JPH01251769A - エキシマレーザの制御方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は縮小投影露光装置の光源として用いる狭帯域
発振エキシマレーザの起動方法に関する。

（従来の技術〕 集積回路等の回路パターンを半導体ウェハ上に露光する
縮小投影露光装置の光源としてエキシマレーザの利用が
注目されている。これはエキシマレーザの波長建短い（
ＫｒＦレーザの波長は約２４８、４ｒ＋ｎ　）ことから
光露光の分解能の限界を０．５μｍ以下に延ばせる可能
性があること、同じ解椴度なら従来用いていた水銀ラン
プのｑ線やｉ線に比較して焦点深度が深いこと、レンズ
の開口数＜ＮＡ）が小さくてすみ、露光領域を大きくで
きること、大きなパワーが得られること等の多くの優れ
た利点が期待できるからである。

しかしエキシマレーザはその波長が２４８．３５ｎｌと
短いため、この波長を透過する材料が石英、ＣａＦ２お
よびＭＱＦ２等しかなく、しかも均一性および加工精度
等の点でレンズ素材として石英しか用いることができな
い。そこで色収差補正をした縮小投影レンズの設計は困
難である。このため、エキシマレーザを縮小投影露光装
置の光源として用いるにはこの色収差が照視しうる程度
までの狭帯域化が必要となる。

エキシマレーザの狭帯域化のために、発明者等は、エキ
シマレーザのりアミラーとレーザチャンバとの間に複数
の波長選択素子を配設し、この複数の波長選択素子の選
択中心波長を制御する中心波長制御を行うとともにこの
複数の波長選択素子の透過中心波長を重ね合せる重ね合
せ制御を実行するという構成を提案している。

この重ね合せ制御は、具体的には、出力レーザ光の中心
波長のパワーをモニタし、このモニタしたパワーが最大
となるように複数の波長選択素子の波長選択特性を制御
するのである。

ところでエキシマレーザはパルス発振するガスレーザで
あるため、各パルスエネルギーにはある程度バラツキが
ある。従ってレーザパワーの変化をモニタする場合、複
数のレーザ出力パルスをサンプリングし、平均化してレ
ーザパワーを評価することがおこなわれており、上記重
ね合せ制御におけるレーザパワーのモニタも複数のレー
ザ出力パルスをサンプリングし、これを平均化すること
により行なわれる。

このような狭帯域発振エキシマレーザの場合、一般的に
起動時には、波長選択素子の重ね合せ状態は不良であり
、したがってレーザパワーが極めて低く、場合によって
はレーザ発振がおこなわれなかったり、レーザ発振され
たとしてもパワーモニタのレーザパワー検出限界より低
いパワーでしか発振せず、レーザパワーを検出できない
こともあった。

また、波長選択素子および光共振器の環境が変化したり
またはレーザの停止時間がある程度長くなると、再発振
時には、波長選択素子の重ね合せ状態が不良となったり
、光振中心波長がシフトしてしまうという現象が生じた
。

そこで、レーザの起動時の制御モードと定常時の制御モ
ードとを異ならせ、レーザ起動時には所定のレーザ起動
時の制御モードを経た後定常時の制御モードに移行する
ようにした狭帯域発振エキシマレーザの起動方法が発明
者等によって提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、停止時間が短時間で、波長選択素子および光
共振器の環境変化があまりない場合は、波長選択素子の
重ね合せ状態は良好であり、この場合は発振中心波長の
変化はほとんど生じない。

一般に狭帯域発振エキシマレーザを縮小投影露光装置用
先頭として使用する場合、アライメント時（１秒程度）
やウェハ交換時（１分程度）等に短い停止時間が頻繁に
生じるものであり、この場合、レーザの起動をレーザの
起動時の制御モードから開始すると安定した出力を得る
のにその毎にがなり時間がかかりスルーブツトの低下を
招くことになった。

この発明は、短時間の停止時または環境変化があまりな
い場合においても短時間で安定した出力の得られる狭帯
域発振エキシマレーザの起動方法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〕

この発明によれば、レーザ発振器内に波長選択素子を配
置し、この波長選択素子を制御することにより出力レー
ザ光の波長を制御する狭帯域発振エキシマレーザの起動
方法において、起動時の制御モードと定常時の制御モー
ドとを別々に設定するとともに、所定の条件が成立した
ときは起動時の制御モードを経ることなく直接定常時の
制御モードに移行することを特徴とする。

