JP7418465B2 - 均一なビームを有するエキシマレーザ - Google Patents
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Description
本願は、２０１９年３月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／８２１，２３９号の優先権を主張し、その開示が、その全体として本明細書に援用される。
本発明は、概して、ガス放電レーザに関する。本発明は、特に、エキシマガス放電レーザのための共振器ミラー配列に関する。
エキシマレーザは、電磁スペクトルの紫外線領域内で高出力レーザ放射を発生させる。利得媒体は、流動する加圧されたガス混合物であり、流動する加圧されたガス混合物は、典型的には、希ガス、ハロゲン化合物ガス、および緩衝ガスを含む。ガス混合物は、２つの細長電極間の短電流パルスによって通電させられ、励起された弱結合二量体をガス放電中に生成する。例えば、ガス混合物は、キセノン（Ｘｅ）ガスおよび塩化水素（ＨＣｌ）ガスに加え、中和緩衝ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）を含むことができる。通電させられると、３０８ｎｍのレーザ線を有する電子的に励起されたＸｅＣｌ二量体が、生成される。他の例は、１９３ｎｍのレーザ線を有するフッ化アルゴン（ＡｒＦ）二量体、および３５１ｎｍのレーザ線を有するフッ化キセノン（ＸｅＦ）二量体である。
典型的には、ガス混合物は、最大数キロヘルツの繰り返し率で通電させられ得、ガス放電は、数ナノ秒～数百ナノ秒の持続時間にわたって持続させられ得、出力レーザパルスは、数ナノ秒～数数十ナノ秒の持続時間を有し、平均出力レーザ電力は、最大数百ワットとなり得る。最も強力な最新の産業用エキシマレーザは、ＸｅＣｌに基づいており、最大１ジュールのパルスエネルギーを最大６００ヘルツのパルス繰り返し率で発生させる。例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）製のＬａｍｂｄａ ＳＸエキシマレーザである。そのようなエキシマレーザは、非常に高いパルスエネルギー安定性および安定したビームパラメータを維持しながら、１億パルス超にわたって継続的に動作することができる。さらに大きいパルスエネルギーを要求する用途では、２つ以上のエキシマレーザの出力は、ビーム混合光学系、およびパルス送達の同期によって組み合わせられることができる。そのようなビーム混合および同期は、それぞれ米国特許第７，４０８，７１４号および第８，２３８，４００号に説明され、それらの各々が、本発明の譲受人に譲渡され、各々の完全な開示が、参照することによって本明細書に援用される。
１つの重要な用途は、シリコンのレーザ再晶析であって、これは、消費者電子デバイス画面および大型ディスプレイ画面のための平坦パネルの製造において使用されるプロセスである。シリコンは、半導体基部であり、半導体基部の上に画面内の電子回路がリフォグラフィプロセスによって形成される。再晶析プロセスでは、ガラス基板上の非晶質シリコンの薄い層が、所望の結晶性微小構造が取得されるまで、レーザ放射のパルス状ビームによって繰り返し溶融される。基板およびその上のシリコン層は、レーザ放射源、およびレーザ放射を送達する光学系に対して走査される。シリコン層上に入射するレーザ放射のビームは、細長「線ビーム」に成形され、走査方向に直交する方向に沿って、均一な強度分布を有する。エキシマレーザは、このプロセスにおける好ましい源であり、「エキシマレーザアニーリング」と称される。これは、繊細なプロセスである。最適エネルギー密度を有する安定かつ均一な強度分布を維持することが重要である。
エキシマレーザビームを線ビームに成形するための方法および装置は、米国特許第７，４２８，０３９号および第７，６１５，７２２号に説明され、それらは、本発明の譲受人に譲渡され、その完全な開示が参照することによって本明細書に援用される。これらの方法は、ビーム均質化を組み込み、それによって、１つ以上の源からのレーザビームは、空間的に分割され、分割されたビームは、シリコン層上に投影され、その上に重ねられる。例えば、各々が短軸において約０．４ｍｍおよび長軸において７５０ｍｍ～１５００ｍｍの寸法を有する線ビームが、１０～３０回投影され、重ねられる。ビーム均質化は、エキシマレーザからの大ビームを収容するレンズアレイを含む、高価かつ複雑な光学配列を要求する。例えば、ビームは、１５ｍｍ×３５ｍｍの横方向寸法を有する。
さらに、平均化は、シリコン層上の各場所を複数のレーザパルスに暴露することによって達成される。例えば、１０～２０回の連続レーザパルスである。それでもなお、このプロセスを使用して製造される画面の性能は、より安定かつより均一な線ビームを形成することにより、結晶性微小構造における変動を低減させることよって、さらに改良され得る。不安定性および非均一性の１つの原因は、ガス放電中の不安定性、ガス流動中の乱流、およびガス含有窓の汚染によって引き起こされるエキシマレーザビームの横方向空間モードにおける微細構造である。この微細構造は、不安定であり、パルス毎に有意に変化する。エキシマレーザの出力ビーム内の任意の場所におけるエネルギー密度は、１０％を上回るか、またはさらに２０％を上回る標準偏差を有し得る一方、全体的ビームの統合されたエネルギーは、０．３％未満の標準偏差を有する。微細構造は、特に、レンズアレイ内の個々のレンズ要素より小さくなると、粗雑な構造より均質化することが困難である。
最小限の微細構造を有するレーザビームを生み出すエキシマレーザに対するニーズがある。具体的には、微細構造内に最小限の明るさコントラストを有するレーザビームを生み出す。好ましくは、この明るさコントラストの低減は、効率、パルスエネルギー、平均電力、または任意の他の臨界ビームパラメータを損なわせず達成され得る。マイクロリソグラフィおよびレーザリフトオフ等のエキシマレーザの他の用途もまた、微細構造内の明るさコントラストを低減させることから利点を享受し得る。
