JP3839736B2 - 半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用の縮小投影型露光装置（ステッパ）の光源として使用される半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置に関する。
【従来の技術及び発明が解決する課題】
１）半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置では、露光装置内のレンズ光学系の収差による露光不具合を防止するために、露光光源であるエキシマレーザ光を狭帯域化した上で、発振中心波長を目標波長に長期安定的に発振させるとともに、発振スペクトル幅Δλを所定の範囲内に収める必要がある（発振波長および発振スペクトル幅の制御）。
２）また半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置では、均一な露光を実現するために、半導体ウエハ上に照射する出力レーザ光のエネルギーを一定に制御する必要がある（出力レーザ光のエネルギーの制御）。
【０００２】
まず上記１）の「発振波長および発振スペクトル幅の制御」の従来技術について説明する。
【０００３】
従来の半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置では、一般的に、出力レーザ光の一部を波長モニタヘ入射させ、この波長モニタで検出した出力レーザ光の実際の発振中心波長λcrと、目標発振波長λctとの差が小さくなるように波長選択素子を駆動する制御が行われている。
【０００４】
図６は、従来技術の半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置の構成を示している。同図６は特願平１−１２８１００号として既に出願され公知となっている本件出願人と一部同一出願人による特許出願の内容を示している。
【０００５】
同図６に示すように、レーザチャンバ１０内にはレーザガスが封入され主放電電極１４、１５が設けられている。主放電電極１４、１５間で放電が行われレーザガスが励起されるとレーザチャンバ１０内で光が発生し、この光は、ウィンドウ１１、１２を透過し、フロントミラー２０と狭帯域化部３０との間で共振、増幅される。光は狭帯域化部３０内のプリズム、グレーティング等の波長選択素子によって狭帯域化されてフロントミラー２０からレーザ光２１として出力される。
【０００６】
出力レーザ光２１の一部はビームスプリッタ４１で反射されて波長モニタとしてのモニターエタロン４３、回折格子型分光器４４へ入射される。波長モニタ４３、４４では出力レーザ光２１の発振中心波長λcrや発振スペクトル幅Δλが計測される。計測値は波長コントローラ４５へ送信される。
【０００７】
波長コントローラ４５は受信した前記計測値を目標発振波長λctと比較して、その差が許容範囲外であればドライバ４６を駆動して狭帯域化部３０のプリズム又はグレーティングを駆動して発振中心波長λcrを目標値λctへ近づけるよう制御する。
【０００８】
以上が従来の「発振波長の制御」の内容である。つぎに「発振スペクトル幅の制御」について説明する。
【０００９】
発振スペクトル幅Δλが拡がると波長収差の問題が顕在化して露光装置で製造される半導体の品質が悪化する。発振スペクトル幅Δλが拡がる要因としては、レーザガス全圧の変化、レーザガス中のハロゲンガス濃度の変化、放電幅の拡大などが挙げられる。
【００１０】
そこで従来より、これらの要因を考慮して発振スペクトルΔλの拡がりを防止する発明が特許出願され既に公知となっている。たとえば特願平４−３１２２０２号（出願公開済）には、レーザガス全圧やレーザガス中のハロゲンガスを調整してスペクトル幅の拡がりを防止する技術が開示されている。また特願平２−２１９６０２号、特願平２−２１９６０３号、特願平２−２１９６０４号には、電極を放電幅が変化し難いように構成して発振スペクトル幅の拡がりを防止する技術が開示されている。
【００１１】
以上が従来の「発振スペクトル幅の制御」の内容である。
【００１２】
つぎに２）の「出力レーザ光のエネルギーの制御」について説明する。
【００１３】
出力レーザ光のエネルギーの長期的制御は、一般的にレーザガスの組成（特にハロゲンガス濃度）やレーザガス全圧を調整することにより行われる。
【００１４】
この制御の内容を具体的に説明する。パルス発振するエキシマレーザの各パルス出力エネルギーＥを、ほぼ一定に維持する短期的制御は図６の主放電電極１４、１５間に印加する電圧値ＨＶの増減により行う。
【００１５】
例えば、ｉ番目のパルス出力エネルギーＥｉが目標値より大きい場合には、ｉ+１番目のパルス発振のための前記電極間の印加電圧値ＨＶｉ+１を、ｉ番目のパルス発振時の印加電圧値ＨＶｉよりも低い電圧値に設定して制御を行う。
【００１６】
