KR20010062137A - 불화 아르곤 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치 - Google Patents

불화 아르곤 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치 Download PDF

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다나카 아키히로
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Abstract

반복 주파수가 2kHz를 넘어도 레이저 펄스폭 Tis가 40ns 이상 가능한 노광용 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치에 관한 것으로, 레이저 챔버내에 배치된 레이저 방전전극과 그에 병렬로 접속된 피킹 콘덴서를 가지는 ArF 엑시머 레이저 장치 등에 있어서, 자기 펄스 압축회로에서 피킹 콘덴서를 통하여 방전전극에 에너지를 주입하는 1차 전류와, 자기 펄스 압축회로의 최종단의 콘덴서로부터 방전 전극에 에너지를 주입하는 2차 전류를 중첩시키고, 또한, 2차 전류의 진동주기를 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하여, 2차 전류가 중첩된 1차 전류의 극성이 반전하는 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 계속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하게 한다.

Description

불화 아르곤 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치{ArF excimer laser apparatus and fluorine laser apparatus}
본 발명은 자외선을 방출하는 가스 레이저 장치에 관한 것으로, 특히, ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치에 있어서, 레이저 발진 펄스폭이 긴 레이저 동작을 행하는 가스 레이저 장치에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 미세화, 고집적화에 따라 그 제조용 투영노광장치에 있어서는 해상력의 향상이 요구되고 있다. 이때문에, 노광용 광원으로부터 방출되는 노광광의 단파장화가 진행되고, 차세대 반도체 노광용 광원으로서, ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치 등, 자외선을 방출하는 가스 레이저 장치가 유력하다.
ArF 엑시머 레이저 장치에 있어서는, 불소(F2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 및 버퍼 가스로서의 네온(Ne) 등의 불활성가스로 이루어지는 혼합 가스, 혹은 불소 레이저 장치에 있어서는, 불소(F2) 가스 및 버퍼 가스로서 헬륨(He) 등의 불활성가스로 이루어지는 혼합 가스인 레이저 가스가 수백 kPa로 봉입된 레이저 챔버의 내부에서 방전을 발생시킴으로써, 레이저 매질인 레이저 가스가 여기된다.
이 중, ArF 엑시머 레이저 장치는 방출하는 레이저광의 스펙트럼폭이 4OOpm 정도로 넓기 때문에, 노광장치의 투영 광학계의 색수차(收差) 문제를 회피하기 위해서는 스펙트럼폭을 1pm 이하로 협대역화하는 것이 필요해진다. 스펙트럼선폭의 협대역화는 예컨대 확대 프리즘과 회절격자로 이루어지는 협대역화 광학계를 레이저 공진기내에 배치하여 실현된다.
그런데, ArF 엑시머 레이저 장치는 중심 발진파장이 193.3nm로, 현재 노광용 광원으로서 사용되는 KrF 엑시머 레이저 장치의 중심 발진 파장 248nm보다 짧다. 이 때문에, 스테퍼 등의 노광장치의 투영 렌즈계에 사용되는 질산칼륨재인 석영에 부여되는 손상이 KrF 엑시머 레이저 장치를 사용한 경우에 비해 커 렌즈계의 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다.
석영의 손상으로는 2광자 흡수에 의한 컬러 센터의 형성과 콤팩션(굴절율 상승)이 있다. 전자는 투과율의 감소, 후자는 렌즈계의 분해능의 감소로서 나타난다. 이 영향은 레이저 펄스의 에너지를 일정하게 한 경우, 다음식으로 정의되는 레이저 펄스폭(Tis)에 반비례한다.
Tis= (∫T(t) dt)2/∫(T(t))2dt ···(1)
여기서, T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
여기서, 이 레이저 펄스폭 Tis의 정의에 관해서 설명한다. 광학소자의 손상이 2광자 흡수에 의해 생긴다고 가정하면, 손상은 레이저광 강도의 2승에 비례하기 때문에, 1펄스당 축적되는 손상 D는 다음식으로 주어진다.
D = k·∫(P(t))2dt ···(2)
여기서, k는 물질에 의해 결정되는 정수, P(t)는 시간적인 레이저 강도(MW)이다.
레이저 강도 P(t)는 다음식에 의해 시간과 에너지로 분리할 수 있다.
P(t)= I·T(t)/∫T(t’) dt’ ···(3)
여기서, I는 에너지(mJ), T(t)는 시간적인 레이저 형상이다.
P(t)를 시간적으로 적분하면 I가 되고, ArF 엑시머 레이저의 경우, I는 예컨대 5mJ이다.
여기서, (3)식을 (2)식에 대입하면, 손상 D는 이하의 식으로 표시된다.
D = k·I2·∫(T(t)/∫T(t’) dt’)2dt
= k·I2·∫(T(t))2dt/(∫T(t) dt)2···(4)
여기서, 식(1)을 대입하면,
D= k·I2/Tis··· (5)
로 된다. 이 식(5)에서 k·I2는 일정하므로 (I는 일정하게 유지된다), 손상 D에 반비례하는 펄스폭 Tis가 식(1)에 의해 정의된다.
종래, 레이저 펄스폭을 시간적인 레이저 형상의 반치 전폭(FWHM)으로 정의하는 경우가 있었다. 반치 전폭으로 레이저 펄스폭을 정의하는 경우, 도8의 모델도에 도시하는 바와같이, 시간적인 레이저 형상이 상호 달라도 동일한 값이 된다. 그러나, 도8에 도시하는 예에서는 실제 레이저 펄스의 계속시간은 삼각형 형상쪽이 직사각 형상보다도 길다. 한편, 식(1)로 정의되는 레이저 펄스폭 Tis에서는 도8에 도시하는 삼각형 형상쪽이 직사각형 형상보다 길다. 예를들면 도8에 도시하는 예에서는 삼각형 형상의 레이저 펄스폭 Tis는 직사각형 형상의 레이저 펄스폭 Tis의 2배로 된다.
