JP3779030B2

JP3779030B2 - ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP3779030B2
Application number: JP14930697A
Authority: JP
Inventors: 浩小森; 康夫板倉
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: JPH10341050A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、縮小投影露光用光源、材料の微細加工、材料の表面改質等に用いられるエキシマレーザなどのガスレーザ装置に関し、特にレーザガス中の特定のガスの濃度または分圧を正確かつ簡便に測定し得る測定手段を有するガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フッ素などのハロゲンガスを用いてエキシマレーザ装置を運転する場合、ハロゲンガスは極めて反応性が高いために、運転にしたがって電極材料の蒸発、レーザチャンバ構成材料との化学反応によりハロゲンガスが消費される。
【０００３】
エキシマレーザでは、励起によって作られるハロゲンガスと希ガスによる一種の化合物がレーザ媒体となっているために、レーザ管内部におけるハロゲンガスと希ガスの比率には最適値が存在し、この比率が変化すると前記レーザ媒体である化合物の生成過程に影響を及ぼし、レーザ出力が低下し、最終的にはレーザ発振が観測されなくなる。
【０００４】
したがって、従来においては、レーザ出力をモニタし、このレーザ出力の低下に応じてハロゲンガスを補給することによってレーザ出力を安定化させるようにしていたが、この補給の際にどの程度の補給量が最適であるかを判断するためには、ハロゲンガス濃度または分圧を正確に測定する必要がある。すなわち、補給するハロゲンガス量が不足しても過剰であってもレーザ発振は不安定になる。
【０００５】
なお、希ガスは基本的には他の物質とは反応しないために、レーザチャンバからの漏洩以外には減少することは少ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以下に、エキシマレーザにおける従来のハロゲンガス濃度（Ｆ2濃度）の検出手法を示す。
【０００７】
(1)原子吸収光度計を使ってＦ2濃度を測定する
この方法は、原子特有の原子スペクトルと同じ波長の光（685.60nm、690.25nmはＦ2の原子スペクトル）を測定対象に照射した場合、その測定対象空間にその原子があった場合に、その波長の光を吸収する現象を利用したものであるが、この手法では、高価で大がかりな原子吸収光度計を必要とする問題がある。
【０００８】
(2)Ｆ2濃度と相関があるスペクトル線幅を測定して間接的にＦ2濃度を測定する手法
この手法は、狭帯域化したＫｒＦエキシマレーザのスペクトル線幅とＦ2濃度との間には、Ｆ2濃度が高いと線幅が広く、Ｆ2濃度が低いと線幅が狭くなるという殆ど一次関数的な相関関係があることに着目し、スペクトル線幅に基づいてＦ2濃度を判定する手法である。この手法では、スペクトルデータという他の波長制御などにも利用しているデータを流用できるために、新たな構成要素が増えないという利点は有しているが、スペクトル線幅がＦ2濃度と一次関数的な相関があることが大前提であり、そのような都合の良い関係が全てのガスレーザに当てはまるわけではない。
【０００９】
(3)Ｆ2吸収分析管を使って直接Ｆ2濃度を測定する手法
この手法はレーザガスをレーザチャンバからＦ2吸収分析管に取り出し、Ｆ2吸収分析管を用いて直接Ｆ2濃度を測定するものであるが、この手法ではＦ2濃度の測定に際してレーザガスをレーザチャンバからいちいち取り出す必要があり、レーザチャンバ内の希ガスの量および全圧が変化するため、レーザ発振中の検出用には使えない。また、計算に多くの時間がかかるという問題もある。
【００１０】
このように従来ハロゲンガス濃度を測定するための各種手法があるが、それぞれ一長一短がある。
【００１１】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、レーザガス中のハロゲンガスなどの特定のガスの濃度または分圧を正確かつ簡便に測定し得るガスレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
