JP2005033104A - ２ステージレーザ用波長検出装置及びその校正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
２ステージレーザのキャリブレーションを簡易な構造且つ短時間で行う。
【解決手段】
発振用レーザ１０で狭帯域化しないフリーラン光を２ステージレーザ１から出射するようにし、このフリーラン光を酸素ガスや炭素ガス等の吸収物質を封入した吸収セルを通過させ、分光器７を介してラインセンサ８で受光する。そして、ラインセンサ８の受光位置と波長との対応付け、所謂キャリブレーションを行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２ステージレーザから出射されるレーザ光の波長を、受光センサ内の受光位置に基づいて求める２ステージレーザ用波長検出装置に関し、特に、受光センサの校正を簡易に行うものである。

紫外線レーザをステッパ（縮小投影露光装置）の光源として用いる場合には、ステッパレンズ等の光学素子が有する波長収差の影響を減らすためにエキシマレーザのレーザ光を狭帯域化する必要がある。さらに、この狭帯域化されたレーザ光のスペクトルの中心波長が露光中に変動しないように、波長を高精度に安定化制御する必要がある。そこで、図３に示すような構成によって、レーザ光の狭帯域化が行われ且つ波長の安定化制御が行われる。

チャンバ３１の前方には入射する光の一部を透過し、残りを反射する部分透過型のフロントミラー３２が設けられ、チャンバ３１の後方には狭帯域化モジュール１２が設けられている。狭帯域化モジュール１２は、プリズム、エタロン、グレーティング等の狭帯域化素子（波長選択素子）が組み合わされた構成となっており、これら狭帯域化素子の設定角度や、エタロンの場合はエタロンギャップ距離等が制御され、狭帯域化すなわち選択波長が調整される。狭帯域化モジュール１２からは選択波長のレーザ光のみが出射される。フロントミラー３２と狭帯域化モジュール１２とで共振器が構成されており、チャンバ３１で発光した光は、フロントミラー３２と狭帯域化モジュール１２との間を往復し、その間にエネルギーが増幅され、レーザ光Ｌ_０となりモニタモジュール３３に出射される。

モニタモジュール３３では次のような方法によってレーザ光Ｌ_０の波長が求められる。モニタモジュール３３には予め波長が既知である基準光の検出結果が記憶されている。この記憶された検出結果とレーザ光Ｌ_０の検出結果とが比較され、レーザ光Ｌ0の波長が求められ、その結果はコントローラ３４に出力される。コントローラ３４はレーザ光Ｌ₀のスペクトルの中心波長が変動しないようにドライバ９に制御信号を出力する。ドライバ９は制御信号に従い狭帯域化モジュール１２内の狭帯域化素子の設定角度や距離等を制御する。

従来は基準光の光源としてアルゴンレーザ光や水銀ランプなどが使用され、その検出結果が利用されていたが、光源の光量が弱いという問題があった。また、アルゴンレーザには光源の波長が不安定であるという問題があり、水銀ランプには光源と紫外線レーザとの波長差が大きい等の問題があった。なお、この波長差の問題の具体的内容については後述する。

このような問題を解決するものとして、下記特許文献１〜４には上述した基準光の検出結果を取得する方法として酸素や炭素等の光吸収物質を使用する技術が開示されている。

酸素や炭素等の光吸収物質は、紫外線レーザの発振波長帯域に含まれる特定波長の光を吸収して強度を減衰させる。例えば、酸素はＡｒＦエキシマレーザの発振波長１９３nm近辺にある、１９３．０９７８nm、１９３．１１３５nm、１９３．２７２８nm、１９３．２９２nm、１９３．４７１５nm、１９３．４９３１nm、１９３．６９１７nm、１９３．７１３５nmの波長の光を吸収する。また炭素は１９３nm近辺にある、１９３．０９０nmの波長の光を吸収する。これらの吸収線の値は酸素、炭素固有の物性値である。したがって、酸素雰囲気や炭素雰囲気等を通過したＡｒＦエキシマレーザのフリーラン光を検出し、その結果を基準光の検出結果とすることができる。

特許文献１にはフリーラン光を利用して基準光の検出結果を取得する技術が開示されている。フリーラン光とは、狭帯域化モジュールを利用せずにレーザ発振した場合の出射レーザ光をいう。この出射レーザ光はレーザ発振可能なあらゆる波長の光を含んでいる。以下、図４を用いてこの技術について説明する。

