KR100819239B1 - 자외 레이저 장치, 레이저 장치, 노광 장치와 노광 방법, 디바이스 제조 방법, 자외광 조사 장치, 물체 패턴 검출 장치, 자외광 조사 방법 및 물체 패턴 검출 방법 - Google Patents

자외 레이저 장치, 레이저 장치, 노광 장치와 노광 방법, 디바이스 제조 방법, 자외광 조사 장치, 물체 패턴 검출 장치, 자외광 조사 방법 및 물체 패턴 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명으로 되는 자외 레이저 장치는 적외 영역에서 가시 영역까지의 파장 범위내에서 단일 파장의 펄스 레이저광을 발생시키는 단일 파장 발진 레이저를 갖는 레이저광 발생부, 레이저광 발생부에 의해서 발생된 펄스 레이저광을 증폭하는 파이버 광 증폭기를 갖는 광 증폭기 및 증폭된 펄스 레이저광을 비선형 광학 결정을 이용하여 자외광으로 파장 변환하는 파장 변환부를 구비하고, 단일 파장의 자외광을 발생하는 것을 특징으로 하고, 또 본 발명으로 되는 노광 장치는 마스크의 패턴상을 기판상에 전사하는 노광 장치에 있어서, 단일 파장의 펄스 레이저광을 사출하는 레이저 장치, 펄스 레이저광을 증폭하는 제 1 파이버 광 증폭기, 증폭된 펄스 레이저광을 복수로 분기하는 광 분기 장치, 복수의 분기광을 각각 증폭하는 제 2 파이버 광 증폭기를 갖는 광원 및 광원에서 사출되는 펄스 레이저광을 노광 장치로 전송하는 전송 광학계를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

자외 레이저 장치, 레이저 장치, 노광 장치와 노광 방법, 디바이스 제조 방법, 자외광 조사 장치, 물체 패턴 검출 장치, 자외광 조사 방법 및 물체 패턴 검출 방법{ULTRAVIOLET LASER APPARATUS AND EXPOSURE APPARATUS COMPRISING THE ULTRAVIOLET LASER APPARATUS}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자, 액정 표시 소자, 촬상 소자(CCD 등) 및 박막 자기 헤드 등의 마이크로 디바이스를 제조하는 포토리소그래피 공정에서 사용되는 노광 장치용 광원과 같이, 저 코히어런스이며 스페클의 발생을 억제할 수 있는 자외광을 발생하는 것이 가능한 레이저 장치 및 이러한 자외 레이저 장치를 이용한 노광 장치에 관한 것이다.
정보기기의 진보에 따라 반도체 집적 회로에는 기능의 충실, 기억 용량의 향상, 소형화 등이 요구되고 있고, 그것을 위해서는 집적 회로의 집적도를 향상시킬 필요가 있다. 이 집적도를 향상시키기 위해서는 개개의 회로 패턴을 작게 하면 좋은 것이지만, 회로의 최소 패턴 치수는 일반적으로는 제조 과정에서 사용되는 노광 장치의 성능에 따라서 결정된다.
광 리소그래피에 의한 노광 장치는 포토 마스크상에 정밀하게 묘화된 회로 패턴을 포토 레지스트를 도포한 반도체 웨이퍼상에 광학적으로 축소 투영하여 전사한다. 이 노광시에 있어서의 웨이퍼상에서의 최소 패턴 치수(해상도) R은 노광 장치에 의해 투영하기 위해 이용하는 광원의 파장 λ, 투영 광학계의 개구수 NA에 의해서 다음의 수학식 1로, 또 초점심도 DF는 다음의 수학식 2로 표시된다.
R=K·λ/NA
Figure 112000019118408-pct00001
상기 수학식 1에서 명확한 바와 같이, 최소 패턴 치수 R을 작게 하기 위해서는 이 정수 K를 작게 하는 방향, 개구수 NA를 크게 하는 방향, 그리고 투영하는 광원의 파장 λ를 작게 하는 방향의 3방향이 있다는 것을 알 수 있다.
여기서, 정수 K는 투영 광학계나 프로세스에 따라서 결정되는 정수로서, 통상 0. 5∼0. 8 정도의 값을 취한다. 이 정수K를 작게 하는 방법은 넓은 의미에서의 초해상 기술이라 불리고 있다. 지금까지 투영 광학계의 개량, 변형 조명, 위상 시프트 마스크법 등이 제안되고 연구되어 왔다. 그러나, 적용할 수 있는 패턴에 제한이 있는 등의 난점이 있었다. 한편, 개구수 NA는 수학식 1에서 그의 값이 클수록 최소 패턴 치수 R을 작게 할 수 있지만, 이러한 것은 동시에 수학식 2에서 명확한 바와 같이 초점심도가 얕게 되어 버리는 것을 의미한다. 이 때문에, NA값은 크게 하는 데에도 한계가 있고, 통상은 이들 양자의 균형의 점에서 0. 5∼0. 6 정도가 적당한 것으로 되어 있다.
따라서, 최소 패턴 치수 R을 작게 하는데 가장 단순하고 또한 유효한 방법은 노광에 이용하는 광의 파장 λ를 짧게 하는 것이다. 여기서, 단파장화의 실현에 맞게 노광 장치의 광원을 만드는 데에 있어서 구비해야 될 조건이 몇 가지 있다. 이하, 이들 조건에 대해서 설명한다.
제 1 조건으로서, 수 와트(W)의 광 출력이 요구된다. 이것은 집적 회로 패턴의 노광, 전사에 필요로 되는 시간을 짧게 유지하기 위해서 필요하다.
제 2 조건으로서, 파장 300㎚ 이하의 자외광인 경우에는 노광 장치의 렌즈로서 사용할 수 있는 재료가 한정되어 색수차의 보정이 어렵게 되어 버린다. 이 때문에, 광원의 단색성이 필요하고, 스펙트럼의 선폭은 1pm이하로 하는 것이 요구된다.
제 3 조건으로서, 이 스펙트럼 선폭의 협대역화에 따라서 시간적 코히어런스(간섭성)가 높아지기 때문에, 좁은 선폭의 광을 그대로 조사하면 스페클이라 불리는 불필요한 간섭 패턴이 생긴다. 따라서, 이 스페클 발생을 억제하기 위해서, 광원에서는 그의 공간적 코히어런스를 저하시킬 필요가 있다.
이들 조건을 만족시키고 또한 고해상도를 실현하기 위해서 노광 광원의 단파장화에 대해 많은 개발이 이루어져 왔다. 지금까지 검토되어 온 단파장화의 방향은 주로 다음의 2종으로 대별된다. 그 중의 하나는 레이저의 발진 파장 자신이 단파장인 엑시머 레이저의 노광 장치로의 적용 개발이며, 또 하나는 적외 또는 가시광 레이저의 고조파 발생을 이용한 단파장 노광 광원의 개발이다.
이 중 전자의 방법을 이용하여 실용화된 단파장 광원으로서는 KrF 엑시머 레 이저(파장 248㎚)가 사용되고 있고, 현재에는 더욱 단파장의 광원으로서 ArF 엑시머 레이저(파장 193㎚)를 사용하는 노광 장치의 개발이 진행되고 있다. 그러나, 이들의 엑시머 레이저는 대형인 것, 1 펄스당의 에너지가 큰 것에 의해 광학부품의 손상이 발생하기 쉬운 것, 유독한 불소 가스를 사용하기 때문에 레이저의 유지보수가 번잡하고 또한 비용이 고액으로 되는 것 등 각종 문제가 있었다.
또한, 후자의 방법으로서는 비선형 광학 결정의 2차 비선형 광학 효과를 이용하여 장파장의 광(적외광, 가시광)을 더욱 단파장의 자외광으로 변환하는 방법이 있다. 예를 들면,「Longitudinally diode pumped continuous wave 3. 5W green laser (L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiechmann and S. Kubota, Optics Letters, vol.19(1994), p 189)」에서는 반도체 여기의 고체 레이저로부터의 광을 파장 변환하는 레이저 광원이 개시되어 있다. 이 종래 예에서는 Nd:YAG 레이저가 발사하는 1064㎚의 레이저광을 비선형 광학 결정을 이용하여 파장 변환하고, 4배 고조파의 266㎚의 광을 발생시키는 방식이 기재되어 있다. 또한, 고체 레이저라는 것은 레이저 매질이 고체인 레이저의 총칭이다. 따라서, 넓은 의미로는 반도체 레이저도 고체 레이저에 포함되지만, 통상은 고체 레이저라고 하면, 예를 들면 Nd:YAG 레이저나 루비 레이저와 같이 광에 의해서 여기되는 고체 레이저인 것을 지칭한다. 여기서도 그와 같이 구별한다.
또, 고체 레이저를 이용하여 노광 장치의 광원으로 한 예에서는 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부 및 이 레이저광 발생부로부터의 광을 자외광으로 파장 변환하는 파장 변환부로 구성되는 레이저 요소를 복수 매트릭스 형상으로 묶은 어레이 레이저가 제안되어 있다. 예를 들면, 일본 특허 공개 공보 평성 제 8-334803 호에서는 반도체 레이저를 구비한 레이저광 발생부로부터의 광을 파장 변환부에 마련한 비선형 광학 결정에 의해 파장 변환하고, 자외광을 발생시키는 하나의 레이저 요소를 복수 매트릭스 형상(예를 들면, 10×10)으로 묶어 하나의 자외 광원으로 하는 어레이 레이저의 예가 개시되어 있다.
상기와 같은 구성의 어레이 레이저에서는 각각 독립된 레이저 요소를 복수 묶는 것에 의해서, 개개의 레이저 요소의 광 출력을 낮게 억제하면서 장치 전체의 광 출력을 고출력으로 할 수 있다. 이 때문에, 비선형 광학 소자로의 부담을 경감시킬 수 있다. 그러나, 한편으로는 개개의 레이저 요소가 독립되어 있기 때문에, 노광 장치로의 적용을 고려한 경우에는 레이저 요소 전체에서 그의 발진 스펙트럼을 일치시킬 필요가 있다. 예를 들면, 개개의 레이저 요소에 대해 그의 발진 스펙트럼 선폭이 1pm 이하이더라도, 복수의 레이저 요소 전체에서 상호의 파장의 차가 3pm이면 안되고 전체폭에서 1pm 이하로 할 필요가 있다.
이를 위해서는, 예를 들면 각 레이저 요소에 자율적으로 동일 파장의 단일 종(縱)모드 발진을 시키기 위해서는 각각의 레이저 요소의 공진기 길이를 조정하거나 또는 공진기 중에 파장 선택 소자를 삽입할 필요가 있다. 그러나, 이들 방법은 그의 조정이 미묘한 것, 구성할 레이저 요소가 많아지면 많아질 수록 전체를 동일 파장으로 발진시키는 데 복잡한 구성이 필요하게 되는 것 등의 문제가 있다.
한편, 이들 복수의 레이저를 능동적으로 단일 파장화하는 방법으로서 인젝션시드(injection seed)법이 잘 알려져 있다(예를 들면, Walter Koechner에 의한 Solid-state Laser Engineering, 3rd Edition, Springer Series in Optical Science, Vo1.1, Springer-Verlag, ISBN 0-387-53756-2, p 246-249). 이것은 발진 스펙트럼 선폭이 좁은 단일의 레이저 광원으로부터의 광을 복수의 레이저 요소로 분기시키고, 이 레이저광을 유도파로서 이용하는 것에 의해 각 레이저 요소의 발진 파장을 동조시키고 또한 스펙트럼 선폭을 협대역화한다고 하는 방법이다. 그러나, 이 방법에서는 시드광을 각 레이저 요소로 분기시키는 광학 회로나 발진 파장의 동조 제어부를 필요로 하기 때문에 구조가 복잡하게 된다고 하는 문제가 있다.
또한, 이러한 어레이 레이저는 종래의 엑시머 레이저에 비해 장치 전체를 각별히 작게 하는 것이 가능하지만, 그래도 어레이 전체의 출력빔계를 수 센티미터 이하로 억제하는 패키징은 곤란하다. 또, 이와 같이 구성된 어레이 레이저에서는 각 어레이마다 파장 변환부가 필요하게 되기 때문에 고가로 되는 것, 어레이를 구성하는 레이저 요소의 일부에 얼라인먼트(정렬) 어긋남이 발생한 경우나 구성할 광학 소자에 손상이 발생한 경우에 이 레이저 요소의 조정을 하기 위해서는 한번 어레이 전체를 분해하여 이 레이저 요소를 꺼내고 조정한 후에 다시 어레이를 재조립할 필요가 있는 것 등의 과제가 있다.
본 발명은 상기 각 기술의 문제점, 예를 들면, 노광 장치의 자외 광원으로서 엑시머 레이저를 이용한 경우에 생기는 문제로서 장치의 대형화, 유독한 불소 가스의 사용, 유지보수의 번잡함과 고가 등이라는 모든 문제나 노광 장치의 자외 광원으로서, 예를 들면 Nd:YAG 레이저 등과 같은 고체 레이저의 고조파를 이용한 경우에 고려되는 비선형 광학 결정의 손상이나 공간적 코히어런스의 증가에 수반하는 스페클 발생 등의 문제, 또 노광 장치의 자외 광원으로서 자외광을 발생하는 복수의 레이저 요소를 매트릭스 형상으로 묶은 어레이 레이저를 이용한 경우에 고려되는 동조기구를 포함한 구조의 복잡함이나 출력빔 직경 소형화의 곤란함, 유지보수의 번잡함 등의 문제를 고려해서 이루어진 것이다.
즉, 본 발명의 목적은 노광 장치의 광원으로서 충분히 협대역화된 단일 파장의 자외광을 공간적 코히어런스가 낮은 자외광 출력으로서 안정적으로 발생할 수 있고, 아울러 콤팩트하고 취급이 용이한 자외 레이저 장치를 제공하는 것이다. 또, 이러한 소형이며 취급이 용이한 자외 레이저 장치를 광원으로서 이용한 콤팩트하고 자유도가 높은 노광 장치를 제공하는 것이다.
발명의 개시
상기 목적은 단일 파장의 광을 발생하는 레이저광 발생부, 상기 발생한 레이저광을 증폭하는 파이버 광 증폭기를 갖는 적어도 1단의 광 증폭기 및 상기 광 증폭기에 의해서 증폭된 광을 비선형 광학 결정에 의해 자외광으로 파장 변환하는 파장 변환부에 의해 구성하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치에 의해 달성된다.
더욱 구체적으로는, 레이저광 발생부에는 협대역화된 단일 파장 발진 레이저(예를 들면, 실시예에 있어서의 DFB 반도체 레이저(31) 등)를 구비하고, 이 단일 파장의 레이저광을 파이버 광 증폭기(예를 들면, 실시예에 있어서의 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기 등(33, 34) 등)에 의해서 증폭하고, 이 파이버 증폭기로부터의 출력광을 비선형 광학 결정(예를 들면, 실시예에 있어서의 (503∼505) 등)을 이용한 파장 변환부에 의해서 자외광(예를 들면, 파장 193㎚나 157㎚의 자외광)으로 변환하는 구성으로 한다. 본 발명의 목적으로 하는 콤팩트한 구성이고 취급이 용이한 단일 파장의 자외광을 발생시키는 자외 레이저를 제공하는 것이다.
또, 본 발명에서는 단일 파장 발진 레이저(예를 들면, 실시예에 있어서의 DFB 반도체 레이저(11, 21)나 파이버 레이저 등)의 출력을 광 분기 장치에 의해 분기시켰다. 이 광 분기 장치(예를 들면, 실시예에 있어서의 스플리터(14, 16) 등)에 의해서 복수의 출력으로 분할하고, 그 후에 파이버를 마련하며, 그들 복수의 파이버를 묶는 것에 의해 자외 레이저 장치를 형성하였다. 또한, 광 분기 장치로서는 단일 주파수 레이저에 의해 발생시킨 레이저광을 복수로 병렬 분기시키는 것이면 좋다.
또, 시간적으로 겹치지 않도록 하는 장치를 구비하는 것에 의해, 서로 독립된 광이 얻어지게 된다. 그것을 위한 바람직한 장치로서는 단일 파장 레이저에 의해 발생시킨 레이저광을 복수로 병렬 분기시키는 빔 스플리터를 가짐과 동시에, 그 빔 스플리터의 사출측에 서로 길이가 상이한 파이버를 마련해서 이루어지는 것으로 하였다. 그리고, 서로 길이가 상이한 파이버의 바람직한 형태로서는 병렬 분기된 레이저광이 이 파이버를 통과한 후, 파이버 출력 단에서 상호의 지연 간격이 대략 일정 간격으로 되도록, 예를 들면, 각 파이버 길이를 마련하는 것이다.
또, 본 발명의 하나의 형태로서, 광 분기 장치로서는 그 밖에 소정 시간마다 각각의 광로로 광을 분배하는 시분할 광 분기 장치(Time Division Multiplexer:TDM) (예를 들면, 실시예에 있어서의 TDM(23))를 이용하였다.
다음에, 광 분기 장치의 출력측에 마련된 복수의 파이버로서는 복수의 파이버 광 증폭기를 구비하는 것이 바람직하다. 이 파이버 광 증폭기(예를 들면, 실시예에 있어서의 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기나 이테르븀 도핑 파이버 광 증폭기(18, 19) 등)에 의해서 증폭하고, 또 그들 복수의 파이버 광 증폭기를 묶는 것이 바람직하다. 이와 같이 하는 것에 의해, 더욱더 광강도가 높은 레이저광을 얻을 수 있다. 또한, 이 복수의 파이버 광 증폭기의 출력 단(예를 들면, 실시예에 있어서의 파이버 출력 단(114, 29) 등)에는 필요에 따라서 적절히 무도핑(non-doped)의 파이버를 결합할 수도 있다.
이 파이버 출력 단부는 그의 출력 단면을 향해서 파이버의 코어직경을 테이퍼 형상으로 완만하게 확대해서 마련하는(예를 들면, 실시예에 있어서의 도면의 코어(421)) 것이 바람직하다. 또, 파이버 출력 단부에 레이저광을 투과하는 창(窓)부재(예를 들면, 실시예에 있어서의 창부재(433, 443) 등)을 마련해서 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 파이버 출력 단면에 있어서의 레이저광의 파워 밀도(단위 면적당의 광강도)를 저하시킬 수 있고, 따라서 파이버 출력 단부의 손상을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 파장 변환부의 입사측에 구비된 복수의 파이버에 있어서 그 파이버의 출력 단을 파장 변환부의 구성에 맞게 1개 또는 복수의 번들(bundle) 형상으로 묶고 1개 또는 복수의 출력군으로서 형성(예를 들면, 실시예에 있어서의 번들 출력(114, 29, 501, 601, 701) 등)하는 것이 바람직하다. 그리고, 파장 변환부에서는 1 세트 또는 복수 세트의 비선형 광학 결정(예를 들면, 제 4 실시예에 있어서의 (502∼504)나 제 4 실시예에 있어서의 (842∼844))에 의해 기본파인 고조파 발생을 실행하여 자외광(예를 들면, 파장 193㎚나 157㎚의 자외광)을 출력한다. 파장 변환부를 1 세트로 하는 것에 의해서 소형이고 또한 경제적으로 구성할 수 있고, 또 파장 변환부를 복수 세트로 하는 것에 의해서 1 세트당의 부하를 감소시킬 수 있기 때문에 전체로서 고출력화를 실현할 수 있다.
또한, 복수의 파이버 광 증폭기를 이용하여 광 증폭기를 구성할 때에는 각 파이버 증폭기에서의 증폭율의 편차(변동)에 수반하는 자외광 출력의 편차를 억제하기 위해서, 각 파이버로부터의 출력광을 모니터(감시)하여 각 파이버 광 증폭기의 여기 강도를 제어하는 파이버 출력 제어 장치를 마련하는 것이 바람직하다. 또, 자외광 출력의 광파장을 특정 파장으로 일정화시키기 위해서, 기본파 또는 파장 변환부 중의 고조파의 주파수를 이용하여 단일 파장 발진 레이저의 발진 파장 제어 장치를 마련하는 것이 바람직하다.
파장 변환부의 입사측에는 집광 광학 소자를 마련해서 구성한다. 이 집광 광학 소자의 사용 형태는 광 증폭기의 출력상황에 따라 적절히 정할 수 있고, 예를 들면, 각 파이버 출력마다 집광 광학 소자를 배치하고(예를 들면, 실시예에 있어서의 렌즈(902, 453) 등), 또 번들 형상으로 묶여진 출력군마다 집광 광학 소자를 배치하는(예를 들면, 실시예에 있어서의 렌즈(845, 855, 463) 등) 등의 사용형태가 적용 가능하다.
그런데, 자외광을 출력시키기 위한 구성으로서는, 예를 들면, 레이저광 발생부로서 파장이 1.5㎛ 부근인 레이저광을 방사하는 것이며, 광 증폭기로서는 파장 1.5㎛ 부근의 기본파를 증폭하는 파이버 광 증폭기를 갖는 광 증폭기를 적어도 1단 구비하고 있고, 또한 증폭된 기본파의 8배 고조파 발생을 실행하는 파장 변환부로 구성되어 있다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 출력 파장 190㎚ 근방의 자외광을 발생시킬 수 있다. 그리고, 이 출력광은 레이저광 발생부의 발진 파장을 더욱 세밀하게 규정(예를 들면, 1.544∼l. 522㎛)하는 것에 의해, ArF 엑시머 레이저와 동일 파장인 193㎚로 할 수 있다.
또, 자외광을 출력시키기 위한 다른 구성으로서, 예를 들면 상술한 예와 마찬가지로 레이저광 발생부로서 파장이 1.5㎛ 부근인 레이저광을 방사하는 것으로 하고, 광 증폭기로서는 파장이 1.5㎛ 부근인 기본파를 증폭하는 파이버 광 증폭기를 갖는 광 증폭기를 적어도 1단 구비하고 있고, 또한 증폭된 기본파의 10배 고조파 발생을 실행하는 파장 변환부로 구성한다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 출력 파장 150㎚ 근방의 자외광을 발생시킬 수 있다. 그리고, 이 출력광은 레이저광 발생부의 발진 파장을 더욱 세밀하게 규정(예를 들면, 1.57∼1.58㎛)하는 것에 의해, F2 레이저와 동일 파장인 157㎚로 할 수 있다.
또, 자외광을 출력시키기 위한 다른 구성으로서, 예를 들면 레이저광 발생부로서 파장이 1.1㎛ 부근인 레이저광을 방사하는 것으로 하고, 광 증폭기로서는 파장이 1.1㎛ 부근인 기본파를 증폭하는 파이버 광 증폭기를 갖는 광 증폭기를 적어도 1단 구비하고 있고, 또한 증폭된 기본파의 7배 고조파 발생을 실행하는 파장 변환부로 구성한다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 출력 파장이 150㎚ 근방인 자외광을 발생시킬 수 있다. 그리고, 이 출력광은 레이저광 발생부의 발진 파장을 더욱 세밀하게 규정(예를 들면, 1.099∼1.106㎛)하는 것에 의해, F2레이저와 동일 파장인 157㎚로 할 수 있다.
또한, 그 밖에 자외광을 출력시키기 위한 구성으로서는, 예를 들면, 발진 파장이 990㎚ 부근인 반도체 레이저 또는 파이버 레이저를 갖는 레이저광 발생부, 파장이 990㎚ 부근인 기본파를 증폭하는 파이버 증폭기를 갖는 적어도 1단의 광 증폭기 및 증폭된 기본파의 4배 고조파 발생을 실행하는 파장 변환부로 구성하는 것으로 하는 것에 의해서, KrF 엑시머 레이저와 동일한 파장 248㎚의 자외광을 얻는 것이 가능하다.
이러한 고조파 발생을 실행하는 파장 변환부의 구성은 실시예에 있어서 상세하게 설명하는 바와 같이 각종 구성을 들 수 있다. 예를 들면, 기본파의 8배 고조파를 발생시키는 파장 변환부에 대해서 그 구성예를 간단히 설명하면, 모든 파장 변환단(變換段)에 비선형 광학 결정의 2차 고조파 발생(SHG)을 이용해서 기본파→2배 고조파→4배 고조파→8배 고조파로 하는 3단의 고조파 발생 광로계(예를 들면, 제 4 실시예에 있어서의 도 11의 (a) 등)에 의해 구성할 수 있다. 이 구성은 가장 적은 구성 단수로 원하는 8배 고조파를 얻을 수 있다.
또, 8배 고조파를 얻기 위한 다른 바람직한 구성으로서는 파장 변환단에 비선형 광학 결정의 합주파 발생(SFG)을 아울러 이용하여 기본파의 3배 고조파와 4배 고조파를 생성하고, 이들을 합주파 발생에 의해 기본파의 7배 고조파를 발생시키고 또 이 7배 고조파와 기본파를 합주파 발생에 의해 기본파의 8배 고조파를 발생시키는 구성으로 한다(예를 들면, 제 4 실시예에 있어서의 도 11의 (d) 등). 이 구성은 최종단의 8배 고조파 발생에 193㎚의 자외광의 흡수 계수가 낮은 LBO 결정을 사용할 수 있다. 또한, 기본파의 7배 고조파 발생이나 10배 고조파 발생에 대해서도 상기 기본파의 8배 고조파 발생과 마찬가지로 비선형 광학 결정의 2차 고조파 발생 및 합주파 발생을 이용해서 적절히 구성할 수 있다.
