JP5178047B2 - 露光用放電励起レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は露光用放電励起レーザ装置に関し、特に、レーザ光の低空間コヒーレンス化をはかり、露光装置のマスク及びウエハ上に発生するスペックル（干渉縞）を低減化することができる露光用放電励起レーザ装置に関するものである。

近年、半導体露光装置用光源としてはエキシマレーザが使用されている。特に、６０ｎｍ以下のテクノロジーノードにおいては、高出力（４０Ｗ以上）でかつ超狭帯域化（０．２ｐｍ以下）にされたＡｒＦレーザ光源が採用されている
露光装置用光源のＡｒＦレーザ光源の要求を以下に示す。
１．高ドーズ安定性の確保と高スループット化に伴いさらに高出力の９０Ｗ以上の出力が要求されている。かつ、レーザ光源の長寿命化が要求されている。
２．上記光源の要求を満たすために、ダブルチャンバ方式のＡｒＦレーザが実用化されている。ダブルチャンバ方式のレーザ装置の形態としては、アンプ側に共振器ミラーを設けないＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amprifier ）方式と共振器ミラーを設けるＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）方式とに大別される。
３．露光装置の照明光学装置により照明されたマスク上に干渉縞（スペックル）が発生し、露光斑を抑制するために、レーザ光源の低空間コヒーレンス化や露光装置の照明光学装置の工夫による干渉縞（スペックル）の低減が行われている。
そこで、（ｉ）ダブルチャンバ方式のレーザ光源の低空間コヒーレンス化と、（ｉｉ）露光装置の照明光学装置において、スペックルを消すための手法が提案されている。

特許文献１には、発振段レーザ（ＭＯ）からのシード光を、増幅段レーザ（ＰＯ）の低コヒーレンス共振器に注入するＭＯＰＯ方式のレーザ装置が提案されている。
低空間コヒーレンスのＭＯＰＯ方式を採用することにより、ＭＯＰＡ方式に比べて、ビーム品位をＭＯＰＡと同等に維持した状態で、高い増幅効率と長いパルス幅を実現している。
図１６は特許文献１に記載されるＭＯＰＯ方式の概略構成を示す図である。
発振段レーザ（ＭＯ）１００から放出されるレーザビームはシードレーザビームとして機能し、増幅段レーザ（ＰＯ）２００はそのシードレーザ光を増幅する機能を有する。
発振段レーザ（ＭＯ）１００、増幅段レーザ（ＰＯ）２００は各々レーザチャンバ１０１，２０１を有し、その内部にはレーザガスが満たされており、内部には対向し、かつ所定距離だけ離間した一対の電極（図示せず）が設置され、これらの一対の電極に高電圧パルスが印加されることにより放電が発生する。

発振段レーザ１００は拡大プリズム３０１とグレーティング（回折格子）３０２によって構成された狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３００を有し、この狭帯域化モジュール３００内の光学素子とフロントミラー１０２とでレーザ共振器を構成する。
発振段レーザ１００からのレーザビーム（シードレーザビーム）は反射ミラー等を含む変換光学系４００を介して増幅段レーザ（ＰＯ）２００に注入され、増幅されて出力される。
増幅段レーザ（ＰＯ）２００はリアミラー２１１、フロントミラー２１２からなる１組の光安定共振器が配置される。そして、注入されたシードレーザビームは同図の矢印のようにフロントミラー２１２、リアミラー２１１間で反射し、放電部を有効に通過してレーザビームが増幅されることによりパワーが増大して、フロントミラー２１２からレーザ光が出力される。
特許文献１に記載のものでは、発振段レーザ（ＭＯ）１００からのシード光を増幅段レーザ（ＰＯ）２００の安定共振器に注入するＭＯＰＯ方式が採用されており、低空間コヒーレンスのＭＯＰＯ方式を採用することにより、露光装置のマスク上での干渉縞（スペックル）の発生を抑制していた。

特許文献２には、露光装置の照明光学装置を工夫して、干渉縞（スペックル）の低減を図る技術が開示されている。すなわち、ステップアンドスキャンによる露光装置では、レーザビームには、空間コヒーレンスが高い方向があり、その方向に、マスクとウエハを移動させることにより、スペックルの影響を低減している。
図１７に上記照明光学装置の概略構成を示す。
図１７において、エキシマレーザ光源３００から射出されたレーザビームは、反射ミラー等からなる光学系３０１、フライアイレンズ３０２を経て、振動ミラー３０３に入射する。振動ミラー３０３は水平面上の所定の角度範囲内でレーザビームを走査する。
振動ミラー３０３で走査されたレーザビームは、光学系３０４を介してレチクルＲ上の短辺方向の幅がＤの長方形の照明領域３１０に照射される。その照明領域３１０内のパターン像が投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の長方形の露光領域３１１内に結像投影される。

照明領域３１０に対してレチクルＲを走査方向ＳＲに走査し、照明領域３１０と共役な露光領域３１１に対してウエハＷを走査方向ＳＷに走査し、レチクルＲのパターンを逐次ウエハＷ上に露光する。
以上のように、特許文献２に記載のものは、照明光学系中のフライアイレンズ（オプチカルインテグレータ）の手前に振動ミラーを配置し、オプティカルインテグレータに入射するレーザ光をその振動ミラーで走査することにより、マスク（レチクル）上に発生するスペックルパターンの位相を変えながら露光を行うことにより、スペックルによる露光斑を低減している。
国際公開第２００４／０９５６６１号パンフレット 特開平６−３４９７０１号公報

ところが、テクノロジーノードが４５ｎｍ以下の微細なパターンの露光では、上述した従来のダブルチャンバ方式のレーザ光源と露光装置の照明系によるスペックル低減方式を組合せたとしても、マスクパターン上の微細なスペックルノイズが消しきれていない。
このため、４５ｎｍ以下の微細なスペックルノイズが発生したマスク像を投影レンズでウエハ上に回路パターンを結像させることになり、４５ｎｍ以下のレジストパターンの形成に影響を及ぼしていた。
本発明は上述した事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、レーザ光の低空間コヒーレンス化をはかり、４５ｎｍ以下の微細なパターンの露光に際して、スペックルノイズの発生によるレジストパターン形成への悪影響を低減化することである。