また、長期的にパルス発振を繰り返すと、主放電電極１４、１５の材料である金属（例えばＣｕ）とレーザガス中のハロゲンガスとが化学反応してハロゲンガスのみが減少してゆく。
【００１７】
レーザガス中のハロゲンガスが減少した場合は、前記電極間の印加電圧値ＨＶの調整ではレーザ出力特性変動を補正しきれない場合があるため、レーザガス内へハロゲンガスを補給する或いはレーザガス全圧を上げる等のガス制御が必要になる。この制御に関しては図４を用いて説明する。
【００１８】
図４は、レーザガス中に含まれるフッ素ガス（Ｆ2）の濃度Ｒと出力レーザ光のエネルギーＥとの関係を示している。同図４に示すように、フッ素ガス濃度Ｒを大きくしていくと出力レーザ光のエネルギーＥは大きくなるが、フッ素ガス濃度Ｒがある濃度に達すると逆にエネルギーＥが減少に転ずるという特性がある。同図４に実線矢印Ｄで示す範囲がフッ素ガス濃度Ｒを調整して出力レーザ光エネルギーＥを制御する範囲である。
【００１９】
図５は、レーザガス全圧ＰＴと出力レーザ光のエネルギーＥとの関係を示している。同図５に示すように、レーザガス全圧ＰＴと出力レーザ光のエネルギーＥとは正の相関を有することがわかる。ただしウインドウ１１、１２の耐圧限界があるのでレーザガス全圧も装置としての限界がある。同図５に実線矢印Ｇで示す範囲がレーザガス全圧ＰＴを調整して出力レーザ光のエネルギーＥを制御する範囲である。
【００２０】
以上が従来の「出力レーザ光のエネルギーの制御」の内容である。
【００２１】
上記「発振波長の制御」に使用されるドライバとしてはＰＺＴ（ピエゾ）素子、パルスモータなどがある。
【００２２】
ＰＺＴ素子は、ステッパモータなどのパルスモータに比べて高速で高精度な制御が可能である。このためＰＺＴ素子を用いてプリズムなどの波長選択素子を駆動制御すると発振波長の安定性が格段に向上する。
【００２３】
しかしＰＺＴ素子はステッパモータなどのパルスモータと比較して制御可能なダイナミックレンジが狭いという欠点を有している。
【００２４】
（ａ） このためＰＺＴ素子の高速高精度な制御性をいかしつつダイナミックレンジが狭いという欠点を補完することが望まれる。
【００２５】
（ｂ） しかも発振波長が突然に大きく変化した場合などにはＰＺＴ素子による高速、高精度な波長制御で確実に対処することが望まれる。
【００２６】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、ＰＺＴ素子によって波長選択素子を駆動するに際して上記（ａ）、（ｂ）の要望を満たすようにすることを、解決課題とするものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
そこで本発明は、解決課題を達成するために、
レーザガス中にフッ素ガスを含む半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置において、
パルスモータとＰＺＴ素子により駆動される波長選択素子と、
ＰＺＴ素子に駆動電圧を与えることにより波長選択素子を駆動して発振中心波長を制御する波長制御手段と、
ＰＺＴ素子に与えられる駆動電圧が限界値に達した場合に、ＰＺＴ素子がそれまでに駆動した量だけパルスモータを駆動してＰＺＴ素子の駆動量をパルスモータに保持させるようパルスモータに駆動指令を与えるとともに、ＰＺＴ素子の駆動電圧を初期値に戻す置き換え制御手段とを備え、更に、
両主放電電極の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されていること
を特徴とする。
【００２８】
本発明によれば図１に示すように、ＰＺＴ素子１４１によって波長選択素子（プリズム１３２）を駆動制御することにしている。
【００２９】
図７に示すようにＰＺＴ素子１４１に与えられる駆動電圧Ｖが初期値Ｖ0から限界値Ｖ1（下限値）に達した場合には（図７（ｄ）の時刻ｔ11）、置き換え時間（ｔ11〜ｔ12）内に、ＰＺＴ素子１４１がそれまでに駆動した量だけステッパモータ１４０を駆動して、ＰＺＴ素子駆動量をステッパモータ１４０で保持するとともに（図７（ｅ）の時刻ｔ12）、ステッパモータ１４０を駆動している間にＰＺＴ素子１４１の駆動電圧Ｖを初期の電圧値Ｖ0に戻す（図７（ｄ）の時刻ｔ12）という置き換え制御を行う。これによりＰＺＴ素子１４１の高速高精度な制御性をいかしつつダイナミックレンジが狭いという欠点を、ステッパモータ１４０の駆動によってＰＺＴ素子駆動量を保持するという制御で補完するようにしている。
【００３０】
以上の説明ではＰＺＴ素子の駆動電圧を低下させて制御を行う例を示したが、発振波長が長波長側又は短波長側のいずれかの変化する方向に応じてプリズム１３２の回転方向を変える必要がある。したがって、前記プリズム１３２の回転方向に応じてＰＺＴ素子の駆動電圧を低下又は上昇させて制御を行う。前記駆動電圧を上昇させて制御を行う場合は、前記駆動電圧Ｖが上限値に達した場合にステッパモータ１４０によってＰＺＴ素子駆動量を保持し、ＰＺＴ素子駆動電圧を初期の電圧値Ｖ0へ戻す。
