JP2657532B2 - 狭帯域発振エキシマレーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、狭帯域発振エキシマレーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

集積回路等の回路パターンを半導体ウエハ上に露光す
る縮小投影露光装置の光源としてエキシマレーザの利用
が注目されている。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）ことから解像度の限界
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、露光領域が大きくできること、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。

ところでエキシマレーザはその波長が248.35nmと短い
ため、この波長を透過する材料が石英、CaF₂およびMgF₂
等しかなく、しかも均一性および加工精度等の点でレン
ズ素材として石英しか用いることができない。そこで色
収差補正をした縮小投影レンズの設計は困難である。こ
のため、エキシマレーザを縮小投影露光装置の光源とし
て用いるにはこの色収差が無視しうる程度までの狭帯域
化が必要となる。

そこで、レーザ発振器から出射されたレーザ光の波長
およびパワーを検出し、検出された波長およびパワーに
基づいてレーザ光の狭帯域化、波長の安定化およびパワ
ーの安定化を図るというフィードバック制御のための構
成が提案されている。その一例を第13図に示す。

第13図ではレーザ管107とリアミラー106の間にエタロ
ン101,102を配設することによって狭帯域化がおこなわ
れている。フロントミラー105を介して出射されるレー
ザ光はビームスプリッタ103を介して集光レンズ108に入
射され、ここで集光されて光ファイバ109の入射口110に
入射され、さらに光ファイバ109を通じて波長検出器111
に導かれ、出力レーザ光の発振波長が検出される。中央
処理装置（CPU）112はこの波長検出器111の出力に基づ
きドライバ113,114を介してエタロン101,102の角度等を
変えることによって発振波長を固定するように制御す
る。

一方、エキシマレーザに用いるレーザ媒質ガスは時間
経過と共にそのレーザ媒質としての性能が徐々に劣化
し、レーザパワーが低下する。そこで、レーザ媒質の励
起強度すなわち放電電圧制御およびガス交換制御するこ
とによってレーザ出力を一定に保つ出力制御がおこなわ
れている。すなわち、発振されたレーザ光の一部をビー
ムスプリッタ104で分岐させ光強度検出器115に入射し、
レーザパワーの変化をモニタし、CPU112がレーザ電源11
6を介して、レーザ媒質の励起強度を変化させたり、あ
るいはガスコントローラ117を介してレーザ媒質ガスの
部分的交換を実施するなどして、レーザ出力を一定に保
つ出力制御をおこなう。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように狭帯域発振エキシマレーザ装置ではレーザ
光の波長およびパワーを検出し、検出された波長および
パワーに基づいてフィードバック制御を行なっているの
で、これらの波長およびパワーを良好な精度で検出する
ことが必要不可欠である。

しかしながらエキシマレーザ光はビームサイズが例え
ば10mm×20mmと大きく、この範囲内の位置により波長お
よびパワーが異なる。したがって、該範囲内の一部分か
らレーザ光をサンプリングして波長およびパワーを検出
した場合、波長およびパワーの検出精度が悪く、このた
めに所望のレーザ光を出射することができなくなるとい
う問題点があった。

例えば、レーザ光を集光レンズで集光して光ファイバ
の入射口に入射させる場合、レーザ光の光軸が多少でも
狂うと、集光されたレーザ光と光ファイバの入射口とが
ずれて、検出されるレーザ光の波長が変化するので、正
確な制御が不可能となる。

そこで、本発明はレーザ光の検出を良好な精度でかつ
安定に行うことが可能な狭帯域発振エキシマレーザ装置
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〕

本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光の波
長およびパワーのうちの少なくとも一方を検出する狭帯
域発振エキシマレーザ装置において、前記レーザ光を入
射して複数の発散光束を出射する光学素子と、この光学
素子からの各発散光束を入射する集光レンズとを備え、
前記集光レンズの出射側の焦点上に形成された均一照明
領域にて前記レーザ光の波長およびパワーのうちの少な
くとも一方を検出することを特徴とする 〔作用〕 本発明によれば、集光レンズの出射側の焦点上に形成
された均一照明領域にて検出を行っているので、この均
一照明領域内のどのような位置でもレーザ光の平均的な
波長および平均的なパワーを検出しうる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明にかかわる狭帯域発振エキシマレーザ
装置の第１の実施例を示している。なお、同図において
第13図に示した従来装置と同様の部分には説明の便宜上
同じ符号を付す。

