JP2002270935A - 露光用ガスレーザ装置 - Google Patents

露光用ガスレーザ装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キセノンガス添加によるレーザ発振効率と安
定度の向上がより増した露光用ロングパルスガスレーザ
装置。 【解決手段】 レーザチェンバー１内に配置された一対
の放電電極２を有し、レーザチェンバー１内に封入され
少なくとも分圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のキ
セノンを含有するレーザガスを一対の放電電極２間の放
電により励起してレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以
上のレーザ光を放出する露光用ガスレーザ装置におい
て、少なくともレーザ光の放出時にレーザガスが加熱さ
れている露光用ガスレーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、露光用ガスレーザ
装置に関し、特に、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦ
エキシマレーザ装置、又は、フッ素レーザ装置等の半導
体露光用のガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路の微細化、高集積化につ
れて、その製造用の露光装置においては解像力の向上が
要請されている。このため、露光用光源から放出される
露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源
として、従来の水銀ランプが放出する光より短い波長の
光を放出するガスレーザ装置が用いられる。この露光用
ガスレーザ装置として、現在、波長２４８ｎｍの紫外線
を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられてい
る。また、次世代を担う半導体露光用光源としては、波
長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ
装置、波長１５７ｎｍの紫外線を放出するフッ素
（Ｆ2 ）レーザ装置が有力である。
【０００３】ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、レ
ーザ媒質であるレーザガスとして、フッ素（Ｆ2 ）ガス
とクリプトン（Ｋｒ）ガス、及び、バッファーガスとし
てネオン等の希ガスからなる混合ガスを、ＡｒＦエキシ
マレーザ装置においては、レーザ媒質として、フッ素
（Ｆ2 ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガス、及び、バッファ
ーガスとしてネオン等の希ガスからなる混合ガスを、フ
ッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガスとバッ
ファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等
の希ガスからなる混合ガスを用いる。混合ガスであるレ
ーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバーの
内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質である
レーザガスが励起される。
【０００４】すなわち、レーザチェンバー内部には、レ
ーザガスを励起するための一対の主放電電極が、レーザ
発振方向に垂直な方向に所定の距離だけ離間して対向配
置されている。この一対の主放電電極には高電圧パルス
が印加され、主放電電極間にかかる電圧がある値（ブレ
ークダウン電圧）に到達すると、主放電電極間のレーザ
ガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によ
りレーザ媒質が励起される。
【０００５】そのため、このような露光用ガスレーザ装
置は主放電の繰返しによるパルス発振を行うことによ
り、放出するレーザ光はパルス光となる。現状では、レ
ーザパルスの繰返し周波数は２ｋＨｚ以上である。
【０００６】露光用ガスレーザ装置は、発振パルス幅
（Ｔis）が通常２０ｎｓ程度であるため、出力光のピー
クパワーが大きく、また、短波長であることから光子エ
ネルギーが高いという特徴がある。ここでは、レーザ発
振パルス幅としてＴisを用いている。
【０００７】光学素子の劣化がレーザ光の二光子吸収に
よるものとすると、同一レーザエネルギー条件下におい
て、光学系のダメージはＴisに反比例することが分かっ
ている。Ｔisの定義式は以下の通りである。ただし、Ｐ
（ｔ）は時間ｔに依存したレーザ強度である。
【０００８】 Ｔis＝［∫Ｐ（ｔ）ｄｔ］2 ／∫Ｐ（ｔ）2 ｄｔ ・・・（１） そのため、露光装置に搭載される光学系のダメージを低
減する１つの方法として、レーザパルス幅Ｔisを長くす
るロングパルス化が求められるが、このロングパルス化
は、以下の点からも要請される。
【０００９】投影露光装置において、回路パターン等が
施されたマスクの像が、投影レンズを介してフォトレジ
ストが塗布されたウエハー等のワークに投影される投影
像の解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは、次式で表される。
【００１０】 Ｒ＝ｋ1 λ／ＮＡ ・・・（２） ＤＯＦ＝ｋ2 λ／（ＮＡ）2 ・・・（３） ここで、ｋ1 、ｋ2 はレジストの特性等を反映する係
数、λは露光用光源から放出される露光光の波長、ＮＡ
は開口数である。
【００１１】解像度Ｒを向上させるため、（２）式から
明らかなように、露光光の波長の短波長化、高ＮＡ化が
進んでいるが, その分（３）式が示す通り、焦点深度Ｄ
ＯＦが小さくなる。そのため、色収差の影響が大きくな
るので、露光光のスペクトル線幅をより狭くする必要が
ある。すなわち、露光用ガスレーザ装置から放出される
レーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯域化が要請さ
れる。
【００１２】ここで、Proc. SPIE Vol.3679.(1999)1030
〜1037には、レーザパルス幅が長くなると、それに伴っ
て、レーザ光のスペクトル線幅が狭くなっていくことが
記載されており、実際、本発明者等の実験でもこれは証
明された。すなわち、解像度Ｒを向上するためには、レ
ーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯域化が要請さ
