JP3296430B2 - 露光用ArFエキシマレーザ装置 - Google Patents
露光用ArFエキシマレーザ装置Info
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Description
シマレーザ装置に関し、特に、レーザパルス幅の長いレ
ーザ発振動作を行う露光用ArFエキシマレーザ装置に
関するものである。
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、次世代の半導体露光用光源と
してArFエキシマレーザ装置が有力である。
ッ素(F2 )ガス、アルゴン(Ar)ガス及びバッファ
ーガスとしてのネオン(Ne)等の希ガスからなる混合
ガスであるレーザガスが数100kPaで封入されたレ
ーザチェンバの内部で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。
るレーザ光のスペクトル幅が400pm程度と広いの
で、露光装置の投影光学系における色収差の問題を回避
するためには、スペクトル幅を1pm以下に狭帯域化す
ることが必要となる。スペクトル線幅の狭帯域化は、例
えばビーム拡大プリズムと回折格子からなる狭帯域化光
学系をレーザ共振器内に配置することにより実現され
る。
中心発振波長が193.3nmであり、現在露光用光源
として使用されているKrFエキシマレーザ装置の中心
発振波長248nmより短い。このため、ステッパー等
の露光装置の投影レンズ系に使用されている硝材である
石英に与えるダメージがKrFエキシマレーザ装置を使
用した場合と比較して大きく、レンズ系の寿命が短くな
るという問題がある。
るカラーセンターの形成とコンパクション(屈折率上
昇)がある。前者は透過率の減少、後者はレンズ系の分
解能の減少として現れる。この影響は、レーザパルスの
エネルギーを一定とした場合、次式で定義されるレーザ
パルス幅Tisに反比例する。
ついて説明しておく。光学素子のダメージが2光子吸収
により生じると仮定すると、ダメージは、強度の2乗に
比例するため、1パルス当たり蓄積されるダメージDは
次式で与えられる。
なレーザ強度(MW)である。
とエネルギーに分離することができる。
レーザ形状である。
後で述べる露光用ArFエキシマレーザの場合、Iは例
えば5mJである。
と、ダメージDは以下の式で表される。
(Iは一定に維持される。)、ダメージDに反比例する
パルス幅Tisが(1)式により定義される。
幅を反映し、また、パルス幅が同じとき、矩形に近い程
Tisは長くなる。
rFエキシマレーザ装置は、発振動作の繰返し周波数
(以後、繰返し周波数と記す。)1kHz、レーザ光出
力が5Wのものが一般的であり、露光装置に塔載される
光学系のダメージを回避するためには、レーザパルス幅
Tisは30ns以上であることが必要とされている。
学系のダメージを低減するためには、レーザパルス幅T
isを長くすること(ロングパルス化)が求められるが、
このロングパルス化は、以下の点からも要請される。
施されたマスクの像が、投影レンズを介してフォトレジ
ストが塗布されたウエーハ等のワークに投影される投影
像の解像度Rと焦点深度DOFは、次式で表される。
数、λは露光用光源から放出される露光光の波長、NA
は開口数である。
明らかなように、露光光の波長の短波長化、高NA化が
進んでいるが、その分、(7)式が示す通り、焦点深度
DOFが小さくなる。そのため、色収差の影響が大きく
なるので、露光光のスペクトル線幅をより狭くする必要
がある。すなわち、ArFエキシマレーザ装置から放出
されるレーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯化が要
請される。
679.(1999)1030〜1037には、レーザ
パルス幅が長くなると、それに伴って、レーザ光のスペ
クトル線幅が狭くなって行くことが記載されており、実
際、本発明者等の実験でもこれは証明された。すなわ
ち、解像度Rを向上させるためには、レーザ光のスペク
トル線幅のさらなる狭帯化が要請され、そのためにはレ
ーザパルス幅のロングパルス化が必要となる。
ダメージの回避、及び、解像度の向上のために、レーザ
パルス幅Tisのロングパルス化が必須となってきた。レ
ーザパルス幅Tisは、レーザチェンバに封入されるレー
ザガス中のフッ素ガス濃度に依存することが知られてお
り(前出:Proc.SPIE Vol.3679.
