JP2005005407A - Light source device, aligner, and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザ光源を用いた光源装置及びその制御方法に関し、例えば半導体素子、撮像素子(CCD等)、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのリソグラフィ工程で使用される露光装置の露光用光源装置に使用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば半導体素子を製造する際に、マスクとしてのレチクルのパターンを基板としてのフォトレジストが塗布されたウエハ(又はガラスプレート等)上の各ショット領域に転写するために使用される一括露光型又は走査露光型の露光装置においては、解像度を高めるために露光光が次第に短波長化されている。最近では、露光光として主にKrFエキシマレーザ(波長248nm)が使用されており、更にArFエキシマレーザ(波長193nm)も使用されつつある。また、波長157nmのF2 レーザの使用も検討されている。これらの300nm程度以下の波長域で使用できる光源は、現状ではすべてパルス発光のレーザ光源である。
【0003】
また、露光装置においては、解像度の向上とともにスループット(単位時間当たりのウエハの処理枚数)の向上も求められている。そのためにパルス発光のレーザ光源を用いて露光時間を短くする方法として、各パルスエネルギーを高める方法とパルス発光の周波数(発振周波数)を高める方法とが考えられる。実質的に前者の各パルスエネルギーを高める方法を用いた技術として、レーザ光相互の干渉によって発生するスペックルパターンを低減するために、複数のエキシマレーザ光源を同期して同時に発光させるようにした光源装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。更に、例えば波長5〜50nm程度のEUV光(Extreme Ultraviolet Light )を露光ビームとして用いるEUVリソグラフィにおいて、実用的な強度の露光ビームを得るために、複数のレーザプラズマ光源からのレーザ光を照明光学系の射出瞳付近で合成した光源装置も提案されている(例えば特許文献2参照)。
【0004】
ところが、このように各パルスエネルギーを高める方法では、露光装置の照明光学系や投影光学系中の光学素子を極めて短い時間に高エネルギーのレーザ光が通過することになり、それらの光学素子の透過率や反射率の変動の増大等を招く恐れがある。そのため、従来は1台のレーザ光源を用いて、主にそのパルス発光の周波数を高めることによってスループット向上の要求に応えようとしていた。
【0005】
【特許文献1】
特開昭61−160776号公報
【特許文献2】
特開2001−68410号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、従来は露光光源としてのレーザ光源のパルス発光の周波数(発振周波数)を高めるための開発が主に行われていた。しかしながら、発振周波数を更に高める場合、現在使用されているKrFやArFのエキシマレーザでは、レーザ光源の負荷が大きくなり過ぎるという問題がある。
【0007】
即ち、エキシマレーザはガスをレーザ媒体とするため、単純にレーザ光源単体を高周波数化しようとすると、放電チャンバの攪拌ファンの流速を上げる必要があり、レーザ光源の大型化や大重量化を招いてしまう。更に、露光光源に要求されるエネルギー、スペクトル、及び各パルス光の形状(プロファイル)の安定性(以下、「光品位」と言う)は、年々厳しくなっているが、高周波数化が進むと、放電チャンバ内に音響波と呼ばれる定在波による光品位の擾乱が引き起こされるという問題もある。そのため、現在使用されているエキシマレーザでは、音響波のダンピングのために、放電チャンバ中に特別なダンピング機構等の工夫を施す必要が生じている。更に、レーザ光源の大型化が進むと、例えば半導体素子の製造工場側で準備する冷却用水や熱排気処理などのための配管単体当たりの容量を大きくする必要があり、工場設備を新設又は改修する必要がある。
【0008】
また、レーザ光源の大型化は露光光源のコスト上昇を招くため、より多大な設備投資を必要とする。一方で、半導体素子の製造工場での製造コストを低減させるため、露光装置の稼働率向上は極限レベルにまで推し進める必要が生じている。ところが、レーザ光源内の消耗部品は一定頻度での交換が必要であるため、1台のレーザ光源を使用する場合には露光装置を稼働できない時間(ダウンタイム)をゼロにすることはできない。
【0009】
また、エキシマレーザには、上記の光品位に関して発振周波数依存性があるため、高い光品位を確保しようとすると、使用可能な発振周波数の領域が限定される。そのため、レーザ光源の高周波数化が進むと、高い周波数での運転条件にレーザ光源全体を最適化することになるので、低い発振周波数での運転時に光品位が保たれなくなってしまい、使用可能範囲が狭くなることになる。露光装置においては、高感度レジストの露光を行う際には、ウエハ面上での照度を調整している。エキシマレーザの場合、パルスエネルギーの可変範囲はパルス光が発光しない間(1つのパルス発光周期)のような短期間では狭いため、照度調整は専ら周波数可変に頼ることになる。
【0010】
そのため、高周波数化による最低周波数の引き上げは、照度を下げる用途では伝送光学系にアッテネータ等の機構を用いることになり、光エネルギーの利用効率が低下するという問題も生じる。
本発明は斯かる点に鑑み、パルス光の周波数を容易に高めることができる光源技術及びそれを用いた露光技術を提供することを目的とする。
更に本発明は、パルス光の周波数の可変範囲の広い光源技術及びそれを用いた露光技術を提供することをも目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明による光源装置は、レーザ光をパルス発光する複数のパルスレーザ光源(2A,2B)と、その複数のパルスレーザ光源から射出されたレーザ光を共通の光路を通るパルス光(IL)に合成する合成光学系(8A,8B,10)と、その複数のパルスレーザ光源を制御し、その複数のパルスレーザ光源から交互にそのレーザ光をパルス発光させる制御系(32)とを有するものである。
【0012】
斯かる本発明によれば、複数のパルスレーザ光源をN個(Nは2以上の整数)とすると、その合成光学系で合成されたパルス光の周波数は、実質的に各パルスレーザ光源のパルス発光の周波数のN倍になる。従って、個々のパルスレーザ光源を大型化することなく、パルス発光の周波数を容易に高めることができる。
この場合、その制御系は、一例としてその複数のパルスレーザ光源のうち1つのパルスレーザ光源を実質的に一定出力でパルス発光させるとともに、他のパルスレーザ光源のパルス発光タイミングを任意のタイミングに制御する。このように1つのパルスレーザ光源をマスターとする制御方法は、制御が容易であり、かつ合成後のパルス光の出力の安定性を高めることができる。
【0013】
また、その合成光学系によって合成されたパルス光の光量を検出する光電センサ(18)を更に有し、その制御系は、その複数のパルスレーザ光源から射出されてその合成光学系を通過したパルス光の光量のその光電センサによる検出結果に基づいて、その複数のパルスレーザ光源の各々のパルス発光時の出力を制御することが望ましい。このように合成後のパルス光の光量の検出結果を用いることで、実際にそのパルス光を使用する段階での光量を高精度に制御することができる。また、複数のパルスレーザ光源を例えばA,Bとしたとき、合成後のパルス光のうちでパルスレーザ光源A及びBから射出されたパルス光の光量の検出結果をそれぞれ元のパルスレーザ光源A及びBの出力にフィードバックすることによって、パルスレーザ光源A及びBの出力をそれぞれ高精度に制御できる。
【0014】
また、その合成光学系は、その複数のパルスレーザ光源から射出されたレーザ光をそれぞれ異なる領域で受光して共通の入射面(10b)に導く第1のオプティカル・インテグレータ(8A,8B)と、その共通の入射面に入射する複数のレーザ光から複数の光源像を形成する第2のオプティカル・インテグレータ(10)とを有することが望ましい。このように第1及び第2のオプティカル・インテグレータを介してパルス光を合成することによって、光軸ずれの影響が軽減されるとともに、光量損失も少なくできる。
【0015】
また、一例として、その複数のパルスレーザ光源のパルス発光の周波数は1.0kHz〜4kHzであり、その制御系は、その複数のパルスレーザ光源を実質的に等時間間隔で交互にパルス発光させることが望ましい。これによってその光源装置を露光装置に適用した場合に、露光量制御が容易になる。
また、その複数のパルスレーザ光源の個数をN個(Nは2以上の整数)、その複数のパルスレーザ光源のパルス発光の最低周波数をRmin、その合成光学系で合成された後の段階で必要なパルス発光の周波数をfとして、周波数fがN・Rminよりも小さいときに、その制御系は、一例として次式を満たすα(αは1以上で(N−1)以下の整数)を求め、そのN個のパルスレーザ光源のうちα個のパルスレーザ光源の発光を停止する。
【0016】
(N−α)・Rmin<f<N・Rmin …(1)
このように用途に応じて一部のパルスレーザ光源のみを発光させることによって、個々のパルスレーザ光源のパルス発光の周波数の可変範囲は狭くとも、合成後のパルス光の周波数を広い範囲で容易に制御することができる。
また、本発明による露光装置は、露光光源装置からの露光ビームで第1物体(R)を照明し、その露光ビームでその第1物体を介して第2物体(W)を露光する露光装置において、その露光光源装置として本発明の光源装置を用いるものである。
【0017】
本発明の光源装置の適用によって、露光ビームとしてのパルス光の周波数を容易に高めることができるため、工場設備の新設等を行うことなく露光工程のスループットを高めることができる。
この場合、その複数のパルスレーザ光源のうち一部のパルスレーザ光源からそのレーザ光をパルス発光させるようにしてもよい。これによって、高感度の感光材料を用いる場合にも容易に対応できるとともに、露光装置の稼働を停止することなく、他のパルスレーザ光源の交換やメンテナンスを行うこともできる。
【0018】
また、本発明による光源装置の制御方法は、レーザ光をパルス発光する複数のパルスレーザ光源(2A,2B)を有する光源装置の制御方法であって、その複数のパルスレーザ光源を制御し、その複数のパルスレーザ光源から交互にそのレーザ光を発光させ、その複数のパルスレーザ光源から射出されたレーザ光を共通の光路を通るパルス光(IL)に合成するものである。
【0019】
この発明によれば、個々のパルスレーザ光源を大型化することなく、パルス発光の周波数を容易に高めることができる。
この場合、一例としてその複数のパルスレーザ光源のうち1つのパルスレーザ光源を実質的に一定出力でパルス発光させるとともに、他のパルスレーザ光源のパルス発光タイミングが任意のタイミングに制御される。これによって、複数のパルスレーザ光源の発光制御が容易になり、かつ出力の安定性が向上する。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。本例は、ステップ・アンド・スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置用の露光ビームを発生するために本発明を適用したものである。
