DE60035934T2

DE60035934T2 - ArF-Excimer-Laservorrichtung

Info

Publication number: DE60035934T2
Application number: DE60035934T
Authority: DE
Inventors: Koji Shizuoka-ken Kakizaki
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-10-06
Also published as: KR100505081B1; KR20010040028A; EP1091462A3; US6584131B1; EP1091462B1; JP2001111142A; EP1091462A2; JP3296430B2; DE60035934D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung, insbesondere eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung, in der ein Laservorgang mit einer langen Laserimpulsdauer durchgeführt wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Um eine präzise Formation und eine höhere Integration einer integrierten Halbleiterschaltung zu erreichen, muss die Hochauflösungsfähigkeit in einer Belichtungsvorrichtung vom Projektionstyp verbessert werden. Dementsprechend wurde eine kurze Belichtungswellenlänge des aus einer Lichtquelle abgegebenen Belichtungslichts gefördert, und eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung wurde wirksam als Halbleiterbelichtungsquelle der neuesten Generation zur Anwendung gebracht. Ein derartiger Laser ist in Applied Physics Letters, Bd. 75, Nr. 8, 23. August 1999, Seiten 1033–1035 beschrieben.
In der ArF-Excimerlaser-Vorrichtung wird in der Laserkammer eine elektrische Entladung erzeugt, bei der Lasergas, eine Gasmischung aus Edelgasen wie Argongas (Ar) und Neon (Ne) als Puffergas wirken und Fluorgas (F₂) oder dergleichen bei mehreren 100 kPa hermetisch eingeschlossen wird und das als Lasermedium wirkende Lasergas angeregt wird.
Da die Spektralbreite des Laserstrahls in der ArF-Excimerlaser-Vorrichtung groß genug ist, um einen Wert von etwa 400 pm aufzuweisen, ist die Schaffung einer schmalen Bandformation der Spektralbreite von weniger als 1 pm erforderlich, um das Problem einer chromatischen Aberration im optischen Projektionssystem der Belichtungsvorrichtung zu vermeiden. Die Schmalbandformation der Spektrallinienbreite wird beispielsweise durch Anordnung eines optischen Systems zur Schmalbandbildung erreicht, bestehend aus einem Strahlvergrößerungsprisma und einem Brechungsgitter im Laserresonator.
Indessen ist die ArF-Excimerlaser-Vorrichtung so ausgeführt, dass die Oszillations-Hauptwellenlänge 193,3 nm ist, also kürzer als die Oszillations-Hauptwellenlänge von 248 nm einer KrF-Excimerlaservorrichtung, die zur Zeit allgemein als Lichtquelle zur Belichtung verwendet wird. Aufgrund dieser Tatsache ist das Ausmaß der Schädigung des Kristalls, der als Glasmaterial in einem Projektionslinsensystem der Belichtungsvorrichtung verwendet wird, wie etwa ein Stepper und dergleichen, hoch im Vergleich damit, wenn eine KrF-Excimerlaservorrichtung zur Anwendung kommt, weshalb sich das Problem einer kurzen Lebenszeit des Linsensystems ergibt. Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Kristallschäden, namentlich die Bildung eines Farbflecks, verursacht durch die Absorption von zwei Photonen und eine Verdichtung (einen erhöhten Brechungsindex). Ersterer kann sich in der Reduzierung des Durchlässigkeitsfaktors, Letzterer in einer Reduzierung der Auflösung des Linsensystems bemerkbar machen. Dieser Einfluss ist umgekehrt proportional zur Laserimpulsdauer Tis, die anhand der nachstehenden Gleichung definiert wird, vorausgesetzt dass die Energie des Laserimpulses konstant gehalten wird: Tis = (∫T(t)dt)2/∫(T(t))2dt (1)wobei T(t) die zeitabhängige Laserform ist.
Im Folgenden wird die Definition dieser Laserimpulsdauer Tis beschrieben. Wenn angenommen wird, dass der Schaden des optischen Elements durch die Absorption von zwei Photonen generiert wird, ist der Schaden proportional zum Quadrat der Intensität, so dass ein durch einen Impuls akkumulierter Schaden D durch folgende Gleichung gegeben ist: D = k∫(P(t))2dt (2)wobei k eine Materialkonstante und P(t) die zeitabhängige Laserintensität (MW) ist.
