KR980012742A - 엑시머레이저발진장치 및 방법, 엑시머레이저노광장치, 그리고 레이저관 - Google Patents

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타다히로 오오미
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Abstract

본 발명은, Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2가스와의 흔합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하고, 그 내면이 248nm, 193nm, 또는 156nm라고 하는 소망의 파장이 광에 대한 무 반사면을 지니며, 해당 내면의 최표면이 불화물로 이루어진 레이저쳄버, 상기 레이저챔버를 사이에 샌드위치 해서 배치된 1쌍의 반사경으로 이루어지고, 출력측의 반사경의 반사율을 90%이상으로 한 광공진기 및 상기 레이저쳄버내의 레이저 가스를 연속적으로 여기시키기 위하여 해당 레이저챔버상에 설치된 마이크로파도입수 단을 구비한 엑시머레이저발진장치에 관한 것이다.

Description

엑시머레이저발진장치 및 방법, 엑시머레이저노광장치, 그리고 레이저관
본 발명은 연속발광이 가능한 연속발광엑시머레이저발진장치 및 발진방법, 엑시머레이저노광장치, 그리고 레이저관에 관한 것이다.
엑시머레이저는 자외영역에서 발진하는 유일한 고출력레이저로서 주목되고 있으며, 전자산업이나 화학산업, 에너지산업에 있어서 응용이 기대되고 있다.
구체적으로는 금속, 수지, 유리, 세라믹스, 반도체등의 가공이나 화학반응등에 이용되고 있다.
엑시머레이저광을 발생시키는 장치는 엑시머레이저발진장치로서 알려져 있다. 매니홀드내에 층전된 Ar.Kr, Ne, Fa등의 레이저가스를 전자빔조사나 방전등에 의해 여기상태로 한다. 그러면, 여기된 F원자는 기저상태의 불활성 KRF*, ArF*원자와 결합해서 여기상태로만 존재하는 분자를 생성한다. 이 분자가 엑시머라고 불려지는 것이다. 엑시머는 불안정하기 때문에 즉시 자외광을 방출해서 기저상태로 떨어진다. 이것을 본드프리 (bund-F2ee)천이 또는 자연발광이라고 하지만. 이 여기분자를 이용해서 1쌍의 반사경으로 구성되는 광공진기 내에서 등위상의 광으로서 증폭해서 레이저빔으로서 출력하는 것이 엑시머레이저발진장치이다.
그런데, 종래, 엑시머레이저발진장치에 대해서는 레이저매질의 엑시머의 수명이 대단히 짧기 때문에 연속 적인 여기가 불가능하다고 생각되고 있으며, 상tmd시간이 빠른 펄스전류(10nsec정도)를 간헐적으로 공급하는 펄스여기가 행해지고 있다.
그 때문에 종래의 엑시머레이저발진장치에 있어서의 전극은 반년정도의 수명이다.
또한, 반도cp의 가공공정에 있어서 반복횟수 100Hz로부터 1KHz의 펄스발진타입의 연속발광엑시머레이저발진 장치를 사용해서, 예를 들면 화학증폭형 레지스트의 노광을 행하면, 렌즈재료나 그 표면의 무반사다층막의 수명이 극히 짧다고 하는 문제가 있다.
이 점에 대해서 이하 상세히 설명한다.
화학증폭형레지스트의 감도는 20mj/cm2정도이다. 따라서, 0.1w/cm2의 광이면 0.2sec의 노광으로 층분하다.한편, 1w/cm2의 광이면, 0.02sec가 된다. 광학계에 있어서의 상당한 손실을 생각하면 lOW정도의 광출력으로 층분하게 된다. 현재의 펄스발광(1KHz)에서는 10nsec 정도의 펄스광을 매초 1,000회 정도발생 시키고 있다. 0.2sec가 노광시간이라 하면, 200펄스에서 20mJ/cm2가 필요하게 된다. 광학계에 의한 손실등으로 1/100로 에너지가 떨어진다고 하면, 도 31에 표시한 바와 같은 펄스듀티를 고려해서 각 펄스의 발광강도 Io는 다음과 같이 된다.
Io(watt) x10(nsec) X2×102(펄스) x10-2(효율) = 2×10-2(J6ul) to=2×10-2/10 10-2x2 =1×102(Watt) 10nsec동안 일정한 광출력을 얻을 수 있다면, IMW의 펄스광이 얻어진다. 실제로는 도 32에 표시한 펄스장이 얻어진다.
실제로는 펄스광이 도 32에 표시한 바와 같은 펄스파형을 지니고 있기 때문에, 광펄스의 강도는 2∼3MW의 피크파워로 되게 된다. 간헐적으로 수MW의 단파장의 광이 입사하기 때문에 렌즈재료나 그 표면의 무반사다층막의 내구성이 극히 엄격하게 된다.
또한 엑시머레이저리소그래피의 시대에는 스템엔드리피트시의 노장이 동시에 행해지는 것은 아니고, 거을 (미러) 또는 렌즈의 스캔에 의한 스캐닝노광이 행해진다. 매초 1000발정도의 펄스광으로, 0.2초노광을 행하게 되면, 1회의 노광으로 200펀스정도밖에 사용할 수 없다. 예를 들면 25×35mm2면적의 노광을 균일하게 행하려고 하면 거울 또는 렌즈의 스캔기구와 펄스광의 상관관계를 극히 엄격하게 제어하지 않으면 안되어, 극히 복잡한 제어시스템이 광요소에 요구된다. 또한 현상태에서는 펄스장외 출력이 10%정도 변동하고 있다. 그 때문에 거울 또는 렌즈스캔의 제어계는 극히 복잡하게 되지 않을 수 없다고 하는 문제가 있으며, 엑시머레이저노광장치도 복잡하고 비싼 것으로 되고 있다.
또한 종래의 엑시머레이저발진장치는 다음과 같은 문제폭 가지고 있다. 즉 엑시머레이저광중에도 KrF레이저나 ArF레이저는 레이저가스로서 반응성이 높은 불소가스를 사용하기 때문에 레이저가스를 수용하고, 그 가스에 방전에너지를 주기위한 레이저쳄버내에서의 불소의 농도가 감소한다. 그래서, 레이저첼버에의 공급 전압을 올려서 소정의 출력을 얻을 수 있도록 제어하는 것이지만, 그와 같은 제어로도 소정의 출력을 얻기 어렵게 되었을 경우에는 발진을 정지하고, 불소가스의 보층을 행합다. 또한 발진을 계속하면 불소의 보층을 행해도 소정의 레이저출력을 얻을 수 없게 되고, 이렇게 되면, 레이저쳄버를 교관하지 않으면 안된다.
또한, 펄스전압에 의해 방전을 일으켜서, 수 10ns정도의 발광을 일으키는 엑시머레이저발진장치의 경우, 발광하고 있는 시간이 너무 짧기 때문에 출력광의 발광스펙트럼의 파장절반치 폭은 300Pm정도로 넓다. 그 때문에 그레이팅등의 협대역화모듈에 의한 단색화에 의해서 비료서 1pm이하의 파장절반치 폭을 얻고 있다.
현재의 기술로는 소정의 주기마다 불소가스를 보층하고, 인가전압을 을리면서 발진을 행할 필요가 있다. 관원하면, 불소가스가 쳄버내표면과의 반응등에 의해 시간이 경과함에 따라 감소하고 있다. 따라서, 레이저쳄버의 수명이라고 하는 점에서는 만족할 만한 것은 아니며, 특히 물품의 가공등으로 장기간 레이저를 사용할 경 우에는 쳄버의 수명은 가공물품의 제조쓰루풋을 향상하는 데 있어서 중요한 요인이 된다.
또한, 그레이팅등의 협대역화모듈을 사용한 단색화에 의해서 1pm이하의 파장 절반치 폭을 얻는 것이 현재 가능하게 되어 있지만, 그 반면, 그레이팅등을 사용한 협대역화에 의해 출력광의 발광강도가 감소하고 있어,가공물품의 제조쓰풋향상에 큰 장애가 되고 있다.
본 발명의 목적은 렌즈재료나 그 표면에의 부하가 적고 또 거울 혹은 레이저스캔제어계를 간략화하는 것이 가능하고, 또 엑시머레이저의 수명이 층분히 연장될 수 있으므로 양산에 층분히 사용할 수 있는 연속발광 엑시머레이저발진장치 및 방법, 그리고 노광장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 출력광의 강도를 높이면서 협대평화를 실현할 수 있는 엑시머레이저발진장티 및 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은,
협대혁화모듈을 이용하지 않고도 파장폭이 좁은 스펙트럼이 달성될 수 있어 장치의 소형화 · 간략화를 실현할 수 있는 엑시머레이저노광장치를 제공하는 데 있다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일양상에 의하면, 엑시머레이저발진장치는, Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2 가스와의 흔합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하고,그 내면이 248nm, 193nm 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사멸을 지니며, 해당 내면의 최 표면이 붙화물로 이루어진 레이저쳄버 : 상기 레이저쳄버를 사이에 새드위치해서 배치된 1쌍의 반사경으로 이루어지고, 출력측의 반사경의 반사율을 90%이상으로 한 광공진기 : 및 상기 레이저쳄버내의 레이저가스를 연속적으로 여기시키기 위하여 해당 레이저쳄버상에 설치된 마이크로파도입수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 입양에 의하면, 엑시머레이저발진방법은. 내면이 248nm, 193nm 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면을 지163과 동시에, 해당 내면의 최표면이 불화물로 구성된 레이저쳄버내에, Kr, Ar및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F9가스와의 흔합가스를 함유하는 레이저가스를 연속적으로 공급하는 공정 : 상기 레이저쳄버내에 마이크로파를 도입함으로써 상기 레이저첼버내의 레이저가스를 연속적으로 여기시키는 공정 : 및 출력측의 반사경의 반사율이 90%인 1쌍의 반사결에 의해 상기 여기 된 레이저 가스에 의해 방출된 광을 공진시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일양에 의하면, 엑시머레이저발진장치는, 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저쳄버와 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치하도록 배치한 1상의 반사경으로 이루어진 광공진기와 : 상기 광공진기외 광로내에 배치되어 발진시켜야 할 곽을 선택하는 광선택수단과 ; 상기 엑시머레이저가스를 연속적으로 여과 시키기 위한 마이크로파도입수단과 ; 상기 마이크로파도입수단을 제어해서 연속적으로 마이크로파를 도일시 키는 동시에, 엑시머레이저의 발진을 정지할 때 상기 광선터수단을 제어해서 선려해야 할 광을 변경시키는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일양상에 의하면, 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저쳄버와 : 상기 레이저쳄버를 사이에샌드위치하도록 배치한 1상의 반사경으로 이루어진 광공진기와 : 상기 레이저쳄버내의 레이저가스를 여과시 키기 위한 마이크로파도입수단을 구비하고, 상기 마이크로파도입수단은 상기 광공진기의 광축을 따라 설치되 고, 상기 광축과 직교하는 방향의 빔반경의 광숙방향의 변화에 따라서, 상기 마이크로파도입수단과 상기 광공진기의 광축간의 거리를 상기 광축방향으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일양상에 의하면, 엑시머레이저발진장치는, 엑시머레이저가스를 수용하기 위한 레이저쳄버와 ;상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치시켜 배치된 1쌍의 전반사프리즘으로 이루어진 광공진기와 ; 상기 광공진 기내의 광을 인출하기 위한 출력부재의를 구비하고, 상기 광공진내로 들어오는 광은 부루스터각으로 상기 전 반사프리즘으로 입사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일양상에 의하면, 노광장치는, (A) Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F9가스와의 흔합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하고, 그 내면이 248nm, 193nm, 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면을 지니며, 해당 내면의 최표면이 불화물로 이루어진 레이저쳄버 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치해서 배치된 1쌍의 반사경으로 이루어지고, 출력측의 반사경으로 반사율을 90%이상으로 한 광공진기 ; 및 상기 레이저쳄버내의 레이저가스를 연속적으로 여과시키기 위하여 해당 레이저쳄버상에 설치된 마이크로파도입수단을 지닌 엑시머레이저발진장치와 : (B) 상기 엑시머레이저발진장치로 부터 출력된 광으로 패턴이 형성된 레티물을 조명하는 조명광학계와 : (C) 상기 레이플로부터 방출되는 광을 웨이퍼상이 결상하는 결상광학계와 : (D) 이 웨이퍼를 지지하는 가동스테이지를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일양상에 의하면, 노광장치는, (A) 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저쳄버와 : 상기 레이 저쳄버를 사이에 샌드위치하도록 배치한 1상의 반사경으로 이루어진 광공진기와 : 상기 광공진기의 장로내에 배치되어 발진시켜야 할 광을 선택하는 광선려수단과 , 상기 엑시머레이저가스률 연속적으로 여기시키기 위한 마이크로파도입수단과 : 상기 마이크로파도입수단을 제어해서 연속적으로 마이크로파를 도입시키는 동시에, 히시머레이저의 발진을 정지한때 상기 광선져수단을 제어해서 선택해야 할 광을 변형시키는 제어수단을 지닌 엑시머레이저발진장치와 : (B) 상기 엑시머궤이저발진장치로부터 출력된 광으로 패턴이 형성된 레티물 을 조명하는 조명광학계와 : (C) 상기 레티클로부터 방출되는 광을 웨이퍼상에 결상하는 결상황학계와 : (D)상부에 웨이퍼를 배치하고, 이 웨이퍼를 지지하는 가동스테이지를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일양상에 의하면, Hr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종상의 불활성가스와 Fa가스와 의 흔합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하는 레이저관에 있어서, 248nm, 193nm 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면을 지니고, 그 최표면이 불화물로 이루어진 레이저관내면과 : 상기 레이저관 내에 마이크로파를 도입하기 위한 절연판을 구비한 것을 특징으로 한다.
