JP2002237634A - 狭帯域発振レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】グレーティングの波長選択性を向上させるとと
もに、レーザチャンバ内のゲイン領域を有効的に活用で
きるようにする。 【解決手段】凹面鏡１１、１１′の焦点位置近傍にスリ
ット７が設けられ、このスリット７の長手方向とグレー
ティング６の溝方向とが平行になるように配置されたこ
とにより、レーザチャンバ３から出射された光のうち拡
散光がスリット７によって遮断され、凹面鏡１１で反射
されてグレーティング６に入射する光が平行に近い光の
みにされ、さらにグレーティング６によって選択した特
定波長の光のみがスリット７を通過する。また、凹面鏡
１１′で反射されてレーザチャンバ３内に戻る光の放電
幅方向の幅が放電幅とほぼ同じ大きさになり、この平行
に近い光がレーザチャンバ３内の全ゲイン領域上を通過
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はステッパー用の光源
として使用される狭帯域発振レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
装置製造用の縮小投影露光装置（以下、ステッパーとい
う）の光源としてエキシマレーザの利用が注目されてい
る。これはエキシマレーザの波長が短い（ＫｒＦの波長
は約２４８．４ｎｍ）ことから光露光の限界を０．５μ
ｍ以下に延ばせる可能性があること、同じ解像度なら従
来用いていた水銀ランプのｇ線やｉ線に比較して焦点深
度が深いこと、レンズの開口数（ＮＡ）が小さくて済
み、露光領域を大きくできること、大きなパワーが得ら
れること等の多くの優れた利点が期待できるからであ
る。

【０００３】さて、ステッパーの光源として利用される
エキシマレーザとしては線幅３ｐｍ以下の狭帯域化が要
求されている。

【０００４】エキシマレーザの狭帯域化にはプリズムビ
ームエキスパンダ、グレーティング等の狭帯域化素子が
用いられる。

【０００５】グレーティングを用いた従来技術では、グ
レーティングとレーザチャンバとの間に配置したスリッ
トによって、グレーティングに入射する光の拡がりを小
さくして、効率よい狭帯域化を行うようにしている。

【０００６】グレーティングによって特定波長の平行光
が選択されると、この選択された平行光のみがスリット
を通過することにより波長選択性が向上する。

【０００７】しかしながら、従来技術では、平行光の放
電幅方向の幅がスリットによって減少されて放電幅より
も小さくなるという事態が生じていた。

【０００８】この従来技術について図８を参照して説明
する。図８ではレーザチャンバ８３内の放電電極８９側
からスリット８７とレーザチャンバ８３を見ている。な
お、レーザチャンバ８３内のゲイン領域Ｇの放電幅Ｗ方
向の幅は、放電幅Ｗと同じである。

【０００９】同図８に示すように、レーザチャンバ８３
内に戻る平行光Ｌ′の放電幅Ｗ方向の幅Ｗ′は、スリッ
ト８７によって減少されて放電幅Ｗよりも小さくなる。

【００１０】すなわち平行光Ｌ′の放電幅Ｗ方向の幅
Ｗ′は、レーザチャンバ８３内のゲイン領域Ｇの放電幅
Ｗ方向の幅よりも小さくなる。

【００１１】したがって、平行光Ｌ′は全ゲイン領域Ｇ
上を通過することができない。

【００１２】このため、従来技術ではレーザチャンバ８
３内のゲイン領域Ｇを有効的に活用することができなく
なり、発振効率が低下するという問題が生じる。

【００１３】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、グレーティングの波長選択性を向上させるこ
とができるとともに、レーザチャンバ内のゲイン領域を
有効的に活用することができる狭帯域発振レーザを提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明の主な発明では、狭帯域化素子としてグレー
ティングを具えた狭帯域発振レーザにおいて、前記グレ
ーティングとレーザチャンバとの間に、対の凹面鏡と当
該凹面鏡の焦点位置近傍に開口が配置されるスリットと
から成る空間フィルタを配置し、当該スリット開口の長
手方向とグレーティングの溝形成方向とを平行に配置す
るようにしている。

【００１５】

【作用】かかる構成によれば、図７に示すように、凹面
鏡１１、１１′の焦点位置近傍にスリット７が設けら
れ、このスリット７の長手方向とグレーティング６の溝
方向とが平行になるように配置されたことにより、レー
ザチャンバ３から出射された光のうち拡散光がスリット
７によって遮断され、凹面鏡１１で反射されてグレーテ
ィング６に入射する光が平行に近い光のみにされ、さら
にグレーティング６によって選択した特定波長の光のみ
がスリット７を通過する。また、凹面鏡１１′で反射さ
れてレーザチャンバ３内に戻る光の放電幅方向の幅が放
電幅とほぼ同じ大きさになり、この平行に近い光がレー
ザチャンバ３内の全ゲイン領域上を通過する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の狭帯域発振レー
ザの実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。な
お、本実施例ではレーザとしてエキシマレーザを想定し
ている。

