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JP4362857B2 - Light source apparatus and exposure apparatus - Google Patents

Light source apparatus and exposure apparatus Download PDF

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JP4362857B2
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    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/7055Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70566Polarisation control

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源装置及び露光装置に係り、より詳しくは複数の光束の偏光を制御しつつ所望の波長の光を射出する光源装置、及び該光源装置を備えた露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体素子(集積回路)、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、種々の露光装置が用いられている。近年では、この種の露光装置としては、フォトマスク又はレチクル上に形成された微細回路パターンを、表面に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の基板上に投影光学系を介して縮小投影し、転写する、いわゆるステッパあるいはいわゆるスキャニング・ステッパ等の縮小投影露光装置が、高いスループットを有する点から主流となっている。
【0003】
しかるに、投影露光装置等の露光装置では、高スループットとともに高い解像力(解像度)が要請される。投影露光装置の解像力R、焦点深度DOFは、露光用照明光の波長λ、投影光学系の開口数N.A.を用いて、
R=K・λ/N.A. ……(1)
DOF=λ/2(N.A.)2 ……(2)
によってそれぞれ表される。
【0004】
上記の式(1)から明らかなように、解像力R、すなわち解像できる最小パターン線幅をより小さくするために、(a)比例定数Kを小さくする、(b)N.A.を大きくする、(c)露光用照明光の波長λを小さくする、の3つの方法が考えられる。ここで、比例定数Kは投影光学系やプロセスによって決まる定数であり、通常0.5〜0.8程度の値をとる。この定数Kを小さくする方法は、広い意味での超解像と呼ばれている。今までに、投影光学系の改良、変形照明、位相シフトレチクルなどが提案、研究されてきた。しかし、適用できるパターンに制限があるなどの難点があった。
【0005】
一方、開口数N.A.は式(1)からその値が大きいほど解像力Rを小さくできるが、このことは同時に式(2)から明らかなように焦点深度DOFが浅くなってしまうことを意味する。このため、N.A.値は大きくするにも限界があり、通常は0.5程度が適当とされている。
【0006】
従って、解像力Rを小さくする最も単純かつ有効な方法は、露光用照明光の波長λを小さくすることである。
【0007】
かかる理由により、ステッパ等としては紫外域の輝線(g線、i線等)を出力する超高圧水銀ランプを露光用光源とするg線ステッパ、i線ステッパが従来主として用いられていたが、近年ではより短波長のKrFエキシマレーザ光(波長248nm)を出力するKrFエキシマレーザを光源とするKrFエキシマレーザ・ステッパが主流となりつつある。現在ではさらに短波長の光源としてArFエキシマレーザ(波長193nm)を使用する露光装置の開発が進められている。しかしながら、上述したエキシマレーザは大型であること、1パルスあたりのエネルギが大きいことにより光学部品の損傷が生じやすいこと、有毒なフッ素ガスを使用するためレーザのメンテナンスが煩雑でかつ費用が高額となるなどの、露光装置の光源として不利な点が存在する。
【0008】
そこで、非線形光学結晶の非線形光学効果を利用して、長波長の光(赤外光、可視光)をより短波長の紫外光に変換し、こうして得られた紫外光を露光光として使用する方法が注目されている。こうした方法を採用した露光用光源としては、例えば特開平8−334803号公報に開示されているような、半導体レーザを備えたレーザ光発生部からの光を、波長変換部に設けた非線形光学結晶により波長変換し、紫外光を発生させる1つのレーザ要素を、複数本マトリックス状(例えば10×10)に束ねて一つの紫外光源とするアレイレーザの例が開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、アレイレーザでは、個々に独立なレーザ要素を複数本束ねることによって、個々のレーザ要素の光出力を低く押さえつつ、装置全体の光出力を高出力とすることができる。しかし、個々のレーザ要素が独立していることから、各レーザ要素の発振スペクトルを一致させるためには、微妙な調整を必要とし、かつ非常に複雑な構成を採用することが必要であった。
【0010】
そこで、レーザ発振源を1つとし、このレーザ発振源から射出されたレーザ光を分岐するとともに、各分岐光を増幅した後、共通の非線形光学結晶で波長変換する方法が考えられる。この方法を採用する場合、レーザ光の引き回しには光ファイバを使用することが便宜であり、非線型光学結晶へは束ねられた複数の光ファイバから射出された複数の光束を入射させる構成が、構造の簡単さ、出力ビーム径小型化、メインテナンス性の観点から最適である。
【0011】
また、非線形光学結晶を使用して、非線形光学効果により2倍高調波等を効率良く発生させるためには、非線型光学結晶の結晶方向に応じた特定の方向の直線偏光を非線型光学結晶に入射させることが必要である。しかし、複数の光ファイバから射出される直線偏光の方向を揃えることは、一般に困難である。これは、例え偏波面保持ファイバを使用し、直線偏光を導波した場合であっても光ファイバはほぼ円形の断面形状を有しているので、光ファイバの外形形状からは、直線偏光の方向を特定することができないからである。
【0012】
本発明は、上記の事情のもとでなされたものであり、その第1の目的は、簡単な構成で偏光状態を制御しつつ所定の光を発生することができる光源装置を提供することにある。
【0013】
また、本発明の第2の目的は、効率的に所定のパターンを基板に転写することができる露光装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の光源装置は、複数の光ファイバと;前記複数の光ファイバを介した同一波長の複数の光束の偏光状態を揃える偏光調整装置(16D)と;前記複数の光ファイバを介した全ての光束を同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換する偏光方向変換装置(162)と;前記複数の光ファイバからの光出力を個別にオン・オフ制御することで、前記複数の光ファイバから出射する光量を制御する光量制御装置と;を備える光源装置であって、前記複数の光ファイバそれぞれは、前記複数の光ファイバに入射する複数の光束それぞれを増幅対象光とする光ファイバ増幅器を構成する、前記増幅対象光が導波される光ファイバであることを特徴とする光源装置である。
【0015】
これによれば、偏光調整装置が複数の光ファイバから射出される複数の光束の偏光状態を揃えた後、偏光方向変換装置が、複数の光ファイバを介した全ての光束を同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換するので、簡易な構成で、同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束を得ることができる。また、各光ファイバに入射した光がそれぞれ増幅されて各光ファイバから射出されるので、偏光方向変換装置からの射出光として、それぞれが高強度であり、かつ同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束を得ることができる。この結果、光源装置としての射出光光量の増大を図ることができる。
【0016】
本発明の光源装置では、前記偏光調整装置が、前記各光ファイバを介した複数の光束それぞれの偏光状態をほぼ円偏光とする場合には、前記偏光方向変換装置が1/4波長板(162)を有する構成とすることができる。かかる場合には、偏光調整装置によって各光ファイバを介した複数の光束それぞれがほぼ円偏光となっているので、複数の光束の全てを、偏光方向変換装置が有する1/4波長板を介させることにより、同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換することができる。したがって、偏光方向変換装置を、1枚の1/4波長板という非常に簡単な構成としつつ、複数の光束を、同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換することができる。なお、直線偏光の偏光方向は、1/4波長板を形成する結晶材料等の光学軸の方向によって決定される。このため、1/4波長板を形成する結晶材料等の光学軸の方向を調整することにより、任意の同一直線偏光方向を有する複数の光束を得ることができる。
【0017】
ここで、前記光ファイバがほぼ円筒対称の構造を有する場合には、前記偏光調整装置が、前記各光ファイバに入射する複数の光束それぞれの偏光状態をほぼ円偏光とする構成とすることができる。これは、円筒対称の構造を有する光ファイバに円偏光を入射した場合には、その光ファイバからは円偏光が射出されるからである。なお、光ファイバを完全に円筒対称の構造とすることは不可能なので、光ファイバの長さは短い方が好ましい。
【0018】
また、本発明の光源装置では、前記偏光調整装置が前記各光ファイバを介した複数の光束それぞれが全てほぼ同一の偏光状態で、任意の偏光状態とする場合には、前記偏光方向変換装置が、偏波面を回転する1/2波長板と、前記1/2波長板と光学的に直列接続された1/4波長板とを有する構成とすることができる。ここで、1/2波長板と1/4波長板との直列接続にあたっては、どちらを光路における上流側に配置してもよい。例えば、1/2波長板を上流側に配置した場合には、共通の1/2波長板を介することにより、各光ファイバを介した複数の光束の偏波面が同様に回転された後、更に共通の1/4波長板を介することにより、全ての光束が同一偏光方向を有する直線偏光となる。また、1/4波長板を上流側に配置した場合にも、1/2波長板を上流側に配置した場合と同様に、全ての光束を、同一偏光方向を有する直線偏光とすることができる。したがって、偏光方向変換装置を、1枚の1/2波長板と1枚の1/4波長板という簡易な構成とすることができる。この場合には、1/2波長板及び1/4波長板を形成する結晶材料等の光学軸の方向を調整することにより、任意の同一直線偏光方向を有する複数の光束を得ることができる。
【0020】
また、本発明の光源装置では、前記複数の光ファイバに入射する前記複数の光束それぞれをパルス光列とすることができる。かかる場合には、各パルス光列における光パルスの繰り返し周期やパルス高を調整することにより、光源装置としての射出光の光量を精度良く制御することができる。
【0021】
また、本発明の光源装置では、前記複数の光ファイバに入射する前記複数の光束それぞれが、前記複数の光ファイバへ入射する前に、1段以上の光ファイバ増幅器(167)によって増幅された光束である構成とすることができる。かかる場合には、1段以上の光ファイバ増幅器による1段又は多段の光増幅作用により、光源装置としての射出光光量の増大を図ることができる。
【0022】
また、本発明の光源装置では、偏光調整装置が、偏光方向変換装置の直前に配置された前記複数の光ファイバそれぞれに印加する機械的なストレス等を調整して、偏光方向変換装置に入射する複数の光束の偏光状態を調整することも可能であるが、前記偏光調整装置が、前記複数の光ファイバよりも上流側に配置された光学部品の光特性を制御して偏光調整を行う構成とすることができる。かかる場合には、偏光方向変換装置の直前に配置された複数の光ファイバが、光増幅部を有する、増幅対象光が導波される光ファイバであり、ストレスの印加等による偏光調整になじまない場合であっても、より上流側に配置された偏光調整がよりしやすい光学部品の光特性を制御することにより、偏光方向変換装置に入射する複数の光束の偏光状態を揃えることができる。
【0023】
また、本発明の光源装置では、前記複数の光ファイバが、互いにほぼ並行して束ねられている構成とすることができる。かかる場合には、複数の光ファイバが占有する区間を小さくするとともに、偏光方向変換装置の受光面積を小さくできるので、光源装置の小型化を図ることができる。
【0024】
また、本発明の光源装置では、前記偏光方向変換装置から射出された光束を、少なくとも1つの非線形光学結晶を介させることにより、波長変換を行う波長変換装置(163)を更に備える構成とすることができる。かかる場合には、偏光方向変換装置から射出される光束の偏光方向を非線型光学結晶による波長変換(倍高調波発生、和周波発生)が効率的に行われる入射光の偏光方向に設定することにより、効率的に波長変換された光を発生して射出することができる。
【0025】
ここで、前記複数の光ファイバから射出される光は赤外域及び可視域のいずれかの波長を有し、前記波長変換装置から射出される光は紫外域の波長を有することとすることができる。かかる場合には、微細パターンの転写に適した紫外光を効率的に発生することができる。
【0026】
この場合には、前記複数の光ファイバから射出される光は1547nm付近の波長を有し、前記波長変換装置から射出される光は193.4nm付近の波長を有することとすることができる。かかる場合には、ArFエキシマレーザ光源を使用した場合に得られる波長の光を効率的に得ることができる。
【0027】
本発明の露光装置は、露光用ビームを基板(W)に照射することにより、所定のパターンを基板に転写する露光装置において、前記露光用ビームの発生装置として、波長変換装置が紫外光を発生する本発明の光源装置(16)を備えることを特徴とする露光装置である。
【0028】
これによれば、露光用ビームの発生装置として、微細パターンの転写に適した紫外光を効率的に発生する光源装置を使用するので、効率的に所定のパターンを基板に転写することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。
【0030】
図1には、本発明に係る光源装置を含んで構成された一実施形態に係る露光装置10の概略構成が示されている。この露光装置10は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置である。
【0031】
この露光装置10は、光源装置16及び照明光学系12から成る照明系、この照明系からの露光用照明光(以下、「露光光」という)ILにより照明されるマスクとしてのレチクルRを保持するレチクルステージRST、レチクルRから射出された露光光ILを基板としてのウエハW上に投射する投影光学系PL、ウエハWを保持する基板ステージとしてのZチルトステージ58が搭載されたXYステージ14、及びこれらの制御系等を備えている。
【0032】
前記光源装置16は、例えば、波長193nm(ArFエキシマレーザ光とほぼ同一波長)の紫外パルス光、あるいは波長157nm(F2レーザ光とほぼ同一波長)の紫外パルス光を出力する高調波発生装置である。この光源装置16は、前記照明光学系12、レチクルステージRST、投影光学系PL、Zチルトステージ58、XYステージ14及びこれら各部が搭載された不図示の本体コラム等から成る露光装置本体とともに、温度、圧力、湿度等が高精度に調整されたエンバイロンメンタル・チャンバ(以下、「チャンバ」という)11内に収納されている。
【0033】
図2には、光源装置16の内部構成が装置全体を統括制御する主制御装置50とともにブロック図にて示されている。この図2に示されるように、光源装置16は、光源部16A、レーザ制御装置16B、光量制御装置16C、及び偏光調整装置16D等を含んで構成されている。
【0034】
前記光源部16Aは、光発生部としてのパルス光発生部160、光増幅部161、偏光方向変化装置としての1/4波長板162、波長変換部163、ビームモニタ機構164及び吸収セル165等を含んで構成されている。
【0035】
前記パルス光発生部160は、レーザ光源160A、光カップラBS1、BS2、光アイソレータ160B及び光変調器としての電気光学変調器(以下、「EOM」という)160C等を有する。なお、レーザ光源160Aから波長変換部163までの間の各要素間は、光ファイバによって光学的に接続されている。
【0036】
前記レーザ光源160Aとしては、ここでは、単一波長発振レーザ、例えば、発振波長1.544μm、連続波出力(以下「CW出力」という)20mWのInGaAsP,DFB半導体レーザが用いられている。以下においては、レーザ光源160Aを適宜「DFB半導体レーザ160A」とも呼ぶものとする。
【0037】
ここで、DFB半導体レーザとは、縦モード選択性の低いファブリーペロー型共振器の代わりに、回折格子を半導体レーザ内に作り上げたもので、どのような状況下であっても単一縦モード発振をするように構成されており、分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)レーザと呼ばれるものである。この様なレーザでは基本的に単一縦モード発振をすることから、その発振スペクトル線幅は0.01pm以下に抑えられる。
【0038】
また、DFB半導体レーザは、通常、ヒートシンクの上に設けられ、これらが筐体内に収納されている。本実施形態では、DFB半導体レーザ160Aに付設されるヒートシンク上に温度調整器(例えばペルチェ素子など)が設けられており、後述するように、レーザ制御装置16Bがその温度を制御することにより発振波長が制御(調整)可能な構成となっている。
【0039】
すなわち、DFB半導体レーザの発振波長は0.1nm/℃程度の温度依存性を持つ。従って、例えば、DFB半導体レーザの温度を1℃変化させると、基本波(1544nm)ではその波長が0.1nm変化するので、8倍波(193nm)ではその波長が0.0125nm変化し、10倍波(157nm)ではその波長が0.01nm変化することになる。
【0040】
なお、露光装置では露光用照明光(パルス光)の波長をその中心波長に対して±20pm程度変化させることができれば十分である。従って、DFB半導体レーザ11の温度を8倍波では±1.6℃程度、10倍波では±2℃程度変化させれば良い。
【0041】
なお、レーザ光源160Aとして、DFB半導体レーザ等の半導体レーザに限らず、例えば発振波長が990nm付近のイットリビウム(Yb)・ドープ・ファイバーレーザなどを用いることもできる。
【0042】
前記光カップラBS1、BS2としては、透過率が97%程度のものが用いられている。このため、DFB半導体レーザ160Aからのレーザ光は、光カップラBS1によって2つに分岐され、その97%程度が次段の光カップラBS2に向かって進み、残り3%程度がビームモニタ機構164に入射する。また、光カップラBS2に入射したレーザ光は光カップラBS2によって分岐され、その97%程度が次段の光アイソレータ160Bに向かって進み、残り3%程度が吸収セル165に入射するようになっている。
【0043】
なお、ビームモニタ機構164、吸収セル165等については、後に更に詳述する。
【0044】
前記光アイソレータ160Bは、光カップラBS2からEOM160Cに向かう方向の光のみを通過させ、反対向きの光の通過を阻止するためのデバイスである。この光アイソレータ160Bにより、反射光(戻り光)に起因するDFB半導体レーザ160Aの発振モードの変化や雑音の発生等が防止される。
【0045】
前記EOM160Cは、光アイソレータ160Bを通過したレーザ光(CW光(連続光))をパルス光に変換するためのものである。EOM160Cとしては、屈折率の時間変化に伴うチャープによる半導体レーザ出力の波長広がりが小さくなるように、チャープ補正を行った電極構造を持つ電気光学変調器(例えば二電極型変調器)が用いられている。EOM160Cは、光量制御装置16Cから印加される電圧パルスに同期して変調されたパルス光を出力する。一例として、EOM160CによりDFB半導体レーザ160Aで発振されたレーザ光がパルス幅1ns、繰り返し周波数100kHz(パルス周期約10μs)のパルス光に変調されるものとすると、この光変調の結果、EOM160Cから出力されるパルス光のピーク出力は20mW、平均出力は2μWとなる。なお、ここでは、EOM160Cの挿入による損失がないものとしたが、その挿入損失がある、例えば損失が−3dBである場合、パルス光のピーク出力は10mW、平均出力は1μWとなる。
【0046】
なお、繰り返し周波数を100kHz程度以上に設定した場合には、後述するファイバ増幅器においてASE(Amplified Spontaneous Emission,自然放出光)ノイズの影響による増幅率低下を阻止することができるので、このようにすることが望ましい。
【0047】
なお、EOM160Cのみを用いてパルス光をオフの状態にしてもその消光比が充分でない場合には、DFB半導体レーザ160Aの電流制御を併用することが望ましい。すなわち、半導体レーザなどではその電流制御を行うことで、出力光をパルス発振させることができるので、DFB半導体レーザ160Aの電流制御とEOM160Cとを併用してパルス光を発生させることが望ましい。一例として、DFB半導体レーザ160Aの電流制御によって、例えば10〜20ns程度のパルス幅を有するパルス光を発振させるとともに、EOM160Cによってそのパルス光からその一部のみを切り出し、パルス幅が1nsのパルス光に変調する。このようにすれば、EOM160Cのみを用いる場合に比べて、パルス幅が狭いパルス光を容易に発生させることが可能になるとともに、パルス光の発振間隔や発振の開始及びその停止などをより簡単に制御することが可能になる。
【0048】
なお、EOM160Cに代えて、音響光学光変調素子(AOM)を用いることも可能である。
【0049】
前記光増幅部161は、EOM160Cからのパルス光を増幅するもので、ここでは、複数のファイバ増幅器を含んで構成されている。図3には、この光増幅部161の構成の一例が、EOM160Cとともに示されている。
【0050】
この図3に示されるように、光増幅部161は、チャネル0からチャネル127の総計128チャネルを有する遅延部167と、この遅延部167のチャネル0からチャネル127の総計128チャネルのそれぞれの出力段に接続されたファイバ増幅器1681〜168128と、これらのファイバ増幅器1681〜168128のそれぞれに狭帯域フィルタ1691〜169128及び光アイソレータ1701〜170128をそれぞれ介して接続された最終段のファイバ増幅器1711〜171128等を備えている。この場合、図3からも明らかなように、ファイバ増幅器168n、狭帯域化フィルタ169n、光アイソレータ170n、及びファイバ増幅器171n(n=1、2、……、128)によって、それぞれ光経路172n(n=1、2、……、128)が構成されている。
【0051】
光増幅部161の上記構成各部について更に詳述すると、前記遅延部167は、総計128チャネルのチャネルを有し、各チャネルの出力に所定の遅延時間(ここでは、3ns)を与えるためのものである。この遅延部167は、本実施形態では、EOM160Cから出力されるパルス光を35dB(3162倍)の光増幅を行うエルビウム(Er)・ドープ・ファイバ増幅器(EDFA)と、このEDFAの出力をチャネル0〜3の4出力に並列分割する光分岐手段であるスプリッタ(平板導波路1×4スプリッタ)と、このスプリッタのチャネル0〜3の各出力端に接続された各々長さの異なる4本の光ファイバと、これら4本の光ファイバの出力をそれぞれチャネル0〜31に32分割する4つのスプリッタ(平板導波路1×32スプリッタ)と、各スプリッタのチャネル0を除くチャネル1〜31にそれぞれ接続された長さの異なる各31本(総計124本)の光ファイバとを含んで構成されている。以下、上記各スプリッタ(平板導波路1×32スプリッタ)の0〜31チャネルを総称してブロックと呼ぶ。
【0052】
これを更に詳述すると、上記初段のEDFAから出力されるパルス光は、ピーク出力約63W、平均出力約6.3mWとなる。このパルス光がスプリッタ(平板導波路1×4スプリッタ)によりチャネル0〜3の4出力に並列分割され、各チャネルの出力光には、上記4本の光ファイバ長に対応した遅延が与えられる。例えば本実施形態では、光ファイバ中の光の伝搬速度を2×108m/sであるとし、スプリッタ(平板導波路1×4スプリッタ)のチャネル0、1、2、3にそれぞれ0.1m、19.3m、38.5m、57.7mの長さの光ファイバ(以下、「第1の遅延ファイバ」と呼ぶ)が接続されている。この場合、各第1の遅延ファイバ出口での隣り合うチャネル間の光の遅延は96nsとなる。
【0053】
また、上記4つのスプリッタ(平板導波路1×32スプリッタ)のチャネル1〜31には、それぞれ0.6×Nメートル(Nはチャネル番号)の長さの光ファイバ(以下、「第2の遅延ファイバ」と呼ぶ)が接続されている。この結果、各ブロック内の隣り合うチャネル間では3nsの遅延が与えられ、各ブロックのチャネル0出力に対し、チャネル31出力は、3×31=93nsの遅延が与えられる。
