JPH0293331A - 狭帯域発振エキシマレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、狭帯域発振エキシマレーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

集積回路等の回路パターンを半導体ウェハ上に露光する
縮小投影露光装置の光源としてエキシマレーザの利用が
注目されている。これはエキシマレーザの波長が短い（
ＫｒＦレーザの波長は約２４８、４ｒ＋ｎ＋）ことから
解像度の限界を０．５μｍ以下に延ばせる可能性がある
こと、同じ解像度なら従来用いていた水銀ランプのｇ線
やｉ線に比較して焦点深度か深いこと、レンズの開口数
（ＮＡ）が小さくてすみ、露光領域を大きくできること
、大きなパワーが得られること等の多くの優れた利点が
期待できるからである。

ところでエキシマレーザはその波長が２４８．３５ｒ＋
ｎと短いため、この波長を透過する材料が石英、ＣａＦ
２およびＭ　ｇ　Ｐ　２等しかなく、しかも均一性およ
び加工精度等の点でレンズ素材として石英しか用いるこ
とができない、そこで色収差補正をした縮小投影レンズ
の設計は困龍である。このため、エキシマレーザを縮小
投影露光装置の光源として用いるにはこの色収差が無視
しうる程度までの狭帯域化が必要となる。

そこで、レーザ発振器から出射されたレーザ光の波長お
よびパワーを検出し、検出された波長およびパワーに基
づいてレーザ光の狭帯域化、波長の安定化およびパワー
の安定化を図るというフィードバック制御のための構成
が提案されている。

その−例を第１３図に示す。

第１３図ではレーザ管１０７とリアミラー１０６の間に
エタロン１０１，１０２を配設することによって狭帯域
化がおこなわれている。フロントミラー１０５を介して
出射されるレーザ光はビームスプリッタ１０３を介して
集光レンズ１０８に入射され、ここで集光されて光ファ
イバ１０９の入射口１１０に入射され、さらに光ファイ
バ１０９を通じて波長検出器１１１に導かれ、出力レー
ザ光の発振波長が検出される。中央処理装置（ＣＰＵ）
１１２はこの波長検出器１１１の出力に基つきドライバ
１１３．１１４を介してエタロン１０１．１０２の角度
等を変えることによって発振波長を固定するように制御
する。

一方、エキシマレーザに用いるレーザ媒質ガスは時間経
過と共にそのレーザ媒質としての性能が徐々に劣化し、
レーザパワーが低下する。そこで、レーザ媒質の励起強
度すなわち放電電圧制御およびガス交換制御することに
よってレーザ出力を一定に保つ出力制御がおこなわれて
いる。すなわち、発振されたレーザ光の一部をビームス
プリッタ１０４で分岐させ光強度検出器１１５に入射し
、レーザパワーの変化をモニタし、ＣＰＵ１１２がレー
ザ電源１１６を介して、レーザ媒質の励起強度を変化さ
せたり、あるいはガスコントローラ１１７を介してレー
ザ媒質ガスの部分的交換を実施するなどして、レーザ出
力を一定に保つ出力制御をおこなう。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように狭帯域発振エキシマレーザ装置ではレーザ光
の波長およびパワーを検出し、検出された波長およびパ
ワーに基づいてフィードパ・ツク制御を行なっているの
で、これらの波長およびパワーを良好な精度で検出する
ことが必要不可欠である。

しかしながらエキシマレーザ光はビームサイズが例えば
１０１１Ｘ２０１１と大きく、この範囲内の位置により
波長およびパワーが異なる。したがって、該範囲内の一
部分からレーザ光をサンプリングして波長およびパワー
を検出した場合、波長およびパワーの検出精度が悪く、
このために所望のレーザ光を出射することができなくな
るという問題点があった。

例えば、レーザ光を集光レンズで集光して光ファイバの
入射口に入射させる場合、レーザ光の光軸が多少でも狂
うと、集光されたレーザ光と光ファイバの入射口とがず
れて、検出されるレーザ光の波長が変化するので、正確
な制御が不可能となる。

そこで、本発明はレーザ光の検出を良好な精度でかつ安
定に行うことが可能な狭帯域発振エキシマレーザ装置を
提供することを目的とする。

〔課眩を解決するための手段〕

本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光の波長
およびパワーのうちの少なくとも一方を検出する狭帯域
発振エキシマレーザ装置において、前記レーザ光を入射
して複数の発散光束を出射するライトインテグレータと
、このライトインテグレータからの各発散光束を入射す
る集光レンズとを備え、前記集光レンズの出射側の焦点
上に形成された均一照明領域にて前記レーザ光の波長お
よびパワーのうちの少なくとも一方を検出することを特
徴とする 〔作用〕 本発明によれば、集光レンズの出射側の焦点上に形成さ
れた均一照明領域にて検出を行っているので、この均一
照明領域内のどのような位置でもレーザ光の平均的な波
長および平均的なパワーを検出しうる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は本発明にかかわる狭帯域発振エキシマレーザ装
置の第１の実施例を示している。なお、同図において第
１３図に示した従来装置と同様の部分には説明の便宜上
同じ符号を付す。