図４はフリーラン光を出射する紫外線レーザの構成を示すブロック図である。 チャンバ３１の内部には、レーザ発振媒質であるレーザガスが封入され、また放電を起こしてレーザガスを励起するための互いに対向する一対の放電電極等が設けられる。チャンバ３１と狭帯域化モジュール１２の間の光路上に全反射ミラー４１が挿入されると、全反射ミラー４１とフロントミラー３２とで光共振器が構成される。レーザ光は狭帯域化モジュール１２に入射しないためフリーラン光となる。フリーラン光の一部はビームスプリッタ４２で分割され、分光器７に入射する。分光器７は、様々な波長が混在するフリーラン光を波長に応じて分散し、分散した光を別々の方向へ進行させるものであり、グレーティングやプリズムが用いられる。分光器７で分光された光は、受光センサであって独立した複数の受光素子を少なくとも一次元に配列したもの、例えばラインセンサ８で受光される。ラインセンサ８はチャンネル番号順に並べられた複数の受光素子からなるものである。分光器７で分光された光は波長に応じて別々の受光素子で受光される。なお、この装置は、チャンバ３１内に炭素が存在するものとし、またレーザ光は大気（酸素）に曝されるものとしているが、レーザ光路上に酸素や炭素を含む吸収セルを設ける場合もある。

図５は図４の装置によるフリーラン光のスペクトル分布を示す。
図５の横軸は受光素子のチャンネルを示し、縦軸は受光強度を示す。このスペクトル分布にはＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３の位置で強度の落ち込みが見られる。Ｐ_１の位置は炭素の吸収線１９３．０９０nm（＝λ_１）に相当し、Ｐ_２、Ｐ_３の位置は酸素の吸収線１９３．２９２nm（＝λ_２）、１９３．４９３１nm（＝λ_３）に相当する。このようなラインセンサ８の校正処理、すなわちラインセンサ８の受光位置（光が結像される受光素子の位置）と波長との対応付けを行う一連の処理をキャリブレーションという。

キャリブレーション後に全反射ミラー４１は光路上から取り除かれ、レーザ発振が行われる。狭帯域化されたレーザ光は分光器７を介してラインセンサ８に結像される。ラインセンサ８の受光位置は光の波長に応じて異なるので、最大の光強度を受光する受光素子の位置Ｐ_Ｌに基づいてレーザ光の波長λ_Ｌを求めることができる。例えば、下記（１）式にて波長λ_Ｌが求められる。
λ_Ｌ＝λ_２＋δλ×（Ｐ_Ｌ−Ｐ_２）／ＣＢ …（１）
δλ：分散値（ＣＢに対応する波長差）（単位nm）
ＣＢ：チャンネル間隔（単位μm）
なお、ラインセンサ８のうち２つの受光位置と波長の対応関係が特定されていれば、分散値δλは定められる。また、上記（１）式では位置Ｐ_２が用いられているが、位置Ｐ_１と波長λ_１や位置Ｐ_３と波長λ_３を用いても同様に波長λ_Ｌを求めることができる。

上述した水銀ランプの発振波長の値と比べて、酸素や炭素等の光吸収物質による光吸収が生ずる波長の値は狭帯域エキシマレーザの発振波長値に近い。このため、水銀ランプを利用してキャリブレーションするよりも、酸素や炭素等の光吸収物質を利用してキャリブレーションする方が誤差が少ない。その理由を説明する。分光器内部に窒素ガス等が存在すると屈折率は変化する。また、屈折率と波長λとには相関がある。よって、分光器内部の雰囲気に応じて、上記（１）式の分散値δλは異なり、必ずしも常数ではない。基準となる波長の値と被計測値である狭帯域エキシマレーザの発振波長の値が近ければ、両波長における分散値δλもほぼ同じ値となる。このため、上記（１）式の計算結果も誤差が少なく、キャリブレーション誤差も少ない。

チャンネル間隔ＣＢがどの程度の波長差δλに対応するかは、ラインセンサ８に光を導く分光器７の特性によって定まる。分光器７の特性は、凹面鏡の焦点距離、分光器７の内部空間における光の屈折率、またグレーティングが用いられる場合はその溝の数、など分光器７を構成する各種光学要素の特性値によって定まる。

以上がフリーラン光を利用して基準光の検出結果を取得し、その検出結果に基づいて被検出光の波長を求める技術である。

特許文献２〜４には、フリーラン光を用いるのではなく、波長スキャンによって基準光の検出結果を取得する技術が開示されている。波長スキャンとは、狭帯域化モジュール内の波長選択素子を駆動してレーザ装置の発振波長を変化させつつ、酸素や炭素等の光吸収物質を通過した狭帯域レーザ光を検出することである。以下、図６を用いてこの技術を説明する。

図６は波長スキャンを行う紫外線レーザの構成を示すブロック図である。
チャンバ３１から出射され狭帯域化されたレーザ光はビームスプリッタ６１で分割される。ビームスプリッタ６１で分割された一方の光は波長計６２に入射し、他方の光はビームスプリッタ６３に入射し更に分割される。ビームスプリッタ６３で分割された一方の光は酸素ガスを封入する吸収セル６４内を通過して受光素子６５に入射し、他方の光は受光素子６６に直接入射する。