れ、そのためには、レーザ光のさらなるロングパルス化
が必須となる。
【００１３】上記した露光用ガスレーザ装置において、
これまで、レーザガスにさらにレーザガス中の希ガスと
は異なるガス種の希ガス（キセノン：Ｘｅ等）を所定量
添加して、放出されるレーザ光のパルス間のエネルギー
安定性を向上させ、また、レーザ出力を増大させる技術
が提案されている。
【００１４】すなわち、特許第３，０４６，９５５号に
おいては、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマ
レーザ装置のレーザチェンバー内に封入されたレーザガ
スに１００ｐｐｍ未満の添加ガス（１０ｐｐｍ未満の酸
素、及び、ある量のレーザガス中の希ガスより重い希ガ
ス（Ｘｅ等））を添加して、エネルギー安定性が向上す
ることが述べられている。
【００１５】また、特開２０００−２６１０７４、特開
２０００−２６１０７５、特開２０００−２６１０８
２、特開２０００−２９４８５６においては、レーザガ
ス中にキセノンガスを所定量添加させると、所定時間の
連続パルス発振運転と所定時間の発振休止を繰り返すバ
ースト運転において、当初エネルギーが高く、その後次
第にエネルギーが低下するバースト特性や、各連続パル
ス発振運転時に、当初エネルギーが高く、その後次第に
エネルギーが低下するスパイク特性が改善されることが
記載されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、エキシ
マレーザガスにキセノンを添加することでエネルギー安
定度等のレーザ性能が向上することは知られている。し
かし、さらなる露光装置の高性能化、露光用ガスレーザ
装置の高寿命化のため、露光用ガスレーザ装置のさらな
る高出力化、高安定度化、さらには、放出するレーザ光
のレーザパルス幅のロングパルス化等が求められてい
る。
【００１７】このような状況下、本発明者等はキセノン
を添加するときのレーザガスの温度に着目し、様々な温
度条件でレーザ特性データを取得したところ、レーザ特
性の温度条件に対する依存性が大きいことを発見した。
【００１８】本発明のこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、キセノンガス添加の効果が従
来例より向上した露光用ロングパルスガスレーザ装置を
提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の露光用ガスレーザ装置は、レーザガスが封入された
レーザチェンバー内に配置された励起用の一対の放電電
極を有し、放出するレーザ光のレーザパルス幅（Ｔis）
が４０ｎｓ以上である露光用ガスレーザ装置において、
キセノン添加前のレーザガスが３５℃以上であって、こ
の３５℃以上のレーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１０
０ｐｐｍ以下のキセノンを添加することを特徴とするも
のである。
【００２０】この場合、キセノン添加前のレーザガスが
４０℃以上、より好ましくは４５℃以上であって、この
レーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の
キセノンを添加することが望ましい。
【００２１】本発明のもう１つの露光用ガスレーザ装置
は、レーザガスが封入されたレーザチェンバー内に配置
された励起用の一対の放電電極を有し、放出するレーザ
光のレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上である露光
用ガスレーザ装置において、レーザチェンバーの温度を
３５℃以上に加熱し、その後、分圧比で２ｐｐｍ以上１
００ｐｐｍ以下のキセノンを含有するレーザガスをレー
ザチェンバーに封入することを特徴とするものである。
【００２２】この場合、レーザチェンバーの温度を４０
℃以上、より好ましくは４５℃以上に加熱することが望
ましい。
【００２３】本発明のさらにもう１つの露光用ガスレー
ザ装置は、レーザガスが封入されたレーザチェンバー内
に配置された励起用の一対の放電電極を有し、放出する
レーザ光のレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上であ
る露光用ガスレーザ装置において、前記レーザガスに分
圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のキセノンを添加
し、キセノン添加後のレーザガスの温度が３５℃以上で
あることを特徴とするものである。
【００２４】この場合、キセノン添加後のレーザガスの
温度が４０℃以上、より好ましくは４５℃以上であるこ
とが望ましい。
【００２５】本発明の別の露光用ガスレーザ装置は、レ
ーザチェンバー内に配置された一対の放電電極を有し、
前記レーザチェンバー内に封入され少なくとも分圧比で
２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のキセノンを含有するレ
ーザガスを前記一対の放電電極間の放電により励起して
レーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上のレーザ光を放
出する露光用ガスレーザ装置において、少なくとも前記
レーザ光の放出時に前記レーザガスが加熱されているこ
とを特徴とするものである。
【００２６】この場合、レーザガスを予備電離する予備
電離手段を備えていることが望ましい。
【００２７】また、レーザ光の放出時にレーザガスが３
５℃以上、より好ましくは４０℃以上、さらに好ましく
は４５℃以上に加熱されていることが望ましい。
【００２８】以上において、例えば、極性が反転する１
パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続
く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をす
るように構成されているものとすることができる。
【００２９】以上の本発明の露光用ガスレーザ装置は、
例えば、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレ
ーザ装置、又は、フッ素レーザ装置の何れかとすること
ができる。
【００３０】本発明においては、レーザパルス幅
（Ｔis）が４０ｎｓ以上のレーザ光を放出する露光用ガ
スレーザ装置において、レーザ光の放出時にキセノンを
含有するレーザガスが加熱されているので、レーザパル
スの後半部の出力及び安定度を増加させることが可能と
なる。これにより、さらにレーザパルスが長くなり、低
