JP5036118B2 - 高ピーク出力レーザ装置および該装置の極紫外線光生成への適用 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、高ピーク出力、平均出力、および高繰り返し率を有し、しかもコストと複雑さが最小なレーザ装置に関する。
【0002】
本発明は特に、極紫外線領域の光の生成に適用できる。
【0003】
この領域に属する放射は「EUV放射」とも呼ばれ、その波長範囲は8ないし25ナノメートルである。
【0004】
本発明の目的である装置により生成されるEUV放射は、光パルスを生成することにより得られ、適当な目標物と相関させることができるためにその用途は広く、特に物性物理学、顕微鏡検査、および中でも超微細化リソグラフィの分野において集積回路に非常に高度な集積化を達成するために利用される。超微細化リソグラフィへの応用のためには、高ピーク出力レーザに獲得することが非常に難しい、高繰り返し率を実現することが特に有利である。
【0005】
本発明は、超微細化リソグラフィに必要とされるものと同種の励起レーザを必要とするいかなる分野にも応用可能である。
【0006】
先行技術
EUVリソグラフィは、0.1マイクロメートル未満の集積回路を製造するためにマイクロエレクトロニクスの分野で必要とされている。EUV放射源の中には、レーザにより生成されるプラズマを使用するものがある。
【0007】
そのようなプラズマの生成には、レーザにより生成される高ピーク照射を利用することが必要である。よって、このために、例えば約300mJ/パルス以上のエネルギーを供給するパルスレーザが使用される。
【0008】
励起波長は重要でないため、これより本発明は、例えば、多くの産業分野で大きな発展を遂げたYAGレーザを使用する。しかし、その他の固定レーザ、つまりその増幅媒体が固定であるレーザも本発明に使用することができる。
【0009】
照射ごとに非常に高いエネルギー安定度を得るために、レーザダイオードポンピングを使用することが周知である。
【0010】
さらに、光リソグラフィのためのEUV放射を生成するために必要なピーク出力を得るために、パルスダイオードを使用することが周知である。
【0011】
この分野について、以下の文献を参照することができる:
(1)H.Rieger他による論文「High brightness and power Nd:YAG laser」(新型固定化レーザ,1999年,マサチューセッツ州ボストン,49−53頁)
この文献は、比較的低い繰り返し率で高振幅レーザパルスを生成する、光リソグラフィのための装置について記載している。
【0012】
また、必要なピーク出力を得るために、発振器および増幅器の使用が周知である。結果としてそのようなレーザは複雑で高価なものとなる。
【0013】
この分野について、以下の文献を参照することができる:
(2)G.Holleman他による論文「Modeling high brightness kW solid−state lasers」(SPIE, 第2989巻, 15−22頁)
この文献は、パワーレーザの、2つの相反する技術に対応する2つの要件、すなわち:
一方で、長パルスを発するレーザを必要とする、技術的に単純な技術で得られる、溶接、機械加工または加工助剤の使用、および
他方で、できれば高速の、短パルスを必要とする、特に2つの光増幅段階を使用する非常に高度で高価な技術により得られる、光リソグラフィの使用
について記述している。
【0014】
高ピーク出力レーザ装置の開発を目的とした、以下の文献も参照することができる:
(3)G.Kubiak他による論文「Scale−up of a cluster jet laser plasma source for Extreme Ultraviolet lithography」(SPIE, 第3676巻,1999年,669−678頁)
【0015】
この文献(3)に記載の装置は、光リソグラフィに関する他の先行技術と同様、パルスダイオードによってポンピングされるYAGレーザを使用する。それに加えて、該装置は複雑で高価な光増幅器も使用する。さらに、この文献(3)で目標とされる繰り返し率は、エネルギー280mJ/パルスに対して6kHzである。
【0016】
本発明の概要
本発明の目的は、高繰り返し率で動作しながら、少なくとも従来と同様のピーク出力を有することが可能で、且つ既知のレーザ装置よりも単純で安価なレーザ装置を提供することにより、これらの欠点を克服しようとするものである。
【0017】
具体的には、本発明の目的は:
− 光パルスの供給を目的として連続的に動作するダイオードによってポンピングされる、少なくとも3つの固体パルスレーザと、
− これら光パルスを、ほぼ同時に、実質的に同一の目標点に方向付ける手段と
