JPH0638533B2 - 狹帯域化エキシマレーザーの波長制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、縮小投影露光装置の光源、微細加工用レーザ
ー加工機等のレーザー光源として用いる狹帯域化エキシ
マレーザーの発振波長を制御する波長制御装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

高集積度の回路パターン等を半導体ウエハ上に露光する
縮小投影露光装置では、その露光用光源として短波長光
を発光できるエキシマレーザーが注目されている。この
際、縮小投影レンズの色収差の補正を行なわなくてもよ
いように、エキシマレーザ光を、エタロン等の波長選択
素子によって狹帯域化し、その狹帯域化されたレーザー
光を露光用光源として使用している。

また就航レンズ系によりレーザー光を微小なスポットに
集光して加工を行う微細加工用レーザー加工機のレーザ
ー光源としてもエキシマレーザーが注目されている。こ
の場合でも、集光レンズの色収差の補正を行なわなくて
も微小なスポットに光を集光できるように、エキシマレ
ーザーを、回析格子、エタロン、プリズム等の波長選択
素子によって狹帯域化し、その狹帯域化されたレーザー
光を微細加工用レーザー加工機の光源として使用してい
る。

しかし、狹帯域化に用いる波長選択素子は、レーザー光
に照射されるための温度変化、振動、室温の変動等の環
境の変化によって、設定条件に物質的な変化が生じレー
ザー発振の中心波長が変動する。発振波長の変化は、投
影される像のほけや集光されるレーザービームのスポッ
ト径の変化という害や多波長発振、レーザー出力の低下
という問題を起こす。

従って、上記等の産業用機械に応用する狹帯域化エキシ
マレーザーでは、発振波長をモニターし、狹帯域化素子
の設定条件の物理的な変化を補正する波長制御技術が必
要となる。狹帯域化エキシマレーザーの発振波長をモニ
ターする手段として、単に回析格子型分光器やモニター
エタロンを用いると、これらの分光器も振動、室温の変
動等の環境の変化に対して、同様の分光波長の変動を生
じるため、発振波長をモニターする方法としては不適で
ある。そこで通常用いられるレーザー発振波長の検出、
安定化法は、以下の(1)〜(4)の方法である。

(1)レーザー発振波長を、目標とする波長変動許容範囲
よりも高い安定性を有する他の基準光と比較し、目標波
長に固定する。

(2)原子、分子に固有な光吸収線にレーザー発振波長を
固定する。

(3)目標とするレーザー発振波長の光を吸収することに
より螢光を発する物質が封入されたセルにレーザー光を
入射し、この螢光強度を観測することにより、レーザー
波長を光吸収波長に固定する。

(4)目標とするレーザー発振波長の光を吸収する気体が
封入された放電管に、レーザー光を入射し、放電電波の
変化を検出することにより、レーザー波長を気体の光吸
収波長に固定する。

上記(1)〜(4)の方法のうち簡便性から最も用いられるの
が(1)の方式である。

しかし、短波長のＡｒＦレーザーにおいては、適当な基
準となる光源が存在せず、次に簡便である(2)の方法を
用いなくてはならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前記(2)の吸収線にレーザー波長を固体する
方法の問題点を解決するものであるが、その問題点を明
らかにするためにまず前記(1)の方法と対比させて述べ
る。(1)の方法では、分光器に、狹帯域化したレーザー
光と、目標とするレーザー発振波長近傍の波長の基準と
なる光を入射し、この２つの光の波長差が、所望のレー
ザー波長と基準光の波長との差になるようにレーザー発
振波長を制御する。従って目標とするレーザー発振波長
は、基準光の近傍に任意に設定することができる。

