JP2003331793A - フッ素レーザ用放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フッ素レーザ装置の波長安定化用の基準光源で
あって、フッ素レーザ装置をステッパーやスキャン露光
等の投影露光装置の光源として使う場合にその基準光源
として実用性のあるものを提供すること。 【解決手段】フッ素レーザ装置より出射されるレーザ光
の波長に近い発光スペクトルを有し、この発光スペクト
ル線を利用してフッ素レーザ装置からのレーザ光の発振
波長を安定化させるためのフッ素レーザ用放電ランプで
あり、さらに基準光源は、概略円筒状の放電容器（１）
の一端に真空紫外光を放射する窓部材（３）を有すると
ともに、容器内には、発光物質として臭素分子並びに臭
素化合物の少なくとも一方と、始動用バッファガスとし
ての希ガスを有し、この放電容器（１）の外面には、そ
の側面を取巻くような概略帯状の一対の電極４（４ａ、
４ｂ）が放電容器（１）の長手方向に互いに離間して配
置して、かつ、窓部材に近い電極４ｂの長さは他方の電
極の長さ４ａよりも短いことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光の発振波
長を安定化するための基準光源ランプに関し、特に、波
長１５７ｎｍの光を発振するフッ素レーザ装置用放電ラ
ンプに関する。 【０００２】 【従来の技術】半導体回路の微細化、高集積化につれ、
投影露光装置では解像度の向上が要請されている。この
ため、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、半導体リソグラフィ用光源としては、従来の水
銀ランプの放射波長（３６５ｎｍ）より短波長の光を放
出するＡｒＦエキシマレーザ装置が採用されている。こ
のＡｒＦエキシマレーザ装置は発振波長１９３ｎｍ、線
幅０．５ｐｍであるが、最近では、より発振波長が短い
フッ素（分子）レーザ装置が次世代の光源として注目さ
れている。このフッ素レーザ装置は発振波長１５７ｎｍ
（厳密には、１５７．６２９９ｎｍ）、線幅０．２ｐｍ
である。 【０００３】このようなＡｒＦエキシマレーザ装置およ
びフッ素レーザ装置は、放電動作中の発振波長が変動す
るため、レーザ装置としては発振波長を所定値に維持す
るための波長安定化制御が必要になる。安定化のレベル
は、ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合で±０．０５ｎ
ｍ、フッ素レーザ装置ではそれ以下の精度で要求され
る。そして、このような波長安定化制御を行うために
は、レーザ装置からの発振波長を測定する手段が必要に
なる。通常は、放射光が安定である（発光波長が変動し
ない）基準光源を使って、この基準光源からの放射光と
被測定光（レーザ光）を所定時間ごとに比較すること
で、当該比較値のズレをもって、被測定光の波長のズレ
を検知する方法が用いられている。 【０００４】図５にＡｒＦエキシマレーザ装置の波長測
定装置を示す。基準光源から基準光が放射され、この基
準光はシャッターＡを経てビームスプリッタに入射し、
さらにエタロン、集光レンズを経て光検出器としてのリ
ニアセンサ（ＣＣＤ）に入射する。リニアセンサ上には
干渉縞（フリンジ）を形成し、このフリンジの位置デー
タから基準光源の放射光の線幅、中心波長を認識する。 【０００５】次に、シャッターＡを閉じて、ＡｒＦエキ
シマレーザからの波長１９３．４ｎｍ近傍の被測定光
（レーザ光）を入射開口、シャッターＢ、反射鏡を経
て、さらに凹面反射鏡、エタロンに導く。そして、エタ
ロンで多重干渉された被測定光が集光レンズを経てリニ
アセンサ（ＣＣＤ）上に照射される。このリニアセンサ
上では、前記基準光源の場合と同様にフリンジが形成さ
れ、基準光源の場合と同様にＣＣＤ上に形成される位置
データから被測定光の線幅や中心波長が算出される。 【０００６】なお、基準光源は波長変動が起きにくいの
で、一度だけ測定するか、あるいは事前に装置内のコン
ピュータ等に認識させておけば、レーザ動作開始後にお
ける定期的な測定は不要と考えられる。しかし、レーザ
動作の経過時間に伴って、エタロンにおける空気の屈折
率が変動し、ミラーの位置が微妙に変動する等の理由に
より、リニアセンサ上の干渉縞の位置も微妙に変化す
る。つまり、基準光源の放射光は変動しないが、測定系
において変動が生じるため、基準光源の測定も定期的、
あるいは頻繁に必要になる。つまり、エタロンやミラー
