JPH09288251A - Pulse width lengthening optical system and exposure device provided therewith - Google Patents

Pulse width lengthening optical system and exposure device provided therewith

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JPH09288251A
JPH09288251A JP9049777A JP4977797A JPH09288251A JP H09288251 A JPH09288251 A JP H09288251A JP 9049777 A JP9049777 A JP 9049777A JP 4977797 A JP4977797 A JP 4977797A JP H09288251 A JPH09288251 A JP H09288251A
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JP
Japan
Prior art keywords
light
optical system
optical path
half mirror
optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP9049777A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuji Kudo
祐司 工藤
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH09288251A publication Critical patent/JPH09288251A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce average energy within a light emitting time by constituting plural optical paths so that they may have the specified difference of optical path length from each other and executing the pseudo prolongation of the emitting time of pulse light. SOLUTION: The pulse light emitted from a laser light source 1 is made incident on a half mirror 10 and divided into reflected light and transmitted light. The reflected light is made incident on a mirror 14. After the transmitted light is successively reflected by mirrors 11 to 13, it is made incident on the half mirror 10 again. A circulation optical path formed by three mirrors 11 to 13 and the half mirror 10 are set to have the specified optical path length, and functions as a means for giving the difference of the optical path length. The light component reflected at and after the second time by the half mirror 10 is gradually attenuated by an amount equal to the light transmitted through the half mirror 10 in every circulation, and finally all the light is transmitted through the half mirror 10. Therefore, the loss of light quantity is not caused in principle in the case the reflectance of the mirrors 11 to 13 is 100%, respectively.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はパルス幅伸長光学系
および該光学系を備えた露光装置に関し、特にパルスレ
ーザー光源からのパルス光の発光時間を疑似的に伸長す
る光学系および該光学系を備えた露光装置に関する。さ
らには、本発明は、パルス幅伸長光学系を備えた露光装
置を用いた半導体デバイスの製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulse width expanding optical system and an exposure apparatus equipped with the optical system, and more particularly to an optical system for artificially expanding the emission time of pulsed light from a pulse laser light source and the optical system. The present invention relates to a provided exposure apparatus. Furthermore, the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device using an exposure apparatus equipped with a pulse width expansion optical system.

【0002】[0002]

【従来の技術】図16は、パルスレーザー光源を備えた
従来の露光装置の構成を概略的に示す図である。図16
の露光装置において、パルス発光するレーザー光源1か
ら射出された光束は、ビーム整形光学系2によって所定
のビーム断面形状に整形された後、フライアイレンズ3
に入射する。フライアイレンズ3に入射した光束は、フ
ライアイレンズ3の後側焦点位置に複数の光源像(二次
光源)を形成する。
2. Description of the Related Art FIG. 16 is a diagram schematically showing the structure of a conventional exposure apparatus having a pulse laser light source. FIG.
In this exposure apparatus, the light beam emitted from the pulsed laser light source 1 is shaped into a predetermined beam cross-sectional shape by the beam shaping optical system 2, and then the fly-eye lens 3
Incident on. The light flux incident on the fly-eye lens 3 forms a plurality of light source images (secondary light sources) at the focal point on the rear side of the fly-eye lens 3.

【0003】複数の二次光源からの光束は、開口絞り4
を介して制限された後、コンデンサーレンズ5によって
集光され、マスク6を重畳的に均一照明する。マスク6
上には、半導体集積回路などの非常に微細なパターンが
描かれている。マスク6のパターンは、投影光学系7を
介してウエハ8上に縮小投影または拡大投影される。こ
のとき、ウエハ8上に形成することが可能な微細パター
ンのサイズは、レーザー光源1からの光の波長に比例す
る。このため、より微細なパターンを形成するために
は、レーザー光源1からの光の波長をできるだけ短くす
ることが必要である。
Light fluxes from a plurality of secondary light sources are transmitted through the aperture stop 4.
After being limited by the condenser lens 5, the light is condensed by the condenser lens 5 to uniformly illuminate the mask 6 in a superimposed manner. Mask 6
A very fine pattern such as a semiconductor integrated circuit is drawn on the top. The pattern of the mask 6 is reduced or enlarged and projected on the wafer 8 via the projection optical system 7. At this time, the size of the fine pattern that can be formed on the wafer 8 is proportional to the wavelength of the light from the laser light source 1. Therefore, in order to form a finer pattern, it is necessary to make the wavelength of the light from the laser light source 1 as short as possible.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
発光のレーザー光源においては、パルス光の発光時間内
の平均エネルギーが非常に大きい。例えば、波長193nm
のArF エキシマレーザーの場合、ビーム断面形状を20mm
×5mm とし、発光時間を10nsecとすると、発光時間内の
平均エネルギーは10MW/cm2となる。
However, in the pulsed laser light source, the average energy within the emission time of the pulsed light is very large. For example, wavelength 193nm
In case of ArF excimer laser, the beam cross sectional shape is 20mm
If the emission time is 10 nsec, the average energy within the emission time is 10 MW / cm 2 .

【0005】レーザー光の波長が短くなるにつれて発光
時間内の平均エネルギーが増大するので、光学材料のレ
ーザー耐性が低くなる傾向がある。このため、波長の短
いレーザー光を使用する従来の光学系においては、レン
ズ材料の透過率低下、反射防止コートや反射ミラーの性
能低下などにより、光学系全体としての光の透過率の低
下、照明パワーの低下、照度均一性の悪化などが発生す
る。また、波長の短いレーザー光を使用する従来の露光
装置においては、投影光学系のレンズ材料の屈折率変化
により収差が発生し、投影光学系の結像性能に重大な悪
影響を及ぼす場合もある。
Since the average energy within the emission time increases as the wavelength of the laser light decreases, the laser resistance of the optical material tends to decrease. For this reason, in the conventional optical system that uses a laser beam with a short wavelength, the transmittance of the lens material decreases, the performance of the antireflection coat and the reflection mirror deteriorates, and thus the transmittance of the optical system as a whole decreases. The power is reduced and the illuminance uniformity is deteriorated. Further, in a conventional exposure apparatus that uses a laser beam having a short wavelength, aberration may occur due to a change in the refractive index of the lens material of the projection optical system, which may have a serious adverse effect on the imaging performance of the projection optical system.

【0006】例えば、露光装置の光源として近年注目さ
れているArF エキシマレーザー(波長:193nm)を用
いる場合、合成石英ガラスおよび蛍石の2種類の光学屈
折材料しか実質的に使用することができなかった。しか
も、合成石英ガラスおよび蛍石のいずれの材料において
も、あるしきい値以上のエネルギー密度を有するレーザ
ー光に対して徐々に透過率の低下が観測される。このた
め、従来技術においては、光学系の性能低下を回避して
その耐久性を維持するために、光学系を大型化して単位
面積当たりのエネルギー密度を減らさざるを得なかっ
た。
[0006] For example, when an ArF excimer laser (wavelength: 193 nm), which has been attracting attention in recent years, is used as a light source of an exposure apparatus, only two kinds of optical refraction materials, synthetic quartz glass and fluorite, can be practically used. It was Moreover, in both the synthetic quartz glass and fluorite materials, a gradual decrease in transmittance is observed for laser light having an energy density of a certain threshold value or more. For this reason, in the prior art, in order to avoid deterioration of the performance of the optical system and maintain its durability, the size of the optical system must be increased and the energy density per unit area must be reduced.

【0007】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、パルス光の発光時間を疑似的に伸長すること
によって、発光時間内の平均エネルギを低減することの
できるパルス幅伸長光学系および該光学系を備えた露光
装置を提供することを目的とする。また、本発明は、パ
ルス幅伸長光学系を備えた露光装置を用いた半導体デバ
イスの製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a pulse width extension optical system capable of reducing the average energy within the emission time by artificially extending the emission time of pulsed light. Another object of the present invention is to provide an exposure apparatus equipped with the optical system. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using an exposure apparatus equipped with a pulse width expansion optical system.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第1発明においては、パルス光の発光時間
を疑似的に伸長するパルス幅伸長光学系において、前記
パルス光を複数の光路に沿って分割するための光分割手
段と、前記複数の光路に沿った分割パルス光を同一の光
路に沿って合成するための光合成手段とを備え、前記同
一の光路に沿って合成された合成パルス光の強度が前記
複数の光路に沿って分割される元のパルス光の強度より
も実質的に小さくなるように、前記複数の光路は互いに
所定の光路長差を有することを特徴とするパルス幅伸長
光学系を提供する。
In order to solve the above problems, in the first invention of the present invention, a plurality of pulsed light beams are provided in a pulse width expansion optical system for artificially expanding the emission time of the pulsed light beam. The light splitting means for splitting along the optical path and the light synthesizing means for synthesizing the split pulse light along the plurality of optical paths along the same optical path are provided, and the light is synthesized along the same optical path. The plurality of optical paths have a predetermined optical path length difference from each other such that the intensity of the combined pulsed light is substantially smaller than the intensity of the original pulsed light split along the plurality of optical paths. A pulse width stretching optical system is provided.

【0009】第1発明の好ましい態様によれば、前記所
定の光路長差は、前記元のパルス光の発光時間内におい
て発光強度がピーク強度の1/2以上である時間と光速
との積よりも大きい。また、前記複数の光路のうち少な
くとも1つの光路中には、前記光分割手段の分割面と前
記光合成手段の合成面とを実質的に共役に構成するため
のリレー光学系が設けられているのが好ましい。
According to a preferred aspect of the first aspect of the present invention, the predetermined optical path length difference is obtained by multiplying the product of the time when the emission intensity is ½ or more of the peak intensity within the emission time of the original pulsed light and the speed of light. Is also big. Further, in at least one optical path of the plurality of optical paths, a relay optical system for configuring the split surface of the light splitting means and the synthesis surface of the light combining means substantially in a conjugate manner is provided. Is preferred.

【0010】また、本発明の第2発明においては、パタ
ーンが形成されたマスクをほぼ均一に照明するための照
明光学系を備え、前記マスク上に形成されたパターンの
像を感光基板上に形成する露光装置において、前記照明
光学系は、パルス発光する光源と、該光源からのパルス
光の発光時間を疑似的に伸長するためのパルス幅伸長光
学系とを備え、前記パルス幅伸長光学系は、前記パルス
光を複数の光路に沿って分割するための光分割手段と、
前記複数の光路に沿った分割パルス光を同一の光路に沿
って合成するための光合成手段とを備え、前記同一の光
路に沿って合成された合成パルス光の強度が前記複数の
光路に沿って分割される元のパルス光の強度よりも実質
的に小さくなるように、前記複数の光路は互いに所定の
光路長差を有することを特徴とする露光装置を提供す
る。
Further, in the second aspect of the present invention, an illumination optical system for illuminating a mask having a pattern formed thereon substantially uniformly is provided, and an image of the pattern formed on the mask is formed on a photosensitive substrate. In the exposure apparatus described above, the illumination optical system includes a light source that emits pulsed light, and a pulse width expansion optical system for artificially expanding the emission time of the pulsed light from the light source, and the pulse width expansion optical system is A light splitting means for splitting the pulsed light along a plurality of optical paths,
And a light combining means for combining the divided pulsed lights along the plurality of optical paths along the same optical path, and the intensity of the combined pulsed light combined along the same optical path along the plurality of optical paths. Provided is an exposure apparatus, wherein the plurality of optical paths have a predetermined optical path length difference so that the intensity of the original split pulsed light is substantially smaller.

