JP4845538B2 - 露光用２ステージエキシマレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置のスループットの向上と露光による超微細加工を可能とするための露光用光源である露光用２ステージエキシマレーザ装置に関するものである。

半導体集積回路の高微細化、高集積化につれて、その製造用の露光装置においては高解像力が求められており、現在、短波長の露光用光源として、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が実用段階にある。

ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、露光装置のスループットの向上と超微細加工の均一化が要請されており、更なる高出力化・狭帯域化が求められている。

しかしながら、１つのレーザチャンバで構成される従来のＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、１パルスあたりのパルスエネルギーを増加させる、もしくは、レーザ発振の高繰り返し動作によって達成される高出力化のため、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）に入射するレーザ光のパワーも大きくなる。 これにより、ＬＮＭが加熱され、ＬＮＭ内部の雰囲気の屈折率変動等により、高分解能化が困難になる。すなわち、スペクトルの超狭帯域化と高出力化とは相反する関係にある。

そこで、例えば下記特許文献１には、高出力化と狭帯域化を共に満たすべく露光用２ステージＡｒＦエキシマレーザ装置（以下２ステージレーザ装置という）が提案されている。

２ステージレーザ装置には発振段と増幅段があり、発振段（Master Oscillator：ＭＯ）に対して、増幅段として、レーザ共振器を持たない増幅器（Power Amplifier：ＰＡ）を用いる形式（ＭＯＰＡ方式（Master Oscillator Power Amplifier）と呼ばれる）と、増幅段にレーザ共振器を有する増幅用レーザ装置（Power Oscillator：ＰＯ）を用いる形式（ＭＯＰＯ方式（Master Oscillator Power Oscillator）またはインジェクションロック方式と呼ばれる）の２つの形式がある。

図７はＭＯＰＯ方式の２ステージレーザ装置の構成およびその動作を説明するための模式図である。

図７において、発振段１００は、発振段レーザチャンバ１０とＬＮＭ１６とフロントミラー１７を有している。ＬＮＭ１６は少なくともひとつのプリズム１６ａおよび回折格子１６ｂを含んでいる。フロントミラー１７は発振段レーザチャンバ１０の出力側に配置されている。放電で生じた発光はＬＮＭ１６とフロントミラー１７の間で共振されることにより、超狭帯域化されたレーザ光（シード光）として出力される。発振段１００はＬＮＭによる光学ロスを伴う高損失共振器を有するため、シード光のパルスエネルギーは低い（１ｍＪ程度）。発振段１００から出力されたシード光は、伝播ミラー４２ａと伝播ミラー４２ｂで構成されるビーム伝播部４２を経て、増幅段３００に注入される。

増幅段３００はＭＯＰＯ方式で、増幅段チャンバ３０とレーザ共振器を構成するリアミラー３６と出力ミラー３７を有する。

増幅段３００では、発振段１００から注入されたシード光に同期させて、増幅段チャンバ３０内の一対の電極間で放電を発生させる。したがって、発振段の高繰り返し動作にあわせて、増幅段３００の放電タイミングを精密に同期させる必要がある。

下記引用文献２、３には、２ステージレーザ装置において、発振段と増幅段の放電タイミングを制御する同期コントローラの技術が開示されている。このような同期コントローラを用いることにより、発振段と増幅段の放電タイミングを精密に制御することができる。また、下記引用文献４には、発振段に対する増幅段の放電タイミングを所定時間だけ遅延させる技術が開示されている。

増幅段３００は、上記同期コントローラ制御により、超狭帯域化スペクトルを維持したまま、注入されたシード光のパルスエネルギーのみを増幅する。増幅段３００はＬＮＭなどの光学的ロスのない低損失共振器（フリーラン）を有するため、増幅光のパルスエネルギーを高くすることが容易である。

さて、高繰り返し放電の際、チャンバ内の放電によって電極間に電離物質等が生じる。高繰返し動作を安定に行うためには、前の放電で電極間に発生した電離物質等を除去した状態で次の放電を行う必要がある。

図８は、図７における増幅段チャンバ３０のＡ−Ａ方向断面図である。増幅段チャンバ３０と発振段レーザチャンバ１０は基本的に同一機能であるので、代表して増幅段チャンバ３０を説明する。

図８に示す通り、増幅段チャンバ３０の内部には、所定距離だけ離隔し、互いの長手方向（図面の垂直方向）が平行であって且つ放電面が対向する一対の放電電極（カソード電極及びアノード電極）３０ａ、３０ｂが設けられている。これらの電極３０ａ、３０ｂには、図示しない電源によって高電圧パルスが印加される。すると、電極３０ａ、３０ｂ間で放電が発生し、この放電によって増幅段チャンバ３０内に封入されたガスが励起される。

増幅段チャンバ３０内には予備電離手段９０、９１が設けられている。予備電離手段９０、９１により生成させたコロナ放電により紫外線が発生し、一対の放電電極３０ａ、３０ｂ間のガスが予備電離される。この予備電離を行うことにより、その後行われる放電電極３０ａ、３０ｂによる高繰り返し放電が安定する。予備電離の原理および動作については、例えば下記引用文献５に開示があるため、ここでは省略する。

増幅段チャンバ３０の内部には、クロスフローファン（以下ＣＦＦという）３０ｃが設けられている。ＣＦＦ３０ｃによって、ガスは矢印（ｈ、ｉ、ｊ）の方向に高速循環され、電極３０ａ、３０ｂ間にたえず高速ガスが送り込まれる。