ピーク化、狭帯域化が実現されるのみならず、レーザ発
振効率が向上するので、低入力化によりチェンバーライ
フが延長され、レーザ運転コストが低減される。また、
レーザパルス後半部のエネルギーが安定することで、パ
ルス毎のエネルギー安定度が向上し、露光ドーズ制御性
も向上する。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の露光用ガスレーザ
装置を実施例に基づいて説明する。
【００３２】露光用ガスレーザ装置の構成例を図１に示
す。両端に窓部が設けられたレーザチェンバー１内には
所定の組成比のレーザガスが満たされている。このレー
ザガスを励起するための一対の主放電電極２、２がレー
ザ発振方向と垂直な向きにレーザチェンバー１内に対向
配置される。そして、高電圧パルス発生装置３により高
電圧パルスを印加して主放電電極２、２間で放電を行
い、レーザガスを励起させ、レーザ発振の元となる蛍光
を発生させる。
【００３３】なお、高繰り返し発振の際、放電により生
じた電離物質等を次の放電前に放電空間から除去するた
めに、レーザチェンバー１内に配置されたファン４の回
転によりレーザガスはレーザチェンバー１内を強制循環
している。このレーザガス循環により、主放電電極２、
２間のレーザガスは、放電発生後、次の放電が発生する
前に新しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放
電となる。
【００３４】本発明者等は、レーザチェンバー１のレー
ザガス循環構造、ファン４の形状等の改良を行い、繰返
し周波数２ｋＨｚ以上を実現した。
【００３５】放電により生じた蛍光は、狭帯域化モジュ
ール５に配置された狭帯域化光学系により所定の波長に
選択されながら、出力鏡６との間を往復することにより
レーザ発振し、レーザ光として出力鏡６から取り出され
る。なお、狭帯域化光学系は、例えば１個以上のプリズ
ムからなるビーム拡大光学系とリトロー配置の反射型回
折格子とから構成される。
【００３６】出力鏡６より取り出されたレーザ光の一部
はビームサンプラー７により分けられ、レーザ光の時間
的波形を検出する波形検出手段及びレーザ光のエネルギ
ーを検出する光エネルギー検出手段８に導かれる。波形
検出手段で得られた波形データは、パルス幅算出手段９
に、光エネルギー検出手段で得られたエネルギーデータ
はエネルギー安定度計算手段１０に送られる。パルス幅
算出手段９は、受け取ったパルス幅データに基いて、前
記した式（１）に従って、レーザパルス幅Ｔisを算出す
る。また、エネルギー安定度計算手段１０は、受け取っ
たエネルギーデータから安定度σを算出する。
【００３７】このようなガスレーザ装置の主放電電極
２、２の間に、図２に示すような放電回路により主放電
電圧が、また、コロナ予備電離部１４の電極１１と１３
の間に予備電離用コンデンサＣｃを介して予備放電電圧
が印加される。なお、この例において、コロナ予備電離
部１４は、例えば、第１電極１１が高純度アルミナセラ
ミックス等の誘電体物質製の片側開放のチューブ１２内
に円柱状電極を挿入して構成され、第２電極１３が矩形
の板状体電極から構成され、第２電極１３の板状体はそ
の１つの直線状のエッヂ近傍で屈曲されており、そのエ
ッヂにおいて第１電極１１の誘電体チューブ１２の外面
に平行に線接触してなり、その接触位置は、主放電電極
２、２の間のレーザ励起空間を見込むことができる位置
に設定されている。
【００３８】高電圧パルスを生成する回路は、図２に示
すような、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッ
チＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧
縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳ
Ｗ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第
２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回
路を構成している。
【００３９】図２に従って回路の構成と動作を以下に説
明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整
され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介し
て主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイ
ッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電
が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体
スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の
両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。
磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサＣ０の
充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性
で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和
して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイ
ッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサＣ１のルー
プに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が
移行してコンデンサＣ１に充電される。
【００４０】この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１
の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界
値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイ
ッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気ス
イッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に
蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電され
