の方位の光が必要とされる場合は、所望の方位と偏光子のＰ偏光成分の方位が一致するように偏光子を回転させる。  【選択図】  図２６
2006179600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を生成し狭帯域化して出射する発振段と、
前記発振段の後段に直列に配置され、前段から出射されたレーザ光を増幅して出射する一以上の増幅段と、
自身に入射するレーザ光の光軸を略中心に回転自在な状態で前記増幅段の光軸上又は前記増幅段以降の光軸上に設けられ、自身に入射するレーザ光を互いに直交する二つの直線偏波成分に分離して出射する偏光子と、を備えたこと
を特徴とする多段増幅型レーザシステム。
【請求項２】
レーザ光を生成し狭帯域化して出射する発振段と、
前記発振段の後段に直列に設けられ、前段から出射されたレーザ光を増幅して出射する一以上の増幅段と、
自身に入射するレーザ光の光軸を略中心に回転自在な状態で前記発振段と前記増幅段との間の光軸上又は前記増幅段以降の光軸上に設けられ、自身に入射するレーザ光を自身の回転角度に応じた偏光方位にして出射する光学素子と、を備えたこと
を特徴とする多段増幅型レーザシステム。
【請求項３】
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段を備えたこと
を特徴とする請求項１、２記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項４】
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段と、
前記偏光方位測定手段の測定結果を利用し、最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の偏光方位が所望の方向になるように、前記偏光子の回転角度を調整する角度調整手段と、を備えたこと
を特徴とする請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項５】
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段と、
前記偏光方位測定手段の測定結果を利用し、最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の偏光方位が所望の方向になるように、前記光学素子の回転角度を調整する角度調整手段と、を備えたこと
を特徴とする請求項２記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項６】
最終の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の直線偏波の程度を測定する偏波状態測定手段を備えたこと
を特徴とする請求項１、２記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項７】
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、ＣａＦ2基板に偏光分離膜が施されたものであって、前記チャンバ以降の光軸上に設けられること
を特徴とする請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項８】
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、前記チャンバのウィンドウに偏光分離膜が施されたものであること
を特徴とする請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
【請求項９】
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、ビームエキスパンダープリズムの斜面に偏光分離膜が施されたものであって、前記チャンバ以降の光軸上に設けられること
を特徴とする請求項１記載の多段増幅型レーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハの露光用光源として使用される多段増幅型レーザシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（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（以下、「露光装置」という）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いる。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、波長２４８nmの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザならびに、波長１９３nmの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザが用いられている。
【０００３】
次世代の露光技術としては、露光装置側の露光用レンズとウエハ間を液体で満たして、屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が研究されている。ＡｒＦエキシマレーザを露光用光源として液侵露光が行われた場合は、ウエハには波長１３４nmの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光（又はＡｒＦ液浸リソグラフィー）という。
【０００４】
次々世代の露光用光源としては、波長１５７nmの紫外線を放出するＦ2レーザが有力である。さらにＦ2レーザを露光用光源として液浸技術が行われる可能性もある。この場合は、ウエハには波長１１５nmの紫外光が照射されるといわれている。
【０００５】
（露光用光学素子と色収差）
多くの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なわれる。現在、前述した露光用光源によって得られる波長帯域２４８nm〜１１５nmの紫外光に対して、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ＣａＦ2以外にない。このため露光用光源としてＫｒＦエキシマレーザを使用する露光装置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ている。また露光用光源にＡｒＦエキシマレーザを使用する露光装置の投影レンズとしては、合成石英とＣａＦ2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。
【０００６】
ところがＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振幅は約３５０〜４００pmと広いため、これらの投影レンズが使用され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程度となるまで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。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子（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（Line Narrow Module、以下「ＬＮＭ」という）が設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
【０００７】
（液浸露光と偏光照明）
電場のみに着目して考えると、光は互いに直交する二つの直線偏波状態の波の線形結合として表される。通常、この二つの波はＰ偏光成分とＳ偏光成分という二つの成分として考えられる。Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の方位は絶対的なものではなく、光を出射する光学素子の設置角度に応じて定められる相対的なものである。光学素子へ入射する光の電場ベクトル方向と光学素子の設置角度によって光学素子表面におけるＰ偏光成分の方位とＳ偏光成分の方位が決まる。また二つの波の位相速度と振幅の大きさで、偏光状態（直線偏光、楕円偏光、円偏光）や偏光方位が決まる。二つの波の位相が同じであると直線偏光であり、二つの波の位相が異なると楕円偏光、円偏光となる。
【０００８】
前述したＡｒＦ液浸露光の場合に、媒体がＨ2Ｏであると屈折率が１．４４になるため、屈折率に比例するレンズ開口数ＮＡは通常のＡｒＦ露光の１．４４倍に増える。ＮＡが高くなるにつれ、光源から出射されるレーザ光の偏光状態の影響が大きくなる。
【０００９】
ところで、下記非特許文献１には露光装置側の事柄として次のような記載がある。互いに直交する二つの直線偏波状態の波のうち、方位がマスクパターンの方向に平行である偏光成分をＳ偏光と定義し、方位がマスクパターンの方向に垂直である偏光成分をＰ偏光と定義すると、Ｓ偏光は像のコントラストに影響を及ぼさないが、Ｐ偏光は像のコントラストを低くする。非特許文献１に記載されるような現象が発生する原因は次のように考えられる。
【００１０】
