JP5100990B2 - 極端紫外光源装置用ドライバーレーザ及びｌｐｐ型極端紫外光源装置 - Google Patents

Description

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）光源装置に関し、特に、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置においてターゲットに光を照射するドライバーレーザに関する。

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（catadioptric system）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

そのようなＥＵＶ光源装置においては、一般に、駆動用光源（ドライバー）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。

図１０は、ドライバー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１０に示す発振増幅型レーザ１０は、短パルスＣＯ_２レーザによって構成される発振器１１と、短パルスＣＯ_２レーザが発生したレーザ光を増幅する増幅器１２とを含んでいる。ここで、増幅器１２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。増幅器１２は、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、さらに、必要に応じて、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、キセノン（Ｘｅ）等を含むＣＯ_２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１０に示す増幅器１２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。

発振器１１から出射したエネルギーＡを有するレーザ光は、増幅器１２において所望のエネルギーＢを有するレーザ光に増幅される。このエネルギーＢを有するレーザ光は、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）やキセノン等から選択されるＥＵＶ発光ターゲット物質に照射される。
ここで、図１０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が得られない場合には、複数段の増幅器を用いてもよい。

次に、発振器である短パルスＣＯ_２レーザの構成例について説明する。特許文献１には、短パルスＲＦ（Radio Frequency励起）−ＣＯ_２レーザの構成が開示されている（特許文献１の図５）。このＲＦ−ＣＯ_２レーザにおいては、１００ｋＨｚ程度までレーザパルスの高繰り返し運転が可能である。実用上は、１００Ｗ級のＥＵＶ発光を得る必要があるが、ＣＯ_２レーザによるＣＥを０．５％と見積り、さらに伝播損失を７０％と見積もると、ＣＯ_２レーザに求められる出力は６０ｋＷ程度になる。６０ｋＷの出力を短パルスレーザにおいて達成するためには、光学素子等の耐久性等を考慮すると、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の繰り返し周波数が必要となる。

その理由は次の通りである。ＣＯ_２レーザの出力をＥ_{ｔｏｔａｌ}、パルス発振の繰返し周波数をｆ_ｉ（ｉ=１，２，３，…）、１つのパルスの光エネルギーをＥ_ｐｊ（ｊ＝１，２，３，…）とすると、Ｅ_{ｔｏｔａｌ}＝ｆ_１×Ｅ_ｐ１＝ｆ_２×Ｅ_ｐ２という関係がある。ここで、Ｅ_ｐが大きい場合には、レーザ光が透過する光学素子に与えられるダメージも大きくなるので、光学素子の劣化が早くなる。そのため、Ｅ_ｐは小さい方が望ましい。そこで、所望のＥ_{ｔｏｔａｌ}を得るためにＥ_ｐを小さくして、周波数ｆ_ｉを大きくすれば良い。

このような高繰り返しを実現するためには、ＲＦ（Radio Frequency励起）−ＣＯ_２レーザを用いることが適当である。その理由は、パルスＣＯ_２レーザとしては、この他にもＴＥＡ（Transverse Excitation Atmospheric）−ＣＯ_２レーザがあるが、現状の技術では、２ｋＨｚ程度の動作が限界だからである。

