JP5359461B2 - レーザ装置、光源装置、これらの調整方法、光照射装置、露光装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置、これを用いた光源装置、これら装置の調整方法、光照射装置、露光装置、並びにデバイス製造方法に関するものである。

半導体デバイスに微細構造を形成する露光装置、微細構造を観察するレーザ顕微鏡、眼科治療に用いる医療装置等の分野において紫外光の利用が進展している。これらの装置に用いられる紫外光出力の光源装置として、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ₂レーザ等のガスレーザが従来から用いられてきた。近年では、半導体レーザ等のレーザ光発生部により発生された赤外〜可視領域のレーザ光を、ファイバー光増幅器等の光増幅部により増幅し、これを波長変換光学系により波長変換して紫外光を出力する全固体型の光源装置が開発され実用化が進んでいる。

ここで、上記のような装置では、色収差に起因した結像特性の低下を抑制するため、レーザ光発生部は、単一波長のレーザ光（シード光）を出射するように構成される。例えば、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ半導体レーザ）が温度制御された状態で用いられ、狭帯域化された単一波長のシード光を出射するように構成される。しかしながら、シード光を増幅する光増幅部において、高強度のレーザ光の透過に起因して非線形光学現象の一種である自己位相変調（Self Phase Modulation：ＳＰＭ）が発生し、光増幅部から出力される増幅光、ひいては波長変換部から出力される紫外光において、光のスペクトル幅が増大するという課題がある。

この課題に対し、スペクトル幅の増大を抑制する手法として、光源装置の光路中に、光路を進行する光の強度変化に応じて位相を調整する位相変調器を設け、この位相変調器により全光路で生じる自己位相変調を相殺するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

再公表特許ＷＯ２００２／０９５４８６公報

上記提案に係る構成では、光増幅器において発生するＳＰＭに起因したスペクトル幅の拡大を抑制することができる。しかしながら、この構成では、光源装置に位相調整用の位相変調器を新設するとともに、光路を通過する光の強度変化に応じて位相変調器による調整量を制御する必要があり、システムが複雑化するという課題があった。

本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、より簡明な構成で、出力光のスペクトル幅を調整可能なレーザ装置、光源装置を提供することを目的とし、併せて、その調整方法、光照射装置、露光装置、並びにデバイス製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、レーザ装置である。レーザ装置は、単一波長のパルス光を発生するレーザ光発生部と、レーザ光発生部により発生されたパルス光を増幅する光増幅部と、光増幅部により増幅されたパルス光の一部を時間的に切り出して出射するパルス光変調部と、増幅されたパルス光に対するパルス光変調部による切り出しタイミングを調整設定可能なタイミング調整部（例えば、実施形態におけるトリガパルス遅延部８４、遅延調整器８７を含む制御装置８０）とを備えて構成される。なお、タイミング調整部による切り出しタイミングは、切り出されるパルス光の一部が、増幅されたパルス光における光強度の逓減部分の一部となるタイミングで調整設定可能に構成されることが好ましい。また、タイミング調整部による切り出しタイミングは、光増幅部における励起強度が変化したときに、切り出されるパルス光の一部のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたって略一定となるように調整設定されることが好ましい。さらに、パルス光変調部により切り出されたパルス光を増幅する第２の光増幅部を備える場合、タイミング調整部による切り出しタイミングは、光増幅部および第２の光増幅部のうち少なくとも一方における励起強度が変化したときに、第２の光増幅部により増幅される切り出されるパルス光の一部のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されることが好ましい。

本発明の第２の態様は、光源装置である。光源装置は、上記いずれかのレーザ装置と、レーザ装置から出射された赤外〜可視領域の光を紫外領域の光に変換する波長変換部とを備え、レーザ装置から出射された光が波長変換部により紫外光に変換されて出力されるように構成される。なお、レーザ装置のタイミング調整部による切り出しタイミングが、切り出されるパルス光の一部のスペクトル幅が励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されて、波長変換部から出力される紫外光のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたり略一定となる。

本発明の第３の態様は、上記光源装置の調整方法である。この調整方法は、波長変換部から出力された紫外光のスペクトル幅を観察しながらタイミング調整部により切り出しタイミングを変化させ、観察される紫外光のスペクトル幅が所望のスペクトル幅になるように調整操作する。そして、タイミング調整部による切り出しタイミングが、切り出されるパルス光の一部のスペクトル幅が励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されて、上記調整操作により調整した紫外光のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたり略一定となる。なお、光源装置の調整方法は、波長変換部から出力された紫外光のスペクトル幅及び時間コヒーレンス長を観察しながらタイミング調整部により切り出しタイミングを変化させ、紫外光のスペクトル幅が所望のスペクトル幅になるとともにコヒーレンス長が所望のコヒーレンス長になるように調整操作するように構成することもできる。

本発明の第５の態様は、対象物に光を照射する光照射装置である。この光照射装置は、第２の態様の光源装置と、光源装置から出力された紫外光を対象物に照射する照射光学系とを備えて構成される。

