JPH05121817A - 狭帯域エキシマレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 狭帯域エキシマレーザの効率を向上させると
ともに、高次横モードを発生させる。 【構成】 球面鏡により共振器を構成し、その曲率半径
をＲ１、Ｒ２とし、共振器の長さをｄとするとき ０≦（１−ｄ／Ｒ１）（１−ｄ／Ｒ２）≦１ の安定条件を満たすように曲率半径と長さを決めるとと
もに、エタロンの内でエタロンを構成するミラ−の間隔
が最も広いエタロンをおおむねビ−ムウエスト位置に配
置する。また、部分反射鏡の曲率半径をＲ１、共振器の
長さをｄとしたとき、Ｒ１＜２ｄ とすることにより、
グレーティングをおおむねビームウエストに配置するこ
とができ、狭帯域エキシマレーザの効率の向上を図るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は露光装置用光源として使
用される狭帯域エキシマレーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体に０．５μｍ以下の線を露光する
ための装置（ステッパ）用光源として波長の短いエキシ
マレーザが注目されている。実際にステッパに用いる際
の条件として次のようなことがある。レンズの色収差を
防ぐためには波長幅として２ｐｍ以下にしなければなら
ない。また、露光むらを防ぐためには高次横モードのビ
ームにすること。加工速度を高めるために数Ｗ以上にす
ることなどが要求されている。

【０００３】エキシマレーザの狭帯域化の技術として、
グレーティングを使う方法、エタロンを使う方法などが
あるが、特開平２−２２４３８３号公報ではエタロンを
共振器のビ−ムウエストに置くことにより狭帯域化時の
効率を向上させる方法が示されている。さらに特開平２
−３０３１７８号公報ではグレ−ティングで狭帯域化を
行う際に部分反射鏡として、シリンドリカルミラーを使
って効率を向上させる方法が示されている。

【０００４】この動作を特開平２−２２４３８３に示さ
れた例をもとに説明する。第８図において１は部分反射
鏡、２は窓、３は放電チャンバ、４は全反射鏡、５はエ
タロン、６はレーザビームである。放電チャンバ３のな
かにはエキシマレーザの媒質となるガスが封入されてお
り、このガス中で放電を行うと紫外の強い光が発生す
る。この光は窓２から放電チャンバ外に放射され、部分
反射鏡１と全反射鏡４からなる光共振器中を往復する間
に強められ、かつ、エタロン５により波長が撰択され
る。その際、部分反射鏡１と全反射鏡４をそれぞれ曲率
Ｒ１、Ｒ２の凹面ミラーとし、部分反射鏡１から全反射
鏡までの距離をｄ、エタロン５から全反射鏡４までの距
離をｔとすると、以下の関係を満たすようそれぞれの素
子の仕様を決めるとレーザ光６が最も平行になるビーム
ウエスト位置にエタロンが配置されることになる。エタ
ロンは特定角度のみを選択するため、ビ−ムウエスト位
置ではエタロンの透過効率が向上する。 ｔ＝ｄ（Ｒ１−ｄ）／（Ｒ１＋Ｒ２ー２ｄ）

【０００５】また、特開平２−３０３１７８号公報を９
図により説明する。この例では部分反射鏡１として曲率
Ｒ１のシリンドリカルミラーを用い、狭帯素子としては
グレーティング７を用いている。さらに部分反射鏡１と
グレーティング７の回転軸との間の距離をｄとすると Ｒ１＝２ｄ となるようにシリンドリカルレンズの曲率を選ぶことに
より効率向上が期待できるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の狭
帯域エキシマレーザでは、ステッパに要求される２ｐｍ
以下の波長幅を効率よく達成しようとした場合、一個の
エタロンで実現するためにはそのエタロンに高い精度と
反射率が要求される。しかし現実にはこの要求を満たす
ことは難しく、エタロン方式においては複数個のエタロ
ンを用いて機能を分担することが必然となる。また、グ
レーティング方式ではビームエキスパンダを使用するこ
とによりグレ−ティングに入射するビ−ムを拡大し分散
性能を高めることが必然となる。しかしながら従来例で
はこれらの場合については記述されてなく、また、高次
のモードで発振させる方法についても記載されていない
という問題点があった。

【０００７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ステッパの要求仕様を満たすた
めに共振器に要求される条件を明らかにするとともに、
高次横モ−ドを発生させるための条件についてあきらか
にすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る狭帯域エ
キシマレーザは、球面鏡により共振器を構成し、エタロ
ンの内、エタロンを構成するミラ−の間隔が最も広いエ
タロンをおおむねビ−ムウエスト位置に配置した。ま
た、部分反射鏡の曲率半径を共振器の長さに比べて小さ
くし、概ねビ−ムウエスト位置にグレ−ティングが配置
されるようにしたものである。

