JP3365500B2 - 狭帯化ArFエキシマレーザ装置 - Google Patents
狭帯化ArFエキシマレーザ装置Info
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Description
ーザ装置に関し、特に、スペクトル線幅を狭帯化した半
導体露光用ArFエキシマレーザ装置に関するものであ
る。
れ、投影露光装置においては解像力の向上が要請されて
いる。このため、露光用光源から放出される露光光の短
波長化が進められており、次世代の半導体露光用光源と
してArFエキシマレーザ装置が有力である。
ッ素(F2 )ガス、アルゴン(Ar)ガス及びバッファ
ーガスとしてのネオン(Ne)等の希ガスからなる混合
ガスであるレーザガスが数100kPaで封入されたレ
ーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レ
ーザ媒質であるレーザガスが励起される。
るレーザ光のスペクトル幅が400pm程度と広いの
で、露光装置の投影光学系における色収差の問題を回避
するためには、スペクトル幅を極力狭帯化することが必
要となる。スペクトル線幅の狭帯化は、従来、例えばビ
ーム拡大プリズムと回折格子からなる狭帯化光学系をレ
ーザ共振器内に配置することにより行われている。
スキャン型ステッパに搭載されるArFエキシマレーザ
装置は、分解能を上げるために露光装置の高NA(開口
数)化に伴い狭帯化の要求がさらに厳しくなってきてい
る。NA0.6以上の場合には、通常、発振波長の半値
幅0.5pm以下が要求される。さらに重要なのは、9
5%のエネルギーが入る線幅(95%積分線幅)で1.
15pmが必要となる。さらに、NAが0.7以上の場
合には、半値幅0.35pm、95%積分線幅が0.8
5pm以下の超狭帯化が要求される。
に、プリズムでレーザ光を拡大し、エシュル型の回折格
子で分光する方法がとられているが、この方法では上記
要求を満たすのは容易ではないと言われている。また、
上記の方法に、エタロン等の狭帯化素子を組み合わせて
使用する方法も提案されているが、エタロン等の狭帯化
素子の寿命が問題になること、その制御が非常に難しく
なる等の問題がある。
のような状況に鑑みてなされたものであり、その目的
は、従来のビーム拡大プリズムと回折格子からなる狭帯
化光学系を用いてスペクトル線幅(95%積分線幅)を
1.15pm以下に狭帯化するための条件を見出して半
導体露光用ArFエキシマレーザ装置を狭帯化すること
である。
明の狭帯化ArFエキシマレーザ装置は、リトロー配置
のエシェル型回折格子とそのエシェル型回折格子の入射
側に配置された3個のプリズムからなるビーム径拡大プ
リズムとスリットとからなる狭帯化光学系を備えたAr
Fエキシマレーザ装置において、前記エシェル型回折格
子のブレーズ角θが82°以下であり、ビーム径拡大プ
リズムの拡大率Mが26倍以下であり、発振パルス幅T
isが30ns以上60ns以下であり、共振器長Lが1
000〜1350mmの範囲にあり、スリット幅Wが
1.0mm以上であり、さらに、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<4.94×10-6 ・・・(14) の関係を満たすように構成されていることを特徴とする
ものである。
レーザ装置は、リトロー配置のエシェル型回折格子とそ
のエシェル型回折格子の入射側に配置された3個のプリ
ズムからなるビーム径拡大プリズムとスリットとからな
る狭帯化光学系を備えたArFエキシマレーザ装置にお
いて、前記エシェル型回折格子のブレーズ角θが82°
以下であり、ビーム径拡大プリズムの拡大率Mが26倍
以下であり、発振パルス幅Tisが30ns以上60ns
以下であり、共振器長Lが1000〜1350mmの範
囲にあり、スリット幅Wが1.0mm以上であり、さら
に、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<3.65×10-6 ・・・(15) の関係を満たすように構成されていることを特徴とする
ものである。
kHz以上にすることも可能である。
(15)式を満たすので、現在まで非常に難しいとされ
