JPH05167162A - エキシマレーザ制御装置及び加工装置 - Google Patents

エキシマレーザ制御装置及び加工装置

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JPH05167162A
JPH05167162A JP3353125A JP35312591A JPH05167162A JP H05167162 A JPH05167162 A JP H05167162A JP 3353125 A JP3353125 A JP 3353125A JP 35312591 A JP35312591 A JP 35312591A JP H05167162 A JPH05167162 A JP H05167162A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルスエネルギーのスパイク状パターンを消
去し、従来よりはるかに少ないパルス数で、露光量のバ
ラツキを極限まで小さくすることが可能な露光光源用エ
キシマレーザ制御装置を得る。 【構成】 エキシマレーザ制御装置において、バースト
モード運転の発振状態における各パルスのレーザ光エネ
ルギーを一定にするよう、予めパルス発振を行なうこと
によって求めて記憶されている放電電圧とエネルギー量
との関係に基いて放電電圧を制御する制御手段を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体装置製造
用の露光装置の光源に用いられるエキシマレーザ装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、逐次移動型縮小投影露光装置(以
下ステッパという)の光源として、放電励起型のパルス
発振エキシマレーザが用いられている。ステッパでは、
感光剤が塗布されたウエハ上の一領域が露光された後、
ウエハを搭載したステージを移動させてさらに別の領域
が露光されるものであり、これを繰り返すことによって
ウエハ上の必要な全領域が露光される。
【0003】このような露光には、常時光源を点灯して
いるg線、i線ステッパのように、一定周波数で常時エ
キシマレーザを連続的に発振させて露光に必要な時にシ
ャッタを開いて露光を行なう方法が考えられるが、この
方法はレーザ光源の寿命を考慮すると効率の悪いもので
ある。そこで、露光光源であるエキシマレーザの運転法
として、図6に示すような、一定の周波数である期間連
続的に発振する状態(発振状態)と発振を停止する状態
(停止状態)とを繰り返すモード(以下、バーストモー
ドと記す)が用いられている。
【0004】一方、ステッパにおいては均質な半導体装
置を製造するためには、一領域を露光する時間内に積算
される光量、即ち露光量が領域によって変動するのは望
ましくなく、極力一定に保つ必要がある。
【0005】しかしながら、光源としてパルス発振で励
起されるエキシマレーザを用いる場合、パルス放電その
ものが放電ガスや電極の表面状態に依存する本質的に統
計的な現象であるため、パルス毎のレーザ光エネルギー
を一定にすることは困難である。特に連続発振等の発振
開始直後では、放電を支配するガスや電極の状態が過渡
的に変化するため、レーザ光エネルギーが、図7に示さ
れる如く発振開始直後には大きく、その後徐々に減少し
ていくというパターン(スパイク現象)が一般的にみら
れる。
【0006】従って、上記バーストモードにおいても、
発振状態を開始するたび毎に、開始直後のレーザ光のエ
ネルギーは大きく、その後徐々に減少していくという図
8に示すようなスパイク状のパターンを示す事が避けら
れない状況にあった。実際の露光を行なうにあたって
は、レーザ光のエネルギーを測定してから放電電圧を変
更する通常のフィードバック制御ではこのスパイク状パ
ターンを消去することはできず、発振開始直後から暫く
の間(一般的に30パルス程度まで)露光を停止してお
き、バラツキがある一定の範囲内になってからのパルス
光を露光に用いるという効率の悪い方法を行なってい
た。
【0007】このように本質的にレーザ光エネルギーが
パルス毎にバラツキをもつエキシマレーザを光源とする
場合には特別の配慮が必要であった。そこで、従来は以
下に示すような方法によりこれを解決しようとしてい
た。
【0008】一つは、パルス数を増加させることによっ
て露光量のバラツキを減らす方法である。エキシマレー
ザのパルス毎の光エネルギーの頻度分布は、ほぼ正規分
布で近似することができる。この様な性質をもつパルス
光のエネルギーを一定時間積算した露光量のバラツキ
は、同じ露光量を得るための積算パルスの数をnとすれ
ば、もとのパルスのバラツキの1/√nに減少する。
【0009】また、ステッパまたはレーザ内の露光計を
用いるなどして各パルス毎の光エネルギーを積算し、こ
の積算値が目標とする露光量に近づいてきた時に、減光
