(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１ピコメートル以下の波長安定度を要求する高繰り返し数の複数のパルスのバーストを有する出力レーザ・ビームを発生する狭帯域放電レーザであって、
Ａ）レーザ・フレームと、
Ｂ）前記フレーム内に取り付けられたレーザ室であって、そのフレーム内での水平位置が、室のレーザビーム出力の方向に対して実質的に垂直な方向に調節自在である仕方で、前記フレームに取り付けられたレーザ室と、
Ｃ）前記室内に包含されるレーザ・ガスと、
Ｄ）その間のレーザ・ガスと共に利得媒体を定めるような、前記室内に包含され間隔を開けて置かれた２本の延長された電極と、
Ｅ）プリズム・ビーム拡大器、同調ミラー、及び、回折格子を含む線狭帯域化モジュールと、
Ｆ）前記出力波長を０．１ピコメートル未満の精度で調節する精密な同調手段と、
Ｇ）レーザ出力ビーム波長を検知する波長計と、
Ｈ）前記レーザ室の位置、前記線狭帯域化モジュール、及び、前記同調手段の作動を制御するようプログラムされたコンピュータプロセッサとを含み、
前記同調手段は、前記同調ミラーをその枢軸の回りに枢転させて、当該同調ミラーへの入射ビームの入射角に関し位置決めするステッピング・モータ及び圧電アクチュエータを備え、前記バースト動作における精密な同調に前記圧電素子を用いることを特徴とする、狭帯域放電レーザ。
【請求項２】
前記同調手段は、前記線狭帯域化モジュールのガス圧力を増加または減少する圧力制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項３】
前記同調ミラーは、分割された個々のミラーからなる変形自在ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項４】
前記同調ミラーは、個々のミラー・セグメントにおける入射ビームの入射角に関し、各ミラー・セグメントの位置に対する個々の枢軸を中心に各々回転させることができる複数のミラー・セグメントを含む分割されたミラーであることを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項５】
前記同調ミラーに対する入射ビームの入射角に関し枢軸を中心とした前記同調ミラーの回転角を検知するミラー位置検知システムを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項６】
前記ミラー位置検知システムは、前記ミラーに向けられた位置検知光源と、前記ミラーからの反射を検知する検知器アレイとを含むことを特徴とする請求項５に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項７】
前記光源は、ダイオード・レーザを含むことを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記光源は、水銀ランプを含むことを特徴とする請求項６に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項９】
各々のミラー・セグメントの各々の枢軸を中心とした各々のミラーセグメントの個々の回転角を検知するミラー・セグメント位置検知システムを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項１０】
前記利得媒体が共振空洞に対して目標とする位置にあるように、前記室を水平方向に位置決めする室位置決め器ユニットを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項１１】
コンピュータプロセッサは、前記波長計からのフィードバック情報に基づいて前記室を位置決めするために、前記室位置決め器ユニットを制御するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１０に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項１２】
前記プリズム・ビーム拡大器は、プリズム板上に配置された複数のプリズムを含み、且つ、前記プリズム板を位置決めするプリズム板位置決め器ユニットを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項１３】
前記コンピュータプロセッサは、前記波長計からのフィードバック情報に基づいて前記プリズム板を位置決めするために、前記プリズム板位置決め器ユニットを制御するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１２に記載の狭帯域放電レーザ。
【請求項１４】
前記ビーム拡大器は、可動プリズム板上に配置された複数のプリズムを含み、且つ
