JPH0480981A - 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】 〔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エキシマ
レーザなとの狭帯域発振レーザ装置に関する。

〔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（Ｋ　ｒ
　Ｆの波長は約２４８．４ｎｍ）ことから光露光の限界
を０．３μｍ以下に延ばせる可能性があること、同し解
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、レンスの開口数（ＮＡ）か小
さくて済み、露光領域を大きくてきること、大きなパワ
ーか得られること等の多くの優れた利点が期待てきるか
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以下の狭帯化か要求され、し
かも大きな出力パワーか要求される。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として有望なものとし
ては以下の４つの技術がある。

・第６図（ａ）に示すように、レーサチャンバ１とリア
ミラー２との間に２枚の波長選択素子としてのエタロン
３を配置する。４はフロントミラーである。

・第６図（ｂ）に示すように、グレーティング５とプリ
ズムビームエキスパンダ６を用いるとともに、アパーチ
ャアを配設する。

・第６図（Ｃ）に示すように、エタロン３とクレーティ
ング５とを用いる。

・第６図（ｄ）に示すように、レーサチャンハ１の両側
にＰＳ分離鏡（Ｐ波透過、Ｓ波反射）８と偏波面回転プ
リズム（Ｓ波の大部分をＰ波に変換）９を配し、エタロ
ン３によって波長選択を行なう偏光結合型共振器による
構成である。１ｏは全反射鏡である。すなわち、偏波面
回転ブリスム９からはＳ波とＰ波か混しったレーザ光が
出力され、このレーザ光はチャンバ１て増幅された後Ｐ
Ｓ分離鏡に入射されることで、Ｓ波は外部に出力されＰ
波はエタロン３に入る。このＰ波は全反射鏡］０て反射
し、再びエタロン３を透過してチャンバ１に入って増幅
される。このＰ波はさらに偏波面回転ブリスム９に入り
、ここで大部分かＳ波に変換された後、ＰＳ分離鏡８を
経由して外部に出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第６図（ａ）、（ｃ）に示す従来技術では、レーサ
出力を５Ｗ以上に上げようとした場合、エタロン３を透
過するエネルギー密度が非常に大きくなってエタロン３
の反射膜の負荷が大きくなるため、少ないショツト数で
反射膜か劣化しまい、これによりエタロン３の透過率か
著しく減少したり、フィネスが小さくなったりすること
によって出力レーザ光のスペクトル純度、パワーおよび
出力効率か大幅に低下するという問題かある。さらにこ
れらの方法では、エタロンを透過するエネルギー密度か
高いため、熱的なドリフトによってエタロンのギャップ
か変化し、この結果エタロンの透過波長のシフトが大き
くなり、波長の制御性を著しく低下させるという不具合
かあった。

また、第６図（ｂ）に示した従来技術では、エタロンの
ような繰り返し反射による波長選択素子と異なり、単一
反射によって狭帯域化をなし得るため、波長選択素子の
負荷による熱的ドリフトや耐久性の問題は少なく上述の
ような問題はほとんど発生しないが、この場合は素子の
波長選択性がビームの広がり角に大きく依存するため、
波長線幅を細く維持するためにアパーチャアを配設スル
必要があり、高効率で発振させるためには放電のエネル
ギー密度を高くした狭い放電幅の状態で発振させる必要
があり、放電電極の負荷が大きい上に放電電極の消耗に
より放電幅が広かった場合出力効率やスペクトル純度が
低下するという問題があった。

また、第６図（ｄ）に示した偏光結合型共振器による構
成では、エタロン３に入射される光はＰ波のみの一部の
光であるためエタロンの負荷を低減できて出力効率が高
い有効な手法であるが、１０Ｗ以上の高出力となるとエ
タロンの負荷は数Ｗ程度に増加し、エタロンの透過波長
のシフト、エタロンの寿命、出力効率なとの点て問題が
発生する。とくに、ＫｒＦエキシマレーレー波長域（２
４８，４ｎｍ）では、ＰＳ分離膜および偏波面回転型は
効率の低いものしか製作できないためにこの従来技術で
は発振効率が今一つ向上しないという問題があった。ま
たこの手法では、弱い狭帯域化されたＰ偏光で発振させ
てその光をＳ偏光に変換して出力として取り出している
ために、Ｐ偏光の発振は閾値が高く、低出力でのパルス
安定性は第６図（ａ）〜（ｃ）に示した従来技術より悪
くなっていた。また、波長選択素子としてグレーティン
グのような波長線幅を狭くするためにアパチャを配置す
る必要かある素子を用いて偏光結合型共振器を構成した
場合は、やはり放電幅を狭くせさるを得す、放電′電極
の耐久性等の点て問題か多い。

なお、エキシマレーザをステッパ用の光源として実用す
るためには、高出力と共に狭いスペクトル線幅とするこ
とが必須条件であり、これらを考えると上述した従来方
式では各種の点て限界かあった。