【0054】
一方、第1から第4までの各ブロック間には、前記のように第1の遅延ファイバによって、各ブロックの入力時点で各々96nsの遅延が与えられている。従って、第2ブロックのチャネル0出力は第1ブロックのチャネル0出力に対し96nsの遅延となり、第1ブロックのチャネル31との遅延は3nsとなる。このことは、第2〜第3、第3〜第4のブロック間においても同様である。この結果、全体の出力として総計128チャネルの出力端で、隣り合うチャネル間に3nsの遅延を持つパルス光が得られる。
【0055】
以上の分岐及び遅延により、総計128チャネルの出力端では、隣り合うチャネル間で3nsの遅延を持つパルス光が得られるが、このとき各々の出力端で観測される光パルスは、EOM160Cによって変調されたパルスと同じ100kHz(パルス周期10μs)である。従って、レーザ光発生部全体として見ると、128パルスが3ns間隔で発生した後、9.62μsの間隔を置いて次のパルス列が発生するという繰り返しが100kHzで行われる。即ち全体の出力は128×100×103=1.28×107パルス/秒となる。
【0056】
なお、本実施形態では、分割数を128とし、また遅延用ファイバとして短いものを用いた例について説明した。このため各パルス列の間に9.62μsの発光しない間隔が生じたが、分割数を増加させる、または遅延用ファイバをより長くして適切な長さとする、あるいはこれらを組み合わせて用いることにより、パルス間隔を完全な等間隔とすることも可能である。
【0057】
前記ファイバ増幅器168n(n=1、2、……、128)としては、ここでは、通常通信で用いられているものと同様に光ファイバのモードフィールド径(以下「モード径」という)が5〜6μmのエルビウム(Er)・ドープ・ファイバ増幅器(EDFA)が用いられている。このファイバ増幅器168nによって、遅延部167の各チャネルからの出力光が、所定の増幅利得に応じて増幅される。なお、このファイバ増幅器168nの励起光源等については後述する。
【0058】
前記狭帯域フィルタ169n(n=1、2、……、128)は、ファイバ増幅器168nで発生するASE光をカットし、かつDFB半導体レーザ160Aの出力波長(波長幅は1pm程度以下)を透過させることで、透過光の波長幅を実質的に狭帯化するものである。これにより、ASE光が後段のファイバ増幅器171nに入射してレーザ光の増幅利得を低下させる、あるいはASEノイズの伝搬によってレーザ光が散乱するのを防止することができる。ここで、狭帯域フィルタ169nはその透過波長幅が1pm程度であることが好ましいが、ASE光の波長幅は数十nm程度であるので、現時点で得られる透過波長幅が100pm程度の狭帯域フィルタを用いても実用上問題がない程度にASE光をカットすることができる。
【0059】
また、本実施形態では、後述するようにDFB半導体レーザ160Aの出力波長を積極的に変化させることがあるので、その出力波長の可変幅(本実施形態の露光装置では一例として±20pm程度)に応じた透過波長幅(可変幅と同程度以上)を持つ狭帯域フィルタを用いておくことが好ましい。なお、露光装置に適用されるレーザ装置ではその波長幅が1pm程度以下に設定される。
【0060】
前記光アイソレータ170n(n=1、2、……、128)は、先に説明した光アイソレータ160Bと同様に戻り光の影響を低減するためのものである。
【0061】
前記ファイバ増幅器171n(n=1、2、……、128)としては、ここでは、光ファイバ中での非線形効果による増幅光のスペクトル幅の増加を避けるため光ファイバのモード径が通常通信で用いられているもの(5〜6μm)よりも広い、例えば20〜30μmの大モード径のEDFAが用いられている。このファイバ増幅器171nは、前述したファイバ増幅器168nで増幅された遅延部167の各チャンネルからの光出力を更に増幅する。一例として、遅延部167での各チャネルの平均出力50μW、全チャネルでの平均出力6.3mWを2段のファイバ増幅器168n、171nによって合計46dB(40600倍)の増幅を行うものとすると、各チャネルに対応する光経路172nの出力端(ファイバ増幅器171nを構成する光ファイバの出力端)では、ピーク出力20kW、パルス幅1ns、パルス繰り返し100kHz、平均出力2W、全チャネル合計での平均出力256Wを得る。なお、このファイバ増幅器171nの励起光源等についても後述する。
【0062】
本実施形態では、遅延部167での各チャネルに対応する光経路172nの出力端、すなわちファイバ増幅器171nを構成する各光ファイバの出力端は、バンドル状に束ねられ、図4に示されるような断面形状を有するファイバーバンドル173が形成されている。このとき、各光ファイバのクラッド直径は125μm程度であることから、128本を束ねた出力端でのバンドルの直径は約2mm以下とすることができる。本実施形態では、ファイバーバンドル173は最終段のファイバ増幅器171nの出力端をそのまま用いて形成しているが、最終段のファイバ増幅器171nに無ドープの光ファイバを結合させ、その出力端でバンドル−ファイバを形成することも可能である。
【0063】
なお、標準的なモード径を持つ前段のファイバ増幅器168nと、上記モード径の広い最終段のファイバ増幅器171nとの接続は、テーパ状にモード径が増加する光ファイバを用いて行われている。
【0064】
次に、図5に基づいて各ファイバ増幅器の励起用光源等について説明する。図5には、光増幅部161を構成するファイバ増幅器及びその周辺部が、波長変換部163の一部とともに概略的に示されている。
【0065】
この図5において、第1段のファイバ増幅器168nにはその励起用の半導体レーザ178がファイバー結合されるとともに、この半導体レーザ178の出力が波長分割多重化装置(Wavelength Division Multiplexer:WDM)179を通してファイバ増幅器用ドープ・ファイバに入力し、それによりこのドープ・ファイバが励起されるようになっている。
【0066】
一方大モード径をもつファイバ増幅器171nでは、上記のモード径の大きいファイバ増幅器用ドープ・ファイバを励起するための励起用光源としての半導体レーザ174を、ファイバ増幅器用ドープ・ファイバの径に合わせた大モード径ファイバにファイバ結合し、この半導体レーザ174の出力を、WDM176を用いて、光増幅器用ドープ・ファイバに入力し、ドープ・ファイバを励起する。
【0067】
この大モード径ファイバ(ファイバ増幅器)171nで増幅されたレーザ光は波長変換部163に入射し、ここで紫外レーザ光に波長変換される。なお、この波長変換部163の構成等については後述する。
【0068】
大モード径ファイバ(ファイバ増幅器)171nを伝播する増幅されるべきレーザ光(信号)は、主に基本モードであることが望ましく、これは、シングルモードあるいはモード次数の低いマルチモードファイバにおいて、主に基本モードを選択的に励起することにより実現できる。
【0069】
本実施形態では、大モード径ファイバに結合された高出力半導体レーザを、前方向から4個及び後方向から4個ファイバ結合している。ここで、励起用半導体レーザ光を効率良く光増幅用ドープ・ファイバに結合するためには、光増幅用ドープ・ファイバとして、クラッドが2重構造となったダブルクラッド構造の光ファイバを用いることが望ましい。このとき、励起用半導体レーザ光は、WDM176により、ダブルクラッドの内側クラッドに導入される。
【0070】
前記半導体レーザ178、174は、光量制御装置16Cによって制御されるようになっている。
【0071】
また、本実施形態では、光経路172nを構成する光ファイバとしてファイバ増幅器168n、171nが設けられているため、各ファイバ増幅器のゲインの差が各チャネルの光出力のばらつきとなる。このため、本実施形態では、各チャネルのファイバ増幅器(168n、171n)で出力の一部が分岐され、それぞれの分岐端に設けられた光電変換素子180、181によってそれぞれ光電変換されるようになっている。これらの光電変換素子180、181の出力信号が光量制御装置16Cに供給されるようになっている。
【0072】
光量制御装置16Cでは、各ファイバ増幅器からの光出力が各増幅段で一定になるように(即ちバランスするように)、各励起用半導体レーザ(178、174)のドライブ電流をフィードバック制御するようになっている。
【0073】
さらに、本実施形態では、図5に示されるように、波長変換部163の途中でビームスプリッタにより分岐された光が光電変換素子182によって光電変換され、該光電変換素子182の出力信号が光量制御装置16Cに供給されるようになっている。光量制御装置16Cでは、この光電変換素子182の出力信号に基づいて波長変換部163における光強度をモニタし、波長変換部163からの光出力が所定の光出力となるように、励起用半導体レーザ178、174の少なくとも一方のドライブ電流をフィードバック制御する。
【0074】
このような構成とすることにより、各増幅段毎に各チャネルのファイバ増幅器の増幅率が一定化されるため、各ファイバ増幅器間に偏った負荷がかかることがなく全体として均一な光強度が得られる。また、波長変換部163における光強度をモニタすることにより、予定される所定の光強度を各増幅段にフィードバックし、所望の紫外光出力を安定して得ることができる。
【0075】
なお、光量制御装置16Cについては、後に更に詳述する。
【0076】
上述のようにして構成された光増幅部161(バンドル−ファイバ173を形成する各光ファイバ出力端)からは、後述する偏光調整装置16Dによってパルス光がすべて円偏光に揃えられて出力される。これら円偏光であるパルス光は、1/4波長板162(図2参照)によって、すべて偏光方向が同一方向となる直線偏光に変換され、次段の波長変換部163に入射する。
【0077】
前記波長変換部163は、複数の非線形光学結晶を含み、前記増幅されたパルス光(波長1.544μmの光)をその8倍高調波又は10倍高調波に波長変換して、ArFエキシマレーザと同じ出力波長(193nm)のパルス紫外光を発生する。
【0078】
図6には、この波長変換部163の構成例が示されている。ここで、この図に基づいて波長変換部163の具体例について説明する。なお、図6には、ファイバーバンドル173の出力端から射出される波長1.544μmの基本波を、非線形光学結晶を用いて8倍波(高調波)に波長変換して、ArFエキシマレーザと同じ波長である193nmの紫外光を発生する構成例を示す。
【0079】
図6の波長変換部163では、基本波(波長1.544μm)→2倍波(波長772nm)→3倍波(波長515nm)→4倍波(波長386nm)→7倍波(波長221nm)→8倍波(波長193nm)の順に波長変換が行われる。
【0080】
これを更に詳述すると、ファイバーバンドル173の出力端から出力される波長1.544μm(周波数ω)の基本波は、1段目の非線形光学結晶533に入射する。基本波がこの非線形光学結晶533を通る際に、2次高調波発生により基本波の周波数ωの2倍、すなわち周波数2ω(波長は1/2の772nm)の2倍波が発生する。なお、図6(A)の場合には、上述の1/4波長板162による直線偏光化は、非線形光学結晶533において2倍波が最も効率良く発生する偏光方向となるように行われる。かかる直線偏光の偏光方向の設定は、1/4波長板162の光学軸の方向を調整することによって行われる。
【0081】
この1段目の非線形光学結晶533として、LiB35(LBO)結晶が用いられ、基本波を2倍波に波長変換するための位相整合にLBO結晶の温度調節による方法、NCPM(Non-Critical Phase Matching)が使用される。NCPMは、非線形光学結晶内での基本波と第二高調波との角度ずれ(Walk-off)が起こらないため高効率で2倍波への変換を可能にし、また発生した2倍波はWalk-offによるビームの変形も受けないため有利である。
【0082】
非線形光学結晶533で波長変換されずに透過した基本波と、波長変換で発生した2倍波とは、次段の波長板534でそれぞれ半波長、1波長の遅延が与えられて、基本波のみその偏光方向が90度回転し、2段目の非線形光学結晶536に入射する。2段目の非線形光学結晶536としてLBO結晶が用いられるとともに、そのLBO結晶は1段目の非線形光学結晶(LBO結晶)533とは温度が異なるNCPMで使用される。この非線形光学結晶536では、1段目の非線形光学結晶533で発生した2倍波と、波長変換されずにその非線形光学結晶533を透過した基本波とから和周波発生により3倍波(波長515nm)を得る。
【0083】
次に、非線形光学結晶536で得られた3倍波と、波長変換されずにその非線形光学結晶536を透過した基本波および2倍波とは、ダイクロイック・ミラー537により分離され、ここで反射された3倍波は集光レンズ540、及びダイクロイック・ミラー543を通って4段目の非線形光学結晶545に入射する。一方、ダイクロイック・ミラー537を透過した基本波および2倍波は、集光レンズ538を通って3段目の非線形光学結晶539に入射する。
【0084】
3段目の非線形光学結晶539としてはLBO結晶が用いられ、基本波が波長変換されずにそのLBO結晶を透過するとともに、2倍波がLBO結晶で2次高調波発生により4倍波(波長386nm)に変換される。非線形光学結晶539で得られた4倍波とそれを透過した基本波とは、ダイクロイック・ミラー541により分離され、ここを透過した基本波は集光レンズ544を通るとともに、ダイクロイック・ミラー546で反射されて5段目の非線形光学結晶548に入射する。一方、ダイクロイック・ミラー541で反射された4倍波は、集光レンズ542を通ってダイクロイック・ミラー543に達し、ここでダイクロイック・ミラー537で反射された3倍波と同軸に合成されて4段目の非線形光学結晶545に入射する。
【0085】
4段目の非線形光学結晶545としては、β−BaB24(BBO)結晶が用いられ、3倍波と4倍波とから和周波発生により7倍波(波長221nm)を得る。非線形光学結晶545で得られた7倍波は集光レンズ547を通るとともに、ダイクロイック・ミラー546で、ダイクロイック・ミラー541を透過した基本波と同軸に合成されて、5段目の非線形光学結晶548に入射する。
【0086】
5段目の非線形光学結晶548としてLBO結晶が用いられ、基本波と7倍波とから和周波発生により8倍波(波長193nm)を得る。上記構成において、7倍波発生用BBO結晶545、及び8倍波発生用LBO結晶548のかわりに、CsLiB610(CLBO)結晶あるいはLi24(LB4)結晶を用いることも可能である。
【0087】
この図6の構成例では、4段目の非線形光学結晶545に3倍波と4倍波とが互いに異なる光路を通って入射するので、3倍波を集光するレンズ540と、4倍波を集光するレンズ542とを別々の光路に置くことができる。3段目の非線形光学結晶539で発生した4倍波はその断面形状がWalk-off現象により長円形になっている。このため、4段目の非線形光学結晶545で良好な変換効率を得るためには、その4倍波のビーム整形を行うことが望ましい。この場合、集光レンズ540、542を別々の光路に配置しているので、例えばレンズ542としてシリンドリカルレンズ対を用いることができ、4倍波のビーム整形を容易に行うことが可能となる。このため、4段目の非線形光学結晶(BBO結晶)545での3倍波との重なりを良好にし、変換効率を高めることが可能である。
【0088】
さらに、5段目の非線形光学結晶548に入射する基本波を集光するレンズ544と、7倍波を集光するレンズ547とを別々の光路に置くことができる。4段目の非線形光学結晶545で発生した7倍波はその断面形状がWalk-off現象により長円形になっている。このため、5段目の非線形光学結晶548で良好な変換効率を得るためには、その7倍波のビーム整形を行うことが好ましい。本実施例では、集光レンズ544、547を別々の光路に配置することができるので、例えばレンズ547としてシリンドリカルレンズ対を用いることができ、7倍波のビーム整形を容易に行うことが可能となる。このため、5段目の非線形光学結晶(LBO結晶)548での基本波との重なりを良好にし、変換効率を高めることが可能である。
【0089】
なお、2段目の非線形光学結晶536と4段目の非線形光学結晶545との間の構成は図6に限られるものではなく、非線形光学結晶536から発生してダイクロイック・ミラー537で反射される3倍波と、非線形光学結晶536から発生してダイクロイック・ミラー537を透過する2倍波を非線形光学結晶539で波長変換して得られる4倍波とが同時に非線形光学結晶545に入射するように、両非線形光学結晶536、545間の2つの光路長が等しくなっていれば、いかなる構成であっても構わない。このことは3段目の非線形光学結晶539と5段目の非線形光学結晶548との間でも同様である。
【0090】
発明者の行った実験によれば、図6の場合、各チャネル当たりの8倍波(波長193nm)の平均出力は、45.9mWであった。従って、全128チャネルを合わせたバンドルからの平均出力は5.9Wとなり、露光装置用光源として十分な出力の、波長193nmの紫外光を提供することができる。
【0091】
この場合、8倍波(193nm)の発生に、現在、市販品として良質の結晶が容易に入手可能なLBO結晶が用いられている。このLBO結晶は、193nmの紫外光の吸収係数が非常に小さく、結晶の光損傷が問題とならないため耐久性の面で有利である。
【0092】
また、8倍波(例えば波長193nm)の発生部ではLBO結晶を角度位相整合させて用いるが、この位相整合角が大きいために実効非線形光学定数(deff)が小さくなる。そこで、このLBO結晶に温度制御機構を設け、LBO結晶を高温で用いることが好ましい。これにより、位相整合角を小さくすることができる、即ち上記定数(deff)を増加させることができ、8倍波発生効率を向上させることができる。
【0093】
なお、上記図6に示される波長変換部163は一例であって、本発明の波長変換部の構成がこれに限定されないことは勿論である。例えば、ファイバーバンドル173の出力端から射出される波長1.57μmの基本波を非線形光学結晶を用いて10倍波の高調波発生を行い、F2レーザと同じ波長である157nmの紫外光を発生することにしてもよい。
【0094】
図2に戻り、前記ビームモニタ機構164は、ここではファブリペロー・エタロン(Fabry-Perot etalon:以下、「エタロン素子」ともいう)及びフォトダイオード等の光電変換素子から成るエネルギモニタ(いずれも図示省略)から構成されている。ビームモニタ機構164を構成するエタロン素子に入射した光は、エタロン素子の共鳴周波数と入射光の周波数との周波数差に対応した透過率で透過され、この時の透過光強度を検出したフォトダイオード等の出力信号がレーザ制御装置16Bに供給される。レーザ制御装置16Bではこの信号に所定の信号処理を施すことにより、ビームモニタ機構164、具体的にはエタロン素子に対する入射光の光学特性に関する情報(具体的は、入射光の中心波長及び波長幅(スペクトル半値幅)等を得る。そして、この光学特性に関する情報は、リアルタイムで主制御装置50に通知される。
【0095】
エタロン素子の生成する透過光強度の周波数特性は、雰囲気の温度や圧力の影響を受け、特にその共鳴周波数(共鳴波長)は温度依存性がある。このため、このエタロン素子の検出結果に基づいてレーザ光源160Aから発振されるレーザ光の中心波長やスペクトル半値幅を精度良く制御するためには、この共鳴波長の温度依存性を調べておくことが重要である。本実施形態では、この共鳴波長の温度依存性を予め計測し、この計測結果が温度依存性マップとして主制御装置50に併設された記憶装置としてのメモリ51(図1参照)に記憶されている。そして、主制御装置50では、ビームモニタ機構164の絶対波長キャリブレーションの際等に、エタロン素子の透過率が最大となる共鳴波長(検出基準波長)が設定波長に正確に一致するようにするため、レーザ制御装置16Bに指示を与えて、ビームモニタ機構164内のエタロン素子の温度を積極的に制御するようになっている。
【0096】
また、ビームモニタ機構164を構成するエネルギモニタの出力は、主制御装置50に供給されており、主制御装置50ではエネルギモニタの出力に基づいてレーザ光のエネルギパワーを検出し、レーザ制御装置16Bを介してDFB半導体レーザ160Aで発振されるレーザ光の光量を必要に応じて制御したり、DFB半導体レーザ160Aをオフしたりする。但し、本実施形態では、後述するように、通常の光量制御(露光量制御)は、主として光量制御装置16Cにより、EOM160Cの出力パルス光のピークパワーあるいは周波数の制御、又は光増幅部161を構成する各ファイバ増幅器の出力光のオン・オフ制御によって行われるので、レーザ光のエネルギパワーが何らかの原因で大きく変動した場合に主制御装置50がレーザ制御装置16Bを上記の如く制御することとなる。
【0097】
前記吸収セル165は、DFB半導体レーザ160Aの発振波長の絶対波長キャリブレーション、すなわちビームモニタ機構164の絶対波長キャリブレーションのための絶対波長源である。本実施形態では、この吸収セル165として、レーザ光源として発振波長1.544μmのDFB半導体レーザ160Aが用いられている関係から、この波長近傍の波長帯域に吸収線が密に存在するアセチレンの同位体が用いられている。
【0098】
なお、後述するように、レーザ光の波長のモニタ用の光として、基本波とともにあるいはこれに代えて、上述した波長変換部163の中間波(2倍波、3倍波、4倍波等)あるいは波長変換後の光を選択する場合には、それらの中間波等の波長帯域に吸収線が密に存在する吸収セルを用いれば良い。例えば、波長のモニタ用の光として、3倍波を選択する場合には、波長503nm〜530nmの近傍に吸収線が密に存在するヨウ素分子を吸収セルとして用い、そのヨウ素分子の適切な吸収線を選んでその波長を絶対波長とすれば良い。
【0099】
また、絶対波長源としては、吸収セルに限らず、絶対波長光源を用いても良い。
【0100】
前記レーザ制御装置16Bは、ビームモニタ機構164の出力に基づいてレーザ光の中心波長及び波長幅(スペクトル半値幅)を検出し、中心波長が所望の値(設定波長)となるようにDFB半導体レーザ160Aの温度制御(及び電流制御)をフィードバック制御にて行う。本実施形態では、DFB半導体レーザ160Aの温度を0.001℃単位で制御することが可能となっている。
【0101】
また、このレーザ制御装置16Bは、主制御装置50からの指示に応じて、DFB半導体レーザ160Aのパルス出力と連続出力との切替、及びそのパルス出力時における出力間隔やパルス幅などの制御を行うとともに、パルス光の出力変動を補償するように、DFB半導体レーザ160Aの発振制御を行う。
【0102】
このようにして、レーザ制御装置16Bでは、発振波長を安定化して一定の波長に制御したり、あるいは出力波長を微調整する。逆に、このレーザ制御装置16Bは、主制御装置50からの指示に応じて、DFB半導体レーザ160Aの発振波長を積極的に変化させてその出力波長を調整することもある。
【0103】
例えば、前者によれば、波長変動による投影光学系PLの収差(結像特性)の発生、又はその変動が防止され、パターン転写中にその像特性(像質などの光学的特性)が変化することがなくなる。
【0104】
また、後者によれば、露光装置が組立、調整される製造現場と露光装置の設置場所(納入先)との標高差や気圧差、更には環境(クリーンルーム内の雰囲気)の違いなどに応じて生じる投影光学系PLの結像特性(収差など)の変動を相殺でき、納入先で露光装置の立ち上げに要する時間を短縮することが可能になる。更に、後者によれば、露光装置の稼働中に、露光用照明光の照射、及び大気圧変化などに起因して生じる投影光学系PLの収差、投影倍率、及び焦点位置などの変動も相殺でき、常に最良の結像状態でパターン像を基板上に転写することが可能となる。
【0105】
前記光量制御装置16Cは、前述したように、光増幅部161内のファイバ増幅器168n、171nの光出力を検出する光電変換素子180、181の出力に基づいて各励起用半導体レーザ(178、174)のドライブ電流をフィードバック制御して、各増幅段毎に各チャネルのファイバ増幅器の増幅率を一定化させる機能と、波長変換部163途中でビームスプリッタにより分岐された光を検出する光電変換素子182の出力信号に基づいて、励起用半導体レーザ178、174の少なくとも一方のドライブ電流をフィードバック制御して予定される所定の光強度を各増幅段にフィードバックし、所望の紫外光出力を安定させる機能とを有する。
【0106】
更に、本実施形態では、光量制御装置16Cは、次のような機能をも有している。
【0107】
すなわち、光量制御装置16Cは、
(1) 主制御装置50からの指示に応じて、ファイバーバンドル173を構成する各チャネルのファイバの出力、すなわち各光経路172nの出力を個別にオン・オフ制御することにより、バンドル全体での平均光出力の制御を行う機能(以下、便宜上「第1の機能」と呼ぶ)と、
(2) 主制御装置50からの指示に応じて、EOM160Cから出力されるパルス光の周波数を制御することにより、単位時間当たりの光増幅部161の各チャネルの平均光出力(出力エネルギ)、すなわち単位時間当たりの各光経路172nからの出力光の強度を制御する機能(以下、便宜上「第2の機能」と呼ぶ)と、
(3) 主制御装置50からの指示に応じて、EOM160Cから出力されるパルス光のピークパワーを制御することにより、単位時間当たりの光増幅部161の各チャネルの平均光出力(出力エネルギ)、すなわち単位時間当たりの各光経路172nからの出力光の強度を制御する機能(以下、便宜上「第3の機能」と呼ぶ)と、を有する。
