JPH11289121A - レーザ制御方泡レーザ装置、該レーザ装置を用いる露光装置、露光方泡及び該露光方法を用いる半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パルス発振開始直後から所望のエネルギーのレ
ーザ光が得られるレーザ制御装置および加工装置を提供
する。 【解決手段】パルス発振開始直後のレーザ光のパルスエ
ネルギー変動現象を抑えるために、そのパルス発振開始
直後からパルス発振毎に放電電圧を制御する。

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、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
レーザ装置、レーザ制御方法、および露光方法を得るこ
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に記載のレーザ装置では、レーザ光をパル
ス発振するレーザ本体（１）と、該レーザ本体からレー
ザ光をパルス発振させるための放電電圧を供給する電圧
供給手段（５）と、前記パルス発振を開始した直後のレ
ーザ光のエネルギー変動現象を抑えるために、そのパル
ス発振開始直後からパルス毎に放電電圧を制御する制御
手段（４）とを備えるようにした。

【００１５】また、請求項２に記載のレーザ装置では、
制御手段が前記エネルギー変動現象を抑えるための放電
電圧の制御データを有し、その制御データに基づいてパ
ルス毎に放電電圧を制御するようにしている。

【００１６】また、請求項３に記載のレーザ装置では、
制御手段がパルス発振の開始直後から３０パルス程度ま
で所定の制御データに基づいてパルス毎に放電電圧を制
御するようにしている。

【００１７】また、請求項４に記載のレーザ制御方法で
は、パルス発振を開始した直後のレーザ光のエネルギー
変動現象を抑えるために、そのパルス発振開始直後から
パルス毎に放電電圧を制御するようにしている。

【００１８】また、請求項５に記載の露光方法では、パ
ルス発振を開始した直後のレーザ光のエネルギー変動現
象を抑えるために、そのパルス発振開始直後からパルス
毎に放電電圧を制御して、そのパルス発振開始直後から
被露光体を露光するようにしている。

【００１９】

【作用】たとえば、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

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年３月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 レーザ制御方法、レーザ装置、該レー
ザ装置を用いる露光装置、露光方法、及び該露光方法を
用いる半導体装置製造方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】本発明は、露光量のバラツキを最小限にす
ると共に従来より少ないパルス数で露光を可能とするレ
ーザ制御方法、レーザ装置、該レーザ装置を用いる露光
装置、露光方法及び、該方法を用いる半導体装置製造方
法を得ることを目的とする。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載のレーザ制御方法は、パルス発振を
開始したときに生じるレーザ光のエネルギー変動を抑え
るように、そのパルス発振の開始からパルス毎に放電電
圧を制御するようにしたものである。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】また上記目的を達成するために、請求項２
に記載にレーザ装置では、レーザ光をパルス発振するレ
ーザ本体（１）と、該レーザ本体からレーザ光をパルス
発振させるための放電電圧を供給する電圧供給手段
（５）と、レーザ本体（１）によるレーザ光のパルス発
振開始したときに生じるレーザ光のエネルギー変動を抑
えるように、そのパルス発振の開始からパルス毎に放電
電圧を制御する制御手段（４）とを備えるようにした。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】なお請求項４のレーザ装置では、パルス毎
にレーザ光のエネルギーを検出する検出手段（３）を備
えている。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】また請求項５のレーザ装置では、レーザ光
の光路を遮断するシャッタ（６）を備えている。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】また上記目的を達成するために、請求項１
３に記載の露光方法は、パルス発振を開始したときに生
じるレーザ光のエネルギー変動を抑えるように、そのパ
ルス発振の開始から放電電圧をパルス毎に制御するとと
もに、そのパルス発振の開始から被露光体の露光を行う
ようにしたものである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電電圧を調整することによって、パル
   ス発振されるレーザ光のエネルギーを制御するレーザ装
   置において、 レーザ光をパルス発振するレーザ本体と、 該レーザ本体からレーザ光をパルス発振させるための放
   電電圧を供給する電圧供給手段と、 前記パルス発振を開始した直後のレーザ光のエネルギー
   変動現象を抑えるために、そのパルス発振開始直後から
   パルス毎に放電電圧を制御する制御手段と、を備えるこ
   とを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記エネルギー変動現
   象を抑えるための放電電圧の制御データを有し、その制
   御データに基づいてパルス毎に放電電圧を制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、そのパルス発振開始直
   後から３０パルス程度まで前記制御データに基づいて放
   電電圧をパルス毎に制御することを特徴とする請求項２
   に記載の装置。
4. 【請求項４】 放電電圧を調整することによって、パル
   ス発振されるレーザ光のエネルギーを制御するレーザ装
   置において、 パルス発振を開始した直後のレーザ光のエネルギー変動
   現象を抑えるために、そのパルス発振開始直後からパル
   ス毎に放電電圧を制御することを特徴とするレーザ制御
   方法。
5. 【請求項５】 レーザ装置からパルス発振されたレーザ
   光を露光装置内の被露光体に照射することによって、該
   被露光体を露光する露光方法において、 パルス発振を開始した直後のレーザ光のエネルギー変動
   現象を抑えるために、そのパルス発振開始直後からパル
   ス毎に放電電圧を制御しながら、そのパルス発振開始直
   後から前記被露光体の露光を行うことを特徴とする露光
   方法。