이하에 본 발명의 효과를 발명을 이룰때에 얻은 지식 및 실시예와 함께 설명한다.
본 발명에 있어서는 변속발광을 행하고 있기 때문에 전술한 거을 또는 렌즈의 스캔기구와 펄스와의 상대적 관계의 제어가 불필요하게 되고, 광학계의 제어가 극히 간단하게 된다.
또한 본 발명자가 해석한 바와 같이, 01w/cm2의 광이면 0.2sec의 노광으로 층분하며, 1w/cm2의 광이면 0.02sec가 되므로 광학계에 있어서의 광의 손실등을 생각하면 lOW정도의 출력으로 층분하게 되어, 렌즈재료나 그 표면의 수명을 길게하는 것이 가능하게 된다.
또한, 다음과 같은 효과가 달성된다.
첫째로, 유리등의 광학재료에 대한 손상이 감소하는 것이다. KrF 또는 ArF등의 통상의 엑시머레이저는 10∼20nsec라고 하는 짧은 펄스발광인 것에 대해서 펄스의 반복주파수는 1000Hz정도에 지나지 않는다. 따라서 이 펄스의 피크광강도는 광학계의 효율이라고 하는 문제를 제외한다고 하더라도 같은 강도로 연속발광하고 있을때의 1만배이상이다. 엑시머의 영역에서 일어나는 재료의 손상의 주원인은 2광자흡수에 있는 것이 알려져 있으며, 광의 피크강도의 2승에 비례하는 현재의 엑시머레이저에서의 광손상은 연속발광의 경우보다도 적어도 108배 엄격하다. 유리재의 내구성이 ArF의 영역에서 문제가 되고 있는 것은 이상의 이유에 의한다. 따라서, 연속발광광원의 실현은 ArF영역까지 포함해서 자의영역에서의 재료문제를 한번에 해결할 수 있다.
둘째로, 협대역의 광특유의 스페클의 발생을 억제하는 것이 용이한 것이다. 펄스발광의 경우, 랜덤한 간섭무의인 스페클을 효과적으로 소거하기 위해서는 하나하나의 펄스에서의 발광타이밍과 공지의 스페클제거수단을 고정밀도로 동기시킬 필요가 있다. 이에 대해서, 연속발진이면 특별한 동기수단을 필요로 하지 않고, 간단한,예를 들면 회전확산판과 같은 공지의 수단으로 용이하게 스페클을 제거할 수 있다. 이 때문에 광학계의 구성을 간단하게 할 수 있어 코스트의 삭감에도 효과적이다.
셋째로, 노광량제어가 용이한 것이다. 펄스발광과 같은 이산적인 노장을 행할 경우, 노장량을 제어하는 최소단위는 1펄스의 노광량의 제어성에도 의하지만, 기본적으로는 펄스의 수에 의존하고 있다. 총 100펄스로 노광 한다고 했을때의 다음 단위는 99펄스 또는 101펄스이며, 제어밀도는 ±1%가 된다. 물론 최후의 1펄스의 제어에 대해서는 여러 가지의 수단이 제안되고 있지만, 제어성 또는 제어를 위해서는 이와 같은 이산성에 의한 분해능이 없는 보다 세밀한 노광량제어가 바람직하다. 선폭이 가늘어짐에 따라서 엄격한 노광량제어가 요구되고 있다. 이러한 상황하에서 연속발광광원이 주는 효과는 크다.
그런데, 전술한 바와 같이, 종래 엑시머레이저에 대해서는 엑시머상태에 있는 에너지기준위가 짧은 수명이기 때문에 원자를 역이준위에 어느 정도의 시간 유지해 둘 수가 없어, 연속적인 여기가 불가능하다고 생각되고 있으며, 따라서 상승 시간이 빠른 펄스여기를 행하지 않을 수 없었다.
본 발명에 있어서는 레이저가스를 수용하기 위한 레이저 쳄버의 내면을 24mm, 193mm, 156mm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면으로 한다.
레이저쳄버내면을 무반사면으로 하는 이유는 자연방출한 광이 동내면에서 반사해서 여기되어 있는 가스로 되돌아와서 KrF*또는 ArF*를 여기상태로부터 기저상태로 천이시키는 것을 방지하기 위한 것이다.
여기서 무반사란 100%투과 또는 홍수의 경우뿐만 아니라, 어느 정도의 반사율을 가지고 있어도 된다. 이 경우에 반사율은 50%이하가 바람직하며, 20%이하가 보다 바람직하며, 5%이하가 더욱 바람직하다. 즉 반사율은 구체적 장치에 의해 지속해서 균일한 레이저 광을 얻을 수 있도록 적절히 선택하면 된다.
또한, 레이저쳄버와 반응해서 F2가 감소하는 것을 방지하기 위해서 레이저쳄버의 내면은 볼화물로 구성되어있다. 특히 레이저쳄버의 내면은 F2에 대해서 안정 되어 있는 스데인레스강의 표면에 FeF2의 층이 형성된 것,또는 금속상에 니켈을 도금하고 또 그 표면에 NiF2의 층이 형성된 것, 또는 알루미늄함금상에 AIF3와 MgF2의 층이 형성된 것에 의해 구성되어 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 출력측의 반사경의 반사율을 90%이상으로 한다.
현재의 공진기구성은 한목 100%반사에 대해서, 출력측 반사는 10%정도이다.
그런데, 종래의 KrF'엑시머레이저의 레이저가스조성은. 예를 들면 다음과 같다.
Kr/Ne/F2= 1%이하: 98%: 1%이하 F2농도는 1%이하로 적다. 이것은, Fl농도를 너무 많게하면, 전자가 F에 흡인되어서 음이온으로 되어 방전이 안정되기 않기 때문이다. 한편, 압력은 3∼4기압으로 설정되어 있다. 이와같은 압력으로 하고 있는 것은 F2농도를 적게한 것을 보층하여 가능한 한 대량의 KrF*를 만들기 위한 것이다.
연속발광의 경우에는 lOW정도 출력이 있으면 되는 것이다, 이하 허용되는 이득 a2를 개산한다.
공진기내의 레이저광강도.
포화강도 Is정도의 강도로 레이저를 동작시키지 않는 한, 상부준위의 엑시머는 거의 층돌에 의해 소멸해 버린다. 포화강도는 이득g가 소신호이득 go의 1/2이 되는 강도이며, KrF엑시머레이저의 경우 다음과 같이 구해 진다( 「엑시머레이저의 개발과 웅용기술/예] (와타베순타로 감저)).
Is = h6/6'f
= 1.3MW/?
h . 플랭크정수 6.63×10-"』 · 5
? . 진동수 3×10"/0.248×10" = 1.2×101?
6. 유도방출단면적 2×10-'6c?
f . 상부준위수명 3n?
(층돌에 의한 탈여기를 포함함)
상부준위수명는 최대로 방사수명(자유공간에서의 수명)까지 크게 된다. 이 경우의 수명은 6.6ns이며 포화강도 Is는 Is : 0.6MW/cm2가 된다.
레이저의 인출효율
이 효율은 단위체적으로부터 매초 인출되는 광자수와 생성되는 엑시머의 수의 비이다. 레이저의 인출효율 3ex는 이하에 의해 구해진다.
3ex = (1/Is)(1-(1+I/Is)-an/g
I : 레이저광강도
Is : 포화강도
am : 불포화흡수계수
g : 소신호이득
로 표시된다. agt:0 이기 때문에
3 ex ＆1t ; (1/Is)/(1+I/Is).
레이저광강도 I가 I6이하에서는 레이저발진은 효율이 나빠진다. 예를 들면 공진기내의 레이저광강도I가 500w/cm2일 때, 효율 6ex 는
6ex = 1/2600이하(레이저의 인출효율 6ex 는 대단히 작다.)
따라서 효과whg게 레이저발진시키기 위해서는 포화강도의 1.3MW/cm2정도가 필요하다.
도1은 레이저쳄버에의 가스공급계를 도시한 개략도,
도2는 엑시머의 반응식을 표시한 도면,
도3A, 도3B 및 도3C는 레이저관의 형상예를 도시한 단면도,
도4A 및 도4B는 래이저잔의 다른 형상예를 도시한 단면도,
도 5는 도파관의 종단부와 절연판과의 간격을 도시한 사시도,
도6A 및 도6B는 도파관의 종단부와 절연판과의 간 격을 도시한 사시도,
도6은 자장의 인가를 도시한 사시도,
도8A 및 도8B는 각각 마이크로파공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저발진장치의 일레의 횡단면도 및 8B-8B단면도.
도9A, 도9B 및 도 9C는 도8A 및 도 9B에 있어서의 도파관(1)의 하부면도,
도10A 및 도lOB는 각각 마이크로파공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저발 진장치의 횡단면도 및 lOB-lOB 단면도,
도l1A 및 도l1B는 마이크로파공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저 발진장치의 횡단면도,
도12A 및 도12B는 마이크로파 공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저발진장치의 횡단면도,
도13은 마이크로파공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저발진장치의 횡단면도,
도14는 마이크로파공급장치를 지닌 연속발광엑시머레이저발진장치의 횡단면도,
도15A 및 도15B는 빔스폿직경의 변화를 표시한 그래프,
도16A 및 도16B는 레이저발진장치의 단면도.