【0108】
この光量制御装置16Cの第1の機能によると、バンドル全体での平均光出力(光量)は、最大出力光量の1/128刻みで(約1%以下毎)に制御可能である。すなわち、ダイナミックレンジが1〜1/128という広い範囲に設定可能である。各光経路172nは同じ構成部材を用いて構成されているので、設計上は、各光経路172nの光出力は等しくなる筈であり、上記1/128刻みの光量制御はリニアリティの良いものとなる。
【0109】
また、本実施形態では、光増幅部161の出力、すなわちファイバーバンドル173の出力を波長変換する波長変換部163が設けられているが、この波長変換部163出力は、各光経路172nの出力、すなわちファイバ増幅器171nの出力がオンであるファイバ数に比例するため、設定光量に対し、最大出力光量の1/128刻みのリニアな(約1%ごと)制御が原則的には可能となる筈である。
【0110】
しかしながら、実際には、製造上の誤差等に起因して各光経路172nの出力のばらつきや、各光経路172nの出力に対する波長変換効率のばらつき等が存在する可能性が高いので、予め各光ファイバ(光経路172n)の出力のばらつき、及び各光ファイバ出力に対する波長変換効率のばらつきに等に起因する出力のばらつきを測定し、その測定結果に基づいて各光ファイバからの光出力のオン・オフ状況に対応する波長変換部163からの光出力の強度のマップ(オンにするファイバグルーブに対応した出力強度の換算表)である第1の出力強度マップを作成し、その第1の出力強度マップを主制御装置50に併設されたメモリ51内に格納している。
【0111】
そして、光量制御装置では、本第1の機能により光量制御を行う際に、主制御装置50から与えられる設定光量と上記の出力強度マップとに基づいて光量制御を行うようになっている。
【0112】
また、光量制御装置16Cは、上記第2の機能におけるEOM160Cから出力されるパルス光の周波数制御を、EOM160Cに印加する矩形波(電圧パルス)の周波数を変えることにより行う。EOM160Cから出力されるパルス光の周波数はEOM160Cに印加する電圧パルスの周波数に一致するため、印加電圧を制御することにより出力パルス光の周波数を制御することとしたものである。
【0113】
本実施形態の場合、前述の如く、EOM160Cに印加する矩形波の周波数は100kHzである。例えば、この周波数を110kHzとすれば、EOM160Cから出力される単位時間あたりの光パルス数は10%増加し、このパルスが、前述と同様に、遅延部167により各パルス毎に順次チャネル0からチャネル127の総計128チャネルに振り分けられる結果、各チャネルについて見ても単位時間当たりのパルス光は10%増加し、光パルス1個あたりの光エネルギが同一、すなわちパルス光のピークパワーが一定であれば、単位時間当たりの各光経路172nの出力光強度(光量)も10%増加する。
【0114】
また、本実施形態では、光増幅部161の各チャネルの出力光の波長変換を行う波長変換部163が設けられているが、この波長変換部163の単位時間当たりの出力光の光量は、ピークパワーが一定であれば、各チャネルの出力パルスの周波数に比例する。このように、本第2の機能による光量制御は、リ二アリティに優れた制御となる。
【0115】
しかし、一般に、ファイバ増幅器の増幅利得は、入力光強度依存性があるため、EOM160Cの出力光の周波数を変えると、ファイバ増幅器168n、171nの入力光強度が変化し、その結果ファイバ増幅器168n、171nから出力さえるパルス光のピークパワーが変化する場合があるので、実際には、上述のようなリニアリティが得られるとは限らない。そこで、本実施形態では、予めファイバ増幅器出力の入力周波数強度依存性を測定し、それに基づいて光増幅部161に入力するパルス光の周波数に応じた光増幅部161(の各チャネル)の出力強度のマップである第2の出力強度マップ(EOMの出力光の周波数に対応した光増幅部161の出力強度の換算表)を作成し、その第2の出力強度マップをメモリ51に記憶している。
【0116】
そして、光量制御装置16Cでは、本第2の機能により光量制御を行う際に、主制御装置50から与えられる設定光量と上記の第2の出力強度マップとに基づいて光量制御を行うようになっている。
【0117】
また、光量制御装置16Cは、上記第3の機能におけるEOM160Cから出力されるパルス光のピークパワーの制御を、EOM160Cへ印加する電圧パルスのピーク強度を制御することにより行う。EOM160Cの出力光のピークパワーはEOM160Cに印加する電圧パルスのピーク強度に依存するためである。
【0118】
しかし、前述の如く、ファイバ増幅器の増幅利得は、入力光強度依存性があるため、EOM160Cから出力されるパルス光のピーク強度を変えると、ファイバ増幅器168n、171nの入力光強度が変化し、その結果ファイバ増幅器168n、171nから出力されるパルス光のピークパワーが変化する場合がある。ファイバ増幅器168n、171nを適切に設計することによリ、このピークパワー変化を小さく抑えることも可能ではあるが、光ファイバ増幅器の光出力効率等の他の性能を低下させる場合がある。
【0119】
そこで、本実施形態では、予めファイバ増幅器出力の入力パルスピーク強度依存性を測定し、それに基づいて光増幅部161に入力するパルス光のピーク強度に対応した光増幅部161(の各チャネル)の出力強度のマップである第3の出力強度マップ(EOMの出力光のピーク強度に対応した光増幅部161の出力パルス光の強度の換算表)を作成し、その第3の出力強度マップをメモリ51に記憶している。この第3の出力強度マップは、波長変換部出力である紫外光の強度マップであってもよい。
【0120】
そして、光量制御装置16Cでは、本第3の機能により光量制御を行う際に、主制御装置50から与えられる設定光量と上記の第3の出力強度マップとに基づいて光量制御を行うようになっている。
【0121】
なお、DFB半導体レーザ160Aの出力段に、EOM160Cの他に透過率制御用のEOMを設け、このEOMに印加する電圧を変化させることによリそのEOMの透過率を変化させて、単位時間あたりの光増幅部、波長変換部からの放出エネルギを変えることも可能である。
【0122】
これまでの説明から明らかなように、光量制御装置16Cによる第2、第3の機能では、第1の機能に比べて、より細やかな光源装置16の出力光の光量制御が可能である。一方、第1の機能は、第2、第3の機能に比べて、ダイナミックレンジを広く設定することが可能である。
【0123】
そこで、本実施形態では、後述する露光に際して、光量制御装置16Cの上記第1の機能により露光量の粗調整を行い、第2、第3の機能を用いて露光量の微調整を行うようになっている。これについては、後述する。
【0124】
光量制御装置16Cは、この他、主制御装置50からの指示に基づいてパルス出力の開始と停止なども制御する。
【0125】
前記偏光調整装置16Dは、光ファイバ増幅器171nよりも前段の光部品の偏光特性を制御することにより、光ファイバ増幅器171nから射出される光を円偏光化する。なお、光ファイバ増幅器171nのドープ・ファイバがほぼ円筒対称な構造を有しており、かつ、比較的短い場合には、光ファイバ増幅器171nに入射する光を円偏光化することによっても、光ファイバ増幅器171nから射出される光を円偏光化することができる。
【0126】
ここで、光ファイバ増幅器171nよりも前段の光部品には、上述した光増幅部161の各要素を光学的に結合するための不図示のリレー光ファイバ等がある。こうしたリレー光ファイバ等の偏光特性の制御方法としては、例えばリレー光ファイバに非等方的な力学的ストレスを加える方法があり、本実施形態でもこの方法を採用している。
【0127】
一般に、リレー光ファイバは円筒対称な屈折率分布を有しているが、非等方的な力学的ストレスが加わると非等方的な応力がリレー光ファイバに発生し、この応力により非等方的な屈折率分布が生じる。こうした非等方的な屈折率分布の発生量を制御することによって、リレー光ファイバの偏光特性を制御することができる。
【0128】
また、リレー光ファイバの応力による屈折率分布の変化量や他の光部品の偏光特性は一般に温度に依存している。このため、偏光調整装置16Dは、リレー光ファイバ等の周囲温度を一定とする温度制御を行って、一度行った円偏光化が維持可能としている。
【0129】
なお、上記の温度制御を行わずに、リレー光ファイバよりも下流側のいずれかの位置で光の偏光状態のモニタを行い、このモニタ結果に基づいて、リレー光ファイバの偏光特性すなわち屈折率分布を制御してもよい。
【0130】
図1に戻り、前記照明光学系12は、ビーム整形光学系18、オプティカルインテグレータ(ホモジナイザ)としてのフライアイレンズ系22、照明系開口絞り板24、ビームスプリッタ26、第1リレーレンズ28A、第2リレーレンズ28B、固定レチクルブラインド30A、可動レチクルブラインド30B、光路折り曲げ用のミラーM及びコンデンサレンズ32等を備えている。
【0131】
前記ビーム整形光学系18は、光源装置16の波長変換部163の波長変換により発生した紫外域の光、(以下、「レーザビーム」と呼ぶ)LBの断面形状を、該レーザビームLBの光路後方に設けられたフライアイレンズ系22に効率良く入射するように整形するもので、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ(いずれも図示省略)等で構成される。
【0132】
前記フライアイレンズ系22は、ビーム整形光学系18から出たレーザビームLBの光路上に配置され、レチクルRを均一な照度分布で照明するために多数の光源像からなる面光源、即ち2次光源を形成する。この2次光源から射出されるレーザビームを本明細書においては、「露光光IL」とも呼んでいる。
【0133】
フライアイレンズ系22の射出面の近傍に、円板状部材から成る照明系開口絞り板24が配置されている。この照明系開口絞り板24には、等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り(図1ではこのうちの2種類の開口絞りのみが図示されている)等が配置されている。この照明系開口絞り板24は、主制御装置50により制御されるモータ等の駆動装置40により回転されるようになっており、これによりレチクルパターンに応じていずれかの開口絞りが露光光ILの光路上に選択的に設定される。
【0134】
照明系開口絞り板24から出た露光光ILの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ26が配置され、更にこの後方の光路上に、固定レチクルブラインド30A及び可動レチクルブラインド30Bを介在させて第1リレーレンズ28A及び第2リレーレンズ28Bから成るリレー光学系が配置されている。
【0135】
固定レチクルブラインド30Aは、レチクルRのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置され、レチクルR上の照明領域42Rを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド30Aの近傍に走査方向の位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド30Bが配置され、走査露光の開始時及び終了時にその可動レチクルブラインド30Bを介して照明領域42Rを更に制限することによって、不要な部分の露光が防止されるようになっている。
【0136】
リレー光学系を構成する第2リレーレンズ28B後方の露光光ILの光路上には、当該第2リレーレンズ28Bを通過した露光光ILをレチクルRに向けて反射する折り曲げミラーMが配置され、このミラーM後方の露光光ILの光路上にコンデンサレンズ32が配置されている。
【0137】
更に、照明光学系12内のビームスプリッタ26で垂直に折り曲げられる一方の光路上、他方の光路上には、インテグレータセンサ46、反射光モニタ47がそれぞれ配置されている。これらインテグレータセンサ46、反射光モニタ47としては、遠紫外域及び真空紫外域で感度が良く、且つ光源装置16のパルス発光を検出するために高い応答周波数を有するSi系PIN型フォトダイオードが用いられている。なお、インテグレータセンサ46、反射光モニタ47としてGaN系結晶を有する半導体受光素子を用いることも可能である。
【0138】
以上の構成において、フライアイレンズ系22の入射面、可動レチクルブラインド30Bの配置面、レチクルRのパターン面は、光学的に互いに共役に設定され、フライアイレンズ系22の射出面側に形成される光源面、投影光学系PLのフーリエ変換面(射出瞳面)は光学的に互いに共役に設定され、ケーラー照明系となっている。
【0139】
このようにして構成された照明系12の作用を簡単に説明すると、光源装置16からパルス発光されたレーザビームLBは、ビーム整形光学系18に入射して、ここで後方のフライアイレンズ系22に効率良く入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ系22に入射する。これにより、フライアイレンズ系22の射出側焦点面(照明光学系12の瞳面)に2次光源が形成される。この2次光源から射出された露光光ILは、照明系開口絞り板24上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ26に至る。このビームスプリッタ26を透過した露光光ILは、第1リレーレンズ28Aを経て固定レチクルブラインド30Aの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド30Bを通過した後、第2リレーレンズ28Bを通過してミラーMによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ32を経て、レチクルステージRST上に保持されたレチクルR上の矩形の照明領域42Rを均一な照度分布で照明する。
【0140】
一方、ビームスプリッタ26で反射された露光光ILは、集光レンズ44を介してインテグレータセンサ46で受光され、インテグレータセンサ46の光電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びA/D変換器を介して出力DS(digit/pulse)として主制御装置50に供給される。このインテグレータセンサ46の出力DSと、ウエハWの表面上での露光光ILの照度(露光量)との相関係数は、主制御装置50に併設された記憶装置としてのメモリ51内に記憶されている。
【0141】
また、レチクルR上の照明領域42Rを照明しそのレチクルのパターン面(図1における下面)で反射された反射光束は、コンデンサレンズ32、リレー光学系を前と逆向きに通過し、ビームスプリッタ26で反射され、集光レンズ48を介して反射光モニタ47で受光される。また、Zチルトステージ58が投影光学系PLの下方にある場合には、レチクルのパターン面を透過した露光光ILは、投影光学系PL及びウエハWの表面(あるいは後述する基準マーク板FM表面)で反射され、その反射光束は、投影光学系PL、レチクルR、コンデンサレンズ32、リレー光学系を前と逆向きに順次通過し、ビームスプリッタ26で反射され、集光レンズ48を介して反射光モニタ47で受光される。また、ビームスプリッタ26とウエハWとの間に配置される各光学素子はその表面に反射防止膜が形成されているものの、その表面で露光光ILがわずかに反射され、これら反射光も反射光モニタ47で受光される。この反射光モニタ47の光電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びA/D変換器を介して主制御装置50に供給される。反射光モニタ47は、本実施形態では、主としてウエハWの反射率の測定等に用いられる。なお、この反射光モニタ47を、レチクルRの透過率の事前測定の際に用いても良い。
【0142】
なお、フライアイレンズ系22として、例えば特開平1−235289号公報(対応米国特許第5,307,207号)、特開平7−142354号(対応米国特許第5,534,970号)などに開示されるダブルフライアイレンズ系を採用し、ケーラー照明系を構成しても良い。
【0143】
また、フライアイレンズ系22とともに、回折光学素子(diffractive optical element)を用いても良い。かかる回折光学素子を用いる場合には、光源装置16と照明光学系12とを回折光学素子を介して接続するようにしても良い。すなわち、ファイバーバンドル173の各ファイバーに対応して回折素子が形成される回折光学素子をビーム整形光学系18に設け、各ファイバーから出力されるレーザビームを回折させて、フライアイレンズ系22の入射面上で重畳させるようにしてもよい。本例では、ファイバーバンドル173の出力端を照明光学系の瞳面に配置してもよいが、この場合には第1の機能(間引き)によってその瞳面上での強度分布(即ち2次光源の形状や大きさなど)が変化することになり、レチクルパターンに最適な形状、大きさとは異なってしまうことがある。そこで、前述の回折光学素子などを用いて照明光学系の瞳面、又はオプティカルインテグレータの入射面上で各ファイバーからのレーザビームを重畳させるようにすることが望ましい。
【0144】
いずれにしても、本実施形態では、前述した光量制御装置16Cの第1の機能によりファイバーバンドル173の光を出力する部分の分布が変化した場合であっても、レチクルRのパターン面(物体面)上及びウエハWの面(像面)上のいずれにおいても照度分布の均一性を十分に確保することができる。
【0145】
前記レチクルステージRST上にレチクルRが載置され、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージRSTは、水平面(XY平面)内で微小駆動可能であるとともに、レチクルステージ駆動部49によって走査方向(ここでは図1の紙面左右方向であるY方向とする)に所定ストローク範囲で走査されるようになっている。この走査中のレチクルステージRSTの位置及び回転量は、レチクルステージRST上に固定された移動鏡52Rを介して外部のレーザ干渉計54Rによって計測され、このレーザ干渉計54Rの計測値が主制御装置50に供給されるようになっている。
【0146】
なお、レチクルRに用いる材質は、露光光ILの波長によって使い分ける必要がある。すなわち、波長193nmの露光光を用いる場合には合成石英を用いることができるが、波長157nmの露光光を用いる場合は、ホタル石、フッ素がドープされた合成石英、あるいは水晶などで形成する必要がある。
【0147】
前記投影光学系PLは、例えば両側テレセントリックな縮小系であり、共通のZ軸方向の光軸を有する複数枚のレンズエレメント70a、70b、……から構成されている。また、この投影光学系PLとしては、投影倍率βが例えば1/4、1/5、1/6などのものが使用されている。このため、前記の如くして、露光光ILによりレチクルR上の照明領域42Rが照明されると、そのレチクルRに形成されたパターンが投影光学系PLによって投影倍率βで縮小された像が表面にレジスト(感光剤)が塗布されたウエハW上のスリット状の露光領域42Wに投影され転写される。
【0148】
本実施形態では、上記のレンズエレメントのうち、複数のレンズエレメントがそれぞれ独立に移動可能となっている。例えば、レチクルステージRSTに最も近い一番上のレンズエレメント70aは、リング状の支持部材72により保持され、この支持部材72は、伸縮可能な駆動素子、例えばピエゾ素子74a,74b,74c(紙面奥側の駆動素子74cは図示せず)によって、3点支持されるとともに鏡筒部76と連結されている。上記の駆動素子74a,74b,74cによって、レンズエレメント70aの周辺3点を独立に、投影光学系PLの光軸AX方向に移動させることができるようになっている。すなわち、レンズエレメント70aを駆動素子74a,74b,74cの変位量に応じて光軸AXに沿って平行移動させることができるとともに、光軸AXと垂直な平面に対して任意に傾斜させることもできる。そして、これらの駆動素子74a,74b,74cに与えられる電圧が、主制御装置50からの指令に基づいて結像特性補正コントローラ78によって制御され、これによって駆動素子74a,74b,74cの変位量が制御されるようになっている。なお、図1中、投影光学系PLの光軸AXとは鏡筒部76に固定されているレンズエレメント70bその他のレンズエレメント(図示省略)の光軸を指す。
【0149】
また、本実施形態では、予め実験によりレンズエレメント70aの上下量と倍率(又はディストーション)の変化量との関係を求めておき、これを主制御装置50内部のメモリに記憶しておき、補正時に主制御装置50が補正する倍率(又はディストーション)からレンズエレメント70aの上下量を計算し、結像特性補正コントローラ78に指示を与えて駆動素子74a,74b,74cを駆動することにより倍率(又はディストーション)補正を行うようになっている。なお、前記レンズエレメント70aの上下量と倍率等の変化量との関係は光学的な計算値を用いてもよく、この場合は前記レンズエレメント70aの上下量と倍率変化量との関係を求める実験の工程が省けることになる。
【0150】
前記の如く、レチクルRに最も近いレンズエレメント70aが移動可能となっているが、このエレメント70aは倍率、ディストーション特性に与える影響が他のレンズエレメントに比べて大きく制御しやすいものの1つを選択したものであって、同様の条件を満たすものであれば、このレンズエレメント70aに代えてどのレンズエレメントをレンズ間隔調整のために移動可能に構成しても良い。
【0151】
なお、レンズエレメント70a以外の少なくとも1つのレンズエレメントを移動して他の光学特性、例えば像面湾曲、非点収差、コマ収差、又は球面収差などを調整できるようになっている。この他、投影光学系PLの光軸方向中央部近傍の特定のレンズエレメント相互間に密封室を設け、この密封室内の気体の圧力を例えばべローズポンプ等の圧力調整機構により調整することにより、投影光学系PLの倍率を調整する結像特性補正機構を設けても良く、あるいは、例えば、投影光学系PLを構成する一部のレンズエレメントとして非球面状レンズを用い、これを回転させるようにしても良い。この場合には、いわゆるひし形ディストーションの補正が可能になる。あるいは、投影光学系PL内に平行平面板を設け、これをチルトさせたり、回転させたりするような機構により結像特性補正機構を構成しても良い。
【0152】
なお、露光光ILとして波長193nmのレーザ光を用いる場合には、投影光学系PLを構成する各レンズエレメント(及び上記平行平面板)としては合成石英やホタル石等を用いることができるが、波長157nmのレーザ光を用いる場合には、この投影光学系PLに使用されるレンズ等の材質は、全てホタル石が用いられる。
【0153】
前記XYステージ14は、ウエハステージ駆動部56によって走査方向であるY方向及びこれに直交するX方向(図1における紙面直交方向)に2次元駆動されるようになっている。このXYステージ14上に搭載されたZチルトステージ58上に不図示のウエハホルダ61を介してウエハWが真空吸着等により保持されている。Zチルトステージ58は、例えば3つのアクチュエータ(ピエゾ素子又はボイスコイルモータなど)によってウエハWのZ方向の位置(フォーカス位置)を調整すると共に、XY平面(投影光学系PLの像面)に対するウエハWの傾斜角を調整する機能を有する。また、XYステージ14の位置は、Zチルトステージ58上に固定された移動鏡52Wを介して外部のレーザ干渉計54Wにより計測され、このレーザ干渉計54Wの計測値が主制御装置50に供給されるようになっている。
【0154】
ここで、移動鏡は、実際には、X軸に垂直な反射面を有するX移動鏡とY軸に垂直な反射面を有するY移動鏡とが存在し、これに対応してレーザ干渉計もX軸位置計測用、Y軸位置計測用、及び回転(ヨーイング量、ピッチング量、ローリング量を含む)計測用のものがそれぞれ設けられているが、図1では、これらが代表的に、移動鏡52W、レーザ干渉計54Wとして示されている。
【0155】
また、Zチルトステージ58上には、ウエハWの近傍に、ウエハWの露光面と同じ高さの受光面を有し、投影光学系PLを通過した露光光ILの光量を検出するための照射量モニタ59が設けられている。照射量モニタ59は、露光領域42Wより一回り大きなX方向に延びる平面視長方形のハウジングを有し、このハウジングの中央部に露光領域42Wとほぼ同じ形状のスリット状の開口が形成されている。この開口は、実際にはハウジングの天井面を形成する合成石英等から成る受光ガラスの上面に形成された遮光膜の一部が取り除かれて形成されている。前記開口の真下にレンズを介してSi系PIN型フォトダイオード等の受光素子を有する光センサが配置されている。
【0156】
照射量モニタ59は、露光領域42Wに照射される露光光ILの強度測定に用いられる。照射量モニタ59を構成する受光素子の受光量に応じた光量信号が主制御装置50に供給されるようになっている。
【0157】
なお、光センサは、必ずしもZチルトステージ58の内部に設ける必要はなく、Zチルトステージ58の外部に光センサを配置し、リレー光学系でリレーされた照明光束を、光ファイバ等を介してその光センサに導くようにしても良いことは勿論である。
【0158】
Zチルトステージ58上には、後述するレチクルアライメント等を行う際に使用される基準マーク板FMが設けられている。この基準マーク板FMは、その表面がウエハWの表面とほぼ同一の高さとされている。この基準マーク板FMの表面には、レチクルアライメント用基準マーク、ベースライン計測用基準マーク等の基準マークが形成されている。
