(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をターゲット物質に照射することにより前記ターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
発振によりレーザ光を生成するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器によって生成されるレーザ光を入力し幅を拡大して扁平なレーザ光として出力する入射光学系と、
前記入射光学系から入力される前記扁平なレーザ光を増幅して出力する少なくとも１つのスラブ型レーザ増幅器と、
を具備し、前記少なくとも１つのスラブ型レーザ増幅器が、
第１のウィンドウ及び第２のウィンドウを有し、炭酸ガス（ＣＯ２）を含む気体で充たされたチャンバと、
前記チャンバ内に配置された一対の対向する平板型の電極で、高周波電圧が印加されることにより前記レーザ光に垂直な断面が該電極に平行な方向に長い形をした放電領域を形成し、前記気体を励起してレーザ光を増幅する一対の電極と、
前記チャンバ内に配置された複数のミラーによって、前記第１のウィンドウから入射するレーザ光を多重反射することにより前記放電領域の一方の端から他方の端に向けて移動させながら伝播させて前記第２のウィンドウから出射させる多重反射光学系と、を含み、
前記扁平なレーザ光は拡大された幅の方向を前記電極に平行な方向に合わせて前記放電領域に入力される、
極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項２】
前記スラブ型レーザ増幅器から出力される扁平なレーザ光を入力し幅を縮小して出射する出射光学系をさらに具備する、請求項１記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項３】
前記多重反射光学系が、互いに焦点距離が等しく、焦点の位置が一致するように光軸に沿って対向して配置されることにより共焦点光学系を構成する複数のミラーを有する、請求項１または２記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項４】
前記多重反射光学系が、前記放電領域においてレーザ光が少なくとも１つの焦点を結ぶように対向して配置されることにより転写型光学系を構成する複数のミラーを有する、請求項１または２記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項５】
前記多重反射光学系が、
複数のミラーを有し、前記第１のウィンドウから入射する第１の偏光のレーザ光を多重反射することにより前記放電領域内を伝播させる第１の光学系と、
複数の偏光子と複数のミラーとを有し、前記第１の光学系から出射する第１の偏光のレーザ光の伝播方向を変更すると共に第２の偏光のレーザ光に変換して前記第１の光学系に再度入射させ、前記第１の光学系から出射する第２の偏光のレーザ光は通過させる第２の光学系と、
を含み、前記第１のウィンドウから入射するレーザ光に対してダブルパス増幅を行い、増幅されたレーザ光を前記第２のウィンドウから出射させる請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項６】
前記多重反射光学系が、
ビームスプリッタを有し、前記第１のウィンドウから入射するレーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分割する第１の光学系と、
複数のミラーを有し、前記第１の光学系によって分割された第１のレーザ光と第２のレーザ光とを互いに異なる方向から前記放電領域内に入射させ、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを多重反射することにより前記放電領域内を伝播させる第２の光学系と、
第２の光学系から出射する第１のレーザ光と第２のレーザ光とを合波する光学系と、
を含み、前記第１のウィンドウから入射するレーザ光に対して２方向増幅を行い、増幅されたレーザ光を前記第２のウィンドウから出射させる請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項７】
前記レーザ増幅器が、レーザ光が前記第１のウィンドウから入射して前記第２のウィンドウから出射するまでの光路中に、自励発振を抑制するための過飽和吸収体セルをさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【請求項８】
前記第１のウィンドウと前記第２のウィンドウは前記放電領域の互いに対角の位置にある角に配置される、請求項１〜７のいずれか１項記載の極端紫外光源用ドライバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等を露光するために用いられる極端紫外光を発生するＬＰＰ(laser produced plasma)型ＥＵＶ（extreme ultra violet：極端紫外）光源装置においてターゲットにレーザ光を照射するドライバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスの微細化に伴い、光リソグラフィの微細化も急速に進展しており、次世代においては、１００ｎｍ〜７０ｎｍの微細加工、さらには５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになっている。そのため、例えば、５０ｎｍ以下の微細加工に応じるべく、波長１３ｎｍ程度の極端紫外光を発生するＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（reduced projection reflective optics）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。
【０００３】
