(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エキシマレーザー発振装置のレーザーチャンバー内のＦ2ガス濃度を検出するガスクロマトグラフ装置を有するエキシマレーザー発振装置であって、
前記ガスクロマトグラフ装置の分離カラム充填物の少なくとも表面はＡｌＦ3、ＭｇＦ2又はＣａＦ2であることを特徴とするエキシマレーザー発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエキシマレーザー発振装置と、基板を移動させるステージとを具備することを特徴とするステッパー装置。
【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に係わり、特にレーザーのエネルギー及びビーム形状安定性に優れたエキシマレーザー発振装置に関する。
【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Ａ０８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。また、Ａ１９はＯ−リング等のシール部材である。
【００１１】
レーザーチャンバーＡ０１の内部には、ガスを循環するためのブロワーＡ２０、放電部で加熱されたガスを冷却するための熱交換器Ａ２１が配設されている。レーザーチャンバーＡ０１、ブロワーＡ２０，熱交換器Ａ２１は、ステンレスあるいはアルミニウム合金製であり、その外部表面には通常電解研磨あるいは光輝焼鈍が施されている。また、フィルターＡ２２がハウジングに取り付けられ、ガス取入れ口Ａ２３を介してガスを導入し、ガス中の電極金属とフッ素ガスとの反応で生成した金属フッ化物粒子等を除去する構成となっている。
【００１２】
次に、図３を用いて、本発明者らが先に考え出したガス供給系を説明する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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ガス除害装置、Ｃ１６は排気ポンプである。また、ｐは圧力計を示す。
【００１６】
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。
【００１７】
以上のエキシマレーザー発振装置は発振を繰り返すと、レーザーの出力が低下するため、チャンバー等の部品を定期的に交換する必要があった。一方、これらの部品の寿命期間内であっても、レーザーの出力が低下することがあり、この場合は、放電電極に与える電圧をあげて出力を復帰させる方法が採用されていた。
【００１８】
上記レーザーの出力低下の原因の一つは、Ｆ2ガス濃度の低下に起因することが判明した。そこで、定期的に１％Ｆ2／１％Ｋｒ／ＮｅガスをマニホールドＣ０４、配管Ｃ０８を介して、所定量チャンバーＣ１１に補給することで対処している。
【００１９】
しかしながら、Ｆ2ガスを補充するにしてもチャンバー中のＦ2濃度がどの程度存在するのかは明らかでなく、一定パルス数発振した後、定期的にＦ2ガスを補充するという方法を採らざるを得なかった。従って、補充を繰り返すとＦ2濃度は初期濃度と大きくずれてしまうことも考えられ、パルス出力の安定性に欠けるという問題があった。
【００２０】
従って、安定したパルス出力を得るためには、Ｆ2ガス自体の濃度を検出する必要がある。
【００２１】
一般的なガス分析法としては、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）がよく用いられているが、一般的に反応性の強い物質の分析には向いていないと考えられている（化学同人社「機器分析のてびき（２）」２１７頁、５〜６行）。Ｆ2ガスは反応性の強い物質であるため、エキシマレーザーのガス供給系においてもＦ2ガスの濃度測定は考えられてもいなかった。
【００２２】
本発明は、こうした従来の常識に捕らわれることなく、レーザーの発振の安定性及び寿命を延ばすことを目的としてなされたものである。
【００２３】
一方、レーザー発振を繰り返すと、レーザーチャンバー内の部材等からの放出ガスにより、また、外部からのリークガスや導入される放電ガス中の不純物が蓄積され、放電が不安定になって安定したパルス出力が得られなくなる。また、Ｆ2ガスが不純物と反応して消費されてしまうという問題が生じることが判明した。従って、不純物がある濃度以上になった段階で放電ガス全体を交換する必要があり、一定パルス数発振した後、放電ガスを交換していた。しかし、不純物の蓄積量は必ずしもいつも同じではないため、ガス交換までの総パルス数は低めに設定せざるを得ず、効率の低いものとなっていた。
