JPH0387084A

JPH0387084A - 狭帯域化レーザ装置

Info

Publication number: JPH0387084A
Application number: JP1286840A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Furuya; 古谷　伸昭; Takuhiro Ono; 小野　拓弘; Naoya Horiuchi; 直也堀内; Keiichiro Yamanaka; 山中　圭一郎; Takeo Miyata; 宮田　威男
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1991-04-11
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPH0797680B2

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半導体集積回路の超微細加工時に用いられる露
光用光源である狭帯域化レーザ装置に関するものである
。

従来の技術従来よう、半導体集積回路の微細パターンの露光用光源
としてエキシマレーザが注目されている。

エキシマＬ／−ｆハレーザ媒質としてクリプトン、キセ
ノン等の希ガスとふっ素、塩素等のハロゲンガスを組み
合わせることによｐ３５３ｎｍから１９３ｎｍの間のい
くつかの波長でパターン露光に十分な出力を有する発振
線を得ることができる。

これらエキシマレーザの利得バンド幅は約１ｎｍと広く
、光共振器と組み合わせて発振させた場合、発振線が０
．５ｎｍ程度の帯域幅（半値全幅）を持つ。このように
比較的広い帯域幅を持っレーザ光を露光用光源として用
いた場合、Ｎ先光学系に色収差を補正した結像光学系を
採用する必要がある。ところが、波長が３５０　ｎｍ以
下の紫外域では、結像光学系に用いるレンズの光学材料
ｆ）Ｒ択の幅が限られ１色収差の補正が困難となる。エ
キシマレーザを露光装置に用いる場合、レーザ発振線の
帯域幅を０．００５ｎｍ程度にまで単色化できれば色収
差補正をしない結像光学系が利用可能となり１露光装置
の光学系の簡略化さらには露光装置全体の小型化、価格
の低減を実現できる。

広い帯域幅を持つレーザ光を単色化するには。

狭い透過帯域を持つ波長選択フィルターを通せば。

良い。しかしこの方法ではレーザ出力が著しく減衰し、
露光用光源として実用に供することができない。そこ、
で、波長選択素子を共振器内に設置し出力を減衰させる
ことなく単色化する方法が一般に採用されている。この
−例として、例えば特開昭６３−１６０２８７号公報記
載の構成が知られている。

以下、簡単にその構成を説明すると、第７図にその構成
を示すように、全反射鏡１ｏ２．および半透過鏡１０３
からなる光共振器内に放電管１０１が置かれ、放電管１
０１には希ガスとハロゲンガスを含む媒質ガスが封入さ
れておシ、放電励起によってレーザ発振する。光共振器
中には波長選択素子であるファプリベローエタロン１０
４が設ｉｔされている。このような構成のエキシマレー
ザ装置では、ファプリベローエタロン）０４で選択され
た特定の波長の光１０６．１０７．１０８．１０９だけ
が増幅、発振するので、非常に狭い帯域幅でかつ高い出
力の出力光１０５を得ることができる。

発明が解決しようとする課題しかし、従来の狭帯域化レーザ装置では、光共戊振器内に定挫する高いエネルギーの光が波長選択素子を
通過するため、波長選択素子の変形や劣化を招き選択波
長の変動や、出力の低下が発生し、その結果、１！光装
置の光源として用いた場合、製品に不良を生じるなどの
課題があったＱ本発明はこのような課題を解決するため
なされたもので。

波長選択素子の変形、劣化による波長変動や出力の低下
がない狭帯域化レーザ装置を提供することを目的とする
。

課題を解決するための手段上記目的を達成するため、本発明の技術的解決手段は、
レーザ媒質と前記レーザ媒質を貫く共振器光路に第１、
及び第２の反射鏡とからなる光共振器と専記共振器光路
中に波長位相器と偏光分離器とを具備し、かつ前記レー
ザ媒質から前記偏光分離器を通シ出力光が出力される出
力光路以外の前記共振器光路中に設置した波長選択素子
とを具備したものである。

