JP5180854B2

JP5180854B2 - 光源装置および当該光源装置を備える露光装置

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Publication number: JP5180854B2
Application number: JP2009012557A
Authority: JP
Inventors: 好成前薗
Original assignee: Ushio Denki KK; Energetiq Technology Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Energetiq Technology Inc
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP2010171219A

Description

この発明は、半導体、液晶基板若しくはカラーフィルタの露光用の光源装置および映写機等の画像投影装置のバックライト用に使用される光源装置並びに当該光源装置を備える露光装置に関する。

近年、半導体、液晶基板若しくはカラーフィルタの露光には、入力電力の大きな紫外線光源を使うことにより、処理時間の短縮化や、大面積の被処理物への一括露光等が進められている。また、映写機等の画像投影装置の分野においては、スクリーンの輝度を高いものとすることが要求されている。これに伴い、上記用途の光源には、より高輝度の光を放射することが求められている。しかし、ランプへの入力電力を単純に大きくすれば、ランプの内部に配置された放電用の電極への負荷が増大し、該電極からの蒸発物が原因となって、ランプの黒化、短寿命が発生する、といった問題があった。

このような問題を解決するために、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１の光源装置は、放電媒体が封入されたチャンバーを配置し、当該チャンバー内に封入された放電媒体に対して連続又はパルス状のレーザービームを照射するためのレーザー発振器を備えた光源装置を開示する。この文献の光源装置によれば、プラズマがレーザービームによって高温状態に加熱され、高温状態になったプラズマから高輝度の光を得ることができるものと期待されている。

しかしながら、同文献の光源装置においては、チャンバーに向けて出射したレーザービームのうちの一部が、プラズマの生成に寄与しないため、レーザービームの利用効率が低いという問題があった。

ＵＳ２００７／０２２８２８８Ａ１

この発明が解決しようとする課題は、ランプに向けて照射されるレーザー光を再利用することにより、レーザー光の利用効率を向上させることを目的とする。

本発明の光源装置は、ランプを透過したレーザー光を再利用する手段を設けることにより、レーザー光の利用効率を高いものとした。すなわち、本発明の光源装置は、次のようにして前記課題を解決した。
（１）
放電媒体が封入されたランプと、
前記ランプから出射した光を反射する凹面形状の反射面を有する凹面反射鏡と、
前記ランプに向けてレーザー光を出射するレーザー発振器と、
前記レーザー発振器から出力されたレーザー光の光路に配置され、Ｓ偏光のレーザー光は反射しＰ偏光のレーザー光は透過する偏光ビームスプリッターと、
前記ランプを透過して前記凹面反射鏡を介して出射した直線偏光の偏光方向を変える偏光回転素子と、
前記ランプを透過して前記凹面反射鏡を介して出射した直線偏光が前記偏光回転素子と前記偏光ビームスプリッターとにこの順に入射するよう当該直線偏光を反射する光学素子と、を備える。
（２）
前記（１）において、前記ランプは、一対の電極が対向して配置される発光部と前記発光部の両端のそれぞれに連続して管軸方向外方に伸びるロッド状の封止部とで構成され、前記ランプと前記凹面反射鏡とが前記凹面反射鏡の光軸と前記ランプの管軸とが一直線上に並んで配置される。
（３）
前記（１）において、前記偏光回転素子がλ／２板である。
（４）
前記（１）において、前記偏光回転素子がλ／４板である。
（５）
前記（１）において、前記レーザー発振器は、前記凹面反射鏡の反射面に向けて、前記凹面反射鏡の光出射口側からレーザー光を入射する。
（６）
前記（１）ないし（５）の光源装置を備える露光装置であって、前記凹面反射鏡の光出射口から出射した前記ランプの光の光路には、前記ランプの光を反射して前記ランプの光の光路を変える一方で、前記レーザー発振器から出射したレーザー光を透過する波長選択式反射鏡を備える。

本発明の光源装置においては、放電媒体が封入されたランプと、ランプから出射した光を反射する凹面反射鏡と、ランプに向けてレーザー光を出射するレーザー発振器と、偏光ビームスプリッターと、偏光回転素子と、ランプを透過したレーザー光を前記偏光回転素子と前記偏光ビームスプリッターとにこの順に入射するように反射する光学系とを備えることにより、ランプを透過したレーザー光を再利用することができる。したがって、レーザー光の利用効率が向上する。

本発明の光源装置の第１の実施形態の構成の概略を示す。図１の光源装置に用いられるランプの構成の概略を示す。図１の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の光源装置の第１の実施形態に関する他の構成例の概略を示す。図４の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の光源装置の第１の実施形態に関する他の構成例の概略を示す。図６の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の光源装置の第２の実施形態の構成の概略を示す。図８の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の光源装置の第２の実施形態に関する他の構成例の概略を示す。図１０の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の光源装置の第２の実施形態に関する他の構成例の概略を示す。図１２の光源装置においてレーザー光の光路を示す。本発明の露光装置の構成の概略を示す。

〔第１の実施形態〕

図１は、本発明の光源装置の第１の実施形態の構成の一例を示す。図２は、図１の光源装置に用いられるショートアーク型のランプの構成の一例を示す。光源装置の第１の実施形態は、ランプを透過したレーザー光を１回限り再利用するためのレーザー光帰還手段３を備えている。
光源装置１０は、光源１と、レーザー発振器２と、点線で囲まれたレーザー光帰還手段３とで構成される。この光源装置１０は、光源１のランプ１１を点灯させて一対の電極１１４，１１５の極間にプラズマＰＺが形成された状態とし、この状態でプラズマＰＺに対してレーザー発振器２から出射したレーザー光を照射することによって、ランプ１１から高出力の光を出射させるものである。

