JPH0384981A - 狭帯域発振レーザ装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えば高分解能投影露光用の光源として使用
する狭帯域発振レーザ装置に関する。

（従来の技術） フォトリソグラフィの露光用光源として紫外域の光を発
生するエキシマレーザ装置が用いられている。このよう
なエキシマレーザ装置には第２図に示されるようなイン
ジェクションロック方式のレーザ装置がある。

図中において、インジェクションロック方式のレーザ装
置１は、全反射ミラー２と出力ミラー３とからなる共振
器と、この共振器内に配設された分散プリズム（または
エタロン）４、アパーチャ５．６および電極７から構成
されるオツシレータ部８と、ミラー９．１０を介して光
学的に接続され、ミラー１１．１２および電極１３から
構成されるアンプ部１４とを有している。なお、図中り
は発振されたレーザ光である。

上記レーザ装置１においてオツシレータ部８は分散プリ
ズム（またはエタロン）４で波長を分け、アパーチャ５
．６でビームを絞る作用をなし、これによってスペクト
ル線幅を狭く、かつコヒーレントなビーム特性をもつレ
ーザシグナルを得ることができる。

このような構成のレーザ装置１は分散プリズム４やアパ
ーチャ５．６等を挿入しない場合に比較してレーザパワ
ーが大幅に低下する。あるいはレーザパワーが比較的高
い場合には狭帯域化の効果が低くなる性質をもっている
。

共振器内に分散プリズム４を挿入しているが、プリズム
による狭帯域化効果はエタロンによる場合に比較して低
いので、高い狭帯域化効果を得るためにエタロンを使用
することが望ましい。ところが、高い出力のレーザ光を
透過する場合にエタロンはプリズムに比較して、耐久性
が低く寿命が短い。そして、高価なものであった。

また、オツシレータ部８の他にアンプ部１４で電極１３
により発振を行うため、同期が不安定であり、インジェ
クション漏れを発生し高精度の狭帯域化が困難なもので
あった。

（発明が解決しようとする課題） 狭帯域化レーザ装置は、レーザ発振器から出力されるレ
ーザ光の全てを、エタロン等により狭帯域化する構成が
一般的であるが、このように出力されたレーザ光の大部
分をエタロンに透過することにより、高い狭帯域化がで
きるが、エタロン自体のいたみが激しく、寿命が短くな
り、゛頻繁に点検整備を行うことが必要であり、また、
エタロンは高価である。このため、出力後のレーザ光を
増幅することが行われているが、同期が不安定であり、
インジェクション漏れが発生してしまい、高精度の狭帯
域化が困難なもので実用的でなかった。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、エタ
ロンの延命化と、これにともなう点検整備の頻度の低減
を実現し、かつ、インジェクションロックを安定して行
うことができ、高出力で高精度の狭帯域化したレーザ光
を出力できる実用的な狭帯域発振レーザ装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、レーザ発生部の一側に出力ミラーを設け、こ
のレーザ発生部を挟んで上記出力ミラーに対峙しレーザ
光を二方に分割し一方の分割レーザ光を他方の分割レー
ザ光よりも大パワーに分割するレーザ分割手段を設け、
このレーザ分割手段によって分割されたレーザパワーの
小さな分割レーザ光の光路上に上記出力ミラーとの間で
レーザ光を発振する第１高反射ミラーを設け、上記レー
ザ分割手段によって分割されたレーザノ（ワーの大きな
一方の分割レーザ光の光路上にあって上記第１高反射ミ
ラー側よりも長光路で遅延する遅延手段をもって上記出
力ミラーとの間でレーザ光を発振する第２高反射ミラー
を設け、上記レーザ分割手段と第１高反射ミラーとの間
に挿入されエタロンを有して小パワーのレーザ光を高精
度で狭帯域化する第１狭帯域化光学系を設け、上記レー
ザ分割手段と第２高反射ミラーとの間に挿入されプリズ
ムを有して大パワーのレーザ光を狭帯域化する第２狭帯
域化光学系を設けた狭帯域発振レーザ装置にある。

（作　用） レーザ発生部で発光したレーザ光は、レーザ分割手段で
二方に分割される。一方の分割レーザ光は大パワーで他
方が小パワーで分割される。そして、小パワーの分割レ
ーザ光はエタロンを有する第１狭帯域化光学系で高精度
で狭帯域化され、第１高反射ミラーに反射して大パワー
の分割レーザ光よりも速くレーザ発生部に入射する。ま
た、レーザ分割手段によって分割された大パワーの分割
レーザ光は第２プリズムを有する第２狭帯域化光学系で
狭帯域化され第２高反射ミラーに反射して、上記小パワ
ーの分割レーザ光より遅延して上記レーザ発生部に入射
し、インジェクション口っり状態で発振状態となり、こ
の発振レーザ光の一部が出力ミラーを透過して出力され
る。

