JPH0418783A - 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Ｊ この発明は狭帯域発振エキシマレーザに関し、特に縮小
投影露光装置の光源に採用して好適なものである。

〔従来の技術〕

半導体装置製造用の縮小投影露光装置（以下ステラハト
いう）の光源としてエキシマレーザの利用が注「１され
ている。これはエキシマレーザの波長が短い（ＫｒＦｌ
ノーザの波長は約２４．８．４％ｍ）ことから光露光の
限界をＣ１、５ｆｔ　ｍ以ドに延ばせるｌ″ｉＪｉＪ能
性こと、同じ解像度なら従来用いていた水銀ランプのｇ
線や１線に比較して焦点深度が深いこと、レンスの開口
数（ＮＡ）が小さくてずみ、露光領域を大きくできるこ
と、大きなパワ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、ステッパの光源として利用されるエキシマレ
ーザとしては線幅３　ｐ　ｍ以ドの狭帯化か要求され、
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ェ
クションロック方式と呼ばれるものがある。このインジ
ェクションロック方式は、オシレタ段のキャビティ内に
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中−モ
ード発振さぜ、このレー→ノ”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カバＴノーが得られる
が、ミスショットがあったり、ロッキング効率を１００
％とすることか困難であったり、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
間横モート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スペ
ックル・パターンか発生し易くなり、並に空間モートの
数が多くなるとスペックル・パターンは発生しにくくな
ることか知られている。上述したインジェクンヨンロソ
ク方式は本質的には空間横モードの数を著しく減らずこ
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１７で他にｒ４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
いたものかある。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Ａ　Ｔ　＆　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（放電）チャン
バとの間にエアーギャップエタロンを配置【７、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で
きず、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かあり、更に空間構モードの数
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て構成したエキシマレ−→Ｊ゛が提
案されている。

ここにグレーティングを波長選択素子とした場合に、そ
の線引方向がレーザの放電方向と略垂直になるように配
置する技術がある（特願平］−１２４８９８号）。すな
わち、エキシマレーザはそのビーム広がり角がレーザの
放電方向に垂直なか向よりもレーザの放電方向の方が大
きい。そこで、グレーティングの線引方向をレーザの放
電方向と略垂直にすることにより効率よく狭帯域化する
ことかてきる。

また、従来のエキシマレーザでは、放電励起された光を
光共振器によって放電チャンバ内を往復させて発振レー
ザ光を出力するが、フロン！・ミラ・リアミラー構成の
光共振器にあっては、放電チャンバ内においてリアミラ
ー側に向かう光の光軸とリアミラーで反射してフロント
ミラー側に向かう光の光軸、つまり射出光軸とが一致し
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、エキシマレーザ光を発振させた場合、放電電
圧の変化、反応ガスの組成変化あるいはガス不純物の発
生、放電電極の劣化等に起因して発振レーザ光の放電幅
が変化する。すなわち、第５図は上記発振レーザ光の放
電幅の変化の様子を概念的に示す図であり、同図（ａ）
、（ｂ）は波長選択素子として２枚のエタロン６〔］を
放電チャンバ２〔〕のウィンド２２とリアミラー７０と
の間に配置して狭帯域化を行う構成であり、同図（Ｃ）
、（ｄ）は波長選択素ｒとしてグレーティング３０を使
用し、放電チャンバ２０のウィンド２２とリアミラ　７
０との間に順にプリズム４．１．４２、グレーティング
６０を配置して狭帯域化を行う構成をそれぞれ示す。な
お、これら図において、１０はフロントミラー　２１は
フロントミラー１０側のウィンド、２３．２４は放電電
極をそれぞれ小ず。

いずれの構成においてもＬａ、ＬｂまたはＬｃ。

Ｌ　ｄに示すように」−記放電幅の変化に起因して発振
レーザ光のビーム径かそれぞれ放電幅方向に変化して、
これによりパワーが低下したり、狭帯域化スペクトルの
純度が低下してしまうという事態が発生することとなる
。