光源１は、ショートアーク型のランプ１１と、ランプ１１から出射した光を集光する凹面反射鏡１２とで構成される。ランプ１１は、図２に示すように、発光部１１１と発光部１１１のそれぞれの両端に連続して管軸方向外方に向けて伸びるロッド状の封止部１１２、１１３と、発光部１１１内に例えば１〜３ｍｍの距離を隔てて対向して配置される一対の電極１１４、１１５と、各封止部１１２、１１３に装着された給電用の口金１１６、１１７とで構成される。各電極１１４、１１５は、それぞれ各口金１１６、１１７に電気的に接続されている。

このランプ１１は、発光部１１１内に放電媒体として水銀が封入されており、不図示の給電装置によって一対の電極間に交流電力を供給して一対の電極間にプラズマを形成して得られる、例えば波長３６５ｎｍのｉ線を出射するものである。なお、放電媒体として、水銀に代えてキセノンガスを用いることもできる。

凹面反射鏡１２は、全体が凹面状であって、前端縁に形成された光出射口１２Ａと、ランプ１１から出射した光を反射する回転楕円形状を有する反射面１２Ｂを備える。例えば露光技術に本発明の光源を応用する場合、回転楕円反射面１２Ｂは、ランプ１１から出射するｉ線などの紫外線を反射するために、例えばＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）とＳｉＯ_２（酸化シリコン）を交互に積層してなる誘電体多層膜、或いは、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）とＳｉＯ_２（酸化シリコン）を交互に積層してなる誘電多層膜等で構成される。

このようなショートアーク型のランプ１１と凹面反射鏡１２とは、凹面反射鏡１２の第一焦点Ｆ１がランプ１１における一対の電極１１４、１１５の極間に概ね一致するとともに、凹面反射鏡１２の光軸とランプ１１の管軸とが概ね一直線上に並ぶように配置され、これにより、光源１が構成される。ここに、ランプ１１の管軸とは、ランプ１１の電極１１４、１１５のそれぞれの中心軸を共に通過する仮想線Ｒを意味し、凹面反射鏡１２の光軸とは、凹面反射鏡１２の第一焦点Ｆ１と第二焦点Ｆ２を共に通過する仮想線Ｍを意味する。

なお、ランプ１１の光出射側に位置する封止部１１２に装着された口金１１６は、光出射方向に向かうに従い次第に外径が縮小するテーパー部１１６Ａを有している。このようにすれば、図１のレーザー発振器２から出射するレーザー光がランプ１１における封止部１１２および発光部１１１に照射されることを防止し易くなる。

レーザー発振器２は、例えばファイバーレーザーや半導体レーザー等の一般に市販されているレーザ装置を使用することができる。レーザー発振器は、例えば波長８０９ｎｍ或いは１μｍのレーザー光を出射する。レーザー光は、ランプ１１から出射される光のうち主として使用する波長以外の波長を有する。例えば、ランプ１１から出射される波長３６５ｎｍの紫外光を露光に用いる場合は、レーザー光の波長は３６５ｎｍ以外とすることが必要となる。

レーザー光帰還手段３は、偏光ビームスプリッター３１と、レンズ３２、３３と、偏光回転素子であるλ／２板３４と、光学素子３５、３６と、で構成される。偏光ビームスプリッター３１は、例えば直角プリズムを２つ貼り合わせ、その接合面に誘電体多層膜や金属薄膜をコーティングした構成を有する。偏光ビームスプリッター３１は、直線偏光を分離するために用いられ、Ｓ偏光のみを反射しＰ偏光を透過させる。レンズ３２、３３は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に焦点を有するように配置される。λ／２板３４は、直交する偏光成分の間にπの位相差を生じさせることにより、直線偏光の偏光方向を９０°変えることができるものである。光学素子３５、３６は、レンズ３３により集光されたレーザー光が、λ／２板３４と偏光ビームスプリッター３１とにこの順に入射するように配置されたミラーである。４は、レーザー光を捕捉するためのビームダンパーである。

図３は、レーザー発振器２から出射したレーザー光の光路を示す概念図である。図３において、「Ｓ」は図３の紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光を、「Ｐ」は図３の紙面に水平な方向に偏光方向を有するＰ偏光を示す。図３（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＳ偏光のレーザー光Ｌ１は、レーザー光帰還手段３内に向けて進む。図３（Ａ）では、レーザー発振器２からプラズマＰＺまでのＳ偏光の光路を実線で示している。レーザー光帰還手段３に進んだレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１の９０°方向から偏光ビームスプリッター３１に入射する。Ｓ偏光であるレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１によって光源１に向けて反射され、レンズ３２に入射する。レーザー光Ｌ１は、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから入射する。レーザー光Ｌ１は、反射面１２Ｂによってランプ１１における一対の電極１１４、１１５の極間付近に向けて反射され、一対の電極１１４、１１５の極間に形成されたプラズマＰＺの付近に集光される。ランプ１１は、レーザー発振器２からレーザー光Ｌ１を出射する前に、一対の電極１１４と１１５に電力を供給することにより一対の電極１１４と１１５の極間にプラズマＰＺが発生した状態とされている。ランプ１１のプラズマＰＺは、レーザー光Ｌ１が照射されることにより、エネルギーが投入されてランプ内に生成されたプラズマＰＺの温度が上昇する。

