DE10149696A1

DE10149696A1 - ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaservorrichtung zur Lithographie

Info

Publication number: DE10149696A1
Application number: DE10149696A
Authority: DE
Inventors: Koji Kakizaki; Yoichi Sasaki
Original assignee: USHIO RES INST OF TECHNOLOGY I
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2002-05-29
Also published as: US20020071469A1; US6636546B2; JP3755577B2; JP2002118311A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ArF-Excimerlaservorrichtung zur Lithographie, die die Laserimpulsbreite selbst dann strecken kann, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz übersteigt, und sie betrifft auch eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung zur Lithographie, die in der Lage ist, die Laserimpulsbreite selbst dann zu strecken, wenn die Wiederholungsrate 2 kHz übersteigt. Bei einer Laservorrichtung zur Lithographie mit in einer Laserkammer angeordneten Laserentladungselektroden und einem parallel zu den Laserentladungselektroden geschalteten Spitzenwertkondensator erfüllen die Periode Tn der Wellenform eines Oszillationsstroms, der in einer ersten Schaltungsschleife fließt, die aus dem Kondensator der letzten Stufe einer magnetischen Impulskompressionsschaltung und der Laserentladungselektrode besteht, und die Periode Tp der Wellenform eines Oszillationsstroms, der in einer zweiten Schaltungsschleife fließt, die aus dem Spitzenwertkondensator und den Laserentladungselektroden besteht, die Bedingung 5 Tp Tn, und die Periode Tn erfüllt die Bedingung Tn 250 ns, wobei ein Laseroszillationsvorgang in mindestens 2,5 Zyklen des zwischen den Laserentladungselektroden fließenden Oszillationsstroms ausgeführt wird (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ArF- und eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung zur Lithographie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Gaslaservorrichtung zur Lithographie, beispielsweise eine ArF-Excimerlaservorrichtung, eine KrF- Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung, die einen Laserbetrieb mit einer großen Laseroszillations-Impuls breite ausführt.

Mit dem Erreichen kleiner, feiner und hochintegrierter Halbleiterschaltungen wurde gefordert, daß die Auflösung von Projektionsbelichtungssystemen zur Herstellung solcher hoch integrierter Schaltungen verbessert wird. Unter diesen Umständen wird die Wellenlänge des von Lichtquellen für die Lithographie emittierten Belichtungslichts kürzer. Gegen wärtig werden KrF-Excimerlaservorrichtungen als Lichtquellen zur Lithographie verwendet. ArF-Excimerlaservorrichtungen und Fluorlaservorrichtungen sind als Lichtquellen zur Halbleiter lithographie der nächsten Generation vielversprechend.

Bei diesen Excimerlaservorrichtungen ist ein Lasergas unter mehreren Hundert kPa in eine Laserkammer ein geschlossen. Das heißt, daß beim KrF-Excimerlaser ein Misch gas aus Fluorgas (F₂-Gas), Kryptongas (Kr-Gas) und einem Edelgas, beispielsweise Neon (Ne), das als Puffergas dient, als ein Lasergas in die Laserkammer eingeschlossen ist. Beim ArF-Excimerlaser ist in ähnlicher Weise ein Mischgas aus Fluorgas (F₂-Gas), Argongas (Ar-Gas) und einem Edelgas, beispielsweise Neon (Ne), das als Puffergas dient, als ein Lasergas in die Laserkammer eingeschlossen. Beim Fluorlaser ist in ähnlicher Weise ein Mischgas aus Fluorgas (F₂-Gas) und einem Edelgas, beispielsweise Neon (Ne), das als Puffergas dient, als ein Lasergas in die Laserkammer eingeschlossen. Bei dieser Vorrichtung wird das Lasergas als ein Lasermedium durch Erzeugung einer elektrischen Entladung in der Laser kammer angeregt.

Diese Laservorrichtungen emittieren Laserstrahlen mit einer großen spektralen Linienbreite. Es ist daher zum Vermeiden des Problems einer chromatischen Aberration im optischen Projektionssystem, das in das Belichtungssystem eingebaut ist, erforderlich, daß die spektrale Linienbreite auf 1 µm oder weniger verschmälert wird. Das Verschmälern der spektralen Linienbreite wird verwirklicht, indem ein optisches Linienverschmälerungssystem, das beispielsweise ein Vergrößerungsprisma und ein Beugungsgitter aufweist, im Laserresonator angeordnet wird.

Es sei bemerkt, daß die ArF-Excimerlaservorrichtung eine Oszillations-Mittenwellenlänge von 193,3 nm aufweist, die kürzer ist als die Oszillations-Mittenwellenlänge der gegen wärtig als Lichtquelle zur Lithographie verwendeten KrF- Excimerlaservorrichtung, die 248 nm beträgt. Dementsprechend wird als gläsernes Material im Projektionslinsensystem eines Steppers oder eines anderen Belichtungssystems verwendetes Quarz in höherem Maße beschädigt als bei Verwendung einer KrF-Excimerlaservorrichtung, was zum Verringern der Lebens dauer des Linsensystems führt.

Die Beschädigung von Quarz schließt die Farbzentren bildung infolge einer Zweiphotonenabsorption und eine Verdichtung (eine Erhöhung des Brechungsindex) ein. Die Erstgenannte erscheint als eine Verringerung der Licht durchlässigkeit, und die Letztgenannte erscheint als eine Verringerung der Auflösung des Linsensystems. Der Einfluß der Beschädigung ist umgekehrt proportional zur Laserimpulsbreite (T_is), die durch die folgende Gleichung definiert ist, wobei die Laserimpulsenergie als konstant angenommen wird:

T_is = (∫T(t)dt)²/∫(T(t))²dt (1)

wobei T(t) die zeitliche Laserimpulsform ist.

Es sei die Definition der Laserimpulsbreite T_is be schrieben. Unter der Annahme, daß ein optisches Element durch Zweiphotonenabsorption beschädigt wird, ist die je Impuls angesammelte Beschädigung D, weil die Beschädigung propor tional zum Quadrat der Laserlichtintensität ist, durch

D = k.∫(P(t))²dt (2)

gegeben, wobei k eine durch eine Substanz bestimmte Konstante ist und P(t) die zeitliche Laserintensität (MW) ist.

Die Laserintensität P(t) kann nach der folgenden Glei chung in die Zeit und die Energie getrennt werden:

P(t) = I.T(t)/∫T(t')dt' (3)

wobei I die Energie (mJ) ist und T(t) die zeitliche Laser impulsform ist.

Durch zeitliches Integrieren von P(t) ergibt sich I. Im Fall eines ArF-Excimerlasers beträgt I beispielsweise 5 mJ.

Falls die Gleichung (3) in die Gleichung (2) eingesetzt wird, läßt sich die Beschädigung D durch

D = k.I².∫(T(t)/∫T(t')dt')²dt = k.I².∫(T(t))²dt/(∫T(t)dt)² (4)

ausdrücken.

Durch Einsetzen von Gleichung (1) in Gleichung (4) er halten wir

D = k.I²/T_is (5)

Aus Gleichung (5) ergibt sich, daß die Impulsbreite T_is, die umgekehrt proportional zur Beschädigung D ist, durch Gleichung (1) definiert ist, weil k.I² konstant ist (I wird auf einem konstanten Wert gehalten).

Es sind bisher Fälle aufgetreten, in denen die Laser impulsbreite durch die volle Halbwertsbreite (FWHM) der zeit lichen Laserimpulsform definiert ist. Wenn die Laser impulsbreite durch die volle Halbwertsbreite definiert wird, können unterschiedliche zeitliche Laserimpulsformen in der Laserimpulsbreite gleich werden, wie im Modelldiagramm aus Fig. 8 dargestellt ist. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel unterscheiden sich jedoch die tatsächlichen Laserimpulsdauern der zwei zeitlichen Laserimpulsformen voneinander. Das heißt, daß die Impulsdauer der dreieckigen Laserimpulsform größer ist als diejenige der rechteckigen Laserimpulsform. Dabei ist die Laserimpulsbreite T_is der in Fig. 8 dargestellten dreieckigen Laserimpulsform größer als diejenige der rechteckigen Laserimpulsform, wenn die Laser impulsbreite T_is durch Gleichung (1) definiert ist. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel ist die Laserimpulsbreite T_is der dreieckigen Laserimpulsform beispielsweise zweimal so groß wie die Laserimpulsbreite T_is der rechteckigen Laser impulsform.