増幅段チャンバ３０の内部には、熱交換器３０ｄが設けられている。熱交換器３０ｄは図示しない水冷供給ユニットから供給される冷却水によってガスと熱交換を行う。熱交換器３０ｄにより、放電で高温になったガスを効果的に冷却することができる。

次に、前の放電から次の放電前までに電離物質等を含んだガスが図８の右方向（矢印Ｌ）にどれだけ移動したかを示す指標（ＣＲ値）について説明する。ＣＲ値は、放電電極幅ｗ（ｍ）、繰返し周波数ｆ（ｋＨｓ）、電極間近傍のガスの流速ｖ（ｍ／ｓ）を用いて、以下の式で求められる。

ＣＲ＝ｖ／（ｆ×ｗ） （１）
すなわち、ＣＲ値はガスの流速ｖに比例し、繰返し周波数ｆおよび放電電極幅ｗにそれぞれ反比例する。たとえば放電電極幅ｗと繰返し周波数ｆが固定値の場合、ＣＲ値を大きくするにはガスの流速ｖを大きくすればよい。

通常、２ステージレーザ装置では、発振段と増幅段のＣＲ値は２以上に設定される。例えば、放電幅ｗ＝０．００３ｍ（３ｍｍ）、繰返し周波数＝４kＨｚ、ガス流速＝３０ｍ／ｓの場合、指数ＣＲ値は２．５となる。言い換えれば、前の放電で発生した電離物質等は、次の放電前までに放電電極幅ｗの２．５倍（＝７．５ｍｍ）の距離だけ図８の右方向に移動する。２．５ｗ移動した状態を示す模式図を図中のＮで示した。このＮ部を、次の放電前までに所定距離以上移動させることで、次の放電を電離物質等のない状態で安定に開始できる。

以上のように、従来、高繰り返し動作を安定に動作させるために、予備電離手段による予備電離およびＣＦＦによるガスの高速循環を行っている。
特開２００１−２４２６５号公報 特開２００５−１２３５２８号公報 特開２００５−１６７０８２号公報 特開２００５−２５２１４９号公報 特開平１１−１１２３００号公報

現在、２ステージレーザ装置のレーザパルスの繰返し周波数は４ｋＨｚ程度であるが、スループットの増大、露光量のバラツキ低減のため、６ｋＨｚ以上の高繰返し周波数で安定動作が可能な２ステージレーザ装置が要請されている。

ところで、メンテナンス性およびコスト等の点から、発振段レーザチャンバと増幅段チャンバは同一形状であることが望ましい。なお、同一形状とは、チャンバ内部構造が同一であることを意味する。

しかしながら、２ステージレーザ装置において、発振段レーザチャンバと増幅段チャンバを同一形状にして、４ｋＨｚ以上の高繰返し周波数で動作させると、以下のような問題が発生する。

背景技術で説明したように、発振段はＬＮＭという高損失共振器を有するため、チャンバ内の圧力および放電電力を高めに設定して、所定のパルスエネルギー（１ｍＪ程度）を確保している。たとえば、チャンバ内圧力を３００ｋＰａとし、パルス当り２Ｊ程度のエネルギーを投入している。

発振段の場合、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作を行っても、高圧力にして大きい放電電力を投入することに加え、従来の高繰り返し動作技術（予備電離均一化、レーザガスの流速増加、放電幅低減等）を適用することにより安定放電が可能である。

それに対して、増幅段は低損失共振器を有し、発振効率が非常によいため、発振段のチャンバと同一形状のチャンバを使用した場合、所定のパルスエネルギー（１０〜１５ｍＪ程度）を得るために、増幅段チャンバ内の圧力および放電電力を、発振段に比べて低めに設定する必要がある。

しかしながら、所定のパルスエネルギーを得るために増幅段チャンバ内の圧力および放電電力を低下させると、増幅段３００の放電が不安定になり（異常放電の発生）、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作を安定して行う上で問題があることがわかった。

すなわち、予備電離手段を用いてコロナ放電による予備電離を行うために、通常、微量のキセノン（Ｘｅ）がガスに添加されているが、チャンバ内の圧力を低下するとキセノンの濃度も同時に低下するので、効果的に予備電離しにくくなる。

また、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作をさせた場合、繰り返し周波数ｆが高くなったことによりＣＲ値が低下し、電極間に生じた電離物質等の除去が不十分になるという問題がある。それに加えて、増幅段チャンバ３０内の圧力が高い場合には、発生した電離物質は増幅段チャンバ３０内のガスの大半を占めるネオンにより速やかに中性化されるが、増幅段チャンバ３０内の圧力が低下すると電離物質を中性化する時間が長くなってしまう。

電離物質等の影響を回避するためには、ガスの流速ｖを上げればよいが、ガスを高速循環するためのファン回転数はすでに上限値に近い。また、ファン回転数を上げるとファン回転の消費電力がさらに大きくなる。よってこれ以上ファン回転数を上げられない。

また、フッ素は電子付着性が高いため、増幅段チャンバ３０内のフッ素濃度を高くすると、予備電離で発生させた電子が短時間にフッ素に付着してしまう。そのため、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作の場合、増幅段チャンバ３０内のフッ素濃度を高くすると、放電が不安定になるとともに出力されるパルスエネルギー値にバラツキが出ることがわかった。パルスエネルギー値にバラツキが出ると露光によるウエハの歩留まりが低下してしまう。

