JPH10341054A - 紫外レーザ装置及び半導体露光装置 - Google Patents

紫外レーザ装置及び半導体露光装置

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JPH10341054A
JPH10341054A JP9152394A JP15239497A JPH10341054A JP H10341054 A JPH10341054 A JP H10341054A JP 9152394 A JP9152394 A JP 9152394A JP 15239497 A JP15239497 A JP 15239497A JP H10341054 A JPH10341054 A JP H10341054A
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ultraviolet
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Abstract

(57)【要約】 【課題】時間コヒーレンスおよび空間コヒーレンスの高
い、しかも大出力の193nmあるいはその近傍波長のレー
ザ光を発生する紫外レーザ装置を実現すると共に、該紫
外レーザ装置を光源として用いてレンズ波面収差測定を
行うフィゾー干渉計を提供する。 【解決手段】500nm付近の連続波を発生する第１のレー
ザ２３、266nmの連続波を発生する第２のレーザ２１、
チタンサファイヤ結晶を含む第１の共振器２４、およ
び、和周波発生のための第２の共振器２２を備え、これ
ら共振器２４、２２の光路中において反射鏡２２３と反
射鏡２２４との間の光路を両共振器間で共有させ、その
中に和周波発生のための非線形光学結晶ＢＢＯ（β−Ba
B2O4）を配置することによって、193nmの出力光２７を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造のため
の露光システムに係わり、特に、ＡｒＦ露光機のレンズ
収差測定装置のための光源、あるいは、露光機（ステッ
パー）の光源として使用可能な紫外レーザ装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路製造における集積度向上
のためには、露光機に用いる光源の波長を短くする必要
がある。そのため、将来の露光機として、ＡｒＦレーザ
の発する193nm光を利用する露光機の開発が行われてき
た。
【０００３】［従来の波面収差測定器の光源］ＡｒＦ露
光機を開発するにあたって、レンズの収差測定を行う際
に、干渉計による波面収差測定装置が有用である。
【０００４】ここで使われる代表的な干渉計として、フ
ィゾー型（図５）または、トワイマン・グリーン型の干
渉計がある。
【０００５】フィゾー型とは、被測定レンズ５５の直前
に、光の伝搬方向と垂直に、参照面となるハーフミラー
５４を置いて、一部を垂直に反射させ、参照光をとる。
一方、ハーフミラー５４を透過した光は、被測定レンズ
５５を透過して、反射鏡５６で折り返され、再び被測定
レンズを透過した後に、参照光と重なる。
【０００６】この方式は、参照光の光路が測定光の光路
と重なっており、測定に誤差をおよぼす部品が少ないと
いう利点がある。しかし、参照光と測定光の光路長に差
が生ずる。
【０００７】トワイマン・グリーン型では、まず、光軸
に対して傾けたハーフミラーによって光を２方向に分
け、参照光と測定光を作る。参照光は反射鏡で折り返
す。測定光は光路中の被測定レンズを通した後、反射鏡
で折り返し、再び被測定レンズを通した後に、参照光と
干渉させる。トワイマングリーン干渉計は、参照光路長
と測定光路長を等しくとることができるが、そのため大
型になり、精度が出しにくいという欠点があった。ま
た、参照光路と測定光路がまったく別のために、参照光
路中の部品の収差や光路中の空気ゆらぎが測定誤差の原
因となるという欠点もあった。
【０００８】それゆえ、なるべくフィゾー干渉計を用い
るほうが誤差の点で望ましいものとされている。
【０００９】ところが、二つの干渉計の選択におよぼす
問題の一つとして、測定に用いるレーザ光源のコヒーレ
ンスがある。
【００１０】193nmのレーザとして従来用いられてきた
ＡｒＦレーザはコヒーレンスが低いという問題があっ
た。そのため、参照光路長と測定光路長を等しくする必
要があった。それゆえ、トワイマングリーン干渉計が必
要であり、フィゾー干渉計が使えないという困難があっ
た。
【００１１】［従来のＡｒＦ露光機］ＡｒＦ露光機にお
いては、色収差を少なくするために、ＡｒＦレーザの波
長幅を狭帯域化することが求められていた。ところがＡ
ｒＦレーザはパルス発振のピークパワーが強いことによ
る狭帯域化素子の損傷などにより、狭帯域化が困難であ
った。
【００１２】［従来の和周波発生レーザ］２つのレーザ
光からの和周波発生を行う方法は、従来、パルスレーザ
光で行われてきた。パルスレーザ光では、非線形光学結
晶を共振器中に置く必要はなく、前記結晶に２つの波長
のレーザ光を同時に透過させれば良かった。しかし、パ
ルス光では長いコヒーレント長を実現することに困難が
あった。
【００１３】また、Liu他（Enquan Liu, F. B. Dunnin
g, and F. K. Tittel, Applied Optics Vol.21 , No. 1
9, October 1, 1982, pp. 3415-3416）により、第１の
レーザの共振器中に、和周波発生のための非線形光学結
晶をおくが、第２のレーザ光は、この結晶を１回通過さ
せるだけの構造を持つものが提案された。しかし、この
場合には、第２のレーザ光を共振させていないので、非
線形結晶の場所での第２のレーザ光の強度が弱く、結果
として和周波光の強度が弱かった。
【００１４】また、Watanabe他（M. Watanabe, K. Haya
saka, H. Imajo, S. Urabe, OpitcsLetters, Vol. 17,
No. 1, January 1, 1992, pp. 46-48）により、第１の
レーザ（波長750nmから810nmを発生するチタン・サファ
イアレーザ）に共鳴する一つの外部共振器のなかに、非
線形光学結晶をおき、第２のレーザ（波長515nmのアル
ゴンレーザの２倍波の257nm）の光は、この結晶を一回
通過させ、194nmの光を発生させる装置も提案された。
この場合、第２のレーザ光が共振されていないので、非
線形光学結晶の場所でその強度が弱く、結果として発生
した和周波光の強度も４μW程度と弱いものであった。
【００１５】また、二つの連続波レーザ光を一つの外部
共振器に同時に入射させて、どちらの波長に対しても同
時に共振状態になるように制御し、和周波発生を行う方
法が提案されている（Kaneda, Y. and Kubota, S., OSA
TOPS on Advanced Solid-State Lasers, 1996, vol.