本発明の第６の態様は、マスクのパターンを感光物体上に転写する露光装置である。露光装置は、第２の態様の光源装置と、光源装置からの光をマスクに照射する照射光学系と、マスクからの光を感光物体（例えば、実施形態における半導体ウエハ５５）に投影する投影光学系とを備えて構成される。

本発明の第７の態様は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であり、前記リソグラフィ工程では、第６の態様による露光装置を用いてマスクのパターンを感光物体に転写するように構成される。

本発明の第１の態様のレーザ装置には、光増幅部により増幅されたパルス光の一部を切り出すパルス光変調部と、パルス光変調部による切り出しタイミングを調整設定可能なタイミング調整部とが備えられており、後に詳述するように、切り出しタイミングを調整することにより切り出された増幅光のスペクトル、ひいては波長変換部から出力される紫外光のスペクトル幅を調整することができる。従って、前述の特許文献１に提案された自己位相変調相殺の手法とは全く異なる、より簡明な構成で、出力光のスペクトル幅を調整可能なレーザ装置、光源装置を提供することができる。また、本発明の調整方法、光照射装置、露光装置、並びにデバイス製造方法によれば、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の適用例として示すレーザ装置の概要構成図である。 本発明の適用例として示す光源装置の概要構成図である。 波長変換部の構成例を示す概要構成図である。 パルス光変調部の構成例を示す概要構成図である。 パルス光変調部を駆動するパルス変調信号と、パルス光変調部の透過率との関係を示す説明図である。 レーザ光発生部が発生するパルス光と、パルス光変調部の透過率との関係を示す説明図である。 スペクトル幅の測定結果を図中に付記した説明図である。 本発明の適用例として示す露光装置の概要構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明を適用した光源装置１の概要構成を図２に示す。

光源装置１は、大別的には、赤外〜可視領域の基本波レーザ光を出射するレーザ装置１０と、レーザ装置１０から出射された基本波レーザ光を紫外光に変換する波長変換部３０と、光源装置を構成する各部の作動を制御する制御装置８０とを備え、出力端から紫外光が出力されるように構成される。

ここで、レーザ装置１０、波長変換部３０の具体的な構成は、光源装置１の用途および機能に応じて適宜な構成が用いられる。そこで、実施形態では、マスク（レチクルとも称される）に形成されたパターンを半導体ウエハ等の基板に転写する露光装置に用いられる光源装置を例として、各部の構成について説明する。レーザ装置１０の概要構成を図１に示す。

レーザ装置１０は、赤外〜可視領域における単一波長のパルス光（シード光）を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたパルス光を増幅する光増幅部１２と、光増幅部１２により増幅されたパルス光の一部を時間的に切り出して出射するパルス光変調部１５と、増幅されたパルス光に対するパルス光変調部による切り出しタイミングを調整設定可能なタイミング調整部（トリガパルス遅延部８４、遅延調整器８７等）とを備えて構成される。

レーザ光発生部１１および光増幅部１２は、レーザ装置１０の用途・機能に応じて適宜な発振波長、発振形態、増幅率のものが用いられる。露光装置用のレーザ装置では、レーザ光発生部１１として、例えば、ＩnＧaＡsＰの分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）、光増幅部１２として半導体レーザ励起のエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）やラマン・レーザ励起のＥＤＦＡが用いられる。なお、以下においては、レーザ光発生部１１を、適宜「ＤＦＢ半導体レーザ１１」とも表記する。

レーザ装置１０では、制御装置８０に設けられたレーザ駆動信号生成部８３によりパルス状のレーザ駆動信号を生成して、ＤＦＢ半導体レーザ１１をパルス発振させ、パルス幅１〜２[ｎsec]程度のパルス光（以下便宜的に「シードパルス光」という）Ｌsを出射させる。ＤＦＢ半導体レーザ１１は、ペルチェ素子等を利用した温度調整器が付設されたヒートシンクに取り付けられて温度調整可能に配設されており、この温度を調整することによりＤＦＢ半導体レーザ１１の発振波長を制御（調整設定）可能になっている。これにより、ＤＦＢ半導体レーザ１１から波長λ＝１．５４４[μｍ]の単一波長のシードパルス光Ｌsが発生され、光増幅部１２において所定ゲイン（例えば３０[ｄＢ]）の増幅が行われる。光増幅部１２で増幅されたパルス光Ｌaはパルス光変調部１５に入射される。

パルス光変調部１５は、光増幅部１２から出射されたパルス光の一部を時間的に切り出し、切り出された短パルスの増幅光（以下便宜的に「短パルス光」という）Ｌpがレーザ装置１０から出力される。レーザ装置１０から出力された短パルス光Ｌpは、波長変換部３０に入射される。なお、パルス光変調部１５による増幅光の切り出しタイミングについては後に詳述する。

波長変換部３０は、波長λ＝１．５４４[μｍ]の基本波レーザ光（短パルス光Ｌp）を所定波長の紫外光、例えば、ＡｒＦエキシマレーザの発振波長と同一である波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外光に変換して出力する。