Ａ）前記コンピュータプロセッサからの制御信号に応じて、レーザビーム出力の方向に対して実質的に垂直な水平方向に調節自在に、前記室を水平方向に位置決めする室位置決め器ユニットと、
Ｂ）前記コンピュータプロセッサからの制御信号に応じて、前記プリズム板を位置決めするプリズム板位置決めユニットと、
Ｃ）傾斜軸を中心として傾斜させることができ、枢軸を中心として枢転させることができるＲMAXミラーと、
Ｄ）前記コンピュータプロセッサからの制御信号に基づいて、前記傾斜軸を中心として前記ＲMAXミラーを傾斜させるＲMAX傾斜位置決め器と、
Ｅ）前記コンピュータプロセッサからの制御信号に基づいて、前記出力ビームの基準波長を調節するために、前記枢軸を中心として前記ＲMAXミラーを枢転させるＲMAX枢軸位置決め器と、
Ｆ）前記コンピュータプロセッサからの制御信号に基づいて、回折格子の湾曲を調節する回折格子湾曲ユニットと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１９９９年９月３日に出願されたシリアル番号０９／３９０,５７９の一部継続出願である。本発明はレーザに関し、特にビーム品質のフィードバック制御を備えたレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くのレーザに関する応用例では、ビーム出力の正確な制御が必要である。この種のレーザの応用例の1つが、集積回路リソグラフィの光源である。現在、 ＫｒＦエキシマレーザは、最新の集積回路リソグラフィ装置において最も選択されている光源である。生産量を増やし、より精密な集積回路パターンを生成する努力がなされているため、光源の仕様はより厳しくなってきている。
２４８ナノメートルのＫｒＦレーザの一般的な仕様は、バンド幅が約０．６ピコメートル半値全幅、波長安定度が指定波長の０．１ピコメートル以内、及び、エネルギ線量安定度が約±０．５パーセントを必要とする。さらに、ビームの断面輝度値を制御することが重要である。
【０００３】
図1に、集積回路リソグラフィに使用される従来のＫｒＦエキシマレーザ・システムの特徴の一部を示す。このシステムは、利得媒体をその間に持つ２本の延長された電極（図示しない）を含むレーザ室３が内部に取り付けられたレーザ・フレーム構造５、不釣合いに大きく示された線狭帯域化モジュール７（「線狭帯域化パッケージ」またはＬＮＰと呼ぶ）、及び、出力カプラ４を含む。図1のＬＮＰの部分は、ＬＮＰの平面図を表している。ビーム断面は一般的に矩形で、通常、幅約３．５ミリメートル、高さ約１５ミリメートルである。従来の装置では、線狭帯域化モジュール７および出力カプラ・モジュール４（通常、部分反射ミラーを含む）の各々は、レーザ・フレーム構造５に動かないように取り付けられているフレームを含む。出力カプラ・モジュールと線狭帯域化モジュールとのフレーム内の光学部材は、レーザの共振空洞を定めるために手動で調節される。室は、時々図１の矢印３Ａで示すビーム幅の方向に、定められた共振空洞内で手動による精密な位置決めをすることができるように、レーザ・フレーム内に調節自在に取り付けられる。これらの調節によりレーザ技術者は、最適ビーム出力パラメータが達成されるように共振空洞を利得媒体と一直線に並べることができる。例えばこの従来技術の実施形態では、プリズム・ビーム拡大器１８は、プリズム板１３上に取りつけられたプリズム８、１０、及び、１２を含む。従来の装置では、プリズム板１３は、アラインメント技術として矢印１３Ａの方向に手動で調節することができる。従来の装置はまた、曲げ機構２０を拡張または収縮することにより、脚部１７Ａおよび１７Ｂに対してより大きい又は小さい圧縮力を掛け、回折格子１６の表面湾曲をより強めの、又は、より弱めの凹面形状に手動調節することを含む。調節は主として、出力ビームのバンド幅を制御するために行う。回折格子表面に凹面形状を強いる従来技術は、他に米国特許第５，０９５，４９２号に記載されている。
【０００４】
現在使用されている従来技術の一般的なリソグラフィ用エキシマレーザは、２つの自動フィードバック制御を組み込み、パルスエネルギと公称波長とを調節する。パルスエネルギは、それを目標とする限界内に調節するために、図1に示すように出力パルスエネルギをビーム出力モニタ２２で測定し、次に電極間に加えられる高電圧を制御するために、これらの測定値とコンピュータ制御器２４とを使用することにより、フィードバック・システムにおいて制御される。ビーム出力モニタ２２（波長計とも呼ばれる）は、公称波長およびパルス化された出力ビームのバンド幅も測定する。コンピュータ制御器２４は、ビームの公称波長を目標とする限界内に制御するためにステッピング・モータ１５を使って同調ミラー１４の枢軸位置を調節する。
【０００５】