特許文献１の図５を参照すると、このレーザ装置は、マルチパス導波管レーザ発振器（Multipass Waveguide Laser Oscillator）４００とマルチパス導波管レーザ増幅器（Multipass Waveguide Laser Amplifier）４００ａとを含んでいる。発振器４００の共振器は全反射ミラー４０８及び４０６によって構成されている。これらのミラー間に、Ｑスイッチ、ＲＦ放電部、及び、偏光薄膜（Thin Film Polarizer：ＴＦＰ）が設けてある。Ｑスイッチがオフの時には、レーザ光がミラー４０８とミラー４０６との間を往復し、その際の誘導放出によって光強度が増加する。この光強度が十分に増加したところでＱスイッチをオンにすると、ピークの立った短パルスがＴＦＰ４０４において反射され、ミラー４０９及びλ／２波長板を経由して、図５の下部に示されているマルチパス導波管レーザ増幅器（Multipass Waveguide Laser Amplifier）４００ａに導入される。そして、導入された光が増幅器（Amplifier）において増幅され、レーザ光が外部に出射する。このような構成を有するレーザは、Ｑスイッチ・キャビティダンプ・レーザ（Q-switched cavity-dumped laser）と呼ばれている。
また、非特許文献１〜５にも、関連する技術が記載されている。
米国特許６,６９７,４０８（図５） 神成文彦、「高気圧ＣＯ２レーザー媒質によるピコ秒パルスの増幅に関する計算機シミュレーション」、レーザー研究、１９８８年８月、第１７号、第２号、ｐ．４５ 遠藤（A. Endoh）他、「ＴＥＡ ＣＯ２レーザのマルチライン発振における温度制御（Temperature control of multilane oscillation of a TEA CO２ laser）」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）５０（８）、１９７９年８月、ｐ．５１７６ ポゴレルスキー（I. V. Pogorelsky）他、「サブナノ秒・マルチ−ギガワットＣＯ２レーザ（Subnanosecond Multi-Gigawatt CO２ laser）、ＩＥＥＥ ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（IEEE Journal of quantum electronics）、１９９５年３月、第３１巻、第３号、ｐ．５５６ ロタームンド（F. Rotermund）他、「ＨｇＧａ２Ｓ４及びＡｇＧａＳ２を用いた中赤外（４−１２μｍ）における極フェムト秒パルスの差周波生成（Difference-frequency generation of intense femtosecond pulses in the mid-IR (4-12μm) using HgGa２S４ and AgGaS２）、オプティクス・コミュニケーションズ（Optics Communications）１８５、２０００年、ｐ．１７７−１８３ ペトロフ（V. Petrov）他、「光学結晶における秒オーダーの非線形処理による３〜１２μｍの中赤外スペクトル域における１ｋＨｚの高出力フェムト秒光パルスの発生（Generation of high-power femtosecond light pulses at 1 kHz in the mid-infrared spectral range between 3 and 12 μm by second-order nonlinear processes in optical crystals）」、ジャーナル・オブ・オプティクスＡ：純粋光学及び応用光学３（Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 3）、２００１年、Ｒ１−Ｒ１９

従来技術におけるように、Ｑスイッチを用いたＲＦ−ＣＯ_２短パルスレーザにおいては、レーザガス圧が低圧(一般的には、４０Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ)であるために、各ＣＯ_２レーザ遷移の広がりが十分でなく、利得スペクトルは櫛状に変調される。即ち、レーザガスが低圧化している場合には、図１１に示すように、ＣＯ_２レーザの発振スペクトルは連続的ではなく離散的になる。その結果、非特許文献１に記載されているように、誘導放出による増幅過程における利得、その飽和、及び、パルス波形は、利得スペクトルとレーザパルスのスペクトルとの整合度に依存する。

ところで、先に述べたＭＯＰＡ又はＭＯＰＯ方式レーザのように、発振段レーザの出力光を後段の増幅器へ入力して増幅する場合には、発振段レーザの出力スペクトルが増幅効率に大きく影響する。例えば、発振段レーザが単一スペクトル、即ち、特定の狭い波長帯域内に光エネルギーが集中している場合には、増幅段において利得が飽和し易くなる。このような単一スペクトルレーザ光を、先に述べたＭＯＰＡ又はＭＯＰＯ方式レーザの増幅段に入力して増幅する場合には、増幅可能なスペクトルが１本に限られてしまうので、マルチスペクトル（マルチライン）増幅可能な増幅段における増幅効率が低下してしまう。即ち、増幅に寄与するスペクトルは１本であり、残りのスペクトルはレーザ発振しないため、増幅に寄与することなく、多くの利得が無駄になってしまう。これは、増幅段の増幅において高出力が得られないことを意味する。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る極端紫外光源装置用ドライバーレーザは、（ｉ）レーザ共振器の内部においてレーザ光を短パルス化する手段と、レーザ共振器におけるレーザ光の発振スペクトルのエネルギーピーク値を示す発振スペクトル成分の強度を抑制すると共に発振スペクトルの強度分布を平滑化する波長依存透過率を有する光学素子とを有し、エネルギーピーク値を示す発振スペクトル成分の強度を抑制しながら発振スペクトルの強度分布を平滑化して短パルス・マルチライン発振を行う短パルス・マルチライン発振ＣＯ_２レーザ発振器と、（ii）短パルス・マルチライン発振ＣＯ_２レーザ発振器から出力される短パルス化されたレーザ光を入力し、該レーザ光を増幅して出力する少なくとも１つの増幅器とを具備する。

