JPH02271688A - Narrow band laser generator - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、屈折型の光学系を有する縮小投影露光装置の
光源として使用されるエキシマレーザ等のレーザ発生装
置に関し、さらに詳しくは狭帯域化されたレーザ光を発
生するためのレーザ発生装置に関するものである。Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to a laser generator such as an excimer laser used as a light source for a reduction projection exposure apparatus having a refractive optical system, and more specifically to a laser generator such as an excimer laser that The present invention relates to a laser generator for generating a laser beam.
（従来の技術）
高精度の分光測定には充分に単色化されたエネルギ密度
の高いレーザ等の光源を必要とする。また、高集積度の
ＩＣ製作のためには高い解像度を有する光学径を持つ縮
小投影露光装置を必要とする。解像力の改善のためには
、光学系の開口数（Ｎ、 Ａ）を大きくするか、あるい
はその露光波長を短くすることが必要である。一般に、
Ｎ、Ａの増加は光学系の焦点深度を浅くするので露光波
長を短くすることが望ましい。エキシマレーザのうちク
リプトンフッ素の発光（中心波長２４８．４ｎｍ）はこ
の目的にかなったものとしてその光源としの応用が多く
試みられてきている。(Prior Art) Highly accurate spectroscopic measurements require a light source such as a sufficiently monochromatic laser with high energy density. Further, in order to manufacture highly integrated ICs, a reduction projection exposure apparatus having an optical diameter with high resolution is required. In order to improve resolution, it is necessary to increase the numerical aperture (N, A) of the optical system or shorten its exposure wavelength. in general,
Since an increase in N and A makes the depth of focus of the optical system shallow, it is desirable to shorten the exposure wavelength. Among excimer lasers, krypton fluorine light emission (center wavelength: 248.4 nm) has been considered suitable for this purpose, and many attempts have been made to apply it as a light source.
しかしながら、屈折光学系のガラズ材料としてこの領域
で適当な材料は合成石英のみであるので、屈折光学系に
特有の色収差を解消することが困難である。そこで、こ
のような深紫外域の光源としては屈折光学系に色収差を
発生させない程度までにその発光スペクトルを単色化す
ることが必要である。このためには、特定の波長を選別
し、あるいは光源が本来有する波長の中から特定の波長
域のみを光源の波長として取り出しく単色化する）ため
の光学素子を必要とする。However, since synthetic quartz is the only material suitable in this area as a glass material for refractive optical systems, it is difficult to eliminate chromatic aberrations specific to refractive optical systems. Therefore, for such a light source in the deep ultraviolet region, it is necessary to make its emission spectrum monochromatic to the extent that no chromatic aberration occurs in the refractive optical system. For this purpose, an optical element is required to select a specific wavelength or to monochromate a specific wavelength range by extracting only a specific wavelength range from the wavelengths originally included in the light source as the wavelength of the light source.
（発明が解決しようとする課題）
従来、レーザの発振波長の選択およびその狭帯域化のた
めには、プリズム、回折格子、エタロン等が使用されて
いる。しかし、深紫外領域（波長３００ ｎｍ以下）で
は、これらの光学素子は使用上多くの制限が課せられる
。例えば、エタロンを例に上げると、エタロンでは波長
選択のための解像力は次の式（１）で規定されるフィネ
スによって与えられる。(Problems to be Solved by the Invention) Conventionally, prisms, diffraction gratings, etalons, etc. have been used to select the oscillation wavelength of a laser and to narrow the band. However, in the deep ultraviolet region (wavelength of 300 nm or less), many restrictions are imposed on the use of these optical elements. For example, taking an etalon as an example, in the etalon, the resolving power for wavelength selection is given by the finesse defined by the following equation (1).
フィネス＝ＦＳＲ／（ΔＶ １／２）・＝・（１）ここ
で、ＦＳＲ＝λ２／２ｎｄ
λ：透過波長
ｎ；エタロン内の屈折率
ｄ：エタロンを構成するミラーの
間隔
ΔＶｌ／２：エタロンの透過または
反射波長の半値幅
また、フィネスは、
（１）エタロンの反射率による影響
ＦＲ＝πψ？／（１−百丁
（２）平面度（平行度）による影響
ＦＦ＝Ｍ／２
（３）入射ビームの平行度による影響
但し、Ｒ：エタロンを構成するミラーの反゛射率
Ｍ：自然数
で決まり、（３）を除いたエタロン自体の特性によって
定まるフィネスＦは式（２）で与えられる。Finesse=FSR/(ΔV 1/2)・=・(1) Here, FSR=λ2/2nd λ: Transmission wavelength n; Refractive index d within the etalon: Distance between mirrors constituting the etalon ΔVl/2: The half-width of the transmitted or reflected wavelength and the finesse are: (1) Effect of etalon reflectance FR=πψ? /(1-100 (2) Influence due to flatness (parallelism) FF = M/2 (3) Influence due to parallelism of the incident beam. However, R: Reflectance of the mirror constituting the etalon M: A natural number The finesse F, which is determined by the characteristics of the etalon itself except for (3), is given by equation (2).
