JP2007221163A - 音響チャープ補正を備えた放電レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】音響チャープ補正を備えた放電レーザを提供することを目的とする。
【解決手段】高パルス周波数ガス放電レーザにおいて波長チャープを最小にするための構造的変化と方法。本出願人は、高パルス繰返数ガス放電リソグラフィ用レーザにおける波長チャープの主要原因が、後に続く放電と同時に放電領域に反射して戻る、放電からの圧力波であることを突き止めた。この圧力波の到着のタイミングは、そこを通ってその波が伝搬するレーザガスの温度により決められる。チャープ問題に対する解決策は、放電が作りだした圧力波を緩和する、又は、分散することにより、又は、ガスの温度を実現できる限り一定値近くに維持することである。
【選択図】図１１Ａ

Description

本発明は、レーザ放電レーザに関し、特に音響外乱を補正する装置を持つレーザに関する。

放電レーザチャンバにおける放電が、続いて起こるパルスと干渉する圧力波擾乱を生じさせることは知られている。これらの擾乱を最小にするための種々の手当を備えたレーザチャンバが、米国特許第5,978,405号に記載されており、ここに組み入れる。'405特許は、本発明の譲受人に譲受されている。図１は、一般的なＫｒＦエキシマ・レーザ・チャンバの断面図である。レーザの利得領域は、図１で３４として示される約２０ミリメートル（ｍｍ）×４ミリメートルの断面を持ち、細長い電極３６Ａと３６Ｂとの間で約７０センチメートル（ｃｍ）の長さを持つ放電領域である。チャンバ内で、レーザガスは、扇風機３８で循環させられ、そして、熱交換器４０で冷却される。同様に図１に示されるのは、主絶縁体４２、陽極支持バー４４及び予備電離器ロッド４６である。

ＫｒＦエキシマ・レーザのような電気放電レーザの重要な用途は、集積回路リソグラフィ用の光源である。これらの応用例においては、レーザは、目標とする「中心線」波長の周り約０．５ピコメートル（ｐｍ）に狭められた線である。このレーザビームはステッパ、又は、走査機により、その上に集積回路が生成されているシリコン・ウェーハ上に焦点合わせされる。その表面は、約１０００ヘルツ（Ｈｚ）以上のパルス繰返数の下で、レーザ・パルスの短バーストを用いて照射される。極めて精密な集積回路形態の製造ができるようにするには、波長と帯域幅との超精密制御が必要とされる。今日使用されているほとんどのステッパ及び走査機のオペレータは、このレーザ光源を約１０００Ｈｚで作動させるが、しかし、２０００Ｈｚの供給装置が出荷されており、また、更に高い繰返数を持つレーザも開発されている。ＫｒＦレーザ用の一般的なレーザガスは、３気圧及び約４５℃において約９９％のネオンである。この温度の下では、音波は、１０００Ｈｚにおける各パルスの間に約４７ｃｍ、２０００Ｈｚにおける各パルスの間に約２３．５ｃｍ、４０００Ｈｚにおける各パルスの間に約１１．７ｃｍ伝搬する。集積回路の製造業者は、目標波長及び帯域幅を含むビーム・パラメータを目標とする仕様内に維持しながら、そのレーザの作動範囲内の任意のパルス繰返数でレーザを作動できることを望んでいる。

一般的なリソグラフィ用エキシマ・レーザの放電領域とレーザ・チャンバ内の主要反射面との間の距離は、約５から２０ｃｍの範囲である。放電領域の長さ方向に直交する平面における各反射面間の距離は、約５ｃｍから約１０ｃｍである。従って、図１における音が伝搬した各距離を示す図２Ａの比較により実証されるように、１０００Ｈｚで作動する図１のレーザにおいて、音速で伝搬する一般的な放電が生成した圧力波は、次の放電と同時になるように放電領域に到着して戻るためには何回かの反射をしなければならないであろう。２０００Hz以上の範囲にあるパルス繰返数において、音速で伝搬する圧力波は、ただ１回の反射を行った後、次のパルスと同時になるように戻り得る。

（リソグラフィ用レーザに対する波長仕様）
集積回路リソグラフィ用に現在使用されているＫｒＦエキシマ・レーザは、波長及び帯域幅を精密に制御するように設計されている。集積回路製造者からの現行の仕様では、中心線波長を２４８，３２１．３ｐｍなどの目標波長に安定範囲が±０．１ｐｍ内で制御することを必要とする。一般的な帯域幅仕様は、半値全幅で０．６ｐｍ、及び、９５％積分で３ｐｍであってもよい。
ステッパ及び走査機の製造者は、これらの仕様を強化し、同じくパルス繰返数を２０００Ｈｚ及びそれ以上に増加させようと望んでいる。

リソグラフィ用レーザのライン・ナローイングの一般的な方法が、図３に示されている。この図においては、ライン・ナローイング・モジュール（「ライン・ナローイング・パッケージ」すなわち「ＬＮＰ」と称する）７は、レーザ・システム２の他の部分に比較して非常に拡大してある。レーザ・チャンバ３の背部端から出るレーザビームは、３プリズム・ビーム・エキスパンダ１８を使用して広げられ、そして、リトロー配列に置かれた回折格子１６上に同調ミラー１４により反射される。光が照射し、また、回折格子の表面から反射される角度により、選択された波長が計測される。例えば、この従来技術レーザにおいては、ステッパ・モータ１５により作りだされた４０マイクロラジアンの枢転は、選択された光の波長を１ｐｍだけ変化させることになる。図３に示されるこの３プリズム・ビーム・エキスパンダは、一般に約２５であるその拡大係数だけ回折格子の選択性を増加させる。ＬＮＰの方向にレーザを出て行くビームの方向の変化もまた、回折格子により選択された波長内に変化を引き起こすことができが、この方向変化は、選択された波長内に１ｐｍの変化を生じさせようとしたら、約１ミリラジアンを必要とするであろう。

