JPH10341050A - ガスレーザ装置 - Google Patents

ガスレーザ装置

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JPH10341050A
JPH10341050A JP9149306A JP14930697A JPH10341050A JP H10341050 A JPH10341050 A JP H10341050A JP 9149306 A JP9149306 A JP 9149306A JP 14930697 A JP14930697 A JP 14930697A JP H10341050 A JPH10341050 A JP H10341050A
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gas
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partial pressure
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浩 小森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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ようにす
る。 【解決手段】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14、16、18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8とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【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1
0、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68
9.60nm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1
8,19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2
0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12
0)。
【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F
2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(=P
T´−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P
T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1
8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1
6、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 (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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
    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。
  2. 【請求項2】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。
  3. 【請求項3】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。
  4. 【請求項4】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。
  5. 【請求項5】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。
  6. 【請求項6】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。
  7. 【請求項7】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。
  8. 【請求項8】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。
  9. 【請求項9】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。
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