JPH03142979A - 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］ 近年、半導体集積回路のパターン露光用光源として、エ
キシマレーザが従来の高圧水銀ランプに代わるものとし
て注目されている。

エキシマレーザはレーザ媒質としてクリプトン、キセノ
ンなどの希ガスと弗素、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
いくつかの波長で発振線を得ることができる紫外レーザ
の一つである。特にふり化クリプトンエキシマレーザは
波長２４８ｎｍで発振し、水銀のｇ線（４３６ｎｍ）あ
るいはｉ線（３６５ｎｍ）の場合と比べて倍以上集積度
の高い、いわゆる超ＬＳＩ製造への道を開くものとして
期待されている。これらエキシマレーザの利得バンド幅
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。レーザ発振線の帯域幅を０．Ｏ
０５ｎｍ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投影露光装置を実現す
ることができる。

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素子をレーザ共振器の外あるいは共
振器内に設置すればよい。共振器外に設置するとレーザ
出力が著しく低下するので、一般には共振器内に波長選
択素子を設置する方法が採用されてきた。

しかし、レーザ共振器内にはレーザの出力以上の強いエ
ネルギーが定在するため、波長選択素子が熱的変形を受
は選択波長が変動したり、あるいは永久的な損傷によっ
て所望の特性が得られなくなるという課題があった。

そこで発明者らは既に第３図に示すような、改良した狭
帯域化エキシマレーザ装置を提案した。

第３図において光共振器は全反射鏡２．３および半透過
鏡４から成る。全反射鏡３と半透過鏡４の間には放電管
１が設置され、光増幅器を構成している。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光を発振する。全反射鏡２と
半透過鏡４の間には、波長選択素子であるエタロン５が
設置されている。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、エタロン５によっ
ては波長選択された光は半透過鏡４を経て放電管１に戻
り、狭帯域化されたレーザビームとして、図の右方向に
取り出される。

第３図の狭帯域化エキシマレーザでは、エタロン５に入
射する光エネルギーはレーザ出力に半透過鏡４の反射率
を乗じた程度に低減されているため、エタロンの損傷を
大幅に減らすことができる。

しかも、エタロンによって選択された光は放電管１によ
って増幅を受けているので、レーザ共振器外に波長選択
素子を置く場合よりも高い出力が得られるという特徴は
従来通り保持している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしこのような狭帯域化レーザ装置では、単色化され
ていないレーザ光がかなり強く放射されるという課題が
あった。これは放電管１から放出された光の一部はエタ
ロン５を通過せずに出力されることによる。第３図に示
す従来の提案による装置では、放電管中の媒質から放射
された光のうち、全反射鏡２の方向へ進むものは波長選
択を受けずに媒質内を往復するため、広いバンド幅を持
ったままある程度の増幅作用を受ける。

このような光の一部は半透過鏡４を通過してそのまま出
力されるので、広いバンド幅を持っていることになり、
投影露光に利用する際パターンとして結像されないバッ
クグラウンドとなる。

このようなバックグラウンド光は投影パターンコントラ
ストを低下させ、製品の不良につながる。

本発明はこのような従来技術の課題を解決するためなさ
れたもので、バンド幅の広い成分を極力小さくした狭帯
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］ 前記目的を達成するため、本発明は、レーザ発光媒質と
第１の全反射鏡からなる光増幅器と、波長選択素子と第
２の全反射鏡からなる波長選択器とを互いの光軸が直交
するように半透過鏡によって結合して光共振器を構成し
たレーザ装置において、前記第１の全反射鏡と半透過鏡
を結ぶ軸上に偏光素子を設置したことを特徴とする狭帯
域化レーザ装置である。

［作用］ 前記本発明の構成によれば、第１の全反射鏡と半透過鏡
を結ぶ軸上に偏光素子を設置したことにより、光共振器
から出力されるレーザ光のうち、単色化した成分は光共
振器を含む面に垂直方向に偏光する一方、単色化してい
ない広いバンド幅を持つ成分はランダム偏光することに
なる。従って、この出力を偏光素子に導いてやることに
よって単色化成分だけを選択的に取り出すことができ、
パターンを投影した時のコントラストを飛躍的に改善で
きることとなる。

［実施例］ 以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

なお本発明は下記の実施例によって限定されるものでは
ない。

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から構成された光増幅器２１と、ファブリ
ペローエタロン５と、全反射鏡３とからなる波長選択器
２２を、半透過鏡４によって直角に結合した構造を持つ
。

