JP4117856B2 - 狭帯域発振エキシマレーザ及びフッ化物プリズム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エキシマレーザ用の、光に対する耐久性が強く、光品位低下の少ない光学部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体製造装置用の縮小投影露光装置（以下ステッパと言う）の光源として、エキシマレーザの実用化が進められている。これは、エキシマレーザの波長が紫外線領域にあって短いことから、加工の際にレンズなどの外部光学素子によって光を小さく集光できるので、非常に精密な加工が可能であることによる。
【０００３】
このエキシマレーザから発振する光はさまざまな波長成分を持ち、しかも中心波長が変動しているので、そのままではレンズなどの外部光学素子を通過する際に収差が生じて加工の精度が低下する。そのため、エキシマレーザにグレーティングなどの波長選択素子を搭載して、線幅と呼ばれるレーザの発振波長のスペクトル幅を狭くし、かつ発振波長の中心値である中心波長を安定化する狭帯域化という技術が広く用いられている。
【０００４】
図８は、特開平３−２１４６８０号公報に開示された技術の一例であり、以下同図に基づいて従来技術を説明する。図において、チャンバ１にはレーザガスが封止されており、放電電極２によって放電によってエネルギーを供給され、レーザ光３を発振させる。上記発振したレーザ光３は後部ウィンドウ５から出射し、第１のプリズム７及び第２のプリズム８を通過する間にその径を広げられ、グレーティング１０に入射する。グレーティング１０は、図示しないアクチュエータによってレーザ光３の光路に対する角度を制御されており、選択された所定の波長だけを発振させることで前記狭帯域化を行なっている。第１のプリズム７、第２のプリズム８、及びグレーティング１０の光学部品群を狭帯域化光学部品１２と総称する。この狭帯域化光学部品１２によって波長を制御されたレーザ光３は、前部ウィンドウ１３を透過し、部分反射ミラーであるフロントミラー１４を透過して一部が図中右方向へ出射する。
【０００５】
ここで、以上で説明したエキシマレーザの光学部品としては、前記公報に開示されているように、一般に合成石英（SiO2)が材料として用いられている。これは、合成石英がエキシマレーザから出射する紫外線光に対して吸収率が低く、また加工が容易であるという理由による。ＫｒＦエキシマレーザの波長である２４８ｎｍやＡｒＦエキシマレーザの波長である１９３ｎｍの紫外光に対し、高い透過率を有する材料は限られており、現在では前記合成石英以外には、CaF2，MgF2，LiF2等のフッ化物が知られている。
【０００６】
しかしながら、現状ではこれらフッ化物の製造や加工の技術は合成石英ほど成熟しておらず、製造できる光学材料のサイズや数量、光学特性において合成石英と同等のものを製作するのが困難であるため、光学材料としては合成石英が使用されることが多い。特に、前記ＫｒＦエキシマレーザは比較的発振波長が長いために光学部品を劣化させることが少なく、合成石英製の光学部品でも長期の使用に耐えうるとされている。このため、ＫｒＦエキシマレーザの光学部品として、従来は合成石英が使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、合成石英をエキシマレーザの光学部品の材料として使用するには、次に述べるような問題点がある。
【０００８】
近年、半導体をより大量にかつ能率的に生産するためにステッパのスループットを上げなければならず、レーザの単位時間あたりの発振パルス数である繰り返し周波数を増やしてレーザを高出力化することが求められている。
【０００９】
しかしながら、レーザの共振器内ではエネルギー密度が高く、しかもレーザ光が共振器内を往復して光学部品を何度も透過する。このため、前記レーザの高出力化に伴って、ＫｒＦエキシマレーザに従来使われている前記合成石英の光学部品が、材料内部のわずかな歪みや不均一性などの理由によって劣化するということが起きている。そして、光学材料のわずかな劣化でさえも、発振するレーザ光の品位に大きな影響を及ぼすので、前記ステッパの光源として使用することが困難となってしまう。
【００１０】
このようにエキシマレーザの高出力化に伴って、従来合成石英の光学部品は耐久性が不十分であり、これを使用していると前記エキシマレーザの波長を高精度で制御することが困難であるということがわかってきている。
【００１１】
図９，１０に、レーザ発振によって、光学部品に前記光学部品の劣化が起きる様子を示す。図９は第１のプリズム７とそれを通過するレーザ光３の正常な状態である。前記繰り返し周波数を上げていくに従って、図１０に示したようにレーザ光のエネルギーによってプリズムの内部が歪んだり、それが大きくなるとプリズムの表面が収縮して表面に歪み１５が発生するようなことが起きる。これにより、レーザ光３の径や断面形状が変化したり、レーザ光３の波面が乱れてその波長や偏光状態が狂うという問題が起きる。また、この歪み１５によって光学部品の表面に施した無反射コーティングが剥がれてレーザ光がそこに集中し、光学部品が破損したりすることもある。