【００１７】図１はこの発明の第１の実施例を示した側
面図である。

【００１８】この第１の実施例は、フロントミラー１
と、リアミラーおよび波長選択素子の機能を有するグレ
ーティング６との間に、レーザチャンバ３、および波長
選択素子として機能する空間フィルタ２０が配設され
る。空間フィルタ２０はこの場合集光レンズ４、４′と
アパーチャ５で構成している。すなわちこの場合はフロ
ントミラー１とグレーティング６との間に光共振器が構
成されている。このグレーティングの配置は謂ゆるリト
ロー配置である。

【００１９】レーザチャンバ３はその内にＫｒＦ等を含
むレーザガスが循環可能に充填され、更にレーザチャン
バ３の両端には所定の角度で配置されたウィンドウ２
ａ、２ｂが設けられている。

【００２０】グレーティング６は、光の回折を利用して
特定波長の光を選択するもので、一定方向に配列された
多数の溝が形成されている。この明細書では溝形成方向
（図１では紙面に垂直な方向）を溝方向と称している。
グレーティング６は、この溝方向と平行な軸を回転軸と
して、入射光に対するグレーティング６の角度θを可変
させることにより、特定の波長の光を選択する。すなわ
ち、グレーティング６は入射光に対するグレーティング
の角度に対応する特定の光のみを所定の方向（この場合
入射方向）に反射させ、これによって特定の波長の光に
対する選択動作を行う。

【００２１】このように、空間フィルタ２０をレーザチ
ャンバ３とグレーティング６との間に配置することで、
グレーティング６に入射するビームの拡がりを小さくし
て、効率よい狭帯域化を行うようにしている。

【００２２】なお第１の実施例において、アパーチャ５
の代わりにスリットを配置するようにしてもよい。ただ
し、スリットを配置する場合は、スリットの長手方向と
グレーティング６の溝方向とが平行になるように配置す
る。

【００２３】このような構成によれば、レーザチャンバ
３から出射された光のうち拡散光がスリットによって遮
断され、集光レンズ４′、４を通過してグレーティング
６に入射する光が平行に近い光のみにされ、さらにグレ
ーティング６によって選択した特定波長の光のみがスリ
ットを通過する。これにより、波長選択性を向上させる
ことができ、効率よく狭帯域化することができる。

【００２４】また、集光レンズ４′、４を通過してレー
ザチャンバ３内に戻る光の放電幅方向の幅が放電幅とほ
ぼ同じ大きさになり、この平行に近い光がレーザチャン
バ３内の全ゲイン領域上を通過する。これによりレーザ
チャンバ３内のゲイン領域を有効的に活用することがで
きようになり、発振効率を向上させることができる。

【００２５】図２（ａ）、（ｂ）は第１の実施例の空間
フィルタ２０をシリンドリカルレンズ８、８′とスリッ
ト７で構成した第２の実施例を平面図および側面図で示
したものである。この第２の実施例では、シリンドリカ
ルレンズ８、８′によりレーザ光を線光線として集光す
るため、先の第１の実施例に比べてエネルギー密度がよ
り小さくなり、スリット７の寿命をより延ばすことがで
きる。

【００２６】図３（ａ）、（ｂ）は第１の実施例におけ
る放電方向とスリット７の配置方向との関係を特定した
第３の実施例を平面図および側面図で示したものであ
る。

【００２７】この第３の実施例では、スリット７の長手
方向をレーザの放電方向とほぼ一致させることでスリッ
ト７によってけられるレーザ光を少なくし空間フィルタ
２０の透過率を向上させている。すなわち、レーザチャ
ンバ３のウィンドウ２ｂから出力されるレーザビームの
広がり角は一般に電極９、９による放電方向すなわち電
極９、９の配列方向よりも、この放電方向に垂直な方向
の方が小さく、その形状は縦長の長方形状となってい
る。そこで、このレーザ断面形状に対応するようスリッ
ト７を配置することにより空間フィルタ２０の透過率を
向上させて効率のよい狭帯域化をなし得るようにしてい
る。

【００２８】図４（ａ）、（ｂ）は第２の実施例におい
て放電方向とスリット７の長手方向とシリンドリカルレ
ンズ８、８′の中心軸（シリンドリカルレンズ８、８′
の長手方向に沿って、シリンドリカルレンズ８、８′の
中心を通る軸）をほぼ一致させ、さらにこれらの方向が
グレーティング６の溝方向とほぼ平行になるようにした
第４の実施例を平面図および側面図で示したものであ
る。

【００２９】このように構成すれば、スリット７によっ
てけられるレーザ光が少なくなり、空間フィルタ２０の
透過率が向上し、しかもシリンドリカルレンズ８、８′
により集光しているためにエネルギー密度が小さくな
り、スリット７の寿命をより延ばすことができる。さら
に、グレーティング６の溝方向も電極９、９による放電
方向に対して平行になるようにグレーティング６を配置
するようにしているので、グレーティング６におけるビ
ーム広がりが小さくされて、レーザ光が平行に近づき、
波長選択性を向上させることができ、効率よく狭帯域化
することができる。

