JP2002134814A

JP2002134814A - 露光用ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP2002134814A
Application number: JP2000325081A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Komae; 重夫小前
Original assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Current assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-10

Abstract

(57)【要約】【課題】一定時間休止後、長時間動作させても、スペ
クトル線幅が広がらない露光用ガスレーザ装置。【解決手段】レーザチェンバ１と、このレーザチェン
バ１からの光が入射し、この光を狭帯域化する狭帯域化
手段を収容する狭帯域化ユニット４とを有する露光用ガ
スレーザ装置において、狭帯域化ユニット４は、その開
口５４が狭帯域化手段とレーザチェンバ１との間の光路
中に位置するようにスリット５を保持しており、スリッ
ト５の開口５４近傍の温度上昇を抑制する温度上昇抑制
手段５１、５２、５６を設けた露光用ガスレーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光用ガスレーザ
装置に関し、特に、長時間動作させても、スペクトル線
幅が広がらない露光用ガスレーザ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の微細化、高集積化につ
れ、投影露光装置においては解像力の向上が要請されて
いる。このため、露光用光源から放出される露光光の短
波長化が進められており、次世代の半導体リソグラフィ
ー用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレー
ザ装置や波長１５７ｎｍのＦ₂レーザ装置等の放電励起
ガスレーザ装置が有力である。

【０００３】図１に、露光用光源として用いられる放電
励起ガスレーザ装置の一構成例を示す。例えばＡｒＦエ
キシマレーザ装置においては、レーザチェンバ１内にフ
ッ素（Ｆ₂）やアルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）等の
レーザガスが数百ｋＰａの濃度で封入されている。ま
た、Ｆ₂レーザ装置においては、レーザチェンバ１内に
フッ素（Ｆ₂）やヘリウム（Ｈｅ）等のレーザガスが数
百ｋＰａの濃度で封入されている。

【０００４】レーザチェンバ１内部には、レーザ光軸方
向に延び、所定間隔だけ離間して対向した一対の主放電
用電極２（以下、電極２ともいう。）が設けられている
（図１においては、一対の電極2 の中一方が示されてお
り、放電方向は紙面に垂直な方向である。）。この電極
２間に図示を省略している高電圧パルス発生装置より立
上りの早い高電圧パルスを印加して放電を発生させるこ
とにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。

【０００５】レーザチェンバ１の両端部にはレーザ光が
通過する窓部が設けられる。この窓部は、所定の直線偏
光に対して反射損が最小となるように、窓材が光軸に対
してブリュースター角をなすように取り付けられている
ブリュースター窓部６となっている。

【０００６】レーザチェンバ１の前後には、出力鏡７
と、露光装置の投影光学系における色収差の問題を回避
するためにレーザ光のスペクトル幅を狭帯域化し、中心
波長の波長安定化を実現するための狭帯域化光学系３と
が各々配置され、出力鏡７と狭帯域化光学系３はレーザ
共振器を構成する。レーザガスが励起されレーザチェン
バ１から放出される光は、このレーザ共振器の間で増幅
され、レーザ光としてレーザ共振器の出力鏡７より取り
出される。

【０００７】この狭帯域化光学系３は、例えば、波長選
択素子であるグレーティング３１と１個若しくは複数個
のビーム拡大プリズム３２とから構成され、狭帯域化ボ
ックス４内に収容される。また、狭帯域化されるレーザ
光のスペクトル線幅をさらに細くするために、拡大プリ
ズム３２の光入射側の光路上にスリット５が配置され
る。また、図示は省略しているが、ブリュースター窓部
６と出力鏡７との間にも、別のスリットを配置する場合
もある。スリット５を配置することによりビーム径が制
限され、共振器中で増幅されるビームの平行度が上がる
ため、スペクトル線幅がさらに細くなる。

【０００８】ところで、上記した放電励起ガスレーザが
放出するレーザ光は波長２００ｎｍ以下の短波長である
ので、レーザ光が通過する光路中に空気があると、空気
中の酸素とレーザ光により有害なオゾンが発生する。そ
のため、光路は、筒状包囲体８で包囲され、筒状包囲体
８、狭帯域化ボックス４内は清浄な不活性ガス（例え
ば、窒素）によりパージされる。なお、狭帯域化ボック
ス４内の不活性ガス（例えば、窒素）によるパージは、
狭帯域化光学系３を構成する光学部品にダストを堆積さ
せない役割も有する。

