JPH06338649A - 狭帯域レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は狭帯域レーザ装置に係わり、特に
は、材料加工、投影露光用等の光源に用いる狭帯域レー
ザ装置の波長の狭帯域化の改良を目的としている。 【構成】 レーザ活性を持つレーザ媒質手段と、共振器
を構成し出力を取り出す出力鏡と、および複数の光学素
子からなる波長選択光学系から構成され、出力鏡と波長
選択光学系によって構成される共振器内部にレーザ媒質
手段を設置し、かつ、出力鏡とレーザ媒質手段間の光路
長が、波長選択光学系とレーザ媒質手段間の光路長より
も小さいことを特徴とする。これにより、励起領域と波
長選択光学系、即ち、狭帯域化素子（または狭帯域化光
学系）の間の距離を励起領域と出力取り出し素子との素
子の間の距離より大きく取ることで、狭帯域性能の向上
をはかっている。これにより、表面反射による損失の増
加が少なく、また、多重反射による寄生発振もないスペ
クトルの単色性が良い狭帯域レーザが得られる。装置サ
イズ、素子サイズが大型化を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は狭帯域レーザ装置に係わ
り、特には、材料加工、投影露光用等の光源に用いる狭
帯域レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、放電励起型のレーザ装置はマーキ
ング、穴開け、アニーリング等の材料の加工のほか、大
規模集積回路（ＬＳＩ）の回路パターンの製作のための
光リソグラフィー用光源として用いられている。ガスレ
ーザでも、特にエキシマレーザは強力な紫外光源であ
り、その特性を生かして材料の加工には主に樹脂等の有
機材料へのマーキング、穴開け、アニーリング等に用い
られている。また、光リソグラフィーには主に縮小投影
法が使われており、照明光源により照らされた原画（レ
クチル）パターンの透過光を縮小投影光学系により半導
体基板上の光感光性物質に投影して回路パターンを形成
する。この投影像の分解能は用いられる光源の波長で制
限されるため光源の波長は可視領域から紫外領域へと次
第に短波長化している。従来この紫外領域の光源として
高圧水銀ランプから発生するｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線
（３６５ｎｍ）が使用されてきた。しかしながら、最小
パターン線幅が６４ＭＢで要求されている０．２５μｍ
以下になるとｉ線でも既に波長としてはそろそろ限界に
きている。この技術的限界を解決するものとして深紫外
（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）レーザー光源
が有望しされている。特に、エキシマレーザーは高出
力、高効率で媒質ガスの組成によりＫｒＦ（２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）などの波長で強い発振をう
ることができる。一方このＤｅｅｐ−ＵＶ領域では縮小
投影レンズ系を構成するガラス、結晶材料が非常に制約
されるため、水銀ランプを用いた縮小投影レンズ系で用
いられてきた色収差補正が困難となる。そこで、レンズ
系を色収差補正するのではなくレーザー共振器内に波長
選択素子を配設し出力光のスペクトル幅を投影レンズの
色収差が無視できる程度迄小さくすることでその困難を
除去している。この方法で自然発振の場合にスペクトル
幅で数百ｐｍあった出力が数ｐｍにまで細く狭帯域化す
ることができる。 エキシマレーザの狭帯域化の方法と
しては、波長選択素子であるエタロン、プリズム、回折
格子をレーザ共振器内に挿入したり、共振器を構成する
素子の一部をこれら波長選択素子で構成する等の方法が
とられている。特に、回折格子やプリズムの場合は熱的
安定性に優れ、産業に応用する場合のスループットの向
上のための高出力化を行う場合には有利な方式である。
図１２には回折格子を用いた狭帯域発振のレーザ装置の
一例を示す。エキシマレーザの場合には、励起媒質の反
転分布上位順位、下位準位間の遷移が極めて速いために
高速で強力な放電励起により励起を行う。この放電の幅
は励起密度を高め発振効率を高めるため放電方向に長い
放電励起を行う方が容易である。また、回折格子（ブレ
ーズ角β）から見込む放電励起領域の入射角の広がり角
ΔΘが小さい方がスペクトルの広がりΔλも小さくなる
ため、放電方向と回折格子の線引き方向が直角となるよ
う配置されている。図１３には、さらにスペクトル幅を
狭くするために回折格子の前にプリズムによるビームエ
キスパンダを配置した例を示す（特願平１−１２４８９
８）。しかしながら、Δλは電極の消耗、ガス組成の変
化にともなう放電幅の変化によって変動してしまう。そ
こで放電幅が変化してもスペクトル幅に変化が生じない
ように、スリツト等をアパチャーを共振器内に挿入して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、回折格子で
用いた狭帯域方式のスペクトル幅Δλは次式１で表され
る。

