JP2006073883A - レーザ装置の高精度波長制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的あるいは熱的経時変化があっても、レーザ発振波長を所望の波長に高精度に変更できるレーザ装置の波長制御方法。
【解決手段】狭帯域化ボックス内の波長選択光学素子のいずれかを、ステッピングモータユニットあるいは圧電素子ユニットで構成された回転駆動手段を用いて、必要時においてタイミングよく経時変化を補正しながら回転駆動することでグレーティングへのレーザ光の入射角度を高精度に制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ装置用の波長制御方法に関する。

従来から、エキシマレーザ装置等から発振したレーザ光を狭帯域化し、その中心波長を所望の値に制御する波長制御技術が知られており、例えば後掲する特許文献１や特許文献２に示されている。以下、上記文献に基づいて従来技術を説明する。

図４において、エキシマレーザ装置１０は、レーザ媒質であるレーザガスを封入し、両端部にパルスレーザ光２１を透過するウィンドウ２２，２３を取着したレーザチャンバ２０を備えている。レーザチャンバ２０の内部では、図示しない放電電極間に電源２４から高電圧が入力され、パルス放電によってレーザガスを励起し、パルスレーザ光２１を発生させる。発生したパルスレーザ光２１は、狭帯域化ユニット３０に入射し、狭帯域化ボックス３１内に配置された２個のプリズムビームエキスパンダ３２、３２によって拡大され、波長選択ミラー３４によって反射されて、平行溝が紙面垂直方向に多数形成されたグレーティング３３に入射する。グレーティング３３に所定の入射角度φで入射したレーザ光２１は、ここで中心波長λｃ及びその近傍の特定波長帯域内の光のみが回折され、入射方向とほぼ同じ方向に出射される。

波長選択ミラー３４はあとで詳しく述べる可動ホルダ５０に搭載されており、矢印５４で示した回転方向に可動自在に回転できる。波長選択ミラー３４を回転させると、グレーティング３３に対するパルスレーザ光２１の入射角度φが変わり、グレーティング３３で回折されるパルスレーザ光２１の中心波長λｃが変化する。逆に、波長選択ミラー３４を回転させることで、発振するパルスレーザ光２１の中心波長λｃを、所望する目標波長λoに波長変更することが可能である。

また、エキシマレーザ装置１０は、パルスレーザ光２１の一部をビームスプリッタ２５で取り出し、波長モニタ２６によってパルスレーザ光２１の中心波長λｃをモニタリングしている。レーザコントローラ２８は、モニタリングした中心波長λｃに基づき、回転駆動手段４０に指令信号を出力して波長選択ミラー３４を回転させ、パルスレーザ光２１の中心波長λｃが所望の目標波長λｏになるように波長変更制御をしている。

目標波長λｏ近傍の特定波長で狭帯域化されたパルスレーザ光２１は、レーザチャンバ２０内で増幅され、中心波長λｃを有するパルスレーザ光２１として、同図の右側前方にある露光機２７に入射する。

次に、回転駆動を行う可動ホルダ５０周辺の構造を説明する。

図５に、可動ホルダ５０の平面断面図を示す。
可動ホルダ５０は、ステッピングモータユニット４１とピエゾ素子ユニット４２で構成された回転駆動手段４０、ミラー支持台５１、支持部材５２、回転部材５３を主な構成要素としている。

ステッピングモータユニット４１は、図４のレーザコントローラ２８から受信したパルス信号のパルス数に応じて、ステッピングモータ４１Ａを所定量だけ回転させる。ステッピングモータ４１Ａには、ネジ山が精密加工されたボールネジユニット４１Ｃを取着したリニアアクチュエータ４１Ｂが接続されており、このボールネジユニット４１Ｃは、ガイド部品４１Ｅでガイドされ、回転しながら前後方向にスムーズに直進（ストローク）運動を行なう。また、ピエゾ素子ユニット４２は、入力された電圧Ｖの大きさに応じた長さだけ、図の上下方向に伸縮する。

ピエゾ素子ユニット４２はピエゾ素子本体４２Ａと駆動軸４２Ｂからなっており、図４のレーザコントローラ２８から受信した電圧値に応じて前進後退の動作を行うことができる。駆動軸４２Ｂの下端部４２Ｃは球状になっており、精密研磨された平面を有する前記ボールネジユニット４１Ｃの上端部４１Ｄと、スプリング４１Ｆで所定の付勢力を与えられながら当接している。従って、ボールネジユニット４１Ｃが回転しながら上下動したとき、ピエゾ素子ユニット４２は回転せずにスムーズに上下動することができる。

ミラー支持台５１は、図の右側端部を支持部材５２で取着されている。またミラー支持台５１の中央部下面に設けた図示しないバネで狭帯域化ボックス３１の内側表面３１Ａ側に付勢されている。支持部材５２の上端部はミラー支持台５１の回転軸５２Ａとして機能する。すなわち、紙面に垂直方向を軸方向とする回転軸５２Ａを中心軸にして、回転部材５３に連結させたピエゾ素子ユニット４２の上端部４２Ｄを図の上下矢印４２Ｅ方向に変位させて、ミラー支持台５１を図中の矢印５４方向に回転させることができる。よって、ミラー支持台５１に支持された波長選択ミラー３４も矢印５４方向に回転するので、グレーティング３３へのレーザ光２１の入射角度φを変更することができる。
特開２００３−２３１９８号公報 特開２００３−３１８８１号公報

