激光装置和窄带化光学系统的制作方法

本公开涉及激光装置和窄带化光学系统。

背景技术：

随着半导体集成电路的微细化、高集成化，在半导体曝光装置中提出了分辨率的提高这一要求。半导体曝光装置在下文中简称为“曝光装置”。因此，从曝光用光源输出的光的短波长化被推进。曝光用光源使用气体激光装置来代替以往的水银灯。当前，作为曝光用的气体激光装置，使用输出波长248nm的紫外线的krf准分子激光装置以及输出波长193nm的紫外线的arf准分子激光装置。

作为当前的曝光技术，将曝光装置侧的投影透镜与晶片之间的间隙用液体充满，通过改变该间隙的折射率，从而使曝光用光源的表观波长短波长化的浸液曝光被实用化。在将arf准分子激光装置用作曝光用光源进行了浸液曝光的情况下，晶片上被照射在水中的波长134nm的紫外光。该技术称为arf浸液曝光。arf浸液曝光也被称为arf浸液光刻。

krf、arf准分子激光装置的自然振荡中的频谱线宽是大约宽达350～400pm，因此，会产生被曝光装置侧的投影透镜缩小投影到晶片上的激光(紫外线光)的色像差，因而分辨率降低。因此，需要使从气体激光装置输出的激光的频谱线宽窄带化至能够忽略色像差的程度。频谱线宽也被称为频谱宽度。因此，在气体激光装置的激光谐振器内设置有具有窄带化元件的窄带化模块(linenarrowmodule，窄线模块)，通过该窄带化模块来实现频谱宽度的窄带化。另外，窄带化元件可以是光谱干涉仪或光栅等。将这样频谱宽度被窄带化后的激光装置称为窄带化激光装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11－330592号公报

专利文献2：日本特开平03－139893号公报

专利文献3：美国专利第7653112号说明书

专利文献4：美国专利第7277466号说明书

专利文献5：美国专利申请公开第2001/0014110号说明书

专利文献6：日本特开平05－152666号公报

专利文献7：日本特开2004－140265号公报

专利文献8：日本特开2006－165484号公报

专利文献9：日本特开平03－250777号公报

技术实现要素：

本公开的一个观点的激光装置具有：腔室，其内部配置有一对放电电极；光栅，其被配置在腔室之外；第1扩束光学系统，其被配置在腔室与光栅之间，以使从腔室输出的光束至少在第1方向上扩展，第1方向与一对放电电极之间的放电方向垂直；以及第2扩束光学系统，其包含配置在腔室与光栅之间的多个棱镜，以使从腔室输出的光束至少在第2方向上扩展，第2方向与一对放电电极之间的放电方向平行。

本公开的另一观点的窄带化光学系统是与内部配置有一对放电电极的腔室一并使用的窄带化光学系统，其具有：光栅，其被配置在腔室之外；第1扩束光学系统，其被配置在腔室与光栅之间，以使从腔室输出的光束至少在第1方向上扩展，第1方向与一对放电电极之间的放电方向垂直；以及第2扩束光学系统，其包含配置在腔室与光栅之间的多个棱镜，以使从腔室输出的光束至少在第2方向上扩展，第2方向与一对放电电极之间的放电方向平行。

附图说明

将本公开的若干实施方式作为单纯的例子，参照附图如下进行说明。

图1a示意性地示出比较例的激光装置的结构。

图1b示意性地示出上述比较例的激光装置的结构。

图2a示意性地示出第1实施方式的激光装置的结构。

图2b示意性地示出第1实施方式的激光装置的结构。

图3a示出在第1实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图3b示出在第1实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图4a示出在第2实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图4b示出在第2实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图5a示出在第3实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图5b示出在第3实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。