図1は、本例の投影露光装置の概略構成を示し、この図1において、露光光源としてそれぞれArFエキシマレーザ光源(波長193nm)よりなり、パルス発光の周波数(発振周波数)が1.0kHz〜4kHz程度の2台のパルスレーザ光源2A及び2Bが使用されている。なお、個々の露光光源としては、KrFエキシマレーザ光源(波長248nm)、F2 レーザ光源(波長157nm)、Kr2 レーザ光源(波長146nm)、Ar2 レーザ光源(波長126nm)などの紫外パルスレーザ光源も使用することができる。
【0021】
露光時に第1のパルスレーザ光源2Aからパルス発光された断面形状が縦12mmで横2mm程度の細長い長方形の第1のレーザ光LAは、光路折り曲げ用のミラー3Aで上方に反射された後、シリンドリカルレンズを含むビーム整形光学系4Aを通過して、断面形状が例えば縦18mmで横5mm程度のより正方形に近い長方形に変換される。ビーム整形光学系4Aから射出されたレーザ光LAは、第1レンズ5A、ミラー6A、及び第2レンズ7Aを介して断面形状が拡大された平行光束として第1のオプティカル・インテグレータ(ユニフォマイザ又はホモジナイザ)としての前段の第1のフライアイレンズ(フライアイ・インテグレータ)8Aに入射する。フライアイレンズ8Aは、各辺の幅が数mm程度のほぼ正方形の断面形状を持つ多数のレンズエレメント8Aa(図2参照)を縦横に密着するように配列したものである。第1のフライアイレンズ8Aの射出側の焦点面に形成される多数の光源像(1次像)からのレーザ光LAは、それぞれ第2のオプティカル・インテグレータ(ユニフォマイザ又はホモジナイザ)としての後段のフライアイレンズ10の入射面10bを全体として斜めにほぼ均一な照度分布で照明する。
【0022】
第1のパルスレーザ光源2Aから前段の第1のフライアイレンズ8Aまでの部材と並列に、これらとそれぞれ同一構成の第2のパルスレーザ光源2Bから前段の第2のフライアイレンズ8Bまでの部材が配置されている。そして、第2のパルスレーザ光源2Bからパルス発光された断面形状が細長い長方形の第2のレーザ光LBは、ミラー3Bで上方に反射された後、ビーム整形光学系4B、第1レンズ5B、ミラー6B、及び第2レンズ7Bを介して断面形状がより正方形に近い長方形の拡大された平行光束として、第1のオプティカル・インテグレータとしての前段の第2のフライアイレンズ8Bに入射する。第2のフライアイレンズ8Bの射出側の焦点面に形成される多数の光源像(1次像)からのレーザ光LBは、それぞれ後段のフライアイレンズ10の入射面10bを第1のレーザ光LAと対称に全体として斜めにほぼ均一な照度分布で照明する。フライアイレンズ10の射出側の焦点面に形成される多数の光源像33(2次像、図2参照)からは、レーザ光LA及びLBを共通の光路を通るように合成したパルス光としてのパルス露光光IL(露光ビーム)が射出される。
【0023】
後段のフライアイレンズ10は、縦横比が1:3程度の長方形の断面形状を持つ多数のレンズエレメント10a(図2参照)を縦横に密着するように配列したものである。フライアイレンズ10の全体の外形(入射面10bの形状)は、前段のフライアイレンズ8A及び8Bを構成する各レンズエレメントの断面形状とほぼ相似である。また、前段のフライアイレンズ8A及び8Bは、後段のフライアイレンズ10を構成する各レンズエレメントの長手方向に沿って配置されている。なお、図1では、前段のフライアイレンズ8A,8Bはレンズエレメントを6行×6列に配列し、後段のフライアイレンズ10はレンズエレメントを3行×6列に配列したように表されているが、これらは説明の便宜上図示したものである。即ち、フライアイレンズ8A,8B,10をそれぞれ構成するレンズエレメントの個数及びその配列は任意である。本例では、前段のフライアイレンズ8A,8B及び後段のフライアイレンズ10より合成光学系が構成されている。また、パルスレーザ光源2A,2B、ミラー3A,3B、ビーム整形光学系4A,4B、第1レンズ5A,5B、ミラー6A,6B、第2レンズ7A,7B、前段のフライアイレンズ8A,8B、及び後段のフライアイレンズ10より光源装置(又は露光光源装置)が構成されている。
【0024】
後段のフライアイレンズ10の射出側焦点面(照明光学系の瞳面)には、露光光の光量分布を円形、複数の偏心領域、輪帯状などに設定して照明条件を決定するための照明系開口絞り(σ絞り)部材11が配置されている。照明系開口絞り部材11は、装置全体の動作を統轄制御する主制御系31からの制御のもとで、開口絞りを指示された形状に設定する。
【0025】
図2は、図1中の第2レンズ7A,7Bから照明系開口絞り部材11までの光学系を示す拡大図であり、この図2において、2つのレーザ光LA及びLBは、それぞれ前段のフライアイレンズ8A及び8B、即ち第1のオプティカル・インテグレータの互いに異なる領域に入射している。また、前段の第1のフライアイレンズ8Aを構成するレンズエレメント8Aaの射出面は、後段のフライアイレンズ10に対して外側に傾斜している。この結果、個々のレンズエレメント8Aaの射出側焦点面に形成される光源像からのレーザ光LAは、それぞれ後段のフライアイレンズ10の入射面10bのほぼ全面に入射する。言い換えると、個々のレンズエレメント8Aaの射出面の傾斜角は、それぞれ射出されるレーザ光LAが入射面10bのほぼ全面に入射するような角度に設定されている。
【0026】
第1のフライアイレンズ8Aと対称的に、前段の第2のフライアイレンズ8Bを構成するレンズエレメント8Baの射出面は、後段のフライアイレンズ10に対して外側に傾斜している。この結果、個々のレンズエレメント8Baの射出側焦点面に形成される光源像からのレーザ光LBは、それぞれ後段のフライアイレンズ10の入射面10bのほぼ全面にレーザ光LAと対称に傾斜して入射する。即ち、レーザ光LA及びLBは、第2のオプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ10の共通の領域に入射する。そして、フライアイレンズ10の射出側の焦点面には、レーザ光LA及びLBによる多数の光源像33が形成され、これらの光源像33からのパルス光がパルス露光光ILとなる。
【0027】
このように前段のフライアイレンズ8A,8Bと後段のフライアイレンズ10とを用いて2つのレーザ光LA及びLBを合成する構成では、フライアイレンズ8A,8Bの光軸とフライアイレンズ10の光軸との位置関係が設計上の位置関係から或る程度ずれても、照度むらが生じることはなく、パルス露光光ILの段階での光量損失は僅かであるという利点がある。
【0028】
これに対して、図6に示すように、2つのパルスレーザ光源2A,2Bからのレーザ光LA及びLBを、ビームスプリッタ41及びミラー42を用いて合成してパルス露光光ILを得る構成では、2つのパルスレーザ光源2A,2Bの光軸のずれがそのままレーザ光LA及びLBの位置ずれとなり、大きい照度むらが発生し易くなる。更に、ビームスプリッタ41において1/2程度の光量損失が生じてしまう。なお、図6において、ビームスプリッタ41を偏光ビームスプリッタとして、パルスレーザ光源2A,2Bの射出面に1/2波長板43A,43Bを配置し、パルス露光光ILの光路上に1/4波長板44を配置することで、光量損失を減らすことも可能である。しかしながら、この場合でも、波長板43A,43B,44の回転角の調整誤差に起因する光量損失や偏光ビームスプリッタにおける光量損失が或る程度生じるとともに、光軸ずれによる照度むらの発生の問題は残っている。
【0029】
図2に戻り、更に本例では2つのレーザ光LA及びLBを後段のフライアイレンズ10の入射面10bのほぼ全面で重畳して合成しているため、仮に図1において、一方のパルスレーザ光源(例えば2A)のみを発光させるような場合でも、照明系開口絞り部材11の開口絞り中でのパルス露光光ILの光量分布はほぼ均一であり、照度むらが殆ど生じないという利点もある。
【0030】
なお、図2において、フライアイレンズ8A及び8Bからのレーザ光LA及びLBをそれぞれ効率的にフライアイレンズ10の入射面10bに導くために、フライアイレンズ8A及び8Bとフライアイレンズ10との間にそれぞれリレーレンズ9A及び9Bを配置してもよい。また、リレーレンズ9A及び9Bに加えて、フライアイレンズ10の入射面10bの前方に各レーザ光を平行光束にするための共通のリレーレンズを配置してもよい。また、フライアイレンズ8A,8Bを1つのフライアイレンズとして、この1つのフライアイレンズ(第1のオプティカル・インテグレータ)の入射面の異なる領域にパルスレーザ光源2A,2Bからのレーザ光を照射するようにしてもよい。
【0031】
図1に戻り、照明系開口絞り部材11中の開口絞りを通過したパルス露光光ILは、反射率の小さいビームスプリッタ12及びリレーレンズ13Aを経て、固定視野絞りとしての固定ブラインド14A及び可動視野絞りとしての可動ブラインド14Bを順次通過する。可動ブラインド14Bは、マスクとしてのレチクルRのパターン面(レチクル面)とほぼ共役な面に配置され、固定ブラインド14Aは、そのレチクル面との共役面から僅かにデフォーカスされた面に配置されている。
【0032】
固定ブラインド14Aは、レチクルR上の照明領域19Rの形状を規定するために使用される。可動ブラインド14Bは、レチクルRの走査方向及び非走査方向に対応する方向にそれぞれ相対移動自在な2対のブレードを備え、露光対象の各ショット領域への走査露光の開始時及び終了時に不要な部分への露光が行われないように、照明領域19Rを走査方向に閉じるために使用される。可動ブラインド14Bは、更に必要に応じて照明領域19Rの非走査方向の中心及び幅を規定するためにも使用される。ブラインド14A,14Bを通過したパルス露光光ILは、サブコンデンサレンズ13B、光路折り曲げ用のミラー15、及びメインコンデンサレンズ16を経て、マスクとしてのレチクルRのパターン領域上の照明領域19Rを均一な照度分布で照明する。本例の照明領域19Rは、レチクルRの走査方向に直交する非走査方向に細長いスリット状(本例では縦横比がほぼ1:3の長方形)の領域である。後段のフライアイレンズ10を構成するレンズエレメント10a(図2参照)の断面形状は、照明領域19Rとほぼ相似である。
【0033】
一方、ビームスプリッタ12で反射されたパルス露光光は、集光レンズ17を介して光電センサよりなるインテグレータセンサ18に受光される。インテグレータセンサ18の検出信号(例えば各パルス光毎のピークホールド信号)は、露光量制御系32に供給されている。露光量制御系32は、その検出信号と予め計測されているビームスプリッタ12から基板(感光基板)としてのウエハWまでの光学系の透過率とを用いて、ウエハW上でのパルスエネルギー(パルス光毎の露光エネルギー)を間接的に計算する。このようにインテグレータセンサ18の検出信号と光学系の透過率(露光光をインテグレータセンサ18で受光することによって得られるエネルギー量と、投影光学系を介して、ウエハステージ上の照射量モニタで露光光を受光することによって得られるエネルギー量との比)とから計算された各パルス光毎のウエハW上でのパルスエネルギーを、以下では「パルス露光光ILの各パルス光毎に計測されたパルスエネルギー又は光量」と呼ぶ。露光量制御系32は、各パルスエネルギーの計測値、その計測値の積算値、及び主制御系31からの制御情報に基づいて、ウエハW上で適正露光量が得られるようにパルスレーザ光源2A及び2Bのパルス発光動作を制御する(詳細後述)。
