JPH0797680B2

JPH0797680B2 - 狭帯域化レーザ装置

Info

Publication number: JPH0797680B2
Application number: JP1286840A
Authority: JP
Inventors: 伸昭古谷; 拓弘小野; 直也堀内; 圭一郎山中; 威男宮田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPH0387084A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は半導体集積回路の超微細加工時に用いられる露
光用光源である狭帯域化レーザ装置に関するものであ
る。

従来の技術従来より、半導体集積回路の微細パターンの露光用光源
としてエキシマレーザが注目されている。エキシマレー
ザはレーザ媒質としてクリプトン、キセノン等の希ガス
とふっ素、塩素等のハロゲンガスを組み合わせることに
より353nmから193nmの間のいくつかの波長でパターン露
光に十分な出力を有する発振線を得ることができる。

これらエキシマレーザの利得バンド幅は約1nmと広く、
光共振器と組み合わせて発振させた場合、発振線が0.5n
m程度の帯域幅（半値全幅）を持つ。このように比較的
広い帯域幅を持つレーザ光を露光用光源として用いた場
合、露光光学系に色収差を補正した結像光学系を採用す
る必要がある。ところが、波長が350nm以下の紫外域で
は、結像光学系に用いるレンズの光学材料の選択の幅が
得られ、色収差の補正が困難となる。エキシマレーザを
露光装置に用いる場合、レーザ発振線の帯域幅を0.005n
m程度にまで単色化できれば色収差補正をしない結像光
学系が利用可能となり、露光装置の光学系の簡略化さら
には露光装置全体の小型化、価格の低減を実現できる。

広い帯域幅を持つレーザ光を単色化するには、狭い透過
帯域を持つ波長選択フィルターを通せば良い。しかしこ
の方法ではレーザ出力が著しく減衰し、露光用光源とし
て実用に供することができない。そこで、波長選択素子
を共振器内に設置し出力を減衰させることなく単色化す
る方法が一般に採用されている。この一例として、例え
ば特開昭63−160287号公報記載の構成が知られている。

以下、簡単にその構成を説明すると、第７図にその構成
を示すように、全反射鏡102、および半透過鏡103からな
る光共振器内に放電管101が置かれ、放電管101には希ガ
スとハロゲンガスを含む媒質ガスが封入されており、放
電励起によってレーザ発振する。光共振器中には波長選
択素子であるファブリペローエタロン104が設置されて
いる。このような構成のエキシマレーザ装置では、ファ
ブリペローエタロン104で選択された特定の波長の光10
6、107、108、109だけが増幅、発振するので、非常に狭
い帯域幅でかつ高い出力の出力光105を得ることができ
る。

発明が解決しようとする課題しかし、従来の狭帯域化レーザ装置では、光共振器内に
定在する高いエネルギーの光が波長選択素子を通過する
ため、波長選択素子の変形や劣化を招き選択波長の変動
や、出力の低下が発生し、その結果、露光装置の光源と
して用いた場合、製品に不良を生じるなどの課題があっ
た。本発明はこのような課題を解決するためなされたも
ので、波長選択素子の変形、劣化による波長変動や出力
の低下がない狭帯域化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上記目的を達成するため、本発明は、第１及び第２の反
射器を含む光共振手段と、前記光共振手段の共振光路中
に設けられたレーザ媒質部分と、前記レーザ媒質部分を
励起し前記共振光路の方向に光を発生するための励起手
段と、前記共振光路中に設けられて前記光の所定波長成
分の光を選択する波長選択手段と、前記共振光路中に設
けられて前記光の偏光状態を変換する偏光変換手段と、
前記共振光路中に設けられて前記光の第１の偏光成分と
前記光の第２の偏光成分とを分離する偏光分離手段とを
有し、前記波長選択手段は、前記共振光路中であって前
記レーザ媒質と前記偏光分離手段との間以外に設けら
れ、かつ前記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分の
一方の所定波長成分光を選択し、前記波長選択手段で選
択された所定波長成分光は、前記偏光変換手段により前
記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分の他方の偏光
状態を有する偏光成分に変換された後、前記偏光分離手
段によって分離され、波長が狭帯域化されたレーザ出力
光として出射される狭帯域化レーザ装置作用本発明の上記構成により、レーザ媒質から発した光は光
共振器で発振され、その光の一方の偏光成分の光が、レ
ーザ媒質と偏光分離手段との間以外の光共振光路におか
れた波長選択手段によって狭帯域化された後で、偏光変
換手段によって他方の偏光成分を有する光に変換され
て、偏光分離手段から増幅された狭帯域出力光として出
射される。そのため、波長選択素子を通過する光エネル
ギーはレーザ媒質の増幅率で出力光を割算した程度に低
下するので、波長選択素子の変形、劣化は著しく低減す
るものである。

