JPH05152666A

JPH05152666A - 狭帯域化レーザ

Info

Publication number: JPH05152666A
Application number: JP31242591A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Wakata; 仁志若田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1993-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、３ｐｍ以下の波長幅を達成して、
ステッパの要求仕様を満足させることを目的とするもの
である。【構成】ビームエキスパンダの倍率をＭ、グレーティ
ングへのビームの入射角度をβとしたとき、Ｍｔａｎβ
≧８０となるように、倍率及び入射角度を設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】請求項１ないし請求項３の発明
は、例えば半導体装置の露光用光源に使用されるエキシ
マレーザなどの狭帯域化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。そして、このエキシマレ
ーザを実際にステッパに用いる際の条件として、レンズ
の収差の点より、波長幅を３ｐｍ以下にし、しかもスペ
クトルに構造があったり裾が広がっていたりしてはいけ
ない。また、露光むらを防ぐために、発散角が１ｍｒａ
ｄ以上ある高次モードのビームにすること、加工速度を
高めるために、ビーム出力を数Ｗ以上にすることなどが
要求されている。

【０００３】また、エキシマレーザの狭帯域化の技術と
しては、文献Ｃａｎ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．６３，２１４（１
９８５年）に示されているようにビームエキスパンダと
グレーティングを使う方法、グレーティングへの入射角
度を大きくする方法などがある。また、別の文献Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ５１，９１（１９９０年）には、プリ
ズムによるビームエキスパンダとグレーティングとを併
用した例が示されている。さらに、文献Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，１０６３（１９８７年）には、
エシェルと呼ばれるタイプのグレーティングを用いた例
が示されている。

【０００４】図１１は例えば文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｂ５１，９１に示された従来のエキシマレーザを示す構
成図である。図において、１は部分反射鏡、２は媒質と
なるガスが封入されている放電チャンバ、３ａ及び３ｂ
は放電チャンバ２の両端部に設けられている第１及び第
２の窓、４は第１ないし第３のプリズム４ａ〜４ｃから
なるビームエキスパンダ、５はグレーティング、６はグ
レーティング５の傾きを変えるためのマイクロメータ、
７はマイクロメータ６に接続されているコントローラで
ある。

【０００５】次に、動作について説明する。放電チャン
バ２のガス中で放電を行うと、紫外の強い光が発生す
る。発生した光は、窓３ａ，３ｂから放電チャンバ２外
へ放射され、部分反射鏡１とグレーティング５とからな
る光共振器中を往復して強められかつその波長が選択さ
れ、レーザビームとなる。このとき、ビームエキスパン
ダ４により、ビームが拡大され、グレーティング５の波
長選択能力が高められる。

【０００６】また、分光器（図示せず）によりビームの
波長が測定され、その結果をもとにコントローラ７から
マイクロメータ６に指示が出力される。マイクロメータ
６は、コントローラ７からの指示により、グレーティン
グ５の傾きを変え、ビームの波長を変える働きをする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来のエキシマレーザにおいては、波長幅４．３ｐｍ
のビームを得ることができるが、これではステッパに必
要な波長幅３ｐｍを満たしていないという問題点があっ
た。また、エシェルグレーティングを用いて狭帯域化す
るものについても、波長幅は６ｐｍであり、ステッパの
要求仕様を満たしていないという問題点があった。ま
た、波長純度やビーム出力などについても、ステッパの
要求仕様を満足させる必要がある。

【０００８】請求項１ないし請求項３の発明は、上記の
ような問題点を解決することを課題としてなされたもの
であり、波長幅を十分に小さくすることができ、波長純
度を高くすることができ、ビーム出力を高くすることが
できる狭帯域化レーザを得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る狭
帯域化レーザは、ビームエキスパンダの倍率をＭ、グレ
ーティングへのビームの入射角度をβとしたとき、Ｍｔ
ａｎβ≧８０となるように、倍率及び入射角度を設定し
たものである。