상기한 바와 같이, 레이저 펄스의 에너지를 일정하게 한 경우, 2광자 흡수에 의한 투과율의 감소, 콤팩션에 의한 분해능의 감소는 식(1)로 주어지는 레이저 펄스폭 Tis에 반비례하므로, 레이저 펄스폭 Tis을 길게 하는 것이(롱 펄스화) 요망되고있다.
현재 상품화되어 있는 노광용 협대역화 ArF 엑시머 레이저 장치는 발진동작의 반복 주파수(이후, 반복 주파수라고 부른다)가 1kHz, 레이저광 출력이 5W인 것이 일반적이고, 반도체 노광장치에 탑재되는 광학계의 손상을 회피하기 위해서는 레이저 펄스폭 Tis는 30ns 이상인 것이 필요로 된다.
상기한 바와같이, 노광장치에 탑재되는 광학계의 손상을 저감하기 위해서는 레이저 펄스폭 Tis를 길게 하는 롱 펄스화가 요구되는데, 이 롱 펄스화는 이하의 점에서도 요청된다.
투영 노광장치에 있어서, 회로 패턴 등이 실시된 마스크상(像)이 투영 렌즈를 통하여 포토레지스트가 도포된 웨이퍼 등의 워크에 투영되는 투영상의 해상도 R와 초점 심도 DOF는 다음식으로 표시된다.
R= k1·λ/NA ··· (6)
DOF= k2·λ/(NA)2··· (7)
여기서, k1, k2는 레지스트의 특성 등을 반영하는 계수, λ는 노광용 광원으로부터 방출되는 노광광의 파장, NA는 개구수이다.
해상도 R를 향상시키기 위해, 식(6)에서 명백한 바와같이, 노광광 파장의 단파장화, 고 NA화가 진행되고 있는데, 그만큼, 식(7)이 표시하는대로, 초점 심도 DOF가 작아진다. 그 때문에, 색수차의 영향이 커지므로, 노광광의 스펙트럼선폭을보다 좁게 할 필요가 있다. 즉, ArF 엑시머 레이저 장치로부터 방출되는 레이저광의 스펙트럼선폭의 협대역화가 더욱 요청된다.
여기서, Proc. SPIE Vo1. 3679.(1999) 1030∼1037에는 레이저 펄스폭이 길어지면, 그에 따라, 레이저광의 스펙트럼선폭이 좁게 되는 것이 기재되어 있고, 실제, 본 발명자 등의 실험에서도 이것은 증명되었다. 즉, 해상도 R를 향상시키기 위해서는 레이저광의 스펙트럼선폭의 협대역화가 더욱 요청되고, 이를 위해서는 레이저 펄스폭의 롱 펄스화가 필요해진다.
이상과 같이, 노광장치의 광학계에 주어지는 손상의 회피 및 해상도의 향상을 위해, 레이저 펄스폭 Tis의 롱 펄스화가 필수로 되었다. 레이저 펄스폭 Tis은 레이저 챔버에 봉입되는 레이저 가스중의 불소 가스 농도에 의존하는 것이 알려져 있고(앞서 게재 :Proc. SPIE Vo1. 3679.(1999)1030∼1037), 불소 가스 농도를 조정함으로써, 레이저 펄스폭 Tis를 Tis≥30ns가 되도록 롱 펄스화하는 것이 가능해진다.
또한, 일본국 특개평 11-261628호에서는 본 발명자 등에 의해, 극성이 반전하는 1펄스의 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 계속되는 적어도 1개의 반주기에 의해 레이저 발진동작을 행하도록 구성하고, Tis≥30ns의 레이저 펄스를 형성하는 방법이 제안되고 있다.
차세대 반도체 노광용 광원으로서 유력시되는 ArF 엑시머 레이저 장치 혹은불소 레이저 장치에 대해, 한층더 고해상도화, 고 스루풋화, 석영에 대한 저손상화가 요청되고 있다.
그러나, 고해상도화, 저손상화에 효과가 있는 롱 펄스화와, 고 스루풋화를 위한 고반복화는 방전의 안정 지속성의 관점에서 상반되는 기술이고, 양립은 곤란하다고 생각되고 있었다.