1, p. 352-355）。この方法では、レーザ１の光に対し
て外部共振器を同調させる１台のサーボ制御装置と、さ
らに、レーザ２の光の波長をこの外部共振器に同調させ
るもう１台の合計２台のサーボ制御装置が必要であり、
構成が複雑になるうえに、システムが不安定になる場合
があるなどの欠点があった。さらに、外部共振器にレー
ザ１とレーザ２の光を入射させる際に、結合効率が悪
く、内部に入るパワーが減少し、効率が落ちるという欠
点があった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を鑑みてなされたもので、以下のような目的を備え
る。
【００１７】本発明の目的は、時間コヒーレンスおよび
空間コヒーレンスの高い、しかも大出力の193nmあるい
はその近傍波長のレーザ光を発生する紫外レーザ装置を
実現すると共に、当該紫外レーザ装置を光源として用い
てレンズ波面収差測定を行うフィゾー干渉計を提供する
ことにある。
【００１８】また、本発明の他の目的は、同様な構造に
よって193nmあるいは213nmの露光機用光源として機能す
ることが可能な紫外レーザ装置を提供することにある。
【００１９】また、本発明の他の目的は、和周波発生を
利用する紫外レーザ装置において、サーボの段数を１段
にとどめながら和周波発生に用いる２つのレーザ光のど
ちらにも共振する共振器を用意し、該共振器の中に配置
された非線形光学結晶に、高強度の２つの波長のレーザ
ビームを供給することで、必要とされるサーボ制御装置
の台数を最小にすると共に、システムの簡素化および安
定化を図ることができる、大出力の紫外レーザ装置を実
現することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、和周波発生を行う紫外レーザ装置におい
て、第１のレーザ光を発生させる第１のレーザ光発生源
および該第１のレーザ光を共振させる第１の共振器と、
第２のレーザ光を発生させる第２のレーザ光発生源およ
び該第２のレーザ光を共振させる第２の共振器とを備
え、前記第１および第２の共振器は、一部の光路が共有
されるように配置されるものであって、該共有光路中に
設置される和周波発生のための非線形光学結晶を備え
る。
【００２１】具体的には、例えば、前記第１のレーザ光
発生源として、650nmから1100nmまでの範囲およびその
近傍波長のレーザ光を発生するチタン・サファイアレー
ザを用い、前記第２のレーザ光発生源として、260nm付
近のレーザ光を少なくとも発生する希土類イオンを含む
固体レーザを用い、前記和周波発生により、180nmから2
15nm付近のレーザ光を発生させる構成としてもよい。
【００２２】さらに、前記チタン・サファイアレーザの
波長を707nm付近とし、前記第２のレーザ光としてNd固
体レーザを用い、該Nd固体レーザが発する1064nm付近の
レーザ光から発生させた４倍波の266nm付近のレーザ光
を用い、前記和周波発生によりArFレーザと同じ波長の1
93nmから194nm付近の連続レーザ光を発生させる構成と
してもよい。
【００２３】また、前記第１のレーザとして1064nm付近
を発生するNd固体レーザを用い、前記第２のレーザとし
てNd固体レーザを用い、該Nd固体レーザの発する1064nm
付近のレーザ光から発生させた４倍波の266nm付近のレ
ーザ光を用い、前記和周波発生により213nmのレーザ光
を発生させる構成としてもよい。
【００２４】前記非線形光学結晶としては、β−BaB
2O4、Sr2Be2B2O7またはKBe2B3O2を用いてもよい。
【００２５】また、上記目的を達成するために、本発明
による紫外レーザ装置においては、波長650nmから1100n
mの連続光を循環するチタン・サファイアレーザのリン
グ共振器中に第１の非線形光学結晶を配置し、325nmか
ら550nmのレーザ光を発生させ、前記発生したレーザ光
を前記リング共振器外にとりだした後、325nmから550nm
の波長の連続光に共鳴し該連続光を循環させる第２の共
振器へ入射させ、前記第２の共振器中に置いた第２の非
線形光学結晶によって、162nmから225nm付近の連続光を
発生させる。
【００２６】また、上記目的を達成するために、本発明
による紫外レーザ装置においては、波長772nm付近の連
続光を循環する、チタン・サファイアレーザのリング共
振器中に第１の非線形光学結晶を配置し、386nm付近の
レーザ光を発生させ、前記386nm付近の光を前記リング
共振器外にとりだした後、386nm付近の波長の連続光に
共鳴し該連続光を循環させる第２の共振器へ入射させ、
前記第２の共振器中に設けた第２の非線形光学結晶によ
って、ArFレーザと同じ波長の193nm付近の連続光を発生
させる。
【００２７】ここで、前記第１の非線形光学結晶として
は、LiB3O5を用いてもよい。また、前記第２の非線形光
学結晶としては、β−BaB2O4、 Sr2Be2B2O7およびKBe2B
3O2のうちいずれかを用いてもよい。
【００２８】また、本発明による紫外レーザ装置は、被
測定レンズの収差測定を行うレンズ収差測定装置のレー
ザ光源として、あるいは、マスク上に形成された所定の
パターンをウエーハに投影するための半導体製造用露光
装置のレーザ光源として用いることができる。
【００２９】また、上記各発明による紫外レーザ装置に
おいて、前記２つのレーザ光のうち一方の波長変化に連
動させて、前記和周波発生のための非線形光学結晶の位