る。
【００４１】さらにこの後、コンデンサＣ２における電
圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決ま
る限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁
気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデ
ンサＣｐ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、
コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキング
コンデンサＣｐが充電される。
【００４２】図２の説明から明らかなように、予備電離
のためのコロナ放電は、誘電体チューブ１２と第２電極
１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ
１２の外周面に発生するが、図２のピーキングコンデン
サＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖ３が上昇し、Ｖ
３が所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チュ
ーブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電
によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線が発生し、
主放電電極２、２間のレーザ媒質であるレーザガスが予
備電離される。
【００４３】ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに
進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖ３が
上昇し、この電圧Ｖ３がある値（ブレークダウン電圧）
Ｖｂに達すると、主放電電極２、２間のレーザガスが絶
縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ
媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００４４】この後、主放電によりピーキングコンデン
サＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態
に戻る。
【００４５】このような放電動作が固体スイッチＳＷの
スイッチング動作によって繰り返し行われることによ
り、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行わ
れる。
【００４６】ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及び
コンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回
路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるよ
うに設定することにより、各段を流れる電流パルスのパ
ルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、
主放電電極２、２間に短パルスの強い放電が実現され
る。
【００４７】さて、以上のような露光用ガスレーザ装置
から放出されるレーザ光が、従来のように、ロングパル
ス化されていない場合について、レーザガスへのキセノ
ン（Ｘｅ）添加とレーザガス温度との関係について調べ
た。図３に、レーザガス中にＸｅを含まず、かつ、レー
ザガス温度が２４℃であるときの、レーザパルス幅（Ｔ
is）が４０ｎｍ未満であるロングパルス化されていない
露光用ガスレーザ装置（ＡｒＦエキシマレーザ装置）に
おけるレーザパルス波形の例を示す（図３）。
【００４８】図３中、３種類の線が描かれているが、こ
れらはそれぞれ、レーザガス中にＸｅを含まず、か
つ、レーザガス温度が２４℃である条件（以下、条件
と称する。）、レーザガス中にＸｅを１０ｐｐｍ含
み、レーザガス温度が２４℃である条件（以下、条件
と称する。）、レーザガス中にＸｅを１０ｐｐｍ含
み、レーザガス温度が５０℃である条件（以下、条件
と称する。）、でのレーザパルス波形を示している。
【００４９】これら３条件において、レーザパルス幅
（Ｔis）は何れも４０ｎｓ未満であった。
【００５０】レーザパルス波形の面積は、レーザ出力に
相当するが、図３から明らかなように、レーザガスにＸ
ｅを添加しない条件（条件）とＸｅを添加する条件
（条件、条件）とでは、後者の方がレーザ出力は大
きい。しかしながら、レーザガスにＸｅを添加する条件
であって、レーザガス温度が低い条件（条件）とレー
ザガス温度が高い条件（条件）とでは、レーザパルス
波形の差異、すなわち、レーザ出力の差異はほとんど見
られなかった。
【００５１】すなわち、レーザガス中にＸｅを含まず、
かつ、レーザガス温度が２４℃であるときのレーザパル
ス幅（Ｔis）が４０ｎｓ未満であるようなロングパルス
化されていないＡｒＦエキシマレーザ装置においては、
従来例と同様のＸｅ添加効果は認められるものの、温度
上昇の効果はほとんど認められなかった。
【００５２】これに対し、本発明者等は、レーザガス中
にＸｅを含まず、かつ、レーザガス温度が５０℃である
ときの、レーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上である
ロングパルス化されているＡｒＦエキシマレーザ装置に
おいては、従来例とは異なり、レーザガスにＸｅを添加
し、さらに、レーザガスの温度を上昇させると、レーザ
パルス波形の後半部において（レーザ発振後半部におい
て）波形が顕著に変化することを見出した。その変化を
図４に示す。
【００５３】図４中に示される３種類の波形は、図３の
ときと同様の３条件（条件、条件、条件）におけ
るものである。これら３条件において、レーザパルス幅
（Ｔ is）は何れも４０ｎｓ以上であった。
【００５４】図４から明らかなように、レーザガスが２
４℃であって、レーザガスにＸｅを添加しない条件（条
件）と、Ｘｅを添加する条件（条件）とを比較する
と、レーザパルス波形の前半部においても、後半部にお
いても、条件の方が条件と比べて、レーザパルスが
盛り上がっており、レーザ出力が大きい。
【００５５】これは、先に述べたロングパルス化されて
いないＡｒＦエキシマレーザ装置のときと同様の結果で
ある。また、例えば特開２０００−２９４８５６に記載
されているようなレーザガスに所定量のＸｅ添加により
