JP2007527117A - レーザーの多重化 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】極端紫外線リソグラフィー即ちＥＵＬにおいて高出力パルスレーザーを用いるためのレーザー多重化システム及び方法。第１の実施形態では、レーザー発生プラズマ生成のための高出力ＥＵＶレーザー多重化素子（２００）が、少なくとも２つのレーザービーム（２０８）を夫々共通のワークピース上の焦点（２０４）に収束させる少なくとも２つの収束素子（２１０）を備える複合レンズを有する。第２の実施形態では、レーザー多重化装置が、パルスレーザービームを生成するための少なくとも２つのパルスレーザーソースと、少なくとも２つのパルスレーザービーム（３００）を時間的に交互に配置する時間多重化要素（３０２）と、を有する。第３の実施形態では、レーザー多重化組体がビーム形成素子（４０１）を有し、ビーム形成要素は、第１のレーザービーム（４０６ａ）を、第２のレーザービーム（４０６ｂ）の軸と共通の軸に沿って、上記共通の軸を中心として配置されている共通の収束素子（４０５）へと向ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば高出力パルスレーザーについてのレーザーの多重化に関する。

レーザーの多重化が必要とされる１つの分野として極端紫外線リソグラフィー（ＥＵＶＬ）があり、この極端紫外線リソグラフィーは、近年、従来の光学的なリソグラフィーを継ぐ最も魅力的な候補の内の１つの候補であると考えられている。これにより、半導体素子の構造サイズを３０ｎｍよりも小さくすることが可能となる。この技術を実現するために、１３．５ｎｍ周辺のスペクトル範囲の光を出射する光源が必要となる。例えば米国特許出願公開第２００２／０７０３５３号明細書及び国際公開第０２／１９７８１Ａ１号パンフレットに開示されているレーザー発生プラズマ（ＬＰＰ）ＥＵＶソースは、ＥＵＶリソグラフィーの将来的なソースとして多大な可能性があり、放電に基づくＥＵＶソースを超える複数の利点を提供する。これら利点は次のように要約できる；レーザーパラメーターの調整による出力スケール可変性（ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）、低デブリ、パルスからパルスへの安定性（光量制御，ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）、ディメンジョンのフレキシビィリティ、空間的安定性、最小の熱負荷、収集のための大きな立体角。

ＬＰＰＥＵＶソースで主に必要なことは、ターゲットへの高いレーザー繰り返し数（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）、高いピーク強度、高い平均レーザー出力に加えて、補充可能（ｒｅｆｒｅｓｈａｂｌｅ）で効率的なターゲットを利用可能なことである。レーザー光から（特に１３．５ｎｍの周辺の特定の波長の）ＥＵＶ放射への最適な変換効率（ＣＥ）を実現するために、Ｘｅターゲットへのピーク強度（Ｉ）が１０^１１−１０^１３Ｗ／ｃｍ^２の範囲にあることが必要である。

Ｉ（Ｗ／ｃｍ^２）＝Ｅ_Ｌ／（Ａτ）…（１）
ここで、Ｅ_Ｌはレーザーパルスエネルギー（ジュール）、Ａはターゲット上のレーザービームの焦点スポット領域（ｃｍ^２）、τはレーザーパルス継続時間（秒）である。

高出力を得るために、偏光ビームスプリッター及び偏光回転光学素子（波長板）を用いて、充分に偏光された２つのレーザーを結合して１つの共通の直線状ビームとすることはありふれたことであるが、この技術は２つ以上のレーザーを結合できず、非偏光レーザーには適用できない。

主発振出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＭＯＰＡ）として知られているアプローチでは、１つの大型で複雑なレーザーシステムが、必要な入力の大きさを満たすために用いられる。例えば、出力の大きさを増大するために、レーザー発振器の後方に増幅モジュールを追加することで、スケールアップ（ｓｃａｌｅ−ｕｐ）が達成される。しかしながら、このシステムでは様々な問題が浮上する。第１に、スケール可変性の観点からフレキシビリティが制限されることとなる。第２に、複数の増幅モジュールの内の１つのモジュールで故障が発生すると、ＥＵＶシステムの全体が停止してしまう。