Die Laserintensität P(t) kann nach folgender Gleichung in Zeit und Energie unterteilt werden: P(t) = I·T(t)/∫T(t')dt' (3) wobei I die Energie (mJ) und T(t) die zeitabhängige Laserform ist.
Wenn P(t) auf Zeitbasis integriert wird, um I zu erhalten, und wenn ein (nachstehend zu beschreibender) ArF-Excimerlaser zur Belichtung benützt wird, ist der Wert I gleich 5 mJ.
In diesem Fall, wenn die Gleichung (3) mit der Gleichung (2) kombiniert wird, wird der Schaden D durch nachstehende Gleichung ausgedrückt: D = k·I2∫(T(t)/∫T(t')dt')2dt = k·I2∫(T(t))2dt/(∫T(t)dt)2 (4)
Die Kombination mit der Gleichung (1) führt zu D = k·I2/Tis (5)
Aus dieser Gleichung (5) wird, da k·I² konstant gehalten wird (I bleibt konstant), die Impulsdauer Tis umgekehrt proportional zum Schaden D durch Gleichung (1) definiert.
Diese Laserimpulsdauer kann einer tatsächlichen Impulsdauer entsprechen, und wenn die Impulsdauer gleich gehalten wird, wird der Wert von Tis so lange erweitert, bis sich eine annähernd rechteckige Form ergibt.
Die derzeit auf dem Markt erhältliche Schmalband-ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung wird allgemein so angewendet, dass die Wiederholfrequenz des Schwingvorgangs (im weiteren als Wiederholfrequenz bezeichnet) 1 kHz und der Laserstrahlausgang 5 W ist. Es ist erforderlich, eine Laserimpulsdauer Tis von 30 ns oder mehr zu erreichen, um Schaden an dem in der Belichtungsvorrichtung installierten optischen System zu vermeiden.
Wie oben beschrieben, bedingt die Notwendigkeit, den Schaden am optischen System zu verringern, einer Verlängerung der Laserimpulsdauer Tis (Langimpulsgenerierung), wobei diese Langimpulsgenerierung auch im Hinblick auf die nachstehenden Punkte erforderlich ist.
In der Projektionsbelichtungsvorrichtung werden die Auflösung R eines durch eine Projektionslinse auf ein Werkstück – etwa einen mit einem Photoresist beschichteten Wafer – projizierten Bildes, und die Fokussierungstiefe DOF durch die nachstehenden Gleichungen ausgedrückt: R = k1·λ/NA (6) DOF = k2·λ/(NA)2 (7) wobei k1 und k2 Koeffizienten sind, welche Merkmale des Resists und dergleichen wiedergeben, λ die Wellenlänge des von der Belichtungslichtquelle abgestrahlten Belichtungslichts und NA die Anzahl der Aperturen ist.
Zur Verbesserung der Auflösung R muss – wie aus der Gleichung (6) ersichtlich – die Wellenlänge des Belichtungslichts kurz sein und ist ein hoher NA-Wert wünschenswert, obwohl in Entsprechung dazu – wie in der Gleichung (7) ausgedrückt – die Fokussierungstiefe DOF reduziert wird. Aufgrund dieser Tatsache ist es, da die chromatische Aberration stark beeinflusst ist, erforderlich, die Spektrallinienbreite des Belichtungslichts zu verengen. Das heißt, es ist des Weiteren erforderlich, eine engere Bandformation der Spektrallinienbreite des von der ArF-Excimerlaser-Vorrichtung abgestrahlten Laserlichts zu erreichen.
In Proc. SPIE Bd. 3679 (1999), 1030 bis 1037, wird beschrieben, dass bei einer Erweiterung der Laserimpulsdauer die Spektrallinienbreite des Laserstrahls verengt wird, und die Experimente des Erfinders dieser Anmeldung haben diese Tatsache bewiesen. Um die Auflösung R zu verbessern, muss des Weiteren die Bandformation der Spektrallinienbreite des Laserstrahls verengt werden, und folglich ist es erforderlich, eine Langimpulsgenerierung der Laserimpulsdauer zu haben.