本発明においては、増幅段レーザ（ＰＯ）の共振器に入射するレーザビームの方向を変動させる注入角変動手段を設け前記注入角度を変動させる。また、増幅段レーザ（ＰＯ）から出力されるレーザビームの方向を変動させる出射角変動手段を設け、前記出射角度を変動させる。さらに、コヒーレンスモニタにより最終出力ビームのコヒーレンスを検出して、所定のコヒーレンスとなるように、前記注入角度、出射角度を変動させるアクチュエータを制御する。
すなわち、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）レーザ光を出力するように構成された狭帯域発振段レーザと、レーザガスが封入されたチャンバと、該チャンバ内に設けられた一対の放電電極と、前記放電電極間の放電空間を挟むように配置された共振器とを含み、前記狭帯域発振段レーザからのレーザ光を前記共振器に注入し、前記放電電極に高電圧パルスを印加して放電させて、前記レーザ光を増幅するように構成された増幅段レーザと、前記狭帯域発振段レーザからのレーザ光を前記共振器に注入するように反射するミラーと、前記ミラーの傾きを変化させるように構成された注入角変動手段と、少なくとも前記狭帯域発振段レーザがレーザ光を出力している間、前記注入角変動手段を制御する制御手段とを設け、前記制御手段は、前記放電電極に高電圧パルスが印加されて前記放電電極間に放電が発生する毎に前記注入角変動手段を制御する。
（２）上記（１）において、前記増幅段レーザから出力されたレーザ光の空間コヒーレンスまたは空間コヒーレンスと相関するパラメータを計測するように構成された計測手段をさらに設け、前記制御手段は、前記計測手段の計測結果に基づいて前記注入角変動手段を制御する。
（３）上記（２）において、前記制御手段は、前記増幅段レーザから出力されたレーザ光の空間コヒーレンスが予め定められた上限及び下限の範囲内となるように、前記計測手段の計測結果に基づいて前記注入角変動手段を制御する。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記制御手段は、予め定められたプログラムに基づき前記注入角度が変動するように前記注入角変動手段を制御する。
（５）上記（２）または（３）において、前記計測手段は、ビームダイバージェンスを計測する装置とする。
（６）上記（２）または（３）において、前記計測手段は、ヤングの干渉計またはシェアリング干渉計とする。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）注入角変動手段を設け、ＭＯレーザ光が上記増幅段レーザ（ＰＯ）に注入される注入角度を、ＭＯレーザ光のパルス発振毎に変化させるようにしたので、増幅段レーザ（ＰＯ）への注入されるビームの方向をずらすことができ、これにより、増幅段レーザ（ＰＯ）へ注入される光の空間コヒーレンスを低下させることができる。
（２）増幅段レーザ（ＰＯ）から出力されるレーザビームの方向を変動させる出射角変動手段を設け、出射角変動手段により、注入角変動手段による注入角の変動方向に対して直交する方向に、上記出射角を変動させることにより、レーザ光をより効果的に低コヒーレント化することができる。
（３）出力される出力レーザ光の空間コヒーレンスまたは空間コヒーレンスと相関するパラメータを計測する計測手段を設け、上記計測手段の計測結果に基づいて、出力レーザ光の空間コヒーレンスが、予め定められた上限及び下限の範囲内となるように、上記注入角変動手段、出射角変動手段を制御することにより、温度ドリフトなどによる光学素子の姿勢角度の変動の影響等を防ぎ、出力される光の空間コヒーレンスをより安定に保つことができる。

図１は本発明のレーザ装置の基本構成を示す図である。
同図において、本発明のレーザ装置は、大きく分けると、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力する発振段レーザ（ＭＯ：ＭａｓｔｅｒＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１０と、発振段レーザ（ＭＯ）１０から出力されたシード光を増幅共振させるための増幅段レーザ（ＰＯ：ＰｏｗｅｒＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）２０から構成される。
また、発振段レーザ（ＭＯ）１０から出力されたシード光の増幅段レーザ（ＰＯ）２０への注入角度を調整するためのＭＯビームステアリングユニット３０と、増幅段レーザ（ＰＯ）２０の光共振器から出力された増幅光の角度を調整するためのＰＯビームステアリングユニット４０と光のパルス幅を伸ばすための光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｕｌｓｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）５０を有する。
さらに、レーザ光のコヒーレンスをモニタするコヒーレンスモニタ６０と、レーザの出力ビームを遮断するためのレーザシャッタ６５と、レーザ光のコヒーレンスをフィードバック制御するコヒーレンスコントローラ６６を有する。

発振段レーザ（ＭＯ）１０は出力結合ミラー（ＯＣ）１４と放電電極１ａが設置されたレーザチャンバ１１とスペクトル線幅を狭くするための狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３で構成されている。
レーザチャンバ１１内の放電電極１ａに高電圧が印加され放電すると、ＯＣ１４とＬＮＭ３の光共振器間でレーザ発振し、ＯＣ１４からスペクトル幅が狭いレーザ光が出力される。ＬＮＭ３はプリズムビームエキスパンダ３ａとリトロー配置された回折格子３ｂで構成されており、このモジュールで波長が選択されスペクトルが狭くなる。放電電極１ａは紙面と同一平面上にアノードとカソード電極が配置されている。発振段レーザ（ＭＯ）１０のレーザビームは放電方向に対して長い長方形のビーム形状で出力される。

