JP2008141175A - 注入同期型レーザ装置、干渉計測装置、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長の安定性が良い注入同期型レーザ装置及びそれを利用した注入同期型レーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置は、シードレーザ１と、シードレーザ１から出力される光の一部がシード光として注入される発振器Ｏと、シードレーザ１から出力される光の他の一部を周波数シフトさせる音響光学素子６とを備える。レーザ装置はまた、発振器Ｏから出力される光と音響光学素子６から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタ９と、フォトディテクタ９の出力信号に含まれるビート信号に基づいて発振器Ｏの光路長を制御する解析器１０とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ装置は、シードレーザ１と、シードレーザ１から出力される光の一部がシード光として注入される発振器Ｏと、シードレーザ１から出力される光の他の一部を周波数シフトさせる音響光学素子６とを備える。レーザ装置はまた、発振器Ｏから出力される光と音響光学素子６から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタ９と、フォトディテクタ９の出力信号に含まれるビート信号に基づいて発振器Ｏの光路長を制御する解析器１０とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、注入同期型レーザ装置、干渉計測装置、露光装置及びデバイス製造方法に関する。
干渉計測装置の光源として、従来から注入同期型レーザが使用されている（特許文献１参照）。図７は、従来の注入同期型レーザの概略構成を示す図である（非特許文献１参照）。図７に示す注入同期型レーザ装置では、注入同期の方法としてビルドアップタイムを最小化する方法が採用されている。
パルス光を発生するためのパルス発振器Ｏは、スペクトラルホールバーニングの影響を避けるために、通常はリング型で構成される。また、パルス発振器Ｏの出力結合器は、ＰＺＴマウント４に配置されている。ＰＺＴマウント４は、ＰＺＴ制御器（ＰＺＴアンプ）５により高精度に駆動される。レーザの利得媒質３としては、例えば、Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶などを用いることができる。結晶の励起には、Ｎｄ：ＹＡＧなどの励起光源２を用いることができ、結晶に光束を入射し吸収させることで励起を行う。
シードレーザ１は、注入同期のための注入光源であり、波長線幅が十分小さい単一縦モード光源が用いられる。シードレーザ１から出力されるシード光は、パルス発振器Ｏの横モードに一致するようにパルス発振器Ｏに注入される。シードレーザ１としては、例えば、外部発振器型半導体レーザが使用されうる。
注入同期とは、発振器に注入された狭帯域レーザ光の波長と発振器の光路長とを同期させることであり、注入された狭帯域レーザ光の光子が初期のパルス発振の誘導放出を担うため、励起エネルギーを狭帯域に集中させたパルス発振が容易になる。
最も高率的な注入同期は、発振器Ｏの光路長がシードレーザ１の発振波長の整数倍である時に実現し、ビルドアップタイムは最短となる。それ以外の条件では、シードレーザ１に対し発振器の損失が発生するためビルドアップタイムは遅くなる。
ここでビルドアップタイムは、励起レーザ入射後、パルス光が発振するまでの時間を意味する。以上の原理を用いてビルドアップタイムを発振器の制御に利用する。
ビルドアップタイムの検出のために、発振器の近傍には励起光源用フォトディテクタ３２と、パルス光用フォトディテクタ３３とが設けられる。両フォトディテクタ３２、３３の出力は制御回路３４に提供される。制御回路３４では、両フォトディテクタ３２、３３の出力信号に基づいてビルドアップタイムを算出すると共に、ビルドアップタイムの変化に基づいて誤差信号を生成し、誤差信号をフィードバックするためのＰＩＤフィルタリングを行う。
フィルタリングされた信号は、ＰＺＴ制御器５に提供される。ＰＺＴ制御器５は、この信号に基づいてＰＺＴマウント４を駆動し、これにより注入同期制御が可能となる。
特開２００４−０６９３３３号公報
Ｊ． Ｒａｈｎ， "Ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｓｅｅｄｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ，" Ａｐｐ． Ｏｐｔ．， ２４， ９４０ （１９８５）．
