JP2003518757A - 二方向ビーム拡大を用いた狭線化レーザ - Google Patents

二方向ビーム拡大を用いた狭線化レーザ

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Abstract

(57)【要約】 レーザを狭線化するための二方向ビーム拡大を備える回折格子（１６）ベースの狭線化装置。好ましい実施形態において、レーザチャンバからのビームは、３プリズムのビーム拡大器（８、１０、１２）を使用して水平方向に拡大され、また、単一プリズム（６０）を使用して垂直方向に拡大される。拡大されたビーム中の狭帯域波長は、リトロー型配列の回折格子により反射され、２つのビーム拡大器を通してレーザチャンバ内へ戻されて、増幅される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、レーザに関し、特に狭線化（line narrowed）されたエキシマレー
ザに関する。本発明は、１９９９年１２月２２日出願の米国特許出願第０９／４
７０，７２４号及び２０００年１１月１７日出願の米国特許出願第０９／７１６
，０４１号の一部継続出願である。
【０００２】 （背景技術） 狭帯域ガス放電レーザ 集積回路リソグラフィ用の光源として使用されるガス放電紫外レーザは、一般
的に狭線化されている。好ましい狭線化の従来技術の技法は、レーザ共振空洞を
形成するために、出力カプラと共に回折格子ベースの狭線化装置を使用すること
である。この空洞内のゲイン媒体は、クリプトン、フッ素及びネオン（ＫｒＦレ
ーザの場合）、アルゴン、フッ素及びネオン（ＡｒＦレーザの場合）、或いはフ
ッ素及びヘリウム及び／又はネオン（Ｆ2レーザの場合）のような、循環してい
るレーザガス中へ電気放電を行うことによって生成される。
【０００３】 従来技術の狭線化技法 日本国特許第２，６９６，２８５号から抜粋した、そのような従来技術のシス
テムの概略図を図１に示す。図示するシステムは、出力カプラ（又はフロントミ
ラー）４、レーザチャンバ３、チャンバ窓１１、及び回折格子ベースの狭線化装
置７を含む。狭線化装置７は、一般的に、簡単に交換できる装置としてリソグラ
フィ・レーザ・システムに設けられ、時に「狭線化パッケージ」又は簡略化して
「ＬＮＰ」と呼ばれる。この装置は、回折されたビームが、入射ビームに向かっ
て真っ直ぐ戻って伝搬するように、リトロー型配列に配置された、２つのビーム
拡大プリズム２７及び２９と回折格子１６とを含む。これらエキシマレーザの出
力は、一般的に、垂直方向に例えば２０ｍｍの長手方向寸法と水平方向に例えば
３ｍｍの短辺寸法を有する四辺形になっている。従って、従来技術の設計では、
ビームは、図１に平面図で示するように、一般的に水平方向に拡大されることに
なる。
【０００４】 回折格子の式 スペクトル線選択用の回折格子を利用する、別の従来技術のエキシマレーザを
、図２に示す。レーザの空洞は、出力カプラ４と、反射器及びスペクトル選択要
素としての働きをする回折格子１６とによって作られる。出力カプラ４は、光の
一部分をレーザへ反射して戻し、また、レーザ出力である他の部分６を透過する
。プリズム８、１０及び１２は、ビーム拡大器を形成し、該ビーム拡大器は、ビ
ームが回折格子に照射される前に、ビームを水平方向に拡大する。ミラー１４は
、ビームが回折格子に向かって伝搬するようにビームを舵取りするのに使用され
、従って水平入射角度を制御する。レーザの中心波長は、通常、そのミラー１４
を極僅かに回転させることによって変更（調整）される。ゲイン生成は、チャン
バ３内で引き起こされる。
【０００５】 回折格子１６は、異なる波長を有する光を異なる角度で反射することによって
、波長選択する。レーザ内へ反射して戻されるこれらの光線のみがレーザゲイン
媒体によって増幅されることになるので、異なる波長を有する他の光線は全て失
われることになる。
【０００６】 この従来技術のレーザにおける回折格子は、それが光をレーザ内へ反射して戻
す時、リトロー型配列で作用する。この配列においては、入射角α及び波長λは
、次式で関係付けられる。 ２ｄｎ ｓｉｎα＝ｍλ （１） ここで、αは回折格子への入射角、ｍは回折次数、ｎはガスの屈折率、ｄは回折
格子の周期である。
【０００７】 マイクロリソグラフィの露出レンズは、光源の色収差に対して極めて敏感なの
で、レーザは、極めて狭いスペクトル線幅を有する光を発生させることが必要と
される。例えば、最先端のエキシマレーザは、目下、半値全幅値として計測され
