極端紫外光源装置用ドライバーレーザ
【課題】発振器の破壊を防止することができるとともに、高次モードを含まないシングルモードでレーザ光の増幅を効率的に行うことが可能な極端紫外光源装置用ドライバーレーザを提供する。
【解決手段】このドライバーレーザ１は、レーザ光を発振して出力する発振器４１と、発振器４１から出力されたレーザ光を空間フィルタ処理して出力する空間フィルタ４２と、空間フィルタ４２ら出力されたレーザ光を増幅して出力する増幅器４３と、発振器４１及び増幅器４３を駆動する駆動部４６と、空間フィルタ４２におけるブレークダウンの発生を検出するためのブレークダウンセンサ４４と、ブレークダウンセンサ４４がブレークダウンの発生を検出した場合に、増幅器４３の駆動の停止を駆動部４６に行わせる制御部４５とを具備する。
【解決手段】このドライバーレーザ１は、レーザ光を発振して出力する発振器４１と、発振器４１から出力されたレーザ光を空間フィルタ処理して出力する空間フィルタ４２と、空間フィルタ４２ら出力されたレーザ光を増幅して出力する増幅器４３と、発振器４１及び増幅器４３を駆動する駆動部４６と、空間フィルタ４２におけるブレークダウンの発生を検出するためのブレークダウンセンサ４４と、ブレークダウンセンサ４４がブレークダウンの発生を検出した場合に、増幅器４３の駆動の停止を駆動部４６に行わせる制御部４５とを具備する。
【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光を照射するドライバーレーザに関する。
【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（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。
【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。
【０００４】
図１２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１２に示す発振増幅型レーザ１０は、短パルスＣＯ２レーザによって構成される発振器１１と、短パルスＣＯ２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（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１２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。
【０００５】
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（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。
ここで、図１２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。
【０００６】
次に、発振器である短パルスＣＯ２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）−ＣＯ２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−ＣＯ２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、ＣＯ２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、ＣＯ２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。なお、発振器から出射されるレーザ光のパルス幅は、１００ｎｓ以下が望ましい。
【０００７】
その理由は次の通りである。ＣＯ２レーザの出力をＥｔｏｔａｌ、パルス発振の繰返し周波数をｆｉ（ｉ=１，２，３，…）、１つのパルスの光エネルギーをＥｐｊ（ｊ＝１，２，３，…）とすると、Ｅｔｏｔａｌ＝ｆ１×Ｅｐ１＝ｆ２×Ｅｐ２という関係がある。ここで、Ｅｐ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、Ｅｐは小さい方が望ましい。そこで、所望のＥｔｏｔａｌを得るためにＥｐを小さくして、繰返し周波数ｆを大きくすれば良い。
【０００８】
このように高い繰返し周波数を実現するためには、ＲＦ（Radio Frequency励起）−ＣＯ２レーザを用いることが適当である。その理由は、パルスＣＯ２レーザとしては、この他にもＴＥＡ（Transverse Excitation Atmospheric）−ＣＯ２レーザがあるが、現状の技術では、２ｋＨｚ程度の繰返し動作が限界だからである。
【０００９】
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（Maltipass 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。
【００１０】
ところで、発振増幅型レーザの増幅器の利得が高い場合に、増幅器において自励発振又は寄生発振（以下において、単に、「自励発振」と言う）が発生し得ることが知られている。このような自励発振は、ＭＯＰＯシステム内の共振器を有している増幅器だけではなく、ＭＯＰＡシステム内の共振器を有していない増幅器においても発生し得る。そして、増幅器において発生した自励発振光が発振器の方向に戻って発振器に入射すると、発振器内の光学素子（例えば、ポッケルスセル、波長板、偏光素子等）が破壊されたり、発振器内におけるレーザ共振が乱されることにより、レーザ発振が不安定になり得る。
【００１１】
上記のような自励発振光による発振器の破壊は、発振器と増幅器との間に空間フィルタを配置することで、ある程度防止できることが知られている（例えば、下記の非特許文献１参照）。
非特許文献１には、発振段ＣＯ２レーザ自身が空間フィルタ内でエアブレークダウン（Air Breakdown）を起こしてはならないことが記載されている。たとえば、発振段レーザから空間フィルタに入射されるレーザ強度が１ｍＪの場合には、１ｍＪではエアブレークダウンが生じないように、レンズとピンホールを配置することが記載されている。また、このように配置することにより、増幅段から発振段に向かう１ｍＪより少し強い指向性の高い自励発振光はエアブレークダウンを発生させることが記載されている。そして、エアブレークダウンによって生じたプラズマによって、自励発振光は吸収され発振段に到達しないか、かなり減衰して発振段に到達することが記載されている。また、発振段ＣＯ２レーザの光学素子等の構成部品は１ｍＪ（発振段出力）に対しては耐性があるものが使用されているので、発振段に到達する自励発振光の強度が１ｍＪ（発振段出力）以下であれば発振段を破壊することがないことが記載されている。
【特許文献１】米国特許６，６９７，４０８（図５）
【非特許文献１】トチツキー（S. Ya. Tochitsky）他、「高出力ＣＯ２増幅器における自己チャープされたピコ秒パルスの効率的な短縮（Efficient shortening of self-chirped picosecond pulses in a high-power CO2 amplifier）」、オプティクス・レター（Optics Letters）、２００１年、第２６巻、第１１号、ｐ．８１３−８１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したように、非特許文献１には、発振段と増幅段との間に空間フィルタを配置することで、自励発振光による発振段の破壊をある程度防止できることが記載されている。しかしながら、エアブレークダウンによって生じたプラズマによって減衰した後の自励発振光の強度が発振段の光学素子等の耐性より強い場合には、発振段の光学素子等が破壊されてしまう。特に、増幅段が複数の増幅器を含んでいる場合に、後段の増幅器において自励発振が発生すると、自励発振光が、自励発振が発生した増幅器より前段に位置する増幅器によって増幅され、発振段が破壊されてしまう可能性が高くなる。
【００１３】