そのようなＥＵＶ光源装置においては、一般に、駆動用光源（ドライバ）として短パルスレーザが用いられる。短パルスレーザは、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において高いＣＥ（conversion efficiency：照射レーザ光からＥＵＶ光への変換効率）を得るのに適しているからである。
【０００４】
図１８は、ドライバとして用いられる発振増幅型レーザの構成を示す概略図である。
図１８に示す発振増幅型レーザ９０は、短パルスＣＯ２レーザによって構成されるレーザ発振器９１と、短パルスＣＯ２レーザが発生したレーザ光を増幅するレーザ増幅器９２とを含んでいる。ここで、レーザ増幅器９２が光共振器を持たない場合に、そのような構成を有するレーザシステムは、ＭＯＰＡ(Master Oscillator Power Amplifier)システムと呼ばれる。レーザ増幅器９２は、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、さらに、必要に応じて、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、キセノン（Ｘｅ）等を含むＣＯ２レーザガスを放電によって励起する放電装置を有している。
なお、図１８に示すレーザ増幅器９２と異なり、増幅段に共振器を設ける場合には、増幅段単体によるレーザ発振が可能である。そのような構成を有するレーザシステムは、ＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）システムと呼ばれる。
【０００５】
レーザ発振器９１から出射したエネルギーＡを有するレーザ光（シードレーザ光）１２６は、レーザ増幅器９２において所望のエネルギーＢを有するレーザ光１２８に増幅される。このエネルギーＢを有するレーザ光１２８は、レーザ光伝播系を通して、又は、レンズによって集光されて、錫（Ｓｎ）やキセノン（Ｘｅ）等から選択されるＥＵＶ発光ターゲット物質に照射される。
【０００６】
図１８においては、レーザエネルギーＡをレーザエネルギーＢまで増幅するために、増幅器を１段しか設けていないが、所望のレーザエネルギーＢを得るために、複数段の増幅器を用いてもよい。このようなレーザ増幅器として、高速軸流型レーザ増幅器が使用されている。
【０００７】
図１９は、高速軸流型レーザ増幅器の構成を示す概略図である。高速軸流型レーザ増幅器は、高周波電圧を印加することにより内部に放電領域を生成し、レーザ光を増幅する複数本の放電管を有する。図１９に示すように、上下２段で合計８本の放電管１３２ａ〜１３２ｈを有する場合を例として、高速軸流型レーザ増幅器の構成と動作について説明する。
【０００８】
シードレーザ光１２６がウィンドウ１３７ａから放電管１３２ａに入射し、増幅されて、放電管１３２ａから出射する。出射したレーザ光は、反射ミラー１３５ａで向きを変えて、放電管１３２ｂに入射し、増幅されて、放電管１３２ｂから出射する。出射したレーザ光は、反射ミラー１３５ｂで向きを変える。レーザ光は、放電管１３２ｃ〜１３２ｈで増幅されて、反射ミラー１３５ｃ〜１３５ｈで向き変えることを繰り返しながら、ウィンドウ１３７ｂから増幅レーザ光１２８として出射する。
【０００９】
関連する技術として、非特許文献１は、高速軸流ＣＯ２レーザ増幅器について開示する。非特許文献２は、核融合用ＣＯ２レーザシステムにおいて使用される気体過飽和吸収体について開示する。
【非特許文献１】有我達也、遠藤彰，「極端紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィー光源用ＣＯ２レーザー」，Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ，新技術コミュニケーションズ，平成１６年１２月，第２８巻，第１２号，ｐ．１２６３−１２６７
【非特許文献２】リチャード・エフ・ハグルンド（Richard F. Haglund）、外２名，「ヘリオスＣＯ２レーザーシステムのための気体過飽和吸収体（Gaseous Saturable Absorbers for the Helios CO2 Laser System）」，（米国），アイイーイーイー・ジャーナル・オブ・クオンタムエレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum Electronics）１９８１年９月，第ＱＥ−１７巻，第９号，ｐ．１７９９−１８０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来使用されている高速軸流型レーザ増幅器では、レーザ発振出力の２０％程度しか出力を取り出すことができなかった。図２０は、５ｋＷ高速軸流型レーザ増幅器を使用した場合にシード光パワーとレーザ増幅器から取り出せるパワーとの関係を示している。増幅器に入力するシード光パワーが１００Ｗ以上になると、増幅器から取り出すことができるパワーが飽和して、増幅器から取り出すことができるパワーの上限は、１２００Ｗ程度となる。すなわち、５ｋＷ増幅器からの出力取り出し効率は、約２４％（＝１２００Ｗ／５０００Ｗ）となる。このように、高速軸流型レーザ増幅器においては、出力取り出し効率が低く、増幅効率に劣るという解決すべき課題がある。
【００１１】
高速軸流型レーザ増幅器において、取り出し効率を増加するためには、軸流放電管の直径を大きくすることが必要であるが、軸流放電管の直径を大きくすると、増幅されたレーザ光がマルチモード化し、極端紫外光源装置にとって必須の要件である集光性が低下するという問題が生じる。