レーザ出力が増加するという周知の技術に対応する。
【００５６】一方、レーザガスにＸｅを添加する条件で
あって、レーザガス温度が低温（２４℃）である条件
（条件）と、レーザガス温度が高温（５０℃）である
条件（条件）とを比較すると、レーザパルス波形の前
半部はガス温度上昇によってもほとんど変化していな
い。しかしながら、レーザパルス波形の後半部において
は、条件では、条件と比較して、レーザパルスが顕
著に盛り上がっており、レーザパルス後半部の出力が増
加した。また、図６に示すように、レーザパルスエネル
ギーの安定度が向上した。なお、安定度σは、（各パル
スエネルギーの標準偏差）／（各パルスエネルギーの平
均）×１００％で定義される。
【００５７】図４から明らかなように、本発明のよう
に、レーザガスにキセノン（Ｘｅ）を添加し、かつ、レ
ーザガス温度を高くすると、レーザガスに所定量のＸｅ
添加によりレーザ出力が増加するという従来周知の効果
がさらに向上することが判明した。
【００５８】なお、本発明者等の実験により、本発明に
より露光用レーザガスにキセノン（Ｘｅ）を添加し、か
つ、レーザガス温度を高くすることによる効果は、レー
ザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上のときに顕著であ
り、４０ｎｓに満たない場合、従来技術から得られる効
果とあまり変わらないことが分った。また、本発明によ
る効果は、レーザガス温度が３５℃以上のときに顕著で
あり、４０℃、４５℃と温度が高い程その効果は大き
く、一方、レーザガス温度が３５℃に満たない場合、従
来技術から得られる効果とあまり変わらないことが分っ
た。
【００５９】ここで、図４の場合と同様に、露光用ガス
レーザ装置（ＡｒＦエキシマレーザ装置）で、レーザパ
ルス幅（Ｔis）が４０ｎｓであって、レーザガス中に
Ｘｅを含まず、かつ、レーザガス温度が２４℃である条
件、レーザガス中にＸｅを１０ｐｐｍ含み、レーザガ
ス温度が２４℃である条件、レーザガス中にＸｅを１
０ｐｐｍ含み、レーザガス温度が５０℃である条件にお
いて、レーザパルスの繰返し周波数に対するレーザ出力
特性を図５に、レーザパルスの繰返し周波数に対する安
定度特性を図６に、レーザパルスの繰返し周波数に対す
るレーザパルス幅（Ｔis）特性を図７に示す。
【００６０】図５に示す通り、条件においては、条件
、条件の場合と比べて、レーザ出力が大きく、図６
に示す通り、条件においては、条件、条件の場合
と比べて、安定度σの値が小さく、また、図７に示す通
り、条件においては、条件、条件の場合と比べ
て、レーザパルス幅（Ｔis）が長い。
【００６１】すなわち、図５、図６、図７から明らかな
ように、レーザガスにキセノン（Ｘｅ）を添加し、か
つ、レーザガス温度を高くするという本発明の技術をロ
ングパルス化された露光用レーザ装置に適用して、図４
に示すように、レーザパルス後半部の出力の増加、及
び、安定度の向上を行うことにより、レーザ繰り返し周
波数に対するレーザ出力特性、安定度特性、レーザパル
ス幅（Ｔis）特性のそれぞれを改善することができた。
【００６２】ここで、レーザ光のレーザパルス幅
（Ｔis）が４０ｎｓ以上にロングパルス化されている露
光用ガスレーザ装置において、レーザガスにＸｅを添加
し、さらに、レーザガスの温度を３５℃以上に維持する
ことにより、レーザパルス波形の後半部がさらに増加す
る理由は必ずしも明確でないが、以下のような理由によ
ると推測される。
【００６３】図８に、レーザガス中のＸｅ濃度に対する
レーザ出力の変化を示す。レーザ出力は、レーザガス中
のＸｅ濃度の上昇と共に増加するが、Ｘｅ濃度がある濃
度を超えるとレーザ出力は低下する。これは、Ｘｅ濃度
がある濃度を超えない領域においては、Ｘｅ添加による
予備電離量の増加の効果により、レーザガス中のＸｅ濃
度の増加と共にレーザ出力も増加するが、Ｘｅ濃度があ
る濃度以上の領域においては、Ｘｅ又はＸｅ化合物によ
る紫外光（ここに、紫外光とは、予備電離に使用される
λ＝１００ｎｍ程度の光、及び、レーザ発振波長の発光
を指す。）の吸収による損失が予備電離量の増加による
レーザ出力の上昇分を上回ることにより、レーザ出力が
低下すると考えられる。すなわち、レーザ出力の最適化
には、レーザガス中のＸｅ濃度がある濃度範囲内にある
ことが必要である。
【００６４】ここで、キセノン（Ｘｅ）添加量は２〜１
００ｐｐｍ程度が望ましい。その理由は、Ｘｅ添加量を
２ｐｐｍより小さくすると、高繰返し周波数時のレーザ
出力の落ち込み緩和効果はほとんど得られず、Ｘｅ添加
量を１００ｐｐｍより大きくすると、レーザ出力自体の
低下を招くことが、特開２０００−２９４８５６により
明らかにされており、また、本発明者等の実験により確
認されているためである。
【００６５】ところで、レーザチェンバー内に導入され
た微量のＸｅの一部は、Ｘｅの原子が他のレーザガス中
の他の原子に比較してより大きいため、ファン・デル・
ワールス力（分子間力）によりレーザチェンバー壁に吸
着しやすい。Ｘｅの吸着形態は、Ｘｅ単独、あるいは、
ＸｅとＦ含有化合物とで作られた化合物の両方が考えら
れる。そのため、レーザ出力安定度の向上等の効果を得
るためにレーザガス中にＸｅを添加する際、従来は、レ
ーザチェンバー壁への吸着による減少分も含んだ量のＸ
ｅをレーザガスに添加して、レーザガス中のＸｅ濃度が
最適量となるようにしてきたと考えられる。
【００６６】ここで、レーザが動作すると、レーザチェ
ンバー内において、上記紫外光が照射されることや放電
により生成された活性化学種の衝突により、ある値以上
のエネルギーを得たレーザチェンバー壁面に吸着したＸ
ｅが脱離し、放電空間内に放出される。また、一部のＸ
ｅはレーザチェンバー壁に再度吸着する。そのため、放
電空間内のＸｅ濃度は不安定になると考えられる。
【００６７】ロングパルス化されたレーザパルス波形の
後半部のレーザ出力及び安定度は、放電の安定持続性に
強く依存する。この放電の安定持続性に影響を与える１
因子がレーザガス中へのＸｅ添加により促進される予備
電離電子数である。したがって、放電空間内に存在する
Ｘｅ濃度が不安定であることにより放電の不安定さが引
き起こされ、この放電の不安定さがレーザパルス後半部
の出力の不安定さを引き起こすと考えられる。
【００６８】以上のことから、予めレーザガス温度を上
昇させ、レーザチェンバー壁面温度を上昇させておくこ
とにより、レーザガス中に添加したＸｅのレーザチェン
バー壁への吸着が抑制され、レーザ動作によるＸｅ濃度
の変化を最小限に止めることができ、ロングパルス化さ
れたレーザ発振において、レーザ発振の後半部まで安定
な放電が持続されるものと考えられる。すなわち、前記