【0011】第2発明の好ましい態様によれば、前記照
明光学系は、前記パルス幅伸長光学系を介して形成され
た合成パルス光に基づいて多数の光源像を形成するため
の多光源像形成手段と、該多光源像形成手段により形成
された多数の光源像からの光束を集光して前記マスク上
を重畳的に照明する集光光学系とをさらに備えている。
According to a preferred aspect of the second invention, the illumination optical system forms a multi-light source image for forming a large number of light source images based on the combined pulsed light formed via the pulse width expansion optical system. And a condensing optical system that condenses the light fluxes from the multiple light source images formed by the multi-light source image forming means and illuminates the mask in a superimposed manner.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】上述のように、本発明では、パル
ス光を複数の光路に沿って分割した後、複数の分割パル
ス光を同一の光路に沿って合成する。この場合、同一の
光路に沿って合成された合成パルス光の強度が複数の光
路に沿って分割される元のパルス光の強度よりも実質的
に小さくなるように、複数の光路は互いに所定の光路長
差を有する。
As described above, in the present invention, pulsed light is split along a plurality of optical paths, and then a plurality of split pulsed lights are combined along the same optical path. In this case, the plurality of optical paths are mutually predetermined so that the intensity of the combined pulsed light combined along the same optical path is substantially smaller than the intensity of the original pulsed light divided along the plurality of optical paths. There is an optical path length difference.

【0013】このように、本発明では、パルス光の発光
時間を疑似的に伸長することによって、発光時間内の平
均エネルギーを、すなわち単位時間当たりのエネルギー
を低減することができる。したがって、パルス発光の光
源を使用する一般の光学系において、光照射による光学
材料の性能低下を回避することができる。特に、パルス
発光のレーザー光源を使用する露光装置では、レーザー
照射による投影光学系の結像性能の低下を回避して、微
細パターンを良好に形成することができる。
As described above, in the present invention, the average energy within the light emission time, that is, the energy per unit time can be reduced by artificially extending the light emission time of the pulsed light. Therefore, in a general optical system using a pulsed light source, it is possible to avoid performance degradation of the optical material due to light irradiation. In particular, in an exposure apparatus that uses a pulsed laser light source, it is possible to satisfactorily form a fine pattern while avoiding a reduction in the imaging performance of the projection optical system due to laser irradiation.

【0014】以下、本発明の実施例を、添付図面を参照
して説明する。図1は、本発明の第1実施例にかかるパ
ルス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。ま
た、図2は、図1のレーザー光源から射出されるパルス
光のエネルギーの時間変化を模式的に示す図である。図
1のパルス幅伸長光学系は、ほぼ直線偏光のパルス光を
発するレーザー光源1を備えている。なお、レーザー光
源1からのパルス光の偏光方向は、図1の紙面に対して
垂直または平行であるものとする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a pulse width expansion optical system according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 2 is a diagram schematically showing a temporal change in energy of pulsed light emitted from the laser light source of FIG. The pulse width expansion optical system of FIG. 1 includes a laser light source 1 that emits pulsed light of substantially linear polarization. The polarization direction of the pulsed light from the laser light source 1 is assumed to be vertical or parallel to the paper surface of FIG.

【0015】レーザー光源1から射出されたパルス光
は、誘電体多層膜からなる半透過膜を有するハーフミラ
ー10に入射して、反射光と透過光とに分割される。ハ
ーフミラー10で1回目に反射された光は、分割パルス
光となってミラー14に入射し、図中右側に反射され
る。一方、ハーフミラー10を1回目に透過した光は、
分割パルス光となってミラー11、12および13によ
り順次反射された後、ハーフミラー10に再び入射す
る。
The pulsed light emitted from the laser light source 1 enters a half mirror 10 having a semi-transmissive film made of a dielectric multilayer film, and is split into reflected light and transmitted light. The light reflected by the half mirror 10 for the first time becomes split pulse light, enters the mirror 14, and is reflected to the right side in the drawing. On the other hand, the light transmitted through the half mirror 10 for the first time is
After the split pulse light is sequentially reflected by the mirrors 11, 12 and 13, it is incident on the half mirror 10 again.

【0016】ハーフミラー10に再び入射した光のうち
ハーフミラー10を2回目に透過した光は、ハーフミラ
ー10で1回目に反射された光と同一の光路に沿って合
成される。また、ハーフミラー10に再び入射した光の
うちハーフミラー10で2回目に反射された光は、ミラ
ー11、12および13により順次反射された後、ハー
フミラー10に再び入射する。このように、ハーフミラ
ー10は、パルス光を複数の光路に沿って分割するため
の光分割手段および複数の光路に沿った分割パルス光を
同一の光路に沿って合成するための光合成手段を構成し
ている。また、この3つのミラー(11〜13)とハー
フミラー10とで形成される周回光路は、後述するよう
に所定の光路長となるように3つのミラー(11〜1
3)の配置によって設定されており、3つのミラー(1
1〜13)は、光路長差付与手段として機能している。
Of the light that has re-entered the half mirror 10, the light that has passed through the half mirror 10 for the second time is combined along the same optical path as the light that has been reflected by the half mirror 10 for the first time. Of the light that has re-entered the half mirror 10, the light reflected by the half mirror 10 for the second time is sequentially reflected by the mirrors 11, 12 and 13 and then re-enters the half mirror 10. In this way, the half mirror 10 constitutes a light splitting means for splitting pulsed light along a plurality of optical paths and a light combining means for combining split pulsed light along a plurality of optical paths along the same optical path. are doing. The orbital optical path formed by the three mirrors (11 to 13) and the half mirror 10 has three mirrors (11 to 1) so as to have a predetermined optical path length as described later.
3) and the three mirrors (1
1 to 13) function as an optical path length difference providing means.

【0017】ハーフミラー10に再び入射した光のうち
ハーフミラー10を3回目に透過した光は、ハーフミラ
ー10で1回目に反射された光およびハーフミラー10
を2回目に透過した光と同一の光路に沿って合成され
る。こうして、ハーフミラー10で2回目以降に反射さ
れた光成分は、ミラー11、12および13を介する同
一の光路を周回する。このように、周回光路の光路長を
Lとし、nを2以上の整数とすると、ハーフミラー10
をn回介する分割光は、ハーフミラー10を(n−1)
回介する分割光に対して、光路長差Lが付与される。そ
して、ハーフミラー10で2回目以降に反射された光成
分は、周回ごとにハーフミラー10を透過する光の分だ
け徐々に減衰し、最終的にはすべての光がハーフミラー
10を透過することになる。したがって、ミラー11、
12および13の反射率がそれぞれ100%であれば、
原理的には光量損失は発生しない。
Of the light that has re-entered the half mirror 10, the light that has passed through the half mirror 10 for the third time is the light that has been reflected by the half mirror 10 for the first time and the half mirror 10.
Is combined along the same optical path as the light transmitted through the second time. In this way, the light components reflected by the half mirror 10 after the second time orbit the same optical path through the mirrors 11, 12 and 13. As described above, when the optical path length of the circular optical path is L and n is an integer of 2 or more, the half mirror 10
The split light passing through n times passes through the half mirror 10 (n-1).
An optical path length difference L is given to the split light that is circulated. The light component reflected by the half mirror 10 after the second time is gradually attenuated by the amount of light passing through the half mirror 10 for each orbit, and finally all the light passes through the half mirror 10. become. Therefore, the mirror 11,
If the reflectances of 12 and 13 are 100%,
In principle, no light quantity loss occurs.

【0018】なお、パルス光の発光時間(以下、「パル
ス幅」という)をδ秒とすると、発光時間内に進む光の
距離(以下、「パルス長」という)は、3×108 ×δ
[m]となる。したがって、ハーフミラー10とミラー
11、12および13とからなる光学系(以下、「周回
光学系」という)の光路長がパルス長よりも大きけれ
ば、ハーフミラー10を介して順次合成される複数の分
割パルス光は時間的に重なり合わない。つまり、ハーフ
ミラー10を介して順次合成される複数の分割パルス光
は、光路長差付与手段としての3つのミラー(11〜1
3)の作用によってそれぞれ所定の光路長差が付与され
るため、時間的に重なることがない。図3は、時間的に
重なり合わない複数の分割パルス光からなる合成パルス
光のエネルギーの時間変化を示す図である。
When the emission time of pulsed light (hereinafter referred to as “pulse width”) is δ seconds, the distance of light traveling within the emission time (hereinafter referred to as “pulse length”) is 3 × 10 8 × δ.
[M]. Therefore, if the optical path length of the optical system composed of the half mirror 10 and the mirrors 11, 12 and 13 (hereinafter, referred to as “circulating optical system”) is larger than the pulse length, a plurality of light beams are sequentially combined via the half mirror 10. The split pulse lights do not overlap in time. That is, the plurality of split pulse lights that are sequentially combined via the half mirror 10 have three mirrors (11 to 1) as optical path length difference imparting means.
Since the predetermined optical path length difference is imparted by the action of 3), there is no temporal overlap. FIG. 3 is a diagram showing a change over time in energy of combined pulsed light composed of a plurality of split pulsed lights that do not overlap with each other in time.

【0019】一例として、発光時間すなわちパルス幅δ
を10nsecすると、パルス長は3mとなる。したがって、
周回光学系の光路長を3m以上にすれば、合成される複
数の分割パルス光は時間的に重なり合わないことにな
る。図3を参照すると、周回光学系の作用によりパルス
幅が疑似的に伸長され、単位時間当たりのエネルギーが
大きく低減されていることがわかる
As an example, the light emission time, that is, the pulse width δ
When 10nsec., The pulse length becomes 3m. Therefore,
If the optical path length of the circular optical system is set to 3 m or more, the plurality of divided pulse lights to be combined will not temporally overlap. Referring to FIG. 3, it can be seen that the pulse width is artificially extended by the action of the orbiting optical system, and the energy per unit time is greatly reduced.

【0020】なお、光路長差(すなわち周回光学系の光
路長)がパルス長以下であっても、各分割パルス光の発
光エネルギーのピーク位置を時間的に十分ずらせること
により、合成光の平均エネルギーを、すなわち単位時間
当たりのエネルギーを実質的に低減することができる。
光路長差をたとえば半値パルス長に設定することによっ
て、単位時間当たりのエネルギーを実質的に低減するこ
とができる。ここで、図2に示すように、分割される元
のパルス光の発光強度がピーク強度Eの2分の1以上で
ある時間を半値パルス幅と定義し、半値パルス幅の間に
光が進む距離を半値パルス長と定義している。
Even if the optical path length difference (that is, the optical path length of the loop optical system) is equal to or less than the pulse length, the peak position of the emission energy of each split pulsed light is sufficiently shifted in time to average the combined light. The energy, ie the energy per unit time, can be substantially reduced.
By setting the optical path length difference to, for example, a half value pulse length, the energy per unit time can be substantially reduced. Here, as shown in FIG. 2, the time when the emission intensity of the original split pulsed light is equal to or more than half the peak intensity E is defined as a half-value pulse width, and the light travels during the half-value pulse width. The distance is defined as the half value pulse length.

【0021】図4は、光路長差が半値パルス長に等しい
場合の合成パルス光のエネルギーの時間変化を示す図で
ある。図4を参照すると、各分割パルス光の発光エネル
ギーのピーク位置が、隣接するパルス光の半値パルス幅
の外側に位置している。このように、光路長差がたとえ
ば半値パルス長に等しい場合にも、単位時間当たりのエ
ネルギーを大幅に減少させることができる。
FIG. 4 is a diagram showing the time change of the energy of the combined pulse light when the optical path length difference is equal to the half-value pulse length. Referring to FIG. 4, the peak position of the emission energy of each split pulse light is located outside the half value pulse width of the adjacent pulse light. Thus, even when the optical path length difference is equal to the half-value pulse length, the energy per unit time can be greatly reduced.

【0022】ハーフミラー10で分割された各分割パル
ス光のエネルギーは、パルス光に対するハーフミラー1
0の反射率に依存する。なお、前述したように、ハーフ
ミラー10の半透過膜は誘電体多層膜により構成されて
おり、吸収損失および散乱損失は微小として無視するこ
とができる。したがって、ハーフミラー10の反射率を
Rとすると、透過率TはT=1−Rと表される。
The energy of each split pulsed light split by the half mirror 10 is the half mirror 1 for the pulsed light.
It depends on a reflectance of 0. As described above, the semi-transmissive film of the half mirror 10 is composed of a dielectric multilayer film, and the absorption loss and the scattering loss are negligible and can be ignored. Therefore, assuming that the reflectance of the half mirror 10 is R, the transmittance T is expressed as T = 1−R.