图6a示意性地示出第4实施方式的激光装置的结构。

图6b示意性地示出第4实施方式的激光装置的结构。

图7a示意性地示出第5实施方式的激光装置的结构。

图7b示意性地示出第5实施方式的激光装置的结构。

图8a示出在第4或第5实施方式中使用的包含支撑部的第2扩束光学系统的例子。

图8b是图8a的分解立体图。

具体实施方式

＜内容＞

1.概要

2.具有窄带化模块的激光装置

2.1结构

2.1.1激光腔室

2.1.2窄带化模块

2.1.3输出耦合镜

2.2动作

2.3课题

3.具有使光束与放电方向大致平行地扩展的第2扩束光学系统的激光装置

3.1结构

3.2作用

4.第2扩束光学系统的变形

4.1圆柱形凹透镜和圆柱形凸透镜的组合

4.2棱镜

4.3球面凹透镜和球面凸透镜的组合

5.第2扩束光学系统的支撑结构

5.1第1例

5.2第2例

5.3支撑部的结构

6.其它

以下，对本公开的实施方式参照附图进行详细的说明。以下说明的实施方式示出了本公开的若干例子，并不用于限定本公开的内容。此外，各实施方式中所说明的结构以及动作的全部都并非是作为本公开的结构以及动作所必需的。另外，针对相同的结构要素标记相同的参照标号，省略重复的说明。

1.概要

激光装置具有腔室和窄带化模块。在腔室的内部配置有一对放电电极。窄带化模块被配置在腔室之外。窄带化模块具有光栅和构成第1扩束光学系统的多个棱镜。多个棱镜被配置在腔室与光栅之间。多个棱镜使从腔室输出的光束在与一对放电电极之间的放电方向垂直的第1方向上扩展，然后入射到光栅中。

在本公开的一个观点中，在腔室与光栅之间设置包含多个棱镜的第2扩束光学系统。该第2扩束光学系统使从腔室输出的光束在与一对放电电极之间的放电方向平行的第2方向上扩展。

另外，本申请中的“垂直”、“平行”等用语并非是对角度等数值进行严格规定的词语，是包含在实用范围内的误差的意思。

2.具有窄带化模块的激光装置

2.1结构

图1a和图1b示意性地示出比较例的激光装置的结构。图1a和图1b所示的激光装置包含激光腔室10、一对放电电极11a和11b、窄带化模块14以及输出耦合镜15。窄带化模块14和输出耦合镜15构成光谐振器。激光腔室10配置在光谐振器的光路上。激光装置是激光振荡并输出入射到未图示的扩展器中的种子光的主振荡器。

在图1a中，示出了从与一对放电电极11a和11b之间的放电方向大致平行的方向观察的激光装置的内部结构。在图1b中，示出了从与一对放电电极11a和11b之间的放电方向大致垂直并且与从输出耦合镜15输出的激光的行进方向大致垂直的方向观察的激光装置的内部结构。从输出耦合镜15输出的激光的行进方向是z方向。一对放电电极11a和11b之间的放电方向是v方向或－v方向。与这两者垂直的方向是h方向。－v方向与重力方向大致一致。

2.1.1激光腔室

激光腔室10是密封有作为激光介质的激光气体的腔室，该激光气体例如作为稀有气体而包含氩气或氪气、作为卤素气体而包含氟气、作为缓冲气体而包含氖气等。在激光腔室10的两端设置有窗口10a和10b。

激光腔室10被保持器20支撑。激光腔室10和保持器20被配置在板件20a与板件20b之间。在板件20a上固定有3根殷瓦合金杆20c各自的一端，在板件20b上固定有这些殷瓦合金杆20c各自的另一端。通过这些殷瓦合金杆20c，板件20a与板件20b之间的间隔被确定。板件20a可以相当于本公开中的第1板件，板件20b可以相当于本公开中的第2板件。保持器20和板件20b被固定在基座30上。板件20a经由能够在z方向上移动的未图示的直线轴套而固定在基座30上。

在板件20a上形成有贯穿孔22a，在板件20b上形成有贯穿孔22b。在板件20a与激光腔室10之间连接有光路管21a。光路管21a的一端以被密封的状态固定在板件20a的贯穿孔22a的周围，光路管21a的另一端以被密封的状态固定在激光腔室10的窗口10a的周围。在板件20b与激光腔室10之间连接有光路管21b。光路管21b的一端以被密封的状态固定在板件20b的贯穿孔22b的周围，光路管21b的另一端以被密封的状态固定在激光腔室10的窗口10b的周围。