そこでこの発明では、複数の異なる種類のガスの混合ガスとして構成されるレーザガスをレーザ媒質として用いるガスレーザ装置において、前記複数の異なる種類のガスのうちの特定のガスの放出光の発光強度を検出する発光強度検出手段と、レーザ発振中における前記発光強度検出手段の検出信号と発光強度に影響を与えるレーザ発振に係る変数とに基づき前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算する演算手段とを備えるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、この本発明による手法は、レーザガス中に含まれる特定のガスが放電によって励起されることにより、或る励起準位から他の励起準位に遷移する際に各々のガスに特有のスペクトルを有する光エネルギーを放出することに着目してなされたものであり、例えばＡｒＦエキシマレーザの場合はＦ2，Ａｒ、Ｎｅ，Ｈｅの４つのガスがレーザガスの基本構成物質であるため、レーザガスを励起する度にレーザ光以外にこの４つのガスに特有のスペクトルを有する光がそれぞれ放出される。
【００１４】
また、これらの放出光はレーザ発振ではないので、全方位に同じ強度で出ているために、放電部分を観測できる位置であればどこでもこれらの放出光をモニタすることができる。
【００１５】
このようにこの発明では、レーザガス中に含まれる特定のガスの放出光の発光強度を検出し、この検出出力に基づき該特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算するようにしたので、レーザ媒質中の特定のガスの濃度または分圧を正確かつ簡便に測定し得るようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００１７】
図１にこの発明の実施例を示す。
【００１８】
図１において、エキシマレーザ１のレーザチャンバ２は紙面に垂直な方向に対向された放電電極３を有している。レーザチャンバ２内にはＦ2などのハロゲンガス、Ｋｒなどの稀ガス、Ｎｅなどのバッファガスが封入されており、これらレーザガスを放電電極３間の放電によって励起させてレーザパルス発振を行う。
【００１９】
発光したパルス光は共振器を構成するエンドミラー４および出力ミラー５によって共振され、出力ミラー５を介して出力される。
【００２０】
出力されたレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ６によってその一部がサンプリングされてモニタモジュール７に入射される。
【００２１】
モニタモジュール７では、サンプリング光に基づいて出力レーザ光の波長、出力エネルギー等を測定し、これらの測定値をコントローラ８に入力する。
【００２２】
ハロゲンガスボンベ９、希ガスボンベ１０、バッファガスボンベ１１には、
ハロゲンガス（Ｆ2など）、希ガス（Ｋｒ、Ａｒ、など）、バッファガス（Ｈｅ、Ｎｅなど）がそれぞれ充填されており、ガス供給排気装置１２によってこれらのガスボンベ９〜１１からレーザチャンバに２にガス交換又は部分ガス交換用のレーザガスが供給される。また、ガス供給排気装置１２によってレーザチャンバ２内のレーザガスが排気される。
【００２３】
レーザ電源回路１３は、レーザコントローラ８から加えられた電圧データに応じて前記放電電極間に電位差Ｖを与えて放電を行う。なお、レーザ電源回路１２においては、図示しない充電回路により電荷を一旦充電した後、たとえばＧＴＯやサイラトロン等のスイッチ素子の動作によりパルス放電を行う。
【００２４】
ここで、レーザチャンバの側面には、２つの観測窓１４、１５が形成され、これら観測窓の近傍には受光面にバンドパスフィルタ１６，１７が配された受光素子１８，１９が設けられている。
【００２５】
この場合、一方の受光素子１８によってフッ素ガス（Ｆ2）による放出光の発光強度を測定し、他方の受光素子で希ガス（Ａｒ）による放出光の発光強度を測定する。
【００２６】
フッ素ガスによる放出光の中で波長が６８９．６０ｎｍと６９０．２５ｎｍの放出光は、可視光域にあるので観測し易いスペクトルである。また、これらの光は前述したように、レーザ光ではなく全方位にほぼ同じ強度で放出されている為に、レーザチャンバの側方に設けた観測窓１４からも観測することができる。
【００２７】
したがって、この場合は、バンドパスフィルタ１６によって波長が６８９．６０ｎｍの光を分離して受光素子１８に入射し、もう一方のバンドパスフィルタ１７によってＡｒに対応する波長の光を分離して受光素子１９に入射するようにしており、これら受光素子１８，１９の受光出力は発光強度検出回路２０に入力される。
【００２８】
発光強度検出回路２０においては、各受光素子１８，１９の出力に基づきＦ2ガス放出光の発光強度ＩFおよびＡｒガス放出光の発光強度を演算し、これらの演算値をコントローラ８に入力する。
【００２９】
