JP3514073B2 - 紫外レーザ装置及び半導体露光装置 - Google Patents

紫外レーザ装置及び半導体露光装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造のため
の露光システムに係わり、特に、ＡｒＦ露光機のレンズ
収差測定装置のための光源、あるいは、露光機（ステッ
パー）の光源として使用可能な紫外レーザ装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路製造における集積度向上
のためには、露光機に用いる光源の波長を短くする必要
がある。そのため、将来の露光機として、ＡｒＦレーザ
の発する193nm光を利用する露光機の開発が行われてき
た。
【０００３】［従来の波面収差測定器の光源］ ＡｒＦ露光機を開発するにあたって、レンズの収差測定
を行う際に、干渉計による波面収差測定装置が有用であ
る。
【０００４】ここで使われる代表的な干渉計として、フ
ィゾー型（図５）または、トワイマン・グリーン型の干
渉計がある。
【０００５】フィゾー型とは、被測定レンズ５５の直前
に、光の伝搬方向と垂直に、参照面となるハーフミラー
５４を置いて、一部を垂直に反射させ、参照光をとる。
一方、ハーフミラー５４を透過した光は、被測定レンズ
５５を透過して、反射鏡５６で折り返され、再び被測定
レンズを透過した後に、参照光と重なる。
【０００６】この方式は、参照光の光路が測定光の光路
と重なっており、測定に誤差をおよぼす部品が少ないと
いう利点がある。しかし、参照光と測定光の光路長に差
が生ずる。
【０００７】トワイマン・グリーン型では、まず、光軸
に対して傾けたハーフミラーによって光を２方向に分
け、参照光と測定光を作る。参照光は反射鏡で折り返
す。測定光は光路中の被測定レンズを通した後、反射鏡
で折り返し、再び被測定レンズを通した後に、参照光と
干渉させる。トワイマングリーン干渉計は、参照光路長
と測定光路長を等しくとることができるが、そのため大
型になり、精度が出しにくいという欠点があった。ま
た、参照光路と測定光路がまったく別のために、参照光
路中の部品の収差や光路中の空気ゆらぎが測定誤差の原
因となるという欠点もあった。
【０００８】それゆえ、なるべくフィゾー干渉計を用い
るほうが誤差の点で望ましいものとされている。
【０００９】ところが、二つの干渉計の選択におよぼす
問題の一つとして、測定に用いるレーザ光源のコヒーレ
ンスがある。
【００１０】193nmのレーザとして従来用いられてきた
ＡｒＦレーザはコヒーレンスが低いという問題があっ
た。そのため、参照光路長と測定光路長を等しくする必
要があった。それゆえ、トワイマングリーン干渉計が必
要であり、フィゾー干渉計が使えないという困難があっ
た。
【００１１】［従来のＡｒＦ露光機］ ＡｒＦ露光機においては、色収差を少なくするために、
ＡｒＦレーザの波長幅を狭帯域化することが求められて
いた。ところがＡｒＦレーザはパルス発振のピークパワ
ーが強いことによる狭帯域化素子の損傷などにより、狭
帯域化が困難であった。
【００１２】［従来の和周波発生レーザ］ ２つのレーザ光からの和周波発生を行う方法は、従来、
パルスレーザ光で行われてきた。パルスレーザ光では、
非線形光学結晶を共振器中に置く必要はなく、前記結晶
に２つの波長のレーザ光を同時に透過させれば良かっ
た。しかし、パルス光では長いコヒーレント長を実現す
ることに困難があった。
【００１３】また、Liu他（Enquan Liu, F. B. Dunnin
g, and F. K. Tittel, Applied Optics Vol.21 , No. 1
9, October 1, 1982, pp. 3415-3416）により、第１の
レーザの共振器中に、和周波発生のための非線形光学結
晶をおくが、第２のレーザ光は、この結晶を１回通過さ
せるだけの構造を持つものが提案された。しかし、この
場合には、第２のレーザ光を共振させていないので、非
線形結晶の場所での第２のレーザ光の強度が弱く、結果
として和周波光の強度が弱かった。
【００１４】また、Watanabe他（M. Watanabe, K. Haya
saka, H. Imajo, S. Urabe, OpitcsLetters, Vol. 17,
No. 1, January 1, 1992, pp. 46-48）により、第１の
レーザ（波長750nmから810nmを発生するチタン・サファ
イアレーザ）に共鳴する一つの外部共振器のなかに、非
線形光学結晶をおき、第２のレーザ（波長515nmのアル
ゴンレーザの２倍波の257nm）の光は、この結晶を一回
通過させ、194nmの光を発生させる装置も提案された。
この場合、第２のレーザ光が共振されていないので、非
線形光学結晶の場所でその強度が弱く、結果として発生
した和周波光の強度も４μW程度と弱いものであった。
【００１５】また、二つの連続波レーザ光を一つの外部
共振器に同時に入射させて、どちらの波長に対しても同
時に共振状態になるように制御し、和周波発生を行う方
法が提案されている（Kaneda, Y. and Kubota, S., OSA
TOPS on Advanced Solid-State Lasers, 1996, vol.
