JP2600364B2 - 狭帯域化レーザ装置 - Google Patents

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狭帯域化レーザ
装置に関するものである。

従来の技術 半導体集積回路のパターン露光用光源としては、従
来、高圧水銀ランプが一般的であり、そのｇ線（436n
m）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につ
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パターン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程度の帯域幅（半値全幅）を持つ。このように比
較的広い帯域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。エキシマレーザを露光装置に用いる場合、
レーザ発振線の帯域幅を0.005mm程度にまで単色化でき
れば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、さらには露光装置全体の小型
化、価格の低減を実現できる。

広い帯域幅を持つレーザ光を単色化するには、狭い透
過帯域を持つ波長選択フィルターを通せばよい。しかし
この方法ではレーザの出力が著しく減衰し、露光用光源
として実用に供することができない。そこで、波長選択
素子を共振器内に設置し、出力を減衰させずに単色化す
る方法が一般に採用されてきた。第４図はこのような従
来の狭帯域化エキシマレーザの構成を説明する図であ
る。第４図において全反射鏡２および半透過鏡４からな
る光共振器内に放電管１が置かれている。放電管１には
希ガスとハロゲンガスを含む媒質ガスが封入されてお
り、放電励起によってレーザ発振する。光共振器中には
波長選択素子であるファブリペローエタロン５が設置さ
れている。このような構成のエキシマレーザ装置では、
ファブリペローエタロン５で選択された特定の波長の光
だけが増幅，発振するので、非常に狭い帯域幅でかつ高
い出力のレーザ光を得ることができる。

発明が解決しようとする課題 しかし、このような従来の狭帯域化レーザ装置では、
光共振器内に定在する高いエネルギーの光が波長選択素
子を通過するために、波長選択素子の変形や劣化を招き
選択波長の変動や、出力の低下が起こる結果、露光装置
の光源として用いた場合、製品に不良を生じるなどの問
題があった。本発明はこのような問題を解決するためな
されたもので、波長選択素子の変形，劣化による波長変
動や出力の低下がない狭帯域化レーザ装置を提供するも
のである。

課題を解決するための手段 この課題を解決するため本発明は、レーザ媒質と、光
軸に垂直に設置した第１の全反射鏡および光軸に垂直で
かつ前記レーザ媒質に対して前記第１の全反射鏡側とは
異なる側に設置した第２の全反射鏡とから成る光共振器
と、前記レーザ媒質と前記第１の全反射鏡との間におい
た半透過鏡と、前記半透過鏡と前記第１の全反射鏡との
間に設置した波長選択素子とを具備したものである。

作用 この構成により、波長選択素子を通過する光エネルギ
ーは、半透過鏡の透過率を乗じた程度に低下するので、
波長選択素子の変形，劣化を著しく低減することができ
る。

実施例 第１図は本発明の一実施例であるエキシマレーザの構
成図である。本実施例の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2,3からなる光共振器により、紫外域でレーザ発振す
る。光共振器内には半透過鏡４が設置され、光共振器の
光軸に垂直方向に出力光を取り出す。半透過鏡４と全反
射鏡２との間の光軸上には波長選択素子であるファブリ
ペローエタロン５が置かれ、特定の狭い帯域の波長だけ
を選択し、放電管１へ戻すことによって増幅する。

放電管１を含む全反射鏡３と半透過鏡４の間の光共振
器内には、従来のレーザ装置の場合と同様、大きな光エ
ネルギーが定在する。一方、半透過鏡４と全反射鏡２の
間の空間では、放電管方向から来た光の大半が半透過鏡
によって光共振器外へ放射されるため、定在する光エネ
ルギーはわずかである。したがって、半透過鏡４の透過
率がたとえば20％であるとすると、ファブリペローエタ
ロン５を通過する光エネルギーは、第４図に示した従来
例の約1/5となる。この結果、ファブリペローエタロン
５は熱変形や劣化，損傷をまぬがれ、選択波長を長時
間、安定に維持できることになる。

本発明者らの実験によれば、第４図に示したような従
来のエキシマレーザで出力を2W以上取り出そうとする
と、ファブリペローエタロンの熱変形が顕著になった。
その結果、比較的短時間の間に選択波長が変化するなど
の影響が現れた。また、ファブリペローエタロンの反射
膜の反射率低下あるいは損傷によって、長期間の使用中
にはビームパターンの悪化や出力の低下が生じるなど、
実用上、問題があった。

一方、本発明による狭帯域化レーザ装置では、出力を
5Wとしても問題なくファブリペローエタロンを使用する
ことができた。長期間の使用においてもファブリペロー
エタロンの劣化，損傷は見られなかった。また、レーザ
光の帯域幅も従来例の場合と同様の狭さが得られた。

エキシマレーザは媒質の利得が高いため、光共振期の
カップリング、すなわち本発明における半透過鏡の透過
率は10〜20％と低く取ることができる。したがって、本
発明は特にエキシマレーザにおいてその効果を発揮する
ものと言える。

ファブリペローエタロンが損傷を受ける理由は、この
光学素子が、２枚の反射面を対向させその間の干渉効果
によって波長を選択しているためであると考えられる。
すなわち対向した反射面の間には多重反射によって高い
光エネルギーが閉じ込められるため、反射面が損傷しや
すいと推定できる。したがって、グレーティングのよう
に１回の光反射によって波長選択される素子を用いれ
ば、損傷のしきい値はファブリペローエタロンの数倍に
高くなる。第２図はグレーティングを用いた本発明の第
２の実施例である。グレーティング５′を用いたことに
より、10W以上のレーザ出力を得ることも可能となる。
波長選択素子としては、以上の例に示したほかに、プリ
ズムなどを用いてもよい。

第３図に本発明の第３の実施例を示す。第３図の実施
例では、半透過鏡４で折曲げた光軸上に全反射鏡２を設
置し、プリズム５″による波長選択素子を半透過鏡４と
全反射鏡２の間に置いている。この場合、半透過鏡の反
射率を20％程度にとれば、第１図の実施例と同様の効果
が得られる。また、第３図の実施例では波長選択素子と
してプリズムを用いた例を示したが、波長選択素子は、
プリズムのほかファブリペローエタロン、グレーティン
グ等どのようなものであっても本発明の効果が得られる
ことは言うまでもない。

以上のような構成を有するので、本発明の狭帯域化レ
ーザ装置は波長選択素子の変形や劣化がなく、狭い帯域
のレーザ光を安定して放射することができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明は波長選択素子を共振器
内に置き、かつそこを通過する光エネルギーを小さくす
ることによって、選択波長の変動や出力の低下がなく、
露光用光源に最適な狭帯域化レーザ装置を提供できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である狭帯域化レーザ装置の
構成を示す図、第２図は本発明の第２の実施例を示す
図、第３図は本発明の第３の実施例を示す図、第４図は
従来の狭帯域化レーザ装置の構成を示す図である。 １……放電管、2,3……全反射鏡、４……半透過鏡、５
……ファブリペローエタロン、５′……グレーティン
グ、５″……プリズム、６……レーザビーム。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ媒質と、光軸に垂直に設置した第１
   の全反射鏡および前記光軸に垂直でかつ前記レーザ媒質
   に対して前記第１の全反射鏡側とは異なる側に設置した
   第２の全反射鏡とから成る光共振器と、前記レーザ媒質
   と前記第１の全反射鏡との間に設置した半透過鏡と、前
   記半透過鏡と前記第１の全反射鏡との間に設置した波長
   選択素子とを具備したことを特徴とする狭帯域化レーザ
   装置。