JP2926241B2

JP2926241B2 - 露光装置及び方法

Info

Publication number: JP2926241B2
Application number: JP1115361A
Authority: JP
Inventors: 恒三郎植村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JPH02294013A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エキシマレーザ等のガス交換、ガスチャー
ジ等を必要とするレーザを露光光源とする半導体製造用
の露光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路の集積度が上がるにつれて、回
路の最小パターン寸法は小さくなる傾向にあり、そのた
め露光光源として、従来主流であった水銀ランプに代わ
り、エキシマレーザを用いた露光装置が開発されてきて
いる。エキシマレーザ露光装置は、一般にエキシマレー
ザ光源と露光装置本体とで構成され、露光装置本体とし
ては解像力、マスク製造性が優れている点で、現状では
縮小投影型逐次移動方式、所謂ステッパーが主流であ
る。このようなエキシマレーザ露光装置において、エキ
シマレーザと露光装置本体とは、電線若しくは光ファイ
バーのインターフェイスケーブルで結合され、露光装置
本体内のメインコンピューターのシーケンスに従ってレ
ーザを発光する方式が一般的である。インターフェイス
の信号としては、例えば露光装置本体からエキシマレー
ザへは発光トリガ、高電圧の充電開始、発振開始、発振
停止等を表わす信号、またエキシマレーザから露光装置
本体へは発振スタンバイ完了、内部シャッターポジショ
ン、インターロック作動中等を表わす信号が挙げられ
る。

エキシマレーザは、一般にフッ素等のハロゲンガス、
クリプトン、アルゴン等の不活性ガス、及びヘリウム、
ネオン等の希ガスの３種の混合ガスをレーザチャンバー
に封入し、チャンバー内の放電によりハロゲンガスと不
活性ガスとが反応してレーザ光（nsecオーダのパルス
光）を放出する。ところが、レーザ光放出を繰り返すう
ち、ハロゲンガスがチャンバー内に発生する不純物と結
合したり、チャンバーの内側に吸着したりするため、ハ
ロゲンガスの濃度が低下し、レーザのパルスエネルギー
が低下してしまう。これに対し、エキシマレーザを半導
体露光装置の光源としせ使用する場合、パルスエネルギ
ーが変動すると、（１）被露光物（ウエハ等）への到達エネルギー（露光
量）の制御精度が低下する。

（２）光学系に起因する被露光物上の干渉縞を低減する
機能が低下する。

（３）パルスエネルギーモニター系、アライメント系の
光電検出系の信号のS/N比が低下する。等の不都合が生
じる。このため、エキシマレーザはハロゲンガス濃度低
下により低下していくパルスエネルギーをモニターして
放電印加電圧にフィードバックし、放電印加電圧を徐々
に高めていくことにより、パルスエネルギーを一定に保
つようにしている。ところが、放電印加電圧には上限が
あるため、印加電圧が上限に達した際には、ハロゲンガ
ス注入（HI:Halogen Injection）動作を行って、ハロゲ
ンガス濃度を適正値に戻し、これに伴い印加電圧を下げ
てパルスエネルギーを一定に保つ必要があった。

このHI動作の様子を第３図に示す。

第３図（Ａ）はエキシマレーザから射出されるパルス
エネルギーを縦軸に取り、横軸に時間ｔを取ったもので
あり、第３図（Ｂ）は縦軸にレーザチャンバー中の電極
への放電印加電圧を取り、横軸に時間ｔを取ったもので
ある。第３図（Ａ）に示すように、露光装置側で要求さ
れるパルスエネルギーの設定値を中心に上限値と下限値
とが定まると、エキシマレーザ光源は内部に設けられた
エネルギーモニター（受光素子等）を使って、各パルス
毎に設定値との大小関係を比較し、パルスエネルギーが
低下してきたら、第３図（Ｂ）に示すように放電印加電
圧を徐々に上げていく。放電印加電圧にも上限値と下限
値とが定められており、その実際の電圧範囲はエキシマ
レーザ光源の内部構造、メーカ等によって異なる。さ
て、時刻t₁で放電印加電圧が上限値に達すると、エキシ
マレーザ光源の内部に設けられた制御用プロセッサーは
HI動作が必要だと判断し、レーザチャンバー内に所定量
のハロゲンガスを注入する。注入した直後にハロゲンガ
ス濃度は元に戻るが、放電印加電圧は急激に元に戻す
（低下させる）ことはできず、ある程度の時間をかける
必要がある。その後の時刻t₂でも同様にHI動作が行なわ
れる。

このように放電印加電圧を徐々に低下させるのは、HI
動作の直後は、レーザチャンバ内のガスが充分均一に混
合しているとは言えず、パルスエネルギーがばらつく可
能性が極めて大きく、このためHI動作の直後に放電印加
電圧を急激に下げると、パルス光が発振されずに、パワ
ーモニターすらできないといった不都合が起り得るから
である。

ところがハロゲンガス注入を繰り返すうち、レーザチ
ャンバー内の不純物が増加してくる。

この不純物の増加に伴ってハロゲンガス注入をしても
ハロゲンガスがこれら不純物と結合してしまい（ハロゲ
ンガス濃度の低下）、パルスエネルギーを一定に保つた
めの最低印加電圧が上昇する。これにより、ハロゲンガ
ス注入の周期が短くなり、やがてハロゲンガス注入を行
ってもパルスエネルギーを一定に保つことが不可能とな
る。

第４図（Ａ）、（Ｂ）は、その状態を表わし、第３図
のグラフと対応したものである。第４図（Ｂ）に示すよ
うに、時刻t₁、t₂…t₆と徐々に注入周期が短くなり、時
刻t₆以降では放電印加電圧が上限値にあるにもかかわら
ず、パルスエネルギーは徐々に低下していってしまう。

このようにハロゲンガス注入の効果が無くなった場
合、若しくは所定の条件まで低下した場合、前記３種の
混合ガスを部分的に入れ換える、即ち部分ガス交換（PG
R:Partial Gas Replacement）動作を実行してパルスエ
ネルギーを維持する必要があった。部分ガス交換実行時
の様子の一例を第５図に示す。第５図に伴って部分ガス
交換を行う場合のパルスエネルギー、放電印加電圧の変
化の様子を以下に説明する。

