(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハロゲンガスを含むレーザガスをレーザチャンバ内に封入し、このレーザチャンバ内でパルス放電を行うことにより前記レーザガスを励起してパルスレーザ発振を行うエキシマレーザ装置において、
前記レーザチャンバ内に前記レーザガスを補給するガス補給手段と、
前記各パルスレーザ発振光の出力エネルギーのばらつきが略最小となるハロゲンガス分圧値を予め設定するハロゲンガス分圧設定手段と、
前記レーザチャンバ内のハロゲンガス分圧を検出するハロゲンガス分圧検出手段と、
このハロゲンガス分圧検出手段の検出値が前記ハロゲンガス分圧設定手段の設定値となるように前記ガス補給手段を制御してハロゲンガスを補給制御する制御手段と、
を具えるエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項２】
ハロゲンガス分圧検出手段は、前記パルスレーザ発振光のスペクトル幅を検出するものであり、
前記ハロゲンガス分圧設定手段は、各パルスレーザ発振光の出力エネルギーのばらつきが略最小となるスペクトル幅を予め設定するものである
請求項１記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項３】
前記ガス補給手段は、ハロゲンガス、希ガス及びバッファガスを含むガス供給源を有し、このガス供給源内のハロゲンガスの分圧はレーザチャンバ内のハロゲンガス分圧より大きな値に設定されるとともに、前記ガス供給源内の希ガスとバッファガスの分圧比はレーザチャンバ内の希ガスとバッファガスの分圧比とほぼ同じ値に設定されている請求項１記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項４】
前記ガス補給手段は、ハロゲンガス、希ガス及びバッファガスを含む第１のガス供給源と、希ガス及びバッファガスを含む第２のガス供給源とを有し、第１のガス供給源内のハロゲンガスの分圧はレーザチャンバ内のハロゲンガス分圧より大きな値に設定されるとともに、第１及び第２のガス供給源内の希ガスとバッファガスの分圧比は夫々レーザチャンバ内の希ガスとバッファガスの分圧比とほぼ同じ値に設定されている請求項１記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項５】
前記ガス補給手段は、ガス供給源からレーザチャンバへのガス供給路中にマスフローコントローラを有し、前記制御手段はこのマスフローコントローラを制御してハロゲンガスを補給する請求項３または４記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項６】
前記ガス補給手段は、ガス供給源からレーザチャンバへのガス供給路中にオンオフバルブを有し、前記制御手段はこのオンオフバルブを制御してハロゲンガスを補給する請求項３または４記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項７】
前記ガス補給手段は、ガス供給源からレーザチャンバへのガス供給路中にマスフローコントローラおよびオンオフバルブを有し、前記制御手段は前記マスフローコントローラおよびオンオフバルブを制御してハロゲンガスを補給する請求項３または４記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項８】
前記ガス補給手段は、ガス供給源からレーザチャンバへのガス供給路中にサブタンクを具え、このサブタンクからレーザチャンバにレーザガスを供給する請求項３または４記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項９】
前記ガス補給手段は、ガス供給源からレーザチャンバへのガス供給路中にサブタンクを具え、このサブタンクからレーザチャンバにレーザガスを供給する請求項５または請求項６または請求項７記載のエキシマレーザ装置のガス供給制御装置。
【請求項１０】
ハロゲンガスを含むレーザガスをレーザチャンバ内に封入し、このレーザチャンバ内でパルス放電を行うことにより前記レーザガスを励起してパルスレーザ発振を行うエキシマレーザ装置のガス供給制御方法において、