波長選択器２２で単色化された光は、半透過鏡４によっ
て光増幅器２１に戻され、増幅を受けた後再び半透過鏡
４を経てレーザ光として出力される。

次に本実施例における狭帯域化レーザ装置の特徴につい
て説明する。まず本構成によれば、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ているため、定在す
る光エネルギーは低減され、ファブリペローエタロン５
が吸収する光エネルギーわずかである。このことから、
ファブリペローエタロンの変形や損傷による出力特性の
劣化を避けることができるという特徴が生まれる。

さらに共振器の光軸が半透過鏡４によって折曲げられて
いるため、出力光が強く偏光しているという特徴がある
。これは半透過鏡に４５度の入射角で光が入射した場合
、光路を含む面に垂直方向の電場ベクトルを持ついわゆ
るＳ波の反射率が高く、Ｓ偏光した光が選択的に増幅さ
れることによる。

このような特徴を持っているので本発明による狭帯域化
レーザ装置は単色化されたエキシマレーザ光を安定に放
射することができる。

しかし前述したように、放電管１から放出され全反射鏡
２の方向に進光は波長選択を受けないまま増幅を受ける
ので、単色化光に何割かの広いバンド幅を持つ成分が混
じることになる。この広いバンド幅を持つ成分はＡ　Ｓ
　Ｅ　（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　！ｉｌｉｍｕ−１ａｔｅ
ｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれる。ＡＳＥは、投影露
光装置においてはパターンを結像しないバックグラウン
ド成分であり、取り除く必要がある。

第２図（ａ）に、半透過鏡から出た直後の、ＡＳＥを含
むレーザ光のスペクトル分布の一例を示す。

ＡＳＥはその発生原理から明らかなように偏光していな
い。そこで本発明においては半透過鏡から取り出したビ
ームを偏光素子６に導き、ＡＳＥを除去している。この
目的のため、′偏光素子６の方向は単色化成分が通過す
るように設置されている。

第２図（ｂ）に、本発明の構成において偏光素子６を通
過後のレーザ光のスペクトル分布を示す。

本発明者らの実験によると、従来の構成ではレーザ媒質
の利得を高めレーザ出力を増加させるにつれＡＳＥも増
加する傾向があり、レーザ出力が２Ｗ以上の場合、ＡＳ
Ｅ成分の強度は全出力の１０％以上となった。

一方、本発明による構成では、ＡＳＥ成分を５％以内に
抑制することができた。また、露光実験の結果からＡＳ
Ｅ成分が５％以内であれば十分なコントラストでパター
ンを投影できることもわかっている。

以上のような構成を有するので、本発明の狭帯域化レー
ザ装置は波長選択素子の変形や損傷が少なく、かつ単色
化成分の比率が高いビームを供給できるので、露光用光
源として最適の特性を備えたものとなる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、第１の全反射鏡と半透
過鏡を結ぶ軸上に偏光素子を設置したことにより、光共
振器から出力されるレーザ光のうち、単色化した成分は
光共振器を含む面に垂直方向に偏光する一方、単色化し
ていない広いバンド幅を持つ成分はランダム偏光するこ
とになるので、この出力を偏光素子に導いてやることに
よって単色化成分だけを選択的に取り出すことができ、
パターンを投影した時のコントラストを飛躍的に改善で
きるようになった。

またＡＳＥ（Ａｍｐｌ目ｉｅｄ　Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ
　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光に対する単色化光の割合が大き
く、露光用光源として用いた場合、品質のよいパターン
を形成できる狭帯域化レーザ装置を提供できるという顕
著な効果を達成できる。

【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
の構成を説明する図、第２図は狭帯域化したレーザ光の
スペクトル分布を示す図で、（ａ）は本発明の偏光素子
に入る前のレーザ光のスペクトル分布、（ｂ）は本発明
の偏光素子を通過した後のレーザ光のスペクトル分布を
示す。第３図は従来の狭帯域化レーザ装置の構成を示す
図である。 １：放電管　　　　　　２．３：全反射鏡４：半透過鏡 ５：ファブリペローエタロン ６：偏光素子 第１図 第３図 （Ｇ） （ｂ ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ発光媒質と第１の全反射鏡からなる光増幅
   器と、波長選択素子と第２の全反射鏡からなる波長選択
   器とを互いの光軸が直交するように半透過鏡によって結
   合して光共振器を構成したレーザ装置において、前記第
   １の全反射鏡と半透過鏡を結ぶ軸上に偏光素子を設置し
   たことを特徴とする狭帯域化レーザ装置。