JP2011244012A - 光源装置及びそれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エテンデュが小さく、高出力を取り出すことができ、デブリによる損傷の少ない光源装置を提供する。
【解決手段】この光源装置は、ターゲットとなる物質を供給するターゲット供給部と、ターゲットにパルスレーザビームを照射することによりプラズマを発生させるレーザ部と、プラズマから放出される極端紫外光を集光する集光光学系とを備え、レーザ部は、パルスレーザビームを所定の繰り返し周波数で発生する発振段と、パルスレーザビームを低次の横モードにするアダプティブ光学素子と、媒質として二酸化炭素ガスを含み、パルスレーザビームを増幅する少なくとも１つの増幅段とを備え、発振段と少なくとも１つの増幅段とは、ＭＯＰＡ方式で直列に接続され、アダプティブ光学素子は、パルスレーザビームの光路上に配置されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターゲットにレーザビームを照射することにより極端紫外（ＥＵＶ：extreme ultra violet）光を発生する光源装置に関する。さらに、本発明は、そのような光源装置を用いた露光装置に関する。

半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィも微細化が急速に進展しており、次世代においては、１００〜７０ｎｍの微細加工、更には５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。例えば、５０ｎｍ以下の微細加工の要求に応えるべく、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（catoptric system）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

ＥＵＶリソグラフィは光リソグラフィの一種であり、波長１０ｎｍ領域の極端紫外光を使用し、縮小投影反射光学系において、半導体回路のパターンのマスク像を半導体ウエハ上に塗布されたレジスト上に結像させて回路形成を行う。ＥＵＶリソグラフィに用いる露光装置においては、スループットが８０枚／時、レジスト感度が５ｍＪ／ｃｍ^２であることが前提とされており、現在考えられている光学系の構成を使用した場合には、１０〜１０００Ｗ程度のＥＵＶ光源が必要とされる。

ＥＵＶ光源としては、レーザビームをターゲットに照射することによって生成するプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma）光源と、放電によって生成するプラズマを用いたＤＰＰ（discharge produced plasma）光源と、軌道放射光を用いたＳＲ（syncrotron radiation）光源との３種類がある。これらの内でも、ＬＰＰ光源は、プラズマ密度をかなり大きくできるので黒体輻射に近い極めて高い輝度が得られ、ターゲット材料を選択することにより必要な波長帯のみの発光が可能であり、ほぼ等方的な角度分布を持つ点光源であるので光源の周囲に電極等の構造物がなく、２πsteradという極めて大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点から、１０〜１０００Ｗ程度のパワーが要求されるＥＵＶリソグラフィ用の光源として有力であると考えられている。

ＬＰＰ光源において、プラズマを発生させるためにレーザビームを照射するターゲットとして固体材料を用いると、レーザビーム照射領域がプラズマ化するときにレーザビームの照射により発生する熱がレーザビーム照射領域の周辺に伝わり、その周辺において固体材料が溶融する。溶融した固体材料は、直径数μｍ以上の粒子隗（デブリ）となって多量に放出され、集光ミラーにダメージを与え、その反射率を低下させる。一方、ターゲットとして気体を用いると、デブリは少なくなるものの、レーザ発振器に供給するパワーからＥＵＶ光のパワーへの変換効率が低下してしまう。

ところで、ＬＰＰ光源は、点光源あるいはその集合体であるため、ＬＰＰ光源から発散される光を集光ミラーで集めて、ＥＵＶリソグラフィに利用可能な光を出力することが必要である。ここで、点光源光の光束伝達においては、エテンデュが常に一定であるという原理が存在する。エテンデュとは、光束の面積と広がり角（立体角）との積で定義される量である。光源側のエテンデュ（光源面積と発散立体角との積）が照明領域のエテンデュ（照明領域の面積と照明光の立体角との積）より大きいと、照明領域に取り込むことのできない光束の割合が増加するので、光源側のエテンデュを照明領域のエテンデュよりも小さく抑える必要がある。ＥＵＶ光は発散光なので、エテンデュを小さく抑えるためには、光源となるプラズマのサイズを十分に小さくしなければならない。例えば、光源から立体角πの範囲で集光するためには、プラズマの直径を０．５ｍｍ程度以下にすることが必要である。