前記各パルスレーザ発振光の出力エネルギーのばらつきが略最小となるハロゲンガス分圧値を予め設定し、検出したハロゲンガス分圧値が前記設定されたハロゲンガス分圧値となるようにハロゲンガスの供給を行うようにしたことを特徴とするエキシマレーザ装置のガス供給制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステッパ方式やステップ＆スキャン方式の縮小投影露光装置の光源などとして用いられるエキシマレーザ装置に関し、特にそのレーザチャンバ内にハロゲンガスを含むレーザガスを充填してレーザパルス発振を行うエキシマレーザ装置のガス供給制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、ハロゲンガスを用いてエキシマレーザ装置を運転する場合、運転にしたがって電極材料の蒸発、レーザチャンバ構成材料との化学反応によりハロゲンガスが消費される。したがって、従来はハロゲンガスの消耗によるレーザ出力の低下を補うために次のような制御を行うようにしていた。
【０００３】
すなわち、レーザの出力はレーザを励起するためにコンデンサに蓄積しておいた電気エネルギーを放電空間に投入してレーザ媒質ガス中で放電することにより得るが、このコンデンサの充電電圧を大きくするとレーザ出力は増加する。従って、従来においてはレーザ出力を検出し、この検出にしたがって充電電圧値を制御することでレーザ出力を安定化するようにしている。なお、この制御は通常パワーロック制御という。
【０００４】
しかしながら、この制御によっても長時間の運転を続けているとハロゲンガスの消耗によって発振効率が低下し、次第に充電電圧（パワーロック電圧）を高くしていかないと所定の出力を維持できなくなる。
【０００５】
係る不具合を解消すべく特開平３−１６６７８３号公報においては、各充電電圧値毎に発振効率（投入電力に対する出力レーザエネルギーの割合）を最大にするレーザガス圧力値が各別に存在することに着目し、レーザ発振の進行に対応して充電電圧が上昇していくに伴い、発振効率が最大値を維持するように充電電圧及びレーザガス圧力を制御するようにしている。
【０００６】
すなわちこの従来技術は、レーザの発振効率を主眼とし、この発振効率が常に最大値を維持するように充電電圧及びレーザガス圧力を制御しようとするものである。
【０００７】
この従来技術による手法は、エキシマレーザをレーザ出力をできるだけ大きくする事が最も重要である加工に用いる場合は、有効な方法となる。
【０００８】
しかしながら、エキシマレーザをステッパ方式やステップ＆スキャン方式の縮小投影露光装置に利用する場合は、各パルスのレーザ出力をいかに大きくする（発振効率を上げる）かということが問題になるのではなく、いかに均一な出力のパルス光を得るようにすることが、最も大きな目的となる。
【０００９】
すなわち、上記従来技術によれば、均一なレーザ出力を得ることを主眼として、充電電圧制御及びレーザガス供給制御が行われていないために、露光精度を今１つ向上させることが不可能である。
【００１０】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、均一なパルス光出力を得ることができるエキシマレーザ装置のガス供給制御装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
この発明では、ハロゲンガスを含むレーザガスをレーザチャンバ内に封入し、このレーザチャンバ内でパルス放電を行うことにより前記レーザガスを励起してパルスレーザ発振を行うエキシマレーザ装置において、前記レーザチャンバに前記レーザガスを補給するガス補給手段と、 前記各パルスレーザ発振光の出力エネルギーのばらつきが略最小となるハロゲンガス分圧値を予め設定するハロゲンガス分圧設定手段と、前記レーザチャンバ内のハロゲンガス分圧を検出するハロゲンガス分圧検出手段と、このハロゲンガス分圧検出手段の検出値が前記ハロゲンガス分圧設定手段の設定値となるように前記ガス補給手段を制御してハロゲンガスを補給制御する制御手段とを具えるようにする。
【００１２】
係る発明によれば、各パルス発振光の出力エネルギーを優先させるのではなく、各出力エネルギーのばらつきの抑制を最優先させてハロゲンガス供給制御を行うようにする。すなわち、レーザ出力のばらつきが略最小となるハロゲンガス分圧を目指してハロゲンガス供給制御を行うようにする。
【００１３】
したがって、この発明では、各パルス発振光の出力ばらつきが最小限に抑制させることができ、本発明のエキシマレーザ装置を半導体の縮小投影露光を行う縮小投影露光装置用など光源に適用するようにすれば、高精度の露光処理をなし得ることが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００２１】
