JP2006216984A - 狭帯域発振エキシマレーザの波面最適化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 狭帯域化エキシマレーザにおいて、良質な光品位を得ることのできる光学部品の組み合わせを選定し、この光学部品の特性を調整して波面の最適化を行なう。
【解決手段】 狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ(4)の波面最適化方法において、狭帯域化ユニット(12)を組み立て、前記狭帯域化ユニット(12)に既知の波面を入射させた際の出射波面(41)であるユニット波面(34)の波面形状ＫU(X,Y)を前記組み立てられた狭帯域化ユニット(12)に対して測定し、この波面形状ＫU(X,Y)が所定の形状となるように前記光学部品の調整を行なうようにする。
【選択図】 図８

Description

本発明は、光学部品を組み合わせて狭帯域発振エキシマレーザの波面を最適化する方法に関する。

従来から、半導体製造装置用の縮小投影露光装置（以下ステッパと言う）の光源として、エキシマレーザの実用化が進められている。これは、エキシマレーザの波長が短いことから、加工の際にレンズなどの光学素子によって微細なパターンを解像できるので、より精密な加工が可能であることによる。

しかしながら、このエキシマレーザから発振する光は、その波長のスペクトル幅である線幅がステッパ用としては広く、しかも中心波長が変動しているので、そのままではレンズなどの光学素子を透過する際に色収差や焦点ボケが生じて露光ミスの原因となる。そのため、エキシマレーザの共振器内にグレーティングなどの波長選択素子を搭載して、前記線幅を狭くし、かつ前記中心波長を安定化する狭帯域化という技術が不可欠である。この線幅と中心波長の安定性を、波長特性と総称する。

図１５は、特許文献１に開示した技術の一例であり、以下同図に基づいて従来技術を説明する。同図において、エキシマレーザ４のチャンバ１にはレーザガスが封止されており、放電電極２による放電によってエネルギーが供給され、レーザ光３を発振させる。このレーザ光３はリアウィンドウ５から出射し、ビームエキスパンダ９を通過する間にその径が拡げられ、グレーティング１０に入射する。グレーティング１０は、図示しない角度アクチュエータによってレーザ光３の光路に対する角度が制御されており、選択された所定の波長だけを発振させることで前記狭帯域化を行なっている。ビームエキスパンダ９及びグレーティング１０を、狭帯域化ユニット１２と総称する。この狭帯域化ユニット１２によって波長を制御されたレーザ光３はフロントウィンドウ１３を透過し、一部が部分反射ミラーであるフロントミラー１４を透過して図中左方向へ出射する。また、このままではレーザ光３の断面形状が放電の状況によって変動するのでステッパの露光などに使用するには不適であり、これを所望の形状に整形するため、アパーチャ６が共振器内に挿入されている。

ところで、前記従来技術によれば、当初は光軸に対して垂直な波面を持つ平面波であったレーザ光３の波面が、レーザ光３が光学部品の内部を通過したり表面で反射したりする間に歪むことが知られている。これは、光学部品の内部の屈折率分布の不均一性やその表面の加工精度の不均一性、或いはアパーチャ６の端部における回折などの原因によるものである。

以下、図１６、図１７に基づいて、前記波面の歪みについて説明する。図１６に、図中左方から光軸１８に対して垂直な垂直波面を持つ平面波１９であるレーザ光３が、例えば中央部がわずかに膨らんだ形状をしたウィンドウ１６に入射する場合を示す。ガラスの比屈折率がおよそ１．５程度であるため、ガラス中を透過する際には光速がほぼ２／３に低下し、このウィンドウ１６の中央部を通過する光はその端部を通過する光に比べて長い距離を通過しなければならないために波面の進行が遅れる。すなわち、ウィンドウ１６は、透過するレーザ光３の波面を進行方向に対して中央が凹んだ凹面波２１に変化させる特性を持つ。さらにこのレーザ光３が、例えば中央がわずかに凹んだ形状のウィンドウ１７に入射すると、このウィンドウ１７は前述したウィンドウ１６の場合とは反対の理由で透過光の波面を中央が突出した凸面波にする特性を持つので、レーザ光３の波面は元の平面波１９にほぼ戻ることになる。

次に図１７には、図中左方から入射した平面波１９を持つレーザ光３が、前記と同様に中央部がわずかに膨らんだウィンドウ１６を通過して前記凹面波２１に変化した後、反射面の中央がわずかにふくらんだ形状をした全反射ミラー２２で反射される場合を示す。凹面波２１は凹面を保った状態で反射され、図中左方向へ向かう凸面波２３となる。そして、前記ウィンドウ１６を再通過することによって平面波１９に戻される。このように、さまざまな特性を有する光学部品を組み合わせることによって、レーザ光３の波面の歪みもさまざまに変化する。

このような凸面波２３や凹面波２１が平坦な形状のグレーティング１０に入射すると、グレーティング１０のそれぞれの溝にレーザ光３が異なる角度で入射することになるので、グレーティング１０による波長選択性能を低下させてしまう。このため、前記線幅が広がるなどの現象が起きて狭帯域化がうまくゆかず、レーザの波長特性が低下する。

そこで、前記従来技術においては、グレーティング１０に入射するレーザ光３の波面の凹凸に対し、図示しない曲率アクチュエータによってグレーティング１０を曲げることによってその波長選択特性を補正し、良質な前記波長特性を得るようにしている。これを、波面補正と言う。

