JP5607592B2 - 狭帯域化レーザ装置 - Google Patents
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半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため露光用光源から放出される光の短波長化が進められており、露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在の露光用ガスレーザ装置としては、波長248nmの紫外線を放出するKrFエキシマレーザ装置ならびに、波長193nmの紫外線を放出するArFエキシマレーザ装置が用いられている。次世代の露光技術として、露光用レンズとウェーハ間を液体で満たして、屈折率を変えることによって、露光光源の見かけの波長を短波長化する液浸技術をArF露光に適用することが考えられている。ArF液浸では、見かけの波長は134nmと短くなる。また、次々世代の露光用光源として、波長157nmの紫外線を放出するF2レーザ装置が有力であり、F2レーザ液浸露光が採用される可能性もある。F2液浸では、115nmまで短波長化すると言われている。
多くの半導体露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では、異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行なわれる。現在、露光用光源であるレーザ波長の248nm〜115nmの波長域では、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は、合成石英とCaF2以外にない。このため、KrFエキシマレーザの投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用され、ArFエキシマレーザの投影レンズとしては、合成石英とCaF2で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。ところが、KrF、ArFエキシマレーザの自然発振幅は約350〜400pmと広いために、これらの投影レンズを使用すると色収差が発生して、解像力が低下する。そこで、色収差が無視できるまでに、上記ガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このため、レーザ装置には、狭帯域化素子(エタロンやグレーティング等)を有する狭帯域化モジュールが光共振器内に設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が行われている。
露光装置の結像性能は、レーザ光のスペクトル波形の半値全幅だけでなく、スペクトル波形の裾野成分によって大きく影響を受ける。そこで、いわゆるスペクトル純度幅といわれるスペクトルの新しい指標値が導入されている。このスペクトル純度幅は、例えば全エネルギーの95%のエネルギーが入るスペクトル幅(E95)で評価される。
しかし、近年になって、このスペクトル純度幅が、光学システムで設計された値から大幅に狭い値であっても、集積回路の品質が悪化することがあると言われ始めた。このことは、特許文献1(US6721340)および2(特開2001-267673号)に記載されている。このため、スペクトル純度幅は、ある所定の許容幅内で安定するように制御(以下、適宜、安定化制御という)される必要がある。
スペクトル純度幅を制御する技術としては、波長振りによる方法と、グレーティング曲げ制御による方法が開示されている。
バネハウジング91は、グレーティング90のライン表面から離れるように延びる2つの端プレート92、93のうちの一方の端プレート92に接続される。調節ロッド94は他方の端プレート93にねじ込まれ、バネハウジング91に挿通される。さらに、調節ロッド94はバネハウジング91内に設けられたピストン95に固定される。バネハウジング91の内部には、バネハウジング91内の一方の圧力表面91aとピストン95の一方の面との間に取り付けられた圧縮バネ96と、バネハウジング91内の他方の圧力表面91bとピストン95の他方の面との間に取り付けられた圧縮バネ97とがある。調整ロッド94を一方の方向に回すと、グレーティング90のライン表面の凹状はより大きく(又は凸状はより小さく)なり、調整ロッド94を他方の方向に回すと、グレーティング90のライン表面の凸状はより大きく(又は凹状はより小さく)なる。このグレーティング曲げ機構により、スペクトル線幅およびスペクトル純度幅E95をある程度の範囲内で制御することができる。
(1)中心波長の制御は、1パルス毎にフィードバック制御を行うことが望ましいが、これが複雑な制御になる。
