JP6549248B2 - 狭帯域化レーザ装置及びスペクトル線幅計測装置 - Google Patents
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Description
1.比較例に係る狭帯域化レーザ装置の全体説明
1.1 レーザチャンバ
1.2 狭帯域化モジュール
1.3 スペクトル線幅可変部
1.4 エネルギセンサ
1.5 第1のエタロン分光器
1.6 第2のエタロン分光器
1.7 露光装置
1.8 レーザ制御部
1.9 波長制御部
1.10 中心波長の定義
1.11 スペクトル線幅算出部
1.12 スペクトル線幅の定義
1.13 スペクトル線幅制御部
1.14 パルスレーザ光の出力パターン
1.15 動作
1.15.1 波長制御
1.15.2 スペクトル線幅制御
1.15.3 スペクトル線幅の算出処理
2. 課題
3.各パルスの中心波長を考慮してスペクトル線幅を計測する狭帯域化レーザ装置(第1の実施形態)
3.1 構成
3.2 動作
3.2.1 スペクトル線幅の算出処理
3.2.2 波長頻度関数の生成処理
3.3 効果
3.4 波長頻度関数の生成に関する変形例
3.4.1 第1の変形例
3.4.2 第2の変形例
3.5 積算回数及び平均回数に関する変形例
3.6 観測スペクトル波形の生成に関する変形例
4.各パルスの中心波長及びパルスエネルギを考慮してスペクトル線幅を計測する狭帯域化レーザ装置(第2の実施形態)
4.1 構成
4.2 動作
4.2.1 波長頻度関数の生成処理
4.3 効果
4.4 変形例
5.各スペクトル波形の波長をシフトさせることにより計測スペクトル線幅を算出する狭帯域化レーザ装置(第3の実施形態)
5.1 動作
5.1.1 スペクトル線幅の算出処理
5.2 効果
5.3 波長シフト処理で用いる中心波長のバリエーション
6.第2のエタロン分光器のバリエーション(第4の実施形態)
7.MOPO間の同期によりスペクトル線幅を制御する狭帯域化レーザ装置(第5実施形態)
8.制御部の構成
8.1 構成
8.2 動作
図1は、比較例に係る狭帯域化レーザ装置の構成を模式的に示す。図2は、図1に示される第1のエタロン分光器18及び第2のエタロン分光器19の具体的構成を示す。
レーザチャンバ10は、例えば、レアガスとしてアルゴンガスやクリプトンガス、ハロゲンガスとしてフッ素ガスや塩素ガス、バッファガスとしてネオンガスやヘリュームガスを含むレーザガスが封入されるチャンバでもよい。レーザチャンバ10の両端にはウインドウ10a及び10bが設けられていてもよい。
狭帯域化モジュール14は、2つのプリズム14a及び14bと、グレーティング14cと、回転ステージ14dと、を含んでもよい。プリズム14a及び14bは、レーザチャンバ10のウインドウ10aから出射された光のH方向のビーム幅を拡大させて、その光をグレーティング14cに入射させてもよい。また、プリズム14a及び14bは、グレーティング14cからの反射光のH方向のビーム幅を縮小させるとともに、その光を、ウインドウ10aを介して、レーザチャンバ10内の放電空間に戻してもよい。
スペクトル線幅可変部15は、平凹シリンドリカルレンズ15aと、平凸シリンドリカルレンズ15bとを含んでもよい。平凹シリンドリカルレンズ15aは、平凸シリンドリカルレンズ15bよりもレーザチャンバ10に近い位置に配置されてもよい。平凹シリンドリカルレンズ15aの凹面と、平凸シリンドリカルレンズ15bの凸面とが向き合うように、これらのレンズが配置されてもよい。平凹シリンドリカルレンズ15aは、リニアステージ15cによって、Z方向又は−Z方向に移動可能とされていてもよい。リニアステージ15cは、第2のドライバ24によって駆動されてもよい。
エネルギセンサ17は、第2のビームスプリッタ16bによって反射されたパルスレーザ光PLの光路に配置されてもよい。エネルギセンサ17は、第2のビームスプリッタ16bによって反射されたパルスレーザ光PLの各パルスPのパルスエネルギを計測してもよい。エネルギセンサ17は、計測したパルスエネルギのデータを、レーザ制御部20に出力してもよい。また、エネルギセンサ17は、パルスエネルギを検出した場合に、1つのパルスPを検出したことを表す検出信号を、波長制御部21とスペクトル線幅算出部22とに出力してもよい。エネルギセンサ17は、フォトダイオード、光電管、あるいは焦電素子であってもよい。
第3のビームスプリッタ16cは、ビームスプリッタ16bを透過したパルスレーザ光PLの光路に配置されていてもよい。第3のビームスプリッタ16cは、第2のビームスプリッタ16bを透過したパルスレーザ光PLの一部を透過させ、第2のビームスプリッタ16bを透過したパルスレーザ光PLの他の一部を反射してもよい。第3のビームスプリッタ16cを透過するパルスレーザ光PLの光量は、第3のビームスプリッタ16cによって反射されるパルスレーザ光PLの光量より高くてもよい。