1, p. 352-355）。この方法では、レーザ１の光に対し
て外部共振器を同調させる１台のサーボ制御装置と、さ
らに、レーザ２の光の波長をこの外部共振器に同調させ
るもう１台の合計２台のサーボ制御装置が必要であり、
構成が複雑になるうえに、システムが不安定になる場合
があるなどの欠点があった。さらに、外部共振器にレー
ザ１とレーザ２の光を入射させる際に、結合効率が悪
く、内部に入るパワーが減少し、効率が落ちるという欠
点があった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を鑑みてなされたもので、以下のような目的を備え
る。
【００１７】本発明の目的は、時間コヒーレンスおよび
空間コヒーレンスの高い、しかも大出力の193nmあるい
はその近傍波長のレーザ光を発生する紫外レーザ装置を
実現すると共に、当該紫外レーザ装置を光源として用い
てレンズ波面収差測定を行うフィゾー干渉計を提供する
ことにある。
【００１８】また、本発明の他の目的は、同様な構造に
よって193nmあるいは213nmの露光機用光源として機能す
ることが可能な紫外レーザ装置を提供することにある。
【００１９】また、本発明の他の目的は、和周波発生を
利用する紫外レーザ装置において、サーボの段数を１段
にとどめながら和周波発生に用いる２つのレーザ光のど
ちらにも共振する共振器を用意し、該共振器の中に配置
された非線形光学結晶に、高強度の２つの波長のレーザ
ビームを供給することで、必要とされるサーボ制御装置
の台数を最小にすると共に、システムの簡素化および安
定化を図ることができる、大出力の紫外レーザ装置を実
現することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に記載の紫外レーザ装置は、レー
ザ結晶と非線形光学結晶を含む第１の共振器であって励
起された前記レーザ結晶から発生した第１の連続波レー
ザ光が前記非線形光学結晶を介して共振する第１の共振
器と、前記非線形光学結晶を含む第２の共振器であっ
て、該第２の共振器の外部に設けられたレーザ光発生源
から発生した第２の連続波レーザ光が、前記非線形光学
結晶を介して共振する第２の共振器とを備え、前記共振
器のうちいずれか一方の共振器がリング共振器であり、
前記非線形光学結晶は、前記第１の連続波レーザ光と前
記第２の連続波レーザ光の和周波発生を行ない、前記レ
ーザ結晶として、 650nm から 1100nm 付近のレーザ光を発
生するチタン・サファイアレーザを用い、前記第２の共
振器の外部に設けられたレーザ光発生源として、 260nm
付近のレーザ光を少なくとも発生する希土類イオンを含
む固体レーザを用い、 前記和周波発生により、 180nm
から 215nm 付近のレーザ光を発生させること を特徴と
する紫外レーザ装置である。
【００２１】請求項２に記載の紫外レーザ装置は、レー
ザ結晶と非線形光学結晶を含む第１の共振器であって励
起された前記レーザ結晶から発生した第１の連続波レー
ザ光が前記非線形光学結晶を介して共振する第１の共振
器と、前記非線形光学結晶を含む第２の共振器であっ
て、該第２の共振器の外部に設けられたレーザ光発生源
から発生した第２の連続波レーザ光が、前記非線形光学
結晶を介して共振する第２の共振器とを備え、前記共振
器のうちいずれか一方の共振器がリング共振器であり、
前記非線形光学結晶は、前記第１の連続波レーザ光と前
記第２の連続波レーザ光の和周波発生を行ない、前記第
１の連続波レーザ光の発生源として 1064nm 付近を発生す
る Nd 固体レーザを用い、前記第２の連続波レーザ光の発
生源として Nd 固体レーザを用い、該 Nd 固体レーザの発す
る 1064n ｍ付近のレーザ光から発生させた４倍波の 266nm
付近のレーザ光を用い、前記和周波発生により 213nm の
レーザ光を発生させることを特徴とする紫外レーザ装置
である。
【００２２】請求項３に記載の紫外レーザ装置は、請求
項１に記載の紫外レーザ装置において、前記チタン・サ
ファイアレーザの波長を707nm付近とし、前記第２の連
続波レーザ光の発生源としてNd固体レーザを用い、該Nd
固体レーザが発する1064nm付近のレーザ光から発生させ
た４倍波の266nm付近のレーザ光を用い、前記和周波発
生によりArFレーザと同じ波長の193nmから194nm付近の
連続波レーザ光を発生させることを特徴とする紫外レー
ザ装置である。
【００２３】
【００２４】前記非線形光学結晶としては、β−BaB２O
４、Sr２Be２B２O７またはKBe 2BO 3F 2 を用いてもよい。
【００２５】ここで、前記第１の非線形光学結晶として
は、LiB３O５を用いてもよい。また、前記第２の非線形
光学結晶としては、β−BaB２O４、Sr２Be２B２O７およ
びKBe 2BO 3F 2 のうちいずれかを用いてもよい。
【００２６】また、本発明による紫外レーザ装置は、被
測定レンズの収差測定を行うレンズ収差測定装置のレー
ザ光源として、あるいは、マスク上に形成された所定の
パターンをウエーハに投影するための半導体製造用露光
装置のレーザ光源として用いることができる。
【００２７】また、上記各発明による紫外レーザ装置に
おいて、前記２つのレーザ光のうち一方の波長変化に連
動させて、前記和周波発生のための非線形光学結晶の位
相整合角を変化させる位相整合角変化手段をさらに備え
る構成としてもよい。
【００２８】さらに、チタン・サファイアレーザの波長
