JPH03130775A

JPH03130775A - 低圧水銀共鳴光源

Info

Publication number: JPH03130775A
Application number: JP2163400A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Saida; 斉田　雅裕; Masaru Sugimoto; 大杉本; Masami Nagashima; 永島　雅美; Shuzo Hattori; 服部　秀三; Etsuyuki Uchida; 内田　悦行; Jiei Korinzu Jiyooji; ジヨージ　ジェイ　コリンズ
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1989-10-16
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-06-04
Also published as: US4974227A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分ＦＦ）本発明は、材Ｆｌの光学的加］二、例えば、半導体製造
におけるリソグラフィに使用される単色光源に関し、特
に水銀原子共鳴線を列用し７た低圧水銀共鳴光源に関す
る。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）１１１
色光源としては、近年エキシマレーザが注目されている
。分子物理学においてエキシマとは、励起状態の原子ま
たは分子と基底状態の原子又は分子によって作られる二
量体（２個の原子または分子が重合してできる分子）を
意味し、特に希ガスとハロゲンの混合ガスを電Ｔビーム
や放電等で励起すると、励起状態のエキシマが基底状態
にもどるときに狭シ：７域光（単色光）が放出される。

例えば、クリプトン（Ｋｒ）とフッ素（Ｆ）とを組合わ
せたエキシマレーザ（以下ｒＫｒＦレーザ」という）は
、中心波長＝２４８ｎｍの狭帯域光を出力する。

理想的なりソグラフイ用光源としては、光源から光を受
は入れ、出射する光学レンズ系における色収差の影響を
受けないようにするために、出射光のエネルギー半値幅
を非２Ｎ＋に狭くする必要があり、波長＝　２４８ｎｍ
においてはエネルギー半イ直幅０．００３ｎｍ程度とし
なければならないが、前記ＫｒＦレーザではいままでの
どころこれは実現されていない。

また、エキシマレーザにおける励起状態の寿命は数ナノ
秒と非常に短いため、レーザ光はコンデンサを介した放
電を一定周波数（例えば２００１１ｚ）で繰り返すこと
により、パルス光として出力される。従って、例えば？
ｍＤ光物光物−ジストを適切に感光するためには、個々
のレーザビームパルスの制御及びパルスの繰返し性の制
御が必要であり、露光装置の複雑化をＨｌ　’＜ととも
に、レーザを発生させるパルスが電磁波となって出力レ
ーザパルス制御装ＦｔとＩｉ！／、働する機藩に悪影響
を与え易くなるという問題がある。

ｌ１１−色光を得るための他の手法としては、例えば水
銀−キセノンランプ、キセノンランプあるいは低圧水銀
ランプ等から出力される複数のスペクトルを有する光源
をフィルタすることも可能であるが、フィルタすること
によるエネルギー損失が大きくなり、効率が悪いという
問題がある。

また、本発明の発明者は、水銀共鳴線を用いる単色光源
を既に提案している（量子エレクトロニクス研究会資料
ＱＥ６７−１１　（１９６７−０７）　）。この単色光
源は、水銀−アルゴン放電ランプと水銀共鳴室とを一体
とした構造を採用し、この単色光源によれば、放電ラン
プにおいて広帯域放電光を連続的に発生させるとともに
、その放電光を共鳴室に導くことにより、共鳴室におい
て放電光が選択的に吸収され、狭４１＋ｉ域光として再
放射され、波長が２５３．７ｎｍ付近の紫外光が選択的
に出力される。

上記提案の紫外光源は、放電ランプ内の水銀蒸気圧を制
御することができないため、不要なアーク放電がしばし
ば発生し、電極の１ｎ粍や出力光強度の安定度の而で改
善の余地が残されていた。

また、上泥提案の１１１１色光源は、共鳴室の上側に放
電ランプを配する構造であるため、放電光が効率よく共
ＩＱ室に入射せず、光源のエネルギー効率の而でも改善
の余地が残されていた。