【0023】そして、各分割パルス光のエネルギーは、
以下の式(1)〜(4)で表される。 E1 =E・R (1) E2 =E・(1−R)・(1−R) (2) E3 =E・(1−R)・R・(1−R) (3) En =E・(1−R)・R(n-2) ・(1−R) (4)
The energy of each split pulse light is
It is represented by the following formulas (1) to (4). E1 = E.R (1) E2 = E. (1-R). (1-R) (2) E3 = E. (1-R) .R. (1-R) (3) En = E. (1-R) / R (n-2) / (1-R) (4)

【0024】ここで、 E :ハーフミラー10で分割される元のパルス光のエ
ネルギー E1 :ハーフミラー10で1回目に反射される分割パル
ス光すなわち第1パルス光のエネルギー E2 :周回光学系を1周した後にハーフミラー10から
射出される分割パルス光すなわち第2パルス光のエネル
ギー E3 :周回光学系を2周した後にハーフミラー10から
射出される分割パルス光すなわち第3パルス光のエネル
ギー En :周回光学系を(n−1)周した後にハーフミラー
10から射出される分割パルスすなわち第nパルス光の
エネルギー
Here, E: energy of the original pulsed light split by the half mirror 10 E1: energy of split pulsed light reflected first by the half mirror 10, that is, energy of the first pulsed light E2: 1 round optical system Energy E3 of divided pulsed light, that is, second pulsed light emitted from the half mirror 10 after the orbit, E3: Energy of divided pulsed light, that is, third pulsed light emitted from the half mirror 10 after two turns of the orbiting optical system En: Orbital Energy of the divided pulse emitted from the half mirror 10, that is, the energy of the n-th pulsed light after (n-1) rounds of the optical system

【0025】この場合、ハーフミラー10の反射率Rに
依存して、第1パルス光のエネルギーE1 と第2パルス
光のエネルギーE2 とが最大となる。したがって、合成
光における各分割パルス光の発光強度の最大値をできる
だけ小さくするには、第1パルス光のエネルギーE1 と
第2パルス光のエネルギーE2 とがほぼ等しくなるよう
に、ハーフミラー10の反射率Rを設定することが望ま
しい。すなわち、E・R=E・(1−R)・(1−R)
を満たすように、ハーフミラー10の反射率Rを0.3
82に設定するのが好ましい。ハーフミラー10の反射
率Rが0.382の場合、各分割パルス光のエネルギー
En の元のパルス光のエネルギーEに対する比は、次の
式(5)〜(9)のように表される。
In this case, depending on the reflectance R of the half mirror 10, the energy E1 of the first pulsed light and the energy E2 of the second pulsed light become maximum. Therefore, in order to make the maximum value of the emission intensity of each split pulsed light in the combined light as small as possible, the reflection of the half mirror 10 is made so that the energy E1 of the first pulsed light and the energy E2 of the second pulsed light become substantially equal. It is desirable to set the rate R. That is, E · R = E · (1-R) · (1-R)
So that the reflectance R of the half mirror 10 is 0.3.
It is preferably set to 82. When the reflectance R of the half mirror 10 is 0.382, the ratio of the energy En of each divided pulsed light to the energy E of the original pulsed light is expressed by the following equations (5) to (9).

【0026】 第1パルス光 E1 /E=38.2% (5) 第2パルス光 E2 /E=38.2% (6) 第3パルス光 E3 /E=14.6% (7) 第4パルス光 E4 /E= 5.6% (8) 第5パルス光 E5 /E= 2.1% (9)First pulsed light E1 / E = 38.2% (5) Second pulsed light E2 / E = 38.2% (6) Third pulsed light E3 / E = 14.6% (7) Fourth pulsed light E4 / E = 5.6% (8) Fifth pulsed light E5 /E=2.1% (9)

【0027】ただし、ハーフミラーの透過率には製造誤
差や変動もあるため、第1パルス光のエネルギーと第2
パルス光のエネルギーとを厳密に等しくすることは難し
い。そこで、第1パルス光のエネルギーE1 および第2
パルス光のエネルギーE2 が元のパルス光のエネルギー
Eの50%以下になることを最低条件とし、以下の条件
式(10)および(11)を満足するように設定してもよ
い。 E・R<0.5E (10) E・(1−R)・(1−R)<0.5E (11)
However, since there is a manufacturing error or fluctuation in the transmittance of the half mirror, the energy of the first pulsed light and the second pulsed light
It is difficult to make the energy of pulsed light exactly equal. Therefore, the energy E1 of the first pulsed light and the second energy
The minimum condition is that the energy E2 of the pulsed light is 50% or less of the original energy E of the pulsed light, and the following conditional expressions (10) and (11) may be set. E ・ R <0.5E (10) E ・ (1-R) ・ (1-R) <0.5E (11)

【0028】さらに具体的には、条件式(10)および
(11)を満足するハーフミラー10の反射率Rは、以下
の条件式(12)を満足する。 29.3%<R<50% (12)
More specifically, the reflectance R of the half mirror 10 that satisfies the conditional expressions (10) and (11) satisfies the following conditional expression (12). 29.3% <R <50% (12)

【0029】なお、第1実施例において、レーザー光源
からのパルス光が直線偏光であるものとしているが、非
偏光、円偏光またはランダムな偏光であってもよい。た
だし、非偏光、円偏光またはランダムな偏光である場合
には、S偏光に対するハーフミラーの反射率とP偏光に
対するハーフミラーの反射率とが等しくなるように構成
することが望ましい。S偏光に対するハーフミラーの反
射率とP偏光に対するハーフミラーの反射率とが異なる
場合、S偏光に対する反射率とP偏光に対する反射率と
の平均反射率が条件式(12)を満たせば、ほぼ同等の効
果を得ることができる。この場合、第1パルス光におけ
るS偏光とP偏光との割合と、第2パルス光におけるS
偏光とP偏光との割合とが異なることになるが、本発明
の作用効果を阻害することはない。
Although the pulsed light from the laser light source is linearly polarized light in the first embodiment, it may be non-polarized light, circularly polarized light or random polarized light. However, in the case of non-polarized light, circularly polarized light, or random polarized light, it is desirable that the reflectance of the half mirror for S-polarized light and the reflectance of the half mirror for P-polarized light be equal. When the reflectance of the half mirror for S-polarized light and the reflectance of the half mirror for P-polarized light are different, if the average reflectance of the reflectance for S-polarized light and the reflectance for P-polarized light satisfies conditional expression (12), they are almost equal. The effect of can be obtained. In this case, the ratio of S-polarized light and P-polarized light in the first pulsed light, and S in the second pulsed light
Although the ratio of the polarized light and the P-polarized light will be different, the action and effect of the present invention will not be impaired.

【0030】図5は、本発明の第2実施例にかかるパル
ス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第2実
施例のパルス幅伸長光学系は第1実施例と類似の構成を
有するが、光分割手段および光合成手段を構成するハー
フミラーの透過および反射の作用が第1実施例とは逆で
ある。以下、第1実施例との相違点に着目しながら、第
2実施例を説明する。
FIG. 5 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the second embodiment of the present invention. The pulse width expansion optical system of the second embodiment has a configuration similar to that of the first embodiment, but the transmission and reflection actions of the half mirrors constituting the light splitting means and the light combining means are opposite to those of the first embodiment. . The second embodiment will be described below, focusing on the differences from the first embodiment.

【0031】図5のパルス幅伸長光学系において、レー
ザー光源1から射出されたパルス光は、誘電体多層膜か
らなる半透過膜を有するハーフミラー20に入射して、
反射光と透過光とに分割される。ハーフミラー20を1
回目に透過した光は、分割パルス光となって図中右側へ
進行する。一方、ハーフミラー20で1回目に反射され
た光は、分割パルス光となってミラー21、22、23
および24により順次反射された後、ハーフミラー20
に再び入射する。
In the pulse width expansion optical system shown in FIG. 5, the pulsed light emitted from the laser light source 1 enters a half mirror 20 having a semi-transmissive film made of a dielectric multilayer film,
It is divided into reflected light and transmitted light. Half mirror 20
The light that has been transmitted the next time becomes split pulse light and proceeds to the right side in the figure. On the other hand, the light reflected by the half mirror 20 for the first time becomes split pulse light and is reflected by the mirrors 21, 22, 23.
And the half mirror 20 after being sequentially reflected by 24.
Re-enters.

【0032】ハーフミラー20に再び入射した光のうち
ハーフミラー20で2回目に反射された光は、ハーフミ
ラー20を1回目に透過した光と同一の光路に沿って合
成される。また、ハーフミラー20に再び入射した光の
うちハーフミラー20を2回目に透過した光は、ミラー
21、22、23および24により順次反射された後、
ハーフミラー20に再び入射する。
The light reflected by the half mirror 20 for the second time among the lights re-incident on the half mirror 20 is combined along the same optical path as the light transmitted through the half mirror 20 for the first time. In addition, of the light that has re-entered the half mirror 20, the light that has passed through the half mirror 20 for the second time is sequentially reflected by the mirrors 21, 22, 23, and 24, and thereafter,
The light enters the half mirror 20 again.

【0033】ハーフミラー20に再び入射した光のうち
ハーフミラー20で3回目に反射された光は、ハーフミ
ラー20を1回目に透過した光およびハーフミラー20
で2回目に反射された光と同一の光路に沿って合成され
る。こうして、ハーフミラー20を2回目以降に透過し
た光成分は、ミラー21、22、23および24を介す
る同一の光路を周回する。このように、この4つのミラ
ー(21〜24)とハーフミラー20とで形成される周
回光路は、所定の光路長となるように4つのミラー(2
1〜24)の配置によって設定されており、4つのミラ
ー(21〜24)は、光路長差付与手段として機能して
いる。このため、周回光路の光路長をLとし、nを2以
上の整数とすると、ハーフミラー20をn回介する分割
光は、ハーフミラー20を(n−1)回介する分割光に
対して、光路長差Lが付与される。そして、ハーフミラ
ー20を2回目以降に透過した光成分は、周回ごとにハ
ーフミラー20で反射される光の分だけ徐々に減衰し、
最終的にはすべての光がハーフミラー20で反射される
ことになる。したがって、ミラー21、22、23およ
び24の反射率がそれぞれ100%であれば、原理的に
は光量損失は発生しない。
Of the light that has re-entered the half mirror 20, the light reflected by the half mirror 20 for the third time is the light that has passed through the half mirror 20 for the first time and the half mirror 20.
At the second time, the light is combined along the same optical path as the light reflected at the second time. In this way, the light components transmitted through the half mirror 20 after the second time orbit the same optical path via the mirrors 21, 22, 23 and 24. In this way, the orbiting optical path formed by the four mirrors (21 to 24) and the half mirror 20 has four mirrors (2
1 to 24), and the four mirrors (21 to 24) function as optical path length difference providing means. Therefore, assuming that the optical path length of the circulating optical path is L and n is an integer of 2 or more, the split light passing through the half mirror 20 n times passes the optical path with respect to the split light passing through the half mirror 20 (n−1) times. A length difference L is given. Then, the light component transmitted through the half mirror 20 after the second time is gradually attenuated by the amount of the light reflected by the half mirror 20 for each orbit,
Eventually, all the light will be reflected by the half mirror 20. Therefore, if the reflectances of the mirrors 21, 22, 23, and 24 are 100%, no light amount loss occurs in principle.