本願発明は、以上の問題点に鑑みなされたものであって、発振段レーザチャンバと増幅段チャンバを同一形状にしても、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作が安定に行える露光用２ステージエキシマレーザ装置を提供することを目的としている。

以上のような目的を達成するために、第１発明は、少なくともフッ素（Ｆ２）ガスを含むガスが封入された発振段レーザチャンバと、前記発振段レーザチャンバ内に配置された第１の一対の放電電極と、レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを有するレーザ共振器とを含み、前記第１の放電電極による放電で発生したレーザ光を放出する発振段と、少なくともフッ素ガスを含むガスが封入された、前記発振段レーザチャンバと同一形状の増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバ内に配置された第２の一対の放電電極とを含み、前記発振段から放出したレーザ光が前記増幅段チャンバに注入され、この注入されたレーザ光を前記第２の放電電極による放電で増幅して放出する増幅段と、前記第１および第２の放電電極による放電タイミングを制御する同期コントローラとを具備した、発振周波数４ｋＨｚ以上で動作する露光用２ステージエキシマレーザ装置において、前記同期コントローラにより、前記第２の放電電極による放電前の予め設けられた時間範囲において、前記発振段から放出したレーザ光を、前記増幅段チャンバに注入して予備電離を行うことを特徴とする。

第２発明は、第１発明において、前記設定値の時間範囲は、２０ｎｓ以上且つ前記発振段で発生させたレーザ光のパルス幅以下であることを特徴とする。

第３発明は、第２発明において、前記発振段で発生させたレーザ光のパルス幅は３０ｎｓ以上であることを特徴とする。

第４発明は、第１乃至３いずれかの発明において、前記予備電離を行うために注入されるレーザ光のエネルギーは０．０５〜０．２ｍＪの範囲に設定されることを特徴とする。

第５発明は、第１乃至４いずれかの発明において、前記発振段レーザチャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以上であり、前記増幅段チャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以下に設定されることを特徴とする。

第６発明は、第１乃至５いずれかの発明において、前記増幅段チャンバ内のガスのフッ素濃度は０．１％以上に設定されることを特徴とする。

第７発明は、第１乃至６いずれかの発明において、前記発振段に投入される電力は、前記増幅段に投入される電力より大きいことを特徴とする。

第８発明は、少なくともフッ素（Ｆ２）ガスを含むガスが封入された発振段レーザチャンバと、前記発振段レーザチャンバ内に配置された第１の一対の放電電極と、レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを有するレーザ共振器とを含み、前記第１の放電電極による放電で発生したレーザ光を放出する発振段と、少なくともフッ素ガスを含むガスが封入された、前記発振段レーザチャンバと同一形状の増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバ内に配置された第２の一対の放電電極とを含み、前記発振段から放出されたレーザ光が前記増幅段チャンバに注入され、この注入されたレーザ光を前記第２の放電電極による放電で増幅して放出する増幅段と、前記第１および第２の放電電極の放電タイミングを制御する同期コントローラとを具備した、発振周波数４ｋＨｚ以上で動作する露光用２ステージエキシマレーザ装置において、前記増幅段チャンバ内のガスのフッ素濃度は０．１％以下に設定されることを特徴とする。

第９発明は、第８発明において、前記発振段レーザチャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以上であり、前記増幅段チャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以下であることを特徴とする。

第１発明によれば、図１と図３において、高繰り返し放電を安定させるために、ＣＦＦ１０ｃの回転数を上げてガス流速ｖを大きくすることにより、ＣＲ値を上げるかわりに、同期コントローラ８により、増幅段３００の放電の開始前の予め設定された設定値の時間範囲（第２発明では、２０ｎｓ以上且つシード光のパルス幅以下とし、第３発明では、２０ｎｓ以上且つ３０ｎｓ以上のパルス幅を有するシード光のパルス幅以下としている。）において、発振段１００から出力したシード光を増幅段チャンバ３０に注入することにより、シード光による予備電離を行う制御をしている。

第４発明によれば、図１において、発振段１００で発生させたシード光のエネルギーのなかから、予備電離を行うために最適な大きさのエネルギーを増幅段チャンバ３００に注入することができる。

第５発明によれば、図１において、発振段１００のシード光のエネルギーを維持しながら、増幅段３００のレーザ光の出力エネルギーを所定値以上にならないように低下させることができる。

第６発明によれば、図１において、発振段レーザチャンバ１０と増幅段チャンバ３０に封入するガスのフッ素濃度をほぼ同じにすることができる。

第７発明によれば、図１において、発振段１００のシード光のエネルギーを低下させずに、増幅段３００のレーザ光の出力エネルギーを低下させることができる。

第８発明によれば、図３において、フッ素濃度を０．１％以下にしたので、予備電離で発生させた電子が、短時間にフッ素ガスに電子付着されることを回避できる。

第９発明によれば、図１において、発振段１００のシード光のエネルギーを維持しながら、増幅段３００のレーザ光の出力エネルギーを所定値以上にならないように低下させることができる。

第1発明〜第７発明によれば、図１において、増幅段３００の放電が開始される前に、発振段１００のシード光の一部が増幅段チャンバ３００内の放電空間に注入される。これにより、注入されたシード光は増幅段チャンバ３０の放電空間を予備電離するので、４ｋＨｚ以上の高繰り返し周波数であっても、この予備電離の助けにより、その後行われる放電を安定して行うことが可能となる。したがって、パルスエネルギー値のバラツキが低減するので、ウエハ露光における歩留まりを向上させることができる。