또, 본 발명의 형태에서는 레이저광 발생부에 단일 파장 발진 레이저의 CW 레이저광을 펄스화하는 장치(예를 들면, 실시예에 있어서의 광 변조 소자(12, 22) 등)를 구비하는 것 또는 단일 파장 발진 레이저를 펄스 발진시키는 것 또는 그의 양쪽을 이용하는 것에 의해서, 자외 펄스 레이저광을 얻을 수 있다. 또, 상술한 구성에 의해 얻어진 자외 레이저 장치를 투영 노광 장치의 광원으로서 이용하고, 또 투영할 패턴이 묘화된 마스크에 거의 균일한 강도로 광원으로부터의 광을 조사하는 조명 광학계 및 마스크에 묘화된 패턴을 웨이퍼에 투영하기 위한 투영 대물 광학계를 구비하고 있는 것에 의해서, 유지보수가 용이한 투영 노광 장치를 얻을 수 있다.
발명의 효과
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 레이저 광원은 레이저광 발생부로부터의 단일 파장의 광을 광 증폭기에 의해서 증폭하고, 이 증폭된 광을 파장 변환부에 구비하는 비선형 광학 결정에 의해 자외광으로 변환하도록 구성하는 것에 의해서, 복잡한 구성을 이용하지 않고 소요의 스펙트럼 선폭(예를 들면, 1pm 이하)의 자외광을 용이하게 얻을 수 있는 것이다.
또, 단일 파장의 레이저광을 복수로 분할(또는 시분할)하고, 이 출력광을 복수의 파이버 광 증폭기에 의해 증폭하고 이 증폭된 광을 비선형 광학 결정에 의해 자외광으로 변환하도록 구성하는 것에 의해서, 펄스광의 1 펄스당의 피크파워를 억제하면서 광원 전체로서의 레이저광 출력의 증대를 도모하며 또한 광의 공간적 코히어런스가 낮은 자외광을 공급할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명에 의하면, 간소하고 기기 배치의 자유도가 높고 유지보수가 용이하며 또한 비선형 광학 결정의 손상이 발생하기 어려워 공간적 코히어런스가 낮은 자외광을 발생하는 자외 레이저 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 1 실시예의 레이저광 발생부 및 광 증폭기의 구성을 도시한 설명도,
도 2는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 2 실시예의 레이저광 발생부 및 광 증폭기의 구성을 도시한 설명도,
도 3은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 3 실시예의 레이저광 발생부 및 광 증폭기의 구성을 도시한 설명도,
도 4는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 다른 실시예의 광 증폭기의 구성을 도시한 설명도,
도 5는 광 증폭기용의 더블 클래드 파이버의 단면도,
도 6은 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기에 도핑하는 원소에 따른 파장과 이득의 관계를 도시한 특성도,
도 7은 에르븀 및 이트륨을 함께 도핑하는 파이버 광 증폭기에 있어서 여기 강도에 대한 이득의 변화를 도시한 특성도,
도 8은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 파이버 출력 제어 장치의 구성을 도시한 구성도,
도 9는 파이버 광 증폭기의 출력 단부에 있어서의 파이버 코어의 확대상황을 예시한 측면도,
도 10은 파이버 광 증폭기의 출력 단부의 일례를 도시한 측면도로서, (a) 및 (b)는 각각 그의 제 1 및 제 2 예,
도 11은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 4 실시예의 파장 변환부의 구성을 도시한 설명도로서, (a∼d)는 각각 그의 제 1 내지 제 4 예,
도 12는 본 발명에 관한 파장 변환부의 변환 효율을 도시한 도표로서, (a∼d)는 각각 도 11의 제 1 내지 제 4 예에 대응하는 도표,
도 13은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 5 실시예의 파장 변환부의 구성을 도시한 설명도,
도 14는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 6 실시예의 파장 변환부의 구성을 도시한 설명도,
도 15는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 7 실시예의 파장 변환부의 구성을 도시한 설명도,
도 16은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 8 실시예인 파장 변환부 입력부 실시예를 도시한 설명도,
도 17은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 파장 변환부 입력부의 다른 실시예를 도시한 설명도,
도 18은 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 파장 변환부 입력부의 다른 실시예를 도시한 설명도로서, (a∼c)는 각각 그의 제 1 내지 제 3 예,
도 19는 본 발명에 관한 노광 장치의 구성 실시예를 도시한 설명도,
도 20은 본 발명에 관한 노광 장치의 다른 구성 실시예를 도시한 설명도.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 우선, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 1 실시예에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에 의한 자외광 발생 장치는 단일 파장 발진 레이저(11)로 이루어지고 단일 파장의 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부, 파이버 광 증폭기(13, 18, 19)로 이루어지고 이 광을 증폭하는 광 증폭기, 광을 복수로 병렬 분기시키는 광 분기 장치(14, 16), 각각 길이가 상이한 파이버(15, 17), 그리고 후술하는 비선형 광학 결정으로 이루어지고 상기 증폭된 광을 파장 변환하는 파장 변환부로 구성되며, ArF 엑시머 레이저와 동일한 출력 파장(193㎚) 또는 F2레이저와 동일한 출력 파장(157㎚)을 발생하고 또한 공간적 코히어런스가 낮은 자외 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 있어서 도 1에는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 레이저광 발생부에서 출력된 단일 파장의 레이저광이 분기되어 증폭될 때까지의 구성예를 도시한다. 우선, 도 1에 근거하여 설명하면, 레이저광 발생부에는 단일 파장의 레이저광을 발생하는 단일 파장 발진 레이저(11)가 구비되고, 또 광 분기 장치인 스플리터(14, l6) 및 각각 길이가 상이한 파이버(15, 17)을 구비하고, 각각 길이가 상이한 파이버(17)의 사출측에는 파이버 광 증폭기(18, 19)가 접속되어 복수 병렬로 증폭된다. 이 파이버 광 증폭기(19)의 출사단은 번들 형상으로 묶여지고, 예를 들면 도 11의 (a)에 도시한 파장 변환부(502∼506)에 그의 증폭된 레이저광이 입사한다. 도 1 중에 도시된 파이버 광 증폭기(19)의 파이버 번들 출사단(114)은 도 11의 (a∼d)에 각각 도시되는 파이버 번들 출사단(501)에 대응한다. 이 파장 변환부는 비선형 광학 결정(502∼504) 등을 구비해서 구성되고, 파이버 광 증폭기(19)에서 사출되는 기본파를 자외광으로 변환한다. 또한, 본 발명에 관한 파장 변환부에 대해서는 본 발명의 실시예의 후단에 있어서 실시예 4∼7로서 상세하게 설명한다.
이하, 본 실시예에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 1에 도시한 단일 파장으로 발진하는 단일 파장 발진 레이저(11)로서는 예를 들면 발진 파장 1.544㎛, 연속파 출력(이하, CW 출력이라고 한다) 20㎽의 InGaAsP, DFB 반도체 레이저를 이용한다. 여기서, DFB 반도체 레이저라는 것은 종(縱)모드 선택성이 낮은 파브리페로(Fabry-Perot)형 공진기 대신에 회절 격자를 반도체 레이저내에 형성한 것으로서, 어떠한 상황하에서도 단일 종모드 발진을 하도록 구성되어 있고, 분포 귀환형(Distributed Feedback: DFB) 레이저라고 불리는 것이다. 이러한 레이저에서는 기본적으로 단일 종모드 발진을 하기 때문에, 그의 발진 스펙트럼 선폭은 0. 01pm 이하로 억제된다.
또한, 자외 레이저 장치의 출력 파장을 특정 파장으로 고정시키기 위해서는 단일 파장 발진 레이저(Master Oscillator)의 발진 파장을 일정 파장으로 제어하는 발진 파장 제어 장치를 마련하는 것이 바람직하다. 반대로, 이 발진 파장 제어 장치에 의해서 단일 파장 발진 레이저의 발진 파장을 적극적으로 변화시켜 그의 출력 파장을 조정 가능하게 하는 것도 바람직하다. 예를 들면, 본 발명의 레이저 장치를 노광 장치에 적용하는 경우, 전자(前者)에 의하면 파장 변동에 의한 투영 광학계의 수차의 발생 또는 그 변동이 방지되어 패턴 전사중에 그의 상(像)특성(상질 등의 광학적 특성)이 변화하는 일이 없어진다. 또, 후자(後者)에 의하면 노광 장치가 조립, 조정되는 제조현장과 노광 장치의 설치 장소(납입처)와의 표고차나 기압차, 더 나아가서는 환경(클린룸 내의 분위기)의 차이 등에 따라서 발생하는 투영 광학계의 결상 특성(수차 등)의 변동을 상쇄시킬 수 있어, 납입처에서 노광 장치의 시동(첫 동작)에 요하는 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다. 또, 후자에 의하면 노광 장치의 가동중에 노광용 조명광의 조사 및 대기압 변화 등에 기인해서 생기는 투영 광학계의 수차, 투영 배율 및 초점 위치 등의 변동도 상쇄시킬 수 있어, 항상 최량의 결상 상태로 패턴상을 기판상에 전사할 수 있게 된다.
이러한 발진 파장 제어 장치로서는 예를 들면 단일 파장 발진 레이저로서 DFB 반도체 레이저를 이용하는 경우에는 DFB 반도체 레이저의 온도 제어를 실행하는 것에 의해 달성할 수 있고, 이 방법에 의해 발진 파장을 더욱 안정화시켜 일정 파장으로 제어하거나 또는 출력 파장을 미세 조정할 수 있다.
통상, DFB 반도체 레이저 등은 히트 싱크(heat sink) 상에 마련되고, 이들이 케이싱내에 수납되어 있다. 그래서, 본 예에서는 단일 파장 발진 레이저(DFB 반도체 레이저 등)(11)에 부설되는 히트 싱크에 마련된 온도 조정기(예를 들면, 펠티에 소자 등)를 이용하여 그의 온도를 제어해서 발진 파장을 조정한다. 여기서, DFB 반도체 레이저 등에서는 그의 온도를 0. 001℃ 단위로 제어하는 것이 가능하다. 또, DFB 반도체 레이저의 발진 파장은 0. 1㎚/℃ 정도의 온도 의존성을 갖는다. 예를 들면, DFB 반도체 레이저의 온도를 1℃ 변화시키면, 기본파(1544㎚)에서는 그의 파장이 0. 1㎚ 변화하기 때문에, 8배파(193㎚)에서는 그의 파장이 0. 0125㎚ 변화하고, 10배파(157㎚)에서는 그의 파장이 0. 01㎚ 변화하게 된다. 또한, 노광 장치에서는 노광용 조명광(펄스광)의 파장을 그의 중심 파장에 대해 ±20pm 정도 변화시킬 수 있으면 충분하다. 따라서, DFB 반도체 레이저(11)의 온도를 8배파인 경우에는 ±1. 6℃정도, 10배파인 경우에는 ±2℃ 정도 변화시키면 좋다.
그리고, 이 발진 파장을 소정의 파장으로 제어할 때의 피드백 제어의 모니터 파장으로서는 DFB 반도체 레이저의 발진 파장 또는 후술하는 파장 변환 출력(2배파, 3배파, 4배파 등) 중에서 원하는 파장 제어를 실행할 때에 필요한 감도를 부여하고 또한 가장 모니터하기 쉬운 파장을 선택한다. 예를 들면, 단일 파장 발진 레이저로서 발진 파장 1.51∼1.59㎛의 DFB 반도체 레이저를 사용하는 경우, 이 발진 레이저광의 3배파는 503㎚∼530㎚의 파장으로 되지만, 이 파장대는 옥소(요오드) 분자의 흡수선이 조밀하게 존재하는 파장 영역에 해당하고 있고, 옥소 분자의 적절한 흡수선을 선택하여 그의 파장으로 록(lock)하는 것에 의해서 정밀한 발진 파장 제어를 실행할 수 있다.
이 반도체 레이저(11)의 광 출력을 예를 들면 전기 광학 광 변조 소자나 음향 광학 광 변조 소자 등의 광 변조 소자(12)를 이용하여 CW광(연속광)을 펄스광으로 변환한다. 본 구성예에서는 일례로서 이 광 변조 소자(12)에 의해서 펄스폭 1㎱, 반복 주파수 100㎑(펄스 주기 10㎲)의 펄스광으로 변조시킨 경우에 대해서 설명을 한다. 이러한 광 변조를 실행한 결과, 광 변조 소자(12)에서 출력되는 펄스광의 피크 출력은 20㎽, 평균 출력은 2㎼로 된다. 여기서는 광 변조 소자(12)의 삽입에 의한 손실이 없는 것으로 했지만, 그 삽입 손실이 있는 예를 들면 손실이 -3dB인 경우에는 펄스광의 피크 출력은 10㎽, 평균 출력은 2㎼로 된다.
또한, 광 변조 소자로서 전기 광학 변조 소자를 이용하는 경우에는 굴절률의 시간 변화에 수반하는 처프(chirp)에 의한 반도체 레이저 출력의 파장 확대가 작아지도록, 차프 보정을 실행한 전극 구조를 갖는 전기 광학 변조 소자(예를 들면, 2전극형 변조기)를 이용하는 것이 바람직하다. 또, 반복 주파수를 100㎑ 정도 이상으로 설정하는 것에 의해, 후술하는 파이버 광 증폭기에 있어서 ASE(Amplified Spontaneous Emission, 자연 방출광) 잡음의 영향에 의한 증폭률 저하를 저지할 수 있어 이러한 변조기 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또, 반도체 레이저 등에서는 그의 전류 제어를 실행하는 것에 의해, 출력광을 펄스 발진시킬 수 있다. 이 때문에, 본 예(및 후술하는 각 실시예)에서는 단일 파장 발진 레이저(DFB 반도체 레이저 등)(11)의 전류 제어와 광 변조 소자(12)를 병용하여 펄스광을 발생시키는 것이 바람직하다. 그래서, DFB 반도체 레이저(11)의 전류 제어에 의해서 예를 들면 10∼20㎱ 정도의 펄스폭을 갖는 펄스광을 발진시킴과 동시에, 광 변조 소자(12)에 의해서 그 펄스광에서 그의 일부만을 잘라낸다. 즉, 본 예에서는 펄스폭이 1㎱인 펄스광으로 변조한다. 이것에 의해, 광 변조 소자(12)만을 이용하는 경우에 비해 펄스폭이 좁은 펄스광을 용이하게 발생시킬 수 있게 됨과 동시에, 펄스광의 발진 간격이나 발진의 개시 및 그의 정지 등을 더욱 간단하게 제어할 수 있게 된다. 특히, 광 변조 소자(12)만을 이용하여 펄스광의 발진을 정지시키려고 해도 그의 일부가 출력될 수 있는 경우에는 DFB 반도체 레이저(11)의 전류 제어를 병용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 해서 얻은 펄스광 출력을 초단의 에르븀(Erbium)(Er) 도핑 파이버 광 증폭기(EDFA)(13)에 접속하고, 35dB(3162배)의 광 증폭을 실행한다. 이 때, 펄스광은 피크 출력이 약 63W, 평균 출력이 약 6.3㎽로 된다.
이 초단의 광 증폭기인 파이버 증폭기(13)의 출력을 광 분기 장치인 스플리터(14)(평판 도파로1×4 스플리터)에 의해 우선 채널 0∼3의 4출력으로 병렬 분할한다. 이 채널 0∼3의 각 출력을 각각 길이가 상이한 파이버(15)(도면에서는 채널 0의 1개만을 표시한다)에 접속하는 것에 의해, 각 파이버에서 출력되는 광은 각 출력광에 파이버 길이에 대응한 지연이 부가된다. 본 실시예에서는 예를 들면 파이버중의 광의 전파 속도를 2×108m/s라고 하고, 채널 0, l, 2, 3에 각각 0. lm, 19. 3m, 38. 5m, 57. 7m의 길이의 파이버를 접속한다. 이 경우, 각 파이버 출구에서의 서로 인접하는 채널간의 광의 지연은 96㎱로 된다. 또한, 여기서는 이와 같이 광을 지연시킬 목적으로 사용하는 파이버를 편의적으로 지연 파이버라고 부른다.
다음에, 상기 4개의 지연 파이버 출력을 4블럭의 평판 도파로 1×32 스플리터(16)에 의해 또 32출력으로 병렬 분할(각 블록에서 채널 0∼31)하여 합계 128의 채널로 분할한다. 그리고, 각 블록 모두 채널 0을 제외한 채널 1∼3l에 다시 길이가 상이한 지연 파이버(17)을 접속한다. 본 실시예에서는 예를 들면 채널 1∼31에 각각 0. 6×N미터(N은 채널 번호)의 길이의 파이버를 접속한다. 이 결과, 각 블록내의 서로 인접하는 채널 사이에서는 3㎱의 지연이 부가되고, 각 블럭의 채널 0 출력에 대해 채널 31 출력은 3×31=93㎱의 지연이 부가된다.
한편, 제 1에서 제 4까지의 각 블럭 사이에는 상기와 같이 지연 파이버(15)에 의해서 각 블럭의 입력시점에서 각각 96㎱의 지연이 부가되고 있다. 따라서, 제 2 블럭의 채널 0 출력은 제 1 블럭의 채널 0 출력에 대해 96㎱의 지연으로 되고, 제 1 블럭의 채널 31과의 지연은 3㎱로 된다. 이것은 제 2∼제 3, 제 3∼제 4 블록 사이에 있어서도 마찬가지이다. 이 결과, 전체의 출력으로서 총계 128채널의 출력 단에서 서로 인접하는 채널사이에 3㎱의 지연을 갖는 펄스광이 얻어진다. 또한, 도 1에서는 제 1 블럭의 채널 1에 대해서만 기재하고 다른 채널의 기재를 생략하고 있지만, 다른 채널에 대해서도 마찬가지로 구성하는 것이다.
이상의 분기 및 지연에 의해, 총계 128채널의 출력 단에서는 서로 인접하는 채널사이에서 3㎱의 지연을 갖는 펄스광이 얻어지지만, 이 때 각각의 출력 단에서 관측되는 광펄스는 광 변조 소자(12)에 의해서 변조된 펄스와 동일한 100㎑(펄스 주기 10㎲)이다. 따라서, 레이저광 발생부 전체로서 보면, 128펄스가 3㎱간격으로 발생한 후 9. 62㎲의 간격을 두고 다음의 펄스열이 발생하는 바와 같은 반복이 100㎑에서 실행된다. 즉, 전체의 출력은 128×100×103=1. 28×107펄스/초로 된다.
또, 본 실시예에서는 분할수를 128로 하고 또 지연용 파이버로서 짧은 것을 이용한 예에 대해서 설명했다. 이 때문에, 각 펄스열 사이에 9. 62㎲의 발광하지 않는 간격이 발생했지만, 분할수를 증가시키거나 또는 지연용 파이버를 더욱 길게 해서 적절한 길이로 하거나 또는 이들을 조합해서 이용하는 것에 의해서, 펄스 간격을 완전한 등간격으로 할 수도 있다. 예를 들면, 상기 스플리터(14)에 입사하는 레이저광의 펄스 반복수를 f[㎐], 분할수를 m으로 했을 때, 각 파이버의 지연 간격이 1/(f×m)으로 되도록 각 파이버 길이를 설정하는 것에 의해서도 달성할 수 있는 것이다. 또, 상술한 펄스 간격을 완전한 등간격으로 하도록, 스플리터(14, 16) 중의 적어도 한쪽의 분할수 또는 광 변조 소자(12)에 의해서 규정되는 펄스 반복수 f를 조정하거나 또는 그 분할수와 반복수 f의 양쪽을 조정하도록 해도 좋다. 따라서, 지연 파이버(l5, 17)의 각 파이버 길이, 스플리터(14, 16) 중의 적어도 한쪽의 분할수 및 펄스 반복수 f 중의 적어도 1개를 조정함으로써, 펄스 간격을 등간격으로 설정할 수 있을 뿐만 아니라 그의 간격을 임의로 설정할 수 있다.
또한, 광원을 조립한 후에 파이버 길이를 변경하기 위해서는 예를 들면 지연 파이버(15, 17)을 각각 묶어 유닛화해 두고, 이 유닛을 채널간의 지연 시간이 다른 별도의 지연 파이버 유닛과 교환할 수 있도록 구성해 두는 것이 바람직하다. 또, 스플리터(14, 16)의 분할수를 변경할 때에도 스플리터(14, 16)에 각각 대응해서 분할수가 다른 별도의 스플리터를 준비해 두고, 이들을 교환할 수 있도록 구성해 두는 것이 바람직하다. 이 때, 스플리터(14, 16)의 분할수의 변경에 따라서, 지연 파이버(15, l7)의 각 유닛을 교환할 수 있도록 구성해 두는 것이 바람직하다.
또, 본 예에서는 광 변조 소자(12)에 인가하는 구동용 전압 펄스의 타이밍을 제어하는 것에 의해서, 광원(펄스광)의 발진 타이밍, 즉 반복 주파수 f(펄스 주기)를 조정할 수 있다. 또, 이 발진 타이밍의 변경에 수반해서 펄스광의 출력이 변동할 수 있는 경우에는 광 변조 소자(12)에 인가하는 구동용 전압 펄스의 크기도 동시에 조정해서 그의 출력변동을 보상하도록 해도 좋다. 이 때, 단일 파장 발진 레이저(11)의 발진 제어만 또는 상술한 광 변조 소자(12)의 제어와의 병용에 의해서 그 펄스광의 출력변동을 보상하도록 해도 좋다. 또한, 펄스광의 출력 변동은 그의 발진 타이밍의 변경시 뿐만아니라 단일 파장 발진 레이저의 발진(즉, 펄스광의 파이버 광 증폭기로의 입사)을 소정 시간 분만큼 정지한 후에 그 발진을 재개할 때에도 생길 수 있다. 또, 단일 파장 발진 레이저(11)를 펄스 발진시키는 경우, 단일 파장 발진 레이저(11)의 전류 제어만 또는 상술한 광 변조 소자(12)의 제어와의 병용에 의해서 펄스광의 발진 타이밍(펄스 주기)을 조정하도록 해도 좋다.
한편, 본 예에서는 128개의 지연 파이버(17)에 각각 파이버 광 증폭기(18)가 접속되고, 또 협대역 필터(113)를 사이에 두고 파이버 광 증폭기(19)가 접속되어 있다. 협대역 필터(113)는 파이버 광 증폭기(13) 및 (18)에서 각각 발생하는 ASE광을 차단(컷트)하고 또한 DFB 반도체 레이저(11)의 출력 파장(파장폭은 1pm 정도 이하)을 투과시키는 것에 의해서, 투과광의 파장폭을 실질적으로 협대역화하는 것이다. 이것에 의해, ASE광이 후단의 파이버 광 증폭기(18) 및 (19)에 입사하여 레이저광의 증폭 이득을 저하시키는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 협대역 필터는 그의 투과 파장폭이 1pm 정도인 것이 바람직하지만, ASE광의 파장폭은 수십㎚ 정도이므로, 현시점에서 얻어지는 투과 파장폭이 100pm 정도인 협대역 필터를 이용해도 실용상 문제가 없을 정도로 ASE광을 차단할 수 있다. 또, DFB 반도체 레이저(11)의 출력 파장을 적극적으로 변화시키는 경우, 그 출력 파장에 따라서 협대역 필터를 교환하도록 해도 좋지만, 그 출력 파장의 가변폭(노광 장치에서는 일례로서 상술한 ±20pm 정도)에 따른 투과 파장폭(가변폭과 동일 정도 이상)을 갖는 협대역 필터를 이용해 두는 것이 바람직하다. 또한, 노광 장치에 적용되는 레이저 장치에서는 그의 파장폭이 1pm 정도 이하로 설정된다. 또, 도 1의 레이저 장치에는 3개의 분할기(아이솔레이터)(110, 111, 112)가 마련되어 있고, 이들에 의해서 귀환 광의 영향이 저감되도록 되어 있다.
이상과 같이 구성하는 것에 의해서, 상기 발생부(파이버 광 증폭기(19)의 출사단)로부터의 출력광은 매우 협대역화된 광이면서 서로 시간적으로 겹치는 일이 없다. 따라서, 각 채널 출력간의 공간적 코히어런스를 저감할 수 있다.
또한, 이상의 구성에서는 단일 파장 발진 레이저(11)로서 DFB 반도체 레이저를 이용하고, 광 분기 장치의 분기 요소로서 평판 도파로형 스플리터(14, 16)를 이용한 예에 대해서 설명했지만, 레이저 광원으로서는 DFB 반도체 레이저와 마찬가지로 이 파장 영역에서 협대역화된 레이저이면 좋고, 예를 들면 에르븀(Er) 도핑 파이버 레이저이더라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또, 광 분기 장치의 분기 요소로서는 평판 도파로 스플리터와 마찬가지로 광을 병렬로 분기하는 것이면 좋고, 예를 들면 파이버 스플리터나 부분 투과 거울을 이용한 빔 스플리터이더라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상술한 바와 같이 본 실시예에서는 지연 파이버인 파이버(17)의 출력을 1단 또는 다단의 EDFA(에르븀 도핑 파이버 광 증폭기, 이하 동일)에 의해 더 증폭한다. 본 실시예에서는 일례로서 상기 레이저광 발생부에서의 각 채널의 평균 출력 약 50㎼, 전체 채널 합계에서의 평균 출력 약 6.3㎽를 2단의 EDFA(18, 19)에 의해서 합계 46㏈(40600배)의 증폭을 실행하는 예에 대해서 설명하고 있다. 이 경우, 각 채널의 출력 단에서는 피크 출력 20㎾, 펄스폭 1㎱, 펄스 반복 주파수 100㎑, 평균 출력 2W, 전체 채널에서의 평균 출력 약 256W를 얻는다. 여기에서는 평판 도파로형 스플리터(14, 16)에서의 결합 손실을 고려하고 있지 않지만, 그 결합손실이 있는 경우에는 그 손실분만큼 파이버 광 증폭기(예를 들면, EDFA(18, 19) 등 중의 적어도 1개)의 증폭 이득을 높이는 것에 의해 EDFA(19)에서 발생되는 기본파의 출력을 상술한 값(예를 들면, 피크 출력 20㎾ 등)과 동일하게 할 수 있다. 또, 파이버 광 증폭기의 증폭 이득을 변화시키는 것에 의해서, 기본파의 출력을 상술한 값보다 크게 하거나 또는 작게 할 수 있다.
