JP3617864B2

JP3617864B2 - リソグラフィ用レーザ装置

Info

Publication number: JP3617864B2
Application number: JP00779496A
Authority: JP
Inventors: 保菅原; 隆一小松; 正訓高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: JPH09146135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィ用レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置などの産業分野では、半導体装置の高集積度を図るための努力が盛んに行われている。高集積度を図るためには、微細パターンを形成する必要がある。微細パターンは、露光を含むフォトリソグラフィー技術に基づき形成されるが、微細パターンを形成するためには、リソグラフィ用光源の短波長化を図る必要がある。
【０００３】
そこで、リソグラフィ用光源として、エキシマレーザを用いることが検討されている。放電励起方式のエキシマレーザは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザで、ＡｒＦ（１９３ｎｍ），ＫｒＦ（２４８ｎｍ），ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）などの化合物が発する紫外光を光共振器により増大させ、レーザ光として取り出したものである。
【０００４】
しかしながら、エキシマレーザは、例えば繰り返し数百ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ
ｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）のパルスレーザの場合、１０⁻２秒毎に１０⁻９秒間の
パルス光しか発生せず、インターバルに比べてレーザの発光時間が著しく短いことから、リソグラフィ加工過程で問題が多かった。また、媒質ガスの寿命が短いこと、媒質ガスの毒性、レーザ装置の小型化が困難であること、保守性が悪いこと、運転コストが高いこと等々の問題を有していた。
【０００５】
そこで、リソグラフィ用レーザ装置として、特開平３−１８３１１７号公報に示すように、波長変換素子を利用したレーザ装置が提案されている。
この公報に示すリソグラフィ用レーザ装置では、波長変換素子として、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）や、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）などが用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＫＴＰから成る波長変換素子は、レーザ入射光の波長に対してＫＴＰの透明領域が、０．２５〜４．５μｍで広いが、１μｍ以下では位相整合しない。つまり２倍波までしか出せないという課題を有する。したがって、リソグラフィ用レーザ装置の短波長化が困難であるという課題を有する。また、結晶の大型化が難しいうえ、結晶内部で屈折率が変化する。したがって一個の結晶から切り出した素子でも、屈折率が異なるので位相整合角度が異なる。さらに、結晶内にいわゆる”す”が入りやすいという課題を有する。
【０００７】
また、ＢＢＯでは、耐レーザ損傷は、ＫＴＰよりも大きいが、水にやや溶けて潮解性を有し、取扱性に難点があると共に、大型結晶の作成が困難であるという課題を有する。さらに、紫外光をＢＢＯへ入射すると、結晶の劣化によってカラーセンタが発生すると言う課題を有している。カラーセンタとは、単結晶内の吸収帯の発生によって検出される透明な結晶内部の点状の欠陥のことである。
【０００８】
このように、特開平３−１８３１１７号公報では、波長変換素子を用いたリソグラフィ用レーザ装置を提案してはいるものの、このリソグラフィ用レーザ装置に適した波長変換素子を提供するものではなかった。
本発明は、このような実状に鑑みて成され、短波長のリソグラフィ用レーザ光を安定して出力することができ、カラーセンタなどが発生しないリソグラフィ用レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、リソグラフィ用レーザ装置に用いて適した波長変換素子に関して鋭意検討した結果、四ほう酸リチウム（以下、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７またはＬＢＯともいう）が波長変換材料として優れた特性を有していることを見い出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明に係るリソグラフィ用レーザ装置は、四ほう酸リチウム単結晶から成る波長変換素子を有し、前記波長変換素子にＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波ωと、４倍波４ωの波長の光を入射して、５倍波５ωのレーザ光を生成し、リソグラフィ用光源とするリソグラフィ用レーザ装置である。