しかしながら、従来のビルドアップタイムによる制御方法では、例えば、共振器長以外の要素（例えば、励起レーザの強度ジッタ、ポインティングジッタなど）によるビルドアップタイムの変動により制御誤差が発生しうる。また、レーザの出力からビルドアップタイムを算出するための処理回路にノイズが混入し易く、ＳＮの高い誤差信号を生成することが困難である。これにより、同期制御誤差が発生し、強度や波長のジッタなどのレーザ特性劣化が引き起こされる。
本発明は、上記の課題を背景としてなされたものであり、例えば、波長の安定性が良い注入同期型レーザ装置及びそれを利用した注入同期型レーザ装置、干渉計測装置、露光装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面の注入同期型レーザ装置は、シードレーザと、前記シードレーザから出力される光の一部がシード光として注入される発振器と、前記シードレーザから出力される光の他の一部を周波数シフトさせる周波数変換器と、前記発振器から出力される光と前記周波数変換器から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタと、前記フォトディテクタの出力信号に含まれるビート信号に基づいて前記発振器の光路長を制御する解析器とを備えることを特徴とする。
本発明の第２の側面の同期型レーザ装置は、注入シードレーザと、前記シードレーザから出力される光の一部がシード光として注入される発振器と、前記発振器から出力される光を周波数シフトさせる周波数変換器と、前記シードレーザから出力される光の他の一部と前記周波数変換器から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタと、前記フォトディテクタの出力信号に含まれるビート信号に基づいて前記発振器の光路長を制御する解析器とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、波長の安定性が良い注入同期型レーザ装置及びそれを利用した注入同期型レーザ装置、干渉計測装置、露光装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態としての注入同期型パルスレーザの概略構成を示す図である。シードレーザ（ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ）１から出力される光束Ｂ１は、ハーフミラーＭ１によって２つの光束Ｂ２、Ｂ３に分割される。ハーフミラーＭ１で反射された光束Ｂ２は、シード光としてミラーＭ２で反射されてパルス発振器Ｏに注入される。パルス発振器Ｏは、ホールバーニングの影響を避けるために、リング型であることが好ましい。パルス発振器Ｏ内には利得媒質３が配置され、その励起は、発振器Ｏの外部に配置されて励起光源（励起レーザ）２が発生するレーザ光を発振器Ｏ内に導入することによってなされうる。また、発振器Ｏの出力結合ミラーＭ３は、ＰＺＴマウント４に配置される。ＰＺＴマウント４は、アンプを含むＰＺＴ制御器５によって制御され、これによって発振器Ｏの光路長が高精度に制御されうる。
図１は、本発明の第１実施形態としての注入同期型パルスレーザの概略構成を示す図である。シードレーザ（ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ）１から出力される光束Ｂ１は、ハーフミラーＭ１によって２つの光束Ｂ２、Ｂ３に分割される。ハーフミラーＭ１で反射された光束Ｂ２は、シード光としてミラーＭ２で反射されてパルス発振器Ｏに注入される。パルス発振器Ｏは、ホールバーニングの影響を避けるために、リング型であることが好ましい。パルス発振器Ｏ内には利得媒質３が配置され、その励起は、発振器Ｏの外部に配置されて励起光源（励起レーザ）２が発生するレーザ光を発振器Ｏ内に導入することによってなされうる。また、発振器Ｏの出力結合ミラーＭ３は、ＰＺＴマウント４に配置される。ＰＺＴマウント４は、アンプを含むＰＺＴ制御器５によって制御され、これによって発振器Ｏの光路長が高精度に制御されうる。
一方、シードレーザ１から出力されハーフミラーＭ１を透過した光束Ｂ３は、ミラーＭ４、Ｍ５を介して周波数変換器としての音響光学素子（ＡＯＭ）６に入射する。音響光学素子６には、周波数ｆＡＯＭを有する電圧信号が印加され、音響光学効果により、音響光学素子６を透過する光束から複数次数の回折光が発生する。これらの複数次数の回折光において、それぞれｎ×ｆＡＯＭ（ｎは次数）の周波数シフトが発生する。
これらの複数次数の回折光から＋１次光だけが空間的に抽出されて、ファイバ結合器７ａにより分岐ファイバ８の第１入力端子に結合される。ここで、分岐ファイバ８は、例えば、偏波面保存シングルモード型であり、２つの入力端子（第１、第２入力端子）と、１つの出力端子を含む。
一方、パルス発振器Ｏに関しても、ハーフミラーＭ６により出力の一部が分岐されてファイバ結合器７ｂにより分岐ファイバ８の第２入力端子に結合される。