一对放电电极11a和11b作为用于通过放电而激励激光介质的电极被配置在激光腔室10内。从未图示的脉冲功率模块对一对放电电极11a和11b施加脉冲状的高电压。

如图1a所示，窗口10a和10b被配置成：相对于这些窗口的光的入射面和hz面大致平行，并且，该光的入射角度大致为布鲁斯特角(brewster'sangle)。

2.1.2窄带化模块

窄带化模块14包含多个棱镜、光栅14d、保持器16a～16d以及壳体12。多个棱镜包含3个棱镜14a～14c。3个棱镜14a～14c分别具有斜面18和垂直面19。在斜面18上涂布有抑制p偏振光的反射的膜。在垂直面19上涂布有抑制光的反射的膜。光栅14d是中阶梯光栅，其表面包含高反射率的材料，以规定的间隔形成有多个槽。

壳体12收纳棱镜14a～14c、光栅14d以及保持器16a～16d。在壳体12的内部，棱镜14a被保持器16a支撑，棱镜14b被保持器16b支撑，棱镜14c被保持器16c支撑，光栅14d被保持器16d支撑。支撑棱镜14c的保持器16c利用旋转台16e能够在hz面内进行旋转。

壳体12被支撑于板件20a。在壳体12上形成有贯穿孔12a。通过使壳体12的贯穿孔12a的位置与板件20a的贯穿孔22a的位置在从z方向观察时大致重合，从而使光路管21a的内部与壳体12的内部连通。在壳体12上，在远离贯穿孔12a的位置处连接有非活性气体导入管12c。在光路管21a上，在远离贯穿孔22a的位置处连接有非活性气体排出管21c。非活性气体以从非活性气体导入管12c被导入壳体12中，并从光路管21a的非活性气体排出管21c被排出的方式进行吹扫(purge)。

2.1.3输出耦合镜

输出耦合镜15被收纳在壳体13中。输出耦合镜15在壳体13的内部被保持器17支撑。在输出耦合镜15的表面涂布有部分反射膜。

壳体13被支撑于板件20b。在壳体13上形成有贯穿孔13a。通过使壳体13的贯穿孔13a的位置与板件20b的贯穿孔22b的位置在从z方向观察时大致重合，从而使光路管21b的内部与壳体13的内部连通。在光路管21b的内部和壳体13上连接有未图示的非活性气体导入管和非活性气体排出管，在它们的内部，非活性气体被吹扫。

2.2动作

在高电压被施加到一对放电电极11a和11b之间时，在一对放电电极11a和11b之间能够发生放电。由于该放电的能量，激光腔室10内的激光介质被激励而能够跃迁到高能级。被激励的激光介质在之后跃迁到低能级时，能够放出与该能级差相对应的波长的光。

在激光腔室10内产生的光经由窗口10a和10b射出到激光腔室10的外部。从激光腔室10的窗口10a射出的光能够利用棱镜14a～14c而使其h方向的光束宽度扩展并入射到光栅14d中。

从棱镜14a～14c入射到光栅14d的光能够被光栅14d的多个槽反射，并且向与光的波长相对应的方向衍射。光栅14d采用利特罗配置以使从棱镜14a～14c入射到光栅14d的光的入射角与期望波长的衍射光的衍射角一致。由此，期望波长附近的光能够经由棱镜14a～14c返回到激光腔室10。

棱镜14a～14c能够使来自光栅14d的衍射光的h方向的光束宽度缩小，并且能够将该光经由窗口10a返回激光腔室10的放电区域。

输出耦合镜15使从激光腔室10的窗口10b输出的光中的一部分透过并输出，使另一部分反射并返回激光腔室10内。

这样，从激光腔室10射出的光在窄带化模块14与输出耦合镜15之间往返，在每次通过放电电极11a与11b之间的放电空间时被放大而能够进行激光振荡。该光在每次在窄带化模块14处折返时能够被窄带化。此外，通过上述窗口10a和10b的配置以及棱镜14a～14c的涂层，能够选择h方向的偏振光成分。这样放大后的光能够从输出耦合镜15作为激光被输出。该激光具有真空紫外区的波长。该激光的波长是大约193.4nm。