【００２４】
以上の問題点は、本発明者らが、より優れた出力安定性、寿命を有するエキシマレーザー装置を開発する過程で見い出されたものであり、本発明はこれら問題点の発見に基づいて完成に至ったものである。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる状況において、本発明は、レーザチャンバー中のＦ2ガス濃度を測定する手段を提供し、Ｆ2濃度を一定範囲に保つことによりパルスレーザーの出力を長期間にわたって安定に保つことのできるエキシマレーザー装置を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明の他の目的は、レーザーチャンバー中の不純物ガスを測定することにより、レーザーガスの交換頻度を低減し、効率の高いエキシマレーザー発振装置を提供することにある。
【００２７】
更に、本発明の他の目的は、０．２５μｍ以下の微細パターンの露光が繰返し長期間安定して行えるステッパー装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明のエキシマレーザー発振装置は、エキシマレーザー発振装置のレーザーチャンバー内のＦ2ガス濃度を検出するガスクロマトグラフ装置を有するエキシマレーザー発振装置であって、
前記ガスクロマトグラフ装置の分離カラム充填物の少なくとも表面はＡｌＦ3、ＭｇＦ2又はＣａＦ2であることを特徴とする。
本発明のステッパー装置は、上記エキシマレーザー発振装置と、基板を移動させるステージとを具備することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明のエキシマレーザー装置は、レーザーチャンバー内のＦ2ガス濃度を検出するガスクロマトグラフ装置を有し、放電ガス中のＦ2ガス濃度を定期的又は常時測定し、所定濃度以下になった場合にＦ2ガスを補給して、常時所望の濃度範囲に維持することが可能な構成としたものである。
【００３０】
また、レーザー発振を繰り返し行うと、レーザーチャンバー内壁からＨ2Ｏ，Ｏ2、Ｈ2ガス等の不純物が放出され、また、外部からのリークによって、放電ガスが徐々に汚染されて、放電が不安定になる。従って、ガスクロマトグラフ装置は、これら不純物ガス及び／又はＦ2ガスとの反応生成物の濃度を同時に測定でき、所定濃度以上になったときにガス全体を交換するのが好ましい。
【００３１】
図４に本発明のエキシマレーザー装置の一例を示す。図１の構造のレーザーチャンバーにガス採取管４２０が取り付けられ、この採取管がバルブ４２１を介してガスクロマトグラフ装置４００の試料注入口４０７に連結されている。
【００３２】
図４において、４０１はキャリアガスボンベ、４０２は減圧弁、４０３は微調整バルブ、４０４は圧力計、４０５は流量計、４０６は予熱管、４０７は試料注入口、４０８は分離カラム、４０９は検出器、４１０は増幅装置、４１１は気化部恒温層、４１２は気化部温度調節装置、４１３はカラム恒温槽、４１４はカラム温度調節装置である。４１５は記録計であるが、コンピュータで代用できる。４１６は流量計である。
【００３３】
ガスクロマトグラフ装置４００において、ガス採取管４２０やバルブ４２１等のガス配管系、分離カラム４０８、検出器４０９等のＦ2ガスと接触する部分はフッ化不動態膜を形成するのが好ましく、これによりＦ2ガスによる腐食を防止できるとともに、ガスの吸着等が起こり難くなり、高精度のＦ2ガス濃度の測定が可能となる。
【００３４】
また、カラムの充填剤としては、ＡｌＦ3、ＭｇＦ2又はＣａＦ2等のフッ化物が好適に用いられる。この他、種々の充填剤にフッ化処理したものを用いることができる。これにより、Ｆ2ガス濃度の測定精度は一層向上する。
【００３５】
次に、ガス配管を例にとって、配管内面にフッ化不動態膜を形成する方法を説明する。分離カラム、バルブ、検出器内部も同様にしてフッ化処理すればよい。ガス配管等の部材は、通常、ステンレスが用いられる。
【００３６】
まず、配管内面を電界研磨あるいは複合電界研磨法等により鏡面研磨した後、さらに、所望により、水分や付着物などを蒸散させるために、ベーキングを行う。このベーキングは、１５０〜４５０℃の範囲内で行うのが望ましい。なお、ベーキング時間は、１〜６時間程度が好ましい。
【００３７】
