(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有率を１０ｗｔｐｐｍ以下としたことを特徴とするニッケル基合金からなるエキシマレーザー発振装置用放電電極。
【請求項２】
酸素含有率を１ｗｔｐｐｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載のニッケル基合金からなるエキシマレーザー発振装置用放電電極。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２のいずれか１項記載の放電電極を用いたエキシマレーザー発振装置。
【請求項４】
請求項３記載のエキシマレーザー発振装置と基板を移動させるためのステージとを有することを特徴とするステッパー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属、樹脂、ガラス、セラミックス、半導体等の加工や化学反応等に利用されるエキシマレーザー発振装置の放電電極に係わり、特にエネルギー及びビーム形状安定性に優れ、エキシマレーザー発振装置の長寿命を可能にする放電電極に関する。また、上記上記放電電極を用いたエキシマレーザー発振装置及びステッパーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザーは、紫外域で発振する唯一の高出力レーザーとして注目されており、電子産業や化学産業やエネルギー産業において応用が期待されている。
【０００３】
エキシマレーザー光を発生する装置はエキシマレーザー発振装置として知られている。マニホールド内に充填されたＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，ＫｒＦ，ＡｒＦ等のレーザーガスを電子ビーム照射や放電等により励起状態にする。すると、励起された原子は基底状態の原子と結合して励起状態でのみ存在する分子を生成する。この分子がエキシマと呼ばれるものである。エキシマは不安定な為、直ちに紫外光を放出して基底状態に落ちる。これをボンドフリー遷移というが、この遷移よってえられた紫外光を一対のミラーで構成される光共振器内で増倍してレーザー光として取り出すものがエキシマレーザー発振装置である。
【０００４】
まず、図２を用いてエキシマレーザーシステムを説明する。
【０００５】
図２において、Ａ０１はレーザーチャンバー、Ａ０２は発振線の線幅を制御するための狭帯域化モジュール、Ａ０３は高圧のパルスパワーモジュール、Ａ０４は発振されたレーザーのエネルギー強度及び波長を測定する光学モニターモジュール、Ａ０５は高圧電源、Ａ０６はエキシマレーザーシステム全体を制御するコントローラーである。
【０００６】
また、上記エキシマレーザーシステムをステッパーの露光光源として用いる場合には、コンピュータコントローラーＡ０６はインターフェイスＡ３０を介してステッパーのコントロールユニットＡ３１とステッパーコンピュータＡ３２等に接続される。
【０００７】
レーザーチャンバーＡ０１には、例えばＦ2、Ｋｒ、Ｎｅ等のガスが封入され、パルスパワーモジュールＡ０３から高圧のパルスがレーザーチャンバー内のカソード電極に印加されるとガスが放電し、発光を開始する。光は出力ミラーＡ０７と狭帯域化モジュールＡ０２内の光学系と間で繰り返し反射され、増幅されて、外部に放出される。
【０００８】
所望の波長のレーザー光を得るために、放出されたレーザー光の一部はハーフミラーＡ０６により光学モニターモジュールＡ０４に導かれ、光の波長等が測定され、この結果に基づいて、ステッピングモーターＡ０９が駆動され、狭帯域化モジュールＡ０２の光学系が最適化される。また、レーザー光のパワーも常時この光学モニタモジュールで監視される。
【０００９】
図１はレーザーチャンバーＡ０１のレーザー光発振方向に垂直な断面の模式図である。
【００１０】
図１が示すように、レーザーチャンバーＡ０１は、２つのアルミニウム製ハウジング部材Ａ１１，Ａ１２からなり、Ｏ−リングＡ１３によりシールされている。チャンバーＡ０１には、絶縁体Ａ１４、カソード電極支持部材Ａ１５を介してカソード電極Ａ１６が固定され、アノード電極Ａ１７はアノード電極支持部材Ａ１８を介し、ハウジング部材に固定されている。Ａ２０はカソード電極Ａ１６とパルス発振器Ａ０３との接続用のコネクターである。