【０００９】

【作用】この発明における狭帯域エキシマレーザは、狭
帯域素子であるエタロンやグレ−ティングをおおむねビ
−ムウエストに配置することによりレ−ザの発振効率が
向上する。また、部分反射鏡と全反射鏡の曲率半径をそ
れぞれＲ１、Ｒ２とし共振器の長さをｄとしたとき ０≦（１−ｄ／Ｒ１）（１−ｄ／Ｒ２）≦１ となるよう値を設定することにより高次横モ−ドが発生
する。

【００１０】また、部分反射鏡の曲率半径をＲ１、共振
器の長さをｄとしたとき Ｒ１＜２ｄ とすることによりグレ−ティングをおおむねビ−ムウエ
ストに配置することができ効率の向上を図ることができ
る。しかもこの条件は共振器の安定条件を満たしている
ため、高次横モ−ドを発生させることができる。

【００１１】

【実施例】実施例１．以下この発明の一実施例を図１か
ら図７をもとに説明する。図１において従来例と同じ番
号は同等の働きを持つ要素である。また、５ａ、５ｂは
それぞれ微調エタロン、粗調エタロンである。このレー
ザの動作の概要は従来例と同様であるので省略し、２枚
のエタロンに関係する部分のみを記述する。粗調エタロ
ン５ｂは、エキシマレ−ザの動作可能波長範囲から特定
の波長領域を選ぶために用いられている。このエタロン
は、通常２枚の高反射率のミラ−を１００μｍ程度の間
隔を保って向かい合わせたものである。１方、微調エタ
ロン５ａは粗調エタロンが選択した波長領域からさらに
狭い波長範囲を選択するものであり、２枚のミラ−を数
百μｍの間隔を保って向かい合わせたものである。

【００１２】エタロンの透過特性は光学関係などでよく
知られた式で与えられるが、この式により入射角度に対
する透過率の減少を調べてみると、ミラ−の間隔が広い
ものほど減少が激しいことが理解される。通常、無用の
発振をさけるためエタロンをレ−ザの光軸にたいして傾
けて使用するが、ミラ−間隔が広いとミラ−の間を往復
するごとにビ−ムの位置がずれてゆき干渉が起こりにく
くなるからである。

【００１３】そこで、間隔が広いエタロンほどビ−ムウ
エストに近い位置に置くほうが透過特性が向上してレ−
ザの効率が高くなる。図１では２枚のエタロンをいずれ
も全反射鏡４側に配置しているが、間隔が広い微調エタ
ロン５ａをビ−ムウエストに配置している。また、図２
では粗調エタロン５ｂを部分反射鏡１側に配置したもの
で、粗調エタロン５ｂの透過率は多少入射角が異なって
も低下しないのでこのような配置も可能になる。もちろ
ん、それぞれの反射鏡の曲率半径を調整すればビ−ムウ
エストを部分反射鏡１側にすることは可能であるが、そ
の場合はこのビ−ムウエスト位置に微調エタロンを配置
すればよい。

【００１４】また、図３は全反射鏡４として平面鏡を用
いたものである。この場合、ビ−ムウエストは全反射鏡
４の位置にできるのであるが、ビ−ムの大きさの変化が
小さいためウエストから離れていても効率の低下は少な
い。図３では微調エタロンを全反射鏡４側に設置してい
るが逆でもよい。また、部分反射鏡１を平面鏡とする場
合はエタロンを部分反射鏡側に設置すればよい。

【００１５】以上の例では２個のエタロンを用いたが３
個以上ある場合でも、最も間隔が広いエタロンをおおむ
ねビ−ムウエストに配置すれば効率よくレ−ザビ−ムを
発生することができる。

【００１６】高次の横モ−ドを発生させるためには、曲
率半径について次のような条件が必要となる。図４は光
エレクトロニクスの基礎に示された光共振器の安定性を
示すダイアグラムである。部分反射鏡と全反射鏡の曲率
半径をそれぞれＲ１、Ｒ２とし共振器の長さをｄとした
とき ０≦（１−ｄ／Ｒ１）（１−ｄ／Ｒ２）≦１ の条件を満たしたときレ−ザビ−ムは光共振器内に安定
に存在し、高次モ−ドが発生しやすくなる。従って、こ
の条件を満たすよう値を決めなければならない。

【００１７】図５は別の発明を横から見たもので、図６
はこの発明を上から見たものである。図において８はビ
−ムエキスパンダ、７はグレ−ティングである。ビ−ム
エキスパンダ８は、レ−ザビ−ムを拡大しビ−ムの広が
り角を補正するとともにグレ−ティングを照らす面積を
広くしてグレ−ティング７の波長選択能力を高めるため
に用いられている。通常、シリンドリカルレンズかプリ
ズムを使って１方向にビ−ムを拡大している。

