JP4437006B2 - リソグラフィ処理のためのレーザスペクトルエンジニアリング - Google Patents

Description

本出願は、２００１年７月２７日出願の米国特許出願一連番号第０９／９１８，７７３号、２００１年５月１１日出願の米国特許出願一連番号第０９／８５４，０９７号、２０００年６月３０日出願の米国特許出願一連番号第０９／６０８，５４３号、２０００年２月９日出願の米国特許出願一連番号第０９／５０１，１６０号、現在は米国特許第６，０７８，５９９号である１９９７年７月２２日出願の米国特許出願一連番号第０８／８９８，６３０号の一部継続出願であった２０００年６月１９日出願の米国特許出願一連番号第０９／５９７，８１２号に対する優先権を主張する。本発明はレーザに関し、特に出力ビームの帯域幅を制御する技術に関する。

波長制御
レーザは、多くの用途に使用されている。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ及びＡｒＦエキシマレーザのようなレーザは、半導体ウェーハ製造工程においてフォトレジストを選択的に露光させるためのステッパ及びスキャナ機器で使用されている。このような製造工程において、ステッパ及びスキャナの光学器械は、レーザの特定の波長を対象にして設計される。レーザ波長は、経時的に変動する恐れがあり、従って、一般的に、フィードバックネットワークを使用してレーザの波長を検出し、必要に応じて波長を補正する。

レーザの波長を検出して調節するのに使用される１つの種類のフィードバックネットワークにおいて、エタロンは、レーザから放射された光の一部を受光する。エタロンは、レーザ光による弱め合う干渉及び強め合う干渉による明暗レベルの同心状の帯を有する干渉パターンを作る。同心状の帯は、中央の明るい部分を取り囲む。エタロンによって生成された光の輪の直径は、０．０１〜０．０３ｐｍ以内のようなレーザ波長を細かい程度まで判断するために使用される。光の輪の幅は、レーザ出力のスペクトル幅を判断するために使用される。通常、干渉パターンは、縞パターンという。また、回折格子分光計は、従来技術の装置において波長を比較的粗い程度で測定するのに使用される。縞パターン及び格子信号は、敏感な光検出器アレーによって光学的に検出することができる。従来技術による波長計の詳細な説明は、本明細書において引用により組み込まれる米国特許第５，９７８，３９４号において開示されている。

レーザの波長同調に関しては、様々な方法が公知である。一般的に、同調は、ラインナローイングモジュール又はラインナローイングパッケージ（ＬＮＰ）という素早く交換可能なモジュール装置において行われる。エキシマレーザのラインナローイング及び同調に使用される一般的な技術は、レーザビームの一部分がＬＮＰに入る際に通過する、放電チャンバの背部のウィンドウを設けることである。ビームの一部分は、ビーム拡大器において拡大されて回折格子に向けられ、回折格子は、レーザの自然な幅広いスペクトルの選択された狭い部分を反射させて放電チャンバに戻し、そこでその部分が増幅される。レーザは、一般的に、ビームが回折格子を照明する角度を変えることによって調節される。これは、回折格子の位置を調節するか、又は、ビーム経路におけるピボット回転ミラーでミラー調節をもたらすことによって行うことができる。回折格子の位置又はミラーの位置の調節は、レーザ波長調節機構と称する機構によって行うことができる。

従来技術では、一般的なフィードバックネットワークは、公称波長を所望の範囲に維持するように構成される。一般的な仕様では、この範囲は、「パルスウィンドウ」という一連のパルスの波長の平均に適用される時のＫｒＦレーザに対する例えば２４８，３２７．１ｐｍのような目標波長の±０．０５ｐｍなどの値に確立することができる。一般的なパルスウィンドウは、３０パルスと考えられる。別の一般的な仕様は、一連のパルス（３０個のパルスなど）に対する測定波長値の標準偏差である。この値は、波長シグマσといい、標準偏差の標準的な公式を使用して計算される。時には、仕様はまた、単に測定標準偏差の３倍である３σを用いることもある。一般的な３σ仕様は、０．１５ｐｍとすることができる。

２４８ｎｍ及び１９３ｎｍの波長における深紫外線での使用に関して許容される光学レンズ材料は、石英ガラスとフッ化カルシウムに限定されているが、これは、ＫｒＦ及びＡｒＦリソグラフィ用映写レンズが、波長変動変化に対してほとんど補正することができないことを意味している。いかなる光学材料もその屈折率は波長で変化するので色収差が現れ、従って、レンズの撮像特性も波長で変化する。

補正されていないレンズについての色収差の有害な影響は、非常に狭い範囲の波長を有する光源を使用することによって緩和することができる。深紫外線リソグラフィの場合、スペクトルラインナロードエキシマレーザがこの目的に供している。これまでは、レーザ仕様は、ＦＷＨＭ帯域幅が０．５ｐｍのような指定された値を下回る必要があったが、帯域幅に下限値はなかった。仕様はまた、９５％積分帯域幅に向けられる。典型的な９５％積分仕様は、１．２ｐｐｍを下回るであろう。しかし、近年、集積回路製造業者は、集積回路の品質が光学系の設計対象であった帯域幅よりもかなり狭い約０．３５ｐｍＦＷＨＭのような帯域幅の悪影響を受ける可能性があることを認めた。

「ＦＬＥＸ」（「焦点範囲強化照射」の略）というリソグラフィ技術では、異なる焦点設定値を有する同一フィールドの多重照射通過を利用することにより、焦点深度が改善されることがわかっている(シミュレーション及び実験を通じて）。また、この技術は、フォトレジストフィルムの物理的厚みが、増分的焦点設定値において多重通過で照射されることから、一般的にフォーカスドリリングという。フォトレジスト内の画像は、多重照射通過の合成により形成される。

ステップ及びスキャンの両方と、同じくステップ及び反復照射の実施によるこの「ＦＬＥＸ」法から幾つかの問題が生じている。多重通過照射は、付加的な重複（画像配置）誤差及び画像ボケをもたらす。これには、多重照射が多重撮像通過を必要とすることから、処理範囲、焦点反復性、及び、ウェーハ処理能力に関する更に別の意味合いがある。

米国特許出願一連番号第０９／９１８，７７３号 米国特許出願一連番号第０９／８５４，０９７号 米国特許出願一連番号第０９／６０８，５４３号 米国特許出願一連番号第０９／５０１，１６０号 米国特許第６，０７８，５９９号 米国特許出願一連番号第０８／８９８，６３０号 米国特許出願一連番号第０９／５９７，８１２号 米国特許第５，９７８，３９４号 米国特許第５，０２５，４５５号 米国特許第５，０２５，４４６号 米国特許第６，００５，８７９号

必要とされるのは、品質が向上した集積回路リソグラフィック照射を提供するより良い技術である。

本発明は、放電レーザの帯域幅制御のための本出願人がスペクトルエンジニアリングと称する集積回路リソグラフィ技術を提供する。好ましい方法においては、コンピュータモデルを使用してリソグラフィパラメータをモデリングし、所望のリソグラフィの結果を得るために必要とされる所望のレーザスペクトルを判断する。次に、高速応答同調機構を使用して、パルスバースト内のレーザパルスの中心波長を調節し、所望のレーザスペクトルを近似するパルスバーストに対する積分スペクトルを得る。レーザビーム帯域幅は、フォトレジストフィルムでのパターン解像度を改善させるために、少なくとも２つのスペクトルピークを有する効果的なビームスペクトルを生成するように制御される。ラインナローイング機器が設けられ、それは、少なくとも１つの圧電駆動装置と、約２．０ミリ秒よりも短い時間応答を有する高速帯域幅検出制御システムとを有する。好ましい実施形態においては、レーザの繰返し率と同位相の毎秒５００ディザーを上回るディザー率で波長同調ミラーがディザリングされる。１つの場合においては、圧電駆動装置は、方形波信号で駆動され、第２の場合においては、正弦波信号で駆動される。別の実施形態においては、一連のパルスに対して、２つのピークを有する所望の平均スペクトルを生成するために、最大変位がレーザパルスと一対一ベースで照合される。他の好ましい実施形態は、３つの別々のピークを有するスペクトルを生成する３つの別々の波長同調位置を利用する。

