KR20010051655A - 엑시머 레이저 장치 - Google Patents

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KR20010051655A
KR20010051655A KR1020000067196A KR20000067196A KR20010051655A KR 20010051655 A KR20010051655 A KR 20010051655A KR 1020000067196 A KR1020000067196 A KR 1020000067196A KR 20000067196 A KR20000067196 A KR 20000067196A KR 20010051655 A KR20010051655 A KR 20010051655A
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gas
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laser pulse
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KR1020000067196A
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사이토다카시
와타나베히데노리
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다나카 아키히로
가부시키가이샤 우시오소고기쥬츠 겐큐쇼
니시가키 코지
니폰덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 엑시머 레이저 장치에 레이저 펄스 폭 검지수단을 구비함으로써, 렌즈계의 수명에 크게 관련하는 단 펄스에서의 동작을 피하도록 한 엑시머 레이저 장치로, 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 레이저 펄스 파형을 검출하는 레이저 펄스 파형 검출수단(7)과, 이 레이저 펄스 파형 검출수단(7)으로부터의 레이저 펄스 파형 데이터에 기초하여, 레이저 광의 레이저 펄스 폭을 산출하는 레이저 펄스 폭 산출수단(8)과, 이 레이저 펄스 폭 산출수단(8)으로부터의 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여 이 레이저 펄스 폭을 소정의 길이보다 짧을 때에 이상신호를 출력하는 제어수단(4)을 갖는 엑시머 레이저 장치이다.

Description

엑시머 레이저 장치{Excimer laser apparatus}
본 발명은 엑시머 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 ArF 엑시머 레이저 장치 등의 노광용 엑시머 레이저 장치에 관한 것이다.
현재, 노광용 광원으로서는 248㎚에 발진 파형을 갖는 협대역 KrF 엑시머 레이저가 이용되고 있다. 도 8에, 종래의 협대역 KrF 엑시머 레이저 장치의 구성을 나타낸다. 종래의 협대역 KrF 엑시머 레이저 장치는 레이저 매질이 봉입된 레이저 용기, 레이저 매질을 여기하기 위한 고전압을 발생시키는 고전압 펄스 발생장치, 레이저 광을 1pm 이하로 협대역화하기 위한 협대역화 모듈, 출력 모니터 및 파장 모니터를 구비하고 있다.
종래의 레이저 장치에서는 소망의 파장의 레이저 광을 얻기 위해, 레이저 출력 파장을 파장 모니터에 의해 검출하고, 이 검출 데이터에 기초하여 협대역화 모듈 내의 파장선택소자를 구동 제어하여 레이저 출력 파장을 안정화하고 있다. 또, 일정 출력을 얻기 위해서, 레이저 출력을 출력 모니터에 의해 검출하고, 이 검출에 따라서 고전압 펄스 발생장치로의 충전전압을 제어함으로써, 레이저 출력을 안정화하고 있다. 또한, 전술한 제어에 의해서도 출력을 유지할 수 없게 되었을 때에, 레이저 용기에 할로겐 가스를 주입함으로써, 더욱 수명을 길게 하는 동작을 가능하게 하고 있었다.
이 점을 조금 더 상세하게 설명한다. ArF 엑시머 레이저 장치, KrF 엑시머 레이저 장치, 불소 레이저 장치 등의 엑시머 레이저 장치에서 이용되는 레이저 가스는 반응성이 높은 할로겐 가스를 포함하고 있다. 엑시머 레이저 장치를 가동하는 경우, 레이저 가스가 충전된 레이저 용기 내의 전극 사이에서 방전시킴으로써 여기를 시키고 있다. 가동시간의 경과에 따라서, 방전에 의한 전극재료와 할로겐 가스의 화학반응 등의 원인에 의해, 레이저 가스 내의 할로겐 가스가 소비된다. 그 때문에, 레이저 출력이 서서히 저하해 간다.
이 레이저 출력의 저하를 보상하기 위해 행해지는 것이 상기 충전전압 제어이다. 레이저 출력은 고전압 펄스 발생장치에 탑재되어 있는 콘덴서에 축적되는 전기 에너지를 레이저 가스가 충전된 레이저 용기의 방전공간에 투입하여 레이저 가스를 여기하여 얻을 수 있다. 이 콘덴서로의 충전전압을 크게 하면, 얻어지는 레이저 출력도 커진다.
레이저 출력을 일정한 값으로 안정하게 유지하기 위해서는, 레이저 출력을 출력 모니터에서 모니터하여 이 모니터 신호에 기초하여, 컨트롤러를 통해서 고전압 펄스 발생장치 내의 콘덴서로의 충전전압을 제어한다. 이 제어에서는 레이저 출력의 저하에 따라서 충전전압을 크게 해 간다.