この発振段レーザ（ＭＯ）１０からのビームは、ＭＯビームステアリングユニット３０に配置されている２枚の高反射ミラー３０ａ，３０ｂにより反射されて増幅段レーザ（ＰＯ）２０の共振器内にシード光を注入する。
この高反射ミラー３０ｂの図示しないミラーホルダにはミラーの姿勢角度を変化させるためのアクチュエータが内蔵されている。
増幅段レーザ（ＰＯ）２０はリアミラー２５と放電電極２ａが設置されたＰＯレーザチャンバ２１とＯＣ２４から構成されている。シード光が増幅段レーザ（ＰＯ）２０の共振器内に注入されると同期して、増幅段レーザ（ＰＯ）２０のチャンバ２１内部の放電電極２ａに高電圧が印加され、放電する。これにより、シード光はリアミラー２５とＯＣ２４間で共振し、増幅発振する。

この増幅段レーザ（ＰＯ）２０から出力されたビームは、ＰＯビームステアリングユニット４０に配置されている２枚の高反射ミラー４０ａ、４０ｂにより反射されて、ＯＰＳ５０に入射する。
ＯＰＳ５０には、メインビームを分岐するためのビームスプリッタ５０ａと分岐された光を遅延し、かつ、転写結像させるためのリレーレンズ５０ｂ，５０ｃと高反射ミラー５０ｄ−５０ｇにより構成されている。
ＯＰＳ５０を出力した光はコヒーレンスを検出するためのコヒーレンスモニタ６０を透過し、出力レーザ光に異常が発生した場合に、レーザ光を露光装置に伝達させないようするために設置されたシャッタ６５を介して出力される。
レーザコヒーレンスコントローラ６６は、コヒーレンスモニタ６０の検出値に基づいて、後述するようにＭＯビームステアリングユニット３０のミラー、ＰＯビームステアリングユニット４０のミラーのアクチュエータに駆動信号を送り、これらのミラーの角度などを制御し、出力レーザ光のコヒーレンスが所望の値になるように制御する。

次に上記コヒーレンスモニタ６０の構成例を示す。
図２に本発明のコヒーレンスモニタとしてビームダイバージェンスモニタを使用した場合の構成例を示す。
図２（ａ）に上記ビームダイバージェンスモニタの側面図を示し、（ｂ）に斜視図を示す。ＯＰＳ５０から出力されたレーザ光はビームスプリッタ６１ａにより一部の光を集光レンズ６１ｂに導入し、集光レンズ６１ｂの焦点面に２次元のＣＣＤ６１ｃを配置して、そのプロファイルを計測する。
ビームダイバージェンスＤは以下のように計算される。
Ｄ＝ＢＤ／ｆ…（１）
ここで、ｆ：集光レンズ６１ｂの焦点距離、ＢＤ：集光レンズ６１ｂの焦点位置での集光面上でのプロファイル幅である。例えば、プロファイル幅ＢＤは１／ｅ² の値における全幅で計算してもよい。

空間コヒーレンスのコヒーレント長ＸｃとレーザビームダイバージェンスＤとの間には以下の（２）式のような反比例の関係があるので（文献：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１１３８ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ（１９８９）ｐｐ１３７−１４３参照）、ビームダイバージェンスＤが計算されると、以下の式から空間コヒーレンスのコヒーレント長Ｘｃを求めることができる。ここでλ：波長である。
Ｄ・Ｘｃ＝２λ…（２）
ここで、空間コヒーレンスのコヒーレント長Ｘｃとは、干渉縞のコントラストが所定量（例えば１／ｅ² ）以下となるシェア間隔（またはピンホール間隔）である。なお、シェア間隔（またはピンホール間隔）に関しては後述する。
一般に、放電励起エキシマレーザビームダイバージェンスは、放電方向と同じ方向をＶ方向と定義し、放電に対して垂直な方向をＨ方向と定義すると、Ｖ方向のビームダイバージェンスＤｖとＨ方向のビームダイバージェンスＤｈは以下のような関係がある。
Ｄｖ＞Ｄｈ…（３）
ビームダイバージェンスの評価として、放電方向Ｖと放電に対して垂直な方向Ｈに対して評価することが可能となる。

上述したビームダイバージェンスモニタ計測によるコヒーレンスモニタのメリットは以下の通りである。
（１）計測システムの構成が比較的簡単で容易に構成できる。
（２）レーザのポインティング（出射方向）も計測可能であり、ポインティングの監視装置にもなる。
（３）ポインティングの計測により、低コヒーレンス化のためのミラーの姿勢角の量及び方向を検出して、その検出値に基づいてフィードバック制御できる。

図３にコヒーレンスモニタとしてヤングの干渉計を使用した場合の構成例を示す。
図３（ａ）はヤングの干渉計の光学配置図を示し、同図（ｂ）に、ＣＣＤにより検出された干渉縞の模式図を示す。
図３（ａ）において、ビームスプリッタ６２ａによりＯＰＳ５０から出力されたレーザビームの一部がサンプルされ、所定の間隔Ｘのピンホール間隔のダブルピンホール６２ｂにレーザビームを照射する。ダブルピンホール６２ｂを透過した光は互いに干渉して干渉縞を発生させる。この干渉縞のプロファイルをＣＣＤ６２ｃにより測定する。
（ｂ）は、ＣＣＤにより検出された干渉縞の模式図を示す。干渉縞のコントラストＣは次の式（４）により計算される。

ここで、Ｉｍａｘ：干渉縞の最大値、Ｉｍｉｎ：干渉縞の最小値である。
この干渉縞のコントラストＣが高くなるほど、空間コヒーレンスは高くなり、低くなるほど空間コヒーレンスは低くなる。
放電方向Ｖ及び放電の垂直方向Ｈのコヒーレンスを計測する場合はそれぞれダブルピンホール６２ｂをＶ方向とＨ方向に並べるように透過型の回転ステージ６２ｄを回転させることによりそれぞれ計測することが可能なる。
また、別の実施例としては、Ｖ方向とＨ方向に対して並べるように、４個のピンホールを設置してＣＣＤによりＶ方向とＨ方向のプロファイルを検出してもよい。
また、上記ピンホール間隔は露光装置に設けられているフライアイレンズの間隔（隣り合うフライアイレンズ単体同士の間隔）と略一致させるのがよい。すなわち、フライアイレンズの間隔が露光面における干渉の程度を決めており、これと同じ間隔でピンホールを設けることで、露光面での干渉の程度をそのまま反映させることができる。
ただし、フライアイレンズのピッチ間隔がダブルピンホールを製作できないくらい細かな間隔の場合はこの限りではなく、所定のピンホール間隔で製作し、コントラストを計測して、空間コヒーレンスの高さの相対値を比較してもよい。

