JPH03250777A - 狭帯域発振エキシマレーザ - 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〕 この発明は狭帯域発振エキシマレーザに関し、特に縮小
投影露光装置の光源に採用して好適なものである。

〔従来の技術〕

半導体装置製造用の縮小投影露光装置（以下ステッパと
いう）の光源としてエキシマレーザの利用が注［１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２４８．４ｎｍ）ことから光露光の限界
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
して焦点深度が深いこと、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、ステッパの光源として利用されるエキシマレ
ーザとしては線幅３ｐｍ以下の狭帯化が要求され、しか
も大きな出力パワーが要求される。

エキシマレーザの狭帯域化の技術としては従来インジェ
クションロック方式と呼ばれるものがある。このインジ
エンクションロック方式は、オシレータ段のキャビティ
内に波長選択素子（エタロン・回折格子・プリズム等）
を配置し、ピンホールによって空間モードを制限して単
一モード発振させ、このレーザ光を増幅段によって注入
同期する。この方式によると比較的大きな出力パワーが
得られるが、ミスショットがあったり、口・ソキング効
率を１００％とすることが困難であったり、スペクトル
純度が悪くなるという欠点がある。また、この方式の場
合その出力光はコヒーレンス性が高く、これを縮小露光
装置の光源に用いた場合はスペックル・パターンが発生
する。一般にスペックル・パターンの発生はレーザ光に
含まれる空間横モードの数に依存すると考えられている
。すなわち、レーザ光に含まれる空間横モードの数が少
ないとスペックル・パターンが発生しｇくなり、並に空
間モードの数が多くなるとスペックル・パターンは発生
しにくくなることが知られている。

上述したインジェクションロック方式は木質的には空間
横モードの数を著しく減らすことによって狭帯域化を行
う技術であり、スペックル・パターンの発生が大きな問
題となるため縮小投影露光装置には採用できない。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として他に有望なもの
は波長選択素子であるエアーギヤ・ノブエタロンを用い
たものがある。このエアーギヤ・ノブエタロンを用いた
従来技術としてはＡＴ＆Ｔベル研究所によるエキシマレ
ーザのフロントミラーとレーザ（放電）チャンバとの間
にエアーギヤ・ノブエタロンを配置し、エキシマレーザ
の狭帯域化を図ろうとする技術が提案されている。しか
し、この方式はスペクトル線幅をあまり狭くできず、か
っ、エアーギャップエタロン挿入によるパワーロスが大
きいという問題があり、更に空間措モートの数もあまり
多くすることがてきないという欠点がある。また、発振
直後におけるエタロンの吸熱によるエアギャップの変化
が非常に大きいために発振波長が大きく変化し、波長の
制御性があまり良くないという欠点を有している。また
エアーギャップエタロンは耐久性に問題がある。

そこで、比較的耐久性に優れたグレーティングを波長選
択素子として採用して構成したエキシマレーザが提案さ
れている。

また、従来のエキシマレーザでは、放電励起された光を
光共振器によって放電チャンバ内を往復させてフロント
ミラーから発振レーザ光を出力するが、フロントミラー
・リアミラー構成の光共振器にあっては、放電チャンバ
内においてリアミラ側に向かう光の光軸とりアミラーで
反射してフロントミラー側に向かう光の光軸、つまり射
出光軸とが一致していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

波長選択素子としてグレーティングを選択した場合、特
にビームエキスパンダと組み合わせた場合は波長の制御
性は非常に良くなり、また使用される光学素子の耐久性
も向上するのであるが、線幅を狭くするためにスリット
を用いて発振領域を制限する必要があるために効率があ
まりよくなく、またパワーの制御範囲が小さいこととな
っていた。