図１８に基づいて、前記波面補正について詳細に説明する。同図は、狭帯域化ユニット１２の詳細図である。ここで、ビームエキスパンダ９は、同図に示すように例えばプリズム７Ａ及びプリズム７Ｂから構成されているものとし、またこれに入射した入射波面３２が、前記ビームエキスパンダ９を通過することによって中央が凹んだ凹面波を有するグレーティング波面１５になるものとする。前記従来技術では、これに対して図示しない前記曲率アクチュエータによってグレーティング１０に図中矢印１０ａの力を加えてその表面を凸面に湾曲させ、前記凹面波に平行に合わせるようにしている。これにより、グレーティング１０のそれぞれの溝にレーザ光３がほぼ等しい角度で入射するので、良好な波長特性を得ることができる。もしグレーティング波面１５が凸面波であれば、グレーティング１０の表面を逆に凹面に湾曲させるようにすればよい。

特許３７１７０２０号公報

しかしながら、前記従来技術における波面補正には次のような問題点がある。
まず、従来技術ではグレーティング１０の曲げのみによって前記波面補正を行なっているが、この曲げによってグレーティング１０が破損する可能性がある。また、グレーティング１０の表面には精密な溝が刻まれており、その波長選択性能を低下させずに曲げられる曲率の許容範囲には限界がある。そのため、グレーティング波面１５の歪みが前記許容範囲よりも大きくなった場合は、この方法ではグレーティング波面１５に対する波面補正を行なうことができなくなり、エキシマレーザ４の前記波長特性が低下する。

また、前記波面補正は前記狭帯域化ユニット１２をエキシマレーザ４に搭載し、エキシマレーザ４を発振させて、その波長特性を計測しながら行なわなければならない。そのため、実際に発振させるまでは波面補正の効果が不明であり、波面補正がうまくゆかなかった場合には前記狭帯域化ユニット１２の一部の光学部品を交換するなどして波長特性を再計測しなければならないため、原因の究明に長時間を要する。また、前記波面補正には熟練を必要とするため、作業者によって波面補正の結果が異なり、波長特性に関する繰り返し精度のばらつきが大きくなる。

さらに、個々の光学部品が波面を歪める程度は大きくなくても、これらを組み合わせることによって前記波面の歪みが増幅されることがある。従来技術では、各々の光学部品をランダムに組み合わせ、結果として生じた波面の歪みに対応してグレーティング１０で波面補正を行なっている。そのため、各々の光学部品の特性が不明であり、組み合わせの選択を誤ると適切な光学部品を不適切であると判断して放棄することがあるなど、部品購入のコストが増大する。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、波面が最適化されたエキシマレーザ用光学部品の組み合わせにより構成できる狭帯域発振エキシマレーザの波面最適化方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、第１発明は、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４において、それぞれの光学部品に対して既知の波面を入射させた際の出射波面４１の形状である波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、このそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) に基づいて、エキシマレーザ４から出射するレーザ光３の波面であるレーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)を演算し、このレーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)が所定の形状になるように選択及び調整された光学部品を備えている。

また、第２発明は、狭帯域化を行なうための光学部品を有する狭帯域化ユニット１２を備え、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４において、それぞれの光学部品に対して既知の波面を入射させた際の出射波面４１の形状である波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、このそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) に基づいて、狭帯域化ユニット１２から出射するレーザ光３の波面であるユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を演算し、このユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)が所定の形状になるように選択及び調整された狭帯域化ユニット１２の光学部品を備えている。

また、第３発明は、発振したレーザ光３を整形するビームエキスパンダ９と、ビームエキスパンダ９の出射光を入射して狭帯域化するグレーティング１０とを有する狭帯域発振エキシマレーザ４において、それぞれの光学部品に対して既知の波面を入射させた際の出射波面４１の形状である波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、このそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) に基づいて、前記ビームエキスパンダ９から出射するレーザ光３の波面を構成する成分であるグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を演算し、このグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)が所定の形状になるように選択及び調整された前記ビームエキスパンダ９の光学部品を備えている。

また、第４発明は、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４において、前記狭帯域発振エキシマレーザ４に既知の波面を入射させた際の出射波面４１であるレーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)を測定して、この波面形状ＫL(X,Y)が所定の形状になるように波面を調整する調整手段を備えている。

また、第５発明は、狭帯域化を行なうための光学部品を有する狭帯域化ユニット１２を備え、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４において、前記狭帯域化ユニット１２に既知の波面を入射させた際の出射波面４１であるユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を測定し、この波面形状ＫU(X,Y)が所定の形状になるように波面を調整する調整手段を有する狭帯域化ユニット１２を備えている。

また、第６発明は、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４の波面最適化方法において、既知の波面を入射させた際の出射波面４１の形状である波面特性Ｗ(X,Y) をそれぞれの光学部品に対して測定し、このそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) に基づいて、各光学部品を組み合わせた際の波面形状Ｋ(X,Y) を演算し、この波面形状Ｋ(X,Y) が所定の形状となるように前記各光学部品の選択を行なうようにしている。

また、第７発明は、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４の波面最適化方法において、狭帯域化ユニット１２を組み立て、前記狭帯域化ユニット１２に既知の波面を入射させた際の出射波面４１であるユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を前記組み立てられた狭帯域化ユニット１２に対して測定し、この波面形状ＫU(X,Y)が所定の形状となるように光学部品の調整を行なうようにしている。