シミュレーション
波長及び帯域幅変化の影響のシミュレーションが本出願人ににより行われた。色補正のないレンズの場合の照射波長を変更する主な影響は、焦点面の位置の変化である。波長のかなり広い範囲に亘って、焦点のこの変化は、公称波長（照射スペクトルの中心波長）の変化についてはほぼ直線的である。レンズの波長応答は、レーザの中心波長を手で変更し、ステッパの撮像センサを使用して得られる焦点のずれをモニタすることにより実験的に判断することができる。図１Ａは、このような測定の例を示す。

波長の変化に伴う焦点の変化が与えられると、広帯域照射スペクトルの使用は、スペクトル内の各波長が、異なる最良の焦点を有する架空画像を生み出すことになることを意味する。全体架空画像は、照射スペクトル内の各波長の相対強度により重み付けされた各焦点位置での架空画像の合計になる。この技術は、多重焦点面照射に基づくものである。コンピュータプログラム「ＰＲＯＬＩＴＨ／２」（米国テキサス州オースチン所在のＫＬＡ・テンカーから販売）の最新バージョンには、この種の効果が組み込まれている。レーザスペクトルを表すために、様々な市販のレーザで測定された実際のレーザスペクトルがこの作業で使用された。図１Ｂは、ＫｒＦレーザスペクトルの３つの例を示す。

色収差が行われる場合のリソグラフィ工程に及ぼすレーザ帯域幅の影響を理解するために、本出願人は、１８０ｎｍ隔離ラインの架空画像の調査から開始した。図３は、特定の組の条件下で帯域幅の変化が架空画像に影響を与える様子を示す。（画像寸法は、通常、０．３画像強度値に対応すると仮定される。）これらのシミュレーションでは、ＮＡ＝０．６、σ＝０．７５、λ₀＝２４８．３２７１ｎｍという入力パラメータを使用した。ＦＷＨＭで０．５ｐｍ、１．２ｐｍ、及び２．１ｐｍの帯域幅を有するレーザスペクトル、及び単色光源をこのシミュレーション研究で使用し、色収差焦点応答０．２２５μｍ／ｐｍを仮定した。図３でわかるように、帯域幅の変化により、画像強度分布の顕著な変化が生じる。

大きさが異なる隔離ラインの限界寸法（ＣＤ）変動に及ぼすレーザ帯域幅の影響は、架空画像閾値モデルを使用して評価した。この研究において、σ＝０．７５、λ₀＝２４８．３２７１ｎｍ、３０％での架空画像閾値ＮＡ＝０．６、０．７、及び０．８というリソグラフィ入力パラメータ設定値を使用した。２４０ｎｍから１４０ｎｍの範囲の隔離ラインについてシミュレーションを行った。色収差応答は、０．２２５μｍ／ｐｍと仮定した。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示すように、帯域幅が変化すると（増加又は減少のいずれか）、結果的に、特に開口数値が高くなるほど集積回路ラインの限界寸法が大幅に変化する可能性がある。図４Ａから図４Ｃに示すように、帯域幅が最小（即ち、０．３５ｐｍ）であると、マスク寸法の関数としての限界寸法の変化は最も小さい。このデータから、リソグラフィシステムはできるだけ小さい帯域幅を対象として設計すべきであると結論づけられるかもしれない。その手法に関する問題は、現在の技術では、光源の耐用年数に亘って帯域幅を常に０．３５ｐｍに維持することは、非常に難しくかつ経費が掛かると思われることである。従って、通常の実施方法は、約０．５ｐｍのような、可能な最小帯域幅よりも多少大きい帯域幅において最良の性能が得られるようにリソグラフィシステムを設計することである。しかし、リソグラフィシステムが０．５ｐｍで最良の性能が得られるように設計された場合、０．３５ｐｍまで低くレーザ帯域幅が「改良」されたとしても、多くの場合、限界寸法の悪化及び集積回路の品質低下をもたらすことになる。

所望の波長をシミュレートするディザー同調ミラー
以下に詳細に説明する波長及び帯域幅モニタリング機器と波長同調機器とにより、レーザビームの帯域幅制御が可能になる。第１の実施形態において、同調ミラーは、狭すぎる帯域幅を所望の値を有する効果的な帯域幅に基本的に広げるために、所望の周波数及び振幅でディザリングされる。

この技術は、図５及び図６に示す波長計１０４による帯域幅のモニタリングを伴う。帯域幅が所望の帯域幅を下回る場合、パルスのウィンドウ上の平均積分スペクトルが、所望の波長を近似する帯域幅を有する一定のスペクトルをほぼシミュレートするように、波長制御機器を利用して図５に示すミラー１４に頻繁な間隔でディザリングし、パルス間でスペクトルの非常に僅かなズレを生じさせる。

例えば、スキャナ用光学機器が帯域幅０．４ｐｍで、フッ素濃度減少のために個々のパルスの帯域幅が０．３ｐｍである場合、約０．０５ｐｍの公称波長にプラスマイナスのズレを生み出すためにミラー１４をその公称位置の周りにディザリングし、それによって０．１ｐｍの実質的な増加により同じ公称波長を維持することができる。先に論じた種類の一般的な市販のエキシマレーザの場合、０．０５ｐｍの波長のズレを生み出すために、ミラー１４のピボット位置の約２ｎｍの変化が必要である。このミラー位置の変化は、アイテム８０として図５Ａに示す上述の圧電駆動装置により簡単に得られる。一般的に、集積回路製造においては、ウェーハ上の各スポットは、各ダイスポットがディザーの両側からパルスのほぼ等しい部分を受けるようにディザー率が十分であるべきために、通常約３０パルスから１５０パルスの範囲の多くのパルスで照射される。

すなわち、スポットを照射するパルスの数が３０パルスである場合、ディザー率は、パルス繰返し率の少なくとも約１／４とすべきである。従って、パルス繰返し率が２０００Ｈｚの場合、ディザー率は、好ましくは、少なくとも５００Ｈｚであろう。これは、先に言及した機器及びソフトウェアに関しては全く問題ではない。

スペクトルエンジニアリング
図２Ａは、約０．３５ｐｍのＦＷＨＭ帯域幅を有するラインナロードＫｒＦ光源を使用する最新の０．６ＮＡステッパ型リソグラフィに関する中心線波長による焦点変動を示す。また、図２Ａは、正規化された強度対中心線波長からの偏りとしてプロットされたレーザスペクトルのプロットを含む。このシステムの焦点対中心線波長の勾配は、−０．２３μｍ／ｐｍである。

本出願人は、リソグラフィック撮像の実質的な改良は、本出願人により開発されたスペクトルエンジニアリング技術を用いて行うことができることを示した。本出願人は、この技術を、「レーザスペクトル調節式照射による解像度強化」の頭文字を取って「ＲＥＬＡＸ」と称している。これらの技術において、ウェーハは、単一の照射期間中に２つ又はそれ以上の特定の狭帯域中心線波長で照射される。これにより、先に言及したディザー技術を凌ぐより良い結果が得られる。これらの結果は、本明細書の背景技術の節で論じた「ＦＬＥＸ」技術と似通っているが、本出願人の技術では、リソグラフィ機器の位置決めは１回しか行われないことから「ＦＬＥＸ」を凌ぐ大きな改良点となっている。従って、この機器の調節に付随する誤差が回避されている。

２重モード照射
本出願人が行ったシミュレーションの結果は、フォトレジストフィルム内の解像度を改善させるための２重モード照射スペクトルの使用に関する概念を証明するものである。この２重モードシミュレーション作業において、本出願人は、２００ｎｍ隔離、半濃密（１：２）、及び濃密（１：１）コンタクトホールパターンに対する処理パラメータをシミュレートした。バイナリ（ガラス上のクロム）レチクルパターン、及びＫｒＦ照射中心波長（λ₀＝２４８．３８５ｎｍ）での従来の照射（例えば、０．７の数値開口度ＮＡ及び０．７５シグマを有するステッパシステム）をこのシミュレーションでモデリングした。フォトレジストは、撮像パターンの得られた解像度強化を定量化するために、ＡＲ２底部反射防止被覆上のＵＶ６、５２００Ａ成型厚みとしてモデリングされた。シミュレーション入力として使用された２重モードスペクトルを図２Ｂに示す。この場合、スペクトルは、単一モード（公称）スペクトル（帯域幅：ＦＷＨＭ＝０．４５ｐｍ、Ｅ９５％＝１．８６ｐｍ）と、４ｐｍの波長オフセットを有するそのコピーとの加え合わせにより発生される。Ｓ（λ）が公称（０．４５ｐｍ／１．８６ｐｍＦＷＨＭ／Ｅ９５％）スペクトルのスペクトル密度関数を表す場合、２重ピーク「ＲＥＬＡＸ」スペクトル［Ｓ_RELAX（λ）］のスペクトル密度は、Ｓ_RELAX（λ）＝Ｓ（λ）＋Ｓ（λ＋４ｐｍ）と表すことができる。このようなスペクトル特性を実際に発生させるための技術については、次の節で論じる。このモデルで使用された縦方向焦点面対中心波長の勾配は、図２Ａに示す−０．２２５μｍ／ｐｍである。

