JPH0714091B2

JPH0714091B2 - エキシマレーザ装置

Info

Publication number: JPH0714091B2
Application number: JP29703188A
Authority: JP
Inventors: 智史秋田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH02143480A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野この発明は、エキシマレーザ装置、特に、そのレーザ媒
質であるガスの種類を変更する際のパッシベイション処
理の技術に関する。

B.従来技術エキシマレーザは紫外短波長かつ高出力なレーザとし
て、半導体デバイス，光化学プロセス等の分野において
注目を集めている。

エキシマレーザ装置は、レーザ媒質としてのガスを封入
するチャンバ（レーザ管）、チャンバ内でカソードとア
ノードとを対向させて構成した主放電部、予備電離用ピ
ン電極、ピーキングキャパシタ、充放電用コンデンサ、
放電トリガ用のサイラトロン、チャンバ内でガスを循環
させるクロスフローファン、ガス冷却用の熱交換器等を
備えている。そして、クロスフローファンによってチャ
ンバ内でガスを循環させた状態で、高圧電源から充放電
用コンデンサにエネルギーを蓄積し、その充電電圧が所
定値に達した後にサイラトロンと導通させて予備電離用
ピン電極で放電を起こし、このとき発生した紫外線によ
って主放電部のカソード，アノード間のガスを予備電離
し、その予備電離に基づいて主放電部において主放電
（グロー放電）を起こし、紫外短波長のレーザを発振さ
せるものである。

なお、主放電によって温度上昇したガスは熱交換器に至
り冷却され、再びクロスフローファンによって主放電
部，予備電離用ピン電極に供給される。

レーザ媒質であるガスとしては、F₂やHClなどのハロゲ
ンガスにXeやKrなどの稀ガスを含有させたガスが用いら
れる。そのため、チューブの内壁、チューブ内の構造物
との化学反応によって不純物（フッ化物，塩化物）を発
生し、チューブの内壁や主放電部，予備電離用ピン電
極，ピーキングキャパシタ，クロスフローファン，熱交
換器等に不純物が付着し蓄積していく。この不純物はレ
ーザビームの吸収や異常放電（アーク放電）の原因とな
り、レーザビームの出力パワーを低下させる。しかし、
この不純物を真空引きによって取り除くことは容易では
ない。

一般に、エキシマレーザ装置においては、チャンバに初
めてガスを注入して発振させる場合やガス種類を変更し
て発振させる場合には、チャンバ内のガスに触れる部分
をガスに順応化させるパッシベイション処理（不動態化
処理）が必要である。

パッシベイション処理は、レーザ媒質としての新鮮なガ
スの注入，10⁴〜10⁵ショット程度の放電（レーザ発
振），ガスの排気の手順を数回以上繰り返し、レーザビ
ームの出力パワーの減少率が所定値以下となるまでパッ
シベイション処理を行う。

ガス種類を変更する際のパッシベイション処理において
は、前述の付着物（不純物）が新しく注入されたガスの
特性に悪影響を与え、レーザ出力を低下させる原因とな
るため、新鮮なガス（交換しようとするレーザ媒質）の
注入，レーザ発振，ガス排気の手順を多数回繰り返し行
わなければならない。

特に、塩素系のガスからフッ素系のガスに変更する場合
には、不純物として付着している塩化物とフッ素とが化
学反応を起こしてガスの特性に著しい悪影響を与えるた
め、所定の出力パワーを得るまでにはガス交換を多数回
にわたって行わなければならない。すなわち、パッシベ
イション処理に長時間を要する。

第３図は、横軸にレーザビームのショット回数を、縦軸
に出力パワーをとり、ガス交換回数をパラメータとして
パッシベイション処理の様子を示したものである。レー
ザビームの出力パワーは、レーザビームの光路中に配置
したビームスプリッタで分離した一部のレーザビームを
光センサで受光し、その結果をモニタディスプレイに表
示することでオペレータに知らせるようにしてある。

ガス交換１回目では、ショット数が所定回数（10⁴〜1
0⁵回）に達するかなり前に出力パワーがゼロまで降下す
る。，，とガス交換を繰り返すに従って出力パワ
ーの減少率が低減し、ガス交換ｎ回目で所定回数のシ
ョットが終了したときに、出力パワーの減少率（ΔP/Pm
ax）が所定値（20〜30％）以下に達すると、パッシベイ
ション処理が完了する。

このようにガス交換を何度も繰り返すこと、およびガス
交換とガス交換との間に、ガスとチャンバ内の各構造物
との反応を進めるために休止期間をおく必要があること
等から、パッシベイション処理は、通常、数日以上の時
間を必要とする。