この実施例ではフロントミラー１０５から出射されたレ
ーザ光をビームスプリッタ１に入射し、このビームスプ
リッタ１を透過したレーザ光を出力とし取出すとともに
、該ビームスプリッタ１で反射されたレーザ光をライト
インテグレータ２を介して集光レンズ３に入射している
。この集光レンズ３の下方にはビームスプリッタ４が配
置されており、このビームスプリッタ４の透過側に位置
する集光レンズ３の焦点に光フアイバスリーブ５を配！
するとともに、該ビームスプリッタ４の反射側に位置す
る集光レンズ３の焦点に光強度検出器６を配置している
。そして、光フアイバスリーブ５の断面は集光レンズ３
の焦点上に位置合せされており、この断面に光ファイバ
７の入射口８が露出している。この入射口８に入射した
レーザ光は光ファイバ７を通じて波長検出器１１１に導
かれ、ここで波長が検出される。この波長検出器１１１
は例えば回折格子型分光器、モニタエタロン等を用いて
レーザ光の波長を検出しており、検出出力をＣＰＵ１１
２に加える。ＣＰＵ１１２はこの検出出力に基づいてレ
ーザ光の波長制御を行う。一方、光強度検出器６は集光
レンズ３の焦点上に位置合せされた例えばフォトダイオ
ード、フォトマルチフライヤ等を備えており、このよう
な光電変換素子によってレーザ光の強度を検出し、検出
出力をＣＰＵ１１２に加える。ＣＰＵ１１２はこの検出
出力に基づいてレーザ光のパワー制御を行う。

さて、ライトインテグレータ２は例えば第２図に示すよ
うに微小な角ドラムレンズ５１を多数個配列して形成さ
れたものであり、各角ドラムレンズ５１に入射したそれ
ぞれの光束が出射されることにより、複数の発散光束が
得られる。また、ライトインテグレータ２の他の形態と
しては、第３図に示すような六角ドラムレンズ５２を多
数個配列して形成されたものがある。さらに、別の形態
としては第４図に示すように板状の透明体５３の上面に
半円柱状のレンズ５４を多数個並設するとともに、板状
の透明体５３の下面に半円柱状のレンズ５５をレンズ５
４に直交させて多数個並設したものがある。また、第５
図に示すように板状の透明体５６の一方の面に半円形の
溝５７を多数並列して形成するとともに、透明体５６の
他方の面に半円形の湧５８を消５７に直交させて多数並
列して形成したものがある。このような種々のライトイ
ンテグレータのうちのいずれでも、入射した光を出射す
ると、複数の発散光束を形成する。

いま、ライトインテグレータ２から出射された複数の発
散光束は、第６図に示すように集光レンズ３に入射され
、ここからそれぞれ集光される。

そして、集光されたそれぞれの光束は集光レンズ３の焦
点上で全て重畳する。すなわち、レーザ光はライトイン
テグレータ２に入射されて複数に分割され、分割された
それぞれの発散光束が集光レンズ３を介して焦点上に重
畳されるというケーラ照明が行われる。したがって、集
光レンズ３の焦点上にはレーザ光を均一化した均一照明
領域９が形成され、この均一照明領域９は該領域内のど
の位置であっても発振されたレーザ光の全ての波長成分
を生ずるとともにレーザ光のビームサイズ内の平均的な
強度を示す。

ここで、第７図に示すように集光レンズ３の焦点上に配
置された光フアイバスリーブ５の断面において、光ファ
イバ７の入射口８は均一照明領域９よりも小さくかつ均
一照明領域９内に入る。このため、フロントミラー１０
５から出射されるレーザ光の光軸が狂って、均一照明領
域９が多少ずれても、光ファイバ７の入射口８は均一照
明領域９から外れるようなことがない。

そして、光ファイバ７の入射口８がら入射されたレーザ
光は光ファイバ７を通じて波長検出器１１１に導かれる
。このレーザ光には発振された全ての波長成分が含まれ
るので、波長検出器１１１はこの波長成分から平均的な
波長を検出し、レーザ光の平均波長を示す検出出力をＣ
ＰＵ１１２に加える。この結果、ＣＰＵＩ　１２はレー
ザ光の平均波長に基づいて波長制御を行うこととなり、
よって発振波長を所望の波長に正確に合せることができ
る。

