JPH02152288A - レーザ光の波長制御方法とそれを用いたエキシマレーザ装置および露光装置 - 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〕 本発明は、波長狭帯域化機能を有するエキシマレーザ装
置における波長制御方法、およびそれを用いたエキシマ
レーザ装置並びに露光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体積層回路の微細バタン形成に現在広く用いられて
いる縮小投影露光法では、露光の波長を短くすることに
より解像度を向上させることができる。そこで、従来用
いられてきた高圧水銀ランプのｇ線（波長４３６ｎｍ）
またはｉ線（波長３６５ｎ　ｍ　）に代えて、より短波
長の遠紫外エキシマレーザ光（例えばＫｒＦレーザ、波
長２４８ｎ　ｍ　）を光源とする縮小投影露光法が注目
されている。

しかし、上記ＫｒＦエキシマレーザ等の遠紫外光を透過
する光学材料の種類は極めて限定されている。このため
、上記エキシマレーザを光源とする縮小投影露光法にお
いては、縮小投影レンズに対していわゆる色収差補正を
行うことが極めて難しい。そこで、上記方法では０．５
ｎｍ程度の自然スペクトル幅を有するエキシマレーザ光
の波長を、５　／　１０００ｎ　ｍ以下に狭帯域化して
１色収差補正を行わない縮小投影レンズを用いて露光を
行うのが一般的である。上記波長狭帯域化は、複数のエ
タロン、グレーティング、プリズム等の波長狭帯域化素
子を組み合わせることにより行われることが多い。

なお、エキシマレーザ縮小投影露光法については、例え
ばソリッド・ステート・テクノロジー・１月号（Ｓｏｌ
ｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／　Ｊａｎｕ
ａｒｙ）（１９８７）第７１頁から第７６頁において論
じられてぃ゛る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、例えば振動や熱などの影響により上
記波長狭帯域化素子の状態（例えば、エタロンの反射面
と光軸とのなす角度やエタロンのギャップの大きさなど
）が変動すると、これに伴い狭帯域化された波長スペク
トル分布の中心波長（以下、出力波長と記す）が変化し
てしまうという問題点があった。上記出力波長が変化す
ると。

縮小投影レンズの結像面が光軸方向に移動してしまうた
め、最適条件でマスクバタンの転写を行うことができな
い。したがって、狭帯域化された上記出力波長の絶対値
をモニタし、その変動を上記波長狭帯域化素子の状態に
フィードバックして（例えばエタロンの反射面と光軸と
のなす角度を微調整するなどして）上記出力波長を常に
一定に保つ必要がある。このような波長の微調整機能は
、上記波長狭帯域化素子の状態変化だけではなく、縮小
投影レンズの状態変化や気圧変動による結像面位置の変
化を修正する場合にも有効である。

しかしながら、一般に波長狭帯域化素子の状態は、出力
パワーと波長スペクトル分布の状態とに極１．めで大き
な影響をおよぼす。特に複数の波長狭帯域化素子を用い
た場合は、上記波長狭帯域化素子の１つを独立に動かす
と著しい出力パワーの低下を生じる。また、このとき所
望の波長以外の絶対波長を有する側帯波を発生する場合
が多い。このような側帯波は、バタン露出時の投影光学
像のコントラストを低下させ、バタン形成に悪影響を及
ぼすことになる。

本発明の目的は、複数の波長狭帯域化素子を用いて、波
長の狭帯域化を行うエキシマレーザ装置において、出力
パワーの低下を最小限に抑え、かつ、側帯波を発生させ
ることなく、絶対波長を可変にすることができる波長可
変方法、および上記機能を有するエキシマレーザ装置を
得ることにあり、また、上記波長狭帯域化方法を用いて
、エキシマレーザ光を最適な状態に保ちながら、極めて
容易に露光できる露光装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、波長の狭帯域化に関係する複数の波長狭帯
域化素子のそれぞれの状態を、同一波長に対する波長選
択効率が最大になるように、連動させながら変化させる
ことによって達成される。