従来の装置では、ステッピング・モータ１５は、１マイクロメートルまでの小さな増分でステップを設定することができる。レバー連係は、これらのステップを２６分の１に縮小し、ステップのサイズを３８ナノメートルに減少させる。これらの線形ステップは、ステッピング・モータの最小の線形ステップの各々がミラー１４に対して約０．４７マイクロラジアンの枢転作用を生み出すように、同調ミラー１５に枢軸線１７に関する枢転運動をもたらす。経験上０．４７マイクロラジアンの枢転は、レーザの公称波長に約０．０５ピコメートルの変化を生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
求められているものは、レーザ・ビーム出力パラメータの、より簡単で速くて正確な制御をもたらす改良である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波長計からのフィードバック信号を用いてパルスエネルギ、波長、バンド幅の自動コンピュータ制御を持つスマート・レーザを提供する。パルスエネルギは、放電電圧を制御することにより制御される。波長は、線狭帯域化モジュールのＲMAXミラーの非常に精密で速やかな位置決めによって制御される。バンド幅は、線狭帯域化モジュールの回折格子の湾曲を調節することにより制御される。最良の実施形態は、ビーム拡大プリズムが置かれたプリズム板と、ＲMAX傾斜との自動調節による、水平および垂直ビーム断面の自動フィードバック制御を含む。また別の最良の実施形態は、レーザ室の水平位置を共振空洞内に自動調節することを含む。最良の実施形態においては、波長モニタからのフィードバック信号は、ＲMAXミラーを位置決めするのに使用される。他の最良の実施形態においては、ＲMAXミラーからフォトダイオード・アレイ上に反射された別のレーザ・ビームをＲMAXミラーの位置決めに使用する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の最良の実施形態は、図面を参照することにより説明される。
（第１の最良の実施形態）
本発明の第１の最良の実施形態を表す組合せブロック図の概略を図２に示す。この図は、重要なレーザ・ビーム・パラメータの大幅に改良された瞬時制御を準備するためにレーザ室と部材とのアラインメントを自動化するような、従来技術を超える重要な改良を示している。新しいレーザ・フレーム５Ａには、その上に室位置ステッピング・モータが加えられ、室の水平位置を３Ａの方向に自動的に調節する。新しいＬＮＰ７Ａは、プリズム板ステッピング・モータ３２、ＲMAX傾斜ステッピング・モータ３４、及び、回折格子湾曲モータ３０を含む。これら全てのステッピング・モータは、コンピュータ制御器２４Ａにより制御される。
【０００９】
（回折格子表面湾曲の双方向自動制御）
回折格子湾曲ステッピング・モータ３０は、回折格子１６の湾曲を制御するために追加される。システムには、新しい曲げ機構設計２０Ａが含まれ、それは、回折格子１６の線引された表面に凹面の湾曲を作るために脚部１７Ａと１７Ｂとを外側に広げる圧縮力、又は、回折格子１６の線引された表面に凸面の湾曲を作るために脚部１７Ａと１７Ｂとを互いに引き寄せる張力を加える能力を持つ。モータ３０の制御は、コンピュータ制御器２４により行なわれる。
回折格子曲げ機構の作動に関する基本的部品および機能説明を図３Ａ、３Ｂ、及び、３Ｃに示す。図３Ａは、双方向制御ユニットが取り付けられてはいるが、回折格子に曲げ力が加えられていない回折格子組立体を示す。図示されているのは、回折格子１６、左端板１７Ｂ，右端板１７Ａ，圧縮ばねケース４８、左圧縮ばね５０、右圧縮ばね５１、調節軸４４、及び、調節軸４４にピンで固定されたピストン４９である。調節軸４４は、右端板１７Ａのねじ切り溝と係合するねじ切り長さ４４Ａ（１／４−２８  ＵＮＦ−２Ｂｘ１．３８の長さ）を含む。図３Ａの条件において、両方のばねは、互いを相殺する均等な圧縮力を加えられているか、または両方のばねに負荷が掛けられていない状態である。回折格子表面の湾曲は、軸４４を回転させることによって調節される。軸４４をケース４８内にねじ込むことにより、左圧縮ばね５０は、図３Ｂのケース４８内の２本の矢印で示すようにケース４８の左側とピストン４９とに対して圧縮される。圧縮力は、ロッド４４を右へ、ケース４８を左へと押し、矢印５６で示すように、２枚の端板１７Ａと１７Ｂとが押されて引き離される効果がある。これは、線５８に示すように、回折格子１の表面を凹面形状に曲げる作用がある。
【００１０】
これとは逆に、軸４４をケース４８の外に出す方向にねじ込むことで、図３Ｃのケース４８内の２本の矢印で示すように、右圧縮ばね５１は、ケース４８の右側とピストン４９とに対して圧縮される。圧縮力は、ロッド４４を左に、ケース４８を右に引き、矢印５７で示すように、２枚の端板１７Ａと１７Ｂとを引き寄せる効果を持つ。これは、線５９に示すように、回折格子１の表面を凸面形状に変形させる作用がある。