変化に連動して、位相整合角変化手段を制御する場合に
は、和周波発生されたレーザ光の強度を検出する検出手
段をさらに設け、その検出結果に応じて位相整合角変化
手段を微調整する構成としてもよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】［第１の実施形態］ 本発明による紫外レーザ装置の第１の実施形態における
構成例を図２に示す。
【００３０】本実施形態によるレーザ装置は、レーザ光
源（以下レーザと略称する）とそれに対応する共振器と
を２組設け、これら２つの共振器の光路の一部を共有さ
せ、そこで和周波発生を行わせ、目的とする波長のレー
ザを発生させるものである。
【００３１】図２において、２３は、500nm付近の連続
光を発生する出力5W程度のレーザ（第１のレーザ）であ
り、チタン・サファイア結晶２５を励起することに用い
られる。このレーザとしては、Nd:YVO4レーザの２倍波
の532nmのレーザを用いても良いし、515nm、488nmを発
生するアルゴンイオンレーザを用いても良い。励起用の
500nm付近の光はチタン・サファイア結晶で吸収され
る。チタン・サファイア結晶から発生する707nmの連続
光は、４枚の平面または曲面の反射鏡242, 243, 244, 2
41からなるリングレーザ共振器２４（第１の共振器）に
共振して、高強度の707nm光を共振器中に存在させる。
この共振器２４中を循環する707nm光のパワーは30W程度
になる。
【００３２】ここで、241, 242, 243, 244は波長707nm
光に対して高反射（反射率99.9%以上）である反射鏡で
ある。さらに、241は励起光の500nm付近に対して高透過
（透過率95%以上）であり、244は、193nm光に対して十
分な透過率（透過率80%以上）を有するものとする。
【００３３】なお、リングレーザ共振器２４中の光路中
には、光の進行方向を本図の矢印の方向の１方向（242-
243-244-241の順）に限定するための、図不示の光ダイ
オードを挿入してある。同様に、リング共振器の共振波
長を選択する複屈折フィルターと、縦モードを１つに選
択するエタロンも挿入してある（図不示）。
【００３４】一方、２１は波長266nmの連続光を発生す
るレーザ（第２のレーザ）である。ここでは、Nd:YVO4
レーザの発生する1064nm光の４倍高調波レーザを用いて
いる。そのパワーは1Wである。266nmのレーザ光は、４
枚の反射鏡221, 222, 223, 224からなる266nmの共振器
２２（第２の共振器）に入射する。ここで、221は266nm
光に対して98%の反射率を有する部分透過鏡で、222, 22
3, 224は、266nm光に対して高反射（反射率99.9%以上）
である。さらに、223と224は、707nm光に対しては高透
過（透過率99.7%以上）である反射鏡である。また、224
は193nm光に対しても十分な透過率（透過率80%以上）を
有する反射鏡である。
【００３５】この和周波光を発生する共振器２２の反射
鏡223と反射鏡224との間の光路は、チタンサファイアレ
ーザ共振器２４と光路を共有している。
【００３６】和周波光を発生する共振器２２は、レーザ
２１の発する266nmのレーザ光に共振するように、共振
器長をサーボ制御されている（図不示の機構による）。
サーボ制御機構としては、FMサイドバンド法（パウンド
・ドレーバー法）と呼ばれる方法を用いる。共振器長の
制御は、一個または複数の反射鏡の位置をアクチュエー
タによって変える方法や、非線形光学結晶２６の電気光
学効果を用いる方法等がある。なお、もう一方の共振器
２４においては、サーボ制御を必要としない。
【００３７】この共振器２２の内部には266nmの光が共
振することによって、高強度の266nm光が存在する。共
振器２２中を循環する266nmのパワーは、50W程度と推定
される。
【００３８】従って、反射鏡223から224の間には、高強
度（30W）の707nm光と、高強度（50W）の266nm光が同軸
で存在することになる。
【００３９】本実施形態においては、共振器２２、２４
の共有光路となる反射鏡223と224との間に、和周波発生
のための非線形光学結晶ＢＢＯ（β−BaB２O４）が配置
されている。ＢＢＯのカット方向は、光軸が結晶軸を基
準とした座標において約θ＝76°である。これは707nm
光と266nm光の和周波発生を行い、193nm光を発生するこ
とに位相整合する角度である。また、ＢＢＯの入射・射
出の両端面には、707nm光と266nm光に対して反射防止コ
ートがなされている。さらに、このコートは射出端面は
193nm光に対して十分大きなの透過率を持つという条件
も満たす。
【００４０】ＢＢＯでの和周波発生出力P１９３は707nm
のパワーをP７０７、266nmのパワーをP２６６とする
と、 P１９３ ＝ ηP７０７P２６６ で与えられる。ここで、ηはビーム径や結晶の長さによ
って与えられる変換効率でη＝5×10−５W−１程度の値
を取る。今回の場合は、P７０７ = 30W、P２６６= 50W
であるので、P１９３ = 0.075W = 75mWの193nmの光がＢ
ＢＯ結晶で発生すると見込まれる。この193nm光は、224
と244の２枚の反射鏡を透過する際に、その透過率（と
もに80%以上）の影響を受け、最終的には50mW程度の193
nm出力２７を得ることになる。
【００４１】ここで、266nm光を発生するレーザとし
