WO2020152805A1 - レーザシステム、及び電子デバイスの製造方法 - Google Patents

レーザシステム、及び電子デバイスの製造方法 Download PDF

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laser system
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random phase
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裕基 田丸
三浦　泰祐
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ギガフォトン株式会社
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    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser system and a method for manufacturing an electronic device.
  • the semiconductor exposure apparatus is simply referred to as "exposure apparatus". Therefore, the wavelength of the light output from the exposure light source is being shortened.
  • a gas laser device is used instead of the conventional mercury lamp.
  • a gas laser device for exposure a KrF excimer laser device that outputs ultraviolet light having a wavelength of 248 nm and an ArF excimer laser device that outputs ultraviolet light having a wavelength of 193 nm are used.
  • the current exposure technique is immersion exposure that shortens the apparent wavelength of the exposure light source by filling the gap between the projection lens on the exposure device side and the wafer with liquid and changing the refractive index of the gap. It has been put to practical use.
  • immersion exposure is performed using an ArF excimer laser device as a light source for exposure, the wafer is irradiated with ultraviolet light having an equivalent wavelength of 134 nm.
  • ArF immersion exposure is also called ArF immersion lithography.
  • the spectral line width in the natural oscillation of the KrF and ArF excimer laser device is as wide as about 350 to 400 pm, chromatic aberration of the laser light (ultraviolet light) reduced and projected on the wafer by the projection lens on the exposure device side occurs, resulting in a high resolving power. descend. Therefore, it is necessary to narrow the spectral line width of the laser light output from the gas laser device until the chromatic aberration is negligible.
  • the spectral line width is also called the spectral width.
  • a line narrowing unit Line Narrow Module
  • the band narrowing element may be an etalon, a grating, or the like.
  • a laser device having a narrow spectral band is called a narrow band laser device.
  • a laser system includes a solid-state laser device that outputs laser light, and a pair of discharge electrodes that are arranged to face each other with a discharge space that allows the laser light passing therebetween, and amplify the laser light.
  • An excimer amplifier and a random phase plate disposed on the optical path between the solid-state laser device and the excimer amplifier are provided, and the random phase plate has a predetermined shape that is a minimum unit area of the concavo-convex pattern that gives a phase difference to the laser light.
  • the cells are arranged periodically, and concave or convex regions are randomly arranged in units of cells.
  • the traveling direction of the laser light incident on the excimer amplifier is the Z direction
  • the discharge direction of the pair of discharge electrodes is the V direction.
  • the direction orthogonal to the V direction and the Z direction is the H direction
  • the in-plane direction of the random phase plate corresponding to the V direction of the beam cross section of the laser light incident on the excimer amplifier corresponds to the first direction and the H direction of the beam cross section.
  • the in-plane direction of the random phase plate is the second direction
  • the length of the cell in the first direction is d1
  • the length of the cell in the second direction is d2
  • the cell has an aspect defined by d2/d1.
  • the ratio is 1.2 or more.
  • An electronic device manufacturing method includes a solid-state laser device that outputs laser light, and a pair of discharge electrodes that are arranged to face each other with a discharge space that allows the laser light passing therebetween.
  • An excimer amplifier that amplifies laser light, and a random phase plate disposed on the optical path between the solid-state laser device and the excimer amplifier are provided, and the random phase plate is the minimum unit area of the concavo-convex pattern that gives a phase difference to the laser light.
  • the cells having a predetermined shape are periodically arranged, and the regions of the concave portions or the convex portions are randomly arranged in the unit of cells.
  • the traveling direction of the laser light incident on the excimer amplifier is the Z direction, and the pair of discharge electrodes
  • the discharge direction is the V direction, the direction orthogonal to the V direction and the Z direction is the H direction
  • the in-plane direction of the random phase plate corresponding to the V direction of the beam section of the laser light incident on the excimer amplifier is the first direction
  • the beam section When the in-plane direction of the random phase plate corresponding to the H direction is the second direction, the length of the cell in the first direction is d1, and the length of the cell in the second direction is d2, the cell is d2/d1.
  • An excimer laser beam is generated by a laser system having an aspect ratio of 1.2 or more, and the excimer laser beam is output to an exposure apparatus to manufacture an electronic device. Exposing to laser light.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of cells in a random phase plate.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration example of the laser system.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing an example of the random phase plate.
  • FIG. 5 is an explanatory view schematically showing the function of the random phase plate.
  • FIG. 6 is a table summarizing schematic diagrams of the beam profile and the beam divergence of the existing excimer laser device and various hybrid laser devices.
  • FIG. 7 is a front view schematically showing another example of the random phase plate.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a configuration example of the exposure apparatus.
  • hybrid laser device refers to a two-stage laser device including an oscillation stage (master oscillator) and an amplification stage (amplification device), in which a solid-state laser device is included in the oscillation stage and an excimer laser device is included in the amplification stage.
  • amplification stage amplification device
  • Excimer amplifier refers to an excimer laser device used in an amplification stage.
  • the traveling direction of the laser light is defined as “Z direction”.
  • One direction perpendicular to the Z direction is defined as "H direction”
  • a direction perpendicular to the H direction and Z direction is defined as "V direction”.
  • the traveling direction of the laser light incident on the excimer amplifier can be the Z direction
  • the direction in which the pair of discharge electrodes face each other in the excimer amplifier, that is, the discharge direction can be the V direction.
  • the cell of a random phase plate refers to a minimum unit area of a predetermined shape that becomes a concave area or a convex area of an uneven pattern that gives a phase difference to light.
  • a plurality of cells are periodically arranged on the element surface of the random phase plate.
  • the term "periodically” as used herein refers to spatially regular arrangement in a specific repeating pattern. That is, the element surface of the random phase plate is divided into a plurality of cells, and each cell is configured as a concave or convex area. Regions of concave portions or convex portions are spatially randomly arranged in cell units on the element surface of the random phase plate.
  • Figure 1 shows an example of a hexagonal cell.
  • the vertical direction is the first direction and the horizontal direction is the second direction.
  • the first direction length d1 of the cell is the line interval of the first circumscribed parallel lines parallel to the second direction with respect to the contour line of the cell.
  • the second direction length d2 of the cell is the line interval of the second circumscribing parallel line parallel to the first direction with respect to the contour line of the cell.
  • the first direction is specified in relation to the discharge direction (V direction) of the excimer amplifier.
  • the first direction is a direction corresponding to the V direction
  • the second direction is a direction corresponding to the H direction.
  • the "corresponding direction” means that the beam cross sections at different positions on the optical path are relatively the same direction.
  • the first direction in the random phase plate and the discharge direction of the excimer amplifier indicate different directions. There are cases. However, it is understood that the first direction in the beam cross section of the laser light emitted from the random phase plate and the V direction in the beam cross section of the laser light incident on the excimer amplifier are relatively the same direction.
  • the first direction may be parallel to the V direction.
  • parallel in the present specification may include the concept of substantially parallel, which can be regarded as a range equivalent to substantially parallel in the technical sense.
  • vertical or “orthogonal” in the present specification includes a concept of substantially vertical or substantially orthogonal which can be regarded as a range equivalent to substantially vertical or substantially orthogonal in a technical sense.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration example of the laser system 1.
  • the laser system 1 is a hybrid laser device including a solid-state laser device 10 and an excimer amplifier 12.
  • the solid-state laser device 10 is an ultraviolet solid-state laser device that outputs pulsed laser light of ultraviolet light having a wavelength of about 193.4 nm as seed light SL.
  • the solid-state laser device 10 may include, for example, a semiconductor laser, a semiconductor amplifier, an optical fiber amplifier, and a wavelength conversion system using a nonlinear crystal.
  • the solid-state laser device 10 is arranged so that the output seed light SL having a wavelength of about 193.4 nm enters the excimer amplifier 12.
  • An optical element such as a high reflection mirror (not shown) may be arranged on the optical path between the solid-state laser device 10 and the excimer amplifier 12.
  • Excimer amplifier 12 includes a chamber 14, a convex cylindrical mirror 16, and a concave cylindrical mirror 18.
  • the chamber 14 contains ArF laser gas containing Ar gas as a rare gas, F 2 gas as a halogen gas, and Ne gas as a buffer gas, for example.
  • a pair of discharge electrodes 21 and 22 are arranged in the chamber 14 so as to face each other in the V direction with a discharge space 24 in between.
  • the V direction is a direction parallel to the vertical direction (vertical direction) of the paper surface of FIG.
  • the V direction corresponds to the discharge direction.
  • a high voltage pulse power supply (not shown) is arranged outside the chamber 14. The high-voltage pulse power supply is electrically connected to the pair of discharge electrodes 21 and 22 arranged in the chamber 14.