また、高速軸流型レーザ増幅器においては、軸流放電管を多段で構成すること、及び、軸流放電管に循環装置を設ける必要があることから、レーザ増幅器が大型化するという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、これらの問題を解決することを課題としてなされたもので、本発明の目的は、小型で、レーザ光の増幅を効率良く行うことができ、増幅されたレーザ光の集光性に優るドライバレーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るドライバレーザは、レーザ光をターゲット物質に照射することによりターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、発振によりレーザ光を生成するレーザ発振器と、レーザ発振器によって生成されるレーザ光を入力し扁平なレーザ光として出力する入射光学系と、扁平なレーザ光を入力し増幅して出力する少なくとも１つのスラブ型レーザ増幅器とを具備し、少なくとも１つのスラブ型レーザ増幅器が、第１のウィンドウ及び第２のウィンドウを有し、炭酸ガス（ＣＯ２）を含む気体で充たされたチャンバと、チャンバ内に配置された一対の対向する平板型の電極で、高周波電圧が印加されることによりレーザ光に垂直な断面が電極に平行な方向に長い形をした放電領域を形成し、放電領域内の気体を励起してレーザ光を増幅する一対の電極と、チャンバ内に配置された複数のミラーによって、第１のウィンドウから入射するレーザ光を多重反射することにより放電領域の幅の中で一方の端から他方の端に向けて移動させながら伝播させて第２のウィンドウから出射させる多重反射光学系とを含み、扁平なレーザ光は拡大された幅の方向と電極に平行な方向が合うように放電領域に入力されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上記のようなスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器を用いてドライバレーザを構成するので、ドライバレーザを小型化し、レーザ光の増幅を効率良く行うことができ、ビームの広がりを抑制して集光性に優れた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】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の各実施形態に係る極端紫外光源用スラブ型ＣＯ２ドライバレーザ（以下において、単に「ドライバレーザ」とも言う）が適用されるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の概要を示す模式図である。図１に示すように、このＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置は、ドライバレーザ１と、ＥＵＶ光発生チャンバ２と、ターゲット物質供給部３と、レーザ集光光学系４とを含んでいる。
【００１６】
ドライバレーザ１は、ターゲット物質を励起させるために用いられる駆動用のレーザ光を発生する発振増幅型レーザ装置である。ドライバレーザ１の構成については、後で詳しく説明する。
【００１７】
ＥＵＶ光発生チャンバ２は、ＥＵＶ光の生成が行われる真空チャンバである。ＥＵＶ光発生チャンバ２には、ドライバレーザ１から発生したレーザ光６をＥＵＶ光発生チャンバ２内に通過させるための窓１１が設けられている。また、ＥＵＶ光発生チャンバ２の内部には、ターゲット噴射ノズル１５と、ターゲット回収筒１６と、ＥＵＶ集光ミラー８とが配置されている。
【００１８】
ターゲット物質供給部３は、ＥＵＶ光を発生するために用いられるターゲット物質を、ターゲット物質供給部３の一部であるターゲット噴射ノズル１５を介して、ＥＵＶ光発生チャンバ２内に供給する。供給されたターゲット物質の内、レーザ光が照射されずに不要となったものは、ターゲット回収筒１６によって回収される。ターゲット物質としては、公知の様々な材料（例えば、錫（Ｓｎ）、キセノン（Ｘｅ）等）を用いることができる。
【００１９】
ターゲット物質の状態は、固体、液体、気体のいずれでも良く、連続流れ（ターゲット噴流）や液滴（ドロップレット）等の公知のいずれの態様でターゲット物質をＥＵＶ光発生チャンバ２内の空間に供給しても良い。例えば、ターゲット物質として液体のキセノン（Ｘｅ）ターゲットを用いる場合には、ターゲット物質供給部３は、高純度キセノンガスを供給するガスボンベ、マスフローコントローラ、キセノンガスを液化するための冷却装置、ターゲット噴射ノズル等によって構成される。また、ドロップレットを生成する場合には、それらを含む構成に、ピエゾ素子等の加振装置が追加される。
【００２０】
レーザ集光光学系４は、例えば、集光レンズを含んでおり、ドライバレーザ１から出射したレーザ光６を、ターゲット物質の軌道上に焦点を形成するように集光する。それにより、ターゲット物質５が励起してプラズマ化し、ＥＵＶ光７が発生する。
【００２１】
ＥＵＶ集光ミラー８は、例えば、１３．５ｎｍの光を高反射率で反射するＭｏ／Ｓｉ膜がその表面に形成された凹面鏡であり、発生したＥＵＶ光７を反射することにより集光して伝送光学系に導く。さらに、このＥＵＶ光は、伝送光学系を介して露光装置等へ導かれる。図１において、ＥＵＶ集光ミラー８は、紙面の手前方向にＥＵＶ光を集光する。
【００２２】
本実施形態に係るドライバレーザは、レーザ増幅器としてスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器を用いることを特徴とする。スラブ型レーザは、広い板状の電極を用いて、電極間で一様にレーザ光を励起することが可能である。スラブ型レーザを用いることにより、小型で増幅効率の高いレーザ増幅器を実現することができる。また、スラブ型レーザは、シングルモードレーザ光をシングルモードレーザ光として増幅することが可能であり、ビームの広がりを抑制して集光性に優れたレーザ光を得ることができる。
【００２３】
次に、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザについて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザの概要を示す模式図である。このドライバレーザは、レーザ発振器２１と、スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器３１とを有している。スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器３１は、炭酸ガス（ＣＯ２）を含む気体で充たされたチャンバ３２と、チャンバ３２内に配置された２個の電極３３ａ及び３３ｂと、チャンバ３２内において２個の電極３３ａ及び３３ｂを挟む位置に配置されたリアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂとを含む。チャンバ３２には、第１のウィンドウであるリアウィンドウ３７ａと第２のウィンドウであるフロントウィンドウ３７ｂとが設けられている。
