DE19603637C1

DE19603637C1 - Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung

Info

Publication number: DE19603637C1
Application number: DE19603637A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Kleinschmidt; Peter Dr Heist
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2016-02-02
Also published as: US5761236A; JPH09321370A; USRE38039E1

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung mit

- einem Laserresonator, in dem ein laseraktives Medium angeordnet ist,
- einer in dem Strahlengang des Lasers angeordnete Gruppe aus mehreren lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elementen, welche einfallendes Licht jeweils in einem für die Wellen länge des einfallenden Lichts spezifischen Winkel ablenken.

Ein solcher Laser ist aus der US-PS-5 150 370 bekannt.

Laser der eingangs genannten Art finden insbesondere bei der Photolithographie für die Herstellung von integrierten Schaltun gen Anwendung. Um Strukturgrößen im Bereich von 0,18 µm photoli thographisch herstellen zu können, sind Wellenlängen unterhalb von 200 nm erforderlich. Achromatische Abbildungsoptiken für diesen Wellenlängenbereich sind nur schwer herzustellen. Daher ist für die Photolithographie von Strukturen in dem vorangehend genannten Größenbereich eine sehr schmalbandige Strahlung erfor derlich, um die durch chromatische Aberration verursachten Feh ler der photolithographisch erzeugten Strukturen innerhalb der zulässigen Toleranzen zu erhalten. Die akzeptablen Bandbreiten liegen für refraktive Abbildungsoptiken im Bereich von 1 pm (refraktive Optik nur aus Quarz: 0,3 pm, refraktive Optik aus verschiedenen Materialien: einige pm), für die mit einem Strahl teiler und Spiegeln arbeitende Catadioptric im Bereich von 10 pm bis 100 pm. Demgegenüber hat ein ArF-Excimerlaser (λ=193 nm) im sogenannten "free running"-Betrieb eine Bandbreite von 430 pm, so daß im Laser die Bandbreite begrenzende optische Elemente vorgesehen werden müssen, um den obigen Anforderungen genügen zu können.

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, im Strahlengang des Res onators zur Bandeinengung Gitter mit Strahlaufweitung, Prismen anordnungen und/oder Fabry-Perot-Etalons einzusetzen.

Gitter und Fabry-Perot-Etalons weisen einen hohen Verlustfaktor pro Strahlungsumlauf auf (Transmission <70%) und sind daher für einen ArF-Laser, der im Vergleich zu einem XeCl- bzw. KrF-Laser wesentlich höhere Resonatorverluste aufweist, nur bedingt geeig net. Demgegenüber weisen Brewsterprismen oder speziell antire flektierend beschichtete Prismen eine Transmission von mehr als 95% auf.

Es sind daher Anordnungen mit einem oder zwei Dispersionsprismen im Resonator des Lasers vorgeschlagen worden (vgl. US-PS-5 150 370 und 1st International Symposium on 193 nm Lithography, Colo rado Springs, 15.-18.8.1995), mit denen sich Bandbreiten von etwa 10 pm erreichen lassen. Das Prinzip einer solchen Anordnung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, die einen Teil des Strah lengangs des Resonators zeigt. Der eintreffende Strahl durch läuft einen (fakultativen) achromatischen Strahlaufweiter 1 und wird dann durch ein Dispersionsprisma 2 zu dem hochreflektieren den Spiegel 3 des Resonators gelenkt, der das auf ihn einfallen de Licht über das Prisma 2 und den Strahlaufweiter 1 zu dem zweiten Spiegel des Resonators zurückreflektiert. Der Resonator spiegel 3 ist in einem Winkel zur optischen Achse A des Lasers angeordnet, der dem Ablenkungswinkel γ des Prismas für die ge wünschte Wellenlänge, z. B. λ=193 nm, entspricht, so daß im wesentlichen nur Licht dieser Wellenlänge reflektiert wird und im Resonator umläuft.