【００１１】
次に、図３を用いて、本発明者が先に考え出したガス供給系を説明する。
【００１２】
図３の例では、１％Ｋｒ／Ｎｅガスのガス供給ラインＣ０１、１％Ｆ2／１％Ｋｒ／Ｎｅガスの供給ラインＣ０１’及びＨｅガスの供給ラインＣ０１”の３系統のガス供給ラインが設けられている。各ガス供給ラインには流量調整用のオリフィスＣ０２、Ｃ０２’Ｃ０２”、バルブＣ０３、Ｃ０３’、Ｃ０３”が設けられ、マニホールドＣ０４に連結されている。なお、Ｈｅガスは、レーザーチャンバーの窓板を交換する場合等にパージ用のガスとして用いる。
【００１３】
マニホールドＣ０４は、このガス供給用の連結配管Ｃ０５にはチャンバーバルブＣ０６、バルブＣ０７が設けられている。また、マニホールドＣ０４には、Ｆ2ガス補給用配管Ｃ０８が接続され、インジェクションバルブＣ０９、流量制御用オリフィスＣ１０を介して前記連結配管Ｃ０５と接続されている。
【００１４】
また、Ｃ１２はスプリングバルブであり、マニホールドＣ０４中の圧力が異常に上昇したときに開くバルブである。Ｃ１３はマニホールドの排気ライン、Ｃ１４は、例えばレーザーチャンバー内部に異常が生じたとき等、内部を排気できるよう設けたバルブで、Ｃ０７と同様手動バルブである。Ｃ１５はＦ2ガス除外装置、Ｃ１６は排気ポンプである。また、ｐは圧力計を示す。
【００１５】
レーザー放電ガスのＦ2ガス濃度を０．１％としたとき、この濃度のガスをチャンバーに充填する従来の方法は次の通りである。まず、１％Ｆ2／１％Ｋｒ／ＮｅガスをマニホールドＣ０４、配管Ｃ０５を介して、チャンバーＣ１１に例えば３０ｋＰａになるまで圧力計でモニターしながら導入し、続いて、１％Ｋｒ／Ｎｅガスを３００ｋＰａとなるまで導入する。このようにして、０．１％Ｆ2を含む混合ガスをチャンバー内に導入する。
【００１６】
また、レーザーの発振を繰り返し行うとＦ2ガス濃度が低下するため、レーザーのパワーが所定値以下に低下するたびに、マニホールドＣ０４、配管Ｃ０８を介して、１％Ｆ2／１％Ｋｒ／Ｎｅガスを所定量チャンバーＣ１１に補給する。
【００１７】
ところで、従来、電極のフッ化を避けるためにアノード電極電極Ａ１７、カソード電極Ａ１６にはフッ素に対する耐食性を有するニッケル基合金が用いられる。具体的には、ヘインズ合金（登録商標）（Ｎｉ：ｂａｌ、Ｆｅ：３ｗｔ％、Ｃｒ：１６ｗｔ％、Ａｌ：４.５ｗｔ％）である。
【００１８】
しかし、かかる電極を用いたエキシマレーザー発振装置には、▲１▼放電が不安定でありパルスエネルギーのバラツキが１０％近いという問題点、▲２▼電極が変形してしまい、電界が不均一となりやはりパルスエネルギーのバラツキを招くとともに電極の交換を頻繁に行わざるを得ないという問題点を有している。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、安定した放電が得られ、パルスエネルギーのバラツキが小さい放電電極を提供することにある。
【００２１】
本発明の目的は、０．２５ミクロン以下の微細パターンの露光を長期間安定して行えるステッパーを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のニッケル基合金からなる放電電極は、酸素含有率を１０ｗｔｐｐｍ以下としたことを特徴とする。
【００２３】
本発明のエキシマレーザー発振装置は酸素含有率を１０ｗｔｐｐｍ以下としたニッケル基合金からなる放電電極を用いたことを特徴とする。
【００２４】
本発明のステッパーは、酸素含有率を１０ｗｔｐｐｍ以下としたニッケル基合金からなる放電電極を用いたエキシマレーザー発振装置と、基板を移動させるためのステージとを有することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明では、放電電極の酸素含有率を１０ｗｔｐｐｍ以下とする。好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下にする。
【００２７】