도16A 및 도16B는 레이저발진장치의 단면도,
도18A 및 도18B 및 도18C는 슬롯부근방을 도시한 개략도.
도19는 슬롯도파관의 일례를 도시한 단면도,
도20A 및 도20B는 슬롯형 상예를 도시한 평면도,
도21A 및 도21B는 본 발명의 일실시예에 의한 엑시머래이저발진장치의 단면도,
도22A 및 도22B는 마이크로파공급장치를 지닌 다른 연속발광엑시머래이저발진장치의 횡담면도,
도23A 및, 도23B는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이시머레이저발진장치의 단면도,
도24A 및 도24B는 각각 프리즘을 이용해서 양단부의 반사율을 100%로 설정한 공진기의 정면도 및 측면도,
도25A, 도25B 및 도25C는 도24A 및 도24B의 변형예를 도시한 측면도,
도26은 엑시머레이저노광장치의 개략도,
도26은 본 발명의 일실시예에 의한 엑시머레이저의 개략도.
도20은 본 발명의 일실시예에 의한 엑시머레이저에 있어서의 이등곡선을 표시한 그래프,
도29는 본 발명에 의한 엑시머레이저발진장치의 측면도 및 정면도,
도30은 상기 실시예에 의한 엑시머레이저발진장치에 있어서의 광반사판과 레이저관(금속원통)간의 시일구조를 도시한 단면도,
도31은 펄스상태를 도시한 개략도,
도32는 실제의 펄스상태를 도시한 개략도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
Al : 발진장치 A3 : 주사거울
A4 : 주사렌즈 A5 : 콘덴서렌즈
A? : 레티클 A6 : 대물렌즈
A8 : 웨이퍼 A9 : 스테이지
1, 104 : 슬롯도파관 2. 40, 201 : 레이저관
3, 14a : 유전(체)판 5 : 출력측거울
6 : 반사측거울 6 : 냉매용기
8 : 가스도입구 9 : 6각수도입구
10 : 자장발생기 11 : 테이퍼형상의 도파관
1? : 갭을 지난 도파관 14 : 유도관
13 : 가동단락판 15 : 차폐관
16 : 동축변관도파관 60 : 레이저겜버(래이저관)
21a, 21b : 가스도입구 22 : 가스배출구
25a, 25b, 26, 26a, 26b : 밸브 28 : MFC, P6C
29 : 필터 31 : 반사경
32 : 금속원통(레이저관) 32a : 플랜지
33a, 33b : 테플론판링 34 : 볼트
35 : 금속판링 36 : 0링
41 : 절연판 42 : 도파관
44 : 창부 50 : 온도제어장치
51 :자석 101 : 레이저쳄버
102 출력미러 103 : 유전부재
105 : 마이크로발생기 106 : 파장선택유닛
106,1 : 확대프리즘 106.2 : 회절격자
106 : 공간필터 108 : 빔정형곽학계
109 : 셔터 110 : 제어계
202,203 : 전반사프리즘 204 : 출력광인출판
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
(레이저가스)
본 발명에 있어서는, 레이저매질로서의 레이저가스는 Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이 상의 불활성가스와 Fe가스와의 혼합가스로 이루어진다.
이들 가스중, 사용하고자 하는 파장에 의해 적절하게 상이한 가스를 조합할 수 있다. 예를 들면, 파장이 248nm인 경우에는, Kr/Ne/F2의 조합을 이용하고, 193nm인 경우메는 Ar/Ne/Fe의 조합을 이용하며, 156nm인 경우에는 Ne/Fe의 조합을 이용한다.
본 발명에 있어서는, 레이저쳄버내에 레이저가스를 연속적으로 공급하는 것이바람직하다. 이러한 가스공급을 행할 수 있는 레이저가스공급계의 일례를 도1에 도시한다.
도1에 있어서, 가스도입구(21a), (21b)는 레이저쳄버(20)의 양단부에 형성하고, 레이저쳄버(20)의 대략 중앙에는 가수배출구(22)를 형성하고 있다. 또, 필요에 따라 가스배출구에는 진공점프 등을 접속해도 된다. 레이저가스는 양단부의 가스도입구(21a), (21b)로부터 동일한 유량으로 공급하여, 래이저쳄버의 대랴 중앙에 형성된 가스배출구(22)로부터 배출된다. 그 이유는, 출력단부상의 광반사판의 표면보호를 겸하기 위한 것이 다. 즉, 광반사판의 최표면은 예를 들면 불화막 등의 박막으로 피복되어 있으므로, F2 및 F*와는 결코 반응하지 않기때문이다. 한편, 가스도입구(21a), (21b) 및 가스배출구(22)는 마이크로파전류가 흐르는 방향으로 슬릿형상을 지니는 것이 바람직하다.
또, 도1에 있어서, 밸브(25a), (25b), (26), (26a) 및 (26b)는 각각 상기 가스도입구(21a),(21b) 및 가스술구(22)에 접속되어 있다. 레이저가스의 초기도입시에는, 밸브(25a), (26a)를 폐쇄하고, 밸브(25b), (26b)를 개 방하여 레이저가스원으로부터 밸브(25a), (26a)근방가지의 배관의 내부의 정화를 행한다. 배관정화후, 밸브 (25a), (26b)를 폐쇄, 밸브(26)를 개방하여 레이저가스를 레이저쳄버(20)내로 도입하고, 일단 레이저쳄버(20)의 내부를 정화하면, 그대로 레이저가스의 도입을 계속하여 레이저발진을 개시한다. 물론, 정화등이 불필요한 경우에는, 상기 밸브는 설치할 필요는 없다. 또, 도1에 있어서, 매스플로콘트롤러(MFC) 또는 압력플로콘트롤러(PFC)(28)는 유량을 제어하기 위한 것이다. 본 발명에 있어서는, PFC가 바람직하다. 필터(29)는 상기 PFC(28)에 접속되어 있다.
본 발명에 있어서는, 안정한 연속발진을 얻기 위하여, 레이저가스중에 있어서의 F2농도는 0.1원자%∼6원 자%이며, 1∼6원자%가 바람직하다. 보다 바람직하게는, F:농도는 4∼6원자%이다.
또, 레이저가스의 압력은,10Torr∼lam이 바람직하고,5066rr∼latm이 보다 바람직하다 즉, 본 발명에 있어 서는, 이러한 낮은 압력에 있어서도 안정한 방전을 얻을 수 있어. 나아가서는, 안정한 연속발진 및 연속발광을 얻을 수 있다 종래기술에 있어서는, 레이저가스의 압력은 3-4atrn이다. 종래기술에 있어서는 F:농도를 높이 먼, F2가 F-로 되어 전계가 없어져버려 방전이 불안정하게 되므로, F6농도는 불가피하게 1%이하(실제는 이것 보다도 더 낮음)로 설정해야만 하고, 이러한 낮은 농도를 보상하기 위하여 압력을 3∼4atin으로 설정해야만 한다. 그러나, 본 발명에 있어서는, F6농도를 높여도 마이크로파에 의한 안정한 방전이 얻어지므로, 가스압력 을 높여 낮은 F2농도를 보상할 필요는 없다. 물른, 어떠한 이유에 의해 압력을 높일 필요가 있으면 높여도 된다.
도2는 KrF엑시머레이저의 레이저관내에서 일어나는 반웅식 및 반음을 표시하고 있다. 도2에 있어서, 주목해야할 것은 반응(3)이다. 반응(3)으로부터 알수 있는 바와 같이, KrF'엑시머를 생성하기 위해서는 F- 및 F6가 필요하다. 한편, 반웅(4)로부터 알 수 있는 바와 같이, 광을 방출한 엑시머는 계상태의 회소가스원자(Kr)와 할로겐원자(F)로 해리하나 KrF*엑시머생성에 직접 필요한 F2 또는 F-로는 되지 않는다.
또한 할로겐원자(F)가 할로겐원자(Fa)를 생성하는 반응(5)는 매우 느리다.
이상으로부터 방전공간내에서 광을 방출해서 기저상태로 회복된 할로겐원자를 할로겐이온(F-)이나 할로겐 원자(F2)로 치관되는 일이 중요하다.
(레이저관)
레이저관(40) (도3A, 도3B, 도3C 및 도4A, 도4B, 도4C)은 레이저첼버를 구성하는 관으로, 마이크로파를 도입 하기 위한 창부(44)를 지니고 있다. 레이저관(40)은 그의 창부(44)목에서 도파잔(42)파 접속된다.레이저관(40)의 내부와 도파관(42)의 내는 밀봉(시일)되어 있고, 시일은 절연판(41)을 래이저관(40)의 창부(44)에 설치함 으로써 행해진다. 절연판(41)에 대해서는 후술한다. 플라즈마여기부의 종단부의 단면령상, 즉 레이저쳄버를 구성하는 레이저관(40)의 단면형상은, 도3A, 도3B,도3C에 도시한 바와 같이. 대략 반원통형상(또는 반타원형상) (도 3A), 원통형상(도 3B) 및 타원형상(도 3디 등으로 할 수 있다.
또한, 보다 바림직한 형상은 도4A에 도시한 타원형상이며, 이 타원의 단축방향은 마이크로과의 도입방향과 일치하고 있다. 따라서, 도4A에 도시한 단면형상의 경우에는, 마이크로파는 레이저관내의 레이저매질로서의 레이저가스에 균일하게 도입된다. 또, 단위면적당보다 밀도가 높은 레이저 빔을 얻을 수 있고, 또 외부로 출력 하는 것이 가능하다.
또한, 레이저관(40)의 창부(44)는 도4B에 도시한 바와 같이 레이저관(40)쪽을 향해 넓어지는 테이퍼형상으로 해도 된다. 역으로 레이저관(40)쪽을 향해 좁아지는 테이퍼형상으로 해도 된다.
레이저관(40)과 도파관(42)과의 접속은, 예를 들면 도3A, 도3B 및 도3C 또는 도4A 및 도4B에 도시한 바와 같이, 양자에 플랜지부를 형성해서 시일체결을 행해도 된다.
본 발명에 있어서는, 레이저관(40)의 내부에는 전극등의 부품을 내장할 필요가 없다. 즉, 후에 전극등을 레이저관(40)내에 조립할 필요가 없다. 따라서, 제작공정에 따라서 절연판(41)을 레이저관(40)에 미리 부착해놓 아도 된다. 절연판(41)의 부착은, 예를 들면 수축끼워맞춤에 의해 행하면 된다. 또, 도4B의 경우에 있어서는, 절연판(41)은 레이저관(40)의 내부옥으로부터 끼워 맞춤하면 된다. 또, 레이저관(40)은 레이저쳄버를 구성하는 것이며, 전술한 바와 같이, 그의 쳐표면은 F', KrF' 및 ArF'와의 반웅을 억제하기 위하여 불화물로 구성된다.