高反射ミラー16dは、上述の第3のビームスプリッタ16cによって反射されたパルスレーザ光PLの光路に配置されてもよい。高反射ミラー16dは、第3のビームスプリッタ16cによって反射されたパルスレーザ光PLを高い反射率で反射してもよい。高反射ミラー16dによって反射されたパルスレーザ光PLの光路には、第2のエタロン分光器19が配置されてもよい。
再び図1を参照し、露光装置4は、露光装置制御部40を含んでいてもよい。露光装置制御部40は、図示しないウエハステージの移動などの制御を行ってもよい。露光装置制御部40は、レーザ制御部20に対し、目標スペクトル線幅WTのデータと、目標中心波長λTのデータと、目標パルスエネルギのデータと、発振トリガ信号とを出力してもよい。目標中心波長λTのデータは、発振トリガ信号と同期して、1パルスP毎にレーザ制御部20に入力されてもよい。
レーザ制御部20は、露光装置制御部40から受信した目標中心波長λTのデータを、波長制御部21に送信してもよい。レーザ制御部20は、露光装置制御部40から受信した目標パルスエネルギのデータと、エネルギセンサ17から受信したパルスエネルギのデータとを参照して、電源12における充電電圧の設定値を制御してもよい。レーザ制御部20が電源12における充電電圧の設定値を制御することにより、パルスレーザ光PLの各パルスPのパルスエネルギが制御されてもよい。
波長制御部21は、エネルギセンサ17から検出信号を受信した場合に、第1のエタロン分光器18に含まれるラインセンサ18dに上述のデータ出力トリガを出力してもよい。すなわち、第1のエタロン分光器18は、パルスレーザ光PLの各パルスPを受光する毎に、干渉縞のデータを波長制御部21に出力してもよい。
図3Aは、中心波長の定義の例を説明する図である。図3Aには、パルスレーザ光PLのスペクトル波形が示されている。図3Aに示されるλHAは、スペクトル波形の2つの半値波長λH1及びλH2の平均値である。半値波長λH1及びλH2は、光強度のピーク値の半分の光強度が得られる波長である。
スペクトル線幅算出部22は、装置関数記憶部22aと、カウンタ22bと、演算処理部22cと、を含んでもよい。装置関数記憶部22aは、第2のエタロン分光器19の装置関数I(λ)を記憶している。図4に示されるように、装置関数I(λ)は、仮に、スペクトル波形がデルタ関数δ(λ)である光が、第2のエタロン分光器19に入射された場合に計測されるスペクトル波形の関数であり得る。
図6は、スペクトル線幅の定義の例を説明する図である。図6には、パルスレーザ光PLのスペクトル波形が示されている。図6に示されるように、スペクトル波形の全エネルギのうち、ピーク波長λ0を中心として95%を占める部分の全幅は、スペクトル純度E95と称される。スペクトル純度E95は、下式(8)を満たすΔλに相当する。
再び図1を参照し、レーザ制御部20は、スペクトル線幅制御部20aを含んでいてもよい。スペクトル線幅制御部20aは、レーザ制御部20に含まれる図示しないメモリにロードされたプログラムモジュールとして構成されていてもよい。
図7は、狭帯域化レーザ装置によるパルスレーザ光PLの出力パターンの例を示す図である。狭帯域化レーザ装置は、露光装置4から入力される発振トリガ信号に応じてパルスレーザ光PLを発振する。狭帯域化レーザ装置は、所定の閾値以上の繰り返し周波数でパルスレーザ光PLの各パルスPを出力するバースト発振と、バースト発振の休止とを交互に繰り返してもよい。
1.15.1 波長制御
図8は、図1に示される波長制御部21による波長制御の処理を示すフローチャートである。波長制御部21は、以下の処理により、目標中心波長λTに基づいて、狭帯域化レーザ装置の発振波長を制御してもよい。図9のS100を参照しながら後述するように、図8に示される波長制御の処理は、バースト発振期間Tbにおけるパルスレーザ光PLの1パルスP毎に実行されてもよい。
以上の処理により、波長制御部21は、計測中心波長λCが目標中心波長λTに基づく制御を行ってもよい。
図10は、図1に示されるスペクトル線幅制御部20aによるスペクトル線幅制御の処理を示すフローチャートである。スペクトル線幅制御部20aは、以下の処理により、狭帯域化レーザ装置で生成されるパルスレーザ光PLのスペクトル線幅を制御してもよい。
図11は、図1に示されるスペクトル線幅算出部22によるスペクトル線幅算出処理を示すフローチャートである。スペクトル線幅算出部22は、以下の処理により、狭帯域化レーザ装置で生成されるパルスレーザ光PLのスペクトル線幅を算出してもよい。