ここで、分岐ファイバ８は、シードレーザ１の出力とパルス発振器Ｏの出力との空間的な重なりを一致させるために好適である。また、偏波面保存型の分岐ファイバは、２つの光束の干渉性を最大化するため、及び、ファイバへの応力変化などによる偏光の変化を防ぐために好適である。もちろん、分岐ファイバを使用しないで、ハーフミラーなどを用いて光束を重ね合わせてもよい。
分岐ファイバ８の出力端子は、フォトディテクタ９に接続されている。フォトディテクタ９は、分岐ファイバ８から出力される光の強度を電気信号に変換する。周波数シフト後のシードレーザ１の出力光とパルス発振器Ｏの出力光とが分岐ファイバ８によって合成されるので、フォトディテクタ９の出力信号は、式（１）で表される。
となる。ここで、Ｉｓｅｅｄはシードレーザ強度、Ｉｐｕｌｓｅはパルス発振器出力、ｆｓｅｅｄはシードレーザ光周波数、ｆｐｕｌｓｅはパルスレーザ中心光周波数である。以下、式（１）で表される信号Ｉ（ｔ）をビート信号と呼ぶ。図２は、シミュレーションで得られたビート信号Ｉ（ｔ）を例示する図である。
解析器１０は、ビート信号Ｉ（ｔ）から誤差信号を抽出する。以下、解析器１０における処理を説明する。
解析器１０は、まず、パルスビート信号Ｉ（ｔ）をＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換のトリガには、例えば、励起光源（励起レーザ）２のＱスイッチタイミングなどが好適である。サンプリング数は、後のＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を考慮すると、２ｎであることが好ましい。
次に、解析器１０は、ビート信号Ｉ（ｔ）に対して周波数解析を行う。まず、解析器１０は、ビート信号Ｉ（ｔ）に対してＦＦＴを行う。式（１）のフーリエ変換は式（２）で表される。
図３には、式（２）に示されるフーリエ変換が例示されている。式（２）から分かるように、ｆＡＯＭ周辺のスペクトルがパルス発振器Ｏからのパルス光とシードレーザ１からの光の周波数差を表す。したがって、パルス発振器Ｏからのパルス光の周波数情報を抽出するためには、ＡＯＭ６の変調周波数ｆＡＯＭ（周波数シフト量）は、該パルス光のスペクトル幅より十分に大きい必要がある。
次に、解析器１０は、スペクトルの重心を算出する。ここで、スペクトルのピーク位置ではなく重心を用いるのは、ピーク位置の場合には誤差信号の分解能がＦＦＴの分解能で制約されてしまうことと、干渉計などのアプリケーションにおいて波長安定性はスペクトル重心の変動しか影響しないためである。
実際のシステム上では、フォトディテクタ９や解析器１０内のＡＤ変換器が発生するノイズによりスペクトルの存在し得ない領域にノイズデータが混入し、これによって重心の計算誤差が発生しうる。これに対しては、あらかじめシステムのノイズレベル相当の閾値を設けておき、これ以上のデータのみを計算に適用することで回避しうる。更に、ＤＣ付近にはパルスの周波数に依存しないスペクトル成分が存在するため、この影響を受けないように、予め重心計算領域を指定することが必要である。以上より、シードレーザ１の出力光の周波数ｆｓｅｅｄとパルス発振器Ｏの出力光の周波数ｆｐｕｌｓｅとの差（ｆｐｕｌｓｅ−ｆｓｅｅｄ）は、式（３）で算出される。
ここで得られた結果は、周波数差の情報のみであり符号情報は含まないが、ＰＺＴマウント４の移動方向と周波数差の変動方向から符号判断が可能であるため、フィードバックシステム上は問題とならない。また、音響光学素子６の変調周波数ジッタが計測誤差となるが、これは一般的な光周波数安定性に対して十分小さいため無視できる。
最後に、解析器１０は、周波数差（ｆｐｕｌｓｅ−ｆｓｅｅｄ）をＤＡ変換して、誤差信号としてアナログ出力する。この実施形態のレーザは、パルスレーザであるので、次のパルスが発振するまでは、該誤差信号はホールドされる。
解析器１０における処理は、パルス発振器Ｏの制御周波数を上げるためにも、パルス毎で行うことが望ましい。解析器１０をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを使って構成すれば、例えば、１０ｋＨｚ程度の繰り返し周波数で解析可能である。
解析器１０からの誤差信号出力は、ＰＺＴ制御器５に提供され、ＰＺＴ制御器５においてＰＩＤ補償がなされた後にＰＺＴマウント４に提供（フィードバック）される。
第１実施形態では、パルス発振器Ｏの制御は、パルス光の発振波長がシードレーザ１の発振波長と同一波長になるように行なわれる。したがって、パルス発振器Ｏの光路長は、シードレーザ１の光路長の整数倍に維持され、安定した注入同期が実現する。第１実施形態によれば、パルスビート信号により波長差を直接抽出可能であるため、励起光源の強度ジッタの影響を受けないため高精度な注入同期制御が可能である。