て、Nd:YVO4レーザの４倍波ではなく、Nd:YAGレーザま
たはNd:YLFレーザの４倍波でも良い。ただし、Nd:YLFレ
ーザの1047nm光を用いる場合には、４倍波が261.8nm光
となるので、チタン・サファイアレーザの発振波長を74
0nmに変更し、最終的な和周波として193nm光を得る。
【００４２】また、和周波発生のための非線型光学結晶
として、ここではＢＢＯ（β−BaB２O４）を用いた場合
の例を説明したが、その代わりに、Sr２Be２B２O７やKB
e 2BO 3F 2 を用いてもよい。これらの結晶のほうが、193nm
での光の吸収が小さいので高出力が見込まれ、また損傷
も少ない。
【００４３】［第２の実施形態］ 本発明による紫外レーザ装置の第２の実施形態における
構成例を、図１に掲げる。本実施形態においても、上記
第１の実施形態と基本原理は同じであるが、レーザおよ
び共振器の配置が異なる。
【００４４】図１において、レーザ１３はチタン・サフ
ァイアレーザを励起するレーザであり、上記図２の２３
と同じものである。
【００４５】また、レーザ媒体であるチタン・サファイ
ア１５は、２５と同じである。
【００４６】チタン・サファイアレーザの共振器１４
は、141, 142, 143, 123の４枚の平面または曲面の反射
鏡で構成される。本実施形態では、123の反射鏡を後述
する266nmの共振器１２と共有している。ここで、141,
142, 143の反射鏡は241, 242, 243と同性能である。123
の反射鏡は、708nm光と266nm光に対して、どちらも高反
射（反射率99.9%以上）であり、193nmの光を十分に透過
する（透過率80%以上）ものである。
【００４７】また、上記第１の実施形態と同様に、図不
示の光ダイオードと複屈折フィルター、エタロンが共振
器中に組み込まれている。このため、上記第１の実施形
態と同じ様に、共振器１４の中には、約30Wの707nmの光
が循環すると見込まれる。
【００４８】第２のレーザ１１は上記第１の実施形態の
レーザ２１と同じで、266nmの連続光（パワー1W）を発
生する。
【００４９】第２の共振器として機能する266nmの共振
器１２は、121, 122, 123, 124の４枚の平面または曲面
の反射鏡で構成される。レーザ光の入射する121の反射
鏡は、上記図２の反射鏡221と同様のものである。反射
鏡122と124は、266nm光に対しては高反射（反射率99.9%
以上）であるが、707nm光に対しては高透過（透過率99.
7%以上）である。反射鏡123は、前述したように、707nm
の共振器１４と266nmの共振器１２で共有している。
【００５０】上記第１の実施形態と同じ様に、共振器１
２には、入射される266nmのレーザ光に同調するよう
に、FMサイドバンド法によるサーボ制御がかけられてい
る。共振器１２の中には約50Wの266nmの光が循環すると
見込まれる。
【００５１】707nmの共振器１４と266nmの共振器１２と
では、反射鏡122から123までと、反射鏡123から124まで
が共有される光路となる。
【００５２】本実施形態では、この反射鏡１２２から１
２３までの光路中に、和周波発生用の非線形光学結晶Ｂ
ＢＯ（図中１６）が配置されている。非線型光学結晶１
６は、上記図２の２６と同じものであり、上記第１の実
施形態と同様に、Sr２Be２B２O７やKBe 2BO 3F 2 を代わり
に用いることもできる。
【００５３】本実施形態においても、上記第１の実施形
態と同様に、和周波発生による193nmのパワーとして、7
5mW程度の発生が予想される。そのレーザ光が、反射鏡1
23を透過する際に、透過率（80%以上）の影響を受け
て、約60mWの193nm出力１７が発生されることになる。
【００５４】［第３の実施形態］ 本発明による紫外レーザ装置の第３の実施形態における
構成例を図３に示す。
【００５５】本実施形態は、上記第２の実施形態のチタ
ン・サファイアレーザ（波長707nm）を、Nd:YAGレーザ
（波長1064nm）に置き換えたものである。それに伴い、
レーザ結晶がチタン・サファイア結晶１５から、Nd:YAG
結晶３５に置き換えられている。最終的に得られる波長
も213nmとなる。
【００５６】また、上記第２の実施形態の励起用のレー
ザが500nm付近のレーザ光を発生するレーザ１３の代わ
りに、808nm付近のレーザ光を発生するレーザダイオー
ドアレイ３３１、３３２が用いられている。その出力は
レーザダイオードアレイ３３１と３３２の合計で20Wで
ある。励起方式もエンドポンプ式からサイドポンプ式に
なっている。これによって、共振器３４の内部を循環す
る1064nmのパワーは200W程度になる。
【００５７】上記第２の実施形態と同様に、共振器３４
の内部には、光の循環方向を一方向に限定する図不示の
光ダイオードと複屈折フィルターとエタロンが設置され
ている。なお、Nd:YAGの発振波長幅が狭いので、複屈折
フィルターは省くこともできる。
【００５８】本実施形態におけるすべての反射鏡の性能
は、上記第２の実施形態において対応する反射鏡の707n
m光における反射率、透過率の性能を、1064nm光におけ
る反射率、透過率としたものである。266nm光に対する
性能は変わらない。
【００５９】266nmの共振器３２の機能は、上記第２の
実施形態の共振器２２と同じである。
【００６０】和周波発生を行うＢＢＯ結晶のカット方向