本発明の一側面では、レーザビームを発生させるエキシマレーザは、通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、レーザビームの波長において部分的反射性である第２の背面ミラーとを備える。第１および第２の背面ミラーは、レーザチャンバの一端にある。第２の背面ミラーは、第１の背面ミラーとレーザチャンバとの間に位置する。第１および第２の背面ミラーは、相互に対して第１の角度で傾斜させられている。第１の出力結合ミラーおよび第２の出力結合ミラーが、提供される。第１および第２の出力結合ミラーは、レーザチャンバの反対端に位置する。第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して第２の角度で傾斜させられている。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して第１の角度で傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して第２の角度で傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目２）
前記第１および第２の背面ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１に記載のエキシマレーザ。
（項目３）
前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１または項目２に記載のエキシマレーザ。
（項目４）
前記第１の角度は、前記第２の角度に等しい、項目１～３のいずれかに一項に記載のエキシマレーザ。
（項目５）
前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１～４のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目６）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１～５のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目７）
前記第１の角度および前記第２の角度は両方とも、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１～６のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目８）
前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において２０％～８０％の範囲内の反射率を有する、項目１～７のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目９）
前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において３５％～６５％の範囲内の反射率を有する、項目８に記載のエキシマレーザ。
（項目１０）
前記第１および第２の出力結合ミラーの各々は、前記レーザビームの波長において５％未満の反射率を有する、項目１～９のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１１）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において同一の反射率を有する、項目１～１０のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１２）
前記第１の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、項目１～１１のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１３）
前記第２の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、項目１～１２のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１４）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザチャンバの一端に位置し、前記レーザビームのある波長において高反射率を有する背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられ、前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記背面ミラーに対して傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目１５）
前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１４に記載のエキシマレーザ。
（項目１６）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１４または項目１５に記載のエキシマレーザ。
（項目１７）
前記相対的傾斜角度は、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１４～１６のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１８）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である出力結合ミラーであって、前記出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記出力結合ミラーは、前記第１および第２の背面ミラーの両方に対して傾斜させられている、結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目１９）