〔作用〕

レーザ起動時、所定の条件が成立しない場合は起動時の
制御モードを経て定常時の制御モードに移行し、所定の
条件が成立した場合は起動時の制御モードを経ることな
く直接定常時の制御に移行する。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例をブロック図で示したも
のである。この実施例ではレーザチャンバ１０７とリア
ミラー１０６との間に２枚のエタロン１０１，１０２を
配設することによって構成される。

この実施例の装置はレーザ出力パワーをレーザチャンバ
１０７内のレーザ媒質ガスの成分制御およびレーザ媒質
の励起強度制御、（放電電圧制御）によってコントロー
ルするパワー制御系２００と、レーザ出力中心波長を制
御する中心波長制御およびエタロン１０１と１０２との
透過中心波長の重ね合せを行なう重ね合せ制御を同時に
もしくは交互に実行する波長制御系３００とを有してい
る。

まず、定常状態におけるパワー制御系２００と波長制御
系３００の動作について説明する。エキシマレーザに用
いるレーザ媒質ガスは時間経過と共にそのレーザ媒質と
しての性質が徐々に劣化し、レーザパワーが低下する。

そこで励起強度制御系２００ではレーザ媒質の成分制御
、すなわちガス交換を行うとともにレーザ媒質の励起強
度すなわち放電電圧を制御することによってレーザ出力
を一定に保つ出力制御がおこなわれている。すなわち第
１図に示すように光振されたレーザ光の一部をビームス
プリッタ１０４で分岐させパワーモニタ２０２に入射し
、レーザパワーの変化をモニタし、ＣＰＵ２０３がレー
ザ電源２０４を介して、レーザ媒質の励起強度を変化さ
せたり、あるいはガスコントローラ２０５を介してレー
ザ媒質ガスの部分的交換を実施するなどして、レーザ出
力を一定に保つ出力制御をおこなう。

タイマ２０６はレーザ停止時からの経過時間を計数し、
ＣＰＵは後述するようにこの計数時間にもとづき起動時
制御サブルーチンに移行するが定常時制御サブルーチン
に移行するが否かの判断を行う。

また、発振されたレーザ光の一部はビームスプリッタ１
０３でサンプル光として分岐され、発振中心波長及び中
心波長パワー検知器３０１に加えられる。発振中心波長
及び中心波長パワー検知器３０１はサンプル光に含まれ
るエキシマレーザ１０の発振中心波長λと中心波長のパ
ワーＰλを検出する。ここで中心波長のパワーＰλの検
出は予め設定された所定数のレーザ出力パルスをサンプ
リングし、これを平均化することによって行われる。

発振中心波長及び中心波長パワー検知器３０１で検出さ
れたサンプル光の中心波長λおよび中心波長パワーＰλ
は波長コ、ントローラを構成する中央処理装置（ＣＰＵ
）３０２に入力される。

ＣＰＵ３０２はドライバ３０３，３０４を介してエタロ
ン１０１．１０２の波長選択特性（透過中心波長および
選択中心波長）を制御し、サンプル光、すなわちエキシ
マレーザの出力光の中心波長が予め設定された所望の波
長に一致しく中心波長制御）、かつ中心波長パワーが最
大となるようにする（重ね合せ制＠）。ここでドライバ
３０３゜３０４によるエタロン１０１，１０２の波長選
択特性の制御はエタロン４の温度の制御、角度の制御の
エアギャップ内の圧力の制御、ギャップ間隔の制御等に
よって行なう。

中心波長制御は、具体的にはエタロン１０１゜１０２の
うち少なくともフリースペクトラルレンジの小さい方の
エタロンの角度等を制御して該エタロンの透過波長をシ
フトさせ、これにより出力中心波長すなわち発振中心波
長及び中心波長パワー検知器３０１で所望の波長となる
ように制御する。また重ね合せ制御は、上述したフリー
スペクトラルレンジの小さい方のエタロン以外のエタロ
ン、すなわち、フリースペクトラルレンジの大きい方の
エタロンの透過中心波長を所定単位波長づつシフトし、
エタロン１０１．１０２の透過中心波長が重なり、発振
中心波長及び中心波長パワー検知器３０１で検出された
中心波長パワーが最大となるように制御する。

この重ね合せ制御の動作を第２図（ａ＞、（ｂ）（Ｃ）
により更に説明する。第２図（ａ）に示すように、重ね
合せに不具合が発生すると２個のエタロンのうちフリー
スベクトラルレンジ（以下ＦＳＲと記す）の小さなエタ
ロンによる中心透過帯１１と隣接透過帯１３が、ＦＳＲ
の大きなエタロンによる中心透過帯１４と重なり、中心
波長成分１５の他にサイドピークと呼ばれる隣接発振線
１２が現われる。また第２図（ｂ）に示すように中心波
長成分の強度、換言すれば、狭帯域化されたレーザ光の
パワーの低下をまねくこともある。