【００２４】
スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器３１の２個の電極３３ａ及び３３ｂは、高周波電源（図示せず）に接続され、チャンバ３２内の炭酸ガス（ＣＯ２）を含む気体を励起し、電極３３ａ及び３３ｂの間に放電領域２７が形成される。レーザ発振器３１から出力されたシードレーザ光２６は、スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器３１の第１のウィンドウであるリアウィンドウ３７ａを通して電極３３ａ及び３３ｂの間に入る。２個の電極３３ａ及び３３ｂの間のキャップ長は、例えば、３ｍｍ〜４ｍｍである。シードレーザ光２６は、リアミラー３５ａの横より電極間へ注入され、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂとの間で多重反射されながら、電極３３ａ及び３３ｂの間を伝播し、放電領域２７にあるレーザ媒質によって増幅される。増幅された増幅レーザ光２８は、フロントミラー３５ｂの横から第２のウィンドウであるフロントウィンドウ３７ｂを通して外部に出力される。本発明では上記の説明の通り、シードレーザが入射するスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器のウィンドウを第１のウィンドウと定義し、スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器で増幅されたシードレーザ光を外部へ出力するウィンドウを第２のウィンドウと定義する。
【００２５】
スラブ型ＣＯ２レーザ増幅器３１においては、電極３３ａ及び３３ｂの間のキャップ長が小さいので、シードレーザ光２６のビームが拡がると、シードレーザ光２６が電極３３ａ及び３３ｂで反射され、エネルギーの損失となる。増幅効率を高めるためには、これを防止することが必要となる。そこで、シードレーザ光２６が電極３３ａ及び３３ｂで反射されることを防止するために、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂ等により構成される光学系が、シードレーザ光２６のビームの拡がりを抑制するように配置される。
【００２６】
また、増幅効率を高めるために、放電領域内におけるシードレーザ光２６の光路を長くすることが必要となる。そこで、シードレーザ光２６をリアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂにより多数回反射して、放電領域内においてシードレーザ光２６の光路を長くするように、光学系が構成される。さらに、増幅効率を高めるために、レーザ増幅器３１の自励発振を抑制することが必要となる。そこで、自励発振を抑制するために、シードレーザ光２６の光路中に、過飽和吸収体が設けられている。
【００２７】
図３は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器のミラーの配置を上から見た模式図である。図３の（ａ）においては、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂの各々として凹面ミラーが配置され、シードレーザ光２６が凹面ミラーの間で多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅されて、増幅レーザ光２８として出力される。
【００２８】
図３の（ｂ）においては、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂの各々として平面ミラーが配置され、シードレーザ光２６が平面ミラーの間で多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅されて、増幅レーザ光２８として出力される。
【００２９】
図３の（ｃ）においては、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂの各々として複数のミラーが配置され、シードレーザ光２６が複数のミラーの間で多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅されて、増幅レーザ光２８として出力される。
【００３０】
図４は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器の一例を示す図である。このスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器は、シードレーザ光２６を左側から入射する。シードレーザ光２６のビーム径は、例えば、５ｍｍである。シードレーザ光２６は、平凸レンズ３４ａ、平凹レンズ３４ｂ、平凹シリンドリカルレンズ３４ｃ、平凸シリンドリカルレンズ３４ｄによってビーム成型されて、幅Ｗ０の扁平なレーザ光となる。幅Ｗ０の値は、例えば、１０ｍｍである。
【００３１】
このレーザ光は、電極３３ａ及び３３ｂの間に形成された放電領域２７に入射し、２個のリアミラー３５ａと２個のフロントミラー３５ｂとによって多重反射されながら、電極３３ａ及び３３ｂの間に形成された放電領域２７の中を伝播して増幅され、放電領域２７から出射する。放電領域２７から出射したレーザ光は、平凸シリンドリカルレンズ３４ｅ、平凹シリンドリカルレンズ３４ｆ、平凹レンズ３４ｇ、平凸レンズ３４ｈを経て、ＥＵＶチャンバ内のターゲットに照射される。
【００３２】