【数１】Δλ＝（ΔΘ×λｏ）／（２×ｔａｎβ×Ｍ） 但し、β；回折格子のブレーズ角 Ｍ；ビームエキスパンダの拡大率 ΔΘ；励起領域の見込み角 λｏ；発振波長 従って、スペクトル幅の改善のためにΔλを小さくする
ためには、従来は、 （１） 拡大率Ｍを増大させる。 （２） 回折格子のブレーズ角を大きくする。 （３） スリット幅を狭め等価的にΔΘを小さくするこ
とで出力を犠牲にしてΔλを小さくしている。 以上の方法には、次のような問題がある。（１）では、
拡大用のビームエキスパンダの素子数が増加し、表面反
射による損失の増加にともなう効率の低下を引き起こ
す。また、多重反射にる寄生発振が起こり易くなりスペ
クトルの単色性が悪化する。装置サイズ、素子サイズが
増大しコストアップする。（２）では、回折格子の溝形
状の製作が困難であるという技術的困難が存在する。ま
た、回折格子サイズの増大による素子均一性の低下が引
き起こされている。（３）では、レーザ媒質の利用効率
が悪化し出力の低下を引き起こす。また、コーヒレンス
の増加によるスペックルパターンの発生を招く。などの
問題がある。本発明は上記問題に鑑みたもので、狭帯域
レーザ装置に係わり、特には、材料加工、投影露光用等
の光源に用いる狭帯域レーザ装置の波長の狭帯域化の改
良を目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明の第
１発明では、レーザ活性を持つレーザ媒質手段と、共振
器を構成し出力を取り出す出力鏡と、および複数の光学
素子からなる波長選択光学系から構成され、出力鏡と波
長選択光学系によって構成される共振器内部にレーザ媒
質手段を設置し、かつ、出力鏡とレーザ媒質手段間の光
路長が、波長選択光学系とレーザ媒質手段間の光路長よ
りも小さいことを特徴とする。

【０００５】第１発明を主体とする第２の発明では、波
長選択光学系はリトロー配置された回折格子と複数個の
プリズムビームエキスパンダから構成される。

【０００６】第１発明を主体とする第３の発明では、波
長選択光学系は斜入射（グレージングインシデンス）配
置された回折格子と全反射鏡から構成される。

【０００７】第１発明を主体とする第４の発明では、出
力鏡は誘電体多層膜による平面鏡、凸面鏡または凹面鏡
である。

【０００８】第１発明を主体とする第５の発明では、出
力鏡は基材のフレネル反射による平面鏡、凸面鏡または
凹面鏡である。

【０００９】第１発明を主体とする第６の発明では、レ
ーザ媒質手段は放電を用いたエキシマレーザ媒質であ
る。

【００１０】第１発明を主体とする第７の発明では、出
力鏡と波長選択光学系からなる共振器の光軸を直線上に
配置し、レーザ媒質手段の光軸を共振器の光軸を略一致
させるとともに、レーザ媒質の中点を共振器の光軸の中
点よりも出力鏡寄りに位置する。