作　　　用本発明は、レーザ媒質を貫き波長選択素子を通る光共振
器で作られた特定の偏波面の光が波長位相器で偏波面を
変換されてレーザ媒質で増幅された後に、レーザ媒質か
ら偏光分離器を通シ、出力光として出力される。そのた
め、波長選択素子を通過する光エネルギーはレーザ媒質
の増幅率で出力光を割算した程度に低下するので、波長
選択素子の変形、劣化は著しく低減するものである。

実施例以下、第１図を参照しながら本発明の第１実施例につい
て説明する。

第１図は本発明の狭帯域化レーザ装置の構成図である。

第１図において、希ガスとハロゲンの混合気体をレーザ
媒質とする放電管１と全反射鏡２．３からなる光共振器
にょシ、紫外域でレーザ発振する。光共振器の作る共振
器光路中には１７４波長位相器４と偏光分離器５が置か
れ、放電管１のレーザ媒質で増幅された出力光８は偏光
分離器５を通シ、出力光７となって出力される。

上記の出力光７，８が通る出力光路以外の共振器光路中
に波長選択素子であるファプリベローエタロン６が置か
れ、特定の狭い帯域の波長だけが選択的に光共振器を形
成することによって、特定の狂い波長の光だけがレーザ
発振する。

以上のような第１図の構成にかいて、以下その動作につ
き説明する。

放電管１のレーザ媒質で増幅された光８は偏光の成分に
よシ偏光分離器５で伝播方向が分かれ、一方の偏光成分
が出力光７となっ°て出力され、る。

他の一方の偏光成分の光は偏光分離器５を通過し、光９
となって７７プリペローエタン６と全反射鏡２で波長が
選択されて反射光１０となシ再び偏光分離器５を通過し
、レーザ媒質で増幅された光１１となって１７４波長位
相器４に入る０１／４波長位相器４と全反射鏡３で光１
１は１７４波長位相器４を２度通過して反射光１２とな
るが、２度の通過で１７２波長位相器の通過と同等にな
り１一方向に偏光している光１１Ｆｉ両方の偏光成分を
含む反射光１２となる〇一般に１／４波長位相器４を光
の通過する軸を中心に回転させる事で反射鏡１２の両方
の偏光成分強度比率を任意に設定する事が可能である。

次に、放電管１のレーザ媒質によシ反射光１２は増幅さ
れ、出力光８となって偏光分離器５によシ一方の偏光成
分は出力光７となって出力される。また他の一方の偏光
成分は通過して光９となシ発振を継続する。ここで、１
／４波長位相器４は回転して偏光成分比率を変える事で
、出力光７と通過光９０割合を任意に変化させて出力光
のレーザ発振結合率が変えられる。この様な構成にする
事によシ、ファプリベローエタロン６に入る発振を継続
する光９に比較して、偏光成分を１／４波長位相器４で
変換された光はレーザ媒質で増幅された後に、偏光分離
器５を通り出力光７となるため、レーザ媒質の増幅率程
度、光９に比較して大きく、相対的に波長選択素子であ
るファプリベローエタロン６の変形、劣化が著しく低減
することとなる。

以上、本発明の構成では大幅に波長選択素子の光負荷を
低減させる事ができる事は明確であるが、さらに定置的
に数式を用いて説明する。

第１図にかいて偏光分離器５が例えばＰ偏波を通過させ
Ｓ偏波を反射して、偏光分離するとして、光８のＰ波成
分強度をＩａｐｔ　　Ｓ波成分強度をＩ８゜とする。出
力光７はＳ波成分だけで強度をＩ７ｓとし、光９．光１
０．光１１はＰ波成分だけで強度をｌ９Ｐｙ　１１０ｐ
＊　ｒｌｔｐ　とする。光１２は１７４波長位相器でＳ
Ｐ波が混るため両方の成分強度をそれぞれＩ　１２９ｅ
　Ｉ　１２ｐとする。全反射鏡は１００％の反射率とし
、ファプリベローエタロン６は損失をＡＥとしてｓ　　
（１−ＡＩ　）を透過率とする。また、放電管よシ光が
出る部分は通常、窓があるため、この部分でも光損失を
生ずるので、その損失をＡとする。すなわち、（１−Ａ
）が窓部分の透過率とする。また、１７４波長位相器で
Ｐ波の光１１が反射光１２となった時Ｐ波で入った光が
Ｐ波で反射光１２となる比率をＲｐｐとし、Ｓ波に変換
される比率を残シの（１−Ｒｐｐ）とする。レーザ媒質
の微小光での単位長当シの増幅率をｇ。