また、第８発明は、狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ４の波面最適化方法において、狭帯域発振エキシマレーザ４を組み立て、この狭帯域発振エキシマレーザ４に既知の波面を入射させた際の出射波面４１であるレーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)を前記組み立てられたエキシマレーザ４に対して測定し、この波面形状ＫL(X,Y)が所定の形状となるように光学部品の調整を行なうようにしている。

第１発明によれば、エキシマレーザの各光学部品について波面特性を計測し、これに基づいて光学部品を選択して組み合わせ、エキシマレーザから出射するレーザ波面の波面形状が所定の形状になるようにしている。レーザ波面の波面形状は、波長特性に対して最適形状を有するので、これによって実際に発振を行なわずとも波長特性を又は所定の範囲に収めるように最適化することができ、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。

第２発明によれば、狭帯域化ユニットの各光学部品について波面特性を計測し、これに基づいて光学部品を選択して組み合わせ、狭帯域化ユニットから出射するユニット波面の波面形状が所定の形状になるようにしている。ユニット波面の波面形状は、波長特性に対して最適形状を有するので、これによって実際に発振を行なわずとも波長特性を又は所定の範囲に収めるように最適化することができ、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。

第３発明によれば、各光学部品について波面特性を計測し、これに基づいて光学部品を選択して組み合わせ、ビームエキスパンダを出射してグレーティングに入射するレーザ光の波面形状を所定の形状にするようにしている。これにより、波面補正のためにグレーティングを大きく曲げる必要がなくなるので、グレーティングの波長選択特性が低下せず、好適に波面補正を行なえる。また、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。

第４発明によれば、狭帯域発振エキシマレーザに既知の波面を入射させた際の出射波面であるレーザ波面の波面形状を測定し、これを所定の形状になるように光学部品を調整している。レーザ波面の波面形状は、波長特性に対して最適形状を有するので、これによって実際に発振を行なわずとも波長特性を又は所定の範囲に収めるように最適化することができ、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。また、個々の光学部品の前記波面特性によらず、エキシマレーザ全体を最適化することが可能である。

第５発明によれば、前記狭帯域化ユニットに既知の波面を入射させた際の出射波面であるユニット波面の波面形状を測定して、これを所定の形状になるように光学部品を調整している。ユニット波面の波面形状は波長特性に対して最適形状を有するので、これによって実際に発振を行なうことなしに波長特性を最適化するか、又は所定の範囲に収めることができ、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。また、個々の光学部品の前記波面特性によらず、狭帯域化ユニット全体を最適化することが可能である。

第６発明によれば、各光学部品に対して波面特性を測定し、これらの光学部品を組み合わせた際にこれらの光学部品から出射するレーザ光の波面形状を演算によって導き、これが所定の形状となるように光学部品の選択を行なっている。光学部品の波面形状は波長特性に対して最適形状を有するので、これによりあらかじめ適切な光学部品の組み合わせを選択してエキシマレーザを組み立てることができ、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。

第７発明によれば、狭帯域化ユニットを組み立て、この狭帯域化ユニットに既知の波面を入射させた際の出射波面であるユニット波面の波面形状を測定して、これが所定の形状になるように狭帯域化ユニットの各光学部品を調整している。この狭帯域化ユニットの波面形状は波長特性に対して最適形状を有するので、これを所定の形状に調整することにより、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。また、組み立てた光学部品をレーザに搭載する前に調整を行なうことができるので、実際に発振を行なうことなしに波長特性を所定の範囲に収めることができ、搭載してから調整がうまくゆかないということがなく、調整時間を短縮できる。また、調整時に発振のための電力が不要であり、調整のためのコストを低減できる。

第８発明によれば、狭帯域発振エキシマレーザを組み立て、このエキシマレーザに既知の波面を入射させた際の出射波面であるレーザ波面の波面形状を測定して、これが所定の形状になるようにエキシマレーザの各光学部品を調整している。エキシマレーザの波面形状は波長特性に対して最適形状を有するので、これを所定の形状に調整することにより、良質な光品位のレーザ光を得ることができる。また、組み立てた光学部品をレーザに搭載する前に調整を行なうことができるので、実際に発振を行なうことなしに波長特性を所定の範囲に収めることができ、搭載してから調整がうまくゆかないということがなく、調整時間を短縮できる。また、調整時に発振のための電力が不要であり、調整のためのコストを低減できる。

以下、図を参照しながら、本発明に係わる実施形態を詳細に説明する。なお、図において同一の符号を付したものは、従来技術と同一の構成を表すものとする。

図１〜図２に基づいて、第１の実施形態を説明する。図１に、フィゾー干渉計によって、測定対象８であるプリズム７の特性を計測する際の構成を示す。同図において、例えばＫｒＦエキシマレーザの発振波長である２４８nmの発振波長に近い発振波長を持つアルゴン倍波レーザ２５から発振したレーザ光２９を基準光とし、このレーザ光２９を拡散レンズ２６、ビームスプリッタ２８及びコリメータレンズ２７を透過させて拡大し、拡大された平面波４０を部分透過ミラーからなる参照ミラー３１に入射させる。この参照ミラー３１は両面が平行に精密研磨されており、透過或いは反射による波面の歪みを最小限に抑えている。

