JP3360078B2 - 狭帯域発振レーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステッパー用の光源として使用される狭帯域
発振エキシマレーザに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

半導体装置製造用の縮小投影露光装置（以下、ステッ
パーという）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
の波長は約248.4nm）ことから光露光の限界を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）が小さくて済み、露光
領域を大きくできること、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、ステッパーの光源として利用されるエキシ
マレーザとしては線幅3pm以下の狭帯化が要求され、し
かも大きな出力パワーが要求される。

エキシマレーザの狭帯域化の技術としては従来インジ
ェンクションロック方式と呼ばれるものがある。このイ
ンジェンクションロック方式は、オシレータ段のキャビ
ティ内に波長選択素子（エタロン，回折格子，プリズム
等）を配置し、ピンホールによって空間モードを制限し
て単一モード発振させ、このレーザ光を増幅段によって
注入同期する。この方式によると比較的大きな出力パワ
ーが得られるが、ミスショットがあったり、ロッキング
効率を100％とすることが困難であったり、スペクトル
純度が悪くなるという欠点がある。また、この方式の場
合その出力光はコヒーレンス性が高く、これを縮小露光
装置の光源に用いた場合はスペックル・パターンが発生
する。一般にスペックル・パターンの発生はレーザ光に
含まれる空間横モードの数に依存すると考えられてい
る。すなわち、レーザ光に含まれる空間横モードの数が
少ないとスペックル・パターンが発生し易くなり、逆に
空間モードの数が多くなるとスペックル・パターンは発
生しにくくなることが知られている。上述したインジェ
クションロック方式は本質的には空間横モードの数を著
しく減らすことによって狭帯域化を行う技術であり、ス
ペックル・パターンの発生が大きな問題となるため縮小
投影露光装置には採用できない。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として他に有望なも
のは波長選択素子であるエアーギャップエタロンを用い
たものがある。このエアーギャップエタロンを用いた従
来技術ではエキシマレーザのキャビティ内に複数個のエ
アーギャップエタロンを配置してエキシマレーザの狭帯
域化を図ろうとしている。

ところが、レーザキャビティ内にエタロンを配置した
場合、単一段のステッパ用の狭帯域発振エキシマレーザ
はエタロンを透過するエネルギー密度が非常に高いため
に、エタロンの反射膜が少ないショット数で劣化してし
まい、エタロンの透過率が著しく減少したり、フィネス
が小さくなることによって、出力レーザ光のスペクトル
純度及びパワーが著しく低下していた。また、この従来
技術によれば、エタロンを透過するエネルギー密度が高
いため、熱によって、エタロンのギャップが変化し、こ
の結果エタロンの透過波長のシフトが大きくなり、波長
の制御性を著しく低下させるという不具合があった。

また、他の従来技術として狭帯域化素子としてプリズ
ムビームエキスパンダおよびグレーティングを用いたも
のがあるが、この場合には線幅を細くするためにアパー
チャを挿入する必要があり、この為高効率で発振させる
ために放電のエネルギー密度を高くして発振させてい
た。したがって、この従来装置では放電電極の寿命が非
常に短くなるという不具合があった。

さらに、これらの従来技術では一般にビーム拡がりが
大きいので出力制御のために放電電圧を変化させると、
放電幅が変化して、波長線幅及び発振効率が変化すると
いう問題があった。

この発明はこのような事情に鑑がみてなされたもの
で、狭帯域化及び装置の長寿命化を図ると共に波長の制
御性を向上させ、さらに波長線幅が放電幅に左右されず
に高出力を得ることができる狭帯域発振エキシマレーザ
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この発明においては、狭帯域
化素子としてグレーティングを備え、当該グレーティン
グをリトロー配置させた狭帯域発振レーザにおいて、レ
ーザチャンバから出射された光が入射するように配置さ
れ、該光を反射して集光する第１の凹面鏡と、前記第１
の凹面鏡による集光光の焦点位置近傍に開口が配置され
るスリットと、前記スリットの開口を通過した光を入射
するように配置され、該入射した光を反射してビームの
拡がりを小さくすることにより平行に近づけて前記グレ
ーティングに入射させる第２の凹面鏡とを備えるように
している。

〔作用〕

かかる構成によれば、第１の凹面鏡11′の焦点位置近
傍に設けられたスリット７によってレーザチャンバ３か
ら出射された光のうち拡散光が遮断され、第２の凹面鏡
11で反射されてグレーティング６に入射する光が平行に
近い光のみにされ、さらにグレーティング６によって選
択した特定波長の光のみがスリット７を通過する。ま
た、第１の凹面鏡11′で反射されてレーザチャンバ３内
に戻る光の放電幅方向の幅が放電幅とほぼ同じ大きさに
なり、この平行に近い光がレーザチャンバ３内の全ゲイ
ン領域上を通過する。

