(57)【要約】【課題】  共振器を備えた高出力ガスレーザ発振器・増幅器において、共振器を構成するミラーで表面損傷及び歪みが発生しないように照射するピークエネルギ密度を減少させ、レーザの中心波長が変化したとしてもレーザ出力が減少しないようにする。【解決手段】  リア側ミラー１と出力側ミラー２とからなる共振器と、その共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバー３と、レーザチャンバー３内のレーザガスを励起する励起手段４、５とを備えたガスレーザ装置において、レーザチャンバー３とリア側ミラー１の間、及び、レーザチャンバー３と出力側ミラー２の間の少なくとも一方に、ミラー側のレーザビームの径あるいは幅を広げるビーム拡大光学系６１、６１’を介在させた高出力ガスレーザ装置。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リア側ミラーと出力側ミラーとからなる共振器と、該共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバーと、前記レーザチャンバー内のレーザガスを励起する励起手段とを備えたガスレーザ装置において、
前記レーザチャンバーと前記リア側ミラーの間、及び、前記レーザチャンバーと前記出力側ミラーの間の少なくとも一方に、ミラー側のレーザビームの径あるいは幅を広げるビーム拡大光学系を介在させたことを特徴とする高出力ガスレーザ装置。
【請求項２】
レーザ発振器を構成していることを特徴とする請求項１記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項３】
レーザ増幅器を構成していることを特徴とする請求項１記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項４】
２ステージレーザ装置の増幅段レーザに用いられていることを特徴とする請求項３記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項５】
前記ビーム拡大光学系は、１個又は複数の三角プリズムから構成されたビームエキスパンダープリズム系からなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザチャンバーとは反対側の前記ビームエキスパンダープリズム系を構成する三角プリズムの最も外側の平面に高反射率ミラーコーティング又は部分反射ミラーコーティングを施すことにより、前記リア側ミラー又は前記出力側ミラーを前記ビームエキスパンダープリズム系と一体に構成したことを特徴とする請求項５記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項７】
リア側ミラーと出力側ミラーとからなる共振器と、該共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバーと、前記レーザチャンバ内のレーザガスを励起するために対向して配置された電極とを備えたガスレーザ装置において、
前記出力側電極端と前記出力側ミラーの間、及び、前記リア側電極端と前記リア側ミラーの間の少なくとも一方に、レーザの中心波長が変化してもレーザ出力エネルギの変化量を無視できる程度に小さくでき、かつ、前記ミラー表面におけるレーザビームの径あるいは幅を拡大させるビーム拡大光学系を介在させたことを特徴とする高出力ガスレーザ装置。
【請求項８】
２ステージレーザ装置の増幅段レーザに用いられていることを特徴とする請求項７記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項９】
前記ビーム拡大光学系は、前記出力側電極端と前記出力側ミラーの間、及び、前記リア側電極端と前記リア側ミラーの間の両方に配置され、それぞれのビーム拡大光学系の構成が同じで、前記対向して配置された両電極の光軸方向の中心線を含む断面内で、左右上下が対称になるように配置されていることを特徴とする請求項７又は８記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１０】
前記ビーム拡大光学系は、１個又は複数個のウェッジ基板から構成されたウェッジ基板式ビーム拡大光学系からなることを特徴とする請求項７から９の何れか１項記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１１】
前記ビーム拡大光学系は、１個又は複数個の三角プリズムから構成されたビームエキスパンダープリズム系からなることを特徴とする請求項７から９の何れか１項記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１２】
前記ビーム拡大光学系を構成するウェッジ基板の少なくとも１個を前記レーザチャンバーのウィンドー部材として配置したことを特徴とする請求項１０記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１３】
前記ビーム拡大光学系を構成するウェッジ基板の全てが前記レーザチャンバー内部に配置され、その中前記出力側ミラー側又は前記リア側ミラー側にあるウェッジ基板を前記レーザチャンバーのウィンドー部材として配置したことを特徴とする請求項１０又は１２記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１４】
前記ビーム拡大光学系を構成する前記ウェッジ基板又は前記三角プリズムに入る入射角度を、前記出力側ミラー又は前記リア側ミラーで反射して戻ってきた光の光路が、前記ウェッジ基板又は前記三角プリズムに入射する前の光のレーザ光軸上に重なるように制御可能に構成したことを特徴とする請求項１０又は１１記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１５】
前記ビーム拡大光学系に入射し、前記出力側ミラー又は前記リア側ミラーで反射して戻ってきた光の光路が、前記ビーム拡大光学系に入射する前の光のレーザ光軸上に重なるように、前記出力側ミラー又は前記リア側ミラーのあおり角を制御可能に構成したことを特徴とする請求項１０又は１１記載の高出力ガスレーザ装置。
【請求項１６】
紫外線を発振又は増幅するものであることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項記載の高出力ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力ガスレーザ装置に関し、特に、共振器を備えた高出力ガスレーザ発振器や高出力ガスレーザ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置、並びに、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハ間を液体で満たして、屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をＡｒＦエキシマレーザ露光に適用しようとしている。液体の屈折率が略１．４４のＡｒＦエキシマレーザ液浸では、１３４ｎｍの波長になる。また、次々世代の露光用光源として、波長１５７ｎｍの紫外線を放出するフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置が有力であり、Ｆ2 レーザ液浸露光が採用される可能性もある。液体の屈折率が略１．３６となるＦ2 レーザ液浸では１１５ｎｍの波長になると言われている。
【０００３】
ところで、多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされ色収差補正が行われる。現在、露光用光源であるレーザ波長の２４８ｎｍ〜１１５ｎｍの波長域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とＣａＦ2 以外にはない。各波長での光透過率の高いものを使うため、ＫｒＦエキシマレーザの投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ＡｒＦエキシマレーザ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。
【０００４】
ところが、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振幅は約３５０〜４００ｐｍと広いために、これらの投影レンズを使用すると色収差が発生して、解像力が低下する。そこで、色収差が無視できるまでに、上記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、レーザ装置には狭帯域化素子（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
【０００５】
さて、液浸露光では、高ＮＡ（開口数）化によりレンズの透過率が低下するため、一定露光量を得るために、光源であるレーザ装置の高出力化が必要とされている。また、露光装置の高スループット化のためにも、レーザ装置の高出力化が必要とされている。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方法として、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は、狭帯域化したレーザ光を出力するための発振段レーザ（ＯＳＣレーザ）と、その狭帯域化されたレーザビーム（これをシード光（ｓｅｅｄ光）と呼ぶ。）を増幅するための増幅段レーザ（ＡＭＰレーザ）から構成される。図１に、露光用２ステージレーザ装置の基本構成の概略を示す（詳細は後記する。）。
【０００６】
２ステージレーザシステムの方式として、増幅手段の違いにより、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、インジェクションロック方式とも呼ばれる。これは増幅用チャンバーに共振器が配置されている場合である。ＭＯＰＡは、Master Oscillator,Power Amplifier の略であり、増幅用チャンバには共振器が配置されていない場合である。図１は、ＭＯＰＯ方式である。増幅段レーザ６０は入力側ミラー（リア側ミラー）１と出力側ミラー（フロント側ミラー）２とからなるファブリーペロー型共振器を備えており、その間にレーザガスが充填されたチャンバー３が配置されている。さらには、チャンバー３内のレーザガスを励起して利得（ゲイン）領域を形成する放電電極４、５等を備えて構成される。また、発振段レーザ５０は、典型的には例えば拡大プリズムとグレーティング（回折格子）によって構成されてなる狭帯域化モジュール５１内の光学素子が兼ねるリア側ミラーとフロントミラー５２とで構成されるレーザ共振器内にレーザガスが充填されたチャンバー５３を備え、チャンバー５３内のレーザガスを励起して利得領域を形成する放電電極５４，５５等を備えて構成される。なお、放電領域は紙面内で手前と奥側に対向配置してある。
【０００７】
発振段レーザ５０では、数ｍＪ／ｃｍ2 の平均エネルギ密度のレーザビームであるが、増幅段レーザ６０では、レーザエネルギが増幅されるので、数１０ｍＪ／ｃｍ2 の平均エネルギ密度のレーザビームとなる。また、レーザビーム内にはエネルギ密度は均一ではなく、一般的に中央部が高く、ビームの裾野は低く分布している。このため、ピークエネルギ密度は、上記平均エネルギ密度の数倍になる。
【０００８】
また、２ステージレーザシステムの増幅段レーザに限らず、炭酸ガスレーザ装置等の高出力ガスレーザ装置のレーザ共振器においても、ピークエネルギ密度が高い。
【０００９】
一般に、レーザ共振器は、レーザ光を出射するフロントミラーと、高反射率を持ったリアミラーから構成される。出力ミラーは、片面に数１０％の反射率のＰＲ膜（部分反射ミラーコーティング）、もう片方の面にＡＲ膜（反射防止コーティング）が付けられている。リアミラーは、ＨＲ膜（高反射率（全反射）ミラーコーティング）が付けられている。増幅段レーザの場合のリア側ミラーは、９０％程度の高反射率のＰＲ膜が付いている。出力されるレーザ光は、出力側ミラーに到達したレーザ光の一部のみが出力されるため、共振器内部のレーザエネルギは、外部に出力されるエネルギよりも数倍高くなる。
【００１０】
このため、共振器内部におけるレーザ光のエネルギ密度が非常に高くなるので、共振器を構成する出力（側）ミラーとリア（側）ミラーに、高密度の光子が照射されることによりミラー表面が損傷してしまうという問題点があった。また、高エネルギ密度のビームが透過するため、その表面及び内部における光の吸収が大きくなり発熱する。この熱応力によって光学素子内部に歪みが発生するという問題点があった。
【００１１】
ところで、本出願人等は、ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５４９０において、空間コヒーレンスを低くした半導体露光装置用に適した高出力の２ステージレーザ装置を提案した。この２ステージレーザ装置は、発振段レーザと増幅段レーザとからなる露光用２ステージレーザ装置であって、増幅段レーザは入力側ミラーと出力側ミラーとからなるファブリペローエタロン型共振器を備え、その共振器は安定共振器を構成しているもの、あるいは、発振段レーザで発振され増幅段レーザに入力されるレーザ光の光軸と、増幅段レーザの共振器の光軸とが角度をなすように設定されているもの、又は、増幅段レーザの共振器のリア側ミラー及び出力側ミラーの反射面が平面で、リア側ミラー及び出力側ミラーの法線が、発振段レーザで発振され増幅段レーザに入力されるレーザ光の光軸に対して角度をなすように、かつ、相互に角度をなすように設定され、発振段レーザで発振されたレーザ光が両方のミラー間の距離がより長い側から共振器内に入力されるものであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のような半導体露光装置用のＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置に限らず、炭酸ガスレーザ装置等の高出力ガスレーザ装置においては、レーザ発振器のみからなる場合にはレーザ発振器において、また、２ステージレーザ装置においてはレーザ増幅器において、共振器内部におけるレーザ光のエネルギ密度が非常に高くなるため、共振器を構成するリア側ミラー及び出力側ミラーの耐久性が悪くなる。この問題を解決するために、ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５４９０で提案したように、これらのミラーの使用部分を共振器の光軸方向に対して略垂直方向に定期的に移動させるようにすることもできるが、可動部品を必要とし、また、その移動を制御する手段を必要とする。