は、光軸が結晶軸を基準とした座標において約θ＝51°
である。これは1064nm光と266nm光の和周波発生を行
い、213nm光を発生することに位相整合する角度であ
る。
【００６１】ＢＢＯでの和周波発生出力P２１３は、106
4nmのパワーをP１０６４、266nmのパワーをP２６６とす
ると、 P２１３ ＝ ηP１０６４P２６６ で与えられる。ここで、ηはビーム径や結晶の長さによ
って与えられる変換効率でη＝1×10−４W−１程度の値
を取る。今回の場合は、P１０６４ = 200W、P２６６ =
50Wであるので、P２１３ = 1W = 1000mWの213nmの光が
ＢＢＯ結晶で発生すると見込まれる。この213nm光は323
の反射鏡を透過する際に、その透過率（80%以上）の影
響を受け、最終的には800 mW程度の213nm出力３７を得
ることになる。
【００６２】［第４の実施形態］ 本発明による紫外レーザ装置の第４の実施形態の構成例
を図４に示す。
【００６３】本実施形態では、１つの連続波発生レーザ
とＳＢＢＯ結晶とを利用して、193nm付近およびそれよ
りも短波長の光を、より簡単な構成で発生する紫外レー
ザ装置を提供する。
【００６４】本図において、４１は波長500nm付近のレ
ーザ光を発生する励起レーザであり、チタン・サファイ
ア結晶４３を励起する。励起レーザ４１の出力は5Wであ
る。このレーザは、アルゴンイオンレーザでも良いし、
Nd:YAGレーザの２倍波（532nm）や、Nd:YVO4レーザの２
倍波（532nm）でもよい。
【００６５】４枚の平面または曲面の反射鏡421, 422,
423, 424からなるリング共振器４２は、チタン・サファ
イア結晶の発生する772nmの光を共振させ、強いパワー
の772nmの光を内部に循環させる。反射鏡421, 422, 42
3, 424は772nmの光に対しては高反射（反射率99.9%以
上）である。このうち反射鏡421は、その条件に加え
て、波長500nm付近の励起光を高透過（透過率95%以上）
させる。また、反射鏡423は、波長386nmの光に対して90
%以上の透過率を持つ。このレーザ共振器４２の内部を
循環する772nmの光のパワーは50Wと推測される。
【００６６】共振器４２は、上記各実施形態と同様に、
図不示の光ダイオードと複屈折フィルター、エタロンを
含んでおり、光の循環方向を一方向に限定するほか、発
振波長の選択と、縦モードの選択を行っている。
【００６７】共振器４２中におかれた２倍波発生用の非
線形光学結晶ＬＢＯ（LiB３O５）（図中４４）によっ
て、772nmの光は、386nmの光に変換される。変換されて
出力された光のパワーは250mWと推測される。
【００６８】この386nm光は、反射鏡424を透過し共振器
４５に入射する。共振器４５は、この386nm光に同調す
るように、図不示のサーボ制御回路で制御されるものと
する。制御方法にはFMサイドバンド法を用いる。
【００６９】共振器４５は、４枚の平面または曲面の反
射鏡451, 452, 453, 454で構成される。451は386nmの光
に対して約99%の反射率と約1%の透過率を持つ部分反射
鏡で、452, 453, 454は386nmの光に対して高反射（反射
率99.9%以上）の反射鏡である。さらに、反射鏡454は19
3nmの光に対して80%以上の透過率を持つ。共振器４５中
では、386nm光が循環し、そのパワーは25W程度になると
推測される。
【００７０】本実施形態では、この共振器４５中に、２
倍波発生用のSr２Be２B２O７結晶４６が設置されてお
り、386nm光から193nm光を発生させる。発生されたレー
ザ光は、もとの772nm光から考えると４倍波である。こ
の４倍波のパワーは50mW程度と予想される。この193nm
の光は、透過率80%以上の反射鏡454を透過して、40mW程
度の193nmの光４７として、外部に取り出される。
【００７１】ここで、Sr２Be２B２O７結晶の代わりに、
KBe 2BO 3F 2 結晶を用いる構成としてもよい。β−BaB２O
４結晶は２倍波発生の形式では、205nmより短い波長の
変換には使えないので193nmの発生はできない。しか
し、本実施形態で、β−BaB２O４結晶を用いた場合に
は、205nmより長い波長の発生が可能となる。
【００７２】［第５の実施形態］ 本発明の第５の実施形態として、上記第１から第４の実
施形態のいずれかによる紫外レーザ装置を光源として用
いた、露光機のレンズ収差測定用のフィゾー干渉計の構
成例を、図５を参照して説明する。
【００７３】上記実施形態のいずれかによる紫外レーザ
装置を利用した光源であるレーザ５１からでた光は、ビ
ームエクスパンダ５２により、ビーム径を拡大され、そ
ののち、ハーフミラー５３によって下方に折り曲げられ
る。
【００７４】ビーム光の一部は、参照面となるハーフミ
ラー５４によって反射され、上方に戻り、ハーフミラー
５３を透過し、参照光として観察用カメラ５７に入射す
る。
【００７５】一方、参照面ミラー５４を透過した光は被
測定レンズ５５を透過したのち、反射鏡５６によって折
り返され、再び被測定レンズ５５を透過した後、参照面
ミラー５４、ハーフミラー５３を透過して、測定光とし
て観察用カメラ５７に入射する。
【００７６】カメラの撮像面上で、上述した参照光と測
定光とから、被測定レンズの収差が測定される。収差測
定をする際には、例えば、参照光路の光路長を１波長程
度変化させて、干渉縞の変化を観察する方法を採ること