【００３１】
これにより上記要望（ａ）に応えることができる。
【００３２】
本発明では、両主放電電極１４、１５の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されている。
【００３３】
コーティング処理が施されている電極（以下、「コーティング電極」という）は、フッ素ガスＦ2の消費量が少ないためフッ素ガス濃度の制御やレーザガス全圧の制御を行う機会が減る。またフッ素ガス濃度の可変範囲やレーザガス全圧の可変範囲を狭くすることができる。このため図７（ａ）に示す発振中心波長λcrの変化特性Ｉの傾きは、特性Ｉ′に示すように緩やかになる。
【００３４】
これに伴いＰＺＴ素子１４１に与える駆動電圧Ｖの変化特性Ｋの傾きは、図７（ｄ）に特性Ｋ′に示すように緩やかになる。これにより上記置き換え制御を行う機会が少なくなるとともに全体として置き換え時間も短くなる。
【００３５】
置き換え制御を行う機会が少なくなり置き換え時間の合計が短くなるということは、ＰＺＴ素子１４１を用いて高速で高精度な発振波長の制御が実行されている時間が長くなることを意味する。
【００３６】
たとえば発振波長が突然大きく変化した場合を想定する。
【００３７】
置き換え制御が頻繁に行われ全体の置き換え時間が長い場合には、発振波長が突然大きく変化したときに置き換え制御実行中と重なってしまうことが多く、ＰＺＴ素子１４１による高速高精度な波長制御（置き換え制御実行中以外の時間に行われる制御）によって発振波長を目標波長に戻すことができなくなるおそれがある。
【００３８】
しかし本発明によれば置き換え制御が行われる機会が少なくなり全体の置き換え時間が短くなるので、発振波長が突然大きく変化したときに置き換え制御と重なることが少なくなり、ＰＺＴ素子１４１による高速高精度な波長制御によって発振波長を目標波長に迅速に戻すことができるようになる。
【００３９】
これにより上記要望（ｂ）に応えることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００４１】
図１は実施形態の半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置の構成を示している。
【００４２】
図１の構成は、図６で説明した従来の装置構成の構成要素と一部一致しており同様の機能のものには同一符号を付している。
【００４３】
すなわちレーザチャンバ１０内にはレーザガスが封入されている。レーザチャンバ１０は金属製であり、ＫrFエキシマレーザであればフッ素ガスF2，希ガスとしてのクリプトンKr，バッファガスとしてのネオンNeを混合したレーザガスが封入されている。またArFエキシマレーザであればフッ素ガスF２，希ガスとしてのアルゴンAr，バッファガスとしてのNeを混合したレーザガスが封入されている。
【００４４】
レーザチャンバ１０には、レーザチャンバ１０内で発生する光を外部へ取り出すためのウィンドウ１１、１２が設けられている。これらウィンドウ１１、１２は紫外線を透過させることができ、レーザガス組成にフッ素ガスＦ2を含むことから、フッ素ガスＦ2に耐性のある材質、たとえばフッ化カルシウムで構成されている。
【００４５】
レーザチャンバ１０内には、放電によってレーザガスを励起させるべく一対の主放電電極１４、１５が設けられている。これら主放電電極１４、１５には電源装置２３から高圧の電圧ＨＶが印加され主放電電極１４、１５間で放電が行われる。
【００４６】
図中、主放電電極１４、１５は、紙面と平行に設けられている。主放電電極１４、１５はそれぞれ紙面手前と紙面奥側に設置されているので、紙面奥側の電極は紙面手前側の電極の陰に隠れて図示されていない。
【００４７】
狭帯域化モジュール１３０は、図６の狭帯域化部３０とドライバ４６に相当するものであり、筐体１３１の内部に複数のビームエキスパンダプリズム１３２と波長選択グレーティング１３３とドライバとしてステッパモータ１４０、ＰＺＴ（ピエゾ）素子１４１、回転ステージ１３が設けられている。複数のプリズム１３２のうち所定のプリズム１３２は回転ステージ１３上に固定されている。回転ステージ１３は、図中紙面に直行する軸を中心に回転が可能な状態に配置されているものとする。回転ステージ１３の回転駆動力は、ステッパモータ１４０の駆動と、このステッパモータ１４０の駆動シャフト先端に取り付けられたＰＺＴ素子１４１の伸縮駆動によって与えられる。
【００４８】
主放電電極１４、１５間で放電が行われレーザガスが励起されるとレーザチャンバ１０内で光が発生する。この光は狭帯域化モジュール１３０内のプリズム１３２、グレーティング１３３という波長選択素子によって狭帯域化される。
【００４９】
すなわちレーザチャンバ１０内で発生しウインドウ１２を透過した光ビーム１２０は、筐体１３１の内部へ入射する。そして、光ビーム１２０はプリズム１３２で光ビーム幅が拡大されて、グレーティング１３３の溝形成面へ入射する。