前記レーザ光２９は、前記参照ミラー３１で一部が反射されて参照光となり、一部は参照ミラー３１を透過して、測定対象８であるプリズム７に入射する。プリズム７を透過した光の波面を出射波面４１とすると、これがミラー２４に垂直に入射して反射され、前記プリズム７を逆向きに透過して参照ミラー３１に逆向きに入射し、波面４２を有した測定光となる。ミラー２４は、前記参照ミラー３１と同様にその表面が平坦に精密研磨されており、入射した光の波面をそのままの形で反射するようにしている。

ここで、前記参照光と測定光とはビームスプリッタ２８で図中下向きに反射され、結像レンズ３５を通過して波面情報を含む干渉縞３３をＣＣＤカメラ３６に結像する。また前記参照ミラー３１は、例えばＣＰＵを備えた干渉計コントローラ３８からの指令に基づいて、ピエゾ素子を使ったピエゾアクチュエータ３０を駆動することによって図中Ｚ軸方向に微動可能であり、この移動に伴って前記干渉縞３３が移動する。この干渉縞３３の像を前記干渉計コントローラ３８で分析することによって、測定光の波面４２の形状を知ることができ、ここから出射波面４１の形状を演算することができる。出射波面４１の形状は、このプリズム７に平面波４０を入射させたときに、どのような出射波面４１が出射するかを表したもので、図中Ｘ，Ｙ軸の関数として表すことができ、この関数をプリズム７の波面特性Ｗp(X,Y)と呼ぶ。また、干渉計コントローラ３８での演算によって、この波面特性Ｗp(X,Y)を曲面で近似して、出射波面４１の曲率半径Ｒp を算出することも可能である。このように、同図に示したフィゾー干渉計をプリズム７の波面特性Ｗp(X,Y)を測定する波面特性測定装置２０として利用することができる。

このとき、前記図１８に示すように狭帯域化ユニット１２に入射する入射波面３２が平面波であり、前記測定によってプリズム７Ａ，７Ｂの波面特性Ｗ(X,Y)がそれぞれ波面特性ＷpA(X,Y) ，波面特性ＷpB(X,Y) であったとすると、グレーティング１０に入射するグレーティング波面１５の形状は図中Ｘ，Ｙ軸の関数として表すことができる。この関数を波面形状ＫG(X,Y)と呼び、次の数式１で表される。
ＫG(X,Y)＝ＷpA(X,Y) ＋ＷpB(X,Y)…………（１）
すなわち、各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定することによって、これらの光学部品を通過又は反射した波面の波面形状Ｋ(X,Y) を知ることができる。

また、このグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)から、グレーティング波面１５の曲率半径ＲG を演算することができる。この曲率半径ＲG を、グレーティング１０の波長選択特性が低下しない許容範囲内に収めることができれば、前記波面補正を行なうことが可能である。

図２に、狭帯域化ユニット１２を構成する各光学部品の前記波面特性Ｗ(X,Y)を測定して、前記曲率半径ＲG を前記許容範囲内に収めるための手順の一例を、フローチャートで示す。まず、狭帯域化ユニット１２に使用するプリズム７Ａ，７Ｂを選定し（ステップＳ１）、前記図１で説明したように波面特性測定装置２０を用いて上記選定したプリズム７Ａ，７Ｂのそれぞれの波面特性ＷpA(X,Y) ，ＷpB(X,Y) を測定し（ステップＳ２）、そこからそれぞれの波面の曲率半径ＲA，ＲB を演算する（ステップＳ３）。次に、これらの曲率半径ＲA ，ＲB が所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ４）、許容範囲に入っていないものについては光学部品を新たに選定して（ステップＳ５）、ステップＳ２に戻って波面特性Ｗ(X,Y) の再測定を行なう。これは、前記出射波面４１の曲率半径Ｒが許容範囲からはずれているものは、加工精度が悪かったり内部が歪んでいたりしていると判断できるからである。ステップＳ３で各光学部品の曲率半径Ｒが許容範囲内であれば、前記数１に従ってグレーティング１０に入射するグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を求め（ステップＳ６）、グレーティング波面１５の曲率半径ＲG を求める（ステップＳ７）。ここで、この曲率半径ＲG が、所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ９）、許容範囲に入っていなければグレーティング１０を曲げても前記波面補正がうまくゆかないのでステップＳ１に戻って部品の選定をやり直し、許容範囲内に入っていればこれらの部品を使って狭帯域化ユニット１２を組み立てる（ステップＳ１１）。

前記手順の中で、ビームエキスパンダ９が２個のプリズム７Ａ，７Ｂ以外に他の光学部品を含んでいる場合は、ステップＳ２でそれらの光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定して曲率半径Ｒを求め、ステップＳ４でそれらが許容範囲内にあることを確認し、ステップＳ６でグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を求める際に、数１と同様にそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) をすべて足し合わせるようにすればよい。

このように本実施形態によれば、まず各光学部品についてその波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、それらの波面特性Ｗ(X,Y) を足し合わせることによって、グレーティング１０に入射するグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を求め、そこから曲率半径ＲG を演算し、これが所定の許容範囲内に収まるように光学部品を選定している。これにより、実際に狭帯域化ユニット１２を組み立てることなく、短時間で前記狭帯域化に適切な部品を選定することができる。そうすれば、前記曲率半径ＲG が所定の許容範囲内に収まっているので、グレーティング１０を曲げて前記波面補正を行なうことが可能であり、良質な光品位のエキシマレーザ４を得ることができる。また、グレーティング１０を曲げることなく良好な波長特性を得ることも可能である。