【００１０】請求項２の発明に係る狭帯域化レーザは、
プリズムを有するビームエキスパンダを用い、グレーテ
ィングを有する光共振器の長さをＬ、放電幅をωとした
とき、プリズムの法線に対してビームのなす角度θが、
θ＞ω／８Ｌの関係を満たすようにしたものである。

【００１１】請求項３の発明に係る狭帯域化レーザは、
グレーティングを有する光共振器中に、放電幅の１６％
以上の幅を有するスリットを設けたものである。

【００１２】

【作用】請求項１の発明においては、Ｍｔａｎβを８０
以上としてビームエキスパンダ及びグレーティングの性
能を規定することにより、ビームの波長幅を３ｐｍ以下
にする。

【００１３】請求項２の発明においては、ビームエキス
パンダのプリズムへの入射角度を規定することにより、
プリズムの面と部分反射鏡との間で生じる弱い発振を止
め、波長純度を高める。

【００１４】請求項３の発明においては、スリット幅を
広くすることにより、ビーム出力を高くする。

【００１５】

【実施例】以下、請求項１ないし請求項３の発明の実施
例を図について説明する。図１は請求項１ないし請求項
３の発明の一実施例によるエキシマレーザを示す構成図
であり、図１１と同一又は相当部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。

【００１６】図において、11は第１及び第２の窓３ａ，
３ｂにそれぞれ対向している２枚のスリット板であり、
これらのスリット板11には、それぞれスリット11ａが設
けられている。12はビームエキスパンダ４，グレーティ
ング５及びマイクロメータ６からなる狭帯域化モジュー
ルである。

【００１７】このエキシマレーザの動作の概要の説明
は、従来例と同様であるので省略し、ここでは課題であ
る波長幅を決めている要因について説明する。図１に示
されているように、グレーティング５へ入射したビーム
が再び元の方向に回折されるような配置は、リトロー配
置と呼ばれている。

【００１８】この場合、グレーティング５の法線に対す
るビームの角度（入射角度）をβとすると、次の関係式
が成り立つ。但し、次式中、ｍは次数と呼ばれる整数、
λはビームの波長、ｎはグレーティング５が置かれてい
る環境の屈折率、ｄはグレーティング５に切られている
溝の幅である。

【００１９】ｍλ＝２ｎｄｓｉｎβ

【００２０】従って、波長幅δλ１は、次式から求めら
れる。但し、次式中、δβは、グレーティング５に入射
するビームの発散角である。また、屈折率の変化や溝幅
の誤差による波長幅は無視した。

【００２１】δλ１＝ｃｏｔβ×λδβ

【００２２】一方、無数にあるグレーティング５の溝に
よる回折光の干渉を考慮すると、発散角０のビームが入
射したときの波長幅δλ２は、良く知られた次式により
与えられる。但し、次式中、ｋは光共振器を多数回往復
することにより決まる定数、Ｎはビームが照らしている
グレーティング５の溝の総数である。

【００２３】δλ２＝ｋλ／ｍＮ

【００２４】実際のビームの波長幅δλは、上のような
要因による波長幅の重ね合わせにより決まっている。

【００２５】ところで、上記の文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｂ５１，９１では、次数ｍ＝１１、Ｎ＝６００×５
６＝３３６００と記載されており、また発振中にビーム
が２．５往復するとしたとき、Ｋ＝０．６６となること
が実験的に求められていることから、δλ２を計算する
と、０．４４ｐｍとなる。従って、この文献におけるビ
ームの波長幅４．３ｐｍは、δλ２ではなく、主にビー
ムの発散角で決まるδλ１に支配されているものと考え
られる。

【００２６】ここで、放電チャンバ２から出た光の発散
角をδθ、ビームエキスパンダ４の倍率をＭとすると、
グレーティング５に入射するビームの発散角δβは、δ
β＝δθ／Ｍとなる。以上のことから、この狭帯域化方
式によるエキシマレーザのビーム波長幅δλは、次式に
より与えられる。