C.発明が解決しようとする課題しかしながら、従来のエキシマレーザ装置においては、
パッシベイション用のガスの交換に当たり、ガス排気の
ための真空ポンプの駆動，真空ポンプにつながる電磁弁
の操作、新たなガスの注入のための電磁弁の操作や、出
力パワーがゼロまで降下したかどうか、あるいは所定回
数のショットが終了したかどうか、さらに、所定回数の
ショット終了時に出力パワーの減少率が所定値以下かど
うかをモニタディスプレイの表示を見て判断すること等
がオペレータによって担われており、パッシベイション
処理が完了するまでの数日間、オペレータを拘束するこ
とになっていた。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
って、エキシマレーザ装置におけるパッシベイション処
理のためにオペレータが拘束される度合いを大幅に低減
させることを目的とする。

D.課題を解決するための手段この発明は、このような目的を達成するために、次のよ
うな構成をとる。

すなわち、この発明のエキシマレーザ装置は、レーザチ
ャンバ内のガスを自動的に排気する手段と、パッシベイ
ション用ガスをレーザチャンバ内に自動的に注入する手
段と、レーザチャンバにおいてレーザ発振を起こさせる
手段と、以上の各動作を複数回にわたって繰り返させる
手段と、その繰り返し動作中に出力パワーの減少率が所
定値以下かどうかを判断する手段と、所定値以下のとき
にパッシベイション処理完了が正常か、あるいは異常で
あることを報知する手段とを備えたことを特徴とするも
のである。

E.作用この発明の構成によれば、パッシベイション処理に必要
な各操作および判断を自動化している。

F.実施例以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図（Ａ），（Ｂ）はエキシマレーザ装置の構成を示
すブロック図である。

エキシマレーザ装置は、大きく分けて、第１図（Ａ）に
示すエキシマレーザ装置本体Ａと、第１図（Ｂ）に示す
レーザ操作装置Ｂとからなる。

レーザ装置本体Ａは、レーザ媒質としてのガスを封入す
るとともに、主放電部1a,予備電離用ピン電極1b,ピーキ
ングキャパシタ1c,ガス循環用のクロスフローファン1
d、ガス冷却用の熱交換器等を内蔵したレーザチャンバ
１と、サイラトロンヒータ2aが付設された放電トリガ用
のサイラトロン２と、レーザチャンバ１の主放電部1a,
予備電離用ピン電極1bに高電圧を供給する高圧電源回路
３と、レーザチャンバ１内のガスを排気するための真空
ポンプ４と、レーザチャンバ１内に各種のガスを導入す
るための電磁弁SV₁〜SV₄およびレーザチャンバ１と真空
ポンプ４との間に介装された電磁弁SV₅と、レーザコン
トローラ５（詳細は後述する）等を備えている。

レーザ装置本体Ａは、さらに、レーザビームLBの光路中
に配置されたビームスプリッタ６と、ビームスプリッタ
６で分離されたレーザビームLB₁を受光する光センサ７
と、高圧電源回路３の出力電圧すなわちレーザチャンバ
１における主放電部1aの放電電圧を検出する放電電圧検
出回路８と、レーザチャンバ１の内圧を検出する圧力セ
ンサ９と、レーザビームLBの出口の近傍に設けられたシ
ャッタ10と、シャッタ10を開閉状態を検出するシャッタ
スイッチ11等を備えている。

レーザコントローラ５は、一点鎖線で囲んで示すよう
に、全体を制御するプログラムを格納したROM（リード
オンメモリ）21,ワーキングメモリとしてのRAM（ランダ
ムアクセスメモリ）22およびCPU（中央処理装置）23,ク
ロック発生用の発振回路24,休止期間用の長時間タイマ2
5等を備えてなるマイクロコンピュータ26と、マイクロ
コンピュータ26のRAM22にパッシベイション処理等にお
ける各種の条件等を入力するためのキーボード27と、モ
ニタディスプレイ28と、１次入出力インターフェイス29
と、２次入出力インターフェイス30と、これら両入出力
インターフェイス29,30間で指令信号，検出信号を電気
的な絶縁状態で授受するためのフォトカプラPC₁₁〜PC₆₂
と、サイラトロントリガ回路31と、１次入出力インター
フェイス29とサイラトロントリガ回路31との間で指令信
号，検出信号を授受するためのフォトカプラPC₇₁，PC₇₂
と、光センサ７の検出信号を増幅する光センサアンプ32
と、放電電圧検出回路８の検出信号を増幅するアンプ33
と、圧力センサ９の検出信号からノイズ成分を除去する
時定数の大きなフィルタ34およびアンプ35と、パッシベ
イション処理の完了表示ランプ36と、レーザ操作装置Ｂ
との間で光ファイバを介して指令信号，検出信号を伝送
するための光通信ドライバ／レシーバ37等を備えてい
る。