【００１１】第１発明を主体とする第８の発明では、波
長選択光学系とレーザ媒質手段間に光路の折り返し手段
を設けることにより、出力鏡とレーザ媒質手段間の光路
長が、波長選択光学系とレーザ媒質手段間の光路長より
も小さいことを特徴とする。

【００１２】第８発明を主体とする第９の発明では、光
路の折り返し手段は一枚または複数の全反射鏡である。

【００１３】第８発明を主体とする第１０の発明では、
光路の折り返し手段は一個または複数のプリズムであ
る。

【００１４】第８発明を主体とする第１１の発明では、
折り返し手段により折り返された光路が、放電方向に垂
直で放電部分の光軸を含む面内に存在する。

【００１５】第８発明を主体とする第１２の発明では、
折り返し手段により折り返された光路が、放電方向に平
行で放電部分の光軸を含む面内に存在する。

【００１６】

【作用】上記構成のごとく、励起領域と波長選択光学
系、即ち、狭帯域化素子（または狭帯域化光学系）の間
の距離を励起領域と出力取り出し素子との素子の間の距
離より大きく取ることで、狭帯域性能の向上をはかって
いる。これにより、表面反射による損失の増加が少な
く、また、多重反射による寄生発振もないスペクトルの
単色性が良い狭帯域レーザが得られる。装置サイズ、素
子サイズが大型化を防ぐことができる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明に係わる狭帯域レーザ装置の
実施例につき、図面を参照して詳細に説明する。図１は
本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第１実施例を示す構
成図であり、図１（ａ）はその側面図、図１（ｂ）はそ
の正面図を示している。図１において、狭帯域レーザ装
置は、レーザチャンバ１と、出力取り出し手段の平面の
出力鏡７（以下、フロントミラー７という。）と、リア
ミラーとして機能する波長選択光学系１０とから構成さ
れ、いわゆるリトロー型の配置に構成されている。ま
た、波長選択光学系１０には波長調整機構１５が付設さ
れている。レーザチャンバ１には、レーザ媒質手段のレ
ーザ活性を持つ図示しないレーザ媒質と、このレーザ媒
質の励起手段の電極２、３とが配設され、また、励起手
段の電極２、３の両側のレーザチャンバ室１ａには発振
したレーザ光を出力するウインドウ４、５が配設されて
いる。レーザチャンバ１の前側（図示の左側）には共振
器を構成するフロントミラー７が、後側には、波長選択
光学系１０の二個のプリズム１１、１２と、回折格子１
３が設けられ、出力するレーザ光を強力化している。ま
た、回折格子１３には可動機構１６が付設され、可動機
構１６はステッピングモータ等からなる波長調整機構１
５により作動し、回折格子１３が光軸に対して角度調整
が行われる構成にしている。レーザチャンバ１内の励起
手段の電極２、３には図示しない電源より電力が供給さ
れている。また、レーザチャンバ１内のレーザ媒質とし
てはＫｒＦ等のレーザガスが封入されている。

【００１８】本発明では上記の構成の配置として、波長
選択光学系のプリズム１１と出力取り出し手段のフロン
トミラー７との間の距離Ｌａを１５００ｍｍに、励起手
段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム１１との間
の距離Ｌｂを８５０ｍｍに、励起手段の電極２、３と出
力取り出し手段のフロントミラー７との間の距離Ｌｃを
１５０ｍｍにしている。また、励起手段の電極２、３の
長さの放電長Ｌｄを５００ｍｍとしている。

【００１９】また、本発明ではフロントミラー７には、
片面１０％反射片面ＡＲコートの誘電体多層膜平面鏡を
用いている。エキシマレーザの場合には、レーザ媒質の
ゲインが高いため、多層反射膜をつけない基板のフレネ
ル反射を用いても良い。波長選択光学系にはリトロー型
配置の回折格子と、二個のプリズムにより構成されるビ
ームエキスパンダーで実効的分散能をあげている。