を備えることを特徴とするレーザ装置である。
【0018】
本発明の目的である装置の好適な実施形態では、レーザは増幅器なしでオシレータに搭載される。
【0019】
本発明の目的である装置は、少なくとも3つ、好適には4つ以上のパルスレーザを備える。
【0020】
本発明の目的である装置の好適な実施形態では、この装置は、レーザが供給する光パルスの付加により生じる光パルスの空間的分配を変更する手段をさらに備える。
【0021】
別の実施形態では、該装置はレーザの制御手段を具備し、該制御手段はレーザが供給する光パルスの付加により生じる光パルスの時間的分配を変更し、それにより複合パルスを生成することができる。
【0022】
本発明の別の実施形態では、各複合パルスに含まれるパルスの種類には、光パルスと目標物の相関により生成されるプラズマに点火するための、プラズマが成長する時間であってエネルギーが最小値を取る時間に相当する長さの第一パルスと、プラズマの成長に基づくシーケンスに従う、複数の基本的パルスから構成される第二パルスとがある。
【0023】
本発明の目的である装置は、レーザが発する光パルスの繰り返し率、またはレーザが発するこれら光パルスのシーケンスの繰り返し率を変更する手段をさらに有する。
【0024】
複合パルスが生成される場合、本発明の目的である装置は、好適には、収束率の高い第一のビームを目標物に方向付けし、残りの光エネルギーの収束を広げて目標物に当てることができる。
【0025】
本発明で使用するレーザは、YAGレーザなどの固定レーザである。
【0026】
本発明の目的である装置のレーザが発する光パルスが方向付けられる目標物は、これら光パルスとの相関により極紫外領域の光を供給することができるものとすることができる。
【0027】
しかし、本発明の用途はEUV放射に限定されるものではなく、目標物に対して高ピーク出力レーザビームを方向付けることが必要ないかなる分野にも応用可能である。
【0028】
本発明では空間的重畳を使用し、1つの実施形態では時間的順序付けを利用する。
【0029】
「空間的重畳」という表現は、複数のレーザビームを、ほぼ同時に、実質的に同一の目標点に重畳することを意味する。「ほぼ同時に」という表現は、本レーザ装置の固定レーザが供給した異なる基本パルス間の時間的オフセットが、これらレーザの繰り返し時間と比較して小さいことを意味する。この重畳により、パスルあたりのエネルギーとピーク出力を増加させることが可能になる。
【0030】
以下に示すように、レーザビームを、ほぼ同時に、実質的に同一の目標点に重畳することにより、使用に柔軟性を持たせることができる。このような使用の柔軟性により、生成されたプラズマからの発光を最適化することができる。
【0031】
本発明において、以下に述べる(a)ないし(d)の4点が重要である。
【0032】
(a)空間的重畳
これによりピーク出力を増加させることができ、レーザが発する基本的光パルスの付加により生じる光パルスの空間的分布を、非常に柔軟に変更することが可能になる。
【0033】
例えば、本発明の好適な実施例では、他よりも収束率の高い光パルスを使用することにより、局所的に大きな照射を獲得することができる。これを、単純化のためにビームを2つだけ考慮した図1および2に概略的に示した。
【0034】
図1は、第一光ビームF1および第二光ビームF2の断面を、2つの直行する軸OxおよびOyによって画定された平面上に示している。2つのビームに共通の軸はOyである。
【0035】
該2つのビームはこの軸Oyについて実質的に軸対称であり、点Oの近傍で収束している。該点Oは、軸OxおよびOyと直交して点Oを通る軸と、軸Oyとが定義する観察平面に実質的に含まれる。
【0036】
2つのビームの収束は異なり、第一ビームF1の収束率は第二ビームF2の収束率より高い。
【0037】
図2は、観察面における照射Iの変化を、横軸xの関数として軸Ox上の曲線に示したものである。
【0038】
ビームF1の収束はビームF2の5倍であり、2つのビームが同じ出力を有しているとき、このビームF1によって軸Oy上に生成される照射は、ビームF2の25倍である。しかし、本発明では、出力が同一のビームを使用してもよく、対照的に出力が互いに異なる、または互いに大きく異なるビームを使用してもよいことに注意されたい。
【0039】
このように、同時に複数のビームを同一の目標物に「空間的重畳」することにより、より短い時間間隔で各基本レーザのパルスの照射時刻をオフセットすることが可能になる。
【0040】
(b)異なるレーザパルスの時間的順序付け
(b1)第一モード
複数のレーザを同一の目標物に収束させるとき、それらパルスの発生を実質的に規則的な間隔で交互に行い、それによりピーク出力を増加させずに繰り返し率を高める方法が知られている。