  • the chamber 14 includes windows 25 and 26 that transmit laser light having a wavelength near 193.4 nm.
  • the window 25 is an incident window in which the seed light SL output from the solid-state laser device 10 first enters the chamber 14.
  • the window 26 is an emission window through which the amplified laser light AL obtained by amplifying the seed light SL is finally emitted from the chamber 14.
  • the amplified laser light AL is emitted from the window 26 in the Z direction that intersects the V direction.
  • the Z direction is a direction parallel to the left-right direction (lateral direction) of the paper surface in FIG.
  • the windows 25 and 26 are arranged so as to be inclined with respect to the discharge surface formed by the pair of discharge electrodes 21 and 22.
  • the discharge surface is a surface (VZ surface) parallel to the paper surface of FIG.
  • Each of the convex reflecting surface of the convex cylindrical mirror 16 and the concave reflecting surface of the concave cylindrical mirror 18 is coated with a highly reflective film that highly reflects light with a wavelength of about 193.4 nm.
  • the convex cylindrical mirror 16 and the concave cylindrical mirror 18 are arranged so as to pass the 193.4 nm seed light SL output from the solid-state laser device 10 within the discharge space 24 for three passes (pass through the discharge space 24 three times). .. Thereby, the seed light SL is expanded in the discharge direction and amplified in the discharge space 24.
  • the seed light SL having a wavelength of about 193.4 nm output from the solid-state laser device 10 passes below the lower end of the concave cylindrical mirror 18 and is parallel to the longitudinal axes of the discharge electrodes 21 and 22. Incident on the discharge space 24 so as to proceed to.
  • the “longitudinal axis” of the discharge electrodes 21, 22 is the longitudinal axis of the discharge electrodes 21, 22 and may be the Z direction in FIG.
  • the seed light SL traveling in the discharge space 24 in parallel with the longitudinal axes of the discharge electrodes 21 and 22 is amplified and enters the convex cylindrical mirror 16.
  • the seed light SL highly reflected by the convex cylindrical mirror 16 is further amplified as the beam expands in the discharge direction and passes through the discharge space 24, and enters the concave cylindrical mirror 18.
  • the seed light SL incident on the concave cylindrical mirror 18 is highly reflected by the concave cylindrical mirror 18, is collimated with the longitudinal axes of the discharge electrodes 21 and 22, passes through the discharge space 24 again, and is further amplified.
  • the amplified laser light AL collimated and amplified by the concave cylindrical mirror 18 passes through the upper side of the upper end of the convex cylindrical mirror 16 and is emitted from the laser system 1.
  • the amplified laser light AL emitted from the laser system 1 enters an exposure apparatus not shown in FIG.
  • a gas laser device using an excimer laser gas as a laser medium is used for each of an oscillation stage (master oscillator) and an amplification stage (amplification device).
  • the discharge-excited excimer laser device has lower beam quality than the solid-state laser device due to its characteristics, and the beam divergence (beam divergence angle) is significantly different in the vertical and horizontal directions.
  • the vertical direction here is a discharge direction
  • the horizontal direction is a direction orthogonal to the discharge direction and orthogonal to the traveling direction of the laser light.
  • the vertical direction is called the V direction and the horizontal direction is called the H direction.
  • the laser system 1 shown in FIG. 2 directly amplifies the seed light SL output from the solid-state laser device 10 having a higher coherence than the discharge excitation type by the excimer amplifier 12, so that the beam quality is high, that is, the beam is high.
  • An amplified laser light AL with a small divergence (beam divergence angle) can be obtained.
  • the hybrid laser device having the configuration as shown in FIG. 2 When it is considered that the hybrid laser device having the configuration as shown in FIG. 2 is used by being connected to the exposure apparatus instead of the current discharge-excitation excimer laser device, the beam divergence of the existing excimer laser device and the hybrid laser system are considered. Since the beam divergence of No. 1 is different, the following problem 1-2 may occur.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system 1A according to the first embodiment. Differences from the laser system 1 shown in FIG. 2 will be described.
  • the random phase plate 30 and the convex lens 40 are arranged on the optical path between the solid-state laser device 10 and the excimer amplifier 12.
  • the random phase plate 30 is a transmissive optical element, in which minute cells of a predetermined shape having a phase difference of ⁇ radian (1/2 wavelength) are randomly two-dimensionally arranged on one side of a light transmissive substrate. Has become. That is, the random phase plate 30 is coated with a film having cells as the minimum unit, and the unevenness due to the film is randomly two-dimensionally arranged in the plane of the light transmissive substrate.
  • a surface of the random phase plate 30 on which the laser light (seed light SL) output from the solid-state laser device 10 is incident is referred to as a “first surface”, and a surface on the side where the light transmitted through the random phase plate 30 is emitted.
  • the surface is called "second surface”.
  • a concavo-convex pattern in which concaves and convexes each having a minute cell of a predetermined shape as a minimum unit are spatially randomly arranged two-dimensionally is formed.
  • the concavo-convex pattern may be formed on the first surface of the random phase plate 30.
  • the convex lens 40 is arranged on the optical path between the random phase plate 30 and the excimer amplifier 12.
  • the convex lens 40 is arranged so that the beam transmitted through the random phase plate 30 enters the convex lens 40.
  • the convex lens 40 collects the beam transmitted through the random phase plate 30 and makes it enter the excimer amplifier 12.
  • the convex lens 40 is an example of a “focusing optical system” in the present disclosure. Instead of the convex lens 40, a condenser mirror may be arranged.
  • the excimer amplifier 12 shown in FIG. 3 is an example of the “3-pass amplifier” in the present disclosure.
  • the convex cylindrical mirror 16 is an example of the “first mirror” and the “convex mirror” in the present disclosure.
  • the concave cylindrical mirror 18 is an example of the “second mirror” in the present disclosure.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing an example of the random phase plate 30.
  • FIG. 4 includes a partial schematic enlarged view schematically showing a part of the concavo-convex pattern provided on the second surface of the random phase plate 30 in an enlarged manner.
  • FIG. 4 shows an example in which the cell 32 has a hexagonal shape.
  • the vertical direction of the random phase plate 30 and the vertical direction (V direction) of the excimer amplifier 12 coincide with each other.
  • a plurality of cells 32 are periodically arranged in each of the H direction and the V direction.
  • the array of the cells 32 here is set as a design area division specified when the random phase plate 30 is manufactured, and each of the plurality of cells 32 arranged periodically has a It is configured as a region of the concave portion 32A or the convex portion 32B for giving a phase difference, and the concave portion 32A and the convex portion 32B are spatially randomly arranged in the element plane in units of cells 32.
  • the random phase plate 30 can divide an incident beam into minute beams in units of cells 32.
  • the random phase plate 30 is designed with a step difference between the concave portion 32A and the convex portion 32B such that the phase difference between the minute beam passing through the concave portion 32A and the minute beam passing through the convex portion 32B becomes, for example, ⁇ radian.
  • the cell 32 which is the minimum unit region of the concavo-convex pattern that gives a phase difference to the divided minute beams, has a so-called laterally long region shape in which the length dh in the H direction is longer than the length dv in the V direction.
  • the aspect ratio defined by /dv is 1.2 or more.
  • the value "1.2" is larger than the aspect ratio of the regular hexagon.
  • the preferable numerical range of the aspect ratio of the cell 32 is 1.2 or more and 5.0 or less, and more preferably 2.0 or more and 3.0 or less.
  • a preferable range is, for example, a length dh in the longitudinal direction (H direction) of the cell 32 of 20 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the length dh of the cells 32 in the H direction may be understood as the arrangement interval of the cells 32 in the H direction in the periodic arrangement of the cells 32.
  • the length dv of the cells 32 in the V direction may be understood as the arrangement interval of the cells 32 in the V direction.
  • the random phase plate 30 is arranged on the optical path with the longitudinal axis of the cell 32 in the H direction and the latitudinal axis in the V direction. That is, the random phase plate 30 is arranged on the optical path in such a manner that the direction in which the concavo-convex pattern on the element surface is fine is the V direction and the direction in which the concavo-convex pattern is rough is the H direction.
  • the random phase plate 30 has a structure in which a film 36 is arranged on the surface of a light transmissive substrate 34, and a region of the cell 32 in which the film 36 is arranged is formed as a convex portion 32B.
  • the region of the cell 32 where the film 36 is not arranged is configured as the recess 32A.
  • the material of the light transmissive substrate 34 is, for example, at least one of synthetic quartz, crystal, and calcium fluoride.
  • the material of the film 36 is, for example, SiO 2 , MgF 2 , AlF 3 , Na 3 AlF 6 , Na 5 Al 3 F 14 , GdF 2 , GdF 3 , LaF 3 , LaF 2 , NdF 3 , DyF 3 , and YF 3. Is at least one.