図４に示される本発明のスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器の一例において、リアミラー３５ａ及びフロントミラー３５ｂの各々の直径Ｄ０は、例えば、２５．４ｍｍである。平凸レンズ３４ａと平凹レンズ３４ｂとの間の距離Ｄ１は、例えば、４５ｍｍである。平凸レンズ３４ａと平凹シリンドリカルレンズ３４ｃとの間の距離Ｄ２は、例えば、７０ｍｍである。平凸レンズ３４ａと平凸シリンドリカルレンズ３４ｄとの間の距離Ｄ３は、例えば、１１６ｍｍである。電極３３ａ及び３３ｂの幅Ｗ１は、例えば、６０ｍｍである。
【００３３】
図５は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのスラブ型ＣＯ２レーザ発振器の基本構成を示す斜視図である。電極２３ａ及び２３ｂは、高周波電圧が印加されることにより、炭酸ガス中で放電を起こして放電領域２７を形成する。放電領域２７内で、レーザ光が励起され、リアミラー２５ａとフロントミラー２５ｂの間で共振して、シードレーザ光２６として放電領域２７から出射する。冷却水入口２９ａから冷却水を注入して冷却水出口２９ｂから排出することにより、電極２３ａ及び２３ｂが冷却される。
【００３４】
図６は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器の基本構成を示す斜視図である。図２におけるのと同一の参照符号を付した同一の構成要素については、説明を省略する。冷却水入口３９ａから冷却水を注入して冷却水出口３９ｂから排出することにより、電極３３ａ及び３３ｂが冷却される。
【００３５】
図７は、５ｋＷスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器における入力エネルギーと出力エネルギーとの関係を示す。図７において、出力エネルギーは、１００ｋＨｚでレーザパルスを増幅した時の１パルス当たり取り出すことができるエネルギーに相当する。図７に示すように、１パルス当たり最大１７ｍＪを取り出すことができ、５ｋＷの増幅段から１７００Ｗが取り出されている。すなわち、取り出し効率は、３４％（＝１７００Ｗ／５０００Ｗ）である。
【００３６】
一般に、レーザ集光光学系４（図１）のレンズから出力されるレーザ光のスポット径Ｓは、次式（１）で表される。
Ｓ＝４Ｍ２λｆ／πＤ＝４λＭ２（ｆ／♯）／π  ・・・（１）
ここで、λは波長、ｆはレンズの焦点距離、Ｄはレンズにおける入力ビーム直径（強度が１／ｅ２となる位置）、Ｍ２はビームモードパラメータ、（ｆ／♯）は（レンズの焦点距離／ビーム径）で定義される。
【００３７】
極端紫外光源装置に用いられるレーザ光は、集光性が良いことが必要とされる。ビームモードパラメータＭ２は、集光性を表している。集光性を良くするための条件として、Ｍ２が１に近いことが要求される。スラブ型レーザ増幅器は、電極面積を広くすることにより、高利得増幅を実現している。すなわち、高利得増幅を行っても、電極間距離には変化がなく、均一な放電を行うことが可能である。その結果、シングルモードレーザをシングルモードレーザとして増幅することができる。
【００３８】
図８は、共焦点ミラーを増幅系ミラーとして用いる本発明の第２の実施形態を示す図である。ここで、共焦点ミラーとは、互いに焦点距離が等しく、かつ、焦点の位置が一致するように光軸に沿って対向して配置される複数のミラーのことをいい、光共振モードを有するので、細い光ビームを形成することができる。
【００３９】
図８の（ａ）は、共焦点ミラーを用いるスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。図８の（ａ）に示されるように、シードレーザ光２６は、共焦点シリンドリカルミラー３５ｃ及び３５ｄにより多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光２８として出力される。
【００４０】
図８の（ｂ）は、共焦点ミラーを用いるスラブ型レーザ増幅器の構造を示す側面図である。図８の（ｂ）に示されるように、共焦点シリンドリカルミラー３５ｃ及び３５ｄを増幅系ミラーとして用いることにより、シードレーザ光２６のビームの拡がりが抑制され、シードレーザ光２６の電極３３ａ及び３３ｂによる反射が防止される。これにより、レーザ光が効率的に増幅される。図８においては、共焦点ミラーとして、シリンドリカルミラーを例にとって説明しているが、共焦点ミラーとして、凹面ミラーや球面ミラーを用いても良い。
【００４１】
図９は、転写光学系を増幅光学系として用いる本発明の第３の実施形態を示す図である。ここで、転写光学系とは、放電領域においてレーザ光が少なくとも１つの焦点を結ぶように対向して配置される複数のミラーのことをいい、光共振モードを有するので、細い光ビームを形成することができる。
【００４２】
図９の（ａ）は、複数の平面ミラーを組み合わせて構成された転写光学系を用いるスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図であり、図９の（ｂ）は、平面ミラーと凹面ミラーを組み合わせて構成された転写光学系を用いるスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図であり、図９の（ｃ）は、平面ミラーとレンズを組み合わせて構成された転写光学系を用いるスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。
【００４３】
図９の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、シードレーザ光２６は、複数のミラー３５ｅ及び３５ｆにより多重反射されながら転写を受けて、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光２８として出力される。ここで、光ビームは、転写により光路中でクロスして伝播する。図９の（ａ）〜（ｃ）においては、光ビームが水平方向にクロスして伝播する場合を示しているが、光ビームは、水平方向及び垂直方向の両方においてクロスしても良いし、水平方向及び垂直方向の一方においてクロスしても良い。
【００４４】
