JP2640963B2 - 狭帯域発振エキシマレーザの波長異常検出装置 - Google Patents

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波長異常検出装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置製造用の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
レーザの波長が短い（KrFレーザの波長は約248.4nm）こ
とから光露光の限界を0.5μｍ以下に延ばせる可能性が
あること、同じ解像度なら従来用いていた水銀ランプの
ｇ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。

しかしながら、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あたって解決しなければならない２
つの大きな問題がある。

その１つは、エキシマレーザの波長が248.35nmと短い
ため、この波長を透過する材料が石英、CaF2およびMgF2
等しかなく、更に均一性および加工精度等の点でこれら
の材料の中でレンズ素材として石英しか用いることがで
きないことである。このため色収差補正をした縮小投影
レンズの設計が不可能となる。したがって。この色収差
が無視しうる程度まで、エキシマレーザの狭帯域化が必
要となる。

他の問題はエキシマレーザの狭帯域化に伴い発生する
スペックル・パターンをいかにして防ぎ、また狭帯域化
に伴うパワーの低減をいかにしておさえるかということ
である。

エキシマレーザの狭帯域化の技術としてはインジェク
ションロック方式と呼ばれるものがある。このインジェ
クションロック方式は、オシレータ段のキャビティ内に
波長選択素子（エタロン・回折格子・プリズム等）を配
置し、ピンホールによって空間モードを制限して単一モ
ード発振させ、このレーザ光を増幅段によって注入同期
する。このため、その出力光はコヒーレンス性が高く、
これを縮小露光装置の光源に用いた場合はスペックル・
パターンが発生する。一般にスペックル・パターンの発
生はレーザ光に含まれる空間横モードの数に依存すると
考えられている。すなわち、レーザ光に含まれる空間横
モードの数が少ないとスペックル・パターンが発生し易
くなり、逆に空間横モードの数が多くなるとスペックル
・パターンは発生しにくくなることが知られている。上
述したインジェクションロック方式は本質的には空間横
モードの数を著しく減らすことによって狭帯域化を行う
技術であり、スペックル・パターンの発生が大きな問題
となるため縮小投影露光装置には採用できない。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として他に有望なも
のは波長選択素子であるエタロンを用いたものがある。
このエタロンを用いた従来技術としてはAT＆Ｔベル研究
所によりエキシマレーザのフロントミラーとレーザチャ
ンバとの間にエタロンを配置し、エキシマレーザの狭帯
域化を図ろうとする技術が提案されている。しかし、こ
の方式はスペクトル線幅をあまり狭くできず、かつ、エ
タロン挿入によるパワーロスが大きいという問題があ
り、更に空間横モードの数もあまり多くすることができ
ないという欠点がある。

そこで、発明者等はエキシマレーザのリアミラーとレ
ーザチャンバの間に有効径の大きな（数10mmφ程度）エ
タロンを配置する構成を採用し、この構成により、20×
10mm²の範囲でスペクトル幅が半値全幅で約0.003nm以下
の一様な狭帯域化を施しパルス当たり約50mJの出力のレ
ーザー光を得ている。すなわち、エキシマレーザのリア
ミラーとレーザチャンバとの間にエタロンを配置する構
成を採用することにより、レーザの狭帯域化、空間横モ
ード数の確保、エタロンの挿入によるパワーロスの減少
という縮小投影露光装置の光源として要求される必須の
問題を解決したのである。

しかし、エキシマレーザのリアミラーとレーザチャン
バとの間にエタロンを配置する構成は、狭帯域化、空間
横モード数の確保、パワーロスの減少という点で利点を
有するが、エタロンを透過するパワーが非常に大きくな
るためエタロン温度変動等の物理的変化が生じ、このた
め発振出力レーザ光の中心波長が変動したり、パワーが
著しく低下するという問題があった。この傾向は、特
に、狭帯域化のためにフリースペクトラルレンジの異な
るエタロンを２枚以上用いた場合に顕著となった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、この光共振中にエタロンを配設する構成を
とると、このエタロンは、非常にエネルギー密度が高い
光が透過するため、長時間のうちに、エタロンの面精
度、平行度が悪化したり、反射膜の損傷等によって、フ
ィネスが低下することがあった。

エタロンのフィネスが低下すると側帯波が大きく発生
し、マルチ波長発振となりこのレーザ光を縮小投影露光
用光源として用いると大きく解像力が低下するという問
題が生じた。

この発明はこのような実状に鑑みてなされたもので、
発振レーザ光のスペクトルの側帯波を監視することによ
り出力レーザ光の波長異常を検出するようにした狭帯域
発振エキシマレーザの波長異常検出装置を提供しようと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、この発明においてはレーザ発振器の共振器内
に少なくとも２個のエタロンを配置するとともに、この
レーザ発振器の出力光を回折格子型分光器と光位置検出
器を用いて検出し、この検出出力にもとづき前記エタロ
ンを判断する狭帯域発振エキシマレーザにおいて、所定
時間経過する毎に前記回折格子型分光器の回折格子を所
定角度回転させて側帯波を検出する側帯波検出手段と、
この側帯波検出手段によって側帯波が検出された場合は
スペクトル異常を示す信号を発生する信号発生手段とを
具えて構成される。