【0034】
上記の光源装置(露光光源装置)、照明系開口絞り部材11、ビームスプリッタ12、リレーレンズ13A、ブラインド14A,14B、サブコンデンサレンズ13B、ミラー15、及びメインコンデンサレンズ16より照明光学系1が構成されている。照明光学系1は気密室としての不図示のサブチャンバに覆われている。パルス露光光ILに対する透過率を高く維持するために、そのサブチャンバ内には、不純物を高度に除去した窒素ガス(又はヘリウムガス等の希ガス)のようなパルス露光光ILを透過する気体(パージガス)が供給されている。
【0035】
パルス露光光ILのもとで、レチクルRの照明領域19R内のパターンは、両側テレセントリックの投影光学系PLを介して投影倍率β(βは1/4,1/5等)で、フォトレジストが塗布されたウエハW上の一つのショット領域SA上の露光領域19Wに投影される。露光領域19Wは、投影光学系PLに関して照明領域19Rと共役な非走査方向に細長いスリット状(本例では長方形)の領域である。レチクルR及びウエハWはそれぞれ本発明の第1物体及び第2物体に対応している。ウエハWは、例えば半導体(シリコン等)又はSOI(silicon on insulator)等の直径が200〜300mm程度の円板状の基板である。
【0036】
本例の投影光学系PLは直筒型の屈折系である。露光波長がより短い場合には、投影光学系PLとして、例えば特開2000−47114号公報に開示されているように、互いに交差する光軸を持つ複数の光学系よりなる反射屈折系、又は例えば国際公開(WO)第 00/39623 号パンフレットに開示されているように、1本の光軸に沿って複数の屈折レンズと、それぞれ光軸の近傍に開口を有する2つの凹面鏡とを配置して構成される直筒型の反射屈折系なども使用することができる。パルス露光光ILに対する透過率を高く維持するために、投影光学系PLの鏡筒内にも、不純物を高度に除去したパージガスが供給されている。以下、図1において、投影光学系PLの光軸AXに平行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面内で走査露光時のレチクルR及びウエハWの走査方向にY軸を取り、走査方向に直交する非走査方向にX軸を取って説明する。
【0037】
先ず、レチクルRはレチクルステージ21上に吸着保持され、レチクルステージ21はレチクルベース22上をY方向に一定速度で移動すると共に、同期誤差を補正するようにX方向、Y方向、回転方向に微動して、レチクルRの走査を行う。レチクルステージ21のX方向の位置は移動鏡20Xm及びレーザ干渉計20Xによって計測され、レチクルステージ21のY方向の位置及びZ軸の回りの回転角は1対のレトロリフレクタ(retroreflector)24Am,24Bm及びこれらに対応する1対のレーザ干渉計24A,24Bによって計測されている。これらの計測値がレチクルステージ制御系23に供給され、レチクルステージ制御系23は、その計測値及び主制御系31からの制御情報に基づいて、リニアモータ等の駆動機構(不図示)を介してレチクルステージ21の位置及び速度を制御する。レチクルRの周辺部の上方には、レチクルアライメント用のレチクルアライメント顕微鏡(不図示)が配置されている。
【0038】
一方、ウエハWは、ウエハホルダ(不図示)を介してウエハステージ25上に吸着保持され、ウエハステージ25は定盤よりなるウエハベース26上でY方向に一定速度で移動すると共に、X方向、Y方向にステップ移動する。ウエハステージ25は、不図示のオートフォーカスセンサによるウエハWのZ方向の位置の計測値に基づいて、ウエハWのフォーカシング及びレベリングを行うZレベリング機構をも備えている。ウエハステージ25のX方向、Y方向の位置及び回転角は、X軸及びY軸のレーザ干渉計27X,27Yによって計測され、この計測値がウエハステージ駆動系28に供給されている。ウエハステージ駆動系28は、その計測値及び主制御系31からの制御情報に基づいて、リニアモータ等の駆動機構(不図示)を介してウエハステージ25の位置及び速度を制御する。
【0039】
更に、ウエハステージ25の上方には、ウエハ上のアライメントマークを検出するためのオフ・アクシス方式のアライメントセンサ(不図示)が配置されており、この検出結果に基づいて主制御系31はウエハWのアライメントを行う。また、ウエハステージ25上のウエハWの近傍には、パルス露光光ILの照度(光量)を計測するための光電センサを備えた照射量モニタ29が配置され、照射量モニタ29の検出信号が露光量制御系32に供給されている。
【0040】
露光時には、スリット状の照明領域19Rにパルス露光光ILを照射した状態で、レチクルステージ21及びウエハステージ25を駆動してレチクルRとウエハW上の一つのショット領域とをY方向に同期走査する動作と、ウエハステージ25を駆動してウエハWをX方向、Y方向にステップ移動する動作とが繰り返される。この動作によって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハW上の各ショット領域にレチクルRのパターン像が露光される。
【0041】
さて、本例では図1に示すように、2台のパルスレーザ光源2A及び2Bが並列に設置されている。以下、露光量制御系32の制御のもとでのパルスレーザ光源2A,2Bのパルス発光動作の一例につき図4及び図5を参照して説明する。本例では、第1のパルスレーザ光源2Aをマスター(主)、第2のパルスレーザ光源2Bをスレーブ(従)として露光量制御を行う。
【0042】
図4は、通常の露光時の2台のパルスレーザ光源2A,2Bの発振タイミングの一例を示し、図4(A),(B),(C),(D)の横軸は経過時間tであり、図4(A),(B),(C),及び(D)の縦軸はそれぞれ図1の第1のパルスレーザ光源2Aから射出されるレーザ光LAのパルスエネルギー、第2のパルスレーザ光源2Bから射出されるレーザ光LBのパルスエネルギー、合成後のパルス露光光ILのパルスエネルギー、及びパルスレーザ光源2A,2Bに対する発光トリガーパルスTPを示している。
【0043】
図4(D)に示すように、露光量制御系32は、その内部で等時間間隔ΔTの周期的な発光トリガーパルスTPA,TPB,TPA,TPB,…よりなる発光トリガーパルスTPを生成する。この場合、パルス露光光ILの段階で必要な周波数fを4kHzとすると、その時間間隔ΔT(=1/f)は0.25msecとなるように設定される。更に露光量制御系32は、その発光トリガーパルスTPの内で奇数番目の発光トリガーパルスTPAを第1のパルスレーザ光源2Aに供給し、偶数番目の発光トリガーパルスTPBを第2のパルスレーザ光源2Bに供給する。これによって、パルスレーザ光源2A及び2Bは等時間間隔ΔTで交互にパルス発光を行う。即ち、第1のパルスレーザ光源2Aでは、図4(A)に示すように、周波数f/2でレーザ光LA1,LA2,LA3,…をパルス発光し、第2のパルスレーザ光源2Bでは、図4(B)に示すように、周波数f/2でレーザ光LB1,LB2,LB3,…をパルス発光する。また、露光量制御系32は、不図示の制御ラインを介してパルスレーザ光源2A及び2Bに対してパルス発光毎のパルスエネルギーを指示する。なお、各パルスエネルギーを安定化するため、パルス発光毎のパルスエネルギーの制御の幅は、所定の規格出力に対して数%程度の範囲内に収まるようにされている。
【0044】
このとき、2つのレーザ光LA及びLBを図1のフライアイレンズ10で合成して得られるパルス露光光ILは、図4(C)に示すように、図4(D)の発光トリガーパルスTPに同期した周波数f(等時間間隔ΔT)のパルス光IL1,IL2,IL3,…となり、このパルス光IL1,IL2,IL3,…のウエハW上でのパルスエネルギーが図1のインテグレータセンサ18によって計測される。露光量制御系32では、発光トリガーパルスTPに同期してインテグレータセンサ17の検出信号(例えばピークホールド信号)を取り込むことによって、パルス光IL1,IL2,IL3,…のパルスエネルギーをそれぞれ発光したパルスレーザ光源2A又は2Bに対応させて計測し、計測結果をそれぞれ発光したパルスレーザ光源2A又は2Bの次のパルス発光時の出力にフィードバックする。言い換えると、パルス露光光IL中の奇数番目のパルス光IL1,IL3,…のパルスエネルギーの計測値を対応する第1のパルスレーザ光源2Aの次の発光時のレーザ光LA2,LA3,…の出力にフィードバックし、パルス露光光IL中の偶数番目のパルス光IL2,IL4,…のパルスエネルギーの計測値を対応する第2のパルスレーザ光源2Bの次の発光時のレーザ光LB2,LB3,…の出力にフィードバックする。
【0045】
本例では、第1のパルスレーザ光源2Aはマスターであるため、第1のパルスレーザ光源2Aから発光されたパルス光IL1,IL3,IL5,…のパルスエネルギーが常に一定の目標値となるように、露光量制御系32は第1のパルスレーザ光源2Aのパルス毎の出力を制御する。即ち、エキシマレーザ光源では同じ出力エネルギーを指示してもパルス発光毎にパルスエネルギーが或る程度ばらつくため、露光量制御系32は、パルス光IL1,IL3,IL5,…のパルスエネルギーを計測し、計測されたパルスエネルギーがその一定の目標値から高い方に(又は低い方に)外れた場合に、第1のパルスレーザ光源2Aにおける次のパルス発光時の出力を僅かに低く(又は高く)設定する。これによって、パルス露光光IL中で第1のパルスレーザ光源2Aから射出されたパルス光IL1,IL3,…のパルスエネルギーは、常に一定の目標値付近に制御される。
【0046】
一方、第2のパルスレーザ光源2Bはスレーブであるため、第2のパルスレーザ光源2Bから発光されたパルス光IL2,IL4,…のパルスエネルギーは、ウエハW上の各ショット領域SA内の各点で所定の積算露光量で露光が行われるように制御される。この場合、ウエハW上の各点には、走査露光中にそれぞれ予め定められている所定の整数Mのパルス数で露光が行われる。
【0047】
図5は、図1のウエハW上のスリット状の露光領域19Wの一部を示し、この図5において、露光領域19Wの走査方向(Y方向)の幅をD、パルス露光光ILの1つのパルス発光の間にウエハW上の点35がY方向に移動する間隔をdとすると、整数Mは次のように幅Dを間隔dで除算した値となる。
M=D/d …(2)
また、ウエハW上のフォトレジストの感度(適正露光量)をEとして、パルス露光光ILの各パルスエネルギーの目標値をpとすると、目標値pは次のようになる。
【0048】
p=E/M …(3)