이 광 증폭기의 출력인 파장 1.544㎛의 단일 파장 펄스 레이저광은 비선형 광학 결정을 이용한 파장 변환부에 의해 스펙트럼 선폭이 좁은 자외광 펄스 출력으로 변환된다. 이 파장 변환부의 실시예에 대해서는 후술한다.
다음에, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 2 실시예를 도 2를 참조하면서 설명한다. 본 실시예에 의한 자외광 발생 장치는 단일 파장의 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부, 이 광을 증폭하는 광 증폭기 및 상기 증폭된 광을 파장 변환하는 파장 변환부로 구성되고, ArF 엑시머 레이저와 동일한 출력 파장(193㎚) 또는 F2 레이저와 동일한 출력 파장(157㎚)의 레이저광을 발생하고 또한 공간적 코히어런스가 낮은 자외 레이저 장치를 제공하는 것이다. 또, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 자외 레이저 장치와는 광 분기 장치가 광을 시간적으로 분할하여 분기하는 점 및 이 광 분기 장치에 입사될 때까지의 레이저광은 파이버 광 증폭기에 의해 증폭되고 있지 않은 점의 2가지 점에서 다르다. 이 중, 광 분기 장치와 파이버 광 증폭기의 선후(先後)는 어떠한 구성을 취하는 것도 가능하다. 또, 상술한 실시예 1(도 1)과 마찬가지로, 광 분기 장치(본 예에서는 TDM(23))의 입사측(단일 파장 발진 레이저(21)측)에 파이버 광 증폭기를 더 마련하고, 여기에서 증폭한 펄스광을 광 분기 장치에 입사시키도록 구성해도 좋다. 이것에 의해, 광 분기 장치보다 후단에 배치되는 파이버 광 증폭기(본 예에서는 (24, 25))에 의해 필요한 증폭 이득을 도 2의 구성보다 저하시킬 수 있어, 예를 들면 파이버 광 증폭기의 교환 회수 등이 저감하기 때문에 더욱 경제적이다.
그런데, 본 실시예에 있어서 도 2에는 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 레이저광 발생부, 광 분기 장치 및 광 증폭기의 부분 구성예를 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 의한 자외 레이저 장치는 단일 파장의 레이저광을 발생하는 단일 파장 발진 레이저(21)로 이루어지는 레이저광 발생부와 광을 분기시키는 광 분기 장치(23)를 구비하고, 이 광 분기 장치(23)로부터의 복수의 광 출력은 각각 파이버 광 증폭기(24, 25)에 의해 복수 병렬로 증폭된다. 이 파이버 광 증폭기(25)의 사출단은 번들 형상으로 묶여지고, 예를 들면 도 14에 도시한 비선형 광학 결정 등으로 이루어지는 파장 변환부(702∼712)에 그의 증폭된 레이저광이 입사된다. 도 2중에 도시되는 파이버 광 증폭기(25)의 파이버 번들 출사단(29)는 도 14에 도시되는 파이버 번들 출사단(701)에 대응한다. 이 파장 변환부는 1군의 비선형 광학 결정(702, 705, 710, 712)를 구비해서 구성되고, 광 증폭기(2l∼28)에서 출사되는 기본파를 자외광으로 변환한다. 또, 본 발명에 관한 파장 변환부에 대해서는 실시예의 후단에 있어서 실시예 4∼실시예 7로서 상세하게 설명한다.
이하, 본 실시예에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 2에 도시한 단일 파장으로 발진하는 레이저(21)로서는 예를 들면 발진 파장 1.099㎛, CW출력 20㎽의 DFB 반도체 레이저 또는 이테르븀(Yb) 도핑 파이버 레이저를 이용한다. 이들 레이저는 기본적으로 단일 종모드 발진을 함으로써, 그의 발진 스펙트럼 선폭은 0. 01pm 이하로 억제된다.
이 반도체 레이저의 광 출력을 예를 들면 전기 광학 광 변조 소자나 음향 광학 광 변조 소자 등의 광 변조 소자(22)를 이용하여 CW광(연속광)을 펄스광으로 변환한다. 본 구성예에서는 일례로서 이 광 변조 소자(22)에 의해서 펄스폭 1㎱, 반복 주파수 12. 8㎒ (펄스 주기 약 78㎱)의 펄스광으로 변조시킨 경우에 대해서 설명을 실행한다. 이러한 광 변조를 실행한 결과, 광 변조 소자에서 출력되는 펄스광의 피크 출력은 20㎽, 평균 출력은 0. 256㎽로 된다.
이 펄스광 출력을 광 분기 장치인 시분할 광 분기 장치(Time Division Multiplexer: TDM)(23)에 의해 펄스광을 각 펄스마다 순차 채널 0∼채널 127의 총계 128채널로 배분(할당)한다. 즉, 펄스 주기 78㎱ 마다의 펄스를 순차 채널 0부터 채널 1, 2, 3···127로 순차 배분해 간다. 이 결과를 각 채널마다에 대해서 보면, 출력 펄스의 펄스 주기는 78㎱×l28=10㎲(펄스 주파수 100㎑), 펄스 피크 출력 20㎽, 평균 출력 2㎼의 펄스광으로 된다. 또, 레이저광 발생부 전체에서 보면, 펄스 주파수 12. 8㎒, 펄스 피크 출력 20㎽, 평균 출력 0.256㎽의 평균화된 펄스광으로 된다. 또한, 서로 인접하는 채널 사이에서는 78㎱의 지연이 있어 각 채널간의 펄스광은 서로 겹치는 일이 없다. 또, 본 예에서는 광 변조 소자(22)에서 출력되는 펄스광의 반복 주파수 f를 100㎑(펄스 주기는 10㎲)로 하고, 시분할 광 분기 장치(TDM)(23)의 채널 0∼127에서 출력되는 펄스광을 광 변조 소자(22)에 의해서 규정되는 펄스주기(10㎲)를 128 등분한 시간 간격(78㎱)씩 지연시키도록 하고 있지만, 그 지연 시간은 등시간 간격이 아니더라도 좋고, 또는 상술한 제 1 실시예와 마찬가지로 펄스 주기(10㎲)의 일부에서만 채널 0∼127에서 펄스광을 출력시키도록 해도 좋다. 또, 광 변조 소자(22)에 인가하는 구동용 전압 펄스의 타이밍도 동시에 제어하여 상술한 펄스 주기(10㎲)를 변경해도 좋고, 예를 들면 그 변경된 펄스 주기를 128 등분한 시간 간격인 지연 시간을 변화시킬 수도 있다.
또한, 상술한 제 1 실시예와 마찬가지로, 본 예에서도 단일 파장 발진 레이저(21)를 펄스 발진시켜도 좋다. 또, 시분할 광 분기 장치(TDM)(23)와 단일 파장 발진 레이저(21)의 전류 제어를 병용하거나 또는 광 변조 소자(22)의 제어를 더 병용해서 상술한 펄스 주기(10㎲)를 변경해도 좋다.
이상과 같이 구성하는 것에 의해, 상기 발생부로부터의 출력광은 매우 협대역화된 단일 파장의 광이면서 서로 시간적으로 겹치는 일이 없다. 따라서, 각 채널 출력간의 공간적 코히어런스를 저감할 수 있다.
또한, 이상의 구성에서는 단일 파장 발진 레이저(21)로서 DFB 반도체 레이저 또는 이테르븀(Yb) 도핑 파이버 레이저를 이용한 예에 대해서 설명했지만, 레이저 광원으로서는 DFB 반도체 레이저와 마찬가지로 이 파장 영역에서 협대역화된 레이저이면 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
시분할 광 분기 장치(23)의 출력은 그의 채널 0∼127에 대응하여 각각 마련된 1단 또는 다단의 YDFA(이테르븀 도핑 파이버 광 증폭기, 이하 동일)로 구성된 파이버 광 증폭기(24, 25)에 의해서 증폭된다. 이 이테르븀 도핑 파이버 광 증폭기는 상술한 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기보다 반도체 레이저에 의한 여기 효율이 높아 경제적이다. 또, 상술한 제 1 실시예(도 1)와 마찬가지로 귀환 광의 영향의 저감 및 파장폭의 협대역화 등을 목적으로 해서 단일 파장 발진 레이저(21)와 광 변조 소자(22) 사이에 아이솔레이터(26)가 배치됨과 동시에, 파이버 광 증폭기(24, 25) 사이에는 협대역 필터(28)와 아이솔레이터(27)가 배치되어 있다.
본 실시예에서는 일례로서 시분할 광 분기 장치(23)에서의 각 채널의 평균 출력 2㎼, 전체 채널에서의 평균 출력 0. 256㎽를 2단의 YDFA(24, 25)에 의해서 합계 60㏈(1000000배)의 증폭을 실행하는 예에 대해서 설명한다. 이 경우, 각 채널의 출력 단에서는 피크 출력 20㎾, 펄스폭 1㎱, 펄스 반복 100㎑, 평균 출력 2W, 전체 채널 합계에서의 평균 출력 256W를 얻는다. 또한, 도 3에서는 전체 채널중 채널 0에 대해서만 기재하고, 다른 채널의 기재를 생략하고 있지만 다른 채널에 대해서도 마찬가지로 구성한다.
이 광 증폭기의 출력인 파장 1.099㎛의 단일 파장 펄스 레이저광은 비선형 광학 결정을 이용한 파장 변환부에 의해 스펙트럼 선폭이 좁은 자외광 펄스 출력으로 변환된다. 이 파장 변환부의 실시예에 대해서는 후술한다.
이상 설명한 실시예 1 및 실시예 2에서는 광 증폭기의 출력 파장이 다르지만, 이들은 이상의 각 설명에서 기술한 바와 같이 단일 파장 발진 레이저(11, 21)의 발진 파장에 의해서 정해지고, 또 증폭 효율을 고려한 파이버 광 증폭기, 즉 이득 파장폭(예를 들면, 에르븀 도핑 파이버에서는 1530∼1560㎚, 이테르븀 도핑 파이버에서는 990∼1200㎚)의 조합에 의해 얻어지는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 단일 파장 발진 레이저에 대해서 그의 발진 파장에 따른 이득 파장폭을 갖는 파이버 광 증폭기를 적절히 선택하여 조합하면 좋다. 또, 예를 들면 실시예 1에서는 평판 도파로형 스플리터(14, 16) 대신에 실시예 2에서 이용한 TDM(23)을 이용해도 좋고, 실시예 2에서는 TDM(23) 대신에 평판 도파로형 스플리터를 이용해도 좋다. 또, 파장 변환부의 실시예에 대해서는 후술한다.
또한, 이들 실시예에 있어서의 최종단의 고(高)피크 출력 파이버 광 증폭기(도 1에서는 (19), 도 2에서는 (25))에 있어서는 파이버 중에서의 비선형 효과에 의한 증폭광의 스펙트럼 폭의 증가를 피하기 위해서, 파이버 모드 직경이 통상통신에서 사용되고 있는 것(5∼6㎛)보다도 넓은 예를 들면 20∼30㎛의 대(大)모드 직경 파이버 광 증폭기를 사용하는 것이 바람직하다.
이 대모드 직경 파이버 광 증폭기를 이용한 광 증폭기의 구성예를 도 4에 도시한다. 도 4중에서 점선의 사각으로 둘러싸인 부분의 파이버를 모드 직경이 넓은 것으로 한다. 이 광 증폭기(42)에서는 상기 모드 직경이 넓은 광 증폭기용 도핑 파이버를 여기하기 위한 반도체 레이저(43)을 광 증폭기용 도핑 파이버의 직경에 일치시킨 대모드 직경 파이버에 파이버 결합하고, 이 반도체 레이저 출력을 파장 분할 다중화 장치(Wavelength Division Multiplexer: WDM)(45, 46)을 이용해서 광 증폭기용 도핑 파이버에 입력하고 도핑 파이버를 여기한다. 이 대모드 직경 파이버(광 증폭기)(42)에 의해 증폭된 레이저광은 파장 변환부(500)에 입사하고, 여기서 자외 레이저광으로 파장 변환된다. 이 대모드 직경 파이버를 전파하는 증폭될 레이저광(신호)은 주로 기본 모드인 것이 바람직하고, 이것은 싱글(single)모드 또는 모드 차수(次數)가 낮은 멀티모드 파이버에 있어서 주로 기본 모드를 선택적으로 여기하는 것에 의해 실현할 수 있다.
또, 특히 도 4에서는 반도체 레이저(43)와 WDM(45) 사이에 광편파 결합 소자(44)가 마련되어 서로 편광 방향이 직교하는 2개의 반도체 레이저(43)에서 출력되는 레이저광을 합성할 수 있도록 되어 있다. 또한, 본 예에서는 광편파 결합 소자(44)에 의해 레이저광의 편광 방향을 직교시키는 것으로 했지만, 레이저광의 합성 효율의 저하를 허용할 수 있는 경우에는 그 편광 방향을 직교시키지 않아도 좋다. 또, 대모드 직경 파이버 광 증폭기(42)의 입사측에 마련된 아이솔레이터(404)에 의해서 귀환광의 영향이 저감된다. 또, 표준적인 모드 직경을 갖는 파이버 광 증폭기(41)와 대모드 직경 파이버 광 증폭기(42) 사이에 파이버 광 증폭기(42)에서 발생하는 ASE광을 제거하기 위해서 협대역 필터(403)가 마련되어 있다. 또, 파이버 광 증폭기(41)에는 그의 여기용 반도체 레이저(401)가 파이버 결합됨과 동시에, 이 반도체 레이저(401)의 출력이 WDM(402)를 통해서 광 증폭기용 도핑 파이버에 입력되고, 그것에 의해 도핑 파이버가 여기된다.
이러한 방법에 의하면, 대모드 직경 파이버에 반도체 레이저(43)를 커플링(coupling)하게 되므로, 파이버로의 커플링 효율이 향상하여 반도체 레이저 출력을 유효하게 사용할 수 있다. 또, 동일 직경의 대모드 직경 파이버를 이용하는 것에 의해, WDM(45, 46)에서의 손실도 경감할 수 있기 때문에 효율적이다. 또한, 표준적인 모드 직경을 갖는 전단의 파이버 광 증폭기(41)와 상기 모드 직경이 넓은 최종단의 파이버 광 증폭기(42)의 접속은 테이퍼 형상으로 모드 직경이 증가하는 파이버를 이용해서 실행한다.
또, 최종단의 파이버 광 증폭기(19, 25)에 있어서 고출력을 얻기 위해서는 도 4에 있어서의 대모드 직경 파이버(42) 대신에 파이버 클래드가 이중 구조로 된 더블 클래드 파이버(410)를 이용하도록 해도 좋다. 이 파이버(410)의 단면도의 일례를 도 5에 도시한다. 이 구조에서는 코어(411)의 부분에 레이저광의 증폭에 기여하는 이온이 도핑되어 있고, 증폭되는 레이저광(신호)이 이 코어내를 전파한다. 코어를 감는(둘러싸는) 제 1 클래드(412)에 여기용 반도체 레이저를 커플링한다. 이 제 1 클래드는 멀티모드이며, 단면적도 크기 때문에 고출력의 여기용 반도체 레이저광의 전도가 용이하고, 멀티모드 발진의 반도체 레이저를 효율좋게 커플링하여 여기용 광원을 효율좋게 사용할 수 있다. 제 1 클랙드의 외주에는 제 1 클랙드의 도파로를 형성하기 위한 제 2 클래드(413)가 형성되어 있다.
또, 상술한 제 1 및 제 2 실시예에서의 파이버 광 증폭기로서 석영 파이버 또는 실리케이트계 파이버를 이용할 수 있지만, 이들 이외에 불화물(플루오르화물)계 파이버 예를 들면 ZBLAN 파이버를 이용하도록 해도 좋다. 이 불화물계 파이버에서는 석영이나 실리케이트계 등에 비해서 에르븀 도핑 농도를 크게 할 수 있고, 이것에 의해 증폭에 필요한 파이버 길이를 단축할 수 있다. 이 불화물계 파이버는 특히 최종단의 파이버 광 증폭기(19, 25)에 적용하는 것이 바람직하고, 파이버 길이의 단축에 의해 펄스광의 파이버 전파중의 비선형 효과에 의한 파장폭의 확대를 억제할 수 있으며, 예를 들면 노광 장치에 필요한 파장폭이 협대역화된 광원을 얻을 수 있게 된다. 특히, 개구수가 큰 투영 광학계를 갖는 노광 장치에서 이 협대역화 광원을 사용할 수 있는 것은 예를 들면 투영 광학계를 설계, 제조하는데 있어서 유리하다.
그런데, 상술한 바와 같이 이중 구조의 클래드를 갖는 파이버 광 증폭기의 출력 파장으로서 1.51∼1.59㎛를 사용하는 경우에는 도핑하는 이온으로서 에르븀에 부가해서 이테르븀을 함께 도핑하는 것이 바람직하다. 이것은 반도체 레이저에 의한 여기 효율을 향상시키는 효과가 있기 때문이다. 즉, 에르븀과 이테르븀의 양쪽을 도핑하는 경우, 이테르븀의 강한 흡수 파장이 915∼975㎚ 부근으로 확대되어 있고, 이 근방의 파장에서 각각 다른 발진 파장을 갖는 복수의 반도체 레이저를 WDM에 의해 결합시켜 제 1 클래드에 커플링하는 것에 의해서, 그 복수의 반도체 레이저를 여기광으로서 사용할 수 있기 때문에 큰 여기 강도를 실현할 수 있다. 또, 예를 들면 도 4에 있어서의 광결합 소자(44)로서 편광 결합 소자를 이용하면, 편광 방향이 다른 반도체 레이저 출력을 함께 결합시킬 수 있으므로 더욱 여기 강도를 2배로 높일 수 있다.
또, 파이버 광 증폭기의 도핑 파이버의 설계에 대해서는 본 발명과 같이 미리 정해진 일정 파장으로 동작하는 장치(예를 들면 노광 장치)에서는 원하는 파장에 있어서의 파이버 광 증폭기의 이득이 커지도록 재질을 선택한다. 예를 들면, ArF 엑시머 레이저와 동일한 출력 파장(193∼194㎚)을 얻기 위한 자외 레이저 장치에 있어서, 광 증폭기용 파이버를 이용하는 경우에는 원하는 파장 예를 들면 1.548㎛에서 이득이 커지는 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
그러나, 통신용 파이버에서는 파장 분할 다중화 통신을 위해 1.55㎛ 부근의 수십㎚의 파장 영역에서 비교적 평탄한 이득을 갖도록 설계되어 있다. 그래서, 예를 들면 여기 매질로서 에르븀 단일 도핑의 코어를 갖는 통신용 파이버에서는 이 평탄한 이득 특성을 실현하기 위해서 알루미늄이나 인(P)을 실리카 파이버에 코도핑(함께 도핑)하는 방법이 이용된다. 이 때문에, 이러한 종류의 파이버에서는 1.548㎛에서 반드시 이득이 커지지 않는다. 이 상태를 도 6에 도시한다.
도 6은 횡축에 파장을 취하고 종축에 형광 강도를 취해 파이버에 의한 형광 강도 특성의 차이를 도시한 것이다. 도면중의 Al/P Silica(실리카)가 통신용 케이블 재료에 해당하지만, 이것에 대해서 도 6에 도시한 Silicate(실리케이트) L22를 이용하면 1.547㎛에서 더욱 높은 이득을 얻을 수 있다. 또, 도핑 원소인 알루미늄은 1.55㎛ 부근의 피크를 장파장 측으로 시프트(변위)시키고, 인은 단파장 측으로 시프트시키는 효과를 갖는다. 따라서, 1.547㎛ 근방에서 이득을 크게 하기 위해서는 Silicate L22에 소량의 인을 도핑하는 것에 의해 달성할 수 있다.
한편, 예를 들면 에르븀과 이테르븀을 함께 도핑(코도핑)한 코어를 갖는 광 증폭기용 파이버(예를 들면, 상기 더블 클래드 타입의 파이버)를 이용하는 경우에는 도 7에 도시한 바와 같이 코어에 소량의 인을 부가하는 것에 의해서 1.547㎛ 부근에서 더욱 높은 이득을 얻을 수 있다. 또한, 도 7은 횡축에 파장을 취하고 종축에 단위길이 당의 이득을 취하고, 도면중에 여기강도를 변화시키고 반전 분포 밀도를 변화시켰을 때의 파장에 대한 게인(이득)의 변화를 도시한 것이다.
한편, 실시예 1 및 2에 있어서의 파이버 광 증폭기에서는 각 파이버가 독립한 광 증폭기이기 때문에, 각 광 증폭기의 게인의 차가 각 채널의 광 출력의 편차로 된다. 따라서, 이러한 형태의 레이저 장치에 있어서는 예를 들면 도 8에 도시한 바와 같이 각 채널의 파이버 광 증폭기(41, 42)에 의해 출력의 일부를 분기시켜 광강도를 모니터하고, 각 파이버 광 증폭기로부터의 광 출력이 각 증폭단에서 일정하게 되도록(즉, 균형을 이루도록), 각 여기용 반도체 레이저(401, 43)의 구동 전류를 피드백(귀환) 제어하는 파이버 출력 제어 장치(405, 406)를 마련하는 것이 바람직하다. 도 8에서는 파이버 광 증폭기(41)로부터의 분기광을 검출하는 파이버 출력 제어 장치(405)가 그의 검출값에 따라서 파이버 광 증폭기(41)에 접속되는 반도체 레이저(401)의 구동전류를 제어하고, 대모드 직경 파이버 광 증폭기(42)로부터의 분기광을 검출하는 파이버 출력 제어 장치(406)가 그의 검출값에 근거하여 대모드 직경 파이버 광 증폭기(42)에 접속되는 반도체 레이저(43)의 구동 전류를 제어하도록 되어 있다.
또, 도 8에 도시한 바와 같이 파장 변환부(500)으로부터의 광 출력이 소정의 광 출력으로 되도록 파장 변환부(500)에 있어서의 광강도를 모니터하고, 파이버 광 증폭기 전체(4l, 42)로서의 여기용 반도체 레이저(401, 43)의 구동전류를 각각 피드백 제어하는 파이버 출력 제어 장치(407)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 도 8에서는 파이버 출력 제어 장치(407)가 반도체 레이저(401, 43)을 각각 독립적으로 제어하는 것으로 했지만, 파장 변환부(500)에 의해 검출되는 광강도에 근거하여 반도체 레이저(401, 43) 중의 어느 한쪽만을 제어하는 것만으로도 좋다. 또, 파이버 출력 제어 장치(407)는 파장 변환부(500)의 도중에서 레이저광을 분기시켜 그 강도를 검출하는 것으로 했지만, 파장 변환부(500)의 사출단에서 출력되는 레이저광의 일부를 분기시켜 그의 강도를 검출하도록 해도 좋다. 또, 도 8에서는 도 4와 동일한 다른 구성요소에 대해서는 동일한 번호를 붙이고 설명을 생략한다.
이러한 구성으로 하는 것에 의해, 각 증폭단마다 각 채널의 파이버 광 증폭기의 증폭률이 일정화되기 때문에, 각 파이버 광 증폭기 사이에 치우친(편중된) 부하가 가해지는 일이 없어 전체로서 균일한 광강도가 얻어진다. 또, 파장 변환부(500)에 있어서의 광강도를 모니터하는 것에 의해, 예정되는 소정의 광강도를 각 증폭단으로 피드백하여 원하는 자외광 출력을 안정하게 얻을 수 있다.