がしばしば行われる。
【００７７】本実施形態によれば、時間コヒーレンスお
よび空間コヒーレンスの高い、しかも大出力の193nm光
等を発生する紫外レーザ装置を光源として用いた、フィ
ゾー干渉計を提供することができる。
【００７８】［第６の実施形態］ 図６は、上述した本発明の各実施の形態のレーザ光源を
用いた投影露光装置の概略構成図である。
【００７９】図６に示した投影露光装置は、先に説明し
た第１〜４の実施の形態である紫外レーザ装置を用いた
レーザ光源６１と、レーザ光源６１から射出された光を
拡散させるための回転拡散板６２と、レーザ光源６１か
らの光を下方のフライアイレンズ（またはインテグレー
タレンズ）６５に照射させるための反射板６４と、フラ
イアイレンズ６５と、照明レンズ系６６と、露光パター
ンが描画されたマスク６７を設置するためのマスク支持
部６７１と、マスク６７に描画されたパターンを半導体
基板（またはウェハー）６９１上に結像させるための対
物レンズ６８と、基板６９１を載置するための移動ステ
ージ６９２とを備えている。そして、回転拡散板６２
は、図示されていない拡散板回転装置によって回転する
ことができる。また、移動ステージ６９２は、移動ステ
ージ６９２を支持する移動ステージ支持部６９３と、移
動ステージを駆動するためのステージ駆動部６９５と、
ステージ駆動部６９５で発生した動力を移動ステージ支
持部６９３に伝達するための伝達部材６９４とによっ
て、移動可能となっている。
【００８０】この投影露光装置では、レーザ光源６１か
らでたビームを回転拡散板６２に当て、ビームを拡散す
る。拡散板が回転移動し、拡散板上のビーム位置が変化
することにより、拡散された光の強度分布や位相分布が
変化する。これによってマスクパターンを照射時に生ず
るスペックルを常時変化させて、露光時間中に平均化さ
せることによってスペックルによる悪影響（照度ムラ）
を除去する。この拡散板は、スペックル除去を完全にす
るために２枚にすることもできる。その場合、一方は固
定拡散板にしても良い。両方を異なる方向に動かしても
よい。
【００８１】この拡散光をレンズ６３でほぼ並行ビーム
の状態にしてから、フライアイレンズ６５に入射する。
フライアイレンズ６５では、ビームの強度の均一化が行
われ、複数のレンズよりなる照明レンズ系６６によって
マスク（またはレチクル）６７を照明する。
【００８２】照明されたマスク６７上の回路パターン
は、投影レンズ６８によって半導体基板（またはウェハ
ー）６９１に所定の倍率（１倍〜１／５倍）で縮小投影
される。基板６９１は移動ステージ６９２上に置かれて
おり、ステージの移動によってステップ・アンド・リピ
ートや、マスク支持部６７１にマスク６７を移動させる
ための移動機構を設けることで、マスクとの同期した移
動によってスキャン露光が行われる。
【００８３】本発明のレーザ光源は、１９３ｎｍや２１
３ｎｍの連続波の紫外光を発生するために、エキシマレ
ーザの場合に問題となっていた、強いパルスによって生
ずる照明レンズ系や投影レンズの光損傷を避けることが
できる。
【００８４】また、エキシマレーザでは必要であったガ
ス交換やウィンドウ交換が必要なくなるために、半導体
製造におけるスループットを向上させることができる。
【００８５】［第７の実施形態］ 上述した第１、第２および第４の実施形態によるレーザ
装置は、チタン・サファイアレーザを用いている。チタ
ン・サファイアレーザは、650nmから1100nmの範囲内で
１波長を発振させる。そのためにレーザ共振器中に複屈
折フィルターを挿入し、その回転角度を制御することで
波長選択を行う。
【００８６】チタン・サファイアレーザの発振波長を変
化させた場合、和周波発生用の結晶１６や２６、あるい
は高調波発生のための波長変換結晶４４、４６は、光軸
に対する入射角をかえて、位相整合条件を保つ必要があ
る。また、この位相整合角は、結晶に入射する光の波長
と、発生させる光の波長が決まると定まる。
【００８７】本実施形態では、波長選択のための複屈折
フィルターの回転角を検出し、その角度に応じて、波長
変換結晶の角度を位相整合のために制御する。本実施形
態の構成例を図７、図８を参照して説明する。
【００８８】図７では、図１で示される第２の実施形態
のチタン・サファイアレーザに、本実施形態を適用して
いる。共振器中に挿入された複屈折フィルター７１は、
それを回転軸のまわりに回転させることでレーザ発振の
波長を選択する。
【００８９】さらに、エンコーダー７２によってこの複
屈折フィルター７１の回転角を読みとり、その値によっ
てコントローラー７３が、レーザの発振波長を求め、こ
の求めた発振波長に対して最適な波長変換結晶（ＢＢＯ
またはSr２Be２B２O７）の角度を算出し、回転ステージ
７４上におかれた波長変換結晶１６の角度を制御して、
和周波光（１９３ｎｍ）のパワーを最大にする。
【００９０】ここで、複屈折フィルターの回転角は、望
みの波長になるように手動で制御させても、コントロー
ラー７３からアクチュエーター（図不示）によって動か
してもよい。
【００９１】また、この共振器中の光路には図不示のエ
タロンと光ダイオードが挿入されており、エタロンによ
って発振の縦モードを１本に制限し、光ダイオードによ
って光の伝搬方向を１方向に制限している。
【００９２】また、出力光１７の一部をビームスプリッ
ター７５で分岐させて、該分岐光の光強度を検出器７６
で電気信号に変え、和周波光（１９３ｎｍ）の出力をモ