フィルタ等をレーザ光路中に挿入して目標の露光量にな
るようパルス毎のエネルギーを修正していくという方法
も考えられていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、個々の
パルスの光エネルギーを小さくして露光パルス数を増や
して露光量を安定化する方法を用いる場合には、トータ
ルのパルス数が増大するため、レーザの部品寿命が早く
つきランニングコスト面で問題が生じてしまう。
【0011】また、近年、技術の改良によって光に対し
て敏感に反応する(高感度な)感光剤が開発されるにつ
れ、単位面積当たりの必要な露光量はより小さくなり、
従来よりはるかに少ないパルス数で短時間での露光が可
能となり、生産性の向上が実現できる状況となってい
る。しかしながら、露光光源であるエキシマレーザのス
パイク状パターンを含むパルス列は、当然のことながら
スパイク状パターンを含まないパルス列に比べて、その
パルス毎の光エネルギーの頻度分布に大きなバラツキを
有するものであり、単純に露光のパルス数を減らしたの
では、露光量のバラツキが増大して規定値を越えてしま
うという問題が生じる。
【0012】さらに、前述のように光エネルギーの積算
値が所定値となるようにパルス毎のエネルギーを修正す
る露光方法を用いる場合も、必要とするパルス数を極端
に減らすことはできなかった。従って、従来のエキシマ
レーザによる露光では、改良された高感度な感光剤の特
性を十分生かすことができず、生産性の向上が実現でき
ないという問題があった。
【0013】本発明は、上記問題を解消し、露光量のバ
ラツキを最少限にすると共に従来より少ないパルス数で
の露光を可能とするエキシマレーザ装置を得ることを目
的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明に係るエキシマレーザ制御装
置では、一定の周波数で連続的なパルス発振を所定時間
維持する発振状態と、前記パルス発振を所定時間停止す
る停止状態とを交互に繰り返すバーストモード発振が可
能なエキシマレーザ装置に対して、放電電圧を調整する
ことによって前記エキシマレーザ装置から発振されるパ
ルスのエネルギー量を調整するエキシマレーザ制御装置
において、前記発振開始からの各パルスにおける前記放
電電圧と前記エネルギー量との関係を求めて記憶する記
憶手段と、前記発振状態中の各パルスのエネルギー量を
ほぼ一定にするよう、前記関係に基いて前記パルス毎に
前記放電電圧を制御する制御手段とを備えた。
【0015】また、請求項2に記載の発明に係るエキシ
マレーザ装置では、請求項1に記載のエキシマレーザ制
御装置において、前記制御手段は、前記パルスの発振直
後からほぼ30パルスまでの出力を制御するものとし
た。
【0016】また、請求項3に記載の発明に係る加工装
置では、一定の周期数で連続的なパルス発振を所定時間
維持する発振状態と、前記パルス発振を所定時間停止す
る停止状態とを交互に繰り返すバーストモード発振が可
能なエキシマレーザ装置と、該エキシマレーザ装置に対
する放電電圧を調整する電圧調整手段とを備え、前記エ
キシマレーザ装置から発振されたレーザ光を被加工部材
上に照射することによって該被加工部材を加工する加工
装置において、前記発振状態開始からの各パルスにおけ
る前記放電電圧と前記エネルギー量との関係を求めて記
憶する記憶手段と、前記発振状態中の各パルスのエネル
ギー量をほぼ一定にするよう、前記関係に基いて前記パ
ルス毎に前記電圧調整手段を制御する制御手段とを備え
た。
【0017】また、請求項4に記載の発明に係る加工装
置では、請求項3に記載の加工装置において、前記記憶
手段は、前記レーザ光が前記被加工部材に到達する状態
以外の状態において、前記パルス発振を行なうことによ
って求めた前記関係を記憶するものとした。
【0018】また、請求項5に記載の発明に係る加工装
置では、請求項3に記載の加工装置において、前記制御
手段は、前記パルスの発振直後からほぼ30パルスまで
の出力を制御するものとした。
【0019】
【作用】放電励起型エキシマレーザから発振されるパル
ス状のレーザ光のエネルギーの大きさは、図4に示すよ
うに放電電圧によって変動する。この性質はエキシマレ
ーザの光出力をフィードバック制御して長期的に一定に
維持するために従来から使われてきた。しかし、エネル
ギーを測定してから放電電圧を変更する従来の方式での
制御は、発振状態の開始直後のスパイク現象を取り除く
ことはできなかった。これは、停止状態においてガスの
状態が変化し、発振状態の最初の数パルスを制御できな
かったからである。
【0020】本発明は、前述のスパイク状パターンを消
去し、バーストモードにおける発振状態中の各パルス毎
のエネルギー値をほぼ一定とするように放電電圧を制御
する制御手段を備えたものであり、感光剤に対して影響