この実施例ではフロントミラー105から出射されたレ
ーザ光をビームスプリッタ１に入射し、このビームスプ
リッタ１を透過したレーザ光を出力とし取出すととも
に、該ビームスプリッタ１で反射されたレーザ光をライ
トインテグレータ２などの光学素子を介して集光レンズ
３に入射している。この集光レンズ３の下方にはビーム
スプリッタ４が配置されており、このビームスプリッタ
４の透過側に位置する集光レンズ３の焦点に光ファイバ
スリーブ５を配置するとともに、該ビームスプリッタ４
の反射側に位置する集光レンズ３の焦点に光強度検出器
６を配置している。そして、光ファイバスリーブ５の断
面は集光レンズ３の焦点上に位置合せされており、この
断面に光ファイバ７の入射口８が露出している。この入
射口８に入射したレーザ光は光ファイバ７を通じて波長
検出器111に導かれ、ここで波長が検出される。この波
長検出器111は例えば回折格子型分光器、モニタエタロ
ン等を用いてレーザ光の波長を検出しており、検出出力
をCPU112に加える。CPU112はこの検出出力に基づいてレ
ーザ光の波長制御を行う。一方、光強度検出器６は集光
レンズ３の焦点上に位置合せされた例えばフォトダイオ
ード、フォトマルチフライヤ等を備えており、このよう
な光電変換素子によってレーザ光の強度を検出し、検出
出力をCPU112に加える。CPU112はこの検出出力に基づい
てレーザ光のパワー制御を行う。

さて、ライトインテグレータ２は例えば第２図に示す
ように縮小な角ドラムレンズ51を多数個配列して形成さ
れたものであり、各角ドラムレンズ51に入射したそれぞ
れの光束が出射されることにより、複数の発散光束が得
られる。また、ライトインテグレータ２の他の形態とし
ては、第３図に示すような六角ドラムレンズ52を多数個
配列して形成されたものがある。さらに、別の形態とし
ては第４図に示すように板状の透明体53の上面に半円柱
状のレンズ54を多数個並設するとともに、板状の透明体
53の下面に半円柱状のレンズ55をレンズ54に直交させて
多数個並設したものがある。また、第５図に示すように
板状の透明体56の一方の面に半円形の溝57を多数並列し
て形成するとともに、透明体56の他方の面に半円形の溝
58を溝57に直交させて多数並列して形成したものがあ
る。このような種々のライトインテグレータのうちのい
ずれでも、入射した光を出射すると、複数の発散光束を
形成する。

いま、ライトインテグレータ２から出射された複数の
発散光束は、第６図に示すように集光レンズ３に入射さ
れ、ここからそれぞれ集光される。そして、集光された
それぞれの光束は集光レンズ３の焦点上で全て重畳す
る。すなわち、レーザ光はライトインテグレータ２に入
射されて複数に分割され、分割されたそれぞれの発散光
束が集光レンズ３を介して焦点上に重畳されるというケ
ーラ照明が行われる。したがって、集光レンズ３の焦点
上にはレーザ光を均一化した均一照明領域９が形成さ
れ、この均一照明領域９は該領域内のどの位置であって
も発振されたレーザ光の全ての波長成分を生ずるととも
にレーザ光のビームサイズ内の平均的な強度を示す。

ここで、第７図に示すように集光レンズ３の焦点上に
配置された光ファイバスリーブ５の断面において、光フ
ァイバ７の入射口８は均一照明領域９よりも小さくかつ
均一照明領域９内に入る。このため、フロントミラー10
5から出射されるレーザ光の光軸が狂って、均一照明領
域９が多少ずれても、光ファイバ７の入射口８は均一照
明領域９から外れるようなことがない。

そして、光ファイバ７の入射口８から入射されたレー
ザ光は光ファイバ７を通じて波長検出器111に導かれ
る。このレーザ光には発振された全ての波長成分が含ま
れるので、波長検出器111はこの波長成分から平均的な
波長を検出し、レーザ光の平均波長を示す検出出力をCP
U112に加える。この結果、CPU112はレーザ光の平均波長
に基づいて波長制御を行うこととなり、よって発振波長
を所望の波長に正確に合せることができる。

