JPH07170009A

JPH07170009A - 光源装置

Info

Publication number: JPH07170009A
Application number: JP5315087A
Authority: JP
Inventors: Akira Miyaji; 章宮地; Ken Ozawa; 謙小澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-07-04
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: JP3269231B2

Abstract

(57)【要約】【目的】波長２５０ｎｍ以下で発振するエキシマレー
ザ光源の代替光源として使用でき、且つ装置サイズ、安
全性、メインテナンス性、及び信頼性の点でエキシマレ
ーザ光源より優れた光源装置を提供する。【構成】Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源２１からの基本波Ｌ
１を非線形結晶２２Ａに供給して２倍高調波Ｌ２，Ｌ３
を得、２倍高調波Ｌ３を波長可変レーザ光源２３に供給
して可変波長レーザ光Ｌ６，Ｌ８を得る。２倍高調波Ｌ
２から非線形結晶２２Ｂにより得た３倍高調波Ｌ５、及
び可変波長レーザ光Ｌ６から非線形結晶２２Ｃにより和
周波数レーザ光Ｌ７を得、和周波数レーザ光Ｌ７及び可
変波長レーザ光Ｌ８から非線形結晶２２Ｄより和周波数
レーザ光Ｌ８を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２５０ｎｍ以下の波長
の照明光を発生するための光源装置に関し、例えば半導
体素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用
される露光装置又は投影露光装置の露光光源に適用して
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレ
チクル（以下、一例としてレチクルを用いる）のパター
ンを、フォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラス
プレート等）上に露光する投影露光装置（ステッパ等）
が使用されている。斯かる投影露光装置には、フォトレ
ジストを感光させるための露光光を発生する露光光源が
搭載されている。

【０００３】最近、半導体集積回路は益々微細化され、
投影露光装置においても、より解像度を高めることが求
められている。解像度を高めるための１つの手法が、露
光光源から発生される露光光の波長（露光波長）を短波
長化することである。そのため、従来の水銀ランプの輝
線（波長４３６ｎｍのｇ線、波長３６５ｎｍのｉ線等）
に変えて、現在では露光光としてＫｒＦエキシマレーザ
光源からの波長２４８ｎｍのレーザ光を使用するステッ
パ等が開発されている。そのように露光光源としてＫｒ
Ｆエキシマレーザ光源を使用し、更に特公昭６２−５０
８１１号公報に開示されている位相シフトマスク法、又
は例えば特開平４−２２５３５８号公報に開示されてい
る所謂変形光源法を採用することにより、線幅０．２５
μｍ対応の２５６ＭビットＤＲＡＭまでは製造できるこ
とが予想されている。

【０００４】また、波長２５０ｎｍ付近の露光光とし
て、ＫｒＦエキシマレーザ光以外に、水銀ランプの別の
輝線、銅蒸気レーザ光の２倍高調波（波長２５５ｎ
ｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の４倍高調波（波長２６６
ｎｍ）、アルゴンレーザ光の高調波（波長２５０ｎｍ、
又は２５７ｎｍ）、クリプトンイオンレーザ光（波長２
４１．８ｎｍ、又は２４８．５ｎｍ等）等の使用も考え
られてきた。

【０００５】更に、より短波長の次世代の露光光とし
て、水銀ランプの波長１８４ｎｍの輝線、あるいは波長
１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光等が候補として注
目されている。例えばＡｒＦエキシマレーザ光を露光光
として使用した場合、０．２０μｍ以下の解像力で１Ｇ
ビットＤＲＡＭの生産を行うことが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように現在の
所、実用上で最も短波長の露光光としては波長２４８ｎ
ｍ付近のＫｒＦエキシマレーザ光が使用されている。２
５０ｎｍ近傍の光を放射する手段としては、水銀ラン
プ、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、銅蒸気レー
ザの２倍高調波（２５５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの
４倍高調波（２６６ｎｍ）、アルゴンレーザの高調波
（２５０、２５７ｎｍ）、クリプトンイオンレーザ（２
４１．８、２４８．５ｎｍ等）等が考えられてきた。

【０００７】上述のように、現在の所実用上で最も線幅
の狭いパターンを露光するための露光波長は２５０ｎｍ
付近であるが、先ず水銀ランプの輝線では発光スペクト
ル幅が広く、投影露光装置中の投影光学系の色収差を補
正するのが困難であるという不都合があった。即ち、水
銀ランプの輝線に対して遠紫外域で投影光学系の色収差
を補正するためには、遠紫外光を透過させる硝材が限ら
れていることから、屈折系だけでは対応が困難である。
そのため、少なくとも一部に反射系を採用する必要が生
じ、光学系のタイプが制限されてしまう。更に、水銀ラ
ンプでは、十分な出力エネルギーが得られないことも問
題であった。

【０００８】次に、アルゴンレーザ光源、クリプトンレ
ーザ光源においても、出力エネルギーが小さく、実用的
な露光装置用の露光光源としては不向きであった。ま
た、銅蒸気レーザ光源は、発振管が長く広い設置場所が
必要になると共に、熱の発生源となり、且つ取り扱いも
煩雑であった。更に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の４倍高調
波（波長２６６ｎｍ）を使用した場合、波長がＫｒＦエ
キシマレーザ光に比べて８％長いため、同一の解像度を
得るためには投影光学系の開口数（ＮＡ）を８％大きく
する必要があり、光学系の設計及び製造上での負荷が大
きくなる恐れがあった。

【０００９】この様な状況下で、ＫｒＦエキシマレーザ
光源が現在の実用的な露光光源として採用された訳であ
るが、ＫｒＦエキシマレーザ光源にも幾つかの不都合が
ある。即ち、先ず、レーザ光源の形状が大きいため、露
光装置全体が大きくなり、クリーンルームに設置した場
合には、スループットが同程度で、水銀ランプのｉ線又
はｇ線を用いた他の露光装置（所謂ｉ線ステッパ、ｇ線
ステッパ等）に比べて、経済効率が著しく低かった。ま
た、ＫｒＦエキシマレーザ光源は、フッ素ガスを使用す
ることから所定の安全対策を施す必要があると共に、光
源としての性能がガス純度に依存するため、ガス配管用
の材料として高純度のステンレス管を用いる必要があ
る。そのため、付帯設備に高額の投資をする必要があっ
た。また、ＫｒＦエキシマレーザ光源の性能維持のため
のメインテナンスに必要なコストも、最近では装置性能
の向上により安くなる傾向にはなっているものの、水銀
ランプに比べかなり高額になっていた。