そこで、一例として、例えば図4(C)の第1のパルスレーザ光源2Aからのパルス光IL3のパルスエネルギーの計測値が目標値pよりもδpだけ低い場合には、第2のパルスレーザ光源2Bからのパルス光IL4のパルスエネルギーは目標値pよりもδpだけ高くなるように制御される。この結果、第2のパルスレーザ光源2Bからのレーザ光LBの出力は、図4(B)に矢印36A,36Bで示すように、その前のレーザ光のパルスエネルギーの計測値の目標値からの誤差を相殺するように増減される。このように第2のパルスレーザ光源2Bでパルスエネルギーの制御を行う場合には、(2)式の整数Mを偶数(パルスレーザ光源がN台の場合にはNの倍数)となるように設定して、ウエハW上の各点でパルスレーザ光源2A及び2Bからのパルス光がそれぞれ同じ数だけ照射されるようにしてもよい。
【0049】
また、別の例として、インテグレータセンサ18を用いて順次パルス露光光ILのそれまでのi個(i=0,1,2,…,M−1)のパルスエネルギーの積算値Σiを求め、この積算値Σiからそれぞれ次の目標エネルギーpi(=p・(i+1)−Σi)を計算してもよい。この例では、その目標エネルギーpiのM個の平均値(又は重み付きの平均値)に基づいて、第2のパルスレーザ光源2Bの次のパルスエネルギーを設定することができる。
【0050】
上述のように本例によれば、最終的に得られるパルス露光光ILの周波数fに対して、個々のパルスレーザ光源2A,2Bにおける発振周波数は1/2でよい。具体的に、パルスレーザ光源2A及び2Bの発振周波数を1.0kHz〜4kHz程度とすると、周波数fが2〜8kHz程度のパルス露光光ILを得ることができる。従って、個々のパルスレーザ光源2A,2Bの構造を変えることなく、エネルギー、スペクトル、及び各パルス光の形状(プロファイル)の安定性(光品位)を低下させることなく、パルス露光光ILの周波数を容易に高めることができる。その結果、ウエハWには単位時間当たりで2倍の露光エネルギーが照射されるため、露光時間を短縮することができ、露光工程のスループットを2倍に高めることができる。しかも、パルスレーザ光源2A,2Bの構造は従来と同じであるため、本例の投影露光装置が設置されている半導体素子の製造工場においては、冷却用水や熱排気処理などのための容量の大きい配管を新設する必要がなく、製造コストの上昇を抑制することができる。また、本例によれば、パルスレーザ光源の最低発振周波数を小さくできるため、無駄にエネルギーを捨てる必要がなくなり、パルスレーザ光源の寿命が長くなるという利点もある。
【0051】
なお、上記の実施形態では、スレーブのパルスレーザ光源2Bではパルスエネルギーを制御していたが、パルスレーザ光源2Bでは、パルス発光のタイミングを制御するようにしてもよい。即ち、図4の例では、パルスレーザ光源2Bのパルス発光は、一定時間間隔2・ΔTでかつ、パルスレーザ光源2Aのパルス発光から一定時間間隔ΔTの後に行われていた。しかしながら、例えば走査露光中に図1のウエハステージ25(ウエハW)のY方向への走査速度が変動したような場合には、ウエハWができるだけ等しい間隔ずつ移動する毎にパルス露光光ILが照射されるように、第2のパルスレーザ光源2Bの発光タイミングをずらすようにしてもよい。更に、第2のパルスレーザ光源2Bのパルスエネルギー及び発光タイミングの両方を制御するようにしてもよい。
【0052】
また、上記の実施形態では、一方のパルスレーザ光源2Aをマスター(主)、他方のパルスレーザ光源2Bをスレーブ(従)としていたが、両方のパルスレーザ光源2A,2Bを等しく扱って、両方のパルスレーザ光源2A,2Bの出力及び/又は発光タイミングをそれぞれ制御するようにしてもよい。
また、レーザ光源は消耗部品交換等の定期修理(メンテナンス)が必要である。そこで、上記の実施形態において、例えば図1の一方のパルスレーザ光源2Bのメンテナンスを行う場合には、他のパルスレーザ光源2Aのみで露光を行うようにしてもよい。この場合には、パルス露光光ILの周波数は従来と同様になるため、露光時間を長くする必要があるが、露光工程を中断することなく継続できるという利点がある。また、2台のパルスレーザ光源のうちの一方のパルスレーザ光源に異常が発生し、部品交換が必要になった場合にも、他方の1台のパルスレーザ光源のみを発光させることによって、露光を続行させることができる。言い換えると、パルスレーザ光源に起因して投影露光装置の稼働ができなくなる時間(ダウンタイム)を実質的にゼロにすることが可能となる。
【0053】
また、上記の実施形態では、2台のパルスレーザ光源2A,2Bを用いていたが、3台以上のパルスレーザ光源を並列に用いてもよい。このように3台以上のパルスレーザ光源を用いる場合にも、そのうちの少なくとも1台をマスター(主)として出力が一定になるように駆動して、他のパルスレーザ光源をスレーブ(従)としても出力及び/又は発光タイミングを制御してもよい。その他に、その3台以上のパルスレーザ光源を等しく扱ってもよい。
【0054】
図3は、3台のパルスレーザ光源を用いる場合の図2の第2レンズ7A,7Bから照明系開口絞り部材11までの光学系に対応する光学系を示す拡大図であり、この図2に対応する部分に同一符号を付して示す図3において、3台のパルスレーザ光源(不図示)からのレーザ光LA,LB,LCはそれぞれ第2レンズ7A,7B,7Cを介して前段のフライアイレンズ34A,34B,34C、即ち第1のオプティカル・インテグレータの互いに異なる領域に入射している。図3の構成例では、中央のフライアイレンズ34Aは通常のフライアイレンズと同じく個々のレンズエレメントの射出面は傾斜していない。一方、下方のフライアイレンズ34Cを構成するレンズエレメントの射出面は、後段のフライアイレンズ10に対して外側に傾斜している。これと対称的に、上方のフライアイレンズ34Bを構成するレンズエレメントの射出面は、後段のフライアイレンズ10に対して外側に傾斜している。この結果、中央のフライアイレンズ34Aの個々のレンズエレメントからのレーザ光LAはそれぞれ後段のフライアイレンズ10(第2のオプティカル・インテグレータ)の入射面の全面を照明している。また、下方のフライアイレンズ34Cの個々のレンズエレメントからのレーザ光LC、及び上方のフライアイレンズ34Bの個々のレンズエレメントからのレーザ光LBは、それぞれ後段のフライアイレンズ10の入射面10bのほぼ全面に対称に傾斜して入射する。即ち、レーザ光LA,LB,LCは、第2のオプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ10の共通の領域に入射する。そして、フライアイレンズ10の射出側の焦点面には、レーザ光LA,LB,LCによる多数の光源像33が形成され、これらの光源像33からのパルス光がパルス露光光ILとなる。
【0055】
この場合にも、フライアイレンズ34A,34B,34とフライアイレンズ10との間にそれぞれリレーレンズ9A,9B,9Cを配置してもよい。また、リレーレンズ9A,9B,9Cに加えて、フライアイレンズ10の入射面の前方に各レーザ光を平行光束にするための共通のリレーレンズを配置してもよい。
図3の構成例では、個々のレーザ光LA,LB,LCのパルス発光の周波数に対して合成後のパルス露光光ILの周波数を3倍にすることができ、露光工程のスループットをほぼ3倍にすることができる。
【0056】
従って、一般にN台(Nは2以上の整数)のパルスレーザ光源からのレーザ光を合成することによって、パルス露光光ILの周波数を容易にN倍にすることができる。この場合も、一部のパルスレーザ光源のメンテナンス時等には、少なくとも1台を含む任意の数台が動作し、動作しているパルスレーザ光源の発光タイミングが例えば等間隔になるように制御される。そして、複数のパルスレーザ光源を用いる場合に、複数のパルスレーザ光源のメンテナンスを互いに時期をずらして実施することによって、投影露光装置の稼働を停止させずに済み、投影露光装置を有効に使用することが出来る。
【0057】
なお、N台のパルスレーザ光源を有する露光光源装置を用いる場合には、容易に高周波数のパルス露光光ILを得ることができるとともに、パルス露光光ILの周波数の可変範囲を容易に広くすることもできる。即ち、種々の感度のフォトレジストを用いて露光を行うものとして、低感度の(適正露光量が大きい)フォトレジストに露光を行う際には、上記の実施形態のように、N台のパルスレーザ光源を全て順次例えば等時間間隔で交互にパルス発光させればよい。これに対して、高感度の(適正露光量が少なくてよい)フォトレジストを用いる場合には、ウエハW上の各ショット領域への積算露光エネルギーは通常よりも例えば1/2又は1/3程度に大幅に少なくてよい。このように積算露光エネルギーを通常よりも大幅に少なくする用途でも、各パルスレーザ光源の出力の安定性を維持するために、各パルスエネルギーの値を大幅に下げることは望ましくない。また、各パルスレーザ光源を既に例えば1.5kHz程度の最低周波数で発光させている場合に、その発振周波数を更に大幅に下げることは困難である。
【0058】
このような用途においては、N台のパルスレーザ光源のうちで発振させるパルスレーザ光源の数を減らすこととする。このとき、各パルスレーザ光源のパルス発光の最低周波数をRmin、合成後のパルス露光光ILの周波数をfとすると、必要な周波数fはN・Rminよりもかなり小さい値となっている。そして、図1の露光量制御系32に対応する制御系は、次式を満たすα(αは1以上で(N−1)以下の整数)を求め、そのN台のパルスレーザ光源のうちα台のパルスレーザ光源の発光を停止する。
【0059】
(N−α)・Rmin<f<N・Rmin …(4)
但し、次の関係が成立しており、少なくとも1台のパルスレーザ光源はパルス発光を行っている。
N−α≧1 …(5)
この状態でその制御系は、パルス発光する(N−α)台のパルスレーザ光源の発振周波数fadを、合成後のパルス露光光ILの周波数がfとなるように次式を満たすように設定する。
【0060】
(N−α)・fad=f …(6)
このように用途に応じて一部のパルスレーザ光源のみを発光させることによって、個々のパルスレーザ光源のパルス発光の周波数の可変範囲は狭くとも、合成後のパルス光の周波数を広い範囲で容易に制御することができる。
なお、上記の実施形態では、同じ発振周波数の複数のパルスレーザ光源からのレーザ光を合成しているが、互いに異なる発振周波数の複数のパルスレーザ光源からのレーザ光を合成してパルス露光光を得ても良い。例えば発振周波数f1のレーザ光と、その2倍の発振周波数f2(=2・f1)のレーザ光とを合成して周波数(f1+f2)のパルス露光光を得てもよい。
【0061】
また、上記の実施形態では、第1及び第2のオプティカル・インテグレータとしてそれぞれフライアイレンズ(フライアイ・インテグレータ)を用いているが、それらのうち少なくとも一方のオプティカル・インテグレータとして、ロッド型インテグレータなどの内面反射型インテグレータを用いてもよい。更に、上記の実施形態では、第1のオプティカル・インテグレータと第2のオプティカル・インテグレータとを用いて複数のレーザ光をパルス露光光に合成しているが、その第1のオプティカル・インテグレータの代わりに回折によって光路を曲げる回折光学素子(diffractive optical element: DOE)を用いてもよい。
【0062】
また、例えば図1の構成において、パルスレーザ光源2A,2Bのパルスエネルギーを所定範囲で調整するために、透過率を所定範囲で機械的に連続的に制御するための減光機構(光アッティネータ)を設けてもよい。