第５図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ第４図（Ａ）、
（Ｂ）に対応したもので、時刻t₃、t₄、t₅は第４図中の
ものと同じでHI動作のタイミングを表わす。そして時刻
t₅の後の時刻TaでPGR動作が実行される。

PGR動作では一般に、ますレーザチャンバー内のガス
を一部抜き取るため、そのままパルス発光させたとする
と第５図（Ａ）に示すようにパルスエネルギーは一旦低
下する。この際、放電印加電圧は前述のように既に上限
値近くとなっているため、印加電圧を上げてパルスエネ
ルギーを設定値に戻すことは難しい。この後、レーザチ
ャンバー内に新しい混合ガスを所定量だけ注入する。こ
の注入によってパルスエネルギーは増大して設定値（許
容上限値）より大きくなるため、印加電圧を徐々に下げ
てパルスエネルギーを設定値に戻す。この後、再度部分
ガス交換が必要となるまで、第３図と同様にハロゲンガ
ス注入（HI動作）を繰り返す。

このPGR動作時に印加電圧を徐々に下げる理由も、先
のHI動作の時と同じである。

以上のHI動作、PGR動作はエキシマレーザ光源内の制
御プロセッサーの指令でほぼ自動的に行なわれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

一方、露光装置本体側からエキシマレーザ光源を見た
場合、前述したようにパルスエネルギーは一定であるこ
とが望ましいが、パルス等のエネルギー制御精度並びに
上記ハロゲン注入、部分ガス交換等の要因から、完全に
一定とするのは困難である。そのため、露光装置本体側
でその機能及び仕様を満足するためのパルスエネルギー
変動の許容値を設定し、エキシマレーザ側は常にパルス
エネルギーが設定値に入るべく様々な工夫を実施してい
る。

その１つの手法が、先の第３図〜第５図で説明したHI
動作、PGR動作であるが、露光装置側にとってみると、
第５図（Ａ）中の時間ａ、ｂで示した区間でパルスエネ
ルギーが許容値を越えてしまうといった問題点があっ
た。この時間ａ、ｂはレーザ光源の構造、メーカ等によ
っても異なるが、現状では数秒〜数分程度必要である。
さらに露光装置側にとって重大な欠点は、これら時間
ａ、ｂの区間、すなわちHI動作、PGR動作が専らレーザ
光源側の制御のみで発生していたことである。

従って、ステップアンドリピート方式でウエハを露光
していく時に、１つのショット領域の露光中（通常数千
パルス以上が必要）にHI動作、又はPGR動作が非同期に
行なわれると、そのショット領域以降の多くのショッ
ト、又は次のウエハ上のショット領域にいたるまで、ほ
とんどのショットの露光に大きなダメージを与えること
になる。

もちろん、エキシマレーザ光を他の目的、例えばレチ
クル（原版）とウエハとの相対位置合わせのために使用
する場合でも、その位置合わせ期間中にHI動作、PGR動
作が発生するとアライメントエラーが起ることになる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、
エキシマレーザ光源等のように一部ガス交換、一部ガス
注入等を必要とするレーザ光源を使用する露光装置にお
いて、露光装置としての機能低下、精度低下を極力少な
く抑えることを目的とするものである。

〔課題を解決する為の手段〕

そこで本発明では、ガス交換やガス注入などのレーザ
光源（10,12）の動作と、露光本体部（M1〜M6,PL,32X,3
2Y,34,FM,…）の処理動作とを協調させるようにした。

〔作用〕

本発明では、レーザ光源で非同期に行われる保守動作
などによって露光装置としての性能が低下しないよう
に、レーザ光源の動作と露光本体部の露光やアライメン
トなどの処理動作とを協調させるようにした。たとえ
ば、露光本体部でレーザ光を使わないタイミングで、ガ
ス交換やガス注入などのレーザ光源の保守動作を行うこ
とにより露光装置として性能を損なうことなく、レーザ
光源の保守を行うことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例による露光装置全体の構成を
示す斜視図である。

10はエキシマレーザ光源の本体部であり、内部には希
ガスハライド等の混合ガスが封入されたレーザチャンバ
ー、共振のためのフロントミラー（半透過性）とリアミ
ラー、波長狭帯化のための波長選択素子（回折格子、プ
リズム、エタロン等）、発振波長の絶対値をモニターす
るための分光器、レーザパワーのモニター用のディテク
タ、及びシャッターSH等が設けられている。レーザチャ
ンバーに対するHI動作、PGR動作は制御系12によって行
なわれるが、本実施例では制御系12内のプロセッサーの
みによる単独制御は行なわず、露光装置本体との連携で
協調制御するようにしてある。また制御系12は波長安定
化のための制御、放電印加電圧の制御等もあわせて行な
う。

