成果報告書詳細
管理番号20140000000076
タイトル平成21年度-23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 リソグラフィ用ハイブリッドArFレーザシステムの研究開発
公開日2014/4/1
報告書年度2009 - 2011
委託先名ギガフォトン株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 リソグラフィに使われる注入同期ArFエキシマレーザは狭帯域化ArFエキシマオシレータの効率が0.01%と非常に低いため消費電力が大きい。この問題を解決するため、オシレータにKBBF結晶を使った193nm固体オシレータ、アンプにArFエキシマレーザを使ったハイブリッドArFレーザシステムの開発を行った。 KBBF結晶は193nm領域で高い波長変換効率を持つことが知られていたが、実用化を目指した開発はなされていなかった。この方式を新たに採用することで、オシレータ部の消費電力を30kWから6kWに削減し、装置全体の消費電力量を60%に低減できる。
 193nm固体オシレータでは消費電力を6kW以下に抑えるため、6kHzで動作するTi:Al2O3レーザ出力をLBO及びKBBFの非線形結晶それぞれでSHGをとる方式を用いた。Ti:Al2O3レーザはリソグラフィ用エキシマレーザと同等のスペクトルにするため、マルチ縦モード化オシレータと高出力を得るためのTi:Al2O3アンプで構成される。マルチ縦モードオシレータでは、複屈折フィルタと粗調エタロン、微調エタロンを使った1mのファブリーペロー共振器を使い、縦モード間隔150MHz、モード数5本のマルチ縦モードを得た。Ti:Al2O3アンプ部ではオープン時間が1.5nsの高速光スイッチと、4パスのマルチパスアンプ、シングルパスパワーアンプで構成し、パルス幅1.5ns、効率27%、出力18Wを得た。KBBF結晶では、6kHzバーストモードにて変換効率12%、6kHz換算出力で980mWを得ることができた。
 ハイブリッドArFエキシマレーザシステムでは、固体オシレータを使うことで低下する入力パワーを補うため、ArFレーザアンプではオシレータ光の入射方法を改良した高効率注入方式を採用した。この方式を用いることで、注入効率が従来の20%から80%に改善することができ、世界初となる6kHz動作で118Wの出力を短時間では達成した。
しかしながら、KBBF結晶の長時間安定性に問題があり、10%以上の変換効率は1分以下しか維持できないことが明らかになった。これは結晶中の不純物や欠陥によって、発生した193nm光が結晶に吸収されたためと考えられる。
 これらの結果、ハイブリッドArFエキシマレーザシステムを使うことで消費電力36kWへの削減が短時間では実証できた。一方でKBBF結晶の品質を高めて出力や寿命を改善することが製品開発の課題であることが明確になった。
英文要約Title: Energy Conservation Innovative Technology Development Project / Leading study / Development of Hybrid ArF Laser System for Lithography (FY2009-FY2011) Final Report

The injection locking ArF excimer laser system for 193nm microlithography consumes large amounts of electrical power because the efficiency of its line-narrowing ArF laser oscillator is very low below 0.01%. Therefore, we have been developing a hybrid-ArF laser system that consists of a high efficiency solid-state laser oscillator with KBBF nonlinear crystal for 193nm pulse generation and an ArF excimer laser power amplifier. It is well known the KBBF crystal has high conversion efficiency in deep-ultra violet (DUV) wavelength region around 193nm, but the practical use development is not yet carried out. When the line-narrowing ArF laser oscillator is replaced with the solid-state laser oscillator, the electrical power consumed by the oscillator can be reduced from 30kW to 6kW and the electrical power consumed by the injection locking ArF excimer laser system as a whole can be reduced by 60%.
The solid-state laser oscillator consists of a Ti: sapphire laser system operating at 6kHz and a wavelength conversion system with LBO and KBBF nonlinear crystals. The Ti: sapphire laser system consists of a multi-longitudinal mode Ti:sapphire oscillator and a high efficiency Ti:sapphire power amplifier in order to make the linewidth of the solid-state laser oscillator substantially the same as that of the line-narrowing ArF laser oscillator. The multi-longitudinal mode Ti:sapphire oscillator consists of a 1m cavity length Fabry-Perot resonator including birefringence filter, coarse etalon and fine etalon. We achieved 150MHz longitudinal mode spacing and the five longitudinal modes. The Ti:sapphire power amplifier consists of the fast optical switch, 4-pass amplifier and single pass power amplifier. We achieved the high efficiency up to 27% in power, and obtained the average output power of 18W and 1.5ns pulsewidth. We also achieve the high conversion efficiency above 12% in the KBBF crystal at 6kHz burst-mode operation, which is 980mW when it is converted to 6kHz operation.
We developed a high efficiency injection unit on the ArF excimer laser power amplifier to deal with the weaker output power of the solid-state laser oscillator. Using this unit, injection efficiency is improved from 20% to 80% and we achieved the average output power of 112W at 6kHz operation in a short time.
However, we found the KBBF crystal has a problem of the long-term stability and the high conversion efficiency above 10% is kept only less than 1 minute. We think that due to impurities and defects in the KBBF crystal, the 193nm light is absorbed into the KBBF crystal.
We verified that the hybrid-ArF laser system was able to generate output power over 90W at 6kHz operation and the electrical power consumed by this system was less than 36kW in a short time. On the other hand, it became clear that an issue of the product development was to solve quality problems of the KBBF crystals.
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