レーザー光Ｌ１は、プラズマＰＺによって一部が吸収されるが、プラズマＰＺにより吸収されなかった一部が、プラズマＰＺを透過して凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに入射する。図３（Ａ）では、このプラズマＰＺを透過したレーザー光をＬ２と表記し、破線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、反射面１２Ｂによって反射され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから出射する。レーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光されるとともに、レンズ３３に入射する。レンズ３３に入射したレーザー光Ｌ２は、光学素子３５により反射され、λ／２板３４を通過する。その結果、レーザー光Ｌ２は、偏光方向が９０°回転して、紙面に水平な方向に偏光するＰ偏光になる。Ｐ偏光になったレーザー光Ｌ２は、光学素子３６で反射され、偏光ビームスプリッター３１に入射する。偏光ビームスプリッター３１は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。したがって、Ｐ偏光のレーザー光Ｌ２は、偏光ビームスプリッター３１を透過して、図３（Ａ）に示す光路と同様の光路を進んで、ランプ１１におけるプラズマＰＺに再び照射される。すなわち、以下に説明するように、プラズマＰＺを透過したレーザー光がレーザー光帰還手段３を経て再利用されることになる。

図３（Ｂ）は、偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光の光路を示す概念図である。図３（Ｂ）では、偏光ビームスプリッター３１を透過してプラズマＰＺに照射されるレーザー光をＬ３と表記し、その光路を破線で示す。偏光ビームスプリッター３１を透過したレーザー光Ｌ３は、レンズ３２に入射する。レーザー光Ｌ３は、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに入射する。レーザー光Ｌ３は、反射面１２Ｂで反射され、ランプ１１のプラズマＰＺに照射される。つまり、本発明の光源装置においては、レーザー光帰還手段３を備えることにより、プラズマＰＺを透過したレーザー光がプラズマＰＺにもう一度照射されるため、プラズマＰＺを透過したレーザー光を無駄にすることなく有効に再利用することができる。

なお、図３（Ｂ）に示すレーザー光Ｌ３もプラズマＰＺに吸収されなかった一部がプラズマＰＺを透過する。図３（Ｂ）では、このプラズマＰＺを透過したレーザー光をＬ４と表記し、一点鎖線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射して、光出射口１２Ａから出射する。レーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光された後、レンズ３３に入射する。レンズ３３に入射したレーザー光Ｌ４は、光学素子３５で反射して、λ／２板３４を通過する。その結果、レーザー光Ｌ４は、偏光方向が９０°回転して、紙面に垂直な方向に偏光するＳ偏光になる。Ｓ偏光になったレーザー光Ｌ４は、光学素子３６で反射され、偏光ビームスプリッター３１に入射する。レーザー光Ｌ４は、Ｓ偏光であるため偏光ビームスプリッター３１に反射されビームダンパー４によって捕捉される。つまり、光源装置１０においては、プラズマＰＺを透過したレーザー光を１回に限り再利用する。

以上のように、本発明によれば、レーザー光をランプ１１のプラズマＰＺに照射してプラズマＰＺの温度を上昇させることにより、プラズマＰＺから出射される光の放射強度が高いものとすることができる。
しかも、本発明では、図３（Ｂ）に示すように、ランプ１１のプラズマＰＺに吸収されずにプラズマＰＺを透過したレーザー光が、レーザー光帰還手段３を介してもう一度プラズマＰＺに照射され、プラズマＰＺを透過したレーザー光を無駄にすることなく有効に再利用することができるため、レーザー光の利用効率が高いものとなる。
また、レーザー光を凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａ側から入射しているので、レーザー光を入射するための開口を凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに形成することが不要となり、反射面１２Ｂの面積が低減することがないので、ランプ１１の光の利用効率が向上する。

図４は、本発明の光源装置の第１の実施形態に関する他の構成を示す。図１の光源装置は、レーザー発振器から出射するレーザー光がＳ偏光の直線偏光であった。図４の光源装置は、レーザー発振器２から出射されるレーザー光がＰ偏光の直線偏光であることが図１のものと相違しており、図１のものと共通する構成には図１と共通の符号を付している。
図４の光源装置４０は、ランプ１１および凹面反射鏡１２を備える光源１と、Ｐ偏光のレーザー光を出射するレーザー発振器２と、偏光ビームスプリッター３１、レンズ３２、３３、λ／２板３４および光学素子３５を備えるレーザー光帰還手段３と、ビームダンパー４とを備える。光学素子３５は、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、λ／２板３４と偏光ビームスプリッター３１とにこの順に入射するように配置された一対のミラーである。

