JP3046955B2 - ガス添加剤を含む狭帯域エキシマレーザー - Google Patents

ガス添加剤を含む狭帯域エキシマレーザー

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    • H01S3/2256—KrF, i.e. krypton fluoride is comprised for lasing around 248 nm

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エキシマレーザー
に関するものであり、より詳細にはガス添加剤を含む狭
帯域エキシマレーザーに関するものである。
【０００２】
【技術的背景】エキシマレーザーは、集積回路のリトグ
ラフィー工業のための、一般的な機械用光源となりつつ
ある。典型的な従来のKrF エキシマレーザーを、図14お
よび図15に示す。パルス出力モジュールAEは、約100 ns
持続する電気パルスを、放電チャンバー８内に位置する
電極６に与える。これらの電極は、長さ約28インチ(71.
12cm) であり、かつ約3/5 インチ(1.524cm) の間隔で隔
置されている。典型的なリトグラフィー用レーザーは、
約1,000 Hzという高いパルスレートで動作した。そのた
めに、該電極間の空間を通して、レーザーガス（約0.1%
のフッ素、1.3%のクリプトンおよびバッファーガスとし
て機能する残部のネオン）を循環させる必要がある。こ
の循環は、該レーザー放出チャンバー内に配置されたタ
ンジェンシャルブロア10により実施する。該レーザーガ
スは、同様に該チャンバー内に配置された熱交換器によ
り冷却される。市販のエキシマレーザー装置は、典型的
には該装置の残りの部分を妨害することなしに、迅速に
置換できる幾つかのモジュールで構成される。主なモジ
ュールは、図１に示されており、レーザーチャンバー
８、パルス出力モジュール16、ライン制限(line narrow
ing)モジュール18、波長計20、コンピュータ制御装置2
2、周辺支持補助システム、ブロア10を含む。
【０００３】該放電チャンバーは、約３気圧の圧力下で
動作する。これらレーザーは約600Hz〜約1,000 Hzにお
いてあるパルスモードで動作し、パルス当たりのエネル
ギーは約10mJであり、かつ該レーザーパルスの持続時間
は約15nsである。従って、該レーザービームの平均出力
は約６〜10W であり、かつ該パルスの平均の出力は約70
0 KW程度である。典型的な動作モードは、動作の「バー
ストモード(burst mode)」と呼ばれる。このモードにお
いて、該レーザーは1,000 パルス／秒の速度で約50〜 1
50パルスのバーストを生ずる。かくして、該バーストの
持続時間は、約50〜 150ミリ秒である。公知技術のリト
グラフィー用エキシマレーザーは、フィードバック電位
制御回路を備えており、該制御回路は出力パルスエネル
ギーを測定し、かつ自動的に該放電電位を調節して、所
定（通常は一定）の出力パルスエネルギーを維持する。
該出力パルスエネルギーを、該所定レベルに精度よく制
御することは、極めて重要である。
【０００４】300 nm以下の波長において、チップのリト
グラフィーのために利用されるステッパーレンズを生成
するのに利用可能な、ただ一つの適当な光学材料が存在
することは、周知である。この材料とは、溶融シリカで
ある。溶融シリカステッパーレンズは全て、色補正能を
もたないであろう。該KrF エキシマレーザーは、約300
pmの自然のバンド幅（半値幅）を有する。（NA>0.5をも
つ）ステッパーまたはスキャナー型の屈折系について
は、このバンド幅を、１pm以下に減ずる必要がある。通
常の公知技術の市販品として入手可能なレーザーシステ
ムは、バンド幅約0.8 pm(0.0008nm)をもつ公称波長約24
8 nmの、KrF エキシマレーザービームを与えることがで
きる。最良の市販のレーザーにおける波長安定性は、約
0.25pmである。これらパラメータにより、ステッパーメ
ーカーはステッパー装置を提供し、約0.3 μの集積回路
解像度を与えることができる。解像度を改善するために
は、より狭いバンド幅が必要である。例えば、0.6 pm以
下までのバンド幅の低下は、0.25μ以下への解像度の改
良を可能とするであろう。
【０００５】波長約190 nmにて動作し、約0.08〜0.12%
のフッ素、3.5%のアルゴンおよび残部のネオンを含むガ
ス混合物を使用した、フッ化アルゴンArF エキシマレー
ザーが、集積回路用リトグラフィーのために使用され始
めた。エキシマレーザー用ガス混合物に対して、約10〜
50 ppmの酸素を添加して、該レーザーの効率および性能
を安定化できることは公知である。これについては、例
えば米国特許第5,307,364 号を参照のこと。従って、集