【００１０】また、次世代の１ＧビットＤＲＡＭ以降に
対応する露光装置の露光光源としてＡｒＦエキシマレー
ザ光源が考えられているが、エキシマレーザ光源である
ことから、ＫｒＦエキシマレーザ光源と同様の不都合が
ある。更に、取り扱い易さ等の性能面ではＫｒＦエキシ
マレーザ光源よりむしろ劣る位いであり、装置サイズ等
の面で有利な代替光源が求められていた。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、例えばＫｒＦエ
キシマレーザ光源（発振波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦエ
キシマレーザ光（発振波長１９３ｎｍ）のような波長２
５０ｎｍ以下で発振するエキシマレーザ光源の代替光源
として露光装置用の露光光源に使用でき、且つ装置サイ
ズ、安全性、メインテナンス性、及び信頼性の点でエキ
シマレーザ光源より優れた光源装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による光源装置
は、例えば図１に示すように、２５０ｎｍ以下の波長の
照明光を発生するための光源装置において、１０００ｎ
ｍ以上の波長の基本レーザ光（Ｌ１）を発生する固体レ
ーザ光源（２１）と、その基本レーザ光よりその基本レ
ーザ光の２倍高調波（Ｌ２，Ｌ３）を発生する第１非線
形結晶（２２Ａ）と、その２倍高調波を励起光として可
変波長のレーザ光（Ｌ６，Ｌ８）を発生する波長可変レ
ーザ光源（２３）と、第１非線形結晶（２２Ａ）から射
出されるその基本レーザ光の２倍高調波（Ｌ２）及び基
本レーザ光（Ｌ１）よりこの基本レーザ光の３倍高調波
（Ｌ５）を発生する第２非線形結晶（２２Ｂ）と、その
基本レーザ光の３倍高調波（Ｌ５）及びその可変波長の
レーザ光（Ｌ６）より、その基本レーザ光の３倍高調波
（Ｌ５）とその可変波長のレーザ光（Ｌ６）との和周波
数の波長２５０ｎｍ以下の和周波レーザ光（Ｌ７）を発
生する第３非線形結晶（２２Ｃ）とを有し、和周波レー
ザ光（Ｌ７）を照明光として用いるものである。

【００１３】この場合、和周波レーザ光（Ｌ７）を第１
和周波レーザ光として、第１和周波レーザ光（Ｌ７）及
び可変波長のレーザ光（Ｌ８）より、その第１和周波レ
ーザ光とその可変波長のレーザ光との和周波数の波長２
５０ｎｍ以下の第２和周波レーザ光（Ｌ９）を発生する
第４非線形結晶（２２Ｄ）を設け、第１和周波レーザ光
（Ｌ７）及び第２和周波レーザ光（Ｌ９）をそれぞれ照
明光として用いるようにしてもよい。

【００１４】また、例えば図２に示すように、波長可変
レーザ光源（２３）の共振器内に、発振波長を決定する
ための光学系（３１）を配し、この光学系内の所定部分
の光路長を変化させることにより波長可変レーザ光源
（２３）の発振波長を変えるようにしてもよい。また、
第１和周波レーザ光（Ｌ７）又は可変波長のレーザ光
（Ｌ６，Ｌ８）の波長を対応する基準光源の輝線スペク
トルと比較し、この比較結果に基づいて波長可変レーザ
光源（２３）の発振波長を制御することが望ましい。

【００１５】また、第１和周波レーザ光（Ｌ７）の波長
をほぼ２４８ｎｍに設定するか、又は第２和周波レーザ
光（Ｌ８）の波長をほぼ１９３ｎｍに設定するようにし
てもよい。

【００１６】

【作用】斯かる本発明によれば、励起用の基本レーザ光
（Ｌ１）の波長は１０００ｎｍ以上であるため、光源と
してＮｄ：ＹＡＧレーザ光源又はＮｄ：ＹＬＦレーザ光
源等の高出力の固体レーザ光源が使用できる。また、第
１非線形結晶（２２Ａ）により基本レーザ光（Ｌ１）に
対して周波数が２倍（波長が１／２）の２倍高調波（Ｌ
３）を発生し、この２倍高調波で波長可変レーザ光源
（２３）を励起しているが、波長可変レーザ光源（２
３）としても、チタンサファイアレーザ光源、アレクサ
ンドライトレーザ光源等の固体レーザ光源が使用でき、
全体として小型で、且つ安全性やメインテナンス性等に
優れた固体レーザ光源のみを用いて照明光源を構成でき
る。

【００１７】また、第２非線形結晶（２２Ｂ）により発
生された基本レーザ光（１）の３倍高調波（Ｌ５）の波
長をλ₀、波長可変レーザ光源（２３）からの可変波長
のレーザ光（Ｌ６）の波長をλ₁とすると、第３非線形
結晶（２２Ｃ）から発生する和周波レーザ光（Ｌ７）の
波長λ₂は、次のようになる。１／λ₀＋１／λ₁＝１／λ₂ （１）従って、波長λ₀と波長λ₁とを組み合わせることによ
り、２５０ｎｍ以下の所望の波長のレーザ光よりなる照
明光を発生できる。