相整合角を変化させる位相整合角変化手段をさらに備え
る構成としてもよい。
【００３０】さらに、チタン・サファイアレーザの波長
変化に連動して、位相整合角変化手段を制御する場合に
は、和周波発生されたレーザ光の強度を検出する検出手
段をさらに設け、その検出結果に応じて位相整合角変化
手段を微調整する構成としてもよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］本発明による紫外レーザ装置の第１
の実施形態における構成例を図２に示す。
【００３２】本実施形態によるレーザ装置は、レーザ光
源（以下レーザと略称する）とそれに対応する共振器と
を２組設け、これら２つの共振器の光路の一部を共有さ
せ、そこで和周波発生を行わせ、目的とする波長のレー
ザを発生させるものである。
【００３３】図２において、２３は、500nm付近の連続
光を発生する出力5W程度のレーザ（第１のレーザ）であ
り、チタン・サファイア結晶２５を励起することに用い
られる。このレーザとしては、Nd:YVO4レーザの２倍波
の532nmのレーザを用いても良いし、515nm、488nmを発
生するアルゴンイオンレーザを用いても良い。励起用の
500nm付近の光はチタン・サファイア結晶で吸収され
る。チタン・サファイア結晶から発生する707nmの連続
光は、４枚の平面または曲面の反射鏡242, 243, 244, 2
41からなるリングレーザ共振器２４（第１の共振器）に
共振して、高強度の707nm光を共振器中に存在させる。
この共振器２４中を循環する707nm光のパワーは30W程度
になる。
【００３４】ここで、241, 242, 243, 244は波長707nm
光に対して高反射（反射率99.9%以上）である反射鏡で
ある。さらに、241は励起光の500nm付近に対して高透過
（透過率95%以上）であり、244は、193nm光に対して十
分な透過率（透過率80%以上）を有するものとする。
【００３５】なお、リングレーザ共振器２４中の光路中
には、光の進行方向を本図の矢印の方向の１方向（242-
243-244-241の順）に限定するための、図不示の光ダイ
オードを挿入してある。同様に、リング共振器の共振波
長を選択する複屈折フィルターと、縦モードを１つに選
択するエタロンも挿入してある（図不示）。
【００３６】一方、２１は波長266nmの連続光を発生す
るレーザ（第２のレーザ）である。ここでは、Nd:YVO4
レーザの発生する1064nm光の４倍高調波レーザを用いて
いる。そのパワーは1Wである。266nmのレーザ光は、４
枚の反射鏡221, 222, 223, 224からなる266nmの共振器
２２（第２の共振器）に入射する。ここで、221は266nm
光に対して98%の反射率を有する部分透過鏡で、222, 22
3, 224は、266nm光に対して高反射（反射率99.9%以上）
である。さらに、223と224は、707nm光に対しては高透
過（透過率99.7%以上）である反射鏡である。また、224
は193nm光に対しても十分な透過率（透過率80%以上）を
有する反射鏡である。
【００３７】この和周波光を発生する共振器２２の反射
鏡223と反射鏡224との間の光路は、チタンサファイアレ
ーザ共振器２４と光路を共有している。
【００３８】和周波光を発生する共振器２２は、レーザ
２１の発する266nmのレーザ光に共振するように、共振
器長をサーボ制御されている（図不示の機構による）。
サーボ制御機構としては、FMサイドバンド法（パウンド
・ドレーバー法）と呼ばれる方法を用いる。共振器長の
制御は、一個または複数の反射鏡の位置をアクチュエー
タによって変える方法や、非線形光学結晶２６の電気光
学効果を用いる方法等がある。なお、もう一方の共振器
２４においては、サーボ制御を必要としない。
【００３９】この共振器２２の内部には266nmの光が共
振することによって、高強度の２６６ｎｍ光が存在す
る。共振器２２中を循環する２６６ｎｍのパワーは、50
W程度と推定される。
【００４０】従って、反射鏡223から224の間には、高強
度（30W）の707nm光と、高強度（50W）の266nm光が同軸
で存在することになる。
【００４１】本実施形態においては、共振器２２、２４
の共有光路となる反射鏡223と224との間に、和周波発生
のための非線形光学結晶ＢＢＯ（β−BaB2O4）が配置さ
れている。ＢＢＯのカット方向は、光軸が結晶軸を基準
とした座標において約θ＝76°である。これは707nm光
と266nm光の和周波発生を行い、193nm光を発生すること
に位相整合する角度である。また、ＢＢＯの入射・射出
の両端面には、707nm光と266nm光に対して反射防止コー
トがなされている。さらに、このコートは射出端面は19
3nm光に対して十分大きなの透過率を持つという条件も
満たす。
【００４２】ＢＢＯでの和周波発生出力P193は707nmの
パワーをP707、266nmのパワーをP266とすると、 P193 ＝ ηP707P266 で与えられる。ここで、ηはビーム径や結晶の長さによ
って与えられる変換効率でη＝5×10-5W-1程度の値を取
る。今回の場合は、P707 = 30W、P266 = 50Wであるの
で、P193 = 0.075W = 75mWの193nmの光がＢＢＯ結晶で
発生すると見込まれる。この193nm光は、224と244の２
枚の反射鏡を透過する際に、その透過率（ともに80%以