積回路用リトグラフィー装置の実際の性能は、該レーザ
ーの最小のバンド幅の、その動作寿命全体に渡る維持
に、決定的に依存する。従って、長期間に渡る工場での
作業を可能とし、かつ正確に制御されたパルスエネルギ
ーの安定性、波長およびバンド幅を有する、高信頼度の
製造性能をもつエキシマレーザーシステムに対する需要
がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上記の従来技術の問題点を解決することを可能とす
る、改良されたエキシマレーザーを提供することにあ
る。より詳細には、本発明の目的は、ガス添加剤を含む
狭帯域エキシマレーザーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、高いエネルギ
ードーズ制御性および再現性を有する、約500 〜2000Hz
の範囲内の割合で、パルスを生成し得る、極めて狭帯域
のバンドパルスエキシマレーザーを提供する。極く少量
の酸素あるいは重質の希ガス(KrFに対しては、キセノン
またはラドン、あるいはArF レーザーに対してはクリプ
トン、キセノンまたはラドン）からなる安定化添加剤
を、該ガス混合物に添加する。実施したテストは、KrF
レーザーに対し、約30 ppmのキセノンの添加により、エ
ネルギー安定性が実質上改善されることを示す。テスト
は、また約6-10 ppmのXeまたは40 ppmのKrの添加によ
り、ArF レーザーの性能が改善されることを示す。好ま
しい態様においては、極めて狭いバンド幅は、KrF レー
ザーについては、フッ素分圧を0.10% 未満にまで下げる
ことにより、また出力カプラーの反射率を25% を越える
値にまで増大することにより達成される。好ましい態様
においては、公知技術のライン制限モジュールで使用さ
れた、公知の溶融シリカビーム拡大プリズムが、フッ化
カルシウムプリズムに置き換えられた。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい態様を以下に説
明する。レーザーの説明 図14は、今日集積回路リトグラフィーにおいて使用され
ている型の、市販のエキシマレーザーシステムの主な要
素を示す図である。チャンバー 放電チャンバー10は、腐食性ガスの幾つかの雰囲気を維
持するように設計された、導管(vessel)である。これら
の導管は、例えばASMEにより指定された基準等の、公知
の安全性基準を満たすように設計されている。1.2 〜2.
5 cmのギャップにより隔てられた２つの電極は、放電領
域を画成している。陰極は絶縁性の構造により支持され
ている。というのは、該陰極は高電圧に接続されている
からであり、一方で陽極は、接地電位となるように、金
属チャンバーに取り付けられている。予備イオン化は、
該放電領域の一方の側に配置されたコロナ放電予備イオ
ン化装置によりなされる。該ガスの腐食性のために、該
チャンバーとしては、フッ素による攻撃に耐性となるよ
うに選択された、特別な金属を使用している。しかしな
がら、該フッ素ガスは、依然として該チャンバーの内部
部品、例えばチャンバー壁および電極と反応し、かくし
てフッ素を消費し、また金属フッ素化物汚染物質を発生
する。
【０００９】このレーザーは、パルス発振(500〜2000H
z）するので、パルス間に該放電領域を清浄化すること
が本質的であり、作業は好ましくはタンジェンシャルブ
ロアにより遂行され、該ブロアは磁気的に外部の駆動源
と結合している。熱は、該チャンバー内部の、水冷フィ
ン熱交換器により、該レーザーガスから抜き取られる。
金属フッ化物のダストは、図示してない静電集塵機によ
り捕獲される。少量のレーザーガスを該チャンバーから
抜き取り、負に帯電した高電場のワイヤ上に通して、該
ダストを捕獲する。次いで、このダストを含まないガス
をそのウインドウ上に放出し、該ウインドウを清浄に保
つ。このガスは、該高速流により該チャンバー内に発生
した差圧によって、該集塵機を介して運ばれる。
【００１０】パルス出力モジュール この好ましい態様は、図１に示された固体パルス化出力
モジュール(SSPPM) 回路を利用する。従来のサイラトロ
ンシステムの20KV出力供給は１kV供給で置換される。こ
のサイラトロンスイッチは、C p を直接供給しないSCR
スイッチで置換されるが、代わりにC0なるエネルギー
を、C1、C2、C3、昇圧変圧器、および３つの飽和性イン
ダクタにより形成されるパルス圧縮回路に切り換える。
この回路の動作は、以下の通りである。C0で保存された
DC電荷は、該SCR およびインダクタL0を介してC1に切り
換えられる。該飽和性のインダクタL1は約2.5 nsの間C1
上の電位を阻止し、次いで導電性となり、C1からC2への
電荷の移動を可能とする。第二の飽和性インダクタL2は
約500 nsの間C2上の電位を阻止し、次いでC2上の該電荷
