JP2001135883A - 線狭帯域化ユニットを備えた高パワーガス放電レーザ - Google Patents

線狭帯域化ユニットを備えた高パワーガス放電レーザ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 線狭帯域化ユニットを備えた高パワーガス放
電レーザを提供する。 【解決手段】 本発明は、高エネルギレーザビームを作
り出す線狭帯域化レーザに関するグレーティングベース
・線狭帯域化デバイスを提供する。グレーティングの面
に存在するホットガス層の負の影響を最小にするための
技術を提供する。好ましい実施形態では、ガスの流れ
を、グレーティングの面にわたって差し向ける。他の実
施形態では、ホットガス層の影響を、パージガスとして
ヘリウムを使用して減少させ、別の実施形態では、ホッ
トガス層の光学的影響を低減させるためにパージガス圧
力を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明発明は、レーザに関
し、特に、グレーティングベース線狭帯域化ユニットを
備えた高パワーガス放電レーザに関する。本発明発明
は、１９９９年９月３日に出願されたシリアルNo.09/39
0,579号の一部継続出願である。
【０００２】
【従来の技術】狭バンドガス放電レーザ 集積回路リソグラフィ用の光源として使用されるガス放
電紫外レーザは、典型的には線狭帯域化されていた。好
ましい線狭帯域化の従来技術は、レーザ共鳴キャビティ
を形成するための出力カプラに沿って、グレーティング
ベース・線狭帯域化ユニットを使用する。このキャビテ
ィ内の利得媒体は、（ＫｒＦレーザに関しては）クリプ
トン、フッ素及びネオン、（ＡｒＦレーザに関しては）
アルゴン、フッ素及びネオン、又は、（Ｆ２レーザに関
しては）フッ素及びヘリウム及び／又はネオンのような
循環レーザガスに放電によって作り出される。
【０００３】従来技術のパージ技術 かかる従来技術システムの概略図を図１に示す。該図は
日本国特許第2,696,285号から引用したものである。示
されているシステムは、出力カプラ（又はフロントミラ
ー）４，レーザチャンバ３，チャンバウィンドウ１１及
びグレーティングベース・線狭帯域化ユニット７を含
む。線狭帯域化ユニット７は、典型的には、容易に交換
可能なユニットとしてリソグラフィレーザシステムに設
けられ、ときどき「線狭帯域化パッケージ」又は略して
「LNP」と呼ばれる。このユニットは、２つのビーム拡
大プリズム２７及び２９と、リトロー配置に構成された
グレーティング１６とを含む。これらのシステムで使用
されるグレーティングは、非常に高感度な光学デバイス
であり、通常の空気中の酸素の存在下で紫外線照射によ
って急速に劣化する。この理由により、リソグラフィレ
ーザ用の線狭帯域化ユニットの光学コンポーネントは、
典型的には、作動中窒素で連続的にパージされる。
【０００４】長年、線狭帯域化レーザの設計者には、レ
ーザビームの歪みは、グレーティングの表面付近のガス
フローによって生じると信じられてきた。それゆえ、過
去においてはレーザ設計者は、グレーティングの表面に
パージ窒素を直接フローをさせることを維持するのに努
力してきた。これらの努力の種々の例は、上述の日本国
特許第2,696,285号に開示されている。引用した図１に
示した例では、パージフローは、窒素ガスボトル４４か
ら、ポート４６を介してグレーティング１６のバックサ
イドに向かって差し向けられる。
【０００５】繰り返し数の増加 典型的には、集積回路産業で現在使用されている線狭帯
域化紫外線レーザ光源は、約１０００Ｈｚの繰り返し数
でパルス当たり約１０ｍＪ作り出され、約２０パーセン
トの装荷率である。高度化した集積回路製造は、より高
い繰り返し数及びより大きな装荷率で達成される。出願
人及びその従業者は、２０００Ｈｚガス放電リソグラフ
ィレーザを設計し、それらのレーザのいくつかはリソグ
ラフィ用に販売された。出願人は、５０００Ｈｚまでの
より高い繰り返し数まで実験している。出願人は、これ
らの高い繰り返し数及び装荷率で一貫した狭バンド幅を
維持することは困難であることを経験した。
【０００６】高繰り返し数、高装荷率ガス放電レーザに
関する信頼性の高い線狭帯域化デバイス及び技術が必要
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、高エネルギレ
ーザビームを作り出す線狭帯域化レーザに関するグレー
ティングベース・線狭帯域化デバイスを提供する。グレ
ーティングの面に存在するホットガス層の負の影響を最
小にするための技術を提供する。
【０００８】好ましい実施形態では、ガスの流れを、グ
レーティングの面にわたって差し向ける。他の実施形態
では、ホットガス層の影響を、パージガスとしてヘリウ
ムを使用して減少させ、別の実施形態では、ホットガス