また、発振増幅型レーザから出射したレーザ光が、ＥＵＶ発光ターゲット物質やデブリ等によって反射され、発振増幅型レーザに入射することがある。この場合、ＥＵＶ発光ターゲット物質等によって反射された反射光が、増幅段によって増幅され、発振段が破壊されてしまうことが起こり得る。
【００１４】
一方、増幅段においてレーザ光の増幅を効率的に行うとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光するためには、発振段から増幅段に入射するレーザ光が、高次モードを含まないシングルモードであり、そのビームプロファイルが円形に近いことが望ましい。
【００１５】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、発振器の破壊を防止することができるとともに、レーザ光の増幅を効率的に行うことが可能な極端紫外光源装置用ドライバーレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、レーザ光源から出力された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ーレーザシステムであって、レーザ光を発振して出力する発振器と、発振器から出力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、発振器及び前記少なくとも１つの増幅器を駆動する駆動手段と、発振器又は少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を入力し、該レーザ光を空間フィルタ処理して出力する少なくとも１つの空間フィルタと、少なくとも１つの空間フィルタにおけるブレークダウンの発生を検出するための少なくとも１つのブレークダウン検出手段と、少なくとも１つのブレークダウン検出手段がブレークダウンの発生を検出した場合に、少なくとも１つの増幅器の駆動の停止を駆動手段に行わせる制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ブレークダウンが発生した場合に増幅器の駆動を停止することができる。これにより、発振器の破壊を防止することができる。また、高次モードを含まないシングルモードでレーザ光の増幅を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（例えば、錫（Ｓｎ）、キセノン（Ｘｅ）等）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）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
図２は、本実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。図２に示すように、このドライバーレーザ１は、共振によりレーザ光を発振する発振器４１と、発振器４１から出射されるレーザ光を空間フィルタ処理する空間フィルタ４２と、空間フィルタ４２によってフィルタリングされたレーザ光を増幅する増幅器４３と、空間フィルタ４２におけるエアブレークダウンを検出するためのブレークダウンセンサ４４と、発振器４１及び増幅器４３を駆動する駆動部４６と、駆動部４６を制御する制御部４５とを具備する。
【００２３】
図３は、発振器４１を示す模式図である。図３に示すように、この発振器４１は、レーザ媒質１００と、共振器を構成するリアミラー１０１及び高反射（ＨＲ）ミラー１０２と、偏光ビームスプリッタ１０４と、ポッケルスセル（ＰＣ）１０５と、λ／４波長板１０６と、反射ミラー１０７とを含んでいる。
【００２４】
レーザ媒質１００は、放電管（又はチャンバ）（図示せず）内に充填されており、駆動部４６（図２）が、放電管（又はチャンバ）に配置された電極対（図示せず）に所定のタイミングで放電を行わせてレーザ媒質１００を励起する。なお、レーザ媒質１００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レーザガスであっても良い。
レーザ光は、リアミラー１０１及びＨＲ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される。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ１０４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。
λ／４波長板１０６は、そこを通過する光の偏光面をλ／４（９０°）回転させる。
【００２６】
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。本実施形態においては、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１０７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。
【００２７】
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ＨＲ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、レーザ光を短パルス化することができる。
【００２８】
図４は、空間フィルタ４２及びブレークダウンセンサ４４を示す模式図である。図４に示すように、空間フィルタ４２は、集光レンズ１１１と、ピンホール板１１２と、コリメートレンズ１１３とを含んでいる。また、ブレークダウンセンサ４４は、音センサ１２１と、光センサ１２２とを含んでいる。
【００２９】
ピンホール板１１２には、ピンホール１１２ａが形成されており、発振器４１から出力されたレーザ光は、集光レンズ１１１によってピンホール１１２ａに集光される。ピンホール１１２ａに集光されたレーザ光は、その後拡散し、コリメートレンズ１１３によってコリメートされて増幅器４３に入射する。
【００３０】
空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生し、空気がプラズマ化すると、音及び／又は光が発生し、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２が、そのような音及び／又は光を検出して、エアブレークダウンを検出したことを通知するエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。なお、空間フィルタが空気中ではなく、Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、ＣＯ２、若しくは、ＳＦ６、又は、これらの混合ガス中に配置されていても良い。
【００３１】
発振器４１の出力レーザ光の強度及びピンホール１１２ａにおける集光スポット径は、発振器４１から空間フィルタ４２に入射するレーザ光によってブレークダウンが発生しないように決定（設計）されている。従って、空間フィルタ４２においてブレークダウンが発生するのは、増幅器４３において自励発振が発生する場合又はＥＵＶ発光ターゲット物質やデブリ等による反射光が増幅器４３によって増幅される場合である。
【００３２】
図５は、増幅器４３を示す模式図である。図５に示すように、この増幅器４３は、ウィンドウ１３１、１３２と、放電管１４１〜１４８と、ミラー１５１〜１５８とを含んでいる。放電管１４１〜１４８内には、レーザ媒質が充填されており、駆動部４６（図２）が、放電管１４１〜１４８にそれぞれ配置された電極対（電極対については、後述する）に所定のタイミングで放電を行わせてレーザ媒質を励起する。なお、ウィンドウ１３１、１３２は、ＺｎＳｅ等を含んでいても良い。また、レーザ媒質は、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レーザガスであっても良い。
【００３３】