Ｐ偏光の場合は、ウエハ上の焦点における電界のベクトルが異なる方向である。このためウエハ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Ｓ偏光に比べ、強度が弱くなるのである。この現象の影響は、ＮＡが１．０に近づくか超える場合に強くなり、ＡｒＦ液浸はこの場合に該当する。以上のことから、レーザ光にＳ偏光とＰ偏光の２つの偏光が混ざり合っているとコントラストが低くなるといえる。このため光源であるレーザ光は直線偏光であって、且つその方向性すなわち偏光方位が安定していることが要求される。
【００１１】
本明細書では、直線偏光の度合を偏光純度Ｐと呼ぶことにする。回転する直線偏光子を通してレーザ光を観察し、測定される光強度のうち最大値をＩmaxとし、最小値をＩminとすると、偏光純度Ｐは下記（１）式にて求められる。  
Ｐ＝｛（ＩMAX−ＩMIN）／（ＩMAX＋ＩMIN）｝×１００  （％）  …  （１）
偏光純度Ｐが１００％に近づくほど偏光状態が直線偏光に近いといえる。
【００１２】
（２ステージレーザシステム）
液浸露光においては、高ＮＡ化によってレンズの透過率が低下する。よって一定露光量を得るためには、露光用光源であるガスレーザ装置の高出力化が必要である。また露光装置の高スループット化のためにも、ガスレーザ装置の高出力化が必要である。スペクトル線幅を狭帯域化した上で高出力を得るための装置として、２ステージレーザシステムがある。２ステージレーザシステム（以下、２ステージレーザという）は、シード光を生成する発振段（Oscillator：略してＯＳＣ）とシード光を増幅する増幅段（Amplifier：略してＡＭＰ）とからなる。
【００１３】
図１は２ステージレーザの構成を簡略化して示す図である。  
２ステージレーザの方式として、増幅の手段が異なるＭＯＰＯ方式とＭＯＰＡ方式の２種類が知られている。ＭＯＰＯは、Master Oscillator, Power Oscillatorの略であり、インジェクションロック方式とも呼ばれる。この方式では増幅用チャンバを間に挟んで共振器が設けられ、レーザ光が増幅用チャンバを複数回通過して増幅される。ＭＯＰＡは、Master Oscillator, Power Amplifierの略である。この方式では増幅用チャンバを間に挟んで共振器が設けられず、レーザ光が増幅用チャンバを１回又は２回通過して増幅される。図１で示される２ステージレーザ１００はＭＯＰＯ方式の装置である。本明細書では２ステージレーザの増幅手段の具体例としてＭＯＰＯを説明する。
【００１４】
２ステージレーザ１００は、ＯＳＣ（レーザ）１０と、ＯＳＣ１０の出力光軸上に設けられたＡＭＰ（レーザ）２０とからなる。
【００１５】
ＯＳＣ１０では、ＯＳＣチャンバ１１と、ＬＮＭ１２と、ＯＳＣフロントミラー１５と、がレーザ光軸上に設けられる。ＯＳＣチャンバ１１は、ＣａＦ2を材料として作成されたウィンドウ１１ａ、１１ｂを有する。ＬＮＭ１２は一以上のプリズム、例えば二つのプリズム１３ａ、１３ｂと、グレーティング１４と、で構成される。以後、プリズムはプリズムビームエキスパンダ又は分散プリズムを意味するものとする。プリズム１３ａ、１３ｂは、ＯＳＣチャンバ１１側から伝搬する光のビーム幅を拡大し、またグレーティング１４側から伝搬する光のビーム幅を縮小する。グレーティング１４は、プリズム１３ｂから伝搬する光のうち、所定帯域の光のみをプリズム１３ｂ側に反射する。ＯＳＣフロントミラー１５にはＰＲ（Partial-Reflection）膜がコーティングされる。ＯＳＣフロントミラー１５では、ＯＳＣチャンバ１１側から伝搬する光の一部が透過し、残りが反射する。ＬＮＭ１２とＯＳＣフロントミラー１５とで共振器が構成される。
【００１６】
ＡＭＰ２０では、ＡＭＰチャンバ２１と、ＡＭＰリアミラー２２と、ＡＭＰフロントミラー２３と、がレーザ光軸上に設けられる。ＡＭＰチャンバ２１は、ＣａＦ2を材料として作成されたウィンドウ２１ａ、２１ｂを有する。ＡＭＰリアミラー２２には９０％程度の高反射率を有する反射膜がコーティングされる。ＡＭＰフロントミラー２３には３０〜５０％の反射率を有するＰＲ膜がコーティングされる。ＡＭＰフロントミラー２３では、ＡＭＰチャンバ２１側から伝搬する光の一部が透過し、残りが反射する。ＡＭＰリアミラー２２とＡＭＰフロントミラー２３とで共振器が構成される。
【００１７】
ＯＳＣチャンバ１１では、放電によって内部のレーザガス分子が励起される。分子はエネルギーを与えられ上準位に遷移した後に下準位に遷移する。こうした誘導放出の際に光が発生する。光はウィンドウ１１ａ、１１ｂから外部に出射される。この光はＯＳＣチャンバ１１を介してＬＭＮ１２とＯＳＣフロントミラー１５の間を往復して狭帯域化される。狭帯域化されたレーザ光はＯＳＣフロントミラー１５から出射される。レーザ光（シード光という）は、場合によっては一以上の伝搬ミラー３１で伝搬方向を変更され、ＡＭＰリアミラー２２を透過してＡＭＰチャンバ２１に注入される。ＡＭＰチャンバ２１では、ＯＳＣチャンバ１１と同様の誘導放出によって注入されたレーザ光が増幅される。レーザ光はＡＭＰチャンバ２１を介してＡＭＰリアミラー２２とＡＭＰフロントミラー２３の間を往復して徐々に増幅される。増幅されたレーザ光はＡＭＰフロントミラー２３から出射される。ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光は露光装置３０に取り込まれ、露光対象（例えばウエハ）の露光に用いられる。
【００１８】
図１で示されているのは２ステージレーザすなわち２段増幅型レーザシステムであるが、３段増幅型レーザシステムであればさらなる出力向上が可能である。３段増幅型レーザシステムの場合は、ＡＭＰ２０の出力光軸上にさらに別のＡＭＰが設けられる。つまり多段増幅型レーザシステムは、ＯＳＣ１０の後段に一以上のＡＭＰが直列に設けられた形態になる。
【００１９】
２ステージレーザには、特願２００３−１１６９２４号、特願２００３−２９８２８６号に記載されているような別のシード光注入方式や、他の不安定共振器などが適用される場合もある。
【００２０】
（ブリュースタ角と偏光）
チャンバを有するレーザ装置においては、Ｐ偏光とＳ偏光の方向はウィンドウの姿勢によって定義される。
【００２１】
一般にガスレーザ装置の共振器内に設けられるチャンバのウィンドウ（図１のウィンドウ１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ）は、光軸に対してブリュースタ角だけ傾斜して設置されることが多い。ウィンドウの入射面がレーザ光軸に対して幾らかでも傾斜して設置された場合にウィンドウは所謂偏光子として機能する。ウィンドウに入射する光のＰ偏光成分は、ウィンドウ表面におけるフレネル反射が零になり、ほぼ１００％透過する。よってレーザ光のＰ偏光成分はウィンドウを通過する際に減衰が少なく、出力エネルギがほとんど減少しなくなる。ウィンドウに入射する光のＳ偏光成分は、ウィンドウ表面におけるフレネル反射を受ける。よってレーザ光のＳ偏光成分はウィンドウを通過する際に減衰し、出力エネルギが減少する。
【００２２】
レーザ光は共振器内を数〜十数回往復して出力される。レーザ光がウィンドウを数回通過する間に、Ｓ偏光成分はフレネル反射（１４．８６％）を繰り返し受け減衰する。一方、Ｐ偏光成分はほとんど減衰することなく透過し、レーザ媒質内を通過することによって増幅されていく。共振器内を往復することによって、レーザ光は概ねＰ偏光方向の直線偏光で出力される。ＡｒＦレーザ（波長193.368nm）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率が１．５０１９５８となるため、ブリュースタ角度は５６．３３６度になる。また、Ｆ2レーザ（波長157.63 nm）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率が１．５５９２６１となるため、ブリュースタ角度は５７．３１８度になる。
【００２３】
狭帯域化レーザでは、スペクトル線幅を狭帯域化するために、ビームがプリズムで拡大され波長分散素子であるグレーティングに入射される。プリズムは複数個使用される場合が多い。各プリズムの入射面には、フレネル反射による出力減少を防止するために、光の入射角に対してＰ偏光成分をほぼ１００%透過させるためのＰ偏光ＡＲ（Anti-Reflection）膜がコーティングされている。このＰ偏光ＡＲ膜ではＳ偏光成分の光は大きく反射される。結果として、狭帯域化レーザから出力されるレーザ光は、ＬＮＭを備えないフリーランニングのレーザと比較してＰ偏光成分の純度が高くなる。
【非特許文献１】Feasibility of immersion lithography, S.Owa, et al. ,Procceding of SPIE Vol. 5377
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
（２ステージレーザにおける偏光純度と偏光方位の変化）
２ステージレーザにおいて、ＯＳＣから出射されるレーザ光のエネルギー密度は数mJ/cm2であるが、ＡＭＰから出射されるレーザ光のエネルギー密度は数十mJ/cm2である。ＡＭＰチャンバのウィンドウには高エネルギー密度のビームが透過するため、ウィンドウは表面及び内部で多くの光を吸収し発熱する。するとウィンドウに熱応力が発生し、ＣａＦ2ウィンドウ内での複屈折量が大きくなる。一般に、偏光した光が複屈折物質内を透過すると、位相が変化する。例えば直線偏光の光が複屈折物質内を通過すると、位相がずれる。結果として、直線偏光は楕円偏光になる場合が多い。
【００２５】