上記したように、ステッピングモータは入力するパルス数に応じてモータを回転させるモータである。上記可動ホルダ５０の場合、リニアアクチュエータ４１Ｂを用いてステッピングモータ４１の回転を前後動へ変換している。この前進後退距離が波長選択ミラー３４の設置角度、つまり波長選択ミラー３４へのレーザ光入射角度及びグレーティング３３へのレーザ光入射角度φを決め、これにより中心波長λｃ（レーザ発振波長）を決めている。従って、レーザ発振波長を正確に制御するためには、波長変更するためにステッピングモータユニット４１に入力したパルス数が同じなら、それに対応する前進後退距離の変化量も常に同じになる必要がある。

しかし、実際には上記入力したパルス数に対する前進後退距離が常に一定の関係を有するとは限らない。同じパルス数をステッピングモータユニット４１に入力しても前進後退距離が異なる場合がある。この原因としては、ステッピングモータユニット４１の前進後退動作の繰返しによる磨耗等から生じた機械的経時変化が考えられる。

また、パルス数と前進後退距離との関係がたとえ一定であったとしても、中心波長λｃを変更するために所定のパルス数を入力したにもかかわらず、波長選択ミラー３４の回転角度が所定の回転角度にならない場合がある。この原因としては、温度変化に伴う部品の伸縮等で生じた熱的経時変化が考えられる。

たとえば、ウェーハやレチクルの入れ替えなどのために一定時間にわたって放電を停止し、レーザ発振を休止した場合には、温度変化により狭帯域化ボックス３１内の部品が伸縮する。すると、波長選択ミラー３４の設置角度が変動し、グレーティング３３へのレーザ光の入射角度φも変動してしまうため、それに伴って中心波長λｃがずれてしまう。このような、レーザ発振の休止中に起きる中心波長λｃのずれを「休止ドリフト」という。

また、ピエゾ素子の場合は、入力した電圧値に応じてピエゾ素子が伸縮する動作がそのまま前進後退動作を引き起こす。上記可動ホルダ５０の場合、この前進後退距離が波長選択ミラー３４の設置角度、つまり波長選択ミラー３４へのレーザ光入射角度及びグレーティング３３へのレーザ光入射角度φを決め、これによりレーザ発振波長（中心波長λｃ）を決めている。従って、レーザ発振波長を正確に制御するためには、ピエゾ素子ユニット４２に入力した電圧値が同じなら、それに対応する前進後退距離の変化量も常に同じになる必要がある。

しかし、実際には入力した電圧値に対する前進後退距離が常に一定の関係を有するとは限らない。同じ電圧値をピエゾ素子ユニット４２に入力しても前進後退距離が異なる場合がある。

また、電圧値と前進後退距離との関係がたとえ一定であったとしても、中心波長λｃを変更するために所定の電圧値を入力したにもかかわらず、波長選択ミラー３４の回転角度が所定の回転角度にならない場合がある。

これらの原因もまた、ピエゾ素子ユニット４２の前進後退動作の繰返しによる磨耗（機械的経時変化）や狭帯域化ボックス３１内の温度変化に伴う部品の伸縮（熱的経時変化）と考えられる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、たとえこのような経時変化があってもレーザ発振波長を高精度に変更できるレーザ装置の波長制御方法を課題としている。

以上のような目的を達成するために、第１発明においては、レーザ媒質から出射したレーザ光を、少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダに入射させて、前記プリズムビームエキスパンダで前記レーザ光を拡大し、前記拡大したレーザ光を、グレーティングに形成した複数の平行溝の方向と前記レーザ光の拡大方向とが直交する態様で前記グレーティングに入射させ、レーザ光の入射光軸方向と略同一の光軸方向へ特定の波長帯域のレーザ光を反射させるにあたって、前記平行溝方向に平行な所定の回転軸を中心にして、回転駆動手段を用いて前記少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダを回転駆動させ、前記回転駆動手段の駆動値に応じて、前記グレーティングへのレーザ光の入射角度を変化させて、特定波長帯域の中心波長を変更するレーザ装置の高精度波長制御方法において、前記回転駆動手段の駆動値と前記プリズムビームエキスパンダの回転角との関係を補正して前記特定波長帯域の中心波長を変更することを特徴としている。

第２発明は、第１発明において、前記回転駆動手段がステッピングモータユニットであり、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数であることを特徴としている。

第３発明は、第１発明において、前記回転駆動手段がピエゾ素子ユニットであり、前記駆動値が前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴としている。

第４発明は、第１発明において、前記回転駆動手段が前記ステッピングモータユニットと前記ピエゾ素子ユニットとで構成され、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数または前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴としている。

第５発明は、レーザ媒質から出射したレーザ光を、少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダに入射させ、前記プリズムビームエキスパンダで前記レーザ光を拡大し、前記拡大したレーザ光を、グレーティングに形成した複数の平行溝の方向と前記レーザ光の拡大方向とが直交する態様で、波長選択ミラーを介して前記グレーティングへ入射させ、レーザ光の入射光軸方向と略同一の光軸方向へ特定の波長帯域のレーザ光を反射させるにあたって、前記平行溝方向に平行な所定の回転軸を中心にして、回転駆動手段を用いて前記波長選択ミラーを回転駆動させ、前記回転駆動手段の駆動値に応じて、前記グレーティングへの入射角度を制御して特定波長帯域の中心波長を変更するレーザ装置の高精度波長制御方法において、前記回転駆動手段の駆動値と、前記波長選択ミラーの回転角との関係を補正しながら前記特定波長帯域の中心波長を変更することを特徴としている。

第６発明は、第５発明において、前記回転駆動手段がステッピングモータユニットであり、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数であることを特徴としている。

第７発明は、第５発明において、前記回転駆動手段がピエゾ素子ユニットであり、前記駆動値が前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴としている。

第８発明は、第５発明において、前記回転駆動手段が前記ステッピングモータユニットと前記ピエゾ素子ユニットとで構成され、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数または前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴としている。

第１発明によれば、前記回転駆動手段の駆動値と前記プリズムビームエキスパンダの回転角との関係を補正して前記特定波長帯域の中心波長を変更することで、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第２発明によれば、第１発明において、駆動値をステッピングモータの補正したパルス数として、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第３発明によれば、第１発明において、駆動値をピエゾ素子の補正した電圧値として、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第４発明によれば、第１発明において、駆動値を適宜ステッピングモータの補正したパルス数またはピエゾ素子の補正した電圧値とすることで、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第５発明によれば、前記波長選択ミラーの回転角との関係を補正しながら前記特定波長帯域の中心波長を変更することで、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第６発明によれば、第５発明において、駆動値をステッピングモータの補正したパルス数として、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第７発明によれば、第５発明において、駆動値をピエゾ素子の補正した電圧値として、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

第８発明によれば、第５発明において、駆動値を適宜ステッピングモータの補正したパルス数またはピエゾ素子の補正した電圧値とすることで、経時変化があっても中心波長を所定の波長に正確に変更することができる。

以下に、本発明に係わるレーザ装置の高精度波長制御方法について、図面を参照して説明する。

まず、ステッピングモータユニットおよびピエゾ素子ユニットの機械的経時変化の補正（キャリブレーション）の考え方を説明し、そのあとキャリブレーションを用いた波長制御例について説明する。

（ステッピングモータユニットのキャリブレーション）
以下に、ステッピングモータユニットのキャリブレーションについて説明する。

図４において、レーザ装置１０を用いて狭帯域レーザ発振を繰り返した後、その時点でのレーザ発振波長を波長モニタ２６によってモニタリングした波長をλｒとする。次に、レーザコントローラ２８に対して、レーザ発振波長をλｒとは異なる目標波長λｏを与える。

するとレーザコントローラ２８は、両波長λｒ、λｏの差、すなわち、｜λｒ−λｏ｜（≠０）の値に基づいて、レーザ発振波長をλｏに変更するために必要なステッピングモータユニット４１のパルス数を計算し、計算したパルス数Ｎｐｃをステッピングモータユニット４１に入力してストローク位置を変更し、波長変更制御を行わせる。

波長変更制御後、レーザ発振波長を波長モニタ２６でモニタリングすると、ステッピングモータ４１の機械的経時変化のために、目標波長λｏではなくλｏｅとなってしまっている。

よって、この時点におけるステッピングモータユニット４１のパルス数Ｎｐｃとレーザ発振波長とは以下の関係があることがわかる。

パルス当り絶対波長変化量ΔＳｐ＝｜λｒ−λｏｅ｜／Ｎｐｃ （１）
従って、現在のモニタリング波長λｒから目標波長λｏにレーザ発振波長を変更するために必要な真のパルス数Ｎｐは、以下のようにして求めることができる。

真のパルス数Ｎｐ＝｜λｒ−λｏ｜／ΔＳｐ
＝（｜λｒ−λｏ｜／｜λｒ−λｏｅ｜）ｘＮｐｃ （２）
よって、関係式（２）をレーザコントローラ２８に記憶させておき、その後の目標波長変更の際に、関係式（２）で計算したパルス値をステッピングモータユニット４１に入力することで、キャリブレーション済みの波長変更制御を行うことができる。

たとえば関係式（２）をレーザコントローラ２８に記憶させた後、波長λｏでレーザ発振すべきときに、波長が変動してλｔになったことが波長モニタ２６でモニタリングされた場合や、レーザ波長の目標値をλｏからλｏ′へ変更する必要がある場合等に、上記関係式を用いて正確な波長変更制御をただちに行うことができる。

なお、関係式（１）、（２）におけるパルス当りの変化量ΔＳｐとして、Ｍ回（Ｍ＞２）の波長変更動作を行い、それぞれの変更動作で得られたパルス当りの変化量ΔＳｐｉ（ｉ＝１〜Ｍ）の平均値から求めてもよい。

（ピエゾ素子ユニットのキャリブレーション）
次に、ピエゾ素子ユニットのキャリブレーションの考え方を説明する。

基本的考え方は、上述したステッピングモータユニットのキャリブレーションと同様である。

図４において、レーザ装置１０を用いて狭帯域レーザ発振を繰り返した後、その時点でのレーザ発振波長を波長モニタ２６によってモニタリングした値をλｒとする。ここで、レーザコントローラ２８に対してλｒとは異なる目標波長λｏを与える。

すると、レーザコントローラ２８は両波長λｒ、λｏの差、すなわち、｜λｒ−λｏ｜（≠０）の値に基づいて、レーザ発振波長をλｏに変更するために必要なピエゾ素子ユニット４２の電圧値を計算し、計算した電圧値Ｖｐｃをピエゾ素子ユニット４２に入力して、変更動作を行わせる。

変更動作後、レーザ発振波長を波長モニタ２６でモニタリングすると、ピエゾ素子ユニット４２の機械的経時変化のために、目標波長λｏではなく、λｏｅとなっている。

よって、この時点におけるピエゾ素子ユニット４２の電圧値Ｖｐｃとレーザ発振波長とは以下の関係があることがわかる。

ボルト当り絶対波長変化量ΔＳｖ＝｜λｒ−λｏｅ｜／Ｖｐｃ （３）
従って、現在の波長λｒから目標波長λｏにレーザ発振波長を変更するために必要な真の電圧値Ｖｐは、以下のようにして求めることができる。

真の電圧値Ｖｐ＝｜λｒ−λｏ｜／ΔＳｖ
＝（｜λｒ−λｏ｜／｜λｒ−λｏｅ｜）ｘＶｐｃ （４）
よって、関係式（４）をレーザコントローラ２８に記憶させておき、その後の目標波長変更の際に、関係式（４）で計算した駆動値をピエゾ素子ユニット４２に入力することで、ピエゾ素子ユニット４２によるキャリブレーション済みの波長変更制御を行うことができる。

