JP2000232249A - レーザ出力制御方法、レーザ装置および露光装置 - Google Patents

レーザ出力制御方法、レーザ装置および露光装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ出力制御方法、レーザ装置および露光
装置において、ハードウェア等の機器構成を変更するこ
となしに、レーザ発振のための充電に係る時間を短縮す
ること。 【解決手段】 次のパルスのために予め設定された仮充
電電圧値を目標に充電を開始するとともに、仮充電電圧
値までの充電の間に次のパルスに必要な目標充電電圧値
を算出し、さらに、目標充電電圧値が算出された時点
で、仮充電電圧値に代えて目標充電電圧値を目標に充電
を行うので、次のパルスのために直ぐに充電が開始さ
れ、ある程度の充電がされた状態で、仮充電電圧値から
目標充電電圧値に目標が切り換わるため、充電完了まで
の時間が大幅に短縮される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス毎に充電を
行ってレーザ発振させるエキシマレーザ等のレーザ出力
を制御するレーザ出力制御方法、レーザ装置およびこの
レーザ装置をパルス光源として用いた露光装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子、
撮像素子（ＣＣＤ等）又は薄膜磁気ヘッド等をフォトリ
ソグラフィ技術を用いて製造する際に、マスクとしての
レチクルにおけるパターンの投影光学系を介した像をフ
ォトレジスト等が塗布されたウエハ（又はガラスプレー
ト等）上に露光する投影露光装置が使用されている。一
般に、露光装置の露光源として使用されているＫｒＦエ
キシマレーザやＡｒＦエキシマレーザ等のパルス発振型
レーザは、充電回路を有する高電圧充電制御部を備え、
パルス毎に充電回路に高電圧を充電し、所望のタイミン
グでスイッチングを行い、ガスチャンバー内部に設置さ
れた２電極間で放電を行うことで、レーザ発光を行って
いる。
【０００３】パルス毎に充電する高電圧値を与える若し
くは決定するレーザ出力の制御手段として、 目標充電電圧値自体を外部から与える方法 外部から目標エネルギー値が与えられ、レーザ内部で
過去の出力エネルギーの履歴やガス状態から計算処理を
実施し、次のパルスの充電電圧を算出／換算する方法 等があり、従来は、 外部からの目標充電電圧の設定が完了する。 内部的に目標充電電圧の算出が完了する。 といった前処理が完了した段階で、次のパルスに必要な
目標充電電圧値となるように充電動作を開始している。
【０００４】近年、半導体露光装置では、単位時間あた
りのウエハ処理枚数（スループット）の向上を目的に、
露光光源として、より高い発光繰り返し周波数のパルス
発振型レーザが要求されている。その一方で、出力エネ
ルギー、波長および半値幅等の主要特性の精度や安定性
の向上も課せられており、ますますレーザ内部の制御が
複雑かつ処理時間増大につながる傾向にあり、充電に関
する時間の短縮化がより大きなウェイトを占めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザ出力の制御手段では、以下のような課題が残され
ている。すなわち、充電に関する時間を短縮するため
に、 外部からの目標充電電圧の設定が完了していない状態 内部的に目標充電電圧の算出が完了していない状態 において充電処理を行おうとすると、次のパルスのため
の充電を開始できなかったり、前のパルスの目標充電電
圧値のまま充電を開始してしまう等の不都合がある。こ
の課題に対応するための手段としては、 充電時間そのものの高速化として、改良した充電機器
を開発し、ハードウェア（レーザ装置）の変更によって
充電時間の短縮化を図る方法等が考えられ、また、 充電電圧の算出時間の短縮化、外部からの指令エネル
ギーまたは充電電圧の設定タイミングの高速化として、 ａ）レーザ内部の充電電圧算出時間を短縮する方法 ｂ）外部機器での充電電圧算出時間の短縮する方法 （演算速度ｕｐ、アルゴリズムの簡略化、インターフェ
イスの高速化等）等が考えられる。しかしながら、これ
らの手段によると、充電機器、演算回路等のハードウェ
アの機器構成を変更する必要が生じ、コストの増大を招
いてしまう問題があった。
【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、従来のハードウェア等の機器構成を変更すること
なしに、レーザ発振のための充電に係る時間を短縮する
ことができるレーザ出力制御方法、レーザ装置および露
光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、図１お
よび図２に対応づけて説明すると、請求項１記載のレー
ザ出力制御方法では、パルス毎に充電を行ってレーザ発