次に、図３〜図７に基づいて、第２の実施形態を説明する。なお、図において同一の符号を付したものは、従来技術及び前記実施形態と同一の構成を表すものとする。図３に、第２の実施形態に係わるエキシマレーザ４の構成を示す。同図に示すように、このエキシマレーザ４の前記狭帯域化ユニット１２は、プリズム７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、ミラー３７、及びグレーティング１０から構成されている。前記実施形態と同様にリアウィンドウ５から出射したレーザ光３は、プリズム７Ａ，７Ｂを通過する間にその径を拡げられ、ミラー３７で反射してプリズム７Ｃによって再度その径を拡げられ、グレーティング１０に入射する。ミラー３７は図示しない回転アクチュエータによって図中矢印方向に回転可能であり、この回転によってグレーティング１０の選択波長を変更することができる。グレーティング１０は、図示しない角度アクチュエータによってレーザ光３の光路に対する角度を制御されており、選択された所定の波長だけを発振させることで前記狭帯域化を行なっている。また、前記実施形態と同様に、図示しない曲率アクチュエータによってグレーティング１０を曲げて前記波面補正を行なうことが可能である。

図４に、前記図１のプリズム７と同様に前記グレーティング１０やミラー３７を測定対象８として設置し、グレーティング１０の波面特性Ｗg(X,Y)やミラー３７の波面特性Ｗm(X,Y)を計測する際の構成を示す。このように、同図に示したフィゾー干渉計を、狭帯域化ユニット１２を構成する各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定する波面特性測定装置２０として利用することができる。

このとき、狭帯域化ユニット１２から出射するレーザ光３の波面をユニット波面３４とし、その波面形状を波面形状ＫU(X,Y)とすると、この波面形状ＫU(X,Y)は前記数１と同様に、狭帯域化ユニット１２を構成する各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を、光路に沿った順序で加えることによって求められる。

そこで、前記図１及び図４に基づいて、狭帯域化ユニット１２を構成する各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を計測する。プリズム７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、ミラー３７、及びグレーティング１０の波面特性Ｗ(X,Y) を、それぞれＷpA(X,Y) ，ＷpB(X,Y) ，ＷpC(X,Y) ，Ｗm(X,Y)，Ｗg(X,Y)とすると、波面形状ＫU(X,Y)は次の数式２によって求められる。
ＫU(X,Y)＝ＷpA(X,Y) ＋ＷpB(X,Y) ＋Ｗm(X,Y)＋ＷpC(X,Y) ＋Ｗg(X,Y)＋ＷpC(X,Y) ＋Ｗm(X,Y)＋ＷpB(X,Y) ＋ＷpA(X,Y)…………（２）
この波面形状ＫU(X,Y)から、ユニット波面３４の曲率半径ＲU を求めることができる。ここで、曲率半径ＲU の逆数を平面度ＦU とする。

図５に、エキシマレーザ４の前記線幅と、前記ユニット波面３４の平面度ＦUとの関係を示す。前記平面度ＦU が０になる点が、前記ユニット波面３４が平面波となる点である。同図より、平面度ＦU が、エキシマレーザ４の線幅に対して最適平面度ＦUop を持つことがわかる。すなわち、エキシマレーザ４の線幅を最小にするためには、平面度ＦU を最適平面度ＦUop に一致させれば前記ユニット波面３４を最適化でき、前記線幅が最小となる。また、線幅を例えばステッパの露光に必要な線幅許容値以下に抑えるためには、前記平面度ＦU を所定の許容範囲内に収めるようにすればよい。

さらに、エキシマレーザ４の前記中心波長の安定性（線幅純度とも言う）に関しても、やはり同様の最適平面度ＦUop2が存在する。すなわち、前記波面特性を例えばステッパの露光に必要な許容範囲内に収めるためには、前記線幅と中心波長の安定性を共に所定の許容範囲内に収めるようにすればよく、そのためには前記平面度ＦU を所定の許容範囲内に収めるようにすればよい。

図６に、前記波面特性測定装置２０を用いて、前記ユニット波面３４の最適化を行なう手順の一例をフローチャートで示す。まず、前記プリズム７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、ミラー３７、及びグレーティング１０を選定し（ステップＳ２１）、次に、前記図１及び図４で説明したように干渉計を用いて、前記各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定し（ステップＳ２２）、各光学部品の出射波面４１の曲率半径Ｒを演算する（ステップＳ２３）。次に、これらの曲率半径Ｒが所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ２４）、許容範囲に入っていないものについては光学部品を新たに選定して（ステップＳ２５）、ステップＳ２２に戻って波面特性Ｗ(X,Y) の再計測を行なう。ステップＳ２４で前記曲率半径Ｒが許容範囲内であれば、前記数２に従って前記ユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を求め（ステップＳ２６）、それから前記平面度ＦU を求める（ステップＳ２７）。ここで、この平面度ＦU が所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ２９）、許容範囲に入っていなければステップＳ２１に戻って部品の選定をやり直し、許容範囲内に入っていればこれらの部品を使って狭帯域化ユニット１２を組み立てる（ステップＳ３１）。

