JP2018037277A - レーザ駆動ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光ガスとして希ガスが封入された石英ガラスからなるプラズマ容器を備え、該プラズマ容器内にレーザ光を集光させることによりプラズマを生成し、このプラズマから光を放射するレーザ駆動ランプにおいて、希ガスにより生成されたＶＵＶ光によって石英ガラスに欠陥が生成されて、透過率が劣化したり、プラズマ容器が破損したりすることを防止したレーザ駆動ランプを提供するものである。
【解決手段】プラズマ容器を構成する石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度が、３００ｐｐｍＷｔ％以上であり、前記プラズマ容器の内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を形成したことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザ駆動ランプに関するものであり、特に、希ガスが封入されたプラズマ容器内にレーザ光を照射するレーザ駆動ランプに係わるものである。

近年、半導体ウエハのマスクパターンの検査や酸化膜の膜厚測定などの分野において、入力電力の大きな紫外線光源として、発光ガスが封入されたチャンバ（プラズマ容器）内にレーザ光を集光させてプラズマを生成し、連続的な高輝度光を発生させるレーザ駆動光源が提案されている。特表２０１３−５１９２１１号公報（特許文献１）がその一例である。

特許文献１には、図７に示すように、希ガス、水銀等のイオン性媒体が封入されたチャンバ（管球）２１と、該チャンバ２１内のイオン性媒体をイオン化するための点火源である一対の電極３２、３３と、連続またはパルス状のレーザエネルギーを照射するレーザ源２４とを備えるレーザ駆動光源２０が開示されている。
該レーザ源２４は、光ファイバ２６を介してレーザ光２５を出力するダイオードレーザである。該光ファイバ２６は、レーザ光２５を実質的に互いに平行にするためのコリメータ２７にレーザ光２５を供給する。次いで、コリメータ２７はビームエキスパンダ２８にレーザ光２５を向ける。ビームエキスパンダ２８は、レーザ光のサイズを拡大してレーザ光を生成する。また、ビームエキスパンダ２８は、光学レンズ２９にレーザ光を向ける。光学レンズ２９は、チャンバ２１のうちのプラズマ３０が存在する領域に向けられる小径レーザ光を生成するためにレーザ光２５を集光する。

このレーザ駆動光源２０は、アノード３２およびカソード３３からなる点火源によってチャンバ２１内で予備放電を発生させてイオン性媒体をイオン化し、次いで、イオン化された媒体にレーザエネルギーを供給して高輝度光３１を発生するプラズマ３０を維持または生成するものである。

ところで、このようなランプには、従来、封入ガスとして、深紫外から近赤外までの範囲の光を放出できるキセノンガスが封入される。
このような広範囲の光を発光する光源を半導体検査装置用として利用する場合、用途によって波長の範囲を選択して使用される。例えば、半導体ウエハのマスクパターンの検査装置では１９０〜２６０ｎｍや、２６０〜４５０ｎｍが選択され、半導体ウエハの酸化膜の膜厚測定においては２５０〜８００ｎｍが選択される。

これら検査装置は、検査時間をより短縮させることが性能価値の一つとして挙げられており、それを実現するために光源には光の強度の向上が求められている。
同じレーザパワーにおいて、例えば、１９０〜２６０ｎｍの範囲の光の強度を上げようとすれば、従来のキセノンガスに替え、アルゴンガスを封入して封入圧を上げたほうが、プラズマの発光効率が上がることが知られている。
このように封入ガスをアルゴンガスに変更すれば、図６に示すように、プラズマの発光効率が向上する。しかし、同時にプラズマからは１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光も放射されており、アルゴンはキセノンよりも短波長に発光が多い。そのため、封入ガスとしてアルゴンガスを封入した場合、プラズマ容器の内面は、キセノンガスを封入した場合よりも、より短波長側で、かつ、より高いエネルギーのＶＵＶ光に曝されることになる。

ＶＵＶ光は、ガラスにＥプライムセンターやＮＢＯＨセンターといった欠陥を生成する。それらの欠陥は、２００〜２５０ｎｍの波長を吸収する特性があるため、点灯後早い時間で欠陥量が増えてしまうと、本来所望される１９０〜２６０ｎｍの光量維持率寿命が短くなってしまうという欠点がある。
このような欠点を補うため、プラズマ容器を構成する石英（合成石英）ガラスにＯＨ基を含有させることが知られている。ＯＨ基により、ＶＵＶ光により生じた欠陥を修復しようとするものである。

