JP3775469B2 - ArFエキシマレーザ装置、KrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を放出するガスレーザ装置に関し、特に、ArFエキシマレーザ装置、KrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、レーザ発振パルス幅の長いレーザ動作を行うガスレーザ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の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、現在、半導体露光用光源として水銀ランプより放出する光の波長が短いKrFエキシマレーザ装置が用いられ、さらに、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及びフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
【0003】
前記ガスレーザ装置では、フッ素(F2 )ガス、クリプトン(Kr)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、あるいは、ArFエキシマレーザ装置においては、フッ素(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、あるいは、フッ素レーザ装置においては、フッ素(F2 )ガス及びバッファーガスとしてヘリウム(He)等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百kPa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。
【0004】
ところで、ArFエキシマレーザ装置は、中心発振波長が193.3nmであり、現在露光用光源として使用されているKrFエキシマレーザ装置の中心発振波長248nmより短い。このため、ステッパー等の露光装置の投影レンズ系に使用されている硝材である石英に与えるダメージがKrFエキシマレーザ装置を使用した場合と比較して大きく、レンズ系の寿命が短くなるという問題がある。
【0005】
石英のダメージとしては、2光子吸収によるカラーセンターの形成とコンパクション(屈折率上昇)がある。前者は透過率の減少、後者はレンズ系の分解能の減少として現れる。このような影響は、レーザパルス幅を長くすること(ロングパルス化)によって回避可能である。なお、このロングパルス化は、以下の点からも要請される。
【0006】
投影露光装置において、回路パターン等が施されたマスクの像が、投影レンズを介してフォトレジストが塗布されたウエーハ等のワークに投影される投影像の解像度Rと焦点深度DOFは、次式で表される。
【0007】
R=k1 ・λ/NA ・・・(1)
DOF=k2 ・λ/(NA)2 ・・・(2)
ここで、k1 、k2 はレジストの特性等を反映する係数、λは露光用光源から放出される露光光の波長、NAは開口数である。
【0008】
解像度Rを向上させるため、(1)式から明らかなように、露光光の波長の短波長化、高NA化が進んでいるが、その分、(2)式が示す通り、焦点深度DOFが小さくなる。そのため、色収差の影響が大きくなるので、露光光のスペクトル線幅をより狭くする必要がある。すなわち、露光用光源として使用される前記したガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯化が要請される。
【0009】
ここで、Proc.SPIE Vol.3679.(1999)1030〜1037には、レーザパルス幅が長くなると、それに伴って、レーザ光のスペクトル線幅が狭くなって行くことが記載されており、実際、本発明者等の実験でもこれは証明された。すなわち、解像度Rを向上させるためには、レーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯化が要請され、そのためにはレーザパルス幅のロングパルス化が必要となる。
【0010】
このような背景において、本出願人は、特願平11−362688号においてロングパルス化の手段として、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するArFエキシマレーザ装置において、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ることを提案した。
【0011】
ところで、レーザパルスの出力波形の半値全幅FWHM(時間的なレーザ形状の半値全幅。以下、単にパルス幅FWHMという。)が30ns以上となるレーザパルス波形のものとしてProc.SPIE Vol.3679.(1999)1050〜1057の公知例がある。
【0012】
一般的に、パルス幅FWHMを長くすると、光共振器中のラウンドトリップ数(光共振器中でのレーザ光の往復の回数)が増加し、スペクトル幅は狭くなる。
【0013】
また、Proc.SPIE Vol.3679.(1999)1030〜1037には、同じパルス幅において、パルスの後半部の強度を相対的に大きくすることでスペクトル幅がさらに狭くなることが記載されている。この文献では、フッ素濃度変化によるレーザパルス波形形状の変化とスペクトル幅の関係を記載している(ただし、FWHMが20ns台の波形において)。
【0014】
上記のロングパルス化とは別に、0.4pm以下に狭帯域化する方法として、エタロンカップラーを光共振器に用いることが特開平11−8431号において提案されている。
【0015】
なお、フッ素レーザ装置のパルス幅FWHMは12ns以下のものが公知である。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Proc.SPIE Vol.3679.(1999)1030〜1037に開示されたArFエキシマレーザ装置においては、パルス幅FWHMが20ns台であり、線幅を0.4pm以下にするには発振効率が低下する。また、フッ素濃度を小さくすると出力が低下するので、フッ素濃度によりロングパルスを狭帯域化するには限界がある。
