JP4358052B2 - グレーティングの姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置の波長選択に用いられるエシェルグレーティングの姿勢を制御し、入射光の光軸と反射光の光軸を一致させるグレーティングの姿勢制御装置に関する。

半導体露光装置の光源としては、狭帯域エキシマレーザ装置や、ラインセレクトフッ素分子レーザ装置や、狭帯域フッ素レーザ装置といった紫外線レーザ装置が使用される。

図１は狭帯域エキシマレーザ装置の構成を示す図である。
レーザチャンバ１は金属性であり、内部にレーザ媒体となるレーザガスが封入される。レーザガスは大きくはハロゲンガス、バッファガス、希ガス等のガスからなる。ハロゲンガスにはフッ素ガス（Ｆ2）が使用され、バッファガスにはネオンガス（Ｎｅ）が使用される。ＫｒＦエキシマレーザの場合は希ガスにクリプトン（Ｋｒ）が使用され、ＡｒＦエキシマレーザの場合は希ガスにアルゴン（Ａｒ）が使用される。またレーザチャンバ１の内部には互いに対向する一対の放電電極３が設けられ、外部には高電圧パルス電源が設けられる。なお図１において、一対の放電電極３は図面に直交する方向に対向して配置されているとしており、また高電圧パルス電源は図示されていない。

本明細書では一対の放電電極３の対向方向を垂直方向といい、この垂直方向に直交する方向を水平方向ということにする。図１でいえば、図面に直交する方向が垂直方向であり、図面と平行する方向が水平方向である。また垂直方向に平行する平面を垂直面といい、水平方向に平行する平面を水平面ということにする。

レーザチャンバ１の両側（図面左右）にはＣａＦ2のウィンドウ４、５が設けられる。ウィンドウ４側の光軸上には一以上（図１では一つ）のプリズム２５と互いに平行する複数の溝が形成された回折面２６ａを有するグレーティング２６が設けられる。プリズム２５はレーザチャンバ１から出射された光を特定方向に拡大する機能を有するため、ビームエキスパンダともよばれる。グレーティング２６は、互いに平行する複数の回折溝とこれらの回折溝毎に形成される反射面とを回折面２６ａに含む。こうしたグレーティング２６をエシェルグレーティングという。グレーティング２６は回折面２６ａに入射した光をその波長に応じた方向に反射する機能を有する。言い換えると、グレーティング２６は特定狭帯域内の波長の光を特定方向に反射する。こうした構成によれば、レーザチャンバ１から出射された光のうち特定狭帯域内の波長の光のみが再びレーザチャンバ１側に戻るため、プリズム２５及びグレーティング２６を狭帯域化素子という。ウィンドウ５側の光軸上にはフロントミラー７を内蔵するモニタボックス８が設けられる。プリズム２５、グレーティング２６及びフロントミラー７で光共振器が構成される。

通常、プリズム２５やグレーティング２６等の狭帯域化素子は筐体２０に内包される。このユニットを狭帯域化モジュール２という。狭帯域化モジュール２では、各光学素子を損傷させる要因となるダストや、オゾンの発生源となる酸素を筐体外に排出するために、乾燥した清浄窒素ガスや希ガスによって筐体内部がパージされる。

ここで図１を参照して狭帯域エキシマレーザ装置の動作を説明する。図示しない高電圧パルス電源から一対の放電電極３に電流が供給され、放電電極３間の電圧がブレークダウン電圧を超えると、レーザチャンバ１内の放電電極３間で放電が生じる。この放電によってレーザガスが励起され、さらに基底状態に移行する際に光が発生する。ウィンドウ４を透過した光はプリズム２５に入射する。プリズム２５では所定方向に光の幅が拡大される。プリズム２５を出射した光はグレーティング２６の回折面２６ａに入射する。回折面２６ａに入射した光のうち、特定狭帯域内の波長の光のみがプリズム２５を介してレーザチャンバ１側に反射する。レーザチャンバ１に戻った光はウィンドウ５を透過し、フロントミラー７に入射し、レーザチャンバ１側に反射する。こうして光はレーザチャンバ１を介してグレーティング２６とフロントミラー７の間を複数回往復する。その間に特定狭帯域内の波長の光はエネルギーが増幅され、ある程度のエネルギーに達するとフロントミラー７からレーザ光が出射される。

