JP2010050300A

JP2010050300A - エキシマレーザ装置

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Publication number: JP2010050300A
Application number: JP2008213530A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Sasaki; 陽一佐々木; Tsukasa Hori; 司堀
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP5429956B2

Abstract

【課題】アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、低コストなエキシマレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザチャンバ１１と、レーザチャンバ１１の一方の側とその反対側に設置された共振器２と、レーザチャンバ１１内部に封入されたレーザガスと、レーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ１１外部へ出射するためにレーザチャンバ１１に設けられた２つの光学窓１３と、レーザガスを循環させるクロスフローファン１４と、レーザチャンバ１１を支持する振動吸収手段４０と、を備えたエキシマレーザ装置１において、振動吸収手段４０は、気体を流入排出させて膨張収縮する空気バネ４１と、空気バネ４１の水平方向への膨張収縮を規制する容器４２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エキシマレーザ装置に関し、特に、半導体露光装置用光源として用いられるエキシマレーザシステムで使用される振動吸収装置に関するものである。

図５は、従来の一般的なエキシマレーザシステム１及び共振器２０を示す図である。

レーザチャンバ１１はレーザチャンバ１１内部にレーザガスを封入して使用するものである。ＡｒＦエキシマレーザの場合はAr、フッ素、NeあるいはHe、Xeを使用し、ＫｒＦエキシマレーザの場合はKr、フッ素、NeあるいはHeを使用する。

レーザチャンバ１１は対向する２本の電極１２を有しており、一方に電圧を印加し二つの電極１２間に放電を発生させる。放電によって発生した光はウィンドウとしての光学窓１３を通り抜けて共振器２０間を往復しレーザ光となり部分反射ミラー２１を透過して、出力エネルギーとして取り出される。

共振器２０の一端では、部分反射ミラー２１がホルダに収納されキャビティ２２に取り付けられている。さらに、共振器２０の他端では、ビームを拡大するプリズム２４と波長を選択する回折格子２５を収めた箱２６がキャビティ２２に取り付けられている。これらキャビティ２２は第一の定盤３１に取り付けられている。

また、レーザチャンバ１１にローラーを使用している場合にはローラーによりレーザチャンバ１１が動かないようにレーザチャンバ１１をレールや第二の定盤３２に固定して動作させる。

部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５は所定の角度でビームが入射するようにあらかじめ調整されている。図６に部分反射ミラー２１に直角に入射し、プリズム２４にθ1、回折格子２５にθ2で入射するよう調整した様子を示す。

レーザチャンバ１１はさらにレーザガスを循環させるためのクロスフローファン１４を有し、レーザチャンバ１１に取り付けられたモータ１５と連結している。モータ１５によってクロスフローファン１４は回転し、レーザガスをレーザチャンバ１１内部で循環させる。

レーザガス循環の目的はレーザチャンバ１１内に設置されたラジエタ（図示せず）と熱交換を行うことと、電極１２間に常にフレッシュなレーザガスを供給することである。

このクロスフローファン１４が回転することにより、振動が発生する。この振動はクロスフローファンのアンバランス量に起因している。

レーザチャンバ１１は第二の定盤３２に固定されており、第二の定盤３２は振動吸収手段４０を介して第一の定盤３１に固定されている。

レーザチャンバ１１で発生した振動は第二の定盤３２、振動吸収手段４０、第一の定盤３１へと伝播する。ただし、振動吸収手段４０がある場合には伝播する振動は小さくなる。

伝播した振動は第一の定盤３１に取り付けられたキャビティ２２を通して部分反射ミラー２１やプリズム２４、回折格子２５を変位させる。その結果、各々の入射角度がずれ波長変動を引き起こす場合がある。

図６は、通常の場合の部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５の関係を示す図、図７は、部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５が変位した例を示す図である。