【００１３】
本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、共振器を備えた高出力ガスレーザ発振器や高出力ガスレーザ増幅器において、共振器を構成する出力側ミラー及びリア側ミラーでの表面損傷及び歪みが発生しないように照射するピークエネルギ密度を減少させ、また、このとき、レーザの中心波長が変化したとしてもレーザ出力が減少しないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の高出力ガスレーザ装置は、リア側ミラーと出力側ミラーとからなる共振器と、該共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバーと、前記レーザチャンバー内のレーザガスを励起する励起手段とを備えたガスレーザ装置において、
前記レーザチャンバーと前記リア側ミラーの間、及び、前記レーザチャンバーと前記出力側ミラーの間の少なくとも一方に、ミラー側のレーザビームの径あるいは幅を広げるビーム拡大光学系を介在させたことを特徴とするものである。
【００１５】
この場合に、レーザ発振器を構成するようにしてもよく、また、レーザ増幅器を構成するようにしてもよい。例示としては、２ステージレーザ装置の増幅段レーザに用いることができる。
【００１６】
以上において、ビーム拡大光学系は、１個又は複数の三角プリズムから構成されたビームエキスパンダープリズム系から構成することができる。
【００１７】
この場合に、レーザチャンバーとは反対側のビームエキスパンダープリズム系を構成する三角プリズムの最も外側の平面に高反射率ミラーコーティング又は部分反射ミラーコーティングを施すことにより、リア側ミラー又は出力側ミラーをビームエキスパンダープリズム系と一体に構成することができる。
【００１８】
本発明の別の高出力ガスレーザ装置は、リア側ミラーと出力側ミラーとからなる共振器と、該共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバーと、前記レーザチャンバ内のレーザガスを励起するために対向して配置された電極とを備えたガスレーザ装置において、
前記出力側電極端と前記出力側ミラーの間、及び、前記リア側電極端と前記リア側ミラーの間の少なくとも一方に、レーザの中心波長が変化してもレーザ出力エネルギの変化量を無視できる程度に小さくでき、かつ、前記ミラー表面におけるレーザビームの径あるいは幅を拡大させるビーム拡大光学系を介在させたことを特徴とするものである。
【００１９】
この場合に、例えば、２ステージレーザ装置の増幅段レーザに用いることができる。
【００２０】
そして、そのビーム拡大光学系は、出力側電極端と出力側ミラーの間、及び、リア側電極端とリア側ミラーの間の両方に配置され、それぞれのビーム拡大光学系の構成が同じで、対向して配置された両電極の光軸方向の中心線を含む断面内で、左右上下が対称になるように配置されていることが望ましい。
【００２１】
また、そのビーム拡大光学系は、１個又は複数個のウェッジ基板から構成されたウェッジ基板式ビーム拡大光学系からなっていても、１個又は複数個の三角プリズムから構成されたビームエキスパンダープリズム系からなっていてもよい。
【００２２】
ウェッジ基板式ビーム拡大光学系の場合、そのビーム拡大光学系を構成するウェッジ基板の少なくとも１個をレーザチャンバーのウィンドー部材として配置してもよい。
【００２３】
また、ビーム拡大光学系を構成するウェッジ基板の全てがレーザチャンバー内部に配置され、その中出力側ミラー側又はリア側ミラー側にあるウェッジ基板をレーザチャンバーのウィンドー部材として配置するようにしてもよい。
【００２４】
また、ビーム拡大光学系を構成するウェッジ基板又は三角プリズムに入る入射角度を、出力側ミラー又はリア側ミラーで反射して戻ってきた光の光路が、ウェッジ基板又は三角プリズムに入射する前の光のレーザ光軸上に重なるように制御可能に構成してもよい。
【００２５】
また、ビーム拡大光学系に入射し、出力側ミラー又はリア側ミラーで反射して戻ってきた光の光路が、ビーム拡大光学系に入射する前の光のレーザ光軸上に重なるように、出力側ミラー又はリア側ミラーのあおり角を制御可能に構成してもよい。
【００２６】
以上の本発明の高出力ガスレーザ装置は、特に紫外線を発振又は増幅するものに適用するのに好適なものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の高出力ガスレーザ装置によると、レーザチャンバーとリア側ミラーの間、及び、レーザチャンバーと出力側ミラーの間の少なくとも一方に、ミラー側のレーザビームの径あるいは幅を広げるビーム拡大光学系を介在させるか、出力側電極端と出力側ミラーの間、及び、リア側電極端とリア側ミラーの間の少なくとも一方に、レーザの中心波長が変化してもレーザ出力エネルギの変化量を無視できる程度に小さくでき、かつ、ミラー表面におけるレーザビームの径あるいは幅を拡大させるビーム拡大光学系を介在させたので、レーザ発振器又はレーザ増幅器の共振器用光学素子に入射する単位面積当たりのレーザ光のエネルギ（エネルギ密度）を低減させてその光学素子の表面損傷が発生しないようにすることにより耐久性を向上させ、長寿命化を実現することができる。また、共振器のミラーを構成する光学素子に入射するレーザエネルギ密度を低減させてその光学素子に歪みが発生しないようにすることができる。また、このとき、レーザの中心波長が変化したとしてもレーザ出力が減少しないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明の高出力ガスレーザ装置を、露光用２ステージレーザ装置の増幅段レーザを例にとって説明する。ただし、本発明の高出力ガスレーザ装置は、増幅段レーザを含まないエキシマレーザ装置や炭酸ガスレーザ装置等にも適用できることは、その原理から明らかである。
【００２９】
本発明を適用する露光用２ステージレーザ装置の基本構成の概略を図１に示す。この露光用２ステージレーザ装置は、ＭＯＰＯ（Master Oscillator,Power Oscillator）システムであり、発振段レーザ（ＭＯ：Master Oscillator ）５０と、発振段レーザ５０で発振されたｓｅｅｄ光を入力して増幅してレーザ光を出力する増幅段レーザ（ＰＯ：Power Oscillator）６０とからなる。そして、増幅段レーザ６０は入力側ミラー（リア側ミラー）１と出力側ミラー（フロント側ミラー）２とからなるファブリペローエタロン型共振器を備えており、その間にレーザガスが充填されたチャンバー３が配置されている。さらには、チャンバー３内のレーザガスを励起して利得領域を形成する放電電極４、５、チャンバー３の光軸延長上両端に設置されたウィンドー部材１７等を備えている。
【００３０】
また、発振段レーザ５０は、典型的には、例えば拡大プリズムとグレーティング（回折格子）によって構成されてなる狭帯域化モジュール５１内の光学素子が兼ねるリア側ミラーとフロントミラー５２とで構成されるレーザ共振器内にレーザガスが充填されたチャンバー５３を備え、チャンバー５３内のレーザガスを励起して利得領域を形成する放電電極５４、５５、チャンバー５３の光軸延長上両端に設置されたウィンドー部材５７等を備えて構成される。
【００３１】
また、発振段レーザ５０と増幅段レーザ６０の間には、必須のものではないが、発振段レーザ５０から増幅段レーザ６０へ入力（入射）するｓｅｅｄ光のビーム断面積を縮小したり、発振段レーザ５０からのｓｅｅｄ光の発散角を変換する変換光学系７０（図２）が配置されて構成される。
【００３２】
ここで、この高出力レーザシステムにおいては、増幅段レーザ６０の入力側ミラー１と出力側ミラー２とからなる共振器を安定共振器で構成するか、発振段レーザ５０で発振され増幅段レーザ６０に入力されるレーザ光（ｓｅｅｄ光）の光軸と、増幅段レーザ６０のリア側ミラー１とフロント側ミラー２とからなる共振器の光軸とが角度をなすように設定するか、又は、増幅段レーザ６０の共振器のリア側ミラー１及び出力側ミラー２の反射面を平面とし、リア側ミラー１及び出力側ミラー２の法線が発振段レーザ５０で発振され増幅段レーザ６０に入力されるレーザ光（ｓｅｅｄ光）の光軸に対して角度をなすように、かつ、相互に角度をなすように設定し、発振段レーザ５０で発振されたレーザ光（ｓｅｅｄ光）を両方のミラー１、２間の距離がより長い側から共振器内に入力するようにすることにより、発振段レーザと同等の空間コヒーレンスの低コヒーレンス化を達成するものである（ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５４９０）。
【００３３】
次に、以上のような基本構成を備えた露光用２ステージレーザ装置の１つの構成例を図２の全体構成図を参照にして説明する。
【００３４】
このＭＯＰＯシステムがフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置のとき、発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０共にそれぞれのチャンバー５３、３は、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。このＭＯＰＯシステムがＫｒＦエキシマレーザ装置のときには、発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０共にそれぞれのチャンバー５３、３は、クリプトン（Ｋｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填され、このＭＯＰＯシステムがＡｒＦエキシマレーザ装置のときには、発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０共にそれぞれのチャンバー５３、３は、アルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ2 ）ガスと、ヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等からなるバッファーガスとからなるレーザガスが充填される。発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０共に、レーザチャンバー５３、３は内部にそれぞれ一対の放電電極５４と５５、４と５からなる放電部を有している。これら放電部は紙面と平行方向に上下に設置されている一対のカソード電極５５、５、アノード電極５４、４からなる。これらの一対の電極５４と５５、４と５にそれぞれ電源５６、１６から高電圧パルスが印加されることにより、これら電極間で放電が発生する。
【００３５】
発振段レーザ５０と増幅段レーザ６０共にチャンバー５３、３内に設置された一対の電極５４と５５、４と５の光軸延長上両端に、ＣａＦ2 等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウィンドー部材５７、１７がそれぞれ設置されている。ここでは、両ウィンドー部材５７、１７のチャンバー５３、３内とは反対側の露出面は互いに平行に、そして、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースタ角で設置されている。また、レーザ光のＰ偏光成分が水平方向になるよう、ウィンドー部材５７、１７は設置されている。
【００３６】
また、図２には図示されていないクロスフローファンがチャンバー５３、３内に設置されており、レーザガスをチャンバー５３、３内で循環させ、放電部にレーザガスを送り込んでいる。また、発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０共に、チャンバー５３、３へＦ2 ガス、バッファーガスを供給するＦ2 ガス供給系、バッファーガス供給系、及び、チャンバー５３、３内のレーザガスを排気するガス排気系が本装置に備わっている。図２では、これらをまとめて、ガス供給排気用制御バルブ５８、及び、ガス供給排気用制御バルブ１８として図示してある。なお、ＫｒＦレーザ装置、ＡｒＦレーザ装置の場合は、各々Ｋｒガス供給系、Ａｒガス供給系も備える。チャンバー５３、３内ガス圧力はそれぞれ圧力センサーＰ１、Ｐ２によってモニタされ、それらガス圧力情報はユーティリティコントローラ８１へ送られる。そして、ユーティリティコントローラ８１がガス供給配給制御バルブ５８、１８を制御し、発振段チャンバー５３並びに増幅段チャンバー３内ガス組成、ガス圧力がそれぞれ制御される。
【００３７】
レーザ出力はガス温度によって変化する。そのために、ガス温調制御が行われている。ガス温度は、それぞれのチャンバー５３、３に設置された温度センサーＴ１、Ｔ２によってモニタされ、それら温度信号はユーティリティコントローラ８１へ送られる。そして、ユーティリティコントローラ８１は、それぞれ冷却水流量制御バルブ５９、１９によって冷却水流量を制御する。その結果、チャンバー５３、３内のそれぞれ熱交換器３４、４４の排熱量がそれぞれ制御され、そして温度が制御される。
【００３８】
発振段レーザ５０は、拡大プリズムとグレーティング（回折格子）によって構成された狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）５１を有し、この狭帯域化モジュール５１内の光学素子とフロントミラー５２とでレーザ共振器を構成している。又は、図示していないが、拡大プリズム、グレーティングの代わりに、エタロンと全反射ミラーを用いた狭帯域化モジュールを用いてもよい。