この最良の実施形態では、ロッド４４は、１インチにつき２８のねじ切りを持ち、ばねは、１インチにつき定格重量５２ポンドである。オペレータは、この設計により、回折格子表面の湾曲を極めて精密に調節することができる。
【００１１】
図４は、出願人および共同出願人が製作した回折格子組立体１６Ａを示す斜視図である。組立体は、回折格子１６、２枚の回折格子端板４２（回折格子１６に接着されている）、右の双方向バンド幅制御端板１７Ａ，止めナット５６、回折格子１６に接着されたインバー床板５３、アラインメント・ロッド４４、ソケット６４、２本の線形軸受６２、圧縮ばねケース４８、右圧縮ばね５１、２本のスラスト軸受６３、ロッド４４にピンで留められたピストン４９、左圧縮ばね５０、ロッド４４にピンで留められた移動限定ピストン５７、ラジアル玉軸受５４、枢軸５５、及び、左のバンド幅制御端板１７Ｂを含む。
【００１２】
図５は、ＬＮＰ  ７Ａの表面を一部切り取った図である。図は、双方向湾曲制御の回折格子組立体１６Ａを示している。また、図３Ａ、３Ｂ、及び、３Ｃに関連して前述したように、回折格子１６の線引きされた表面の湾曲を凹面から凸面まで制御する、回折格子湾曲制御ステッピング・モータ３０も示す。図５は、プリズム板調節モータ３２も示すが、ＲMAXミラー１４のモータ制御は示していない。
線狭帯域化パッケージ７Ａの底面図を図７Ａ（正面から、すなわちレーザからＬＮＰに向かって見た図）と図７Ｂ（後面から）とに示す。回折格子湾曲ステッピング・モータ３０がその取付板に取り付けられているのがわかる。プリズム板モータは３２、ＲMAX傾斜モータは３４、ＲMAXステッピング同調モータは１５で各々示されている。本実施形態におけるＲMAXステッピング同調機構は、従来技術の項で記述した従来の機構と実質的に同一のものである。レバー機構は、線形ステッピング・ドライバを２６分の１に縮小し、０．０３８ミクロンの最小ステップを準備する。ＬＮＰに対するビームの出入ポートは６０で示されている。
【００１３】
（プリズム板の位置制御）
プリズム板１３の位置制御は、プリズム板ステッピング・モータ３２も示している切断図５Ａに描かれている。ステッピング・モータ３２もまた、その取付板に取り付けられて図７Ａと図７Ｂとに示されている。モータ３２の制御は、コンピュータ制御器２４によって行われる。
【００１４】
（自動ＲMAX傾斜制御）
ＲMAX傾斜制御ステッピング・モータは、図７Ａ、図７Ｂ、図６Ａ、図６Ｃ、及び、図６Ｄにおいて３４で示されている。ＲMAXミラー１４の傾斜は、これもコンピュータ制御器２４によって制御されるＲMAXステッピング・モータ３４により準備される。ミラー１４の傾斜は、共振空洞内で反射する光の垂直角度を決める。
【００１５】
（同調ミラーによる波長選択）
この最良の実施形態において、波長の選択は、ステッピング・モータ１５により準備され、本明細書の従来技術の項に記載した従来技術による波長計２２からのフィードバック波長情報を利用するコンピュータ制御器２４からの指令に基づき、同調ミラー１４の枢軸の水平位置を設定する。
【００１６】
（自動室位置制御）
この第１の最良の実施形態は、レーザ室３の水平位置（すなわち、レーザ室に包含されている利得媒体の水平位置）を、フレーム５（そこに出力カプラ４と線狭帯域化パッケージ７とが取りつけられている）に関して、ビーム６と垂直の方向に自動的に調節するような、図２に示す室位置ステッピング・モータ３６を含む。
【００１７】
（制御）
図２に示すコンピュータ制御器２４Ａは、波長計２２からのフィードバック信号に基づいてビーム・パラメータを目標とする範囲内に維持するために、モータ１５に加えてモータ３６、３２、３４、及び、３０を制御する制御アルゴリズムによりプログラムされることが好ましい。簡単な方法は、１箇所（例えば室位置ステッピング・モータ）を除くすべての位置を一定に保ち、パルスエネルギ出力、パルスエネルギ安定度、バンド幅などのパラメータを見て最適なビーム性能を生み出す位置を求めるために、その項目を所定の範囲に亘って走査することである。コンピュータは、これらの走査をオペレータの指示か、または所定の一定間隔で行うようにプログラムすることができる。もし波長計がビーム品質に何らかの低下を検知すれば、最適な位置を求めてコンピュータは、１つまたはそれ以上のこの種の走査を行うようにプログラムすることも可能である。
【００１８】
また、レーザのバースト・モード操作の間（例えば、毎秒１０００パルスの割合で３００パルス、続いて０．３秒の休止時間というパルスのバーストを発生するようにレーザが操作されている場合）、ビームパラメータは、パルス数（すなわちバーストの開始からの時間）の関数として変化することが知られている。これらの変化を和らげる、または補償するために、コンピュータ制御器は、１つまたはそれ以上のステッピング・モータをバースト開始からの時間の関数として調節するようにプログラムすることができる。