（実施例） 本発明における一実施例を第１図を参照しズ説明する。

図中に示される狭帯域発振レーザ装纏１７はレーザ発生
部１８を備えており、このレーザ発生部１８はレーザ媒
質１９としてガスレージ媒質もしくは固体レーザ媒質を
備え、このレーザ媒質１９を励起する励起手段２０とし
て、放電禅極もしくは励起ランプ等が設けられている。

そして、このレーザ発生部１８の一端側には陸カミラー
２１が設けられている。この出力ミラー２１は所定出力
を越えたレーザ光りの一部を透過するようなコーティン
グが施されている。

また、上記レーザ発生部１８を挟んで上記出力ミラー２
１と対峙する位置にはレーザ分割手段としてのビームス
プリッタ２２が設けられている。

このビームスプリッタ２２はレーザ発生部１８からのレ
ーザ光路上に所定角度傾けて挿入され、入射したレーザ
光りを三方に分割するようなコーティングが施されてい
る。そして、上記コーティングは一方の分割レーザ光を
大パワーに、他方の分割レーザ光を小パワーに分割する
ように施されており、その分割の割合は小パワー側がレ
ーザ発生部１８からのレーザ光の数％である。つまり、
大パワー側が出力されたレーザ光の９０％以上の割合で
分割されるようになっている。

ここでは、上記ビームスプリッタ２２を透過したレーザ
光が小パワーとなり、反射された光が大パワーに分割さ
れる。

なお、上記レーザ媒質工９と出力ミラー２１との間には
第１アパーチヤ２３が挿入されており、レーザ光を絞る
作用を発生している。また、上記レーザ媒質１９と上記
ビームスプリッタ２２との間にも同様に第２アパーチヤ
２４が挿入されている。

そして、上記ビームスプリッタ２２を透過した小パワー
の分割レーザ光ａの光路上には所定距離をもって第１高
反射ミラー２５が設けられている。

この第１高反射ミラー２５は上記出力ミラー２１との間
でレーザ発振するように反射面を分割レーザ光ａの光軸
にほぼ直交して設けられている。

そして、上記ビームスプリッタ２２と第１高反射ミラー
２５との間には例えば２組のエタロン２６．２６、およ
び２８．２８が順次光軸に沿って配設されている。これ
ら２組のエタロン２６および２８はそれぞれエアースペ
ースエタロンである。ここで、一般的なエタロンの狭帯
域化性能について説明する。−枚のエタロンに入射され
たレーザ光はその対面する二面に形成された光学膜間で
一部反射され一部透過し、干渉しあい波長λの偶数倍２
ｎλのレーザ光成分のみが残るので高精度で波長の狭帯
域化ができる。つまり、４枚のエタロン２６および２８
を透過することでレーザ光ａは非常に高精度で狭帯域化
′される。そして、これらエタロン２６および２８を透
過するレーザ光ａは小パワーなのでエタロン２６および
２８に大きな損傷を与えることなく狭帯域化できる。

一方、上記ビームスプリッタ２２に反射した大パワーの
分割レーザ光すの光路上には第２高反射ミラー３０が設
けられている。この第２高反射ミラー３０は上記第１高
反射ミラー２５よりも遅延して分割レーザ光すを反射す
るように光路長を延長する状態で配設されている。なお
、分割レーザ光すを遅延するための光路を延長する構造
は上記ビームスプリッタ２２と第２高反射ミラー３ｏと
の間に第３高反射ミラー３１を設け、光軸を折曲して小
いスペース内で光路長を延長している。

また、上記第２高反射ミラー３ｏは上記出力ミラー２１
との間でレーザ発振するように反射面を分割レーザ光す
の光軸にほぼ直交して設けられている。

そして、上記ビームスプリッタ２２と第２高反射ミラー
３０との間には例えば１つのプリズム３２が挿入されて
いる。ここで、一般的なプリズムの狭帯域化性能につい
て説明する。プリズムは入射されたレーザ光の波長によ
る屈折率の違いにより分光するので波長域が広く、高精
度を得るには複数のプリズムを組み合わせる必要がある
。っまり、上記エタロンに比較すると狭帯域化性能が非
常に低いものである。そして、上記大パワーの分割レー
ザ光すは１つのプリズム３２を透過することでおおよそ
の狭帯域化が計られる。また、１つのプリズム３２で分
光するので分割レーザ光すのパワー低下も殆どない。