【００２０】次に作動について説明する。励起手段の電
極２、３の長さの放電長Ｌｄを５００ｍｍと励起手段の
電極２、３と波長選択光学系のプリズム１１との間の距
離Ｌｂを８５０ｍｍにすることで、狭帯域素子から見込
む放電空間の角度が小さくなるため、発振に寄与するス
ペクトルの幅が小さくなる。従って、数式１に示す見込
み角Θとスペクトル幅Δλの関係より、Θ：８ｍｒａｄ
から５．９ｍｒａｄに、Δλ：３ｐｍから２ｐｍに変化
する。即ち、他の電極間間隔、幅、等のパラメータを変
化させない条件で、従来の場合と比較してスペクトル幅
は、従来の３ｐｍから２ｐｍと７０％程度と小さくする
ことができる。この場合図示した通り、狭帯域化光学系
から見込んだ角の内部に放電領域が含まれるため出力の
低下は３０％程度と小さく、単にフロント側とリア側の
距離を同じ大きさだけ延ばす場合（５０％の出力低下）
よりも共振器長の延長にともなう出力低下の影響は小さ
い。

【００２１】図２は本発明の第２実施例を示す。なお、
以下では第１実施例と同一部品には同一符号を付して説
明は省略する。ここでは、励起手段の電極２、３と波長
選択光学系のプリズム１１との間の距離を延長するため
に１枚の折り返しミラー２１（以下同様に、ミラー２１
という。）を用いており、この１枚のミラー２１は電極
２、３間よりの光軸上に所定の角度（α１）に配置し、
後側の波長選択光学系の二個のプリズム１１、１２と回
折格子１３への光軸をほぼ垂直に偏向させている。これ
により、放電方向に垂直で光軸を含む面内で延長光路を
折曲げて共振器長方向のコンパクト化を図るとともに、
スペクトル幅を小さくすることができる。

【００２２】図３は本発明の第３実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために２枚のミラー３１、
３２を用いており、この内１枚のミラー３１は電極２、
３間よりの光軸に所定の角度（α２）で、他の１枚のミ
ラー３２は光軸にほぼ平行で、かつ、１枚のミラー３１
のほぼ垂直方向に配置し、後側の波長選択光学系の二個
のプリズム１１、１２と回折格子１３への光軸をほぼ垂
直に偏向させている。これにより、第２実施例と同様
に、放電方向に垂直で光軸を含む面内で延長光路を折曲
げて共振器長方向のコンパクト化を図るとともに、スペ
クトル幅を小さくすることができる。

【００２３】図４は本発明の第４実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために２枚のミラー４１、
４２を用いており、この内１枚のミラー４１は光軸上で
所定の角度（α３）で、他の１枚のミラー４２は光軸と
所定の角度（α３）で、かつ、レーザチャンバ１側に配
置している。これにより、放電方向に平行で光軸を含む
面内で延長光路をＺ型に折曲げて共振器長方向のコンパ
クト化を図るとともに、スペクトル幅を小さくすること
ができる。

【００２４】図５は本発明の第５実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために２枚のミラー５１、
５２を用いており、この内１枚のミラー５１は光軸上で
所定の角度（α４）で、他の１枚のミラー５２は１枚の
ミラー５１のほぼ垂直方向に配置し、光軸を電極２、３
間よりの光軸とほぼ平行に偏向させている。これによ
り、放電方向に平行で光軸を含む面内で延長光路をコ型
に折曲げて共振器長方向のコンパクト化を図るととも
に、スペクトル幅を小さくすることができる。

【００２５】図６は本発明の第６実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために３枚のミラー６１、
６２、６３を用いており、この内２枚のミラー６１と６
２は電極２、３間よりの光軸に所定の角度（α６とα
７）で、他の１枚のミラー６３は光軸にほぼ平行で、か
つ、２枚のミラー６１と６２のほぼ垂直方向に配置し、
後側の波長選択光学系の二個のプリズム１１、１２と回
折格子１３への光軸をほぼ垂直に偏向させている。これ
により、放電方向に垂直で光軸を含む面内で延長光路を
折曲げて共振器長方向のコンパクト化を図るとともに、
スペクトル幅を小さくすることができる。