重ね合せ制御においては、第２図（Ｃ）に示すように中
心波長成分の強度を最大にすべくエタロン１０１．１０
２の角度等を調整をする重ね合せ制御が実施される。

次に、この発明にかかわるレーザの起動時における制御
について説明する。

第３図は、第１図に示した偶成をとる狭帯域発振エキシ
マレの起動時における制御の一実施例をを示したもので
ある。この実施例では、まず、第１図に示したタイマ２
０６の出力にもとづきレーザが停止してからの経過時間
ｔ（レーザ停止時間）が所定の時間ｋ（２分以上）より
大きいいか否かの判断を行う（ステップ４０１）。すな
わち、この実施例ではレーザが停止してからの経過時間
にもとづき、通常の起動制御モードを行なうか、それと
も直接定常時の制御モードに移行するかの判断を行なう
。換言すれば、レーザを停止してからの経過時間があま
りたっていないと、エタロンの重ね合せ状態はまだ良好
であり、また中心波長の変化も生じていないと判断して
、直接窓１δ′時の制御モードに移行する制御を選択す
る。またレーザを停止してから充分の時間が経過してい
るとエタロンの重ね合せ状態は不良となり、また中心波
長も変化しているとして通常の起動時の制御モードから
実行し、その後定常時の制御モードに移行する制御を選
択する。

ステップ４０１でレーザ停止時間がｋより小さいと判断
されると、レーザの発振を開始しくステップ４０２）、
定常時のサブルーチン４０３に移行する。この定常時の
サブルーチンは、発振中心波長を所定波長に固定する中
心波長制御、エタロン１０１と１０２の透過波長を重ね
合せる重ね合せ制御および、レーザの平均パルスエネル
ギーを一定に制御するパワー制御を平行して行なうもの
で、その−例が第４図に示される。

第４図において処理５００は中心波長制御を示し、処理
５１０は重ね合せ制御を示し、処理５２０はパワー制御
を示す。中心波長制御は、まず、レーザの出力の所定の
パルス数Ｎ１に関して中心波長を検出しくステップ５０
１）、この検出した波長データを平均化しくステップ５
０２）、続いて所定の設定波長λ０と平均化した波長λ
と偏差Δλ（Δλ＝２０−λ）を計算しくステップ５０
３）、各波長選択素子（この場合エタロン１０１゜１０
２）の透過波長をそれぞれΔλだけシフトさせ（ステッ
プ５０４）、この動作を繰返すことにより出力中心波長
を所望の設定波長に２０に一致させる。

重ね合せ制御は、レーザの出力の所定のパルス数Ｎ２に
関して中心波長パワーを検出しくステップ５１１）、こ
の検出した中心波長パワーを平均化しくステップ５１２
）、中心波長パワーが最大となるように透過波長幅（ス
ペクトラルレンジ）が広い波長選択素子（この場合は例
えばエタロン１０２）の透過波長を所定量シフトさせる
（ステップ５１０）。この動作を繰返すことによりエタ
ロン１０１と１０２の重ね合せ制御が実行される。

パワー制御はまず、レーザの出力の所定のパルス数Ｎ３
に関してパワーを検出しくステップ５２１）、この検出
したパワーの平均化を行ないくステップ５２２）、続い
てこの平均化したパワーが一定となるようにレーザの電
極間の放電電圧を変化させ（ステップ５２３）、この制
御を繰返えす。

この制御において各制御のサンプルはＮ２≦Ｎ３が成立
するように設定するか、もしくはパワー制御と重ね合せ
制御を交互に実行するように制御する。

上述したような定常時制御サブルーチン４０３が開始さ
れると続いて露光が開始される（ステップ４１３）。

ステップ４０１でレーザ停止時間がｋより太きいと判断
された場合は、エタロン１０１，１０２の重ね合せ状態
が良好ではなく、また中心波長も変化していると判断し
て、波長異常出力を発生しくステップ４０５）　、続い
てシャッタ１０８（第１図）を閉じ（ステップ４０６）
、その後発振を開始する（ステップ４０７）。発振を開
始すると、まず起動時制御サブルーチン４０８を実行す
る。

この起動時制御サブルーチン４０８は、エタロン１０１
．１０２の重ね合せ状態がくずれ、かつ中心波長がずれ
ている状態からできるだけ短時間で、重ね合せ制御と中
心波長制御を完了させるための制御で、その−例が第５
図に示される。

