JPH02273981A - 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（４３６ｎｍ
）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、３
５３ｎｍ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帯域幅は約１ｎｍと広く、
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。レーザ光ｗｃ４１１の帯域幅を０．Ｏ０
５ｎｍ程度にまで単色化し、かつ中心波長の変動を０．
００１　ｎｍ以下に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Ｌ
ＳＩ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
方法が採用されている。第３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３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４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太き（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困難に
なる。

そこで、エキシマレーザにおいては第４図すのように、
狭い透過帯域幅を持っ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、Ｆ−Ｐ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を招き、選択
波長が変動する結果、露光パターンの焦点ずれを生じ、
製品の不良につながるなどの課題があった。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変動がない狭帯域Ｉヒレーザ装置
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
帯域幅の狭いものを第１の全反射鏡に最も近く設置した
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、レーザの発
振波長を決定する、最も透過帯域幅の狭い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光の中心
波長の変化を著しく低減できることとなる。

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ｊ
ｌ！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を屈える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０．１　ｎｍ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ず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、レーザ発振の波長を決定する、帯域幅０、Ｏ５
ｎｍのＦ−Ｐエタロン５を全反射鏡２に近い側に設置す
ることによって、レーザの中心波長の変動を最小にして
いる。すなわち、Ｆ−Ｐエタロン５に入射する光エネル
ギーはＦ−Ｐエタロン６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５の変形はほと
んど無視できる程度となる。

本発明者らの実験によれば、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ＩＷ程程度出力を取り出す
とＦ−Ｐエタロンの熱変形が顕著になった。その結果、
比較的短時間の間に選択波長が子分の数ナノメータ変動
し、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
の変化は０．００１　ｎｍ以下となり、単色レンズを用
いた投影露光装置の光源として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反射率
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を全反射鏡２側に、透過帯域幅が広い６を半透過鏡
４側に置くことは第１図の実施例の場合と同様である。

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変動がほと
んどなく、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、選択波長の変動が少な
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図は従来の狭帯域化レーザ装置の構成を示す図、
第４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。 ■・・・・・・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。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ばか１名第１図 ／　−族！雪 ２、３−−一金反肘］免 ４−　牟１迭鏡 ５、Δ−ファプリペロー＝ダロン 第２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、最も透過帯域幅の狭いものを第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
   。