JP3972061B2 - Continuous emission excimer laser oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、連続発光が可能な連続発光エキシマレーザ発振装置に関する。 The present invention relates to a continuous light emission excimer laser oscillation device capable of continuous light emission.
エキシマレーザは、紫外域で発振する唯一の高出力レーザとして注目されており、電子産業や化学産業、エネルギー産業において応用が期待されている。 Excimer lasers are attracting attention as the only high-power lasers that oscillate in the ultraviolet region, and are expected to be applied in the electronics, chemical, and energy industries.
具体的には、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ている。 Specifically, it is used for processing, chemical reaction, etc. of metals, resins, glass, ceramics, semiconductors and the like.
エキシマレーザ光を発生させる装置は、エキシマレーザ発振装置として知られている。マニホルド内に充填されたAr,Kr,Ne,F2等のレーザガス 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F原子は基底状態の不活性KrF*,ArF*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。エキシマは不安定であるため、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あるいは自然発光というが、この励起分子を利用して一対の反射鏡で構成される光共振器内で位相のそろった光として増幅してレーザ光として取り出すのものがエキシマレーザ発振装置である。 An apparatus that generates excimer laser light is known as an excimer laser oscillation apparatus. A laser gas such as Ar, Kr, Ne, or F 2 filled in the manifold is excited by electron beam irradiation or discharge. Then, the excited F atoms are combined with inactive KrF * and ArF * atoms in the ground state to generate molecules that exist only in the excited state. This molecule is called an excimer. Since excimer is unstable, it immediately emits ultraviolet light and falls to the ground state. This is called bond-free transition or spontaneous light emission. Excimer laser oscillation is the one that uses this excited molecule to amplify it as phase-matched light in an optical resonator composed of a pair of reflectors and extract it as laser light. Device.
ところで、従来、エキシマレーザ発振装置については、レーザ媒質のエキシマの寿命が非常に短いので連続的な励起が不可能であると考えられており、立ち上がりの速いパルス電流(10nsec程度)を間歇的に流すパルス励起が行われている。 By the way, conventionally, it is considered that excimer laser oscillators have a very short excimer life of a laser medium, so that continuous excitation is impossible, and a pulse current (about 10 nsec) with a fast rise is intermittently applied. Pulse excitation is applied.
そのため、従来のエキシマレーザ発振装置における電極は半年程度の寿命である。 Therefore, the electrode in the conventional excimer laser oscillation device has a life of about half a year.
また、半導体の加工工程において繰り返し数100Hzから1kHzのパルス発振タイプの連続発光エキシマレーザ発振装置を用いて例えば化学増幅型レジストの露光を行うと、レンズ材料やその表面の無反射多層膜の寿命が極めて短いという問題がある。 In addition, when a chemically amplified resist is exposed using a pulsed oscillation type continuous-emitting excimer laser oscillation apparatus having a repetition rate of 100 Hz to 1 kHz in a semiconductor processing process, the lifetime of the lens material and the non-reflective multilayer film on the surface thereof is reduced. There is a problem that it is extremely short.
この点について以下詳細に述べる。 This point will be described in detail below.
化学増幅型レジストの感度は、20mJ/cm2程度である。従って、0.1 W/cm2の光であれば0.2secの露光で十分である。1W/cm2の光であれば0.02secとなる。光学系におけるかなりの損失等を考えると10W程度の光出力で十分ということになる。 The sensitivity of the chemically amplified resist is about 20 mJ / cm 2 . Therefore, an exposure of 0.2 sec is sufficient for 0.1 W / cm 2 light. In the case of 1 W / cm 2 light, it is 0.02 sec. Considering a considerable loss in the optical system, a light output of about 10 W is sufficient.
しかるに、現在のパルス発光(1kHz)では、10nsec程度のパルス光を毎秒1,000回程度発生させている。0.2secが露光時間とすると、200パルスで、20mJ/cm2必要ということになる。光学系による損失等で 、1/100にエネルギが落ちるとすると、図2に示すようなパルスdutyを考慮して各パルスの発光強度I0は、次の通りとなる。 However, in the current pulse emission (1 kHz), pulse light of about 10 nsec is generated about 1,000 times per second. If the exposure time is 0.2 sec, 20 mJ / cm 2 is required for 200 pulses. If the energy drops to 1/100 due to loss due to the optical system, the emission intensity I 0 of each pulse is as follows in consideration of the pulse duty as shown in FIG.
I0(watt)×10(nsec)×2×102(パルス)×10-2(効率)
=2×10-2(Joul)
I0=2×10-2/10-8×2
=1×106(watt)
10nsecの間、一定の光出力が得られるとして、1MWのパルス光になる。実際には、図3に示すようになる。
I 0 (watt) x 10 (nsec) x 2 x 10 2 (pulse) x 10 -2 (efficiency)
= 2 × 10 -2 (Joul)
I 0 = 2 × 10 −2 / 10 −8 × 2
= 1 × 10 6 (watt)
Assuming that a constant optical output is obtained for 10 nsec, the pulse light becomes 1 MW. Actually, it is as shown in FIG.
実際は図3に示すようなパルス波形になっているため、光パルスの強度は2〜3MWのピークパワーになることになる。間歇的に数MWといった短波長の光が入射するため、レンズ材料やその表面の無反射多層膜の耐久性がきわめて厳しくなってくる。 Since the pulse waveform is actually as shown in FIG. 3, the intensity of the optical pulse is a peak power of 2 to 3 MW. Since light having a short wavelength of several MW is incident intermittently, the durability of the lens material and the non-reflective multilayer film on the surface thereof becomes extremely severe.
また、エキシマレーザリソグラフィーの時代にはステップアンドリピート時の露光が一括で行われるわけではなく、ミラーもしくはレンズのスキャンによるスキャニング露光ということになる。毎秒1000発程度のパルス光で、0.2秒露光ということになると一回の露光で200パルス程度しか使えない。これで例えば25×35mm2エリアの露光を均一照射にしようとすると、ミラーもしく はレンズ のスキャンとパルス光の相対関係をきわめて厳しく制御しなければな らず極めて複雑な制御システムが光要素に要求される。なおかつ、現状ではパルス光の出力が10%程度ゆらいでいる。そのためにミラーもしくはレンズスキャンの制御系はきわめて複雑にならざるを得ないという問題があり、エキシマレーザ露光装置も複雑で高いものにしている。 Further, in the era of excimer laser lithography, exposure during step-and-repeat is not performed all at once, but scanning exposure by scanning a mirror or lens. With pulse light of about 1000 shots per second and 0.2 second exposure, only about 200 pulses can be used in one exposure. Thus, for example, when trying to uniformly irradiate an exposure of 25 × 35 mm 2 area, the relative relationship between mirror or lens scanning and pulsed light must be controlled very strictly, and an extremely complicated control system is applied to the optical element. Required. At present, the output of the pulsed light fluctuates by about 10%. Therefore, there is a problem that the control system of the mirror or the lens scan has to be extremely complicated, and the excimer laser exposure apparatus is also complicated and expensive.
さらに、従来のエキシマレーザ発振装置は次なる問題をも有している。すなわち、エキシマレーザ光の中でもKrFレーザやArFレーザは、レーザガスとして反応性の高いフッ素ガスを用いるために、レーザガスを収容し、そのガスに放電エネルギーを与えるためのレーザチャンバ内でのフッ素の濃度が減少する。そこで、レーザチャンバへの供給電圧を上げて所定の出力を得られるように制御するのであるが、そのような制御でも出力が得難くなった場合には、一度発振を停止して、フッ素ガスの補充を行う。さらに、発振を続けるとフッ素の補充を行っても、所定のレーザ出力が得られなくなり、こうなると、レーザチャンバを交換しなければならない。 Furthermore, the conventional excimer laser oscillation device has the following problems. That is, among excimer laser light, KrF laser and ArF laser use highly reactive fluorine gas as the laser gas, so that the concentration of fluorine in the laser chamber for containing the laser gas and giving discharge energy to the gas is high. Decrease. Therefore, it is controlled to increase the supply voltage to the laser chamber so that a predetermined output can be obtained. If it is difficult to obtain an output even with such control, the oscillation is stopped once and the fluorine gas is Replenish. Furthermore, if oscillation continues, even if fluorine replenishment is performed, a predetermined laser output cannot be obtained. If this happens, the laser chamber must be replaced.
また、パルス電圧により放電を起こし、数10ns程度発光を起こさせるエキシマレーザ発光装置の場合、発光している時間が短すぎるため、出力光の発光スペクトルの波長半値幅は、300pm程度と広い。そのため、グレーチング等の狭帯域化モジュールによる単色化によって、はじめて、1pm以下の波長半値幅を得ている。 In addition, in the case of an excimer laser light emitting device that emits light by pulse voltage and emits light for about several tens of ns, the light emission time is too short. For this reason, a wavelength half-value width of 1 pm or less is obtained for the first time by monochromatization using a narrowband module such as grating.
現状の技術では所定の周期毎にフッ素ガスを補充し、印加電圧を上げながら発振を行う必要がある。換言すれば、フッ素ガスが、チャンバ内表面との反応などにより、時間とともに減少している。よって、レーザチャンバの寿命という点では、いまだ十分なものではなく、特に、物品の加工等で長期間レーザを使用する場合には、チャンバの寿命は加工物品の製造スループットを向上する上で重要な要因である。 In the current technology, it is necessary to oscillate while increasing the applied voltage by replenishing fluorine gas every predetermined period. In other words, the fluorine gas decreases with time due to reaction with the inner surface of the chamber. Therefore, in terms of the lifetime of the laser chamber, the lifetime of the chamber is important for improving the manufacturing throughput of the processed article, particularly when the laser is used for a long period of time for processing the article. It is a factor.
また、グレーチング等の狭帯域化モジュールを用いた単色化によって、1pm以下の波長半値幅を得ることが現在可能となっているが、その反面、グレーチング等を用いた狭帯域化により出力光の発光強度が減少しており、加工物品の製造スループット向上の大きな妨げとなっている。 In addition, it is now possible to obtain a half-value width of 1 pm or less by monochromatization using a narrowing band module such as grating. On the other hand, emission of output light by narrowing band using grating or the like. The strength has decreased, which has been a major impediment to improving the manufacturing throughput of processed articles.
本発明は、レンズ材料やその表面への負荷が少なく、かつ、ミラーもしくはレンズスキャンの制御系を簡略にすることができ、かつエキシマレーザの寿命が十分長くなって量産の使用に耐える連続発光エキシマレーザ発振装置を提供することを目的とする。 The present invention is a continuous light emitting excimer that can reduce the load on the lens material and its surface, can simplify the mirror or lens scanning control system, and has a sufficiently long excimer laser life to withstand mass production use. An object is to provide a laser oscillation device.
さらに、出力光の強度を高くしながら、狭帯域化が実現されるエキシマレーザ発振装置及び発振方法を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide an excimer laser oscillating device and an oscillating method capable of realizing a narrow band while increasing the intensity of output light.
参考発明は、狭帯化モジュールを用いなくとも波長幅の狭いスペクトルが達成でき、装置の小型化・簡略化が実現されたエキシマレーザ露光装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an excimer laser exposure apparatus that can achieve a spectrum with a narrow wavelength width without using a narrowband module, and can achieve downsizing and simplification of the apparatus.