Wie oben erwähnt wurde, sind die Verringerung der Lichtdurchlässigkeit infolge der Zweiphotonenabsorption und die Verringerung der Auflösung infolge einer Verdichtung umgekehrt proportional zur Laserimpulsbreite T_is, die durch Gleichung (1) gegeben ist, wenn die Laserimpulsenergie als konstant angenommen wird. Es wird daher gefordert, daß die Laserimpulsbreite T_is gestreckt wird (es sollte also eine größere Impulsbreite erreicht werden).

Bei gegenwärtig im Handel erhältlichen ArF-Excimer laservorrichtungen zur Lithographie mit einer schmalen Linienbreite wird im allgemeinen ein Oszillationsvorgang mit einer Wiederholungsfrequenz (nachfolgend als "Wiederholungs rate" bezeichnet) von 1 kHz ausgeführt und eine Laser ausgangsleistung von 5 W bereitgestellt. Zum Vermeiden einer Beschädigung des im Halbleiter-Belichtungssystem angebrachten optischen Systems ist es erforderlich, daß die Laserimpuls breite T_is mindestens 30 ns beträgt.

Wie oben erwähnt wurde, wird bei einer ArF-Excimer laservorrichtung gefordert, daß die Laserimpulsbreite T_is gestreckt wird, um eine größere Impulsbreite zu erreichen und dadurch die Beschädigung des im Belichtungssystem an gebrachten optischen Systems zu verringern. Das Erreichen einer größeren Impulsbreite wird aus den folgenden Gründen auch für KrF-Excimerlaservorrichtungen und Fluorlaser vorrichtungen gefordert.

Bei einem Projektionsbelichtungssystem wird ein Bild einer mit einem Schaltungsmuster oder dergleichen versehenen Maske durch eine Projektionslinse auf ein Werkstück, beispielsweise einen Wafer, projiziert, der mit einem Photo resist beschichtet ist. Die Auflösung R des projizierten Bilds und die Schärfentiefe DOF werden durch

R = k₁.λ/NA (6)

und

DOF = k₂.λ/(NA)² (7)

ausgedrückt, wobei k₁ und k₂ die Eigenschaften des Resists und dergleichen darstellende Koeffizienten sind, λ die Wellenlänge des von einer Lichtquelle zur Lithographie emittierten Belichtungslichts ist und NA die numerische Apertur ist.

Zum Verbessern der Auflösung R wird die Wellenlänge des Belichtungslichts verringert und wird NA vergrößert, wie anhand Gleichung (6) klar ist. Die Schärfentiefe DOF nimmt jedoch entsprechend ab, wie durch Gleichung (7) dargestellt ist. Folglich nimmt der Einfluß der chromatischen Aberration zu. Es ist daher erforderlich, die spektrale Linienbreite des Belichtungslichts weiter zu verschmälern. Es wird mit anderen Worten gefordert, daß die spektrale Linienbreite des von der Gaslaservorrichtung zur Lithographie emittierten Laserstrahls weiter verschmälert wird.

Es wird in Proc. SPIE Band 3679 (1999) 1030-1037 er wähnt, daß sich die spektrale Linienbreite des Laserstrahls verringert, wenn die Laserimpulsbreite ansteigt. Dies wurde tatsächlich durch ein von den Erfindern ausgeführtes Experiment bewiesen. Es wird mit anderen Worten zum Ver bessern der Auflösung R gefordert, daß die spektrale Linien breite des Laserstrahls weiter verringert wird. Zum Erfüllen dieser Anforderung muß die Impulsbreite des Laserstrahls gestreckt werden.

Es ist daher wesentlich geworden, die Laserimpulsbreite T_is zu strecken, um eine Beschädigung des optischen Systems im Belichtungssystem zu vermeiden und die Auflösung zu verbessern. Es ist bekannt, daß die Laserimpulsbreite T_is von der Konzentration von Fluorgas im in der Laserkammer ein geschlossenen Lasergas abhängt (siehe Proc. SPIE Band 3679 (1999) 1030-1037, wie oben erwähnt wurde). Durch Einstellen der Fluorgaskonzentration kann die Laserimpulsbreite T_is gestreckt werden, um eine größere Impulsbreite, nämlich T_is ≧ 30 ns, zu erreichen.

In der japanischen Patentanmeldung Hei 11-261628 schlagen die Erfinder dieser Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Laserimpulses mit T_is ≧ 30 ns durch Ausführen eines Laser oszillationsvorgangs im ersten Halbzyklus der Wellenform des Entladungsoszillationsstroms eines Impulses, bei dem die Polarität umgekehrt ist, sowie in mindestens einem Halbzyklus nach dem ersten Halbzyklus vor.

Es gab Forderungen, daß KrF-Excimerlaservorrichtungen, die gegenwärtig als Lichtquellen für die Halbleiter-Litho graphie verwendet werden, und ArF-Excimerlaservorrichtungen oder Fluorlaservorrichtungen, die als Lichtquellen der nächs ten Generation für die Halbleiter-Lithographie viel versprechend sind, eine hohe Auflösung und einen hohen Durchsatz erreichen sollten und die Beschädigung von Quarz verringern sollten.

Die Technik zum Erreichen einer größeren Impulsbreite zum Erhalten einer höheren Auflösung und zum wirksamen Verringern der Beschädigung und die Technik zum Erreichen einer höheren Wiederholungsrate zum Erhalten eines höheren Durchsatzes widersprechen einander jedoch hinsichtlich der Fähigkeit zum Aufrechterhalten einer stabilen elektrischen Entladung. Es wurde daher als schwierig angesehen, die beiden Techniken miteinander kompatibel zu machen. Es wird berichtet, daß es schwierig ist, bei Gaslaservorrichtungen, bei denen Fluor verwendet wird, eine größere Impulsbreite zu erreichen (siehe insbesondere Mitsuo Maeda "Excimer Laser", S. 163 und IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS BAND 5, Nr. 6 (1999), S. 1515).

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ArF-Excimerlaservorrichtung zur Lithographie bereit zustellen, die in der Lage ist, die Laserimpulsbreite selbst dann zu strecken, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz über steigt, und auch eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung zur Lithographie bereitzustellen, die in der Lage sind, die Laserimpulsbreite selbst dann zu strecken, wenn die Wiederholungsrate 2 kHz übersteigt.

Zum Lösen der oben beschriebenen Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine ArF- und eine KrF-Excimer laservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung zur Litho graphie vor, die jeweils ein Paar von Laserentladungs elektroden, die mit Ausgangsanschlüssen einer magnetischen Impulskompressionsschaltung verbunden sind und in einer Laserkammer angeordnet sind, aufweisen. Ein Spitzenwert kondensator ist parallel zum Paar der Laserentladungs elektroden geschaltet.

Die Kapazitäten der Kondensatoren und die Induktivitäten der Schaltungsschleifen in der Laservorrichtung werden folgendermaßen bezeichnet: die Kapazität eines Kondensators in der letzten Stufe der magnetischen Impulskompressions schaltung wird durch Cn bezeichnet (n ist die Anzahl der Stufen in der magnetischen Impulskompressionsschaltung), die Kapazität des Spitzenwertkondensators wird durch Cp bezeichnet, die Induktivität einer ersten Schaltungsschleife, die aus dem Kondensator in der letzten Stufe und den Laserentladungselektroden besteht, wird durch Ln bezeichnet, und die Induktivität einer zweiten Schaltungsschleife, die aus dem Spitzenwertkondensator und den Laserentladungs elektroden besteht, wird durch Lp bezeichnet.

