JP2967623B2 - Narrow band laser oscillator - Google Patents

Narrow band laser oscillator

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JP2967623B2 JP3258988A JP25898891A JP2967623B2 JP 2967623 B2 JP2967623 B2 JP 2967623B2 JP 3258988 A JP3258988 A JP 3258988A JP 25898891 A JP25898891 A JP 25898891A JP 2967623 B2 JP2967623 B2 JP 2967623B2
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば屈折型の光学系
を有する縮小投影露光装置の光源として使用されるエキ
シマレーザ等のレーザ発振装置に関し、特に狭帯域化さ
れたレーザ発振光を発生するためのレーザ発振装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser oscillation device such as an excimer laser used as a light source of a reduction projection exposure apparatus having a refraction type optical system, and more particularly to a laser oscillation light having a narrow band. And a laser oscillation device for the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体露光用縮小投影露光において高い
解像度を得るためには、光学系の開口数を大きくするか
露光波長を短くすることが必要となる。一般に、開口数
の増大とともに光学系の焦点深度が減少するので、光源
の短波長化がより望ましい手段であるといえる。なかで
も、エキシマレーザ発振装置は紫外から真空紫外の領域
に発振波長を有するため、露光光源としての応用が多く
試みられている。しかし、このような波長領域で適当な
硝材は合成石英のみであるため、屈折系光学系で色消し
を図ることは一般には容易ではない。そこで、このよう
な屈折型縮小投影露光装置等の光源としては波長の狭帯
域化が必要となる。
2. Description of the Related Art In order to obtain high resolution in reduced projection exposure for semiconductor exposure, it is necessary to increase the numerical aperture of an optical system or shorten the exposure wavelength. In general, since the focal depth of the optical system decreases with an increase in the numerical aperture, it can be said that shortening the wavelength of the light source is a more desirable means. In particular, an excimer laser oscillation device has an oscillation wavelength in a region from ultraviolet to vacuum ultraviolet, and thus many applications as an exposure light source have been attempted. However, since synthetic glass is the only suitable glass material in such a wavelength region, it is generally not easy to achieve achromatism with a refractive optical system. Therefore, a light source such as a refraction-type reduction projection exposure apparatus needs to have a narrow wavelength band.

【0003】図5に雑誌(Can.J.Phys,6
3,214(’85))より引用した従来の狭帯域化エ
キシマレーザ発振装置の構成の概念図を示す。図5にお
いて、全反射鏡52および半透過鏡53とで構成される
光共振器内に放電管51が配置されている。放電管51
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、放電励起によりレーザ発振する。光共振器内には
例えばエタロンやプリズムといった波長選択素子54が
設置されており、さらに、レーザ媒質をはさむようにス
リット55,56が設置されている。このような構成の
エキシマレーザ発振装置においては、波長選択素子54
で選択された特定の波長でのみ発振が得られるので、高
い出力の狭帯域光を得ることができる。
FIG. 5 shows a magazine (Can. J. Phys., 6).
3, 214 ('85)) is a conceptual diagram of the configuration of a conventional narrow-band excimer laser oscillation device. In FIG. 5, a discharge tube 51 is arranged in an optical resonator constituted by a total reflection mirror 52 and a semi-transmission mirror 53. Discharge tube 51
Is filled with a medium gas containing a rare gas and a halogen gas, and oscillates laser by discharge excitation. A wavelength selecting element 54 such as an etalon or a prism is provided in the optical resonator, and slits 55 and 56 are provided so as to sandwich the laser medium. In the excimer laser oscillation device having such a configuration, the wavelength selection element 54
Since oscillation can be obtained only at the specific wavelength selected in the above, a narrow band light with high output can be obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の狭帯域化エキシマレーザ発振装置においては、波長
選択素子での損失を低減し、有効に機能させるために
は、レーザの横モード次数を低減する必要がある。その
ため低次の横モードのモード体積に応じてスリット幅を
設定する必要がある。しかし、一般に通常の共振器構成
においては、この低次横モードの断面積は小さく、スリ
ット幅は極めて細いものが必要となるため、発光された
レーザ光の極く一部のみを取り出すことになり励起体積
の利用効率が低いため高出力が得られない。また、狭帯
域化するためには横モード数が少ないほど容易である
が、横モード数の低減は高い空間コヒーレンスをもたら
し、半導体露光装置に用いると露光面でスペックルが発
生する。
However, in such a conventional narrow-band excimer laser oscillation apparatus, in order to reduce the loss in the wavelength selection element and to function effectively, the transverse mode order of the laser must be reduced. Need to reduce. Therefore, it is necessary to set the slit width according to the mode volume of the low-order transverse mode. However, in a general resonator configuration, the low-order transverse mode has a small cross-sectional area and a very narrow slit width, so that only a small part of the emitted laser light is extracted. High output cannot be obtained due to low utilization efficiency of the excitation volume. Also, although it is easier to narrow the band as the number of transverse modes decreases, the reduction of the number of transverse modes results in high spatial coherence, and when used in a semiconductor exposure apparatus, speckles occur on the exposed surface.