以上説明したように構成された狭帯域発振レーザ装置１
７は基本的構成のめんから見ると、レーザ発生部１８の
他に２つの狭帯域化光学系３３゜３４を備えている。一
つは上記エタロン２６および２８を備えて小パワーの分
割レーザ光ａを高精度で狭帯域化する第１狭帯域化光学
系３３である。

また、他の一つはプリズム３２を備えて大パワーの分割
レーザ光すを高帯域で分光しある程度の狭帯域化を計る
第２狭帯域化光学系３４である。

また、上記第２狭帯域化光学系３４は透過する大パワー
の分割レーザ光すの光路長を延長し、上記第１狭帯域化
光学系３３を透過する小パワーの分割レーザ光ａの光路
長よりも長く形成され、大パワーの分割レーザ光すが小
パワーの分割レーザ光ａよりも遅くレーザ発生部１８に
入射するようになっている。

上記狭帯域発振レーザ装置１７を作動させると、その作
動状態は以下のようである。まず、励起手段２０によっ
てレーザ媒質１９が励起されレーザ光りを発光する、一
部のレーザ光は直接第２アパーチヤ２４に向かい、他の
一部のレーザ光は第１アパーチヤ２３をぬけて出力ミラ
ー２１に反射して、再度レーザ媒質１つに入射する。上
記第２アパーチヤ２４をぬけたレーザ光はビームスプリ
ッタ２２に入射する。このビームスプリッタ２２に入射
したレーザ光の一部は透過し、他の一部は反射される。

ここで、ビームスプリッタ２２を透過した分割レーザ光
ａは、上記ビームスプリッタ２２に入射したレーザ光の
数％程度の小パワーである。そして、ビームスプリッタ
２２に反射した分割レーザ光すは、上記ビームスプリッ
タ２２に入射したレーザ光の９０％以上の大パワーであ
る。

小パワーの分割レーザ光ａは２組のエタロン２６および
２８を透過することで高精度の狭帯域化がなされ第１高
反射ミラー２５に反射して、再度上記エタロン２６およ
び２８を透過しビームスプリッタ２２を透過してレーザ
発生部１８に入射する。

一方、上記大パワーの分割レーザ光すは上記ビームスプ
リッタ２２に反射した後、第３高反射ミラー３１に反射
してプリズム３２を透過して狭帯域化され第２高反射ミ
ラー３０に反射する。この第２高反射ミラー３０に反射
した分割レーザ光すは再度プリズム３２を透過して第３
高反射ミラー３１に反射しビームスプリッタ２２に反射
し、レーザ発生部１８に入射する。

ここで、上記エタロン２６および２８が設けられた第１
狭帯域化光学系３３に入射した小パワーの分割レーザ光
ａは、プリズム３２が設けられた第２狭帯域化光学系３
４に入射した大パワーの分割レーザ光すよりも、わずか
に速くレーザ媒質１９に入射し、後続して入射した大パ
ワーの分割レーザ光すにインジェクションロック作用を
発生させる。これにより、高精度の狭帯域化が実現でき
るとともに出力を大きく低下させずにすむ。こうして発
振されたレーザ光は所定の出力を越えると、その一部が
上記出力ミラー２１を透過して出力される。

上述のようにエタロン２６および２８が挿入された第１
狭帯域化光学系３３に小パワー（全体の数％の出力）の
分割レーザ光ａを入射することにより、微弱であるが高
精度に狭帯域化されたレーザ光を得ることができる。こ
こで、複数枚のエタロン２６および２８が使用されてい
るが微弱なレーザ光を透過するので、高価なエタロン２
６および２８は長期にわたる使用が可能である。このよ
うにして高精度に狭帯域化されたレーザ光はレーザ媒質
１９に入射することで、狭帯域のレーザ発生の基となる
。

そして、プリズム３２が挿入された第２狭帯域化光学系
３４に大パワー（全体の９０７％以上の出力）の分割レ
ーザ光すを入射することにより、上記第１狭帯域化光学
系３４に比較して低い精度で狭帯域化されたレーザ光を
得る。ここでプリズム３２を一つ使用することにより、
レーザパワーの低下を避けるためであり、狭帯域化の精
度を高めるよりもレーザパワーの低下を抑えることを重
視した構成となっている。

上述のように第１狭帯域化光学系３３と第２狭帯域化光
学系３４とにより、高精度に狭帯域化された小パワーの
分割レーザ光ａと、低い精度で狭帯域化された大パワー
の分割レーザ光すとを得ることができる。そして、上記
第２狭帯域化光学系３４に併設された光路長の延長によ
る遅延構造により、高精度の小パワー分割レーザ光ａを
基とした、大パワーの分割レーザ光すによるインジェク
ションロック作用を発生することで従来構造では安定し
て得ることのできなかった高精度に狭帯域化された大出
力のレーザ光を得ることができる。