【0034】第2実施例では、ハーフミラー20の透過
および反射の作用が第1実施例とは全く逆である。した
がって、第2実施例において、第1パルス光のエネルギ
ーと第2パルス光のエネルギーとがほぼ等しくなるよう
なハーフミラー20の透過率Tは、第1実施例において
第1パルス光のエネルギーと第2パルス光のエネルギー
とがほぼ等しくなるようなハーフミラー10の反射率R
に等しい。すなわち、第1パルス光のエネルギーと第2
パルス光のエネルギーとをほぼ等しくするには、ハーフ
ミラー20の透過率Tを38.2%にすればよい。
In the second embodiment, the transmission and reflection actions of the half mirror 20 are completely opposite to those in the first embodiment. Therefore, in the second embodiment, the transmittance T of the half mirror 20 at which the energy of the first pulsed light and the energy of the second pulsed light are substantially equal to each other is the same as the energy of the first pulsed light in the first embodiment. The reflectance R of the half mirror 10 such that the energies of the two pulsed lights are almost equal
be equivalent to. That is, the energy of the first pulsed light and the second pulsed light
The transmittance T of the half mirror 20 may be set to 38.2% in order to make the energy of the pulsed light substantially equal.

【0035】また、同様に、第1パルス光のエネルギー
E1 および第2パルス光のエネルギーE2 を元のパルス
光のエネルギーEの50%以下にするには、ハーフミラ
ー20の透過率Tが以下の条件式(13)を満足するよう
に構成すればよい。 29.3%<T<50% (13) また、第1実施例と同様に、レーザー光源1からのパル
ス光が非偏光、円偏光またはランダムな偏光である場
合、S偏光に対する透過率とP偏光に対する透過率との
平均透過率が上記の条件式(13)を満たせば、ほぼ同等
の効果を得ることができる。
Similarly, in order to set the energy E1 of the first pulsed light and the energy E2 of the second pulsed light to 50% or less of the energy E of the original pulsed light, the transmittance T of the half mirror 20 is set as follows. It suffices to construct it so as to satisfy the conditional expression (13). 29.3% <T <50% (13) When the pulsed light from the laser light source 1 is unpolarized light, circularly polarized light or random polarized light, as in the first embodiment, the transmittance for S-polarized light and P If the average transmittance with respect to the polarized light satisfies the above conditional expression (13), almost the same effect can be obtained.

【0036】図6は、本発明の第3実施例にかかるパル
ス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第1実
施例および第2実施例では光分割手段および光合成手段
を1つのハーフミラーで構成しているのに対し、第3実
施例では光分割手段および光合成手段をそれぞれ1つの
偏光ビームスプリッターで構成している。以下、第1実
施例および第2実施例との相違点に着目しながら、第3
実施例を説明する。
FIG. 6 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the third embodiment of the present invention. In the first and second embodiments, the light splitting means and the light combining means are configured by one half mirror, whereas in the third embodiment, the light splitting means and the light combining means are each configured by one polarization beam splitter. are doing. Hereinafter, the third embodiment will be described while paying attention to the difference between the first embodiment and the second embodiment.
An embodiment will be described.

【0037】図6のパルス幅伸長光学系において、レー
ザー光源1から射出されたパルス光は、偏光ビームスプ
リッター30によってP偏光とS偏光とに分割される。
すなわち、偏光ビームスプリッター30を透過したP偏
光の分割パルス光は、偏光ビームスプリッター33をさ
らに透過する。一方、偏光ビームスプリッター30で反
射されたS偏光の分割パルス光は、ミラー31および3
2で順次反射された後、偏光ビームスプリッター33に
入射する。
In the pulse width expansion optical system of FIG. 6, the pulsed light emitted from the laser light source 1 is split into P polarized light and S polarized light by the polarization beam splitter 30.
That is, the P-polarized split pulse light that has passed through the polarization beam splitter 30 further passes through the polarization beam splitter 33. On the other hand, the S-polarized split pulse light reflected by the polarization beam splitter 30 is reflected by the mirrors 31 and 3
After being sequentially reflected at 2, the light enters the polarization beam splitter 33.

【0038】偏光ビームスプリッター33に入射したS
偏光の分割パルス光は、偏光ビームスプリッター33で
反射され、偏光ビームスプリッター33を透過したP偏
光の分割パルス光と同一の光路に沿って合成される。こ
のように、偏光ビームスプリッター30は、パルス光を
複数の光路に沿って分割するための光分割手段を構成し
ている。また、偏光ビームスプリッター33は、複数の
光路に沿った分割パルス光を同一の光路に沿って合成す
るための光合成手段を構成している。なお、2つのミラ
ー(31、32)は、偏光ビームスプリッター30を透
過して偏光ビームスプリッター33に入射する光の光路
と、偏光ビームスプリッター30を反射して2つのミラ
ー(31、32)を経由して偏光ビームスプリッター3
3に向かう光の光路との間に所定の光路長差を付与する
光路長差付与手段として機能している。
S incident on the polarization beam splitter 33
The polarized split pulse light is reflected by the polarization beam splitter 33, and is combined along the same optical path as the P-polarized split pulse light transmitted through the polarization beam splitter 33. In this way, the polarization beam splitter 30 constitutes a light splitting means for splitting pulsed light along a plurality of optical paths. Further, the polarization beam splitter 33 constitutes a light combining means for combining the split pulse lights along a plurality of optical paths along the same optical path. The two mirrors (31, 32) pass through the polarization beam splitter 30 and enter the polarization beam splitter 33, and the two mirrors (31, 32) reflect the polarization beam splitter 30 and pass through the two mirrors (31, 32). Then polarization beam splitter 3
It functions as an optical path length difference giving means for giving a predetermined optical path length difference to the optical path of the light traveling toward the optical path 3.

【0039】そして、偏光ビームスプリッター30およ
び33を介したP偏光の分割パルス光と、偏光ビームス
プリッター30、ミラー31、32、および偏光ビーム
スプリッター33を介したS偏光の分割パルス光との間
には、所定の光路長差が設定されている。前述のよう
に、この光路長差をパルス長よりも大きく設定すれば、
合成光において2つの分割パルス光が時間的に重なり合
わない。また、前述したように、光路長差をたとえば半
値パルス長に設定することによっても、合成光の単位時
間当たりのエネルギーを大幅に減少させることができ
る。
Between the P-polarized split pulse light passing through the polarization beam splitters 30 and 33 and the S-polarization split pulse light passing through the polarization beam splitter 30, the mirrors 31 and 32, and the polarization beam splitter 33. Has a predetermined optical path length difference. As mentioned above, if this optical path length difference is set larger than the pulse length,
In the combined light, the two split pulse lights do not overlap in time. Further, as described above, the energy per unit time of the combined light can be greatly reduced also by setting the optical path length difference to, for example, the half value pulse length.

【0040】第3実施例では、周回光学系が存在する第
1実施例および第2実施例とは異なり、元のパルス光は
2つの光路に沿って分割された後に合成されるだけであ
る。したがって、非偏光、円偏光、ランダム偏光などの
ように、元のパルス光が偏光ビームスプリッターに対し
てP偏光の成分とS偏光の成分とが常に等しい光であれ
ば、分割された2つの分割パルス光のエネルギーは、そ
れぞれ元のパルス光のエネルギーの約50%となる。
In the third embodiment, unlike the first and second embodiments in which the loop optical system is present, the original pulsed light is only divided after being divided along the two optical paths and then combined. Therefore, if the original pulsed light, such as non-polarized light, circularly polarized light, or randomly polarized light, is a light whose P-polarized component and S-polarized component are always the same with respect to the polarization beam splitter, the two split light beams are split. The energy of the pulsed light is about 50% of the energy of the original pulsed light.

【0041】一方、元のパルス光が直線偏光や楕円偏光
の場合には、偏光ビームスプリッターに対してP偏光の
成分とS偏光の成分とが常に等しくはならない。したが
って、分割された2つの分割パルス光の強度がほぼ等し
くなるように、偏光ビームスプリッターの偏光軸を配置
するのが好ましい。すなわち、元のパルス光が直線偏光
であってその偏光方向が図6の紙面に対して垂直または
平行な場合、偏光ビームスプリッターの偏光軸を紙面に
対してほぼ45度に配置することが望ましい。
On the other hand, when the original pulsed light is linearly polarized light or elliptically polarized light, the P polarized light component and the S polarized light component are not always equal to each other with respect to the polarization beam splitter. Therefore, it is preferable to arrange the polarization axis of the polarization beam splitter so that the intensity of the two split pulsed lights is almost equal. That is, when the original pulsed light is linearly polarized light and its polarization direction is vertical or parallel to the paper surface of FIG. 6, it is desirable to arrange the polarization axis of the polarization beam splitter at approximately 45 degrees with respect to the paper surface.

【0042】なお、第3実施例において、偏光ビームス
プリッター30および33に代えてハーフミラーを使用
することもできる。しかしながら、この場合、光合成手
段を構成するハーフミラー(参照番号33の偏光ビーム
スプリッターに相当)において、図中下方向への光の漏
れに起因する光量損失が起こる。
In the third embodiment, half mirrors may be used instead of the polarization beam splitters 30 and 33. However, in this case, in the half mirror (corresponding to the polarization beam splitter of reference numeral 33) that constitutes the light combining means, a light amount loss occurs due to the leakage of light downward in the drawing.

【0043】図7は、本発明の第4実施例にかかるパル
ス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第4実
施例のパルス幅伸長光学系は第1実施例と類似の構成を
有するが、周回光学系の光路中に波長板41が付設され
ている点だけが第1実施例と基本的に相違する。以下、
第1実施例との相違点に着目しながら、第4実施例を説
明する。
FIG. 7 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the fourth embodiment of the present invention. The pulse width expansion optical system of the fourth embodiment has a similar configuration to that of the first embodiment, but basically differs from the first embodiment only in that a wave plate 41 is attached in the optical path of the circular optical system. To do. Less than,
The fourth embodiment will be described, focusing on the differences from the first embodiment.

【0044】図7のパルス幅伸長光学系は、ほぼ直線偏
光のパルス光を発するレーザー光源1を備えている。な
お、レーザー光源1からのパルス光は、図1の紙面に対
して平行な偏光方向を有するP偏光であるものとする。
レーザー光源1から射出されたP偏光のパルス光は、ハ
ーフミラー40に入射して、反射光と透過光とに分割さ
れる。ハーフミラー40で1回目に反射された光は、分
割パルス光となってミラー14に入射し、図中右側に反
射される。一方、ハーフミラー40を1回目に透過した
光は、分割パルス光となってミラー11および12によ
り順次反射された後、1/2波長板41に入射する。
The pulse-width expanding optical system shown in FIG. 7 is provided with a laser light source 1 which emits pulsed light of substantially linear polarization. The pulsed light from the laser light source 1 is P-polarized light having a polarization direction parallel to the paper surface of FIG.
The P-polarized pulsed light emitted from the laser light source 1 enters the half mirror 40 and is split into reflected light and transmitted light. The light reflected by the half mirror 40 for the first time becomes split pulse light, enters the mirror 14, and is reflected on the right side in the drawing. On the other hand, the light transmitted through the half mirror 40 for the first time becomes split pulse light, which is sequentially reflected by the mirrors 11 and 12 and then enters the ½ wavelength plate 41.

【0045】1/2波長板41は、紙面に対して結晶軸
が45度の角度をなす水晶から構成されている。したが
って、1/2波長板41は、周回光学系を通過する光の
偏光方向を90度だけ回転させる役割を果たす。すなわ
ち、1/2波長板41を通過する度に、P偏光はS偏光
に、S偏光はP偏光にそれぞれ変換される。したがっ
て、1/2波長板41を介してS偏光に変換された分割
パルス光は、ハーフミラー40に再び入射する。
The half-wave plate 41 is made of quartz whose crystal axis forms an angle of 45 degrees with respect to the paper surface. Therefore, the half-wave plate 41 serves to rotate the polarization direction of light passing through the circular optical system by 90 degrees. That is, the P-polarized light is converted into the S-polarized light and the S-polarized light is converted into the P-polarized light each time the light passes through the half-wave plate 41. Therefore, the split pulsed light converted into S-polarized light via the half-wave plate 41 enters the half mirror 40 again.