【００１８】次に、図１に示すように、波長λ₂の和周
波レーザ光（Ｌ７）を第１和周波レーザ光として、第４
非線形結晶（２２Ｄ）から発生する第１和周波レーザ光
（Ｌ７）と波長λ₁の可変波長のレーザ光（Ｌ８）との
和周波数の第２和周波レーザ光（Ｌ９）の波長をλ₃と
すると、波長λ₃は次のようになる。１／λ₁＋１／λ₂＝１／λ₃ （２）この（２）式より、λ₃＜λ₂が成立し、第２和周波レ
ーザ光（Ｌ９）の波長λ₃は第１和周波レーザ光（Ｌ
７）の波長λ₂より短い。従って、例えば、波長λ₂を
例えば２５６ＭビットＤＲＡＭ製造用に使用されるＫｒ
Ｆエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）付近に設定し、
波長λ₃を例えば１ＧビットＤＲＡＭ製造用に使用され
るＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）付近に設
定することができる。これにより１台の光源装置で、２
世代の露光装置の露光光源を共用できる。また、半導体
製造ラインに並べられた複数の露光装置のうち、微細な
パターンを転写するのに使用される、所謂クルティカル
レイヤ用の露光装置と、比較的粗いパターンを転写する
のに使用される、所謂ノンクルティカルレイヤ用の露光
装置とが併用される場合には、その２タイプの露光装置
で本発明の光源装置を共用させても良い。

【００１９】また、このように２つの和周波レーザ光
（Ｌ７，Ｌ９）を照明光として使用する場合に、最も短
い波長である第２和周波レーザ光（Ｌ９）の波長λ₃で
はなく、より長い第１和周波レーザ光（Ｌ７）の波長λ
₂又は可変波長のレーザ光（Ｌ８）の波長λ₁を基準光
源の輝線スペクトルと比較して、波長可変レーザ光源
（２３）の発振波長を制御することにより、波長制御が
容易になる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明による光源装置の一実施例につ
き図面を参照して説明する。本実施例は、投影露光装置
（ステッパ等）用に波長２５０ｎｍ以下の露光光を発生
する露光光源に本発明を適用したものである。図１は、
本実施例の露光光源を示し、この図１において、Ｎｄ：
ＹＡＧレーザ光源２１は、フラッシュランプ又は半導体
レーザ素子アレイからの光により励起されて、波長１０
６４ｎｍの基本波（基本レーザ光）Ｌ１をパルス的に発
光し、この基本波Ｌ１が、例えばＫＤＰ、ＬＢＯ又はＫ
ＴＰ等よりなる第１非線形結晶２２Ａに供給される。第
１非線形結晶２２Ａは、基本波Ｌ１の２倍高調波Ｌ２
（波長５３２ｎｍ）を発生し、この２倍高調波Ｌ２が第
２非線形結晶２２Ｂ及び波長可変レーザ光源（チューナ
ブルレーザ光源）２３に供給される。波長可変レーザ光
源２３としては、チタン・サファイア（Ｔｉ：Ｓａｐｐ
ｈｉｒｅ）レーザ光源が使用され、波長可変レーザ光源
２３は、２倍高調波Ｌ２を励起光として、波長λ₁の可
変波長レーザ光Ｌ４を発振する。可変波長レーザ光Ｌ４
の一部をビームスプリッタ２４に導き、ビームスプリッ
タ２４で反射された可変波長レーザ光Ｌ６を第３非線形
結晶２２Ｃに照射し、ビームスプリッタ２４を透過した
可変波長レーザ光Ｌ８を第４非線形結晶２２Ｄに照射す
る。

【００２１】図２は、波長可変レーザ光源２３の共振器
内部の様子を示し、この図２において、図１のＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザ光源２１の基本波Ｌ１の２倍高調波Ｌ３は、
集光レンズ２６Ａ及び２６Ｂにより集光された後、それ
ぞれミラー２７Ａ，２７Ｂ及びミラー２７Ｃ及び２７Ｄ
を介してチタン・サファイア結晶２８の両面に集光され
る。このチタン・サファイア結晶２８と、これを挟むよ
うに配置された共振器ミラー２９，３０とを用いてレー
ザ発振が行われる。また、チタン・サファイア結晶２８
と共振器ミラー２９との間に、発振波長を制御するため
の波長選択素子３１が配置されている。波長選択素子３
１は、プリズム、回折格子、又はエタロン等から構成さ
れ、プリズム若しくは回折格子の回転、又はエタロン中
の媒体の屈折率変化等により発振波長として所望の波長
λ₁が選択され、波長λ₁の可変波長レーザ光Ｌ４が共
振器ミラー３０を介して取り出される。

【００２２】図１に戻り、第２非線形結晶２２Ｂには、
２倍高調波Ｌ２の他に、２倍高調波Ｌ２に変換されなか
った基本波Ｌ１も照射され、第２非線形結晶２２Ｂから
は波長３５５ｎｍの３倍高調波Ｌ５が射出される。な
お、第２非線形結晶２２Ｂに基本波Ｌ１を照射すること
なく、照射条件を変えることにより、第２非線形結晶２
２Ｂから基本波Ｌ１の４倍高調波（波長２６６ｎｍ）を
得ることもできる。この３倍高調波又は４倍高調波の波
長をλ₀とし、波長λ₀の高調波Ｌ５と、波長可変レー
ザ光源２３からの波長λ₁の可変波長レーザ光Ｌ６と
を、ＬＢＯあるいはＢＢＯからなる第３非線形結晶２２
Ｃに所定の角度関係で照射し、第３非線形結晶２２Ｃに
パラメトリック発振させて、波長λ₂の和周波レーザ光
Ｌ７を取り出す。波長λ₂は次の条件で決定される。

【００２３】１／λ₂＝１／λ₁＋１／λ₀ （３）同様に、波長λ₂の和周波レーザ光Ｌ７λ₃と、波長可
変レーザ光源２３からの波長λ₁の可変波長レーザ光Ｌ
８とを、ＬＢＯあるいはＢＢＯ等からなる第４非線形結
晶２２Ｄに所定の角度関係で照射し、第４非線形結晶２
２Ｄにパラメトリック発振させて、波長λ₃の和周波レ
ーザ光Ｌ９を取り出す。波長λ₃は次の条件で決定され
る。