Wie oben beschrieben, war es, um einen Schaden am optischen System der Belichtungsvorrichtung zu verhindern und die Auflösung zu verbessern, erforderlich, eine Langimpulsgenerierung der Laserimpulsdauer Tis zu gewährleisten. Es ist in der Fachwelt gut bekannt, dass die Laserimpulsdauer Tis von der Fluorgaskonzentration in dem in der Laserkammer eingeschlossenen Lasergas abhängt (vgl. das oben erwähnte Proc. SPIE Bd. 3679 (1999), 1030 bis 1037), weshalb die Konzentration des Fluorgases so angepasst wird, dass die Laserimpulsdauer Tis eine Langimpulsgenerierung mit Tis ≥ 30 ns zu erreichen vermag.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In jüngster Zeit bestand eine Nachfrage nach einer hohen Wiederholfrequenz mit Bezug auf die ArF-Excimerlaser-Vorrichtung, die als Lichtquelle für neueste Halbleiterbelichtungsanwendungen dringend benötigt wird, um während des Belichtungsvorgangs einen hohen Durchsatz zu erreichen. Der Erfinder dieser Anmeldung hat eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung entwickelt, die mit einer Wiederholfrequenz von über 3 kHz betrieben werden kann, um den erwähnten Bedarf zu befriedigen.
Die Konzentration von Fluorgas in dem in der Laserkammer eingeschlossenen Lasergas wurde geändert, um eine Laserimpulsdauer Tis zu erreichen, die die Relation von Tis ≥ 30 ns erfüllt. So lange die Wiederholfrequenz 2 kHz nicht überschritt, konnte die Langimpulsgenerierung durch Einstellung der Fluorgaskonzentration im Lasergas erreicht werden, um eine Relation von Tis ≥ 30 ns zu erreichen. Jedoch in dem Fall, in dem die Wiederholfrequenz 2 kHz überschritt (z.B. 3 kHz), war es – welche Fluorgaskonzentration im Lasergas auch verwendet wurde – nicht möglich, eine Langimpulsgenerierung zu erzielen, welche die Relation Tis ≥ 30 ns erfüllte.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Probleme des Standes der Technik getätigt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung zu schaffen, in der die Laserimpulsdauer 30 ns oder mehr ist, auch wenn die Wiederholfrequenz 3 kHz überschreitet.
Der Erfinder dieser Anmeldung hat insbesondere das Argongas in den Gasen, aus denen das in der Laserkammer eingeschlossene Lasergas besteht, untersucht und nach kontinuierlichen Recherchen festgestellt, dass wenn die ArF-Excimerlaser-Vorrichtung mit einer Wiederholfrequenz von 3 kHz oder mehr betrieben wird, die Laserimpulsdauer Tis von der Konzentration des Argongases abhängig ist.
Zusätzlich hat sich herausgestellt, dass im Fall von Wiederholfrequenzen von 2 kHz oder weniger die Laserimpulsdauer Tis nicht von der Konzentration des Argongases abhängig ist.
Die Wiederholfrequenz in den am Markt normalerweise erhältlichen ArF-Excimerlaser-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik betrug hauptsächlich 1 kHz, und die von den in Forschungsinstituten verfügbaren ArF-Excimerlaser-Vorrichtungen realisierte Widerholfrequenz war etwa 2 kHz. Aufgrund dieser Tatsache wurde, wie oben beschrieben, die Abhängigkeit der Argongaskonzentration von der Laserimpulsdauer Tis nicht entdeckt, mit der Folge, dass nur die Fluorgaskonzentration angepasst wurde.
Der gegenständliche Erfinder stellte fest, dass – entgegen der Methode nach dem Stand der Technik – eine Laserimpulsdauer Tis von mindestens 30 ns mit einer Wiederholfrequenz über 3 kHz realisiert werden könnte, wenn eine neue Methode zur Einstellung der Konzentration des Argongases angewendet wird.
