(57)【要約】【課題】  最も硬い結晶面（１１１）面でＣａＦ2 結晶をカットし、この結晶面を表面粗さの小さな高精度研磨を行うことにより、潜傷を少なくし、レーザ照射によるＣａＦ2 結晶の表面損傷を防止する。そして、Ｐ偏光のフレネル反射率を小さくし、真性複屈折による偏光純度の悪化を防止するＣａＦ2 結晶を用いたガスレーザ用光学素子及びそれを用いたガスレーザ装置を提供する。【解決手段】  少なくとも入射平面と射出平面のどちらか一方の平面がＣａＦ2 結晶の（１１１）結晶面に平行であり、入射平面から入射したレーザ光が［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、［１１１］軸と［００１］軸との間、［１１１］軸と［０１０］軸を含む面内で、［１１１］軸と［０１０］軸との間、又は、［１１１］軸と［１００］軸を含む面内で、［１１１］軸と［１００］軸との間、を通過し、射出平面から射出されることを特徴とする。【選択図】図３
2011238976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射平面と射出平面を備え、紫外線が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、
少なくとも入射平面と射出平面のどちらか一方の平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、
入射平面から入射したレーザ光が
［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、［１１１］軸と［００１］軸との間、
［１１１］軸と［０１０］軸を含む面内で、［１１１］軸と［０１０］軸との間、
又は、［１１１］軸と［１００］軸を含む面内で、［１１１］軸と［１００］軸との間、
を通過し、射出平面から射出される
ことを特徴とするガスレーザ用光学素子。
【請求項２】
前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ用光学素子。
【請求項３】
前記フッ化カルシウム結晶は、［１１１］軸を中心に回転され、真性複屈折が極小となる領域に設置されることを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ用光学素子。
【請求項４】
レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウとを有し、前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、前記各ウィンドウは前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【請求項５】
レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、レーザ光を分割するビームスプリッタとを有し、前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、前記ビームスプリッタは前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【請求項６】
レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、ビーム拡大光学系と、を有するガスレーザ装置において、前記ビーム拡大光学系のウェッジ基板は前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスレーザ用光学素子及びそれを用いたガスレーザ装置に関し、特に、エキシマレーザやフッ素分子レーザ等の半導体露光装置で使用される紫外線ガスレーザ用光学素子及びそれを用いたガスレーザ装置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、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの深紫外光を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置、並びに、波長１９３ｎｍの真空紫外光を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハー間を液体で満たして屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をＡｒＦエキシマレーザ露光に適用しようとしている。ＡｒＦエキシマレーザ液浸では、純水を液浸液にした場合１３４ｎｍの波長になる。また、次々世代の露光用光源として、波長１５７ｎｍの真空紫外光を放出するＦ2 （フッ素分子）レーザ装置によるＦ2 レーザ液浸露光が採用される可能性もある。Ｆ2 レーザ液浸では、１１５ｎｍの波長になると言われている。
【０００３】
（露光用光学素子と色収差）
多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行われる。現在、露光用光源であるレーザ波長の２４８ｎｍ〜１５７ｎｍの波長（紫外線）域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とＣａＦ2 以外にはない。このため、ＫｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ＡｒＦエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英と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。ところが、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振スペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いために、これらの投影レンズを使用すると、色収差が発生して解像力が低下する。そこで、色収差が無視できるまでに、これらのガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このため、これらのガスレーザ装置には狭帯域化素子（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