Ｆ−２＝ＦＲ−”＋ ＦＦ−２−１２）エタロンそれ
自体は効率のよい波長選択素子ではあるが、広い有効径
（エタロンにおいて成る一定のフィネスを保てる範囲）
を維持するためには、その領域全体に渡ってそれを構成
するミラーの平面度および平行度を一定以上に保持する
必要がある。例えば平面度を例に挙げると場合によって
はλ／１００以上にしなければならない場合もある。F-2=FR-"+ FF-2-12) Although the etalon itself is an efficient wavelength selection element, it has a wide effective diameter (the range in which a certain finesse can be maintained in the etalon).
In order to maintain this, it is necessary to maintain the flatness and parallelism of the mirrors constituting it over a certain level over the entire area. For example, in some cases, the flatness must be set to λ/100 or more.
また、エタロンを構成する半透明ミラーのコーティング
の反射損失を極力抑える必要があるが、このことは、得
にエネルギ密度の高いレーザ光やコートの耐久性に問題
の起こりやすい紫外線領域では、高いフィネス（波長選
択性）の実現とその性能維持を困難にしている。In addition, it is necessary to minimize the reflection loss of the coating on the semi-transparent mirrors that make up the etalon. This makes it difficult to achieve (wavelength selectivity) and maintain its performance.
一方、現在市販されているグレーティングのほとんどは
その表面に反射体にアルミニウム等の金属が使用されて
いるので、紫外線領域での波長選択素子としてはその表
面での吸収のためのに損失が大きく回折効率が低くなっ
てしまっている。また、レーザ光のようにパワー密度の
高い光源に対しては、その表面での吸収のためにダメー
ジを受は易いという欠点を有している。On the other hand, most of the gratings currently on the market use metals such as aluminum as reflectors on their surfaces, so they cannot be used as wavelength selection elements in the ultraviolet region due to large losses due to absorption on the surface and diffraction. Efficiency has become low. Furthermore, a light source with high power density such as a laser beam has the disadvantage that it is easily damaged due to absorption on its surface.
さらに、プリズムにあっては、光吸収が少なく形状的に
も安定しているが、その分散特性がグレーティング、エ
タロンに比べて低いので、同じ程度の波長選択特性を得
ようとすると、多数のプリズムを必要とする。この場合
、プリズム相互の位置関係によって選択する波長が決定
されるので、その配置精度を高くする必要があるので実
用的でな（、また大きさの点でも実用的でない。Furthermore, although prisms have low light absorption and are stable in shape, their dispersion characteristics are lower than those of gratings and etalons, so in order to obtain the same wavelength selection characteristics, it is necessary to use a large number of prisms. Requires. In this case, since the wavelength to be selected is determined by the positional relationship between the prisms, it is necessary to increase the precision of the arrangement, which is impractical (and also impractical in terms of size).
本発明の課題は、このような従来技術の欠点を解消して
、各波長領域における光の吸収性を少なくして、回折効
率が高く、高工翠ルギ密度の光にも耐えることができ、
かつ平面度などの形状に波長選択能力が大きく依存する
ことのない光学的分散素子を、レーザ発振器に組み込み
、これによって、効率良く狭帯域化され、しかも波長安
定性の良いレーザ光を発生することの可能となったレー
ザ発生装置を実現することにある。The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art, reduce the absorption of light in each wavelength range, have high diffraction efficiency, and be able to withstand light with high density.
In addition, an optical dispersion element whose wavelength selection ability does not depend greatly on shape such as flatness is incorporated into a laser oscillator, thereby generating laser light with an efficiently narrowed band and excellent wavelength stability. The purpose of this invention is to realize a laser generator that enables the following.