本発明の連続発光エキシマレーザ発振装置は、Kr,Ar,Neから選ばれた1種以上の不活性ガスとF2 ガスとの混合ガスからなるレーザガスを収納するためのレーザ管からなるレーザチャンバと、該レーザチャンバを挟んで設けられた一対の反射鏡からなる光共振器とを有するエキシマレーザ発振装置において、前記レーザチャンバ内のレーザガスを連続的に励起するためのマイクロ波の導入手段を有し、前記導入手段は、互いに直交した2本のスロットのペアを前記光共振器の軸方向に沿って並べた導波管を備え、前記各ペアから互いに位相が揃った複数の電磁波を放出することを特徴とする。 The continuous emission excimer laser oscillation device of the present invention comprises at least one inert gas selected from Kr, Ar, Ne and F 2. An excimer laser oscillating apparatus comprising: a laser chamber comprising a laser tube for housing a laser gas comprising a mixed gas with a gas; and an optical resonator comprising a pair of reflecting mirrors provided across the laser chamber. Microwave introduction means for continuously exciting the laser gas in the chamber, and the introduction means is a waveguide in which a pair of two slots orthogonal to each other are arranged along the axial direction of the optical resonator. A plurality of electromagnetic waves having phases are provided from each of the pairs, and a plurality of electromagnetic waves are emitted.
参考発明の連続発光エキシマレーザ発振方法は、内面を、248nm、193nm、157nmといった所望の波長の光に対する無反射面とするとともに、該内面の最表面をフッ化物で構成したレーザ管からなるレーザチャンバ内に、Kr,Ar,Neから選ばれた1種以上の不活性ガスとF2ガスとの混合ガスからなる レーザガスを連続的に供給し、
該レーザガスを収容するためのレーザチャンバの内面を、248nm、193nm、157nmといった所望の波長の光に対する無反射面とするとともに、該内面の最表面をフッ化物で構成し、
該レーザチャンバ内にマイクロ波を導入することによりレーザガスを連続的に励起し、
出力側の反射鏡の反射率を90%以上である一対の反射鏡により共振させることにより連続発光させることを特徴とする。
In the continuous emission excimer laser oscillation method of the reference invention, the inner surface is a non-reflecting surface with respect to light having a desired wavelength such as 248 nm, 193 nm, and 157 nm, and the outermost surface of the inner surface is composed of a laser tube made of fluoride. And continuously supplying a laser gas composed of a mixed gas of at least one inert gas selected from Kr, Ar, and Ne and F 2 gas,
The inner surface of the laser chamber for containing the laser gas is a non-reflecting surface with respect to light having a desired wavelength such as 248 nm, 193 nm, and 157 nm, and the outermost surface of the inner surface is made of fluoride.
Continuously exciting the laser gas by introducing microwaves into the laser chamber;
The output side reflecting mirror is caused to emit light continuously by resonating with a pair of reflecting mirrors having a reflectance of 90% or more.
参考発明の連続発光エキシマレーザ露光装置は、上記連続発光エキシマレーザ発振装置と、照明光学系、結像光学系、ウエハを保持するためのステージとを有することを特徴とする。 A continuous emission excimer laser exposure apparatus according to a reference invention includes the continuous emission excimer laser oscillation apparatus, an illumination optical system, an imaging optical system, and a stage for holding a wafer.
参考発明のエキシマレーザは、連続発振エキシマレーザにおいて、エキシマレーザガスを収納する為のレーザチャンバと;
該レーザチャンバを挟むように配置した一対の反射鏡からなる光共振器と;
該光共振器の光路内に配置され、発振する光を選択する光選択手段と;
該エキシマレーザガスを連続的に励起するためのマイクロ波導入手段と;
該マイクロ導入手段によって連続的にマイクロ波を導入させるとともに、エキシマレーザの発振を停止する際、該光選択手段によって選択する光を変更させる制御手段とを有することを特徴とする。
The excimer laser of the reference invention is a continuous wave excimer laser, and a laser chamber for containing excimer laser gas;
An optical resonator comprising a pair of reflecting mirrors arranged so as to sandwich the laser chamber;
A light selection means arranged in the optical path of the optical resonator for selecting the oscillating light;
Microwave introduction means for continuously exciting the excimer laser gas;
And a control unit that changes the light selected by the light selection unit when the microwave introduction unit continuously introduces the microwave and stops the excimer laser oscillation.
以下に本発明の作用を発明をなすに際して得た知見及び実施の形態とともに説明する。 The operation of the present invention will be described below together with the knowledge and embodiments obtained in making the invention.
本発明においては、連続発光を行っているため、前述したミラーもしくはレンズのスキャンとパルスとの相対的関係の制御が不要となり、光学系の制御が極めて簡単になる。 In the present invention, since continuous light emission is performed, it is not necessary to control the relative relationship between the scan of the mirror or lens and the pulse described above, and the control of the optical system becomes extremely simple.
また、本発明者が解析したように、0.1W/cm2の光であれば0.2se cの露光で十分であり、1W/cm2の光であれば0.02secとなるのであ るから、光学系における光の損失等を考えると、10W程度の出力で十分ということになり、レンズ材料やその表面の寿命を長くすることが可能となる。
さらに、次のもろもろの作用が達成される。
Further, as analyzed by the present inventor, 0.2 sec exposure is sufficient for light of 0.1 W / cm 2 , and 0.02 sec for light of 1 W / cm 2. Therefore, considering the loss of light in the optical system, an output of about 10 W is sufficient, and the life of the lens material and its surface can be extended.
Further, the following actions are achieved.
第1に、ガラス等の光学材料に対するダメージが減少することである。KrFあるいはArF等の通常のエキシマレーザは10〜20nsecという短いパルス発光であるのに対し、パルスの繰り返し周波数は1000Hz程度に過ぎない。従って、このパルスのピークの光強度は、光学系の効率という問題を抜きにしても同じ強度で連続発光している時の1万倍以上ある。エキシマの領域で起こる材料の損傷の主原因は2光子吸収にあることが知られており、光のピーク強度の2乗に比例する現在のエキシマレーザでの光損傷は連続発光の場合より少なく見積もっても108倍厳しい。ガラス材の耐久がArFの領域で問題となっている のは以上の理由による。従って、連続発光光源の実現はArFまで含めて紫外域での材料問題を一気に解決する。 First, damage to optical materials such as glass is reduced. A normal excimer laser such as KrF or ArF emits a short pulse of 10 to 20 nsec, whereas the pulse repetition frequency is only about 1000 Hz. Therefore, the light intensity at the peak of this pulse is 10,000 times or more that of continuous light emission at the same intensity even if the problem of the efficiency of the optical system is excluded. It is known that the main cause of material damage that occurs in the excimer region is two-photon absorption, and the light damage in the current excimer laser, which is proportional to the square of the light peak intensity, is estimated to be less than in continuous light emission. Even 10 8 times more severe. The durability of the glass material is a problem in the ArF region for the above reasons. Therefore, the realization of the continuous light emission light source solves the material problems in the ultraviolet region including ArF at a stretch.
第2に、狭帯域の光特有の現象のスペックルの発生を抑制することが容易なことである。パルス発光の場合、ランダムな干渉縞であるスペックルを効果的に消し去るためには、一つ一つのパルスでの発光タイミングと公知のスペックル除去手段とを高精度に同期させる必要がある。これに対し、連続発振であれば特別な同期手段を必要とせず簡単な、例えば、回転拡散板のような公知の手段で容易にスペックルを除去することができる。このため光学系の構成を簡単にすることができ、コストの削減にも効果的である。 Second, it is easy to suppress the occurrence of speckle, a phenomenon peculiar to narrow-band light. In the case of pulsed light emission, in order to effectively erase speckles which are random interference fringes, it is necessary to synchronize the light emission timing of each pulse with known speckle removing means with high accuracy. On the other hand, if it is continuous oscillation, the speckle can be easily removed by a known means such as, for example, a rotating diffusion plate, without requiring any special synchronizing means. Therefore, the configuration of the optical system can be simplified, and the cost can be reduced.
第3に、露光量制御が容易なことである。パルス発光のような離散的な露光を行う場合、露光量を制御する最小単位は1パルスの露光量の制御性にもよるが、基本的には、パルスの数に依存している。総合で100パルスで露光するとした時の次の単位は99パルスまたは101パルスであり、制御精度は±1%となる。もちろん、最後の1パルスの制御については種々の手段が提案されているが、制御性あるいは制御のためにはこのような離散性による分解能がなく、より細かな露光量制御が望ましい。線幅が細かくなるに従い、厳しい露光量制御が要求されているなかで、連続発光光源が与える効果は大である。 Third, exposure amount control is easy. When performing discrete exposure such as pulsed light emission, the minimum unit for controlling the exposure amount basically depends on the number of pulses, although it depends on the controllability of the exposure amount of one pulse. When the exposure is performed with 100 pulses in total, the next unit is 99 pulses or 101 pulses, and the control accuracy is ± 1%. Of course, various means have been proposed for the control of the last pulse, but for controllability or control, there is no resolution due to such discreteness, and finer exposure control is desirable. As the line width becomes narrower, the continuous light source has a great effect in spite of demanding strict exposure control.
ところで、前述したように、従来、エキシマレーザについては、エキシマ状態にあるエネルギー準位が短い寿命なので、原子を励起準位にある程度の時間留めておくことができず、連続的な励起が不可能であると考えられており、立ち上がりの速いパルス励起を行わざるを得なかった。 By the way, as described above, conventionally, in the excimer laser, since the energy level in the excimer state is short in life, it is impossible to keep atoms at the excitation level for a certain period of time, and continuous excitation is impossible. Therefore, pulse excitation with a fast rise was unavoidable.
本発明においては、レーザガスを収容するためのレーザチャンバの内面を、248nm、193nm、157nmといった所望の波長の光に対する無反射面とする。 In the present invention, the inner surface of the laser chamber for housing the laser gas is a non-reflecting surface for light having a desired wavelength such as 248 nm, 193 nm, and 157 nm.
レーザチャンバ内面を無反射面にする理由は、自然放出した光が同内面で反射して励起されているガスにもどってきて、KrF*またはArF*を励起状態から基底状態に遷移させることを防ぐためである。 The reason why the inner surface of the laser chamber is made a non-reflective surface is to prevent spontaneously emitted light from returning to the gas excited by being reflected by the inner surface, thereby causing KrF * or ArF * to transition from the excited state to the ground state. Because.
ここで、無反射とは、100%透過あるいは吸収の場合のみならず、ある程度の反射率を有していてもよい。反射率50%以下が好ましく、20%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましい。具体的装置により持続して一様なレーザ光が得られるように適宜選択すればよい。 Here, the term “non-reflection” refers to not only 100% transmission or absorption but also a certain degree of reflectance. The reflectance is preferably 50% or less, more preferably 20% or less, and further preferably 5% or less. What is necessary is just to select suitably so that a uniform laser beam can be obtained continuously with a specific apparatus.