サイラトロントリガ回路31のフォトカプラPC₇₁，PC₇₂，
光センサアンプ32,放電電圧検出回路８に係るアンプ33,
圧力センサ９に係るアンプ35は、１次入出力インターフ
ェイス29に接続されている。前記クロスフローファン1
d,サイラトロンヒータ2a,シャッタスイッチ11,電磁弁SV
₁〜SV₅および完了表示ランプ36は、２次入出力インター
フェイス23に接続されている。

光センサ７は、時定数の大きな焦電センサで構成されて
いる。発振回路24は、レーザの発振周波数ｆ（数百Hz）
をつくるものであり、長時間タイマ25は、ガス交換とガ
ス交換との間の休止期間をカウントするものである。

マイクロコンピュータ26は、１次入出力インターフェイ
ス29を介して入力した光センサ7,放電電圧検出回路8,圧
力センサ９の各状況データおよび２次入出力インターフ
ェイス30を介して入力したクロスフローファン1d,サイ
ラトロンヒータ2a,シャッタスイッチ11,電磁弁SV₁〜S₅
の各状況データを光通信ドライバ／レシーバ37を介して
レーザ操作装置Ｂに転送するとともに、それらの状況デ
ータが正常か異常かを判断し、異常であるときは、異常
検出信号を割り込み信号として状況データとともにレー
ザ操作装置Ｂに転送するように構成されている。

次に、第１図（Ｂ）に基づいて、レーザ操作装置Ｂにつ
いて説明する。

レーザ操作装置Ｂは、高圧電源回路３のON/OFF制御およ
び光通信によって受信した各種の状況データに基づいて
行う高圧電源回路３の出力電圧制御，真空ポンプ４のON
/OFF制御ならびにレーザ装置本体Ａにおけるレーザコン
トローラ５に対する各種の指令を行うマイクロコンピュ
ータ41と、レーザ装置本体Ａにおけるレーザコントロー
ラ５との間で信号，データの授受を光ファイバを介して
行う光通信ドライバ／レシーバ42と、主として、パッシ
ベイション処理が終わって本動作を行っている際に受信
した各状況データを正常，異常の区別なく所定時間単位
でストアし順次更新するリングバッファメモリ43と、平
均データ用不揮発性メモリ44および生データ用不揮発性
メモリ45と、モニタディスプレイ46とを備えている。

レーザコントローラ５からの異常検出信号がないときに
は、マイクロコンピュータ41はリングバッファメモリ43
から前記所定時間単位の各状況データを読み出し、演算
によって各状況データごとの平均データを求めるが、前
記平均データ用不揮発性メモリ44は、この平均データを
履歴的に記憶しておくものである。

また、レーザコントローラ５から異常検出信号が割り込
み信号として入ってきたときには、マイクロコンピュー
タ41はリングバッファメモリ43内のすべての状況データ
を読み出して、それらをそのままの形すなわち生データ
として生データ用不揮発性メモリ45に記憶させる。

モニタディスプレイ46は、各種の指令をタッチペンで入
力できるタッチパネル式のもので（キーボードの代
用）、処理対象物に欠陥が生じたときなど必要に応じ
て、平均データ当不揮発性メモリ44あるいは生データ用
不揮発性メモリ45から読み出した状況データを数値やグ
ラフの形で表示することができる。

両不揮発性メモリ44,45としては、バックアップ電源付
きのRAM（ランダムアクセスメモリ）や、磁気ディスク
がある。

次に、上記構成のエキシマレーザ装置におけるパッシベ
イション処理を第２図のフローチャートに基づいて説明
する。この動作は、レーザコントローラ５におけるマイ
クロコンピュータ26によって行われる。

まず、ステップS1で、パッシベイション処理の基礎条件
をキーボード27を介してマイクロコンピュータ26のRAM2
2に入力する。基礎条件としては、次のようなものがあ
る。

（ａ）ガスの種類……どのようなハロゲンガスとどのよ
うな稀ガスとを組み合わせて使用するかの指定。

（ｂ）ガス圧……各ガスの分圧の設定および／またはバ
ッファガス（He,Ne）の分圧の指定。

（ｃ）パッシベイションサイクルの第１回目は、主放電
部1aの電極のクリーニングをするためにヘリウムガスの
みによる放電とするか否かの指定。ヘリウムガスのみの
放電を指定した場合に、発振周波数ｆおよびショット数
の指定。

