JPH0346285A - 狭帯域発振エキシマレーザ - 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〕 本発明はステッパー用の光源として使用される狭帯域発
振エキシマレーザに関する。

〔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
ーという）の光源としてエキシマレーザの利用が注目さ
れている。これはエキシマレーザの波長が短い（ＫｒＦ
の波長は約２４８．４ｎｍ）ことから光露光の限界を０
．５μｍ以下に延ばせる可能性があること、同じ解像度
なら従来用いていた水銀ランプのｇ線やｉ線に比較して
焦点深度が深いこと、レンズの開口数（ＮＡ）が小さく
て済み、露光領域を大きくできること、大きなパワーが
得られること等の多くの優れた利点が期待できるからで
ある。

ところで、ステッパーの光源として利用されるエキシマ
レーザとしては線幅３ｐｍ以下の狭帯化が要求され、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従来インジエ
ンクションロック方式と呼ばれるものがある。このイン
ジエンクションロック方式は、オシレータ段のキャピテ
イ内に波長選択素子（エタロン、回折格子、プリズム等
）を配置し、ピンホールによって空間モードを制限して
単一モード発振させ、このレーザ光を増幅段によって注
入同期する。この方式によると比較的大きな出力パワー
が得られるが、ミスショットがあったり、ロッキング効
率を１００％とすることが困難であったり、スペクトル
純度が悪くなるという欠点がある。また、この方式の場
合その出力光はコヒーレンス性が高く、これを縮小露光
装置の光源に用いた場合はスペックル・パターンが発生
する。一般にスペックル・パターンの発生はレーザ光に
含まれる空間横モードの数に依存すると考えられている
。すなわち、レーザ光に含まれる空間横モードの数が少
ないというスペックル・パターンが発生し易くなり、逆
に空間モードの数が多くなるとスペックル・パターンは
発生しにくくなることが知られている。上述したインジ
ェクションロック方式は本質的には空間横モードの数を
著しく減らすことによって狭帯域化を行う技術であり、
スペックル・パターンの発生が大きな問題となるため縮
小投影露光装置には採用できない。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として他に有望なもの
は波長選択素子であるエアーギャップエタロンを用いた
ものがある。このエアーギャップエタロンを用いた従来
技術としてはＡＴ＆Ｔベル研究所によるエキシマレーザ
のフロントミラーとレーザチャンバとの間にエアーギャ
ップエタロンを配置し、エキシマレーザの狭帯域化を図
ろうとする技術が提案されている。しかし、この方式は
スペクトル線幅をあまり狭くせず、かつ、エアーギャッ
プエタロン挿入によるパワーロスが大きいという問題が
あり、さらに空間横モードの数もあまり多くすることが
できないという欠点がある。

またエアーギャップエタロンは耐久性に問題がある。

そこで、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。

このグレーティングを波長選択素子として採用したエキ
シマレーザにおいてはグレーティングにおけるビーム塩
がり角を小さくするために共振器内にピンホールを位置
するか、またはグレーティングに入射するレーザ光をビ
ームエキスパンダにより拡大する構成をとっている。そ
してこのビームエキスパンダとしてはプリズムを用いて
構成したプリズムビームエキスパンダを用いたものがあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、ステッパに使用されるような狭帯域発振エキ
シマレーザは前述したように線幅３ｐｍ以下に狭帯域化
し、しかも大きな出力を必要とする。

しかしながら共振器内にビホールを配置した構成をとる
と出力が非常に小さくなるばかりでなく、スペックルパ
ターンの発生を防止するために必要な空間横モードの数
も減少するので採用できない。

また、プリズムビームエキスパンダを用いる場合は線幅
を狭くするためにプリズムビームエキスパンダの拡大率
大きくする必要がある。

しかしながら、プリズムビームエキスパンダの拡大率を
大きくすると、プリズムビームエキスパンダを構成する
プリズムへのレーザ光の入射角が大きくなったり、プリ
ズムの数を多くしたりする必要があり、これにより損失
が大きくなって、大きな出力が得られないという問題が
ある。