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態としての注入同期型パルスレーザの概略構成を示す図である。シードレーザ１から出力される光束Ｂ１は、ハーフミラーＭ１によって２つの光束Ｂ２、Ｂ３に分割される。ハーフミラーＭ１によって反射された光束Ｂ２は、ミラーＭ２を介して、シード光としてパルス発振器Ｏに注入される。パルス発振器Ｏは、ホールバーニングの影響を避けるために、リング型であることが好ましい。パルス発振器Ｏ内には利得媒質３としてＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶が配置され、その励起は、発振器Ｏの外部からＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅの吸収帯に波長を有する励起光源（励起レーザ）２、例えばＮｄ：ＹＡＧの２倍波を集光することでなされうる。また、発振器Ｏの出力結合ミラーＭ３は、ＰＺＴマウント４に配置される。ＰＺＴマウント４は、アンプを含むＰＺＴ制御器５によって制御され、これによって発振器Ｏの光路長が高精度に制御されうる。
図４は、本発明の第２実施形態としての注入同期型パルスレーザの概略構成を示す図である。シードレーザ１から出力される光束Ｂ１は、ハーフミラーＭ１によって２つの光束Ｂ２、Ｂ３に分割される。ハーフミラーＭ１によって反射された光束Ｂ２は、ミラーＭ２を介して、シード光としてパルス発振器Ｏに注入される。パルス発振器Ｏは、ホールバーニングの影響を避けるために、リング型であることが好ましい。パルス発振器Ｏ内には利得媒質３としてＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶が配置され、その励起は、発振器Ｏの外部からＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅの吸収帯に波長を有する励起光源（励起レーザ）２、例えばＮｄ：ＹＡＧの２倍波を集光することでなされうる。また、発振器Ｏの出力結合ミラーＭ３は、ＰＺＴマウント４に配置される。ＰＺＴマウント４は、アンプを含むＰＺＴ制御器５によって制御され、これによって発振器Ｏの光路長が高精度に制御されうる。
一方、シードレーザ１から射出されハーフミラーＭ１を透過した光束Ｂ３は、ミラーＭ４で反射された後に、ハーフミラーＭ６へ入射し、２つの光束Ｂ４、Ｂ５に分割される。
ハーフミラーＭ６を透過した光束Ｂ５は、ミラーＭ７で反射されて電気光学変調素子１１に入射し、周波数ｆｍの位相変調がかけられ後に、偏光ビームスプリッタ１２を透過して、更にλ／４波長板１３を透過した後に基準共振器１４に入射する。偏光ビームスプリッタ１２の反射側にはフォトディテクタ１５が設置され、フォトディテクタ１５によって基準共振器１４から提供される光の量が検出される。
第２実施形態では、以下に示す方法でシードレーザ１の発振波長が安定化される。第２実施形態では、Ｐｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ法が用いられる。電気光学変調素子１１で周波数ｆｍの変調を受けた後、レーザ光束Ｂ６の複素振幅は、式（４）で表される。
ここで、ν０は、シードレーザ１が発生するレーザ光の中心光周波数、φ（ｔ）は中心光周波数からの位相のずれ、φｍは電気光学変調素子１１による変調深さを表す。
一方、基準共振器１４からの反射光の伝達関数Ｈｒ（ｖ）は、基準共振器１４のミラーの振幅反射率をｒ１、ｒ２、シードレーザ１が発生する光の周波数をν、基準共振器１４のＦＳＲをνＦとして、式（５）であらわされる。
フォトディテクタ１５で受光される光の強度信号は、式（４）と式（５）との乗算で表され、変調周波数ｆｍで振動する成分のみ抽出すると式（６）で表される。
この強度信号を周波数ｆｍで復調することにより、式（７）で表される復調信号が得られる。
Ｖ（ν）＝Ｎνｆ＋δνとすると、Ｖ（ν）は、δν〜０近傍で、周波数誤差δνに対して線形な特性を示し、周波数安定化用の誤差信号として用いることが可能である。光の強度信号からの誤差信号の復調と、制御用のＰＩＤ等のフィルタリング処理は復調器１６で行なわれ、シードレーザ１の波長変調端子へフィードバックされる。
以上により、基準共振器１４を含む安定化ユニットにより、基準共振器１４の発振波長を基準としてシードレーザ１の発振波長が安定化される。ここで、基準共振器１４の周波数変動は誤差要因となるため振動や温度や騒音などの外乱による光路長変化に対し十分に配慮する必要がある。具体的には、高剛性なメカ構造、低振動な設置環境が提供されるとともに、注入同期型パルスレーザが遮音つき空調チャンバ内に配置されることが重要である。