振させるレーザの出力を制御する方法であって、次のパ
ルスのために予め設定された仮充電電圧値を目標に前記
充電を開始するプリチャージ工程と、該プリチャージ工
程の間に次のパルスに必要な目標充電電圧値を算出する
目標電圧算出工程と、該目標電圧算出工程で目標充電電
圧値が算出された時点で前記プリチャージ工程の仮充電
電圧値に代えて目標充電電圧値を目標に前記充電を行う
ファインチャージ工程とを備えている技術が採用され
る。
【０００８】また、請求項３記載のレーザ装置では、パ
ルス毎に充電を行ってレーザ発振を行うパルス発振型の
レーザ装置（１）であって、パルス毎に前記充電を制御
する充電制御手段（１３）を備え、該充電制御手段は、
次のパルスに必要な目標充電電圧値を算出する目標電圧
演算手段（１４）を備えるとともに、次のパルスのため
に予め設定された仮充電電圧値を目標に前記充電を開始
し、仮充電電圧値までの充電の間に前記目標電圧演算手
段で目標充電電圧値を算出し、該目標充電電圧値が算出
された時点で仮充電電圧値に代えて目標充電電圧値を目
標に充電を行うように設定されている技術が採用され
る。
【０００９】このレーザ出力制御方法およびレーザ装置
では、次のパルスのために予め設定された仮充電電圧値
を目標に充電を開始するとともに、仮充電電圧値までの
充電の間に次のパルスに必要な目標充電電圧値を算出
し、さらに、目標充電電圧値が算出された時点で、仮充
電電圧値に代えて目標充電電圧値を目標に充電を行うの
で、次のパルスのために前のパルス発光終了の直後に充
電が開始され、ある程度の充電がされた状態で、仮充電
電圧値から目標充電電圧値に目標が切り換わるため、充
電完了までの時間が大幅に短縮される。また、充電アル
ゴリズムの変更だけで済み、ハードウェア等の機器構成
の変更が不要であるため、低コストで実現することがで
きる。
【００１０】請求項４記載の露光装置では、パルス光源
（１）のパルス光によりマスク（Ｒ）を照明し、該マス
クに形成されたパターンを感光基板（Ｗ）上に転写露光
する露光装置であって、請求項３記載のレーザ装置を前
記パルス光源として備えている技術が採用される。
【００１１】この露光装置では、上記レーザ装置（１）
をパルス光源として備えているので、パルス間隔を短縮
することができ、高い発光繰り返し周波数によって、ス
ループットの向上を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ装置を
用いた露光装置の一実施形態について、図１を参照しな
がら説明する。
【００１３】図１は、本実施形態の露光装置の全体構成
図である。該露光装置は、光源としてパルス発振型の露
光光源であるパルス光源（レーザ装置）１を有するステ
ップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置である。パ
ルス光源１としては、例えばＫｒＦエキシマレーザ（波
長２４８ｎｍ）、又はＡｒＦエキシマレーザ（波長１９
３ｎｍ）等のパルス発振を行うエキシマレーザ光源が使
用され、パルス発振のために充電を行う充電制御部が内
蔵されている。
【００１４】このパルス光源１から射出されたレーザビ
ームＩＬは、シリンダーレンズやビームエキスパンダ等
で構成されるビーム整形光学系２により、後続のフライ
アイレンズ４に効率よく入射するようにビームの断面形
状が整形される。フライアイレンズ４は、後続の視野絞
り８およびレチクル（マスク）Ｒを均一な照度分布で照
明するために多数の２次光源を形成する。フライアイレ
ンズ４の射出面には照明系の開口絞り５が配置され、そ
の開口絞り５内の２次光源から射出されるレーザビーム
は、ビームスプリッタ６に入射し、ビームスプリッタ６
を通過したレーザビームは、第１リレーレンズ７Ａを経
て視野絞り（固定レチクルブラインド）８の開口部を通
過する。
【００１５】視野絞り８を通過したレーザビームは、第
２リレーレンズ９Ａ、光路折り曲げミラー９およびメイ
ンコンデンサーレンズ１０を経て、レチクルステージ１
１上のレチクルＲを均一な照度分布で照明する。レチク
ルＲ上の照明領域２４内のパターンの投影光学系１５を
介した像がウエハ（基板）Ｗ上に投影露光される。この
とき、レチクルステージ１１は、レチクルステージ駆動
部１２により走査方向に走査される。
【００１６】レチクルステージ駆動部１２は、装置全体
の動作を統括制御する主制御系（充電制御手段）１３に
より制御されている。また、レチクルステージ１１の走
査方向（Ｘ方向）の座標を検知するための測長装置（レ
ーザ干渉計等）が組み込まれ、これにより計測されたレ
チクルステージ１１の走査方向における座標が主制御系
１３に供給されている。
【００１７】一方、ウエハＷはウエハホルダー１６を介
して、少なくとも走査方向に走査可能なＸＹステージ１
