JP2689012B2

JP2689012B2 - 狭帯域発振レーザ装置

Info

Publication number: JP2689012B2
Application number: JP2191336A
Authority: JP
Inventors: 理若林; 計溝口; 雅彦小若; 諭樹夫小林
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1997-12-10
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JPH0476976A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はステッパー用の光源として使用されるエキシ
マレーザ等の狭帯域発振レーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

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0.3μｍ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。

ところで、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、
しかも大きな出力パワーが要求される。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として有望なものと
しては例えば、第８図（ａ）に示すように、グレーティ
ング１をリトロー配置（グレーティング１の入射角と回
折角を等しく配置したもの）し、グレーティング１とレ
ーザチャンバ２との間にプリズムビームエキスパンダ３
を配置したものや、第８図（ｂ）に示すように、エタロ
ン４をグレーティング１とプリズムビームエキスパンダ
３との間に更に配設したもの等がある。なお、これらの
図において、５はフロントミラー、６はウインドウであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、第８図（ａ）に示すように、グレーティング
１をリトロー配置するとき、発振効率を高くするために
グレーティング１のブレーズ角と入射角（＝回折角）を
ほぼ一致させた角度に配置するようにしている。ところ
が、グレーティング１のブレーズ角とレーザの発振波長
が完全に適合したグレーティングを製作することは非常
に困難であり、特にエキシマレーザの場合は発振波長範
囲が狭いため、ブレーズ角とグレーティングへの入射角
は完全に一致せず、この結果従来装置では発振効率を最
大にすることは不可能であった。

また、第８図（ｂ）に示すようにエタロン４とグレー
ティング１を組み合わせた場合、グレーティング表面で
の空気の揺らぎによりレーザビームプロファイルに揺ら
ぎが生じるという問題があった。

この発明はこのような事情に鑑がみてなされたもの
で、発振効率を向上させるとともに、レーザビームプロ
ファイルの揺らぎを防止する狭帯域発振レーザ装置を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段および作用〕

この発明においては、狭帯域化素子として機能するグ
レーティングをその入射角と回折角が等しくなるようリ
トロー配置しかつ前記入射角が該グレーティングのブレ
ーズ角に一致するようにグレーティングを配置するとと
もに、前記グレーティングを複数の異なる混合気体が充
填された気密室内に配設するようにした狭帯域発振レー
ザ装置において、前記グレーティングの回折光の波長が
ブレーズ角に対応する波長になるよう前記気密室内に供
給する混合気体の組成比を制御する組成比制御手段を具
えるようにしている。

すなわち、溝間隔がｄのグレーティングにブレーズ角
γと同じ角度で平行光線を入射させるとき、ブレーズ角
γと同じ角度の回折光の波長λの光強度が最大となる、
別言すれば、2dsinγ＝ｍλ（ｍは整数）の条件を満た
すようなとき回折光の光強度が最大となるので、気密室
内の混合気体の組成比を制御することで前記気体の屈折
率を調整し、この屈折率の調整によって上記条件を満た
すようレーザ光の波長を制御することにより、グレーテ
ィングを最高効率で使用するのである。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面を参照して詳細に
説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、この第１
図の狭帯域発振エキシマレーザでは、グレーティング１
をリトロー配置（グレーティング１の入射角と回折角を
等しく配置したもの）してグレーティング１をリアミラ
ーと共用するとともに、グレーティング１を気密室７に
配置するようにしている。この気密室７にはウインドウ
８が設けられており、このウインドウ８を介してグレー
ティング１の入射光および回折光が透過されるようにな
っている。この場合グレーティング１は、第２図に示す
ように、その入射角（＝回折角）が該グレーティング１
のブレーズ角γと略一致するような角度に設置されてい
る。

ところで、一般に屈折率ｎの媒質中の光の波長λは次
式で与えられる。

λ＝λ0/n λ0;真空での光の波長 ……（１）一方、第２図に示すように、溝間隔がｄの平面グレー
ティングにブレーズ角γと同じ角度で平行光線を入射さ
せるとき、ブレーズ角γと同じ角度の回折光の波長λの
光強度が最大となる。