まず、図２を用いて本発明の要部の概略について説明する。
【００２２】
図２は、ＫｒＦエキシマレーザにおいて、レーザ電源電圧を一定にした状態でのフッ素ガス分圧ＰF2に対応する出力レーザ光エネルギーＥおよび出力レーザ光エネルギーのばらつき（標準偏差）σを示したものである。すなわち、フッ素ガス分圧ＰF2（レーザチャンバ内のＦ2ガスのモル濃度に比例）を横軸にして、出力レーザ光エネルギーＥおよび出力レーザ光エネルギーのばらつき（標準偏差）σを縦軸に示している。
【００２３】
この図２によれば、レーザ出力Ｅは、Ｆ2分圧がＰ1のときに最大値をとり（効率が最大）、この分圧値Ｐ1よりも低い分圧では単調増加で、この分圧値Ｐ1より高い分圧では単調減少となる。
【００２４】
一方、レーザ出力のばらつきσは、Ｆ2分圧がＰ2のときに最小値をとり、この分圧値Ｐ2よりも低い分圧では単調減少で、この分圧値Ｐ2より高い分圧では単調増加となる。
【００２５】
この図２において、本願発明者が着目した現象はＰ1≠Ｐ2となる点であり、本願発明では、レーザ出力（発振効率）は多少犠牲にしても、出力ばらつきσを最小にするフッ素分圧値Ｐ2を最優先の目標値としてＦ2ガス供給制御を行うようにする。
【００２６】
ここで、図２において、σcは出力ばらつきの許容限界値（許容上限値）であり、この許容限界値σcに対応するＦ2分圧には、ＰMIN及びＰMAXの２つの値がある。従って、出力ばらつきσが常にσcより小さくなるように制御するためには、Ｆ2分圧値ＰF2がＰMINとＰMAXの間の値となるように制御する必要がある。
【００２７】
しかし、図２に示す出力ばらつきσはリニアな関係ではないため、前記制御の際に、出力ばらつき値σがσcに近い値になった場合、この状態がフッ素分圧がＰMIN及びＰMAXの何れに近い状態であるかを判断しないことには、Ｆ2ガスを供給すべきか否かを決定することができない。すなわち、Ｆ2分圧がＰMINより小さいときにはＦ2ガスを供給する必要があり、Ｆ2分圧がＰMAXより大きいときはＦ2ガスを供給する必要はない。
【００２８】
このように、出力ばらつきσをモニタしていたのでは、現在のＦ2分圧の状態を把握することができないので、本装置においては、Ｆ2ガス分圧をモニタするようにする。なお、Ｆ2ガス分圧は実際にはモニタ不可能なので、本実施例ではＦ2分圧と正の相関を有する発振レーザのスペクトル幅Δλを代替モニタパラメータとして採用するようにしている。
【００２９】
すなわち、図３はフッ素分圧ＰF2とスペクトル幅Δλの関係を示すもので、スペクトル幅Δλはフッ素分圧ＰF2とほぼ比例関係となっている。したがって、図２のＰMIN値およびＰMAX値に対応するスペクトル幅Δλ1およびΔλ2を予め実験などで調べてこれを登録しておき、スペクトル幅の検出値Δλが上記下限値Δλ1と上限値Δλ2の間に入るようにハロゲンガスの供給制御を行うようにして、出力ばらつきσを許容範囲内に維持するようにする。
【００３０】
図４はこの発明を適用する狭帯域化エキシマレーザを示すものである。
【００３１】
図４において、エキシマレーザ１のレーザチャンバ２は図示しない放電電極等を有し、レーザチャンバ２内には、Ｆ2などのハロゲンガス、Ｋｒなどの稀ガス、Ｎｅなどのバッファガスが封入されており、これらレーザガスを放電電極間の放電によって励起させてレーザパルス発振を行う。発光したパルス光は狭帯域化ユニット６（この場合はプリズムビームエキスパンダ３，４、グレーティング５が含まれる）によって狭帯域化されて、再びレーザチャンバ２に戻って増幅され、部分透過ミラー７を介して発振レーザ光Ｌとして出力される。出力された一部の光は再びレーザチャンバ２に戻りレーザ発振が起こる。
【００３３】
発振されたレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ８によってその一部がサンプリングされた後、エタロン分光器９に入射され、ラインセンサなどで構成される受光素子１０に入射され、同心円状のフリンジパターンを形成する。エタロン分光器９には、予め波長が既知の基準光も入射されており、ＣＰＵ１１は受光素子１０に形成される基準光及びレーザ光Ｌのフリンジパターンを比較することにより、出力レーザ光Ｌの波長及びスペクトル幅Δλなどを計測する。ＣＰＵ１１は、該計測した波長およびスペクトル幅データを波長コントローラ１２に出力する。波長コントローラ１２は、入力された波長およびスペクトル幅データに基づいてグレーティング５の角度を変えることにより、波長選択素子であるグレーティング５への光入射角度を変えて、レーザ発振波長を調整制御する。また、ＣＰＵ１１は、計測したスペクトル幅Δλを前述した２つの閾値Δλ1，Δλ2と比較し、この比較結果に基づきガス補給装置１７によるハロゲンガス補給制御を実行させる。