본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점에 비추어 발명된 것으로, 그 목적은 반복 주파수가 2kHz를 넘어도 롱 펄스화가 가능한 노광용 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 의거하는 ArF 엑시머 레이저 장치의 원리를 설명하기 위한 파형도,
도2는 본 발명을 적용하는 ArF 엑시머 레이저 장치의 구성예를 도시하는 도면,
도3은 본 발명에 의거하는 일예의 여기(勵起)회로를 도시하는 회로도,
도4는 피킹 콘덴서에 대한 자기 펄스 압축회로 최종단의 콘덴서 용량을 변화시켜 레이저 펄스폭과 1펄스당 레이저 출력 에너지의 관계를 조사한 결과를 나타내는 도면,
도5는 한개의 구체예의 ArF 엑시머 레이저 장치로부터 얻어진 레이저 출력 파형 데이터를 나타내는 도면,
도6은 도5의 조건시에 방전 전극간을 흐르는 전류파형을 도시하는 도면,
도7은 본 발명에 의한 ArF 엑시머 레이저 장치를 3kHz까지 동작시켰을 때의 레이저 출력, 레이저 펄스폭, 출력 안정성을 나타내는 도면,
도8은 레이저 펄스폭에 대해 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저 챔버 2 : 방전전극
3 : 고전압 펄스 발생장치 4 : 팬
5 : 협대역화 모듈 6 : 출력거울
7 : 빔 샘플러 8 : 파형검출수단
9 : 펄스폭 산출수단 10 : 코로나 예비전리부
11 : 코로나 예비전리 제1전극 12 : 유전체 튜브
13 : 코로나 예비전리 제2 전극
SL0 : 고체 스위치 보호용 자기 스위치
SL1 : 제1 자기 스위치 SL2 : 제2 자기 스위치
HV : 고전압 전원 L1 : 인덕턴스
SW : 고체 스위치 C0 : 주 콘덴서
C1 : 제1 콘덴서 C2 : 제2 콘덴서
Cp : 피킹 콘덴서 Cc : 예비전리용 콘덴서
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 ArF 엑시머 레이저 장치는 자기 펄스 압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버내에 배치된 한쌍의 레이저 방전전극과 그 한쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 피킹 콘덴서를 가지는 ArF 엑시머 레이저 장치에 있어서, 상기 자기 펄스 압축회로로부터 상기 피킹 콘덴서를 통하여 상기 방전전극 에너지를 주입하는 1차전류와, 상기 자기 펄스 압축회로의 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 상기 방전전극으로 에너지를 주입하는 2차전류를 중첩시키고, 또한 상기 2차 전류의 진동주기를 상기 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하고, 상기 2차 전류가 중첩한 상기 1차 전류의 극성이 반전하는 방전진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 계속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
이 경우에, 상기 자기 펄스 압축회로는 반도체 스위치와 적어도 1단이상의콘덴서 및 자기 스위치로 이루어지는 자기 펄스 압축부를 구비하고,
상기 피킹 콘덴서와 상기 주방전 전극이 형성하는 회로 루프의 인덕턴스가 5∼8nH, 상기 레이저 챔버내의 전체 가스압이 2.5∼3.7 기압이고, 이 중 불소 분압이 0.1% 이하이고, 또한, 상기 주방전 전극에 인가되는 전압의 브레이크 다운이 발생하기까지의 소요시간이 30∼8Ons일 때, 상기 피킹 콘덴서의 용량 Cp과, 상기 자기 펄스 압축회로의 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서 용량 Cn이 0.45< Cp/Cn< 0.75의 관계에 있는 것이 바람직하다.
이 경우에, 피킹 콘덴서의 용량(Cp)은 10nF 미만인 것이 바람직하다.
또한, 주 방전전극의 한쪽에는 예비 전리전극이 근접하여 배치되어 있고, 피킹 콘덴서와 병렬로 접속되고, 또한, 예비 전리전극과 직렬로 접속된 예비 전리용 콘덴서의 용량(Cc)이 피킹 콘덴서 용량(Cp)의 5% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 레이저 챔버내에 배치된 광 공진기의 출력거울의 반사율이 50% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 광 공진기의 라운드 트립 회수가 6회 이상인 것이 바람직하다.
또한, 주 방전전극은 길이가 550∼750mm, 전극간 거리가 14∼18mm 인 것이 바람직하다.
본 발명의 불소 레이저 장치는 자기 펄스 압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버내에 배치된 한쌍의 레이저 방전전극과 그 한쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 피킹 콘덴서를 가지는 불소 레이저 장치에 있어서, 상기 자기 펄스 압축회로로부터 상기 피킹 콘덴서를 통하여 상기 방전전극 에너지를 주입하는 1차 전류와, 상기 자기 펄스 압축회로의 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용 콘덴서로부터 상기 방전 전극에 에너지를 주입하는 2차전류를 중첩시키고, 또한, 상기 2차전류의 진동주기를 상기 1차전류의 진동주기보다 길게 설정하여, 상기 2차전류가 중첩한 상기 1차전류의 극성이 반전하는 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 계속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서는 자기 펄스 압축회로로부터 피킹 콘덴서를 통하여 방전 전극 에너지를 주입하는 1차전류와, 자기 펄스 압축회로 최종단의 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 방전 전극에 에너지를 주입하는 2차전류를 중첩시키고, 또한, 2차전류의 진동주기를 1차전류의 진동주기보다 길게 설정하여, 2차전류가 중첩된 1차전류의 극성이 반전하는 방전진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 계속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성하였으므로, 반복 주파수 2kHz 이상의 경우에, 고반복 롱 펄스화 협대역 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치를 실현할 수 있다.
<발명의 실시형태>
이하, 본 발명의 원리와 그 실시예에 대해 도면에 따라 설명한다.
본 발명자는 상기와 같은 요청에 대응하기 위해, 레이저 방전회로에서 고반복 동작에 대응하는 롱 펄스화 회로를 형성하고, 반복 주파수가 2kHz 이상이어도, 안정되게 동작 가능한 Tis≥40ns로 되는 롱 펄스 노광용 ArF 엑시머 레이저 장치를 개발했다.
그 원리로는 롱 펄스화 회로의 구체적인 동작으로서, 레이저 챔버내에 배치된 한쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 피킹 콘덴서로부터 방전공간에 흐르는 1차 전류의 상승을 빠르게 하고, 또한 피크치를 높게 하며, 그 주기를 짧게 하여, 방전을 안정적으로 지속하기 쉽게 함과 동시에, 피킹 콘덴서로부터 방전공간에 흐르는 1차 전류의 제2 주기에, 자기(磁氣) 펄스 압축회로의 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서에 잔류하는 전하(방전까지 피킹 콘덴서로 이행하지 않고 남은 양)를 맞추어 흐르도록 함으로써, 1차 전류 극성이 반전하는 1펄스의 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 레이저 발진동작을 하도록 하는 것이다.