さらに、レーザチャンバと反応してF2が減少するのを防ぐために、レーザチ ャンバの内面はフッ化物で構成されている。特にF2に対して安定しているステ ンレスの表面にFeF2の層が形成されたもの、または金属上にニッケルを鍍金 しさらにその表面にNiF2の層が形成されたもの、またはアルミニューム合金 上にAlF3とMgF2の層が形成されたもののいずれかで構成されている。 In addition, the inner surface of the laser chamber is made of fluoride to prevent the F 2 from decreasing due to reaction with the laser chamber. In particular, the surface of a stainless steel that is stable against F 2 is formed with an FeF 2 layer, the surface of which is plated with nickel and further formed with an NiF 2 layer, or aluminum. It is composed of any one of AlF 3 and MgF 2 layers formed on an alloy.
また、本発明においては、出力側の反射鏡の反射率を90%以上とする。 In the present invention, the reflectance of the output-side reflecting mirror is 90% or more.
現在の共振器構成は片側100%反射に対し、出力側反射は10%程度である。 The current resonator configuration is 100% reflection on one side, while the output side reflection is about 10%.
ところで、従来のKrF*エキシマのレーザガス組成は例えば次の通りである。
Kr/Ne/F2=0.数%:98%:0.数%
By the way, the laser gas composition of the conventional KrF * excimer is, for example, as follows.
Kr / Ne / F 2 = 0. Several%: 98%: 0. number%
F2の濃度は1%以下と少ない。これは、F2をあまり多くすると、電子がFに吸引されて負のイオンとなり放電が安定しないためである。一方圧力は、3〜4気圧となっている。かかる圧力としているのはF2濃度は少なくしたことを補い なるべく大量のKrF*を作るためである。 The concentration of F 2 is as low as 1% or less. This is because if F 2 is increased too much, electrons are attracted to F and become negative ions, and the discharge is not stable. On the other hand, the pressure is 3 to 4 atmospheres. The reason for this pressure is to make as much KrF * as possible to compensate for the reduced F 2 concentration.
連続発光の場合には10W程度出力があればよいのである。許容される利得α2を推察する。 In the case of continuous light emission, an output of about 10 W is sufficient. Infer an allowable gain α 2 .
・共振器内のレーザ光強度
飽和強度Is程度の強度でレーザを動作させない限り、上準位のエキシマはほとんど衝突によって消滅してしまう。飽和強度は利得gが小信号利得g0の1/2になる強度であり、KrFエキシマの場合次のように求められる(「エキシマレーザの開発と応用技術・例」(渡部俊太郎 監著))。
Is=hν/στ
=1.3MW/cm2
h:プランク定数 6.63×10-34J・s
ν:振動数 3×108/0.248×10-6=1.2×1015
σ:誘導放出断面積 2×10-16cm2
τ:上準位寿命 3ns
(衝突による脱励起を含む)
上準位寿命τは、ガス圧が低いと衝突が起きにくくなるので、最大で放射寿命(自由空間での寿命)まで大きくなる。この場合の寿命は6.7nsであり飽和強度Isは、
Is=0.6MW/cm2となる。
-Intensity of laser beam in the resonator Unless the laser is operated at an intensity of about the saturation intensity Is, the excimer at the upper level is almost extinguished by collision. The saturation intensity is an intensity at which the gain g is ½ of the small signal gain g0. In the case of the KrF excimer, the saturation intensity is obtained as follows (“excimer laser development and applied technology / example” (supervised by Shuntaro Watanabe)).
Is = hν / στ
= 1.3 MW / cm 2
h: Planck's constant 6.63 × 10 −34 J · s
ν:
σ: stimulated
τ:
(Including de-excitation due to collision)
Since the upper level lifetime τ is less likely to cause collision when the gas pressure is low, the maximum level lifetime τ increases up to the radiation lifetime (free space lifetime). In this case, the lifetime is 6.7 ns, and the saturation intensity Is is
Is = 0.6 MW / cm 2 .
・レーザの取り出し効率
単位体積から毎秒取り出される光子数と生成されるエキシマの数の比である。レーザの取り出し効率ηexは以下で求められる。
ηex=(I/Is)(1−(1+I/Is)−αn/g0)
I:レーザ光強度
Is:飽和強度
αn:不飽和吸収係数
g0:少信号利得
と表される。αn>0なので、
ηex<(I/Is)/(1+I/Is)
レーザ光強度IがIs以下ではレーザ発振は効率が悪くなる。例えば共振器内のレーザ光強度Iが500W/cm2の時、
ηex=1/2600以下(レーザの取り出し効率ηexは非常に小さい。) よって効率よくレーザ発振させるためには、飽和強度の1.3MW/cm2程 度が必要である。
Laser extraction efficiency This is the ratio of the number of photons extracted per second from a unit volume to the number of excimers generated. The laser extraction efficiency η ex is obtained as follows.
η ex = (I / Is) (1− (1 + I / Is) −α n / g 0 )
I: Laser light intensity
Is: saturation intensity
α n : unsaturated absorption coefficient
g 0 : Expressed as a small signal gain. Since α n > 0,
η ex <(I / Is) / (1 + I / Is)
When the laser light intensity I is less than Is, the laser oscillation becomes inefficient. For example, when the laser light intensity I in the resonator is 500 W / cm 2 ,
η ex = 1/2600 or less (laser extraction efficiency η ex is very small) Therefore, in order to perform laser oscillation efficiently, a saturation intensity of about 1.3 MW / cm 2 is required.
以下本発明の好ましい実施態様例を述べる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
(レーザガス)
本発明においてはレーザ媒質であるレーザガスは、Kr,Ar,Neから選ばれた1種以上の不活性ガスとF2ガスとの混合ガスからなる。
(Laser gas)
In the present invention, the laser gas that is a laser medium is composed of a mixed gas of at least one inert gas selected from Kr, Ar, and Ne and F 2 gas.
これらのうち、使用したい波長により適宜ガス種を組み合わせればよい。例えば、248nmの波長の場合にはKr/Ne/F2とし、193nmの場合には Ar/Ne/F2とし、157nmの場合にはNe/F2とすればよい。 Among these, gas types may be appropriately combined depending on the wavelength to be used. For example, in the case of a wavelength of 248nm is set to Kr / Ne / F 2, the Ar / Ne / F 2 in the case of 193 nm, in the case of 157nm may be set to Ne / F 2.
本発明においては、レーザチャンバ内にレーザガスを連続的に供給することが好ましい。そのためのより具体的なレーザガスの供給系例を図7に示す。 In the present invention, it is preferable to continuously supply the laser gas into the laser chamber. A more specific example of a laser gas supply system for this purpose is shown in FIG.
図7において21a,21bはガス導入口である。ガス導入口21a,21bはレーザチャンバ20の両端に設けたり、また、レーザチャンバ20の略々中央にはガス排出口22を設けてある。なお、必要に応じガス排出口には真空ポンプ等を設けておいてもよい。レーザガスは両端のガス導入口21a,21bから両ガス導入口21a,21bで等しい流量で供給し、略々中央に設けたガス排出口22から排出させる。その理由は、出力端の光反射板の表面保護を兼ねるからである。すなわち、光反射板の最表面は必ずフッ化膜の薄膜等で被覆してあるからF2、F*に反応することはないからである。また、ガス導入口21a,21b、ガス排出口22の形状はマイクロ波電流が流れる方向にスリット状であることが望ましい。
In FIG. 7,
一方、図7において25a,25b,26,27a,27bはバルブである。レーザガスの初期導入時には、バルブ25aを27aを閉、バルブ25b,27bを開とし、レーザガス源からバルブ25a,27a近傍までの配管内のパージを行う。配管内パージ後、バルブ25b,27bを閉、26を開としてレーザガスをレーザチャンバ20内に導入し、一旦レーザチャンバ20内をパージ後そのままレーザガスの導入を行いレーザ発振を行えばよい。もちろんパージ等が不要の場合は上記バルブは設ける必要はない。なお、図7において、28は流量をコントロールするためのマスフローコントローラ(MFC)あるいは圧力フローコントローラ(PFC)である。PFCが好ましい。29はフィルタである。
On the other hand, in FIG. 7, 25a, 25b, 26, 27a, 27b are valves. When the laser gas is initially introduced, the
本発明においては、安定した連続発振を得る上においてレーザガス中におけるF2濃度は0.1原子%以上6原子%以下であり、1〜6原子%が好ましい。4 〜6%がより好ましい。 In the present invention, in order to obtain stable continuous oscillation, the F 2 concentration in the laser gas is 0.1 atomic% or more and 6 atomic% or less, and preferably 1 to 6 atomic%. 4 to 6% is more preferable.
また、レーザガスの圧力は、10Torr〜1atmが好ましい。50Torr〜1atmがより好ましい。すなわち、本発明においては、かかる低い圧力においても安定した放電が得られ、ひいては、安定した連続発振、連続発光が得られるのである。従来技術においては、レーザガスの圧力は3〜4気圧であった。それは、従来技術においては、F2濃度を高めるとF-となり電子がなくなってしまい放電が不安定となるためF2濃度は1%以下(実際はそれよりさらに低い) とし、それを補填すべく3〜4気圧とせざるを得なかったのである。しかるに本発明においては、F2濃度を高めてもかかるマイクロ波による安定した放電が得 られ従って、圧力を高めて補填する必要がない。もちろん何らかの理由により圧力を高める必要があれば高めてもよい。 The laser gas pressure is preferably 10 Torr to 1 atm. 50 Torr to 1 atm is more preferable. That is, in the present invention, a stable discharge can be obtained even at such a low pressure, and thus stable continuous oscillation and continuous light emission can be obtained. In the prior art, the pressure of the laser gas was 3 to 4 atmospheres. Which in the prior art, increasing the F 2 concentration F - next electrons F 2 concentration for discharge becomes unstable will be no is 1% or less (actually even lower than), in order to compensate for it 3 It had to be -4 atm. However, in the present invention, even if the F 2 concentration is increased, a stable discharge by such microwaves can be obtained. Therefore, it is not necessary to increase the pressure to make up for the discharge. Of course, if it is necessary to increase the pressure for some reason, it may be increased.
図26は、反応式、KrFエキシマレーザのレーザ管内で生じる反応を示している。ここで注目すべきは(3)である。KrF*エキシマを生成するためには、F-及びF2が必要であることがわかる。一方、(4)より光を放出したエキシマは、基 底状態の希ガス原子(Kr)とハロゲン(F)に戻りKrF*エキシマ生成に直 接必要なF2やF-にはならない。 FIG. 26 shows a reaction formula, a reaction occurring in the laser tube of a KrF excimer laser. What should be noted here is (3). It can be seen that F − and F 2 are required to produce the KrF * excimer. On the other hand, the excimer emitting light from (4) returns to the base rare gas atom (Kr) and halogen (F), and does not become F 2 or F − which is directly necessary for the production of KrF * excimer.
しかも(5)よりハロゲン原子(F)がハロゲン分子(F2)を生成する反応は非 常に遅いのである。 Moreover, the reaction in which the halogen atom (F) generates a halogen molecule (F 2 ) is much slower than (5).
