JP2001094185A - 超狭帯域化フッ素レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダメージの生じ難い光学素子を用いてレーザ
共振器を構成することにより、１ラインのみで発振し、
しかもそのラインの波長幅を約０．２ｐｍ程度に狭帯域
化することができる超狭帯域化フッ素レーザ装置を提供
する。 【解決手段】 全反射鏡１０と出力鏡エタロン１１とで
レーザ共振器が構成されている。頂角αが３３度のノー
コートプリズム１３ａ、１３ｂを２個用いた出力鏡エタ
ロン１１は、ノーコートプリズム１３ａへのレーザ光の
入射角がブリュースタ角となるように配置されているの
で、１５７．６２９９ｎｍの波長の発振線のみで発振さ
せることができる。出力鏡エタロン１１は、２個のノー
コートプリズム１３ａ、１３ｂ間の平行なギャップによ
ってエタロンの機能を有すると共に、出力鏡としての機
能も有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フッ素レーザのレ
ーザ光を発振するレーザチャンバを備え、該レーザチャ
ンバからのレーザ光を狭帯域化して、露光装置へ露光光
源として供給する超狭帯域化フッ素レーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】リソグラフィ用の露光機に要求される性
能としては、解像度、アライメント精度、処理能力、装
置信頼性など種々のものが存在する。その中でも、パタ
ーンの微細化に直接つながる解像度Ｒは、Ｒ＝ｋ・λ／
ＮＡ（ｋ：定数、λ：露光波長、ＮＡ：投影レンズの開
口数）によって表される。従って良好な解像度を得るた
めには、露光波長λが短い程有利になる。

【０００３】そこで、従来の露光機においては、水銀ラ
ンプのｉ線（波長：３６５ｎｍ）や、波長が２４８ｎｍ
のクリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザが露光機
光源として利用されている。これらはそれぞれｉ線露光
機及びＫｒＦ露光機と呼ばれており、これらｉ線露光機
及びＫｒＦ露光機で用いられている投影光学系として
は、石英ガラスから成るレンズを多数組み合わせた縮小
投影レンズが広く用いられている。

【０００４】また微細な加工を行うための次世代露光機
として、波長が１９３ｎｍのアルゴンフッ素（ＡｒＦ）
エキシマレーザを露光光源に用いた露光機が用いられ始
めており、これはＡｒＦ露光機と呼ばれる。ＡｒＦ露光
機では、波長幅が約０．６ｐｍまで狭帯域化されたＡｒ
Ｆエキシマレーザが用いられており、また縮小投影光学
系には、二種類の材質から成る色消しレンズが用いられ
ている。

【０００５】なお、エキシマレーザ装置としては、特開
平１１−８４３１号公報に記載された装置が知られてい
る。この公報に記載されたレーザ装置は、グレーティン
グを用いたライン狭めモジュールによってＫｒＦレーザ
のライン幅を減少（狭帯域化）させ、出力カップラ（出
力鏡に相当）としてのエタロンによって、そのライン幅
をさらに狭帯域化するようにしたものである。

【０００６】更に上述したＡｒＦ露光機の次世代のリソ
グラフィ用露光機としては、光源に波長が約１５７ｎｍ
のフッ素レーザを用いたフッ素露光機が検討されてい
る。

【０００７】このフッ素レーザでは、波長と光強度が異
なる２本の発振線（発振ラインとも呼ばれる）があり、
波長はそれぞれ１５７．５２３３ｎｍと１５７．６２９
９ｎｍであり、各々の発振線の波長幅は１〜２ｐｍ程度
であると言われている。

【０００８】そのフッ素レーザを露光に利用するには、
一般に強度の大きい波長（１５７．６２９９ｎｍ）のラ
インのみ１本を選択して用いる（以下、１ライン化とい
う）のが有利とされており、従来においては、その１ラ
イン化には、プリズムが１〜２個用いられている。

【０００９】また、フッ素レーザを発振するレーザ装置
においても、エキシマレーザ装置同様に、全反射鏡と出
力鏡とから構成される共振器が備えられている。そし
て、一般に、フッ素レーザは、エキシマレーザよりもゲ
インが高いので、出力鏡の最適反射率は、エキシマレー
ザの場合の２０％前後よりも低くなることが知られてい
る。

【００１０】そこで、一般的には、ノーコートのフッ化
カルシウム板かフッ化マグネシウム板が出力鏡として用
いられている。これらの反射率は、基板の表面と裏面と
でそれぞれ４〜５％の反射率を有するため、両方合わせ
て８〜１０％の反射率になっている。

【００１１】なお、フッ素レーザの出力鏡の反射率依存
性に関しては、例えば、放電研究、第１３７巻、第６６
頁において示されている。これによると、部分反射膜を
コーティングした出力鏡では、反射率を上げる程、レー
ザ出力が低下することが示されている。

【００１２】また、フッ素レーザの２ライン化に関して
は、例えば、「ＣＡＮ．Ｊ．ＰＨＹＳ．ＶＯＬ．６３，
１９８５，ｐｐ２１７−２１８」に記載されている。

【００１３】また、フッ素レーザの１ライン化に関して
は、例えば、「ＳＰＩＥ、２４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｌｉｏ
ｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｆｅｂ．１９９９．」において実
験結果が報告されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
フッ素露光機では、それまで（すなわちＡｒＦ露光機ま
で）の露光機で一般に用いられてきたレンズのみによる
屈折型の縮小投影光学系が適用困難になる。

【００１５】その理由としては、波長が１５７ｎｍで
は、石英ガラスにおける透過率が極めて低くなり、フッ
化カルシウム等のごく限られた材質しか利用できなくな
る。

【００１６】そのため、フッ化カルシウムのみによる単
色レンズを用いて縮小投影レンズを構成した場合には、
フッ素レーザを１ライン化しても狭帯域化は不十分であ
る。そこで実際にはその１ラインに対して、さらにその
１／５程度の波長幅（約０．２ｐｍ）まで狭帯域化（以
下、超狭帯域化という）する必要があると言われてい
る。

【００１７】しかし従来においては、フッ素レーザの１
ラインを超狭帯域化することが困難であったことから、
縮小投影光学系として、レンズのみによる全屈折型光学
系よりも１０倍広い波長幅で利用できるとされている反
射屈折型縮小投影光学系（カタディオプトリク型とも呼
ばれる）を適用する必要があると考えられていた。

【００１８】なお従来、フッ素レーザにおいて、１ライ
ン化されたレーザ光を、例えばエタロンを用いて超狭帯
域化することは、下記の理由から困難であった。

【００１９】一般に、エタロンに部分反射膜を施す必要
があるが、フッ素レーザにおける１５７ｎｍの波長にお
いては、耐光強度の高い部分反射膜を施すことが困難で
あった。

【００２０】すなわち、波長が１５７ｎｍの真空紫外域
では、多くの光学材における光の吸収率が高いため、こ
の光学材におけるレーザ光の吸収による温度上昇によ
り、部分反射膜にダメージが生じ易くなるからである。

【００２１】しかもフッ素レーザでは、パルス幅が５〜
１０ｎｓであり、エキシマレーザの半分程度と短いこと
から、パルスレーザ光のピークパワーが高い。したがっ
て部分反射膜を構成する誘電体多層膜（コーティング
材）においてダメージが生じ易くなる。

【００２２】そこで、本発明の課題は、ダメージの生じ
難い光学素子を用いてレーザ共振器を構成することによ
り、１ラインのみで発振し、しかもそのラインの波長幅
を約０．２ｐｍ程度に狭帯域化することができる超狭帯
域化フッ素レーザ装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段、作用および効果】上記課
題を達成するため、第１の発明は、フッ素レーザのレー
ザ光を発振するレーザチャンバを備え、該レーザチャン
バからのレーザ光を狭帯域化して、露光装置へ露光光源
として供給する超狭帯域化フッ素レーザ装置において、
前記フッ素レーザにおける波長と光強度の異なる２つの
発振線のうちの予め設定される波長の発振線を有するレ
ーザ光を出射させるべく、頂角が所定の角度を有するウ
エッジ板であって、且つ反射膜のコーティング処理が施
されていない少なくとも２つのプリズムで形成されたエ
タロンを備え、該エタロンが出力鏡として前記レーザチ
ャンバの出力側に配置されていることを特徴とする。