シード光となるＯＳＣの出射光は直線偏光である。その偏光純度Ｐは約９９％である。直線偏光であるシード光はＡＭＰに注入され増幅されるが、シード光はＡＭＰチャンバのウィンドウを通過する際に複屈折の影響を受け、直線偏光から楕円偏光に変化する。また複屈折に起因して、偏光方位が変化する場合もある。このように偏光純度と偏光方位は安定していない。
【００２６】
ＡＭＰチャンバのウィンドウほどではないが、ＯＳＣチャンバのウィンドウでも複屈折量が大きくなることがあり、ＡＭＰからの出射光の偏光純度及び偏光方位が変化する場合がある。この場合はシード光自体の偏光純度及び偏光方向が変化するため、結果としてＡＭＰの出射光の偏光純度及び方向が変化することになる。
【００２７】
（複屈折による偏光の変化）
前述した複屈折の影響について、図２を用いて更に説明する。  
図２（ａ）、（ｂ）は複屈折物質を境にした偏光状態を示す図である。  
結晶１は複屈折物質であると想定する。結晶１内に複屈折が発生すると、結晶１内を伝播する光の位相速度が自身の偏波方向に依存して変化する。直線偏光である光が複屈折物質を通過すると、互いに直交する二つの波すなわちＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の位相がずれる。よって複屈折物質を通過した光は直線偏光でなく、概ね楕円偏光になる。このため結晶内１に複屈折が発生すると偏光純度Ｐが低下する。また入射する直線偏光がＰ偏光であった場合は、Ｐ偏光成分の光強度が減少し、Ｓ偏光成分の光強度が増加して、偏光方位が変化する。
【００２８】
前述したように、レーザ装置では、ウィンドウをほぼ１００％透過する偏光方向の直線偏光すなわちＰ偏光成分が増幅されていくはずである。しかしウィンドウが複屈折物質であって複屈折量が増加すると、Ｓ偏光成分が発生し、さらにＰ偏光とＳ偏光の位相がずれる。よって直線偏光は楕円偏光に変化する。なおレーザ強度によって複屈折の原因となる熱応力の発生量が変わるため、Ｓ偏光成分の発生量は安定していない。
【００２９】
Ｐ偏光とＳ偏光の方位は、ウィンドウ面の方位と入射光の電界ベクトルの方位によって定められる。結晶１がウィンドウである場合に、図２（ａ）、（ｂ）で示されるような配置、すなわち結晶（ウィンドウ）１の光入射面の法線（図中の破線）と入射レーザ光軸とを含む平面が直線偏光した入射レーザ光の電界ベクトル方向と平行となる配置では、紙面の上下方向がＰ偏光成分の方位であり、紙面に対して垂直方向がＳ偏光成分の方位となる。図２（ｂ）では、Ｐ偏光を示す記号とＳ偏光を示す記号がほぼ同一位置に記載されているが、Ｐ偏光とＳ偏光が同位相であることを意味するのではない。現実には両者には複屈折の程度に応じた楕円偏光を生ずる分だけ位相が相違する場合もある。他の図面においても同じ記号が用いられる場合は、同様のことがいえる。
【００３０】
（Ｓ偏光成分の増幅過程）
図３は偏光の増幅過程を説明するための図である。図３は、ＡＭＰ内を往復するシード光を一方向（図面右方向）に伝搬する光と仮定し、光の伝搬位置と（図面下段）Ｐ偏光及びＳ偏光の強度（図面上段）とを対応させて偏光の増幅過程の概念を示すものである。
【００３１】
図３を用いて、ＡＭＰにおけるＰ偏光、Ｓ偏光の増幅過程を説明する。  
２ステージレーザのＡＭＰ内に、ＯＳＣからの直線偏光（ＡＭＰチャンバのブリュースターウィンドウに対してＰ偏光方向）のシード光が注入されたとする。シード光は、ＡＭＰチャンバ２１のリア側のウィンドウ２１ｂを透過する際に、ウィンドウ２１ｂの複屈折の影響を受け、入射したＰ偏光の一部がＳ偏光に変わる（期間ｔ1）。光がＡＭＰチャンバ内の放電領域を通過すると、光の強度が増幅される。このときＰ偏光成分のみならず、Ｓ偏光成分も増幅される（期間ｔ2）。光がＡＭＰチャンバ２１のフロント側のウィンドウ２１ａを通過すると、ブリュースター角でのフレネル反射でＳ偏光の１４．８６％は反射損失を受け減少する。しかしウィンドウ２１ａ、２１ｂの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｓ偏光は増加するため、Ｓ偏光のこうした増減の差分だけＳ偏光の量が変化する（期間ｔ3）。
【００３２】
光は図示しないＡＭＰフロントミラーに達する。光の７０〜５０％はフロントミラーを透過して外部へ出射され、３０〜５０％は反射してリア側に伝搬する。この時点では、すでにＰ偏光とＳ偏光が混ざり合った状態である。そのフロントミラーで反射して光がウィンドウ２１ａを透過する際には、フレネル反射でＳ偏光は減少するものの、ウィンドウ２１ａの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｐ偏光の減少分だけＳ偏光は増加する（期間ｔ4）。また光が放電領域を通過する際には、Ｓ偏光成分も増幅される（期間ｔ5）。さらに光がウィンドウ２１ｂを透過する際には、フレネル反射でＳ偏光は減少するものの、ウィンドウ２１ｂの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｓ偏光は増加する（期間ｔ6）光は図示しないＡＭＰリアミラーに達し、さらにｔ1〜ｔ6と同じ様な工程を経て外部に出射される（ｔ7〜ｔ9）。
【００３３】
図３では、説明を簡単にするため、光が共振器内を１．５往復して外部に出射されるような形態が示されている。しかし実際には、光は共振器内を１．５往復以上往復して出射される。観測されるレーザパルスは、１．５往復、２．５往復、３．５往復と数回共振器内を往復して出射される光の積分である。
【００３４】
以上のように、２ステージレーザでは狭帯域化されたレーザ光がＡＭＰで増幅されるが故に、ＡＭＰチャンバのウィンドウの複屈折量が増加するため、レーザ光の偏光状態及び偏光方位が不安定である。半導体ウエハの露光においては、特定の偏光方位である直線偏光が要求されるため、レーザ光の偏光状態及び偏光方位が不安定であることは望ましくない。
【００３５】
またそもそも、ＡＭＰから安定して直線偏光が出射されるとしても、ＡＭＰチャンバへのウィンドウの取り付け位置が正確でないと、２ステージレーザから出射されるレーザ光の方位は所望の方位からずれることになる。
【００３６】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、２ステージレーザの使用にあたり、直線偏光であって所望の偏光方位のレーザ光を得ることを解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
第１発明は、
レーザ光を生成し狭帯域化して出射する発振段と、
前記発振段の後段に直列に配置され、前段から出射されたレーザ光を増幅して出射する一以上の増幅段と、
自身に入射するレーザ光の光軸を略中心に回転自在な状態で前記増幅段の光軸上又は前記増幅段以降の光軸上に設けられ、自身に入射するレーザ光を互いに直交する二つの直線偏波成分に分離して出射する偏光子と、を備えたこと
を特徴とする。
【００３８】
第２発明は、
レーザ光を生成し狭帯域化して出射する発振段と、
前記発振段の後段に直列に設けられ、前段から出射されたレーザ光を増幅して出射する一以上の増幅段と、
自身に入射するレーザ光の光軸を略中心に回転自在な状態で前記発振段と前記増幅段との間の光軸上又は前記増幅段以降の光軸上に設けられ、自身に入射するレーザ光を自身の回転角度に応じた偏光方位にして出射する光学素子と、を備えたこと
を特徴とする。
【００３９】
第３発明は、第１、第２発明において、
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段を備えたこと
を特徴とする。
【００４０】
第４発明は、第１発明において、
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段と、
前記偏光方位測定手段の測定結果を利用し、最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の偏光方位が所望の方向になるように、前記偏光子の回転角度を調整する角度調整手段と、を備えたこと
を特徴とする。
【００４１】
第５発明は、第２発明において、
最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の偏光方位を測定する偏光方位測定手段と、
前記偏光方位測定手段の測定結果を利用し、最後尾の増幅段から出射されるレーザ光の偏光方位が所望の方向になるように、前記光学素子の回転角度を調整する角度調整手段と、を備えたこと
を特徴とする。
【００４２】
第６発明は、第１、第２発明において、
最終の増幅段から出射されるレーザ光の一部を抽出し、抽出したレーザ光の直線偏波の程度を測定する偏波状態測定手段を備えたこと
を特徴とする。
【００４３】
第７発明は、第１発明において、
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、ＣａＦ2基板に偏光分離膜が施されたものであって、前記チャンバ以降の光軸上に設けられること
を特徴とする。
【００４４】
第８発明は、第１発明において、
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、前記チャンバのウィンドウに偏光分離膜が施されたものであること
を特徴とする。
【００４５】
第９発明は、第１発明において、
前記増幅段は、互いに対向するレーザ光通過用のウィンドウを有するチャンバを備え、
前記偏光子は、ビームエキスパンダープリズムの斜面に偏光分離膜が施されたものであって、前記チャンバ以降の光軸上に設けられること