一方、光強度検出器６は第６図に示すように集光レンズ
３の焦点に位置する光電変換素子１０の受光面１１によ
って光強度を検出しており、この光電変換素子１０の受
光面１１が第８図に示すように均一照明領域９よりも小
さくかつ均一照明領域９内に入る。このため、フロント
ミラー１０５から出射されるレーザ光の光軸が狂って、
均一照明領域９が多少ずれても、受光面１１は均一照明
領域９から外れるようなことがない。

そして、均一照明領域９はどのような位置でもレーザ光
のビームサイズ内の平均的な強度を示す。

このため、光強度検出器６はレーザ光の平均的な強度を
検出し、平均光強度を示す検出出力をＣＰＵ１１２に加
える。この結果、ＣＰＵ１１２は平均光強度に基づいて
パワー制御を行うこととなり、よってレーザ出力の安定
化を図ることかできる。

このようなレーザ光をライトインテグレータ２および集
光レンズ３を介することによりケーラ照明を行い、この
ケーラ照明により形成された均一照明領域９にて平均波
長および平均光強度を検出し、平均波長に基づいて波長
制御を行うとともに平均光強度に基づいてパワー制御を
行っているので、このために正確な制御が可能となる。

第９図は狭帯域発振エキシマレーザ装置の第２の実施例
を示しており、フロントミラー１０５から出射されたレ
ーザ光をビームスプリッタ１２に入射し、このビームス
プリッタ１２で反射されたレーザ光を出力として取出す
とともに、該ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光
をライトインテグレータ２を介して集光レンズ３に入射
している。そして、集光レンズ３の出射側にビームスプ
リッタ１３を配！し、このビームスプリッタ１３の反射
側に位置する集光レンズ３の焦点に光フアイバスリーブ
５の断面を配置するとともに、該ビームスプリッタ１３
の透過側に位１する集光レンズ３の焦点に光強度検出器
１４の入射口を配置している。

ここで、光強度検出器１４は入射口に設けられた例えば
スリガラスの光拡散板１５と、光電変換素子としてのフ
ォトダイオード１６と、光拡散板１５からフォトダイオ
ード１６に至るまでに径が徐々に小さくなりかつ内側が
鏡面の筒１７とを備えている。そして、光拡散板１５に
は集光レンズ３の焦点上の均一照明領域９が形成され、
ここがらレーザ光は拡散され、さらにｌ！ｆｉ１７の内
側で反射されて集光されフォトダイオード１６に至る。

このため、フォトダイオード１６はケーラ照明による均
一照明領域９のレーザ光をより均一化して受光すること
となり、レーザ光の平均的な光強度を検出し、この平均
光強度を示す検出出力をＣＰＵ１１２に加える。したが
って、この実施例ではレーザ光の平均光強度を第１図に
示した装置よりも正確に検出することができる。

第１０図は本発明に係る狭帯域発振エキシマレーザ装置
の第３の実施例を示している。この実施例では第９図に
示した装置における光強度検出器１４の代りに光フアイ
バスリーブ２１の断面を集光レンズ３の焦点上の均一照
明領域９に配置している。この光フアイバスリーブ２１
の断面には光ファイバ２２の入射口が露出しており、こ
の入射口に入射したレーザ光は光ファイバ２２を通じて
図示されない光強度検出器に導かれ、ここでレーザ光の
平均光強度が検出される。なお、光ファイバ２２の入射
口は均一照明領域９よりも小さくかつ均一照明領域９内
に入る。

第１１図は本発明に係る狭帯域発振エキシマレーザ装置
の第４の実施例を示しており、第９図に示した装置にお
けるビームスプリッタ１３を除去するとともに、集光レ
ンズ３の焦点上の均一照明領域９に光フアイバスリーブ
２５の断面を配置している。この光フアイバスリーブ２
５の断面には第１２図に示すように２本の光ファイバ２
６および２７の入射口２８および２９がそれぞれ露出し
ており、２つの入射口２８および２９は均一照明領域９
内に余裕を持って入る。したがって、フロントミラー１
０５から出射されたレーザ光の光軸が多少狂っても、各
入射口２８および２９が均一照明領域９から外れるよう
なことはない。