本発明者は、放電が不安定となり、パルスエネルギーのバラツキが１０％と大きい原因を鋭意探求した。その結果、電極の表面に酸化膜が形成されていることを見いだし、これが原因であろうと推測した。すなわち、この酸化物のため電界が不安定となり、パルスエネルギーにバラツキが生じるのであろうと考えた。
【００２８】
そして酸化物生成の元である酸素の源を調べたところ放電電極それ自体であることを見いだした。すなわち、放電を行っていると放電電極自身がスパッタリングされるが、内部に酸素を含有しているとスパッタリングが進むにつれて酸素が放電電極から放出される。この放出された酸素のために放電電極の表面が酸化されるのである。
【００２９】
そこで、本発明者は酸素の含有率を低減せしめたが、単に低減せしめてもパルスエネルギーのバラツキは必ずしも小さくはならず、ある臨界値のあることを見いだした。それが１０ｗｔｐｐｍであり、１０ｗｔｐｐｍ以下で急激にパルスエネルギーのバラツキは減少する。特に１ｗｔｐｐｍ以下にするとバラツキの小ささは一段と向上する。
【００３０】
一方、放電を行うと電極形状が劣化・消耗し、図５（ａ）に示すように電極の形状が変化している。
【００３１】
不活性ガスを導入し、数秒間放電を行うと、電極の先端は溶融し電極の形状は図５（ｂ）に示す形状に整形される。なお、電極整形時におけるレーザー発振パワーは、電極先端を溶融せしめるに十分な値とすればよく、それは、電極の材質等によって変わってくるため実験等で予め求めておけばよい。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
本例においては、図２に示す構造のレーザーチャンバーの内面にフッ化膜を形成した。以下にその手順を示す。
【００３３】
以下に、本願発明の実施例を説明する。
【００３４】
まず、図４にフッ化処理の概略を示す。１は、ベーキングおよびフッ化処理を行う密閉構造の処理室であり、処理室１には加熱手段２が備えられている。また、３は、処理室１内の温度を測定して表示する温度調定部である。
【００３５】
処理室１には、高純度のフッ素ガスおよび窒素ガスを供給する供給部４、５がそれぞれバルブ４ａ、５ａを通して接続されている。
【００３６】
また、処理室１には、それぞれバルブを介して真空ポンプ６および排出部７が接続されており、この接続経路には、それぞれバルブを介して、圧力計８および露点計９が設けられている。
【００３７】
本実施例では、Ａｌ−３．５ｗｔ％Ｍｇ−０．１２ｗｔ％Ｚｒを用いた。Ｍｎ，Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｚｎはそれぞれ０．０５ｗｔ％以下とした。
【００３８】
処理室１内に、基材１０を設置した。基材１０は、電解研磨により表面の平滑化を行った。また、酸洗いによって表面を洗浄にした。
【００３９】
図４に示す上記装置を用いてフッ化処理を行った。
【００４０】
基材１０を処理室１内に設置した状態で、真空ポンプ６により処理室１内を排気し、その後、真空ポンプ６および排出部７のバルブを閉じ、バルブ５１を開けて高純度窒素ガスを処理室１内に導入した。
【００４１】
一方、処理室１内は、３００℃に加熱しておき、２時間のベーキングを行った。
【００４２】
ベーキングによって、アルミニウム合金１０に付着した水分等は蒸散し、真空ポンプ６で処理室１内から排出された。なお、排気の露点を露点計８で測定して、ベーキングの進行状況を把握した。
【００４３】
ベーキング後には、バルブ５ａを閉じ、真空ポンプ６で処理室１内を排気し、その後、真室ポンプ６および排出部７のバルブを閉じ、バルブ４ａを開けて処理室１内に高純度フッ素ガスを送出した。なお、処理室１内を、３００℃に加熱し、１時間のフッ化処理を行った。フッ素ガスとしては不純物が１０ｐｐｂ以下のフッ素ガスを用いた。
【００４４】
フッ化処理後には、再度、処理室１内を排気して、窒素ガスを供給し、４５０℃にて２時間加熱して熱処理を行った。
【００４５】
得られたアルミニウム合金材の表面には、１００ｎｍ厚さのフッ化不働態膜が形成された。
【００４６】
上記フッ化不働態膜をＥＳＣＡスペクトルで分析した結果、不働態膜の中で、フッ化マグネシウム成分が大部分を占め、その他をフッ化アルミニウムなどが占めていた。
