JP2002198590A - フッ素分子レーザ装置、及びフッ素露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 色消し方式フッ素露光装置用の光源として、
０．７５ｐｍ以下のスペクトル幅Δλのレーザ光を発振
することのできる、フッ素レーザ装置を提供する。 【解決手段】 バッファガス及びフッ素を含むレーザガ
スを封入するレーザチャンバ(2)と、高電圧(V)を印加し
て主放電を起こし、レーザガスを励起してフッ素分子レ
ーザ光１１を発振させる一対の放電電極(4,5)とを備
え、フッ素露光装置(21)用の光源となるフッ素分子レー
ザ装置において、前記レーザチャンバ(2)内のレーザガ
スのガス圧力(p)を、フッ素露光装置(21)の要求するフ
ッ素分子レーザ光(11)のスペクトル幅(Δλ)に基づいて
変更自在としたことを特徴とするフッ素分子レーザ装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フッ素露光装置用
の光源であるフッ素分子レーザ装置、及びフッ素分子レ
ーザ装置から発振したフッ素分子レーザ光を用いた露光
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フッ素分子レーザ装置から発振したフッ
素分子レーザ光を用いて、ウェハなどの露光を行なうフ
ッ素露光装置２１の基本的な構成を、図７に示す。図７
において、フッ素露光装置２１は、フッ素分子レーザ光
１１（以下、レーザ光１１と言う）を発振するフッ素分
子レーザ装置１（以下、フッ素レーザ装置１と言う）
と、これから発振したレーザ光１１を用いてウェハの露
光を行なう露光機２２とを備えている。フッ素レーザ装
置１は、フッ素を含むレーザガスが所定の圧力で封入さ
れたレーザチャンバ２を備えている。レーザチャンバ２
の内部に対向して配設された、一対の放電電極４，５間
に、高圧電源１３から高電圧を印加することにより、レ
ーザ光１１がパルス発振する。レーザ光１１は、ウィン
ドウ７，９及び分散プリズム１８，１８を通過し、フロ
ントミラー８とリアミラー６との間で往復する間に主放
電２６によって増幅され、一部がリアミラー６から出射
する。出射したレーザ光１１は、露光機２２に入射し、
レチクルと呼ばれるマスクのパターンをウェハに投影す
ることにより、ウェハの露光を行なう。

【０００３】図８に示すように、レーザチャンバ２内部
で発振したレーザ光１１中には、１５７．６２９ｎｍを
中心とする複数の縦モードを有する波長λの長い発振線
Ａ２と、中心波長１５７．５２３ｎｍを中心とする縦モ
ードを有する波長λの短い発振線Ａ１との、２本の発振
線群が混在している。前者の、波長の長い発振線群の方
が強度が強いため、これを強いライン光Ｂ２と呼び、波
長の短い発振線群を弱いライン光Ｂ１と呼ぶ。両者は波
長が異なるため、分散プリズム１８，１８に入射及び出
射する際の屈折角度に差が生じ、２個の分散プリズム１
８，１８を通過するうち、その光路が少しずつずれてい
く。

【０００４】その結果、分散プリズム１８，１８を通過
した強いライン光Ｂ２は、スリット１６，１７の開口部
を抜けてフロントミラー８から出射するのに対し、弱い
ライン光Ｂ１はウィンドウ７，９の前後方に配置された
スリット１６，１７で遮られ、発振しなくなる。このよ
うにして強いライン光Ｂ２のみを発振させることを、波
長のシングルライン化と言い、波長の狭帯域化の手段の
１つである。これにより、レーザ光１１のスペクトル幅
Δλが狭くなり、フッ素露光装置２１の、露光時の分解
能が向上する。分散プリズム１８，１８、及びリアミラ
ー８を合わせて、シングルライン化ユニット１９と総称
する。尚、元のレーザ光１１に３群以上の発振線群が混
在している場合もあるが、その場合もやはり、最も強い
１群の発振線のみを発振させるようにする。

【０００５】放電励起方式のフッ素レーザ装置１のガス
圧力に関する記事が、例えば「レーザ研究」誌１９９１
年１１月号（第１９巻 第１１号 「１５７ｎｍＦ2レ
ーザー」）に記載されている。この記事の３ページに、
Ｈｅ／Ｆ2＝２２００／６Torrという記載がある。この
ように、従来技術においては、バッファガスをヘリウム
とした場合に、レーザチャンバ２内部のレーザガスのガ
ス圧力を約３００ｋＰａ（３atm）程度として、レーザ
発振を行なっている。このとき、シングルライン化され
たレーザ光１１のスペクトル幅Δλは、約１ｐｍとな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には、次に述べるような問題がある。即ち、シン
グルライン化されたレーザ光１１を用いるフッ素露光装
置２１は、パターンをウェハに投影する光学系によっ
て、大きく分けて次の３種類がある。そして、それぞれ
の方式により、所定の分解能の露光を行なうために必要
なスペクトル幅Δλが異なっている。 １）反射屈折型縮小投影光学系（カタディオプトリク）
方式 ２）色消しレンズ屈折型縮小投影光学系方式 ３）単色レンズ屈折型縮小投影光学系方式

【０００７】１）のカタディオプトリク方式は、反射光
学系を用いてパターンを縮小投影する方式であり、色収
差が殆んど発生しないために、必要とされるスペクトル
幅Δλは、比較的広い約１ｐｍ以下とされている。しか
しながら、カタディオプトリク方式は、レーザ光１１の
光路が複雑であるため、光軸合わせが困難である。その
上、これまでに一般的に用いられてきた、屈折型縮小投
影光学系方式の技術の蓄積が応用できず、装置設計も困
難とされている。