Demnach umfasst die erfindungsgemäße ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung gemäß Definition in Anspruch 1, die die erwähnte Aufgabe löst, eine Laserkammer, die mit einem Lasergas gefüllt ist, das aus Fluorgas, Argongas und mindestens einem anderen Edelgas als Argongas besteht, und eine Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannungsimpulsentladung in der Laserkammer, welche das Lasergas anregt und Laserstrahlen abgibt, um einen rasch wiederholten Schwingungsvorgang von mehr als 3 kHz auszuführen. Der Laservorgang wird in einer Halbperiode zum Auslösen einer Schwingstromwellenform einer elektrischen Entladung eines Impulses mit umgekehrter Polarität, der von der Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung generiert wird, und in mindestens zwei weiteren Halbperioden ausgeführt. Der Druck des Lasergases in der Laserkammer ist 2,5 bis 3,5 atm; die Fluorkonzentration des Lasergases beträgt höchstens 0,12%; und die Argongaskonzentration des Lasergases liegt zwischen 2% und 3%.
Was die Prozentangaben in Verbindung mit den Gaskonzentrationen betrifft, so handelt es sich, sofern nichts anderes angegeben ist, im Allgemeinen um Volumenprozent.
Außerdem wird bevorzugt, dass das andere Edelgas als Argongas eine Gasmischung, bestehend aus Neongas und Xenongas, ist, wobei die Konzentration des Xenongases 5 bis 15 ppm beträgt.
In der vorliegenden Erfindung wird ein Laservorgang in einer Anfangs-Halbperiode einer Schwingstromwellenform der elektrischen Entladung eines Impulses mit umgekehrter Polarität, der durch die Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung generiert wird, und in mindestens zwei folgenden Halbperioden ausgeführt. Der Druck des Lasergases in der Laserkammer ist 2,5 bis 3,5 atm, die Fluorkonzentration des Lasergases ist 0,12% oder weniger, und die Argongaskonzentration im Lasergas ist zwischen 2% und 3%. Dies schafft die Möglichkeit, eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung mit einer Laserimpulsdauer Tis von 30 ns oder mehr zu erreichen, auch wenn die Wiederholfrequenz 3 kHz oder mehr ist. Die Konzentration des Argongases ist hier der partielle Druck des Argongases im Verhältnis zum Druck in der Laserkammer.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, ist die ArF-Excimerlaser-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung so beschaffen, dass der Laservorgang in der ersten Halbperiode einer Schwingstromwellenform der elektrischen Entladung eines Impulses mit umgekehrter Polarität, der von der Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung erzeugt wird, und in zwei folgenden Halbperioden ausgeführt wird, wobei der Druck des Lasergases in der Laserkammer auf 2,5 bis 3,5 atm eingestellt wird, die Fluorkonzentration des Lasergases 0,12% oder weniger beträgt und die Argongaskonzentration des Lasergases 3% oder weniger ist, wodurch die Realisierung einer ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung mit einer Laserimpulsdauer Tis von 30 ns oder mehr möglich ist, auch wenn die Wiederholfrequenz 3 kHz oder mehr ist.
Wenn außerdem die Argongaskonzentration 2% oder mehr beträgt, ist es möglich, die Energie pro Impuls auf einen Wert zu stellen, der höher ist als 5 mJ, was wünschenswert im Hinblick auf die Leistung der Belichtungsvorrichtung und die Leistung des auf einem Wafer aufgetragenen Resists ist.
Wenn das andere Edelgas als Argongas eine Gasmischung mit Neongas und Xenongas ist und die Xenongaskonzentration 5 bis 15 ppm beträgt, ist es möglich, die Argongaskonzentration in einen Bereich auszudehnen, in dem die Laserausgangsenergie pro Impuls mindestens 5 mJ ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Beschaffenheit einer ArF-Excimerlaser-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
2 stellt schematisch eine Relation zwischen dem oszillierenden elektrischen Entladestrom und einem Laservorgang der ArF-Excimerlaser-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dar.
3 ist eine Ansicht des Verhältnisses zwischen der Laserimpulsdauer und der Argongaskonzentration in der Laserkammer und der Laserausgangsenergie pro Impuls für einen Druck in der Laserkammer von 3,5 atm.
4a ist eine Kurve des elektrischen Entladestroms, der pro Zeitabschnitt zwischen Entladeelektroden fließt.