の、該第一の1:20昇圧変圧器を介する流れを可能とす
る。該昇圧変圧器からの出力は、該飽和性インダクタL3
が約100-150 ns以内に導電性となるまで、C3上に保存さ
れる。次いで、該電荷は最終的にL3からC p に移され、
レーザーの放出が起こる。
【００１１】スペクトル幅制限 前に述べたように、自走KrF エキシマレーザーのバンド
幅(FWHM)は、約300 pmである。一般的に、エキシマステ
ッパーは、レンズのNAに応じて、0.8 〜３pmの範囲に狭
められたスペクトルをもつレーザーFWHMを使用してい
る。積算(integrated)エネルギースペクトルおよび95%
エネルギーにおけるスペクトル幅が、該FWHM値よりも、
ステッパー性能にとってより重要であることに注目すべ
きである。しかし、多くのユーザーは、95% エネルギー
におけるスペクトル幅の代わりに、FWHMについて論ずる
ことが便利であることを見出している。KrF レーザーの
スペクトル幅制限はその短いパルス持続時間（10〜15n
s, FWHM）およびUV波長のために複雑である。この短い
パルスは、極めて高い空洞内出力（〜1 MW/cm2) をもた
らし、かつ該短い波長は、その248 nmにおける高い吸収
係数のために、光学的物質を熱的に歪ませる可能性があ
る。また、典型的なレーザーに関する、共振器（ライン
を狭める光学的要素を含む）を介する全往復数は小さ
く、約３〜４である。該共振器を介する単一パスライン
幅(linewidth) をΔλ 1 で表した場合には、ｎ回のパス
後の最終的なライン幅Δλf は以下の式で与えられる： Δλf ＝Δλ1 ／√n
【００１２】従って、該光学系の単一パスライン幅は、
大きくとも該最終的なライン幅の２倍とすべきである。
事実、本出願人の共同研究者等による時間分解スペクト
ル測定は、該スペクトルライン幅が、該パルスの開始時
点から該パルスの端部までに、1/2 に減少する可能性が
あることを示している。従って、該光学系の該ブロード
なバンドの、制限されたラインスペクトルへの変換（即
ち、300 pmから<1pmへの変換）効率は極めて高い値であ
る必要がある。該KrF レーザーのラインを狭める一般的
な技術は、該共振器に波長分散性の光学要素を組み込む
ことである。３種の型の分散性要素、即ちプリズム、エ
タロンおよび格子を使用できる。リトロー構成における
高分散性の格子の使用が、最も単純かつ最も効果的なス
ペクトル幅制限技術である。該格子は分散性の要素であ
るので、これにより得られるライン幅は該ビームの発散
性に比例する。狭いライン幅を達成するためには、小さ
なビーム発散性が必要とされる。従って、２スリットか
つ３プリズムのビーム拡張器を、該レーザー共振器に挿
入する。好ましいライン幅制限モジュールの主な要素を
図６に示した。これらは、３個のプリズム30、32および
34、旋回ミラー3Cおよびエシェル(eschelle)格子38を含
む。該ミラーは該レーザーの波長を変えるために設けら
れている。
【００１３】改良されたスペクトル性能 本出願人およびその共同研究者は、２pm以内のレーザー
ビームのエネルギーの95% をもつFWHMにおける、0.50pm
なるライン幅規格を満たすことのできる、レーザーKrF
エキシマレーザー装置を設計し、作成し、かつテストし
た。これら結果は、新規な、中間的なおよび古典的な放
電チャンバーでの、80ミリオンパルスについて立証され
ているが、但し該システムは、通常のメンテナンスで、
該装置の正常な寿命を越える、これら規格内での連続的
な性能をもつことが可能である。これら結果は、公知技
術の狭いバンドをもつエキシマレーザーよりも約50% 勝
る改良を表す。この改良された性能を達成するために、
本出願人は、該レーザー装置および該レーザーの動作パ
ラメータ両者を改良した。
【００１４】フッ素消費の低下 本出願人により作成され、かつテストされた、本発明の
好ましい態様においては、フッ素を消費する放電チャン
バーからの物質の除去のために、多大な注意が払われ
た。放電チャンバーにおけるフッ素の消費は、該チャン
バー中の物質とフッ素との反応によるものである。これ
ら反応は典型的には汚染物質を生成し、この汚染物質の
生成は、レーザー性能の低下をもたらす。フッ素の消費
を最小化するために、この好ましい態様は、以下の特別
な特徴を有する。該チャンバー壁はニッケルで被覆され
たアルミニウム製である。該電極は真鍮製である。あら
ゆる金属O-リングが、封止材として使用される。絶縁物
質は全てセラミックスでありかつフッ素相容性である。
アルミナが、本出願人にとって好ましい絶縁材料であ
る。静電フィルタが、動作中に生成される汚染物質を濾
過するための、公知技術における工夫として、設けられ
ている。該ファン装置は、公知技術で使用する、該封止
された放電チャンバー外に配置された、磁気的に結合さ
れたモーターを使用して駆動される。製造中、部品を精