実施例以下、第１図を参照しながら本発明の第１実施例につい
て説明する。

第１図は本発明の狭帯域化レーザ装置の構成図である。
第１図において、希ガスとハロゲンの混合気体をレーザ
媒質とする放電管１と全反射鏡２、３からなる光共振器
により、紫外域でレーザ発振する。光共振器の作る共振
器光路中には1/4波長位相器４と偏光分離器５が置か
れ、放電管１のレーザ媒質で増幅された出力光８は偏光
分離器５を通り、出力光７となって出力される。

上記の出力光7,8が通る出力光路以外の共振器光路中に
波長選択素子であるファブリペローエタロン６が置か
れ、特定の狭い帯域の波長だけが選択的に光共振器で発
振することにより、特定の狭い波長の光だけがレーザ発
振する。

以上のような第１図の構成において、以下その動作につ
き説明する。

放電管１のレーザ媒質で増幅された光８は偏光の成分に
より偏光分離器５で伝播方向が分かれ、一方の偏光成分
が出力光７となって出力される。他の一方の偏光成分の
光は偏光分離器５を通過し、光９となってファブリペロ
ーエタン６と全反射鏡２で波長が選択されて反射光10と
なり再び偏光分離器５を通過し、レーザ媒質で増幅され
た光11となって1/4波長位相器４に入る。1/4波長位相器
４と全反射鏡３で光11は1/4波長位相器４を２度通過し
て反射光12となるが、２度の通過で1/2波長位相器の通
過と同等になり、一方向に変更している光11は両方の変
光成分を含む反射光12となる。一般に1/4波長位相器４
を光の通過する軸を中心に回転させる事で反射鏡12の両
方の偏光成分強度比率を任意に設定する事が可能であ
る。次に、放電管１のレーザ媒質により反射光12は増幅
され、出力光８となって偏光分離器５により一方の偏光
成分は出力光７となって出力される。また他の一方の偏
光成分は通過して光９となり発振を継続する。ここで、
1/4波長位相器４は回転して偏光成分比率を変える事
で、出力光７と通過光９の割合を任意に変化させて出力
光のレーザ発振結合率が変えられる。この様な構成にす
る事により、ファプリペローエタロン６に入る発振を継
続する光９に比較して、偏光成分を1/4波長位相器４で
変換された光はレーザ媒質で増幅された後に、偏光分離
器５を通り出力光７となるため、レーザ媒質の増幅率程
度、光９に比較して大きく、相対的に波長選択素子であ
るファブリペローエタロン６の変形、劣化が著しく低減
することとなる。