たとえば関係式（４）を記憶させた後、波長λｏでレーザ発振すべきときに、波長が変動してλｔになったことが波長モニタ２６でモニタリングされた場合や、レーザ波長の目標値をλｏからλｏ′へ変更する必要がある場合等に、上記関係式を用いて正確な波長変更制御をただちに行うことができる。ただし、上記変動量や変更量は、ピエゾ素子ユニット４２のストローク長で対応できる範囲の小さなものとする。

なお、関係式（３）、（４）におけるパルス当りの変化量ΔＳｖとして、Ｍ回（Ｍ＞２）の波長変更動作を行い、それぞれの変更動作で得られたパルス当りの変化量ΔＳｖｉ（ｉ＝１〜Ｍ）の平均値から求めてもよい。

上記関係式（２）および（４）を必要時に応じて求め、それによりステッピングモータユニット４１およびピエゾ素子ユニット４２をキャリブレーションすることが可能である。これを「キャリブレーションモード」という。

ここでいう「必要時」は様々に定義することができる。たとえば、半導体露光処理の休止中、レーザ発振動作中の一定経過時間毎（たとえば３時間毎）、レーザ発振動作中の一定パルス発振数毎、レーザガス交換直後のレーザ調整発振時等が考えられる。また、キャリブレーションの要求をレーザ装置１０から露光機２７に送って、露光処理を停止した後にキャリブレーションを行うこともできる。

以下において、上記キャリブレーションモードを用いた実施例を、ステッピングモータユニット４１のみで行った場合（実施例１）、ピエゾ素子ユニット４２のみで行った場合（実施例２）、ステッピングモータユニット４１とピエゾ素子ユニット４２を同時に用いて行った場合（実施例３）とに分けて説明する。

なお、ピエゾ素子ユニット４２の前進後退のストローク長はステッピングモータユニット４１のそれに比べてはるかに小さい。そこで、実施例１では、ステッピングモータユニット４１の長ストロークを利用して、新たな目標波長に一気に近づける波長制御について説明する。実施例２では、短ストロークのピエゾ素子ユニット４２のみを用いて高精度の波長制御を行う波長制御について説明する。また実施例３では、ステッピングモータユニット４１の長ストロークとピエゾ素子ユニット４２の短ストロークを利用して新たな目標波長に近づけ、最後にピエゾ素子ユニットの特徴を利用して新たな目標波長へ高精度に近づける波長制御について説明する。

なお、前述したように、レーザ発振中は、波長モニタ２６でモニタリングした中心波長λｃに基づき、ピエゾ素子ユニット４２に指令電圧Ｖを出力して波長制御が行われており、中心波長が目標波長に略一致しているものとする。

本実施例では、図４のエキシマレーザ装置１０において、レーザ発振中に、露光機２７からコントローラ２８を通じて狭帯域化ユニット３０に目標波長λｏを変更する目標波長変更指令が来た場合の制御について説明する。

図１において、図１（ａ）は、露光機からの発振指令Ｓであり、図１（ｂ）は、目標波長変更指令Ｔを示すタイミングチャートであり、図１（ｃ）は、ステッピングモータユニット４１のストローク位置Ｐを示すタイミングチャートであり、図１（ｄ）は、キャリブレーションモードを用いた時の中心波長λｃの変動（実線Ａ）とキャリブレーションモードを用いない時の中心波長の変動（一点鎖線Ｂ）とを対比させて示すタイミングチャートである。なお、時刻ｔ11から時刻ｔ13までは、レーザ発振を行っておらず、モニタリングを行えないため、その間の中心波長の推定値λｃを示すチャートは図１（ｄ）の破線Ｄで表されている。

図１（ａ）に示すように、時刻ｔ11までは発振指令信号ＳがＯＮとなっており、時刻ｔ11から時刻ｔ13までは発振が休止（ＯＦＦ）しており、時刻ｔ13から発振が再開（ＯＮ）となっている。

図１（ｄ）に示すように、時刻ｔ11までは発振指令信号ＳがＯＮとなっているので、モニタリングによる波長制御により、中心波長λｃが目標波長λｏ1に略一致している。時刻ｔ11に発振が休止すると、波長モニタ２６によるモニタリングは行われず、図に示さないピエゾ素子ユニット４２の指令電圧Ｖはそのまま維持される。

ここで、図１（ｂ）に示すように、発振休止中の時刻ｔ12に、露光機２７からレーザコントローラ２８に、以降の発振から、目標波長λｏ1を新たな目標波長λｏ2に変更する目標波長変更指令Ｔが出力されるとする。なおここでは、λｏ2＞λｏ1とし、λｏ1とλｏ2の差（ずれ）はピエゾ素子ユニット４２のストローク長で制御できる範囲より大きいものとする。

そこで目標波長変更指令Ｔを受けたコントローラ２８は、時刻ｔ11以前の上記キャリブレーションモードで記憶しておいた関係式（２）で計算したパルス値を、発振再開時刻ｔ13に、ステッピングモータユニット４１に出力する。するとステッピングモータユニット４１は、目標波長を変更すべく、図１（ｃ）に示すように、ストローク位置ＰをＰｏ1からＰｏ2に変更し、可動ホルダ５０を駆動して波長選択ミラー３４を回転させ、時刻ｔ14に回転を終了させる。