の状態が変化したとしても、その状態における基準光源
により形成される波長位置データとＡｒＦレーザ装置の
レーザ光で形成される波長位置データを比較することで
レーザ光の発振波長位置のズレを測定することができる
わけである。 【０００７】上記従来例はＡｒＦエキシマレーザ装置の
場合について説明したが、フッ素レーザ装置についても
同様であって、発振レーザ光の波長安定化のためには基
準光源を使った制御が必要となる。特に、フッ素レーザ
装置の場合は、発振波長がＡｒＦエキシマレーザよりも
さらに短い真空紫外域であり、透過する気体媒質の温度
などによる密度の揺らぎ起因する屈折率の変化によっ
て、波長が微妙に変化して観測される恐れがあること、
線幅が小さく、発振波長のズレの許容度も小さいこと、
からフッ素レーザ装置の発振波長にきわめて近い波長の
光を放出する基準光源が必要となる。 【０００８】ここで、フッ素レーザ装置の基準光源につ
いては、例えば、特開２０００−２４９６００号に説明
されており、この文献には、発光物質として炭素
（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、フッ素
（Ｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、アルゴン（Ａｒ）、カルシウム（Ｃａ）、スカン
ジウム（Ｓｃ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、
ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇ
ｅ）、砒素（Ａｓ）、臭素（Ｂｒ）、白金（Ｐｔ）を使
うことが開示されている。 【０００９】しかしながら、この文献の開示内容は、波
長１５７ｎｍ近辺に僅かでも発光の可能性が見出せる原
子を単に羅列したにすぎず、発光強度を考慮して、実用
上有効な発光原子を特定しているものではない。言い方
を変えれば、ここに開示された原子を発光物質として選
択して基準光源を作ったとしても、当該選択された原子
による発光ではその光強度が低すぎるか、あるいは他の
波長との相対強度が低いため、半導体製造装置である投
影露光装置（ステッパーやスキャン露光）の光源として
使うフッ素レーザ装置の基準光源として十分に利用でき
るものではない。また、この文献には放電ランプの構造
や形状について何ら記載するものではなく、どのような
構造や形状が基準光源として優れているかを開示するも
のでもない。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明が解
決しようとする課題は、波長１５７．６２９９ｎｍの光
を放出するフッ素レーザ装置の波長安定化用の基準光源
であって、フッ素レーザ装置をステッパーやスキャン露
光等の投影露光装置の光源として使う場合にその基準光
源として実用性のあるものを提供することである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の基準光源は、フッ素レーザ装置より出射
されるレーザ光の波長に近い発光スペクトルを有し、こ
の発光スペクトル線を利用してフッ素レーザ装置からの
レーザ光の発振波長を安定化させるためのフッ素レーザ
用放電ランプであり、さらに基準光源は、概略円筒状の
放電容器の一端に真空紫外光を放射する窓部材を有する
とともに、容器内には、発光物質として臭素と始動用バ
ッファガスとしての希ガスを有し、この放電容器の外面
には、その側面を取巻くような概略帯状の一対の電極が
放電容器の長手方向に互いに離間して配置しており、こ
の一対の電極のうち、窓部材側に設けられた電極の長さ
が、他方の電極の長さより小さいことを特徴とする。 【００１２】 【作用】この発明は、フッ素（Ｆ２）レーザ装置の基準
光源として、臭素原子を利用するとともに、放電容器と
その外面に配置された電極の構造、特に電極の長さを特
定したことを特徴とする。 【００１３】まず、臭素原子を使う点について説明する
と、放電容器内に、臭素分子あるいは臭素化合物という
形で臭素を封入することにより、放電プラズマ中に臭素
励起原子が多数発生させ、この臭素励起原子からＦ２レ
ーザの波長に近い所望の発光スペクトルが効率良く得ら
れ、放電容器の窓部材を通じて外部に放射光を取り出す
ことができる。特に、臭素原子の発光スペクトルは１５
７．６３８７ｎｍであり、フッ素レーザの発振波長であ