以上のことから、放電空間内で光を放出して基底状態に戻ったハロゲン原子をハロゲンイオン(F-)やハロゲン分子(F2)で置換することが大切になる。 From the above, it is important to substitute halogen atoms (F − ) or halogen molecules (F 2 ) that have returned to the ground state by emitting light in the discharge space.
(レーザ管)
レーザ管40(図8、図9)は、レーザチャンバを構成する管であり、マイクロ波を導入するための窓部44を有している。レーザ管40はその窓部44側において導波管42と接続される。レーザ管40の内部と導波管42の内部とはシールされており、シールは絶縁板41をレーザ管40の窓部44に設けることにより行われる。絶縁板41については後述する。
(Laser tube)
The laser tube 40 (FIGS. 8 and 9) is a tube constituting a laser chamber and has a
プラズマ励起部の終端の断面形状すなわちレーザチャンバを構成するレーザ管40の断面形状は、図8に示すように、略半円筒状(あるは半楕円状)(図8(a))、円筒状(図8(b))、楕円状(図8(c))等とすることができる。
As shown in FIG. 8, the cross-sectional shape of the end of the plasma excitation unit, that is, the cross-sectional shape of the
さらに、より好ましい形状は、図9(a)に示す楕円形状であり、この楕円の短径方向はマイクロ波の導入方向となっている。従って、図9(a)に示す断面形状の場合には、マイクロ波はレーザ管内のレーザ媒質であるレーザガスに万遍なく導入される。また、単位面積あたりより密度の高いレーザを得ることができ、また外部に出力することができる。 Furthermore, a more preferable shape is the elliptical shape shown in FIG. 9A, and the minor axis direction of this ellipse is the microwave introduction direction. Therefore, in the case of the cross-sectional shape shown in FIG. 9A, the microwave is uniformly introduced into the laser gas that is the laser medium in the laser tube. In addition, a laser with higher density per unit area can be obtained and output to the outside.
さらに、レーザ管40の窓部44は図9(b)に示すように、レーザ管40側が広がるテーパを設けてもよい。テーパは逆に付けてもよい。
Further, the
レーザ管40と導波管42との接続は、例えば、図8あるいは図9に示すように、両者にフランジ部を設けてシール締め付けを行えばよい。
For the connection between the
本発明においては、レーザ管40の内部には、電極等の部品を内蔵する必要がない。すなわち、後に電極等を内部に組み込む必要がない。従って、作製行程によって絶縁板41をレーザ管40に予めに取り付けておいてもよい。絶縁板41の取付は、例えば、焼嵌めにより行えばよい。なお、図9(b)に示す場合においては絶縁板41はレーザ管40の内部側から嵌め込めばよい。
In the present invention, it is not necessary to incorporate components such as electrodes inside the
なお、このレーザ管40はレーザチャンバを構成するものであり、前述した通りその最表面はF*,KrF*,ArF*との反応を抑えるためフッ化物で構成さ れる。
The
また、レーザ管40の母体の材質を金属とすることにより、作製が容易となり、冷却効率がよくなる。特に、温度変化により光共振器長が変化するのを防止する為に熱膨張係数がほとんど零の金属を使用することが好ましい。加えて、その内表面にはマイクロ波の表皮深さ(skin depth)より少なくとも厚くして、銅や銀の様に電気伝導度の高い金属をメッキなどの手段により設けることが望ましい。
Further, when the base material of the
絶縁板41の好適な実施態様としては、少なくともプラズマに接する側の面(レーザ管40側の面)には多層膜(例えば、SiO2、Al2O3、CaF2、MgF2、LaF2膜)がコートされ、最表面にはフッ化物の薄膜(例えば、CaF2 、MgF2、LaF2その他のフッ化物の薄膜)が形成されている例を挙げられる。
As a preferred embodiment of the insulating
さらに、絶縁板41は、その材料の要件として供給するマイクロ波に対して圧倒的に損失が少なく、機械的に丈夫であり、水に溶けない等の条件を備えている。
Furthermore, the insulating
また、その厚さは、マイクロ波の波長(管内波長)の半波長の整数倍又は略々整数倍の厚さになっていればよい。 Moreover, the thickness should just be the integral multiple of the half wavelength of the wavelength (in-tube wavelength) of a microwave, or the thickness of an integral multiple approximately.
(マイクロ波)
本発明では、レーザガスの励起手段としてマイクロ波を用いる。マイクロ波を用いることにより、レーザガスを連続的に励起し、連続発光を達成する。
(Microwave)
In the present invention, microwaves are used as laser gas excitation means. By using microwaves, the laser gas is continuously excited to achieve continuous light emission.
マイクロ波の供給源としては例えば商品名ジャイロトロンを用いればよい。 As a microwave supply source, for example, a trade name gyrotron may be used.
マイクロ波の周波数、電力は、レーザガスの成分ガスの分圧などにより適宜決定すればよい。一般的にはマイクロ波の周波数は1GHz〜50GHzが好ましく、5〜40GHzがより好ましく、20〜35GHzがさらに好ましい。また、マイクロ波の電力は数100W〜数kWが好ましい。 The frequency and power of the microwave may be appropriately determined depending on the partial pressure of the component gas of the laser gas. Generally, the frequency of the microwave is preferably 1 GHz to 50 GHz, more preferably 5 to 40 GHz, and further preferably 20 to 35 GHz. The microwave power is preferably several hundred watts to several kW.
励起用のマイクロ波の周波数ωを、例えば、35GHzとすると、プラズマ励起ガスの主体となるNeの電子との衝突断面積から決まる電子のNe原子との衝突周波数ωcが励起マイクロ波周波数と等しくなるガス圧力は160Torrと なる。 If the frequency ω of the microwave for excitation is, for example, 35 GHz, the collision frequency ω c of the electron with the Ne atom determined from the collision cross section with the electron of Ne that is the main component of the plasma excitation gas is equal to the excitation microwave frequency. The gas pressure becomes 160 Torr.
この状態の時、同一電力によるプラズマ励起は最も効率よくなる。 In this state, plasma excitation with the same power is most efficient.
δ=(2/ωμ0σ)1/2
から決まる表皮深さがプラズマ励起が効率よく起こる深さである。ωはマイクロ波の角周波数、μ0は真空透磁率、σはプラズマの導電率である。
δ = (2 / ωμ 0 σ) 1/2
The skin depth determined by is the depth at which plasma excitation occurs efficiently. ω is the microwave angular frequency, μ 0 is the vacuum permeability, and σ is the plasma conductivity.
35GHzのマイクロ波でガス圧160Torr、電子密度1014cm-3とした場合、
ω=2π×35×109[s-1]
μ0=4π×10-7[H/m]
σ=12.8[Ω-1m-1]
となり、
δ=750μm
となる。
When a 35 GHz microwave is used with a gas pressure of 160 Torr and an electron density of 10 14 cm −3 ,
ω = 2π × 35 × 10 9 [s −1 ]
μ 0 = 4π × 10 −7 [H / m]
σ = 12.8 [Ω −1 m −1 ]
And
δ = 750 μm
It becomes.
例えば、35GHzのマイクロ波を、高さ5mm、幅10cmのオーバーサイズ導波管で誘導する。 For example, a 35 GHz microwave is guided by an oversized waveguide having a height of 5 mm and a width of 10 cm.
SiO2,CaF2,MgF2等の絶縁板で導波管部とプラズマ励起部を機密遮 蔽する。絶縁板の厚さは絶縁板の誘電率も考慮した管内波長λgの半分の長さの 略々整数倍にする。 The waveguide section and plasma excitation section are confidentially shielded with an insulating plate such as SiO 2 , CaF 2 , or MgF 2 . The thickness of the insulating plate is approximately an integral multiple of the half length of the guide wavelength λg, taking into account the dielectric constant of the insulating plate.
従って、17.5GHzのマイクロ波では80Torrのガス圧で衝突周波数と等しくなる。35GHzをプラズマ周波数とすると、その時の電子密度は、5×1013cm-3となる。35GHzで100W〜1kW程度の電力で、70〜80Torrから大気圧(1気圧)程度のガスプラズマをたてれば1014cm-3台の濃度のF*,KrF*,ArF*は確実に実現できる。 Therefore, in the 17.5 GHz microwave, the gas pressure of 80 Torr is equal to the collision frequency. Assuming that 35 GHz is the plasma frequency, the electron density at that time is 5 × 10 13 cm −3 . F * , KrF * and ArF * at a concentration of 10 14 cm −3 can be reliably realized by generating a gas plasma of about 70 to 80 Torr to about atmospheric pressure (1 atm) with a power of about 100 W to 1 kW at 35 GHz.
また、マイクロ波を供給するに際しては、プラズマ励起部に接する導波管及び絶縁板の表面は248nm等の波長に対して無反射板になっていることが好ましい。 In addition, when supplying the microwave, it is preferable that the surfaces of the waveguide and the insulating plate in contact with the plasma excitation portion are non-reflective plates with respect to a wavelength such as 248 nm.
一方、導波管と絶縁板との間隔は、図10あるいは図11(a)に示すように、λg/2としてもよいし、図11(b)に示すようにλgとしてもよい。あるいは3λg/2でもよい。 On the other hand, the interval between the waveguide and the insulating plate may be λg / 2 as shown in FIG. 10 or 11A, or may be λg as shown in FIG. 11B. Alternatively, 3λg / 2 may be used.
なお、導波管内における放電を防止する上からその中は真空とすることが好ましい。真空度としては10-4Torr以下程度で放電は防止できる。 In order to prevent discharge in the waveguide, a vacuum is preferably used in the waveguide. As the degree of vacuum is about 10 −4 Torr or less, discharge can be prevented.
なお、導波管42における、レーザ管40との接続部近傍の内面は、レーザ管40の内面と同様に無反射面とすることが好ましい。導波管42内面における反射光がレーザ管40内に戻ることを防止するためである。
Note that the inner surface of the
さらに、安定した放電を起こさせるために図12に示すように電磁石あるいは永久磁石により磁場を与えることが好ましい。 Further, in order to cause a stable discharge, it is preferable to apply a magnetic field by an electromagnet or a permanent magnet as shown in FIG.
(マイクロ波導入手段)
また、マイクロ波の導入手段の構造例を図13〜図18に示す。
(Microwave introduction means)
Moreover, structural examples of microwave introduction means are shown in FIGS.