(2)中心波長が安定している状況では、中心波長制御の精度はあまり問題とならないが、露光装置から目標波長の変更の指示が出された場合など、波長をダイナミックに制御する必要がある場合には、中心波長制御の精度に影響を与えるおそれがある。
(3)バースト発振の初期において、中心波長が大きくずれるチャーピング現象が発生する。
(1)レーザの出力を維持した状態を維持することのできるスペクトル純度幅E95の制御範囲は、約0.4から0.6pmであり、ダイナミックレンジが小さい。そのため、スペクトル純度幅E95の目標値は0.5pm付近で設定することしかできない(この点の詳細は後述する)。しかも、熱負荷や音響波等の影響で±0.1pmの範囲を超えた場合にはスペクトル純度幅E95の安定化が困難である。
(2)スペクトル純度幅を変化させるためのグレーティングの曲げは、プリズムビームエキスパンダにより大きく拡大されるため、長い曲率半径(例えば数km程度)で円弧上に非常に綺麗に曲げを行う必要がある。綺麗に曲げることができない場合にはスペクトルの形状に大きな影響を及ぼす。例えば、複数のピークが発生する可能性がある。
(3)露光装置用の狭帯域化エキシマレーザ装置に使用されるグレーティングのサイズは非常に大きく(長さ200mmから350mm)かつ、グレーティングの曲げ機構は非常に精密である。それゆえ、スペクトル純度幅E95の早い制御には適さない。
レーザ媒質を封入し、両端にウインドを備えるレーザチャンバと、
前記レーザ媒質を励起する励起源と、
前記レーザ媒質の励起に起因して出力された光を共振させる光共振器と、を有し
前記光共振器内の光軸上であって、前記レーザチャンバの一方の前記ウインドのリア側に狭帯域化モジュールを備え、かつ、前記レーザチャンバの他方の前記ウインドのフロント側に、前記レーザ媒質から出力された光の波面を調整する波面調整器を備えたこと
を特徴とする。
入射した光の一部を反射し残りを透過する部分透過型出力カプラを有し、
前記部分透過型出力カプラから出力された光をサンプリングし、所望のスペクトル幅を
得るべく前記波面調整器をフィードバック制御する波面調整器制御部をさらに備えたこと
を特徴とする。
第3発明は、第1発明において、
前記波面調整器は、それぞれ光路上に配置されるシリンドリカル凹レンズおよびシリンドリカル凸レンズと、前記シリンドリカル凹レンズと前記シリンドリカル凸レンズの少なくとも一方を光路上で移動させて前記シリンドリカル凹レンズと前記シリンドリカル凸レンズの間隔を調整するレンズ間隔調整機構と、を有すること
を特徴とする。
前記レーザ媒質はレーザガスであり、前記励起源は互いに対向する一対の放電電極と当該放電電極間へ高電圧を印加する電源回路とを有しており、前記レーザガスと前記放電電極とをレーザチャンバの内部に備えたこと
を特徴とする。
(1)レーザのパルスエネルギを維持した状態で、スペクトル純度幅E95のダイナミックレンジを大きくとることができる。これにより、広い範囲でスペクトル純度幅E95を設定することができ、所望のスペクトル純度幅E95で安定化させることができる。
(2)凹凸レンズ間距離を変化させることにより中心波長制御とは独立に波面を変化させるので、応答性の速い波面制御が可能となり、これに伴ってスペクトル純度幅E95の制御の応答性も波長振り方式やグレーティング曲げ方式に比べて速くなる。
(3)凹凸レンズ間距離を変化させることにより波面を変化させるので、波面収差がグレーティング曲げ方式にくらべて少なくなるため、スペクトル形状が略単一ピークの綺麗な波形でスペクトル純度幅を変化させることが可能となる。グレーティングを歪み無く曲げるのは難しいためである。
(4)従来の狭帯域化レーザのフロント側に波面調整モジュールを設置するだけでスペクトル純度幅E95がアクティブに制御可能になる(オプション対応が容易)。
図1に示すように、レーザチャンバ10のリア側(図面右側)には通常の狭帯域化モジュール20が配置され、フロント側(図面左側)には波面調整モジュール30が配置される。
図5(a)はリア側に設けられたグレーティングによって波面調整を行う狭帯域化レーザ装置の構成を側面から示し、図5(b)はフロント側に設けられた凹凸レンズによって波面調整を行う狭帯域化レーザ装置の構成を側面から示す。
(1)レーザのパルスエネルギを維持した状態で、スペクトル純度幅E95のダイナミックレンジを大きくとることができる。これにより、広い範囲でスペクトル純度幅E95を設定することができ、所望のスペクトル純度幅E95で安定化させることができる。
(2)凹凸レンズ間距離を変化させることにより波面を変化させるので、応答性の速い波面制御が可能となり、これに伴ってスペクトル純度幅E95の制御の応答性もグレーティング曲げ方式に比べて速くなる。