層の光学的影響を低減させるためにパージガス圧力を減
少させる。
【０００９】
【発明の実施の形態】高平均パワーでのレーザパフォー
マンス 典型的には５Ｗよりも低い、比較的低い平均パワーで作
動する従来の線狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザは、0.6p
mよりも狭いバンド幅で約248nmに中心を持つレーザビー
ムを作り出す。レーザは、平均パワーが５Ｗより小さい
限り、２０００Ｈｚまで、又はそれ以上の高繰り返し数
で作動する。典型的なリソグラフィＫｒＦエキシマレー
ザは、１０ｍＪのパルスエネルギを有する。それ故、平
均パワーを低く維持するために、比較的低い装荷率で作
動させるべきである。例えば、約0.45のバーストの間で
休止を備えた２００パルスのバーストにおいて２ＫＨｚ
で作動しうる。かかる作動は、 Ｐave＝（10mJ・200パルス）／0.5秒＝４Ｗ (1) の平均パワーを作り出す。平均パワーが増加するとき、
バンド幅制御の問題が発生する。例えば、インターバー
スト遅延が減少するとき、これが発生する。例えば、0.
1秒インターバースト遅延を備えた同じ２００パルスバ
ーストでのレーザ作動は、 Ｐave＝（10mJ・200パルス）／0.2秒＝10Ｗ (2) の平均パワーを有する。最大では、レーザは、2000Hz及
び10mJでパルスエネルギが２０Ｗ平均パワーと等しい連
続モードで作動する。
【００１０】従来技術のレーザシステムが、高平均パワ
ーで作動するとき、ハンド幅は、0.6pmより小さい最初
のバンド幅から約５乃至２０分の期間にわたって徐々に
増加し、実質的に０．６ｐｍより多く残る。バンド幅の
かかる増加は、投影レンズの色変化のためにイメージが
ぼけがしょうじるため、マイクロリソグラフィ製造の稼
働においては避けられるべきである。他の重要なアプリ
ケーションは、レーザが、投影レンズ自身のような他の
リソグラフィーコンポーネントの高い装荷率で熱特性を
テストするときである。このアプリケーションでは、テ
ストの間中、仕様内でレーザはそのバンド幅及び他のパ
ラメータを維持するように想定される。バンド幅遷移
は、特別なハンド幅制御デバイスを使用して幾分補正さ
れうる。
【００１１】図２は、出願人である使用者サイマー社に
よって製造された従来技術の線狭帯域化ユニットを示す
概略図であり、かかるデバイスとして従来技術の線狭帯
域化リソグラフィイーＫｒＦレーザシステムの一部に組
み込まれる。ユニットは、３つのビーム拡大プリズム
８、１０及び１２と、調整ミラー１４と、グレーティン
グ１６とを含む。グレーティング表面への直接パージフ
ローを避けるために調整ミラー４６のバックサイドのユ
ニットにボトル４４からの窒素パージが入ることに注意
すべきである。このシステムでは、レーザビーム６の波
長は、フィードバックアレンジメントに制御され、ビー
ムの波長がモニタ２２によって測定され、コンピュータ
コントローラ２４が、所望の値に波長を制御するように
調整ミラー１４の角度位置を調整するために波長情報を
使用する。バンド幅制御デバイス２０は、例えばグレー
ティングを僅かに凹状にさせるためにグレーティング１
６を機械的に曲げるために使用される。このデバイス
は、サイマー社に譲受された米国特許第5,095,492号に
詳細に記載されている。このデバイスの使用により、バ
ンド幅を幾分小さくすることができるが、レーザが高装
荷率で作動するときの仕様にはまだ届かない。
【００１２】図３は、バンド幅が２０Ｗ平均パワー（１
０ｍＪ，２０００Ｈｚ連続作動）で作動する従来技術の
レーザの仕様の一例を示す。また、バンド幅制御デバイ
スは、動作のある特定のモードに関して最適化される
が、リソグラフィレーザは、種々の異なるモードにおい
て稼働されなければならない。例えば、典型的な作動モ
ードは以下の通りである： (1)0.3秒の間、２０００Ｈｚで１０ｍＪパルスの６００
パルスバースト (2)0.3秒アイドリング (3)(1)及び(2)の８５バースト繰り返し (4)９秒アイドリング
【００１３】ホット窒素層 出願人は、図３に示した高繰り返し数での体パフォーマ
ンスは、グレーティング４８の表面における約５分間に
わたってビルドアップされた窒素のホット層の形成の結
果であると判断した。
【００１４】このホットガスは、入射ビームの一部を吸
収することによって順に加熱されたグレーティング表面
によって加熱される。典型的には、グレーティング表面
によおって吸収されるのは、入射光の１５乃至２０％と
同じである。グレーティングの表面温度は、１０乃至１
５℃まで上昇する。この温度上昇は均一ではなく、グレ
ーティングの中央部分でより高く、図９に示したように
端部でより低い。それ故、グレーティングの中央部分の
前の空気が、端部の前の空気よりもより暖かい。それ