さて、エキシマレーザ光源10からのパルス光は可動ミ
ラーM₁、固定ミラーM₂を介してビーム成形光学系14に入
射して所定の断面形状、サイズに成形される。ビーム成
形光学系14からのパルス光は駆動部16によって所定角度
内で揺動する揺動ミラーM₃で反射された後、オプチカル
インテグレータとして機能するフライ・アイレンズFLに
入射し、多数の２次光源（スポット光）に変換される。
フライ・アイレンズFLの各エレメントレンズの射出側に
できたエキシマビームの各スポット光はビームスプリッ
タBS₁、BS₂を透過し、コンデンサレンズ系24によって、
レチクルブラインド（照明視野絞り）RB上でほぼ一様な
強度分布となるように重ね合わされる。レチクルブライ
ンドRBを通ったエキシマ光はレンズ系26、固定ミラー
M₄、主コンデンサーレンズ28、及び固定ミラーM₅を介し
てレチクルＲの回路パターン領域を照明する。ここでレ
チクルブラインドRBはレンズ系26と主コンデンサーレン
ズ28とによって、レチクルＲと共役になっている。レチ
クルＲは専用のレチクルアライメント系30X、30Yによっ
て装置本体に対してＸ、Ｙ、θ方向に位置決めされてい
る。レチクルＲの回路パターンの像は投影レンズPLによ
ってウエハＷ上に縮小投影される。ウエハＷはＸステー
ジ32X上に載置され、このＸステージ32Xはベース上をＹ
方向に移動するＹステージ32Y上をＸ方向に移動する。
これによってウエハＷは投影像面に沿って２次元移動
し、ステップアンドリピート方式の露光等が行なわれ
る。またＸステージ32X上には、ウエハＷとほぼ同じ高
さで、透過型の基準スリットをもつ基準マーク板FMが設
けられている。そして基準マーク板FMの下にはＸステー
ジ32Xに固定されたミラー（不図示）が設けられてい
る。この基準マーク板FMは、可動ミラーM₁が図示の位置
から退避したとき、エキシマレーザ光源10からのパルス
光を、複数のミラー及びＹステージ32Y上に固定された
ミラーM₆を介して下面から受けるように配置されてい
る。ミラーM₆に入射するエキシマビームはほぼ平行光束
で、Ｙ軸と平行であり、ミラーM₆によってＸ方向に直角
に反射され、基準マーク板FMの下のミラーで垂直に上方
へ反射される。従ってＸステージ32X、Ｙステージ32Yが
どのように移動しても、エキシマビームはかならず基準
マーク板FMの下面に入射する。

ところでウエハＷのアライメント（マーク検出）は、
オフ・アクシス方式のウエハ・アライメント系34で行な
われる。ウエハアライメント系34はウエハＷ上のレジス
ト層を感光させない波長域の照明光（一様照明、又はス
ポット光）を用いて、ウエハＷ上の特定位置のアライメ
ントマークを光電検出する。さらにウエハアライメント
系34は投影レンズPLに対して一定の位置関係で固定され
ているが、ウエハＷ上のマークの検出中心（アライメン
ト系内の指標やスポット光）と、レチクルＲの回路パタ
ーンの投影像の中心との相対位置関係は、レチクルＲの
交換の毎にわずかに異なってくるため、基準マーク板FM
を用いて、その相対位置関係を計測できるようにしてあ
る。そのために、照明系の光路中に配置されたビームス
プリッタBS₂を介して、基準マーク板FMの発光スリット
からのパルス光を一部分岐させ、レンズ系20を通して光
電素子（フォトマル等）22で受光する。この光電素子22
の受光面は、レンズ系24、26、28等によって投影レンズ
PLの瞳面（入射瞳もしくは出射瞳）とほぼ共役に配置さ
れている。また投影レンズPLの入射瞳には、フライ・ア
イレンズFLによって形成された多数の２次光源の像を結
像させて、ケーラー照明を行なっている。

さて、上記の構成において、可動ミラーM₁とレーザ光
源10との間には、露光装置（ステッパー）本体を収納す
るサーマルチャンバーの隔壁があり、レーザ光源10はサ
ーマルチャンバーの外部に設置されている。またステッ
パー本体は主制御装置40によって統括制御され、XYステ
ージ32X、32Yの移動、レチクルアライメント系30X、30Y
によるレチクルＲの位置決め、ウエハアライメント系34
によるウエハＷの位置検出、動作、レチクルブラインド
RBの設定、光電素子22と基準マーク板FMを使った一連の
相対位置関係のチェック動作、ビームスプリッタBS₁で
反射されたパルス光の一部を受光する光電素子18を用い
た露光量制御動作、あるいは振動ミラーM₃の振動による
スペックル（エキシマビームの可干渉性によって生じる
干渉縞等）低減動作等を実行する。

尚、XYステージ32X、32Yの位置は、レーザ干渉式測長
器（干渉計）によって座標値として逐次計測されてお
り、この座標値は主制御装置40にも入力され、各種位置
計測に使われる。

以上のステッパー側の構成は、本発明ではあくまでも
一例に過ぎず、それに限られるものではない。

さて本実施例では、ステッパー側の主制御装置40とレ
ーザ光源側の制御系12との間に、新たに４本のインター
フェイス信号を設け、協調制御ができるようにした。も
ちろん、その他のインターフェイス信号も当然に設けら
れているが、本発明に関するものに限って図示してあ
る。４本のインターフェイス信号の名称と機能は次の通
りである。

信号PGR.REQ.（PGR REQUEST）エキシマレーザ光源側から露光装置本体への信号であ
り、部分ガス交換（PGR動作）又はハロゲンガス注入（H
I動作）を実行する必要が迫ったことを、信号レベルを
変化させる（本実施例では、Lo→Hi）ことにより露光装
置本体へ知らせるためのものである。また、部分ガス交
換又はハロゲンガス注入の操作が終了したことを、信号
レベルをHi→Loに変えることにより露光装置本体へ知ら
せる機能も有する。

信号STEP.ST.（STEPPER STATUS）露光装置本体からエキシマレーザ光源へ、その動作モ
ードを指令するレベル信号であり、Loの時、エキシマレ
ーザ光源10は露光装置本体からのEXT.TRG.信号に同期し
てレーザ光を１パルスずつ放出する。本信号がHiの時の
エキシマレーザの動作モードは、次の２通りがある。エ
キシマレーザ光源が信号PGR.REQ.をLoにしている間、即
ち露光装置本体に対する部分ガス交換又はハロゲンガス
注入の実行要求が無い間に本信号がLo→Hiに変化する
と、エキシマレーザ光源はレーザ光放出口にあるシャッ
ターSHを閉じ、適当な低い周波数で自己発振してパルス
エネルギー、絶対波長等のロックを行う。また、信号PG
R.REQ.がHiの時に本信号がLo→Hiに変化すると、エキシ
マレーザ光源はシャッターSHを閉じ、部分ガス交換又は
ハロゲンガス注入を実行する。

信号SHUT.ST.（SHUTTER STATUS）エキシマレーザ光源から露光装置本体へのエキシマレ
ーザ内のシャッター位置を示すレベル信号であり、本実
施例では開でHi、閉でLoレベルとなる。レベルを変化さ
せるタイミングは、シャッターSHを閉じる際は完全にシ
ャッターSHが閉じてからHi→Loに変化し、開く時は完全
に開いてからLo→Hiに変化させる。