本発明に係るリソグラフィ用レーザ装置では、波長変換素子として、四ほう酸リチウムを用いている。
【００１１】
本発明者らの発見によれば、四ほう酸リチウムは、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）から、コヒーレンスが高い４倍波（２６６ｎｍ）、５倍波（２１３ｎｍ）の波長の光を作り出すことができる。４倍波あるいは５倍波の波長の光を作り出すことができれば、既に大出力の装置が開発されている赤外レーザを用いて、紫外線領域またはそれに近い領域のレーザ光を容易に作り出すことができ、このレーザ光をリソグラフィ用レーザとして用いることで、微細加工が可能になる。
【００１２】
また、四ほう酸リチウムは、大口径の単結晶を育成することが可能であるため、同じ大きさの結晶ではＢＢＯ単結晶に比べて波長変換効率は劣るものの、波長変換効率はレーザの入力パワーの二乗、結晶長の二乗に比例することから、大きな単結晶を育成できる四ほう酸リチウムの方が大きな結晶体を使用することができ、結果的に波長変換効率を高めることができる。
【００１３】
さらに、四ほう酸リチウムは、耐レーザ損傷がＢＢＯに比べて１０倍以上大きいので大きなパワーのレーザを入射できるという利点もある。さらに、ＢＢＯは長時間紫外線を照射するとカラーセンタが発生するが、四ほう酸リチウムは、ＢＢＯよりも結晶が紫外線による劣化に強く、素子が長持ちする。さらにまた、四ほう酸リチウムに紫外線を照射しても、カラーセンタが発生することは、ほとんどない。
【００１４】
したがって、この四ほう酸リチウムから成る波長変換素子を用いたレーザ装置は、リソグラフィ用レーザ装置として好適に用いることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例で用いた引き上げ装置を示す断面図、図２は本発明に係るリソグラフィ用レーザ装置の概略図である。
【００１６】
実施例１
図１は本実施例で用いた四ほう酸リチウム単結晶の引き上げ装置１０であって、四ほう酸リチウムが融解される直径９０ｍｍ、高さ１００ｍｍの白金坩堝１を有している。この白金坩堝１の周囲には、断熱材２，３を介して、坩堝内の四ほう酸リチウムを融解させるためのヒータ４（例えば抵抗加熱ヒータ）が設けられている。一方、白金坩堝１の上部には、断熱壁５，６が二重に設けられており、種結晶が取り付けられる引き上げ軸７が、この断熱壁５，６を貫通するようになっている。
【００１７】
このような引き上げ装置１０を用いて、まず最初に、四ほう酸リチウム単結晶を育成した。すなわち、四ほう酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７：ＬＢＯ）多結晶体１３００ｇを白金坩堝内に充填し、ヒータで融解したのち、引き上げ方位＜１１０＞で単結晶を引き上げた。
【００１８】
このときの育成条件として、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を８０℃、それより上部の温度勾配を３０℃／ｃｍ、単結晶の直胴部を引き上げる際の引き上げ速度を０．５ｍｍ／時間、種結晶の回転数を２ｒｐｍとした。その結果、直径２インチ、長さ１２０ｍｍの四ほう酸リチウム単結晶が得られた。
【００１９】
次に、育成した単結晶を、Ｃ軸から７９度傾けて縦×横が１０×１０ｍｍで長さが３０ｍｍのロッド状にカットし、その両端面にある入出射面を光学研磨した。
次に、図２に示すように、このようにして得られたロッド状の四ほう酸リチウム単結晶から成る波長変換素子２１の両側に、ミラー２２を配置し、入力側のミラー２２の前方に、レンズ２４を配置し、出力側のミラー２２の後方に、フィルター２６およびインテグレータ２８を配置し、リソグラフィ用レーザ装置を形成した。フィルター２６は、所望の波長以外の波長の光を分離するために用いる。インテグレータ２８としては、特に限定されないが、光学レンズの一面あるいは両面に小さな凸レンズあるいは凹レンズを均一に形成したもの、または、光学ガラスの一面あるいは両面に凸レンズあるいは凹レンズを均一に形成したもの、またはハエの目レンズなどのようにレンズを組み合わせたものなどを用いることができる。なお、本発明に係るレーザ装置では、必ずしもインテグレータ２８を用いなくても良い。