図13に示す例ではマイクロ波導入手段である導波管1は、スロットSを複数有するスロット導波管である。スロット導波管1は、レーザ管2と軸方向に平行にその外周に接続されている。スロット導波管1上部より数GHz〜数10GHzの電磁波が導入され、この電磁波は、電界が紙面に垂直方向を向いたTE10モードとして導波管1内を伝搬する。
In the example shown in FIG. 13, the
スロット導波管1の図面上の下面には、図14に示すように細長いスロット11が多数開いており、電磁波は導波管1中を伝搬しながら、このスロットSより導波管1の外部へ放出される。
As shown in FIG. 14, a number of
スロットSより放出された電磁波は、誘電体板3を介してレーザ管2内に導入され、レーザ管2内のレーザガスをイオン化してプラズマを発生させる。磁場発生部10は、レーザ管2に垂直方向の磁界を導入するための永久磁石、または電磁石である。ここで使用する永久磁石としては強力な磁力を有する鉄バナジューム磁石又は、Nb・Fe・B磁石が適している。
The electromagnetic wave emitted from the slot S is introduced into the
レーザ管2内に磁場を導入することにより、プラズマ中の電子をトラップして壁面での損失を減らし、より高密度のプラズマを得ることができる。磁場強度を適切に選べば、電子サイクロトロン共鳴により更に高密度のプラズマが得られる。
By introducing a magnetic field into the
もちろん、磁場を印加しなくても十分高密度のプラズマが得られる場合には、磁場発生部10は必要ない。
Of course, when a sufficiently high density plasma can be obtained without applying a magnetic field, the
レーザ管2には、例えばガス導入口8よりKr、Ne、F2ガスが導入/排出 される。プラズマ発生時にガスの入れ替えが必要がない場合には、レーザ管2内にガスを封入しておけばよいため、ガス導入口8は必要ない。プラズマ中では、KrF等の寿命が10nsec程度のラジカルが連続的に発生し、これがKrとFに解離する際に光を放出する。この光は出力側鏡5と反射側鏡6で形成される光共振器内を往復しながら誘導放出を促し、また誘導放出により増幅される。出力側鏡5の反射率は90%以上であり、この出力側鏡を透過した光は、外部にレーザ光として放出される。
For example, Kr, Ne, F 2 gas is introduced / exhausted into the
図13に示す例では、レーザ管本体の材質はアルミニウム合金を用いることができるが、効率を上げるためにレーザ本体内面及び誘電体3の内面には誘電体多層膜が形成されており、発振波長における反射率は無反射になっている。 In the example shown in FIG. 13, an aluminum alloy can be used as the material of the laser tube main body, but a dielectric multilayer film is formed on the inner surface of the laser main body and the inner surface of the dielectric 3 in order to increase the efficiency. The reflectance at is non-reflective.
レーザ管2や、導波管1を冷却するために、冷却水導入口9を有する冷媒容器7とこれらの間には、冷却水、大気、N2ガス等の冷媒が流せる構造になってい る。また、スロット導波管1は、導波管1内で放電が起こることを防止するために、真空にできる構造になっている。
In order to cool the
図14は、スロット導波管1を下部から見た図である。
FIG. 14 is a view of the
図14(a)は、導波管1の軸に対して垂直方向を向いたスロットSが、導波管1内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットからは、位相が揃った導波管軸方向に偏波した直線偏波の電磁波が放出される。
In FIG. 14A, slots S oriented in a direction perpendicular to the axis of the
図14(b)は、導波管軸に対して45度傾いたスロットが、導波管内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットからは、位相が揃った導波管軸方向に対して45度傾いた方向に偏波した直線偏波の電磁波が放出される。 In FIG. 14B, slots inclined by 45 degrees with respect to the waveguide axis are arranged at intervals equal to the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide. Each slot emits a linearly polarized electromagnetic wave polarized in a direction inclined by 45 degrees with respect to the waveguide axis direction having the same phase.
図11(c)は、本発明におけるスロットの構成を示しており、導波管軸に対して45度傾き、直交した2本のスロットのペアが、導波管内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットのペアからは、位相が揃った円偏波の電磁波が放出される。 FIG. 11C shows the structure of the slot in the present invention , and a pair of two slots that are inclined by 45 degrees with respect to the waveguide axis and orthogonal to each other are arranged at equal intervals with the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide. It is a thing. From each pair of slots , circularly polarized electromagnetic waves with uniform phases are emitted.
これらのスロットの長さは、各スロットから放出される電磁波の強度がほぼ等しいくなるように、導波管内の電磁波強度分布に応じた決められる。また、スロットの角度、スロット間の間隔は上記以外であってもよい。 The length of these slots is determined according to the electromagnetic wave intensity distribution in the waveguide so that the intensity of the electromagnetic waves emitted from each slot becomes substantially equal. Further, the angle of the slot and the interval between the slots may be other than the above.
図15の構造では、テーパー導波管11上部より数GHz〜数10GHzの電磁波が導入され、この電磁波はテーパー部で広げられた後、誘電体板3を通してレーザ管2内に導入される。図15に示す例では、テーパー導波管11の電磁波導入部付近では電界が紙面に水平方向を向いたTE10モードとして伝搬するが、電界が紙面に垂直方向を向いていてもよい。その他は図13に示すものと同様である。
In the structure of FIG. 15, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the tapered
図16と図17はマイクロ波を表面波として導入した例であり、図16に示す構造では、円筒形の誘導管を用いるギャップ付き導波管12上部から数GHz〜数10GHzの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたTE10モードとして管内を伝搬する。ギャップ付き導波管12のギャップ部から、誘電管14の管軸方向の電界が印加される。こうして導入されたマイクロ波は誘電管14内では、ギャップ部から左右の管軸方向に伝播する表面波となる。この表面波電界によりプラズマ中の電子が加速されて高密度のプラズマが維持される。
16 and 17 show examples in which microwaves are introduced as surface waves. In the structure shown in FIG. 16, electromagnetic waves of several GHz to several tens GHz are introduced from the upper part of the
レーザ管の中央部からなだらかに減衰するモードの揃った表面波が伝播するため、局所的なマイクロ波電界の強弱が出来ない。従って、プラズマ表面で均一なプラズマ励起が行われるため、効率よく高密度プラズマが発生できる。また、マイクロ波電界をギャップ部のみに印加すればよいので、マイクロ波回路が非常に簡単である。このプラズマ発生方法では、数mm以下と細く、長い高密度プラズマを効率よく発生できるため、細いレーザを発振させるには最適といえる。誘電管14は、図16に示す例では、CaF2である。可動短絡板13は、短絡の位 置調整することにより、電磁波発生部への反射を抑えるために設けられたものであるが、特に可動である必要はない。また、電磁波の周波数が高く導波管の寸法が十分に小さい場合は、導波管のギャップ部は特に必要ない。磁場発生部10は永久磁石または電磁石であり、誘電管14の管軸方向の磁場を発生させる。その他は図13に示す構成と同様である。
Since a surface wave with a mode that gently attenuates propagates from the center of the laser tube, the local microwave electric field cannot be strengthened or weakened. Therefore, since uniform plasma excitation is performed on the plasma surface, high-density plasma can be generated efficiently. Further, since the microwave electric field only needs to be applied to the gap part, the microwave circuit is very simple. This plasma generation method can be said to be optimal for oscillating a thin laser because it can efficiently generate a long, high-density plasma as thin as several mm or less. The
図17は誘導板14aを用いた例であり、円筒形の誘電管を用いる場合と原理的には同じ。幅が広く厚さが薄いプラズマを発生するのに適している。プラズマの下部分はプラズマ生成とは無関係なので、レーザ管軸と垂直方向の高速なガス流を作りやすい。
FIG. 17 shows an example using a
図18に示す構造は、同軸変換導波管16上部から数GHz〜数10GHzの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたTE10モードとして管内を伝搬する。この電磁波は、シールド板15と誘電管14内プラズマとの間を伝搬する左右方向の電磁波にモードを変えて伝搬する。プラズマ表面に流れる高周波電流により高密度プラズマが生成される。その他は図13乃至図17に示す構成と同様である。
In the structure shown in FIG. 18, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the
図19に示す構造は、同軸変換導波管16上部から数GHz〜数10GHzの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたTEモードとして管内を伝搬する。この電磁波は、シールド板15と誘電管14内プラズマとの間を伝搬する右方向の電磁波にモードを変えて伝搬する。その他は図18に示す構造と同様である。
In the structure shown in FIG. 19, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the
(レーザガスの導入形態)
図24は本発明の別の実施形態によるエキシマレーザ発振装置を示している。マイクロ波の導入の方法及び構成は、図13に示したエキシマレーザ発振装と同じであり、矩形導波管1を介して、不図示のマイクロ波電源であるジャイロトロンからのマイクロ波をスロット板3を介してレーザ管2内に導入する。
(Laser gas introduction mode)
FIG. 24 shows an excimer laser oscillation apparatus according to another embodiment of the present invention. The microwave introduction method and configuration are the same as those of the excimer laser oscillation apparatus shown in FIG. 13, and a microwave from a gyrotron, which is a microwave power source (not shown), is supplied to the slot plate via the
一方、図13を参照して説明した装置では、レーザガスをレーザ管の長手方向端部から導入し長手方向の他方の端部から排出可能な構成を採用していた。これに対して本実施形態によるエキシマレーザ発振装置では、レーザ管2の長手方向に沿って長穴を設けレーザガスの排出口22としている。これにより、導入口21より導入されたレーザガスはレーザ管内の放電空間を経てその両側にある排出口22より排出される。
On the other hand, the apparatus described with reference to FIG. 13 employs a configuration in which laser gas can be introduced from the end portion in the longitudinal direction of the laser tube and discharged from the other end portion in the longitudinal direction. On the other hand, in the excimer laser oscillation device according to the present embodiment, a long hole is provided along the longitudinal direction of the
安定的に連続発光のエキシマレーザ光を得る為には、1つにビームを細くすればよい。例えば、レーザ光強度は1.3MW/cm2で1kWを得るには、直径 0.3mmほどの領域においてプラズマが得られればよいことがわかっている。上述した図24の装置では、このように狭い領域にプラズマを集中して発生させることが出来るので、細いビームの連続発光のエキシマレーザ光が得られる。 In order to obtain a stable continuous emission excimer laser beam, the beam may be narrowed into one. For example, it has been found that in order to obtain 1 kW at a laser light intensity of 1.3 MW / cm 2, it is sufficient to obtain plasma in a region having a diameter of about 0.3 mm. In the above-described apparatus shown in FIG. 24, plasma can be concentrated and generated in such a narrow region, so that an excimer laser beam of continuous emission with a narrow beam can be obtained.
この時のミラー6の反射率は100%、出力側ミラーの反射率は99%とするとよい。 At this time, the reflectance of the mirror 6 is preferably 100%, and the reflectance of the output side mirror is preferably 99%.
又、連続発光のエキシマレーザ光を安定的に得るためには、放電空間にフッ素分子(F2)とフッ素イオン(F-)が存在し、エキシマ(KrF*)を十分に形 成し得る状態にしなければならない。その為には、新鮮なフッ素ガス(F2)を 放電空間に高速で多量に導入し、レーザ光放出により基底状態に戻ったフッ素原子(F)を放電空間より排出することが望ましい。 In addition, in order to obtain a continuous emission excimer laser beam stably, fluorine molecules (F 2 ) and fluorine ions (F − ) exist in the discharge space, and excimer (KrF * ) can be sufficiently formed. Must be. For this purpose, it is desirable to introduce a large amount of fresh fluorine gas (F 2 ) into the discharge space at a high speed, and to discharge the fluorine atoms (F) that have returned to the ground state by laser light emission from the discharge space.
本実施の形態では、上述したレーザガスの循環置換を高速で行う為に、レーザ管の長手方向(放電空間の長手方向)と交差する方向から新しいレーザガスを導入し、又排出するようにレーザガスの導入口と排出口を設けている。 In this embodiment, in order to perform the above-described circulation replacement of the laser gas at a high speed, a new laser gas is introduced from a direction intersecting with the longitudinal direction of the laser tube (longitudinal direction of the discharge space), and the laser gas is introduced so as to be discharged. There is a mouth and an outlet.