ここに、波長狭帯域化素子の状態とは、エタロンのギャ
ップ、エタロン、グレーティング、プリズム等の波長狭
帯域化素子の反射面がレーザ装置の光軸となす角度、ま
たは、上記狭帯域化素子またはその周辺媒質の屈折率等
である。周辺媒質の屈折率は、例えば素子周辺の気圧を
上下させるなどにより変化させることができる。

また、波長選択効率ηとは、例えば （作用〕 つぎに本発明の作用を、簡単のために、エタロン２枚を
用いる場合で代表して説明する。第４図に示すように、
それぞれのギャップΔｈ工、Δｈ２（Δｈ□〉Δｈ、）
を有する２枚のエタロンを配置し、それぞれのエタロン
の反射面の法線が光軸となす角度をθ８．θ２とする。

上記各エタロンの透過率Ｔは、波長λと角度０工または
θ２との関数であり、次式で表される。

ただし、λ：波長 λ。：所望の中心波長 Δλ：各波長波長狭帯域化素子る狭帯域化波長半値幅 Ｉｏ（λ）：自然波長スペクトル Ｉ（λ）：各波長狭帯域化素子により狭帯域化された波
長スペクトル で表される量である。

ここに、λは露光波長、ｆはエタロンのフィネスである
。２枚のエタロンの総合的な透過率ＴはＴ　＝　Ｔ、　
Ｘ　Ｔ、で与えられる。エキシマレーザの自然波長スペ
クトルを丁。（λ）とすると、２枚のエタロンを通過し
た出力光の波長スペクトル■（λ）は　　工（λ）＝Ｔ
ｘ（θ０．λ）　ＸＴｚ（θ２．λ）ＸＩ。（λ）　　
　（３）で与えられる。

第５図に０２を固定してθ、を変化させたときに、エ（
λ）が変化する様子を示す６また、第６図にはθ１を固
定して０２を変化させた場合における同様の図を示す。

いずれの場合も、エタロンの角度を動かすことにより、
出力波長を変化させることができる。

しかし、このとき同時に出力強度も変動し、まは、上記
エタロンの角度の設定によっては出力波長スペクトルが
１本のピークにならず、２本または３本になってしまう
ことが判る。上記に示したこれらの事はいずれも好まし
いことではない。第７図は出力強度だけに着目し、上記
出力強度をθ□、θ２の関数として示したものである。

この図からも、θ、と０２のどちらか一方を固定して他
方を変化させると、出力強度が激しく変動することが判
る。上記は２個のエタロンを用いた場合について記した
が、エタロン以外の波長狭帯域化素子を使用した場合で
も、全く同様な特性を得ることができる。一方、第６図
に示す尾根状の部分に沿って、θ２．θ、を変化させる
と、出力強度の変化を非常に小さく抑えることができる
。

また、この時に出力波長スペクトルは、単一ピークの形
状を保ちながらピーク波長が変化し、こと書くことがで
きる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明によるエキシマレーザ装置の一実施例を
示す構成図、第２図は上記実施例による波長調整方法を
示す説明図、第３図は本発明によるエキシマレーザ装置
の他の実施例を示す構成図、第７図は本発明の原理を示
すエキシマレーザ出力特性図である。

第１実施例 本発明の第１実施例を第１図に示す構成図により説明す
る０本装置は、反射鏡１、ＫｒＦエキシマレーザガスチ
ャンバ２、エタロン３、出力＠４、エタロン５、エタロ
ン角度調整装置６および７、出力波長制御装置８、出力
波長モニタ装置９、出力強度モニタ装置１０を含み、上
記各構成要素は第１図に示すように配置されている。な
お、１１はモニタ用ビームスプリッタ、１２はモニタ用
反射鏡である。上記エタロン３および５はそれぞれ０．
５ｍｍと０．０５ｍｍのギャップを有し、エタロン３は
反射鏡１と出力鏡４との間で発振されるレーザ光のスペ
クトルを、ＫｒＦエキシマレーザの自然スペクトル帯域
（２４８，１〜２４８．７ｎｍ）内で、はぼ等波長間隔
に分布するそれぞれ３　／　１０００ｎ　ｍ程度の半値
幅に狭帯域化された複数本のピーク状スペクトルにする
。エタロン５は、出力鏡４から出力された上記複数本の
狭帯域化されたスペクトルのピークから１本だけを選択
して透過する。エタロン角度調整装置６および７は、そ
れぞれエタロン３および５の反射面が光軸となす角度を
調整する。波長モニタ装置９は出力されたピーク波長の
絶対値を検出する。また、出力強度モニタ装置１０は出
力光の強度を検出する。上記モニタ装置で得られた結果
は、必要に応じて出力波長制御装置８ヘフイードバツク
され、出力波長制御装置８は所望の波長または出力強度
が得られるように、エタロン角度調整装Ｗ６，７に信号
を送る。エタロン角度調整装置６，７は、それぞれ上記
信号にもとづきエタロン３および５の反射面が光軸とな
す角を調整する。