を与えない状態でパルス発振を行ない、その時のパルス
エネルギーと放電電圧との関係を求めて記憶手段に記憶
し、この関係に基いて放電電圧の制御を行なうものであ
る。
【0021】即ち、スパイクの発生要因であるガスの状
態や電極の状態がパルスエネルギーに与える状況を探る
ために、感光剤に影響を与えない状態でパルス発振し、
その時のレーザ光のパルスエネルギーと放電電圧との関
係を計測してその値から図5の(a)に示されるような
スパイク状のパターンを予測する。
【0022】パルスの発振時にはそのスパイク状パター
ンを相殺するため、図5(b)に示す如く放電電圧を時
間的に変化させてパルス発振を行う。このような制御手
段によって、バーストモードで運転するエキシマレーザ
ではこれまで不可避と考えられていたエネルギーのスパ
イク状のパルスを事実上消去することが初めて可能とな
る。
【0023】従って、本発明においては、発振直後から
パルスエネルギーのほぼ一定なレーザ光を得ることがで
き、露光量のバラツキを最少限にすることが可能とな
る。また、パルスエネルギーを一定にするような放電電
圧の制御パターンを決定するための発振を半導体装置の
露光動作を行なっていない期間に行なうため、露光時間
には影響せず、スループットを低下させることもない。
【0024】さらに、本発明では、上記の制御を、パル
ス発振直後からほぼ30パルス以下に対して行なうとし
ている。これは、一般にバーストモード運転のエキシマ
レーザにおいて、パルス発振直後にパルスエネルギーの
極端に大きくなるスパイク状パターンが、通常は発振開
始からほぼ30パルス以上におよぶことがないという事
実を考慮したものである。従って、発振初期のスパイク
状態が落着いてからは従来のフィードバック制御機能を
用いることができる。
【0025】
【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。図1
は、本発明の一実施例に係るエキシマレーザ装置を光源
とした場合の露光システムを示す。レーザの発振器1か
ら発生したレーザ光の一部はビームスプリッタ2で反射
され、検出器3に入射する。検出器3から出力したレー
ザ光のエネルギーに応じた光電信号は、コンピュータ4
に入力してパルス毎のエネルギーが求められる。また、
コンピュータ4は、図4に示すようなレーザ発振器1に
対する放電電圧とレーザ光のパルスエネルギーとの関係
を求めて記憶しており、電源5に対して放電電圧に関す
る指令(信号)を出力する。
【0026】レーザの電源5は、コンピュータ4の指令
に基く放電電圧をレーザの放電回路に与える。放電電圧
は印加電圧かあるいは充電電圧である。また、ビームス
プリッタ2を透過したレーザ光は、その光路中に進退可
能なシャッタ6によってステッパ8内に配置されたウエ
ハに到達しないように遮断されている。コンピュータ4
はレーザ部7とステッパ8の間のインターフェースとし
ても使用できるもので、シャッタ6を含むレーザ部7の
状態をステッパ8に通信する事ができる。
【0027】通常の露光装置においては、特開平2ー2
94013号公報に開示してあるように、レーザ側とス
テッパ側は各種のインターフェース信号に基いて協調制
御が行なわれている。例えば、ステッパ側からレーザ側
へ発振命令としてトリガー信号を出力することによって
レーザ光を放出する。また、レーザ側からステッパ側へ
シャッタ位置を示す信号を出力することによってシャッ
タを制御している。
【0028】本実施例においてもコンピュータ4とステ
ッパ8との間に上記のようなインターフェース信号を通
信することによってレーザ部7とステッパ8とを協調制
御している。また、本実施例においては、ビームスプリ
ッタ2、検出器3、コンピュータ4、シャッタ6はレー
ザ部7に内蔵された場合を示しているが、これらはステ
ッパ8内にあっても良い。
【0029】コンピュータ4は、レーザ光のパルスエネ
ルギーが一定になるような、パルスの発振時間に対する
放電電圧のあらかじめ決められたパターンをデータとし
て持っている。レーザ光のエネルギー値はガス状態、電
極の消耗状態等に依存するため、こうしたパターンを決
定するには、バーストモードの停止状態中にできるだけ
少ないパルス数だけ発振してそのときの放電電圧とレー
ザ光のエネルギーとの関係を求めて決定することが好ま
しい。
【0030】レーザ部7は、ステッパ8からの発振命令
がコンピュータ4を通じて与えられると、その時記憶し
ている放電電圧のパターンのデータにしたがって電源5
を制御し放電電圧を時間とともに変化させつつパルス発
振を行う。
【0031】図2は、このような放電電圧の制御による
エキシマレーザ制御のためのアルゴリズムの一例をフロ
ーチャートで示したものである。以下このフローチャー
トに従って制御の具体例を説明する。コンピュータ4
は、前述したような発振時間に対する放電電圧の関係に