【００１９】
（特定の最適化技術）
１つの最良の性能最適化技術では、最適なレーザ性能を判断するために、メリット数Ｍを定義する。次いでメリット数を最大にするための調節を行う。この値は、実時間でビームを測定するセンサからの入力を用いて計算される。これらのセンサは通常、エネルギ安定度、レーザー効率（入力電圧に対する出力エネルギ）、バンド幅、ビーム幅、ビーム対称度、位置決めグ安定度などの値を与える。最も良いメリット数は一般に、リソグラフィ照射などへの適用の際、成功のカギになる最も重要なパラメータをいくつか組み合わせたものになるであろう。例えば、パルスエネルギ／充電電圧（Ｅ）によって測定されるレーザ効率だけが重要だと考えられた場合、メリット数は、
Ｍ＝パルスエネルギ／充電電圧、または
Ｍ＝Ｅ
になるであろう。
【００２０】
もし空間対称性（水平方向）ＳＨがＥに加えて判断される場合は、ＳＨが測定され、重み係数ＷSHが与えられなければならない。完璧に対称な場合はゼロになる。従ってメリット数に対する新たな公式は次のようになる。
Ｍ＝Ｅ−（ＷSH）（ＳＨ）
次に、Ｍを最小にする調節が行われる。同様に、メリット数Ｍは、垂直対称性（ＶＳ）、バンド幅（Ｂ）、波長の安定度（ＷＳ）、線量の安定度（ＤＳ）など、他のパラメータの関数として得ることもできる。この場合、Ｍの公式は次のようになる。
Ｍ＝Ｅ−（ＷSH）（ＳＨ）−（ＷSV）（ＳＶ）−（ＷB）（Ｂ）−（ＷWS）（ＷＳ）−（ＷDS）（ＤＳ）
ここでもまた、コンピュータは、最小のメリット数Ｍを達成するために、ステッピング・モータ位置の調節を行い、Ｅ、ＳＨ、ＳＶ、Ｂ、ＷＳ、及び、ＤＳを測定し、重み係数を適用するようにプログラムされる。
【００２１】
前述したいくつかの種類のパラメータを考慮したレーザ性能を最適化する技術は多く知られている。１つの最良の実施形態は、で、これはケンブリッジ大学出版局１９９０年発行のW. H.プレス他著「数値解析の手法と科学計算の技術」で記述され、そこで引用されている。簡単に言うと、初期設定のグループが調節のために選択される。調節されるパラメータの数より１つ多い数の構成（１つの構成は調節用の一組の値である）があるであろう。１回の反復に対して各構成に調節が設定され、メリット数が測定される。最悪のメリットの構成はそこで拒絶され、最適の構成に近い新たな構成に入れ替えられる。反復が続行されると、構成のどれでも最適なものとして選択できるまでに構成は互いに近づいてくる。以前の仕事で出願人は、約１０回の反復が最適を見つけるのに十分であることを発見している。下勾配単体法は信頼できる技術であるが、とても急速な収束が必要であれば、他のよく知られた技術を利用することもできる。
【００２２】
（追加のビーム・パラメータの測定）
従来技術の項で述べたように、従来技術のリソグラフィ・レーザは、パルスエネルギ波長とバンド幅とを高速で測定する波長計と共に準備された。パラメータは通常、１０００ヘルツから２０００ヘルツの繰返数のレーザ・パルスの各々について測定される。
本出願人は、様々なビーム・パラメータを測定するために図８に示すような光学的配列を準備した。出力カプラ開口でのレーザ・ビームの画像は、レンズ７０を通して蛍光スクリーンに光学的に中継され、垂直および水平対称性を含むビーム・パラメータは、図８に示すように、蛍光スクリーン７４上に焦点合わせしたＣＣＤカメラを利用して測定される。蛍光スクリーンは、レーザからの紫外線光を、ＣＣＤカメラにより監視される可視光に変換する。カメラからのアナログ出力は、ビデオフレーム取込み器でデジタルに変換され、フレーム取込み器の出力は、コンピュータ・プロセッサによって解析される。
【００２３】
前記仕事に関連して本出願人は、図８に示すようにレンズ７２を通る第２のビーム経路を用いて、ビーム発散、ビーム位置合わせ、及び、ビーム位置合わせ安定度を監視することもできた。この場合、レンズ７２は、レーザ・ビームの焦点を蛍光スクリーン７４上に合わせ、レンズに入射する完全に平行な光が蛍光スクリーンで回折限界スポットとして現れるように位置される。従ってスポットの大きさは、ビーム発散の尺度であり、スポットの動きは、ビーム位置合わせの変化の尺度である。これらのパラメータを考慮してレーザ性能を最適化するために、これらの追加パラメータは、本発明において用いることができる。
【００２４】
（波長の制御）