また、放電を安定化させるために、図２（ｂ）において、ＣＦＦ３０ｃの回転数を上げてＣＲ値を高める必要がないので、ＣＦＦ３０ｃの消費エネルギーをこれ以上増加させることもない。

第８発明および第９発明によれば、図１および図６において、フッ素濃度を０．１％以下にしたので、予備電離で発生させた電子が、短時間にフッ素に付着されることを回避できる。これにより、見かけ上のガス流速ｖを高くした、すなわち、見かけ上のＣＲ値を上げたことになるので、増幅段３００の放電を安定にすることができる。

また、発振段１００の全ガス圧を２５０ｋＰａ以上とし、増幅段３００の全ガス圧を２５０ｋＰａ以下としたことにより、増幅段３００の出力エネルギーを所定値より大きくすることなく、増幅段３００の出力エネルギーを最適の大きさになるように調節することができる。

以下、本願発明に係る実施例について図を参照しながら説明する。

まず図１、図２、図３を用いて、本実施形態に係る、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作を行うための２ステージレーザ装置の構成および動作を説明する。図１は本実施形態に係る２ステージレーザ装置の構成図であり、増幅段にＰＯを用いている。図２は発振段（ＭＯ）およびＰＯのみを取り出した模式図であり、図３は発振段レーザチャンバを説明するための断面図である。なお、これ以降、増幅段がＰＯであるＭＯＰＯ方式を例に取って説明するが、増幅段がＰＡであるＭＯＰＡ方式においても、作用、効果は同等である。

図１において、２ステージレーザ装置２では、発振段１００でシード光が生成され狭帯域化される。そして、増幅段３００でそのシード光が増幅される。すなわち、発振段１００から出力されるレーザ光のスペクトル特性によってレーザシステム全体のスペクトル特性が決定され、増幅段３００によってレーザシステム自体のレーザ出力（エネルギーまたはパワー）が決定される。増幅段３００から出力されるレーザ光は露光装置３に入力され、このレーザ光は露光対象（例えばウエハ）の露光に用いられる。

発振段１００は、発振段レーザチャンバ１０と、充電器１１と、発振用高電圧パルス発生器１２と、ガス供給・排気ユニット１４と、冷却水供給ユニット１５と、ＬＮＭ１６と、フロントミラー１７と、第１のモニタモジュール１９と、放電検出部２０と、で構成される。

増幅段３００は増幅段チャンバ３０と、充電器３１と、増幅用高電圧パルス発生器３２と、ガス供給・排気ユニット３４と、冷却水供給ユニット３５と、リアミラー３６と、出力ミラー３７と、第２のモニタモジュール３９と、で構成される。

本願発明の実施例では、メンテナンス性およびコスト等を考慮して、増幅段チャンバ３０は発振段レーザチャンバ１０と同一形状としている。

次に発振段１００と増幅段３００について詳しく説明する。なお、その構成は同一な部分があるため、その部分については発振段１００を代表して説明する。

図２（ａ）に示す通り、発振段レーザチャンバ１０の内部には、所定距離だけ離隔し、互いの長手方向が平行であって且つ放電面が対向する一対の放電電極（カソード電極及びアノード電極）１０ａ、１０ｂが設けられる。これらの電極１０ａ、１０ｂには、充電器１１と発振用高電圧パルス発生器１２と、で構成された電源によって高電圧パルスが印加される。すると、電極１０ａ、１０ｂ間で放電が生じ、この放電によって発振段レーザチャンバ１０内に封入されたガスが励起される。

発振段レーザチャンバ１０の内部には、ガス供給・排気ユニット１４から供給されるガスが封入される。ガス供給・排気ユニット１４は、発振段レーザチャンバ１０内にガスを供給するガス供給系と、発振段レーザチャンバ１０内のガスを排気するガス排気系とが設けられる。ＡｒＦエキシマレーザの場合、ガス供給・排気ユニット１４は、アルゴン（Ａｒ）ガス及びフッ素（Ｆ2）ガスと、ネオン（Ｎｅ）等からなるバッファガスとを発振段レーザチャンバ１０に供給する。各ガスの供給及び排気はガス供給・排気ユニット１４の各バルブの開閉で制御される。

図３は図２（ａ）の発振段レーザチャンバのＢ−Ｂ断面の模式図であり、図８の増幅段チャンバの断面図と基本的に同一である。

図３に示すように、発振段レーザチャンバ１０の内部には、所定距離だけ離隔し、互いの長手方向（図面の垂直方向）が平行であって且つ放電面が対向する一対の放電電極（カソード電極及びアノード電極）１０ａ、１０ｂが設けられている。これらの電極１０ａ、１０ｂには、図１で説明した電源によって高電圧パルスが印加される。すると、電極１０ａ、１０ｂ間で放電が発生し、この放電によって発振段レーザチャンバ１０内に封入されたガスが励起される。

発振段レーザチャンバ１０内には予備電離手段９０、９１が設けられている。予備電離手段９０、９１により生成させたコロナ放電により紫外線が発生し、一対の放電電極１０ａ、１０ｂ間のガスが予備電離される。この予備電離を行うことにより、放電電極１０ａ、１０ｂによる高繰り返し放電をより安定して行うことができる。なお、ガスの下流側の予備電離手段９１は省くこともある。