【００２４】１／λ₃＝１／λ₁＋１／λ₂ （４）本実施例では、第３非線形結晶２２Ｃから出力される波
長λ₂の和周波レーザ光Ｌ７のみ、第４非線形結晶２２
Ｄから出力される波長λ₃の和周波レーザ光Ｌ９のみ、
又は和周波レーザ光Ｌ７及びＬ９の両方を露光光として
使用する。以下、具体的な波長につき説明する。

【００２５】先ず、チタン・サファイアレーザ光源から
なる波長可変レーザ光源２３は、周波数可変範囲が７０
０ｎｍから９８０ｎｍであり、レーザ発振のための励起
波長は６００ｎｍ以下、望ましくは５００ｎｍ前後であ
る。チタン・サファイアレーザ光源を発振させるにはラ
ンプ光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の２倍高調波、又はＮ
ｄ：ＹＬＦレーザ光の２倍高調波等が一般に使用される
が、本実施例ではＮｄ：ＹＡＧレーザ光の２倍高調波Ｌ
３（５３２ｎｍ）で励起を行っている。

【００２６】図３は、チタン・サファイアレーザ光源の
波長可変範囲での発振効率を示し、この図３に示すよう
に、８００ｎｍ近くが最も発振効率が高く出力エネルギ
ーも大きい。そして、図２の波長選択素子３１を用いて
７００ｎｍから９８０ｎｍの間の所定の波長λ₁の光を
選択して発振させている。次に、図１において、第２非
線形結晶２２Ｂから出力される高調波Ｌ５の波長λ₀と
して、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源２１からの基本波、第２
高調波、第３高調波、及び第４高調波の波長を想定し、
それぞれの場合について（３）式及び（４）式より、波
長λ₂及びλ₃について取り得る波長範囲を求めると以
下の表のようになる。

【００２７】

【表１】 λ₀ λ₁ λ₂ λ₃ 1064nm(基本波) 700 〜 980nm 422 〜 510nm 263 〜 335nm 532nm(第２高調波） 700 〜 980nm 303 〜 345nm 211 〜 255nm 355nm(第３高調波） 700 〜 980nm 235 〜 261nm 176 〜 206nm 266nm(第４高調波） 700 〜 980nm 193 〜 209nm 151 〜 172nm

【００２８】上記の表１から、例えば最終的に取り出さ
れる和周波レーザ光Ｌ９の波長λ₃を２５０ｎｍ以下の
所定の波長にするための条件が決まる。例えば、波長λ
₃として次のように、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、
２００ｎｍ、の場合を想定し、（４）式及び（３）式よ
りそれぞれ波長λ₀〜λ₂の値を定めると次のようにな
る。

【００２９】λ₃＝２４８ｎｍの場合：λ₀＝５３２
ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の２倍高調波）、λ₁＝９
２９．１ｎｍ（可変波長レーザ光の波長）、λ₂＝３３
８ｎｍ（非線形結晶２２Ｃにより得られた和周波波長） λ₃＝１９３ｎｍの場合：λ₀＝３５５ｎｍ（Ｎｄ：
ＹＡＧレーザ光の３倍高調波）、λ₁＝８４５．９ｎｍ
（可変波長レーザ光の波長）、λ₂＝２５０ｎｍ（非線
形結晶２２Ｃにより得られた和周波波長）

【００３０】λ₃＝２００ｎｍの場合：λ₀＝３５５
ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の３倍高調波）、λ₁＝９
１６ｎｍ（可変波長レーザ光の波長）、λ₂＝２５６ｎ
ｍ（非線形結晶２２Ｃにより得られた和周波波長）

【００３１】特に、上記のの場合のように、波長λ₃
をＡｒＦエキシマレーザ光の波長と同じにする場合に
は、自動的に波長λ₂が、ＫｒＦエキシマレーザ光の波
長（２４８ｎｍ）にほぼ等しくなるため、図１に示す１
台の露光光源により、２世代の露光装置の露光光源を兼
用できるようになる。また、の場合には、和周波レー
ザ光Ｌ７の波長λ₂は、ＫｒＦエキシマレーザ光の波長
２４８ｎｍに近いため、図１の露光光源をＫｒＦエキシ
マレーザ光源のみの代替光源として使用するには、第４
非線形結晶２２Ｄ及びミラー２５は省けることになる。

【００３２】図４は、図１から第４非線形結晶２２Ｄ及
びミラー２５を省き、ビームスプリッタ２４をミラー２
４Ａで置き換えた構成を示し、この図４において、第３
非線形結晶２２Ｃから、波長λ₀の高調波Ｌ５と波長λ
₁の可変波長レーザ光Ｌ６との和周波数の波長λ₂の和
周波レーザ光Ｌ７が射出されている。この場合、高調波
Ｌ５として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の基本波Ｌ１の３倍
高調波を使用すると、高調波Ｌ５の波長λ₀は３５５ｎ
ｍとなる。更に、可変波長レーザ光Ｌ６の波長λ₁を８
２２ｎｍに設定すると、（３）式より波長λ₂は次のよ
うになる。

【００３３】１／λ₂＝１／３５５＋１／８２２＝１／２４８（５）即ち、波長λ₂は２４８ｎｍとなり、図４の露光光源か
ら射出される波長λ₂の和周波レーザ光Ｌ７をＫｒＦエ
キシマレーザ光の代替露光光として使用できる。なお、
図１又は図４における波長可変レーザ光源２３としての
チタン・サファイアレーザ光源からの可変波長レーザ光
Ｌ４やＮｄ：ＹＡＧレーザ光源２１からの基本波の高調
波は、共に一般にはかなりスペクトル幅が広いため、使
用する投影露光装置の投影光学系の構成にも依存する
が、スペクトル幅を狭帯化すべき場合がある。チタン・
サファイアレーザ光源においては、前述のように回折格
子、プリズム、又はエタロンよりなる波長選択素子３１
を共振器内部に設置することにより、波長の選択と共に
所定のスペクトル幅を得るための狭帯化をも行うことが
出来る。