２重ピーク「ＲＥＬＡＸ」技術のこのシミュレーションの結果は、図２Ｃにおいて、単色ビームとＦＷＨＭ帯域幅０．４５ｐｍ及び９５％積分帯域幅１．８６ｐｍを有する従来の単一ピークスペクトルとの類似のシミュレーションと比較されている。焦点及び線量に対する限界寸法応答は、（１）単色照射、（２）従来のレーザスペクトル、及び（３）図２Ｂに示すスペクトル（即ち、中心線が４．０ｐｍだけ分離された２つの０．４５ｐｍＦＷＨＭスペクトル帯域）を有する４ｐｍ２重モード「ＲＥＬＡＸ」照射という３つの照射スペクトル分布に対する１；１濃密コンタクトホールに関して呈示されている。

図２Ｄは、２００ｎｍの目標直径をホールの深さの関数として有するホールのレジスト形態幅のプロットを表す。数値は、単色の例では１７ｊ／ｃｍ²から２６Ｊ／ｃｍ²、「ＲＥＬＡＸ」の例では２５ｊ／ｃｍ²から３２Ｊ／ｃｍ²の範囲の幾つかの線量についてプロットされている。この縦軸は形態幅であり、横軸は標識を付けた焦点であるが、実際には、ゼロを中心線波長の焦点面として取ったミクロン単位の形態深さを表す。「理想的な」グラフは、照射線量による幅の重要でない変動はあるものの、少なくとも１．０ミクロンの深さに亘って２００ｎｍでは直線であろう。図１Ｄのプロットは、「ＲＥＬＡＸ」に関するシミュレーションでは、従来又は単色照射の例のいずれよりもはるかに「理想的な」グラフに近い一組のプロットが得られることを示している。

図２Ｄは、図２Ｃのプロットで使用されたのと同一のデータから作った別の組のグラフである。この場合、本出願人は、これらの各例のプロットを選択し、その照射に対して、目標幅２００ｎｍを有するホールの深さの関数として照射許容範囲（即ち、線量の割合は、限界寸法を目標値から１０％を超えて変動させることなく変えることができる）をプロットした。ここでもまた、これらの３つのグラフは、「ＲＥＬＡＸ」技術の使用から生じる性能の大幅な改善を示している。

「ＲＥＬＡＸ」手法により限界寸法を１０％以内に制御することができる深度の劇的な改善は明白である。焦点深度の改善は、濃密コンタクトの場合の単色照射及び従来の照射の結果と比較すると、５％の照射許容範囲レベルにおいて４倍を超える大きさである。２重モードスペクトルを使用すると、ある程度の照射許容範囲の損失が観察される。照射許容範囲のこの損失は、最良の焦点（即ち、０．０の焦点深度）近傍で最も顕著である。従来のスペクトルの例と比較して、従来の照射の例と比較した「ＲＥＬＡＸ」技術の場合の目標線量の若干の増加（約２５ｍＪ／ｃｍ²から約２９ｍＪ／ｃｍ²へ）に注意すべきである。

先に言及した他のパターン構成についてのシミュレーション結果が検査され、その結果、２ピーク「ＲＥＬＡＸ」技術により、検査した全ての例について単色照射及び従来のスペクトルの両方と比較してより良いパターン解像度が得られた。従って、フォーカスドリリングに対して「ＲＥＬＡＸ」を適用すると（４ｐｍモード分離を有する２重モードスペクトルを使用して）、処理ウィンドウ区域全体において劇的な改善が得られると結論づけられる。焦点深度改善と照射許容範囲の損失との間のトレードオフが実現されているが、焦点深度（ＤＯＦ）は、照射許容範囲の減少よりも大きな割合で増加する。線及び空間の他の多くの撮像用途と同様に、特にコンタクトホール撮像においては、ＤＯＦは、制限的処理性能因子である。隔離された線、及び線／空間パターンはまた、変更された照射スペクトルに対して処理ウィンドウの変化を示すことが予想される。

２つの中心線波長を使用する例
本出願人は、図２Ｅ及び図２Ｆに示すように、このスペクトルエンジニアリングに必要とされる波長制御の技術の実行可能性を実証した。図５Ａに示すＰＺＴ駆動装置８０は、各パルスを４．０ｐｍのプラス又はマイナスの段階で調節するために、１２０Ｈｚで作動するＫｒＦレーザの波長を制御するようにプログラムされた。図６に示す波長計フォトダイオードアレー１８０に記録された積算強度値は、図２Ｅにプロットされている。このプロットは、４．０ｐｍの中心線波長軸に対応するピクセル４５０及び６１８において鋭いピークを示している。

類似の結果を図２Ｆに示すが、ＰＺＴ駆動装置は、１２０Ｈｚのレーザパルス繰返し率の半分の周波数において波長を約２ｐｍだけ変化させるために正弦波で駆動される。

レーザスペクトルの最適化
スペクトルエンジニアリングの背景にある基本的な概念は、リソグラフィシミュレーションを用いて、所定のパラメータの最大限の改善をもたらすことになる最適スペクトル形状を判断することである。特定の例においては、リソグラフィシミュレーションは、図２Ｇ１、図２Ｇ２、及び図２Ｇ３に示す２つの２モード照射スペクトル及び３つの３モード照射スペクトルに対してもたらされる。これらの例において、最大化されるパラメータは、１５０ｎｍ濃密ラインに対する焦点深度である。図２Ｈ１から、２つの２重ピークスペクトル（３ｐｍ及び４ｐｍ分離）は、焦点ボケに対する感応度が最も低く、従って最大焦点深度を有することが分る。焦点深度は変化するので、スペクトルの変更（単色から３モード又は２モード照射スペクトルへの変更）は、ＤＯＦの大幅な（最大２ｘ）改善をもたらすように見える。このことだけから、３ｐｍ又は４ｐｍのいずれかの２重モード照射は、これらの形態の撮像に最適なようである。

照射許容範囲（ＥＬ）と焦点深度との間の妥協点を異なる照射スペクトル（図２Ｈ２に示す）の関数とみなした場合、最良の焦点において１２％を下回る照射許容範囲の低下を防止するために、１．５ｐｍオフセットの５０％重み付け３モード照射を用いることを選ぶことができる。３モードスペクトルは、依然として焦点深度のかなりの増加をもたらす。更に、３モードスペクトル（１．５ｐｍのピーク分離を有する）は、図２Ｈ３に示すように、単色の場合からのコントラスト損失の最小量をもたらす。

この１５０ｎｍ濃密ラインの例から、他のパラメータに対して最低のコストで撮像パラメータの部分集合の恩典を最大にするために、「ＲＥＬＡＸ」の実施には非常に入念なトレードオフの設計が必要であることが明らかである。従って、「ＲＥＬＡＸ」の適用は、単一パラメータが全体的な処理限界（処理許容範囲）を制限する場合に最も成功することになる。その場合、制限的処理パラメータは、製造可能性の全体的処理限界を改善させるために改善（緩和）することができる。総合的なリソグラフィ処理エンジニアリング及び最大の恩典のために、「ＲＥＬＡＸ」と共に光学近接補正（レチクル形態補正を用いるＯＰＣ−解像度強化技術）を用いることができる。

理論的な選択から連続して、「ＲＥＬＡＸ」スペクトル照射の同調は、リソグラフィシミュレーション及び反復最適化アルゴリズムを用いて行うことができる。また、シミュレーションによる予測は、実験的方法（実験計画法−ＤＯＥなど）を用いて確認及び微調整する必要がある。いずれの手法も、以前（０５／２５／０１開示のＩＶ−Ｂ節）に更に詳細に説明されている。図２Ｉは、Ｓ（λ）スペクトル最適化のみに関して、又は、「ＲＥＬＡＸ」を用いる総合的なリソグラフィ処理最適化（可変リソグラフィ入力）に関して、シミュレーション及び実験（ＤＯＥ）の融合を示している。