てきた95%積分線幅1.15pmあるいは0.85p
mのArFエキシマレーザ装置を従来のビーム拡大プリ
ズムと回折格子からなる狭帯化光学系を用いて出力も含
め実現することができる。
シマレーザ装置の原理とそれに基づく最適な光学的構成
の狭帯化ArFエキシマレーザ装置の具体例を示す。
リズム5とリトロー配置のエシェル型回折格子3とから
なる狭帯化光学系を用いたArFエキシマレーザ装置に
ついて検討する。図1には、励起系、制御系等は図示し
ていない。レーザチャンバ1内には、レーザ媒質のアル
ゴンガスとフッ素ガス以外にバファーガスが封入されて
おり、その他に励起用主放電電極、予備電離電極、ガス
循環系が内蔵されている。このレーザチャンバ1は、出
力ミラー2とリトロー配置のエシェル型回折格子3とで
なる光共振器中に配置されている。エシェル型回折格子
3とレーザチャンバ1の間には、スリット4と3個以上
のプリズムからなるビーム径拡大プリズム5とが配置さ
れている。そして、以上の回折格子3とビーム径拡大プ
リズム5とスリット4とから狭帯化光学系が構成されて
いる。なお、レーザチャンバ1の光路中には窓6が設け
られており、また、レーザチャンバ1と出力ミラー2の
間に別のスリット4’が配置されている。
子3とは、入射光に対して回折格子3を斜めに配置し、
その斜めの入射角と所定の回折次数の回折角とが等しく
なる配置である。この配置において、回折格子3の表面
に立てた法線と入射光軸とのなす角をリトロー角、各格
子溝の入射側の面をブレーズ面、ブレーズ面の法線と回
折格子3の表面に立てた法線とのなす角度をブレーズ角
と呼ぶ。入射光はブレーズ面に垂直に入射するように回
折格子3を構成するので、リトロー角とブレーズ角は通
常一致する。
置のそれぞれの変数に対して線幅、出力等がどのように
なるかを検討し、その使用可能範囲を検討する。
レーザ装置の狭帯化のための式を回折格子と分光器の概
念を用いて導入する。
解能は、下記のように考えられる。
K"second edition,pp.1-11,1993,MILTON ROY CO.)。こ
こで、λは発振中心波長、mは回折次数、Nは回折に寄
与する回折格子溝の総数である。ビーム径拡大プリズム
5で拡大され、回折格子3に入射する光線幅をWg 、単
位長当たりの回折格子溝の数をNg 、光線幅Wg のビー
ムが回折格子3に入射する幅をA、ブレーズ角(=リト
ロー角)をθとすると、(1)式は、 R=λ/Δλ=mN=mANg =mWg Ng /cosθ ・・・(2) となる。これより、 Δλ=λ/(mWg Ng )cosθ ・・・(3) ∝cosθ/(mWg Ng ) ・・・(4) となる。ここで、回折の式は、 mλ=2d・sinθ=2sinθ/Ng ・・・(5) と書けるので(dは格子定数)、波長λが決まればNg
m:一定であり、したがって、 Δλ∝cosθ/Wg ・・・(6) となる。
をM、スリット4の幅をWとすると、Wg =MWと書け
るので、 Δλ∝cosθ/(MW) ・・・(7) となる。この式(7)は理論的なものであり、193n
mのArFエキシマレーザの波長において、95%エネ
ルギー線幅が2pm以下の領域で上式(7)が成り立つ
のか、今までは検討されていない。
ザを分光器とみなして、上式(7)に、さらにスリット
Wと共振器長Lの項を加えることを考える。Δλは、W
に比例し、共振器長(焦点距離)Lに反比例すると考え
られるので、 Δλ∝Wcosθ/(LMW)=cosθ/(LM) ・・・(8) となると予想できる。
(5)から、線幅Δλは予想通り共振器長Lに略反比例
したが、スリット幅Wに関しては、線幅Δλと無関係で
はなく、狭くなる方が若干線幅Δλが狭くなることが判
明した。その結果を式にすると次のようになる。
いて検討する。ここで、パルス幅T isは次の式で定義さ
れるものである。ただし、P(t)は時間tに依存した
レーザ強度である。
(光共振器中でのレーザ光の往復の回数)が多くなり、
レーザ光が狭帯化光学系を通る回数が多くなる。線幅Δ
λとパルス幅Tisの関係について、従来は、30ns以
下の短いパルス幅Tisでの検討はされている("Perform