空間フィルタ４２からＸ軸方向に入射したレーザ光は、ウィンドウ１３１を通過し、放電管１４１に入射して増幅される。放電管１４１内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５１によってＹ軸方向に反射され、放電管１４２に入射して増幅される。放電管１４２内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５２によってＸ軸の逆方向に反射され、放電管１４３に入射して増幅される。放電管１４３内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５３によってＹ軸の逆方向に反射され、放電管１４４に入射して増幅される。
【００３４】
放電管１４４内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５４によってＺ軸方向に反射され、更に、ミラー１５５によってＹ軸方向に反射され、放電管１４５に入射して増幅される。放電管１４５内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５６によってＸ軸方向に反射され、放電管１４６に入射して増幅される。放電管１４６内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５７によってＹ軸の逆方向に反射され、放電管１４７に入射して増幅される。放電管１４７内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５８によってＸ軸の逆方向に反射され、放電管１４８に入射して増幅される。放電管１４８内において増幅されたレーザ光は、ウィンドウ１３２を通過して、ＥＵＶ光発生チャンバ（図１）に入射する。
【００３５】
図６（ａ）は、増幅器４３の放電管における電極の配置の例を示す模式図であり、図６（ｂ）は、増幅器４３の利得領域をレーザ光軸側から見た模式図である。なお、図６（ａ）においては、ウィンドウ及びミラーの図示を省略している。
【００３６】
図６（ａ）に示すように、放電管１４１の上部に電極１４１ａが、放電管１４１の下部に電極１４１ｂがそれぞれ配置されており、放電管１４２の紙面の手前側に電極１４２ａが、放電管１４２の紙面の奥側に電極１４２ｂが、それぞれ配置されている。このように、各放電管の電極対の配置方向をレーザ光軸を軸として９０度ずつ回転させることにより、図６（ｂ）に示すように、利得領域４３ａを放電管の内壁まで大きくすることができる。
【００３７】
図６（ｃ）は、増幅器４３の放電管における電極の配置の他の例を示す模式図である。なお、図６（ｃ）においては、ウィンドウ及びミラーの図示を省略している。
図６（ｃ）に示すように、放電管１４１には、電極１４１ａ，１４１ｂを螺旋（スパイラル）状に配置されている。このように、電極対を放電管に螺旋（スパイラル）状に配置することによっても、図６（ｂ）と同様に、利得領域４３ａを放電管の内壁まで大きくすることができる。
【００３８】
このように、増幅器４３が光共振器を持たない場合には、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。なお、増幅器４３が、更に、光共振器を持つこととしても良い。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。
【００３９】
再び図１を参照すると、ドライバーレーザ１から出射されたレーザ光は、光学系４によってターゲット物質の軌道上に集光される。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。
【００４０】
次に、ドライバーレーザ１の増幅器４３において自励発振が発生した場合について説明する。
図７は、増幅器４３において発生した自励発振光が空間フィルタ４２に入射した様子を示す模式図である。
【００４１】
図７において実線で示すように、指向性が強い自励発振光は、コリメートレンズ１１３によってピンホール板１１２のピンホールに集光される。なお、空間フィルタ４２が空気中に配置されている場合に、エアブレークダウンが発生するレーザ光強度は、２．５〜３Ｊ／ｃｍ２であることが知られている（非特許文献１参照）。従って、集光スポット径が１０−２ｃｍの場合には、自励発振光の強度が約０．２ｍＪ以上のときに、ピンホール板１１２のピンホールの近傍においてエアブレークダウンが発生し、プラズマ１１４が生成される。
【００４２】
エアブレークダウンが発生すると、音及び／又は光がピンホール板１１２のピンホールの近傍から拡散する。そして、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２が、そのような音及び／又は光を検出して、エアブレークダウン検出信号を制御部４５（図２）に出力する。制御部４５は、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２からエアブレークダウン検出信号を受け取ると、増幅器４３内の電極対（図６）における放電を停止させるように、駆動部４６（図２）を制御する。なお、このとき、制御部４５が、発振器４１内の電極対における放電をも停止させるように、駆動部４６を制御するようにしても良い。
【００４３】
エアブレークダウンによりプラズマ１１４が生成されると、増幅器４３内の電極対における放電停止前に発生してピンホール板１１２のピンホールに到達した自励発振光は、プラズマ１１４によって吸収及び／又は拡散されるので、発振器４１内に入射する自励発振光の強度及び／又は総量は、非常に小さくなる。
また、図７において点線で示すように、指向性が弱い自励発振光は、ピンホール板１１２のピンホールに集光されず、ピンホール板１１２によって遮光されるので、発振器４１に入射しない。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生した場合に、増幅器４３において発生した自励発振を停止させることができる。また、指向性が弱い自励発振光は、ピンホール板１１２によって遮光される。これにより、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００４５】
なお、ＥＵＶ光発生チャンバ２（図１）内のターゲット物質やデブリ等によって反射されたレーザ光（反射光）が増幅器４３で増幅され空間フィルタ４２に入射してエアブレークダウンが発生した場合にも、上記と同様に、増幅器４３内の電極対（図６）における放電を停止させることができる。これにより、反射光の増幅を停止することができ、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、空間フィルタ４２を用いることにより、レーザ光の増幅を効率的に行うことができるとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することができる。図８は、空間フィルタ４２を通過するレーザ光の空間分布を示す模式図であり、図９は、レーザ光のビームプロファイルを示す模式図である。
【００４７】
図８に示すように、発振器４１から出射されるレーザ光の空間分布Ｂ１が整っていても、レーザ光の光路上に塵Ｄ１が存在していると、塵Ｄ１を通過後のレーザ光の空間分布Ｂ２は乱れてしまう。図９（ａ）は、このときのレーザ光のビームプロファイルを示す図である。再び図８を参照すると、レーザ光がピンホール板１１２のピンホール１１２ａを通過してフィルタリングされることにより、レーザ光の空間分布Ｂ３は再び整うことになる。図９（ｂ）は、このときのレーザ光のビームプロファイルを示す図である。図９（ｂ）に示すようなビームプロファイルを有するレーザ光が増幅器４３に入射することによって、増幅器４３においてレーザ光の増幅を効率的に行うこととともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することが可能となる。
【００４８】
なお、発振器４１から出射されるレーザ光が高次横モードを含んでいる場合にも、レーザ光が空間フィルタ４２を通過すると、高次横モードがフィルタリングされるので、増幅器４３においてレーザ光の増幅を効率的に行うとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することが可能となる。
【００４９】