(1999)1030〜1037)、フッ素ガス濃度を
調整することにより、レーザパルス幅TisをTis≧30
nsとなるようにロングパルス化することが可能とな
る。
の高スループット化のために、次世代の半導体露光用光
源として有力視されているArFエキシマレーザ装置に
対し、繰返し周波数の高繰返し化が要請されている。発
明者等は、このような要請に対応するために、繰返し周
波数が3kHz以上で動作可能な露光用ArFエキシマ
レーザ装置を開発した。
nsとなるように、レーザチェンバに封入されるレーザ
ガス中のフッ素ガス濃度を変化させた。しかしながら、
繰返し周波数が2kHzを越えない場合は、レーザガス
中のフッ素ガス濃度を調整してレーザパルス幅Tis≧3
0nsとなるようにロングパルス化を行うことができた
が、繰返し周波数が2kHzを越えた場合(例えば、3
kHz)においては、どのようにレーザガス中のフッ素
ガス濃度を変化させても、レーザパルス幅Tis≧30n
sとなるようにロングパルス化を行うことはできなかっ
た。
みてなされたものであって、その目的は、繰返し周波数
が3kHzを越えてもレーザパルス幅が30ns以上と
なる露光用ArFエキシマレーザ装置を提供することで
ある。
の結果、レーザチェンバに封入されるレーザガスを構成
するガスの中、アルゴンガスに着目し、ArFエキシマ
レーザ装置においては繰返し周波数3kHz以上で動作
する場合、レーザパルス幅Tisは、アルゴンガスの濃度
に依存することを発見した。
ーザパルス幅Tisは、アルゴンガスの濃度に依存しない
ことが判明した。
ーザ装置における繰返し周波数は、1kHzのものが主
流であって、研究段階のArFエキシマレーザ装置で実
現している繰返し周波数も2kHz程度であった。その
ため、上記したように、レーザパルス幅Tisに対するア
ルゴンガスの濃度の依存性がないので、フッ素ガスの濃
度を調整していた。
るという従来技術を踏襲するのではなく、本発明者が発
明したアルゴンガスの濃度を調整するという新規の技術
を採用することにより、繰返し周波数が3kHzを越え
る場合においてもレーザパルス幅Tisを30ns以上と
することが可能となった。
光用ArFエキシマレーザ装置は、フッ素ガス、アルゴ
ンガス及びアルゴンガス以外の少なくとも1種類の希ガ
スからなるレーザガスが封入されたレーザチェンバと、
このレーザチェンバ内で高電圧パルス放電を発生させて
前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための
高電圧パルス発生装置とを有し、3kHz以上の高繰返
し発振動作を行う露光用ArFエキシマレーザ装置であ
って、前記高電圧パルス発生装置が発生する極性が反転
する1パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、そ
れに続く少なくとも2つの半周期によってレーザ発振動
作を行わせるように構成された露光用ArFエキシマレ
ーザ装置において、前記レーザガスのレーザチェンバ内
圧力が2.5〜3.5気圧、前記レーザガスのフッ素濃
度が0.12%以下、前記レーザガスのアルゴンガス濃
度が2%以上3%以下であり、かつ、レーザパルス幅T
isが30ns以上であることを特徴とするものである。
オンガス並びにキセノンガスの混合ガスであって、キセ
ノンガス濃度が5〜15ppmであることが望ましい。
発生する極性が反転する1パルスの放電振動電流波形の
始めの半周期と、それに続く少なくとも2つの半周期に
よってレーザ発振動作を行わせるように構成し、レーザ
ガスのレーザチェンバ内圧力を2.5〜3.5気圧、レ
ーザガスのフッ素濃度を0.12%以下、レーザガスの
アルゴンガス濃度を2%以上3%以下に設定することに
より、繰返し周波数3kHz以上であっても、レーザパ
ルス幅Tisが30ns以上の露光用ArFエキシマレー
ザ装置を実現することができる。ここで、アルゴンガス
濃度とは、レーザチェンバ内の圧力に対するアルゴンガ
スの分圧をいう。
シマレーザ装置を実施例に基いて説明する。