ニターさせ、その出力が最大になるように、コントロー
ラー７３を通して波長変換結晶１６の載った回転ステー
ジ７４の微調整を行うよう構成してもよい。
【００９３】また、図８に示すように、上記図４で示さ
れる第４の実施形態のチタン・サファイアレーザ部分４
２に、本実施形態を適用してもよい。ここで、複屈折フ
ィルター７１、エンコーダ７２、コントローラー７３、
回転ステージ７４等は、図７と同一である。
【００９４】図８の構成例では、波長変換結晶４４はＬ
ＢＯであり、チタン・サファイア結晶４３の発生する77
2nm付近の光を386nm付近の光に変換している。それに応
じて、ビームスプリッター７５と検出器７６は、386nm
に適したものを選択するものとする。なお、ここでも上
記図７と同様に、図不示のエタロンと光ダイオードが挿
入されている。
【００９５】同様に、193nm付近の光を発生する結晶４
６の角度をコントローラ７３から調整することも可能で
ある。
【００９６】
【発明の効果】本発明によれば、コヒーレンスが高い、
高出力の193nmの連続波レーザを発生することができる
紫外レーザ装置が実現されると共に、該紫外レーザ装置
をフィゾー干渉計の光源として用いることにより、193n
mにおける波面収差測定が容易になる。また、同様に、2
13nmにおける波面収差測定も容易になる。
【００９７】さらに、本発明によれば、193nm、213nmの
露光機用光源として利用できる紫外レーザ装置を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第２の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図４】 本発明の第４の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図６】 本発明の第６の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図７】 本発明の第７の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図８】 本発明の第７の実施形態の他の構造例を表す
説明図である。
【符号の説明】
１１：266nmレーザ １２：266nm共振器 １２１、１２２、１２３、１２４：反射鏡 １３：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ １４：チタン・サファイアレーザ（波長707nm）共振器 １４１、１４２、１４３：反射鏡 １５：チタン・サファイア結晶 １６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） １７：193nm光 ２１：266nmレーザ ２２：266nm共振器 ２２１、２２２、２２３、２２４：反射鏡 ２３：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ ２４：チタン・サファイアレーザ（波長707nm）共振器 ２４１、２４２、２４３、２４４：反射鏡 ２５：チタン・サファイア結晶 ２６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） ２７：193nm光 ３１：266nmレーザ ３２：266nm共振器 ３２１、３２２、３２３、３２４：反射鏡 ３３１、３３２： Nd:YAGレーザ励起用レーザダイオー
ドアレイ ３４：Nd:YAGレーザ（波長1064nm）共振器 ３４１、３４２、３４３：反射鏡 ３５：Nd:YAG結晶 ３６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） ３７：213nm光 ４１：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ ４２：チタン・サファイアレーザ（波長772nm）共振器 ４２１、４２２、４２３、４２４：反射鏡 ４３：チタン・サファイア結晶 ４４：非線形光学結晶（ＬＢＯ） ４５：386nm共振器 ４５１、４５２、４５３、４５４：反射鏡 ４６：非線形光学結晶（Sr２Be２B２O７） ５１：193nm連続波レーザ ５２：ビームエクスパンダ ５３：ハーフミラー ５４：参照面用ハーフミラー ５５：被測定レンズ ５６：反射鏡 ５７：カメラ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−2194（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−27284（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−126242（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−231135（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−170009（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69581（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/108 - 3/109 G02F 1/37 - 1/39 G01M 11/02 G03F 7/20 505 H01L 21/027 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザ結晶と非線形光学結晶を含む第１の