【００２４】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記プリズムは、頂角が２６度以上の角度をもって
形成されたウエッジ板であることを特徴とする。

【００２５】また、第３の発明は、第１の発明又は第２
の発明において、前記プリズムは、頂角が３３度の角度
をもって形成されたウエッジ板であることを特徴とす
る。

【００２６】上記第１の発明乃至第３の発明を図１及び
図５を参照して説明する。

【００２７】図１に示すように、出力鏡エタロン１１
は、２枚のノーコートプリズム（部分反射膜のコーティ
ングが施されていないプリズム）１３ａ、１３ｂで構成
されており、これら２つのプリズム間の平行なギャップ
によってエタロンの機能を有すると共に、出力鏡として
の機能も有する。

【００２８】また、出力鏡エタロン１１の２つのプリズ
ム１３ａ、１３ｂは、フッ素レーザにおける波長と光強
度の異なる２つの発振線のうちの予め設定される波長の
発振線（１５７．６２９９ｎｍの波長を持つ光強度の強
い発振線）を有するレーザ光を出射させるべく、頂角が
所定の角度をもって形成されたウエッジ板になってい
る。

【００２９】スリット１４は、フッ素レーザにおいて、
波長が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有するレーザ光
のみを出力鏡エタロン１１へ出射させ、一方、波長が１
５７．５２３３ｎｍの発振線を有するレーザ光を遮光す
るために用いられる。

【００３０】ところで、ビーム半径をａ（単位：ｍ
ｍ）、レーザ共振器長（ノーコートプリズム１３ａと全
反射鏡１０との距離）をＬ（単位：ｍ）とすると、フレ
ネル数ＮはＮ＝ａ＾２／（Ｌλ）で表される。この数式
に、フレネル数Ｎ＝０．４、選択波長λ＝１５７ｎｍ、
レーザ共振器長Ｌ＝２ｍの各値を代入して演算すると、
ビーム半径ａ≧０．３５ｍｍとなる。

【００３１】従って、ビーム幅としては０．７ｍｍ以上
でないとレーザ発振しないことになる。すなわち、不所
望のラインの発振をプリズムを用いて抑制するには、レ
ーザ共振器間を１往復するレーザ光がズレる長さＸを約
０．７ｍｍ以上にすれば良いことになる。

【００３２】従って、図５に示すズレ量とプリズムの頂
角との関係を表す特性から分かるように、頂角αが約２
６度以上のプリズムを用いれば、１ラインのみで発振す
ることになる。

【００３３】すなわち、フッ素レーザにおいて、波長が
１５７．６２９９ｎｍの発振線を有するレーザ光のみが
スリット１４を通過して出力鏡エタロン１１に入射し、
一方、波長が１５７．５２３３ｎｍの発振線を有するレ
ーザ光がスリット１４により遮光されることにより、波
長が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有するレーザ光の
みが出力鏡エタロン１１のノーコートプリズム１３ａと
全反射鏡１０との間で共振されて、狭帯域化されること
になる。

【００３４】特に頂角αとして約３３度のプリズムを用
いると、入射角θは約５７度になり、この入射角度はフ
ッ化カルシウムを母材とした基板のブリュースタ角にな
ることから、プリズム表面での反射損失を抑制すること
ができ、しかも効率良くレーザ発振できる。

【００３５】したがって、頂角αが３３度のプリズムを
用いた出力鏡エタロン１１は、ノーコートプリズム１３
ａへのレーザ光の入射角がブリュースタ角となるように
配置されている。このため、１５７．６２９９ｎｍの波
長の発振線で発振するようになる。

【００３６】以上説明したように、第１の発明乃至第３
の発明によれば、出力鏡としてのエタロンを構成するプ
リズムは、フッ素レーザにおける波長と光強度の異なる
２つの発振線のうちの予め設定される波長の発振線（強
い光強度の発振線）を有するレーザ光を出射させるべ
く、２６度以上の角度（好ましくは３３度の角度）をも
って形成されたウエッジ板であるので、１５７．６２９
９ｎｍの波長の発振線のみでレーザ発振させ、且つレー
ザ光を狭帯域化させることができる。

【００３７】また、第４の発明は、フッ素レーザのレー
ザ光を発振するレーザチャンバを備え、該レーザチャン
バからのレーザ光を狭帯域化して、露光装置へ露光光源
として供給する超狭帯域化フッ素レーザ装置において、
エタロンが前記レーザチャンバの出力側に配置される出
力鏡として設けられ、前記エタロンは、フッ化カルシウ
ムで形成された２枚の基板で構成され、かつ該２枚の基
板における向かい合う各々の内面にフッ化マグネシウム
がコーティングされていることを特徴とする。

【００３８】上記第４の発明を図６及び図７を参照して
説明する。

【００３９】図６に示すように、出力鏡エタロン１５は
フッ化カルシウム（ＣａＦ２）から成る２つの基板１６
ａ、１６ｂで構成されるエアギャップエタロンである。
これら基板１６ａと基板１６ｂとの間には所定のギャッ
プ長とすべく３本のスペーサが介在されている（図６で
は、２本のスペーサ１７ａ、１７ｂを示し、残りの１本
のスペーサは省略している）。

【００４０】出力鏡エタロン１５では、基板１６ａ、１
６ｂの内側の研磨面に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ
２）の膜１８ａ、１８ｂがコーティングされており、こ
れらコーティング膜の厚さは波長の１／４になってい
る。

【００４１】波長１５７．６ｎｍにおいては、フッ化カ
ルシウムの屈折率は約１．５５８であり、フッ化マグネ
シウムは約１．４６４であることが知られている。

【００４２】そこで、基板（フッ化カルシウム）の屈折
率よりも低い値の屈折率を有するフッ化マグネシウム
を、この基板にコーティングすることにより、減反射コ
ーティングとして機能する。そして、このような基板に
おいては、コーティング膜の厚さが波長の１／４である
ため、最も反射率が低くなる。

【００４３】その反射率Ｒｓは約２．５％となり、ま
た、出力鏡エタロン１５全体としての最大の反射率ＲＭ
ＡＸは、ＲＭＡＸ＝１−｛（１−Ｒｓ）／（１＋Ｒ
ｓ）｝＾２の数式にＲｓ＝２．５％を代入して演算する
ことにより得られる値、つまり約９．５％になる。

【００４４】したがって、出力鏡エタロン１５を用いる
ことで、広く知られているように、一般的なフッ素レー
ザ装置の出力鏡の最適反射率（８〜１０％）と同等にな
ることから、狭帯域化されるだけでなく、効率よくレー
ザ発振させることができる。

【００４５】すなわち、図７に示した出力鏡エタロン１
５の反射率特性から分かるように、実線で示される波長
依存性を有する反射率カーブの極大値が約９．５％にな
っている。

【００４６】以上説明したように、第４の発明によれ
ば、出力鏡としてのエタロンの最大反射率を、フッ素レ
ーザにおける出力鏡の最適な反射率である８〜１０％の
範囲内に抑制することができ、よってレーザ光を狭帯域
化させつつ、効率よくレーザ発振させることができる。

【００４７】さらに、第５の発明は、フッ素レーザのレ
ーザ光を発振するレーザチャンバを備え、該レーザチャ
ンバからのレーザ光を狭帯域化して、露光装置へ露光光
源として供給する超狭帯域化フッ素レーザ装置におい
て、エタロンが前記レーザチャンバの出力側に配置され
る出力鏡として設けられ、前記エタロンは、前記フッ素
レーザにおける波長と光強度の異なる２つの発振線のう
ち、光強度の強い発振線の中心波長が自己のエタロンの
反射率の極大近傍に位置するときに、当該強い発振線よ
りも光強度が弱い発振線の中心波長が自己のエタロンの
反射率の極小近傍に位置すべく、隣接する極大または極
小の反射率での選択波長の差の値を有する周期的波長選
択素子で形成されていることを特徴とする。

