JPH04314374A - 狭帯域レ−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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スペクトル幅の狭いレ
ーザ光を出力するレーザ装置に係り、特に縮小投影露光
装置用の光源として好適な狭帯域レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高密度化に伴い、パタ
ーンの微細化が著しく、微細なパターンを形成するため
に、スペクトル幅の狭い、いわゆる狭帯域レーザ光を出
力するレーザ光源が求められている。そして、現在、エ
ネルギー変換効率が高く、大出力が得られるところから
、縮小投影露光装置用の光源としてエキシマレーザ装置
が注目されている。しかし、エキシマレーザ装置は、ス
ペクトル幅が広く、発振した光をそのまま縮小投影露光
装置の光源として使用することができない。そこで、発
振されたレーザ光を、エタロンや回折格子等の波長選択
素子（狭帯域化素子）を使用してスペクトル幅を狭くす
ることが行われている。

【０００３】図７は、従来の狭帯域レーザ装置の一例を
示したものである。本レーザ装置は、ＫｒＦ等のレーザ
媒質が封入してあるレーザチャンバ１０の両端部に窓１
２、１４が設けてあり、レーザチャンバ１０内で発生し
たレーザ光１６をレーザチャンバ１０の外部に出射でき
るようにしてある。そして、出力側となる窓１２の前方
には、共振器を構成しているフロントミラー１８が設け
てある。

【０００４】また、他方の窓１４の後方（図の右側）に
は、波長選択素子としてのエタロン２０、２２が配置し
てあり、エタロン２２の後方に共振器を構成しているリ
アミラー２４が設けてある。

【０００５】このように構成した図７の狭帯域レーザ装
置は、一対のエタロン２０、２２によってレーザ光１６
の狭帯域化を図っているため、放電幅を制限する必要が
なく、狭帯域化の効率が高い利点がある。しかし、エタ
ロン２０、２２には、レーザチャンバ１０から出射され
レーザ光１６が直接入射するため、入射光のエネルギー
密度が高く、エタロン２０、２２がレーザ光１６によっ
て加熱され、波長選択特性の熱的安定性が著しく悪く、
しかもエタロン２０、２２の寿命が短くなる。また、２
つのエタロン２０、２２の選択波長を一致させる複雑な
波長制御が必要で、波長および出力の制御速度が遅くな
る。

【０００６】そこで、熱的に安定な回折格子を用い、図
８に示したように、窓１４の後方にプリズム２６、２８
と回折格子３０とをリトロー配置するとともに、窓１２
、１４に隣接してアパーチャ３２、３４を配設した装置
がある。この狭帯域レーザ装置は、回折格子３０が熱的
に安定であって、しかも波長の制御には、回折格子３０
の角度だけを調節すればよいため、波長制御および出力
制御が非常に速く行える。

【０００７】また、図９に示したように、リトロー配置
したプリズム２８と回折格子３０との間にエタロン３６
を配置した装置もある。この装置は、プリズム２６、２
８とエタロン３６とによって波長スペクトル幅を狭くす
ることができるため、図８の装置のようにアパーチャ３
２、３４を必要としない。そして、図９の装置は、レー
ザ光１６がプリズム２６、２８によって分散（拡大）さ
れ、その後エタロン３６と回折格子３０とに入射するよ
うになっているため、エタロン３６と回折格子３０とに
入射するレーザ光のエネルギー密度が小さく、また波長
のシフト量が少なくて、波長制御はエタロン３６のみを
制御すればよいため、波長および出力の制御を速く行う
ことができる。

【０００８】さらに、波長選択素子にエタロンと回折格
子とを用いた狭帯域レーザ装置として、回折格子を斜入
射配置とするとともに、エタロンと回折格子とを気密室
内に配置し、その気密室の圧力を介してエタロンのギャ
ップを制御し、選択波長の変動の吸収を図るものもある
（特開昭６４−８４７６６号公報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の回折格
子３０を用いた狭帯域レーザ装置は、回折格子３０が入
射するレーザ光１６のために加熱されて高温となり、こ
の熱によって回折格子３０の反射面（表面）近傍の気体
が温められて揺らぎ、レーザ光１６のビームプロフィル
が揺らぐ。

