JP5358142B2 - ガスレーザ用光学素子及びそれを用いたガスレーザ装置 - Google Patents
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半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長248nmの深紫外光を放出するKrFエキシマレーザ装置、並びに、波長193nmの真空紫外光を放出するArFエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウエハー間を液体で満たして屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をArFエキシマレーザ露光に適用しようとしている。ArFエキシマレーザ液浸では、純水を液浸液にした場合134nmの波長になる。また、次々世代の露光用光源として、波長157nmの真空紫外光を放出するF2 (フッ素分子)レーザ装置によるF2 レーザ液浸露光が採用される可能性もある。F2 レーザ液浸では、115nmの波長になると言われている。
多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行われる。現在、露光用光源であるレーザ波長の248nm〜157nmの波長(紫外線)域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とCaF2 以外にはない。このため、KrFエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ArFエキシマレーザ用の投影レンズとしては、合成石英とCaF2 で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。ところが、KrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザの自然発振スペクトル線幅は約350〜400pmと広いために、これらの投影レンズを使用すると、色収差が発生して解像力が低下する。そこで、色収差が無視できるまでに、これらのガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このため、これらのガスレーザ装置には狭帯域化素子(エタロンやグレーティング等)を有する狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
上記したように、ArFエキシマレーザ液浸リソグラフィーの場合、媒体としてH2 Oを使用したとき、屈折率が1.44になるため、屈折率に比例するレンズ開口数NAは原理的に従来の開口数に対して1.44倍に増やすことができる。NAが高くなるにつれ、光源であるレーザ光の偏光純度の影響が大きくなる。偏光の向きがマスクパターンの方向に平行であるTE偏光の場合は影響がないが、それが直交するTM偏光の場合は、像のコントラストが低くなってしまう。これは、後者の場合、ウエハー上の焦点における電界のベクトルが異なる方向であるため、ウエハーへの入射角が大きくなるに従い、電界のベクトルが同一である前者に比べ、強度が弱くなってしまうためである。この影響はNAが1.0に近づくか超える場合に強くなり、ArFエキシマレーザ液浸はこの場合に該当する。そのため、以上のように露光装置の照明系では、所望の偏光状態を制御する必要がある。この偏光照明の制御には、露光装置の照明系に入力されるレーザの偏光状態が直線偏光
であることが要求されている。偏光純度は、直線偏光と非直線偏光の割合であり、レーザの偏光は、偏光純度が高く維持されることが要求されている。
レーザ光の偏光純度を高めるための技術として、これまでに特許文献1と特許文献2に記載の技術がある。
方向となる。(111)面の表面は他の結晶軸表面よりも、一番硬いため、表面粗さが小さく、潜傷が少ない研磨が可能となる。
ため、結晶方位の軸は[111]軸を対称軸とすると3回対称となる。したがって、CaF2結晶ウィンドウの[111]軸の真上から見て、[001]軸を基準軸とし、時計回
りの角度を正とし、反時計回りの角度を負とすると、[001]軸と[011]軸とのなす角度60度、[001]軸と[010]軸となす角度は120度、[001]軸と[110]軸とのなす角度は180度、[001]軸と[101]軸とのなす角度は−60度、[001]軸と[100]軸とのなす角度は−120度となる。
代わりに基準軸を[011]軸又は[101]軸にとってもよい。その場合の回転指定方位軸をそれぞれ第2の方位軸又は第3の方位軸とする。
ある。
されていく。これによりレーザ光は、概ねP偏光方向の直線偏光で出力される。
が約97.5%であった。
S偏光の反射率Rsは式(1)のフレネル式で求められる。
ると、P偏光成分の光のフレネル反射率は、入射角度0度(垂直入射)では、4.02%であり、P偏光のフレネル反射が3%となる入射角度は、24.90度となる。その後、入射角度がブリュースタ角(56.34度)までは、フレネル反射率は単調に減少する。そして、このブリュースタ角度では、P偏光の反射率は0%となる。続いて、入射角度がブリュースタ角度よりも大きくなるとフレネル反射は単調に増加する。P偏光のフレネル反射が3%となる入射角度は68.73度である。
うにしてもよい。ウィンドウ1の[001]または[100]または[010]軸方向の側面に第1の印を付けておき、その印に対して回転させて回転指定方位軸にさらに第2の印をつけて、この第2の印に従って取り付けるようにすると効率が良い。
するために、図8に、2ステージレーザシステムの主として光学系の概略の構成と、その中での本発明による紫外線ガスレーザ用光学素子の配置例を示す。
置に期待されているものである。
段レーザの共振器内に配置した例を示す。図9(a)は、出力側のみにビーム拡大光学系91'を配置した例、図9(b)は、リア側及び出力側にビーム拡大光学系91、91'を配置した例である。
レーザ発振により光が往復するので、ビーム拡大光学系91、91'のCaF2 結晶の表
面を(111)面で研磨し、かつ、[111]軸でCaF2 結晶を回転させることにより、偏光純度の高いレーザの出力光を得ることができる。回転指定方位角度を限定してCaF2 結晶を設置することにより、高強度紫外線レーザ光による結晶内部の劣化を抑制することができる。その結果、出力レーザ光の偏光純度の経時劣化を抑制できる。