（ｄ）ハロゲンガスを注入した状態でのパッシベイショ
ンサイクルにおける放電電圧，発振周波数f,ショット数
の指定。

（ｅ）ハロゲンガスでの第Ｎ回目（後述）でのパッシベ
イションサイクルの完了後に、ハロゲンガスを追加する
か否かの指定。これは、追加によってレーザビームの出
力パワーが回復する場合があるためである。

（ｆ）ガス交換回数の最大値Ｎの指定。

（ｇ）ガス交換とガス交換との間の休止期間の指定。す
なわち、長時間タイマ25におけるカウントアップ時間の
指定。

（ｈ）パッシベイション処理を終了させるための条件、
すなわち、所定回数のショットが終わった時点での出力
パワーの基準パワーに対する減少率の指定。

（ｉ）パッシベイション処理が良好に行えなかった場合
の処置。例えば、処理完了時そのままの状態に維持する
か、真空引きを行うか、あるいは、真空引き後大気に開
放するか等を指定する。

なお、ステップS1における上記各指定をやめて、それら
の条件を予めマイクロコンピュータ26のROM21にプログ
ラムしておいてもよい。

ステップS2で、パッシベイション処理完了条件が成立し
たかどうかを判断する。完了条件が成立するまでは、ス
テップS3〜S14を実行する。

ステップS3で、光通信ドライバ／レシーバ37,42を介し
てレーザ操作装置Ｂ側のマイクロコンピュータ41によっ
て真空ポンプ４を駆動するとともに、２次入出力インタ
ーフェイス30を介して電磁弁SV₅を開き、レーザチャン
バ１からガスを排気する。

ステップS4で、その回のパッシベイションサイクルが第
１回目でかつヘリウムガスのみによる放電を行うように
ステップS1で指定されているかどうかを判断する。その
ような指定がなされている場合は、ステップS5に進み、
ヘリウムガスに対応した電磁弁SV₃を開けてレーザチャ
ンバ１内にヘリウムガスを注入する。そして、ステップ
S6では、ステップS1で指定された発振周波数のもとで発
振回路29を起動し、指定されたショット数だけ放電を行
う。

放電は、まず、２次入出力インターフェイス30を介して
サイラトロンヒータ2aの電源を投入し、サイラトロン２
が動作可能な状態となってから、光通信ドライバ／レシ
ーバ37,42およびマイクロコンピュータ41を介して高圧
電源回路３の電源をONする。そして、１次入出力インタ
ーフェイス22,フォトカプラPC₇₁を介してサイラトロン
トリガ回路24によってサイラトロン２を導通させる。サ
イラトロン２が導通されるとレーザチャンバ１における
主放電部1aでの放電によってレーザビームLBが発振され
る。

１回のパッシベイションサイクルでの放電終了ととも
に、サイラトロンヒータ2aおよび高圧電源回路３の電源
をOFFする。

この放電が終了すると、ステップS2に戻るが、まだ処理
完了条件が成立していないので、ステップS3に進み、再
び、レーザチャンバ１を排気し、ステップS4に進む。ス
テップS4の判断では、今度は第２回目のサイクルである
ので、ステップS7に進む。

ステップS7では、パッシベイション用のガス（ハロゲン
ガスおよびバッファガス）に対応した電磁弁を開いてそ
のガスを指定量だけレーザチャンバ１に注入する。そし
て、ステップS8では、ステップS1で指定したショット数
に達するか、あるいはレーザビームの出力パワーがゼロ
になるまで次のステップS9を実行させる。

ステップS9では、ビームスプリッタ６によって分離され
たレーザビームLB₁を光センサ７が検出し、その検出信
号を１次入出力インターフェイス29を介してマイクロコ
ンピュータ26に入力し、マイクロコンピュータ26でレー
ザビームLBの出力パワーを監視しながら、指定された放
電電圧，発振周波数のもとで放電を行う。

この放電中において検出された出力パワー，圧力センサ
９によるガス圧のデータを、１次入出力インターフェイ
ス29を介して入力し、光通信ドライバ／レシーバ37,42
を介してレーザ操作装置Ｂにおける平均データ用不揮発
性メモリ44または生データ用不揮発性メモリ45に記憶さ
せるとともに、必要に応じてモニタディスプレイ46に、
第３図に相当するグラフを重ね書き形式で表示する。