密浄化して、可能な汚染物質を除去する。組み立て後、
該チャンバーはフッ素によって不動態化される。
【００１５】公称フッ素濃度の低下 この好ましい態様は、該所定の極めて狭いバンド幅の出
力を得るために、動作手順における実質的な変更を必要
とする。該フッ素濃度は、0.1%(30 kPa)から0.06%(18kP
a)に減じられる。全ガス圧は約300kPaである（該Krの濃
度は、公知技術のレベル約1.3%に維持され、また該レー
ザーガスの残部はネオンである）。動作中、フッ素は徐
々に枯渇する。一定のパルスエネルギーが、公知技術に
従って、該レーザーの動作電位を徐々に増大することに
より得られる。フッ素とネオンとの混合物の注入は、周
期的に（典型的には、約１〜４時間の時間間隔で）行
い、該エキシマレーザーの公知技術において周知の技術
に従って、該フッ素の枯渇を補充する。この手順中に、
該フッ素濃度は、好ましくは約0.055%〜0.065%の範囲内
に維持され、また該作動電位は、一定のパルスエネルギ
ーを維持するのに適当な、対応する範囲内に維持され
る。例えば、好ましい態様において、その範囲は670 Ｖ
〜790 Ｖの範囲であった。
【００１６】出力カプラーの反射率の増加 本発明のこの好ましい態様において、該出力カプラーの
反射率は、公知技術の狭いバンド幅のエキシマレーザー
にとって典型的な約10% なる値から約30% に増大した。
これは該低下したフッ素濃度に起因するレーザー効率の
損失の補償を補助するために行った。フッ化カルシウムプリズムへの切替え 10% から30% への該出力カプラーの反射率における変化
は、該ライン制限モジュールを通過する光をほぼ２倍に
する効果を有していた。該公知技術の溶融シリカプリズ
ムにおける、この付随的な照明によって発生する付加的
な熱は、該プリズム内に熱的な歪を生じた。この問題を
解決するために、該溶融シリカプリズムをフッ化カルシ
ウムプリズムと交換した。フッ化カルシウムは、高い熱
伝導性をもち、また不当な歪の発生なしに、該付随的な
エネルギーを処理することを可能とした。
【００１７】フッ素の低下 図８は動作電位、フッ素濃度およびパルスエネルギー間
の関係を示す。このグラフは、該フッ素濃度が減少する
に伴って、パルス当たり10mJという所定の出力を維持す
るためには、電位を増大する必要があることを示してい
る。しかしながら、この特定の態様においては、該動作
電位の上限は800 Ｖである。10% R 出力カプラーを使用
することにより、10mJなる出力に対応する最低のフッ素
濃度は25kPaであり、この電位において該作動電位は800
V に上昇するであろうことに注意すべきである。しか
しながら、30% R 出力カプラーを使用した場合、該フッ
素濃度は約20 kPa程度まで減少し、一方で800 V よりも
僅かに低い作動電位によって、依然として10mJというパ
ルスエネルギーを維持することができた。図９は、1000
Hzにおける連続パルス、および500 パルスバーストおよ
び1000Hz両者に対して、ライン幅（FWHMおよび95% パル
スエネルギーにおいて測定）に関する、該フッ素濃度の
減少に関する実際のテスト結果を示す図である。この特
定のテストに対して、該出力カプラーは25% の反射率を
有していた。公知技術のKrF システムに関する典型的な
レーザーパルス形状および極めてバンド幅の狭いKrF レ
ーザーに関する該形状は、図10の(A) および(B) におい
て比較してある。この極めてバンド幅の狭いレーザーを
使用することにより、エネルギーが該パルスの後方部分
にシフトし、これがフォトンを表し、該ライン制限モジ
ュールを介して更に飛行するという利点をもつこととな
ることに注目すべきである。結果として、該レーザーの
総合的パルススペクトルライン幅は減少する。
【００１８】バーストモード動作 本明細書の背景技術部分で記載したように、KrF レーザ
ーの動作の典型的なモードは「バーストモード」であ
り、このモードにおいて約125 パルスのバーストが、10
00／秒なる割合で生成される。該バーストは約125 ms持
続し、また典型的にはバースト間に、１秒の一部に相当
する「デッドタイム」がある。本出願人のKrF レーザー
はレーザーガス約0.017 m3含み、またブロア10により生
成される該電極間のガス流量は、約0.228m3/秒である。
これは、約75msなる全ガス循環時間を示すが、該チャン
バー内の流動は均一なものとはほど遠く、該ガスの一部
はより高速で循環する。該電極間の該ガスの速度は、約
20m/秒であり、また本出願人は、この高速のガスが約20
ms以内に飛行を行うものと評価した。本出願人は、該バ
ースト中の第一のパルスまたは初めの数パルスにより発
生する、「スラグ効果(slug effect)」を見出した。この
スラグ効果を図11に示したが、この図は50バーストに渡