  • the convex portion 32B and the concave portion 32A are not limited to be formed depending on the presence or absence of the film 36, and the convex portion 32B and the concave portion 32A may be formed by changing the film thickness for each cell 32.
  • the in-plane direction parallel to the element plane (HV plane) of the random phase plate 30 shown in FIG. 4 is an example of the “in-plane direction of the random phase plate” in the present disclosure.
  • the length dv in the V direction shown in FIG. 4 is an example of “the length d1 in the first direction” in the present disclosure
  • the length dh in the H direction is the length “d2 in the second direction” in the present disclosure. This is an example.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the function of the random phase plate 30. 5 shows that the laser light is incident on the random phase plate 30 from the lower side of FIG. 5, and the laser light transmitted through the random phase plate 30 is emitted toward the upper side of FIG.
  • the phases of the wavefront WS1 of the laser light incident on the random phase plate 30 are aligned. Note that, in FIG. 5, the fact that the phases of the wavefront WS1 are aligned is indicated by a straight line.
  • the random phase plate 30 divides the laser light incident on the first surface into a plurality of beams according to the shapes of the regions of the concave portions 32A and the convex portions 32B. Then, the random phase plate 30 gives a phase difference ⁇ between the minute beam transmitted through the concave portion 32A and the minute beam transmitted through the convex portion 32B. Assuming that the phase of the minute beam transmitted through the concave portion 32A is “0 phase” and the phase of the minute beam transmitted through the convex portion 32B is “ ⁇ phase”, the beam transmitted through the random phase plate 30 has the light of these two types of phases. Overlap and progress.
  • the wavefront WS2 of the laser light emitted from the random phase plate 30 has a spatially random phase difference due to the concavo-convex pattern of the concave portions 32A and the convex portions 32B.
  • the state of the phase difference pattern that reflects the shape of the concavo-convex pattern of the random phase plate 30 is displayed as the wavefront WS2.
  • Each of the minute beam passing through the concave portion 32A and the minute beam passing through the convex portion 32B travels as diffracted light having a diffraction angle according to the size of the area of the concave portion 32A or the convex portion 32B.
  • the diffraction angle changes in the vertical direction (V direction) and the horizontal direction (H direction). That is, the vertical diffraction angle is larger than the horizontal diffraction angle.
  • the aspect ratio of the beam divergence of the laser light (seed light SL) incident on the excimer amplifier 12 can be changed.
  • the distribution of the light intensity in the beam cross section at the focusing point by the convex lens 40 is Gaussian. It is not a distribution but a Top Hat distribution.
  • the beam quality of the laser light incident on the excimer amplifier 12 can be brought close to the beam quality of the current excimer laser device.
  • Figure 6 is a table that summarizes the schematic diagrams of the beam profile and beam divergence of the current excimer laser device and various hybrid laser devices.
  • the current excimer laser device a hybrid laser device that does not have a random phase plate
  • a hybrid laser device that has a random phase plate with the same cell aspect ratio a hybrid laser device that has a random phase plate with the same cell aspect ratio
  • the cell aspect ratio a hybrid laser device including a random phase plate
  • a hybrid laser device that does not have a random phase plate refers to a configuration like the laser system 1 described in FIG.
  • the “random phase plate having the same aspect ratio of cells” refers to a random phase plate having a cell aspect ratio of 1.0.
  • the "random phase plate having different cell aspect ratios” means a random phase plate having a cell aspect ratio of 1.2 or more, as illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • the beam profile and the beam divergence of the laser system 1A according to the first embodiment are classified into the beam profile and the beam divergence of the "hybrid laser device (with a random phase plate having different cell aspect ratios)" shown in the bottom of FIG. ..
  • the beam profile and the beam divergence of each device shown in FIG. 6 may be understood as the beam profile and the beam divergence of the laser light amplified by the excimer amplifier. It may be understood as a beam profile and a beam divergence of light).
  • the beam profile of the current excimer laser device has a top hat distribution, and the beam divergence is larger in the V direction than in the H direction.
  • the beam profile of the hybrid laser device having no random phase plate has a Gaussian distribution, and the beam divergence is small and isotropic in both the H direction and the V direction.
  • the beam profile of the hybrid laser device provided with the random phase plate having the same cell aspect ratio has a top hat distribution, and the beam divergence is larger in both the H direction and the V direction than in the case without the random phase plate, but the aspect ratio Remains isotropic.
  • the beam profile of the hybrid laser device including the random phase plate having different cell aspect ratios like the laser system 1A according to the first embodiment has a top hat distribution, and the beam divergence is in the H direction as compared with the case without the random phase plate. And the V direction is large, and the V direction is larger than the H direction. That is, by using a random phase plate having different cell aspect ratios, it is possible to realize a beam profile and beam divergence close to those of the current excimer laser device.
  • the shape of the cell 32 of the random phase plate 30 can be designed according to the target beam profile and beam divergence. That is, a desired beam profile and beam divergence can be realized by changing the shape of the cell 32 of the random phase plate 30.
  • the convex lens 40 between the random phase plate 30 and the excimer amplifier 12, the laser light appropriately propagates in the 3-pass amplifier.
  • FIG. 7 is a front view schematically showing another example of the random phase plate 30.
  • FIG. 7 shows an example in which the shape of the cell 32 is a quadrangle. Instead of the random phase plate 30 described in FIG. 4, the random phase plate 30 shown in FIG. 7 may be applied.
  • elements that are the same as or similar to the configuration of FIG. 4 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the shape of the cell 32 may be a rectangle having a length in the H direction of dh and a length in the V direction of dv.
  • the preferable range of the aspect ratio (dh/dv) of the cell 32 and the preferable range of the size of the cell 32 in the example of FIG. 7 are the same as those of the example of FIG.
  • the cell shape of the random phase plate 30 is not limited to the hexagon illustrated in FIG. 4 and the quadrangle illustrated in FIG. 7, and may have various shapes.
  • the cell shape may be a polygon having an aspect ratio of 1.2 or more.
  • the cell shape may have various shapes capable of filling a plane with a single type of figure capable of filling the plane without gaps.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system 1B according to the second embodiment.
  • the configuration of the excimer amplifier 12 of the first embodiment is changed from the expanded 3-pass amplifier to a Fabry-Perot type (resonator type) amplifier.
  • the laser system 1B shown in FIG. 8 includes an excimer amplifier 12B which is a Fabry-Perot type amplifier.
  • the excimer amplifier 12B includes a rear mirror 52, an output coupling mirror 54, and a chamber 14, and the chamber 14 is arranged between the rear mirror 52 and the output coupling mirror 54.
  • Each of the rear mirror 52 and the output coupling mirror 54 is a partial reflection mirror that reflects a part of the laser light and transmits a part thereof.
  • the reflectance of the rear mirror 52 is preferably higher than that of the output coupling mirror 54.
  • the reflectance of the rear mirror 52 is in the range of 80% to 90%, for example.
  • the rear mirror 52 and the output coupling mirror 54 form an optical resonator.
  • the excimer amplifier 12B is an example of the “Fabry-Perot resonator” in the present disclosure.
  • the seed light SL having a wavelength of about 193.4 nm output from the solid-state laser device 10 enters the excimer amplifier 12B via the random phase plate 30 and the convex lens 40.
  • the point that the beam profile and the beam divergence are changed by the random phase plate 30 is the same as in the first embodiment.
  • the seed light SL that has passed through the rear mirror 52 enters the discharge space 24 through the window 25.
  • the seed light SL is amplified by the optical resonator composed of the output coupling mirror 54 and the rear mirror 52, and the amplified amplified laser light AL is emitted from the output coupling mirror 54.
  • the amplified laser light AL emitted from the output coupling mirror 54 enters an exposure device not shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of the laser system 1C according to the third embodiment.
  • the configuration of the excimer amplifier 12 of the first embodiment is changed from an expanded 3-pass amplifier to a ring resonator type amplifier.
  • the laser system 1C shown in FIG. 9 includes an excimer amplifier 12C which is a ring resonator type amplifier.
  • the excimer amplifier 12C includes a chamber 14, a pair of discharge electrodes 21 and 22, high-reflection mirrors 61, 62 and 63, and an output coupling mirror 64.
  • the output coupling mirror 64 is a partial reflection mirror that transmits a part of the laser light and reflects a part thereof.
  • the pair of discharge electrodes 21 and 22 are arranged so as to face each other with a space therebetween in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 9.
  • the output coupling mirror 64 and the high-reflection mirrors 61, 62, 63 form a ring resonator.
  • the beam imaging position of the output coupler (not shown) of the solid-state laser device 10 is near the position of the output coupling mirror 64, and the convex lens 40 described in FIG. 3 is unnecessary. ..