고전압 펄스 발생장치에 있어서, 충전전압이 어느 상한에 도달하면, 상기 레이저 출력 일정 제어를 그 이후에 행할 수 없게 된다.
이 경우, 레이저 용기에 할로겐 가스를 주입하고, 소비된 할로겐 가스를 보급한다. 이것에 의해, 레이저 출력이 회복하여 충전전압을 작게 할 수 있고, 다시 충전전압 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 하여, 레이저 출력의 일정화 제어를 장시간 유지시킬 수 있다.
그런데, 종래의 KrF 엑시머 레이저 장치에서는 출력 모니터 및 파장 모니터를 이용하여 상기의 출력제어 및 파장제어를 함으로써, 반도체 장치 제조용의 노광광원으로서 사용되어 왔었다. 그러나, 차세대 노광용 광원으로서 생각되고 있는 파장 193㎚의 ArF 엑시머 레이저나 파장 157㎚의 F2레이저에서는 보다 단파장이기 때문에, 스텝퍼의 렌즈계에 사용되고 있는 석영의 손상이 크고, 렌즈계의 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다. 석영의 손상으로서는 2광자 흡수에 의한 컬러 센터의 형성과 컴팩션(굴절율 상승)이 있다. 전자는 투과율의 감소, 후자는 렌즈계의 분해능력의 감소로서 나타난다. 이 영향은 레이저 펄스의 에너지를 일정하게 한 경우, 다음 식으로 정의되는 레이저 펄스 폭(Tis)에 반비례한다.
Tis=(∫T(t)dt)2/∫(T(t))2dt …(1)
여기에서 T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
여기에서, 이 레이저 펄스 폭(Tis)의 정의에 대해서 설명해 둔다. 광학소자의 손상이 2광자 흡수에 의해 발생한다고 가정하면, 손상은 레이저광 강도의 2승에 비례하기 때문에, 1펄스당 축적되는 손상(D)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
D=k·∫(P(t))2dt …(2)
여기에서 k는 물질에 의해 결정되는 정수, P(t)는 시간적인 레이저 강도(MW)이다.
레이저 강도 P(t)는 다음 식에 의해 시간과 에너지로 분리할 수 있다.
P(t)=I·T(t)/∫T(t')dt' …(3)
여기에서 I는 에너지(mJ), T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
P(t)를 시간적으로 적분하면 I가 되고, ArF 엑시머 레이저의 경우, I는 예를 들면 5mJ이다.
여기에서 (3)식을 (2)식에 대입하면, 손상(D)은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
D=k·I2·∫(T(t)/∫T(t')dt')2dt
=k·I2·∫(T(t))2dt/(∫T(t)dt)2…(4)
여기에서 (1)식을 대입하면,
D=k·I2/Tis…(5)
가 된다. 이 (5)식으로부터, k·I2는 일정하기 때문에(I는 일정하게 유지된다), 손상(D)에 반비례하는 펄스 폭(Tis)이 (1)식에 의해 정의된다.
종래, 레이저 펄스 폭을 시간적인 레이저 형상의 반 크기에 전체 폭(FWHM)으로 정의하는 경우가 있었다. FWHM으로 레이저 펄스 폭을 정의하는 경우, 도 7의 모델 도면에 나타내는 바와 같이, 시간적인 레이저 형상이 서로 달라도 동일한 값이 된다. 그러나, 도 7에 나타내는 예에서는 실제의 레이저 펄스의 계속시간은 삼각형 형상 쪽이 직사각형 형상보다도 길다. 한편, (1)식에서 정의되는 레이저 펄스 폭(Tis)에서는 도 7에 나타내는 삼각형 형상 쪽이 직사각형 형상보다도 길다. 예를 들면, 도 7에 나타내는 예에서는 삼각형 형상의 레이저 펄스 폭(Tis)은 직사각형 형상의 레이저 펄스 폭(Tis)의 2배가 된다.
상기와 같이 레이저 펄스의 에너지를 일정하게 한 경우, 2광자 흡수에 의한 투과율의 감소, 컴팩션에 의한 분해능력의 감소는 (1)식으로 나타낸 레이저 펄스 폭(Tis)에 반비례하기 때문에, 레이저 펄스의 장 펄스화가 요구되고 있다.