本発明は上述の点に鑑みなされたものであり、放電ラン
プにおける放電を適切に制御し、？ｌＬ極の用粍を抑え
るとともに出力光の強度をより安定化させ、更にエネル
ギー効率の改善をも図ることができる低圧水銀ノ（鳴光
源を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため本発明は、水銀蒸気を包含し、
放電によって水銀蒸気から広帯域光を出射する放電ラン
プと、水銀蒸気を包含し、前記広−１１７域先が入射さ
れ、水銀の狭イ１７域共鳴線光を出射する共鳴室であっ
て、ｎｆ記放電ランプに隣接して配された共鳴室と、該
共鳴室内の水銀蒸気圧を第１の所定圧に制御する第１の
圧力制御手段とから代る低圧水銀共鳴光源において、前
記放電ランプ内の水銀蒸気圧を第２の所定圧に制御する
第２のｊ主力制御手段を設けるようにしたものである。

また、前記第１の圧力制御手段は、前記共鳴室内に設け
た第１の水銀溜りと、該第１の水銀溜りの温度を制御す
る第１の温度制御手段とから成り、６（１記第２の圧力
制御手段は、前記放電ランプに連通する側管と、該側管
に設けた第２の水銀溜りと、該第２の水銀溜りの温度を
制御する第２の温度制御手段とから成るようにすること
が望ましい。

また、前記共鳴室は略円筒状の形状を有し、前記第１の
所定圧は、該円筒形状の直径に応じて設定することが望
ましい。

また、ｎＩｊ記第１の所定圧は１０−３〜Ｉ　Ｏ−’Ｔ
ｏｒｒとし、ｉｆｆ記第２の所定圧は１０−２〜１０−
３Ｔｏｒｒとすることが望ましい。

また、前記共鳴室内の水銀蒸気は質量数２００の水銀原
子と質量数２０２の水銀原子とから成るようにすること
が望ましい。

更に本発明は、中心部に孔を有し、互いに対向する２つ
のカソードブレー１・と、該カソードプレー１〜の孔に
嵌装され、第１の所定圧の水銀蒸気を包含する共鳴室を
画成するパイプと、１；ｊ記２つのカソードブレート間
に該カソードプレートから絶縁されて介装され、１）；
ｊ記パイプを距離を隔てて取り囲むアノードであって、
第２の所定圧の水銀蒸気を包含する放電室を、前記２つ
のカソードプレート及び前記パイプとともに画成するア
ノードと、前記カソードプレートとアノードとの間に電
圧を印加する電源とから低圧水銀共鳴光源を構成するよ
うにしたものである。

また、前記共鳴室に第１の水銀溜りを設けるとともに、
前記放電室に第２の水銀溜りを有する側管を連通させ、
前記第１及び第２の水銀溜りの温度をそれぞれ制御する
第１及び第２の温度１！ＩＩＪ　９１１手段を設けるこ
とが望ましい。

また、前記アノードの周囲に冷却水管を配することが望
ましい。

また、前記パイプの外表面のうち、１）；１記放電室を
画成する部分と、８；ｊ記一方のカソードプレー１・の
孔に対応し、放射光が出射される部分と、前記２つのカ
ソードプレートに接する部分とを除く部分に遮光塗料を
塗イ１１することが望ましい。

（作用）第２の圧力制御手段によって放電室内の水銀蒸気圧が第
２の所定圧となるように制御され、放電電流が安定化さ
れる。

また、放電室が共鳴室をとり囲むように配設されるので
、放電室から出射された放電光が共鳴室の周囲から効率
よく共鳴室に入射される。

（実施例）以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明の低圧水銀共鳴光源の要部断面図を含む
全体構成図、第２図は第１図の■−■線断面図である。