り平均した123 パルスの典型的なバーストの123 パルス
各々に関するパルスエネルギーをプロットした図であ
る。該第一のパルス後の大きなドロップオフおよび第21
番目のパルス、即ち該第一のパルスの約21ms後のパルス
後の大きなディップ(dip) がある。このディップは極め
て再現性の高いものであり、該ディップのタイミング
は、該ファン速度に比例する。本出願人は、この初めの
40秒間の極めて再現性の高い並外れた性能が何に起因す
るのか知らないが、これを「スラグ効果」と定義し、こ
れは、該電極間を通過する「清浄な」レーザーガスが、
該第一のパルスまたは該最初の数パルス中に、20,000 V
で吹き出される際に発生する、化学的作用に帰せられる
ものと考えられる。最初の30ms中に該電極間を通る該ガ
スは、その実質的に全てが、「清浄な」レーザーガスで
あるが、約20ms後には、該第一のパルス中に感電したガ
スは、該電極間に戻され始める。該バースト中で約39ms
後には、該レーザー中の該ガスは十分に混合され、かつ
該スラグ効果が消失する。
【００１９】ガス添加剤 本出願人は、その実験を通して、レーザー性能の実質的
な改良が、極めて少量の選択されたガスの添加により実
現し得ることを見出した。公知技術は約10〜50ppmの酸
素がエネルギー安定性を改善することを教示している。
しかしながら、これらの量の酸素は出力の減少を生じ、
これは安定性を過度に改善する傾向にある。本出願人
は、少量の酸素が、著しく有害な作用なしに、大幅な安
定性の改善を与えることを見出した。本出願人は、また
極少量の重質の希ガスの添加が、著しく有害な作用なし
に、大幅な改善をもたらすことをも見出した。 キセノン添加剤 動作電位および効率に及ぼすキセノン添加剤の効果を、
図７の(A) に与えた。効率の低下率は、キセノン1ppm当
たり約0.15% である。エネルギー安定性は、あらゆるキ
セノン濃度に対して顕著に改善されたが、30 ppm近傍に
小さな極大値を示した。この極大値は、図では明確でな
い。以下の全てのテストは、キセノン濃度30 ppmを使用
して実施した。エネルギー対電位特性を、図７の(B) に
与える。該エネルギーは、全範囲に渡りキセノンの使用
により低くなる。
【００２０】バーストトランジェントを、図７の(C) お
よび(D) で比較した。キセノンを使用することにより、
エネルギートランジェントは、特に最初の10パルスに対
して減少し、これはエネルギーアルゴリズムを容易にす
る。キセノンによる主な改良は、エネルギー安定性に見
られ、該安定性は全てのパルス数に対して減少する。こ
れは酸素の効果と対照的であり、該酸素の効果は循環に
対してのみ作用する。事実、該チャンバーは如何なる循
環も示さず、従ってキセノンの循環作用はこのチャンバ
ーでは確認できなかった。ブロア速度4200 rpmに対し
て、該循環は約20msにおいて生じるはずである（循環作
用を示さないチャンバーを使用した後のテストは、30 p
pmのキセノンが、該循環作用における少なくとも僅かな
減少をもたらすことを確証したことに注意）。該レーザ
ーエネルギーは、反復率（図７の(E) 参照）には殆ど独
立であり、該キセノン混合物はかなり低い値を与える。
これとは対照的に、キセノンによるドーズ安定性の改善
は、高パルスレートにおいて最も顕著である。1kHzにお
いて、該エネルギー安定性は、恐らく放電安定性とは無
関係な作用、例えばデータ取得におけるノイズおよび高
電位出力供給調節により、支配的となる。我々は、>3V
ディザによる、２つの並行した5000出力供給を利用す
る。2kHzモードにおける該ドーズ安定性を、図７の(F)
に示した。30pmのキセノンの添加は、約0.1%だけ該ドー
ズ誤差を減ずる。これは実質的な改良である。
【００２１】キセノンの他のあらゆるビームパラメータ
（空間プロフィールおよび発散、ライン幅）に及ぼされ
る効果は観測されなかった。場合により、キセノン混合
物は狭いライン幅を与えることが分かった。しかしなが
ら、これは、殆ど該溶融シリカビーム拡大プリズムによ
り形成される人工的なものであると思われた。該プリズ
ムの冷却を可能とするキセノン混合物の生成には、更に
時間が必要である。記録されたライン幅は0.65pmFWHMお
よび1.90pm95% であった。これらライン幅は、恐らく良
好な熱的特性の故に、CaF2プリズムにより制限されると
思われる。エネルギー10mJにおける時間的プロフィール
の比較を、図７の(G) に示す。該30 ppmキセノン混合物
は、高い充電電位(667 V 30 ppm Xe, 651 V w/o Xe) に
対して典型的な波形、即ち大きな初期スパイクおよび短
い持続時間を示す。このことから、キセノンによる大き
なライン幅の実現が予想されるが、これは観測されなか
った。それにも拘らず、これらの差異は非常に小さく、