【0159】
また、図1では図面の錯綜を避ける観点から図示が省略されているが、この露光装置10は、実際にはレチクルアライメントを行うためのレチクルアライメント系を備えている。
【0160】
レチクルRのアライメントを行う場合には、まず主制御装置50によりレチクルステージ駆動部49、ウエハステージ駆動部56を介してレチクルステージRST及びXYステージ14が駆動され、矩形の露光領域42W内に基準マーク板FM上のレチクルアライメント用基準マークが設定され、その基準マークにレチクルR上のレチクルマーク像がほぼ重なるようにレチクルRとZチルトステージ58との相対位置が設定される。この状態で、主制御装置50によりレチクルアライメント系を用いて両マークが撮像され、主制御装置50では、その撮像信号を処理して対応する基準マークに対するレチクルマークの投影像のX方向、Y方向の位置ずれ量を算出する。
【0161】
また、上記のレチクルのアライメントの結果得られた基準マークの投影像の検出信号(画像信号)に含まれるコントラスト情報に基づいてフォーカスオフセットやレベリングオフセット(投影光学系PLの焦点位置、像面傾斜など)を求めることも可能である。
【0162】
また、本実施形態では、上記のレチクルアライメント時に、主制御装置50によって、投影光学系PLの側面に設けられた不図示のウエハ側のオフアクシス・アライメントセンサのベースライン量の計測も行われる。すなわち、基準マーク板FM上には、レチクルアライメント用基準マークに対して所定の位置関係でベースライン計測用基準マークが形成されており、レチクルアライメント系を介してレチクルマークの位置ずれ量を計測する際に、そのウエハ側のアライメントセンサを介してベースライン計測用基準マークのそのアライメントセンサの検出中心に対する位置ずれ量を計測することで、アライメントセンサのベースライン量、すなわちレチクル投影位置とアライメントセンサとの相対位置関係が計測される。
【0163】
更に、本実施形態の露光装置10では、図1に示されるように、主制御装置50によってオン・オフが制御される光源を有し、投影光学系PLの結像面に向けて多数のピンホールまたはスリットの像を形成するための結像光束を、光軸AXに対して斜め方向より照射する照射光学系60aと、それらの結像光束のウエハW表面での反射光束を受光する受光光学系60bとからなる斜入射光式の多点焦点位置検出系(フォーカスセンサ)が設けられている。主制御装置50では、受光光学系60b内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御することにより、投影光学系PLのフォーカス変動に応じて焦点検出系(60a、60b)にオフセットを与えてそのキャリブレーションを行う。これにより、前述の露光領域42W内で投影光学系PLの像面とウエハWの表面とがその焦点深度の範囲(幅)内で合致することになる。なお、本実施形態と同様の多点焦点位置検出系(フォーカスセンサ)の詳細な構成は、例えば特開平6−283403号公報等に開示されている。
【0164】
走査露光時等に、主制御装置50では、受光光学系60bからの焦点ずれ信号(デフォーカス信号)、例えばSカーブ信号に基づいて焦点ずれが零となるようにZチルトステージ58のZ位置を不図示の駆動系を介して制御することにより、オートフォーカス(自動焦点合わせ)及びオートレベリングを実行する。
【0165】
なお、受光光学系60b内に平行平板を設けて焦点検出系(60a,60b)にオフセットを与えるようにしたのは、例えば、倍率補正のためにレンズエレメント70aを上下することによりフォーカスも変化し、また、投影光学系PLが露光光ILを吸収することにより結像特性が変化して結像面の位置が変動するので、かかる場合に焦点検出系にオフセットを与え、焦点検出系の合焦位置を投影光学系PLの結像面の位置に一致させる必要があるためである。このため、本実施形態では、レンズエレメント70aの上下量とフォーカス変化量の関係も予め実験により求め、主制御装置50内部のメモリに記憶している。なお、レンズエレメント70aの上下量とフォーカス変化量の関係は計算値を用いても良い。また、オートレベリングでは走査方向については行わず、その走査方向と直交する非走査方向のみに関して行うようにしても良い。
【0166】
前記主制御装置50は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リード・オンリ・メモリ)、RAM(ランダム・アクセス・メモリ)等から成るいわゆるマイクロコンピュータ(又はワークステーション)を含んで構成され、これまでに説明した各種の制御を行う他、露光動作が的確に行われるように、例えばレチクルRとウエハWの同期走査、ウエハWのステッピング、露光タイミング等を制御する。また、本実施形態では、主制御装置50は、後述するように走査露光の際の露光量の制御を行ったり、投影光学系PLの結像特性の変動量を演算にて算出し、その算出結果に基づいて結像特性補正コントローラ78を介して投影光学系PLの結像特性を調整する等の他、装置全体を統括制御する。
【0167】
具体的には、主制御装置50は、例えば走査露光時には、レチクルRがレチクルステージRSTを介して+Y方向(又は−Y方向)に速度VR=Vで走査されるのに同期して、XYステージ14を介してウエハWが露光領域42Wに対して−Y方向(又は+Y方向)に速度VW=β・V(βはレチクルRからウエハWに対する投影倍率)で走査されるように、レーザ干渉計54R、54Wの計測値に基づいてレチクルステージ駆動部49、ウエハステージ駆動部56をそれぞれ介してレチクルステージRST、XYステージ14の位置及び速度をそれぞれ制御する。また、ステッピングの際には、主制御装置50ではレーザ干渉計54Wの計測値に基づいてウエハステージ駆動部56を介してXYステージ14の位置を制御する。
【0168】
次に、本実施形態の露光装置10において所定枚数(N枚)のウエハW上にレチクルパターンの露光を行う場合の露光シーケンスについて主制御装置50の制御動作を中心として説明する。
【0169】
まず、主制御装置50では、不図示のレチクルローダを用いて露光対象のレチクルRをレチクルステージRST上にロードする。
【0170】
次いで、前述した如く、レチクルアライメント系を用いてレチクルアライメントを行うとともに、ベースライン計測を行う。
【0171】
次に、主制御装置50では、不図示のウエハ搬送系にウエハWの交換を指示する。これにより、ウエハ搬送系及びXYステージ14上の不図示のウエハ受け渡し機構によってウエハ交換(ステージ上にウエハが無い場合は、単なるウエハロード)が行われ、次いでいわゆるサーチアライメント及びファインアライメント(EGA等)の一連のアライメント工程の処理を行う。これらのウエハ交換、ウエハアライメントは、公知の露光装置と同様に行われるので、ここではこれ以上の詳細な説明は省略する。
【0172】
次に、上記のアライメント結果及びショットマップデータに基づいて、ウエハW上の各ショット領域の露光のための走査開始位置にウエハWを移動させる動作と、前述した走査露光動作とを繰り返し行って、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハW上の複数のショット領域にレチクルパターンを転写する。この走査露光中に、主制御装置50では、露光条件及びレジスト感度に応じて決定された目標積算露光量をウエハWに与えるため、インテグレータセンサ46の出力をモニタしつつ光量制御装置16Cに指令を与える。これにより、光量制御装置16Cでは、前述した第1の機能により露光量の粗調整を行うとともに、前述した第2の機能、第3の機能により、光源装置16からのレーザビーム(紫外パルス光)の周波数及びピークパワーを制御し、露光量の微調整を実行する。
【0173】
また、主制御装置50では、照明系開口絞り板24を駆動装置40を介して制御し、更にステージ系の動作情報に同期して可動レチクルブラインド30Bの開閉動作を制御する。
【0174】
1枚目のウエハWに対する露光が終了すると、主制御装置50では、不図示のウエハ搬送系にウエハWの交換を指示する。これにより、ウエハ搬送系及びXYステージ14上の不図示のウエハ受け渡し機構によってウエハ交換が行われ、以後上記と同様にしてその交換後のウエハに対してサーチアライメント、ファインアライメントを行う。また、この場合、主制御装置50により1枚目のウエハWに対する露光開始からの投影光学系PLの結像特性(フォーカスの変動を含む)の照射変動が、インテグレータセンサ46及び反射光モニタ47の計測値に基づいて求められ、この照射変動を補正するような指令値を結像特性補正コントローラ78に与えるとともに受光光学系60bにオフセットを与える。また、主制御装置50では、大気圧センサ77の計測値に基づいて、投影光学系PLの結像特性の大気圧変動分も求めて、この照射変動を補正するような指令値を結像特性補正コントローラ78に与えるとともに受光光学系60bにオフセットを与える。
【0175】
そして、上記と同様に、このウエハW上の複数のショット領域にステップ・アンド・スキャン方式でレチクルパターンを転写する。
【0176】
この場合、前述した露光量(光量)の粗調整を、実露光前にテス卜発光を行い、露光量設定値に対し、1%以下の精度で制御を確実に行うようにしても良い。
【0177】
本実施形態の露光量の粗調整のダイナミックレンジは、1〜1/128の範囲内で設定可能であるが、通常要求されるダイナミックレンジは、典型的には1〜1/7程度であるため、光出力をオンにすべきチャネル数(光ファイバ数)を128〜18の間で制御することによって行えば良い。このように、本実施形態では、各チャネルの光出力の個別オン・オフによる露光量制御により、ウエハ毎のレジス卜感度等の違いにあわせた露光量の粗調整を正確に行うことができる。
【0178】
また、上述した光量制御装置16Cによる、第2、第3の機能による光量制御は、制御速度が速く、制御精度が高いという特徴を持つため、以下の現状の露光装置に要求されている制御要請を確実に満たすことが可能である。
【0179】
従って、露光量制御のためには、光量制御装置16Cでは、第2、第3の機能による光量制御の少なくとも一方を行えば足りる。
【0180】
また、本実施形態の露光装置10においても、光量制御装置16Cの第2、第3の機能による光量制御のいずれかと、スキャン速度とを組み合わせて、露光量を制御するようにしても、勿論良い。
【0181】
なお、ウエハW上に転写すべきレチクルパ夕ーンに応じてウエハWの露光条件を変更する、例えば照明光学系の瞳面上での照明光の強度分布(即ち2次光源の形状や大きさ)を変化させたり、あるいは投影光学系PLのほぼ瞳面上でその光軸を中心とする円形領域を遮光する光学フィルターを挿脱する。この露光条件の変更によってウエハW上での照度が変化するが、このことはレチクルパターンの変更によっても生じる。これは、パターンの遮光部(又は透過部)の占有面積の違いによるものである。そこで、露光条件及び/又はレチクルパターンの変更によって照度が変化するときは、ウエハ(レジスト)に適正な露光量が与えられるように、前述した周波数とピークパワーとの少なくとも一方を制御することが望ましい。このとき、周波数及びピークパワーの少なくとも一方に加えてレチクル及びウエハの走査速度を調整するようにしてもよい。
【0182】
以上説明したように、本実施形態に係る光源装置によれば、偏光調整装置16Dが、光ファイバ増幅器171nそれぞれから射出される光束の偏光状態を円偏光に揃え、これらの光束の全てを1枚の1/4波長板162によって同一方向の直線偏光に変換して射出する。したがって、1/4波長板の光学軸方向を適当に設定することにより、後段の波長変換部163において効率良く波長変換された光を発生することができる。また、偏光方向変換装置が1枚の1/4波長板162という極めて簡単な構成となるので、光源装置16全体としての小型化を図ることもできる。
【0183】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nから射出された複数の光束を同一方向の直線偏光としているので、1/4波長板162から射出される光を、それぞれが高強度であり、かつ同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束を得ることができる。この結果、光源装置16としての射出光光量の増大を図ることができる。
【0184】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nに入射する複数の光束それぞれをパルス光列とするので、各パルス光列における光パルスの繰り返し周期やパルス高を調整することにより、光源装置16としての射出光の光量を精度良く制御することができる。
【0185】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nに入射する複数の光束それぞれが、光ファイバ増幅器171nに入射する前に、光ファイバ増幅器167nによって増幅された光束であるので、多段の光ファイバ増幅器167n、171nによる多段の光増幅作用により、光源装置16としての射出光光量の増大を図ることができる。
【0186】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nよりも上流側に配置された光学部品であるリレー光ファイバに非等方的なストレスを加えて偏光特性を制御して偏光調整を行うので、光ファイバ増幅器171nのドープ・ファイバがストレスの印加等による偏光調整になじまない場合であっても、光源装置16としての性能や機能に悪影響を与えることなく、1/4波長板162に入射する複数の光束の偏光状態を円偏光に揃えることができる。
【0187】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nのドープ・ファイバが、ほぼ並行して束ねられているので、占有する空間を小さくするとともに、1/4波長板の受光面積を小さくできるので、光源装置16の小型化を図ることができる。
【0188】
また、本実施形態に係る光源装置16によれば、光ファイバ増幅器171nの射出光を赤外域の光(波長=1547nm付近)とし、波長変換部163から射出される光を紫外域の光(波長=193.4nm付近)に変換しているので、微細パターンの転写に適した紫外光を効率的に発生することができる。
【0189】
本実施形態に係る露光装置10は、微細パターンの転写に適した紫外光を効率的に発生する上記の光源装置16を使用しているので、効率的にパターンをウエハWに転写することができる。
【0190】
なお、上記実施形態では、偏光調整装置16Dが光ファイバ増幅器171nの射出光を円偏光に調整しているが、偏光調整が互いに同様な楕円偏光化にとどまる場合には、1/4波長板162に替えて、偏波面を回転する1/2波長板と、該1/2波長板と光学的に直列接続された1/4波長板との組合わせを使用することにより、光ファイバ増幅器171nから射出された複数の光束を同一の偏光方向の直線偏光に変換することができる。ここで、1/2波長板と1/4波長板との直列接続において、どちらを上流側に配置してもよい。
【0191】
また、上記実施形態では、1/4波長板162に入射する光は、光ファイバ増幅器171nの射出光としたが、複数の光導波用の光ファイバから射出された複数の光束を1/4波長板162に入射させることにしてもよい。
【0192】
また、上記実施形態では、光増幅部161が128チャネルの光経路を有する場合について説明したが、光経路の本数は任意でよく、本発明に係る光源装置が適用される製品、例えば露光装置で要求される仕様(ウエハ上での照度)、及び光学性能、すなわち照明光学系や投影光学系の透過率、波長変換部の変換効率、及び各光経路の出力などに応じてその本数を決定すればよい。かかる場合であっても、前述した光変調装置から出力されるパルス光の周波数制御、ピークパワー制御による光量、露光量の制御は好適に適用できる。
【0193】
さらに上記実施形態では、紫外光の波長を、ArFエキシマレーザとほぼ同一に設定するものとしたが、その設定波長は任意でよく、この設定すべき波長に応じて、レーザ光源160Aの発振波長や波長変換部163の構成及び高調波の倍率などを決定すればよい。なお、設定波長は、一例として、ウエハ上に転写すべきパターンのデザインルール(線幅、ピッチなど)に応じて決定するようにしてもよく、さらにはその決定に際して前述の露光条件やレチクルの種類(位相シフト型か否か)などを考慮してもよい。
【0194】
なお、上記実施形態では、レーザ光源160Aの発振波長の制御のため、レーザ光源160Aの直後でそのレーザ光をビームモニタ機構164によりモニタするものとしたが、これに限らず、例えば図5中に点線で示されるように、波長変換部163内(あるいは波長変換部163の後方)で光束を分岐して、これをビームモニタ機構164と同様のビームモニタ機構183でモニタするようにしても良い。そして、このビームモニタ機構183によるモニタ結果に基づいて、波長変換が正確に行われているか否かを検出し、この検出結果に基づいて主制御装置50がレーザ制御装置16Bをフィードバック制御するようにしても良い。勿論、両方のビームモニタ機構のモニタ結果を用いてレーザ光源160Aの発振波長制御を行っても良い。
【0195】
また、上記実施形態では、オプティカルインテグレータ(ホモジナイザ)としてフライアイレンズ系22を用いるものとしたが、その代わりにロッド・インテグレータを用いるようにしてもよい。ロッド・インテグレータを用いる照明光学系では、ロッド・インテグレータはその射出面がレチクルRのパターン面とほぼ共役になるように配置されるので、例えばロッド・インテグレータの射出面に近接して前述の固定レチクルブラインド30Aや可動レチクルブラインド30Bを配置してもよい。
【0196】
また、上記実施形態中では特に説明をしなかったが、本実施形態のように、193nm以下の露光波長により露光を行う装置の場合には、光束通過部分にはケミカルフィルタを通過したクリーンエアーや、ドライエアー、N2ガス、若しくはヘリウム、アルゴン、クリプトン等の不活性ガスを充填させあるいはフローさせたり、該光束通過部分を真空にする等の処置が必要となる。
【0197】
上記実施形態の露光装置は、本願の特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることは言うまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。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。
【0198】
また、上記実施形態では、本発明に係る光源装置がステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に適用された場合について説明したが、露光装置以外の装置、例えば、ウエハ上に形成された回路パターンの一部(ヒューズなど)を切断するために用いられるレーザリペア装置などにも本発明に係る光源装置を適用することができる。また、本発明による光源装置は可視光または赤外光を用いる検査装置などにも適用することができる。そしてこの場合には前述の波長変換部を光源装置に組み込む必要がない。すなわち、本発明は紫外レーザ装置だけでなく、可視域または赤外域の基本波を発生する、波長変換部がないレーザ装置に対しても有効なものである。また、本発明は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に限らず、静止露光型、例えばステップ・アンド・リピート方式の露光装置(ステッパなど)にも好適に適用できるものである。更にはステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置、ミラープロジェクション・アライナーなどにも適用できる。
【0199】
なお、上記実施形態で示した投影光学系や、照明光学系はほんの一例であって、本発明がこれに限定されないことは勿論である。例えば、投影光学系として屈折光学系に限らず、反射光学素子のみからなる反射系、又は反射光学素子と屈折光学素子とを有する反射屈折系(カタッディオプトリック系)を採用しても良い。波長200nm程度以下の真空紫外光(VUV光)を用いる露光装置では、投影光学系として反射屈折系を用いることも考えられる。この反射屈折型の投影光学系としては、例えば特開平8―171054号公報及び特開平10−20195号公報などに開示される、反射光学素子としてビームスプリッタと凹面鏡とを有する反射屈折系、又は特開平8−334695号公報及び特開平10−3039号公報などに開示される、反射光学素子としてビームスプリッタを用いずに凹面鏡などを有する反射屈折系を用いることができる。
【0200】
この他、米国特許第5,488,229号、及び特開平10−104513号公報に開示される、複数の屈折光学素子と2枚のミラー(凹面鏡である主鏡と、屈折素子又は平行平面板の入射面と反対側に反射面が形成される裏面鏡である副鏡)とを同一軸上に配置し、その複数の屈折光学素子によって形成されるレチクルパターンの中間像を、主鏡と副鏡とによってウエハ上に再結像させる反射屈折系を用いても良い。この反射屈折系では、複数の屈折光学素子に続けて主鏡と副鏡とが配置され、照明光が主鏡の一部を通って副鏡、主鏡の順に反射され、さらに副鏡の一部を通ってウエハ上に達することになる。
【0201】
勿論、半導体素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気へッドの製造に用いられる、デバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子(CCDなど)の製造に用いられる露光装置などにも本発明を適用することができる。
【0202】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の光源装置によれば、偏光調整装置が複数の光ファイバから射出される複数の光束の偏光状態を揃えた後、偏光方向変換装置が、複数の光ファイバを介した全ての光束を同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換するので、簡易な構成で、同一の偏光方向を有する複数の光束を得ることができる。
【0203】
また、本発明の露光装置によれば、露光用ビームの発生装置として、微細パターンの転写に適した紫外光を効率的に発生する本発明の光源装置を使用するので、効率的に所定のパターンを基板に転写することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】図1の光源装置の内部構成を主制御装置とともに示すブロック図である。
【図3】図2の光増幅部の構成を概略的に示す図である。
【図4】光増幅部を構成する最終段のファイバ増幅器の出力端部が束ねられて形成されたバンドル−ファイバの断面を示す図である。
【図5】図2の光増幅部を構成するファイバ増幅器及びその周辺部を、波長変換部の一部とともに概略的に示す図である。
【図6】図2の波長変換部の構成を示す図である。
【符号の説明】
10…露光装置、16…光源装置、16D…偏光調整装置、162…1/4波長板(偏光方向変換装置)、163…波長変換部(波長変換装置)、W…ウエハ(基板)。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light source device and an exposure apparatus, and more particularly to a light source device that emits light of a desired wavelength while controlling polarization of a plurality of light beams, and an exposure apparatus including the light source device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various exposure apparatuses have been used in lithography processes for manufacturing semiconductor elements (integrated circuits), liquid crystal display elements, and the like. In recent years, as this type of exposure apparatus, a fine circuit pattern formed on a photomask or reticle is reduced and projected on a substrate such as a wafer or a glass plate having a surface coated with a photoresist via a projection optical system. However, a reduction projection exposure apparatus such as a so-called stepper or a so-called scanning stepper, which performs transfer, has become the mainstream because it has a high throughput.