【００３４】
一方、前記ビームスプリッタ８を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ１３でさらのその一部がサンプリングされて受光素子１４に入射される。ＣＰＵ１５では、受光素子１４の受光出力に基づいて各パルス発振の光エネルギーＰiを検出し、この出力Ｐiに基づいてレーザ電源回路１６を制御する。レーザ電源回路１６では電源電圧Ｖiが制御される。
【００３５】
図５はガス補給装置１７の各種具体例を示すものである。
【００３６】
以下、この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００３７】
図５(a)〜(d)においては、２つのガスボンベ２０，２１が用いられ、一方のガスボンベ２０には、Ｆ2，Ｋｒ，Ｎｅが、α：ｂ：ｃ（α＝ｎ・ａ，ｎ＞１）のモル比で充填されており、他方のガスボンベ２１にはＫｒ，Ｎｅがｂ：ｃのモル比で充填されている。
【００３８】
すなわち、レーザチャンバ２へレーザガスを注入する際には（真空状態のレーザチャンバへガスを初期充填するとき、または出力ばらつきσが許容範囲外となってガスを途中補給するとき）、２つのガスボンベ２０、２１から所定量のガスをレーザチャンバ２へ注入することで、ガスボンベ２０から注入されるＦ2ガスが他方のボンベ２１から注入されるガスによって希釈されて、結果的にレーザチャンバ２内の混合ガスが理想的な混合比ａ：ｂ：ｃとなるようにしている。なお、ガスを途中補給する際に、ガスボンベ２０のみから補給するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、ガス補給の際、レーザチャンバ内ガスの全圧が上昇し過ぎた際には、排気バルブ２２を開いてガスの一部を排気してレーザチャンバ内の全圧が所定圧を維持できるように調整するようにしている。
【００４０】
図５(a)においては、オンオフバルブ２３，２４によってガスの供給制御を行うようにしておりオンオフバルブ２３，２４の開閉時間を調整することにより、ガス流量を調整するようにしている。
【００４１】
図５(b)においては、ガスの供給路にサブタンク２５，２６を設けるとともに、サブタンク２５，２６の下流側にオンオフバルブ２７，２８を設けるようにしている。
【００４２】
図５(c)においては、ガスの供給路にマスフローコントローラ（質量流量制御装置）２９，３０を設けるようにしている。このマスフローコントローラ２９，３０は、質量流量が所望の一定値になるように通過するガス量を制御するものである。この図５(c)の構成の場合、マスフローコントローラ２９，３０の流量を一定に設定しておいてオンオフバルブ２３，２４の開閉時間を調整することによりガス流量を高精度に制御することが可能になる。なお、オンオフバルブ２３，２４を省略してマスフローコントローラ２９，３０のみによてガス流量を制御するようにしてもよい。
【００４３】
なお、ガス補給の際、ガスボンベ２１内のハロゲンガス分圧値が１％程度と小さい場合は、ガスボンベ２１のみからレーザチャンバ２にハロゲンガスを含むレーザガスを供給するようにしてもよい。この場合は、ハロゲンガス濃度が薄いので、比較的大量のガスを供給する必要があるので、レーザチャンバ２内の全圧の上昇分が大きくなるので、排気を行うことで全圧の調整を行う。
【００４４】
以下、図１のフローチャートにしたがってハロゲンガスの補給制御について説明する。
【００４５】
まず、ばらつきσの許容最大値σcに対応するスペクトル幅Δλの下限値Δλ1およびΔλ2を適当なる値に設定しこれを記憶させる。
【００４６】
パルス発振が開始されると、ＣＰＵ１１はパルス発振の度にスペクトル幅Δλを計測し、この計測値Δλが前記設定した上下限値Δλ1，Δλ2の範囲に入っているか否かを判定する（ステップ１３０）。そして、この判定によってΔλ1＜Δλ＜Δλ2が成立した場合は、ハロゲンガス補給は必要ないので、手順をステップ１２０に移行して次のパルス発振のスペクトル幅Δλを計測する。
【００４７】
しかし、ステップ１３０の判定において、Δλ≧Δλ2またはΔλ≦Δλ1が成立した場合は、次に、Δλ≦Δλ1が成立するか否かを判定し（ステップ１４０）、否である場合は（Δλ≧Δλ2の場合）、ハロゲンガス補給を行わずに、手順をステップ１２０に移行させてこれ以降次のパルス発振のスペクトル幅Δλを計測する。
【００４８】