【０００４】
（液浸リソグラフィーと偏光照明）
上記したように、ＡｒＦエキシマレーザ液浸リソグラフィーの場合、媒体としてＨ2 Ｏを使用したとき、屈折率が１．４４になるため、屈折率に比例するレンズ開口数ＮＡは原理的に従来の開口数に対して１．４４倍に増やすことができる。ＮＡが高くなるにつれ、光源であるレーザ光の偏光純度の影響が大きくなる。偏光の向きがマスクパターンの方向に平行であるＴＥ偏光の場合は影響がないが、それが直交するＴＭ偏光の場合は、像のコントラストが低くなってしまう。これは、後者の場合、ウエハー上の焦点における電界のベクトルが異なる方向であるため、ウエハーへの入射角が大きくなるに従い、電界のベクトルが同一である前者に比べ、強度が弱くなってしまうためである。この影響はＮＡが１．０に近づくか超える場合に強くなり、ＡｒＦエキシマレーザ液浸はこの場合に該当する。そのため、以上のように露光装置の照明系では、所望の偏光状態を制御する必要がある。この偏光照明の制御には、露光装置の照明系に入力されるレーザの偏光状態が直線偏光であることが要求されている。偏光純度は、直線偏光と非直線偏光の割合であり、レーザの偏光は、偏光純度が高く維持されることが要求されている。
【０００５】
（偏光純度を高めるための従来技術）
レーザ光の偏光純度を高めるための技術として、これまでに特許文献１と特許文献２に記載の技術がある。
【０００６】
特許文献１に記載のものは、ビームエキスパンダプリズムやフロントミラー等のレーザに使用する光学素子のフッ化カルシウム結晶の劈開面（１１１）に垂直にレーザ光が透過するようにして、光学素子内部を光が通過するときに受ける複屈折による偏光純度の悪化を防ぐ方法である。
【０００７】
特許文献２に記載のものは、レーザに使用する光学素子のフッ化カルシウム結晶の（１００）面に垂直にレーザ光の光軸が透過するようにして、光学素子内部を光が通過するときに受ける真性複屈折による偏光純度の悪化を防ぐ方法である。
【０００８】
しかしながら、上記の従来技術には、次に述べるような問題がある。
【０００９】
特許文献１に記載のものでは、実際に光学素子としてウィンドウの（１１１）面に光軸が垂直に通過し、かつ、その表面がブリュースタ角になるようにするための具体的手段の記載がなく、両者を達成するためには、フッ化カルシウム結晶をウィンドウにカットする面は表面がある程度硬い結晶方位面でなくなるため、表面粗さが小さな高精度研磨ができなくなる。表面粗さが小さな研磨ができない場合には、研磨表面からサブミクロン以内の領域に潜傷と呼ばれる傷が残る。この潜傷は、レーザ照射によりレーザ光を吸収して、結晶の表面を損傷させたり、フッ素が抜ける欠陥が発生して、実際にレーザチャンバのウィンドウとして使用することができないという問題点がある。
【００１０】
特許文献２に記載のものでは、光学素子の（１００）面に垂直にレーザ光が通過するように配置することによって、真性複屈折による偏光純度の悪化を防いでいるが、応力を与えたときに発生する応力複屈折は、（１００）面に垂直な［１００］方向が最も大きく、チャンバウィンドウとして使用する場合、ウィンドウのホールド時の応力やチャンバ内の数気圧のガスによる圧力、また、レーザ照射による発熱応力等によって応力複屈折が発生する可能性がある問題があった。また、カット面は（１１１）面と１７．５８°または２６．７６°をなす角度でカットして、このカット面をチャンバウィンドウの両面としているため以下の２つの課題が発生していた。一つは、このカット面を表面荒さが小さな高精度研磨ができないため、レーザ照射による表面損傷の閾値が低くなっていた。二つ目は、レーザチャンバウィンドウとして使用する場合、約４０００ｈＰａのガス圧力がかかるため、例えば、壁界しやすい（１１１）面で、破損する可能性があった。さらに、カット面を（１１１）面と１７．５８°でカットした場合には、チャンバウィンドウと光軸とのなす角度は、７０°となり、Ｐ偏光とＳ偏光のフレネル反射がそれぞれ４．２％と３０．０％なり、このウィンドウを透過することにより、Ｐ偏光成分は選択されるが、Ｐ偏光のフレネル反射が大きいため、レーザの出力を確保することができないという問題があった。
【００１１】
そこで、特許文献４のように、２つの平面を備えて紫外線がその１つの平面２から入射し、他の平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなるウィンドウ等の紫外線ガスレーザ用光学素子において、少なくとも一方の平面がフッ化カルシウム結晶の（１１０）結晶面に平行である紫外線ガスレーザ用光学素子により、真性複屈折及び応力複屈折による偏光純度の悪化を防止すると共に、カット面を平滑にしてレーザ照射により割れや欠陥の発生を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１７７１７３号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／２１９０５６号明細書
【特許文献３】特開２００２−３５３５４５号公報