【００２７】δλ＝λδθ／（Ｍｔａｎβ）

【００２８】図２は上式の関係を発散角δθ＝１ｍｒａ
ｄとして図示したものである。この図から、Ｍｔａｎβ
を８０以上に設定すれば、ステッパの要求仕様である３
ｐｍを実現できることがわかる。

【００２９】次に、図３はプリズムを用いたビームエキ
スパンダの働きを示す説明図である。ビームエキスパン
ダは、球面レンズやシリンドリカルレンズを用いても良
いが、１方向に拡大する場合はプリズムが良く用いられ
る。図３は２個のプリズムを用いた例で、ビームが約１
０倍に拡大されていることがわかる。

【００３０】通常、図３のθ４は、拡大率を大きくする
ために０度に近い角度で用いられる。しかし、完全に０
度であると、プリズムと部分反射鏡１（図１）との間で
光共振器が組まれることになり、グレーティング５（図
１）を通らない成分が発生して波長純度が低下してしま
う。

【００３１】これを防止するためには、放電幅をω（放
電強度分布をガウシアンで近似したとき最大値の１／ｅ
²により与えられる幅とする）とし、光共振器の長さを
Ｌとしたとき、θ４＞ω／８Ｌとすれば良いことが、実
験等により明らかにされた。これは、ビームが４往復し
たとき放電が生じている領域から外れるという条件に相
当する。

【００３２】我々の例では、ω＝５ｍｍ、Ｌ＝１３００
ｍｍであるから、θ４は０．４８ｍｒａｄ以上にすれば
よい。通常、プリズムの法線とビームとのなす角度θの
うち、θ４及びθ８が最も小さいので、これらが上記の
条件を満足すれば、他についても条件を満足する。

【００３３】なお、θの上限としては、理論的にはθ＜
９０度であるが、実用上は７０〜８０度程度が適当であ
る。

【００３４】また、この面に図３のような無反射コート
（ＡＲ）を施せば、理論的には光共振器ができず、波長
純度が向上する。しかし、現実的には、エキシマレーザ
の波長領域では、反射率を完全に０にすることはできな
いため、ＡＲだけでは多少の波長純度劣化が残る。そこ
で、ＡＲに加えて、面を傾けておけば効果的である。

【００３５】図４は１個のプリズムについてビームの入
射角度（図３のθ１）とビームの拡大率Ｍとの関係及び
入射角度と入射面に対してｐ偏光成分の反射率Ｒｐとの
関係を示す関係図である。但し、計算上θ４は０とし
た。

【００３６】反射が大きいとレーザの効率が下がるの
で、反射率は許容範囲内でできるだけ小さくし、拡大率
はできるだけ大きくすることが望ましい。入射角度５７
度（ブリュースター角）では、反射率は０になるが、拡
大率は１．５と小さい。３ｐｍを得るための考察による
と、プリズムビームエキスパンダ全体の倍率としては、
２０から３０倍にする必要があるため、このプリズムを
用いるとすると７〜８個連ねなければならないことにな
る。或は、入射角度を８０度以上にすれば、拡大率は
４．２以上になり、プリズムは２〜３個で済むが、１個
当たり２３％以上となってレーザの効率が低下する。

【００３７】そこで、入射角度は６０〜８０度程度と
し、３〜４個のプリズムを連ねるのが妥当である。ま
た、入射面に反射率を低減するためのコートを施すこと
ができれば、入射角度のより大きいプリズムを使用する
ことができる。このコートは、ビームの偏光成分のう
ち、少なくとも一方に対して反射率が小さければよい。
それは、発振開始の早い時期にビームの偏光が反射率の
低い偏光成分に揃ってしまうため、レーザの発振効率は
偏光を考えないときと殆ど変わらないという事情によ
る。