７上に載置されている。なお、ＸＹステージ１７とウエ
ハホルダー１６との間には、ウエハＷをＺ方向に位置決
めするＺステージ（図示略）等が装備されている。
【００１８】ビームスプリッタ６で反射されたレーザビ
ームは、集光レンズ１９を介して光電変換素子（例え
ば、ＰＩＮフォトダイオード）よりなるインテグレータ
センサ２０で受光され、インテグレータセンサ２０の光
電変換信号が図示しない増幅器およびアナログ／デジタ
ル変換器を介して主制御系１３内の演算部（目標電圧演
算手段）１４に供給される。演算部１４は、インテグレ
ータセンサ２０の光電変換信号よりパルス光源１から出
力されるパルス光のパルス光量のばらつきを計測すると
共に、各パルス光毎の光電変換信号を積算して、順次ウ
エハＷの各点での積算露光量を求める。また、演算部１
４では、インテグレータセンサ２０からの出力に基づい
てパルス毎に必要とされる目標充電電圧値を算出する。
【００１９】主制御系１３は、トリガー制御部２１を介
してパルス光源１に発光トリガー信号ＴＰを供給するこ
とにより、パルス光源１の発光のタイミングを制御す
る。パルス光源１とビーム整形光学系２との間のレーザ
ビームの光路上にビームスプリッタ２５が配置され、こ
のビームスプリッタ２５で反射されたレーザビームが光
電変換素子よりなるエネルギーモニタ２６で受光されて
いる。このエネルギーモニタ２６の光電変換信号は、図
示しない増幅器およびアナログ／デジタル変換器を介し
て主制御系１３に供給され、主制御系１３はそのエネル
ギーモニタ２６からの光電変換信号よりパルス光源１の
出力パワーを調整する。
【００２０】次に、主制御系１３によるパルス光源１の
出力制御方法について、図２および図３を参照して説明
する。
【００２１】〔プリチャージ工程〕前のパルス発光後、
図２に示すように、パルス光源１は実使用レベルの下限
エネルギーを得るに最低必要な充電電圧、すなわちウエ
ハＷの露光中に設定される電圧値の推定下限値であるプ
リチャージ電圧値（仮充電電圧値）を目標にプリチャー
ジを開始する。また、前記推定下限値は、ウエハＷの露
光中に照射されるパルス光の数と、ウエハＷ上に添付さ
れたレジスト感度とに基づいて決定される。
【００２２】〔目標電圧算出工程〕パルス光源１のプリ
チャージ時間と併行に前のパルスの露光エネルギーをイ
ンテグレータセンサ２０出力にて検知し、過去のモニタ
履歴（露光エネルギーのエネルギー情報）に基づいて、
演算部１４において次のパルスの目標充電電圧値を算出
する。
【００２３】〔ファインチャージ工程〕次のパルスの目
標充電電圧値を算出した段階で、主制御系１３からパル
ス光源１に通知（通信）を行う。パルス光源１は、主制
御系１３からの目標充電電圧値を受信した段階で、充電
制御部の最終目標値をプリチャージ電圧値に代えて次の
パルスの目標充電電圧値に修正し、ファインチャージを
行う。ファインチャージにより目標充電電圧値に達した
ところで、主制御系１３はトリガー制御部２１を介して
パルス光源１に発光トリガー信号ＴＰを送り、レーザ発
振させる。
【００２４】なお、前述した従来の制御方法では、図３
に示すように、次のパルスの目標充電電圧値を算出した
段階でパルス光源に通知（目標充電電圧値の指令を通
信）し、パルス光源は受信した段階で充電制御部の目標
値を前のパルスの目標充電電圧値から次のパルス用に更
新し、充電を開始するものであるため、算出時間を加え
た分だけ時間がかかる。これに対して、本実施形態によ
れば、図２に示すように、次のパルスのために前のパル
ス発光終了の直後に充電が開始され、ある程度の充電が
された状態で、プリチャージ電圧値から目標充電電圧値
に目標が切り換わるため、従来に比べてパルス間でのパ
ルス光源１の充電完了時間を大幅に短縮できることがわ
かる。したがって、本実施形態によれば、次のパルスの
ための充電完了時間を短縮できることにより、パルス毎
の充電電圧またはエネルギー指令によるレーザ出力制御
の高繰り返し化が可能となり、レーザ周波数の高速化を
図ることができる。
【００２５】また、ウエハＷの露光中に設定される電圧
値の推定下限値を、プリチャージ電圧値として使用する
ので、プリチャージ電圧値が目標充電電圧値を越えるお
それがない。また、推定下限値を、ウエハＷの露光中に
照射されるパルス光の数と、ウエハＷ上に添付されたレ
ジスト感度とに基づいて決定したのは、実際に照射され
る各パルス光のエネルギーが、レジスト感度とそのレジ
ストに対して何発のパルス光を照射するかによって決定
されるからである。
【００２６】なお、本発明は、次のような実施形態をも
含むものである。 （１）上記実施形態では、主制御部系１３内でパルス毎
のレーザの目標充電電圧を与える例を示したが、他に、
主制御系１３からパルス間に次のパルスのレーザの目標
エネルギー量を指令し、パルス光源１内部で目標エネル