도 8에서는 도시하고 있지 않지만, 파이버 출력 제어 장치(405, 406, 407) 중의 적어도 1개는 단일 파장 발진 레이저(11) 또는 (2l) 및 광 변조 소자(12) 또는 (22)에 각각 접속되고, 단일 파장 발진 레이저의 온도 제어 및 전류 제어를 실행함과 동시에, 광 변조 소자에 구동용 전압 펄스를 인가하고 또한 그 전압 펄스의 타이밍 및 크기를 제어하는 것이 또 가능하게 되어 있다. 따라서, 그의 적어도 1개의 파이버 출력 제어 장치는 펄스광(기본파 또는 파장 변환부에 의해 적어도 1회 파장 변환된 가시광 또는 적외광 또는 자외광)의 강도, 중심파장 및 파장폭을 검출하고, 이 검출값에 근거하여 단일 파장 발진 레이저의 온도를 피드백 제어하여 그 펄스광의 중심파장 및 파장폭을 제어한다. 또, 그 검출값에 근거하여 단일 파장 발진 레이저의 전류 제어와 광 변조 소자에 인가하는 전압 펄스의 제어를 실행하고, 그 펄스광의 강도, 발진 간격 및 발진의 개시와 정지 등을 제어한다. 또, 적어도 1개의 파이버 출력 제어 장치는 단일 파장 발진 레이저의 펄스 발진과 연속 발진의 전환 및 그 펄스 발진시에 있어서의 발진 간격이나 펄스폭 등의 제어를 실행함과 동시에, 펄스광의 출력변동을 보상하도록 단일 파장 발진 레이저의 발진 제어와 광 변조 소자의 제어 중의 적어도 한쪽을 실행한다. 또한, 도 8에서는 대(大)모드 직경 파이버 광 증폭기의 사용을 전제로 하고 있지만, 여기서 설명한 파이버 광 증폭기에 접속되는 여기용 반도체 레이저((401) 등)의 전류 제어와 단일 파장 발진 레이저 및 광 변조 소자의 제어는 대모드 직경 파이버 광 증폭기를 사용하지 않는 상술한 제 1 및 제 2 실시예에 의한 자외 레이저 장치(도 1 및 도 2)에도 그대로 적용하는 것이 가능하다.
이상 설명한 실시예 1 및 2에 있어서의 최종단의 파이버 광 증폭기(19, 25)의 출력 단은 묶여져 원하는 번들 형상으로 성형된다(114, 29). 번들의 수 및 형상은 파장 변환부의 구성이나 필요로 되는 광원의 형상에 맞게 정한다. 예를 들면, 본 실시예에서는 1개의 원형 단면을 갖는 번들의 경우를 설명한다(114, 29, 501, 601 등). 이 때, 각 파이버의 클래드 직경은 125㎛ 정도이므로, 128개를 묶은 출력 단에서의 번들의 직경은 약 2㎜ 이하로 할 수 있다. 번들은 최종단의 EDFA 또는 YDFA의 출력 단을 그대로 이용하여 형성할 수 있지만, 최종단의 EDFA 또는 YDFA에 무도핑의 파이버를 결합시키고 그 출력 단에서 번들을 형성하는 것도 가능하다.
또, 도 9에 도시하는 바와 같이 광 증폭기에 있어서의 최종단의 각 파이버(422)의 출력 단부(423)에서는 그 파이버(422)내의 코어(421)의 직경을 출력 단을 향해서 테이퍼 형상으로 서서히 확대하여 마련하고, 출력 단면(423)에서의 광의 파워밀도(단위면적 당의 광강도)를 작게 해 주는 것이 바람직하다. 이 때, 테이퍼의 형상은 코어 직경의 확대가 출력 단면(423)을 향해서 충분히 완만하게 증가하고, 증폭된 레이저광이 테이퍼부를 전파할 때에 파이버중에서의 전파 횡모드가 보존되고 다른 횡모드의 여기를 충분히 무시할 수 있을 정도(예를 들면, 수 m㎭ 정도)로 되도록 설정한다.
이와 같이 설정하는 것에 의해, 파이버의 출력 단면(423)에 있어서의 광의 파워밀도를 저하시킬 수 있고, 파이버의 손상에 있어서 가장 큰 문제인 파이버 출력 단부의 레이저광에 의한 손상을 대폭으로 억제하는 효과가 얻어진다. 이 효과는 파이버 광 증폭기의 출력 단에서 사출되는 레이저광의 파워밀도가 높을수록(예를 들면, 광강도가 높을수록, 또 동일 파워에 대한 코어직경이 작을수록 또는 전체파워를 분할하는 채널수가 적을수록 등) 큰 효과가 얻어진다.
또, 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이 최종단의 파이버(432)의 출력 단부(434)에는 상기 코어직경의 확대와 아울러 또는 레이저광의 파워밀도에 따라서는 단독으로 레이저광을 투과하는 적절한 두께의 창부재(433)를 밀착시켜 마련하는 것이 바람직하다. 단, 도 10의 (a)에서는 파이버내의 코어(431)의 직경을 확대하지 않으므로, 창부재(433)에 의해서만 출력광의 파워밀도를 작게 하고 있다. 여기서, 상술한 실시예 1, 2와 같이 파이버 출력이 복수인 경우에는 각 파이버 단부마다 창부재를 마련하는 도 10의 (a)의 방법 이외에, 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이 각 파이버 광 증폭기(442)의 출력군마다의 출력 단부(444)에 공통의 창부재(443)를 마련하는 것도 본 형태에 있어서의 1실시예이다. 단, 도 10의 (b)에서는 파이버내의 코어(441)의 직경을 확대하지 않고 있지만, 코어직경의 확대를 병용해도 좋다. 또, 1개의 창부재(443)가 공통으로 마련되는 복수의 파이버 광 증폭기의 수는 임의이어도 좋고, 예를 들면 도 1 또는 도 2에 도시한 최종단의 파이버 광 증폭기(19) 또는 (25)의 총수, 즉 128개로 해도 좋다. 또, 창부재(433) 또는 (443)는 기본파 레이저광의 파장 영역에서의 투과율 및 파이버와의 밀착성 등을 고려하여 그의 재질이 적절히 선정(예를 들면, BK7 등의 광학 유리재나 석영재 등)되고, 또 파이버와 창부재의 밀착에는 광학 콘택트 또는 융착 등의 방법을 이용할 수 있다.
이와 같이 구성하는 것에 의해, 창부재에서 사출되는 레이저광의 파워밀도는 파이버 코어(431, 441)중에서의 파워 밀도보다 작아지기 때문에, 파이버 출력 단부의 레이저광에 의한 손상을 억제하는 효과가 얻어진다. 그리고, 상기 출력 단부에 있어서의 파이버 코어 직경의 확대와 조합하는 것에 의해, 종래 문제였던 파이버 출력 단부의 손상의 문제를 해결하는 것이 가능하다.
또한, 이상의 각 실시예(도 1, 도 2, 도 4, 도 8)에서는 귀환광의 영향을 회피하기 위해서 각 접속부에 적절히 아이솔레이터(110, 111, 112, 26, 27, 404) 등을 삽입하고, 또 양호한 EDFA 증폭 특성을 얻기 위해서 협대역 필터(113, 28, 403)을 삽입하는 구성예를 설명하였다. 단, 아이솔레이터 또는 협대역 필터를 배치하는 개소 또는 그 수는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 본 발명에 의한 레이저 광원이 적용되는 각종 장치(노광 장치 등)의 요구 정밀도 등에 따라서 적절히 결정하면 좋고, 아이솔레이터와 협대역 필터 중의 적어도 한쪽을 일체 마련하지 않는 경우도 있다. 또한, 협대역 필터는 원하는 단일 파장에 대해서만 고투과율이 얻어지면 좋고, 필터의 투과 파장폭은 1pm 이하로 충분하다. 이와 같이, 협대역 필터를 이용하는 것에 의해, 파이버 증폭기에서 발생하는 자연 방출광 ASE(Amplified Spontaneous Emission)에 의한 잡음을 경감할 수 있고, 또 전단(前段)의 파이버 광 증폭기로부터의 ASE에 의한 기본파 출력의 증폭률 저하를 억제할 수 있다.
또, 상술한 실시예에서는 광 변조 소자(12) 또는 (22)에 의해 잘라내어지는 펄스광의 강도 또는 파이버 증폭기 출력을 모니터해 두고, 펄스마다 그 강도가 일정하게 되도록 광 변조 소자에 인가하는 구동용 전압 펄스 및 오프셋 DC(직류) 전압의 크기를 조정해서 펄스광의 강도를 피드백 제어해도 좋다. 또, 다수의 파이버 광 증폭기(19) 또는 (25)에서 발생하는 레이저광을 검출해서 각 채널에서의 레이저광의 지연 시간이나 채널 사이에서의 레이저광의 발진 간격 등을 모니터하고, 그 지연 시간이나 발진 간격 등이 각각 소정값으로 되도록 광 변조 소자에 인가하는 구동용 전압 펄스의 타이밍을 제어하거나, 또는 도 2중의 TDM(23)을 제어하는 것에 의해 파이버 번들 출력 단에서의 레이저광의 발진 타이밍을 피드백 제어해도 좋다. 또, 파장 변환부(500)에서 발생하는 자외광의 파장을 검출하고, 이 검출값에 근거하여 단일 파장 발진 레이저(11) 또는 (21)의 온도를 조정해서 자외광의 파장을 피드백 제어해도 좋다.
또, 광 변조 소자(12) 또는 (22)에 의해 잘라내어지는 펄스광의 강도변동을 검출하고, 이 출력변동을 보상하도록 광 변조 소자보다도 후단(後段)에 배치되는 여러단의 파이버 광 증폭기(13, 18, l9, 또는 24, 25) 중의 적어도 1단에서의 이득을 제어하는 소위 피드 포워드(feed forward) 제어를 실행하도록 해도 좋다. 또, 상술한 채널 0∼127 중 지연 시간이 짧은 채널, 즉 펄스광이 빨리 출력되는 채널의 출력(광강도)을 검출하고, 이 검출값에 근거하여 파이버 광 증폭기의 이득(또는 TDM(23))을 제어하고, 그 채널보다도 지연 시간이 긴 채널, 즉 펄스광이 늦게(지연해서) 출력되는 채널의 출력을 피드 포워드 제어하도록 해도 좋다. 또, 특히 도 1에 도시한 실시예 1에서는 채널단위로 그의 출력을 제어하는 것이 아니라 32개의 채널을 갖는 블럭단위로 그의 출력을 제어해도 좋고, 예를 들면 제 1 블럭의 적어도 1개의 채널의 출력을 검출하고 이 검출값에 근거하여 제 2 블럭에서의 채널의 출력을 제어해도 좋다.
본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 3 실시예를 도 3을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에 의한 자외광 발생 장치는 단일 파장 발진 레이저(31)로 이루어지고 단일 파장의 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부, 파이버 광 증폭기(33, 34)로 이루어지고 입사광을 증폭하는 광 증폭기 및 증폭된 광을 파장 변환하는 파장 변환부(도시하지 않음) 등으로 구성되고, ArF 엑시머 레이저와 동일한 출력 파장(193㎚) 또는 F2레이저와 동일한 출력 파장(157㎚)의 레이저광을 발생하는 자외 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 있어서 도 3에 도시하는 자외 레이저 장치에는 단일 파장의 레이저광을 발생하는 단일 파장 발진 레이저(31)를 구비하고, 이 단일 파장 발진 레이저(31)의 광 출력은 파이버 광 증폭기(33, 34)에 의해 증폭된다. 이 파이버 광 증폭기(34)의 출력은 예를 들면 도 13에 도시하는 파장 변환부(602∼611)에 그의 증폭된 레이저광이 입사된다. 또한, 도 3에 있어서의 파이버 광 증폭기(34)의 출사단은 도 11 및 도 13에 도시되는 파이버 번들 출사단(501) 및 (601)에 대응한다. 이 파장 변환부는 1 세트의 비선형 광학 결정(602, 604, 609, 611) 등을 구비해서 구성되고, 광 증폭기(31∼36)에서 출사되는 기본파를 자외광으로 변환한다. 또한, 본 발명에 관한 파장 변환부에 대해서는 실시예의 후단에 있어서 실시예 4∼7로서 상세하게 설명한다.
이하, 본 실시예에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 3에 도시하는 단일 파장으로 발진하는 단일 파장 발진 레이저(31)로서는 예를 들면 발진 파장 1.544㎛, CW 출력 30㎽의 InGaAsP, DFB 반도체 레이저를 이용한다. 이 레이저는 기본적으로 단일 종모드 발진을 하기 때문에, 그의 발진 스펙트럼 선폭은 0. 01pm 이하로 억제된다.
이 반도체 레이저(31)의 광 출력(연속광)은 예를 들면 전기 광학 광 변조 소자나 음향 광학 광 변조 소자 등의 광 변조 소자(32)에 의해서 펄스광으로 변환된다. 본 구성예에서는 일례로서 이 광 변조 소자(32)에 의해서 펄스폭 1㎱, 반복 주파수 100㎑의 펄스광으로 변조시킨 경우에 대해서 설명을 한다. 이러한 광 변조를 실행한 결과, 광 변조 소자(32)에서 출력되는 펄스광의 피크 출력은 30㎽, 평균 출력은 3㎼로 된다.
상술한 실시예 1, 2와 마찬가지로 해서 펄스화된 출력광을, 1단 또는 다단의 EDFA(에르븀 도핑 파이버 광 증폭기)를 갖는 파이버 광 증폭기에 의해서 증폭한다. 본 실시예에서는 일례로서 2단의 파이버 광 증폭기(33, 34)에 의해서 합계 58㏈(667000배)의 증폭을 실행하는 경우에 대해서 설명하였다. 이 경우에는 이 파이버 광 증폭기(34)의 출력 단에서의 평균 출력은 2W로 된다. 이 출력 단부는 최종단의 파이버 광 증폭기(34)의 출력 단을 그대로 이용해서 형성할 수 있지만, 최종단의 파이버 광 증폭기(34)에 무도핑의 파이버를 결합시키는 것도 가능하다. 또, 본 실시예에서는 귀환광의 영향을 회피하기 위해서, 각 접속부에 적절히 아이솔레이터(35, 36)를 삽입한 구성예를 나타낸다.
이 광 증폭기의 출력인 파장 1.544㎛의 단일 파장 펄스 레이저광은 비선형 광학 결정을 이용한 파장 변환부(상세한 것은 후술)에 의해, 스펙트럼 선폭이 좁은 자외광 펄스 출력으로 변환된다. 또한, 본 실시예에 의한 광 증폭기(31∼36)에서는 그의 출력 단이 1개의 파이버 광 증폭기(34)로 이루어지지만, 예를 들면 실시예 1(도 1)에서 이용한 평판 도파로형 스플리터(16) 또는 실시예 2에서 이용한 TDM(23)과 함께 파이버 광 증폭기(33, 34)를 각각 복수 준비하고 파이버 광 증폭기(34)를 묶어 파이버 번들을 형성하도록 해도 좋다. 이 때, 복수의 광 증폭기에 각각 마련되는 광 변조 소자(32)에 인가하는 구동용 전압 펄스의 타이밍을 조정해서 복수의 광 증폭기에서 사출되는 펄스광의 발진 간격을 조정가능하게 하는 예를 들면 등시간 간격으로 펄스광이 순차 발광되도록, 광 증폭기마다 그의 발광 타이밍을 어긋나게 하는 것이 바람직하다. 또, 본 실시예에 대해서도 상술한 실시예 1, 2의 변형예를 적용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 단일 파장 발진 레이저(31)를 펄스 발진시켜도 좋고, 또 단일 파장 발진 레이저(31)의 전류 제어만 또는 그 전류 제어와 광 변조 소자(32)의 제어를 병용하여 펄스광의 발진 간격(펄스주기)을 변경해도 좋다.
다음에, 상술한 실시예 1∼3에서 각각 사용되는 파장 변환부의 실시예에 대해서 기술한다. 도 11의 (a∼d)에는 본 발명에 관한 파장 변환부의 구성예를 실시예 4로서 도시한다. 이들은 모두 파이버 번들의 출력 단(501)(실시예 1에 있어서의 (114), 실시예 2에 있어서의 (29) 등에 해당하지만, 실시예 3에 있어서의 단일 파이버(34)의 출력 단이어도 좋다)에서 사출되는 파장 1.544㎚의 기본파를 비선형 광학 결정을 이용하여 8배파(고조파)로 파장 변환하고, ArF 엑시머 레이저와 동일한 파장인 193㎚의 자외광을 발생하는 구성예를 도시한 것이다.
도 11의 (a)에서는 파이버 번들 출력 단(501)에서 출력되는 파장1.544㎚(주파수ω)의 기본파는 비선형 광학 결정(502, 503, 504)를 도면중 좌측에서 우측을 향해 투과해서 출력된다. 기본파가 비선형 광학 결정(502)을 통과할 때에 2차 고조파 발생에 의해 기본파의 주파수ω의 2배, 즉 주파수2ω(파장은 기본파의 l/2인 772㎚)의 2배파가 발생한다. 발생된 2배파는 우측 방향으로 진행하고, 다음의 비선형 광학 결정(503)에 입사한다. 여기서, 다시 제 2차 고조파 발생을 실행하고, 입사파의 주파수2ω의 2배, 즉 기본파에 대해 4배의 주파수4ω(파장은 기본파의 1/4인 386㎚)를 갖는 4배파가 발생한다. 발생된 4배파는 또 우측의 비선형 광학 결정(504)으로 진행하고, 여기서 다시 제 2차 고조파 발생을 실행하여 입사파의 주파수4ω의 2배, 즉 기본파에 대해 8배의 주파수8ω를 갖는 8배파(파장은 기본파의 1/8인 193㎚)를 발생한다.
상기 파장 변환에 사용하는 비선형 광학 결정으로서는 예를 들면 기본파에서 2배파로의 변환 결정(502)에는 LiB3O5(LBO) 결정을, 2배파에서 4배파로의 변환 결정(503)에는 LiB3O5(LBO) 결정을, 4배파에서 8배파로의 변환 결정(504)에는 Sr2Be2B2O7(SBBO) 결정을 사용한다. 여기서, LBO 결정을 사용한 기본파에서 2배파로의 변환에는 파장 변환을 위한 위상정합에 LBO 결정의 온도조절에 의한 방법, Non-Critical Phase Matching : NCPM을 사용한다. NCPM은 비선형 광학 결정내에서의 기본파와 제 2 고조파의 각도어긋남(Walk-off)이 발생하지 않기 때문에 고효율로 2배파로의 변환을 가능하게 하고, 또한 발생된 2배파는 Walk-off에 의한 빔의 변형도 받지 않기 때문에 유리하다.
도 11의 (b)는 기본파(파장 1.544㎛)→2배파(파장 772㎚)→3배파(파장 515㎚)→6배파(파장 257㎚)→8배파(파장 193㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 도시한 것이다.
1단째의 파장 변환부(507)에서는 기본파에서 2배파로의 2차 고조파 발생의 변환에 LBO 결정이 상술한 NCPM에서 사용된다. 파장 변환부(LBO 결정)(507)는 기본파의 일부를 파장 변환하지 않고 투과시킴과 동시에, 기본파를 파장 변환하여 2배파를 발생하고, 이 기본파와 2배파에서 파장판(예를 들면, 1/2파장판)(508)에 의해 각각 반파장, 1파장의 지연을 부여하고, 기본파의 편광만 90도 회전시킨다. 이 기본파와 2배파는 각각 렌즈(509)를 통과하여 2단째의 파장 변환부(510)에 입사한다.
2단째의 파장 변환부(510)에서는 1단째의 파장 변환부(507)에 의해 발생한 2배파와 변환하지 않고 투과한 기본파에서 합주파 발생에 의해 3배파(파장 515㎚)를 얻는다. 파장 변환 결정으로서는 LBO 결정이 이용되지만, 1단째의 파장 변환부(LBO 결정)(507)와는 온도가 다른 NCPM에서 사용된다. 파장 변환부(510)에서 얻어진 3배파와 파장 변환되지 않고 투과한 2배파는 다이크로익 미러(511)에 의해 분리하고, 다이크로익 미러(511)에서 반사된 3배파는 렌즈(513)를 통과하여 3단째의 파장 변환부(514)에 입사한다. 파장 변환부(514)는 β-BaB2O4(BBO) 결정이며, 여기서 3배파가 2차 고조파 발생에 의해 6배파(파장 257㎚)로 변환된다.
파장 변환부(514)에서 얻어진 6배파와 다이크로익 미러(511)를 투과하여 렌즈(512)를 통과한 2배파는 다이크로익 미러(516)에 의해 동축으로 합성되어 4단째의 파장 변환부(517)에 입사한다. 파장 변환부(517)는 BBO 결정이 이용되고, 6배파와 2배파에서 합주파 발생에 의해 8배파(파장 193㎚)를 얻는다. 도 11의 (b)의 구성에 있어서는 4단째의 파장 변환부(517)의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정 대신에, CsLiB6O10(CLBO) 결정을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 2단째의 파장 변환부(510)에서 얻어진 3배파와 2배파를 다이크로익 미러(511)에 의해 분기하고, 또한 3단째의 파장 변환부(514)에서 얻어진 6배파와 2단째의 파장 변환부(510)에서 얻어진 2배파를 다이크로익 미러(516)에 의해 합성하고, 4단째의 파장 변환부(517)에 입사시키도록 구성하였다. 여기서, 다이크로익 미러(511)의 특성을 반전시키는, 즉 3배파가 투과하고 또한 2배파가 반사하는 것으로 하고, 3단째의 파장 변환부(514)를 2단째의 파장 변환부(510)와 동일 광축상에 배치하도록 해도 좋다. 이 때, 다이크로익 미러(516)의 특성도 반전시켜 둘 필요가 있다. 이와 같이, 6배파와 2배파 중의 한쪽이 분기 광로를 통과하여 4단째의 파장 변환부(517)에 입사하는 구성에서는 6배파와 2배파를 각각 4단째의 파장 변환부(517)에 입사시키는 집광 렌즈(515, 512)를 서로 다른 광로에 배치할 수 있다.
3단째의 파장 변환부(514)에서 발생된 6배파는 그의 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있기 때문에, 4단째의 파장 변환부(517)에서 양호한 변환 효율을 얻기 위해서는 그 6배파의 빔정형을 실행하는 것이 바람직하다. 그래서, 본 실시예와 같이 집광 렌즈(515, 512)를 별도의 광로에 배치하는 것에 의해서, 예를 들면 렌즈(515)로서 원통형 렌즈쌍을 이용하는 것 등이 가능하게 되어 6배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있다. 이 때문에, 4단째의 파장 변환부(BBO 결정)(517)에서의 2배파와의 중첩을 양호하게 하여 변환 효율을 높이는 것이 가능하다.
또한, 2단째의 파장 변환부(510)와 4단째의 파장 변환부(517) 사이의 구성은 도 11의 (b)에 한정되는 것은 아니고, 4단째의 파장 변환부(517)에 6배파와 2배파가 동시에 입사하도록 6배파와 2배파에서 그의 광로길이가 동일하게 되어 있으면 어떠한 구성이라도 좋다. 또, 예를 들면 2단째의 파장 변환부(510)와 동일 광축상에 3단째 및 4단째의 파장 변환부(514, 517)를 배치하고, 3단째의 파장 변환부(514)에서 3배파만을 제 2 고조파 발생에 의해 6배파로 변환해서 파장 변환되지 않는 2배파와 함께 4단째의 파장 변환부(517)에 입사시켜도 좋고, 이것에 의해 다이크로익 미러(511, 516)를 이용할 필요가 없어진다.
도 11의 (c)는 기본파(파장 1.544㎛)→2배파(파장 772㎚)→4배파(파장 386㎚)→6배파(파장 257㎚)→8배파(파장 193㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 도시한 것이다.
1단째의 파장 변환부(518)에서는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용되고, 기본파를 2배파로 파장 변환하기 위해서 그 LBO 결정이 NCPM에서 사용된다. 1단째의 파장 변환부(518)에서 발생하는 2배파는 집광 렌즈(519)를 통과하여 2단째의 파장 변환부(520)에 입사한다. 2단째의 파장 변환부(520)에서는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용되고, 1단째의 파장 변환부(518)에서 발생된 2배파에서 2차 고조파 발생에 의해 4배파(파장 386㎚)를 얻는다. 파장 변환부(520)에서 얻어진 4배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(520)를 투과한 2배파는 다이크로익 미러(521)에 의해 분리하고, 여기서 반사된 4배파는 집광 렌즈(524)를 통과하여 다이크로익 미러(525)에 도달한다. 한편, 다이크로익 미러(521)를 투과한 2배파는 반파장판(522)에 의해 그의 편광 방향이 90° 회전됨과 동시에, 집광 렌즈(523)를 통과하여 다이크로익 미러(525)에 도달하고, 여기서 분기광로를 통과한 2배파와 동축으로 합성되어 3단째의 파장 변환부(526)에 입사한다.
3단째의 파장 변환부(526)에서는 그의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정이 이용되고, 2단째의 파장 변환부(520)에서 발생된 4배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(520)를 투과한 2배파에서 합주파 발생에 의해 6배파(파장 257㎚)를 얻는다. 파장 변환부(520)에서 얻어진 6배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(520)를 투과한 2배파는 다이크로익 미러(527)에 의해 분리하고, 여기서 반사된 2배파는 반파장판(528)에 의해 그의 편광 방향이 90° 회전됨과 동시에, 집광 렌즈(529)를 통과해서 다이크로익 미러(531)에 도달한다. 한편, 다이크로익 미러(527)를 투과한 6배파는 집광 렌즈(530)를 통과해서 다이크로익 미러(531)에 도달하고, 여기서 분기 광로를 통과한 2배파와 동축으로 합성되어 4단째의 파장 변환부(532)에 입사한다.