4b ist eine Kurve der Lichtintensität eines Laserimpulses, gemessen mit einem Wellenformmessinstrument, in Relation zur Zeit für ein Beispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt das Verhältnis zwischen einer Laserimpulsdauer und der Laserausgangsenergie pro Impuls in Relation zur Argongaskonzentration in der Laserkammer in dem Fall, dass der Druck in der Laserkammer 2,5 atm beträgt.
6 zeigt das Verhältnis zwischen einer Laserimpulsdauer und der Laserausgangsenergie pro Impuls in Relation zur Argongaskonzentration in dem Fall, dass in der Laserkammer Xenongas zugegeben ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nunmehr wird, Bezug nehmend auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine ArF-Excimerlaser-Vorrichtung für optische Belichtung beschrieben.
In 1 ist ein Beispiel des Aufbaus der ArF-Excimerlaser-Vorrichtung für optische Belichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Figur ist eine Laserkammer 1 an beiden Enden mit Fenstern versehen, und Lasergas, bestehend aus einer Gasmischung von Fluorgas, Argongas und Puffergas (zum Beispiel Neongas) ist in dieser Kammer eingekapselt.
Ein Paar einander gegenüber angeordneter Entladeelektroden 2, die um eine bestimmte Distanz beabstandet sind, ist in der Laserkammer 1 angeordnet. Von einem Hochspannungsimpulsgenerator 3 wird ein Hochspannungsimpuls angelegt, um eine elektrische Entladung zwischen den Entladeelektroden 2 zu erzeugen, wobei das Lasergas als Lasermedium angeregt wird.
Das Lasergas wird innerhalb der Laserkammer 1 mit einem in der Laserkammer 1 installierten Ventilator 4 zirkuliert.
Da das Lasergas aufgrund dieser Zirkulation des Lasergases zwischen den Entladeelektroden 2 nach einer ersten elektrischen Entladung und vor einer nachfolgenden elektrischen Entladung erzeugt wird, durch Frischgas ersetzt wird, ist die nachfolgende elektrische Entladung stabil. Der Erfinder dieser Anmeldung verbesserte die Lasergaszirkulationsmittel der Laserkammer 1 und die Form des Ventilators 4 und so weiter, und erreichte eine Wiederholfrequenz von 3 kHz oder mehr.
Ein Endabschnitt der Laserkammer 1 ist mit einem Schmalbandmodul 5 mit einem Schmalbandoptiksystem zur Erzeugung eines Schmalbands der Spektralbreite des Laserstrahls ausgestattet. Das Schmalband-bildende optische System ist beispielsweise aus einem optischen System zur Vergrößerung des Strahldurchmessers zusammengesetzt, das aus mindestens einem Prisma und einem Retro-Reflexions-Brechungsgitter besteht. Das andere Ende der Laserkammer 1 ist mit einem Ausgangsspiegel 6 ausgestattet. Der Laserresonator wird durch diesen Ausgangsspiegel 6 und das im Schmalbandmodul 5 installierte Schmalband-bildende optische System begrenzt.
Ein Teil des durch den Ausgangsspiegel 6 abgegebenen ArF-Excimerlaserlichts wird von einem Strahlabtaster 7 abgezweigt und zu einem Wellenformmessinstrument 8 zum Messen der zeitabhängigen Wellenform des Laserstrahls geleitet. Das Wellenformmessinstrument 8 ist beispielsweise mit einer Photodiode oder einem Photomultiplier als opto-elektronisches Konvertierungsmittel ausgestattet. Die vom Wellenformmessinstrument 8 ermittelten Wellenformdaten werden zu einem Impulsdauerberechungsmittel 9 gesendet. Das Impulsdauerberechnungsmittel 9 berechnet die Laserimpulsdauer Tis gemäß obenstehender Gleichung (1) als Reaktion auf die empfangenen Impulsdauerdaten.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Langimpulsgenerierung erreicht durch Optimierung der Stromkreiskonstante des Hochspannungsimpulsgenerators, um die Periode des Schwingstroms zu verkürzen und den Spitzenwert des Schwingstroms zwischen den Entladeelektroden zu erhöhen. Das heißt, eine Langimpulsgenerierung wird, wie in der Wellenform in 2 dargestellt, durch Optimierung der Stromkreiskonstante des Hochspannungsimpulsgenerators erreicht, um die Periode des Schwingstroms zu verkürzen und den Spitzenwert des Schwingstroms zu erhöhen. Durch diese Maßnahme wird das Lasergas in einer ersten 1/2-Periode des Schwingstroms sowie in mindestens zwei folgenden 1/2-Perioden angeregt, und der Laservorgang wird kontinuierlich ausgeführt.