도 6은 ArF 엑시머 레이저에서의 F2분압에 대한 레이저 펄스 폭, 레이저 출력을 나타낸 도면이다. 통상, 출력 5mJ의 일정 출력 제어의 경우, 레이저 펄스 폭이 30㎱ 이상이면, 렌즈계의 수명이 충분히 보상된다. 그러나, 도 6으로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 레이저 출력과 레이저 펄스 폭의 F2분압의 최적치는 크게 다르다. 구체적으로는 레이저 출력으로서는 F2분압이 0.6㎪까지 5mJ의 출력이 취출되지만, 레이저 펄스 폭은 F2분압이 0.4㎪ 이하인 경우에만, 레이저 펄스 폭이 30㎱ 이상이라고 하는 조건을 만족할 수 있게 된다.
종래의 엑시머 레이저 장치에서는 도 8에 나타낸 바와 같이 출력 및 파장만을 모니터하여 출력제어 및 파장제어를 행하고 있기 때문에, 상기와 같은 방법을 만족하는 않은 조건에서 동작하고 있어도 이것을 판정할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 이 때문에, 종래의 엑시머 레이저 장치에서는 렌즈계의 수명을 짧게 하는 단펄스의 조건에서 동작하고 있어도 이것을 판정할 수 없어서, 렌즈계의 수명을 짧게 한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 종래 기술의 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 엑시머 레이저 장치에 레이저 펄스 폭 검지수단을 구비함으로써, 렌즈계의 수명에 크게 관련되는 단 펄스에서의 동작을 피할 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 엑시머 레이저 장치는 할로겐 가스를 포함하는 레이저 가스가 봉입된 레이저 용기와, 이 레이저 용기 내에서 고전압 펄스 방전을 발생시켜 레이저 가스를 여기하여, 레이저 광을 방출시키기 위한 고전압 펄스 발생장치를 갖는 엑시머 레이저 장치에 있어서,
상기 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 레이저 펄스 파형을 검출하는 레이저 펄스 파형 검출수단과,
이 레이저 펄스 파형 검출수단으로부터의 레이저 펄스 파형 데이터에 기초하여, 상기 레이저 광의 레이저 펄스 폭을 산출하는 레이저 펄스 폭 산출수단과,
이 레이저 펄스 폭 산출수단으로부터의 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여, 이 레이저 펄스 폭을 소정의 길이보다도 짧을 때에 이상신호를 출력하는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
이 경우에, 그 이상신호를 받아서, 레이저 용기 내의 레이저 가스의 성분비 및 레이저 가스 압력을 조정함으로써, 레이저 펄스 폭을 제어하는 가스 조정수단을 갖는 것으로 할 수 있다.
또, 그 가스 조정수단은 할로겐을 포함하는 가스를 레이저 용기 내에 주입하는 수단, 할로겐을 포함하지 않는 가스를 레이저 용기 내에 주입하는 수단, 레이저 용기로부터 가스를 배출하는 수단의 적어도 1개를 포함하는 것으로 할 수 있다.
또, 그 엑시머 레이저 장치는 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 출력을 검출하는 레이저 출력 검출수단을 갖고,
상기 제어수단은 그 레이저 출력 검출수단으로부터의 레이저 출력 데이터에 기초하여 레이저 출력이 일정하게 되도록 고전압 펄스 발생장치에 탑재되는 콘덴서로의 충전전압을 제어하는 레이저 출력 일정화 제어를 행하고,
그 충전전압을 소정치에 도착했을 때에 할로겐 가스를 포함하는 가스를 레이저 용기 내에 주입하여,
할로겐 가스 주입 후, 레이저 펄스 폭 제어를 행하는 것으로 할 수 있다.
또, 그 엑시머 레이저 장치는 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 출력을 검출하는 레이저 출력 검출수단을 갖고,
상기 제어수단은 그 레이저 출력 검출수단으로부터의 레이저 출력 데이터에 기초하여, 레이저 출력이 일정하게 되도록 고전압 펄스 발생장치에 탑재되는 콘덴서로의 충전전압을 제어하는 레이저 출력 일정화 제어를 행하고,
레이저 광의 숏 수가 소정값에 도달할 때마다 할로겐 가스를 레이저 용기 내에 주입하여,
할로겐 가스 주입 후, 레이저 펄스 폭 제어를 행하는 것으로 할 수 있다.
또한, 레이저 펄스 폭은 이하의 식으로 정의되는 값(Tis)인 것이 바람직하다.
Tis=(∫T(t)dt)2/∫(T(t))2dt
여기에서, T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
레이저 출력 펄스 파형의 검출수단으로서는 광전자 증배관 또는 포토 다이오드를 광전변화수단으로서 구비하고 있는 것을 이용할 수 있다.