下記特許文献１で開示されるように、水平面内でプリズムと光軸のなす角度を変化させるとグレーティングの回折面と光軸のなす角度が変化し、結果としてフロントミラーから出射されるレーザ光の波長が変化する。また水平面内でグレーティング自体の角度を変化させてもグレーティングの回折面と光軸のなす角度が変化するため、同様の結果が得られる。また特許文献２で開示されるように、プリズムから出射される光を高反射ミラーで反射してグレーティングに入射するような構成にし、水平面内でこの高反射ミラーと光軸のなす角度を変化させてもグレーティングの回折面と光軸のなす角度が変化するため、同様の結果が得られる。なお特許文献２には、複数のプリズムを有する狭帯域化モジュールが示されている。

ここまで説明したように、狭帯域エキシマレーザ装置では波長選択がグレーティング２６を用いて行われる。この波長選択において重要なことは、グレーティング２６が適切な姿勢を保持し、光がグレーティング２６の回折面２６ａに適切に入射することである。グレーティング２６の姿勢を制御する一つの手段は、前述した水平面内でグレーティング２６と光軸の角度を制御し所望の角度にする方法である。もう一つの方法は、垂直面内でグレーティング２６と光軸の角度を制御する方法である。この制御は次に説明するグレーティングの姿勢制御装置にて行われる。

図５（ａ）は従来のグレーティング角度制御装置の平面図であり、図５（ｂ）は従来のグレーティング角度制御装置の正面図であり、図５（ｃ）は従来のグレーティング角度制御装置の側面図である。図５（ａ）〜（ｃ）において、鎖線はレーザ光が存在する範囲の縁を示している。

なお図５においては、回折面２６ａに直交する二方向のうち、光入射側を前方といい、その反対方向を後方としている。図面でいえば、図５（ａ）の下方向、図５（ｂ）の図面手前方向及び図５（ｃ）の右方向が前方であり、図５（ａ）の上方向、図５（ｂ）の図面奥方向及び図５（ｃ）の左方向が後方である。またグレーティング２６の回折溝２６ｂに平行する二方向のうち、グレーティング２６の中心からグレーティング２６上面に向かう方向を上方といい、グレーティング２６底面に向かう方向を下方としている。図面でいえば、図５（ａ）の図面手前方向、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の上方向が上方であり、図５（ａ）の図面奥方向、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の下方向が下方である。ここで定義した前方と後方は水平面と平行し、上方と下方は垂直面と平行する。

グレーティング２６の底面は固定板６１の表面に取り付けられる。固定板６１の裏面は台座６６の表面と対向する。固定板６１の裏面と台座６６の表面との間には二つの球体６２、６３及び弾性体６７が設けられる。二つの球体６２、６３は、回折面２６ａと平行する直線上にそれぞれ配置され、固定板６１の裏面と台座６６の表面に当接する。二つの球体６２、６３が存在する直線すなわち球体６２、６３の中心を結ぶ直線がグレーティング２６の回転軸６９となる。弾性体６７は固定板６１の裏面と台座６６の表面に取り付けられる。弾性体６７は回転軸６９よりも後方に配置される。

弾性体６７は板バネ、スプリング、ゴム等のように伸縮性を有するものであればよい。しかし散乱紫外線の照射可能性もあるため、紫外線照射環境で劣化し難い材料が望ましい。この弾性体６７は固定板６１と台座６６とを引き付ける。つまり図５（ｂ）、（ｃ）で示されるように、固定板６１と台座６６とが離れているときはスプリングが伸びた状態であり、固定板６１は台座６６側に引き付けられる。板バネ、ゴムでも同様である。