【００３９】
発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０から放出されたレーザ光の一部は、図示されていないビームスプリッタによって分岐され、それぞれモニタモジュール３５、４５に導光される。モニタモジュール３５、４５はそれぞれ発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０の出力、線幅そして中心波長等のレーザ光特性をモニタする。図２では、発振段レーザ５０と増幅段レーザ６０の両方にモニタモジュール３５、４５が設置されているが、どちらか一方のみの設置でもよい。
【００４０】
モニタモジュール３５、４５からの中心波長の信号は、波長コントローラ８２に送られる。そして、波長コントローラ８２は、ドライバ８３により狭帯域化モジュール５１内の光学素子を駆動させて波長を選択して、発振段レーザ５０の中心波長が所望の波長になるよう波長制御する。なお、上記した波長制御を、増幅段レーザ６０から放出されるレーザ光の一部が導光されるモニタモジュール４５からの波長情報に基き、発振段レーザ５０から放出されるレーザ光の波長が所定の波長となるように、波長コントローラ８２からドライバ８３に指令を出して行うことも可能である。
【００４１】
モニタモジュール３５、４５からのレーザ出力信号は、エネルギコントローラ８４へ送られる。そして、同期コントローラ８５を経由し、印加電圧が制御され、発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０のエネルギが所望の値になるよう制御される。モニタモジュール４５の出力信号を図の（１）のようにエネルギコントローラ８４に送ってもよいが、（１）の代りに、露光装置１００側に図示されていない出力モニタを設け、そこでの出力を（２）のようにエネルギコントローラ８４に送ってもよい。
【００４２】
発振段レーザ５０からのレーザ光（ｓｅｅｄ光）はモニタモジュール３５を通過した後、反射ミラー等を含むビームステアリングユニット８６を通過し、変換光学系７０を通過した後、増幅段レーザ６０へ導かれ、注入される。変換光学系７０は所定の発散角で発振段レーザ光（ｓｅｅｄ光）が増幅段レーザ６０へ注入されるよう、発振段レーザ５０の発散角を所定の値に制御する前記のような機構を有している。このＭＯＰＯ方式では、小入力でも増幅できるように、増幅段レーザ６０には、入力側ミラー（リア側ミラー）１と出力側ミラー（フロント側ミラー）２とで構成された上記のような共振器が採用される。入力側ミラー１を通過したレーザ光が図２の矢印のように反射して放電部を有効に通過し、レーザ光のパワーが増大する。そして、出力側ミラー２よりレーザが出射される。
【００４３】
発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０の各々一対の放電電極５４と５５、４と５には、それぞれ、充電器３１／スイッチ３２／ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）３３によって構成された電源５６、そして、充電器４１／スイッチ４２／ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）４３によって構成された電源１６より、高電圧パルスが印加され、上記電極５４と５５、４と５間で放電が生じる。この放電により、それぞれレーザチャンバー５３、３内に充填されたレーザガスが励起される。
【００４４】
それぞれの電源５６、１６において、充電器３１、４１によりコンデンサが充電される。コンデンサに充電されたエネルギは、スイッチ３２、４２がＯＮ状態になると、電圧パルスとして磁気パルス圧縮回路３３、４３に転送され、パルス圧縮され、上記した一対の電極５４と５５、４と５に印加される。図示を省略したが、電源５６、１６は昇圧トランスをさらに備え、電圧パルスを昇圧する場合もある。
【００４５】
スイッチ３２、４２のＯＮ、ＯＦＦは、同期コントローラ８５からの動作指令（トリガ信号）によってなされる。
【００４６】
同期コントローラ８５は、発振段レーザ５０から放出されるレーザ光が増幅段レーザ６０に注入されるタイミングで、増幅段レーザ６０において放電が発生するように、充電器３１／スイッチ３２／ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）３３によって構成された電源５６、そして、充電器４１／スイッチ４２／ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）４３によって構成された電源１６にトリガ信号を送出する。発振段レーザ５０、増幅段レーザ６０の放電のタイミングがずれると、発振段レーザ５０から放出されるレーザ光は効率良く増幅されない。同期コントローラ８５は、それぞれ放電検出器３６、４６からの発振段レーザ５０及び増幅段レーザ６０の放電開始の情報、そして、エネルギコントローラ８４からのレーザ出力情報を得、発振段レーザ５０の電源５６に送出するトリガ信号と増幅段レーザ６０の電源１６に送出するトリガ信号との間の遅延時間を設定する。
【００４７】
ユーティリティコントローラ８１、エネルギコントローラ８４、そして、波長コントローラ８２はメインコントローラ８０と接続されている。また、メインコントローラ８０は露光装置１００と接続している。メインコントローラ８０は露光装置１００から指令に従い、各コントローラ８１、８４、８２に制御分担を振り分け、その指令によって各コントローラ８１、８４、８２は分担する制御を行う。
【００４８】
また、発振段レーザ５０から放出されたレーザ光は、増幅段レーザ６０の放電領域を通過するように、ミラー２枚からなるビームステアリングユニット８６によってアライメントされる。ビームステアリングユニット８６を構成する２枚のミラーは、ドライバ８７により駆動されて角度制御され、発振段レーザ５０から放出されるレーザ光の進行方向を制御する。
【００４９】
このビームステアリングユニット８６の具体的な制御は、次のようになる。例えば、発振段レーザ５０から放出されたレーザ光の進行方向が、増幅段レーザ６０の放電領域を通過するようにアライメントされていないとする。その場合、発振段レーザ５０から放出されたレーザ光の一部若しくは全てが、例えば増幅段レーザ６０の放電電極４、５によって遮光されたり、所望でない方向に反射されたりして、増幅段レーザ６０からレーザ光が放出されなかったり、レーザパワーが所望の値より小さくなる。そこで、増幅段レーザ６０から放出されるレーザ光の出力をモニタモジュール４５でモニタしながら、この出力が最大となるようにビームステアリングユニット８６を制御する。すなわち、図２においては、モニタモジュール４５でモニタされた結果が波長コントローラ８２に送られる。波長コントローラ８２は、モニタモジュール４５から受け取ったレーザビームの出力結果に基づき、その出力が最大となるようにドライバ８７に指令して、ビームステアリングユニット８６を駆動制御して、発振段レーザ５０から放出されるレーザ光の進行方向を制御する。
【００５０】
例えばこのような構成の露光用２ステージレーザ装置において、本発明に基づいて、リア側ミラー１とフロント側ミラー２とからなる共振器内部におけるレーザ光のエネルギが非常に高くなる増幅段レーザ６０の、チャンバー３とリア側ミラー１との間、及び、チャンバー３とフロント側ミラー２の間に、それぞれビーム拡大光学系を介在させて、チャンバー３側からリア側ミラー１及びフロント側ミラー２に入射するレーザビームの径を拡大させ、その結果、それぞれのミラー１、２に入射する単位面積当たりのレーザ光のエネルギを減らすようにすることにより、リア側ミラー１及びフロント側ミラー２の耐久性を向上させるようにするのが、本発明の原理である。もちろん、前記したように、増幅段レーザを含まないエキシマレーザ装置や炭酸ガスレーザ装置等の高出力ガスレーザ装置においては、発振段レーザを同様に構成することにより、発振段レーザのリア側ミラーとフロント側ミラーの耐久性を同様の原理で向上させることができる。
【００５１】
図３にこのような構成の増幅段レーザ６０の１例の概要を示す。図３は、図１のような配置の露光用２ステージレーザ装置の増幅段レーザ６０の構成のみを示す上面図であり、一対の放電電極４と５が紙面に垂直方向に配置されていて、放電領域２２は紙面に対し垂直に生じており、そのため、レーザ利得領域は放電領域２２と略等しくなっている。以後、レーザ利得領域も符号２２で示す。レーザチャンバー３の両端に設けられたウィンドー部材１７、１７とリア側ミラー１及びフロント側ミラー２との間にそれぞれビーム拡大光学系６１、６１’が配置され、レーザチャンバー３内のレーザ利得領域２２を通過したレーザビームの少なくとも１次元方向の幅を広げて、フロント側ミラー２及びレーザ利得領域２２を挟んで反対側に位置するリア側ミラー１にレーザ光（ｓｅｅｄ光）を入射させる。
【００５２】
このような配置の結果、増幅段レーザ６０からの出力レーザ光は、ビーム拡大光学系６１、６１’挿入前と挿入後で強度が同じ場合、挿入後のレーザビームの径は拡大率分大きくなり、またその拡大率がＡの場合、共振器のミラー１、２に照射されるレーザ光のエネルギ密度は約１／Ａとなり、ミラー１、２へのエネルギ密度負荷が低減する。したがって、リア側ミラー１及びフロント側ミラー２の耐久性が向上する。
【００５３】
ここで、ビーム拡大光学系６１、６１’としては、焦点距離の異なる２群のレンズ系を共焦点で配置してなるレンズ系や、後記の例のような拡大プリズムで構成することもできる。
【００５４】
また、レーザチャンバー３の両端に設けられたウィンドー部材１７、１７は、図３ではレーザ光に対して垂直に取り付けられているが、その取り付け角度は特に限定されず、図４等の実施例のように、ブリュースタ角やその他の角度で取り付けるようにしてもよい。
【００５５】
図４に、図１のような配置の露光用２ステージレーザ装置に用いられる増幅段レーザ６０の１実施例の要部を示す図であり、その（ａ）は上面図であり、一対の放電電極４と５が紙面に垂直方向に配置されていて、放電領域２２は紙面に対し垂直に生じている。その（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’断面を矢印方向から観察することにより、フロント側ミラー２をリア側ミラー１位置から見たときの図である。
【００５６】
この実施例は、発振段レーザ５０で発振されたｓｅｅｄ光２３の光軸と増幅段レーザ６０のリア側ミラー１とフロント側ミラー２とからなる共振器の光軸とが角度をなすように設定されている場合の例の１つであり、一対の放電電極４、５間の放電方向に対して垂直な方向からｓｅｅｄ光２３を増幅段レーザ６０へ注入する自由度が高いので、この放電方向に対して垂直な方向からｓｅｅｄ光２３を入射させる実施例である。しかし、ｓｅｅｄ光２３の注入は、この垂直な方向に限ったものではなく、どの方向（角度）から増幅段レーザ６０の光軸に対して注入するようにしてもよい。
【００５７】
この実施例において、リア側ミラー１のチャンバー３側のｓｅｅｄ光２３が入射する位置より光軸側に高反射率（全反射）ミラーコーティング８が施してあり、フロント側ミラー２のチャンバー３側には部分反射ミラーコーティング１０が、また、その反対側には反射防止コーティング９が施してある。なお、フロント側ミラー２の部分反射ミラーコーティング１０は、チャンバー側でなく、レーザ光出力側に設けてもよい。なお、以下の実施例では、高反射率（全反射）ミラーコーティング８、反射防止コーティング９、部分反射ミラーコーティング１０の図示は省くが、この実施例と同様である。
【００５８】
なお、フロント側ミラー２は、部分反射ミラーコーティング１０、反射防止コーティング９が施されていない透明基板で構成してもよい。例えば、発振段レーザが自然発振している場合において、レーザ光の波長がＡｒＦエキシマレーザ光の波長１９３ｎｍの場合、透明基板（螢石（ＣａＦ2 ））の表面反射率は４％程度であり、基板表面の表裏の反射を用いると約８％の反射率を持つ波長１９３ｎｍ用出力側ミラー（フロント側ミラー）２を、コーティングなしで実現することが可能である。ただし、発振段レーザが狭帯域レーザの場合、上記フロントミラー２の基板表面の表裏の反射によって光が干渉し、増幅されるレーザ光のスペクトルが分裂する。このような場合は露光装置用レーザとしては使用することはできない。この原理に関しては、後述する（図１１）。
【００５９】
上記のようなフロント側ミラー２の部分反射ミラーコーティング１０、反射防止コーティング９には破壊閾値があり、これを上回るレーザ光が部分反射ミラーコーティング１０と反射防止コーティング９に照射されると、これらのコーティングが破壊されてしまう。また、フロント側ミラー２に上記のようなコーティングが施されれないで構成されていても、レーザ光のエネルギ密度が高い場合は、その透明基板表面及びその内部の破壊が生じる。本実施例は、フロント側ミラー２への照射エネルギ密度を低減する実施例であり、レーザチャンバー３とフロント側ミラー２の間に、１個以上の三角プリズム６２、６３から構成され、三角プリズム６２の斜面にレーザチャンバー３側から斜めに入射し、反対側の面から略直角に射出して１次元方向にビーム径が拡大されて射出し、そのビーム径が拡大されたビームが別の三角プリズム６３の斜面に斜めに入射し、反対側の面から略直角に射出して１次元方向にさらにビーム径が拡大されて射出するビーム拡大光学系（ビームエキスパンダープリズム系）６１’が配置されて構成されている。そのため、フロント側ミラー２に照射されるレーザ光のエネルギ密度は、ビーム拡大光学系（ビームエキスパンダープリズム系）６１’が設置されていない場合と比較して低減し、フロント側ミラー２のさらなる長寿命化、また、高出力レーザ発振が可能となる。
【００６０】
図４（ｂ）は、図４（ａ）においてリア側ミラー１位置からフロント側ミラー２側を見たときの図であり、放電電極４、５、放電領域２２、フロント側ミラー２、そして、フロント側ミラー２から射出する出力レーザビームの断面の関係を図示してある。ビーム拡大光学系（ビームエキスパンダープリズム系）６１’が共振器内に設定されていない場合は、破線ａで囲まれた大きさになり、ビーム断面の大きさは放電領域２２断面と同等又はそれ以下の大きさになるが、ビーム拡大光学系（ビームエキスパンダープリズム系）６１’を設けた場合は、破線ｂで囲まれた大きさになり、出力レーザ光はその拡大率の分拡大される。