Bei Excimerlasern mit derartigen Prismenanordnungen treten je doch im Burst-Betrieb zeitliche Variationen der Emissionswellen länge des Lasers auf, welche die Tauglichkeit für Photolitho graphiezwecke einschränken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der ein gangs genannten Art so weiterzubilden, daß temperaturbedingte und demgemäß im Burst-Betrieb zeitabhängige Änderungen der Strahlung weitestgehend reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß bei einem Laser mit einem Laserresonator, in dem ein laseraktives Medium angeordnet ist, und mit einer in dem Strahlengang des Lasers angeordneten Gruppe aus mehreren lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elementen, wel che einfallendes Licht jeweils in einem für die Wellenlänge des einfallenden Lichts spezifischen Winkel (γ_a, γ_b) ablenken, zu mindest eines der lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elemen te einen Brechungsindex aufweist, der mit der Temperatur wächst (dn/dT<0), und zumindest eines dieser Elemente einen Brechungs index aufweist, der mit der Temperatur abnimmt (dn/dT<0).

Der Laser kann dabei ein Excimerlaser, insbesondere ein ArF-Excimer laser sein. Die Gruppe von lichtbrechenden wellenlängenselek tiven Elementen ist vorzugsweise im Strahlengang des Resonators angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß die bei den Anordnungen nach dem Stand der Technik beobachteten zeitlichen Schwankungen der Emissions wellenlänge darauf zurückzuführen sind, daß der Brechungsindex der verwendeten Prismen temperaturabhängig ist und sich daher im Burst-Betrieb der Ablenkwinkel für die gewünschte Strahlung, z. B. Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm, mit dem Erwärmen und Abkühlen der Prismen infolge von Strahlungsabsorption än dert. Erfindungsgemäß wird diese Änderung des Ablenkwinkels zu mindest verringert durch die Verwendung einer Kombination aus mindestens zwei lichtbrechenden Elementen, die sich im Vorzei chen von dn/dT unterscheiden.

Bei geeigneter Gestaltung und Anordnung der Elemente kann die temperaturbedingte Änderung des Ablenkwinkels vollständig be seitigt werden. Insbesondere können die Einfallswinkel bei den lichtbrechenden dispersiven Elementen so eingerichtet sein, daß die Summe der individuellen Ablenkungswinkel der einzelnen Ele mente bei einer vorbestimmten Wellenlänge des einfallenden Lichts unabhängig von Temperaturschwankungen beim Betrieb des Lasers ist.

Bevorzugt für den ultravioletten Spektralbereich wird als Mate rial für mindestens ein lichtbrechendes dispersives Element Quarzglas, insbesondere das unter dem Handelsnamen Suprasil be kannte Quarzglas (dn/dT<0), und als Material für mindestens ein lichtbrechendes dispersives Element CaF₂ (dn/dT<0) ver wendet.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwi schen dem laseraktiven Medium und einem der reflektierenden Ele mente ein Strahlteiler angeordnet ist, wobei die Gruppe von lichtbrechenden wellenselektiven Elementen zwischen dem Strahl teiler und dem reflektierenden Element angeordnet ist. Damit wird die die Bandbreite begrenzende Anordnung in einen Teil des Resonators gelegt, der eine vergleichsweise geringe Lichtinten sität im Betrieb aufweist, so daß die Lebensdauer dieser Anord nung erhöht wird.

Die lichtbrechenden dispersiven Elemente können insbesondere Dispersionsprismen sein. Bevorzugterweise ist dabei mindestens eines dieser Prismen ein Brewsterprisma. Die Einfallsfläche der anderen Prismen kann dabei antireflektierend beschichtet sein.

Der erfindungsgemäße Laser kann insbesondere ein erstes und ein zweites Dispersionsprisma umfassen, wobei die Änderung des Bre chungsindex des ersten Prismas mit der Temperatur ein anderes Vorzeichen als die Änderung des Brechungsindex des zweiten Pris mas aufweist und der Apexwinkel des zweiten Prismas so gewählt ist, daß bei einem Einfall des das erste Prisma durchstrahlenden Licht auf das zweite Prisma im Brewsterwinkel der durch das er ste und zweite Prisma festgelegte Gesamtablenkungswinkel unab hängig von Temperaturschwankungen beim Betrieb des Lasers ist.

Damit entfällt die Notwendigkeit einer antireflektierenden Be schichtung der Einfallsfläche des zweiten Prismas.