起動時制御サブルーチン４０８ではまず重ね合せ制御が
実行される（ステップ６０１）。この重ね合せ制御はエ
タロン１０１．１０２のうちスペク°トラルレンジの大
きさのエタロンの透過中心波長を所定単位波長づつ順次
シフトし、このときのレーザ出力パワー、すなわち発振
中心波長及び中心波長パワー検知器３０１による検知パ
ワーが最大となるように制御する。ここで重ね合せ制御
の迅速化をはかるためにエタロンの中心波長の単位シフ
ト量は定常状態の重ね合せ制御おける単位シフト量より
大きく設定されている。また中心波長パワーは前述した
ように所定数のレーザ出力パルスをサンプリングし、こ
れを平均化することにより検出しているが、レーザ起動
時においては、重ね合せ制御の迅速化のために上記サン
プリングパルス数を定常時のサンプリングパルス数より
少なく設定し、レーザ出力パワーの検出が素速く行なわ
れるようにしている。

このように、レーザ起動時エタロン等波長選択素子の重
ね合せ状態が不良でありパワーモニタ検出限界以下のパ
ワーしかもたないレーザパルスが多数あっても効果的に
は所定のサンプリングパルス数サンプリングするに要す
る時間が短くなり、重ね合せ制御が迅速におこなわれる
。

この重ね合せ制御が終了したか否かはステップ６０２で
判断され、ここで重ね合せ制御が終了したと判断される
と、ステップ６０３に移行し、中心波長制御を行なう。

ステップ６０３における中心波長制御はまず所望の中心
波長と現在の出力中心波長、すなわち発振中心波長及び
中心波長パワー検知器３０１で検出された発振中心波長
とのずれを検出し、このずれを０にすべくエタロン１０
１と１０２の透過中心波長を同時にこのずれに対応する
値だけそれぞれシフトすることにより行なう。

中心波長制御が終了すると、すなわち所望の波長となる
とくステップ６０４）、次に励起強度を定常状態の励起
強度および繰返し周波数に戻すパワーロック制御を実行
する（ステップ６０５）。

このパワーロック制御に、よりレーザの出力が所望のパ
ワーになったと判断されると（ステップ６０６）この起
動時制御サブルーチンを終了する。

第６図は、この起動時制御サブルーチンの変形例を示し
たものである。この変形例においてはステップ６０３の
中心波長制御とステップ６０５のパワーロック制御と並
列的に川ね合せ制御ｌｌ（ステップ６０７）を実行し、
更にステップ６０５のパワーロック制御と並列的に中心
波長制御（ステップ６０８）を実行している。この第６
図の構成によるとエタロン１０１と１０２の重ね合せ状
態を保持しつつ、中心波長制御とパワーロック制御を実
行することが可能となり、また中心波長を保持しつつ、
パワーロック制御を実行することが可能となる。

起動時制御サブルーチン４０８が終了すると、次に定常
時制御サブルーチン４０９が実行される。

この定常時制御サブルーチン４０９は第４図に示したも
のと同様のものである。定常時制御サブルーチン４０９
の実行により所望の波長及びパワーとなったと判断され
ると（ステップ４１０）、露光準備完了信号を図示しな
い露光系に出力しくステップ４１１）、その後シャッタ
１０８を開にして（ステップ４１２＞、露光が開始され
る（ステップ４１３）。

第７図は波長選択素子、すなわちエタロン１０１．１０
２の近傍またはレーザ共振器の近傍の圧力または温度に
もとづき起動時制御サブルーチンに移行するか直接定常
時制御サブルーチンに移行するかを判断するようにした
他の実施例を示したものである。この実施例においては
、まずステップ４１４においてエタロン１０１．１０２
の近傍の温度Ｔが所定の範囲、すなわち温度Ａと８との
間にあるか（Ａ≦Ｔ≦８）否か、およびエタロン１０１
．１０２の近傍の圧力Ｐが所定の範囲、すなわち圧力Ｃ
とＤとの間にあるか（Ｃ≦Ｐ≦Ｄ）否かを調べ、Ａ≦Ｔ
≦ＢまたはＣ≦Ｄ≦Ｄかの判断を行なう。ここで、エタ
ロン１０１．１０２の近傍の温度は第１図に示すセンサ
１０９によって検出される。

ステップ４１４でＡ≦Ｔ≦８またはＣ≦Ｐ≦Ｄが成立す
ると、起動時制御サブルーチンを実行する必要がないと
して、レーザを発振した（ステップ４０２）後、定常時
制御サブルーチン４０３に移行する。