また、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ法の特徴として誤差信号のＳＮは基準共振器１４のフィネスに依存するため、基準共振器１４を構成するミラーには十分に高反射率なものを選択するとともに発振器の調整を十分に行う必要がある。
また、ハーフミラーＭ６で反射されたシードレーザ１の光束Ｂ４は、ＡＯＭ６に入射する。ＡＯＭ６には、周波数ｆＡＯＭを有する電圧信号が印加され、音響光学効果によりＡＯＭを透過する光束から複数次数の回折光が発生する。これらの複数次数の回折光において、それぞれｎ×ｆＡＯＭの周波数シフトが発生する。
これらの複数次数の回折光から＋１次光だけを空間的に抽出して、ファイバ結合器７ａにより分岐ファイバ８の第１入力端子に結合される。ここで、分岐ファイバ８は、例えば、偏波面保存シングルモード型であり、２つの入力端子（第１、第２入力端子）と、１つの出力端子からなる。
一方、パルス発振器Ｏに関しても、ハーフミラーＭ６により出力の一部が分岐されてファイバ結合器７ｂにより分岐ファイバ８の第２入力端子に結合される。フォトディテクタ９は、分岐ファイバ８から出力される光の強度を電気信号に変換して解析器１０に提供する。
解析器１０は、第１実施形態と同様の処理によりパルス発振器Ｏに対する帰還信号を生成する。この帰還信号は、ＰＺＴ制御器（ＰＺＴアンプ）５を介してパルス発振器ＯのＰＺＴマウント４にフィードバックされる。
以上のようにして、パルス発振器Ｏの発振周波数がシードレーザ１の発振周波数と一致するようにパルス発振器Ｏが制御される。
シードレーザ１は、先に述べたように基準共振器１４の発振波長を基準として波長安定化を行っているため、そのシードレーザ１の発振波長とパルス発振器Ｏの発振波長を一定に保つ制御により、結果としてパルスレーザ光の高精度な波長安定化が実現する。
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態としての干渉計測装置の概略構成を示す図である。本発明の第３実施形態の干渉計測装置には、第２実施形態の注入同期型パルスレーザが組み込まれている。
図５は、本発明の第３実施形態としての干渉計測装置の概略構成を示す図である。本発明の第３実施形態の干渉計測装置には、第２実施形態の注入同期型パルスレーザが組み込まれている。
本発明の第３実施形態の干渉計測装置は、例えば、半導体露光装置等の露光装置に組み込まれた投影光学系の結像性能を検査するために好適である。露光装置は、ＫｒＦ又はＡｒＦなどのエキシマレーザを照明光源として使用するため、投影光学系は照明光の波長で結像性能が最適となるように設計されている。したがって、投影光学系の結像性能を検査する検査装置も、照明光の波長と概略一致する波長使って検査を実施する。この実施形態では、波長１９３ｎｍに最適化された投影光学系用の検査装置を例示する。
まず、発振波長の調整方法について説明する。検査装置としての干渉計測装置は、第２実施形態として示した注入同期型パルスレーザの出力部に波長変換ユニット１７を備える。波長変換ユニット１７は、非線形光学効果を利用して入射光の波長の１／４の波長に変換して出力する。波長変換ユニット１７から出力される光の波長を１９３ｎｍとするために、波長変換ユニット１７に入射する光の波長、即ち、注入同期型パルスレーザから出力される光の波長は、７７２ｎｍで安定化される必要がある。
第２実施形態のミラーＭ７は、ハーフミラーＭ８で置き換えられている。シードレーザ１からの出力の一部は、ハーフミラーＭ８を透過し、ミラーＭ９で反射されて波長計３０に導光される。シードレーザ１から出力される光束は、その他、第２実施形態と同様に、パルス発振器Ｏ（注入同期）、ＡＯＭ６（ビート検出）、外部の共振器１４（波長安定化）にも分岐される。
波長計３０の内部には高精度に校正されたエタロンが組み込まれていて、サブｐｍ以下の精度で波長絶対値の計測が可能である。波長計３０は、コンピュータ２９に接続され、コンピュータ２９は、シードレーザ１の設定波長からの波長ずれ量を計算し結果を加算器３１に伝送する。
加算器３１は、コンピュータ２９から提供される波長ずれ量に対してＰＩＤ演算を行って波長計３０を基準とする帰還信号を生成する。加算器３１はまた、このコンピュータ２９帰還信号と復調器１６からの基準共振器１４を基準とする帰還信号（波長帰還信号）とを加算して、加算結果をシードレーザ１の波長変調端子にフィードバックする。
波長帰還信号と周波数帰還信号とがシードレーザ１に提供されるが、波長帰還信号の制御周波数を周波数帰還信号の制御周波数の制御周波数に比べて十分に低くしておくことで、波長帰還信号と周波数帰還信号との干渉の影響を小さくすることができる。
以上のようにして、第３実施形態によれば、基準共振器１４と波長計３０を含む波長安定化ユニットにより、シードレーザ１の中心波長の絶対値保証と周波数安定化とが実現される。したがって、第３実施形態によれば、第２実施形態と同様にパルス発振器Ｏの光路長（共振器長）を制御することで、パルス光源の中心波長の保証と周波数安定化とが実現される。