【００６１】
なお、反射防止コーティングと部分反射コーティングの紫外線レーザ光に対する耐性を比較すると、反射防止膜コートの方がコーティングの層数が少ないために、耐久性は高い。したがって、増幅段レーザ６０でのレーザ出力の低下を防ぐために、ビームエキスパンダープリズム系６１’を構成する三角プリズム６２、６３のレーザ光透過面に反射防止コーティングを施してもよい。また、増幅段レーザ６０での出力低下が問題にならないレベルであれば、そのようなコーティングを省いてもよい。
【００６２】
なお、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合は、各プリズム６２、６３の各面は、フロント側ミラー２及びリア側ミラー１の反射面との間で多重干渉を起こさないような角度に設置するようにすることが望ましい。この理由に関しては後述する（図１１）。
【００６３】
また、図４では、ビームエキスパンダープリズム系６１’が放電方向（図４（ａ）面方向）に対して垂直方向に拡大するように設置されているので、出力レーザ光の断面は図４（ｂ）の横方向に拡大されている。この場合、レーザビームが狭い方向の一方向のみのビームを拡大して、レーザビームを正方形に近い形状にすることが可能となるので、大きなフロント側ミラー２は必要とせず、コストメリットは大きくなる。さらに、ウィンドー部材１７をブリュースタ角で設置して、ウインドー部材１７に対してＰ偏光成分と拡大プリズムの斜面のＰ偏光成分が一致するように配置することにより、プリズム増幅段レーザの効率も高くなる。また、原理的には、縦方向のみ、又は、縦横共に出力レーザ光の断面を拡大するようにすることも可能である。また、球面レンズ、円筒レンズを三角プリズムの代りに用いて、又は、三角プリズムと組み合わせて用いることにより、出力レーザ光の断面を自由に縦横拡大するようにすることも可能である。
【００６４】
図５に、図１のような配置の露光用２ステージレーザ装置に用いられる増幅段レーザ６０の別の実施例の上面図を示す。この実施例は、図４の実施例におけるフロント側ミラー２の機能をビームエキスパンダープリズム系６１’の最も外側の三角プリズム、図４、図５では２個で構成するので三角プリズム６３の射出側の面に部分反射ミラーコーティング１０を直接施して兼ね備えさせ、フロント側ミラー２を省いた例である。このような構成により、共振器の構成部品であるフロント側ミラーを省くことが可能となり、レーザ装置のコスト低減が可能となる。
【００６５】
この例の場合も、反射防止コーティングと部分反射コーティングの紫外線レーザ光に対する耐性を比較すると、、反射防止膜コートの方がコーティングの層数が少ないために、耐久性は高い。したがって、増幅段レーザ６０でのレーザ出力の低下を防ぐために、ビームエキスパンダープリズム系６１’を構成する三角プリズム６２、６３の部分反射ミラーコーティング１０を施した面以外のレーザ光透過面には、反射防止コーティングを施してもよい。また、増幅段レーザ６０での出力低下が問題にならないレベルであれば、そのようなコーティングを省いてもよい。
【００６６】
また、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合は、各プリズム６２、６３の部分反射ミラーコーティング１０を施した面以外の各面は、リア側ミラー１の反射面及びその部分反射ミラーコーティング１０を施した面との間で多重干渉を起こさないような角度に設置するようにすることが望ましい。この理由に関しては後述する（図１１）。
【００６７】
図６に、図１のような配置の露光用２ステージレーザ装置に用いられる増幅段レーザ６０のさらに別の実施例の上面図を示す。この実施例は、図４の実施例において、さらに、リア側ミラー１への照射エネルギ密度も低減させるために、ビームエキスパンダープリズム系６１’と同様の構成のビームエキスパンダープリズム系６１をレーザチャンバー３とリア側ミラー１の間に配置し、リア側ミラー１に照射されるレーザ光のエネルギ密度を、ビームエキスパンダープリズム系６１が設置されていない場合と比較して低減し、リア側ミラー１のさらなる長寿命化、また、高出力レーザ発振が可能となるようにしたものである。
【００６８】
この場合も、反射防止コーティングと部分反射コーティングの紫外線レーザ光に対する耐性を比較すると、反射防止膜コートの方がコーティングの層数が少ないために、耐久性は高い。したがって、増幅段レーザ６０でのレーザ出力の低下を防ぐために、ビームエキスパンダープリズム系６１、６１’を構成する三角プリズム６２、６３のレーザ光透過面には、反射防止コーティングを施してもよい。また、増幅段レーザ６０での出力低下が問題にならないレベルであれば、そのようなコーティングを省いてもよい。また、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合は、各プリズム６２、６３の各面は、フロント側ミラー２及びリア側ミラー１の反射面との間で多重干渉を起こさないような角度に設置するようにすることが望ましい。この理由に関しては後述する（図１１）。
【００６９】
図７に、図６の増幅段レーザ６０の変形例を示す。この実施例においは、リア側ミラー１の機能をビームエキスパンダープリズム系６１の最も外側の三角プリズム、図６では２個で構成するので三角プリズム６３のｓｅｅｄ光２３入射側の面の、ｓｅｅｄ光２３が入射する位置より光軸側に高反射率（全反射）ミラーコーティング８を直接施して兼ね備えさせ、リア側ミラー１を省いた例である。このような構成により、共振器の構成部品であるリア側ミラーを省くことが可能となり、レーザ装置のコスト低減が可能となる。
【００７０】
この場合も、反射防止コーティングと部分反射コーティングの紫外線レーザ光に対する耐性を比較すると、反射防止膜コートの方がコーティングの層数が少ないために、耐久性は高い。したがって、増幅段レーザ６０でのレーザ出力の低下を防ぐために、ビームエキスパンダープリズム系６１、６１’を構成する三角プリズム６２、６３のレーザ光透過面には、反射防止コーティングを施してもよい。また、増幅段レーザ６０での出力低下が問題にならないレベルであれば、そのようなコーティングを省いてもよい。また、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合は、各プリズム６２、６３の各面は、フロント側ミラー２及びリア側ミラー１の反射面との間で多重干渉を起こさないような角度に設置するようにすることが望ましい。この理由に関しては後述する（図１１）。
【００７１】
図８に、図７の増幅段レーザ６０の変形例を示す。この実施例においは、フロント側ミラー２の機能も、図５の実施例と同様に、ビームエキスパンダープリズム系６１’の最も外側の三角プリズム、図７では２個で構成するので三角プリズム６３の射出側の面に部分反射ミラーコーティング１０を直接施して兼ね備えさせ、フロント側ミラー２を省いた例である。このような構成により、共振器の構成部品であるリア側ミラー、フロント側ミラーを省くことが可能となり、搭載光学部品の削減及びレーザ装置のコスト低減が可能となる。
【００７２】
図９に、図５や図８の実施例に用いるフロント側ミラーと兼用したビームエキスパンダープリズム系６１’に用いる三角プリズム６２、６３の数値例を示す。それぞれの三角プリズム６２、６３、６３’は螢石（ＣａＦ2 ）で構成され、波長１９３．４ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光に適用されるものとする。この波長におけるＣａＦ2 の屈折率は、１．５０１９６である。例えば、図９（ａ）は、１個の三角プリズム６２でビームエキスパンダープリズム系６１’を構成する場合で、三角プリズム６２の射出側の面に部分反射ミラーコーティング１０を直接施してビームエキスパンダープリズム系６１’を構成し、部分反射ミラーコーティング１０を透過して出力されるレーザ光を偏向して三角プリズム６２に入射するレーザ光と平行にするために、三角プリズム６２の出力側に同様の構成の三角プリズム６３’を頂角が反対側に向くように配置している。ここで、三角プリズム６２と６３’頂角をそれぞれα１とα２とすると、α１＝３８．１°、α２＝４０．０°とし、三角プリズム６２の斜面の入射角度θを６７．９°とすることにより、三角プリズム６２の部分反射面１０の光の射出角度は０°となり、増幅段レーザ６０のフロント側ミラー２としての機能を果たす。ここでのビーム拡大率は２．０９倍となる。そして、三角プリズム６３’の斜面への入射角度は、６６．０°とて、三角プリズム６２と三角プリズム６３’を頂角が反対側に向くように配置している。三角プリズム６３’の倍率は１．９５倍となる。合計すると４．０７倍となる。この方式のメリットは、１個のプリズム（三角プリズム６２）によりフロントミラーを構成することによって、透過する面数が一か所となり、増幅段レーザ６０の共振器内の損失を小さくできることと、２個のプリズム間の光の干渉を防ぐことができること。さらに、もう１個のプリズム６３’により、ビームの射出方向を同じ方向に補正することができ、かつ、ビームを拡大することができため、増幅段レーザ６０後の光学素子への損傷を防ぐことができることである。
【００７３】
図９（ｂ）は、２個の多少異なる三角プリズム６２、６３でビームエキスパンダープリズム系６１’を構成する場合で、三角プリズム６２と三角プリズム６３を頂角が反対側に向くように配置し、最も外側の三角プリズム６３の射出側の面に部分反射ミラーコーティング１０を直接施してビームエキスパンダープリズム系６１’を構成している。ここで、三角プリズム６２と６３の頂角をそれぞれα１とα２とすると、α１＝４０．０°、α２＝３８．１°とし、三角プリズム６２の斜面の入射角度を６６．０°とすることにより、三角プリズム６２の部分反射面１０の光の出射角度は３．７９°となる。ここでのビーム拡大率は１．９５倍となる。そして、三角プリズム６３の斜面への入射角度は、６７．９°として、三角プリズム６２と三角プリズム６３を頂角が反対側に向くように配置すると、このプリズムの部分反射コート面１０の射出角度は０°となり、出力側ミラーとしての機能を果たす。三角プリズム６３の倍率は２．０９倍となる。合計すると４．０７倍となる。この実施例のメリットは、拡大率を約４倍にすることができるため、エネルギ密度が従来の場合の１／４以下となるので、部分反射コーティングの耐久性が図９（ａ）の実施例に比べて延びることである。この実施例では、三角プリズム６２と６３の垂直面が光軸に対して一致しないように設計している。この理由は、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合、上記２つの垂直面で光が干渉し、増幅されるレーザ光のスペクトルが分裂するためである。この実施例では、三角プリズム６２及び６３の頂角の多少異なるものを採用することによって、光の干渉を防いでいる。また、三角プリズム６２の斜面と射出面と三角プリズム６３の斜面には、反射防止コーティングを施すことにより、増幅段レーザ６０の発振効率を高くすることができる。増幅段レーザ６０の出力低下が問題にならないレベルであれば、一部又は上記全ての面において反射防止コーティングを施さなくてもよい。
【００７４】
また、図９（ｂ）において、入射角度がブリュースタ角に近いプリズムを使用することにより、さらに効率の高い増幅段レーザ６０の共振器を構成することができる。三角プリズム６２と６３の頂角をそれぞれα１＝２９．００°、α２＝３１．６３°とし、三角プリズム６２の斜面の入射角度をプリュースタ角の５６．３０°とすることにより、三角プリズム６２の部分反射面１０から光の射出角度は−０．１２２°となる。ここでのビーム拡大率は１．４９倍となる。そして、三角プリズム６３の斜面への入射角度は、５１．９４°として、三角プリズム６２と三角プリズム６３を頂角が反対側に向くように配置すると、このプリズムの部分反射コート面１０の出射角度は０°となり、出力側ミラーとしての機能を果たす。三角プリズム６３の倍率は１．３８倍となる。合計すると２．０６倍となる。この実施例では、三角プリズム６２と６３の垂直面が光軸に対して一致しないように設計する。この理由は、発振段レーザ５０が狭帯域レーザの場合、上記２つの垂直面で光が干渉し、増幅されるレーザ光のスペクトルが分裂するためである。この実施例では、三角プリズム６２及び６３の頂角の多少異なるものを採用することによって、光の干渉を防いでいる。さらに、この実施例のメリットは、三角プリズム６２及び６３の斜面の入射角度は略ブリュースタの角度なので、コーティングを施さなくても反射ロスはほとんどなく、増幅段レーザ６０の発振効率は高い状態で維持することができる。
【００７５】
図１０に、入力側ミラー１の裏面からｓｅｅｄ光２３を注入した場合における増幅段レーザ６０の共振器の上面図を示す。この実施例において、一対の放電電極４と５が紙面に垂直方向に配置されていて、放電領域２２は紙面に対し垂直に生じている。図５の実施例に対して異なっている点は、入力側ミラー１の表面には、例えば反射率約９０％の高い反射率の部分反射ミラーコーティング１０１が施されている。ｓｅｅｄ光２３は入力側ミラー１の裏面から入力され、部分反射ミラーコーティング１０１によって１０％透過し、ブリュースタ角で配置されたリア側ウインドー部材１７を透過し、放電電極４及び５で形成される放電領域２２を透過し、光増幅される。そして、フロント側ウインドー部材１７を透過して、三角プリズム６２を透過して、ビームが拡大され、三角プリズム６３の斜面から入射し、垂直面に施された部分反射ミラーコーティング１０によって一部透過し、レーザ出力光として出力され、残りの光は反射され、再び三角プリズム６３及び６２を透過して、フロント側ウインドー部材１７に入射する。フロント側ウインドー部材１７を透過した光は、レーザの放電領域２２を透過することにより光が増幅される。リア側ウインドー部材１７を透過した光は、再び入力側ミラー１の部分反射ミラーコーティング１０１により９０％反射されて、再びレーザチャンバー３に戻される。このようにして、ｓｅｅｄ光２３を増幅段レーザ６０の共振器に注入することにより、ＭＯＰＯ動作が可能となる。この実施例では、ビーム拡大光学系をフロント側のビーム拡大光学系６１’として設置した場合の例を示したが、これに限定されることなく、図６の実施例と同様、リア側にビーム拡大光学系６１を配置してもよい。これにより、入力側ミラー１の部分反射ミラーコーティング１０１の耐久性を向上させることができる。