【0017】
また、特開平11−8431号のもののように、エタロンカツプラーを使用すると、中心波長の制御が困難になる等の技術障壁が高い。
【0018】
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って、その目的は、本出願人によって提案したロングパルス化の手段にレーザパルス波形形状を変化させる手法を導入して、パルス幅の半値全幅が20ns以上で、パルスの持続時間が50ns以上で、スペクトル幅の半値全幅が0.35pm以下のものが可能な露光用ArFエキシマレーザ装置、並びに、前記手法の導入によって従来よりロングパルス化されてKrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のArFエキシマレーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するArFエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするものである。
【0020】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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ることが望ましい。
【0021】
また、前記レーザパルスの出力波形の半値全幅は、20ns以上で、前記出力レーザパルスの持続時間が50ns以上であることが望ましい。
【0022】
また、共振器中のラウンドトリップ回数が5回以上であることが望ましい。
【0023】
また、前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも1段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサの容量Cpと前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Cnとの比Cp/Cnが0.75以下であることが望ましい。
【0024】
また、前記レーザチャンバ内のAr分圧が3%以下であることが望ましい。
【0025】
また、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が3.5気圧以下であることが望ましい。
【0026】
また、前記放電電極の電極間距離が17mm以下であることが望ましい。
【0027】
また、前記レーザチャンバ内に配置された光共振器の出力鏡の反射率が50%以上であることが望ましい。
【0028】
また、以上において、より具体的に、前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも1段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサと前記主放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが4〜8nH、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が2.5〜3.7気圧であり、この中のフッ素分圧が0.1%以下であって、さらに、前記主放電電極に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が30〜80nsであるとき、
前記ピーキングコンデンサの容量Cpと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Cnとが、0.45<Cp/Cn<0.75の関係にあることが望ましい。
【0029】
また、前記ピーキングコンデンサの容量Cpは10nF未満であることが望ましい。
【0030】
本発明のフッ素レーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするものである。
【0031】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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ることが望ましい。
【0032】
本発明のKrFエキシマレーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするものである。
【0033】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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ることが望ましい。
【0034】
本発明においては、レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であるので、ロングパルス化したArFエキシマレーザ装置において、スペクトル幅の半値全幅が0.35pm以下に狭帯域化した露光用のものを実現することができる。また、KrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置においては、従来のものよりロングパルス化が可能となる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理とその実施例について、図面に基づいて説明する。
【0036】
まず、本出願人による特願平11−362688号で提案したロングパルス化の手段の内容を結論に限定して説明する。詳細は、特願平11−362688号参照。
【0037】