ーザ装置の構成例を示すものである。図中、1はレーザ
チェンバであり、両端に窓部が設けられ、フッ素ガス、
アルゴンガス及びバッファーガス(例えば、ネオンガ
ス)からなる混合ガスであるレーザガスが封入されてい
る。
け離間して対向した一対の放電電極2が設けられ、高電
圧パルス発生器3より高電圧パルスを印加して放電電極
2間に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。
によって、レーザガスはレーザチェンバ1内部を循環す
る。
のレーザガスは、放電発生後次の放電が発生する前に新
しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放電とな
る。発明者はレーザチェンバ1のレーザガス循環構造、
ファン4の形状等の改良を行い、繰返し周波数3kHz
以上を実現した。
ーザ光のスペクトル幅を狭帯域化するための狭帯域化光
学系を有する狭帯域化モジュール5が設けられる。狭帯
域化光学系は、例えば、1個以上のプリズムからなるビ
ーム径拡大光学系とリトロー配置の反射型回折格子とか
ら構成される。レーザチェンバ1の他方の端部側には出
力鏡6が設けられ、この出力鏡6と狭帯域化モジュール
5に設置された狭帯域化光学系によりレーザ共振器が構
成される。
ーザ光の一部はビームサンプラー7により取出され、レ
ーザ光の時間的波形を検出する波形検出手段8に導かれ
る。波形検出手段8は、例えば、フォトダイオードまた
は光電子増倍管を光電変換手段として備えている。波形
検出手段8で得られた波形データはパルス幅算出手段9
に送られる。パルス幅算出手段9は、受け取ったパルス
幅データに基いて、前記した式(1)に従って、レーザ
パルス幅Tisを算出する。
流れる振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値
が大きくなるように高電圧パルス発生器3の回路定数を
定めることにより、ロングパルス化を図っている。すな
わち、図2に波形図を示すように、放電電極間を流れる
振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値が大き
くなるように回路定数を定めることにより、振動電流の
最初の1/2周期とそれに続く少なくとも1つ(望まし
くは2つ)の1/2周期においても、レーザガスの励起
を行わせて、レーザ発振動作を持続させることによりロ
ングパルス化を図っている。
置において、繰返し周波数を3kHz、レーザチェンバ
1内圧力を3.5気圧(約350kPa)、フッ素濃度
を0.09%、バッファーガスをネオンとして、レーザ
チェンバ1内のアルゴンガス濃度に対するレーザパルス
幅Tisと1パルス当たりのレーザ出力エネルギーの関係
を調べたところ、図3のような結果が得られた。
波数が3kHzで、レーザガスのレーザチェンバ内圧力
が3.5気圧の場合に、アルゴンガス濃度が増加してい
くと、レーザパルス幅Tisが短くなっていく。この理由
は、繰返し周波数が3kHz以上に増加すると、Arイ
オン等の残留生成物の増加、Arの電離による電流集中
の発生により放電の不安定さが増し、パルス励起の後半
において均一の放電から放電の空間的な集中が発生して
必要な均一な励起が効率良く行われなくなるからであ
る。したがって、30ns以上のレーザパルス幅T
is(Tis≧30ns)を達成するためには、アルゴン濃
度を3%以下に設定する必要がある。なお、レーザチェ
ンバ1内圧力はガス温度を25℃に換算したときの値で
ある。
が低下していくと、レーザ出力エネルギーの低下が起こ
る。この理由は、アルゴンガス濃度が低下すると、励起
されるエキシマの量が減ってしまうからである。露光用
狭帯域化ArFエキシマレーザ装置が放出する光の1パ
ルス当たりのエネルギーは、露光装置の性能、ウエーハ
に塗布されたレジストの性能から、5mJ程度が望まし
いとされているので、アルゴン濃度が2%より小さくな
ると、図3の場合、レーザパルス幅TisはTis≧30n
sとなるが、1パルス当たりのエネルギーは、5mJを