そこで、この発明の目的は狭帯域化素子としてプリズム
ビームエキスパンダとグレーティングを用いたエキシマ
レーザにおいて、プリズムビームエキスパンダの拡大率
を大きくしても損失が大きくならない狭帯域発振エキシ
マレーザを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明においてはグレーテ
ィングの線引き方向とプリズムビームエキスパンダのビ
ーム拡大方向とをほぼ一致させるとともに、プリズムビ
ームエキスパンダのビーム拡大方向にほぼ平行な直線偏
光波を選択的に発振させる選択発振手段を設けて構成さ
れる。

選択発振手段は、光共振器内に配置された偏光素子によ
って構成することができる。

また、この選択発振手段は、プリズムエキスパンダのビ
ーム拡大方向とレーザの光軸の面内で該レーザ光軸に対
してほぼブリュースタ角となるように配置された、レー
ザチャンバのリア側またはフロント側ウィンドウを含ん
で構成することができる。

また、この選択発振手段は、前記プリズムビームエキス
パンダのビーム拡大方向とほぼ平行な偏光成分のみを選
択的に反射防止する、前記プリズムビームエキスパンダ
を構成するプリズムの一面にコーティングされた反射防
止膜を含むことにより構成することができる。

〔作用〕

プリズムビームエキスパンダのビーム拡大方向にほぼ平
行な直線偏光波を選択的に発振させることにより、プリ
ズムへの入射角が大きくなったり、プリズムの数が多く
なっても損失を小さくすることができる。これは、ビー
ムエキスパンダのビーム拡大方向に平行な直線偏光波は
、プリズムの入射角が大きくても透過率が大きいからで
ある。

またこれによりスベクトラル線幅を細くしたままでも大
きな出力を得ることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説
明する。

第１図（ａ）　（ｂ）はこの発明の狭帯域発振エキシマ
レーザの一実施例を示したもので、第１図（ａ）はその
平面図、第１図（ｂ）はその側面図を示す。この実施例
の狭帯域発振エキシマレーザは、フロントミラー１と、
リアミラーと波長選択素子の機能を有するグレーティン
グ６との間に、レーザチャンバ３、偏光素子４、ビーム
エキスパンダ（プリズムビームエキスパンダ）を構成す
る２つのプリズム５ａ、５ｂが配設される。ここでフロ
ントミラー１とグレーティング６との間に光共振器が構
成されている。

レーザチャンバ３はその内にＫｒＦ等を含むレーザガス
が循環可能に充填され、またレーザガスを励起させるた
めの図示しない放電電極が配置されている。更にレーザ
チャンバ３の両端には所定の角で配置されたウィンドウ
２ａ、２ｂが設けられている。

グレーティング６は、光の回折を利用して特定波長の光
を選択するもので、一定方向に配列された多数の溝が形
成されている。この明細書ではこの多数の溝と直角の方
向を線引方向と称している。

グレーティング６は、この線引方向を含む平面内で、入
射光に対するグレーティング６の角度を可変させること
により、特定の波長の光を選択することができる。すな
わち、グレーティング６は入射光に対するグレーティン
グの角度に対応する特定の光のみを所定の方向（この場
合入射光の方向）に反射させ、これによって特定の波長
の光に対する選択動作を行なう。

プリズム５ａ、５ｂからなるプリズムビームエキスパン
ダは、そのビーム拡大方向がグレーティング６の線引方
向とほぼ一致するように配置されている。このプリズム
ビームエキスパンダによって拡大されたレーザ光によっ
てグレーティング６は照射される。　偏光素子４は、プ
リズム５ａ。

５ｂからなるプリズムビームエキスパンダのビーム拡大
方向にほぼ平行な偏光波のみを選択的に透過させる。こ
の偏光素子４としては、例えば複屈折材料（水晶、カル
サイト等）を用いた偏光プリズム、ブリュースタ分散プ
リズム、ガラス基板（石英、ＣａＦ２またはＭｇＦ２）
をブリュースタ角で配置するかまたはガラス基板に所定
の偏光線分を透過するようなコーティングをしたもの等
から構成することができる。

このような構成によると第１図（ａ）　（ｂ）に示した
装置は、プリズム５ａ、５ｂから構成されるプリズムビ
ームエキスパンダのビーム拡大方向にほぼ平行な直線偏
光波によって選択的に発振される。

ここでプリズムビームエキスパンダのビーム拡大方向に
平行な直線偏光波は、プリズムへの入射角が大きくても
透過率は大きいのでスペクトル線幅を細くするためにビ
ームエキスパンダの拡大率を大きくしても、損失はそれ
ほど大きくならない。