In der in 1 dargestellten ArF-Excimerlaser-Vorrichtung wurde das Verhältnis zwischen der Laserimpulsdauer Tis und der Argongaskonzentration in der Laserkammer 1 und der Laserausgangsenergie pro 1 Impuls untersucht, während die Wiederholfrequenz auf 3 kHz, der Druck in der Laserkammer 1 auf 3,5 atm (annähernd 350 kPa) und die Fluorkonzentration bei 0,09% gehalten und Neongas als Puffergas verwendet wurden. Dies ergab die in 3 dargestellten Ergebnisse.
Wie aus den Ergebnissen in 3 hervorgeht, wird in dem Fall, dass die Wiederholfrequenz 3 kHz und der Druck des Lasergases in der Laserkammer 3,5 atm ist, bei Steigerung der Argongaskonzentration die Laserimpulsdauer Tis verkürzt. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der Tatsache, dass wenn die Wiederholfrequenz auf 3 kHz oder mehr erhöht wird, die elektrische Entladung durch das Vorkommen von übrigen Entladungsprodukten – wie beispielsweise Ar-Ionen – und durch eine Stromkonzentration infolge der Ionisierung von Ar instabil wird. Eine räumliche Konzentration der elektrischen Entladung ist das Ergebnis einer gleichförmigen elektrischen Entladung im letzteren Halbsegment der Impulsanregung zur Verhinderung einer effizienten Ausführung der verlangten gleichförmigen Anregung. Um eine Laserimpulsdauer Tis (Tis ≥ 30 ns) von 30 ns oder mehr zu erreichen, ist es deshalb notwendig, die Argonkonzentration auf 3% oder weniger einzustellen. Des Weiteren entspricht der Druck in der Laserkammer 1 einem Wert, der bei einer Gastemperatur von 25°C erreicht wird.
Bezug nehmend auf die in 3 dargestellten Ergebnisse ist es offensichtlich, dass bei verringerter Argongaskonzentration die Laserausgangsenergie ebenfalls verringert ist. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der Tatsache, dass bei verringerter Argongaskonzentration die anzuregende Excimer-Menge reduziert ist. Da die Energie des Strahls pro Impuls, die von der Schmalband-ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung entladen wird, im Hinblick auf die Leistung der Belichtungsvorrichtung und die Leistung des auf den Wafer aufgetragenen Resists vorzugsweise etwa 5 mJ beträgt, ist, wenn die Argonkonzentration weniger als 2% wird, die Laserimpulsdauer Tis in dem in 3 dargestellten Fall nach wie vor Tis ≥ 30 ns, jedoch die Energie pro Impuls fällt auf unter 5 mJ. Es ist deshalb wünschenswert, dass die Argongaskonzentration in der Laserkammer 1 auf 2% oder mehr eingestellt wird. Wenn des weiteren in dem in 3 dargestellten Fall die Argongaskonzentration etwa 3% übersteigt, beginnt die Laserausgangsenergie zu sinken. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der Tatsache, dass wenn die Argongaskonzentration wie oben beschrieben zunimmt, die Laserimpulsdauer Tis kurz wird.
In 4(a) und 4(b) ist ein Beispiel dargestellt, in dem der zwischen den Entladeelektroden 2 fließende elektrische Entladestrom (4(a)) und die mit dem Wellenformmessinstrument 8 gemessene, zeitabhängige Laserimpuls-Wellenform (4(b)) verglichen werden, wenn die Argongaskonzentration in der Laserkammer 1 unter den genannten Bedingungen auf 2,5% eingestellt wird. In diesem Beispiel lag der Wert der Laserimpulsdauer Tis gemäß Berechnung durch das Impulsdauerberechnungsmittel 9 bei 46 ns.