レーザ・リソグラフィにおいて波長を制御する一般的な方法は、レーザのオペレータが波長を特定し、その特定した波長をフィードバック・プログラムにより自動的に作り出せるようなレーザ制御システムを構築することである。これは通常好ましく、なぜなら集積回路を生産する時にレーザは、１秒の数分の１から数秒というバースト間の休止を含み、毎秒１０００パルスの繰返数で１００パルスという短いパルスのバーストで通常は操作されるからであり、その結果、ビームの波長は、利得媒体およびレーザ・システム用光学部品の変更により変動するからである。
【００２５】
図１に示す従来技術のリソグラフィ・レーザ・システムでは、レーザ出力ビームの波長は、出力モニタ２２で監視される一方、回折格子およびエタロンを組合わせた波長モニタは、約０．１ピコメートルの精度で波長を監視する。モニタは、公知の吸収線に対して周期的に較正される。この種の従来の波長計は、アメリカ特許第５，９７８，３３４号の中に記載されており、参照文献として本件に取り入れられている。例えばレーザのオペレータは、レーザ波長を２４８，３２１．３０ピコメートルに制御するようにコンピュータ制御器２４をプログラムすることができる。制御器２４は、モニタ２２から波長の測定値を受取り、その情報を用いてモニタ２２により測定された波長を目標とする波長２４８，３２１．３０ピコメートルに維持するために波長が増加または減少するように、ステッピング・モータ１５を調節してミラー１４を枢転させる。この従来のステッピング・モータ１５の動きの最も小さい増分で、出力波長は約０．０５ピコメートル変化する。
【００２６】
（より精密な波長制御）
より精密な波長制御を準備する最良の実施形態を図９に示す。この実施形態では、従来のステッピング・モータ１５は、回転運動の１度だけ同調ミラー１４Ｃを枢転させる（８２で示す垂直枢軸線に関して）ために構成された、圧電アクチュエータ１４Ｂを内部に含むミラー機構１４ａを枢転させる（８０で示す垂直枢軸線に関して）ために用いられる。ミラー１４Ｃの寸法は、約１．５インチｘ３．０インチで、厚さは約２．５インチである。また重さは約２オンスである。小さな圧電アクチュエータは、このサイズのミラー用にフィジク・インストルメントなどの供給元から市販されており、５０００ヘルツの繰返数において０．１ラジアンの枢転範囲を極めて精密な精度で準備できる。これらの同調ミラーシステムは、高電圧信号を圧電モータに供給する電子駆動ユニットを備えている。
【００２７】
この最良の実施形態では、コンピュータ制御器２４Ａは、ステッピング・モータ１５と圧電ユニット１４Ｂとの両方を制御するようプログラムされている。圧電アクチュエータ１４Ｂは、レーザを波長計の持つ約０．１ピコメートルの精度よりもずっと高い精度で同調できるように、ミラー１４Ｃを極めて精密な精度で回転させることができる。
図９Ａに示す他の配置において、圧電アクチュエータ１４Ｄは、ステッピング・モータ１５と直列に取り付けられ、圧電駆動の線形膨張および収縮を作用させて、ＲMAXミラーを枢軸線８０Ａに関して枢転させる。
【００２８】
（予備同調）
従来の波長同調配置における問題の１つは、フィードバック・システムであり、それはレーザ制御が、目標とする波長を発生させるために必要な調節をできるまでに、いくつかのパルスを必要とするからである。図１１は、レーザ操作に先だって同調を行うために特に設計された実施形態を示す。
ダイオード・レーザ・システム８６からの平行ビーム８４は、ミラー１４Ｃから反射され、円筒形レンズ８８によって、ミラー１４Ｃの枢軸位置を測定するために使用されるフォトダイオード・アレイ９０上の細い線に焦点合わせされる。ＰＤＡ９０からの情報は、フィードバック構成においてミラー位置決めプロセッサ９２が使用し、コンピュータ制御器２４Ａから命令されるミラーの枢転角度を発生させるために、ステッピング・モータ１５および圧電アクチュエータ１４Ｂの位置を制御する。コンピュータ制御器２４Ａは、目標とする波長出力を発生するために予め適切なミラー位置を要求できるように、ＰＤＡ出力データと波長との相関マトリックスを確立するようにプログラムされる。
【００２９】
平行ビーム８４は、コア径約２．５ミクロンの単一モード・ファイバ９６に連結し、６７０ナノメートルで作動するダイオード・レーザ９４を含むダイオード・レーザ・システム８６により準備することができる。ファイバ９６から出た光は、非球面レンズ９８により平行ビーム８４に整えられる。
レンズ９８の焦点距離は約２０ミリメートルで、そのために直径約５ミリメートルのビーム８４をもたらす。このビームの発散は、おおよそ次式により表される。
0003842541.tif 000002
ここで、λは波長６７０ナノメートル、Ｄはビーム径５ミリメートルであり、従って発散は、約θ＝１．６３ｘ１０-4ラジアンである。この低発散ビームは、レンズ８８によりダイオード・アレイ９０上に約５００ミリメートルの距離で焦点合わせされる。ＰＤＡにおけるスポットサイズは、約８２ミクロンである。最良のＰＤＡは、１４ミクロンの間隔で２０４８のピクセルを持つ。従ってスポットは、約６ピクセルを網羅する。