上）の影響を受け、最終的には50mW程度の193nm出力２
７を得ることになる。
【００４３】ここで、266nm光を発生するレーザとし
て、Nd:YVO4レーザの４倍波ではなく、Nd:YAGレーザま
たはNd:YLFレーザの４倍波でも良い。ただし、Nd:YLFレ
ーザの1047nm光を用いる場合には、４倍波が261.8nm光
となるので、チタン・サファイアレーザの発振波長を74
0nmに変更し、最終的な和周波として193nm光を得る。
【００４４】また、和周波発生のための非線型光学結晶
として、ここではＢＢＯ（β−BaB2O4）を用いた場合の
例を説明したが、その代わりに、Sr2Be2B2O7やKBe2B3O2
を用いてもよい。これらの結晶のほうが、193nmでの光
の吸収が小さいので高出力が見込まれ、また損傷も少な
い。
【００４５】［第２の実施形態］本発明による紫外レー
ザ装置の第２の実施形態における構成例を、図１に掲げ
る。本実施形態においても、上記第１の実施形態と基本
原理は同じであるが、レーザおよび共振器の配置が異な
る。
【００４６】図１において、レーザ１３はチタン・サフ
ァイアレーザを励起するレーザであり、上記図２の２３
と同じものである。
【００４７】また、レーザ媒体であるチタン・サファイ
ア１５は、２５と同じである。
【００４８】チタン・サファイアレーザの共振器１４
は、141, 142, 143, 123の４枚の平面または曲面の反射
鏡で構成される。本実施形態では、123の反射鏡を後述
する266nmの共振器１２と共有している。ここで、141,
142, 143の反射鏡は241, 242, 243と同性能である。123
の反射鏡は、708nm光と266nm光に対して、どちらも高反
射（反射率99.9%以上）であり、193nmの光を十分に透過
する（透過率80%以上）ものである。
【００４９】また、上記第１の実施形態と同様に、図不
示の光ダイオードと複屈折フィルター、エタロンが共振
器中に組み込まれている。このため、上記第１の実施形
態と同じ様に、共振器１４の中には、約30Wの707nmの光
が循環すると見込まれる。
【００５０】第２のレーザ１１は上記第１の実施形態の
レーザ２１と同じで、266nmの連続光（パワー1W）を発
生する。
【００５１】第２の共振器として機能する266nmの共振
器１２は、121, 122, 123, 124の４枚の平面または曲面
の反射鏡で構成される。レーザ光の入射する121の反射
鏡は、上記図２の反射鏡221と同様のものである。反射
鏡122と124は、266nm光に対しては高反射（反射率99.9%
以上）であるが、707nm光に対しては高透過（透過率99.
7%以上）である。反射鏡123は、前述したように、707nm
の共振器１４と266nmの共振器１２で共有している。
【００５２】上記第１の実施形態と同じ様に、共振器１
２には、入射される266nmのレーザ光に同調するよう
に、FMサイドバンド法によるサーボ制御がかけられてい
る。共振器１２の中には約50Wの266nmの光が循環すると
見込まれる。
【００５３】707nmの共振器１４と266nmの共振器１２と
では、反射鏡122から123までと、反射鏡123から124まで
が共有される光路となる。
【００５４】本実施形態では、この反射鏡122から123ま
での光路中に、和周波発生用の非線形光学結晶ＢＢＯ
（図中16）が配置されている。非線型光学結晶１６は、
上記図２の２６と同じものであり、上記第１の実施形態
と同様に、Sr2Be2B2O7やKBe2B3O2を代わりに用いること
もできる。
【００５５】本実施形態においても、上記第１の実施形
態と同様に、和周波発生による193nmのパワーとして、7
5mW程度の発生が予想される。そのレーザ光が、反射鏡1
23を透過する際に、透過率（80%以上）の影響を受け
て、約60mWの193nm出力１７が発生されることになる。
【００５６】［第３の実施形態］本発明による紫外レー
ザ装置の第３の実施形態における構成例を図３に示す。
【００５７】本実施形態は、上記第２の実施形態のチタ
ン・サファイアレーザ（波長７０７ｎｍ）を、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザ（波長1064nm）に置き換えたものである。そ
れに伴い、レーザ結晶がチタン・サファイア結晶１５か
ら、Nd:YAG結晶３５に置き換えられている。最終的に得
られる波長も213nmとなる。
【００５８】また、上記第２の実施形態の励起用のレー
ザが500nm付近のレーザ光を発生するレーザ１３の代わ
りに、808nm付近のレーザ光を発生するレーザダイオー
ドアレイ３３１、３３２が用いられている。その出力は
レーザダイオードアレイ３３１と３３２の合計で20Wで
ある。励起方式もエンドポンプ式からサイドポンプ式に
なっている。これによって、共振器３４の内部を循環す
る1064nmのパワーは200W程度になる。
【００５９】上記第２の実施形態と同様に、共振器３４
の内部には、光の循環方向を一方向に限定する図不示の
光ダイオードと複屈折フィルターとエタロンが設置され
ている。なお、Nd:YAGの発振波長幅が狭いので、複屈折
フィルターは省くこともできる。
【００６０】本実施形態におけるすべての反射鏡の性能
は、上記第２の実施形態において対応する反射鏡の707n
m光における反射率、透過率の性能を、1064nm光におけ
る反射率、透過率としたものである。266nm光に対する