[0003]
However, an exposure apparatus such as a projection exposure apparatus requires high resolution (resolution) with high throughput. The resolving power R and the depth of focus DOF of the projection exposure apparatus are the wavelength λ of the illumination light for exposure, the numerical aperture N.I. A. Using,
R = K · λ / N. A. ...... (1)
DOF = λ / 2 (NA)2        (2)
Respectively represented by
[0004]
  As apparent from the above equation (1), in order to reduce the resolving power R, that is, the minimum pattern line width that can be resolved,(A)Decrease the proportionality constant K,(B)N. A. To increase the(C)Three methods for reducing the wavelength λ of the illumination light for exposure are conceivable. Here, the proportionality constant K is a constant determined by the projection optical system and the process, and normally takes a value of about 0.5 to 0.8. This method of reducing the constant K is called super-resolution in a broad sense. Up to now, improvement of the projection optical system, modified illumination, phase shift reticle, etc. have been proposed and studied. However, there are difficulties such as restrictions on the patterns that can be applied.
[0005]
On the other hand, the numerical aperture N.I. A. The larger the value from Eq. (1), the smaller the resolving power R, but this also means that the DOF becomes shallower as is clear from Eq. (2). For this reason, N.I. A. There is a limit to increasing the value, and about 0.5 is usually appropriate.
[0006]
Therefore, the simplest and most effective method for reducing the resolving power R is to reduce the wavelength λ of the illumination light for exposure.
[0007]
For this reason, g-line steppers and i-line steppers that use an ultra-high pressure mercury lamp that outputs an emission line in the ultraviolet region (g-line, i-line, etc.) as an exposure light source have been mainly used as steppers. Then, a KrF excimer laser stepper using a KrF excimer laser that outputs a KrF excimer laser beam having a shorter wavelength (wavelength 248 nm) as a light source is becoming mainstream. At present, the development of an exposure apparatus that uses an ArF excimer laser (wavelength: 193 nm) as a light source having a shorter wavelength is in progress. However, the above-described excimer laser is large, the energy per pulse is large, optical components are easily damaged, and the use of toxic fluorine gas makes the laser maintenance complicated and expensive. There are disadvantages as a light source of an exposure apparatus.
[0008]
Therefore, using the nonlinear optical effect of the nonlinear optical crystal, a method of converting long wavelength light (infrared light, visible light) into shorter wavelength ultraviolet light, and using the thus obtained ultraviolet light as exposure light. Is attracting attention. As an exposure light source employing such a method, for example, a nonlinear optical crystal in which light from a laser light generation unit equipped with a semiconductor laser is provided in a wavelength conversion unit as disclosed in JP-A-8-334803. An example of an array laser is disclosed in which a single laser element that converts the wavelength and generates ultraviolet light is bundled in a matrix (for example, 10 × 10) to form one ultraviolet light source.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the array laser as described above, by bundling a plurality of individually independent laser elements, it is possible to increase the light output of the entire apparatus while keeping the light output of each laser element low. However, since the individual laser elements are independent, in order to match the oscillation spectrum of each laser element, it is necessary to make a fine adjustment and to adopt a very complicated configuration.
[0010]
In view of this, it is conceivable to use a single laser oscillation source, branch the laser beam emitted from the laser oscillation source, amplify each branch beam, and then perform wavelength conversion using a common nonlinear optical crystal. When adopting this method, it is convenient to use an optical fiber for routing the laser light, and a configuration in which a plurality of light beams emitted from a plurality of bundled optical fibers is incident on the nonlinear optical crystal, It is optimal from the viewpoints of simplicity of structure, reduction in output beam diameter, and maintainability.
[0011]
In addition, in order to efficiently generate double harmonics and the like by nonlinear optical effects using a nonlinear optical crystal, linearly polarized light in a specific direction corresponding to the crystal direction of the nonlinear optical crystal is applied to the nonlinear optical crystal. It is necessary to make it incident. However, it is generally difficult to align the directions of linearly polarized light emitted from a plurality of optical fibers. This is because, even if a polarization-maintaining fiber is used and linearly polarized light is guided, the optical fiber has a substantially circular cross-sectional shape. This is because it cannot be specified.
[0012]
The present invention has been made under the above circumstances, and a first object of the invention is to provide a light source device capable of generating predetermined light while controlling the polarization state with a simple configuration. is there.
[0013]
A second object of the present invention is to provide an exposure apparatus that can efficiently transfer a predetermined pattern onto a substrate.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The light source device of the present invention includes: a plurality of optical fibers; a polarization adjusting device (16D) that aligns the polarization states of a plurality of light beams having the same wavelength via the plurality of optical fibers; Polarization direction conversion device (162) for converting a light beam into a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization directionA light amount control device that controls the amount of light emitted from the plurality of optical fibers by individually controlling on / off of the light output from the plurality of optical fibers, the light source device comprising: Each of the optical fibers is an optical fiber in which the amplification target light is guided, constituting an optical fiber amplifier that uses the plurality of light beams incident on the plurality of optical fibers as amplification target light.It is a light source device.
[0015]
  According to this, after the polarization adjusting device aligns the polarization states of the plurality of light beams emitted from the plurality of optical fibers, the polarization direction conversion device converts all the light beams through the plurality of optical fibers to the same polarization direction. Therefore, a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization direction can be obtained with a simple configuration.Also, since the light incident on each optical fiber is amplified and emitted from each optical fiber, a plurality of straight lines each having high intensity and the same polarization direction are emitted as light emitted from the polarization direction converter. A polarized light beam can be obtained. As a result, the amount of emitted light as the light source device can be increased.
[0016]
In the light source device of the present invention, when the polarization adjusting device makes the polarization state of each of the plurality of light fluxes through the optical fibers substantially circularly polarized, the polarization direction changing device has a quarter-wave plate (162). ). In such a case, since each of the plurality of light beams through each optical fiber is substantially circularly polarized by the polarization adjusting device, all of the plurality of light beams are passed through the quarter wavelength plate of the polarization direction conversion device. Thus, it can be converted into a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization direction. Therefore, it is possible to convert a plurality of light beams into a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization direction while making the polarization direction converting device a very simple configuration of one quarter wavelength plate. The polarization direction of linearly polarized light is determined by the direction of the optical axis of the crystal material or the like that forms the quarter wavelength plate. Therefore, by adjusting the direction of the optical axis of the crystal material or the like forming the quarter wavelength plate, a plurality of light fluxes having arbitrary identical linear polarization directions can be obtained.
[0017]
Here, when the optical fiber has a substantially cylindrically symmetric structure, the polarization adjusting device can be configured so that the polarization state of each of the plurality of light beams incident on the optical fibers is substantially circularly polarized. . This is because when circularly polarized light is incident on an optical fiber having a cylindrically symmetric structure, circularly polarized light is emitted from the optical fiber. Since it is impossible to make the optical fiber completely cylindrically symmetric, it is preferable that the length of the optical fiber is short.
[0018]
Further, in the light source device of the present invention, when the polarization adjusting device has an arbitrary polarization state in which all of the plurality of light beams through the optical fibers are almost in the same polarization state, the polarization direction conversion device is The half-wave plate that rotates the plane of polarization and a quarter-wave plate optically connected in series with the half-wave plate can be used. Here, when the half-wave plate and the quarter-wave plate are connected in series, either may be arranged on the upstream side in the optical path. For example, when the half-wave plate is arranged on the upstream side, the polarization planes of a plurality of light fluxes through the respective optical fibers are similarly rotated through the common half-wave plate, and further, Through the common quarter-wave plate, all the light beams become linearly polarized light having the same polarization direction. Also, when the quarter wave plate is arranged on the upstream side, all the light beams can be made into linearly polarized light having the same polarization direction as in the case where the half wave plate is arranged on the upstream side. . Therefore, the polarization direction conversion device can have a simple configuration of one ½ wavelength plate and one ¼ wavelength plate. In this case, a plurality of light fluxes having arbitrary identical linear polarization directions can be obtained by adjusting the direction of the optical axis of the crystal material or the like forming the half-wave plate and the quarter-wave plate.
[0020]
In the light source device of the present invention, each of the plurality of light beams incident on the plurality of optical fibers can be a pulsed light train. In such a case, the light amount of the emitted light as the light source device can be accurately controlled by adjusting the repetition period and pulse height of the light pulse in each pulse light train.
[0021]
In the light source device of the present invention, the light beams that are incident on the plurality of optical fibers are amplified by one or more optical fiber amplifiers (167) before entering the plurality of optical fibers. It can be set as the structure which is. In such a case, it is possible to increase the amount of emitted light as the light source device by the one-stage or multi-stage optical amplification action by one or more stages of optical fiber amplifiers.
[0022]
In the light source device of the present invention, the polarization adjusting device adjusts the mechanical stress applied to each of the plurality of optical fibers arranged immediately before the polarization direction converting device, and enters the polarization direction converting device. Although it is possible to adjust the polarization state of a plurality of light beams, the polarization adjustment device performs polarization adjustment by controlling the optical characteristics of an optical component arranged upstream of the plurality of optical fibers. can do. In such a case, the plurality of optical fibers arranged immediately before the polarization direction changing device are optical fibers having an optical amplifying unit through which the light to be amplified is guided, and are not suitable for polarization adjustment by applying stress or the like. Even in this case, it is possible to align the polarization states of a plurality of light beams incident on the polarization direction changing device by controlling the optical characteristics of the optical component that is more easily adjusted in polarization and is more easily adjusted.
[0023]
In the light source device of the present invention, the plurality of optical fibers may be bundled substantially in parallel with each other. In such a case, the section occupied by the plurality of optical fibers can be reduced, and the light receiving area of the polarization direction conversion device can be reduced, so that the light source device can be reduced in size.
[0024]
The light source device of the present invention further includes a wavelength conversion device (163) that converts the wavelength of the light beam emitted from the polarization direction conversion device through at least one nonlinear optical crystal. Can do. In such a case, the polarization direction of the light beam emitted from the polarization direction conversion device should be set to the polarization direction of the incident light in which the wavelength conversion (double harmonic generation, sum frequency generation) is efficiently performed by the nonlinear optical crystal. Thus, it is possible to efficiently generate and emit light whose wavelength has been converted.
[0025]
Here, the light emitted from the plurality of optical fibers may have either an infrared wavelength range or a visible wavelength range, and the light emitted from the wavelength converter may have an ultraviolet wavelength range. . In such a case, ultraviolet light suitable for transferring a fine pattern can be efficiently generated.
[0026]
In this case, the light emitted from the plurality of optical fibers may have a wavelength near 1547 nm, and the light emitted from the wavelength converter may have a wavelength near 193.4 nm. In such a case, light having a wavelength obtained when an ArF excimer laser light source is used can be efficiently obtained.
[0027]
In the exposure apparatus of the present invention, in the exposure apparatus that transfers a predetermined pattern onto the substrate by irradiating the substrate with the exposure beam, the wavelength converter generates ultraviolet light as the exposure beam generator. An exposure apparatus comprising the light source device (16) of the present invention.
[0028]
According to this, since the light source device that efficiently generates ultraviolet light suitable for transferring a fine pattern is used as the exposure beam generation device, a predetermined pattern can be efficiently transferred to the substrate.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0030]
FIG. 1 shows a schematic configuration of an exposure apparatus 10 according to an embodiment including a light source device according to the present invention. The exposure apparatus 10 is a step-and-scan type scanning exposure apparatus.
[0031]
The exposure apparatus 10 holds an illumination system including a light source device 16 and an illumination optical system 12 and a reticle R as a mask illuminated by exposure illumination light (hereinafter referred to as “exposure light”) IL from the illumination system. Reticle stage RST, projection optical system PL for projecting exposure light IL emitted from reticle R onto wafer W as a substrate, XY stage 14 on which Z tilt stage 58 as a substrate stage holding wafer W is mounted, and These control systems are provided.
[0032]
The light source device 16 is, for example, an ultraviolet pulsed light having a wavelength of 193 nm (substantially the same wavelength as the ArF excimer laser light) or a wavelength of 157 nm (F2This is a harmonic generator that outputs ultraviolet pulsed light having substantially the same wavelength as laser light. The light source device 16 has a temperature along with an exposure apparatus main body including the illumination optical system 12, the reticle stage RST, the projection optical system PL, the Z tilt stage 58, the XY stage 14, and a main body column (not shown) on which these parts are mounted. The chamber is housed in an environmental chamber (hereinafter referred to as “chamber”) 11 in which pressure, humidity and the like are adjusted with high accuracy.
[0033]
FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the light source device 16 together with a main control device 50 that controls the entire device. As shown in FIG. 2, the light source device 16 includes a light source unit 16A, a laser control device 16B, a light amount control device 16C, a polarization adjustment device 16D, and the like.
[0034]
The light source unit 16A includes a pulsed light generation unit 160 as a light generation unit, an optical amplification unit 161, a quarter wavelength plate 162 as a polarization direction change device, a wavelength conversion unit 163, a beam monitoring mechanism 164, an absorption cell 165, and the like. It is configured to include.
[0035]
The pulsed light generator 160 includes a laser light source 160A, optical couplers BS1 and BS2, an optical isolator 160B, an electro-optic modulator (hereinafter referred to as “EOM”) 160C as an optical modulator, and the like. Each element between the laser light source 160A and the wavelength conversion unit 163 is optically connected by an optical fiber.
[0036]
As the laser light source 160A, here, a single wavelength oscillation laser, for example, an InGaAsP, DFB semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.544 μm and a continuous wave output (hereinafter referred to as “CW output”) of 20 mW is used. Hereinafter, the laser light source 160A is also referred to as “DFB semiconductor laser 160A” as appropriate.
[0037]
Here, the DFB semiconductor laser is a one in which a diffraction grating is built in a semiconductor laser instead of a Fabry-Perot type resonator having low longitudinal mode selectivity. This is a so-called distributed feedback (DFB) laser. Since such a laser basically oscillates in a single longitudinal mode, its oscillation spectral line width is suppressed to 0.01 pm or less.
[0038]
Further, the DFB semiconductor laser is usually provided on a heat sink, and these are housed in a casing. In this embodiment, a temperature regulator (for example, a Peltier element) is provided on a heat sink attached to the DFB semiconductor laser 160A. As will be described later, the laser controller 16B controls the temperature to thereby oscillate the wavelength. Can be controlled (adjusted).
[0039]
That is, the oscillation wavelength of the DFB semiconductor laser has a temperature dependency of about 0.1 nm / ° C. Therefore, for example, if the temperature of the DFB semiconductor laser is changed by 1 ° C., the wavelength of the fundamental wave (1544 nm) changes by 0.1 nm, so that the wavelength of the eighth harmonic (193 nm) changes by 0.0125 nm and is 10 times higher. The wave (157 nm) changes its wavelength by 0.01 nm.
[0040]
In the exposure apparatus, it is sufficient if the wavelength of the illumination light for exposure (pulse light) can be changed by about ± 20 pm with respect to the center wavelength. Therefore, the temperature of the DFB semiconductor laser 11 may be changed by about ± 1.6 ° C. for the 8th wave and about ± 2 ° C. for the 10th wave.
[0041]
The laser light source 160A is not limited to a semiconductor laser such as a DFB semiconductor laser. For example, an yttrium (Yb) -doped fiber laser having an oscillation wavelength of around 990 nm may be used.
[0042]
As the optical couplers BS1 and BS2, those having a transmittance of about 97% are used. For this reason, the laser beam from the DFB semiconductor laser 160A is branched into two by the optical coupler BS1, about 97% of which proceeds toward the next-stage optical coupler BS2, and the remaining 3% enters the beam monitor mechanism 164. To do. The laser light incident on the optical coupler BS2 is branched by the optical coupler BS2. About 97% of the laser light travels toward the optical isolator 160B in the next stage, and the remaining 3% enters the absorption cell 165. .
[0043]
The beam monitor mechanism 164, the absorption cell 165, etc. will be described in detail later.
[0044]
The optical isolator 160B is a device for allowing only light in the direction from the optical coupler BS2 toward the EOM 160C to pass and blocking passage of light in the opposite direction. This optical isolator 160B prevents changes in the oscillation mode of the DFB semiconductor laser 160A due to reflected light (returned light), generation of noise, and the like.
[0045]
The EOM 160C is for converting laser light (CW light (continuous light)) that has passed through the optical isolator 160B into pulsed light. As the EOM 160C, an electro-optic modulator (for example, a two-electrode type modulator) having an electrode structure in which chirp correction is performed so that the wavelength broadening of the semiconductor laser output due to chirp with time change of the refractive index is reduced. Yes. The EOM 160C outputs pulsed light that is modulated in synchronization with the voltage pulse applied from the light quantity control device 16C. As an example, assuming that laser light oscillated by the DFB semiconductor laser 160A by the EOM 160C is modulated into pulse light having a pulse width of 1 ns and a repetition frequency of 100 kHz (pulse period of about 10 μs), the light modulation results in output from the EOM 160C. The peak output of the pulsed light is 20 mW, and the average output is 2 μW. Here, it is assumed that there is no loss due to the insertion of the EOM 160C. However, when there is an insertion loss, for example, the loss is −3 dB, the peak output of the pulsed light is 10 mW and the average output is 1 μW.
[0046]
In addition, when the repetition frequency is set to about 100 kHz or more, a decrease in amplification factor due to the influence of ASE (Amplified Spontaneous Emission) noise can be prevented in a fiber amplifier described later. Is desirable.
[0047]
If the extinction ratio is not sufficient even when the pulse light is turned off using only the EOM 160C, it is desirable to use the current control of the DFB semiconductor laser 160A in combination. That is, in the case of a semiconductor laser or the like, the output light can be pulse-oscillated by performing the current control, and therefore it is desirable to generate the pulsed light by using both the current control of the DFB semiconductor laser 160A and the EOM 160C. As an example, by controlling the current of the DFB semiconductor laser 160A, pulse light having a pulse width of, for example, about 10 to 20 ns is oscillated, and only part of the pulse light is cut out from the pulse light by the EOM 160C. Modulate. In this way, it becomes possible to easily generate pulsed light having a narrow pulse width as compared with the case of using only the EOM160C, and it is easier to start and stop the oscillation interval of the pulsed light and the oscillation. It becomes possible to control.
[0048]
Note that an acousto-optic light modulator (AOM) may be used instead of the EOM 160C.
[0049]
The optical amplifying unit 161 amplifies the pulsed light from the EOM 160C, and here includes a plurality of fiber amplifiers. FIG. 3 shows an example of the configuration of the optical amplifying unit 161 together with the EOM 160C.
[0050]
As shown in FIG. 3, the optical amplifying unit 161 includes output units of a delay unit 167 having a total of 128 channels from channel 0 to channel 127 and a total of 128 channels from channel 0 to channel 127 of the delay unit 167. Fiber amplifier 168 connected to1~ 168128And these fiber amplifiers 1681~ 168128Narrowband filter 169 for each of1~ 169128And optical isolator 1701~ 170128Are connected to the final stage fiber amplifiers 171.1~ 171128Etc. In this case, as is clear from FIG.n, Narrow band filter 169n, Optical isolator 170nAnd fiber amplifier 171n(N = 1, 2,..., 128), the optical paths 172 respectively.n(N = 1, 2,..., 128) are configured.
[0051]
The above-described components of the optical amplifying unit 161 will be described in further detail. The delay unit 167 has a total of 128 channels, and gives a predetermined delay time (here, 3 ns) to the output of each channel. is there. In this embodiment, the delay unit 167 includes an erbium (Er) -doped fiber amplifier (EDFA) that amplifies the pulsed light output from the EOM 160C by 35 dB (3162 times), and the output of the EDFA as channel 0. A splitter (flat waveguide 1 × 4 splitter), which is an optical branching means for splitting into four outputs of ˜3 in parallel, and four lights of different lengths connected to the output ends of channels 0˜3 of this splitter. The fiber, four splitters (flat waveguide 1 × 32 splitter) that divide the outputs of these four optical fibers into channels 0 to 31 respectively, and channels 1 to 31 except for channel 0 of each splitter are connected respectively. And 31 optical fibers each having a different length (total of 124). Hereinafter, the 0 to 31 channels of each of the splitters (flat waveguide 1 × 32 splitter) are collectively referred to as a block.
[0052]
More specifically, the pulse light output from the first stage EDFA has a peak output of about 63 W and an average output of about 6.3 mW. This pulse light is split in parallel into four outputs of channels 0 to 3 by a splitter (flat waveguide 1 × 4 splitter), and the delay corresponding to the length of the four optical fibers is given to the output light of each channel. For example, in this embodiment, the propagation speed of light in the optical fiber is 2 × 10.8m / s, and optical fibers (lengths 0.1 m, 19.3 m, 38.5 m, and 57.7 m) in channels 0, 1, 2, and 3 of the splitter (flat waveguide 1 × 4 splitter), respectively. Hereinafter, referred to as “first delay fiber”). In this case, the light delay between adjacent channels at each first delay fiber exit is 96 ns.
[0053]
In addition, the channels 1 to 31 of the four splitters (flat waveguides 1 × 32 splitters) have optical fibers (hereinafter referred to as “second delays”) each having a length of 0.6 × N meters (N is a channel number). Called "fiber"). As a result, a delay of 3 ns is given between adjacent channels in each block, and a delay of 3 × 31 = 93 ns is given to the channel 31 output with respect to the channel 0 output of each block.