通常時、部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５の関係は、図６に示したように所定の入射角で光が入るように調整されている。しかしながら、図７に示すように、振動等により部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５がそれぞれ変位すると、それぞれの入射角が変化し波長が変化したり、スペクトル線幅が変化したり、出力エネルギーが変化したりしていた。

次に、近年主流になりつつあるMOPAやInjection Lock方式における振動の影響を説明する。図８は、図５に示したチャンバを２つ並べたシステムを示す図である。下のチャンバ１１（以後オシレータチャンバと呼ぶ）及び共振器２０でレーザ光の線幅を狭めて、図中の注入光軸のように数枚の折り返しミラー５０を経由して上のチャンバ６１（以後アンプチャンバと呼ぶ）に注入される。

アンプチャンバ６１は注入されたレーザ光を基にレーザ光が立ち上がり、アンプリアミラー６２とアンプフロントミラー６３の間を共振し、アンプフロントミラー６３から出射する。

このようなシステムにおいて個々のチャンバ１１，６１の共振器２０を構成するミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５がレーザチャンバ１１，６１の振動の影響を受けることは言うまでもない。これらに加えて、折り返しミラー５０に与えられる悪影響もある。注入光軸は、このようなシステムにとっては非常に重要であり、注入光軸の位置、角度がずれるとほとんど全ての光品位が劣化する。

従って、振動を折り返しミラー５０に伝えないことは、このようなシステムでは非常に重要なことである。

近年、半導体露光装置用光源としては、このようなＫrＦ、ＡｒＦエキシマレーザシス
テムが主流になっている。そして、露光装置用光源に求められる性能は以下（１）〜（３）に示すようなものである。

（１）高ドーズ安定性の確保とスループット向上のために20Ｗ以上の出力が要求されている（ＫｒＦでは概ね40Ｗ以上、ＡｒＦでは概ね60Ｗ以上）。

（２）投影レンズの高解像度化のために投影レンズの高ＮＡ化が進められている。これに伴い色収差が問題となり、狭帯域化が要求されている。

（３）安定した露光を実現するために、波長、出力エネルギーの高安定化が要求されている。

高出力化と狭帯域化を実現するために、近年ではMOPA方式（MasterOscillator Power Amplifier)やInjection Lock方式（注入同期）を採用した露光装置用光源が主流になりつ
つある。

MOPA方式やInjection Lock方式ではレーザチャンバを２つ以上使用し、一つは発振段として使用し、発振段で出てきたレーザ光を増幅段に所定のタイミングで注入する。発振段で狭帯域化を実現し、増幅段で高出力化を実現している。

レーザチャンバを一つだけ使用する従来のレーザシステムと比較するとMOPA方式やInjection Lock方式ではレーザ光軸のアライメントが非常に重要である。発振段から増幅段
へどのようにレーザ光を注入するかは特に重要であり、注入の仕方によってほとんど全ての光性能が変化すると言える。このため、光軸のズレは注入の仕方を変化させ、光性能を劣化させる。

発振波長、出力エネルギーの安定化のためには振動を低減することが有効である。エキシマレーザシステム内部に発生した振動は予め調整された部分反射ミラー、プリズム、回折格子、スリットを振動させる。この振動によりレーザ光軸にずれが生じて発振波長の変動あるいは出力エネルギーの変動を引き起こす。

発振波長の変動は、レーザ光軸のずれにより回折格子に入射する角度が変動することで起こる。出力エネルギーの変動は、発振波長の変動の理由に加えて通過するゲイン領域がわずかにずれることから生じると推測している。

このようにエキシマレーザシステム内の振動は、波長や出力エネルギーの安定性に大きな影響を及ぼすため、主に２つの対策をとることで波長や出力エネルギーの安定性を向上させてきた。

一つは振動自身を小さくする方法である。エキシマレーザシステム内で発生し、波長や出力エネルギーの安定性に悪影響を及ぼす振動はレーザチャンバで発生したものである。

エキシマレーザはレーザガスを封入するレーザチャンバを有する。レーザチャンバ内には対向した２本の電極、レーザガスを循環させるためのクロスフローファン、循環したガスの熱交換を行うためのラジエタ等が設置されている。クロスフローファンはチャンバに取り付けられたモータによって回転する。