符号ｌは共鳴室２を画成する石英管であり、該石英管１
は共鳴室２の一部として水銀（ｌ１ｇ）溜り２ａを有す
る。

対向する２つのカソードプレート（例えば５ＵＳ３０４
ステンレス鋼製の）３は、孔３ａ、３ｂを有し、該孔３
ａ、３ｂに前記石英管ｌが嵌装されている。

２つのカソード３の間には環状絶縁体４（例えば材質は
ＡＱ２（ｈ、厚さ９ｍｍ）を介してｒｑ篩筒状アノード
５（例えばステンレス鋼製（７）　（ＳＵＳ３０／ｌ、
Ｓ［ＪＳ３１２．５ＵＳ３１６＊）　）　カ介装され、
前記石英管１１カソードブレート３、絶縁体４及びアノ
ード５により放電室６が画成される。放電室６には水銀
溜り６ｂを有する側管６ａが連通ずるとともに、管１９
及び弁２０を介してデフユージョンボンブ２１ａ及びロ
ータリポンプ２１ｂが接続され、更に管２２及び弁２３
を介してアルゴンガスボンベ２４が接続されている。ま
たアノード５の周囲には光源全体（主に放電室）を冷却
するための冷却水管（例えば、５ＵＳ３０４．　Ｃｕ製
の）７が配されていており、該冷却水ｖ７は、その上流
側及び下流側で絶縁されている。更に、石英管１とカソ
ードプレート３とが接する部分、絶縁体４とカソードプ
レート３とが接する部分、及びアノード５と絶縁体４と
が接する部分には、放電室６を気密にすべくＯ−リング
８が挟着されている。

カソードプレート３はアース又は高電圧電源９のマイナ
ス出力に接続され、ア゛ノード５は高電圧電源９のプラ
ス出力に接続されている。ここで電源９の出力電圧は例
えば５ＫＶととし、出力電流は２〜３Ａの範囲で可変さ
れる。

ｉ；Ｉ記水鉗溜り２ａ及び６ｂの温度を調整すべく、熱
媒体ηＩＪ又はＳｉオイルで満たされたオイルバス１０
．１１が設けられている。これらのオイルバス］、０．
１１には、それぞれ熱交換器１３．１４及び温度センサ
１５，１６が設けられ、該温度センサ１５，１６はその
検出信号を温度調節器１７゜１８に供給する。温度調節
器１７．１８の出力側はそれぞれ熱交換器１３．１４に
接続され、オイルバス１０．１１内のオイル、従って水
銀溜り２ａ、６ｂの水銀が設定温度となるようにＰＩＤ
制御を行う。

尚、石英管１の外部表面のうち、放電室６を画成する部
分（以下「入射窓」という）と、カソードプレート３の
孔３ａに対応する部分（以下「出射窓Ｊという）と、カ
ソードプレート３に接する部分とを除く部分、即ち第１
図においてカソードプレート３（右側）の孔３ｂより右
側の部分には、共鳴室２への入射光及び共鳴室２からの
出射光を遮断すべく遮光塗料１ａが塗布されている。

上述のように構成される低圧水銀共鳴光源における発光
プロセスの概要は以下のとおりである。

■　アノード５とカソードプレート３との間に数ＫＶ（
例えば５ＫＶ）の電圧を印加する。

■　放電室６には第２の温度調節器１８の設定温度Ｔ２
に応じた飽和蒸気圧の水銀蒸気及び所定圧のアルゴンガ
スが満たされており、電圧印加により放電室６内でプラ
ズマ放電が発生する。

■　この放電により、水銀蒸気の２５３，７ｎｍの共鳴
線を含む種々の波長の放電光が石英管ｌの前記入射窓を
通じて共鳴室２内に入射される。

■　共鳴室２内には、第１の温度調節器１７の設定温度
ＴＩに応じた飽和蒸気圧の水銀蒸気が満たされており、
２５３，７ｎｍの共鳴線の放電光のみが吸収、放射され
、同じ波長の放射光が、石英管１の６１１記出射窓より
出力される。

■　出力放射光は、光学レンズ等を含む光学系（図示せ
ず）を介して露光装置等へ出力される。

上述のように、共鳴室２を放電室６によってとり囲む構
逍としたことにより、放電光が放電室６から共鳴室２に
効率よく入射し、光源のエネルギー効率を向」ニさせる
ことができる。