これに対して(2)の方法では、所望のレーザー発振波長
の光を吸収する物質を封入したセルに、狹帯域化したレ
ーザー光を入射して、セルの前後でのレーザー強度の差
が最大、つまり、セル中の物質によるレーザー光の吸収
が最大になるようにレーザー波長を制御することによ
り、レーザー波長を、所望の波長に固定する。しかし、
この方法は、所望のレーザー発振波長と同じ波長に吸収
線を持つ物質が存在するときのみしか利用できず、また
逆に、所望のレーザー波長を吸収線の近傍の任意の波長
に設定することはできない。この点が本発明が解決しよ
うとする課題である。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、レーザ
ー発振域内の任意の波長に、狹帯域化エキシマレーザー
の波長を固定、制御することができ、これにより、従来
適当な基準波長光源のなかった狹帯域化ＡｒＦエキシマ
レーザー等においても高精度の波長制御が可能となり、
この狹帯域化エキシマレーザーを、縮小投影露光装置の
光源、微細加工用レーザー加工機のレーザー光源とする
ことにより、これらの機器の光学的性能を向上させ、よ
り微細なパターンの露光や加工を行なうことができるよ
うにした狹帯域化エキシマレーザーの波長制御装置を供
給することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る狹帯域化エキ
シマレーザーの波長制御装置は、エキシマレーザー発振
器の内部または外部に波長選択素子を配置してレーザ光
を狹帯域化し、このエキシマレーザー発振器より得られ
るレーザー光の発振波長を、レーザー発振波長域近傍の
特定の波長に光の吸収を有する物質の吸収線を基準とし
て制御する狹帯域化エキシマレーザーの波長制御装置に
おいて、吸収体を封入したセルの背後に光源を配置する
と共に、このセルからの光路内に、上記光源からの光
と、レーザー発振光とを選択的に入光する分光器を配置
し、この分光器に上記両光の分光後の光成分を検出する
イメージセンサを設け、このイメージセンサにレーザー
発振器の波長コントローラを接続した構成となってい
る。

〔作用〕

セルを通過した光の波長成分は分光器にて観測され、こ
の光とレーザー発振器からの狹帯域化レーザー光とを交
互に分光器に入射することにより、分光器にて観測され
た上記光の波長成分の吸収線を基準としてレーザー発振
波長をその近傍で任意に固定、制御することができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例の基本構成を示すもので、図中
１は波長選択素子ドライバー２と波長選択素子３を有す
る狹帯域化エキシマレーザのエキシマレーザー発振器、
４はこのエキシマレーザー発振器１の光路内に配設され
たビームスプリッタ、５はこのビームスプリッタ４にて
分割された光の光路内に配設された第１のシャッタであ
る。

６は背景光用光源であり、この光源６からの光路内に第
２のシャッタ７、光を吸収する吸収体が入ったセル８が
介装してあり、上記２つの光路の光は光合流器９にて合
流して分光器１０に入射するようになっている。上記セ
ル８内の吸収体は上記エキシマレーザー発振器１の発振
波長近傍の特定の波長の光だけを吸収するものが用いら
れている。

上記分光器１０にはイメージセンサ１１が設けてあり、
分光器１０には波長成分に分光された分光波形が検出さ
れ、その検出信号が波長コントローラ１２に出力される
ようになっている。上記エキシマレーザー発振器１はこ
の波長コントローラ１２にて制御されるようになってい
る。

上記構成における作用を以下に説明する。

まず第１のシャッタ５を閉じると共に、第２のシャッタ
７を開き、背景光用光源６からの光をセル８に入射す
る。セル８ではこの中の吸収体にてエキシマレーザー発
振器１の発振波長近傍の特定の波長の光だけが吸収さ
れ、その後分光器１０に入射される。分光器１０に入射
された上記光は波長成分に分光されてその分光波形は第
２図に示すようになり、この波長がイメージセンサ１１
により検出される。これにより、すでに波長がわかって
いて基準となる吸収線の分光後のイメージセンサ１１上
での位置Ｐ_１が決定される。

次に第２のシャッタ７を閉じると共に、第１のシャッタ
５を開けて、エキシマレーザー発振器１からのレーザー
光を光合流器９を介して分光器１０に入射し、同様にそ
の発振波長の光のイメージセンサ１１上での位置Ｐ_２が
検出される。この位置と基準となる吸収線の位置との差
（Ｐ_２−Ｐ_１）の波長変換値Ｋ・（Ｐ_２−Ｐ_１）が吸収
線の波長λ_１と所望のレーザー波長λ_２との差（λ_２−
λ_１）に等しくなるように、レーザー発振波長を制御す
れば、狹帯域化エキシマレーザ光の波長を所望の波長に
固定できる。なお、Ｋは波長換算係数である。