【0005】本発明は、上記課題に着目してなされたも
のであり、励起体積を有効に利用し、レーザ光の取り出
し効率を向上させることにより高出力を得て、さらに空
間コヒーレンスを低減した狭帯域化エキシマレーザ発振
装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a high output is obtained by effectively utilizing an excitation volume and improving a laser light extraction efficiency, and further, a narrow space coherence is reduced. It is an object to provide a banded excimer laser oscillation device.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ媒質を
はさんで対向配置する全反射鏡および半透過鏡により構
成された光共振器を含むレーザ発振手段と、この発振手
段から発振されレーザ光の発振波長のスペクトルを狭
帯域化するための光学的分散素子とを有し、スリット状
開口を有する凹面シリンドリカル鏡と大きさの限定さ
れた凸面シリンドリカル鏡とで構成される変倍アフォー
カル光学系をレーザ媒質をはさむように光共振器内に設
置することを特徴とする狭帯域レーザ発振装置である。
Means for Solving the Problems The present invention includes a laser oscillating means including a total reflection mirror and a semi-transparent mirror optical resonator constituted by the opposed sides of the laser medium, Ru oscillated from the oscillation means Having an optical dispersion element for narrowing the spectrum of the oscillation wavelength of the laser light, and having a slit shape
Narrowband laser, characterized by installing a variable magnification afocal optical system composed of a concave cylindrical mirror and the size of the limited convex cylindrical mirror in the optical resonator so as to sandwich the laser medium having an opening An oscillation device.

【0007】[0007]

【作用】変倍アフォーカル光学系を使用することによ
り、レーザの励起体積に応じて広い体積からレーザ光を
取り出すことができ、レーザの取り出し効率が高いため
高出力が得られる。また、凹面シリンドリカル鏡に設け
た開口や凸面シリンドリカル鏡の大きさを所望のモード
に応じて設計し得るため、スリットを用いずに狭帯域化
に必要なモードの発振光を得ることができる。さらに、
大きい励起体積に加えて、変倍アフォーカル光学系をシ
リンドリカル鏡で構成することにより、レーザ光がスリ
ット状断面となるため、スリットにより制限されない方
向に関しては高次の横モード光の発生が許容される。す
なわち、マルチ横モードの単一波長レーザ光の発振が可
能となるので、空間的コヒーレンスを低減でき、特に半
導体の露光において問題となるスペックルの発生が回避
できる。
By using a variable power afocal optical system, a laser beam can be extracted from a wide volume according to the excitation volume of the laser, and a high output can be obtained due to a high laser extraction efficiency. In addition, since the size of the opening provided in the concave cylindrical mirror and the size of the convex cylindrical mirror can be designed according to a desired mode, oscillation light in a mode necessary for narrowing the band can be obtained without using a slit. further,
In addition to the large excitation volume, the variable-magnification afocal optical system is composed of a cylindrical mirror, so that the laser beam has a slit-shaped cross section, so that higher-order transverse mode light can be generated in directions not limited by the slit. You. That is, since oscillation of a multi-transverse mode single-wavelength laser beam becomes possible, spatial coherence can be reduced, and speckle, which is a problem particularly in semiconductor exposure, can be avoided.

