JP3837356B2 - 狭帯域レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は狭帯域レーザ装置に関し、特に、縮小投影露光装置用の光源として用いられる狭帯域エキシマレーザ装置に関する。
【０００２】
【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。このエキシマレーザとしては線幅２ｐｍ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は、比較的耐久性に優れたグレーティングを波長選択素子として採用し、このグレーティングの角度を変化させることにより、レーザ光の波長を狭帯域化するように構成したエキシマレーザが提案されている。
【０００３】
プリズムとグレーティングを波長選択素子として採用したレーザ装置の構成を図１２に示す。図において、レーザチヤンバ１の両端には、それぞれスリット２が形成されたスリット部材３が配設されている。また、レーザチヤンバ１の一方の側にはフロントミラー４が配置され、他方の側には３つのプリズム７からなるビームエキスパンダ５を介してグレーティング６が配設されている。レーザチャンバ１から出力されるレーザ光Ｌは、上記スリット部材３のスリット２によりＸ方向と同一方向のビーム拡がり角が規制される。すなわち、レーザチヤンバ１から出力されるレーザ光Ｌは、前記スリット２によってビーム拡がり角が規制され、フロントミラー４とグレーティング６間の同一光路を往復することにより、狭帯域化されてフロントミラー４から発振されるように構成されている。
【０００４】
このようなレーザ装置においては、プリズム７及びグレーティング６をそれぞれ独立して固定し、グレーティング６の角度を変化させることにより発振波長を制御するようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ステッパに使用されるような狭帯域エキシマレーザでは、前述したように波長線幅を単一段で２ｐｍ以下にする必要があり、また高速かつ高精度な波長安定化が要求される。したがって、使用されるグレーティング及びプリズムには大きなものが必要となり、必然的に重量も重いものとなる。しかし、グレーティングやプリズムを独立して固定すると、レーザの振動によってグレーティング及びプリズムも独立して振動するため、レーザの発振波長が大きく変化してしまうことになる。しかも、重量の重いグレーティングを制御し、その角度を高速かつ高精度に変化させて波長を安定して高精度に制御することは困難であった。
【０００６】
この発明は、レーザ光の波長を高速かつ高精度に安定的に制御することができる狭帯域レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課造を解決するための手段】
この発明に係わる狭帯域レーザ装置においては、
プリズム及びグレーティングと、波長選択用ミラーをプレートで保持するミラーホルダとを具え、これらを狭帯域化素子の筐体に内包し、前記波長選択用ミラーの角度を変化させることにより波長選択を行う狭帯域レーザ装置において、
前記プレートは支点を介して前記狭帯域化素子の筐体の内壁に保持され、
前記プレートに接続される先端部およびこの先端部を移動させる駆動部を有し、前記駆動部の動作に応じて前記先端部を移動させて前記狭帯域化素子の筐体の内壁に対する前記プレートの角度を変化させることによって前記波長選択用ミラーの角度を変化させる角度制御手段を具え、
前記角度制御手段の駆動部を前記狭帯域化素子の筐体の外部に設けたこと
を特徴とする。
【０００８】
【作用】
上記狭帯域レーザ装置によれば、ミラーホルダ２６は図５におけるプレート31を底板に対して垂直に取り付け、このプレート３１を狭帯域化素子の筐体７７と一体化させている。
【０００９】
これにより、波長選択用ミラー１５の角度を調整するためのツマミ３８、３９やモータを筐体７７の外部に設けることができ、ミラー１５の角度を調整するために筐体７７を開かずに済む。このため筐体７７の密閉度を維持することができ外部からのダスト侵入等を阻止できる。
【００１０】
【実施例】
以下、この発明に係わる狭帯域レーザ装置の一実施例を図面を示しながら詳細に説明する。
【００１１】