た場合に０．５ｐｍレベルのスペクトル線幅を発生させており、光エネルギーの
９５％が約１．５ｐｍの範囲内に集中されている。新世代のマイクロリソグラフ
ィ露出設備は、それよりも厳しいスペクトル上の条件を必要とすることになる。
更に、極めて高精度にレーザ中心波長を維持することも極めて重要である。実際
には、０．０５−０．１ｐｍよりもさら安定した中心波長を維持することが必要
とされる。 レーザビームを更に狭線化することへの必要性が存在する。
【０００８】 （発明の開示） 本発明は、狭線化レーザのための二方向ビーム拡大を備える回折格子ベースの
狭線化装置を提供する。好ましい実施形態において、レーザチャンバからのビー
ムは、３プリズムのビーム拡大器を使用して水平方向に拡大され、また、単一プ
リズムを使用して垂直方向に拡大される。拡大されたビーム中の狭帯域の波長は
、リトロー型配列の回折格子により２つのビーム拡大器を通してレーザチャンバ
内へ反射して戻され、増幅される。
【０００９】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して説明できる。 実を言えば、背景技術の項で示した式（１）は、回折格子上に入射する全ての
ビームが垂直軸線方向に同一方向であり、この方向が回折格子溝に対して法線を
なす場合にのみ役立つ。回折格子溝は垂直方向に置かれるので、式（１）は水平
方向平面に位置するビームに対して役立つ。
【００１０】 しかしながら、現実のエキシマレーザビームは、水平方向及び垂直方向の両方
向に、幾らかの開きを有する。この場合、式（１）は修正されて次式になる。 ２ｄｎ ｓｉｎα・ｃｏｓβ＝ｍλ （２） この式において、βは垂直方向のビーム角、残りの変数は（１）におけるのと同
一である。β＝０の場合、即ち、ビームが垂直方向に全く開きを持たない場合に
は、ｃｏｓβ＝１であり、式（２）は式（１）になる。
【００１１】 重要なことは、回折格子は垂直方向には如何なる分散特性も有しておらず、即
ち、垂直方向におけるその反射角は光の波長に依存するのではなく、むしろ入射
角に等しいことに注目することである。このことは、垂直方向においては、回折
格子面の反射ファセットが普通の鏡のように挙動していることを意味する。
【００１２】 垂直方向へのビームの開きがあると、狭線化に対して著しい影響がある。式（
２）によれば、異なる垂直方向角度βは、異なるリトロー波長λに対応すること
になる。図３は、ビームの垂直方向偏差βに対するリトロー波長λの依存度を示
す。一般的な従来技術のエキシマレーザは、最大±１．０ｍｒａｄ（即ち、ビー
ムの開き全体で約２ｍｒａｄ）迄のビームの開きを有する場合がある。図３は、
１ｍｒａｄの垂直方向傾斜（上下方向の如何を問わず）を有して伝搬するビーム
の部分は、ビームのその部分に対して短波長方向に０．１ｐｍだけ移動させられ
たリトロー波長を有することになることを示している。この波長の移動は、全て
のビームのスペクトルを広げることにつながる。約０．６ｐｍのΔλFWHM帯域幅
を有する従来技術のエキシマレーザは、実質的にこの影響を被ることはない。し
かしながら、帯域幅が減少すると、この０．１ｐｍの移動ははるかに重要になっ
てくる。マイクロリソグラフィのための新しいエキシマレーザ仕様は、約０．４
ｐｍ又はそれ以下の帯域幅を必要とすることになる。この場合、この広げる作用
を減少させることが重要になってくる。
【００１３】 第１の好ましい実施形態 本発明の好ましい狭線化モジュールを、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃに示す。該
狭線化モジュールは、ビームを水平方向に拡大する３つのビーム拡大プリズムと
、ビームを垂直方向に拡大する１つの追加のプリズムとを有する。
【００１４】 図４Ａは、平面図である。図４Ｂは、図４Ａにおいて示される側からの側面図
である。（図４Ｂにおいては、プリズムは、プリズムの部分を示す四辺形として
描かれており、そこをビームの中心が通過する。）図４Ｃは、斜視図である。回
折格子１６及びミラー１４は、プリズム８、１０及び１２よりも高い位置にある
ことに注目されたい。拡大されたビームは、水平方向ビーム拡大平面から外れた
方向に逸れて進むことに注目されたい。その後、ビームはミラー１４によって、
水平方向拡大平面に対して平行な第２の水平方向平面内に再び方向を変えられ、
該第２の水平方向面内にリトロー型配列で配置されている回折格子１６の面上へ
戻される。（回折格子１６は、図４Ｂでは線として示されており、ビームの水平
方向中心が回折格子表面と交点している。）