かつ１つの特別なショットのみを反映する。不幸にも、
平均パルスプロフィールは記録されなかった。
【００２２】キセノンテスト結果の説明 そこで、何故キセノンが役立ち、かつ何故このような低
濃度で有効なのかという疑問が生じる。ある見解が、ピ
ークキャパシタ電位Ｖcp（図７の(H))を観測することに
より得られる。650Vという同じ充電電位Ｖcoに対して、
ガス破壊は、キセノン混合物を使用した場合に、２ns早
く生じる。明白な説明は改善された予備イオン化であ
る。キセノンは、93nmよりも短い光によってイオン化で
き、一方でクリプトンおよびネオンはそれぞれ85nmおよ
び58nmに閾値をもつ(R.S. Taylor,IEEE JQE, 1995, vo
l.31, p.2195) 。従って、キセノンは、まさに透過され
るであろう該コロナ光の大部分を利用する可能性があ
る。30 ppmにおいてさえ、該キセノン濃度は、典型的な
予備イオン化電子密度よりも、数桁大きい。このことは
キセノン原子の量が制限ファクタではないことを意味し
ている。キセノンの吸収断面は1500cm-1であり、これは
315kPaにおいて、30 ppmに対する５cm後方における50%
透過率を説明する。このことは、高いキセノン濃度があ
まり効果的でないかを説明しており、該90nmの光は、該
PI管の極近傍で既に濾波されている。
【００２３】キセノンの低いイオン化電位のために、よ
り迅速な電流アバランシェ等の他の可能なシナリオも存
在する。しかしながら、これは低濃度のために隠蔽され
てしまう。もう一つの可能性は、該コロナ光のスペクト
ル内容における変化であり、これは有益な効果をもつ可
能性がある。事実、キセノンを含む放電は、主として黄
色成分であるために、視覚的にはより輝度の高いものと
考えられる。より良好な予備イオン化は、また最小清浄
化比（パルス間における、電極間のガス流動の尺度）を
補足するものである可能性がある。より低い充電電位に
対しては、極僅かな改善が存在する（図７の(I))。650V
(10mJ)においては、3800 rpmが、下流側の電弧の生成を
防止するには殆ど不十分であり、またドーズ安定性は42
00 rpmに増大すると、改善される。800Vでは、電弧の発
生は更に一層顕著となるが、ブリップにより大幅に低下
する。
【００２４】キセノン効果は取替え時期を延長する これら実験の極初期において、奇妙な現象に遭遇した。
即ち、該キセノンの有利な効果が、取替え時期を延長す
る。このために、正確なキセノン濃度の影響に関する詳
細な研究を行うことが困難になり、あるいは少なくとも
時間の掛かるものとなった。ここで起こったことは、キ
セノン含有混合物を使用してレーザーを動作させ、キセ
ノンなしに取り替えた後、そのエネルギー安定性は低レ
ベルに維持された。キセノン程には良好ではないが、こ
れらの間の何れかにあった。この記憶効果のメカニズム
の理解を助けるために、幾つかの実験を実施した。完全
にキセノンを含まない混合物と予め状態調節した混合物
との間のドーズ安定性における差異は、僅かに0.05% で
あった。この差異は小さ過ぎて、如何なる客観的な結論
をも許さず、従って幾つかの一般的な傾向を概説できる
に過ぎない。２つの可能性がある。即ち、キセノンが物
理的に該チャンバー内に留まっているか、あるいはキセ
ノンが長期に及び、該チャンバーを変更するかである。
このような変更は、電極またはウインドウの平滑化また
は清浄化であり得る。キセノン充填後の最初の取替え
は、良好な安定性を損なうことなく、４時間に渡るおよ
び２百万ショットの動作を可能とした。しかしながら、
より少ないショットでのおよびより短時間の４〜５回の
取替えは、完全に該チャンバーを正規の状態に戻した。
これは、寧ろキセノンが該チャンバー内に留まっていた
という理論を支持している。同様な結論は、キセノンに
よる単なる充填および該レーザーの無点灯が、後の充填
を補助するという事実からも導かれる。
【００２５】エネルギー安定性とは対照的に、作動電位
は、全く前の履歴とは独立である。このことは、大きな
比率のキセノンが、次の充填に持ち越される訳ではない
ことを意味している。キセノンが、該レーザー内に留ま
る種々の様式がある。キセノンは極めて重質のガスであ
るから、該ブロアが作動していない場合には、好ましく
は底部またはMFT に集まる可能性がある。この場合、該
キセノンは、膜ポンプによって達成可能である圧よりも
かなり低い圧まで、漏洩チェッカーにより該チャンバー
をポンピングすることにより除去されるはずである。こ
れは依然として該記憶作用を防止しなかった。このこと
は、キセノンがその大きなサイズのために、多孔性物質
中に捕獲されたか、または事実上該チャンバー内で漏洩
したことを示唆している。
【００２６】週末キセノンテスト 図７の(I) は、30 ppmキセノン混合物を使用した、2kHz