この装置で波長スキャンが行われると、レーザ光の波長と酸素の吸収線が一致しない場合は受光素子６５、６６の受光光量の差は少ない。一方、レーザ光の波長と酸素の吸収線が一致する場合は受光素子６５の受光光量が受光素子６６の受光光量と比較して極めて少なくなる。したがって、この時の波長計６２の計測結果が酸素の吸収線の波長１９３．２９２nm又は１９３．４９３１nmに対応することが分かる。こうして波長計６２のキャリブレーションが行われ、その後に波長計６２を用いて被検出光の波長の計測が行われる。

以上が波長スキャンを行い基準光の検出結果を取得し、その検出結果に基づいて被検出光の波長を求める技術である。

ところで、上述した技術は何れも一つのチャンバを有する紫外線レーザに関するものである。近年は、露光装置のスループットを向上させるために、レーザ装置の出力エネルギーを増加させることが要望されている。しかし、一つのチャンバを有する紫外線レーザでは出力エネルギーに限界がある。そこで、所謂２ステージレーザが注目されている。

２ステージレーザは、個々にチャンバが設けられた発振用レーザと増幅用レーザとを有する。発振用レーザはシード光を生成して増幅用レーザに出射する。増幅用レーザはシード光を増幅して出射する。発振用レーザと増幅用レーザとは所定タイミングで同期運転される。シード光を最も効率的に増幅するためには、発振用レーザから出射されたシード光が増幅用レーザの放電空間内に満たされた時に、増幅用チャンバ内のレーザガスが励起されるようなタイミングで同期運転すればよい。

このような２ステージレーザにおいても、特許文献１〜４で開示されたキャリブレーションの技術は適用可能である。

特開２０００−３１５７４号公報（図１、図２） 特開２０００−１５１００４号公報 特許第３０６８０５６号明細書（図１） 特許第３２４７６５９号明細書

そもそも上記特許文献１〜４で開示されたキャリブレーションにおいては、次の点を避けられない。

フリーラン光を利用するキャリブレーションの技術は、全反射ミラーの駆動装置を追加する必要があり、レーザ発振を実現できるように、更に全反射ミラーの位置を微調整する必要がある。したがって部品点数が増加し、また作業工数が増加する。

波長スキャンを行うキャリブレーションの技術は、光吸収物質の吸収線を含む広帯域での波長スキャン制御が必要であり、波長スキャンの際に波長を変更する度に波長計６２や受光素子６５、６６による計測が必要である。このため、キャリブレーションに長時間を要する。計測する波長の間隔を大きくすればキャリブレーションの時間は短くなるが、キャリブレーションの精度が低下する。したがって、キャリブレーションの間隔を大きくして時間を短縮することもできない。

本発明者は２ステージレーザのキャリブレーションにおいては、上記特許文献１〜４に開示された技術が不要であることを見出した。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、２ステージレーザのキャリブレーションを簡易な構造且つ短時間で行うことを解決課題とするものである。

本発明の第１発明は、
発振用レーザと増幅用レーザとを所定タイミングで発振させて、前記発振用レーザで狭帯域化した光を前記増幅用レーザで増幅する２ステージレーザと、前記２ステージレーザから出射される光を分光する分光器と、独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサとを備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置に適用され、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を定める校正装置において、
前記発振用レーザで狭帯域化されないフリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する吸収手段を備え、
前記フリーラン光を出射して前記吸収手段に入射し、前記吸収手段を透過した光を前記分光器に入射し、分光後の光を前記受光センサで受光し、受光した光のうち前記吸収手段で吸収された吸収光の受光位置と前記特定波長とを対応付けること
を特徴とする。

第２発明は、第１発明において、
前記増幅用レーザのみを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
を特徴とする。

第３発明は、第１発明において、
前記所定タイミングをずらして前記発振用レーザと前記増幅用レーザとを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
を特徴とする。

第１発明によれば、発振用レーザ１０で狭帯域化しないフリーラン光を２ステージレーザ１から出射するようにし、このフリーラン光を酸素ガスや炭素ガス等の吸収物質を封入した吸収セルを通過させ、分光器７を介して受光センサ（ラインセンサ）８で受光する。そして、ラインセンサ８の受光位置と波長との対応付け、所謂キャリブレーションを行う。

第２発明は、増幅用レーザ２０のみを発振させてフリーラン光を出射するものである。

第３発明は、発振用レーザ１０から出射されたレーザ光が増幅用レーザ２０で増幅されないようなタイミングで、発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０とを非同期で発振させ、フリーラン光を出射するものである。