図１に示される既知の別のアプローチでは、ターゲット１０８における必要なピーク強度（式１）を達成して、最適な変換効率を達成するために、１つの収束光学素子１０６を用いて、比較的小さい複数のレーザーモジュール１００，１０２，１０４からの出力を結合する。全てのビーム１１０，１１２，１１４の焦点スポットは、理想的には、大きさが等しく、空間的に完全に重なり、これにより必要なピーク強度が確実に達成される。

しかしながら、このようなシステムでも問題が浮上する。例えば、レンズが球面収差を無視できるような充分な品質を有さない場合には、ビームの焦点スポットのサイズは光学表面における位置に依存する。さらに、例えば多数のレーザービームに対応するためにレンズ径を増大させる必要がある場合には、充分な品質のレンズを製造するのが難しく、製造コストも増大する。また、このシステムでは、収束光学素子の表面にビームを配置するために、離軸ミラー（ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｍｉｒｒｏｒ）が用いられる。しかしながら、レンズホルダー、ミラーホルダーのような装着器具はビームの通過領域に介在しがちであるため、離軸ミラーを用いる場合には、（収束素子の表面領域を効率的に利用するために）複数のビームを互いに接近して進行されるように配置することが難しくなる。

既知のさらに別のアプローチでは、多重レーザー光学素子が用いられる。多重レーザービームを用いてターゲットにおけるパルスエネルギーを増大させるこのアプローチは、ラザフォード研究所、国立発火施設（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｆａｃｉｌｉｔｙ，ＮＩＦ）、その他の大規模レーザー施設におけるレーザー核融合の研究で広範になされている。この方法では、様々な角度から多数のビームを収束させて、核融合ターゲットを照明する。各ビームラインでは、ターゲットにおいて所望のピーク強度を得るためにそれ自身の収束素子が用いられる。しかしながら、この形態では、ビームラインは完全にターゲットを囲んでおり、生成されたＥＵＶ放射の収集効率が甚だしく制限される。

米国特許出願公開第２００２／００９０１７２号明細書に記載されている既知のさらに別のアプローチは、印刷及び医療撮影のための半導体ダイオードレーザー多重化システムを示しており、別々のレーザーダイオードから放出されたビームが多モード光学ファイバーの入口へと収束され、ファイバーを通って進行する。しかしながら、このような形態は、ＬＬＰＥＵＶレーザー多重化スキームで用いるには、必要とされる（１０^１１−１０^１３ｗ／ｃｍ^２の範囲の）高強度ライトパルスによって光学ファイバーが破壊されるため適切ではない。さらに、光学ファイバーによる伝達では、ファイバーの入口における光の収集の立体角が甚だしく制限されるため、このような形態では、多重化可能なビームの個数が制限される。
米国特許出願公開第２００２／０７０３５３号明細書 国際公開第０２／１９７８１Ａ１号パンフレット 米国特許出願公開第２００２／００９０１７２号明細書

本発明は、各請求項に記載されている。

本発明の複数の実施形態を、図面を参照して、例として説明する。

図２に示される本発明の第１実施形態では、ＬＰＰＥＵＶシステムの全体が２００によって示されており、ＬＰＰＥＵＶシステムは、コレクター（不図示）を備える適切なタイプのＬＰＰチャンバー２０２と、ターゲット２０４と、を有する。複数のレーザーソース２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃが、レーザービーム２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃを生成する。これらビームは、夫々近接して配置されている複数の小さなレンズ２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃからなる列へと向けられており、これらレンズは所謂「ハエの目」の配置を形成している。各レンズは１−２個のレーザービームを受容し、そして、光学組体全体により、特にＥＵＶ放射を生成するために、Ｎ個のレーザーをチャンバー窓２０５を介してあらゆるタイプのターゲット即ちワークピースに収束させる複合レンズが構成されている。

適切なレーザーは、数ｋｈｚの繰り返し数及び５−１０ｎｓのパルス継続時間のパルスダイオード励起固体レーザー（例えば、パワーレーザー・モデル・スターレーザー・ＡＯ４・Ｑ−スイッチ・Ｎｄ：ＹＡＧ・レーザー，Ｐｏｗｅｒｌａｓｅ ｍｏｄｅｌ Ｓｔａｒｌａｓｅ ＡＯ４ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ）である。標準的な一素子凸レンズ（反射防止被覆済みの平凸あるいは両凸）が、「ハエの目」の複合レンズ（例えば、１０６４ｎｍの光についての反射防止被覆済み、３００ｍｍの収束長、１”の直径、石英ガラスの平凸レンズ−ＣＶＩレーザーＬＬＣ、品番ＰＬＣＸ−２５．４−１５４．５−ＵＶ−１０６４）の適切な素子となる。適切な商用ソフトウェアパッケージ（例えば、オプティカル・リサーチ・アソシエートのコード・Ｖ，Ｃｏｄｅ Ｖ ｆｒｏｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）を用いることにより、光学性能が最適化される。