또 레이저관(40)의 본체는 금속으로 이루어져, 제작이 용이해지고, 냉각효율이 향상될 수 있다. 특히, 온도변화에 의해 광공진기길이가 변화하는 것을 방지하기 위하여, 열팽창계수가 거의 0인 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 게다가, 레이저 관의 내표면에는 마이크로파의 표피깊이보다도 적어도 두꺼운 두께를 지니도록, 구리 나 은과 같은 전기전도도가 높은 금속을 도금등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 절연판(41)의 바람직한 실시예로서는 적어도 플라즈마에 접하는 면(레이저관(40)쪽의 면)에는 다층막(예를 들면 SiO2, A1203, CaF2, MgF2, LaFa막등)이 피복되고, 그의 최표면에는 불화물의 박막(예를 들면 CaF2, LaF2또는 기타 불화물의 박막)이 형되어 있는 예를 들 수 있다. 또, 절연판(41)은 그 재료의 요건으로서. 공급하는 마이크로파에 대해서 손실이 매우 적고, 기계적으로 강건 하며, 물에 불용인 등의 조건을 구비할 필요가 있다.
또한, 절연판(41)의 두께는 마이크로파의 파장(관내파장)의 절반의 정수배 또는 대략 정수배에 상당하도록 하면 된다. (마이크로파)
본 발명에서는, 레이저가스의 여기수단으로서 마이크로파를 이용한다. 마이크파를 이용함으로써, 레이저가 스를 연속적으로 여기하여 연속발광을 달성한다.
마이크로파의 공급원으로서는, 예를 들면. 가이로트론(상품명)을 이용하면 된다.
마이크로파의 주파수 및 전력은, 레이저가스의 성분가스의 분압에 의해 적절하게 결정하면 된다. 일반적으로는, 마이크로파의 주파수는 IG6∼50또가 바람직하고, 5∼40GHz가 더욱 바람직하고, 20∼35GHz가 가장 바람직하다. 또 마이크로파의 전력은 수 100w-수 kW가 바람직하다.
여기용의 마이크로파의 주파수 W를, 예를 들면 35GHz로 하면, 플라즈마여기가스의 주체로 되는 Ne의 전자와 의 층돌단면적 에 의해 결정되는 전자의 Ne원자와의 층돌주파수 Wc가 여기용의 마이크로주파수와 동일하게 되는 가스압력은 160Torr이다. 이 상태에서, 동일 전력에 의거한 를라즈마여기효율은 가장 높다. Kr/We/F,(3%/62%/5%)의 가스압력을 대기압(760Torr)으로 하면. 층돌주파수는 여기마이크로파의 주과수의 약 4.5배로 되어, 여기주파수의 1주기중에 전자는 4.5회 Ne원자와 층돌한다. 따라서, 이 상태는 레지스티브플라즈마(Resistive Plasma)조건을 층족하여, 이하의 식
? = (2/6? r)1/2
에 의해 결정되는 표피깊이가 플라즈마여기가 효율좋게 일어나는 깊이와 동일다. 상기 식중, 고는 마이크로파의 각주파수,는 진공투자율, 는 플라즈마의 전도율이다. 마이크로파의 주파수가 35GHz, 가스압력이 160Torr, 전자밀도가 1014cm3인 경우,
u = 2? x35×10"l6-'1
7. = 4π x10-i(H/m)
r = 12.81? H,']
로 되므로, 표피깊이는
6 = 7577n
로 된다.
예를 들면, 35GHz의 마이크로파를, 높이 5mm, 폭 10cm의 오버사이즈도파관으로 유도한다. 예를 들면 SiO2, CaF2, MaF2 등의 절연판으로 도파관부와 플라즈마여기부를 기밀차단한다. 절연판의 두께는 절연판의 유전율도 고려한 관내파장 Ag의 절반의 길이의 대략 정수배로 설정한다.
따라서, 마이크로파의 주파수가 17.5GHz며인 경우, 이 주파수는, 80Torr의 가스 압에서 층돌주파수와 동일해진 다. 플라즈마주파수가 35GHz이면, 그 때의 전자밀도는 5x1013cm-1로 된다. 35GHz에서 100w∼1Kw의 전력을 이용해 서 60∼80Torr의 가스압으로부터 대기압(latm)정도의 가스플라즈마를 발생시키면,10"cm-'대의 농도의 F*, KrF*및 ArF*는 확실하게 실현될 수 있다.
또, 마이크로파를 공급할 때에는, 플라즈마여기부에 접하는 도파관 및 절연판의 면은 248nm등의 파장에 대해서 무반사판으로 되어 있는 것이 바람직하다. ,
한편 도파관과 절연판과의 간격은, 도5 또는 도6A에 표시한 바와 같이, Ag/2로 설정해도 되고, 흑은 도6B에 표시한 바와 같이 Ag로 설정해도 된다. 또, 상기 간격은 3Ag/2로 설정해도 된다.
또, 도파관내부는 방전을 방지하기 위하여 진공상태로 설정하는 것이 바람직하다. 10-4Torr이하의 진공도가 확보되면 방전을 방지할 수 있다.
또한, 도파관(42)에 있어서의 레이저관(40)과의 접속부근방의 내면은, 레이저관(40)의 내면과 마찬가지로 무반사면으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 도파관(42)내면에 의해 반사된 광이 레이저관(40)내로 되돌아 오는 것이 방지된다. 또한, 안정한 방전을 일으키기 위하여, 도6에 도시한 바와 같이 전자석 ghr은 영구자석에 의해 전장을 부여 하는 것이 바람직하다.
(마아크로파도입 수단)
마이크로파도입수단의 구조예 도8A 및 도8B내지 도14에 도시한다.
도8A 및 도8B에 도시한 예에서는, 마이크로파도입수단을 구성하는 도파관(1)은. 슬롯(5)홀 복수개 지닌 슬 롯도파관이다. 슬롯도파관(1)은 레이저관(2)의 축방향과 평행한 방향으로 레이저잔(2)의 외면에 접속되어 있 다. 슬롯도파관(1)의 상부로부터 수턴∼수십GHz의 전자파가 도입되어, 이 전자파는 전계가 지면에 수직방향을 향한 Torr모드로서 도파관(1)을 따라 전파한다.
슬롯도파관(1)의 하부면(도8A 및 도8B)에는, 도9A, 도9B 및 도9C에 도시한 바와 같이 가늘고 긴 슬롯(5)이 다수 형성되어 있고, 전자파는 도파관(1)을 따라 전파하면서 이 슬롯(5)을 거쳐 도파관(1)외부에 방출된다. 슬롯(5)으로부터 방출된 전자파는, 유전(체)판(3)을 통해서 레이저관(2)내에 도입되어, 레이저관(2)내의 레이저가스를 이온화해서 플라즈마를 발생시킨다. 자장발생기(10)는, 레이저관(2)에 수직방향인 자장을 도입하기 위한 영구자석 또는 전자석이다. 여기서 사용하는 영구자석으로는, 강력한 자력을 지난 철 바나듐자석 또는 레이저관(2)내에 자장을 도입함으로써, 플라즈마중의 전자를 트릴해서 벽면에서 손실을 저감하여, 보다 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있다. 자장강도을 적절하게 선택하면, 전자사이틀로트론공명에 의해 보다 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있다.
물론, 자장을 인가하지 않고도 층분히 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 경우에는, 자장발생기(10)는 펼요 없다.
레이저관(2)에는, 예를 들면 가스도입구(8)를 통해 Kr, Ne 및 Fe가스가 도입/배출된다. 플라즈마발생시에 가스를 교관할 필요가 없을 경우에는, 레이저관(2)내에 가스를 봉입하기만 하면 되므로, 가스도입구(8)는 필요얼 다. 플라즈마중에서는 KrF등의 수명이 10nsec정도인 라디칼이 연속적으로 발생하고. 이것이 Kr과 F로 해리할 때에 광을 방출한다. 이 광은 출력측 거을(5)과 반사측 거울(6)에 의해 령성되는 광공진기내를 왕복하면서 유 도방출을 촉진하고, 또 유도방출에 의해 중폭된다. 출력측 거울(5)의 반사율은 90%이상이고. 이 출력측 거울을 투과한 광은 외부로 레이저광으로서 출력된다.
도8A 및 도8B에 도시한 예에서는, 레이저관본체의 재질로서 알루미늄합금을 이용할 수 있으나 효율을 향상 시키기 위하여, 레이저본체내면 및 유전체판(3)의 내면에는 유전체다층막이 형성되어 있어, 발진기길이에서의 반사가 0(무반사)이 다.
레이저관(2) 및 도파관(1)을 냉각하기 위하여, 냉각수도입구(9)를 지닌 냉매용기(6)와 이들 사이에는 냉각수,공기, N2가스 등의 냉매를 공급할 수 있는 구조로 되어 있다. 또. 슬롯도파관(1)은 그 내부에서의 방전을 방지 하기 위하여 진공상태로 설정할 수 있다.
도9A, 도9B 및 도9C는 슬롯도파관(1)의 하부도이다.
도9A에 있어서, 도파관(1)의 축에 대해서 수직방향을 향한 슬롯(5)이 도파관(1)내의 전자파의 파장과 동등 한 간격으로 배열되어 있다, 각 슬롯으로부터는. 동위상의, 도파관방향으로 편파된 직선편파의 전자파가 방출 된 다.
도9B에 있어서는, 도파관의 축으로부터 45°경사진 슬롯이, 도파관내 전자파의 파장과 동일한 간격으로 배열 되어 있다. 각 슬롯으로부터는 동위상의, 도파관의 축방향에 대패서 45° 경사진 방향으로 편파된 직선편파의 전자파가 방출된다. 도9C에 있어서는, 도파관축으로부터 45° 경사진 직교한 슬롯쌍이, 도파잔내 전자파의 파장과 동일한 간격으로 배열되어 있다. 또, 각 슬롯으로부터는 등위상의, 친편파의 전자파가 방출된다. 이들 슬롯의 길이는, 각 슬롯으로부터 방출된 전자파의 강도가 서로 거의 동일하게 되도록 도파관내의 전자파 강도분포에 따라 결정된다. 또, 슬롯의 각도 및 인접슬롯간의 간격은 상기한 것으로 한정되는 것은 아니다.
도10A 및 도lOB에 도시한 구조에서는, 테이퍼형상의 도각관(11)상부로부터 수GHz∼수GHz의 전자파가 도이되고, 이 전자파는 테이퍼부에서 발산된 후, 유전체판(3)을 통해서 레이저관(2)내로 도입된다. 도10A 및 도10B에도시한 예에서는, 테이퍼형상의 도파판(11)의 전자파도입부부근에서 전계가 지면에 평행한 방향을 향한 모드로서 전파하나, 전계가 지면에 수직인 방향을 향하고 있어도 된다. 그 외의 구성은 도8A 및 도8B에 도 시한 것과 마찬가지이다.
도11A, 도B 및 도12A, 도12B는 마이크로파를 표면화로서 도입한 예로 도시한것이다. 도11A 및 도11B에 도시한 구조에서는, 원통형의 유도관을 이용하는, 갭을 지닌 도파관(12)의 상부로부터 수GHz∼수GHz의 전자파가 도입되고, 이 전자파는 전계가 지면에 평행인 m10모드로서 관내를 전파한다. 갭을 지닌 도파관(12)의 갭부 로부터 유전관(14)의 관축방향의 전계가 인가된다. 이와 같이 도입된 마이크로파는 유전관(14)내에서는 갭부 로부터 좌우의 관축방향으로 전파하는 표면파로 된다 이 표면파전계에 의해 플라즈마중의 전자가 가속되어 서 고밀도의 플라즈마가 유지된다.