また、小パワーの分割レーザ光ａをエタロン２６および
２８に透過することで、エタロン２６および２８の延命
化を計ることができる。これにより、大出力を得ながら
補修整備の頻度を著しく減少できる。

また、従来構造のように新たな励起手段を使用した増幅
装置にあたるものを使用しないので同期を正確に行うこ
とができ、狭帯域化の精度を高い状態で安定させること
ができる。

こうした狭帯域発振レーザ装置１７の構成をエキシマレ
ーザ装置に適用すれば近年注目されている半導体のりソ
グラフィの露光光源として良質で高出力の紫外光線を得
ることができる。また、高気圧動作のＣＯ２レーザ装置
等にも応用可能である。

なお、本発明は上記一実施例にのみ限定されるものでは
ない。例えば、上記実施例では第１狭帯域化光学系３３
に用いられているエタロン２６および２８は全部で２組
であったが、エタロンの数は同等限定されるものではな
く、エタロンを使用することで小パワーの分割レーザ光
ａを高精度で狭帯域化できる構成であればよい。また、
第２狭帯域化光学系３４には一つのプリズム３２あみが
使用されているが、これに限定されない。つまり、プリ
ズムを使用した構成で、かつ、大パワーの分割レーザ光
すをパワー低下せずに大まかな狭帯域化を計る構成であ
ればプリズム３２の使用個数は限定されない。また、上
記実施例において遅延手段は第３高反射ミラー３１によ
り光路長を機械的に延長して、遅延しているが、これに
限定されず光学的に光路長を延長して遅延するものでも
よい。

［発明の効果］ レーザ発生部で発生されたレーザ光をレーザ分割手段で
小パワーの分割レーザ光と大パワーのレーザ光とに分割
し、小パワーの分割レーザ光をエタロンを使用した第１
狭帯域化光学系で高精度に狭帯域化し、大パワーの分割
レーザ光をプリズムを使用した第２狭帯域化光学系でパ
ワーの低下を抑えて大まかな狭帯域化を行い、先に上記
第１狭帯域化光学系からの分割レーザ光をレーザ発生部
に入射し、これに遅延して第２狭帯域化光学系からの分
割レーザ光をレーザ発生部に入射することで、インジェ
クションロック効果を発生させ、従来構造では安定して
得ることのできなかった大出力かつ高精度の狭帯域化レ
ーザ光を安定して出力できる。また、小パワーのレーザ
光をエタロンに透過することで、大出力を得ながら高価
なエタロンに与える損傷は最小限に抑え延命化ができ、
保守整備の頻度を低減し、運転コストを削減できる。ま
た、増幅器構造が不要なので同期不安定性を要因とする
インジェクション漏れの発生を極めて低レベルに減少で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例の狭帯域発振レーザ装
置の平面図、第２図は従来の狭帯域発振レーザ装置の平
面図である。 １７・・・狭帯域発振レーザ装置、１８・・・レーザ発
生部、１９・・・レーザ媒質、２０・・・励起手段、２
１・・・出力ミラー　２２・・・ビームスプリッタ（レ
ーザ分割手段）、２５・・・第１高反射ミラー　２６゜
２８・・・エタロン、ａ・・・小パワー分割レーザ光、
ｂ・・・大パワー分割レーザ光、３０・・・第２高反射
ミラー　３１・・・第３高反射ミラー（遅延手段）３２
・・・プリズム、３３・・・第１狭帯域化光学系、３４
・・・第２２狭帯域化光学系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ媒質とこのレーザ媒質を励起する励起手段とを有
   するレーザ発生部と、このレーザ発生部の一方側に配さ
   れた出力ミラーと、上記レーザ発生部を間にして上記出
   力ミラーに対峙されレーザ光を二方に分割し一方の分割
   レーザ光を他方の分割レーザ光よりも大パワーに分割す
   るレーザ分割手段と、上記他方の分割レーザ光の光路上
   に配され上記出力ミラーとの間でレーザ光を発振する第
   １高反射ミラーと、上記一方の分割レーザ光の光路上に
   あって上記第１高反射ミラー側よりも長光路で遅延する
   遅延手段をもって配され上記出力ミラーとの間でレーザ
   光を発振する第２高反射ミラーと、上記レーザ分割手段
   と第１高反射ミラーとの間に挿入され一以上のエタロン
   を有して小パワーのレーザ光を高精度で狭帯域化する第
   １狭帯域化光学系と、上記レーザ分割手段と上記遅延手
   段をもって配された第２高反射ミラーとの間に挿入され
   プリズムを有して大パワーのレーザ光を狭帯域化する第
   ２狭帯域化光学系とを具備することを特徴とする狭帯域
   発振レーザ装置。