第３図は、放電室６内で発生する放電によって流れる放
電電流Ｉとｆｆｉ極（アノード−カソード）間の印加電
圧Ｖとの関係を示す図である。放電を開始すると電圧Ｖ
は急激に低下し、更に電流Ｉを増加させても電圧はほと
んど変化しない（同図Ａ、正幇グロー放ｉ１１！領域）
。更に電流■を増加させると電圧Ｖは急激に」１昇し、
下降する（同図Ｂ、異常グロー放電領域）。更に電流Ｉ
を増加させると、アーク放電が発生する（同図Ｃ１アー
ク放電領域）。

本実施例では、第３図Ｂの異常グロー放電領域に放電電
流Ｉを制御するようにしているが、それは以下の理由に
よる。一般に放ｍ電流ｌが大きいほど、水銀原子中の電
子が励起され、エネルギー（光）を放射して、ｉｋ底状
態にもどる頻度が高くなり、放射光エネルギーが増加す
る。ところが、前記アーク放電Ｋｉ域では電圧が極端に
低下するので、電流Ｉの電子密度は高いが電子の移動速
度が低下した状態となり、放射光のエネルギーも減少す
ることとなる。また、電極温度が上昇するので、カソー
ド材料の蒸発（スパッタ）が進み、放電光のスペクトル
に電極材＞１の蒸発による付加的な放電光が入るといっ
た問題も発生する。そのため、アーク放電が起きない領
域Ａ及びＢに放電電流■を注意深く制御するようにして
いる。また、最も望ましい放電光は、放電電流■を異常
グロー放電領域Ｂに限定したときに得られる。

第４図は水銀温度と水銀飽和蒸気圧との実験的に確認さ
れた関係を示す図であり、例えば水銀温度を一５°〜＋
２０℃の範囲に設定すれば、水銀蒸気圧は１０−４〜Ｉ
　０−３Ｔｏｒｒとなる。放電室６内の水銀蒸気圧の制
御はこの第４図の関係に基づいて行われ、放電室６内の
水銀蒸気圧及びアルゴンガス圧は以下のように設定され
る。

■　ロータリーポンプ２１ｂにより放電室６内の圧力を
１０−４〜Ｉ　０−３ｌ−ｏｒｒとする。このとき第２
の温度調節器１８の設定温度Ｔ２を−１０℃以下とし、
水銀蒸気圧を１０−→Ｔｏｒｒ以下とする。

■　アルゴン−水銀放電を発生させるためにアルゴンガ
スを放電室６内に導入し、放電室６内の全圧力を１０−
３〜Ｉ　０−２Ｔｏｒｒとする。

■　第２の温度調ｆＩｌｉＷ１ｇの設定温度Ｔ２を２０
°〜５０℃の範囲に設定し、水銀蒸気圧が第２の所定圧
（例えば１０−’　〜ｌ　０−２Ｔｏｒｒ）となるよう
にする。このような圧力制御は、水銀蒸気圧がＩ　０−
２Ｔｏｒｒより高い場合には、水銀共１！１）線以外の
放射スペクトルが相対的に大きくなり、共鳴光源の効率
が低下する一方、ＩＯ″３ＴＯｒｒより低い場合には放
電が開始されない可能性が高く、また放電が開始された
としても、共鳴線強度が低下することを考慮したもので
ある。

以上の手順により、放電室６内の水銀蒸気圧は１０−３
〜Ｉ　０−２Ｔｏｒｒに設定される。このように放電室
６内の水銀蒸気圧を第２の所定圧に制御することにより
、放電電流を安定させてアーク放電が発生することを防
止することができる。その結果、？！！極の摩粍を防止
し、放電光のスペクトルに電極（オ料の蒸発によるスペ
クトルの放電光が入ることを回避することが可能となる
。

また、放電によって放電室６及び共鳴室２の温度が上昇
するので、冷却水管７により放電室周辺を冷却して、温
度」１昇による水銀蒸気圧の変動及びそれに起因する放
電状態や放射強度の変動を防止し、光源の安定化を図っ
ている。