なお、上記の実施の形態の投影露光装置は、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して、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)をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及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。
【0063】
また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、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)、及び検査ステップ等を経て製造される。
【0064】
なお、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、一括露光型の投影露光装置、プロキシミティ方式の露光装置、又はコンタクト方式の露光装置などにも同様に適用することができる。また、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス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形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子(CCD等)、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びDNAチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク(フォトマスク、レチクル等)をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程(露光装置)にも適用することができる。
【0065】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【0066】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のパルスレーザ光源から交互にパルス発光されるレーザ光を合成することによって、パルス光の周波数を容易に高めることができる。
また、必要に応じて一部のパルスレーザ光源からレーザ光をパルス発光させることによって、パルス光の周波数の可変範囲を広くすることができる。
【0067】
また、本発明の露光装置によれば、パルス光の周波数を高くできるため、露光工程のスループットを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例で使用される投影露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図2】図1中の第2レンズ7A,7Bから照明系開口絞り部材11までの光学系を示す一部を切り欠いた図である。
【図3】3台のパルスレーザ光源を用いる場合の図2に対応する部分の光学系を示す一部を切り欠いた図である。
【図4】本発明の実施形態における2台のパルスレーザ光源のパルス発光のタイミングの一例を示す図である。
【図5】図1のウエハ上の露光領域19Wを示す一部を切り欠いた拡大平面図である。
【図6】2台のパルスレーザ光源からのレーザ光をビームスプリッタを用いて合成する場合の要部を示す図である。
【符号の説明】
R…レチクル、PL…投影光学系、W…ウエハ、IL…パルス露光光、1…照明光学系、2A,2B…パルスレーザ光源、4A,4B…ビーム整形光学系、8A,8B…フライアイレンズ、10…フライアイレンズ、12…ビームスプリッタ、18…インテグレータセンサ、21…レチクルステージ、25…ウエハステージ、29…照射量モニタ、31…主制御系、32…露光量制御系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light source device using a pulse laser light source and a control method thereof, and is used in a lithography process for manufacturing various devices such as a semiconductor element, an imaging element (CCD, etc.), a liquid crystal display element, or a thin film magnetic head. It is suitable for use in an exposure light source device of an exposure apparatus.
[0002]
[Prior art]
For example, when manufacturing a semiconductor element, a batch exposure type or scanning used to transfer a reticle pattern as a mask to each shot region on a wafer (or glass plate or the like) coated with a photoresist as a substrate. In the exposure type exposure apparatus, the exposure light is gradually shortened in wavelength in order to increase the resolution. Recently, KrF excimer laser (wavelength 248 nm) is mainly used as exposure light, and ArF excimer laser (wavelength 193 nm) is also being used. Also, F with a wavelength of 157 nm 2 The use of lasers is also being considered. Currently, all of the light sources that can be used in the wavelength region of about 300 nm or less are pulsed laser light sources.
[0003]
Further, in an exposure apparatus, there is a demand for improvement in throughput (number of wafers processed per unit time) as well as improvement in resolution. Therefore, as a method of shortening the exposure time by using a pulsed laser light source, a method of increasing each pulse energy and a method of increasing the frequency (oscillation frequency) of pulsed light emission can be considered. As a technique that substantially increases the pulse energy of the former, a light source that simultaneously emits multiple excimer laser light sources in order to reduce speckle patterns generated by mutual interference of laser light An apparatus has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Further, in EUV lithography using, for example, EUV light (Extreme Ultraviolet Light) having a wavelength of about 5 to 50 nm as an exposure beam, laser light from a plurality of laser plasma light sources is used as an illumination optical system in order to obtain an exposure beam having a practical intensity. A light source device synthesized in the vicinity of the exit pupil has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
However, in this method of increasing the pulse energy, high-energy laser light passes through the optical elements in the illumination optical system and projection optical system of the exposure apparatus in a very short time, and these optical elements are transmitted. There is a risk of causing an increase in the fluctuation of the reflectance and the reflectance. For this reason, conventionally, a single laser light source has been used to meet the demand for improved throughput mainly by increasing the frequency of pulse emission.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 61-160776 A
[Patent Document 2]
JP 2001-68410 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, development for increasing the frequency (oscillation frequency) of pulse emission of a laser light source as an exposure light source has been mainly performed. However, when the oscillation frequency is further increased, the currently used KrF or ArF excimer laser has a problem that the load of the laser light source becomes too large.