【００１２】
図１１，１２に、それぞれ前記光学部品の劣化が起きる前と起きた後の狭帯域化されたレーザの発振波長分布を示す。図１２に示すように、光学部品に劣化が起きると中心波長λcが例えばλcとλc'との間で変動したり、前記線幅Δλが
広がってステッパの光源として使用することが困難になる。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、高出力化されたエキシマレーザにおいても紫外線光に対する耐久性が強く、光品位を良好に保ち、かつ波長制御に好適なエキシマレーザの光学部品を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、
狭帯域発振エキシマレーザの光学部品において、
光学材料としてフッ化物を使用し、前記フッ化物の結晶の劈開面２０が、この光学部品に入射する光の入射側の面又は光学部品から出射する光の出射側の面の少なくともいずれか一方に対して概平行であるように形成されている。
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、光学部品の材料としてフッ化物を使用し、この光学部品の入射側の面もしくは出射側の面に対してフッ化物の結晶の劈開面を概平行に構成している。こうすることによって、この劈開面を通過する際に、エキシマレーザ光の偏光状態の変化や波面の不均一化等を低減でき、良質な光品位を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、
請求項１記載のエキシマレーザの光学部品において、
前記フッ化物の結晶の劈開面２０の向きを示す可視マーク２７をつけている。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、光学部品に、前記劈開面の向きを示す可視マークをつけたことによって、これをエキシマレーザに設置する際にその向きを容易に判断でき、またその向きを間違えて設置するということがなくなる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載のエキシマレーザの光学部品において、
光学部品が、前記狭帯域化のための狭帯域化部品である。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、前記狭帯域化のための光学部品に、前記フッ化物を使用している。精密に狭帯域化を行なうためには、狭帯域化部品は特に精度良く製作されている必要があり、光学部品の劣化は、微少であってもレーザの波長制御に悪影響を与える。狭帯域化のための光学部品をフッ化物で製作するので、光学部品の劣化を少なくすることができ、前記中心波長が安定で線幅が細い、光品位の良質なレーザ光を得ることができる。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、
狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
エキシマレーザに用いられるフッ化物を材料とした光学部品を、フッ化物の結晶の劈開面２０が光学部品中を光が通過する際の光路に対して概垂直になるように配置している。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、劈開面が光路に対して概垂直になるように光学部品を配置することによって、光学部品内部の屈折率の不均一性や光学歪み等の影響を最小限に抑えることができる。これにより、レーザ光がこの光学部品を通過する際に生ずるエキシマレーザ光の偏光状態の変化や波面の不均一化等を低減でき、良質な光品位を得ることができる。また、各部品の結晶材料を常に劈開面に対して同一の方向に使用することにより、各部品における前記屈折率の不均一等が最小限に抑えられるので、光学部品の個体差が減少して安定な光学性能を得られ、結果としてエキシマレーザの光品位を安定させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係わる実施形態を詳細に説明する。なお、図において同一の符号を付したものは同一の構成を表すものとする。
【００２３】
図１に基づいて、第１の実施形態を説明する。図１は、本発明に係わるエキシマレーザ装置の構成図を示している。同図において、前記狭帯域化光学部品１２は狭帯域化ボックス１１内に収納されており、前記前部ウィンドウ１３及び後部ウィンドウ５は損失を少なくするためにレーザ光３に対してブリュースター角φをなしている。本実施形態においては、第１のプリズム７、第２のプリズム８及びフロントミラー１４を、従来の合成石英に代えてCaF2等のフッ化物の光学材料で製作している。
【００２４】
これにより、紫外線光による光学部品の劣化がなく、エキシマレーザの波長の狭帯域化を効果的に行なうことができる。プリズム７，８は狭帯域化のために正確な形状が求められるので、ここに光学部品の劣化が起きると波長制御が困難になり、材料をフッ化物にする効果は大きい。また、フロントミラー１４は強度の強い光がここを透過するので光学部品の劣化の影響を受けやすく、これも材料をフッ化物にすることの効果が大きい。