とし、放電管の長さをＬとする。

ここで、エキシマレーザの様な高い増幅率のレーザを解
析する時によく適合するとされる解析方法として、リグ
ロッドによるサチュレーション・エフェクトイン・ハイ
ゲイン・レーザ、ジャーナル・オプ・アプライド・フィ
ジックス、第３６巻。

Ｎｏ８．２４８７〜２４９０頁、１９６５年、（Ｗ、Ｗ
。

ＲＩＧＲＯＤ、　”　５ａｔｕｒａｔｉｏｎ　Ｅｆｆｅ
ｃｔｓ　ｉｎ　Ｈ３ｇｈ−Ｇａ１ｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　　
　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐＰｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃａ　、　　Ｖｏｌ、　３６．　Ｎｏ　８．　Ｐ　２４
８７〜Ｐ２４９０、　Ａｕｇｕｓｔ　　１９６５）　　
に記載された方法がある。

次に、上記文献中の式を引用して解析を説明する。上記
文献のレーザ解析式よシ本実施例に適合すると、次式が
得られる。

ここで、β２．γ１．γ２は文献中に表わされた値で、
本実施例では次の式で与えられる。ただし、エ、を飽和
光強度とする。

β２ γ１ γ２＝（Ｉａｐ＋ｌ５ｓ）／（（１−Ａ）Ｉ、）＝（１−Ａ
）２（１１２ｐ＋１１２Ｓ）／１１１Ｐ＝（１−Ａ）２
）１ｏｐ／（Ｉａｐ＋Ｉａｓ）・・・・・・（２）・・・・・・（３）・・・・・・（４）次に、Ｓ偏光とＰ偏光の増幅率は等しいので、１１２ｐ
と１１２Ｂの比率はＩａｐとＩＢ８の比率に等しい。

１１２Ｐ／　Ｉ　１２８　＝　Ｉａｐ／　Ｉ８ｓ・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（５）また、比率Ｒｐ
ｐとエタロン損失ＡＥを考慮すると（６＋、　（７１式
が得られる。

１１２Ｐ＝Ｒｐｐ１１１ｐ、　　Ｉ＋ｚ３＝（１−Ｒｐ
ｐ）Ｉ＋１ｐ−（６１１１ｏｐ＝（１−Ａｒ、）２Ｉｓ
＋ｐ＝（１−ＡＥ）２Ｉａｐ　　　−（７１出力光■。

ｕｔはＩ７ｇでありエタロン負荷光１．はＩ９ｐである
から（８１式が成立する。

工。ｕｔ　”　Ｉ７ｓ　＝：　ＩＢ３　ｍＩＥ　＝　ｌ
９ｐ＝　Ｉａｐ・・・（８）上記の（１１〜（８）式よう出力光強度工。ｕｔおよび
エタロン負荷光強度ＩＩを求めると（９）、　６ｏ１式
が求まる。