Die Beziehung zwischen der Periode Tn der Wellenform eines in der ersten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tn = 2π√(Ln × Cn), und der Periode Tp der Wellenform eines in der zweiten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tp = 2π√(Lp × Cp) erfüllt die folgende Bedingung:
5Tp ≦ Tn

Weiterhin erfüllt die Periode Tn die folgende Bedingung:
Tn < 250 ns

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird ein Laser oszillationsvorgang in mindestens 2,5 Zyklen des zwischen den Laserentladungselektroden fließenden Oszillationsstroms aus geführt.

Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine ArF- und eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaser vorrichtung zur Lithographie vor, die jeweils ein Paar von Laserentladungselektroden aufweisen, die an Ausgangs anschlüsse einer magnetischen Impulskompressionsschaltung angeschlossen sind und in einer Laserkammer angeordnet sind. Ein Spitzenwertkondensator ist parallel zu dem Paar von Laserentladungselektroden geschaltet.

Die Beziehung zwischen der Periode Tn der Wellenform eines in der ersten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tn = 2π√(Ln × Cn), und der Periode Tp der Wellenform eines in der zweiten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tp = 2π√(Lp × Cp) erfüllt die folgende Bedingung:
3Tp ≦ Tn < 5Tp

Weiterhin erfüllt die Periode Tn die folgende Bedingung:
Tn < 250 ns

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird ein Laser oszillationsvorgang in mindestens 1,5 Zyklen des zwischen den Laserentladungselektroden fließenden Oszillationsstroms aus geführt.

Es ist bei der oben beschriebenen Laservorrichtung wünschenswert, daß die Laserentladungselektroden eine Länge von 600 bis 750 mm und einen Zwischenraum von 15 bis 18 mm aufweisen und daß der Gesamtgasdruck in der Laserkammer 2 bis 4 Atmosphären beträgt, daß die Fluorkonzentration in der Laserkammer höchstens 0,15% beträgt und daß die Kapazität Cn des Kondensators in der letzten Stufe weiterhin mindestens 8 nF beträgt.

Es ist weiterhin wünschenswert, daß ein Kondensator zur Vorionisation parallel zum Spitzenwertkondensator und in Reihe mit Korona-Vorionisationselektroden geschaltet ist und daß die kombinierte Kapazität Cc aus der elektrostatischen Kapazität der Korona-Vorionisationselektroden und der Kapazi tät des Kondensators zur Vorionisation höchstens 5% der Kapazität Cp des Spitzenwertkondensators beträgt.

Es ist weiterhin wünschenswert, daß der Auskopplungs spiegel des optischen Resonators einen Reflexionsgrad von höchstens 40% aufweist.

Dementsprechend werden gemäß der vorliegenden Erfindung der Primärstrom zum Einführen von Energie in die Entladungs elektroden von der magnetischen Impulskompressionsschaltung durch den Spitzenwertkondensator und der Sekundärstrom zum Einführen von Energie in die Entladungselektroden vom den Spitzenwertkondensator ladenden Kondensator in der letzten Stufe der magnetischen Impulskompressionsschaltung einander überlagert. Die Oszillationsperiode des Sekundärstroms wird auf mindestens das 5fache oder nicht weniger als das 3fache und weniger als das 5fache gelegt, solange die Oszillations periode des Primärstroms und die Oszillationsperiode des Sekundärstroms auf weniger als 250 ns gelegt ist, wodurch ein Laseroszillationsvorgang für jeden Impuls im ersten Halbzyklus der Wellenform des Primärentladungs-Oszillations stroms, dem der Sekundärstrom überlagert ist, und in mindestens vier Halbzyklen oder zwei Halbzyklen nach dem ersten Halbzyklus ausgeführt wird. Es ist dementsprechend möglich, eine ArF-Excimerlaservorrichtung mit einer hohen Wiederholungsrate und einer schmalen Linienbreite für die Halbleiter-Lithographie zu verwirklichen, die selbst dann mit einer gestreckten Impulsbreite stabil arbeiten kann, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz beträgt oder höher ist. Es ist weiterhin möglich, eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung mit einer hohen Wiederholungsrate und einer schmalen Linienbreite zur Halbleiter-Lithographie zu verwirklichen, die selbst dann mit einer gestreckten Impulsbreite stabil arbeiten können, wenn die Wiederholungs rate 2 kHz beträgt oder höher ist.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind teil weise offensichtlich und werden teilweise beim Lesen der Beschreibung verständlich werden.

Die Erfindung weist dementsprechend die Konstruktions merkmale, Kombinationen von Elementen und die Anordnung der Teile auf, die durch die nachfolgend dargelegte Konstruktion beispielhaft dargelegt werden, und der Schutzumfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben.

Fig. 1 ist ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Grundgedankens einer Laservorrichtung zur Lithographie gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Struktur beispiels einer Laservorrichtung zur Lithographie, worauf die vorliegende Erfindung angewendet wird.

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Anregungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Ergebnisse einer Untersuchung der Beziehung zwischen der Laserausgangs energie und der Impulsbreite, wenn die Periode des zwischen den Entladungselektroden fließenden Sekundärstroms geändert wird.

Fig. 5 ist ein Diagramm, in dem Laserausgangswellenform- Daten dargestellt sind, die durch eine ArF-Excimerlaser vorrichtung bei einem speziellen Beispiel erhalten wurden.

Fig. 6 ist ein Wellenformdiagramm, das Fig. 1 ähnelt und dem Beschreiben des Grundgedankens einer weiteren Laser vorrichtung zur Lithographie gemäß der vorliegenden Erfindung dient.

Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Art, in der der zwischen den Entladungselektroden fließende elektrische Strom entsprechend der kombinierten Kapazität einer Vor ionisationsschaltung unterbunden wird.

Fig. 8 ist ein Diagramm zum Beschreiben der Laserimpuls breite.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit einer Ausführungsform weiter unten mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.

Entsprechend den oben beschriebenen Anforderungen haben die Erfinder eine ArF-Excimerlaservorrichtung mit langen Impulsen für die Lithographie entwickelt, die selbst dann, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz oder höher ist, bei einer Laserimpulsbreite von T_is ≧ 50 ns stabil arbeiten kann, wobei eine Impulsbreiten-Streckschaltung gebildet wurde, die einem mit einer hohen Wiederholungsrate erfolgenden Oszillations vorgang in der Laserentladungsschaltung entspricht.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der folgende. Bei speziellen Vorgängen beschleunigt die Impuls breiten-Streckschaltung den Anstieg des Primärstroms, der von einem Spitzenwertkondensator, der parallel zu dem Paar in der Laserkammer angeordneter Laserentladungselektroden geschaltet ist, durch den Entladungsraum fließt. Weiterhin erhöht die Schaltung den Spitzenwert des Primärstroms und verkürzt die Periode des Primärstroms, wodurch das einfache Aufrechter halten einer stabilen elektrischen Entladung ermöglicht wird.

Weiterhin ist die Schaltung so angeordnet, daß die elektri sche Ladung, die in dem den Spitzenwertkondensator ladenden Kondensator in der Magnetimpuls-Kompressionsschaltung bleibt (also die elektrische Ladung, die bis zum Beginn einer elektrischen Entladung nicht zum Spitzenwertkondensator übertragen wird), auch während des Zeitraums zwischen dem ersten Zyklus und der ersten Hälfte des dritten Zyklus des vom Spitzenwertkondensator durch den Entladungsraum fließen den Primärstroms fließt, wodurch ein Laseroszillationsvorgang im ersten Halbzyklus der Entladungsoszillationsstrom-Wellen form zusammen mit mindestens vier nachfolgenden Halbzyklen bis zum ersten Halbzyklus, also in insgesamt fünf Halbzyklen ausgeführt wird.