【００１５】 好ましい実施形態においては、３つの水平方向拡大プリズムの各々は、約２．
９２倍だけビームを拡大する。従って、水平方向における全ビーム拡大率は、２
．９２3＝２５倍である。垂直方向におけるビーム拡大率は、１．５倍である。
（拡大の度合は、図４Ｂ及び図４Ｃにおいては誇張されている。）この垂直方向
のビーム拡大は、レーザ空洞内のビームの開き、或いは、出力レーザビームの垂
直方向のビームの開きに直接的に影響を与えるのではなくて、垂直方向のビーム
拡大は、ビームが回折格子表面に照射される時にビームの垂直方向の開きを減少
させる。ビームが回折格子により反射された後、プリズム６０は、ビームがプリ
ズムを通って戻る時に、ビームをその垂直方向に縮小させ、その結果、その開き
を増大させて正常に戻す。このビームが回折格子に照射される時のビームの開き
を減少させることは、波長移動の影響を減少させる結果となり、従って、よりよ
い狭線化を生じさせる。このプリズムを通過する前のビームの１ｍｒａｄの垂直
方向傾斜は、１ｍｒａｄ／１．５＝０．６７ｍｒａｄに減少される。図３によれ
ば、このことは、波長移動を０．１ｐｍから僅か０．０４４ｐｍへと減少させる
ことに相当し、次世代レーザの狭線化にとってこの影響を重大なものではないよ
うにする。
【００１６】 上述した本発明の特定の実施形態のみならず、別の実施形態が多く存在するこ
とは、当業者には明らかであろう。例えば、プリズム６０は、プリズム８の前に
置くことができ、或いは、プリズム８、１０及び１２のうちの、任意の２つの間
に置くことができる。水平方向ビーム拡大用の３つのプリズムと垂直方向ビーム
拡大用の１つのプリズムとのプリズムの組合せ以外の組合せも同様に使用するこ
とができる。幾つかある波長パラメータを実質的にリアルタイムで制御するため
の技法は、１９９９年９月３日出願の米国特許出願第０９／３９０，５７９号及
び２０００年１０月３１日出願の米国特許出願第０９／７０３，３１７号に記載
されており、それらは本明細書に参考文献として組み込まれる。これらの技法は
、ビーム拡大プリズムの位置、回折格子の湾曲及び調整ミラーの位置を迅速にフ
ィードバック制御することを含む。レーザチャンバ位置の制御も提供される。図
６は、ヘリウムパージを使用するＬＮＰを示す。図７は、レーザシステム全体の
組合せブロックダイアグラム概略図であり、また、図８Ａ及び図８Ｂは、別のフ
ィードバック制御構造を備えたＬＮＰを示す図である。図８の実施形態において
、回折格子の湾曲は、回折格子の湾曲用ステッパモータ３０によって制御され、
回折格子面上の、高温ガス層によって引き起こされた歪みを補償する。図８Ａ〜
図８Ｄの実施形態においては、回折格子８２の湾曲は、７つのインバールロッド
８４を介して裏当てブロック８８と圧縮バネ９０とに抗して作用している７つの
圧電素子８６により制御される。この実施形態によれば、回折格子面の湾曲の調
整が極めて迅速に実現される。図５は、単一プリズムを使用し入射角を調整する
ことで達成できる、可能なビーム拡大係数を示す。
【００１７】 本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの法的等価物によって画定
されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の従来技術の狭線化されたレーザシステムを示す図である。
【図２】 第２の従来技術の狭線化されたレーザシステムを示す図である。
【図３】 垂直方向のビーム偏差の波長への影響を示すグラフである。
【図４Ａ】 本発明の好ましい実施形態の要素を示す図である。
【図４Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の要素を示す図である。
【図４Ｃ】 本発明の好ましい実施形態の要素を示す図である。
【図５】 １つのプリズムで可能なビーム拡大係数を示すグラフである。
【図６】 ヘリウムパージの配置を示す図である。
【図７】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
【図８】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
【図８Ａ】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
【図８Ｂ】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