    共振器であって、励起された前記レーザ結晶から発生し
    た第１の連続波レーザ光が前記非線形光学結晶を介して
    共振する第１の共振器と、 前記非線形光学結晶を含む第２の共振器であって、該第
    ２の共振器の外部に設けられたレーザ光発生源から発生
    した第２の連続波レーザ光が、前記非線形光学結晶を介
    して共振する第２の共振器とを備え、 前記共振器のうちいずれか一方の共振器がリング共振器
    であり、 前記非線形光学結晶は、前記第１の連続波レーザ光と前
    記第２の連続波レーザ光の和周波発生を行ない、 前記レーザ結晶として、 650nm から 1100nm 付近のレーザ
    光を発生するチタン・サファイアレーザを用い、 前記第２の共振器の外部に設けられたレーザ光発生源と
    して、 260nm 付近のレーザ光を少なくとも発生する希土
    類イオンを含む固体レーザを用い、 前記和周波発生により、 180nm から 215nm 付近のレーザ光
    を発生させる ことを特徴とする紫外レーザ装置。
  2. 【請求項２】レーザ結晶と非線形光学結晶を含む第１の
    共振器であって、励起された前記レーザ結晶から発生し
    た第１の連続波レーザ光が前記非線形光学結晶を介して
    共振する第１の共振器と、 前記非線形光学結晶を含む第２の共振器であって、該第
    ２の共振器の外部に設けられたレーザ光発生源から発生
    した第２の連続波レーザ光が、前記非線形光学結晶を介
    して共振する第２の共振器とを備え、 前記共振器のうちいずれか一方の共振器がリング共振器
    であり、前記非線形光学結晶は、前記第１の連続波レー
    ザ光と前記第２の連続波レーザ光の和周波発生を行な
    い、 前記第１の連続波レーザ光の発生源として 1064nm 付近を
    発生する Nd 固体レーザを用い、 前記第２の連続波レーザ光の発生源として Nd 固体レーザ
    を用い、該 Nd 固体レーザの発する 1064n ｍ付近のレーザ
    光から発生させた４倍波の 266nm 付近のレーザ光を用
    い、 前記和周波発生により 213nm のレーザ光を発生させるこ
    と を特徴とする紫外レーザ装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の紫外レーザ装置におい
    て、 前記チタン・サファイアレーザの波長を707nm付近と
    し、 前記第２の連続波レーザ光の発生源としてNd固体レーザ
    を用い、該Nd固体レーザが発する1064nm付近のレーザ光
    から発生させた４倍波の266nm付近のレーザ光を用い、 前記和周波発生によりArFレーザと同じ波長の193nmから
    194nm付近の連続波レーザ光を発生させることを特徴と
    する紫外レーザ装置。
  4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外レ
    ーザ装置において、 前記非線形光学結晶として、β−BaB２O４を用いること
    を特徴とする紫外レーザ装置。
  5. 【請求項５】被測定レンズの収差測定を行うレンズ収差
    測定装置において、 測定用レーザ光を発生するレーザ光源と、 前記レーザ光源からの前記測定用レーザ光の一部を参照
    光とし、他の一部を前記被測定レンズを透過させて測定
    光とし、前記測定光および前記参照光を干渉させるため
    の光学系とを備え、 前記レーザ光源として、請求項１乃至４のうちいずれか
    １項に記載の紫外レーザ装置を用いることを特徴とする
    レンズ収差測定装置。
  6. 【請求項６】マスク上に形成された所定のパターンをウ
    エーハに投影するための半導体製造用露光装置におい
    て、 レーザ光を発生するレーザ光源と、 前記マスク上の前記パターンが投影されるように、前記
    レーザ光源で発生された前記レーザ光を前記マスクに照
    射させて、前記マスクの像を前記ウエーハへ導く光学系
    とを備え、 前記レーザ光源として、請求項１乃至４のうちいずれか
    １項に記載の紫外レーザ装置を用いることを特徴とする
    半導体製造用露光装置。
  7. 【請求項７】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の紫
    外レーザ装置において、 前記第１の連続波レーザ光あるいは前記第２の連続波レ
    ーザ光のうち、少なくとも一方の波長変化に連動させ
    て、前記和周波発生のための前記非線形光学結晶の位相
    整合角を変化させる位相整合角変化手段をさらに備える
    ことを特徴とする紫外レーザ装置。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の紫外レーザ装置におい
    て、 前記和周波発生されたレーザ光の強度を検出する検出手
    段をさらに備え、 前記波長変化するレーザ光は前記チタン・サファイアレ
    ーザから発生され、 前記位相整合角変化手段は、前記検出手段の検出結果に
    応じて微調整されることを特徴とする紫外レーザ装置。
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