【００３４】チタン・サファイアレーザ光源において、
基本波の帯域、即ち波長７００ｎｍ〜９８０ｎｍの可視
から近赤外に亘る帯域にて波長選択あるいはスペクトル
の狭帯化を行うことは、一般に光学材料の光による劣
化、損傷は波長の短い場合に生じ易いことから望まし
い。同様に、励起用光源で且つ和周波光発生のための光
源であるＮｄ：ＹＡＧレーザ光源２１等のスペクトルの
狭帯化も、基本波Ｌ１の段階で行うことにより、光学系
への負荷は少なくなり、高調波発生段階で更に効率良く
狭帯化が行われる。

【００３５】また、図１では、固体レーザよりなる波長
可変レーザ光源２３として、チタン・サファイアレーザ
光源が使用されているが、それ以外に、アレクサンドラ
イトレーザ（Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ）光源、ＧＳＧＧ
レーザ（ガリウム・スカンジューム・ガドリニウム・ガ
ーネット）光源等が使用できる。これら波長可変レーザ
光源の内のどれを用いても最終的に波長２５０ｎｍ以下
の和周波レーザ光を得ることができる。

【００３６】次に、図１においては、最終的に得られる
和周波レーザ光Ｌ９の波長λ₃を所望の波長に固定する
ための機構、及び出力エネルギーを一定化するための機
構が示されていないため、以下では本実施例の波長制御
機構及び出力安定化機構につき説明する。この場合、波
長λ₃は２５０ｎｍ以下の短波長であり、波長λ₃自体
を直接計測するのは得策ではない。そこで、本実施例で
は、より長い波長である可変波長レーザ光Ｌ４の波長λ
₁、又は和周波レーザ光Ｌ７の波長λ₂を基準光源とし
てのホロカソードランプからの光の波長と比較すること
により、波長制御を行う。これにより波長制御機構が簡
略化できる。

【００３７】図５は、図１の実施例に波長制御機構及び
出力安定化機構を付加した構成例を示し、この図５にお
いて、波長可変レーザ光源２３から出力される可変波長
レーザ光Ｌ４の一部がビームスプリッタ３２Ａにより分
岐され、このように分岐された光がビームスプリッタ３
２Ｂに向かう。そして、ビームスプリッタ３２Ｂで反射
された光がフォトダイオード３３の受光面に入射し、ビ
ームスプリッタ３２Ｂを透過した光がビームスプリッタ
３２Ｃを介してモニタ用のエタロン３５に入射する。ま
た、ホロカソードランプ３４からの基準となる輝線スペ
クトル光がビームスプリッタ３２Ｃにより反射されて、
可変波長レーザ光Ｌ４からの分岐光と共にエタロン３５
に入射する。エタロン３５の直後には１次元ラインセン
サ等からなる１次元撮像素子３６が配置され、１次元撮
像素子３６の撮像信号が波長解析装置３７に供給され
る。波長解析装置３７には、可変波長レーザ光Ｌ４の波
長λ ₁のあるべき値λ₁₀が入力されている。

【００３８】この場合、エタロン３５での多重干渉によ
り１次元撮像素子３６の撮像面には、波長解析装置３７
上に図示した撮像信号に対応するフリンジパターンが形
成され、波長解析装置３７は、ホロカソードランプ３４
からの輝線スペクトル光の予め分かっているフリンジパ
ターンと、可変波長レーザ光Ｌ４からの分岐光のフリン
ジパターンとを比較することにより、可変波長レーザ光
Ｌ４の波長λ₁を求める。そして、波長解析装置３７
は、波長λ₁の計測値の設定すべき値λ₁₀からのずれΔ
λに対応する制御信号を波長可変レーザ光源２３内の波
長選択素子３１（図２参照）にフォードバックする。波
長選択素子３１では、その波長のずれΔλが０になるよ
うに発振波長を選択することにより、波長可変レーザ光
源２３から出力される可変波長レーザ光Ｌ４の波長λ₁
がλ₁₀に固定される。更に、波長解析装置３７は、フリ
ンジパターンから可変波長レーザ光Ｌ４のスペクトルの
形状をも判別する。この判別結果により波長可変レーザ
光源２３の発振状態がモニタできる。

【００３９】また、フォトダイオード３３の出力信号よ
り、波長可変レーザ光源２３から出力される可変波長レ
ーザ光Ｌ４のエネルギーのモニタを行うことができる。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源２１から出力される基本
波Ｌ１の一部をビームスプリッタ３８Ａにより分岐して
フォトダイオード３９Ａの受光面に導き、第１非線形結
晶２２Ａから出力される２倍高調波Ｌ２の一部をビーム
スプリッタ３８Ｂにより分岐してフォトダイオード３９
Ｂに導く。更に、第２非線形結晶２２Ｂから出力される
光からダイクロイックミラー４１Ｃにより、基本波Ｌ１
の３倍高調波（又は４倍高調波）Ｌ５のみを選択し、こ
の選択された高調波の一部をビームスプリッタ３８Ｃに
より分岐してフォトダイオード３９Ｃの受光面に導き、
第３非線形結晶２２Ｃから出力される光からダイクロイ
ックミラー４１Ｄにより、和周波レーザ光Ｌ７のみを選
択し、この選択された和周波レーザ光の一部をビームス
プリッタ３８Ｄにより分岐してフォトダイオード３９Ｄ
の受光面に導く。

【００４０】更に、第４非線形結晶２２Ｄから出力され
る光からダイクロイックミラー４１Ｅにより、和周波レ
ーザ光Ｌ９のみを選択し、この選択された和周波レーザ
光の一部をビームスプリッタ３８Ｅにより分岐してフォ
トダイオード３９Ｅの受光面に導き、フォトダイオード
３９Ａ〜３９Ｅ及びフォトダイオード３３の出力信号を
出力解析装置４０に供給する。この場合、フォトダイオ
ード３９Ｃ〜３９Ｅで受光される光はそれぞれダイクロ
イックミラー４１Ｃ〜４１Ｅを介した光であり、波長帯
が異なっているが、各フォトダイオード３９Ｃ〜３９Ｅ
で受光される光はそれぞれ単一波長の光である。そこ
で、出力解析装置４０において、各非線形結晶２２Ａ〜
２２Ｄの前後のフォトダイオードの出力信号の比を算出
することにより、各非線形結晶２２Ａ〜２２Ｄでの変換
効率が算出される。