また放電幅の変化によってスペクトル線幅が変化してい
た。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、波
長選択素子として有効なグレーティングとフロントミラ
ーとで構成された光共振器を有しり狭帯域発振エキシマ
レーザにおいて、放電幅の変化に関係なく、安定なスペ
クトル純度を確保することができるようにし、パワーお
よび波長の制御性を大幅に向上させるとともに、効率を
大幅に向」ニさせることのできる狭帯域発振エキシマレ
ーザを提供することをその［１的としている。

〔課題を解決するための手段〕

そこでこの発明では、グレーティングを含む光共振器を
有し、放電励起された光を前記光共振器によって放電チ
ャンバ内を往復させて発振レーザ光を出力する狭帯域発
振エキシマレーザにおいて、前記光共振器のフロントミ
ラーから射出された光を放電チャンバ内に向けて折り返
して、前記放電チャンバ内を通り出力させる折り返し手
段を設けるとともに、前記グレーティングを、その線引
方向が前記放電励起のための放電方向と略平行となるよ
うに配置している。

〔作用〕

かかる構成によれば、グレーティングの線引方向を放電
方向と略平行にしているので、放電チャンバの放電幅が
変化してもスペクトル線幅は変化しない。また、フロン
トミラーから発振したレザ光を折り返して増幅している
ため効率が非常に高くなる。

〔実施例〕

以下、この発明に係わる狭帯域発振エキシマレーザの実
施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図はこの発明に係わる狭帯域発振エキシマレーザの
一実施例を示したものであり、レーザ光を狭帯域化させ
るための狭帯域化薬子としてプリズム４］、４２および
グレーティング３０を使用して、これらを放電チャンバ
２０のウィンド２１側に配置している。一方、放電チャ
ンバ２０の反対側、ウィンド２２側にフロントミラー１
０と４５度直角プリズム５０とを配置している。これら
フロントミラー１０とグレーティング３０とで光共振器
が構成される。

放電チャンバ２０内にはレーザガスとしてＫｒＦ等が封
入され、このレーザガスを放電励起するための電極２３
．２４が設けられ、更にこの放電チャンバ２０には発振
レーザ光を通すウィンドウ２１．２２が設けられている
。

グレーティング３０は光の回折を利用して特定波長の光
を選択するもので、一定方向に配列された多数の溝が形
成されている。この明細書ではこの多数の溝と直角の方
向を線引方向と称している。

グレーティング３０はこの線引方向を含む平面内で入射
光に対するグレーティング３０の角度θを可変させるこ
とにより特定の波長の光を選択することができる。すな
わち、グレーティング３０は入射光に対するグレーティ
ングの角度θに対応する特定の光のみを所定の方向（こ
の場合入射光の方向）に反射させ、これによって特定の
波長の光に対する選択動作を行なう。

さて、この実施例ではこのグレーティング３０の線引方
向が放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方
向に平行（一致）になるようにレーザチャンバ２０内の
電極２３．２４に対するグレーティング３０の配置を選
択したことを特徴としている。さらに、上述するように
放電チャンｌく２０のウィンド２１側にグレーティング
３０を配置するとともに、放電チャンバ２０の反対側、
ウィンド２２側にフロントミラー１０とこのフロントミ
ラー１０から射出した光を放電方向上方にずらして折り
返す４５度直角プリズム５０を配置している。そして、
プリズム４１とウィンド２１との間、およびウィンド２
２とフロントミラー１０との間にはスリット９１．９２
がそれぞれ配置される。ここで、スリット９１．９２は
ｈｋ電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向
に対して垂直な方向に長い形状のものである。

かかる構成ではグレーティング３０の部分がいわゆるリ
ヤミラーとして機能する。すなわち、放電チャンバ２０
内を通過した光はプリズム４２．４１によるビームエキ
スパンダにより光ビームが拡大されて、グレーティング
３０に照射される。