その原理としては、ロングパルス化回路の具体的な動作として、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサから放電空間に流れる1次電流の立上りを速く、かつ、ピーク値を高くし、さらに、その周期を短くし、放電を安定持続しやすくすると共に、ピーキングコンデンサから放電空間に流れる1次電流の第2周期に、磁気パルス圧縮回路のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサに残留している電荷(放電までにピーキングコンデンサに移行せずに残った分)を合わせて流れるようにすることによって、1次電流極性が反転する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2つの半周期によってレーザ発振動作をするようにすることである。
【0038】
この状態の概念図を図1に示す。ピーキングコンデンサから流れる1次電流の立上りが速く、ピーク値が高く、その周期が短くなるように回路定数を定めることにより(具体的な回路構成、回路定数は後述する。)、放電を安定持続しやすくする。
【0039】
一方、放電開始時に、磁気パルス圧縮回路のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサ(最終段のコンデンサ)に電荷が残留するように回路定数を定めて(具体的な回路構成、回路定数は後述する。)、その残留電荷が放電空間に流れる2次電流の周期を1次電流の周期より長く(例えば3倍以上6倍以下)に設定する。
【0040】
そして、放電電極間に流れる電流をこの1次電流と2次電流とが重畳したものとして、図1のように、重畳した電流の極性が反転する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する。
【0041】
補足的に説明すると、図1の重畳した振動電流の第1の半周期と第3の半周期は同じ極性であり、電流が重畳して強度が大きくなっており、その間に放電空間に注入されるエネルギーは、2次電流がない従来の場合に比較して大きくなっており、発振エネルギーも大きくなる。しかし、振動電流の第2の半周期においては、電流値は逆に小さくなるため、注入されるエネルギーは少なくなるが、この間も第1の半周期に続いて放電空間内で極性は反転するものの放電が持続していて効率的にエネルギーが注入されるので、レーザ発振動作は第1の半周期から第2の半周期、そして第3の半周期と持続させることができる。
【0042】
このように、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、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ることにより、Tis≧40nsとロングパルス化が可能になり、線幅が0.5pm(半値)より狭くなり、解像度が向上し、また、そのロングパルス化によりピーク光強度が低下したことにより、石英材料のダメージを軽減することもできる。
【0043】
ここで、パルス幅Tisは次の式(3)で定義されるものである。
【0044】
Tis=(∫T(t)dt)2 /∫(T(t))2 dt ・・・(3)
ここで、T(t)は時間的なレーザ形状である。
【0045】
図2は、後記の本発明の露光用ArFエキシマレーザ装置の構成例を示す図であり、図中、1はレーザチェンバであり、両端に窓部が設けられ、フッ素ガス、アルゴンガス及びバッファーガス(例えばネオンガス)からなる混合ガスであるレーザガスが封入されている。
【0046】
レーザチェンバ1の内部には、所定間隔だけ離間して対向した一対の放電電極2、2が設けられ、高電圧パルス発生装置3より高電圧パルスを印加して放電電極2、2間に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。 レーザチェンバ1内に設置されたファン4によって、レーザガスはレーザチェンバ1内部を循環する。
【0047】
このレーザガス循環により、放電電極2間のレーザガスは、放電発生後、次の放電が発生する前に新しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放電となる。
【0048】
本発明者等はレーザチェンバ1のレーザガス循環構造、ファン4の形状等の改良を行い、繰返し周波数2kHz以上を実現した。
【0049】
レーザチェンバ1の一方の端部側には、レーザ光のスペクトル幅を狭帯域化するための狭帯域化光学系を有する狭帯域化モジュール5が設けられる。狭帯域化モジュール5は、例えば、1個以上のプリズムからなるビーム径拡大光学系とリトロー配置の反射型回折格子とから構成される。レーザチェンバ1の他方の端部側には出力鏡6が設けられ、この出力鏡6と狭帯域化モジュール5に設置された狭帯域化光学系によりレーザ共振器が構成される。
【0050】
出力鏡6より放出されたArFエキシマレーザ光の一部はビームサンプラー7により取り出され、レーザ光の時間的波形を検出する波形検出手段8に導かれる。波形検出手段8、例えば、フォトダイオード又は光電子増倍管を光電変換手段として備えている。波形検出手段8で得られた波形データは、パルス幅算出手段9に送られる。パルス幅算出手段9は、受け取ったパルス幅データに基いて、式(3)に従って、レーザパルス幅Tisを算出する。
【0051】
このようなArFエキシマレーザ装置の主放電電極2、2の間に図3に示すような励起回路により主放電電圧が、また、コロナ予備電離部10の電極11と13の間に予備電離用コンデンサCcを介して予備放電電圧が印加される。なお、この例において、コロナ予備電離部10は、例えば、第1電極11が高純度アルミナセラミックス等の誘電体物質製の片側開放のチューブ12内に円柱状電極を挿入して構成され、第2電極13が矩形の板状体電極から構成され、第2電極13の板状体はその1つの直線状のエッジ近傍で屈曲されており、そのエッジにおいて第1電極11の誘電体チューブ12の外面に平行に線接触してなり、その接触位置が、主放電電極2、2の間のレーザ励起空間を見込むことができる位置の一方の主放電電極2に近接して配置されてなるものである。
【0052】
図3の励起回路は、可飽和リアクトルからなる3個の磁気スイッチSL0、SL1、SL2を用いた2段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチSL0は固体スイッチSW保護用のものであり、第1の磁気スイッチSL1と第2の磁気スイッチSL2により2段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【0053】