ここで、１．５[μｍ]帯の基本波レーザ光を、８倍波に相当する波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外光に変換する波長変換部３０の具体的な構成（波長変換光学素子の組み合わせや配置等）は、既に公知の種々の構成を用いることができる。例えば、いずれも本出願人に係る、前記特許文献１に開示の構成、特開２０００−２００７４７号公報に開示した構成、特開２００７−４７３３２号公報に開示した構成、特開２００８−１２２７８５号公報に開示した構成などを用いることができる。図３は、本出願人に係る特開２００２−１２２８９８号公報に開示した構成を波長変換部３０に適用した例であり、この図を参照しながら波長変換部３０について簡潔に説明する。

波長変換部３０は、各々波長変換光学素子３１，３２，３３が設けられレンズ３５，３６，３７を介して直列接続された３段の変換部からなり、レーザ装置１０から出力された波長λ＝１．５４４[μｍ]、周波数ωの基本波レーザ光を、これら３段の変換部により順次ω→２ω→４ω→８ωに波長変換して、最終的に周波数８ω、波長λ＝１９３[ｎｍ]の紫外光を出力する。

１段目の変換部では、レーザ装置１０から出力された波長１．５４４[μｍ]の基本波レーザ光がレンズ３６により波長変換光学素子３１に集光入射され、二次高調波（ＳＨＧ）発生によって波長７７２[ｎｍ]の２倍波に変換される。１段目の波長変換光学素子３１は、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）、ＰＰＬＮ（周期分極反転したＬｉＮｂＯ₃）、水晶の擬似位相整合結晶などを用いることができる。

２段目の変換部では、波長変換光学素子３１から出射した波長７７２[ｎｍ]の２倍波が、レンズ３６により波長変換光学素子３２に集光入射され、二次高調波（ＳＨＧ）発生によって波長３８６[ｎｍ]の４倍波に変換される。２段目の波長変換光学素子３２は、１段目の波長変換光学素子と同様にＬＢＯ、ＰＰＬＮ、水晶の擬似位相整合結晶などを用いることができる。

３段目の変換部では、波長変換光学素子３２から出射した波長３８６[ｎｍ]の４倍波が、レンズ３５により波長変換光学素子３３に集光入射され、二次高調波発生によって波長１９３[ｎｍ]の８倍波に変換される。波長変換光学素子３３は、水晶に周期的反転構造を形成した疑似位相整合結晶を用いることができる。なお、水晶の疑似位相整合結晶は既に公知であるため詳細説明を省略する。

このようにして、レーザ装置１０から出力された波長１．５４４[μｍ]の基本波レーザ光が３段の変換部により順次波長変換され、波長変換部３０から波長１９３[ｎｍ]の紫外光が出力される。

以上のように概要構成される光源装置１にあって、レーザ装置１０にパルス光変調部１５が設けられて、その作動が制御装置８０により制御され、レーザ光発生部１１から出射され光増幅部１２により増幅されたパルス光の一部が、パルス光変調部１５により時間的に切り出されてレーザ装置１０から出射される。

パルス光変調部１５は、例えば、素子内部の概略構成を図４に示すような電気光学変調器（ＥＯＭ）が用いられる。図示するパルス光変調部１５は、入力ポート１５ａに繋がる光路が素子内部で２分岐した後、これらの分岐光路が再び合流して出力ポート１５ｂに繋がる導波路１５０と、この導波路１５０の各分岐光路に設けられた電極１５１，１５２とを備え、入力ポート１５ａに入射した入射光（パルス光）Ｌaが、２分岐して分岐光路を辿り、再び合流して出力ポート１５ｂから出射光（短パルス光）Ｌpとして出射するように構成される。

導波路１５０は、電圧が印加されるとその電圧値に応じて屈折率が変化する材質で構成されている。電極１５１，１５２は、それぞれ分岐光路を挟むように設けられた各一対の電極板（１５１ａと１５１ｂ、１５２ａと１５２ｂ）からなり、電極１５１の電極板間１５１ａ〜１５１ｂに、次述するパルス変調信号ＭＤの一方の電圧信号ＭＤ１が供給され、電極１５２の電極板間１５２ａ〜１５２ｂに、パルス変調信号ＭＤの他方の電圧信号ＭＤ２が供給される。なお、図示するように、各一対の電極板のうち一方の電極板１５１ｂ，１５２ｂは接地レベルになっており、電圧信号ＭＤ１，ＭＤ２は各正電極１５１ａ，１５２ａに印加される。

パルス光変調部１５は、電極１５１，１５２の双方ともに電圧が印加されていないときに、入射光Ｌaに対する出射光Ｌpの透過率（Ｌp／Ｌa）が最低値となるように、すなわち入・出力ポート間１５ａ〜１５ｂが遮光状態となるように、２つの分岐光路の光路長が設定されている。また、電極１５１，１５２に電圧信号が印加されたときに、入・出力ポート間の透過率が電圧信号の差（ＭＤ１−ＭＤ２）に応じた透過率になるようになっている。なお、電圧信号ＭＤ１及びＭＤ２を総称するときに「パルス変調信号ＭＤ」と呼ぶものとする。