本発明によれば、短パルス化されたレーザ光のエネルギーピーク値を示す発振スペクトルの発振を抑制するので、増幅器における増幅効率を上げて、短パルスレーザ光を高いレベルまで増幅することが可能になる。

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、本発明に係る極端紫外光源用ドライバーレーザ（以下において、単に「ドライバーレーザ」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、ドライバーレーザ１と、ＥＵＶ光発生チャンバ２と、ターゲット物質供給部３と、光学系４とを含んでいる。

ドライバーレーザ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。ドライバーレーザ１の構成については、後で詳しく説明する。
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、ドライバーレーザ１から発生したレーザ光６をＥＵＶ光発生チャンバ２内に透過させるための窓２１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３１と、ターゲット回収筒３２と、集光ミラー８とが配置されている。

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３１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３２によって回収される。ターゲット物質としては、公知の様々な材料を用いることができる。また、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）液体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。

光学系４は、例えば、集光レンズを含んでおり、ドライバーレーザ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。
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。なお、図１において、集光ミラー８は、紙面の手前方向にＥＵＶ光を集光する。

次に、本発明の第１の実施形態に係るドライバーレーザについて説明する。本実施形態においては、図１に示すドライバーレーザ１（発振増幅型レーザ装置）における発振段レーザとして、短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザを使用することを特徴としている。この短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザを用いることにより、増幅段における増幅能力を高効率に活用することができるので、増幅段により高出力短パルスを得ることが可能となる。このような短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザを発振段とする発振増幅型レーザを、キセノン（Ｘｅ）や錫（Ｓｎ）等のターゲット物質にレーザ光を照射することによりＥＵＶ光を発生するＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において、レーザ光照射源として用いる。それにより、高エネルギー短パルスのレーザ光がターゲット物質に照射されるので、照射レーザ光からＥＵＶ光への変換効率が高くなり、且つ、１００Ｗ級のＥＵＶ光発生を実現するという先に述べた目的を達成するのに有用である。

また、本実施形態においては、短パルスＣＯ_２レーザを用いてマルチライン発振を行うために、発振スペクトルの制御を行っている。図２は、短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザにおいて行われる高強度発振スペクトル成分の抑制と発振スペクトル強度の平滑化の原理を説明するための図である。

ここで、レーザ光には、互いに異なる強度を有する複数の発振スペクトル成分が存在する。図２の（ａ）に示すように、ＣＯ_２レーザ光においては、スペクトル成分Ｐ（２０）に発振スペクトルのピークがある。このスペクトル成分Ｐ（２０）の発振を押さえて、他のスペクトル成分Ｐ（１８）、Ｐ（１６）、Ｐ（１４）等の発振を促すことができれば、マルチスペクトル（マルチライン）発振を実現することができる。そのためには、例えば、短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの共振器内に、スペクトルに依存する損失を有する光学素子を挿入することにより、他のスペクトル成分Ｐ（１８）、Ｐ（１６）、Ｐ（１４）等の発振を促進すれば良い。スペクトルに依存する損失を有する素子としては、例えば、エタロンが用いられる。このエタロンを調整することにより、マルチライン発振が可能となる。エタロンの材質は、ＺｎＳｅ、Ｉｒｔｒａｎ−２等のように、１０．６μｍの波長に対して高透過率を有するものを使用することが望ましい。