【特許文献４】特開２００６−７３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献４に示す技術では、真性複屈折及び応力複屈折による偏光純度の悪化を防止すると共に、フッ化カルシウム結晶のカット面を（１１０）面することにより、ある程度の表面粗さの小さな高精度研磨を行うことにより、レーザ照射によるフッ化カルシューム結晶の表面損傷をある程度防止していた。
【００１３】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、もっとも硬い結晶面（１１１）面でフッ化カルシウム結晶をカットし、この結晶面を表面粗さの小さな高精度研磨を行うことにより、潜傷を少なくし、レーザ照射によるフッ化カルシウム結晶の表面損傷を防止する。そして、Ｐ偏光のフレネル反射率を小さくし、真性複屈折による偏光純度の悪化を防止するフッ化カルシウム結晶を用いたブリュースタウィンドウやビームエキスパンダプリズム等のガスレーザ用光学素子及びそれを用いたガスレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そのために、本発明のガスレーザ用光学素子は、入射平面と射出平面を備え、紫外線が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、少なくとも入射平面と射出平面のどちらか一方の平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、入射平面から入射したレーザ光が［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、［１１１］軸と［００１］軸との間、［１１１］軸と［０１０］軸を含む面内で、［１１１］軸と［０１０］軸との間、又は、［１１１］軸と［１００］軸を含む面内で、［１１１］軸と［１００］軸との間、を通過し、射出平面から射出されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記フッ化カルシウム結晶は、［１１１］軸を中心に回転され、真性複屈折が極小となる領域に設置されることを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置は、レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウとを有し、前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、前記各ウィンドウは前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置は、レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、レーザ光を分割するビームスプリッタとを有し、前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、前記ビームスプリッタは前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする。
さらに、本発明のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置は、レーザチャンバと、レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、そのレーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、ビーム拡大光学系と、を有するガスレーザ装置において、前記ビーム拡大光学系のウェッジ基板は前記ガスレーザ用光学素子からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のガスレーザ用光学素子は、結晶表面を（１１１）面とすることにより、表面粗さが小さな高精度研磨が可能となり、潜傷によるレーザ照射により光の吸収を防ぎ表面損傷を防止することができる。そして、結晶をＰ偏光によるフレネル反射を小さくすることと、真性複屈折が極小になるように配置することにより、出力レーザ光の偏光純度の悪化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態の紫外線ガスレーザ用光学素子及び紫外線ガスレーザ装置について説明する。
【００２１】
図１は、ＣａＦ2 の結晶格子を示す。本実施形態では、ＣａＦ2 の結晶は、結晶方位に合わせて（１１１）面でカットされる。ＣａＦ2 結晶は、図１に示すような、面心立法格子で構成されている。
【００２２】
図２に示すように、ＣａＦ2 結晶の軸［００１］、［１００］に対する光の進行方向Ｌの角度θとφを定義すると、図２のφ＝４５°、θ=５４．７４°の方向が［１１１］軸方向となる。（１１１）面の表面は他の結晶軸表面よりも、一番硬いため、表面粗さが小さく、潜傷が少ない研磨が可能となる。
【００２３】
図３は、本実施形態によるＣａＦ2 （フッ化カルシウム）を用いたウィンドウ１の断面を示す。
【００２４】
ウィンドウ１は、光学素子への入射角度が０よりも大きい角度で入射され、ＣａＦ2の結晶内で屈折する光軸が［１１１］軸と［１１０］軸を含む面内で、且つ、［１１１］軸と［００１］軸とのなす角の間を透過するようにＣａＦ2 結晶を配置したものである。
【００２５】
ＣａＦ2 結晶からなるウィンドウ１は、（１１１）面に対して、平行な面で表面２及び２‘で研磨されている。そして、例えばブリュースタ角度５６．３４°の入射角度αでＣａＦ2 結晶基板に対してＰ偏光でレーザビームが入射すると、表面２において、光がスネルの法則にしたがって、３３．６５°の屈折角度βで屈折する。この時、ＣａＦ2 内部の屈折光軸がＣａＦ2 結晶の［１１１］軸と［１１０］軸を含む面内で、且つ、［１１１］軸と［００１］軸のなす角度の間（０°＜β＜５４．７４°）を透過するように、ＣａＦ2 結晶を配置する。そして、ＣａＦ2 結晶内を透過して、面２’で再び、面２と同様にスネルの法則にしたがって、レーザ光は屈折して、再びガス中に光が伝播する。