また、発振段レーザチャンバ１０の内部には、ＣＦＦ１０ｃが設けられる。ＣＦＦ１０ｃによってガスはチャンバ内で循環され、電極１０ａ、１０ｂ間に送り込まれる。

また、発振段レーザチャンバ１０の内部には、熱交換器１０ｄが設けられる。熱交換器１０ｄには冷却水供給ユニット１５から冷却水が供給される。この冷却水によって発振段レーザチャンバ１０内を循環するガスの排熱が行われる。冷却水の供給は冷却水供給ユニット１５のバルブの開閉で制御される。

図２（ａ）に示すように、発振段レーザチャンバ１０の外部であり、ウィンドウ１０ｅ側のレーザ光の光軸上にはＬＮＭ１６が設けられ、ウィンドウ１０ｆ側のレーザ光の光軸上にはフロントミラー１７が設けられる。ＬＮＭ１６は例えば少なくともひとつのプリズム１６ａとグレーティング（回折格子）１６ｂ等の光学素子で構成される。また、ＬＮＭ１６は波長選択素子であるエタロンと全反射ミラー等の光学素子で構成される場合もある。このＬＮＭ１６内の光学素子とフロントミラー１７とでレーザ共振器が構成される。

図１に示すように、第１のモニタモジュール１９はフロントミラー１７を透過したレーザ光のエネルギーや出力線幅や中心波長等のレーザビーム特性をモニタする。モニタモジュール１９はレーザ光の中心波長を示す信号を生成し、この信号を波長コントローラ６に出力する。また、モニタモジュール１９はレーザ光のエネルギーを測定し、このエネルギーを示す信号をエネルギーコントローラ７に出力する。

なお、増幅段チャンバ３０の電極３０ａ、３０ｂ、ＣＦＦ３０ｃ、熱交換器３０ｄ、ウィンドウ３０ｅ、３０ｆの構成及び機能は、上述した発振段レーザチャンバ１０の各部の構成及び機能と同じである。また、増幅段３００に設けられた充電器３１、増幅用高電圧パルス発生器３２、ガス供給・排気ユニット３４、冷却水供給ユニット３５、第２のモニタモジュール３９、放電検出器４０、圧力センサＰ２、温度センサＴ2の構成及び機能は、上述した発振段１００側に設けられた同一要素の構成及び機能と同じである。

一方、増幅段３００には、発振段１００で設けられたＬＮＭ等からなる共振器に代わり次に述べる不安定共振器が設けられる。

増幅段チャンバ３０の外部であり、ウィンドウ３０ｅ側のレーザ光の光軸上にはリアミラー３６が設けられ、ウィンドウ３０ｆ側のレーザ光の光軸上には出力ミラー３７が設けられる。リアミラー３６と出力ミラー３７とで不安定型共振器が構成される。リアミラー３６の反射面は凹面であって、その中央部にはミラー後方側から反射面側へレーザ光を通過させる孔が設けられる。孔のレーザ光透過率は５％〜１０％程度である。リアミラー３６の反射面はＨＲ（High Reflection）コートが施される。出力ミラー３７の反射面は凸面であって、その中央部にはＨＲ（High Reflection）コートが施され、中央部周囲にはＡＲ（Anti Reflection）コートが施される。なお、リアミラー３６としては、中央に孔が開いたものを使用するのではなく、孔に相当する部分のみＡＲコートが施されたミラー基板を使用してもよい。また、不安定共振器でなく安定共振器でもよい。

発振段１００のフロントミラー１７と増幅段３００のリアミラー３６との間には、反射ミラー４２ａ、４２ｂで構成されるビーム伝搬部４２が設けられる。

フロントミラー１７を透過したレーザ光はビーム伝搬部４２によってリアミラー３６まで案内される。更にこのレーザ光はリアミラー３６の孔を通過し、増幅段チャンバ３０内を通過し、出力ミラー３７の中央部で反射される。出力ミラー３７で反射されたレーザ光は、増幅段チャンバ３０内を通過し、リアミラー３６の孔周囲で反射される。更に、リアミラー３６で反射されたレーザ光は、増幅段チャンバ３０内を通過し、出力ミラー３７の中央部周囲を透過し出力される。レーザ光が増幅段チャンバ３０の放電部すなわち電極３０ａ、３０ｂ間を通過する際に放電が発生すると、レーザ光のエネルギーは増幅される。

波長コントローラ６にはモニタモジュール１９、３９から出力された信号が入力される。波長コントローラ６はレーザ光の中心波長を所望の波長にすべくＬＮＭ１６内の波長選択素子（グレーティング、エタロン等）の選択波長を変化させる信号を生成し、この信号をドライバ２１に出力する。波長選択素子の選択波長は、例えば、波長選択素子へ入射するレーザ光の入射角を変化させることにより変化する。ドライバ２１は、受信した前記信号に基づき、波長選択素子へ入射するレーザ光の入射角が変化するように、ＬＮＭ１６内の光学素子（例えば、拡大プリズム、全反射ミラー、グレーティング等）の姿勢角等を制御する。

エネルギーコントローラ７にはモニタモジュール１９、３９から出力された信号が入力される。エネルギーコントローラ７は、発振段１００および増幅段３００から放出されるレーザ光のパルスエネルギーを所望の値にするために、高電圧パルス発生装置１２、３２の主コンデンサＣ０の充電電圧ＨＶ１、ＨＶ２を示す信号を生成し、この信号を同期コントローラ８に出力する。