【００３０】図５（ａ）、（ｂ）は第４の実施例にプリ
ズムビームエキスパンダ１０を追加した第５の実施例を
平面図および側面図で示したものであり、プリズムビー
ムエキスパンダ１０は空間フィルタ２０とグレーティン
グ６の間に配置するようにしている。

【００３１】ここで、ビームエキスパンダ１０によるビ
ーム拡大方向はレーザチャンバ３内の電極９、９による
放電方向と垂直な方向に一致している。

【００３２】このような構成によれば、ビームエキスパ
ンダ１０によってビームを拡大するようにしているの
で、レーザビームのエネルギー密度がさらに小さくな
り、スリット７及びグレーティング６の寿命を延ばすこ
とができる。さらに、その拡大方向は電極９、９による
放電方向と垂直な方向のみであるので、グレーティング
に入射するビーム拡がり角が更に小さくされて、レーザ
光が平行に近づき、波長選択性を向上させることがで
き、効率よく狭帯域化することができる。

【００３３】図６（ａ）、（ｂ）は第４の実施例のシリ
ンドリカルレンズ８′の配置位置をずらせて空間フィル
タ２０とビームエキスパンダとの機能を２個のシリンド
リカルレンズ８、８′とスリット７のみで実現した第６
の実施例を側面図および平面図で示したものである。

【００３４】このようにすることにより、ビームエキス
パンダを省略することができる。

【００３５】図７は空間フィルタ２０を凹面鏡（または
軸外放物面鏡）１１、１１′とスリット７で構成した第
７の実施例である。

【００３６】このような構成によれば、凹面鏡１１、１
１′の焦点位置近傍にスリット７が設けられ、このスリ
ット７の長手方向とグレーティング６の溝方向とが平行
になるように配置されたことにより、レーザチャンバ３
から出射された光のうち拡散光がスリット７によって遮
断され、凹面鏡１１で反射されてグレーティング６に入
射する光が平行に近い光のみにされ、さらにグレーティ
ング６によって選択した特定波長の光のみがスリット７
を通過する。これにより、波長選択性を向上させること
ができ、効率よく狭帯域化することができる。

【００３７】また、凹面鏡１１′で反射されてレーザチ
ャンバ３内に戻る光の放電幅方向の幅が放電幅とほぼ同
じ大きさになり、この平行に近い光がレーザチャンバ３
内の全ゲイン領域上を通過する。これによりレーザチャ
ンバ３内のゲイン領域を有効的に活用することができ
る。

【００３８】なお、この凹面鏡（または軸外放物面鏡）
１１、１１′をシリンドリカル形状に構成すれば、スリ
ット７には線光線が集光されるためにスリット７の耐久
性を増すことができる。

【００３９】なお、上述した実施例では、リトロー配置
のみを例示したが本発明は斜入射配置でも適用すること
ができる。また、実施例では空間フィルタ２０として単
レンズを例にあげたが、収差補正を施した組レンズ、非
球面レンズなどを用いればさらに良好な狭帯域化をなし
得る。さらに色収差補正を施せば、レンズの色が変化し
ても焦点位置が変化しないためさらに良好な狭帯域化を
なし得る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、 （１）グレーティングの波長選択性を向上させることが
できる。

【００４１】（２）レーザチャンバ内のゲイン領域を有
効的に活用することができる。

【００４２】などの優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施例を示す平面図であ
る。

【図２】図２（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図３】図３（ａ）、（ｂ）は本発明の第３の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）は本発明の第５の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図６】図６（ａ）、（ｂ）は本発明の第６の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図７】図７（ａ）、（ｂ）は本発明の第７の実施例を
示す平面図および側面図である。

【図８】図８は従来技術を示す図である。

【符号の説明】

３…レーザチャンバ ６…グレーティング ７…スリット １１、１１′…凹面鏡 ２０…空間フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 諭樹夫 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 Ｆターム(参考） 2H097 AA03 CA13 LA10 5F046 CA03 CB09 CB22 5F072 AA06 JJ13 KK06 KK07 KK09 KK18 RR05 YY09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 狭帯域化素子としてグレーティングを
   具えた狭帯域発振レーザにおいて、 前記グレーティングとレーザチャンバとの間に、対の凹
   面鏡と当該凹面鏡の焦点位置近傍に開口が配置されるス
   リットとから成る空間フィルタを配置し、当該スリット
   開口の長手方向とグレーティングの溝形成方向とを平行
   に配置したことを特徴とする狭帯域発振レーザ。
2. 【請求項２】 狭帯域素子としてグレーティングを具
   えた狭帯域発振レーザにおいて、 前記グレーティングとレーザチャンバとの間に、対のシ
   リンドリカルレンズと当該シリンドリカルレンズの焦点
   位置近傍に開口が配置されるスリットとから成る空間フ
   ィルタを配置し、当該スリット開口の長手方向とグレー
   ティングの溝形成方向とを平行に配置したことを特徴と
   する狭帯域発振レーザ。