Fig. 1 ist eine Konzeptansicht des oben beschriebenen Vorgangs. Die Schaltungskonstanten sind so bestimmt, daß der vom Spitzenwertkondensator fließende Primärstrom schnell ansteigt, und sein Spitzenwert erhöht wird und weiterhin seine Periode verkürzt wird (eine spezielle Schaltungs konfiguration und spezielle Schaltungskonstanten werden später beschrieben), wodurch das einfache Aufrechterhalten einer stabilen elektrischen Entladung ermöglicht wird.

Die Schaltungskonstanten werden so bestimmt, daß die elektrische Ladung im den Spitzenwertkondensator ladenden Kondensator (im Kondensator in der letzten Stufe) in der Magnetimpuls-Kompressionsschaltung bleibt, wenn eine elektri sche Entladung beginnt (eine spezielle Schaltungs konfiguration und spezielle Schaltungskonstanten werden später beschrieben). Die Periode des Sekundärstroms, während derer die restliche elektrische Ladung durch den Entladungs raum fließt, wird auf mindestens den 5fachen Wert der Periode des Primärstroms gelegt.

Demgemäß ist der zwischen den Entladungselektroden fließende elektrische Strom eine Kombination des Primärstroms und des Sekundärstroms, die einander überlagert sind. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird ein Laseroszillationsvorgang für jeden Impuls im ersten Halbzyklus der Oszillationsstrom- Wellenform zusammen mit mindestens vier Halbzyklen nach dem ersten Halbzyklus ausgeführt.

Nachfolgend werden einige zusätzliche Erklärungen ge geben. Der erste, der dritte und der fünfte Halbzyklus des aus dem überlagerten Primärstrom und Sekundärstrom bestehen den Oszillationsstroms (also des zwischen den Entladungs elektroden fließenden Entladungsstroms) weisen die gleiche Polarität auf, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und die Intensität wird durch das Überlagern des Primärstroms und des Sekundärstroms erhöht. Die während dieses Zeitraums in den Entladungsraum eingeführte Energie ist im Vergleich mit der herkömmlichen Vorrichtung, die den Sekundärstrom nicht aufweist, erhöht. Die Oszillationsenergie ist auch erhöht. Umgekehrt ist der elektrische Stromwert im zweiten und vierten Halbzyklus des Oszillationsstroms verringert. Daher ist die eingeführte Energie verringert. Selbst während des zweiten Halbzyklus wird die elektrische Entladung jedoch vom ersten Halbzyklus an im Entladungsraum kontinuierlich aufrechterhalten, wenngleich die Polarität invertiert wird, so daß Energie wirksam eingeführt wird. Dementsprechend kann der Laseroszillationsvorgang vom ersten Halbzyklus über den zweiten, dritten und vierten Halbzyklus bis zum fünften Halbzyklus aufrechterhalten werden.

Demgemäß werden der Primärstrom für das Einführen von Energie in die Entladungselektroden von der Magnetimpuls- Kompressionsschaltung durch den Spitzenwertkondensator und der Sekundärstrom zum Einführen von Energie in die Entladungselektroden vom den Spitzenwertkondensator ladenden Kondensator in der Magnetimpuls-Kompressionsschaltung über lagert. Weiterhin ist die Länge der Oszillationsperiode des Sekundärstroms auf mindestens den 5fachen Wert der Länge der Oszillationsperiode des Primärstroms gelegt, so daß ein Laseroszillationsvorgang für jeden Impuls im ersten Halb zyklus der Wellenform des Primärstroms, dem der Sekundärstrom überlagert ist, zusammen mit mindestens vier Halbzyklen nach dem ersten Halbzyklus ausgeführt wird. Es wird folglich möglich, eine größere Impulsbreite, beispielsweise T_is ≧ 50 ns, zu erreichen. Es ist auch möglich, die Linien breite auf unter 0,45 µm (Halbbreite) zu verringern. Demgemäß wird die Auflösung verbessert. Weil der Spitzenwert der Lichtintensität weiterhin durch das Erreichen einer größeren Impulsbreite verringert wird, kann das Beschädigen von Quarz verringert werden.

Ein spezielles Beispiel einer Laservorrichtung (als eine ArF-, KrF- und Fluorlaservorrichtung verwendbar) für die Lithographie gemäß der vorliegenden Erfindung und ein spezielles Beispiel einer Anregungsschaltung für diese werden weiter unten dargestellt.

Fig. 2 ist ein Diagramm, in dem ein Strukturbeispiel einer Laservorrichtung zur Lithographie gemäß der vor liegenden Erfindung dargestellt ist. In der Figur weist eine Laserkammer 1 an beiden Enden ausgebildete Fenster auf. Die Laserkammer 1 weist ein darin eingeschlossenes Lasergas auf. Das Lasergas ist ein im wesentlichen aus Fluorgas, Argongas und/oder Kryptongas und einem Puffergas (beispielsweise Neongas) bestehendes Mischgas.

Ein Paar von Hauptentladungselektroden 2 ist in der Laserkammer 1 vorgesehen, und sie stehen einander mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüber. Ein Hochspannungs- Impulsgenerator 3 legt zwischen die Hauptentladungselektroden 2 einen Hochspannungsimpuls, um zwischen ihnen eine elektri sche Entladung zu erzeugen, wodurch das als Lasermedium dienende Lasergas angeregt wird.

Das Lasergas wird durch das Drehen eines in der Laser kammer 1 bereitgestellten Gebläses 4 in der Laserkammer 1 umgewälzt.

Durch die Lasergasumwälzung wird das Lasergas zwischen den Hauptentladungselektroden 2 nach der Erzeugung einer elektrischen Entladung und vor der Erzeugung der folgenden elektrischen Entladung durch neues Gas ersetzt. Daher wird ermöglicht, daß die folgende elektrische Entladung eine stabile Entladung ist.

Die Erfinder haben die Lasergas-Umwälzstruktur der Laser kammer 1, die Entladungselektroden usw. verbessert und einen Hochspannungs-Impulsgenerator zum Erreichen einer Wieder holungsrate von 4 kHz oder darüber neu entwickelt.

Ein Linienverschmälerungsmodul 5 ist an einem Ende der Laserkammer 1 bereitgestellt. Das Linienverschmälerungsmodul 5 hat ein optisches Linienverschmälerungssystem zum Ver schmälern der spektralen Linienbreite des Laserstrahls. Das Linienverschmälerungsmodul 5 beinhaltet beispielsweise ein optisches Strahldurchmesser-Aufweitungssystem, das aus einem oder mehreren Prismen und einem Littrow-Reflexions-Beugungs gitter besteht. Ein Auskopplungsspiegel 6 ist am anderen Ende der Laserkammer 1 bereitgestellt. Der Auskopplungsspiegel 6 und das optische Linienverschmälerungssystem, das im Linien verschmälerungsmodul 5 eingerichtet ist, bilden einen Laser resonator.

Ein Teil des vom Auskopplungsspiegel 6 emittierten Laser strahls wird durch einen Strahlabtaster 7 entnommen und zu einer Wellenform-Erfassungsvorrichtung 8 zum Erfassen der zeitlichen Wellenform des Laserstrahls geführt. Die Wellenform-Erfassungsvorrichtung 8 hat beispielsweise eine Photodiode oder ein Photonenvervielfachungsrohr als photo elektrische Umwandlungsvorrichtung. Von der Wellenform- Erfassungsvorrichtung 8 erhaltene Wellenformdaten werden zu einer Impulsbreiten-Berechnungsvorrichtung 9 gesendet. Die Impulsbreiten-Berechnungsvorrichtung berechnet die Laser impulsbreite T_is nach der oben beschriebenen Gleichung (1) auf der Grundlage der empfangenen Impulsbreitendaten.