前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１８に記載のエキシマレーザ。
（項目２０）
前記相対的傾斜角度は、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１８または項目１９に記載のエキシマレーザ。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して第１の角度で傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して第２の角度で傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目２）
前記第１および第２の背面ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１に記載のエキシマレーザ。
（項目３）
前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１または項目２に記載のエキシマレーザ。
（項目４）
前記第１の角度は、前記第２の角度に等しい、項目１～３のいずれかに一項に記載のエキシマレーザ。
（項目５）
前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１～４のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目６）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１～５のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目７）
前記第１の角度および前記第２の角度は両方とも、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１～６のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目８）
前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において２０％～８０％の範囲内の反射率を有する、項目１～７のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目９）
前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において３５％～６５％の範囲内の反射率を有する、項目８に記載のエキシマレーザ。
（項目１０）
前記第１および第２の出力結合ミラーの各々は、前記レーザビームの波長において５％未満の反射率を有する、項目１～９のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１１）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において同一の反射率を有する、項目１～１０のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１２）
前記第１の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、項目１～１１のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１３）
前記第２の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、項目１～１２のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１４）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザチャンバの一端に位置し、前記レーザビームのある波長において高反射率を有する背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられ、前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記背面ミラーに対して傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目１５）
前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、項目１４に記載のエキシマレーザ。
（項目１６）
前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１４または項目１５に記載のエキシマレーザ。
（項目１７）
前記相対的傾斜角度は、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１４～１６のいずれか一項に記載のエキシマレーザ。
（項目１８）
レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である出力結合ミラーであって、前記出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記出力結合ミラーは、前記第１および第２の背面ミラーの両方に対して傾斜させられている、結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。
（項目１９）
前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、項目１８に記載のエキシマレーザ。
（項目２０）
前記相対的傾斜角度は、０．０５ミリラジアンより大きい、項目１８または項目１９に記載のエキシマレーザ。