Vorteilhafterweise werden die Einfallsflächen der Prismen mög lichst vollständig ausgeleuchtet. Hierfür kann vor dem ersten Prisma ein Strahlaufweiter angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß im Strahlengang des Lasers vor oder nach der Gruppe von lichtbrechenden dispersiven Elementen ein Fabry-Perot-Etalon enthalten ist. Mit dieser Ausführungsform lassen sich Bandbreiten von weniger als 1 pm erzielen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Laser anordnungen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip einer die Bandbreite begrenzenden Prismenanordnung,

Fig. 2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Laseranordnung,

Fig. 3 den Strahlengang durch die zwei die Bandbreite begrenzenden Prismen bei der Laseranordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die Nullstellenfunktion in Abhängigkeit von dem Apex winkel und dem Einfallswinkel des zweiten Prismas für eine erste Wellenlänge,

Fig. 5 die Nullstellenfunktion in Abhängigkeit von dem Apex winkel und dem Einfallswinkel des zweiten Prismas für eine zweite Wellenlänge,

Fig. 6 die die Bandbreite begrenzende Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlengang einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung am Beispiel eines Excimerlasers.

Der Laserresonator weist zwei hochreflektierende Spiegel 12, 14 auf, zwischen denen sich ein laseraktives Medium befindet, das mit einer Gasentladung in einer entsprechenden Kammer 10 mittels Elektroden erzeugt wird. Zwischen dem laseraktiven Medium 10 und dem Spiegel 12 ist ein polarisierender Strahlteiler 20 angeord net, der p-polarisiertes Licht zu etwa 98% durchläßt und s-p-po larisiertes Licht zu etwa 98% reflektiert. Auf der anderen Sei te, also zwischen dem laseraktiven Medium und dem Spiegel 14 ist ein die Polarisationsebene des Lichts drehendes Bauteil 18, z. B. ein λ/4-Plättchen oder ein Faraday-Rotator, angeordnet. Durch den polarisierenden Strahlteiler wird im wesentlichen s-polari siertes Licht 15 aus dem Resonator ausgekoppelt, während im we sentlichen p-polarisiertes Licht 16 durch ihn hindurchtritt, an dem Spiegel 12 reflektiert wird und danach einen erneuten Zyklus durch den Resonator durchläuft. Das Bauteil 18 bewirkt, daß ein bestimmter Anteil der Resonatorstrahlung ausgekoppelt wird. Die Laseranordnung mit dem Strahlteiler 20 hat den Vorteil, daß nur ein Teil der in dem laseraktiven Medium erzeugten Strahlung auf optische Elemente einfällt, die zwischen dem Strahlteiler 20 und dem Spiegel 12 angeordnet sind, wodurch deren Lebensdauer erhöht wird.

Zwischen dem Strahlteiler 20 und dem Spiegel 12 ist eine die Bandbreite begrenzende Anordnung vorgesehen, die aus einem achromatischen Strahlaufweiter 30, einem Brewsterprisma 32 aus Quarzglas mit hoher Ultraviolettdurchlässigkeit, bevorzugt Suprasil, und einem auf der Einfallfläche antireflektierend beschichteten Prisma 34 aus CaF₂ besteht. Der Strahlengang durch die Prismen 32 und 34 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex, d. h. die Ableitung des Brechungsindex nach der Temperatur, beträgt 18 · 10^-6 K^-1 für Suprasil und -3 · 10^-6 K^-1 für CaF₂ bei λ=193 nm. Der Ablenk winkel γ_a des Prismas 32 ändert sich also bei einer Änderung der Temperatur im entgegengesetzten Sinn wie der Ablenkwinkel γ_b des Prismas, so daß die Änderung des Gesamtwinkels γ=γ_a+γ_b bei einer Temperaturänderung klein gehalten oder gegebenenfalls ganz zum Verschwinden gebracht wird.