上述した空間的な多重化方法を用いて多数のレーザーを結合させることにより、従来技術のＬＰＰドライバー形態を超える複数の効果が得られる。例えば、１つの高出力レーザーを用いるのと比較して、スケール可変性の観点から、より高いフレキシビリティが得られる。第２に、多重化モジュールの内の１つのモジュールで故障が生じた場合にも、ＥＵＶシステムは（出力は僅かに低下するが）作動を継続することができる。

１つの収束光学要素を有する空間的な多重化スキームと比較して、ビームの焦点スポットのサイズは光学表面上の位置には依存せず、レンズの品質はより決定的な事項ではなくなる。しかしながら、ハエの目のスキームにおいて、例えば多数のレーザービームを受容できるように、レンズ径を増大させる必要がある場合には、より小さく、容易に入手可能で高品質の複数のレンズを収差の影響を最小化するために用いることが可能である。

さらに、多数の独立していない収束光学素子を用いるシステムに対して、ハエの目の複合レンズでは、レーザー放射が細い円錐内に制限されるため、ＥＵＶを収集可能なより大きな立体角が提供される。

図３ａ乃至図３ｃに示される第２の実施形態では、時間的及び／又は空間的又は角度的な多重化を用いて、複数のソースレーザービームを、ＬＰＰ発生に必要とされる高い繰り返し数の、単一の共に進行する出力ビームへと結合することで、ターゲットへと入射されるレーザー出力が増大される。この技術は、複数のソースレーザービームの偏光状態とは無関係に実施可能である。

上述したタイプの複数のソースレーザービーム３００ａ，３００ｂ，３００ｃは、光学素子３０２、ここでは、複数のビームの偏向角を時間的に変化させる回転ミラーまたはプリズムへと向けられる。偏向素子への各ソースビーム３００ａ，３００ｂ，３００ｃの入射角は一定である。

各ソースレーザービームは、レーザーの繰り返し周期の逆数だけ時間的に分離された別々のパルスの列からなっている。３つのレーザーについてのシステムを示す図３ｂから理解されるように、複数のソースレーザーの出力パルス列が時間的に交互に配置され、偏向素子への各レーザーパルスの到達時刻が固有のものとなるように、ソースレーザーのタイミングが調節される。偏向素子の時間的変化は、ソースレーザーからの入射パルスが共通の出力経路に沿って進行されるように調節される。

図３ａに示される回転反射プリズム３０２については、プリズムは六角形断面を有するが、反射面の個数を多重化されるレーザービームの個数の整数倍の個数とする場合には他の多角形断面を用いることが可能である。プリズム３０２が回転され、ソースレーザービーム３００ａ，３００ｂ，３００ｃが連続的なパルスであるため、プリズムの一面に対して各ソースビームパルスが異なった入射角をなすことになる。従って、各ソースビームの角度の違いを効率的に補償して、全てのビームが共通の出力経路３０４に沿って反射されるように、プリズムの回転速度を調節可能である。また、パルスの反射角度が先頭エッジと末尾エッジとの間で最小となるように、即ち、パルスのドゥエルタイム（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）の結果生じる角度の広がりがほぼなくなり、補償用の第２の光学素子が必要なくなるように、回転速度が選択される。

例えば往復ミラーや図３ｃに示される変形例のような様々な別の形態が可能であることが理解されるだろう。図３ｃに示される変形例では、くさび状プリズム３１０が、出射ビーム３１４の方向に垂直なソースビーム入射面３１２と、入射面３１２と所定の角度をなす出射面３１６と、を有する。異なるソースレーザービーム３１８ａ，３１８ｂ，３１８ｃ，３１８ｄが出射面に対して同じ入射角をなし、連続的なパルスとなるように、くさびが回転される。従って、これら各ビームの入射角の相違は回転くさびによって元通りに補償され、共通の出力経路３１４が提供される。複数のレーザーパルスが時間的に互いに等しい間隔で分離され、くさびが一定の角速度で回転され、複数のレーザーソースは互いに等しい角度だけ離間されている。代わって、出射面が出射ビームの方向に垂直に配置され、かつ、入射面が出射面に対して所定の角度で配置され得、あるいは、両面が出射ビームの方向に対して所定の角度をなし得る。

