JPH02273980A - 狭帯域化レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は投影露光装置の光源に用いる狭帯域化レーザ装
置に関するものである。

従来の技術 半導体集積回路のパターン露光用光源としては、従来、
高圧水銀ランプが一般的であり、そのｇ線（４３６ｎ　
ｍ　）あるいはｉ線（３６５ｎ　ｍ　）がＬＳＩ製造工
程で用いられてきた。さらにパターンを微細化したいわ
ゆる超ＬＳＩについては、より短波長の光源が要求され
、この要求に応えるものとしてレーザ光源、たとえばエ
キシマレーザが注目されている。エキシマレーザはレー
ザ媒質としてクリプトン、キセノンなどの希ガスとふっ
素、塩素などのハロゲンガスを組み合わせることにより
、３５３ｎｍから１９３ｎｍの間のい（つかの波長でパ
ターン露光に十分な出力を有する発振線を得ることがで
きる。

これらエキシマレーザの利得バンド幅は約１ｎｍと広（
、光共振器と組み合わせて発振させた場合、発振線が０
．５ｎｍ程度の帯域幅（半値全幅）を持つ。このように
比較的広い帯域幅を持つレーザ光を露光用光源として用
いた場合、ランプ光源の場合と同様、露光光学系に色収
差を補正した結像光学系を採用する必要がある。ところ
が、波長が３５０ｎｍ以下の紫外域では、結像光学系に
用いるレンズの光学材料の選択の幅が限られ、色収差補
正が困難となる。レーザ発振線の帯域幅を０．００５ｎ
ｍ程度にまで単色化し、かつ中心波長の変動を防止でき
れば色収差補正しない結像光学系が利用可能となり、エ
キシマレーザを光源とした超ＬＳＩ製造用の投影露光装
置が実現する。

広い帯域幅を持つレーザ光を単色化するには、狭い透過
帯域を持つ波長選択フィルターを通せばよい。しかしこ
の方法ではレーザの出力が著しく減衰し、露光用光源と
して実用に供することができない。そこで、波長選択素
子を共振器内に設置し、出力を減衰させずに単色化する
方法が一般に採用されてきた。第４図はこのような従来
の狭帯域化エキシマレーザの構成を説明する図である。

第４図において全反射鏡２および半透過鏡４からなる光
共振器内に放電管１が置かれている。放電管１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
電励起によってレーザ発振する。光共振器中には波長選
択素子であるファブリペローエタロン５，６が設置され
ている。ファブリペロ−（以下、Ｆ−Ｐと略す）エタロ
ンは対向する平行平板間の光の干渉を利用した波長選択
素子であり、エキシマレーザの発振波長域において非常
に狭い透過帯域幅を持つものが得られる。

一方、Ｆ−Ｐエタロンは第５図ａに示すように同時に多
数の透過帯を持つ性質があるので、隣合う透過帯の波長
間隔をレーザ媒質の利得バンド幅より十分大きくとる必
要がある。ところが、エキシマレーザの発振波長域では
透過帯域幅に対する隣合う透過帯の間隔、すなわち、フ
ィネスの大きなＦ’−Ｐエタロンを製作することは非常
に困難になる。そこで、エキシマレーザにおいては第５
図すのように、狭い透過帯域幅を持つＦ−Ｐエタロン５
に透過帯域幅が広い第２のＦ−Ｐエタロン６を組み合わ
せて、実効的なフィネスを大きくしている。

このような構成のエキシマレーザ装置では、ＦＰエタロ
ン５．６で選択された特定の波長の光だけが増幅、発振
するので、高い出力の単色光を得ることができる。

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レーザ装置では、光
共振器内に定在する高いエネルギーの光が波長選択素子
を通過する。このため波長選択素子の変形により、選択
波長の変化やＦ−Ｐエタロンの劣化を招く。特にレーザ
の出力が２Ｗ以上となると、レーザ発振の中心波長のジ
ャンプが起こる場合があった。これは第５図すかられか
るように、広い透過帯域幅を持つＦ−Ｐエタロンの選択
波長が変化すると発振波長が狭い透過帯域幅を持つＦ−
Ｐエタロンの隣合う透過帯へ不連続に移動することによ
る。投影露光装置においてこのような発振波長のジャン
プが起こると、所定の露光パターンが全（得られな（な
るという重大な課題があった。本発明はこのような課題
を解決するためなされたもので、波長選択素子の変形に
よる波長ジャンプがない狭帯域化レーザ装置を提供する
ものである。