【００４８】次に、上記第５の発明を図８及び図９を参
照して説明する。

【００４９】図８に示す出力鏡エタロン４０における周
期的波長の波調差ＦＳＲは、波長をλ（単位：ｎｍ）、
媒体（空気中）の屈折率をｎ、２つのプリズムのギャッ
プ間隔をｄ（単位：ｍｍ）とした場合、ＦＳＲ＝λ＾２
／（２ｎｄ）で表される。

【００５０】ここで、出力鏡エタロン４０においてはギ
ャップ間ｄ＝１２．３ｍｍに設定されているので、フッ
素レーザの波長λ＝１５７ｎｍ、空気中の屈折率ｎ≒１
とした場合に、ＦＳＲ＝λ＾２／（２ｎｄ）にこれらの
値を代入して演算すると、出力鏡エタロン２０における
２つの選択波長の波長差（ＦＳＲ）は約１．０１ｐｍに
なる。

【００５１】したがって、図９に示すように、２ライン
の波長差１０６．６ｐｍをＦＳＲで割った値は、１０
６．６／１．０１＝１０５．５となる。

【００５２】このように、２本の発振線の波長差１０
６．６ｐｍをＦＳＲで割った値の小数部が約０．５にな
るようなＦＳＲのエタロンを用いれば良い。

【００５３】これにより、波長１５７．６２９９ｎｍの
強い発振線で発振するように、この発振線の中心波長を
反射率の極大値に合わせると、波長１５７．５２３３ｎ
ｍの弱い発振線では、この発振線の中心波長が反射率の
極小値に位置することから、発振が抑制される。

【００５４】以上説明したように、第５の発明によれ
ば、波長１５７．６２９９ｎｍの強い発振線の中心波長
が反射率の極大値に位置するときに、波長１５７．５２
３３ｎｍの弱い発振線の中心波長が反射率の極小値に位
置するので、当該強い発振線のみでレーザ発振させるこ
とができ、しかも当該弱い発振線でのレーザ発振を抑制
することができる。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。

【００５６】図１は本実施形態に係る超狭帯域化フッ素
レーザ装置１００の構成を示す構成図である。

【００５７】本実施形態においては、全反射鏡と出力鏡
とで構成されるレーザ共振器における出力鏡としてエタ
ロンを用いる点と、このエタロンを構成する光学素子
（プリズム）は、頂角が２６度以上の角度（好ましくは
３３度の角度）で且つ部分反射膜のコーティング処理が
施されていないウエッジ板で形成されている点とが、本
発明の特徴とする部分である。

【００５８】また、本実施形態では、フッ素レーザにお
いては、出力鏡としての光学素子での反射率が約１０
（８〜１０）％程度あれば、フィードバックが掛かりレ
ーザ発振するという、フッ素レーザの特性を十分に認識
した上で、出力鏡としてのエタロンを実現したものであ
る。

【００５９】さて、図１に示すように、超狭帯域化フッ
素レーザ装置１００では、全反射鏡１０と出力鏡エタロ
ン１１とでレーザ共振器が構成されており、そのレーザ
共振器間にレーザチャンバ１２が配置されている。

【００６０】出力鏡エタロン１１は、２個のノーコート
プリズム（部分反射膜のコーティングが施されていない
プリズム）１３ａ、１３ｂで構成されており、これら２
つのプリズム間の平行なギャップによってエタロンの機
能を有すると共に、出力鏡としての機能も有する。

【００６１】これら２つのノーコートプリズム１３ａ、
１３ｂの間には、所定のギャップ長とすべくスペーサが
介在されている。このスペーサによりこれらのスペーサ
の間隔が一定に維持されるようになっている。

【００６２】また、出力鏡エタロン１１の２つのノーコ
ートプリズム１３ａ、１３ｂは、フッ素レーザにおける
波長と光強度の異なる２つの発振線のうちの予め設定さ
れる波長の発振線（１５７．６２９９ｎｍの波長を持つ
光強度の強い発振線）を有するレーザ光を出射させるべ
く、頂角が所定の角度をもって形成されたウエッジ板に
なっている。

【００６３】レーザチャンバ１２と出力鏡エタロン１１
との間にはスリット１４が配置されており、このスリッ
ト１４は、詳細については後述するが、フッ素レーザに
おいて、波長が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有する
レーザ光のみを出力鏡エタロン１１へ通過させ、一方、
波長が１５７．５２３３ｎｍの発振線を有するレーザ光
を遮光するために用いられる。

【００６４】係る構成の超狭帯域化フッ素レーザ装置１
００においては、レーザチャンバ１２から発振されたレ
ーザ光が、全反射鏡１０に当たり全反射されて、再度、
レーザチャンバ１２に戻りここを通過して出力鏡エタロ
ン１１に入射すると、詳細については後述するが全反射
鏡１０と出力鏡エタロン１１との間で、スリット１４を
通過した波長が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有する
レーザ光の共振が発生して狭帯域化され、さらに１ライ
ン化される。

【００６５】このため、出力鏡エタロン１１からは、１
ライン化され狭帯域化されたレーザ光Ｌ１０、つまり波
長が１５７．６２９９ｎｍの発振線で、波長幅が約０．
２ｐｍのレーザ光が出射される。

【００６６】次に、本発明の特徴である出力鏡エタロン
１１について詳細に説明する。

【００６７】一般にガラスにおけるノーコート（無コー
ティング）の面では、表面でフレネル反射と呼ばれるよ
うに、垂直入射の場合、４〜５％の反射がある。そこ
で、２個のノーコートプリズム１３ａ、１３ｂから構成
される出力鏡エタロン１１では、図２に示すように、反
射率が０〜１７％の間で周期的に変化する。これによっ
て反射率が高いところで、フィードバックが掛かり、選
択的にレーザ発振させることができる。

【００６８】ここで、出力鏡エタロン１１の特徴につい
て図３を参照して説明する。図３にに示す様に、出力鏡
であるエタロンを構成するノーコートプリズム１３ａの
頂角α（単位：度）、ノーコートプリズム１３ａと全反
射鏡１０との距離をＬ（単位：ｍ）、ノーコートプリズ
ム１３ａへのレーザ光の入射角度をθ（単位：度）、ノ
ーコートプリズム１３ａを構成する母材の屈折率をｎと
すると、ノーコートプリズム１３ａから全反射鏡１０へ
進んだ選択波長λ１のレーザ光が、元のノーコートプリ
ズム１３ａの同一地点へ戻る場合、選択しない波長λ２
のレーザ光に関しては、全反射鏡１０で反射してノーコ
ートプリズム１３ａに戻る位置は、下記の数式（１）に
示される値「Ｘ」（単位：ｍｍ）だけズレることにな
る。

【００６９】 Ｘ＝２Ｌ＊（Ｓｉｎα／Ｃｏｓθ）＊（ｄｎ／ｄλ）＊Δλ ・・・（１） ただし、ｄｎ／ｄλは屈折率の波長分散を表し、Δλは
２本のライン（発振線）の波長λ１と波長λ２との差を
表す。

【００７０】一方、フッ素レーザの利得は、一般に１５
％／ｃｍであると言われており、放電長をＺ（単位：
ｍ）とすると、レーザ発振が開始される条件は、レーザ
共振器間を一往復した光の強度が１００％を越える場合
であるため、全反射鏡１０の反射率を１００％と仮定す
ると、レーザ発振開始条件は下記の数式（２）で表され
る。