ここで、パルス発振器Ｏからの出力される光は、波長変換ユニット１７で１／４の波長変換を行うことにより１９３ｎｍに変換される。波長変換時の係数１／４は物理的に固定であり、波長変換ユニット１７から出力される光の波長は、波長変換ユニット１７に入射する光の波長のみで決定されるため、１９３ｎｍパルスについても中心波長の保証と周波数安定化が行なわれる。
次に、干渉計について説明する。波長変換ユニット１７から射出される光束は、集光レンズ１８を通過し、その後、回折限界以下のピンホール１９を透過することで波面形状が整えられる。ピンホール１９を透過した光束は、拡散しながらハーフミラー２０を透過し、コリメータレンズ２１で平行光束へと変換され、ＴＳレンズ２３に入射する。ここで、ＴＳレンズ２３は、最終面の曲率半径と最終面から焦点位置までの距離とが等しくなるように設計されたレンズであり、最終面以外には反射防止膜を施し、最終面のみコート無しとする。ＴＳレンズ２３の最終面では、空気とガラスの屈折率差により５％程度の反射光束が発生、入射光路と同一光路を戻る。以下、ＴＳレンズの最終面をＴＳ面、ＴＳ面で反射される光束を参照光束と呼ぶ。ＴＳレンズ２３は、位相シフトユニット２２上に固定されており、位相シフトユニット内のＰＺＴ素子により光軸方向への駆動が可能である。
一方、ＴＳ面を透過した光束は、露光装置の投影光学系２４の物体面上に一度集光した後、拡散しながら投影光学系２４に入射し、投影光学系２４から出射された後に投影光学系２４の像点に集光する。像側には、投影光学系２４の像点位置に曲率中心を有する球面のＲＳミラー２５が配置されている。ＲＳミラー２５の反射面は、コーティングなしのガラスであり、ＴＳ面と同様５％程度の反射率を有する。像点に集光した光束は、ＲＳ面で反射されて同一光路をもどる。以下、ＲＳミラーの反射面をＲＳ面、ＲＳ面で反射される光束を被検光束と呼ぶ。
参照光束、被検光束ともに再びＴＳレンズ２３を透過し、平行光束となった後にコリメータレンズ２１に再度入射し集光しながらハーフミラー２０で反射される。ハーフミラー２０の反射側の焦点位置には空間フィルタ２６が配置されている。空間フィルタ２６で不要な高周波領域がカットされた被検光束及び参照光束は、結像レンズ２７に入射し平行光束になった後に撮像素子（例えば、ＣＣＤ）２８に入射する。撮像素子２８では、被検光束と参照光束の干渉縞が撮像され、撮像された画像情報は、コンピュータ２９へ伝送される。
干渉縞は、参照光束の強度をＩｒｅｆ、被検光束の強度をＩｔｅｓｔ、投影光学系２４の波面をＷ（ｒ）、ＴＳ面−ＲＳ面間の光路長をＬ、レーザ光の波長をλとすると、式（８）で表される。
干渉縞から高精度な波面計測を行うために位相シフト法が用いられうる。位相シフト法とは、既知の位相シフトを干渉縞に与えた複数の干渉縞の画像より波面を算出する方法である。
コンピュータ２９は、撮像素子２８における撮像タイミングに同期して位相シフトユニット２２に電圧を印加することで、ＴＳレンズ２３を光軸に沿って駆動し、所望の位相シフトを実現する。
位相シフト時の複数の干渉縞画像より、干渉縞変化のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とを抽出し、それぞれをＩｃ，Ｉｓとすれば、被検レンズの波面Ｗ（ｒ）は、φを初期位相項として式（９）で表される。
波面計測において発生する誤差の主要因は、位相シフト時の干渉縞の変動である。式（８）から明らかなように、干渉縞の変動は、ステージ振動などによるＴＳ面−ＲＳ面間の光路長Ｌの変化、或いは、レーザ光の波長λの変動によっても引き起こされる。
半導体露光装置用の巨大な投影光学系では、光路長Ｌが数ｍと長くなることから、波長変動の影響を無視できなくなる。この実施形態では、高精度な波長安定化が実現されているため、従来に比べて高精度な波面計測が可能となる。
また、コンピュータ２９に波長計３０、復調器１６、解析器１０を接続することで、位相シフト計測時のレーザ波長変化をモニタすることが可能になる。したがって、波長変動が大きい場合に警告を発すること、波長変化を測定値にフィードバックすることでより高精度に計測を行うことが可能になる。
［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態としての露光装置の概略構成を示す図である。本発明の第４実施形態の露光装置には、第３実施形態の干渉計測装置が組み込まれている。
図６は、本発明の第４実施形態としての露光装置の概略構成を示す図である。本発明の第４実施形態の露光装置には、第３実施形態の干渉計測装置が組み込まれている。