【０００８】上記２）及び３）は、いずれもレンズ等の
屈折光学系のみを用いた縮小投影レンズによって、パタ
ーンを縮小投影する方式である。２）では、縮小投影レ
ンズとして、色収差の影響を除去する色消しレンズを用
いるのに対し、３）においては、色収差を除去しない単
色レンズを用いている。このとき、３）の単色レンズ屈
折型縮小投影光学系方式は、色消しレンズを用いる必要
がないために縮小投影レンズの設計・製作が容易であ
る。しかしながら、同方式では縮小投影レンズに色収差
を除去する機能がないため、０．１５ｐｍ以下と、非常
に狭いスペクトル幅Δλのレーザ光１１を用いる必要が
ある。

【０００９】ところが、フッ素レーザ装置１において、
レーザ光１１を０．１５ｐｍ以下のスペクトル幅Δλで
発振させるためには、エタロン等の狭帯域化素子を用い
る必要がある。この場合には、エタロンの表面に部分反
射膜をコーティングしなければならないが、この部分反
射膜はレーザ光１１に対して耐性が弱く、温度が上昇し
て、エタロンが汚損されることがある。さらに、レーザ
光１１の波長をエタロンによって狭帯域化するために
は、エタロンの面精度を例えば波長の１／１００程度に
する必要がある。エタロンの材質としては、１５７ｎｍ
程度の波長を有するレーザ光１１に対して透過率の高い
フッ化カルシウム（ＣａＦ2）が用いられるが、フッ化
カルシウムをこのように精度良く加工することは困難で
ある。

【００１０】これに対し、２）の色消しレンズ屈折型縮
小投影光学系方式（以下、色消し方式と言う）のフッ素
露光装置２１においては、必要とされるスペクトル幅Δ
λは、０．７５ｐｍ以下とされており、好ましくは０．
６ｐｍ以下とされている。即ち、レーザ光１１のスペク
トル幅Δλが０．７５ｐｍ以下であれば、縮小投影レン
ズの材質として、例えば分散特性の互いに異なるフッ化
カルシウム（ＣａＦ2）及びフッ化バリウム（ＢａＦ2）
を用いることにより、色収差の除去が比較的容易に可能
である。或いは、縮小投影レンズの部品の１つを、逆分
散特性を有するフレネルレンズとすることによっても、
好適に色収差の除去が可能である。尚、以下の説明で
は、分散特性の互いに異なる材質を用いる場合、及びフ
レネルレンズを用いる場合について、いずれも色消し方
式と総称する。しかも、色消し方式のフッ素露光装置２
１は、レーザ光１１がこれまでに生産された露光装置と
同様の光路を通過するため、光軸合わせが容易である。
さらに、シミュレーションソフト等の設計ツールを共用
化でき、設計コストの減少にも繋がる。

【００１１】このように、フッ素レーザ装置を光源とし
て用いるフッ素露光装置としては、色消し方式が有望視
されているという技術的背景がある。これに鑑み、色消
し方式フッ素露光装置用の光源として、０．７５ｐｍ以
下のスペクトル幅Δλのレーザ光を発振することのでき
る、フッ素レーザ装置が求められている。

【００１２】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するためには、本発明によれば、バッファガス
及びフッ素を含むレーザガスを封入するレーザチャンバ
と、高電圧を印加して主放電を起こし、レーザガスを励
起してフッ素分子レーザ光を発振させる放電電極とを備
え、フッ素露光装置用の光源となるフッ素分子レーザ装
置において、前記レーザチャンバ内のレーザガスのガス
圧力を、フッ素露光装置の要求するフッ素分子レーザ光
のスペクトル幅に基づいて変更自在としている。フッ素
レーザ装置においては、ガス圧力が低いほどスペクトル
幅が狭くなる。従って、かかる構成によれば、フッ素レ
ーザ装置の要求するスペクトル幅に応じてガス圧力を変
更することにより、所望のスペクトル幅のレーザ光を得
ることが可能である。

【００１３】また、本発明によれば、前記スペクトル幅
が０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ以下であり、このスペク
トル幅に基づいてレーザガスのガス圧力を決定してい
る。かかる構成によれば、レーザ光のスペクトル幅が
０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ以下となるので、例えばフ
ッ素露光装置に色消しレンズを用いることにより、好適
に色収差を除去することが可能である。従って、露光の
解像度が向上する。

【００１４】また、本発明によれば、前記バッファガス
がヘリウムである場合には、前記ガス圧力を３０ｋＰａ
以上２５５ｋＰａ以下とし、前記バッファガスがネオン
である場合には、前記ガス圧力を８０ｋＰａ以上３０５
ｋＰａ以下とし、前記バッファガスがネオンとヘリウム
との混合ガスである場合には、前記ガス圧力を、３０ｋ
Ｐａ以上３０５ｋＰａ以下の範囲でネオンとヘリウムと
の混合比に基づいて決定している。実験結果によれば、
このようにバッファガス別に圧力範囲を定めることによ
り、スペクトル幅を確実に選定可能である。従って、所
望する０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ以下のスペクトル幅
を容易に得ることができる。