【００７１】 １５＊Ｚ＊２（１−Ｄ／１００）＾２＊Ｒ＝１００（％） ・・・（２） 但し、Ｒは出力鏡の反射率であり、Ｄは回折損失であ
り、＾はべき剰である。

【００７２】ところで、一般的なフッ素レーザでは、放
電長は約１ｍであり、出力鏡の反射率は約８％（これ
は、ノーコートの基板を用いた一般的なフッ素レーザの
場合の表面と裏面のフレネル反射の和である）であるた
め、上記数式（２）より、回折損失Ｄとしては３５％以
下にしないと、ＴＥＭ００モードでレーザ発振しないこ
とになる。なお、ＴＥＭ００モードとは、レーザ光のビ
ーム質を左右するモードにおける最も基本的なモードの
ことである。

【００７３】そのとき、フレネル数Ｎは、図４に示す回
折損失とフレネル数との関係を表した特性より、約０．
４となる。

【００７４】ここで、ビーム半径をａ（単位：ｍｍ）、
レーザ共振器長（ノーコートプリズム１３ａと全反射鏡
１０との距離）をＬ（単位：ｍ）とすると、フレネル数
Ｎは下記の数式（３）で表される。

【００７５】 Ｎ＝ａ＾２／（Ｌλ） ・・・（３） ただし、λはノーコートプリズム１３ａから全反射鏡１
０へ進んだ選択波長（単位：ｎｍ）を表し、＾はべき剰
を表す。

【００７６】ここで、レーザ共振器長Ｌ＝２ｍとした場
合に、上記数式（３）に各値を代入して演算すると、ビ
ーム半径ａ≧０．３５ｍｍとなる。従って、ビーム幅と
しては０．７ｍｍ以上でないとレーザ発振しないことに
なる。

【００７７】すなわち、不所望のラインの発振をプリズ
ムを用いて抑制するには、レーザ共振器間を１往復する
レーザ光がズレる長さＸを約０．７ｍｍ以上にすれば良
い。

【００７８】従って、図５に示すズレ量とプリズムの頂
角との関係を表す特性から分かるように、頂角αが約２
６度以上のプリズムを用いれば、１ラインのみで発振す
ることになる。

【００７９】すなわち、フッ素レーザにおいて、波長λ
１が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有するレーザ光の
みがスリット１４を通過して出力鏡エタロン１１に入射
し、一方、波長λ２が１５７．５２３３ｎｍの発振線を
有するレーザ光がスリット１４により遮光されるこによ
り、波長λ１が１５７．６２９９ｎｍの発振線を有する
レーザ光のみが出力鏡エタロン１１のノーコートプリズ
ム１３ａと全反射鏡１０との間で共振されて、狭帯域化
されることになる。

【００８０】特に頂角αとして約３３度のプリズムを用
いると、入射角θは約５７度になり、この入射角度はフ
ッ化カルシウムを母材とした基板のブリュースタ角にな
ることから、プリズム表面での反射損失を抑制すること
ができ、しかも効率良くレーザ発振できる。

【００８１】したがって、本実施形態においては、頂角
αが３３度のノーコートプリズムが用いられ、このノー
コートプリズムを用いた出力鏡エタロン１１は、図１に
示したように、ノーコートプリズム１３ａへのレーザ光
の入射角がブリュースタ角θBとなるように配置されて
いる。このため、１５７．６２９９ｎｍの波長λ１の発
振線のみで発振されるようになる。

【００８２】このように、本実施形態においては、ノー
コートの基板を合わせた面をエタロンとする出力鏡にお
いて、反射率が約８％以上になれば十分発振し、反射率
がより高い波長で先に発振が開始されることから、その
波長でレーザ発振が集中し、波長の狭帯域化が起こる。

【００８３】しかも、レーザ共振器内のレーザ光が入射
する面では、大きな角度（ブリュースタ角）で入射する
ようになるため、反射率が低くなり、損失が低減され
る。

【００８４】さらに、レーザが共振する区間は、全反射
鏡１０と出力鏡エタロン１１におけるノーコートプリズ
ム１３ａのノーコートプリズム１３ｂと対面している表
面（図１の下側の表面）であることから、出力鏡エタロ
ン１１を構成する２個のプリズムのうち、１個のプリズ
ム１３ａがレーザ共振器内部に配置されることになる。

【００８５】したがって、これはプリズムによる波長分
散の効果も合わせ持つことになり、フッ素レーザを１ラ
イン化するための新たなプリズムを用いなくとも１ライ
ン化の作用が生じる。すなわち、２本の発振線のうち、
強い１本の発振線のみでレーザ発振させることができ
る。

【００８６】なお、特に確実に１ライン化させるため
に、出力鏡エタロン１１を構成するプリズム１３ａ、１
３ｂの頂角として２０度以上の角度、好ましくは３３度
のものを用いたものである。これにより、選択しないも
う一方のライン（発振線）におけるレーザ発振を抑制す
ることができる。

【００８７】ところで、従来においては、フッ素レーザ
における出力鏡としては、ノーコートの平行平板が用い
られていた。その理由としては、部分反射コーティング
がダメージを生じ易いだけでなく、４〜５％のフレネル
反射が平行平板の表面と裏面との２面において生じるた
め、出力鏡としての反射率が８〜１０％になるからであ
る。

【００８８】すなわち、フッ素レーザでは、出力鏡にお
いて一般に約１０％の反射率があると、フィードバック
が掛かり、効率良くレーザ発振することでがきる。

【００８９】そこで、本発明においても、このようなフ
ッ素レーザの特性を十分に認識した上で、上述したよう
な出力鏡エタロン１１を用いるようにしている。

【００９０】すなわち、出力鏡エタロン１１において
は、部分反射膜が用いられていないので、ダメージが生
じる可能性は極めて低くなっている。ただし、エタロン
を形成するプリズム面での反射率は５％弱と低いことか
ら、エタロンの反射特性は、図２に示したように、最高
の反射率でも約１７％と、エキシマレーザ等における最
適な反射率２０〜３０％に比べると低い。

【００９１】しかし上述したように、フッ素レーザでは
約１０％の反射があると、フィードバックが掛かり、効
率良くレーザ発振することから、出力鏡エタロン１１を
用いても十分レーザ発振し、しかも反射率が高い波長か
ら先にレーザ発振が開始され、一度発振すると、その波
長でレーザ発振が集中するため、狭帯域化されることに
なる。

【００９２】なお、この実施形態において、出力鏡エタ
ロン１１における２つのノーコートプリズム１３ａ、１
３ｂの間隔が所定のギャップ長とすべくスペーサにより
固定される形態を示したが、これに限定されることな
く、２つのノーコートプリズム１３ａ、１３ｂの間に圧
電素子を介在させ、これらのプリズム間隔を、所定のギ
ャップ長とすべく、圧電素子への印加電圧を調整するこ
とで可変するようにしても良い。

【００９３】これによって、圧電素子への印可電圧を調
整することで、ギャップ長の変化に伴って可変する選択
波長を調整することが可能になる。

【００９４】また、この実施形態において、出力鏡エタ
ロンを、レーザ光を取り出すための出力鏡として利用し
ているが、これに限定されることなく、この出力鏡エタ
ロンを全反射鏡側にも利用して、レーザ光を２つの方向
から取り出すように構成しても良い。またこの場合、い
ずれか一方の出力鏡エタロン（周期的波長選択素子）の
選択波長の波長差ＦＳＲ（Free Spectrum Range＝自由
スペクトル範囲）を狭くしても良い。

【００９５】係る構成によれば、レーザ共振器の両端が
出力鏡エタロンになることで、この共振器間にエタロン
が２個配置されるようになるため、狭帯域化の効果が２
倍になり、一層狭い波長のレーザ光を発生させることが
できる。

【００９６】なお、上述したようにレーザ共振器間にエ
タロンが２個配置される構成の場合には、２本のビーム
としてレーザ光が取り出されるが、この場合は、これら
のレーザ光を平行に合わせて露光機本体に導けばよい。
つまり、露光機本体では、一般にビーム強度分布を均一
化する光学系が含まれるため、たとえ元が２本のビーム
であっても、均一な強度分布の１本のビームになるた
め、露光に際しては全く問題はない。