2.3课题

在光路管21a的内部和壳体12的内部作为非活性气体而吹扫氮气。与作为非活性气体使用氦气的情况相比，在使用氮气的情况下，能够降低气体的供应成本。但是，与氦气相比，氮气的折射率的相对于温度变化的变化较大，因此，在由于光的能量而使得光栅14d的表面温度上升时，在光栅14d的表面附近，氮气的折射率分布变大。根据该折射率分布，通过光栅14d而衍射的光的波面发生变形，被选择的波段变宽，从而，从激光装置输出的激光的频谱线宽会变宽。

3.具有使光束与放电方向大致平行地扩展的第2扩束光学系统的激光装置

3.1结构

图2a和图2b示意性地示出第1实施方式的激光装置的结构。第1实施方式的激光装置在具有使光束与放电方向大致平行地扩展的第2扩束光学系统40这一点上与参照图1a和图1b所作说明的比较例不同。关于其他方面，则与参照图1a和图1b进行说明的比较例相同。

使光束与放电方向大致平行地扩展的第2扩束光学系统40被配置在窗口10a与光栅14d之间的光路上。此处，与放电方向大致平行的方向是v方向。

v方向相当于本公开中的第2方向。

第2扩束光学系统40在v方向上的光束宽度的扩展率mv优选是1.1倍以上且5倍以下。第2扩束光学系统40在v方向上的光束宽度的扩展率mv优选比基于3个棱镜14a～14c在h方向上的光束宽度的扩展率mh小。

h方向相当于本公开中的第1方向。棱镜14a～14c相当于本公开中的第1扩束光学系统。

通过第2扩束光学系统40、棱镜14a～14c和光栅14d构成本公开中的窄带化光学系统。

第2扩束光学系统40被配置在光路管21a的内部。第2扩束光学系统40被配置在窗口10a与距窗口10a最近的棱镜14a之间的光路上。即，在第2扩束光学系统40与光栅之间，配置全部的棱镜14a～14c。通过在从窗口10a输出的光的光束宽度被棱镜14a扩展之前的、光束宽度窄的位置配置第2扩束光学系统40，能够采用小型的第2扩束光学系统40。

第2扩束光学系统40也可以配置在最靠近窗口10a的棱镜14a与第2靠近窗口10a的棱镜14b之间的光路上。通过在被棱镜14a扩展后的光的光路上配置第2扩束光学系统40，从而能够抑制第2扩束光学系统40的温度上升，能够抑制第2扩束光学系统40的温度上升导致的劣化。此外，通过在被棱镜14b扩展之前的位置配置第2扩束光学系统40，能够采用小型的第2扩束光学系统40。

第2扩束光学系统40也可以配置在棱镜14b与棱镜14c之间的光路上。此外，第2扩束光学系统40也可以配置在棱镜14c与光栅14d之间的光路上。

3.2作用

被第2扩束光学系统40在v方向上扩展了光束宽度后的光能够入射到光栅14d中。根据第1实施方式，由于入射到光栅14d中的光的能量密度降低，因此，能够抑制光栅14d的表面温度的上升。由此，与不在v方向上扩展光束宽度的情况相比，光栅14d的表面附近的非活性气体的折射率分布能够降低。因此，即使在收纳光栅14d的壳体12中填充氮气作为非活性气体的情况下，也能够抑制由光栅14d衍射的光的波面的变形。由此，能够抑制从激光装置输出的激光的频谱线宽变宽。

并且，在入射到光栅14d的衍射面上的光的能量密度降低时，能够抑制光栅14d的衍射表面的劣化。其结果为，能够抑制光栅14d的衍射效率的降低，并延长光栅的寿命。

4.第2扩束光学系统的变形

4.1圆柱形凹透镜和圆柱形凸透镜的组合

图3a和图3b示出第1实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。第1实施方式中使用的第2扩束光学系统40包含圆柱形凹透镜41和圆柱形凸透镜42。圆柱形凹透镜41被配置在靠近窗口10a的位置，圆柱形凸透镜42被配置在远离窗口10a的位置。圆柱形凹透镜41和圆柱形凸透镜42各自的面上涂布有抑制光的反射的膜。