【0008】[0008]

【実施例】図1に、本発明の第1の実施例を示す。図1
に示される狭帯域化レーザ発振装置は放電管11をはさ
んで対向配置する回折格子12および半透過鏡13によ
り構成された光共振器と、発振波長のスペクトルを狭帯
域化するためのプリズム14とを有している。レーザ媒
質は電極18,19により放電励起される。さらに、光
共振器内に放電管11をはさみ開口16を有する凹面シ
リンドリカル鏡15と大きさの限定された凸面シリンド
リカル鏡17とで構成される変倍アフォーカル光学系を
設けてある。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. FIG.
The narrow-band laser oscillation device shown in FIG. 1 has an optical resonator composed of a diffraction grating 12 and a semi-transmissive mirror 13 disposed opposite to each other with a discharge tube 11 interposed therebetween, and a prism 14 for narrowing the spectrum of the oscillation wavelength. And The laser medium is discharge-excited by the electrodes 18 and 19. Further, a variable-magnification afocal optical system comprising a concave cylindrical mirror 15 having an opening 16 and a concave cylindrical mirror 17 sandwiching the discharge tube 11 in the optical resonator is provided.

【0009】図1の配置でプリズムを用いた狭帯域化に
おいては図中x方向の横モード数が少ないことが必要と
なる。また、エキシマレーザの励起体積のxy平面での
断面図を図2に示す。励起体積20は一般に、放電方向
に沿って細長い形状となる。そこで、図1に示す電極位
置の場合、y軸に対してのみ曲率を持つシリンドリカル
鏡を配置することにより開口16をスリット形状とする
ことができる。このとき、開口16と凸面鏡17の大き
さを所望の大きさ、形状に設定することにより、x軸方
向の横モード数を制御できる。この場合、y軸方向の横
モード数は制限を受けないため、マルチモードの単一波
長発振が実現され、スペックルの発生を回避することが
可能となる。また、放電管11の励起体積20の全域を
利用できるため、レーザ光の取り出し効率が向上する。
In narrowing the band using the prism in the arrangement of FIG. 1, it is necessary that the number of transverse modes in the x direction in the figure be small. FIG. 2 is a sectional view of the excitation volume of the excimer laser on the xy plane. The excitation volume 20 generally has an elongated shape along the discharge direction. Therefore, in the case of the electrode position shown in FIG. 1, the opening 16 can be formed in a slit shape by disposing a cylindrical mirror having a curvature only with respect to the y-axis. At this time, the number of transverse modes in the x-axis direction can be controlled by setting the size of the opening 16 and the convex mirror 17 to desired sizes and shapes. In this case, the number of transverse modes in the y-axis direction is not limited, so that multi-mode single-wavelength oscillation is realized, and generation of speckle can be avoided. Further, since the entire area of the excitation volume 20 of the discharge tube 11 can be used, the efficiency of extracting the laser beam is improved.

【0010】図3に、本発明の第2の実施例を示す。第
2の実施例においては、出力側の半透過鏡に部分全反射
鏡33を用いることに特徴がある。部分全反射鏡33の
構成を図4に示す。これは凸面シリンドリカル鏡41と
半透過鏡42を一体化した構造となっており、図4のA
方向からみたとき凸面シリンドリカル全反射部41の反
射率を100%,平面半透過部42の反射率を従来レー
ザの出力鏡程度としたものである。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. The second embodiment is characterized in that a partially total reflection mirror 33 is used as a semi-transmission mirror on the output side. FIG. 4 shows the configuration of the partial total reflection mirror 33. This has a structure in which a convex cylindrical mirror 41 and a semi-transmissive mirror 42 are integrated.
When viewed from the direction, the reflectance of the convex cylindrical total reflection portion 41 is set to 100%, and the reflectance of the plane semi-transmission portion 42 is set to be approximately equal to the output mirror of a conventional laser.

【0011】この部分全反射鏡33の凸面シリンドリカ
ル全反射部41と凸面シリンドリカル鏡15とで変倍ア
フォーカル光学系を構成し、部分全反射鏡33の平面半
透過部42と全反射鏡52とで光共振器を構成してい
る。
A convex aspherical optical system is constituted by the convex cylindrical total reflection portion 41 and the convex cylindrical mirror 15 of the partial total reflection mirror 33, and the plane semi-transmission portion 42 and the total reflection mirror 52 of the partial total reflection mirror 33 Constitutes an optical resonator.