図５は、図４の光源装置４０におけるレーザー光の光路を示す概念図である。図５において、「Ｓ」は図５の紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光を、「Ｐ」は図５の紙面に水平な方向に偏光方向を有するＰ偏光を示す。図５（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＰ偏光のレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１を透過してレンズ３２を介して凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから凹面反射鏡１２の内部に入射され、反射面１２Ｂで反射されてランプ１１のプラズマＰＺに照射される。これにより、プラズマＰＺが高温化されることによりプラズマＰＺから出射する光の放射強度が向上する。
一方、プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射されてレンズ３３および光学素子３５を介してλ／２板３４に入射する。λ／２板３４に入射したレーザー光Ｌ２は、λ／２板３４により偏光方向が９０°回転してＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター３１に入射する。図５（Ｂ）に示すように、Ｓ偏光のレーザー光Ｌ３は、偏光ビームスプリッター３１によって反射され、図５（Ａ）で説明したのと同様の光路を進んでプラズマＰＺに再び照射される。なお、図５（Ｂ）に示すように、レーザー光帰還手段３を経てプラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、レンズ３３、光学素子３５を介してλ／２板３４に入射され、λ／２板３４によってＰ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッター３１を透過してビームダンパー４に捕捉される。このように、図４の光源装置４０においては、レーザー光帰還手段３を設けたことにより、プラズマＰＺを透過したレーザー光を再利用することができ、レーザー光の利用効率を向上させることができる。

図６は、本発明の光源装置の第１の実施形態に関する他の構成を示す。図６の光源装置６０は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂが放物面形状を有することが図１の光源装置と相違しており、図１のものと共通する構成については図１と同一符号を付すことで詳細な説明は省略する。
図６の光源装置６０は、ランプ１１と凹面反射鏡１２とよりなる光源１と、レーザー発振器２と、偏光ビームスプリッター３１、λ／２板３４および光学素子３５、３６を備えるレーザー光帰還手段３と、を備えて構成される。光学素子３５、３６は、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、λ／２板３４と偏光ビームスプリッター３１とにこの順に入射するように配置された一対のミラーである。

図７は、図６の光源装置６０におけるレーザー光の光路を概念図である。図７において、「Ｓ」は図７の紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光を、「Ｐ」は図７の紙面に水平な方向に偏光方向を有するＰ偏光を示す。図７（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＳ偏光のレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１により反射されて凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから凹面反射鏡１２の内部に入射され、反射面１２Ｂで反射されてランプ１１のプラズマＰＺに照射される。これにより、プラズマＰＺが高温化されることによりプラズマＰＺから出射する光の放射強度が向上する。
プラズマＰＺに入射したレーザー光Ｌ１の一部は、プラズマＰＺに吸収されることなく、プラズマＰＺを透過する。図７（Ａ）では、プラズマＰＺを透過したレーザー光を、破線で示しＬ２と表記する。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射されて光学素子３５を介してλ／２板３４に入射する。λ／２板３４に入射したレーザー光Ｌ２は、λ／２板３４により偏光方向が９０°回転してＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター３１に入射する。
図７（Ｂ）では、偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光のレーザー光を、Ｌ３と表記しその光路を破線で示す。偏光ビームスプリッター３１を透過したレーザー光Ｌ３は、図７（Ａ）で説明したのと同様の光路を進んでプラズマＰＺに再び照射される。
図７（Ｂ）に示すレーザー光Ｌ３も、プラズマＰＺに吸収されなかった一部がプラズマＰＺを透過する。図７（Ｂ）では、レーザー光帰還手段３を経てプラズマＰＺに照射されるレーザー光のうちプラズマＰＺを透過したレーザー光を、Ｌ４と表記し一点鎖線で示す。図７（Ｂ）に示すように、プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、光学素子３５を介してλ／２板３４に入射され、λ／２板３４によってＳ偏光に変換された後、光学素子３６を介して偏光ビームスプリッター３１に入射する。偏光ビームスプリッター３１に入射したＳ偏光のレーザー光Ｌ４は、偏光ビームスプリッター３１により反射されてビームダンパー４に捕捉される。このように、図６の光源装置６０においては、レーザー光帰還手段３を設けたことにより、プラズマＰＺを透過したレーザー光を再利用することができ、レーザー光の利用効率を向上させることができる。

なお、図６の光源装置において、レーザー発振器２からレーザー光帰還手段３に向けてＰ偏光のレーザー光を出射することもできる。

〔第２の実施形態〕
図８は、本発明の光源装置の第２の実施形態の構成の一例を示す。図８の光源装置８０は、プラズマＰＺを透過したレーザー光を半永久的に再利用するためのレーザー光帰還手段８を備えることが図１の光源装置と相違しており、図１のものと共通する構成については図１と同一符号を付すことで詳細な説明は省略する。

光源装置８０は、ランプ１１と凹面反射鏡１２を備える光源１と、レーザー発振器２と、レーザー光帰還手段８と、ビームダンパー４と、を備える。レーザー光帰還手段８は、偏光ビームスプリッター３１、レンズ３２、３３、偏光回転素子であるλ／４板８４および光学素子３５、３６を備えて構成される。λ／４板８４は、プラズマＰＺを透過したレーザー光の光路に配置され、直線偏光を円偏光に変換する。光学素子３５、３６は、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、λ／４板８４と偏光ビームスプリッター３１とにこの順に入射するように配置された一対のミラーである。