る１５７．６２９９ｎｍに極めて近く、また、臭素原子
はその他の原子に比べて、この発光波長に高い光強度を
有するので、他の原子に比較しても実用性は十分に有し
ている。 【００１４】また、放電容器の全体形状を概略円筒状と
して、その一端に窓部材を設けるとともに、外側電極は
放電容器の外側側面を取巻くように円筒状（帯状）のも
のを放電容器の長手方向に互いに離間させて密着させて
いる。このような構造により、放電容器内で発生する放
電プラズマからの発光を円筒の中心軸から窓部材を介し
て取り出す場合に、放電プラズマ内に光学的に最も明る
い領域を円筒状の放電容器のほぼ中心付近に安定に発生
させることができ、この光学的に最も明るい位置を容易
に見積もることができるので、後段のレンズあるいはス
リット等の光学系とも関連させて、これらの位置調整を
容易に行うことができる。また、外部電極型構造とする
ことで放電容器に電極棒を導入するような構造が不要と
なり、放電容器を完全な気密封止とすることができる。
このため、従来のランプに見られるような封入ガスのリ
ークや封止部でのクラックの発生などの問題を良好に解
決することができ、結果として長時間安定な発光を得る
ことができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】図１は本発明のフッ素（Ｆ２）レ
ーザ装置の発振レーザ光を制御するための基準光源を示
す。放電容器１は本体ケース２と窓部材３から構成され
る。本体ケース２は概略円筒形状をしており、例えば、
石英ガラスから形成される。窓部材３は容器内部で生成
した真空紫外光を取り出すためのもので合成石英ガラス
からなる概略円盤状部材が本体ケース２の一端を塞ぐよ
うに取付けられる。また、本体ケース２はソーダ石灰ガ
ラス、鉛ガラス、アルミナ珪酸ガラス、ホウケイ酸ガラ
スなども利用でき、窓部材３は合成石英ガラス以外にフ
ッ化マグネシウムも採用することができる。放電容器に
ついて、数値例をあげると、長さ１５０ｍｍ、外径２０
ｍｍ、厚さ１ｍｍである。 【００１６】本体ケース２の外表面には、一対の概略帯
状の電極４（４ａ、４ｂ）が巻き付けられており、この
電極４（４ａ、４ｂ）からの接続線が交流電源５に接続
される。この電極４（４ａ、４ｂ）は、放電容器２の長
手方向に対して互いに離間するように配置して、一方の
電極が窓部材３に近く、他方の電極は窓部材３から離れ
ているという構造を形成する。電極４は、例えば、銅、
アルミニウムからなるもので薄膜状のものが本体ケース
２に密着する形で巻き付けられる。また、あらかじめ型
成形した金属部材を取り付け、接着剤あるいは、ネジ固
定してもよい。これらの導電性部材の巻きつけ、取り付
けにおいては接着剤、あるいはこれに代わる粘着剤に導
電性を持たせて使用するのも有効である。 【００１７】ここで、電極４ａ、４ｂは、ともに放電容
器を取り巻く概略バンド状（帯状）のものであるが、窓
部材に近い側の電極４ｂは、他方の電極４ａよりも放電
容器２の長手方向の長さが短い。図に基づいて、具体的
に示すと電極４ｂの長さＢは、電極４ａの長さＡより短
いということになる。数値例をあげると、電極４ｂの長
さＢは３０ｍｍ、電極４ａの長さＡは９０ｍｍである。
なお、窓部材３の外には、レンズLとスリットＳＬが配
置される。レンズLは、ランプの光学的に最も明るい位
置をスリット上に転写するために使用され、レンズ材質
には、１５７ｎmにおける透過率の良いフッ化リチウ
ム、フッ化カルシウム、合成石英等が選ばれる。スリッ
トＳＬは図５で示す光学系に向けて良好に放射光を導く
ためのものである。 【００１８】ここで、図１のような容量結合型の放電ラ
ンプの場合、ランプへの入力電力は電極部分における静
電容量に依存する。図示のように２つの帯状電極が配置
される場合におけるランプ全体の静電容量は直列に接続
されているため、（電極４ａによる静電容量×電極４ｂ
による静電容量）／（電極４ａによる静電容量＋電極４
ｂによる静電容量）によって求まる。 【００１９】図２は、電極４ａの幅Ａと電極４ｂの幅Ｂ
の比率のみを変化させた場合の放電ランプの形態を示
す。図２（ａ）〜（ｅ）に示す放電ランプは電極の長さ
のみが異なるわけであるが、電極の長さを具体的にあげ
ると、（ａ）において幅Ａは１１０ｍｍ、幅Ｂは１０ｍ
ｍ、（ｂ）において幅Ａは９０ｍｍ、幅Ｂは３０ｍｍ、
（ｃ）において幅Ａは６０ｍｍ、幅Ｂは６０ｍｍ、
（ｄ）において幅Ａは３０ｍｍ、幅Ｂは９０ｍｍ、
（ｅ）において幅Ａは１０ｍｍ、幅Ｂは１１０ｍｍであ