を特徴とする。
【００４６】
本発明は、ＡＭＰ（増幅段）内の光軸上又はＡＭＰの後の光軸上に、光軸を中心にして回転自在の偏光子を備える。偏光子は、レーザ光を互いに直交する二つの直線偏波成分すなわちＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離して出射する。露光装置側で所望の方位の光が必要とされる場合は、所望の方位と偏光子のＰ偏光成分の方位が一致するように偏光子を回転させる。
【００４７】
また本発明は、ＯＳＣ（発振段）とＡＭＰ（増幅段）の間又はＡＭＰの後の光軸上に、光軸を中心にして回転自在の１／２波長板を備える。１／２波長板は、レーザ光の方位を自身の回転角度に応じた偏光方位にして出射する。露光装置側で所望の方位の光が必要とされる場合は、１／２波長板から出射されるレーザ光の方位が一致するように１／２波長板を回転させる。１／２波長板は偏光方位を変更できる光学素子であればよい。例えば、二つの１／４波長板でもよい。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、例えば回転自在の１／２波長板又は回転自在の偏光子が使用されるため、偏光方位を高精度に制御できる。また偏光子を使用する場合は、その偏光選択性によって理想的な高純度のレーザ出力を得ることができる。ＡＭＰから出射されるレーザ光が直線偏光である場合は１／２波長板を使用し、楕円偏光である場合は偏光子を使用すれば、直線偏光であって所望の偏光方位のレーザ光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００５０】
ＡＭＰから出射されるレーザ光の偏光純度Ｐが許容値以上であって、偏光純度Ｐの改善を必要としない場合がある。しかしこうした場合でも偏光方位が所望の方位になっているとは限らない。可能であるならば、ＡＭＰから出射されるレーザ光の偏光方位が、露光装置側で要求される偏光方位に合わせて可変であることが望ましい。本実施形態はＡＭＰから出射されるレーザ光の方位のみを制御したい場合に適する。
【００５１】
図４は実施例１に係る２ステージレーザの構成を示す図である。  
本実施形態の２ステージレーザ２００は、図１で示される２ステージレーザ１００の構成に加えて、１／２波長板４１と回転ステージ４２とビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４とコントローラ４５を備えたものである。ＯＳＣ１０とＡＭＰ２０は従来と同じ構成であるため、以下ではその説明を省略する。
【００５２】
１／２波長板４１は、回転ステージ４２に取り付けられた状態で、ＡＭＰ２０以降の光軸上に設けられる。回転ステージ４２は、１／２波長板４１をＡＭＰ２０の出力光軸を中心にして回転させる。ビームサンプリング素子４３は、レーザ光を分岐する光学素子であって、１／２波長板４１以降の光軸上に設けられる。偏光モニタ４４は、ビームサンプリング素子４３で分岐された光の一方を取り込める位置に設けられる。コントローラ４５は、偏光モニタ４４の出力信号を取り込み、１／２波長板４１の回転させるべき角度を演算し、この演算結果に応じた駆動信号を回転ステージ４２に出力する。
【００５３】
ここで、１／２波長板４１とビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４の説明をする。
【００５４】
（１／２波長板の作用）
図５は１／２波長板の作用を説明するための図である。  
１／２波長板４１は直線偏光の方位を変える機能を持つ。図５で示されるように、１／２波長板４１は、互いに直交する高速軸と低速軸とを有しており、高速軸に対してθの方位角をもって入射した直線偏光Ｌを、高速軸に対して−２θの方位角をもつ直線偏光Ｌ′にして出射する。したがって１／２波長板４１から出射する直線偏光の方位をθだけ回転させる場合は、光軸を中心にして１／２波長板４１を−１／２θだけ回転させればよい。
【００５５】
なお二つの１／４波長板を直列に配置しても１／２波長板４１と同等の効果が得られる。
【００５６】
（ビームサンプリング）
図６はビームサンプリングの一形態を示す図である。  
図４で示されるビームサンプリング素子４３としては、ＣａＦ2を材料とするウエッジ基板４３−１が使用される。ウエッジ基板４３−１は、入射面のＳa面とＳa面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb面を有し、Ｓa面に対してメインビーム４６がほぼ垂直（≠垂直）に入射するようにして設けられる。メインビーム４６の入射角度がある程度大きくなると、Ｓa面での反射光４７のＰ偏光とＳ偏光の強度比が変化するため、好ましくない。Ｓa面がメインビーム４６の光軸とほぼ直交するならば、メインビーム４６の入射角度がそれほど大きくならないため、反射光４７のＰ偏光とＳ偏光の強度比は、メインビーム４６のＰ偏光とＳ偏光の強度比と比較してほぼ等しくなる。
【００５７】
反射光４７の光軸上には偏光モニタ４４が設けられる。偏光モニタ４４では後述する測定が行われる。
【００５８】
ウエッジ基板４３−１ではメインビーム４６の反射がＳa面の他にＳb面でも生ずる。ウエッジ基板４３−１はウエッジ形状であるため、Ｓb面での反射光４８は偏光モニタ４４に取り込まれない。ウエッジ基板４３−１の代わりに平行基板が使用される場合は、Ｓb面に減反射コートが施されることが望ましい。減反射コートはモニタ４４へ入射する反射光４８の量を少なくするために設けられる。
【００５９】
図７はビームサンプリングの別の一形態を示す図である。  
図４で示されるビームサンプリング素子４３としては、ＣａＦ2を材料とする二つのウエッジ基板４３−２、４３−３が使用される。ウエッジ基板４３−２は、入射面のＳa2面とこのＳa2面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb2面を有し、メインビーム４６が約４５度の入射角でＳa2面に入射するように設けられる。ウエッジ基板４３−３は、入射面のＳa3面とこのＳa3面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb3面を有し、Ｓa2面での反射光４７が約４５度の入射角でＳa3面に入射するように設けられる。メインビーム４６は、Ｓa2面で反射して反射光４７となり、Ｓa3面で反射して反射光５０となる。メインビーム４６の偏光成分のうち、Ｓa2面でＰ偏光として反射する成分はＳa3面でＳ偏光として反射する。同様に、メインビーム４６の偏光成分のうち、Ｓa2面でＳ偏光として反射する成分はＳa3面でＰ偏光として反射する。つまりＳa2面及びＳa3面での反射の結果、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比の変化は相殺される。よってメインビーム４６と反射光５０のＰ偏光とＳ偏光の強度比はほぼ等しくなる。例えば入射角度４５度の場合に、Ｐ偏光成分の反射率は0.0086であるのに対し、Ｓ偏光成分の反射率は0.093である。図７で示されるような配置であれば、メインビーム４６の偏光成分のうちの一方は、Ｓa2面でＰ偏光として反射し、Ｓa3面でＳ偏光として反射するので、トータルの反射率は0.0086×0.093＝0.0008となる。またメインビーム４６の偏光成分のうちの他方は、Ｓa2面でＳ偏光として反射、Ｓa3面でＰ偏光として反射するので、トータルの反射率は0.093×0.0086＝0.0008となる。このように二つのウエッジ基板４３−２、４３−３によってＰ偏光とＳ偏光の最終的な反射率がほぼ等しくなる。
【００６０】
反射光５０の光軸上には偏光モニタ４４が設けられる。偏光モニタ４４では後述する測定が行われる。
【００６１】
図６のウエッジ基板４３−１と同様に、ウエッジ基板４３−２、４３−３はウエッジ形状であるため、Ｓb2面及びＳb3面での反射光は偏光モニタ４４に取り込まれない。ウエッジ基板４３−２、４３−３の代わりに平行基板が使用される場合は、Ｓb2面及びＳb3面に減反射コートが施されることが望ましい。減反射コートは反射光４８の影響を少なくするために設けられる。
【００６２】
（偏光モニタ）
偏光モニタ４４はレーザ光の偏光の純度及び方位を測定するモジュールであり、所謂一般的なポラリメータと同等の機能を有する。ここで説明する三形態の偏光モニタ４４にはそれぞれ偏光子が含まれる。そこで、偏光モニタ４４の説明に入る前に、図８〜図１２を用いて具体的な五種類の偏光子を説明する。
【００６３】
偏光子は、自身に入射した光を、自身の設置角度に応じた互いに直交する二方向の偏光成分に分離し、一方の偏光成分をその伝搬方向をほぼ変化させずに出射し、他方の偏光成分をその伝搬方向を変化させて出射する。偏光子にとって、伝搬方向が変化しない偏光成分がＰ偏光成分であり、伝搬方向が変化する偏光成分がＳ偏光成分である。Ｐ偏光成分の方位は入射光軸を中心とする偏光子の回転と共に変化する。
【００６４】
図８は第一の形態の偏光子を示す図である。  
第一の形態の偏光子は偏光ビームスプリッタである。偏光子５１は、ＣａＦ2の平行平面基板５２と、平行平面基板５２の表面Ｓa面にコーティングされた偏光分離膜５３と、から構成される。偏光分離膜５３はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する。図８で示されるように、偏光分離膜５３に対するレーザ光の入射角度がブリュースター角に近いほど、平行平面基板５２の裏面Ｓb面でのＰ偏光透過率が更に向上し、効率が良くなる。またＳb面にＰ偏光に対する減反射膜をコーティングしても、同様に効率が良くなる。またＳb面にＳa面と同じ偏光分離膜をコーティングして、偏光子としての消光比を改善してもよい。