すなわち、下記（２）式の条件を満たすようなとき回
折光の光強度が最大となる。

2dsinγ＝ｍλ ｍは整数、ｄは格子定数 ……（２）したがって、上記（１）式、および（２）式に基ずき
気密室７内の気体の屈折率ｎを調整するようにすれば上
記（２）式を満たすような波長λを得ることができる。

第１図の気密室７内には、この場合レーザ光に吸収さ
れない不活性気体を充填している。例えば、エキシマレ
ーザの場合は、N2、Kr、Xe、CO2、He、Arなどの不活性
気体が使用でき、KrFエキシマレーザの場合は空気でも
よい。

各気体の屈折率を下記第１表に示す。

第１表（latm,25℃,589nm）気体屈折率ｎ N2 1.0002969 Kr 1.0004253（670.8nm） Xe 1.0007016 CO2 1.000449 He 1.000036 Ar 1.0002815 空気 1.000294 すなわち、気体の屈折率ｎは気密室７内の気体の圧力
または気体の組成を変えることで調整することができ、
したがって上記気密室７内の気体の圧力または気体の組
成を調整することによって、レーザ光の波長を当該グレ
ーティング１のブレーズ角γに対応する波長λ、すなわ
ち前記（２）式を満たすような波長λに固定するように
すれば、グレーティング１を最高効率で使用することが
でき、効率よく狭帯域化できる。

なお、上記グレーティング１としてはエシェールグレ
ーティングが最適である。エシェールグレーティングは
溝の頂角がほぼ垂直となっており、大きなブレーズ角の
ものが製作可能なため、高効率で高分解能であり、また
フリースペクトルレンジが小さいためブレーズ角に対応
する波長に気密室内のレーザ波長を調整することが容易
となる。

例えば、格子定数ｄ＝31.6本/mm、ブレーズ角γ＝76
±0.5度、空気中でのレーザの実際の発振波長を248.39n
mとすると、先の（２）式よりブレーズ角γに対応する
波長λは、ブレーズ角γ＝76.5度、次数ｍ＝248のときは、 λ＝248.155nm ブレーズ角γ＝75.5度、次数ｍ＝247のときは、 λ＝248.078nm となる。

また、式の（１）式から、真空中でのレーザの波長は
先の第１表の空気の屈折率を用いて、248.463nm（＝1.0
00294×248.39）となる。

したがって、気密室７内の気体の屈折率ｎは、先の
（１）式を用いて、ブレーズ角γ＝76.5度、次数ｍ＝248のときは、ｎ＝1.1001241（＝248.463/248.155）がブレーズ角に対応する波長を得るための気体の屈折率
となり、ブレーズ角γ＝75.5度、次数ｍ＝247のときは、ｎ＝1.001552（＝248.463/248.078）がブレーズ角に対応する波長を得るための気体の屈折率
となる。

また、一般に、気体の屈折率ｎと気体の圧力Ｐとの関
係は下記（３）式のように近似的に表せる。

ｎ−１＝Ｋ×Ｐ K;定数 ……（３）したがって、この（３）式を用いることで、上記ブレ
ーズ角に対応する波長を得るための気体の屈折率を得る
ことができる気密室７内の所要圧力値Ｐを求めることが
できる。

下記第２表に、最適屈折率を得るための気密室７内の
圧力値Ｐを先の第１表に示した各気体についてそれぞれ
示す。

上記第１表および第２表によれば、これら複数の気体
のうち、特にXeは他の気体と比べて屈折率が高く、かつ
気密室７内の圧力を小さくできるので有用であることが
判る。

第３図および第４図は、気密室７内の気体の圧力を調
整するための具体構成例を示すもので、第３図はガスボ
ンベ30から気密室７に供給するガス圧をレギュレータ９
によって調整しようとしたものであり、第４図は圧力セ
ンサ11により気密室７内のガス圧を検出し、この検出圧
が所定の圧力となるようにバルブ10の開閉制御をCPU12
により行なうようにしたものである。

第５図は混合ガスの組成比を調整することにより混合
ガスの屈折率を調整することで、先の（２）式に示した
ブレーズ角に対応する波長を得るようにした具体例を示
すものであり、ガスボンベ15〜17にはそれぞれ異なるガ
スが充填されている。