本実施形態においては、空間フィルタ４２（図４）を集光レンズ１１１、ピンホール板１１２、及び、コリメートレンズ１１３を用いて実現した場合について説明したが、図１０（ａ）に示すように、集光レンズ１１１に代えて凹面鏡１１４を用いて空間フィルタを実現することも可能である。さらに、図１０（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１１３に代えて凹面鏡１１５を用いて空間フィルタを実現することも可能である。
【００５０】
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説明する。
図１１は、本実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。図１１に示すように、このドライバーレーザ９は、発振器４１、空間フィルタ４２、増幅器４３、ブレークダウンセンサ４４、制御部４５、及び、駆動部４６に加えて、増幅器４３から出射されるレーザ光をフィルタリングする第２の空間フィルタ４７と、空間フィルタ４７によってフィルタリングされたレーザ光を増幅する第２の増幅器４８と、空間フィルタ４７におけるエアブレークダウンを検出するための第２のブレークダウンセンサ４９とを更に具備する。空間フィルタ４７、増幅器４８、及び、ブレークダウンセンサ４９は、空間フィルタ４２、増幅器４３、及び、ブレークダウンセンサ４４と同様に構成可能である。
【００５１】
空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生すると、ブレークダウンセンサ４４が、エアブレークダウンを検出したことを通知する第１のエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。また、空間フィルタ４７においてエアブレークダウンが発生すると、ブレークダウンセンサ４９が、エアブレークダウンを検出したことを通知する第２のエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。制御部４５は、第１及び／又は第２のエアブレークダウン検出信号を受け取ると、増幅器４３及び／又は増幅器４８内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御する。なお、このとき、制御部４５が、発振器４１内の電極対における放電をも停止させるように、駆動部４６を制御するようにしても良い。また、制御部４５が、第１のエアブレークダウン検出信号を受け取った場合に、増幅器４３内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御しても良い。さらに、制御部４５が、第２のエアブレークダウン検出信号を受け取った場合に、増幅器４８内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御しても良い。
【００５２】
本実施形態によれば、空間フィルタ４２及び／又は空間フィルタ４７においてエアブレークダウンが発生した場合に、増幅器４３及び／又は増幅器４８の駆動を停止させることができる。これにより、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００５３】
本実施形態においては、発振器４１と増幅器４３との間に空間フィルタ４２を配置するとともに、増幅器４３と増幅器４８との間に空間フィルタ４７を配置しているが、必要に応じて、空間フィルタ４２、空間フィルタ４７のいずれか一方だけを配置するようにしても良い。例えば、増幅器４３、４８が自励発振する可能性は低いがレーザ光がターゲット物質等によって反射される可能性が高い場合には、空間フィルタ４７だけを配置するようにしても良い。また、増幅器４３が自励発振する可能性が高い場合には、空間フィルタ４２を配置するようにしても良い。
【００５４】
ここでは、増幅器の段数が１段及び２段の場合について説明したが、増幅器の段数が３段以上の場合においても、本発明を適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。
【図３】図２に示す発振器を示す模式図である。
【図４】図２に示す空間フィルタ及びブレークダウンセンサを示す模式図である。
【図５】図２に示す増幅器を示す模式図である。
【図６】図２に示す増幅器を示す模式図である。
【図７】図２に示す空間フィルタ及びブレークダウンセンサを示す模式図である。
【図８】図２に示す空間フィルタを通過するレーザ光の空間分布を示す模式図である。
【図９】図２に示す空間フィルタを通過するレーザ光のビームプロファイルを示す図である。
【図１０】図２に示す空間フィルタの他の例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。
【図１２】発振増幅型レーザの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
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、４…光学系、５…ターゲット物質、６…レーザ光、７…ＥＵＶ光、８…集光ミラー、１０…発振増幅型レーザ、１１、４１…発振器、１２、４３、４８…増幅器、２１…窓、３１…ターゲット噴射ノズル、３２…ターゲット回収筒、４２、４７…空間フィルタ、４４、４９…ブレークダウンセンサ、４５…制御部、４６…駆動部、１００…レーザ媒質、１０１…リアミラー、１０２…フロントミラー、１０４…偏光ビームスプリッタ、１０５…ポッケルスセル、１０６…λ／４波長板、１１１…集光レンズ、１１２…ピンホール板、１１２ａ…ピンホール、１１３…コリメートレンズ、１１４、１１５…凹面鏡、１２１…音センサ、１２２…光センサ、１３１、１３２…ウィンドウ、１４１〜１４８…放電管、１４１ａ、１４１ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…電極、１５１〜１５８…ミラー
【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光を照射するドライバーレーザに関する。
【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（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。
【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。
【０００４】
図１２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１２に示す発振増幅型レーザ１０は、短パルスＣＯ２レーザによって構成される発振器１１と、短パルスＣＯ２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（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１２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。
【０００５】
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（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。
ここで、図１２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。
【０００６】
次に、発振器である短パルスＣＯ２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）−ＣＯ２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−ＣＯ２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、ＣＯ２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、ＣＯ２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。なお、発振器から出射されるレーザ光のパルス幅は、１００ｎｓ以下が望ましい。