ance characteristics of ultra-narrow ArF laser for
DUV lithography"PROCEEDING OF SPIE(1999) )。それ
によると、半値線幅はラウンドトリップ数の0.5乗に
反比例するとされている。しかしながら、パルス幅Tis
が30ns以上では論議されていない。
ら、パルス幅Tisが30ns以上では線幅Δλはパルス
幅Tisの0.853乗に反比例すること見出した。この
結果を(9)式に加えると、 Δλ∝(W+11)cosθ/(LMTis 0.853 ) ・・・(11) となる。
記の実験結果(6)から求めたところ、k=2.33×
105 となった。
幅Δλと、ビーム径拡大プリズム5の拡大率Mと、スリ
ット4の幅Wと、共振器長Lと、パルス幅Tisとの本発
明により見出された関係式である。
して高分解能のリトロー配置のエシェル型回折格子3を
用いた。エシェル型回折格子においては、線幅はブレー
ズ角θが大きくなる程狭くなる。図2は、cosθを変
えた場合に線幅の変化が様子を示す実験結果を示す図で
あり、Δλはcosθに比例することが分かった。
ーズ角θにはよらないが、波面の状態によって規定され
る。ブレーズ角が大きい程、波面を良い状態にするのは
容易ではない。鋭意検討したが、ブレーズ角(リトロー
角)θは現状では製作限界により82°以下であること
が分かった。
プリズム拡大率と線幅は、図3に実験結果を示すよう
に、略反比例することが分かった。
々の無反射コーティング透過率と、拡大率が増大するこ
とによる共振器長の増大に依存することが分かった(図
4)。また、プリズムへの入射角も出力に影響を及ぼ
す。検討の結果、プリズムへの入射角が73°までは透
過率が略同じなので、出力は一定となるが、入射角が7
3°以上では透過率の減少により出力が減少し、75°
以上で大幅に減少することが分かった。そして、実際
上、入射角75°では拡大率26となり、これが限界で
ある。
を調べたところ、図5のような関係が得られ、線幅はパ
ルス幅Tisの0.853乗に反比例することが分かっ
た。
ず、パルス幅Tisを伸ばすことができた。Tisが60n
s以上では急激な出力低下が起こり、60nsが限界で
あることが分かった。
べたところ、1000〜1350mmの範囲で線幅は共
振器長に反比例することが分かった。
伸びると大きく減少する方向であり、放電長が長くなる
と出力は増すが、半導体露光用レーザでは設置面積が限
られるため、共振器長は1350mmが限界である。
1.0〜3.5mmの範囲では、図6に示すように、
(W+11)に比例することが分かった。
が、1.0mmが限界であることが分かった。
種類の条件でΔλ、T isを求め、式(13)にそのとき
のW、L、M、θを代入してkを求めた。kの値は略一
致し、平均をとると、k=2.33×105 となった。
折格子3のブレーズ角θは82°以下であり、実験結果
(2)から、ビーム径拡大プリズム5のプリズム拡大率
Mは26倍以内であり、実験結果(3)から、パルス幅
Tisは60ns以内であり、実験結果(4)から、共振
器長Lは1000〜1350mmの範囲にあり、実験結
果(5)から、スリット幅Wは1.0mm以上であるこ
とが必要であり、さらに、先に求めた(12)式に基づ
いて計算すると、線幅(95%以上)Δλ:1.15p
mを得るには、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<4.94×10-6 ・・・(14) の関係を満たすようにArFエキシマレーザ装置を構成
する必要がある。
は満足しないいくつかの計算例を示す(最初の4例は満
足する。あとの2例は満足しない。)。表−2中で、
(W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )=Cとおい
ている。
てきた95%積分線幅1.15pmが従来のプリズム・
グレーティング方式で出力も含め実現可能である条件を
見出すことができた。
5pmを得るには、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<3.65×10-6 ・・・(15) の関係を満たすようにArFエキシマレーザ装置を構成