そのような波長依存透過率を有するエタロンを共振器内に挿入し、ピーク強度の高いスペクトル成分の強度を抑制すると共に、ピーク強度の低いスペクトル成分の強度が低下しないようにエタロンを調整する。それにより、図２の（ｂ）に示すように、発振スペクトルの強度を平滑化することができる。即ち、発振スペクトルの強度をほぼ揃えることになり、当初、発振強度が低かったスペクトル成分を増幅することが可能となる。
本実施形態においては、光軸に対するエタロンの傾斜又は温度を調整することにより、エタロンが図２の（ａ）の破線に示すような波長依存透過特性を示すように透過率を制御している。

次に、短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザを実現するための具体的な構成について、図３〜図７を参照しながら説明する。
図３は、本実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの第１の実施例を示す模式図である。図３の（ａ）に示すように、本実施例に係る短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザは、レーザ媒質１００と、共振器を構成するリアミラー１０１及びフロントミラー１０２と、エタロン１０３と、偏光ビームスプリッタ１０４及び１０６と、ポッケルスセル（ＰＣ）１０５とを含んでいる。
種レーザは、リアミラー１０１及びフロントミラー１０２間を往復しながらレーザ媒質１００を通過することにより、ＣＷ（連続発振）励起又はパルス励起する。その際に、先に述べたように、レーザ光に含まれる複数のスペクトル成分について、発振強度の抑制及び増幅が行わせる。

偏光ビームスプリッタ１０４及び１０６は、ｐ偏光を入射光の進行方向と同じ方向に出射し、ｓ偏光を入射光とほぼ直角を為す方向（図の上方）に出射することにより、入射光をｐ偏光とｓ偏光とに分離する。
また、ポッケルスセル（Ｑスイッチ）とは、結晶に電界を印加することにより結晶の屈折率や異方性が変化するというＥＯ効果（electro optic：電気光学効果）を利用した光学素子である。このポッケルスセルに印加される電界を制御することにより、それを透過する光の偏光面を所望の角度だけ回転させることができる。本実施例においては、ポッケルスセル１０５により、光の偏光面をλ／２（９０°）回転させる。即ち、活性化されたポッケルスセルを１回透過することにより、ｐ偏光はｓ偏光となり、ｓ偏光はｐ偏光となる。

ポッケルスセル１０５を所定のタイミングで活性化及び非活性化させることにより、リアミラー１０１及びフロントミラー１０２によって構成される共振器の外部に出射するレーザ光を、所望のパルス幅に切り出す。これにより、図３の（ｂ）に示すように、マルチライン発振したレーザ光を短パルス化することができる。

図４は、本実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの第２の実施例を示す模式図である。本実施例においては、レーザ光を共振器内部において短パルス化している。
図４の（ａ）に示す短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザは、図３の（ａ）に示す構成に対して、リアミラー１０１及びアウトプットカップラー（カプラ）１１０によって共振器を構成しており、さらに、共振器の内部に偏光ビームスプリッタ１０４、ポッケルスセル１０５、及び、λ／４波長板１１１を配置している。本実施例においては、ポッケルスセル１０５により、光の偏光面をλ／４（４５°）回転させる。即ち、活性化されたポッケルスセルを１回往復することにより、ｐ偏光はｓ偏光となり、ｓ偏光はｐ偏光となる。また、λ／４波長板１１１は、そこを通過する光の偏光面をλ／４（４５°）回転させる。

また、図４の（ｂ）に示す短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザは、図４の（ａ）に示す構成に対して、アウトプットカップラー１１０の替わりに高反射（ＨＲ）ミラー１１２を配置することにより共振器を構成している。また、図４の（ｂ）においては、ポッケルスセル１０５のスイッチングを制御することにより、レーザ光を図の上方に取り出しており、そのために、取り出されたレーザ光の方向を変化させるための反射ミラー１１３を配置している。なお、このような構成は、Ｑスイッチ・キャビティ・ダンプ・レーザ（Q-switched cavity-dumped laser）と呼ばれる。

本実施例におけるように、エタロン１０３を通過することによってマルチライン発振したレーザ光を、ポッケルスセル１０５のスイッチング制御により共振器内部において短パルス化する場合には、次のような利点がある。即ち、短パルス化しつつレーザ光を発振することにより、共振器外部においてパルスを切り出す場合におけるような切り落とし分に対応するエネルギー低下がなくなるので、発振効率が高くなる。