結果として生じたビームは、時間的及び角度的に多重化され、Ｎをソースの個数として、Ｎｘ（ソース平均出力）の平均出力、Ｎｘ（ソース繰り返し周波数）の繰り返し周波数を有する。このようにして多重化されたビームを（例えば上述した空間的な多重化を用いて）さらに結合するようにしてもよい。

このような形態により、偏光とは無関係な多数のレーザーの多重化を達成することが可能となる。

さらに、このような形態により、平均出力のスケールアップをターゲットでのピーク強度から独立して制御可能であり、即ち、ターゲットでの平均出力をターゲットでのピーク強度を増大させることなく増大させることが可能である。

さらに別の実施形態では、図４ａ及び図４ｂにおいて４００で示されるシステムが、
環状断面のビームを形成するためのビーム形成素子４０１，４０２と、平面環状ミラー４０３，４０４と、共通の収束素子４０５と、を有する。環状ミラー及び共通収束要素は共通の長手軸を中心として配置されている。複数のレーザーが複数のレーザービーム４０６ａ，４０６ｂ，４０７を生成する。第１及び第２の複数のレーザービーム４０６ａ，４０６ｂは、夫々のビーム形成要素４０１，４０２に向けられ、夫々の環状出力ビーム４０６ｃ，４０６ｄ（側断面によって示されている）を生成する。各環状出力ビーム４０６ｃ，４０６ｄは、環状ミラー４０３，４０４（側断面によって示されている）を用いて共通の収束素子４０５へと向けられる。これら環状ミラーは、方向付けられたビームが共通の軸に沿って進行するように、ビームの方向に対して所定の角度をなしている。追加のレーザービーム４０７が平面ミラー４２０によって共通の収束素子へと向けられる。環状ミラー及び平面ミラーは、互いにほぼ平行に向けられ、共通の収束素子において同心的なビームパターンを形成する。共通の収束素子４０５は図４ｂの背面図に示されており、空間的に分離された複数の環状ビームが同心的に入射されていることが理解される。

好ましくは、各ビーム形成素子は、図４Ｃに示されるように、一組の円錐、あるいは、ｗｗｗ．ｓｃｉｎｅｒ．ｃｏｍ／Ｏｐｔｉｃｓｌａｎｄ／ａｘｉｃｏｎ．ｈｔｍに示されるタイプの「アキシコン（ａｘｉｃｏｎ）」レンズによって形成されている。この態様では、円状入射ビームは、第１のアキシコンレンズ４０８によって分割されて発散環状ビームを生成し、この発散環状ビームは第２のアキシコンレンズ４１０に入射され、ほぼ直線状の環状出力ビームを生成する。代わって、回折格子のような回折光学素子が環状ビームを生成するのに用いられ得る。

図４ａでは３個のビームが示されているが、本質的には、この方法で任意の個数のビームを多重化することができ、ビームの最大数は、究極的には収束素子の開口によって制限される。

上述したタイプのビーム形成技術を用いて多数のレーザーを結合することにより、従来技術の形態を超える幾つかの効果が得られる。例えば、共通の軸に沿って進行する環状ビームを用いることにより、離軸ミラーの必要性及びこれらに関する配置上の問題がなくなる。

時間的又は空間的な多重化スキームが適切な方式で組み合わされ得、時間的に交互に配置されあるいは重ね合わされたビームを、他のこのようなビームと空間的に多重化された共通の「チャンネル」に入射させることが可能となることが理解されるだろう。

空間的な多重化と時間的な多重化との結合により、ＥＵＶターゲットにおけるレーザーの平均出力をスケールアップさせ、ＥＵＶ平均出力を増大させることが可能となる。これは式１から次のように達成される：ＥＵＶ放射の最適な変換効率が達成されるまで、ターゲットにおけるレーザー出力強度が増大され、時間的な多重化によって平均出力のスケールアップが達成される。