故、レーザビーム８０がグレーティング表面８６に入射
するとき、それは、この境界層８２を介して進む。この
空気は同じ圧力を有するので、空気が暖まるにつれて、
その密度は小さくなる。それ故、グレーティングの中心
に近い空気は、端部付近の空気よりも密集していない。
それ故、レーザビーム８０は、グレーティングの中央部
分と端部に向かうとき、異なる相シフトを有する。それ
故、平行な波面８８を備えた入射ビームは、発散ビーム
に対応して、湾曲した波面９０を有する。これは、グレ
ーティング１６が完全にフラットであっても生ずる。
【００１５】出願人は、このホット窒素層を実質的に除
去するために、線狭帯域化ユニットに対して好ましい調
整を開発した。
【００１６】グレーティング面にわたるフロー 本発明の第１の好ましい実施形態を図４Ａ及び４Ｂに示
す。この場合、毎分約２リットルの窒素パージが、パー
ジガス・マニホールドとして機能する長さ３／８インチ
のＩＤチューブにおいて１０インチあたり１／４インチ
で間隔が隔てられた直径約１ｍｍの穴を介して上流にフ
ローされる。バリアプレート６０とバリアカバー６２
は、窒素パージフローのほとんどを図４Ｂ中の矢印によ
って示した方向に付勢する。このアレンジメントは、図
５のチャートに示したような素晴らしい結果をもたら
す。この場合、０．１Ｗ乃至２０Ｗの出力平均パワーの
増加は、0.4乃至0.5ｐｍの範囲内の変化で生じる。１０
Ｗでの平均パワーにおいて、バンド幅は実際にはわずか
に０．１Ｗより小さいということが興味深い。
【００１７】グレーティングの面にわたるパージフロー
が、ひずみに関するフローを除去するのに注意深く制御
されていることが重要である。出願人は、種々のフロー
レートをテストし、過度のフローが良好というよりもよ
り有害でありうると判断した。例えば、毎分２０リット
ルのフローレートは非常に劣悪な結果を生ずる。推奨さ
れるフローレートは、毎分約０．５リットル乃至１０リ
ットルの範囲である。
【００１８】このパージが、グレーティングの温度を実
質的に低下させるものではないということもまた重要で
ある。グレーティングは暖かいままである。パージは、
むしろグレーティングの前の空気を連続的に置換するこ
とであり、グレーティングによって加熱される時間がな
いということである。非常にゆっくりとしたフローレー
ト、及びそれに相当するガス速度では、フロー自身によ
って生じるいかなる空気の乱れによって、レーザ作動に
影響を与えない。
【００１９】他のパージ・アレンジメント 図３に示したような問題を生じさせる熱層の形成を阻止
するための、グレーティングの面にわたるガスフローを
提供するための多くの可能性のあるアレンジメントがあ
る。例えば、小さなホールの代わりに、マニホールドの
長さ方向に、約0.5mmの狭いスリットを並べて使用する
ことができる。また、図６Ａの断面図に示したようなス
リットタイプノズル、及び、図６Ｂに示したようなグレ
ーティングの頂部及び底部の両方にスリットノズルとし
てスムーサ・フローを設けることができる。また、グレ
ーティング面にわたるフローが、図６Ｃに示したような
半閉じシステムにおいて非常に小さなファンを備えても
よい。この場合、通常の窒素パージは、図２に示したよ
うな中ライチ術として提供されうる。図６Ｃの実施形態
では、グレーティングとバリアとの間のキャビティは、
密封されておらず、パージガスは６４及び６６で示した
ようなキャビティの内及び外を巡回することができる。
ファン７０に導く及びファン７０から導かれるチューブ
６８は、グレーティング１６の最も熱い領域の丁度上及
び下であるスリットチューブ７２及び７４の中心付近に
接続される。
【００２０】ガス圧力の低下 ホットガス層問題の第２の解決手段は、線狭帯域化パッ
ケージのガス圧力を低下させることである。
【００２１】ガスコンベンションが、相の前の収差を順
に導く屈折率の不均一な分配を生じる空間的なガス密度
を調節する。加熱されたグレーティング表面に近いガス
コンベンションのために、ガス密度ゆらぎによって生じ
たいかなる収差の大きさも、感受性又は屈折率の公称
値、及び、即ちガス密度におおよそ線形に依存する。
【００２２】気体分子の平均自由行程が、ＬＮＰの「熱
い」及び「冷たい」表面の間の距離よりも小さくない限
り、グレーティング及び他の光学コンポーネントの表面
の対流冷却は、実質的に減少しない。これらの距離を約
１０ｃｍと仮定すると、経験則として、ガス圧は、平均
自由行程が約１０ｃｍである圧力を超えて減少しないと
言えるであろう。圧力が約１乃至１０ミリバールの範囲
であるならば、ＬＮＰのガスの密度は、大気状態では約
０．１乃至１．０パーセントの密度である。
【００２３】図１０は、約１乃至１０ミリバールでのＬ
ＮＰの制御された圧力を維持するためのシステムを示す
概略図である。窒素は、オリフィス９０を介して密封さ