【００７６】
図１１に、増幅段レーザ６０の共振器内の面で光の干渉が発生した場合のスペクトルの形状の悪化と出力変動の原理図を示す。図１１（ａ）は、図１０の実施例に対して、出力側ミラー２として、コーティングを施していないＣａＦ2 の平行平面基板を出力側ミラー２とした場合の増幅段レーザ６０の例である。この場合の出力側ミラー２の反射率は光の干渉のため、波長依存性を示す。図１１（ｂ）には、この出力側ミラー２の反射率の波長依存性を細線で示す。例として、厚さｄのＣａＦ2 平行平面基板の反射率は、波長に対して周期的に０〜約１８％の間で変化する。この周期フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）は、基板の厚みｄと基板の屈折率ｎと波長λとから計算することができる。すなわち、ＦＳＲ＝λ2 ／（２ｎｄ）。ここで、波長λ＝１９３ｎｍ、基板厚みｄ＝１４ｍｍ、ＣａＦ2 の屈折率ｎ＝１．５０１９６とすると、フリースペクトラルレンジは０．８９ｐｍとなる。図１１（ｂ）の破線と太実線は、それぞれ、出力側ミラー２の表面に部分反射ミラーコーティング１０を施した場合のスペクトルプロファイルと、ノーコート平行平面基板の場合のスペクトルプロファイルを示す。出力側ミラー２がノーコート平行基板の場合（太実線）は、スペクトルプロファイルが分裂した形となる。この原因を以下に説明する。
【００７７】
出力側ミラー２の反射率が０になると、この増幅段レーザ６０は単にｓｅｅｄ光２３を増幅するのみの機能となり、１パスのＭＯＰＡの出力となる。この場合、単なる増幅としての機能となるので、レーザ出力は低下する。一方、出力側ミラー２の反射率が増加するにつれて、ｓｅｅｄ光２３が増幅段レーザ６０において光共振して出力するＭＯＰＯ動作となり、増幅段レーザ６０の出力は増加する。このように、波長によって、ＭＯＰＡ動作とＭＯＰＯ動作が起きるため、スペクトル形状は大きく変化し、レーザ出力も大きく変動する。この例では、出力ミラー２の両面で光の干渉をした場合を示したが、例えば、三角プリズム６２及び６３の垂直面が増幅段レーザ６０の光共振器の光軸と一致すると、同様な光の干渉が発生するため、光共振器との光軸を外す必要がある。
【００７８】
ところで、以上のように１個以上の三角プリズム６２、６３から構成され、一方の斜面に斜めに入射させ、他方の面から略直角に射出させるビームエキスパンダープリズム系６１、６１’を、レーザチャンバー３と出力側ミラー２の間、及び、レーザチャンバー３とリア側ミラー１の間に配置してレーザビームの径を拡大することによって、ミラー１、２に照射されるエネルギ密度を損傷閾値以下に落とす場合、波長によりプリズムの屈折率が変化するため、図４の場合と例にとると、レーザチャンバー３側から進行してくる光が出力側ミラー２の部分反射ミラーコーティング１０へ入射する角度が波長により相違することになってしまう。したがって、その入射角度がある波長では垂直であったとしても、他の波長へ変更すると、部分反射ミラーコーティング１０への入射角度が垂直ではなくなるため、部分反射ミラーコーティング１０で反射した光は入射光軸とは相違する軸に沿ってレーザチャンバー３方向へ戻る。その反射光がプリズム６２、６３内部を透過すると、軸ずれは一層大きくなって放電領域２２内へ戻る率も低下し、レーザ出力が減少してしまうという問題点がある。図１２に、ビームエキスパンダープリズム系（ビーム拡大光学系）６１’を使用した場合の出力の波長依存性を示す。中心波長が１００ｐｍ変化すると、出力が半減することが分かる。また、三角プリズム６２、６３の垂直面では、ビームサイズの拡大率が小さいため、照射エネルギ密度が高く、この表面が損傷してしまうという問題点があることも分かった。
【００７９】
以下、本発明の別のビーム拡大光学系による出力の波長依存性を減少させる構成の原理と実施例について説明する。また、三角プリズムの垂直面の損傷リスクを減らすために、その面における照射エネルギ密度を下げる実施例についても説明する。
【００８０】
前記したように、ガスレーザ装置は、レーザ媒質（レーザガス）を励起する電極や電源、レーザ媒質となる数種類のガス、光を増幅させるための共振器からなる。一般的に、電極が配置されているレーザチャンバーの両端に共振器となるミラーを配置する。レーザ媒質となるガス（ＡｒＦエキシマレーザの場合は、Ｆ2 ガス、Ａｒガス、希釈ガスとしてＮｅやＨｅガス）をチャンバー内に封入して、その中に対向して取り付けられた放電電極間に高電界を印加し、そこで放電させる。放電によってガスは励起され、レーザ媒質（ＡｒＦエキシマレーザの場合は、ＡｒＦ* エキシマ分子）が生成される。放電電極は細長い形状をしているため、利得（ゲイン）領域はその電極長手方向に長い形状をしている。一般的に、幅は数ｍｍ、高さは数〜十数ｍｍ、長さは数百ｍｍのサイズである。レーザ媒質から自然放出された光は、この細長いゲイン領域を数〜十数回往復して増幅されることによって、レーザ発振する。光を往復させるために、両端に共振器であるミラーが配置されている。このミラーによって、同一軸上を光が往復してレーザ出力される。このレーザ光が増幅されるために、光が往復する同一軸上をレーザ光軸と呼び、ゲイン分布を発生させる電極の長手方向の軸上にある。
【００８１】
光学素子において、素子内部を通過する光の波長によってその屈折率が変化する。例えば、ＡｒＦエキシマレーザやＦ2 レーザでは、光学素子としてＣａＦ2 を用いるが、ＣａＦ2 の屈折率ｎ（λ）は、
ｎ（λ）＝1.7865829 −1.949727×10-3λ＋2.4708935 ×10-6λ2 
で表せることが知られている。
【００８２】
このように、レーザ光の波長が変化すると、それに応じて光学素子の屈折率も変化する。図１３に、三角プリズムＰｒにおいて、波長によりビーム光路がずれる様子を示す。図１３の中央のレーザ光路ｂをレーザ光軸とする。いま、このレーザ光軸上から光が三角プリズムＰｒに入射した後、ミラーＭｉで反射して戻ってくる場合を想定する。この図では、λ0 の波長に対してビーム拡大光学系が設計されており、λ0 の波長に対しては、反射光のビーム光路は、入射光の光路と同一のレーザ光軸上に戻ってくる。このような設計のとき、λ0 より短波長の光（λ0 −ｄλ）が、光路ｂからプリズムＰｒに入射すると、プリズムＰｒの屈折率がｎ（λ0 −ｄλ）＞ｎ（λ0 ）となるので、図中のａの光路上に返ってくる。レーザ媒質のゲイン領域（電極の長手方向）は、ｂのレーザ光軸上にあるため、反射光がレーザ光軸ｂから外れると、その光は増幅されず、減衰して出力が低下することになる。そのため、ａの光路上に戻る波長λ0 −ｄλの光は、減衰する。同様に、λ0 より長波長の光（λ0 ＋ｄλ）が、光路ｂからプリズムＰｒに入射すると、プリズムＰｒの屈折率がｎ（λ0 ＋ｄλ）＜ｎ（λ0 ）となるので、図中のｃの光路上に返ってくる。この場合も、レーザ光軸ｂから外れているため、波長λ0 ＋ｄλは、減衰する。
【００８３】
この出射角のずれ量は、プリズムＰｒの頂角の大きさに依存する。頂角が小さいと、角度ずれ量は小さく、頂角が大きいと、角度ずれ量も大きい。
【００８４】
上述の通り、レーザ光は、通常、数〜十数回共振器内を往復してレーザ媒質内で誘導放出により光が増幅されて出力される。そのため、レーザ光として取り出すためには、途中でレーザ媒質のあるゲイン領域から外れてはならない。レーザゲイン領域には、電極幅分の幅があるから、その幅からレーザ光路が外れなければよいが、図１３のように大きな角度ずれが発生すると、共振器内部を光が往復する回数の増加と共にゲイン領域から外れてしまう。これが、以上のような一方の斜面に斜めに入射させ、他方の面から略直角に射出させる三角プリズム６２、６３からなるビームエキスパンダープリズム系６１、６１’を用いたときに、出力の波長依存性が発生する原因である。
【００８５】
出力の波長依存性が発生しないようにするためには、上述の角度ずれを補正すればよい。そこで、図１４に示すように、共振器の反対側にその角度ずれを補正するものを配置してやればよい。その方法としては、図１３のミラーＭｉを出力側とすると、出力側に配置した三角プリズムＰｒとミラーＭｉの構成をそのまま、左右上下反転させてリア側に配置する方法がある。同じ構成・形状、同じ材質、同じ入射角なので、角度ずれの大きさは同じある。かつ、反転しているので、角度ずれの方向が逆転する。結果として、リア側から反射して戻ってきた光の光路は、レーザ光軸ｂと平行になっている。ゲイン領域内をビームが通過する位置は若干ずれるが、角度ずれが補正されるため、補正前に比べてゲイン領域から光が外れ難くなる。
【００８６】
もう１つの方法として、ウェッジ基板をビーム拡大光学系の素子として使用すると、ビーム拡大光学系を光が通過することによる角度ずれを小さくすることができる。図１５に、ウェッジ基板Ｗｅを用いた場合のビーム拡大光学系の様子を示す。これは、三角プリズムＰｒの頂角を小さくし、両斜面に斜めに入射させる場合に相当する。ウェッジ角αとしては数〜十数°であり、そのため、反射して返ってきた光の角度ずれ量は小さい。ウェッジ角が０°のときは、角度ずれは０°になり、入射光軸上に戻ってくる。ただし、ウェッジ角が小さいと、必要なビーム拡大率が得られ難くなるため、ビーム入射角を三角プリズムの場合に比べて大きくする必要がある。
【００８７】
図１６に、ビーム拡大光学系におけるレーザ光路の入射角、頂角、偏角の関係を示す。図示するように、レーザ光がレーザ光軸上からウェッジ基板Ｗｅに入射角θ1 で入射すると、ウェッジ基板Ｗｅの屈折率ｎ（λ）の値に依存して図示するような角度θ2 、θ3 、θ4 で屈折してウェッジ基板Ｗｅから出射される。ウェッジ基板Ｗｅから出射されるビームの方向は、ウェッジ基板Ｗｅに入射する前のレーザ光軸とは角度β°だけずれている。
【００８８】
いま、ウェッジ基板Ｗｅの頂角（ウェッジ角）をα、光学素子の屈折率をｎ（λ）、ウェッジ基板Ｗｅが置かれている雰囲気ガスの屈折率をｎ’（空気の場合は、ｎ’＝１、一般的にパージガスとして使用される窒素ガスの場合は、ｎ’＝１．０００３２１７８）、レーザの中心波長をλ0 とすると、
ｎ’ｓｉｎθ1 ＝ｎ（λ0 ）ｓｉｎθ2                           ・・・（１）
ｎ（λ0 ）ｓｉｎθ3 ＝ｎ’ｓｉｎθ4                           ・・・（２）
θ3 ＝θ2 −α                                                ・・・（３）
β＝θ1 −θ2 ＋θ3 −θ4                                     ・・・（４）
の関係式で書き表すことができる。ここでの（１）、（２）式はスネルの法則に基づくものである。
【００８９】
いま、波長λ0 の場合に、ビーム拡大光学系に入射するレーザ光軸とミラーＭｉとがなす角度は、９０−β°となる。
【００９０】
また、このとき、ビーム拡大率Ｍ（上記ではＡを使用したが、ここではＭを使用する。）は、
Ｍ＝（ｃｏｓθ2 ・ｃｏｓθ4 ）／（ｃｏｓθ1 ・ｃｏｓθ3 ）    ・・・（５）
の式で書き表すことができる。
【００９１】
レーザ波長がλ0 であれば、ミラーＭｉで反射したレーザ光は、ビーム拡大光学系に入射する前のレーザ光軸上に戻される。しかし、レーザ波長がλに変化した場合は、前述したように、ウェッジ基板Ｗｅの屈折率が波長依存性を持つため、その出射角が変化する。ウェッジ基板Ｗｅから出射されるビームの方向が、ウェッジ基板Ｗｅに入射する前のレーザ光軸と角度β’°になるとすると、ミラーＭｉへの入射角は垂直ではなくなり、β’−β°になる。このため、ミラーＭｉで反射した光はレーザ光軸から外れ、図示するように、ウェッジ基板Ｗｅへの入射光軸と偏角γ°で出射される。このとき、ミラーＭｉで反射してビーム拡大光学系に再入射するときの角度を、図示するように、θ1'、θ2'、θ3'、θ4'とすると、
ｎ’ｓｉｎθ4'＝ｎ（λ）ｓｉｎθ3'                            ・・・（６）
ｎ（λ）ｓｉｎθ2'＝ｎ’ｓｉｎθ1'                            ・・・（７）
θ4'＝θ4 ＋β’−β                                          ・・・（８）
θ2'＝θ3'＋α                                                ・・・（９）
γ＝θ1'−θ1                                               ・・・（１０）
の関係式で書き表すことができる。以上の関係式を用いて、偏角γの頂角α依存性を計算すると、図１７に示す結果となる。ここでは、中心波長λ0 ＝１９３．３６８ｎｍ、入射角θ1 ＝５２．３５°、頂角α°の条件でミラーＭｉで反射したレーザ光が入射光軸上に戻るように配置したとき、波長をλ＝１９３ｎｍ及びλ＝１９３．７ｎｍに変化させた場合に偏角γがどうなるかを計算している。なお、図中に示された直角プリズムは、図１３の三角プリズムＰｒの場合を示している。
【００９２】
この結果、波長がずれた場合、頂角αが小さくなるに従って、偏角γが小さくなっていくことが分かる。頂角α＝０°のとき、偏角γは０°になる。入射角が５２．３５°のときに、直角プリズムＰｒになるための頂角の値は、α＝θ2 であるから、α＝３１．８２°になる。このときの偏角γは０．０３５°程度あるが、頂角を５°以下にすることによって、偏角を０．０１°以下に減少させることができる。
【００９３】