この際、上記出力波長制御装置８は、上記２つの角度が
上記作用の説明で示した関係式（４）を満足させながら
変化するように、エタロン角度調整装置６および７Ａｍ
号を送る機能を有する。

なお、エキシマレーザガスに関しては、本実施例に示し
たものに限らず、他の組成のものを用いてもよい、また
、エタロンのギャップに関しても、本実施例で示した値
に限定されない、ただし、第１図において、レーザ共振
器内に配置したエタロン３のギャップは、上記共振器外
に配置したエタロン５のギャップより大きくすることが
好ましい。

このようにすることにより、出力されるレーザ光の強度
を大きくすることができる。これは、広いギャップをも
つエタロンによれば、エキシマレーザ光の自然スペクト
ル内の複数の選択された波長が共振されるので、共振器
内の励起状態にある気体を有効に活用できるためと考え
られる。

また、レーザ光は共振器内を数往復するため、共振器内
におかれたエタロンに対する利用効率が増大し、その実
効的なフィネスが増加する。狭帯域化されたスペクトル
の半値幅は、ギャップが広い方のエタロンにより支配さ
れるので、上記ギャップが広い方のエタロンを共振器内
に配置することにより、上記半値幅を一層小さくするこ
とができる。一方、レーザ共振器外に配置したエタロン
のフィネスを実効的に向上させるには、例えばレーザ光
の光路を、上記エタロンを２回以上通過するように設定
することが有効である。

つぎに本実施例に示した装置による最適条件設定方法の
一例を示す。まず、出力強度モニタ装置１０と波長制御
装置８を用いて、出力強度が最大になるように、エタロ
ン３または５のいずれか一方の角度だけを独立に調整す
る。第２図は波長調整法を示し、破線１３はエキシマレ
ーザの自然スペクトル、１４はエタロン５の透過率、１
５は狭帯域化ピークを示す。これにより、第２図（ｂ）
に示すように、エタロン３を透過したスペクトルの複数
のピーク内の１本の波長と、エタロン５の最大透過率を
与える波長が一致する。すなわち関係式（４）が満たさ
れている。つぎに、出力波長モニタ装置９と波長制御装
置８とを用いて、出力波長が所望の値に達するまで、上
記関係式（４）を満足させながらエタロン３および５の
角度を、第２図（ｃ）に示すように調整する。

この際の波長制御は主に２つの方法により行われる。第
１の方法は、エタロン３の角度を変化させることによる
出力光強度の変化を、出力強度モニタ装置１０．波長制
御装置８、エタロン角度調整装置７を介して、エタロン
５の角度に常にフィードバックし、出力最大を保ちなが
ら所望の波長までエタロン３の角度を変化させる。第２
の方法は、波長モニタ装置９により測定された現在の波
長と所望の波長との差から、波長制御装置により前もっ
てエタロン３および５の角度回転量を計算し、エタロン
角度調整装置６，７へ角度回転信号を送る。上記いずれ
の方法を用いても、良好な結果が得られた。