以上、本発明の構成では大幅に波長選択素子の光負荷を
低減させる事ができる事は明確であるが、さらに定量的
に数式を用いて説明する。

第１図におい偏光分離器５が例えばＰ偏波を通過させＳ
偏波を反射して、偏光分離するとして、光８のＰ波成分
強度をI_8p,S波成分強度をI_8sとする。出力光７はＳ波成
分だけで強度をI_7sとし、光9,光10,光11はＰ波成分だけ
で強度をI_9p,I_10p,I_11pとする。光12は1/4波長位相器で
SP波が混るため両方の成分強度をそれぞれI_12s,I_12pと
する。全反射鏡は100％の反射率とし、ファブリペロー
エタロン６は損失をA_Eとして、（１−A_E）を透過率とす
る。また、放電管より光が出る部分は通常、窓があるた
め、この部分でも光損失を生ずるので、その損失をＡと
する。すなわち、（１−Ａ）が窓部分の透過率とする。
また、1/4波長位相器でＰ波の光11が反射光12となった
時Ｐ波で入った光がＰ波で反射光12となる比率をR_ppと
し、Ｓ波に変換される比率を残りの（１−R_pp）とす
る。レーザ媒質の微小光での単位長当りの増幅率をg₀と
し、放電管の長さをＬとする。

ここで、エキシマレーザの様な高い増幅率のレーザを解
析する時によく適合するとされる解析方法として、リグ
ロッドによるサチュレーション・エフェクトイン・ハイ
ゲイン・レーザ，ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス，第36巻,No 8,2487〜2490頁,1965年，（W.W.R
IGROD,“Saturation Effects in High−Gain Lasers",J
ournal of Applied Physics,Vol.36,No 8,P2487〜P249
0,August 1965）に記載された方法がある。

次に、上記文献中の式を引用して解析を説明する。上記
文献のレーザ解析式より本実施例に適合すると、次式が
得られる。

ここで、β₂,γ₁,γ_２は文献中に表わされた値で、本実
施例では次の式で与えられる。ただし、I_sを飽和光強度
とする。

β_２＝（I_8p＋I_8s）／｛（１−Ａ）I_S｝ ……（２） γ_１＝（１−Ａ）^２（I_12p＋I_12s）/I_11p ……（３） γ_２＝（１−Ａ）²I_10p/（I_8p＋I_8s） ……（４）次に、Ｓ偏光とＰ偏光の増幅率は等しいので、I_12pとI
_12sの比率はI_8pとI_8sの比率に等しい。

I_12p/I_12s＝I_8p/I_8s ……（５）また、比率R_ppとエタロン損失A_Eを考慮すると（６），
（７）式が得られる。

I_12p＝R_ppI_11p,I_12s＝（１−R_pp）I_11p ……（６） I_10p＝（１−A_E）²I_9p＝（１−A_E）²I_8p ……（７）出力光I_outはI_7sでありエタロン負荷光I_EはI_9pであるか
ら（８）式が成立する。

I_out＝I_7s＝I_8s,I_E＝I_9p＝I_8p ……（８）上記の（１）〜（８）式より出力光強度I_outおよびエタ
ロン負荷光強度I_Eを求めると（９），（10）式が求ま
る。

第２図に（９），（10）式の計算結果を具体的に示す。
R_ppを横軸に飽和光強度I_sで規格化した出力光強度I_out/
I_sとエタロン負荷光強度I_E/I_Sを計算した結果である。

次に、比較のため第７図で示した従来の構成について同
様の式を作って検討する。半透過鏡103の反射率をＲと
し、他は第１図の実施例と同一条件とすると、前記した
方法により、以下の式が求められる。ただし、第７図で
示した従来の構成では偏光はしていないので、各部の光
の強度は光105,106,107,108,109に対抗してI₁₀₅,I₁₀₆,I
₁₀₇,I₁₀₈とし、エタロンの光損失をA_Eとし、窓の損失を
Ａとする異は実施例と同様である。

β_２＝I₁₀₆/｛（１−Ａ）I_S｝ ……（11） γ_１＝（１−Ａ）²I₁₀₉/I₁₀₈ ……（12） γ_２＝（１−Ａ）²I₁₀₇/I₁₀₆ ……（13） I₁₀₇＝RI₁₀₆ ……（14） I₁₀₉＝（１−A_E）₂I₁₀₈ ……（15） I_out＝I₁₀₅＝（１−Ｒ）₁₀₆ ……（16）これらの（１）′及び（11）〜（16）式より出力I_outを
求めると（17）式が得られる。