【0046】ハーフミラー40に再び入射した光のうち
ハーフミラー40を2回目に透過した光は、ハーフミラ
ー40で1回目に反射された光と同一の光路に沿って合
成される。また、ハーフミラー40に再び入射した光の
うちハーフミラー40で2回目に反射された光は、ミラ
ー11および12により順次反射された後、1/2波長
板41に入射する。1/2波長板41を介してP偏光に
変換された分割パルス光は、ハーフミラー40に再び入
射する。
Of the light that has re-entered the half mirror 40, the light that has passed through the half mirror 40 for the second time is combined along the same optical path as the light that has been reflected by the half mirror 40 for the first time. Further, of the light that has re-entered the half mirror 40, the light that has been reflected by the half mirror 40 for the second time is sequentially reflected by the mirrors 11 and 12, and then enters the half-wave plate 41. The split pulse light converted into P-polarized light via the half-wave plate 41 enters the half mirror 40 again.

【0047】ハーフミラー40に再び入射した光のうち
ハーフミラー40を3回目に透過した光は、ハーフミラ
ー40で1回目に反射された光およびハーフミラー40
を2回目に透過した光と同一の光路に沿って合成され
る。こうして、ハーフミラー40で2回目以降に反射さ
れた光成分は、ミラー11、12、1/2波長板41、
およびミラー13を介する同一の光路を周回する。そし
て、ハーフミラー40で2回目以降に反射された光成分
は、周回ごとに偏光状態がP偏光とS偏光との間で交互
に変わり、ハーフミラー40を透過する光の分だけ徐々
に減衰し、最終的にはすべての光がハーフミラー40を
透過することになる。
Of the light that has re-entered the half mirror 40, the light that has passed through the half mirror 40 for the third time is the light that has been reflected by the half mirror 40 for the first time, and the half mirror 40.
Is combined along the same optical path as the light transmitted through the second time. Thus, the light components reflected by the half mirror 40 from the second time onward are reflected by the mirrors 11, 12, the half-wave plate 41,
And the same optical path through the mirror 13. Then, the polarization state of the light component reflected by the half mirror 40 after the second time alternates between the P-polarized light and the S-polarized light for each circulation, and is gradually attenuated by the amount of the light transmitted through the half mirror 40. Finally, all the light will pass through the half mirror 40.

【0048】ハーフミラー40で分割された各分割パル
ス光のエネルギーは、パルス光に対するハーフミラー4
0の反射率に依存する。すなわち、P偏光に対するハー
フミラー40の反射率をRp とし、S偏光に対するハー
フミラー40の反射率をRsとすると、第1パルス光〜
第3パルス光のエネルギーE1 〜E3 は、以下の式(1
4)〜(16)で表される。
The energy of each split pulsed light split by the half mirror 40 is the half mirror 4 for the pulsed light.
It depends on a reflectance of 0. That is, assuming that the reflectance of the half mirror 40 for P-polarized light is Rp and the reflectance of the half mirror 40 for S-polarized light is Rs, the first pulsed light
The energies E1 to E3 of the third pulsed light are calculated by the following equation (1
It is represented by 4) to (16).

【0049】 E1 =E・Rp (14) E2 =E・(1−Rp )・(1−Rs ) (15) E3 =E・(1−Rp )・Rs ・(1−Rp ) (16)E1 = E.Rp (14) E2 = E. (1-Rp). (1-Rs) (15) E3 = E. (1-Rp) .Rs. (1-Rp) (16)

【0050】第3実施例では、周回光学系の光路中に付
設された1/2波長板41を介して分割パルス光の偏光
方向を交互に変化させることにより、第1パルス光のエ
ネルギーE1 と、第2パルス光のエネルギーE2 と、第
3パルス光のエネルギーE3とをほぼ等しくすることが
可能である。式(14)〜(16)で表される各パルス光の
エネルギーが互いに等しくなるとき、P偏光に対するハ
ーフミラー40の反射率Rp は29.3%となり、S偏
光に対するハーフミラー40の反射率Rs は58.6%
となる。
In the third embodiment, the polarization direction of the split pulsed light is alternately changed via the half-wave plate 41 provided in the optical path of the circular optical system, whereby the energy E1 of the first pulsed light and , The energy E2 of the second pulsed light and the energy E3 of the third pulsed light can be made substantially equal. When the energies of the respective pulsed lights represented by the formulas (14) to (16) are equal to each other, the reflectance Rp of the half mirror 40 for P-polarized light is 29.3%, and the reflectance Rs of the half mirror 40 for S-polarized light is Rs. Is 58.6%
Becomes

【0051】この場合、3つのパルス光のエネルギーE
1 〜E3 は、元のパルス光のエネルギーEの約29.3
%となる。このように、第4実施例では、2つの分割パ
ルス光のエネルギーE1 およびE2 を元のパルス光のエ
ネルギーEの約38.2%に最適化することのできる第
1実施例よりも、各分割パルス光当たりのエネルギーを
さらに低減することが可能となる。
In this case, the energy E of the three pulsed lights
1 to E3 are about 29.3 of the energy E of the original pulsed light.
%. As described above, in the fourth embodiment, the energies E1 and E2 of the two split pulsed lights are optimized to be about 38.2% of the energy E of the original pulsed light, as compared with the first embodiment. It is possible to further reduce the energy per pulsed light.

【0052】また、前述のように、ハーフミラー40の
反射率の誤差を考慮して、3つのパルス光のエネルギー
E1 〜E3 が元のパルス光のエネルギーEの約40%以
下になることを最低条件とし、以下の条件式(17)〜
(19)を満足するように構成することもできる。
Further, as described above, considering the error of the reflectance of the half mirror 40, it is necessary that the energies E1 to E3 of the three pulsed lights be about 40% or less of the energy E of the original pulsed light. As the condition, the following conditional expression (17) ~
It can also be configured to satisfy (19).

【0053】 E・Rp <0.4E (17) E・(1−Rp )・(1−Rs )<0.4E (18) E・(1−Rp )・Rs ・(1−Rp )<0.4E (19) なお、レーザー光源1からのパルス光が紙面に対して垂
直な偏光方向を有するS偏光である場合には、上述の式
(14)〜(19)においてRp とRs とを入れ替えて考え
れば良い。
E.Rp <0.4E (17) E. (1-Rp). (1-Rs) <0.4E (18) E. (1-Rp) .Rs. (1-Rp) <0 .4E (19) When the pulsed light from the laser light source 1 is S-polarized light having a polarization direction perpendicular to the paper surface, Rp and Rs in the above formulas (14) to (19) are exchanged. You can think about it.

【0054】図8は、本発明の第5実施例にかかるパル
ス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第5実
施例のパルス幅伸長光学系は図5の第2実施例と類似の
構成を有するが、周回光学系の光路中に波長板51が付
設されている点だけが第2実施例と基本的に相違する。
すなわち、第5実施例では、第4実施例と同様に、第1
〜第3パルス光のエネルギーE1 〜E3 が互いにほぼ等
しくなるように構成することができる。以下、第2実施
例および第4実施例との相違点に着目しながら、第5実
施例を説明する。
FIG. 8 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the fifth embodiment of the present invention. The pulse-width expanding optical system of the fifth embodiment has a configuration similar to that of the second embodiment of FIG. 5, but is basically the same as the second embodiment except that a wave plate 51 is provided in the optical path of the circular optical system. Differently.
That is, in the fifth embodiment, as in the fourth embodiment, the first
~ The energies E1 to E3 of the third pulsed light can be made substantially equal to each other. The fifth embodiment will be described below, focusing on the differences from the second and fourth embodiments.

【0055】第5実施例では、レーザー光源1からのパ
ルス光が紙面に対して平行な偏光方向を有するP偏光で
ある場合には、第4実施例における反射率Rp およびR
s をそれぞれ透過率Tp およびTs に置き換えて考えれ
ば良い。したがって、ハーフミラー50のP偏光に対す
る透過率Tp が29.3%で、ハーフミラー50のS偏
光に対する透過率Ts が58.6%の条件を満たすとき
に、3つの分割パルス光のエネルギーE1 〜E3 が互い
に等しくなる。また、レーザー光源1からのパルス光が
紙面に対して垂直な偏光方向を有するS偏光である場合
には、ハーフミラー50の透過率Tp とTs とを入れ替
えて考えれば良い。
In the fifth embodiment, when the pulsed light from the laser light source 1 is P-polarized light having a polarization direction parallel to the paper surface, the reflectances Rp and R in the fourth embodiment are set.
It suffices to replace s with the transmittances Tp and Ts, respectively. Therefore, when the transmissivity Tp of the half mirror 50 for P-polarized light is 29.3% and the transmissivity Ts of the half mirror 50 for S-polarized light is 58.6%, the energies E1 to E3 becomes equal to each other. When the pulsed light from the laser light source 1 is S-polarized light having a polarization direction perpendicular to the paper surface, the transmissivities Tp and Ts of the half mirror 50 may be exchanged.

【0056】図9は、本発明の第6実施例にかかるパル
ス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第6実
施例のパルス幅伸長光学系は図5の第2実施例と類似の
構成を有するが、周回光学系の光路中にケプラー型のリ
レー光学系(61、62)が付設されている点だけが第
2実施例と基本的に相違する。以下、第2実施例との相
違点に着目しながら、第6実施例を説明する。
FIG. 9 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the sixth embodiment of the present invention. The pulse width expansion optical system of the sixth embodiment has a configuration similar to that of the second embodiment of FIG. 5, but a Keplerian relay optical system (61, 62) is additionally provided in the optical path of the loop optical system. Only the difference from the second embodiment is basically the same. The sixth embodiment will be described below, focusing on the differences from the second embodiment.

【0057】図9のパルス幅伸長光学系において、周回
光学系の光路中に付設されたケプラー型のリレー光学系
(61、62)は、光分割手段としてのハーフミラー2
0の分割面と光合成手段としてのハーフミラー20の合
成面とをほぼ共役に構成している。レーザー光源1とし
てエキシマレーザーのような発散角の大きい光源を用い
た場合、図5の第2実施例では、周回光学系を介する回
数が増えるほど分割パルス光ほど発散角によるビームの
ぼけが大きく発生する。
In the pulse width expansion optical system of FIG. 9, a Kepler type relay optical system (61, 62) additionally provided in the optical path of the loop optical system is a half mirror 2 as a light splitting means.
The division surface of 0 and the combining surface of the half mirror 20 as the light combining means are configured to be substantially conjugate. When a light source with a large divergence angle, such as an excimer laser, is used as the laser light source 1, in the second embodiment of FIG. 5, as the number of times through the orbiting optical system increases, the beam blur due to the divergence angle increases as the number of split pulse lights increases. To do.

【0058】図10は、図5の第2実施例において周回
光学系を介する回数が大きい分割パルス光ほど発散角に
よるビームのぼけが大きく発生する様子を模式的に表わ
した図である。図10には、ハーフミラー20において
合成される際の第1パルス光、第2パルス光および第3
パルス光のビーム強度の断面形状がそれぞれ示されてい
る。図10に示すように、図5の第2実施例では、ハー
フミラー20において複数の分割パルス光を合成する際
に、各分割パルス光のビーム断面形状が徐々に変化する
ことがわかる。
FIG. 10 is a diagram schematically showing how, in the second embodiment of FIG. 5, the larger the number of times of splitting pulsed light passing through the circular optical system, the greater the blurring of the beam due to the divergence angle. FIG. 10 shows the first pulsed light, the second pulsed light, and the third pulsed light when they are combined in the half mirror 20.
The cross-sectional shape of the beam intensity of the pulsed light is shown. As shown in FIG. 10, in the second embodiment of FIG. 5, it is understood that the beam cross-sectional shape of each divided pulsed light gradually changes when combining the plurality of divided pulsed lights in the half mirror 20.