본 발명에서는 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 레이저 펄스 파형을 검출하는 레이저 펄스 파형 검출수단과, 이 레이저 펄스 파형 검출수단으로부터의 레이저 펄스 파형 데이터에 기초하여, 레이저 광의 레이저 펄스 폭을 산출하는 레이저 펄스 폭 산출수단과, 이 레이저 펄스 폭 산출수단으로부터의 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여, 이 레이저 펄스 폭을 소정의 길이보다 짧을 때에 이상신호를 출력하는 제어수단을 갖기 때문에, 레이저 펄스 폭이 너무 좁아져서 석영 등의 광학계의 투명재료에 손상을 주지 않게 되어, 반도체 장치 제조용의 노광광원 등으로서 장시간 사용가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 1 실시예의 엑시머 레이저 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 엑시머 레이저 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 3은 제2 실시예의 동작을 나타내는 도면,
도 4는 제2 실시예의 변형예의 동작을 나타내는 도면,
도 5는 비교예의 동작을 나타내는 도면,
도 6은 ArF 엑시머 레이저에서의 F2분압에 대한 레이저 펄스 폭, 레이저 출력을 나타내는 도면,
도 7은 레이저 펄스 폭에 대해서 설명하기 위한 도면,
도 8은 종래의 협대역 KrF 엑시머 레이저 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 레이저 용기 2 : 고전압 펄스 발생장치
3 : 협대역화 모듈 4 : 컨트롤러
5 : 출력 모니터 6 : 파장 모니터
7 : 레이저 파형 모니터 8 : 레이저 펄스 폭 계산수단
9 : 표시장치 10 : 가스 도입 배기장치
이하, 본 발명의 엑시머 레이저 장치의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1에, 본 발명의 1 실시예의 구성을 나타낸다. 이 실시예의 엑시머 장치(예를 들면, ArF 엑시머 레이저 장치)는 종래와 동일하게, 레이저 매질이 봉입된 레이저 용기(1), 레이저 매질을 여기하기 위한 고전압을 발생시키는 고전압 펄스 발생장치(2), 레이저 광을 1pm 이하로 협대역화하기 위한 협대역화 모듈(3), 고전압 펄스 발생장치(2), 협대역화 모듈(3) 등을 제어하는 컨트롤러(4), 출력 모니터(5), 파장 모니터(6)를 구비하고 있다. 이와 같은 구성에서, 레이저 용기(1)로부터 방출된 레이저 광의 일부는 빔 스플릿터에 의해 분기되고, 출력 모니터(5), 파장 모니터(6)로 인도되어, 레이저 출력을 출력 모니터(5)에 의해 검출하고, 이 검출에 따라서 컨트롤러(4)를 통해서 고전압 펄스 발생장치(2)로의 충전전압을 제어함으로써, 레이저 출력을 일정하게 안정화하고 있다. 또, 레이저 출력 파장은 파장 모니터(6)에서 검출되고, 그 검출신호는 컨트롤러(4)에 보내져서 거기에서 소망의 파장과 비교되고, 그 오차신호에 기초하여 협대역화 모듈(3)을 구동 제어함으로써, 레이저 출력 파장을 일정하게 안정화하고 있다.
이와 같은 배치에서, 본 발명에 기초하여 레이저 용기(1)로부터 방출된 레이저 광의 일부는 빔 스플릿터에 의해 분기되어, 레이저 펄스 파형을 검지하기 위한 레이저 파형 모니터(7)에 입력하도록 되어 있고, 거기에서 얻어진 파형 신호는 레이저 펄스 폭 계산수단(8)에 입력하도록 되어 있다. 레이저 파형 모니터(7)에서는 광전자 증배관, 포토 다이오드 등의 광전변환소자 또는 장치를 이용하여 파형 데이터를 얻는다. 레이저 펄스 폭 계산수단(8)에서는 수취한 파형 데이터에 기초하여 상기 (1)식에 따라서 레이저 펄스 폭(Tis)을 계산한다. 레이저 펄스 폭 계산수단(8)에서 산출된 펄스 폭(Tis)의 데이터는 컨트롤러(4)에 보내지고, 컨트롤러(4)가 그 산출된 펄스 폭(Tis)이 소정의 값, 예를 들면 30㎱ 미만이 되었다고 판정한 경우에는, 표시장치(9)에 경고표시하거나, 혹은 나타내지 않은 경고신호를 외부로 출력하도록 되어 있다.
이 실시예에서는 정기적으로 레이저 펄스 폭을 모니터할 수 있기 때문에, 종래의 기술에서 설명한 할로겐 주입 등에 의해 단펄스가 되어도 이것을 검지하고, 또한, 이상을 표시하는 것이 가능하다. 또, 이 검지결과에 기초하여 레이저 가스의 교환 등으로 레이저 가스 중의 F2분압을 조정함으로써, 단펄스 상태에서의 동작을 회피할 수 있다.