特にグレーティング３０を使用する同図（Ｃ）（ｄ）の
場合は、放電幅かクレーティング３０の線引方向に広が
ると、放電のビーム発散角が大きくなり、そのため狭帯
域スペクトルの幅も広かっ”でしまうことになる。そこ
で、グレーティング３０の線引方向に発振レーザ光のビ
ーム径か変化しないようにアパーチャ（スリット）等に
より制限して、安定した発振レーザ光を取り出すことが
考えられるが、これはアパーチャ等で制限された分に相
当するレーザ出力か無駄になってしまったり、また、ス
ペクトル線幅が変化したり、またパワの制御範囲が小さ
くなってしまうという欠点を有している。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、波
長選択素子として有効なグレーティングを有した狭帯域
発振エキシマレーザにおいて、放電チャンバの放電幅の
変化に関係なく、安定なスペクトル純度を確保すること
ができ、パワーの制御性のよい狭帯域発振エキシマレー
ザを提供することをそのＬ１的としている。

〔課題を解決するための手段および作用〕そこでこの発
明では、グレーティングを含む光共振器を有し、放電励
起された光を前記光共振器によって放電チャンバ内を往
復させて前記光共振器のフロントミラーから発振レーザ
光を出力する狭帯域発振エキシマレーザにおいて、前記
放電チャンバから射出された光を前記放電チャンバに向
けて（Ｉｉり返して、前記放電チャンノく内を往復する
光の光軸を前記チャンバ内に少なくとも２本形成する折
り返し手段を前記光共振器内に、設けるとともに、前記
クレーティングを、その線引方向が前記放電励起のため
の放電方向と略平行となるように配置するようにしてい
る。

かかる構成によれば、折り返し手段によって放電チャン
バから射出された光を放電チャンバ内に４Ｊｉり返して
、放電チャンバ内を往復する光の光軸を２本形成するよ
うにしたので、実際のキャビティ基が大きくなり、ビー
ム発散角か小さくなるので、高純度のスペクトルを得る
ことができる。さらに、クレーティングを、その線引り
向が放電励起のための放電方向と略平行となるように配
置するようにしたので、放電幅がグレーティングの線引
方向に広がることはなくなり、このため放電のビーム発
散角が小さくなり、高純度のスペクトルが得られる。

したがって実際の放電幅には関係なく、一定のスペクト
ル線幅の発振レーザ光が効率よく出力される。

また、この発明では、フロントミラーとりアミラーとで
構成された光共振器を有し、放電励起された光を前記光
共振器によって放電チャンバ内を往復させてフロントミ
ラ＝から発振レーザ光を１η力する狭帯域発振エキシマ
レーザにおいて、その線引方向が前記放電励起のための
放電方向と略十行となるように配置され、前記放電チャ
ンバから射出された光を前記放電チャンバに向けて折り
返して、前記放電チャンバ内をｆｔ復する光の光軸を２
本形成するグレーティングを前記光共振器内に設けるよ
うにしている。

かかる構成によれば、グレーティングをその線引方向か
放電励起のための放電方向と略平行となるように配置す
るようにし、該グレーティングにより放電チャンバから
射出された光を放電チャンバ内に折り返して、放電チャ
ンバ内を往復する光の光軸を２本形成するようにしたの
で、実際のキャビティ基が大きくなり、ビーム発散角が
小さくなるので、高純度のスペクトルをｔ−Ｊることが
できる。

したがって実際の放電幅には関係なく、一定のスペク］
・ル線幅の発振レーザ光が効率よく出力され、またパワ
ーの制御範囲が広くなる。

〔実施例〕

以ド、この発明に係わる狭帯域発振エキシマレザの実施
例を添（＝Ｉ図向合参照して詳細に説明する。

第１図はこの発明に係わる狭帯域発振１キンマ１ノーザ
の一実施例を示したものであり、レーザ光を狭帯域化さ
ぜるための狭帯域化素子としてプリズム４１．４２およ
びグレーティング３０を使用して、これらを放電チャン
バ２０のウィンド２２側に配置している。一方、放電チ
ャンバ２０の反対側、ウィンド２１側にはフロントミラ
ー１０とリアミラー７０とか配置されている。これらフ
ロントミラー１０とりアミラ−７０とで光共振器か構成
される。

放電チャンバ２０内にはレーザガスとしてＫ　ｒＦ等が
封入され、このレーザガスを放電励起する１ま ための電極２３．２４が設けられ、更にこの放電チャン
バ２０には発振レーザ光を通すウィンドウ２１．２２か
設けられている。

グレーティング３０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
成されいる。この明細書ではこの多数の溝と直角のん向
を線引方向と称している。

グレーティング３０はこの線引方向を含む・１１面内で
入射光に対するグレーティング３０の角度θ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３０は入射光に対するクレー
ティングの角度θにχ・Ｉ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。