従来技術リソグラフィ・レーザの波長は、一般にフィードバック機構を用いて制御され、その場合、出力ビームの波長が、波長を計測する波長計と称される機器により抽出され、計測された値は、ミラー１４の位置を調節するために使用される波長誤差値を計算するために、必要とする、すなわち目標波長と比較される。リソグラフィ・レーザ用の一般的な従来技術波長計は、波長を計測し、波長誤差を計算するために約３ミリ秒を必要とする。ミラー１４の位置を調節するために、ステッパ・モータ１５により、別に約４ミリ秒が必要とされる。これら従来技術波長制御技法は、約１０から１５ミリ秒よりも長い周期に亘る波長ドリフトを補正する上で巧く働いている。

従来技術ＫｒＦエキシマ・レーザは、例えば連続的に２０００Ｈｚなどの定常状態で作動する場合、たとえ極めて高い繰返数であっても非常に厳しい仕様内で作動可能である。しかしながら、リソグラフィ用レーザ光源用の一般的な作動モードは、定常状態の連続からは程遠い。一般的なモードにおいては、ウェーハ上の１７０のダイは、それぞれがパルス繰返数２０００Ｈｚの下、各バースト間に０．１５秒の停止時間を持つレーザ・パルスのバースト０．１５秒で照射され（すなわち３００の１０ミリジュール（ｍＪ）パルス）、またその後の９秒の停止時間の間に新規ウェーハが機械上に載せられる。この全体サイクルは、約１分を必要とする筈で、約４２．５％の使用率を表すであろう。

１０００Ｈｚ以上の範囲にあるパルス繰返数の下、バーストモードにおいて作動するレーザは、波長変動パターンを示した。これらの変動は波長「チャープ」と称され、今日に至るまでそれらの原因は知られていなかった。このチャープは、繰返数が増加するにつれて増加する傾向にある。
従って、必要とされているのは、ビームパラメータを所望の仕様内に維持することができるように、１０００Ｈｚを十分に超えるパルス周波数で音響擾乱を最小にするための装置を持つ電気放電レーザである。

本発明は、高パルス周波数ガス放電レーザにおいて波長チャープを最小にするための構造的変化と方法とを提供する。本出願人は、高パルス繰返数ガス放電リソグラフィ用レーザにおける波長チャープの主要原因が、後に続く放電と同時に放電領域に反射して戻る、放電からの圧力波であることを突き止めた。この圧力波の到着のタイミングは、そこを通ってその波が伝搬するレーザガスの温度により決められる。バーストモード作動の間、従来技術レーザにおけるレーザガス温度は、数ミリ秒の時間に亘って数度ほど変化する。これら変化する温度は、同時に発生する圧力波の所在を放電領域内でパルスからパルスへと変え、レーザガスの圧力における変動を引き起こし、それは結果として放電領域の屈折率に影響を与え、レーザの後尾を出て行くレーザビームに若干の方向変化を引き起こす。このビーム方向の変化により、ＬＮＰ内の回折格子が放電領域に光を若干異なる波長で反射して戻し、波長チャープを引き起こす。

この明細書に記載したチャープ問題に対する２つの解決策は、放電が作りだした圧力波を緩和する、又は、分散することにより、又は、ガスの温度を実現できる限り一定値近くに維持する（パルス対パルス）ことである。

好ましい実施形態では、鋸波形状を変化させ、レーザチャンバ壁をライニングする鋸波形状表面を作り出すように形成された好ましくはアルミメッキされたニッケルであるシート金属からなる音響バッフルが圧力波を消滅させる。この実施形態では、圧力波が、放電方向に対して垂直な方向よりも非常に多くの方向に消散するように、バッフルのリッジを、ガスフローパスと全体的に整列させる。他の好ましい実施形態では、圧力波を吸収し、消散させるように、鋸波形状バッフルは、多孔状シート金属からなる。
他の好ましい実施形態では、圧力波を吸収、消散させるために、酸化アルミニウムファイバを、チャンバに配置する。

（本出願人の実験）
本出願人は、波長チャープが、まずレーザガスの温度変化が圧力波のレーザ・チャンバを通る伝搬速度に影響し、その結果、反射された圧力波が放電領域に戻るタイミングに影響して引き起こされたのではないかと疑った。
この理論を試験するため、本出願人は、チャンバの水配管を切り離し、またチャンバの加熱器が働かないようにして、極めて低い使用率モード（２０００Ｈｚで１００パルス、引き続いて５秒の休止）でレーザを作動させた。冷却水及び加熱器の両方が働かないようにされているので、チャンバ温度の緩慢及び一様な変化が可能であった。このチャンバ温度は、室温を変化させることにより、また、フレームから数フィートに床扇風機を置くことにより制御された。送風機によりガスに対して与えられたパワーは、チャンバを最大６０℃まで暖めるのに充分な熱を供給し、また、床扇風機は、室温を３９℃に降下させるのに充分な冷却を供給した。チャンバの加熱及び冷却は、温度の時間微分（ｄＴ／ｄｔ）に起因するいかなる影響をも最小にするため数時間に亘って行った。