図６では、位相シフトユニット２２及びＴＳレンズ２３が露光光の光路内に配置されているが、位相シフトユニット２２及びＴＳレンズ２３は、実際の露光時には、当該光路の外へ退避される。露光時には、また、投影光学系２４の像側には、ＲＳミラー２５ではなく露光対象のウエハ（基板）が配置されるように、ウエハステージ４０が駆動される。
エキシマレーザ３６から射出された光束は伝送系を介してインコヒーレント化ユニット３７に入射する。インコヒーレント化ユニット３７では、入射光束の整形と空間コヒーレンスの低減とが行なわれる。インコヒーレント化ユニット３７から射出された光束は、照明光学系３８に入射して照度の均一化と所望の有効光源の生成がなされた後、レチクルステージ３９上に配置されたレチクルを照明する。レチクル上のパターンにより回折された入射光束は、投影光学系２４により、ウエハステージ４０上に配置されたウエハに縮小投影され、ウエハ面上にレチクルのパターンが転写される。パターン転写後は、ウエハステージ４０が露光が終了した露光領域から次の露光領域にステップ移動され、次の露光領域が露光される。
次に、投影光学系２４の波面収差を計測する方法について説明する。波面収差の計測には、第２実施形態で説明した干渉計が使用される。干渉計用の光源は、波長安定化がなされており、波長はエキシマレーザ３６と同一波長に設定されている。位相シフトユニット２２及びＴＳレンズ２３は、半導体露光時の退避位置から駆動され、投影光学系２４の所望の物点位置に挿入される。また、レチクルステージ３９を駆動することにより、物点位置に配置されていたレチクルは退避させられる。一方、ＲＳミラー２５は、ウエハステージ４０のウエハ保持部周辺に配置されており、ウエハステージ４０が駆動されることにより投影光学系２４の物点位置と共役な位置にＲＳミラー２５の曲率中心が配置される。以上の手続きにより被検光と参照光の干渉縞が撮像素子（ＣＣＤカメラ）２８にて撮像可能となる。波面の計測は、第３実施形態と同様に位相シフトユニット２２を用いた位相シフト法によって行なう。
この実施形態では、高精度に波長安定化がなされたレーザを光源として用いることができるため、半導体露光装置上での高精度な波面計測が可能となる。計測結果を用いて投影光学系の波面収差を最適化することで投影光学系の結像性能を最適化することができ、これにより高精細なパターンの転写が可能になる。
なお、以上の実施形態では、音響光学素子６でシードレーザ１から射出された光の周波数をシフトさせて、その周波数シフトされた光と発振器Ｏから出力された光とを合成してビート信号を得ていた。しかし、本発明はその構成には限定されない。つまり、音響光学素子６で発振器Ｏから出力された光の周波数をシフトさせて、その周波数シフトされた光とシードレーザ１から射出された光とを合成しても同様のビート信号を得る構成としてもよい。
［その他］
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図８は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクル（原版またはマスクともいう）を作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図８は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクル（原版またはマスクともいう）を作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。
図９は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（ＣＭＰ）ではＣＭＰ工程によって絶縁膜を平坦化する。ステップ１６（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１７（露光）では上記の露光装置を用いて、回路パターンが形成されたマスクを介し感光剤が塗布されたウエハを露光してレジストに潜像パターンを形成する。ステップ１８（現像）ではウエハ上のレジストに形成された潜像パターンを現像してレジストパターンを形成する。ステップ１９（エッチング）ではレジストパターンが開口した部分を通してレジストパターンの下にある層又は基板をエッチングする。ステップ２０（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
１ シードレーザ
２ 励起光源（励起レーザ）
３ 利得媒質
４ ＰＺＴマウント
５ ＰＺＴ制御器
６ 音響光学素子（ＡＯＭ）
７ａ、７ｂ ファイバ結合器
８ 分岐ファイバ
９ フォトディテクタ
１０ 解析器
１１ 電気光学変調素子
１２ 偏光ビームスプリッタ
１３ λ／４波長板
１４ 基準共振器
１５ フォトディテクタ
１６ 復調器
１７ 波長変換ユニット
１８ 集光レンズ
１９ ピンホール
２０ ハーフミラー
２１ コリメータレンズ