ついてのパターンを予め初期データとして記憶している
(ステップ101)。コンピュータ4はステッパ8から
の発振命令の有無をチェックし(ステップ102)、な
ければパターンのデータを更新するルーチンAに移る。
【0032】ルーチンAではまずステッパ8からの発振
命令を受け付けないようにし(ステップ201)、シャ
ッタ6を閉じる(ステップ202)。こうしてレーザ光
が被露光体に届かない状態を作りだした後、発振を行う
(ステップ203)。この発振は前述のように極力レー
ザの状態に影響を与えないのが望ましく、できれば1か
ら数パルスがよい。この時のレーザ光は検出器3で測定
され(ステップ204)、コンピュータ4でレーザ光の
パルスエネルギーを算出する(ステップ205)。この
時のエネルギー値にしたがって放電電圧のパターンのデ
ータを更新する(ステップ206)。
【0033】データ更新(ステップ206)の方法とし
て例えば次のようなものが考えられる。放電電圧のパタ
ーンは通常図5の(b) のように、徐々に放電電圧値を上
昇させ、一定値に達した後はそのパルスエネルギー値を
保つ通常のフィードバック制御又は電圧を一定に保つ制
御とするものである。
【0034】図5の(a) のように一定の放電電圧で発振
したときに生じるレーザ光エネルギーのスパイク状パタ
ーンが強く現れると考えられるなら、前述したようなコ
ンピュータ4に記憶する放電電圧変化のパターン(図5
b)は急峻になり、初期の放電電圧値はより小さくされ
るべきである。逆にスパイク状パターンが弱く現れると
予測されるなら、コンピュータに記憶する放電電圧変化
のパターンは緩慢になるべきである。
【0035】即ち、シャッタ6を閉じてこのルーチンA
で発振したときの最初の数パルスのエネルギー値が大き
い時には、放電電圧変化のパターンは急峻になる。逆に
さほど大きくなければ放電電圧変化のパターンは緩慢に
なる。
【0036】こうしてパターンのデータが更新される
と、ルーチンAの最初で行った発振受付の停止を解除し
(ステップ207)、ステッパ8からの発振命令が有れ
ばそれにしたがってシャッタ6を開き(ステップ10
3)、コンピュータ4に記憶、あるいは更新されたパタ
ーンのデータに基いてレーザ光を発振する(ステップ1
04)。所定パルス数だけ、または所定の露光量だけ露
光を行なった後、シャッタ6を閉じる(ステップ10
5)。
【0037】上記図2のフローチャートに示した制御
は、ステッパが数回、ないし数十回のバーストの命令信
号をまとめて出すために、バーストモードの停止状態を
1回毎にコンピュータ4で認識させず、複数のまとまっ
た発振状態が終了した後の、パルス発振を停止させた状
態で次のパルス発振における放電電圧のパターンを決定
する例である。因に、このパルス発振停止中にウエハの
交換等を行なってもよい。
【0038】次に、レーザ制御の他の例を図3に示す。
これは、バーストモードの停止状態の1回毎に経過時間
をリセットし、所定時間内に次のパルス発振がない場合
にデータの更新を行なうものであり、所定時間以上パル
スの発振がない場合は、レーザのガス状態等が変化し、
それまでのデータでは正確さに欠けるということを考慮
したものである。
【0039】まず、レーザが停止状態になる(ステップ
301)とともにタイマーをリセットする(ステップ3
02)。この時には予めあるパターンがデータとして与
えられている。停止状態の開始と同時に、コンピュータ
4は内蔵するタイマーによって停止状態になってからの
経過時間を算出する(ステップ304)。これが予め設
定された時間Tを越えないときは発振命令の有無をチェ
ックし(ステップ305,306)、なければ再び経過
時間を算出する。
【0040】通常はこのループを廻っている事になる。
しかし経過時間がTを越えた時には更に発振命令の有無
を調べ(ステップ307)、なければパターンのデータ
を更新するルーチンAに移る。以下は、図2と同様の過
程でデータ更新が行なわれる。
【0041】パターンのデータが更新されると、ルーチ
ンAの最初で行った発振受付の停止を解除し(ステップ
207)、経過時間のタイマーをリセットして(ステッ
プ208)、先ほどの経過時間計算のルーチンに戻る。
再度設定時間Tが経過するまでは、通常のルーチンを廻
る。勿論、途中で発振命令が入ればそれにしたがって、
またその時点でコンピュータが記憶しているデータに基
いて発振を行い(ステップ308)、この発振が終了す
ると同時に発振停止状態開始(ステップ301)に戻る
事となる。
【0042】以上の実施例で示したようなエキシマレー
ザの制御は、パルス発振初期の数パルスから30パルス
程度までのパルス発振に対して行なわれるよう設定すれ
ばよい。これは、これまでの経験より、パルス発振直後
に生じるスパイク現象は最初の数パルスからほぼ30パ
ルスまでであり、それ以上に及ぶことはないことが解っ