収集したデータから、バーストに対する平均エネルギ、バーストに対するエネルギ変動、波長バーストトランジエント、及び、線中心変動の標準偏差（「波長シグマ」と称される）が算定された。線中心バーストトランジエントの定量化を可能にする単一データ点を準備するために「波長バーストトランジエント」は、各バーストにおける最初の３０パルスの平均線中心波長と、最後の３０パルスの平均線中心波長との間の差として定められた。使用されたレーザの波長計が１０００Ｈｚでのデータをもたらしたので、これらの平均は、わずか１５の独自の波長トランジエント値から成る。最後の３０パルスの平均は、定常状態線中心波長の尺度として使用された。

チャンバ温度は、その両極端である約４０℃と約５５℃との間で緩慢に変化することができるようにされた一方で、上述のパラメータが連続的に監視された。計測されたパラメータ４つの全ては、チャンバ温度が減少するにつれてかなり変化した。パルスエネルギは、温度の減少に伴って概して減少した（僅かな上下変動を持つものの）が、他の３つのパラメータは、該温度範囲に亘ってかなり増加したり減少したりした。
波長バーストトランジエント及び波長シグマをチャンバ温度に対してプロットすることにより、これらの特性が安定して再現性のある仕方でチャンバ温度に伴って変化することが見出される。図４Ａは、冷却運転の間に取得されたデータを示し、また、図４Ｂは、暖気運転中に取得されたデータを示す。

一旦温度に対する敏感度が再現性のある計測結果で確立されたならば、次の答えるべき疑問は、どのようにしてチャンバ温度が波長トランジエントに影響するかであった。この状態の温度に伴う変動は、他のレーザ・パラメータに、最も顕著にはレーザエネルギに伴って過去に判明している。レーザエネルギと類似の方法で波長トランジエントが影響されるとしたら、音響的な影響が重要な要因であるのかも知れない。ガス内の音速は温度の平方根に依存するので、この形の関係で表現すれば音響的な原因を示すことになるであろう。

本出願人は、次に、２つのかなり異なるチャンバ温度の下で、レーザ繰返数のある範囲に亘ってレーザを作動させ、得られた曲線の比較を行った。
前と同じ４つのパラメータは、繰返数に対して計測され、約５７℃の高温に対して、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、及び、図８Ａに示されている。約３９℃の温度に対するものとして、低温データが図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、及び、図８Ｂに示されている。各図は、繰返数に関連する豊富な構造と変動とを示しており、数ヘルツがプロットされたパラメータに大幅な変化をもたらすことが可能である。
繰返数に伴うこれらの変動に音響との関連があるかどうかを見るため、データは、低温データを適当にシフトさせてプロットすることもできる。しかし、最初に本出願人は、２つのデータセットを互いにシフトさせないままプロットした。図９Ａは、図７Ａ及び図７Ｂを共にプロットしたものを示す（濃いプロットは５７℃のデータを表す）。結果には明白な相関がない。

音速の差に起因するシフトを行った後の比較が図９Ｂに示されている。これは、以下の比で増加した繰返数における３９℃のデータをプロットすることにより行われた。

温度に対するこのシフトは、実際上極めて小さく、単に２．８％に過ぎないが、低温データに対して適用された場合、実質的に全ての構造がこの２つのデータセット間で一致する。この２つのセット間で異なるのは、単に３つの顕著なピークがあるに過ぎない。これらの特徴は、可能性としては別の現象に起因し得るが、それらはやはり音響的なものであり、しかし、ある温度では発生するものの他の温度では発生することのない、異なる距離からのいくつかの反射の偶然の組合せに起因するのかもしれない。

図４Ａから図９Ｂに示されるデータは、バーストの始めに発生する波長トランジエントがチャンバとの音響的な干渉により劇的に影響され得ることを示す。このデータはまた、低トランジエントに対する「最適位置」を見出そうと試みることが困難であるかもしれないということを示すが、それは、単に数度の温度変化又は数ヘルツの繰返数の変化がトランジエントの大きなシフトを引き起こすからである。熱交換器とチャンバ加熱器とが稼働中の場合、空間温度勾配や急速なｄＴ／ｄｔの事象を作り出し、状況は一層複雑なものになる。

（バーストモード作動の間の温度変動）
３００パルスのバーストの後半の間、レーザは定常状態条件に近いが、しかし、各バーストにおける最初の約６０パルスの間は、レーザの条件は定常状態からは程遠い。電極１０及び１２の間の放電領域は、高さ約２０ｍｍ、高さ４ｍｍ、及び、長さ８０ｃｍの容積である。放電の間、約２ジュール（Ｊ）の電気エネルギは、３気圧の下で初期温度が例えば５０℃の約９９％のネオンであるガスのこの容積内に入れられる。放電は、約４０ナノ秒という極めて短時間に起きて激しい圧力波を起こし、それは循環ガスを通って放電領域からほぼ音速（約４７０メートル／秒（ｍ／ｓ））で伝搬して出て行く。

この２Ｊのエネルギはまた、放電のすぐ近くにあるガスのスラッグの温度を増加させ、それは循環ガスの速度の約４０ｍ／ｓでゆっくりと移動して放電領域を出る。この加熱されたスラッグは、当初ほぼ放電容積の大きさであり、比較的ゆっくり膨張する。この比較的ゆっくり膨張する加熱ガスのスラッグは、循環ガスにより電極間から押し出され、その結果、２キロヘルツ（ｋＨｚ）で作動するレーザの場合、あるパルスからのこの加熱スラッグは、次のパルスの時点で図１Ａの２０に示すように電極の約２ｃｍ下流に中心がある。

図１に示されるような２ｋＨｚリソグラフィ・レーザ用の一般的な送風機の速度においては、レーザガスは、約３０ミリ秒でチャンバ周囲に完全なループを作る。１分の上述のタイプの４２．５％使用率（すなわち、２０００Ｈｚにおける３００パルスの１７０短バーストでその後に９秒の停止時間が続く）に対して、放電は、ガスに対して平均割合約１．７キロワット（ｋｗ）（パルス当たり約２Ｊ）で熱を加えているであろう。扇風機は、実質的に一定の割合約５００Ｗで熱を加え、熱交換器は、放電及び扇風機により加えられた熱の大部分を１分の使用時間に亘り約一定の割合で除去する。