【００２６】
次に、ブリュースタ角と偏光の関係について説明する。一般的に、ガスレーザ共振器内に使用されるチャンバウィンドウは、光軸に対してブリュースタ角の角度で配置されることが多い。これは、ブリュースタ角にすることによって、ウィンドウに入射する光のＰ偏光成分のウィンドウ表面におけるフレネル反射が零になり、結晶の内部吸収は非常に小さく、略１００％透過するため、ウィンドウ通過におけるレーザ光の損失がなくなり、出力エネルギが減少しなくなるためである。
【００２７】
レーザ光は共振器内を数〜十数回往復して出力されるため、所謂偏光素子であるブリュースタ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を受け減衰するのに対し、Ｐ偏光成分は減衰されることなく透過し、レーザ媒質内を通過することによって増幅されていく。これによりレーザ光は、概ねＰ偏光方向の直線偏光で出力される。
【００２８】
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、プリズムでビームを拡大し波長分散素子であるグレーティングに入射させている。拡大プリズムはビームの拡大率を大きくするために、プリズムの入射角度を大きくして、複数個使用することにより、トータルの拡大率を大きくしている。この理由は、レーザのスペクトル線幅と拡大率はおおむね反比例の関係にあるからである。この拡大プリズムの斜面には、高い（ブリュースタ角よりも大きい）入射角度でも反射損失が小さくなるようにＰ偏光に対して反射防止膜がコートされている。この反射防止膜はＳ偏光に対しては反射率が高い膜であるために、結果としてレーザ発振することによりＰ偏光成分が生き残り出力レーザ光の偏光純度は非常に高くなる。そして、レーザチャンバのウィンドウはこのプリズムにより選択されたＰ偏光成分の反射損失が小さくなるように、傾けて設置される。ブリュースタ角で設置した場合は、前述のようにウィンドウでのＰ偏光の反射損失が０％となるので、十分なレーザ出力が得られる。ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３．３６８ｎｍ）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率ｎが１．５０１９５８となるため、ブリュースタ角度は、５６．３３６°になる。また、Ｆ2 レーザ（波長１５７．６３ｎｍ）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率ｎが１．５５９２６１となるため、ブリュースタ角度は、５７．３°になる。
【００２９】
次に、複屈折による偏光の変化を説明する。一般に、結晶内を伝播する光は、互いに直交する２つの直線偏波状態の波の線形結合であり、それぞれの位相速度と振幅の大きさで、偏光状態と偏光方向が決まる。結晶内に複屈折が発生すると、結晶中を伝播する光ビームの位相速度がその偏波方向に依存してずれていく。これにより、直線偏光であった光ビームは、複屈折物質を通過することによって、互いに直交する２つの波の位相がずれ、直線偏光でなくなる（概ね楕円偏光になる）。このため、結晶内に複屈折が発生すると、Ｐ偏光で入射した光は結晶内部を透過することにより、Ｐ偏光純度が悪くなり、Ｐ偏光成分の光強度が減少する。偏光純度を高めるためには、複屈折の影響を受けないように配置するか、又は、最小にすることが必要となる。
【００３０】
ここで、ＣａＦ2 の結晶方位による複屈折の大きさの分布を説明する。結晶における複屈折には、外乱のない理想的な結晶にも本来的に存在する真性複屈折（intrinsic birefringence ）と、外部から力学的・熱的な力が加わって生じる応力複屈折（stress birefringence）の２つがある。最近になって、等軸結晶であるフッ化カルシウムでも、真性複屈折が生じることが分かってきた。真性複屈折は、結晶を構成する原子間隔に光の波長が近づくと、その影響が大きくなる。よって、ＡｒＦエキシマレーザやＦ2 レーザの短波長領域で使用する場合、真性複屈折の影響が大きくなり、無視できなくなってきた。真性複屈折及び応力複屈折の両者共、結晶方位による複屈折の大きさの違いがあり、計算によって求められている。
【００３１】
図４に、結晶方位によるＣａＦ2 の真性複屈折の大きさの分布を示す。ＣａＦ2 結晶の軸［００１］、［１００］に対する光の進行方向Ｌの角度θとφを図２のように定義すると、真性複屈折は図４（ａ）、（ｂ）のようになる。図４（ａ）の実線は、φを４５°に保ったまま進行方向Ｌの軸［００１］に対する角度θを０°から９０°の間で変化させた場合であり、図４（ａ）の点線は、φを０°に保ったまま進行方向Ｌの軸［００１］に対する角度θを０°から９０°の間で変化させた場合であり、また、図４（ｂ）の実線は、θを９０°に保ったまま進行方向Ｌの軸［１００］に対する角度φを０°から９０°の間で変化させた場合である。図４（ａ）、（ｂ）から明らかなように、結晶方位［１１１］、［１００］、［０１０］、［００１］の方向では、真性複屈折は零になり、逆に、［１１０］、［０１１］、［１０１］の結晶方位の方向では、最大となることが分かる。
【００３２】
ＣａＦ2 結晶は、図１に示すような、面心立法格子で構成されている。  図１のφ＝４５°、θ＝９０°の方向が［１１０］軸方向であり、φ＝４５°、θ=５４．７４°の方向が［１１１］軸方向となる。本発明においては、φ＝４５°、０＜θ＜５４．７４°にレーザ光軸を通過させることにより、真性複屈折を小さくしている。いいかえれば、図４（ａ）の１点鎖線の領域にＣａＦ2 結晶を配置することにより、真性複屈折による偏光純度の悪化を極力防止している。