すなわち、Δλ≧Δλ2の場合はＦ2分圧がＰMAX以上であるという事であるので、Ｆ2ガス補給を行わずにパルス発振を継続させることで、Ｆ2ガスを図２の矢印Ｆにそって自然減少させ（レーザ発振によってＦ2ガスがレーザ電極などの材料と反応してフッ化物となりＦ2ガス自体が減少する）、該Ｆ2ガスの自然減少によって出力ばらつきσを設定値σcより小さくするのである。
【００４９】
なお、Δλ≧Δλ2の場合の場合にハロゲンガス補給を行うようにすれば、Ｆ2分圧は増大するので、出力ばらつきσは図２の矢印Ｒにそってさらに大きくなることになる。
【００５０】
次に、Δλ≦Δλ1が成立した場合は、ガス補給装置１７を制御してガス補給制御を実行することにより、ハロゲンガスを補給することにより、出力ばらつきσを図２の矢印Ｓにそって減少させる。ガス補給制御においては、先の図５に示したガス補給装置１７によってＦ2，Ｋｒ，Ｎｅの混合ガスをレーザチャンバ２内に所定量補給する（ステップ１５０）。なお、この補給の後、レーザチャンバ内の全圧ＰTが所定の設定圧Ｐthより大きくなった場合は（ステップ１６０）、レーザチャンバ２内のガスを排気するようにする（ステップ１７０）。
【００５１】
このようにしてＦ2ガスの供給が終了すると、手順をステップ１２０に移行させて再度次のパルス発振のスペクトル幅Δλを計測するようにする。
【００５２】
このようにこの実施例では、Δλ1＜Δλ＜Δλ2が成立する場合は、Ｆ2ガスを供給しない。また、Δλ≧Δλ2が成立したときも、Ｆ2ガスを供給しないでＦ2ガスの自然減少を待つ。しかし、Δλ＜Δλ1が成立したときには、Ｆ2ガスの供給制御を実行する。
【００５３】
なお、上記実施例では、ハロゲンガス分圧を検出するためののパラメータとしてスペクトル幅Δλを採用するようにしたが、ハロゲンガス分圧と相関を有するパラメータであれば他のパラメータを用いるようにしてもよい。
【００５４】
また、Ｆ2ガス量はレーザパルス発振の進行にともなって減少するので、パルス発振回数またはパルス発振時間をモニタし、そのモニタ結果によってハロゲンガスの供給制御を行うようにしても良い。
【００５５】
すなわち、ガス補給を行った時点からのパルス発振回数Ｎを計数し、この計数値Ｎが予め設定された所定値Ｎcに達した時に、その減少分のハロゲンガスを補給することによってハロゲンガス分圧ＰF2をＰMAXとＰMINの範囲内に維持するようにする。ハロゲンガスの補給量は設定された値Ｎcに応じて適当なる値を設定する。
【００５６】
また、パルス発振時間Ｔに基づいてハロゲンガス補給制御を行う場合には、パルス発振開始後、所定の時間間隔Ｔをもってハロゲンガス補給を行うようにする。すなわち、ＣＰＵ１１では、パルス発振開始後予め設定された所定の時間間隔Ｔでガス補給信号をガス補給装置１７に出力するようにするとともに、ガス補給装置１７はＣＰＵ１１からガス補給信号が出力される度にハロゲンガスを補給するようにする。また、この制御の際、前回ハロゲンガスを補給してから今回ハロゲンガスを補給する迄の間のレーザパルスの発振回数Ｎを計数し、この計数値Ｎの大小に応じてハロゲンガスの補給量を調整するようにすれば、より高精度のハロゲンガス補給制御をなし得る。
【００５７】
なお、本発明は、ステッパ方式の縮小投影露光装置およびステップ＆スキャン方式の縮小投影露光装置の何れにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示すフローチャート。
【図２】この発明の発想を説明するためのグラフ。
【図３】レーザスペクトル幅とハロゲンガス分圧値との関係を示す図。
【図４】エキシマレーザ装置の構成例を示すブロック図。
【図５】ガス補給装置の各種構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…エキシマレーザ装置
２…レーザチャンバ
３、４…プリズムビームエキスパンダ
５…グレーティング
６…狭帯域化ユニット
７…部分透過ミラー
８，１３…ビームスプリッタ
９…エタロン分光器
１０，１４…受光素子
１１，１５…ＣＰＵ
１２…波長コントローラ
１７…ガス補給装置
２０，２１…ガスボンベ
２３，２４…オンオフバルブ
２５，２６…サブタンク
２９，３０…マスフローコントローラ
【図１】
0003779010.tif 000002
【図２】
0003779010.tif 000003
【図３】
0003779010.tif 000004
【図４】
0003779010.tif 000005
【図５】
0003779010.tif 000006