本発明の第４発明は、
発振用レーザと増幅用レーザとを所定タイミングで発振させて、前記発振用レーザで狭帯域化した光を前記増幅用レーザで増幅する２ステージレーザと、前記２ステージレーザから出射される光を分光する分光器と、独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサとを備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置において、
前記発振用レーザで狭帯域化されないフリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する吸収手段を備え、
前記２ステージレーザの波長検出の前に、前記フリーラン光を出射して前記吸収手段に入射し、前記吸収手段を透過した光を前記分光器に入射し、分光後の光を前記受光センサで受光し、受光した光のうち前記吸収手段で吸収された吸収光の受光位置と前記特定波長とを対応付けて、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を定めておき、
前記２ステージレーザの波長検出の際に、前記受光センサ内の前記吸収光の受光位置と被検出光の受光位置との相対的な位置関係から被検出光の波長を求めること
を特徴とする。

第５発明は、第４発明において、
前記増幅用レーザのみを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
を特徴とする。

第６発明は、第４発明において、
前記所定タイミングをずらして前記発振用レーザと前記増幅用レーザとを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
を特徴とする。

第４〜第６発明は第１〜第３発明を適用した２ステージレーザ用波長検出装置でレーザ光の波長を検出するものである。

第７発明は、
狭帯域の２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置であって、
レーザガスを封入し少なくとも一対の放電電極が設けられた第１のチャンバと、当該第１のチャンバ内から発生する光を狭帯域化する狭帯域化モジュールと、を有する発振用レーザと、
レーザガスを封入し少なくとも一対の放電電極が設けられた第２のチャンバを有する増幅用レーザと、
前記発振用レーザ及び増幅用レーザの各放電電極にパルス電流を供給し、各放電電極間で生ずる放電によってレーザガスを励起して紫外域の光を発生させるためのパルス電源と、
からなる２ステージレーザと、
前記２ステージレーザから出射されるレーザ光の第１の光軸上にあり、当該レーザ光の一部を分岐して第２の光軸上に導くビームスプリッタと、
前記第２の光軸上にあり、入射する光を角度分散型の光学素子で分光する分光器と、
独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサと、を備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて入射光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置に適用され、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を求める校正装置において、
前記ビームスプリッタと前記分光器との間の前記第２の光軸上にあり、フリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する光吸収手段と、
前記２ステージレーザをフリーラン発振させて前記吸収手段に入射し、当該吸収手段内部を透過した光を前記分光器へ入射し、分光後の光を前記受光センサで受光する場合に、この受光した光のうち、前記吸収手段で吸収された波長に相当する光の受光位置と前記特定波長とを対応付けて記憶する記憶手段と、を備えたこと
を特徴とする。

第７発明は、第１発明と同様である。

本発明によれば、増幅用レーザのみを発振させるか又は発振用レーザと増幅用レーザの発振タイミングを調整するのみでフリーラン光を出射することができる。したがって、全反射ミラーのようなフリーラン光を出射するための構成要素が不要であり、またその調整作業も不要である。また、波長スキャンのようにキャリブレーションに長時間を要する作業も不要である。本発明はこれらと比較して、簡易な作業、簡易な構造、短時間でキャリブレーションを実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は第１の実施形態に係る２ステージレーザ用波長検出装置の構成を示すブロック図である。
なお、本実施形態で説明する２ステージレーザは注入同期型のＡｒＦエキシマレーザであるとする。

最初に、２ステージレーザの基本的な構成と動作を簡単に説明する。

２ステージレーザ１は大きくは発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０とで構成される。発振用レーザ１０は大きくは発振用チャンバ１１と狭帯域化モジュール１２とフロントミラー１３と放電回路１４とで構成される。増幅用レーザ２０は大きくは増幅用チャンバ２１とリアミラー２２とフロントミラー２３と放電回路２４とで構成される。発振用チャンバ１１及び増幅用チャンバ２１のそれぞれの内部には、レーザ発振媒質であるレーザガスが封入され、また放電を起こしてレーザガスを励起するための互いに対向する一対の放電電極等が設けられる。

コントローラ２から放電回路１４にトリガ信号Ｔｒ_１が出力されると、発振用チャンバ１１内で放電が生じ、レーザガスが励起され、レーザ光が生成される。レーザ光は狭帯域化モジュール１２とフロントミラー１３との間を往復することでエネルギーが増幅され、フロントミラー１３から増幅用レーザ２０側に出射される。同様に、コントローラ２から放電回路２４にトリガ信号Ｔｒ_２が出力されると、増幅用チャンバ２１内で放電が生じ、レーザガスが励起され、レーザ光が生成される。レーザ光はリアミラー２２とフロントミラー２３との間を往復することでエネルギーが増幅され、フロントミラー２３からステッパ４側に出射される。