【００６５】
図９は第二の形態の偏光子を示す図である。  
第二の形態の偏光子はRochonプリズムである。偏光子５５は、複屈折性の結晶からなる第一のプリズム５６及び第二のプリズム５７で構成される。第一のプリズム５６及び第二のプリズム５７は斜面同士が接触している。第一のプリズム５６の光学主軸の方位は、入射光と垂直であり且つ自身の斜面と平行である。第二のプリズム５７の光学主軸の方位は、入射光と平行である。偏光子５５は入射したレーザ光のＰ偏光、Ｓ偏光を分離する。レーザ光は、第一のプリズム５６の入射面Ｓa面に入射し、第一のプリズム５６を直進し、第二のプリズム５７の斜面でＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま第二のプリズム５７を直進し、第二のプリズム５７の出射面Ｓb面から出射される。Ｓ偏光は、第二のプリズム５７の斜面で進行方向を若干変えられ、第二のプリズム５７を直進し、第二のプリズム５７の出射面Ｓb面から出射される。第二のプリズム５７の出射側にＳ偏光を遮光するアパーチャ５８を設けると、純度の高い直線偏光が得られる。第一、第二のプリズム５６、５７の材料としては、フッ化マグネシウム結晶などが適している。またＳa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。図示はしないが、第一のプリズム５６と第二のプリズム５７の間に空隙が設けられたRochonプリズムも同様の機能を有し、これを用いることも可能である。
【００６６】
図１０は第三の形態の偏光子を示す図である。  
第三の形態の偏光子は第一の偏光子を二つ組み合わせたタイプである。偏光子６１は、ＣａＦ2の基板６２と、基板６２の表面Ｓa面にコーティングされた偏光分離膜６３と、基板６２の表面Ｓb面にコーティングされた偏光分離膜６４と、から構成される。偏光子６１では、偏光分離膜６３、６４が共通の基板６１にコーティングされているが、別々の基板にコーティングされてもよい。偏光子６１のような構成によって、光軸がずれることなくＰ偏光のみを通過させることができる。
【００６７】
図１１は第四の形態の偏光子を示す図である。  
第四の形態の偏光子は偏光ビームスプリッタの一例である。偏光子６６は、等方性の第一のプリズム６７及び第二のプリズム６８と偏光分離膜６９で構成される。偏光分離膜６９を介して第一のプリズム６７及び第二のプリズム６８の斜面同士が対向する。Ｓa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。
【００６８】
図１２は第五の形態の偏光子を示す図である。  
第五の形態の偏光子はGlan Laserプリズムである。偏光子７１は、複屈折性の結晶からなる第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３で構成される。第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３は斜面同士が所定間隔だけ離間して対向している。第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３の光学主軸の方位は、入射光と垂直であり、且つ入射面Ｓa面に垂直入射する光軸と第一及び第二のプリズムの斜面の法線とを含む平面と平行である。レーザ光は、第一のプリズム７２の入射面Ｓaに入射し、第一のプリズム７２を直進し、第二のプリズム７３の斜面でＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま第二のプリズム７３を直進し、第二のプリズム７３の出射面Ｓb面から出射される。Ｓ偏光は、第二のプリズム７３の斜面で反射され、第一のプリズム７２を直進し、第一のプリズム７２の出射面Ｓc面から出射される。第一、第二のプリズム７２、７３の材料としては、α−ＢＢＯ結晶などが適している。またＳa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。
【００６９】
以上、具体的な偏光子を説明したが、Ｐ偏光、Ｓ偏光を分離できる偏光子であればどのような形態のものでも用いることは可能である。次に、こうした偏光子を利用した偏光モニタ４４を説明する。
【００７０】
〔１．偏光モニタの第一の形態〕
図１３は第一の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
本形態はストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を測定することによって、偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−１である。偏光モニタ４４−１は、図９で示される偏光子５５と、第一、第二の光センサ７５、７６とで構成される。偏光子５５は、図示しない回転ステージに取り付けられており、入射光軸を中心にして回転自在である。第一の光センサ７５は偏光子５５から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられ、第二の光センサ７６は偏光子５５から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられる。本形態では偏光子５５の回転と共にＳ偏光の光軸も移動するため、偏光子５５の移動に追従して第一の光センサ７５の位置を変化させる駆動機構が設けられる。光センサ７５、７６は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。例えば、ＣＣＤラインセンサやＭＯＳエリアセンサなどを使用することができる。この場合は、レーザビームの場所毎、つまりレーザビームの光軸に直交する断面内での偏光の分布の状態が測定できる。
【００７１】
ストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を次のように定義する。なお、以下の説明は一般論である。半導体露光の分野を例にすれば、本発明のＡＭＰ出射光の電界の直線偏光方位が重力方向に対して直交することが望ましい状態である。
【００７２】
Ｓ0：全強度（Ｐ偏光、Ｓ偏光の強度の和）
Ｓ1：ｘ成分とｙ成分の強度差（偏光子５５の回転角度が０度である場合のＰ偏光、Ｓ偏光の強度の差）
Ｓ2：＋４５度成分と−４５度成分の強度差（偏光子５５の回転角度が＋４５度である場合のＰ偏光、Ｓ偏光の強度の差）
偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐは、パラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を用いた下記（２）、（３）式で演算される。  
Φ＝１／２・ｔａｎ-1（Ｓ2／Ｓ1）  …  （２）
Ｐ＝〔√｛（Ｓ1-2＋Ｓ2-2）／Ｓ0-2｝〕×１００  …  （３）
ここで方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を図１４を用いて説明する。
【００７３】
図１４は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。  
最初に偏光子５５の回転角度は０度にされる。この０度とは、所望の偏光方位に対する偏光子５５の基準方向のずれが０度であるとことを意味する。例えば、前述した半導体露光の分野では重力方向に直交方向、すなわち水平方向が０度である。レーザ光のＳ偏光は第一の光センサ７５に取り込まれ、Ｐ偏光は第二の光センサ７６に取り込まれる。第一の光センサ７５では光強度Ｓout1が測定され、第二の光センサ７６では光強度Ｓout2が測定される。そして、
Ｓ0＝Ｓout1＋Ｓout2  …  （４）
Ｓ1＝Ｓout1−Ｓout2  …  （５）
という演算によってＳ0、Ｓ1が求められる（ステップＳ１１）。
【００７４】
次に偏光子５５の回転角度が＋４５度にされる。ステップＳ１１と同様に、レーザ光のＳ偏光は第一の光センサ７５に取り込まれ、Ｐ偏光は第二の光センサ７６に取り込まれる。第一の光センサ７５では光強度Ｓout1が測定され、第二の光センサ７６では光強度Ｓout2が測定される。そして、
Ｓ2＝Ｓout1−Ｓout2  …  （６）
という演算によってＳ2が求められる（ステップＳ１２）。
【００７５】
求められたパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2は上記（２）、（３）式に代入され、方位角Φと直線偏光純度Ｐが求められる（ステップＳ１３）。
【００７６】
なお偏光モニタ４４−１に図９で示される偏光子５５が使用される場合を説明したが、図８及び図１０〜図１２で示される各偏光子が使用されてもよい。各場合においては、第一の光センサ７５と第二の光センサ７６の配置がかわる。
【００７７】
〔２．偏光モニタの第二の形態〕
図１５は第二の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