ここに、放電方向とグレーティング３０の線引方向とは
一致しているからプリズム４２．４１によるビームエキ
スパンダにより光ビームが拡大されてグレーティング３
０に照射される光のビーム広がり角は小さいものとなっ
ている。そして、グレーティング３０て反射された光は
放電チャンバ２０内を通過し、フロントミラー１０から
発振レザ光として出力されることになるが、その光は４
５度直角プリズム５０に入射される。４５度直角プリズ
ム５０により入射光が、反射光の光軸が入射光の光軸に
対して放電方向上方になるように折り曲げられて、再び
放電チャンバ２０内に入射され、増幅されてウィンド２
１から発振レーザ光Ｌ１として射出される。

ここに、プリズム４１．４２はレーザビームを拡大する
ビームエキスパンダを構成しているが、ビームエキスバ
ンド方向（すなわちプリズムの陵線方向と垂直な方向）
は放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向
に一致（平行）している。なお、プリズム４１．４２に
よるビームエキスパンダのビーム拡大方向は放電方向と
正確に一致する必要はない。ビームエキスパンタノヒー
ム拡大方向が放電方向と略一致すればよい。

第２図はこの発明に係わる狭帯域発振エキシマレーザの
他の実施例を示したものであり、同図に示した実施例は
第１図に示した実施例においてフロントミラー１０と４
５度直角プリズム５０との間にビームエキスパンダを構
成するプリズム４３．４４を配置するようにしている。

他の部分は第１図に示したものと同一である。第２図の
実施例においてもフロントミラー１０とグレーティング
３０とで光共振器が構成される。

また、この実施例でもグレーティング３ｏの線引方向が
放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向に
平行（一致）になるようにレーザチャンバ２０内の電極
２３．２４に対するグレーティング３０の配置を選択し
ている。さらに、放電チャンバ２０のウィンド２１側に
グレーティング３０を配置するとともに、放電チャンバ
２ｏの反対側、ウィンド２２側にフロントミラー１０と
このフロントミラー１０から射出した光を放電方向上方
にずらして折り返す４５度直角プリズム５０を配置して
いる。そして、プリズム４１とウィンド２１との間、お
よびウィンド２２とフロントミラー１０との間にはスリ
ット９１．９２がそれぞれ配置される。ここで、スリッ
ト９１．９２は放電チャンバ２０内の電極２３．２４に
よる放電方向に対して垂直な方向に長い形状のものであ
る。

かかる構成ではグレーティング３０の部分がいわゆるリ
ヤミラーとして機能する。すなわち、放電チャンバ２０
内を通過した光はプリズム４２．４１によるビームエキ
スパンダにより光ビームが拡大されて、グレーティング
３０に照射される。

ここに、放電方向とグレーティング３０の線引方向とは
一致しているからプリズム４２．４１によるビームエキ
スパンダにより光ビームが拡大されてクレーティング３
０に照射される光のビームの広がり角は小さいものとな
っている。そして、グレーティング３０で反射された光
は放電チャンバ２０内を通過し、フロントミラー１０か
ら発振レーザ光として出力されることになるが、この光
はプリズム４３．４４によるビームエキスパンダにより
光ビームが拡大されて上記４５度直角プリズム５０に入
射される。４５度直角プリズム５ｏでは入射光が、反射
光の光軸が入射光の光軸に対して放電方向上方になるよ
うに折り曲げられて、再び放電チャンバ２０内に入射さ
れ、増幅されてウィンド２１から発振レーザ光Ｌ２とし
て射出される。この実施例ではプリズム４３．４４によ
る光ビーム拡大により第１図に示した実施例よりもより
高出力を得ることができる。

ここに、プリズム４１．４２および４３．４４はレーザ
ビームを拡大するビームエキスパンダを構成しているが
、ビームエキスバンド方向（スなわちプリズムの陵線方
向と垂直な方向）は放電チャンバ２０内の電極２３．２
４による放電方向に一致（平行）している。なお、プリ
ズム４１．４２および４３．４４によるビームエキスパ
ンダのビーム拡大方向は放電方向と正確に一致する必要
はない。ビームエキスパンダによるビーム拡大方向が放
電方向と略一致すればよい。