（課題を解決するための手段）
上記の課題を解決するために、本発明のレーザ発生装置
は、レーザ発生手段と、この発生手段から発振されたレ
ーザ光の発振波長のスペクトルを狭帯域化するための光
学的分散素子とを有しており、光学的分散素子は、ガラ
ス材料から形成され、その入射面および反射面の少なく
とも一方の面には、刻線数が少なくとも５００本／ ｍ
ｍの位相型グレーティングが形成されたことを特徴と
している。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the laser generating device of the present invention includes a laser generating means and narrowing the spectrum of the oscillation wavelength of the laser beam oscillated from the generating means. The optical dispersion element is made of a glass material, and at least one of the incident surface and the reflection surface has at least 500 lines/m.
It is characterized by the fact that m phase type gratings are formed.
本発明の構成をエキシマレーザ発振器を例にして説明す
る。第１図ないし第３図には、本発明を適用したエキシ
マレーザ発生装置の例を示しである。これらの図におい
て、１はエキマレーザ発生手段であるレーザ媒体であり
、２は光学的分散素子としての平面板型の位相型グレー
ティングであり、３も同じく光学的分散素子としてのプ
リズム状の位相型グレーティングである。また、４はミ
ラーであり、５は出力ミラーである。第１図の例は位相
型グレーティング２を一個組み込んだ形式のものである
。第２図の例は同一の位相型グレーティング２を二個組
み込んだ形式のものである。The configuration of the present invention will be explained using an excimer laser oscillator as an example. 1 to 3 show examples of excimer laser generators to which the present invention is applied. In these figures, 1 is a laser medium which is an excimer laser generating means, 2 is a flat plate type phase grating as an optical dispersion element, and 3 is a prism type phase grating also as an optical dispersion element. It is. Further, 4 is a mirror, and 5 is an output mirror. The example shown in FIG. 1 is of a type in which one phase type grating 2 is incorporated. The example shown in FIG. 2 is of a type in which two identical phase type gratings 2 are incorporated.
一方、第３図の例はプリズムの特性を備えた位相型グレ
ーティング３を組み込んだ形式ものである。On the other hand, the example shown in FIG. 3 incorporates a phase type grating 3 having prism characteristics.
次に、上記の平面板型の位相型グレーティング２は、第
４図に拡大して示すように、ガラス材料から形成した平
行平面板２１の一方の面に等間隔に位相グレーティング
２２を形成したものである。Next, as shown in an enlarged view in FIG. 4, the above-mentioned flat plate type phase grating 2 has phase gratings 22 formed at equal intervals on one surface of a parallel flat plate 21 made of a glass material. It is.
また、上記のプリズム状の位相型グレーティング３は、
第５図に拡大して示すように、ガラス材料からなるプリ
ズム形状の基盤３１における光射出面に等間隔の位相グ
レーティング３２を形成したものである。位相グレーテ
ィングは、基盤面に直接族してもよく、あるいは基盤上
に基盤とは異なる誘電体物質を蒸着あるいは接着等の技
術によりコーティングした後に施してもよい。なお、間
隔の狭い位相グレーティングを形成する場合には例えば
エツチングプロセスを利用すればよい。Moreover, the above-mentioned prismatic phase grating 3 is
As shown in an enlarged view in FIG. 5, evenly spaced phase gratings 32 are formed on the light exit surface of a prism-shaped base 31 made of glass material. The phase grating may be applied directly to the surface of the substrate, or may be applied after coating the substrate with a dielectric material different from the substrate by techniques such as vapor deposition or adhesion. In addition, when forming phase gratings with narrow intervals, for example, an etching process may be used.
（作用）
このように構成した本発明の装置に組み込まれる光学的
分散素子における入射光に対するエネルギ耐性および透
過特性は、この素子を形成している基盤材料のみで決ま
る。例えば、合成石英で製作した場合には、エネルギ耐
久性がＩＯＪ／ｃｍ”以上となり、透過特性は１６０ｎ
ｍ以下まで使用可能となる。従って、他の不透明体を用
いた透過型グレーティングあるいは金属コートした従来
のグレーティングに比べて有利である。(Function) The energy resistance and transmission characteristics of the optically dispersive element incorporated in the device of the present invention configured as described above for incident light are determined only by the base material forming this element. For example, when manufactured from synthetic quartz, the energy durability is IOJ/cm or more, and the transmission characteristic is 160n
Can be used up to m or less. Therefore, it is advantageous compared to transmission gratings using other opaque materials or conventional gratings coated with metal.