２２ 位相シフトユニット
２３ ＴＳレンズ
２４ 投影光学系
２５ ＲＳミラー
２６ 空間フィルタ
２７ 結像レンズ
２８ 撮像素子
２９ コンピュータ
３０ 波長計
３１ 加算器
３２ 励起光源用フォトディテクタ
３３ パルス光用フォトディテクタ
３４ 制御回路
３６ エキシマレーザ
３７ インコヒーレント化ユニット
３８ 照明光学系
４０ ウエハステージ
Ｍｘ ミラー
Ｏ パルス
２ 励起光源（励起レーザ）
３ 利得媒質
４ ＰＺＴマウント
５ ＰＺＴ制御器
６ 音響光学素子（ＡＯＭ）
７ａ、７ｂ ファイバ結合器
８ 分岐ファイバ
９ フォトディテクタ
１０ 解析器
１１ 電気光学変調素子
１２ 偏光ビームスプリッタ
１３ λ／４波長板
１４ 基準共振器
１５ フォトディテクタ
１６ 復調器
１７ 波長変換ユニット
１８ 集光レンズ
１９ ピンホール
２０ ハーフミラー
２１ コリメータレンズ
２２ 位相シフトユニット
２３ ＴＳレンズ
２４ 投影光学系
２５ ＲＳミラー
２６ 空間フィルタ
２７ 結像レンズ
２８ 撮像素子
２９ コンピュータ
３０ 波長計
３１ 加算器
３２ 励起光源用フォトディテクタ
３３ パルス光用フォトディテクタ
３４ 制御回路
３６ エキシマレーザ
３７ インコヒーレント化ユニット
３８ 照明光学系
４０ ウエハステージ
Ｍｘ ミラー
Ｏ パルス
Claims (10)
- シードレーザと、
前記シードレーザから出力される光の一部がシード光として注入される発振器と、
前記シードレーザから出力される光の他の一部を周波数シフトさせる周波数変換器と、
前記発振器から出力される光と前記周波数変換器から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタと、
前記フォトディテクタの出力信号に含まれるビート信号に基づいて前記発振器の光路長を制御する解析器と、
を備えることを特徴とする注入同期型レーザ装置。 - 前記周波数変換器における周波数シフトの量は、前記発振器から出力される光のスペクトル幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の注入同期型レーザ装置。
- 前記周波数変換器が音響光学素子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の注入同期型レーザ装置。
- 前記シードレーザから出力される光の波長を安定化させる安定化ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の注入同期型レーザ装置。
- 前記安定化ユニットは、基準共振器を含み、前記基準共振器から出力される光の波長を基準として前記シードレーザから出力される光の波長を安定化させることを特徴とする請求項４に記載の注入同期型レーザ装置。
- 前記安定化ユニットは、前記シードレーザから出力される光の波長を計測する波長計を含み、前記波長計の出力に基づいて前記シードレーザから出力される光の波長を安定化させることを特徴とする請求項４に記載の注入同期型レーザ装置。
- シードレーザと、
前記シードレーザから出力される光の一部がシード光として注入される発振器と、
前記発振器から出力される光を周波数シフトさせる周波数変換器と、
前記シードレーザから出力される光の他の一部と前記周波数変換器から出力される光とが合成された光を検出するフォトディテクタと、
前記フォトディテクタの出力信号に含まれるビート信号に基づいて前記発振器の光路長を制御する解析器と、
を備えることを特徴とする注入同期型レーザ装置。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の注入同期型レーザ装置と、
前記注入同期型レーザ装置から出力される光を利用して参照光束と被検光束とを生成し、該参照光束と該被検光束とを干渉させる干渉計と、
を備えることを特徴とする干渉計測装置。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の注入同期型レーザ装置と、
前記注入同期型レーザ装置から出力される光を利用して参照光束と被検光束とを生成し、該参照光束と該被検光束とを干渉させる干渉計と、
投影光学系を介して原版のパターンを基板に投影する投影光学系とを備え、
前記干渉計が前記投影光学系の収差を計測するように配置されている、
ことを特徴とする露光装置。 - デバイス製造方法であって、
請求項９に記載の露光装置を使って、基板に塗布された感光剤に潜像パターンを形成する工程と、
前記潜像パターンを現像する工程と、
を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
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