【００３３】
次に、ＣａＦ2 結晶表面に入射する角度とＰ偏光の反射率の関係について説明する。図５は、ＣａＦ2 結晶表面に入射する角度とＰ偏光の反射率の関係を示す。
【００３４】
空気中から屈折率ｎの透明媒質に入射角φで光が入射するときのＰ偏光の反射率ＲpとＳ偏光の反射率Ｒsは式（１）のフレネル式で求められる。
【００３５】
【数１】
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ここで、sinφ = n・sinχ（Snell's law：スネルの法則）である。
【００３６】
図５に示すように、例えば、１９３ｎｍの波長でＣａＦ2 結晶の屈折率を1.501958とすると、Ｐ偏光成分の光のフレネル反射率は、入射角度０度（垂直入射）では、４．０２％であり、Ｐ偏光のフレネル反射が３％となる入射角度は、２４．９０度となる。その後、入射角度がブリュースタ角（５６．３４度）までは、フレネル反射率は単調に減少する。そして、このブリュースタ角度では、Ｐ偏光の反射率は０％となる。続いて、入射角度がブリュースタ角度よりも大きくなるとフレネル反射は単調に増加する。Ｐ偏光のフレネル反射が３％となる入射角度は６８．７３度である。
【００３７】
例えば、レーザチャンバにウィンドウの両面でフレネル反射するＣａＦ２結晶のウィンドウを装着する場合、もっともレーザ共振器のロスが小さくなるのが、Ｐ偏光の反射率が０となるブリュースタ角度（５６．３４°）で設置した場合である。
【００３８】
このレーザの出力が維持できる共振器ロスの許容範囲のＰ偏光のレーザウィンドウの１面当たりのフレネル反射を３％と仮定するとＣａＦ2 ウィンドウへの入射角度は２４．９°から６８．７３°の間が好ましいこととなる。
【００３９】
図６は、ＣａＦ2 ウィンドウへの入射角度を２４．９°及び６８．７３°とした時の光軸とＣａＦ2 結晶の軸の関係を示す。ＣａＦ2 結晶１は（１１１）面に対して、平行な面の表面２及び２‘で研磨されている。（１１１）面の表面は他の結晶軸表面よりも、一番硬いため、表面粗さが小さく、潜傷が少ない研磨が可能となる。
【００４０】
図６（ａ）は入射角度を２４．９０°とした場合を示す。ＣａＦ2 結晶の光学素子に２４．９０°の入射角度αでＰ偏光のレーザビームが入射すると、表面２において光がスネルの法則にしたがって、屈折角度β＝１６．２８°でＣａＦ2 結晶内部で屈折する。この時、このＣａＦ2 内部の屈折光軸は、ＣａＦ2 結晶の［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で透過するように、ＣａＦ2 結晶が配置されている。そして、レーザ光は、ＣａＦ2 結晶内を透過して、面２’で再び、面２と同様にスネルの法則にしたがって、屈折して、再びガス中に伝播する。
【００４１】
図６（ｂ）は入射角度を６８．７３°とした場合を示す。ＣａＦ2 結晶の光学素子に６８．７３°の入射角度αでＰ偏光のレーザビームが入射すると、表面２において光がスネルの法則にしたがって、屈折角度β＝３８．２４°でＣａＦ2 結晶内部で屈折する。この時、このＣａＦ2 内部の屈折光軸は、ＣａＦ2 結晶の［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で透過するように、ＣａＦ2 結晶が配置されている。そして、レーザ光は、ＣａＦ2 結晶内を透過して、面２’で再び、面２と同様にスネルの法則にしたがって、屈折して、再びガス中に伝播する。
【００４２】
本発明のウィンドウ１をレーザチャンバに取り付けるときは、ウィンドウ１を構成するＣａＦ2 結晶内でのレーザ光の光軸が［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、両結晶方向のなす角の間を略通過するように、ウィンドウ１の取り付け位置をその面内で回転調整しなければならない。図７にその様子を示す。図８は、実際のレーザウィンドウに入射角５６．３４°（ブルースタ角度）で１９３ｎｍの光を入射させながら、図７に示すように、［１１１］軸の周りでウィンドウ１を回転させた時の、計測波長１９３ｎｍの複屈折計測装置により計測した結果を示す。この図８から明らかなように、１回転の中で３回（図では０°と約１２０°と約２４０°）、真性複屈折が極小となる。
【００４３】
このため、ウィンドウ１をレーザチャンバに取り付けるときは、ウィンドウ１を面方位［１１１］軸で回転させて真性複屈折が最小となる（透過後のｐ偏光強度が最大となる）位置で取り付けることが好ましい。
【００４４】
または、ウィンドウ１を取り付ける前に、Ｘ線回折分析を行い、結晶方位を予め計測しておくようにしてもよい。ウィンドウ１の［００１］または［１００］または［０１０］軸方向の側面に印を付けておき、その印に従って取り付けるようにすると効率が良い。
【００４５】
図９にＣａＦ2 結晶ウィンドウ１に入射角度を２４．９°、４５°、６８．７３°の場合のウィンドウ１を［１１１］軸で回転させたときに計測したそれぞれの真性複屈折の相対値変化を示す。
【００４６】
Ｐ偏光のフレネル反射損失が３％以下における入射角度２４．９°から６８．７３°の範囲では、真性複屈折が極小となる角度が０度付近、１２０度付近、２４０度付近に真性複屈折が極小となる領域が観測された。
【００４７】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、入射角度が大きくなるにつれて、真性複屈折の極小値は小さくなり、極大値は大きくなった。
【００４８】
以上のように、ＣａＦ2 結晶の（１１１）面をウィンドウの表面とし、Ｐ偏光のフレネル反射が小さくなるようにＣａＦ2 結晶の入射角度２４．９０°から６８．７３°の角度範囲でＣａＦ2 結晶に入射させ、［１１１］軸でＣａＦ2 結晶を回転させ、真性複屈折が極小となるような領域で、ＣａＦ2 結晶を設置することにより、偏光純度の高いレーザの出力光を得ることができる。