転写光学系を増幅系ミラーとして用いることにより、シードレーザ光２６のビームの拡がりが抑制され、シードレーザ光２６の電極３３ａ及び３３ｂによる反射が防止される。これにより、レーザ光が効率的に増幅される。ミラー３５ｅ及び３５ｆとしては、平面ミラー、凹面ミラー、シリンドリカルミラー、球面ミラーのいずれを用いても良いし、図９の（ｃ）に示されるように、ミラーとレンズ３６ａ及び３６ｂとを組み合わせても良い。
【００４５】
ところで、スラブ型レーザは、共振器を有していなくても自励発振を起こし易いという問題点を有している。自励発振は、次式（２）で表されるＡの値が大きいほど発生し易いことが知られている。
Ａ＝ｇ０×Ｌ  ・・・（２）
ここで、ｇ０は増幅利得であり、Ｌはシードレーザ光の光路長（利得長）である。
【００４６】
スラブ型レーザにおいては、多重反射により光路を折り返して増幅を行うので、式（２）で表される光路長（利得長）が長くなる。そのため、Ａの値も大きくなるので、スラブ型レーザは、自励発振を起こし易くなる。スラブ型レーザ増幅器において、Ａの値が４以上になると自励発振が発生する。２パス増幅の場合には、増幅利得長（放電長）が１パス増幅の２倍になるので、自励発振の発生し易さが１パス増幅の２倍となる。
【００４７】
そこで、スラブ型レーザ増幅器の光路中に過飽和吸収体を設けることにより、自励発振光を抑制して、レーザ光の増幅を効率的に行うことができる。以下に、スラブ型レーザ増幅器の光路中に過飽和吸収体が設けられた本発明の第４の実施形態について説明する。図１０及び図１１は、本発明の第４の実施形態を示す図である。
【００４８】
図１０の（ａ）は、光路中に過飽和吸収体が設けられたスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。図１０の（ａ）に示されるように、シードレーザ光２６が、転写を受けてミラーにより多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光２８として出力される。その際に、レーザ光の光路中に設けられた過飽和吸収体セル４１が、レーザ増幅器の自励発振を抑制する。
【００４９】
図１０の（ｂ）は、光路中に設けられた過飽和吸収体セルを説明するための図である。過飽和吸収体セル４１は、一方のウィンドウ４２ａから光を入射し、入射した光を過飽和吸収体セル４３に通して他方のウィンドウ４２ｂから出射する。
【００５０】
可飽和吸収体は、強度が低いレーザ光に対する透過率が低く、強度が高いレーザ光に対する透過率が高いので、強度が低いレーザ光を吸収し、強度が高いレーザ光を透過する。一般に、自励発振光の強度はメインパルスの強度より低い。そのため、増幅系において自励発振が発生した場合に、可飽和吸収体は、自励発振光を吸収してメインパルスを通過させることができる。
【００５１】
なお、ＣＯ２レーザにおける可飽和吸収体としては、一般に、ＳＦ６を含む混合ガスが用いられる。可飽和吸収体としてＳＦ６を含む混合ガスを用いる場合には、バッファガスとして、Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒ等を使用することができる。混合ガス中のＳＦ６の含有量、バッファガスの種類及び含有量、バッファガス以外の他のガスを混合すること、可飽和吸収体を通過するレーザ光路長を調整すること等により、可飽和吸収体のレーザ光吸収特性を調整することが可能である。可飽和吸収体としては、ＳＦ６を含む混合ガス以外にも、エタノール（ethanol：Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、フロン１２（freon12：ＣＣｌ２Ｆ２）、フォーミック酸（formic acid：ＨＣＯＯＨ）等を用いることができる。
【００５２】
図１１の（ａ）は、光路中にミラー付き過飽和吸収体が設けられたスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。図１１の（ａ）に示されるように、シードレーザ光２６が、ミラー３５ｅ及び３５ｆにより多重反射されながら、放電領域２７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光２８として出力される。レーザ光の光路中に、ミラーと一体的に構成されたミラー付き過飽和吸収体セル４５が設けられ、レーザ増幅器の自励発振を抑制する。
【００５３】
図１１の（ｂ）は、光路中に設けられたミラー付き過飽和吸収体セルを説明するための図である。ミラー付き過飽和吸収体セル４５は、ウィンドウ４６から光を入射し、入射した光を過飽和吸収体４７に通してミラー４８で反射させ、反射した光を再び過飽和吸収体セル４５に通してウィンドウ４６から出射する。ＣＯ２レーザ光の可飽和吸収体としては、図１０の（ｂ）に示す過飽和吸収体セル４１の可飽和吸収体と同様の材料を使用することができる。
【００５４】
次に、ダブルパス増幅に関する本発明の第５の実施形態について説明する。図１２は、本発明の第５の実施形態を説明するための概念図である。レーザ発振器２１から出射されたシードレーザ光２６は、レーザ増幅器３１に入射し、レーザ媒質によって増幅された後にレーザ増幅器３１から出射する。レーザ増幅器３１から出射したレーザ光は、進行方向を変えて再びレーザ増幅器３１に入射し、レーザ媒質によって増幅された後に、レーザ増幅器３１から出射する。ダブルパス増幅によれば、このように２回増幅を繰り返すので、効率の良い増幅が可能となる。
【００５５】
図１３の（ａ）は、ダブルパス増幅を行うスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。図１３の（ｂ）は、ダブルパス増幅を行うスラブ型レーザ増幅器の構造を示す側面図である。Ｓ偏光のシードレーザ光２６（点線）が、スラブ型レーザ増幅器に入射し、偏光子５１ａを透過して、ミラー３５ａ及び３５ｂによって多重反射されながら放電領域２７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光２８ａとして出射する。
【００５６】