台座６６には裏面側から螺挿されたネジ６８が設けられる。ネジ６８の先端は台座６６を貫通して、固定板６１の裏面に当接する。回転動作が加えられることによってネジ６８は上方又は下方に変位自在である。

ネジ６８が上方に変位すると弾性体６７が伸び、固定板６１及びグレーティング２６が前方に傾斜する。ネジ６８が下方に変位すると弾性体６７が縮み、固定板６１及びグレーティング２６が後方に傾斜する。例えば図５（ｃ）で示されるように、グレーティング２６を側面から見た状態で回折面２６ａ′と入射光の光軸が直交しない場合は、ネジ６８によって固定板６１及びグレーティング２６が前方に傾斜される。

このように従来のグレーティングの姿勢制御装置は、入射光の光軸と反射光の光軸とが一致するように、回折面２６の角度補正を行うものである。
特許第２６３１５５４号公報（第２図） 特開平５−２８３７８５号公報（図６）

しかし従来のグレーティング角度補正装置には問題がある。

図６はグレーティングの回折面の平面図を拡大して示す図である。
前述したように、エシェルグレーティング２６の回折面２６ａは肉眼では平面に見えるが、実際は非常に微細であって互いに平行する多数の回折溝２６ｂを有する。各回折溝２６ｂには反射面２６ｃが形成される。各反射面２６ｃは平面であってそれぞれ同一方向を向く。

図６の矢印Ｌは各回折面２６ａに入射するほぼ平行なレーザ光を示す。これらのレーザ光は各反射面２６ｃで反射される。反射光同士は干渉して強め合い、結果として特定の狭い波長帯域内の光のみが入射光の進行方向の反対方向に反射される。グレーティング２６の角度が適切に補正されていれば入射光と反射光の光軸は一致する。

ここで図５（ｃ）で示されるように、グレーティング２６を側面から見た状態で回折面２６ａ′と入射光の光軸が直交しない状態を想定する。このような場合は入射光の光軸と反射光の光軸は一致しない。そこで図７で示されるように、回転軸６９を回転中心としてグレーティング２６を傾斜させて姿勢を補正したとする。このときのグレーティング傾斜前後の反射面２６ｃの状態を図８、図９を参照して説明する。

図８（ａ）は反射面の平面図であり、図８（ｂ）は反射面の側面図である。同じく図９（ａ）は反射面の平面図であり、図９（ｂ）は反射面の側面図である。図８ではグレーティング２６の姿勢が補正される前の状態を示され、図９ではグレーティング２６の姿勢が補正された後の状態が示されている。

図８（ａ）で示されるように、補正前には、水平面内では入射光の光軸と反射光の光軸は一致するが、図８（ｂ）で示されるように、垂直面内では入射光の光軸と反射光の光軸は異なる。垂直面内での入射光の光軸と反射光の光軸を一致させるために、ネジ６８を上方に変位させ、回転軸６９を回転中心として固定板６１及びグレーティング２６を前方へ傾斜させたとする。その結果、図９（ｂ）で示されるように、垂直面内では入射光の光軸と反射光の光軸が一致することはあるが、図９（ａ）で示されるように、水平面内では入射光の光軸と反射光の光軸は一致しなくなる。

この原因は、入射光を反射面２６ｃに対して垂直に入射させる補正を回転軸６９を用いて行うことにある。回転軸６９を回転中心としてグレーティング２６が傾斜すると、反射面２６ｃの水平面及び垂直面の角度が同時に変化する。したがって図９（ａ）のような結果となり、グレーティングの姿勢を適切に補正ができないといった不具合が生ずる。
さらに加えて、ネジ６８の変位量に対する垂直面内における補正量が小さいといった問題もある。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、グレーティングの反射面の角度を垂直面内のみで変化させることによって、グレーティングの姿勢を正しく制御することを解決課題とするものである。