レーザ冷却システムに関する制御は、平均ガス温度は、実現できる限り約４４℃などの一定温度近くに維持するように設定される。しかしながら、熱は、電極間に周期的（極めて短時間の間）に加えられ、また、熱交換器において除去されるので、ガス温度は、かなりチャンバ内で変化する。例えば、９秒の停止時間の後における３００パルスのバーストの最初のパルスの前のチャンバ内のガス温度は、チャンバ全体を通じて（例えば）約４０℃（熱交換器全体を通じて小さなステップの温度勾配を伴う）で比較的一定であろう。この時点で、熱は、熱交換器４０によりガスから抽出されており、また、ガスに対して（この時点では）チャンバの幾分温かな壁や他のチャンバの構造物により加えられている。温度分布の大雑把な推定が図１Ａに示されている。第２パルスの直前では、図１Ｂに示すように、電極の約４ｃｍ下流の距離に対するガス温度は、約４２℃であろうが、電極上流のガス温度は、約４０℃であり続けるであろう。次の約４０パルスの直前、電極間及び電極上流のガス温度は、約４０℃であり続け、下流のガス温度は、約４２．６℃であり続けるであろうが、４２．６℃のガスの容積は、レーザガスの加熱スラッグがレーザの周囲に循環するので成長するであろう。図１Ｃは、第５パルス直前のガス温度の大雑把な推定を示す。およそ第３５から第４０パルスにおいて、ガスの上流温度は、バーストの最初のパルスにより影響され始め、上流温度は、図１Ｄに示すように約４２℃に増加することになろう。最初のパルスからのガスが２度目に電極を通過する場合、それは約４２℃で、約２℃高くなり、最初のバーストとほぼ同じ量の熱を受領し、その温度が約４４．６℃に上昇させられ、約３５から４０パルスに対しては、図２Ｅに示すように、上流及び下流温度は、約４２℃及び４４．６℃の比較的一定に留まるであろうし、その後に上流及び下流の両方は、別の小さな段階的な温度増加を見ることになろう。この過程は、各約４０パルスの段階的増加がわずかに小さくなりながら続き、そのため、最初の３００パルスバーストの最後のパルスの直前に、上流温度は、約４２℃で、下流温度は、約４４．６℃である。最初のバーストにすぐ続いて、停止時間０．１５秒があり、その間、電極下流のガス温度は、上流温度約４２℃にまでおおよそ減少し、その後、次の０．１５秒全体に亘って、ガスの平均温度は、熱交換器により約２℃だけ減少する（図１Ａから図１Ｆを通じて定性的に示される温度変化は、１つの３００パルスバーストが継続するわずか０．１５秒の間に極めて急速に起こるということに留意されたい）。

第２バーストの最初のパルスはまた、電極下流の小容積内に約２．６℃の上昇を引き起こし、その加熱された容積は、第２バーストの最初の数パルスの各々に伴って成長する。上流温度は、上記の通り、約３５から４０パルスの後でバーストの最初のパルスにより影響された追加の増加で再び増加し始め、上流温度は、約４２℃に上昇するであろう。最初のパルスからのガスが最初のバーストとほぼ同じ量の熱を受け取って２回目に電極を通過する場合、それは、約４４．６℃に上昇することになり、約３５から４０パルスの間、上流及び下流温度は、比較的一定の温度約４２℃及び４４．６℃に留まり、その後、上流及び下流の両方は、別の小さな段階的温度増加を見るであろう。この過程は、最初のバーストにおいて説明した仕方で継続する。

約５１秒の時間で１つのウェーハ処理に必要とされる１７０バーストの各々の間、同じような温度変化が発生する。この間、平均ガス温度は、約３℃だけ上方にドリフトし、第１７０番目のバーストの最終パルスの後で、ウェーハを交換するための停止時間９秒があり、その時、平均ガス温度は、約５℃降下して約４１℃になる（上記説明は、そこから出発した）。図２Ｃは、各バースト間が０．３秒で、８５バーストの後に９秒の停止時間を持つ１０００Ｈｚで作動されるレーザの熱交換器のすぐ上流に位置する超高速熱電対の温度記録を示す。

（戻り圧力波位置における温度効果）
この様に、リソグラフィ用レーザの１分サイクル作動の間、レーザガス温度の超高速の段階的小変化がある。過去、これら小さな温度変化は、その変化が小さすぎて、放電、レーザガスの化学的性質、又は、レーザ放電領域における光学的特性に関していかなる直接の影響も持たないと考えられたので、特に重要とは考えられていなかった。本出願人は、しかしながら、レーザが１０００Ｈｚを超える繰返数などの極めて高い繰返数の下で作動する場合、これら小さな温度変化が、レーザ内で放電が引き起こした圧力波（音波及び衝撃波）の速度に対する温度の影響に起因して、レーザビーム品質上に極めて大きな間接の影響を持つことができることを発見した。温度とＫｒＦ（主としてネオン）レーザガスにおける音速との関係が図２Ｂに示されている。この関係は、平方根の関係だが、レーザの運転範囲においては、ほとんど線形である。図２Ｂから、ネオン温度における１℃の増加は、音速を約０．８ｍ／ｓだけ増加させる。従って、バースト開始に続く最初の約５ミリ秒の間に発生する下流ガス温度の約３℃の増加は、速度を約２．４ｍ／ｓだけ増加させることになり、その速度により、特定パルスの圧力波からの反響は放電領域に戻る。