して構成した場合の配置例である。2枚目のウェッジ基板93は1枚目のウェッジ基板92に対して上下反転させて「ハ」の字型に配置して、ビーム入射角が同一になるように配置している。このように配置することによって、ビーム拡大光学系91、91'出射後の
レーザ光軸をビーム拡大光学系91、91'入射前のレーザ光軸と平行にする(偏角β=0
°)ことができる。この原理を、図10を用いて説明する。図10は、2枚のウェッジ
基板92、93にレーザ光が入射した場合のレーザ光路を示している。2枚目のウェッジ基板93上のビーム光路の角度は、図示するように、θ5 、θ6 、θ7 、θ8 とし、1個目のウェッジ基板92からの出射光のビーム偏角をβ1 、2個目のウェッジ基板93からの出射光のビーム偏角をβ2 とすると、
β1 =θ1 −θ2 +θ3 −θ4 ・・・(11)
β2 =θ1 −θ5 +θ6 −θ7 +θ8 ・・・(12)
となる。いま、2個目のウェッジ基板93は1個目のウェッジ基板92と形状が同じで、上下反転させて入射角を同じ(θ5 =θ1 )という条件にすると、
θ5 =θ1 ・・・(13)
θ6 =θ2 ・・・(14)
θ7 =θ3 ・・・(15)
θ8 =θ4 ・・・(16)
α1 =α2 ・・・(17)
が成り立つ。これらの(13)〜(17)式を(12)式に代入してやると、
β2 =0 ・・・(18)
となる。
く、増幅段レーザの共振器内や増幅後のビームを広げるためのビームエキスパンダとして使用される。
両軸のなす角の間になるようにウェッジ基板を設置している。
見た図である。CaF2 結晶からなるウィンドウ1は、(111)面に対して、平行な面の第1表面3a及び第2表面3bで研磨されている。例えば、本実施形態では、[001]軸、[110]軸及び[111]軸を含む面内で、入射角度α=55.7°でCaF2 結晶基板に対してレーザビームがウィンドウ1の中央に入射する。すると、第1表面2において、光がスネルの法則にしたがって、屈折角度β=33.4°で屈折する。この時、CaF2 内部の屈折光軸LがCaF2 結晶の[001]軸、[110]軸及び[111]
軸を含む面内で、且つ、[111]軸と[001]軸のなす角度の間(0°<γ<54.7°)を透過するように、CaF2 結晶を配置する。そして、CaF2 結晶内を透過して、第2表面3bで再び、第1表面3aと同様にスネルの法則にしたがって、レーザ光は、[001]軸、[110]軸及び[111]軸を含む面内で、出射角α=55.7°でウィンドウ1から出射する。
きるように、計測用ウィンドウ102は、入射角α=55.7°で設置し、入射するレーザの偏光方向も、実際の装置と合わせて、図13に示すように紙面と平行方向で入射させた。計測用ウィンドウ102を通過したレーザ光は、偏光度計測器103に入れて、その直線偏光純度を計測した。偏光度計測器103では、光路を折り返すことによって、反射するレーザ光の偏光度が変化しない様に、2枚の折り返しウィンドウ104a,104bを使用している。ローションプリズム105を通過し、センサー106で出力を計測する。そして、ローションプリズム105を回転させて出力を計測し、直線偏光純度を計測した。図14に示すように、計測用ウィンドウ102は、(111)面カットのものを使用し、[111]軸を回転中心として、10°間隔で回転させながら、0〜360°の範囲にわたって、その直線偏光純度の変化を計測した。
ら見た図、図17(b)は、第2ウィンドウ23をチャンバ内部の矢印Bから見た図である。
、増幅段レーザの光共振器中に、本発明のようなレーザ光軸と結晶方位の関係となるよう偏光素子を配置してもよい。
2、2’…表面(カット面)
3…レーザ光
4…射出光
10…発振用レーザ
11…レーザチャンバ
12、13…ウィンドウ
14…狭帯域化モジュール
15…出力鏡(部分反射ミラー)
16…ビーム拡大プリズム
17…グレーティング
18、19…ミラー1
20…増幅用レーザ
21…レーザチャンバ
22、23…ウィンドウ
24、25…部分反射ミラー
30…発振段レーザパワーモニタ
31…第1ビームスプリッタ
40…モニターモジュール
41…第2ビームスプリッタ
50…光学パルスストレッチャ
51…第3ビームスプリッタ
91、91'…ビーム拡大光学系
92、93…ウェッジ基板
Claims (4)
- レーザチャンバと、
前記レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された光共振器と、
前記レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、
前記レーザガスを励起する励起部と、
前記光共振器の光軸上に配置されるフッ化カルシウム結晶からなる光学素子と、
を備え、
前記光学素子は、少なくとも入射平面と射出平面のどちらか一方の平面がフッ化カルシウム結晶の(111)結晶面に平行であり、
[111]軸を中心として[001]軸を回転させた軌跡内の第1の方位軸の[001]軸からの回転角度、
[111]軸を中心として[010]軸を回転させた軌跡内の第2の方位軸の[010]軸からの回転角度、
又は、
[111]軸を中心として[100]軸を回転させた軌跡内の第3の方位軸の[100]軸からの回転角度は、
それぞれ34度以上36度以下または−36度以上−34度以下であり、
レーザ光の前記入射平面への入射角度は、24.9°から68.73°の角度範囲内であり、
前記入射平面から入射したレーザ光は、
[111]軸と、前記第1の方位軸との間で、且つ、[111]軸と、前記第1の方位軸とを含む面内、
[111]軸と、前記第2の方位軸との間で、且つ、[111]軸と、前記第2の方位軸とを含む面内、
又は、
[111]軸と、前記第3の方位軸との間で、且つ、[111]軸と、前記第3の方位軸とを含む面内、
において伝播し、
前記射出平面から射出される
ガスレーザ装置。 - 前記光学素子は、レーザチャンバに設けられた2つのウィンドウである
請求項1に記載のガスレーザ装置。 - 前記光学素子は、前記レーザ光を分割するビームスプリッタである
請求項1に記載のガスレーザ装置。 - 前記光学素子は、前記レーザ光を拡大するビーム拡大光学系のウェッジ基板である
請求項1に記載のガスレーザ装置。
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