課題を解決するための手段 この課題を解決するため本発明は、レーザ媒質と、前記
レーザ媒質の両側に設置され光共振器を構成する第１．
第２の全反射鏡と、前記レーザ媒質と第１の全反射鏡と
の間に置いた半透過鏡と、前記半透過鏡と第１の全反射
鏡との間に設置した複数のファブリペローエタロンとを
具備し、前記ファブリペローエタロンの内、最も透過帯
域幅の広いものを第１の全反射鏡に最も近（設置したも
のである。

作用 この構成により、Ｆ−Ｐエタロンが設置された空間に入
射する光エネルギーは、従来例の場合のそれに半透過鏡
の透過率を乗じた程度に低下する。さらに、多数の透過
帯の中から１本の発振波長を選択する、最も透過帯域幅
の広いＦ−Ｐエタロンには、他のＦ−Ｐエタロンによっ
て減衰した光が入射するので、Ｆ−Ｐエタロンの変形に
よるレーザの発振波長のジャンプを防止できることとな
る。

実施例 第１図は本発明の一実施例であるエキシマレーザの構成
図である。第１図において本発明実施例のレーザ装置は
希ガスとハロゲンガスの混合気体をレーザ媒質とする放
電管１と、全反射鏡２，３および半透過鏡４によって光
共振器を構成し、紫外域でレーザ発振する。半透過鏡４
は、放電管１と全反射鏡３を結ぶ軸からはずれた位置に
設置された全反射鏡２の方向に共振器の光軸を折曲げる
とともに、放電管１と全反射鏡３を結ぶ軸の方向にレー
ザ出力を取り出す役割を果たす。半透過鏡４と全反射鏡
２との間の光共振器の光軸上には、波長選択素子である
Ｆ−Ｐエタロン５．６が置かれ、特定の狭い帯域の波長
だけを選択的に増幅する。なお、Ｆ−Ｐエタロン６は同
５より広い透過帯域幅を持つように設計されている。

Ｆ−Ｐエタロンを２個使用するのは、従来例の場合と同
じ理由による。すなわちエキシマレーザの発振波長域に
おいては、フィネス約２０を赳えるＦ−Ｐエタロンの製
作が困難なので透過帯域幅が０．００５ｎｍのエタロン
５だけでは約０．１ｎｍ毎に隣合う透過帯が現われ、複
数の波長で発振してしまう。そこで、透過帯域幅が約０
．Ｏ５ｎｍ、フィネス２０の第２のＦ−Ｐエタロン６を
追加し、レーザ媒質の利得帯域幅である約１ｎｍ内に一
本の透過帯しか現われないようにして単色発振を実現し
ている。

次に本実施例について、Ｆ−Ｐエタロンの変形が低減で
きることを説明する。Ｆ−Ｐエタロンは対向した平行平
板の間における光の多重反射を利用した干渉素子である
。光は多重反射する間にわずかづつではあるが反射面に
吸収され、結果的に表面温度の上昇を招き変形につなが
る。発明者らの測定では、Ｆ−Ｐエタロンに入射した光
の５０％程度が吸収されていた。

そこで、Ｆ−Ｐエタロンに入射する光のエネルギーを極
力低下させてやればその変形を避けることができる。

本発明においては放電管１を含む全反射鏡３と半透過鏡
４の間の光共振器内には従来のレーザ装置の場合と同様
、大きな光エネルギーが定在するが、半透過鏡４と全反
射鏡２の間の空間では放電管方向から来た光の大半が半
透過鏡によって光共振器外へ放射されるため、定在する
光エネルギーはわずかである。発明者らが実測したとこ
ろによると、半透過鏡４の反射率が３０％の場合、半透
過鏡４と全反射鏡２との間の空間にある光エネルギーは
、従来のレーザ共振器中の約１１５であった。