[0054]
On the other hand, between the first to fourth blocks, as described above, a delay of 96 ns is given to each block by the first delay fiber at the input time of each block. Therefore, the channel 0 output of the second block has a delay of 96 ns with respect to the channel 0 output of the first block, and the delay with the channel 31 of the first block is 3 ns. The same applies to the second to third and third to fourth blocks. As a result, pulsed light having a delay of 3 ns between adjacent channels is obtained at the output end of a total of 128 channels as a total output.
[0055]
Due to the above branching and delay, pulse light having a delay of 3 ns between adjacent channels can be obtained at the output terminals of a total of 128 channels. At this time, the optical pulse observed at each output terminal is modulated by the EOM 160C. 100 kHz (pulse period 10 μs), which is the same as the above pulse. Accordingly, when viewed as a whole laser beam generator, after the 128 pulses are generated at intervals of 3 ns, the next pulse train is generated at intervals of 9.62 μs at 100 kHz. That is, the total output is 128 × 100 × 10Three= 1.28 × 107Pulse / second.
[0056]
In the present embodiment, an example in which the number of divisions is 128 and a short delay fiber is used has been described. For this reason, an interval of 9.62 μs that does not emit light is generated between the pulse trains. However, by increasing the number of divisions, making the delay fiber longer to an appropriate length, or using a combination of these, It is also possible to make the intervals completely equal.
[0057]
The fiber amplifier 168nAs for (n = 1, 2,..., 128), here, erbium having a mode field diameter of an optical fiber (hereinafter referred to as “mode diameter”) of 5 to 6 μm (same as that used in normal communication) An Er) -doped fiber amplifier (EDFA) is used. This fiber amplifier 168nThus, the output light from each channel of the delay unit 167 is amplified according to a predetermined amplification gain. This fiber amplifier 168nThe excitation light source will be described later.
[0058]
The narrow band filter 169n(N = 1, 2,..., 128) is a fiber amplifier 168.nAnd the output wavelength of the DFB semiconductor laser 160A (wavelength width is about 1 pm or less) is transmitted to substantially narrow the wavelength width of the transmitted light. As a result, the ASE light is transmitted to the subsequent fiber amplifier 171.nIt is possible to prevent the laser beam from being scattered due to the propagation of ASE noise. Here, the narrow band filter 169nThe transmission wavelength width is preferably about 1 pm, but the wavelength width of ASE light is about several tens of nanometers. Therefore, even if a narrow band filter having a transmission wavelength width of about 100 pm obtained at this time is used, there is a practical problem. ASE light can be cut to such an extent that there is not.
[0059]
In the present embodiment, since the output wavelength of the DFB semiconductor laser 160A may be actively changed as described later, the output wavelength has a variable width (about ± 20 pm as an example in the exposure apparatus of the present embodiment). It is preferable to use a narrowband filter having a corresponding transmission wavelength width (approximately equal to or greater than the variable width). In the laser apparatus applied to the exposure apparatus, the wavelength width is set to about 1 pm or less.
[0060]
The optical isolator 170n(N = 1, 2,..., 128) is for reducing the influence of the return light as in the optical isolator 160B described above.
[0061]
The fiber amplifier 171nAs for (n = 1, 2,..., 128), here, the mode diameter of the optical fiber is used in normal communication in order to avoid an increase in the spectral width of the amplified light due to the nonlinear effect in the optical fiber. An EDFA having a large mode diameter wider than (5 to 6 μm), for example, 20 to 30 μm, is used. This fiber amplifier 171nIs the fiber amplifier 168 described above.nThe optical output from each channel of the delay unit 167 amplified in step 167 is further amplified. As an example, an average output of 50 μW for each channel in the delay unit 167 and an average output of 6.3 mW for all channels are set to a two-stage fiber amplifier 168.n171nIf a total of 46 dB (40600 times) is to be amplified, the optical path 172 corresponding to each channelnOutput terminal (fiber amplifier 171nAt the output end) of the optical fiber constituting the above, a peak output of 20 kW, a pulse width of 1 ns, a pulse repetition of 100 kHz, an average output of 2 W, and an average output of 256 W in all channels are obtained. The fiber amplifier 171nThe excitation light source will be described later.
[0062]
In the present embodiment, the optical path 172 corresponding to each channel in the delay unit 167.nOutput end of the fiber amplifier 171, that is, the fiber amplifier 171.nThe output ends of the optical fibers constituting the optical fiber are bundled in a bundle, and a fiber bundle 173 having a cross-sectional shape as shown in FIG. 4 is formed. At this time, since the clad diameter of each optical fiber is about 125 μm, the diameter of the bundle at the output end where 128 wires are bundled can be about 2 mm or less. In this embodiment, the fiber bundle 173 is the final stage fiber amplifier 171.nThe output end of the fiber amplifier 171 is used as it is.nIt is also possible to couple an undoped optical fiber to form a bundle fiber at its output end.
[0063]
The preceding fiber amplifier 168 having a standard mode diameter is used.nAnd the final stage fiber amplifier 171 having a wide mode diameter.nIs connected using an optical fiber whose mode diameter increases in a tapered manner.
[0064]
Next, an excitation light source and the like for each fiber amplifier will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the fiber amplifier constituting the optical amplifier 161 and its peripheral part are schematically shown together with a part of the wavelength converter 163.
[0065]
In FIG. 5, the first stage fiber amplifier 168 is shown.nThe semiconductor laser 178 for excitation is fiber-coupled, and the output of the semiconductor laser 178 is input to a doped fiber for a fiber amplifier through a wavelength division multiplexer (WDM) 179, thereby The doped fiber is excited.
[0066]
On the other hand, a fiber amplifier 171 having a large mode diameter.nThen, the semiconductor laser 174 as a pumping light source for pumping the above-mentioned fiber amplifier doped fiber having a large mode diameter is fiber-coupled to a large mode diameter fiber matched to the diameter of the fiber amplifier doped fiber. The output of the semiconductor laser 174 is input to the doped fiber for an optical amplifier using the WDM 176, and the doped fiber is excited.
[0067]
This large mode diameter fiber (fiber amplifier) 171nThe laser light amplified in step S1 enters the wavelength conversion unit 163, where it is converted into ultraviolet laser light. The configuration of the wavelength conversion unit 163 will be described later.
[0068]
Large mode fiber (fiber amplifier) 171nIt is desirable that the laser light (signal) to be amplified propagating in the main mode is mainly in the fundamental mode, which mainly selectively excites the fundamental mode in a single mode or a multimode fiber having a low mode order. Can be realized.
[0069]
In this embodiment, four high-power semiconductor lasers coupled to a large mode diameter fiber are coupled from the front and four from the rear. Here, in order to efficiently couple the pumping semiconductor laser light to the optical amplifying doped fiber, an optical fiber having a double clad structure in which the clad has a double structure is used as the optical amplifying doped fiber. desirable. At this time, the pumping semiconductor laser light is introduced into the double clad inner clad by the WDM 176.
[0070]
The semiconductor lasers 178 and 174 are controlled by a light amount control device 16C.
[0071]
In the present embodiment, the optical path 172nAs an optical fiber constituting the fiber amplifier 168n171nTherefore, the difference in gain between the fiber amplifiers causes variations in the optical output of each channel. For this reason, in this embodiment, the fiber amplifier (168 of each channel).n171n), A part of the output is branched, and photoelectric conversion is performed by the photoelectric conversion elements 180 and 181 provided at the respective branch ends. Output signals of these photoelectric conversion elements 180 and 181 are supplied to the light quantity control device 16C.
[0072]
In the light quantity control device 16C, the drive current of each pumping semiconductor laser (178, 174) is feedback-controlled so that the optical output from each fiber amplifier is constant (that is, balanced) at each amplification stage. It has become.
[0073]
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the light branched by the beam splitter in the middle of the wavelength conversion unit 163 is photoelectrically converted by the photoelectric conversion element 182, and the output signal of the photoelectric conversion element 182 is subjected to light amount control. It is supplied to the device 16C. In the light amount control device 16C, the light intensity in the wavelength conversion unit 163 is monitored based on the output signal of the photoelectric conversion element 182, and the pumping semiconductor laser is set so that the light output from the wavelength conversion unit 163 becomes a predetermined light output. The drive current of at least one of 178 and 174 is feedback-controlled.
[0074]
By adopting such a configuration, the amplification factor of the fiber amplifier of each channel is made constant for each amplification stage, so that an uneven load is not applied between the fiber amplifiers and a uniform light intensity is obtained as a whole. It is done. Further, by monitoring the light intensity in the wavelength converter 163, a predetermined predetermined light intensity can be fed back to each amplification stage, and a desired ultraviolet light output can be stably obtained.
[0075]
The light quantity control device 16C will be described in detail later.
[0076]
From the optical amplifying unit 161 (each optical fiber output end forming the bundle-fiber 173) configured as described above, all of the pulsed light is aligned and output by the polarization adjusting device 16D described later. The pulsed light that is circularly polarized light is converted into linearly polarized light having the same polarization direction by the quarter wavelength plate 162 (see FIG. 2), and is incident on the wavelength conversion unit 163 in the next stage.
[0077]
The wavelength converter 163 includes a plurality of nonlinear optical crystals, converts the wavelength of the amplified pulsed light (light having a wavelength of 1.544 μm) into its 8th harmonic or 10th harmonic, and an ArF excimer laser. Pulsed ultraviolet light having the same output wavelength (193 nm) is generated.
[0078]
FIG. 6 shows a configuration example of the wavelength converter 163. Here, a specific example of the wavelength conversion unit 163 will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the fundamental wave having a wavelength of 1.544 μm emitted from the output end of the fiber bundle 173 is wavelength-converted to an eighth harmonic (harmonic) using a nonlinear optical crystal, and is the same as the ArF excimer laser. A configuration example for generating ultraviolet light having a wavelength of 193 nm is shown.
[0079]
6, the fundamental wave (wavelength 1.544 μm) → second harmonic (wavelength 772 nm) → third harmonic (wavelength 515 nm) → fourth harmonic (wavelength 386 nm) → 7th harmonic (wavelength 221 nm) → Wavelength conversion is performed in the order of 8th harmonic wave (wavelength 193 nm).
[0080]
More specifically, a fundamental wave having a wavelength of 1.544 μm (frequency ω) output from the output end of the fiber bundle 173 is incident on the first-stage nonlinear optical crystal 533. When the fundamental wave passes through the nonlinear optical crystal 533, the second harmonic generation generates a double wave of the frequency ω of the fundamental wave, that is, a double wave of the frequency 2ω (wavelength is 772 nm). In the case of FIG. 6A, the linear polarization by the above-described quarter wavelength plate 162 is performed so that the polarization direction in which the second harmonic wave is generated most efficiently in the nonlinear optical crystal 533 is obtained. The setting of the polarization direction of the linearly polarized light is performed by adjusting the direction of the optical axis of the quarter wavelength plate 162.
[0081]
As this first-stage nonlinear optical crystal 533, LiBThreeOFiveAn (LBO) crystal is used, and a method by adjusting the temperature of the LBO crystal, NCPM (Non-Critical Phase Matching), is used for phase matching for wavelength conversion of the fundamental wave to a double wave. NCPM does not cause an angular shift (Walk-off) between the fundamental wave and the second harmonic in the nonlinear optical crystal, so it can be converted to a double wave with high efficiency. This is advantageous because it does not undergo beam deformation due to -off.
[0082]
The fundamental wave transmitted without being wavelength-converted by the nonlinear optical crystal 533 and the double wave generated by the wavelength conversion are given a half-wavelength and one-wavelength delay by the wave plate 534 at the next stage, respectively, so that only the fundamental wave is transmitted. The polarization direction rotates 90 degrees and enters the second-stage nonlinear optical crystal 536. An LBO crystal is used as the second-stage nonlinear optical crystal 536, and the LBO crystal is used in NCPM having a temperature different from that of the first-stage nonlinear optical crystal (LBO crystal) 533. In this nonlinear optical crystal 536, a triple wave (wavelength 515 nm) is generated by sum frequency generation from the double wave generated in the first-stage nonlinear optical crystal 533 and the fundamental wave transmitted through the nonlinear optical crystal 533 without wavelength conversion. )
[0083]
Next, the third harmonic wave obtained by the nonlinear optical crystal 536 and the fundamental wave and the second harmonic wave transmitted through the nonlinear optical crystal 536 without wavelength conversion are separated by the dichroic mirror 537 and reflected there. The third harmonic wave passes through the condenser lens 540 and the dichroic mirror 543 and enters the fourth-stage nonlinear optical crystal 545. On the other hand, the fundamental wave and the second harmonic wave transmitted through the dichroic mirror 537 enter the third-stage nonlinear optical crystal 539 through the condenser lens 538.
[0084]
An LBO crystal is used as the third-stage nonlinear optical crystal 539, and the fundamental wave is transmitted through the LBO crystal without being wavelength-converted. 386 nm). The fourth harmonic wave obtained by the nonlinear optical crystal 539 and the fundamental wave transmitted therethrough are separated by the dichroic mirror 541, and the fundamental wave transmitted therethrough passes through the condenser lens 544 and is reflected by the dichroic mirror 546. Then, the light enters the fifth-stage nonlinear optical crystal 548. On the other hand, the fourth harmonic wave reflected by the dichroic mirror 541 passes through the condenser lens 542 and reaches the dichroic mirror 543, where it is synthesized coaxially with the third harmonic wave reflected by the dichroic mirror 537 and is four-staged. It enters the nonlinear optical crystal 545 of the eye.
[0085]
As the fourth-stage nonlinear optical crystal 545, β-BaB2OFourA (BBO) crystal is used, and a seventh harmonic (wavelength 221 nm) is obtained from the third harmonic and the fourth harmonic by sum frequency generation. The seventh harmonic wave obtained by the nonlinear optical crystal 545 passes through the condensing lens 547 and is synthesized by the dichroic mirror 546 coaxially with the fundamental wave transmitted through the dichroic mirror 541 to be the fifth stage nonlinear optical crystal 548. Is incident on.
[0086]
An LBO crystal is used as the fifth-stage nonlinear optical crystal 548, and an eighth harmonic wave (wavelength 193 nm) is obtained from the fundamental wave and the seventh harmonic wave by sum frequency generation. In the above configuration, instead of the 7th harmonic generation BBO crystal 545 and the 8th harmonic generation LBO crystal 548, CsLiB6OTen(CLBO) crystal or Li2BFourO7It is also possible to use (LB4) crystals.
[0087]
In the configuration example of FIG. 6, since the third harmonic and the fourth harmonic are incident on the fourth-stage nonlinear optical crystal 545 through different optical paths, a lens 540 that collects the third harmonic and the fourth harmonic Can be placed in separate optical paths. The fourth harmonic wave generated in the third-stage nonlinear optical crystal 539 has an elliptical cross-sectional shape due to the Walk-off phenomenon. Therefore, in order to obtain good conversion efficiency with the fourth-stage nonlinear optical crystal 545, it is desirable to perform beam shaping of the fourth harmonic wave. In this case, since the condensing lenses 540 and 542 are arranged in separate optical paths, for example, a pair of cylindrical lenses can be used as the lens 542, and it becomes possible to easily perform quadrature beam shaping. For this reason, it is possible to make the overlap with the third harmonic wave in the fourth-stage nonlinear optical crystal (BBO crystal) 545 good and increase the conversion efficiency.
[0088]
Furthermore, a lens 544 that condenses the fundamental wave incident on the fifth-stage nonlinear optical crystal 548 and a lens 547 that condenses the seventh harmonic wave can be placed in different optical paths. The seventh harmonic wave generated in the fourth-stage nonlinear optical crystal 545 has an elliptical cross-sectional shape due to the Walk-off phenomenon. Therefore, in order to obtain good conversion efficiency with the fifth-stage nonlinear optical crystal 548, it is preferable to perform beam shaping of the seventh harmonic wave. In this embodiment, since the condensing lenses 544 and 547 can be arranged in separate optical paths, for example, a pair of cylindrical lenses can be used as the lens 547, and beam shaping of 7th harmonic can be easily performed. Become. For this reason, it is possible to make the overlap with the fundamental wave in the fifth-stage nonlinear optical crystal (LBO crystal) 548 good and to increase the conversion efficiency.
[0089]
The configuration between the second-stage nonlinear optical crystal 536 and the fourth-stage nonlinear optical crystal 545 is not limited to that shown in FIG. 6, and is generated from the nonlinear optical crystal 536 and reflected by the dichroic mirror 537. The third harmonic wave and the fourth harmonic wave obtained by converting the wavelength of the second harmonic wave generated from the nonlinear optical crystal 536 and transmitted through the dichroic mirror 537 with the nonlinear optical crystal 539 are simultaneously incident on the nonlinear optical crystal 545. As long as the two optical path lengths between the nonlinear optical crystals 536 and 545 are equal, any configuration may be used. This is the same between the third-stage nonlinear optical crystal 539 and the fifth-stage nonlinear optical crystal 548.
[0090]
According to the experiment conducted by the inventor, in the case of FIG. 6, the average output of the eighth harmonic wave (wavelength: 193 nm) per channel was 45.9 mW. Therefore, the average output from the bundle including all 128 channels is 5.9 W, and it is possible to provide ultraviolet light having a wavelength of 193 nm and sufficient output as a light source for an exposure apparatus.
[0091]
In this case, an LBO crystal that is readily available as a high-quality crystal as a commercial product is currently used for the generation of the eighth harmonic (193 nm). This LBO crystal has an extremely small absorption coefficient for ultraviolet light at 193 nm and is advantageous in terms of durability since optical damage of the crystal does not become a problem.
[0092]
In addition, an LBO crystal is used with an angular phase matching at a generation portion of an eighth harmonic (for example, a wavelength of 193 nm), but since the phase matching angle is large, the effective nonlinear optical constant (deff) is small. Therefore, it is preferable to provide a temperature control mechanism for the LBO crystal and use the LBO crystal at a high temperature. Thereby, the phase matching angle can be reduced, that is, the constant (deff) can be increased, and the eighth harmonic generation efficiency can be improved.
[0093]
The wavelength conversion unit 163 shown in FIG. 6 is an example, and the configuration of the wavelength conversion unit of the present invention is not limited to this. For example, a fundamental wave having a wavelength of 1.57 μm emitted from the output end of the fiber bundle 173 is generated by using a nonlinear optical crystal to generate a 10th harmonic, and F2You may decide to generate the ultraviolet light of 157 nm which is the same wavelength as a laser.
[0094]
Referring back to FIG. 2, the beam monitor mechanism 164 is an energy monitor composed of a Fabry-Perot etalon (hereinafter also referred to as “etalon element”) and a photoelectric conversion element such as a photodiode (both not shown). ). Light incident on the etalon element constituting the beam monitor mechanism 164 is transmitted with a transmittance corresponding to the frequency difference between the resonance frequency of the etalon element and the frequency of the incident light, and a photodiode that detects the transmitted light intensity at this time Is output to the laser control device 16B. The laser control device 16B performs predetermined signal processing on this signal, so that information on the optical characteristics of the incident light with respect to the beam monitor mechanism 164, specifically the etalon element (specifically, the center wavelength and wavelength width of the incident light ( Spectrum half width) etc. Then, the information on the optical characteristics is notified to the main controller 50 in real time.
[0095]
The frequency characteristic of transmitted light intensity generated by the etalon element is affected by the temperature and pressure of the atmosphere, and in particular, the resonance frequency (resonance wavelength) is temperature dependent. For this reason, in order to accurately control the center wavelength and the spectral half width of the laser light oscillated from the laser light source 160A based on the detection result of the etalon element, it is necessary to investigate the temperature dependence of the resonance wavelength. is important. In the present embodiment, the temperature dependence of the resonance wavelength is measured in advance, and the measurement result is stored as a temperature dependence map in a memory 51 (see FIG. 1) as a storage device provided in the main controller 50. . Then, in the main controller 50, when the absolute wavelength calibration of the beam monitor mechanism 164 is performed, the resonance wavelength (detection reference wavelength) at which the transmittance of the etalon element is maximized exactly matches the set wavelength. The laser controller 16B is instructed to actively control the temperature of the etalon element in the beam monitor mechanism 164.
[0096]
The output of the energy monitor that constitutes the beam monitor mechanism 164 is supplied to the main controller 50. The main controller 50 detects the energy power of the laser beam based on the output of the energy monitor, and the laser controller 16B. The amount of laser light oscillated by the DFB semiconductor laser 160A is controlled as necessary, or the DFB semiconductor laser 160A is turned off. However, in the present embodiment, as will be described later, the normal light amount control (exposure amount control) is mainly configured by the light amount control device 16C to control the peak power or frequency of the output pulse light of the EOM 160C, or to configure the light amplification unit 161. Therefore, when the energy power of the laser light largely fluctuates for some reason, the main controller 50 controls the laser controller 16B as described above.
[0097]
The absorption cell 165 is an absolute wavelength source for absolute wavelength calibration of the oscillation wavelength of the DFB semiconductor laser 160A, that is, absolute wavelength calibration of the beam monitor mechanism 164. In the present embodiment, since the DFB semiconductor laser 160A having an oscillation wavelength of 1.544 μm is used as the laser light source as the absorption cell 165, an acetylene isotope having absorption lines densely present in a wavelength band near this wavelength. Is used.
[0098]
As will be described later, as the light for monitoring the wavelength of the laser light, the intermediate wave (second harmonic, third harmonic, fourth harmonic, etc.) of the wavelength converter 163 described above together with or instead of the fundamental wave. Alternatively, when selecting light after wavelength conversion, an absorption cell in which absorption lines are densely present in a wavelength band such as an intermediate wave may be used. For example, when the third harmonic wave is selected as the wavelength monitoring light, iodine molecules having absorption lines densely in the vicinity of a wavelength of 503 nm to 530 nm are used as an absorption cell, and appropriate absorption lines for the iodine molecules are used. And select that wavelength as the absolute wavelength.
[0099]
The absolute wavelength source is not limited to the absorption cell, and an absolute wavelength light source may be used.
[0100]
The laser control device 16B detects the center wavelength and wavelength width (spectrum half width) of the laser light based on the output of the beam monitor mechanism 164, and the DFB semiconductor laser so that the center wavelength becomes a desired value (set wavelength). 160A temperature control (and current control) is performed by feedback control. In the present embodiment, the temperature of the DFB semiconductor laser 160A can be controlled in units of 0.001 ° C.