り、電極４ａ、４ｂ間の離間距離はすべて１０ｍｍであ
る。この場合、各電極の幅Ａと幅Ｂの合計値は、（ａ）
〜（ｅ）に示す形態において全て等しく１２０ｍｍであ
り、かつ、電極幅以外の他の条件が等しいとするなら
ば、ランプ全体の静電容量Ｃは、前記の式に基づき、構
造（ｃ）が最も大きく、次いで、構造（ｂ）、構造
（ｄ）、その次に構造（ａ）、構造（ｅ）の順となる。
つまり、図２（ｃ）に示す構造のように、電極４ａの幅
Ａと電極４ｂの幅Ｂを等しくする構造が最も静電容量が
大きくなり、理論的には、放電ランプからの放射光量も
最も大きいということになる。 【００２０】しかしながら、現実に、窓部材３から放射
される光を、図１に示すレンズＬとスリットＳＬによっ
て導いて測定してみると、その放射光量は上記推測とは
異なっていることが判明した。図３は、図２（ａ）〜
（ｅ）の放電ランプによって、図１に示すレンズＬとス
リットＳＬを経過して導かれる放射光を測定した実験結
果を示す。縦軸は構造（ｃ）の光強度を１とした場合の
各構造の相対光強度を表し、横軸は電極４ａと電極４ｂ
の電極幅比を表す。図では、黒丸印が、左から構造
（ａ）の相対光強度、構造（ｂ）の相対光強度、構造
（ｃ）の相対光強度、構造（ｄ）の相対光強度、構造
（ｅ）の相対光強度を表しており、数値を順に示すと、
2.26、2.71、1.00、0.60、0.34である。この結果から明
らかなように、構造（ｂ）が最も光強度が大きく、順
に、構造（ａ）、構造、（ｃ）、構造（ｄ）、構造
（ｅ）となっている。 【００２１】この原因は、必ずしも明らかではないが、
電極幅が小さい方が放電プラズマが絞るように生じるた
め、本発明が対象とするフッ素レーザ装置の基準光源の
ように輝点からの放射光をレンズやスリットで取り出す
タイプの光学系により構成される場合には、窓部材に近
い側の電極の幅、具体的には面積が小さいことが有効で
あることと推測する。その一方で電極の面積（本発明の
ように概略円筒状放電容器の場合は長手方向の長さとも
言える）が小さいと全体の静電容量は小さくなってしま
う。そこで、本発明の基準光源は、全体の静電容量を大
きく取るため、電極幅自体は十分に大きくとりつつも、
窓部材に近い側の電極の幅Bと他方の電極の幅Aについて
その比Ｂ/Ａを１より小さくすることにより、高輝度の
放電領域を形成させることのできる、放電ランプを提供
したものである。また、この関係は、レンズＬを設ける
ことなく所望のスペクトル線のみを選択するためのフィ
ルタを設置したスリットだけを設ける光学系にも適用で
きる。 【００２２】放電ランプの説明に戻って、放電容器１の
内部には、発光成分として臭素分子またはその化合物、
点灯始動用バッファガスとして希ガスが封入される。一
例をあげると、臭素分子またはその化合物は、臭素原子
が、例えば０．０１５μｍｏｌ／ｃｃとなるように封入
され、希ガスはアルゴンが２．６７ｋＰａ封入される。
このランプを点灯すると、電極４ａと電極４ｂ間に放電
プラズマ６が形成される。放電容器全体に均一に放電プ
ラズマが形成される場合もあるが、この例では、放電プ
ラズマが狭窄した形が示されている。なお、臭素化合物
は臭化水素（ＨＢｒ）、臭化アンモニウム（ＮＨ_４Ｂ
ｒ）、臭化エチレン（ＣＨ_２Ｂｒ_２）、臭化エチル（Ｃ
Ｈ_３Ｂｒ）という形で封入できる。 【００２３】一対の電極４ａ、４ｂに所定の高周波電圧
を印加することにより、放電容器２の内部で放電プラズ
マ６が発生する。この放電プラズマは、電極間隔、ガス
圧、高周波電圧の選び方のより、放電が狭窄した形とし
て実現することができる。なお、高周波電圧としては、
周波数領域としては、商用周波数である５０Ｈｚ〜１０
０ＭＨｚ程度まで可能であり、電圧波形についても、正
弦波、矩形波、フライバックによるパルス点灯、あるい
はバースト点灯なども可能である。そして、この光学的
に最も明るい位置を基準として放電容器とスリットＳＬ
の位置関係を調整することで、スリットＳＬに入射する
光束量を最大になるように決めることができる。 【００２４】次に、図４使って、このような基準光源を
使ったフッ素レーザ装置の全体構造について説明する。
フッ素レーザ装置はレーザチャンバ１０、狭帯域モジュ
ール２０、波形検出光学系３０、制御回路４０からを主
要素として構成され、これらで投影露光装置用の光源と
して機能すべく波長１５７ｎｍの光を放射する。レーザ
チャンバ１０の両端には、窓が設けられており、チェン
バ内にフッ素ガス、およびヘリウムを主体とするバッフ