通常、ステッパ４で半導体の露光を行う場合は、発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０とが同期運転される。発振用レーザ１０から出射されたレーザ光（シード光）Ｌ_１が増幅用レーザ２０の増幅用チャンバ２１の放電空間内に満たされた時に増幅用チャンバ２１内で放電が生じるように、コントローラ２でトリガ信号Ｔｒ_１、Ｔｒ_２の出力タイミングが制御される。このような制御によって、発振用レーザ１０から出射されたレーザ光Ｌ_１は増幅用レーザ２０で増幅される。増幅後のレーザ光Ｌ_１はステッパ４で半導体ウェハに照射される。

増幅後のレーザ光Ｌ_１はビームスプリッタ３で一部がサンプリングされている。サンプリングされたレーザ光Ｌ_１′は酸素ガスが封入された吸収セル５を通過し、分光器７に入射するが、レーザ光Ｌ_１′の波長と吸収セル５の吸収線が一致しない場合は、レーザ光Ｌ_１′の強度に影響は及ばない。レーザ光Ｌ_１′は、分光器７の内部の角度分散素子、例えばグレーティングによって波長に応じた方向に進行せられ、ラインセンサ８内の波長に応じた受光素子で受光される。ラインセンサ８には少なくとも一次元に受光素子が配列されている。後述するように、ラインセンサ８のキャリブレーションは予め行われているため、基準光の受光位置に対するレーザ光Ｌ_１′の受光位置の相対的な位置関係からレーザ光Ｌ_１′の波長が求められ、その結果がコントローラ２に出力される。コントローラ２はレーザ光Ｌ_１の波長を目標波長とすべく、ドライバ９に制御信号を出力する。ドライバ９は制御信号に基づいて狭帯域化モジュール２の狭帯域化素子の設定角度や距離を制御する。

なお、ビームスプリッタ３と分光器１１との間にはシャッタ６が設けられている。波長制御を行わない場合は、レーザ光Ｌ_１′の影響による分光器１１のダメージを防止するために、シャッタ６を閉じてレーザ光Ｌ_１′を遮断する。毎パルスの波長を検出し、パルス毎に波長を制御する使い方をする場合は、シャッタ６を設ける必要はない。

次に本実施形態によるキャリブレーションについて説明する。本実施形態は２ステージレーザ１からフリーラン光を出射することによってキャリブレーションを行うものである。一つのチャンバを有するＡｒＦレーザでは狭帯域化モジュールとチャンバとの間に全反射ミラーが必要であったが、本実施形態ではそのような構成は必要ない。

２ステージレーザ１からフリーラン光を出射する方法は二つある。一つは発振用レーザ１０を発振させず増幅用レーザ２０のみを発振させて、レーザ光を出射する方法であり、一つは発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０の発振タイミングを調整する方法である。

まず、増幅用レーザ２０のみを発振させる方法について説明する。上述したように、コントローラ２から放電回路２４にトリガ信号Ｔｒ_２が出力されると、増幅用チャンバ２１内で放電が生じ、レーザガスが励起され、レーザ光Ｌ_０が生成される。レーザ光Ｌ_０はリアミラー２２とフロントミラー２３との間を往復することでエネルギーが増幅され、一定エネルギーになるとフロントミラー２３から出射される。レーザ発振時に狭帯域化モジュール１２を利用していないため、出射されたレーザ光Ｌ_０はフリーラン光である。レーザ光Ｌ_０はビームスプリッタ３で一部がサンプリングされる。サンプリングされたレーザ光Ｌ₀′は吸収セル５を通過する。この際、レーザ光Ｌ_０′の成分のうち波長が吸収セルの吸収線と一致するものは吸収される。そして、レーザ光Ｌ_０′はラインセンサ８内の各受光素子で受光される。

図２は本実施形態によるフリーラン光のスペクトル分布を示す。
図２は本発明者が行った計測結果であり、吸収セル５として酸素ガスが使用されている。また同図２の横軸は受光素子のチャンネルを示し、縦軸は受光強度を示す。このスペクトル分布にはチャンネルＣｈ_１、Ｃｈ_２の位置で強度の落ち込みが見られる。計測の結果から、チャンネルＣｈ_１の位置が酸素の吸収線のうちの１９３．２７２８nmに相当し、チャンネルＣｈ_２の位置が酸素の吸収線のうちの１９３．２９２nmに相当することが判明している。この２つの波長及び２つのチャンネルＣｈ_１、Ｃｈ_２を基準としてキャリブレーションを実施する。

キャリブレーション後に発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０とが所定タイミングで同期運転されると、レーザ光Ｌ_１は分光器７に入射し、ラインセンサ８で受光される。そして、上記（１）式を用いてレーザ光Ｌ_１の波長を求めることができる。