従来、ＬＰＰ光源においてプラズマを生成するために、１．５Ｗ級のＬＤ励起ＹＡＧレーザを用いて開発が行われてきた。このＹＡＧレーザは、パルス継続時間が数ｎｓで、使用されるレーザビームの波長が１μｍ帯である。一方、数万度を超えるプラズマの生成過程は、ｐｓ（１０^−１２秒）のスケールで進展する。レーザビームが照射される初期の時点におけるプラズマの密度が小さいと、それ以後においてレーザビームはターゲット中の分子や原子を十分にプラズマ化することができずに素通りしてしまう。逆に、プラズマ密度が大きすぎる場合には、レーザビームが照射される側のプラズマに遮られて、十分な体積のプラズマが生成できなくなる。従って、ターゲットガスの密度には、最適な範囲が存在する。

ＹＡＧレーザを用いる場合には、レーザビームを効率良く吸収させるために、レーザビームをかなり密度が大きいターゲットガスと相互作用させる必要がある。そのため、ノズルの噴出口近くの密度の大きいガスにレーザビームを照射することが必要である。しかしながら、高出力化したＹＡＧレーザは、一般に、横モードに多数のモードが存在するため集光性が悪く、また、運転中に発生する熱によって硝子媒質の不均一性が増すため横モードがさらに悪化し、その結果、ターゲットへの照射効率が低下してしまうという問題もあった。

そこで、本発明は、エテンデュが小さく、高出力を取り出すことができ、デブリによる損傷の少ない光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような光源装置を用いることにより、微細な光リソグラフィを実現することができる露光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る光源装置は、ターゲットにパルスレーザビームを照射することにより極端紫外光を発生する光源装置であって、ターゲットとなる物質を供給するターゲット供給部と、ターゲットにパルスレーザビームを照射することによりプラズマを発生させるレーザ部と、プラズマから放出される極端紫外光を集光する集光光学系とを備え、レーザ部は、パルスレーザビームを所定の繰り返し周波数で発生する発振段と、パルスレーザビームを低次の横モードにするアダプティブ光学素子と、媒質として二酸化炭素ガスを含み、パルスレーザビームを増幅する少なくとも１つの増幅段とを備え、発振段と少なくとも１つの増幅段とは、ＭＯＰＡ（master oscillator power amplifier）方式で直列に接続され、アダプティブ光学素子は、パルスレーザビームの光路上に配置されたことを特徴とする。

また、本発明の１つの観点に係る露光装置は、本発明に係る光源装置と、該光源装置によって発生された極端紫外光を用いてマスクを照明する照明光学系と、マスクから反射された極端紫外光を用いて対象物を露光させる投影光学系とを具備する。

以上のように構成した本発明によれば、レーザ部が、パルスレーザビームを所定の繰り返し周波数で発生する発振段と、パルスレーザビームを低次の横モードにするアダプティブ光学素子と、媒質として二酸化炭素ガスを含み、パルスレーザビームを増幅する少なくとも１つの増幅段とを備えることにより、低次の横モードのパルスレーザビームの発生を維持することが可能となるので、エテンデュが小さく、高出力を取り出すことができ、デブリによる損傷の少ない光源装置を提供することができる。さらにまた、そのような光源装置を用いて、微細な光リソグラフィを実現する露光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光源装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態において使用される駆動用レーザの第１の具体例を示す図である。 本発明の一実施形態において使用される駆動用レーザの第２の具体例を示す図である。 本発明の一実施形態において使用される駆動用レーザの第３の具体例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。

以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素については同一の参照番号を付して、これらの説明を省略する。
図１に、本発明の一実施形態に係る光源装置の構成を示す。この光源装置は、レーザ部として、レーザビームを発生する駆動用レーザ１０１と、駆動用レーザ１０１が発生するレーザビームを集光する光学系とを含んでいる。本実施形態においては、この光学系が、集光レンズ１０２によって構成されている。集光レンズ１０２としては、平凸レンズやシリンドリカルレンズが使用される。

また、光源装置は、ターゲット供給部として、レーザビームが照射されるターゲットとなる物質を供給するターゲット供給装置１０８と、ターゲット供給装置１０８から供給される物質を噴射するためのノズル１０３とを含んでいる。レーザ部が、ターゲット供給部から供給されるターゲットにレーザビームを照射することにより、プラズマを生成する。

さらに、光源装置は、プラズマから放出される極端紫外（ＥＵＶ：extra ultra violet）光を集光して出射する集光光学系を構成する反射鏡１０５と、レーザビーム照射領域の周辺から放出される直径数μｍ以上の粒子隗（デブリ）を取り除いてＥＵＶ光のみを通過させるデブリシールド１０６とを含んでいる。反射鏡１０５としては、放物面鏡あるいは球面鏡又は複数の曲率を有する球面鏡を使用することができる。本発明において、ＥＵＶ光は、５ｎｍ〜５０ｎｍの波長を有している。