【００４７】
以上によりハウジング部材Ａ１１，Ａ１２を作成した。
【００４８】
ついで、熱交換器Ａ２１、ブロアーＡ２０、電極Ａ１６，Ａ１７等を内蔵せしめて図１に示すレーザーチャンバーＡ０１を作成した。なお、本例では、熱交換器Ａ２１には電解研磨したＪＩＳ５０５２材を用い、ブロワーＡ２０には電解研磨したＳＵＳ３１６Ｌ材を用いた。
【００４９】
本例では、電極には、酸素濃度を９ｗｔｐｐｍとしたヘインズ合金を用いた。なお、この合金は真空二重溶解を行うことにより酸素含有率を小さくしたものである。
【００５０】
このレーザーチャンバーＡ０１を図２のシステムに組み込み、図３の供給システムによりレーザーチャンバーＡ０１内にＦ2，Ｋｒ，Ｎｅガスを封入した。
【００５１】
かかるエキシマレーザー発振装置につき３×１０8パルス発振を行った後におけるパルスエネルギーのバラツキを調べたところ５％のバラツキであった。
【００５２】
（比較例）
本例では、電極に１５ｗｔｐｐｍ酸素を含有するヘインズアロイを用いた。
【００５３】
他の点は実施例１と同様とした。
【００５４】
本例では、パルスエネルギーのバラツキは約１０％もあった。
（実施例２）
本例では酸素含有率を１ｗｔｐｐｍとした。
【００５５】
他の点は実施例１と同様とした。
【００５６】
本例では、パルスエネルギーのバラツキは３％と極めて低かった。
（実施例３）
本例では、実施例１の装置を用いて１５ＫＷで発振を行い続け、パルスエネルギーのバラツキが１０％となった時点で、電極を装置から取り出し電子顕微鏡で電極先端を観察したところ、電極の劣化が生じていた。
【００５７】
そこで、パルスエネルギーのバラツキが１０％となった時点でチャンバー内にアルゴンガスを導入し、２０ＫＷで３秒発振して電極の整形を行った。
【００５８】
電極の整形後やはり電子顕微鏡で電極先端を観察したところ劣化部は修復されていた。また、チャンバー内のガスをもとに戻して、１５ＫＷで発振を行ったところパルスエネルギーのバラツキはなくなっていた。
（実施例４）
上述した放電電極を有するレーザーチャンバーを備えた装置を光源とし、基板を移動させるステージ上の基板（半導体ウエハ）にマスクを介して露光したところ０．２５ミクロン以下の微細パターンの焼き付けを長時間にわたり安定して行うことが出来た。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によればパルスエネルギーのバラツキが小さくすることができる。
また、簡単な手法で電極を復活させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザーチャンバーの構造を示す概念的横断面図である。
【図２】エキシマレーザー発振装置を示すシステム図である。
【図３】レーザーチャンバーへのガス供給システムを示す図である。
【図４】フッ化処理を行うための装置概念図である。
【図５】電極の消耗・変形を示す図である。
【図６】電極中の酸素含有率とパルスエネルギーのバラツキとの関係を示す実験グラフである。
【符号の説明】
Ａ０１  レーザーチャンバー、
Ａ０２  発振線の線幅を制御するための狭帯化モジュール、
Ａ０３  高圧のパルスパワーモジュール、
Ａ０４  発振されたレーザーのエネルギー強度及び波長を測定する光学モニターモジュール、
Ａ０５  高圧電源、
Ａ０６  システム全体を制御するコントローラー、
Ａ０７  出力ミラー、
Ａ０９  ステッピングモーター、
Ａ１１，Ａ１２  ハウジング部材、
Ａ１３  Ｏ−リング、
Ａ１４  絶縁体
Ａ１５  カソード電極支持部材、
Ａ１６  カソード電極、
Ａ１７  アノード電極、
Ａ１８  アノード電極支持部材、
Ａ２０  コネクター、
Ａ１９  Ｏ−リング等のシール部材、
Ａ２０  ブロワー、
Ａ２１  熱交換器、
Ａ２２  フィルター、
Ａ２３  ガス取入れ口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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