このとき、同図の手順に、前記実施形態において図２で説明した手順を加えた一例を図７に示す。すなわち、ステップＳ２４とステップＳ２６との間に点線で囲んだ部分を挿入し、各光学部品の曲率半径Ｒが許容範囲内であることを確認した後、前記グレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を求める（ステップＳ３３）。これは、次の数式３による。
ＫG(X,Y)＝ＷpA(X,Y) ＋ＷpB(X,Y) ＋Ｗm(X,Y)＋ＷpC(X,Y)…………（３）
そして、この波面形状ＫG(X,Y)からグレーティング１０に入射するグレーティング波面１５の曲率半径ＲG を求め（ステップＳ３４）、これが所定の許容範囲内にあるか否かを確認し（ステップＳ３５）、許容範囲に入っていなければステップＳ２１に戻って部品の選定をやり直し、許容範囲内に入っていれば、ステップＳ２６に移行して前記波面形状ＫU(X,Y)を求める。

このように本実施形態によれば、狭帯域化ユニット１２の各光学部品についてその波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、それらの和であるユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)から、前記平面度ＦU を求め、これが所定の許容範囲内に収まるように光学部品を選定している。前記図５に説明したように、この平面度ＦU はエキシマレーザ４の波長特性について最適値を持ち、これを所定の範囲に収めることによって、前記波長特性を所定の範囲に収めることができる。すなわち、この平面度ＦU が所定の許容範囲になるように狭帯域化ユニット１２の光学部品を選定することによって、狭帯域化したレーザ光３の光品位を、要求される範囲に収めることができる。

次に、図８に基づいて第３の実施形態を説明する。なお、図において同一の符号を付したものは、従来技術及び前記実施形態と同一の構成を表すものとする。

図８は、前記波面特性測定装置２０を用いて、前記図３に示した狭帯域化ユニット１２を測定対象８とし、これから出射するユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を測定する際の構成図である。同図において、前記図１と同様に参照ミラー３１を通過したレーザ光２９は、プリズム７Ａ，７Ｂを通過し、ミラー３７で反射し、プリズム７Ｃを通過して、グレーティング１０に入射する。グレーティング１０で反射した光は、前記の光路を逆向きに通って、測定光として参照ミラー３１に入射する。測定光と前記参照光とによって形成された干渉縞３３を前記ＣＣＤカメラ３６上に結像させ、これを前記干渉計コントローラ３８で分析することによって、前記波面形状ＫU(X,Y)を計測することができる。このとき、上述の各光学部品はランダムに選定してもよいし、前記第２実施形態において説明したような手順で選定した光学部品を使用してもよい。

すなわち本実施形態では、前記図６に示した手順で演算によって求めた波面形状ＫU(X,Y)を波面特性測定装置２０で実際に計測している。そして、前記平面度ＦU を演算しながら、前記曲率アクチュエータでグレーティング１０の曲率を調整してこの平面度ＦU を前記所定の許容範囲内に収めるとともに、これを前記最適平面度ＦUop にさらに近づけることができる。

またこのとき、曲率アクチュエータをグレーティング１０だけでなく前記ミラー３７にも装着し、前記平面度ＦU を測定しながらこのミラー３７の曲率を調整して前記波面形状ＫU(X,Y)を最適化することも可能である。また、前記各プリズム７（７Ａ，７Ｂ，７Ｃ等）に例えばペルチェ素子等の温調素子を貼り、前記平面度ＦU を測定しながらこの温度を制御してプリズム７の波面特性Ｗp(X,Y)を変化させ、前記波面形状ＫU(X,Y)を最適化することも可能である。

このように、前記第１、第２実施形態では各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) に基づいて光学部品の選定を行なったのに対し、本実施形態では狭帯域化ユニット１２を組み立て、その狭帯域化ユニット１２から出射する波面の波面形状ＫU(X,Y)を波面特性測定装置２０で測定している。そして、この波面形状ＫU(X,Y)に基づいて平面度ＦU を演算しながら、これを所定の範囲内に収めるように、各光学部品の曲率や温度を調整して前記波面補正を行なっている。このように、波面形状ＫU(X,Y)をさらに最適化できるので、エキシマレーザ４から出射するレーザ光３の光品位を、さらに良質のものにすることができる。

また本実施形態によれば、狭帯域化ユニット１２の調整をエキシマレーザ４に搭載する前に行なうことができるので、搭載してから調整がうまくゆかないということがなく、調整時間を短縮できる。また、調整時に発振のための電力が不要であり、調整のためのコストを低減できる。また、狭帯域化ユニット１２をエキシマレーザ４と別の場所で調整して搭載することが可能なので、エキシマレーザ４の波長特性に問題が起きたときなどに狭帯域化ユニット１２をあらかじめ調整済みのものと交換することで調整時間を短縮でき、例えばステッパなどのダウンタイムを短縮できる。また、前記狭帯域化ユニット１２を波面補正した結果を例えば平面度ＦU という数値で評価しているので補正の目標値が設定でき、作業者の熟練度によって波面補正の度合いが異なるということがなくなるので、繰り返し精度の良い波面補正が可能である。

次に、図９〜図１２に基づいて、第４の実施形態を説明する。なお、図において同一の符号を付したものは、従来技術及び前記実施形態と同一の構成を表すものとする。図９は本実施形態によるエキシマレーザ４の構成図であり、狭帯域化ユニット１２内に４個のプリズム７Ａ〜７Ｄを備えている。このエキシマレーザ４から出射される波面をレーザ波面３９、レーザ波面３９の形状を波面形状ＫL(X,Y)、レーザ波面３９の曲率半径Ｒを曲率半径ＲL 、曲率半径ＲL の逆数を平面度ＦL とする。