同期コントローラ８にはエネルギーコントローラ７から出力された信号と、放電検出器２０、４０から出力された各チャンバ１０、３０における放電開始を知らせる信号とが入力される。同期コントローラ８はエネルギーコントローラ７から出力された信号に基づいて、充電器１１、３１の充電電圧を制御する。

２ステージレーザ装置においては、発振段１００から放出されたシード光が増幅段３００に注入されるタイミングと増幅段３００が放電するタイミングを調整する必要がある。すなわち、発振段レーザチャンバ１０内での放電、発光タイミングと増幅段チャンバ３０内での放電、発光タイミングに所定の遅延時間を設ける必要がある。両者の放電、発光のタイミングがずれると、発振段１００から放出されたシード光は良好に増幅されない。

同期コントローラ８は、放電検出器２０、４０から出力される各チャンバ１０、３０における放電開始を知らせる信号に基づき、上記遅延時間を設定する。そして、最適なタイミングで各チャンバ１０、３０において放電が発生するように、上記遅延時間を考慮したトリガ信号を高電圧パルス発生装置１２、３２の固体スイッチにそれぞれ送信する。

同期コントローラ８の制御により、各チャンバ１０、３０の放電の前に予備電離手段を用いて予備電離を行うことについては、例えば前記引用文献２、３に開示されており公知であるのであらためて説明するのを省略する。

さて上記解決課題で説明したように、増幅段３００は増幅効率がよいため、増幅段チャンバ３０の圧力と投入エネルギーを発振段レーザチャンバ１０のそれより低めに設定する必要がある。具体的には、発振段レーザチャンバ１０内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以上であり、増幅段チャンバ３０内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以下に設定される。また、発振段１００のパルス当たりの投入エネルギーは２Ｊ程度、増幅段３００のパルス当りの投入エネルギーは１．５Ｊ程度に設定される。

なお、通常、増幅段チャンバ３０内のフッ素濃度は、発振段レーザチャンバ１０と同様に０．１％以上に設定されている。こうすることで、ガスの供給・排気管理がしやすくなる。

しかしこのような設定で２ステージレーザ装置を動作させた場合、増幅段３００の高繰り返し放電が不安定になってしまう。

増幅段３００の放電が不安定になる原因としては、繰り返し周波数ｆが高くなったことによりＣＲ値が低下し、電極間に生じた電離物質等の除去が不十分になることがあげられる。ＣＲ値を高くする為には、ガスの流速ｖを上げればよいが、ガスを高速循環するためのファン回転数はすでに上限値に近い。また、ファン回転数を上げるとファン回転の消費電力がさらに大きくなる。よってこれ以上ファン回転数を上げたくない。

そこで本願発明の場合、ＣＦＦによりガス流速を高めてＣＲ値を上げるかわりに、同期コントローラ８の制御により、放電開始前の予め設定された時間範囲に、発振段１００から出力したシード光を増幅段チャンバ３０に注入している。

すなわち、増幅段３００の放電が開始される前に、発振段１００のシード光の一部が増幅段チャンバ３０内の放電空間に注入される。これにより、注入されたシード光は増幅段チャンバ３０内の放電空間を前もって電離するので、従来より予備電離の効果を高めることができる。

そのため、６ｋＨｚ以上の高繰り返し周波数であっても、その後の放電を安定して行うことができる。また、４ｋＨｚ程度の高繰り返し周波数の場合も、さらに安定した放電を行うことができるので、ウエハ露光における歩留まりが向上する。

このように実施例１では、ガス流速を上げてＣＲ値を高める代わりに、シード光による予備電離で増幅段３００の放電を安定させており、見方を変えれば、シード光による予備電離は、見かけ上のＣＲ値を高めることに対応しているといえる。

実験の結果、増幅段３００の放電開始時間は、増幅段３００に注入するシード光の注入開始時間に対して、少なくとも２０ｎｓ以上後に設定されることが必要であることがわかった。これは、増幅段チャンバ３０の放電空間にシード光を注入後、一定の時間経過後に予備電離効果がはじめて表れるためと考えられる。

また、実験の結果、増幅段３００の放電開始時間が、増幅段３００に注入するシード光の注入開始時間に対して、シード光のパルス幅以上後に設定されることは望ましくないことがわかった。放電開始時間に対して、シード光のパルス幅以上前の時間に予備電離のためのシード光が注入された場合、シード光の注入が終了した後に放電が開始されることになるため、増幅段によるシード光の増幅を適切に行うことができなくなる。

図４は、予備電離のためのシード光の注入開始時間と増幅段の放電開始時間のタイミングを説明するための模式図である。横軸は時間ｔ（ｎｓ）であり、縦軸はレーザ光のパルス強度（任意）である。

図４において、図の上側に発振段１００から注入したシード光のパルスＰ０の波形を、図の下側に増幅段３００の放電により生成したパルスＰ１の波形を示してある。パルスＰ０のエネルギーは０．１ｍＪ程度（１ｍＪ×孔透過率１０％程度）、パルスＰ１のエネルギーは１０〜１５ｍＪ程度である。シード光の注入開始時間をｔ０とし、増幅段３００の放電開始時間をｔ１とした。また、ここでは注入するシード光のパルス幅は８０ｎｓとし、ｔ１＝ｔ０＋６０としている。

予備電離のためのシード光の注入開始時間ｔ０に対する、増幅段３００の好適な放電開始時間範囲Ｍを斜線で示した。すなわち、増幅段３００の好適な放電開始時間範囲は、（ｔ０＋２０）から（ｔ０＋８０）の時間範囲である。この場合、増幅段３００の放電開始時間のマージンは６０ｎｓである。