도 2에 본 발명의 제2 실시예의 구성을 나타낸다. 이 실시예의 ArF 엑시머 레이저 장치는, 도 1의 레이저 펄스 파형을 검지하기 위한 레이저 파형 모니터(7) 및 레이저 펄스 폭 계산수단(8)에 더하여, 가스를 도입, 배기하기 위한 가스 도입 배기장치(10)를 구비하고 있고, 컨트롤러(4)에 의해 제어되도록 되어 있다. 컨트롤러(4)는 가스 도입 배기장치(10) 중의 밸브(V1∼V4)의 개폐를 제어하고, 레이저 용기(1)로의 가스의 도입·배기를 제어하도록 되어 있다. 또한, 도 2에서는 도 1의 표시장치(9)는 도시하고 있지 않지만, 설치해도 좋고 생략해도 좋다.
도 2의 실시예의 동작을 설명한다. 도 3은 이 실시예의 동작을 나타내는 도면이고, 도 3(a)는 레이저 숏 수에 대한 방전전압의 값 및 레이저 출력값을 플롯한 도면이고, 도 3(b)는 레이저 숏 수에 대한 레이저 펄스 폭 및 불소(F2) 농도의 값을 플롯한 도면이다.
본 실시예에서의 레이저 출력의 일정화 제어는 이하와 같이 행해진다. 컨트롤러(4)는 출력 모니터(5)로부터 수취한 출력 데이터에 기초하여, 고전압 펄스 발생장치(2)에 탑재된 콘덴서로의 충전전압을 제어한다. 즉, 숏 수의 증가에 따라서 레이저 출력이 저하하기 때문에, 레이저 출력값이 원래의 출력값이 되도록, 충전전압을 크게 해 간다. 예를 들면, 도 3(a)의 숏 수가 0내지 ①의 기간에서 방전전압이 선형으로 증가하는 한편, 레이저 출력은 5mJ로 일정하게 유지되고 있다.
고전압 펄스 발생장치(2)에서 충전전압이 어느 상한에 도달하면, 이와 같은 레이저 출력 일정 제어를 그 이후 행할 수 없게 된다. 여기에서, 컨트롤러(4)는 가스 도입 배기장치(10) 중의 밸브(V1, V2)를 연 상태로 하여, 불소(F2), 아르곤(Ar), 네온(Ne)의 혼합가스가 충전된 봄베로부터 그 혼합가스를 레이저 용기(1) 내로 도입한다. 여기에서, 봄베 내 압력은 레이저 용기(1) 내 압력보다 높게 설정되어 있다. 그리고, 소정시간 경과 후, 컨트롤러(4)는 밸브(V1, V2)를 닫은 상태로 한다.
즉, 레이저 용기(1) 내에 할로겐 가스를 주입하고, 소비된 할로겐 가스를 보급한다. 이것에 의해, 레이저 출력이 회복하여, 충전전압을 작게 할 수 있고, 다시 충전전압 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
도 3(a)의 ①, 도 3(b)의 (1)의 근방은 이와 같은 할로겐 가스가 레이저 용기(1) 내에 주입되기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 3(a)의 ①에서는 할로겐 가스 주입 후, 고전압 펄스 발생장치(2) 내의 콘덴서로의 충전전압이 작아짐에 따라서, 방전전압이 작아지고 있다. 또, 도 3(b)의 (1)에서는 숏 수의 증가에 따라서, 감소경향에 있었던 레이저 가스 중의 불소(F2) 농도가 증가하고 있다.
여기에서, 도 3(b)의 (1)에서, 레이저 펄스 폭은 소정값(여기에서는 30㎱)보다 크기 때문에, 상기와 같은 레이저 출력 일정화 제어가 그대로 유지하게 된다.
레이저 숏 수가 더욱 증가하여, 계속해서 2회째의 할로겐 가스 주입이 행해진다. 도 3(a)의 ②, 도 3(b)의 (2)의 근방은 2회째의 할로겐 가스의 레이저 용기(1) 내로의 주입이 되기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 3(a)의 ②에서는 할로겐 가스 주입 후, 고전압 펄스 발생장치(2) 내의 콘덴서로의 충전전압이 작아짐에 따라서, 전회와 동일하게, 방전전압이 작아지고, 레이저 출력은 일정하게 유지되고 있다. 또, 도 3(b)의 (2)에서는 숏 수의 증가에 따라서 감소경향에 있었던 레이저 가스 중의 불소(F2) 농도가 증가하고 있다.
