E95とは?

図１：E95とは?

E95に関して詳細を説明する。図1には典型的なレーザのスペクトル形状を示す。ご存知のように半導体製造用に使われるレーザは、微細化のために紫外線の発光を行う。ＫｒＦレーザは波長が248　nm、ＡｒＦレーザは193　nmである。この波長はスペクトルの中心値で規定されている。従って、スペクトルとはその中心の波長からの広がりの幅のことである。

従来、レーザのスペクトルがCDに影響を与えることは、製造装置メーカ間では知られていたことである。ただし、スペクトルのどの部分が影響を与えやすいかまでは十分な知見がなかった。そのため、最も簡素な手法として、ピークの半分の幅をスペクトル幅として定義した。これが半値全幅(FWHM）と言われる定義である。外乱などで発生するスペクトルの変動は半値全幅の変動が比較的良く模擬しており、過去においては、この幅を制御することでCDに対する影響を抑制することができていた。

近年になって、新たなスペクトルの定義が生み出された。これがE95であり、スペクトル純度と言われるものである。同じ幅の定義であるが、スペクトル中の95 %のエネルギーが集中している幅のことである。この定義が生み出された理由は、NAの上昇、ｋ1の低下に伴い、半値全幅のみの概念では十分にCD変化を模擬できないからである。レンズの特性をシミュレーションするツールの活用により、各種のスペクトル形状とレンズのコントラストが計算され、最もコントラストに影響を与えるファクターとしてE95は定義された。

レーザにおいて、E95は制御が難しい性能の一つであるといわれる。 その理由は、制御する以前に計測が困難であるからである。図1に示すレーザのスペクトル形状において、 非常に強度が小さい裾野の部分の計測が必要とされる。そのため、かつてない高精度な分光器が 必要とされる（E95の計測の詳細に関しては、以後の章で扱う）。

E95の変動要因

図２：E95の変動要因

図2はE95の変動が起こりやすい条件を示す。 横軸にはレーザの稼動パルスを、縦軸にはE95の大小をとってある。

まず、第一番目の変動要因としてガスが挙げられる（図中の要因1）。ご存知のようにKrFレーザでは、KrガスとNeガスおよびF2ガスの混合ガスが用いられる。また、ArFでは、ArガスとNeガスおよびF2ガスを用いている。この混合比率により、レーザの性能は大きく左右される。このためエキシマレーザにおいては、ガスの制御が重要な技術の一つに位置づけられる。一般的なガスの制御は、出力パワーを一定に制御するものである。レーザのガスが封印されているチャンバーの中では2本の電極間に1秒間に数千回近くも強いパルス放電が繰り返される。この放電によってガスは徐々に劣化していく。特にF2ガスは反応性が高いことから、その濃度が薄くなっていく傾向をもち、出力パワーを低下させていく。これは露光装置のスループットを左右することから、重要な問題となる。

この場合、F2濃度の低下が原因で出力パワーが低下することから、もとの出力パワー以上に戻すよう、F2ガスを注入することが有効である。しかし、このF2濃度がE95に影響を与えることが最近の調査で明らかとなった。レーザは出力パワーの低下を補うため、F2をどんどん注入していくが、濃いF2はE95を大きい方向に変化させてしまうのである。レーザのガスは1週間に1回程度交換される。ガス交換直後は理想的なガス混合比率になっているため、E95も小さくCDも設計値どおりとなる。しかし、出力パワーを中心としたガスの制御では、F2の濃度が徐々に濃くなるため、E95の値も大きくなっていく。よくある事例として、ガス交換直後と直前でCDが変化することが挙げられる。ガス交換直前はF2が濃いため、E95が大きくなり、CDがプラス側にバイアスをもつことが原因である。従って、ガスの劣化が顕著なガス寿命末期がE95にとってクリティカルなタイミングであるといえる。

第二番目の変動要因としては、長期に亘る光学系の劣化が挙げられる(要因 2)。レーザにおいて狭いE95を実現するには、狭帯域化モジュール(ＬＮＭ)を用いる。ＬＮＭ中にはプリズム、グレーティングなど複数の波長分散用の光学部品が配置されており、このモジュールを介することで広いE95が狭くなる。LNMは露光装置の照明系と同じように、長期間に亘り強い紫外光に晒されるため、ひずみであるとか透過率の低下により、徐々にその性能が低下していく。この過程において、E95は徐々に広がっていく傾向を示す。長期間に亘りCDが変化する要因の一つがE95の変化であり、露光装置側の照明条件の見直しが必要となったりする。現在ＬＮＭの寿命は20 Bplsを越えるところまでその性能が向上しており、年間10 Bpls消耗する一般的なユーザにおいては、2年に亘りその影響を受ける。

第三番目の変動要因としては、モジュールの交換タイミングで発生する。 (要因 3)。この変化は上記2つの変動要因のように徐々に変化するのではなく、一気に大きく発生するため、より深刻である。現象としては劣化したモジュールによるE95の広がりが、新しいモジュールに交換されることにより、設計値に戻ることである。大半のユーザはレーザのモジュールによるCD変化を経験をしつつ、その原因を特定できず、露光装置側の条件変更によりリカバリーさせているのが現状である。異なる見方をすると、モジュール交換の直前は、広がったE95に合うように露光装置が調整されていることになり、解像度など重要な性能が犠牲にされていたことになる。

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