スペクトル修正に関する他の技術
レーザ供給源の照射スペクトルの同調可能性を達成するために、２つの手法が試験され、実証され、また、以前（０５／２５／０１開示のＶ節）に検討されている。他の概念もまた、１）複数のラインナローイングモジュール又はレーザチャンバの使用、２）単一ＬＮＭパッケージ内での複数の分散性回折格子要素の使用、及び、３）圧電起動及び他の手法を用いるＬＮＭ反射性格子面の変更に基づいて提案されている。これらの違いは、波長の使用という趣旨に沿ったものである。

高速制御アルゴリズムを有する超高速波長計
パルスエネルギ、波長、及び帯域幅の制御
従来技術による装置においては、パルスエネルギのフィードバック制御は、パルス間ベースであり、即ち、得られたデータがすぐ次のパルスのエネルギを制御するために制御アルゴリズムで使用することができるように、各パルスのパルスエネルギが十分迅速に測定された。１，０００Ｈｚシステムの場合、これは、測定と次のパルスの制御との所要時間が、１／１０００秒よりも短くなければならないことを意味する。４０００Ｈｚシステムの場合、その４倍の速さである必要がある。中心波長の制御と波長及び帯域幅測定とに対する技術は、「レーザビーム波長を制御するシステム及び方法」と題した米国特許第５，０２５，４５５号、及び、「エキシマレーザに対する波長及びシステム」と題した米国特許第５，９７８，３９４号で説明されている。これらの特許は、本明細書において引用により組み込まれる。

波長及び帯域幅は、パルス毎にパルス間ベースで測定されてきたが、一般的に、レーザのフィードバック制御は、中心波長を制御する従来技術の所要時間が数ミリ秒であるために約７ミリ秒掛かる。従って、より速い制御が必要である。

ビームパラメータの高速測定及び制御の好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態は、ＡｒＦレーザビームパラメータの超高速測定、及び、パルスエネルギ及び中心波長の超高速制御により４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚの範囲の作動が可能なエキシマレーザシステムである。このレーザのビームパラメータの測定及び制御について以下で説明する。

本実施形態で使用される波長計は、米国特許第５，９７８，３９４号で説明されているものと非常に類似のものであり、以下の説明の一部は、その特許から抜粋されている。

ビームパラメータの測定
図６は、好ましい波長計ユニット１０４、絶対波長基準較正ユニット１９０、及び波長計プロセッサ１９７の配置を示す。
これらのユニット内の光学機器は、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅を測定する。これらの測定は、パルスエネルギ及び波長を所望の限界値内に維持するために、フィードバック回路と共に使用される。この機器は、レーザシステム制御プロセッサからの指令で原子基準ソースを参照して自己較正する。図６に示すように、レーザ出力ビームは、出力ビーム３３としてビームエネルギの約９５．５％を通過し、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅測定のために約４．５％を反射する部分反射ミラー１７０と交差する。

パルスエネルギ
反射されたビームの約４％は、４，０００パルス／秒の繰返し数で発生する個々のパルスのエネルギを測定することができる超高速フォトダイオード６９を備えたエネルギ検出器１７２にミラー１７１によって反射される。典型的なＡｒＦエキシマレーザに対するパルスエネルギは、約５ｍＪであり、検出器６９の出力は、コンピュータコントローラに供給され、コンピュータコントローラは、レーザ充電電圧を調節する専用アルゴリズムを使用し、個々のパルスのエネルギとパルスのバーストの積算エネルギとの変動を制限するために、保存されたパルスエネルギデータに基づいてその後のパルスエネルギを正確に制御する。

線形フォトダイオードアレー
フォトダイオードアレー１８０は、図６Ａに示すように、１０２４個の個別のフォトダイオード集積回路、及び、付随するサンプル及びホールド読み出し回路を備えた集積回路チップである。フォトダイオードは、全長２５．６ｍｍ（約１インチ）となるように、２５マイクロメートルピッチで配置される。各フォトダイオードは、５００マイクロメートル長である。

このようなフォトダイオードアレーは、幾つかの供給元から販売されている。好ましい供給業者は、ハママツである。好ましい実施形態においては、１０２４ピクセルの走査を漏れなく４，０００Ｈｚ又はそれ以上の速度で読み取ることができるＦＩＦＯ方式で最大４×１０⁶ピクセル／秒までの速度で読み取ることができる「モデルＳ３９０３−１０２４Ｑ」を使用する。ＰＤＡは、２×１０⁶ピクセル／秒で作動するように設計されているが、本出願人は、はるかに高速、即ち、最大４×１０⁶ピクセル／秒で作動するようにオーバークロックすることができることを見出した。４，０００Ｈｚを上回るパルス繰返し数の場合、本出願人は、同じＰＤＡを使用することができるが、通常は、毎回の走査で読み取られるピクセル数がそのうちの一部（６０％など）だけである。

粗い波長測定
ミラー１７１を通るビームの約４％は、ミラー１７３により、スリット１７７を介してミラー１７４、ミラー１７５、及び再度ミラー１７４に、また、エシェル格子１７６に反射される。ビームは、４５８．４ｍｍの焦点距離を有するレンズ１７８によって平行化される。格子１７６から反射した光は、レンズ１７８を通して戻され、再びミラー１７４及び１７５、及び再度１７４から反射され、その後、ミラー１７９から反射されて、図６Ｂの上部に示すように、ピクセル６００からピクセル９５０の領域にある１０２４ピクセル線形フォトダイオードアレー１８０の左側上に集束される（ピクセル０から５９９は、精密波長測定及び帯域幅用に保留されている）。フォトダイオードアレー上でのビームの空間的位置は、出力ビームの相対的な公称波長のおおざっぱな目安である。例えば、図６Ｂに示すように、約１９３．３５０ｐｍの波長範囲の光であれば、ピクセル７５０及び隣接するピクセル上に集束されるであろう。

粗い波長の計算
波長計モジュール１２０の粗波長光学器械は、フォトダイオードアレー１８０の左側に約０．２５ｍｍ×３ｍｍの矩形の画像を生成する。１０個又は１１個のフォトダイオードに光が当った場合、受けた照明（図６Ｃに示すように）の強度に比例して信号が発生し、信号は、波長計コントローラ１９７内のプロセッサによって読み取られてデジタル化される。この情報及び補間アルゴリズムを使用して、コントローラ１９７は、画像の中心位置を算出する。

この位置（ピクセル単位で測定）は、２つの較正係数を用い、また、位置と波長の直線的な関係を仮定して粗波長値に変換される。これらの較正係数は、先に説明したような原子波長基準ソースを参照して判断される。例えば、画像位置と波長の関係は、以下のアルゴリズムになるであろう。
λ＝（２．３ｐｍ／ピクセル）Ｐ＋１９１，６２５ｐｍ
ここで、Ｐ＝粗い画像中心位置である。
代替的に、必要に応じて、「＋（ ）Ｐ²」のような２次項を追加することによって更なる精度を追加することができるであろう。

精密な波長測定
図６に示すミラー１７３を通るビームの約９５％は、ミラー１８２から反射されてレンズ１８３を通り、エタロンアセンブリ１８４に対する入力部の拡散器（好ましくは「改良エタロン」と題した以下の区域で説明する回折拡散器）上に至る。エタロン１８４を出るビームは、エタロンアセンブリ内の４５８．４ｍｍ焦点距離レンズによって集束され、図６に示す２つのミラーから反射した後に線形フォトダイオードアレー１８０の中央及び右側で干渉縞を生成する。

分光計は、実質的にリアルタイムで波長及び帯域幅を測定しなければならない。レーザ繰返し率は、４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚと考えられるので、経済的かつ小型の処理電子工学装置で所望の性能を達成するために、正確ではあるが計算の面では負荷が大きくないアルゴリズムを使用する必要がある。従って、計算アルゴリズムでは、浮動少数点演算に対して整数が使用されることが好ましく、数学的演算は、好ましくは、計算効率が高いものであるべきである（平方根、正弦、対数などは使用しない）。