【0059】図9の第6実施例のパルス幅伸長光学系に
おいては、周回光学系の光路中にケプラー型のリレー光
学系(61、62)が設けられているので、周回光学系
を介する回数にかかわらず、発散角によりビームのぼけ
が増大することはない。なお、第6実施例では、リレー
光学系(61、62)の倍率が−1倍になっているた
め、第1パルス光と第2パルス光とは相対的に180度
だけ回転して合成される。すなわち、奇数番目のパルス
光と偶数番目のパルス光とが相対的に180度だけ回転
して合成されることになる。
In the pulse width extension optical system of the sixth embodiment of FIG. 9, since the Keplerian relay optical system (61, 62) is provided in the optical path of the circular optical system, the number of times through the circular optical system is increased. However, the divergence angle does not increase the beam blur. In the sixth example, since the magnification of the relay optical system (61, 62) is -1, the first pulsed light and the second pulsed light are relatively rotated by 180 degrees and combined. It That is, the odd-numbered pulse light and the even-numbered pulse light are relatively rotated by 180 degrees and are combined.

【0060】したがって、図11に示すようにエキシマ
レーザー光源1が対称性の良くないビーム断面形状のパ
ルス光を射出するような場合でも、図12に示すように
奇数番目のパルス光と偶数番目のパルス光とが180度
だけ回転して合成される。このように、第6実施例で
は、ハーフミラー20の分割面とハーフミラー20の合
成面とをほぼ共役に構成し且つ−1倍の倍率を有するリ
レー光学系(61、62)の作用により、発散角による
ビームのぼけの増大を回避するとともに、合成光のビー
ム断面形状をほぼ対称に改善することができる。
Therefore, even when the excimer laser light source 1 emits pulsed light having a beam cross-sectional shape with poor symmetry as shown in FIG. 11, odd-numbered pulsed light and even-numbered pulsed light are emitted as shown in FIG. The pulsed light is rotated by 180 degrees and combined. As described above, in the sixth embodiment, by the action of the relay optical system (61, 62) that configures the split surface of the half mirror 20 and the composite surface of the half mirror 20 to be substantially conjugate and has a magnification of −1 times, It is possible to avoid an increase in the blur of the beam due to the divergence angle and improve the beam cross-sectional shape of the combined light to be almost symmetrical.

【0061】なお、図9の第6実施例において、レーザ
ー光源1とハーフミラー20とを結ぶ光路と、ミラー2
2とミラー23とを結ぶ光路とが交差(クロス)するよ
うに構成されている。しかしながら、光路の交差が好ま
しくないような場合には、ミラー21、22、23、2
4、およびリレー光学系(61、62)を含む面をたと
えば紙面に垂直な方向に沿って配置することにより、光
路の交差を回避することも可能である。なお、リレー光
学系の倍率は、1倍または−1倍に構成することが望ま
しい。また、リレー光学系の中間点に集光点が形成され
るため、光学素子が集光点から十分に離れるように構成
し、損傷を防ぐ必要がある。
In the sixth embodiment of FIG. 9, the optical path connecting the laser light source 1 and the half mirror 20 and the mirror 2 are connected.
2 and the optical path connecting the mirror 23 are configured to intersect with each other. However, when the intersection of the optical paths is not desirable, the mirrors 21, 22, 23, 2
It is also possible to avoid the intersection of the optical paths by arranging the surface including 4 and the relay optical system (61, 62) along the direction perpendicular to the paper surface, for example. The magnification of the relay optical system is preferably set to 1 or -1. Further, since the converging point is formed at the intermediate point of the relay optical system, it is necessary to prevent the damage by configuring the optical element so as to be sufficiently away from the converging point.

【0062】図13は、本発明の第7実施例にかかるパ
ルス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第7
実施例のパルス幅伸長光学系は図1の第1実施例と類似
の構成を有するが、周回光学系の光路中にケプラー型の
リレー光学系(70、71)が付設されている点だけが
第1実施例と基本的に相違する。したがって、第7実施
例では、第6実施例と同様に、光分割手段の分割面と光
合成手段の合成面とをほぼ共役に構成し且つ−1倍の倍
率を有するリレー光学系(70、71)の作用により、
発散角によるビームのぼけの増大を回避するとともに、
合成光のビーム断面形状をほぼ対称に改善することがで
きる。
FIG. 13 is a diagram schematically showing the construction of a pulse width expansion optical system according to the seventh embodiment of the present invention. Seventh
The pulse width expansion optical system of the embodiment has a configuration similar to that of the first embodiment of FIG. 1, except that a Keplerian relay optical system (70, 71) is additionally provided in the optical path of the loop optical system. It is basically different from the first embodiment. Therefore, in the seventh embodiment, similarly to the sixth embodiment, the relay optical system (70, 71) in which the dividing surface of the light dividing means and the combining surface of the light combining means are configured to be substantially conjugate with each other and which has a magnification of -1 times. ),
While avoiding an increase in beam blur due to the divergence angle,
The beam cross-sectional shape of the combined light can be improved to be almost symmetrical.

【0063】図14は、本発明の第8実施例にかかるパ
ルス幅伸長光学系の構成を概略的に示す図である。第8
実施例のパルス幅伸長光学系は図6の第3実施例と類似
の構成を有するが、分割された2つの光路のうち光路長
が長い方の光路中にケプラー型のリレー光学系(80、
81)が付設されている点だけが第3実施例と基本的に
相違する。したがって、第8実施例では、第6実施例お
よび第7実施例と同様に、光分割手段の分割面と光合成
手段の合成面とをほぼ共役に構成し且つ−1倍の倍率を
有するリレー光学系(80、81)の作用により、発散
角によるビームのぼけの増大を回避するとともに、合成
光のビーム断面形状をほぼ対称に改善することができ
る。
FIG. 14 is a schematic view showing the arrangement of a pulse width expansion optical system according to the eighth embodiment of the present invention. 8th
The pulse width expansion optical system of the embodiment has a configuration similar to that of the third embodiment of FIG. 6, but a Kepler-type relay optical system (80, 80 is provided in the optical path having the longer optical path length of the two divided optical paths).
81) is basically different from the third embodiment only. Therefore, in the eighth embodiment, similarly to the sixth and seventh embodiments, the relay optical system in which the dividing surface of the light dividing means and the combining surface of the light combining means are substantially conjugate to each other and has a magnification of -1 times. By the action of the system (80, 81), it is possible to avoid an increase in the blur of the beam due to the divergence angle, and to improve the beam cross-sectional shape of the combined light substantially symmetrically.

【0064】図15は、本発明の第9実施例にかかるパ
ルス幅伸長光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示
す図である。第9実施例の露光装置では、193nmの
波長のパルス光を発光するパルス発光の光源として、エ
キシマレーザー光源(ArFエキシマレーザー光源)6
0を備えている。エキシマレーザー光源60から射出さ
れたパルス光は、ケプラー型のリレー光学系(91、9
2)を介して、ハーフミラー20に入射する。なお、リ
レー光学系(91、92)は、エキシマレーザー光源6
0のレーザー射出口とハーフミラー20の分割面とをほ
ぼ共役に構成している。
FIG. 15 is a schematic view showing the arrangement of an exposure apparatus having a pulse width expansion optical system according to the ninth embodiment of the present invention. In the exposure apparatus of the ninth embodiment, an excimer laser light source (ArF excimer laser light source) 6 is used as a pulsed light source that emits pulsed light with a wavelength of 193 nm.
0 is provided. The pulsed light emitted from the excimer laser light source 60 is a Kepler-type relay optical system (91, 9).
The light enters the half mirror 20 via 2). The relay optical system (91, 92) is an excimer laser light source 6
The laser emission port of 0 and the split surface of the half mirror 20 are substantially conjugate with each other.

【0065】また、ケプラー型のリレー光学系(91、
92)の倍率は、光源60からのパルス光のビーム断面
形状とハーフミラー20の大きさとに応じた適切な倍率
に規定されている。したがって、光源60がリレー光学
系(91、92)の光軸に対して角度ずれを起こして
も、光源60からのパルス光をハーフミラー20に正確
に導くことが可能となっている。
Further, a Keplerian relay optical system (91,
The magnification 92) is regulated to an appropriate magnification according to the beam cross-sectional shape of the pulsed light from the light source 60 and the size of the half mirror 20. Therefore, even if the light source 60 causes an angle deviation with respect to the optical axis of the relay optical system (91, 92), the pulsed light from the light source 60 can be accurately guided to the half mirror 20.

【0066】ハーフミラー20に入射したパルス光は、
図9の第6実施例のパルス幅伸長光学系と同様に、ハー
フミラー20を透過するパルス光と、ハーフミラー20
で反射されて周回光学系に導かれるパルス光とに分割さ
れる。周回光学系に導かれたパルス光は、ミラー21、
22、23、24、ケプラー型のリレー光学系(93、
94)を介して、ハーフミラー20に再び入射する。こ
うして、前述のように、ハーフミラー20に戻って反射
された光が、順次同一光路に沿って合成される。なお、
ケプラー型のリレー光学系(93、94)は−1倍の倍
率を有し、光分割手段としてのハーフミラー20の分割
面と、光合成手段としてのハーフミラー20の合成面と
を光学的に共役に構成している。
The pulsed light incident on the half mirror 20 is
Similar to the pulse width expansion optical system of the sixth embodiment of FIG. 9, the pulsed light transmitted through the half mirror 20 and the half mirror 20
It is split into pulsed light that is reflected by and guided to the orbiting optical system. The pulsed light guided to the orbiting optical system is reflected by the mirror 21,
22, 23, 24, Kepler type relay optical system (93,
94) and enters the half mirror 20 again. Thus, as described above, the lights reflected back to the half mirror 20 are sequentially combined along the same optical path. In addition,
The Kepler-type relay optical system (93, 94) has a magnification of -1 and optically conjugates the split surface of the half mirror 20 as the light splitting means and the synthetic surface of the half mirror 20 as the light synthesizing means. Is configured.

【0067】このように、ケプラー型のリレー光学系
(91、92)、ハーフミラー20、ミラー21、2
2、23、24、およびケプラー型のリレー光学系(9
3、94)は、光源60からのパルス光の発光時間を疑
似的に伸長するパルス幅伸長光学系を構成している。図
15の露光装置のパルス幅伸長光学系においても、リレ
ー光学系(93、94)の作用により、レーザー光の発
散角によるビームのぼけの増大を回避することができ
る。また、レーザー光源60からのパルス光が対称性の
良くないビーム断面形状を有する場合でも、合成光のビ
ーム断面形状をほぼ対称に改善することができる。
As described above, the Keplerian relay optical system (91, 92), the half mirror 20, the mirrors 21, 2 are used.
2, 23, 24, and Kepler type relay optics (9
3, 94) constitutes a pulse width expansion optical system for artificially expanding the emission time of the pulsed light from the light source 60. Also in the pulse width expansion optical system of the exposure apparatus of FIG. 15, the effect of the relay optical system (93, 94) can prevent an increase in the blur of the beam due to the divergence angle of the laser light. Further, even when the pulsed light from the laser light source 60 has a beam cross-sectional shape with poor symmetry, the beam cross-sectional shape of the combined light can be improved to be substantially symmetrical.

【0068】なお、前述のように、周回光学系の光路長
をたとえば半値パルス長よりも大きく設定することによ
り、パルス幅を実質的に伸長させて、発光時間内の平均
エネルギを低減することができる。その結果、パルス幅
伸長光学系以降の照明光学系の性能低下を回避し、レー
ザー照射に対して十分な耐久性を維持することができ
る。
As described above, by setting the optical path length of the orbiting optical system larger than, for example, the half-value pulse length, the pulse width can be substantially extended and the average energy within the light emission time can be reduced. it can. As a result, it is possible to avoid performance degradation of the illumination optical system after the pulse width expansion optical system and maintain sufficient durability against laser irradiation.