ここで図１０に、エキシマレーザ４の前記線幅と、前記レーザ波面平面度ＦLとの関係を示す。レーザ波面平面度ＦL が０になる点が、前記レーザ波面３９が平面波となる点である。同図より、前記図５と同様に前記平面度ＦL が、エキシマレーザ４の線幅に対して最適平面度ＦLop を持つことがわかる。すなわち、エキシマレーザ４の線幅を最小にするためには、平面度ＦL を最適平面度ＦLop に一致させて前記レーザ波面３９を最適化すればよい。また、前記線幅を例えばステッパの露光に必要な線幅許容値以下に抑えるためには、前記平面度ＦL を所定の許容範囲内に収めるようにすればよい。

また、エキシマレーザ４の前記中心波長の安定性に関しても、やはり同様の最適平面度ＦLop2が存在する。すなわち、前記波長特性を例えばステッパの露光に必要な許容範囲内に収めるためには、前記線幅と中心波長の安定性を共に所定の許容範囲内に収めるようにすればよく、そのためには前記平面度ＦL を所定の許容範囲内に収めるようにすればよい。

図１１に、前記波面特性測定装置２０を用いて前記レーザ波面３９の最適化を行なう手順の一例をフローチャートで示す。まず、プリズム７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ、ミラー３７、グレーティング１０、リアウィンドウ５、フロントウィンドウ１３、及びフロントミラー１４を選定し（ステップＳ４１）、次に、前記図１及び図４で説明したように干渉計を用いて前記各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定し（ステップＳ４２）、各光学部品の曲率半径Ｒを求める（ステップＳ４３）。次に、各光学部品の曲率半径Ｒが所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ４４）、許容範囲に入っていないものについては光学部品を新たに選定して（ステップＳ４５）、ステップＳ４１に戻って各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) の計測を行なう。ステップＳ４４で各光学部品の曲率半径Ｒが許容範囲内であれば、エキシマレーザ４の部品構成順序で各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y)を足し合わせて、前記レーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)を演算する（ステップＳ４６）。さらに前記平面度ＦU を求め（ステップＳ４７）、この平面度ＦU が所定の許容範囲に入っているか否かを確認し（ステップＳ４９）、許容範囲に入っていなければステップＳ４１に戻って部品の選定をやり直し、許容範囲内に入っていればこれらの部品を使って前記図９に記載したエキシマレーザ４を組み立てる（ステップＳ５１）。

さらに本実施形態では図１２に示すように、前記波面特性測定装置２０を使用して、エキシマレーザ４のレーザ波面３９における前記平面度ＦL を測定している。

同図において、前記図１と同様に参照ミラー３１を通過したレーザ光２９は、フロントミラー１４、フロントウィンドウ１３、リアウィンドウ５、プリズム７Ａ，７Ｂを通過し、ミラー３７で反射し、プリズム７Ｃ，７Ｄを通過して、グレーティング１０に入射する。グレーティング１０で反射した光は、前記の光路を逆向きに通ってレーザ波面３９となり、測定光として参照ミラー３１に入射する。測定光と前記参照光とによって形成された干渉縞３３を前記ＣＣＤカメラ３６上に結像させ、これを前記干渉計コントローラ３８で分析することによって、レーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)を計測し、前記平面度ＦL を演算できる。

これにより、前記平面度ＦL を測定しながら、第３の実施形態と同様にグレーティング１０やミラー３７の曲率、或いはプリズム７の温度等を調整して、この平面度ＦL をさらに最適化することが可能である。

このように本実施形態によれば、エキシマレーザ４を構成する光学部品についてそれぞれの波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、それらの和であるレーザ波面３９の波面形状ＫL(X,Y)から、その平面度ＦL を求めてこれが所定の許容範囲になるようにエキシマレーザ４の各光学部品を選定している。また、このレーザ波面３９の平面度ＦL を計測しながら、前述したグレーティング１０やミラー３７の曲率、或いはプリズム７の温度等を調整することによって、さらにこの平面度ＦL を最適化することが可能である。これにより、狭帯域化したレーザ光３の光品位を最適化することができる。またこのとき、前記アパーチャ６の端部における回折の影響も考慮して調整を行なっているので、レーザ波面３９の最適化をいっそう正確に行なうことができる。

また、以上の各実施形態の説明においては、前記波面形状Ｋ(X,Y) から波面の曲率半径Ｒを求め、その逆数である平面度Ｆを演算するようにしているが、このとき図１３に示すように、曲率半径Ｒの代わりにレーザ光３の波面の測定点４３の最大値と最小値の差であるＰＶ値ＰV を算出し、その逆数を演算して、これを許容範囲内に収めるようにしてもよい。また、同様に図１４に示すように波面の近似曲線４４と測定点４３との距離の自乗の総和の平方根であるｒｍｓ値を算出し、これを許容範囲内に収めるようにしてもよい。これらの値は、前記干渉計コントローラ３８で参照ミラー３１を移動させながら干渉縞３３を分析することによって求めることができる。