  • the seed light SL output from the solid-state laser device 10 enters the output coupling mirror 64 of the excimer amplifier 12B via the random phase plate 30.
  • the point that the beam profile and the beam divergence are changed by the random phase plate 30 is the same as in the first embodiment.
  • a part of the seed light SL incident on the output coupling mirror 64 passes through the output coupling mirror 64 and is reflected by the high reflection mirror 61.
  • the seed light SL reflected by the high-reflection mirror 61 passes through the window 25 and travels to the discharge space 24 between the pair of discharge electrodes 21 and 22.
  • the seed light SL is amplified by controlling the discharge light to be generated in the discharge space 24 when the seed light SL is present in the discharge space 24.
  • the amplified laser light is emitted from the chamber 14 via the window 26.
  • the laser light emitted from the window 26 is highly reflected by the high-reflection mirrors 62 and 63, travels again to the discharge space 24 in the chamber 14 through the window 26, and is amplified.
  • the laser light thus amplified is emitted from the chamber 14 through the window 25.
  • the amplified laser light emitted from the window 25 enters the output coupling mirror 64.
  • a part of the amplified laser light that has entered the output coupling mirror 64 passes through the output coupling mirror 64 and is emitted from the excimer amplifier 12C as amplified laser light AL.
  • the other part of the amplified laser light that has entered the output coupling mirror 64 is reflected by the output coupling mirror 64 and is returned to the ring optical resonator as feedback light.
  • FIG. 10 schematically shows the configuration of the laser system 1D according to the fourth embodiment.
  • the convex cylindrical mirror 16 in the excimer amplifier 12 portion shown in FIG. 3 is replaced with a concave cylindrical mirror 17.
  • Other configurations are the same as those of the laser system 1A described in FIG.
  • the concave cylindrical mirror 17 is an example of the “first mirror” and the “concave mirror” in the present disclosure.
  • the divergence of the beam may become extremely large depending on the size of the cell 32 of the random phase plate 30, and the concave cylindrical mirror 17 is used to adjust the divergence.
  • the divergence of the beam is adjusted by the concave cylindrical mirror 17, and the beam can be appropriately passed through the optical system of the excimer amplifier 12 part. ..
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a configuration example of the exposure apparatus 120.
  • the exposure apparatus 120 includes an illumination optical system 124 and a projection optical system 125.
  • the illumination optical system 124 illuminates the reticle pattern on the reticle stage RT with the laser light incident from the laser system 1.
  • the projection optical system 125 reduces and projects the laser light transmitted through the reticle to form an image on a workpiece (not shown) arranged on the workpiece table WT.
  • the workpiece is a photosensitive substrate such as a semiconductor wafer coated with photoresist.
  • the exposure apparatus 120 exposes a laser beam reflecting the reticle pattern onto the workpiece by synchronously moving the reticle stage RT and the workpiece table WT in parallel.
  • a semiconductor device can be manufactured by transferring a device pattern onto a semiconductor wafer through the above-described exposure process.
  • the semiconductor device is an example of the “electronic device” in the present disclosure.
  • the laser system 1 may be the laser system 1A, 1B, 1C, 1D described in each embodiment.

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Abstract

本開示の一観点に係るレーザシステムは、固体レーザ装置とエキシマ増幅器の間の光路上にランダム位相板が配置される。ランダム位相板は、凹凸パターンの最小単位領域である所定形状のセルが周期的に配列され、セルの単位で凹部又は凸部の領域がランダムに配置されている。エキシマ増幅器に入射するレーザ光のビーム進行方向をＺ方向、放電方向をＶ方向、Ｖ方向及びＺ方向に直交する方向をＨ方向、Ｖ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第１方向、Ｈ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第２方向として、セルの第１方向の長さをｄ１、セルの第２方向の長さをｄ２とする場合に、セルは、ｄ２／ｄ１で定義されるアスペクト比が１．２以上である。

Description

レーザシステム、及び電子デバイスの製造方法
　本開示は、レーザシステム、及び電子デバイスの製造方法に関する。
　半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。
　現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには等価における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィとも呼ばれる。
　ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０～４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。スペクトル線幅はスペクトル幅とも呼ばれる。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には狭帯域化素子を有する狭帯域化部（Line　Narrow　Module）が設けられ、この狭帯域化部によりスペクトル幅の狭帯域化が実現されている。なお、狭帯域化素子はエタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
特開２０１１－１９２８４９号公報 特開２０１３－１４１０２９号公報 特開昭６１－２４３４０３号公報 特開２００８－１４０９８０号公報
概要
　本開示の１つの観点に係るレーザシステムは、レーザ光を出力する固体レーザ装置と、レーザ光を通過させる放電空間を挟んで対向して配置される一対の放電電極を含み、レーザ光を増幅するエキシマ増幅器と、固体レーザ装置とエキシマ増幅器の間の光路上に配置されたランダム位相板と、を備え、ランダム位相板は、レーザ光に位相差を与える凹凸パターンの最小単位領域である所定形状のセルが周期的に配列され、セルの単位で凹部又は凸部の領域がランダムに配置されており、エキシマ増幅器に入射するレーザ光の進行方向をＺ方向、一対の放電電極の放電方向をＶ方向、Ｖ方向及びＺ方向に直交する方向をＨ方向、エキシマ増幅器に入射するレーザ光のビーム断面のＶ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第１方向、ビーム断面のＨ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第２方向として、セルの第１方向の長さをｄ１、セルの第２方向の長さをｄ２とする場合に、セルは、ｄ２／ｄ１で定義されるアスペクト比が１．２以上である。
　本開示の他の１つの観点に係る電子デバイスの製造方法は、レーザ光を出力する固体レーザ装置と、レーザ光を通過させる放電空間を挟んで対向して配置される一対の放電電極を含み、レーザ光を増幅するエキシマ増幅器と、固体レーザ装置とエキシマ増幅器の間の光路上に配置されたランダム位相板と、を備え、ランダム位相板は、レーザ光に位相差を与える凹凸パターンの最小単位領域である所定形状のセルが周期的に配列され、セルの単位で凹部又は凸部の領域がランダムに配置されており、エキシマ増幅器に入射するレーザ光の進行方向をＺ方向、一対の放電電極の放電方向をＶ方向、Ｖ方向及びＺ方向に直交する方向をＨ方向、エキシマ増幅器に入射するレーザ光のビーム断面のＶ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第１方向、ビーム断面のＨ方向に対応するランダム位相板の面内方向を第２方向として、セルの第１方向の長さをｄ１、セルの第２方向の長さをｄ２とする場合に、セルは、ｄ２／ｄ１で定義されるアスペクト比が１．２以上であるレーザシステムによってエキシマレーザ光を生成し、エキシマレーザ光を露光装置に出力し、電子デバイスを製造するために、露光装置内で感光基板上にエキシマレーザ光を露光することを含む。
　本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、ランダム位相板におけるセルの例を示す図である。 図２は、レーザシステムの構成例を概略的に示す図である。 図３は、実施形態１に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。 図４は、ランダム位相板の一例を模式的に示す正面図である。 図５は、ランダム位相板の機能を模式的に示す説明図である。 図６は、現行のエキシマレーザ装置と各種のハイブリッドレーザ装置についてそれぞれのビームプロファイルとビームダイバージェンスの模式図をまとめた図表である。 図７は、ランダム位相板の他の例を模式的に示す正面図である。 図８は、実施形態２に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。 図９は、実施形態３に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。 図１０は、実施形態４に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。 図１１は、露光装置の構成例を概略的に示す図である。
実施形態
　－目次－
１．用語の説明
２．レーザシステムの概要
　２．１　構成
　２．２　動作
３．課題
４．実施形態１
　４．１　構成
　　４．１．１　ランダム位相板の例１
　４．２　動作
　４．３　作用・効果
　４．４　ランダム位相板の他の例
　４．４．１　ランダム位相板の例２
　４．４．２　セル形状について
５．実施形態２
　５．１　構成
　５．２　動作
　５．３　作用・効果
６．実施形態３
　６．１　構成
　６．２　動作
　６．３　作用・効果
７．実施形態４
　７．１　構成
　７．２　動作
　７．３　作用・効果
８．電子デバイスの製造方法
９．その他
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
　１．用語の説明
　本明細書において使用される用語を以下のように定義する。
　「ハイブリッドレーザ装置」とは、発振段（マスタオシレータ）と増幅段（増幅装置）とを備えた２ステージレーザ装置において、発振段に固体レーザ装置、増幅段にエキシマレーザ装置を備えた装置をいう。「エキシマ増幅器」とは、増幅段に用いられるエキシマレーザ装置をいう。
　本明細書ではレーザ光の進行方向を「Ｚ方向」と定義する。Ｚ方向と垂直な一方向が「Ｈ方向」と定義され、Ｈ方向及びＺ方向に垂直な方向が「Ｖ方向」と定義される。例えば、エキシマ増幅器に入射するレーザ光の進行方向をＺ方向とし、エキシマ増幅器において一対の放電電極が対向する方向、すなわち、放電方向をＶ方向とすることができる。
　ランダム位相板についての「セル」とは、光に位相差を与える凹凸パターンの凹部領域又は凸部領域となる所定形状の最小単位領域をいう。ランダム位相板の素子面には複数のセルが周期的に配列される。ここでの「周期的に」とは空間的に特定の反復パターンで規則的に並ぶことをいう。すなわち、ランダム位相板の素子面は、複数のセルに区分けされており、各セルが凹部又は凸部の領域として構成される。ランダム位相板の素子面にはセルの単位で凹部又は凸部の領域が空間的にランダムに配置される。
　セルの形状について「アスペクト比」を次のように定義する。すなわち、ランダム位相板の素子面と平行な面内において第１方向と、第１方向に直交する第２方向とを定め、セルの第１方向の長さをｄ１、セルの第２方向の長さをｄ２とする場合に、ｄ２／ｄ１をアスペクト比と定義する。
　図１に六角形のセルの例を示す。図１において縦方向が第１方向、横方向が第２方向である。セルの第１方向長さｄ１は、セルの外形線に対して第２方向と平行な第１外接平行線の線間隔である。セルの第２方向長さｄ２は、セルの外形線に対して第１方向と平行な第２外接平行線の線間隔である。
　第１方向は、エキシマ増幅器の放電方向（Ｖ方向）との関係で特定される。第１方向はＶ方向に対応する方向であり、第２方向はＨ方向に対応する方向である。「対応する方向」とは、光路上の異なる位置のそれぞれのビーム断面において相対的に同じ方向であることをいう。例えば、ランダム位相板とエキシマ増幅器との間の光路上に、レーザ光の進行方向を変えるミラーなどが存在する場合には、ランダム位相板における第１方向とエキシマ増幅器の放電方向は異なる方向を指す場合がありうる。しかし、ランダム位相板から出射されるレーザ光のビーム断面における第１方向と、エキシマ増幅器に入射するレーザ光のビーム断面におけるＶ方向とは相対的に同じ方向であると理解される。
　ランダム位相板とエキシマ増幅器との間の光路上に、レーザ光の進行方向を変えるミラーなどが存在せず、ランダム位相板から出射されるレーザ光のビーム断面における第１方向が維持されてエキシマ増幅器に入射する場合、第１方向はＶ方向と平行であってよい。
　本明細書における「平行」という用語には、技術的意義において実質的に平行と同等の範囲と見做しうる略平行の概念が含まれてよい。また、本明細書における「垂直」又は「直交」という用語には、技術的意義において実質的に垂直又は実質的に直交と同等の範囲と見做しうる略垂直又は略直交の概念が含まれてよい。
　２．レーザシステムの概要
　２．１　構成
　図２は、レーザシステム１の構成例を概略的に示す図である。レーザシステム１は、固体レーザ装置１０と、エキシマ増幅器１２と、を含むハイブリッドレーザ装置である。固体レーザ装置１０は、波長約１９３．４ｎｍの紫外線のパルスレーザ光をシード光ＳＬとして出力する紫外線固体レーザ装置である。固体レーザ装置１０は、例えば、半導体レーザと、半導体増幅器と、光ファイバ増幅器と、非線形結晶を用いた波長変換システムと、を含んで構成されてよい。
　固体レーザ装置１０は、出力される波長約１９３．４ｎｍのシード光ＳＬがエキシマ増幅器１２に入射するように配置される。なお、固体レーザ装置１０とエキシマ増幅器１２との間の光路上に、図示しない高反射ミラーなどの光学素子が配置されてもよい。
　エキシマ増幅器１２は、チャンバ１４と、凸面シリンドリカルミラー１６と、凹面シリンドリカルミラー１８と、を含む。チャンバ１４の中には、例えば希ガスとしてＡｒガスと、ハロゲンガスとしてＦ２ガスと、バッファガスとしてＮｅガスと、を含むＡｒＦレーザガスが入っている。
　チャンバ１４の中には一対の放電電極２１、２２が放電空間２４を挟んでＶ方向に互いに対向するように配置される。Ｖ方向は、図２における紙面の上下方向（縦方向）に平行な方向である。Ｖ方向は放電方向に相当する。チャンバ１４の外には、図示を省略した高電圧パルス電源が配置される。高電圧パルス電源は、チャンバ１４内に配置された一対の放電電極２１、２２と電気的に接続されている。
　チャンバ１４は、波長１９３．４ｎｍ付近のレーザ光を透過するウインドウ２５、２６を含む。ウインドウ２５は、固体レーザ装置１０から出力されたシード光ＳＬをチャンバ１４内に最初に入射させる入射窓である。ウインドウ２６は、シード光ＳＬを増幅した増幅レーザ光ＡＬをチャンバ１４から最終的に出射させる出射窓である。増幅レーザ光ＡＬは、ウインドウ２６からＶ方向と交差するＺ方向に出射される。Ｚ方向は、図２における紙面の左右方向（横方向）に平行な方向である。