すなわち、損失の小さい狭帯域発振エキシマレーザを構
成することができる。

第２図（ａ）　（ｂ）はこの発明の他の実施例を示した
もので、第２図（ｂ）はその平面図、第２図（ｂ）はそ
の側面図である。この実施例においては、レーザチャン
バ３のリア側ウィンドウ２ｂによって特定の直線偏光波
を選択するような構成されている。

この実施例において、レーザチャンバ３のリア側ウィン
ドウ２ｂは、プリズム５ａ、５ｂからなるプリズムビー
ムエキスパンダのビーム拡大方向とレーザの光軸の面内
でレーザ光軸に対してほぼブリュースタ角θとなるよう
に配置される。

なお、第２図の構成においてはリア側のウィンドウ２ｂ
のみをブリュースタ角に設定したが、リア側のウィンド
ウ２ｂとフロント側のウィンドウ２ａの両者を所定のブ
リュースタ角に配置してもよいし、またフロント側のウ
ィンドウ２ａのみをブリュースタ角に配置してもよい。

第３図（ａ）　（ｂ）は、この発明の更に他の実施例を
示したものである。ここで、第３図（ａ）はその平面図
、第３図（ｂ）はその側面図を側面図を示す。

この実施例は、プリズムビームエキスパンダを構成する
プリズム５ａ、５ｂにプリズムビームエキスパンダの拡
大方向と平行な偏光成分のみを選択的に反射防止する反
射防止膜をコーティングすることにより構成さる。第３
図（ｂ）において点線で示した部分５ｃ、５ｂがこのコ
ーティング部を示している。

なお、この場合、コーティングは少なくとも１つのプリ
ズムの、光を透過する一面に対して行なえばよい。この
場合、プリズムに対する入射角が大きくなっても、９９
％以上の透過率を維持することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、グレーティング
の線引き方向とプリズムビームエキスパンダのビーム拡
大方向とをほぼ一致させるとともに、プリズムビームエ
キスパンダのビーム拡大方向にほぼ平行な直線偏光波を
選択的に発振させる選択発振手段を設けたため、プリズ
ムビームエキスパンダでのロスをほとんどなくすること
ができる。このためスペクトル線幅狭＜シ、かつ、大き
な出力を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）はこの発明の一実施例を示す平面
図および側面図、第２図（ａ）　（ｂ）はこの発明の他
の実施例を示す平面図および側面図、第３図（ａ）（ｂ
）はこの発明の更に他の実施例を示す平面図および側面
図である。 １・・・フロントミラー　２ａ、２ｂ・・・ウィンドウ
、３・・・レーザチャンバ、４・・・偏光素子、５　ａ
　＋　　５　ｂ・・・プリズム、６・・・グレーティン
グ、５ｃ、５ｄ・・・反射防止膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）狭帯域化素子としてプリズムビームエキスパンダ
   とグレーティングを用いた狭帯域発振エキシマレーザに
   おいて、 前記グレーティングの線引き方向と前記プリズムビーム
   エキスパンダのビーム拡大方向とをほぼ一致させるとと
   もに、 前記プリズムビームエキスパンダのビーム拡大方向にほ
   ぼ平行な直線偏光波を選択的に発振させる選択発振手段
   を設けたことを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
2. （２）前記選択発振手段は、光共振器内に配置された偏
   光素子であることを特徴とする請求項（１）記載の狭帯
   域発振エキシマレーザ。
3. （３）前記選択発振手段は、前記プリズムビームエキス
   パンダのビーム拡大方向とレーザの光軸の面内で該レー
   ザ光軸に対してほぼブリュースタ角となるように配置さ
   れた、レーザチャンバのリア側またはフロント側のウィ
   ンドウを含むことを特徴とする請求項（１）記載の狭帯
   域発振エキシマレーザ。
4. （４）前記選択発振手段は、前記プリズムビームエキス
   パンダのビーム拡大方向とほぼ平行な偏光成分のみを選
   択的に反射防止する、前記プリズムビームエキスパンダ
   を構成するプリズムの少なくとも一面にコーティングさ
   れた反射防止膜を含むことを特徴とする請求項（１）記
   載の狭帯域発振エキシマレーザ。