・・・・・・・・・・・・（？）第２図に（９）、　（１ｏ）式の計算結果を具体的に示
す。

ＲｐＩ）を横軸に飽和光強度工、で規格化した出力光強
度工。ｕｔ／Ｉｓとエタロン負荷光強度ＩＥ　／　Ｉ、
を計算した結果である。

次に、比較のため第７図で示した従来の構成について同
様の式を作って検討する。半透過鏡１０３の反射率をＲ
とし、他は第１図の実施例と同一条件とすると、前記し
た方法にょシ、以下の式が求められる。ただし、第７図
で示した従来の構成では偏光はしていないので、各部の
光の強度は光１０５．１０６，１０７，１０８，１０９
に対応して１１０５＋１１０６＋　　１１０７＋　　１
１０８とし、エタロンの光損失をＡＥとし、窓の損失を
Ａとする事は実施例と同様である０ β２＝１１０６／　（（１−Ａ）　ＩＢ）γ１　＝　（
１−Ａ）２Ｉ　１０９　／　Ｉ　１ｏａγ２＝（１−Ａ
）２）１０７／１１０６１１０７　＝ＲＩ　１０６１１０９　＝　（１−Ａｇ　）２　Ｉ　１ｏａＩ□ｕｔ
＝１１ｏｓ＝（１−Ｒ）１１０６・・・・・・・・・６
１）・・・・・・・・・（１２）・・・・・・・・・（１３）・・・・・・・・・（１４）・・・・・・・・・（１５１・・・・・・・・・（１６１これらの（１）′及び０１１〜０６）式よう出カニ。ｕ
ｔを求めると（１７）式が得られる。

・・・・・・・・・０７）次にエタロンの負荷光強度は、前記文献より次の様に求
めることができる０ β２／β４い了７可・・・・・・・・・（１８）次に、エタロン負荷光強度Ｉｇとβ４の関係は６９）式
となる。

ＩＢ　”　１１ｏｓ　＝　（１−Ａ）β４　工ｓ　　　
　　　・−”■（１９１６１）〜（例式よシｓ　　Ｉｇ
がい）式と求まる。

第８図に（１７１，ｉ１式の計算結果を具体的に示す。

Ｒを横軸に飽和光強度工、で規格化した出力光強度工。

ｕｔ／　Ｉｓとエタロン負荷光強度ＩＥ／Ｉ８の計算し
た結果である。

ここで、第２図の本発明の実施例と第８図の従来例とを
比較すると、明白に同一■。ｕｔでのｒｇが本発明の実
施例の方が小さな値が得られる。すなわち、第２図でＩ
。ｕｔ／Ｉ、　＝　０．３の時ＩＥ／Ｉ、　＝０．０１
２であるのに対して、第８図においてはＩＩ／Ｉ、　＝
　０．４１と３０倍以上の差があシ、大幅なファプリベ
ローエタロンの入射光強度の低減がなされている。また
注目すべき特徴として、従来例の第８図ではＲの値が０
．１５で出力の最大値Ｉｏｕｔ／Ｉ、　＝　０．３１と
なシ、低い出力しか得られないが、本発明の実施例では
Ｒｐｐ　＝　０．２５で最大値工。ｕｔ／Ｉ、＝０．７
０が得られ、出力に釦いても２倍以上の高出力となシ、
レーザ装置としての効率もすぐれている事を示している
。

第３図は本発明の構成にかける実際の実験結果で、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザの実測値である。使用ガスとしてＦ２
　′ｆ、０．２２％、Ｋｒを４．４％、残すがＨｅガス
、全圧１８００ｍｂで印加電圧２８ＫＶの条件で放電さ
せて、パルスレーザ発振させた時の１パルス当シの出力
強度工。ｕｔとエタロン負荷ＩＨのグラフである。

また第９図は同じ条件での従来構成（第７図）にかける
出力強度Ｉｏｕｔとエタロン負荷ＩＥの実測値である。

いずれの結果も、はぼ理論値と傾向が一致し、本発明の
構成が出力が２倍以上であシ、エタロン負荷も大幅に少
く圧倒的に性能が良い事が示されている。

以上述べた様に本発明にかいては、波長選択素子を通過
する光エネルギーを大幅に低減すると共に効率でも優れ
た特性を示す狭帯域化レーザ装置が得られる。

以上、実施例では波長選択素子としてファプリベローエ
タロンを用いて説明を行なったが、他の波長選択素子を
用いても本発明を適用できる。これらの構成につき説明
する。

まず、第４図を参照しながら本発明の第２実施例につい
て説明する。第４図にかいて、２０はグレーティングで
あり１他の部分は第１実施例と同様である。波長選択素
子として光反射によって波長選択されるグレーティング
２０を全反射鏡２゜３の作る共振器光路中に設置し、グ
〉トイング２０の回折光によって共振器光路を形成する
。他の部分の機能は第１実施例と同様なため省略する。