図４に、コヒーレンスモニタとしてシェアリングの干渉計を使用した場合の構成例を示す。
図４（ａ）はシェアリングの干渉計の光学配置図を示し、同図（ｂ）にシェア量ΔＳとＣＣＤで観測された干渉縞のコントラストの関係を示す。
図４（ａ）において、シェアリング干渉計は光を回折するための回折格子６３ｂ、平行光を集光するための集光レンズ６３ｃ、０次光をカット±１次光を透過させる２ホール遮光板６３ｄ、回折格子６３ｂの像を結像させるためのコリメータレンズ６３ｅと干渉縞のプロファイルを計測するＣＣＤ６３ｆで構成されている。
集光レンズ６３ｃの前側焦点面に回折格子６３ｂ、後ろ側焦点面に±１次光を透過させる２ホール遮光板６３ｄを配置する。また、±１次光を透過させる２ホール遮光板６３ｄの位置がコリメータレンズ６３ｅの前側焦点面となるように、コリメータレンズ６３ｅが配置され、コリメータレンズ６３ｅの後ろ側焦点面に回折格子６３ｂの像が結像する。ＣＣＤ６３ｆは、この回折像の位置の基準位置からＺの距離分だけ離れた位置に配置している。

ビームスプリッタ６３ａによりＯＰＳ５０から出力されたレーザビームの一部がサンプルされ、所定の間隔αの回折格子６３ｂにレーザビームを照射する。回折格子６３ｂを透過した光は回折し、集光レンズ６３ｃに入射する。集光レンズ６３ｃの焦点面には回折格子６３ｂにより回折した光が各次数毎に集光する。ここで、±１次光の集光点の間隔をｄとする。±１次光は２ホール遮光板６３ｄを透過し、その他の次数（０次光、±２次光、）は遮光される。＋１次光と−１次光はコリメータレンズ６３ｅを介してコリメータレンズ８３ｅの後ろ側焦点面に回折格子の像を結像する。
一般に回折の式は以下のように表される。
ｍλ＝ａ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）…（５）
ここで、ｍ：回折光の次数、ａ：回折格子の溝間隔、α：回折格子の入射角度（＝０）、β：回折光の出射角度である。
１次光の回折角βは（５）式から
β＝ｓｉｎ^-1（λ／ａ）…（６）
±１次光の間隔ｄは以下の式により求めることができる。
ｄ＝２ｔａｎβ・ｆ…（７）

この回折格子６３ｂの像とＣＣＤ６３ｆの距離をＺとするとシェア量ΔＳは以下の式で表される。
ΔＳ＝（ｄ／ｆ）Ｚ…（８）
図４（ｂ）にはシェア量ΔＳとＣＣＤ６３ｆで観測された干渉縞のコントラストＣの関係が示されており、コントラストＣの計算は前記（４）式で計算される。
シェア量ΔＳ＝０（ＣＣＤ６３ｆの位置が回折格子の結像面にあるときＺ＝０）におけるコントラストＣは１であり、ＣＣＤ６３ｆの位置少しずつ変化させて、その時の干渉縞の評価を行うことで、コントラストが計算できる。
一般的に、シェア量ΔＳが大きくなるにつれて干渉縞のコントラストは小さくなる。例えば、コントラストが１／ｅ² のコントラストになるシェア量を空間的コヒーレント長Ｘｃとして空間コヒーレンスの指標とすることができる。

コヒーレンスの計測としては、露光装置のフライアイレンズのピッチ間隔とシエア量ΔＳが略一致するようにＣＣＤ６３ｆの位置を固定して、干渉縞のコントラストを評価してもよいし、ＣＣＤ６３ｆの位置をスキャンさせてシェア量ΔＳとＣＣＤ６３ｆで観測された干渉縞のコントラストの関係を計測して評価してもよい。また、放電方向Ｖ及び放電の垂直方向Ｈのコヒーレンスをそれぞれ計測する場合は回折格子６３ｂのピッチ方向をＶ方向とＨ方向に並べるように透過型の回転ステージ６３ｇを回転させることによりそれぞれ計測することにより可能となる。
ヤングの干渉計に比べてシェアリング干渉計のメリットを以下に示す。
（１）シエア量ΔＳを任意に設定可能であることである（ダブルピンホールが製作できないシエア量でも計測可能）。
（２）シエア量ΔＳと干渉縞のコントラストＣの関係を計測して、空間コヒーレンスのコヒーレント長Ｘｃを計測できる。

次に、前記ＭＯビームステアリングユニット、ＰＯビームステアリングユニットによる低コヒーレント化について説明する。
図５に、ＭＯのビームステアリングユニットによって、ビームの角度を振るためのアクチュエータの構成例を示す。
ビームステアリングユニットの構成は図８の実施例と機能的には同じである。
図５（ａ）は、ＭＯビームステアリングユニット内のミラーの姿勢角度を振る例である。
発振段レーザ（ＭＯ）１０から出力されたレーザビームを高反射ミラー３１ａにより反射させ、さらに高反射ミラー３１ｂにより増幅段レーザ（ＰＯ）２０に導く場合において、高反射ミラー３１ｂのミラーホルダ３４としてジンバル機構付きのホルダを使用し、パルス毎にミラー３１ｂの姿勢角度を変化させる。ミラーホルダの機構３４としては、図６に示したものと同じものでよい。
ビームを振る方向としては、レーザの放電方向に対して垂直な方向Ｈ方向に振るのが好ましいが、例えば、ＯＰＳのミラー、共振器ミラーなどにより、レーザビームを放電方向に対して垂直な方向であるＨ方向に振る場合には、ＭＯビームステアリングユニット内のミラーにより、増幅段レーザ（ＰＯ）２０に入射するレーザビームを、それと直交する方向に直交する方向に変動させのが望ましい。