またステップ４１４でＡ≦Ｔ≦ＢまたはＣ≦Ｐ≦Ｄが成
立しないとステップ４０５に移行して波長異常信号を出
力する。この後の制御は第３図において説明したものと
同様である。

第８図に示す実施例はレーザ停止時間ｔが所定の時間に
より長いか、またはエタロン１０１．１Ｑ２近傍の温度
ＴがＴ＜Ａか、またはＴＵ８か、またはエタロン１０１
，１０２の近傍の圧力ＰがＰくＣか、またはＰＡＤか、
または温度Ｔの変化分６丁が所定の値αより大きいかく
Δ丁≧α）、または圧力Ｐの変化分ΔＰが所定の値βよ
り大きいか（ΔＰ≧β）否かの判断を行なう（ステップ
４１５）。ここで上記判断が成立しないと起動時制御サ
ブルーチンを実行する必要はないとしてステップ４０２
を介して定常時制御サブルーチン４０３を実行する。

ステップ４１５の判断が成立Ｔるとステップ４０５に移
行し、第３図に示したように、以後起動時制面サブルー
チンを実行する。

第９図に示す実施例はエタロン１０１．１０２の近傍の
温度Ｔおよび圧力Ｐの変化分ΔＴ、ΔＰにもとづき起動
時制御サブルーチンを実行するか否かを判断するように
したものである。すなわち、この実施例においては、ま
ず、ステップ４１６でΔ丁≧αまたはΔＰ≧βか否かの
判断行なう。ここでステップ４１６の条件が成立しない
とレーザを発振した後（ステップ４０２）定常時制御サ
ブルーチン４０３に移行する。ステップ４１６で条件が
成立するとステップ４０５に移行し、以後第３図に示し
たものと同様の制御を行なう。

なお、以上の実施例では、レーザチンヤバとりアミラー
の間にフリースペクトラルレンジの小さなエタロンとフ
リースベクトラルレンジの大きなエタロンの２枚を配設
して狭帯域発振するように構成しているが２枚以上のエ
タロンを配設してもよく、またエタロン２枚のかわりに
１つのエタロンと１つの回折格子を用いても同様に構成
することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、波長選択素子ま
たは光共振器の環境及び変化を検知したり、停止時間を
モニタすることによって、再発振する時の発振状態およ
び波長のシフトの程度を予測し、定常時の制御と起動時
の制御の変更を適宜行なうことによって速やかに安定し
た出力と波長を得ることができ、さらに、この発明の狭
帯域発振エキシマレーザを縮小投影露光用光源として用
いればスループットは向上する。

また、起動時の制御時に波長異常信号を出力しシャッタ
を閉じることによって、歩留りを向上することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は重ね合せ制御を説明する波形図、第３図乃至第６図は
この実施例の動作を説明するフローチｔｙ−ｈ、第７図
乃至第９図は他の実施例の動作を説明するフローチャー
トである。 １０１．１０２・・・エタロン、１０９・・・センサ、
２００・・・パワー、２０３・・・ＣＰＩＪ、２０４・
・・レーザ電源、２０５・・・ガスコントローラ、３０
０・・・波長制御系。 中ノＣ２頗 （ｑ）゛す゛イＦ゛ヒ０−り 中、心！　　　　　　　　　　　　　　　　　中元Ｚυ
乏（ｂ）重ね１６−π不良　　　　　　　（Ｃ）！ね合
亡釦野第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　レーザ発振器内に波長選択素子を配置し、この
   波長選択素子を制御することにより出力レード光の波長
   を制御する狭帯域発振エキシマレーザの起動方法におい
   て、 起動時の制御モードと定常時の制御モードを別々に設定
   するとともに、所定の条件が成立したときは起動時の制
   御モードを経ることなく直接定常時の制御モードに移行
   することを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザの起動
   方法。
2. （２）　レーザの停止時間が、所定の時間より短いとき
   は直接定常時の制御モードに移行することを特徴とする
   請求項（１）記載の狭帯域発振エキシマレーザの起動方
   法。
3. （３）　波長選択素子または光共振器近傍の温度変化が
   所定の範囲内にあるときは直接定常時の制御モードに移
   行することを特徴とする請求項（１）記載の狭帯域発振
   エキシマレーザの起動方法。（４）　波長選択素子また
   は光共振器近傍の圧力変化が所定の範囲内にあるときは
   直接定常時の制御モードに移行することを特徴とする請
   求項（１）記載の狭帯域発振エキシマレーザの起動方法
   。