Eine wie in Fig. 3 dargestellt angeordnete Anregungs schaltung legt eine Hauptentladungsspannung zwischen die Hauptentladungselektroden 2 der oben beschriebenen Laser vorrichtung zur Lithographie und auch über einen Kondensator Cc1 zur Vorionisation eine Vorentladungsspannung zwischen die Elektroden 11 und 13 einer Korona-Vorionisationseinheit 10. Es sei bemerkt, daß die Korona-Vorionisationseinheit 10 in diesem Beispiel folgendermaßen angeordnet ist. Die erste Elektrode 11 besteht beispielsweise aus einer kreissäulen förmigen Elektrode, die in ein Rohr 12 eingeführt ist, das aus einem dielektrischen Material, beispielsweise hochreiner Aluminiumoxidkeramik, besteht. Die zweite Elektrode 13 besteht aus einer rechteckigen plattenförmigen Elektrode. Das die zweite Elektrode 13 bildende plattenförmige Element ist in der Umgebung eines geraden Rands gebogen. Der Rand der zweiten Elektrode 13 ist parallel zur Außenfläche des die erste Elektrode 11 bildenden dielektrischen Rohrs 12 und diese in einer Linie berührend angeordnet. Die Position, an der der Rand der zweiten Elektrode 13 die Außenfläche des dielektrischen Rohrs 12 berührt, ist eine Position, von der aus der Laseranregungsraum zwischen den Hauptentladungs elektroden 2 sichtbar ist und die in unmittelbarer Nähe zu einer der Hauptentladungselektroden 2 liegt. Die Korona- Vorionisationseinheit 10 hat eine elektrostatische Kapazität Cc2.

Die in Fig. 3 dargestellte Anregungsschaltung ist eine zweistufige magnetische Impulskompressionsschaltung, bei der drei Magnetschalter SL0, SL1 und SL2 verwendet werden, die jeweils aus sättigbaren Drosselspulen bestehen. Der Magnet schalter SL0 schützt einen Festkörperschalter SW. Der erste Magnetschalter SL1 und der zweite Magnetschalter SL2 bilden eine zweistufige magnetische Impulskompressionsschaltung.

Die Anordnung und die Arbeitsweise der Schaltung werden weiter unten mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Zuerst wird die Spannung einer Hochspannungs-Leistungsversorgung HV auf einen vorgegebenen Wert eingestellt, und ein Hauptkondensator C0 wird über den Magnetschalter SL0 und eine Induktivität L1 geladen. Zu dieser Zeit ist der Festkörperschalter SW aus geschaltet. Nach Abschluß des Ladens des Hauptkondensators C0 wird der Festkörperschalter SW eingeschaltet. Gleichzeitig wird die Spannung am Festkörperschalter SW so verschoben, daß sie an den Magnetschalter SL0 angelegt wird, wodurch der Festkörperschalter SW geschützt wird. Wenn der Zeit integrationswert der Ladespannung V0 am Hauptkondensator C0, die an den Magnetschalter SL0 angelegt ist, einen kritischen Wert erreicht, der durch die Eigenschaften des Magnet schalters SL0 bestimmt ist, wird der Magnetschalter SL0 gesättigt und schaltet ein. Folglich fließt ein elektrischer Strom durch eine Schleife, die aus dem Hauptkondensator C0, dem Magnetschalter SL0, dem Festkörperschalter SW und einem Kondensator C1 besteht. Dadurch wird die im Hauptkondensator C0 gespeicherte elektrische Ladung zum Kondensator C1 über tragen und darin gespeichert.

Wenn der Zeitintegrationswert der Spannung V1 am Kondensator C1 danach einen durch die Eigenschaften des Magnetschalters SL1 bestimmten kritischen Wert erreicht, wird der Magnetschalter SL1 gesättigt und schaltet ein. Folglich fließt ein elektrischer Strom durch eine Schleife, die aus dem Kondensator C1, einem Kondensator C2 und dem Magnet schalter SL2 besteht. Dadurch wird die im Kondensator C1 gespeicherte elektrische Ladung zum Kondensator C2 übertragen und darin gespeichert.

Wenn der Zeitintegrationswert der Spannung V2 am Kondensator C2 danach einen durch die Eigenschaften des Magnetschalters SL2 bestimmten kritischen Wert erreicht, wird der Magnetschalter SL2 gesättigt und schaltet ein. Folglich fließt ein elektrischer Strom durch eine Schleife, die aus dem Kondensator C2, einem Spitzenwertkondensator Cp und dem Magnetschalter SL2 besteht. Dadurch wird die im Kondensator C2 gespeicherte elektrische Ladung zum Spitzenwertkondensator Cp übertragen und darin gespeichert.

Wie anhand der in Verbindung mit Fig. 3 gegebenen Beschreibung klar sein wird, tritt eine Koronaentladung zur Vorionisation an der Außenrandfläche des dielektrischen Rohrs 12 auf, die von der Position ausgeht, an der die zweite Elektrode 13 das dielektrische Rohr 12 berührt. Insbesondere steigt die Spannung V3 am Spitzenwertkondensator Cp an, wenn das Laden des Spitzenwertkondensators Cp, das in Fig. 3 dargestellt ist, fortgesetzt wird. Wenn die Spannung V3 einen vorgegebenen Wert erreicht, tritt an der Oberfläche des dielektrischen Rohrs 12 der Korona-Vorionisationseinheit eine Koronaentladung auf. Die Koronaentladung bewirkt das Erzeugen von Ultraviolettstrahlung an der Oberfläche des dielektri schen Rohrs 12. Die Ultraviolettstrahlung ionisiert das zwischen den Hauptentladungselektroden 2 strömende Lasergas als ein Lasermedium vor.

Wenn das Laden des Spitzenwertkondensators Cp weiter fortgesetzt wird, steigt die Spannung V3 am Spitzenwert kondensator Cp an. Wenn die Spannung V3 einen bestimmten Wert (die Durchbruchspannung) Vb erreicht, tritt im Lasergas zwischen den Hauptentladungselektroden 2 ein elektrischer Durchbruch auf, und es beginnt daher eine Hauptentladung. Das Lasermedium wird durch die Hauptentladung angeregt, und es wird ein Laserstrahl erzeugt.

Danach wird die Spannung am Spitzenwertkondensator Cp infolge der Hauptentladung schnell verringert, und sie kehrt schließlich zum Zustand vor Beginn des Ladens zurück.

Der oben beschriebene Entladungsvorgang wird durch den Schaltvorgang des Festkörperschalters SW wiederholt, wodurch eine gepulste Laseroszillation bei einer vorgegebenen Wieder holungsrate ausgeführt wird.

Demgemäß bildet eine Kombination aus dem Magnetschalter SL1 und dem Kondensator C1 eine kapazitive Übertragungs schaltung, die eine erste Stufe bildet, und eine Kombination aus dem Magnetschalter SL2 und dem Kondensator C2 bildet eine kapazitive Übertragungsschaltung, die eine zweite Stufe bildet. Durch derartiges Festlegen der Induktivität jeder kapazitiven Übertragungsschaltung, daß die Induktivität kleiner wird, wenn die Ordnungszahl der Stufen ansteigt, wird ein Impulskompressionsvorgang ausgeführt, so daß die Impuls breite eines durch jede Stufe fließenden elektrischen Stromimpulses schrittweise kleiner wird. Folglich wird zwi schen den Hauptentladungselektroden 2 eine starke Entladung mit kurzen Impulsen verwirklicht.

Es sei bemerkt, daß dann, wenn eine Laservorrichtung als eine Lichtquelle zur Halbleiter-Lithographie verwendet wird, ein für die Lithographie erforderliches Entladungsvolumen natürlicherweise durch die zur Lithographie erforderliche Laserausgangsenergie bestimmt ist. Hinsichtlich des Ent ladungsvolumens muß der Zwischenraum zwischen den Haupt entladungselektroden 2 etwa 15 bis 18 mm betragen, und seine Länge muß etwa 600 bis 750 mm betragen.