本発明においては、ターゲットとして、気体、液体、固体のいずれも使用することができる。ただし、レーザビームが照射される時点において、又はレーザビームが照射された直後においてガス状態である物質が望ましい。具体的には、常温（２０℃）でガス状態である物質が該当し、例えば、キセノン（Ｘｅ）、キセノンを主成分とする混合物、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、又は、低気圧状態でガスである水（Ｈ_２Ｏ）、アルコールを用いることができる。極端紫外光発生部は真空状態にする必要があるので、常温で水を供給してもノズルから出た後は気体となる。

ターゲットとなる物質が最初からガス状態である場合には、この気体に圧力を加えてノズル１０３の開口部から放出することにより、この気体をガス状態のままで供給しても良い。又は、この気体を、正イオン又は負イオンを核として複数個の原子又は分子が凝集してできる電荷を帯びた原子又は分子の集合体（クラスターイオン）のジェット（噴射）として供給しても良い。

本実施形態においては、ターゲットとしてキセノン（Ｘｅ）を用いている。その場合、発生するＥＵＶ光は約１０ｎｍ〜約１５ｎｍの波長を有する。ターゲット供給装置１０８がキセノンガスに圧力を加えることにより、ノズル１０３の開口部から上方に向けてキセノンガスを噴射する。ノズル１０３は、スリット状の開口を有するか、又は直線上に配列された複数の開口を有する。従って、噴出したキセノンガスは、開口部の長手方向に広い幅を有しながら垂直に流動し、キセノンガスの柱を形成することになる。

駆動用レーザ１０１から発生されたレーザビームは、シリンドリカル集光レンズ１０２により集光され、実質的にライン状の断面形状を有するレーザビームとなって、キセノンガスの柱に向けて照射される。照射されるレーザビームがキセノンガスと交差する位置において、数ｍｍ〜数ｃｍの長さを有する葉巻状のプラズマ１０４が発生する。

プラズマから放出されたＥＵＶ光は、集光光学系を構成する反射鏡１０５によって集光され、平行光１０７となる。集光光学系の光軸は、プラズマ１０４の長手軸と直交させることが望ましい。平行光１０７は、デブリを除去するために設置されたデブリシールド１０６を通過した後、露光器に供給される。

駆動用レーザ１０１は、低次の横モードを有する発振段レーザ（本願において、「発振段」ともいう）と、発振段レーザにより発生した低次の横モードのレーザビームを増幅する少なくとも１つの増幅段レーザ（本願において、「増幅段」ともいう）とを含んでいる。以下に、駆動用レーザ１０１の具体例について詳しく説明する。

図２に、本実施形態において使用される駆動用レーザの第１の具体例を示す。第１の具体例においては、発振段のＹＡＧレーザ２１と増幅段の３つのＹＡＧレーザ２２〜２４とを直列に接続して、ＭＯＰＡ（master oscillator power amplifier）方式のレーザとしている。ここではＭＯＰＡ方式のレーザについて例示するが、インジェクション・ロック方式（ＩＬＳ：injection locking System）のレーザとしても良い。ＭＯＰＡ方式とは、増幅段レーザのリア側及びフロント側の両方に反射ミラーを配置しない方式であり、増幅段レーザにおいてはレーザ共振器が構成されない。一方、インジェクション・ロック方式とは、増幅段レーザのリア側及びフロント側の両方に反射ミラーを配置する方式であり、増幅段レーザにおいてもレーザ共振器が構成される。いずれの方式を採用しても、発振段レーザにおいて低次の横モードのレーザビームが放出されれば、増幅段レーザによって増幅されて放出されるレーザビームも低次の横モードを維持することができ、集光性が高くなる。なお、このように駆動用レーザにおいて複数台のレーザ装置を直列に接続する場合には、レーザ媒質が同種のものであることが好ましい。

発振段のＹＡＧレーザ２１においては、ＳＢＳ（誘導ブリルアン散乱）素子やアダプティブ光学素子等の光学素子を用いて、シングルモードかつ横モードが達成されている。発振段のＹＡＧレーザ２１は、波長が１μｍ近傍のレーザビームを発生する。発振段レーザは低出力で良いため、約１０ｋＨｚまでの高い周波数の繰り返し発振やビームモードの安定化を、比較的容易に図ることができる。

一方、増幅段のＹＡＧレーザ２２、２３、２４は、高出力レーザとされている。発振段のＹＡＧレーザ２１から増幅段のＹＡＧレーザ２２に入射された低出力のパルス光は、高出力ＹＡＧレーザ２２、２３、２４内を順々に進行して増幅される。これにより必要なエネルギーが得られ、集光性が高くエネルギーも高いレーザビームが、高出力ＹＡＧレーザ２４から出力される。