図４において、シード光は注入開始時間ｔ０に増幅段チャンバ３０に注入され、その後、８０ｎｓの時間に亘って、増幅段チャンバ３０へシード光の注入が継続される。増幅段３００の放電は、シード光の注入開始時間ｔ０から６０ｎｓ後に開始されるので、シード光の注入は増幅段３００の放電開始後も２０ｎｓ行われる。増幅段３００は、注入されたシード光の超狭帯域化スペクトルを維持したまま、パルスエネルギーのみを増幅する。

なお、発振段１００で発生させたシード光のパルス幅は、最低でも２０ｎｓ以上、好適には３０ｎｓ以上に設定されることが好ましい。以下このことにつて詳しく説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、発振段１００から注入されたシード光のパルス幅が３０ｎｓおよび２０ｎｓの場合における増幅段３００の放電タイミングを説明するための模式図である。それぞれ横軸は時間ｔ（ｎｓ）であり、縦軸はレーザ光のパルス強度（任意）である。図中に、注入開始時間ｔ０におけるパルス波形Ｐ０と、増幅段３００の放電開始時間ｔ１におけるパルス波形Ｐ１を示した。

図５（ａ）のシード光のパルス幅が３０ｎｓの場合、増幅段３００の好適な放電開示時間範囲は（ｔ０＋２０）〜（ｔ０＋３０）の１０ｎｓの間である（下側の斜線部Ｍ）。この場合、増幅段３００の放電開始時間のマージンは１０ｎｓである。

一方、図５（ｂ）のシード光のパルス幅が２０ｎｓの場合、増幅段３００の好適な放電開始時間範囲は（ｔ０＋２０）のみであり、増幅段３００の放電開始時間のマージンはまったくないことになる。

以上のように、シード光のパルス幅の下限値は２０ｎｓである。また、同期コントローラ８の制御性を考慮すると、シード光のパルス幅が３０ｎｓあれば、注入開始時間に１０ｎｓ以上のマージンがとれるので十分である。

また、予備電離のために注入されるシード光のエネルギーは０．０５〜０．２ｍＪの範囲が好ましい。これは、予備電離に用いるシード光のエネルギーが小さいと予備電離の効果が小さく、シード光のエネルギーがあまり大きくなると予備電離の効果が飽和し、無駄にエネルギーを投入していることになるからである。

実験によれば、シード光のパルス幅を標準的な８０ｎｓとし、最適なタイミングでシード光を注入した場合、増幅段チャンバ３０内のＣＦＦの回転数を約１０％上げて得られる効果、言い換えればＣＲ値を約１０％高めた効果と同等の効果が得られることがわかった。

以上のように、実施例１によれば、ＣＦＦの回転数を上げることなく、予備電離のためにシード光を用いることで増幅段３００の放電を安定に動作させることができるので、たとえ発振段レーザチャンバ１０の全ガス圧を２５０ｋＰａ以上とし、増幅段チャンバ３０の全ガス圧を２５０ｋＰａ以下に設定し、また発振段１００のパルス当たりの投入エネルギーを２Ｊ程度、増幅段３００のパルス当りの投入エネルギーを１．５Ｊ程度に設定し、さらに、増幅段チャンバ３０のフッ素濃度を０．１％以上に設定しても、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作で増幅段３００の放電を安定に行うことが可能になった。また放電を安定化させるために、すでに限界値に近いＣＦＦの回転数をさらに上げてＣＲ値を高める必要はないため、ＣＦＦの消費エネルギーをこれ以上増加させることを回避できる。

本願発明の対象とする２ステージレーザ装置は、図１〜３に説明したように、発振段レーザチャンバと増幅段チャンバを同一形状にしている。

しかしながら、フッ素は電子付着性が高いため、増幅段チャンバ３０内のフッ素濃度を高くすると、予備電離手段で発生させた電子が放電空間のフッ素ガスに短時間で付着してしまう。そのため、４ｋＨｚ以上の高繰り返し周波数で２ステージレーザ装置を動作させた場合、予備電離手段で予備電離を行っても、予備電離効果を十分に発揮できず、増幅段３００の放電が不安定になるとともに、出力エネルギーのバラツキが大きくなることが明らかになった。

そのため、ＣＦＦの回転数を上げてガス流速を大きくし、ＣＲ値を高めることにより増幅段３００の放電を安定させることが考えられるが、ＣＦＦの回転数はすでに限界値に近く、これ以上ＣＦＦの回転数を上げたくない。

そこで実施例２では、４ｋＨｚ以上の高繰り返し動作で増幅段３００の放電を安定して行い且つ出力エネルギーのバラツキを抑えるために、増幅段チャンバ３０のフッ素濃度を０．１％未満に設定している。

図６は、繰返し周波数が６ｋＨｚにおける増幅段チャンバ内のフッ素濃度と放電安定性を説明する図である。横軸は増幅段のＣＦＦの回転数であり、縦軸は放電安定化指数Ｓである。放電安定化指数は、増幅段チャンバ内の放電の安定性の度合いを示す指標であり、通常、指数Ｓが２以下であれば放電は安定している。

