JPH01251767A - 狭帯域発振エキシマレーザの波長異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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２４８．４
　ｒ＋ｎ＋）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ｑ線やｉ線に比較してし焦点深度が深
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２４８．３５ｎｉ
と短いため、この波長を透過する材料が石英、ＣａＦ２
およびＭＣ］Ｆ２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ずるス
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エンク
ションロック方式と呼ばれるものがある。

このインジエン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りアミラーとレー
ザチャンバの間に有効径の大きな（数１０ｔｎｍφ程度
）エタロンを配置する構成を採用し、この構成により、
２０Ｘ１０ｍ”の範囲でスペクトル幅が半値全幅で約０
．００３ｎ１Ｍ以下の−様な狭帯域化を施しパルス当た
り約５０ｍＪの出力のレーザ光を得ている。すなわち、
エキシマレーザのり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、エキシマレーザのり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優れた利
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、エタロンの面蹟度、
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
、マルチ波長光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回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とりア
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せを行なう重ね合せ制御を同時にも
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１
０３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Ｐλ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！ｍ３１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の回折像が光位置センサ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技長パワー
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　センシイティブ　デバイ
ス）等を用いることができる。ここで、光位置センサ３
５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、ＰＳＤ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。

発振中心波長及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Ｐλ
は波長コントローラを構成する中央処理装置（ＣＰＵ）
３０２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
長に一致しく中心波長制御）、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４の温度の制御、角度の制御の
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３０
１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１０１．１
０２の透過中心波長が重なり、発振中心波長及び中心波
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（サイドピークが
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。これはサイドピークを検出しないようにするため
である。すなわち、エタロン１０’ｌと１０２の重ね合
せが不良の状態においてはサイドピークが生じ、光位置
センサ３５がこのサイドピーク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、サイドピークが生じてもこのサ
イドピーク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サイドピー
クが生じるが、エタロン１０１と１０２の重ね合せが完
全になるとほとんどサイドピークは生じないようにエタ
ロン１０１と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ＩＡ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
てもサイドピーク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、フリースベクトラルレンジの小さいエタロン１０
１とフリースベ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１
０２の重ね合せが完全となると、第４図（ａ）に示すよ
うにほとんどサイドピークが生じない。しかし、面精度
の劣化等によりフリースベ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
すように複数のサイドピークが生じ、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
発振のサイドピーク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でサイドピークが生
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サイドピークを検出で
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サイドピークを検出できる
ようになる。

このように、この実施例ではＣＰＬＩ３０２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（サイドピークを検出するに必要な角度）回転
させ、これによってサイドピークが生じているか否かを
監視するようにしている。ここでサイドピークが検出さ
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。

次にこの波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くステップ
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ない（ステップ５
０３）、中心波長が所望の波長及びパワーとなると（ス
テップ５０４）、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５０
６）、続いて回折格子を一側、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８１と８２を加篩することにより全側帯波の
パワーＳを算出しくステップ５０９）、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
Ｏ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、一方何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・・・ＣＰＵ、２０４・・・レーザ電源、
２０５・・・ガスコントローラ、３００・・−波長制御
系、３０５・・・回折格子ドライバ。 ２α八Ｉパ−一」イ卸果 第１図 第２図 第３図 ）叉改Ｃ入） 第４図（σ） 友長（△） 第４図１．ｂ） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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つ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
   。