【００２５】
このように本実施形態によれば、エキシマレーザにおいて、従来合成石英を使っていた光学部品に代えてCaF2やMgF2などのフッ化物を使用するようにしたことで、レーザ光３による光学部品の劣化が起きにくくなり、波長の狭帯域化を精密に行なうことができるとともに、エキシマレーザの信頼性を向上させることができる。
【００２６】
次に図２に基づいて、第２の実施形態を説明する。同図は、一般にリトロー型と呼ばれるエキシマレーザの狭帯域化光学部品１２の構成図であり、図において、グレーティング１０で図中上方に反射したレーザ光３はリアミラー１６によって全反射され、元の光路を戻って出射する。このとき、前述したプリズム７，８及びフロントミラー１４の他に、前記リアミラー１６を例えばMgF2などのフッ化物で製作している。
【００２７】
リアミラー１６はエキシマレーザの出力を反射するために従来は損傷が大きく、これをフッ化物にすることで、狭帯域化光学部品１２の耐光性を増すことができる。これにより、前記実施形態と同様の理由で、波長の狭帯域化を精密に行なうことができるとともに、エキシマレーザの信頼性を向上させることができる。
【００２８】
なお、図１，２の構成において、エキシマレーザのチャンバ１に近いほうの第１のプリズム７のみをフッ化物とし、チャンバ１から遠い第２のプリズム８のみを合成石英製とすることも可能である。当該プリズム７，８は、チャンバ１から出射するレーザ光３を拡大するものであるため、チャンバ１に近い前記第１のプリズム７を通過するレーザ光３の光密度が高く、光学部品の劣化を引き起こしやすいため、プリズムをフッ化物とすることの効果はチャンバ１に近い第１のプリズム７において大だからである。
【００２９】
次に図３〜図６に基づいて、第３の実施形態を説明する。図３に示すように、フッ化物でできた光学部品１９はその結晶構造に応じて劈開面２０を持つ。劈開面２０の一例としては、例えば結晶の１１１面がある。レーザ光２２がこの光学部品１９を通過する際に、レーザ光２２の光軸２４に対して劈開面２０のなす角θが概垂直以外の角度を持って通過する場合には、波面が乱れてその偏光状態や波長が変化したり、光の一部が吸収されて出力が低下したりする。
【００３０】
そこで、本実施形態では前記光軸２４に対して劈開面２０のなす角θが概垂直になるように、前記光学部品１９を製作し、かつこれを光路内に配置している。本実施形態による光学部品１９の一例として、図４にフロントミラー１４を示す。フロントミラー１４は、一般的に表面と裏面の間での反射による寄生発振を避けるため、入射側の面２３と反対側の面とが非平行になっている。同図における劈開面２０がレーザ光２２の入射側の面２３と概平行になるようにフロントミラー１４を製作し、この入射側の面２３をチャンバ１の側に向け、劈開面２０がその内部を通過するレーザ光２２の光軸２４に概垂直になるように配置する。フロントミラー１４の別の例としては、入射側の面２３と反対側の面とを平行に製作し、一方の面に無反射コーティングを施して寄生発振を防止する場合もある。
【００３１】
本実施形態による光学部品１９の他の例として、図５にプリズム２６を示す。プリズム２６を前記劈開面２０が光の入射側の面２３に概平行になるように製作し、このプリズム２６を、劈開面２０が内部を通過するレーザ光２２の光軸２４に対して概垂直になるように配置している。
【００３２】
図６に、これらの光学部品を使ったエキシマレーザの配置図を示す。同図において、第１のプリズム７、第２のプリズム８及び後部ウィンドウ５は、例えばCaF2等のフッ化物からなる光学部品である。
【００３３】
第１のプリズム７及び第２のプリズム８は、図５に示したようにレーザ光２２の入射側の面２３に対して劈開面２０のなす角θが概垂直になるように製作され、この劈開面２０がその内部を通過する光軸２４に概垂直になるように配置されている。また、図６に示したように後部ウィンドウ５がレーザ光３に対してブリュースター角φをなしているとすれば、その劈開面２０がブリュースター角φだけ傾いた状態で光軸２４に対して概垂直をなすように製作され、光路内に配置されるようにすればよい。図示されていない前部ウィンドウ１３も同様である。さらに、図示されていないフロントミラー１４は、図４に示したように、レーザ光３の光軸２４に対して劈開面２０が概垂直になるように配置されている。
【００３４】
このとき、図７に示すように、例えばプリズム７，８などの上面に点線で示した劈開面２０を示すマーク２７をつければ、たとえ二等辺三角形のプリズム７，８を使用したとしても、光軸２４に対して劈開面２０が概垂直になるように容易にプリズム７，８を設置することができる。
【００３５】
このように本実施形態によれば、エキシマレーザの光学部品をフッ化物で製作し、しかもその劈開面２０が光軸２４に対して概垂直になるように配置している。これにより、エキシマレーザの高出力化に対しても、レーザ光３が光学部品を通過する際に波長や偏光状態が変化したりすることがなく、光品位の良質なレーザ光３を得ることができる。