れたＬＮＰ７に入る。真空ポンプ９２は、ＬＮＰを真空
にするために使用され、所望の真空は、ニードルバルブ
９８を制御することにより圧力センサ９６からのフィー
ドバック信号を利用してコントローラ９４によって維持
される。ＬＮＰが密封システムであり、圧力がおおよそ
均等であるので、センサ９６は熱電対であってよい。
【００２４】ヘリウムによるパージ ホット層の影響を低減するための他の解決手段は、ヘリ
ウムでＬＮＰをパージすることである。ヘリウムは、よ
り小さな異なる屈折率を有するので、ホット層のひずみ
がより小さくなる。更に、ヘリウムは、窒素よりもより
良好な熱伝導特性を有する。アルゴンもまた、同じ利点
を有する。しかしながら、ヘリウムは窒素よりも高価で
ある。
【００２５】当業者は、本発明の上述の特定の実施形態
に加えて更に、ホットガス層によって生ずるひずみを取
り扱うことができる他の実施形態が多くあることを認識
しうるであろう。ホットガス層を取り扱うための他の技
術は、ホットガス層の負の影響を補正するための動的な
バンド幅制御を提供することである。種々の波長パラメ
ータの実質的な実時間制御に関する技術は、１９９９年
９月３日に出願された米国特許出願シリアルNo.09/390,
579号に記載されており、ここにリファレンスとして組
み込む。これらの技術は、ビーム拡大プリズム、グレー
ティング湾曲、及び調整ミラー位置の位置の高速フィー
ドバック制御を含む。レーザチャンバの位置の制御もま
た提供される。図７は、全体のレーザシステムの組合せ
ブロック概略図であり、図８は、追加されたフィードバ
ック制御の特徴を備えたＬＮＰの概略図である。この実
施形態では、グレーティングの湾曲は、グレーティング
の面のホットガス層によって生じたひずみを相殺するた
めにグレーティング湾曲ステッピングモータ３０によっ
て制御される。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範
囲及びその均等の範囲によって判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の従来技術の線狭帯域化レーザシステムを
示す。
【図２】第２の従来技術の線狭大意かレーザシステムを
示す。
【図３】線狭帯域化グレーティングの表面でホットガス
層のバンド幅に対する不利益な影響を示す。
【図４Ａ】本発明発明の好ましい実施形態を示す。
【図４Ｂ】本発明発明の好ましい実施形態を示す。
【図５Ａ】従来技術のパージでの種々の繰り返し数での
バンド幅トレースを示す。
【図５Ｂ】本発明発明におけるパージでの種々の繰り返
し数でのバンド幅トレースを示す。
【図６Ａ】本発明発明の他の実施形態を示す。
【図６Ｂ】本発明発明の他の実施形態を示す。
【図６Ｃ】本発明発明の他の実施形態を示す。
【図７】高速フィードバック制御用に設けられたＬＮＰ
を示す。
【図８】高速フィードバック制御用に設けられたＬＮＰ
を示す。
【図９】グレーティング表面のガス層の加熱を示す。
【図１０】パージガス圧力を低下させるための技術を示
す。
フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー アイ アーショフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92127 サン ディエゴ メドー フラワ ー プレイス 11312 (72)発明者 エッケハード ディー オンケルス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92128 サン ディエゴ カミニト ライ オン 12008 (72)発明者 パラシュ ピー ダス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92084 ヴィスタ パセオ デ アンザ 2029 (72)発明者 ダニロ ケイ リチャードソン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92026 エスコンディド ノーダール 1178 (72)発明者 ジェシー ディー バック アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92069 サン マーコス ウッドランド コート 1320

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高エネルギレーザビームを作り出すため
    の線狭帯域化レーザに関するグレーティングベース・線
    狭帯域化装置であって、(A)グレーティング面を構成す
    るグレーティングと、(B)少なくとも前記グレーティン
    グをハウジングするチャンバと、(C)前記チャンバをパ
    ージするためのパージガスを提供するためのパージ手段