ギー量を目標充電電圧値に変換、算出するものでもよ
い。
【００２７】（２）上記実施形態の露光装置として、マ
スクと基板とを静止した状態でマスクのパターンを露光
し、基板を順次ステップ移動させるステップ・アンド・
リピート型の露光装置にも適用することができる。 （３）上記実施形態の露光装置として、投影光学系を用
いることなくマスクと基板とを密接させてマスクのパタ
ーンを露光するプロキシミティ露光装置にも適用するこ
とができる。
【００２８】（４）露光装置の用途としては、半導体製
造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型の
ガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶
用の露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光
装置にも広く適用できる。 （５）上記実施形態のの露光装置の光源は、ＫｒＦエキ
シマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１
９３ｎｍ）、Ｆ2レーザ（１５７ｎｍ）のみならず、Ｘ
線などの荷電粒子線を用いることができる。
【００２９】（６）投影光学系の倍率は縮小系のみなら
ず等倍および拡大系のいずれでもよい。 （７）投影光学系としては、エキシマレーザなどの遠赤
外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石などの遠紫外
線を透過する材料を用い、Ｆ2レーザやＸ線を用いる場
合は反射屈折系または屈折系の光学系（レチクルも反射
型タイプのものを用いる）を用いてもよい。
【００３０】（８）ウエハステージやレチクルステージ
にリニアモータ（USP5,623,853またはUSP5,528,118参
照）を用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上
型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁
気浮上型のどちらを用いてもよい。また、ステージは、
ガイドに沿って移動するタイプでもよいし、ガイドを設
けないガイドレスタイプでもよい。
【００３１】（９）ウエハステージの移動により発生す
る反力は、（USP5,528,118に記載されているように、）
フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしても
よい。 （１０）レチクルステージの移動により発生する反力
は、（US S/N 416558に記載されているように、）フレ
ーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよ
い。
【００３２】（１１）複数のレンズから構成される照明
光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整
をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルステ
ージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線
や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認
等）をすることにより本実施形態の露光装置を製造する
ことができる。なお、露光装置の製造は温度およびクリ
ーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ま
しい。
【００３３】（１２）半導体デバイスは、デバイスの機
能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づ
いたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウ
エハを製作するステップ、前述した実施例の露光装置に
よりレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、
デバイス組み立てステップ（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）、検査ステップ等を
経て製造される。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。 （１）請求項１記載のレーザ出力制御方法および請求項
３記載のレーザ装置によれば、次のパルスのために予め
設定された仮充電電圧値を目標に前記充電を開始すると
ともに、仮充電電圧値までの充電の間に次のパルスに必
要な目標充電電圧値を算出し、さらに、目標充電電圧値
が算出された時点で、仮充電電圧値に代えて目標充電電