次に共鳴室２内の水銀蒸気圧の選定について述べる。共
鳴室２内では、２５３．７ａｍ及び１８４］ｎｍの共鳴
線の放電光のみが水銀蒸気によって強力に吸収され、再
び同じ波長の放射光が出力される（励起された電子が基
底状態にもどる）。ここで共鳴室２内の水銀蒸気圧をｌ
　０−２Ｔｏｒｒ以上とすると、主として共鳴室２の周
辺部、即ち放電室６に近い部分でのみ吸収−放射が行わ
れるようになり、放電光の強度が中心部で低ｆする一方
、水銀蒸気圧をｌ　Ｏ−’Ｔｏｒｒより低くすると、は
とんど吸収が行われず、従って放射も行われないことと
なる。

そこで、本実施例では共鳴室２内の水銀蒸気圧１０−１
〜］　０−３Ｔｏｒｒ　（第１の所定圧）とするように
している。これにより、放射光の強度を均一化するとと
もに、全体としての放射出力を大きくすることができる
。共鳴室２内の水銀蒸気化は、第１の温度調節異１７の
設定温度′１゛】を−５°〜２０℃とする（第４図参照
）ことにより、Ｍｉｊ記第１の所定圧となるように制御
される。

第５図は、波長２５３．７ａｍ近傍における共鳴線の超
微細構造を示しており（尚、１８４．９ｒ＋ｍの共鳴線
についても以下に述べる点と同様のことがいえる）、横
軸のＯが２５３．７ａｍに、また＋Ｉ＋、５．−１０．
４等は（２５３，７＋Ｉ１．５Ｘ　Ｉ　Ｏ″′４）　ｎ
ｍ、　　（２５３，７−１０，４Ｘ１０−４）　ｎｍの
波長にそれぞれ対応する。縦軸はそれぞれの波長におけ
る放射光の相対強度を示しており、またＩＩ　ｇ２００
．　ＩＩ　ｇ２０２等は水銀の同位元素（２００，２０
２等は質量数である）を示す。例えば１−１ｇ２００は
２５３．７ａｍの共鳴線を、また１１　ｇ　２０２は（
２５３，７＋ｌＩ、５Ｘ　Ｉ　Ｏ−’）　ｒａｍの共鳴
線を有し、これらの共鳴線の相対強度の和は５３．０４
χ（図示した全同位元素の散開エネルギーの和を１００
％とする）となる。従って、本実施例では、共鳴室２の
水銀溜り２ａには１１ｇ２００と１１ｇ２０２とを入れ
るようにして高輝度・高ＩＪｊ色性（高解像度）の光源
を実現している。もちろん１１ｇ２００又は１１ｇ２０
２のみを用いればより高いＩｉｔ色性の、即ちより精密
な光学計ｇｔＩＪ等に使用可能な光源が得られるが、放
射光の強度は約半分に減少する。

これに対し、１１ｇ２００及び１１ｇ２ｏ２を用いた場
合には、それぞれの共鳴線が有する±５　Ｘ　Ｉ　０−
４ｒ＋ｍ程度の拡がりを考慮しても合成スペクトルは２
１．５（”　５　＋１１．５＋５）　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’ｎ
ｍの範囲内に収まり、この狭４ｊ？域放射先は、光学レ
ンズ系における色収差を実用上問題ないレベルとするた
めに通市要求される水ｒ１１５、即ち３０　Ｘ　Ｉ　Ｏ
−’ｎｍを十分満足する高い中１色性を有する。また同
時に放射光の強度もいずれか一方のみのときより略倍増
するので、高強度・高車色性の光源を得ることができる
。

また、石英管１の管径りは、下記式に基づいて算出した
値としている。

Ｄ＝ｌ／ｋｏ　　　　　　　　　　　・・・（１）ここ
にｋｏはガスの吸光係数、ΔＶｏはドツプラー暢（定数
）、λ０は共鳴線中心波長、ｇｌｌ　ｇ２はそれぞれ基
底状態、励起状態の統ａｉ的重み、Ｎは単位体稍当りの
水銀原子数（水銀蒸気圧Ｐに比例する）、τは水銀原子
の励起状態の平均が命である。