[0101]
Further, the laser control device 16B performs switching between pulse output and continuous output of the DFB semiconductor laser 160A and control of the output interval and pulse width at the time of the pulse output in accordance with an instruction from the main control device 50. At the same time, the oscillation control of the DFB semiconductor laser 160A is performed so as to compensate for the output fluctuation of the pulsed light.
[0102]
In this way, the laser control device 16B stabilizes the oscillation wavelength and controls it to a constant wavelength, or finely adjusts the output wavelength. Conversely, the laser control device 16B may adjust the output wavelength by actively changing the oscillation wavelength of the DFB semiconductor laser 160A in response to an instruction from the main control device 50.
[0103]
For example, according to the former, the aberration (imaging characteristics) of the projection optical system PL due to the wavelength variation is prevented or the variation is prevented, and the image characteristics (optical characteristics such as image quality) change during pattern transfer. Nothing will happen.
[0104]
Further, according to the latter, depending on the altitude difference or atmospheric pressure difference between the manufacturing site where the exposure apparatus is assembled and adjusted and the installation location (delivery destination) of the exposure apparatus, and the difference in the environment (atmosphere in the clean room), etc. Variations in the imaging characteristics (such as aberrations) of the projection optical system PL that occur can be offset, and the time required to start up the exposure apparatus at the delivery destination can be shortened. Furthermore, according to the latter, fluctuations in the aberration of the projection optical system PL, projection magnification, focus position, etc. caused by irradiation of exposure illumination light and changes in atmospheric pressure, etc. can be canceled while the exposure apparatus is in operation. Therefore, it is possible to always transfer the pattern image onto the substrate in the best imaging state.
[0105]
As described above, the light amount control device 16C includes the fiber amplifier 168 in the optical amplifying unit 161.n171nThe drive current of each pumping semiconductor laser (178, 174) is feedback controlled based on the output of the photoelectric conversion elements 180, 181 that detect the optical output of the optical fiber, and the amplification factor of the fiber amplifier of each channel is set for each amplification stage. Based on the function of making it constant and the output signal of the photoelectric conversion element 182 that detects the light branched by the beam splitter in the middle of the wavelength converter 163, feedback control of at least one drive current of the pumping semiconductor lasers 178 and 174 is performed. A predetermined light intensity is fed back to each amplification stage and a desired ultraviolet light output is stabilized.
[0106]
Furthermore, in this embodiment, the light quantity control device 16C has the following functions.
[0107]
  That is, the light quantity control device 16C
(1)  In response to an instruction from the main controller 50, the fiber output of each channel constituting the fiber bundle 173, that is, each optical path 172.nA function of controlling the average light output of the entire bundle by controlling on / off of the outputs individually (hereinafter referred to as “first function” for convenience),
(2)  By controlling the frequency of the pulsed light output from the EOM 160C in accordance with an instruction from the main controller 50, the average optical output (output energy) of each channel of the optical amplifying unit 161 per unit time, that is, per unit time Each optical path 172 ofnA function for controlling the intensity of the output light from (hereinafter referred to as “second function” for convenience),
(3)  By controlling the peak power of the pulsed light output from the EOM 160C in accordance with an instruction from the main controller 50, the average optical output (output energy) of each channel of the optical amplifying unit 161 per unit time, that is, the unit time Each light path 172 per hitnAnd a function for controlling the intensity of the output light (hereinafter referred to as “third function” for convenience).
[0108]
According to the first function of the light quantity control device 16C, the average light output (light quantity) of the entire bundle can be controlled in increments of 1/128 of the maximum output light quantity (about every 1% or less). That is, the dynamic range can be set to a wide range of 1 to 1/128. Each optical path 172nAre configured using the same constituent members, and therefore, each optical path 172 is designed in terms of design.nThe light outputs should be equal to each other, and the light quantity control in increments of 1/128 will have good linearity.
[0109]
In this embodiment, the wavelength converter 163 that converts the wavelength of the output of the optical amplifier 161, that is, the output of the fiber bundle 173, is provided. The output of the wavelength converter 163 is transmitted to each optical path 172.nOutput, ie, fiber amplifier 171nIn principle, linear control (every 1%) in increments of 1/128 of the maximum output light amount should be possible with respect to the set light amount.
[0110]
In practice, however, each optical path 172 is caused by manufacturing errors or the like.nVariation in the output of each light path and each optical path 172nSince there is a high possibility that there is a variation in wavelength conversion efficiency with respect to the output of each optical fiber (optical path 172) in advance.n) And output variations due to variations in wavelength conversion efficiency for each optical fiber output, etc., and respond to the on / off status of the optical output from each optical fiber based on the measurement results A first output intensity map that is a map of the intensity of the optical output from the wavelength conversion unit 163 (an output intensity conversion table corresponding to the fiber groove to be turned on) is created, and the first output intensity map is used as the main controller. 50 is stored in a memory 51 attached to 50.
[0111]
In the light quantity control device, when the light quantity control is performed by the first function, the light quantity control is performed based on the set light quantity given from the main controller 50 and the output intensity map.
[0112]
Further, the light quantity control device 16C performs frequency control of the pulsed light output from the EOM 160C in the second function by changing the frequency of the rectangular wave (voltage pulse) applied to the EOM 160C. Since the frequency of the pulsed light output from the EOM 160C matches the frequency of the voltage pulse applied to the EOM 160C, the frequency of the output pulsed light is controlled by controlling the applied voltage.
[0113]
In the present embodiment, as described above, the frequency of the rectangular wave applied to the EOM 160C is 100 kHz. For example, if this frequency is set to 110 kHz, the number of optical pulses output from the EOM 160C per unit time increases by 10%, and this pulse is sequentially transmitted from channel 0 to channel by the delay unit 167 for each pulse as described above. As a result of the allocation to 127 total 128 channels, the pulsed light per unit time increases by 10% even if each channel is viewed, and the optical energy per optical pulse is the same, that is, the peak power of the pulsed light is constant. , Each optical path 172 per unit timenThe output light intensity (light quantity) increases by 10%.
[0114]
In this embodiment, the wavelength converter 163 that converts the wavelength of the output light of each channel of the optical amplifying unit 161 is provided. The light amount of the output light per unit time of the wavelength converter 163 is a peak. If the power is constant, it is proportional to the frequency of the output pulse of each channel. As described above, the light amount control by the second function is a control excellent in the reality.
[0115]
However, in general, the amplification gain of the fiber amplifier is dependent on the input light intensity. Therefore, if the frequency of the output light of the EOM 160C is changed, the fiber amplifier 168 is changed.n171nThe input light intensity of the fiber amplifier 168 changes as a result.n171nIn some cases, the peak power of the pulsed light output from the laser beam may change, so that the above-described linearity is not always obtained. Therefore, in this embodiment, the input frequency intensity dependency of the fiber amplifier output is measured in advance, and the output intensity of the optical amplifying unit 161 (each channel thereof) corresponding to the frequency of the pulsed light input to the optical amplifying unit 161 based on the measurement. The second output intensity map (conversion table of the output intensity of the optical amplifying unit 161 corresponding to the frequency of the output light of the EOM) is created, and the second output intensity map is stored in the memory 51. .
[0116]
The light amount control device 16C performs light amount control based on the set light amount given from the main control device 50 and the second output intensity map when performing light amount control by the second function. ing.
[0117]
The light quantity control device 16C controls the peak power of the pulsed light output from the EOM 160C in the third function by controlling the peak intensity of the voltage pulse applied to the EOM 160C. This is because the peak power of the output light from the EOM 160C depends on the peak intensity of the voltage pulse applied to the EOM 160C.
[0118]
However, as described above, the amplification gain of the fiber amplifier depends on the input light intensity. Therefore, if the peak intensity of the pulsed light output from the EOM 160C is changed, the fiber amplifier 168 is changed.n171nThe input light intensity of the fiber amplifier 168 changes as a result.n171nIn some cases, the peak power of the pulsed light output from the sensor changes. Fiber amplifier 168n171nAlthough it is possible to suppress this change in peak power by properly designing the optical fiber, other performance such as the optical output efficiency of the optical fiber amplifier may be degraded.
[0119]
Therefore, in the present embodiment, the dependency of the fiber amplifier output on the input pulse peak intensity is measured in advance, and the optical amplifier 161 (each channel) corresponding to the peak intensity of the pulsed light input to the optical amplifier 161 based on the measurement. A third output intensity map that is a map of the output intensity (a conversion table of the intensity of the output pulse light of the optical amplifier 161 corresponding to the peak intensity of the output light of the EOM) is created, and the third output intensity map is stored in the memory 51. This third output intensity map may be an intensity map of ultraviolet light that is the output of the wavelength converter.
[0120]
In the light amount control device 16C, when performing the light amount control by the third function, the light amount control is performed based on the set light amount given from the main control device 50 and the third output intensity map. ing.
[0121]
In addition to the EOM 160C, an EOM for transmittance control is provided at the output stage of the DFB semiconductor laser 160A, and the transmittance of the EOM is changed by changing the voltage applied to the EOM. It is also possible to change the energy emitted from the optical amplification unit and the wavelength conversion unit.
[0122]
As is clear from the above description, the second and third functions of the light amount control device 16C can more finely control the light amount of the output light of the light source device 16 than the first function. On the other hand, the first function can set a wider dynamic range than the second and third functions.
[0123]
Therefore, in the present embodiment, in the later-described exposure, the exposure amount is roughly adjusted by the first function of the light amount control device 16C, and the exposure amount is finely adjusted by using the second and third functions. It has become. This will be described later.
[0124]
In addition to this, the light amount control device 16C also controls the start and stop of pulse output based on an instruction from the main control device 50.
[0125]
The polarization adjusting device 16D includes an optical fiber amplifier 171.nThe optical fiber amplifier 171 is controlled by controlling the polarization characteristic of the optical component in the previous stage.nThe light emitted from the light is circularly polarized. Optical fiber amplifier 171nIf the doped fiber has a substantially cylindrically symmetric structure and is relatively short, the optical fiber amplifier 171nThe optical fiber amplifier 171 can also be obtained by circularly polarizing light incident on the optical fiber amplifier 171.nThe light emitted from can be circularly polarized.
[0126]
Here, the optical fiber amplifier 171nThe optical component in the previous stage includes a relay optical fiber (not shown) for optically coupling the elements of the optical amplification unit 161 described above. As a method for controlling the polarization characteristics of such a relay optical fiber, for example, there is a method of applying anisotropic mechanical stress to the relay optical fiber, and this method is also adopted in this embodiment.
[0127]
In general, a relay optical fiber has a cylindrically symmetric refractive index profile, but when an anisotropic mechanical stress is applied, an anisotropic stress is generated in the relay optical fiber, and this stress causes anisotropy. A refractive index profile. By controlling the generation amount of such an anisotropic refractive index distribution, the polarization characteristics of the relay optical fiber can be controlled.
[0128]
Further, the amount of change in the refractive index distribution due to the stress of the relay optical fiber and the polarization characteristics of other optical components generally depend on temperature. For this reason, the polarization adjusting device 16D performs temperature control that makes the ambient temperature of the relay optical fiber or the like constant, so that the circular polarization once performed can be maintained.
[0129]
In addition, without performing the above temperature control, the polarization state of light is monitored at any position downstream of the relay optical fiber, and based on the monitoring result, the polarization characteristic of the relay optical fiber, that is, the refractive index distribution May be controlled.
[0130]
Returning to FIG. 1, the illumination optical system 12 includes a beam shaping optical system 18, a fly-eye lens system 22 as an optical integrator (homogenizer), an illumination system aperture stop plate 24, a beam splitter 26, a first relay lens 28A, a second A relay lens 28B, a fixed reticle blind 30A, a movable reticle blind 30B, a mirror M for bending an optical path, a condenser lens 32, and the like are provided.
[0131]
The beam shaping optical system 18 changes the cross-sectional shape of LB (hereinafter referred to as “laser beam”) LB generated by wavelength conversion of the wavelength conversion unit 163 of the light source device 16 to the rear of the optical path of the laser beam LB. The lens is shaped so as to be efficiently incident on the fly-eye lens system 22 provided in the lens, and is composed of, for example, a cylinder lens or a beam expander (both not shown).
[0132]
The fly-eye lens system 22 is arranged on the optical path of the laser beam LB emitted from the beam shaping optical system 18, and is a surface light source consisting of a large number of light source images to illuminate the reticle R with a uniform illuminance distribution, that is, a secondary light source. Form a light source. In this specification, the laser beam emitted from the secondary light source is also referred to as “exposure light IL”.
[0133]
An illumination system aperture stop plate 24 made of a disk-like member is disposed in the vicinity of the exit surface of the fly-eye lens system 22. The illumination system aperture stop plate 24 includes, for example, an aperture stop composed of a normal circular aperture, an aperture stop composed of a small circular aperture, an aperture stop for reducing the σ value as a coherence factor, and a ring for annular illumination. A band-shaped aperture stop, and a modified aperture stop (only two of these aperture stops are shown in FIG. 1) formed by decentering a plurality of openings for the modified light source method are arranged. . The illumination system aperture stop plate 24 is rotated by a driving device 40 such as a motor controlled by the main control device 50, so that any one of the aperture stops of the exposure light IL corresponds to the reticle pattern. It is selectively set on the optical path.
[0134]
A beam splitter 26 having a small reflectance and a large transmittance is disposed on the optical path of the exposure light IL that has exited from the illumination system aperture stop plate 24. Further, a fixed reticle blind 30A and a movable reticle blind 30B are disposed on the rear optical path. A relay optical system composed of the first relay lens 28A and the second relay lens 28B is disposed.
[0135]
The fixed reticle blind 30A is disposed on a surface slightly defocused from the conjugate surface with respect to the pattern surface of the reticle R, and a rectangular opening that defines the illumination region 42R on the reticle R is formed. In addition, a movable reticle blind 30B having an opening having a variable position and width in the scanning direction is disposed in the vicinity of the fixed reticle blind 30A, and an illumination region 42R is passed through the movable reticle blind 30B at the start and end of scanning exposure. By further limiting the above, exposure of unnecessary portions is prevented.
[0136]
On the optical path of the exposure light IL behind the second relay lens 28B constituting the relay optical system, a folding mirror M that reflects the exposure light IL that has passed through the second relay lens 28B toward the reticle R is disposed. A condenser lens 32 is disposed on the optical path of the exposure light IL behind the mirror M.
[0137]
Further, an integrator sensor 46 and a reflected light monitor 47 are arranged on one optical path bent vertically by the beam splitter 26 in the illumination optical system 12 and the other optical path, respectively. As the integrator sensor 46 and the reflected light monitor 47, an Si-based PIN photodiode having high sensitivity in the far ultraviolet region and the vacuum ultraviolet region and having a high response frequency for detecting the pulse light emission of the light source device 16 is used. ing. A semiconductor light receiving element having a GaN crystal can be used as the integrator sensor 46 and the reflected light monitor 47.
[0138]
In the above configuration, the entrance surface of the fly-eye lens system 22, the arrangement surface of the movable reticle blind 30B, and the pattern surface of the reticle R are optically conjugate with each other and formed on the exit surface side of the fly-eye lens system 22. The light source plane and the Fourier transform plane (exit pupil plane) of the projection optical system PL are optically conjugate with each other to form a Kohler illumination system.
[0139]
The operation of the illumination system 12 configured in this manner will be briefly described. The laser beam LB pulsed from the light source device 16 enters the beam shaping optical system 18, where the rear fly-eye lens system 22 is here. After the cross-sectional shape is shaped so as to efficiently enter the light, the light enters the fly-eye lens system 22. Thereby, a secondary light source is formed on the exit-side focal plane of the fly-eye lens system 22 (the pupil plane of the illumination optical system 12). The exposure light IL emitted from the secondary light source passes through one of the aperture stops on the illumination system aperture stop plate 24 and then reaches the beam splitter 26 having a high transmittance and a low reflectivity. The exposure light IL transmitted through the beam splitter 26 passes through the first relay lens 28A, passes through the rectangular opening of the fixed reticle blind 30A and the movable reticle blind 30B, passes through the second relay lens 28B, and is reflected by the mirror M. After the optical path is bent vertically downward, the rectangular illumination area 42R on the reticle R held on the reticle stage RST is illuminated with a uniform illumination distribution through the condenser lens 32.
[0140]
On the other hand, the exposure light IL reflected by the beam splitter 26 is received by the integrator sensor 46 via the condenser lens 44, and the photoelectric conversion signal of the integrator sensor 46 passes through a peak hold circuit and an A / D converter (not shown). To the main controller 50 as an output DS (digit / pulse). A correlation coefficient between the output DS of the integrator sensor 46 and the illuminance (exposure amount) of the exposure light IL on the surface of the wafer W is stored in a memory 51 as a storage device provided in the main controller 50. ing.
[0141]
Also, the reflected light beam that illuminates the illumination area 42R on the reticle R and is reflected by the pattern surface (the lower surface in FIG. 1) of the reticle passes through the condenser lens 32 and the relay optical system in the opposite direction to the front, and the beam splitter 26 And is received by the reflected light monitor 47 via the condenser lens 48. When the Z tilt stage 58 is below the projection optical system PL, the exposure light IL transmitted through the pattern surface of the reticle is the surface of the projection optical system PL and the wafer W (or the surface of a reference mark plate FM described later). The reflected light flux sequentially passes through the projection optical system PL, reticle R, condenser lens 32, and relay optical system in the reverse direction to the front, is reflected by the beam splitter 26, and is reflected by the condenser lens 48. Light is received by the monitor 47. Each optical element disposed between the beam splitter 26 and the wafer W has an antireflection film formed on the surface thereof, but the exposure light IL is slightly reflected on the surface, and the reflected light is also reflected light. Light is received by the monitor 47. The photoelectric conversion signal of the reflected light monitor 47 is supplied to the main controller 50 via a peak hold circuit and an A / D converter (not shown). In the present embodiment, the reflected light monitor 47 is mainly used for measuring the reflectance of the wafer W or the like. Note that the reflected light monitor 47 may be used for the prior measurement of the transmittance of the reticle R.
[0142]
As the fly-eye lens system 22, for example, JP-A-1-235289 (corresponding US Pat. No. 5,307,207), JP-A-7-142354 (corresponding US Pat. No. 5,534,970), etc. The disclosed double fly-eye lens system may be adopted to constitute a Kohler illumination system.
[0143]
A diffractive optical element may be used together with the fly-eye lens system 22. When such a diffractive optical element is used, the light source device 16 and the illumination optical system 12 may be connected via the diffractive optical element. That is, a diffractive optical element in which a diffractive element is formed corresponding to each fiber of the fiber bundle 173 is provided in the beam shaping optical system 18, and the laser beam output from each fiber is diffracted to enter the fly-eye lens system 22. You may make it overlap on a surface. In this example, the output end of the fiber bundle 173 may be arranged on the pupil plane of the illumination optical system. In this case, however, the intensity distribution (that is, the secondary light source) on the pupil plane is obtained by the first function (thinning). The shape and size of the image may change, and the shape and size optimal for the reticle pattern may differ. Therefore, it is desirable to superimpose the laser beam from each fiber on the pupil plane of the illumination optical system or the entrance plane of the optical integrator using the diffractive optical element described above.
[0144]
In any case, in the present embodiment, even if the distribution of the portion outputting the light of the fiber bundle 173 is changed by the first function of the light quantity control device 16C described above, the pattern surface (object surface) of the reticle R is changed. ) And the uniformity of the illuminance distribution can be sufficiently ensured on both the upper surface and the surface (image surface) of the wafer W.
[0145]
The reticle R is placed on the reticle stage RST and is sucked and held via a vacuum chuck (not shown). Reticle stage RST can be finely driven in a horizontal plane (XY plane) and is scanned within a predetermined stroke range in a scanning direction (here, the Y direction which is the horizontal direction in FIG. 1) by reticle stage driving unit 49. It has become so. The position and rotation amount of the reticle stage RST during the scanning are measured by an external laser interferometer 54R through a movable mirror 52R fixed on the reticle stage RST, and the measured value of the laser interferometer 54R is measured by the main controller. 50 is supplied.
[0146]
Note that the material used for the reticle R needs to be properly used depending on the wavelength of the exposure light IL. That is, when using exposure light with a wavelength of 193 nm, synthetic quartz can be used, but when using exposure light with a wavelength of 157 nm, it is necessary to form with fluorite, synthetic quartz doped with fluorine, or quartz. is there.
[0147]
The projection optical system PL is a double-sided telecentric reduction system, for example, and is composed of a plurality of lens elements 70a, 70b,... Having a common Z-axis direction optical axis. Further, as the projection optical system PL, one having a projection magnification β of, for example, 1/4, 1/5, 1/6, or the like is used. Therefore, as described above, when the illumination region 42R on the reticle R is illuminated by the exposure light IL, an image obtained by reducing the pattern formed on the reticle R by the projection optical system PL at the projection magnification β is the surface. The resist (photosensitive agent) is applied to the slit-shaped exposure region 42W on the wafer W and transferred.
[0148]
In the present embodiment, among the lens elements described above, a plurality of lens elements can be moved independently. For example, the uppermost lens element 70a closest to the reticle stage RST is held by a ring-shaped support member 72. The support member 72 can be expanded and contracted, for example, piezoelectric elements 74a, 74b, 74c (back of the page). The side drive element 74c is supported at three points by a not-shown) and is connected to the lens barrel 76. The drive elements 74a, 74b, and 74c can move the three peripheral points of the lens element 70a independently in the direction of the optical axis AX of the projection optical system PL. That is, the lens element 70a can be translated along the optical axis AX according to the displacement amount of the drive elements 74a, 74b, and 74c, and can be arbitrarily tilted with respect to a plane perpendicular to the optical axis AX. . The voltages applied to the drive elements 74a, 74b, and 74c are controlled by the imaging characteristic correction controller 78 based on a command from the main controller 50, whereby the displacement amounts of the drive elements 74a, 74b, and 74c are changed. To be controlled. In FIG. 1, the optical axis AX of the projection optical system PL refers to the optical axis of the lens element 70 b and other lens elements (not shown) fixed to the lens barrel portion 76.
[0149]
Further, in the present embodiment, the relationship between the vertical amount of the lens element 70a and the change amount of the magnification (or distortion) is obtained in advance by experiments, and this is stored in the memory inside the main controller 50, and at the time of correction The vertical amount of the lens element 70a is calculated from the magnification (or distortion) corrected by the main controller 50, and an instruction is given to the imaging characteristic correction controller 78 to drive the drive elements 74a, 74b, and 74c, thereby driving the magnification (or distortion). ) Correction is to be performed. The relationship between the vertical amount of the lens element 70a and the amount of change such as magnification may be an optically calculated value. In this case, an experiment for obtaining the relationship between the vertical amount of the lens element 70a and the amount of change in magnification. This process can be omitted.