레이저관의 중앙부로부터 천천히 감쇠하는 동일모드를 지닌 표면파가 전파하므로, 국소적인 마이크로파전계 의 강도분포가 형성되지 않는다. 따라서, 플라즈마 표면에서 균일한 플라즈마여기가 일어나므로. 효율좋게 고 밀도 플라즈마를 발생할 수 있다. 또 마이크로파전 계를 갭부만에 인가하면 되므로, 마이크로파회로가 매우 간 단하다. 이 플라즈마발생방법에서는, 수mm로 가늘고, 긴 고밀도 플라즈마를 효율좋게 발생할 수 있으므로, 가 는 레이저를 발진시키기에는 최적이다. 유전관(14)은, 도11A 및 도11B에 도시한 예에서는 CaF2로 구성되어 있 다. 가변단락판(13)은 단락위치를 조정함으로써 전자파발생기에의 반사를 억제하기 위하여 배치된 것이나, 특히 가동할 필요는 없다. 또, 전자파의 주파수가 높고 도파관의 치수가 층분히 작을 경우에는 도파관의 갭부는 필요없다. 자장발생기(10)는 영구자석 또는 전자석이며, 유도관(14)의 관축방향의 자장을 발생시킨다. 그외의 구성은 도8A 및 도8B에 도시한 것과 마찬가지이다.
도12A 및 도12B는 유전판(14a)을 이용한 예를 도시한 것으로, 이 구조는 원통형 유전관을 이용한 것과 원리 적으로는 동일하며, 폭이 넓고 두께가 얇은 플라즈마를 발생하는 데 적합하다. 플라즈마의 밑의 부분은 플라즈마생성에는 기여하지 않으므로, 이 부분에서는 레이저잔축과 수직방향의 고속의 가스류를 얻기 쉽다.
도13에 도시한 구조에서는 동축변관도파관(16)의 상부로부터 수GHz∼수GHz의 전자파가 도입되고, 이 전자파 는 전계가 지면에 평행인 방향을 향한 m10모드로서 관내를 전파한다. 이 전자파는 차폐판(15)과 유도관(14)내 플라즈마와의 사이를 전파하는 좌우방향의 전자파로 그의 모드를 변화하면서 전파한다. 플라즈마표면에 흐르는 RF(고주파)전류에 의해 고밀도의 플라즈마가 생성된다. 그외의 구성은 도8A, ,도8B 내지 도12A, 도12B에 도시한 것과 마찬가지이다.
도14에 도시한 구조에서는, 동축변관도파관(16)의 상부로부터 수GHz~수GHz의 전자파가 도입되고, 이 전자파는 전계가 지면에 평행인 방향을 향한 m모드로서 관내를 전파한다. 이 전자파는 차폐판(15)과 유도관(14)내 플라즈마와의 사이를 전파하는 우측방향의 전자파로 그의 모드를 변화하면서 전파한다. 그외의 구성은 도13에도시한 것과 마찬가지이다.
(마이크로파도입수단의 형상 등)
안정형의 공진기에 있어서는, 어느 고정모드가 형성되고, 그중에서 가장 빔스폿반경이 작은 모드는 가우스 분포를 지닌 mMOO모드(기본모드)로 된다. 공진기를 구성하기 위해서는, 적어도 기본모드를 손실없이 전파 시킬 수 있는 공간이 필요해진다. 기본모드의 빔스폿반경은, 레이저범의 파장, 공진기의 길이 및 공진기의 거 울의 곡률반경으로 규정되며, 도15A에 표시한 바와 같이 L :공진기길이, R :거울의 곡률반경으로 해서, 8파 라미터(g=1-L/R)를 이용해서 표현할 수 있다.
도ISB는 공진기길이 L=200mm를 가정하고, 대칭안정형 공진기의 거울상(공진기단부)의 기본모드의 1/e2빔스 폿 반경을 계산한 결과를 표시한 것으로, 가로축은 g파라미터를 표시하고 있다.
도15A 및 도15B에 표시한 바와 같이, 빔스폿반경은 광축방향으로 변화하고 있다. 따라서, 안정형 공진기를 이용할 때에는, 이득이 높은 영역, 즉 레이저쳄버의 마이크로파도입부 바로밑의 플라즈마밀도가 높은 영역이 광로에 포함되지 않는다고 하는 문제가 생긴다.
이 문제를 해결하기 위해서, 마이크로파도입수한의 레이저쳄버쪽의 형상을 빔스풋반경에 상당하는 형상으로 변형시킬 경우, 이득이 높은 영역, 즉 레이저쳄버의 마이크로파도입부 바로밑의 플라즈마밀도가 높은 영역을 광로내에 포항시키는 것이 가능해진다.
도16A는 이 예를 도시한 것이다 도16A에 있어서, 레이저발진장치는 레이저(301), 유전판(302), 슬롯판(303),광축(350), 반사경(6), 분말(304), 레이저쳄버(305) 및 냉각수(306)로 구성되어 있다. 도16A에 있어서, 마이크로파도입수단은, 도입부(300)와 슬롯(도16A 및 도16B에서는 도시생략)을 지닌 슬롯판(303)으로 구성되는 도파관 과, 유전판(302)으로 이루어겨 있다. 그리고, 광축(305)과 직교하는 방향에서의 빔스폿반경의 변화에 대웅해서 유전판(302)과 공진기의 광축(350)과의 거리를 광축(350)방향으로 변화시키고 있다. 즉, 유전판(302)과 빔외주와의 거리를 일정하게 하고 있다. 또, 분말(304)(예를 들면 AIN)은, 마이크로파의 도입을 용이하게 하고, 또 도 파관의 크기감소를 달성하기 위하여 도파관내에 층전되어 있다.
그런데, 유전판(302)의 레이저쳄버(305)쪽의 형상을 평면이 아니라 도16A에 도시한 바와 같이 곡면으로 한 경우, 레이저가스류에 교란(난류)이 일어나고, 그 결과 회절손실의 발생을 초래한다. 이것을 피하기 위하여,도16B에 도시한 바와 같이 레이저가스도입구에 정류판(레이저가스류를 층류로 정평하기 위한 수단)(306)을 설 치하는 것이 바람직하다.
이 정류판에 의해 레이저가스의 흐름을 균일한 층류로 할 수 있다.
이 정류판(306)은 발생한 플라즈마를 레이저쳄버(305)내에 가두기 위한 작용도 지니고 있다. 또, 이러한 작용을 얻기 위하여 하류측에 또 다른 정류판을 설치해도 된다.
정류판(306)으로서, 그 콘덕턴스가 레이저쳄버내에 있어서의 론덕턴스보다도 작은 것을 이응하면 용이하게 층류를 실현할 수 있다.
또, 정류판으로서, 벌집형상판 혹은 슬릿을 다수개 지닌 판을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 슬릿은 레이저 빔의 중심부근을 주변 부보다도 고밀도로 하면, 가스를 균일하게 고속으로 흐르게 할 수있으므로 바람직 하다.
정류판(306)의 적어도 표면은, AIF3, MgF2등의 불화물로 구성되어 있다.
도16A 및 도16B는 마이크로파도입수단을 1개 설치한 경우를 도시하고 있으나, 도17A 및 도17B에 도시한 바 와 같이 마이크로파도입수단을 광축(305)에 관해서 대칭으로 2개 설치해도 된다. 상기 도입수단을 2개 대칭으 로 설치한 경우에는, 1개인 경우에 비해서 2배의 이득을 얻을 수 있다. 또. 마이크로파도입수단의 레이저쳄버쪽의 형상을 범의주형상에 대응시키는 기술은, 연속발광비시머레이저 발진장치에 있어서 특히 유효하나, 이것 이외의 마이크로파를 도입해서 플라즈마를 발생시키는 레이저발진장 치에 적용시켜도 된다.
한편, 마이크로파도입수단을 도입부(300) 및 슬롯판(303)으로 이루어진 도파관과, 유전판(302)으로 구성하면,이 유전판(302)의 가공/부착이 복잡해진다. 또, 용이한 가공/부착의 점에서 유전판(302)을 어느 정도 두겁게 해야할 필요가 있다.
도18A에 도시한 바와 같이, 유전판(410)의 두께가 두꺼울 경우에는, 마이크로파는 레이저쳄버(430)에서 발산 해버린다. 따라서, 농후한 플라즈마를 얻기 위해서는 은 전력을 필요로 한다. 도18B는 유전판(410)이 도18A에 비해서 양은 경우를 도시하고 있고, 마이크로파의 발산은 도18A에 비해서 좁다.
이러한 문제를 피하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 도19에 도시한 바와 같이, 유전판을 이용하지 않고, 유 전부재를 슬롯(530)에 매립하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 유전판을 이용하지 않을 경우에는,도18C에 도시한 바와 같이 극히 폭은 좁은 마이크로파가 도입된다. 그 결과, 동일한 마이크로파전력을 입력하여 얻어진 것보다 고밀도의 플라즈마를 여기시킬 수 있어, 레이저의 이득을 크게 할수 있다.
슬롯형상으로서는, 도20A 및 도fOB에 도시한 바와 같이 긴변의 광축방향으로 뻗는 직사각형모양이 바람직 하다.
직사각형은, 1개의 연속적인 직사각형 모양으로 형성해도 되나(도 20B), 간헐적으로 배치하는 것이 바람직 하다.
이와 같이 직사각형의 긴 변을 광축방향과 평행하게 한 경우에는, 좁은 플라즈마를 여기시킬 수 있고, 그 결과로서, 동일한 마이크로파전력을 입력해서 얻어진 것보다 고밀도의 플라즈마를 여기시킬 수 있어, 레이저 이득을 크게 할 수 있다.
(레이저가스의 공급모드)
도21A 및 도21B는 본 발명의 다른 실시예에 의한 엑시머레이저발진장치를 도시하고 있다. 마이크로파도입 방법 및 구성은 도8A 및 도8B에 도시한 엑시머레이저발진장치의 것과 동일하며, 직사각형도파관(1)을 통해서 마이크로파전원(도시 생략)으로서의 자이로트론에 의해 발생된 마이크로파를 슬롯판(3)을 개재해서 레이저관 (2)내 에 도입 한다.
한편, 도8A 및 도8B를 참조해서 설명한 장치에서는, 레이저가스를 레이저관의 길이방향의 단부로부터 동입 하고, 길이방향의 타단부로부터 배출가능한 구성용 채용하고 있다. 이것에 대해서 본 실시예의 엑시머레이저 발진장치에서는. 레이저관(2)의 길이방향을 따라 길이가 긴 구멍을 형성하여, 레이저가스배출구(22)로서 이용 하고 있다. 이 구성에 의해, 도입구(21)로부터 도입된 레이저가스는 레이저관내의 방전공간을 거쳐서 그 양측 에 있는 배출구(22)로부터 배출된다.
안정적으로 연속발광의 엑시머레이저빔을 얻기 위해서는, 1개의 가는 빔을 형성할 필요가 있다. 예를 들면,레이저빔강도 1.3MW/cm2에서 1kw의 출력을 얻기 위해서는, 직경 0.3mm정도의 영역에 있어서 플라즈마를 얻을 수 있으면 된다. 상기 도21A 및 도21B묘의 장치에서는, 이와 같이 좁은 영역에 플라즈마를 집중해서 발생시키는 일이 가능하므로, 가는 연속발광의 엑시머레이저빔을 얻을 수 있다. 이때, 거울(6)의 반사율은 99%, 출력측 거울의 반사율은 99%로 설정하는 것이 바람직하다. 또, 연속발광의 엑시머레이저빔을 안정적으로 얻기 위해서는, 방전공간에 불소분자(F2)와 불소이온(F )이 존재하여 엑시머(KrF*)를 층분히 형성할 수 있는 상태로 설정하지 않으면 안된다. 이를 위해서는, 신선한 불소 가스(F2)를 방전공간으로 고속으로 다량도입하여, 레이저빔방출후 기저상태로 돌아온 불소원자(F)를 방전공간 으로부터 배출하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 레이저가스의 순관/치관을 고속으로 행하기 위하여, 레이저 관의 길이방향(방전공간의 길이방향)과 수직인 방향으로부터 신선한 레이저가스를 도입하고, 또 사용한 레이저가스를 그 방향으로부터 배 출하도록 레이저가스의 도입구와 배출구를 형성하고 있다.