下回ることになる。したがって、レーザチェンバ1内の
アルゴンガス濃度は2%以上に設定することが望まし
い。なお、図3において、アルゴンガス濃度が3%程度
以上に増加していくと、レーザ出力エネルギーは低下し
始める。その理由は、上記のように、アルゴンガス濃度
が増加していくとレーザパルス幅Tisが短くなってしま
うためである。
ェンバ1内のアルゴンガス濃度を2.5%としたとき
の、放電電極2間に流れる放電電流(図(a))と、波
形検出手段8で得られた時間的なレーザパルス波形(図
(b))とを対比して示す。このとき、パルス幅算出手
段9により求められたレーザパルス幅Tisの値は46n
sであった。
り流れる振動電流の最初の1/2周期とそれに続く2つ
の1/2周期によりレーザガスの励起を行い(特に、最
初と3番目の1/2周期により励起を行っている。)、
かつ、アルゴンガス濃度を3%以下の2.5%としたこ
とにより、Tis≒46nsとのロングパルス化を達成し
ている。
ッ素濃度、バッファーガスの条件は変えず、レーザチェ
ンバ1内圧力のみを2.5気圧(約250kPa)にし
て、レーザチェンバ1内のアルゴンガス濃度に対するレ
ーザパルス幅Tisと1パルス当たりのレーザ出力エネル
ギーの関係を調べた結果を示すものである。この条件下
においても、アルゴン濃度を3%以下に設定すれば、レ
ーザパルス幅TisをT is≧30nsとすることができる
ことが分った。
る際、レーザチェンバ1内圧力は、2.5〜3.5気圧
(約300〜400kPa)程度に設定することが望ま
しい。その理由は、レーザチェンバ1内圧力が2.5気
圧未満では、1パルス当たりのエネルギーを5mJ以上
とすることが困難であり、レーザチェンバ1内圧力が
3.5気圧を越えると、放電領域のインピーダンスが増
加するため放電を持続することが困難になり、また、長
時間安定的に放電励起することが困難になるので、レー
ザパルス幅TisをTis≧30nsとすることができない
ためである。
に設定することが望ましい。その理由は、フッ素ガス濃
度を0.12%より大きくすると、アルゴン濃度を3%
以下に設定しても、フッ素が電子を付着してレーザガス
中に電子密度の不均一を起こしやすいので、レーザパル
ス幅TisをTis≧30nsとすることができないためで
ある。
ァーガスをネオンとした例を示したが、これに限るもの
ではなく、複数種の不活性ガスを混合してもよい。図6
は、バッファーガスとしてネオンの他に、キセノン(X
e)を10ppm添加し、繰返し周波数を3kHz、レ
ーザチェンバ1内圧力を3.5気圧(約350kP
a)、フッ素濃度を0.09%として、レーザチェンバ
1内のアルゴンガス濃度に対するレーザパルス幅Tisと
1パルス当たりのレーザ出力エネルギーの関係を調べた
結果を示すものである。比較のため、図6中には、バッ
ファーガスをネオンのみとした図3の結果も併せて示し
てある。図中、破線で示した特性が図3の結果である。
り、アルゴンガス濃度に対するレーザパルス幅Tisの関
係はほとんど変化しないものの、1パルス当たりのレー
ザ出力エネルギーは、キセノンを添加しない場合に比べ
て増大している。このキセノンの添加の作用は、レーザ
チェンバ1内の放電電極間の放電空間近傍に配置される
不図示の予備放電電極からの紫外線による予備電離を促
進させるためである。このように、バッファーガスにキ
セノンを添加することにより、1パルス当たりのレーザ
出力エネルギーが、露光装置、フォトレジスト等の露光
条件から所望とされる5mJより下回らないためのアル
ゴン濃度範囲が拡張されることになる。
〜15ppmであることが望ましい。その理由は、キセ
ノンガス濃度を5ppmより小さくすると、1パルス当
たりのレーザ出力エネルギーの増大効果はほとんど確認
できず、キセノンガス濃度を15ppmより大きくする
と、逆に、1パルス当たりのレーザ出力エネルギーが低
下して5mJを下回ることが、本発明者等の実験により
明らかになったためである。
にレーザチェンバ内のフッ素濃度を調整するという技術
とは全く異なり、アルゴンガス濃度を調整するという新