図５は、本実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの第３の実施例を示す模式図である。本実施例においては、レーザ光を短パルス化する手段として、光スイッチ素子を用いている。
図５の（ａ）に示す短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザにおいては、図３の（ａ）に示す偏光ビームスプリッタ１０４及び１０６並びにポッケルスセル１０５の替わりに、光スイッチ素子として、ゲルマニウム（Ｇｅ）ブリュースタープレート（ゲルマニウムミラー）１２０が配置されている。また、Ｇｅブリュースタープレート１２０に照射される短パルスレーザ光を出射する短パルスレーザ装置（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）１２１が設けられている。

Ｇｅブリュースタープレート１２０は、通常、共振器から出射したレーザ光の光軸に対してブリュースター角を為すように配置されている。このＧｅブリュースタープレート１２０にレーザ光を照射すると、レーザ光が照射されている間だけプレート表面の屈折率が変化する。その結果、Ｇｅブリュースタープレート１２０のブリュースター角も変化するので、共振器から出射したレーザ光が反射するようになる。従って、Ｇｅブリュースタープレート１２０に、所望の幅を有する短パルスレーザ光を照射することにより、図５の（ｂ）に示すように、マルチライン発振したレーザ光を短パルス化することができる。

図６は、本実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの第４の実施例を示す模式図である。本実施形例においては、レーザー光を短パルス化する手段として、プラズマシャッターを用いている。
図６の（ａ）に示す短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザは、共振器を構成するリアミラー１０１及びアウトプットカップラー１３０と、共振器内に配置されたレーザ媒質１００及びエタロン１０３と、レーザ光を集光する集光光学系（例えば、集光レンズ）１３１とを含んでいる。

共振器内において発振したレーザ光を共振器外に出射し、集光光学系１３１によりレーザ光を集光して気体中にプラズマ１３２を発生させる。このプラズマ１３２はレーザ光を吸収するので、レーザパルスの後半が吸収されてしまい、その結果、図６の（ｂ）に示すように、レーザパルスが切り出されて短パルス化される。この気体（プラズマガス）は空気であっても良いし、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）等であっても良い。後者の場合には、それらのプラズマガスが封入されたガスセル内でプラズマを発生させてもよい。

図７は、本実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる短パルス−マルチスペクトルＣＯ_２レーザの第５の実施例を示す模式図である。以上説明した第１〜第４の実施例においては、エタロンを用いてレーザ光のマルチライン発振を行っているが、エタロンの替わりに、グレーティング、プリズム等の光学素子やそれらの組み合わせを波長選択手段（マルチライン発振手段）として用いてもよい。

例えば、図７の（ａ）に示すように、グレーティング１４０及びフロントミラー１０２を用いて共振器を構成する。このような構成において、グレーティングを回転させることにより、発振波長、即ち、発振スペクトルの強度を調整することができる。或いは、図７の（ａ）に示すグレーティング１４０の替わりに、プリズムを配置しても良い。

また、図７の（ｂ）に示すように、リアミラー１５０及びフロントミラー１０２を用いて共振器を構成すると共に、共振器内部にプリズム１５１を配置しても良い。この場合には、リアミラー１５０及びプリズム１５１の両方を回転させることにより、発振波長を調整することができる。
このような波長選択手段としてグレーティングやプリズムを用いる構成は、第１〜第４の実施例に適用することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るドライバーレーザについて、図８及び図９を参照しながら説明する。本実施形態においては、図１に示すドライバーレーザにおける発振段レーザとして、固体レーザを用いることを特徴としている。また、増幅段レーザとしては、ＣＯ_２レーザが用いられる。

図８に示すように、本実施形態においては、１０μｍ付近の波長域におけるマルチモード発振を実現するために、固体レーザ１６０と共に、光パラメトリック発振手段としての２種類の非線形結晶（非線形結晶Ａ：１６１、及び、非線形結晶Ｂ：１６２）とが用いられる。また、望ましくは、光パラメトリック発振手段の後段に、スペクトル整合器１６３を設けるようにする。