その結果、図１（ｄ）の実線Ａに示すように、上記キャリブレーションモードを用いた場合、ステッピングモータユニット４１に出力した駆動値がキャリブレーションされているので、時刻ｔ14において、目標波長λｏ2に略等しいλａに波長変更されている。よって、発振再開後に行われる波長モニタ２６によるモニタリングに基づいて、ピエゾ素子ユニット４２を駆動する波長制御によって、短時間で（時刻ｔ15に）中心波長λｃを目標波長λｏ2に略一致させることができる。

一方、キャリブレーションモードを用いない従来の場合は、図１（ｄ）の一点鎖線Ｂに示すように、ステッピングモータユニット４１に出力する駆動値がキャリブレーション済みでないので、時刻ｔ14における波長λｂが目標波長λｏ2より大幅に大きくなってしまっている（場合によっては小さくなることもある）。そのため、発振再開後に行われる波長モニタ２６によるモニタリングに基づいて、ピエゾ素子ユニット４２を駆動する波長制御によって、中心波長λｃを目標波長λｏ2に近づけるまでに時間がかかり、時刻ｔ15より遅れた時刻ｔ16において、中心波長λｃを目標波長λｏ2に略一致させることができる。

以上のように、キャリブレーションモードを用いると、ステッピングモータユニット４１による波長変更制御を正確に行うことができるため、目標波長変更後、短時間で中心波長を目標波長に略一致させることができる。

本実施例では、図４のエキシマレーザ装置１０において、レーザ発振の休止中に、露光機２７からコントローラ２８を通じて狭帯域化ユニット３０に目標波長λｏを変更する波長変更指令がなされず、単に休止ドリフト補正を行う場合の制御について説明する。

図２において、図２（ａ）は、露光機２７からの発振指令信号Ｓを示すタイミングチャートであり、図２（ｂ）は、休止中の休止ドリフト補正を行わない場合の中心波長λｃの変動を示すタイミングチャートであり、図２（ｃ）は、キャリブレーションモードを用いて休止ドリフト補正を行った場合の中心波長λｃ′の変動（一点鎖線Ｅ）とキャリブレーションモードを用いずに休止ドリフト補正を行った場合の中心波長λｃ′の変動（２点鎖線Ｆ）とを対比させて示すタイミングチャートである。なお、時刻ｔ21から時刻ｔ24までは、実際にレーザ発振を行ってはおらず、モニタリングを行えないため、図２（ｂ）において、その間の中心波長の推定値λｃを示すチャートは破線Ｄで示してある。また、同様の理由から、図２（ｃ）において、時刻ｔ21から時刻ｔ24までの中心波長の推定値λｃ′を示すチャートを破線Ｄ′で示してある。

図２（ａ）に示すように、時刻ｔ21までは発振指令信号ＳがＯＮとなっており、時刻ｔ21から時刻ｔ24までは発振が休止（ＯＦＦ）しており、時刻ｔ24から発振が再開（ＯＮ）となっている。

休止ドリフト補正を行わない場合、図２（ｂ）のように波長制御される。

時刻ｔ21までは、モニタリングによる波長制御により、中心波長λｃは目標波長λｏ1に略一致している。

時刻ｔ21に、発振指令信号ＳがＯＦＦになり、発振が停止する。これに伴い、図の破線Ｄに示すように、休止ドリフトのために、中心波長λｃは、時刻ｔ21から、次第に１方向に動いてゆき、発振が再開される時刻ｔ24には、目標波長λｏ1より大幅に大きい波長λｄとなっている。なお、ここでは、波長が長波長側へ休止ドリフトするものとして説明するが、短波長側へ休止ドリフトする場合もある。そして時刻ｔ24にレーザ発振が再開されると同時に波長制御も再開される。この波長制御によって、中心波長λｃを目標波長λｏ1に近づけることができ、時刻ｔ27に中心波長λｃ′を目標波長λｏ1に略一致させることができる。

一方、休止ドリフト補正を行う場合は、図２（ｃ）のように波長制御される。

レーザコントローラ２８は、所定経過時間後の時刻ｔ22において、中心波長λｃ′が休止前の目標波長λｏ1からどの程度ずれが生じたかを推定する。この推定は、たとえばこれまでにレーザ発振がどのようなパターンで行われたかという情報や、現在の狭帯域化ボックス３１内の温度、さらには時刻ｔ21から時刻ｔ22までの経過時間等に基づいて行われる。なお、所定経過時間はあらかじめレーザコントローラ２８に設定しておく。

キャリブレーションモードを用いる休止ドリフト補正の場合、レーザコントローラ２８は、上記ずれを補正して、発振再開直後に中心波長λｃ′を目標波長λｏ1にできるだけ近づけるため、キャリブレーションモードで記憶しておいた関係式（４）で計算した電圧信号Ｖをピエゾ素子ユニット４２に出力する。これにより、時刻ｔ22から、ピエゾ素子ユニット４２が可動ホルダ５０を駆動して波長選択ミラー３４を回転させ、時刻ｔ23に回転を終了させる。

ピエゾ素子ユニット４２に出力した上記駆動値がキャリブレーション済みなので、図２（ｃ）の一点鎖線Ｅで示すように、波長選択ミラー３４が回転するともに、中心波長λｃ′は目標波長λｏ1に近づき、回転が終了する時刻ｔ23には、中心波長λｃ′が目標波長λｏ1に略一致したλｐに波長変更されている。その後、時刻ｔ23から発振再開の時刻ｔ24まで休止ドリフトが発生するが、その変動は小さく、時刻ｔ24における中心波長λｃ′は目標波長λｏ1近傍におさまっている。よって、時刻ｔ24以降に行われる波長制御によって、短時間で（時刻ｔ25に）中心波長λｃ′を目標波長λｏ1に略一致させることができる。