モードでの週末(weekend) 実験を示す。キセノンなしに
はデータが得られないので、本図は、単に該チャンバー
が以下に良好に機能するかを示しているに過ぎない。こ
のテスト中、全圧は増大しなかった。線ライン幅は最初
の２時間に増大し、このことは該溶融シリカLNP の加熱
について典型的なことである。その後、フッ素濃度の減
少に対する、ライン幅の正規の減少傾向が観測される。
しかしながら、該ライン幅は減少し続け、かつ３回の注
入後初めて安定化する。電位は増大し続け、また３回の
注入後初めて安定化する。該ライン幅に関するデータと
関連して、該電位の増加は、如何なる不純物にも依存せ
ず、単に該混合物が乏しくなることによる。一旦該電位
が増大すると、注入間隔は、該放電が最早ブリップ−フ
リーであるが故に、短縮される。このテスト中、著しく
低いフッ素消費率が観測された。該取替え直後に、該レ
ーザーは、注入なしに、途方もない15時間にも及ぶおよ
び28ミリオンパルスに渡り作動した。まとめると、この
テストは、該ガス混合物への少量のキセノンの添加によ
り、KrF チャンバーは、95% 線幅およびドーズ安定性に
関する規格の範囲内で作動できる。極めて低いフッ素消
費が観測された。
【００２７】ArF レーザーにおける重質希ガス添加剤 本出願人は、典型的なArF ガス混合物に添加された、極
めて少量のKrおよびXeについて実験を行った（典型的な
混合物は約0.08〜0.12% のフッ素、3.5%のアルゴンおよ
び残部のネオンを含む）。KrおよびXe両者は、該レーザ
ーの平均３シグマ(sigma) を実質的に減じた。添加剤な
しには、該レーザーに関する３シグマは約5%である。約
6-10 ppmのXeは、３シグマを約4%(20%の改善）まで減じ
た。Krにより同一の改善を達成するためには、約40 ppm
が必要であった。KrF レーザーを使用した場合における
ように、該添加剤は該レーザーの出力を減じた。同一の
放電電位を達成するために、パルスエネルギーは、Xe1p
pm当たり約1%低下し、またKr1ppm当たり約0.2%低下し
た。従って、8ppmのキセノンによって、パルスエネルギ
ーは8%だけ低下し、また40 ppmのKrは、大雑把に同一
の、約8%だけ該出力を低下するであろう。極めて少量の酸素の添加 図12および13は、KrF レーザーにおける、該レーザーガ
スへの少量の酸素の添加の、該スラグ効果に及ぼす影響
を示す。図12は、該バーストにおける、約22〜35msにお
いて生ずる、該エネルギー低下の大幅な減少を示す。図
13は、該３シグマ変化が、また約25〜49 ppmの範囲の酸
素の添加により大幅に減少するが、25 ppmは該パルスエ
ネルギー約10% の減少を生じ、かつ49 ppmは約20% の減
少を生じることを示す。本出願人は、約5ppmが、大幅な
有害作用を伴うことなく、安定性を大幅に改善すること
を明らかにした。
【００２８】フッ化アルゴンレーザー−酸素によるガス
取替え症候群の排除 本出願人は、酸素の添加が、また極めてバンド幅の狭い
ArF レーザーの性能をも改善することを見出した。本出
願人等は、彼等がガス取替え症候群(gas refill syndro
me) と呼ぶ事象を確認した。彼等は、ArF 型の極めてバ
ンド幅の狭いレーザーにおける該レーザーガスを交換し
た直後に、該レーザーの性能が、そのパルスエネルギー
が大幅に減じられた点で、極めて貧弱であることを見出
した。しかしながら、一夜放置後の翌朝に、該レーザー
性能は規格通りであった。このガス取替え症候群は、極
めて少量の、例えば約２〜３ppm の酸素の添加によって
排除された。従って、この極めてバンド幅の狭いArF エ
キシマレーザー用の、好ましいレーザーガス混合物は、
3.5%のアルゴンと、0.1%のフッ素と、約2-3ppmの酸素
と、３気圧までの残部のネオンを含むものである。
【００２９】追加量の酸素が添加されるが、5ppmを越え
る酸素の添加は、顕著で有益な効果を与えない。KrF お
よびArF レーザー両者に対して推奨される酸素の量は、
約２〜7ppmの範囲である。KrF レーザーに対するXeの推
奨される範囲は約30〜40 ppm未満である。ArF レーザー
に対するKrの推奨される範囲は約40 ppm未満であり、ま
た推奨されるXeの範囲は約10 ppm未満である。この極め
てバンド幅の狭いレーザーを、特定の態様について説明
してきたが、本発明には種々の適合並びに改良を施すこ
とが可能であると理解すべきである。本出願人等は、そ
のレーザーにおいて、ラドンについてテストしなかった
が、極少量のラドンガスが、実質的な負の作用なしに、
エネルギー安定性を改善するであろうと結論付けた。ラ
ドンは、他の如何なる希ガスよりもイオン化が容易なは
ずであり、またこれはフッ素と、長い寿命をもつ化合物
を形成しないであろう。従って、ラドンは、KrF レーザ