図５（ｂ）は、光路中にウエッジ基板３５ａを配置し、ウエッジ基板３５ａへの入射角度を変化させることにより、ビームの出射角度を振る例である。
発振段レーザ（ＭＯ）１０から出力されたレーザビームを高反射ミラー３１ａにより反射させ、ウエッジ基板３５ａに入射屈折させてビームの方向を変化させ、さらに高反射ミラー３１ｂにより増幅段レーザ（ＰＯ）２０に導く構成となっている。ここでウエッジ基板３５ａはこの基板への入射角度を変化させられるように自動回転ステージ３５ｂに固定されている。回転ステージ３５ｂはパルスモータ３２ａの移動ピンの先にはＰＺＴ３２ｂが設置されており、回転ステージ３５ｂに固定されているプレート３２ｄと当接されこのプレート３２ｄの背面側にはプランジャネジ３２ｃのピンが当接されている。粗動回転を行うときはパルスモータのピンが移動することにより回転ステージ３５ｂを回転制御する。高速で、微調回転させる時は、ＰＺＴ３２ｂにより駆動させることにより、回転制御が可能となっている。

図５（ｃ）はウエッジ基板を入射光軸中心に回転させることによりレーザのビームの方向を変更する例である。
ウエッジ基板３７ａは透過型の回転ステージ３７ｂに設置されており、歯車３６ｂをパルスモータ３２ａで回転させることにより、歯車３６ａが回転する。歯車３６ａの上にはウエッジ基板３７ａが固定されており、レーザビームの方向が円周上を回転するような形でビームを振ることができる。例えば、露光装置の露光パルス数がＮパルスであれば、Ｎパルスの間にウエッジ基板３７ａが１回転するように回転スピードを制御することにより、全方向での低コヒーレンス化が可能となる。

図６に、一般的な２軸のジンバル機構付きのミラーホルダを有するアクチュエータの構成例を示す。
このジンバル機構付きミラーホルダはＬ型プレート７２と、ミラー７０が取り付けられたプレート７１がパルスモータ７３ａの移動ピン７６ａとパルスモータ７３ｂの移動ピン７６ｂと支点７７の３点で支持されている。これらの板の固定は引っ張りバネ７５ａ及び７５ｂにより行われている。
このミラーホルダの動作はパルスモータ７３ａ，７３ｂの移動ピン７６ａ，７６ｂが出し入れされることによりプレート７１の姿勢角度が変化する。さらに、この例では、移動ピン７６ａ，７６ｂとプレート７１との間にＰＺＴ（ピエゾ素子）７４ａ，７４ｂを設置してある。ＰＺＴ７４ａ，７４ｂに高電圧を印加することにより、高速に厚みを変化させることができる。したがって、パルス毎にＰＺＴ７４ａ，７４ｂを駆動して、ミラーの姿勢角度を振ることが可能となる。
また、パルスモータ７３ａ及びパルスモータ７３ｂを駆動させることにより、２軸のミラー７０の姿勢角度を変化させることができる。
なお、ミラーの調整機構はシンバル機構に限定されることなく、ミラーの姿勢角度を調節可能な機構がついていればよい。

図７に、ＰＯのビームステアリングユニットによって、ビームの角度を振るためのアクチュエータの構成例を示す。
図７（ａ）は、ＰＯビームステアリングユニット内のミラーの姿勢角度を変えてビームを振る例を示す図である。
増幅段レーザ（ＰＯ）２０から出力されたレーザビームを高反射ミラー４１ａにより反射させ、さらに高反射ミラー４１ｂによりＯＰＳ５０に導く場合において、同図に示すように高反射ミラー４１ｂのミラーホルダ４４として後述するジンバル機構付きのホルダを使用し、パルス毎にミラーの姿勢角度を変化させる。
ビームを振る方向としては、レーザの放電方向に対して垂直な方向Ｈ方向に振るのが好ましいが、ＭＯビームステアリングユニットによって、ビームの角度を放電方向に対して垂直な方向であるＨ方向にずらす場合には、ＰＯビームステアリングユニット内のミラーにより、ＯＰＳに入射するレーザビームの入射角を、それと直交する方向に変動させのが望ましい。

図７（ｂ）は、光路中にウエッジ基板を配置し、ウエッジ基板への入射角度を変化させることにより、ビームの出射角度を振る例を示す図である。
増幅段レーザ（ＰＯ）２０から出力されたレーザビームを高反射ミラー４１ａにより反射させ、ウエッジ基板４５ａに入射屈折させてビームの方向を変化させ、さらに高反射ミラー４１ｂによりＯＰＳ５０に導くシステムとなっている。ここでウエッジ基板４５ａはこの基板への入射角度を変化させられるように自動回転ステージ４５ｂに固定されている。
自動回転ステージ４５ｂはパルスモータ４２ａの移動ピンの先にはＰＺＴ４２ｂが設置されており、回転ステージ４５ｂに固定されているプレート４２ｄと当接されこのプレート４２ｄの背面側にはプランジャネジ４２ｃのピンが当接されている。粗動回転を行うときはパルスモータのピンが移動することにより回転ステージ４５ｂを回転制御する。高速で、微調回転させる時は、ＰＺＴ４２ｂにより駆動させることにより、回転制御が可能となっている。
図７（ｃ）はウエッジ基板４７ａを入射光軸中心に回転させることによりレーザのビームの方向を変更する場合の構成例を示す図であり、（ｃ−１）は（ｃ−２）をＡＡから見た図である。
ウエッジ基板４７ａは透過型の回転ステージ４７ｂに設置されており、歯車４６ｂをパルスモータ４２ａで回転させることにより、歯車４６ａが回転する。歯車４６ａの上にはウエッジ基板４７ａが固定されており、レーザビームの方向が円周上を回転するような形でビームを振ることができる。例えば、露光装置の露光パルス数がＮパルスであれば、Ｎパルスの間にウエッジ基板４７ａが１回転するように回転スピードを制御することにより、全方向での低コヒーレンス化が可能となる。