信号EXT.TRG.（EXTERNAL TRIGGER）露光装置本体からエキシマレーザ光源へのレーザ光放
出のトリガー信号であり、レーザ光源側は本信号のエッ
ジ検出によりレーザ光を放出する。トリガー信号１つ
が、１パルスのレーザ光放出に対応する。

以上、４つのインターフェイス信号に基づいて、本実
施例ではレーザ光源側とステッパー本体側との協調制御
が行なわれる。

そこで次に本実施例の制御動作について説明するが、
その前にステッパーにおけるエキシマレーザ光を使った
露光動作とアライメント動作の夫々について簡単に説明
する。

ウエハＷ上の１つのショット領域は、スペックル低減
と露光量制御精度との関係で、数千パルス以上で露光さ
れる。スペックル低減は、フライ・アイレンズFLを使う
ことによって生じる像面上の干渉縞を、揺動ミラーM₃を
微小角度ずつ偏向しつつレーザパルスを発振させること
で、干渉縞のピッチ方向に微動させ、１ショットの露光
完了後にウエハ上の干渉縞のコントラストを実用上影響
がない程度（コントラスト値として±１％程度）まで押
える方式で行なわれる。この場合、像面（ウエハ面）上
で干渉縞のコントラストを低減させるのに必要な揺動ミ
ラーM₃の振れ角（半周期）αとその振れ角αの間で必要
なレーザパルス光の数N_Pとは、実験等によって一義的に
決まっている。

一方、１ショットの適正露光量Evもレジストの種類、
厚さ等によって自ずと決まっているため、スペックル低
減に必要なパルス数Ｋ・N_P（Ｋは揺動ミラーM₃の振れ角
αの半周期毎に１ずつ増える自然数）との兼ね合いで、
１パルス毎の平均パルスエネルギーE_Pを減光フィルター
等で設定して露光する必要がある。露光の際は、光電素
子18で検出した各パルス光の実エネルギーを積算して適
正露光量に達したか否かをモニターする。あるいは、フ
ライ・アイレンズFLの手前に高速可変減光フィルターを
設け、パルス数Ｋ・N_P、振れ角αの条件を満たした状態
で、パルス発光毎に光電素子18によって検出されたエネ
ルギーの積算値を、その時点での目標積算値と比較し、
次のパルス発光のエネルギーを高速可変減光フィルター
で微調していく方法でもよい。

このように、スペックル低減のために必要なパルス数
Ｋ・N_Pが予め決められていることから、１ショットの露
光中、パルスＫ・N_P（Ｋ＝１、２、３、…のいずれか１
つ）に達する前に、第５図（Ａ）に示した時間ａが始ま
ると、その時点からパルス光の平均エネルギーE_Pが増大
するため、十分なスペックルコントラストの低減が行な
われる前に適正露光量に達してしまうといった不都合が
生じる。特にPGR動作の際は、第５図（Ａ）の時間ｂの
ように、パルスエネルギーの変動量が大きくなるため、
スペックル低減、露光量制御にとっては著しく不都合と
なる。

またエキシマレーザ光を使うアライメント動作として
は、基準マーク板FMの透過スリットをXYステージによっ
て投影像面内で一次元にスリット長手方向と交差する方
向に走らせ、そのスリット像をレチクルＲ上の透過スリ
ットマークに結合させ、このスリットマークを透過した
エキシマ光をミラーM₅、コンデンサーレンズ28、ミラー
M₄、レンズ系26、24、ビームスプリッタBS₂を介して光
電素子22で受け、レチクルＲのスリットマークの投影位
置をXYステージの移動座標系上で認識する。この際、エ
キシマレーザ光源10は、ステッパー側のレーザ干渉計か
らの計測パルスに応答してパルス発振するように、信号
EXT.TRG.を出力する。レーザ干渉計は、XYステージ32
X、32Yが例えば0.01μｍ移動するたびに、計測パルス
（アップダウンパルス）を出力するので、主制御装置40
はこの計測パルスを適当に分周して信号EXT.TRG.を作
る。そして光電素子22からの光電信号レベルは、パルス
光の発振後にA/D変換器によってデジタルサンプリング
され、各パルス発光毎にメモリ内にアドレス順に記憶さ
れる。このアドレスがXYステージの座標位置と一義的に
対応している。ただし、エキシマレーザ光のエネルギー
は、１パルス毎に±数％〜数十％程度のばらつきがある
ため、例えばエキシマレーザ光源10内のパワーディテク
ターからの光電信号を各パルス発光毎に取り込み、光電
素子22の光電信号のレベルを割算器等で規格化すること
が必要である。尚、規格化のためのディテクターはステ
ッパー本体内に設けてもよく、具体的には第１図中のス
テージ上のミラーM₆の近傍のビームスプリッタで分岐さ
れたパルス光を受光するように設けられる。

以上の動作によって、レチクルＲのスリットマーク
（もしくはレチクル中心点）の投影位置がXYステージの
移動座標系の値として規定される。さらに基準マーク板
FM上のスリット等をウエハアライメント系34の検出中心
でとられたときのXYステージの位置をレーザ干渉計で読
み取ることによって、レチクルＲの投影像中心とウエハ
アライメント系34の検出中心との移動座標系における相
対位置関係が規定される。

このようなアライメント動作の間、特に光電素子22か
らの光電信号を取り込んでいる最中に、PGR動作等が開
始されると、取り込んだ信号波形のS/N比が低下するこ
とになり、アライメント精度が低下するといった不都合
がある。