しかしながら、前述したように、プラズマ容器からの出力増大のためにキセノンに代えてアルゴンを封入したレーザ駆動ランプにおいては、１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光の強度が大きく、特に、より短波長側の出力が大きいために、欠陥の程度が大きくて、石英ガラスに単にＯＨ基を含有させるだけでは、欠陥の生成を修復しきれず、透過率の劣化や、欠陥によるプラズマ容器の破損を招くといった問題があった。

特表２０１３−５１９２１１号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光ガスとして希ガスが封入された石英ガラスからなるプラズマ容器を備え、該プラズマ容器内にレーザ光を集光させることによりプラズマを生成し、このプラズマから光を放射するレーザ駆動ランプにおいて、希ガスにより生成されたＶＵＶ光によって石英ガラスに欠陥が生成されて、透過率が劣化したり、プラズマ容器が破損したりすることを防止したレーザ駆動ランプを提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動ランプは、前記プラズマ容器を構成する石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度が、３００ｐｐｍＷｔ％以上であり、前記プラズマ容器の内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を形成したことを特徴とする。
また、前記石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度が、１０００ｐｐｍＷｔ％以下であることを特徴とする。
また、前記希ガスがアルゴンガスであることを特徴とする。

本発明によれば、ＯＨ基の濃度が、３００ｐｐｍＷｔ％以上含有された石英ガラスからなるプラズマ容器の内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を形成したことにより、プラズマ容器内でのプラズマから発生する１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光がこの酸化マグネシウム層によって反射されるので、プラズマ容器を構成する石英ガラスに照射されることがなく、当該石英ガラスに欠陥を生じさせることがない。
これにより、必要とされる、例えば、１９０〜２６０ｎｍの波長域の光量維持率が長期に亘って低下することがなく、プラズマ容器が破損することもないという効果を奏するものである。

本発明のレーザ駆動ランプの断面図。 図１の要部であるプラズマ容器の断面図。 石英ガラスからの出射波長。 石英ガラスへの入射波長。 ＭｇＯ層を有しない石英ガラスのＯＨ基濃度による透過率。 ＡｒとＸｅの発光波長の説明図。 従来のレーザ駆動ランプの説明図。

図１に本発明のレーザ駆動ランプ１の全体構造が示されていて、発光部（プラズマ容器）２内には対向する一対の電極３、４が配置されていて、このプラズマ容器２には、その両端に延びる封止部５、５が設けられている。電極３、４は、金属箔６、７によって封止部５、５内で封止されている。
プラズマ容器２は、前述した１９０〜２６０ｎｍの光を利用する場合、合成石英ガラスを使用することができる。

このプラズマ容器２を構成する石英ガラスには、ＯＨ基が含有されており、その濃度は３００ｐｐｍＷｔ％以上である。
含有されるＯＨ基濃度による波長による透過率の変化が図５のグラフに示されている。図５は、点灯後７２０時間経過時点での透過率を表わし、ＯＨ基濃度が高いほど透過率が高水準に保たれている。なお、（１）は、比較のために示す、ＯＨ基濃度１０００ｐｐｍであって点灯前のもの、（２）はＯＨ基濃度１０００ｐｐｍで点灯時間が７２０時間経過後のもの、（３）はＯＨ基濃度３００ｐｐｍで７２０時間経過後のものを表す。

このグラフから、Ｅ’センター（２１５ｎｍ）やＮＢＯＨセンター（２５８ｎｍ）の欠陥による透過率を比較すると以下のような表１になる。
＜表１＞

図５のグラフおよび表1からも分かるように、ＯＨ基濃度が３００ｎｍＷｔ％以上の時、Ｅ’センターやＮＢＯＨセンターの欠陥に基づいて透過率の低下があっても、その透過率は８５％以上に保たれていて、実用上問題がない。
このように、ＯＨ基濃度によって透過率の劣化の程度が異なるのは、真空紫外光（ＶＵＶ光）によって石英内に生成された欠陥にＯＨ基が作用し、欠陥を修復するためと考えられる。

ところで、ＯＨ基濃度が高いと欠陥の修復作用が高いが、一方で失透の進行は早くなる。
失透の原因について説明すると以下の通りである。石英ガラスの温度が上がると、石英ガラス中に含まれるＯＨ基は加水分解され、水素原子が発生する。この水素原子がガラス網目を切断することにより失透が発生する。石英ガラス中のＯＨ基濃度が高いと、それだけ水素原子を発生させることになり、失透し易くなるものである。
石英ガラスのプラズマ容器のＯＨ基濃度と、欠陥の回復および失透の進行を定性的に示すと以下の表２のようになる。
＜表２＞

このように、ＶＵＶ光による欠陥の修復の効果を大きくしようとすれば、ＯＨ基濃度を高くすることが必要であるが、一方で、失透の進行程度が早くなり、かつ、製造上で気泡が発生することがあるために、１０００ｐｐｍ以下程度が望ましい。