【０００９】このような放電励起ガスレーザ装置におい
て、効率良くレーザ光を発生させるには、主放電用電極
２間で一様な放電を発生させることが必要であるが、数
百ｋＰａという高圧ガス雰囲気で一様な放電を発生させ
るために、通常、主放電用電極２近傍に設けた予備電離
手段により、主放電開始前に主放電電極間の主放電空間
に存在するレーザガスを予備電離するのが一般的であ
る。

【００１０】図２に、図１の狭帯域化部の詳細な構成を
示す。図２は、狭帯域化光学系３が３個のビーム拡大プ
リズム３２と波長選択素子であるグレーティング３１と
から構成された例であり、狭帯域化ボックス４内に収容
される。

【００１１】ビーム拡大プリズム３２は、入射光が所定
の入射角（例えば、７０〜７５°）となるように各々位
置決めされる。また、グレーティング３１は、入射光の
入射角を任意に選択できるように、図示を省略した駆動
機構により回動可能に設置される。なお、グレーティン
グ３１を固定し、拡大プリズム３２とグレーティング３
１との間に反射ミラーを回動可能に設置し、この反射ミ
ラーの回転角度を制御してグレーティング３１への入射
光の入射角を任意に選択するようにしてもよい。

【００１２】上記したように、筒状包囲体８、狭帯域化
ボックス４内は清浄な不活性ガス（例えば、窒素）によ
りパージする必要があるので、狭帯域化ボックス４に設
けられたパージガス導入管９よりパージガスとして不活
性ガス（例えば、窒素）を導入し、狭帯域化ボックス４
内をパージする。筒状包囲体８はスリット５の開口部を
介してパージガスが導入される。なお、パージガスは筒
状包囲体８、狭帯域化ボックス４のわずかな隙間から外
部へ放出される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、出力鏡７か
ら放出されたレーザ光の一部はビームスプリッタにより
波長モニタに導かれて、波長並びにスペクトル線幅がモ
ニタされる。レーザ装置をある一定期間停止させた後に
動作させると、動作時間が経過するにつれ（すなわち、
発振パルス数が増加するにつれ）、スペクトル線幅（以
下、線幅と称する。）が徐々に広がっていってしまうと
いう現象が確認された。

【００１４】前記したように、露光装置の投影光学系に
おける色収差の問題を回避するためにレーザ光の線幅を
狭帯域化している。レーザ動作初期に線幅の値が所定値
以下という仕様を満たしていても、レーザ動作を継続す
る中に、線幅の値が所定値を越えてその仕様から外れて
しまうという不具合が発生する恐れがある。

【００１５】近年、露光用光源として、上記のような放
電励起ガスレーザ装置は、露光処理のスループットの
面、また、露光量の均一化の面から４ｋＨｚ以上の高り
繰返し動作が要求されているので、このような線幅が広
がってしまう不具合がレーザ動作開始後、短時間で発生
する恐れがある。

【００１６】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、一定時間休止
後、長時間動作させても、スペクトル線幅が広がらない
露光用ガスレーザ装置を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の露光用ガスレーザ装置は、レーザチェンバと、この
レーザチェンバからの光が入射し、この光を狭帯域化す
る狭帯域化手段を収容する狭帯域化ユニットとを有する
露光用ガスレーザ装置において、前記狭帯域化ユニット
は、その開口が狭帯域化手段とレーザチェンバとの間の
光路中に位置するようにスリットを保持しており、前記
スリットの開口近傍の温度上昇を抑制する温度上昇抑制
手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１８】この場合、温度上昇抑制手段は、スリット
内部に設けられた空洞と、それに連通していてスリット
の開口の長手方向の幅と略等しい幅を有し、開口近傍に
設けられたガス排出口とからなり、空洞に導入されガス
排出口から開口近傍に供給された冷却用ガスが、開口を
貫通する流路に沿って流れることにより、スリットの開
口近傍の温度上昇が抑制されるようにすることができ
る。

【００１９】また、温度上昇抑制手段は、スリットの開
口近傍に開口に沿って設けられた冷媒供給管からなり、
冷媒を冷媒供給管に流すことにより、スリットの開口近
傍の温度上昇が抑制されるようにすることができる。

【００２０】これらにおいて、スリットの開口近傍の温
度をモニタする温度モニタが設けられ、レーザ動作中に
温度モニタからの温度信号に基き、スリットの開口近傍
の温度が所定の温度となるように温度上昇抑制手段を制
御する制御手段を備えているものとすることができる。