ＥＵＶ光源の大きさは、エテンデュの制約を満たすことが必要である。それより大きいと、露光に利用できる光束の割合が減少し、効率が低くなってしまうからである。従って、ＥＵＶ光源の駆動用レーザとして利用するためには、レーザビームの径が十分に小さくなければならない。本発明においては、発振段レーザとして、低次の横モードを有するレーザを用いているので、レーザビームの径を十分に小さくすることができる。

図３に、本実施形態において使用される駆動用レーザの第２の具体例を示す。第２の具体例においては、炭酸ガスレーザを３台直列に接続して、ＭＯＰＡ方式のレーザとしている。ここではＭＯＰＡ方式のレーザについて例示するが、インジェクション・ロック方式のレーザとしても良い。

図３に示すように、出力１０ＷのパルスＣＯ_２レーザ３１を発振段に配置し、増幅段には、２台のＣＷ（連続波）−ＣＯ_２レーザ３２、３３を配置している。発振段のパルスＣＯ_２レーザ３１は、高い繰り返し周波数（例えば、１００ｋＨｚ）でパルス光を発生することが可能である。この例においては、発振段のパルスＣＯ_２レーザ３１が横モードかつシングルモードで動作し、波長が１０μｍ近傍のレーザビームを発生する。

増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３２は、８個の炭酸ガスレーザ１〜８を含み、増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３３も、８個の炭酸ガスレーザ９〜１６を含んでいる。図３において、これらの炭酸ガスレーザ内をレーザビームが通過する様子が、矢印で示されている。発振段のパルスＣＯ_２レーザ３１から増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３２に入射された低出力のパルス光は、炭酸ガスレーザ１〜１６内を進行して増幅され、集光性が高くエネルギーも高いレーザビームが、増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３３から出力される。本実施形態においては、発振段のパルスＣＯ_２レーザ３１から出射された１０Ｗのレーザビームが、４０ｋＷに増幅されて増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３３から出射される。

ＣＷ−ＣＯ_２レーザは連続励起動作を行うので、レーザビームの繰り返し周波数は、発振段レーザの性能に支配される。このことは、例えば、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、６ｋＨｚ等の高い繰り返し周波数でＥＵＶ光を出力する場合に有利である。しかしながら、出力されるレーザビームのエネルギー密度を高くすることはできない。なお、増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザ３２、３３については、発振段のパルスＣＯ_２レーザ３１と同期をとって変調をかければ、無駄な励起エネルギーを節約してシステム効率を向上させることができる。

図１に示す光源装置において、駆動用レーザとしてＣＯ_２レーザを用いれば、波長の長いレーザビームを低密度のガス状態ターゲットに照射してＥＵＶ光を発生することができる。そのため、ノズル１０３の開口部からプラズマ１０４までの距離をかなり長くとることができ、プラズマによるノズルのダメージや加熱の問題を軽減し、デブリの発生を抑圧して反射鏡の寿命を長くすることができる。また、ノズルの開口部とプラズマが発生する位置との間隔を離すことができるので、ＥＵＶ光を取り出すための集光光学系の配置に関する設計が容易になる。

図４に、本実施形態において使用される駆動用レーザの第３の具体例を示す。第３の具体例においては、第２の具体例における増幅段のＣＷ−ＣＯ_２レーザを、パルス発振レーザであるＴＥＡ（transversely excited atmospheric）−ＣＯ_２レーザに置き換えている。ＴＥＡレーザは、数気圧に達する圧力の混合ガス内で反転分布と利得を得るために、光軸と交差した電気放電を行い、赤外〜紫外と広い波長範囲を有するコヒーレント光源である。

図４に示すように、発振段にパルスＣＯ_２レーザ４１を配置し、増幅段に２台のＴＥＡ−ＣＯ_２レーザ４２、４３を配置している。この場合には、発振の繰り返し周波数がＴＥＡ−ＣＯ_２レーザの性能に支配されるため、繰り返し周波数を高くすることは難しいが、出力されるレーザビームのエネルギーのピーク値を高くすることができる。

次に、本発明の一実施形態に係る露光装置について説明する。図５に、本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を示す。この露光装置は、以上において説明した光源装置を光源として用いており、光源におけるデブリが少ないため、光学系への悪影響を小さくできる。