圧値を目標に充電を行うので、次のパルスのために直ぐ
に充電を開始し、充電途中でファインチャージに切り換
わるため、充電完了までの時間を大幅に短縮化すること
ができ、処理時間的に余裕のある充電制御ができるとと
もに、エネルギー制御的に高繰り返し発光可能なシステ
ムを実現することができる。さらに、充電アルゴリズム
の変更だけで済み、ハードウェア等の機器構成の変更が
不要であるため、低コストで実現することができる。
【００３５】（２）請求項２記載のレーザ出力制御方法
によれば、目標充電電圧値が、前に発振された少なくと
も一つのパルスのエネルギー情報に基づいて、すなわち
パルス履歴を考慮して算出されるので、パルス毎のエネ
ルギーのばらつきを抑えることができ、露光光源に利用
した場合に適切な積算露光量を得ることができる。
【００３６】（３）請求項４記載の露光装置によれば、
上記レーザ装置をパルス光源として備えているので、パ
ルス間隔を短縮することができ、高い発光繰り返し周波
数によって、スループットの向上を図ることができる。
また、パルス毎に電圧指令やエネルギー指令を与える場
合に、時間的な制約を緩めることが可能となる。
【００３７】（４）請求項５記載の露光装置によれば、
基板の露光中に設定される電圧値の推定下限値を、仮充
電電圧値として使用するので、仮充電電圧値が目標充電
電圧値を越えるおそれがなく、算出時間が長くかかった
場合でも安定したレーザ出力の制御が可能となる。
【００３８】（５）請求項６記載の露光装置によれば、
推定下限値が、基板の露光中に照射されるパルス光の数
と、基板上に添付されたレジスト感度とに基づいて決定
されるので、実際の照射に必要な各パルス光のエネルギ
ーに対応した仮充電電圧値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る露光装置の一実施形態を示す全
体構成図である。
【図２】 本発明に係る露光装置の一実施形態における
パルス光源の充電曲線を示すグラフ図である。
【図３】 本発明に係る露光装置におけるパルス光源の
従来例における充電曲線を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ パルス光源（レーザ装置） １３ 主制御系（充電制御手段） １４ 演算部（目標電圧演算手段） Ｗ ウエハ（感光基板） Ｒ レチクル（マスク）

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルス毎に充電を行ってレーザ発振させ
    るレーザの出力を制御する方法であって、 次のパルスのために予め設定された仮充電電圧値を目標
    に前記充電を開始するプリチャージ工程と、 該プリチャージ工程の間に次のパルスに必要な目標充電
    電圧値を算出する目標電圧算出工程と、 該目標電圧算出工程で目標充電電圧値が算出された時点
    で前記プリチャージ工程の仮充電電圧値に代えて目標充
    電電圧値を目標に前記充電を行うファインチャージ工程
    とを備えていることを特徴とするレーザ出力制御方法。
  2. 【請求項２】 前記目標充電電圧値は、前に発振された
    少なくとも一つのパルスのエネルギー情報に基づいて算
    出されることを特徴とする請求項１記載のレーザ出力制
    御方法。
  3. 【請求項３】 パルス毎に充電を行ってレーザ発振を行
    うパルス発振型のレーザ装置であって、 パルス毎に前記充電を制御する充電制御手段を備え、 該充電制御手段は、次のパルスに必要な目標充電電圧値
    を算出する目標電圧演算手段を備えるとともに、 次のパルスのために予め設定された仮充電電圧値を目標
    に前記充電を開始し、仮充電電圧値までの充電の間に前
    記目標電圧演算手段で目標充電電圧値を算出し、該目標
    充電電圧値が算出された時点で仮充電電圧値に代えて目
    標充電電圧値を目標に充電を行うように設定されている
    ことを特徴とするレーザ装置。
  4. 【請求項４】 パルス光源のパルス光によりマスクを照
    明し、該マスクに形成されたパターンを感光基板上に転
    写露光する露光装置であって、 請求項３記載のレーザ装置を前記パルス光源として備え
    ていることを特徴とする露光装置。
  5. 【請求項５】 前記基板の露光中に設定される電圧値の
    推定下限値を、前記仮充電電圧値として使用することを
    特徴とする請求項４記載の露光装置。
  6. 【請求項６】 前記推定下限値は、前記基板の露光中に
    照射されるパルス光の数と、前記基板上に添付されたレ
    ジスト感度とに基づいて決定されることを特徴とする請
    求項５記載の露光装置。
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