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、エキシマレーザの光学部品において、従来合成石英に代えてCaF2やMgF2などのフッ化物を材料としたことで、レーザ光３による光学部品の劣化が起きにくくなり、波長の狭帯域化を精密に行なうことができるとともに、エキシマレーザの信頼性を向上させることができる。
【００３７】
また、フッ化物の劈開面をレーザの光軸に対して概垂直に配置したことで、エキシマレーザ光がこの光学部品を通過する際に起きる、エキシマレーザ光の偏光状態の変化や波面の不均一さ等の問題点を低減でき、エキシマレーザの性能を低下させずに良質な光品位を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるエキシマレーザの構成図。
【図２】第２の実施形態に係わるエキシマレーザの構成図。
【図３】フッ化物の劈開面を示す説明図。
【図４】フッ化物の劈開面を示す説明図。
【図５】フッ化物の劈開面を示す説明図。
【図６】第３の実施形態に係わるエキシマレーザの構成図。
【図７】劈開面の向きにマークをつけた光学部品の説明図。
【図８】従来のエキシマレーザの構成図。
【図９】プリズムと光路の説明図。
【図１０】プリズムの光学部品の劣化の説明図。
【図１１】光学部品の劣化が起きる前のレーザ光の波長を示す説明図。
【図１２】光学部品の劣化が起きた後のレーザ光の波長を示す説明図。
【符号の説明】
１…チャンバ、２…放電電極、３…レーザ光、５…後部ウィンドウ、７…第１のプリズム、８…第２のプリズム、１０…グレーティング、１１…狭帯域化ボックス、１２…狭帯域化光学部品、１３…前部ウィンドウ、１４…フロントミラー、１５…歪み、１６…リアミラー、１９…フッ化物、２０…劈開面、２２…レーザ光、２３…入射側の面、２４…光軸、２６…プリズム。

Claims (5)

1. 半導体露光装置用光源として用いられる狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
   共振器内に、フッ化物を材料とするフッ化物光学部品を少なくとも１つ備え、
   前記フッ化物光学部品は、その結晶の劈開面が、フッ化物光学部品の内部を通過するレーザ光の光路に対して概垂直になるように配置されることを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
2. 半導体露光装置用光源として用いられる狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
   共振器内に、レーザ光が非垂直に入射又は出射する面を１つ有する、フッ化物を材料としたフッ化物光学部品を少なくとも１つ備え、
   前記フッ化物光学部品は、その結晶の劈開面が、フッ化物光学部品の内部を通過するレーザ光の光路に対して概垂直になるように配置されることを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
3. 請求項２記載の狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
   前記フッ化物光学部品がプリズムであり、
   前記プリズムは、レーザ光が非垂直に入射又は出射する面とレーザ光が概垂直に入射又は出射する面とを備え、その劈開面は、レーザ光が概垂直に入射又は出射する面に平行となっていることを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
4. 半導体露光装置用光源として用いられる狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
   共振器内にフッ化物を材料としたフッ化物光学部品を少なくとも１つ備え、
   前記フッ化物光学部品は、
   レーザ光が入射する側の面に対するレーザ光の入射角度、及びレーザ光が出射する側の面に対するレーザ光の出射角度のうち少なくとも一方が非垂直となるように配置されるとともに、
   その結晶の劈開面が、フッ化物光学部品の内部を通過するレーザ光の光路に対して概垂直になるように配置されることを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。
5. 請求項４に記載の狭帯域発振エキシマレーザにおいて、
   前記フッ化物光学部品が、レーザガスを封止するチャンバの前後部に配置されたウィンドウであり、
   前記ウィンドウは、レーザ光が入射する側の面及び出射する側の面のうち少なくとも一方が、入射又は出射するレーザ光に対して略ブリュースタ角をなしていることを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ。

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