이 상태의 개념도를 도1에 도시한다. 피킹 콘덴서로부터 흐르는 1차 전류의 상승이 빠르고, 피크치가 높으며, 그 주기가 짧아지도록 회로정수를 정하여(구체적인 회로구성, 회로정수는 후술한다), 방전을 안정적으로 지속하기 쉽게 한다.
한편, 방전 개시시에, 자기 펄스 압축회로의 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서(최종단의 콘덴서)에 전하가 잔류하도록 회로정수를 정하고(구체적인 회로구성, 회로정수는 후술한다), 그 잔류전하가 방전공간에 흐르는 2차전류의 주기를 1차전류의 주기보다 길게(예를들면 3배 이상 6배 이하) 설정한다.
그리고, 방전전극간에 흐르는 전류를 이 1차전류와 2차전류가 중첩한 것으로 하여, 도1과 같이, 중첩한 전류의 극성이 반전하는 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스 레이저 발진동작을 행하도록 한다.
보충적으로 설명하면, 도1의 중첩한 진동전류의 제1 반주기와 제3 반주기는 같은 극성이고, 전류가 중첩하여 강도가 커지고, 그 사이에 방전공간에 주입되는 에너지는 2차 전류가 없는 종래의 경우에 비교해 커져 있고, 발진 에너지도 커진다. 그러나, 진동전류의 제2 반주기에서는 전류치는 반대로 작아지므로, 주입되는 에너지는 적어지지만, 이 사이에도 제1 반주기에 연속하여 방전공간내에서 극성은 반전하지만 방전이 지속되어 효율적으로 에너지가 주입되므로, 레이저 발진동작은 제1 반주기에서 제2 반주기, 그리고 제3 반주기로 지속시킬 수 있다.
이와 같이, 자기 펄스 압축회로로부터 피킹 콘덴서를 통하여 방전 전극에 에너지를 주입하는 1차 전류와, 자기 펄스 압축회로의 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 방전 전극에 에너지를 주입하는 2차 전류를 중첩시키고, 또한, 2차 전류의 진동주기를 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하고, 2차 전류가 중첩된 1차 전류의 극성이 반전하는 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성함으로써, Tis≥40ns로 롱 펄스화가 가능하게 되고, 선폭이 0.5pm(반치)보다 좁게 되어, 해상도가 향상되며, 또한, 그 롱 펄스화에 의해 피크 광강도가 저하하여, 석영재료의 손상을 경감시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 ArF 엑시머 레이저 장치와 그 여기회로의 구체예를 나타낸다.
도2는 본 발명의 노광용 ArF 엑시머 레이저 장치의 구성예를 도시하는 도면이고, 도면 중, 1은 레이저 챔버이며, 양단에 창부가 형성되고, 불소 가스, 아르곤가스 및 버퍼 가스(예컨대, 네온 가스)로 이루어지는 혼합 가스인 레이저 가스가 봉입되어 있다.
레이저 챔버(1)의 내부에는 소정간격만큼 이간하여 대향한 한쌍의 방전전극(2, 2)이 구비되고, 고전압 펄스 발생장치(3)에서 고전압 펄스를 인가하여 방전전극(2, 2)사이에 방전을 발생시킴으로써, 레이저 매질인 레이저 가스가 여기된다. 레이저 챔버(1)내에 설치된 팬(4)에 의해 레이저 가스는 레이저 챔버(1)내부를 순환한다.
이 레이저 가스 순환에 의해, 방전전극(2)간의 레이저 가스는 방전발생후, 다음 방전이 발생하기 전에 새로운 가스로 치환되므로, 다음 방전은 안정된 방전으로 된다.
본 발명자 등은 레이저 챔버(1)의 레이저 가스 순환구조, 팬(4) 형상 등의 개량을 행하여, 반복 주파수 2kHz 이상을 실현했다.
레이저 챔버(1) 한쪽의 단부측에는 레이저광의 스펙트럼폭을 협대역화하기 위한 협대역화 광학계를 가지는 협대역화 모듈(5)이 구비된다. 협대역화 모듈(5)은 예컨대, 1개 이상의 프리즘으로 이루어지는 빔 직경 확대 광학계와 리트로 배치의 반사형 회절격자로 구성된다. 레이저 챔버(1)의 다른쪽 단부측에는 출력거울(6)이 구비되고, 이 출력거울(6)과 협대역화 모듈(5)에 설치된 협대역화 광학계에 의해 레이저 공진기가 구성된다.
출력거울(6)에서 방출된 ArF 엑시머 레이저광의 일부는 빔 샘플러(7)에 의해 인출되고, 레이저광의 시간적 파형을 검출하는 파형검출수단(8)에 인도된다. 파형검출수단(8), 예컨대, 포토 다이오드 또는 광전자 증배관을 광전 변환수단으로서 구비하고 있다. 파형검출수단(8)으로 얻어진 파형 데이터는 펄스폭 산출수단(9)에 보내진다. 펄스폭 산출수단(9)은 받아들인 펄스폭 데이터에 의거하여 상기한 식(1)에 따라 레이저 펄스폭 Tis를 산출한다.