本出願人の試験において、圧力波が約４ｍｍの（圧力前面の）厚み、すなわち、約４ｍｍの放電領域の厚みを持つことが分かったので、圧力波反響の戻る時間は極めて重要であることが可能である。波の低圧部分と高圧部分との間の差は、約０．０３から０．０７気圧、すなわち、チャンバ圧力の約１から２％である。次のパルスの約４０ナノ秒の時間以外であれば、圧力波が放電領域を通っていつ反響して戻っても、何の問題も引き起さない。問題が引き起こされるのは、特定の放電からの高パルス繰返数レーザにおける戻り圧力波が、次のパルスの時刻にちょうど放電領域を通過する場合である。反響パルスが、放電領域に亘って正確に中心にある場合、その低圧部分は領域の片側にあり、高圧部分はその反対側になるであろう。結果は、放電領域の片側で３．０１５気圧などのガス圧力であり、反対側では、２．９８５気圧である。

３気圧のほとんどがネオンであるレーザガスの屈折率は、約１．０００２０１である。放電領域全体に亘って圧力に１％の勾配があると、結果として屈折率は、領域の片側で約１．０００２０２となり、反対側では１．０００２００となるであろう。このことは、レーザを出て行くレーザビームの方向を顕著に変化させる影響を及ぼすことになるであろう。従って、本出願人は、これら圧力波がほぼ間違いなくバーストモード運転中に実際に見られる±０．１ｐｍの波長チャープの大部分に対する原因であると判断した。

（バーストモード運転中のパルスエネルギ・チャープと波長チャープ）
数年来、リソグラフィ用エキシマレーザの使用者は、バーストモード運転中、レーザビーム・パラメータ、特にパルスエネルギ及び波長の小さな変動を経験してきた。変動の最大のものは、常にではないが普通は、バーストの始め、及び／又は、バースト開始のほぼ１循環後（１０００Ｈｚレーザでは約３０ミリ秒）に発生する。
これら「チャープ」変動は、パターンに従うように見えたが、しかし、そのパターンは予測困難であり、レーザ・チャンバや作動条件が違うと異なっている。これらの変動の原因又は複数の原因に関して多くの推測が存在してきたが、原因に関する確定した意見の一致はなかった。

エネルギ・チャープ問題は、主としてレーザエネルギ制御システムを使用する２つの仕方で取扱われてきた。第１に、レーザに対するこのエネルギ制御システムが十分に高速で、所定のパルスのエネルギは、直前のパルスを含む先行パルスについて計測を行ったエネルギに基づきフィードバック技法を使用して調節することができる。第２に、コンピュータ制御装置は、エネルギ・チャープのパターンを知り、目標とする個々のパルスエネルギとバーストにおける全体「線量」エネルギを作り出すため、これらのパターンを考慮に入れて放電電圧を調節するように教えられる。エネルギ・チャープの能動的制御を処理する過程は、米国特許第６，００５，８７９号で説明されており、本明細書において参照される。

波長の計測は、エネルギ計測より時間が長くかかり、使用される現行の波長選択機構は、放電電圧制御よりも低速であるので、波長チャープの能動的制御は更に難しい。過去において、波長チャープは、エネルギ・チャープよりも一層不規則で、予期しがたいものであった。しかしながら、チャープの最も不規則な部分に関する主要原因の本出願人による発見に基づき、本出願人は、放電領域を横切る圧力波の衝撃を減少させるために、レーザ・チャンバ内部を変更することにより、チャープを最小にする方法を工夫することができた。このことにより残ったのは、能動的制御をより一層可能にする、より明らかで予期可能なチャープである。構造的変更及び能動的制御技法の両方は、以下に説明される。

（１度の角度が作り出す差異）
図１Ａから図１Ｆに示すように、約２から３℃の温度の振れは、約５ミリ秒のような数ミリ秒の時間スケールでレーザガス内に発生する。チャープ変動もまた数ミリ秒の範囲にある。ここで、レーザが２０００Ｈｚのパルス周波数で作動していると仮定する。各パルス間に４５℃でレーザガス内を音（４６６ｍ／ｓ）が伝播する距離は、約２３．３０ｃｍであり、４７℃でレーザガス内を音（４６７．６ｍ／ｓ）が伝播する距離は、約２３．３８ｃｍである。従って、電極下流のレーザガスが温度４５℃であり、直前のパルスから戻っている圧力波が放電領域のすぐ下流に位置する（そしてビームのいかなる乱れも引き起こしていない）場合、ガス温度が４７℃に増加することにより、圧力波の縁部を約０．８ｍｍだけ放電領域の中に位置するであろうし、更に２℃の上昇があると、波の縁部を放電領域のほぼ中央に移動することになる。
従って、２０００Ｈｚにおいて直前パルスからの戻り圧力波の位置は、温度変化が２℃あるたびに約０．８ｍｍ移動する。１０００Ｈｚにおいて圧力波の位置は、温度変化が１℃あるたびに約０．８ｍｍ移動する。直前のパルスより前のパルスから戻る圧力波については、位置変化は比例して大きくなる。

（圧力波の緩和）
圧力波の影響を緩和するため、多くの技法を使用することができる。幾つかのそのような技法は、米国特許第５，９７８，４０５号に説明されており、本明細書において参照されている。これらは、前記特許の図５Ａから図５Ｄに示されるような、圧力波を下向きにチャンバ底部内に反射するために置かれた角度のついた反射装置を含む。