以上説明したように、本発明によれば狭帯域化ユニット１２における各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、それらを合計してグレーティング１０に入射するグレーティング波面１５の波面形状ＫG(X,Y)を算出し、これから演算した曲率半径Ｒを所定の許容範囲内に収めるようにしている。これにより、グレーティング波面１５の曲率半径Ｒを、常にグレーティング１０を曲げて前記波面補正を行なえる範囲に収められるので、良質な光品位のエキシマレーザ４を得ることができる。また、グレーティング１０を曲げることなく良好な波長特性を得ることも可能である。

また、本発明によれば、狭帯域化ユニット１２における各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を測定し、それらの波面特性Ｗ(X,Y) を合計して、狭帯域化ユニット１２から出射するユニット波面３４の波面特性ＷU(X,Y)を算出し、これを所定の許容範囲に収めるようにしている。これにより、狭帯域化ユニット１２の波面を最適化できるので、良質な光品位のエキシマレーザ４を得ることができる。また、各光学部品の波面特性Ｗ(X,Y) を把握しているので、光学部品の組み合わせを適切に行なうことができ、前述したように適切な部品を不適切であると判断して放棄することがなく、部品が無駄にならないのでエキシマレーザ４を製作するためのコストを低減することができる。

さらに本発明によれば、狭帯域化ユニット１２から出射するユニット波面３４の波面形状ＫU(X,Y)を計測し、このユニット波面３４の平面度ＦU を所定の許容範囲に収め、かつなるべく最適平面度Ｆopに近くなるようにグレーティング１０やミラー３７の曲率を調整することができる。これにより、エキシマレーザ４を発振させることなく狭帯域化ユニット１２を調整可能であるので、実際に発振させる場合に比べて調整時間が短縮できると共に、前記調整の程度を平面度ＦU という数値で把握できるので、作業者による調整のばらつきが少なくなり、繰り返し精度を向上させることができる。

また本発明によれば、エキシマレーザ４の光学部品すべてについて前記波面特性Ｗ(X,Y) を計測するとともに、エキシマレーザ４から出射するレーザ波面３９の波面形状Ｋ(X,Y) を測定し、これを調整しているので、すべての光学部品における前記歪みの影響を抑えることができる。

以上の実施形態の説明においては、波面特性測定装置２０としてフィゾー干渉計を使用しているが、本発明はこれに限定されず、前記波面特性を測定できるものであればよく、例えばマイケルソン干渉計等を使用してもよい。

また、前記波面特性測定装置２０から入射させる波面は平面波４０として説明したが、これは波面の形状が既知の波面であればよい。

本発明の第１実施形態に係わる波面特性測定の説明図。 曲率半径を許容範囲に収める手順の一例を示すフローチャート。 第２実施形態に係わるエキシマレーザの構成図。 波面特性測定の説明図。 エキシマレーザの線幅と波面との関係の説明図。 ユニット波面の最適化を行なう手順の一例を示すフローチャート。 ユニット波面の最適化を行なう手順の一例を示すフローチャート。 第３実施形態に係わる曲率半径測定の説明図。 第４実施形態に係わるエキシマレーザの構成図。 曲率半径測定の説明図。 レーザ波面の最適化を行なう手順の一例を示すフローチャート。 エキシマレーザの波面特性測定の説明図。 ＰＶ値の説明図。 ｒｍｓ値の説明図。 従来技術によるエキシマレーザの構成図。 波面の歪みの説明図。 波面の歪みの説明図。 従来技術による波面補正の説明図。

符号の説明

１…チャンバ、２…放電電極、３…レーザ光、４…エキシマレーザ、５…リアウィンドウ、６…アパーチャ、７…プリズム、８…測定対象、９…ビームエキスパンダ、１０…グレーティング、１２…狭帯域化ユニット、１３…フロントウィンドウ、１４…フロントミラー、１５…グレーティング波面、１６…ウィンドウ、１７…ウィンドウ、１８…光軸、１９…平面波、２０…波面特性測定装置、２１…凹面波、２２…全反射ミラー、２３…凸面波、２４…ミラー、２５…アルゴン倍波レーザ、２６…拡散レンズ、２７…コリメータレンズ、２８…ビームスプリッタ、２９…レーザ光、３０…ピエゾアクチュエータ、３１…参照ミラー、３２…入射波面、３３…干渉縞、３４…ユニット波面、３５…結像レンズ、３６…ＣＣＤカメラ、３７…ミラー、３８…干渉計コントローラ、３９…レーザ波面、４０…平面波、４１…出射波面、４２…波面、４３…測定点、４４…近似曲線。

Claims (2)

1. 狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ(4)の波面最適化方法において、狭帯域化ユニット(12)を組み立て、前記狭帯域化ユニット(12)に既知の波面を入射させた際の出射波面(41)であるユニット波面(34)の波面形状ＫU(X,Y)を前記組み立てられた狭帯域化ユニット(12)に対して測定し、この波面形状ＫU(X,Y)が所定の形状となるように前記光学部品の調整を行なうようにしたことを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ(4)の波面最適化方法。
2. 狭帯域発振を行なう狭帯域発振エキシマレーザ(4)の波面最適化方法において、狭帯域発振エキシマレーザ(4)を組み立て、この狭帯域発振エキシマレーザ(4)に既知の波面を入射させた際の出射波面(41)であるレーザ波面(39)の波面形状ＫL(X,Y)を前記組み立てられたエキシマレーザ(4)に対して測定し、この波面形状ＫL(X,Y)が所定の形状となるように前記光学部品の調整を行なうようにしたことを特徴とする狭帯域発振エキシマレーザ(4)の波面最適化方法。
   

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