이러한 ArF 엑시머 레이저 장치의 주 방전 전극(2, 2)간에는, 도3에 도시하는 여기회로에 의해 주 방전 전압이, 또한, 코로나 예비 전리부(10)의 전극(11)과 (13)간에 예비 전리용 콘덴서(Cc)를 통하여 예비방전전압이 인가된다. 또한, 이 예에 있어서, 코로나 예비 전리부(10)는 예컨대, 제1 전극(11)이 고순도 알루미나 세라믹 등의 유전체 물질제의 한쪽 개방 튜브(12)내에 원주상 전극을 삽입하여 구성되고, 제2 전극(13)이 구형의 판상체 전극으로 구성되며, 제2 전극(13)의 판상체는 그 한개의 직선상의 에지 근방에서 굴곡되어 있고, 그 에지에 있어서 제1 전극(11)의 유전체 튜브(12)의 외면에 평행하게 선접촉하여 이루어지며, 그 접촉위치가 주 방전전극(2, 2)간의 레이저 여기공간을 예상할 수 있는 위치의 한쪽 주 방전전극(2)에 근접하여 배치되어 이루어지는 것이다.
도3의 여기회로는 가포화 리액터로 이루어지는 3개의 자기 스위치(SL0, SL1, SL2)를 이용한 2단 자기 펄스 압축회로로 이루어진다. 자기 스위치(SL0)는 고체 스위치(SW) 보호용이고, 제1 자기 스위치(SL1)와 제2 자기 스위치(SL2)에 의해 2단의 자기 펄스 압축회로를 구성하고 있다.
도3에 따라 회로의 구성과 동작을 이하에 설명한다. 우선, 고전압 전원(HV)의 전압이 소정의 값으로 조정되고, 자기 스위치(SL0), 인덕턴스(L1)을 통하여 주콘덴서(C0)가 충전된다. 이 때, 고체 스위치(SW)는 오프로 되어 있다. 주 콘덴서(C0)의 충전이 완료하고, 고체 스위치(SW)가 온으로 되었을 때, 고체 스위치(SW) 양단에 걸리는 전압은 자기 스위치(SL0)의 양단에 걸리도록 옮겨져, 고체 스위치(SW)를 보호한다. 자기 스위치(SL0)의 양단에 걸리는 주 콘덴서(C0)의 충전 전압(V0)의 시간 적분치가 자기 스위치(SL0)의 특성으로 결정되는 한계치에 달하면, 자기 스위치(SL0)가 포화하여 자기 스위치가 작동해 주 콘덴서(C0), 자기 스위치(SL0), 고체 스위치(SW), 콘덴서(C1)의 루프에 전류가 흐르고, 주 콘덴서(C0)에 축적된 전하가 이행되어 콘덴서(C1)에 충전된다.
이 후, 콘덴서(C1)에 있어서의 전압(V1)의 시간 적분치가 자기 스위치(SL1)의 특성으로 결정되는 한계치에 달하면, 자기 스위치(SL1)가 포화하여 자기 스위치가 작동하고, 콘덴서(C1), 콘덴서(C2), 자기 스위치(SL2)의 루프에 전류가 흘러, 콘덴서(C1)에 축적된 전하가 이행되어 콘덴서(C2)에 충전된다.
또한, 이 후, 콘덴서(C2)의 전압(V2)의 시간 적분치가 자기 스위치(SL2)의 특성으로 결정되는 한계치에 달하면, 자기 스위치(SL2)가 포화되어 자기 스위치가 작동하고, 콘덴서(C2), 피킹 콘덴서(Cp), 자기 스위치(SL2)의 루프에 전류가 흘러 콘덴서(C2)에 축적된 전하가 이행되어 피킹 콘덴서(Cp)가 충전된다.
도3의 설명에서 명백한 바와같이, 예비전리를 위한 코로나 방전은 유전체 튜브(12)와 제2 전극(13)이 접촉하고 있는 개소를 기점으로 하여 유전체 튜브(12)의 외주면에 발생하는데, 도3의 피킹 콘덴서(Cp)의 충전이 진행됨에 따라 그 전압(V3)이 상승하고, V3가 소정 전압이 되면, 코로나 예비 전리부의 유전체 튜브(12) 표면에 코로나 방전이 발생한다. 이 코로나 방전에 의해 유전체 튜브(12)의 표면에 자외선이 발생하고, 주방전 전극(2, 2)간의 레이저 매질인 레이저 가스가 예비전리된다.
피킹 콘덴서(Cp)의 충전이 더욱 진행됨에 따라, 피킹 콘덴서(Cp)의 전압(V3)이 상승하고, 이 전압(V3)이 어느 값(브레이크 다운 전압)(Vb)에 달하면, 주 방전전극(2, 2)간의 레이저 가스가 절연 파괴되어 주 방전이 개시되고, 이 주 방전에 의해 레이저 매질이 여기되어, 레이저광이 발생한다.
이 후, 주방전에 의해 피킹 콘덴서(Cp)의 전압이 급속히 저하하고, 이윽고 충전 개시전의 상태로 되돌아간다.
이러한 방전동작이 고체 스위치(SW)의 스위칭 동작에 의해 반복하여 행해짐으로써, 소정의 반복 주파수에서의 펄스 레이저 발진이 행해진다.
여기서, 자기 스위치(SL1, SL2) 및 콘덴서(C1, C2)로 구성되는 각 단의 용량 이행형 회로의 인덕턴스를 후단으로 감에 따라 작아지도록 설정함으로써, 각 단을 흐르는 전류 펄스의 펄스폭이 순차 좁아지는 펄스 압축동작이 행해지고, 주 방전전극(2, 2)간에 단펄스의 강한 방전이 실현된다.
그런데, 반도체 노광용 광원으로서의 ArF 엑시머 레이저 장치의 경우, 노광에 필요한 레이저 출력 에너지로부터 그에 필요한 방전체적이 저절로 결정되고, 그 방전 체적으로부터 주 방전전극(2, 2)간의 간격은 14∼18mm 정도, 길이는 550∼750mm 정도일 필요가 있다.