すればよい。
るあるいは満足しないいくつかの計算例を示す(最初の
4例は満足する。あとの4例は満足しない。)。表−3
中で、(W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )=C
とおいている。 以上のように、従来のプリズム・グレーティング方式を
用いて、95%積分線幅が0.85pmのArFエキシ
マレーザ装置も、出力も含め実現可能である条件を見出
すことができた。
場合、ArFエキシマレーザ装置の発振パルス幅Tisを
30ns以上にした上に繰り返し周波数を3kHz以上
に高くするのは容易ではない。そのためには、本出願人
が特願平11−261628号で提案したように、極性
が反転する1パルスの放電振動電流波形の始めの半周期
と、それに続く少なくとも1つの半周期によってレーザ
発振動作をするように構成すればよい。また、本出願人
が特願平11−362688号で提案したように、磁気
パルス圧縮回路からピーキングコンデンサを介して放電
電極へエネルギーを注入する1次電流と、磁気パルス圧
縮回路の最終段のピーキングコンデンサ充電用のコンデ
ンサから放電電極へエネルギーを注入する2次電流とを
重畳させ、かつ、2次電流の振動周期を1次電流の振動
周期より長く設定して、2次電流が重畳した1次電流の
極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、そ
れに続く少なくとも2つの半周期とによって1パルスの
レーザ発振動作を行うように構成すればよい。
ザ装置をその原理と具体的数値例に基づいて説明してき
たが、本発明はこれら具体例に限定されず種々の変形が
可能である。
の狭帯化ArFエキシマレーザ装置によると、(14)
式あるいは(15)式を満たすので、現在まで非常に難
しいとされてきた95%積分線幅1.15pmあるいは
0.85pmのArFエキシマレーザ装置を従来のビー
ム拡大プリズムと回折格子からなる狭帯化光学系を用い
て出力も含め実現することが可能になる。
学的構成を示す図である。
幅の変化が様子を示す実験結果を示す図である。
リズム拡大率と線幅の関係の実験結果を示す図である。
リズム拡大率と出力の関係の実験結果を示す図である。
の実験結果を示す図である。
実験結果を示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 リトロー配置のエシェル型回折格子とそ
のエシェル型回折格子の入射側に配置された3個のプリ
ズムからなるビーム径拡大プリズムとスリットとからな
る狭帯化光学系を備えたArFエキシマレーザ装置にお
いて、 前記エシェル型回折格子のブレーズ角θが82°以下で
あり、ビーム径拡大プリズムの拡大率Mが26倍以下で
あり、発振パルス幅Tisが30ns以上60ns以下で
あり、共振器長Lが1000〜1350mmの範囲にあ
り、スリット幅Wが1.0mm以上であり、さらに、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<4.94×10-6 ・・・(14) の関係を満たすように構成されていることを特徴とする
狭帯化ArFエキシマレーザ装置。 - 【請求項2】 リトロー配置のエシェル型回折格子とそ
のエシェル型回折格子の入射側に配置された3個のプリ
ズムからなるビーム径拡大プリズムとスリットとからな
る狭帯化光学系を備えたArFエキシマレーザ装置にお
いて、 前記エシェル型回折格子のブレーズ角θが82°以下で
あり、ビーム径拡大プリズムの拡大率Mが26倍以下で
あり、発振パルス幅Tisが30ns以上60ns以下で
あり、共振器長Lが1000〜1350mmの範囲にあ
り、スリット幅Wが1.0mm以上であり、さらに、 (W+11)cosθ/(LMTis 0.853 )<3.65×10-6 ・・・(15) の関係を満たすように構成されていることを特徴とする
狭帯化ArFエキシマレーザ装置。 - 【請求項3】 発振繰り返し周波数が3kHz以上であ
ることを特徴とする請求項1又は2記載の狭帯化ArF
エキシマレーザ装置。
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