【図８Ｃ】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
【図８Ｄ】 迅速なフィードバック制御を備えたＬＮＰを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０９／７３８，０４２ (32)優先日 平成12年12月15日(2000．12．15) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 パートロ ウィリアム エヌ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92064 ポウェイ ペドニザ ドライヴ 12634 (72)発明者 アーショフ アレクサンダー アイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92127 サン ディエゴ メドウ フラワ ー プレイス 11312 (72)発明者 スミス スコット ティー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92129 サン ディエゴ カル ジュアニ ート 15124 Ｆターム(参考） 5F072 AA06 JJ13 KK07 KK18 MM18 RR05 YY09

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザチャンバを画定するレーザ用の二方向ビーム拡大狭線
    化装置であって、 Ａ） 前記レーザからのビームを第１の方向に拡大するように配置された第１
    方向ビーム拡大器と、 Ｂ） 前記ビームを第２の方向に拡大するように配置された第２方向ビーム拡
    大器と、 Ｃ） 選択された狭帯域の波長を、前記第１方向ビーム拡大器及び前記第２方
    向ビーム拡大器を通して、前記レーザチャンバへ、反射して戻して増幅するよう
    に配置された回折格子と、 を含むことを特徴とする狭線化装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の方向は水平方向であり、前記第２の方向は垂直方
    向であることを特徴とする、請求項１に記載の狭線化装置。
  3. 【請求項３】 前記第１方向ビーム拡大器は少なくとも１つのプリズムを含
    み、前記第２方向ビーム拡大器は少なくとも１つのプリズムを含むことを特徴と
    する、請求項１に記載の狭線化装置。
  4. 【請求項４】 前記第１方向ビーム拡大器は３つのプリズムを含み、前記第
    ２方向ビーム拡大器は単一のプリズムを含むことを特徴とする、請求項１に記載
    の狭線化装置。
  5. 【請求項５】 調整ミラーを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の
    狭線化装置。
  6. 【請求項６】 Ａ）レーザチャンバであって、 １）２つの電極、 ２）エキシマレーザガス、 ３）該ガスを循環させるためのブロワ手段、及び ４）前記電極間に放電を発生させ、エキシマレーザパルスを生成させるための
    パルス電力手段、 を含むレーザチャンバと、 Ｂ）出力カプラと狭線化装置とを含む共振空洞であって、前記狭線化装置が、 １）前記レーザからのビームを第１の方向に拡大するように配置された第１方
    向ビーム拡大器、 ２）前記ビームを第２の方向に拡大するように配置された第２方向ビーム拡大
    器、及び ３）選択された狭帯域の波長を、前記第１方向ビーム拡大器及び前記第２方向
    ビーム拡大器を通して、前記レーザチャンバへ反射して戻し増幅するように配置
    された回折格子、 を含む共振空洞と、 を含むことを特徴とする狭帯域エキシマレーザ。
  7. 【請求項７】 前記第１の方向は水平方向であり、前記第２の方向は垂直方
    向であることを特徴とする、請求項６に記載のレーザ。
  8. 【請求項８】 前記第１方向ビーム拡大器は少なくとも１つのプリズムを含
    み、前記第２方向ビーム拡大器は少なくとも１つのプリズムを含むことを特徴と
    する、請求項６に記載のレーザ。
  9. 【請求項９】 前記第１方向ビーム拡大器は３つのプリズムを含み、前記第
    ２方向ビーム拡大器は単一のプリズムを含むことを特徴とする、請求項６に記載
    のレーザ。
  10. 【請求項１０】 調整ミラーを更に含むことを特徴とする、請求項６に記載
    のレーザ。
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