クロスフローファンは回転体であり、クロスフローファンの中心軸上に重心が存在するのが理想であり、そのように調整される。しかし、重心位置を完全にクロスフローファン中心軸上に調整するのは不可能であり、わずかなアンバランス量が生じる。このアンバランス量によりレーザチャンバが振動し、レーザ筐体内に伝播する。

よって、アンバランス量を極力小さくすることで振動を小さくすることが対策になり得る。しかし実際にはアンバランス量を完全になくすことは極めて困難である。さらに近年は露光用光源には高繰り返し化が求められるにつれ、クロスフローファンの回転数は上昇している。すなわち、アンバランス量を減らしたとしても、その効果を上回る回転数でクロスフローファンが回転するため、全体としての効果は小さい。

二つ目の対策は防振・除振をすることである。この対策に関しては、以下のような技術が開示されている。

まず、起振源であるチャンバと光性能を決める光学素子を保持するホルダの間に振動減衰部材を配置することで、ホルダに伝わる振動を小さくすることを狙って、レーザチャンバと光学素子ホルダの間に振動減衰部材を配置した技術がある（特許文献１）。

また、振動吸収手段として特に空気バネを上げ、さらに位置検出手段も加え、レーザ発
振のための光学系を固定した第１の定盤と、レーザチャンバを固定した第２の定盤の間に振動吸収手段を配置した技術がある（特許文献２）。

特開２００３−２１８４３２号公報特開平３−２７４７８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、振動減衰部材の耐久性に問題がある。振動減衰部材は、使用している間に経時変化が起きる。防振ゴムの場合の経時変化は、ヘタリとしてよく知られている。沈み込みが発生したり、硬化が起こるため、所定のレーザ性能が得られなくなる。

また、特許文献２に記載されたものは、振動減衰部材を空気バネにしたことが大きな特長である。空気バネは空気圧を加えることで常に反力を加えられているため、経時変化が起こることはない。

しかしながら、特許文献２に記載されたものには以下のような課題がある。

まず第１に、空気バネが様々な方向に変形できるので、アライメントがずれやすい。例えば、空気バネで加振源であるレーザチャンバからキャビティに伝わる振動を絶縁した場合を考える。キャビティには、波長を選択する回折格子、ビームを拡大するプリズム、部分反射ミラーが取り付けられている。そして、空気バネはあらゆる方向に動くことが可能で、荷重が加わる鉛直方向、水平方向に変位・変形することができる。

近年、露光に使用される光の波長が短くなるに従い、レーザ内の光路を窒素でパージする必要がある。従って、図９に示すように、レーザチャンバ１１とキャビティ２２を例えばダクト７０のようなもので連結しなければならない。

このように構成されたシステムにおいて、空気バネが自由に動くことができるならば、レーザチャンバ１１とキャビティ２２を連結するダクト７０を通じて、レーザチャンバ１１からキャビティ２２に力が加わってしまう。キャビティ２２はその力でたわみ、アライメントは、ずれてしまう。

近年では光源の高出力の要求に伴いMOPAシステムやI/Lシステムを採用することも多い
が、いずれもアライメントずれに対しては非常に敏感であり、この点を克服する必要がある。

第２に、空気バネに空気圧をかけるとバネとして作用する。反対に空気圧が抜けてしまうと、バネとしては作用せず、チャンバは沈み込んでしまう場合があった。

例えば、レーザシステムに空気バネを採用した場合、停電等が起こると空気圧が抜け、チャンバが沈み込んでしまう。この時、ダクトを通じてキャビティに力が加わってしまい、アライメントがずれてしまう。