図５は、パルス光変調部１５に供給されるパルス変調信号ＭＤすなわち電圧信号ＭＤ１およびＭＤ２と、パルス光変調部１５の透過率Ｔとの関係を具体的に示す図である。電圧信号ＭＤ１，ＭＤ２がともに０Ｖの場合には、これらの電圧信号の差は、ＭＤ１−ＭＤ２≒０となり、パルス光変調部１５の透過率Ｔがほぼゼロの遮光状態となる。一方、パルス変調信号ＭＤとして正電圧の電圧信号ＭＤ１と負電圧の電圧信号ＭＤ２とが同期して供給されると、電圧信号の差、ＭＤ１−ＭＤ２が大きな値となり、パルス光変調部１５の透過率Ｔは、図５に示すように、電圧信号ＭＤ１の電圧レベルと電圧信号ＭＤ２の電圧レベルとの差に応じた高い透過率となる。

パルス光変調部１５にパルス変調信号ＭＤを出力する制御装置８０は、各部の作動を同期制御するための基準となるクロック８１、クロック８１を基準として所定間隔でトリガパルスを発生するトリガパルス発生器８２、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスに基づいて、ＤＦＢ半導体レーザ（レーザ光発生部）１１を駆動するレーザ駆動信号を生成するレーザ駆動信号生成部８３、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスを遅延調整器８７の設定に応じて遅延させるトリガパルス遅延部８４、トリガパルス遅延部８４を介して入力されるトリガパルスに基づいて、パルス光変調部１５を駆動するパルス変調信号ＭＤを生成するパルス変調信号生成部８５、トリガパルス遅延部８４によるトリガパルスの遅延時間を調整設定する遅延調整器８７などを備えて構成される。

レーザ駆動信号生成部８３は、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスの立ち上がり（または立ち下がり）に応答して、ＤＦＢ半導体レーザ１１を駆動するレーザ駆動信号を生成して出力し、ＤＦＢ半導体レーザ１１をパルス発振させる。レーザ駆動信号は、繰り返し周波数が数百[kHz]〜１[MHz]程度、パルス幅１〜２[ｎsec]程度で、各パルスの強度がガウス状に変化するパルス信号とされ、このレーザ駆動信号によってパルス発振されるＤＦＢ半導体レーザ１１から、図６に実線で示すようなシードパルス光Ｌsが発生される。この図の縦軸は、シードパルス光Ｌsに関しては光強度を示す。なお、図６では、上記繰り返し周波数で発生されるシードパルス光における単一の光パルス波形のみを示している。

トリガパルス遅延部８４は、トリガパルス発生器８２から入力されたトリガパルスを、遅延調整器８７の設定に応じて所定範囲で遅延させてパルス変調信号生成部８５に入力させる。トリガパルス遅延部８４は、例えば遅延調整器８７として可変抵抗器を用い、可変抵抗器（あるいは後述する制御装置内の演算処理部）から入力される電気信号に応じて遅延量を変化させる種々の遅延回路や、実効伝送路長を変え得る可変長伝送路などを用いて構成することができる。

パルス変調信号生成部８５は、トリガパルス遅延部８４を介して入力されるトリガパルスの立ち上がり（または立ち下がり）に応答して、パルス光変調部１５の透過率Ｔを高い透過率とするパルス変調信号ＭＤ（電圧信号ＭＤ１，ＭＤ２）を生成し、パルス光変調部１５に出力する。パルス変調信号ＭＤのパルス幅は、パルス光変調部１５に入射するパルス光Ｌaのパルス幅よりも狭く、例えば、光増幅部１２から出射されるパルス光Ｌaのパルス幅１〜２[ｎｓ]程度に対して、パルス変調信号ＭＤのパルス幅は、０．３[ｎｓ]程度に設定される。

図６には、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されるシードパルス光Ｌsのパルス波形とともに、トリガパルスの遅延量を所定時間に設定した場合におけるパルス光変調部１５の透過率Ｔの変化を点線で示している。なお、図中の縦軸は、パルス光変調部１５の透過率Ｔに関しては透過率を示す。光増幅部１２に入射するシードパルス光Ｌsの光強度は低く、光増幅部１２にとって小信号利得の範囲内であるため、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されるシードパルス光Ｌsのパルス波形と、光増幅部１２により増幅されたパルス光Ｌaのパルス波形とは、縦軸の光強度の単位のみが異なる相似波形となる。そのため、遅延調整器８７を調整してトリガパルス遅延部８４によるトリガパルスの遅延時間を変化させると、図６におけるシードパルス光Ｌsの波形に対して透過率Ｔの波形位置が時間軸方向（左右）に変化すると同様に、増幅されたパルス光Ｌaに対して透過率Ｔの波形位置が変化し、パルス光変調部１５により切り出されるパルス光Ｌaの切り出しタイミングが変化する。