圆柱形凹透镜41具有圆柱形凹面，圆柱形凹透镜41的与h方向垂直的截面的轮廓的至少一部分是圆弧状。圆柱形凸透镜42具有圆柱形凸面，圆柱形凸透镜42的与h方向垂直的截面的轮廓的至少一部分是圆弧状。此处，圆柱形凹透镜41的后侧焦点轴与圆柱形凸透镜42的前侧焦点轴被配置成大致一致。

或者，圆柱形凹透镜41的与h方向垂直的截面的轮廓的至少一部分也可以是抑制波面的变形的非圆弧状。此外，圆柱形凸透镜42的与h方向垂直的截面的轮廓的至少一部分也可以是抑制波面的变形的非圆弧状。

根据图3a和图3b所示的第2扩束光学系统40，能够部使光束轴移动而扩展v方向上的光束宽度。该第2扩束光学系统40也可以不在h方向上扩展光束宽度。因此，能够明确与扩展h方向上的光束宽度的棱镜14a～14c之间的功能分担，使光学系统的设计变得容易。

4.2棱镜

图4a和图4b示出第2实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。第2实施方式中使用的第2扩束光学系统40a包含多个棱镜43和44。

在多个棱镜43和44各自的面上涂布有降低s偏振光的反射的膜。由此，多个棱镜43和44能够抑制h方向的偏振光成分的反射，以高透射率使h方向的偏振光成分透射。

根据图4a和图4b所示的第2扩束光学系统40a，能够在抑制波面的变形的同时扩展v方向上的光束宽度。此外，能够抑制第2扩束光学系统的设置空间。该第2扩束光学系统40a也可以不在h方向上扩展光束宽度。因此，能够明确与扩展h方向上的光束宽度的棱镜14a～14c之间的功能分担，使光学系统的设计变得容易。

第2扩束光学系统40a能够使光栅侧的光路轴相对于腔室侧的光路轴在v方向上移动。但是，腔室侧的光路轴也可以与光栅侧的光路轴平行。此处，两个光路轴的平行的允许范围优选为±1°以内，更加优选为±0.5°以内。即，如果激光腔室10与第2扩束光学系统40a之间的光路轴相对于重力方向垂直的话，那么第2扩束光学系统40a与光栅14d之间的光路轴也可以相对于重力方向垂直。据此，即使在配置了第2扩束光学系统40a的情况下，无需使棱镜14a～14c和光栅14d相对于重力方向倾斜，也能够抑制设计自由度的降低。

构成第2扩束光学系统40a的棱镜43和44分别由caf2晶体构成。棱镜43的顶角和棱镜44的顶角优选为33度以上且34度以下。光束相对于棱镜43的斜面的入射角和光束相对于棱镜44的斜面的入射角优选为44度以上且67度以下。如果在该入射角的范围内的话，通过将降低s偏振光的反射的膜涂布到棱镜43和44上，能够将s偏振光的反射率抑制到1％以下。

4.3球面凹透镜和球面凸透镜的组合

图5a和图5b示出第3实施方式中使用的第2扩束光学系统的例子。第3实施方式中使用的第2扩束光学系统40b包含球面凹透镜45和球面凸透镜46。球面凹透镜45被配置在靠近窗口10a的位置，球面凸透镜46被配置在远离窗口10a的位置。在球面凹透镜45和球面凸透镜46各自的面上涂布有抑制光的反射的膜。此处，球面凹透镜45的后侧焦点与球面凸透镜46的前侧焦点被配置成大致一致。

或者，也可以代替球面凹透镜45，使用抑制波面的变形的非球面凹透镜。此外，也可以代替球面凸透镜46，使用抑制波面的变形的非球面凸透镜。

根据图5a和图5b所示的第2扩束光学系统40b，能够使v方向上的光束宽度和h方向上的光束宽度以大致相同的扩展率扩展。通过使用第2扩束光学系统40b，能够省略3个棱镜14a～14c中的若干个棱镜。