Die Bedingung für ein Verschwinden der Änderung des Gesamtab lenkwinkels Δγ bei einer Temperaturänderung ΔT_a bei Prisma 32 und einer Temperaturänderung ΔT_b bei Prisma 34 läßt sich wie folgt ausdrücken:

wobei der Index a zu dem Prisma 32 gehörige Größen und der Index b zu dem Prisma 34 gehörige Größen bezeichnet und n_a, n_b die Brechungsindices der Prismen 32 und 34 sind.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Größen angegeben, die in den hier durchgeführten Rechnungen verwendet werden:

Die Ableitungen dγ_a/dn_a bzw. dγ_b/dn_b hängen allgemein von dem Brechungsindex, von der Geometrie des lichtbrechenden Elements und der Richtung des einfallenden Strahls ab. Speziell für Pris men sind sie durch die jeweiligen Brechungsindices n_a, n_b, die Apexwinkel der Prismen ε_a, ε_b und durch die Einfallswinkel β_a bzw. β_b bestimmt, wobei die Beziehung zwischen dem Ablenkwinkel γ, dem Einfallswinkel β, dem Apexwinkel ε und dem Brechungsindex n allgemein bekannt ist.

Für die Temperaturänderung aufgrund von Strahlungsabsorption ΔT gilt für den Fall, daß Wärmeleitungseffekte vernachlässigt wer den können,

ΔT = (F α)/(ρ c)

wobei
α der Absorptionskoeffizient des Prismenmaterials,
ρ die Dichte des Prismenmaterials,
c die spezifische Wärme des Prismenmaterials,

F die Gesamtfluenz der Laserstrahlung am Prismeneingang ist.

Wegen der geringen Strahlungsschwächung pro Umlauf ist die Ge samtfluenz F_a am Eingang des Prismas 32 ungefähr gleich der Ge samtfluenz F_b am Eingang des Prismas 34. Damit ist ΔT_a/ΔT_b zeit unabhängig. Die Lösung der Gleichung (1) ist daher durch eine geeignete Wahl von dγ_a/dn_a bzw. dγ_b/dn_b immer möglich. Das Auf lösen der Gleichung (1) nach einer der Bestimmungsgrößen β_a, ε_a, β_b und ε_b, z. B. nach dem Einfallswinkel β_b unter Vorgabe des Apexwinkels ε_b des Prismas 34, des Apexwinkels ε_a und des Ein fallswinkels β_a des Prismas 32, kann ohne weiteres mit gängigen numerischen Nullstellensuchverfahren durchgeführt werden. Die entsprechende Größe, z. B. ein Einfallswinkel β_b, der die Gesamt ablenkung bei Vorgabe der übrigen Größen temperaturunabhängig macht, kann auch leicht experimentell bestimmt werden.

Zur Veranschaulichung werden im folgenden Lösungen der Gleichung (1) für zwei verschiedene Wellenlängen vorgestellt. Hierfür ist es zweckmäßig, eine Nullstellenfunktion G wie folgt zu definie ren:

Die Nullstellen von G entsprechen den Lösungen der Gleichung (1).

In dem ersten Beispiel ist das Prisma 32 ein Brewsterprisma aus Suprasil mit symmetrischem Strahldurchgang und einem Apexwinkel ε_a=67,080. Der Apexwinkel des CaF₂-Prismas 34 wurde mit 75°, 75,5°, 76°, . . . , 78,5° vorgegeben und die Gleichung (1) für 248 nm durch Bestimmen der Nullstelle der Funktion G mit β_b als Variable gelöst. In Fig. 4 ist die Funktion G über dem Ein fallswinkel β_b für die verschiedenen Apexwinkel aufgetragen. Man erkennt, daß sich für jeden Apexwinkel ε_b ein Einfallswinkel β_b finden läßt, bei dem sich die thermisch bedingten Änderungen der Ablenkungswinkel γ_a, γ_b kompensieren, bei dem also G=0 ist. Kompensation tritt z. B. ein für ε_b=77° und β_b=55,86° (0,975 rad). Insbesondere läßt sich eine Kompensation bei dem Brewster winkel (β_b=0,972 rad) erreichen, wenn der Apexwinkel ε_b 76,9° beträgt. In diesem Fall ist eine antireflektierende Beschichtung der Eingangsfläche des Prismas 34 nicht nötig.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Prisma 32 ein Brew sterprisma aus Suprasil mit symmetrischem Strahldurchgang und einem Apexwinkel ε_a=65,3°. Der Apexwinkel des CaF₂-Prismas wurde mit 74°, 74,5°, 75°, . . ., 77,5° vorgegeben und die Glei chung (1) für λ=193 nm mit β_b als Variabler gelöst. In Fig. 5 ist die Funktion G über dem Einfallswinkel β_b für die verschie denen Apexwinkel aufgetragen. Die Kompensation bei dem Brewster winkel (β_b=0,973 rad) tritt hier bei einem Apexwinkel ε_b von 77,5° ein.