    と、(D)拡大されたビームを作り出すために前記レーザ
    からビームを拡大するためのビーム拡大手段と、(E)前
    記拡大されたビームから所望の範囲の波長を選択するた
    めに、前記拡大されたビームをグレーティング面に差し
    向けるための調整手段と、を有し、 前記拡大されたビームが、前記グレーティング面に隣接
    したホットパージガス層のパージガスを順に加熱する前
    記グレーティング面の温度上昇を作り出す前記グレーテ
    ィング面を加熱し、(F)前記ホットパージガス層によっ
    て生じた光学的ひずみを低減させるために前記パージガ
    ス層から熱を除去するための熱除去手段と、を有するこ
    とを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記熱除去手段が、グレーティング面に
    わたってパージガスを差し向けるための複数の小さな部
    分を有するパージガスマニホールドを有することを特徴
    とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記熱除去手段が、グレーティング面に
    わたってパージガスフローを制御するためのグレーティ
    ングパージガスフロー制御手段を有することを特徴とす
    る請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記パージガスフロー制御手段が、前記
    グレーティング面にわたってフローパスを構成し、次い
    で、前記グレーティング面から遠ざける構成を有するこ
    とを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記熱除去手段が、少なくとも１つの長
    くて非常に狭いスロットを備えたパージガスマニホール
    ドを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記スロットが、長い長方形ノズルの形
    状であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記マニホールドを介する前記パージガ
    スフローが、毎分２０リットルより少ないことを特徴と
    する請求項２に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記パージガスフローが、毎分約２リッ
    トルであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記パージガスがヘリウムであることを
    特徴とする請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記チャンバを真空にするための真空
    ポンプを更に有することを特徴とする請求項１に記載の
    装置。
  11. 【請求項１１】 前記真空が、約１乃至１０ミリバール
    の圧力であることを特徴とする請求項１０に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】 前記真空が、前記チャンバ内の気体分
    子が５ｃｍと３０ｃｍとの間の平均自由行程を有するよ
    うに選択されることを特徴とする請求項１０に記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】 前記グレーティング面の湾曲の動的な
    制御を提供するためのフィードバックグレーティング湾
    曲制御機構を更に有することを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  14. 【請求項１４】 ファンと、グレーティング面にわたっ
    てガスのフローを付勢するように構成された少なくとも
    １つのマニホールドとを更に有することを特徴とする請
    求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 グレーティング面にわたってガスのフ
    ローを付勢するステップを有し、 前記グレーティング面を構成するグレーティングを備え
    たグレーティングベース・線狭帯域化ユニットを有する
    狭バンドガス放電レーザのバンド幅を制御する方法。
  16. 【請求項１６】 前記ガスフローが毎分２０リットルよ
    りも小さいことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記ガスフローが毎分１リットルと８
    リットルの間であることを特徴とする請求項１５に記載
    の方法。
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