図13は、本開示の課題を説明する図である。上述の比較例では、第2のエタロン分光器19とスペクトル線幅算出部22で構成されたスペクトル線幅計測装置は、干渉縞のデータFi(r)を積算及び平均した積算平均データAF(r)に基づいて計測スペクトル線幅WDを算出し得る。すなわち、スペクトル線幅計測装置は、パルスレーザ光PLに含まれる複数のパルスPに基づいて、計測スペクトル線幅WDを求め得る。
図14は、本開示の第1の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置の構成を概略的に示す。第1の実施形態において、狭帯域化レーザ装置は、図1を参照しながら説明した比較例の構成に加えて、スペクトル線幅算出部22内に、波長頻度関数生成部22dを備えていてもよい。また、狭帯域化レーザ装置は、波長制御部21から波長頻度関数生成部22dに、パルスP毎の計測中心波長λCのデータを送信する信号ラインを備えていてもよい。
3.2.1 スペクトル線幅の算出処理
図16は、第1の実施形態におけるスペクトル線幅算出処理を示すサブルーチンである。第1の実施形態において、図14に示されるスペクトル線幅算出部22は、図11に示されるフローチャート中のS390として、比較例の図12に示されるサブルーチンに代えて、図16に示されるサブルーチンを実行してもよい。
図17は、図14に示されるスペクトル線幅算出部22に含まれる波長頻度関数生成部22dによる波長頻度関数の生成処理を示すフローチャートである。波長頻度関数生成部22dは、以下の処理により、波長頻度関数R(λ)を生成してもよい。
以下、第1の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置の効果を説明する。上述の課題において説明したように、目標中心波長λTが1パルスP毎に変更される場合には、観測スペクトル波形O(λ)は、図13に例示されるように、複数の第2のスペクトル波形T’(λ−x)が重ね合わせられた波形となり得る。この複数の第2のスペクトル波形T’(λ−x)の重ね合わせは、波長頻度関数R(λ)を用いて、下式(13)で表され得る。
3.4.1 第1の変形例
第1の実施形態では、波長頻度関数生成部22dは、波長制御部21から計測中心波長λCのデータを取得しているが、第1の変形例として、波長頻度関数生成部22dは、波長制御部21から目標中心波長λTのデータを取得してもよい。
3.4.2 第2の変形例
第2の変形例のその他の構成及び動作は、第1の変形例と同様である。
第1の実施形態では、積算回数を表す第1の回数N1と、平均回数を表す第2の回数N2とをいずれも2以上の値としているが、少なくとも、第1の回数N1と第2の回数N2との積である第3の回数N3が2以上であればよい。すなわち、第1の回数N1と第2の回数N2とのいずれか一方は、「1」であってもよい。
第1の実施形態では、平均化処理部30が、複数の積算データSFj(r)を平均化して積算平均データAF(r)を生成した後、スペクトル波形算出部31が、積算平均データAF(r)に基づいて観測スペクトル波形O(λ)を生成し得る。この平均化処理とスペクトル波形生成処理とは、順序を逆とすることが可能であり得る。
図19は、本開示の第2の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置の構成を概略的に示す。第2の実施形態において、狭帯域化レーザ装置は、図14に示される第1の実施形態の構成に加えて、エネルギセンサ17から波長頻度関数生成部22dに、パルスP毎のパルスエネルギEPのデータを送信する信号ラインを備えていてもよい。
4.2.1 波長頻度関数の生成処理
図20は、図19に示されるスペクトル線幅算出部22に含まれる波長頻度関数生成部22dによる波長頻度関数の生成処理を示すフローチャートである。図20に示されるフローチャートは、S411及びS412のみが、図17に示される第1の実施形態のフローチャートと異なる。
以下、第2の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置の効果を説明する。第2の実施形態では、計測中心波長λC及びパルスエネルギEPのデータに基づいて波長頻度関数R(λ)が生成されているので、波長頻度関数R(λ)は、1パルスP毎の中心波長及びパルスエネルギの差異による影響が反映されたものとなり得る。従って、この波長頻度関数R(λ)を用いたデコンボリューション処理により求められる復元スペクトル波形Q(λ)は、1パルスP毎の中心波長及びパルスエネルギの差異による影響が除去されたものとなり得る。さらに、第2の実施形態において、復元スペクトル波形Q(λ)に基づいて算出される計測スペクトル線幅WDは、パルスレーザ光PLの真のスペクトル線幅WTに、より近いものとなり得る。