さて、この実施例ではこのグレーティング３０の線引方
向が放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電ｌ
ｊ向に平行（一致）になるようにレサチャンハ２０内の
電極２３．２４に対するクレーティング３０の配置を選
択したことを特徴としている。さらに、上述するように
放電チャンバ２０のウィンド２１側にフロノドミラー１
０とリアミラー７０をｔＪ！ｉ電方向にずらして配置す
るとともに、放電チャンバ２〔−）の反対側、ウィンド
２２側に」二記グレーティング３０を配置している。こ
のため、リアミラー７０から放電チャンバ２０内を通過
し、プリズム４１．４２によるビームエキスパンダによ
り光ビームが拡大されてグレーティング１３０に向かう
導入光軸と、グレーティング３０で反射し７てプリズム
４２．４１を介して放電チャンバ２０内を通過し、フロ
ントミラー１０から発振レー→ノ゛光Ｌ１として射出さ
れる射出光軸とが放電励起のための放電方向に２重に形
成される。

すなわち共振光軸が２木形成される。したがって、放電
幅がグレーティングの線引方向に広がることはなくなり
、このため放電のビーム発散角が変化せず、高純度のス
ペクトルが得られる。さらに、実際のキャビティ長が大
きくなり、ビーム発散角が小さくなるので、高純度のス
ペクトルを得ることか−Ｃきる。

ここに、プリズム４１．４２はレーザビームを拡大する
ビーノ・エキスパンダを構成（７ているが、ビームエキ
スバンド方向（すなわちプリズムの陵線方向と垂直な方
向）は放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電
方向に一致（平行）［２ている。なお、プリズム４１．
４２によるビームエキスパンダのビーム拡大ｈ゛向は放
電方向とＩＬ確に一致する必要はない。ビームエキスパ
ンダのビーム拡大方向が放電方向と略一致すればよい。

第２図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明に係わる狭帯域発
振エキシマレーザの他の実施例を示したものであり、同
図（ａ）は１ソＣ帯域化素了としてプリズム４１．４２
およびグレーティング３０を使用し、同図（ｂ）の場合
は狭帯域化素ｒ・と（、てプリズム４１、エタロン６０
およびグレーティング３０を使用している。

同図に示した実施例は第１図で示した実施例のグレーテ
ィング３０の部分かりヤミラーと［７て機能し、グレー
ティング３０とフロントミラー１０とを第１図の場合と
同様に放電チャンバ２０のつインド２１側に放電方向に
ずらして配置してｌｖ）る。

−１、放電チャンバ２〔〕の反対側、ウィンド２２側に
折り返しミラー８０を配置している。さらにこの第２図
に示した実施例においてもグレーティング３〔〕の線線
引方向はレーザチャンバ２〔〕内の電極２゛３．２４に
よる放電方向と平行となるように電極２′３．２４、グ
レーティング３０か夫々配置される。

このため、グレーティング３０からプリズム４２．４１
　（第２図（ａ）の場合、同図（ｂ）の場＆はエタロン
６０、プリズム４１）を介して放電チャンバ２〔〕内を
通過し、折り返しミラー８０に向かう導入光軸と、折り
返しミラー８０て反射して放電チャンバ２０内を通過し
、フロントミラ１〔］から発振レーザ光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ
として射出される射出光軸とか放電励起のための放電方
向に２重に形成される。したがって第２図の場合も］１
）純度のスペクトルを得ることかできる。なお、折り返
しミラー８０の替りに同様に光軸を１ｈり返すことがで
きる機能を何するプリズムを使用する実施もまた可能で
ある。さらにまた、折り返１２ミラーをウィンドウ２２
と一体に配設する実施も可能である。

ここに、第１図の場合と同様にプリズム４１．４２はレ
ーザビームを拡大するビームエキスパンダを構成してい
るが、ビームエキスバンド方向（すなわちプリズムの陵
線方向と垂直な方向）は放電チャンバ２０内の電極２３
．２４による放電方向に一致（平行）している。