性能は変わらない。
【００６１】266nmの共振器３２の機能は、上記第２の
実施形態の共振器２２と同じである。
【００６２】和周波発生を行うＢＢＯ結晶のカット方向
は、光軸が結晶軸を基準とした座標において約θ＝51°
である。これは1064nm光と266nm光の和周波発生を行
い、213nm光を発生することに位相整合する角度であ
る。
【００６３】ＢＢＯでの和周波発生出力P213は、1064nm
のパワーをP1064、266nmのパワーをP266とすると、 P213 ＝ ηP1064P266 で与えられる。ここで、ηはビーム径や結晶の長さによ
って与えられる変換効率でη＝1×10-4W-1程度の値を取
る。今回の場合は、P1064 = 200W、P266 = 50Wであるの
で、P213 = 1W = 1000mWの213nmの光がＢＢＯ結晶で発
生すると見込まれる。この213nm光は323の反射鏡を透過
する際に、その透過率（80%以上）の影響を受け、最終
的には800 mW程度の213nm出力３７を得ることになる。
【００６４】［第４の実施形態］本発明による紫外レー
ザ装置の第４の実施形態の構成例を図４に示す。
【００６５】本実施形態では、１つの連続波発生レーザ
とＳＢＢＯ結晶とを利用して、193nm付近およびそれよ
りも短波長の光を、より簡単な構成で発生する紫外レー
ザ装置を提供する。
【００６６】本図において、４１は波長500nm付近のレ
ーザ光を発生する励起レーザであり、チタン・サファイ
ア結晶４３を励起する。励起レーザ４１の出力は5Wであ
る。このレーザは、アルゴンイオンレーザでも良いし、
Nd:YAGレーザの２倍波（532nm）や、Nd:YVO4レーザの２
倍波（532nm）でもよい。
【００６７】４枚の平面または曲面の反射鏡421, 422,
423, 424からなるリング共振器４２は、チタン・サファ
イア結晶の発生する772nmの光を共振させ、強いパワー
の772nmの光を内部に循環させる。反射鏡421, 422, 42
3, 424は772nmの光に対しては高反射（反射率99.9%以
上）である。このうち反射鏡421は、その条件に加え
て、波長500nm付近の励起光を高透過（透過率95%以上）
させる。また、反射鏡423は、波長386nmの光に対して90
%以上の透過率を持つ。このレーザ共振器４２の内部を
循環する772nmの光のパワーは50Wと推測される。
【００６８】共振器４２は、上記各実施形態と同様に、
図不示の光ダイオードと複屈折フィルター、エタロンを
含んでおり、光の循環方向を一方向に限定するほか、発
振波長の選択と、縦モードの選択を行っている。
【００６９】共振器４２中におかれた２倍波発生用の非
線形光学結晶ＬＢＯ（LiB3O5）（図中４４）によって、
772nmの光は、386nmの光に変換される。変換されて出力
された光のパワーは250mWと推測される。
【００７０】この386nm光は、反射鏡424を透過し共振器
４５に入射する。共振器４５は、この386nm光に同調す
るように、図不示のサーボ制御回路で制御されるものと
する。制御方法にはFMサイドバンド法を用いる。
【００７１】共振器４５は、４枚の平面または曲面の反
射鏡451, 452, 453, 454で構成される。451は386nmの光
に対して約99%の反射率と約1%の透過率を持つ部分反射
鏡で、452, 453, 454は386nmの光に対して高反射（反射
率99.9%以上）の反射鏡である。さらに、反射鏡454は19
3nmの光に対して80%以上の透過率を持つ。共振器４５中
では、386nm光が循環し、そのパワーは25W程度になると
推測される。
【００７２】本実施形態では、この共振器４５中に、２
倍波発生用のSr2Be2B2O7結晶４６が設置されており、38
6nm光から193nm光を発生させる。発生されたレーザ光
は、もとの772nm光から考えると４倍波である。この４
倍波のパワーは50mW程度と予想される。この193nmの光
は、透過率80%以上の反射鏡454を透過して、40mW程度の
193nmの光４７として、外部に取り出される。
【００７３】ここで、Sr2Be2B2O7結晶の代わりに、KBe2
B3O2結晶を用いる構成としてもよい。β−BaB2O4結晶は
２倍波発生の形式では、205nmより短い波長の変換には
使えないので193nmの発生はできない。しかし、本実施
形態で、β−BaB2O4結晶を用いた場合には、205nmより
長い波長の発生が可能となる。
【００７４】［第５の実施形態］本発明の第５の実施形
態として、上記第１から第４の実施形態のいずれかによ
る紫外レーザ装置を光源として用いた、露光機のレンズ
収差測定用のフィゾー干渉計の構成例を、図５を参照し
て説明する。
【００７５】上記実施形態のいずれかによる紫外レーザ
装置を利用した光源であるレーザ５１からでた光は、ビ
ームエクスパンダ５２により、ビーム径を拡大され、そ
ののち、ハーフミラー５３によって下方に折り曲げられ
る。
【００７６】ビーム光の一部は、参照面となるハーフミ
ラー５４によって反射され、上方に戻り、ハーフミラー
５３を透過し、参照光として観察用カメラ５７に入射す
る。
【００７７】一方、参照面ミラー５４を透過した光は被
測定レンズ５５を透過したのち、反射鏡５６によって折
り返され、再び被測定レンズ５５を透過した後、参照面
ミラー５４、ハーフミラー５３を透過して、測定光とし
て観察用カメラ５７に入射する。