様々な実施形態の別々の要素及び工程が適切に組み合わされ又は併用されることが理解されるだろう。所望の効果を得るために、反射、屈折、又は、回折偏向素子のような適切な光学要素と共に、適切ないかなるレーザーも用いられ得る。また、適切な応用のために、高出力を得るために上記アプローチが用いられ得、適切な場合には連続的なレーザーが用いられ得る。上記複数のアプローチは、組み合わされる場合には、任意に組み合され得る。

従来技術のレーザーの多重化を示す図。 本発明の空間的なレーザーの多重化の模式的なダイアグラムを示す図。 本発明の時間的なレーザーの多重化の模式的なダイアグラムを示す図。 図３ａの多重化についてのタイミングダイアグラムを示す図。 本発明の別の時間的な多重化を示す図。 本発明のさらに別の実施形態の模式的なダイアグラムを示す図。 本発明のさらに別の実施形態の模式的なダイアグラムを示す図。 本発明のさらに別の実施形態の模式的なダイアグラムを示す図。

Claims (23)

1. 少なくとも２つのレーザービームを夫々共通のワークピース上の焦点に収束させる少なくとも２つの収束素子を有する複合レンズを具備するレーザーの多重化。
2. 複合レンズが複数のレンズからなる列を有する請求項１に記載の素子。
3. 請求項１又は２に記載の素子を有するレーザー。
4. 少なくとも２つのパルスレーザービームをこれらビームがそれらの偏光状態とはかかわりなく多重化されるように時間的に交互に配置することを具備する複数のレーザービームを多重化する方法。
5. 少なくとも２つのレーザービームは空間的に分離されており、可変偏向素子が複数のレーザービームをワークピース上の共通のターゲット領域へと収束させる、請求項４に記載の方法。
6. 可変偏向素子は、時間的に交互に配置された複数のビームをワークピース上の共通のターゲット領域へと収束させるように移動可能である、請求項４又は５に記載の方法。
7. 複数のレーザーパルスを共通のターゲットへと空間的に多重化する工程と、複数の空間多重化パルスの内の少なくともいくつかの空間多重化パルスを時間的に交互に配置する工程と、を順不同で具備する複数のレーザービームを多重化する方法。
8. 複数のパルスの内の少なくともいくつかの複数のパルスを時間的に重複させる工程をさらに具備する請求項７に記載の方法。
9. パルスレーザービームを生成する少なくとも２つのパルスレーザーソースと、少なくとも２つのパルスレーザービームを時間的に交互に配置する時間多重化素子と、を具備するレーザー多重化装置。
10. 時間多重化素子は可変偏向素子を有する、請求項９に記載の装置。
11. 可変偏向素子は可動な反射器あるいはくさびを有する、請求項１０に記載の装置。
12. 可変偏向素子は可動な屈折器を有する、請求項１０に記載の装置。
13. 可変偏向素子は可動な回折素子を有する、請求項１０に記載の装置。
14. 可変偏向素子は所定の個数の反射面を有し、反射面の個数は多重化されるレーザー源の個数である整数個である、請求項１０に記載の装置。
15. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー多重化素子をさらに具備する請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー、及び／又は、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の装置、を具備する高出力レーザー発生プラズマ生成装置。
17. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー、又は、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載のレーザー装置、を具備するレーザープラズマ生成装置。
18. ２つ以上の独立したレーザーによるパルス状のレーザー光を可動偏向素子へと向ける工程と、レーザーパルスの偏向が先頭エッジと末尾エッジとの間で最小化されるような速度で上記素子を移動させる工程と、を具備する複数のレーザービームを多重化する方法。
19. ビーム形成素子を具備し、ビーム形成素子は、第１のレーザービームを、第２のレーザービーム軸と共通の軸に沿って、上記共通の軸を中心として配置されている共通の収束素子へと向ける、レーザー多重化組体。
20. ビーム形成素子は、第１及び第２のビームを空間的に分離可能である、請求項１９に記載の組体。
21. ビーム形成素子はレンズによって形成されている、請求項１９又は２０に記載の組体。
22. 上記レンズはアキシコンレンズである、請求項２１に記載の組体。
23. 第１のレーザービームを、第２のレーザービーム軸と共通の軸に沿って、上記共通の軸を中心として配置されている共通の収束素子へと向ける工程を具備する複数のレーザービームの多重化の方法。

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