さらに第３図に同様に狭帯域化率ｒとＩ−てプリズム４
１．４２およびグレーティング３０を使用した他の実施
例を示す。この実施例ではグレーティング３０とフロン
トミラー１０とを放電チャンバ２０のウィンド２１側に
放電方向にずらして配置するとともに、一方、放電チャ
ンバ２０の反対側、ウィンド２２側に折り返しミラー８
０を配置している点ては第２図の場合と共通しているが
、ウィンｌ’　２１側に、入射光をその光軸に対して９
０度方向に全反射するプリズム４３を配置するようにし
ている。そして、プリズム４３とプリズム４１との間、
およびプリズム４３とフロントミラ１０との間にはスリ
ブｈ９１．９２かそれぞれ配置される。ここで、スリブ
１−９１．９２は放電チャンバ２０内の電極２３．２４
による放電方向に対し゛Ｃ垂直な方向に長い形状のもの
である。この第１３図に示した実施例においてもグレー
ティング３０の線引方向はレーザチャンバ２０内の電極
２３．２４による放電方向と平行となるよ・）に電極２
３．２４、グレーティング３０が夫々配置される。

このため、グレーティング３０からプリズム４２．４１
を通過した導入光軸は、プリズム４３によって（Ｅ　Ｃ
１度折り曲げられて放電チャンバ２０内を通過し２、折
り返しミラー８０に向かう。一方、折り返しミラー８０
で反射して放電チャンバ２０内を通過ｌ、た射出光軸は
、プリズム４３によって９０度折り曲げられてフロント
ミラー１０から発振レーザ光Ｌ　３として射出される。

このように第３図の場合もＪＩ−振光軸が放電方向に２
本形成される。したがって第３図の場合も高純度のスペ
クト１フ ルを得ることができる。

ここに、第１図の場合と同様にプリズム４１．４２はレ
ーザビームを拡大するビームエキスノくンダをｔｉＩ％
成しているが、ビームエキス／’Ｃンド方向（すなわぢ
プリズムの陵線方向と垂直な方向）は放電チャンバ２０
内の電極２３．２４による放電方向に一致（Ｖ行）して
いる。

そしてさらに第４図に狭帯域化率ｒとしてプリズム４１
．４２およびグレーティング３０を使用した他の実施例
を示す。この実施例ではグレーティング３０を放電チャ
ンバ２０のウィンＦ２２側に、一方、放電チャンバ２〔
〕の反対側、ウィンド２］側にフロントミラー１０を配
置しＣいる点ては第１図の場合と共通しているが、グレ
ーティング３０をリアミラーとして機能させるとともに
、ウィンド２２側、ウィンド２１側にそれぞれ折り返し
プリズム４４．４５を配置して放電チャンバ２〔１を通
過する光を２回チ）・ンバ″２０内に折り曲げて共振光
軸か放電ノブ向に３本形成されるようにしている。そ１
−で、ウィンド２２とブリスム４］との間、およびウィ
ンド２１とフロントミラー１０との間にはスリブＩ−（
：ｌ　１．９２がそれぞれ配置される。ここで、スリッ
ト９１．９２は放電チャンバ２０内の電極２３．２４に
よる放電方向に対して垂直な方向に長い形状のものであ
る。この第４図に示した実施例においてもグレーティン
グ３０の線引方向はレーザチャンバ２０内の電極２３．
２４による放電方向と平行となるように電極２３．２４
、グレーティング３０が夫々配置される。

このため、グレーティング３０からプリズム４２．４１
を通過した光は、放電チャンバ２０内を通過し、折り返
しブリズト４５に向かう。一方、折り返しプリズム４５
で反射して放電チャンバ２０内を通過した光は、反対側
の折り返しプリズム４４で反射して再び放電チャンバ２
０内を通過する。そして最終的にフロントミラー１０か
ら発振レーザ光Ｌ４として射出される。このように第４
図の場合は共振光軸が放電方向に３本形成される。

したかって第４図の場合も高純度のスペクトルを得るこ
とができる。ここに、第１図の場合と同様１つ にプリズム４１．４２はレーザビームを拡大するビーム
エキスパンダを構成しているが、ビームエキスバンド方
向（すなわちプリズムの陵線方向と垂直な方向）は放電
チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向に一致
（平行）している。

以上いずれの実施例においても実際の放電幅に関係なく
一定のスペクトル線幅の発振光を取り出すことができる
ようになる。

なお、第３図、第４図に示す実施例で（、−１光」（振
器にスリット（アパーチャ）を２箇所挿入しているが、
２箇所に限らず１箇所でもよく、また３箇所以上でもよ
い。

なお、上述ｌ〜だ実施例においてレーザチャンバ内の電
極２３．２４による放電方向とグレーティング３０の線
引方向とは必ずしもＬＴで確に平行にする必要はない。

グレーティング３０の線引方向が電極２３．２４による
放電方向と略平行になれば充分に一定のスペクトル線幅
の発振光を取り出すことができる。

さらに実施例では、放電チャンバ内を往復する光の光軸
が放電励起のための放電方向に少なくとも２木形成され
るように光共振器に折り返しミラ等を設けるようにして
いるが、本発明は実施例の折り返しミラー等に限定され
ることなく、同機能の折り返し手段であれば任意であり
、その配置態様も実施例のものに限定されることはない
のはもちろんである。