本発明は、
互いに平行する複数の回折溝とこれらの回折溝にそれぞれ形成される反射面とを回折面に含むエシェルグレーティングと、所定の回転軸を中心にして前記エシェルグレーティングを回転させてグレーティングの姿勢を制御する姿勢制御手段と、を備えたグレーティングの姿勢制御装置において、
前記回転軸は、前記回折溝に直交し且つ前記反射面に平行する直線と一致するか又は平行すること
を特徴とする。

本発明では、エシェルグレーティングの回転軸は、複数の回折溝に直交し且つ複数の回折溝にそれぞれ形成された反射面と平行する直線と一致するか又は平行する。このような回転軸を設定することによって、反射面の角度は水平面内で変化することなく垂直面内のみで変化する。

本発明によれば、反射面の角度を垂直面内のみで変化させることができ、グレーティングの姿勢を正しく制御することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図２（ａ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の平面図であり、図２（ｂ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の正面図であり、図２（ｃ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の側面図である。図２（ａ）〜（ｃ）において、鎖線はレーザ光が存在する範囲の縁を示している。

なお図２においては、反射面２６ｃに直交する二方向のうち、光入射側を前方といい、その反対方向を後方としている。図面でいえば、図２（ａ）の左下方向、図２（ｂ）の図面左手前方向及び図２（ｃ）の図面右手前方向が前方であり、図２（ａ）の右上方向、図２（ｂ）の図面右奥方向及び図２（ｃ）の図面左奥方向が後方である。またグレーティング２６の回折溝２６ｂに平行する二方向のうち、グレーティング２６の中心からグレーティング２６上面に向かう方向を上方といい、グレーティング２６底面に向かう方向を下方としている。図面でいえば、図２（ａ）の図面手前方向、図２（ｂ）及び図２（ｃ）の上方向が上方であり、図２（ａ）の図面奥方向、図２（ｂ）及び図２（ｃ）の下方向が下方である。ここで定義した前方と後方は水平面と平行し、上方と下方は垂直面と平行する。

本実施形態のグレーティングの姿勢制御装置が従来のものと異なる部分は、球体４２、４３、弾性体４７及びネジ４８の配置と、この配置によって実現される回転軸４９の位置である。

グレーティング２６の底面は固定板４１の表面に取り付けられる。固定板４１の裏面は台座４６の表面と対向する。固定板４１の裏面と台座４６の表面との間には二つの球体４２、４３及び弾性体４７が設けられる。二つの球体４２、４３は、反射面２６ｃと平行する直線上にそれぞれ配置され、固定板４１の裏面と台座４６の表面に当接する。二つの球体４２、４３が存在する直線すなわち球体４２、４３の中心を結ぶ直線がグレーティング２６の回転軸４９となる。水平面内（図２（ａ））では回転軸４９は光軸と直交する。弾性体４７は固定板４１の裏面と台座４６の表面に取り付けられる。弾性体４７は回転軸４９よりも後方に配置される。

弾性体４７は板バネ、スプリング、ゴム等のように伸縮性を有するものであればよい。しかし散乱紫外線の照射可能性もあるため、紫外線照射環境で劣化し難い材料が望ましい。この弾性体４７は固定板４１と台座４６とを引き付ける。つまり図２（ｂ）、（ｃ）で示されるように、固定板４１と台座４６とが離れているときはスプリングが伸びた状態であり、固定板４１は台座４６側に引き付けられる。板バネ、ゴムでも同様である。

台座４６には裏面側から螺挿されたネジ４８が設けられる。ネジ４８の先端は台座４６を貫通して、固定板４１の裏面に当接する。回転動作が加えられることによってネジ４８は上方又は下方に変位自在である。またネジ４８の代わりにマイクロメータ等、対向する二方向に動作自在のアクチュエータを使用することも可能である。