4단째의 파장 변환부(532)에서는 그의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정이 이용되고, 3단째의 파장 변환부(526)에서 발생된 6배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(526)를 투과한 2배파에서 합주파 발생에 의해 8배파(파장 193㎚)를 얻는다. 상기 구성에 있어서는 4단째의 파장 변환부(532)의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정 대신에, CLBO 결정을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 2단째 및 3단째의 파장 변환부(520, 526) 뒤에 각각 다이크로익 미러(521) 또는 (527)를 배치하고, 그 파장 변환부(520) 또는 (526)에서 사출되는 1쌍의 고조파(2배파와 4배파 또는 2배파와 6배파)가 각각 다른 광로를 통과하여 다음단의 파장 변환부(526 또는 532)에 입사하도록 구성했지만, 도 11의 (b)에서의 설명과 마찬가지로 3단째의 파장 변환부(526)를 다른 파장 변환부(518, 520, 532)와 동일 광축상에 배치해도 좋고, 이것에 의해 다이크로익 미러(521, 525, 527, 531) 등을 이용할 필요가 없어진다.
그런데, 본 실시예에서는 2단째 및 3단째의 파장 변환부(520, 526)에서 발생된 4배파 및 6배파는 각각 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있다. 이 때문에, 이 빔을 입력으로 하는 3단째 및 4단째의 파장 변환부(526, 532)에서 양호한 변환 효율을 얻기 위해서는 입사빔으로 되는 4배파 및 6배파의 빔형상을 정형하고, 2배파 빔과의 중첩을 양호하게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예와 같이 집광 렌즈(523, 524 및 529, 530)를 각각 별도의 광로에 배치하는 것에 의해, 예를 들면 렌즈(524, 530)으로서 원통형 렌즈쌍을 이용할 수 있게 되어 4배파 및 6배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있다. 이 때문에, 3단째 및 4단째의 파장 변환부(526, 532)에서 각각 2배파와의 중첩이 양호하게 되어 변환효율을 높이는 것이 가능하다.
또한, 2단째의 파장 변환부(520)에서 발생하는 2배파와 4배파가 동시에 3단째의 파장 변환부(526)에 입사하도록 그 2배파와 4배파의 각 광로길이가 동일하게 되어 있으면 좋고, 2개의 파장 변환부(520, 526) 사이의 구성은 도 11의 (c)에 한정되는 것은 아니다. 이러한 것은 3단째의 파장 변환부(526)와 4단째의 파장 변환부(532) 사이에서도 마찬가지이다.
도 11의 (d)는 기본파(파장 1.544㎛)→2배파(파장 772㎚)→3배파(파장 515㎚)→4배파(파장 386㎚)→7배파(파장 221㎚)→8배파(파장 193㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 도시한 것이다.
1단째의 파장 변환부(533)에서는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용되고, 기본파를 2배파로 파장 변환하기 위해서 그의 LBO 결정을 NCPM에서 사용한다. 파장 변환부(533)에서 파장 변환되지 않고 투과한 기본파와 파장 변환에 의해 발생한 2배파는 파장판(534)에 의해 각각 반파장, 1파장의 지연이 부가되어 기본파만 그의 편광 방향이 90도 회전한다. 2단째의 파장 변환부(536)는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용됨과 동시에, 그의 LBO 결정은 1단째의 파장 변환부(LBO 결정)(533)와는 온도가 다른 NCPM에서 사용된다. 이 파장 변환부(536)에서는 1단째의 파장 변환부(533)에서 발생된 2배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(533)를 투과한 기본파에서 합주파 발생에 의해 3배파(파장 515㎚)를 얻는다.
파장 변환부(536)에서 얻어진 3배파와 파장 변환되지 않고 그 파장 변환부(536)를 투과한 기본파 및 2배파는 다이크로익 미러(537)에 의해 분리하고, 여기서 반사된 3배파는 집광 렌즈(540) 및 다이크로익 미러(543)를 통과해서 4단째의 파장 변환부(545)에 입사한다. 한편, 다이크로익 미러(537)를 투과한 기본파 및 2배파는 집광 렌즈(538)를 통과해서 3단째의 파장 변환부(539)에 입사한다.
3단째의 파장 변환부(539)는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용되고, 기본파가 파장 변환되지 않고 그의 LBO 결정을 투과함과 동시에, 2배파가 LBO 결정에서 2차 고조파 발생에 의해 4배파(파장 386㎚)로 변환된다. 파장 변환부(539)에서 얻어진 4배파와 그것을 투과한 기본파는 다이크로익 미러(541)에 의해 분리하고, 이곳을 투과한 기본파는 집광 렌즈(544)를 통과함과 동시에 다이크로익 미러(546)에서 반사되어 5단째의 파장 변환부(548)에 입사한다. 한편, 다이크로익 미러(541)에서 반사된 4배파는 집광 렌즈(542)를 통과해서 다이크로익 미러(543)에 도달하고, 여기서 다이크로익 미러(537)에서 반사된 3배파와 동축으로 합성되어 4단째의 파장 변환부(545)에 입사한다.
4단째의 파장 변환부(545)는 그의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정이 이용되고, 3배파와 4배파에서 합주파 발생에 의해 7배파(파장 221㎚)를 얻는다. 파장 변환부(545)에서 얻어진 7배파는 집광 렌즈(547)를 통과함과 동시에, 다이크로익 미러(546)에 의해 다이크로익 미러(541)를 투과한 기본파와 동축으로 합성되어 5단째의 파장 변환부(548)에 입사한다.
5단째의 파장 변환부(548)는 그의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정이 이용되고, 기본파와 7배파에서 합주파 발생에 의해 8배파(파장 193㎚)를 얻는다. 상기 구성에 있어서, 7배파 발생용 BBO 결정(545) 및 8배파 발생용 LBO 결정(548) 대신에, CLBO 결정을 이용하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 4단째의 파장 변환부(545)에 3배파와 4배파가 서로 다른 광로를 통과해서 입사하기 때문에, 3배파를 집광하는 렌즈(540)과 4배파를 집광하는 렌즈(542)를 별도의 광로에 배치할 수 있다. 3단째의 파장 변환부(539)에서 발생된 4배파는 그의 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있다. 이 때문에, 4단째의 파장 변환부(545)에서 양호한 변환 효율을 얻기 위해서는 그의 4배파의 빔정형을 실행하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 집광 렌즈(540, 542)를 별도의 광로에 배치하고 있으므로, 예를 들면 렌즈(542)로서 원통형 렌즈쌍을 이용할 수 있어, 4배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있게 된다. 이 때문에, 4단째의 파장 변환부(BBO 결정)(545)에서의 3배파와의 중첩을 양호하게 하여 변환효율을 높이는 것이 가능하다.
또, 본 실시예에서는 5단째의 파장 변환부(548)에 입사하는 기본파를 집광하는 렌즈(544)와 7배파를 집광하는 렌즈(547)를 별도의 광로에 배치할 수 있다. 4단째의 파장 변환부(545)에서 발생된 7배파는 그의 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있다. 이 때문에, 5단째의 파장 변환부(548)에서 양호한 변환 효율을 얻기 위해서는 그의 7배파의 빔정형을 실행하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 집광 렌즈(544, 547)를 별도의 광로에 배치할 수 있으므로, 예를 들면 렌즈(547)로서 원통형 렌즈쌍을 이용할 수 있어 7배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있게 된다. 이 때문에, 5단째의 파장 변환부(LBO 결정)(548)에서의 기본파와의 중첩을 양호하게 하여 변환효율을 높이는 것이 가능하다.
또한, 2단째의 파장 변환부(536)와 4단째의 파장 변환부(545) 사이의 구성은 도 11의 (d)에 한정되는 것은 아니고, 파장 변환부(536)에서 발생해서 다이크로익 미러(537)에서 반사되는 3배파와 파장 변환부(536)에서 발생해서 다이크로익 미러(537)를 투과하는 2배파를 파장 변환부(539)에 의해 파장 변환하여 얻어지는 4배파가 동시에 파장 변환부(545)에 입사하도록, 양 파장 변환부(536, 545) 사이의 2개의 광로길이가 동일하게 되어 있으면 어떠한 구성이라도 상관없다. 이것은 3단째의 파장 변환부(539)와 5단째의 파장 변환부(548) 사이에서도 마찬가지이다.
도 12의 (a∼d)는 도 11의 (a∼d)에 도시한 파장 변환부에 대해서 각각 실험의 결과 얻어진 각 채널당의 각 단(段)에서의 파장 변환 효율 및 얻어진 8배파(파장 193㎚)의 평균 출력을 도시한 것이다. 기본파의 출력은 상술한 실시예에서 설명한 바와 같이 각 채널의 출력 단에서 피크 파워 20㎾, 펄스폭 1㎱, 펄스 반복 주파수 100㎑ 및 평균 출력 2W이다. 이 결과, 각 채널당의 8배파(파장 193㎚)의 평균 출력은 도 11의 (a)의 파장 변환부에서는 229㎽, 도 11의 (b)의 파장 변환부에서는 38. 3㎽, 도 11의 (c)의 파장 변환부에서는 40. 3㎽, 도 11의 (d)의 파장 변환부에서는 45. 9㎽였다. 따라서, 전체 128 채널을 합친(묶은) 번들으로부터의 평균 출력은 도 11의 (a)에서는 29W, 도 11의 (b)에서는 4. 9W, 도 11의 (c)에서는 5. 2W, 도 11의 (d)에서는 5. 9W로 되어, 어느쪽의 파장 변환부이더라도 노광 장치용 광원으로서 충분한 출력인 파장 193㎚의 자외광을 제공할 수 있다.
이들 실시예중에서 도 11의 (a)의 구성은 가장 간략하고 변환효율도 가장 높다. 이 때문에, 파이버 광 증폭기의 채널수를 상술한 실시예 1, 2(128 채널)보다 감소시키는 예를 들면 1/2∼1/3의 채널수로서 번들을 구성하거나 또는 본 실시예에서 설명한 기본파 출력보다 낮은 기본파 출력으로 구성하는 것 등에 의해서도, 노광 장치용 광원으로서 충분한 출력인 파장 193㎚의 자외광을 제공할 수 있다.
도 11의 (d)의 구성은 파장 변환부의 단수가 5단으로서 이들 실시예중에서 가장 많지만, 193㎚으로의 변환 효율은 도 11의 (b, c)의 실시예와 동등정도이며 거의 동일한 자외광 출력을 얻을 수 있다. 또, 도 11의 (b, c)의 구성에서는 8배파(193㎚)의 발생에 BBO 결정을 이용하고 있기 때문에, BBO 결정에 의한 8배파(l93㎚)의 흡수가 있어 BBO 결정의 손상이 문제로 될 가능성이 있다. 이것에 대해, 도 11의 (d)의 구성에서는 8배파(193㎚)의 발생에 LBO 결정을 이용할 수 있다. 이 LBO 결정은 현재 시판품으로서 양질의 결정을 용이하게 입수할 수 있고, 또 193㎚의 자외광의 흡수계수가 매우 작아 결정의 광손상이 문제로 되지 않기 때문에 내구성 면에서 유리하다. 또, 8배파(예를 들면, 파장 193㎚)의 발생부에서는 LBO 결정을 각도 위상 정합시켜 이용하지만, 이 위상 정합각이 크기 때문에 실효 비선형 광학 정수(deff)가 작아진다. 그래서, 이 LBO 결정에 온도 제어기구를 마련하고, LBO 결정을 고온에서 이용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 위상 정합각을 작게 할 수 있는, 즉 상기 정수(deff)를 증가시킬 수 있어, 8배파 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 이상은 기본파에서 8배파를 발생시키는 파장 변환부의 구성예에 대해서 그의 바람직한 실시예에 대해 설명해 왔지만, 본 발명의 파장 변환부는 이 실시예에만 구속되는 것은 아니고, 기본파인 1.544㎛의 8배파를 발생시키는 구성이면 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것이다. 예를 들면, 기본파(파장 1.544㎛)→2배파(파장 772㎚)→3배파(파장 515㎚)→4배파(파장 386㎚)→6배파(파장 257㎚)→7배파(파장 221㎚)→8배파(파장 193㎚)의 순으로 파장 변환하는 것에 의해서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이 때, 이 파장 변환에 사용하는 비선형 광학 결정으로서는 예를 들면 기본파에서 2배파로의 변환 결정에는 LBO 결정을, 2배파에서 4배파로의 변환 결정에는 LBO 결정을, 2배파와 4배파의 합주파 발생에 의한 6배파 발생에는 BBO 결정을, 기본파와 6배파의 합주파 발생에 의한 7배파 발생에는 BBO 결정을, 기본파와 7배파의 합주파 발생에 의한 8배파 발생에는 LBO 결정을 사용하는 것에 의해 달성할 수 있다. 이 경우에도 8배파 발생에 LBO 결정을 사용할 수 있기 때문에, 결정의 손상이 문제로 되지 않는 점에서 유리하다.
이상의 실시예 4에서 설명한 바와 같이 파장 변환부를 구성하는 것에 의해, 기본파 발생부에서 발생시킨 파장 1.544㎛의 기본파를 파장 193㎚의 자외광으로 파장 변환할 수 있다.
다음에, 도 13에 본 발명에 관한 파장 변환부의 다른 구성예를 실시예 5로서 도시한다. 이것은 파이버 번들의 출력 단(601)(실시예 1에 있어서의 (114), 실시예 2에 있어서의 (29) 등에 해당한다)에서 사출되는 파장 1.57㎛의 기본파를 비선형 광학 결정을 이용하여 10배파의 고조파 발생을 실행하고, F2레이저와 동일한 파장인 157㎚의 자외광을 발생하는 구성예를 도시한 것이다. 또한, 본 실시예에 있어서의 기본파 출력부는 지금까지 기술해 온 실시예 1∼3 중의 어느 하나 또는 그들을 조합하여 이용할 수 있다.
도 13에 도시한 파장 변환부의 구성예에서는 기본파(파장 1.57㎛)→2배파(파장 785㎚)→4배파(파장 392. 5㎚)→8배파(파장 196. 25㎚)→10배파(파장 157㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 설명한 것이다. 본 실시예에서는 2배파 발생부터 8배파 발생까지의 각 파장 변환단에 있어서 각 파장 변환단에 입사된 파장의 2차 고조파 발생을 실행하고 있다.
또, 본 예에서는 파장 변환에 사용하는 비선형 광학 결정으로서 파장 변환부(602)에 있어서의 기본파에서 2차 고조파 발생에 의한 2배파의 발생에는 LBO 결정을 사용하고, 파장 변환부(604)에 있어서의 2배파에서 2차 고조파 발생에 의한 4배파의 발생에는 LBO 결정을 사용한다. 또, 파장 변환부(609)에 있어서의 4배파에서 2차 고조파 발생에 의한 8배파의 발생에는 Sr2Be2B2O7(SBBO)결정을 사용하고, 파장 변환부(611)에 있어서의 2배파와 8배파에서 합주파 발생에 의한 10배파(파장 157㎚)의 발생에는 SBBO 결정을 사용한다.
또한, 파장 변환부(602)에서 발생하는 2배파는 집광 렌즈(603)를 통과해서 파장 변환부(604)에 입사하고, 이 파장 변환부(604)는 상술한 4배파와 파장 변환되지 않는 2배파를 발생한다. 다음에, 다이크로익 미러(605)를 투과하는 2배파는 집광 렌즈(606)를 통과함과 동시에, 다이크로익 미러(607)에서 반사되어 파장 변환부(61l)에 입사한다. 한편, 다이크로익 미러(605)에서 반사된 4배파는 집광 렌즈(608)를 통과하여 파장 변환부(609)에 입사하고, 여기서 발생되는 8배파는 집광 렌즈(610) 및 다이크로익 미러(607)를 통과해서 파장 변환부(611)에 입사한다. 또, 파장 변환부(611)는 다이크로익 미러(607)에서 동축으로 합성되는 2배파와 8배파에서 합주파 발생에 의해 10배파(파장 157㎚)를 발생한다.
그런데, 본 실시예에서는 2단째의 파장 변환부(604)에서 발생하는 2배파와 4배파를 다이크로익 미러(605)에 의해 분기하는 것에 의해, 이곳을 투과한 2배파와 4배파를 파장 변환부(609)에서 파장 변환하여 얻어지는 8배파가 서로 다른 광로를 통과해서 4단째의 파장 변환부(611)에 입사하도록 구성했지만, 다이크로익 미러(605, 607)를 이용하지 않고 4개의 파장 변환부(602, 604, 609, 611)를 동일 광축상에 배치해도 좋다.
단, 본 실시예에서는 2단째의 파장 변환부(604)에서 발생한 4배파는 그의 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있다. 이 때문에, 이 빔을 입력으로 하는 4단째의 파장 변환부(611)에서 양호한 변환효율을 얻기 위해서는 입사빔으로 되는 4배파의 빔형상을 정형하여 2배파와의 중첩을 양호하게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 집광 렌즈(606, 608)을 별도의 광로에 배치할 수 있으므로, 예를 들면 렌즈(608)로서 원통형 렌즈를 이용하는 것이 가능하게 되어 4배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있다. 이 때문에, 4단째의 파장 변환부(611)에서의 2배파와의 중첩을 양호하게 하여 변환효율을 높이는 것이 가능하다.
이상의 실시예 5에서 설명한 바와 같이 파장 변환부를 구성하는 것에 의해, 기본파 발생부에서 발생시킨 파장 1.57㎛의 기본파를 파장 157㎚의 자외광으로 파장 변환시킬 수 있다.
도 14에는 본 발명에 관한 파장 변환부의 다른 구성예를 실시예 6으로서 도시한다. 이것은 예를 들면 실시예 2에서 설명한 바와 같이 기본파 발생부를 구성하고, 파이버 번들의 출력 단(701)(실시예 1에 있어서의 (114), 실시예 2에 있어서의 (29) 등에 해당한다)에서 사출되는 파장 1.099㎛의 기본파를 비선형 광학 결정을 이용하여 7배파의 고조파 발생을 실행하고, F2레이저와 동일한 파장인 157㎚의 자외광을 발생하는 구성예를 도시한 것이다. 또, 본 실시예에 있어서의 기본파 출력부는 지금까지 기술해 온 실시예 1∼3 중 어느 하나 또는 이들을 조합해서 이용하는 것이 가능하다.
도 14에 도시한 파장 변환부의 구성예에서는 기본파(파장 1.099㎛)→2배파(파장 549. 5㎚)→3배파(파장 366. 3㎚)→4배파(파장 274. 8㎚)→7배파(파장 157㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 설명한 것이다. 본 실시예에서는 각 파장 변환부에서 입사광의 2차 고조파 발생 또는 합주파 발생을 실행하고 있다.
한편, 본 예에서는 파장 변환에 사용하는 비선형 광학 결정으로서 파장 변환부(702)에 있어서의 기본파에서 2차 고조파 발생에 의한 2배파의 발생에는 LBO 결정을 사용하고, 파장 변환부(705)에 있어서의 기본파와 2배파에서 합주파 발생에 의한 3배파의 발생에는 LBO 결정을 사용한다. 또, 파장 변환부(710)에 있어서의 2배파에서 2차 고조파 발생에 의한 4배파의 발생에는 BBO 결정을 사용하고, 파장 변환부(712)에 있어서의 3배파와 4배에서 합주파 발생에 의한 7배파의 발생에는 SBBO 결정을 사용한다.
또, 파장 변환부(LBO 결정)(702)에서 발생하는 기본파와 2배파는 1/2파장판(반파장판)(703)에 입사하고, 기본파만 그의 편광 방향이 90도 회전됨과 동시에, 집광 렌즈(704)를 통과해서 파장 변환부(LBO 결정)(705)에 입사한다. 파장 변환부(705)는 기본파와 2배파에서 합주파 발생에 의해 3배파를 얻음과 동시에, 2배파를 파장 변환하지 않고 투과시킨다. 파장 변환부(705)에서 발생되는 2배파와 3배파는 다이크로익 미러(706)에 의해 분기되고, 이곳을 투과한 3배파는 집광 렌즈(707)을 통과해서 다이크로익 미러(708)에서 반사되어 파장 변환부(712)에 입사한다. 한편, 다이크로익 미러(706)에서 반사된 2배파는 집광 렌즈(709)를 통과해서 파장 변환부(710)에 입사하고, 이 파장 변환부(710)는 2배파에서 2차 고조파 발생에 의해 4배파를 발생한다. 이 4배파는 집광 렌즈(711) 및 다이크로익 미러(708)를 통과해서 파장 변환부(712)에 입사한다. 이 파장 변환부(712)는 3배파와 4배파에서 합주파 발생에 의해 7배파를 발생한다.
그런데, 본 실시예에서는 2단째의 파장 변환부(705)에서 발생하는 2배파와 3배파를 다이크로익 미러(706)에 의해 분기하는 것에 의해서, 이곳을 투과한 3배파와 2배파를 파장 변환부(710)에서 파장 변환하여 얻어지는 4배파가 서로 다른 광로를 통과해서 4단째의 파장 변환부(712)에 입사하도록 구성했지만, 다이크로익 미러(706, 708)를 이용하지 않고 4개의 파장 변환부(702, 705, 710, 712)를 동일 광축상에 배치해도 좋다.
단, 본 실시예에서는 3단째의 파장 변환부(710)에서 발생된 4배파는 그의 단면형상이 Walk-off 현상에 의해 긴 원형으로 되어 있다. 이 때문에, 이 빔을 입력으로 하는 4단째의 파장 변환부(712)에서 양호한 변환효율을 얻기 위해서는 입사빔으로 되는 4배파의 빔형상을 정형하여 3배파와의 중첩을 양호하게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 집광 렌즈(707, 711)를 별도의 광로에 배치할 수 있으므로, 예를 들면 렌즈(711)로서 원통형 렌즈를 이용하는 것이 가능하게 되어 4배파의 빔정형을 용이하게 실행할 수 있다. 이 때문에, 4단째의 파장 변환부(712)에서의 3배파와의 중첩을 양호하게 하여 변환효율을 높이는 것이 가능하다.
이상의 실시예 6에서 설명한 바와 같이 파장 변환부를 구성하는 것에 의해, 기본파 발생부에서 발생시킨 파장1.099㎛의 기본파를 파장 157㎚의 자외광으로 파장 변환시킬 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 광 증폭기 및 파장 변환부의 다른 구성예를 실시예 7로서 도 15에 도시한다. 도 15에서는 파장 변환부를 복수의 병렬광로 구성(도면의 예에서는 4광로의 정방형 배치)으로 하고, 이것에 맞게 다수의 파이버 광 증폭기(19 또는 25)의 출력 단을 4개의 번들(출력군)로 분할함과 동시에, 이 4개의 파이버 번들 출력 단에 대응해서 각각 집광 광학 소자 및 파장 변환부를 마련하는 실시예를 설명한다. 본 예에서는 도 1 또는 도 2에 도시한 광 증폭기를 이용하는 것을 전제로 하고 있으므로, 1개의 파이버 번들에는 32개의 파이버 광 증폭기(19 또는 25)가 묶여지게 된다. 또한, 번들은 최종단의 EDFA 출력 단 또는 YDFA 출력 단을 그대로 이용하여 형성할 수 있지만, 최종단의 EDFA 등에 무도핑의 파이버를 결합시키고, 그 출력 단에서 번들을 형성하는 것도 가능하다.
또, 파이버 광 증폭기(19 또는 25)의 출력 단을 복수로 분할하고, 복수의 파이버 번들을 형성하는 경우에는 다수(본 예에서는 128개)의 파이버 광 증폭기(19 또는 25)중 레이저광의 사출 순번에서 서로 인접하는 출력 단(파이버 광 증폭기)은 서로 다른 파이버 번들으로 묶는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 레이저광이 사출하는 순번으로 그의 128개의 파이버 광 증폭기(19 또는 25)에 No.0∼127의 번호를 붙이는 것으로 하면, No. 0, 4, 8, …, 124의 파이버 광 증폭기를 제 1 파이버 번들로서 묶고, No. 1, 5, 9, …, 125의 파이버 광 증폭기를 제 2 파이버 번들로서 묶고, No. 3, 6, 10, …, 126의 파이버 광 증폭기를 제 3 파이버 번들로서 묶고, No. 4, 7, 11, …, 127의 파이버 광 증폭기를 제 4 파이버 번들로서 묶는다. 이것에 의해, 파이버 번들마다 그것에 대응해서 배치되는 파장 변환부(비선형 광학 결정)에 입사하는 펄스 광의 시간간격을 균등하게 분할할 수 있다.
한편, 도 15에 도시한 바와 같이 4개의 파이버 번들으로 이루어지는 광 증폭기(도 1 또는 도 2)의 출력 단(841)에서 사출되는 기본파는 본 예에서는 3단의 파장 변환부(842, 843, 844)에 의해 각각 파장 변환된다. 또한, 본 예에서는 상술한 실시예 4∼6에서 설명한 파장 변환부(도 l1, 도 13, 도 14) 중 어느 하나이라도 이용할 수 있지만, 여기서는 도 11의 (a)에 도시한 파장 변환부를 이용하는, 즉 기본파(파장 1.544㎛)를 3단의 비선형 광학 결정(502∼504)에 의해서 파장 193㎚의 자외광으로 파장 변환하는 예에 대해서 설명한다. 따라서, 파장 1.544㎛( 주파수ω)의 기본파는 비선형 광학 결정(842, 843, 844)를 도면중 좌측에서 우측을 향해 투과해 가는 것에 의해서, 2배파, 4배파, 8배파(파장 193㎚)로 순차 파장 변환되어 출력된다.