〔作用〕

回折格子型分光器の折格子は所定の時間経過する毎に
所定角度回転させられ、これにより一定レベル以上の側
帯波が生じているか否かを定期的に確認する。ここで側
帯波が生じている場合は波長異常として異常信号が発生
される。

〔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
長の重ね合わせを行う重ね合わせ制御も同時にもしくは
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
に示すように発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。

また、発振されたレーザ光の一部はビームスプリッタ
103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Ｐ
λを検出する。この発振中心波長及び中心波長パワー検
知器301は回折格子型分光器と光位置センサとから構成
されており、その詳細は第２図に示される。

第２図において発振中心波長及び中心波長パワー検知
器301は凹面鏡31,32および回折格子33からなる回折格子
型分光器34と光位置センサ35を備えて構成される。ビー
ムスプリッタ103でサンプリングされたサンプル光はレ
ンズ36で集光され、分光器34の入射スリット37から入力
される。この入射スリット37から入力された光は凹面鏡
31で反射され、平行光となり回折格子33に照射される。
回折格子33はここでは所定の角度に固定されており、入
射した光の波長に対応した回折角度で反射する。この回
折光を凹面鏡32に導き、凹面鏡32の反射光は光位置セン
サ35に導かれて結像される。すなわち、入射光の波長に
対応する入射スリット37の回析像が光位置センサ35の受
光面上に結像され、この入射スリット37の回折像の位置
からサンプル光の中心波長λを検出することができる。
またこの入射スリット37の回折像の光強度から中心波長
パワーＰλを検出することができる。

なお、光位置センサ35としてはフォトダイオードアレ
イまたはPSD（ポジション センシィティブ デバイ
ス）等を用いることができる。ここで、光位置センサ35
としてフォトダイオードアレイを用いた場合、中心波長
は最大光強度の受光チャンネルの位置により検出し、中
心波長パワーは中心波長に対応するチャンネルの光強度
または中心波長付近のチャンネルの光強度の和から検出
する。また光位置センサ35としてPSDを用いた場合は、P
SDの出力から中心波長を検出し、受光強度から中心波長
パワーを検出する。

発振中心波長およ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Ｐ
λは波長コントローラを構成する中央処理装置（CPU）3
02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（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
（重ね合わせ制御）。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の温度
の制御、角度の制御、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
ロン例えばエタロン101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
101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102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。

ところで、発振中心波長及び中心波長パワー検知器30
1の光位置センサ35の受光面の大きさは第３図に示すよ
うに中心波長のみを検出するように（側帯波が生じた場
合でもこれを検出しない大きさに）設定されている。こ
れは側帯波を検出しないようにするためである。すなわ
ち、エタロン101と102の重ね合せが不良の状態において
は側帯波が生じ、光位置センサ35がこの側帯波を検出し
てしまうと重ね合せ制御ができなくなるとともに正確な
中心波長制御も不可能になる。そこで、側帯波が生じて
もこの側帯波を検出しないように光位置センサ35の受光
面の大きさが制限されているのである。一般にエタロン
101と102の重ね合せが不良の場合には側帯波が生じる
が、エタロン101と102の重ね合せが完全になるとほとん
ど側帯波は生じないようにエタロン101とエタロン102は
設計されている。

しかし、エタロン101,102の面精度、平行度が悪化し
たり、反射膜の損傷等が生じてエタロン101,102のフィ
ネスが低下すると、重ね合せが完全になっても側帯波が
生じることがある。次にこの現象について説明する。

まず、フリースペクトラルレンジの小さいエタロン10
1とフリースペクトラルレンジの大きいエタロン102とが
正常であるとする。この場合、エタロン101と102の重ね
合せが完全となると、第４図（ａ）に示すようにほとん
ど側帯波が生じない。しかし、面精度の劣化等によりフ
リースペクトラルレンジの大きいエタロン102のフィネ
スが低下すると、エタロン102による透過波長は幅広と
なり、このため第４図（ｂ）に示すように複数の側帯波
が生じ、マルチ波長発振となる。

このようにレーザがマルチ波長発振となると、このレ
ーザ光を縮小投影露光用光源に用いても解像力が大幅に
低下することになる。

しかしながら上述したように発振中心波長及び中心波
長パワー検知器301の光位置センサ35は中心波長のみを
検出するように構成されているため、このマルチ波長発
振の側帯波は検知することができず、この解像力の低下
を検知することができない。

そこで、この実施例では、発振中心波長および中心波
長パワー検知器301に対して回折格子ドライバ305を設
け、この回折格子ドライバ305により、定期的に発振中
心波長及び中心波長パワー検知器301を構成する回折格
子型分光器34の回折格子33を所定の角度回転させ、これ
により光位置センサ35で側帯波が生じているか否かを検
出するようにしている。