次に、第５図を参照しながら本発明の第３実施例につい
て説明する。第５図において、３０はプリズムであシ他
の部分は第１実施例と同様である。

波長選択素子として光屈折によって波長選択されるプリ
ズム３０を全反射鏡２，３の作る共振器光路中に設置し
、プリズム３０の屈折光によって゛共振器光路を形成す
る。他の部分の機能は第１実施例と同様なため省略する
。

以上、波長選択素子として、ファプリベローエタロン、
グレーティング、及びプリズムを用いた構成につき説明
したが、ファプリベローエタロンを用いる時は、この光
学素子は２枚の反射面を対向させ、その間の干渉効果に
よって波長を選択しているため対向した反射面の間には
多重反射によって高いエネルギーが閉じ込められた反射
面が損傷しやすいと推定できる。それに比べて、第２゜
第３実施例で説明したグレーティング、もしくはプリズ
ムを用いる方法によれば、光反射、もしくは光屈折によ
−て波長選択がなされるため、波長選択素子の損傷は、
前記したファプリペローエタロンを用いた時に比べて、
そのしきい値は数倍、高くなｐ２０Ｗ以上のレーザ出力
を得ることが可能になる。

装置の構成図である。第６６　＄−いて、希ガスとハロ
ゲン混合気体をレーザ媒質とする放電管１と、全反射鏡
２．３からなる光共振器によシ紫外域でレーザ発振する
。光共振器の作る共振器光路中にはフェーズリターダ−
ミラー４０と偏光分離器５が置かれ、放電管１のレーザ
媒質で増幅された出力光７は偏向分離器７を通シ出力光
７となって出力される。上記の出力光７が通る出力光路
以外の共振器光路中に波長選択素子であるファブリペロ
ニーｙｓタロン６が置かれ、特定の狭い帯域の波長だ−は
力５選択的に光共振器を形成することによって特定の狭
い波長の光だけがレーザ発振する。第４実施例において
は第１実施例で用いた１／４波長位相器のかわｂにフェ
ーズリターダ−ミラーを用いたものでアシ、この部分に
つき詳細に説明し、他の部分は第１実施例と同様である
ため省略する。

フェーズリターダ−□ジー４０は反射鏡の表面に誘電体
薄膜層を設けたもので斜入射光線の反射光のＳ偏波とＰ
偏波の位相に９０’の差をもたせたもので１／４波長位
相器として動作し、全反射鏡２゜３の作る共振器光路中
に設置され、偏波面の変換を行なう。偏波面分離器５の
分離する偏波面の方前述の比率ＲＰｐが異シ、出力光の
結合率が変えられる。フェーズリターダ−ミラーは大口
径が容易に作れ、レーザパワーにも強く、不用な多重反
射光が少いなど、露光用光源に使用する狭帯域化レーザ
用に通した１／４波長位相器である。尚、波長第選択素子は前記した４１２．及び第３実施例で説明した
グレーティング、もしくはプリズムを用いても良い。

以上、本発明につき実施例を用いて説明したが上記実施
例の１／４波長位相器は他にフレネルの菱形プリズム、
３回全反射超色消１７４波長板等色々あるが、露光用の
大口径ビームを得るには水晶板を使用したファーストオ
ーダー又はマルチプルオーダーの１／４波長板が良く、
１／４波長位相器は正確に１／４波長の位相器でなくと
も偏光の成分比率を変えることが可能であるものであれ
ば良い。

また、上記実施例の偏光分離器は、多層膜キューブ偏光
器や、ブリュースター角度の透明板、ウォラストンプリ
ズム等色々あるが、露光用の大口径ビームを得るには誘
電体多層膜蒸着の偏光分離鏡が良好である。

また、上記実施例では波長選択素子を偏光分離器と全反
射鏡の間に設けたが、この場所以外でも最も強い光であ
る出力光が通るレーザ媒体から偏光分離器に到る出力光
路以外の共振器光路中であれば光強度は弱く波長選択素
子を設けられる０また、上記実施例では１／４波長位相
器と偏光分離器はレーザ媒質の反対側の共振器光路中に
設けたが、同一側でも共振器光路中であれば設置可能で
ある。