明細書内に組み込まれその一部を構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に例証し、上記に与えられる概略的説明および下記に与えられる好ましい実施形態の説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。
ここで、同様の構成要素が同様の番号によって指定される図面を参照すると、図１Ａは、先行技術のエキシマレーザ１０を図式的に例証する側面図であり、エキシマレーザ１０は、レーザチャンバ１２と、２つの窓１４と、高反射性ミラー１６と、出力結合ミラー１８とを含む。レーザチャンバ１２は、流動し加圧されているガス混合物を含有する。ガス混合物は、２つの細長電極間を流動する電流の短パルスによって通電させられ、それによって、励起された二量体分子を含むパルス状ガス放電を生成する。細長電極、パルス状電流を注入する電力供給源、ガスリザーバ、ガス混合物を加圧するためのポンプ、およびガス混合物を流動させるための送風機は、例証の明確性のために、図面から省略される。高反射性ミラー１６および出力結合ミラー１８は、ガス放電についての線形レーザ共振器を形成し、線形レーザ共振器は、光軸２２に沿って伝搬するパルス状レーザビーム２０を発生させる。
窓１４は、レーザビーム２０の波長において高透過率を有する。図面では、窓は、直角入射角におけるレーザビーム２０とともに描写される。この配列では、窓は、レーザビームの波長において反射防止コーティングされ得る。代替配列では、コーティングされていない窓が、Ｂｒｅｗｓｔｅｒ角度に向けられ得る。高反射性ミラー１６は、約１００％の反射率を有する。出力結合ミラー１８は、典型的に４％～１０％、最も典型的には５％～８％の反射率を有する。両ミラーは、通常、平面を有する。レーザビーム２０は、境界光線によって描写され、実線は、空洞内レーザビームを示し、破線は、出力レーザビームを示す。
図２Ａは、レーザ共振器の各端部におけるエキシマレーザ１０のさらなる詳細を図式的に例証する拡大図である。高反射性ミラー１６および出力結合ミラー１８は両方とも、レーザビーム２０に対して略直角入射角に向けられる。ガス放電中の高い利得に起因して、比較的高い出力結合器透過率が要求され、したがって、出力結合ミラー上に入射する空洞内ビームの多くの部分が、出力ビームになる。出力ビームは、遠視野φ内に周角ビーム発散を有し、これは、典型的に、１ミリラジアン（ｍｒａｄ）の桁であり、短寸法より長寸法において若干大きい。短寸法におけるビーム発散は、より典型的には、０．８ｍｒａｄ～１．５ｍｒａｄの範囲内である。
図３Ａは、図１Ａおよび２Ａに例証されるタイプの先行技術のエキシマレーザからのレーザビームの横方向空間モードの近視野カメラ画像である。レーザビームは、約１５ｍｍ×３５ｍｍの寸法を有し、これは、ここでは水平×垂直である。レーザビームの長垂直寸法は、電極間の物理的分離距離によって決定される。ガス混合物を通って流動する電流は、垂直である。レーザビームの短水平寸法は、電極の幅および構成によって決定される。
微細構造は、垂直「ストリーマ」によって左右され、一部は、ビームの全高に延在し、これは、ビームがガス放電中で増幅されるにつれて、空間モード上に転写される。パルス毎に変化する利得中の空間変調は、上記に議論されるガス放電中の不安定性およびガス流動中の乱流に起因する。パルス毎に不変である微細構造の静的成分は、窓の汚染によって引き起こされる損失における空間変調と、集中紫外線レーザ放射によって誘発される窓への損傷による空間変調とに起因する。汚染および損傷は、レーザの動作の間蓄積し、窓が置換されるまで、性能を劣化させる。窓置換は、長い間隔が空く保守手続である。
図１Ｂは、本発明によるエキシマレーザ３０の１つの好ましい実施形態を図式的に例証する側面図である。エキシマレーザ３０は、レーザチャンバの各端部に位置する２つのミラーを有する。一端には、第１の背面ミラー３２および第２の背面ミラー３４が存在し、第２の背面ミラー３４は、第１の背面ミラー３２とレーザチャンバ１２との間に位置する。第１の背面ミラー３２は、高反射性ミラー１６と同様に、レーザビーム２０の波長において約１００％の高反射率を有する。第２の背面ミラー３４は、部分的反射性であり、２０％～８０％の範囲内、最も好ましくは、３５％～６５％の範囲内の反射率を有する。反対端には、第１の出力結合ミラー３６および第２の出力結合ミラー３８が存在する。エキシマレーザ１０内の出力結合ミラー１８と同様に、第１の出力結合ミラー３６および第２の出力結合ミラー３８は両方とも、比較的低い反射率を有し、したがって、２つの出力結合ミラー上に入射する空洞内ビームの多くの部分が、出力ビームとなる。例えば、各ミラーは、５％未満の反射率を有する。
図２Ｂは、レーザ共振器の各端部におけるエキシマレーザ３０のさらなる詳細を図式的に例証する拡大図である。第１の背面ミラー３２および第２の背面ミラー３４は両方とも、傾斜させられている。第１の背面ミラー３２の法線は、光軸２２に対して角度θ１を有し、第２の背面ミラー３４の法線は、光軸２２に対して角度θ２を有する。第１の出力結合ミラー３６および第２の出力結合ミラー３８の両方もまた、傾斜させられている。第１の出力結合ミラー３６の法線は、光軸２２に対して角度θ３を有し、第２の出力結合ミラー３８の法線は、光軸２２に対して角度θ４を有する。
描かれるように、第１の背面ミラー３２は、第１の出力結合ミラー３６と略平行であり
、第２の背面ミラー３４は、第２の出力結合ミラー３８と略平行である
が、これは、本発明のエキシマレーザが機能するために要求される条件ではない。第１および第２の背面ミラーは、個別の光学構成要素として描写され、各光学構成要素は、平行な平面を有し、表面のうちの１つは、ミラーである。代替および便宜的配列は、これらの背面ミラーが１つの楔形状光学構成要素の対向する表面であるものである。同様に、第１および第２の出力結合ミラーは、別の楔形状光学構成要素の対向する表面であり得る。
、第２の背面ミラー３４は、第２の出力結合ミラー３８と略平行である