【００２６】図７は本発明の第７実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために１個の全反射プリズ
ム７１を用いており、この全反射プリズム７１の反射面
を電極２、３間よりの光軸に所定の角度（α８）に配置
し、後側の波長選択光学系の二個のプリズム１１、１２
と回折格子１３への光軸をほぼ垂直に偏向させている。
これにより、放電方向に垂直で光軸を含む面内で延長光
路を折曲げて共振器長方向のコンパクト化を図るととも
に、スペクトル幅を小さくすることができる。

【００２７】図８は本発明の第８実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために２個の全反射プリズ
ム８１、８２を用いており、この内１個の全反射プリズ
ム８１の反射面を電極２、３間よりの光軸に所定の角度
（α９）に配置し、他の１個の全反射プリズム８２の反
射面を光軸と所定の角度（α１０）で、かつ、レーザチ
ャンバ１側に配置し、後側の波長選択光学系の二個のプ
リズム１１、１２と回折格子１３への光軸を放電方向に
ほぼ平行に偏向させている。 これにより、放電方向に
平行で光軸を含む面内で延長光路を折曲げて共振器長方
向のコンパクト化を図るとともに、スペクトル幅を小さ
くすることができる。

【００２８】図９は本発明の第９実施例を示す。ここで
は、励起手段の電極２、３と波長選択光学系のプリズム
１１との間の距離を延長するために１個の直角プリズム
９１を用いており、この直角プリズム９１の直角面の一
面を電極２、３間よりの光軸に所定の角度（α１１）に
配置し、後側の波長選択光学系の二個のプリズム１１、
１２と回折格子１３への光軸をほぼ平行に偏向させてい
る。これにより、放電方向に平行で光軸を含む面内で延
長光路をコ型に折曲げて共振器長方向のコンパクト化を
図るとともに、スペクトル幅を小さくすることができ
る。

【００２９】図１０は本発明の第１０実施例を示し、こ
の実施例は第１実施例のフロントミラー７を曲率半径１
０ｍの凹面鏡１０１（球面）を置換した場合の共振器の
一例を示す。ここでは、凹面鏡１０１の曲率半径の中心
点を電極２、３間よりの光軸においている。これによ
り、共振器内での回折効果による損失を低減でき、第１
実施例の場合に比較して更に出力を増大することができ
る。上記実施例では、凹面鏡を用いたが、凸面鏡を用い
ても良いことは言うまでもない。

【００３０】図１１は本発明に係わる狭帯域レーザ装置
の第１１実施例を示す構成図であり、図１１（ａ）はそ
の側面図、図１１（ｂ）はその正面図を示している。こ
の実施例は第１実施例の波長選択光学系のプリズム１
１、１２の代わりに全反射ミラー１１１を置換した場合
の共振器の一例を示す。ここでは、全反射ミラー１１１
を回折格子１１２に対向して斜入射（グレージングイン
シデンス）型に配置し、しかも、励起手段の電極２、３
と波長選択光学系の回折格子１１２との間の距離を延長
している。この例では、全反射ミラー１１１がこの狭帯
域発振エキシマレーザのリヤミラーとして機能し、回折
格子１１２が特定のレーザ光を選択する波長選択素子と
して機能する。これにより、斜入射型で回折格子の実効
的分散を大きくし、しかも第１実施例の場合に比較して
更に出力を増大することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、励
起領域と狭帯域化素子の間の距離を励起領域と出力取り
出し素子との素子の間の距離より大きく取ることで、狭
帯域性能の向上が図られ、スペクトルの単色性が良い狭
帯域のレーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第１実施例
を示す構成図である。