このように、本構成形態では、制御装置８０（特にトリガパルス遅延部８４および遅延調整器８７）が、光増幅部１２において増幅されたパルス光Ｌaに対するパルス光変調部１５による切り出しタイミングを調整設定可能なタイミング調整部を構成している。もっとも、タイミング調整部は上述した構成に限定されるものではなく、パルス光Ｌaに対する切り出しタイミングを調整設定可能なものであればよい。例えば、トリガパルスに対してパルス変調信号ＭＤに一定の遅延時間を与える一方、ＤＦＢ半導体レーザ１１〜パルス光変調部１５との間の光路長を光ディレイラインによって可変とすれば、図６における透過率Ｔの波形に対して光パルスＬaの波形位置が時間軸方向に変化し、実効的に切り出しタイミングを調整することが可能である。

発明者は、全固体型の光源装置について鋭意研究を進め、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されるシードパルス光Ｌsのスペクトル幅に着目して実験を行った。その結果、シードパルス光Ｌsのスペクトル幅は、パルス幅が１〜２[ｎsec]程度の光パルスの各部位において、一定の傾向をもって変化するという事実を捉えた。この知見に基づき、発明者は、以上説明したようにレーザ装置１０を構成し、以下説明するように光パルスの切り出し位置を調整することにより、レーザ装置１０から出力されるパルス光のスペクトル幅、ひいては光源装置１から出力される紫外光のスペクトル幅を、所定範囲で任意に調整設定し得る新たな手法を発明した。

実験では、遅延調整器８７を調整してトリガパルス遅延部８４によるトリガパルスの遅延時間を変化させ、パルス光の切り出し位置を変化させた。このとき、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射するシードパルス光Ｌsのパルス幅は約１．５ｎｓとし、パルス光変調部１５の透過率Ｔ(図６を参照)のパルス幅、すなわちパルス光変調部１５によるパルス光Ｌaの切り出し幅は約０．３ｎｓとした。そして、光検出器及びオシロスコープを用いてパルス光Ｌaのパルス波形、および切り出された短パルス光Ｌpのパルス波形を計測し、さらに、分光計を用いて光源装置１から出力される波長１９３ｎｍの紫外光ＬvのＥ９５（スペクトル中の９５％のエネルギーが集中しているスペクトル幅）を各遅延時間に対応して測定した。

図７は、測定結果を示すグラフである。この図において、ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３は、シードパルス光Ｌsに対するパルス光変調部１５による切り出しタイミング（中心位置）を示す指標である。図中には、ｔ０〜ｔ３の各タイミングで切り出され、波長変換部３０から出力された紫外光ＬvのＥ９５スペクトル幅の計測値を、枠囲みして示す。

図示のように、光パルスの逓増部分(立ち上がり部分)を切り出したタイミングｔ０では、Ｅ９５が１０[ｐｍ]を超えており、紫外光のスペクトル幅はかなり広い状態であった。ところが、光パルスのピーク付近を切り出したタイミングｔ１では、Ｅ９５が約８[ｐｍ]になってスペクトル幅が狭まっていき、光パルスの逓減部分(立下り部分)のうちピークに近い部分を切り出したタイミングｔ２においては、Ｅ９５が約２．５[ｐｍ]と極めて狭くなっている。切り出しタイミングを更に遅らせたタイミングｔ３では、Ｅ９５が５[ｐｍ]となり、スペクトル幅はタイミングｔ２と比較すると幾分広くなっている。この測定結果から、光パルスの切り出しタイミングｔ０〜ｔ２において、遅延時間の増加とともにスペクトル幅が狭くなっていくことが理解される。

このため、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されたシードパルス光Ｌs、または光増幅部１２により増幅されたパルス光Ｌaを、パルス光変調部１５により切り出す際の切り出しタイミングを調整することにより、レーザ装置１０から出力される基本波レーザ光（短パルス光）Ｌp、および光源装置１から出力される紫外光Ｌvのスペクトル幅を変化させることができ、これらの光のスペクトル幅を所定範囲において任意に調整設定することができる。

トリガパルス遅延部８４による遅延時間の調整範囲は、パルス発振させるＤＦＢ半導体レーザ１１のパルス幅の範囲内で適宜に設定することができ、遅延調整器８７による遅延時間（切り出し位置）の設定は、光源装置１の用途および機能に応じて要求されるスペクトル幅に基づいて適宜定めることができる。例えば、光源装置１を半導体デバイス製造用の露光装置の光源として使用する場合など、紫外光Ｌvのスペクトル幅を極力狭くすることが要求されるような場合には、トリガパルス遅延部８４による調整可能範囲をタイミングｔ１〜ｔ３の範囲とし、遅延調整器８７を操作してスペクトル幅が最も狭くなるようにタイミングｔ２近傍で調整設定すればよい。具体的には、分光計で紫外光Ｌv（または短パルス光Ｌp）のＥ９５の変化を観察しながら遅延調整器８７を調整操作し、Ｅ９５が最も狭くなるようにトリガパルス遅延部８４の遅延時間を設定すればよい。