次に、第２図を参照して、本実施例の動作を説明す
る。第２図（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）はそれぞれ
信号STEP.ST、信号SHUT.ST、信号EXT.TRG、信号PGR.RE
Q.の状態、第２図（Ｂ）はエキシマレーザ光源10内のシ
ャッターSHの位置状態を示す。第２図（Ｆ）、（Ｇ）は
それぞれパルスエネルギーの時間変化と放電印加電圧の
時間変化を表わす。さて、第２図（Ａ）において、信号
STEP.ST.がLoのときの期間は、通常のウエハ露光の実
行を示し、Hiのときの期間は、ステッパー本体がエキ
シマレーザ光源に対して数秒、若しくはそれ以上の間、
発光トリガーを送出しない動作、例えばウエハ交換、レ
チクルアライメント系30X、30Yによるレチクルアライメ
ント、ウェハアライメント系34によるウェハアライメン
ト等の動作を実行している状態を示す。期間では、１
枚のウエハに対してステップアンドリピート方式で各シ
ョット毎に露光が繰り返されるが、この時第２図（Ｄ）
に示した信号EXT.TRG.のトリガーパルス列の各集合Ｓが
１ショットの露光に対応している。

さて、ステッパーは１枚のウエハに対する露光（期間
）を終了すると、信号STEP.ST.のようにLoからHiに
変える。これを認識したエキシマレーザ光源は、シャッ
ターSHを閉じ始め（）、シャッターが完全に閉じた時
点で信号SHUT.ST.をLoにした（）後、数Hz以下の低い
周波数で自己発振を開始して（）、パルスエネルギ
ー、絶対波長等のロック（フィードバック制御）を行
う。ステッパー本体は、この間に前述の発光トリガーを
送出しない動作（期間）を行った後、信号STEP.ST.を
HiからLoに変える（）。これを認識したエキシマレー
ザ光源は、自己発振を停止させた後、シャッターSHを開
き始め（）、シャッターが完全に開いた時点で信号SH
UT.ST.をLo→Hiに変える（）。これを認識したステッ
パー本体は、次のウエハに対する露光動作を開始すべ
く、信号EXT.TRG.としてトリガパルス列の集合S₁、S₂…
を出力する。尚パルス列S₁、S₂の間はXYステージ32X、3
2Yのステッピングである。

さて、このようなステッパー本体の動作シーケンスと
は非同期に、エキシマレーザ光源は部分ガス交換、若し
くはハロゲンガス注入を実行する必要性が生じる。ここ
では部分ガス交換（PGR動作）を行う場合について示
す。ステッパー本体はウエハ上の各ショット領域の露光
を開始する前に、信号PGR.REQ.の状態をチェックし、そ
れがLoならば第２図（Ｄ）のパルス列Ｓ、S₁、S₂のよう
に露光を行う。一方、トリガパルス列S₂の送出中、すな
わち２枚目のウエハの２番目のショットの露光中に、エ
キシマレーザ光源は放電印加電圧が上限値に近づいたこ
と（）を検知して、部分ガス変換の実行要求として信
号PGR.REQ.をLoからHiに変える（）。この信号PGR.RE
Q.をLoからHiにするタイミングは、例えば１つのショッ
ト領域を露光するのに必要な予想し得る最長の露光時間
（もしくはエキシマビームを用いた光電検出の際の光電
信号取り込み時間）にマージンを加えた時間Tmだけ、部
分ガス交換又はハロゲンガス注入の最終開始必要時期Ta
より前に設定すれば良い。

さて、ここでは２番目のショット領域を露光中（トリ
ガパルス列S₂の送出中）に信号PGR.REQ.が変化している
ため、ステッパー本体は２番目のショットの露光終了
後、次の３番目のショット領域へXYステージ32X、32Yを
ステッピングさせてから、信号PGR.REQ.をチェックし
て、信号PGR.REQ.がHiとなっていることを認識する
（）。これにより、ステッパー本体のシーケンスは３
番目のショット領域への露光開始を中断し、信号STEP.S
T.をLoからHiに変える（）。エキシマレーザ光源は信
号PGR.REQ.がHiの間に信号STEP.ST.がLoからHiとなった
時は、それを部分ガス交換又はハロゲンガス注入開始指
令と認識し、シャッターSHを閉じて（）、信号SHUT.S
T.をHiからLoへ変えた（）後、適切な周波数（例えば
の場合よりは高い周波数）で自己発振しながら部分ガ
ス交換を実行する（）。

その後、エキシマレーザ光源はパルスエネルギーをモ
ニターしながら、それが許容値内に戻ったら（）、自
己発振を停止して信号PGR.REQ.をHiからLoに変える
（）。これを認識したステッパー本体は、エキシマレ
ーザ光源に対する露光再開の指令として、信号STEP.ST.
をHiからLoに変える（）。エキシマレーザ光源は、こ
れを認識したら、シャッターSHを開き（）、信号SHU
T.ST.をHiにする（）。ステッパー本体はこれを認識
した後、信号EXT.TRG.としてトリガパルス列S₃、S₄…を
送出して、３番め以降のショット領域の露光を開始する
（）。

以上、本シーケンスではPGR動作について説明した
が、HI動作についても全く同様に実行される。さらに、
アライメント動作においてエキシマレーザ光を用いる場
合も、パルス光の光電検出動作に入る直前にステッパー
本体側で信号PGR.REQ.の状態をモニターし、それがLoで
あればそのまま光電検出動作に入り、Hiであればエキシ
マレーザ光源側はPGR動作又はHI動作を開始し、ステッ
パー側は待機状態、あるいはエキシマレーザ光を用いな
い他の動作（ウエハ交換、ウエハアライメント等）を優
先的に実行するようにする。

ところで第２図（Ｄ）の、では、シャッターSHが
閉じている状態で、低い周波数のもとでパルス光を発振
させているが、これは１つには、エキシマレーザ光源10
の内部の分光器に発振パルス光の狭帯化後の波長変化を
検出させる必要があるからである。もう１つは、PGR動
作、HI動作に伴って放電印加電圧を調整するため、ある
いは次のショットS₁に対するパルスエネルギー設定のた
めに、エキシマレーザ光源10内に設けられたパワーモニ
ター（光電素子）にパルス光を受光させる必要があるか
らである。