図６において、フッ素濃度は０．０６％、０．０８％、０．１０％、０．１１％までの４段階のパラメータとしている。

フッ素濃度が０．０６％の場合、ＣＦＦの回転数が３４００ｒｐｍまで低下しても指数Ｓは２以下であり放電は安定している。しかし回転数が３１００ｒｐｍ付近まで低下すると指数Ｓの値は２以上となる。フッ素濃度が０．０８％の場合、ＣＦＦの回転数が３７００ｒｐｍ付近まで低下すると指数Ｓは２以上となる。また、フッ素濃度が０．１％、０．１１％の場合はともにＣＦＦの回転数が４２００ｒｐｍ付近まで低下すると指数Ｓは２以上となる。このように、実験結果によれば、フッ素濃度を０．１％未満にすることで、放電安定化指数が２以下になるＣＦＦ回転数の範囲を十分広く取ることができる。

一方、フッ素の下限値としては、０．０５％以上に設定するのが好ましい。その理由は、フッ素濃度を０．０５％以下にすると増幅段のレーザ出力が低下してしまい、放電を安定にすることができても露光用レーザ光として使用することができなくなるおそれがあるからである。

増幅段３００の放電を安定に行うためのＣＦＦの回転数の下限値は、フッ素濃度が０．１％では４２００ｒｐｍ付近であり、フッ素濃度が０．０６％では３４００ｒｐｍ付近である。したがって、後者は前者に対して約８００ｒｐｍ分の余裕がある。すなわち、フッ素濃度を低下させることは、ＣＦＦの回転数の下限値を低下させることに対応している。ＣＦＦの回転数下限値が低下することは、ガス流速下限値が低下することと同じことであり、低いガス流速でも安定して放電を行えることを意味する。

言い換えれば、フッ素濃度を低下させることは、見かけ上のガス流速を上げることに対応し、見かけ上のＣＲ値を高めたことに対応する。これを図６で説明すると、フッ素濃度を０．１％から０．０６％まで低下させることにより、見かけ上のＣＦＦの回転数を約８００ｒｐｍ上げることができる。

このように、増幅段チャンバ３０内のフッ素濃度を低下させることにより、予備電離で発生させた電子が放電空間のフッ素ガスに付着する確率を低下させることができるので、予備電離の効果をより持続させることができる。その結果、その後の放電を安定して行うことが可能になる。

以上、実施例２によれば、繰返し周波数が４ｋＨｚ以上であっても、増幅段チャンバ３０のフッ素濃度を所定値以下に設定することにより、見かけ上のガス流速を高めたことになる。したがって、見かけ上のＣＲ値を高めることができるので、増幅段の放電を安定して行うことができる。

なお、上記実施例では、おもに２ステージＡｒＦエキシマレーザ装置を想定して説明したが、本願発明は２ステージＫｒＦエキシマレーザ装置等にも同様に適用できる。

本発明の露光用２ステージエキシマレーザ装置は、半導体集積回路の製造だけでなく、液晶デバイス等の高精細加工を要求される製造用としても適用することができる。

図１は本実施形態に係る２ステージレーザ装置の構成図である。 図２は発振段（ＭＯ）およびＰＯのみを取り出した模式図である。 図３は発振段レーザチャンバの内部構造を説明するための模式図である。 図４は、予備電離のためのシード光の注入開始時間と増幅段の放電開始時間のタイミングを説明するための模式図である。 図５は増幅段３００の放電タイミングを説明するための他の模式図である。 図６は増幅段チャンバ内のフッ素濃度と放電安定性を説明する図である。 ＡｒＦエキシマレーザの原理を説明するための概念図である。 従来の２ステージレーザ装置のチャンバ内部構造を説明するための断面図である。

符号の説明

２ ２ステージレーザ装置
１０ 発振段レーザチャンバ
１０ａ、３０ａ 上部電極
１０ｂ、３０ｂ 下部電極
１０ｃ、３０ｃ クロスフローファン（ＣＦＦ）
１０ｄ、３０ｄ 冷却器
１６ 狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）
３０ 増幅段チャンバ
９０、９１ 予備電離手段
１００ 発振段
３００ 増幅段

Claims (2)

1. 少なくともフッ素（Ｆ２）ガスを含むガスが封入された発振段レーザチャンバと、前記発振段レーザチャンバ内に配置された第１の一対の放電電極と、レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを有するレーザ共振器とを含み、前記第１の放電電極による放電で発生したレーザ光を放出する発振段と、
   少なくともフッ素ガスを含むガスが封入された、前記発振段レーザチャンバとチャンバ内部構造が同一の増幅段チャンバと、前記増幅段チャンバ内に配置された第２の一対の放電電極とを含み、前記発振段から放出されたレーザ光が前記増幅段チャンバに注入され、この注入されたレーザ光を前記第２の放電電極による放電で増幅して放出する増幅段と、
   前記第１および第２の放電電極の放電タイミングを制御する同期コントローラと
   を具備した、繰返し周波数４ｋＨ以上で動作する露光用２ステージエキシマレーザ装置において、
   前記増幅段チャンバ内の圧力および放電電力は、前記発振段レーザチャンバに比べて低めに設定され、
   予備電離手段で前記増幅段チャンバの放電空間で電離物質の予備電離を行う場合に、
   前記増幅段チャンバ内のガスのフッ素濃度は０．１％未満で０．０５％以上に設定されることを特徴とする露光用２ステージエキシマレーザ装置。
2. 前記発振段レーザチャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以上であり、前記増幅段チャンバ内の全ガス圧は２５０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１記載の露光用２ステージエキシマレーザ装置。

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