第2の実施形態では、波長頻度関数生成部22dは、波長制御部21から計測中心波長λCのデータを取得しているが、これに代えて、波長頻度関数生成部22dは、波長制御部21から目標中心波長λTのデータを取得してもよい。従って、第2の実施形態に対しても、第1の実施形態と同様に、波長頻度関数の生成に関する変形が可能であり得る。
5.1.1 スペクトル線幅の算出処理
図23は、第3の実施形態のスペクトル線幅算出部22によるスペクトル線幅算出の処理を示すフローチャートである。スペクトル線幅算出部22は、以下の処理により、狭帯域化レーザ装置で生成されるパルスレーザ光PLのスペクトル線幅を算出してもよい。
図25は、第3の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置の効果を説明する図である。図25(A)は、露光装置制御部40により目標中心波長λTが変更されることにより、中心波長が変化した第1のスペクトル波形T(λ−x)を例示している。図25(B)は、スペクトル波形生成部50により生成されるスペクトル波形に相当する第2のスペクトル波形T’(λ−x)を例示している。図25(C)は、波長シフト処理部51及び波形平均化処理部52の処理により生成される観測スペクトル波形O(λ)と、デコンボリューション処理部53により生成される復元スペクトル波形Q(λ)とを例示している。
第3の実施形態では、波長シフト処理部51は、スペクトル波形生成部50により生成された各スペクトル波形の中心波長λCiを算出し、この中心波長λCiに基づいて各スペクトル波形の波長をシフトさせ得る。これに代えて、波長シフト処理部51は、波長制御部21に含まれる中心波長算出部21aにより算出される計測中心波長λCに基づいて各スペクトル波形の波長をシフトさせてもよい。さらに、波長シフト処理部51は、上述の目標中心波長λTに基づいて各スペクトル波形の波長をシフトさせてもよい。
図26は、本開示の第4の実施形態に係る狭帯域化レーザ装置において用いられる第2のエタロン分光器19の構成を示す。第4の実施形態において、第2のエタロン分光器19は、拡散プレート19aとエタロン19bとの間に、光ファイバー19eが配置されてもよい。
図29は、制御部の概略構成を示すブロック図である。上述した実施の形態におけるレーザ制御部20、波長制御部21、スペクトル線幅算出部22、同期制御部65等の制御部は、コンピュータやプログラマブルコントローラ等汎用の制御機器によって構成されてもよい。例えば、以下のように構成されてもよい。
制御部は、処理部1000と、処理部1000に接続される、ストレージメモリ1005と、ユーザインターフェイス1010と、パラレルI/Oコントローラ1020と、シリアルI/Oコントローラ1030と、A/D、D/Aコンバータ1040とによって構成されてもよい。また、処理部1000は、CPU1001と、CPU1001に接続された、メモリ1002と、タイマー1003と、GPU1004とから構成されてもよい。
処理部1000は、ストレージメモリ1005に記憶されたプログラムを読み出してもよい。また、処理部1000は、読み出したプログラムを実行したり、プログラムの実行に従ってストレージメモリ1005からデータを読み出したり、ストレージメモリ1005にデータを記憶させたりしてもよい。
部と、を備えてもよい。
Claims (17)
- スペクトル線幅を狭帯域化する光学素子を含むレーザ共振器と、
前記レーザ共振器から出力されるパルスレーザ光に含まれる複数のパルスについて分光強度分布を検出する分光器と、
前記複数のパルスの分光強度分布が加算されてなるスペクトル波形を生成するスペクトル波形生成部と、
前記分光器の装置関数を記憶する装置関数記憶部と、
前記複数のパルスの中心波長の頻度分布を表す波長頻度関数を生成する波長頻度関数生成部と、
前記スペクトル波形に対して、前記装置関数と前記波長頻度関数とを用いてデコンボリューション処理するデコンボリューション処理部と、
を備える狭帯域化レーザ装置。 - 前記デコンボリューション処理部は、前記装置関数と前記波長頻度関数とをコンボリューション処理することにより得られる合成関数を用いて前記デコンボリューション処理を行う、
請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記各パルスの中心波長を計測する中心波長計測部をさらに備え、
前記波長頻度関数生成部は、前記中心波長計測部により計測された計測中心波長に基づいて前記波長頻度関数を生成する、
請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記中心波長は、半値波長の平均値、ピーク波長、及び重心波長のうちのいずれか1つである、