又、こうしたガスの高速循環は放電空間にあるガス及びプラズマを高速で置換するので、レーザ管を冷却する効果もある。 In addition, such high-speed circulation of gas replaces the gas and plasma in the discharge space at high speed, and thus has an effect of cooling the laser tube.
図27は更にレーザガスの高速循環を可能にする形態を示したものであり、ガス導入口23及びガス排出口24に比べ放電空間ではガスの流れるところが狭くなっており、その結果放電空間において高速のガス循環・置換が行われる。
FIG. 27 shows a mode that enables further high-speed circulation of laser gas. Compared with the
又、プラズマを狭い領域に閉じこめる為の磁石10については、図24のようにレーザ管の長手方向を横切る磁力線が生じるように配置する構成に限らず、レーザ管の長手方向に沿って磁力線が生じるように配置することもできる。
Further, the
図25は本発明の別の実施形態によるエキシマレーザ発振装置を示している。 FIG. 25 shows an excimer laser oscillation apparatus according to another embodiment of the present invention.
マイクロ波の導入の方法及び構成は、図16に示したエキシマレーザ発振装置と同じであり、矩形導波管12を介して不図示のマイクロ波電源であるジャイロトロンからのマイクロ波をギャップを介してレーザ管14内に導入される。マイクロ波はレーザ管の壁を伝搬して長手方向に伝わり、レーザ管14内ので放電を生じレーザガスのプラズマを生じる。
The microwave introduction method and configuration are the same as those of the excimer laser oscillation device shown in FIG. 16, and microwaves from a gyrotron, which is a microwave power source (not shown), are passed through a gap through a
図24の装置が図16の装置と異なる点はレーザガスの導入方法である。 The apparatus shown in FIG. 24 is different from the apparatus shown in FIG. 16 in the laser gas introduction method.
図16の装置がレーザガスをレーザ管の長手方向端部から導入し、長手方向に沿ったガスの流れを形成したのに対し、図25の装置は、レーザ管の側壁に長穴をその長手方向がレーザ管の長手方向と平行になるように2つ設けて、一方からレーザガスを導入し、他方からレーザガスを排出するように構成されている。 The apparatus of FIG. 16 introduced laser gas from the longitudinal end of the laser tube to form a gas flow along the longitudinal direction, whereas the apparatus of FIG. 25 has an elongated hole in the side wall of the laser tube in its longitudinal direction. Are arranged so as to be parallel to the longitudinal direction of the laser tube, the laser gas is introduced from one side, and the laser gas is discharged from the other side.
これによりレーザガスはレーザ管内をその長手方向を横切るように流れる。このように本実施の形態においても放電空間にあるガス及び/又はプラズマを高速で置換するので放電空間においてエキシマを安定的に生成することが出来る。又、レーザ管を冷却する効果もある。 As a result, the laser gas flows through the laser tube so as to cross its longitudinal direction. As described above, also in the present embodiment, the gas and / or plasma in the discharge space is replaced at high speed, so that excimer can be stably generated in the discharge space. It also has the effect of cooling the laser tube.
こうしたガスの導入及び排出の方法は、図7〜22を参照して説明した全ての装置に適用できる。 Such gas introduction and discharge methods can be applied to all the apparatuses described with reference to FIGS.
(冷却)
100W〜1kW程度のマイクロ波を入射した10W程度のレーザ光を得るのであるから、相当の発熱が起こる。熱膨張してしまうと波長が変わるから精密な冷却が必要である。この部分に熱膨張のない金属を使って内面に銅めっき、銀めっきをするのがよい。
(cooling)
Since a laser beam of about 10 W that receives a microwave of about 100 W to 1 kW is obtained, considerable heat generation occurs. Precise cooling is necessary because the wavelength changes when it expands. It is better to use copper or silver plating on the inner surface using a metal with no thermal expansion.
プラズマ励起部を金属にするのは冷却効率を高めるためである。水冷は、冷却水温度・冷却水流量・冷却水圧力を制御しながら行う、例えば、図20に示す。冷却装置により冷却を行うことが好ましく、冷却水から気体を脱気し、圧送圧力を1kg/cm2程度にすると冷却水圧送に伴う振動が発生せず好ましい。 The reason why the plasma excitation part is made of metal is to increase the cooling efficiency. Water cooling is performed while controlling the cooling water temperature, the cooling water flow rate, and the cooling water pressure, for example, as shown in FIG. Cooling is preferably performed by a cooling device, and it is preferable that the gas is degassed from the cooling water and the pumping pressure is about 1 kg / cm 2 so that vibration associated with the cooling water pumping does not occur.
(共振器)
レーザ管の光軸上に一対の反射鏡を配置することにより、誘導放出によりレーザ光を取り出すことができる。
(Resonator)
By arranging a pair of reflecting mirrors on the optical axis of the laser tube, the laser light can be extracted by stimulated emission.
後述するようにビームの径を細くして光強度を保つことにより連続発光のエキシマレーザ光を得る場合には、一方の反射鏡の反射率を100%、レーザ光を取り出す出力側の反射鏡の反射率を99.0%とすることが好適である。 As will be described later, when obtaining a continuously emitting excimer laser beam by reducing the beam diameter and maintaining the light intensity, the reflectance of one of the reflecting mirrors is 100%, and the reflecting mirror of the output side that extracts the laser beam is used. The reflectivity is preferably 99.0%.
プラズマ発光部の断面積を5mm×0.2mm=1×10-2cm2とすると共振器内を進行するレーザの電力は1MW/cm2×10-2cm2=10KWである。そこで出力ミラーの反射率が99.0%のとき、外部に出力されるレーザ電力は100W、99.9%のとき10Wである。マイクロ波電源、ジャイロトロンの出力は0.5〜10KWであるので、99.0%反射鏡の場合の100Wでも十分実現できる。出力される100Wのうち、1%にあたる1Wは、ウエハに届くであろうから、0.02secで露光できる。レジストの露光は20mJ/cm2必要であるからである。 If the cross-sectional area of the plasma light emitting portion is 5 mm × 0.2 mm = 1 × 10 −2 cm 2 , the power of the laser traveling in the resonator is 1 MW / cm 2 × 10 −2 cm 2 = 10 kW. Therefore, when the reflectance of the output mirror is 99.0%, the laser power output to the outside is 100 W, and when it is 99.9%, it is 10 W. Since the output of the microwave power source and the gyrotron is 0.5 to 10 kW, even 100 W in the case of a 99.0% reflecting mirror can be sufficiently realized. Of the 100 W that is output, 1 W, which is 1%, will reach the wafer and can be exposed in 0.02 sec. This is because the resist exposure requires 20 mJ / cm 2 .
又、共振器内での損失を極端に小さくすることにより光強度を保つ場合には、一方の反射鏡の反射率を100%、出力側の反射鏡の反射率を99.5%以上より好ましくは99.9%以上とする事が好ましいものである。 Also, in the case where the light intensity is maintained by extremely reducing the loss in the resonator, the reflectance of one of the reflecting mirrors is preferably 100% and the reflectance of the reflecting mirror on the output side is more preferably 99.5% or more. Is preferably 99.9% or more.
図28にプリズムを利用して両端の反射率が100%となる共振器を構成を示した。全反射のプリズム202、203への入射角はブリュースター角となっており、入射時の光量損失は生じない。また全反射プリズム202、203内部での反射は全反射を利用しており、反射時の光量損失も生じない。したがって、共振器両端での反射率は100%となる。出力光は、レーザチューブ201と全反射プリズム202の間に設置された出力光取り出し板204における入射角を調整する事により反射率0%から数%まで設定できる。
FIG. 28 shows a configuration of a resonator in which the reflectance at both ends is 100% using a prism. The incident angle to the
図28図に示す例では、ビームが出力光取り出し板に2箇所において、左右進行波が表裏両面で反射するので、出力ビームの数は8と多くなる。これらの出力ビームの処理のため装置が複雑になってしまう。出力ビームの数を減らし装置の複雑化を防ぐための例として図29に示す変形例があげられる。 In the example shown in FIG. 28, since the left and right traveling waves are reflected on both the front and back surfaces in two places on the output light extraction plate, the number of output beams increases to eight. The processing of these output beams complicates the device. A modification shown in FIG. 29 is given as an example for reducing the number of output beams and preventing the apparatus from becoming complicated.
図29(a)に示す例は、共振器内のビーム毎に出力光取り出し板をa,bの2個設け、一方(b)をブリュースター角に設定する。共振器内のビームは直線偏光しているので、ブリュースター角に設定されている出力光取り出し板bでは反射光は生じない。したがって、出力ビームの数は4である。出力光取り出し板bを設ける理由は、出力光取り出し板bによって生じたビームの位置ずれを補正するためである。 In the example shown in FIG. 29A, two output light extraction plates a and b are provided for each beam in the resonator, and one (b) is set to the Brewster angle. Since the beam in the resonator is linearly polarized, no reflected light is generated at the output light extraction plate b set at the Brewster angle. Therefore, the number of output beams is four. The reason why the output light extraction plate b is provided is to correct a beam position shift caused by the output light extraction plate b.
図29(b)に示す変形例では共振器内のビームの回折を利用して出力光を取り出すものであり、出力ミラーは共振器内のビームの一方に接するように配置され、片面または両面に高反射コートを施してある。出力ミラーに漏れ出してきた回折光は、高反射コートが施された面で反射し出力ビームとなる。出力ビームの数は2である。 In the modification shown in FIG. 29B, output light is extracted by using diffraction of the beam in the resonator, and the output mirror is arranged so as to be in contact with one of the beams in the resonator, and is provided on one side or both sides. A highly reflective coat is applied. The diffracted light that has leaked to the output mirror is reflected by the surface on which the highly reflective coating is applied, and becomes an output beam. The number of output beams is two.
図29(c)に示す変形例ではエバネセント波を利用して出力光を取り出すものであり、全反射プリズム202または203の全反射面にエバネセント波取り出しプリズムを波長程度隔てて設置することによって漏れてきた光(エバネセント波という)を出力光として取り出すものである。出力ビームの数は2である。
In the modification shown in FIG. 29 (c), output light is extracted using an evanescent wave, and leakage is caused by installing the evanescent wave extraction prisms on the total reflection surface of the
(露光装置)
図1はエキシマレーザ発振装置を用いた露光装置を示す。
(Exposure equipment)
FIG. 1 shows an exposure apparatus using an excimer laser oscillation apparatus.
発振装置A1から出射した光はミラー及びレンズA2を介して走査光学系に導かれる。 The light emitted from the oscillation device A1 is guided to the scanning optical system via the mirror and the lens A2.
走査光学系は走査レンズA4と、角度を変化し得る走査ミラーA3とを有している。走査光学系から出射された光はコンデンサレンズA5を介してマスクパターンを有するレチクルA6に照射される。以上が露光装置の照明光学系の構成である。 The scanning optical system has a scanning lens A4 and a scanning mirror A3 whose angle can be changed. Light emitted from the scanning optical system is irradiated onto a reticle A6 having a mask pattern via a condenser lens A5. The above is the configuration of the illumination optical system of the exposure apparatus.