偏光モニタ４４−１と同様に、本形態もストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を測定することによって、偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−２である。偏光モニタ４４−２の構造、原理は、文献K.Kawano and A.Nagashima,Rev.Sci. Instrum.68,4035(1997)に詳しく記載されているため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７８】
偏光モニタ４４−２は、０度及び４５度の方位に配置された二つのＰＥＭ（Photo Elastic Modulators）７８、７９と、２２．５度の方位に配置された偏光子５１と、光センサ８０と、から構成される。レーザ光は、ＰＥＭ７８、７９と偏光子５１を通過して、光センサ８０に取り込まれる。二つのＰＥＭ７８、７９を異なる周波数ｆ1、ｆ2で変調し、また二つのロックインアンプ８１、８２の周波数を２ｆ1、２ｆ2に合わせて、光センサ８０から得られる信号を増幅する。すると光強度Ｓout1に相当するＶ2ｆ1及び光強度Ｓout2に相当するＶ2ｆ2の信号が得られる。よって上記（４）、（５）、（６）式にてパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を求め、上記（２）式、（３）式にて方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める。
【００７９】
偏光モニタ４４−１では、偏光子５５の機械的駆動によってパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2が求められるが、偏光モニタ４４−２では、周波数の制御によってパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2が求められる。偏光モニタ４４−２は機械的な動作部分がないため、偏光モニタ４４−１よりも高速な測定が可能である。
【００８０】
なお偏光モニタ４４−２に図８で示される偏光子５１が使用される場合を説明したが、図９〜図１２で示される各偏光子が使用されてもよい。また光センサ８０は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。
【００８１】
ちなみに本形態で使用されるＰＥＭ７８、７９としては、ＨＩＮＤＳ社（米国）などから提供されている商用製品が使用可能である。
【００８２】
〔３．偏光モニタの第三の形態〕
図１６は第三の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
本形態は、偏光子を回転させて消光比が最大となる方位（偏光方位角Φ）を探し、さらに直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−３である。偏光モニタ４４−３は、図８で示される偏光子５１と、光センサ８４とで構成される。偏光子５１は、図示しない回転ステージに取り付けられており、入射光軸を中心にして回転自在である。光センサ８４は偏光子５１から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられる。光センサ８４の代わりに、光センサ８５が設けられていてもよい。光センサ８５は偏光子５１から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられる。本形態では偏光子５１の回転と共にＳ偏光の光軸も移動するため、偏光子５１の回転に追従して光センサ８５の位置を変化させる駆動機構が設けられる。光センサ８４、８５は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。例えば、ＣＣＤラインセンサやＭＯＳエリアセンサなどを使用することができる。
【００８３】
ここで方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を図１７を用いて説明する。
【００８４】
図１７は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。  
最初に偏光子５１の回転角度が０度にされる。この０度とは、所望の偏光方位に対する偏光子５５の基準方向のずれが０度であるとことを意味する。レーザ光のＰ偏光は光センサ８４に取り込まれる。光センサ８４では光強度Ｓoutが測定される。偏光子５１は回転角度が±９０度の範囲で回転され、±９０度の範囲内の複数の回転位置で、光強度Ｓoutの測定が行われる。各回転位置で測定された光強度Ｓoutは記憶される（ステップＳ２１）。
【００８５】
図１８は偏光子の回転角度と光センサの出力との関係を示す図である。  
横軸に偏光子５１の回転角度をとり縦軸に光強度Ｓoutをとると、ステップＳ２１によって図１８で示されるような曲線ｃが得られる。この曲線ｃは余弦関数Ａｃｏｓ2（θ＋Φ）＋Ｂで表される（ステップＳ２２）。Ａは曲線ｃの振幅であり、Ｂは曲線ｃの最小光強度である。方位角Φは、曲線ｃの最大光強度が得られたときの回転角度であり、余弦関数の位相から求められる。直線偏光純度Ｐは、
Ｐ＝｛Ａ／（Ａ＋２Ｂ）｝×１００  …  （７）
によって求められる（ステップＳ２３）。
【００８６】
なお図１７で示される処理を光センサ８４を使用するのではなく、光センサ８５を使用して行ってもよい。また偏光モニタ４４−３に図８で示される偏光子５１が使用される場合を説明したが、図９〜図１２で示される各偏光子が使用されてもよい。
【００８７】
以上、１／２波長板４１とビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４の説明をした。ところで偏光モニタ４４はキャリブレーションがなされる必要がある。具体的には、２ステージレーザ１００の外部に偏光の絶対方位を測定する原器となる偏光測定器を設置しておき、この偏光測定器及び偏光モニタ４４でレーザ光の偏光方位を測定し、偏光測定器及び偏光モニタ４４で得られた偏光方位の測定値同士を比較し、その差をコントローラ４５で補正し、記憶しておく。
【００８８】
次に、図４及び図１９を用いて、２ステージレーザ２００から出射されるレーザ光の偏光方位を所望の方位にする手順を説明する。
【００８９】
図１９は実施例１の測定手順を示すフローチャートである。  
ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光は、１／２波長板４１を透過し、ビームサンプリング素子４３で一部が反射する。反射した光は偏光モニタ４４に取り込まれる。偏光モニタ４４は、１／２波長板４１から出射されたレーザ光の偏光方位角Φを測定し、測定値を信号化してコントローラ４５に出力する。コントローラ４５は、測定された偏光方位角Φと所望の方位角ＤＡ0との差ＤＡを演算する（ステップＳ３１）。｜ＤＡ｜＜１度（任意角度）である場合は、そのまま偏光方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ３２の判断Yes）。｜ＤＡ｜≧１度である場合は、コントローラ４５は、回転ステージ４２に指令信号を出力する。回転ステージ４２は、指令信号に応じて１／２波長板４１を−ＤＡ／２だけ回転させる。そして偏光方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ３２の判断No、ステップＳ３３）。以上の処理によって、偏光方位角Φは所望の方位角ＤＡ0に対して±１度未満だけずれた状態になる。
【００９０】
本実施形態では、ビームサンプリング素子４３が１／２波長板４１の後に設けられているが、ビームサンプリング素子４３が１／２波長板４１の前に設けられていてもよい。この場合は、図１９で示されるステップＳ３２は必要ない。
【００９１】
本実施形態によると、回転自在の１／２波長板４１によって偏光方位を制御できる。したがって偏光方位の安定した直線偏光を得られる。
【００９２】
なお本実施形態は、ＡＭＰ２０から出射されるレーザ光の偏光純度Ｐが許容値以上である場合、すなわちレーザ光がほぼ直線偏光である場合に有効であるが、ＡＭＰ２０から出射されるレーザ光の偏光純度Ｐが許容値未満であることもあり得る。このような場合に備えて、許容値未満の偏光純度Ｐが偏光モニタ４４で測定されてから、レーザ装置及び／又は露光装置の運転が停止されるような制御系を構築してもよい。
【実施例２】
【００９３】
本実施形態は実施例１で出射されるレーザ光の偏光純度Ｐを向上させるものに相当する。
【００９４】
図２０は実施例２に係る２ステージレーザの構成を示す図である。  
本実施形態の２ステージレーザ３００は、図４で示される２ステージレーザ２００の構成のうち、１／２波長板４１及び回転ステージ４２の位置とビームサンプリング素子４３の位置を入れ替えたものであり、さらに１／２波長板４１以降の光軸上に、回転ステージ８８に取り付けられた偏光子８７を備えたものである。なお実施例１の構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００９５】
偏光子８７は、１／２波長板４１以降の光軸上に設けられる。回転ステージ８８は、ＡＭＰ２０の出力光軸を中心にして偏光子８７を回転させる。偏光子８７としては、図８〜図１２で示される各偏光子が適用可能である。偏光純度Ｐを向上させるために、図８で示される偏光子５１を使用することについて、若干の追加説明をする。
【００９６】