【０００７】
その理由は次の通りである。ＣＯ２レーザの出力をＥｔｏｔａｌ、パルス発振の繰返し周波数をｆｉ（ｉ=１，２，３，…）、１つのパルスの光エネルギーをＥｐｊ（ｊ＝１，２，３，…）とすると、Ｅｔｏｔａｌ＝ｆ１×Ｅｐ１＝ｆ２×Ｅｐ２という関係がある。ここで、Ｅｐ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、Ｅｐは小さい方が望ましい。そこで、所望のＥｔｏｔａｌを得るためにＥｐを小さくして、繰返し周波数ｆを大きくすれば良い。
【０００８】
このように高い繰返し周波数を実現するためには、ＲＦ（Radio Frequency励起）−ＣＯ２レーザを用いることが適当である。その理由は、パルスＣＯ２レーザとしては、この他にもＴＥＡ（Transverse Excitation Atmospheric）−ＣＯ２レーザがあるが、現状の技術では、２ｋＨｚ程度の繰返し動作が限界だからである。
【０００９】
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（Maltipass 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。
【００１０】
ところで、発振増幅型レーザの増幅器の利得が高い場合に、増幅器において自励発振又は寄生発振（以下において、単に、「自励発振」と言う）が発生し得ることが知られている。このような自励発振は、ＭＯＰＯシステム内の共振器を有している増幅器だけではなく、ＭＯＰＡシステム内の共振器を有していない増幅器においても発生し得る。そして、増幅器において発生した自励発振光が発振器の方向に戻って発振器に入射すると、発振器内の光学素子（例えば、ポッケルスセル、波長板、偏光素子等）が破壊されたり、発振器内におけるレーザ共振が乱されることにより、レーザ発振が不安定になり得る。
【００１１】
上記のような自励発振光による発振器の破壊は、発振器と増幅器との間に空間フィルタを配置することで、ある程度防止できることが知られている（例えば、下記の非特許文献１参照）。
非特許文献１には、発振段ＣＯ２レーザ自身が空間フィルタ内でエアブレークダウン（Air Breakdown）を起こしてはならないことが記載されている。たとえば、発振段レーザから空間フィルタに入射されるレーザ強度が１ｍＪの場合には、１ｍＪではエアブレークダウンが生じないように、レンズとピンホールを配置することが記載されている。また、このように配置することにより、増幅段から発振段に向かう１ｍＪより少し強い指向性の高い自励発振光はエアブレークダウンを発生させることが記載されている。そして、エアブレークダウンによって生じたプラズマによって、自励発振光は吸収され発振段に到達しないか、かなり減衰して発振段に到達することが記載されている。また、発振段ＣＯ２レーザの光学素子等の構成部品は１ｍＪ（発振段出力）に対しては耐性があるものが使用されているので、発振段に到達する自励発振光の強度が１ｍＪ（発振段出力）以下であれば発振段を破壊することがないことが記載されている。
【特許文献１】米国特許６，６９７，４０８（図５）
【非特許文献１】トチツキー（S. Ya. Tochitsky）他、「高出力ＣＯ２増幅器における自己チャープされたピコ秒パルスの効率的な短縮（Efficient shortening of self-chirped picosecond pulses in a high-power CO2 amplifier）」、オプティクス・レター（Optics Letters）、２００１年、第２６巻、第１１号、ｐ．８１３−８１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したように、非特許文献１には、発振段と増幅段との間に空間フィルタを配置することで、自励発振光による発振段の破壊をある程度防止できることが記載されている。しかしながら、エアブレークダウンによって生じたプラズマによって減衰した後の自励発振光の強度が発振段の光学素子等の耐性より強い場合には、発振段の光学素子等が破壊されてしまう。特に、増幅段が複数の増幅器を含んでいる場合に、後段の増幅器において自励発振が発生すると、自励発振光が、自励発振が発生した増幅器より前段に位置する増幅器によって増幅され、発振段が破壊されてしまう可能性が高くなる。
【００１３】
また、発振増幅型レーザから出射したレーザ光が、ＥＵＶ発光ターゲット物質やデブリ等によって反射され、発振増幅型レーザに入射することがある。この場合、ＥＵＶ発光ターゲット物質等によって反射された反射光が、増幅段によって増幅され、発振段が破壊されてしまうことが起こり得る。
【００１４】
一方、増幅段においてレーザ光の増幅を効率的に行うとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光するためには、発振段から増幅段に入射するレーザ光が、高次モードを含まないシングルモードであり、そのビームプロファイルが円形に近いことが望ましい。
【００１５】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、発振器の破壊を防止することができるとともに、レーザ光の増幅を効率的に行うことが可能な極端紫外光源装置用ドライバーレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、レーザ光源から出力された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ーレーザシステムであって、レーザ光を発振して出力する発振器と、発振器から出力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、発振器及び前記少なくとも１つの増幅器を駆動する駆動手段と、発振器又は少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を入力し、該レーザ光を空間フィルタ処理して出力する少なくとも１つの空間フィルタと、少なくとも１つの空間フィルタにおけるブレークダウンの発生を検出するための少なくとも１つのブレークダウン検出手段と、少なくとも１つのブレークダウン検出手段がブレークダウンの発生を検出した場合に、少なくとも１つの増幅器の駆動の停止を駆動手段に行わせる制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ブレークダウンが発生した場合に増幅器の駆動を停止することができる。これにより、発振器の破壊を防止することができる。また、高次モードを含まないシングルモードでレーザ光の増幅を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（例えば、錫（Ｓｎ）、キセノン（Ｘｅ）等）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）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
図２は、本実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。図２に示すように、このドライバーレーザ１は、共振によりレーザ光を発振する発振器４１と、発振器４１から出射されるレーザ光を空間フィルタ処理する空間フィルタ４２と、空間フィルタ４２によってフィルタリングされたレーザ光を増幅する増幅器４３と、空間フィルタ４２におけるエアブレークダウンを検出するためのブレークダウンセンサ４４と、発振器４１及び増幅器４３を駆動する駆動部４６と、駆動部４６を制御する制御部４５とを具備する。
【００２３】
図３は、発振器４１を示す模式図である。図３に示すように、この発振器４１は、レーザ媒質１００と、共振器を構成するリアミラー１０１及び高反射（ＨＲ）ミラー１０２と、偏光ビームスプリッタ１０４と、ポッケルスセル（ＰＣ）１０５と、λ／４波長板１０６と、反射ミラー１０７とを含んでいる。
【００２４】