コントローラ８においては、レーザ発振中において、受光素子１８から入力されたＦ2ガス放出光の発光強度ＩFに基づいてＦ2ガスの分圧ＰFを測定し、この測定値ＰFを用いてフッ素ガスの供給制御を実行する。
【００３０】
以下、図２及び図３のフローチャートに従ってＦ2ガスの分圧ＰFの測定手順、ハロゲンガスの供給制御手順について説明する。
【００３１】
まず、レーザ発振中、発光強度検出回路２０によってＦ2ガスの放出光の発光強度ＩFが所定の周期で測定され、この測定値はコントローラ８に入力されている（図２ステップ１００）。コントローラ８は、レーザ発振の励起強度を測定するべくレーザ電源回路１３の充電回路のコンデンサの充電電圧Ｖ（目標値）を取り込む（ステップ１１０）。
【００３２】
そして、これら値ＩFおよびＶをＦ2ガス分圧ＰFを演算するための所定の演算式ｆ1（ＩF，Ｖ）に代入してＦ2ガス分圧ＰFを演算する（ステップ１２０）。
【００３３】
すなわち、充電電圧Ｖが大きくなってレーザ発振の励起強度が強くなると、Ｆ2ガスの発光強度ＩFも大きくなるので、かかる特性を考慮してＦ2ガス分圧ＰFを演算する。
【００３４】
そして、コントローラ８では、前記演算したＦ2ガス分圧値ＰFを用いてレーザガス（この場合はＦ2ガス）の供給制御およびレーザガスの排気制御を実行する（ステップ１３０）。
【００３５】
Ｆ2ガスを供給する際、コントローラ８は、レーザチャンバ２内のレーザガスの全圧ＰTを測定する（図３ステップ１４０）。
【００３６】
次に、コントローラ８は下式に従って注入すべきＦ2ガス量ΔＰFを算出する（ステップ１５０）。
【００３７】
ΔＰF＝ＰFT−ＰF
ＰFT：注入後のＦ2分圧の目標値
ＰF：測定されたＦ2分圧値
つぎに、コントローラ８は、ガス供給排気装置１２に指令を与えてＦ2ガスボンベ９を所定時間Δｔだけ開かして、Ｆ2ガスをレーザチャンバ２に所定時間Δｔの間だけ供給する（ステップ１６０）。この供給が終了すると、コントローラ８は再度レーザチャンバ２内のレーザガスの全圧ＰT´を測定する（ステップ１７０）。
【００３８】
そして、レーザガスの全圧の増加分（＝ＰT´−ＰT）を前記注入Ｆ2ガス量の目標値ΔＰFと比較し（ステップ１８０）、ＰT´−ＰT≧ΔＰFが成立するまでＦ2ガスをレーザチャンバ２に供給する。
【００３９】
図４は、Ｆ2ガス分圧ＰFの他の測定手順を示すものである。
【００４０】
この図４に示す手法においては、下式に示すように、Ｆ2ガスの発光強度ＩFとレーザガスの全圧ＰTに基づいてＦ2ガス分圧ＰFを演算する。
【００４１】
ＰF＝ｆ2（ＩF，ＰT）
すなわち、この図４の手法では、レーザガスの全圧ＰTが上昇すると、これに伴ってＦ2ガスの発光強度ＩFも大きくなるので、かかる特性を考慮してＦ2ガス分圧ＰFを演算するようにしている。
【００４２】
図５は、Ｆ2ガス分圧ＰFのさらに他の測定手順を示すものである。
【００４３】
この図５に示す手法においては、下式に示すように、Ｆ2ガスの発光強度ＩFとレーザガス交換後の経過時間ｔaに基づいてＦ2ガス分圧ＰFを演算する。
【００４４】
ＰF＝ｆ3（ＩF，ｔa）
すなわち、この図５の手法では、レーザガス交換後レーザ発振が進行すると、不純物の発生によってＦ2ガスの発光強度ＩFが小さくなるので、かかる特性を考慮してＦ2ガス分圧ＰFを演算するようにしている。
【００４５】
なお、図５の手法において、レーザガス交換後の経過時間ｔaの代わりにレーザガス交換後のレーザパルス光のショット数ｎを用いるようにしてもよい。
【００４６】
図６は、Ｆ2ガス分圧ＰFのさらに他の測定手順を示すものである。
【００４７】
この図６に示す手法においては、下式に示すように、Ｆ2ガスの発光強度ＩFとレーザパルス発振の繰り返し周波数（発振周波数）ｆaに基づいてＦ2ガス分圧ＰFを演算する。
【００４８】
ＰF＝ｆ4（ＩF，ｆa）
すなわち、この図６の手法では、レーザパルス発振の繰り返し周波数ｆaが大きくなると、これに伴ってＦ2ガスの発光強度ＩFが小さくなるので、かかる特性を考慮してＦ2ガス分圧ＰFを演算するようにしている。
【００４９】
図７は、Ｆ2ガス分圧ＰFのさらに他の測定手順を示すものである。
【００５０】
この図７に示す手法は、レーザ光を所定回数連続してパルス発振させる連続パルス発振運転と、所定時間の間パルス発振を休止させる発振休止とを繰り返すバーストモードが実行されるエキシマレーザに適用されるものである。
【００５１】
すなわち、エキシマレーザを半導体露光装置用の光源として用いた場合、半導体露光装置では露光とステージ移動とを交互に繰り返すようになっているので、エキシマレーザの運転状態は必然的に上記したバーストモードとなる。
【００５２】