また、紫外光Ｌvのスペクトル幅は一定程度狭いことが要求されが、スペクトル幅が狭すぎると時間コヒーレンス長が長くなり過ぎ、スペックルの発生が問題になるような用途（例えば、所定の光学式検査装置）に、光源装置１を用いるような場合には、トリガパルス遅延部８４による調整可能範囲をタイミングｔ０〜ｔ３の範囲とし、遅延調整器８７を操作して、紫外光のスペクトル幅およびコヒーレンス長が所望範囲になるように調整設定すればよい。具体的には、分光計で紫外光ＬvのＥ９５を観察するとともに、干渉計で紫外光の時間コヒーレンス長を観察しながら遅延調整器８７を調整操作し、Ｅ９５が所要スペクトル幅の範囲内であり、かつコヒーレンス長が所要コヒーレンス長の範囲内になるように、トリガパルス遅延部８４の遅延時間を設定する。なお、時間コヒーレンス長はスペクトル幅の逆数にほぼ比例するため、遅延調整器８７を操作して光パルスの切り出し位置を変化させることにより、時間コヒーレンス長を変化させることができる。

このように、本構成形態のレーザ装置１０、光源装置１によれば、レーザ装置１０から出力されるパルス光のスペクトル幅、ひいては光源装置１から出力される紫外光のスペクトル幅を、所定範囲で任意に調整設定することができる。なお、分光計を含む観察システムをレーザ装置または光源装置に内蔵し、制御装置８０が装置の用途および機能に応じて、トリガパルス遅延部８４による遅延時間を自動設定するように構成してもよい。

また、本構成のレーザ装置１０においては、パルス光変調部１５を光増幅部１２の出射側に設け、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されたシードパルス光Ｌsを光増幅部１２により増幅し、増幅されたパルス光Ｌaをパルス光変調部１５により切り出すように構成している。

このため、光増幅部１２で発生したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）によるＤＣ成分のノイズをパルス光変調部１５によって除去することができる。そのため、レーザ装置１０から出力された短パルス光Ｌpを増幅する後段の光増幅部を備える光源装置において、後段の光増幅部にＳＮ比が高い信号光（本構成形態における短パルス光Ｌp）を供給することができ、これにより、後段の光増幅部におけるエネルギーの損失を低減して高効率の作動を実現することができる。

ところで、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射されたシード光（シードパルス光）を光増幅部１２で増幅し、波長変換部３０で紫外光に波長変換して出力する光源装置では、例えば、波長変換部３０に設けられた波長変換光学素子の変換効率低下等に起因して、紫外光出力が低下するような状況が発生する。このような場合に、最終的に出力される紫外光の光強度を保つため、光増幅部１２に設けられたファイバー光増幅器の励起光の強度を増加させ、基本波レーザ光の出力を増大させて低下分を補うことが一般的に行われている。

しかしながら、ファイバー光増幅器の励起光の強度を増加させ、基本波レーザ光の出力を増大させることは、ファイバー光増幅器を透過するピークパワーを高くすることを意味し、その結果、ファイバー中での非線形過程を通して、光増幅部１２から出力されるパルス光Ｌaのスペクトル幅が増大する。いま、光増幅部１２における励起光の強度変化をΔＰとしたとき、その強度変化ΔＰが励起光の強度Ｐに対して極端に大きくない場合には、Ｅ９５のスペクトル幅の変化ΔＥ９５はΔＰと線形関係にあり、ΔＥ９５≒αΔＰで近似的に与えられる。

一方、前述したように、光パルスの切り出しタイミングがｔ０〜ｔ２の間では、遅延時間の増加とともにスペクトル幅が狭くなることが実験的に確認されている。つまり、遅延調整器８７により調整されるトリガパルスの遅延時間（光パルスと切り出される短パルス光との位相差）をΔτとしたときに、スペクトル幅Ｅ９５の変化ΔＥ９５はΔτと線形関係にあり、ΔＥ９５≒βΔτで近似的に与えられる。

従って、励起光の強度変化ΔＰに伴い、αΔＰ＋βΔτ＝０を満たすようにΔτを制御すれば、光増幅部１２において励起光の強度を変化させても、レーザ装置１０から出力されるパルス光（基本波レーザ光）のスペクトル幅、および波長変換部３０から出力される紫外光のスペクトル幅に、ほとんど変化が生じないようにすることができる。