このレーザー発振波長の制御は、波長コントローラ１２
の信号を、波長選択素子ドライバー２に送り、これによ
り波長選択素子３を制御することにより達成される。

以上の操作を繰り返すことにより、狹帯域化エキシマレ
ーザーの発振波長を、上記の位置差（Ｐ_２−Ｐ_１）の検
出制度で安定化できる。

上記レーザー装置１の波長選択素子３としては、エタロ
ン、回析格子、プリズム等であり、これは狹帯域化エキ
シマレーザの使用目的により、これらを単独もしくは複
数組み合わせて用いる。背景光用光源６はレーザー発振
波長近傍で一様な波長成分を持つものが望ましく、Ａｒ
Ｆレーザーの場合は重水素ランプ、ＫｒＦ、ＸｅＣレ
ーザーでは重水素ランプ、キセノンランプ等が用いられ
る。光吸収体の物質としては、ＡｒＦレーザーの場合で
は酸素（Ｏ_２）等が適している。この場合は空気中の酸
素による影響を除くために、第１図で鎖線で囲んだ部分
の光路と、レーザーの共振器部及び分光器１０内を窒素
で置換する。光合流器９としては、合流型光ファイバま
たはハーフミラーを用いる。分光器１０としては、回析
格子型分光器または、モニターエタロンが用いられる。
イメージセンサ１１としてはリニアイメージセンサ、Ｃ
ＣＤイメージセンサ等が用いられる。

第３図は分光器１０として回析格子型分光器を用いた場
合の波長コントローラの制御フローチャートを示すもの
で、以下その各ステップを説明する。

ステップ１ 分光後の吸収線を含む背景光用光源光のイメージセンサ
１１上での吸収線の中心位置Ｐ_１を読み込む。同様に分
光後の狹帯域化エキシマレーザー光の発振線の中心位置
Ｐ_２を読み込む。

ステップ２ ２つの像の中心位置の差ΔＰ_2-1を計算し、この値より
吸収線の波長と発振波長の差Δλ_2-1を計算する。

ステップ３ 所望の設定発振波長λ_ｏと基準となる吸収線の中心波長
λ_ｓとの差Δλ_ｏと、このΔλ_ｏとΔλ_2-1との差Δλ
を計算する。

ステップ４ Δλが所望の設定発振波長と現在の発振波長との差であ
り、この波長差分だけ波長選択素子の選択波長が移動す
るように波長選択素子ドライバ２へ信号を送る。

上記各ステップにより狹帯域化エキシマレーザーを所望
の設定波長に設定することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザ発振域内の任意の波長に、狹帯
域化エキシマレーザーの波長を固定及び制御することが
可能になり、従って、従来適当な基準波長光源のなかっ
た狹帯域化ＡｒＦエキシマレーザー等においても高精度
の波長制御が可能となり、この狹帯域化エキシマレーザ
ーを、縮小投影露光装置の光源、微細加工用レーザー加
工機のレーザー光源とすることにより、これらの機器の
光学的性能を向上させ、より微細なパターンの露光や加
工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は基本構成
説明図、第２図はセルを通過した光の波長成分を示す線
図、第３図は波長コントローラの制御フローチャートで
ある。 １はエキシマレーザー発振器、２は波長選択素子ドライ
バー、３は波長選択素子、６は背景光用光源、８はセ
ル、１０は分光器、１１はイメージセンサ、１２は波長
コントローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エキシマレーザー発振器１の内部または外
   部に波長選択素子を配置してレーザ光を狹帯域化し、こ
   のエキシマレーザー発振器１より得られるレーザー光の
   発振波長を、レーザー発振波長域近傍の特定の波長に光
   の吸収を有する物質の吸収線を基準として制御する狹帯
   域化エキシマレーザーの波長制御装置において、吸収体
   を封入したセル８の背後に光源を配置すると共に、この
   セル８からの光路内に、上記光源からの光と、レーザー
   発振光とを選択的に入光する分光器１０を配置し、この
   分光器１０に上記両光の分光後の光成分を検出するイメ
   ージセンサ１１を設け、このイメージセンサ１１にレー
   ザー発振器の波長コントローラ１２を接続したことを特
   徴とする狹帯域化エキシマレーザーの波長制御装置。