　ウインドウ２５、２６は、一対の放電電極２１、２２による放電面に対して傾くように配置される。ここで放電面は、図２における紙面に平行な面（Ｖ－Ｚ面）である。
　凸面シリンドリカルミラー１６の凸反射面及び凹面シリンドリカルミラー１８の凹反射面の各々には、波長約１９３．４ｎｍの光を高反射する高反射膜がコートされている。凸面シリンドリカルミラー１６及び凹面シリンドリカルミラー１８は、固体レーザ装置１０から出力された１９３．４ｎｍのシード光ＳＬを、放電空間２４内で３パス（放電空間２４を３回通過）させるように配置される。これにより、シード光ＳＬは放電方向にビーム拡大され、放電空間２４内で増幅される。
　２．２　動作
　固体レーザ装置１０から出力された波長約１９３．４ｎｍのシード光ＳＬは、凹面シリンドリカルミラー１８の下端部よりもさらに下側を通過し、かつ放電電極２１、２２の長手軸に平行に進行するように放電空間２４に入射する。放電電極２１、２２の「長手軸」とは、放電電極２１、２２の長手方向の軸であり、図２におけるＺ方向であってよい。
　放電空間２４中を放電電極２１、２２の長手軸に平行に進行するシード光ＳＬは増幅され、凸面シリンドリカルミラー１６に入射する。凸面シリンドリカルミラー１６を高反射したシード光ＳＬは、放電方向にビームが拡大しながら放電空間２４を通過することによってさらに増幅され、凹面シリンドリカルミラー１８に入射する。
　凹面シリンドリカルミラー１８に入射したシード光ＳＬは、凹面シリンドリカルミラー１８で高反射され、放電電極２１、２２の長手軸に対してコリメートされて、放電空間２４を再び通過して、さらに増幅される。凹面シリンドリカルミラー１８によりコリメートされて増幅された増幅レーザ光ＡＬは、凸面シリンドリカルミラー１６の上端部よりもさらに上側を通過してレーザシステム１から出射される。レーザシステム１から出射された増幅レーザ光ＡＬは図２に示されていない露光装置へ入射する。
　３．課題
　現行の典型的な露光装置用レーザ装置においては、発振段（マスタオシレータ）と増幅段（増幅装置）の各々に、エキシマレーザガスをレーザ媒質とするガスレーザ装置が使用される。しかし、放電励起式のエキシマレーザ装置は、その特性上、固体レーザ装置に比べてビーム品質が低く、ビームダイバージェンス（ビーム拡がり角）は縦方向と横方向の割合が大きく異なる。ここでいう縦方向とは放電方向であり、横方向とは放電方向に直交し、かつ、レーザ光の進行方向に直交する方向である。縦方向をＶ方向、横方向をＨ方向という。
　これに対し、図２に示すレーザシステム１は、放電励起式に比べて高コヒーレンスの固体レーザ装置１０から出力されるシード光ＳＬをエキシマ増幅器１２によって直接増幅するため、ビーム品質の高い、つまりビームダイバージェンス（ビーム拡がり角）の小さい増幅レーザ光ＡＬが得られる。
　放電励起式の現行のエキシマレーザ装置の代わりに、図２のような構成のハイブリッドレーザ装置を露光装置に接続して使用することを考えた場合、現行のエキシマレーザ装置のビームダイバージェンスとハイブリッドレーザシステムのビームダイバージェンスとが相違することから、次のような課題１－２が発生する恐れがある。
　［課題１］露光装置の中で光路のケラレが起き、スループット等に悪影響が出る。
　［課題２］レーザシステム１から出力される増幅レーザ光ＡＬのビーム特性と、現行のエキシマレーザ装置から出力されるレーザ光のビーム特性とが異なるため、露光装置内で不必要な集光等がされて光学素子にダメージを与える等の問題が起こる恐れがある。
　４．実施形態１
　４．１　構成
　図３は、実施形態１に係るレーザシステム１Ａの構成を概略的に示す図である。図２に示したレーザシステム１との相違点を説明する。図３に示す実施形態１に係るレーザシステム１Ａは、固体レーザ装置１０とエキシマ増幅器１２との間の光路上にランダム位相板３０と凸レンズ４０とが配置される。
　ランダム位相板３０は、透過型の光学素子であり、光透過性基板の片側面に位相差がπラジアン（１／２波長）となる所定形状の微小なセルがランダムに二次元配置された構成となっている。すなわち、ランダム位相板３０は、セルを最小単位とする膜がコートされており、その膜による凹凸が光透過性基板の面内においてランダムに二次元配置された構成となっている。
　ランダム位相板３０において、固体レーザ装置１０から出力されたレーザ光（シード光ＳＬ）が入射する側の面を「第１面」といい、ランダム位相板３０を透過した光が出射される側の面を「第２面」という。本例のランダム位相板３０の第２面には、所定形状の微小なセルを最小単位とする凹部及び凸部が空間的にランダムに二次元配置された凹凸パターンが形成されている。なお、凹凸パターンは、ランダム位相板３０の第１面に形成されていてもよい。
　凸レンズ４０は、ランダム位相板３０とエキシマ増幅器１２との間の光路上に配置される。凸レンズ４０は、ランダム位相板３０を透過したビームが凸レンズ４０に入射するように配置される。凸レンズ４０はランダム位相板３０を透過したビームを集光してエキシマ増幅器１２に入射させる。凸レンズ４０は本開示における「集光光学系」の一例である。凸レンズ４０に代えて、集光ミラーを配置してもよい。
　図３に示すエキシマ増幅器１２は本開示における「３パス増幅器」の一例である。凸面シリンドリカルミラー１６は本開示における「第１ミラー」及び「凸面ミラー」の一例である。凹面シリンドリカルミラー１８は本開示における「第２ミラー」の一例である。
　４．１．１　ランダム位相板の例１
　図４は、ランダム位相板３０の一例を模式的に示す正面図である。図４は、ランダム位相板３０の第２面に設けられた凹凸パターンの一部を拡大して模式的に示す部分模式拡大図を含む。図４にはセル３２の形状が六角形である場合の例が示されている。実施形態１に係るレーザシステム１Ａの場合、ランダム位相板３０の縦方向とエキシマ増幅器１２の縦方向（Ｖ方向）とは一致している。
　ランダム位相板３０の素子面には、複数のセル３２がＨ方向及びＶ方向の各方向にそれぞれ周期的に配列されている。ここでいうセル３２の配列は、ランダム位相板３０を製作する際に指定される設計上の領域分けとして設定されるものであり、周期的に配列された複数のセル３２の各々は、光に位相差を与えるための凹部３２Ａ又は凸部３２Ｂの領域として構成され、セル３２の単位で凹部３２Ａと凸部３２Ｂとが素子面内において空間的にランダムに配置される。
　ランダム位相板３０は、入射するビームをセル３２の単位で微小ビームに分割し得る。ランダム位相板３０は、凹部３２Ａを透過した微小ビームと凸部３２Ｂを透過した微小ビームとの位相差が例えばπラジアンとなるように、凹部３２Ａと凸部３２Ｂの段差が設計される。
　分割された微小ビームに位相差を与える凹凸パターンの最小単位領域であるセル３２は、Ｖ方向の長さｄｖに比べてＨ方向の長さｄｈが長い、いわゆる横長の領域形状を有し、ｄｈ／ｄｖで定義されるアスペクト比が１．２以上である。なお、「１．２」という値は、正六角形のアスペクト比よりも大きい値である。セル３２のアスペクト比の好ましい数値範囲は１．２以上５．０以下であり、さらに好ましくは、２．０以上３．０以下である。
　また、セル３２の大きさに関して、好ましい範囲は、例えば、セル３２の長手方向（Ｈ方向）の長さｄｈが２０μｍ以上５００μｍ以下である。なお、セル３２のＨ方向の長さｄｈは、セル３２の周期的な配列におけるＨ方向についてのセル３２の配列間隔と理解してもよい。また、セル３２のＶ方向の長さｄｖは、Ｖ方向についてのセル３２の配列間隔と理解してもよい。
　図４に示すように、ランダム位相板３０は、セル３２の長手軸をＨ方向、短手軸をＶ方向に向けた姿勢で光路上に配置される。つまり、ランダム位相板３０は、素子面における凹凸パターンが細かい方向をＶ方向に、凹凸パターンが粗い方向をＨ方向に向けた姿勢で光路上に配置される。
　ランダム位相板３０は、例えば、図５に示すように、光透過性基板３４の表面に膜３６が配置された構造を有し、膜３６を配置したセル３２の領域が凸部３２Ｂとして構成され、膜３６を配置しないセル３２の領域が凹部３２Ａとして構成される。
　光透過性基板３４の材質は、例えば、合成石英、水晶、及びフッ化カルシウムの少なくとも１つである。膜３６の材質は、例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＡｌＦ３、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＧｄＦ２、ＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＬａＦ２、ＮｄＦ３、ＤｙＦ３、及びＹＦ３の少なくとも１つである。
　なお、膜３６の有無によって凸部３２Ｂと凹部３２Ａを構成する形態に限らず、セル３２の単位で膜厚を異ならせて凸部３２Ｂと凹部３２Ａを構成する形態としてもよい。
　図４に示すランダム位相板３０の素子面（Ｈ－Ｖ面）と平行な面内方向は本開示における「ランダム位相板の面内方向」の一例である。また、図４に示すＶ方向の長さｄｖは本開示における「第１方向の長さｄ１」の一例であり、Ｈ方向の長さｄｈは本開示における「第２方向の長さｄ２」の一例である。
　４．２　動作
　図５は、ランダム位相板３０の機能を模式的に示す説明図である。図５の下側からランダム位相板３０にレーザ光が入射し、ランダム位相板３０を透過したレーザ光が図５の上側に向けて出射される様子が図示されている。
　ランダム位相板３０に入射するレーザ光の波面ＷＳ１は、位相が揃っている。なお、図５では波面ＷＳ１の位相が揃っていることを直線によって表示している。
　ランダム位相板３０は、第１面に入射するレーザ光を凹部３２Ａ及び凸部３２Ｂのそれぞれの領域の形状に応じて複数のビームに分割する。そして、ランダム位相板３０は、凹部３２Ａを透過した微小ビームと凸部３２Ｂを透過した微小ビームとの間に位相差πを与える。凹部３２Ａを透過した微小ビームの位相を「０位相」、凸部３２Ｂを透過した微小ビームの位相を「π位相」とすると、ランダム位相板３０を透過したビームは、これら２種類の位相の光が重なり合って進行する。
　したがって、ランダム位相板３０から出射されるレーザ光の波面ＷＳ２は、凹部３２Ａ及び凸部３２Ｂの凹凸パターンに起因して空間的にランダムに位相差が生じる。図５においてランダム位相板３０の凹凸パターンの形状を反映した位相差パターンの様子を波面ＷＳ２として表示している。