【００１０】すなわち、発明者等は、図９の共振器内に
エタロンと回折格子とを配置した装置のビームプロフィ
ルを、一次元のフォトダイオードアレイセンサにレーザ
光１６を入射させて測定したところ、図１０に示したよ
うな結果を得た。図から明らかなように、ビームの中心
からの各点における光強度が異なっていて、ビームプロ
フィルが波を打ったような状態となっている。しかも、
ビームプロフィルの波は、回折格子３０の表面近傍の気
体の揺らぎの影響により、時間の経過とともに同図（Ａ
）〜（Ｃ）のように移動することが観測された。

【００１１】そこで、その波の周期を測定するために、
レーザ光１６の中央部（０．０２５×０．５ｍｍ２　）
の光の強度の経時変化を測定したところ、図１１に示し
たような結果が得られ、変動の周期が約１秒であった。 このビームプロフィルの揺らぎは、狭帯域レーザ装置を
縮小投影露光装置の光源とした場合に、微細なパターン
の結像に影響を与えるため、大きな問題となっている。

【００１２】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、ビームプロフィルの揺らぎを小
さくし、安定した出力のレーザ光を得ることができる狭
帯域レーザ装置を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】発明者等は、上記のビー
ムプロフィルのゆらぎの原因を究明するために種々の実
験を行った。そして、各光学素子に気体を吹きつけたと
ころ、プリズムとエタロンに気体を吹きつけても、ビー
ムプロフィルの揺らぎに変化は見られなかったが、回折
格子の表面に気体を吹きつけると、ビームプロフィルの
揺らぎが小さくなった。

【００１４】これは、回折格子の表面がレーザ光を吸収
して熱を発生し、表面近傍の気体の温度が上昇して気体
の屈折率が変化するため、回折格子による選択波長が気
体の温度の高いところだけ変化し、エタロンの選択波長
と一致しなくなって、ビームプロフィルが波を打つ現象
が現れると考えられる。そして、回折格子に発生した熱
により、回折格子近傍の気体に自然対流が起こり、ビー
ムプロフィルが揺らぐものと考えられる。

【００１５】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
もので、波長選択素子として回折格子を有する狭帯域レ
ーザ装置において、前記回折格子の反射面に気体を流す
気流発生手段を設けたことを特徴としている。

【００１６】気流発生手段は、送風機であってもよいし
、装置内に供給するパージガスのガス源と、このガス源
に接続され、回折格子の近傍に配置したガス吐出口とか
ら構成してもよい。

【００１７】

【作用】上記の如く構成した本発明は、気流発生手段に
よって回折格子の反射面（表面）に、強制的に気体の流
れを生じさせる。これにより、回折格子が冷却されると
ともに、回折格子の表面付近の気体を強制的に移動させ
、回折格子近傍の気体の温度上昇を防止する。従って、
回折格子の反射面近傍の気体の熱分布の発生と自然対流
による影響とが除去され、ビームプロフィルの揺らぎが
小さくなって、安定したビームプロフィルを得られる。

【００１８】

【実施例】本発明に係る狭帯域レーザ装置の好ましい実
施例を、添付面に従って詳説する。なお、前記従来技術
において説明した部分に対応する部分については、同一
の符号を付し、その説明を省略する。図１は、本発明の
実施例に係る狭帯域レーザ装置の説明図である。

【００１９】図１において、狭帯域レーザ装置は、プリ
ズム２６、２８とエタロン３６と回折格子３０とがリト
ロー配置とされており、回折格子３０の近くに気流発生
手段として、送風機であるファン４０が配置してある。 ファン４０は、回折格子３０の微細な溝が形成してある
反射面に、斜め上方から装置内の気体（例えば窒素）４
２を吹きつけ、回折格子３０の表面に気流を生じさせる
。

【００２０】このように、ファン４０によって回折格子
３０に気体を吹きつけて、回折格子３０の反射面に気流
を生じさせることにより、回折格子３０の表面を冷却す
るとともに、回折格子３０の表面付近の気体を強制的に
移動させ、回折格子３０の表面近傍の気体が回折格子３
０によって加熱されるのを防止する。従って、実施例は
、回折格子３０の表面付近の気体の温度が部分的に上昇
し、その部分の屈折率が変化し、回折格子３０の選択波
長が変化してビームプロフィルが波を打ったような状態
になることを避けることができる。

【００２１】また、回折格子３０の表面に強制的な気流
を生じさせているため、気体が回折格子３０の熱によっ
て温められて自然対流を生ずることがなく、ビームプロ
フィルがゆらぐのを防止することができる。特に、回折
格子３０の表面付近での気流の風速が２ｍ／ｓ以上にす
ると、図２に示したように、ビームの揺らぎを非常に小
さくすることができ、出力の安定したレーザ光１６が得
られる。