【００４１】例えば、フォトダイオード３９Ｂの出力信
号とフォトダイオード３９Ａの出力信号との比の値から
第１非線形結晶２２Ａの変換効率が算出され、フォトダ
イオード３９Ｃの出力信号とフォトダイオード３９Ｂの
出力信号との比の値から第２非線形結晶２２Ｂの変換効
率が算出され、以下同様に非線形結晶２２Ｃ及び２２Ｄ
の変換効率が算出される。そこで、各非線形結晶２２Ａ
〜２２Ｄがそれぞれ本来期待される変換効率を保って、
全体として最大の出力を得るように、各非線形結晶２２
Ａ〜２２Ｄを回転するか、あるいはそれぞれに対するレ
ーザ光の入射角を調整すれば良い。

【００４２】なお、図５において、可変波長レーザ光Ｌ
４の波長をモニタする代わりに、第３非線形結晶２２Ｃ
から射出される和周波レーザ光Ｌ７の波長をモニタして
もよい。このように最終的に露光に用いる和周波レーザ
光Ｌ９の波長λ₃に比べて長い波長の計測を行う場合に
は、波長計測時の基準となる絶対波長と計測対象波長と
を比較する手段としてのモニター用エタロン３５、又は
分光器において、高い信頼性で且つ高精度に計測を行う
技術が確立されている。従って、露光光の波長を所望の
波長に高精度且つ安定に設定できる。

【００４３】ここで、最終的に得られる和周波レーザ光
Ｌ９の波長λ₃として、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、
２００ｎｍ、を選んだ場合について、対応するホロカ
ソードランプ３４の例を挙げる。先ず、のように和周
波レーザ光Ｌ９の波長λ₃として２４８ｎｍを選んだ場
合には、第１の和周波レーザ光Ｌ７の波長λ₂は３３８
ｎｍとなる。この近くの波長帯には銀（Ａｇ）の輝線ス
ペクトル（波長３３８．２８ｎｍ）、ニッケル（Ｎｉ）
の輝線スペクトル（波長３４１．４８ｎｍ）があり、こ
れらのホロカソードランプの輝線スペクトルとの比較を
行うことにより、波長可変レーザ光源２３の発振波長を
所望の値に固定することが可能となる。

【００４４】次に、のように和周波レーザ光Ｌ９の波
長λ₃として１９３ｎｍを選んだ場合には、可変波長レ
ーザ光Ｌ４の波長λ₁は８４５．９ｎｍとなる。そこ
で、セシウム（Ｃｓ）の輝線スペクトル（波長８５２．
１１ｎｍ）を基準光とすることができる。また、のよ
うに和周波レーザ光Ｌ９の波長λ₃として２００ｎｍを
選んだ場合には、第１の和周波レーザ光Ｌ７の波長λ₂
は２５６ｎｍ、可変波長レーザ光Ｌ４の波長λ₁は９１
６ｎｍとなる。この場合、波長９１６ｎｍ近傍に適当な
ホローカソードランプの輝線スペクトルはなく、タング
ステン（Ｗ）の輝線スペクトル（波長２５５．１４ｎ
ｍ）を波長λ₂の和周波レーザ光Ｌ７の比較対象として
使用することができる。

【００４５】これに関して、図５のモニタ用のエタロン
３５のミラー面の反射率をＲ、ミラー間の空気の屈折率
をｎ、ミラー間のギャップをｄ、入射する光の波長をλ
とすると、エタロン３５のフィネスＦ、及びフーリエス
ペクトルレンジＦＳＲは、それぞれ次のように表され
る。Ｆ＝πＲ^1/2／（１−Ｒ）、ＦＳＲ＝λ² ／２ｎｄ（６）従って、同一のフィネスＦ、及び同一のフーリエスペク
トルレンジＦＳＲの場合に同じ分解能を得るためには、
エタロンのギャップｄは波長λの２乗に比例する。従っ
て、エタロンを使って波長の検出あるいはスペクトルの
形状を測定する場合は、できるだけ長波長で行った方が
製造公差が緩くなる。しかも、可視光から近赤外光にお
いては、コーティング材料も多岐に亘ると共に、Ｎｄ：
ＹＡＧレーザ光のようなパルス光による硝材あるいはコ
ーティング材への損傷も極く容易に防止できる。このた
め、上述の及びの場合は波長モニタの点から極めて
有効であり、の場合は最終波長λ₃で測定するより有
利といえる。

【００４６】次に、図１の実施例において第１の和周波
レーザ光Ｌ７の波長λ₂を２４９ｎｍ（ＫｒＦエキシマ
レーザ光の波長付近）、第２の和周波レーザ光Ｌ８の波
長λ ₃を１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ光の波長付
近）として、２世代の露光装置用の露光光源を兼用する
場合の詳細な構成例につき図６を参照して説明する。図
６は２世代の露光装置に対して露光光を供給できる露光
光源を示し、この図６において、露光装置４９は、２５
６ＭビットＤＲＡＭ製造用の露光装置であり、露光装置
５０は、１ＧビットＤＲＡＭ製造用の露光装置である。
この場合、チタン・サファイアレーザ光源よりなる波長
可変レーザ光源２３の発振波長は８４６ｎｍに固定さ
れ、図５に示される装置において、ホロカソードランプ
３４の光としてはセシウム（Ｃｓ）の８５２．１ｎｍの
輝線スペクトルが使用される。