そして、フッ化処理は、通常は、フッ素単体またはフッ化物ガスを用い、このガスをステンレス配管内に充填しあるいは流しながら行う。フッ化処理の温度は、２００〜６００℃とするのが望ましく、３００〜６００℃がより好ましい。これは、２００℃未満では、十分なフッ化処理がなされないおそれがあリ、また、６００℃を超えると、均質なフッ化不働態膜が形成されないためである。また、フッ化処理時間は、１〜６時間とするのが望ましい。フッ化処理条件により、フッ化不動態膜中のＦｅＦ2、ＦｅＦ3、ＣｒＦ3の割合は変化するが、ＦｅＦ2を主成分とするフッ化不動態膜を形成するのが好ましい。
【００３８】
なお、フッ化処理の際の温度が高いほど厚いフッ化不働態膜が形成される。また、同一のフッ化処理温度であっても、ベーキング温度が高いほど不働態膜は厚くなる傾向がある。
【００３９】
フッ化処理の後、Ｎ2、Ａｒ、Ｈｅガス等の不活性ガス雰囲気中で１〜２４時間熱処理するのが好ましい。熱処理温度は２００〜６００℃が好ましく、３００〜６００℃がより好ましい。熱処理を行うことによって不働態膜は組織上緻密な状態となる。
【００４０】
上記フッ化処理によるフッ化不働態膜の膜厚は、２０〜５００ｎｍが好ましい。不働態膜の厚さが厚い合金材ほど耐食性に優れているが５００ｎｍを超えると剥離が生ずる場合もあるため５００ｎｍ以下が好ましい。１００〜２００ｎｍがより好ましい。
【００４１】
また、ステンレス配管内面にＮｉ−Ｐメッキ又はＮｉ−Ｗ−Ｐメッキした後、フッ化処理してＮｉＦ2からなるフッ化不動態膜を形成してもよい。この場合は、Ｎｉメッキ膜内部からのガス放出と表面の汚染物除去のため、水洗、乾燥後、Ｎ2ガス等の不活性ガス中においてベーキングし、その後Ｆ2ガスによりフッ化処理をし、ＮｉＦ2からなるフッ化不動態膜を形成する。その後、不活性ガス中で熱処理を行う。
【００４２】
この場合、ベーキング温度は、２００〜３９０℃、好ましくは２５０〜３５０℃である。また、ベーキング時間は、１〜６時間程度が好ましい。続く、フッ化処理温度は、２００〜３９０℃、好ましくは２５０〜３８０℃である。また、フッ化処理時間は、１〜６時間である。熱処理温度は、２５０〜３９０℃、好ましくは３３０〜３８０℃である。この熱処理は、Ｎ2、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス雰囲気中で１〜５時間行うことで堅牢かつ緻密で、耐食性の良好なフッ化不動態膜を形成することができる。
【００４３】
また、カラム充填剤をフッ化処理する場合は、充填剤そのものを上述した方法でフッ化処理する場合の他、表面に金属膜を形成し、これをＦ2ガス等と接触させてフッ化物とすることもできる。
【００４４】
以下に、本発明の実施態様例を示す。
【００４５】
（実施態様例１）
エキシマレーザー発振装置のレーザーチャンバー内のＦ2ガス濃度を検出するガスクロマトグラフ装置を有することを特徴とするエキシマレーザー発振装置。
【００４６】
（実施態様例２）
前記ガスクロマトグラフ装置はエキシマレーザー発振装置のレーザーチャンバー内の不純物ガス濃度を同時に検出できるものであることを特徴とする実施態様例１に記載のエキシマレーザー発振装置。
【００４７】
（実施態様例３）
前記ガスクロマトグラフ装置のガス配管系、分離カラム及び検出器の内面は、フッ化不動態膜が形成されていることを特徴とする実施態様例１又は２に記載のエキシマレーザー発振装置。
【００４８】
（実施態様例４）
前記ガスクロマトグラフ装置の分離カラム充填物の少なくとも表面はフッ化物であることを特徴とする実施態様例１ないし３のいずれか１項に記載のエキシマレーザー発振装置。
【００４９】
（実施態様例５）
実施態様例１〜４のいずれか１項に記載のエキシマレーザー発振装置と、基板を移動させるステージとを具備するステッパー装置。
【００５０】
【実施例】
本実施例のエキシマレーザー発振装置を図５に示す。図５において、図３と重複する符号は図３と同じ部材を示している。図５では、１％Ｆ2ガスの補給量の精度を高めるためにマスフローコントローラー５０１でＦ2ガスの補給量を精密制御できる構成としてある。又、フッ素ガス源からチャンバーまでのガス経路の配管内面等はフッ化処理してある。
【００５１】
５０２はレーザーチャンバー内のガスを採取する管、５０２はバルブ、５０４は図４に示したガスクロマトグラフ装置である。
【００５２】
ガスクロマトグラフ装置のガス採取管５０２、バルブ５０３、分離カラム、検出器の基材にはＳＵＳ３１６Ｌを用い、内部を電界研磨法により鏡面研磨した後、３００℃、２時間のベーキング、３００℃、１時間のＦ2ガスによるフッ化処理、４５０℃、１時間のＮ2ガス熱処理を行った。これらの処理により、ＳＵＳ３１６Ｌ表面には、２００ｎｍのフッ化不動態膜が形成された。