【0041】
(b2)第二モード
別の方法としてパルスのバーストを生成することができる。その際、2つの基本的レーザの2つのパルス間の時間的オフセットは、2つのバースト間の繰り返し時間と比較して非常に小さい。そのようなバーストを、複合パルスと考えることができる。
【0042】
この第二モードでは、光パルスの時間的オフセットにより、プレパルスを生成することもできる。
【0043】
この分野では、プラズマ点火をつかさどるプレパルス生成の可能性について言及している以下の文献を参照することができる:
(4)M.Berglund他による「Ultraviolet prepulse for enhanced X−ray emission and brightness from droplet−target laser plasma」(Applied Physics Letters,第69巻,1996年,1683頁)
【0044】
本発明ではモード(b2)を使用し、一部の実施形態では併せてモード(b1)を使用する。この場合、モード(b2)で複合パルスを生成する複数グループのレーザを定義し、これらグループの一部をモード(b1)と組み合わせる。
【0045】
したがって、本発明により、非常に柔軟に基本的光パルスの順序付けができるようになり、特に以降大きな利点とみなされる順序付け(b2)を行うことができる。
【0046】
目標物に高い収束率で収束させた第一パルス(例えば図1のビームF1型のパルス)はプラズマに点火し、次いでプラズマが成長する間に目標物に最小またはゼロの照射を当て、プラズマがビームF2の直径に達したとき、目標物に最大の光出力を当てる。そのとき、図3に示すように、第一パルスに割り当てるエネルギーを、複合パルスの残りの部分に割り当てるエネルギーより小さくすることが有利である。
【0047】
この図3は、光パルスの振幅Aを時間tの関数として示す。複合パルスの例I1が示されている。該複合パルスは、プレパルスI2、次いでプレパルスからプラズマの成長に必要な時間Tだけ離れた第一組の同時的基本パルスI3の組、および第一組に連続する第二組の同時的基本パルスI4を含む。
【0048】
本発明はまた、このシーケンスを基本レーザの数倍の高繰り返し率で繰り返すことを可能にする。それぞれが、収束したパルスまたは1つ以上のその他パルスの適時的オフセットにより形成された複合パルスまたはバーストを生成する、複数グループのレーザを規定することができる。これらグループの複数を組み合わせ、それらの複合パルスを基本パルスに周知の方法により交互に配置する。異なるグループのレーザの搭載は、同一グループのレーザの搭載といずれの点においても同一である。レーザ制御手段(図4の手段18)により生成されるトリガー時間だけが異なる。
【0049】
(c)レーザ素材をポンピングする連続ダイオードの使用
連続的にポンピングを行う、ネオジムでドープしたYAG素材を使用するレーザでは、レーザの上位レベルの寿命、すなわち250マイクロ秒近傍では、入力された光出力を正しく取り出すために、5kHzより大きい速度で動作することが必要である。
【0050】
(d)増幅器なしで、オシレータにレーザを搭載
本発明は、従来技術とは異なり、ピーク出力に不利な点(cおよびd)と有利な点(a)を組み合わせることにより高ピーク出力を得ようとするものである。
【0051】
当然のことながら、(b1)、(c)および(d)は高ピーク出力を獲得するのに不利であるが、(a)および(b2)の使用によりその欠点が克服可能となる。
【0052】
本発明では、(a)、(b2)および(c)を同時に使用し、高ピーク出力を得るのに有利および不利な点をこのように組み合わせる点で、従来技術とは異なる。(d)に基づく好適な実施形態は、従来技術を一段と進歩させたものである。
【0053】
高出力および高速のレーザパルスを生成すること以外に、本発明は以下の利点を有する。
【0054】
一定の平均出力を有するダイオードのコストは、これらダイオードを連続的に動作させると低下する。
【0055】
さらに、本発明によるレーザ装置は、一連の増幅器を使用しないために従来のレーザ装置よりも単純である。
【0056】
本レーザ装置の開発および維持にかかるコストは、使用する光学的部品の数が少ないために安価である。
【0057】
複数のオシレータを平行に配置することにより、使用に柔軟性を持たせることができる。
【0058】
レーザの数が増加することにより、そららのうちの1つのレーザの瞬間的動作に関する入射への、本発明による装置の感受性が低下する。
【0059】
本発明のよりよい理解のために、添付図を参照し、非限定的で例示のみを目的とする実施形態について以下に説明する。
【0060】