【００２１】あるいは、記憶手段と前記温度上昇抑制手
段を制御する制御手段とを備えており、記憶手段に発振
繰り返し周波数とレーザ出力をパラメータとして制御手
段の制御情報を記憶しておき、実際のレーザ発振繰り返
し周波数とレーザ出力に基づいて記憶手段に記憶された
制御情報を読み出し、その制御情報に基づいて制御手段
により温度上昇抑制手段を制御するようにしてもよい。

【００２２】本発明においては、スリットの開口近傍の
温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を設けたので、ス
リット近傍雰囲気の温度分布を略均一に保つことがで
き、レーザ光に対する屈折率分布も略均一となるので、
レーザ光の狭帯域化光学系中のグレーティングへの入射
角度の分布の幅も小さくなり、一定時間休止後長時間動
作させても、スペクトル線幅が広がらない露光用ガスレ
ーザ装置を得ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の露光用ガスレーザ
装置の原理と実施例について説明する。

【００２４】前記のように、レーザ装置をある一定期間
停止させた後に動作させると、動作時間が経過するにつ
れてスペクトル線幅が徐々に広がっていってしまうとい
う不具合が発生する。この不具合の原因を、本発明者ら
が鋭意検討したところ、図１に示すスリット５は、レー
ザ動作時間が経過するにつれ（すなわち、発振パルス数
が増加するにつれ）、温度が上昇し、この温度上昇が線
幅の広がりに影響を及ぼすことが分った。

【００２５】すなわち、レーザ共振器内にあるスリット
５には、その開口部周辺がレーザチェンバ１内で発生し
た紫外光が常に照射される。通常、スリット５は、アル
ミニウム等の金属製であり、紫外線が照射される部分は
加熱される。そのため、レーザ動作時間が経過するにつ
れ（すなわち、発振パルス数が増加するにつれ）、スリ
ット５の開口部周辺の温度は上昇する。

【００２６】スリット５の開口部周辺の温度が上昇する
と、スリット５近傍雰囲気の温度分布が不均一となり、
レーザ光に対する屈折率分布も不均一となる。そのた
め、スリット５を通過するレーザ光の進行方向も、その
不均一な屈折率分布の影響によりある分布を持つことに
なる。したがって、グレーティング３１への入射角もあ
る角度分布を有することとなり、その結果、線幅が広が
ることになると考えられる。

【００２７】そこで、発明者らは、スリット５を冷却し
て温度上昇を抑制し、スリット５を一定温度に保つこと
により、スリット５開口部周辺の温度分布を均一にし
て、レーザ装置をある一定期間停止させた後に動作さ
せ、動作時間が経過しても（すなわち、発振パルス数が
増加しても）、線幅が広がらず略一定の値に保持するこ
とに成功した。

【００２８】その実施例のスリット近傍の構成を図３の
断面図に示す。この実施例においては、スリット５は、
図示のように、開口５４を限定する上側ウェッジ５４ａ
はレーザチェンバ１側に刃先があり、下側ウェッジ５４
ｂは狭帯域化ボックス４側に刃先があり、上側ウェッジ
５４ａの刃先と下側ウェッジ５４ｂの刃先の間には光軸
方向にずれが形成されるように開口５４が形成されてお
り、上側ウェッジ５４ａの刃先と下側ウェッジ５４ｂの
刃先の間でスリットを形成している。

【００２９】そして、開口５４を限定する上側ウェッジ
５４ａの刃先近傍の狭帯域化ボックス４側の面に冷却風
排出口５１が開口５４に面して開口しており、冷却風排
出口５１に連通するように上側ウェッジ５４ａ内部に風
路５６が設けてあり、風路５６は冷却風導入管５２と接
続されている。冷却風導入口５２より、パージガスと同
様の不活性ガス（例えば、窒素）が冷却用ガス５５とし
て導入される。風路５６は、図４のスリット５の正面図
に示したように、平坦な空洞からなり、幅は開口５４の
幅と略等しい。冷却風導入管５２から風路５６へ導入さ
れた冷却用ガス５５は、風路５６の平坦形状の空洞を進
行後、冷却風排出口５１から均一な流れとなってシート
状に排出され、図３中に矢印で示すように、上側ウェッ
ジ５４ａと下側ウェッジ５４ｂの間の開口５４を通って
筒状包囲体８内に流れ込む。そのため、開口５４の周辺
の上側ウェッジ５４ａと下側ウェッジ５４ｂは略均一に
冷却され、また、開口５４内に存在するパージガスも、
この冷却用ガス５５により略均一に置換される。

【００３０】したがって、スリット５近傍雰囲気の温度
分布を略均一に保つことができ、レーザ光に対する屈折
率分布も略均一となるので、レーザ光のグレーティング
３１への入射角度の分布の幅も小さくなり、線幅が広が
らない。