또한, 그 레이저 출력 에너지는 일반적으로 피킹 콘덴서(Cp)의 용량으로 결정되고(방전에 의한 입력 에너지는 1/2 ×Cp·Vb2), Cp는 큰쪽이 좋지만, 피킹 콘덴서(Cp)에서 주 방전전극(2, 2)간을 흐르는 전류의 주기를 짧게 하기 위해서는 Cp는 작게 하지 않으면 안된다. 또한, 도1에 관해 설명한 바와같이, Cp로부터 주 방전전극(2, 2)간에 전류가 흘러도, C2에 전하가 잔류하여 있도록 하기 위해서는, Cp는 그다지 크게 할 수 없다. 이들 조건으로부터 피킹 콘덴서 Cp의 용량은 10nF 미만으로 할 필요가 있다.
여기서, 상기한 바와같이, 본 발명에 의거하여 피킹 콘덴서(Cp)로부터 주 방전전극(2, 2)간을 흐르는 전류의 상승을 빠르게 하고, 또한, 전류의 피크치를 높게 하도록 회로정수를 정할 필요가 있다. 전류의 피크치를 크게 하기 위해서는, 주 방전전극(2, 2)간에서 방전이 개시되는 전압(브레이크 다운 전압)(Vb)이 주 방전전극(2, 2)간에 가해지는 전압의 상승에 의존하고, 상승 시간이 고속인 경우에 방전 개시전압(Vb)이 높아지므로(과전압의 발생), 그 인가전압을 급격히 상승시킬 필요가 있다. 여기서, 주 방전전극(2, 2)에 인가되는 전압의 브레이크 다운이 발생하기까지의 상승 시간은 30∼80ns의 범위에 있는 것이 중요하다. 여기서, 브레이크 다운 전압(Vb)까지의 상승 시간의 정의는 주 방전전극(2, 2)간에 인가되는 전압(V3)의 최초 1/2 주기의 상승부의 가장 급준하게 되는 부분이 직선에 근사하고, 그 직선이 전압 0의 직선과 교차하는 점에서 브레이크 다운 전압(Vb)에 도달하는 점까지의 시간이다. 여기서, 상승 시간이 30ns보다 짧은 경우, 예비전리에 필요한 시간을 얻을 수 없게 된다. 반대로, 상승 시간이 80ns보다 큰 경우, 출력하는 레이저광 펄스 폭이 감소하여, 원하는 펄스폭 40ns 이상을 얻을 수 없다.
또한, 이 주 방전전극(2, 2)에 인가되는 전압의 브레이크 다운이 발생하기까지의 소요 시간의 규정에 의해 자기 스위치(SL2)의 잔류 인덕턴스가 결정되므로, 이 규정에 의해 콘덴서(C2), 자기 스위치(SL2), 주방전 전극(2, 2)의 루프에 흐르는 전류(도1의 콘덴서(C2)로부터 방전공간에 흐르는 전류)의 주기를 결정하는 인덕턴스가 결정된다.
다음에, 피킹 콘덴서(Cp)로부터 주방전 전극(2, 2)간을 흐르는 전류의 주기를 짧게 하여 방전을 안정적으로 지속하기 쉽게 하기 위해서는 이하와 같이 구성한다. 즉, 도3의 여기회로의 피킹 콘덴서(Cp)와 주방전 전극(2, 2)이 형성하는 루프(방전 전류회로)중의 용량과 부유 인덕턴스이고, 양자 곱의 루트가 그 주기에 비례한다. 따라서, 그 주기를 짧게 하기 위해서는 상기 방전 전류회로의 부유 인덕턴스를 가능한한 작게 하면 된다. 그러나, 이 부유 인덕턴스의 크기는 레이저 캐비티의 단면적으로 결정되므로, 실제상 4∼8nH 정도보다 작게 할 수 없다.
또한, 주방전 전극(2, 2)간을 흐르는 진동전류의 2번째 이후의 1/2 주기의 전류 피크치를 크게 하여 2번째 이후의 1/2주기에 있어서도 레이저 발진을 행하게 하기 위해서는, 레이저 가스의 상기 저항을 작게 할 필요가 있다. ArF에서는 Ar+ F2+ Ne로 이루어지는 2.5∼3.7 기압의 레이저 가스를 이용하는 경우에, 불소 분압이 작을수록 저항이 작아지므로, 레이저 가스의 전압에 대한 불소 분압을 0.1% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 레이저 가스의 압력이 2.5기압 이하인 경우, 주입할 수 있는 에너지가 너무 작아 노광장치에 필요한 출력 에너지를 얻을 수 없게 된다. 반대로, 3.7기압보다 큰 경우는 저항이 너무 커져 2번째 이후의 1/2주기에 있어서레이저 발진을 행하게 하는 것이 곤란해진다.
이러한 내용하에서, 도2에 도시하는 ArF 엑시머 레이저 장치에 있어서, 레이저 방전 전극길이 600mm, 간격 16mm, 레이저 챔버(1)내 압력을 3.5기압(약 350kPa), 불소농도를 0.09%, 버퍼 가스를 네온으로 하고, 또한, 도3과 같은 2단의 자기 펄스 압축회로로 이루어지는 여기회로에 의해, 반복 주파수를 2kHz로 하고, 브레이크다운까지의 소요 시간 50∼60ns, 예비 전리용 콘덴서(Cc)용량 0.4nF, 출력거울(6)의 반사율 60%, Cp용량을 9nF로 하고, C2의 용량을 변화시켜, 도1의 원리에 따라 레이저를 발진시켰을 때의 레이저 펄스폭 Tis와 1펄스당 레이저 출력 에너지의 관계를 조사한 바, 도4와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, C2의 변화에 대해, C2 ≒ C1 ≒ C0이 되도록 했다. 또한, 레이저 챔버(1)내 압력은 가스 온도를 25℃로 환산했을 시의 값이다.