条件の場合、以上のようなメカニズムにより、ロング
パルス化されたレーザパルス後半部の出力増加、安定度
向上に繋がったものと考えられる。
【００６９】一方、ロングパルス化されていないレーザ
装置においては、上記レーザパルスの後半部に相当する
時間領域ではすでにレーザ発振が停止しているので、レ
ーザガス中にＸｅを添加後レーザガス温度を上昇させて
も、レーザガス温度を上昇させないときとレーザ発振特
性に差異が生じなかったと考えられる。
【００７０】なお、これまでは、露光用ガスレーザ装置
として、ＡｒＦエキシマレーザ装置を用いる場合につい
て示したが、上記メカニズムは、ＫｒＦエキシマレーザ
装置、フッ素レーザ装置においても成り立つのは自明で
あるので、上記のような効果は、ＫｒＦエキシマレーザ
装置、フッ素レーザ装置においても得られるものであ
る。
【００７１】さて、露光用ガスレーザ装置において、放
出されるレーザ光をレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ
以上となるようにロングパルス化する方法の１つとし
て、本発明者等は、図１、図２に示す露光用ガスレーザ
装置が、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の
始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期に
よってレーザ発振動作をするようにしてロングパルス化
を実現した。
【００７２】図９に放電電流波形及びレーザパルス波形
の模式図を示す。本発明者等は、図９の半周期II以降で
あって、少なくとも半周期III までの放電電流でもレー
ザ発振をさせることにより、露光用ガスレーザ装置から
放出されるレーザ光のロングパルス化を実現した。
【００７３】具体的には、図２において、主放電電極
２、２間を流れる振動電流の極性が反転する最初の１／
２周期以降においても、レーザ発振を持続させるため
に、振動電流のピーク値が大きくなり、かつ、振動電流
の最初の１／２周期以降の周期を短くなるように回路定
数を定めた。すなわち、振動電流のピーク値を大きくす
るために、主放電電極２、２間に加えられる電圧の立ち
上がり時間を高速化して放電開始電圧Ｖｂが高くなるよ
うに設定した。また、その周期を短くするために、図２
の励起回路のピーキングコンデンサＣｐと主放電電極
２、２間が形成するループ（放電電流回路）中の浮遊イ
ンダクタンスをできるだけ小さくなるように、そのルー
プを構成した。さらに、レーザチェンバー１内のレーザ
ガスの組成比や圧力等を調整した。
【００７４】そして、前記したメカニズムにより、放電
部のＸｅ量が不安定になると、放電電流の極性が反転し
たとき（図９でＩ→II）に放電集中等により放電が空間
的に不均一となり、２番目半周期II以降にレーザ出力と
して取り出すことのできるエネルギーが小さくなる。そ
のため、従来技術でもロングパルス化は達成できていた
ものの、その後半部のエネルギーはレーザ光として十分
取り出すまでには至らず、レーザパルス後半部の出力が
低く、レーザパルス幅（Ｔis）が小さくなる。
【００７５】このようなロングパルス化した露光用ガス
レーザ装置においての本発明の作用について説明する。
先に示したメカニズムに基くと、予めレーザガス温度を
上昇させ、レーザチェンバー壁面温度を上昇させておく
ことにより、レーザガス中に添加したＸｅのレーザチェ
ンバー壁への吸着が抑制され、レーザ動作によるＸｅ濃
度の変化を最小限に止めることができると考えられる。
そのため、放電電流の極性が反転したとき（図９に示す
振動電流波形の半周期Ｉから半周期IIに移行するとき）
には、放電集中等がレーザガス温度を上昇させない場合
より発生し難くなり、半周期II以降の均一な放電がより
良好に持続するようになる。さらには、振動電流波形半
周期III 以降においても、安定な放電が持続されやすく
なる。すなわち、レーザパルス後半部の出力増加、安定
度上昇に繋がる。
【００７６】なお、本発明に基づいて、ロングパルス化
された露光用ガスレーザ装置において、レーザガス中へ
のＸｅ添加及びレーザガス温度上昇によりレーザ出力や
安定度をさらに向上させたり、レーザパルス幅（Ｔis）
をさらに延ばすことのできる手段は、上記した極性が反
転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、
それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振
動作をさせるようにしてロングパルス化する場合に限ら
ず、放電持続時間を延ばしてロングパルス化するあらゆ
る場合に対しても、同様に適用でき、同様の作用効果が
得られるものである。
【００７７】ところで、以上に示した本発明の効果は、
レーザガスにＸｅを添加した後にレーザガス温度を上昇
させた場合と、レーザガス温度を上昇させた後にＸｅを
添加した場合とでは、その効果の程度が異なることが分
かった。なお、前者の場合、レーザガス温度の上昇は、
図１には図示を省略した加熱手段によりレーザチェンバ
ーを加熱することにより行なった。一方、後者の場合の
Ｘｅ添加前のレーザガスの上昇も、前者の場合と同様
に、加熱手段によりレーザチェンバーを加熱することに
より行なった。なお、後者の場合、加熱手段によりレー
ザチェンバーを加熱するのではなく、予め加熱しておい
たレーザガスをレーザチェンバーに封入後、Ｘｅを添加
してもよい。
【００７８】図１０に、レーザガスにＸｅを１０ｐｐｍ
添加後に、レーザガス温度を５０℃に上昇させた場合
と、レーザガス温度を５０℃に上昇させた後にレーザガ
スにＸｅを１０ｐｐｍ添加した場合とにおける、レーザ
出力の繰返し周波数特性を示す。また、図１１に、上記
の両方の場合における安定度の繰返し周波数特性を示
す。なお、使用した露光用ガスレーザ装置は、Ｘｅ未添
加時にレーザパルス幅（Ｔ is）が４０ｎｓ以上となるよ
うに、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始
めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によ
ってレーザ発振動作をするようにしてロングパルス化さ
れたＡｒＦエキシマレーザ装置である。
【００７９】図１０と図１１から明らかなように、レー
ザガス温度を上昇させた後にＸｅを添加した場合の方
が、レーザガスにＸｅを添加した後にレーザガス温度を
上昇させた場合より、何れの効果も大きいことが分かっ
た。この理由についても、明確ではないが以下のような
ことが考えられる。
【００８０】レーザガス温度が低い状態では、レーザチ