図3に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源HVの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチSL0、インダクタンスL1を介して主コンデンサC0が充電される。このとき、固体スイッチSWはオフになっている。主コンデンサC0の充電が完了し、固体スイッチSWがオンとなったとき、固体スイッチSW両端にかかる電圧は磁気スイッチSL0の両端にかかるよう移り、固体スイッチSWを保護する。磁気スイッチSL0の両端にかかる主コンデンサC0の充電電圧V0の時間積分値が磁気スイッチSL0の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチSL0が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサC0、磁気スイッチSL0、固体スイッチSW、コンデンサC1のループに電流が流れ、主コンデンサC0に蓄えられた電荷が移行してコンデンサC1に充電される。
【0054】
この後、コンデンサC1における電圧V1の時間積分値が磁気スイッチSL1の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチSL1が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサC1、コンデンサC2、磁気スイッチSL2のループに電流が流れ、コンデンサC1に蓄えられた電荷が移行してコンデンサC2に充電される。
【0055】
さらに、この後、コンデンサC2における電圧V2の時間積分値が磁気スイッチSL2の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチSL2が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサC2、ピーキングコンデンサCp、磁気スイッチSL2のループに電流が流れ、コンデンサC2に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサCpが充電される。
【0056】
図3の説明から明らかなように、予備電離のためのコロナ放電は、誘電体チューブ12と第2電極13とが接触している個所を基点として誘電体チューブ12の外周面に発生するが、図3のピーキングコンデンサCpの充電が進むにつれてその電圧V3が上昇し、V3が所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ12表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ12の表面に紫外線が発生し、主放電電極2、2間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。
【0057】
ピーキングコンデンサCpの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサCpの電圧V3が上昇し、この電圧V3がある値(ブレークダウン電圧)Vbに達すると、主放電電極2、2間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【0058】
この後、主放電によりピーキングコンデンサCpの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【0059】
このような放電動作が固体スイッチSWのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【0060】
ここで、磁気スイッチSL1、SL2及びコンデンサC1、C2で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極2、2間に短パルスの強い放電が実現される。
【0061】
ところで、半導体露光用の光源としてのArFエキシマレーザ装置の場合、主放電電極2、2間の間隔は14〜18mm程度、長さは550〜750mm程度ある必要がある。
【0062】
そして、上記の原理のロングパルス化のためには、ピーキングコンデンサCpの容量は10nF未満にする必要がある。
【0063】
そして、主放電電極2、2に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間は、30〜80nsの範囲にあることが重要である。ここで、ブレークダウン電圧Vbまでの立上り時間の定義は、主放電電極2、2間に印加される電圧V3の最初の1/2周期の立ち上がり部の最も急峻になる部分を直線近似し、その直線が電圧0の直線と交差する点からブレークダウン電圧Vbに至る点までの時間である。
【0064】
また、図3の励起回路のピーキングコンデンサCpと主放電電極2、2が形成するループ(放電電流回路)中の浮遊インダクタンスは可能な限り小さくすればよいが、実際上4〜8nH程度より小さくできない。
【0065】
また、ArFにおいては、Ar+F2 +Neからなる2.5〜3.7気圧のレーザガスを用いる場合に、レーザガスの全圧に対するフッ素分圧を0.1%以下にすることが望ましい。
【0066】
また、Cnを磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ(図3の場合は、コンデンサC2)の容量とすると、CpとCnの比が、0.45<Cp/Cn<0.75の範囲にあることが必要である。
【0067】
また、予備電離コンデンサ容量CcはCpの5%以下が望ましい。
【0068】
また、光共振器の出力鏡6の反射率を50%以上に高くすることが望ましい。
【0069】
また、ラウンドトリップ数(光共振器中でのレーザ光の往復の回数)を6以上にすることが望ましい。
【0070】