次に、上記ＰＯ及びＭＯビームステアリングユニットによる低コヒーレンス化の制御例について説明する。
まず、空間コヒーレンスの指標値または空間コヒーレンスを検出せずに、パルス毎にレーザビームの角度を所定のプログラムにしたがって変化させる場合について説明する。
図８に、前記アクチュエータを駆動して、低コヒーレンスを実現するフローチャートのメインフローを示す。
低空間コヒーレンス化の制御のスタートはまず、ステップ１０１でレーザが発振したかどうかを検出する。この場合、実際の発光したことを検出しなくても、露光装置からの発光のトリガ信号を受信して、レーザ発振したと判断してもよい。
レーザの発光を検出すると、次のステップ１０２に移行し、空間コヒーレンスを低くするためのアクチュエータを駆動するサブルーチンにはいる。
このサブルーチンで空間コヒーレンスを低下させるための、ビームステアリングユニットのミラーの姿勢角度等を所定の角度まで駆動させ、再びステップ１に戻り、これを繰り返す。

図９（ａ）に、低コヒーレンスを実現するため、ＰＯ及びＭＯビームステアリングユニットのミラー等を駆動するアクチュエータの駆動サブルーチンを示す。
このサブルーチンではまずステップ２０１でビーム振りのプログラムパターンを呼び出す。
そして、ステップ２０２に移行し、ステップ２０１で呼び出したプログラムパターンとなるようにＭＯまたはＰＯのビームステアリングユニットから出射するレーザビームの方向を変化させる。そして、メインルーチンに戻る。
図９（ｂ）にビームの角度振りのプログラムパターンの例を示す。
このビームの角度振りのパターンを、ビームのポインティング（ビームの方向の指標）の点で表し、点が１パルスを表している。
ビームのポインティングを計測する場合は、前記図２に示したように、サンプル光を集光レンズで集光し、集光レンズの焦点面にＣＣＤカメラを配置することによって計測できる。ＣＣＤカメラに計測された集光プロファイルの重心を計算することにより、ビームのポインティングすなわち方向を計測できる。

この図の点の位置は例えば、パルス毎の集光ビームの重心位置を表しており、Ｖ方向はレーザの放電方向、Ｈ方向は放電方向に対して垂直な方向である。
パルス毎にビームの出射角度を、図に示すような点に集光するように、ミラーの角度やウエッジ基板の角度を変化させる。例えば、露光装置での露光積算パルス数を２４パルスとすると、ビーム振りの周期は２４パルスとし、２５パルス目は開始点に戻るようにする。これにより、効率的な空間コヒーレンス化を行うことができる。
ここで、ポインティングの角度は、露光装置のビーム許容角度内で変化させる。ポインティングの変化の周期を露光装置の露光積算パルス数と一致させればよい。

以下に具体例を示す。
(i) はＨ方向に開始点から終点まで直線的に所定の間隔でビームポインティングを変化させ、２５パルス発振後に最初のポインティングに戻すパターンである。
(ii)はビームポインティングを結ぶ線が長方形の形になるように、開始点から終点まで所定の間隔でビームポインティングを変化させ、２５パルス発振後に開始点ポインティングに戻すパターンである。
(iii) はビームポインティングを結ぶ線が円の形になるように、所定の間隔でビームポインティングを変化させ、２５パルス発振後とに最初のポインティングに戻すパターンである。このようなパターンを形成する例として図５（ｃ）及び図７（ｃ）の実施例のようにウエッジ基板を光軸を回転軸として回転させることにより実施できる。
(iv)はビームポインティングを結ぶ線が楕円の形になるように、所定の間隔でビームポインティングを変化させ、２５パルス発振後とに最初のポインティングに戻すパターンである。
上記(ii),(iii),(iv) の実施例では、開始点から終点の距離が小さいために、角度振りがスムーズに行うことができる点がメリットである。
ビームの角度振りのプログラムパターンはパルス毎のポインティングを結ぶ線が一筆書きになっていれば、どの露光装置のどの露光面においても略同じ、低空間コヒーレンスビームで露光できる。

次に前記コヒーレンスモニタを用いて空間コヒーレンスをフィードバック制御する場合について説明する。
図１０に空間コヒーレンスをフィードバック制御する場合のメインフローを示す。
低空間コヒーレンス化の制御のスタートはまず、ステップ４００の調整発振サブルーチンに入る。このルーチンでは、レーザの出口のシャッタ６５（図１参照）を閉じ、空間コヒーレンスが露光装置の要求仕様に対してＯＫとなるまで、調整発振し空間コヒーレンスを制御し、ＯＫとなった所で露光準備ＯＫの信号を露光装置に送信し、出射口のシャッタ６５を開ける。
そして、実露光モードに入りステップ４０１でレーザが発振したかどうかを検出する。発振を検出したら、ステップ４０２に移行し、出力レーザ光の空間コヒーレンスと相関性のあるパラメータを検出する。
具体的には、ビームの集光プロファイルやヤングの干渉計や、シェアリング干渉計で生成された干渉縞のプロファイルである。この検出プロファイルはステップ４０３に移行し、空間コヒーレンスの移動積算値または積算値で評価するサブルーチンにはいる。