여기에서, 도 3(b)의 (2)에서, 레이저 펄스 폭이 30㎱보다 작아지고 있다. 이것은 봄베로부터의 혼합가스의 레이저 용기(1)로의 주입량이 너무 많아서, 레이저 용기(1) 내 불소(F2) 분압이 커졌기 때문이다. 즉, 이 시점에서는 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 레이저 출력이 일정하게 유지되고는 있지만, 레이저 펄스 폭은 소정값보다 짧게 되어 있다. 상기 종래의 기술의 란에서 설명한 바와 같이, 종래 기술에서는 레이저 출력밖에 모니터하고 있지 않기 때문에, 이와 같은 상황이 지속되어, 스텝퍼에 사용되고 있는 재질이 석영인 광학 렌즈의 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다.
이 시점에서, 컨트롤러(4)는 레이저 펄스 폭 계산수단(8)으로부터 수취한 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여, 레이저 펄스 폭이 30㎱보다 짧게 되어 있다고 판단하고, 가스 도입 배기장치(10) 중 밸브(V1, V4)를 연 상태로 하여 레이저 용기(1) 내로부터 레이저 가스를 일부 배기한 후, 밸브(V1, V4)를 닫은 상태로 한다. 또한, 밸브(V1, V3)를 연 상태로 하여 아르곤(Ar), 네온(Ne)의 혼합가스가 충전된 봄베로부터 그 혼합가스를 레이저 용기(1) 내로 도입한 후, 밸브(V1, V3)를 닫은 상태로 한다. 여기에서 봄베 내 압력은 레이저 용기(1) 내 압력보다 높게 설정되어 있다. 이와 같은 동작에 의해 레이저 용기(1) 내 불소(F2) 분압을 저하시킨다.
도 3(a)의 ②, 도 3(b)의 (3)의 근방은 이와 같은 레이저 가스의 일부 배기와 할로겐 가스를 포함하지 않은 레이저 가스의 레이저 용기 내로의 주입이 행해지기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 3(a)의 ②에서 레이저 출력은 일정하게 유지되어 있다. 한편, 도 3(b)의 (3)에서는 레이저 가스 내의 불소(F2) 농도가 감소하고 있지만, 그 값은 할로겐 가스 주입전의 값보다 크다. 또, 레이저 펄스 폭은 다시 30㎱ 이상으로 회복하고 있다.
이후, 도 3(a)의 ③, ⑤의 시점에서는 할로겐 가스 주입만을 행하고, 도 3(a)의 ④에서는 할로겐 가스 주입, 레이저 가스의 일부 배기, 할로겐 가스를 포함하지 않은 레이저 가스의 레이저 용기(1) 내로의 주입이 행해지고 있다.
이상과 같이, 레이저 출력 일정화 제어에서 레이저 펄스 폭을 소정값 이상으로 유지하는 제어도 동시에 행해진다.
비교예로서, 종래와 같이 레이저 펄스 폭에 대해서는 고려하지 않고, 다만, 충전전압제어와 할로겐 가스 주입을 행한 경우의 동작을 도 5에 나타낸다. 도 5(a)는 레이저 숏 수에 대한 방전전압값 및 레이저 출력값을 플롯한 도면이고, 도 5(b)는 레이저 숏 수에 대한 레이저 펄스 폭 및 불소(F2) 농도 값을 플롯한 도면이다.
도 5(a)의 ①, ②, ③, 도 5(b)의 (1), (2), (3)의 근방은 할로겐 가스의 레이저 용기 내로의 주입되기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 5(a)의 ①, ②, ③에서는 할로겐 가스 주입 후, 레이저 출력이 회복하여 고전압 펄스 발생장치 내의 콘덴서로의 충전전압이 작아짐에 따라서, 방전전압이 작아지고 있다. 또, 도 5(b)의 (1), (2), (3)에서는 숏 수의 증가에 따라서, 감소경향에 있었던 레이저 가스 내의 불소(F2) 농도가 증가하고 있다.
그러나, 레이저 펄스 폭을 어느 소망의 값 이상으로 유지하는 제어는 이루어지지 않고 있기 때문에, 도 5(b)의 (2)에서 할로겐 주입량이 많아서 할로겐 분압이 커지고, 레이저 펄스 폭이 짧아진 경우에도 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 레이저 출력은 5mJ로 일정하게 유지되어 있기 때문에, 레이저 펄스 폭이 짧은 상태로 유지되게 된다.