(3)凹凸レンズ間距離を変化させることにより波面を変化させるので、波面収差がグレーティング曲げ方式にくらべて少なくなるため、スペクトル形状が略単一ピークの綺麗な波形でスペクトル純度幅を変化させることが可能となる。グレーティングを歪み無く曲げるのは難しいためである。
(4)従来の狭帯域化レーザのフロント側に波面調整モジュールを設置するだけでスペクトル純度幅E95がアクティブに制御可能になる(オプション対応が容易)。
(1)光学素子の個数が低減できるため、コスト低減可能である。
(2)実施例1に比べて共振器内の面数が減るため、レーザの効率が向上する。
(3)出力カプラの機能を持ったシリンドリカル凸レンズが固定されているため、レーザ光の光軸が変化しにくい。
図25(a)に示すように、一方の面にシリンドリカル面を有し他方の面にフラット面を有する凹レンズ36と、両面にシリンドリカル面を有する凸レンズ34と、出力カプラ31とで波面調整器が構成され、凹レンズ36のシリンドリカル面と凸レンズ34のシリンドリカル面が対向してもよいし、図25(b)に示すように、凹レンズ36のフラット面と凸レンズ34のシリンドリカル面が対向してもよい。
まず、スペクトル純度幅E95の目標値が外部から入力され、レーザコントローラ50に設定される。レーザコントローラ50は、シャッタ6を閉じ、波面調整モジュール30に信号を出力して凹レンズ33を原点(凹レンズ33を移動する場合の基準位置であり、いずれかの任意の位置に決める)の位置に移動させ、さらにレーザ電源53に信号を出力して所定の充電電圧でレーザ発振させる。そして、モニタモジュール39内のピンフォトダイオード392によってレーザのパルスエネルギが検出され、エタロン分光器393によってスペクトル純度幅E95とレーザの中心波長が検出される。レーザコントローラ50は検出されたパルスエネルギとスペクトル純度幅E95を記憶する。次にレーザコントローラ50に波面調整モジュール30に信号を出力して凹レンズ33を所定の位置に移動させ、レーザ発振させる。そして、再度モニタモジュール39内のピンフォトダイオード392によってレーザのパルスエネルギが検出され、エタロン分光器393によってスペクトル純度幅E95とレーザの中心波長が検出される。レーザコントローラ50は検出されたパルスエネルギとスペクトル純度幅E95を記憶する。レーザコントローラ50は、以上の作業を所定回数繰り返して行い、レーザのパルスエネルギとスペクトル純度幅E95のレンズ位置依存性を記憶する。
実施例6の構成は実施例5の構成とほぼ同一であるため、ここでは異なる構成のみを説明する。
図21(a)は、ビームダイバージェンスモニタの構成を示す。
10 レーザチャンバ
11、12 放電電極
13、14 ウインドウ
20 狭帯域化モジュール
21 グレーティング
22 プリズムビームエキスパンダ
23 回転ステージ
30 波面調整モジュール
31 出力カプラ
32 波面調整器
33 凹レンズ
34 凸レンズ
35 リニアステージ
Claims (4)
- レーザ媒質を封入し、両端にウインドを備えるレーザチャンバと、
前記レーザ媒質を励起する励起源と、
前記レーザ媒質の励起に起因して出力された光を共振させる光共振器と、を有し
前記光共振器内の光軸上であって、前記レーザチャンバの一方の前記ウインドのリア側に狭帯域化モジュールを備え、かつ、前記レーザチャンバの他方の前記ウインドのフロント側に、前記レーザ媒質から出力された光の波面を調整する波面調整器を備えたこと
を特徴とする狭帯域化レーザ装置。 - 入射した光の一部を反射し残りを透過する部分透過型出力カプラを有し、
前記部分透過型出力カプラから出力された光をサンプリングし、所望のスペクトル幅を
得るべく前記波面調整器をフィードバック制御する波面調整器制御部をさらに備えたこと
を特徴とする請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記波面調整器は、それぞれ光路上に配置されるシリンドリカル凹レンズおよびシリン
ドリカル凸レンズと、前記シリンドリカル凹レンズと前記シリンドリカル凸レンズの少な
くとも一方を光路上で移動させて前記シリンドリカル凹レンズと前記シリンドリカル凸レ
ンズの間隔を調整するレンズ間隔調整機構と、を有すること
を特徴とする請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記レーザ媒質はレーザガスであり、前記励起源は互いに対向する一対の放電電極と当
該放電電極間へ高電圧を印加する電源回路とを有しており、前記レーザガスと前記放電電
極とをレーザチャンバの内部に備えたこと
を特徴とする請求項1乃至3記載の狭帯域化レーザ装置。
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