励起光の強度変化ΔＰに対するスペクトル幅の変化ΔＥ９５、およびトリガパルスの遅延時間Δτに対するスペクトル幅の変化ΔＥ９５は、ともに実験的に求めることができ、上記係数αおよびβを算出して制御装置８０に設定しておくことができる。そして、光増幅部１２において励起光の強度変化が生じたときに、制御装置８０に設けられた不図示の演算処理部においてαΔＰ＋βΔτ＝０を満たすΔτを算出し、導出された遅延時間Δτをトリガパルス遅延部８４に入力してパルス光の切り出しタイミングを制御するように構成すれば、励起光強度が変化しても、変化の前後にわたりスペクトル幅を略一定に保つことができる。このような構成によれば、励起光の強度変化にかかわらず、常に安定したスペクトル幅の短パルス光Ｌpを出力するレーザ装置、あるいは、常に安定したスペクトル幅の紫外光Ｌvを出力する光源装置を提供することができる。なお、パルス光の切り出しタイミングの変更に伴い、スペクトルの中心波長が変動する場合がある。本構成形態のレーザ装置では、レーザ光発生部１１としてＤＦＢ半導体レーザを用いているため、温度調整器により温度制御することにより、波長の変動を補償することが可能である。

以上では、光源装置の例として、パルス光変調部１５により切り出された短パルス光Ｌpを波長変換部３０に入射させ、直列的に形成した波長変換部３０で波長変換する構成を主として説明したが、パルス光変調部１５の出力側に単段または複数段の第２の光増幅部２０（図２を参照）を設け、増幅された短パルス光を波長変換部３０に入射させるように構成してもよい。この場合において、パルス光の切り出しタイミングは、第２の光増幅部２０から出射される増幅後の短パルス光のスペクトル幅が、これらの光増幅部１０，２０の励起強度の変化や各光増幅部を形成するファイバー光増幅器の着脱交換等の前後にわたり、略一定となるように制御するように構成することができる。光増幅部が複数段からなる場合には、後段の光増幅部（ファイバー光増幅器）ほど非線形効果が大きくなる。このため、上記のように構成することにより本発明の効果をさらに高めることができる。なお、光増幅部１０（第２の光増幅部２０）から出射される短パルス光を、複数に分割して並列的に形成した波長変換部で波長変換するように構成してもよい。このような第２の光増幅部および波長変換部の構成例として、例えば、本出願人に係る特開２００７−４７３３２号公報に開示した構成を用いることができる。

次に、以上説明した光源装置１の好適な適用例として、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置５０について、その概要構成を模式的に示す図８を参照して説明する。フォトリソグラフィ工程で使用される露光装置５０は、原理的には写真製版と同じであり、マスク（フォトマスク、レチクルとも称される）上に精密に描かれたパターン（デバイスパターン）を、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板などの上に光学的に投影して転写する。

露光装置５０は、既述した光源装置１と、照射光学系（照明光学系）５１と、マスク５２を支持するマスク支持台５３と、投影光学系５４と、露光対象物たる感光物体である半導体ウエハ５５を載置保持する載置台５６と、載置台５６をＸ−Ｙ軸方向に水平移動させる駆動装置５７とを備えて構成される。

光源装置１から出力された紫外光Ｌvは、複数のレンズにより構成される照射光学系５１に入射し、ここを通って強度分布が均一化された紫外光がマスク支持台５３に支持されたマスク５２の全面に照射される。本構成形態では、光源装置１及び照射光学系５１が、対象物であるマスク５２を照射する光照射装置を構成する。マスク５２を通過した光は、マスク５２に形成されたパターンの像を有しており、投影光学系５４を介して載置台５６に載置された半導体ウエハ５５の所定位置に照射される。このとき、投影光学系５４によりマスク５２のパターンの像が半導体ウエハ５５の上に縮小されて結像露光される。

このような露光装置５０によれば、光源装置１からの紫外光Ｌvにおいてノイズ光が低減されてＳ／Ｎが高まるので、マスク５２のパターンの転写精度が高まる。また、光源装置１の遅延調整器８７を操作して光パルスの切り出しタイミングを調整し紫外光Ｌvのスペクトル幅を極力狭めておくことで、投影光学系の結像特性が向上し、この点からもマスク５２のパターンの転写精度を高めることができる。

本発明の一態様であるデバイス製造方法では、半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行う工程、シリコン材料からウエハを形成する工程、前記第２の実施の形態による露光装置５０によりマスク５２を介して半導体ウエハ５５を露光する工程を含むリソグラフィ工程、エッチング等の回路パターンを形成する工程、デバイス組み立て工程（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査工程等を経て製造される。なお、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置のみならず、他の種々のデバイスを製造するための露光装置にも適用することができる。

以上、本発明の好ましい構成形態について説明したが、本発明はこれらの構成形態に限定されるものではない。例えば、パルス光変調部１５は、０．１[ｎsec]程度のパルス幅でシードパルス光を切り出し可能であればよく、他の形式の電気光学変調器や、音響光学変調器（ＡＯＭ）などを用いてもよい。また、光源装置１からの紫外光Ｌvの波長は１９３ｎｍに限定されるものではなく、例えば、ＫｒＦエキシマレーザやＦ₂レーザ等と同様の波長帯域であってもよい。さらに、本発明による光照射装置を適用した構成例として、露光装置５０を例示したが、本発明による光照射装置は、各種の光学式検査装置や、レーザ治療装置など、他の種々の装置においても用いることができ、前述した露光装置と同様の効果を得ることができる。