偏光子５１のＰ偏光選択率Ｓp及びＳ偏光選択率Ｓsは、Ｓ偏光の透過率をＴs、Ｐ偏光の透過率をＴpとすると、
Ｓp＝Ｔp ／（Ｔp＋Ｔs）
Ｓs＝Ｔs ／（Ｔp＋Ｔs）
で表される。Ｔp／Ｔsが大きいほどＰ偏光が選択され透過する。すなわち高い純度のＰ偏光を得ることができる。
【００９７】
偏光分離膜５３としては、例えばＭｇＦ2薄膜とＬａＦ3薄膜が交互に積層される誘電体多層膜が望ましい。誘電体多層膜によれば、各膜厚と層数によってＰ偏光選択率Ｓpを制御することができる。
【００９８】
例えば、消光比がＴp：Ｔs＝５００：１なる偏光子５１を用いれば、ＡＭＰ２０から出射される光のＰ偏光純度がウィンドウ２１ａ、２１ｂの複屈折などの発生により５０％に悪化しても、９９．８％以上のＰ偏光純度に改善できる。
【００９９】
偏光子５１の個数は、必要とされるＰ偏光純度の値とＡＭＰ２０から出射される光のＰ偏光純度の最悪値および偏光子５１のＰ偏光選択率Ｓpによって決めるのが望ましい。
【０１００】
またＳ偏光は反射されて失われるので、一定のレーザ出力を得るためにはＡＭＰ２０の出力を上昇させＳ偏光の損失分を補うことが必要である。また反射されたＳ偏光が余計な迷光とならないように吸収（ダンプ）することが望ましい。
【０１０１】
ところで、ＣａＦ2の平行平面基板５２に高強度の光が照射されると、平行平面基板５２自体で複屈折が発生し、レーザ光の偏光が変化することも考えられる。そのため偏光分離膜５３でのＳ偏光成分の減少量が、平行平面基板５２でのＳ偏光成分の増加量よりも大きいことが必要である。Ｓ偏光成分の増加量はＣａＦ2母材の厚みと共に増加するので、平行平面基板５２の厚みはできるだけ薄い方がよい。また平行平面基板５２の両面に偏光分離膜５３がコーティングされていてもよい。両面の偏光分離膜５３によると、平行平面基板５２内部で偏光が変化してＳ偏光成分が発生しても、平行平面基板５２外部へ光が出射するときにＳ偏光成分が偏光分離膜５３で反射されるため、結果として出射されるのはＰ偏光成分のみとなる。またＣａＦ2の場合は、結晶方位＜１１１＞方向と平行に光が伝播すると、真性複屈折はゼロになり、応力複屈折も最少に抑えられる。よって平行平面基板５２内でのビームの進行方向が、平行平面基板５２の結晶方位＜１１１＞軸になるように設計するとよい。結晶方位は＜１１１＞以外にも固有の複屈折が少ない＜１００＞、＜０１０＞、＜００１＞の何れかを用いることが可能である。他に、照射されるレーザのエネルギー密度を減らして、発生する熱応力を減らせば、平行平面基板５２での複屈折発生は抑えられる。そのため、偏光子５１へのビームの入射角を深くして、照射するビームの断面積を大きくしてエネルギー密度を減らす工夫をすると効果的である。この場合、大きい入射角に対しての偏光分離膜５３を製作する必要がある。
【０１０２】
図２１は実施例２の測定手順を示すフローチャートである。  
回転ステージ８８は、偏光子８７をＰ偏光の方位が所望の方位角となるように回転させる。前述したように半導体露光分野ならば、所望の方位角とは重力方向と直交する方向、すなわち水平方向となる（ステップＳ４１）。回転ステージ４２は、１／２波長板４１を高速軸の角度が所望の方位角ＤＡ0となるように回転させる（ステップＳ４２）。ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光は、ビームサンプリング素子４３で一部が反射し、残りは透過する。反射した光は偏光モニタ４４に取り込まれ、透過した光は１／２波長板４１と偏光子８７を透過する。偏光モニタ４４は、ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光の偏光方位角Φを測定し、測定値を信号化してコントローラ４５に出力する。コントローラ４５は、測定された偏光方位角Φと所望の方位角ＤＡ0との差ＤＡを演算する（ステップＳ４３）。コントローラ４５は、回転ステージ４２、８７に指令信号を出力する。回転ステージ４２は、指令信号に応じて１／２波長板４１を−ＤＡ／２だけ回転させる（ステップＳ４４）。
【０１０３】
本実施形態では、ビームサンプリング素子４３が１／２波長板４１及び偏光子８７の前に設けられているが、ビームサンプリング素子４３が１／２波長板４１及び偏光子８７の後に設けられていてもよい。この場合は、図２１で示されるステップＳ４３とステップＳ４４の間に図１９で示されるステップＳ３２を加えればよい。また１／２波長板４１の位置と偏光子８７の位置は逆でもよいが、この場合は説明した本実施形態前と比べて若干損失が大きくなる。
【０１０４】
本実施形態によると、回転自在の１／２波長板４１によって偏光方位を制御できると共に、偏光子８７の偏光選択性によって理想的な高純度のレーザ出力を得ることができる。したがって偏光方位の安定した直線偏光を得られる。
【実施例３】
【０１０５】
実施例３は実施例１と同様に、ＡＭＰから出射されるレーザ光の偏光純度が高く、偏光純度Ｐの改善を必要としないものの、偏光方位を所望の方位にしたい場合に適する。
【０１０６】
図２２は実施例３に係る２ステージレーザの構成を示す図である。  
本実施形態の２ステージレーザ３００は、図４で示される２ステージレーザ２００の構成のうち、ＡＭＰ２０の後に位置していた１／２波長板４１及び回転ステージ４２が、ＯＳＣ１０とＡＭＰ２０との間に位置するものである。なお実施例１、２の構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１０７】
図２３は実施例３の測定手順を示すフローチャートである。  
回転ステージ４２は、１／２波長板４１を高速軸の角度がＯＳＣ１０の偏光方向と同じになるように回転させる（ステップＳ５１）。ＯＳＣ１０から出射されたレーザ光は、１／２波長板４１を透過し、ＡＭＰ２０に入射する。ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光はビームサンプリング素子４３で一部が反射する。反射した光は偏光モニタ４４に取り込まれる。偏光モニタ４４は、ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光の偏光方位角Φを測定し、測定値を信号化してコントローラ４５に出力する。コントローラ４５は、測定された偏光方位角Φと所望の方位角ＤＡ0との差ＤＡを演算する（ステップＳ５２）。｜ＤＡ｜＜１度（任意角度）である場合は、そのまま方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ５３の判断Yes）。｜ＤＡ｜≧１度である場合は、コントローラ４５は、回転ステージ４２に指令信号を出力する。回転ステージ４２は、指令信号に応じて１／２波長板４１を−ＤＡ／２だけ回転させる。ＡＭＰ２０に入射されるシード光の偏光方位が回転されると、ＡＭＰ２０から出射されるレーザ光の偏光方位もそれに倣って回転する。そして方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ５３の判断No、ステップＳ５４）。以上の処理によって、偏光方位角Φは所望の方位角ＤＡ0に対して±１度未満だけずれた状態になる。
【０１０８】
なお本実施形態では、１／２波長板４１が回転されるが、ＯＳＣ１０自体又はＬＮＭ１２が回転モータで光軸を中心に回転されてもよい。
【０１０９】
また実施例１と同様に、ＡＭＰ２０から出射されるレーザ光の偏光純度Ｐが許容値未満である場合に備えて、許容値未満の偏光純度Ｐが偏光モニタ４４で測定されてから、レーザ装置及び／又は露光装置の運転が停止されるような制御系を構築してもよい。
【０１１０】
本実施形態によると、回転自在の１／２波長板４１によって偏光方位を制御できる。したがって偏光方位の安定した直線偏光を得られる。
【実施例４】
【０１１１】
図２４は実施例４に係る２ステージレーザの構成を示す図である。  
本実施形態の２ステージレーザ５００は、図１で示される２ステージレーザ１００の構成に加えて、ビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４とコントローラ４５を備え、さらにＡＭＰチャンバ２１に回転ステージ９０、９１と、偏光分離膜９２、９３を備えたものである。なお実施例１〜３の構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１２】
ウィンドウ２１ａ、２１ｂは光軸を中心にして回転自在である。ウィンドウ２１ａは回転ステージ９０に取り付けられ、ウィンドウ２１ｂは回転ステージ９１に取り付けられる。回転ステージ９０、９１はＡＭＰチャンバ２１に取り付けられており、コントローラ４５からの指令信号に応じてウィンドウ２１ａ、２１ｂを回転させる。図２４で示されるように、ウインドウ２１ａ、２１ｂが互いに対称的に傾けられ且つ同一の回転角度であれば、ＡＭＰチャンバ２１に入出射するレーザ光の光軸がずれることはない。このようなことから、回転ステージ９０、９１はウインドウ２１ａ、２１ｂを同時にまた同一方向に回転することが望ましい。
【０１１３】