実施形態の詳細な説明
本発明による装置は、図4に概略図を示すように、4つ以上(例えば8つ)のパルスレーザを備える。図4には3つのみを示し、それぞれ参照番号2,4および6を付す。
【0061】
前記パルスレーザ2,4および6からそれぞれ供給される光ビーム(正確には光パルス)8,10および12は、それぞれ一組のミラー14を介し、目標物16上の実質的に同じ点Pに、ほぼ同時に達するように方向付けられている。
【0062】
同図中に示されるレーザの制御手段18は、光パルスを得ることを可能にする。
【0063】
図4にはまた、それぞれ光ビーム8,10および12を目標物16上の点Pに収束させるために設けられた収束手段20,22および24を示す。
【0064】
問題の実施例では、レーザと目標物は、光ビームとこの目標物の相関によりEUV放射26が供給されるように選択される。このために、目標物は、例えばノズル30から供給される集合体(例えばキセノン)のストリーム28からなる。
【0065】
このEUV放射26は、例えば集積回路32の超微細化リソグラフィに使用される。図4のブロック34は、集積回路32に達する前にEUV放射を形作る機能を果たす、様々な光学的手段を示す。
【0066】
レーザ2,4および6は同一である。各レーザはYAGポンプ構造36を備え、該構造の収差および複屈折は小さい。この構造36は、連続的に動作する一組のレーザダイオード40によりポンピングされるロッドレーザ38を備える。しかし、第一の「プレパルス」となるパルスを生成するために、他とは異なるレーザを選択することが有利である場合もある。
【0067】
各レーザは、光増幅なしで、オシレータに搭載される。
【0068】
各レーザは、第一の高反射ミラー42と、レーザにより生成された光ビームの通過を可能にするよう部分的に反射する第二のミラー44とが画定するキャビティ内に形成される。
【0069】
このキャビティは、このビームの発散が回折限度の1.2倍から10倍の間に相当する小さな値になるよう、さらには5nsから100nsの長さの、継続時間の短い光パルスが得られるように、短い長さに設計されている。
【0070】
ミラー42と44の間において、ロッドレーザ38の各側に、2つの発散レンズ46および48を配置して使用する。
【0071】
光学的構成要素間の距離を調整し、キャビティ内に存在する複数のレンズにより、キャビティの基本モードの直径が、増幅ロッドまたはロッドレーザの直径の1.5分の1から10分の1となるようにする。このような調節のために、当業者には周知の方法で熱による収束を考慮する。
【0072】
ポンプ構造36は、例えば、偏向を90度回転させることにより複屈折の補正および均一なポンピングを行う2つのヘッドを有する。
【0073】
ロッドレーザ38の直径は3mmから6mmの間とすることができる。
【0074】
特に平均出力が高いとき、レーザキャビティの性能を損なわないためにこれらの特徴が有益である。
【0075】
各レーザがパルスを供給できるように、このレーザのキャビティ内に、音響−光学的手段などの起動手段を配設する。
【0076】
図4の例では、2つの音響−光学的変更装置50および52を使用しており、それらは制御手段18により制御され、ロッドレーザ38の各側の、発散レンズ46と48により画定される空間に配置されている。
【0077】
これら2つの音響−光学的変更装置50および52は、平均出力150Wから600Wにおける対応する利得でキャビティを遮断するために使用される。
【0078】
制御手段18は、レーザ2,4および6の同期化および超微細化リソグラフィの必要性により、EUV供給源を変更し、安定化させることができる。
【0079】
8つのレーザが単一のグループを形成し、また各パルスが複合パルスであるため、つまり1つのプレパルスとそれに続く7つの基本パルスからなるため、8つのレーザのいずれについても繰り返し周波数は10kHzである。
【0080】
制御手段18は、ポンピングを行うレーザダイオード40を供給する電流を生成するための手段(図示せず)と、対になっている音響−光学的偏向装置50および52の制御を目的とする、変調した無線周波数電流の生成手段(図示せず)とを備える。
【0081】
さらに、これら制御手段18を配設する目的は、(レーザビームと目標物16の相関により生成される)プラズマからの放射を測定する信号にしたがって、レーザ2,4および6を制御することである。前記信号は、センサ54などに搭載されているような、1つ以上の高速シリコンフォトダイオードなどの、1つ以上の適切なセンサによりスペクトルについてフィルタ処理される。EUV放射のためには、このフィルタ処理はジルコニウム、および望ましくは二重の、モリブデン−シリコン多層ミラーにより実行してもよい。プラズマの成長率が観察される場合、このフィルタ処理に変更を加える、またはそのフィルタ処理が可視スペクトルに近い高速フォトダイオードを1つ以上加えることが有意義である。