【００３８】但し、偏光成分が選択されていると加工に
異方性が生じるので、このビームを使って微細加工を行
うときには、光共振器から出たビームをλ／４素子に通
し、円偏光に変えておくなどの工夫が必要である。

【００３９】反射率を低減するコートを施す場合、コー
トの耐光強度が問題となる。耐光強度は、光のエネルギ
ー密度に反比例するので、放電チャンバに近いプリズム
（例えば図１の第１のプリズム４ａ）にはコートを施さ
ず、その代わり入射角度を小さくし、ビームが拡大され
てエネルギー密度が下がったあとは、コート付きのプリ
ズムを用いることも考えられる。

【００４０】Ｍｔａｎβが８０以上なければ３ｐｍが実
現できないということは、上述した通りである。ビーム
エキスパンダの倍率Ｍが２０〜３０の場合、βの値はそ
れぞれ８８．５〜６９．４度以上でなければならない。
倍率Ｍをさらに大きくすると、入射角度は小さくできる
が、ビームが広がった分、プリズムやグレーティングの
サイズを大きくしなければレーザの効率が低下する。

【００４１】また、倍率Ｍを小さくすると、入射角度β
を大きくしなければならず、グレーティングの回折効率
が低下して、やはりレーザの効率が低下する。８８．５
〜６６．９度といった大きな入射角度で用いるときは、
エシェルと呼ばれている階段状の溝が切られたタイプの
グレーティングを使用することにより（文献Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，１０６３）レーザの効率を
向上させることができる。

【００４２】次に、光共振器中に挿入するスリットにつ
いて検討する。図５は図１の要部を示す斜視図である。
図において、13はレーザ媒質を励起するための放電チャ
ンバ２内の放電領域であり、通常ω×ｄの長方形の断面
を持っている（幅の定義は前記の通り）。また、スリッ
ト板11には、幅ａ×長さｂのスリット11ａが開いてい
る。

【００４３】スリット11ａは、発散角を制限（例えば１
ｍｒａｄ）したり、ビームの放射方向を安定化したりす
るために用いられるもので、光共振器中のどこに設けて
もよい。また、スリット板11の個数は、１個でも３個以
上でもよい。さらに、放電領域13が安定に存在すれば、
放電領域13がスリットの役割を果たすので、スリット板
11は設けなくてもよい。

【００４４】図６はスリットの幅（図５のａ）と対応す
る放電幅との比に対するレーザ出力をプロットしたもの
で、スリットの幅が放電幅の１６％になると、出力はス
リットがないときの半分になる。レーザの発振効率を上
げるには、スリットの幅は上記の値より大きくするのが
好ましいと考えられる。また、放電領域の狭い方に対し
てビームを拡大する方が、プリズムやグレーディングか
ら溢れるビームの割合が小さくなり、発振の効率を上げ
ることができる。

【００４５】また、スリットの幅が大きくなると、スリ
ットそのものによる効果が小さくなるが、具体的には、
スリットの幅が放電幅の１５０％を越えると、スリット
による影響がなくなってしまう。従って、スリットの幅
の上限は、放電幅の１５０％程度であると考えられる。

【００４６】なお、プリズムを用いたビームエキスパン
ダ４及びグレーディング５の配置は、特に限定されるも
のではなく、例えば図７に示すように互い違いに並べた
り、図８に示すように１個のプリズムだけ向きを変えた
り、図９に示すように総て同じ方向に並べたり、又は図
１０に示すようにプリズムの内面の反射を利用して向き
を変えたりしてもよい。一般には、互い違いの方がよ
く、プリズムによる波長選択が起こらず、プリズムの熱
歪みなどの影響を受けにくい。しかし、図９のように、
狭帯域化部が長くなるので、熱歪みなどの影響を考慮し
つつ、他の方式を検討することになる。