一方、キャリブレーションモードを用いない従来の休止ドリフト補正の場合、図２（ｃ）の２点鎖線Ｆで示すように、ピエゾ素子ユニット４２に出力した駆動値がキャリブレーションされていないので、時刻ｔ23における波長λｑが目標波長λｏ1より大きくなってしまっている（場合によっては小さくなることもある）。その後、時刻ｔ23から時刻ｔ24まで休止ドリフトが発生するので、時刻ｔ24における中心波長λｃ′と目標波長λｏ1との差（ずれ）がさらに大きくなってしまう。

そのため、時刻ｔ24以後の波長制御において、中心波長λｃ′を目標波長λｏ1近傍に合わせるまでに時間がかかり、時刻ｔ25より遅れた時刻ｔ26において、中心波長λｃ′を目標波長λｏ1に略一致させることができる。

以上のように、キャリブレーションモードを用いて休止ドリフト補正を行うと、ピエゾ素子ユニット４２による波長変更制御を正確に行うことができるため、波長変更後、短時間で中心波長を目標波長に略一致させることができる。

本実施例では、図４のエキシマレーザ装置１０において、レーザ発振の休止中に、露光機２７からレーザコントローラ２８を通じて狭帯域化ユニット３０に目標波長λｏの変更指令がなされるとともに、休止ドリフト補正を行う場合の制御について説明する。

すなわち本実施例では、熱的経時変化が小さく、しかもレーザ発振波長の目標値が一定のときは、短ストロークのピエゾ素子ユニットのみを用いて高精度の波長制御を行い、レーザ発振波長の目標値に大きな変更があったときは、長ストロークのステッピングモータユニットを用いて、新たな目標波長に一気に近づけ、最後にピエゾ素子ユニットの特徴を利用して新たな目標波長へ高精度に近づけるという波長制御を行っている。

図３において、図３（ａ）は、露光機２７からの発振指令信号Ｓを示すタイミングチャートであり、図３（ｂ）は、休止中に休止ドリフト補正と波長変更を行わない場合の中心波長λｃの変動を示すタイミングチャートであり、図３（ｃ）は、時刻ｔ32から時刻ｔ35の間、キャリブレーションモードを用いて、休止ドリフト補正と波長変更を行った場合の中心波長λｃ′の変動（一点鎖線Ｇ）と、キャリブレーションモードを用いずに、休止ドリフト補正と波長変更を行った場合の中心波長λｃ′の変動（２点鎖線Ｈ）とを対比させて示すタイミングチャートであり、図３（ｄ）は、ピエゾ素子ユニット４２に出力される指令電圧Ｖを示すタイミングチャートであり、図３（ｅ）は、目標波長変更指令Ｔを示すタイミングチャートであり，図３（ｆ）は、ステッピングモータユニット４１のストローク位置Ｐを示すタイミングチャートである。なお、時刻ｔ31から時刻ｔ36までは、実際にレーザ発振を行ってはおらず、モニタリングを行えないため、図３（ｂ）において、その間の推定中心波長を示すチャートは破線Ｄで示してある。また、同様の理由から、図３（ｃ）において、時刻ｔ31から時刻ｔ36までの推定中心波長を示すチャートを破線Ｄ′で示してある。

図３（ａ）に示すように、時刻ｔ31までは発振指令信号ＳがＯＮとなっており、時刻ｔ31から時刻ｔ36までは発振が休止（ＯＦＦ）しており、時刻ｔ24から発振が再開（ＯＮ）となっている。

休止ドリフト補正と波長変更を行わない場合は、図３（ｂ）のように制御される。図３（ｂ）において、時刻ｔ31までは、レーザコントローラ２８は、波長モニタ２６でモニタリングした中心波長λｃに基づき、ピエゾ素子ユニット４２に指令電圧Ｖを出力して波長制御を行っており、中心波長λｃが目標波長λｏ1に略一致している。

時刻ｔ31に発振指令信号ＳがＯＦＦになり、レーザ発振が停止する。これに伴い、図３（ｂ）に示すように、休止ドリフト補正を行わない場合の中心波長λｃは、時刻ｔ31から、温度経時変化によって次第に１方向に動いていく。なお、ここでは、波長が長波長側へ休止ドリフトする場合を例にとって説明するが、短波長側へ休止ドリフトする場合もある。時刻ｔ36において、中心波長λｃは波長λｄにドリフトする。図に示すように、休止ドリフト補正と波長変更を行っていないので、波長λｄと目標波長λｏ2との差が大きい。

図３（ｅ）に示すように、時刻ｔ33に、露光機２７からレーザコントローラ２８に、目標波長λｏ１を新たな目標波長λｏ２に変更する目標波長変更指令Ｔが出力されている。

図３（ｂ）において、時刻ｔ36にレーザ発振が再開されると、波長モニタ２６のモニタリングに基づいた波長制御が再開される。そこでレーザコントローラ２８は、中心波長λｃを新たな目標波長λｏ2に近づけてゆく。しかし、時刻ｔ36における中心波長λｃと目標波長λｏ2との差が大きいために、時刻ｔ39に、中心波長λｃを目標波長λｏ2に略一致させることができる。

一方、休止ドリフト補正と波長変更を行う場合は、図３（ｃ）のように制御される。

レーザコントローラ２８は、所定経過時間後の時刻ｔ32において、中心波長λｃ′が休止前の目標波長λｏ1からどの程度ずれが生じたか推定する。この推定は、たとえばこれまでにレーザ発振がどのようなパターンで行われたかという情報や、現在の狭帯化ボックス３１内部の温度、さらには時刻ｔ31から時刻ｔ32までの経過時間等に基づいて行われる。なお、所定経過時間はあらかじめレーザコントローラ２８に設定しておく。