【００３１】ここで、冷却風導入口５２から流す冷却ガ
ス流量の制御は、例えば、図５に示したような構成をと
り以下のように行う。スリット５の開口５４の近傍であ
って、レーザ光から離れた位置に配置した温度センサ５
３によりスリット５の開口５４近傍の温度を測定する。
その測定した温度信号は、コントローラ７１に送出さ
れ、コントローラ７１は予め設定した設定温度と比較
し、測定温度と設定温度との偏差に応じて比例弁５８を
制御し、この比例弁５８を介してガス供給源７２から冷
却風導入管５２を経てスリット５の風路５６へ供給され
る冷却用ガス５５の流量を制御する。

【００３２】このような構成によりスリット５の温度上
昇を抑制した場合と、そのような制御を行わなかった場
合のスペクトル線幅の広がりを実際に測定した結果を示
す。ガスレーザ装置はＡｒＦエキシマレーザ装置であ
り、２ｋＨｚの繰り返し周波数で、１バースト内のパル
ス数を１０００パルスとして発振動作をさせた。冷却用
ガス５５としては窒素ガスが用いて、流量４リットル／
分で流した。スリット５の幅ｄ（図３）は２ｍｍであっ
た。

【００３３】図６（ａ）、（ｂ）はこのような温度上昇
抑制を行わなかった場合、図６（ｃ）、（ｄ）は行った
場合のスペクトル線幅の推移を示すもので、図６
（ａ）、（ｃ）は８０バーストまでのスペクトル線幅の
変化の推移を示し、図６（ｃ）、（ｄ）は８０バースト
中のスペクトル線幅の変化の推移を示している。ただ
し、図６（ａ）〜（ｄ）において、横軸はパルス数を、
縦軸はスペクトル線幅（ｐｍ）を示す。

【００３４】この結果から、実施例１の温度上昇抑制手
段を採用した場合には、線幅の変化はほとんど見られな
いが、採用しなかった場合には、パルス数が増加するに
つれ、線幅が０．１ｐｍ程度広がっていることが確認さ
れる。

【００３５】別の実施例として、図５において、温度セ
ンサ５３を省略する。その場合、制御は以下のように行
う。まず、予め、繰返し周波数、レーザ出力をパラメー
タとした冷却用ガス流量テーブルをコントローラ７１に
記憶しておく。レーザ動作時、コントローラ７１は、図
示略の出力モニタによりモニタしたレーザ出力と繰返し
周波数に基き、比例弁５８を制御し、冷却風導入管５２
からスリット５の風路５６へ供給される冷却用ガスの流
量を制御する。

【００３６】なお、繰返し周波数、レーザ出力が固定で
あるならば、コントローラ７１を用いず、冷却用ガス流
量を一定に設定しておき、レーザ動作と同時に冷却用ガ
スの導入を開始し、レーザ動作終了時あるいは休止時に
冷却用ガスの導入を停止してもよい。

【００３７】第３の実施例は、スリット５の冷却を気体
ではなく、液体で行うものである。そのスリット５の構
成を図７に示す。図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は正
面図である。スリット５表面に配管５７が設けられる。
配管５７は、開口５４の近傍に、かつ、開口５４に沿っ
てその両側に配置される。そして、例えば冷却水（冷
媒）が冷却剤として配管５７に導入される。このような
配管５７内を冷却水が流れることにより、スリット５の
開口５４の周辺は略均一に冷却され、レーザ装置をある
一定期間停止させた後に動作させ、動作時間が経過して
も（すなわち、発振パルス数が増加しても）、スリット
５近傍雰囲気の温度分布を略均一にすることができる。
したがって、レーザ光に対する屈折率分布も略均一とな
るので、レーザ光のグレーティング３１への入射角度の
分布の幅も小さくなり、線幅が広がらない。

【００３８】ここで、配管５７に流す冷却水の流量の制
御は、例えば、図８に示したような構成をとり以下のよ
うに行う。スリット５の開口５４の近傍であって、レー
ザ光からは離れた位置に配置した温度センサ５３により
スリット５の開口５４近傍の温度を測定する。その測定
した温度信号は、コントローラ７１に送出され、コント
ローラ７１は予め設定した設定温度と比較し、測定温度
と設定温度との偏差に応じて比例弁５８を制御し、この
比例弁５８を介して冷却水供給源７３からスリット５の
配管５７に流す冷却水の流量を制御する。