また、本発明の分散素子における分散特性は現在量も多
く使用されている回折格子と全く同一であり、プリズム
やエタロンと比較して安定性もよ（、その分散特性も高
い。Further, the dispersion characteristics of the dispersion element of the present invention are exactly the same as those of the diffraction gratings that are currently widely used, and are more stable (and have higher dispersion characteristics) than prisms and etalons.
平行平面基盤に作られた位相グレーティング（第３図参
照）は、通常のグレーティングに比べてその分散特性は
全く同しであるが、反射型のグレーティングと比べると
、反射面での損失がない。A phase grating made on a parallel plane base (see Figure 3) has exactly the same dispersion characteristics as a normal grating, but compared to a reflective grating, there is no loss at the reflective surface.
また、位相型でな（不透明体による透過型グレーティン
グに比べても不透明部分の損失が無いので効率がよい。In addition, since it is a phase type grating (compared to a transmission type grating made of an opaque body), there is no loss in the opaque portion, so it is more efficient.
次に第６図を参照してプリズム形状の分散素子（第４図
参照）の作用を説明する。この分散素子のプリズム面３
３に入射した光は、まずこのプリズムの材質によって決
まる分散特性により、以下の式（３）および式（４）で
表される分散能および分解能で光が選別される（第７図
参照）。Next, the action of the prism-shaped dispersive element (see FIG. 4) will be explained with reference to FIG. Prism surface 3 of this dispersion element
The light incident on the prism 3 is first sorted by the dispersion power and resolution expressed by the following equations (3) and (4) according to the dispersion characteristics determined by the material of the prism (see FIG. 7).
最小転換角θ、が最小のときは、
川・ｔｒｉ ｌ／Ｉ・１１′１
分散能：ｄθイ、／ｄλ
−−−・・ （ろ）
分解能：Ｒ＝λ／Δλ（第８図参照）
ここに、λ＝λ１＋λ２
Δλ：ハとλ２との距離
また、入射スリットは無限に狭いものとし、Δθｍ＝λ
／Ｘのときに丁度二線（λ１、λ２）が別けられるもの
とする。When the minimum turning angle θ is the minimum, the following equation is obtained: river・tri l/I・11'1 Dispersion power: dθ i,/dλ --- (ro) Resolution: R=λ/Δλ (see Figure 8) Here, λ=λ1+λ2 Δλ: Distance between C and λ2 Also, assuming that the entrance slit is infinitely narrow, Δθm=λ
Assume that the two lines (λ1, λ2) are separated exactly when /X.
−−−−・（４）
さらに、素子の射出面に形成されている位相グレーティ
ングにより規定される分散能および分解能に従って光は
その波長により分解される。----. (4) Furthermore, the light is resolved into its wavelengths according to the dispersion power and resolution defined by the phase grating formed on the exit surface of the element.
このとき、この素子のプリズムとしての役割はその分散
特性により後段のグレーティングの分散を助けるためと
同時に、入射光束を広げることにより光束が逼るグレー
ティングの刻線数を増やし、これによってその解像力を
よくすることにも有効に機能する。At this time, the role of this element as a prism is to use its dispersion characteristics to help the dispersion of the subsequent grating, and at the same time, by widening the incident light flux, it increases the number of grating lines where the light flux is concentrated, thereby improving its resolution. It also works effectively.
この素子は、通常の反射型グレーティングやエタロンの
コートによる吸収は無く高効率であり、またその解像力
はグレーティングと同等の性能が期待できるので、特に
高出力レーザや紫外域での波長選択に有効である。This element has high efficiency without absorption caused by ordinary reflective gratings or etalon coatings, and its resolution can be expected to be equivalent to that of gratings, making it particularly effective for high-power lasers and wavelength selection in the ultraviolet region. be.
（実施例）
第３図に示す形式のエキシマレーザ発生装置を製作した
。使用した光学的分散素子としてのプリズム状の位相型
グレーティング３は石英を材質として基盤を製作した。(Example) An excimer laser generator of the type shown in FIG. 3 was manufactured. The base of the prismatic phase grating 3 used as an optical dispersion element was made of quartz.