【００１５】また、本発明によれば、前記バッファガス
がヘリウムである場合には、放電電極間の間隔を１５．
７ｍｍ以上１３３．３ｍｍ以下とし、前記バッファガス
がネオンである場合には、放電電極間の間隔を１３．１
ｍｍ以上５０ｍｍ以下とし、前記バッファガスがネオン
とヘリウムとの混合ガスである場合には、前記間隔を、
１３．１ｍｍ以上１３３．３ｍｍ以下の範囲でネオンと
ヘリウムとの混合比に基づいて決定している。このよう
に放電電極間の間隔を定めることにより、放電開始電圧
Ｖｓを必要な値まで上げて、レーザ光のパルスエネルギ
ーを増大させることが可能となる。

【００１６】また、本発明によれば、前記スペクトル幅
が０．４５ｐｍ以上０．６ｐｍ以下であり、このスペク
トル幅に基づいてレーザガスのガス圧力を決定してい
る。かかる構成によれば、スペクトル幅をより狭くする
ことにより、このレーザ光で露光を行なう場合に、色収
差の除去がさらに容易となる。

【００１７】また、本発明によれば、前記バッファガス
がヘリウムである場合には、前記ガス圧力を１００ｋＰ
ａ以上１８０ｋＰａ以下とし、前記バッファガスがネオ
ンである場合には、前記ガス圧力を１５０ｋＰａ以上２
３０ｋＰａ以下とし、前記バッファガスがネオンとヘリ
ウムとの混合ガスである場合には、前記ガス圧力を、１
００ｋＰａ以上２３０ｋＰａ以下の範囲でネオンとヘリ
ウムとの混合比に基づいて決定している。実験結果によ
れば、このようにバッファガス別に圧力範囲を定めるこ
とにより、スペクトル幅を確実に選定可能である。従っ
て、所望する０．４５ｐｍ以上０．６ｐｍ以下のスペク
トル幅を容易に得ることができる。

【００１８】また、本発明によれば、前記バッファガス
がヘリウムである場合には、放電電極間の間隔を２２．
２ｍｍ以上３８．１ｍｍ以下とし、前記バッファガスが
ネオンである場合には、放電電極間の間隔を１７．４ｍ
ｍ以上２５．８ｍｍ以下とし、前記バッファガスがネオ
ンとヘリウムとの混合ガスである場合には、前記間隔
を、１７．４ｍｍ以上３８．１ｍｍ以下の範囲でネオン
とヘリウムとの混合比に基づいて決定している。このよ
うに放電電極間の間隔を定めることにより、放電開始電
圧Ｖｓを必要な値まで上げて、レーザ光のパルスエネル
ギーを増大させることが可能となる。

【００１９】また、本発明によれば、レーザ光の発振線
群を、１群のみに選択するシングルライン化ユニットを
備えている。かかる構成によれば、シングルライン化ユ
ニットによって確実にレーザ光の発振線群の選択が可能
であり、不要な発振線群が発振することがなく、露光を
好適に行なうことが可能である。

【００２０】また、本発明によれば、シード光を発振す
るシードレーザ装置と、シード光を増幅する増幅器とを
備えた注入同期式の構成としている。そして、シードレ
ーザ装置のガス圧力を制御することによってシード光の
スペクトル幅を狭くして増幅しているので、増幅器から
はスペクトル幅が狭く、充分なパルスエネルギーを有す
る増幅レーザ光が出射する。これを露光に用いることに
より、解像度が高く、歩留りの良い露光が可能である。

【００２１】また、本発明のフッ素露光装置によれば、
ガス圧力を制御してスペクトル幅を狭くしたフッ素分子
レーザ装置を光源として用い、色消しレンズを使って色
収差を除去している。従って、光源であるフッ素レーザ
装置側としては、必要以上にレーザ光のスペクトル幅を
狭くする必要がない。また、露光機の側も、カタディオ
プトリク方式のように光軸合わせの困難な方式を用いる
ことがない。従って、製作しやすくバランスのよいフッ
素露光装置ができる。

【００２２】また、本発明のフッ素露光装置は、前記縮
小投影レンズが、フレネルレンズを用いて色収差を除去
している。フレネルレンズは逆分散特性を有しており、
これによって色収差の除去が容易となる。また、厚みが
小さいため、縮小投影レンズが小型化される。

【００２３】また、本発明のフッ素露光装置は、前記色
消しレンズが、バイナリオプティカルエレメントを用い
て色収差を除去している。バイナリオプティカルエレメ
ントは、面が曲面ではなく直線の組み合わせで構成され
ているので、コンピュータによって設計が容易であり、
またフォトリソグラフィ工程によって精度よく製作する
ことが可能である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
に係る実施形態を詳細に説明する。まず、第１実施形態
を説明する。図１は、本実施形態に係るフッ素レーザ装
置１の構成図を示している。図１において、フッ素レー
ザ装置１は、フッ素（Ｆ2）、及びバッファガスである
ヘリウム（Ｈｅ）を含むレーザガスが、所定の圧力比で
密封されたレーザチャンバ２を備えている。レーザチャ
ンバ２の内部には、アノード４及びカソード５からなる
一対の放電電極４，５が、対向して配設されている。こ
の放電電極４，５間に、高圧電源１３から高電圧Ｖを印
加することにより、パルス状の主放電２６を起こしてレ
ーザガスを励起し、レーザ光１１をパルス発振させる。