그런데, 상기 실시예에서는 고전압 펄스 발생장치(2)에서 충전전압이 어느 상한에 도달하는 시점에서 레이저 용기(1)에 할로겐 가스를 주입하고, 소비된 할로겐 가스를 보급하는 예이었지만, 충전전압 제어를 행하면서 소정의 레이저 숏 수마다 할로겐 가스를 보급하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
도 2 및 도 4에 기초하여, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 도 4는 이 실시예의 동작을 나타내는 것이고, 도 4(a)는 레이저 숏 수에 대한 방전전압값 및 레이저 출력값을 플롯한 도면이며, 도 4(b)는 레이저 숏 수에 대한 레이저 펄스 폭 및 불소(F2) 농도값을 플롯한 도면이다.
본 실시예에서의 레이저 출력의 일정화 제어는 이하와 같이 행해진다. 먼저의 실시예와 동일하게, 컨트롤러(4)는 출력 모니터(5)로부터 수취한 출력 데이터에 기초하여 고전압 펄스 발생장치(2)에 탑재된 콘덴서로의 충전전압을 제어한다.
한편, 컨트롤러(4)는 레이저 숏 수가 5000000 숏마다 가스 도입 배기장치(10) 내의 밸브(V1, V2)를 연 상태로 하여, 불소(F2), 아르곤(Ar), 네온(Ne)의 혼합가스가 충전된 봄베로부터 그 혼합가스를 레이저 용기(1) 내에 도입한 후, 밸브(V1, V2)를 닫은 상태로 하여, 소비된 할로겐 가스를 보급한다.
도 4(a)의 ①, 도 4(b)의 (1)의 근방은 이와 같은 할로겐 가스의 레이저 용기 내로의 주입되기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 4(a)의 ①에서는 할로겐 가스 주입 후, 고전압 펄스 발생장치(2) 내의 콘덴서로의 충전전압이 작아짐에 따라서, 방전전압이 작아지고 있다. 또, 도 4(b)의 (1)에서는 숏 수의 증가에 따라서, 감소경향에 있었던 레이저 가스 내의 불소(F2) 농도가 증가하고 있다.
여기에서, 도 4(b)의 (1)에서, 레이저 펄스 폭은 소정값(여기에서는 30㎱)보다 크기 때문에, 상기와 같은 레이저 출력 일정화 제어가 그대로 지속되게 된다.
레이저 숏 수가 또한 5000000숏 증가하여, 적산 10000000숏이 되었을 때, 2회째의 할로겐 가스 주입이 행해진다. 도 4(a)의 ②, 도 4(b)의 (2) 근방은 2회째의 할로겐 가스의 레이저 용기(1) 내에 주입되기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 4(a)의 ②에서는 할로겐 가스 주입 후, 고전압 펄스 발생장치(2) 내의 콘덴서로의 충전전압이 작아짐에 따라서, 전회와 동일하게, 방전전압이 작아져서 레이저 출력은 일정하게 유지되고 있다. 또, 도 4(b)의 (2)에서는 숏 수의 증가에 따라서 감소 경향에 있었던 레이저 가스 내의 불소(F2) 농도가 증가하고 있다.
여기에서, 도 4(b)의 (2)에서 레이저 펄스 폭이 30㎱보다 짧아지고 있다. 이것은 봄베로부터의 혼합가스의 레이저 용기(1)로의 주입량이 너무 많아서, 레이저 용기(1) 내 불소(F2) 분압이 커졌기 때문이다. 즉, 이 시점에서는 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 레이저 출력이 일정하게 유지되고는 있지만, 레이저 펄스 폭은 소정값보다 짧아지고 있다.
거기에서, 컨트롤러(4)는 가스 도입 배기장치(10) 중 밸브(V1, V4)를 연 상태로 하여 레이저 용기(1) 내로부터 레이저 가스가 일부 배기한 후, 밸브(V1, V4)를 닫은 상태로 한다. 또한, 밸브(V1, V3)을 연 상태로 하여, 아르곤(Ar), 네온(Ne)의 혼합가스가 충전된 봄베로부터 그 혼합가스를 레이저 용기(1) 내로 도입한 후, 밸브(V1, V3)를 닫은 상태로 한다. 여기에서, 봄베 내 압력은 레이저 용기(1) 내 압력보다 높게 설정되어 있다. 이와 같은 동작에 의해 레이저 용기(1) 내의 불소(F2) 분압을 저하시킨다.
도 4(a)의 ②, 도 4(b)의 (3) 근방은 이와 같은 레이저 가스를 일부 배기와 할로겐 가스를 포함하지 않은 레이저 가스의 레이저 용기(1) 내로의 주입이 행해지기 전후의 상태를 나타내는 것으로, 도 4(a)의 ②에서 레이저 출력은 일정하게 유지되고 있다. 한편, 도 4(b)의 (3)에서는 레이저 가스 중 불소(F2) 농도가 감소하고 있지만, 그 값은 할로겐 가스 주입전의 값보다 크다. 또, 레이저 펄스 폭은 다시 30㎱ 이상으로 회복하고 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서도 레이저 출력 일정화 제어와 동시에, 레이저 펄스 폭을 소정값 이상으로 유지하는 제어도 동시에 행해진다.