レーザコントローラ２８は、上記ずれを補正して、発振再開直後に中心波長λｃ′を目標波長λｏ1にできるだけ近づけるため、ピエゾ素子ユニット４２を駆動する電圧信号Ｖを計算し、この電圧信号Ｖをピエゾ素子ユニット４２に出力する。これにより、時刻ｔ32から、ピエゾ素子ユニット４２が可動ホルダ５０を駆動して波長選択ミラー３４を回転させ、時刻ｔ35に回転を終了させる。よって、この回転が終了した時刻ｔ35に、中心波長λｃ′を目標波長λｏ1に略一致させることができる。

図３（ｅ）に示すように、時刻ｔ33において、露光機２７からコントローラ２８に、目標波長λｏ1を新たな目標波長λｏ2に変更する目標波長変更指令Ｔが来るものとする。なお、λｏ2＞λｏ1とし、かつ、λｏ1とλｏ2との差は大きく、ピエゾ素子ユニット４２で制御できる範囲を越えるものとする。
そこでレーザコントローラ２８は、ピエゾ素子ユニット４２に対する電圧指令Ｖを変更することなく、時刻ｔ33から時刻ｔ34まで、ステッピングモータユニット４１に対して、目標波長λｏ1をλｏ2に変更するための波長変更パルス値を出力する。するとステッピングモータユニット４１は、図３（ｆ）に示すように、時刻ｔ33から時刻ｔ34の間にストローク位置Ｐｏ1からＰｏ2への変更を行う。すなわち、本実施例の場合、短ストロークで高精度のピエゾ素子ユニット４２で休止ドリフトを補正しながら、その間に長ストロークのステッピングモータユニット４１で目標波長の変更を一気に行っている。

その後、時刻ｔ35まではピエゾ素子ユニット４２による休止ドリフト補正が続行される。さらに、時刻ｔ35から波長制御が再開される時刻ｔ36まで、休止ドリフトによる中心波長λｃ′の１方向への変動が続くが、本実施例ではその変動量は大きくなく、再度の休止ドリフト補正は行わないものとする。

（イ）キャリブレーションモードを用いた波長制御の場合
まず時刻ｔ31以前に、キャリブレーションモードで、ステッピングモータユニット４１とピエゾ素子ユニット４２の機械的経時変化を補正した関係式（２）と（４）を得ておく。次に、図３（ｃ）の一点鎖線Ｇで示すように、上記関係式（４）で計算したキャリブレーション済みの駆動値をピエゾ素子ユニット４２に出力して休止ドリフト補正を行い、上記関係式（２）で計算したキャリブレーション済みの駆動値をステッピングモータユニット４１に出力して波長変更を行うことで、時刻ｔ35に、目標波長λｏ2に略等しいλｍに中心波長λｃ′を変更することができる。その後、時刻ｔ36まで休止ドリフトが発生するが、上述したように、その変動は小さく、時刻ｔ36における中心波長λｃ′は目標波長λｏ2近傍におさまっている。

時刻ｔ36にレーザ発振が再開されると、レーザコントローラ２８は波長モニタ２６によってモニタリングした中心波長に基づき、波長制御を行う。よって、図３（ｃ）において、時刻ｔ36における中心波長λｃは新たな目標波長λｏ2に近い値となっているので、短時間で（時刻ｔ37に）中心波長λｃ′を新たな目標波長λｏ2と略一致させることができる。

（ロ）キャリブレーションモードを用いない波長制御の場合
機械的経時変化を補正していないピエゾ素子ユニット４２とステッピングモータユニット４１で休止ドリフト補正および波長変更を行った場合は、図３（ｃ）の、2点鎖線Ｈで示すように、時刻ｔ35で、目標波長λｏ2より大きめの波長λｎになっている（小さめになる場合もある）。なお、時刻ｔ35から波長制御が再開される時刻ｔ36まで、休止ドリフトによる中心波長λｃ′の１方向への変動が続くので、時刻ｔ36における中心波長λｃ′と目標波長λｏ2とのずれはさらに大きくなる。このずれがあまり大きいと、時刻ｔ36以後の最後の微調整のためのピエゾ素子ユニット４２のストロークが、最長ストロークを超えるほどに長くなるという不都合を生じてしまう。

時刻ｔ36にレーザ発振が再開されたときには、レーザコントローラ２８は波長モニタ２６によってモニタリングした中心波長に基づき、波長制御を行う。上述したように、時刻ｔ36における中心波長λｃ′は目標波長λｏ2よりはるかに大きいため、時刻ｔ37より遅い時刻ｔ38において、中心波長λｃ′を目標波長λｏ2に略一致させることができる。

以上のように、キャリブレーションモードを用いた上記３個の実施例によれば、露光機２７では、所望の目標波長λｏのレーザ光をレーザ発振後短時間に得ることができるので、ウェーハ等の露光の歩留まりを大幅に向上させることができる。

なお、上記実施例では、ただ１回だけピエゾ素子ユニット４２を大きく動かすことにより、目標波長に合わせるように説明しているが、休止時間が長くなるような場合には、ピエゾ素子ユニット４２を繰り返し微小距離駆動することにより、補正を行うことができる。従って、その場合は、ピエゾ素子ユニット４２が数度にわたって動作と停止を繰り返す間、ステッピングモータも動き続け、目標波長の変更を行っている。

なお、以下に述べるように、ステッピングモータユニットのキャリブレーションと異なり、レーザ発振中はピエゾ素子ユニットで絶えず波長制御を行っているので、波長制御中にピエゾ素子ユニットのキャリブレーションを行うことがいつでも可能である。