【００４９】
以上、本実施形態の紫外線ガスレーザ用光学素子をウィンドウとして使用する場合について説明したが、これは、レーザ装置の他の部位で使用することもできる。その例を説明するために、図１０に、２ステージレーザシステムの主として光学系の概略の構成と、その中での本発明による紫外線ガスレーザ用光学素子の配置例を示す。
【００５０】
２ステージレーザシステムは、発振用レーザ１０とその発振用レーザ１０から発振されたレーザ光（シード光）を入射させて増幅する増幅用レーザ２０とからなるもので、特に狭帯域で４０Ｗ以上の高出力が必要な露光用のＡｒＦエキシマレーザ装置やＦ2レーザ装置に期待されているものである。
【００５１】
発振用レーザ１０にはレーザガスが封入されるレーザチャンバ１１と、共振器を構成する狭帯域化モジュール１４及び出力鏡としての部分反射ミラー１５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。
【００５２】
レーザチャンバ１１には、前記のように、光軸上に２つのウィンドウ１２と１３が取り付けてある。また、狭帯域化モジュール１４には、ビーム拡大光学系を構成する単数あるいは複数のビーム拡大プリズム１６（図では２個）と、狭帯域化素子としてのグレーティング１７（又はエタロン）が含まれる。
【００５３】
増幅用レーザ２０も、レーザガスが封入されるレーザチャンバ２１と、共振器を構成する部分反射ミラー２４、２５とが含まれ、さらに、図示していないレーザガス励起システムや制御系、さらには、冷却系、ガス交換システム等が含まれる。
【００５４】
レーザチャンバ２１には、光軸上に２つのウィンドウ２２と２３が取り付けてある。なお、図１０においては、発振用レーザ１０から発振されたレーザ光は、ミラー１８と１９でそれぞれ反射されて増幅用レーザ２０に入射するように構成されている。レーザウィンドウは発振段及び増幅段レーザの共振器内に配置されているので、レーザ光が多数往復する。
【００５５】
したがって、ＣａＦ2 結晶の表面を（１１１）面で研磨し、かつ、真性複屈折が小さくなるように結晶方位を合わせて配置することにより、偏光純度の悪化を防ぐことができる。
【００５６】
そして、レーザチャンバ１１、２１に取り付けるウィンドウ１２、１３、２２、２３を本発明による紫外線ガスレーザ用光学素子で構成することが望ましいのは上記の通りであるが、
また、発振用レーザ１０の共振器を構成する部分反射ミラー１５、増幅用レーザ２０の部分反射ミラー２４、２５は、複屈折を最小にすべく、（１１１）面に沿ってカットして、ＣａＦ2 結晶内部を透過するレーザ光の光軸が（１１１）面に垂直となるようにすることが望ましい。
【００５７】
また、増幅用レーザ２０の部分反射ミラー２４、２５を取り外したＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier ）システムに本発明を適用しても同様の効果がある。
【００５８】
また、このレーザシステムのビームをサンプルするための、ビームスプリッタに適用できる。このビームスプリッタの表面には、片面ＡＲコート、片面部分反射コートが施されたり、フレネル反射を利用して、サンプルする場合は、ノーコートのＣａＦ2 結晶基板を使用する。
【００５９】
この例では、発振段レーザパワーモニタ３０のビームサンプル用の第１ビームスプリッタ３１と、増幅後のレーザのエネルギ及びスペクトルを計測するためのモニターモジュール４０のビームサンプル用の第２ビームスプリッタ４１に適用している。
【００６０】
さらに、光学パルスストレッチャ５０に使用される第３ビームスプリッタ５１に本発明を適用できる。片面ＡＲコート、片面部分反射コート（約Ｒ＝６０％）を施こされている。
【００６１】
これらビームスプリッタの場合は、通常入射角度α＝４５°入射なので、ＣａＦ２結晶内での屈折角度β＝２８．０９°となる。
【００６２】
図１１は、２枚のウェッジ基板の組み合わせによるビーム拡大光学系９１、９１'を増幅段レーザの共振器内に配置した例を示す。図１１（ａ）は、出力側のみにビーム拡大光学系９１'を配置した例、図１１（ｂ）は、リア側及び出力側にビーム拡大光学系９１、９１'を配置した例である。
【００６３】
増幅段レーザの共振器中に、ビーム拡大光学系９１、９１'を配置する場合は、何回もレーザ発振により光が往復するので、ビーム拡大光学系９１、９１'の真性複屈折を考慮せずに設置すると偏光純度が悪化する。そこで、本発明のように、真性複屈折が小さくなるようなＣａＦ2 結晶軸配置にすることにより、偏光純度の悪化を防ぐことができる。
【００６４】
図１２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場合の配置例である。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１２を用いて説明する。図１２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枚目のウェッジ基板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。
【００６５】
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３内のレーザ光軸と平行にすることができる。このような２枚のウェッジ基板の組み合わせによるビームエキスパンダは、波長変化によるレーザビームの出射角度の依存性が小さく、増幅段レーザの共振器内や増幅後のビームを広げるためのビームエキスパンダとして使用される。