第３に、空気バネを動作させるために圧縮機が必要であった。空気バネは空気圧をかけて初めて所定の除振効果を発揮する。そして、空気圧を上げるためには圧縮機が必要であった。したがって、圧縮機を設置するためのコストが必要になると共に、圧縮機の振動も考慮する必要があった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、低コストなエキシマレーザ装置を提供することである。

そのために、本発明は、レーザチャンバと、前記レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された共振器と、前記レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、前記レーザガスを励起する手段と、励起された前記レーザガスから発生する光が前記レーザチャンバ外部へ出射するために前記レーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、前記レーザガスを循環させるクロスフローファンと、前記レーザチャンバを支持する振動吸収手段と、を備えたエキシマレーザ装置において、前記振動吸収手段は、気体を流入排出させて膨張収縮する空気バネと、前記空気バネの水平方向への膨張収縮を規制する容器と、を有することを特徴とする。

また、前記振動吸収手段は、一端を前記空気バネに取り付けられ、他端を前記チャンバ側に取り付けられた連結部材を有し、前記容器は、前記連結部材を挿通する開口を有することを特徴とする。

また、前記レーザガスあるいは光路をパージするためのパージガスを前記空気バネに流入排出させることを特徴とする。

また、前記振動吸収手段は、前記空気バネの両端を連結固定する着脱可能な剛体を有することを特徴とする。

また、前記レーザチャンバを複数有することを特徴とする。

本発明のエキシマレーザ装置は、アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、コストを低く抑えることができる。

以下、本発明に係る実施形態のエキシマレーザ装置について説明する。

図１は、本発明に係るエキシマレーザシステム１及び共振器２０を示す図である。

レーザチャンバ１１は対向する２本の電極１２を有しており、一方に電圧を印加し二つの電極１２間に放電を発生させる。放電によって発生した光は光学窓１３を通り抜けて共振器２０間を往復しレーザ光となり部分反射ミラー２１を透過して、出力エネルギーとして取り出される。

共振器２０の一端では、部分反射ミラー２１がホルダ２２に収納されキャビティ２２に取り付けられている。さらに、共振器２０の他端では、ビームを拡大するプリズム２４と波長を選択する回折格子２５を収めた箱２６がキャビティ２２に取り付けられている。これらキャビティ２２は第一の定盤３１に取り付けられている。

また、レーザチャンバ１１には移動を容易にするためのローラー３３が設けられている
。このローラー３３によりレーザチャンバ１１が動いてしまわないようにレーザチャンバ１１をレール３４に固定して動作させる。

部分反射ミラー２１、プリズム２４及び回折格子２５は所定の角度でビームが入射するようにあらかじめ調整されている。

図２は、振動吸収手段４０を示す図である。図２に示すように、本実施形態の振動吸収手段４０は、空気バネ４１を容器としてのシリンダ４２の中に入れている。空気バネ４１は、気体を流入排出させて膨張収縮し、シリンダ４２に当接することにより水平方向への膨張を所定の位置までに規制されている。空気バネ４１には、連結部材としてのシャフト４３の一端が取り付けられている。シャフト４３の他端は、レール３４を介してレーザチャンバ１１側に取り付けられている。シャフト４３は、空気バネ４１の膨張収縮により、シリンダ４２の上方のシリンダ開口４２ａ内を上下動可能に移動することが可能である。

また、本実施形態では、空気バネ４１を膨張収縮させるガスとして、光路をバージするためのパージガスＮ２を使用する。レーザシステム１内には、光路をパージするためのパージラインとしてのＮ２ライン４４がある。Ｎ２ライン４４はレーザシステム１内で適当に減圧してからパージに使用されるが、減圧する前の高圧力Ｎ２を空気バネ４１の駆動圧にすることで圧縮機を必要とせず、低コスト化を実現することができる。

空気バネ４１の駆動圧は、図示しない制御手段等で、制御される。入力としては、図１に示される加速度センサ、速度センサ又は変位センサ等からなる位置検出装置４７を用いるのが好ましい。