レーザ媒質１００は、放電管（又はチャンバ）（図示せず）内に充填されており、駆動部４６（図２）が、放電管（又はチャンバ）に配置された電極対（図示せず）に所定のタイミングで放電を行わせてレーザ媒質１００を励起する。なお、レーザ媒質１００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レーザガスであっても良い。
レーザ光は、リアミラー１０１及びＨＲ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される。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ１０４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。
λ／４波長板１０６は、そこを通過する光の偏光面をλ／４（９０°）回転させる。
【００２６】
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。本実施形態においては、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１０７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。
【００２７】
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ＨＲ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、レーザ光を短パルス化することができる。
【００２８】
図４は、空間フィルタ４２及びブレークダウンセンサ４４を示す模式図である。図４に示すように、空間フィルタ４２は、集光レンズ１１１と、ピンホール板１１２と、コリメートレンズ１１３とを含んでいる。また、ブレークダウンセンサ４４は、音センサ１２１と、光センサ１２２とを含んでいる。
【００２９】
ピンホール板１１２には、ピンホール１１２ａが形成されており、発振器４１から出力されたレーザ光は、集光レンズ１１１によってピンホール１１２ａに集光される。ピンホール１１２ａに集光されたレーザ光は、その後拡散し、コリメートレンズ１１３によってコリメートされて増幅器４３に入射する。
【００３０】
空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生し、空気がプラズマ化すると、音及び／又は光が発生し、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２が、そのような音及び／又は光を検出して、エアブレークダウンを検出したことを通知するエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。なお、空間フィルタが空気中ではなく、Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、ＣＯ２、若しくは、ＳＦ６、又は、これらの混合ガス中に配置されていても良い。
【００３１】
発振器４１の出力レーザ光の強度及びピンホール１１２ａにおける集光スポット径は、発振器４１から空間フィルタ４２に入射するレーザ光によってブレークダウンが発生しないように決定（設計）されている。従って、空間フィルタ４２においてブレークダウンが発生するのは、増幅器４３において自励発振が発生する場合又はＥＵＶ発光ターゲット物質やデブリ等による反射光が増幅器４３によって増幅される場合である。
【００３２】
図５は、増幅器４３を示す模式図である。図５に示すように、この増幅器４３は、ウィンドウ１３１、１３２と、放電管１４１〜１４８と、ミラー１５１〜１５８とを含んでいる。放電管１４１〜１４８内には、レーザ媒質が充填されており、駆動部４６（図２）が、放電管１４１〜１４８にそれぞれ配置された電極対（電極対については、後述する）に所定のタイミングで放電を行わせてレーザ媒質を励起する。なお、ウィンドウ１３１、１３２は、ＺｎＳｅ等を含んでいても良い。また、レーザ媒質は、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レーザガスであっても良い。
【００３３】
空間フィルタ４２からＸ軸方向に入射したレーザ光は、ウィンドウ１３１を通過し、放電管１４１に入射して増幅される。放電管１４１内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５１によってＹ軸方向に反射され、放電管１４２に入射して増幅される。放電管１４２内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５２によってＸ軸の逆方向に反射され、放電管１４３に入射して増幅される。放電管１４３内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５３によってＹ軸の逆方向に反射され、放電管１４４に入射して増幅される。
【００３４】
放電管１４４内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５４によってＺ軸方向に反射され、更に、ミラー１５５によってＹ軸方向に反射され、放電管１４５に入射して増幅される。放電管１４５内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５６によってＸ軸方向に反射され、放電管１４６に入射して増幅される。放電管１４６内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５７によってＹ軸の逆方向に反射され、放電管１４７に入射して増幅される。放電管１４７内において増幅されたレーザ光は、ミラー１５８によってＸ軸の逆方向に反射され、放電管１４８に入射して増幅される。放電管１４８内において増幅されたレーザ光は、ウィンドウ１３２を通過して、ＥＵＶ光発生チャンバ（図１）に入射する。
【００３５】
図６（ａ）は、増幅器４３の放電管における電極の配置の例を示す模式図であり、図６（ｂ）は、増幅器４３の利得領域をレーザ光軸側から見た模式図である。なお、図６（ａ）においては、ウィンドウ及びミラーの図示を省略している。
【００３６】
図６（ａ）に示すように、放電管１４１の上部に電極１４１ａが、放電管１４１の下部に電極１４１ｂがそれぞれ配置されており、放電管１４２の紙面の手前側に電極１４２ａが、放電管１４２の紙面の奥側に電極１４２ｂが、それぞれ配置されている。このように、各放電管の電極対の配置方向をレーザ光軸を軸として９０度ずつ回転させることにより、図６（ｂ）に示すように、利得領域４３ａを放電管の内壁まで大きくすることができる。
【００３７】
図６（ｃ）は、増幅器４３の放電管における電極の配置の他の例を示す模式図である。なお、図６（ｃ）においては、ウィンドウ及びミラーの図示を省略している。
図６（ｃ）に示すように、放電管１４１には、電極１４１ａ，１４１ｂを螺旋（スパイラル）状に配置されている。このように、電極対を放電管に螺旋（スパイラル）状に配置することによっても、図６（ｂ）と同様に、利得領域４３ａを放電管の内壁まで大きくすることができる。
【００３８】
このように、増幅器４３が光共振器を持たない場合には、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。なお、増幅器４３が、更に、光共振器を持つこととしても良い。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。
【００３９】
再び図１を参照すると、ドライバーレーザ１から出射されたレーザ光は、光学系４によってターゲット物質の軌道上に集光される。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。
【００４０】
次に、ドライバーレーザ１の増幅器４３において自励発振が発生した場合について説明する。
図７は、増幅器４３において発生した自励発振光が空間フィルタ４２に入射した様子を示す模式図である。
【００４１】