〔実施例〕

以下、この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図はこの発明の狭帯域発振エキシマレーザの一実
施例を示した側面図である。この実施例の狭帯域発振エ
キシマレーザは、フロントミラー１と、リアミラーおよ
び波長選択素子の機能を有するグレーティング６との間
に、レーザチャンバ３、および波長選択素子として機能
する空間フィルタ20が配設される。空間フィルタ20はこ
の場合集光レンズ４、４′とアパーチャ５で構成してい
る。すなわちこの場合はフロントミラー１とグレーティ
ング６との間に光共振器が構成されている。このグレー
ティングの配置は謂ゆるリトロー配置である。

レーザチャンバ３はその内にKrF等を含むレーザガス
が循環可能に充填され、更にレーザチャンバ３の両端に
は所定の角度で配置されたウィンドウ2a,2bが設けられ
ている。

グレーティング６は、光の回折を利用して特定波長の
光を選択するもので、一定方向に配列された多数の溝が
形成されている。この明細書では溝形成方向（第１図で
は紙面に垂直な方向）を溝方向と称している。グレーテ
ィング６は、この溝方向を含む平面内で、入射光に対す
るグレーティング６の角度θを可変させることにより、
特定の波長の光を選択する。すなわち、グレーティング
６は入射光に対するグレーティングの角度に対応する特
定の光のみを所定の方向（この場合入射光の方向）に反
射させ、これによって特定の波長の光に対する選択動作
を行なう。

このように、空間フィルタ20をレーザチャンバ３とグ
レーティング６との間に配置することで、グレーティン
グ６に入射するビームの拡がりを小さくして、効率よい
狭帯域化を行うようにしている。

なおこの実施例において、アパーチャ５の代わりにス
リットを配置するようにしてもよい。ただし、スリット
を配置する場合は、スリットの長手方向とグレーティン
グ６の溝方向とが平行になるように配置して、グレーテ
ィング６におけるビーム広がりを最小にし、効率よく狭
帯域化するようにする。

第２図（ａ），（ｂ）は第１図に示した実施例の空間
フィルタ20をシリンドリカルレンズ８、８′とスリット
７で構成したこの発明の他の実施例を平面図および側面
図で示したものである。この実施例では、シリンドリカ
ルレンズ８、８′によりレーザ光を線光線として集光す
るため、先の第１図の実施例に比べてエネルギー密度が
より小さくなり、スリット７の寿命をより延ばすことが
できる。

第３図（ａ），（ｂ）は第１図に示した実施例におけ
る放電方向とスリット７の配置方向との関係を特定した
この発明の他の実施例を平面図および側面図で示したも
のである。

この実施例では、スリット７の長手方向をレーザの放
電方向とほぼ一致させることでスリット７によってけら
れるレーザ光を少なくし空間フィルタ20の透過率を向上
させている。すなわち、レーザチャンバ３のウィンドウ
2bから出力されるレーザビームの広がり角は一般に電極
９、９による放電方向すなわち電極９、９の配列方向よ
りも、この放電方向に垂直な方向の方が小さく、その形
状は縦長の長方形状となっている。そこで、このレーザ
断面形状に対応するようスリット７を配置することによ
り空間フィルタ20の透過率を向上させて効率のよい狭帯
域化をなし得るようにしている。

第４図は（ａ），（ｂ）は第２図に示した実施例にお
いて放電方向とスリット７の長手方向とシリンドリカル
レンズ８、８′の中心軸（シリンドリカルレンズ８、
８′の長手方向に沿って、シリンドリカルレンズ８、
８′の中心を通る軸）をほぼ一致させ、さらにこれらの
方向がグレーティング６の溝方向とほぼ平行になるよう
にしたこの発明の他の実施例を平面図および側面図で示
したものである。

このように構成すれば、スリット７によってけられる
レーザ光が少なくなり、空間フィルタ20の透過率が向上
し、しかもシリンドリカルレンズ８、８′により集光し
ているためにエネルギー密度が小さくなり、スリット７
の寿命をより延ばすことができる。さらに、グレーティ
ング６の溝方向も電極９、９による放電方向に対して平
行になるようにグレーティング６を配置するようにして
いるので、グレーティング６におけるビーム広がりを最
小にすることができ、これにより効率よく狭帯域化する
ことができる。

第５図（ａ），（ｂ）は第４図に示した実施例にプリ
ズムビームエキスパンダ10を追加したこの発明の他の実
施例を平面図および側面図で示したものであり、プリズ
ムビームエキスパンダ10は空間フィルタ20とグレーティ
ング６の間に配置するようにしている。