【００９７】しかし、これに対して、例えば、レーザ光
１点に集光するような用途において、２本の平行なビー
ムを用いると、集光点は２つに分かれてしまうため好ま
しくはない。ところが、この超狭帯域化フッ素レーザ装
置は特に露光光源として利用されることから、２本のビ
ームとしてレーザ光を発生させても構わない。

【００９８】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、頂角αが３３度のノーコートプリズムを２個用いた
出力鏡エタロン１１は、ノーコートプリズム１３ａへの
レーザ光の入射角がブリュースタ角となるように配置さ
れているので、１５７．６２９９ｎｍの波長の発振線の
みで発振させることができる。

【００９９】また、出力鏡エタロン１１の構成要素とし
てのプリズムは、部分反射膜がコーティングされていな
いので、ダメージが生じ難く、よってフッ素レーザの１
ラインをダメージの生じ難い光学素子（エタロン）を用
いて、波長幅を約０．２ｐｍ程度まで狭帯域化すること
ができ、しかも、プリズムを新たに用いずに１ライン化
も達成することができる。

【０１００】［第２の実施の形態］図６は、第２の実施
形態に係る超狭帯域化フッ素レーザ装置における出力鏡
エタロン１５の構成を示す構成図である。

【０１０１】この実施形態の出力鏡エタロン１５を用い
た超狭帯域化フッ素レーザ装置は、図１に示した超狭帯
域化フッ素レーザ装置１００の構成において、出力鏡エ
タロン１１を削除し、出力鏡エタロン１５を追加した構
成になている。なお、図６においては出力鏡エタロン１
５のみを示している。

【０１０２】本実施形態は、出力鏡エタロンの最大反射
率を、フッ素レーザにおける出力鏡の最適な反射率であ
る８〜１０％の範囲内に抑制して、レーザ光を狭帯域化
させると共に、第１の実施形態の超狭帯域化フッ素レー
ザ装置１００と比較して、効率よくレーザ発振させるよ
うにしたものである。

【０１０３】次に、出力鏡エタロンの最大反射率を８〜
１０％の反射率の範囲内に抑制できる原理について説明
する。

【０１０４】出力鏡エタロン１１の反射率は、図２に示
したように、波長（相対波長）に対して周期的に変化す
るが、反射率の最大値ＲＭＡＸは、エタロンを構成する
２枚の基板の向かい合った面の反射率をＲｓとすると、
数式（４）で表される。

【０１０５】 ＲＭＡＸ＝１−｛（１−Ｒｓ）／（１＋Ｒｓ）｝＾２ ・・・（４ ） ただし、＾はべき剰を表す。

【０１０６】このＲＭＡＸは、一般のエタロンにおける
広く知られる透過率Ｔを表わした下記の数式（５）にお
ける極小値を、「１．０」から差し引いた値である。

【０１０７】 Ｔ＝（１−Ｒ）＾２／｛（１−Ｒ）＾２＋４Ｒｓｉｎ＾２（δ／２）｝ ・・・（５） ただし、Ｒはエタロン内面の反射率を表し、δはエタロ
ンの間隔と波長とで定まる位相差を表し、＾はべき剰を
表す。

【０１０８】上記数式（５）これによると、フッ素レー
ザの波長１５７．６ｎｍにおいて高い透過率を有するフ
ッ化カルシウムを２枚の基板として出力鏡エタロンを構
成すると、波長１５７．６ｎｍにおけるフレネル反射
（表面反射）は約４．７％である。したがって出力鏡エ
タロンの最大反射率ＲMAXは約１７％になる。

【０１０９】そこで、本実施形態では、波長を超狭帯域
化させたまま、レーザ出力を向上させるために、出力鏡
エタロン１５を構成する２枚の基板の向かい合う内面
に、フッ化マグネシウムをコーティングし、これによっ
て、ノーコートのフッ化カルシウムから成る光学材を用
いた出力鏡エタロン１１に比べて、最大反射率を約９．
５％まで下げることができる。

【０１１０】次に、最大反射率を約１７％から約９．５
％まで下げることのできる根拠について説明する。

【０１１１】フッ化カルシウムから成る光学材にフッ化
マグネシウムをコーティングする場合、フッ化カルシウ
ムの屈折率をｎ１（=１．５５８：フッ化カルシウムに
おける波長約１５８ｎｍでの屈折率）、フッ化マグネシ
ウムの屈折率をｎ２（=１．４６４：フッ化マグネシウ
ムにおける波長約１５８ｎｍでの屈折率）とすると、ｎ
１＞ｎ２であるため、これはいわゆる減反射コーティン
グ（以下、ＡＲコーティングという）になる。

【０１１２】このＡＲコーティングを施した場合の反射
率ＲＡＲは、下記の数式（６）に上記各値を代入して演
算することにより得られる値、つまり約２．５％にな
る。

【０１１３】 ＲＡＲ＝｛（ｎ１−ｎ２＾２）／（ｎ１＋ｎ２＾２）｝＾２ ・・・（６ ） ただし、＾はべき剰を表す。

【０１１４】このＲＡＲ≒２．５％の値は、広く知られ
ているように膜厚が波長の１／４の場合である。また、
膜厚が波長の１／４以外では、この値（２．５％）より
も高くなるものの、フッ化マグネシウムのコーティング
を施さないフッ化カルシウムの光学材でも、その表面反
射である反射率は約４．７％が最大値となる。

【０１１５】上述したことから、出力鏡エタロン１５の
最大反射率ＲＭＡＸは、上記数式（４）にＲｓ＝２．５
％を代入して演算すると、９．５％となる。

【０１１６】したがって、出力鏡エタロン１５の最大反
射率ＲＭＡＸ≒９．５％は、ノーコートのフッ化カルシ
ウムから成る基板を用いた出力鏡エタロン１１の最大反
射率約１７％と比較して、フッ素レーザにおける出力鏡
の最適な反射率である８〜１０％の範囲に入ることか
ら、狭帯域化されるだけでなく、効率よくレーザ発振さ
せることが可能になる。

【０１１７】次に、出力鏡エタロン１５の詳細について
図６を参照して説明する。

【０１１８】出力鏡エタロン１５はフッ化カルシウム
（ＣａＦ２）から成る２つの基板１６ａ、１６ｂで構成
されるエアギャップエタロンである。これら基板１６ａ
と基板１６ｂとの間には所定のギャップ長とすべく３本
のスペーサが介在されている（図６では、２本のスペー
サ１７ａ、１７ｂを示し、残りの１本のスペーサは省略
している）。これらのスペーサにより、基板１６ａと基
板１６ｂとの間隔は一定に維持されることになる。

【０１１９】出力鏡エタロン１５では、基板１６ａ、１
６ｂの内側の研磨面に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ
２）の膜１８ａ、１８ｂがコーティングされており、こ
れらコーティング膜の厚さは波長の１／４になってい
る。

【０１２０】波長１５７．６ｎｍにおいては、フッ化カ
ルシウムの屈折率は約１．５５８であり、フッ化マグネ
シウムは約１．４６４であることが知られている。

【０１２１】そこで、基板（フッ化カルシウム）の屈折
率よりも低い値の屈折率を有するフッ化マグネシウム
を、この基板にコーティングすることにより、これは、
減反射コーティングとして機能する。そして、このよう
な基板においては、コーティング膜の厚さが波長の１／
４であるため、最も反射率が低くなる。

【０１２２】その反射率は、上記数式（６）に上記各反
射率の値を代入して演算することにより得られる値、つ
まり約２．５％となる。そこで、出力鏡エタロン１５全
体としての反射率は、上記数式（４）に２．５％を代入
して演算することにより得られる値、つまり約９．５％
になる。