ここで、この好ましい実施形態で使用される好ましいアルゴリズムの特定の詳細について説明する。図６Ｄは、線形フォトダイオードアレー１８０によって測定された一般的なエタロン縞信号を表す、図示の５つのピークを有する曲線である。中央のピークは、他のピークよりも高さとしては低い位置に描かれている。光の異なる波長がエタロンに入ると、中央のピークが上下することになり、ゼロになることもある。この特徴のために、中央のピークは、波長測定には不適切なものとなる。他のピークは、波長の変化に応答して移動し、中央のピークに向かうか又は離れていき、それで、これらのピーク位置を波長を判断するために使用することができ、一方、その幅によって、レーザの帯域幅が測定される。データウィンドウと各々記されている２つの領域を図６Ｄに示す。データウィンドウは、中央のピークに最も近い縞が一般的に分析に使用されるように位置する。しかし、波長が変化して縞を移動させ、中央のピークに接近し過ぎた時（歪及び結果的に起こる誤差の原因になる）、第１のピークはウィンドウの外側にあるが、中央のピークに２番目に接近しているピークはウィンドウの内側になり、ソフトウェアは、制御モジュール１９７のプロセッサに第２のピークを使用させる。逆に、波長がずれて現在のピークをデータウィンドウの外側に移動させ、中央のピークから離れてしまった時、ソフトウェアは、データウィンドウ内の内側の縞に飛ぶことになる。データウィンドウは、図６Ｂにも示されている。

最大４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚの範囲までの繰返し率で行われる各パルスの帯域幅超高速計算については、好ましい実施形態は、図１５で特定されるハードウェアを使用する。このハードウェアには、米国アリゾナ州フェニックス所在のモトローラによって供給される「モデルＭＰＣ８２３」であるマイクロプロセッサ４００、米国カリフォルニア州サンホセ所在のアルテラによって供給される「モデルＥＰ６０１６ＱＣ２４０」であるプログラム可能論理装置４０２、管理及びデータメモリバンク４０４、表形式のフォトダイオードアレーデータの一時記憶用専用超高速ＲＡＭ４０６、メモリバッファとして作動する第３の４Ｘ１０２４ピクセルＲＡＭメモリバンク４０８、及び、アナログ／デジタル変換器４１０が含まれる。

米国特許第５，０２５，４４６号及び米国特許第５，９７８，３９４号で説明されているように、従来技術による装置は、中心線波長及び帯域幅を判断するために、エタロン１８４及びフォトダイオード１８０によって生成された干渉縞を表す大量のＰＤＡデータピクセル輝度データを分析することが必要であった。これは、毎回の波長及び帯域幅の計算のためにエタロン縞を捜して記述するのに約４００個のピクセル輝度値を分析しなければならなかったために、コンピュータプロセッサを使用しても比較的時間の掛かる処理であった。本発明の好ましい実施形態は、波長情報を計算するプロセッサと並行して作動する重要な縞を見つけるためのプロセッサを設置することにより、この処理を大幅に高速化するものである。

基本的な技術は、ピクセルデータが生成される時に縞データ表をＰＤＡピクセルデータから連続的に生成するために、プログラム可能論理装置４０２を使用することである。また、論理装置４０２は、縞データの組のどれが当該の縞データを表すかを識別する。その後、中央波長及び帯域幅の計算が必要とされた時には、マイクロプロセッサは、単に、そのデータを識別された当該のピクセルから拾って中央波長及び帯域幅の必要とされる値を計算するだけである。この処理によって、マイクロプロセッサの計算時間が約１０倍ほど短縮される。

中心波長及び帯域幅を計算する処理の特定の段階は、以下の通りである。
１）ＰＤＡ１８０が２．５ＭＨｚで作動するようにクロック調節された状態で、ＰＤＡ１８０は、４，０００Ｈｚの走査速度で１ピクセルから６００ピクセルでデータを収集し、１００Ｈｚの速度で１ピクセルから１０２８ピクセルを読み取るようにプロセッサ４００によって指令される。

２）ＰＤＡ１８０によって生成されたアナログピクセル輝度データは、アナログ／デジタル変換器４１０によってアナログ輝度値からデジタル８ビット値（０から２５５）に変換され、デジタルデータは、フォトダイオードアレー１８０の各ピクセルにおける輝度を表す８ビット値としてＲＡＭバッファ４０８に一時的に記憶される。

３）プログラム可能論理装置４０２は、ほとんどリアルタイムでＲＡＭバッファ４０８を通って連続的に出てくるデータを分析して縞を捜し、全てのデータをＲＡＭメモリ４０６に記憶し、各パルスについて全ての縞を識別し、各パルスについて縞表を生成してＲＡＭ４０６に全ての表を記憶し、更なる分析のために、各パルスについて２つの縞からなる１つの最良の組を識別する。論理装置４０２によって使用される技術は、以下の通りである。

Ａ）ＰＬＤ４０２は、バッファ４０８を通って来る各ピクセル値を分析して、最小ピクセル輝度値を追跡しながら輝度閾値を超えているか判断する。閾値を超えていた場合、これは、縞ピークが来つつあることを示すものである。ＰＬＤは、閾値を超える第１のピクセルを「立上り」ピクセル数と特定し、「立上り」ピクセルより前のピクセルの最小ピクセル値を保存する。このピクセルの輝度値は、縞の「最小」として特定される。

Ｂ）ＰＬＤ４０２は、その後、後続のピクセル輝度をモニタして縞のピークを捜す。これは、輝度が閾値輝度を下回るまで最高輝度値を追跡することによりこれを行う。

Ｃ）閾値を下回る値を有するピクセルが見つかると、ＰＬＤは、それを立下りピクセル数と識別して最大値を保存する。その後、ＰＬＤは、立下りピクセル数から立上りピクセル数を引くことによって縞の「幅」を計算する。

Ｄ）立上りピクセル数、最大縞輝度、最小縞輝度、及び縞の幅という４つの値は、ＲＡＭメモリバンク４０６の縞区域の円形表に記憶される。大半のパルスは、２つのウィンドウに２つから５つの縞を生成するにすぎないが、各パルスについて最大１５個までの縞を表すデータを記憶することができる。

Ｅ）ＰＬＤ４０２はまた、各パルスについて、各パルスの「最良の」２つの縞を識別するようにプログラムされる。それは、完全に０から１９９のウィンドウ内で最終縞を、また、完全に４００から５９９のウィンドウ内で第１の縞を識別することによってこれを行う。

（１）ピクセルデータの収集、及び、（２）パルスに対する縞の円形表の形成に関して、パルス後に必要とされる全時間は、わずか約２００マイクロ秒である。時間節約に関するこの技術の主たる利点は、縞の検索が、縞データの読み取り、デジタル化、及び記憶が行われている時に行われるということである。特定のパルスについて２つの最良の縞が識別されると、マイクロプロセッサ４００は、ＲＡＭメモリバンク４０６から２つの縞の領域に生ピクセルデータを確保し、そのデータから帯域幅及び中心波長を計算する。計算は、以下の通りである。

エタロン縞の一般的な形状を図６Ｄに示す。ＰＬＤ４０２の先の作業に基づいて、約ピクセル１８０に最大値を有する縞、及び、約ピクセル４５０に最大値を有する縞が、マイクロプロセッサ４００に対して特定されることになる。これらの２つの最大値を取り囲むピクセルデータは、縞の形状及び位置を定義するためにマイクロプロセッサ４００によって分析される。これは、以下のように行われる。

すなわち、縞最大値から縞最小値を引き、その差を２で割ってその結果を縞最小値に加えることにより、最大値の半値を求める。２つの縞の各立上り及び各立下りに対して、２つのピクセルは、最大値の半値を上回る最も近い値、及び最大値の半値を下回る最も近い値を有する。次に、マイクロプロセッサは、各場合において２つのピクセル値間で外挿し、図６Ｄに示すように、１／３２ピクセルの正確さでＤ１及びＤ２という終点を形成する。これらの値から、円形縞の内径Ｄ１及び外径Ｄ２が判断される。