Die Laserausgangsenergie ist im allgemeinen durch die Kapazität des Spitzenwertkondensators Cp bestimmt (die durch die elektrische Entladung erhaltene Eingangsenergie beträgt ½ × Cp.Vb²). Je größer die Kapazität des Spitzenwert kondensators Cp ist, desto größer ist die Laserausgangs energie. Die Kapazität des Spitzenwertkondensators Cp muß jedoch verringert werden, um die Periode des zwischen den Hauptentladungselektroden 2 fließenden elektrischen Stroms zu verkürzen. Um weiterhin zu ermöglichen, daß die elektrische Ladung selbst dann im Kondensator C2 bleibt, wenn der elektrische Strom vom Spitzenwertkondensator Cp zwischen den Hauptentladungselektroden 2 fließt, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, kann die Kapazität des Spitzenwert kondensators Cp nicht sehr groß gemacht werden.

Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich, Schaltungskonstanten so zu bestimmen, daß der zwischen den Hauptentladungselektroden 2 fließende elektrische Strom vom Spitzenwertkondensator Cp schnell ansteigt (daß also seine Periode verkürzt wird) und daß der Spitzenwert des elektrischen Stroms erhöht wird, wie oben erwähnt wurde. Die Spannung (Durchbruchspannung) Vb, bei der eine elektrische Entladung zwischen den Hauptentladungselektroden 2 ausgelöst wird, hängt vom Anstieg der zwischen die Hauptentladungs elektroden 2 gelegten Spannung ab. Wenn die Anstiegszeit kurz ist, wird die Entladungsauslösespannung Vb hoch (Auftreten einer Überspannung). Es ist daher zum Erhöhen des Spitzen werts des elektrischen Stroms erforderlich, die angelegte Spannung scharf ansteigen zu lassen. Es sei in dieser Hinsicht angenommen, daß, wie in Fig. 3 dargestellt ist, L2s die Restinduktivität im Magnetschalter SL2 ist und daß Lf1 die Streuinduktivität infolge des Anschlusses der magneti schen Impulskompressionsschaltung an den Ausgangsanschluß ist, wobei Lf1 die Streuinduktivität auf der Seite des Ausgangsanschlusses ist, die dichter bei der magnetischen Impulskompressionsschaltung liegt. Weiterhin wird angenommen, daß Lf2 die Streuinduktivität auf der Seite der Laser vorrichtung infolge des oben beschriebenen Anschlusses an die stromaufwärts gelegene Seite des Spitzenwertkondensators Cp ist. Um die angelegte Spannung scharf ansteigen zu lassen, ist es, wie oben erwähnt wurde, erforderlich, den Spitzen wertkondensator Cp vom Kondensator C2 schnell laden zu lassen, indem die Induktivität L2' verringert wird, die die Summe von L2s, Lf1 und Lf2 ist (also L2' = L2s + Lf1 + Lf2).

Um die Periode des zwischen den Hauptentladungselektroden 2 fließenden elektrischen Stroms vom Spitzenwertkondensator Cp zu verkürzen und dadurch das einfache Aufrechterhalten einer stabilen elektrischen Entladung zu ermöglichen, ist die Schaltung folgendermaßen angeordnet. Dabei sind die Para meter, die die Periode des zwischen den Hauptentladungs elektroden 2 vom Spitzenwertkondensator Cp fließenden Oszillationsstroms bestimmen, die Kapazität Cp und die Streuinduktivität Lp in einer Schleife (Entladungsstrom kreis), die aus dem Spitzenwertkondensator Cp und den Hauptentladungselektroden 2 in der in Fig. 3 dargestellten Anregungsschaltung besteht. Die Wurzel des Produkts der Kapazität Cp und der Streuinduktivität Lp ist proportional zur Periode des zwischen den Hauptentladungselektroden 2 vom Spitzenwertkondensator Cp fließenden Oszillationsstroms. Dem entsprechend sollte die Streuinduktivität Lp im Entladungs stromkreis zum Verkürzen der Periode des Oszillationsstroms minimiert werden. Weil die Größe der Streuinduktivität Lp durch die Schnittfläche des Laserhohlraums bestimmt ist, kann die Streuinduktivität Lp jedoch nicht wirklich auf einen Wert verringert werden, der kleiner als etwa 3 nH ist.

Es ist weiterhin erforderlich, den elektrischen Wider stand des Lasergases zu verringern, um den Spitzenwert des elektrischen Stroms im zweiten und in späteren Halbzyklen des zwischen den Hauptentladungselektroden 2 fließenden Oszilla tionsstroms zu erhöhen, so daß die Laseroszillation selbst während des zweiten und späterer Halbzyklen fortgesetzt wird. Der elektrische Widerstand des Mischgases wird geringer, wenn der Partialdruck von Fluor im Lasergas abnimmt. Es ist daher wünschenswert, daß der Partialdruck von Fluor in bezug auf den Gesamtdruck des Lasergases 0,15% nicht übersteigt. Es sei bemerkt, daß die Energiemenge, die eingeführt werden kann, zu klein wird, um die für das Belichtungssystem erforderliche Ausgangsenergie zu erhalten, wenn der Druck des Lasergases 2 Atmosphären oder weniger beträgt. Wenn der Druck des Lasergases umgekehrt höher als 4 Atmosphären ist, wird der elektrische Widerstand übermäßig hoch. Es wird folglich schwierig, zu ermöglichen, daß die Laseroszillation während des zweiten und späterer Halbzyklen des Oszillationsstroms kontinuierlich stattfindet.

Auf der Grundlage des oben beschriebenen Wissens wurde eine in Fig. 2 dargestellte ArF-Excimerlaservorrichtung zur Lithographie folgendermaßen angeordnet. Die Länge der Laser entladungselektrode betrug 700 mm, und der Elektroden zwischenraum betrug 16 mm. Der Druck in der Laserkammer 1 betrug 3 Atmosphären (etwa 300 kPa). Die Fluorkonzentration betrug 0,09%, und die Argonkonzentration betrug 3%. Das Puffergas war Neon. Zusätzlich wurde eine Anregungsschaltung, die eine in Fig. 3 dargestellte zweistufige magnetische Impulskompressionsschaltung aufwies, folgendermaßen angeord net. Die Wiederholungsrate betrug 4 kHz. Der Magnetschalter SL2 und der Aufbau des elektrischen Entladungsabschnitts waren so ausgelegt, daß L2s, Lf1, Lf2 und Lp derart waren, daß die Periode Tp des zwischen den Entladungselektroden vom Spitzenwertkondensator Cp fließenden Primärstroms und die Periode T2 des zwischen den Entladungselektroden vom Konden sator C2 der letzten Stufe fließenden Sekundärstroms die folgenden waren:

Tp = 2π√(Lp × Cp) = 2π√(5 nH × 8 nF) = 40 ns

T2 = 2π√{(L2s + Lf1 + Lf2 + Lp) × C2}
= 2π√(100 nH × 12 nF) = 218 ns

Auf diese Weise wurden der Wert des Spitzenwert kondensators Cp und der Wert des Kondensators C2 der letzten Stufe festgelegt.

Weiterhin wurde die Kapazität des Kondensators Cc1 zur Vorionisation auf 0,4 nF gelegt und war der Aufbau der Korona-Vorionisationseinheit 10 so ausgelegt, daß ihre elektrostatische Kapazität Cc2 0,2 nF betrug. Der Reflexions grad des Auskopplungsspiegels 6 betrug 50%. Es sei bemerkt, daß der Druck in der Laserkammer 1 in bezug auf den Druckwert ausgedrückt wird, wenn die Gastemperatur 25°C beträgt.

