JP2517066B2 - 波長安定化レ―ザ装置 - Google Patents

波長安定化レ―ザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は投影露光装置の光源に用いるレーザ装置に関
するものである。
従来の技術 近年、LSIのパターンの微細化に伴い、パターン露光
用光源が短波長化する傾向にある。このような光源の一
つに高圧水銀ランプがあり、そのg線(436nm)あるい
はi線(365nm)がLSI製造工程で用いられてきた。さら
にパターンを微細化したいわゆる超LSIにおいては、よ
り短波長の光源が要求され、この要求に応えるものとし
てレーザ光源、たとえばエキシマレーザが注目されてい
る。エキシマレーザはレーザ媒質としてクリプトン,キ
セノンなどの希ガスとふっ素,塩素などのハロゲンガス
を組み合わせることにより353nmから193nmの間のいくつ
かの波長でLSIパターンの露光に十分な出力を有する発
振線を得ることができる。
これらエキシマレーザの利得バンド幅は約1nmと広
く、光共振器と組み合わせて発振させた場合、発振線が
0.5nm程度の線幅(半値全幅)を持つ。このように比較
的広い線幅を持つレーザ光を露光用光源として用いた場
合、ランプ光源の場合と同様、露光光学系に色収差を補
正した結像光学系を採用する必要がある。ところが、波
長が350nm以下の紫外域では、結像光学系に用いるレン
ズの光学材料の選択の幅が限られ、色収差補正が困難と
なる。したがって、波長350nm以下のレーザ光源を露光
装置に用いる場合、レーザ発振線の線幅を0.0005nm程度
にまで単色化し、またその中心波長を一定の値に拘束す
ることにより、色収差補正しない結像光学系が利用可能
となり、露光装置の光学系の簡略化、ひいては露光装置
全体の小型化、価格の低減を実現できる。
本発明者らはすでに、上記目的を達成するレーザ装置
の一構成を提案した(特願昭62−243359)。すなわち、
本体内部にレーザの中心波長を安定化する手段を組み込
んで、発振波長を任意の値に設定かつ拘束できる波長可
変レーザ装置である。このようなレーザ装置を実現する
ためには、レーザの発振波長を精密に検出し制御する方
法が必要になる。レーザの発振波長を検出する方法につ
いてもいくつかの提案がある。たとえば特願昭62−2423
78号においては、レーザ光をファブリ・ペロー干渉計に
入射し、作られる干渉の位置からレーザの発振波長を読
み取る方法が述べられている。
ファブリ・ペロー干渉計は、大型のグレーティング分
光器と同等の分解能をきわめて小規模な装置で実現でき
るので、本発明者らが提案している、中心波長を安定化
する機構を内蔵したレーザ装置に最適の波長検出器の一
つである。
発明が解決しようとする課題 ところがファブリ・ペロー干渉計は、入射したレーザ
光の波長が一定値に保たれていても、周囲の気圧,気温
の変化によって異なる位置に干渉縞を作るという欠点を
持つ。第3図はファブリ・ペロー干渉計による波長検出
の原理を示す図である。ここでファブリ・ペロー干渉計
としては、2枚の平行平板の石英ガラスを微小なギャッ
プを保って対抗させたいわゆるエアスペースエタロン14
を採用している。エアスペースエタロン14にレーザ光が
入射すると、レンズ16によってフリンジ17とよばれる干
渉縞が投影される。フリンジ17の位置をたとえばリニア
イメージセンサ18aなどで読み取ることによって、レー
ザ光の相対波長を知ることができる。
このような構成の波長検出器において、気圧または気
温が変化してエアスペースエタロン14のギャップ間の屈
折率が変わると、フリンジの径は17aのように変化す
る。その結果、レーザ光の波長が変化していないのにも
かかわらず、あたかも変化があったかのような誤った信
号を出力してしまい、レーザ光の中心波長が変動すると
いう問題がある。
エアスペースエタロンに変わるものとして、たとえば
単体の石英板を平行平面に仕上げたソリッドエタロンと
呼ばれるものがある。しかし、ソリッドエタロンも材料
の屈折率が温度によって変化を受けるため、エアスペー
スエタロンと同様の欠点は逃れられない。温度あるいは
気圧を一定にする機構を設けて屈折率の変動をなくすこ
とは可能であるが、装置が大型になりファブリ・ペロー
干渉計が持つコンパクト性を活かせなくなる。
結局、従来のファブリ・ペロー干渉計による波長制御
方法においては、レーザー光の中心波長を一定の値に拘
束することが困難であるという問題点があった。本発明