【００４７】図６において、第３の非線形結晶２２Ｃか
ら射出された光の内で、ダイクロイックミラー４３によ
り選択された波長２４８ｎｍの和周波レーザ光Ｌ７の内
で、ビームスプリッタ４４により分岐された光がミラー
４５Ｂ、及び部分反射ミラー４８の透過部を介して露光
装置４９に導かれる。また、ダイクロイックミラー４３
により分離された波長３５５ｎｍの光が、ミラー４５Ａ
及び部分反射ミラー４２の反射部で非線形結晶２２Ｃに
戻され、ダイクロイックミラー４３により分離された波
長８４６ｎｍの光が、部分反射ミラー４６の反射部、及
び部分反射ミラー２５Ａの透過部を介してレーザ光Ｌ
６、Ｌ８に戻される。部分反射ミラー２５Ａの反射部で
反射された可変波長レーザ光Ｌ８が非線形結晶２２Ｄに
供給されている。

【００４８】次に、第４の非線形結晶２２Ｄから射出さ
れた光の内で、ダイクロイックミラー４７により選択さ
れた波長１９３ｎｍの和周波レーザ光Ｌ９が露光装置５
０に導かれる。また、ダイクロイックミラー４７により
分離された波長２４８ｎｍの光が、部分反射ミラー４８
の反射部を介して露光装置４９に供給される。そして、
ダイクロイックミラー４７により分離された波長８４６
ｎｍの光が、ミラー４５Ｃ、部分反射ミラー４６の透過
部、及び部分反射ミラー２５Ａの透過部を介してレーザ
光Ｌ６、Ｌ８に戻される。これにより、非線形結晶２２
Ｃ及び２２Ｄを和周波数発振に寄与することなくそのま
ま通過する光が有効に活用され、露光光源全体としての
発光効率が向上する。

【００４９】次に、図１の露光光源を投影露光装置用の
露光光源として使用した場合の構成例につき図７を参照
して説明する。図７は、所謂ステップ・アンド・スキャ
ン方式の投影露光装置用の露光光源に本発明を適用した
ものである。図７において、固体レーザ光源１は図１の
光源装置の全体と同じものであり、固体レーザ光源１か
ら射出される遠紫外域のレーザビームＬＢ₀は、図１の
和周波レーザ光Ｌ９に対応するものであり、レーザビー
ムＬＢ₀の波長は例えば２４８ｎｍ、又は１９３ｎｍで
ある。ここで、以上のような固体レーザ光源１を用いた
場合、ビーム形状は円、又は楕円である。

【００５０】ビーム形状が楕円の場合、レーザビームＬ
Ｂ₀はシリンドリカルレンズを含むビーム整形光学系２
に入射する。固体レーザ光源１から射出されたレーザビ
ームＬＢ₀の断面形状は、円形に整形される。なお、ビ
ーム形状が円形の場合は、このビーム整形光学系２は必
要ない。

【００５１】ビーム整形光学系２から射出されたレーザ
ビームは、ビームエクスパンダ３に入射し所定の断面寸
法にまで断面形状が拡大される。ビームエクスパンダ３
から射出された平行なレーザビームＬＢは、ミラーＭ３
で反射された後、干渉縞の位相変調器としての振動ミラ
ー４にて光路が折り曲げられる。振動ミラー４は、直交
する２つの回動軸４ａ及び４ｂを軸として独立に振動で
きるように支持され、それら２つの回動軸４ａ及び４ｂ
の回りに振動ミラー４を振動させる２つの駆動モータ
（不図示）が設けられている。そして、回動軸４ａを軸
としてレチクルＲ上の走査方向に、及び回動軸４ｂを軸
としてレチクルＲ上の非走査方向に各々独立に振動ミラ
ー４を僅かに振ることによって、反射されるレーザビー
ムＬＢの進行方向を変える。

【００５２】その振動ミラー４で反射されたレーザビー
ムは、フライアイレンズ５に入射する。フライアイレン
ズ５は、微小な断面形状が矩形のレンズエレメントを縦
横に密着して配列したものであり、フライアイレンズ５
の後側（レチクルＲ側）の焦点面に多数の光源像（二次
光源）が形成される。それら多数の光源像から発散する
レーザビームの内の僅かの光が、分岐ビームスプリッタ
ー６によって反射された後、不図示の集光光学系を介し
て露光量制御に用いる光電変換素子よりなるインテグレ
ータセンサ７に入射する。分岐ビームスプリッター６を
通過したレーザビームは、第１リレーレンズ８によって
レチクルＲのパターン形成面と共役な面上のレチクルブ
ラインド（視野絞り）９上に集光され、レチクルブライ
ンド９の開口部の形状によりレチクルＲ上のスリット状
の照明領域１３（後述）の形状が決定される。本実施例
では、その照明領域１３の形状は短辺方向の幅Ｄの単純
な長方形とする。そのレチクルブラインド９の開口部を
通過したレーザビームは、第２リレーレンズ１０、光路
折り曲げ用のミラー１１、及びメインコンデンサーレン
ズ１２を経て、レチクルＲのパターン形成面上の照明領
域１３を照明する。即ち、フライアイレンズ５の後側焦
点面の多数の光源像からのレーザビームは、メインコン
デンサーレンズ１２を介してレチクルＲ上の短辺方向の
幅Ｄの長方形の照明領域１３を重畳的に照明する。その
照明領域１３内のパターン像が投影光学系ＰＬを介して
ウエハＷ上の長方形の露光領域１４内に結像投影され
る。

【００５３】この場合、投影光学系ＰＬの倍率をβとし
て、照明領域１３に対してレチクルＲを＋Ｘ方向（ＳＲ
方向）に速度Ｖ_Rで走査するのと同期して、露光領域１
４に対してウエハＷを−Ｘ方向（ＳＷ方向）に速度β・
Ｖ_Wで走査することにより、ウエハＷ上の各ショット領
域にレチクルＲのパターン像が逐次露光される。次に、
図７の投影露光装置をより簡略化した投影露光装置の例
につき図８を参照して説明する。図８の投影露光装置に
おいて、光源ケース１５内に例えば図１の光源装置と同
じ固体レーザ光源１、及びこの固体レーザ光源１からの
レーザ光（波長は例えば１９３ｎｍ又は２４８ｎｍ）の
断面形状を例えば円形にするビーム整形光学系２が設置
されている。光源ケース１５から射出されたレーザ光
は、照明光学系ケース１８内のズームレンズ１６に入射
し、ズームレンズ１６を通過したレーザ光が、ミラー１
７、ミラー１１、及びメインコンデンサーレンズ１２を
介して、レチクルＲのパターン領域を均一な照度で照明
する。