[0007]
In other words, since the excimer laser uses gas as the laser medium, simply increasing the frequency of the laser light source alone requires increasing the flow rate of the stirring fan in the discharge chamber, leading to an increase in size and weight of the laser light source. I will. Furthermore, the energy required for the exposure light source, the spectrum, and the stability of the shape (profile) of each pulsed light (hereinafter referred to as “optical quality”) are becoming stricter year by year. There is also a problem that the optical quality is disturbed by standing waves called acoustic waves in the discharge chamber. Therefore, in the excimer laser currently used, it is necessary to devise a special damping mechanism or the like in the discharge chamber for damping the acoustic wave. Further, as the laser light source becomes larger, for example, it is necessary to increase the capacity per unit of piping for cooling water and heat exhaust treatment prepared at the semiconductor device manufacturing factory side, and the factory equipment is newly established or renovated. There is a need.
[0008]
Moreover, since the increase in the size of the laser light source causes an increase in the cost of the exposure light source, a greater investment in equipment is required. On the other hand, in order to reduce the manufacturing cost at the semiconductor element manufacturing factory, it is necessary to push the exposure apparatus operating rate to the limit level. However, since consumable parts in the laser light source need to be replaced at a certain frequency, the time during which the exposure apparatus cannot be operated (downtime) cannot be reduced to zero when one laser light source is used.
[0009]
In addition, since the excimer laser has an oscillation frequency dependency with respect to the above-described optical quality, the region of the usable oscillation frequency is limited when securing high optical quality. Therefore, if the frequency of the laser light source is increased, the entire laser light source will be optimized for operating conditions at a high frequency, so the optical quality will not be maintained when operating at a low oscillation frequency, and the usable range Will become narrower. In the exposure apparatus, the illuminance on the wafer surface is adjusted when exposing a highly sensitive resist. In the case of an excimer laser, the variable range of the pulse energy is narrow in a short period such as when the pulsed light is not emitted (one pulse emission cycle), so the illuminance adjustment relies exclusively on the variable frequency.
[0010]
For this reason, raising the minimum frequency by increasing the frequency results in the use of a mechanism such as an attenuator in the transmission optical system for the purpose of reducing the illuminance, which causes a problem that the utilization efficiency of light energy is lowered.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a light source technique capable of easily increasing the frequency of pulsed light and an exposure technique using the same.
It is another object of the present invention to provide a light source technique having a wide variable range of the frequency of pulsed light and an exposure technique using the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The light source device according to the present invention combines a plurality of pulse laser light sources (2A, 2B) that emit laser light in a pulsed manner and laser light emitted from the plurality of pulse laser light sources into pulse light (IL) that passes through a common optical path. And a control system (32) for controlling the plurality of pulse laser light sources and alternately emitting the laser light from the plurality of pulse laser light sources. .
[0012]
According to the present invention, when the number of the plurality of pulse laser light sources is N (N is an integer of 2 or more), the frequency of the pulse light synthesized by the synthesis optical system is substantially equal to the pulse of each pulse laser light source. N times the frequency of light emission. Therefore, the frequency of pulse emission can be easily increased without increasing the size of each pulse laser light source.
In this case, for example, the control system causes one pulse laser light source among the plurality of pulse laser light sources to emit light at a substantially constant output, and controls the pulse light emission timing of the other pulse laser light sources to an arbitrary timing. To do. As described above, the control method using one pulse laser light source as a master is easy to control and can improve the stability of the output of the combined pulsed light.