はこのような問題点を解決するためなされたもので、中
心波長を一定値に安定に拘束できる波長安定化レーザを
提供するものである。
課題を解決するための手段 本願発明の波長安定化レーザ装置は、レーザ媒質と全
反射鏡および出力鏡とからなる光共振器と、同光共振器
中に設置して前記レーザ媒質の利得バンド幅内で特定の
発振波長を選択する単一または複数の波長選択素子と、
同波長選択素子の選択波長を制御する波長制御手段、お
よびレーザ光の発振波長を検出する波長検出手段とを具
備し、前記波長選択素子が前記全反射鏡と前記レーザ媒
質の間に設置され、前記波長制御手段が前記波長検出手
段からの信号により、高圧気体源と低圧気体源を制御し
て前記波長選択素子を収めた気密容器の圧力を変化させ
るものであり、前記波長検出手段が気密室内に設置され
たエアスペースエタロンにレーザ光を入射し、エアスペ
ースエタロンによって投影されるフリンジの位置を測定
することによって、レーザ光の中心波長を検出するもの
である。
作用 この構成により、レーザ光の中心波長を一定値に安定
に拘束できることとなる。
実施例 第1図は本発明の一実施例である波長安定化レーザ装
置の構成図である。第1図において本発明の実施例の波
長安定化レーザ装置は希ガスとハロゲンガスの混合気体
をレーザ媒質とする放電管1と、全反射鏡2および出力
鏡3からなる光共振器により、紫外域でレーザ発振す
る。光共振器の光軸上には波長選択素子であるエアスペ
ースエタロン4,グレーティング5が置かれている。エア
スペースエタロン4はレーザ波長において、適当な反射
率を持つ2枚の平行平面石英板を微小なギャップを保っ
て向き合わせたファブリ・ペローエタロンの一種であ
り、気密容器6中に設置されている。気密容器6には高
圧空気源7および低圧空気源8がそれぞれバルブ9,10を
介して接続されており、エアスペースエタロン4のギャ
ップ間およびグレーティング5周囲の気圧を変化させる
ことができる。また半透過鏡11によって取り出されたサ
ンプルビームは、波長検出器12に導かれる。波長検出器
12はサンプルビームの中心波長に相当する信号を比較器
13に出力する。比較器13は波長検出器12から送られた信
号を基準信号と比較し、その偏差量に応じてバルブ9ま
たはバルブ10を開閉する信号を出力する。
次に以上のような構成による、本発明の波長安定化レ
ーザ装置の動作を説明する。一般にエキシマレーザの利
得バンド幅は第2図aに示すように1nmに及ぶ。これを
第2図bに示すように0.005nm程度に単色化する場合、
透過帯域幅がそれと同程度の波長選択素子を用いる必要
がある。このような波長選択素子は、たとえば実施例に
示したようにファブリペローエタロンとグレーティング
を組み合わせて実現できる。
このようにして単色化したレーザ光の中心波長は、レ
ーザの動作中に変動する場合がある。これは、波長選択
素子の透過中心波長が、温度,気圧等によって変化する
ためである。このような原因によるレーザ光の中心波長
の変動は、波長選択素子周囲の温度および気圧を一定に
保つことにより抑制できるが、レーザ光の一部を吸収す
ることによる波長選択素子自体の温度上昇により、これ
にも限界がある。そこで本発明によるレーザ装置では、
波長検出器12を設け、レーザ光の中心波長に相当する波
長信号を得て波長選択素子の選択波長を一定値に保ち、
レーザ光の中心波長を固定する。波長選択素子の選択波
長を一定に保つためには、たとえば第1図の実施例に示
したように、エアスペースエタロン4,5を気密室6内に
設置し、比較器13からの偏差信号に応じて、高圧空気源
7との間のバルブ9または低圧空気源8との間のバルブ
10を開閉して、気密室6内の気圧を変えることによって
エアスペースエタロン4のギャップ間の屈折率を調節す
ればよい。
波長検出器12では、エアスペースエタロン14によりレ
ーザ発振のスペクトルを同心円上のフリンジ17に展開し
て結像し、フリンジの位置にフォトダイオード18を置い
ている。レーザ光の中心波長が変動するとフリンジ17の
径が変化してフォトダイオード18の出力が低下するの
で、比較器13はレーザ光の中心波長が当初の値に戻りフ
ォトダイオード18の出力が回復するような信号を発生す
る。
このような構成の波長検出器でレーザ光の中心波長を
一定の値に保つためには、一定の波長のレーザ光が入射
したとき常に同じ位置にフリンジパターン17ができなけ
ればならない。しかし、周囲温度や気圧の変化によって
エアスペースエタロン14のギャップ間の屈折率が変わる