図９は、レーザー発振器２から出射したレーザー光の光路を示す概念図である。図９において、「Ｓ」は紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光を、「Ｐ」は紙面に水平な方向に偏光方向を有するＰ偏光を示す。図９（Ａ）では、レーザー発振器２からランプ１１のプラズマＰＺまでのＳ偏光の光路を、Ｌ１と表記して実線で示す。図９（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＳ偏光のレーザー光Ｌ１は、レーザー光帰還手段８における偏光ビームスプリッター３１に入射する。レーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１によって光源１に向けて反射され、レンズ３２に入射する。レーザー光Ｌ１は、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから反射面１２Ｂに入射する。反射面１２Ｂに入射したレーザー光Ｌ１は、反射面１２Ｂによってランプ１１における一対の電極１１４と１１５との極間に形成されたプラズマＰＺに対して照射される。
ランプ１１は、レーザー発振器２からレーザー光Ｌ１を出射する前に、一対の電極１１４と１１５に電力を供給することにより、一対の電極１１４と１１５との極間にプラズマＰＺが発生した状態とされている。ランプ１１のプラズマＰＺは、レーザー光Ｌ１が照射されることにより、エネルギーが投入されてプラズマＰＺの温度が上昇する。

レーザー光Ｌ１は、プラズマＰＺによって一部が吸収されるが、プラズマＰＺにより吸収されなかった一部が、プラズマＰＺを透過して凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに入射する。図９（Ａ）では、このプラズマＰＺを透過したレーザー光を、Ｌ２と表記して破線で示す。図９（Ａ）に示すように、プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、反射面１２Ｂによって反射され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから出射する。レーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光されるとともに、レンズ３３に入射する。レーザー光Ｌ２は、レンズ３３により平行化されて、光学素子３５により反射され、λ／４板８４に入射する。Ｓ偏光のレーザー光Ｌ２は、λ／４板８４によって円偏光に変換され、光学素子３６により偏光ビームスプリッター３１に向けて反射される。

図９（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッター３１は、円偏光のレーザー光を偏光方向が相互に異なる直線偏光に分離し、Ｓ偏光をビームダンパー４に向けて反射しＰ偏光を透過させる。図９（Ｂ）では、偏光ビームスプリッター３１を透過したレーザー光を、Ｌ３と表記しその光路を破線で示す。偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光のレーザー光Ｌ３は、レンズ３２に入射し、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから凹面反射鏡１２の内部に入射する。レーザー光Ｌ３は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射され、ランプ１１のプラズマＰＺに照射される。

図９（Ｂ）に示すレーザー光Ｌ３も、プラズマＰＺに吸収されなかった一部がプラズマＰＺを透過する。図９（Ｂ）では、レーザー光帰還手段８を経てプラズマＰＺに照射されるレーザー光のうちプラズマＰＺを透過したレーザー光を、Ｌ４と表記し一点鎖線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射して光出射口１２Ａから出射し、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光した後にレンズ３３に入射する。レーザー光Ｌ４は、レンズ３３により平行化され、λ／４板８４を通過して、Ｐ偏光から円偏光に変換される。円偏光のレーザー光Ｌ４は、光学素子３６で反射して偏光ビームスプリッター３１に入射し、偏光ビームスプリッター３１により偏光方向が相互に異なる直線偏光に分離される。その結果、Ｓ偏光のレーザー光が偏光ビームスプリッター３１によって、ビームダンパー４に向けて反射され、ビームダンパー４によって捕捉される。一方、Ｐ偏光のレーザー光が偏光ビームスプリッター３１を透過する。偏光ビームスプリッター３１を透過したレーザー光は、前記のレーザー光Ｌ３、Ｌ４と同様の光路を通って、再び偏光ビームスプリッター３１に入射する。このようにして、プラズマＰＺを透過したレーザー光が半永久的にプラズマＰＺに照射され続ける。

以上のように、図８に示す光源装置においては、ランプ１１のプラズマＰＺを透過したレーザー光（Ｌ２、Ｌ４）が、偏光回転素子であるλ／４板８４および偏光ビームスプリッター３１に順次に入射する構成とされている。そのため、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、光源１とレーザー光帰還手段８との間を半永久的に循環する。したがって、プラズマＰＺを透過したレーザー光を半永久的に再利用することができ、レーザー光の利用効率を格段に向上させることができる。

なお、図８の光源装置においては、レーザー発振器２は、レーザー光帰還手段８に向けてＳ偏光のレーザー光を出射するものである。勿論、これに限らず、レーザー発振器２は、Ｐ偏光のレーザー光を出射するものとすることもできる。

図１０は、本発明の光源装置の第２の実施形態に関する他の構成を示す。図１０の光源装置１００は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂが放物面形状を有することが図８の光源装置と相違しており、図８のものと共通する構成については図８と同一符号を付すことで詳細な説明は省略する。
図１０の光源装置１００は、ランプ１１と凹面反射鏡１２とよりなる光源１と、レーザー発振器２と、レーザー光帰還手段８と、ビームダンパー４と、を備える。レーザー光帰還手段８は、偏光ビームスプリッター３１、λ／４板８４および光学素子３５、３６を備えて構成される。光学素子３５、３６は、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、λ／４板８４と偏光ビームスプリッター３１とにこの順に入射するように配置された一対のミラーである。