ーにおけるキセノン、およびArF およびKrF レーザーに
おけるクリプトンと同様に、予備イオン化を補助するは
ずである。本出願人は、ラドンの最適濃度が、上でXeお
よびKrについて論じたことと類似するものと予想する。
例えば、酸素源は純酸素または米国特許第5,307,364 号
に言及されている酸素の何れかであり得る。また、該酸
素源は酸化アルミニウム等の固体であり得、または該チ
ャンバーの環境内および該酸素放出体中に含まれる可能
性のあるカリウムは、温度により制御できた。従って、
本発明の範囲は、上記の特許請求の範囲およびその法的
な均等範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体パルス出力回路の単純化した電気図であ
る。
【図２】固体パルス出力回路の結果を、公知技術のサイ
ラトロンを主体とする回路と比較したグラフである。
【図３】１パルス中の作動電位のグラフである。
【図４】800 ミリオンパルス期間に渡る、作動電位およ
びバンド幅の典型的な変動を示す図である。
【図５】KrF レーザーシステムの単純化したスケッチで
ある。
【図６】ライン制限モジュールの主な要素をスケッチし
た図である。
【図７Ａ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｂ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｃ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｄ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｅ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｆ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｇ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｈ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｉ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図７Ｊ】KrF レーザーに対するXeの添加の結果を示す
図である。
【図８】フッ素、作動電位およびパルスエネルギーの間
の関係を示す図である。
【図９】フッ素濃度の変動に伴うライン幅の変動を示す
図である。
【図１０】(A) および(B) はフッ素濃度の差異によるパ
ルス波形を示す図である。
【図１１】チャンバー内で、酸素の不在下でバーストモ
ードによる作動中の、最初の125パルス中の平均のパル
スエネルギーを示すチャートであり、該平均は50バース
トについてとった。
【図１２】図１１と同様なチャートであり、0ppm、25 p
pmおよび49 ppm濃度で酸素を使用した場合の、平均のパ
ルスエネルギーを示すものである。
【図１３】図１２にプロットしたデータの、3-シグマ分
布を示すチャートである。
【図１４】集積回路用リトグラフィーとして利用されて
いる、公知技術の市販のKrF エキシマレーザーの主な要
素を示す図である。
【図１５】公知の市販KrF リトグラフィー用レーザーを
示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トシヒコ イシハラ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92111 サン ディエゴ サリザー ス トリート 7447 (72)発明者 アレクサンダー アイ アーショフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92127 サン ディエゴ メドー フラ ワー プレイス 11344 (56)参考文献 米国特許5307364（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/225

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フッ素相容性物質で構成されたレーザー
    チャンバーと、(1) ２つの長い電極と、(2) 少なくとも
    一つの予備イオン化装置と、(3) 全圧を規定し、第一の
    希ガス、フッ素、バッファーガス、および100ppm未満の
    安定化添加剤で構成されるレーザーガスとを含み、該安
    定化添加剤が、10 ppm未満の酸素および、ある量の、該
    第一の希ガスよりも重質の、第二の希ガスから選択され
    ることを特徴とする、エキシマレーザー。
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