筐た、上記実施例で用いた波長選択素子はファプリベロ
ーエタロン、グレーティング、プリズム等を複数個使用
してもよいし、また組合せても良い。咬た、波長選択素
子と全反射鏡を一体化した素子、例えばグレーティング
でニジ申し格子や工もロン格子によシ直接グレーティン
グの反射光の波長選択性を使用したシ、プリズムの片面
を全反射鏡化して用いても良いし、１／４波長位相器と
全反射鏡を一体化し、水晶位相板の片面を全反射鏡化、
すなわち、前記波長選択素子、全反射鏡。

１／４波長位相器、偏光分離器等はこれらの機能を複合
化した素子を使用して素子数を減しても良い。

また、上記実施例で用いたフェーズリターダ−ミラーは
類似の反射面がフェーズリタード機能を有するフェーズ
リターダ−プリズムであっても良い０また、上記実施例で用いた全反射鏡は１００％の反射率
である必要はなく、共振器を構成する反射率であれば良
い。

発明の詳細な説明したように、本発明は共振器内に波長選択素子、
１／４波長位相器、偏光分離器を設け、狭帯域に発振し
た弱い発振光を１／４波長位相器で偏光を変換し、レー
ザ媒質で増幅して偏光分離器よシ出力することによシ、
波長選択素子を通過する光エネルギーを小さくすること
によって１選択波長の変動や、出力の低下がｉく、露光
用光源に最適な狭帯域化レーザ装置を提供できるもので
ある０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例にかける狭帯域レーザ装置
の構成図、第２図は同第１実施例の偏光比率Ｒｐｐに対
する出力光強度Ｉｏｕｔ及びファプリベローエタロン入
射光強度ＩＥの計算結果を示す特性図、第３図は同第１
実施例における実際に測定したＲｐＰに対するＩｏｕｔ
ｓ及びＩＨの関係を示す特性図、第４図は本発明の第２
実施例における狭帯域レーザ装置の構成図、第５図は本
発明の第３実施例にかける狭帯域レーザ装置の構成図、
第６図は本発明の第４実施例における狭帯域レーザ装置
の構成図、第７図は従来の狭帯域レーザ装置の構成図、
第８図は従来の狭帯域レーザ装置における半透過鏡反射
率Ｒに対するＩｏｕｔとＩＥの計算結果を示す特性図、
第９図は従来の狭帯域レーザ装置における実際に測定し
たＲに対するＩｏｕｔｍ及びＩＥの関係を示す特性図で
ある。１．１０１・・・放電管、２，３，１０２・・・全反射
鏡、４・・・１／４波長位相器、５・・・偏光分離器、
　６．２０゜３０・・・波長選択素子、７゜１０５・・・出力光。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも、レーザ媒質と前記レーザ媒質を貫く
共振器光路に第１及び第２の反射鏡とからなる光共振器
と、前記共振器光路中に波長位相器と偏光分離器とを具
備し、前記レーザ媒質から前記偏向分離器を通り出力光
が出力される出力光路以外の前記共振器光路中に波長選
択素子を設けてなることを特徴とする狭帯域化レーザ装
置。
（２）反射鏡、波長位相器、偏光分離器、及び波長選択
素子は、これらの素子の機能を少なくとも一部複合化し
た素子である請求項１記載の狭帯域化レーザ装置。
（３）波長選択素子は単数、もしくは複数のファプリベ
ローエタロン、グレーティング、もしくはプリズムから
なる請求項１、または２に記載の狭帯域化レーザ装置。
（４）波長位相器は水晶単結晶板を用いたファーストオ
ーダ、またはマルチプルオーダの波長板、もしくはフェ
ーズリターダミラー、もしくはフェーズリターダープリ
ズムからなる請求項１、または２に記載の狭帯域化レー
ザ装置。
（５）偏光分離器が誘電体多層膜の偏向分離鏡からなる
請求項１、または２に記載の狭帯域化レーザ装置。
（６）レーザ媒質が希ガスとハロゲンガスを組合わせた
エキシマを用いてなる請求項１記載の狭帯域化レーザ装
置。
（７）請求項１記載の狭帯域レーザ装置を露光用光源に
用いることを特徴とする露光用光源装置。