出射したＳ偏光のレーザ光２８ａは、偏光子５１ｂによって反射されて伝播方向を変えると共に、Ｐ偏光のレーザ光（実線）に変換される。Ｐ偏光のレーザ光は、ミラー５２ａ及び５２ｂ、及び、偏光子５１ａによって伝播方向を変えながら、再びスラブ型レーザ増幅器に入射する。入射したＰ偏光のレーザ光は、ミラーで多重反射されながら放電領域２７のレーザ媒質中で増幅されて、スラブ型レーザ増幅器からＰ偏光の増幅レーザ光２８ｂとして出射する。偏光子５１ｂは、Ｐ偏光の増幅レーザ光２８ｂを透過させる。このように、レーザ光が、ダブルパスを通過することによって２度増幅されるので、効率の良い増幅が可能となる。
【００５７】
次に、２方向増幅に関する本発明の第６の実施形態について説明する。図１４は、本発明の第６の実施形態を説明するための概念図である。レーザ発振器２１から出射したシードレーザ光２６は、ビームスプリッタ５４等によって構成される第１の光学系によって、２つのレーザ光２６ａ（実線）及び２６ｂ（点線）に分離される。２つのレーザ光２６ａ及び２６ｂは、それぞれ高反射ミラー５５ａ〜５５ｃ及び高反射ミラー５６ａ及び５６ｂを経由して、互いに異なる方向からウィンドウ５７ａ及び５７ｂを通ってレーザ増幅器３１の放電領域に入射し、第２の光学系である増幅器ミラー５８ａ及び５８ｂ間で多重反射し、放電領域２７のレーザ媒質によって増幅された後に、それぞれウィンドウ５７ｂ及び５７ａよりレーザ増幅器３１から２つの増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂとして出射する。増幅器から出射した２つの光ビームは、合波されてターゲットに照射される。２方向増幅によれば、同一の増幅器において異なる方向に２回増幅を行うので、均一な増幅を行うことができ、増幅利得を増加して効率の良い増幅が可能となる。
【００５８】
ビームスプリッタ５４としては、例えば、ＺｎＳｅ基板、ダイヤモンド基板等に多層膜がコーティングされ反射率が５０％であるものが使用される。ただし、反射率５０％は一例であり、他の値でもよい。ビームスプリッタは、熱に弱く、必須ではないが冷却されていることが望ましい。図１４においては、シード光２６aに対して第１のウィンドウとしてウィンドウ５７ａが機能し、第２のウィンドウとしてウィンドウ５７ｂが機能する。また、シード光２６ｂに対しては第１のウィンドウとしてウィンドウ５７ｂが機能し、第２のウィンドウとしてウィンドウ５７ａが機能する。
【００５９】
図１５の（ａ）は、２方向のシードレーザ光に対して共通のミラーを用いて２方向増幅を行うスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。このスラブ型レーザ増幅器は、２方向から入射されるシードレーザ光２６ａ（点線）及び２６ｂ（実線）を、共通のミラー３５ｇ及び３５ｈにより多重反射して増幅を行い、増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂを出射する。出射された増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂは、ターゲットに照射される際に合波される。これにより、効率の良い増幅が可能となる。
【００６０】
図１５の（ｂ）は、２方向のシードレーザ光に対して別個のミラーを用いて２方向増幅を行うスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。このスラブ型レーザ増幅器は、２方向のシードレーザ光２６ａ（実線）及び２６ｂ（点線）を、互いに異なるパスにおいて、別個のミラー３５ｉ及び３５ｊによって多重反射して増幅を行い、増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂを出射する。出射された増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂは、ターゲットに照射される際に合波される。これにより、効率の良い増幅が可能となる。
【００６１】
図１５の（ｃ）は、２方向の光ビームに対して縦横に別個のミラーを用いて２方向増幅を行うスラブ型レーザ増幅器の構造を示す平面図である。このスラブ型レーザ増幅器は、２方向のシードレーザ光２６ａ（実線）及び２６ｂ（点線）を、異なるパスにおいて、縦横に別個のミラー３５ｋ、３５ｌ、３５ｍ、３５ｎによって多重反射して増幅を行い、増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂを出射する。出射された増幅レーザ光２８ａ及び２８ｂは、ターゲットに照射される際に合波される。これにより、安定で効率の良い増幅が可能となる。
【００６２】
図１５の（ａ）〜（ｃ）を参照しながら２方向増幅の実施形態について説明したが、各図にかかわらず、ミラーとしては、平面ミラー、シリンドリカルミラー、球面ミラーのいずれを用いても良い。
【００６３】
次に、コアキシャルスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器を用いる本発明の第７の実施形態について説明する。図１６は、本発明の第７の実施形態を説明するための概念図である。図１６の（ａ）は、コアキシャルスラブ型ＣＯ２レーザを用いるコアキシャルスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器を示す斜視図である。図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に示すコアキシャルスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器の右側面図である。
【００６４】
コアキシャルスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器は、チャンバ（図示を省略）内に、内側管型電極６２ａと、外側管型電極６２ｂとを有する。内側管型電極６２ａ及び外側管型電極６２ｂは、高周波電源６３に接続され、チャンバ内に放電領域６７が形成される。内側管型電極及び外側管型電極の右側と左側において、内側管型電極６２ａ及び外側管型電極６２ｂによって形成されるドーナツ状の領域に、複数の反射ミラー６４ａ及び６４ｂが設けられる。図１６の（ａ）及び（ｂ）においては、左右に４個ずつ、合計８個の反射ミラー６４ａ及び６４ｂが示されている。