この発明はこのような事情に鑑がみてなされたもので、
狭帯域化素子の負荷低減、波長線幅の狭帯域化および高
効率化をを図る狭帯域発振レーザ装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明においては、レーザ媒質から出力されたレーザ
光の一部を透過し残りを反射する部分反射ミラーと、こ
の部分反射ミラーによって透過あるいは反射されたレー
ザ光のいずれか一方を狭帯域化する波長選択素子と、該
狭帯域化されたレーザ光をレーザ媒質に帰還させる帰還
手段と、該帰還手段によって帰還されたレーザ光をレー
ザ媒質中で往復させてレーザ光を前記部分反射ミラーに
導くと共に、この往復の際の往路と復路とを空間的に分
割するレーザ光分割手段とを具えるようにする。

〔作用〕

かかる構成によれば、レーザ媒質から出力されたレーザ
光の一部を部分反射ミラーによって取り出し、該取り出
しだ光を波長選択素子に入射して狭帯域化する。このよ
うに、波長選択素子に入射される光は部分反射ミラーに
よって取り出された全レーザ光の一部であるため、波長
選択素子を透過する光のエネルギー量およびエネルギー
密度、つまり波長選択素子に対する負荷か小さくなる。

また、本発明の構成によれば、狭帯域化した光をレーザ
媒質中に帰還して往復させ、しかも二の往復の際往路と
復路とを空間的に分割しているためにレーザ光の発振効
率をより向上させることかできる。

〔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図はこの発明を狭帯域発振エキシマレーザに適用し
た場合の原理を示した概念図である。二の第１図の狭帯
域発振エキシマレーザでは、レーザ媒質１１を出たレー
ザ光の反射光を部分反射ミラー１２で取り出して、該取
り出しだ光を波長選択素子１３に入射して狭帯域化する
。狭帯域化した光は全反射ミラー１４．１５．１６を経
由することで再びレーザ媒質１１に帰還され、レーザ媒
質１１内で増幅される。レーザ媒質１１に導入されたレ
ーザ光はその後２枚の全反射ミラー１７．１８によって
光軸を移動されて、再びレーザ媒質１１に導入されて増
幅された後部分反射ミラー１２を透過して出力される。

この構成によれば、レーザ媒質１１から出力された全レ
ーザ光ではなく部分反射ミラー１２によって取り出され
た一部の光を波長選択素子１３に入射しているので、波
長選択素子１３を透過する光のエネルギー量およびエネ
ルギー密度、つまり負荷が小さくなる。また、狭帯域化
された光をレーザ媒質中に導入して往復させることて増
幅させ、しかも往路と復路とを空間的に分けて増幅して
いるために、発振効率を格段に向上させることができる
。

第２図は、第１図の波長選択素子１３にエタロン３を用
いた実施例てあり、レーザ媒質１１から出力されたレー
ザ光の一部を部分反射ミラー１２で取り出して、該取り
出しだ光を２個のエタロン３に入射して狭帯域化する。

そして、エタロン３を透過した光を２枚の全反射ミラー
１４．１５によって光軸を平行移動させて再びエタロン
３を透過し、再度狭帯域化する。狭帯域化した光は全反
射ミラー１６を経由することて再びレーザ媒質１１に帰
還され、レーザ媒質１１内で増幅される。

レーザ媒質１１に導入されたレーザ光はその後２枚の全
反射ミラー１７．１８によって光軸を移動されて、再び
レーザ媒質１１に導入されて増幅された後部分反射ミラ
ー１２を透過して出力される。

第３図は、第２図の変形であり、この場合は部分反射ミ
ラー１２の透過光をレーザ媒質１１に帰還し、部分反射
ミラー１２の反射光を出力するようにしている。すなわ
ち、レーザ媒質１１から出て部分反射ミラー１２を透過
した光はエタロン３に入射されて狭帯域化された後、２
枚の全反射ミラー１４．１５によって光軸を平行移動さ
せて再びエタロン３を透過し、再度狭帯域化される。こ
の狭帯域化された光はそのままの経路てレーザ媒質１１
を透過することて増幅された後、２枚の全反射ミラー１
７．１８によって光軸を移動され、その後再びレーザ媒
質１１に導入されて増幅された後部分反射ミラー１２で
反射されて出力される。

この構成では、２枚の全反射ミラー１４．１５および１
７．１８に４５度直角プリズムを使用すれば、反射損失
はほとんどなくなるために、先の第６図（Ｃ）に示した
偏光結合型共振器よりも発振効率が高くなる。

第４図は、狭帯域化素子としてプリズムビームエキスパ
ンダ６とグレーティング５を用いるとともに、波長線幅
を細く維持するためにレーザチャンバ１１の前後にアパ
ーチャ２３．２４を配設するようにしたものである。グ
レーティング５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
れており、全反射ミラーとしても機能する。グレーティ
ング５はエタロン３に比べて耐久性か優れており、入射
光に対するグレーティング５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。ブレティング５とし
てニジエールグレーティングを使用すれば、回折効率は
６０％以上となり、狭帯域化効率はエタロン３よりも高
くなって発振効率は飛躍的に高くなる。