【００５０】
なお本実施例の主放電電極１４、１５とプリズム１３２及びグレーティング１３３の配置関係について説明すると、主放電電極１４から主放電電極１５へ向かう放電方向とプリズム１３２による光ビーム幅拡大方向とは直行し、かつ放電方向とグレーティング１３３の溝形成方向とは平行になるように、各部品が配置されているものとする。
【００５１】
筐体１３１には筐体１３１の内部ヘパージガスを導入する孔１３５が設けられている。孔１３５からは、清浄な窒素ガス等の不活性ガス１４５がパージガスとして筐体１３１の内部へ連続的に導入される。導入された不活性ガス１４５によって筐体１３１内部の不純物が外部ヘ排出される。
【００５２】
レーザチャンバ１０内で発生した光は、ウィンドウ１１、１２を透過し、半透過型のフロントミラー２０と狭帯域化モジュール１３０との間で共振、増幅される。レーザチャンバ１０内で発生した光はフロントミラー２０とグレーティング１３３との間を往復しながら主放電電極１４、１５間のゲイン領域で増幅されつつ狭帯域化されて、フロントミラー２０から出力レーザ光２１として出射される。
【００５３】
出力レーザ光２１の一部はビームスプリッタ４１で反射される。反射したレーザ光２１は、波長モニタ３７およびエネルギーモニタ３８へ入射される。
【００５４】
エネルギーモニタ３８では、各パルス毎に出力レーザ光２１のエネルギーＥが計測される。計測された出力レーザ光２１のエネルギーＥはレーザコントローラ２９に送信される。レーザコントローラ２９では、計測した実際の出力レーザ光２１のエネルギーＥと目標出力レーザ光のエネルギーＥＰＴとを比較する処理が実行される。この比較の結果、出力レーザ光２１の実際のエネルギーＥが目標値ＥＰＴに対して過剰又は過少であれば、レーザコントローラ２９は、過剰又は過小分を補正するための電圧指令を電源装置２３に送信する。これにより電源装置２３は、出力レーザ光２１のエネルギーＥを目標値ＥＰＴにするために電極印加電圧ＨＶを主放電電極１４、１５に印加する。これにより出力レーザ光２１のエネルギーＥが補正されて目標値ＥＰＴに一致させることができる。
【００５５】
同様に、波長モニタ３７では、各パルス毎に出力レーザ光２１の発振中心波長λcrおよびスペクトル幅Δλが計測される。計測された発振中心波長λcrおよびスペクトル幅Δλはレーザコントローラ２９に送信される。レーザコントローラ２９では、計測した実際の発振中心波長λcrと目標発振波長λctとを比較するともに、実際のスペクトル幅Δλと目標スペクトル幅Δλtとを比較する処理が実行される。
【００５６】
この比較の結果、実際の発振中心波長λcrと目標発振波長λctとの差が許容範囲外である場合には、目標値λct、Δλtに一致させるために駆動指令をドライバとしてのステッパモータ１４０、ＰＺＴ素子１４１に出力する。これにより回転ステージ１３が回転し、この回転に応じてプリズム１３２の姿勢が変化し、実際の発振中心波長λcrが目標値λctに一致する。
【００５７】
ステッパモータ１４０に駆動指令が与えられると、この駆動指令に応じた回転位置にステッパモータ１４０が回転し、このステッパモータ１４０の回転位置に応じた回転角まで回転ステージ１３が回転する。そして回転ステージ１３の回転位置に応じた姿勢にプリズム１３２が位置決めされる。同様にＰＺＴ素子１４１に駆動指令が与えられると、この駆動指令に応じてＰＺＴ素子１４１が伸縮し、このＰＺＴ素子１４１の伸縮位置に応じた回転角まで回転ステージ１３が回転する。そして回転ステージ１３の回転位置に応じた姿勢にプリズム１３２が位置決めされる。
【００５８】
プリズム１３２が回転しその姿勢が変化すると、グレーティング１３３への光ビーム１２０の入射角度Φが変化する。これにより光ビーム１２０の選択波長を変えることができ、出力レーザ光２１の実際の発振中心波長λcrを目標発振波長λctに一致させることができる。
【００５９】
本実施形態では、主放電電極１４、１５のうちアノード側の電極の放電面に、セラミックス材を含むコーティング材によってコーティング処理が施されている。
【００６０】
ここでコーティング電極をアノード側の電極としているのは、アノード側電極は摩耗が激しい電極であるという理由による。しかし本発明としてはアノード側電極に限ることなく、アノード側電極およびカソード側電極の双方をコーティング電極として構成してもよい。また実施形態では放電面のみコーティング処理が施されているが、電極全体に渡りコーティング処理が施されてもよい。また実施形態では、コーティング材としてセラミックス材を含むようにしているが、後述のコーティング電極の特性（１）〜（６）のうち少なくともいずれか１つの有用な効果が得られるコーティング材であればよい。
【００６１】
なお、セラミックス材としては耐ハロゲンガスという観点で高純度アルミナセラミックスが望ましい。また、セラミックス材を含むコーティング材としてはセラミックス剤と金属との混合物が望ましい。混合する金属は導電性等の観点からＣｕ（銅）が望ましい。