Das in 4 dargestellte Ergebnis zeigt, dass das Lasergas in der ersten 1/2-Periode des Schwingstroms zwischen den Entladeelektroden 2 angeregt wird, während eine elektrische Entladung ausgeführt wird, und in den nachfolgenden zwei 1/2-Perioden (insbesondere wird die Erregung in der ersten 1/2-Periode und der dritten 1/2-Periode ausgeführt), und die Argongaskonzentration wird auf 2,5% eingestellt (also 3% oder weniger), um eine Langimpulsgenerierung mit einem Tis von annähernd 46 ns zu erreichen.
5 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Laserimpulsdauer Tis und der Argongaskonzentration in der Laserkammer 1 und der Laserausgangsenergie pro Impuls unter Bedingungen für Wiederholfrequenz, Fluorkonzentration und Puffergas, die jenen entsprechen, die unter Bezugnahme auf 3 angezeigt wurden. Nur der Druck in der Laserkammer 1 ist auf 2,5 atm (annähernd 250 kPa) eingestellt. Es hat sich herausgestellt, dass wenn die Argongaskonzentration auf 3% oder weniger gestellt wird, auch unter diesen Bedingungen die Laserimpulsdauer Tis für eine Erfüllung des Verhältnisses Tis ≥ 30 ns eingestellt werden kann.
Für den Fall, dass die Argongaskonzentration zwischen 2 und 3% beträgt, ist es wünschenswert, dass der Druck in der Laserkammer 1 ca. 2,5 bis 3,5 atm beträgt (annähernd 300 bis 400 kPa). Der Grund für die Einstellung dieses Werts wie oben festgestellt, besteht in der Tatsache, dass es schwierig ist, die Energie pro Impuls auf einen Wert von 5 mJ oder mehr einzustellen, wenn der Druck in der Laserkammer 1 niedriger ist als 2,5 atm, und wenn umgekehrt der Druck in der Laserkammer 1 den Wert von 3,5 Atm übersteigt, wird die Impedanz im elektrischen Entladungsbereich erhöht, so dass der Entladungszustand kaum aufrecht erhalten werden kann und eine stabile elektrische Entladungserregung über einen längeren Zeitraum schwierig wird und folglich eine Laserimpulsdauer Tis von ≥ 30 ns nicht erreichbar ist.
Es ist zudem wünschenswert, dass die Fluorgaskonzentration 0,12% oder weniger ist. Der Grund liegt in der Tatsache, dass wenn die Fluorgaskonzentration höher als 0,12% ist, das Fluor Elektronen anzieht und eine ungleichförmige Elektronendichteverteilung im Lasergas verursacht, auch wenn die Argonkonzentration auf weniger als 3% gesetzt ist. Daraus folgt, dass eine Laserimpulsdauer Tis mit Tis ≥ 30 ns nicht realisierbar ist.
Obwohl im obenstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben wurde, in dem Neon als Puffergas verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Gas beschränkt; vielmehr können in der Mischung auch andere Edelgase als Neon verwendet werden. In 6 wird das Ergebnis der Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Laserimpulsdauer Tis und der Laserausgangsenergie pro Impuls mit Bezug auf die Argongaskonzentration in der Laserkammer 1 unter einer Bedingung dargestellt, in der Xenon(Xe) mit 10 ppm zusätzlich zu Neon als Puffergas angewendet wird. Die Wiederholfrequenz ist 3 kHz, der Druck in der Laserkammer 1 ist 3,5 atm (annähernd 350 kPa) und die Fluorkonzentration ist 0,09%. Aus Vergleichsgründen sind die in 3 dargestellten Ergebnisse mit nur Neon als Puffergas in 6 ebenfalls angezeigt (Punktlinie).