図５に示すように、露光装置は、ＥＵＶ光を発生する光源装置１００と、光源装置１００によって発生されたＥＵＶ光を複数のミラーを用いて反射し、レチクルステージ３００に取り付けられたレチクル（マスク）を照明する照明光学系２００と、マスクから反射されたＥＵＶ光を用いて対象物を露光させる投影光学系４０１とを含んでいる。投影光学系４０１は、ウエハを設置するためのウエハステージ４０２や、ウエハ５００の位置を検出するウエハアライメントセンサ４０３と共に、露光器４００を構成している。露光装置の全体は、真空ポンプ等により低圧力に保たれた真空系内に設置されている。

次に、本実施形態に係る露光装置の動作について説明する。
光源装置１００は、エテンデュが十分に小さい高エネルギーのＥＵＶ光を出力する。従って、露光に利用できる光束の割合が高く、効率が良い。照明光学系２００は、光源装置１００から出力されたＥＵＶ光を、集光ミラー２０１、２０２、２０３によって反射し、レチクルステージ３００を照明する。このように、照明光学系２００は、全て反射系で構成されており、トータルの反射率は、約０．６５となっている。

レチクルステージ３００の図中下側には、所望のパターンが形成されたマスクが取り付けられており、このマスクは、形成されたパターンに従って、照明光学系２００から入射されたＥＵＶ光を反射する。露光器４００に設けられた投影光学系４０１は、マスクによって反射されたＥＵＶ光を、ウエハステージ４０２上のウエハ５００に塗布されたレジストに投影して、レジストを露光する。これにより、マスク上のパターンを縮小して、ウエハ上のレジストに転写することができる。レチクルステージ３００及びウエハステージ４０２は、光軸に対して垂直に移動可能であり、レチクルステージ３００及びウエハステージ４０２を移動させることにより、全マスクパターンを露光する。

以上説明したように、本発明によれば、低次の横モードを有する発振段レーザにより発生した集光性の高いレーザビームを増幅段レーザで増幅してターゲットに照射するため、エテンデュが小さく、高出力を取り出すことができ、デブリによる損傷の少ない光源装置を提供することができる。さらにまた、この光源装置を用いて、微細な光リソグラフィを実現する露光装置を提供することができる。

１〜１６…炭酸ガスレーザ、２１、３１、４１…発振段レーザ、２２〜２４、３２、３３、４２、４３…増幅段レーザ、１００…光源装置、１０１…駆動用レーザ、１０２…集光レンズ、１０３…ノズル、１０４…プラズマ、１０５…反射鏡、１０６…デブリシールド、１０７…ＥＵＶの平行光、１０８…ターゲット供給装置、２００…照明光学系、２０１、２０２、２０３…集光ミラー、３００…レチクルステージ、４００…露光器、４０１…投影光学系、４０２…ウエハステージ、４０３…ウエハアライメントセンサ、５００…ウエハ

Claims (9)

1. ターゲットにパルスレーザビームを照射することにより極端紫外光を発生する光源装置であって、
   前記ターゲットとなる物質を供給するターゲット供給部と、
   前記ターゲットにパルスレーザビームを照射することによりプラズマを発生させるレーザ部と、
   前記プラズマから放出される極端紫外光を集光する集光光学系とを備え、
   前記レーザ部は、
   前記パルスレーザビームを所定の繰り返し周波数で発生する発振段と、
   前記パルスレーザビームを低次の横モードにするアダプティブ光学素子と、
   媒質として二酸化炭素ガスを含み、前記パルスレーザビームを増幅する少なくとも１つの増幅段とを備え、
   前記発振段と前記少なくとも１つの増幅段とは、ＭＯＰＡ（master oscillator power amplifier）方式で直列に接続され、
   前記アダプティブ光学素子は、前記パルスレーザビームの光路上に配置されたことを特徴とする光源装置。
2. 前記少なくとも１つの増幅段が、前記パルスレーザビームを、連続励起動作によって増幅する増幅段を含む、請求項１記載の光源装置。
3. 前記少なくとも１つの増幅段が、前記パルスレーザビームを、前記発振段と同期をとって変調をかける励起動作によって増幅する増幅段を含む、請求項１記載の光源装置。
4. 前記レーザ部が、ＹＡＧレーザをさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の光源装置。
5. 前記ターゲットが、イオンを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の光源装置。
6. デブリを取り除いて極端紫外光を通過させるデブリシールドをさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の光源装置。
7. 前記デブリシールドが、前記集光光学系によって集光される極端紫外光の光路上に配置されている、請求項６記載の光源装置。
8. 前記発振段が、横シングルモードのパルスレーザビームを発生する炭酸ガスレーザを含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の光源装置と、
   前記光源装置によって発生された極端紫外光を用いてマスクを照明する照明光学系と、
   前記マスクから反射された極端紫外光を用いて対象物を露光させる投影光学系と、
   を具備する露光装置。

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