本発明では、図２に示すように、ＯＨ基濃度を３００ｐｐｍ以上含有する石英ガラスからなるプラズマ容器２の内面に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層１０が形成されているものである。
この酸化マグネシウム層１０が形成された石英ガラスと、酸化マグネシウム層のない石英ガラスの波長−透過率が図３に示されている。
このグラフにおいて、実線は酸化マグネシウム層を有する石英ガラス（１）の透過率を示し、点線は、酸化マグネシウム層のない石英ガラス（２）の透過率を示している。
ところで、このグラフでは、共にプラズマ容器を構成する石英ガラスから出射される波長の透過率を見ているものではあるが、その意味するところは異なる。

図４により説明すると以下のようである。
つまり、酸化マグネシウム層を有する石英ガラス（１）にあっては、酸化マグネシウム層によって１９０ｎｍ以下の波長が徐々にカットされていて、これより短波長の光は、もともと石英ガラスに入射することがない。
これに対して、酸化マグネシウムを有しない石英ガラス（２）にあっては、グラフ中で、点線で示したように、プラズマ容器内で発生した１９０ｎｍ以下の波長の光も石英ガラスに入射しており、これらの短波長の光が石英ガラスによって吸収されて、図３の点線で示すように、１７０ｎｍ以下の光が石英ガラスから出射されなくなっているものである。

つまり、もともと酸化マグネシウム層によって１９０ｎｍ以下の光がカットされて石英ガラスに入射するもの（１）と、酸化マグネシウム層がなくて１９０ｎｍ以下の短波長の光も石英ガラスに入射し、石英ガラスによって短波長域が吸収されるもの（２）との差異がある。
このように、短波長域の光が石英ガラスに吸収されると、先に述べたように、欠陥が生じ、所望の波長域の透過率の低下、ひいてはプラズマ容器の破損を招くことになる。

ところで、キセノンガスからアルゴンガスに変更することで、プラズマ容器内では、より短波長側のＶＵＶ光がより多量に発生して、石英ガラスでの欠陥の発生も増加することが想定されるが、酸化マグネシウム層を形成することで、１９０ｎｍ以下の光がカットされるので、石英ガラスに短波長域の光がそのまま照射されることはない。
図４で示されるように、石英ガラスに照射される１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光の光量を比較すると、酸化マグネシウム層を用いた場合（１）の光量Ｘ（１９０ｎｍと実線で囲われた領域）は、酸化マグネシウムを用いない場合（２）の光量Ｙ（１９０ｎｍと点線で囲われた領域）よりも、格段に小さくなり、その結果、石英ガラスにおける欠陥の発生が効果的に抑制される。

なお、以上の説明においては、光出力の増加のためにアルゴンガスを封入したものを例示して説明したが、従来からのキセノンガスを封入したレーザ駆動ランプにおいても、酸化マグネシウム層の優位性は同様なものがあるので、キセノンガス封入のレーザ駆動ランプに適用することもできる。
また、図１、２では、プラズマ容器には一対の電極を有するものとして記載されているが、点火源としてレーザ光を用いる、いわゆる無電極タイプのプラズマ容器であってもよい。

上記のように、この発明のレーザ駆動ランプでは、プラズマ容器を構成する石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度を、３００ｐｐｍＷｔ％以上とし、該プラズマ容器の内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を形成したことにより、プラズマ容器内でのプラズマからの光のうち、１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光を該酸化マグネシウム層により遮断することで、これらの光がプラズマ容器を構成する石英ガラスに照射されることがなく、石英ガラスに欠陥を発生することが抑制され、生成される微量の欠陥はＯＨ基により修復されるので、必要とする波長域、例えば、１９０〜２６０ｎｍの光の透過率の低下を抑制するとともに、プラズマ容器の破損を招くことも防止される。

１ レーザ駆動ランプ
２ プラズマ容器（発光部）
３、４ 電極
５ 封止部
６、７ 金属箔
１０ 酸化マグネシウム層

Claims (3)

1. 発光ガスとして希ガスが封入された石英ガラスからなるプラズマ容器を備え、該プラズマ容器内にレーザ光を集光させることによりプラズマを生成し、このプラズマから光を放射するレーザ駆動ランプにおいて、
   前記プラズマ容器を構成する石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度が、３００ｐｐｍＷｔ％以上であり、
   前記プラズマ容器の内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を形成したことを特徴とするレーザ駆動ランプ。
2. 前記石英ガラスに含有されるＯＨ基の濃度が、１０００ｐｐｍＷｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
3. 前記希ガスがアルゴンガスであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ駆動ランプ。
   
   
   

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