この場合、先の（２）式に示したブレーズ角に対応す
る波長を得ることができる混合ガスの屈折率は予め計算
しており、さらにこの屈折率を得ることができる混合ガ
スの組成比も予め計算している。

各ガスボンベ15〜17とガス組成調整タンク14との間に
は、流量コントローラ18〜20が設けらており、これら流
量コントローラ18〜20の流量制御によって前記予め計算
した組成比が得られるように各ガスの流量を調整する。
この後、このようにしてガス組成調整タンク14に所定の
組成比で混合された混合ガスを気密室７に導入し、その
全圧を先の第４図と同様にして圧力センサ11およびCPU1
2によって調整する。

第６図は、グレーティング１とレーザチャンバ２との
間にプリズムビームエキスパンダ３を配置したものであ
り、プリズムビームエキスパンダ３によってビームを拡
大してグレーティング１に入射することで、グレーティ
ング１に入射する光のビーム広がり角を小さくし、スペ
クトル線幅を小さくするようにしている。

第７図はグレーティング１とレーザチャンバ２との間
にプリズムビームエキスパンダ３およびエタロン４を配
置した例であり、第６図の場合より更にスペクトル線幅
を小さくすることができる。

このようにこの実施例では、グレーティング１を気密
室７内に密閉するようにしたので、グレーティング表面
での気体の揺らぎを防止し、これによりレーザのビーム
プロファイルの揺らぎを防止し、パルス安定性を向上さ
せることができる。また、リトロー配置したグレーティ
ング１をその入射角がグレーティングのブレーズ角に略
一致するように配置し、かつ前記ブレーズ角に対応する
波長となるよう前記気密室内の気体の圧力または組成比
を制御するようにしているので、グレーティングを最高
効率で使用することができ、効率よく狭帯域化できる。

なお、上記実施例では、狭帯域化素子のグレーティン
グ１のみを気密室７に配設するようにしたが、第６図お
よび第７図に示したエタロン４またはプリズムビームエ
キスパンダ３を、あるいはその双方を気密室７に配設す
るようにしてもよい。

また、気密室７を真空にしたときその波長がブレーズ
角に対応する波長となる場合は、気密室を真空にしても
よい。真空にした場合は、レーザのビームプロファイル
の揺らぎおよびパルス安定性が更に良くなる。また、気
密室はその気密度が良い場合は封じ切りにしてもよい。

更に、上記実施例ではガスの全圧または組成比を調整
して気密室内の気体の屈折率を調整するようにしたが、
ガスの種類を変えることで前記屈折率を調整するように
してもよい。

ところで、この発明は、エキシマレーザ以外の他の狭
帯域発振レーザ装置にも適用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、グレーティン
グの回折光の波長がブレーズ角に対応する波長になるよ
う前記気密室内に供給する混合気体の組成比を制御する
ようにしたので、安価なガスの混合ガスを使用した場合
でもグレーティングを最大効率で使用することができレ
ーザ出力を飛躍的に向上する事が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概念図、第２図はグ
レーティングを示す図、第３図乃至第５図は気密室のガ
スの制御のための具体構成例をそれぞれ示す図、第６図
および第７図はそれぞれこの発明の他の実施例を示す
図、第８図は従来技術を示す図である。１……グレーティング、２……レーザチャンバ３……ビームエキスパンダ、４……エタロン７……気密室

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】狭帯域化素子として機能するグレーティン
グをその入射角と回折角が等しくなるようリトロー配置
しかつ前記入射角が該グレーティングのブレーズ角に一
致するようにグレーティングを配置するとともに、前記
グレーティングを複数の異なる混合気体が充填された気
密室内に配設するようにした狭帯域発振レーザ装置にお
いて、前記気密室内でのレーザの波長がブレーズ角に対応する
波長になるよう前記気密室内に供給する混合気体の組成
比を制御する組成比制御手段、を具えるようにしたことを特徴とする狭帯域発振レーザ
装置。
【請求項２】前記組成比制御手段によって組成比が調整
された混合ガスの前記気密室内での全圧を制御する全圧
制御手段を更に具えるようにしたことを特徴とする請求
項（１）記載の狭帯域発振レーザ装置。