また、本実施例の信号PGR.REQ.は、ステッパーへの露
光中断又は再開を意味するので、エキシマレーザ光源10
の絶対波長制御や、スペクトル半値幅制御（狭帯化）が
部分ガス交換やハロゲンガス注入時に、ステッパーにと
って不都合な挙動を示すことを分光器等で検知するよう
にし、不都合なときは、信号PGR.REQ.をHiにすればその
不都合を回避することが可能である。また、本実施例の
信号PGR.REQ.による実行要求発生（Lo→Hi）に対し、ス
テッパー本体で実行中のシーケンスが、部分ガス交換又
はハロゲンガス注入によるパルスエネルギー変動に対し
て許容可能である場合は、そのシーケンスを中断してシ
ャッターSHを閉じることなしに、部分ガス交換又はハロ
ゲンガス注入を実行させても良い。また、部分ガス交換
要求とハロゲンガス注入要求とを別の信号線として、露
光装置本体のシーケンスが各々の実行要求に対し、シャ
ッターSHを閉じて各々の要求に対して実行するか否かを
判断するようにしても良い。

尚、シャッターSHは露光装置本体側に設けても構わな
い。また、信号PGR.REQ.による実行要求発生に対し、シ
ャッターSHを閉じて部分ガス交換又はハロゲンガス注入
を行う際のレーザ発生のトリガーは、本実施例ではエキ
シマレーザ光源側の自己発振としているが、露光装置本
体からのトリガー信号（EXT.TRG.）により発光するよう
にしても構わない。

ところで、第２図に示したシーケンスでは、ステッパ
ー側がタイミングで信号PGR.REQ.がHiかLoかをチェッ
クするようになっていた。

しかしながら長時間露光を必要とする被露光体の場合
等では、第２図（Ｅ）、（Ｆ）のように信号PGR.REQ.が
タイミングでHiに立ち上がってから一定時間Tmが経過
してからPGR（またはHI）動作が開始されるため、時間T
mをかなり長く設定しなければならない。時間Tmを長く
することは、PGR、HI動作が開始されるまでに、レーザ
光のパルスエネルギーが設定値から低下していくことを
意味する。

そこでステッパー本体側にタイマー等を設け、あるシ
ョットの露光動作中、例えばパルス光とパルス光の発光
タイミングの間で、信号PGR.REQ.の状態をチェックし、
それがHiレベルになっていたらタイマーを起動させて時
間Tmを計時する。そして時間Tmの終了時に、まだ露光動
作が続いているか否かをチェックし、露光動作が中断し
ているときは、先の実施例と同様にPGR、HI動作を実行
する。時間Tmの終了時に露光動作が続いているときは、
そのときまでの積算露光量やパルスエネルギー（平均
値）等を記憶した状態で、露光動作（パルス光の照射）
を強制的に中断し、PGR、HI動作に入る。PGR、HI動作完
了後、記憶してある積算露光量から引き続き適正露光量
が得られるまで露光を再開する。このように、本発明で
は、露光動作が露光装置のシーケンス上で中断している
状態として、パルス光とパルス光の発振の間の極めて短
い時間のことも含めている。

また、ステッパー側にショット露光状態を表わす信号
（ショットステータス）を出力する機能を設け、このシ
ョットステータス信号とPGR.REQ.信号とのアンド（理論
積）で、第２図（Ａ）の信号STEP.ST.をHiレベルにして
もよい。すなわちショットステータス信号は、あるショ
ントの露光中はLoレベルになり、ショットとショットの
間のステッピング中あるいはウエハ交換中等、エキシマ
レーザを使わないタイミングでHiレベルになるようにす
る。従って、信号PGR.REQ.がショット露光中にHiレベル
になると、そのショットの露光が完了した時点で直ちに
信号STEP.ST.がHiになり、PGR、HI動作が開始される。

さて、PGR動作、HI動作のとき、パルスエネルギーは
第５図（Ａ）、又は第２図（Ｆ）に示すように瞬間的に
許容上限値を超えて、かなり大きくなる傾向にある。こ
の傾向を利用して、さらに露光再開までの時間を短縮す
る方法も考えられる。

一般に、PGR動作のとき、パワーモニターによってパ
ルスエネルギーが高すぎると判断されると、放電印加電
圧は、微小ステップずつ徐々に低下させるようにしてい
る。このため、１パルスの発光で許容上限値以上か否か
を検知し、２パルス目以降からは予想によって放電印加
電圧を急激に低下させることが難しい。

そこで、第２図（Ｆ）、（Ｇ）のようにエキシマレー
ザ光源側でのPGR動作はそのままにしておき、ステッパ
ー側にさらに可変減光フィルターを設け、このフィルタ
ーの減衰率の時間的な変化を、第２図（Ｆ）中の時間T_P
内のパルスエネルギー変動特性とほぼ一致させるように
制御するのである。

この可変減光フィルターは、PGR動作中でパルスエネ
ルギーがピークになった時点から徐々に減衰率を低下
（すなわち透過率を上昇）させていき、フィルター入射
前の元々のパルスエネルギーが許容値内になったとき減
衰率が零（そのフィルターの最大透過率）になるように
自動制御する。

このようにすれば、信号PGR.REQ.がHiの状態であって
も、多少早めに露光の再開ができる。そのためには、シ
ャッターSHの開閉タイミング（SHUT.ST.）をそれに合わ
せて変える必要があることは言うまでもない。

パルスエネルギーの大きな変動に対して可変減光フィ
ルターを使う場合、シャッターSHは、可変減光フィルタ
ーの後に設けるようにし、可変減光フィルターを通った
パルス光のエネルギーをモニターしながら、減衰率の制
御をするとともに、シャッターSHの開放を実行させるよ
うにしてもよい。

ところで、第２図（Ｆ）、（Ｇ）では時間Tmを１ショ
ットの最長露光時間を基準に見積ったが、さらに数ショ
ット分の露光時間を見込んだ長さにして、１枚のウエハ
上の残りの未露光ショット数との兼ね合いで、１枚のウ
エハの露光処理完了までPGR動作、HI動作を待つか、１
枚のウエハの処理中でPGR動作等に入るかを判断するよ
うにしてもよい。

さらに、PGR動作が必要な場合は、放電印加電圧も上
限近くに達しているが、上限値のままでも、ある程度の
パルス数の間は、パルスエネルギーが許容下限値以上を
持続することができるので、その分を見込んで露光動作
等の中断時期を判定してもよい。