一方、光強度検出器６は第６図に示すように集光レン
ズ３の焦点に位置する光電変換素子10の受光面11によっ
て光強度を検出しており、この光電変換素子10の受光面
11が第８図に示すように均一照明領域９よりも小さくか
つ均一照明領域９内に入る。このため、フロントミラー
105から出射されるレーザ光の光軸が狂って、均一照明
領域９が多少ずれても、受光面11は均一照明領域９から
外れるようなことがない。

そして、均一照明領域９はどのような位置でもレーザ
光のビームサイズ内の平均的な強度を示す。このため、
光強度検出器６はレーザ光の平均的な強度を検出し、平
均光強度を示す検出出力をCPU112に加える。この結果、
CPU112は平均光強度に基づいてパワー制御を行うことと
なり、よってレーザ出力の安定化を図ることができる。

このようなレーザ光をライトインテグレータ２および
集光レンズ３を介することによりケーラ照明を行い、こ
のケーラ照明により形成された均一照明領域９にて平均
波長および平均光強度を検出し、平均波長に基づいて波
長制御を行うとともに平均光強度に基づいてパワー制御
を行っているので、このために正確な制御が可能とな
る。

第９図は狭帯域発振エキシマレーザ装置の第２の実施
例を示しており、フロントミラー105から出射されたレ
ーザ光をビームスプリッタ12に入射し、このビームスプ
リッタ12で反射されたレーザ光を出力として取出すとと
もに、該ビームスプリッタ12を透過したレーザ光をライ
トインテグレータ２を介して集光レンズ３に入射してい
る。そして、集光レンズ３の出射側にビームスプリッタ
13を配置し、このビームスプリッタ13の反射側に位置す
る集光レンズ３の焦点に光ファイバスリーブ５の断面を
配置するとともに、該ビームスプリッタ13の透過側に位
置する集光レンズ３の焦点に光強度検出器14の入射口を
配置している。

ここで、光強度検出器14は入射口に設けられた例えば
スリガラスの光拡散板15と、光電変換素子としてのフォ
トダイオード16と、光拡散板15からフォトダイオード16
に至るまでに径が徐々に小さくなりかつ内側が鏡面の筒
17とを備えている。そして、光拡散板15には集光レンズ
３の焦点上の均一照明領域９が形成され、ここからレー
ザ光は拡散され、さらに筒17の内側で反射されて集光さ
れフォトダイオード16に至る。このため、フォトダイオ
ード16はケーラ照明による均一照明領域９のレーザ光を
より均一化して受光することとなり、レーザ光の平均的
な光強度を検出し、この平均光強度を示す検出出力をCP
U112に加える。したがって、この実施例ではレーザ光の
平均光強度を第１図に示した装置よりも正確に検出する
ことができる。

第10図は本発明に係る狭帯域発振エキシマレーザ装置
の第３の実施例を示している。この実施例では第９図に
示した装置における光強度検出器14の代りに光ファイバ
スリーブ21の断面を集光レンズ３の焦点上の均一照明領
域９に配置している。この光ファイバスリーブ21の断面
には光ファイバ22の入射口が露出しており、この入射口
に入射したレーザ光は光ファイバ22を通じて図示されな
い光強度検出器に導かれ、ここでレーザ光の平均光強度
が検出される。なお、光ファイバ22の入射口は均一照明
領域９よりも小さくかつ均一照明領域９内に入る。

第11図は本発明に係る狭帯域発振エキシマレーザ装置
の第４の実施例を示しており、第９図に示した装置にお
けるビームスプリッタ13を除去するとともに、集光レン
ズ３の焦点上の均一照明領域９に光ファイバスリーブ25
の断面を配置している。この光ファイバスリーブ25の断
面には第12図に示すように２本の光ファイバ26および27
の入射口28および29がそれぞれ露出しており、２つの入
射口28および29は均一照明領域９内に余裕を持って入
る。したがって、フロントミラー105から出射されたレ
ーザ光の光軸が多少狂っても、各入射口28および29が均
一照明領域９から外れるようなことはない。

そして、光ファイバ26の入射口28に入射したレーザ光
は光ファイバ26を通じて図示されない光強度検出器に導
かれ、ここでレーザ光の平均強度が検出される。また、
光ファイバ27の入射口29に入射したレーザ光は光ファイ
バ27を通じて図示されない波長検出器に導かれ、ここで
レーザ光の平均波長が検出される。