또, 이러한 가스의 고속순관은 방전공간에 있는 가스 및 플라즈마를 고속으로 치관하므로, 레이저관을 냉각 하는 효과도 있다.
도22A 및 도22B는 더욱 레이저가스의 고속순관을 가능하게 하는 구조를 도시한것으로, 도22B에 도시한 바 와 같이, 가스도입구(23) 및 가스배출구(24)에 비해서 방전공간에서의 가스흐름부가 좁게 되어 있어, 그 결과 방전공간에 있어서 고속의 가스순관/치관이 행해진다.
또, 플라즈마를 좁은 영역에 가두는 자석(10)의 배치에 대해서는 본 발명은 도21A 및 도21B에 도시한 바와 같이 레이저 관의 길이방향을 가로로 자르는 방향으로 자력선을 발생하도록 하는 특정배치에 한정되지 않고. 예를 들면, 레이저관의 길이방향을 따라서 자력선이 발생하도록 자석을 배치하는 것도 가능하다.
도23A 및 도23B는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 엑시머레이저발진장치를 도시하고 있다. F마이크로파의 도입방법 및 구멍은, 도11A 및 도11B에 도시한 엑시머레이저발진장치의 것과 마찬가지이며,직사각형 도파관(12)을 개재해서 마이크로파전원(도시생략)으로서의 자이로트론에서 발생된 마이크로파를 갭 을 통해서 레이저관(14)내에 도입한다. 마이크로파는 레이저관의 벽을 따라 길이방향으로 전파되어, 레이저관 (14)내에서의 방전을 일으켜 레이저가스플라즈마를 발생한다.
도23A 및 도23B에 도시한 장치의 레이저가스공급방법은 도11A 및 도11B에 도시한 장치의 것과 다르다. 도leA 및 도lIB에 도시한 장치에 있어서 레이저가스는 레이저관의 길이방향의 일단부로부터 도입되어 길이 방향을 따른 가스의 흐름을 형성하는데 대해서, 도23A 및 도23B에 도시한 장치에서는, 레이저관의 측벽에 가늘고 긴 구멍을, 그 길이방향의 레이저관의 길이방향과 일치하도록 2개 형성하여, 한쪽 구멍으로부터 레이저 가스를 도입하고, 다른 쪽 구멍으로부터 레이저가스를 배출하도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 레이저가스는 레이저관내를 그 레이저관의 길이방향을 가로로 자르도록 흐른다. 이 실시예에 있어서도, 방전공간에 있는 가스 및/또는 플라즈마를 고속으로 치관하므로 방전공간에 있어서 엑시머를 안정적으로 생성할 수 있다 또 레이저관을 냉각하는 효과도 있다.
상기 가스도입/배출방법은 전술한 장치모두에 적용할 수 있다.
레이저가스의 도입시에는, 도입구에서의 압력을 출구에서의 압력의 1.2∼1.8배로 설정하는 것이 바람직하며,1.2-1.5배로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.
입구에서의 압력을 출구에서의 압력의 1.2배이상으로 설정하면, 레이저쳄버를 통과한 레이저가스가 체적팽창을 일으켜, 플라즈마여기부를 냉각한다. 한편, 입구에서의 압력을 출구에서의 압력의 1.8배이상으로 설정하 면, 압력차가 너무 커져 레이걱쳄버내에 있어서의 압력분포의 편차가 크게 된다.
(냉각)
100W∼1KW정도의 마이크로파에 의해 lOW정도의 레이저빔을 얻을 수 있으므로, 상당한 양의 발열이 일어난다. 열팽창이 일어나면 파장이 변하므로 정밀한 냉각이 필요하다. 이 부분에 열팽창이 없는 금속을 사용해서 내면에 구리나 은도금을 형성하는 것이 바람직하다.
플라즈마여기부를 금속으로 하는 이유는 냉각 효율을 높이기 위함이다. 수냉은 냉각수온도, 냉각수유량 및 냉각수압력을 제어하면서 행한다. 예를 들면, 도29에 도시한 냉각장치에 의해 냉각을 행하는 것이 바람직하고,냉각수로부터 탈기하여 냉각수공급압력을 Ikg/c6정도로 하면, 그 압력으로 냉각수를 공급할 때 진동이 발생하지 않아 바람직하다.
(공진기 )
레이저관의 광축상에 1쌍의 반사경을 배치하면, 유도방출에 의해 레이저빔을 인출할 수 있다. 후술하는 바와 같이 빔스폿크기를 작게해서 광강도를 주어진 레벨로 유지함으로써 연속발광의 엑시머레이 저를 얻을 경우에는, 한쪽의 반사경을 반사율을 100%로 하고, 레이저 빔을 인출하는 출력측의 반사경의 반사율올 99.0%로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 공진기내에서의 손실을 극단적으로 제거함으로써 광강도를 유지한 경우에는, 한쪽의 반사결의 반사율을 100%, 출력측의 반사경의 반사율은 99.5%이상 보다 바람직하게는 99.9%이상으로 하는 것이 바람직하다. 도24A 및 도24B는 프리즘을 이용해서 양단에서의 반사율이 100%로 되는 공진기의 구성을 도시하였다. 전 반사프리즘(202), (203)에의 입사각은 브루스터각이며, 광입자의 광량손실은 일어나지 않는다. 또, 전반 사프리즘(202), (203)내부에서의 반사는 전반사를 이용하고 있어, 반사시의 광량손실도 일어나지 않는다. 따라서, 공진기양단에서의 반사율은 100%로 된다. 출력광의 반사율은, 레이저관(201)과 전반사프리즘(203)사이에 설치된 출력광인출판(204)에 있어서의 입사각을 조정함으로써 066에서 수%가지 설정될 수 있다.
도24A 및 도24B에 도시한 예에서는, 출력광인출판의 양면의 각각의 2개소에 있어서 좌우진행파가 반사하므로, 출력빔의 수는 8로 된다. 이들 출력빔을 처리해야만 하므로, 장치가 복잡해진다. 출력범의 수를 감소하고 장치의 복잡화를 방지하기 위하여, 도25A, 도25B 및 도25C에 도시한 변형예를 이용할 수 있다.
도25A에 도시한 변형예에서는, 공진기내의 빔에 대응해서 출력광인출판을(a)(b), 2개로 설치하고, 한쪽인 출판(b)을 브루스터각으로 설정한다. 공진기내의 빔은 직선편광하고 있으므로, 브르스터각으로 설정되어 있는 출력광인출판(b)에서는 어떠한 반사광도 생기지 않는다. 따라서, 출력빔의 수는 4이다. 출력광인출판(b)을 설치하는 이유는 출력광인출판(b)에 의해서 생긴 빔의 위치어긋남을 보정하기 위함이다.
도25B의 변형에서는 공진기내의 빔의 회절을 이용해서 출력광을 인출한다. 출력미러는 공진기내부의 빔의 한쪽을 접하도록 배치되며, 그의 편면 또는 양면에 고반사피복을 실시하고 있다. 출력미러에서 나오는 회절광 은 고반사피복면에서 반사되어 출력빔으로 된다. 출력빔의 수는 2이다.
도25C에 도시한 변형예에서는, 에바네슨트(evanescent)파를 이용해서 출력광을 인출한다. 전반사프러즘(202)또는 (263)의 전반사면에 에바네슨트파 인출프리즘을 파장과 건의 동일한 간격으로 설치함으로써 누설광(즉,에바네슨트파)을 출력 광으로서 인출한다. 출력범의 수는 2이다.
(노곽장치 )
도26은 엑시머레이저발진장치를 이용란 노광장치를 도시한 것이다.
발진장치(Al)로부터 출사한 광은 거울 및 렌즈(A2)를 통해서 주사광학계에 인도된다. 주사노광학계는 주사렌즈(A4)의, 각도를 변화할 수 있는 주사거울(A3)을 지니고 있다. 주사광학계로부터 출사된 광은 콘덴서렌즈(A5)를 개재해서 마스크패턴을 지닌 레티클(A6)에 조사된다. 노광장치의 조명광학계는 이상의 구성을 지닌다
레티클(A6)상의 소정의 마스크패턴에 대응한 밀도분포를 지닌 광은 대물렌즈(6)를 지닌 결상광학계에 의해 스테이지(A9)상에 놓인 웨이퍼(A8)상에 결상되어, 마스크패턴에 대응한 잠상이 웨이퍼(A8)표면상의 감광성레지스트에 형성된다.
이상과 같이, 도26에 도시한 노광장치는 엑시머레이저발진장치(Al), 조명광학계. 결상광학계 및 웨이퍼(A8)를 유지하는 스테이지(A9)를 가지고 있다.
또, 이 장치에 있어서는, 발진장치(Al)화 주사광학계와의 사이에 첩대화 모듈(도시생략)이 설치되어 있다. 또, 발진장치(Al) 자체가 펄스발진타입으로 되어 있다.
(노광장치 의 출력 방법예)
연속발광엑시머레이저의 출력광의 이용을 온/오프하기 위하여 이하와 같은 방법을 이용할 수 있다.
(1) 엑시머레이저장치의 외부에 차단수단을 설치한다.
(2) 연속여기수단을 온/오프한다.
그러나, (1)의 방법에서는, 엑시머레이저가 원자의장을 출력하고 그 출력이 다른 레이저에 비해서 높으므로,차단수단이 상당히 손상되어, 차단수단의 수명이 짧다. 응답성이 높은 AO(음향광학)소자를 이용한 차단수단의 수명은 특히 짧다. 또 출력광을 차단해도 레이저내부에서는 발진이 계속되고 있으므로, 레이저내부의 광학계 가 쓸모없게 손상되어, 그 수명이 짧아진다.
또, (2)의 방법에서는, 안정한 여기상태를 형성하기 위해서는 어느 정도의 시간이 필요하므로, 연속여기수단을 온으로 한 직후에는 소망의 연속발진 광을 얻을 수 없다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시예에 의거해서 상세히 설명한다. 도26은 본 발명에 의한 연속발진엑시머레이저의 개략도이다.
엑시머레이저는 Kr, Ne 및 F2가스가 밀봉된 레이저쳄버(101), 레이저로부터의광을 출력하는 출력미러(102), 마이크로파를 레이저쳄버에 도입하는 유전부재(103), 마이크로파를 도파하는 슬롯도파관(104) 및 마이크로파를 공급하는 마이크로파발생기(105)로 구성되어 있다. 파장선택유닉(106)은 발진파장을 선택하는 것으로, 1쌍의 프리즘으로 구성된, 빔스폿크기를 확대하는 확대프리즘(106-1)과, 임의의 파장을 추출하는 회절격자(106-2)로 구성되어 있다. 공간필터(106)는 1쌍의 렌즈로 구성된 빔정형광학계(108)의 레이저측 렌즈의 초점위치에 설치 되어 레이저로부터의 출력광의 발산각을 제어한다. 셔터(109)는 레이저쳄버와 출력미러사이에 설치되고, 제어 계(110)는 파장선택유닛(106), 마이크로파발생기(105) 및 셔터(109)를 제어한다.