【００２５】レーザチャンバ２の前後部には、レーザ光
１１を透過するフロントウィンドウ７及びリアウィンド
ウ９が、それぞれ付設されている。尚、ウィンドウ７，
９は、光軸に対してブリュースター角をなしていると尚
良い。レーザチャンバ２の前方（図１中右方）及び後方
には、所定幅の開口部を有するフロントスリット１６及
びリアスリット１７が、それぞれ配置されている。フロ
ントスリット１６の前方には、レーザ光１１を部分透過
するフロントミラー６が設置されている。また、リアス
リット１７の後方には２個の分散プリズム１８，１８が
配置され、分散プリズム１８，１８の後方には、レーザ
光１１を全反射するリアミラー８が配置されている。レ
ーザチャンバ２内部で発振したレーザ光１１は、ウィン
ドウ７，９及び分散プリズム１８，１８を通過し、リア
ミラー８とフロントミラー６との間で反射して往復され
るうちに増幅され、その一部がフロントミラー６を透過
して取り出される。

【００２６】前述したように、分散プリズム１８，１８
を通過した強いライン光は、スリット１６，１７の開口
部を抜けて、フロントミラー８から出射する。これに対
し、弱いライン光は、２個の分散プリズム１８，１８を
通過する間に光路をずらされ、フロントスリット１６及
びリアスリット１７のいずれかで遮られて発振しなくな
る。このようにして、分散プリズム１８，１８、及びリ
アミラー８を備えたシングルライン化ユニット１９によ
り、強いライン光のみを選択的に発振させてシングルラ
イン化を行なっている。

【００２７】フロントミラー６の前方には、レーザ光１
１の一部をサンプリングするビームスプリッタ１２が配
置されている。ビームスプリッタ１２で図１中下方に反
射されたレーザ光は、パワー検出器４７に入射する。パ
ワー検出器４７は、パルスエネルギーに応じた電気信号
をレーザコントローラ４６に出力する。レーザコントロ
ーラ４６は、この電気信号に基づいて、レーザ光１１の
パルスエネルギーを検出する。そして、パルスエネルギ
ーが一定となるように、高電圧Ｖの値を高圧電源１３に
指令している。これを、パワーロック制御という。

【００２８】レーザチャンバ２には、レーザガスを外部
へ排気する排気配管３７と、レーザガスを内部に注入す
る注入配管３８とが接続されている。排気配管３７に
は、排気バルブ３９とポンプ４０とが接続されており、
排気バルブ３９はレーザコントローラ４６からの指示信
号に基づいて開閉動作する。尚、ポンプ４０の排気側に
は図示しないフッ素処理装置が接続されており、排気ガ
スからフッ素を除去している。注入配管３８には、フッ
素をバッファガスで希釈したフッ素ガスを封入したフッ
素ガスボンベ４１と、バッファガスを封入したバッファ
ガスボンベ４２とが接続されている。バッファガスとし
ては、例えばヘリウム、ネオン、又はヘリウム及びネオ
ンの混合ガスが用いられる。フッ素ガスボンベ４１及び
バッファガスボンベ４２は、レーザコントローラ４６か
らの指示信号によって開閉動作するフッ素ガスバルブ４
３及びバッファガスバルブ４４の開閉によって、レーザ
チャンバ２内部に注入される。

【００２９】レーザチャンバ２には、内部のガス圧力ｐ
を測定する圧力測定器４５が接続されており、ガス圧力
ｐに応じた電気信号を、電気的に接続されたレーザコン
トローラ４６に出力する。レーザコントローラ４６は、
この電気信号に基づいて、レーザチャンバ２内部のガス
圧力ｐを検出自在となっている。このようにレーザコン
トローラ４６は、圧力測定器４５の信号に基づき、バル
ブ２２，２３及び、排気バルブ３９を操作して、レーザ
チャンバ２内のガス圧力ｐを制御自在となっている。

【００３０】フッ素装置においては、レーザチャンバ２
内部のレーザガスのガス圧力ｐと、レーザ光１１のスペ
クトル幅Δλとの間には、密接な関係があることが知ら
れている。図２に、レーザ光１１のスペクトル幅Δλと
ガス圧力ｐとの関係を、横軸にガス圧力ｐ、縦軸にスペ
クトル幅Δλを取って示す。実線Ｈ１は、バッファガス
がヘリウムである場合（以下、ヘリウムバッファと言
う）、破線Ｎ１は、バッファガスがネオンである場合
（以下、ネオンバッファと言う）の、ガス圧力ｐとスペ
クトル幅Δλとの関係をそれぞれ示している。

【００３１】即ち、図２に示すように、ガス圧力ｐが増
加するほどスペクトル幅Δλは広くなる。従って、ガス
圧力ｐを所定の範囲とすることにより、フッ素露光装置
２１が要求するスペクトル幅Δλのレーザ光１１を得る
ことが可能となる。上述したように、色消し方式のフッ
素露光装置２１においては、スペクトル幅Δλとして、
０．７５ｐｍ以下が要求されており、好ましくは０．６
ｐｍ以下とされている。また、スペクトル幅Δλを０．
３ｐｍ以下にしようとすると、狭帯域化素子を用いる必
要が生じ、充分なパルスエネルギーを得るには０．４５
ｐｍ以上であることが好ましい。即ち、色消し方式のフ
ッ素露光装置２１に用いられるレーザ光１１のスペクト
ル幅Δλは０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ以下が必要であ
り、好ましくは０．４５ｐｍ以上０．６ｐｍ以下がよ
い。