式（２）からｋＯは水銀原子数Ｎ、従って水銀蒸気圧Ｐ
に比例するので、管径りは水銀蒸気圧Ｐに反比例するよ
うに決定するとよい。換言すれば水銀蒸気圧Ｐと、管径
りとが上記（１）、　　（２）式の関係を満足するよう
に両者の値を決定すべきである。これによって、石英管
ｌの中心部における放射強度が大きな径の管を用いた場
合のように低下することなく、半径方向の位置に対して
より均一な放射光を得ることができる。

尚、本実施例では２５３．７ｎｔ＊の共鳴線を利用して
いるが、放射光を大気中を通過させることなく真空中あ
るいは不活性ガス中で使用する場合には、１８４．９ａ
ｍの共鳴線（この波長の放射光は大気中の酸素により吸
収される）を利用するようにしてもよい。

以上のように本実施例によれば、放射強度が安定化され
、且つ高い単色ＦＩ：を有する光源を得ることができる
。即ち、例えば波長が２５０ｎｍ程度の共鳴光のスペク
１ヘル幅（エネルギー半値ｌ１ｉＩ）を約０．００３ｎ
ｏ＋以下とし、光学系における色収差を無視でき−る程
度とすることができる。その結果、特に高解像度が要求
されるリソグラフィに適した光源を得ることができる。

（発明の効果）以上詳述したように本発明の低圧水銀共鳴光源によれば
、第２の圧力制御手段によって放電室内の水銀蒸気圧が
第２の所定圧となるように制御され、放電電流が安定化
されるので、アーク放電の発生を防止することができる
。その結果、ｆｔ１ｌｌの摩耗を防止し、放電光のスペ
クトルにｍｓ材料の蒸発によるスペクトルの放電光が入
ることを回避することができる。

また、共鳴室の゛１″、径方向の位置に対して放射強度
がより均一な放射光を得ることができる。

また、波長が近接した２つのへ鳴線を利用できるので、
高単色性かつ高強度の放射光を得ることができる。

また、共鳴室が放電室によってとり囲まれた構造を有す
るので、放電光が放電室から共、１室に効率よく入射し
、光源のエネルギー効率を向ヒさせることができる。

４゜また、光源、特に放電室の温度を適正に維持し、放電状
態や放射Ｑｊ１度の変動を防止して光源の安定化を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の低圧水銀共鳴光源の要部断面図を含む
全体構成図、第２図は第１図のＩｉ　−ＩＪ線断面図、
第３図は放電電流ｌと電極間電圧Ｖの関係を示す図、第
４図は水銀温度と水銀飽和蒸気圧との関係を示す図、第
５図は水銀共鳴線（２５３，７ｎｎ＋）の超微細構造を
示す図である。ｌ・・・石英管、２・・・共鳴室、２ａ・・・水銀溜り
、３・・・カソードブレーＩ・、４・・・絶縁体、５・
・・アノード、６・・・放電室、６ａ・・・側管、６ｂ
・・・水銀溜り、１０゜１１・・・オイルバス、１３．
１４・・・熱交換恭、１５゜１６・・温度センサ、１７
．１８・・・温度調＠１）３゜出頼人　日木稍工株式会
社

Claims

【特許請求の範囲】

１、水銀蒸気を包含し、放電によって水銀蒸気から広帯
域光を出射する放電ランプと、水銀蒸気を包含し、前記
広帯域光が入射され、水銀の狭帯域共鳴線光を出射する
共鳴室であって、前記放電ランプに隣接して配された共
鳴室と、該共鳴室内の水銀蒸気圧を第１の所定圧に制御
する第１の圧力制御手段とから成る低圧水銀共鳴光源に
おいて、前記放電ランプ内の水銀蒸気圧を第２の所定圧
に制御する第２の圧力制御手段を設けたことを特徴とす
る低圧水銀共鳴光源。