次にエタロンの負荷光強度は、前記文献より次の様に求
めることができる。

次に、エタロン負荷光強度I_Eとβ_４の関係は（19）式と
なる。

I_E＝I₁₀₈＝（１−Ａ）β₄I_S ……（19）（11）〜（19）式より、I_Eが（20）式と求まる。

第８図に（17），（20）式の計算結果を具体的に示す。
Ｒを横軸に飽和光強度I_Sで規格化した出力光強度I_out/I
_Sとエタロン負荷光強度I_E/I_Sの計算した結果である。

ここで、第２図の本発明の実施例と第８図の従来例とを
比較すると、明白に同一I_outでのI_Eが本発明の実施例の
方が小さな値が得られる。すなわち、第２図でI_out/I_S
＝0.3の時I_E/I_S＝0.012であるのに対して、第８図にお
いてはI_E/I_S＝0.41と30倍以上の差があり、大幅なファ
ブリペローエタロンの入射光強度の低減がなされてい
る。また注目すべき特徴として、従来例の第８図ではＲ
の値が0.15で出力の最大値I_out/I_s＝0.31となり、低い
出力しか得られないが、本発明の実施例ではR_pp＝0.25
で最大値I_out/I_s＝0.70が得られ、出力においても２倍
以上の高出力となり、レーザ装置としての効率もすぐれ
ている事を示している。

第３図は本発明の構成における実際の実験結果で、KrF
エキシマレーザの実測値である。使用ガスとしてF₂を0.
22％,Krを4.4％，残りがHeガス，全圧1800mbで印加電圧
28KVの条件で放電させて、パルスレーザ発振させた時の
１パルス当りの出力強度I_outとエタロン負荷I_Eのグラフ
である。

また第９図は同じ条件での従来構成（第７図）における
出力強度I_outとエタロン負荷I_Eの実測値である。

いずれの結果も、ほぼ論理値と傾向が一致し、本発明の
構成が出力が２倍以上であり、エタロン負荷も大幅に少
し圧倒的に性能が良い事が示されている。

以上述べた様に本発明においては、波長選択素子を通過
する光エネルギーを大幅に低減すると共に効率でも優れ
た特性を示す狭帯域化レーザ装置が得られる。

以上、実施例では波長選択素子としてファブリペローエ
タロンを用いて説明を行なったが、他の波長選択素子を
用いても本発明を適用できる。これらの構成につき説明
する。

まず、第４図を参照しながら本発明の第２実施例につい
て説明する。第４図において、20はグレーティングであ
り、他の部分は第１実施例と同様である。波長選択素子
として光反射によって波長選択されるグレーティング20
を全反射鏡2,3の作る共振器光路中に設置し、グレーテ
ィング20の回折光によって共振器光路を形成する。他の
部分の機能は第１実施例と同様なため省略する。

次に、第５図を参照しながら本発明の第３実施例につい
て説明する。第５図において、30はプリズムであり他の
部分は第１実施例と同様である。波長選択素子として光
屈折によって波長選択されるプリズム30を全反射鏡2,3
の作る共振器光路中に設置し、プリズム30の屈折光によ
って共振器光路を形成する。他の部分の機能は第１実施
例と同様なため省略する。

以上、波長選択素子として、ファプリペローエタロン、
グレーティング、及びプリズムを用いた構成につき説明
したが、ファブリペローエタロンを用いる時は、この光
学素子は２枚の反射面を対向させ、その間の干渉効果に
よって波長を選択しているため対向した反射面の間には
多重反射によって高いエネルギーが閉じ込められた反射
面が損傷しやすいと推定できる。それに比べて、第2,第
３実施例で説明したグレーティング、もしくはプリズム
を用いる方法によれば、光反射、もしくは光屈折によっ
て波長選択がなされるため、波長選択素子の損傷は、前
記したファブリペローエタロンを用いた時に比べて、そ
のしきい値は数倍、高くなり20W以上のレーザ出力を得
ることが可能になる。