【００３２】図２において、ヘリウムバッファの場合に
は、直線Ｈ１に示すように０．７５ｐｍのスペクトル幅
Δλを達成するためのガス圧力ｐは、約２５５ｋＰａ
（２．５５atm）となる。また、スペクトル幅Δλが
０．３ｐｍの場合には、ガス圧力ｐは約３０ｋＰａ
（０．３atm）となる。従って、ヘリウムバッファの場
合には、レーザガスのガス圧力ｐが、３０ｋＰａ以上２
５５ｋＰａ以下の範囲にあるようにすればよい。さらに
ヘリウムバッファの場合において、０．４５ｐｍ以上
０．６ｐｍ以下のスペクトル幅Δλを得るためには、直
線Ｈ１に示すようにレーザガスのガス圧力ｐが、１０５
ｋＰａ以上１８０ｋＰａの範囲にあるのがよい。

【００３３】また、ネオンバッファの場合には、破線Ｎ
１に示すように、０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ以下のス
ペクトル幅Δλを達成するためのガス圧力ｐは、８０ｋ
Ｐａ以上３０５ｋＰａ以下となる。さらに、より好まし
い０．４５ｐｍ以上０．６ｐｍ以下のスペクトル幅Δλ
を達成するためのガス圧力ｐは、１５５ｋＰａ以上２３
０ｋＰａ以下となる。尚、バッファガスとしてヘリウム
とネオンとの混合ガスを用いた場合には、その分圧比に
応じて、ガス圧力ｐの下限と上限とを定めるようにす
る。即ち、スペクトル幅Δλが０．３〜０．７５ｐｍの
場合には、ガス圧力ｐの下限を３０〜８０ｋＰａの間に
定め、上限を２５５〜３０５ｋＰａの間に定めるように
すればよい。また、スペクトル幅Δλが０．４５〜０．
６ｐｍの場合には、ガス圧力ｐの下限を１０５〜１５５
ｋＰａの間に定め、上限を１８０〜２３０ｋＰａの間に
定めるようにすればよい。

【００３４】尚、本実施形態ではシングルライン化ユニ
ット１９によって波長をシングルライン化しているが、
これに限られるものではない。即ち、発振器の共振器長
を短くすることによっても発振波長が１本に自動選択さ
れるため、フロントミラー６とリアミラー８との間の距
離を短くし、シングルライン化ユニット１９の代わりに
リアミラー８のみを配置しても良い。

【００３５】以上説明したように、第１実施形態によれ
ば、フッ素露光装置２１用光源のフッ素レーザ装置１に
おいて、所望されるスペクトル幅Δλに合わせ、ガス圧
力ｐを従来技術よりも低くして発振させている。これに
より、レーザ光１１がより狭いスペクトル幅Δλで発振
するため、色消し方式のフッ素露光装置２１に用いた場
合に、解像度の高い露光が可能となる。

【００３６】次に、第２実施形態を説明する。第２実施
形態においては、第１実施形態で説明したフッ素レーザ
装置１から発振したレーザ光１１の、パルスエネルギー
を増大させるための技術について説明する。即ち、第１
実施形態においては、ガス圧力ｐを従来技術より低くし
ているため、主放電２６が起こりやすくなっている。そ
の結果、低い高電圧Ｖから主放電２６が開始されるた
め、高い放電エネルギーを主放電に注入することが困難
となり、パルスエネルギーが低くなってしまう。その結
果、露光のために充分なパルスエネルギーが得られない
ということが起きる。高いパルスエネルギーのレーザ光
１１を得るためには、主放電が開始する高電圧Ｖ（これ
を、放電開始電圧Ｖｓと言う）を高くする必要がある。
以下に説明する本実施形態では、放電電極４，５の間隔
（以下、電極間隔ｄと言う）を広げることにより、これ
を達成している。

【００３７】現状では、フッ素露光装置２１において、
露光を好適に行なうためには１０ｍＪ程度のパルスエネ
ルギーが必要とされている。図３に、放電開始電圧Ｖｓ
と、レーザ光１１のパルスエネルギーＥとの関係を、ヘ
リウムバッファの場合について示す。横軸が放電開始電
圧Ｖｓ、縦軸がパルスエネルギーＥである。図３に示す
ように、例えばパルスエネルギーＥ＝１０ｍＪを得るた
めには、放電開始電圧Ｖｓを約２８ｋＶとする必要があ
る。

【００３８】図４に、実験によって求めた、放電開始電
圧Ｖｓと、ガス圧力ｐと放電電極間隔ｄとの積であるｐ
ｄ積との関係を、ヘリウムバッファの場合について示
す。横軸が放電開始電圧Ｖｓ、縦軸がｐｄ積である。図
４に示すように、放電開始電圧Ｖｓを２８ｋＶとするた
めには、ｐｄ積は約４０００ｍ・Ｐａとなる。即ち、ｐ
ｄ積が約４０００ｍ・Ｐａであるから、例えばスペクト
ル幅Δλを０．３〜０．７５ｐｍとするためには、ガス
圧力ｐが３０〜２５５ｋＰａに対して、電極間隔ｄを１
３３．３〜１５．７ｍｍの範囲とする。また、スペクト
ル幅Δλを０．４５〜０．６ｐｍとするためには、ガス
圧力ｐが、１０５〜１８０ｋＰａに対して、電極間隔ｄ
を３８．１〜２２．２ｍｍの範囲とする。