空気バネ４１が様々な方向にずれることは、アライメントずれの要因になり、特に水平方向の変位・変形がレーザ性能に重大な影響を及ぼす。何故ならば、水平方向は波長の分散方向であり、この方向のアライメントがずれると、波長変動の悪化、線幅の悪化等を引き起こすものと推測している。本実施形態では、空気バネ４１をシリンダ４２に入れて使用することで、水平方向の変位・変形を小さくすることができる。

アライメントずれは、レーザシステム１の輸送時にも起こりうる。レーザシステム１の輸送時には、大きな衝撃が加えられる可能性がある。その衝撃によりレーザチャンバ１１が変位・変形しアライメントがずれる。出荷先では再びアライメント調整が必要になり立ち上げに要する時間が拡大されてしまう。

レーザシステム１の輸送時の変位・変形は大きな衝撃に起因しているため、上記のような構造だけでは十分ではない。その対策として図２に例示したような輸送時用の輸送用ジグ４５を作成し、空気バネが変位・変形しないようにした。

輸送用ジグ４５は載置部４５ａのような平らな箇所でレール３４より上のレーザチャンバ１１及びローラー３３等の荷重を支え、輸送用ジグ４５の上部でレール３４と第１ネジ４５ｂで固定し、下部で定盤あるいはフレーム３１と第２ネジ４５ｃで固定する。輸送用
ジグ４５は金属などで製作し少なくともレーザチャンバ１１等の荷重を支持できる構造にする。

図３にレーザチャンバ１１に輸送用ジグ４５を取り付けた時の図を示す。このように輸送用ジグ４５を取り付けることにより、レーザチャンバ１１などの荷重は空気バネ４１にはかからなくなり、レーザチャンバ１１の変位を防止することができる。

このような輸送用ジグ４５はレーザが動作している間は使用しない。輸送時など大きな衝撃が予想される場合にのみ図３のように輸送用ジグ４５を取り付ける。また、輸送が終わり次第、この輸送用ジグ４５は取り外す。もしも、レーザチャンバ１１の動作時にこの輸送用ジグ４５が取り付いていると、防振効果は全く得られず波長変動、エネルギー安定性が悪化してしまう。

空気バネ４１は気体の圧力を駆動力としている。そのため圧力の供給がとまってしまうと空気バネ４１は縮小する。本実施形態のレーザシステム１の場合には空気バネ４１の上にはレーザチャンバ１１などが搭載されている。

このような状況で圧力の供給が止まると、アライメントのずれが発生してしまう。空気バネ４１の縮小量が大きい場合には、破壊の可能性すら考えられる。

図４は、パージガスＮ２の供給が止まる前後のレーザチャンバ１１の位置の様子を模式的に示した図である。

本発明では、空気の供給が止まった時に、レーザチャンバ１１が沈み込みそれにつられて周りの構造物がゆがみ結果としてアライメントがずれてしまうことを避けるために、空気圧が供給されているときといないときのレーザチャンバ１１の位置の差が1mmから2mm程度と小さくなるように設計を行なった。数mmの差を残したのはレーザチャンバ１１を乗せるレール３４が構成する平面の平行度を出すためである。

この問題を解決する別の方法としては、空気バネ４１につながるＮ２ライン４４のどこかに自動閉止バルブ４６を取り付け、停電等が起こった場合には自動的に自動閉止バルブ４６が閉じるようにする。さらに、空気バネ４１からの駆動用ガスのリークをなくせば、レーザチャンバ１１の沈み込みは避けられる。

また、図８に示すようなレーザチャンバ１１を複数有するように構成してもよい。レーザチャンバ１１を複数有するエキシマレーザ装置１のような高出力且つ狭帯域化に対応した装置に対しても、アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、コストを低く抑えることができる。