次に、発振用レーザ１０と増幅用レーザ２０の発振タイミングを調整する方法について説明する。

発振用レーザ１０から出射されたレーザ光が増幅用チャンバ２１内の放電空間内に満たされた時に増幅用チャンバ２１内で放電が生じるように、コントローラ２でトリガ信号Ｔｒ_１、Ｔｒ_２の出力タイミングが制御されれば、発振用レーザ１０から出射されたレーザ光は増幅用レーザ２０で増幅される。言い換えれば、発振用レーザ１０から出射されたレーザ光が増幅用レーザ２０の増幅用チャンバ２１内の放電空間内に満たされていない時に増幅用チャンバ２１内で放電が生じるように、コントローラ２でトリガ信号Ｔｒ_１、Ｔｒ_２の出力タイミングが制御されれば、増幅用レーザ２０でレーザ光Ｌ_０つまりフリーラン光が生成される。このようにフリーラン光が出射されれば上述したキャリブレーションを実施することができる。

本実施形態では２ステージレーザが注入同期型であるとして説明した。ところで、２ステージレーザがＭＯＰＡ型（Master oscillator power amplifier）である場合は、増幅段がレーザでないため増幅段のみから出射されるフリーラン光の光量は少ない。しかし、増幅段のみの発光を複数回行えば、図２のスペクトル分布を取得することは可能である。したがって、本発明はＭＯＰＡ、ＭＯＰＯの何れのレーザにおいても適用可能である。

本実施形態では２ステージレーザがＡｒＦエキシマレーザであるとして説明した。しかし、本発明は他の紫外線レーザ、例えばＫｒＦエキシマレーザやＦ_２レーザなどにも適用可能である。

本実施形態では酸素ガスの吸収線のうち１９３．２７２８nmと１９３．２９２nmを利用したが、他の吸収線１９３．０９７８nm、１９３．１１３５nm、１９３．４７１５nm、１９３．４９３１nm、１９３．６９１７nm、１９３．７１３５nmを利用することも可能である。

本実施形態では吸収セルが酸素ガスであるとして説明した。しかし、酸素ガスの他に炭素ガスを用いてもよく、また、ニッケル、アルミニウム、銅、鉄などの金属蒸気を用いてもよい。これらの物質はそれぞれ固有の吸収線を有する。紫外線レーザの発振線に近い吸収線を利用することによって、よりキャリブレーションの精度が向上する。

本実施形態によれば、増幅用レーザのみを発振させるか又は発振用レーザと増幅用レーザの発振タイミングを調整するのみでフリーラン光を出射することができる。したがって、全反射ミラーのようなフリーラン光を出射するための構成要素が不要であり、またその調整作業も不要である。また、波長スキャンのようにキャリブレーションに長時間を要する作業も不要である。本実施形態はこれらと比較して、簡易な作業、簡易な構造、短時間でキャリブレーションを実施することができる。

図７は第２の実施形態に係る２ステージレーザ用波長検出装置の構成を示すブロック図である。
第２の実施形態ではエタロン分光器を用いる場合のキャリブレーションについて説明する。エタロン分光器は応答性に優れており、１パルス毎の波長計測に適している。

第２の実施形態は、第１の実施形態にビームスプリッタ７３、エタロン分光器７７、ラインセンサ７８を追加した構成となっている。この追加構成により１ＫＨｚ以上の高繰返しパルス発振であっても、毎パルスの波長を検出することが可能になる。

２ステージレーザ１とビームスプリッタ３の間のレーザ光軸上にビームスプリッタ７３は設けられている。ビームスプリッタ７３はレーザ光の一部を透過し、残りを反射する。ビームスプリッタ７３を透過したレーザ光はビームスプリッタ３に入射し、ビームスプリッタ７３で反射したレーザ光はエタロン分光器７７に入射する。エタロン分光器７７はレーザ光の波長に応じてラインセンサ７８にフリンジを形成する。このフリンジ位置によって波長が求められる。

第１の実施形態と第２の実施形態の動作上の差異は上記構成の相違に基づくものであり、他の動作は同様であるため、ここではビームスプリッタ７３、エタロン分光器７７、ラインセンサ７８の役割をメインに説明する。
まずシャッタ６を閉じ、レーザ光が分光器７へ入射しないようにする。この状態でラインセンサ７の暗電流成分に起因するバックグラウンドレベルＢＧＬを計測する。ＢＧＬレベルが大きいと計測データの信頼性が低下するため、ＢＧＬ計測を予め行い、その結果を用いて計測データを補正することによって計測データの信頼性を向上させることができる。なお、ＢＧＬ計測は、図２に示す特性を得るために必要な露光時間だけ行うことが望ましい。

次にシャッタ６を開き、吸収セル５を通過するフリーラン光Ｌ′_０を分光器７へ入射させて図２に示すデータを計測する。計測したデータからＢＧＬ計測のデータを差し引き、その結果として得られたデータから複数の吸収帯を探し、ラインセンサ８のキャリブレーションを実施すると共に、ラインセンサ８上でのチャンネル位置と吸収波長（吸収セル５内の物質固有の値）とから分光器７の分散値δλを計算する。