【００３９】また、ネオンの場合には、例えばｐｄ積を
約４０００ｍ・Ｐａとすると、スペクトル幅Δλを０．
３〜０．７５ｐｍとするためには、ガス圧力ｐが８０〜
３０５ｋＰａに対して、電極間隔ｄを５０．〜１３．１
ｍｍの範囲とする。また、スペクトル幅Δλを０．４５
〜０．６ｐｍとするためには、ガス圧力ｐが１５５〜２
３０ｋＰａに対して、電極間隔ｄを２６．７〜１７．４
ｍｍの範囲とする。尚、図３のグラフ及び図４のグラフ
は、装置などによっても変動するため、その装置ごとに
対して、上記のような方法で電極間隔ｄを求めるように
する。

【００４０】また、ｐｄ積と放電開始電圧Ｖｓとの間に
は、下記の数式１に示すような関係がある。これを、パ
ッシェンの法則と言う。 Ｖｓ＝Ｂ・ｐｄ／ｌｏｇ（Ａ・ｐｄ）…………（１） 数式１において、定数Ａ及びＢは、レーザガスの種類と
放電電極４，５の材質によって定まる定数である。従っ
て、実験によってこの定数Ａ，Ｂを求め、計算によって
電極間隔ｄを算出するようにしてもよい。

【００４１】以上説明したように、第２実施形態によれ
ば、圧力を下げたフッ素レーザ装置１において、電極間
隔ｄを広げている。これにより、放電開始電圧Ｖｓが高
くなるため、レーザガスに対して一気に高いエネルギー
を注入することが可能となり、レーザ光１１のパルスエ
ネルギーＥが増大する。その結果、露光に必要な強さの
パルスエネルギーＥを得ることが可能となり、フッ素レ
ーザ装置１をフッ素露光装置２１用の光源として用いる
ことができる。

【００４２】次に、第３実施形態を説明する。図５に、
第３実施形態に係る注入同期式フッ素レーザ装置３４の
構成図を示す。図５において、注入同期式フッ素レーザ
装置３４は、第１又は第２実施形態に係るフッ素レーザ
装置１と、フッ素レーザ装置１から出射したレーザ光１
１をシード光として増幅する増幅器３３とを備えてい
る。増幅器３３は、レーザガスを封入する増幅器チャン
バ２７と、増幅器チャンバ２７の両端部に設けられたウ
ィンドウ２４，２５と、ウィンドウ２５の長手方向後方
（図５中左方）外側に設けられて略中央に導入孔２９を
有する有孔凹面鏡３２と、前方外側に設けられた凸面鏡
３１とを有している。

【００４３】増幅器チャンバ２７の内部には所定位置に
増幅電極３５，３６が設置され、図示しない高圧電源に
より高電圧を印加可能となっている。増幅器チャンバ２
７内には図示しないファンが配設されており、チャンバ
２内のレーザガスを循環させて増幅電極３５，３６間に
導いている。図５において、フッ素レーザ装置１から発
振したレーザ光１１は、有孔凹面鏡３２の導入孔２９か
らウィンドウ２５を透過して増幅器チャンバ２７に入射
し、凸面鏡３１と有孔凹面鏡３２との間で反射され、数
回往復する。このとき、増幅器チャンバ２７内では、レ
ーザ光１１の入射にタイミングを合わせて高圧電源から
増幅電極３５，３６間に高電圧が印加され、増幅放電が
起きる。この増幅放電により、レーザ光１１は、増幅器
３３内を往復する間に波長及びスペクトル幅Δλを保っ
たままパルスエネルギーＥを増幅される。そして、凸面
鏡３１の周囲から、断面がドーナツ状の増幅レーザ光２
０として取り出される。

【００４４】以上説明したように第３実施形態によれ
ば、第１又は第２実施形態に係るフッ素レーザ装置１か
ら発振したレーザ光１１をシード光として、増幅器３３
によってパルスエネルギーＥを増幅している。第１又は
第２実施形態に係るフッ素レーザ装置１からは、スペク
トル幅Δλが０．７５ｐｍ以下（好ましくは０．６ｐｍ
以下）のレーザ光１１が出射される。このレーザ光１１
をシード光として増幅しているので、色消し方式のフッ
素露光装置２１に用いるのに充分にスペクトル幅Δλが
狭く、かつパルスエネルギーの高い増幅レーザ光２０を
取り出すことが可能である。そして、第３実施形態にお
いては、増幅器３３によってパルスエネルギーを増大さ
せているので、必ずしも第２実施形態のようにフッ素レ
ーザ装置１の電極間隔ｄを広げなくともよい。

【００４５】次に、第４実施形態について説明する。図
６に、第４実施形態に係るフッ素露光装置２１の構成図
を示す。図６において、フッ素露光装置２１は、第２実
施形態で説明したフッ素レーザ装置１と、このフッ素レ
ーザ装置１から発振されたレーザ光１１を用いて露光を
行なう露光機２２とを備えている。或いは、フッ素レー
ザ装置１の代わりに第３実施形態で説明した注入同期式
フッ素レーザ装置３４を光源とし、レーザ光１１の代わ
りに増幅レーザ光２０を用いて露光を行なってもよい。
露光機２２は、クリーンルーム内の床格子４８上に設置
されており、フッ素レーザ装置１は、床格子４８の下
の、一般に床５４下と呼ばれるフロアーの床５４５４上
に設置されている。