【０１２３】なお、フッ化カルシウムの基板１６ａ、１
６ｂにコーティングするＭｇＦ２膜１８ａ、１８ｂの膜
厚は、特に規定するものではない。すなわち、フッ化カ
ルシウムの基板にフッ化マグネシウムをコーティングす
ると、膜厚に依らずに、反射率が低下するため、この第
２の実施形態の目的である最大反射率の低減を達成する
からである。

【０１２４】しかし、好ましくは、フッ化マグネシウム
の膜厚は、波長の１／４がよく、この膜厚にすることに
より、いわゆる減反射コーティング（ＡＲコーティン
グ）となり、最大反射率を、最も低い約９．５％にでき
るからである。

【０１２５】したがって、出力鏡エタロン１５を用いる
ことで、広く知られているように、一般的なフッ素レー
ザ装置の出力鏡の最適反射率（８〜１０％）と同等にな
ることから、狭帯域化されるだけでなく、効率よくレー
ザ発振させることができる。

【０１２６】すなわち、図７に示した出力鏡エタロン１
５の反射率特性から分かるように、実線で示される波長
依存性を有する反射率カーブの極大値が約９．５％にな
っている。

【０１２７】また、図７中の点線で示した反射率カーブ
は、図２に示したものと同様のグラフであるが、出力鏡
エタロンをノーコートのフッ化カルシウムの基板で構成
した場合の反射特性であり、この場合の反射率の極大値
は、図２に示した特性と同様に約１７％となってしま
う。

【０１２８】この第２の実施形態では、出力鏡エタロン
１５の内面にフッ化マグネシウムのコーティングを施す
ことを特徴としているが、フッ化マグネシウムのコーテ
ィングは、以下に説明するように、耐光強度の点で全く
問題はない。

【０１２９】すなわち、フッ化マグネシウムは、真空紫
外域において非常に透過率が高いことが知られており、
しかも本実施形態では一層のみコーティングすることか
ら、コーティング膜におけるレーザ光の吸収は非常に小
さい。したがってフッ化マグネシウムのコーティング膜
にダメージが生じにくく、最大反射率を低下させつつ、
なおかつ耐光強度を維持させることができる。

【０１３０】因みに、フッ素レーザ用の光学素子におけ
るコーティング膜にダメージが生じ易い理由としては、
（１）レーザ光が極めて短い波長の真空紫外域である。

【０１３１】（２）通常の部分反射膜等では何十層もの
多層コーティングを施すため、多層膜の全体としてレー
ザ光を通常３〜１０％も吸収し、しかもコーティング膜
自体は基板に比べて遙かに薄いため、レーザ光が通過す
る部分の体積は非常に小さい。

【０１３２】という上記２つのことから、膜自体の温度
上昇が大きく、直ぐに融点に達するからである。

【０１３３】なお、この第２の実施形態において、出力
鏡エタロン１５の基板１６ａ、１６ｂの対向する内面に
フッ化マグネシウムの膜をコーティングするのに加え
て、これら基板１６ａ、１６ｂの外側の面にもフッ化マ
グネシウムの膜をコーティングするようにしても良い。

【０１３４】その利点としては、フッ化マグネシウムの
膜は応力が大きいため、基板の内面のみコーティングす
ると、応力によって基板が反ることがある。そこで基板
の両面に同様の厚みのフッ化マグネシウムの膜をコーテ
ィングすることで、反りが相殺され、基板の平坦度を高
い値に保つことが可能である。

【０１３５】また、第２の実施形態において、出力鏡エ
タロン１５における２枚の基板１６ａ、１６ｂの間隔を
所定のギャップ長とすべくスペーサにより一定に維持す
るようにした形態を示したが、これに限定されることな
く、２枚の基板の間に圧電素子を介在させ、これらの基
板間隔を、所定のギャップ長とすべく、圧電素子への印
加電圧を調整することで可変するようにしても良い。

【０１３６】これによって、圧電素子への印可電圧を調
整することで、ギャップ長の変化に伴って可変する選択
波長を調整することが可能になる。

【０１３７】さらに、第２の実施形態において、出力鏡
エタロンを、レーザ光を取り出すための出力鏡として利
用しているが、これに限定されることなく、この出力鏡
エタロンを全反射鏡側にも利用して、レーザ光を２つの
方向から取り出すように構成しても良い。またこの場
合、いずれか一方の出力鏡エタロン（周期的波長選択素
子）の選択波長の波長差ＦＳＲ（Free Spectrum Range
＝自由スペクトル範囲）を狭くしても良い。

【０１３８】係る構成によれば、レーザ共振器の両端が
出力鏡エタロンになることで、この共振器間にエタロン
が２個配置されるようになるため、狭帯域化の効果が２
倍になり、一層狭い波長のレーザ光を発生させることが
できる。

【０１３９】なお、上述したようにレーザ共振器間にエ
タロンが２個配置される構成の場合には、２本のビーム
としてレーザ光が取り出されるが、この場合は、これら
のレーザ光を平行に合わせて露光機本体に導けばよい。
つまり、露光機本体では、一般にビーム強度分布を均一
化する光学系が含まれるため、たとえ元が２本のビーム
であっても、均一な強度分布の１本のビームになるた
め、露光に際しては全く問題はない。

【０１４０】しかし、これに対して、例えば、レーザ光
１点に集光するような用途において、２本の平行なビー
ムを用いると、集光点は２つに分かれてしまうため好ま
しくはない。ところが、この超狭帯域化フッ素レーザ装
置は特に露光光源として利用されることから、２本のビ
ームとしてレーザ光を発生させても構わない。

【０１４１】以上説明したように第２の実施形態によれ
ば、上述した第１の実施形態の作用効果を期待すること
ができることは勿論のこと、第１の実施形態の場合と比
較して、出力鏡エタロンの最大反射率を、フッ素レーザ
における出力鏡の最適な反射率である８〜１０％の範囲
内に抑制することができ、よってレーザ光を狭帯域化さ
せつつ、効率よくレーザ発振させることができる。

【０１４２】［第３の実施の形態］図８は第３の実施形
態に係る超狭帯域化フッ素レーザ装置２００の構成を示
す構成図である。

【０１４３】同図に示す超狭帯域化フッ素レーザ装置２
００は、図１に示した構成において、出力鏡エタロン１
１を出力鏡エタロン２０に変更し、スリット１４を削除
した構成になっている。なお、同図において、図１に示
した構成要素と同様の機能を果たす部分には同一の符号
を付している。

【０１４４】この実施形態は、基本的には上記第１の実
施形態と同様の動作をするものの、詳細については後述
する出力鏡エタロン２０による狭帯域化及び１ライン化
の動作が、第１の実施形態とは異なっている。

【０１４５】次に、出力鏡エタロン２０について詳細に
説明する。

【０１４６】この出力鏡エタロン２０は、フッ素レーザ
における２本の発振線のうち、強い発振線の中心波長が
当該エタロンの反射率の極大近傍に位置するときに、弱
い発振線の中心波長が当該エタロンの反射率の極小近傍
に位置すべく、隣接する極大または極小の反射率での選
択波長の波長差（これは自由スペクトル範囲とも呼ばれ
る）＝ＦＳＲ（Free Spectrum Range）を有する光学素
子（周期的波長選択素子）で構成されている。

【０１４７】この光学素子としては通常のエタロンが用
いられているが、隣接する２つの選択波長の波長差（以
下、ＦＳＲという）の値を有するエタロンを出力鏡とし
て用いた点が、本発明の特徴とする部分である。

【０１４８】ところで、上記ＦＳＲは、下記の数式
（７）で表すことができる。

【０１４９】 ＦＳＲ＝λ＾２／（２ｎｄ） ・・・（７） ただし、λは波長（単位：ｎｍ）を表し、ｎは媒体（空
気中）の屈折率を表し、ｄは２つのプリズムのギャップ
間隔（単位：ｍｍ）を表し、＾はべき剰を表す。