このようにして、特願平11−362688号においては、繰返し周波数2kHz以上、式(3)で定義されるレーザパルス幅Tisが40ns以上、レーザパルス幅FWHM20ns以上で、持続時間(レーザパルス発振の最初から最後までの時間:図4)50ns以上の、高繰返しロングパルス化の狭帯域ArFエキシマレーザ装置を実現している。
【0071】
さて、本発明のArFエキシマレーザ装置においては、上記の特願平11−362688号のロングパルス化の手段を前提にして、スペクトル線幅のさらなる狭帯化を行うものである。
【0072】
以下、図1〜図3に関する説明を前提にして説明する。前記したように、図1の重畳した振動電流の第1の半周期と第3の半周期は同じ極性であり、電流が重畳して強度が大きくなっており、その間に放電空間に注入されるエネルギーは、2次電流がない従来の場合に比較して大きくなっており、発振エネルギーも大きくなる。しかし、振動電流の第2の半周期においては、電流値は逆に小さくなるため、注入されるエネルギーは少なくなる。そのため、特願平11−362688号の原理によるArFエキシマレーザ装置から発振されるレーザパルスの出力波形は、実際上、図4に示すように、前半ピークp1と後半ピークp2とからなる二山形状の波形となり、この前半ピークp1は、図1の重畳した振動電流の第1の半周期に対応し、後半ピークp2は第3の半周期に対応し、その間の谷が振動電流の第2の半周期に対応するものである。なお、この2つの大きなピークp1、p2の波形に重畳している小さい周期の小さい波形(リップル)のピークprは、ラウンドトリップに対応する出力波形ピークであり、そのラウンドトリップに対応する出力波形ピークprの間隔時間は、共振器長の2倍を光速で割ったものになる。
【0073】
さて、このような二山形状のレーザパルス波形において、その波形の発振初期から時間経過に応じた発振レーザ光のスペクトル幅FWHMの変化を調べた結果を図5に示す。この図から明らかなように、レーザパルス波形の時間経過に伴いスペクトル幅は狭くなって行く。これは、1つのパルス中で初期に発振するレーザ光のスペクトル幅は比較的広く、時間が経つに従って狭くなって行くことを意味する。このようにスペクトル幅が時間の経過と共に減少するのは、発振レーザ光の共振器中のラウンドトリップ数が時間と共に増加するからであり、原理的に合理的に説明できる。
【0074】
図5の関係は、図6、図7、図8のように二山形状の波形が変化しても変わらず、略時間のみに依存することが実験的に明らかになっている。
【0075】
この結果から、二山形状のレーザパルス波形において、1つのパルスの平均のスペクトル幅FWHMは、後半ピークp2の面積の割合が前半ピークp1の面積に比して高い程狭くなることが予想される。半導体露光用の光源としてのArFエキシマレーザ装置の場合、この1パルスの平均のスペクトル幅FWHMが狭ければ狭い程、露光光学系の色収差の影響が小さくなるので、この1パルスの平均のスペクトル幅FWHMを可能な限り狭くすることが望ましい。
【0076】
二山形状のレーザパルス波形の前半ピークp1の面積と後半ピークp2の面積との比を表すパラメータとして、図4に示すように、前半ピークp1の高さ(ピーク値)をP1 、後半ピークp2の高さ(ピーク値)をP2 として、後半ピークp2の前半ピークp1に対する割合を以下の式で定義する。
【0077】
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)・・・(4)
二山形状のレーザパルスの出力波形を図6、図7、図8のように変化させ、(パルス後半部の割合)に対するスペクトル幅をプロットすると図9のような関係になる。ここで、厳密には、パルス後半部の割合は、ピーク値の比P2 /(P1 +P2 )ではなく、面積の比で表されるべきであるが、上記の放電電極間に流れる電流を1次電流と2次電流を重畳した振動電流を流して得られるレーザパルスの場合は、上記の式(4)で近似できる。
【0078】
図9の結果から、ArFエキシマレーザ装置からのレーザパルスの出力波形における平均スペクトル幅FWHMを、半導体露光装置で要請される0.35pm以下にするには、(パルス後半部の割合)を50%以上にすることが必要なことが分かり、さらには、平均スペクトル幅FWHMを0.3pm以下にするには、(パルス後半部の割合)を70%以上にすることが必要なことが分かる。
【0079】
また、次の式(5)で定義されるラウンドトリップ数が多ければ多い程、共振の効果が出てスペクトル幅FWHMは狭くなるが、通常の露光用ArFエキシマレーザ装置の場合、共振器長は1.2〜1.5mに設定されるので、ラウンドトリップ数の下限は5回以上となり、それより多い数に設定されるのが望ましい。
【0080】
(ラウンドトリップ数)=(パルス持続時間)/{2×(共振器長)/c}・・・(5)
ところで、二山形状のレーザパルスの式(4)で定義される(パルス後半部の割合)を増加させるには、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次電流によるレーザ発振割合を相対的に減少させるようにすればよい。そのために変化させるパラーメータとしては、Cp/Cn、Ar濃度、レーザガスの全圧、主放電電極2、2間の間隔、光共振器の出力鏡6の反射率があげられる。以下、順に説明する。
【0081】
Cp/Cnの値は1次電流に直接関係するため、Cpの値を小さくすれば1次電流が相対的に減少するので、Cp/Cnが減少すると(パルス後半部の割合)が増加する。図10に、Ar濃度3%、全ガス圧3.5気圧におけるCp/C2依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、(パルス後半部の割合)を50%以上にするには、Cp/Cnは0.75以下であることが望ましいと言える。
【0082】
Ar濃度に関しては、Arガス濃度が減少するとエキシマの生成量が減少するので、立ち上がり領域での発振が相対的に減少し、(パルス後半部の割合)が増加する。図11に、Cp:9nF、C2:12nF、全ガス圧3.5気圧におけるAr濃度依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、(パルス後半部の割合)を50%以上にするには、Ar濃度は3%以下であることが望ましいと言える。