そして、光ファイバ２６の入射口２８に入射したレーザ
光は光ファイバ２６を通じて図示されない光強度検出器
に導かれ、ここでレーザ光の平均強度が検出される。ま
た、光ファイバ２７の入射口２９に入射したレーザ光は
光ファイバ２７を通じて図示されない波長検出器に導が
れ、ここでレーザ光の平均波長が検出される。

このように第１〜第４の実施例では、レーザ光をライト
インテグレータおよび集光レンズを順次介することによ
り均一照明領域を形成し、この均一照明領域内にてレー
ザ光の平均波長および平均光強度を検出している。この
ため、フロントミラーから出射されるレーザ光の光軸が
少しぐらい狂っても、レーザ光の平均波長および平均光
強度を良好な精度でかつ安定に検出することができる。

この結果、レーザ光の波長制御およびパワー制御を正確
に行うことを可能ならしめる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれは、レーザ光をライト
インテグレータおよび集光レンズを介することにより集
光レンズの焦点上に均一照明領域を形成し、この均一照
明領域にてレーザ光の平均波長および平均光強度を検出
するようにしている。このため、レーザ光の検出を良好
な精度でかつ安定に行うことが可能な狭帯域発振エキシ
マレーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１の実施例を示す図、第２図〜
第５図はライトインテグレータをそれぞれ例示する図、
第６図は第１図に示した実施例の部分を示す図、第７図
は第１図に示した実施例における光フアイバスリーブの
受光部分を示す図、第８図は第１図に示した実施例にお
ける光強度検出器の受光部分を示す図、第９図は本発明
に係る第２の実施例を示す図、第１０図は本発明に係る
第３の実施例を示す図、第１１図は本発明に係る第４の
実施例を示す図、第１２図は第１１図に示した実施例に
おける光フアイバスリーブの断面を示す図、第１３図は
従来の狭帯域発振エキシマレーザ装置を示す図である。 １．４，１２．１３・・・ビームスプリッタ、２・・・
ライトインテグレータ、３・・・集光レンズ、５゜２１
．２５・・・光フアイバスリーブ、６．１４・・・光強
度検出器、７，２２，２６．２７・・・光ファイバ、８
．２８．２９・・・入射口、９・・・均一照明領域、１
０．１６・・・光電変換素子、１１・・・受光面、１５
・・・光拡散板、１７・・・筒、１０１，１０２・・・
エタロン、１０５・・・フロントミラー、１０６・・・
リアミラー　１０７・・・レーザ管、１１１・・・波長
検出器、１１２・・・中央処理装置、１１３，１１４・
・・ドライバ１１６・・・レーザ電源、１１７・・・ガ
スコンローラ。 第１図 第７図 第８図 第９図 第１０図 七カし一プ光 第１１図 ２日 第１２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ発振器から出射されたレーザ光の波長およ
   びパワーのうちの少なくとも一方を検出する狭帯域発振
   エキシマレーザ装置において、前記レーザ光を入射して
   複数の発散光束を出射するライトインテグレータと、 このライトインテグレータからの各発散光束を入射する
   集光レンズと を備え、前記集光レンズの出射側の焦点上に形成された
   均一照明領域にて前記レーザ光の波長およびパワーのう
   ちの少なくとも一方を検出することを特徴とする狭帯域
   発振エキシマレーザ装置。
2. （２）集光レンズの出射側に配置され、レーザ光を分岐
   することにより各分岐路に前記集光レンズの焦点上の均
   一照明領域をそれぞれ形成するビームスプリッタと、 このビームスプリッタによって形成された各均一照明領
   域にそれぞれ配置されたレーザ光の波長検出手段および
   パワー検出手段と を備えたこと特徴とする請求項（１）記載の狭帯域発振
   エキシマレーザ装置。
3. （３）波長検出手段は入射口を均一照明領域に配置され
   た光ファイバを備え、この光ファイバを通じて導かれた
   レーザ光に基づいて波長を検出し、前記光ファイバの入
   射口は前記均一照明領域よりも小さいことを特徴とする
   請求項（２）記載の狭帯域発振エキシマレーザ装置。
4. （４）パワー検出手段は受光面を均一照明領域に配置さ
   れた光電変換素子を備えたことを特徴とする請求項（２
   ）記載の狭帯域発振エキシマレーザ装置。
5. （５）集光レンズの焦点上の均一照明領域からレーザ光
   をそれぞれ導く２本の光ファイバを備え、これらの光フ
   ァイバを通じて導かれたそれぞれのレーザ光に基づいて
   波長およびパワーをそれぞれ検出し、 前記各光ファイバの入射口は前記均一照明領域内にそれ
   ぞれ入ることを特徴とする請求項（１）記載の狭帯域発
   振エキシマレーザ装置。