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（ＡｒＦレーザ波長１９３．３６８ｎｍの場合は、５６．３４°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。
【００６６】
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°の入射角のフレネル反射の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。
【００６７】
図１２（ａ）では、このウェッジ基板の入射側の面の方位を（１１１）面と平行に製作し、入射角度６８．７°で入射したレーザ光は、スネルの法則により、ＣａＦ2 結晶内で３８．３４°で屈折し、出射側の面で屈折する。この光軸は、面方位[１１１]軸と[００１]軸を含む面内で、かつ、これらの結晶軸のなす角度の間になるようにウェッジ基板を設置している。そして、このウェッジ基板の出射面において屈折角度６０．０度で出射する。
【００６８】
さらに、第２のウェッジ基板においても同様に、光軸と結晶軸との関係が同様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り、真性複屈折を小さくできるので、レーザの偏光純度が悪化しなくなる。また、入射面を（１１１）面と平行となるように研磨しているので、表面荒さが小さく、潜傷の少ない表面が得られるため、反射防止膜のレーザ照射による損傷閾値が向上する。
【００６９】
図１２（ｂ）では、ウェッジ基板の出射側の面方位を（１１１）面と平行に製作し、ＣａＦ2 内部を通過する光軸が、面方位[１１１] 軸と面方位[００１]軸を含む面において、両軸のなす角の間になるようにウェッジ基板を設置している。
【００７０】
ここで、入射側の面のエネルギ密度が高い場合は図１２（ｂ）に比べて図１２（ａ）の配置の方が、エネルギ密度の高い面が（１１１）面となるため、膜のレーザ耐性が向上する。
【００７１】
以上、本発明の紫外線ガスレーザ用光学素子及び紫外線ガスレーザ装置を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】ＣａＦ2 の結晶格子を示す図である。
【図２】ＣａＦ2 結晶の軸［００１］、［１００］に対する光の進行方向Ｌの角度θとφの定義を示す図である。
【図３】本発明によるＣａＦ2 を用いたウィンドウの断面図である。
【図４】結晶方位によるＣａＦ2 の真性複屈折の大きさの分布を示す図である。
【図５】ＣａＦ2 結晶表面に入射する角度とＰ偏光の反射率の関係を示す図である。
【図６】ＣａＦ2 ウィンドウへの入射角度を２４．９°及び６８．７３°とした時の光軸とＣａＦ2 結晶の軸の関係を示す図である。
【図７】図３のウィンドウをレーザチャンバに取り付けるときの調整方法を説明するための図である。
【図８】ＣａＦ2 結晶ウィンドウに入射角度を５６．３４°の場合のウィンドウを［１１１］軸で回転させたときに計測したそれぞれの真性複屈折の相対値変化を示す図である。
【図９】ＣａＦ2 結晶ウィンドウに入射角度を２４．９°、４５°、６８．７３°の場合のウィンドウを［１１１］軸で回転させたときに計測したそれぞれの真性複屈折の相対値変化を示す図である。
【図１０】本発明の紫外線ガスレーザ用光学素子をレーザシステムに適用する場合の断面図である。
【図１１】２枚のウェッジ基板の組み合わせによるビーム拡大光学系を増幅段レーザの共振器内に配置した例を示す図である。
【図１２】２枚のウェッジ基板にレーザ光が入射した場合のレーザ光路を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１…ウィンドウ
２、２’…表面（カット面）
３…レーザ光
４…射出光
１０…発振用レーザ
１１…レーザチャンバ
１２、１３…ウィンドウ
１４…狭帯域化モジュール
１５…出力鏡（部分反射ミラー）
１６…ビーム拡大プリズム
１７…グレーティング
１８、１９…ミラー１
２０…増幅用レーザ
２１…レーザチャンバ
２２、２３…ウィンドウ
２４、２５…部分反射ミラー
３０…発振段レーザパワーモニタ
３１…第１ビームスプリッタ
４０…モニターモジュール
４１…第２ビームスプリッタ
５０…光学パルスストレッチャ
５１…第３ビームスプリッタ
９１、９１' …ビーム拡大光学系
９２、９３…ウェッジ基板
【図１】
2011238976.tif 000004
【図２】
2011238976.tif 000005
【図３】
2011238976.tif 000006
【図４】
2011238976.tif 000007
【図５】
2011238976.tif 000008
【図６】
2011238976.tif 000009
【図７】
2011238976.tif 000010
【図８】
2011238976.tif 000011
【図９】
2011238976.tif 000012
【図１０】
2011238976.tif 000013
【図１１】
2011238976.tif 000014
【図１２】
2011238976.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月30日(2011.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射平面と射出平面を備え、レーザ光が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、
入射平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、
前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であり、
入射平面から入射したレーザ光が