【００２０】
レンズ２４側から、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ；ＳｐｅｃｔｒａＰｈｙｓｉｃｓ社製）から発生させた出力２００ｍＪの４ω（２６６ｎｍ）と出力１５００ｍＪのＹＡＧの基本波ω（１０６４ｎｍ）とを、同時に波長変換素子２１へ入射させると、二つの光の混合（和周波）によって、５ω（２１３ｎｍ）の紫外光（１１０ｍＪ）が発生した。所望の波長以外の波長はフィルター２６を使って分離し、所望の光のみをインテグレータ２８で光強度分布を均一にした。
【００２１】
１００時間以上、この状態を保持しても、このＬＢＯ結晶からなる波長変換素子２１にカラーセンタはできなかった。したがって、リソグラフィ用レーザ装置として好適に用いることができることが確認された。
比較例１
波長変換素子として、縦×横が５×５ｍｍで長さが５ｍｍのロッド状のＢＢＯを用いた以外は、前記実施例１と同様にして、図２に示す構成のレーザ装置を構成し、実施例１と同様な耐久性実験を行った。
【００２２】
出力光としては、１００ｍＪの５ωの紫外光が観察されたが、ＢＢＯは、位相整合の角度、温度許容幅が小さく、さらに紫外吸収があるので自己加熱し、高パワーの４ω、５ω光の長時間の安定した発生は非常に難しい。そして１００時間の試験でカラーセンターが生じ結晶が劣化したことが観察された。すなわち長時間の出力の安定性が要求されるリソグラフィ用レーザ装置には、ＢＢＯを用いたレーザ装置では問題があることが確認された。
【００２３】
また、ＢＢＯは、フラックス法で育成するので、不純物を取り込み易く、収率は低い。したがって、製造コストが増大する。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００２４】
たとえば、リソグラフィ用レーザ装置として用いる光源としては、上記実施例に限定されず、Ｎｄ：ＹＡＧ、ルビーレーザ、ガラスレーザ、アレキサンドライトレーザ、ガーネットレーザ、サファイヤレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のリソグラフィ用レーザ装置によれば、既に大出力の装置が開発されている赤外レーザなどを光源として用いて、その光を四ほう酸リチウムから成る波長変換素子で短波長化することで、紫外線領域またはそれに近い領域のレーザ光を容易に作り出すことができる。このレーザ光をリソグラフィ用レーザとして用いることで、微細加工が可能になる。
【００２６】
また、本発明のレーザ装置に用いられる波長変換素子としての四ほう酸リチウムは、大口径の単結晶を育成することが可能であるため、同じ大きさの結晶ではＢＢＯ単結晶に比べて波長変換効率は劣るものの、波長変換効率はレーザの入力パワーの二乗、結晶長の二乗に比例することから、大きな単結晶を育成できる四ほう酸リチウムの方が大きな結晶体を使用することができ、結果的に波長変換効率を高めることができる。
【００２７】
さらに、四ほう酸リチウムは、耐レーザ損傷がＢＢＯに比べて１０倍以上大きいので大きなパワーのレーザを入射できるという利点もある。さらに、ＢＢＯは長時間紫外線を照射するとカラーセンタが発生するが、四ほう酸リチウムは、ＢＢＯよりも結晶が紫外線による劣化に強く、素子が長持ちする。さらにまた、四ほう酸リチウムに紫外線を照射しても、カラーセンタが発生することは、ほとんどない。
【００２８】
したがって、この四ほう酸リチウムから成る波長変換素子を用いたレーザ装置は、耐久性に優れた小型且つ軽量で取り扱い性およびメンテナンス性に優れたリソグラフィ用レーザ装置として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例で用いた引き上げ装置を示す断面図である。
【図２】図２は本発明に係るリソグラフィ用レーザ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１… 白金坩堝
２，３… 断熱材
４… ヒータ
５，６… 断熱壁
７… 引き上げ軸
１０… 引き上げ装置
２１… 波長変換素子
２２… ミラー
２４… レンズ
２６… フィルター
２８… インテグレータ

Claims

四ほう酸リチウム単結晶から成る波長変換素子を有し、
前記波長変換素子にＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波ωと、４倍波４ωの波長の光を入射して、５倍波５ωのレーザ光を生成し、リソグラフィ用光源とする
リソグラフィ用レーザ装置。