第１の好ましい実施形態
（様々な形状の歯を持つ鋸歯状バッフル）
本発明の第１の好ましい実施形態が図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている。図１１Ａは、位置６０、６２、及び、６４においてチャンバの壁に、また、６６及び６８において上隅にねじで取り付けられたバッフルを持つレーザ・チャンバの断面を示す。このバッフルは、バッフル６０のエンド・ビューである図１１Ｂに示すように様々な形状の歯を持つ鋸歯状の断面を持つ。
バッフル６０の部分の詳細図（図１１Ｂ１及び図１１Ｂ２）に示すように、歯のピッチは、０．３９０インチから０．５９０インチに変化し、歯の高さは、０．１２０インチから０．２８０インチに変化する。歯は、ほぼガス流の方向に向けて、レーザビームの方向と放電領域の長手寸法とに対して直角に並べられる。この好ましい実施形態において、バッフル材料は、２０ゲージのニッケルメッキされたアルミニウムシートである。このバッフル設計は、放電が作りだした圧力波を分散させるのに極めて効果的である。この設計は、放電領域の長手方向に対して直角方向への反射を最小にしつつ、多くの方向に波を反射する。その結果は、もし任意の特定パルスからの音響エネルギが放電領域に戻ったら、又は、戻った時、その波のエネルギ（又は、圧力の乱れ）は、極めて多数の小片へと小分けされることである。

図１１Ｃ１から図１１Ｃ４は、本出願人により行われた試験の結果を示し、本出願人は、図１１Ｂに示す精密さはないものの、ほぼ図１１Bに示すように形成されたアルミニウム・プレートを用い、ほぼ図１１Ａに示すように壁を１列に並べた。図１１Ｃ２に示すこの試験からの結果は、熱交換器及び扇風機バッフル上の隅に位置する角度のついた金属拡散プレートを含む、図１に示す設計のチャンバを使用して得られた図１１Ｃ１に示されるデータに比較して、波長の乱れに関して約２倍の改善である。唯一の主要な乱れは、約１９４０Ｈｚで発生する。約１９４０Ｈｚでのこの大きな乱れは、図１１Ｄ１中の７０で示すように、下流側壁の上半分にほぼ図１１Ｂ、１１Ｂ１、及び、１１Ｂ２に示す形状のバッフルを置くことにより図１１Ｃ３に示すように大きく減少した。（図１１Ｄ２に示すように）同じようなバッフル７２を上流側壁上に装着することで、図１１Ｃ４に示す通り、更なる改善結果がもたらされた。

図１１Ｃ１から１１Ｃ４に波長トランジエントデータがプロットされていることに注意されたい。これらプロットされた値は、１００パルスバーストの最初の３０パルスの線中心波長平均と最後の３０パルスの線中心波長平均との間の差を示す。上記及び図１１Ｃ４において説明されたバッフル配列を使用するこのレーザに対して、ほとんど全てのデータ点は、約±０．０２ｐｍの範囲に入り、図１１Ｃ１に示されるデータに比較すると驚嘆すべき改善である。また、最初の３０パルス（２０００Ｈｚのバーストの最初の１５ミリ秒、及び、１５００Ｈｚのバーストの最初の２０ミリ秒を示す）が、平均においてバーストの平衡状態波長よりも約０．０２６ｐｍ短い波長であることに注意されたい。一般に、波長に対する通常のバーストパターンは、バースト開始の後約７から１０ミリ秒で低い点に低下し、その後徐々に上昇する。約２０ミリ秒の後、中心線波長（平均の）は、実質的に平衡状態（すなわち、０．０ｐｍに中心がある）である。この平均は、バーストの最初の約７から１０ミリ秒の間にミラー１４を予同調することにより、上方にずらして約ゼロにすることもできる。レーザの波長制御装置は、基本的に稼働中に、予同調の最善の程度を知るようにプログラムできることが好ましい。

従来技術のステッパ・モータ１５を使用して得ることのできる最も小さい段階的移動は、約０．０５ｐｍの中心線波長変化を作り出す。この特定のレーザにとって、最初の７ミリ秒に対する０．０５ｐｍの段階的変化は、波長トランジエント値を平均で約ゼロに増加するであろう。一般的な従来技術同調ミラーは、約５から７ミリ秒の待ち時間で作動するので、その定常状態位置（パルスを開始して約３０ミリ秒の後、目標とする中心線波長を作り出すための位置）に約５から７ミリ秒前もって戻るようミラーに対して指令するように、レーザ制御装置はプログラムすることができる。最善の結果を得るために、機械的及び電気的改善が従来技術の波長制御に対して成されるべきである。より一層高速で精密な制御のために、ミラー駆動装置に対して圧電性の駆動システムを加えることができ、それは速度と精度の必要な増加をもたらすであろう。高速で精密な同調を行う圧電の助けを持つ従来技術のステッパ・モータ配列を組み込んだ同調ミラー駆動システムの好ましい設計は、図１２、図１２Ａ、及び、図１２Ｂに示されている。この配列により、波長の大きく緩な変化は、ステッパ・モータを使用してもたらされ、小さく高速の変化は、圧電スタックを使用してもたらされる。

第３の好ましい実施形態
（金網保持装置のＡｌ₂Ｏ₃繊維）
本発明の好ましい実施形態は、図１０Ａの５０及び５２で示す断面形状を持つ、容器を形成する金網保持装置に収容された不織で緩やかに詰められた酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維から成る圧力波吸収装置を利用する。これらの保持装置は、チャンバの長さに及ぶ。この繊維は、ペンシルバニア州バーウィン所在のグッドフェロー・コーポレーションにより供給される部品番号Ａｌ ６３３７９０である。約６０グラムの材料が、図１０Ａに示すように置かれた。金網は、１ｍｍ直径の線で形成されたアルミニウムの金網で、１ｃｍの格子を持つ。材料は、パルス周波数範囲１５００Ｈｚから２０００Ｈｚに亘ってＫｒＦレーザを作動させることにより、また、結果を、図１に示されるタイプの隅反射装置を持つ同じチャンバを使用する類似データと比較することにより、試験された。主としてガス流を改善するため、陽極支持バーは、図１の陽極支持バーと比べると変更された。結果は図１０Ｂに比較される。このトランジエントデータは、薄い線で示される従来技術のデータに比較して濃い線で示されている。このＡｌ₂Ｏ₃繊維は、波長トランジエント効果を大いに減少させる。