図１１は、図１０の光源装置１００におけるレーザー光の光路を示す概念図である。図１１（Ａ）では、レーザー発振器２から出射したレーザー光を、実線で示しＬ１と表記する。図１１（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＳ偏光のレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１により反射され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから凹面反射鏡１２の内部に入射され、反射面１２Ｂで反射されてランプ１１のプラズマＰＺに照射される。これにより、プラズマＰＺが高温化され、プラズマＰＺから出射する光の放射強度が向上する。
プラズマＰＺに入射したレーザー光Ｌ１の一部は、プラズマＰＺに吸収されることなく、プラズマＰＺを透過する。図１１（Ａ）では、プラズマＰＺを透過したレーザー光を、破線で示しＬ２と表記する。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射されて光学素子３５を介してλ／４板８４に入射する。Ｓ偏光のレーザー光Ｌ２は、λ／４板８４によって円偏光に変換され、光学素子３６により偏光ビームスプリッター３１に向けて反射される。

図１１（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッター３１は、入射した円偏光のレーザー光を偏光方向が相互に異なる直線偏光に分離し、Ｓ偏光をビームダンパー４に向けて反射しＰ偏光を透過させる。図１１（Ｂ）では、偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光のレーザー光を、Ｌ３と表記しその光路を破線で示す。偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光のレーザー光Ｌ３は、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから凹面反射鏡１２の内部に入射する。このレーザー光Ｌ３は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射され、ランプ１１のプラズマＰＺに照射される。

図１１（Ｂ）に示すレーザー光Ｌ３も、プラズマＰＺに吸収されなかった一部がプラズマＰＺを透過する。図１１（Ｂ）では、レーザー光帰還手段８を経てプラズマＰＺに照射されるレーザー光のうちプラズマＰＺを透過したレーザー光を、Ｌ４と表記し一点鎖線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射して光出射口１２Ａから出射し、光学素子３５で反射してλ／４板８４を通過して、Ｐ偏光から円偏光に変換される。円偏光のレーザー光Ｌ４は、光学素子３６で反射して偏光ビームスプリッター３１に入射し、偏光ビームスプリッター３１により偏光方向が相互に異なる直線偏光に分離される。その結果、Ｓ偏光のレーザー光が偏光ビームスプリッター３１によって、ビームダンパー４に向けて反射され、ビームダンパー４によって捕捉される。一方、Ｐ偏光のレーザー光が偏光ビームスプリッター３１を透過する。偏光ビームスプリッター３１を透過したレーザー光は、前記のレーザー光Ｌ３、Ｌ４と同様の光路を通って、再び偏光ビームスプリッター３１に入射する。
このように図１０の光源装置１００においては、レーザー光帰還手段８を設けたことにより、プラズマＰＺを透過したレーザー光を半永久的に再利用することができるため、レーザー光の利用効率を向上させることができる。

なお、図１０の光源装置においては、レーザー発振器２は、レーザー光帰還手段８に向けてＳ偏光のレーザー光を出射するものである。勿論、これに限らず、レーザー発振器２は、Ｐ偏光のレーザー光を出射するものとすることもできる。

図１２は、本発明の光源装置の第２の実施形態に関する他の構成を示す。図１２の光源装置１２０は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂが回転楕円面形状を有し、それぞれ対をなして配置される、λ／２板３４および偏光ビームスプリッター３１並びにλ／４板８４および偏光ビームスプリッター１２１を有することが、図１０のものと相違しており、図１０のものと共通する構成については同一符号を付している。
図１２の光源装置１２０は、ランプ１１と凹面反射鏡１２とよりなる光源１と、レーザー発振器２と、レーザー光帰還手段８と、ビームダンパー４と、を備える。レーザー光帰還手段８は、偏光ビームスプリッター３１、１２１と、レンズ３２、３３と、偏光回転素子であるλ／２板３４、λ／４板８４と、光学素子３６とを備えて構成される。レーザー光帰還手段１３においては、プラズマＰＺを透過したレーザー光が、レンズ３３、λ／４板８４、偏光ビームスプリッター１２１、光学素子３６、λ／２板３４および偏光ビームスプリッター３１をこの順どおりに進むように配置される。偏光ビームスプリッター１２１は、偏光ビームスプリッター３１と同様に、例えば直角プリズムを２つ貼り合わせ、その接合面に誘電体多層膜や金属薄膜をコーティングした構成を有する。

図１３は、レーザー発振器２から出射したレーザー光の光路を示す概念図である。図１３において、「Ｓ」は紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光を、「Ｐ」は紙面に水平な方向に偏光方向を有するＰ偏光を示す。図１３（Ａ）では、レーザー発振器２からランプ１１のプラズマＰＺまでのＳ偏光の光路をＬ１と表記し、実線で示す。
図１３（Ａ）に示すように、レーザー発振器２から出射したＳ偏光のレーザー光Ｌ１は、レーザー光帰還手段１３における偏光ビームスプリッター３１に入射する。Ｓ偏光であるレーザー光Ｌ１は、偏光ビームスプリッター３１によって光源１に向けて反射され、レンズ３２に入射する。レーザー光Ｌ１は、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから反射面１２Ｂに入射され、反射面１２Ｂによってランプ１１のプラズマＰＺに対して照射される。
ランプ１１は、レーザー発振器２からレーザー光Ｌ１を出射する前に、一対の電極１１４と１１５に電力を供給することにより、一対の電極１１４と１１５との極間にプラズマＰＺが発生した状態とされている。ランプ１１のプラズマＰＺは、レーザー光Ｌ１が照射されることにより、エネルギーが投入されてプラズマＰＺの温度が上昇する。