　凹部３２Ａを透過する微小ビーム及び凸部３２Ｂを透過する微小ビームの各々は、凹部３２Ａ又は凸部３２Ｂの領域の大きさに応じた回折角を持つ回折光として進行していく。
　凹部３２Ａ又は凸部３２Ｂの大きさが小さいほど回折角が大きい。ランダム位相板３０のセル３２のアスペクト比が１．２以上であるため、縦方向（Ｖ方向）と横方向（Ｈ方向）とで回折角が変わる。すなわち、縦方向の回折角が横方向の回折角よりも大きい。
　このようなランダム位相板３０を用いることで、エキシマ増幅器１２に入射するレーザ光（シード光ＳＬ）のビームダイバージェンスの縦横比を変更することができる。
　また、ランダム位相板３０を透過したレーザビームにおける「０位相」の微小ビームと「π位相」の微小ビームとは干渉しないため、凸レンズ４０による集光点でのビーム断面における光強度の分布はガウス分布ではなく、トップハット分布に近くなる。
　その結果、エキシマ増幅器１２に入射するレーザ光のビーム品質を、現行のエキシマレーザ装置のビーム品質に近づけることができる。
　図６は、現行のエキシマレーザ装置と各種のハイブリッドレーザ装置についてそれぞれのビームプロファイルとビームダイバージェンスの模式図をまとめた図表である。
　ここでは比較のために、現行のエキシマレーザ装置と、ランダム位相板を有していないハイブリッドレーザ装置と、セルの縦横比が等しいランダム位相板を備えたハイブリッドレーザ装置と、セルの縦横比が異なるランダム位相板を備えたハイブリッドレーザ装置との４種類の装置について示す。
　「ランダム位相板を有していないハイブリッドレーザ装置」とは、図１で説明したレーザシステム１のような構成をいう。「セルの縦横比が等しいランダム位相板」とは、セルのアスペクト比が１．０であるランダム位相板をいう。「セルの縦横比が異なるランダム位相板」とは、図４及び図５で例示したように、セルのアスペクト比が１．２以上であるランダム位相板をいう。実施形態１に係るレーザシステム１Ａのビームプロファイルとビームダイバージェンスは、図６の最下段に示す「ハイブリッドレーザ装置（セルの縦横比が異なるランダム位相板有り）」のビームプロファイルとビームダイバージェンスに分類される。
　なお、図６に示す各装置のビームプロファイル及びビームダイバージェンスは、エキシマ増幅器によって増幅されたレーザ光のビームプロファイル及びビームダイバージェンスと理解してもよいし、エキシマ増幅器に入射するレーザ光（増幅前のシード光）のビームプロファイル及びビームダイバージェンスと理解してもよい。
　現行のエキシマレーザ装置のビームプロファイルはトップハット分布であり、ビームダイバージェンスはＨ方向に比べてＶ方向が大きい。ランダム位相板を有していないハイブリッドレーザ装置のビームプロファイルはガウス分布であり、ビームダイバージェンスはＨ方向及びＶ方向ともに小さく等方的である。
　セルの縦横比が等しいランダム位相板を備えたハイブリッドレーザ装置のビームプロファイルはトップハット分布となり、ビームダイバージェンスは、ランダム位相板無しの場合と比較してＨ方向及びＶ方向ともに大きくなるものの、縦横比は変わらずに等方的である。
　実施形態１に係るレーザシステム１Ａのようにセルの縦横比が異なるランダム位相板を備えるハイブリッドレーザ装置のビームプロファイルはトップハット分布となり、ビームダイバージェンスは、ランダム位相板無しの場合と比較してＨ方向及びＶ方向ともに大きくかつ、Ｈ方向に比べてＶ方向が大きい。すなわち、セルの縦横比が異なるランダム位相板を用いることで、現行のエキシマレーザ装置に近いビームプロファイル及びビームダイバージェンスを実現することができる。
　目標とするビームプロファイル及びビームダイバージェンスに合わせてランダム位相板３０のセル３２の形状を設計することができる。すなわち、ランダム位相板３０のセル３２の形状を変更することにより、所望のビームプロファイル及びビームダイバージェンスを実現できる。
　また、ランダム位相板３０とエキシマ増幅器１２との間に凸レンズ４０を配置したことにより、適切に３パス増幅器内にレーザ光が伝播する。
　４．３　作用・効果
　実施形態１に係るレーザシステム１Ａによれば、ランダム位相板３０はＶ方向とＨ方向とで回折角が異なるため、ビームダイバージェンスの縦横比を変更することができる。これにより、現行のエキシマレーザ装置によって生成されるエキシマレーザ光のビーム特性に近いビーム特性のエキシマレーザ光を生成することが可能になる。
　４．４　ランダム位相板の他の例
　４．４．１　ランダム位相板の例２
　図７は、ランダム位相板３０の他の例を模式的に示す正面図である。図７にはセル３２の形状が四角形である場合の例が示されている。図４で説明したランダム位相板３０に代えて、図７に示すランダム位相板３０を適用してもよい。図７において図４の構成と同一又は類似の要素には同一の参照符号を付し、その説明は省略する。
　図７に示すように、セル３２の形状は、Ｈ方向の長さがｄｈ、Ｖ方向の長さがｄｖである長方形であってもよい。図７の例におけるセル３２のアスペクト比（ｄｈ／ｄｖ）の好ましい範囲及びセル３２の大きさの好ましい範囲は図４の例と同様である。
　４．４．２　セル形状について
　ランダム位相板３０のセル形状は、図４に例示した六角形、及び図７に例示した四角形に限らず、様々な形状があり得る。セル形状は、アスペクト比が１．２以上となる多角形であってよい。セル形状は、単一種類の図形で平面を隙間無く充填することができる平面充填可能な各種の形状があり得る。
　５．実施形態２
　５．１　構成
　図８は、実施形態２に係るレーザシステム１Ｂの構成を概略的に示す図である。実施形態２では、実施形態１のエキシマ増幅器１２の部分を、拡大３パス増幅器からファブリペロー型（共振器型）の増幅器に構成を変更したものである。
　図８に示すレーザシステム１Ｂは、ファブリペロー型の増幅器であるエキシマ増幅器１２Ｂを備える。エキシマ増幅器１２Ｂは、リアミラー５２と、出力結合ミラー５４と、チャンバ１４とを備え、リアミラー５２と出力結合ミラー５４との間に、チャンバ１４が配置される。
　リアミラー５２と出力結合ミラー５４の各々は、レーザ光の一部を反射し、一部を透過する部分反射ミラーである。リアミラー５２の反射率は出力結合ミラー５４の反射率よりも高いことが好ましい。リアミラー５２の反射率は、例えば８０％から９０％の範囲である。リアミラー５２と出力結合ミラー５４により、光共振器が構成される。エキシマ増幅器１２Ｂは本開示における「ファブリペロー型共振器」の一例である。
　５．２　動作
　固体レーザ装置１０から出力された波長約１９３．４ｎｍのシード光ＳＬは、ランダム位相板３０及び凸レンズ４０を介してエキシマ増幅器１２Ｂに入射する。ランダム位相板３０によってビームプロファイルとビームダイバージェンスが変更される点は実施形態１と同様である。
　リアミラー５２を通過したシード光ＳＬは、ウインドウ２５を介して放電空間２４に入射する。出力結合ミラー５４とリアミラー５２とで構成される光共振器によってシード光ＳＬは増幅され、増幅された増幅レーザ光ＡＬは出力結合ミラー５４から出射される。出力結合ミラー５４から出射された増幅レーザ光ＡＬは図８に示されていない露光装置へ入射する。
　５．３　作用・効果
　実施形態２に係るレーザシステム１Ｂにおいても実施形態１と同様の作用効果が得られる。すなわち、ランダム位相板３０はＶ方向とＨ方向とで回折角が異なるため、ビームダイバージェンスの縦横比を変更することができる。これにより、現行のエキシマレーザ光のビーム特性に近づけることができる。
　６．実施形態３
　６．１　構成
　図９は、実施形態３に係るレーザシステム１Ｃの構成を概略的に示す図である。実施形態３では、実施形態１のエキシマ増幅器１２の部分を、拡大３パス増幅器からリング共振器型の増幅器に構成を変更したものである。
　図９に示すレーザシステム１Ｃは、リング共振器型の増幅器であるエキシマ増幅器１２Ｃを備える。エキシマ増幅器１２Ｃは、チャンバ１４と、一対の放電電極２１、２２と、高反射ミラー６１、６２、６３と、出力結合ミラー６４と、とを含む。出力結合ミラー６４は、レーザ光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーである。
　一対の放電電極２１、２２は、図９の紙面に対して垂直方向に間隔を開けて互いに対向して配置される。
　出力結合ミラー６４と高反射ミラー６１、６２、６３とにより、リング型共振器が構成される。実施形態３に係るレーザシステム１Ｃでは、固体レーザ装置１０の図示しない出力カプラのビーム結像位置が出力結合ミラー６４の位置付近にあり、図３で説明した凸レンズ４０が不要な構成となっている。
　６．２　動作
　固体レーザ装置１０から出力されたシード光ＳＬはランダム位相板３０を介してエキシマ増幅器１２Ｂの出力結合ミラー６４に入射する。ランダム位相板３０によってビームプロファイルとビームダイバージェンスが変更される点は実施形態１と同様である。
　出力結合ミラー６４に入射したシード光ＳＬの一部は、出力結合ミラー６４を透過して、高反射ミラー６１により反射される。高反射ミラー６１で反射されたシード光ＳＬは、ウインドウ２５を透過して、一対の放電電極２１、２２の間の放電空間２４へ進行する。
　シード光ＳＬが放電空間２４内に存在するときに放電空間２４に放電を生じさせる制御が行われることによって、シード光ＳＬが増幅される。増幅されたレーザ光は、ウインドウ２６を介してチャンバ１４から出射する。ウインドウ２６から出射したレーザ光は、高反射ミラー６２及び６３により高反射されて、再びウインドウ２６を介して、チャンバ１４内の放電空間２４へ進行して増幅される。こうして増幅されたレーザ光は、ウインドウ２５を介してチャンバ１４から出射される。ウインドウ２５から出射した増幅レーザ光は、出力結合ミラー６４に入射する。出力結合ミラー６４に入射した増幅レーザ光の一部は出力結合ミラー６４を透過して、増幅レーザ光ＡＬとしてエキシマ増幅器１２Ｃから出射される。また、出力結合ミラー６４に入射した増幅レーザ光の他の一部は出力結合ミラー６４で反射され、フィードバック光として、再びリング光共振器中に戻される。
　６．３　作用・効果
　実施形態３に係るレーザシステム１Ｃにおいても、実施形態１と同様の作用効果が得られる。