【００１８】ビ−ムエキスパンダを用いた場合のビ−ム
ウエストの位置はＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１７ｐ．１３１
（１９７８）により計算されている。図７ａ、ｂはこの
文献より得た図である。図７ｂのＡの位置にウエストが
くるよう部分反射鏡１の曲率半径Ｒ１を決めてやれば、
実際には図７ａのグレ−ティング７の位置にウエストが
存在する。すなわちＲ１＝２Ｌとなるように曲率半径を
選べばよい。また、先に示した共振器の安定条件より全
反射鏡の曲率半径をＲ２＝∞とすればＲ１＞Ｌでなくて
はならないが、上記の関係を満たしておれば安定条件を
満足している。

【００１９】文献によればエキスパンダ８の長さをＬｘ
とし総合倍率をＭとすればＤ０はおおむねつぎの式によ
り与えられる。 Ｄ０〜Ｌｘ／Ｍ 実際のレ−ザではＬｘ＝１５０ｍｍ、Ｍ＝２５程度なの
でＤ０は６ｍｍとなる。倍率Ｍが大きいほどウエストの
位置は部分反射鏡１とエキスパンダの間の距離Ｄ１に近
づく。実際の値としてはＤ１は１０００ｍｍ、ｄは１３
００ｍｍなので公知例のように曲率半径を設定するとグ
レ−ティングには収束ビ−ムが入射することになる。Ｒ
１＝１０００＋６ｍｍとすればウエスト位置にグレ−テ
ィングを配置することができる。

【００２０】公知例ではシリンドリカルミラ−を用いて
いたが、特に１方向のみに曲率をつける必要はなく、通
常の球面鏡を用いてもよい。図６で示したビ−ムを拡大
しない方向では、上記のように部分反射鏡１の曲率半径
を決めるとウエストがグレ−ティングの位置にこないこ
とになるが、この方向は波長選択能力とは関係がなく共
振器の長さｄと曲率半径Ｒ１が図４で示した安定条件を
満足しておればよい。球面鏡に変えることにより光共振
器の調整が容易になる。また、Ｄ０の値は拡大率やエキ
スパンダの大きさにより様々であるが、曲率半径を２ｄ
よりやや短くしておけばほとんどの場合について効率よ
くレ−ザビ−ムを発生させることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば複数のエ
タロンを共振器中に配置したエキシマレ−ザにおいて、
球面鏡により共振器を構成し、その曲率半径Ｒ１、Ｒ２
と共振器長ｄを ０≦（１−ｄ／Ｒ１）（１−ｄ／Ｒ２）≦１ の安定条件を満たすように配置するとともに、エタロン
の内でエタロンを構成するミラ−の間隔が最も広いエタ
ロンをおおむねビ−ムウエスト位置に配置することによ
り、高次横モ−ドのビ−ムを効率良く発生させる効果が
ある。

【００２２】また、部分反射鏡の曲率半径をＲ１、共振
器の長さをｄとしたときＲ１＜２ｄとすることによりグ
レ−ティングをおおむねビ−ムウエストに配置すること
ができ効率の向上を図る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の狭帯域エキシマレーザ一実施例を示
す側面図である。

【図２】この発明の他の実施例を示す側面図である。

【図３】この発明の他の実施例を示す側面図である。

【図４】光共振器の安定条件を示す説明図である。

【図５】この発明の他の実施例を示す側面図である。

【図６】図５の実施例を示す平面図である。

【図７】プリズムエキスパンダとウエスト位置を示す説
明図である。

【図８】従来の狭帯域エキシマレーザの例を示す側面図
である。

【図９】従来の他の狭帯域エキシマレーザの例を示す側
面図である。

【符号の説明】

１ 部分反射鏡 ２ 窓 ３ 放電チャンバ ４ 全反射鏡 ５ エタロン ７ グレ−ティング ８ ビ−ムエキスパンダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の球面鏡により構成された共振器中
   に複数のエタロンを配置したエキシマレ−ザにおいて、
   上記球面鏡の曲率半径をＲ１、Ｒ２とし上記共振器の長
   さをｄとするとき ０≦（１−ｄ／Ｒ１）（１−ｄ／Ｒ２）≦１ の安定条件を満たすように曲率半径と長さを決めるとと
   もに、エタロンの内でエタロンを構成するミラ−の間隔
   が最も広いエタロンをおおむねビ−ムウエスト位置に配
   置したことを特徴とする狭帯域エキシマレ−ザ。
2. 【請求項２】グレ−ティングとビ−ムエキスパンダを備
   えたエキシマレ−ザにおいて、部分反射鏡の曲率半径を
   Ｒ１とし部分反射鏡とグレ−ティングにより決まる共振
   器の長さをｄとしたとき Ｒ１＜２ｄ の関係を満たすよう曲率半径および共振器の長さを決め
   たことを特徴とする狭帯域エキシマレ−ザ。