レーザー光Ｌ１は、プラズマＰＺによって一部が吸収されるが、プラズマＰＺにより吸収されなかった一部が、プラズマＰＺを透過して凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに入射する。図１３（Ａ）では、このプラズマＰＺを透過したレーザー光をＬ２と表記し、破線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ２は、反射面１２Ｂによって反射され、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａから出射する。レーザー光Ｌ２は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光されるとともに、レンズ３３に入射する。レーザー光Ｌ２は、レンズ３３により平行化されてλ／４板８４を通過し、Ｓ偏光から円偏光に変換される。円偏光に変換されたレーザー光Ｌ２は、偏光ビームスプリッター１２１により偏光成分が分離され、Ｓ偏光が偏光ビームスプリッター１２１で反射され、Ｐ偏光が偏光ビームスプリッター１２１を透過してビームダンパー４により捕捉される。偏光ビームスプリッター１２１で反射されたＳ偏光のレーザー光Ｌ２は、光学素子３６で反射され、λ／２板３４を通過する。その結果、レーザー光Ｌ２は、偏光方向が９０°回転して、Ｐ偏光となる。

図１３（Ｂ）は、偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光の光路を示す概念図である。図１３（Ｂ）では、偏光ビームスプリッター３１を透過してプラズマＰＺに照射されるレーザー光をＬ３と表記し、その光路を破線で示す。
偏光ビームスプリッター３１を透過したＰ偏光のレーザー光Ｌ３は、レンズ３２に入射する。レーザー光Ｌ３は、レンズ３２により凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光され、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂに入射する。レーザー光Ｌ３は、反射面１２Ｂで反射され、ランプ１１のプラズマＰＺに照射される。

図１３（Ｂ）に示すレーザー光Ｌ３もプラズマＰＺに吸収されなかった一部がプラズマＰＺを透過する。図１３（Ｂ）では、このプラズマＰＺを透過したレーザー光をＬ４と表記し、一点鎖線で示す。プラズマＰＺを透過したレーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射して、光出射口１２Ａから出射する。レーザー光Ｌ４は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に集光された後、レンズ３３に入射する。レーザー光Ｌ４は、レンズ３３により平行化され、λ／４板８４を通過して、Ｐ偏光から円偏光に変換される。円偏光に変換されたレーザー光Ｌ４は、偏光ビームスプリッター１２１に入射し、偏光ビームスプリッター１２１により偏光成分が分離される。その結果、Ｓ偏光が偏光ビームスプリッター１２１により反射され、Ｐ偏光が偏光ビームスプリッター１２１を透過してビームダンパー４で捕捉される。偏光ビームスプリッター１２１で反射したＳ偏光のレーザー光Ｌ４は、光学素子３６で反射され、λ／２板３４を通過し、偏光方向が９０°回転してＰ偏光になる。Ｐ偏光に変換されたレーザー光Ｌ４は偏光ビームスプリッター３１を透過して、前記のレーザー光Ｌ３、Ｌ４と同様の光路を通過して、再びビームスプリッター３１に入射する。
このように、図１２の光源装置においては、レーザー光帰還手段８を備えることにより、プラズマＰＺを透過したレーザー光を半永久的に再利用することができるため、レーザー光の利用効率を高いものとすることができる。
しかも、図１２の光源装置によれば、図８および図１０に示す光源装置に比べ、個々の偏光ビームスプリッター３１、１２１に入射されるレーザー光のエネルギーが少ないものとなるため、偏光ビームスプリッターが損傷する可能性が極めて小さいものとなる、という利点がある。

なお、図１２の光源装置においては、レーザー発振器２は、レーザー光帰還手段８に向けてＳ偏光のレーザー光を出射するものである。勿論、これに限らず、レーザー発振器２は、Ｐ偏光のレーザー光を出射するものとすることもできる。

以上では、ランプが有電極であるものを例示して説明しているが、本発明は、無電極のランプを備える光源装置についても当然に適用することができる。また、入射するレーザービームが所望のビーム径ではないとき、当然レーザー発振器とレーザー光を入射する素子の間にビームエキスパンダーを挿入することが必要となる。
さらに、以上の光源装置においては、ランプ１１の駆動のタイミングと、レーザー発振器２１の駆動のタイミングに関しては、同時であっても良いし、ランプ１１、レーザー発振器２１の何れかを先に駆動しても良い。また、ランプ１１の一対の電極１１４、１１５の間にプラズマＰが形成された後は、ランプ１１への電力供給を停止した状態でプラズマＰに対してレーザー光を照射するようにしても良い。

図１４は、本発明の光源装置を用いた露光装置に関して説明する。
露光装置２００、図１で示した光源装置１０と光学系１４０とを備える。光源装置１０から出射した光は、光学系１４０を介してワーク１４６に照射される。光学系１４０は、波長選択式反射鏡１４１、アパーチャー１４２、コリメータレンズ１４３、インテグレータレンズ１４４および平面ミラー１４５を備えている。

波長選択式反射鏡１４１は、凹面反射鏡１２の光軸に対して斜めに交差した状態で配置される。凹面反射鏡１２から出射したランプ１１の光は、波長選択式反射鏡１４１により光路が変更される。この波長選択式反射鏡１４１は、例えば、凹面反射鏡１２から出射する波長３６５ｎｍのランプ１１の光を反射する一方で、レーザー発振器２から出射する、例えば波長８０９ｎｍ或いは波長１μｍのレーザー光を透過する、といった反射特性を有する。このような反射特性は、例えば、ＴｉＯ_２（酸化チタン）等を積層させた誘電体多層膜を所望の膜厚となるように形成することによって実現される。この反射面は、誘電体多層膜の膜厚と膜の総数を適宜設定することによって、前記した特定の波長域の光を選択的に反射する機能を有している。