도4의 결과에서 C2가 12nF(Cp/C2=0.75)이상, 20nF(Cp/C2=0.45) 이하일 때, 레이저 펄스폭 Tis를 Tis≥40ns로 할 수 있는 것을 알았다. 반대로, C2가 12nF이하, 20nF이상으로 되면, Tis＜ 40ns로 되었다. 또한, 레이저 출력 에너지도 C2가 12nF 이하, 20nF 이상으로 감소하고 있다. 그 이유는 C2가 12nF이하(Cp/C2 ＞ 0.75)일 때, C2로부터 방전공간에 주입되는 에너지가 감소되는 결과, Tis도 레이저 출력 에너지도 감소되고, 반대로, C2가 20nF 이상(Cp/C2 ＜ 0.45)일 때, 방전공간에 주입되는 에너지가 너무 커 방전이 불안정해지는 결과, Tis도 레이저 출력 에너지도 감소하기 시작한다.
여기서, 도4는 Cp의 용량이 9nF일 때의 결과인데, 이 Cp의 값을 감소시켜도, 레이저 출력이 감소할 뿐이고, 그에 따라 C2의 범위를 바꾸면, 도1의 1차 전류의 주기와 2차 전류 주기의 관계가 변하지 않으므로, 도3의 관계와 동일한 관계로 되어, Tis≥40ns를 얻기 위해서는 Cp와 Cn의 비가 0.45 < Cp/Cn < 0.75의 범위에 있는 것이 필요한 것을 알았다. 여기서, Cn은 자기 펄스 압축회로 최종단의 콘덴서(여기서는, 콘덴서 C2)의 용량이다.
도5에 일예로서, 상기 조건에서 C2 = 15nF(Cp/C2 = 0.6)로 하였을 때의 파형검출수단(8)으로 얻어진 시간적인 레이저 형상인 파형 데이터를 나타낸다. 이 때, 펄스폭 산출수단(9)에 의해 구해진 레이저 펄스폭 Tis의 값은 52ns였다.
도6에는 도5의 조건일 때에 전극간을 흐르는 전류파형(예비전리 콘덴서 용량 Cc= 0.4nF:실선)을 나타낸다.
이상의 실시예로부터 명백한 바와같이, 이하의 조건을 만족함으로써, Tis＞ 4Ons가 실현된다.
(1) Cp를 10nF미만으로 작게 하고, 방전 루프의 인덕턴스(Ld)를 4∼8 nH로 작게 함으로써, 방전공간에 흐르는 전류의 주기(∝√(Cp·Ld))을 짧게 한다.
(2) 상승 시간 30∼80ns의 고속 상승 전원을 이용함으로써, 방전개시전압을 높여, 전류 피크를 크게 한다.
(3) 상기 고속 상승 전원의 사용에 의해, Cp와 C2간의 인덕턴스(자기 스위치(SL2)의 잔류 임피던스)를 매우 작게 하고, Cp에서 흐르는 전류의 제2 주기에, C2에 잔류한 전하에 의한 전류를 중첩하여 흐르도록 한다.
이들 결과, (1), (2)에 의해 방전의 안정 지속성이 높아지고, 그 지속중에 (3)에 의해 에너지가 주입되므로, 효율좋은 롱 펄스 발진이 가능해진다.
이 때, 도6중에 파선으로 표시하는 바와같이, 예비전리 콘덴서 용량(Cc)을 0.8nF로 크게 하면, Cc에 잔류한 전하에 의한 전류가 방전공간에 흐를 때에 위상이 어긋나, Cp, C2로부터 흐르는 전류의 제2 주기 이후가 방해된다. 따라서, Cc는 예비전리방전에 필요한 최저한의 값으로 하는 것이 좋다. 실험의 결과, Cp의 5%이하가 바람직한 것을 알았다. 상기 실시예에서는 Cc/Cp= 0.4nF/9nF(4.4%)로 했다.
그런데, Tis＞ 40ns의 롱 펄스 파형에 있어서는, 라운드 트립수(광 공진기중에서의 레이저광의 왕복 회수)가 많아진다. 따라서, 광 공진기의 출력거울(6)의 반사율을 50% 이상으로 높이면, 2회째 이후의 라운드 트립수의 비율이 증가하고, 레이저 출력이 증가함과 동시에, 레이저 파형의 안정성이 높아져, 펄스간의 에너지 안정성도 향상된다. 상기 실시예에서는 반사율 60%의 출력거울을 사용했다.
또한, 라운드 트립에 대응하는 출력파형의 피크 간격시간은 공진기 길이의 2배를 광속으로 나눈 것이 된다. 따라서, Tis＞ 40ns에서 라운드 트립수가 많으면, 피크수가 많아진다. 그리고, 라운드 트립수를 상대적으로 많게 하기 위해서는 공진기 길이를 짧게 할 필요가 있고, 전극길이(게인 영역)가 일정한 경우에는, 공진기 길이를 짧게 하여 라운드 트립수를 많게 하면, 게인 영역 이외의 길이가 줄어 손실이 적어지므로 바람직하다. 상기 실시예는 Tis＞ 40ns를 라운드 트립수가 6이상이되는 조건에서 달성하고 있다.