が、これは、本発明のエキシマレーザが機能するために要求される条件ではない。第１および第２の背面ミラーは、個別の光学構成要素として描写され、各光学構成要素は、平行な平面を有し、表面のうちの１つは、ミラーである。代替および便宜的配列は、これらの背面ミラーが１つの楔形状光学構成要素の対向する表面であるものである。同様に、第１および第２の出力結合ミラーは、別の楔形状光学構成要素の対向する表面であり得る。
ミラー傾斜の効果が、図１Ｂに描写される。空洞内ビームが部分的反射性の第２の背面ミラー３４と、弱反射性出力結合ミラー３６および３８とによって分割されることに起因して、レーザビーム２０は、本質的に複合ビームとなる。この分割は、図面中に異なる破線境界光線によって示される複合出力ビームを生み出す。成分出力ビームは、必ずしも同一電力を有するわけではないが、主成分は、いくつかの実施形態では、ほぼ同一電力を有し得る。相互に対する成分出力ビームの伝搬角度は、例証目的のために、誇張されている。エキシマレーザ３０では、光軸２２は、複合出力ビームに沿った連続場所においてビーム重心を接続する線として画定され、ビーム重心は、その横方向空間モードの一次モーメントによって決定される。
図２Ｂに戻ると、ミラー３２～３８の傾斜角度θ１～θ４もまた、誇張されている。本発明者らは、微細構造内の明るさコントラストの有意な低減が、エキシマレーザ１０等の共振器ミラー傾斜を有していない同等エキシマレーザの周角発散φの５％～２０％の範囲内の傾斜角度を用いて取得され得ることを見出した。例として、直角入射における共振器ミラーを用いて１ｍｒａｄの周角ビーム発散を有するエキシマレーザに関して、０．０５ｍｒａｄ～０．２ｍｒａｄの角度θ１～θ４だけ直角入射からミラー３２～３８を傾斜させることは、微細構造の有意なぼけを引き起こし得る。この例示的エキシマレーザに関して、微細構造の有用なぼけを達成するために、第１の背面ミラー３２は、第２の背面ミラー３４に対して少なくとも０．０５ｍｒａｄだけ傾斜させられ、第１の出力結合ミラー３６は、第２の出力結合ミラー３８に対して少なくとも０．０５ｍｒａｄだけ傾斜させられ得る。
傾斜角度を選択する際、微細構造をぼかすための成分ビームの混合を高めることと、望ましくないこともある複合出力ビームの周角発散φ’を増加させることとの間に、妥協が存在する。周角発散φに対して小さい傾斜角度を選択することは、光軸２２を中心とした各傾斜の向きがあまり臨界的ではないことを意味する。いくつかの向きは、微細構造をぼかすためにより良好であることが見出されている。これは、微細構造が、そうでなければ図３Ａに見られる垂直ストリーマによって左右されるためである可能性が最も高い。同様に、相対的傾斜角度θ１＋θ２およびθ３＋θ４は、個々の傾斜角度θ１～θ４より、微細構造をぼかすために臨界的である。しかしながら、
および
を選択することによって光軸を中心として対称的に傾斜させることは、全体的周角発散φ’を最小限にすることに役立つ。
および
を選択することによって光軸を中心として対称的に傾斜させることは、全体的周角発散φ’を最小限にすることに役立つ。
図３Ｂは、図１Ｂおよび２Ｂに例証されるタイプの本発明のエキシマレーザからのレーザビームの横方向空間モードの近視野カメラ画像である。背面ミラー３２および３４は、透明楔形状基板の対向する側に堆積させられたコーティングであった。出力結合ミラー３６および３８もまた、同じ基板の対向する側に堆積されたコーティングであった。楔状基板の厚さは、約５ｍｍであった。楔角度は、約０．１２ｍｒａｄであった。２つの楔は、相互に対して約９０ｏであり、水平軸および垂直軸に対して約４５ｏに向けられた。これらの向きは、パルスエネルギー、パルスエネルギー安定性、ビーム発散、およびビーム対称性を含む、全体的レーザ性能を最適化するように実験的に決定された。各楔の薄縁は、図３Ｂにおいて視認されるように、底の角に最も近い。反射率は、第２の背面ミラー３４に関して約５０％であり、出力結合ミラー３６および３８の各々に関して約２．７５％であった。
図３Ｂの複合出力ビームは、同等の先行技術のエキシマレーザによって発生させられた図３Ａのビームに関する約１．０ｍｒａｄの発散角度φと比較して、約１．３ｍｒａｄの発散角度φ’を有する。図３Ｂの複合出力ビーム内の微細構造は、図３Ａのビームの微細構造と比較して実質的にぼかされている。図３Ａにおいてみられる垂直ストリーマは、図３Ｂではほぼ見えない。図３Ｂの本発明のエキシマレーザは、図３Ａの先行技術のエキシマレーザの効率の約９９％を有していた。このかなりわずかな効率の１％の低減が、窓置換によって引き起こされる効率変化に匹敵する。
図４Ａは、図３Ａの先行技術のエキシマレーザからのレーザビームの１０００枚のカメラ画像から測定された相対的エネルギー偏差対パルス数を図式的に例証するグラフである。各カメラ画像は、１つのレーザパルスを捕捉する。エネルギー偏差は、各画像の重心に最も近いピクセルのものである。標準偏差は、６．４６％である。図４Ｂは、図３Ｂの本発明のエキシマレーザからの複合出力ビームの１０００枚のカメラ画像から測定された相対的エネルギー偏差対パルス数を図式的に例証するグラフである。標準偏差は、４．４２％である。図３Ｂおよび図４Ｂは、本発明のエキシマレーザの出力ビームが、同等の先行技術のエキシマレーザの出力ビームより有意に均一かつ安定することを示す。
本発明のエキシマレーザの利点は、より弱く、およびしたがってよりコストがかからないビームホモジナイザが、先行技術のエキシマレーザと同一の処理品質を達成するために使用されることができることである。別の利点は、出力ビーム内の不安定性および非均一性が、プロセスのための最大許容限界に到達するのにより長くかかるので、ガス交換および窓置換の間の時間間隔が延ばされることができることである。これらの保守手続間の平均時間間隔またはスケジュールされた時間間隔を延ばすことは、レーザ休止時間および所有コストを低減させる。