精密な波長計算
精密な波長計算は、粗波長測定値とＤ１及びＤ２の測定値とを使用して行われる。
波長の基本方程式は、以下の通りである。
λ＝（２^*ｎ^*ｄ／ｍ）ｃｏｓ（Ｒ／ｆ） （１）
ただし、
λは、ピコメートル単位の波長であり、
ｎは、エタロンの内部屈折率で約１．０００３であり、
ｄは、エタロン間隔で、ＫｒＦレーザの場合は約１５４２ｕｍ、ＡｒＦレーザの場合は約９３４μｍであって、±１ｕｍに制御され、
ｍは、次数であって縞ピークでの波長の整数、約１２４４０であり、
Ｒは、縞半径で、１ピクセルを２５ミクロンとすると、１３０から２８０ＰＤＡピクセルであり、
ｆは、レンズからＰＤＡ面までの焦点距離である。
ｃｏｓ項を展開して無視できるほど小さい高次の項を捨てると、以下を得る。
λ＝（２^*ｎ^*ｄ／ｍ）［１−（１／２）（Ｒ／ｆ）²］ （２）
直径Ｄ＝２^*Ｒを用いて方程式を書き直すと、
λ＝（２^*ｎ^*ｄ／ｍ）［１−（１／８）（Ｄ／ｆ）²］ （３）

波長計の主な仕事は、Ｄからλを計算することである。これには、ｆ、ｎ、ｄ、及びｍが分っていることが必要である。ｎ及びｄは、共にエタロン固有のものであることから、これを組み合わせてＮＤという単一の較正定数にしている。ｆは、純粋な比が得られるようにＤの単位に合わせたピクセルの単位を有するＦＤという別の較正定数とみなされる。整数次数ｍは、波長及びどの縞の対が選ばれたかに依存して変動する。ｍは、粗い縞波長値を使用して判断されるが、粗い縞波長値は、この目的には十分に正確なものである。

これらの方程式の幾つかの良い点は、全ての大きな数は、正の値であるということである。ＷＣＭのマイクロコントローラは、ほぼ３２ビットの正確さを維持してこれを計算することができる。括弧付きの項をＦＲＡＣと呼ぶことにする。
ＦＲＡＣ＝［１−（１／８）（Ｄ／ＦＤ）²］ （４）

内部的には、ＦＲＡＣは、基数点が最上位ビットの左にある符号なしの３２ビット値として表される。ＦＲＡＣは、常に１をほんのわずかだけ下回るので、そこで最大の精度が得られる。ＦＲＡＣは、｛５６０〜２６０｝ピクセルのＤ範囲については、［１−１２０Ｅ−６］から［１−２５Ｅ−６］の範囲である。

ＮＤ較正を入力すると、波長計は、フェムトメートル（ｆｍ）＝１０^-15メートル＝０．００１ｐｍという内部波長単位を有する２ＮＤ＝２^*ＮＤという内部符号なし６４ビット値を計算する。内部的には、波長λは、やはりｆｍ単位で精密な波長に対してＦＷＬと表される。これらの変数を用いて方程式を書き直すと以下を得る。
ＦＷＬ＝ＦＲＡＣ^*２ＮＤ／ｍ （５）

算術的にＦＲＡＣの基数点移動が処理され、ＦＷＬがｆｍを用いてもたらされる。方程式を移項し、やはりｆｍ単位のＣＷＬという既知の粗波長を代入することにより、ｍについて解くと以下を得る。
ｍ＝最も近い整数（ＦＲＡＣ^*２ＮＤ／ＣＷＬ） （６）

最も近い整数を取ることは、古い方法で粗波長に最も近い精密な波長に到達するまでＦＳＲを加算又は減算することと同等のことである。方程式（４）、次に方程式（６）、及びその後に方程式（５）を解くことによって波長を計算する。内径及び外径については、個別にＷＬを計算する。平均値がライン中心波長、また、その差がライン幅である。

帯域幅の計算
レーザの帯域幅は、（λ₂−λ₁）／２として計算される。真のレーザ帯域幅に追加されるエタロンピークの固有幅を説明するために、固定補正係数が適用される。数学的には、逆重畳アルゴリズムが、エタロン固有幅を測定された幅から除外する形式的な方法であるが、これは、あまりも計算負荷が大きいと考えられるので、固定補正Δλεを差し引くことになり、これは十分な精度をもたらす。従って、帯域幅は、以下のようになる。
Δλ＝（（Ｄ₂−Ｄ₁）／２）−Δλε
Δλεは、エタロン仕様及び真のレーザ帯域幅の両方に依然する。それは、一般的に、本明細書で説明する用途では、０．１〜１ｐｍの範囲内である。

改良エタロン
この実施形態は、改良エタロンを利用する。従来のエタロン装着法では、一般的に、光学要素を周囲構造体に取り付け、光学要素の位置を制限するが光学要素に掛かる力を最小限に抑えるためにエラストマーが使用される。このために一般的に使用される合成物は、室温加硫シリコーン（ＲＴＶ）である。しかし、これらのエラストマーから放出される様々な有機蒸気は、光学面上に堆積し、その結果、その性能が落ちる可能性がある。エタロン性能寿命を長引かせるために、いかなるエラストマー合成物も含まない密封筐体にエタロンを取り付けることが望ましい。

好ましい実施形態は、図６及び図６Ｅにおいて１８４で示す改良エタロンアセンブリを含む。図６Ｇに示す溶融シリカエタロン７９自体は、フランジ８１を有する上部プレート８０と、下部プレート８２とで構成され、上部プレート及び下部プレートは、共に高級な溶融シリカから成る。エタロンは、１．００３の屈折率及び２５に等しいか又はそれ以上のフィネスを有するガスで囲まれた時に、１９３．３５ｎｍで２０．００ｐｍの自由スペクトル範囲を有する縞を生成するように設計される。極めて低い熱膨張を有する３つの溶融シリカスペーサ８３は、これらのプレートを分離し、９３４マイクロメートル±１マイクロメートル厚である。これらは、光学器械製造技術において公知の技術を用いる光学接触により協働してエタロンを保持する。エタロンの内面の反射率は、各々、約８８％であり、外面は、反射防止コーティングされている。エタロンの透過率は、約５０％である。

エタロン７９は、重力と、始端部８５によって示された半径方向の位置にあるフランジ８１の下縁の下の図示していないが１２０°中心上に位置する３つのパッドに対してフランジを押し付ける３つの低力ばね８６とによってのみ、アルミニウムハウジング８４内で所定の位置に保持される。８７にあるフランジ８１の上縁に沿ったわずか０．００４インチのクリアランスによって、エタロンが確実にほぼ適正な位置のままとなる。この狭い公差による装着によって、衝撃又はインパルスが取り付け部を介してエタロンシステムに伝達された場合に、光学器械とハウジング接点との間の相対速度が、確実に最小限に保たれることになる。エタロンアセンブリ１８４の他の光学器械には、拡散器８８、ウィンドウ８９、及び焦点距離４５８．４ｍｍの集束レンズ９０が含まれる。

拡散器８８は、エタロンの適正な作動に必要とされる様々な入射角度を生み出すためにエタロンの上流側に一般的に使用される標準的な従来技術による拡散器とすることができる。従来技術による拡散器に関する問題は、拡散器を貫通する光の約９０％は有益な角度になっておらず、その結果、フォトダイオードアレー上に集束されないということである。しかし、この浪費された光は、光学系の温度上昇に付加的に寄与し、光学面の劣化に一因になる可能性がある。はるかに好ましい実施形態において、回折レンズアレーが拡散器８８として使用される。この種類の拡散器を用いて、光を十分に、但し約５°の角度内のみで散乱させるパターンが回折レンズアレーに生成される。その結果、エタロンに当たる光の約９０％が有益な角度で入射し、エタロンに入射する光のそれよりもはるかに大きな部分が最終的にフォトダイオードアレーによって検出される。その結果、エタロンに入射する光を大幅に低減させることができ、これによって、光学器械の寿命が大幅に延びる。本出願人は、入射光は、従来技術による値の５％又は１０％よりも少ない値まで低減させることができ、フォトダイオードアレー上も同等な光になると推定する。