【００４６】フッ素レーザ装置１から出射したスペクト
ル幅Δλ約０．６ｐｍのレーザ光１１は、反射ミラー４
９で上方に反射して床格子４８に設けられた開口部３８
Ａを通過し、露光機２２内に入る。レーザ光１１は、先
ず均一化光学系５０３９内で強度分布を均一化され、次
に、ビーム整形器５５によってビーム断面を拡げられ
る。レーザ光１１は、コンデンサレンズ５１を介して、
レチクル５２と呼ばれるマスクに照射される。レチクル
５２に設けられたパターンを通過したレーザ光１１は、
縮小投影レンズ５６によって、移動自在のステージ５７
に搭載されたウェハ５３に照射される。これにより、レ
チクル５２のパターンがウェハ５３上に転写され、ウェ
ハ５３が露光される。

【００４７】このとき、縮小投影レンズ５６は、フッ化
カルシウム及びフッ化バリウムからなる色消しレンズで
構成され、レーザ光１１の色収差を除去している。或い
は、バイナリオプティカルエレメント等で形成された、
逆分散特性を有するフレネルレンズを用いて、色収差を
除去してもよい。バイナリオプティカルエレメントと
は、波長の長さ程度の段差を有する細かい階段状の回折
格子によって、光学部品を形成するものである。光学部
品の面が、曲面ではなく直線の組み合わせで構成されて
いるので、コンピュータによって設計が容易であり、ま
たフォトリソグラフィ工程によって精度よく製作するこ
とが可能である。尚、バイナリオプティカルエレメント
に関しては、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.6968-69
75に詳細に紹介されている。

【００４８】以上説明したように第４実施形態によれ
ば、フッ素露光装置２１が、縮小投影レンズ５６として
色消しレンズを用いている。そして、光源として、第２
実施形態で説明したフッ素レーザ装置１、又は第３実施
形態で説明した注入同期式フッ素レーザ装置３４を備え
ている。上記フッ素レーザ装置１，３４からは、スペク
トル幅Δλが０．７５ｐｍ以下（好ましくは０．６ｐｍ
以下）で、露光に必要な大きさのパルスエネルギーを備
えたレーザ光１１、又は増幅レーザ光２０が発振する。
従って、フッ素レーザ装置１，３４を光源とすることに
より、露光を好適に行なうことが可能である。

【００４９】また、レーザ光１１，２０を、０．７５ｐ
ｍ以下（好ましくは０．６ｐｍ以下）のスペクトル幅Δ
λに狭帯域化しているので、色消しレンズによって比較
的容易に色収差を除去することが可能である。従って、
露光の際に、色収差によって露光の解像度が低下するこ
とがなく、解像度の高い露光が可能である。また、色収
差を除去できるので、屈折型縮小投影光学系方式を採用
することが可能となる。これにより、カタディオプトリ
ク方式に比較すると装置の構成が単純となり、光軸合わ
せ等の調整も容易となる。即ち、光源であるフッ素レー
ザ装置１，３４の側も、必要以上にレーザ光１１，２０
のスペクトル幅Δλを狭くする必要がなく、また、露光
機の側も、カタディオプトリク方式のように光軸合わせ
の困難な方式を用いることがない。従って、フッ素露光
装置全体として、製作しやすくバランスのよいフッ素露
光装置ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るフッ素レーザ装置の構成
図。

【図２】スペクトル幅とガス圧力との関係を示すグラ
フ。

【図３】第２実施形態に係る放電開始電圧とパルスエネ
ルギーとの関係を示すグラフ。

【図４】放電開始電圧とｐｄ積との関係を示すグラフ。

【図５】第３実施形態に係る注入同期式フッ素レーザ装
置の構成図。

【図６】第４実施形態に係るフッ素露光装置の構成図。

【図７】従来技術に係るフッ素レーザ装置の基本構成
図。

【図８】レーザ光の波長の説明図。

【符号の説明】

１：フッ素レーザ装置、２：レーザチャンバ、４：放電
電極、５：放電電極、６：フロントミラー、７：フロン
トウィンドウ、８：リアミラー、９：リアウィンドウ、
１１：レーザ光、１２：ビームスプリッタ、１３：高圧
電源、１６：フロントスリット、１７：リアスリット、
１８：分散プリズム、１９：シングルライン化ユニッ
ト、２０：増幅レーザ光、２１：フッ素露光装置、２
２：露光機、２４：ウィンドウ、２５：ウィンドウ、２
６：主放電、２７：増幅器チャンバ、２９：導入孔、３
１：凸面鏡、３２：有孔凹面鏡、３３：増幅器、３４：
注入同期式フッ素レーザ装置、３５：増幅電極、３６：
増幅電極、３７：排気配管３７、３８：注入配管、３
９：排気バルブ３９、４０：ポンプ、４１：フッ素ガス
ボンベ、４２：バッファガスボンベ、４３：フッ素ガス
バルブ、４４：バッファガスバルブ、４５：圧力測定
器、４６：レーザコントローラ、４７：パワー検出器、
４８：床格子、４９：反射ミラー、５０：均一化光学
系、５１：コンデンサレンズ、５２：レチクル、５３：
ウェハ、５４：床、５５：ビーム整形器、５６：縮小投
影レンズ、５７：ステージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 3/104 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｂ 3/223 Ｈ０１Ｓ 3/03 Ｂ 3/23 3/223 Ｚ (72)発明者 溝口 計 神奈川県平塚市万田1200 ギガフォトン株 式会社内 Ｆターム(参考） 2H097 CA06 CA11 CA13 CA17 GB01 LA10 5F046 CA03 5F071 AA04 CC10 DD04 HH01 HH02 HH03 JJ10 5F072 AA04 HH01 HH02 JJ13 KK01 KK08 KK18 KK30 RR05 SS06 YY09