【００２２】図３は、他の実施例を示したもので、気流
発生手段としてのシロッコファン４４が回折格子３０の
溝のピッチ方向の一側に配置してあり、回折格子３０の
反射面と平行に気体４２を吹き出すようになっている。 本実施例においても、前記実施例と同様の効果が得られ
る。

【００２３】図４、図５は、さらに他の実施例を示した
もので、それぞれ気流発生手段としてクロスフローファ
ン４６と軸流ファン４８を用い、回折格子３０の溝に沿
って気体４２を吹きつけるようにしたものである。

【００２４】図６は、窒素ガスなどのパージガスを利用
して回折格子の表面に気流を発生させるようにしたもの
である。すなわち、図６において、窒素ガス源である窒
素ガスボンベ５０は、気流発生手段を構成しており、バ
ルブ５２が設けてあって、このバルブ５２に流量計５４
を有する管５６が接続してある。そして、管５６の先端
吐出口５８は、回折格子３０の反射面の近くに配置され
、回折格子３０に形成した溝のピッチ方向に沿って、回
折格子３０の面とほぼ平行に窒素ガス６０を吹き出すよ
うになっている。

【００２５】本実施例においても、前記各実施例と同様
の効果が得られる。なお、窒素ガス６０は、回折格子３
０の溝に沿って吹き出すようにしてもよし、回折格子３
０の反射面と斜交するように吹き出させてもよい。

【００２６】前記実施例においては、波長選択素子とし
てプリズム２６、２８とエタロン３０と回折格子３０と
を用いた狭帯域レーザ装置について説明したが、波長選
択素子がプリズムと回折格子とからなる狭帯域レーザ装
置であってもよい。また、前記実施例においては、回折
格子３０をリトロー配置した装置について説明したが、
回折格子３０はグレース型にしたものであってもよい。 そして、前記実施例においては、エキシマレーザ装置に
ついて説明したが、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の他のガスレー
ザや色素レーザ等の他のレーザ装置であってもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば
、回折格子の反射面に気体を吹きつけ、気流を生じさせ
るようにしたことにより、回折格子が冷却されるととも
に、回折格子の表面近傍の気体が加熱されるのを防止で
き、レーザ光の出力とビームプロフィルの安定とを図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例の説明図である。

【図２】実施例の光強度の時間の経過に対する変化を示
す図である。

【図３】気流発生手段としてシロッコファンを回折格子
の溝のピッチ方向の一端に配置した実施例の一部斜視図
である。

【図４】気流発生手段としてクロスフローファンを用い
た実施例の一部斜視図である。

【図５】気流発生手段として軸流ファンを用いた実施例
の一部斜視図である。

【図６】パージガスによって気流を発生させる実施例の
説明図である。

【図７】波長選択素子がエタロンである従来の狭帯域レ
ーザ装置の説明図である。

【図８】波長選択素子としてプリズムとエタロンとを用
いた従来の狭帯域レーザ装置の説明図である。

【図９】波長選択素子としてプリズムとエタロンと回折
格子を用いた従来の狭帯域レーザ装置の説明図である。

【図１０】従来の狭帯域レーザ装置のビームプロフィル
の時間変動の説明図である。

【図１１】従来の狭帯域レーザ装置のビーム中心におけ
る光強度の時間変動の説明図である。

【符号の説明】

１０　　　　　　　　レーザチャンバ １６　　　　　　　　レーザ光 ２６、２８　　プリズム ３６　　　　　　　　エタロン ３０　　　　　　　　回折格子 ４０　　　　　　　　気流発生手段（ファン）４２　　
　　　　　　気体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　波長選択素子として回折格子を有する
   狭帯域レーザ装置において、前記回折格子の反射面に気
   体を流す気流発生手段を設けたことを特徴とする狭帯域
   レーザ装置。
2. 【請求項２】　　前記気流発生手段は、送風機であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の狭帯域レーザ装置。
3. 【請求項３】　　前記気流発生手段は、装置内に供給す
   るパージガスのガス源と、このガス源に接続され、前記
   回折格子の近傍に配置したガス吐出口とからなることを
   特徴とする請求項１に記載の狭帯域レーザ装置。