Es wurde experimentell herausgefunden, daß der zwischen den Entladungselektroden vom Kondensator C2 der letzten Stufe fließende elektrische Strom nicht wirksam zur Laser oszillation verwendet werden kann, wenn die Periode T2 250 ns oder mehr beträgt. In Fig. 4 ist die Beziehung zwischen der Laserausgangsenergie (E) und der Impulsbreite (T_is) dar gestellt, die erhalten wurde, wenn die Periode T2 unter der Bedingung geändert wurde, daß beispielsweise die Wieder holungsrate 4 kHz betrug und daß C2 12 nF betrug. Die Periode T2 wurde durch Ändern der Restinduktivität L2 s einer magnetischen Impulskompressionsschaltung unter Verwendung von Magnetschaltern SL2 mit unterschiedlichen Restinduktivitäten L2s geändert. Der Grund, aus dem der zwischen den Entladungs elektroden vom Kondensator C2 der letzten Stufe fließende elektrische Strom nicht wirksam zur Laseroszillation ver wendet werden kann, wenn die Periode T2 250 ns oder mehr beträgt, wird als der folgende angesehen. Es gibt eine Grenze für die Dauer der gleichmäßigen elektrischen Entladung, die eine Verstärkung für die Laseroszillation bieten kann, und wenn die Zeit verstreicht, geht die gleichmäßige elektrische Entladung zu einer konzentrierten elektrischen Entladung über, wodurch die Verstärkung verlorengeht.

Fig. 5 zeigt Wellenformdaten, die eine durch die Wellen form-Erfassungsvorrichtung 8 unter den oben beschriebenen Parametereinstellungen erhaltene zeitliche Laserimpulsform angeben. Zu dieser Zeit betrug der durch die Impulsbreiten- Berechnungsvorrichtung 9 erhaltene Wert der Laserimpulsbreite T_is 62 ns.

Wie anhand der oben beschriebenen Ausführungsform klar ist, ist es durch Erfüllen der folgenden Bedingungen möglich, eine ArF-Excimerlaservorrichtung mit langen Impulsen zur Lithographie zu verwirklichen, die selbst dann mit einer Laserimpulsbreite T_is ≧ 50 ns stabil arbeiten kann, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz oder höher ist:

1. Die Periode Tp des Primärstroms wird auf 50 ns oder weniger verringert, um den Anstieg des Entladungsstroms zu beschleunigen und das stabile Aufrechterhalten der elektri schen Entladung zu ermöglichen.
2. Die Periode T2 des Sekundärstroms wird auf 250 ns oder weniger verringert, um die Entladungsauslösespannung zu erhöhen und den Spitzenwert des Entladungsstroms zu ver größern.
3. Die Perioden Tp und T2 werden so festgelegt, daß die Bedingung 5Tp ≦ T2 erfüllt ist (5Tp soll T2 nicht über steigen, und die Laseroszillationswirksamkeit nimmt zu, wenn 5Tp näher zu T2 gelangt), wodurch während des zweiten Zyklus sowie der ersten Hälfte des dritten Zyklus des zwischen den Elektroden vom Spitzenwertkondensator Cp fließenden elektri schen Stroms infolge der im Kondensator C2 der letzten Stufe verbleibenden elektrischen Ladung ein elektrischer Strom so fließen kann, daß er dem vom Spitzenwertkondensator Cp fließenden elektrischen Strom überlagert wird.

Auf diese Weise wird die Fähigkeit zum Aufrechterhalten einer stabilen elektrischen Entladung durch (1) und (2) ver größert, und während die stabile Entladung aufrechterhalten wird, wird Energie durch (3) eingeführt. Es ist dem entsprechend möglich, einen wirksamen Laseroszillations vorgang mit einer größeren Impulsbreite auszuführen.

Es sei bemerkt, daß selbst dann, wenn es schwierig ist, eine Bedingung zu verwirklichen, bei der 5Tp ≦ T2 ist, ein Laseroszillationsvorgang über mindestens 1,5 Zyklen des zwi schen den Entladungselektroden fließenden Oszillationsstroms ausgeführt werden kann, wenn die Bedingung 3Tp ≦ T2 < 5Tp erfüllt ist, wie in Fig. 6 dargestellt ist, die dem Diagramm aus Fig. 1 ähnelt. Das heißt, daß die Laservorrichtung so angeordnet ist, daß der zwischen den Entladungselektroden fließende elektrische Strom ein zusammengesetzter elektri scher Strom ist, der durch das Überlagern des vom Spitzen wertkondensator Cp fließenden Primärstroms und des vom den Spitzenwertkondensator ladenden Kondensator C2 fließenden Sekundärstroms in der magnetischen Impulskompressions schaltung gebildet wird, wodurch, wie in Fig. 6 dargestellt ist, ein Laseroszillationsvorgang für jeden Impuls im ersten Halbzyklus der Wellenform des Oszillationsstroms sowie in mindestens zwei Halbzyklen nach dem ersten Halbzyklus ausgeführt wird. Es ist dementsprechend möglich, einen Laseroszillationsvorgang mit einer größeren Impulsbreite auszuführen. In diesem Fall nimmt auch die Laseroszillations wirksamkeit zu, wenn 3Tp näher an T2 gelangt.

Es sei bemerkt, daß die Kapazität des Kondensators C2 der letzten Stufe durch die für die Lithographie erforderliche Laserausgangsenergie bestimmt ist. In der Praxis muß die Kapazität des Kondensators C2 der letzten Stufe mindestens 8 nF betragen.

Es sei bemerkt, daß selbst dann, wenn die oben beschriebenen Bedingungen (1) bis (3) erfüllt sind, dann, wenn die kombinierte Kapazität Cc aus der Kapazität des Kondensators Cc1 zur Vorionisation und der elektrostatischen Kapazität Cc2 der Korona-Vorionisationselektroden größer ist als 5% der Kapazität des Spitzenwertkondensators Cp, der zweite und die späteren Zyklen des von den Kondensatoren Cp und C2 fließenden zusammengesetzten elektrischen Stroms infolge einer Phasenverschiebung unterbunden sind, die auftritt, wenn ein elektrischer Strom infolge der in der Vorionisationsschaltung verbleibenden elektrischen Ladung im Entladungsraum fließt. In Fig. 7 zeigt die unterbrochene Linie die Wellenform eines zwischen den Entladungselektroden unter den oben beschriebenen Parametereinstellungen, also Cc1 = 0,4 nF, Cc2 = 0,2 nF, Cc = 0,13 nF (Cc/Cp = 0,13 nF/8 nF = 1,6%) fließenden elektrischen Stroms. Wenn die Kapazität des Kondensators Cc1 zur Vorionisation auf 2 nF erhöht ist und die elektrostatische Kapazität Cc2 der Korona-Vorionisations elektroden auch auf 1 nF erhöht ist, so daß die kombinierte Kapazität Cc 0,67 nF (Cc/Cp = 0,67 nF/8 nF = 8,4%) beträgt, nimmt die Stromwellenform die durch die durchgezogene Linie in Fig. 7 dargestellte Form an. Es wird daher verständlich sein, daß der zweite und die späteren Zyklen des von den Kondensatoren Cp und C2 fließenden zusammengesetzten elektri schen Stroms in erheblichem Maße unterbunden sind. Es ist daher bevorzugt, daß die Kapazität Cc der Vorionisations schaltung auf den für die elektrische Entladung zur Vor ionisation erforderlichen Minimalwert gelegt wird. Experimen telle Ergebnisse zeigen, daß die Kapazität Cc der Vor ionisationsschaltung vorzugsweise nicht größer als 5% der Kapazität des Spitzenwertkondensators Cp ist.

Es sei bemerkt, daß bei einer Wellenform mit einer ge streckten Impulsbreite, also T_is ≧ 50 ns, die Anzahl der Umläufe (also die Häufigkeit, mit der der Laserstrahl im optischen Resonator hin und her läuft) ansteigt. Falls der Reflexionsgrad des Auskopplungsspiegels 6 des optischen Reso nators dementsprechend auf 40% oder mehr erhöht wird, erhöht sich der Anteil der zweiten und späteren Umläufe. Folglich nimmt die Laserausgangsleistung zu und wird die Stabilität der Laserwellenform verbessert. Es wird auch die Energie stabilität zwischen den Impulsen des emittierten Laserstrahls verbessert. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein Auskopplungsspiegel mit einem Reflexionsgrad von 50% verwendet.