本装置において、出力波長を２４８．２ｎｍ〜２４８．
６ｎｍの範囲内で変化させたところ、出力強度の劣化は
、エキシマレーザの自然スペクトルにおける発光強度の
波長依存性にほぼ一致し、極めてなめらかであった。ま
た、この間に側帯波の発生は見られず、半値幅的３　／
　１０００ｎ　ｍの単一ピークよりなるスペクトル形状
を保ちながら、絶対波長を走査することができた。

第２実施例 本発明の第２実施例を第３図を用いて説明する。

第３図に示したエキシマレーザ装置は、第１実施例に示
したエキシマレーザ装置におけるエタロン３に代えて、
グレーティング１６を反射鏡１とエキシマレーザガスチ
ャンバ２との間に設置し、かつ、エタロン角度調整装置
６に代えてグレーティング角度調整装置１７を設けたも
のである。上記グレーティング１６によるレーザ光の回
折角に応じて、反射鏡１の設定位置および角度も変更し
た０本実施例を用いても第１実施例と同様な効果が得ら
れた。

狭帯域化素子とその配置については、第１実施例や本実
施例に示したものに限らず、さまざまなものを用いるこ
とができる。

第３実施例 第１実施例に示したエキシマレーザ装置の波長可変機能
を用いて、いわゆる多重結像露光法（通称ＦＬＥＸ法）
を行った。すなわち、異なる波長を用いて同一マスクの
露光を行うことにより、投影レンズの色収差特性を利用
して、光軸方向の異なった位置に結像面を設定して多重
露光を行った。

第１図に示したエタロン３および５の反射面の法線と光
軸とのなす角度θ０．θ２を、第６図に示した出力最大
を与える尾根に沿うように変化させ、まず波長２４８，
３９ｎｍ、つぎに２４８．４１ｎｍに設定し、それぞれ
の波長ごとに露光を行った。上記２つの露光における結
像位置間の距離は約２．５μｍであった。また、上記変
更に伴う出力強度の変動は５％以下であった。