【００６２】
つぎに以上の構成において、主放電電極１４、１５のうち少なくとも一方の電極の少なくともその放電面にコーティング処理が施されていることによる作用、効果について説明する。
【００６３】
・第１の実施形態
まず図１に示す半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置の主放電電極１４、１５のうち少なくとも一方の電極の少なくともその放電面にコーティング処理が施されている場合について説明する。コーティング電極それ自体は、つぎのような特性を備えている。
【００６４】
（１）電極印加電圧ＨＶを下げたとしてもノーコート電極（コーティング処理が施されていない主放電電極１４、１５）に比べてエネルギーのばらつきσＥの悪化が少ない。
【００６５】
（２）ノーコート電極に比べて電極削れ量が少ない。
【００６６】
（３）ノーコート電極に比べて電極削れ量が少ないのでフッ素ガス消費量も少ない。
【００６７】
（４）ノーコート電極に比べて電極削れ量が少ないのでレーザガス中に発生するダストも少ない。
【００６８】
（５）ノーコード電極に比べて出力（パワー）は出難い。
【００６９】
（６）電極印加電圧ＨＶを、ある電圧値以下に下げるとノーコート電極に比べ
てレーザ光エネルギーＥが大きくなる逆転現象を生ずる。
【００７０】
第１の実施形態によれば、両主放電電極１４、１５の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されているので、上記特性（５）に示すデメリットはあるものの上記特性（１）〜（６）に相当する有用な効果が得られる。
【００７１】
なお本第１の実施形態において、レーザ装置の運転は任意であり、後述する波長チャープが問題となるバーストモード運転（パルスレーザ光の発振休止とパルスレーザ光の連続発振を交互に繰返すバースト発振動作で行われる運転）で運転される場合に限定されるわけではない。
【００７２】
・第２の実施形態
つぎに、図１に示す半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置を、バーストモードつまりパルスレーザ光の発振休止とパルスレーザ光の連続発振を交互に繰返すバースト発振動作で運転する場合について説明する。
【００７３】
バーストモードで運転する場合には波長チャープが発生して発振波長が安定しなくなるという問題が発生する。
【００７４】
図２を用いて波長チャープについて説明する。図２の横軸は経過時間ｔを示し縦軸はパルスレーザ光の発振中心波長λcrを示している。
【００７５】
同図２にＭで示すように、波長チャープとは、パルスレーザ光の発振休止とパルスレーザ光の連続発振を交互に繰返すいわゆるバーストモードでの発振動作を行うときに、連続パルス発振初期における数〜数十パルスの発振中心波長λcrが目標発振波長λctからδλだけ外れるという現象である。
【００７６】
波長チャープ自体は電極印加電圧ＨＶを下げれば減少すると考えられている。しかし電極印加電圧ＨＶを下げると出力レーザ光２１のエネルギーのばらつきσＥが大きくなるという問題が発生する。
【００７７】
ここで主放電電極１４、１５をコーティング電極にすると、上記特性（１）が得られ、これによりエネルギーのばらつきσＥの悪化を最小にくいとめつつ波長チャープを抑制することができる。これについて図３を参照して説明する。
【００７８】
図３は、横軸に電極印加電圧ＨＶをとり縦軸に出力レーザ光エネルギーのばらつきσＥをとったグラフを示している。
【００７９】
ノーコート電極の場合、図３のＢに示すように、波長チャープを減少させるべく電極印加電圧ＨＶを低下させると、出力レーザ光のエネルギーのばらつきσＥが大きくなってしまう。これに対してコーティング電極の場合、図３のＡに示すように、波長チャープを減少させるべく電極印加電圧ＨＶを低下させると、出力レーザ光のエネルギーのばらつきσＥが大きくなる点ではノーコード電極の場合と同様の傾向を示すが、同じ電極印加電圧であればノーコート電極の場合よりもエネルギーのばらつきσＥの悪化は少ない。
【００８０】
電極印加電圧ＨＶが下がれば、パルスレーザ発振休止状態から連続パルス発振動作へ移った直後のレーザガスの急激な温度変化や放電による音響波のレベルが下がり波長チャープが減少する。
【００８１】
電極印加電圧ＨＶを下げるに伴い出力レーザ光のエネルギーのばらつきσＥが大きくなるものの、そのばらつきσＥの悪化は、ノーコート電極と比較して抑制される。このため半導体ウエハ上に照射する出力レーザ光のエネルギーを一定に維持でき均一な露光を維持することができる。
【００８２】