図７において実線で示すように、指向性が強い自励発振光は、コリメートレンズ１１３によってピンホール板１１２のピンホールに集光される。なお、空間フィルタ４２が空気中に配置されている場合に、エアブレークダウンが発生するレーザ光強度は、２．５〜３Ｊ／ｃｍ２であることが知られている（非特許文献１参照）。従って、集光スポット径が１０−２ｃｍの場合には、自励発振光の強度が約０．２ｍＪ以上のときに、ピンホール板１１２のピンホールの近傍においてエアブレークダウンが発生し、プラズマ１１４が生成される。
【００４２】
エアブレークダウンが発生すると、音及び／又は光がピンホール板１１２のピンホールの近傍から拡散する。そして、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２が、そのような音及び／又は光を検出して、エアブレークダウン検出信号を制御部４５（図２）に出力する。制御部４５は、音センサ１２１及び／又は光センサ１２２からエアブレークダウン検出信号を受け取ると、増幅器４３内の電極対（図６）における放電を停止させるように、駆動部４６（図２）を制御する。なお、このとき、制御部４５が、発振器４１内の電極対における放電をも停止させるように、駆動部４６を制御するようにしても良い。
【００４３】
エアブレークダウンによりプラズマ１１４が生成されると、増幅器４３内の電極対における放電停止前に発生してピンホール板１１２のピンホールに到達した自励発振光は、プラズマ１１４によって吸収及び／又は拡散されるので、発振器４１内に入射する自励発振光の強度及び／又は総量は、非常に小さくなる。
また、図７において点線で示すように、指向性が弱い自励発振光は、ピンホール板１１２のピンホールに集光されず、ピンホール板１１２によって遮光されるので、発振器４１に入射しない。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生した場合に、増幅器４３において発生した自励発振を停止させることができる。また、指向性が弱い自励発振光は、ピンホール板１１２によって遮光される。これにより、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００４５】
なお、ＥＵＶ光発生チャンバ２（図１）内のターゲット物質やデブリ等によって反射されたレーザ光（反射光）が増幅器４３で増幅され空間フィルタ４２に入射してエアブレークダウンが発生した場合にも、上記と同様に、増幅器４３内の電極対（図６）における放電を停止させることができる。これにより、反射光の増幅を停止することができ、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、空間フィルタ４２を用いることにより、レーザ光の増幅を効率的に行うことができるとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することができる。図８は、空間フィルタ４２を通過するレーザ光の空間分布を示す模式図であり、図９は、レーザ光のビームプロファイルを示す模式図である。
【００４７】
図８に示すように、発振器４１から出射されるレーザ光の空間分布Ｂ１が整っていても、レーザ光の光路上に塵Ｄ１が存在していると、塵Ｄ１を通過後のレーザ光の空間分布Ｂ２は乱れてしまう。図９（ａ）は、このときのレーザ光のビームプロファイルを示す図である。再び図８を参照すると、レーザ光がピンホール板１１２のピンホール１１２ａを通過してフィルタリングされることにより、レーザ光の空間分布Ｂ３は再び整うことになる。図９（ｂ）は、このときのレーザ光のビームプロファイルを示す図である。図９（ｂ）に示すようなビームプロファイルを有するレーザ光が増幅器４３に入射することによって、増幅器４３においてレーザ光の増幅を効率的に行うこととともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することが可能となる。
【００４８】
なお、発振器４１から出射されるレーザ光が高次横モードを含んでいる場合にも、レーザ光が空間フィルタ４２を通過すると、高次横モードがフィルタリングされるので、増幅器４３においてレーザ光の増幅を効率的に行うとともに、レーザ光をターゲット物質に効率的に集光することが可能となる。
【００４９】
本実施形態においては、空間フィルタ４２（図４）を集光レンズ１１１、ピンホール板１１２、及び、コリメートレンズ１１３を用いて実現した場合について説明したが、図１０（ａ）に示すように、集光レンズ１１１に代えて凹面鏡１１４を用いて空間フィルタを実現することも可能である。さらに、図１０（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１１３に代えて凹面鏡１１５を用いて空間フィルタを実現することも可能である。
【００５０】
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説明する。
図１１は、本実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。図１１に示すように、このドライバーレーザ９は、発振器４１、空間フィルタ４２、増幅器４３、ブレークダウンセンサ４４、制御部４５、及び、駆動部４６に加えて、増幅器４３から出射されるレーザ光をフィルタリングする第２の空間フィルタ４７と、空間フィルタ４７によってフィルタリングされたレーザ光を増幅する第２の増幅器４８と、空間フィルタ４７におけるエアブレークダウンを検出するための第２のブレークダウンセンサ４９とを更に具備する。空間フィルタ４７、増幅器４８、及び、ブレークダウンセンサ４９は、空間フィルタ４２、増幅器４３、及び、ブレークダウンセンサ４４と同様に構成可能である。
【００５１】
空間フィルタ４２においてエアブレークダウンが発生すると、ブレークダウンセンサ４４が、エアブレークダウンを検出したことを通知する第１のエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。また、空間フィルタ４７においてエアブレークダウンが発生すると、ブレークダウンセンサ４９が、エアブレークダウンを検出したことを通知する第２のエアブレークダウン検出信号を制御部４５に出力する。制御部４５は、第１及び／又は第２のエアブレークダウン検出信号を受け取ると、増幅器４３及び／又は増幅器４８内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御する。なお、このとき、制御部４５が、発振器４１内の電極対における放電をも停止させるように、駆動部４６を制御するようにしても良い。また、制御部４５が、第１のエアブレークダウン検出信号を受け取った場合に、増幅器４３内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御しても良い。さらに、制御部４５が、第２のエアブレークダウン検出信号を受け取った場合に、増幅器４８内の電極対における放電を停止させるように、駆動部４６を制御しても良い。
【００５２】
本実施形態によれば、空間フィルタ４２及び／又は空間フィルタ４７においてエアブレークダウンが発生した場合に、増幅器４３及び／又は増幅器４８の駆動を停止させることができる。これにより、発振器４１の光学素子の破壊を防止することができる。
【００５３】
本実施形態においては、発振器４１と増幅器４３との間に空間フィルタ４２を配置するとともに、増幅器４３と増幅器４８との間に空間フィルタ４７を配置しているが、必要に応じて、空間フィルタ４２、空間フィルタ４７のいずれか一方だけを配置するようにしても良い。例えば、増幅器４３、４８が自励発振する可能性は低いがレーザ光がターゲット物質等によって反射される可能性が高い場合には、空間フィルタ４７だけを配置するようにしても良い。また、増幅器４３が自励発振する可能性が高い場合には、空間フィルタ４２を配置するようにしても良い。
【００５４】
ここでは、増幅器の段数が１段及び２段の場合について説明したが、増幅器の段数が３段以上の場合においても、本発明を適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。