このプリズムにに、入射角７０度で入射した光束Ｂｍｍ
の光線は、その光束を約２．３倍に拡大されて射出面の
位相グレーテイング面で回折される。この時の分解能は
その刻線数を２５００本／ ｍ ｍ、２０００本／ ｍ
ｍ、および１６６６本／ ｍ ｍとするとき、それぞ
れ５゜５Ｘ１０−”、６．９Ｘ１０−”、８，３Ｘ１０
−”μｍとなり、これらの分解能で選択された狭いスペ
クトルのレーザ光は、レーザ共振器内で選択的に強度を
増して単色化されたレーザ光となって、出力ミラーから
射出することが確認された。このときのレーザ光の中心
波長は下記の式に従って変化する。The luminous flux Bmm incident on this prism at an incident angle of 70 degrees
The light beam is magnified approximately 2.3 times and diffracted by the phase grating surface of the exit surface. The resolution at this time is 2500 lines/mm, 2000 lines/m
m, and 1666 pieces/mm, respectively, 5゜5X10-", 6.9X10-", 8,3X10
-" μm, and it was confirmed that the narrow spectrum laser light selected with these resolutions selectively increases the intensity within the laser resonator, becomes a monochromatic laser light, and is emitted from the output mirror. The center wavelength of the laser beam at this time changes according to the following formula.
λ＝ＰＸｓｉｎθ／ｍ
Ｐ：格子間隔
ｍ：回折の次数
０２回折角
（発明の効果）
以上説明したように、本発明のレーザ発生装置において
は、そこに組み込まれた光学的分散素子が、エタロンの
ように高い面精度、平行度を必要とせず、またコートの
吸収に起因して単色化の機能が劣化することもない。ま
た、通常のグレーティングのように金属による反射も行
わないので、紫外域でもその吸収による効率の低下は起
こらない。しかも、その回折効率は通常のグレーティン
グと全く同等の高い回折効率を有している。従って、本
発明のレーザ発生装置によれば、従来の装置に比べて、
狭帯域化の性能が同等以上であると共に、構成が簡単で
あり、廉価であり、しかも長間に渡ってその性能が安定
しているので、分光あるいは縮小投影光学系に最適であ
る。λ= P High surface precision and parallelism are not required, and the monochromatic function does not deteriorate due to absorption of the coating. Furthermore, unlike ordinary gratings, there is no reflection by metal, so there is no reduction in efficiency due to absorption even in the ultraviolet region. Furthermore, it has a high diffraction efficiency that is exactly equivalent to that of a normal grating. Therefore, according to the laser generating device of the present invention, compared to the conventional device,
It has the same or better narrowband performance, is simple in construction, inexpensive, and has stable performance over a long period of time, making it ideal for spectroscopy or reduction projection optical systems.
第１図ないし第３図はそれぞれ本発明の一実施例である
エキシマレーザ発生装置を示す概略構成図、第４図は分
散素子の一例を示す斜視図、第５図は分散素子の別の例
を示す斜視図、第６図は第５図の分散素子における作用
を示す図、第７図は第５図の素子の分散能を説明するた
めの図、第８図は第５図の素子の分解能を説明するため
の■である。
符号の説明
１− レーザ媒体
２・−・平行平板型グレーティング
３−プリズム状グレーティング
４．５・−ミラー1 to 3 are schematic configuration diagrams showing an excimer laser generator according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a perspective view showing an example of a dispersion element, and FIG. 5 is another example of a dispersion element. FIG. 6 is a diagram showing the action of the dispersive element in FIG. 5, FIG. 7 is a diagram for explaining the dispersion power of the element in FIG. 5, and FIG. ■ is used to explain resolution. Explanation of symbols 1 - Laser medium 2 - Parallel plate grating 3 - Prism grating 4.5 - Mirror
Claims (1)
ザ光の発振波長のスペクトルを狭帯域化するための光学
的分散素子とを有し、この光学的分散素子は、ガラス材
料からなっており、その入射面および反射面の少なくと
も一方の面には、所定の密度で位相型グレーティングが
形成されていることを特徴とする狭帯域レーザ発生装置
。It has a laser oscillation means and an optical dispersion element for narrowing the spectrum of the oscillation wavelength of the laser beam oscillated from the oscillation means, and the optical dispersion element is made of a glass material. 1. A narrowband laser generator, characterized in that a phase grating is formed at a predetermined density on at least one of an incident surface and a reflective surface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9375089A JPH02271688A (en) | 1989-04-13 | 1989-04-13 | Narrow band laser generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9375089A JPH02271688A (en) | 1989-04-13 | 1989-04-13 | Narrow band laser generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02271688A true JPH02271688A (en) | 1990-11-06 |
Family
ID=14091103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9375089A Pending JPH02271688A (en) | 1989-04-13 | 1989-04-13 | Narrow band laser generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02271688A (en) |
-
1989
- 1989-04-13 JP JP9375089A patent/JPH02271688A/en active Pending
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