第３図はこの発明に係わる狭帯域発振エキシマレーザの
他の実施例を示したものであり、同図に示した実施例は
第２図に示した実施例においてプリズム４３．４４と４
５度直角プリズム５０との間に偏光素子８０を配置する
ようにしている。他の部分は第２図に示したものと同一
である。第３図の実施例においてもフロントミラー１０
とグレーティング３０とで光共振器が構成される。

また、この実施例でもグレーティング３０の線引方向が
放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向に
平行（一致）になるようにレーザチャンバ２０内の電極
２３．２４に文・１するブレティング３０の配置を選択
している。さらに、放電チャンバ２０のウィンド２１側
にグレーティング３０を配置するとともに、放電チャン
バ２ｏの反対側、ウィンド２２側にフロントミラー１０
とこのフロントミラ〜１０から射出した光を放電方向上
方にずらして折り返す４５度直角プリズム５０を配置し
ている。そして、ウィンド２２とフロントミラー１０と
の間にはスリット９２がそれぞれ配置される。ここで、
スリット９２は放電チャンバ２０内の電極２３．２４に
よる放電方向に対して垂直な方向に長い形状のものであ
る。

かかる構成では、グレーティング３０の部分がいわゆる
リヤミラーとして機能する。すなわち、放電チャンバ２
０内を通過した光はプリズム４２．４］によるビームエ
キスパンダにより光ビームが拡大されて、グレーティン
グ３０に照射される。

ここに、放電方向とグレーティング３０の線引方向とは
一致しているからプリズム４２．４１によるビームエキ
スパンダにより光ビームが拡大されてグレーティング３
０に照射される光のビーム広がり角は小さいものとなっ
ている。そして、グレーティング３０で反射された光は
放電チャンバ２０内を通過し、フロントミラー１０から
発振レーザ光として出力されることになるが、この光は
プリズム４３．４４によるビームエキスパンダにより光
ビームが拡大される。さらに光は偏光素子８０を介して
４５度直角プリズム５０に入射される。

４５度直角プリズム５０では入射光が、反射光の光軸が
入射光の光軸に対して放電方向上方になるように折り曲
げられて、再び放電チャンバ２０内に入射され、増幅さ
れてウィンド２１から発振レーザ光Ｌ３として射出され
る。この実施例ではプリズム４３．４４による光ビーム
拡大により第１図に示した実施例よりもより高出力を得
ることができるとともに、偏光素子８０によって光の偏
光方向制御がなされ、フロントミラー１０から自然発振
する成分を低減できて、効率が向上する。

ここに、プリズム４１．４２および４３．４４はレーザ
ビームを拡大するビームエキスパンダを構成しているが
、ビームエキスバンド方向（すなわちプリズムの陵線方
向と垂直な方向）は放電チャンバ２０内の電極２３．２
４による放電方向に一致（平行）している。なお、プリ
ズム４１．４２および４３．４４によるビームエキスパ
ンダのビーム拡大方向は放電方向と正確に一致する必要
はない。ビームエキスパンダのビーム拡大方向が放電方
向と略一致すればよい。なお、この第３図の実施例では
偏光素子８０をプリズム４３．４４と４５度直角プリズ
ム５０との間に配置するようにしているが、これに限定
されることなくフロントミラー１０から射出したレーザ
光を折り返して再度放電チャンバ２０に入射するまでの
光路中であればその配置箇所は任意である。

第４図はこの発明に係わる狭帯域発振エキシマレーザの
他の実施例を示したものであり、同図に示した実施例は
第２図に示した実施例においてプリズム４１．４２およ
び４３．４４に破線で示すように光のＰ偏光成分のみを
通過させるＡＲココ−ィングを施すようにしている。な
お、スリット９１を省略するようにしている。他の部分
は第２図に示したものと同一である。第４図の場合もフ
ロントミラー１０とグレーティング３０とで光共振器が
構成される。