１ 光源装置
１０ レーザ装置
１１ レーザ光発生部
１２ 光増幅部
１５ パルス光変調部
３０ 波長変換部
５０ 露光装置
５１ 照射光学系
５２ マスク
５４ 投影光学系
５５ 半導体ウエハ（感光物体）
８０ 制御装置
８４ トリガパルス遅延部
８７ 遅延調整器
Ｌs シードパルス光
Ｌa パルス光
Ｌp 短パルス光

Claims (10)

1. 単一波長のパルス光を発生するレーザ光発生部と、
   前記レーザ光発生部により発生されたパルス光を増幅する光増幅部と、
   前記光増幅部により増幅されたパルス光の一部を時間的に切り出して出射するパルス光変調部と、
   前記増幅されたパルス光に対する前記パルス光変調部による切り出しタイミングを調整設定可能なタイミング調整部とを備え、
   前記タイミング調整部による前記切り出しタイミングは、
   切り出されるパルス光の前記一部が、前記増幅されたパルス光における光強度の逓減部分の一部となるタイミングにおいて、前記光増幅部における励起強度が変化したときに、切り出されるパルス光の前記一部のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されることを特徴とするレーザ装置。
2. 所定間隔でトリガパルスを発生させるトリガパルス発生器と、
   前記トリガパルスに応じて前記パルス光変調部を駆動するパルス変調信号を生成し前記パルス光変調部に出力するパルス変調信号生成部とを備え、
   前記タイミング調整部は、前記トリガパルスの遅延時間を調整設定する遅延調整器と、前記遅延調整器での調整設定に応じて前記トリガパルス発生器から入力される前記トリガパルスを遅延させるトリガパルス遅延部とを有し、
   前記パルス変調信号生成部は、前記トリガパルス発生器から前記トリガパルス遅延部を介して入力される前記トリガパルスに応じて前記パルス変調信号を生成し、
   前記遅延調整器での調整設定に応じて前記トリガパルス遅延部による前記トリガパルスの遅延時間が変化すると、前記パルス光変調部による切り出しタイミングが変化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記パルス光変調部により切り出されたパルス光を増幅する第２の光増幅部を備え、
   前記タイミング調整部による前記切り出しタイミングは、
   前記光増幅部および前記第２の光増幅部のうち少なくとも一方における励起強度が変化したときに、前記第２の光増幅部により増幅される前記切り出されるパルス光の前記一部のスペクトル幅が、励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
   前記レーザ装置から出射された赤外〜可視領域の光を紫外領域の光に変換する波長変換部とを備え、
   前記レーザ装置から出射された光が前記波長変換部により紫外光に変換されて出力されるように構成したことを特徴とする光源装置。
5. 前記タイミング調整部による前記切り出しタイミングが、前記切り出されるパルス光の前記一部のスペクトル幅が前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されて、前記波長変換部から出力される前記紫外光のスペクトル幅が、前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 請求項４に記載の光源装置を調整する調整方法であって、
   前記波長変換部から出力された前記紫外光のスペクトル幅を観察しながら前記タイミング調整部により前記切り出しタイミングを変化させ、観察される前記紫外光のスペクトル幅が所望のスペクトル幅になるように調整操作し、
   前記タイミング調整部による前記切り出しタイミングが、前記切り出されるパルス光の前記一部のスペクトル幅が前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されて、前記調整操作により調整した前記紫外光のスペクトル幅が、前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となることを特徴とする光源装置の調整方法。
7. 請求項４に記載の光源装置を調整する調整方法であって、
   前記波長変換部から出力された前記紫外光のスペクトル幅及び時間コヒーレンス長を観察しながら前記タイミング調整部により前記切り出しタイミングを変化させ、観察される前記紫外光のスペクトル幅が所望のスペクトル幅になるとともに前記コヒーレンス長が所望のコヒーレンス長になるように調整操作し、
   前記タイミング調整部による前記切り出しタイミングが、前記切り出されるパルス光の前記一部のスペクトル幅が前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となるように調整設定されて、前記調整操作により調整した前記紫外光のスペクトル幅が、前記励起強度の変化の前後にわたり略一定となることを特徴とする光源装置の調整方法。
8. 対象物に光を照射する光照射装置であって、
   請求項４または５に記載の光源装置と、
   前記光源装置から出力された紫外光を前記対象物に照射する照射光学系とを備えたことを特徴とする光照射装置。
9. マスクに形成されたパターンを感光物体上に転写する露光装置であって、
   請求項４または５に記載の光源装置と、
   前記光源装置から出力された紫外光を前記マスクに照射する照射光学系と、
   前記マスクを透過した紫外光を前記感光物体に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
10. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程では、請求項９に記載の露光装置を用いて前記マスクのパターンを前記感光物体に転写することを特徴とするデバイス製造方法。

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