と、一定波長のレーザ光が入射してもフリンジの径が変
動し、波長の変化があったような信号を出力してしまう
ことは前述した通りである。
そこで温度による屈折率の変化が無視できるような材
料が必要となるが、エキシマレーザの発振波長域ではそ
のような材料は見当たらない。しかし、本発明者らは、
エアスペースエタロンを気密室内に設置すれば、温度変
化の影響を受けることのない波長検出器を構成できるこ
とに想到した。第1図には本発明による波長検出器の一
実施例を示してある。本実施例においてエアスペースエ
タロン14は、その内部が外部の空気と完全に遮断された
気密室15に収めてある。気体の屈折率はその密度だけで
決まるので、気密室15内のエアスペースエタロン14のギ
ャップ間の屈折率は一定に保たれ、その結果、周囲の温
度,気圧の影響を受けない波長検出器を構成できる。
本発明による波長検出器は、検出波長が外部的な要因
によって変化を受けないという特徴を有するので、レー
ザ本体内部に組み込んで波長を安定に拘束できる波長安
定化レーザを供給できることになる。また、この波長検
出器は温度や気圧の制御手段を必要としないので、レー
ザ装置の小型化,低価格化も実現できる。
なお、第1図に示した波長検出器において、フォトダ
イオードによってフリンジが所定の位置にあるか否かだ
けを判別する例を示したが、リニアイメージセンサなど
によって、フリンジの形状を読み取るように構成しても
よい。また、気密室15中に封入する気体は空気以外の、
たとえば希ガス,窒素ガスなどであってもよい。
また、気体の屈折率が密度だけによって決まるという
性質はあらゆる波長域で成り立つので、本実施例に示し
た波長検出器がエキシマレーザ以外の、一般の光源の波
長の検出に利用できることは言うまでもない。
さらに、波長比較器13に入力する基準信号の値を変更
することによって、レーザ光の中心波長を微妙に変化さ
せることができる。これによって、露光装置の焦点合せ
機構を省略することもできる。
発明の効果 以上説明したように本発明による波長安定化レーザ装
置は、レーザ光の中心波長を一定の値に安定に拘束でき
るという優れた効果を有するレーザ装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である波長安定化レーザ装置
の構成図、第2図はレーザ光の単色化を説明する図、第
3図は従来の波長検出器の一構成を示す図である。 1……放電管、2……全反射鏡、3……出力鏡、4……
エアスペースエタロン、5……グレーティング、6……
気密容器、7……高圧空気源、8……低圧空気源、9,10
……バルブ、11……半透過鏡、12……波長検出器、13…
…比較器、14……エアスペースエタロン、15……気密
室、16……レンズ、17……フリンジ、17a……変化した
フリンジ、18……フォトダイオード、18a……リニアイ
メージセンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河原 英仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 三木 忠明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−16589(JP,A) 特開 昭64−84681(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ媒質と全反射鏡および出力鏡とから
    なる光共振器と、同光共振器中に設置して前記レーザ媒
    質の利得バンド幅内で特定の発振波長を選択する単一ま
    たは複数の波長選択素子と、同波長選択素子の選択波長
    を制御する波長制御手段、およびレーザ光の発振波長を
    検出する波長検出手段とを具備し、前記波長選択素子が
    前記全反射鏡と前記レーザ媒質の間に設置され、前記波
    長制御手段が前記波長検出手段からの信号により、高圧
    気体源と低圧気体源を制御して前記波長選択素子を収め
    た気密容器の圧力を変化させるものであり、前記波長検
    出手段が気密室内に設置されたエアスペースエタロンに
    レーザ光を入射し、前記エアスペースエタロンによって
    投影されるフリンジの位置を測定することによって、レ
    ーザ光の中心波長を検出するものであることを特徴とす
    る波長安定化レーザ装置。
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