【００７８】カメラの撮像面上で、上述した参照光と測
定光とから、被測定レンズの収差が測定される。収差測
定をする際には、例えば、参照光路の光路長を１波長程
度変化させて、干渉縞の変化を観察する方法を採ること
がしばしば行われる。
【００７９】本実施形態によれば、時間コヒーレンスお
よび空間コヒーレンスの高い、しかも大出力の193nm光
等を発生する紫外レーザ装置を光源として用いた、フィ
ゾー干渉計を提供することができる。
【００８０】［第６の実施形態］図６は、上述した本発
明の各実施の形態のレーザ光源を用いた投影露光装置の
概略構成図である。
【００８１】図６に示した投影露光装置は、先に説明し
た第１〜４の実施の形態である紫外レーザ装置を用いた
レーザ光源６１と、レーザ光源６１から射出された光を
拡散させるための回転拡散板６２と、レーザ光源６１か
らの光を下方のフライアイレンズ（またはインテグレー
タレンズ）６５に照射させるための反射板６４と、フラ
イアイレンズ６５と、照明レンズ系６６と、露光パター
ンが描画されたマスク６７を設置するためのマスク支持
部６７１と、マスク６７に描画されたパターンを半導体
基板（またはウェハー）６９１上に結像させるための対
物レンズ６８と、基板６９１を載置するための移動ステ
ージ６９２とを備えている。そして、回転拡散板６２
は、図示されていない拡散板回転装置によって回転する
ことができる。また、移動ステージ６９２は、移動ステ
ージ６９２を支持する移動ステージ支持部６９３と、移
動ステージを駆動するためのステージ駆動部６９５と、
ステージ駆動部６９５で発生した動力を移動ステージ支
持部６９３に伝達するための伝達部材６９４とによっ
て、移動可能となっている。
【００８２】この投影露光装置では、レーザ光源６１か
らでたビームを回転拡散板６２に当て、ビームを拡散す
る。拡散板が回転移動し、拡散板上のビーム位置が変化
することにより、拡散された光の強度分布や位相分布が
変化する。これによってマスクパターンを照射時に生ず
るスペックルを常時変化させて、露光時間中に平均化さ
せることによってスペックルによる悪影響（照度ムラ）
を除去する。この拡散板は、スペックル除去を完全にす
るために２枚にすることもできる。その場合、一方は固
定拡散板にしても良い。両方を異なる方向に動かしても
よい。
【００８３】この拡散光をレンズ６３でほぼ並行ビーム
の状態にしてから、フライアイレンズ６５に入射する。
フライアイレンズ６５では、ビームの強度の均一化が行
われ、複数のレンズよりなる照明レンズ系６６によって
マスク（またはレチクル）６７を照明する。
【００８４】照明されたマスク６７上の回路パターン
は、投影レンズ６８によって半導体基板（またはウェハ
ー）６９１に所定の倍率（１倍〜１／５倍）で縮小投影
される。基板６９１は移動ステージ６９２上に置かれて
おり、ステージの移動によってステップ・アンド・リピ
ートや、マスク支持部６７１にマスク６７を移動させる
ための移動機構を設けることで、マスクとの同期した移
動によってスキャン露光が行われる。
【００８５】本発明のレーザ光源は、１９３ｎｍや２１
３ｎｍの連続波の紫外光を発生するために、エキシマレ
ーザの場合に問題となっていた、強いパルスによって生
ずる照明レンズ系や投影レンズの光損傷を避けることが
できる。
【００８６】また、エキシマレーザでは必要であったガ
ス交換やウィンドウ交換が必要なくなるために、半導体
製造におけるスループットを向上させることができる。
【００８７】［第７の実施形態］上述した第１、第２お
よび第４の実施形態によるレーザ装置は、チタン・サフ
ァイアレーザを用いている。チタン・サファイアレーザ
は、650nmから1100nmの範囲内で１波長を発振させる。
そのためにレーザ共振器中に複屈折フィルターを挿入
し、その回転角度を制御することで波長選択を行う。
【００８８】チタン・サファイアレーザの発振波長を変
化させた場合、和周波発生用の結晶１６や２６、あるい
は高調波発生のための波長変換結晶４４、４６は、光軸
に対する入射角をかえて、位相整合条件を保つ必要があ
る。また、この位相整合角は、結晶に入射する光の波長
と、発生させる光の波長が決まると定まる。
【００８９】本実施形態では、波長選択のための複屈折
フィルターの回転角を検出し、その角度に応じて、波長
変換結晶の角度を位相整合のために制御する。本実施形
態の構成例を図７、図８を参照して説明する。
【００９０】図７では、図１で示される第２の実施形態
のチタン・サファイアレーザに、本実施形態を適用して
いる。共振器中に挿入された複屈折フィルター７１は、
それを回転軸のまわりに回転させることでレーザ発振の
波長を選択する。
【００９１】さらに、エンコーダー７２によってこの複
屈折フィルター７１の回転角を読みとり、その値によっ
てコントローラー７３が、レーザの発振波長を求め、こ
の求めた発振波長に対して最適な波長変換結晶（ＢＢＯ
またはSr2Be2B2O7）の角度を算出し、回転ステージ７４
上におかれた波長変換結晶１６の角度を制御して、和周
波光（１９３ｎｍ）のパワーを最大にする。
【００９２】ここで、複屈折フィルターの回転角は、望
みの波長になるように手動で制御させても、コントロー
ラー７３からアクチュエーター（図不示）によって動か
してもよい。
【００９３】また、この共振器中の光路には図不示のエ
タロンと光ダイオードが挿入されており、エタロンによ
って発振の縦モードを１本に制限し、光ダイオードによ
って光の伝搬方向を１方向に制限している。