ているためである。従って、あらかじめ決められる放電
電圧のパターンは発振開始から30パルス程度までで良
く、それ以降はいわゆる従来のフィードバック制御を用
いることができる。
【0043】また、このときパルス毎のエネルギーをほ
ぼ一定にしたとしても、若干のバラツキが残ることも考
えられる。その場合、積算露光量の増加につれて目標の
露光量からかけはなれることになる。これを避けるた
め、積層露光量をモニターして目標値となるように各パ
ルス毎のエネルギーを制御するようにしてもよい。
【0044】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、バーストモードの発振直後からパルスエネルギーの
一定なレーザ光を得ることができ、少ないパルス数であ
っても露光量のバラツキを極めて少なくすることが可能
となる。よって、最新の感光剤の優れた特徴を余す事な
く引き出して極めて高い生産性を実現できると共に、ト
ータルパルス数が減少することによってレーザの寿命が
長くなり、ランニングコストが安くなる等の効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るエキシマレーザ装置を
用いた露光装置の概略構成図である。
【図2】本発明の一実施例のエキシマレーザ制御の手順
を説明するフローチャートである。
【図3】本発明の一実施例のエキシマレーザ制御の手順
を説明するフローチャートである。
【図4】エキシマレーザの放電電圧とパルスエネルギー
との関係を説明する線図である。
【図5】本発明の作用を説明する図である。
【図6】ステッパにおけるバーストモードを説明する図
である。
【図7】エキシマレーザ光のパルス毎のエネルギーの大
きさを示す線図である。
【図8】バーストモードにおけるエキシマレーザ光のパ
ルス毎のエネルギーの大きさを示す図である。
【符号の説明】
1:エキシマレーザ発振器 2:ビームスプリッタ 3:検出器 4:コンピュータ 5:レーザの電源装置 6:シャッタ 7:レーザ部 8:ステッパ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定の周波数で連続的なパルス発振を所
    定時間維持する発振状態と、前記パルス発振を所定時間
    停止する停止状態とを交互に繰り返すバーストモード発
    振が可能なエキシマレーザ装置に対して、放電電圧を調
    整することによって前記エキシマレーザ装置から発振さ
    れるパルスのエネルギー量を調整するエキシマレーザ制
    御装置において、 前記発振状態開始からの各パルスにおける前記放電電圧
    と前記エネルギー量との関係を求めて記憶する記憶手段
    と、前記発振状態中の各パルスのエネルギー量をほぼ一
    定にするよう、前記関係に基いて前記パルス毎に前記放
    電電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
    エキシマレーザ制御装置。
  2. 【請求項2】 前記制御手段は、前記パルスの発振直後
    からほぼ30パルスまでの出力を制御することを特徴と
    する請求項1に記載のエキシマレーザ制御装置。
  3. 【請求項3】 一定の周期数で連続的なパルス発振を所
    定時間維持する発振状態と、前記パルス発振を所定時間
    停止する停止状態とを交互に繰り返すバーストモード発
    振が可能なエキシマレーザ装置と、該エキシマレーザ装
    置に対する放電電圧を調整する電圧調整手段とを備え、
    前記エキシマレーザ装置から発振されたレーザ光を被加
    工部材上に照射することによって該被加工部材を加工す
    る加工装置において、 前記発振状態開始からの各パルスにおける前記放電電圧
    と前記エネルギー量との関係を求めて記憶する記憶手段
    と、前記発振状態中の各パルスのエネルギー量をほぼ一
    定にするよう、前記関係に基いて前記パルス毎に前記電
    圧調整手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
    する加工装置。
  4. 【請求項4】 前記記憶手段は、前記レーザ光が前記被
    加工部材に到達する状態以外の状態において、前記パル
    ス発振を行なうことによって求めた前記関係を記憶する
    ことを特徴とする請求項3に記載の加工装置。
  5. 【請求項5】 前記制御手段は、前記パルスの発振直後
    からほぼ30パルスまでの出力を制御することを特徴と
    する請求項3に記載の加工装置。
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Cited By (20)

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