請求項3記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記各パルスの中心波長の制御に用いる目標中心波長を露光装置から取得する制御部をさらに備え、
前記波長頻度関数生成部は、前記目標中心波長に基づいて前記波長頻度関数を生成する、
請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記複数のパルスについての前記目標中心波長の波長変更量は、前記波長頻度関数の区間幅の2倍以上である、
請求項5記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記区間幅は、0より大きく、かつ7fm以下である、
請求項6記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記分光器は、前記分光強度分布を第1の回数検出するたびに、前記分光強度分布が積算された積算データを出力し、かつ、前記出力を第2の回数行うセンサを含み、
前記スペクトル波形生成部は、前記第2の回数分の前記積算データを平均化した積算平均データに基づいて前記スペクトル波形を生成する、
請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記第1の回数及び前記第2の回数はそれぞれ1以上であって、
前記第1の回数と前記第2の回数との積である第3の回数は2以上である、
請求項8記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記各パルスのパルスエネルギを検出するエネルギセンサをさらに備え、
波長頻度関数生成部は、波長の区間毎に前記パルスエネルギの和を算出することにより前記波長頻度関数を生成する、
請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記デコンボリューション処理部により算出される復元スペクトル波形に基づき、スペクトル線幅を算出するスペクトル線幅算出部を、
さらに備える請求項1記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記スペクトル線幅算出部により算出された前記スペクトル線幅に基づいて、前記パルスレーザ光のスペクトル線幅を制御するスペクトル線幅制御部を、
さらに備える請求項11記載の狭帯域化レーザ装置。 - スペクトル線幅を狭帯域化する光学素子を含むレーザ共振器と、
前記レーザ共振器から出力されるパルスレーザ光に含まれる複数のパルスについて分光強度分布を検出する分光器と、
前記複数のパルスのそれぞれについて、前記分光強度分布に基づいてスペクトル波形を生成するスペクトル波形生成部と、
前記分光器の装置関数を記憶する装置関数記憶部と、
前記スペクトル波形生成部により生成された各スペクトル波形を、中心波長がほぼ一致するように波長をシフトさせる波長シフト処理部と、
前記波長シフト処理部により波長がシフトされた複数のスペクトル波形を平均化する波形平均化処理部と、
前記波形平均化処理部により平均化されたスペクトル波形に対して、前記装置関数を用いてデコンボリューション処理するデコンボリューション処理部と、
を備える狭帯域化レーザ装置。 - 前記各パルスの中心波長を計測する中心波長計測部をさらに備え、
前記波長シフト処理部は、前記前記中心波長計測部により計測された計測中心波長に基づいて波長をシフトさせる、
請求項13記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記中心波長は、半値波長の平均値、ピーク波長、及び重心波長のうちのいずれか1つである、
請求項14記載の狭帯域化レーザ装置。 - 前記各パルスの中心波長の制御に用いる目標中心波長を露光装置から取得する制御部をさらに備え、
前記波長シフト処理部は、前記目標中心波長に基づいて波長をシフトさせる、
請求項13記載の狭帯域化レーザ装置。 - レーザ共振器から出力されるパルスレーザ光に含まれる複数のパルスについて分光強度分布を検出する分光器と、
前記複数のパルスの分光強度分布が加算されてなるスペクトル波形を生成するスペクトル波形生成部と、
前記分光器の装置関数を記憶する装置関数記憶部と、
前記複数のパルスの中心波長の頻度分布を表す波長頻度関数を生成する波長頻度関数生成部と、
前記スペクトル波形に対して、前記装置関数と前記波長頻度関数とを用いてデコンボリューション処理するデコンボリューション処理部と、
を備えるスペクトル線幅計測装置。
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