【０１５０】出力鏡エタロン４０においてはギャップ間
ｄ＝１２．３ｍｍに設定されているので、フッ素レーザ
の波長λ＝１５７ｎｍ、空気中の屈折率ｎ≒１とした場
合に、上記数式（７）にこれらの値を代入して演算する
と、出力鏡エタロン２０におけるＦＳＲは約１．０１ｐ
ｍになる。

【０１５１】したがって、２ラインの波長差１０６．６
ｐｍ（＝１５７６２９．９ｐｍ−１５７５２３．３ｐ
ｍ）をＦＳＲで割った値は、１０６．６／１．０１＝１
０５．５となる。

【０１５２】このように、２本の発振線の波長差１０
６．６ｐｍをＦＳＲで割った値の小数部が約０．５にな
るようなＦＳＲの値を持つエタロンを用いれば良い。

【０１５３】これにより、波長１５７．６２９９ｎｍの
強い発振線で発振するように、この発振線の中心波長を
反射率の極大値に合わせると、波長１５７．５２３３ｎ
ｍの弱い発振線では、この発振線の中心波長が反射率の
極小値に位置することから、発振が抑制される。

【０１５４】すなわち、出力鏡におけるフィードバック
が強い波長の近傍でレーザ発振することから、強い発振
線においてレーザ発振させることができ、しかも弱い発
振線においては、出力鏡でのフィードバックが掛からな
いことから、レーザ発振を抑制することができる。

【０１５５】したがって、出力鏡エタロン２０からは、
波長１５７．６２９９ｎｍの強い発振線で、しかも超狭
帯域化されたレーザ光Ｌ２０が取り出される。

【０１５６】このように、プリズムを用いずに、強い発
振線のみでレーザ発振させながら、その発振線をさらに
狭帯域化することができる。

【０１５７】また、ＦＳＲの範囲としては、１ラインの
幅が約１ｐｍと言われていることから、約１．５ｐｍ以
下程度であることが望ましい。

【０１５８】さらに、上記数式（７）を、ギャップ長ｄ
を求める数式｛ギャップ長ｄ＝λ＾２／（２ｎ・ＦＳ
Ｒ）｝に変形し、この変形した数式にＦＳＲ＝１．５ｐ
ｍ、フッ素レーザの波長λ＝１５７ｎｍ、空気中の屈折
率ｎ≒１を代入し演算して得られるギャップ長よりも、
実際のギャップ長が多少離れていても、２本の発振線の
波長差１０６．６ｐｍを、上記数式（７）に実際のギャ
ップ長を代入し演算して得られるＦＳＲで割った値の小
数部が０．３〜０．７の範囲に入る場合は、１ライン化
の効果がある。

【０１５９】なお、この第３の実施形態において、出力
鏡エタロンを、レーザ光を取り出すための出力鏡として
利用しているが、これに限定されることなく、この出力
鏡エタロンを全反射鏡側にも利用して、レーザ光を２つ
の方向から取り出すように構成しても良い。またこの場
合、いずれか一方の出力鏡エタロン（周期的波長選択素
子）の選択波長の波長差ＦＳＲ（Free Spectrum Range
＝自由スペクトル範囲）を狭くしても良い。

【０１６０】係る構成によれば、レーザ共振器の両端が
出力鏡エタロンになることで、この共振器間にエタロン
が２個配置されるようになるため、狭帯域化の効果が２
倍になり、一層狭い波長のレーザ光を発生させることが
できる。

【０１６１】なお、上述したようにレーザ共振器間にエ
タロンが２個配置される構成の場合には、２本のビーム
としてレーザ光が取り出されるが、この場合は、これら
のレーザ光を平行に合わせて露光機本体に導けばよい。
つまり、露光機本体では、一般にビーム強度分布を均一
化する光学系が含まれるため、たとえ元が２本のビーム
であっても、均一な強度分布の１本のビームになるた
め、露光に際しては全く問題はない。

【０１６２】しかし、これに対して、例えば、レーザ光
１点に集光するような用途において、２本の平行なビー
ムを用いると、集光点は２つに分かれてしまうため好ま
しくはない。ところが、この超狭帯域化フッ素レーザ装
置は特に露光光源として利用されることから、２本のビ
ームとしてレーザ光を発生させても構わない。

【０１６３】以上説明したように、第３の実施形態によ
れば、フッ素レーザの出力鏡をエタロンで構成し、且つ
該エタロンのＦＳＲとして、フッ素レーザにおける２本
の発振線のうち、強い発振線（波長１５７．６２９９ｎ
ｍ）の中心波長が該エタロンの反射率の極大近傍に位置
するときに、弱い発振線（波長１５７．５２３３ｎｍ）
の中心波長が該エタロンの反射率の極小近傍に位置する
ようなＦＳＲを採用しているので、強い発振線において
レーザ発振させることができ、しかも弱い発振線におい
ては、出力鏡でのフィードバックが掛からないことか
ら、レーザ発振を抑制することができる。

【０１６４】［第４の実施の形態］図１０は第４の実施
形態に係る超狭帯域化フッ素レーザ装置３００の構成を
示す構成図である。

【０１６５】この超狭帯域化フッ素レーザ装置３００
は、発振段と増幅段とを合わせ持つフッ素レーザ装置を
想定している。

【０１６６】発振段は、全反射鏡３１と本発明の出力鏡
エタロン３２とで共振器が構成されており、この共振器
間にレーザチャンバ３３が配置されている。

【０１６７】出力鏡エタロン３２は、上述した第２の実
施形態での出力鏡２０と同様の機能を有するものであ
り、この出力鏡エタロン３２の２つの選択波長の波長差
（ＦＳＲ）は、フッ素レーザにおける２本の発振線のう
ち、強い発振線の中心波長が該エタロンの反射率の極大
近傍に位置するときに、弱い発振線の中心波長が該エタ
ロンの反射率の極小近傍に位置するようなＦＳＲの値に
設定されている。

【０１６８】発振段においてレーザ発振させると、出力
鏡エタロン３２からレーザ光Ｌ３０が取り出される。レ
ーザ光Ｌ３０は、ミラー３４ａ、３４ｂによって折り返
され、ビーム拡大器３５を通り、シフトプリズム３６を
通ってビームの位置が平行移動し、レーザチャンバ３３
を通過する。これによって増幅されたレーザ光Ｌ３１が
取り出される。これがフッ素露光機に進み、露光に利用
される。

【０１６９】図１０から分かるように、レーザチャンバ
３３内における増幅段の光路内で発生した微弱な光のう
ち、図１０で情報に進む光は、シフトプリズム３６、ビ
ーム拡大器３５を通り、ミラー３４ｂとミラー３４ａと
で反射して、出力鏡エタロン３２に当たる。

【０１７０】その際に、そこで正反対に戻されるように
反射するレーザ光は、発振段で発振させる選択波長であ
る。したがって、これが増幅段に再び戻されて強めら
れ、レーザ光Ｌ３１に含まれても、露光に利用できる。

【０１７１】一方、レーザチャンバ３３内における増幅
段の光路内で発生した微弱な光のうち、発振段へ向かう
逆方向に進むレーザ光において、不所望の波長のもの
は、出力鏡エタロン３２において低反射率を有すること
になる。したがって、ここで反射して増幅段に再び戻っ
て、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）と呼ば
れるスペクトル幅の広い光の発生に寄与することはな
い。

【０１７２】以上説明したように、第４の実施形態によ
れば、発振段においては上記第２の実施形態の作用効果
を期待することができる。

【０１７３】すなわち、発振段においては、強い発振線
においてレーザ発振させることができ、しかも弱い発振
線においては、出力鏡でのフィードバックが掛からない
ことから、レーザ発振を抑制することができる。

【０１７４】また、レーザチャンバ３３内における増幅
段の光路内で発生した微弱な光のうち、発振段へ向かう
逆方向に進むレーザ光による上記ＡＳＥが発生すること
はない。