【００４７】また、上記実施例では部分反射鏡１とグレ
ーティング５とからなる光共振器を示したが、例えば複
数枚のミラーとグレーティング５とからなるものなど、
他の構成のものでもよい。さらに、上記実施例ではステ
ッパの仕様を満たすためのエキシマレーザについて示し
たが、他の狭帯域化レーザであってもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
狭帯域化レーザは、ビームエキスパンダの倍率をＭ、グ
レーティングへのビームの入射角度をβとしたとき、Ｍ
ｔａｎβ≧８０となるように、倍率及び入射角度を設定
したので、波長幅を３ｐｍ以下と十分に小さくすること
ができ、ステッパなどの要求仕様を満足させることがで
きるという効果を奏する。

【００４９】また、請求項２の発明の狭帯域化レーザ
は、プリズムを有するビームエキスパンダを用い、グレ
ーティングを有する光共振器の長さをＬ、放電幅をωと
したとき、プリズムの法線に対してビームのなす角度θ
が、θ＞ω／８Ｌの関係を満たすようにしたので、プリ
ズムによって光共振器が組まれず、波長純度を十分に高
くすることができ、ステッパなどの要求仕様を満足させ
ることができるという効果を奏する。

【００５０】さらに、請求項３の発明の狭帯域化レーザ
は、グレーティングを有する光共振器中に、放電幅の１
６％以上の幅を有するスリットを設けたので、発散角を
制限したり、ビームの放射方向を安定化したりしつつ、
十分なビーム出力が得られ、ステッパなどの要求仕様を
満足させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の一実施例によるエキシマレー
ザを示す構成図である。

【図２】発散角を１ｍｒａｄとしたときの波長幅δλと
Ｍｔａｎβとの関係を示す関係図である。

【図３】プリズムを用いたビームエキスパンダの働きを
示す説明図である。

【図４】１個のプリズムについてビームの入射角度（図
３のθ１）とビームの拡大率Ｍとの関係及び入射角度と
入射面に対してｐ偏光成分の反射率Ｒｐとの関係を示す
関係図である。

【図５】図１の要部を示す斜視図である。

【図６】スリットの幅と放電幅との比に対するレーザ出
力の関係を示す関係図である。

【図７】図１のビームエキスパンダ及びグレーティング
の配置の第１の変形例を示す構成図である。

【図８】図１のビームエキスパンダ及びグレーティング
の配置の第２の変形例を示す構成図である。

【図９】図１のビームエキスパンダ及びグレーティング
の配置の第３の変形例を示す構成図である。

【図１０】図１のビームエキスパンダ及びグレーティン
グの配置の第４の変形例を示す構成図である。

【図１１】従来のエキシマレーザの一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

４ビームエキスパンダ４ａ第１のプリズム４ｂ第２のプリズム４ｃ第３のプリズム５グレーティング 11ａスリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】狭帯域化素子としてビームエキスパンダ
及びグレーティングが用いられている狭帯域化レーザに
おいて、前記ビームエキスパンダの倍率をＭ、前記グレ
ーティングへのビームの入射角度をβとしたとき、Ｍｔ
ａｎβ≧８０となるように、前記倍率及び前記入射角度
が設定されていることを特徴とする狭帯域化レーザ。
【請求項２】狭帯域化素子としてビームエキスパンダ
及びグレーティングが用いられている狭帯域化レーザに
おいて、前記ビームエキスパンダはプリズムを有してお
り、前記グレーティングを有する光共振器の長さをＬ、
放電幅をωとしたとき、前記プリズムの法線に対してビ
ームのなす角度θが、θ＞ω／８Ｌの関係を満たしてい
ることを特徴とする狭帯域化レーザ。
【請求項３】狭帯域化素子としてビームエキスパンダ
及びグレーティングが用いられている狭帯域化レーザに
おいて、前記グレーティングを有する光共振器中に、放
電幅の１６％以上の幅を有するスリットが設けられてい
ることを特徴とする狭帯域化レーザ。