図1は、第１の実施例におけるレーザ装置の構成図である。図において、両端にウィンドウ１２、１３が設けられたレーザチヤンバ１１と２つのプリズムからなるビームエキスパンダ１４の間に全反射ミラー（以下、ミラーという）１５を配置した場合の例である。前記全反射ミラー１５は、グレーティング１６の線引き方向とビームエキスパンダ１４のビームエキスパンド方向が略一致し、かつ前記グレーティング１６の線引き方向と前記ビームエキスパンド方向を含む平面とミラーの入反射面が略一致するように配置されており、その面内で角度を変化させることによって発振波長を変化させることができる。なお、１７はフロントミラーである。なお、以下の実施例において、同一部分を同一符号で表記する。
【００１２】
図２は、図１の構成において、ビームエキスパンダ１４をプリズム１８と１９、及び２０を分割し、その間にミラー１５を配置した場合の例である。この場合も、ミラー１５はグレーティング１６の線引き方向とビームエキスパンダ１４のエキスパンド方向が略一致し、かつ前記グレーティング１６の線引き方向と前記ビームエキスパンド方向とを含む平面とミラーの入反射面が略一致するように配置されている。
【００１３】
図３は、第２の実施例におけるレーザ装置の構成図である。この例は、レーザの発振波長を検出する検出手段（ビームスプリッタ２１、波長検出器２２、波長コントローラ２３）を具えるとともに、その検出波長に基づいて前記グレーティングの選択波長を変化させるようにミラーの角度を変化させる制御手段（ドライバ２４、パルスモータ２５、ミラーホルダ２６）を具えたものである。その他の光学系の構成及び配置は図２と同じである。
【００１４】
図３において、レーザチャンバ１１から出力されたレーザ光の一部はビームスプリッタ２１により取り出され、波長検出器２２で出力レーザ光の波長が検出される。波長コントローラ２３は、前波長検出器２２で検出された出力レーザ光の波長に基づいてドライバ２４に信号を送り、パルスモータ２５を駆動する。このパルスモータ２５の駆動により、ミラーの角度を変化させる制御手段であるミラーホルダ２６に取り付けられたミラー１５の角度が変化することになる。すなわち、レーザ光の一部をビームスプリッタ２１によりサンプルすることにより、発振波長のフィードバック制御を行っている。
【００１５】
図４は、前記ミラーホルダ２６としてジンバル機構のついたものを用い、プリズム２０のビームエキスパンド方向（又はグレーティング１６の線引き方向）とほぼ同じ方向と、その方向に対して垂直な方向の２軸を調整できるようにしたものである。このようなジンバル機構によりミラーの角度を調整することにより、レーザの発振波長を調整することができる。また、前記ビームエキスパンド方向に対して垂直な方向を調整することによって、レーザの光軸を容易に調整することができる。
【００１６】
図５は、ジンバル機構を具えたミラーホルダの具体例を示したものである。図５（a）は正面図、同（b）は右側面図、同（c）は左側面図、同（d）は矢視dから見た図である。図において、ミラー３３はプレート３２上の中央に設置され、その周囲４カ所に配置されたミラー押え３４とボルト３０により固定されている。プレート３１とプレート３２の間には、支点となるボール３５とバネ３６及び３７が配設され、ボール３５を支点としてバネ３６及び３７に引っ張られることによって保持されている。プレート３１は図示せぬ装置内の板上に所定の固定手段により固定されている。また、プレート31にはツマミ３８、３９の雄ネジと同じタップが形成されている。（a）において、ツマミ３８を回転させるとツマミ３８の先端部が移動し、これによってプレート３２が押され、ボール３５を支点にしてミラーの角度が紙面の平面内で変化する。また、（d）のようにツマミ３９を回転させるとツマミ３９の先端部が移動し、これによってプレート３２が押され、ボール３５を支点にしてミラーの角度が紙面の平面内で変化する。このようなジンバル機構を用いることにより、ミラーの角度を水平方向と垂直方向に高精度に調整することができる。
【００１７】
なお、この実施例ではミラー固定にミラー押えを使用したが、レーザ光によりアウトガスが発生しない接着剤があれば、プレートに接着してもよい。さらに、ミラーの角度を自動的に制御する場合は、パルスモータ又はＤＣモータ付きのマイクロメータを取り付けてもよいし、ツマミの先端にピェゾ素子を取り付けてもよい。
【００１８】