また、この実施例でもグレーティング３０の線引方向が
放電チャンバ２０内の電極２３．２４による放電方向に
平行（一致）になるようにレーザチャンバ２０内の電極
２３．２４に対するグレーティング３０の配置を選択し
ている。さらに、放電チャンバ２０のウィンド２１側に
グレーティング３０を配置するとともに、放電チャンノ
く２０の反対側、ウィンド２２側にフロントミラー１０
とこのフロントミラー１０から射出した光を放電方向上
方にずらして折り返す４５度直角プリズム５０を配置し
ている。そして、ウィンド２２とフロントミラー１０と
の間にはスリット９２がそれぞれ配置される。ここで、
スリット９２は放電チャンバ２０内の電極２３．２４に
よる放電方向に対して垂直な方向に長い形状のものであ
る。

かかる構成では、グレーティング３０の部分がいわゆる
リヤミラーとして機能する。すなわち、放電チャンバ２
０内を通過した光はプリズム４２．４１によるビームエ
キスパンダにより光ビームが拡大されて、グレーティン
グ３０に照射される。

プリズム４２．４１は前述するようにＡＲココ−ィング
が施されているので、Ｐ偏光のみが通過して、Ｐ偏光で
発振される。放電方向とグレーティング３０の線引方向
とは一致しているからプリズム４２．４１によるビーム
エキスパンダにより光ビームが拡大されてグレーティン
グ３０に照射される光のビーム広がり角は小さいものと
なっている０そして、グレーティング３０で反射された
光は放ｍｆヤンバ２ｏ内を通過し、フロントミラー１０
から発振レーザ光として出力されることになるが、この
光はプリズム４３．４４によるビームエキスパンダによ
り光ビームが拡大される。これらプリズム４３．４４も
プリズム４２．４１と同様にＡＲココ−ィングが施され
ていてＰ偏光のみが通過して、４５度直角プリズム５ｏ
に入射される。４５度直角プリズム５ｏでは入射光が、
反射光の光軸が入射光の光軸に対して放電方向上方にな
るように折り曲げられて、再び放電チャンバ２０内に入
射され、増幅されてウィンド２１がら発振レーザ光Ｌ４
として射出される。この実施例ではプリズム４３．４４
による光ビーム拡大により第１図に示した実施例よりも
より高出力を得ることができる。さらにプリズム４１．
４２のＡＲコートによりグレーティング３ｏとフロント
ミラー１０により発振するレーザ光の偏光方向がＰ偏光
となり、一方、プリズム４３．４４のＡＲコートにより
フロントミラー１０から射出されて放電チャンバ２０を
介して出力される発振レーザ光Ｌ４の偏光方向がＰ偏光
となって両部光方向を一致させることができるようにな
る。このため、第３図の場合よりもフロントミラー１０
により自然発振する量をより低減させることができるよ
うになる。

プリズム４１．４２および４３．４４はレーザビームを
拡大するビームエキスパンダを構成しているが、ビーム
エキスバンド方向（すなわちプリズムの陵線方向と垂直
な方向）は放電チャンバ２０内の電極２３．２４による
放電方向に一致（平行）している。なお、プリズム４１
．４２および４３．４４によるビームエキスパンダのビ
ーム拡大方向は放電方向と正確に一致する必要はない。

ビームエキスパンダのビーム拡大方向が放電方向と略−
致すればよい。

以上いずれの実施例においても、グレーティングの線引
方向と放電方向とを一致させるようにしたので、 １）放電幅が変化してもスペクトル線幅は変化しない。

２）パワーの制御転回が広くなる。

３）−自由度であるため波長の制御速度が速い。

４）グレーティングおよびビームエキスパンダに入射す
る光のエネルギー密度が小さいため波長のシフト量は小
さくなり、狭帯域化素子の寿命が伸びる。

さらに、フロントミラーから射出したレーザ光を折り返
して再度放電チャンバに入射するまでの光路中に偏光素
子を配置するようにしたので、フロントミラーにより自
然発振する量を低減できて、効率を向上させることがで
きる。そして、フロントミラーから再度放電チャンバに
入射される光の偏光方向とグレーティングとフロントミ
ラーとにより発振するレーザ光の偏光方向とを一致させ
るようにして、より一層効率を向上させることができる
。