엑시머 레이저의 펄스 폭에 대한 광학계의 손상은 장시간 동작의 축적에 의한 것이며, 이상과 같이 본 발명을 적용함으로써, 광학계로의 손상을 거의 문제없는 레벨로 억제하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명은 ArF 엑시머 레이저 장치뿐만 아니라 KrF 엑시머 레이저 장치나 F2레이저 장치에도 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 엑시머 레이저 장치를 실시예에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다.
이상의 설명으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 엑시머 레이저 장치에 의하면, 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 레이저 펄스 파형을 검출하는 레이저 펄스 파형 검출수단과, 이 레이저 펄스 파형 검출수단으로부터의 레이저 펄스 파형 데이터에 기초하여, 레이저 광의 레이저 펄스 폭을 산출하는 레이저 펄스 폭 검출수단과, 이 레이저 펄스 폭 산출수단으로부터의 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여, 이 레이저 펄스 폭을 소정의 길이보다 짧을 때에 이상신호를 출력하는 제어수단을 갖기 때문에, 레이저 펄스 폭이 너무 좁아져서 석영 등의 광학계의 투명재료에 손상을 주지 않게 되어, 반도체 장치 제조용의 노광광원 등으로서 장시간 사용가능하게 된다.

Claims (7)

  1. 할로겐 가스를 포함하는 레이저 가스가 봉입된 레이저 용기와, 이 레이저 용기 내에서 고전압 펄스 방전을 발생시켜서 레이저 가스를 여기하여, 레이저 광을 방출시키기 위한 고전압 펄스 발생장치를 갖는 엑시머 레이저 장치에 있어서,
    상기 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 레이저 펄스 파형을 검출하는 레이저 펄스 파형 검출수단과,
    이 레이저 펄스 파형 검출수단으로부터의 레이저 펄스 파형 데이터에 기초하여, 상기 레이저 광의 레이저 펄스 폭을 산출하는 레이저 펄스 폭 산출수단과,
    이 레이저 펄스 폭 산출수단으로부터의 레이저 펄스 폭 데이터에 기초하여, 이 레이저 펄스 폭을 소정의 길이보다 짧을 때에 이상신호를 출력하는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이상신호를 받아서, 상기 레이저 용기 내의 레이저 가스의 성분비 및 레이저 가스 압력을 조정함으로써, 레이저 펄스 폭을 제어하는 가스 조정수단을 갖는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 가스 조정수단은 할로겐을 포함하는 가스를 레이저 용기 내에 주입하는 수단, 할로겐을 포함하지 않은 가스를 레이저 용기 내에 주입하는 수단, 레이저 용기로부터 가스를 배출하는 수단의 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 엑시머 레이저 장치는 상기 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 출력을 검출하는 레이저 출력 검출수단을 갖고,
    상기 제어수단은 상기 레이저 출력 검출수단으로부터의 레이저 출력 데이터에 기초하여, 레이저 출력이 일정하게 되도록 상기 고전압 펄스 발생장치에 탑재되는 콘덴서로의 충전전압을 제어하는 레이저 출력 일정화 제어를 행하고,
    상기 충전전압이 소정값에 도달하였을 때에 할로겐 가스를 포함하는 가스를 상기 레이저 용기 내에 주입하고,
    상기 할로겐 가스 주입 후, 상기 레이저 펄스 폭 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 엑시머 레이저 장치는 상기 레이저 광의 일부를 수광하여, 이 레이저 광의 출력을 검출하는 레이저 출력 검출수단을 갖고,
    상기 제어수단은 상기 레이저 출력 검출수단으로부터의 레이저 출력 데이터에 기초하여, 레이저 출력이 일정하게 되도록 상기 고전압 펄스 발생장치에 탑재되는 콘덴서로의 충전전압을 제어하는 레이저 출력 일정화 제어를 행하고,
    상기 레이저 광의 숏 수가 소정값에 도달할 때마다 할로겐 가스를 상기 레이저 용기 내에 주입하고,
    상기 할로겐 가스 주입 후, 상기 레이저 펄스 폭 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 레이저 펄스 폭이 이하의 식으로 정의되는 값(Tis)인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
    Tis=(∫T(t)dt)2/∫(T(t))2dt
    여기에서 T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
  7. 제1 항에 있어서, 레이저 출력 펄스 파형의 검출수단이 광전자 증배관 또는 포토 다이오드를 광전변환수단으로서 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저 장치.
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