【図２】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第２実施例
を示す構成図である。

【図３】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第３実施例
を示す構成図である。

【図４】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第４実施例
を示す構成図である。

【図５】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第５実施例
を示す構成図である。

【図６】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第６実施例
を示す構成図である。

【図７】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第７実施例
を示す構成図である。

【図８】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第８実施例
を示す構成図である。

【図９】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第９実施例
を示す構成図である。

【図１０】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第１０実
施例を示す構成図である。

【図１１】本発明に係わる狭帯域レーザ装置の第１１実
施例を示す構成図である。

【図１２】従来の狭帯域レーザ装置の実施例を示す構成
図である。

【図１３】従来の狭帯域レーザ装置の他の実施例を示す
構成図である。

【符号の説明】

１ レーザチャンバ １１
１ 全反射ミラー ２、３ 電極 ４、５ ウインド ７ フロントミラー（平面鏡） １０ 波長選択光学系 １５ 波長調整機構 １１、１２ プリズム １３、１１２ 回折格子 ２１、３１、３２、４１、４２、５１、５２、６１、６
２、６３ ミラー ７１、８１、８２ 全反射プリズム ９１ 直角プリズム １０１ 凹面鏡

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ活性を持つレーザ媒質手段と、共
   振器を構成し出力を取り出す出力鏡と、および複数の光
   学素子からなる波長選択光学系から構成され、出力鏡と
   波長選択光学系によって構成される共振器内部にレーザ
   媒質手段を設置し、かつ、出力鏡とレーザ媒質手段間の
   光路長が、波長選択光学系とレーザ媒質手段間の光路長
   よりも小さいことを特徴とする狭帯域レーザ装置。
2. 【請求項２】 波長選択光学系はリトロー配置された回
   折格子と複数個のプリズムビームエキスパンダから構成
   される請求項１記載の狭帯域レーザ装置。
3. 【請求項３】 波長選択光学系は斜入射（グレージング
   インシデンス）配置された回折格子と全反射鏡から構成
   される請求項１記載の狭帯域レーザ装置。
4. 【請求項４】 出力鏡は誘電体多層膜による平面鏡、凸
   面鏡または凹面鏡である請求項１記載の狭帯域レーザ装
   置。
5. 【請求項５】 出力鏡は基材のフレネル反射による平面
   鏡、凸面鏡または凹面鏡である請求項１記載の狭帯域レ
   ーザ装置。
6. 【請求項６】 レーザ媒質手段は放電を用いたエキシマ
   レーザ媒質である請求項１記載の狭帯域レーザ装置。
7. 【請求項７】 出力鏡と波長選択光学系からなる共振器
   の光軸を直線上に配置し、レーザ媒質手段の光軸を共振
   器の光軸を略一致させるとともに、レーザ媒質の中点を
   共振器の光軸の中点よりも出力鏡寄りに位置する請求項
   １記載の狭帯域レーザ装置。
8. 【請求項８】 波長選択光学系とレーザ媒質手段間に光
   路の折り返し手段を設けることにより、出力鏡とレーザ
   媒質手段間の光路長が、波長選択光学系とレーザ媒質手
   段間の光路長よりも小さいことを特徴とする請求項１記
   載の狭帯域レーザ装置。
9. 【請求項９】 光路の折り返し手段は一枚または複数の
   全反射鏡である請求項８記載の狭帯域レーザ装置。
10. 【請求項１０】 光路の折り返し手段は一個または複数
    のプリズムである請求項８記載の狭帯域レーザ装置。
11. 【請求項１１】 折り返し手段により折り返された光路
    が、放電方向に垂直で放電部分の光軸を含む面内に存在
    する請求項８記載の狭帯域レーザ装置。
12. 【請求項１２】 折り返し手段により折り返された光路
    が、放電方向に平行で放電部分の光軸を含む面内に存在
    する請求項８記載の狭帯域レーザ装置。