【0069】ハーフミラー20を介して同一の光路に沿
って合成されたパルス光は、ケプラー型のリレー光学系
(95、96)によってリレーされた後、たとえばシリ
ンドリカルレンズと球面レンズとからなるビーム整形光
学系2に入射する。ビーム整形光学系2を介してフライ
アイレンズ3の形状に応じたビーム断面形状に整形され
た光は、フライアイレンズ3に入射する。フライアイレ
ンズ3は、照明光学系の光軸に沿って並列配置された多
数のレンズエレメントからなる。フライアイレンズ3に
入射した光束は、複数の光束に分割され、フライアイレ
ンズ3の後側焦点位置に複数の光源像(二次光源)を形
成する。
The pulsed light combined along the same optical path through the half mirror 20 is relayed by a Kepler type relay optical system (95, 96), and then beam-shaped by, for example, a cylindrical lens and a spherical lens. It is incident on the optical system 2. The light shaped into the beam cross-sectional shape according to the shape of the fly-eye lens 3 via the beam-shaping optical system 2 enters the fly-eye lens 3. The fly-eye lens 3 is composed of many lens elements arranged in parallel along the optical axis of the illumination optical system. The light flux incident on the fly-eye lens 3 is divided into a plurality of light fluxes, and a plurality of light source images (secondary light sources) are formed at the rear focal position of the fly-eye lens 3.

【0070】なお、ハーフミラー20とフライアイレン
ズ3の入射面とは、ビーム整形光学系2によってほぼ共
役に構成されている。このため、ハーフミラー20を介
して形成された合成パルス光の射出方向と照明光学系の
光軸との間に多少の角度差がある場合でも、すべての合
成パルス光をフライアイレンズ3の入射面に正確に導く
ことが可能になる。また、ビーム整形光学系2にシリン
ドリカルレンズが含まれている場合には、特願平7−5
3579号明細書および図面に開示されているように、
縦方向と横方向との双方においてハーフミラー20とフ
ライアイレンズ3の入射面とがほぼ共役になるように構
成することが望ましい。
The half mirror 20 and the incident surface of the fly's eye lens 3 are formed substantially conjugate with each other by the beam shaping optical system 2. Therefore, even if there is a slight angle difference between the emission direction of the combined pulse light formed via the half mirror 20 and the optical axis of the illumination optical system, all the combined pulse light is incident on the fly-eye lens 3. It is possible to accurately lead to the surface. When the beam shaping optical system 2 includes a cylindrical lens, Japanese Patent Application No. 7-5
As disclosed in the 3579 specification and drawings,
It is desirable that the half mirror 20 and the incident surface of the fly-eye lens 3 be configured to be substantially conjugate in both the vertical direction and the horizontal direction.

【0071】複数の二次光源からの光束は、開口絞り4
を介して制限された後、コンデンサーレンズ5によって
集光され、折り曲げミラー98を介してマスク6を重畳
的に均一照明する。マスク6上には、半導体集積回路な
どの非常に微細なパターンが描かれている。マスク6の
パターンは、投影光学系7を介してウエハ8上に縮小投
影または拡大投影され、ウエハ8上に塗布されたレジス
トに露光される。このように、光源60、パルス幅伸長
光学系、リレー光学系(95、96)、ビーム整形光学
系2、フライアイレンズ3、開口絞り4、コンデンサー
レンズ5、および折り曲げミラー98は、マスク6をほ
ぼ均一に照明するための照明光学系を構成している。
Light fluxes from a plurality of secondary light sources are transmitted through the aperture stop 4
After being limited by the condenser lens 5, the light is condensed by the condenser lens 5, and the mask 6 is uniformly illuminated in a superimposed manner through the bending mirror 98. A very fine pattern such as a semiconductor integrated circuit is drawn on the mask 6. The pattern of the mask 6 is reduced or enlarged and projected onto the wafer 8 via the projection optical system 7, and the resist applied on the wafer 8 is exposed. In this way, the light source 60, the pulse width expansion optical system, the relay optical system (95, 96), the beam shaping optical system 2, the fly-eye lens 3, the aperture stop 4, the condenser lens 5, and the folding mirror 98 are provided with the mask 6. An illumination optical system for illuminating substantially uniformly is configured.

【0072】以上のように、図15に示した露光装置に
よる露光の工程(フォトリソグラフィ工程)は、投影光
学系7の物体面にマスク6を設定するマスク設定工程
と、投影光学系7の像面に感光性基板としてのウエハ8
を設定する基板設定工程と、マスク6とウエハ8とを設
定する工程後に、照明光学系によってマスク6を照明し
て、マスク6のパターンを投影光学系7を介してウエハ
8上に投影転写する転写工程とを含む。
As described above, the exposure process (photolithography process) by the exposure apparatus shown in FIG. 15 includes a mask setting process of setting the mask 6 on the object plane of the projection optical system 7 and an image of the projection optical system 7. Wafer 8 as a photosensitive substrate on the surface
After the substrate setting step for setting and the step for setting the mask 6 and the wafer 8, the illumination optical system illuminates the mask 6, and the pattern of the mask 6 is projected and transferred onto the wafer 8 via the projection optical system 7. And a transfer step.

【0073】そして、図15に示した露光装置による露
光の工程(フォトリソグラフィ工程)を経たウエハ8
は、現像する工程を経てから、現像したレジスト以外の
部分を除去するエッチングの工程、エッチングの工程後
の不要なレジストを除去するレジスト除去の工程等を経
る。そして、露光、エッチング、レジスト除去の工程を
繰り返して、ウエハプロセスが終了する。その後、ウエ
ハプロセスが終了すると、実際の組立工程にて、焼き付
けられた回路毎にウエハを切断してチップ化するダイシ
ング、各チップに配線等を付与するボンディング、各チ
ップ毎にパッケージングするパッケージング等の各工程
を経て、最終的にLSI等の半導体デバイスが製造され
る。なお、以上には、露光装置を用いたウエハプロセス
でのフォトリソグラフィ工程によりLSI等の半導体デ
バイスを製造する例を示したが、露光装置を用いたフォ
トリソグラフィ工程によって、液晶表示素子、薄膜磁気
ヘッド、撮像素子(CCD等)等の半導体デバイスも製
造することができる。
Then, the wafer 8 which has undergone the exposure process (photolithography process) by the exposure apparatus shown in FIG.
After the developing step, an etching step of removing a portion other than the developed resist, a resist removing step of removing unnecessary resist after the etching step, and the like. Then, the steps of exposure, etching, and resist removal are repeated to complete the wafer process. After that, when the wafer process is completed, in the actual assembling process, dicing is performed to cut the wafer into chips for each printed circuit, bonding for providing wiring to each chip, and packaging for each chip. Finally, a semiconductor device such as an LSI is manufactured through each step. Although an example of manufacturing a semiconductor device such as an LSI by a photolithography process in a wafer process using an exposure apparatus has been described above, a liquid crystal display element, a thin film magnetic head are manufactured by a photolithography process using an exposure apparatus. Semiconductor devices such as image pickup devices (CCD, etc.) can also be manufactured.

【0074】なお、図15の第9実施例において、ビー
ム整形光学系2をフライアイレンズ3の直前に配置して
いるが、ビーム整形光学系2の位置はこれに限定される
わけではない。前述のように、光源60とハーフミラー
20とフライアイレンズ3との共役関係が満たされる限
り、例えばレーザー光源60の直後や、ハーフミラー2
0とリレー光学系(95、96)のレンズ95との間の
光路中などにビーム整形光学系2を配置することもでき
る。
Although the beam shaping optical system 2 is arranged immediately before the fly-eye lens 3 in the ninth embodiment of FIG. 15, the position of the beam shaping optical system 2 is not limited to this. As described above, as long as the conjugate relationship among the light source 60, the half mirror 20, and the fly-eye lens 3 is satisfied, for example, immediately after the laser light source 60 or in the half mirror 2.
It is also possible to arrange the beam shaping optical system 2 in the optical path between 0 and the lens 95 of the relay optical system (95, 96).

【0075】また、投影光学系7を複数の屈折性レンズ
で構成した場合、投影光学系7の色収差の影響を防止し
て、良好なるマスクパターン像を感光性基板としてのウ
エハ8に露光するには、エキシマレーザ光源60から出
力される光の波長幅を10pm以下とする狭幅化手段
(エタロン、回折格子等)を、エキシマレーザ光源60
の内部あるいはエキシマレーザ光源60の射出側に設け
ることが好ましい。また、狭幅化手段を備えた光源とし
て、インジェクションロッキング型のエキシマレーザ光
源を用いることも可能である。特に、投影光学系7を全
て石英製の複数のレンズで構成した場合には、ArFエ
キシマレーザ等の光源60から出力される光の波長幅
(狭幅化の幅)を1pm以下となるように狭帯化するこ
とが良く、より好ましくは狭帯化の幅を0.5pm以下
とすることが良い。
When the projection optical system 7 is composed of a plurality of refractive lenses, it is possible to prevent the influence of the chromatic aberration of the projection optical system 7 and expose a good mask pattern image on the wafer 8 as a photosensitive substrate. Is a narrowing means (etalon, diffraction grating, etc.) for making the wavelength width of the light output from the excimer laser light source 60 10 pm or less.
It is preferable to provide it inside or on the emission side of the excimer laser light source 60. An injection rocking type excimer laser light source can also be used as the light source provided with the narrowing means. Particularly, when the projection optical system 7 is composed of a plurality of quartz lenses, the wavelength width (narrowing width) of the light output from the light source 60 such as an ArF excimer laser should be 1 pm or less. It is preferable that the band is narrowed, and more preferably, the width of the band is 0.5 pm or less.

【0076】また、投影光学系7を石英レンズと蛍石レ
ンズとの混合で構成した場合には、ArFエキシマレー
ザ等の光源60から出力される光の波長幅を3pm以下
となるように狭帯化することが良く、より好ましくは狭
帯化の幅を1.5pm以下とすることが良い。また、投
影光学系7をミラー等の反射部材と屈折性レンズとの混
合で構成した場合には、ArFエキシマレーザ等の光源
60から出力される光の波長幅を10pm以下とするこ
とが良く、より好ましくは狭帯化の幅を5pm以下とす
ることが良い。
When the projection optical system 7 is composed of a mixture of a quartz lens and a fluorite lens, the light output from the light source 60 such as an ArF excimer laser has a narrow wavelength band of 3 pm or less. The width of the narrowed band is preferably 1.5 pm or less. When the projection optical system 7 is composed of a mixture of a reflective member such as a mirror and a refractive lens, the wavelength width of the light output from the light source 60 such as an ArF excimer laser is preferably 10 pm or less, More preferably, the width of narrowing is set to 5 pm or less.

【0077】以上の如く、狭幅化された光をパルス幅伸
長光学系へ入射させることにより、露光装置の光学特性
の低下を回避しながら良好なるマスクパターン像を感光
性基板に露光することができる。なお、以上の例では、
光路長差付与手段として主にミラーを用いた例を示した
が、これに限ることなく、例えば、平行平面板等の透過
性の光学部材を光路長差付与手段として、分割光路中に
配置しても良い。さらに、光路長差付与手段中の少なく
とも1つのミラーを移動可能に構成して、光路長差を可
変とすることもできる。
As described above, by making the narrowed light incident on the pulse width expansion optical system, it is possible to expose a good mask pattern image on the photosensitive substrate while avoiding the deterioration of the optical characteristics of the exposure apparatus. it can. In the above example,
Although an example in which a mirror is mainly used as the optical path length difference giving means is shown, the invention is not limited to this, and for example, a transparent optical member such as a plane parallel plate is arranged in the split optical path as the optical path length difference giving means. May be. Further, at least one mirror in the optical path length difference providing means can be configured to be movable to make the optical path length difference variable.

【0078】また、図15に示した露光装置としては、
マスク6上のパターンをウエハ8上の1ショット領域に
一括露光する所謂ステップ・アンド・リピート方式のも
ののみならず、照明光学系によってマスク6を円弧状又
はスリット状の照明領域のもとで照明し、マスク6を保
持するマスクステージとウエハを保持する基板ステージ
とを露光中に移動させて、走査露光する方式のものであ
っても良い。
Further, as the exposure apparatus shown in FIG.
Not only the so-called step-and-repeat method in which the pattern on the mask 6 is collectively exposed in one shot area on the wafer 8, but the mask 6 is illuminated by an illumination optical system under an arc-shaped or slit-shaped illumination area. However, a method in which a mask stage holding the mask 6 and a substrate stage holding the wafer are moved during exposure to perform scanning exposure may be used.