固体レーザ１６０としては、例えば、６６０ｎｍ〜９００ｎｍ付近の波長域で発振するチタンサファイヤレーザが用いられる。また、非線形結晶Ａ１６１の結晶としては、例えば、ＢＢＯが用いられる。この非線形結晶Ａ１６１を、固体レーザ１６０の発振波長λ_１に対して位相整合することにより、１／λ_１＝１／λ_２＋１／λ_３の関係に従って、非線形結晶Ａ：１６１から、波長λ_２を有する波長成分（波長成分λ_２）と波長λ_３を有する波長成分（波長成分λ_３）とが出力される。それらの波長成分λ_２及びλ_３に対して、非線形結晶Ｂ：１６２を位相整合することにより、波長成分λ_２と波長成分λ_３との差周波に相当する波長λ_４が得られる。非線形結晶Ｂ：１６２としては、例えば、ＡｇＧａＳ_２やＨｇＧａ_２Ｓ_２が用いられ、それにより差周波において、９μｍ〜１２μｍ域の広帯域なレーザ光が得られる。これは、チタンサファイヤレーザのように、広帯域発振が可能なレーザ装置を用いる場合に実現することができる。例えば、非特許文献３及び非特許文献４には、λ_１＝９５０ｎｍとした場合に、λ_２＝１４００．８８ｎｍ、λ_３＝１６１４．２１ｎｍとすることにより、λ_４＝１０６００ｎｍを得ることが記載されている。

このようにして得られた波長λ_４の光パルスは、広帯域ではあるが、連続的なスペクトル波形を有している。スペクトル整合器１６３は、このような光パルスを、櫛状のスペクトル波形を有する光パルスに変換する。ここで、発振段レーザの後段に設けられるＣＯ_２レーザ増幅器の利得スペクトルは櫛状の波形を有しているので、連続的なスペクトル波形を有する光パルスをそのまま入射しても、効率良く増幅することができないからである。

スペクトル整合器１６３としては、例えば、ＣＯ_２レーザの再生増幅器を利用することができる。再生増幅器は、レーザ共振器の中に、ポッケルスセルと偏光ビームスプリッタとによって構成される光ゲートを挿入したものである。

図９に示すスペクトル整合器１６３は、反射ミラー１７１及び１７７と、ポッケルスセル（ＰＣ）１７２及び１７６と、偏光ビームスプリッタ１７３及び１７５と、ＣＯ_２レーザ媒質１７４とを有している。
反射ミラー１７１及び１７７、並びに、ＣＯ_２レーザ媒質１７４は、共振器を構成している。

ポッケルスセル１７２及び１７６は、活性化されることにより、そこを通過する光の偏光面をλ／４（４５°）回転させる。即ち、活性化されたポッケルスセル１７２及び１７６を１回往復することにより、ｓ偏光はｐ偏光となり、ｓ偏光はｐ偏光となる。また、偏光ビームスプリッタ１７３及び１７５は、入射したｓ偏光を、入射方向とほぼ直角を為す角度の方向に反射すると共に、入射したｐ偏光をそのまま通過させる。これらのポッケルスセル１７２及び偏光ビームスプリッタ１７３が入力用光ゲートを構成し、ポッケルスセル１７６及び偏光ビームスプリッタ１７５が出力用光ゲートを構成する。

共振器に光パルスを入力する場合には、ポッケルスセル１７２が活性化される。そして、光パルスを偏光ビームスプリッタ１７３に入射することにより、光パルスのｓ偏光成分が反射されて、ポッケルスセル１７２の方向に導かれる。さらに、そのｓ偏光成分は、反射ミラー１７１を介してポッケルスセル１７２を往復することにより、偏光面を９０°回転させられる。その後に、ポッケルスセル１７２を非活性化することにより、光パルス（ｐ偏光）は反射ミラー１７１と反射ミラー１７７との間を、ＣＯ_２レーザ媒質１７４を介して往復する。