空間コヒーレンスの移動積算値または積算値で評価するサブルーチンでは、集光プロファイルまたは干渉縞のプロファイルを積算し、空間コヒーレンスを評価する。
そして、ステップ４０４では出力レーザ光の空間コヒーレンスの評価値に基づいて、ビームステアリングユニットのミラー等の姿勢角度を駆動するアクチュエータを制御するサブルーチンが実行され、再びスタートに戻る。
ここで、移動積算パルス数や積算値を測定するパルス数は、露光装置で実際にレジストが露光される積算パルス数と同じにすることによって、空間コヒーレンスはどのウエハ上の任意の位置でのスペックルの発生を均一性よく抑制することができる。

図１１に、出力レーザ光の空間コヒーレンスと相関性のあるビームパラメータを検出するサブルーチン例を示す。
図１１（ａ）は、図２に示したように、出力ビームを集光レンズで集光して、集光レンズの焦点面にＣＣＤを配置して、この焦点面での集光プロファイルを計測した場合の実施例を示す。
まず、ステップ４１１において、集光プロファイルＰｎを検出する。具体的にはＣＣＤの各ピクセルにおける光強度を検出する。
次に、ステップ４１２に移行し、集光プロファイルＰｎを記憶する。具体的にはＣＣＤの各ピクセルにおける光強度のデータを記憶する。
図１１（ｂ）には、図３及び図４に示したように、ヤングの干渉計またはシエアリング干渉計により発生した干渉縞をＣＣＤにより検出した場合の実施例を示す。
まず、ステップ４２１において、干渉縞のパターンＦｎを検出する。具体的にはＣＣＤの各ピクセルにおける光強度を検出する。
次に、ステップ４１２に移行し、干渉縞のパターンＦｎを記憶する。具体的にはＣＣＤの各ピクセルにおける光強度のデータを記憶する。そして、メインルーチンに戻る。
ここで、ｎはパルスの順番を示している

図１２に、出力レーザ光の空間コヒーレンスの移動積算値または積算値で評価するサブルーチンの第１の実施例を示す。
この実施例は、空間コヒーレンスの検出器として出力レーザ光の集光レンズの焦点面でのプロファイルを検出する場合を示す。以下の実施例は移動積算値を評価している例である。サンプル数はｋ個とする。
まず、ステップ４３１においては、前回までの集光プロファイルの移動積算値ＳＰ_n-1 と移動積算パルス数ｋ前の集光プロファイルＰ_n-k と今回の集光プロファイルＰ_n を記憶装置から呼び出す。
次のステップ４３２では、以下の式により、今回の積算サンプル数ｋの集光プロファイルの移動積算値ＳＰ_n を計算する。
ＳＰｎ＝ＳＰ_n-1 −Ｐ_n-k ＋Ｐ_n

次に、ステップ４３３に移行し、集光プロファイルの移動積算値ＳＰ_n から、前記図２で説明した（１）式（Ｄ＝ＢＤ／ｆ）により、ビームダイバージェンス幅Ｄ_n を計算する。
そして、目標のビームダイバージェンス値Ｄ_t と実際のビームダイバージェンスＤ_n との差ΔＤを計算する。
次のステップ４３５では、ビームダイバージェンスの目標値との差ΔＤが、露光装置の要求仕様に対して、許容範囲に入っているか判断する。許容範囲に入っていれば、メインルーチンに戻る。一方、許容範囲に入っていなければ、ステップ４３６に移行し、空間コヒーレンスまたはビームの出射角度異常を露光装置に通知し、調整発振サブルーチンへ飛ぶ。

図１３に、本発明の出力レーザ光の空間コヒーレンスの移動積算値または積算値での評価するサブルーチンの第２の実施例を示す。
この実施例は空間コヒーレンスの検出器としてヤングの干渉計またはシェアリング干渉計での干渉縞のプロファイルを検出する場合を示す。以下の実施例は移動積算値を評価している例である。サンプル数はｋ個とする。
まず、ステップ４４１においては、前回までの干渉縞プロファイルの移動積算値ＳＦ_{n -1}と移動積算パルス数ｋ前の干渉縞プロファイルＦ_n-k と今回の干渉縞プロファイルＦ_n を記憶装置から呼び出す。
次のステップ４４２では、以下の式により今回の積算サンプル数ｋの集光プロファイルの移動積算値ＳＦｎを計算する。
ＳＦ_n ＝ＳＦ_n-1 −Ｆ_n-1 ＋Ｆ_n

次に、ステップ４４３に移行し、干渉縞プロファイルの移動積算値ＳＦ_n からコントラストＣ_n （可視度：ビジビリティ）を、図３で説明した（４）式により計算する。そして、ステップ４４４で目標のコントラスト値Ｃ_t と実際のコントラストＣ_n との差ΔＣを計算する。
次のステップ４４５では、コントラストの目標値Ｃ_t との差ΔＣが露光装置の要求仕様に対して、許容範囲に入っているか判断する。許容範囲に入っていれば、メインルーチンに戻る。一方、許容範囲に入っていなければ、ステップ４４６に移行し、空間コヒーレンスを露光装置に通知し、調整発振サブルーチンへ飛ぶ。

図１４に、出力レーザ光の空間コヒーレンスの評価値に基づいてアクチュエータを駆動するサブルーチンの実施例を示す。
図１４（ａ）は空間コヒーレンスの検出器として、出力レーザ光のビームダイバージェンスを評価制御する場合の例を示す。
ステップ４５１ではビームダイバージェンスの目標値との差ΔＤに基づいて、空間コヒーレンスを目標値に安定化するためのアクチュエータを駆動する。
このアクチュエータの具体例としては増幅段レーザ（ＰＯ）２０または発振段レーザ（ＭＯ）１０のビームステアリングユニットからのビームの出射角度を制御するアクチュエータに制御値を送信する。

図１４（ｂ）は出力レーザ光の干渉縞のコントラストを評価制御する場合の例を示す。 ステップ４５２では干渉縞のコントラストの目標値との差ΔＣに基づいて、空間コヒーレンスを目標値に安定化するためのアクチュエータを駆動する。このアクチュエータの具体例としては増幅段レーザ（ＰＯ）２０または発振段レーザ（ＭＯ）１０のビームステアリングユニットからのビームの出射角度を制御するアクチュエータに制御値を送信する。