指定されたショット数だけ放電が行われると、あるいは
指定ショット数に至るまでに出力パワーがゼロになる
と、次のステップS10に進み、出力パワーの減少率が所
定値以下かどうかを判断する。ガス交換回数が少ないう
ちは所定値以上であるから、ステップS12に進み、指定
された最大値Ｎ回にわたるガス交換が行われたかどうか
を判断する。Ｎ回未満のときは、指定された休止期間だ
け放電を休止する。この休止期間では、レーザコントロ
ーラ５の電源をOFFにする。

そして、長時間タイマ25のカウントアップによって休止
期間が終わると、ステップS2に戻り、以下同様の動作を
繰り返す。すなわち、排気→新たなパッシベイション用
ガスの注入→放電→減少率の判断等を繰り返す。

この繰り返し中において、ステップS9において、ガス交
換回数がステップS1で指定されたガス交換回数の最大値
Ｎになったときに、出力パワーの減少率が所定値よりも
大きい場合で、かつ、ステップS1でハロゲンガスの追加
が指定されていた場合にはハロゲンガスを１回だけ追加
する。

そして、最終的にステップS10で出力パワーの減少率が
所定値以下かどうかを判断し、所定値以下であれば、ス
テップS11に進んでパッシベイション処理が良好に行わ
れ完了したことを意味するフラグF1をセットする。減少
率が所定値を超えているときには、ステップS12に進ん
でガス交換回数がＮ回に達していると判断して、ステッ
プS13に進み、パッシベイション処理は完了したがその
処理が不良であったことを意味するフラグF2をセットす
る。そして、ステップS2に戻る。

ステップS2では、パッシベイション処理完了条件が成立
したかどうかを判断するのであるが、これは、フラグF1
またはF2がセットされているか否かに基づいて行う。い
ずれかのフラグがセットされておれば、処理完了条件が
成立したとして、ステップS15に進む。

ステップS15では、パッシベイション処理が良好に完了
したかどうかをフラグによって判断し、フラグがF1のと
きは、良好に完了したので、ステップS16に進み、真空
ポンプ４を駆動してレーザチャンバ１を排気するととも
に、本動作のための新しいガスを注入する。そして、ス
テップS17で、２次入出力インターフェイス30を介して
完了表示ランプ36を点灯してパッシベイション処理が良
好に完了した旨を知らせる。なお、完了表示ランプ36の
点灯に代えて、ブザーを鳴動させるようにしてもよい。

また、フラグがF2のときは、パッシベイション処理が不
良に終わったので、ステップS18に進み、ステップS1で
指定しておいた所定の処置を遂行する。すなわち、エキ
シマレーザ装置をパッシベイション処理完了時そのまま
の状態に維持するか、真空引きを行うか、あるいは、真
空引き後大気に開放したりする。

なお、上記実施例では、パッシベイション処理のための
プログラムをレーザコントローラ５側のマイクロコンピ
ュータ26にもたせたが、レーザ操作装置Ｂ側のマイクロ
コンピュータ41にもたせたり、両方のマイクロコンピュ
ータ26,41で分担させてもよい。また、上記実施例で
は、パッシベイション処理の完了の判断をプログラムに
従って行っていたが、これに代えて、その判断をオペレ
ータがモニタディスプレイ46の出力パワーのグラフを見
て行う等、一部の機能をオペレータが代行するようにし
てもよい。

G.発明の効果この発明によれば、パッシベイション処理を自動化して
いるため、長時間にわたってパッシベイション処理に拘
束されていた状況からオペレータを解放することができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の実施例に係り、第１図
（Ａ）はエキシマレーザ装置におけるレーザ装置本体の
構成を示すブロック図、第１図（Ｂ）はエキシマレーザ
装置におけるレーザ操作装置の構成を示すブロック図、
第２図は動作説明に供するフローチャートである。第３
図はショット数と出力パワーとの関係を示す特性曲線図
である。１…レーザチャンバ 1a…主放電部３…高圧電源回路４…真空ポンプ６…ビームスプリッタ７…光センサ８…放電電圧検出回路９…圧力センサ 21…ROM 22…RAM 23…CPU 25…長時間タイマ 26…マイクロコンピュータ 36…完了表示ランプ SV₁〜SV₅…電磁弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザチャンバ内のガスを自動的に排気す
る手段と、パッシベイション用ガスをレーザチャンバ内
に自動的に注入する手段と、レーザチャンバにおいてレ
ーザ発振を起こさせる手段と、以上の各動作を複数回に
わたって繰り返させる手段と、その繰り返し動作中に出
力パワーの減少率が所定値以下かどうかを判断する手段
と、所定値以下のときにパッシベイション処理完了が正
常か、あるいは異常であることを報知する手段とを備え
たことを特徴とするエキシマレーザ装置。