Das oben beschriebene Prinzip läßt sich ohne weiteres auch auf die Bandbreite begrenzende Anordnungen anwenden, die mehr als zwei Prismen enthalten. Die entsprechende Verallgemeinerung der Gleichung (1) ist:

wobei die Indices c, d die jeweiligen Größen der weiteren Pris men bezeichnen. Auch hier gibt es immer eine Lösung, sofern zu mindest ein Prisma aus einem Material mit einem anderen Vorzei chen des Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex als dem des Materials von anderen Prismen besteht.

In Fig. 6 ist die die Bandbreite begrenzende Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestell ten Ausführungsform dadurch, daß die die Bandbreite begrenzende Anordnung zusätzlich zu den beiden Prismen 32 und 34 ein Fabry-Perot-Etalon 40 zwischen dem Prisma 34 und dem Spiegel 12 enthält. Mit dieser Anordnung lassen sich Bandbreiten von 1 pm und weniger erreichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus weitere bandbegrenzende Elemente enthalten, z. B. ein Gitter anstelle des Spiegels 14.

Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen war die bandbegrenzende Prismenanordnung in dem Bereich zwischen dem Strahlteiler 20 und dem Spiegel 12 vorgesehen. Dies ist hin sichtlich der geringeren Strahlenbelastung und der geringeren Erwärmung vorteilhaft. Grundsätzlich kann eine Prismenanordnung mit einer thermischen Kompensation wie oben beschrieben an jeder Stelle des Strahlengangs des Lasers vorgesehen sein. Dementspre chend kann die Erfindung auch bei anderen Laserkonfigurationen als der in Fig. 1 dargestellten realisiert werden, z. B. solchen, die ohne den polarisierenden Strahlteiler 20 arbeiten.

Claims

1. Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung mit

- einem Laserresonator, in dem ein laseraktives Medium (10) angeordnet ist,
- einer in dem Strahlengang des Lasers angeordneten Gruppe aus mehreren lichtbrechenden wellenlängenselektiven Ele menten (32, 34), welche einfallendes Licht jeweils in einem für die Wellenlänge des einfallenden Lichts spezifischen Winkel (γ_a, γ_b) ablenken,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der lichtbrechenden wellenlängenselektiven Ele mente (32) einen Brechungsindex aufweist, der mit steigender Temperatur wächst, und zumindest eines dieser Elemente (34) einen Brechungsindex aufweist, der mit steigender Temperatur abnimmt.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallswinkel (β_a, β_b) bei den lichtbrechenden wellenlän genselektiven Elementen (32, 34) so eingerichtet sind, daß die Summe der individuellen Ablenkungswinkel (γ_a, γ_b) der einzelnen Elemente (32, 34) bei einer vorbestimmten Wellenlänge des ein fallenden Lichts unabhängig von strahlungsinduzierten Tempera turschwankungen beim Betrieb des Lasers ist.

3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein lichtbrechendes wellenlängenselektives Element (32) aus Quarzglas und mindestens ein lichtbrechendes wellen längenselektives Element (34) aus CaF₂ besteht.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem laseraktiven Medium (10) und einem der reflektie renden Elemente (12) ein Strahlteiler (20) angeordnet ist, wobei die Gruppe von lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elementen (32, 34) zwischen dem Strahlteiler (20) und dem reflektierenden Element (12) angeordnet ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elementen Dispersionsprismen enthält.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dispersionsprismen (32, 34) vorgesehen sind und daß die Strahlung im Brewsterwinkel auf das im Strahlengang hintere der beiden Prismen fällt.

7. Laser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von lichtbrechenden wellenlängenselektiven Elementen mindestens ein Brewsterprisma (32) umfaßt.

8. Laser nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallsflächen der Prismen (32, 34) im wesentlichen vollständig ausgeleuchtet werden.

9. Laser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlaufweiter (30) vor dem ersten Prisma (32) angeordnet ist.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Lasers vor oder nach der Gruppe von licht brechenden wellenlängenselektiven Elementen (32, 34) ein Fa bry-Perot-Etalon (40) enthalten ist.