【0083】
レーザガス全圧に関しては、全ガス圧が低くなると放電開始電圧が低くなるので、1次電流が相対的に減少する。そのため、全ガス圧が減少すると(パルス後半部の割合)が増加する。図12に、Cp:9nF、C2:12nF、Ar濃度3%における全ガス圧依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、(パルス後半部の割合)を50%以上にするには、全ガス圧は3.5気圧以下であることが望ましいと言える。
【0084】
主放電電極2、2間の間隔に関しては、この間隔をd、全ガス圧をPとした場合、d・Pが同じ場合に放電開始電圧も略等しくなるので、主放電電極2、2間の間隔が狭くなれば、放電開始電圧が低くなり、1次電流が相対的に減少する。そのため、主放電電極2、2間の間隔が減少すると(パルス後半部の割合)が増加する。具体的には、特願平11−362688号のロングパルス化に基づく14〜18mmの範囲内で17mm以下であることが望ましい。
【0085】
また、光共振器の出力鏡6の反射率に関しては、その反射率が増加すると共振器中に溜まる割合が相対的に高くなり、(パルス後半部の割合)が増加する。図13に、Cp:9nF、C2:12nF、Ar濃度3%、全ガス圧3.5気圧における出力鏡反射率依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、(パルス後半部の割合)を50%以上にするには、出力鏡反射率は50%以上であることが望ましいと言える。
【0086】
以上のCp/Cn、Ar濃度、レーザガスの全圧、主放電電極2、2間の間隔、光共振器の出力鏡6の反射率の条件の何れか1つ以上を選択して用いることにより、(パルス後半部の割合)を50%以上にすることができる。
【0087】
このような知見に基づいた実際のレーザパルス波形を図6、図7、図8に示す。これらの例においては、Cp/C2のみを変化させて、(パルス後半部の割合)を変化させている。何れも、Ar濃度:3%、全ガス圧:3.5気圧、主放電電極2、2間の間隔:16mm、出力鏡6の反射率:60%、フッ素濃度(分圧):0.085%であり、レーザパルス持続時間:70ns、レーザパルスの出力波形の半値幅FWHM:40nsであるが、図6の場合は、Cp/C2=8nF/12nF=0.67で、(パルス後半部の割合)が62%で、スペクトル幅FWHMが0.31pmであり、図7の場合は、Cp/C2=9nF/12nF=0.75で、(パルス後半部の割合)が50%で、スペクトル幅FWHMが0.35pmであり、図8の場合は、Cp/C2=10nF/12nF=0.83で、(パルス後半部の割合)が39%で、スペクトル幅FWHMが0.36pmであり、上記の数値限定の意味が実証される。
【0088】
以上は、ArFエキシマレーザ装置について説明してきたが、上記の基本原理は、フッ素(F2 )ガス及びバッファーガスとしてヘリウム(He)等の希ガスからなる混合ガスをレーザガスとして、同様に放電励起するフッ素レーザ装置や、フッ素(F2 )ガス、クリプトン(Kr)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をレーザガスとして、同様に放電励起するKrFエキシマレーザ装置にも適用できることは明らかである。
【0089】
以上、本発明のArFエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置及びKrFエキシマレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【0090】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の露光用ArFエキシマレーザ装置、、KrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置によれば、レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であるので、ロングパルス化したArFエキシマレーザ装置において、スペクトル幅の半値全幅が0.35pm以下に狭帯域化した露光用のものを実現することができる。また、KrFエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置においては、従来のものよりロングパルス化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のArFエキシマレーザ装置の原理を説明するための波形図である。
【図2】本発明を適用するArFエキシマレーザ装置の構成例を示す図である。
【図3】本発明に基づく一例の励起回路を示す回路図である。
【図4】1つの具体例におけるArFエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図5】二山形状のレーザパルス波形の発振初期から時間経過に応じた発振レーザ光のスペクトル幅の変化を調べた結果を示す図である。
【図6】本発明による1例のArFエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図7】本発明による別の例のArFエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図8】比較例のArFエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図9】パルス後半部の割合に対するスペクトル幅をプロットした図である。
【図10】パルス後半部の割合のCp/C2依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図11】パルス後半部の割合のAr濃度依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図12】パルス後半部の割合の全ガス圧依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図13】パルス後半部の割合の出力鏡反射率依存性の実際の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1…レーザチェンバ