レチクルA6により所定のマスクパターンに応じた明暗分布をもつ光は対物レンズ7を有する結像光学系によりステージ上に載置されたウエハA8上に結像されマスクパターンに応じた潜像がウエハA8表面の感光性レジストに形成される。 Light having a light and dark distribution corresponding to a predetermined mask pattern is formed on the wafer A8 placed on the stage by the imaging optical system having the objective lens 7 by the reticle A6, and a latent image corresponding to the mask pattern is formed on the wafer A8. It is formed on the photosensitive resist on the surface.
以上のとおり、図1に示す露光装置はエキシマレーザ発振装置A1、照明光学系、結像光学系、ウエハA8を保持するためのステージA9とを有している。 As described above, the exposure apparatus shown in FIG. 1 includes the excimer laser oscillation apparatus A1, the illumination optical system, the imaging optical system, and the stage A9 for holding the wafer A8.
なお、この装置においては、発振装置A1と走査光学系との間に不図示の狭帯化モジュールが設けられている。また、発振装置A1自体がパルス発振タイプとなっている。 In this device, a narrowing module (not shown) is provided between the oscillation device A1 and the scanning optical system. The oscillation device A1 itself is a pulse oscillation type.
(露光装置の出力方法例)
連続発振エキシマレ一ザの出力光を利用をon/offするに下記のような方法が考えられる。
(1)エキシマレーザ装置の外部に遮断手段を設ける。
(2)連続励起手段をon/offする。
(Example of exposure device output method)
The following methods can be considered to turn on / off the use of the output light of the continuous oscillation excimer.
(1) A blocking means is provided outside the excimer laser device.
(2) Turn on / off the continuous excitation means.
しかしながら、(1)の方法では、エキシマレーザがDeepUV光であり、その出力が他のレーザに比べ高いことから、遮断手段への損傷が大きく遮断手段の寿命が短い。応答性の高いAO素子(音響光学素子)を用いた遮断手段の寿命はとくに短い。また、出力光を遮断してもレーザ内部では発振が続いているので、レーザ内部の光学系が無用に損傷し、寿命が短かくなる。 However, in the method (1), since the excimer laser is Deep UV light and its output is higher than that of other lasers, damage to the blocking means is large and the life of the blocking means is short. The life of the blocking means using the highly responsive AO element (acousto-optic element) is particularly short. Further, since the oscillation continues inside the laser even if the output light is cut off, the optical system inside the laser is unnecessarily damaged and the life is shortened.
また、(2)の方法では、安定した励起状態を形成するにはある程度の時間が必要であるので、連続励起手段をonしても、すぐには所望の連統発振光が得られない。 In the method (2), since a certain amount of time is required to form a stable excited state, the desired continuous oscillation light cannot be obtained immediately even if the continuous excitation means is turned on.
本発明を図に示した実施例に基づいて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
図22は本発明が連続発振エキシマレーザの概略図である。101は、Kr,Ne、F2ガスが封入されたレーザチャンバ、102は、レーザからの光を出力 するアウトプットミラー、103はマイクロ波をレーザチャンバに導入する誘電体、104はマイクロ波を導波するスロット導波管、105は、マイクロ波を供給するマイクロ波発振源である。106は、発振する波長を選択する波長選択ユニットで、一対のプリズムで構成された光束径を拡大する拡大プリズム106−1と、任意の波長を抽出する回折格子106−2で構成されている。
FIG. 22 is a schematic view of a continuous wave excimer laser according to the present invention. 101 is a laser chamber filled with Kr, Ne, and F 2 gas, 102 is an output mirror that outputs light from the laser, 103 is a dielectric that introduces the microwave into the laser chamber, and 104 is a microwave guide. A
107は、一対のレンズで構成されビーム整形光学系108のレーザ側レンズの焦点位置に設けられた空間フィルターであって、レーザからの出力光の広がり角を制御する。109はシャッター、110は、波長選択ユニット106、マイクロ波発振源105、シャッター109を制御する制御系である。
ここで、アウトプットミラー102と回折格子106−2で、エキシマレーザの共振器を構成している。
Here, the
(動作の説明)
マイクロ波発振源105からのマイクロ波は、スロット導波管104によって導波され、誘電体3を介してレーザチャンバ101内のエキシマレーザガスを連続励起する。励起されたエキシマレーザガスからの光は、拡大プリズム106−1を介して、回折格子106−2に入射する。回折格子から所定の波長領域の光のみが、再び拡大プリズム106−1を介してレーザチャンバ101に戻り、励起されたエキシマレーザガスで誘導励起発光し、その光がアウトプットミラー102と回折格子106−2で構成される光共振器内を往復しながら順次誘導放出することにより、回折格子により選択された所定の波長領域の光のみが増幅する。そして、増幅された光の一部がアウトプットミラー102を介して出力される。
(Description of operation)
The microwave from the
次に連続発振エキシマレーザの出力光の利用をon/offする為の動作について説明する。 Next, the operation for turning on / off the use of the output light of the continuous wave excimer laser will be described.
連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、制御系110は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、シャッター109を作動させてエキシマレーザガスからの光がアウトプットミラー102に行くのを遮断するようにシャッターを閉める。すると光共振器内で発振していた光が発振できなくなり、急激に、連続発振エキシマレーザからの出力光が遮断できる。
When blocking the output light of the continuous wave excimer laser, the
また、連続発振エキシマレーザの出力光を再度利用をする場合、制御系110は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、シャッター109を作動させてエキシマレーザガスからの光がアウトプットミラー102に行くようにシャッターを開く。エキシマレーザガスで自然発光している光が即座に安定して光共振器内で発振し、連続発振エキシマレーザから安定した出力光が応答性良く得られる。
When the output light of the continuous wave excimer laser is used again, the
次に連続発振エキシマレーザの出力光の利用をon/offする為のもう一つの動作について説明する。 Next, another operation for turning on / off the use of the output light of the continuous wave excimer laser will be described.
連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、制御系110は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、回折格子106−2を回動させる。すると回折格子により選択された所定の波長領域の光が変更され、変更された波長領域の光のみが、再び拡大プリズム106−1を介してレーザチャンバ101に戻る。この時、変更された波長領域は、エキシマレーザガスで決まる発振可能領域の波長とことなるようにしてあるため、励起されたエキシマレーザガスで誘導励起発光せず、よって光が発振できなくなり、急激に、連続発振エキシマレーザからの出力光が遮断できる。その現象を図24を用いて説明する。
When blocking the output light of the continuous wave excimer laser, the
通常、エキシマレーザはそのガスによって波長に対する利得が決まっている。その関係が図23の利得曲線GCである。このとき、利得がある波長領域(λ−δλ〜λ+δλ)の光(G)が励起されたエキシマレーザガスに入射されると、誘導励起発光し、エキシマレーザは発振する。一方、利得がある波長領域(λ−δλ〜λ+δλ)と異なる領域(NG)の光が励起されたエキシマレーザガスに入射されると、誘導励起発光せず、エキシマレーザは発振しない。本実施例では、その現象を利用して、連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、回折格子106−2によって、レーザチャンバに戻す光として、利得がある波長領域(λ−δλ〜λ+δλ)と異なる領域の光を選択している。 Normally, the excimer laser has a gain with respect to wavelength determined by the gas. The relationship is the gain curve GC of FIG. At this time, when light (G) in a wavelength region with a gain (λ−δλ to λ + δλ) is incident on the excited excimer laser gas, stimulated excitation light is emitted, and the excimer laser oscillates. On the other hand, when light in a region (NG) different from a wavelength region with a gain (λ−δλ to λ + δλ) is incident on the excited excimer laser gas, induction excitation light is not emitted, and the excimer laser does not oscillate. In this embodiment, when the output light of the continuous wave excimer laser is cut off by utilizing this phenomenon, the wavelength region (λ−δλ to λ + δλ) having a gain as the light returned to the laser chamber by the diffraction grating 106-2. Choose a different area of light.
このとき、発振はしていないが自然発光分の光が出力されるが、その光は、指向性がないため、空間フィルター107によってほとんど遮断される。
At this time, although light does not oscillate, light corresponding to spontaneous emission is output, but the light is almost not blocked by the
また、連続発振エキシマレーザの出力光を再度利用をする場合、制御系110は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、回折格子106−2を回動させて、回折格子により発振可能領域の波長が選択され、その光のみが、再び拡大プリズム106−1を介してレーザチャンバ101に戻る。すると、即座に励起されたエキシマーレーザガスで誘導励起発光し、光共振器内で発振し、連続発振エキシマレーザから安定した出力光が応答性良く得られる。
Further, when the output light of the continuous wave excimer laser is used again, the
図20に本実施例で使用した連続発光エキシマレーザ発振装置を示す。 FIG. 20 shows a continuous emission excimer laser oscillation apparatus used in this example.
本例では、光共振器として円筒状のものを用いた。 In this example, a cylindrical optical resonator is used.
その内面には、無反射膜を形成した。なお、最表面はフッ化物により形成した。 An antireflective film was formed on the inner surface. The outermost surface was made of fluoride.
その外周には、ジャケット状の冷却装置を設けた。その最表面は断熱材で覆い、流入冷却水の温度を雰囲気温度より低くかつ流出冷却水の温度に略一致させるように制御するための手段を設けた。これにより光共振器の温度変動を非常に小さくすることができた。 A jacket-like cooling device was provided on the outer periphery. The outermost surface was covered with a heat insulating material, and means for controlling the temperature of the inflowing cooling water to be lower than the ambient temperature and to substantially match the temperature of the outflowing cooling water was provided. As a result, the temperature fluctuation of the optical resonator can be made extremely small.
導波管としては、図17に示したもの(高さ5mm、幅10cmのオーバーサイズ導波管)を用いており、その内部は10-4Torrレベルの真空にした。 As the waveguide, the one shown in FIG. 17 (oversized waveguide having a height of 5 mm and a width of 10 cm) was used, and the inside was evacuated to a 10 −4 Torr level.
一方、本例でも磁石により磁界を形成し安定したプラズマ励起を図った。 On the other hand, in this example as well, a stable magnetic excitation was achieved by forming a magnetic field with a magnet.
絶縁板44は、共振器側は、CaF2、MgF2からなる多層コートの無反射膜を形成した。最表面はフッ化物よりなる膜を形成した。
The insulating
マイクロ波は、商品名ジャイロトロンを用い、その供給周波数は35GHzとし、ガス組成は、Kr/Ne/F2(3%:92%: 5%)とした。 The microwave used was the trade name Gyrotron, the supply frequency was 35 GHz, and the gas composition was Kr / Ne / F 2 (3%: 92%: 5%).
圧力は大気圧とした。従って、ωc=4.5ωとなり、励起周波数の一周期中 に電子は4.5回衝突する。
ωc:光電子の衝突角周波数
The pressure was atmospheric pressure. Therefore, ω c = 4.5Ω, and the electrons collide 4.5 times during one period of the excitation frequency.