여기서, 출력미러(102)화 회절격자(106-2)는 엑시머레이저의 공친기를 구성하고 있다. (동작의 설 명 )
마이크로파발생기(105)로부터 공급된 마이크로파는, 슬롯도파관(104)에 의해서 도파되어, 유전부재(103)를 개재해서 레이저쳄버(101)내의 엑시머레이저가스를 연속여기한다. 여기된 엑시머레이저가스로부터의 광은, 확대 프리즘(106-1)을 통해서 회절격자(106-2)에 입사한다. 회절격자로부터 소정의 파장영역의 광만이 재차 확대프 리즘(106-1)을 통해서 레이저쳄버(101)로 돌아와, 여기된 엑시머레이저가스에 의해 유도여기발광된다. 이 광이 출력미러(102)와 회절격자(106-2)로 구성되는 광공진기내를 황복주행하면서, 순차 유도방출됨으로써, 회절격자 에 의해 선택된 소정의 파장영역의 광만이 증폭된다. 그래서, 중폭된 광의 일부의 광성분이 출력미러(102)를 통해서 출력 된다.
다음에, 연속발진엑시머레이저로부터의 출력광의 이용을 온/오프하기 위한 동작에 대하여 설명한다.
연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 차단할 경우, 제어계(110)는 마이크로파의 공급을 연속해서 행하면서, 셔터(109)를 차단시켜 엑시머레이저로부터의 광이 출력미러(102)로 가는 것을차단한다 그러면 광공진기 내에서 발진하고 있던 광이 발진을 중지하여, 즉시 연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 차단할 수 있다.
또, 연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 재차 이용할 경우, 제어계(110)는 마이크로파의 공급을 연속해
서 행하면서, 셔터(109)를 개방하여 엑시머레이저가스로확터의 광이 출력미러(102)에 도달하는 것을 허용한다.엑시머레이저에 의해 자연발광하고 있는 광이 즉시 안정적으로 광공진기내에서 발진하여, 연속발진엑시머레지로부터 안정한 출력광을 응답성좋게 얻을 수 있다.
다음에, 연속발진엑시머로부터의 출력광의 이용을 온/오프하기 위한 또 하나의 동작에 대해서 설명한다.
연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 차단할 경우, 제어계(110)는 마이크로파의 연속공급을 행하면서, 회절격자(106-2)를 회동시킨다. 그러면, 회절격자에 의해 선택된 소정의 파장영역의 광이 변경되어, 변경된 파장 영역의 광만이 재차 확대프리즘(106-1)을 통해서 레이저쳄버(101)로 돌아온다. 이 때, 변경된 파장영역은, 엑시머레이저가스에 의해 결정되는 발진영역의 파장과 다르므로, 여기된 히시머레이저가스에 의해 유도여기발광되지 않고, 따라서, 광이 발진되지 않게 되어, 즉시 연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 차단할 수 있다. 이 현상을 도28을 참조해서 이하 설명한다.
통상, 엑시머레이저는 그 가스의 종류에 따라서 파장에 대한 이득이 결정되고 있다. 그 관계가 도28의 이득 곡선GC로 표시되어 있다. 이때, 이득이 어느 파장영역( A-? A∼A+? 6)의 광(G)이 여기된 엑시머레이저가 스에 입사되면, 유도여기발광하여, 엑시머레이저는 발진한다. 한편, 이득이 어느 파장영역(A ·? A∼A+? A)과 다른 영역(NG)의 광이 여기된 엑시머레이저가스에 입사되면, 유도여기발광되지 않고, 엑시머레이저는 발진 하지 않는다. 본 실시 예에서는, 이 현상을 이용해서, 연속발진엑시머레이저의 출력광율 차단할 경우, 회절격자 (106-2)에 의해서 레이저첼버에 돌아오는 광으로서, 이득이 어느 파장영역(A-? A∼A+? A)과 다른 영역의 광을 선택하고 있다.
이때, 엑시머레이저는 발진하지 않고 자연발광을 출력하나, 그 광은 지향성이 없으므로 공간필터(106)에 의해서 거의 차단된다.
또, 연속발진엑시머레이저로부터의 출력광을 재차 이용할 경우, 제어계(110)는 마이크로파의 공급을 연속해서 행하면서 회절격자(106-2)를 회동시킨다. 이 경우, 회절격자에 의해 발진영역의 파장이 선택되고, 그 선택된 영역의 광만이 재차 확대프리즘(106-1)을 통해서 레이저쳄버로 돌아온다. 돌아온 광은 즉시 여기된 엑시머 레이저가스에 의해서 유도여기발광하여, 광공진기내에서 발진한다. 이와 같이 해서, 연속발진엑시머레이저로부터 안정한 출력광을 응답성 높게 얻을 수 있다.
도29는 본 실시예에서 사용된 연속발광엑시머레이저를 도시한 것이다.
본 실시예에서는, 광공진기로서 원통형상의 공친기를 이용하였다.
광공진기의 내면에는 무반사막을 형성하였다. 또, 그 공진기의 최표면은 불화물로 이루어져 있다. 공진기의 외면에는 재킷형상의 냉각장치를 설치하였다. 냉각장치의 최표면은 단열부재로 덮여, 유입냉각수 의 온도를 분위기온도보다 낮고, 또 유출냉각수의 온도에 대략 일치시키도록 제어하기 위한 수단을 설치하였 다. 이 수단에 의해서. 곽공진기의 온도변동을 최소화할 수 있다.
도파관으로서는, 도12A 및 도12B에 표시한 도파관(높이 5mm, 폭 10cm의 오버사이즈도파관)을 이용하고, 그 내부는 10-4Torr레벨의 진공으로 하였다.
한편, 본 실시 예에서도, 자석에 의해 자계를 형성하여 안정한 플라즈마여기를 도모하였다.
절연판(44)은 공진기쪽을 CaF2 및 MgF2로 이루어진 다층피복의 무반사막으로 헝성하였다. 절연판의 최표면 은 불화막을 형성하였다. 마이크로파는 자이로트론(상품명)에 의해 발생되었고, 그 공급주파수는 35GHz로 설정하였고, 가스조성은 Kr/Ne/F6(3%'92%'s%)로 하였다.
압력은 대기압으로 설정하였다. 따라서, 쪼c=4.5띠로 되어, 여기주파수의 1주기중에 전자는 4.5회 층돌한다. 6c : 광전자의 층돌각주파수
본 실시예에서는, 또한, 도29에 도시한 바와 같이, 레이저쳄버(20)의 양단부옥에 가스도입구(21a), (21b)를 령성하고, 또 상기 쳄버(20)의 중앙부에 가스배출구(22)를 형성하였다. 이들 가스도입구 및 배출구에 의해, 공급 하는 레이저를 중앙을 향해 흐르도록 하였다. 그 이유는, 전술한 바와 같이, 출력단부상의 광반사판의 표면보 호도 검하기 위해서이다. 즉, 광반사판의 표면은 반드시 불화물박막 등으로 피복되어 있으므로, F2 및 F*와 반 웅하는 일은 결코 없다(단, (42)는 도파관, (44)는 절연판, (50)은 온도제어기, (51)은 자석, (53)은 레이저관이다.)
광반사의 반사율은 99%이상으로 설정하였다.
본 실시예에서는 마이크로파전계와 거의 수직인 방향으로 직류자장을 인가하도록 자석(51)을 배치하고 있 어, 방전개시 및 방전유지는 극히 안정하게 행해진다. 광발진기는, 내경이 수mm∼수cm인 금속원통으로 이루어졌다. 이 금속원통의 내표면에는 무반사다층막을 피복하였고, 그 최표면에는 불화물막을 형성하였다. 광반사판(31)과 레이저쳄버를 구성하는 레이저관(본 실시예에서는 금속원통(31))과의 시일결합은 도30에 도 시한 바와 같이 행하였다.
즉, 광반사판(31)과 금속원통(32)의 플랜지(32a)와의 사이에 데플론판링(33a)을 개재시킴과 동시에, 광반사판의 외면에는 데플론판링(33b)과 금속판링(35)을 개재시켜 보트에 의해 체결함으로써, 광반사판과 금속원통을 서로 압접하였다. 또, 0링(36)에 의해 시일을 행하였다. 물론 볼트(34)를 이용하지 않고 베어링을 이용한 스크루에 의해 이들을 부착해도 된다.
이상의 구성에 의해 발광을 행한 바, 층분히 높은 출력을 지닌 연속발광이 달성되었다.
또, 이 연속발진엑시머레이저발진장치를 이용해서 스테퍼를 구성한 바, 구성이 간략화되고, 또 렌즈재료등의 수명이 향상되었다.
(다른 실시 예 )
도21A 및 도21B 내지 도23A 및 도23B에 도시한 장치를 이용해서, 공진기내의 손실을 극단적으로 작게 하 면, 안정한 연속발광엑시머레이저를 얻을 수 있었다. 예를 들면, 레이저가스의 압력을 65Torr로 설정해서 가스에 의한 에너지손실을 1%로 억제하였다. 또한, 한 쪽의 반사경의 반사율을 100%로 설정하고 출력측의 반사경의 반사율을 99.5%이상으로 설정해서 안정형의 공 진기를 구성하였다. 이것에 의해, 레이저발진을 위해 필요한 이득을 2%이상(왕복)으로 설정할 수 있어, 이득 을 손실보다 크게 하였다.
또, 마이크로파에너지로서 35%를 이용하고, 레이저관내의 압력을 60Torr로 설정할 경우에는, 가스에 의한 손실이 약간 증가하므로, 출력측의 반사경의 반사율을 99.9%이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 렌즈재료나 그 표면에의 부하가 적고, 또 거울 혹은 레이저스캔의 제어계를 간략하게 하는 것이 가능한 연속발광엑시머레이저발진장치 및 스테퍼를 제공하는 것이 가능하다.
이상 본 발명은 그의 정신이나 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 기타 특수형태로 구체화할 수 있다.따라서, 본 실시예를 모든 점에서 예시적인 것으로 간주될 뿐 제한적인 것은 아니다. 따라서,본 발명의 범위 는 상기 설명에 의해서라기 보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 나타나므로, 이 특허청구범위와 등가의 의미 및 범위내에 들오는 그러한 모든 변형도 본 발명에 포함되는 것으로 간주한다.