規な技術により、繰返し周波数3kHz以上、レーザパ
ルス幅Tisが30ns以上の高繰返しロングパルス化狭
帯域ArFエキシマレーザ装置を実現することに成功し
た。
ザ装置を実施例に基いて説明してきたが、本発明は上記
実施例に限定されるものではなく種々の変形が可能であ
る。例えば、必要とされる露光用狭帯域化ArFエキシ
マレーザ装置が放出する光の1パルス当たりのエネルギ
ーが、露光装置の性能、ウエーハに塗布されたレジスト
の性能の向上より、5mJを下回った場合には、それに
応じてレーザチェンバ内のアルゴンガス濃度の設定範囲
を下限の2%より拡張することが可能である。要は、必
要とされるレーザパルス幅Tis、並びに、1パルス当た
りのレーザ出力エネルギーに応じて、アルゴンガス濃度
を設定すればよい。
の露光用ArFエキシマレーザ装置によれば、高電圧パ
ルス発生装置が発生する極性が反転する1パルスの放電
振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも
2つの半周期によってレーザ発振動作を行わせるように
構成し、レーザガスのレーザチェンバ内圧力を2.5〜
3.5気圧、レーザガスのフッ素濃度を0.12%以
下、レーザガスのアルゴンガス濃度を3%以下に設定す
ることにより、繰返し周波数3kHz以上であっても、
レーザパルス幅Tisが30ns以上の露光用ArFエキ
シマレーザ装置を実現することができる。
と、1パルス当たりのエネルギーを、露光装置の性能、
ウエーハに塗布されたレジストの性能から望ましいとさ
れている5mJを下回らないようにすることができる。
ンガス並びにキセノンガスの混合ガスとし、キセノンガ
ス濃度を5〜15ppmとすれば、1パルス当たりのレ
ーザ出力エネルギーが5mJより下回らないアルゴン濃
度範囲を拡張することができる。
成例を示す図である。
動放電電流とレーザ発振動作の関係を模式的に示す図で
ある。
レーザチェンバ内のアルゴンガス濃度に対するレーザパ
ルス幅と1パルス当たりのレーザ出力エネルギーの関係
を調べた結果を示す図である。
流と波形検出手段で得られた時間的なレーザパルス波形
とを対比して示す図である。
レーザチェンバ内のアルゴンガス濃度に対するレーザパ
ルス幅と1パルス当たりのレーザ出力エネルギーの関係
を調べた結果を示す図である。
合のアルゴンガス濃度に対するレーザパルス幅と1パル
ス当たりのレーザ出力エネルギーの関係を調べた結果を
示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 フッ素ガス、アルゴンガス及びアルゴン
ガス以外の少なくとも1種類の希ガスからなるレーザガ
スが封入されたレーザチェンバと、このレーザチェンバ
内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励
起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装
置とを有し、3kHz以上の高繰返し発振動作を行う露
光用ArFエキシマレーザ装置であって、前記高電圧パ
ルス発生装置が発生する極性が反転する1パルスの放電
振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも
2つの半周期によってレーザ発振動作を行わせるように
構成された露光用ArFエキシマレーザ装置において、 前記レーザガスのレーザチェンバ内圧力が2.5〜3.
5気圧、 前記レーザガスのフッ素濃度が0.12%以下、 前記レーザガスのアルゴンガス濃度が2%以上3%以下
であり、かつ、 レーザパルス幅T is が30ns以上であ ることを特徴と
する露光用ArFエキシマレーザ装置。 - 【請求項2】 前記アルゴンガス以外の希ガスがネオン
ガス並びにキセノンガスの混合ガスであって、前記キセ
ノンガス濃度が5〜15ppmであることを特徴とする
請求項1記載の露光用ArFエキシマレーザ装置。
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