ァガスが封入される。レーザチャンバ１０の内部には所
定間隔だけ離間して対向した一対の放電電極が設けら
れ、図示略の高電圧発生装置からの高電圧パルスが印加
されると放電電極間に放電が生じてレーザガスであるフ
ッ素ガスが励起される。この励起によってレーザ光が生
じるが狭帯域化モジュール２０にはレーザ光のスペクト
ル幅を狭帯域化するためのプリズムや回折格子が配置す
る。そして、レーザチャンバ１０の他方の窓の外には出
力鏡が設けられるとともにその先にビームスプリッタ３
１が設けられ、ここからレーザ光を公正するための検出
光が一部取り出される。この検出光を受ける波形検出光
学系３０は、図５に示す構造を有し、リニアセンサから
の信号が制御回路４０に送信される。 【００２５】一方、臭素を発光物質とする基準光源５０
からの放射光も同様に波形検出光学系３０に入射され
る。この説明も図５における基準光源として本発明のラ
ンプを適用するだけで同様の説明をすることができる。
そして、基準光源５０からの放射光もリニアセンサから
の信号として制御回路４０に送信される。現実の動作と
しては、フッ素レーザ装置からのレーザ光が定期的に測
定されるとともに、それに前後して基準光源５０からの
放射光を測定することになる。この理由は前記したが、
波形検出回路３０に含まれるエタロンやミラー等の光学
部品の状態が微妙に変化するためであり、その都度、両
方の光を検出してその状態におけるフッ素レーザ装置の
レーザ光を基準光源の波長を基準にして測定するもので
ある。そして、フッ素レーザ装置からのレーザ光の発振
スペクトルにズレがある場合には、制御回４０から狭帯
域モジュール２０に信号を送り、回折格子を動かす等に
よって適正化を図る。 【００２６】図６に本発明の基準光源の分光スペクトル
を示す。縦軸はこの基準光源から放射される全放射光の
うち、各々の波長における光の相対強度を示す。図にお
いて、波長１５７．６３８７ｎｍに高い放射強度を示し
ていることがわかる（なお、図においては波長１６３ｎ
ｍ付近にもより高いピークを有しているが、１５７．６
３８７ｎｍにも高いピークが存在することがわかる）。
この基準光源は臭素０．０２５μｍｏｌ／ｃｃ、希ガス
としてアルゴン６．６０ｋＰａ封入したランプである。 【００２７】 【発明の効果】以上、説明したようにこの発明に係るフ
ッ素レーザ装置の波長安定化用放電ランプは、窓部材側
の電極の長さが、他方の電極の長さより短いものとした
ことで、光学系を介して、より大きい光強度の放射光を
取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係るフッ素レーザ装置の波長安定化用
放電ランプの基本構成を示す。 【図２】本発明に係る基準光源の実施形態を示す。 【図３】本発明に係る基準光源の実施例に関する効果を
示す。 【図４】フッ素レーザ装置の全体構造を示す。 【図５】波長測定装置の概略図を示す。 【図６】本発明に係る基準光源の分光スペクトルを示
す。 【符号の説明】 １ 放電容器 ２ 本体ケース ３ 窓部材 ４ 電極 ５ 交流電源 ６ 放電プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 正樹 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシオ 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F072 AA04 HH02 HH05 JJ05 KK30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】フッ素レーザ装置より出射されるレーザ光
   の波長に近い発光スペクトルを有し、この発光スペクト
   ル線を利用してフッ素レーザ装置からのレーザ光の発振
   波長を安定化させるためのフッ素レーザ用放電ランプに
   おいて、前記放電ランプは、概略円筒状の放電容器の一
   端に真空紫外光を放射する窓部材を有するとともに、発
   光物質として臭素と始動用バッファガスとしての希ガス
   が封入されていて、この放電容器の外面には、その側面
   を取巻くような概略帯状の一対の電極が放電容器の長手
   方向に互いに離間して配置されるとともに、窓部材側に
   設けられた電極の長手方向の長さが、他方の電極の長手
   方向の長さより小さいことを特徴とするフッ素レーザ用
   放電ランプ。