2…放電電極
3…高電圧パルス発生装置
4…ファン
5…狭帯域化モジュール
6…出力鏡
7…ビームサンプラー
8…波形検出手段
9…パルス幅算出手段
10…コロナ予備電離部
11…コロナ予備電離第1電極
12…誘電体チューブ
13…コロナ予備電離第2電極
SL0…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
SL1…第1の磁気スイッチ
SL2…第2の磁気スイッチ
HV…高電圧電源
L1…インダクタンス
SW…固体スイッチ
C0…主コンデンサ
C1…第1のコンデンサ
C2…第2のコンデンサ
Cp…ピーキングコンデンサ
Cc…予備電離用コンデンサ
Claims (15)
- 磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するArFエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするArFエキシマレーザ装置。 - 前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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したことを特徴とする請求項1記載のArFエキシマレーザ装置。 - 前記レーザパルスの出力波形の半値全幅が20ns以上で、前記出力レーザパルスの持続時間が50ns以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のArFエキシマレーザ装置。
- 共振器中のラウンドトリップ回数が5回以上であることを特徴とする請求項1から3の何れか1項のArFエキシマレーザ装置。
- 前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも1段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサの容量Cpと前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Cnとの比Cp/Cnが0.75以下であることを特徴とする請求項1から4の何れか1項のArFエキシマレーザ装置。 - 前記レーザチャンバ内のAr分圧が3%以下であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項のArFエキシマレーザ装置。
- 前記レーザチャンバ内の全ガス圧が3.5気圧以下であることを特徴とする請求項1から6の何れか1項のArFエキシマレーザ装置。
- 前記放電電極の電極間距離が17mm以下であることを特徴とする請求項1から7の何れか1項のArFエキシマレーザ装置。
- 前記レーザチャンバ内に配置された光共振器の出力鏡の反射率が50%以上であることを特徴とする請求項1から8の何れか1項記載のArFエキシマレーザ装置。
- 前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも1段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサと前記主放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが4〜8nH、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が2.5〜3.7気圧であり、この中のフッ素分圧が0.1%以下であって、さらに、前記主放電電極に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が30〜80nsであるとき、
前記ピーキングコンデンサの容量Cpと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Cnとが、0.45<Cp/Cn<0.75の関係にあることを特徴とする請求項1から9の何れか1項記載のArFエキシマレーザ装置。 - 前記ピーキングコンデンサの容量Cpは10nF未満であることを特徴とする請求項10記載のArFエキシマレーザ装置。
- 磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするフッ素レーザ装置。 - 前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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したことを特徴とする請求項12記載のフッ素レーザ装置。 - 磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するKrFエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をP1 、後半ピークのピーク値をP2 とし、
(パルス後半部の割合)=P2 /(P1 +P2 )×100(%)
とするとき、(パルス後半部の割合)が50%以上であることを特徴とするKrFエキシマレーザ装置。 - 前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する1次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記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、前記2次電流の振動周期を前記1次電流の振動周期の3倍から6倍に設定して、
前記2次電流が重畳した前記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したことを特徴とする請求項14記載のKrFエキシマレーザ装置。
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