尚、本実施例ではレチクル（又はマスク）のパターン
をウエハのレジスト層へ焼き付ける露光装置を例示した
が、この種のレーザ光源を用いた加工装置（レーザアニ
ール、レーザリペア等）であっても全く同様の問題が生
じるので、本発明の同一の構成によって同様の効果を得
ることができる。

以上、本実施例では投影レンズを用いたステッパーに
ついて説明したが、本発明は他のいかなる型式、方式の
露光装置でも全く同様に適用できるものである。さら
に、レーザ光源としては希ガスハライドを用いるエキシ
マとしたが、レーザチャンバ内の部分ガス交換、ガス注
入、ガス循環等を必要とする他のレーザ光源を用いても
同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、レーザ光源は露光装置
本体のシーケンスと非同期に部分ガス交換、又はガス注
入（補充）を実行できるとともに、露光装置としての性
能を損なうことを回避できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による露光装置とレーザ光源の
構成を示す構成図、第２図は第１図に示した構成による
動作の一例を説明するチャート図、第３図はハロゲンガ
ス注入実行時の動作を説明するチャート図、第４図はレ
ーザチャンバー内の不純物が増加した際のハロゲンガス
注入時の動作を説明するチャート図、第５図は部分ガス
交換実行時の動作を説明するチャート図である。〔主要部分の符号の説明〕 10……エキシマレーザ光源、 12……制御系、 18、22……光電素子 28……主コンデンサーレンズ 30X、30Y……レチクルアライメント系 32X、32Y……XYステージ 34……ウエハアライメント系 40……制御装置Ｒ……レチクルＷ……ウエハ SH……シャッター M₃……揺動ミラー PL……投影レンズ FM……基準マーク板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスの保守動作を必要とするレーザ光源
と；該レーザ光源から射出されたレーザ光を用いてマスクの
パターンの像で感応基板を露光するための露光本体部
と；前記レーザ光源からの保守動作に関する情報と前記露光
本体部での動作状態とに基づいて、前記レーザ光源にガ
スの保守動作を指令する制御系と；を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記レーザ光源はエキシマレーザ光源であ
ることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項３】前記保守動作に関する情報は、前記レーザ
光源のガス交換またはガス注入に関する情報であること
を特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
【請求項４】前記制御系は、前記保守動作に関する情報
として前記レーザ光源からガスの保守動作を要求する信
号が出力されたときに前記露光本体部での動作状態に応
じて前記レーザ光源にガスの保守動作を指令することを
特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の露
光装置。
【請求項５】前記レーザ光源からの要求信号は、前記レ
ーザ光源内部の放電電極への印加電圧が所定レベルより
も大きくなったときに出力されることを特徴とする請求
項４に記載の露光装置。
【請求項６】前記レーザ光源からの要求信号は、前記マ
スクのパターンの像で前記感応基板を露光するのに要す
る時間に所定のマージンを加えた時間だけ、前記ガスの
保守動作を始めなければならない時期より前に出力され
ることを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
【請求項７】前記マスクのパターンの像で前記感応基板
を露光するのに要する時間は、前記感応基板上の複数領
域のうちの一つの領域を露光するのに要する時間である
ことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
【請求項８】前記マスクのパターンの像で前記感応基板
を露光するのに要する時間は、前記感応基板上の未露光
領域を露光するのに要する時間であることを特徴とする
請求項６に記載の露光装置。
【請求項９】前記制御系は、前記露光本体部が前記レー
ザ光源からのレーザ光を使わない動作状態であるときに
前記レーザ光源にガスの保守動作を指令することを特徴
とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の露光装
置。
【請求項１０】前記レーザ光を使わない動作状態は、前
記感応基板の交換動作であることを特徴とする請求項９
に記載の露光装置。
【請求項１１】前記レーザ光を使わない動作状態は、前
記マスクまたは前記感応基板の位置合わせ動作であるこ
とを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
【請求項１２】前記露光本体部は、前記感応基板上のア
ライメントマークを検出するアライメント系を有し、前記アライメント系の検出中心と前記マスクのパターン
像の投影中心との相対的な位置関係を前記レーザ光源か
らのレーザ光を使って検出することを特徴とする請求項
１ないし請求項４のいずれか一項または請求項９に記載
の露光装置。
【請求項１３】前記レーザ光源は、前記露光本体部を収
納するチャンバーの外に設置されることを特徴とする請
求項１ないし請求項４のいずれか一項または請求項９に
記載の露光装置。
【請求項１４】前記レーザ光の光路中に開閉シャッター
をさらに有し、前記ガスの保守動作を行っているときに
前記開閉シャッターを閉じることを特徴とする請求項１
ないし請求項４のいずれか一項または請求項９に記載の
露光装置。
【請求項１５】保守動作を必要とするレーザ光源と；該レーザ光源から射出されたレーザ光を用いて被処理体
の処理を行うための露光本体部と；前記レーザ光源が保守動作を行っているときに、前記露
光本体部で前記レーザ光源からのレーザ光を使わない処
理動作を実行させる制御系；とを備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１６】前記レーザ光を使わない動作は、前記被
処理体の交換動作であることを特徴とする請求項15に記
載の露光装置。
【請求項１７】前記レーザ光を使わない動作は、前記被
処理体の位置合わせ動作であることを特徴とする請求項
15に記載の露光装置。
【請求項１８】前記制御系は、前記レーザ光の出力が所
定状態に安定するまで前記レーザ光を使わない動作状態
を続行するように前記露光本体部を制御することを特徴