5.第2扩束光学系统的支撑结构

5.1第1例

图6a和图6b示意性地示出第4实施方式的激光装置的结构。第4实施方式能够相当于在参照图4a和图4b说明的第2实施方式中使多个棱镜43和44的支撑结构明确化之后的第1例。

如图6a和图6b所示，多个棱镜43和44被夹在彼此成对的第1板51与第2板52之间并被支撑。

第1板51和第2板52分别具有与vz面平行的面，这些板的与vz面平行的面以彼此相对的方式配置。

第1板51和第2板52在一体地支撑多个棱镜43和44并彼此固定的状态下被固定在支撑板50上。支撑板50通过未图示的螺栓被固定在板件20a上。在通过第1板51和第2板52一体地支撑多个棱镜43和44的状态下，通过放松上述螺栓而将支撑板50从板件20a上拆卸，能够拆卸下多个棱镜43和44。

根据该结构，由于通过第1板51和第2板52一体地支撑多个棱镜43和44，因此，能够将多个棱镜43和44一起相对于激光装置进行安装和拆卸。此外，针对已经在半导体工厂等中使用的激光装置，也能够使其具有互换性。

此外，通过将支撑多个棱镜43和44的第1板51和第2板52构成为被板件20a所支撑，能够抑制收纳棱镜14a～14c和光栅14d的壳体12的重量增加。

5.2第2例

图7a和图7b示意性地示出第5实施方式的激光装置的结构。第5实施方式能够相当于在参照图4a和图4b说明的第2实施方式中使多个棱镜43和44的支撑结构明确化后的第2例。

在第2例中，板件20a的贯穿孔22a比壳体12的贯穿孔12a大。支撑板50位于板件20a的贯穿孔22a的内部。支撑板50通过未图示的螺栓被固定在壳体12上。由此，多个棱镜43和44、第1板51、第2板52以及支撑板50经由壳体12被板件20a支撑。通过放松上述螺栓而将支撑板50从壳体12上拆卸下来，能够拆卸下多个棱镜43和44。

关于其它方面，与参照图6a和图6b所说明的第1例相同。

5.3支撑部的结构

图8a示出包含第4或第5实施方式中使用的支撑部的第2扩束光学系统的例子。图8b是图8a的分解立体图。

在构成支撑棱镜43和44的支撑部的第1板51上形成有台阶部53和台阶部54。此外，在第1板51上形成有突起部55和突起部56。此外，在第1板51上，安装有板簧57和板簧58。

棱镜43被按压板61和压簧63按压在第1板51上。棱镜43的一个斜面与台阶部53接触，棱镜43的另一个斜面与突起部55接触。棱镜43的姿态被台阶部53限定，棱镜43的位置被台阶部53和突起部55限定。通过使板簧57从上方按压棱镜43，从而棱镜43被固定在相对于第1板51的规定的位置处。

棱镜44被按压板62和压簧64按压在第1板51上。棱镜44的一个斜面与台阶部54接触，棱镜44的另一个斜面与突起部56接触。棱镜44的姿态被台阶部54限定，棱镜44的位置被台阶部54和突起部56限定。通过使板簧58从下方按压棱镜44，从而棱镜44被固定在相对于第1板51的规定的位置处。

图6a和图7a所示的第2板52被固定在间隔调整杆59和60上，从而被配置成与第1板51保持规定的间隔。第2板52将棱镜43和44分别通过压簧63和64按压在第1板51上。

根据该结构，能够通过紧凑的结构来一体地支撑多个棱镜43和44。

6.其它

在上述各实施方式中，对作为扩束光学系统使用透射型的光学系统的情况进行了说明，但是，也可以使用反射镜等反射型的光学系统。

上述说明并非是限定而是意为单纯的示例。因此，能够在不脱离随附权利要求书的范围对本公开的实施方式加以变更，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

本说明书和随附的权利要求书整体中使用的用语应该解释为“非限定性的”用语。例如，“包含”或者“被包含”这一用语应该解释为“不限定于作为所包含的内容而记载的内容”。“具有”这一用语应该解释为“不被限定于作为具有的内容而记载的内容”。此外，本说明书和随附的权利要求书所记载的修饰语“一个”应该解释为意思是“至少一个”或者“一个以上”。