さらに、帯域幅０．Ｏ５ｎｍのＦ−Ｐエタロン６を全反
射鏡２に近い側に設置することによって、レーザの発振
波長のジャンプを防止している。すなわち、Ｆ−Ｐエタ
ロン６に入射する光エネルギーはＦ−Ｐエタロン５によ
り吸収を受け、上述の値よりさらに減少しており、Ｆ−
Ｐエタロン６の変形はほとんど無視できる程度となる。

本発明らの実験によれば、第４図に示したような従来の
狭帯域化エキシマレーザで２Ｗ以上の出力を取り出すと
Ｆ−Ｐエタロンの熱変形が顕著になった。その結果、発
振波長のジャンプが起こり、投影露光装置の光源に供す
ることができなかった。

一方、本発明による狭帯域化レーザ装置では、選択波長
は大きく変化することなく、単色レンズを用いた投影露
光装置の光源として十分利用できるようになった。さら
に、Ｆ−Ｐエタロンの゛寿命を従来の共振器の場合より
も大幅に延長するという効果も見られた。

エキシマレーザは媒質の利得が高いため、光共振器°の
カップリング、すなわち本発明における半透過鏡の透過
率は１０〜２０％と低く取ることができる。したがって
、本発明は特にエキシマレーザにおいてその効果を発揮
するものと言える。

第２図に本発明の第２の実施例を示す。第２図の実施例
では、直線の光軸上に全反射鏡２，３を設置し、光軸の
途中においた半透過鏡４によって、光軸と直角方向に出
力を取り出している。この場合、半透過鏡の反射率を７
０％程度にとれば、第１図の実施例と同様の効果が得ら
れる。２個のＦ−Ｐエタロン５，６は、透過帯域幅が狭
い５を半透過鏡４側に、透過帯域幅が広い６を全反射鏡
２個に置くことは第１図の実施例の場合と同である。

第３図は本発明の第３の実施例を示す。透過帯域幅０．
Ｏ０５ｎｍのＦ−Ｐエタロン５を半透過鏡側においてい
るため、５の熱的変形はＦ−Ｐエタロン６より大きくな
る。Ｆ−Ｐエタロン５が変形すると、その選択波長が連
続的に変化する。その結果、発振波長のジャンプは起こ
らないまでも波長のドリフトが生じ、波長の安定性に対
する要求が厳しい場合や、レーザ出力がさらに大きい場
合など問題になる。そこで第３図の実施例においては、
本発明者らがすでに提案したく特願昭６２−２４３３５
９）波長安定化装置７を組み込んでいる。波長安定化装
置７はレーザの発振波長をモニタして、Ｆ−Ｐエタロン
の選択波長を制御するもので、連続的な波長ドリフトを
キャンセルすることができる。この実施例では、本発明
によるＦ−Ｐエタロンの変形低減効果とあいまって、高
い波長安定性を実現している。

以上のような構成を有するので、本発明の狭帯域化レー
ザ装置はＦ−Ｐエタロンの変形による波長のジャンプが
防止でき、単色化したレーザ光を一定の波長で安定に放
射することができる。

発明の詳細 な説明したように、本発明は共振器内に置いた波長選択
素子であるファブリペローエタロンを通過する光エネル
ギーを小さ（することによって、選択波長のジャンプが
なく、投影露光装置の光源に最適な狭帯域化レーザ装置
を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である狭帯域化レーザ装置の
構成を示す図、第２図は本発明の第２の実施例を示す図
、第３図は本発明の第３の実施例を示す図、第４図は従
来の狭帯域化レーザ装置の構成を示す図、第５図はファ
ブリペローエタロンによる波長選択の原理を説明する図
である。 １・・・・・・放電管、２，３・・・・・・全反射鏡、
４・・・・・・半透過鏡、５．６・・・・・・ファブリ
ペローエタロン。７・・・・・・波長安定化装置。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第２図 第 図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ媒質と、前記レーザ媒質の両側に設置され光共振
   器を構成する第１、第２の全反射鏡と、前記レーザ媒質
   と第１の全反射鏡との間に置いた半透過鏡と、前記半透
   過鏡と第１の全反射鏡との間に設置した複数のファブリ
   ペローエタロンとを具備し、前記ファブリペローエタロ
   ンの内、最も透過帯域幅の広いものを第１の全反射鏡に
   最も近く設置したことを特徴とする狭帯域化レーザ装置
   。