レーザのオペレータは、レーザーを±０．１ピコメートルまたはそれ以上の精度で目標とする波長に制御することを望む。ＫｒＦレーザの波長の変化１ピコメートルは、ミラー１４の枢転自在な位置の変化約９．９マイクロラジアンに相当する。
【００３０】
ミラー１４とＰＤＡ９０との間の距離は、約３００ミリメートルである。ミラー１４の９．９マイクロラジアンの傾斜は、ＰＤＡ９０上のビームスポットの５．９４ミクロンのずれを生じる。スポットの厚さは約８２ミクロンである。０．６ミクロンのずれ（０．１ピコメートルの波長のずれに相当する）の精度を達成しようとすると、ビームスポットの急勾配な部分（スポットの半値部分の近くの）に沿ってピクセルの輝度を監視する必要がある。プロセッサ９２は、これを行うようにプログラムされることが好ましい。各ピクセルは、市販の安価なＰＤＡアレイに対して２５６レベルの輝度応答を持つ。スポットの急勾配な部分のいくつかのピクセルを平均することによっても精度を向上することができ、多くの輝度を利用できる時間間隔に亘って平均することによって、更に向上させることができる。
別の最良の方法を図１１Ａに示す。ここでは中間固定ミラー１００は、ビームをミラー１４Ｃから４回反射させ、それによりピコメートルの波長に対してずれを４倍し、２４ミクロンのずれを生じる。従って０．１ピコメートルの変動は、２．４ミクロンのビームスポットのずれに対応し、これによりスポットの急勾配エッジのピクセル輝度の変化を見ることは、はるかに楽になる。
【００３１】
（チャープ）
波長の時間的変化は、当業者の間で「チャープ」または「波長のチャープ」と呼ばれている。これらの変化は、０．００１秒またはそれ以下といった時間スケールで非常に急速に起こる。上述のように、チャープは、室内や光学部材の熱効果や音響効果など、多くの要因によって起こり得る。ほとんどの場合チャープは歓迎されず、本発明が提供する波長の高速制御は、チャープを最小に押さえるのに利用することができる。さらに、ある制御されたチャープが必要とされる状況があり、その時チャープは、コンピュータ制御器２４Ａおよびプロセッサ９２を使用するためにプログラムされる。図１１、図１１Ａ、及び、図１１Ｂに示すシステムの主な利点は、レーザ操作に先立ち、過去の較正データに基づいてミラー位置を設定できることである。
【００３２】
パルス繰返数１０００ヘルツから５０００ヘルツで作動しているガス放電レーザにおいては、約３キロワットが少量のレーザガス内に周期的に放出されている電極の間を、レーザガスが最大毎秒１００メートルの速度で循環しており、プリズムや他の光学部材は、ゼロワットから約５０ワットまで変動する平均エネルギを持つ紫外線光パルスに曝らされていることを理解する必要がある。従って、熱的および他の効果は、波長のごくわずかな変化を生じることができ、オペレータは、０．１ピコメートルまたはそれ以下の精度でそれを制御しようと試みることが可能である。図１１に示す実施形態は、これらの効果により生じた波長の歪みを補償するために、オペレータが同調ミラー１４６を調節することを可能にする。
レーザ操作の特定モードに対応して必要のないチャープ模様が検知された場合、コンピュータプロセッサ２４Ａおよび９２は、チャープを最小にするために同調ミラー１４Ｃを前もって制御するようにプログラムすることができる。
【００３３】
（変形自在ミラー）
図１０は、本発明の別の最良の実施形態を示す。この場合の実施形態は、図９および図１１に示すものとほぼ同様であるが、図９および図１１の実施形態のミラー１４Ｃが５つのセグメント１４Ｃ１、２、３、４、及び、５に分割されてい点で異なる。各セグメントは、それ自身の圧電ドライバで制御される。圧電部材は、ミラーを目標とする角度に向かせるため、また、ミラーが位相に関してオフセットした場合にオフセットが波長の倍数であるために、傾斜部、先端部、及び、ピストンを準備することが好ましい。この種の分割ミラーは、１９９０年７月３１日発行の米国特許第４，９４４，５８０号の中に記載されており、参照文献として本件に取り入れられている。分割された個々のミラーはずっと軽量なので、はるかに高速な制御が可能である。現在の圧電技術は、最大１０，０００ヘルツの繰返数での枢転自在な調節を可能にする。
【００３４】
これらのミラーの位置は、図１０Aに示すように、レンズ１１8により平行にされ、レーザ・ビームの上方に位置するミラー１２０から反射された、スリット１１６を通過するランプ１１４からの水銀光源を使って監視することができる。水銀ビームは、ビーム拡大プリズム８、１０，及び、１２を通って拡大され、ミラーアレイ１２２によりPDAアレイ１２４上に焦点合わせされる。