そして、このバーストモード運転の場合は、発振休止時間の長短がレーザ発振に大きな影響を与え、さらに発振休止後の初期のレーザパルス出力が他のレーザパルス出力に比べて大きくなるというスパイキング現象が重なって、個々のレーザパルスの出力エネルギーが大きくばらつくという性質を持っている。
【００５３】
したがって、バーストモード運転の場合は、レーザ光だけでなく、これに伴って発生されるＦ2等の放出光の発光強度もばらつくと考えられる。
【００５４】
そこで、図７の手法においては、１バースト周期の中で特定のパルス番号（発振休止後パルス発振が開始してから何発目のパルス発振であるかを識別する番号）のパルス発振を選び、このパルス番号のパルス発振が行われた際のＦ2ガスの放出光の発光強度ＩFを用いてＦ2ガス分圧ＰFを演算するようにしている。なお、上記パルス番号としては、パルス発振初期のスパイキング現象が発生する領域を避けてパルス発振の中期以降の出力エネルギーが安定した領域のものを選択するようにしたほうが望ましい。
【００５５】
なお、図２、図３〜図７に示したＦ2分圧計算用の各パラメータを適宜組み合わせてＦ2分圧を計算するようにしてもよい。
【００５６】
次に、図８〜図１２に、Ｆ2ガスの放出光を受光するための受光素子の他の配置例を示す。
【００５７】
図８においては、エンドミラー４の外側に、バンドパスフィルタ１６および受光素子１８を設けるようにしており、エンドミラー４は、レーザ発振に対応する波長の光にのみ（例えばＫｒＦエキシマレーザでは２４８ｎｍ，ＡｒＦエキシマレーザでは１９３ｎｍ）高反射率特性を有し、他の波長の光は透過するような特性をもたせている。
【００５８】
図９においては、出力ミラー５とレーザチャンバ２の間に反射ミラー３０を配設し、この反射ミラー３０で反射させたＦ2ガスの放出光をバンドパスフィルタ１６を介して受光素子１８で受光するようにしている。
【００５９】
図１０においては、エタロン、またはグレーティング等の波長選択素子とプリズムビームエキスパンダ等で構成した狭帯域化モジュール４０を設け、レーザ光を狭帯域化して出力するようにしている。また、この場合は、図１にも示したモニタモジュール７内にミラー４１、バンドパスフィルタ１６および受光素子１８を設けてＦ2ガスの放出光を受光するようにしている。
【００６０】
すなわち、モニタモジュール７においては、ミラー４１によってレーザ発振に対応する波長の光にのみを反射してビームスプリッタ４２に入射し、それ以外の光はバンドパスフィルタ１６を介して受光素子１８に入射するようにしている。ビームスプリッタ４２に入射された一部のレーザ発振光は受光素子４３に入射されてその出力エネルギーがモニタされるとともに、残りのレーザ光は拡散板４６、モニタエタロン４４を介してラインイメージセンサ４５に入射されて干渉縞を形成する。この形成された干渉縞に基づいてレーザ発振光の波長が検出される。
【００６１】
図１１においては、図１０にも示した狭帯域化モジュール４０内でＦ2ガスの放出光を受光するようにしている。
【００６２】
この場合、狭帯域化モジュール４０は、分散プリズム５６および全反射ミラー５１を有し、全反射ミラー５１は、前述したようにレーザ発振に対応する波長の光にのみ高反射率特性を有し、他の波長の光は透過するような特性をもたせている。
【００６３】
すなわち、図１１の構成においては、レーザチャンバ２から狭帯域化モジュール４０に入射された光のうちレーザ発振光はプリズム５０およびミラー５１を経由して再度同じ光路を経由してレーザチャンバ２に戻るが、Ｆ2放出光はレーザ光とは波長が異なるので、プリズム５０によってレーザ光とは異なる方向に偏向されてミラー５１に入射される。このＦ2放出光が入射されるミラー５１の位置の後方には、複数のファイバーケーブルが束ねられたバンドルファイバー５２の一方の受光端５３が配設されており、これら受光端５３で受光した光をファイバーケーブル５４を介してバンドパスフィルタ１６、および受光素子１８が配置された位置まで導光するようにしている。この場合、バンドルファイバー５２のミラー５１側の受光端５３は、その受光領域を広く確保できるように各ファイバーの受光端が列状に並べられており、他方の端部は受光端５３で受光した光を全て受光素子１８で受光できるように円形状に集合されている。
【００６４】
次に、図１２においては、狭帯域化モジュール４０は、プリズムビームエキスパンダ５０およびグレーティング５５を備えている。すなわちこの場合は、波長に応じて入射光を異なる方向に回折するグレーティング５５の特性を利用し、Ｆ2放出光を受光できる位置にバンドルファイバー５２の一方の受光端５３を配設するようにしており、これら受光端５３で受光した光をファイバーケーブル５４を介してバンドパスフィルタ１６、および受光素子１８が配置された位置まで導光するようにしている。この場合も、バンドルファイバー５２の受光端５３は、その受光領域を広く確保できるように各ファイバーの受光端が列状に並べれれており、他方の端部は受光端５３で受光した光を全て受光素子１８で受光できるように円形状に集合されている。