【0082】
制御手段18を配設する目的は、また:
− 集積手段を有する高速シリコンフォトダイオードなどの適切なセンサ56,58および60によりそれぞれ供給される信号であって、レーザ2,4および6から発せられる光パルスのエネルギーを測定するための信号と、
− 信号をその後集積手段の上流に取り込むこと以外はセンサ56,58および60と同一センサとすることが可能な、高速シリコンフォトダイオードなどの3つの適切なセンサ62,64および66によりそれぞれ供給される信号であって、レーザ2,4および6から発せられる光パルスの時間的形状を測定するための信号と
にしたがって、レーザ2,4および6を制御することである。
【0083】
本発明の仕様では、偏向ミラー14および収束レンズ20,22および24により形成される光学的手段は、焦点(点P)の直径の数パーセント、例えば1%から10%の位置変動を含む空間的重畳が可能であるように選択される。
【0084】
図4のレーザ装置は、レーザ2,4および6からそれぞれ発せられた光パルスを付加することから生じるパルスの空間的分布を変更するための手段をさらに備える。図中矢印74,76および78で示すこの手段は、例えばレンズ20,22および24を動かし、これらレンズがそれぞれ供給する焦点の大きさを変更するために配設される。
【0085】
レーザの起動を互いに対して適切にオフセットすることにより、レーザ2,4および6から発せられた光パルスを互いに対して一時的にオフセットするために制御手段18を配設することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、局所的に大きな照射を得るために異なる収束のさせ方をした2つのレーザビームを使用した場合を概略的に示す。
【図2】 図2は、局所的に大きな照射を得るために異なる収束のさせ方をした2つのレーザビームを使用した場合を概略図に示す。
【図3】 本発明に使用できる、複合光パルスの例を概略的に示す。
【図4】 本発明の目的である装置の1実施形態の概略図である。
Claims (7)
- −光パルスを供給するための、連続的に動作するダイオード(40)によりポンピングされる3つ以上の固体パルスレーザ(2,4,6)と、
−前記光パルスを、ほぼ同時に、実質的に同一の目標物(16)に方向付ける手段(14)と、
−前記固体パルスレーザ(2,4,6)により供給される前記光パルスの重畳により生じるバーストの時間的分布を変更させ、複数の複合パルスを生成することが可能なレーザ制御手段(18)を備え、
前記各複合パルスの種類には、前記光パルスと前記目標物(16)の相関により生成されるプラズマに点火するための、プラズマが成長する時間であってエネルギーが最小値を取る時間に相当する長さの第一パルスと、プラズマの成長に基づくシーケンスに従う、複数の基本的パルスから構成される第二パルスとがあること
を特徴とするレーザ装置。 - 連続的に動作する前記ダイオード(40)によりポンピングされる前記固体パルスレーザ(2,4,6)は、増幅器を備えないでオシレータに搭載されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記固体パルスレーザ(2,4,6)により供給される前記光パルスの重畳により生じるバーストの空間的分布を変更させる手段(74,76,78)をさらに備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の装置。
- 前記固体パルスレーザ(2,4,6)が発する前記光パルスの繰り返し率、または前記固体パルスレーザ(2,4,6)が発する前記光パルスのシーケンスの繰り返し率を変更する手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の装置。
- 収束率の高い第一のビーム(F1)を前記目標物(16)に方向付けし、残りの光エネルギーの収束を広げて前記目標物(16)に当てることができる、請求項1に記載の装置。
- 前記固体パルスレーザ(2,4,6)がYAGレーザである、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記目標物(16)は、前記固体パルスレーザ(2,4,6)が発する前記光パルスとの相関により極紫外領域の光を供給する目的で配設される、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の装置。
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