同条件のモデルにおいて、拡大率を計算した結果を図１８に示す。頂角を小さくすると偏角が小さくなるが、図１８に示すように、拡大率も小さくなることが分かる。そのため、同じ拡大率にするために、頂角を小さくする場合には、入射角を大きくする必要がある。なお、拡大率の頂角依存性には、レーザ波長の影響が小さいことも分かる（図１８では、３つの波長λ0 ＝１９３．３６８ｎｍ、λ＝１９３ｎｍ及びλ＝１９３．７ｎｍの曲線が重なっている。）。
【００９４】
図１９には、拡大倍率Ｍの入射角θ1 依存性を示す。図中には、直角プリズム（各入射角に対して、直角プリズムになるように、各頂角もα＝θ2 として各々計算した。）と、小頂角の代表として頂角α＝４．４５°の場合について示している。前述と同じ入射角θ1 ＝５２．３５°の場合、直角プリズムでは、拡大率Ｍは１．３７倍になる。頂角を小さくしたときに、この倍率を同じ倍率にするために、例えば、頂角を４．４５°にする場合には、入射角を６７．１°にしてやればよい。ここで、頂角を４．４５°で計算しているが、頂角が４．４５°よりさらに小さくした場合では、必要な入射角は６７．１°以上になるし、頂角が４．４５°より大きくてもよい場合では、入射角は６７．１°以下にできる。
【００９５】
ここで、入射角を大きくしているが、偏角は入射角を大きくすることによって多少大きくなる。図２０には、偏角γの入射角θ1 依存性を示す。図１９と同様に、直角プリズムの場合と頂角４．４５°の場合について図示してある。波長は、λ＝１９３．０ｎｍとλ＝１９３．７ｎｍの場合について、それぞれ示す。偏角は、入射角が大きくなると大きくなるが、頂角が小さい場合は、その影響は小さく、ほとんど変化しない。そのため、入射角を大きくしたとしても、頂角を小さくすることによる偏角の減少効果の方が大きくなる。図２０で示すように、拡大倍率１．３７倍のとき、直角プリズムの場合の偏角は０．０３６°に対して、頂角４．４５°の場合は０．０１°と小さくなる。ここでは、ウェッジ基板Ｗｅの代表として、頂角（ウェッジ角）４．４５°の場合について示したが、異なる頂角であっても、直角プリズムの頂角より小さければ、その効果は同じであり、同拡大率において、偏角を小さく、つまり、出力の波長依存性を小さくすることができる。
【００９６】
また他の方法として、波長が変化したら、それに合わせてビーム拡大光学系へのビーム入射角を変えて、ビーム光路がずれないように制御する方法がある。図２１にその方法を示す。図２１（ａ）が、波長がｄλだけ長波長に変化したときの制御で、図２１（ｂ）が、波長がｄλだけ短波長に変化したときの制御である。波長λ0 に対して設計されている三角プリズム式ビーム拡大光学系（図１３）において、波長がλ0 ＋ｄλに変化したとする。この場合、図２１（ａ）中に実線で表した光路に沿って角度がずれる。そのときのプリズムＰｒ内での角度ずれをθとする。この角度変化θがなくなるように、入射角をθ変化させてやれば、点線で表した光路上に変化する。入射角を変化させるために、プリズムＰｒの位置を回転させてやる。このときの回転の中心は、ビームの入射点とする。波長がλ0 −ｄλの短波長に変化した場合（図２１（ｂ））も同様で、今度は逆方向にプリズムＰｒをθだけ回転させてやれば、角度ずれを補正して、レーザ光軸ｂ上に戻してやることができる。
【００９７】
また、波長が変化したら、それに合わせて、出力側ミラーＭｉあるいはリア側ミラーＭｉのあおり（角度）を、ビーム光路がずれないように制御する方法もある。原理は図２１の場合と同様で、中心波長が変化することによって、ミラーＭｉに到達する光の進行方向がミラーＭｉに垂直でなくなるので、これが垂直になるようにミラーＭｉのあおり角を調整してやることによって、ミラーＭｉでの反射光をレーザ光軸上に戻してやることができる。
【００９８】
次に、以上のような出力の波長依存性が発生しないようにする方法を利用した実施例を以下に説明する。
【００９９】
図２２（ａ）、（ｂ）に、図６、図７に対応する実施例であって、図１４の方法を利用した実施例の上面図を示す。この実施例は、チャンバー３の両端のリア側と出力側ビーム拡大光学系（ＢＥＸ）６１、６１’に三角プリズム式ビーム拡大光学系を配置した実施例である。前記したように、出力の波長依存性を無視できる程度に小さくするため、リア側ビーム拡大光学系６１の三角プリズム６２、６３の組の配置を出力側ビーム拡大光学系６１’の三角プリズム６２、６３の組の配置に対して上下左右反転させている。このような配置により、波長が変化しても、出力側ビーム拡大光学系６１’を通過した後に変化したビームのレーザ光軸からの角度ずれは、リア側ビーム拡大光学系６１を透過することによってなくす（相殺する）ことができる。これによって、出力の波長依存性が緩和される。なお、図２２（ａ）、（ｂ）のそれ以外の構成部品は以上の説明から明らかであるので説明は省く。
【０１００】
図２３には、出力側のみに三角プリズム式ビーム拡大光学系６１’を配置したときと、リア側にも１８０°回転対称な三角プリズム式ビーム拡大光学系６１を配置したときの、出力の波長依存性を示す。これで、例えば、±１００ｐｍ波長が変化した場合、片側ビーム拡大光学系配置では出力が半減してしまうが、両側ビーム拡大光学系配置では、出力は数％の減少ですむことが分かる。この程度の出力減少であれば、放電電極４と５への印加電圧やチャンバー３のガス圧力を増加させることで、一定出力に制御することが可能となる。
【０１０１】
図２２（ｂ）は、出力側のビーム拡大光学系６１’の２個目（外側）の三角プリズム６３の垂直面に部分反射ミラーコーティング１０を成膜して、出力側ミラーの代わりにしている。また、リア側のビーム拡大光学系６１の２個目（外側）三角プリズム６３の垂直面には、９０％付近の反射率を持つ部分反射ミラーコーティング１０を成膜して、リア側ミラーの代わりにしている。部分反射ミラーコーティング１０に照射するレーザ光の単位面積当たりのピークエネルギ（照射ピークフルエンス; ｍＪ／ｃｍ2 ）が損傷閾値及び歪みの閾値を超えないように、ビーム拡大光学系６１、６１’の拡大率を設定している。この場合、ビーム拡大光学系の拡大率は、出力側及びリア側のビーム拡大光学系６１、６１’で同じなので、どちらか照射フルエンスの高い方の拡大率に合わせている。ここで、使用する部分反射ミラーコーティング１０、反射防止コーティング９は、ＭｇＦ2 、ＧｄＦ3 、ＬａＦ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＡｌＦ3 といった薄膜を多層又は単層に成膜して製作される。成膜方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム法（ＥＢ）、イオンビームスパッタリング法（ＩＢＳ）等がある。
【０１０２】
なお、この方式は、三角プリズム式のビーム拡大光学系６１、６１’以外でも有効であり、ウェッジ基板式のビーム拡大光学系でも使用できる。
【０１０３】
次に、図２４に、図４、図６に対応する実施例であって、図１６のウェッジ基板を使用した方法を利用した実施例（ａ）と図１６と図１４を組み合わせた実施例（ｂ）の上面図を示す。
【０１０４】
ウェッジ基板９２を使用することにより、出力の波長依存性を小さくすることができる。図２４（ａ）は、レーザチャンバー３とフロント側ミラー２の間に、１個のウェッジ基板９２からなるビーム拡大光学系９１’を配置した場合であり、図２４（ｂ）は、レーザチャンバー３とリア側ミラー１の間にも１個のウェッジ基板９２からなるビーム拡大光学系９１を配置した両側ビーム拡大光学系配置の場合である。図２４（ｂ）の場合、リア側ビーム拡大光学系９１のウェッジ基板９２の配置を出力側ビーム拡大光学系９１’のウェッジ基板９２の配置に対して上下左右反転させている。片側にウェッジ基板を使用したビーム拡大光学系９１’を配置するだけ（図（ａ））でも出力の波長依存性は小さくできるが、両側にウェッジ基板を使用したビーム拡大光学系９１、９１’を配置することによって、さらに出力の波長依存性を小さくすることが可能である。この構成では、ウェッジ基板が１枚なので、構造がシンプルで、ビーム拡大光学系９１、９１’を挿入することによる共振器長の増加も小さくできるメリットがある（共振器長が増加すると、レーザ出力が減少することは知られている。）。しかし、図２４（ａ）、（ｂ）に図示するように、出力側ミラー２から出力されるレーザ光は、レーザチャンバー３内のレーザ光軸から図１６における偏角β°だけ傾いている。このため、この偏角を補正するために、出力側ミラー２の後に補正用の光学系が必要になるというデメリットがある。
【０１０５】
図２５（ａ）、（ｂ）は、各ビーム拡大光学系９１、９１’中に２枚のウェッジ基板９２、９３を使用して構成した図２４（ａ），（ｂ）に対応する実施例である。それぞれのビーム拡大光学系９１、９１’中の２枚のウェッジ基板９２、９３は同一のものであり、２枚目のウェッジ基板９３は１枚目のウェッジ基板９２に対して上下反転させて「ハ」の字型に配置して、ビーム入射角が同一になるように配置している。このように配置することによって、ビーム拡大光学系９１、９１’出射後のレーザ光軸をビーム拡大光学系９１、９１’入射前のレーザ光軸と平行にする（偏角β＝0 °）ことができる。この原理を図２６を用いて説明する。図２６は、2 枚のウェッジ基板９２、９３にレーザ光が入射した場合のレーザ光路を示している。２個目のウェッジ基板９３上のビーム光路の角度は、図示するように、θ5 、θ6 、θ7 、θ8 とし、１個目のウェッジ基板９２からの出射光のビーム偏角をβ1 、２個目のウェッジ基板９３からの出射光のビーム偏角をβ2 とすると、
β1 ＝θ1 −θ2 ＋θ3 −θ4                                 ・・・（１１）
β2 ＝θ1 −θ5 ＋θ6 −θ7 ＋θ8                           ・・・（１２）
となる。いま、２個目のウェッジ基板９３は１個目のウェッジ基板９２と形状が同じで、上下反転させて入射角を同じ（θ5 ＝θ1 ）という条件にすると、
θ5 ＝θ1                                                   ・・・（１３）
θ6 ＝θ2                                                   ・・・（１４）
θ7 ＝θ3                                                   ・・・（１５）
θ8 ＝θ4                                                   ・・・（１６）
α1 ＝α2                                                   ・・・（１７）
が成り立つ。これらの（１３）〜（１７）式を（１２）式に代入してやると、
β2 ＝０                                                    ・・・（１８）
となる。つまり、上述の条件にすれば、偏角を０にして、出射されるレーザ光の光軸をチャンバー３内のレーザ光軸と平行にすることができる。
【０１０６】
ビーム拡大光学系９１、９１’中にウェッジ基板９２、９３を２個使用することの他のメリットとして、１枚で得られる拡大率を２倍にすることができるということがあげられる。また、波長分散の方向が２枚で逆向きなので、分散の影響を弱める配置である。ただし、枚数が増加すると、共振器長が増加して出力が減少する可能性もあることから、このビーム拡大光学系９１、９１’は小さく作ることが必要である。
【０１０７】
図２４、図２５のようなビーム拡大系９１、９１’により、出力側ミラー２の反射防止コーティング９及び部分反射ミラーコーティング１０に照射されるピークフルエンスを損傷閾値以下に低減させることができる上、波長の角度分散の小さい構成であることから、出力の波長依存性を無視することができる。
【０１０８】
図２７は、ウェッジ基板を使用したウェッジ基板式ビーム拡大光学系と三角プリズムを使用した三角プリズム式ビーム拡大光学系の出力の波長依存性を示す図であり、ビーム拡大光学系は両者共出力側のみに配置した場合であり、ビーム拡大光学系による拡大率は両者共１．８７倍である。三角プリズム式の場合、入射角が５２．３５°、頂角が３１．８２°である。ウェッジ基板式の場合は、入射角が６７．１°、ウェッジ角が４．４５°である。ウェッジ基板式の方が拡大率をかせぐために入射角が大きくなっている。図２７より、同じ拡大率であっても、ウェッジ基板式の方が出力の波長依存性が小さいことが分かる。この場合、例えば、±１００ｐｍ波長が変化した場合、片側にビーム拡大光学系を配置する場合では、出力が半減してしまうが、両側にビーム拡大光学系を配置する場合は、出力は数％の減少ですむことが分かる。
【０１０９】
また、図２５（ｂ）は、このウェッジ基板式ビーム拡大光学系９１をリア側にも、フロント側のビーム拡大光学系９１’に対して上下左右反転して配置した場合の例を示す。この系では、両側ビーム拡大光学系とウェッジ基板式を組み合わせていることによって、さらに出力の波長依存性を小さくすることができる。この方式では、リア側ミラー１の高反射率の部分反射ミラーコーティング１０に照射するピークフルエンスが損傷閾値以上である場合にも、照射ピークフルエンスを拡大率分だけ減少させることが可能であるため、有効である。この配置の場合の、出力の波長依存性を図２８に示す。図２８より分かるように、１９３ｎｍ〜１９３．７ｎｍの範囲で波長依存性がなくなっている。この方式は、波長を大きく変化させる場合に有効であることが分かる。
【０１１０】
このウェッジ基板９２、９３の入射角は、そのＰ偏光反射率が０になるブリュースタ角角（ＡｒＦレーザ波長１９３．３６８ｎｍの場合は、５６．３４°、Ｆ2 レーザ波長１５７．６３ｎｍの場合は５７．３２°）よりも大きくなることが多い。この場合は、その入射角においてＰ偏光反射率が無視できる程度にする反射防止膜を表面に付けることが必要である。例えば、ビーム拡大率２．０倍のビーム拡大光学系を設計した場合、入射角６８．７°、ウェッジ角４．４°となる。また、ウェッジ基板裏面の入射角は６０．０°となる。６０．０°の入射角のＰ偏光反射率は０．２％なので、この面は反射防止膜を付ける必要はないが、第１面は６８．７°であるので、反射防止膜を付ける必要がある。
【０１１１】