도 15에 있어서 4개의 파이버 번들으로 이루어지는 광 증폭기의 출력 단(841)에서 사출되는 기본파(파장 1.544㎛)는 4개의 파이버 번들에 대응해서 각각 마련되는 집광 렌즈(845)를 통과해서 파장 변환부(비선형 광학 결정)(842)에 입사하고, 여기서 2차 고조파 발생에 의해 기본파의 주파수ω의 2배, 즉 주파수2ω(파장 772㎚)의 2배파가 발생한다. 파장 변환부(842)에서 발생된 2배파는 우측 방향으로 진행하여 집광 렌즈(846)를 통과해서 다음의 파장 변환부(비선형 광학 결정)(843)에 입사한다. 여기서, 다시 2차 고조파 발생이 실행되고, 입사파(2배파)의 주파수2ω의 2배, 즉 기본파에 대해 4배의 주파수4ω(파장 386㎚)를 갖는 4배파가 발생한다. 파장 변환부(843)에서 발생된 4배파는 집광 렌즈(847)를 통과해서 또 우측의 파장 변환부(비선형 광학 결정)(844)에 입사하고, 여기서 2차 고조파 발생이 더 실행되어 입사파(4배파)의 주파수4ω의 2배, 즉 기본파에 대해 8배의 주파수8ω(파장 193㎚)를 갖는 8배파를 발생한다.
이 실시예에 있어서 상기 파장 변환에 사용하는 비선형 광학 결정으로서는 예를 들면 파장 변환부(842)에서의 기본파에서 2배파로의 파장 변환 결정으로서 LBO 결정을, 파장 변환부(843)에서의 2배파에서 4배파로의 파장 변환 결정으로서 BBO 결정을, 파장 변환부(844)에서의 4배파에서 8배파로의 파장 변환 결정으로서 SBBO 결정을 사용한다.
또한, 본 실시예에서는 기본파(파장 1.544㎛)→2배파(파장 772㎚)→4배파(파장 386㎚)→8배파(파장 193㎚)의 순으로 파장 변환하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것은 이미 설명한 실시예 4에 있어서의 도 11의 (a)의 파장 변환부를 복수 병렬화한 것에 상당한다. 따라서, 이미 설명한 다른 파장 변환부 구성인 도 11의 (b)∼도 11의 (d)를 본 실시예와 마찬가지의 방법으로 복수 병렬화한 것도 본 실시예와 마찬가지로 구성할 수 있다. 마찬가지로, 도 13 및 도 14에 각각 도시한 파장 변환부를 복수 병렬화해서 구성하도록 해도 좋다.
다음에, 도 16을 참조해서 광 증폭기와 파장 변환부의 결합부에 대한 본 실시예에 있어서의 제 2 실시예를 설명한다. 이 실시예는 도 15에 도시한 파장 변환부의 구성을 5광로의 병렬 구성으로 하고, 이것에 맞게 파이버 광 증폭기의 출력 단을 5개로 분할하여 5개의 파이버 번들(출력군)을 형성한 것이다. 이 분할시에 파이버 광 증폭기의 출력 단을 균등하게 5분할하지 않고, 5개의 파이버 번들(출력군)의 일부(도 15에서는 1개의 파이버 번들)의 출력 단(850)은 단독 또는 소수의 파이버 광 증폭기로 구성하고, 다른(도 15에서는 4개) 파이버 번들 출력 단(851)은 파이버 광 증폭기의 수가 동일수로 되도록 균등하게 분할된 복수의 파이버 광 증폭기를 묶은 것이다. 그리고, 이들 출력광은 각 출력군(파이버 번들)마다 마련된 파장 변환부(852∼857)에 의해 소정 파장의 자외광으로 변환되고, 예를 들면 노광 장치로 공급된다. 또한, 3단의 파장 변환부(852∼854)는 각각 복수(5개)의 파이버 번들과 동일 수의 파장 변환부로 구성되고, 그 파장 변환부(852∼854)의 입사측에 각각 배치되는 집광 광학 소자(855∼857)도 각각 파이버 번들과 동일 수의 집광 렌즈로 구성되어 있다.
여기서, 본 예에 의한 자외 레이저 장치를 노광 장치(도 19 또는 도 20)에 적용하는 경우, 4개의 파이버 번들의 출력 단(851)에서 각각 발생하는 기본파는 파장 변환부(852∼857)에 의해 자외광으로 파장 변환되고, 이 자외광이 노광용 조명광으로서 조명 광학계를 통과해서 레티클에 조사된다. 즉, 4개의 파이버 번들은 노광용 광원으로서 사용된다. 한편, 단독 또는 소수의 파이버 광 증폭기로 구성되는 파이버 번들의 출력 단(850)에서 발생해서 자외광으로 파장 변환된 광 출력은 노광 장치에 마련되는 얼라인먼트계 또는 모니터계 등으로 보내진다(전송된다). 즉, 1개의 파이버 번들(850)은 얼라인먼트용 광원 등으로서 사용된다. 또한, 파이버 번들 출력 단(850)에서 발생해서 파장 변환된 자외광은 예를 들면 3단째의 파장 변환부(854)에 결합되는 무도핑 파이버에 의해서 얼라인먼트계 등으로 전송된다.
그런데, 도 16에서는 4개의 파이버 번들의 출력 단(851)에서 발생하는 기본파를 자외광으로 파장 변환해서 조명 광학계로 보내는 것으로 했지만, 그 파이버 번들의 수는 1개이어도 좋고 복수이어도 좋다. 또, 얼라인먼트나 모니터에 이용하는 파이버 번들은 1개이었지만, 그 수를 복수로 해도 좋고 이 복수의 파이버 번들에서 사출되는 광을 각각 다른 광학계로 보내도록 해도 좋다.
본 예에서는 노광용 광원과 얼라인먼트용 또는 모니터용 등으로 사용하는 광원이 동일하며, 노광용 조명광과 얼라인먼트용 조명광 등은 동일한 단일 파장 발진 레이저의 출력광을 분기, 증폭 및 파장 변환한 것으로 되어 동일 파장의 자외광을 이용할 수 있다. 이 때문에, 얼라인먼트 또는 각종 모니터를 노광 장치의 조명 광학계나 투영 광학계 등의 광학계를 통해서 실행할 수 있게 된다. 따라서, 얼라인먼트용 광학계 등의 설계가 용이하게 되어 그 구성을 대폭으로 간략화할 수 있거나 또는 별도로 마련할 필요가 없어져 노광 장치를 간이하게 구축할 수 있게 된다. 또한, 노광용 조명광의 조사와 얼라인먼트용 조명광 등의 조사를 동시에 실행하지 않는 경우가 있으므로, 예를 들면 조명 광로 내에 각각 셔터를 마련하거나 또는 TDM(23)에 의해서 펄스광을 배분하는 채널을 선택하도록 해서 그의 조사의 타이밍을 독립적으로 제어하는 것이 바람직하다.
또, 투영 광학계의 초점 위치, 투영 배율, 수차 및 텔레센트릭성(telecentricity) 등을 계측하기 위해서, 상술한 얼라인먼트용이나 모니터용의 자외광을 이용할 수 있고, 그 계측 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 투영 광학계의 결상면과 감광 기판(웨이퍼)의 초점맞춤을 실행하는 경우에도 노광 파장과 동일 파장의 광을 사용하고 또한 투영 광학계를 통해서 그 초점맞춤을 실행하는 것에 의해, 위치맞춤 정밀도의 향상도 동시에 달성할 수 있다.
그런데, 이상 설명한 바와 같은 본 실시예(도 15, 도 16)의 구성에 의하면, 파이버 광 증폭기의 파이버 출력을 복수의 군으로 분할하고, 비선형 광학 결정으로의 입력광을 분할하는 것에 의해, 비선형 광학 결정으로의 입사파워를 효과적으로 저감할 수 있다. 따라서, 비선형 광학 결정중에서의 광흡수 및 열효과에 기인하는 출력 저하나 광손상 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 파이버 광 증폭기의 출력 단의 분할수(파이버 번들의 수)는 4개 또는 5개에 한정되는 것은 아니고 2개 이상이면 좋다.
다음에, 본 발명에 관한 자외광 발생 장치에 있어서의 광 증폭기와 파장 변환부의 결합부에 대해서 실시예 8로서 설명한다. 여기서, 광 증폭기의 출력 단은 상술한 실시예 1 및 2에서 설명한 바와 같이 파이버 광 증폭기의 출사단이 번들 형상으로 묶여서 형성되어 있다. 이 때, 각 파이버 광 증폭기의 클래드 직경은 125㎛ 정도이므로, 128개를 묶은 출력 단에서의 번들의 직경은 약 2㎜ 이하로 할 수 있다.
여기서, 번들의 수 및 형상은 파장 변환부의 구성이나 필요로 되는 광원의 형상에 맞게 정하는 것이 가능하고, 예를 들면 실시예 1, 2에서는 1개의 원형 단면을 갖는 번들인 경우를 설명하고 있다(114, 29, 501, 601, 701 등). 이 때, 파이버 광 증폭기의 출력 단부가 예를 들면 도 9 또는 도 10에 도시한 바와 같이 평탄면으로 형성되어 있는 경우에는 파이버 번들의 출력 단과 제 1단째의 파장 변환부(비선형 광학 결정) 사이에 집광 렌즈(예를 들면, 도 15의 집광 렌즈(845)등)를 마련하고, 파이버 번들에서 발생하는 광을 비선형 광학 결정에 집광시키는 것에 의해 파이버 광 증폭기의 출력광을 유효하게 입사시킬 수 있다.
또, 본 발명에 관한 이 결합부의 다른 실시예를 도 17에 도시한다. 도 17에 있어서, 복수의 파이버 광 증폭기의 출사단이 묶여진 파이버 번들 출력 단(901)에서 기본파가 사출되지만, 파이버 광 증폭기마다 렌즈(902)가 배치되고, 이 렌즈(902)에 의해서 기본파는 1단째의 파장 변환부(비선형 광학 결정)(903)(예를 들면, 제 4 실시예(도 11)에 있어서의 (502, 507, 518, 533) 등)에 집광한다. 본 실시예에서는 파이버 번들 전체의 직경을 2㎜, 파이버 번들을 구성하는 각 파이버 광 증폭기의 모드 직경을 20㎛로 하고, 개별의 렌즈(902)에 의해 1단째의 파장 변환부(903)에 집광하는 예에 대해서 설명한다. 또한, 1단째의 파장 변환부(903)와 2단째의 파장 변환부(906) 사이에는 1쌍의 렌즈(904, 905)가 배치되어 있고, 파장 변환부(903)에서 사출되는 광이 그 파장 변환부(903)으로의 입사시와 동일한 조건에서 파장 변환부(906)에 입사하게 되어 있다.
이러한 실시예에 있어서는 비선형 광학 결정에서의 각 빔직경이 최적한 고조파 변환효율을 얻는데 바람직한 크기(예를 들면, 본 실시예에서는 200㎛ 정도)로 되도록, 집광 렌즈(902)의 배율(예를 들면, 본 실시예에서는 10배 정도)을 선택한다. 각 파이버 출력을 개별의 렌즈(902)에 의해 집광하고 있기 때문에, 파이버 번들중의 모든 화이버에서 집광된 비선형 결정중에서의 전체 광속이 차지하는 크기(단면적)는 집광 렌즈의 배율에 의존하지 않고 파이버 번들 자신의 직경 정도로 된다. 따라서, 필요한 파장 변환 결정의 크기(단면)는 파이버 번들의 직경정도로 되기 때문에, 수 밀리미터 정도의 작은 파장 변환 결정을 이용할 수 있어 경제적이다. 또한, 렌즈(902)를 마련하는 것 대신에, 파이버 출력 단면을 직접 구면 또는 비구면의 렌즈 형상으로 가공하여 집광 광학 소자의 기능을 갖게 해도 좋다.
다음에, 광 증폭기와 파장 변환부의 결합부에서의 파이버 출력 단의 다른 실시예를 도 18에 도시한다. 도 18의 (a) 및 (c)에 도시한 실시예는 도 17에 도시한 집광 렌즈(902)를 파이버(452)마다 그의 출력 단부에 형성한 것 및 이것을 출력군마다 번들 형상으로 통합한 예를 나타내고 있다. 본 예에서는 파이버(452)마다 그의 출력 단부에 집광 광학 소자(453)가 형성되어 있지만, 이것은 이미 도 10의 (a)를 이용하여 설명한 파이버 출력 단부에 마련한 창부재(433)를 렌즈 형상으로 가공해서 집광 광학 소자의 기능을 갖게 한 것이다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 도 17과 마찬가지의 집광기능을 구비함과 동시에 파이버 출력 단면의 손상을 억제할 수 있다.
또, 도 18의 (b)는 복수의 파이버(462)를 묶은 출력군마다 집광 광학 소자(463)를 마련하는 경우의 실시예이다. 본 예에서는 예를 들면 도 15에 도시한 집광 렌즈(845)를 파이버 번들의 출력 단부에 형성한 것이며, 이미 도 10의 (b)를 이용하여 설명한 창부재(443)를 구면 또는 비구면의 렌즈 형상으로 가공해서 집광 광학 소자의 기능을 갖게 한 것이다.
또한, 파이버단부 또는 창부재의 출력면을 구면 또는 비구면의 렌즈 형상으로 가공하는 것 대신에, 열 이온 교환법이나 전해 이온 교환법 등의 이온 교환법을 이용하여 파이버단부를 또는 창부재로서 유리창을 이용할 때에는 유리창 단부(端部)의 유리조성을 이온 교환에 의해 부분적으로 변화시키고, 이것에 의해 렌즈와 동등한 굴절률 분포를 갖게 하는 것에 의해 집광 광학기능을 갖게 하는 것이어도 좋다. 또, 도 18의 (a∼c)에서는 파이버내의 코어(451, 461)의 직경은 확대되어 있지 않지만, 이 코어 직경의 확대를 병용할 수도 있다.
한편, 2단째 이후의 파장 변환부(비선형 광학 결정)로의 집광은 1단째의 경우와 마찬가지로 파이버마다 또는 번들마다 그 출력을 개별의 렌즈에 의해 실행할 수도 있지만, 본 실시예에서는 파이버 번들의 전체 출력을 공통의 1 세트 또는 1개의 렌즈로 집광하는 경우에 대해서 기술하고 있다. 이와 같이, 공통의 렌즈를 사용하는 것에 의해, 사용하는 렌즈의 수가 적어지고 렌즈의 얼라인먼트도 용이하게 되기 때문에 경제적이다.
또한, 파장 변환 결정(비선형 광학 결정)의 출력 단은 그의 파장 변환 결정에 의해 집광된 빔의 레일리 길이내에 위치하기 때문에, 파장 변환 결정으로부터의 사출빔은 파장 변환 결정의 출력 단에서 거의 평행광으로 된다. 본 실시예(도 17)에서는 이 사출빔을 1쌍의 렌즈(904, 905)에 의해 2단째의 파장 변환 결정(906)에 집광하는 경우에 대해서 설명하였다. 여기서, 렌즈쌍의 촛점거리는 2단째의 파장 변환부(906)에서 최적의 변환효율을 얻는데 바람직한 빔직경으로 되는 배율로 정할 수 있다. 또, 도 11, 도 13, 도 14에 도시한 파장 변환 결정에 기본파 또는 그 고조파를 집광하는 집광 광학 소자(예를 들면, 도 11의 (a)에 도시한 (505, 506) 등)는 1개의 렌즈로 구성되어 있지만, 본 실시예와 같이 1 세트의 렌즈로 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 실시예 1∼3에서 설명한 구성에 의해 기본파 발생부(레이저광 발생부 및 광 증폭기)를 구성하고, 실시예 4∼7에서 설명한 구성에 의해 파장 변환부를 구성하고, 또 실시예 8에 도시한 구성에 의해 광 증폭기와 파장 변환부의 결합부를 구성하는 것에 의해서, 출력 파장 157㎚, 193㎚ 등의 자외광 출력을 얻을 수 있다. 이들은 각각 F2 레이저, ArF 엑시머 레이저의 발진 파장과 동일 파장이다.
또한, 이렇게 해서 얻어지는 자외 출력광은 예를 들면 실시예 1에 의한 기본파 발생부를 이용해서 구성한 경우에는 약 3㎱의 간격으로 발광하는 펄스광이기 때문에 서로 시간적으로 겹치는 일이 없고, 매우 협대역화된 단일 파장의 자외광이면서 개개의 출력광은 서로 간섭하는 것이 없다. 또, 예를 들면 실시예 2에 의한 기본파 발생부를 이용하여 구성한 경우에는 얻어지는 자외 출력광은 약 78㎱의 등간격으로 발광하는 펄스광이기 때문에 서로 시간적으로 겹치는 일이 없고, 매우 협대역화된 단일 파장의 자외광이면서 개개의 출력광은 서로 간섭하는 일이 없다.
또, 예를 들면 일본 특허 공개 공보 평성 8-334803 호에 개시되어 있는 바와 같은 고체 자외 레이저 어레이에서는 병렬화된 개개의 기본파 레이저에 대해(개개의 레이저 요소마다) 각각 파장 변환부가 필요하지만, 본 실시예에 의하면 기본파 출력의 파이버 번들 직경이 전체 채널을 합쳐도 2㎜ 이하이기 때문에, 불과 1 세트의 파장 변환부에서 모든 채널의 파장 변환을 실행하는 것이 가능하다. 또한, 출력 단이 유연한 파이버이기 때문에, 파장 변환부와 단일 파장 발진 레이저나 스플리터, 시분할 광 분기 장치 등의 다른 구성부를 나누어 배치하는 것이 가능하게 되는 등 배치의 자유도가 매우 높다. 따라서, 본 발명에 의해 염가이고 콤팩트하며 또한 단일 파장이면서 공간적 코히어런스가 낮은 자외 레이저 장치를 제공할 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 제 9 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예에 의한 자외 레이저 장치는 이미 지금까지의 제 1 내지 제 8 실시예에서 기술해 온 바와 같은 자외 레이저 장치가 노광 장치용 광원인 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치를 이용한 노광 장치의 실시예에 대하여 도 19를 참조하면서 설명한다. 광 리소그래피 공정에서 사용되는 노광 장치는 원리적으로는 사진 제판과 동일하고, 포토 마스크(레티클)상에 정밀히 묘화된 회로 패턴을 포토 레지스트를 도포한 반도체 웨이퍼상에 광학적으로 축소 투영하여 전사한다. 본 발명에 관한 자외 레이저 장치(1261)는 조명 광학계(1262), 투영 광학계(1265) 등을 포함하는 노광 장치 전체와 일체로 마련되어 있다. 이 때, 조명 광학계(1262)를 지지하는 가대(架臺)에 자외 레이저 장치(1261)를 고정시켜도 좋고, 또는 자외 레이저 장치(1261)를 단독으로 가대에 고정시켜도 좋다. 단, 자외 레이저 장치(1261)에 접속되는 전원 등은 별도 배치로 해 두는 것이 바람직하다.
또, 자외 레이저 장치(1261)를 레이저광 발생부 및 광 증폭기를 갖는 제 1 부분과 파장 변환부를 갖는 제 2 부분으로 나누고, 제 2 부분을 조명 광학계(1262)와 일체로 가대에 고정시키고, 제 1 부분을 그 가대와는 다른 가대에 고정시켜도 좋다. 또, 노광 장치 본체를 수납하는 챔버내에 자외 레이저 장치(1261)를 모두 배치해도 좋고, 또는 자외 레이저 장치(1261)의 일부 예를 들면 파장 변환부를 챔버내에 배치하고 나머지 부분은 챔버의 외측에 배치하도록 해도 좋다. 또, 자외 레이저 장치(1261)의 제어계는 챔버와는 별도로 배치되는 제어랙에 수납해도 좋고, 또는 표시부(디스플레이), 스위치류 등을 챔버와 일체로 그의 외측에 배치하고 나머지는 챔버내에 배치해도 좋다.
그리고, 본 발명에 의해 협대역화되고 또한 공간적 코히어런스가 낮은 자외광은 조명 광학계(1262)에 의해 필요한 투영면 상에서의 조도 분포가 균일하게 되도록 확대 투영되고, 집적 회로의 회로 패턴이 정밀하게 묘화된 석영 마스크(석영 레티클)(1263)상에 조사된다. 레티클(1263)의 회로 패턴은 투영 광학계(1265)에 의해 소정의 축소 배율로 축소되고, 포토 레지스트가 도포된 반도체 웨이퍼(예를 들면, 실리콘 웨이퍼)(1266)에 투영되어 상기 회로 패턴이 웨이퍼상에 결상, 전사된다.
조명 광학계(1262)는 레티클(1263)의 패턴면과 거의 공액(共役)인 면내에 배치되고 또한 레티클(1263)상에서의 조명 영역을 규정하는 시야 조리개, 조명 광학계(1262)내에서 레티클(1263)의 패턴면과 거의 퓨리에 변환의 관계로 되는 소정면 상에서의 자외광의 광량 분포를 규정하는 개구 조기개 및 개구 조리개를 사출하는 자외광을 레티클(1263)에 조사하는 콘덴서 렌즈 등을 포함한다. 이 때, 그의 소정면(퓨리에 변환면) 상에서의 자외광을 광량분포를 변경하기 위해서, 서로 형상과 크기 중의 적어도 한쪽이 다른 복수의 개구 조리개를 터릿에 마련하고, 레티클(1263)의 패턴에 따라 선택되는 복수의 개구 조리개 중의 1개를 조명 광학계(1262)의 광로내에 배치하도록 해도 좋다. 또, 자외 레이저 장치(1261)의 파장 변환부와 시야 조리개 사이에 광학 적분기(호모지나이저)를 배치해도 좋고, 플라이 아이 렌즈를 이용할 때는 그 사출측 초점면이 레티클(1263)의 패턴면과 거의 퓨리에 변환의 관계로 되도록 배치하고, 로드 적분기를 이용할 때에는 그의 사출면이 레티클(1263)의 패턴면과 거의 공액으로 되도록 배치하면 좋다.
또한, 노광 장치의 노광 개시 셔터로서는 이미 실시예 l∼3에서 설명한 전기 광학 변조 소자 또는 음향 광학 변조 소자(l2, 22, 32)를 이용할 수 있다. 전기 광학 변조 소자 또는 음향 광학 변조 소자를 오프의 상태, 즉 펄스를 발생하지 않는(내부 손실이 큰) 상태에서 온의 상태, 즉 펄스를 발생하는(펄스 형상으로 내부 손실이 작게 되는) 상태로 전환하여 노광을 개시한다.
또한, 자외 레이저 장치(1261)를 갖는 노광 장치에서는 자외 레이저 장치(1261)를 구성하는 단일 파장 발진 레이저에서 연속광을 출력시켜도 좋고, 또는 단일 파장 발진 레이저를 펄스 발진시키도록 해도 좋다. 특히, 후자에서는 단일 파장 발진 레이저의 전류 제어와 상술한 전기 광학 변조 소자 또는 음향 광학 변조 소자의 제어를 병용해서, 레티클(1263) 및 반도체 웨이퍼(1266)에 조사되는 자외광(펄스광)의 발진 간격이나 발진의 개시 및 그의 정지 등을 제어하도록 해도 좋다. 또, 본 실시예에서의 자외 레이저 장치(1261)를 갖는 노광 장치에서는 기계적인 셔터를 이용하여 웨이퍼(1266)상에서의 자외광의 적산 광량을 제어할 필요는 없지만, 예를 들면 자외 레이저 장치(1261)의 출력(파워, 중심파장, 파장폭 등)을 안정화하기 위해 자외광을 발진시킬 때 그 자외광이 웨이퍼(1266)에 도달해서 포토 레지스트를 감광시키는 것을 방지하기 위해서, 자외 레이저 장치(1261)와 웨이퍼(1266) 사이의 조명 광로 내에 셔터를 배치해도 좋고 또는 스테이지(1267)를 구동해서 웨이퍼(1266)를 자외광의 조사 영역에서 퇴피시키도록 해도 좋다.
반도체 웨이퍼(1266)는 구동 기구(1269)를 구비하는 스테이지(1267)상에 탑재되고, 1회의 노광이 완료할 때마다 스테이지를 이동하는 것에 의해 반도체 웨이퍼상의 다른 위치에 회로 패턴이 전사된다. 이러한 스테이지의 구동, 노광 방식을 스텝 앤드 리피트 방식이라고 한다. 스테이지의 구동, 노광 방식에는 그밖에 레티클(1263)을 지지하는 지지부재(1264)에도 구동 기구를 마련하고 레티클과 반도체 웨이퍼를 동기 이동해서 주사 노광을 실행하는 스텝 앤드 스캔 방식이 있지만, 이 방식에 대해서도 본 발명의 자외 레이저 장치를 적용하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치를 이용한 노광 장치와 같이 자외광으로 노광을 실행하는 노광 장치에서는 통상 조명 광학계(1262), 투영 광학계(1265) 모두 색보정이 없는 전체 석영 렌즈 구성이다. 또, 특히 자외광의 파장이 200㎚ 이하일 때에는 투영 광학계(1265)를 구성하는 복수의 굴절 광학 소자 중 적어도 1개를 형석으로 구성해도 좋고, 또는 적어도 1개의 반사 광학 소자(오목면경, 미러 등)와 굴절 광학 소자를 조합한 반사굴절 광학계를 이용하도록 해도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 자외 레이저 장치를 이용한 노광 장치는 종래의 다른 방식(엑시머 레이저나 고체 레이저를 이용한 노광 장치)에 비해 소형이며 또 각 요소가 파이버 접속되어 구성되어 있기 때문에, 장치를 구성하는 각 유닛의 배치의 자유도가 높다. 도 20에는 이러한 본 발명에 관한 자외 레이저 장치의 특질을 살린 다른 실시예를 도시한다.