そこで本第２の実施形態では、バーストモードで運転が行われ波長チャープの発生が問題となる半導体露光光源用狭帯域発エキシマレーザ装置において、主放電電極１４、１５に印加する電圧ＨＶを、波長チャープが減少する程度まで低下させるとともに、両主放電電極１４、１５の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されている。これにより波長チャープが減少するとともに出力レーザ光のエネルギーのばらつきσＥが少なくなり、バーストモード運転時における発振波長が安定化するとともに露光を均一に行うことができるようになる。
【００８３】
・第３の実施形態
ところで上記第２の実施形態において、電極印加電圧ＨＶを下げれば、各パルス光のエネルギーＥのレベルも比例して低下してしまい露光に必要なレーザ光のエネルギーＥのレベルを確保することができなくなる。このためエネルギーＥのレベルが低下した分を補償する必要がある。
【００８４】
そこで本第３の実施形態では、第２の実施形態の構成に加えて、電極印加電圧ＨＶを低下させることに伴い露光に必要なレーザ光のエネルギーＥが低下した分を補償する補償手段を備えるようにしている。この補償手段は、レーザチャンバ１０のレーザガスの組成を調整する手段、たとえばフッ素ガスＦ2の濃度を調整する手段あるいはレーザガス全圧ＰＴを調整する手段で具現化することができる。
【００８５】
たとえばフッ素ガスＦ2の濃度を図４に示す制御範囲Ｃで調整することで、電極印加電圧ＨＶを低下させることに伴い露光に必要なレーザ光のエネルギーＥが低下した分を補償する。
【００８６】
またレーザガスの全圧ＰＴを図５に示す制御範囲Ｆで調整することで、電極印加電圧ＨＶを低下させることに伴い露光に必要なレーザ光のエネルギーＥが低下した分を補償する。
【００８７】
上記特性（６）で説明したように、コーティング電極は電極印加電圧ＨＶを、ある電圧値以下に下げるとノーコート電極に比べてレーザ光エネルギーＥが大きくなる逆転現象を生ずる特性を備えている。したがって、前記印加電圧ＨＶが前記逆転現象を生じさせる電圧値以下であればノーコート電極を用いるよりもレーザ光エネルギーＥの前記補償は容易となる。
【００８８】
・第４の実施形態
つぎにレーザガス中にフッ素ガスＦ2を含む半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置において、両主放電電極１４、１５の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されている実施形態について説明する。
【００８９】
ノーコート電極を用いて「出力レーザ光のエネルギーの制御」を行う場合、図４に説明したように実線矢印Ｄで示す制御範囲でフッ素ガス濃度Ｒを調整して出力レーザ光のエネルギーＥを制御していた。また図５で説明したように、実線矢印Ｇで示す制御範囲でレーザガス全圧ＰＴを調整して出力レーザ光のエネルギーＥを制御していた。
【００９０】
これに対してノーコート電極の代わりにコーティング電極を採用すると、電極印加電圧ＨＶが上記特性（６）で説明した前記逆転現象を生じさせる電圧値よりも大きい場合においては、ノーコート電極に比べて電極印加電圧ＨＶが同じ場合でも出力レーザ光２１のエネルギーＥのレベルは低下する。
【００９１】
また、波長チャープ抑制のために電極印加電圧ＨＶを低下させているので出力レーザ光２１のエネルギーＥは一層低下することになる。この問題の解決について説明する。
【００９２】
コーティング電極を採用して電極印加電圧値ＨＶを下げた場合には、図４の破線矢印Ｃに示すようにノーコート電極の場合の制御範囲Ｄのうちフッ素ガス濃度Ｒが高い領域内でフッ素ガス濃度Ｒを調整して出力レーザ光エネルギーＥを制御する。またコーティング電極を採用して電極印加電圧値ＨＶを下げた場合には、図５の破線矢印Ｆに示すようにノーコート電極の場合の制御範囲Ｇのうちレーザガス全圧ＰＴが高い領域内でレーザガス全圧ＰＴを調整して出力レーザ光のエネルギーＥを制御する。図４、図５ではフッ素ガス濃度Ｒ、レーザガス全圧ＰＴの上限を変更していないが、コーティング電極採用に伴い上限値を上昇させてもよい。
【００９３】
なお、電極印加電圧ＨＶが上記特性（６）で説明した前記逆転現象を生じさせる電圧値よりも小さい場合においては、コーティング電極はノーコート電極に比べてレーザ光エネルギーＥが大きくなるので、ノーコート電極を用いるよりも電極印加電圧ＨＶを低下させることに伴い露光に必要なレーザ光のエネルギーＥが低下した分を補償することは容易となる。
【００９４】
ここで上記特性（３）で説明したようにコーティング電極はフッ素ガス消費量が少ないという特性を備えているので、ノーコート電極に比べてフッ素ガス濃度Ｒの可変範囲またはガス全圧ＰＴの可変範囲を更に狭めることができる。
【００９５】
このように本第４の実施形態によれば、出力レーザ光のエネルギーＥを一定にするためのレーザガス組成（フッ素ガス濃度Ｒ）、レーザガス全圧ＰＴの調整範囲を、より狭めることができるようになり、出力レーザ光のエネルギーＥの制御を、より安定して、より精度よく行えることができるようになる。
【００９６】