また、上述【また第１図から第４図に示す実施例ではグ
レーティングをリアミラーとするり１・口装置について
説明したか、斜入射配置とする実施もｉｉＪ能である。

斜入射配置では、たとえばフレティングに全反射ミラー
を一体で取り（＝Ｉける構造にし、この全反射ミラーを
リアミラーとして機能さぜるようにする。ずなわち、本
発明としては、光共振器内にクレーティングを含む構成
であればよい。

〔発明の効果〕

以−り説明したようにこの発明によれば、放？ｌｉ幅の
変化に関係なく一定のスペクトル線幅の発振光を取り出
すことができ、安定したスペクトル純度を確保すること
ができるようになる。また、実際上のキャビティ長が長
くなり、ビーム発散角が小さくなるので、より高純度の
スペクトルを得ることができる。さらに、放電部全領域
を使用することができるので、高出力の発振レーザ光を
取り出すことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は、狭帯域化素子としてプリ
ズムとグレーティングを用いるとともに、放電チャンバ
に関してクレーティングとフロントミラーを反対側に配
置したこの発明の一実施例を示す図、第２図（ａ）は、
狭帯域化素子としてプリズムとクレーティングを用いる
とともに、放電チャンバに関してグレーティングとフロ
ントミラーを同一側に配置したこの発明の他の実施例を
示す図、同図（ｌ））は、放電チャンバに関してグレー
ディングとフロントミラーを同一側に配置して、放電チ
ャンバとグレーティングとの間にエタロンを配置したこ
の発明の他の実施例を示す図、第３図は、プリズムによ
って射出光軸と狭帯域化素子への導入光軸とを９０度折
り曲げるようにしたこの発明の他の実施例を示す図、第
４図は、折り返しプリズムによって共振光軸を３本形成
するこの発明の他の実施例を示す図、第５図（ａ）（ｂ
）、（Ｃ）、（ｄ）は、それぞれ放電幅が変化する従来
技術の説明図である。 １０・・・フロントミラー　２０・・・放電チャンバ　
２１．２２・ウィンド、２３．２４・電極、３ｏ・・・
グレーティング、４１．．４２．４３・・・プリズム、
４４．４５・・折り返しプリズム、６０・・・エタロン
、７０・・・リアミラー　８０・・・伍り返しミラ千−
続？１ｉｆｆ　Ｊ、、、、Ｅ書 （方式） ％式％ ［１ 事件の表示 ３゜ 補■をする者 事件との関係　　特許出願人 （１２３）株式会月小松製作所 ４゜ 代 埋入 （〒１０４）東京都中央区銀座２丁Ｌ１１］番２号甲成
３年８月１２「１ （発送［」　平成３年８月２７ ６゜ 補１［の対象 本願明細書の図面の簡単な説明の欄。 補＋Ｆ−の内容 明細書箱２２頁８行目記載の［第１図（ａ）、（ｂ）」

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）グレーティングを含む光共振器を有し、放電励起
   された光を前記光共振器によって放電チャンバ内を往復
   させて前記光共振器のフロントミラーから発振レーザ光
   を出力する狭帯域発振エキシマレーザにおいて、 前記放電チャンバから射出された光を前記放電チャンバ
   に向けて折り返して、前記放電チャンバ内を往復する光
   の光軸を前記チャンバ内に少なくとも２本形成する折り
   返し手段 を前記光共振器内に、設けるとともに、 前記グレーティングを、その線引方向が前記放電励起の
   ための放電方向と略平行となるように配置したことを特
   徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
2. （２）フロントミラーとリアミラーとで構成された光共
   振器を有し、放電励起された光を前記光共振器によって
   放電チャンバ内を往復させてフロントミラーから発振レ
   ーザ光を出力する狭帯域発振エキシマレーザにおいて、 その線引方向が前記放電励起のための放電方向と略平行
   となるように配置され、前記放電チャンバから射出され
   た光を前記放電チャンバに向けて折り返して、前記放電
   チャンバ内を往復する光の光軸を２本形成するグレーテ
   ィング を前記光共振器内に設けたことを特徴とする狭帯域発振
   エキシマレーザ。