Es ist uns dementsprechend gelungen, durch die Technik des Neuentwickelns einer Impulsbreitenstreckungs-Entladungs schaltung (Impulsformungsschaltung), die eine neue Technik gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die von der her kömmlichen Technik vollkommen verschieden ist, wobei die Fluorkonzentration in der Laserkammer eingestellt wird, eine ArF-Excimerlaservorrichtung mit einer hohen Wiederholungsrate und einer schmalen Bandbreite zu verwirklichen, die eine Wiederholungsrate von 4 kHz oder mehr und eine Laserimpuls breite T_is von 50 ns oder mehr bereitstellt.

Wenngleich die vorliegende Erfindung oben hauptsächlich mit Bezug auf die ArF-Excimerlaservorrichtung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch auf eine KrF- Excimerlaservorrichtung, bei der Neon als ein Verdünnungsgas verwendet wird, und auf eine Fluorlaservorrichtung anwendbar, weil die Änderung der Gasimpedanz im Vergleich zu den Schaltungskonstanten nicht groß ist.

Wenngleich die ArF- und die KrF-Excimerlaservorrichtung und die Fluorlaservorrichtung zur Lithographie (also eine Ultraviolettstrahlung emittierende Gaslaservorrichtung) gemäß der vorliegenden Erfindung oben auf der Grundlage ihrer Grundgedanken und Ausführungsformen beschrieben wurden, sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorher gehend erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auf eine Vielzahl von Arten modifiziert werden kann.

Wie anhand der vorhergehenden Beschreibung klar geworden sein wird, ist die Laservorrichtung zur Lithographie gemäß der vorliegenden Erfindung so eingerichtet, daß der Primär strom zum Einführen von Energie in die Entladungselektroden von der magnetischen Impulskompressionsschaltung durch den Spitzenwertkondensator und der Sekundärstrom zum Einführen von Energie in die Entladungselektroden vom den Spitzenwert kondensator ladenden Kondensator in der letzten Stufe der magnetischen Impulskompressionsschaltung einander überlagert werden. Die Oszillationsperiode des Sekundärstroms wird auf mindestens das 5fache oder nicht weniger als das 3fache und weniger als das 5fache gelegt, solange die Oszillations periode des Primärstroms und die Oszillationsperiode des Sekundärstroms auf weniger als 250 ns gelegt ist, wodurch ein Laseroszillationsvorgang für jeden Impuls im ersten Halb zyklus der Wellenform des Primärentladungs-Oszillations stroms, dem der Sekundärstrom überlagert ist, und in mindestens vier Halbzyklen oder zwei Halbzyklen nach dem ersten Halbzyklus ausgeführt wird. Es ist dementsprechend möglich, eine ArF-Excimerlaservorrichtung mit einer hohen Wiederholungsrate und einer schmalen Linienbreite für die Halbleiter-Lithographie zu verwirklichen, die selbst dann mit einer gestreckten Impulsbreite stabil arbeiten kann, wenn die Wiederholungsrate 4 kHz beträgt oder höher ist. Es ist weiterhin möglich, eine KrF-Excimerlaservorrichtung und eine Fluorlaservorrichtung mit einer hohen Wiederholungsrate und einer schmalen Linienbreite zur Halbleiter-Lithographie zu verwirklichen, die selbst dann mit einer gestreckten Impuls breite stabil arbeiten können, wenn die Wiederholungsrate 2 kHz beträgt oder höher ist.

Claims

1. ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaser vorrichtung für die Lithographie, jeweils aufweisend:
eine Laserkammer,
eine magnetische Impulskompressionsschaltung,
ein Paar von Laserentladungselektroden, die mit Ausgangs anschlüssen der magnetischen Impulskompressionsschaltung verbunden sind und in der Laserkammer angeordnet sind, und
einen Spitzenwertkondensator, der parallel zu dem Paar der Laserentladungselektroden geschaltet ist,
wobei, wenn die Kapazität eines Kondensators in der letzten Stufe der magnetischen Impulskompressionsschaltung mit Cn bezeichnet wird (n ist die Anzahl der Stufen der magnetischen Impulskompressionsschaltung), die Kapazität des Spitzenwertkondensators mit Cp bezeichnet wird, die Induk tivität einer durch den Kondensator in der letzten Stufe und die Laserentladungselektroden gebildeten ersten Schaltungs schleife mit Ln bezeichnet wird und die Induktivität einer durch den Spitzenwertkondensator und die Laserentladungs elektroden gebildeten zweiten Schaltungsschleife mit Lp bezeichnet wird,
eine Beziehung zwischen einer Periode Tn einer Wellenform eines in der ersten Schaltungsschleife fließenden Oszilla tionsstroms, also Tn = 2π√(Ln × Cn), und einer Periode Tp einer Wellenform eines in der zweiten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tp = 2π√(Lp × Cp), die Bedingung
5Tp ≦ Tn
erfüllt und die Periode Tn die Bedingung
Tn < 250 ns
erfüllt,
wobei ein Laseroszillationsvorgang in mindestens 2,5 Zyk len eines zwischen den Laserentladungselektroden fließenden Oszillationsstroms ausgeführt wird.

2. ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaser vorrichtung zur Lithographie, jeweils aufweisend:
eine Laserkammer,
eine magnetische Impulskompressionsschaltung,
ein Paar von Laserentladungselektroden, die mit Ausgangs anschlüssen der magnetischen Impulskompressionsschaltung ver bunden sind und in der Laserkammer angeordnet sind, und
einen Spitzenwertkondensator, der parallel zu dem Paar der Laserentladungselektroden geschaltet ist,
wobei, wenn die Kapazität eines Kondensators in der letzten Stufe der magnetischen Impulskompressionsschaltung mit Cn bezeichnet wird (n ist die Anzahl der Stufen der magnetischen Impulskompressionsschaltung), die Kapazität des Spitzenwertkondensators mit Cp bezeichnet wird, die Induk tivität einer durch den Kondensator in der letzten Stufe und die Laserentladungselektroden gebildeten ersten Schaltungs schleife mit Ln bezeichnet wird und die Induktivität einer durch den Spitzenwertkondensator und die Laserentladungs elektroden gebildeten zweiten Schaltungsschleife mit Lp bezeichnet wird,
eine Beziehung zwischen einer Periode Tn einer Wellenform eines in der ersten Schaltungsschleife fließenden Oszilla tionsstroms, also Tn = 2π√(Ln × Cn), und einer Periode Tp einer Wellenform eines in der zweiten Schaltungsschleife fließenden Oszillationsstroms, also Tp = 2π√(Lp × Cp), die Bedingung
3Tp ≦ Tn < 5Tp
erfüllt und die Periode Tn die Bedingung
Tn < 250 ns
erfüllt,
wobei ein Laseroszillationsvorgang in mindestens 1,5 Zyk len eines zwischen den Laserentladungselektroden fließenden Oszillationsstroms ausgeführt wird.

3. ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaser vorrichtung zur Lithographie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserentladungselektroden eine Länge von 600 bis 750 mm und einen Zwischenraum von 15 bis 18 mm aufweisen, wobei der Gesamtgasdruck in der Laserkammer 2 bis 4 Atmosphären beträgt und wobei die Fluorkonzentration in der Laserkammer höchstens 0,15% beträgt und wobei die Kapazität Cn des Kondensators in der letzten Stufe mindestens 8 nF beträgt.

4. ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaser vorrichtung zur Lithographie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kondensator zur Vorionisation parallel zum Spitzenwertkondensator und in Reihe zu Korona-Vorionisations elektroden geschaltet ist, wobei die kombinierte Kapazität Cc aus der elektrostatischen Kapazität der Korona-Vor ionisationselektroden und der Kapazität des Kondensators zur Vorionisation höchstens 5% der Kapazität Cp des Spitzenwert kondensators beträgt.

5. ArF- und KrF-Excimerlaservorrichtung und Fluorlaser vorrichtung zur Lithographie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Auskopplungsspiegel eines optischen Resonators einen Reflexionsgrad von mindestens 40% aufweist.