本発明の一実施形態は、２つの背面ミラーと、２つの出力結合ミラーとを有するように上記に説明されるが、付加的な部分的反射性背面ミラーおよび／または付加的な出力結合ミラーが、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、微細構造をさらに軽減するために含まれ得る。本発明の別の実施形態では、エキシマレーザは、高反射性である１つの背面ミラーと、複数の出力結合ミラーとを有する。本発明のさらに別の実施形態では、エキシマレーザは、高反射性背面ミラーと、複数の部分的反射性背面ミラーと、１つの出力結合ミラーとを有する。
上記に説明される共振器ミラーは、平面を有していたが、エキシマレーザミラー表面は、時として、若干の曲率を有する。当業者が認識するように、本発明の原理は、若干の曲率を有する共振器ミラーにも適用されることができる。
本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上記に説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。
Claims (17)
- レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して第１の角度で傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して第２の角度で傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。 - 前記第１および第２の背面ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記レーザビームの光軸に対して傾斜させられている、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１の角度は、前記第２の角度に等しい、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１の角度および前記第２の角度は両方とも、０．０５ミリラジアンより大きい、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において２０％～８０％の範囲内の反射率を有する、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第２の背面ミラーは、前記レーザビームの前記波長において３５％～６５％の範囲内の反射率を有する、請求項８に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１および第２の出力結合ミラーの各々は、前記レーザビームの前記波長において５％未満の反射率を有する、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において同一の反射率を有する、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第１の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- 前記第２の角度は、全て前記レーザビームに対して直角入射する共振器ミラーを有する同等のエキシマレーザから、５％～２０％の範囲内のレーザビームの周角発散である、請求項１に記載のエキシマレーザ。
- レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザチャンバの一端に位置し、前記レーザビームのある波長において高反射率を有する背面ミラーと、
第１の出力結合ミラーと、
第２の出力結合ミラーであって、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザビームの前記波長において部分的反射性であり、前記第１および第２の出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記第１および第２の出力結合ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられ、前記第１および第２の出力結合ミラーの各々の法線は、前記レーザビームの光軸に対して０．０５～０．２ミリラジアンの角度だけ傾斜させられ、前記第１および第２の出力結合ミラーは両方とも、前記背面ミラーに対して傾斜させられている、第２の出力結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。 - 前記第１および第２の出力結合ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、請求項１４に記載のエキシマレーザ。
- レーザビームを発生させるエキシマレーザであって、
通電させられたガス混合物を含有するレーザチャンバと、
前記レーザビームのある波長において高反射率を有する第１の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である第２の背面ミラーであって、前記第１および第２の背面ミラーは、前記レーザチャンバの一端に位置し、前記第２の背面ミラーは、前記第１の背面ミラーと前記レーザチャンバとの間に位置し、前記第１および第２の背面ミラーは、相互に対して相対的傾斜角度で傾斜させられ、前記第１および第２の背面ミラーの各々の法線は、前記レーザビームの光軸に対して０．０５～０．２ミリラジアンの角度だけ傾斜させられている、第２の背面ミラーと、
前記レーザビームの前記波長において部分的反射性である出力結合ミラーであって、前記出力結合ミラーは、前記レーザチャンバの反対端に位置し、前記出力結合ミラーは、前記第１および第２の背面ミラーの両方に対して傾斜させられている、結合ミラーと
を備える、エキシマレーザ。 - 前記第１および第２の背面ミラーは、透明な楔形状基板の対向する表面上にある、請求項１６に記載のエキシマレーザ。
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