使用し得る別の吸収性で不織の繊維材料は、ジルコニア及び８パーセントのイットリウムから成る。これらの材料は、極めて大きな表面積をもたらすので、フッ素による侵蝕は特有な問題であり、繊維がフッ素侵蝕に対して抵抗性を持つことが重要である。他の可能性としては、圧力波は伝達するが、フッ素を繊維から遠ざけておくであろう極めて薄いバッグ内に繊維を集めることである。

（温度を考慮した緩和）
本発明の重要な新発見は、チャンバ周囲に跳ね返る圧力波の位置変化による温度変化の影響である。例えば、もしガス温度条件が一定に保持され得るならば、圧力波は深刻な問題にはならない。たとえ各パルスの戻り波が放電領域の真上か、又は、部分的上方に集中されたとしても、それが行う全ては、放電領域のガスの屈折率への影響である。このことは、ＬＮＰに向かっているビームに若干の角度をつけ、このビームの角度付けを補正しない限り、出力波長に影響するであろう。しかしながら、ビームへの一定の角度付けは、レーザの通常のフィードバック制御装置により自動的に補正される筈であり、それは、単に同調ミラー１４の位置を調節して目標とする波長を作り出すようにする。すなわち、圧力波の位置を急速に変えるのは、急速に変化するレーザガス温度であり、それが問題を引き起こす。

（温度を一定に保つ方法）
波長チャープ問題は、ガス温度を一定に保つことで補正できる。このことは、レーザを連続的に作動させることで、容易に行うことができる。連続運転の下では、チャープは消滅する。この対処法に伴う問題は、集積回路製造業者がレーザの連続運転を欲しないことである。連続運転を行うと運転コストをかなり増加させるであろう。連続運転は、波長チャープに対する目標とする解決方法ではないが、一般にビーム品質を顕著に改善する１つの解決方法である。

（連続運転）
各バースト間の停止時間がバーストの長さにほぼ等しいことから、連続的に作動する１つのレーザを、２つのステッパ又は走査機用の光源として使用するのは経済的である可能性がある。このことは、レーザ出力ビームを２つのリソグラフィ用機械の間で切換えるために高速の光学的スイッチを必要とするし、また、運転を大いに複雑化する筈だが、ある極めて自動化された状況において、そのような装置は、コスト的に有効であり得る。レーザビームを迅速に切換える１つの技法は、米国特許第５，８５２，６２１号で説明されている。この装置の利点（多くの重大な欠点に対して比較されるべきである）は、レーザの連続的運転に基づいてビーム品質を最適化する可能性があることである。

連続的運転に代わるのは、レーザが照射していない時にガスに熱を加えるため、電極の近くに熱源を準備することである。このことは、温度サイクルがミリ秒の範囲なので、超高速の熱源を必要とする筈である。１つの対処法は、図１２に示すように、単に熱をもたらすのみで何らレーザとして働くことのない電極９０を現存する電極のすぐ下流に設置することであろう。市販されている他の超高速作動加熱器も温度トランジエントを最小にするために使用できるであろう。

別の対処法は、極めて大きな表面積を持つ受動的なヒート・シンクを、好ましくは電極のすぐ下流に準備することである。このヒート・シンクは、レーザが照射している場合、ガスから熱を吸収し、停止時間の間はガスに対して熱を加えることであろう。これは、バーストモード作動の間の温度の振れをかなり減少させる効果を持ち、従って、反射圧力波が伝搬する距離の変化を減少させることであろう。主として圧力波を吸収するためにチャンバ内に置かれた上記の不織繊維は、温度の振れを穏やかにする追加の利点をもたらす。繊維の質量は、レーザガスの約５０グラムに比較して約６０グラムであり、Ａｌ₂Ｏ₃の比熱は、レーザガスの比熱よりも大である。温度差がある場合、繊維とガスとの間で熱は極めて急速に転移され、従って繊維は、レーザ・チャンバ内の温度の振れ（図２Ｇに示すものなど）を緩和する傾向にある。

（空間的に変動する温度）
放電領域の長手方向のガス温度変動を改善する圧力波分散の別法である。これを行う１つの容易な方法は、チャンバの長さ全体に亘ってかなりの勾配を作り出すのに十分な低い流量で１つの流水水冷式熱交換器を使用することである。例えば、約６リットル／メートル（ｌ／ｍ）の水の流量は、約４０℃のΔＴを作り出すであろう。この４０℃の勾配は、レーザガスによりかなり拾われることになり、その結果、チャンバの一端部における最も早期の反射は、放電領域に到着して戻り、それは、他端部における最も早期の反射の約１．５ｃｍ前方である。別の対処法は、放電領域に戻る圧力波の断片化を支援する目的で、温度が異なる幾つかの領域をチャンバの長さに沿って作り出すために、熱交換フィンの寸法をその熱交換の長さに沿って変更することである。好ましい設計が図１３に示されている。この熱交換器は、領域から領域へ、少なくとも１０℃の温度変動を作り出すように設計されるべきである。上で示したように、２０００Ｈｚにおいて反射波は、温度が２℃減少するごとに少なくとも約０．８ｍｍ遅延することになり、それで高温領域からの反射は、１０℃低い領域からの兄弟波が放電領域に到着する前に、ほとんど（少なくとも）が放電領域を通過することになる。別の対処法は、冷却水チューブからのフィンの絶縁部分は別として、熱交換の長さに沿って、同じ寸法のフィンを準備することであり、その結果、これらのフィンは、受動的なヒート・シンクとしての働きをし、時間平均された温度で流れ領域を保持する傾向にある。