なお本第４の実施形態において、レーザ装置の運転は任意であり、波長チャープが問題となるバーストモード運転（パルスレーザ光の発振休止とパルスレーザ光の連続発振を交互に繰返すバースト発振動作で行われる運転）で運転される場合に限定されるわけではない。
【００９７】
・第５の実施形態
ＰＺＴ素子１４１は、ステッパモータ１４０などのパルスモータに比べて高速で高精度な制御が可能である。このためＰＺＴ素子１４１を用いてプリズム１３２などの波長選択素子を駆動制御すると発振波長の安定性が格段に向上する。しかしＰＺＴ素子１４１はステッパモータ１４０などのパルスモータと比較して制御可能なダイナミックレンジが狭いという欠点を有している。
【００９８】
そこで本第５の実施形態では、基本的にはＰＺＴ素子１４１によってプリズム１３２を駆動制御することにし、ＰＺＴ素子１４１に与えられる駆動電圧Ｖが初期値Ｖ0から限界値Ｖ1（下限値）に達した場合には、ＰＺＴ素子１４１がそれまでに駆動した量だけステッパモータ１４０を駆動して、ＰＺＴ素子駆動量をステッパモータ１４０で保持するとともに、ステッパモータ１４０を駆動している間にＰＺＴ素子１４１の駆動電圧Ｖを初期の電圧値Ｖ0に戻すという置き換え制御を行い、ＰＺＴ素子１４１の高速高精度な制御性をいかしつつダイナミックレンジが狭いという欠点を、ステッパモータ１４０の駆動によってＰＺＴ素子駆動量を保持するという制御で補完するようにしている。
【００９９】
この制御内容について図７を参照して説明する。
【０１００】
図７（ａ）は、レーザコントローラ２９による波長制御を行わずに発振波長の変化を放置した場合に、初期値の発振中心波長をλ0として実際の発振中心波長λcrが変化する様子を特性Ｉで示している。また図７（ｂ）はレーザ発振のオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）の状態変化Ｈを示している。
【０１０１】
図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は本実施形態による置き換え制御を実行した場合を示している。
【０１０２】
図７（ｃ）は上記初期値λ0を目標値としたとき目標値λ0と実際の発振中心波長λcrとの差δλcoが変化する様子Ｊを示している。
【０１０３】
図７（ｄ）はＰＺＴ素子１４１に与えられる駆動電圧Ｖの変化Ｋを示している。ＰＺＴ素子１４１にはＶ0を初期値（電圧値０）として下限値をＶ1とする駆動電圧Ｖが与えられて駆動する。つまりＰＺＴ素子１４１の駆動量つまり伸縮範囲は、電圧値Ｖが変化する範囲Ｖ0〜Ｖ1によって規定される。
【０１０４】
図７（ｅ）はステッパモータ１４０に与えられる指令パルス数Ｐの変化Ｌを示している。ステッパモータ１４０にはＰ0を初期値（指令パルス数０）として下限を無限大とする指令パルス数Ｐが与えられて駆動する。
【０１０５】
図７（ａ）〜（ｅ）の横軸は時間軸ｔで共通である。
【０１０６】
いまレーザコントローラ２９で波長制御を行わなかった場合を想定する。この場合にはレーザ発振が時刻ｔ10でＯＮされてから（図７（ｂ）参照）、レーザ発振中心波長λcrが初期の目標値λ0から徐々に増大していく（図７（ａ）参照）。こうした波長変化の要因は、レーザガスや他の部分の温度変化、フッ素ガス濃度Ｒの変動、レーザガス全圧ＰＴの変動などが考えられる。レーザガスやレーザ装置の温度変化は、共振器長や波長選択素子の光学特性を変化させる可能性がある。またレーザガスの屈折率はレーザガスの種類や密度によって変化するので、フッ素ガス濃度Ｒの変化やレーザガス全圧ＰＴの変化により共振器の光学路長が変化して発振波長がずれてくる可能性がある。
【０１０７】
これに対してレーザコントローラ２９で波長制御を行ったものとする。この場合には、レーザ発振が時刻ｔ10でＯＮされてから（図７（ｂ）参照）、ＰＺＴ素子１４１に駆動電圧Ｖが与えられるとともに（図７（ｄ）参照）、ステッパモータ１４０にパルス数指令Ｐが与えられ（図７（ｅ）参照）、目標波長λ0と実際の発振中心波長λcrとの差である波長誤差δλcoがほぼ零になる（図７（ｃ）参照）。
【０１０８】
すなわち図７（ｄ）に示すように、図７（ａ）に示される時刻ｔ10〜時刻ｔ11における波長変動分を補償すべくＰＺＴ素子１４１に与えられる駆動電圧Ｖは同時刻ｔ10〜ｔ11の間において初期値Ｖ0から下限値Ｖ1まで変化する。この電圧変化に応じた駆動量だけＰＺＴ素子１４１は駆動する。しかしながらＰＺＴ素子１４１自体は、これ以上駆動することができないので、つぎの時刻ｔ11〜ｔ12の間に駆動電圧Ｖは初期値Ｖ0まで戻されて、ＰＺＴ素子１４１は初期の駆動位置に復帰する。一方ＰＺＴ素子１４１の駆動電圧Ｖを初期値Ｖ0に戻している間（時刻ｔ11〜ｔ12の間：以下「置き換え時間」という）に、ＰＺＴ素子１４１がそれまでに駆動した量（Ｖ1−Ｖ0相当分）だけステッパモータ１４０を駆動すべくパルス数指令Ｐ1が与えられる。これによりステッパモータ１４０は、ＰＺＴ素子１４１が時刻ｔ10〜ｔ11の間で駆動した駆動量だけ駆動され、ＰＺＴ素子１４１の駆動量を保持する。