【０１７５】［第５の実施の形態］図１１は、超狭帯域
化レーザ装置を用いたフッ素露光機４００の構成を示す
構成図である。

【０１７６】このフッ素露光機４００は、大別して、図
１に示した超狭帯域化レーザ装置１００と、露光機本体
４１０とから構成されている。

【０１７７】露光機本体４１０は、クリーンルーム内の
グレーチング４１上に配置されており、超狭帯域化レー
ザ装置１００は、グレーチング４１の下のフロアー（一
般に床下と呼ばれるフロアー）の床４２の上に配置され
ている。

【０１７８】超狭帯域化レーザ装置１００から取り出さ
れた波長幅が約０．２ｐｍの強いライン（発振線）のみ
のレーザ光Ｌ４０は、ミラー４３ａに反射して上方に進
み、グレーチング４１における開口部４４を通過して、
露光機本体４１０内に進む。

【０１７９】レーザ光Ｌ４０は、レンズ４５で絞られ、
さらにフッ化カルシウムから成るガラスロッド４６内を
進み、この内部で全反射を繰り返すことで、ビーム強度
分布が均一化されたレーザ光Ｌ４１として出射される。

【０１８０】このレーザ光Ｌ４１は、ミラー４３ｂに反
射して、ビーム整形器４７を通ることによりビーム断面
が拡げられ、さらにミラー４３ｃに反射してコンデンサ
レンズ４８を通ってレチクル４９を照射する。

【０１８１】レチクル４９を出射したレーザ光Ｌ４２
は、縮小投影レンズ５０を通り、ウエハー５１に当た
る。すなわち、レチクル４９内のパターンが、縮小投影
レンズ５０によって、ウエハー５１上に転写されること
で、レチクル４９でのパターン状に露光される。なお、
ウエハー５１はステージ５２に搭載されている。

【０１８２】この実施形態のフッ素露光機４００では、
縮小投影光学系として、縮小投影レンズ５０が用いられ
ており、この縮小投影レンズ５０はフッ化カルシウムか
ら成る単色レンズで構成されている。

【０１８３】上述したようにレンズのみの縮小投影光学
系の利用が可能になったのは、超狭帯域化レーザ装置１
００から取り出されるレーザ光Ｌ４０の波長幅が約０．
２ｐｍと、従来のフッ素レーザの約１／５と狭いため、
縮小投影レンズ５０における色収差が無視できるからで
ある。

【０１８４】従って露光機本体４１０の構成としては、
従来のＫｒＦ露光機のものと同等になる。大きな違いと
しては、レンズの材質が石英からフッ化カルシウムに変
更されただけであることから、縮小投影レンズの設計と
しては、従来のものと同様になり、設計に掛かるコスト
を大幅に低減することができる。

【０１８５】以上説明したように、第５の実施形態によ
れば、フッ素露光機においては、フッ素レーザ装置（超
狭帯域化フッ素レーザ装置）の価格が大幅に上昇した
り、レーザの効率が大きく悪化することなく、全屈折型
縮小投影光学系を利用することができる。

【０１８６】すなわち縮小投影光学系として、従来のＫ
ｒＦ露光機のものと同様な設計にすることができる。つ
まり、シミュレーションツールとしては従来と同様のも
のを用いることができることとなり、短期間で縮小投影
光学系を設計でき、しかも人件費も大幅に削減すること
ができるので、短期間で安価に製品化されたフッ素露光
機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は第１の実施形態に係る超狭帯域化フッ素
レーザ装置１００の構成を示す構成図である。

【図２】図２は出力鏡エタロン１１の反射率特性を示す
図である。

【図３】図３は出力鏡エタロン１１の特徴を説明するた
めの図である。

【図４】図４はＴＥＭ００モードの回折損失特性を示す
図である。

【図５】図５はズレ量とプリズムの頂角との関係を表し
た特性を示す図である。

【図６】図６は第２の実施形態に係る超狭帯域化フッ素
レーザ装置に用いられる出力鏡エタロン１５の構成を示
す構成図である。

【図７】図７は出力鏡エタロン１５０の反斜率特性を示
す図である。

【図８】図８は第３の実施形態に係る超狭帯域化フッ素
レーザ装置２００の構成を示す構成図である。

【図９】図９は出力鏡エタロン２０の特徴を説明するた
めの図である。

【図１０】図１０は第４の実施形態に係る超狭帯域化フ
ッ素レーザ装置３００の構成を示す構成図である。

【図１１】図１１は第５の実施形態に係るフッ素露光機
４００の構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１０、３１ 全反射鏡 １１、１５、２０、３２ 出力鏡エタロン １２、３３ レーザチャンバ １３ａ、１３ｂ ノーコートプリズム １４ スリット １６ａ、１６ｂ フッ化カルシウム（ＣａＦ２）基板 １７ａ、１７ｂ スペーサ １８ａ、１８ｂ フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）膜 ３４ａ、３４ｂ ミラー ３５ ビーム拡大器 ３６ シフトプリズム １００、２００、３００ 超狭帯域化フッ素レーザ装置 ４００ フッ素露光機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 3/223 Ｚ Ｆターム(参考） 2H042 CA07 CA17 2H048 GA07 GA13 GA24 GA48 GA61 GA66 5F046 BA04 CA03 CA07 CB02 CB10 CB22 5F071 AA04 DD05 FF08 JJ10 5F072 AA04 FF08 FF09 JJ13 KK06 KK08 KK26 KK30 YY09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フッ素レーザのレーザ光を発振するレーザ
   チャンバを備え、該レーザチャンバからのレーザ光を狭
   帯域化して、露光装置へ露光光源として供給する超狭帯
   域化フッ素レーザ装置において、 前記フッ素レーザにおける波長と光強度の異なる２つの
   発振線のうちの予め設定される波長の発振線を有するレ
   ーザ光を出射させるべく、頂角が所定の角度を有するウ
   エッジ板であって、且つ反射膜のコーティング処理が施
   されていない少なくとも２つのプリズムで形成されたエ
   タロンを備え、 前記エタロンが出力鏡として前記レーザチャンバの出力
   側に配置されていることを特徴とする超狭帯域化フッ素
   レーザ装置。
2. 【請求項２】前記プリズムは、頂角が２６度以上の角度
   をもって形成されたウエッジ板であることを特徴とする
   請求項１記載の超狭帯域化フッ素レーザ装置。
3. 【請求項３】前記プリズムは、頂角が３３度の角度をも
   って形成されたウエッジ板であることを特徴とする請求
   項１又は２記載の超狭帯域化フッ素レーザ装置。
4. 【請求項４】フッ素レーザのレーザ光を発振するレーザ
   チャンバを備え、該レーザチャンバからのレーザ光を狭
   帯域化して、露光装置へ露光光源として供給する超狭帯
   域化フッ素レーザ装置において、 エタロンが前記レーザチャンバの出力側に配置される出
   力鏡として設けられ、前記エタロンは、 フッ化カルシウムを含む光学材で形成された２枚の基板
   で構成され、かつ該２枚の基板における向かい合う各々
   の内面にフッ化マグネシウムがコーティングされている
   ことを特徴とする超狭帯域化フッ素レーザ装置。
5. 【請求項５】フッ素レーザのレーザ光を発振するレーザ
   チャンバを備え、該レーザチャンバからのレーザ光を狭
   帯域化して、露光装置へ露光光源として供給する超狭帯
   域化フッ素レーザ装置において、 エタロンが前記レーザチャンバの出力側に配置される出
   力鏡として設けられ、前記エタロンは、 前記フッ素レーザにおける波長と光強度の異なる２つの
   発振線のうち、光強度の強い発振線の中心波長が自己の
   エタロンの反射率の極大近傍に位置するときに、当該強
   い発振線よりも光強度が弱い発振線の中心波長が自己の
   エタロンの反射率の極小近傍に位置すべく、隣接する極
   大または極小の反射率での選択波長の差の値を有する周
   期的波長選択素子で形成されていることを特徴とする超
   狭帯域化フッ素レーザ装置。