이 실시예는 실시예 1∼3에 기재한 레이저 장치의 레이저광 발생부(단일 파장 레이저, 광 분기 장치 등) 및 광 증폭기의 구성 부분과 실시예 4∼7에 기재한 파장 변환부를 분리해서 배치하고 노광 장치를 구성한 것이다. 즉, 파장 변환부(1272)를 노광 장치 본체에 탑재하는 한편, 자외 레이저 장치의 다른 부분(레이저광 발생부, 광 증폭기 등)(1271)을 노광 장치 본체의 외부에 별도로 배치하여 마련하고, 이들 사이를 접속용 파이버(1273)에 의해 접속하는 것에 의해 자외 레이저 장치를 구성한다. 여기서, 접속용 파이버(1273)는 파이버 광 증폭기의 파이버 자신(예를 들면, 실시예 1에 있어서의 파이버 번들(114) 등), 무도핑의 파이버 또는 이들의 조합이어도 좋다. 또한, 자외 레이저 장치 이외의 노광 장치 본체의 부분은 도 19와 동일한 장치를 이용해서 구성할 수 있다.
이러한 구성으로 하는 것에 의해, 파이버 광 증폭기의 여기용 반도체 레이저나 반도체 레이저의 구동용 전원, 온도 콘트롤러 등의 발열을 수반하는 주요한 구성 부분을 노광 장치 본체의 외부에 배치할 수 있다. 따라서, 노광 장치 본체가 노광 광원인 자외 레이저 장치로부터의 발열의 영향을 받아 광축의 얼라인먼트가 어긋나는(맞지 않는) 등 열에 기인하는 문제를 억제할 수 있다.
그런데, 도 20에 도시하는 바와 같이 레티클(1263)을 유지하는 레티클 스테이지(1264)는 구동 기구(1268)에 의해서 X방향, Y방향으로 이동 가능하고 또한 미소 회전 가능하게 구성되어 있다. 또, 웨이퍼 스테이지(1267)상에는 기준 마크판 FM이 마련되어 있고, 이 기준 마크판은 후술하는 베이스라인 계측 등에 이용된다. 또, 본 예에서는 레티클(1263)상의 얼라인먼트 마크를 검출하는 얼라인먼트계(1280) 및 투영 광학계(1265)와는 별도로 마련되는 오프 액시스 방식의 얼라인먼트계(1281)가 마련되어 있다.
얼라인먼트계(1280)는 노광용 조명광 또는 그것과 동일 파장 영역의 조명광을 레티클(1263)상의 얼라인먼트 마크 및 투영 광학계(1265)를 통해서 기준 마크판 FM상의 기준마크에 조사함과 동시에, 양 마크에서 발생하는 광을 촬상 소자(CCD)에 의해 수광하여 그의 위치 어긋남을 검출하는 것으로서, 레티클(1263)의 얼라인먼트나 얼라인먼트계(1281)의 베이스라인 계측 등에 이용된다. 오프 액시스 방식의 얼라인먼트계(1281)는, 예를 들면 550∼750㎚ 정도의 파장폭을 갖는 백색광(광대역 광)을 반도체 웨이퍼(1266)상의 얼라인먼트 마크에 조사함과 동시에, 그의 내부에 마련되는 지표마크의 상과 얼라인먼트 마크의 상을 촬상 소자(CCD)상에 결상시켜 양 마크의 위치 어긋남을 검출하는 것이다. 또, 얼라인먼트계(1280, 1281)에서 각각 기준 마크판 FM 상의 기준 마크를 검출함으로써, 그의 검출 결과에서 얼라인먼트계(1281)의 베이스 라인량을 계측할 수 있다. 또, 베이스 라인 계측은 반도체 웨이퍼의 노광 개시전에 실행되지만, 반도체 웨이퍼를 교환할 때마다 베이스 라인 계측을 실행해도 좋고, 또는 여러장의 반도체 웨이퍼의 노광 동작에 1회의 비율로 베이스 라인 계측을 실행하도록 해도 좋다. 단, 레티클 교환후에는 반드시 베이스 라인 계측이 실행된다.
그런데, 본 예에서는 자외 레이저 장치(기본파 발생부)(1271)에 접속되는 파장 변환부로서 도 16에 도시한 파장 변환부를 이용한다. 즉, 4개의 파이버 번들 출력 단(851)에서 발생하는 기본파가 입사하는 파장 변환부(1272)와 파이버 번들 출력 단(850)에서 발생하는 기본파가 입사하는 파장 변환부(1279)를 분리하고, 파장 변환부(1272)는 조명 광학계(1262)를 유지하는 가대에 일체로 마련하고, 파장 변환부(1279)는 얼라인먼트계(1280)를 유지하는 가대에 일체로 마련한다. 이 때, 파이버 번들 출력 단(850)에 접속용 파이버(1278)를 결합하여 기본파를 파장 변환부(1279)로 보낸다. 이것에 의해, 얼라인먼트계(1280)의 광원을 별도로 준비할 필요가 없어짐과 동시에, 노광용 조명광과 동일 파장의 조명광을 이용하여 기준마크를 검출할 수 있어 고정밀도인 마크 검출이 가능하게 된다.
또한, 본 예에서는 노광용 조명광과 동일 파장의 조명광을 얼라인먼트계(1280)로 보내는 것으로 했지만, 노광용 조명광의 파장(예를 들면 193㎚)보다 긴 파장을 얼라인먼트계(1280 또는 128l) 등으로 보내도록 해도 좋다. 즉, 도 16에 도시한 3단의 파장 변환부중 예를 들면 2단째의 파장 변환부(853)에서 사출되는 펄스광을 접속용 파이버에 의해 얼라인먼트계로 보내면 좋다. 또, 1단째의 파장 변환부(852)에서 사출되는 펄스광의 일부를 분기함과 동시에, 그의 나머지 펄스광을 2단째의 파장 변환부(853)에서 파장 변환하고, 2개의 파장 변환부(852, 853)에서 각각 사출되는 서로 파장이 다른 2개의 펄스광을 얼라인먼트계로 보내도록 해도 좋다.
또, 도 20에 도시한 노광 장치에는 기본파 발생부(1271)내의 단일 파장 발진 레이저 예를 들면 DFB 반도체 레이저(도 1중의 11 등)가 탑재되는 히트 싱크에 마련된 온도 조정기(예를 들면 펠티에 소자)를 이용하여 그 온도를 조정하는 것에 의해, DFB 반도체 레이저의 발진 파장, 즉 레티클(1263)에 조사되는 자외 레이저광(노광용 조명광)의 파장을 제어하는 파장 제어 장치(1274)가 마련된다. 파장 제어 장치(1274)는 DFB 반도체 레이저의 온도를 0. 001℃ 단위로 제어하는 것에 의해서, 자외 레이저광의 중심 파장의 안정화 및 투영 광학계(1265)의 광학 특성(수차, 초점위치, 투영배율 등)의 조정 등을 실행하는 것이다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼의 노광 동작중에 있어서의 자외 레이저광의 파장 안정성을 향상시킬 수 있고, 또한 자외 레이저광의 조사 및 대기압 변화 등에 기인하여 변동하는 투영 광학계(1265)의 광학 특성을 간단하게 조정할 수 있다.
또, 도 20에 도시한 노광 장치에는 기본파 발생부(1271)내에서 단일 파장 발진 레이저(DFB 반도체 레이저 등)에서 발생하는 연속광을 펄스광으로 변환하는 광 변조 소자(도 1중의 (12) 등)에 구동용 전압 펄스를 인가하는 펄스 제어부(1275), 반도체 웨이퍼(1266)에 도포되는 포토 레지스트의 감도 특성에 따라서 회로 패턴 전사시에 그 포토 레지스트를 노광하는데 필요한 펄스수를 계산함과 동시에 그 펄스수에 따라 펄스 제어부(1275)에서 출력되는 제어펄스의 발진 타이밍 및 그 크기 등을 제어하는 노광 제어부(1276) 및 노광 장치 전체를 통괄 제어하는 제어 장치(1277)가 마련되어 있다.
여기서, 펄스 제어부(1275)는 기본파 발생부(1271)내의 단일 파장 발진 레이저((11) 등)의 전류 제어를 실행하고, 그 단일 파장 발진 레이저를 펄스 발진시키는 것도 가능하게 되어 있다. 즉, 펄스 제어부(1275)에 의한 전류 제어에 의해서, 단일 파장 발진 레이저는 연속광과 펄스광을 전환하여 출력하는 것이 가능해진다. 본 실시예에서는 펄스 제어부(1275)에 의해서 단일 파장 발진 레이저를 펄스 발진시킴과 동시에, 상술한 광 변조 소자의 제어에 의해서 그의 발진되는 펄스광(펄스폭이 10∼20㎱ 정도)에서 그의 일부만을 잘라내는, 즉 펄스폭이 1㎱인 펄스광으로 변조한다. 이것에 의해, 광 변조 소자만을 이용하여 연속광을 펄스광으로 변환하는 경우에 비해서, 펄스폭이 좁은 펄스광을 용이하게 발생시킬 수 있게 됨과 동시에, 노광 제어부(1276)에 의해서 펄스광의 발진 간격이나 발진의 개시 및 그 정지 등을 더욱 간단하게 제어하는 것이 가능해 지고 있다.
또, 펄스 제어부(1275)는 단일 파장 발진 레이저의 펄스 발진과 연속 발진의 전환 뿐만 아니라, 그 펄스 발진시에 있어서의 발진 간격이나 펄스폭 등의 제어를 실행함과 동시에, 펄스광의 출력변동을 보상하도록 단일 파장 발진 레이저의 발진 제어와 광 변조 소자에 인가하는 전압 펄스의 크기의 제어 중의 적어도 한쪽을 실행한다. 이것에 의해, 펄스광의 발진 간격의 변경시 또는 펄스광의 발진 재개시 등에 발생하는 펄스광의 출력변동을 보상할 수 있다. 즉, 펄스마다 그의 출력(강도)을 항상 거의 일정값으로 유지하는 것이 가능하게 된다.
또, 펄스 제어부(1275)는 기본파 발생부(1271)내에서 직렬로 배치되는 복수의 파이버 광 증폭기(도 1중의 (13, 18, 19) 등) 중의 적어도 1개의 이득을 조정하고, 이 이득조정만 또는 상술한 광 변조 소자의 제어와의 병용에 의해서 반도체 웨이퍼상에서의 펄스광의 강도를 제어하는 것이 가능해지고 있다. 또한, 광 분기 장치에 의해 병렬로 분할되는 복수의 채널에 대응해서 병렬로 마련되는 파이버 광 증폭기의 적어도 1개의 이득도 마찬가지로 제어하는 것도 가능해지고 있다.
또, 노광 제어부(1276)는 기본파 발생부(1271)에서 출력되는 기본파, 또는 파장 변환부(1272)에서 출력되는 자외광 또는 파장 변환부(1272)내에서 예를 들면 1단째 또는 2단째의 비선형 광학 결정에서 출력되는 펄스광을 검출함과 동시에, 이 검출값(강도, 파장 및 파장폭 등을 포함한다)에 근거하여 펄스 제어부(1275)를 제어하고, 상술한 펄스광의 발진 간격, 그 발진의 개시와 정지 및 펄스광의 강도 등을 조정하도록 되어 있다. 또, 그 검출값은 파장 제어 장치(1274)에도 입력되고, 파장 제어 장치(1274)는 그 검출값에 근거하여 단일 파장 발진 레이저의 온도 제어를 실행하고, 노광용 조명광(자외 레이저광)의 중심파장이나 파장폭을 조정하도록 되어 있다.
제어 장치(1277)는 반도체 웨이퍼 또는 그것을 유지하는 카셋트에 붙여진 식별 기호(바코드 등)의 판독장치(도시하지 않음) 또는 오퍼레이터(조작자)에서 입력되는 포토 레지스트의 감도 특성에 관한 정보를 노광 제어부(1276)로 보내고, 노광 제어부(1276)는 그 입력 정보에 근거하여 패턴 전사에 필요한 노광 펄스수를 계산한다. 또, 노광 제어부(1276)는 노광 펄스수와 이것에 따라 결정되는 펄스광의 강도에 근거하여 펄스 제어부(1275)를 제어하고, 광 변조 소자에 인가하는 제어 펄스의 발진 타이밍 및 그 크기를 조정한다. 이것에 의해, 노광의 개시와 종료 및 반도체 웨이퍼(1266)상에 조사되는 펄스광의 강도가 제어되고, 복수의 펄스광의 조사에 의해서 포토 레지스트에 인가되는 적산 광량이 그 감도에 따른 적정 노광량으로 제어된다.
또한, 노광 제어부(1276)는 펄스 제어부(1275)로 지령을 보내고, 단일 파장 발진 레이저의 전류 제어를 실행시킴으로써 그의 전류 제어만 또는 광 변조 소자의 제어와의 병용에 의해서 노광(펄스 발진)의 개시와 종료 등을 제어할 수 있도록 되어 있다.
여기서, 본 예에서의 기본파 발생부(1271)로서 도 1 또는 도 2의 레이저 장치를 이용하는 경우, 광 변조 소자에 의해 잘라내지는 1개의 펄스광이 복수(128개)로 분할되게 되지만, 본 예에서는 그 분할된 128개의 펄스광을 1펄스로 하고 이 펄스단위로 노광량 제어를 실행하도록 해도 좋고, 또는 그 분할된 128개의 펄스광을 각각 1펄스로 해서 노광량 제어를 실행하도록 해도 좋다. 또한, 후자의 노광량 제어를 실행하는 경우에는 펄스 제어부(1275)에 의한 광 변조 소자의 제어 대신에, 기본파 발생부(1271)내의 파이버 광 증폭기의 이득을 조정해서 반도체 웨이퍼상에서의 펄스광의 강도를 제어하도록 해도 좋고, 또는 이 2개의 제어를 병용하도록 해도 좋다.
또, 도 20에 도시한 노광 장치는 스텝 앤드 리피트 방식과 스텝 앤드 스캔 방식을 선택적으로 전환해서 반도체 웨이퍼의 노광을 실행하는 것이 가능해지고 있다. 스텝 앤드 리피트 방식에서는 레티클(1263)상의 회로 패턴 전체가 노광용 조명광으로 조사되도록, 조명 광학계(1262)내의 시야 조리개(레티클 블라인드)를 구동해서 그 개구의 크기 등을 조정한다. 한편, 스텝 앤드 스캔 방식에서는 투영 광학계(1265)의 원형 투영 시야내에서 노광용 조명광의 조사 영역이 레티클(1263)의 주사 방향과 직교하는 방향을 따라서 연장하는 직사각형 슬릿 형상으로 제한되도록 시야 조리개의 개구를 조정한다. 따라서, 스텝 앤드 스캔 방식에서는 레티클(1263)상의 회로 패턴의 일부만이 조명되므로, 그 회로 패턴 전체를 반도체 웨이퍼상에 주사해서 노광하기 위해, 노광용 조명광에 대해 레티클(1263)을 상대 이동하는 것과 동기해서 투영 광학계(1265)의 투영배율에 따른 속도비로 반도체 웨이퍼(1266)를 노광용 조명광에 대해서 상대 이동한다.
그런데, 상술한 주사 노광시에 있어서의 노광량 제어에서는 광 변조 소자에 의해서 규정되는 펄스 반복 주파수 f와 도 2에 도시한 TDM(23)에 의해서 규정되는 채널 사이의 지연시간 중의 적어도 한쪽을 조정하고, 주사 노광중에 기본파 발생부(1271)에서 복수의 펄스광을 등(等) 시간 간격으로 발진시킨다. 또, 포토 레지스트의 감도 특성에 따라서 반도체 웨이퍼상에서의 펄스광의 강도, 반도체 웨이퍼의 주사속도, 펄스광의 발진 간격(주파수) 및 반도체 웨이퍼의 주사 방향에 관한 펄스광(즉, 그의 조사 영역)의 폭 중의 적어도 1개를 조정하고, 반도체 웨이퍼상의 각 점이 조사 영역을 횡단하는 동안에 조사되는 복수의 펄스광의 적산 광량을 적정 노광량으로 제어한다. 이 때, 제조능률(스루풋)을 고려해서 반도체 웨이퍼의 주사속도가 웨이퍼 스테이지(1267)의 최고 속도로 거의 유지되도록, 노광량 제어에서는 다른 제어 파라미터, 즉 펄스광의 강도, 발진 주파수 및 조사 영역의 폭 중의 적어도 1개를 조정하는 것이 바람직하다.
또, 도 1 또는 도 2에 도시한 레이저 장치를 이용하여 주사 노광을 실행하는 경우, 노광량 제어에서는 상술한 바와 같이 분할되는 128개의 펄스광을 각각 1 펄스로 해서 등시간 간격으로 발진시키는 것이 바람직하다. 단, 반도체 웨이퍼의 주사속도에 따라서 그의 분할된 128개의 펄스광의 발진 간격을 조정하고, 그 128개의 펄스광을 1펄스로 간주할 수 있는, 즉 128개의 펄스광이 조사되는 동안에 반도체 웨이퍼가 이동하는 거리가 노광량 제어 정밀도를 저하시키는 요인으로 되지 않는 것이면, 그 128개의 펄스광을 1펄스로 해서 노광량 제어를 실행하도록 해도 좋다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명의 각 실시예의 설명에 있어서는 ArF 엑시머 레이저 또는 F2 레이저와 동일한 출력 파장 193㎚, 157㎚를 출력하는 자외 레이저 장치의 구성예에 대해서 설명을 하였지만, 본 발명은 이 파장의 레이저 장치에 한정되는 것은 아니고 레이저광 발생부, 광 증폭기, 파장 변환부의 구성내용을 적절히 선택하는 것에 의해 예를 들면 KrF 엑시머 레이저와 동일 출력 파장 248㎚를 발생하는 자외 레이저 장치를 제공하는 것도 가능하다.
예를 들면, 레이저광 발생부에 있어서의 단일 파장 발진 레이저로서 992㎚에서 발진하는 이테르븀(Yb) 도핑 파이버 레이저 또는 반도체 레이저를, 파이버 광 증폭기로서 이테르븀 도핑 파이버 광 증폭기를 이용하고, 파장 변환부로서 파이버 광 증폭기의 출력을 LBO 결정을 이용하여 제 2차 고조파(파장 496㎚) 발생을 실행하고, 또 그 출력을 BBO 결정을 이용하여 제 4차 고조파(파장 248㎚)의 자외광을 발생하는 등의 4배 고조파 발생 광로를 구성하는 것에 의해서, KrF 엑시머 레이저와 동일한 248㎚의 자외광을 발생하는 자외 레이저 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서 이용하는 파이버(파이버 광 증폭기 등을 포함한다)는 그 표면을 테프론으로 피복해 두는 것이 바람직하다. 이 테프론에 의한 피복은 모든 파이버에 대해 실행하는 것이 바람직하지만, 특히 노광 장치 본체를 수납하는 챔버 내에 배치되는 파이버는 테프론에 의해 피복해 둔다. 이것은 파이버에서 발생하는 이물(섬유 등을 포함한다)이 노광 장치를 오염시키는 물질로 될 수 있기 때문이며, 이 오염물질에 기인해서 발생하는 조명 광학계, 투영 광학계 및 얼라인먼트 광학계 등을 구성하는 광학 소자의 초점번짐 또는 이들 광학계의 투과율(반사율)이나 광학 특성(수차 등을 포함한다)의 변동 또는 레티클 또는 반도체 웨이퍼상에서의 조도 및 그 분포의 변동 등을 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 테프론에 의해 피복하는 것 대신에, 챔버 내에 배치되는 파이버를 통합해서 스테인레스제의 케이싱에 수납하도록 해도 좋다.
또한, 반도체 장치는 그 기능, 성능 설계를 실행하는 스텝, 이 설계 스텝에 근거하여 레티클을 제작하는 스텝, 실리콘 재료로 웨이퍼를 제조하는 스텝, 상술한 노광 장치를 이용하여 레티클의 패턴을 웨이퍼에 전사하는 스텝, 디바이스의 조립 스텝(다이싱 공정, 본딩 공정, 패키지 공정을 포함한다) 및 검사 스텝 등을 거쳐서 제조된다. 또, 상술한 노광 장치는 반도체 소자의 제조 뿐만아니라, 예를 들면 액정 디스플레이, 촬상 소자(예를 들면, CCD 등), 박막 자기 헤드 또는 레티클의 제조 등에도 이용할 수 있다.
또, 복수의 광학 소자로 구성되는 조명 광학계 및 투영 광학계를 노광 장치 본체에 조립해서 그 광학 조정을 실행함과 동시에, 다수의 기계부품으로 이루어지는 레티클 스테이지나 웨이퍼 스테이지를 노광 장치 본체에 부착해서 배선이나 배관을 접속하고, 또 총합 조정(전기 조정, 동작 확인 등)을 실행하는 것에 의한 본 실시예의 노광 장치를 제조할 수 있다. 또, 상술한 노광 장치에서는 자외 레이저 장치(1261)의 노광 장치 본체로의 부착 또는 노광 장치 본체 외부에 배치되는 자외 레이저 장치(1261)의 일부(레이저광 발생부 및 광 증폭기 등)와 본체 내에 배치되는 파장 변환부를 파이버에 의해 접속하거나 자외 레이저 장치(1261)(파장 변환부)와 조명 광학계(1262)의 광축 맞춤 등이 실행된다. 또한, 노광 장치의 제조는 온도 및 청정도 등이 관리된 클린룸에서 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 이상의 제 9 실시예에서는 본 발명에 의한 레이저 장치를 노광 장치에 적용하는 것으로 했지만, 예를 들면 웨이퍼상에 형성된 회로 패턴의 일부(퓨즈 등)를 절단하기 위해 이용되는 레이저 리페어(수리) 장치 등에도 본 발명에 의한 레이저 장치를 이용할 수 있다. 또, 본 발명에 의한 레이저 장치는 가시광 또는 적외광을 이용하는 검사 장치 등에도 적용할 수 있다. 이 경우, 상술한 제 4∼제 7 실시예로 설명한 파장 변환부를 레이저 장치에 조립할 필요가 없어진다. 즉, 본 발명은 자외 레이저 장치 뿐만아니라 가시 영역 또는 적외 영역의 기본파를 발생하는 파장 변환부가 없는 레이저 장치에 대해서도 유효한 것이다.