また、ビーム拡大光学系の設計においては、ビーム拡大光学系自身が損傷を受けないようにする必要がある。前述の三角プリズム式ビーム拡大光学系６１、６１’の場合は、その三角プリズムの垂直面のビーム照射エリアが斜面のそれより小さくなり、照射ピークフルエンスが高くなる。特に拡大率の低い第１プリズム６２の垂直面の照射ピークフルエンスが高いため、三角プリズム式では、レーザ出力エネルギが高い場合、そこが損傷を受ける可能性がある。しかし、このウェッジ基板式の場合は、三角プリズム式と比べて、垂直面に相当する部分がウェッジ基板の斜面で光を受けているので、照射エリアが大きく、照射フルエンスを小さくすることが可能である。ビーム拡大光学系の設計においては、拡大率と共に、各ビーム拡大光学系の三角プリズム又はウェッジ基板の表面が損傷閾値以下になるように設計する必要がある。
【０１１２】
次に、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系９１、９１’中の一方のウェッジ基板９２をチャンバー３の端部のウィンドー部材として兼用させる実施例を説明する。図２９（ａ）、（ｂ）は図２５（ａ）、（ｂ）に対応する実施例であり、図２９（ａ）は、出力側のみビーム拡大光学系９１’を配置する場合、図２９（ｂ）は、リア側にもビーム拡大光学系９１を配置する場合である。何れも、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系９１、９１’の一方のウェッジ基板９２をウィンドー部材として使用してチャンバーウィンドー兼ウェッジ基板９４とした例を示す。この方式では、実質チャンバー３のウィンドー部材１７に使用してきた素子を１枚又は２枚減らすことができるため、光学素子における光の損失を１枚又は２枚分なくすことができ、また、光学素子１枚又は２枚分のコストを低下させることができる。また、共振器長も素子１枚又は２枚分短くすることができるため、出力が増加するメリットもある。
【０１１３】
図３０（ａ）、（ｂ）は図２９（ａ）、（ｂ）に対応する実施例であり、図３０（ａ）は、出力側のみビーム拡大光学系９１’を配置する場合、図３０（ｂ）は、リア側にもビーム拡大光学系９１を配置する場合である。この実施例は、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系９１、９１’を全てチャンバー３内部に入れて、他方のウェッジ基板９３をチャンバーウィンドー兼ウェッジ基板９４として使用する場合の例である。このようにすることによって、外見上シンプルな構造にすることができる。また、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系９１、９１’の素材として使用できるＣａＦ2 は、レーザ照射によってその表面のＦ原子が脱離する。そのため、Ｆ2 ガス雰囲気中に曝しておくことによって、抜けたＦ原子の部分が補填され、損傷され難くなることが知られている（非特許文献１）。このため、ビーム拡大光学系９１、９１’をチャンバー３内部に入れることによって、ビーム拡大光学系９１、９１’自身の損傷閾値を向上させることができるというメリットがある。
【０１１４】
以上の他に、出力の波長依存性を低減してレーザビームの径を拡大する構成として、負パワーと正パワーのシリンドリカルレンズあるいは回転対称レンズを相互に焦点が合うように配置して（望遠系となるように配置して）、ビーム径を拡大する方法がある。負パワーのレンズでビーム径又は幅を拡大し、負パワーのレンズの後に置かれた正パワーのレンズによって平行光に戻している。この配置では、波長は角度分散しないので、出力の波長依存性はない。ただし、レーザ光軸に対して垂直にレンズを配置した場合、レンズにおける照射フルエンスが高く、レンズ自身が損傷を受ける可能性もある。照射フルエンスを減少させるために、負パワーのレンズの代わりに凹面鏡を傾けて配置してもよいが、その場合には収差が大きくなるデメリットが生じる。
【０１１５】
次に、図２１の波長変化に応じてビーム拡大光学系へのビーム入射角を制御することで光路がずれないようにする実施例を説明する。
【０１１６】
図３１は、ビーム拡大光学系の入射角を制御して波長により角度ずれ自身が発生しないようにする方式の例である。この図３１では、三角プリズム式ビーム拡大光学系６１’を用いるものとしているが、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系を用いる場合も同様に適用でき有効である。この制御を可能にするため、ビーム拡大光学系６１’を構成する光学素子６２、６３は回転できる機構を設ける（図３１では三角プリズム６２、６３を支持する回転ステージ１１１、１１２を設けている。）。メインコントローラ１０５で、波長の変化を感知したら、回転ステージコントローラ１０６に信号を送って、波長変化に相当する角度分三角プリズム６２、６３を回転させてやり、入射角を制御する。モニタモジュール１０７を出力側ミラー２の出力側に配置して、その中のエネルギセンサー又はスペクトロメータ１０８で出力レーザ光のエネルギ又はスペクトルを計測して、出力光の最大透過波長が目的の波長λになるように、入射角を微調整するフィードバック制御をしている。
【０１１７】
このようにして、波長が変化したとしても、光軸を調整することにより、常にレーザビームはゲイン領域のあるレーザ光軸上を通過するようにして、出力低下を防ぐことができる。
【０１１８】
図３２は、共振器を構成するミラーのあおり（角度）を制御して波長により角度ずれ自身が発生しないようにする方式の例である。この図３２では、三角プリズム式ビーム拡大光学系６１’を用いるものとしているが、ウェッジ基板式ビーム拡大光学系を用いる場合も同様に適用でき有効である。この制御を可能にするため、出力側ミラー２にはあおり制御機構１１０を設ける。メインコントローラ１０５で、波長の変化を感知したら、出力側ミラーコントローラ１０９に信号を送って、あおり制御機構１１０を介して波長変化に相当するあおり量を制御する。モニタモジュール１０７を出力側ミラー２の出力側に配置して、その中のエネルギセンサー又はスペクトロメータ１０８で出力レーザ光のエネルギ又はスペクトルを計測して、出力光の最大透過波長が目的の波長λになるように、あおり量を微調整するフィードバック制御をしている。
【０１１９】
このようにして、波長が変化したとしても、光軸を調整することにより、常にレーザビームはゲイン領域のあるレーザ光軸上を通過するようにして、出力低下を防ぐことができる。
【０１２０】
なお、図３２では、出力側ミラー２のあおり角度を制御する方式をとっているが、リア側ミラー１のあおり角度を制御しても同様の効果が得られる。
【０１２１】
以下、図３１、図３２の方式における制御を説明する。図３３には、その制御フローチャートのメインルーチンを示す。ステップＳＴ１で、露光装置１００（図２）から、中心波長をλにする指令をレーザ装置が受信したら、発振段レーザ５０のシード光の中心波長をλにするサブルーチンＳＴ２を実施する。図示しないが、波長変化の方法としては、狭帯域化モジュール５１内の拡大プリズムの入射角やグレーティング（回折格子）の入射角、又は、フロントミラー５２のあおり角を変化させる方法がある。この後、増幅段レーザ６０の最大透過波長をλに合わせるサブルーチンＳＴ３を実施する。
【０１２２】
図３４〜図３７にこれらサブルーチンＳＴ３の例を示す。以下、順に説明する。
【０１２３】
図３４は、ビーム拡大光学系６１’の光学素子（三角プリズム６２、６３）の入射角を制御する場合のサブルーチンを示す。まず、ステップＳＴ１１で、メインコントローラ１０５で波長λに対応する回転角θを計算する。θの値は、光学素子６２、６３の材料における屈折率の波長依存性の式とスネルの式とから求めることができる。そして、ビーム拡大光学系の回転ステージ１１１、１１２に角度θの値を指令する。次に、ステップＳＴ１２で、この指令値に従って回転ステージ１１１、１１２をθ制御する。次に、レーザ出力が最大になるように角度θを微調整する。まず、ステップＳＴ１３で、パラメータＮを０にする。次に、ステップＳＴ１４で、モニタモジュール１０７でレーザ出力を計測し、パラメータＥの値を計測値Ｅ１とする。ここで、パラメータＥは、微調整前のエネルギ値を意味する。次に、ステップＳＴ１５で、回転ステージ１１１、１１２を微少量ｋ・ｄθ回転させる。係数ｋの値は、予め最適値を設定しておく。ｋの値がマイナスの場合は、逆方向に回転することとする。次に、ステップＳＴ１６で、モニタモジュール１０７でレーザ出力を再計測し、パラメータＥ’の値を計測値Ｅ２とする。ここで、パラメータＥ’は、微調整後のエネルギ値を意味する。次に、ステップＳＴ１７で、Ｅ’＞Ｅかどうかを判定する。Ｅ’＞Ｅの場合は、微調整によってレーザ出力が増加する方向であるので、ステップＳＴ１８で、パラメータＥの値をＥ’にして、ステップＳＴ１５に戻って再度回転ステージ１１１、１１２を微少量ｋ・ｄθ回転させるルーチンを行う。ステップＳＴ１７で、Ｅ’＜Ｅと判定される場合は、エネルギが減少したことを意味するので、既に出力ピークの位置にあったか、制御方向が逆であったことを示す。ここで、ステップＳＴ１９で、パラメータＮを判定する。Ｎの値は、Ｅ’＜Ｅとなった回数を示している。Ｎ＝０の場合、つまり、初めて調整後にエネルギが減少したときである。この場合は、位置を元の状態に戻さなくてはいけないので、ステップＳＴ２０で、回転方向を逆するするためｋの符号を反転させる（ｋ＝ｋ×（−１））。そして、パラメータＮの値を１にして、パラメータＥの値をＥ’にする。そして、ステップＳＴ１５に戻って再度回転ステージ１１１、１１２を微少量ｋ・ｄθ回転させるルーチンを行う。Ｎ＝１の場合は、以前に、調整の方向を逆転させた履歴があることを意味する。元々微調整する前の段階で、出力ピークの位置にあった場合、１回微調整することで出力が減少し、そのため、調整方向を反転して、ピークに向かって調整していき、さらにピークを通りすぎたことによって、出力が２回目の減少を示したときを意味する。又は、最初の微調整の方向が逆で、出力が減少したため、調整方向を反転して、ピークに向かって調整していき、さらにピークを通りすぎたことによって、出力が２回目の減少を示したときを意味する。何れの場合も、ピークを１調整分オーバーした位置にあることになるため、最後に、ステップＳＴ２１で、調整の方向を逆転（ｋ＝ｋ×（−１））させ、ステップＳＴ２２で、回転ステージ１１１、１１２をｋ・ｄθ回転させる。この位置でエネルギピークになっている。
【０１２４】
図３５は、共振器を構成するミラーのあおり角を制御する場合のサブルーチンを示す。まず、ステップＳＴ３１で、メインコントローラ１０５で、波長λに対応するあおり量ｘを計算する。ｘの値は、光学素子６２、６３の材料における屈折率の波長依存性の式とスネルの式とから、ミラー（この場合は、出力側ミラー２）の垂直方向とレーザ光のミラーへの進行方向の角度差αを計算し、その角度α分のあおり量ｘを計算する。そして、出力側ミラーあおり調整機構１１０にあおり量ｘの値を指令する。次に、ステップＳＴ３２で、この指令値に従って出力側ミラー２のあおり量をｘ制御する。次に、レーザ出力が最大になるようにあおり量ｘを微調整する。まず、ステップＳＴ３３で、パラメータＮを０にする。次に、ステップＳＴ３４で、モニタモジュール１０７でレーザ出力を計測し、パラメータＥの値を計測値Ｅ１とする。ここで、パラメータＥは、微調整前のエネルギ値を意味する。ステップＳＴ３５で、あおり制御機構１１０を微少量ｋ・ｄｘ回転させる。係数ｋの値は、予め最適値を設定しておく。ｋの値がマイナスの場合は、逆方向に回転することとする。次に、ステップＳＴ３６で、モニタモジュール１０７でレーザ出力を再計測し、パラメータＥ’の値を計測値Ｅ２とする。ここで、パラメータＥ’は、微調整後のエネルギ値を意味する。次に、ステップＳＴ３７で、Ｅ’＞Ｅかどうかを判定する。Ｅ’＞Ｅの場合は、微調整によってレーザ出力が増加する方向であるので、ステップＳＴ３８で、パラメータＥの値をＥ’にして、ステップＳＴ３５に戻って再度あおり調整機構１１０を微少量ｋ・ｄｘ回転させるルーチンを行う。ステップＳＴ３７で、Ｅ’＜Ｅと判定される場合は、エネルギが減少したことを意味するので、既に出力ピークの位置にあったか、制御方向が逆であったことを示す。ここで、ステップＳＴ３９で、パラメータＮを判定する。Ｎの値は、Ｅ’＜Ｅとなった回数を示している。Ｎ＝０の場合、つまり、初めて調整後にエネルギが減少したときである。この場合は、位置を元の状態に戻さなくてはいけないので、ステップＳＴ４０で、回転方向を逆するするためｋの符号を反転させる（ｋ＝ｋ×（−１））。そして、パラメータＮの値を１にして、パラメータＥの値をＥ’にする。そして、ステップＳＴ３５に戻ってあおり調整機構１１０を微少量ｋ・ｄｘ回転させるルーチンを行う。Ｎ＝１の場合は、以前に、調整の方向を逆転させた履歴があることを意味する。元々微調整する前の段階で、出力ピークの位置にあった場合、１回微調整することで出力が減少し、そのため、調整方向を反転して、ピークに向かって調整していき、さらにピークを通りすぎたことによって、出力が２回目の減少を示したときを意味する。又は、最初の微調整の方向が逆で、出力が減少したため、調整方向を反転して、ピークに向かって調整していき、さらにピークを通りすぎたことによって、出力が２回目の減少を示したときを意味する。何れの場合も、ピークを１調整分オーバーした位置にあることになるため、最後に、ステップＳＴ４１で、調整の方向を逆転（ｋ＝ｋ×（−１））させ、ステップＳＴ４２で、あおり調整機構１１０をｋ・ｄｘ回転させる。この位置でエネルギピークになっている。
【０１２５】
なお、以上では、出力側ミラー２のあおり角度を制御する場合を説明したが、リア側ミラー１のあおり角度を制御しても同様の効果が得られる。
【０１２６】