図６は、第３の実施例におけるレーザ装置の構成図であり、各光学素子を板上に配設した場合の具体例を示している。ここでは、グレーティングの線引き方向、ビームエキスパンダのエキスパンド方向及びミラーの入反射面をほぼ一致させるために、ビームエキスパンダ（プリズム１８〜２０）、ミラーホルダ２６及びグレーティング１６をビームエキスパンダのビームエキスパンド方向とグレーティング１６、の線引き方向を含む平面と平行な板４０に所定の角度及び位置に固定した場合の例を示している。プリズム１８〜２０は、それぞれプリズム押え４１〜４３により固定され、グレーティング１６はグレーティング押え４４により固定されている。また、ジンバル機構の付いたミラーホルダ２６はミラーホルダ固定ネジ４５により板上に固定されている。このように、各光学素子を同一平面の板上に固定すると、各々の光学素子が独立的に振動しないため、レーザの振動による発振波長の変化幅が小さくなり、波長安定性を向上させることができる。
【００１９】
図7及び図８は、プリズムを固定するためのプリズムホルダの構成例を示したものである。図７の固定例において（a）は平面図、同（b）は正面図である。
【００２０】
プリズム１８（又は１９、２０）は、プレート46上に止め金具４７及び４８によって位置決めされている。プリズム１８の近傍には、棒４９及び５０が配設され、２つの棒の上部は上プレート５１により固定されている。上プレート５１にはツマミ５２の雄ネジと同じタップが形成されていて、ツマミ５２を回転させると先端部の押え板５３が下方に移動し、プリズム１８をプレート４６上に固定する。
図８の固定例において（a）は平面図、同（b）は正面図である。この例では棒４９及び５０の表面にネジが形成され、ナット５４及び５５を回転させることにより、バネ５６及び５７を介して上プレート５８を下方に移動させ、プリズム１８をプレート４６上に固定する。その他の構成は図７の固定例と同じである。
【００２１】
なお、この実施例ではプリズムを機械的な方法で固定しているが、レーザ光によりアウトガスが発生しない接着剤があれば、プレートに接着して固定してもよい。さらに、図６の例では板４０の上に直接プリズムやグレーティングを載せて固定しているが、図７又は図８のようなプリズムホルダを作製し、当該プリズムホルダを図６の板４０に載せて固定してもよい。
【００２２】
図９及び図１０は、グレーティングを固定するためのグレーティングホルダの構成例を示したものである。図９の固定例において（a）は平面図、同（b）は正面図である。グレーティング１６は、プレート６０上に止め金具６１及び６２によって位置決めされている。棒６３及び６４の表面にはネジが形成され、ナット６５及び６６を回転させると、バネ６７及び６８を介して上プレート６９が下方に移動し、グレーティング１６をプレート６０上に固定する。
【００２３】
図１０の固定例において（a）は平面図、同（b）は正面図、同（c）は（b）の右側面図である。プレート７０上には止め金具７１が固定ネジ７２によって固定され、グレーティング１６は、止め金具７１の面とグレーティング１６の背面を合わせることにより位置決めされている。止め金具７１には、ツマミ７３及び７４の雄ネジと同じタップが形成されていて、ツマミ７３及び７４を回転させると先端部の押え板７５及び７６が下方に移動し、グレーティング１６をプレート７０上に固定する。
【００２４】
なお、この実施例ではグレーティングを機械的な方法で固定しているが、レーザ光によりアウトガスが発生しない接着剤があれば、プレートに接着して固定してもよい。さらに、図６の例では板４０の上に直接プリズムやグレーティングを載せて固定しているが、図９又は図１０のようなグレーティングホルダを作製し、当該グレーティングホルダを図６の板４０に載せて固定してもよい。
【００２５】