［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、［１１１］軸と［００１］軸との間、
［１１１］軸と［０１０］軸を含む面内で、［１１１］軸と［０１０］軸との間、
又は、［１１１］軸と［１００］軸を含む面内で、［１１１］軸と［１００］軸との間、
を通過し、射出平面から射出される
ことを特徴とするガスレーザ用光学素子。
【請求項２】
射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行である
ことを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ用光学素子。
【請求項３】
入射平面と射出平面を備え、レーザ光が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、
入射平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、
前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であり、
前記フッ化カルシウム結晶は、［１１１］軸を中心に回転され、真性複屈折が極小となる領域に設置される
ことを特徴とするガスレーザ用光学素子。
【請求項４】
射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行である
ことを特徴とする請求項３に記載のガスレーザ用光学素子。
【請求項５】
レーザチャンバと、
レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、
レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、
そのレーザガスを励起する手段と、
励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと
を有し、
前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、
前記各ウィンドウは前記ガスレーザ用光学素子からなる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【請求項６】
レーザチャンバと、
レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、
レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、
そのレーザガスを励起する手段と、
励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、
レーザ光を分割するビームスプリッタと
を有し、
前記ウィンドウが前記光共振器の光軸上に沿って配置されているガスレーザ装置において、
前記ビームスプリッタは前記ガスレーザ用光学素子からなる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【請求項７】
レーザチャンバと、
レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、
レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、
そのレーザガスを励起する手段と、
励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ外部へ出射するためにレーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、
ビーム拡大光学系と、
を有するガスレーザ装置において、
前記ビーム拡大光学系のウェッジ基板は前記ガスレーザ用光学素子からなる
ことを特徴とする請求項１又は３に記載のガスレーザ用光学素子を用いたガスレーザ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
そのために、本発明のガスレーザ用光学素子は、入射平面と射出平面を備え、レーザ光が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、入射平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であり、入射平面から入射したレーザ光が［１１１］軸と［００１］軸を含む面内で、［１１１］軸と［００１］軸との間、［１１１］軸と［０１０］軸を含む面内で、［１１１］軸と［０１０］軸との間、又は、［１１１］軸と［１００］軸を含む面内で、［１１１］軸と［１００］軸との間、を通過し、射出平面から射出されることを特徴とする。また、射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
さらに、本発明のガスレーザ用光学素子は、入射平面と射出平面を備え、レーザ光が入射平面から入射し、射出平面から射出するフッ化カルシウム結晶からなる紫外線ガスレーザ用光学素子において、入射平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であり、前記レーザ光の入射平面への入射角度は、２４．９°から６８．７３°の角度範囲内であり、前記フッ化カルシウム結晶は、［１１１］軸を中心に回転され、真性複屈折が極小となる領域に設置されることを特徴とする。また、射出平面がフッ化カルシウム結晶の（１１１）結晶面に平行であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011238976.tif 000016
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2011238976.tif 000017