回折拡散器を用いるより良い平行化
図６Ｈは、エタロンを貫通する光の強度をより一層低減させる好ましい実施形態の特徴を示す。この実施形態は、先に論じた実施形態と類似のものである。ミラー１８２からサンプルビーム１８２（約１５ｍｍ×３ｍｍ）は、集光レンズ４００を上方に通過し、次に、レンズ４０２によって再平行化される。ここで平行化されて寸法的に約５ｍｍ×１ｍｍに低減されたサンプルビームは、エタロンハウジングウィンドウ４０４を通過し、次に、この場合（ＡｒＦレーザに対して）、米国アラバマ州ハンツビル所在のメムズ・オプティカル・インコーポレーテッドによって供給される回折拡散要素である回折拡散要素４０６を通過する。回折拡散要素は、部品番号Ｄ０２３−１９３であり、任意の断面構成を有するいかなる到来平行化ビーム内の実質的に全ての１９３ｎｍの光を、２°の第１の方向で、また、第１の方向に垂直な４°の第２の方向で拡大するビームに変換する。次に、レンズ４１０は、拡大しているビームを図６に示すフォトダイオードアレー１８０を覆う矩形のパターン上に「集束させる」。フォトダイオードアレーの活性区域は、約０．５ｍｍ幅×２５．６ｍｍ長であり、レンズ４１０によって形成されたスポットパターンは、約１５ｍｍ×３０ｍｍである。回折拡散要素は、ビームの空間成分を十分に混合させるが、エタロンを貫通する光を実質的に低減させて効率的に利用することができるように、ビームエネルギの実質的に全てを２°及び４°の限界値内に維持する。エタロンを貫通するビームエネルギの更なる低減は、フォトダイオードアレーの短い寸法方向のスポットパターンを低減すれば実現できることが認識されるべきである。しかし、１５ｍｍよりも小さくなる低減ば、光学的位置合わせが更に難しいものになる。従って、設計担当者は、スポットパターンの大きさは、妥協点の問題であると考えるべきである。

約２４８．３２７ｎｍで作動するＫｒＦレーザ用に設計された別のシステムにおいては、波長の調節を伴う類似の設計が提供される。この実施形態において、レンズ４００は、約５０ｍｍの焦点距離を有する。（レンズは、メレス・グリオット・コーポレーションの部品番号ＯＩＬＱＰ００１である。）平行化レンズ４０２は、−２０ｍｍの焦点距離を有する（ＥＶＩ・レーザ・コーポレーションの部品番号ＰＬＣＣ−１０．０−ＵＶ）。回折拡散要素４０６は、メムズ・オプティカル・コーポレーションの部品番号ＤＯ２３−２４８である。この実施形態において、また、ＡｒＦに関する実施形態において、２つのレンズの間隔は、スペーサ４１６で適切に決めることができる。本出願人は、２０００Ｈｚで作動するレーザに関してエタロンを貫通するビームのエネルギは、約１０ｍｗであり、エタロンにおける重大な熱に関する問題を引き起すほどのものではないと推定する。

他の好ましい実施形態において、ビームは、レンズ４００及び４０２の間に集束させることができるであろう。適切なレンズは、この場合、公知の光学的技術を用いて選択されると考えられる。

パルスエネルギ及び波長のフィードバック制御
上述の通り、各パルスのパルスエネルギの測定結果に基づいて、その後のパルスのパルスエネルギは、本明細書において引用により組み込まれる、「エキシマレーザのパルスエネルギ制御」と題した米国特許第６，００５，８７９号で全て説明されているように、所望のパルスエネルギと、特定数のパルスの所望の総積算線量も維持するように制御される。

レーザの波長は、波長の測定値と、本明細書において引用により組み込まれる、「エキシマレーザに対する波長システム」と題した米国特許第５，９７８，３９４号で説明されている技術などの従来技術における公知の技術とを用いてフィードバック構成で制御することができる。本出願人は、近年、同調ミラーの超高速運動をもたらすために圧電ドライバを利用する波長同調用の種々の技術を開発した。これらの技術の一部は、本明細書において引用により組み込まれる、２０００年６月３０日出願の「レーザ用帯域幅制御技術」と題した米国特許出願一連番号第６０８，５４３号で説明されている。図８Ａ及び図８Ｂは、その出願から抜粋されたものであり、この技術の主要要素を示す。超高速ミラー調節には圧電スタックが使用され、より大きくよりゆっくりとした調節は、レバーアームを作動させる従来技術によるステッパモータによって行われる。この圧電スタックは、レバーアームの支点の位置を調節するものである。

組合せＰＺＴ／ステッパモータ駆動式同調ミラーを有する新しいＬＮＰ
圧電ドライブを使用した詳細設計
図８は、出力レーザビームの波長及びパルスエネルギを制御するために重要なレーザシステムの特徴を示すブロック図である。示されているのは、３点プリズムビーム拡大器と、同調ミラー１４と、回折格子とを含むラインナローイングモジュール１５Ｋである。波長計１０４は、出力ビーム波長をモニタし、以下に説明するステッパモータ及びＰＺＴスタックの作動によって同調ミラー１４の位置を制御するＬＮＰプロセッサ１０６にフィードバック信号を供給する。作動波長は、レーザコントローラ１０２によって選択することができる。また、パルスエネルギは、波長計１０４において測定され、波長計は、先に説明したフィードバック構成でパルスエネルギを制御するためにコントローラ１０２によって使用される信号を供給する。図８Ａは、ＰＺＴスタック８０、ステッパモータ８２、ミラー１４、及びミラーマウント８６を示すブロック図である。

図８Ｂ１は、本発明の好ましい実施形態の詳細な特徴を示す図である。ミラー１４の位置の大きな変化が、２６．５：１のレバーアーム８４を介してステッパモータによって生み出される。この場合、圧電ドライブ８０端部のダイヤモンドパッド４１は、レバーアーム８６の支点で球形工作ボールに接触するように設置されている。レバーアーム８４上部とミラーマウント８６との接触は、レバーアーム上の円筒形ドエルピン及び８５で示すミラーマウント上に取り付けられた４つの球形ボールベアリング（そのうちの２つのみを図示）でもたらされる。圧電ドライブ８０は、圧電マウント８０ＡでＬＮＰフレーム上に取り付けられ、ステッパモータは、ステッパモータマウント８２Ａでフレームに取り付けられている。ミラー１４は、３つのアルミニウム球体を使用する３点マウントでミラーマウント８６内に取り付けられており、そのうちの１つのみが図８Ｂ１に示されている。３つのばね１４Ａは、球体に対してミラーを保持する圧縮力を付加する。

図８Ｂ２は、図８Ｂ１に示すものとは若干異なる好ましい実施形態である。この実施形態は、圧電ドライブをＬＮＰ内の環境から隔離するためにベローズ８７を含む。この隔離によって、圧電要素の紫外線による損傷が防止され、圧電材料からの気体放出によって引き起こされる汚染の可能性が回避される。

試験結果
図８Ｃは、図８Ｂ２の実施形態が装備されたレーザからの実際の試験データを示す。グラフは、平均３０個のパルスウィンドウの目標波長からのずれをプロットしたものである。このずれは、約０．０５ｐｍから約０．００５ｐｍに低減される。

この実施形態は、先に説明したステッパモータ駆動システムと比較すると、大きなスピードアップであるが、パルス間の調節に対して十分な速さであるというわけではない。ミラー位置決めの以前の方法では、ミラー１４を移動させるのに約７ｍｓが必要であり、２０００Ｈｚでのパルス間の波長補正を問題外にする。この以前の技術においては、レバーアームは、ステッパ位置の動きと比較してミラーの動きを１：２６．５に低減させるためにピボット軸回りに回転していた。従来技術によるステッパは、１／２インチ（１２．７ｍｍ）の総移動量と６０００ステップとを有し、そのために、各ステップは、約２ミクロンの距離であった。１−２６．５の低減を用いると、１つのステップで、ミラーは約７５ｎｍ移動し、これによって、一般的にレーザ波長の波長が約０．１ｐｍ変化する。図１２Ａに示す速く作用する技術においては、圧電スタック８０が、レバーアームのピボット位置に追加されている。好ましい圧電スタックは、ドイツのワルドブロン所在のフィジク・インストルメンテ・ＧｍｂＨによって供給される「モデルＰ−８４０．１０」である。このスタックであれば、２０ボルトの駆動電圧の変化で約３．０ミクロンの直線的な調節を生み出すことになる。この範囲は、ステッパモータの約±２０ステップと同等である。