【００６５】
図１６の（ａ）に示されるように、シードレーザ光６６は、左側から入射し、内側管型電極６２ａ及び外側管型電極６２ｂの左右に設けられた複数の反射ミラー６４ａ及び６４ｂの間で多重反射されながら、放電領域６７のレーザ媒質中で増幅され、増幅レーザ光６８として右側から出力される。ここで、反射ミラー６４ａ及び６４ｂの数を増やして、レーザ光が放電部を通過する距離を長くしても良い。また、左右の反射ミラーが、それぞれ一体型の反射ミラー、例えば、ドーナッツ型の反射ミラーとして構成されても良い。反射ミラーとしては、平面ミラー、凹面ミラー、シリンドリカルミラー、球面ミラーのいずれを用いても良い。
【００６６】
図１７は、スラブ型増幅器を用いたドライバレーザの構成の外観を示す斜視図である。図１７に示すように、このドライバレーザは、高周波電源１８と、高周波電源１８によって高周波電圧を印加されて短パルスレーザ光を発振する短パルスレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１から入射したシードレーザ光２６を伝播するレーザ光伝播系３０と、入射したシードレーザ光２６を増幅して増幅レーザ光２８として出射するスラブ型レーザ増幅器３１と、ドライバレーザ制御装置７０とを具備する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、露光装置の光源として用いられる極端紫外光源装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の各実施形態に係る極端紫外光源用ドライバレーザが適用されるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の概要を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザの概要を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのレーザ増幅器のミラー配置を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのレーザ増幅器の一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのレーザ発振器の基本構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザのレーザ増幅器の基本構成を示す斜視図である。
【図７】５ｋＷスラブ型ＣＯ２レーザ増幅器における入力エネルギーと出力エネルギーとの関係を示す図である。
【図８】共焦点ミラーを増幅系ミラーとして用いる本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図９】転写型光学系を増幅系ミラーとして用いる本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図１０】過飽和吸収体セルを用いる本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図１１】ミラー付過飽和吸収体セルを用いる本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態におけるダブルパス増幅を説明するための概念図である。
【図１３】スラブ型レーザ増幅器にダブルパス増幅を適用した実施形態を示す図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態における２方向増幅を説明するための概念図である。
【図１５】スラブ型レーザ増幅器に２方向増幅を適用した実施形態を示す図である。
【図１６】コアキシャルスラブ型レーザ増幅器を用いる本発明の第７の実施形態を説明するための概念図である。
【図１７】スラブ型増幅器を用いたドライバレーザの構成の外観を示す斜視図である。
【図１８】ドライバとして用いられる発振増幅型レーザの構成を示す概略図である。
【図１９】高速軸流型レーザ増幅器の構成を示す概略図である。
【図２０】５ｋＷ高速軸流型レーザ増幅器を使用した場合にシード光パワーとレーザ増幅器から取り出せるパワーとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…ドライバレーザ、２…ＥＵＶ光発生チャンバ、３…ターゲット物質供給部、４…レーザ集光光学系、５…ターゲット物質、６…レーザ光、７…ＥＵＶ光、８…ＥＵＶ集光ミラー、１１…窓、１５…ターゲット噴射ノズル、１６…ターゲット回収筒、１８…高周波電源、２１…短パルスレーザ発振器、２３ａ、２３ｂ…電極、２５ａ、２５ｂ…ミラー、２６、２６ａ及び２６ｂ…シードレーザ光、２７…放電領域、２８、２８ａ及び２８ｂ…増幅レーザ光、２９ａ…冷却水入口、２９ｂ…冷却水出口、３０…レーザ光伝播系、３１…スラブ型レーザ増幅器、３２…チャンバ、３３ａ、３３ｂ…電極、３４ａ〜３４ｈ…レンズ、３５ａ〜３５ｎ…ミラー、３６ａ、３６ｂ…レンズ、３７ａ、３７ｂ…ウィンドウ、３９ａ…冷却水入口、３９ｂ…冷却水出口、４１…過飽和吸収体セル、４２ａ、４２ｂ…ウィンドウ、４３…過飽和吸収体、４５…ミラー付過飽和吸収体セル、４６…ウィンドウ、４７…過飽和吸収体、４８…ミラー、５１ａ、５１ｂ…偏光子、５２ａ、５２ｂ…ミラー、５４…ビームスプリッタ、５５ａ〜５５ｆ…ミラー、５６ａ〜５６ｅ…ミラー、５７ａ、５７ｂ…ウィンドウ、５８ａ、５８ｂ…ミラー、６２ａ、６２ｂ…管型電極、６３…高周波電源、６４ａ及び６４ｂ…ミラー、６６…シードレーザ光、６７…放電領域、６８…増幅レーザ光、７０…ドライバレーザ制御装置
【図１】
0005179793.tif 000002
【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】
0005179793.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１９】
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