図１５に、本発明の調整発振するためのサブルーチン例を示す。
調整発振サブルーチンでは、レーザの出口のシャッタ６５（図１参照）を閉じ、空間コヒーレンスが露光装置の要求仕様に対してＯＫとなるまで、調整発振し空間コヒーレンスを制御し、ＯＫとなった所で露光準備ＯＫの信号を露光装置に送信し、出射口のシャッタ６５を開ける。
以下フローチャートにより説明する。
まず、ステップ４６１において、レーザから露光装置にレーザビームが伝送されないように、レーザの出射口６５を閉じ、露光装置に露光の準備ＮＧ信号を送る。
そして、メインルーチンと同様に、ステップ４６２でレーザが発振したかどうかを検出する。発振を検出したら、ステップ４６３に移行し、出力レーザ光の空間コヒーレンスと相関性のあるパラメータを検出する。具体的には、ビームの集光プロファイルやヤングの干渉計や、シェアリング干渉計で生成された干渉縞のプロファイルである。

次にステップ４６４に移行し、この検出プロファイルに基づき、空間コヒーレンスの移動積算値または積算値で評価するサブルーチンにはいる。
このサブルーチンでは、集光プロファイルまたは干渉縞のプロファイルを積算し、空間コヒーレンスを評価する。
そして、ステップ４６５では出力レーザ光の空間コヒーレンスの評価値に基づいて、例えばミラー等の姿勢角度を駆動するアクチュエータを制御するサブルーチンが実行される。
そして、ステップ４６６で空間コヒーレンスの評価値が露光装置の要求仕様の許容範囲に入っているか判断する。許容範囲に入っていなければ、ステップ４６２に移行しこのルーチンを繰り返す。
そして、許容範囲に入れば、ステップ４６７に移行し出射光のシャッタ６５を開け、露光装置に露光準備ＯＫ信号を送信し、メインルーチンに戻る。

本発明のレーザ装置の基本構成を示す図である。 コヒーレンスモニタとしてビームダイバージェンスモニタを使用した場合の構成例を示す図である。 コヒーレンスモニタとしてヤングの干渉計を使用した場合の構成例を示す図である。 コヒーレンスモニタとしてシェアリングの干渉計を使用した場合の構成例を示す図である。 ＭＯのビームステアリングユニットによって、ビームの角度を振るためのアクチュエータの構成例を示す図である。 高反射ミラー等を駆動するための一般的な２軸のジンバル機構付きのミラーホルダを有するアクチュエータの構成例を示す図である。 ＰＯのビームステアリングユニットによって、ビームの角度を振るためのアクチュエータの構成例を示す図である。 低コヒーレンスを実現するフローチャートのメインフローを示す図である。 ビームステアリングユニットのミラー等を駆動するアクチュエータの駆動サブルーチンを示す図である。 空間コヒーレンスをフィードバック制御する場合のメインフローを示す図である。 出力レーザ光の空間コヒーレンスと相関性のあるビームパラメータを検出するサブルーチン例を示す図である。 出力レーザ光の空間コヒーレンスの移動積算値で評価するサブルーチンの第１の実施例を示す図である。 出力レーザ光の空間コヒーレンスの移動積算値で評価するサブルーチンの第２の実施例を示す図である。 出力レーザ光の空間コヒーレンスの評価値に基づいてアクチュエータを駆動するサブルーチンの実施例を示す図である。 調整発振するためのサブルーチン例を示す図である。 特許文献１に記載されるＭＯＰＯ方式の概略構成を示す図である。 マスクとウエハを移動させることにより、スペックルの影響を低減する照明光学装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 発振段レーザ（ＭＯ）
１１ チャンバ
２０ 増幅段レーザ（ＰＯ）
２１ チャンバ
３０ ＭＯビームステアリングユニット
４０ ＰＯビームステアリングユニット
５０ 光パルスストレッチャ（ＯＰＳ）
６０ コヒーレンスモニタ
６５ シャッタ
６６ レーザコヒーレンスコントローラ

Claims (6)

1. レーザ光を出力するように構成された狭帯域発振段レーザと、
   レーザガスが封入されたチャンバと、該チャンバ内に設けられた一対の放電電極と、前記放電電極間の放電空間を挟むように配置された共振器とを含み、前記狭帯域発振段レーザからのレーザ光を前記共振器に注入し、前記放電電極に高電圧パルスを印加して放電させて、前記レーザ光を増幅するように構成された増幅段レーザと、
   前記狭帯域発振段レーザからのレーザ光を前記共振器に注入するように反射するミラーと、
   前記ミラーの傾きを変化させるように構成された注入角変動手段と、
   少なくとも前記狭帯域発振段レーザがレーザ光を出力している間、前記注入角変動手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記放電電極に高電圧パルスが印加されて前記放電電極間に放電が発生する毎に前記注入角変動手段を制御することを特徴とする露光用放電励起レーザ装置。
2. 前記増幅段レーザから出力されたレーザ光の空間コヒーレンスまたは空間コヒーレンスと相関するパラメータを計測するように構成された計測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記計測手段の計測結果に基づいて前記注入角変動手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光用放電励起レーザ装置。
3. 前記制御手段は、前記増幅段レーザから出力されたレーザ光の空間コヒーレンスが予め定められた上限及び下限の範囲内となるように、前記計測手段の計測結果に基づいて前記注入角変動手段を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の露光用放電励起レーザ装置。
4. 前記制御手段は、予め定められたプログラムに基づき前記注入角度が変動するように前記注入角変動手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の露光用放電励起レーザ装置。
5. 前記計測手段は、ビームダイバージェンスを計測する装置である
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の露光用放電励起レーザ装置。
6. 前記計測手段は、ヤングの干渉計またはシェアリング干渉計である
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の露光用放電励起レーザ装置。

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