[0013]
Further, it further includes a photoelectric sensor (18) for detecting the amount of pulsed light synthesized by the synthesis optical system, and the control system is a pulse emitted from the plurality of pulse laser light sources and passed through the synthesis optical system. It is desirable to control the output at the time of pulse emission of each of the plurality of pulse laser light sources based on the detection result of the light amount by the photoelectric sensor. In this way, by using the detection result of the light amount of the combined pulsed light, the light amount at the stage of actually using the pulsed light can be controlled with high accuracy. Further, when the plurality of pulse laser light sources are, for example, A and B, the detection results of the light amounts of the pulse lights emitted from the pulse laser light sources A and B among the combined pulse lights are respectively converted into the original pulse laser light source A and By feeding back to the output of B, the outputs of the pulse laser light sources A and B can be controlled with high accuracy.
[0014]
Further, the synthesis optical system includes a first optical integrator (8A, 8B) that receives the laser beams emitted from the plurality of pulsed laser light sources in different regions and guides them to a common incident surface (10b); It is desirable to have a second optical integrator (10) that forms a plurality of light source images from a plurality of laser beams incident on the common incident surface. In this way, by combining the pulsed light via the first and second optical integrators, the influence of the optical axis shift can be reduced and the light loss can be reduced.
[0015]
Also, as an example, the pulse emission frequency of the plurality of pulse laser light sources is 1.0 kHz to 4 kHz, and the control system causes the plurality of pulse laser light sources to alternately emit pulses at substantially equal time intervals. Is desirable. Thereby, when the light source device is applied to an exposure apparatus, exposure amount control becomes easy.
Further, the number of the plurality of pulse laser light sources is N (N is an integer of 2 or more), the minimum pulse emission frequency of the plurality of pulse laser light sources is Rmin, and is necessary at the stage after being synthesized by the synthesis optical system. Assuming that the frequency of simple pulse emission is f, and the frequency f is smaller than N · Rmin, the control system obtains α satisfying the following formula as an example (α is an integer not less than 1 and not more than (N−1)). The α pulse laser light sources among the N pulse laser light sources stop emitting light.
[0016]
(N−α) · Rmin <f <N · Rmin (1)
In this way, by emitting only some of the pulsed laser light sources according to the application, even if the variable range of the pulsed light emission frequency of each individual pulsed laser light source is narrow, the frequency of the combined pulsed light can be easily adjusted over a wide range. Can be controlled.
An exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that illuminates a first object (R) with an exposure beam from an exposure light source apparatus and exposes the second object (W) through the first object with the exposure beam. The light source device of the present invention is used as the exposure light source device.
[0017]
By applying the light source device of the present invention, the frequency of the pulsed light as the exposure beam can be easily increased, so that the throughput of the exposure process can be increased without newly setting up factory facilities.
In this case, the laser beam may be emitted from some of the plurality of pulsed laser light sources. As a result, it is possible to easily cope with the case of using a highly sensitive photosensitive material, and it is possible to exchange or maintain other pulse laser light sources without stopping the operation of the exposure apparatus.
[0018]
Also, a control method of a light source device according to the present invention is a control method of a light source device having a plurality of pulse laser light sources (2A, 2B) that emit laser light in pulses, and controls the plurality of pulse laser light sources. The laser light is emitted from a plurality of pulse laser light sources alternately, and the laser light emitted from the plurality of pulse laser light sources is combined with pulse light (IL) passing through a common optical path.
[0019]
According to the present invention, the frequency of pulse emission can be easily increased without increasing the size of individual pulse laser light sources.
In this case, for example, one pulse laser light source among the plurality of pulse laser light sources emits light with a substantially constant output, and the pulse light emission timings of the other pulse laser light sources are controlled to arbitrary timings. This facilitates the light emission control of the plurality of pulse laser light sources and improves the output stability.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this example, the present invention is applied to generate an exposure beam for a scanning exposure type projection exposure apparatus having a step-and-scan method.
FIG. 1 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of this example. In FIG. 1, an ArF excimer laser light source (wavelength 193 nm) is used as an exposure light source, and the pulse emission frequency (oscillation frequency) is 1.0 kHz to 4 kHz. About two pulse
[0021]
The first laser beam LA having an elongated rectangular shape with a cross-sectional shape of 12 mm in length and about 2 mm in width, which is pulsed from the first pulse
[0022]
In parallel with members from the first pulse
[0023]
The fly-
[0024]
Illumination for determining illumination conditions by setting the exposure light quantity distribution to a circular shape, a plurality of eccentric regions, or an annular shape on the exit-side focal plane (pupil surface of the illumination optical system) of the
[0025]
FIG. 2 is an enlarged view showing an optical system from the
[0026]
In contrast to the first fly-
[0027]
In this way, in the configuration in which the two laser beams LA and LB are synthesized using the front fly-
[0028]
On the other hand, as shown in FIG. 6, in the configuration in which the laser beams LA and LB from the two pulse
[0029]
Returning to FIG. 2, in this example, the two laser beams LA and LB are superimposed and synthesized on almost the entire surface of the
[0030]
In FIG. 2, in order to efficiently guide the laser beams LA and LB from the fly-
[0031]
Returning to FIG. 1, the pulse exposure light IL that has passed through the aperture stop in the illumination system
[0032]
The fixed blind 14A is used to define the shape of the
[0033]
On the other hand, the pulse exposure light reflected by the
[0034]
The illumination
[0035]
Under the pulse exposure light IL, the pattern in the
[0036]
The projection optical system PL of this example is a straight tube type refraction system. When the exposure wavelength is shorter, as the projection optical system PL, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-47114, a catadioptric system composed of a plurality of optical systems having optical axes intersecting each other, or for example, As disclosed in WO 00/39623 pamphlet, a plurality of refractive lenses and two concave mirrors each having an opening in the vicinity of the optical axis are arranged along one optical axis. A straight cylindrical catadioptric system or the like that is configured can also be used. In order to maintain a high transmittance for the pulse exposure light IL, a purge gas from which impurities are highly removed is also supplied into the lens barrel of the projection optical system PL. Hereinafter, in FIG. 1, the Z axis is taken in parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, the Y axis is taken in the scanning direction of the reticle R and the wafer W during scanning exposure in a plane perpendicular to the Z axis, and the scanning direction The description will be made by taking the X axis in the non-scanning direction orthogonal to the axis.
[0037]
First, the reticle R is sucked and held on the
[0038]
On the other hand, the wafer W is sucked and held on the
[0039]
Further, an off-axis type alignment sensor (not shown) for detecting an alignment mark on the wafer is disposed above the
[0040]
At the time of exposure, the
[0041]
In this example, as shown in FIG. 1, two pulse
[0042]
FIG. 4 shows an example of oscillation timings of the two pulse
[0043]
As shown in FIG. 4D, the exposure
[0044]
At this time, the pulse exposure light IL obtained by combining the two laser beams LA and LB with the fly-
[0045]
In this example, since the first pulse
[0046]
On the other hand, since the second pulsed
[0047]
FIG. 5 shows a part of the slit-shaped
M = D / d (2)
Further, assuming that the sensitivity (appropriate exposure amount) of the photoresist on the wafer W is E and the target value of each pulse energy of the pulse exposure light IL is p, the target value p is as follows.
[0048]
p = E / M (3)
Therefore, as an example, when the measured value of the pulse energy of the pulsed light IL3 from the first pulsed
[0049]
As another example, an integrated value Σi of i pulse energies (i = 0, 1, 2,..., M−1) of the pulse exposure light IL is sequentially obtained using the
[0050]
As described above, according to this example, the oscillation frequency in each of the pulse
[0051]
In the above embodiment, the pulse energy is controlled by the slave pulse
[0052]
In the above-described embodiment, one pulse
Further, the laser light source needs periodic repair (maintenance) such as replacement of consumable parts. Therefore, in the above-described embodiment, for example, when maintenance is performed on one pulse
[0053]
In the above embodiment, two pulse
[0054]
3 is an enlarged view showing an optical system corresponding to the optical system from the
[0055]
In this case,
In the configuration example of FIG. 3, the frequency of the combined pulse exposure light IL can be tripled with respect to the pulse emission frequency of each laser beam LA, LB, LC, and the throughput of the exposure process is almost tripled. Can be.
[0056]
Therefore, in general, the frequency of the pulse exposure light IL can be easily increased N times by combining laser beams from N (N is an integer of 2 or more) pulse laser light sources. Also in this case, at the time of maintenance of some pulsed laser light sources, an arbitrary number of units including at least one unit are operated, and the emission timings of the operating pulsed laser light sources are controlled so as to be at regular intervals, for example. The When a plurality of pulse laser light sources are used, maintenance of the plurality of pulse laser light sources is performed at different times so that the operation of the projection exposure apparatus can be stopped and the projection exposure apparatus can be used effectively. I can do it.