図１０に示す型の圧電駆動の変形自在ミラーは、カリフォルニア州サンディエゴ所在のサーモトレックス・コーポレーションなど多くの供給元から入手可能である。
【００３５】
（圧力変調）
波長の非常に精密な同調を準備する別の方法は、LNP内のガス圧を制御することである。LNPは窒素で浄化することが好ましい。過去において窒素圧力は、大気圧をごくわずか上回る圧力で一定に保たれてきた。窒素圧力の変化は、屈折率を変化させ、それにより回折格子上の入射角をごくわずか変化させる。パージガスの流れはLNPを通る連続した流れなので、入口浄化ラインまたは出口浄化ラインの制御バルブを使って圧力を変えることができる。それに対する応答は、比較的ゆっくりである。圧力の急速な変化は、比例ソレノイド・アクチュエータ１１０とベローズ１１２とを利用して図１２に示すように準備することができる。また、ヘリウムなど他のパージガスも窒素の代わりに用いることができる。
【００３６】
本発明は、特定の実施形態を参照して開示および説明されてきたが、関連する原理は、数多くの他の実施形態にも利用し易いことが、当業者には明らかである。例えば各ステッピング・モータは、交流または直流モータ、又は、油圧または空気位置決め装置などの代替位置決めユニットと交換できる。提案されたコンピュータ・プログラム以外の位置決め装置を制御する多くの方法も利用することができる。１つまたはそれ以上のステッピング・モータを出力カプラに適用し、RMAXミラーについての上記説明と同様な技術を用いて、出力カプラを自動的に位置決めすることができる。３つの強い永久磁石は、図６に示すように、１つはピストンと入れ換え、残りは２つの圧縮ばねの代わりとして用いることができる。磁石６０はロッド４に固定され、磁石６２および６４はケース８に固定される。ロッド４は、磁石６２および６４の孔を通過する。ロッド４をケース８の中に、及び、ケースから外にねじ込む効果は、前述の効果と実質的に同じである。回折格子の湾曲は、多くの技術のどれを使用しても達成することができる。例えば多くの点に圧縮または張力を加えて目標とする事実上いかなる形をも作り出し、これらの形をフィードバック・コンピュータ制御にかけることができる。ミラー１４は、平滑変形自在ミラーなど他の型の変形自在ミラーであってもよいし、ビーム拡大は、全反射ビーム拡大型であってもよい。従って本発明は、別記請求範囲およびそれらの法的同等範囲で示される範囲においてのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の狭帯域レーザの構成を示す図である。
【図２】本発明の最良の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】回折格子曲げ機構の作動原理を示す図である。
【図３Ｂ】回折格子曲げ機構の作動原理を示す図である。
【図３Ｃ】回折格子曲げ機構の作動原理を示す図である。
【図４】曲げ機構の予想図である。
【図５】図２の最良の実施形態のいくつかの特徴を示す図である。
【図６Ａ】図２の実施形態の他の特徴を示す図である。
【図６Ｂ】図２の実施形態の他の特徴を示す図である。
【図６Ｃ】図２の実施形態の他の特徴を示す図である。
【図６Ｄ】図２の実施形態の他の特徴を示す図である。
【図７Ａ】図２の実施形態における線狭帯域化モジュールの底部予想図である。
【図７Ｂ】図２の実施形態における線狭帯域化モジュールの底部予想図である。
【図８】選択されたビーム・パラメータを測定するための光学的配列を示す図である。
【図９】最良の実施形態の特徴を示す図である。
【図９Ａ】最良の実施形態の特徴を示す図である。
【図１０】分割されたＲMAXを持つ実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】図１０の実施形態と同様な実施形態を示す図である。
【図１１】他の最良の実施形態の特徴を示す図である。
【図１１Ａ】他の最良の実施形態の特徴を示す図である。
【図１１Ｂ】他の最良の実施形態の特徴を示す図である。
【図１２】圧力制御されたＬＮＰを示す図である。
【符号の説明】
３  レーザ室
３Ａ  ビーム幅の方向
４  出力カプラ
５  レーザフレーム構造
６  ビーム
７  線狭帯域化モジュール
８  プリズム
１０  プリズム
１２  プリズム
１３  プリズム板
１３Ａ  プリズム板の調節方向
１４  同調ミラー
１５  ステッピング・モータ
１６  回折格子
１７  枢軸線
１７Ａ  脚部
１７Ｂ  脚部
１８  プリズム・ビーム拡大器
２０  曲げ機構
２２  ビーム出力モニター
２４  コンピュータ制御器
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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