　７．実施形態４
　７．１　構成
　図１０は、実施形態４に係るレーザシステム１Ｄの構成を概略的に示す。実施形態４に係るレーザシステム１Ｄは、図３に示したエキシマ増幅器１２部分の凸面シリンドリカルミラー１６を、凹面シリンドリカルミラー１７に変更したものである。他の構成は図３で説明したレーザシステム１Ａと同様である。
　凹面シリンドリカルミラー１７は本開示における「第１ミラー」及び「凹面ミラー」の一例である。
　７．２　動作
　ランダム位相板３０のセル３２の大きさによってビームの拡がりが非常に大きくなる場合があり、その拡がりを調整するために、凹面シリンドリカルミラー１７が用いられている。
　７．３　作用・効果
　実施形態４に係るレーザシステム１Ｄによれば、凹面シリンドリカルミラー１７によってビームの拡がりが調整され、適切にエキシマ増幅器１２部分の光学系をビームが通過するようにすることができる。
　８．電子デバイスの製造方法
　図１１は、露光装置１２０の構成例を概略的に示す図である。図１１において、露光装置１２０は、照明光学系１２４と投影光学系１２５とを含む。照明光学系１２４は、レーザシステム１から入射したレーザ光によって、レチクルステージＲＴのレチクルパターンを照明する。投影光学系１２５は、レチクルを透過したレーザ光を、縮小投影してワークピーステーブルＷＴ上に配置された図示しないワークピースに結像させる。ワークピースはフォトレジストが塗布された半導体ウエハ等の感光基板である。露光装置１２０は、レチクルステージＲＴとワークピーステーブルＷＴとを同期して平行移動させることにより、レチクルパターンを反映したレーザ光をワークピースに露光する。以上のような露光工程によって半導体ウエハにデバイスパターンを転写することで半導体デバイスを製造することができる。半導体デバイスは本開示における「電子デバイス」の一例である。レーザシステム１は、各実施形態で説明したレーザシステム１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ等であってもよい。
　９．その他
　上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図している。したがって、特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかである。また、本開示の実施形態を組み合わせて使用することも当業者には明らかである。
　本明細書及び特許請求の範囲全体で使用される用語は、明記が無い限り「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、不定冠詞「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。また、「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」という用語は、「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ａ＋Ｂ」「Ａ＋Ｃ」「Ｂ＋Ｃ」又は「Ａ＋Ｂ＋Ｃ」と解釈されるべきである。さらに、それらと「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」以外のものとの組み合わせも含むと解釈されるべきである。

Claims (19)

  1. 　レーザ光を出力する固体レーザ装置と、
    　前記レーザ光を通過させる放電空間を挟んで対向して配置される一対の放電電極を含み、前記レーザ光を増幅するエキシマ増幅器と、
    　前記固体レーザ装置と前記エキシマ増幅器の間の光路上に配置されたランダム位相板と、
    　を備え、
    　前記ランダム位相板は、前記レーザ光に位相差を与える凹凸パターンの最小単位領域である所定形状のセルが周期的に配列され、前記セルの単位で凹部又は凸部の領域がランダムに配置されており、
    　前記エキシマ増幅器に入射する前記レーザ光の進行方向をＺ方向、前記一対の放電電極の放電方向をＶ方向、前記Ｖ方向及び前記Ｚ方向に直交する方向をＨ方向、前記エキシマ増幅器に入射する前記レーザ光のビーム断面の前記Ｖ方向に対応する前記ランダム位相板の面内方向を第１方向、前記ビーム断面の前記Ｈ方向に対応する前記ランダム位相板の面内方向を第２方向として、前記セルの前記第１方向の長さをｄ１、前記セルの前記第２方向の長さをｄ２とする場合に、
    　前記セルは、ｄ２／ｄ１で定義されるアスペクト比が１．２以上である
    レーザシステム。
  2. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記所定形状は多角形であるレーザシステム。
  3. 　請求項２に記載のレーザシステムであって、
    　前記所定形状は六角形であるレーザシステム。
  4. 　請求項２に記載のレーザシステムであって、
    　前記所定形状は四角形であるレーザシステム。
  5. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記アスペクト比が１．２以上５．０以下であるレーザシステム。
  6. 　請求項５に記載のレーザシステムであって、
    　前記アスペクト比が２．０以上３．０以下であるレーザシステム。
  7. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記ｄ２が２０μｍ以上５００μｍ以下であるレーザシステム。
  8. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記エキシマ増幅器は、前記放電空間に前記レーザ光を３回通過させて増幅を行う３パス増幅器であるレーザシステム。
  9. 　請求項８に記載のレーザシステムであって、
    　前記エキシマ増幅器は、前記放電空間を挟むようにして互いに対向する第１ミラーと第２ミラーとを含み、
    　前記放電空間を通過した前記レーザ光が最初に入射する前記第１ミラーが凸面ミラーであるレーザシステム。
  10. 　請求項８に記載のレーザシステムであって、
    　前記エキシマ増幅器は、前記放電空間を挟むようにして互いに対向する第１ミラーと第２ミラーとを含み、
    　前記放電空間を通過した前記レーザ光が最初に入射する前記第１ミラーが凹面ミラーであるレーザシステム。
  11. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記エキシマ増幅器は、ファブリペロー型共振器であるレーザシステム。
  12. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記エキシマ増幅器は、リング型共振器であるレーザシステム。
  13. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、さらに、
    　前記ランダム位相板と前記エキシマ増幅器との間の光路上に集光光学系を備えるレーザシステム。
  14. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記所定形状は、平面充填可能な形状であり、
    　前記ランダム位相板は、前記第１方向及び前記第２方向の各方向に対して複数の前記セルが周期的に並んで平面を充填するように前記セルの単位で隙間無く領域分けされているレーザシステム。
  15. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記位相差は、前記凹部を透過する光と前記凸部を透過する光の位相差として与えられ、πラジアンであるレーザシステム。
  16. 　請求項１に記載のレーザシステムであって、
    　前記ランダム位相板は、光透過性基板の表面に膜を配置した構造を有し、
    　前記膜の厚みによって前記位相差が与えられるレーザシステム。
  17. 　請求項１６に記載のレーザシステムであって、
    　前記光透過性基板の材質は、合成石英、水晶、及びフッ化カルシウムの少なくとも１つであるレーザシステム。
  18. 　請求項１６に記載のレーザシステムであって、
    　前記膜の材質は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＡｌＦ３、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＧｄＦ２、ＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＬａＦ２、ＮｄＦ３、ＤｙＦ３、及びＹＦ３の少なくとも１つであるレーザシステム。
  19. 　電子デバイスの製造方法であって、
    　レーザ光を出力する固体レーザ装置と、
    　前記レーザ光を通過させる放電空間を挟んで対向して配置される一対の放電電極を含み、前記レーザ光を増幅するエキシマ増幅器と、
    　前記固体レーザ装置と前記エキシマ増幅器の間の光路上に配置されたランダム位相板と、
    　を備え、
    　前記ランダム位相板は、前記レーザ光に位相差を与える凹凸パターンの最小単位領域である所定形状のセルが周期的に配列され、前記セルの単位で凹部又は凸部の領域がランダムに配置されており、
    　前記エキシマ増幅器に入射する前記レーザ光の進行方向をＺ方向、前記一対の放電電極の放電方向をＶ方向、前記Ｖ方向及び前記Ｚ方向に直交する方向をＨ方向、前記エキシマ増幅器に入射する前記レーザ光のビーム断面の前記Ｖ方向に対応する前記ランダム位相板の面内方向を第１方向、前記ビーム断面の前記Ｈ方向に対応する前記ランダム位相板の面内方向を第２方向として、前記セルの前記第１方向の長さをｄ１、前記セルの前記第２方向の長さをｄ２とする場合に、
    　前記セルは、ｄ２／ｄ１で定義されるアスペクト比が１．２以上であるレーザシステムによってエキシマレーザ光を生成し、
    　前記エキシマレーザ光を露光装置に出力し、
    　電子デバイスを製造するために、前記露光装置内で感光基板上に前記エキシマレーザ光を露光すること
    　を含む電子デバイスの製造方法。
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