Claims (57)

  1. Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2가스와의 혼합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하고, 그 내면이 248nm,193nm, 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면을 지니며, 해당 내면의 최표면이 불화물로 이루어진 레이저쳄버 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치해서 배치 된 1쌍의 반사경으로 이루어지고, 출력측의 반사경의 반사율을 90%이상으로 한 광공진기 : 및 상기 레이저쳄 내의 레이저가스를 연속적으로 여기시키기 위하여 해당 레이저쳄버상에 설치된 마이크로파도입수단을 구비 한 것을 특징으로 하는 비시머레이저발진장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버의 내면은, 스테인레스강표면상에 FeF6층을 형성하여 제작된 구조, 금속상에 니펜을 도금하고, 이 니켈도금표면상에 NiF2층을 형성하여 제작된 구조 및 알루미늄합금상에 AIF, 및 MgF2층을 형성하여 제작된 구조중 어느 하나의 구조를 지니는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버내 레이저가스를 연속적으로 공급하기 위한 수단을 또 구비한 것을 특 징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저가스가 Kr, Ne 및 F2를 함유하고. 그중 Kr함량이 1∼6원자%이고, F6함량이 1∼6%원자인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이저가스가 Ar, Ne 및 F2를 함유하고, 그중 Ar함량이 1∼6원자%이고, F2함량이 1∼6원자%인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저가스가 Ne 및 F2를 함유하고, 그중 F2함량이 1∼6원자%인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버의 양단부에 형성되어 상기 레이저가스를 도입하는 수단 및 상기 레이저쳄버의 중앙부에 형성되어 상기 레이저가스를 배출하는 수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이 저 발진장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 IGHz∼50GHz인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파를 도입하기 위한 도파관의 내부가 진공으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치
  10. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버를 구성하는 레이저관을 또 구비하고, 상기 레이저관내에서 레이저빔이발진하고, 상기 레이저관의 광로에 수직인 단면이 타원형을 지닌 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 타원형의 단축방향이 마이크로파도입방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버내에 자장을 인가하는 자장인가수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자장인가수단은 철바나듐계 자석 또는 Nb, Fe, B자석인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 레이저가스의 압력을 수십Torr∼lmm정도로 설정한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 레이저쳄버를 냉각하기 위한 냉각수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단의 내부를 상기 레이저쳄버내부와 격리시키기 위한 절연판을 또 구비하고, 상기 절연판의 상기 레이저쳄버쪽의 최표면에는 불화물의 박막이 령선되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기이 마이크로파도입수단에는 복수의 슬롯이 형성되어 있고, 이들 슬롯을 퉁해 마이크로파가 상기 레이저쳄버내에 도입되는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 인접슬롯간의 간격은, 상기 레이저쳄버의 축방향으로 중앙으로부터 양단부까지 증가하고 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단의 마이크로파방출부는 상기 레이저쳄버를 향해 넓어지는 테이퍼형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단의 마이크로파방출부는 마이크로파의 주파수에 대응한 폭의 갭을 지닌 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단은 상기 광공진기의 광축을 따라 배치되고, 상기 광축과 직교 하는 방향에 관한 빔스폿반경의 해당 광축방향의 변화에 따라서 상기 마이크로파도입수단과 상기 광공진기의 광축간의 거리를 해당 광축방향으로 변화시키고 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치
  22. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단에 상당하는 마이크로파도입수단이 광축을 사이에 샌드위치하 도록 해서 1쌍 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머래이저발진장치
  23. 제21항에 있어서, 레이저가스공급수단의 상류측에 설치된. 레이저가스를 층류로 형성하기 위한 수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단은, 슬롯을 지닌 슬롯도파관과, 상기 레이저쳄버와의 사이에 개재시킨 유전판으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치
  25. 제24항에 있어서, 상기 슬롯은 긴 변이 광축방향으로 뻗는 연속적 혹은 간헐적인 직사각형 모양의 슬롯인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  26. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단은 슬롯을 지닌 슬롯도파관과, 상기 슬롯에 매립된 유전부재로구성되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 슬롯은 긴 변이 광축방향으로 뻗는 연속적 혹은 간헐적인 직사각형 모양의 슬롯인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  28. 내면이 248nm, 193nm 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사 면을 지님과 동시에, 해당 내면의 최표면이 불화물로 구성된 레이저쳄버내에, Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2가스와의 혼합가스를 함유하는 레이저가스를 연속적으로 공급하는 공정 : 상기 레이저쳄버내에 마이크로파를 도입함으로써 상기 레이저쳄버내의 레이저가스를 연속적으로 여기시키는 공정 ; 및 출력측 의 반사경의 반사율이 90%인 1쌍의 반사경에 의해 상기 여기된 레이저가스에 의해 방출된 광을 공진시키는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 레이저가스가 Kr, Ne 및 F2를 함유하고, 그중 Kr함량이 1∼6원자%이고, F2함량이1∼6원자%인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 레이저가스가 Ar, Ne 및 F2를 함유하고, 그중 Ar함량이 1∼6원자%이고, F2함량이1∼6원자%인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  31. 제78항에 있어서, 상기 레이저가스가 Ne 및 F2를 함유하고, 2중 F2함량이 1∼6원자%인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 레이저가스를 상기 레이저쳄버의 양단부로부터 도입하는 공정 및 상기 레이저가스를 상기 레이저쳄버의 중앙부로부터 배출되는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  33. 제28항에 있어서, 상기 마이크로파의 주파수가 1GHz~50GHz인 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  34. 제28항에 있어서, 상기 마이크로파를 도입하기 위한 도파관의 내부를 진공으로 하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  35. 제28항에 있어서, 상기 레이저쳄버에 자장을 인가하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법
  36. 제28항에 있어서 광공진기를 구성하는 상기 1쌍의 반사경간의 간격을 15cm이하로 설정하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  37. 제28항에 있어서, 상기 레이저가스의 압력을 수십 Torr∼latm로 설정하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  38. 제36항에 있어서, 레이저가스의 도입구에서의 압력을 출구에서의 압력의 1.2∼1.8배로 설정하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  39. 제28항에 있어서, 상기 레이저쳄버를 냉각하는 공정을 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진방법.
  40. 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저쳄버와 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치하도록 배치한 1쌍의 반사경으로 이루어진 광공진기와 ; 상기 광공진기의 광로내에 배치되어 발진시켜야 할 광을 선택하는 광선택수단과 ; 상기 엑시머레이저가스를 연속적으로 여기시키기 위한 마이크로파도입수단과 : 상기 마이크로파도입수단을 제어해서 연속적으로 마이크로파를 도입시키는 동시에, 엑시머레이저의 발진을 정지한 때, 상기 광선택수단을 제어해서 선택해야할 광을 변경시키는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 광선택수단은 파장을 선택하는 파장선택소자를 지니고, 상기 제어수단은, 상기 파장선택소자를 제어해서 엑시머레이저에 의해서 결정되는 발진영역의 파장과는 다른 영역의 파장을 선택하여, 엑시머레이저의 발진을 정지시키는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  42. 제40항에 있어서, 상기 광선택수단은 셔터를 지니고, 상기 제어수단은 상기 셔터를 제어해서 상기 레이저쳄버에 공급되는 광을 차단시켜 엑시머레이저의 발진을 정지시키는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  43. 제41항에 있어서, 상기 엑시머레이저로부터 출력황을 집광하는 수단과, 집광점에 위치되어, 상기 출력광의 발산각을 제한하는 공간필터를 또 구비한 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  44. 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저쳄버와 ; 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치하도록 배치한 1쌍의 반사경으로 이루어진 광공진기와 : 상기 레이저쳄버의 레이저가스를 여기시키기 위한 마이크로파도입 수단을 구비하고, 상기 마이크로파도입수단은 상기 랑공진기의 광축을 따라 설치되고, 상기 광축과 직교하는 방향의 빔반경의 광축방향의 변화에 따라서, 상기 마이크로파도입수단과 상기 광공진기의 광축간의 거리를 상기 광축방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  45. 제44항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단에 상당하는 마이크로파도입수단이 광축을 사이에 샌드위치 하도록 해서 1쌍 설치되어 있는 것을 특징으로하는 레이저발진장치.
  46. 제44항에 있어서, 레이저가스공급수단의 상류측에 설치된, 레이저가스를 층류로 형성하기 위한 수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  47. 제44항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단은, 슬롯을 지닌 슬롯도파관과, 상기 레이저쳄버와의 사이에 개재시킨 유전판으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  48. 제46항에 있어서, 상기 슬롯은 긴 변이 광축방향으로 뻗는 연속적 혹은 간헐적인 직사각형 모양의 슬롯인 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  49. 제44항에 있어서, 상기 마이크로파도입수단은 슬롯을 지닌 슬롯도파관과 상기 슬롯에 매립된 유전부재 로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 슬롯은 긴 변이 광축방향으로 뻗는 연속적 혹은 간헐적인 직사각형모양의 슬롯인 것을 특징으로 하는 레이저발진장치.
  51. (A) Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2가스와의 흔합가스를 함유 하는 레이저가스를 수용하고. 그 내면이 248nm, 193nm, 또는 157nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반 사면을 지니며 해당 내면의 최표면이 불화물로 이루어진 레이저쳄버 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치해 서 배치된 1쌍의 반사경으로 이루어지고, 출력측의 반사경의 반사율을 90%이상으로 한 광공진기 : 및 상기 레이저쳄버내의 레이저가스를 연속적으로 여기시키기 위하여 해당 레이저쳄버상에 설치된 마이크로파도입수단을 지닌 엑시머레이저발진장치와 ; (B) 상기 엑시머레이저발진장치로부터 출력된 광으로 패턴이 형성된 레 티클을 조명하는 조명광학계와 ; (C) 상기 레티클로부터 방출되는 광을 웨이퍼상에 결상하는 결상광학계와 ;(D) 상부에 웨이퍼를 배치하고, 이 웨이퍼를 지지하는 가동스테이지를 구비한 것을 특징으로 하는 노팡장치.
  52. (A) 엑시머레이저가스를 수납하기 위한 레이저첼버와 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치하도록 배치한 1쌍의 반사경으로 이루어진 광공진기와 , 상기 광공진기의 광로내에 배치되어 발진시켜야 할 광을 선택하 는 광선택수단과 : 상기 엑시머레이저가스를 연속적으로 여기시키기 위한 마이크로파도입수담과 . 상기 마이 크로파도입수단을 제어해서 연속적으로 마이크로파를 도입시키는 동시에 엑시머레이저의 발진을 정지한 때,상기 광선택수단을 제어해서 선택해야 할 광을 변경시키는 제어수단을 지닌 엑시머레이저발진장치와 ; (B)상기 엑시머레이저발진장치로부터 출력된 광으로 패턴이 형성된 레티를을 조명하는 조명광학계와 : (C) 상기 레티를로부터 방출되는 광을 웨이퍼상에 결상하는 결상광학계와 : (D) 웨이퍼를 지지하는 가동스테이지를 구비한 것을 특징으로 하는 노광장치.
  53. Kr, Ar 및 Ne로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이상의 불활성가스와 F2가스와의 혼합가스를 함유하는 레이저가스를 수용하는 레이저관에 있어서, 248nm, 193nm 또는 156nm라고 하는 소망의 파장의 광에 대한 무반사면을 지니고, 그 최표면이 불화물로 이루어진 레이저관내면과 : 상기 레이저관내에 마이크로파를 도입하 기 위한 절연판을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저관.
  54. 엑시머레이저가스를 수용하는 레이저쳄버와 : 상기 레이저쳄버를 사이에 샌드위치시켜 배치된 1쌍의 전반사프리즘으로 이루어진 광공진기와 ; 상기 광공진기내의 광을 인출하기 위한 출력부재를 구비하고, 상기 광공진내로 들어오는 광은 부루스터각으로 상기 전반사프리즘으로 입사하는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저 발진 장치 .
  55. 제54항에 있어서, 상기 출력부재에 상당하는 2개의 광출력부재는 상기 광공진기의 광범단위로 배치되어있고. 상기 2개의 광출력부재중 하나는 대응하는 광범에 대해서 부루스터각으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치 .
  56. 제54항에 있어서, 상기 출력부재는 고반사막으로 피복된 거울을 구비하고, 상기 광공진기의 광빔에 접하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
  57. 제54항에 있어서, 상기 출력부재는, 상기 한쪽의 전반사프리즘의 전반사면의 근방에 배치된 프리즘을 지니는 것을 특징으로 하는 엑시머레이저발진장치.
    ※참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
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