図３６は、ビーム拡大光学系６１’の光学素子（三角プリズム６２、６３）の入射角をスペクトルを計測して制御する場合のサブルーチンである。まず、ステップＳＴ５１で、メインコントローラ１０５で波長λに対応する回転角θを計算する。θの値は、光学素子６２、６３の材料における屈折率の波長依存性の式とスネルの式とから求めることができる。そして、ビーム拡大光学系の回転ステージ１１１、１１２に角度θの値を指令する。次に、ステップＳＴ５２で、この指令値に従って回転ステージ１１１、１１２をθ制御する。次に、最大透過波長がλになるように、モニタモジュール１０７でスペクトルを計測して、微調整するルーチンに入る。ステップＳＴ５３で、スペクトル計測するために、発振段レーザ５０の注入光（ｓｅｅｄ光）を遮断する。遮断する方法としては、光路上にシャッターを設け、これを閉じてやればよい。その後、増幅段レーザ６０単体でレーザ発振させる。このときの出力光のスペクトル波形を、ステップＳＴ５４で、増幅段レーザ６０の光路の出射側にあるモニタモジュール１０７で計測する。計測した中心波長をλ１とする。次に、ステップＳＴ５５で、ターゲットの波長λとの差ｄλ＝λ１−λを計算する。次に、ステップＳＴ５６で、ｄλが許容値以内かどうかを判定する。許容値は、予め最適値を決めておく。許容値以内であれば、ステップＳＴ５７で、発振段レーザ５０の注入光を導入してやり、サブルーチンは終了する。ステップＳＴ５６で、ｄλが許容値オーバーであれば、微調整を実施する。そのために、ステップＳＴ５８で、回転ステージ１１１、１１２をｋ・ｄθ回転させる。係数ｋの値は、予め最適値を設定しておく。ｋの値がマイナスの場合は、逆方向に回転することとする。次に、ステップＳＴ５９で、再度スペクトルを計測する。このときの中心波長をλ２とする。そして、ステップＳＴ６０で、ターゲットの波長λとの差ｄλ’＝λ２−λを計算する。ｄλ’は、微調整後のターゲットとの差であり、ｄλは微調整前のターゲットとの差である。次に、ステップＳＴ６１で、ｄλ’＜ｄλかどうかを判定する。ｄλ’＞ｄλの場合は、制御することによって、逆にターゲットとの差が開いたことを示すので、制御方向が逆である。そのため、ステップＳＴ６２で、調整の方向を逆転（ｋ＝ｋ×（−１））させ、ｄλの値をｄλ’として、ステップＳＴ５８に戻って再度回転ステージ１１１、１１２をｋ・ｄθ回転させるルーチンを行う。ステップＳＴ６１で、ｄλ’＜ｄλの場合は、制御によってターゲットに近づいたことを示す。ステップＳＴ６３で、ｄλ’が許容値以内かどうかを判定する。ここで、許容値以内に入っていれば、ステップＳＴ５７で、発振段レーザ５０の注入光を導入してやり、サブルーチンは終了する。ステップＳＴ６３で、許容値に入っていなければ、調整が足りないことを意味するので、ステップＳＴ６４で、ｄλの値をｄλ’として、ステップＳＴ５８に戻って再度回転ステージ１１１、１１２をｋ・ｄθ回転させるルーチンを行う。
【０１２７】
図３７は、共振器を構成するミラーのあおり角をスペクトルを計測して制御する場合のサブルーチンを示す。まず、ステップＳＴ７１で、メインコントローラ１０５で、波長λに対応するあおり量ｘを計算する。ｘの値は、光学素子６２、６３の材料における屈折率の波長依存性の式とスネルの式とから、ミラー（この場合は、出力側ミラー２）の垂直方向とレーザ光のミラーへの進行方向の角度差αを計算し、その角度α分のあおり量ｘを計算する。そして、そして、出力側ミラーあおり調整機構１１０にあおり量ｘの値を指令する。次に、ステップＳＴ７２で、この指令値に従って出力側ミラー２のあおり量をｘ制御する。次に、最大透過波長がλになるように、モニタモジュール１０７でスペクトルを計測して、微調整するルーチンに入る。ステップＳＴ７３で、スペクトル計測するために、発振段レーザ５０の注入光（ｓｅｅｄ光）を遮断する。遮断する方法としては、光路上にシャッターを設け、これを閉じてやればよい。その後、増幅段レーザ６０単体でレーザ発振させる。このときの出力光のスペクトル波形を、ステップＳＴ７４で、増幅段レーザ６０の光路の出射側にあるモニタモジュール１０７で計測する。計測した中心波長をλ１とする。次に、ステップＳＴ７５で、ターゲットの波長λとの差ｄλ＝λ１−λを計算する。次に、ステップＳＴ７６で、ｄλが許容値以内かどうかを判定する。許容値は、予め最適値を決めておく。許容値以内であれば、ステップＳＴ７７で、発振段レーザ５０の注入光を導入してやり、サブルーチンは終了する。ステップＳＴ７６で、ｄλが許容値オーバーであれば、微調整を実施する。そのために、ステップＳＴ７８で、あおり制御機構１１０を微少量ｋ・ｄｘ回転させる。係数ｋの値は、係数ｋの値は、予め最適値を設定しておく。ｋの値がマイナスの場合は、逆方向に回転することとする。次に、ステップＳＴ７９で、再度スペクトルを計測する。このときの中心波長をλ２とする。そして、ステップＳＴ８０で、ターゲットの波長λとの差ｄλ’＝λ２−λを計算する。ｄλ’は、微調整後のターゲットとの差であり、ｄλは微調整前のターゲットとの差である。次に、ステップＳＴ８１で、ｄλ’＜ｄλかどうかを判定する。ｄλ’＞ｄλの場合は、制御することによって、逆にターゲットとの差が開いたことを示すので、制御方向が逆である。そのため、ステップＳＴ８２で、調整の方向を逆転（ｋ＝ｋ×（−１））させ、ｄλの値をｄλ’として、ステップＳＴ７８に戻ってあおり調整機構１１０をｋ・ｄｘ回転させるさせるルーチンを行う。ステップＳＴ８１で、ｄλ’＜ｄλの場合は、制御によってターゲットに近づいたことを示す。ステップＳＴ８３で、ｄλ’が許容値以内かどうかを判定する。ここで、許容値以内に入っていれば、ステップＳＴ７７で、発振段レーザ５０の注入光を導入してやり、サブルーチンは終了する。ステップＳＴ８３で、許容値に入っていなければ、調整が足りないことを意味するので、ステップＳＴ８４で、ｄλの値をｄλ’として、ステップＳＴ７８に戻って再度あおり制御機構１１０をｋ・ｄｘ回転させるルーチンを行う。
【０１２８】
なお、以上では、出力側ミラー２のあおり角度を制御する場合を説明したが、リア側ミラー１のあおり角度を制御しても同様の効果が得られる。
【０１２９】
以上、本発明の高出力ガスレーザ装置を露光用２ステージレーザ装置の増幅段レーザを例にとって説明したが、その他の多段ステージのガスレーザ装置の増幅段レーザや、増幅段レーザを用いないで発振段レーザのみからなるガスレーザ装置に本発明の原理を適用して、その共振器を構成する少なくとも１枚のミラーとレーザガスチャンバーとの間に、ミラー側のビームの径あるいは幅を広げるビーム拡大光学系を介在させるようにすることにより、共振器のミラーを構成する光学素子に入射するレーザエネルギ密度を低減させてその光学素子の表面損傷が発生しないようにすることにより耐久性を向上させ、長寿命化を実現することができる。また、共振器のミラーを構成する光学素子に入射するレーザエネルギ密度を低減させてその光学素子に歪みが発生しないようにすることができる。また、このとき、レーザの中心波長が変化したとしてもレーザ出力が減少しないようにすることができる。
【０１３０】
以上、本発明の高出力ガスレーザ装置をその原理と実施例の説明に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明を適用する露光用２ステージレーザ装置の基本構成の概略を示す図である。
【図２】図１のような基本構成を備えた露光用２ステージレーザ装置の１つの構成例の全体構成図である。
【図３】図１、図２の構成の増幅段レーザの１例の概要と本発明の原理を示す図である。
【図４】図１のような配置の露光用２ステージレーザ装置に用いられる本発明による増幅段レーザの１実施例の要部を示す図である。
【図５】本発明による別の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図６】本発明によるさらに別の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図７】図６の増幅段レーザの変形例の要部を示す図である。
【図８】図７の増幅段レーザの変形例の要部を示す図である。
【図９】図５や図８の実施例に用いるフロント側ミラーと兼用したビームエキスパンダープリズム系に用いる三角プリズムの数値例を説明するための図である。
【図１０】図５の実施例の変形例の要部を示す図である。
【図１１】増幅段レーザの共振器内の面で光の干渉が発生した場合のスペクトルの形状の悪化と出力変動の原理図である。
【図１２】ビームエキスパンダープリズム系を使用した場合の出力の波長依存性を示す図である。
【図１３】三角プリズムにおいて波長によりビーム光路がずれる様子を示す図である。
【図１４】共振器の両側に三角プリズムを一方を他方に対して左右上下反転させて配置することにより出力の波長依存性が発生しないようにする方法を説明するための図である。
【図１５】ウェッジ基板を用いたビーム拡大光学系の作用を説明するための図である。
【図１６】ウェッジ基板を用いたビーム拡大光学系におけるレーザ光路の入射角、頂角、偏角の関係を示す図である。
【図１７】ウェッジ基板の偏角の頂角依存性を示す図である。
【図１８】ウェッジ基板の拡大率の頂角依存性を示す図である。
【図１９】ウェッジ基板と三角プリズムの拡大倍率の入射角依存性を示す図である。
【図２０】ウェッジ基板と三角プリズムの偏角の入射角依存性を示す図である。
【図２１】波長が変化したらそれに合わせてビーム拡大光学系へのビーム入射角を変えてビーム光路がずれないように制御する方法を説明するための図である。
【図２２】出力の波長依存性が発生しないようにする実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図２３】出力側のみに三角プリズム式ビーム拡大光学系を配置したときと、リア側にも１８０°回転対称な三角プリズム式ビーム拡大光学系を配置したときの出力の波長依存性を示す図である。
【図２４】出力の波長依存性が発生しないようにする別の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図２５】各ビーム拡大光学系中に２枚のウェッジ基板を使用して構成した図２４と同様の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図２６】２枚のウェッジ基板を用いたビーム拡大光学系出射後のレーザ光軸を入射前のレーザ光軸と平行にする原理を説明するための図である。
【図２７】ウェッジ基板を使用したウェッジ基板式ビーム拡大光学系と三角プリズムを使用した三角プリズム式ビーム拡大光学系の出力の波長依存性を示す図である。
【図２８】出力側とリア側に相互に１８０°回転対称なウェッジ基板式ビーム拡大光学系を配置したときの出力の波長依存性を示す図である。
【図２９】ウェッジ基板式ビーム拡大光学系中の一方のウェッジ基板をウィンドー部材として兼用させる実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図３０】ウェッジ基板式ビーム拡大光学系を全てチャンバー内部に入れて他方のウェッジ基板をウィンドー部材として兼用させる実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図３１】ビーム拡大光学系の入射角を制御して波長により角度ずれ自身が発生しないようにする方式の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図３２】共振器を構成するミラーのあおりを制御して波長により角度ずれ自身が発生しないようにする方式の実施例の増幅段レーザの要部を示す図である。
【図３３】図３１、図３２の方式における制御のメインルーチンを示す制御フローチャートである。
【図３４】ビーム拡大光学系の光学素子の入射角をレーザ出力を計測して制御する場合のサブルーチンの１例を示すフローチャートである。
【図３５】共振器を構成するミラーのあおり角をレーザ出力を計測して制御する場合のサブルーチンの１例を示すフローチャートである。
【図３６】ビーム拡大光学系の光学素子の入射角をスペクトルを計測して制御する場合のサブルーチンの１例を示すフローチャートである。
【図３７】共振器を構成するミラーのあおり角をスペクトルを計測して制御する場合のサブルーチンの１例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３２】
Ｐ１、Ｐ２…圧力センサー
Ｔ１、Ｔ２…温度センサー
Ｐｒ…三角プリズム
Ｍｉ…ミラー
Ｗｅ…ウェッジ基板
１…入力側ミラー（リア側ミラー）
２…出力側ミラー（フロント側ミラー）
３…レーザチャンバー
４、５…放電電極
４、５４…アノード電極
５、５５…カソード電極
８…高反射率（全反射）ミラーコーティング
９…反射防止コーティング
１０…部分反射ミラーコーティング
１６、５６…電源
１７、５７…ウィンドー部材
１８…ガス供給排気用制御バルブ
１９、５９…冷却水流量制御バルブ
２２…放電領域（レーザ利得領域）
２３…ｓｅｅｄ光
３１…充電器
３２…スイッチ
３３…ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）
３４、４４…熱交換器
３５、４５…モニターモジュール
３６、４６…放電検出器
４１…充電器
４２…スイッチ
４３…ＭＰＣ（磁気パルス圧縮回路）
５０…発振段レーザ
５１…狭帯域化モジュール
５２…フロントミラー
５３…レーザチャンバー
５４、５５…放電電極
５８…ガス供給排気用制御バルブ
６０…増幅段レーザ
６１、６１’…ビーム拡大光学系（ビームエキスパンダープリズム系）
６２、６３、６３’…三角プリズム
７０…変換光学系
８０…メインコントローラ
８１…ユーティリティコントローラ
８２…波長コントローラ
８３…ドライバ
８４…エネルギコントローラ
８５…同期コントローラ
８６…ビームステアリングユニット
８７…ドライバ
９１、９１’…ビーム拡大光学系（ウェッジ基板式ビーム拡大光学系）
９２、９３…ウェッジ基板
９４…チャンバーウィンドー兼ウェッジ基板
１００…露光装置
１０１…部分反射ミラーコーティング
１０５…メインコントローラ
１０６…回転ステージコントローラ
１０７…モニタモジュール
１０８…エネルギセンサー又はスペクトロメータ
１０９…出力側ミラーコントローラ
１１０…あおり制御機構
１１１、１１２…回転ステージ
【図１】
2006049839.tif 000003
【図２】
2006049839.tif 000004
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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