ウィンドウ２１ａ、２１ｂの少なくとも一面には、Ｓ偏光成分を高反射させＰ偏光成分をほぼ１００％透過させる偏光分離膜９２、９３がコーティングされる。偏光分離膜９２、９３によってＰ偏光のみがレーザ光軸上に残る。ウィンドウ２１ａ、２１ｂの両面に偏光分離膜９２、９３がコーティングされた場合は、ウィンドウの母材（ＣａＦ2）でＳ偏光が生じたとしても、母材から外部へ出射するときにＳ偏光が反射される。また母材であるＣａＦ2内のレーザ光の進行方向とＣａＦ2結晶の＜１１１＞軸方向が同軸になるようにウィンドウ２１ａ、２１ｂが配置されると、複屈折が最少に抑えられる。また偏光分離膜９２、９３のレーザ耐性が悪い場合は、レーザ照射しているうちに次第に偏光分離膜９２、９３がダメージを受けることがある。ダメージはレーザエネルギー密度に依存しており、エネルギー密度が高いほど偏光分離膜９２、９３は早くダメージを受ける。偏光分離膜９２、９３のダメージを小さくするためには、エネルギー密度を減少させる必要がある。エネルギー密度を減少させるためには、ビームが照射する面積を大きくすればよい。具体的には、ウィンドウ２１ａ、２１ｂの設置角がブリュースター角の５６°以上であればよい。ウィンドウ２１ａ、２１ｂの設置角が大きければ、ビームがあたる面積が大きくなるので、ウィンドウ２１ａ、２１ｂ上に照射されるエネルギー密度が減少する。
【０１１４】
図２５は実施例４の測定手順を示すフローチャートである。  
ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光は、ビームサンプリング素子４３で一部が反射する。反射した光は偏光モニタ４４に取り込まれる。偏光モニタ４４は、ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光の偏光方位角Φを測定し、測定値を信号化してコントローラ４５に出力する。コントローラ４５は、測定された偏光方位角Φと所望の方位角ＤＡ0との差ＤＡを演算する（ステップＳ６１）。｜ＤＡ｜＜１度（任意角度）である場合は、そのまま方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ６２の判断Yes）。｜ＤＡ｜≧１度である場合は、コントローラ４５は、回転ステージ９０、９１に指令信号を出力する。回転ステージ９０は、指令信号に応じてウィンドウ２１ａを−ＤＡだけ回転させ、回転ステージ９１は、指令信号に応じてウィンドウ２１ｂを−ＤＡだけ回転させる。そして方位角Φの測定が続けられる（ステップＳ６２の判断No、ステップＳ６３）。以上の処理によって、偏光方位角Φは所望の方位角ＤＡ0に対して±１度未満だけずれた状態になる。なお“１度”というのは一例であって、角度範囲は露光機毎に定められる仕様値である。
【０１１５】
本実施形態によると、回転自在の偏光分離膜９２、９３によって偏光方位を制御できると共に、その偏光選択性によって理想的な高純度のレーザ出力を得ることができる。したがって偏光方位の安定した直線偏光を得られる。
【実施例５】
【０１１６】
図２６は実施例５に係る２ステージレーザの構成を示す図である。  
本実施形態の２ステージレーザ６００は、図１で示される２ステージレーザ１００の構成に加えて、偏光子９５と回転ステージ９６とビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４とコントローラ４５を備えたものである。なお実施例１〜４の構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１７】
偏光子９５は、回転ステージ９６に取り付けられた状態で、ＡＭＰ２０の光軸上に設けられる。偏光子９５の位置はＡＭＰチャンバ２１とＡＭＰフロントミラー２３の間がよい。回転ステージ９６は、ＡＭＰ２０の光軸を中心にして偏光子９５を回転させる。偏光子９５としては、図８〜図１２で示される各偏光子が適用可能である。
【０１１８】
本実施形態の測定手順は、図２５で示される測定手順において、ウィンドウ２１ａ、２１ｂを回転させる代わりに偏光子９５を回転させればよい。
【０１１９】
本実施形態によると、回転自在の偏光子９５によって偏光方位を制御できると共に、その偏光選択性によって理想的な高純度のレーザ出力を得ることができる。したがって偏光方位の安定した直線偏光を得られる。
【実施例６】
【０１２０】
図２７は実施例５の別の形態を示す図である。  
図２６で示される２ステージレーザ６００においては、偏光子９５の代わりに、図２７で示されるような偏光ビームエキスパンダプリズム（Beam Expander - Prism、以下、ＢＥＸという）９８が回転自在に設けられてもよい。偏光ＢＥＸ９８は一以上のプリズムを有する。図２７には二つのプリズム９８ａ、９８ｂが組み合わされた形態が示されている。偏光ＢＥＸ９８は、レーザ光のエネルギー密度を減少させて、ＡＭＰフロントミラー２３のダメージを減少させ、またレーザビーム形状（アスペクト比）を変更させる。偏光ＢＥＸ９８はレーザビームの幅を広げる役割を持つ。
【０１２１】
プリズム９８ａ、９８ｂの斜面には偏光分離膜９９ａ、９９ｂがコーティングされる。また斜面以外の光路となる面にはＡＲ膜がコーティングされるとよい。プリズム９８ａは、ＡＭＰチャンバ２１からのレーザ光が自身の斜面に入射するように配置され、プリズム９８ｂは、プリズム９８ａからのレーザ光が自身の斜面に入射するように配置される。また９８ｂのＡＲ膜がＰＲ膜であれば、偏光ＢＥＸ９８がＡＭＰフロントミラー２３を兼ねる。
【０１２２】
なお前記各実施例では２段増幅型のレーザを例にして説明したが、本発明は３段以上の多段増幅型のレーザの場合も適用可能である。この場合、１／２波長板や偏光子の位置は任意であるが、ビームサンプリング素子は最後尾のＡＭＰの後に設けることが望ましい。また各実施例で偏光子や１／２波長板がコントローラからの信号に応じて回転されるのではなく、手動で回転されてもよい。さらにビームサンプリングせずに、オペレータが任意に１／２波長板や偏光子を回転させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１は２ステージレーザの構成を簡略化して示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は複屈折物質を境にした偏光状態を示す図である。
【図３】図３は偏光の増幅過程を説明するための図である。
【図４】図４は実施例１に係る２ステージレーザの構成を示す図である。
【図５】図５は１／２波長板の作用を説明するための図である。
【図６】図６はビームサンプリングの一形態を示す図である。
【図７】図７はビームサンプリングの別の一形態を示す図である。
【図８】図８は第一の形態の偏光子を示す図である。
【図９】図９は第二の形態の偏光子を示す図である。
【図１０】図１０は第三の形態の偏光子を示す図である。
【図１１】図１１は第四の形態の偏光子を示す図である。
【図１２】図１２は第五の形態の偏光子を示す図である。
【図１３】図１３は第一の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１４】図１４は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は第二の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１６】図１６は第三の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１７】図１７は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は偏光子の回転角度と光センサの出力との関係を示す図である。
【図１９】図１９は実施例１の測定手順を示すフローチャートである。
【図２０】図２０は実施例２に係る２ステージレーザの構成を示す図である。
【図２１】図２１は実施例２の測定手順を示すフローチャートである。
【図２２】図２２は実施例３に係る２ステージレーザの構成を示す図である。
【図２３】図２３は実施例３の測定手順を示すフローチャートである。
【図２４】図２４は実施例４に係る２ステージレーザの構成を示す図である。
【図２５】図２５は実施例４の測定手順を示すフローチャートである。
【図２６】図２６は実施例５に係る２ステージレーザの構成を示す図である。
【図２７】図２７は実施例５の別の形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０…ＯＳＣ  ２０…ＡＭＰ  ４１…１／２波長板  ４２…回転ステージ  ４３…ビームサンプリング素子  ４４…偏光モニタ  ４５…コントローラ  ９５…偏光子  ９６…回転ステージ
【図１】
2006179600.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006179600.tif 000017
【図１６】
2006179600.tif 000018
【図１７】
2006179600.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2006179600.tif 000021
【図２０】
2006179600.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2006179600.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2006179600.tif 000026
【図２５】
2006179600.tif 000027
【図２６】
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【図２７】
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