[0057]
When an exposure light source device having N pulse laser light sources is used, high-frequency pulse exposure light IL can be easily obtained, and the variable range of the frequency of pulse exposure light IL can be easily widened. You can also. In other words, when exposure is performed using photoresists with various sensitivities, low-sensitivity (large appropriate exposure amount) photoresist is exposed when N pulse lasers are used as in the above embodiment. All the light sources may be sequentially pulsed alternately at, for example, equal time intervals. On the other hand, in the case of using a highly sensitive photoresist (which requires a small appropriate exposure amount), the integrated exposure energy for each shot area on the wafer W is, for example, about 1/2 or 1/3 of the usual. It can be significantly less. Thus, even in applications where the accumulated exposure energy is significantly lower than usual, it is not desirable to significantly reduce the value of each pulse energy in order to maintain the stability of the output of each pulse laser light source. Further, when each pulse laser light source has already emitted light at a minimum frequency of, for example, about 1.5 kHz, it is difficult to further reduce the oscillation frequency.
[0058]
In such an application, the number of pulse laser light sources to be oscillated among the N pulse laser light sources is reduced. At this time, if the minimum pulse emission frequency of each pulse laser light source is Rmin and the frequency of the combined pulse exposure light IL is f, the required frequency f is considerably smaller than N · Rmin. Then, a control system corresponding to the exposure
[0059]
(N−α) · Rmin <f <N · Rmin (4)
However, the following relationship is established, and at least one pulsed laser light source emits pulses.
N-α ≧ 1 (5)
In this state, the control system sets the oscillation frequency fad of (N−α) pulse laser light sources that emit pulses to satisfy the following expression so that the frequency of the combined pulse exposure light IL becomes f. .
[0060]
(N−α) · fad = f (6)
In this way, by emitting only some of the pulsed laser light sources according to the application, even if the variable range of the pulsed light emission frequency of each individual pulsed laser light source is narrow, the frequency of the combined pulsed light can be easily adjusted over a wide range. Can be controlled.
In the above embodiment, laser beams from a plurality of pulse laser light sources having the same oscillation frequency are combined, but laser light from a plurality of pulse laser light sources having different oscillation frequencies is combined to generate pulse exposure light. You may get. For example, pulse exposure light having a frequency (f1 + f2) may be obtained by combining laser light having the oscillation frequency f1 and laser light having twice the oscillation frequency f2 (= 2 · f1).
[0061]
In the above embodiment, fly-eye lenses (fly-eye integrators) are used as the first and second optical integrators. However, at least one of these optical integrators may be a rod-type integrator or the like. An internal reflection type integrator may be used. Furthermore, in the above embodiment, a plurality of laser beams are synthesized into pulse exposure light using the first optical integrator and the second optical integrator, but instead of the first optical integrator. A diffractive optical element (DOE) that bends the optical path by diffraction may be used.
[0062]
Further, for example, in the configuration of FIG. 1, in order to adjust the pulse energy of the pulse
The projection exposure apparatus of the above embodiment includes an illumination optical system composed of a plurality of lenses, a projection optical system incorporated in the exposure apparatus main body, and optical adjustment, and a reticle stage and wafer stage composed of a large number of mechanical parts. Is attached to the exposure apparatus main body, wiring and piping are connected, and further comprehensive adjustment (electrical adjustment, operation check, etc.) is performed. The exposure apparatus is preferably manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
[0063]
Further, when a semiconductor device is manufactured using the projection exposure apparatus of the above-described embodiment, the semiconductor device includes a step of designing a function / performance of the device, a step of manufacturing a reticle based on this step, and a silicon material. A step of forming a wafer, a step of performing alignment with the projection exposure apparatus of the above-described embodiment and exposing a reticle pattern onto the wafer, a step of forming a circuit pattern such as etching, a device assembly step (dicing process, bonding process, (Including a packaging process) and an inspection step.
[0064]
The present invention can be applied not only to a scanning exposure type projection exposure apparatus, but also to a batch exposure type projection exposure apparatus, a proximity type exposure apparatus, or a contact type exposure apparatus. Further, the use of the exposure apparatus of the present invention is not limited to the exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device, but for example, exposure for a display apparatus such as a liquid crystal display element formed on a square glass plate or a plasma display. The present invention can also be widely applied to an exposure apparatus for manufacturing various devices such as an apparatus, an image sensor (CCD, etc.), a micromachine, a thin film magnetic head, and a DNA chip. Furthermore, the present invention can also be applied to an exposure process (exposure apparatus) when manufacturing a mask (photomask, reticle, etc.) on which mask patterns of various devices are formed using a photolithographic process.
[0065]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Of course, a various structure can be taken in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0066]
【The invention's effect】
According to the present invention, the frequency of pulsed light can be easily increased by synthesizing laser beams that are alternately pulsed from a plurality of pulsed laser light sources.
Moreover, the variable range of the frequency of pulsed light can be widened by emitting laser light from some pulsed laser light sources as necessary.
[0067]
Moreover, according to the exposure apparatus of the present invention, the frequency of the pulsed light can be increased, so that the throughput of the exposure process can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a projection exposure apparatus used in an example of an embodiment of the present invention.
2 is a partially cutaway view showing an optical system from
FIG. 3 is a partially cutaway view showing an optical system of a portion corresponding to FIG. 2 when three pulse laser light sources are used.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of pulse emission timings of two pulse laser light sources in the embodiment of the present invention.
5 is an enlarged plan view with a part cut away showing an
FIG. 6 is a diagram showing a main part in the case of combining laser beams from two pulse laser light sources using a beam splitter.
[Explanation of symbols]
R ... reticle, PL ... projection optical system, W ... wafer, IL ... pulse exposure light, 1 ... illumination optical system, 2A, 2B ... pulse laser light source, 4A, 4B ... beam shaping optical system, 8A, 8B ... fly eye lens DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数のパルスレーザ光源から射出されたレーザ光を共通の光路を通るパルス光に合成する合成光学系と、
前記複数のパルスレーザ光源を制御し、前記複数のパルスレーザ光源から交互に前記レーザ光をパルス発光させる制御系とを有することを特徴とする光源装置。A plurality of pulsed laser light sources that emit laser light in pulses;
A synthesis optical system for synthesizing laser light emitted from the plurality of pulse laser light sources into pulse light passing through a common optical path;
And a control system that controls the plurality of pulse laser light sources and alternately emits the laser light from the plurality of pulse laser light sources.
前記制御系は、前記複数のパルスレーザ光源から射出されて前記合成光学系を通過したパルス光の光量の前記光電センサによる検出結果に基づいて、前記複数のパルスレーザ光源の各々のパルス発光時の出力を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の光源装置。Further comprising a photoelectric sensor for detecting the amount of pulsed light synthesized by the synthesis optical system;
The control system is configured to detect the amount of pulsed light emitted from the plurality of pulsed laser light sources and passed through the combining optical system based on a detection result by the photoelectric sensor at the time of pulse emission of each of the plurality of pulsed laser light sources. The light source device according to claim 1, wherein the output is controlled.
前記制御系は、次式を満たすα(αは1以上で(N−1)以下の整数)を求め、
(N−α)・Rmin<f<N・Rmin
前記N個のパルスレーザ光源のうちα個のパルスレーザ光源の発光を停止することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の光源装置。The number of the plurality of pulse laser light sources is N (N is an integer greater than or equal to 2), the minimum pulse emission frequency of the plurality of pulse laser light sources is Rmin, and pulses required at the stage after being synthesized by the synthesis optical system When the frequency of light emission is f and the frequency f is smaller than N · Rmin,
The control system calculates α satisfying the following formula (α is an integer of 1 or more and (N−1) or less),
(N−α) · Rmin <f <N · Rmin
6. The light source device according to claim 1, wherein light emission of α pulse laser light sources among the N pulse laser light sources is stopped.
前記露光光源装置として請求項1〜6の何れか一項に記載の光源装置を用いることを特徴とする露光装置。In an exposure apparatus that illuminates a first object with an exposure beam from an exposure light source apparatus and exposes a second object through the first object with the exposure beam,
An exposure apparatus using the light source apparatus according to claim 1 as the exposure light source apparatus.
前記複数のパルスレーザ光源を制御し、前記複数のパルスレーザ光源から交互に前記レーザ光を発光させ、前記複数のパルスレーザ光源から射出されたレーザ光を共通の光路を通るパルス光に合成することを特徴とする光源装置の制御方法。A method of controlling a light source device having a plurality of pulse laser light sources that emit laser light in pulses,
Controlling the plurality of pulse laser light sources, alternately emitting the laser light from the plurality of pulse laser light sources, and combining the laser light emitted from the plurality of pulse laser light sources into pulse light passing through a common optical path; A method for controlling a light source device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003165725A JP2005005407A (en) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | Light source device, aligner, and control method thereof |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2003165725A Withdrawn JP2005005407A (en) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | Light source device, aligner, and control method thereof |
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