Claims (155)

  1. 단일 파장 발진 레이저를 갖고, 적외 영역으로부터 가시 영역까지의 파장 범위 내에서 단일 파장의 펄스 레이저광을 발생하는 레이저광 발생부와,
    상기 레이저광 발생부로부터 발생되는 펄스 레이저광을 복수로 분기하는 광 분기 장치와,
    상기 분기된 복수의 펄스 레이저광을 복수의 파이버 광 증폭기로 증폭하는 광 증폭부와,
    상기 증폭된 복수의 펄스 레이저광을 복수의 비선형 광학 결정을 이용하여 자외광으로 파장 변환하는 파장 변환부
    를 구비하며,
    단일 파장의 자외광을 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는, 상기 단일 파장 발진 레이저에 마련되어, 상기 펄스 레이저광의 발진 파장을 제어하는 발진 파장 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는, 상기 레이저광 발생부와 상기 광 분기 장치 사이에서 상기 펄스 레이저광을 증폭하는 파이버 광 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 분기 장치는, 상기 펄스 레이저광을 복수로 병렬 분기하는 스플리터를 갖고, 또한 상기 스플리터의 사출측에는 서로 길이가 다른 파이버가 마련되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서로 길이가 다른 파이버의 각 길이는, 이들 파이버의 출력단에서의 상기 병렬 분기된 펄스 레이저광 상호의 지연 간격이 대략 일정 간격으로 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서로 길이가 상이한 파이버의 각 길이는, 이들 파이버의 출력단에서의 상기 병렬 분기된 펄스 레이저광 상호의 지연 간격이 상기 스플리터에 입사하는 펄스 레이저광의 반복 주파수와 상기 스플리터에 의해 병렬 분기되는 분기 광로수의 곱의 역수로 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 분기 장치는 시분할 광 분기 장치(Time Division Multiplexer)를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환부의 입사측에 마련되는 상기 광 증폭부의 출력 단부에는, 파이버 출력 단부의 코어를 파이버 출력 단면을 향해서 테이퍼 형상으로 확대하여 형성하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환부의 입사측에 마련되는 상기 광 증폭부의 출력 단부에는, 파이버 출력 단부에 마련되고, 또한 상기 광 증폭부에 의해서 증폭된 펄스 레이저광을 투과하는 창부재를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 에르븀 및 이테르븀을 함께 도핑한 파이버 광 증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 상기 광 분기 장치에 의해 분기된 복수의 펄스 레이저광을 각각 복수회 증폭하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 상기 자외광의 출력 또는 상기 복수의 파이버 광 증폭기에 의해서 증폭된 펄스 레이저광의 출력을 조정하기 위해, 상기 복수의 파이버 광 증폭기의 각 여기 강도를 제어하는 파이버 출력 제어 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는, 상기 증폭한 복수의 펄스 레이저광을 각각 출력하는 복수의 파이버 출력단을, 1개로 묶거나 또는 복수로 나눠 묶어서 형성되는 출력군을 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는, 상기 복수의 파이버 출력단이 복수의 출력군으로 나뉘고, 상기 복수의 출력군 중 적어도 하나는 상기 복수의 파이버 출력단의 일부를 묶어서 형성되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는, 상기 출력군마다 마련되고, 상기 증폭된 복수의 펄스 레이저광을 투과하는 창 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는 상기 광 증폭부의 출력군마다 마련하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환부의 입력측에는 상기 증폭된 펄스 레이저광을 상기 비선형 광학 결정에 집광하여 입사시키는 집광 광학 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 상기 복수의 펄스 레이저광을 출사하는 복수의 파이버 출력단이 복수의 출력군으로 나뉘어 묶이고, 상기 집광 광학 소자는 상기 출력군마다 마련되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 집광 광학 소자는 상기 출력군마다 상기 묶여진 파이버 출력단을 렌즈로서 형성하여 마련되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는 상기 복수의 펄스 레이저광을 사출하는 복수의 파이버 출력단을 갖고, 상기 집광 광학 소자는 상기 복수의 파이버 출력단에 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 집광 광학 소자는 상기 복수의 파이버 출력단을 각각 렌즈로서 형성하여 마련되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  23. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 파장이 1.5㎛ 부근의 단일 파장의 펄스 레이저광을 기본파로서 발생하고,
    상기 파장 변환부는 상기 광 증폭부로부터 출력되는 기본파의 8배 고조파 또는 10배 고조파를 상기 자외광으로서 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기본파는 그 파장이 1.51㎛∼1.59㎛의 범위 내이며,
    상기 파장 변환부는 파장이 189㎚∼199㎚의 범위 내인 8배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 기본파는 그 파장이 1.544㎛∼1.552㎛의 범위 내이며,
    상기 파장 변환부는 파장이 ArF 엑시머 레이저의 발진 파장과 대략 동일한 193㎚∼194㎚의 범위 내의 8배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는, 상기 기본파와, 상기 기본파의 7배 고조파로부터, 합주파 발생에 의해 상기 기본파의 8배 고조파를 발생하는 제 1 비선형 광학 결정을 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는,
    상기 기본파로부터 2차 고조파 발생에 의해 2배 고조파를 발생하는 제 2 비선형 광학 결정과,
    상기 기본파와 상기 2배 고조파로부터 합주파 발생에 의해 상기 기본파의 3배 고조파를 발생하는 제 3 비선형 광학 결정과,
    상기 2배 고조파의 2차 고조파 발생에 의해 상기 기본파의 4배 고조파를 발생하는 제 4 비선형 광학 결정과,
    상기 기본파의 3배 고조파와 상기 기본파의 4배 고조파로부터 합주파 발생에 의해 상기 기본파의 7배 고조파를 발생하는 제 5 비선형 광학 결정을 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 비선형 광학 결정은 LiB3O5(LBO) 결정이며,
    상기 제 5 비선형 광학 결정은 β-BaB2O4(BBO) 결정 또는 CsLiB6O10(CLBO) 결정인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 기본파는 그 파장이 1.51㎛∼l.59㎛의 범위 내이며,
    상기 파장 변환부는 파장이 151㎚∼159㎚의 범위 내인 10배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 기본파는 그 파장이 1.57㎛∼1.58㎛의 범위 내이며,
    상기 파장 변환부는 파장이 F2 레이저의 발진 파장과 대략 동일한 157㎚∼158㎚의 범위 내의 10배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  31. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 파장이 1.1㎛ 부근의 단일 파장의 펄스 레이저광을 기본파로서 발생하고,
    상기 파장 변환부는 상기 광 증폭부로부터 출력되는 기본파의 7배 고조파를 상기 자외광으로서 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 기본파는 그 파장이 l.03㎛∼1.12㎛의 범위 내이며
    상기 파장 변환부는 파장이 147㎚∼160㎚의 범위 내인 7배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 기본파는 파장이 1.099㎛∼1.106㎛의 범위 내이며,
    상기 파장 변환부는 파장이 F2 레이저의 발진 파장과 대략 동일한 157㎚∼158㎚의 범위 내의 7배 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  34. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 파장 발진 레이저는 DFB 반도체 레이저 또는 파이버 레이저인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  35. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재되는 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치로부터 사출되는 자외광을 마스크에 조사하는 조명계를 구비하며,
    상기 마스크를 거쳐서 상기 자외광을 기판에 조사하는
    것을 특징으로 하는 노광 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 마스크로부터의 자외광이 입사하고, 상기 기판 상에 패턴 상을 생성하는 투영 광학계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는, 상기 광 증폭부의 복수의 파이버 출력단이 복수의 출력군으로 나뉘고,
    상기 복수의 출력군 중 적어도 하나의 출력군에 대응해서 상기 파장 변환부로부터 출력되는 자외광을, 상기 마스크와 상기 기판의 얼라인먼트를 위해 이용하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 마스크의 패턴 상을 기판상에 투영하는 투영 광학계와,
    상기 자외 레이저 장치로부터 사출되는 자외광을 상기 투영 광학계의 물체면측 또는 상면측에 배치되는 마크 패턴에 조사하는 패턴 검출계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  39. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재되는 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치로부터 사출되는 자외광으로 기판을 노광하는 본체부와,
    상기 자외광을 상기 본체부에 유도하는 전송 광학계
    를 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는 파장이 200㎚ 이하의 자외광을 사출하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는 상기 복수의 펄스 레이저광의 가간섭성(可干涉性)을 저감하는 광학 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  42. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는, 상기 단일 파장 발진 레이저로부터 발진되는 연속광을 펄스광으로 변환하거나, 또는 상기 단일 파장 발진 레이저로부터 발진되는 펄스광의 펄스폭을 좁게하는 광 변조기를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  43. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭부는, 상기 펄스 레이저광을 복수회 증폭하기 위해, 상기 복수의 파이버 광 증폭기가 최종단으로 되는 복수단의 파이버 광 증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  44. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 분기 장치의 후단에 배치되어, 상기 복수의 펄스 레이저광을 각각 지연시키는 지연 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기는 대모드 직경 파이버인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  46. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭부의 파이버 광 증폭기는 각각 석영 파이버, 실리케이트계 파이버 및 불화물계 파이버 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  47. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광은 그 파장이 1.51㎛∼1.59㎛의 범위 내이며,
    상기 자외광은 그 파장이 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에서의 광의 파장폭의 확대를 억제하는 광학 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  49. 제 48에 있어서,
    상기 파장 변환부는 상기 복수의 비선형 광학 결정 사이에 배치되는 한쌍의 원통형 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  50. 청구항 42에 기재된 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치로부터 펄스 발진되는 자외광을 마스크에 조사하는 조명 광학계와,
    상기 자외광의 발진, 강도 및 파장 중 적어도 하나를 조정하는 조정 장치
    를 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 광 변조기에 인가하는 제어 펄스의 발진과 크기를 제어하는 제 1 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  52. 제 50 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 광 증폭부의 파이버 광 증폭기의 이득을 제어하는 제 2 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  53. 제 50 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 단일 파장 발진 레이저의 온도를 제어하는 제 3 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  54. 제 50 항에 있어서,
    상기 마스크에 형성된 마크를 검출하는 얼라인먼트계와,
    상기 자외 레이저 장치와 상기 얼라인컨트계를 광학적으로 접속하는 전송계
    를 더 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 전송계는 상기 자외 레이저 장치와 상기 조명 광학계 및 상기 얼라인먼트계의 각각을 접속하는 제 1 및 제 2 파이버를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는 복수 마련되며, 상기 복수의 파장 변환부 중 제 1 파장 변환부는, 상기 광 증폭부와 상기 제 1 파이버 사이, 또는 상기 제 1 파이버와 상기 조명 광학계 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 변환부는 상기 제 1 파이버와 상기 조명 광학계 사이에 마련되고, 또한 상기 조명 광학계의 적어도 일부와 일체로 유지되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 복수의 파장 변환부 중 제 2 파장 변환부는 상기 광 증폭부와 상기 제 2 파이버 사이, 또는 상기 제 2 파이버와 상기 얼라인먼트계 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 제 2 파장 변환부는 상기 제 2 파이버와 상기 얼라인먼트계 사이에 마련되고, 또한 상기 얼라인먼트계의 적어도 일부와 일체로 유지되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  60. 제 50 항에 있어서,
    상기 마스크에 형성된 패턴의 적어도 일부를 기판상에 투영하는 투영 광학계와,
    상기 패턴의 전체를 상기 기판상에 주사하여 노광시키기 위해, 상기 투영 광학계의 투영 배율에 대략 대응하는 속도비로 상기 마스크와 상기 기판을 동기해서 이동하는 구동 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  61. 조명광으로 기판을 노광하는 노광 방법에 있어서,
    청구항 1∼7, 42∼49 중 어느 한 항에 기재된 자외 레이저 장치로부터 자외광을 발생시키고, 또한 상기 조명광으로서 상기 자외광으로 상기 기판을 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 자외광은 그 파장이 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 자외광은 마스크를 거쳐서 상기 기판에 조사되고, 상기 기판의 노광 전에, 상기 자외광의 적어도 일부를 상기 마스크 상의 마크에 조사해서, 해당 마크의 위치 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 단일 파장 발진 레이저의 온도를 조정해서 상기 자외광의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  65. 제 61 항에 있어서,
    상기 단일 파장 발진 레이저 및 광 변조기를 갖는 상기 레이저광 발생부와,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기를 갖는 상기 광 증폭부 중 적어도 하나를 제어해서 상기 자외광의 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  66. 제 65 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광의 반복 주파수를 제어해서 상기 자외광의 발진 간격을 조정하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  67. 제 66 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광을 복수로 시분할하는 상기 광 분기 장치를 제어하여, 상기 자외광의 발진 간격을 조정하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  68. 청구항 61에 기재된 노광 방법을 이용하여, 기판 상에 디바이스 패턴을 전사하는 공정과,
    상기 디바이스 패턴이 전사된 기판을 이용하여 디바이스를 조립하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
  69. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에서의 광의 파장폭의 확대를 억제하는 광학 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는, 상기 복수의 비선형 광학 결정 사이에 배치되는 한쌍의 원통형 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  71. 제 50 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 조정을 위해 상기 레이저광 발생부와 상기 광 증폭부 중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  72. 제 50 항에 기재된 노광 장치를 이용하여, 기판 상에 패턴을 전사하는 공정과,
    상기 패턴이 전사된 기판을 이용하여 디바이스를 조립하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
  73. 삭제
  74. 삭제
  75. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는 적어도 하나가 비임계 위상 정합(Non-Critical Phase Matching : NCPM)으로 사용되는 복수의 비선형 광학 결정을 포함하는 자외 레이저 장치.
  76. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환부에 접속되는 온도 제어 장치를 더 구비하며, 상기 파장 변환부는 상기 온도 제어 장치에 의해 적어도 하나가 온도 제어되는 복수의 비선형 광학 결정을 포함하는 자외 레이저 장치.
  77. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭부 중 적어도 일부는 유닛으로서 교환 가능한 자외 레이저 장치.
  78. 삭제
  79. 삭제
  80. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는 기본파와 7배 고조파로부터 8배 고조파를 생성하여 상기 자외광으로서 발생하는 자외 레이저 장치.
  81. 1.51㎛ 내지 1.59㎛ 범위 내에서 단일 파장의 펄스광을 발생하는 레이저광 발생부와,
    상기 펄스광을 복수회 증폭하기 위해 복수의 파이버 광 증폭기를 포함하는 광 증폭부와,
    상기 증폭된 펄스광을 자외광으로 파장 변환하기 위해 복수의 비선형 광학 결정을 포함하는 파장 변환부
    를 구비하는 자외 레이저 장치.
  82. 제 81 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나를 온도 제어하는 온도 제어 장치를 더 구비하는 자외 레이저 장치.
  83. 제 81 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 비임계 위상 정합(Non-Critical Phase Matching : NCPM)으로 사용되는 자외 레이저 장치.
  84. 제 81 항에 있어서,
    상기 광 증폭부의 적어도 일부는 유닛으로서 교환 가능한 자외 레이저 장치.
  85. 제 81 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부로부터 발생되는 펄스광을 복수로 분기하는 광 분기 장치를 더 구비하며,
    상기 광 분기 장치와 상기 광 증폭부 중 적어도 일부는 유닛으로서 교환 가능한 자외 레이저 장치.
  86. 제 81 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는 기본파와 7배 고조파로부터 8배 고조파를 생성하여 상기 자외광으로서 발생하는 자외 레이저 장치.
  87. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 제 1 펄스폭을 갖는 광을 펄스 발진하는 단일 파장 발진 레이저와, 상기 펄스 발진된 광에 의해, 제 1 펄스폭보다 좁은 제 2 펄스폭을 갖는 상기 펄스광을 발생하는 광 변조기를 포함하는 자외 레이저 장치.
  88. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 연속광을 발진하는 단일 파장 발진 레이저와, 상기 연속광을 상기 펄스광으로 변환하는 광 변조기를 포함하는 자외 레이저 장치.
  89. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기는 에르븀 도핑 파이버 광 증폭기를 포함하는 자외 레이저 장치.
  90. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기는 에브륨과 이테르븀을 도핑한 파이버 광 증폭기를 포함하는 자외 레이저 장치.
  91. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기 중 적어도 하나는 석영 파이버, 실리케이트계 파이버, 불화물계 파이버 중 어느 하나인 자외 레이저 장치.
  92. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기 중 적어도 하나는 ZBLAN 파이버인 자외 레이저 장치.
  93. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파이버 광 증폭기는 대모드 직경 파이버 증폭기를 포함하는 자외 레이저 장치.
  94. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 1.51㎛ 내지 1.59㎛ 범위 내에 발진 파장을 갖는 DFB 반도체 레이저 또는 파이버 레이저인 단일 파장 발진 레이저를 포함하는 자외 레이저 장치.
  95. 제 81 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 변환부는, 상기 증폭된 펄스광으로부터 얻어지는 8배 또는 10배 고조파의 자외광을 발생하는 자외 레이저 장치.
  96. 제 1 물체의 패턴을 제 2 물체 위에 전사하는 노광 장치로서,
    청구항 81 내지 86 중 어느 한 항에 기재된 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치와 광학적으로 접속된 조명계
    를 구비하는 노광 장치.
  97. 제 96 항에 있어서,
    상기 조명계는 상기 자외광을 상기 제 1 물체 위로 조명하는 노광 장치.
  98. 제 97 항에 있어서,
    상기 자외광의 발진 특성을 조정하기 위해, 상기 자외 레이저 장치에 접속되는 조정 장치를 더 구비하는 노광 장치.
  99. 제 98 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 레이저광 발생부와 상기 광 증폭부 중 적어도 한쪽에 접속되는 노광 장치.
  100. 제 99 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 자외광의 강도, 중심 파장, 파장폭 및 발진 간격 중 적어도 하나를 조정하는 노광 장치.
  101. 제 100 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부는 단일 파장 발진 레이저 및 광 변조기를 포함하며, 이들 중 적어도 하나는 상기 조정 장치와 접속되는 노광 장치.
  102. 제 101 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 단일 파장 발진 레이저의 온도 및 제어 파라미터, 상기 광 변조기의 제어 파라미터 중 적어도 하나를 조정 또는 제어하여, 상기 자외광의 상기 방출 특성을 제어하는 노광 장치.
  103. 제 102 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 단일 파장 발진 레이저, 상기 광 변조기, 및 상기 광 증폭부 중 적어도 하나에 의해 상기 자외광의 강도를 조정하는 노광 장치.
  104. 제 102 항에 있어서,
    상기 패턴의 상을 상기 제 2 물체 위로 투영하는 투영계를 더 구비하며, 상기 조정 장치는 상기 투영계의 결상 특성을 제어하기 위해, 상기 자외광의 중심 파장과 파장폭 중 적어도 한쪽을 조정하는 노광 장치.
  105. 제 98 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 자외광의 파장과 상이한 파장을 갖는 광을 검출하고, 상기 조정 동작에 상기 검출 결과를 이용하는 노광 장치.
  106. 제 105 항에 있어서,
    상기 조정 장치는 상기 파장 변환부로부터 발생된 자외광을 검출하고, 상기 조정 동작에 상기 검출 결과를 이용하는 노광 장치.
  107. 제 97 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는 적어도 상기 파장 변환부가 상기 조명계의 적어도 일부와 일체로 유지되는 노광 장치.
  108. 제 96 항에 있어서,
    상기 제 2 물체 위로 상기 패턴의 상을 투영하는 투영 광학계와, 상기 조명계와 광학적으로 접속되어, 상기 조명계에 의해 상기 자외광으로 조명되는 마크를 상기 투영 광학계를 통해 검출하는 마크 검출계를 더 구비하는 노광 장치.
  109. 제 81 항에 있어서,
    상기 자외광은 그 파장이 200㎚보다도 짧은 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  110. 제 109 항에 있어서,
    상기 자외광은, 파장이 188∼199㎚ 범위 내의 8배 고조파, 또는 파장이 151∼159㎚ 범위 내의 10배 고조파인 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  111. 제 81 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부와 상기 광 증폭부 중 적어도 한쪽에 접속되고, 상기 자외광의 발진 특성을 조정하는 조정 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  112. 제 111 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광의 강도, 중심 파장, 파장폭 및 발진 간격 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  113. 제 111 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광과, 상기 자외광과 파장이 상이한 광 중 적어도 한쪽의 검출에 의해서 얻어지는 정보에 근거하여 조정되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  114. 제 81 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 온도 제어에 의해서 그 위상 정합각이 조정되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  115. 제 114 항에 있어서,
    상기 위상 정합각이 조정되는 적어도 하나의 비선형 광학 결정은, 상기 복수의 비선형 광학 결정 중 광학적으로 가장 하류에 배치되는 비선형 광학 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  116. 제 81 항 내지 제 86 항, 제 109 항 내지 제 115 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에서의 광의 파장 폭의 확대를 억제하는 광학 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  117. 제 116 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 그 적어도 일부가 상기 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  118. 제 117 항에 있어서,
    상기 광학 장치의 적어도 일부는 상기 복수의 파이버 광 증폭기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  119. 제 117 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 협대역 필터 및 아이솔레이터의 적어도 한쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  120. 제 116 항에 있어서,
    상기 광학 장치는, 상기 복수의 파이버 광 증폭기 중 적어도 하나의 파이버 길이의 단축에 의해, 상기 적어도 하나의 파이버 광 증폭기의 비선형 효과에 의한 상기 파장폭의 확대를 억제하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  121. 제 120 항에 있어서,
    상기 파이버 길이가 단축되는 적어도 하나의 파이버 광 증폭기는, 상기 복수의 파이버 광 증폭기 중 광학적으로 가장 하류에 배치되는 파이버 광 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  122. 물체에 자외광을 조사하는 장치로서,
    청구항 1 내지 7, 청구항 81 내지 86, 청구항 109 내지 115 중 어느 한 항에 기재된 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치와 광학적으로 접속되는 광학계
    를 구비하며,
    상기 광학계를 거쳐서 상기 자외 레이저 장치로부터 발생되는 자외광을 상기 물체에 조사하는 자외광 조사 장치.
  123. 제 122 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는, 상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에서의 광의 파장 폭의 확대를 억제하는 광학 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 장치.
  124. 제 122 항에 있어서,
    상기 물체는, 디바이스 제조 공정에서 사용되는 기판인 것을 특징으로 하는 자외광 조사 장치.
  125. 자외광을 이용하여 물체의 패턴을 검출하는 장치로서,
    청구항 1 내지 7, 청구항 81 내지 86, 청구항 109 내지 115 중 어느 한 항에 기재된 자외 레이저 장치와,
    상기 자외 레이저 장치와 광학적으로 접속되는 광학계를 구비하며,
    상기 광학계를 거쳐서 상기 자외 레이저 장치로부터 발생되는 자외광을 상기 패턴에 조사하는 물체의 패턴 검출 장치.
  126. 제 125 항에 있어서,
    상기 자외 레이저 장치는, 상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 있어서의 광의 파장 폭의 확대를 억제하는 광학 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 장치.
  127. 제 125 항에 있어서,
    상기 물체는, 디바이스 제조 공정에서 사용되는 기판인 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 장치.
  128. 물체에 자외광을 조사하는 방법으로서,
    1.51㎛ 내지 1.59㎛ 범위 내에서 단일 파장의 펄스광을 레이저광 발생부로부터 발생시키고,
    복수의 파이버 광 증폭기를 포함하는 광 증폭부에 의해서, 상기 펄스광을 복수회 증폭하며,
    복수의 비선형 광학 결정을 포함하는 파장 변환부에 의해서, 증폭된 펄스광을 자외광으로 파장 변환하고,
    광학계를 거쳐서 상기 자외광을 물체에 조사하는
    자외광 조사 방법.
  129. 제 128 항에 있어서,
    상기 자외광은 그 파장이 200㎚보다도 짧은 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  130. 제 129 항에 있어서,
    상기 자외광은, 파장이 188∼199㎚ 범위 내의 8배 고조파, 또는 파장이 151∼159㎚ 범위 내의 10배 고조파인 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  131. 제 128 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부와 상기 광 증폭부 중 적어도 한쪽에 의해서, 상기 자외광의 발진 특성이 조정되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  132. 제 131 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광의 강도, 중심 파장, 파장폭 및 발진 간격 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  133. 제 131 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광과, 상기 자외광과 파장이 상이한 광 중 적어도 한쪽의 검출에 의해서 얻어지는 정보에 근거하여 조정되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  134. 제 128 항에 있어서,
    상기 광 증폭부 중 적어도 일부는 유닛으로서 교환되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  135. 제 128 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 비임계 위상 정합(Non-Critical Phase Matching : NCPM)으로 사용되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  136. 제 128 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 온도 제어에 의해서 그 플라즈마 정합각이 조정되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  137. 제 128 내지 제 136 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 적어도 일부가 배치되는 광학 장치에 의해서 광의 파장 폭의 확장이 억제되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  138. 제 128 항 내지 제 136 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체는, 디바이스 제조 공정에서 사용되는 기판인 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  139. 제 138 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 적어도 일부가 배치되는 광학 장치에 의해서 광의 파장 폭의 확장이 억제되는 것을 특징으로 하는 자외광 조사 방법.
  140. 자외광을 이용하여 물체의 패턴을 검출하는 방법으로서,
    1.51㎛ 내지 1.59㎛ 범위 내에서 단일 파장의 펄스광을 레이저광 발생부로부터 발생시키고,
    복수의 파이버 광 증폭기를 포함하는 광 증폭부에 의해서, 상기 펄스광을 복수회 증폭하며,
    복수의 비선형 광학 결정을 포함하는 파장 변환부에 의해서, 증폭된 펄스광을 자외광으로 파장 변환하고,
    광학계를 거쳐서 상기 자외광을 상기 패턴에 조사하는
    물체의 패턴 검출 방법.
  141. 제 140 항에 있어서,
    상기 자외광은 그 파장이 200㎚보다도 짧은 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  142. 제 141 항에 있어서,
    상기 자외광은, 파장이 188∼199㎚ 범위 내의 8배 고조파, 또는 파장이 151∼159㎚ 범위 내의 10배 고조파인 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  143. 제 140 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부와 상기 광 증폭부 중 적어도 한쪽에 의해서, 상기 자외광의 발진 특성이 조정되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  144. 제 143 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광의 강도, 중심 파장, 파장폭 및 발진 간격 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  145. 제 143 항에 있어서,
    상기 발진 특성은, 상기 자외광과, 상기 자외광과 파장이 상이한 광 중 적어도 한쪽의 검출에 의해서 얻어지는 정보에 근거하여 조정되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  146. 제 140 항에 있어서,
    상기 광 증폭부의 적어도 일부는 유닛으로서 교환되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  147. 제 140 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 비임계 위상 정합(Non-Critical Phase Matching : NCPM)으로 대해 사용되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  148. 제 140 항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 광학 결정 중 적어도 하나는 온도 제어에 의해서 그 플라즈마 정합각이 조정되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  149. 제 140 항 내지 제 148 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 적어도 일부가 배치되는 광학 장치에 의해서 광의 파장폭의 확장이 억제되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  150. 제 140 항 내지 제 148 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체는, 디바이스 제조 공정에서 사용되는 기판인 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  151. 제 150 항에 있어서,
    상기 레이저 광 발생부의 단일 파장 발진 레이저와 상기 파장 변환부 사이에 적어도 일부가 배치되는 광학 장치에 의해서 광의 파장폭의 확장이 억제되는 것을 특징으로 하는 물체의 패턴 검출 방법.
  152. 제 81 항 내지 제 86 항, 제 109 항 내지 제 115 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스광이 통과하는 광로 상에 마련되는 셔터 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치
  153. 제 152 항에 있어서,
    상기 셔터 장치는, 전기 광학 변조 소자 또는 음향 광학 변조 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외 레이저 장치.
  154. 청구항 128 내지 136 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용하여 자외광으로 기판을 조사하는 공정과,
    상기 기판을 이용하여 디바이스를 조립하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
  155. 청구항 140 내지 148 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용하여 자외광으로 기판의 패턴을 검출하는 공정과,
    상기 기판을 이용하여 디바이스를 조립하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
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