ω c : Photoelectron collision angular frequency
本例では、さらに、図20に示すように、レーザチャンバ20の両端側にガス導入口21aと21bとを設け、さらにその中央部にガス排出口22を設けた。これにより供給するレーザガスを中央に向かって流す構成とした。その理由は、前述した通り、出力端光反射板の表面保護を兼ねるためである。すなわち、光反射板の最表面は必ずフッ化膜の薄膜等で被覆してあるからF2、F*に反応することをなからしめるためである。
In this example, as shown in FIG. 20,
光反射板の反射率は99%以上とした。 The reflectance of the light reflecting plate was set to 99% or more.
本例では、マイクロ波電界とほぼ垂直の方向に直流磁場がかかるように、磁石51を配置してあり、放電開始及び放電維持は極めて安定に行える。
In this example, the
光発振器は、内径が数mm〜数cmの金属円筒からなる。金属円筒の内表面は無反射多層膜を被覆した。その最表面にはフッ化物膜を形成した。 The optical oscillator is made of a metal cylinder having an inner diameter of several mm to several cm. The inner surface of the metal cylinder was coated with an antireflective multilayer film. A fluoride film was formed on the outermost surface.
光反射板31とレーザチャンバを構成するレーザ管(本例では金属円筒32)とのシール接合は、図21に示すように行った。
Seal bonding between the
すなわち、光反射板31と金属円筒32のフランジ32aとの間にテフロン板リング33a(テフロン:登録商標)を介在せしめるとともに、光反射31の外側はテフロン板リング33b、金属板リング35を介在させて、ボルト34により締め付けることにより圧接した。なお、Oリング36によりシールを行った。もちろんボルト34を用いることなく、ベアリングを用いたスクリューにより取り付けてもよい。
That is, a
以上の構成により発光を行ったところ十分な出力を有する連続発光が達成された。 When light was emitted with the above configuration, continuous light emission with sufficient output was achieved.
また、この連続発光エキシマレーザ発振装置置を用いてステッパを構成したところ構成が簡略化され、また、レンズ材料等の寿命が向上した。 Further, when the stepper was constructed using this continuous emission excimer laser oscillation device, the construction was simplified and the life of the lens material and the like was improved.
(他の実施例)
図24、図25に示す装置を用いて、共振器内の損失を極端に小さくすることによって、安定した連続発光のエキシマレーザ光を得ることが出来た。
(Other examples)
By using the apparatus shown in FIG. 24 and FIG. 25 and making the loss in the resonator extremely small, it was possible to obtain a stable continuous emission excimer laser beam.
例えば、レーザガスの圧力を65Torrとしガスによるエネルギーの損失を1%に抑えた。これとともに、一方の反射光の反射率を100%出力側の反射鏡の反射率を99.5%以上として安定共振器を構成した。これにより、レーザ発振のために必要とされる利得を往復で2%以上とし、利得を損失より大きくなるようにできた。 For example, the pressure of the laser gas is 65 Torr, and the energy loss due to the gas is suppressed to 1%. Along with this, a stable resonator was constructed by setting the reflectance of one reflected light to 100% and the reflectance of the reflecting mirror on the output side to 99.5% or more. As a result, the gain required for laser oscillation can be made 2% or more in a round trip, and the gain can be made larger than the loss.
なお、マイクロ波エネルギーとして35GHzを用い、レーザ管内の圧力を160Torrにする場合には、ガスによる損失が若干増えるので出力側の反射鏡の反射率を99.9%以上にする事が望ましい。 Note that when 35 GHz is used as the microwave energy and the pressure in the laser tube is set to 160 Torr, the loss due to the gas slightly increases, so it is desirable to set the reflectance of the output-side reflecting mirror to 99.9% or more.
本発明によれば、レンズ材料やその表面への負荷が少なく、かつ、ミラーもしくはレンズスキャンの制御系が簡略にすることができる連続発光エキシマレーザ発振装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a continuous light emitting excimer laser oscillation device that can reduce the load on the lens material and its surface and can simplify the mirror or lens scanning control system.
第1に、ガラス等の光学材料に対するダメージが減少することである。KrFあるいはArF等の通常のエキシマレーザは10〜20nsecという短いパルス発光であるのに対し、パルスの繰り返し周波数は1000Hz程度に過ぎない。従って、このパルスのピークの光強度は、光学系の効率という問題を抜きにしても同じ強度で連続発光している時の1万倍以上ある。エキシマの領域で起こる材料の損傷の主原因は2光子吸収にあることが知られており、光のピーク強度の2乗に比例する現在のエキシマレーザでの光損傷は連続発光の場合より少なく見積もっても108倍厳しい。ガラス材の耐久がArFの領域で問題となっている のは以上の理由による。従って、連続発光光源の実現はArFまで含めて紫外域での材料問題を一気に解決する。 First, damage to optical materials such as glass is reduced. A normal excimer laser such as KrF or ArF emits a short pulse of 10 to 20 nsec, whereas the pulse repetition frequency is only about 1000 Hz. Therefore, the light intensity at the peak of this pulse is 10,000 times or more that of continuous light emission at the same intensity even if the problem of the efficiency of the optical system is excluded. It is known that the main cause of material damage that occurs in the excimer region is two-photon absorption, and the light damage in the current excimer laser, which is proportional to the square of the light peak intensity, is estimated to be less than in continuous light emission. Even 10 8 times more severe. The durability of the glass material is a problem in the ArF region for the above reasons. Therefore, the realization of the continuous light emission light source solves the material problems in the ultraviolet region including ArF at a stretch.
第2に、狭帯域の光特有の現象のスペックルの発生を抑制することが容易なことである。パルス発光の場合、ランダムな干渉縞であるスペックルを効果的に消し去るためには、一つ一つのパルスでの発光タイミングと公知のスペックル除去手段とを高精度に同期させる必要がある。これに対し、連続発振であれば特別な同期手段を必要とせず簡単な、例えば、回転拡散板のような公知の手段で容易にスペックルを除去することができる。このため光学系の構成を簡単にすることができ、コストの削減にも効果的である。 Second, it is easy to suppress the occurrence of speckle, a phenomenon peculiar to narrow-band light. In the case of pulsed light emission, in order to effectively erase speckles which are random interference fringes, it is necessary to synchronize the light emission timing of each pulse with known speckle removing means with high accuracy. On the other hand, if it is continuous oscillation, the speckle can be easily removed by a known means such as, for example, a rotating diffusion plate, without requiring any special synchronizing means. Therefore, the configuration of the optical system can be simplified, and the cost can be reduced.
第3に、露光量制御が容易なことである。パルス発光のような離散的な露光を行う場合、露光量を制御する最小単位は1パルスの露光量の制御性にもよるが、基本的には、パルスの数に依存している。総合で100パルスで露光するとした時の次の単位は99パルスまたは101パルスであり、制御精度は±1%となる。もちろん、最後の1パルスの制御については種々の手段が提案されているが、制御性あるいは制御のためにはこのような離散性による分解能がなく、より細かな露光量制御が可能となる。線幅が細かくなるに従い、厳しい露光量制御が要求されているなかで、連続発光光源が与える効果は大である。 Third, exposure amount control is easy. When performing discrete exposure such as pulsed light emission, the minimum unit for controlling the exposure amount basically depends on the number of pulses, although it depends on the controllability of the exposure amount of one pulse. When the exposure is performed with 100 pulses in total, the next unit is 99 pulses or 101 pulses, and the control accuracy is ± 1%. Of course, various means have been proposed for the control of the last pulse, but for controllability or control there is no resolution due to such discreteness, and finer exposure control is possible. As the line width becomes narrower, the continuous light source has a great effect in spite of demanding strict exposure control.
A1 発振装置、
A3 走査ミラー、
A4 走査レンズ、
A5 コンデンサレンズ、
A6 レチクル、
A7 対物レンズ、
A8 ウエハ、
A9 ステージ、
1 スロット導波管、
2 レーザ管、
3 誘電体板、
5 出力側鏡、
6 反射側鏡、
8 ガス導入口、
9 冷媒容器、
10 磁場発生部、
11 スロット、
12 ギャップ付き導波管、
14 誘電管、
14a 誘電板、
13 可動短絡板、
15 シールド板、
16 同軸変換導波管、
20 レーザチャンバ(レーザ管)、
21a,21b ガス導入口、
22 ガス排出口、
25a,25b,26,27a,27b バルブ、
28 MFC,PFC、
29 フィルタ、
31 反射鏡、
32 金属円筒(レーザ管)、
32a フランジ、
33a、33b テフロン板リング、
34 ボルト、
35 金属板リング、
36 Oリング、
40 レーザ管、
41 絶縁板、
42 導波管、
50 温度制御装置、
51 磁石、
101 レーザチャンバ、
102 アウトプットミラー、
103 誘電体、
104 スロット導波管、
105 マイクロ波発振源、
106 波長選択ユニット、
106−1 拡大プリズム、
106−2 回折格子、
107 ビーム整形光学系、
108 空間フィルター、
109 シャッター、
110 制御系。
A1 oscillator,
A3 scanning mirror,
A4 scanning lens,
A5 condenser lens,
A6 reticle,
A7 objective lens,
A8 wafer,
A9 stage,
1 slot waveguide,
2 laser tube,
3 dielectric plate,
5 Output mirror
6 Reflective side mirror,
8 Gas inlet,
9 Refrigerant container,
10 Magnetic field generator,
11 slots,
12 waveguide with gap,
14 Dielectric tube,
14a dielectric plate,
13 Movable short-circuit plate,
15 Shield plate,
16 coaxial conversion waveguide,
20 laser chamber (laser tube),
21a, 21b gas inlet,
22 Gas outlet,
25a, 25b, 26, 27a, 27b valves,
28 MFC, PFC,
29 filters,
31 Reflector,
32 metal cylinder (laser tube),
32a flange,
33a, 33b Teflon plate ring,
34 volts,
35 Metal plate ring,
36 O-ring,
40 laser tube,
41 insulation plate,
42 waveguides,
50 temperature control device,
51 magnets,
101 laser chamber,
102 output mirror,
103 dielectric,
104 slot waveguide,
105 microwave oscillation source,
106 wavelength selection unit,
106-1 magnifying prism,
106-2 diffraction grating,
107 beam shaping optical system,
108 spatial filter,
109 shutter,
110 Control system.
Claims (1)
前記レーザチャンバ内のレーザガスを連続的に励起するためのマイクロ波の導入手段を有し、
前記導入手段は、互いに直交した2本のスロットのペアを前記光共振器の軸方向に沿って並べた導波管を備え、前記各ペアから互いに位相が揃った複数の電磁波を放出することを特徴とする連続発光エキシマレーザ発振装置。 One or more inert gases selected from Kr, Ar, Ne and F 2 In an excimer laser oscillation device having a laser chamber composed of a laser tube for housing a laser gas composed of a mixed gas with a gas, and an optical resonator composed of a pair of reflecting mirrors provided with the laser chamber interposed therebetween,
Microwave introduction means for continuously exciting the laser gas in the laser chamber;
The introducing means includes a waveguide in which a pair of two slots orthogonal to each other are arranged along the axial direction of the optical resonator, and each of the pairs emits a plurality of electromagnetic waves having the same phase. A continuous light emitting excimer laser oscillation device.
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