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッファガス及びフッ素を含むレーザガ
   スを封入するレーザチャンバ(2)と、 高電圧(V)を印加して主放電を起こし、レーザガスを励
   起してフッ素分子レーザ光(11)を発振させる放電電極
   (4,5)とを備え、 フッ素露光装置(21)用の光源となるフッ素分子レーザ装
   置において、 前記レーザチャンバ(2)内のレーザガスのガス圧力(p)
   を、フッ素露光装置(21)の要求するフッ素分子レーザ光
   (11)のスペクトル幅(Δλ)に基づいて変更自在としたこ
   とを特徴とするフッ素分子レーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記スペクトル幅(Δλ)が０．３ｐｍ以上０．７５ｐｍ
   以下であり、 このスペクトル幅(Δλ)に基づいてレーザガスのガス圧
   力(p)を決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記バッファガスがヘリウムである場合には、前記ガス
   圧力(p)を３０ｋＰａ以上２５５ｋＰａ以下とし、 前記バッファガスがネオンである場合には、前記ガス圧
   力(p)を８０ｋＰａ以上３０５ｋＰａ以下とし、 前記バッファガスがネオンとヘリウムとの混合ガスであ
   る場合には、前記ガス圧力(p)を、３０ｋＰａ以上３０
   ５ｋＰａ以下の範囲でネオンとヘリウムとの混合比に基
   づいて決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記バッファガスがヘリウムである場合には、放電電極
   (4,5)間の間隔(d)を１５．７ｍｍ以上１３３．３ｍｍ以
   下とし、 前記バッファガスがネオンである場合には、放電電極
   (4,5)間の間隔(d)を１３．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下と
   し、 前記バッファガスがネオンとヘリウムとの混合ガスであ
   る場合には、前記間隔(d)を、１３．１ｍｍ以上１３
   ３．３ｍｍ以下の範囲でネオンとヘリウムとの混合比に
   基づいて決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記スペクトル幅(Δλ)が０．４５ｐｍ以上０．６ｐｍ
   以下であり、 このスペクトル幅(Δλ)に基づいてレーザガスのガス圧
   力(p)を決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装
   置。
6. 【請求項６】 請求項５記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記バッファガスがヘリウムである場合には、前記ガス
   圧力(p)を１００ｋＰａ以上１８０ｋＰａ以下とし、 前記バッファガスがネオンである場合には、前記ガス圧
   力(p)を１５０ｋＰａ以上２３０ｋＰａ以下とし、 前記バッファガスがネオンとヘリウムとの混合ガスであ
   る場合には、前記ガス圧力(p)を、１００ｋＰａ以上２
   ３０ｋＰａ以下の範囲でネオンとヘリウムとの混合比に
   基づいて決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装
   置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のフッ素分子レーザ装置に
   おいて、 前記バッファガスがヘリウムである場合には、放電電極
   (4,5)間の間隔(d)を２２．２ｍｍ以上３８．１ｍｍ以下
   とし、 前記バッファガスがネオンである場合には、放電電極
   (4,5)間の間隔(d)を１７．４ｍｍ以上２５．８ｍｍ以下
   とし、 前記バッファガスがネオンとヘリウムとの混合ガスであ
   る場合には、前記間隔(d)を、１７．４ｍｍ以上３８．
   １ｍｍ以下の範囲でネオンとヘリウムとの混合比に基づ
   いて決定することを特徴とするフッ素分子レーザ装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載のフッ素
   分子レーザ装置において、 レーザ光(11)の発振線群を、１群のみに選択するシング
   ルライン化ユニット(19)を備えたことを特徴とするフッ
   素分子レーザ装置。
9. 【請求項９】 シード光を発振するシードレーザ装置
   と、 シード光を増幅する増幅器とを備えた注入同期式のフッ
   素分子レーザ装置において、 前記シードレーザ装置が、請求項１〜８のいずれかに記
   載のフッ素レーザ装置であることを特徴とする注入同期
   式のフッ素分子レーザ装置。
10. 【請求項１０】 フッ素分子レーザ装置(1)から発振し
    たフッ素分子レーザ光(11)を、色収差を除去する機能を
    備えた縮小投影レンズによって被露光物に投影して露光
    を行なう色消し方式のフッ素露光装置において、 前記フッ素分子レーザ装置(1)が、請求項１〜９のいず
    れかに記載のフッ素分子レーザ装置(1)であることを特
    徴とするフッ素露光装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載のフッ素露光装置にお
    いて、 前記縮小投影レンズが、フレネルレンズを用いて色収差
    を除去していることを特徴とするフッ素露光装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載のフッ素露光装置にお
    いて、 前記縮小投影レンズが、バイナリオプティカルエレメン
    トを用いて色収差を除去していることを特徴とするフッ
    素露光装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０記載のフッ素露光装置にお
    いて、 前記縮小投影レンズが、互いに屈折率の異なる少なくと
    も２種類以上の材料のレンズを備えていることを特徴と
    するフッ素露光装置。