【図３】図２に示す発振器を示す模式図である。
【図４】図２に示す空間フィルタ及びブレークダウンセンサを示す模式図である。
【図５】図２に示す増幅器を示す模式図である。
【図６】図２に示す増幅器を示す模式図である。
【図７】図２に示す空間フィルタ及びブレークダウンセンサを示す模式図である。
【図８】図２に示す空間フィルタを通過するレーザ光の空間分布を示す模式図である。
【図９】図２に示す空間フィルタを通過するレーザ光のビームプロファイルを示す図である。
【図１０】図２に示す空間フィルタの他の例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るドライバーレーザを示す模式図である。
【図１２】発振増幅型レーザの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
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、４…光学系、５…ターゲット物質、６…レーザ光、７…ＥＵＶ光、８…集光ミラー、１０…発振増幅型レーザ、１１、４１…発振器、１２、４３、４８…増幅器、２１…窓、３１…ターゲット噴射ノズル、３２…ターゲット回収筒、４２、４７…空間フィルタ、４４、４９…ブレークダウンセンサ、４５…制御部、４６…駆動部、１００…レーザ媒質、１０１…リアミラー、１０２…フロントミラー、１０４…偏光ビームスプリッタ、１０５…ポッケルスセル、１０６…λ／４波長板、１１１…集光レンズ、１１２…ピンホール板、１１２ａ…ピンホール、１１３…コリメートレンズ、１１４、１１５…凹面鏡、１２１…音センサ、１２２…光センサ、１３１、１３２…ウィンドウ、１４１〜１４８…放電管、１４１ａ、１４１ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…電極、１５１〜１５８…ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から出力された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ーレーザであって、
レーザ光を発振して出力する発振器と、
前記発振器から出力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、
前記発振器及び前記少なくとも１つの増幅器を駆動する駆動手段と、
前記発振器又は前記少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を入力し、該レーザ光を空間フィルタ処理して出力する少なくとも１つの空間フィルタと、
前記少なくとも１つの空間フィルタにおけるブレークダウンの発生を検出するための少なくとも１つのブレークダウン検出手段と、
前記少なくとも１つのブレークダウン検出手段がブレークダウンの発生を検出した場合に、前記少なくとも１つの増幅器の駆動の停止を前記駆動手段に行わせる制御手段と、
を具備する極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項２】
前記空間フィルタが、
ピンホールが形成されたピンホール板と、
前記発振器又は前記少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を前記ピンホールに集光させるための集光手段と、
前記ピンホールを通過したレーザ光をコリメートするためのコリメート手段と、
を含む、請求項１記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項３】
前記ブレークダウン検出手段が、音センサ及び／又は光センサを含む、請求項１又は２記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項４】
前記発振器及び／又は前記増幅器がレーザ媒質としてＣＯ２を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項５】
ＭＯＰＡ(Master Oscillator Power Amplifier)又はＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）である、請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項１】
レーザ光源から出力された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ーレーザであって、
レーザ光を発振して出力する発振器と、
前記発振器から出力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、
前記発振器及び前記少なくとも１つの増幅器を駆動する駆動手段と、
前記発振器又は前記少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を入力し、該レーザ光を空間フィルタ処理して出力する少なくとも１つの空間フィルタと、
前記少なくとも１つの空間フィルタにおけるブレークダウンの発生を検出するための少なくとも１つのブレークダウン検出手段と、
前記少なくとも１つのブレークダウン検出手段がブレークダウンの発生を検出した場合に、前記少なくとも１つの増幅器の駆動の停止を前記駆動手段に行わせる制御手段と、
を具備する極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項２】
前記空間フィルタが、
ピンホールが形成されたピンホール板と、
前記発振器又は前記少なくとも１つの増幅器から出力されたレーザ光を前記ピンホールに集光させるための集光手段と、
前記ピンホールを通過したレーザ光をコリメートするためのコリメート手段と、
を含む、請求項１記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項３】
前記ブレークダウン検出手段が、音センサ及び／又は光センサを含む、請求項１又は２記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項４】
前記発振器及び／又は前記増幅器がレーザ媒質としてＣＯ２を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【請求項５】
ＭＯＰＡ(Master Oscillator Power Amplifier)又はＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）である、請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ドライバーレーザ。
【図１】
【図２】
【図４】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図２】
【図４】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−４２０４８（Ｐ２００８−４２０４８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１６５５２（Ｐ２００６−２１６５５２）
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「極端紫外線（ＥＵＶ）露光システムの基盤開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（３０００７３９１９）ギガフォトン株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「極端紫外線（ＥＵＶ）露光システムの基盤開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（３０００７３９１９）ギガフォトン株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
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