図４において、波長制御中に波長モニタ２６によってモニタリングした波長がλｒ、合わせるべき目標波長がλｏであったとする。そこでレーザコントローラ２８は、モニタリングした波長が目標波長λｏになるべく、ピエゾ素子ユニット４２にある電圧値Ｖを出力して、ピエゾ素子ユニット４２による波長変更を実施する。波長変更直後にモニタリングした波長がλｏｅであったとすれば、キャリブレーションした真の電圧値Ｖは関係式（４）からそのまま求められる。よって、その後に行われるピエゾ素子ユニット４２による波長変更制御においては、関係式（２）で計算した電圧値Ｖを出力すれば、ピエゾ素子ユニット４２の機械的経時変化を補正した高精度の波長変更制御を行うことができる。

なお、上記実施例から明らかなように、ステッピングモータユニット４１とピエゾ素子ユニット４２のキャリブレーションを同時に行うべきか、異なるタイミングで行うべきか、キャリブレーションする頻度をどうするかは全く任意である。

上記実施例では、回転駆動手段４０として、ステッピングモータユニット４１とピエゾ素子ユニット４２を連結した場合を説明したが、回転駆動手段４０の構成はこれに限られるものではない。たとえばステッピングモータユニット単体でもピエゾ素子ユニット単体でも本発明は適用可能であり、必要に応じてこれらのユニットを複数個組み合わせて回転駆動手段４０を構成することもできる。

上記実施例の場合、波長選択ミラー３４を回転駆動して波長変更を行う説明を行った。しかしながら本発明は、それに限られるものではなく、回転駆動される光学素子はかならずしも波長選択ミラー３４である必要はない。たとえばグレーティング３３またはプリズムビームエキスパンダ３２，３２のいずれかであってもよい。また、波長選択ミラー３４を設置せずに、狭帯域化ボックス３１内の波長変更光学素子を、グレーティング３３およびプリズムビームエキスパンダ３２，３２とすることもできる。この場合、波長変更のために回転駆動される光学素子は、グレーティング３３又はプリズムビームエキスパンダ３２のいずれかである。

また、上記実施例においては、電圧値で制御する回転駆動手段としてピエゾ素子ユニットを用いたが、それに限られるものではなく圧電素子ユニットであればよい。

レーザ装置の高精度制御を行うことにより、半導体露光装置等に於けるウェーハ露光量の制御を歩留まりよく行うことが可能になる。

本発明の実施例１を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例２を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例３を説明するためのタイミングチャートである。 従来のレーザ発振波長の狭帯域化を行うレーザ装置の概念図である。 可動ホルダ周辺の断面図である。

符号の説明

１０ エキシマレーザ装置
２０ レーザチャンバ
２１ レーザ光
２４ 高圧電源
２６ 波長モニタ
２７ 露光機
２８ レーザコントローラ
３０ 狭帯域化ユニット
３１ 狭帯域化ボックス
３２ プリズムビームエキスパンダ
３３ グレーティング
３４ 波長選択ミラー
４０ 回転駆動手段
４１ ステッピングモータユニット
４２ ピエゾ素子ユニット
５０ 可動ホルダ
５１ ミラー支持台
５２ 支持部材
５３ 回転部材

Claims (8)

1. レーザ媒質から出射したレーザ光を、少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダに入射させて、前記プリズムビームエキスパンダで前記レーザ光を拡大し、前記拡大したレーザ光を、グレーティングに形成した複数の平行溝の方向と前記レーザ光の拡大方向とが直交する態様で前記グレーティングに入射させ、レーザ光の入射光軸方向と略同一の光軸方向へ特定の波長帯域のレーザ光を反射させるにあたって、前記平行溝方向に平行な所定の回転軸を中心にして、回転駆動手段を用いて前記少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダを回転駆動させ、前記回転駆動手段の駆動値に応じて、前記グレーティングへのレーザ光の入射角度を変化させて、特定波長帯域の中心波長を変更するレーザ装置の高精度波長制御方法において、前記回転駆動手段の駆動値と前記プリズムビームエキスパンダの回転角との関係を補正して前記特定波長帯域の中心波長を変更することを特徴とするレーザ装置の高精度波長制御方法。
2. 前記回転駆動手段がステッピングモータユニットであり、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。
3. 前記回転駆動手段が圧電素子ユニットであり、前記駆動値が前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。
4. 前記回転駆動手段が前記ステッピングモータユニットと前記ピエゾ素子ユニットとで構成され、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数または前記圧電素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。
5. レーザ媒質から出射したレーザ光を、少なくとも１個のプリズムビームエキスパンダに入射させ、前記プリズムビームエキスパンダで前記レーザ光を拡大し、前記拡大したレーザ光を、グレーティングに形成した複数の平行溝の方向と前記レーザ光の拡大方向とが直交する態様で、波長選択ミラーを介して前記グレーティングへ入射させ、レーザ光の入射光軸方向と略同一の光軸方向へ特定の波長帯域のレーザ光を反射させるにあたって、前記平行溝方向に平行な所定の回転軸を中心にして、回転駆動手段を用いて前記波長選択ミラーを回転駆動させ、前記回転手段の駆動値に応じて、前記グレーティングへの入射角度を変化させて、特定波長帯域の中心波長を変更するレーザ装置の高精度波長制御方法において、前記回転駆動手段の駆動値と、前記波長選択ミラーの回転角との関係を補正しながら前記特定波長帯域の中心波長を変更することを特徴とするレーザ装置の高精度波長制御方法。
6. 前記回転駆動手段がステッピングモータユニットであり、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。
7. 前記回転駆動手段が圧電素子ユニットであり、前記駆動値が前記ピエゾ素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。
8. 前記回転駆動手段が前記ステッピングモータユニットと前記ピエゾ素子ユニットとで構成され、前記駆動値が前記ステッピングモータユニットに入力するパルス数または前記圧電素子ユニットに入力する電圧値であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置の高精度波長制御方法。

Images