なお、第１図、第２図に示す実施例では光共振器にスリ
ット（アパーチャ）を２箇所挿入しているが、２箇所に
限らず１箇所でもよく、また３箇所以」二でもよい。同
様に第３図、第４図の実施例の場合もスリット（アパー
チャ）は１箇所挿入に限定されることなく、２箇所以上
挿入する実施も可能である。

なお、上述した実施例においてレーサチャンハ内の電極
２３．２４による放電方向とグレーティング３０の線引
方向とは必ずしも正確に平行にする必要はない。グレー
ティング３０の線引方向が電極２３．２４による放電方
向と略平行になれば充分である。

さらに実施例では、フロントミラー１０から射出された
光を放電チャンバ２０側に折り返すための折り返しミラ
ーとして４５度直角プリズムを用いるようにしているが
、これに限定されることなく、１枚のミラーまたは２枚
のミラーを１１　、’＞合わせるようにしてもよい。

また、実施例ではレーザ光の折り返しを１回だけ行うよ
うにしているが、これに限定されることなく２回以上折
り返す実施もまた可能である。

なお、また実施例ではビームエキスパンダとしてプリズ
ムを用いるようにしているが、これに限定されることな
く、凹レンズと凸レンズとの組み合わせ、凸レンズ同志
の組み合わせによりビームエキスパンダを構成するよう
にしてもよい。また、シリンドリカルレンズを用いてビ
ームエキスパンダを構成するようにしてもよい。

また、上述した第１図から第４図に示す実施例ではグレ
ーティングをリアミラーとするりトロ配置について説明
したが、斜入射配置とする実施も可能である。斜入射配
置では、たとえばグレーティングに全反射ミラーを一体
で取り付ける構造にし、この全反射ミラーをリアミラー
として機能させるようにする。すなわち、本発明として
は、光共振器内にグレーティングを含む構成であればよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、安定したスペク
トル純度を確保することができるようになる。このため
パワーおよび波長の制御性が大幅ニ向上する。また、フ
ロントミラーから射出される発振レーザ光を折り返して
放電チャンバに入射させ、増幅するようにしたので効率
が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る狭帯域発振エキシマレーザの
一実施例を示す図、第２図は、第１図に示すフロントミ
ラーと４５度直角プリズムとの間にビームエキスパンダ
としてのプリズムを挿入配置したこの発明の他の実施例
を示す図、第３図は、第２図に示すフロントミラーと４
５度直角プリズムとの間に偏光素子を挿入配置したこの
発明の他の実施れを示す図、第４図は、第２図に示すビ
ムエキスパンダとしてプリズムにＰ偏光のみを通過させ
るコーティング処理を施したこの発明の他の実施例を示
す図である。 １０・・・フロントミラー　２０・・・放電チャンバ、
２１．２２・・・ウィンド、２３．２４・・・電極、３
０・・・グレーティング、４１．．４２．４３．４４・
・・プリズム、 ５０　・・ ４５度直角プリズム、 ８０・・・偏光 素子リアミラー 第１図 ３ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 グレーティングを含む光共振器を有し、放電励起された
   光を前記光共振器によって放電チャンバ内を往復させて
   発振レーザ光を出力する狭帯域発振エキシマレーザにお
   いて、 前記光共振器のフロントミラーから射出された光を放電
   チャンバ内に向けて折り返して、前記放電チャンバ内を
   通り出力させる折り返し手段を設けるとともに、 前記グレーティングを、その線引方向が前記放電励起の
   ための放電方向と略平行となるように配置したことを特
   徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。