アパーチャー１４２は、凹面反射鏡１２の第二焦点Ｆ２に配置され、第二焦点Ｆ２を通過しないランプ１１からの光をカットする。コリメータレンズ１４３は、アパーチャー１４２を通過した光を平行化する。インテグレータレンズ１４４は、コリメータレンズ１４３により平行化されたランプ１１の光を所望の形状に成形する。

図１４では、便宜のため、ランプ１１から出射する光を実線で、レーザー発振器２から出射するレーザー光を破線で示す。レーザー発振器２から出射したレーザー光は、レーザー光帰還手段３を介して光源１の方向へ反射され、波長選択式反射鏡１４１を透過する。波長選択式反射鏡１４１を透過したレーザー光は、凹面反射鏡１２の光出射口１２Ａ側から入射され、反射面１２Ｂで反射され、ランプ１１のプラズマＰＺに照射される。なお、ランプ１１は、レーザー発振器２からレーザー光が出射した時点でプラズマＰＺが発生した状態とされている。すなわち、ランプ１１の一対の電極１１４、１１５には、レーザー発振器２からレーザー光を出射する所定時間前に電力が供給されることにより、プラズマＰＺが発生している。前述したように、プラズマＰＺを透過したレーザー光は、レーザー光帰還手段３によってもう一度プラズマＰＺに照射される。

ランプ１１のプラズマＰＺから出射した光は、凹面反射鏡１２の反射面１２Ｂで反射して、光出射口１２Ａから出射する。ランプ１１の光は、図１４の実線で示すように、波長選択式反射鏡１４１により反射されて光路が変更された後、アパーチャー１４２を通過する。そのときに、第二焦点Ｆ２を通過しない光はアパーチャー１４２によってカットされる。アパーチャー１４２を通過した光は、コリメータレンズ１４３、インテグレータレンズ１４４、平面ミラー１４５にこの順に入射し、平面ミラー１４５で反射されて光路が変更された後、ワーク１４６の表面に照射される。

以上の本発明の露光装置では、ランプ１１のプラズマＰＺに対してレーザー光を照射してプラズマＰＺを高温化させることにより、プラズマＰＺの放射強度が高くなる。したがって、ワーク１４６における放射照度が高いものとなり、処理時間を大幅に短縮することができ、また、大面積の被処理物に対する一括露光が可能となる。なお、この場合においても、ランプ１１の駆動のタイミングと、レーザー発振器２１の駆動のタイミングに関しては、同時であっても良いし、ランプ１１、レーザー発振器２１の何れかを先に駆動しても良い。また、ランプ１１の一対の電極１１４、１１５の間にプラズマＰが形成された後は、ランプ１１への電力供給を停止した状態でプラズマＰに対してレーザー光を照射するようにしても良い。

１光源
１１ランプ
１１１発光部
１１２、１１３封止部
１１４、１１５電極
１１６、１１７口金
１２凹面反射鏡
１２Ａ光出射口
１２Ｂ反射面
２レーザー発振器
３レーザー光帰還手段
３１偏光ビームスプリッター
３２レンズ
３３レンズ
３４ λ／２板
３５光学素子
３６光学素子
４ビームダンパー
８レーザー光帰還手段
８４ λ／４板
１２１偏光ビームスプリッター
１４０光学系
１４１波長選択式反射鏡
１４２アパーチャー
１４３コリメータレンズ
１４４インテグレータレンズ
１４５平面ミラー
１４６ワーク
ＳＳ偏光
ＰＰ偏光
ＰＺプラズマ

Claims

放電媒体が封入されたランプと、
前記ランプから出射した光を反射する凹面形状の反射面を有する凹面反射鏡と、
前記ランプに向けてレーザー光を出射するレーザー発振器と、
Ｓ偏光のレーザー光は反射しＰ偏光のレーザー光は透過する偏光ビームスプリッターと、
前記ランプを透過して前記凹面反射鏡を介して出射した直線偏光の偏光方向を変える偏光回転素子と、
前記ランプを透過して前記凹面反射鏡を介して出射した直線偏光が前記偏光回転素子と前記偏光ビームスプリッターとにこの順に入射するよう当該直線偏光を導く光学素子と、を備えることを特徴とする光源装置。
前記ランプは、一対の電極が対向して配置される発光部と前記発光部の両端のそれぞれに連続して管軸方向外方に伸びるロッド状の封止部とで構成され、前記ランプと前記凹面反射鏡とが前記凹面反射鏡の光軸と前記ランプの管軸とが一直線上に並んで配置されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記偏光回転素子が、λ／２板であることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記偏光回転素子が、λ／４板であることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記レーザー発振器は、前記凹面反射鏡の反射面に向けて、前記凹面反射鏡の光出射口側からレーザー光を入射することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
請求項１ないし請求項５記載の光源装置を備える露光装置であって、
前記凹面反射鏡の光出射口から出射した前記ランプの光の光路には、前記ランプの光を反射して前記ランプの光の光路を変える一方で、前記レーザー発振器から出射したレーザー光を透過する波長選択式反射鏡を備えることを特徴とする。