【００５３】
これらの部材を用いて、ＣａＦ2，ＭｇＦ2及びＡｌＦ3の混合充填剤を分離カラムに充填し、ガスクロマトグラフ装置を組み立て、内部を十分パージした後、レーザーチャンバーＣ１１と連結させた。
【００５４】
次に、以下のようにしてレーザーチャンバーＣ１１に０．１％Ｆ2ガスを含む放電ガスを充填した。
【００５５】
まず、マスフローコントローラー５０１を所定の流量に設定し、１％Ｆ2／１％Ｋｒ／Ｎｅガスを所定時間流して、チャンバー内に導入した。次に、同様にして、マスフローコントローラー５０１を所定流量に設定し、１％Ｋｒ／Ｎｅガスを所定時間流してレーザーチャンバー内に導入した。ここで、ガス導入量比（流量ｘ時間）は１：９とした。
【００５６】
この状態でレーザーの発振を繰り返し行い、定期的にバルブ５０２を開け、放電ガスをガスクロマトグラフ装置に導入して、Ｆ2ガス濃度、及びＨ2，Ｈ2Ｏ，０2並びにＨＦガス等の不純物の測定を行い、Ｆ2ガス濃度が０．０９５％以下に低下した段階で、Ｆ2ガス濃度を０．１％にするのに必要な量の１％Ｆ2／１％Ｋｒ／ＮｅガスをマニホールドＣ０４、配管Ｃ０８、マスフローコントローラー５０１、バルブＣ０７を介して、レーザーチャンバーＣ１１に補給した。
【００５７】
以上により、Ｆ2ガス濃度は一定の濃度範囲に保つことができ、安定したレーザー発振を得ることができた。
【００５８】
また、不純物ガスの濃度の測定値からその変化を把握することができたため、放電ガス全体の交換時期も予測すること可能となった。
【００５９】
このレーザー発信装置を高原とし移動するステージ上に載置された基板（ウエハ）をマスクを介して露光すれば、微細パターンの焼き付けが可能になる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、放電ガス中のＦ2ガス濃度を常に一定範囲に保つことが可能となり、パルスエネルギーが均一で安定したレーザー発振を高精度に維持することが可能となる。
【００６１】
また、本発明によれば、レーザーチャンバー中の不純物ガスを測定することにより、レーザーガスの交換頻度を低減することが可能となり、効率の高いエキシマレーザー発振装置を提供するができる。
【００６２】
さらに、本発明により、超微細、高精度、安定したレジスト露光が可能なステッパを提供することができる。
【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を示すシステム図である。
【図４】レーザーチャンバー内のガス濃度を検出するガスクロマトグラフ装置を有するエキシマレーザー装置の概念図である。
【図５】レーザーチャンバーへのガス供給系及びガスクロマトグラフ装置を示すシステム図である。
【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、
Ｃ０１  ガス供給ライン、
Ｃ０１’  １％Ｆ2／１％Ｋｒ／Ｎｅガスの供給ライン、
Ｃ０１”  Ｈｅガスの供給ライン、
Ｃ０２、Ｃ０２’Ｃ０２”  オリフィス、
Ｃ０３、Ｃ０３’、Ｃ０３” バルブ、
Ｃ０４  マニホールド、
Ｃ０５  連結配管、
Ｃ０６  チャンバーバルブ、
Ｃ０７  バルブ、
Ｃ０８  Ｆ2ガス補給用配管、
Ｃ０９  インジェクションバルブ、
Ｃ１０  流量制御用オリフィス、
Ｃ１１  チャンバー、
Ｃ１２  スプリングバルブ、
Ｃ１３  マニホールドの排気ライン、
Ｃ１４  バルブ、
Ｃ１５  Ｆ2ガス除外装置、
Ｃ１６  排気ポンプ、
ｐ  圧力計。
４００  ガスクロマトグラフ装置、
４０１  キャリアガスボンベ、
４０２  減圧弁、
４０３  微調整バルブ、
４０４  圧力計、
４０５  流量計、
４０６  予熱管、
４０７  試料注入口、
４０８  分離カラム、
４０９  検出器、
４１０  増幅装置、
４１１  気化部恒温層、
４１２  気化部温度調節装置、
４１３  カラム恒温槽、
４１４  カラム温度調節装置、
４１５  記録計、
４１６  流量計、
４２０  ガス採取管、
４２１  バルブ、
５０１  流量計、
５０２  ガス採取管、
５０３  バルブ、
５０４  ガスクロマトグラフ装置。
【図１】
0003745822.tif 000002
【図２】
0003745822.tif 000003
【図３】
0003745822.tif 000004
【図４】
0003745822.tif 000005
【図５】
0003745822.tif 000006