本実施例により０．３μｍ　コンタクトホールパタンを
、±１．５μｍ以上の焦点深度をもって解像することが
できた。本実施例による焦点深度は、本実施例によらな
い場合の焦点深度の２倍以上であった。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によるレーザ光の波長制御方法とそ
れを用いたエキシマレーザ装置および露光装置は、出力
されるレーザ光の波長を、複数個の波長狭帯域化素子を
用いて狭帯域化するとともに、上記波長狭帯域化素子の
状態を変化されることにより、出力レーザ光の絶対波長
を変化させるレーザ光の波長制御方法において、所望の
波長に対する上記各波長狭帯域化素子の波長選択効率が
ほぼ最大になるように、上記各波長狭帯域化素子の状態
を設定することにより、上記出力波長の変化に伴う出力
強度の低下を最小限に抑えるとともに、上記狭帯域化さ
れた波長スペクトル形状を維持することができ、これら
の特徴をそなえたエキシマレーザ装置および露光装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるエキシマレーザ装置の一実施例を
示す構成図、第２図は上記実施例による波長調整方法を
示す説明図、第３図は本発明によるエキシマレーザ装置
の他の実施例を示す構成図、第４図は本発明の作用原理
を説明するための図。 第５図および第６図は従来のエキシマレーザ出力特性図
、第７図は本発明の原理を示すエキシマレーザ出力特性
図である。 ２・・・エキシマレーザガスチャンバ ３．５・・・エタロン（波長狭帯域化素子）８・・・波
長制御装置 １６・・・グレーティング（波長狭帯域化素子）代理人
弁理士　　中　村　純之助 第２図 ２：エルシマし−ヂブスｈ〉バ ８：違五制装置 ３．５；エダロンＣ庭五狭帯を或イヒ素子ン１１：　り
゛し−ティ〉り・。 ２４８．０ ２４８．８ ：／皮長入（ｎｍ） 第５ 図 ２４８．０ ミ皮長入 ２４８．８ （ｎｍｌ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．　出力されるレーザ光の波長を、複数個の波長狭帯
   域化素子を用いて狭帯域化するとともに、上記波長狭帯
   域化素子の状態を変化させることにより、出力レーザ光
   の絶対波長を変化させるレーザ光の波長制御方法におい
   て、所望の波長に対する上記各波長狭帯域化素子の波長
   選択効率がほぼ最大になるように、上記各波長狭帯域化
   素子の状態を設定することを特徴とするレーザ光の波長
   制御方法。 ２．　上記各波長狭帯域化素子の状態設定は、同一波長
   に対する上記各波長狭帯域化素子の波長選択効率がほぼ
   最大になるように、上記各波長狭帯域化素子の状態を、
   連動させながら変化することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載したレーザ光の波長制御方法。 ３．　出力されるレーザ光の波長を、複数個の波長狭帯
   域化素子を用いて狭帯域化するとともに、上記波長狭帯
   域化素子の状態を変化させることにより、出力レーザ光
   の絶対波長を変化させる機能を備えたエキシマレーザ装
   置において、所望の波長に対する上記各波長狭帯域化素
   子の波長選択効率がほぼ最大になるように、上記各波長
   狭帯域化素子の状態を設定する波長制御装置を備えたこ
   とを特徴とするエキシマレーザ装置。 ４．　上記波長制御装置は、同一波長に対する上記各波
   長狭帯域化素子の波長選択効率がほぼ最大になるように
   、上記各波長狭帯域化素子の状態を、連動させながら変
   化することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載し
   たエキシマレーザ装置。 ５．　上記複数の波長狭帯域化素子は、エタロンまたは
   グレーティングまたはプリズムであり、かつ、上記波長
   選択効率が上記波長におけるエタロンまたはプリズムの
   透過率、あるいはグレーティングの反射率であることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項に記載し
   たエキシマレーザ装置。 ６．　上記波長狭帯域化素子の状態は、エタロンまたは
   グレーティングまたはプリズムの反射面が、レーザビー
   ムの光軸となす角度、または周辺媒質の屈折率であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項に記
   載したエキシマレーザ装置。 ７．　上記複数個のエタロンは、ギャップΔｈ＿ｉ、フ
   ィネスｆ＿ｉ（ｉ：１〜ｎ）を有し、上記各エタロン反
   射面の法線と光軸とのなす角度θ＿ｉ（ｉ＝１〜ｎ）を
   変化させることによりレーザの出力波長λを変化させる
   際、所望の波長λに対して、常に ０．８≦〔１＋（２πｆ＿ｉ）＾２ｓｉｎ＾２（２πΔ
   ｈ＿ｉｃｏｓθ＿ｉ）／λ〕＾−＾１≦１（ただしｉ：
   １〜ｎ）を満たすように、すべてのθｉ（ｉ：１〜ｎ）
   を設定することを特徴とする特許請求の範囲第３項ない
   し第６項のいずれかに記載したエキシマレーザ装置。 ８．　上記波長狭帯域化素子は、レーザ共振器の内部お
   よび外部に配置し、上記レーザ共振器内部に配置する波
   長狭帯域化素子の狭帯域化波長半値幅が、レーザ共振器
   外部に配置する波長狭帯域化素子の狭帯域化波長半値幅
   より小さいことを特徴とする特許請求の範囲第３項ない
   し第７項のいずれかに記載したエキシマレーザ装置。 ９．　上記複数のエタロンは、レーザ共振器の内外に配
   置し、上記レーザ共振器内に挿入するエタロンが、レー
   ザ共振器外に配置するエタロンよりも広いギャップをも
   つことを特徴とする特許請求の範囲第５項ないし第７項
   のいずれかに記載したエキシマレーザ装置。 １０．　上記レーザ光の光路は、上記レーザ共振器外に
   設置したエタロンを、少なくとも２回以上通過するよう
   に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第５項また
   は第６項あるいは第９項に記載したエキシマレーザ装置
   。 １１．　出力されるレーザ光の波長を、複数個の波長狭
   帯域化素子を用いて狭帯域化するとともに、上記波長狭
   帯域化素子の状態を変化させることにより、出力レーザ
   光の絶対波長を変化する機能をもち、上記各波長狭帯域
   化素子の状態を設定する波長制御装置を有するエキシマ
   レーザ装置を備えた露光装置。