とする請求項15に記載の露光装置。
【請求項１９】前記レーザ光源の保守動作はガス交換ま
たはガス注入であることを特徴とする請求項15に記載の
露光装置。
【請求項２０】前記レーザ光源の保守動作はレーザ光の
波長安定化のための調整または放電印加電圧の調整であ
ることを特徴とする請求項15に記載の露光装置。
【請求項２１】前記レーザ光の光路中に開閉シャッター
をさらに有し、前記ガスの保守動作を行っているときに
前記開閉シャッターを閉じることを特徴とする請求項15
に記載の露光装置。
【請求項２２】保守を必要とするレーザ光源と；該レーザ光源から射出されたレーザ光を用いて被処理体
の処理を行うための露光本体部と；前記レーザ光源からの保守に関する情報に基づいて、前
記レーザ光源の保守と前記露光本体部の処理動作とを協
調させる制御系と；を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項２３】前記レーザ光源の保守に関する情報はガ
ス交換またはガス注入の要求であることを特徴とする請
求項22に記載の露光装置。
【請求項２４】前記制御系は、前記露光本体部で前記レ
ーザ光を使わない動作状態であるときに前記レーザ光源
に保守を指令することを特徴とする請求項22に記載の露
光装置。
【請求項２５】前記制御系は、前記レーザ光源で保守を
実行しているときに前記レーザ光源からのレーザ光を使
わない動作を前記露光本体部で実行させることを特徴と
する請求項22に記載の露光装置。
【請求項２６】前記レーザ光を使わない動作は、前記被
処理体の交換動作であることを特徴とする請求項25に記
載の露光装置。
【請求項２７】前記レーザ光を使わない動作は、前記被
処理体の位置合わせ動作であることを特徴とする請求項
25に記載の露光装置。
【請求項２８】前記制御系は、前記レーザ光源からの保
守に関する情報に基づいて前記露光本体部での処理を中
断させる時期を判定し、前記レーザ光源に保守を指令す
ることを特徴とする請求項22に記載の露光装置。
【請求項２９】前記制御系は、前記レーザ光源の保守の
終了後に前記レーザ光の出力変動が所定の状態に安定し
てから前記露光本体部での処理を再開させることを特徴
とする請求項28に記載の露光装置。
【請求項３０】保守を必要とするレーザ光源からのレー
ザ光を用い露光本体部で被処理体を露光する露光方法で
あって、前記レーザ光源からの保守に関する情報をチェックし；該チェック結果と前記露光本体部での動作状態とに基づ
いて前記レーザ光源に保守を指令し；該レーザ光源の保守終了後に、前記レーザ光源からのレ
ーザ光を用いて前記被処理体の露光を行うことを特徴と
する露光方法。
【請求項３１】前記レーザ光源の保守に関する情報はガ
ス交換またはガス注入の要求であることを特徴とする請
求項30に記載の露光方法。
【請求項３２】前記露光本体部で被処理体を露光中であ
るときは、当該被処理体の露光終了後に、前記レーザ光
源に保守を指令することを特徴とする請求項30に記載の
露光方法。
【請求項３３】前記レーザ光源の保守に関する情報は、
前記レーザ光源のレーザ光のエネルギーと前記レーザ光
源の動作条件とを含むことを特徴とする請求項30に記載
の露光方法。
【請求項３４】前記レーザ光源の動作条件は、前記レー
ザ光源内部の放電電極に対する印加電圧であることを特
徴とする請求項33に記載の露光方法。
【請求項３５】保守動作を必要とするレーザ光源からの
レーザ光を用い露光本体部でマスクのパターンの像で感
応基板を露光する露光方法において、前記レーザ光源の保守動作の実行中に、前記露光本体部
で前記レーザ光を使わない動作を実行させることを特徴
とする露光方法。
【請求項３６】前記レーザ光を使わない動作は、前記感
応基板の交換動作であることを特徴とする請求項35に記
載の露光方法。
【請求項３７】前記レーザ光を使わない動作は、前記マ
スクまたは前記感応基板の位置合わせ動作であることを
特徴とする請求項35に記載の露光方法。
【請求項３８】レーザ光を発生するレーザ光源と；前記レーザ光源からのレーザ光を使ってマスクのパター
ン像で感応基板の露光するための露光本体部と；前記レーザ光源の動作状態に基づいて、前記露光本体部
で前記レーザ光源からのレーザ光を使わない動作を実行
させる制御系と；を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項３９】前記制御系は、前記レーザ光源で保守動
作が行われているときに、前記露光本体部で前記レーザ
光源からのレーザ光を使わない動作を実行させることを
特徴とする請求項38に記載の露光装置。
【請求項４０】前記レーザ光を使わない動作は、前記感
応基板の交換動作であることを特徴とする請求項38に記
載の露光装置。
【請求項４１】前記レーザ光を使わない動作は、前記マ
スクまたは前記感応基板の位置合わせ動作であることを
特徴とする請求項38に記載の露光装置。
【請求項４２】レーザ光を発生するレーザ光源と；前記レーザ光源からのレーザ光を使って被露光体の処理
を行うための露光本体部と；前記露光本体部の動作を制御する露光制御系と；前記レーザ光源の動作を制御するとともに、前記レーザ
光源の所定の処理動作の要求を前記露光制御系に出力す
るレーザ制御系とを備え、前記露光制御系は、前記レーザ制御系から要求される処
理動作を前記レーザ光源に実行させるか否か判断するこ
とを特徴とする露光装置。
【請求項４３】前記レーザ制御系から要求される処理動
作は、前記レーザ光源のガス交換またはガス注入である
ことを特徴とする請求項40の露光装置。
【請求項４４】前記露光制御系は、前記露光本体部の動
作状態に基づいて前記判断を行うことを特徴とする請求
項42または43に記載の露光装置。
【請求項４５】レーザ光を発生するレーザ光源と；前記レーザ光源の動作を制御するレーザ制御系と；前記レーザ光源からのレーザ光を使って被露光体の処理
を行うための露光本体部と；前記露光本体部の動作を制御するとともに、前記露光本
体部の動作状態に関する情報を前記レーザ制御系へ出力
する露光制御系とを備え、前記レーザ制御系は、前記露光制御系から出力される前
記露光本体部の動作状態に基づいて前記レーザ光源の動
作を制御することを特徴とする露光装置。
【請求項４６】前記レーザ制御系は、前記露光本体部が
前記レーザ光源からのレーザ光を使わない動作状態であ
るときに前記レーザ光源に調整を行わせることを特徴と
する請求項45の露光装置。
【請求項４７】前記レーザ制御系は、前記露光本体部が
前記レーザ光源からのレーザ光を使わない動作状態であ
るときに前記レーザ光源のシャッターを閉じてレーザ光
を自己発振させることを特徴とする請求項46の露光装
置。