Obwohl sich das Verhältnis zwischen der Argongaskonzentration und der Laserimpulsdauer Tis durch die Zugabe von Xenongas mit 10 ppm kaum geändert hat, hat die Laserausgangsenergie pro Impuls im Vergleich mit dem Fall zugenommen, in dem Xenon nicht hinzugefügt wurde. Die Wirkung dieses hinzugefügten Xenons zielt auf eine Förderung der Vorionisierung, ausgelöst durch die Ultraviolettstrahlung, die von den (nicht dargestellten) provisorischen Entladeelektroden produziert wird, welche in der Nähe des elektrischen Entladungsraums zwischen den Entladeelektroden in der Laserkammer 1 angeordnet sind. Auf diese Weise verursacht die Hinzufügung von Xenon zum Puffergas eine Ausdehnung des Argongaskonzentrationsbereichs, in dem die Laserausgangsenergie pro Impuls nicht geringer als die 5 mJ ist, die mit Bezug auf die Belichtungsbedingungen in der Belichtungsvorrichtung und dem Photoresist und dergleichen erwünscht sind.
In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Konzentration des hinzuzufügenden Xenongases in einem Bereich von 5 bis 15 ppm liegt. Der Grund für die Einstellung dieses Bereichs liegt in der Tatsache, dass die vom Erfinder dieser Anmeldung durchgeführten Experimente zeigten, dass wenn die Konzentration von Xenongas auf unter 5 ppm gesetzt wird, kaum eine Wirkung in Form einer Steigerung der Laserausgangsenergie pro Impuls zustande kommt, und wenn umgekehrt die Xenongaskonzentration auf über 15 ppm erhöht wird, die Laserausgangsenergie pro Impuls auf unter 5 mJ verringert wird.
Wie oben beschrieben, war der Erfinder dieser Anmeldung hinsichtlich der vorliegenden Erfindung durch Anwendung einer neuen Technologie, bei der die Argongaskonzentration variiert, im Unterschied zum Stand der Technik, wo die Fluorkonzentration in der Laserkammer angepasst wurde, erfolgreich in der Bereitstellung einer Schmalband-ArF-Excimerlaser-Vorrichtung für Langimpulsgenerierung mit hohen Wiederholfrequenzen, in der die Wiederholfrequenz 3 kHz oder mehr ist und die Laserimpulsdauer Tis 30 ns oder mehr ist.
Obwohl die ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es können unterschiedliche Modifikationen verwirklicht werden. Beispielsweise ist es in dem Fall, dass die Energie des von der Schmalband-ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung abgegebenen Laserstrahls pro Impuls aufgrund der verbesserten Leistung der Belichtungsvorrichtung und der verbesserten Leistung des auf einen Wafer aufgebrachten Resists geringer ist als 5 mJ, entsprechend möglich, den Einstellungsbereich der Argongaskonzentration in der Laserkammer über den unteren Grenzwert von 2% auszudehnen. Kurz gesagt, ist es ausreichend, nur die Argongaskonzentration im Verhältnis zur gewünschten Laserimpulsdauer Tis und der Laserausgangsenergie pro Impuls zu wählen.

Claims

ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung, die eine Laserkammer (1) umfasst, welche mit Lasergasen, bestehend aus Fluorgas, Argongas und mindestens einem anderen Edelgas als Argongas gefüllt ist, und des Weiteren eine Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung (3) zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannungsimpulsentladung in der Laserkammer, welche das Lasergas anregt und Laserstrahlen abgibt, um einen Oszillationsvorgang mit einer Wiederholungsrate von über 3 kHz auszuführen; wobei der Laservorgang in einer Anfangs-Halbperiode einer Oszillationsstromwellenform der elektrischen Entladung eines Impulses mit umgekehrter Polarität durchgeführt wird, die von der Hochspannungsimpulserzeugungsvorrichtung (3) erzeugt wird, und in mindestens zwei aufeinander folgenden Halbperioden; wobei ein Druck des Lasergases in der Laserkammer von 2,5 bis 3,5 atm beträgt; wobei eine Konzentration des Fluors im Lasergas 0,12% oder weniger ist; und wobei eine Konzentration des Argongases im Lasergas von 2% bis 3% beträgt, so dass die Laserimpulsdauer 30 ns oder länger beträgt.
ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Edelgas, welches nicht Argongas ist, eine Gasmischung ist, die Neongas und Xenongas enthält.
ArF-Excimerlaser-Vorrichtung zur Belichtung gemäß Anspruch 2, wobei eine Konzentration des Xenongases 5 bis 15 ppm beträgt.