次に２ステージレーザ１を少なくとも２種類の異なる波長にて狭帯域発振させ、狭帯域レーザ光Ｌ_１を分光器７及びエタロン分光器７７へ入射させる。例えば、まず発振中心波長の指令値をλ_ｃ１に設定してレーザ発振させる。この時、エタロン分光器７７の計測値はλ_ｃ１である。そして、分光器７の受光位置（チャンネル位置）Ｐ_Ｌ１と上記（１）式を用いて、実際の発振中心波長λ_Ｌ１＝λ_２＋δλ×（Ｐ_Ｌ１−Ｐ_２）／ＣＢを計算する。この場合、指令値λ_ｃ１に対して実際の発振中心波長はλ_Ｌ１である。次に発振中心波長の指令値をλ_ｃ２に設定してレーザ発振させる。この時、エタロン分光器７７の計測値はλ_ｃ２である。そして、分光器７の受光位置（チャンネル位置）Ｐ_Ｌ２と上記（１）式を用いて、実際の発振中心波長λ_Ｌ２＝λ_２＋δλ×（Ｐ_Ｌ２−Ｐ_２）／ＣＢを計算する。この場合、指令値λ_ｃ２に対して実際の発振中心波長はλ_Ｌ２である。

以上の結果より、分光器７の計測値λ_Ｌとエタロン分光器７７の計測値λ_ｃとの関係を示す下記（２）式が得られる。

この（２）式は、直線近似によりエタロン分光器７７のキャリブレーションに用いるものである。
λ_Ｌ＝〔（λ_Ｌ２−λ_Ｌ１）／（λ_ｃ２−λ_ｃ１）〕×λ_ｃ＋（λ_Ｌ１×λ_ｃ２−λ_Ｌ２×λ_ｃ１）／（λ_ｃ２−λ_ｃ１）…（２）
つまり、本実施形態は、分光器７及びラインセンサ８によって実際の発振中心波長λ_Ｌを求め、この値を基準値にしてエタロン分光器７７及びラインセンサ７８のキャリブレーションを実施するものであるといえる。

以上のキャリブレーション処理を行った後は、シャッタ６を閉じて分光器７へレーザ光が入射しないようにする。分光器７が紫外光照射により劣化するのを防ぐためである。２ステージレーザ１を狭帯域発振し、ステッパ４内部で半導体露光処理を行っている作業中は、エタロン分光器７７を用いてパルス毎に中心波長を計測し、（２）式を用いてその計測値を校正し、その値をコントローラ２へ送信する。コントローラ２は必要に応じてドライバ９に制御信号を出力し、狭帯域化モジュール１２内の波長選択素子を制御して発振波長を目標波長へ近づける制御を行う。

第２の実施形態によれば、エタロン分光器７７の高速応答性を生かして中心波長やスペクトル線幅、スペクトル純度といったパラメータを１パルス毎に計測することができる。この場合、エタロン分光器７７には頻繁に紫外光が入射するため劣化の問題が生ずる点は分光器７と同様である。しかし、分光器７で典型的に使用されるグレーティングは、広い波長範囲を計測するため、多くの入射光量を必要とする分劣化も早く、シャッタによる遮光といった保護操作を要するのに対して、エタロンはグレーティングほど入射光量を必要としない分劣化が遅いため、シャッタを要さない。

上記（２）式は、分光器の温度変動等により正確さを欠く場合も生ずるため、キャリブレーションを随時実行して波長等の計測計算誤差を減らすことが望ましい。例えば、半導体露光処理休止中などにその処理を行うことが可能である。また、上述した各分光器を温度制御することにより、一層正確な波長計測が可能になる。特に、分光器の近傍にあるレーザチャンバは発熱源であるため、その放熱を遮断することが望ましい。

更に、ビームスプリッタ３で分離したレーザ光Ｌ_１′、Ｌ_０′を光ファイバにより分光器７へ伝送することが望ましい。上述したように発熱源であるレーザチャンバの熱の影響を避けるために、分光器７をレーザチャンバから遠い位置に設置して、そこまで光ファイバによってレーザ光を伝送する。光ファイバの曲げは自在であるため、この構成であれば分光器７を設置する場所の自由度が向上する。この光ファイバはシャッタ６と分光器７との間に設置することが望ましい。また、内部を伝送する光によって光ファイバが劣化することを防ぐために、分光する必要の無いときはシャッタ６を閉じて光ファイバ内への光導入を防ぐことが望ましい。なお、１パルス毎にレーザ光を検出するために分光器７７は連続してレーザ光を分光する必要があり、ビームスプリッタ７３と分光器７７との間に光ファイバを設置すると、光ファイバの劣化が早い。このためここには光ファイバを使用しない。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。更に１パルス毎にレーザ光の計測を行うことができる。