【００６５】
なお、上記実施例ではガス分圧を測定するようにしたが、ガス濃度を測定するようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施例では、レーザガス中のフッ素ガス分圧を測定するようにしたが、他の任意のガスの分圧を測定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す図。
【図２】フッ素分圧測定手順を示すフローチャート。
【図３】レーザガス注入排気手順を示すフローチャート。
【図４】他のフッ素分圧測定手順を示すフローチャート。
【図５】他のフッ素分圧測定手順を示すフローチャート。
【図６】他のフッ素分圧測定手順を示すフローチャート。
【図７】他のフッ素分圧測定手順を示すフローチャート。
【図８】放出光測定用の受光素子の他の配置例を示す図。
【図９】放出光測定用の受光素子の他の配置例を示す図。
【図１０】放出光測定用の受光素子の他の配置例を示す図。
【図１１】放出光測定用の受光素子の他の配置例を示す図。
【図１２】放出光測定用の受光素子の他の配置例を示す図。
【符号の説明】
１…エキシマレーザ２…レーザチャンバ３…放電電極
４…エンドミラー５…出力ミラー６…ビームスプリッタ
７…モニタモジュール８…コントローラ
９，１０，１１…ガスボンベ１２…ガス供給排気装置
１３…レーザ電源回路１４，１５…観測窓
１６，１７…バンドパスフィルタ１８，１９…受光素子
４０…狭帯域化モジュール４６…拡散板
５２…バンドルファイバー５５…グレーティング
５６…分散プリズム

Claims

複数の異なる種類のガスの混合ガスとして構成されるレーザガスをレーザ媒質として用いるガスレーザ装置において、
前記複数の異なる種類のガスのうちの特定のガスの放出光の発光強度を検出する発光強度検出手段と、
レーザ発振中における前記発光強度検出手段の検出信号と発光強度に影響を与えるレーザ発振に係る変数とに基づき前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算する演算手段と、
を備えるようにしたことを特徴とするガスレーザ装置。
前記演算手段は、前記発光強度信号とレーザ発振の励起強度とに基づいて前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記演算手段は、前記発光強度信号とレーザガスの全圧値とに基づいて前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記演算手段は、前記発光強度信号とレーザガス交換後の経過時間とに基づいて前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記ガスレーザ装置はパルス発振レーザであり、
前記演算手段は、前記発光強度信号とレーザガス交換後のレーザ発振パルス数とに基づいて前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記ガスレーザ装置はパルス発振レーザであり、
前記演算手段は、前記発光強度信号とレーザ発振の繰り返し周波数とに基づいて前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記ガスレーザ装置は、レーザ光を所定の周期で所定回数連続してパルス発振させる連続発振運転と、この連続発振運転後に前記連続パルス発振を所定時間停止させる停止運転とを交互に繰り返すものであり、
前記演算手段は、前記連続発振運転開始時の最初のパルス発振から予め設定した所定個数目のパルス発振における前記発光強度検出手段の検出信号に基づき前記特定のガスのガス濃度またはガス分圧を演算することを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
前記演算手段の演算出力に基づいてレーザガスの注入制御および排気制御を実行するガス注入排気制御手段をさらに具える請求項１〜７に何れかに記載のガスレーザ装置。
レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを更に具え、
前記発光強度検出手段は、前記狭帯域化モジュール内で前記特定のガスの放出光を受光する受光手段を具える請求項１記載のガスレーザ装置。