이상과 같이, 본 발명은 종래와 같이 레이저 챔버내의 불소 농도를 조정한다는 기술과는 다른 신규 기술이다, 롱 펄스화 방전회로(펄스 정형회로)의 새로운 고안이라는 기술에 의해, 반복 주파수 2kHz 이상, 레이저 펄스폭 Tis가 40ns 이상인 고반복 롱 펄스화의 협대역 ArF 엑시머 레이저 장치를 실현하는데 성공했다.
이상의 본 발명에 의거하여 피킹 콘덴서의 용량(Cp)과, 자기 펄스 압축회로 최종단의 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서 용량(Cn)을 O.45 ＜Cp/Cn ＜0.75를 만족하도록 설정함으로써, 반복 주파수 2kHz 이상인 경우에 있어서, 레이저 펄스폭 Tis가 40ns 이상인 고반복 롱 펄스화 협대역 ArF 엑시머 레이저 장치를 실현할 수 있다.
도7에 본 발명에 의한 ArF 엑시머 레이저 장치를 3kHz까지 동작시켰을 시의 레이저 출력, 레이저 펄스폭(Tis), 출력 안정성(3σ)을 나타낸다. 본 발명에 의해 Tis＞ 40ns가 3kHz까지 확실하게 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서는 펄스폭을 확대하고 있음에도 불구하고, 출력의 3σ가 5% 이내이고, 통상의 펄스폭으로 발진시켰을 때와 동등한 높은 안정성을 얻을 수 있는 것도 알 수 있다.
이상은, ArF 엑시머 레이저 장치에 관해 설명했는데, 상기의 기본원리는 불소(F2) 가스 및 버퍼 가스로서 헬륨(He) 등의 불활성가스로 이루어지는 혼합 가스를 레이저 가스로 하여, 동일하게 방전 여기하는 불소 레이저장치에도 적용시킬 수 있는 것이 명백하다.
이상, 본 발명의 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치를 그 원리와실시예에 따라 설명했는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다.
이상의 설명에서 명백한 바와같이, 본 발명의 노광용 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치에 의하면, 자기 펄스 압축회로에서 피킹 콘덴서를 통하여 방전전극에 에너지를 주입하는 1차 전류와, 자기 펄스 압축회로의 최종단 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 방전 전극에 에너지를 주입하는 2차 전류를 중첩시키고, 또한, 2차 전류의 진동주기를 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하고, 2차 전류가 중첩한 1차 전류의 극성이 반전하는 방전 진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성하였으므로, 반복 주파수 2kHz 이상인 경우에 있어서, 고반복 롱 펄스화 협대역 ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치를 실현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 자기 펄스 압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버내에 배치된 한쌍의 레이저 방전전극과 그 한쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 피킹 콘덴서를 가지는 ArF 엑시머 레이저 장치에 있어서,
    상기 자기 펄스 압축회로로부터 상기 피킹 콘덴서를 통하여 상기 방전전극에 에너지를 주입하는 1차전류와,
    상기 자기 펄스 압축회로 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 상기 방전전극에 에너지를 주입하는 2차전류를 중첩시키고, 또한 상기 2차 전류의 진동주기를 상기 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하고,
    상기 2차 전류가 중첩한 상기 1차 전류의 극성이 반전하는 방전진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성한 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 펄스 압축 회로는 반도체 스위치와 적어도 1단 이상의 콘덴서 및 자기 스위치로 이루어지는 자기 펄스 압축부를 구비하고,
    상기 피킹 콘덴서와 상기 주방전 전극이 형성하는 회로 루프의 인덕턴스가 5∼8nH, 상기 레이저 챔버내의 전체 가스압이 2.5∼3.7 기압이고, 이 중의 불소분압이 0.1% 이하이며, 또한, 상기 주방전 전극에 인가되는 전압의 브레이크 다운이 발생하기까지 소요 시간이 30∼8Ons일 때,
    상기 피킹 콘덴서의 용량(Cp)과, 상기 자기 펄스 압축회로 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용 콘덴서의 용량(Cn)이 0.45< Cp/Cn< 0.75의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 피킹 콘덴서의 용량(Cp)은 10nF 미만인 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 주 방전전극의 한쪽에는 예비 전리전극이 근접하여 배치되어 있고,
    상기 피킹 콘덴서와 병렬로 접속되고, 또한, 상기 예비전리전극과 직렬로 접속된 예비전리용 콘덴서의 용량(Cc)은 상기 피킹 콘덴서의 용량(Cp)의 5% 이하인 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 레이저 챔버내에 배치된 광 공진기의 출력거울의 반사율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서, 상기 광 공진기의 라운드 트립(round trip) 회수가 6회 이상인 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한항에 있어서, 상기 주 방전전극은 길이가 550∼750mm, 전극간 거리가 14∼18mm인 것을 특징으로 하는 ArF 엑시머 레이저 장치.
  8. 자기 펄스 압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버내에 배치된 한쌍의 레이저 방전전극과 그 한쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 피킹 콘덴서를 가지는 불소 레이저 장치에 있어서,
    상기 자기 펄스 압축회로에서 상기 피킹 콘덴서를 통하여 상기 방전전극에 에너지를 주입하는 1차 전류와,
    상기 자기 펄스 압축회로 최종단의 상기 피킹 콘덴서 충전용의 콘덴서로부터 상기 방전전극에 에너지를 주입하는 2차 전류를 중첩시키고, 또한, 상기 2차 전류의 진동주기를 상기 1차 전류의 진동주기보다 길게 설정하고,
    상기 2차 전류가 중첩한 상기 1차 전류의 극성이 반전하는 방전진동 전류파형의 시작 반주기와, 그에 연속되는 적어도 2개의 반주기에 의해 1 펄스의 레이저 발진동작을 행하도록 구성한 것을 특징으로 하는 불소 레이저 장치.
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