図１は第１の実施形態に係る２ステージレーザ用波長検出装置の構成を示すブロック図である。 図２は本実施形態によるフリーラン光のスペクトル分布を示す。 図３は紫外線レーザの波長制御装置の構成を示すブロック図である。 図４はフリーラン光を出射する紫外線レーザの構成を示すブロック図である。 図５は図４の装置によるフリーラン光のスペクトル分布を示す。 図６は波長スキャンを行う紫外線レーザの構成を示すブロック図である。 図７は第２の実施形態に係る２ステージレーザ用波長検出装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ２ステージレーザ
１０ 発振用レーザ
２０ 増幅用レーザ
２ コントローラ
５ 吸収セル
７ 分光器
８ ラインセンサ

Claims (7)

1. 発振用レーザと増幅用レーザとを所定タイミングで発振させて、前記発振用レーザで狭帯域化した光を前記増幅用レーザで増幅する２ステージレーザと、前記２ステージレーザから出射される光を分光する分光器と、独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサとを備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置に適用され、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を定める校正装置において、
   前記発振用レーザで狭帯域化されないフリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する吸収手段を備え、
   前記フリーラン光を出射して前記吸収手段に入射し、前記吸収手段を透過した光を前記分光器に入射し、分光後の光を前記受光センサで受光し、受光した光のうち前記吸収手段で吸収された吸収光の受光位置と前記特定波長とを対応付けること
   を特徴とする２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置。
2. 前記増幅用レーザのみを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
   を特徴とする請求項１記載の２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置。
3. 前記所定タイミングをずらして前記発振用レーザと前記増幅用レーザとを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
   を特徴とする請求項１記載の２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置。
4. 発振用レーザと増幅用レーザとを所定タイミングで発振させて、前記発振用レーザで狭帯域化した光を前記増幅用レーザで増幅する２ステージレーザと、前記２ステージレーザから出射される光を分光する分光器と、独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサとを備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置において、
   前記発振用レーザで狭帯域化されないフリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する吸収手段を備え、
   前記２ステージレーザの波長検出の前に、前記フリーラン光を出射して前記吸収手段に入射し、前記吸収手段を透過した光を前記分光器に入射し、分光後の光を前記受光センサで受光し、受光した光のうち前記吸収手段で吸収された吸収光の受光位置と前記特定波長とを対応付けて、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を定めておき、
   前記２ステージレーザの波長検出の際に、前記受光センサ内の前記吸収光の受光位置と被検出光の受光位置との相対的な位置関係から被検出光の波長を求めること
   を特徴とする２ステージレーザ用波長検出装置。
5. 前記増幅用レーザのみを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
   を特徴とする請求項４記載の２ステージレーザ用波長検出装置。
6. 前記所定タイミングをずらして前記発振用レーザと前記増幅用レーザとを発振させ、前記フリーラン光を出射すること
   を特徴とする請求項４記載の２ステージレーザ用波長検出装置。
7. 狭帯域の２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置であって、
   レーザガスを封入し少なくとも一対の放電電極が設けられた第１のチャンバと、当該第１のチャンバ内から発生する光を狭帯域化する狭帯域化モジュールと、を有する発振用レーザと、
   レーザガスを封入し少なくとも一対の放電電極が設けられた第２のチャンバを有する増幅用レーザと、
   前記発振用レーザ及び増幅用レーザの各放電電極にパルス電流を供給し、各放電電極間で生ずる放電によってレーザガスを励起して紫外域の光を発生させるためのパルス電源と、
   からなる２ステージレーザと、
   前記２ステージレーザから出射されるレーザ光の第１の光軸上にあり、当該レーザ光の一部を分岐して第２の光軸上に導くビームスプリッタと、
   前記第２の光軸上にあり、入射する光を角度分散型の光学素子で分光する分光器と、
   独立した複数の受光素子が少なくとも一次元に配列され、分光後の光を受光する受光センサと、を備え、前記受光センサ内の受光位置に基づいて入射光の波長を求める２ステージレーザ用波長検出装置に適用され、前記受光センサ内の受光位置と波長との対応関係を求める校正装置において、
   前記ビームスプリッタと前記分光器との間の前記第２の光軸上にあり、フリーラン光の帯域内に存在する特定波長の光を吸収する光吸収手段と、
   前記２ステージレーザをフリーラン発振させて前記吸収手段に入射し、当該吸収手段内部を透過した光を前記分光器へ入射し、分光後の光を前記受光センサで受光する場合に、この受光した光のうち、前記吸収手段で吸収された波長に相当する光の受光位置と前記特定波長とを対応付けて記憶する記憶手段と、を備えたこと
   を特徴とする２ステージレーザ用波長検出装置の校正装置。

Images