【００９４】また、出力光１７の一部をビームスプリッ
ター７５で分岐させて、該分岐光の光強度を検出器７６
で電気信号に変え、和周波光（１９３ｎｍ）の出力をモ
ニターさせ、その出力が最大になるように、コントロー
ラー７３を通して波長変換結晶１６の載った回転ステー
ジ７４の微調整を行うよう構成してもよい。
【００９５】また、図８に示すように、上記図４で示さ
れる第４の実施形態のチタン・サファイアレーザ部分４
２に、本実施形態を適用してもよい。ここで、複屈折フ
ィルター７１、エンコーダ７２、コントローラー７３、
回転ステージ７４等は、図７と同一である。
【００９６】図８の構成例では、波長変換結晶４４はＬ
ＢＯであり、チタン・サファイア結晶４３の発生する77
2nm付近の光を386nm付近の光に変換している。それに応
じて、ビームスプリッター７５と検出器７６は、386nm
に適したものを選択するものとする。なお、ここでも上
記図７と同様に、図不示のエタロンと光ダイオードが挿
入されている。
【００９７】同様に、193nm付近の光を発生する結晶４
６の角度をコントローラ７３から調整することも可能で
ある。
【００９８】
【発明の効果】本発明によれば、コヒーレンスが高い、
高出力の193nmの連続波レーザを発生することができる
紫外レーザ装置が実現されると共に、該紫外レーザ装置
をフィゾー干渉計の光源として用いることにより、193n
mにおける波面収差測定が容易になる。また、同様に、2
13nmにおける波面収差測定も容易になる。
【００９９】さらに、本発明によれば、193nm、213nmの
露光機用光源として利用できる紫外レーザ装置を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第２の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図４】 本発明の第４の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図６】 本発明の第６の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図７】 本発明の第７の実施形態の構造例を表す説明
図である。
【図８】 本発明の第７の実施形態の他の構造例を表す
説明図である。
【符号の説明】
１１：266nmレーザ １２：266nm共振器 １２１、１２２、１２３、１２４：反射鏡 １３：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ １４：チタン・サファイアレーザ（波長707nm）共振器 １４１、１４２、１４３：反射鏡 １５：チタン・サファイア結晶 １６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） １７：193nm光 ２１：266nmレーザ ２２：266nm共振器 ２２１、２２２、２２３、２２４：反射鏡 ２３：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ ２４：チタン・サファイアレーザ（波長707nm）共振器 ２４１、２４２、２４３、２４４：反射鏡 ２５：チタン・サファイア結晶 ２６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） ２７：193nm光 ３１：266nmレーザ ３２：266nm共振器 ３２１、３２２、３２３、３２４：反射鏡 ３３１、３３２： Nd:YAGレーザ励起用レーザダイオー
ドアレイ ３４：Nd:YAGレーザ（波長1064nm）共振器 ３４１、３４２、３４３：反射鏡 ３５：Nd:YAG結晶 ３６：非線形光学結晶（ＢＢＯ） ３７：213nm光 ４１：チタン・サファイアレーザ励起用レーザ ４２：チタン・サファイアレーザ（波長772nm）共振器 ４２１、４２２、４２３、４２４：反射鏡 ４３：チタン・サファイア結晶 ４４：非線形光学結晶（ＬＢＯ） ４５：386nm共振器 ４５１、４５２、４５３、４５４：反射鏡 ４６：非線形光学結晶（Sr2Be2B2O7） ５１：193nm連続波レーザ ５２：ビームエクスパンダ ５３：ハーフミラー ５４：参照面用ハーフミラー ５５：被測定レンズ ５６：反射鏡 ５７：カメラ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】和周波発生を行う紫外レーザ装置におい
    て、 第１のレーザ光を発生させる第１のレーザ光発生源およ
    び該第１のレーザ光を共振させる第１の共振器と、 第２のレーザ光を発生させる第２のレーザ光発生源およ
    び該第２のレーザ光を共振させる第２の共振器とを備
    え、 前記第１および第２の共振器は、一部の光路が共有配置
    されるものであって、該共有光路中に設置される和周波
    発生のための非線形光学結晶を備えることを特徴とする
    紫外レーザ装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の紫外レーザ装置におい
    て、 前記第１のレーザ光発生源として、650nmから1100nm付
    近のレーザ光を発生するチタン・サファイアレーザを用
    い、 前記第２のレーザ光発生源として、260nm付近のレーザ
    光を少なくとも発生する希土類イオンを含む固体レーザ
    を用い、 前記和周波発生により、180nmから215nm付近のレーザ光