ここで、ビームエキスパンダ10によるビーム拡大方向
はレーザチャンバ３内の電極９、９による放電方向と垂
直な方向に一致している。

このような構成によれば、ビームエキスパンダ10によ
ってビームを拡大するようにしているので、レーザビー
ムのエネルギー密度がさらに小さくなり、スリット７及
びグレーティング６の寿命を延ばすことができる。さら
に、その拡大方向は電極９、９による放電方向と垂直な
方向のみであるので、グレーティングに入射するビーム
拡がり角を更に小さくすることができ、これによりより
効率良く狭帯域化することができる。

第６図（ａ），（ｂ）は第４図に示した実施例のシリ
ンドリカルレンズ８′の配置位置をずらせて空間フィル
タ20とビームエキスパンダとの機能を２個のシリンドリ
カルレンズ８、８′とスリット７のみで実現したこの発
明の他の実施例を側面図および平面図で示したものであ
る。

このようにすることにより、ビームエキスパンダを省
略することができる。

第７図は空間フィルタ20を凹面鏡（または軸外放物面
鏡）11、11′とスリット７で構成したものである。な
お、この凹面鏡（または軸外放物面鏡）11、11′をシリ
ンドリカル形状に構成すれば、スリット７には線光線が
集光されるためにスリット７の耐久性を増すことができ
る。

なお、実施例では、リトロー配置のみを例示したが本
発明は斜入射配置でも適用することができる。また、実
施例では空間フィルタ20として単レンズを例にあげた
が、収差補正を施した組レンズ、非球面レンズなどを用
いればさらに良好な狭帯域化をなし得る。さらに色収差
補正を施せば、レンズの色が変化しても焦点位置が変化
しないためさらに良好な狭帯域化をなし得る。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、 （１）空間フィルタによりビーム拡がりを小さくしてい
るので、キャビティ内にアパーチャを挿入しなくても効
率よく狭帯域化ができ、またアパーチャを挿入しなくて
もよいので高出力が得られる。

（２）空間フィルタによりビーム拡がりを小さくしてい
るので、放電幅が変化しても波長線幅が変化しないよう
になり、これにより放電幅を大きくしてエネルギー密度
を小さくすることができるようになり、もって光学素子
および放電電極の寿命を飛躍的に延ばすことができると
ともに、高効率での出力制御が可能になる。

（３）空間フィルタとしてシリンドリカルレンズとスリ
ットを使用するとスリットにはエネルギー密度の低い線
光線が入射されることになり、スリットの寿命を飛躍的
に延ばすことができる。

（４）グレーティングの波長選択性を向上させることが
できる。

（５）レーザチャンバ内のゲイン領域を有効的に活用す
ることができる。

などの優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す平面図、第２図
（ａ）（ｂ）乃至第６図（ａ）（ｂ）は夫々この発明の
他の実施例を示す平面図および側面図、第７図はこの発
明の更に他の実施例を示す平面図である。 １……フロントミラー、2a,2b……ウィンドウ、 ３……レーザチャンバ、４……集光レンズ、 ５……アパーチャ、６……グレーティング、 ７……スリット、８……シリンドリカルレンズ、 ９……放電電極、10……プリズムビームエキスパンダ、
20……空間フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 諭樹夫 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所研究所内 (56)参考文献 特開 平１−143372（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−53482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−89488（ＪＰ，Ａ) 米国特許4156852（ＵＳ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】狭帯域化素子としてグレーティングを備
   え、当該グレーティングをリトロー配置させた狭帯域発
   振レーザにおいて、 レーザチャンバから出射された光が入射するように配置
   され、該光を反射して集光する第１の凹面鏡と、 前記第１の凹面鏡による集光光の焦点位置近傍に開口が
   配置されるスリットと、 前記スリットの開口を通過した光を入射するように配置
   され、該入射した光を反射してビームの拡がりを小さく
   することにより平行に近づけて前記グレーティングに入
   射させる第２の凹面鏡と を備えたことを特徴とする狭帯域発振レーザ。
2. 【請求項２】前記凹面鏡は放物面鏡である請求項１記載
   の狭帯域発振レーザ。
3. 【請求項３】前記スリット通過直後のレーザ光における
   前記スリットの長手方向と平行な方向が、前記レーザ光
   が前記グレーティングに入射されるときには前記グレー
   ティングの多数の溝方向と略平行になるように配置した
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の狭帯域
   発振レーザ。
4. 【請求項４】前記スリットの長手方向と前記グレーティ
   ングの多数の溝方向とが略平行になるように配置したこ
   とを特徴とする請求項３記載の狭帯域発振レーザ。