スタックは、１マイクロ秒未満以内で制御信号に応答し、システムは、４０００Ｈｚの周波数で、更新された信号に容易に応答することができる。好ましい実施形態において、４０００Ｈｚのパルス繰返し数での各パルスの制御は、十分な時間の波長計算を可能にするために、前のパルスではなく前のパルスの前のパルスに基づいている。しかし、この実施形態は、７ミリ秒の待ち時間を有する従来技術の設計に対して７倍の改善をもたらす。従って、はるかに速いフィードバック制御を行うことができる。１つの好ましいフィードバック制御アルゴリズムを図８Ｄに説明する。このアルゴリズムにおいて、波長は、各パルスについて測定され、最後の４つ及び最後の２つのパルスの平均波長が計算される。平均値のいずれかの目標波長からのずれが０．０２ｐｍよりも短い場合、調節は行われない。両方の平均値の目標からのずれが０．０２ｐｍを上回る場合、波長補正をもたらすために、圧電スタック８０によってミラーアセンブリに対して調節が行われる。２つの平均値のいずれが使用されるかは、最後の調節からどのくらいの時間が経過したかによって決まる。圧電スタックは、スタックがその範囲の３０％及び７０％に近づく時に（又は、より利用可能な範囲が得られるように、３０％及び７０％の範囲の値ではなく、４５％及び５５％を使用することができるであろう）、ステッパモータのステップを進めることによって制御範囲内に維持される。ステッパモータでは、１つの段階を完了するのに約７ｍｓが必要であることから、このアルゴリズムは、ステッパモータの１ステップ中に幾つかの圧電調節を行うことができる。

本発明の特定の実施形態を示して説明したが、本発明のより広い態様において、本発明から逸脱することなく種々の変更及び修正を為し得ることが当業者には明らかであろう。例えば、帯域幅が複数のプリズムでラインナローイングされ、ビームが同調ミラーにより反射される部分的ラインナロードレーザである。この技術は、同調ミラーのディザリングを伴うであろう。ピーク分離は、示された例とは異なることができる。しかし、通常は、ピークは、少なくとも０．５ｐｍオフセットされるであろう。リソグラフィにおいては、パルスのバーストは、通常、約２０から４００パルスを包含する。大半のリソグラフィユニットは、現在、１０００Ｈｚ又はそれ以上で作動する。これらのディザリング技術は、干渉性に関する問題を解消することを助けていることも認識すべきである。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に該当するような変更及び修正の全てをその範囲内に包含するものとする。

波長による最良の焦点の変動を示すグラフである。 一般的な狭帯域ガス放電レーザスペクトルを示す図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 本発明の好ましい実施形態の特徴を明らかにする図である。 帯域幅による架空画像強度の変動を示す図である。 帯域幅による限界寸法の変化の変動を示す図である。 帯域幅による限界寸法の変化の変動を示す図である。 帯域幅による限界寸法の変化の変動を示す図である。 狭帯域レーザシステムの図である。 同調機構の特徴を示す図である。 同調機構の特徴を示す図である。 波長計の図である。 波長及び帯域幅の計算方法を示す図である。 波長及び帯域幅の計算方法を示す図である。 波長及び帯域幅の計算方法を示す図である。 波長及び帯域幅の計算方法を示す図である。 好ましいエタロンの特徴及び詳細を示す図である。 好ましいエタロンの特徴及び詳細を示す図である。 好ましいエタロンの特徴及び詳細を示す図である。 好ましいエタロンの特徴及び詳細を示す図である。 好ましい波長制御システムで使用される電子機器及びプロセッサを示す図である。 ＰＺＴ駆動装置を有する波長制御システムの特徴を示す図である。 ＰＺＴ駆動装置を有する波長制御システムの特徴を示す図である。 ＰＺＴ駆動装置を有する波長制御システムの特徴を示す図である。 ＰＺＴ制御の効果を示す図である。 制御アルゴリズムを示す図である。 制御アルゴリズムを示す図である。

Claims (5)

1. 選択された数のパルスを含むパルスのバーストでレーザ出力光パルスを与えるガス放電レーザであって、ラインナローイングを実行するラインナローイングパッケージを有する高繰返し率短パルス短持続時間ガス放電レーザを利用して、リソグラフィ用の露光を行う方法であって、
   所望のレーザスペクトルを近似する、パルスバーストに対する積分スペクトルを得るために、該パルスバーストのレーザパルスの中心波長をパルスごとに調節する高速応答同調機構を前記ラインナローイングパッケージ内で利用する段階を含み、
   前記積分スペクトルは、第一及び第二のスペクトルピークを含み、さらに、
   前記高速応答同調機構は、波長１に対応する第一の位置と波長２（＝波長１＋２〜４ｐｍ）に対応する第二の位置の間の調節範囲内での調節を可能とし、前記第一のスペクトルピークと第二のスペクトルピークとの間に分離が含まれるよう調節することを特徴とする方法。
2. 選択された数のパルスを含むパルスのバーストでレーザ出力光パルスを与えるガス放電レーザであって、ラインナローイングを実行するラインナローイングパッケージを有する高繰返し率短パルス短持続時間ガス放電レーザを利用して、リソグラフィ用の露光を行う方法であって、
   所望のレーザスペクトルを近似する、パルスバーストに対する積分スペクトルを得るために、該パルスバーストのレーザパルスの中心波長をパルスごとに調節する高速応答同調機構であって、ビームが回折格子を照明する角度を変えることによって調節する高速応答同調機構を利用する段階を含み、
   前記積分スペクトルは、第一及び第二のスペクトルピークを含み、さらに、
   前記高速応答同調機構は、波長１に対応する第一の位置と波長２（＝波長１＋２〜４ｐｍ）に対応する第二の位置の間の調節範囲内での調節を可能とし、前記第一のスペクトルピークと第二のスペクトルピークとの間に分離が含まれるよう調節することを特徴とする方法。
3. 選択された数のパルスを含むパルスのバーストでレーザ出力光パルスを与えるガス放電レーザであって、ラインナローイングを実行するラインナローイングパッケージを有する高繰返し率短パルス短持続時間ガス放電レーザを利用して、リソグラフィ用の露光を行う方法であって、
   所望のスペクトルを得るために、パルスバーストのレーザパルスの中心波長をパルス毎に調節する高速応答同調機構であって、ビームが回折格子を照明する角度を変えることによって調節する高速応答同調機構を利用する段階を含み、
   前記所望のスペクトルは、第一及び第二のスペクトルピークを含み、さらに、
   前記高速応答同調機構は、波長１に対応する第一の位置と波長２（＝波長１＋２〜４ｐｍ）に対応する第二の位置の間の調節範囲内での調節を可能とし、前記第一のスペクトルピークと第二のスペクトルピークとの間に分離が含まれるよう調節することを特徴とする方法。
4. 選択された数のパルスを含むパルスのバーストでレーザ出力光パルスを与えるガス放電レーザであって、ラインナローイングを実行するラインナローイングパッケージを有する高繰返し率短パルス短持続時間ガス放電レーザを利用して、リソグラフィ用の露光を行う方法であって、
   所望の多重ピーク照射スペクトルを得るために、該パルスバーストのレーザパルスの中心波長をパルス毎に調節する高速応答同調機構であって、ビームが回折格子を照明する角度を変えることによって調節する高速応答同調機構を利用する段階を含み、
   前記所望の多重ピーク照射スペクトルは、第一及び第二のスペクトルピークを含み、さらに、
   前記高速応答同調機構は、波長１に対応する第一の位置と波長２（＝波長１＋２〜４ｐｍ）に対応する第二の位置の間の調節範囲内での調節を可能とし、前記第一のスペクトルピークと第二のスペクトルピークの間に分離が含まれるよう調節することを特徴とする方法。
5. 選択された数のパルスを含むパルスのバーストでレーザ出力光パルスを与えるガス放電レーザであって、ラインナローイングを実行するラインナローイングパッケージを有する高繰返し率短パルス短持続時間ガス放電レーザを利用して、リソグラフィ用の露光を行う方法であって、
   所望のスペクトルを得るために、該パルスバーストのレーザパルスの中心波長をパルス毎に調節する高速応答同調機構を前記ラインナローイングパッケージ内で利用する段階を含み、
   前記所望のスペクトルは、第一及び第二のピークを含み、さらに、
   前記高速応答同調機構は、波長１に対応する第一の位置と波長２（＝波長１＋２〜４ｐｍ）に対応する第二の位置の間の調節範囲内での調節を可能とし、前記第一のスペクトルピークと第二のスペクトルピークの間に分離が含まれるよう調節することを特徴とする方法。

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