ＣＯ_２レーザ媒質１７４は、櫛状の利得スペクトルを有している。そのため、光パルスがＣＯ_２レーザ媒質１７４を通過する毎に、共振器への入力時に有していた連続的なスペクトル成分の内で、ＣＯ_２の櫛状スペクトルと一致する波長成分のみが増幅される。従って、光パルスに共振器内を往復させて、レーザ媒質を何度も通過させることにより、連続的なスペクトルから、ＣＯ_２の増幅スペクトルに完全に一致する櫛状のスペクトル（マルチスペクトル、マルチライン）を有する光パルスを生成することができる。

また、共振器から光パルスを出力する場合には、ポッケルスセル１７６が活性化される。それにより、反射ミラー１７７を介してポッケルスセル１７６を往復した光パルスは、偏光面を９０°回転させられる。その結果、光パルス（ｓ偏光）は、偏光ビームスプリッタ１７５によって反射されて、共振器から出射する。

本発明は、半導体ウエハ等を露光する極端紫外光を発生するＬＰＰ型ＥＵＶ光源のターゲットへ光を照射するドライバーレーザにおいて利用することが可能である。

本発明に係る極端紫外光源用ドライバー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。 エタロンによる高強度発振スペクトルの抑制と発振スペクトル強度の平滑化の原理を示す。 第１の実施例に係る短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザの構成を示す模式図である。 第２の実施例に係る短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザの構成を示す模式図である。 第３の実施例に係る短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザの構成を示す模式図である。 第４の実施例に係る短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザの構成を示す模式図である。 第５の実施例に係る短パルス−マルチスペクトル（マルチライン）ＣＯ_２レーザの構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るドライバーレーザにおいて用いられる発振段レーザの構成を示す模式図である。 図８に示すスペクトル整合器の構成例を示す模式図である。 発振増幅型レーザの構成を示す概略図である。 ＣＯ_２レーザの低ガス圧動作時における発振スペクトルと、その時のパルス波形を示す図である。

符号の説明

１…ドライバーレーザ、２…ＥＵＶ光発生チャンバ、３…ターゲット物質供給部３、４…光学系、５…ターゲット物質、６…レーザ光、７…レーザ光、８…集光ミラー、１０…短パルスＣＯ_２（炭酸ガス）レーザドライバー、１１…発振器、１２…増幅器、２１…窓、３１…噴射ノズル、３２…ターゲット回収筒、１００、１７４…レーザ媒質、１０１、１５０…リアミラー、１０２…フロントミラー、１０３…エタロン、１０４、１０６、１７３、１７５…偏光ビームスプリッタ、１０５、１７２、１７６…ポッケルスセル（ＰＣ）、１１０、１３０…アウトプットカップラー、１１１…λ／４波長板、１１２…高反射（ＨＲ）ミラー、１１３、１７１、１７７…反射ミラー、１２０…光スイッチ素子、１２１…短パルスレーザ、１３１…集光光学系、１３２…プラズマ１４０…グレーティング、１５１…プリズム、１６０…チタンサファイヤレーザ、１６１…非線形結晶Ａ、１６２…非線形結晶Ｂ

Claims (2)

1. レーザ共振器の内部においてレーザ光を短パルス化する手段と、前記レーザ共振器におけるレーザ光の発振スペクトルのエネルギーピーク値を示す発振スペクトル成分の強度を抑制すると共に発振スペクトルの強度分布を平滑化する波長依存透過率を有する光学素子とを有し、エネルギーピーク値を示す発振スペクトル成分の強度を抑制しながら発振スペクトルの強度分布を平滑化して短パルス・マルチライン発振を行う短パルス・マルチライン発振ＣＯ_２レーザ発振器と、
   前記短パルス・マルチライン発振ＣＯ_２レーザ発振器から出力される短パルス化されたレーザ光を入力し、該レーザ光を増幅して出力する少なくとも１つの増幅器と、
   を具備する極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
2. 請求項１記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザと、
   ターゲット物質供給手段と、
   前記極端紫外光源装置用ドライバーレーザから出力されるレーザ光が、前記ターゲット物質供給手段から供給されるターゲット物質を照射するように、前記レーザ光を導光する光学系と、
   を具備するＬＰＰ型極端紫外光源装置。