ネジ４８が上方に変位すると弾性体４７が伸び、固定板４１及びグレーティング２６が前方に傾斜する。ネジ４８が下方に変位すると弾性体４７が縮み、固定板４１及びグレーティング２６が後方に傾斜する。例えば図２（ｃ）で示されるように、グレーティング２６を側面から見た状態で回折面２６ａ′と入射光の光軸が直交しない場合は、ネジ４８によって固定板４１及びグレーティング２６が前方に傾斜される。

ここで図２（ｃ）で示されるように、グレーティング２６を側面から見た状態で回折面２６ａ′と入射光の光軸が直交しない状態を想定する。このような場合は入射光の光軸と反射光の光軸は一致しない。そこで図３で示されるように、回転軸４９を回転中心としてグレーティング２６を傾斜させて姿勢を補正したとする。このときのグレーティング傾斜前後の反射面２６ｃの状態を図８、図４を参照して説明する。

図４（ａ）は反射面の平面図であり、図４（ｂ）は反射面の側面図である。図４ではグレーティング２６の姿勢が補正された後の状態が示されている。

図８（ａ）で示されるように、補正前には、水平面内では入射光の光軸と反射光の光軸は一致するが、図８（ｂ）で示されるように、垂直面内では入射光の光軸と反射光の光軸は異なる。垂直面内での入射光の光軸と反射光の光軸を一致させるために、ネジ４８を上方に変位させ、回転軸４９を回転中心として固定板４１及びグレーティング２６を前方へ傾斜させたとする。その結果、図４（ｂ）で示されるように、垂直面内では入射光の光軸と反射光の光軸が一致する。また図４（ａ）で示されるように、水平面内では反射面２６ｃの角度が変化しないため、入射光の光軸と反射光の光軸は一致した状態を維持する。

なお本実施形態では、球体４２、４３と弾性体４７とネジ４８とでグレーティング２６の姿勢が制御されるが、他の機構でグレーティング２６の姿勢が制御されるようにしてもよい。要はグレーティング２６の回転軸が回折溝２６ｂに直交し且つ反射面２６ｃと平行する直線と一致又は平行すればよいのである。

本実施形態によれば、反射面の角度を垂直面内のみで変化させることができ、グレーティングの姿勢を正しく制御することができる。

図１は狭帯域エキシマレーザ装置の構成を示す図である。 図２（ａ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の平面図であり、図２（ｂ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の正面図であり、図２（ｃ）は本実施形態に係るグレーティングの姿勢制御装置の側面図である。 図３は本実施形態に係るグレーティングの斜視図である。 図４（ａ）は本実施形態の姿勢調整後の反射面の平面図であり、図４（ｂ）は本実施形態の姿勢調整後の反射面の側面図である。 図５（ａ）は従来のグレーティングの姿勢制御装置の平面図であり、図５（ｂ）は従来のグレーティングの姿勢制御装置の正面図であり、図５（ｃ）は従来のグレーティングの姿勢制御装置の側面図である。 図６はグレーティングの回折面の平面図を拡大して示す図である。 図７は従来のグレーティングの斜視図である。 図８（ａ）は姿勢調整前の反射面の平面図であり、図８（ｂ）は姿勢調整前の反射面の側面図である。 図９（ａ）は従来の姿勢調整後の反射面の平面図であり、図９（ｂ）は従来の姿勢調整後の反射面の側面図である。

符号の説明

２６…グレーティング
２６ａ…回折面
２６ｂ…回折溝
２６ｃ…反射面
４１…固定板
４２、４３…球体
４６…台座
４７…弾性体
４８…ネジ
４９…回転軸

Claims (1)

1. 互いに平行する複数の回折溝とこれらの回折溝にそれぞれ形成される反射面とを回折面に含むエシェルグレーティングと、所定の回転軸を中心にして前記エシェルグレーティングを回転させてグレーティングの姿勢を制御する姿勢制御手段と、を備えたグレーティングの姿勢制御装置において、
   前記回転軸は、前記回折溝に直交し且つ前記反射面に平行する直線と一致するか又は平行すること
   を特徴とするグレーティングの姿勢制御装置。

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