次に、第６図を参照しながら本発明の第４実施例を説明
する。第６図Ａは狭帯域化エキシマレーザ装置の構成図
である。第６図Ａにおいて、希ガスとハロゲン混合気体
をレーザ媒質とする放電管１と、全反射鏡2,3からなる
光共振器により紫外域でレーザ発振する。光共振器の作
る共振器光路中にはフェーズリターダーミラー40と偏光
分離器５が置かれ、放電管１のレーザ媒質で増幅された
出力光７は偏向分離器７を通り出力光７となって出力さ
れる。上記の出力光７が通る出力光路以外の共振器光路
中に波長選択素子であるファブリペローエタロン６が置
かれ、特定の狭い帯域の波長だけが選択的に光共振器で
発振することによって特定の狭い波長の光だけがレーザ
発振する。第４実施例においては第１実施例で用いた1/
4波長位相器のかわりにフェーズリターダーミラーを用
いたものであり、この部分につき詳細に説明し、他の部
分は第１実施例と同様であるため省略する。

フェーズリターダーミラー40は反射鏡の表面に誘電体薄
膜層を設けたもので斜入射光線の反射光のＳ偏波とＰ偏
波の位相に90゜の差をもたせたもので1/4波長位相器と
して動作し、全反射鏡2,3の作る共振器光路中に設置さ
れ、偏波面の変換を行なう。偏波面分離器５の分離する
偏波面の方向とフェーズリターダーミラー40と全反射鏡
３の作る方向との角度差θ（第６図Ｂ参照）により、前
述の比率R_ppが異り、出力光の結合率が変えられる。フ
ェーズリターダーミラーは大口径が容易に作れ、レーザ
パワーにも強く、不用な多重反射光が少いなど、露光用
光源に使用する狭帯域化レーザ用に適した1/4波長位相
器である。尚、波長選択素子は前記した第2,及び第３実
施例で説明したグレーティング、もしくはプリズムを用
いても良い。

以上、本発明につき実施例を用いて説明したが上記実施
例の1/4波長位相器は他にフレネルの菱形プリズム、３
回全反射超色消1/4波長板等色々あるが、露光用の大口
径ビームを得るには水晶板を使用したフォーストオーダ
ー又はマルチプルオーダーの1/4波長板が良く、1/4波長
位相器は正確に1/4波長の位相器でなくとも偏光の成分
比率を変えることが可能であるものであれば良い。

また、上記実施例の偏光分離器は、多層膜キューブ偏光
器や、プリュースター角度の透明板、ウォラストンプリ
ズム等色々あるが、露光用の大口径ビームを得るには誘
電体多層膜蒸着の偏光分離鏡が良好である。

また、上記実施例では波長選択素子を偏光分離器と全反
射鏡の間に設けたが、この場所以外でも最も強い光であ
る出力光が通るレーザ媒体から偏光分離器に到る出力光
路以外の共振器光路中であれば光強度は弱く波長選択素
子を設けられる。

また、上記実施例では1/4波長位相器と偏光分離器はレ
ーザ媒質の反対側の共振器光路中に設けたが、同一側で
共振器光路中であれば設置可能である。

また、上記実施例で用いた波長選択素子はファブリペロ
ーエタロン、グレーティング、プリズム等を複数個使用
してもよいし、また組合せても良い。また、波長選択素
子と全反射鏡を一体化した素子、例えばグレーティング
でエシェレ格子やエシェロン格子により直接グレーティ
ングの反射光の波長選択性を使用したり、プリズムの片
面を全反射鏡化して用いても良いし、1/4波長位相器と
全反射鏡を一体化し、水晶位相板の片面を全反射鏡化、
すなわち、前記波長選択素子，全反射鏡,1/4波長位相
器，偏光分離器等はこれらの機能を複合化した素子を使
用して素子数を減しても良い。