【０１０９】
以下同様に、図７（ａ）に示される時刻ｔ11〜時刻ｔ13における波長変動分を補償すべく、時刻ｔ12〜時刻ｔ13間でＰＺＴ素子１４１が駆動して、ＰＺＴ素子１４１に与えられる駆動電圧Ｖが限界値Ｖ1（下限値）に達すると、つぎの置き換え時間（時刻ｔ13〜時刻ｔ14）内に、ＰＺＴ素子１４１がそれまでに駆動した量（２（Ｖ1−Ｖ0分））に相当するパルス数指令（Ｐ2）をステッパモータ１４０を与えてステッパモータ１４０を駆動して、ＰＺＴ素子１４１がこれまでに駆動した量を保持する（図７（ｅ）の時刻ｔ14参照）。これとともに同置き換え時間（時刻ｔ13〜時刻ｔ14）内にステッパモータ１４０が駆動されている間に、ＰＺＴ素子１４１の駆動電圧Ｖを初期の電圧値Ｖ0に戻す制御が行われる（図７（ｄ）の時刻ｔ13〜時刻ｔ14参照）。
【０１１０】
ここで本実施形態では、両主放電電極１４、１５の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されている。
【０１１１】
コーティング電極は上記特性（３）で説明したように、フッ素ガスＦ2の消費量が少ないためフッ素ガス濃度Ｒの制御やレーザガス全圧ＰＴの制御を行う機会が減る。このため、図７（ａ）に示す発振中心波長λcrの変化特性Ｉの傾きは、特性Ｉ′に示すように緩やかになる。また図４、図５で説明したようにフッ素ガス濃度Ｒの可変範囲やレーザガス全圧ＰＴの可変範囲を狭くすることができる。この可変範囲を狭くすることによっても図７（ａ）に示す発振中心波長λcrの変化特性Ｉの傾きは、特性Ｉ′に示すように緩やかになる。更にコーティング電極を採用して、且つフッ素ガス濃度Ｒの可変範囲やレーザガス全圧ＰＴの可変範囲を狭くすることによって図７（ａ）に示す発振中心波長λcrの変化特性Ｉの傾きは、一層緩やかになる。
【０１１２】
これに伴いＰＺＴ素子１４１に与える駆動電圧Ｖの変化特性Ｋの傾きは、図７（ｄ）に特性Ｋ′に示すように緩やかになる。これにより図７（ｅ）Ｌ’に示すように上記置き換え制御を行う機会が少なくなるとともに全体として置き換え時間も短くなる。
【０１１３】
置き換え制御を行う機会が少なくなり置き換え時間の合計が短くなるということは、ＰＺＴ素子１４１を用いて高速で高精度な発振波長の制御が実行されている時間が長くなることを意味する。
【０１１４】
たとえば発振波長が突然大きく変化した場合を想定する。
【０１１５】
置き換え制御が頻繁に行われ全体の置き換え時間が長い場合には、発振波長が突然大きく変化したときに置き換え制御実行中と重なってしまうことが多く、ＰＺＴ素子１４１による高速高精度な波長制御（置き換え制御実行中以外の時間に行われる制御）によって発振波長を目標波長に戻すことができなくなるおそれがある。
【０１１６】
しかし本実施形態によれば置き換え制御が行われる機会が少なくなり全体の置き換え時間が短くなるので、発振波長が突然大きく変化したときに置き換え制御と重なることが少なくなり、ＰＺＴ素子１４１による高速高精度な波長制御によって発振波長を目標波長に迅速に戻すことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本実施形態の半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は波長チャープを説明する図である。
【図３】図３は電極印加電圧と出力レーザ光エネルギーのばらつきとの関係を示す図である。
【図４】図４はフッ素ガス濃度と出力レーザ光エネルギーとの関係を示す図である。
【図５】図５はレーザガス全圧と出力レーザ光エネルギーとの関係を示す図である。
【図６】図６は狭帯域発振エキシマレーザ装置を例示する図である。
【図７】図７は本実施形態における波長制御を説明する図である。
【符号の説明】
１４、１５ 主放電電極
２９ レーザコントローラ
１３２ ビームエキスパンダプリズム（波長選択素子）
１４０ ステッパモータ
１４１ ＰＺＴ素子

Claims (1)

1. レーザガス中にフッ素ガスを含む半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置において、
   パルスモータとＰＺＴ素子により駆動される波長選択素子と、
   ＰＺＴ素子に駆動電圧を与えることにより波長選択素子を駆動して発振中心波長を制御する波長制御手段と、
   ＰＺＴ素子に与えられる駆動電圧が限界値に達した場合に、ＰＺＴ素子がそれまでに駆動した量だけパルスモータを駆動してＰＺＴ素子の駆動量をパルスモータに保持させるようパルスモータに駆動指令を与えるとともに、ＰＺＴ素子の駆動電圧を初期値に戻す置き換え制御手段とを備え、更に、
   両主放電電極の少なくとも一方の主放電電極の少なくともその放電面に、コーティング処理が施されていること
   を特徴とする半導体露光光源用狭帯域エキシマレーザ装置。

Images