図１１は、ジンバル機構の付いたミラーホルダ２６と各光学素子を載せる板を狭帯域化素子の筐体とした場合の構成図である。図１１において、フロントミラー１７と狭帯域化素子の筐体７７は、レーザチヤンバ１１を収めたインバーロッド７８とプレート７９及び８０により固定されている。このような構成とすることで、レーザの熱及び振動によりレーザ光のアライメントが狂わないようにすることができる。プリズム１８〜２０及びグレーティング１６は、プリズム押え４１〜４３及びグレーティング押え４４により狭帯域化素子の筐体7７の底板に固定されている。また、ミラーホルダ２６は図５におけるプレート３１を底板に対して垂直に取り付け、このプレート３１を狭帯域化素子の筐体７７と一体化させている。これにより、波長選択用ミラー１５の角度を調整するためのツマミ３８、３９やモータを筐体７７の外部に設けることができ、ミラー１５の角度を調整するために筐体７７を開かずに済む。このため筐体７７の密閉度を維持することができ外部からのダスト侵入等を阻止できる。また、ネジ部を個体潤滑剤とすることにより、オイルフリー化が可能となる。この狭帯域素子の筐体７７の蓋を閉め、クリーンなレーザ光に対して不活性なガス（例えば窒素ガス等）をパージすることにより、狭帯域化素子の寿命を飛躍的に延ばすことが可能となる。また、この例ではビームスプリッタ２１により出力光の一部を波長検出器２２に入力して出力レーザ光の波長を検出するとともに、その波長に基づいて波長コントローラ２３からドライバ２４に信号を送り、パルスモータ２５を回転させることにより、ミラーの角度を変化させて波長のフィードバック制御を行っている。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係わる狭帯域レーザ装置においては、グレーティングとレーザ媒質の間にミラーを配置し、そのミラーの角度を調整することによってレーザ光の波長を制御するようにしたため、レーザ光の波長を高速かつ高精度に制御することができ、波長の安定性を向上させることができる。
【００２７】
また、グレーティングなどの光学素子を同一平面の板上に所定の位置及び角度で固定するようにしたため、それら光学素子の独立的な振動を防止することができ、レーザの振動による発振波長の変化を最少限に止どめることができる。
【００２８】
また、波長選択用ミラーの角度を調整するためのツマミやモータを筐体の外部に設けることができ、ミラーの角度を調整するために筐体を開かずに済む。このため筐体の密閉度を維持することができ外部からのダスト侵入等を阻止できる。筐体の密閉度を維持することができ外部からのダスト侵入等を阻止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第1の実施例におけるレーザ装置の構成図。
【図２】図1の変形例を示すレーザ装置の構成図。
【図３】第2の実施例におけるレーザ装置の構成図。
【図４】ジンバル機構を具えたミラーホルダを使用した場合の構成図。
【図５】ジンバル機構を具えたミラーホルダの具体例を示す図。
【図６】各光学素子を枚上に配役した場合の具体例を示す図。
【図７】プリズムホルダの構成例を示す図。
【図８】プリズムホルダの構成例を示す図。
【図９】グレーティングホルダの構成例を示す図。
【図１０】グレーティングホルダの構成例を示す図。
【図１１】ジンバル機構の付いたミラーホルダと各光学素子を載せる板を狭帯域化素子の筐体とした場合の構成図。
【図１２】プリズムとグレーティングを波長選択素子として採用したレーザ装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１１．レーザチャンバ、 １２，１３．ウィンドウ、 １５．ミラー、
１６．グレーティング、 １７．フロントミラー、１８〜２０．プリズム、
２１．ビームスプリッタ、２２．波長検出器、 ２３．波長コントローラ
２４．ドライバ、 ２５．パルスモータ、２６．ミラーホルダ、

Claims (1)

1. プリズム及びグレーティングと、波長選択用ミラーをプレートで保持するミラーホルダとを具え、これらを狭帯域化素子の筐体に内包し、前記波長選択用ミラーの角度を変化させることにより波長選択を行う狭帯域レーザ装置において、
   前記プレートは支点を介して前記狭帯域化素子の筐体の内壁に保持され、
   前記プレートに接続される先端部およびこの先端部を移動させる駆動部を有し、前記駆動部の動作に応じて前記先端部を移動させて前記狭帯域化素子の筐体の内壁に対する前記プレートの角度を変化させることによって前記波長選択用ミラーの角度を変化させる角度制御手段を具え、
   前記角度制御手段の駆動部を前記狭帯域化素子の筐体の外部に設けたこと
   を特徴とする狭帯域レーザ装置。

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