このように、本実施形態のエキシマレーザ装置１は、レーザチャンバ１１と、レーザチャンバ１１の一方の側とその反対側に設置された共振器２と、レーザチャンバ１１内部に封入されたレーザガスと、レーザガスを励起する手段と、励起されたレーザガスから発生する光がレーザチャンバ１１外部へ出射するためにレーザチャンバ１１に設けられた２つの光学窓１３と、レーザガスを循環させるクロスフローファン１４と、レーザチャンバ１１を支持する振動吸収手段４０と、を備えたエキシマレーザ装置１において、振動吸収手段４０は、気体を流入排出させて膨張収縮する空気バネ４１と、空気バネ４１の水平方向への膨張収縮を規制するシリンダ４２と、を有するので、アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、コストを低く抑えることができる。

また、振動吸収手段４０は、一端を空気バネ４１に取り付けられ、他端をレーザチャン
バ１１側に取り付けられたシャフト４３を有し、シリンダ４２は、シャフト４３を挿通する開口４２ａを有するので、さらに簡単な構成で、アライメントのずれを低減させると共に、コストを低く抑えることができる。

また、レーザガスや光路をパージするためのパージガスを空気バネ４１に流入排出させるパージライン４４を有するので、さらに簡単な構成で、コストを低く抑えることができる。

また、レーザチャンバ１１を複数有するので、高出力且つ狭帯域化に対応した装置に対しても、アライメントのずれを低減させると共に、簡単な構造で、コストを低く抑えることができる。

本発明に係るエキシマレーザシステム及び共振器を示す図である。振動吸収手段を示す図である。レーザチャンバに輸送用ジグを取り付けた時の図を示すパージガスＮ２の供給が止まる前後のレーザチャンバの位置の様子を模式的に示した図である。一般的なエキシマレーザシステム１及び共振器２０を示す図である。通常の場合の部分反射ミラー、プリズム及び回折格子の関係を示す図である。部分反射ミラー、プリズム及び回折格子が変位した例を示す図である。図５に示したチャンバを２つ並べたシステムを示す図である。レーザチャンバとキャビティの連結を示す図である。

符号の説明

１…レーザシステム
１１…レーザチャンバ
１２…電極
１３…光学窓
１４…クロスフローファン
１５…モータ
２０…共振器
２１…部分反射ミラー
２２…キャビティ
２４…プリズム
２５…回折格子
２６…箱
３１…第１の定盤
３２…第２の定盤
３３…ローラー
３４…レール
４０…振動吸収手段
４１…空気バネ
４２…シリンダ（容器）
４３…シャフト（連結部材）
４４…Ｎ２ライン（パージライン）
４５…輸送用ジグ
４６…バルブ
４７…位置検出装置
５０…折り返しミラー
６１…レーザチャンバ
６２…アンプリアミラー
６３…アンプフロントミラー
７０…ダクト

Claims

レーザチャンバと、
前記レーザチャンバの一方の側とその反対側に設置された共振器と、
前記レーザチャンバ内部に封入されたレーザガスと、
前記レーザガスを励起する手段と、
励起された前記レーザガスから発生する光が前記レーザチャンバ外部へ出射するために前記レーザチャンバに設けられた２つのウィンドウと、
前記レーザガスを循環させるクロスフローファンと、
前記レーザチャンバを支持する振動吸収手段と、
を備えたエキシマレーザ装置において、
前記振動吸収手段は、
気体を流入排出させて膨張収縮する空気バネと、
前記空気バネの水平方向への膨張収縮を規制する容器と、
を有する
ことを特徴とするエキシマレーザ装置。
前記振動吸収手段は、一端を前記空気バネに取り付けられ、他端を前記チャンバ側に取り付けられた連結部材を有し、
前記容器は、前記連結部材を挿通する開口を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のエキシマレーザ装置。
前記レーザガスあるいは光路をパージするためのパージガスを前記空気バネに流入排出させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエキシマレーザ装置。
前記振動吸収手段は、前記空気バネの両端を連結固定する着脱可能な剛体を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のエキシマレーザ装置。
前記レーザチャンバを複数有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載のエキシマレーザ装置。