ェンバー内の壁の温度も低いことから、特に分子間力の
大きな化学種が壁の金属等に吸着した状態にあると考え
られる。沸点が室温付近にあるＨＦ（レーザチェンバー
中の水（Ｈ2 Ｏ）等の不純物とレーザガス中のフッ素と
が反応して生成される。）はその一例である。このよう
な環境の中に微量のＸｅが導入されると、一部のＸｅは
レーザチェンバー壁に吸着した化学種と弱い結合をし、
レーザチェンバー壁に補足される。このＸｅと他の化学
種との化合物は、温度上昇によりＸｅを完全にはレーザ
ガス中に放出しないと考えられるから（一部は放出）、
先に示したメカニズムと同様な理由で、出力増加が弱ま
る。
【００８１】すなわち、レーザガス中に添加したＸｅの
中、上記したような温度上昇によってもＸｅを完全には
レーザガス中へ放出しない化合物とはならなかったＸｅ
は、ガス温度上昇後はレーザチェンバー壁への脱吸着を
ほとんど行わないので、濃度は安定化するが、上記した
ような化合物となったＸｅについては、レーザチェンバ
ー壁との脱吸着により、濃度が不安定となる。そのた
め、レーザガス温度を上昇させない場合に比べれば、レ
ーザガス中のＸｅ濃度は安定しているが、Ｘｅ濃度の不
安定な部分は残る。
【００８２】一方、レーザガス温度が高い状態では、レ
ーザチェンバー内の壁の温度も高いことから、低温では
レーザチェンバー壁に吸着していた化学種も脱離してい
る状態にあると考えられる。このような環境の中に微量
のＸｅが導入されると、Ｘｅと低温ではレーザチェンバ
ー壁に存在した化学種との衝突は気相中で行われること
になる。この場合は、壁に吸着する化合物を作ることが
できないと考えられるので、放電により壁から脱吸着を
するＸｅはほとんどなくなり、ガス中のＸｅ濃度が安定
化する。
【００８３】以上のことから、予めガス温度を上昇させ
た状態で所定の量のＸｅを添加することがより良いと考
えられる。
【００８４】ところで、現状では、従来のレーザガスに
所定量のＸｅが予め添加されたプレミックスガスをレー
ザガスとして使用するのが主流である。そこで、予めレ
ーザチェンバー内壁の温度を上昇させておけば、レーザ
ガス温度上昇後にＸｅを添加するのと同様の効果を得る
ことができる。
【００８５】また、加熱源をチェンバーに接触させるこ
とにより、チェンバーを３５℃以上の最適な温度に維持
することも、上記のような効果を与えるものである。例
えば、図１２に示すように、レーザチェンバー１の外表
面に加熱源としてのヒータ２０を接触させておく。レー
ザチェンバー１の外表面に設置した温度センサ２１でレ
ーザチェンバー１の温度を測定し、温度データをコント
ローラ２２に送出する。コントローラ２２はレーザチェ
ンバー１の温度が３５℃以上になるように不図示のヒー
タ用電源に指令して、ヒータ２０への供給電力を制御す
る。レーザチェンバー１の温度の上限は、レーザチェン
バー１のシール部やレーザチェンバー１周辺にあるレー
ザ構成部品の耐熱温度等を考慮し、適宜設定される。
【００８６】なお、温度センサ２１は上記したようにレ
ーザチェンバーの外表面に配置してもよいし、レーザチ
ェンバー１の内部に配置してレーザチェンバー内壁温度
を直接測定するようにしてもよい。温度センサ２１をレ
ーザチェンバー外表面に配置する場合、レーザチェンバ
ー１の熱伝導率に応じてレーザチェンバー１の外表面と
内壁面とでは温度差が発生することもあるので、設定温
度を例えば４０℃以上あるいは４５℃以上としておくこ
とが望ましい。
【００８７】以上、本発明の露光用ガスレーザ装置を実
施例に基いて説明してきたが、本発明はこれら実施例に
限定されず種々の変形が可能である。
【００８８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の露光用ガスレーザ装置によると、ロングパルス化に対
応した露光用ガスレーザ装置において、微量のＸｅを含
んだレーザガスの温度を上昇させることにより、レーザ
パルスの後半部の出力及び安定度を増加させることが可
能となる。これにより、さらにレーザパルスが長くな
り、低ピーク化、狭帯域化が実現されるのみならず、レ
ーザ発振効率が向上するので、低入力化によりチェンバ
ーライフが延長され、レーザ運転コストが低減される。
また、レーザパルス後半部のエネルギーが安定すること
で、パルス毎のエネルギー安定度が向上し、露光ドーズ
制御性も向上する。特に、ガス温度を上昇させた後にＸ
ｅを添加するか、あるいは、チェンバー温度を上昇させ
た後にＸｅを微量含んだレーザガスを導入することによ
り、その効果が増すことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の露光用ガスレーザ装置の構成例を示す
図である。
【図２】図１の露光用ガスレーザ装置の放電回路の例を
示す図である。
【図３】ロングパルス化されていない場合のキセノン添
加とレーザガス温度とがレーザパルス波形に与える影響
を示す図である。
【図４】ロングパルス化されているＡｒＦエキシマレー
ザ装置におけるキセノン添加とレーザガス温度とがレー
ザパルス波形に与える影響を示す図である。
【図５】レーザパルスの繰返し周波数に対するレーザ出
力特性に対してキセノン添加とレーザガス温度とが与え
る影響を示す図である。
【図６】レーザパルスの繰返し周波数に対する安定度特
性に対してキセノン添加とレーザガス温度とが与える影
響を示す図である。
【図７】レーザパルスの繰返し周波数に対するレーザパ
ルス幅（Ｔis）特性に対してキセノン添加とレーザガス
温度とが与える影響を示す図である。
【図８】レーザガス中のＸｅ濃度に対するレーザ出力の
変化を示す図である。
【図９】放電振動電流波形の３つ以上の半周期によって
レーザ発振動作をする場合の放電電流波形とレーザパル
ス波形を示す模式図である。
【図１０】Ｘｅ添加時期とレーザガス温度上昇時の前後
関係がレーザ出力の繰返し周波数特性に与える影響を示
す図である。
【図１１】Ｘｅ添加時期とレーザガス温度上昇時の前後
関係が安定度の繰返し周波数特性に与える影響を示す図
である。
【図１２】レーザチェンバーの加熱機構及び温度制御機