かかる構成によれば、レーザチャンバ１１から出力され
たレーザ光の一部を部分反射ミラー１２により取り出し
、その光を２枚のプリズム１９．２０から成るプリズム
ビームエキスパンダ６により拡大してグレーティング５
に入射させる。この場合、グレーティング５はその入射
角と回折角か多少異なるような角度に設置しており、グ
レーティング５により狭帯域化されたレーザ光は再びプ
リズムビームエキスパンダ６を透過して縮小された後、
全反射ミラー１６て反射されてレーザチャンバ１１に帰
還される。レーザチャンバ１１て増幅されたレーザ光は
、２枚の全反射ミラー１７．１８によって光軸を移動さ
れ、その後再びレーザ媒質１１に導入されて増幅された
後部分反射ミラー１２を透過して出力される。

かかる構成では、グレーティング５の入射角と回折角を
多少異なるようにすることて、入射光と回折光を分離し
ているため、グレーティング５のブレーズ角と発振波長
が一致していない場合容易に補正することができる。ま
たこの構成では、レーザ光の往路と復路を空間的に分割
しているので、アパーチャ２３．２４の幅を従来よりも
少なくとも２倍にすることができ、これによりレーザの
放電幅を２倍に広くてきるとともに、エネルギー密度が
小さくても効率よく発振できるために、電極消耗により
スペクトル特性が影響を受けにくく、放電電極の寿命を
実質的にのばすことができるようになる。そして、この
構成のように波長選択素子としてグレーティングを使用
する場合は、グレーティング上では単一反射となるため
その寿命は半永久的となり、選択波長のシフトもほとん
どなくなり、厳密な波長制御を行なう必要性がなくなる
。

第５図は第４図の変形例であり、レーザチャンバ］１か
ら出たレーザ光を第３図の実施例同様部分反射ミラー１
２で反射する二とて出力するようにしている。一方、部
分反射ミラー］２を透過したレーザ光はプリズムビーム
エキスパンダ６により拡大されてグレーティング５に入
射される。この場合も、グレーティング５はその入射角
と回折角が多少異なるような角度に設置しており、グレ
ーティング５により狭帯域化されたレーザ光は再びプリ
ズムビームエキスパンダ６を透過して縮小された後、そ
のままの紅路に沿ってレーザチャンバ１１に帰還される
。レーザチャンバ１１で増幅されたレーザ光は、２枚の
全反射ミラー１７．１８によって光軸を移動され、その
後再びレーザ媒質１１に導入されて増幅された後部分反
射ミラー１２て反射されて出力される。

なおこの発明は、エキンマレーザ以外の他の狭帯域発振
レーザ装置にも適用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、レーザ出力光の
一部を部分反射ミラーで取りたし、その光を波長選択素
子に入射させるために、波長選択素子に入射されるレー
ザ光のエネルギー密度か非常に小さくなり、これにより
波長選択素子の寿命を飛躍的に延ばすことができるとと
もに、選択波長のシフト量も非常に小さくなる。また、
本発明では、狭帯域化した光を増幅するときにレーザ媒
質中を往復させ、しかも往路と復路を空間的に分割する
ようにしているために、発振の閾値よりも十分高い状態
で発振させることができ、パルス安定性を向上させるこ
とができるとともに、狭帯域化素子としてグレーティン
グを使用する場合には、アパーチャで発振領域を狭くす
る必要がないためレーザの放電幅を広く設定することか
でき、これによりエネルギー密度が小さくても効率よく
発振することができ、電極消耗によりスペクトル特性か
影響をうけに＜＜、放電電極の寿命を実質的に延ばすこ
とができる。さらに、本発明では、Ｋ「Ｆエキシマレー
ザの波長域で効率および耐久性に問題のあるＰＳ分離膜
および偏波面回転ブリスムを使用していないために、発
振効率は偏光結合型共振器よりも高くなり、耐久性も向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理を示す概念図、第２図は第１図
の原理を用いた具体実施例を示す図、第３図乃至第５図
はこの発明の他の実施例を示す図、第６図は従来技術を
示す図である。 ３・・・エタロン、　　５・・グレーティング、６・・
・ビームエキスパンダ、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ媒質から出力されたレーザ光の一部を透過し残り
   を反射する部分反射ミラーと、 この部分反射ミラーによって透過あるいは反射されたレ
   ーザ光のいずれか一方を狭帯域化する波長選択素子と、 該狭帯域化されたレーザ光をレーザ媒質に帰還させる帰
   還手段と、 該帰還手段によって帰還されたレーザ光をレーザ媒質中
   で往復させてレーザ光を前記部分反射ミラーに導くと共
   に、この往復の際の往路と復路とを空間的に分割するレ
   ーザ光分割手段と、 を具える狭帯域発振レーザ装置。