この検出の様子を第５図に（ａ），（ｂ）を用いて説
明する。回折格子型分光器34の回折格子33が正規の位置
にあると、第３図に示すように光位置センサ35は中心波
長を検出している。この状態で回折格子33を時計方向に
回転させると回折格子型分光器34の出力像は図面上右方
に移動し、第５図（ａ）に示すように光位置センサ35は
中心波長の左側の側帯波を検出できるようになる。また
この状態で回折格子33を反時計方向に回転させると回折
格子型分光器34の出力像は図面上左方に移動し、第５図
（ｂ）に示すように光位置センサ35は中心波長の右側の
側帯波を検出できるようになる。

このように、この実施例ではCPU302からの指令により
回折格子ドライバ305を所定時間経過する毎に所定角度
（側帯波を検出するに必要な角度）回転させ、これによ
って側帯波が生じているか否かを監視するようにしてい
る。ここで側帯波が検出されると、CPUは波長異常信号
を発生する。この波長異常信号は図示しない露光装置に
送出される。

次にこの発長異常検出の動作をフローチャートを用い
て説明する。

第６図はこの実施例の装置のメインフローを示したも
のである。この動作は、まず、経過時間Ｔが予め設定し
た所定の時間αを経過しているか否かを判断し（ステッ
プ401）、経過していない場合は、ステップ402に移行
し、通常の制御、すなわち、パワー制御、重ね合せ制
御、中心波長制御を実行する。この通常の制御は経過時
間Ｔが所定の時間αに達するまで繰り返えされる。経過
時間Ｔが所定の時間αに達すると、これがステップ401
で判断され、側帯波検出サブルーチン403に移行する。
この側帯波検出サブルーチン403は第７図に示される。

側帯波検出サブルーチン403においては、まずシャッ
タ108を閉じ、出力レーザ光を遮断する。これは、側帯
波検出サブルーチン403において一時的に重ね合せ及び
中心波長の制御が不能になるので、これによる影響を露
光装置側に与えないためである。続いて中心波長を所望
の波長に一致させる波長制御を行い（ステップ503）、
中心波長が所望の波長及びパワーとなると（ステップ50
4）、回折格子ドライバ305を制御して、回折格子型分光
器34の回折格子33を＋側すなわち時計方向に所定角度回
転させる（ステップ505）。ここで一方の側帯波のパワ
ーS1を検出する（ステップ506）。続いて回折格子を−
側、すなわち反時計方向に所定角度回転させる（ステッ
プ507）。ここで他方の側帯波のパワーS₂を検出する
（ステップ508）。その後、パワーS₁とS₂を加算するこ
とにより全側帯波のパワーＳを算出し（ステップ50
9）、この算出したパワーＳが所定値βより大きいか否
かの判断を行なう（ステップ510）。ここで、算出した
パワーＳが所定値βより大きいと異常と判断して波長異
常出力を発生する（ステップ511）。しかし、算出した
パワーＳが所定値βより小さいと異常は生じていないと
してシャッタ108を開き（ステップ512）この側帯波検出
サブルーチン403を終了する。

側帯波検出サブルーチン403が終了すると、時間Ｔを
０にリセットして、再びステップ401に戻る。

このように定期的に側帯波検出サブルーチン403に移
行して側帯波の監視を行なうもので、エタロンのフィネ
スの低下によるマルチ波長発振を確実に検出することが
でき、これによりマルチ波長発振にもとづく不都合を事
前に防止することができる。

なお、上記実施例では２枚のエタロンを用いた場合に
ついて説明したが３枚以上のエタロンを用いても同様に
構成することができる。

また、上記実施例では中心波長の両側の側帯波を監視
するようにしたが、一方側の側帯波のみを監視するよう
に構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば回折格子型分
光器の回折格子を定期的に所定の角度回転させるという
非常に簡単な構成によってマルチ波長発振を確実に検出
することができ、これによって縮小投影露光用光源とし
て用いた場合の予期しない解像力の低下を防止すること
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
は発振中心波長および中心波長パワー検知器の詳細を示
す図、第３図は第２図に示した発振中心波長及び中心波
長パワー検知器の検知状態を示す図、第４図はこの実施
例におけるサイドピークの発生の状態を示す図、第５図
はサイドピークの検知状態を示す図、第６図，第７図は
こ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、200……パワー制御系、203……C
PU、204……レーザ電源、205……ガスコントローラ、30
0……波長制御系、305……回折格子ドライバ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器の共振器内に少なくとも２個
   のエタロンを配置するとともに、このレーザ発振器の出
   力光を回折格子型分光器と光位置検出器を用いて検出
   し、この検出出力にもとづき前記エタロンを制御する狭
   帯域発振エキシマレーザにおいて、 所定時間経過する毎に前記回折格子型分光器の回折格子
   を所定角度回転させて側帯波を検出する側帯波検出手段
   と この側帯波検出手段によって側帯波が検出された場合は
   スペクトル異常を示す信号を発生する信号発生手段と を具えた狭帯域発振エキシマレーザの波長異常検出装
   置。