構の１例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…レーザチェンバー ２…主放電電極 ３…高電圧パルス発生装置 ４…ファン ５…狭帯域化モジュール ６…出力鏡 ７…ビームサンプラー ８…波形検出手段及び光エネルギー検出手段 ９…パルス幅算出手段 １０…エネルギー安定度計算手段 １１…第１電極 １２…誘電体チューブ １３…第２電極 １４…コロナ予備電離部 ２０…ヒータ ２１…温度センサ ２２…コントローラ ＨＶ…高電圧電源 ＳＷ…固体スイッチ ＳＬ０…磁気スイッチ ＳＬ１…第１の磁気スイッチ ＳＬ２…第２の磁気スイッチ Ｌ１…インダクタンス Ｃ０…主コンデンサ Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ Ｃｃ…予備電離用コンデンサ Ｃｐ…ピーキングコンデンサ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年３月８日（２００２．３．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図８】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 陽一 栃木県小山市横倉新田400 ギガフォトン 株式会社内 Ｆターム(参考） 5F071 AA06 BB01 GG05 JJ05

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザガスが封入されたレーザチェンバ
    ー内に配置された励起用の一対の放電電極を有し、放出
    するレーザ光のレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上
    である露光用ガスレーザ装置において、 キセノン添加前のレーザガスが３５℃以上であって、こ
    の３５℃以上のレーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１０
    ０ｐｐｍ以下のキセノンを添加することを特徴とする露
    光用ガスレーザ装置。
  2. 【請求項２】 キセノン添加前のレーザガスが４０℃以
    上であって、このレーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１
    ００ｐｐｍ以下のキセノンを添加することを特徴とする
    請求項１記載の露光用ガスレーザ装置。
  3. 【請求項３】 キセノン添加前のレーザガスが４５℃以
    上であって、このレーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１
    ００ｐｐｍ以下のキセノンを添加することを特徴とする
    請求項１記載の露光用ガスレーザ装置。
  4. 【請求項４】 レーザガスが封入されたレーザチェンバ
    ー内に配置された励起用の一対の放電電極を有し、放出
    するレーザ光のレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上
    である露光用ガスレーザ装置において、 レーザチェンバーの温度を３５℃以上に加熱し、その
    後、分圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のキセノン
    を含有するレーザガスをレーザチェンバーに封入するこ
    とを特徴とする露光用ガスレーザ装置。
  5. 【請求項５】 レーザチェンバーの温度を４０℃以上に
    加熱することを特徴とする請求項４記載の露光用ガスレ
    ーザ装置。
  6. 【請求項６】 レーザチェンバーの温度を４５℃以上に
    加熱することを特徴とする請求項４記載の露光用ガスレ
    ーザ装置。
  7. 【請求項７】 レーザガスが封入されたレーザチェンバ
    ー内に配置された励起用の一対の放電電極を有し、放出
    するレーザ光のレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ以上
    である露光用ガスレーザ装置において、 前記レーザガスに分圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以
    下のキセノンを添加し、キセノン添加後のレーザガスの
    温度が３５℃以上であることを特徴とする露光用ガスレ
    ーザ装置。
  8. 【請求項８】 キセノン添加後のレーザガスの温度が４
    ０℃以上であることを特徴とする請求項７記載の露光用
    ガスレーザ装置。
  9. 【請求項９】 キセノン添加後のレーザガスの温度が４
    ５℃以上であることを特徴とする請求項７記載の露光用
    ガスレーザ装置。
  10. 【請求項１０】 レーザチェンバー内に配置された一対
    の放電電極を有し、前記レーザチェンバー内に封入され
    少なくとも分圧比で２ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下のキ
    セノンを含有するレーザガスを前記一対の放電電極間の
    放電により励起してレーザパルス幅（Ｔis）が４０ｎｓ
    以上のレーザ光を放出する露光用ガスレーザ装置におい
    て、 少なくとも前記レーザ光の放出時に前記レーザガスが加
    熱されていることを特徴とする露光用ガスレーザ装置。
  11. 【請求項１１】 前記のレーザガスを予備電離する予備
    電離手段を備えていることを特徴とする請求項１０記載
    の露光用ガスレーザ装置。
  12. 【請求項１２】 前記レーザ光の放出時に前記レーザガ
    スが３５℃以上に加熱されていることを特徴とする請求
    項１０又は１１記載の露光用ガスレーザ装置。
  13. 【請求項１３】 前記レーザ光の放出時に前記レーザガ
    スが４０℃以上に加熱されていることを特徴とする請求
    項１０又は１１記載の露光用ガスレーザ装置。
  14. 【請求項１４】 前記レーザ光の放出時に前記レーザガ
    スが４５℃以上に加熱されていることを特徴とする請求
    項１０又は１１記載の露光用ガスレーザ装置。
  15. 【請求項１５】 極性が反転する１パルスの放電振動電
    流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの
    半周期によってレーザ発振動作をするように構成されて
    いることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に
    記載の露光用ガスレーザ装置。
  16. 【請求項１６】 ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエ
    キシマレーザ装置、又は、フッ素レーザ装置の何れかで
    あることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に
    記載の露光用ガスレーザ装置。
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