【００５４】このように、本実施例の固体レーザ光源１
を使用することにより、波長２５０ｎｍ以下の露光光を
使用する場合でも、投影露光装置全体をコンパクトにま
とめることができる。なお、本発明による光源装置は、
投影露光装置のみならず、プロキシミティ方式の露光装
置用の露光光源等としても使用できる。このように本発
明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々の構成を取り得る。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、基本レーザ光を発生す
る光源も可変波長のレーザ光を発生する光源も固体レー
ザ光源にできるため、光学系のサイズが小さくなり、毒
性のガスを使用することもなく安全で、しかも信頼性に
優れ、装置維持のためのコストも安く抑えることが出来
る。また、このように３個の非線形結晶を使用した場合
には、容易にＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎ
ｍ）の代替レーザ光を発生することができる。次に、第
４非線形結晶を追加した場合には、第２和周波レーザ光
として、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）か
らＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）まで任意
の波長の光を取り出すことができる。更に、第１和周波
レーザ光の波長は第１和周波レーザ光の波長より短いた
め、実質的に２世代の露光装置の露光光源を兼用するこ
とができる。

【００５６】また、波長可変レーザ光源の共振器内に、
発振波長を決定するための光学系を配し、この光学系内
の所定部分の光路長を変化させることにより波長可変レ
ーザ光源の発振波長を変えるようにした場合には、安定
且つ高精度に波長制御を行うことができる。更に、第１
和周波レーザ光又は可変波長のレーザ光の波長を対応す
る基準光源の輝線スペクトルと比較し、この比較結果に
基づいて波長可変レーザ光源の発振波長を制御するよう
にした場合には、最終的に出力される最も波長が短い第
２和周波レーザ光の波長を計測する場合と比べて、波長
計測を安定且つ容易に行うことができる。

【００５７】また、第１和周波レーザ光の波長をほぼ２
４８ｎｍに設定するか、又は前記第２和周波レーザ光の
波長をほぼ１９３ｎｍに設定するようにした場合には、
ＫｒＦエキシマレーザ光源又はＡｒＦエキシマレーザ光
源の代替光源を提供できる。従って、従来のＫｒＦエキ
シマレーザ光あるいはＡｒＦエキシマレーザ光で設計製
造された露光装置にも搭載でき、この露光装置で最適化
されたプロセスを変更することなく適用できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光源装置の一実施例を示す構成図
である。

【図２】図１中の波長可変レーザ光源２３の構成例を示
す光路図である。

【図３】チタン・サファイアレーザ光源の発振波長と出
力エネルギーとの関係を示す図である。

【図４】図１の光源装置の特別な場合を示す構成図であ
る。

【図５】図１の光源装置に波長制御機構及び出力安定化
機構を付加した例を示す構成図である。

【図６】図１の光源装置を２世代の露光装置用の露光光
源として使用する場合を示す構成図である。

【図７】図１の光源装置を投影露光装置に適用した例を
示す斜視図である。

【図８】図１の光源装置を投影露光装置に適用した別の
例を示す斜視図である。

【符号の説明】

２１Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２２Ａ〜２２Ｄ非線形結晶２３チタン・サファイアレーザ光源よりなる波長可変
レーザ光源２８チタン・サファイア結晶３１波長選択素子３３，３９Ａ〜３９Ｅフォトダイオード３４ホロカソードランプ３５エタロン３６１次元撮像素子３７波長解析装置４０出力解析装置４１Ｃ〜４１Ｅダイクロイックミラー４９，５０露光装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２５０ｎｍ以下の波長の照明光を発生す
るための光源装置において、１０００ｎｍ以上の波長の基本レーザ光を発生する固体
レーザ光源と、前記基本レーザ光より前記基本レーザ光の２倍高調波を
発生する第１非線形結晶と、前記２倍高調波を励起光として可変波長のレーザ光を発
生する波長可変レーザ光源と、前記第１非線形結晶から射出される前記基本レーザ光の
２倍高調波及び前記基本レーザ光より前記基本レーザ光
の３倍高調波を発生する第２非線形結晶と、前記基本レーザ光の３倍高調波及び前記可変波長のレー
ザ光より、前記基本レーザ光の３倍高調波と前記可変波
長のレーザ光との和周波数の波長２５０ｎｍ以下の和周
波レーザ光を発生する第３非線形結晶と、を有し、前記和周波レーザ光を照明光として用いることを特徴と
する光源装置。
【請求項２】前記和周波レーザ光を第１和周波レーザ
光として、該第１和周波レーザ光及び前記可変波長のレ
ーザ光より、前記第１和周波レーザ光と前記可変波長の
レーザ光との和周波数の波長２５０ｎｍ以下の第２和周
波レーザ光を発生する第４非線形結晶を設け、前記第１和周波レーザ光及び第２和周波レーザ光をそれ
ぞれ照明光として用いることを特徴とする請求項１記載
の光源装置。
【請求項３】前記波長可変レーザ光源の共振器内に、
発振波長を決定するための光学系を配し、該光学系内の
所定部分の光路長を変化させることにより前記波長可変
レーザ光源の発振波長を変えるようにしたことを特徴と
する請求項１又は２記載の光源装置。
【請求項４】前記第１和周波レーザ光又は前記可変波
長のレーザ光の波長を対応する基準光源の輝線スペクト
ルと比較し、該比較結果に基づいて前記波長可変レーザ
光源の発振波長を制御するようにしたことを特徴とする
請求項２記載の光源装置。
【請求項５】前記第１和周波レーザ光の波長をほぼ２
４８ｎｍに設定するか、又は前記第２和周波レーザ光の
波長をほぼ１９３ｎｍに設定するようにしたことを特徴
とする請求項２又は４記載の光源装置。