このように第１〜第４の実施例では、レーザ光をライ
トインテグレータおよび集光レンズを順次介することに
より均一照明領域を形成し、この均一照明領域内にてレ
ーザ光の平均波長および平均光強度を検出している。こ
のため、フロントミラーから出射されるレーザ光の光軸
が少しぐらい狂っても、レーザ光の平均波長および平均
光強度を良好な精度でかつ安定に検出することができ
る。この結果、レーザ光の波長制御およびパワー制御を
正確に行うことを可能ならしめる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、レーザ光をライ
トインテグレータなどの光学素子および集光レンズを介
することにより集光レンズの焦点上に均一照明領域を形
成し、この均一照明領域にてレーザ光の平均波長および
平均光強度を検出するようにしている。このため、レー
ザ光の検出を良好な精度でかつ安定に行うことが可能な
狭帯域発振エキシマレーザ装置を提供することができ
る。

また、レーザ光軸が多少変化しても、均一照明領域が
多少ずれる程度であるため、再調整する必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１の実施例を示す図、第２図〜
第５図はライトインテグレータをそれぞれ例示する図、
第６図は第１図に示した実施例の部分を示す図、第７図
は第１図に示した実施例における光ファイバスリーブの
受光部分を示す図、第８図は第１図に示した実施例にお
ける光強度検出器の受光部分を示す図、第９図は本発明
に係る第２の実施例を示す図、第10図は本発明に係る第
３の実施例を示す図、第11図は本発明に係る第４の実施
例を示す図、第12図は第11図に示した実施例における光
ファイバスリーブの断面を示す図、第13図は従来の狭帯
域発振エキシマレーザ装置を示す図である。 1,4,12,13……ビームスプリッタ、２……ライトインテ
グレータ、３……集光レンズ、5,21,25……光ファイバ
スリーブ、6,14……光強度検出器、7,22,26,27……光フ
ァイバ、8,28,29……入射口、９……均一照明領域、10,
16……光電変換素子、11……受光面、15……光拡散板、
17……筒、101,102……エタロン、105……フロントミラ
ー、106……リアミラー、107……レーザ管、111……波
長検出器、112……中央処理装置、113,114……ドライ
バ、116……レーザ電源、117……ガスコントローラ。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器から出射されたレーザ光の波
   長およびパワーのうちの少なくとも一方を検出する狭帯
   域発振エキシマレーザ装置において、 前記レーザ光を入射して複数の発散光束を出射する光学
   素子と、 この光学素子からの各発散光束を入射する集光レンズと を備え、前記集光レンズの出射側の焦点上に形成された
   均一照明領域にて前記レーザ光の波長およびパワーのう
   ちの少なくとも一方を検出することを特徴とする狭帯域
   発振エキシマレーザ装置。
2. 【請求項２】集光レンズの出射側に配置され、レーザ光
   を分岐することにより各分岐路に前記集光レンズの焦点
   上の均一照明領域をそれぞれ形成するビームスプリッタ
   と、 このビームスプリッタによって形成された各均一照明領
   域にそれぞれ配置されたレーザ光の波長検出手段および
   パワー検出手段と を備えたことを特徴とする請求項（１）記載の狭帯域発
   振エキシマレーザ装置。
3. 【請求項３】波長検出手段は入射口を均一照明領域に配
   置された光ファイバを備え、この光ファイバを通じて導
   かれたレーザ光に基づいて波長を検出し、前記光ファイ
   バの入射口は前記均一照明領域よりも小さいことを特徴
   とする請求項（２）記載の狭帯域発振エキシマレーザ装
   置。
4. 【請求項４】パワー検出手段は受光面を均一照明領域に
   配置された光電変換素子を備えたことを特徴とする請求
   項（２）記載の狭帯域発振エキシマレーザ装置。
5. 【請求項５】集光レンズの焦点上の均一照明領域からレ
   ーザ光をそれぞれ導く２本の光ファイバを備え、これら
   の光ファイバを通じて導かれたそれぞれのレーザ光に基
   づいて波長およびパワーをそれぞれ検出し、 前記各光ファイバの入射口は前記均一照明領域内にそれ
   ぞれ入ることを特徴とする請求項（１）記載の狭帯域発
   振エキシマレーザ装置。