    を発生させることを特徴とする紫外レーザ装置。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の紫外レーザ装置におい
    て、 前記チタン・サファイアレーザの波長を707nm付近と
    し、 前記第２のレーザ光としてNd固体レーザを用い、該Nd固
    体レーザが発する1064nm付近のレーザ光から発生させた
    ４倍波の266nm付近のレーザ光を用い、 前記和周波発生によりArFレーザと同じ波長の193nmから
    194nm付近の連続レーザ光を発生させることを特徴とす
    る紫外レーザ装置。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の紫外レーザ装置におい
    て、 前記第１のレーザとして1064nm付近を発生するNd固体レ
    ーザを用い、 前記第２のレーザとしてNd固体レーザを用い、該Nd固体
    レーザの発する1064nm付近のレーザ光から発生させた４
    倍波の266nm付近のレーザ光を用い、 前記和周波発生により213nmのレーザ光を発生させるこ
    とを特徴とする紫外レーザ装置。
  5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の紫外レ
    ーザ装置において、 前記非線形光学結晶として、β−BaB2O4を用いることを
    特徴とする紫外レーザ装置。
  6. 【請求項６】請求項１乃至４のいずれかに記載の紫外レ
    ーザ装置において、 前記非線形光学結晶として、Sr2Be2B2O7またはKBe2B3O2
    を用いることを特徴とする紫外レーザ装置。
  7. 【請求項７】波長650nmから1100nmの連続光を循環す
    る、チタン・サファイアレーザのリング共振器中に第１
    の非線形光学結晶を配置し、325nmから550nmのレーザ光
    を発生させ、 前記発生したレーザ光を前記リング共振器外にとりだし
    た後、325nmから550nmの波長の連続光に共鳴し、該連続
    光を循環させる第２の共振器へ入射させ、 前記第２の共振器中に置いた第２の非線形光学結晶によ
    って、162nmから225nm付近の連続光を発生させることを
    特徴とする紫外レーザ装置。
  8. 【請求項８】波長772nm付近の連続光を循環するチタン
    ・サファイアレーザのリング共振器中に第１の非線形光
    学結晶を配置して、386nm付近のレーザ光を発生させ、 前記386nm付近の連続光を前記リング共振器外にとりだ
    した後、386nm付近の波長の連続光に共鳴し該連続光を
    循環させる第２の共振器へ入射させ、 前記第２の共振器中に設けた第２の非線形光学結晶によ
    って、ArFレーザと同じ波長の193nm付近の連続光を発生
    させることを特徴とする紫外レーザ装置。
  9. 【請求項９】請求項７または８に記載の紫外レーザ装置
    において、 前記第１の非線形光学結晶として、LiB3O5を用いること
    を特徴とする紫外レーザ装置。
  10. 【請求項１０】請求項７または８に記載の紫外レーザ装
    置において、 前記第２の非線形光学結晶として、β−BaB2O4、 Sr2Be
    2B2O7およびKBe2B3O2のうちいずれかを用いることを特
    徴とする紫外レーザ装置。
  11. 【請求項１１】被測定レンズの収差測定を行うレンズ収
    差測定装置において、 測定用レーザ光を発生するレーザ光源と、 前記レーザ光源からのレーザ光の一部を参照光とし、他
    の一部を被測定レンズを透過させて測定光とし、これら
    測定光および参照光を干渉させるための光学系とを備
    え、 前記レーザ光源として、請求項１乃至１０のうちいずれ
    かに記載の紫外レーザ装置を用いることを特徴とするレ
    ンズ収差測定装置。
  12. 【請求項１２】マスク上に形成された所定のパターンを
    ウエーハに投影するための半導体製造用露光装置におい
    て、 レーザ光を発生するレーザ光源と、 前記マスク上のパターンが投影されるように、前記レー
    ザ光源で発生されたレーザ光を前記マスクに照射させ
    て、前記マスクの像を前記ウエーハへ導く光学系とを備
    え、 前記レーザ光源として、請求項１乃至１０のうちいずれ
    かに記載の紫外レーザ装置を用いることを特徴とする半
    導体製造用露光装置。
  13. 【請求項１３】請求項１乃至１０のいずれかに記載の紫
    外レーザ装置において、 前記２つのレーザ光のうち少なくとも一方の波長変化に
    連動させて、前記和周波発生のための非線形光学結晶の
    位相整合角を変化させる位相整合角変化手段をさらに備
    えることを特徴とする紫外レーザ装置。
  14. 【請求項１４】請求項１３に記載の紫外レーザ装置にお
    いて、 前記和周波発生されたレーザ光の強度を検出する検出手
    段をさらに備え、 前記波長変化するレーザ光はチタン・サファイアレーザ
    から発生され、 前記位相整合角変化手段は、前記検出手段の検出結果に
    応じて微調整されることを特徴とする紫外レーザ装置。
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