また、上記実施例で用いたフェーズリターダーミラーは
類似の反斜面がフェーズリタード機能を有するフェーズ
リターダープリズムであっても良い。

また、上記実施例で用いた全反射鏡は100％の反射率で
ある必要はなく、共振器を構成する反射率であれば良
い。

発明の効果以上説明したように、本発明は共振器内に波長選択素
子、1/4波長位相器、偏光分離器を設け、狭帯域に発振
した弱い発振光を1/4波長位相器で偏光を変換し、レー
ザ媒質で増幅して偏光分離器より増幅された狭帯域化レ
ーザ光として出力することにより、波長選択素子を通過
する光エネルギーを小さくすることによって、選択波長
の変動や、出力の低下がなく、露光用光源に最適な狭帯
域化レーザ装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における狭帯域レーザ装置
の構成図、第２図は同第１実施例の偏光比率R_ppに対す
る出力光強度I_out及びファブリペローエタロン入射光強
度I_Eの計算結果を示す特性図、第３図は同第１実施例に
おける実際に測定したR_ppに対するI_out、及びI_Eの関係
を示す特性図、第４図は本発明の第２実施例における狭
帯域レーザ装置の構成図、第５図は本発明の第３実施例
における狭帯域レーザ装置の構成図、第６図は本発明の
第４実施例における狭帯域レーザ装置の構成図、第７図
は従来の狭帯域レーザ装置の構成図、第８図は従来の狭
帯域レーザ装置における半透過鏡反射率Ｒに対するI_out
とI_Eの計算結果を示す特性図、第９図は従来の狭帯域レ
ーザ装置における実際に測定したＲに対するI_out、及び
I_Eの関係を示す特性図である。 1,101……放電管、2,3,102……全反射鏡、４……1/4波
長位相器、５……偏光分離器、6,20,30……波長選択素
子、7,105……出力光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山中圭一郎神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者宮田威男神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (56)参考文献特開昭62−293791（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−27773（ＪＰ，Ａ) 特公昭57−40671（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２の反射器を含む光共振手段
と、前記光共振手段の共振光路中に設けられたレーザ媒
質部分と、前記レーザ媒質部分を励起し前記共振光路の
方向に光を発生するための励起手段と、前記共振光路中
に設けられて前記光の所定波長成分の光を選択する波長
選択手段と、前記共振光路中に設けられて前記光の偏光
状態を変換する偏光変換手段と、前記共振光路中に設け
られて前記光の第１の偏光成分と前記光の第２の偏光成
分とを分離する偏光分離手段とを有し、前記波長選択手
段は、前記共振光路中であって前記レーザ媒質と前記偏
光分離手段との間以外に設けられ、かつ前記第１の偏光
成分及び前記第２の偏光成分の一方の所定波長成分光を
選択し、前記波長選択手段で選択された所定波長成分光
は、前記偏光変換手段により前記第１の偏光成分及び前
記第２の偏光成分の他方の偏光状態を有する偏光成分に
変換された後、前記偏光分離手段によって分離され、波
長が狭帯域化されたレーザ出力光として出射される狭帯
域化レーザ装置。
【請求項２】第１及び第２の反射器、波長選択手段、偏
光変換手段、及び偏光分離手段の機能の少なくとも一部
は互いに複合化されている請求項１記載の狭帯域化レー
ザ装置。
【請求項３】波長選択手段は、少なくとも１つのファブ
リペローエタロン、グレーティング、又はプリズムであ
る請求項１又は２記載の狭帯域化レーザ装置。
【請求項４】偏光変換手段は、波長板、フェーズリター
ダーミラー、又はフェーズリターダープリズムである請
求項１から３のいずれか記載の狭帯域化レーザ装置。
【請求項５】偏光分離手段は、偏光分離鏡である請求項
１から４のいずれか記載の狭帯域化レーザ装置。
【請求項６】レーザ媒質が、希ガスとハロゲンガスの組
合せにより得られたエキシマを用いる請求項１から５の
いずれか記載の狭帯域化レーザ装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれか記載の狭帯域化
レーザ装置を露光用光源に用いた露光用光源装置。