【0012】エキシマレーザ発振装置においては、レー
ザ上準位の寿命が短いため、反転分布の持続時間が短
く、レーザ光のラウンドトリップが十分でない。そこ
で、図3において、部分全反射鏡33を用いることによ
り、図1に示したレーザ発振装置よりも短い光共振器長
を実現している。
In the excimer laser oscillation device, since the lifetime of the upper level of the laser is short, the duration of the population inversion is short, and the round trip of the laser beam is not sufficient. Therefore, in FIG. 3, by using the partial total reflection mirror 33, an optical resonator length shorter than that of the laser oscillation device shown in FIG. 1 is realized.

【0013】[0013]

【発明の効果】凹面シリンドリカル鏡に設けた開口や凸
面シリンドリカル鏡の大きさを所望のモードに応じて設
計し得るため、スリットを用いなくとも狭帯域化に必要
なモードでの発振を得ることができる。また、変倍アフ
ォーカル光学系を使用することにより、レーザの励起体
積全域からレーザ光を取り出すことができるため、レー
ザの取出し効率が高く高出力が得られる。さらに、大き
い励起体積に加えて、変倍アフォーカル光学系をシリン
ドリカル鏡で構成することにより、レーザ光がスリット
状断面となる。そのため、マルチ横モードの単一波長レ
ーザ光を発振でき、空間的コヒーレンスを低減できるた
め、特に半導体の露光において問題となるスペックルの
発生が回避できる。
According to the present invention, the size of the aperture provided in the concave cylindrical mirror and the size of the convex cylindrical mirror can be designed according to a desired mode. Therefore, it is possible to obtain oscillation in a mode necessary for narrowing the band without using a slit. it can. In addition, by using the variable power afocal optical system, laser light can be extracted from the entire excitation volume of the laser, so that the laser extraction efficiency is high and high output can be obtained. Further, in addition to a large excitation volume, by forming the variable power afocal optical system with a cylindrical mirror, the laser beam has a slit-shaped cross section. Therefore, a multi-transverse mode single-wavelength laser beam can be oscillated and spatial coherence can be reduced, so that speckle, which is a problem particularly in semiconductor exposure, can be avoided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例における断面図。FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the present invention.

【図2】放電電極と励起体積の形状を示す図。FIG. 2 is a diagram showing shapes of a discharge electrode and an excitation volume.

【図3】本発明の第2の実施例における断面図。FIG. 3 is a sectional view in a second embodiment of the present invention.

【図4】部分全反射鏡の構成を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a partial total reflection mirror.

【図5】狭帯域化レーザ装置の従来の例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of a narrow-band laser device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 放電管 12 回折格子 13 半透過鏡 14 プリズム 15 凹面シリンドリカル鏡 16 開口 17 凸面シリンドリカル鏡 18,19 放電電極 20 励起体積 32 全反射鏡 33 部分全反射鏡 41 凸面シリンドリカル全反射部 42 平面半透過部 51 放電管 52 全反射鏡 53 半透過鏡 54 波長選択素子 55,56 スリット DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Discharge tube 12 Diffraction grating 13 Semi-transmission mirror 14 Prism 15 Concave cylindrical mirror 16 Opening 17 Convex cylindrical mirror 18, 19 Discharge electrode 20 Excitation volume 32 Total reflection mirror 33 Partial total reflection mirror 41 Convex cylindrical total reflection part 42 Flat semi-transmission part 51 Discharge Tube 52 Total Reflection Mirror 53 Semi-Transmission Mirror 54 Wavelength Selector 55, 56 Slit

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザ媒質をはさんで対向配置する全反
射鏡あるいは回折格子および半透過鏡により構成された
光共振器を含むレーザ発振手段と、このレーザ発振手段
から発振されレーザ光の発振波長のスペクトルを狭帯
域化するための光学的分散素子とを有し、スリット状の
開口を有する凹面シリンドリカル鏡と大きさの限定され
た凸面シリンドリカル鏡とで構成される変倍アフォーカ
ル光学系をレーザ媒質をはさむように光共振器内に配置
したことを特徴とする狭帯域化レーザ発振装置。
1. A laser oscillating means including a total reflection mirror or the optical resonator constituted by the diffraction grating and the semitransparent mirror across the laser medium arranged opposite, oscillation of the laser a laser beam that will be oscillated by the oscillator means An optical dispersion element for narrowing the spectrum of the wavelength, and a variable magnification lens comprising a concave cylindrical mirror having a slit-shaped opening and a convex cylindrical mirror having a limited size. A narrow-band laser oscillation device wherein a focal optical system is arranged in an optical resonator so as to sandwich a laser medium.
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