【0079】[0079]

【効果】以上説明したように、本発明によれば、パルス
光の発光時間を疑似的に伸長することによって、単位時
間当たりのエネルギーを低減することができるので、光
学系の性能低下を回避することができる。特に、露光装
置では、レーザー照射による投影光学系の結像性能の低
下を回避して、微細パターンを良好に形成することがで
きる。したがって、この露光装置を用いて、良好なる半
導体デバイスを製造することができる。
As described above, according to the present invention, the energy per unit time can be reduced by artificially extending the emission time of pulsed light, so that the performance of the optical system can be prevented from deteriorating. be able to. Particularly, in the exposure apparatus, it is possible to satisfactorily form a fine pattern while avoiding the deterioration of the imaging performance of the projection optical system due to laser irradiation. Therefore, a good semiconductor device can be manufactured using this exposure apparatus.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のレーザー光源から射出されるパルス光の
エネルギーの時間変化を模式的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a temporal change in energy of pulsed light emitted from the laser light source of FIG.

【図3】時間的に重なり合わない複数の分割パルス光か
らなる合成パルス光のエネルギーの時間変化を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing a change over time in energy of combined pulsed light composed of a plurality of divided pulsed lights that do not overlap with each other in terms of time.

【図4】光路長差が半値パルス長に等しい場合の合成パ
ルス光のエネルギーの時間変化を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a change over time in energy of combined pulse light when the optical path length difference is equal to the half-value pulse length.

【図5】本発明の第2実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of a pulse width expansion optical system according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to a fourth example of the present invention.

【図8】本発明の第5実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to a fifth example of the present invention.

【図9】本発明の第6実施例にかかるパルス幅伸長光学
系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of a pulse width expansion optical system according to a sixth embodiment of the present invention.

【図10】図5の第2実施例において周回光学系を介す
る回数が大きい分割パルス光ほど発散角によるビームの
ぼけが大きく発生する様子を模式的に表わした図であ
る。
FIG. 10 is a diagram schematically showing how, in the second embodiment of FIG. 5, the larger the number of times of split pulse light passing through the circular optical system, the greater the blur of the beam due to the divergence angle.

【図11】第6実施例においてエキシマレーザー光源1
が射出するパルス光の対称性の良くないビーム断面形状
を示す図である。
FIG. 11 shows an excimer laser light source 1 in the sixth embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a beam cross-sectional shape with poor symmetry of the pulsed light emitted by the laser.

【図12】第6実施例において奇数番目のパルス光と偶
数番目のパルス光とが180度だけ回転して合成される
様子を模式的に示す図である。
FIG. 12 is a diagram schematically showing how odd-numbered pulse light and even-numbered pulse light are rotated by 180 degrees and combined in the sixth embodiment.

【図13】本発明の第7実施例にかかるパルス幅伸長光
学系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 13 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to a seventh example of the present invention.

【図14】本発明の第8実施例にかかるパルス幅伸長光
学系の構成を概略的に示す図である。
FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration of a pulse width expansion optical system according to an eighth example of the present invention.

【図15】本発明の第9実施例にかかるパルス幅伸長光
学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
FIG. 15 is a view schematically showing the arrangement of an exposure apparatus having a pulse width expansion optical system according to the ninth embodiment of the present invention.

【図16】パルスレーザー光源を備えた従来の露光装置
の構成を概略的に示す図である。
FIG. 16 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional exposure apparatus including a pulse laser light source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザー光源 2 ビーム整形光学系 3 フライアイレンズ 4 開口絞り 5 コンデンサーレンズ 6 マスク 7 投影光学系 8 ウエハ 9 ミラー 10 ハーフミラー 11〜14 ミラー 20 ハーフミラー 21〜24 ミラー 30、33 偏光ビームスプリッター 31、32 ミラー 41、51 1/2波長板 50 ハーフミラー 60 エキシマレーザー光源 61、62 ケプラー型リレー光学系 1 Laser Light Source 2 Beam Shaping Optical System 3 Fly Eye Lens 4 Aperture Stop 5 Condenser Lens 6 Mask 7 Projection Optical System 8 Wafer 9 Mirror 10 Half Mirror 11-14 Mirror 20 Half Mirror 21-24 Mirror 30, 33 Polarizing Beam Splitter 31, 32 mirror 41, 51 1/2 wavelength plate 50 half mirror 60 excimer laser light source 61, 62 Kepler type relay optical system

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 パルス光の発光時間を疑似的に伸長する
パルス幅伸長光学系において、 前記パルス光を複数の光路に沿って分割するための光分
割手段と、前記複数の光路に沿った分割パルス光を同一
の光路に沿って合成するための光合成手段とを備え、 前記同一の光路に沿って合成された合成パルス光の強度
が前記複数の光路に沿って分割される元のパルス光の強
度よりも実質的に小さくなるように、前記複数の光路は
互いに所定の光路長差を有することを特徴とするパルス
幅伸長光学系。
1. A pulse width expansion optical system for artificially expanding the light emission time of pulsed light, comprising: light splitting means for splitting the pulsed light along a plurality of optical paths; and splitting along the plurality of optical paths. And a light combining means for combining the pulsed light along the same optical path, and the intensity of the combined pulsed light combined along the same optical path is divided into the original pulsed light along the plurality of optical paths. The pulse width extension optical system, wherein the plurality of optical paths have a predetermined optical path length difference so as to be substantially smaller than the intensity.
【請求項2】 前記所定の光路長差は、前記元のパルス
光の発光時間内において発光強度がピーク強度の1/2
以上である時間と光速との積よりも大きいことを特徴と
する請求項1に記載のパルス幅伸長光学系。
2. The predetermined optical path length difference is such that the emission intensity is 1/2 of the peak intensity within the emission time of the original pulsed light.
The pulse width extension optical system according to claim 1, wherein the pulse width extension optical system is larger than the product of the above time and the speed of light.
【請求項3】 前記光分割手段により分割された少なく
とも1つの光路に、前記所定の光路長差を付与する光路
長差付与手段が設けられていることを特徴とする請求項
1または請求項2に記載のパルス幅伸長光学系。
3. The optical path length difference giving means for giving the predetermined optical path length difference is provided on at least one optical path split by the light splitting means. The pulse width extension optical system according to.
【請求項4】 前記複数の光路のうち少なくとも1つの
光路中には、前記光分割手段の分割面と前記光合成手段
の合成面とを実質的に共役に構成するためのリレー光学
系が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3の
いずれか1項に記載のパルス幅伸長光学系。
4. A relay optical system is provided in at least one optical path of the plurality of optical paths so as to configure the split surface of the light splitting means and the synthetic surface of the light combining means substantially in a conjugate manner. The pulse width expansion optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein
【請求項5】 前記複数の光路は2つの光路からなり、
前記光分割手段と前記光合成手段とは同一の光学素子で
あることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に
記載のパルス幅伸長光学系。
5. The plurality of optical paths comprises two optical paths,
The pulse width expansion optical system according to claim 1, wherein the light splitting means and the light combining means are the same optical element.
【請求項6】 パターンが形成されたマスクをほぼ均一
に照明するための照明光学系を備え、前記マスク上に形
成されたパターンの像を感光基板上に形成する露光装置
において、 前記照明光学系は、パルス発光する光源と、該光源から
のパルス光の発光時間を疑似的に伸長するためのパルス
幅伸長光学系とを備え、 前記パルス幅伸長光学系は、前記パルス光を複数の光路
に沿って分割するための光分割手段と、前記複数の光路
に沿った分割パルス光を同一の光路に沿って合成するた
めの光合成手段とを備え、前記同一の光路に沿って合成
された合成パルス光の強度が前記複数の光路に沿って分
割される元のパルス光の強度よりも実質的に小さくなる
ように、前記複数の光路は互いに所定の光路長差を有す
ることを特徴とする露光装置。
6. An exposure apparatus comprising an illumination optical system for illuminating a mask on which a pattern is formed substantially uniformly, wherein the exposure apparatus forms an image of the pattern formed on the mask on a photosensitive substrate. Includes a light source for pulsed light emission, and a pulse width extension optical system for artificially extending the emission time of the pulsed light from the light source, wherein the pulse width extension optical system directs the pulsed light to a plurality of optical paths. A light splitting means for splitting along the light paths, and a light synthesizing means for synthesizing split pulse lights along the plurality of light paths along the same light path, and a synthesized pulse synthesized along the same light path. The exposure apparatus is characterized in that the plurality of optical paths have a predetermined optical path length difference from each other so that the intensity of the light is substantially smaller than the intensity of the original pulsed light split along the plurality of optical paths. .
【請求項7】 前記照明光学系は、前記パルス幅伸長光
学系を介して形成された合成パルス光に基づいて多数の
光源像を形成するための多光源像形成手段と、該多光源
像形成手段により形成された多数の光源像からの光束を
集光して前記マスク上を重畳的に照明する集光光学系と
をさらに備えていることを特徴とする請求項6に記載の
露光装置。
7. The multi-light source image forming means for forming a large number of light source images on the basis of the combined pulsed light formed via the pulse width expansion optical system, and the multi-light source image forming means. 7. The exposure apparatus according to claim 6, further comprising a condensing optical system that condenses light beams from a large number of light source images formed by the means to illuminate the mask in a superimposed manner.
【請求項8】 前記光分割手段により分割された少なく
とも1つの光路に、前記所定の光路長差を付与する光路
長差付与手段が設けられていることを特徴とする請求項
6または請求項7に記載の露光装置。
8. The optical path length difference giving means for giving the predetermined optical path length difference is provided in at least one optical path divided by the light dividing means. The exposure apparatus according to.
【請求項9】 前記所定の光路長差は、前記元のパルス
光の発光時間内において発光強度がピーク強度の1/2
以上である時間と光速との積よりも大きいことを特徴と
する請求項6乃至8のいずれか1項に記載の露光装置。
9. The predetermined optical path length difference is such that the emission intensity is 1/2 of the peak intensity within the emission time of the original pulsed light.
9. The exposure apparatus according to claim 6, wherein the exposure apparatus is larger than the product of the above time and the speed of light.
【請求項10】 前記複数の光路のうち少なくとも1つ
の光路中には、前記光分割手段の分割面と前記光合成手
段の合成面とを光学的に共役に構成するためのリレー光
学系が設けられていることを特徴とする請求項6乃至9
のいずれか1項に記載の露光装置。
10. A relay optical system is provided in at least one optical path of the plurality of optical paths so as to optically configure a division surface of the light dividing means and a combining surface of the light combining means to be conjugate with each other. 10. The method according to claim 6, wherein
The exposure apparatus according to any one of the above items.
【請求項11】 前記複数の光路は2つの光路からな
り、前記光分割手段と前記光合成手段とは同一の光学素
子であることを特徴とする請求項6乃至10のいずれか
1項に記載の露光装置。
11. The optical path according to claim 6, wherein the plurality of optical paths include two optical paths, and the light splitting means and the light combining means are the same optical element. Exposure equipment.
【請求項12】 前記多光源像形成手段は、前記照明光
学系の光軸に沿って並列配置された多数のレンズエレメ
ントからなるフライアイレンズであり、 前記フライアイレンズの入射面と前記光合成手段の合成
面とが実質的に共役に位置決めされていることを特徴と
する請求項7乃至11のいずれか1項に記載の露光装
置。
12. The multi-light source image forming means is a fly-eye lens including a plurality of lens elements arranged in parallel along an optical axis of the illumination optical system, and an incident surface of the fly-eye lens and the light combining means. The exposure apparatus according to any one of claims 7 to 11, characterized in that the exposure surface is positioned substantially conjugate with the composite surface.
【請求項13】 請求項6乃至請求項12のいずれか1
項に記載した露光装置を用いて、前記マスク上に形成さ
れたパターンを感光性基板に露光する工程を含む、こと
を特徴とする半導体デバイスの製造方法。
13. The method according to any one of claims 6 to 12.
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of exposing the pattern formed on the mask to a photosensitive substrate using the exposure apparatus described in the item.
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