様々な修正は、本発明の範囲を変えることなく本発明に行うことができる。上記の全ては、本発明の実施例に過ぎない。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、数多くの他の修正や変形が可能であることを容易に理解するであろう。従って、上記の開示は、限定することを意図しておらず、本発明の範囲は、添付の請求範囲により判断されるべきである。

従来技術のリソグラフィ用レーザ・チャンバの断面を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 パルスバーストの間のレーザガスの温度変化を示す図である。 様々なパルス繰返数における各レーザ・パルスの間に音により伝搬される距離を示す図である。 温度による音速の変化を示す図である。 パルス・モード作動の間の温度の振れを示すチャートである。 リソグラフィ用レーザの波長が制御される様子を示す図である。 レーザガス温度による波長シグマ及びトランジエントの変動を示す図である。 レーザガス温度による波長シグマ及びトランジエントの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 ２つのかなり異なる温度でのパルス繰返数によるビーム・パラメータの変動を示す図である。 前記２つの異なる温度での波長トランジエント曲線対パルス繰返数曲線の比較図である。 前記２つの異なる温度での波長トランジエント曲線対パルス繰返数曲線の比較図である。 ビーム品質に及ぼす圧力波吸収装置の効果を実証する図である。 ビーム品質に及ぼす圧力波吸収装置の効果を実証する図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 圧力波分散用鋸歯バッフル技法の詳細を示す図である。 バッフル技法の効果を示す図である。 バッフル技法の効果を示す図である。 バッフル技法の効果を示す図である。 バッフル技法の効果を示す図である。 より高速及び精密な波長制御をもたらす提案技法を示す図である。 より高速及び精密な波長制御をもたらす提案技法を示す図である。 より高速及び精密な波長制御をもたらす提案技法を示す図である。 レーザ・チャンバに異なるレーザガス温度領域を作り出す熱交換器設計を示す図である。 レーザ停止時間の間にレーザガスに高速で熱を供給する技法を示す図である。

符号の説明

３４ 放電領域
３６Ａ、３６Ｂ 電極
３８ 扇風機
４０ 熱交換器
４４ 陽極支持バー
４６ 予備電離器ロッド
６０、６２、６４、６６、６８ バッフル

Claims (18)

1. Ａ）レーザ・チャンバと，
   Ｂ）ビームの方向に長手寸法を備える放電領域を形成する距離により分離された細長い陽極及び細長い陰極を含む、前記チャンバ内に封入された細長い電極構造と、
   Ｃ）前記チャンバ内に収容されたレーザガスと、
   Ｄ）前記レーザガスを前記チャンバ内及び前記放電領域を通って循環させる扇風機と、
   Ｅ）圧力波を生じる反射された放電の放電領域内の到着時間において温度の変化を生じさせないような圧力波緩和手段と、
   を含むことを特徴とする、波長チャープ緩和を用いる電気放電レーザ。
2. 前記圧力波緩和手段は、鋸歯状の断面を持つ少なくとも１つのバッフルを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
3. 前記鋸歯状の断面は、様々な形状の鋸歯を持つことを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
4. 前記鋸歯は、歯の高さが約０．１２０インチから約０．２８０インチの範囲であって、約０．３９０インチから約０．５９０インチの範囲のピッチを形成することを特徴とする請求項３に記載のレーザ。
5. 前記鋸歯は、前記ビーム方向に対してほぼ直角方向に並べられることを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
6. 前記鋸歯状の断面は、前記チャンバの壁に合うように機械加工されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
7. 前記バッフルは、ニッケルメッキされたアルミニウムから成ることを特長とする請求項２に記載のレーザ。
8. 前記バッフルは、金属製音響拡散プレートから成ることを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
9. 前記緩和手段は、溝状の断面を持つバッフルを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
10. 前記溝は、圧力波を前記ビーム方向と直角方向よりはむしろ多くの方向に分散させるために、圧力波の圧力波自身との干渉を生み出すように形作られることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
11. 前記緩和手段は、緩やかに詰められた不織繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
12. 前記繊維は、酸化アルミニウム繊維であることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ。
13. 前記繊維は、ジルコニウム及びイットリウムから成ることを特長とする請求項１１に記載のレーザ。
14. 前記ビーム方向に、少なくとも４０℃の前記レーザガスの温度勾配を生み出すように形成された熱交換器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
15. 前記緩和手段は、前記ビーム方向に沿って少なくとも１０℃刻みで増加及び減少するように変化する、前記チャンバ内のレーザガス温度を生み出すように形成された熱交換器を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
16. 前記緩和手段は、前記レーザが作動中に前記電極間の放電により前記ガスに加えられたのとほぼ等しい熱を、前記レーザが停止中に前記レーザガスに加えるために置かれた高速作動のガス加熱システムを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
17. １０００Ｈｚを超える繰返数で連続的に作動するようにプログラムされ、少なくとも２つの別々のステッパ又はスキャナ・システム用の光源として機能するように形成されて前記２つのシステムに対して交互にパルスのバーストを供給することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
18. 前記少なくとも２つの別々のステッパ又はスキャナ・システムは、１つのステッパ又はスキャナ機の一部であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。

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