【００３９】第３の実施例の変形例として、図８におい
て、温度センサ５３を省略する。その場合、制御は以下
のように行う。まず、予め、繰返し周波数、レーザ出力
をパラメータとした冷却水流量テーブルをコントローラ
７１に記憶しておく。レーザ動作時、コントローラ７１
は、図示略の出力モニタによりモニタしたレーザ出力と
繰返し周波数に基き、比例弁５８を制御し、スリット５
の配管５７に流す冷却水の流量を制御する。

【００４０】なお、繰返し周波数、レーザ出力が固定で
あるならば、コントローラ７１を用いず、冷却水流量を
一定に設定しておき、レーザ動作と同時に冷却水の導入
を開始し、レーザ動作終了時あるいは休止時に冷却水の
導入を停止してもよい。

【００４１】以上、本発明の露光用ガスレーザ装置をい
くつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこ
れら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の露光用ガスレーザ装置によると、スリットの開口近傍
の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を設けたので、
スリット近傍雰囲気の温度分布を略均一に保つことがで
き、レーザ光に対する屈折率分布も略均一となるので、
レーザ光の狭帯域化光学系中のグレーティングへの入射
角度の分布の幅も小さくなり、一定時間休止後長時間動
作させても、スペクトル線幅が広がらない露光用ガスレ
ーザ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対象とする露光用放電励起ガスレーザ
装置の一構成例を示す図である。

【図２】図１の狭帯域化部の詳細な構成を示す図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例のスリット近傍の構成を
示す断面図である。

【図４】図３のスリットの正面図である。

【図５】図３の実施例の制御のための構成を示す図であ
る。

【図６】本発明の第１の実施例の温度上昇抑制を行わな
かった場合と行った場合のスペクトル線幅の推移を示す
図である。

【図７】本発明の第３の実施例のスリットの構成を示す
図である。

【図８】図７の実施例の制御のための構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…レーザチェンバ２…主放電用電極３…狭帯域化光学系４…狭帯域化ボックス５…スリット６…ブリュースター窓部７…出力鏡８…筒状包囲体９…パージガス導入管２２…比例弁３１…グレーティング３２…ビーム拡大プリズム５１…冷却風排出口５２…冷却風導入管５３…温度センサ５４…開口５４ａ…上側ウェッジ５４ａ…下側ウェッジ５５…冷却用ガス５６…風路５７…配管５８…比例弁７１…コントローラ７２…ガス供給源７３…冷却水供給源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザチェンバと、このレーザチェンバ
からの光が入射し、この光を狭帯域化する狭帯域化手段
を収容する狭帯域化ユニットとを有する露光用ガスレー
ザ装置において、前記狭帯域化ユニットは、その開口が狭帯域化手段とレ
ーザチェンバとの間の光路中に位置するようにスリット
を保持しており、前記スリットの開口近傍の温度上昇を抑制する温度上昇
抑制手段を設けたことを特徴とする露光用ガスレーザ装
置。
【請求項２】前記温度上昇抑制手段は、前記スリット
内部に設けられた空洞と、それに連通していて前記スリ
ットの開口の長手方向の幅と略等しい幅を有し、前記開
口近傍に設けられたガス排出口とからなり、前記空洞に
導入され前記ガス排出口から前記開口近傍に供給された
冷却用ガスが、前記開口を貫通する流路に沿って流れる
ことにより、前記スリットの開口近傍の温度上昇が抑制
されることを特徴とする請求項１記載の露光用ガスレー
ザ装置。
【請求項３】前記温度上昇抑制手段は、前記スリット
の開口近傍に開口に沿って設けられた冷媒供給管からな
り、冷媒を前記冷媒供給管に流すことにより、前記スリ
ットの開口近傍の温度上昇が抑制されることを特徴とす
る請求項１記載の露光用ガスレーザ装置。
【請求項４】前記スリットの開口近傍の温度をモニタ
する温度モニタが設けられ、レーザ動作中に前記温度モ
ニタからの温度信号に基き、前記スリットの開口近傍の
温度が所定の温度となるように前記温度上昇抑制手段を
制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項
１から３の何れか１項記載の露光用ガスレーザ装置。
【請求項５】記憶手段と前記温度上昇抑制手段を制御
する制御手段とを備えており、前記記憶手段に発振繰り
返し周波数とレーザ出力をパラメータとして前記制御手
段の制御情報を記憶しておき、実際のレーザ発振繰り返
し周波数とレーザ出力に基づいて前記記憶手段に記憶さ
れた制御情報を読み出し、その制御情報に基づいて前記
制御手段により前記温度上昇抑制手段を制御することを
特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の露光用ガ
スレーザ装置。