[0150]
As described above, the lens element 70a closest to the reticle R can be moved, but this element 70a is selected so that the influence on the magnification and distortion characteristics is greatly controlled compared to other lens elements. Any lens element may be used to adjust the lens interval in place of the lens element 70a as long as the same conditions are satisfied.
[0151]
It should be noted that other optical characteristics such as curvature of field, astigmatism, coma, or spherical aberration can be adjusted by moving at least one lens element other than the lens element 70a. In addition, by providing a sealed chamber between specific lens elements near the center in the optical axis direction of the projection optical system PL, and adjusting the pressure of the gas in the sealed chamber by a pressure adjusting mechanism such as a bellows pump, An imaging characteristic correction mechanism that adjusts the magnification of the projection optical system PL may be provided. Alternatively, for example, an aspherical lens is used as a part of the lens elements constituting the projection optical system PL, and this is rotated. May be. In this case, so-called rhombus distortion can be corrected. Alternatively, the imaging characteristic correction mechanism may be configured by providing a plane-parallel plate in the projection optical system PL and tilting or rotating the plate.
[0152]
When laser light having a wavelength of 193 nm is used as the exposure light IL, synthetic quartz, fluorite, or the like can be used as each lens element (and the plane parallel plate) constituting the projection optical system PL. When 157 nm laser light is used, fluorite is used for all materials such as lenses used in the projection optical system PL.
[0153]
The XY stage 14 is two-dimensionally driven by the wafer stage driving unit 56 in the Y direction which is the scanning direction and in the X direction perpendicular to the Y direction (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1). A wafer W is held on the Z tilt stage 58 mounted on the XY stage 14 by vacuum suction or the like via a wafer holder 61 (not shown). The Z tilt stage 58 adjusts the position (focus position) of the wafer W in the Z direction with, for example, three actuators (such as a piezo element or a voice coil motor), and the wafer W with respect to the XY plane (image plane of the projection optical system PL). It has a function of adjusting the inclination angle. The position of the XY stage 14 is measured by an external laser interferometer 54W via a movable mirror 52W fixed on the Z tilt stage 58, and the measured value of the laser interferometer 54W is supplied to the main controller 50. It has become so.
[0154]
Here, the moving mirror actually includes an X moving mirror having a reflecting surface perpendicular to the X axis and a Y moving mirror having a reflecting surface perpendicular to the Y axis. X-axis position measurement, Y-axis position measurement, and rotation (including yawing amount, pitching amount, and rolling amount) measurement are provided. In FIG. 1, these are representatively movable mirrors. 52W, shown as laser interferometer 54W.
[0155]
On the Z tilt stage 58, there is a light receiving surface in the vicinity of the wafer W and the same height as the exposure surface of the wafer W, and irradiation for detecting the amount of exposure light IL that has passed through the projection optical system PL. A quantity monitor 59 is provided. The irradiation amount monitor 59 has a rectangular housing in plan view extending in the X direction that is slightly larger than the exposure area 42W, and a slit-like opening having substantially the same shape as the exposure area 42W is formed at the center of the housing. This opening is actually formed by removing a part of the light shielding film formed on the upper surface of the light receiving glass made of synthetic quartz or the like that forms the ceiling surface of the housing. An optical sensor having a light receiving element such as an Si-based PIN photodiode is disposed directly below the opening via a lens.
[0156]
The irradiation amount monitor 59 is used for measuring the intensity of the exposure light IL irradiated to the exposure region 42W. A light amount signal corresponding to the amount of light received by the light receiving element constituting the irradiation amount monitor 59 is supplied to the main controller 50.
[0157]
The optical sensor is not necessarily provided inside the Z tilt stage 58. The optical sensor is arranged outside the Z tilt stage 58, and the illumination light beam relayed by the relay optical system is transmitted via an optical fiber or the like. Of course, it may be guided to the optical sensor.
[0158]
On the Z tilt stage 58, a reference mark plate FM used when performing reticle alignment and the like, which will be described later, is provided. The surface of the reference mark plate FM is almost the same as the surface of the wafer W. On the surface of the reference mark plate FM, reference marks such as a reticle alignment reference mark and a baseline measurement reference mark are formed.
[0159]
Although not shown in FIG. 1 from the viewpoint of avoiding complications in the drawing, the exposure apparatus 10 actually includes a reticle alignment system for performing reticle alignment.
[0160]
When aligning the reticle R, first, the main controller 50 drives the reticle stage RST and the XY stage 14 via the reticle stage drive unit 49 and the wafer stage drive unit 56, so that a reference mark is placed in the rectangular exposure region 42W. A reticle alignment reference mark on the plate FM is set, and the relative position between the reticle R and the Z tilt stage 58 is set so that the reticle mark image on the reticle R substantially overlaps the reference mark. In this state, both marks are imaged by the main controller 50 using the reticle alignment system, and the main controller 50 processes the imaging signal and X and Y directions of the projected image of the reticle mark with respect to the corresponding reference mark. Is calculated.
[0161]
Further, based on the contrast information included in the detection signal (image signal) of the projection image of the reference mark obtained as a result of the alignment of the reticle, the focus offset and the leveling offset (the focal position of the projection optical system PL, the image plane inclination, etc.) ) Is also possible.
[0162]
In the present embodiment, during the above reticle alignment, the main controller 50 also measures a baseline amount of a wafer-side off-axis alignment sensor (not shown) provided on the side surface of the projection optical system PL. That is, on the reference mark plate FM, a baseline measurement reference mark is formed with a predetermined positional relationship with respect to the reticle alignment reference mark, and the amount of positional deviation of the reticle mark is measured via the reticle alignment system. In this case, by measuring the amount of displacement of the reference mark for baseline measurement with respect to the detection center of the alignment sensor via the alignment sensor on the wafer side, the baseline amount of the alignment sensor, that is, the reticle projection position and the alignment sensor, The relative positional relationship is measured.
[0163]
Furthermore, as shown in FIG. 1, the exposure apparatus 10 of the present embodiment has a light source that is controlled to be turned on and off by the main controller 50, and has a large number of pins toward the image plane of the projection optical system PL. An irradiation optical system 60a that irradiates an image forming light beam for forming an image of a hole or a slit from an oblique direction with respect to the optical axis AX, and a light receiving optical device that receives a reflected light beam of the image forming light beam on the surface of the wafer W. An oblique incident light type multipoint focal position detection system (focus sensor) comprising a system 60b is provided. The main controller 50 controls the inclination of the reflected light beam of a parallel plate (not shown) in the light receiving optical system 60b with respect to the optical axis, thereby offsetting the focus detection system (60a, 60b) according to the focus variation of the projection optical system PL. To perform the calibration. As a result, the image plane of the projection optical system PL and the surface of the wafer W are matched within the range (width) of the focal depth within the exposure area 42W. The detailed configuration of a multipoint focal position detection system (focus sensor) similar to that of the present embodiment is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-283403.
[0164]
At the time of scanning exposure or the like, the main controller 50 sets the Z position of the Z tilt stage 58 so that the focus shift becomes zero based on a defocus signal (defocus signal) from the light receiving optical system 60b, for example, an S curve signal. By performing control through a drive system (not shown), autofocus (automatic focusing) and auto leveling are executed.
[0165]
The reason why the parallel plate is provided in the light receiving optical system 60b to give an offset to the focus detection system (60a, 60b) is that, for example, the focus also changes by moving the lens element 70a up and down for magnification correction. In addition, since the projection optical system PL absorbs the exposure light IL, the imaging characteristics change and the position of the imaging plane fluctuates. In such a case, an offset is given to the focus detection system to focus the focus detection system. This is because the position needs to match the position of the imaging plane of the projection optical system PL. For this reason, in the present embodiment, the relationship between the vertical amount of the lens element 70a and the focus change amount is also obtained in advance by experiment and stored in the memory inside the main controller 50. A calculated value may be used for the relationship between the vertical amount of the lens element 70a and the focus change amount. Further, auto leveling may not be performed in the scanning direction, but only in the non-scanning direction orthogonal to the scanning direction.
[0166]
The main controller 50 includes a so-called microcomputer (or workstation) comprising a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), etc. In addition to the various controls described above, for example, synchronous scanning of the reticle R and the wafer W, stepping of the wafer W, exposure timing, and the like are controlled so that the exposure operation is performed accurately. Further, in the present embodiment, the main controller 50 controls the exposure amount at the time of scanning exposure as described later, calculates the fluctuation amount of the imaging characteristics of the projection optical system PL by calculation, and calculates the calculation. Based on the result, the overall characteristics of the apparatus are controlled in addition to adjusting the imaging characteristics of the projection optical system PL via the imaging characteristics correction controller 78.
[0167]
Specifically, the main controller 50 determines the speed V of the reticle R in the + Y direction (or −Y direction) via the reticle stage RST, for example, during scanning exposure.RIn synchronism with scanning at = V, the wafer W moves through the XY stage 14 at a velocity V in the −Y direction (or + Y direction) with respect to the exposure region 42W.W= Β · V (where β is the projection magnification from the reticle R to the wafer W), based on the measurement values of the laser interferometers 54R and 54W, through the reticle stage drive unit 49 and the wafer stage drive unit 56, respectively. The positions and speeds of reticle stage RST and XY stage 14 are respectively controlled. Further, at the time of stepping, the main controller 50 controls the position of the XY stage 14 via the wafer stage drive unit 56 based on the measurement value of the laser interferometer 54W.
[0168]
Next, an exposure sequence when a reticle pattern is exposed on a predetermined number (N) of wafers W in the exposure apparatus 10 of the present embodiment will be described focusing on the control operation of the main controller 50.
[0169]
First, main controller 50 loads reticle R to be exposed onto reticle stage RST using a reticle loader (not shown).
[0170]
Next, as described above, reticle alignment is performed using a reticle alignment system, and baseline measurement is performed.
[0171]
Next, main controller 50 instructs a wafer transfer system (not shown) to replace wafer W. As a result, wafer exchange (not shown) is performed by a wafer transfer system and a wafer delivery mechanism (not shown) on the XY stage 14, and then so-called search alignment and fine alignment (such as EGA) are performed. A series of alignment steps are performed. Since the wafer exchange and wafer alignment are performed in the same manner as a known exposure apparatus, detailed description thereof is omitted here.
[0172]
Next, based on the alignment result and the shot map data, the operation of moving the wafer W to the scanning start position for exposure of each shot area on the wafer W and the above-described scanning exposure operation are repeatedly performed, A reticle pattern is transferred to a plurality of shot areas on the wafer W by a step-and-scan method. During this scanning exposure, the main controller 50 gives a command to the light quantity controller 16C while monitoring the output of the integrator sensor 46 in order to give the target integrated exposure amount determined in accordance with the exposure condition and resist sensitivity to the wafer W. give. Thereby, in the light quantity control device 16C, the exposure amount is roughly adjusted by the first function described above, and the laser beam (ultraviolet pulse light) from the light source device 16 is obtained by the second function and the third function described above. The frequency and peak power are controlled to finely adjust the exposure amount.
[0173]
The main control device 50 controls the illumination system aperture stop plate 24 via the drive device 40, and further controls the opening / closing operation of the movable reticle blind 30B in synchronization with the operation information of the stage system.
[0174]
When the exposure of the first wafer W is completed, main controller 50 instructs the wafer transfer system (not shown) to replace wafer W. As a result, wafer exchange is performed by a wafer transfer system and a wafer delivery mechanism (not shown) on the XY stage 14, and thereafter, the search alignment and fine alignment are performed on the wafer after the exchange in the same manner as described above. In this case, the irradiation fluctuation of the imaging characteristics (including the fluctuation of the focus) of the projection optical system PL from the start of exposure of the first wafer W by the main controller 50 is caused by the integrator sensor 46 and the reflected light monitor 47. A command value that is obtained based on the measured value and corrects this irradiation variation is given to the imaging characteristic correction controller 78 and an offset is given to the light receiving optical system 60b. Further, main controller 50 obtains the atmospheric pressure fluctuation amount of the imaging characteristic of projection optical system PL based on the measurement value of atmospheric pressure sensor 77, and gives a command value for correcting this irradiation fluctuation to the imaging characteristic. An offset is given to the light receiving optical system 60b as well as to the correction controller 78.
[0175]
Similarly to the above, the reticle pattern is transferred to the plurality of shot areas on the wafer W by the step-and-scan method.
[0176]
In this case, the rough adjustment of the exposure amount (light quantity) described above may be performed with test light emission before the actual exposure and reliably controlled with an accuracy of 1% or less with respect to the exposure amount setting value.
[0177]
The dynamic range of the rough adjustment of the exposure amount in the present embodiment can be set within a range of 1 to 1/128, but the dynamic range normally required is typically about 1 to 1/7. The number of channels (number of optical fibers) whose light output should be turned on may be controlled between 128 and 18. As described above, in the present embodiment, the exposure amount control by individually turning on / off the light output of each channel can accurately perform the rough adjustment of the exposure amount in accordance with the difference in the resist sensitivity for each wafer.
[0178]
Further, the light amount control by the second and third functions by the light amount control device 16C described above has a feature that the control speed is high and the control accuracy is high. Therefore, the following control request is required for the current exposure apparatus. Can be reliably satisfied.
[0179]
Therefore, in order to control the exposure amount, it is sufficient for the light amount control device 16C to perform at least one of the light amount control by the second and third functions.
[0180]
Also in the exposure apparatus 10 of the present embodiment, it is of course possible to control the exposure amount by combining either the light amount control by the second or third function of the light amount control device 16C and the scan speed. .
[0181]
The exposure condition of the wafer W is changed according to the reticle pattern to be transferred onto the wafer W. For example, the intensity distribution of illumination light on the pupil plane of the illumination optical system (that is, the shape and size of the secondary light source) ) Or an optical filter that shields a circular area centered on the optical axis on substantially the pupil plane of the projection optical system PL. The illuminance on the wafer W changes due to the change in the exposure condition, and this also occurs due to the change in the reticle pattern. This is due to the difference in the occupied area of the light shielding part (or transmission part) of the pattern. Therefore, it is desirable to control at least one of the above-described frequency and peak power so that an appropriate exposure amount is given to the wafer (resist) when the illuminance changes by changing the exposure conditions and / or the reticle pattern. . At this time, the scanning speed of the reticle and the wafer may be adjusted in addition to at least one of the frequency and the peak power.
[0182]
As described above, according to the light source device according to the present embodiment, the polarization adjusting device 16D includes the optical fiber amplifier 171.nThe polarization state of the light beams emitted from each is aligned with circularly polarized light, and all of these light beams are converted into linearly polarized light in the same direction by one quarter wavelength plate 162 and emitted. Therefore, by appropriately setting the optical axis direction of the ¼ wavelength plate, the wavelength conversion unit 163 at the subsequent stage can efficiently generate the wavelength-converted light. Further, since the polarization direction conversion device has a very simple configuration of one quarter wavelength plate 162, the light source device 16 as a whole can be reduced in size.
[0183]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nSince the plurality of light beams emitted from the light are linearly polarized in the same direction, the light emitted from the quarter-wave plate 162 is converted into a plurality of linearly polarized light beams having high intensity and the same polarization direction. Obtainable. As a result, it is possible to increase the amount of emitted light as the light source device 16.
[0184]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nSince each of the plurality of light beams incident on the pulse light train is a pulse light train, the light amount of the emitted light as the light source device 16 can be accurately controlled by adjusting the repetition period and the pulse height of the light pulse in each pulse light train. it can.
[0185]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nEach of the plurality of light beams incident on the optical fiber amplifier 171nBefore entering the optical fiber amplifier 167nThe multi-stage optical fiber amplifier 167.n171nAs a result of the multistage light amplification effect of the light source device 16, the amount of emitted light as the light source device 16 can be increased.
[0186]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nSince the polarization adjustment is performed by applying anisotropic stress to the relay optical fiber, which is an optical component arranged on the upstream side, to control the polarization characteristics, the optical fiber amplifier 171nEven if the doped fiber is not suitable for polarization adjustment due to application of stress or the like, the polarization of a plurality of light beams incident on the quarter-wave plate 162 without adversely affecting the performance and function of the light source device 16. The state can be aligned with circularly polarized light.
[0187]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nSince the doped fibers are bundled almost in parallel, the occupied space can be reduced and the light receiving area of the quarter-wave plate can be reduced, so that the light source device 16 can be downsized.
[0188]
Further, according to the light source device 16 according to the present embodiment, the optical fiber amplifier 171 is used.nIs emitted in the infrared region (wavelength = 1547 nm), and the light emitted from the wavelength converter 163 is converted into ultraviolet light (wavelength = 193.4 nm), so that a fine pattern can be transferred. Suitable ultraviolet light can be generated efficiently.
[0189]
Since the exposure apparatus 10 according to the present embodiment uses the light source device 16 that efficiently generates ultraviolet light suitable for transferring a fine pattern, the pattern can be efficiently transferred to the wafer W. .
[0190]
In the above embodiment, the polarization adjusting device 16D is the optical fiber amplifier 171.nIs adjusted to circularly polarized light, but if the polarization adjustment is limited to elliptic polarization similar to each other, instead of the quarter wave plate 162, a half wave plate that rotates the polarization plane, By using a combination of the half-wave plate and a quarter-wave plate optically connected in series, an optical fiber amplifier 171 is used.nCan be converted into linearly polarized light having the same polarization direction. Here, in the serial connection of the half-wave plate and the quarter-wave plate, either may be arranged on the upstream side.
[0191]
In the above embodiment, the light incident on the quarter-wave plate 162 is the optical fiber amplifier 171.nHowever, a plurality of light beams emitted from a plurality of optical waveguide optical fibers may be incident on the quarter-wave plate 162.
[0192]
In the above-described embodiment, the case where the optical amplifying unit 161 has 128 channels of optical paths has been described. However, the number of optical paths may be arbitrary, and a product to which the light source device according to the present invention is applied, for example, an exposure apparatus. The number should be determined according to the required specifications (illuminance on the wafer) and optical performance, that is, the transmittance of the illumination optical system and projection optical system, the conversion efficiency of the wavelength converter, and the output of each optical path. That's fine. Even in such a case, the above-described control of the light amount and the exposure amount by the frequency control of the pulsed light output from the light modulation device and the peak power control can be suitably applied.
[0193]
Furthermore, in the above embodiment, the wavelength of the ultraviolet light is set to be almost the same as that of the ArF excimer laser, but the setting wavelength may be arbitrary, and the oscillation wavelength of the laser light source 160A or What is necessary is just to determine the structure of the wavelength conversion part 163, the magnification of a harmonic, etc. FIG. As an example, the set wavelength may be determined according to the design rules (line width, pitch, etc.) of the pattern to be transferred onto the wafer. Further, in the determination, the above-described exposure conditions and reticle types are used. (Whether it is a phase shift type) or the like may be considered.
[0194]
In the above embodiment, in order to control the oscillation wavelength of the laser light source 160A, the laser light is monitored by the beam monitor mechanism 164 immediately after the laser light source 160A. However, the present invention is not limited to this. For example, in FIG. As indicated by a dotted line, the light beam may be branched in the wavelength conversion unit 163 (or behind the wavelength conversion unit 163) and monitored by a beam monitor mechanism 183 similar to the beam monitor mechanism 164. Then, based on the monitor result by the beam monitor mechanism 183, it is detected whether or not wavelength conversion is performed accurately, and the main controller 50 feedback-controls the laser controller 16B based on the detection result. May be. Of course, the oscillation wavelength control of the laser light source 160A may be performed using the monitoring results of both beam monitoring mechanisms.
[0195]
In the above embodiment, the fly-eye lens system 22 is used as an optical integrator (homogenizer), but a rod integrator may be used instead. In an illumination optical system using a rod integrator, the rod integrator is arranged so that its exit surface is almost conjugate with the pattern surface of the reticle R. A blind 30A and a movable reticle blind 30B may be arranged.
[0196]
Although not particularly described in the above embodiment, in the case of an apparatus that performs exposure with an exposure wavelength of 193 nm or less as in the present embodiment, clean air that has passed through a chemical filter or a part that passes through a chemical filter is used in the light beam passage portion. , Dry air, N2A treatment such as filling or flowing a gas or an inert gas such as helium, argon, or krypton, or evacuating the light beam passage portion is required.
[0197]
The exposure apparatus of the above embodiment is manufactured by assembling various subsystems including the respective constituent elements recited in the claims of the present application so as to maintain predetermined mechanical accuracy, electrical accuracy, and optical accuracy. Is done. In order to ensure these various accuracies, before and after assembly, various optical systems are adjusted to achieve optical accuracy, various mechanical systems are adjusted to achieve mechanical accuracy, and various electrical systems are Adjustments are made to achieve electrical accuracy. The assembly process from the various subsystems to the exposure apparatus includes mechanical connection, electrical circuit wiring connection, pneumatic circuit piping connection and the like between the various subsystems. Needless to say, there is an assembly process for each subsystem before the assembly process from the various subsystems to the exposure apparatus. When the assembly process of the various subsystems to the exposure apparatus is completed, comprehensive adjustment is performed to ensure various accuracies as the entire exposure apparatus. The exposure apparatus is preferably manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
[0198]
In the above embodiment, the case where the light source device according to the present invention is applied to a step-and-scan type scanning exposure apparatus has been described. However, an apparatus other than the exposure apparatus, for example, a circuit formed on a wafer The light source device according to the present invention can also be applied to a laser repair device used to cut a part of a pattern (such as a fuse). The light source device according to the present invention can also be applied to an inspection device using visible light or infrared light. In this case, it is not necessary to incorporate the wavelength conversion unit described above into the light source device. That is, the present invention is effective not only for an ultraviolet laser device but also for a laser device that generates a fundamental wave in the visible region or the infrared region and has no wavelength conversion unit. The present invention is not limited to the step-and-scan type scanning exposure apparatus, but can be suitably applied to a stationary exposure type, for example, a step-and-repeat type exposure apparatus (stepper or the like). Furthermore, the present invention can be applied to a step-and-stitch type exposure apparatus, a mirror projection aligner, and the like.
[0199]
Note that the projection optical system and the illumination optical system shown in the above embodiment are merely examples, and the present invention is of course not limited thereto. For example, the projection optical system is not limited to a refractive optical system, and a reflective system composed only of reflective optical elements, or a catadioptric system having a reflective optical element and a refractive optical element (catadioptric system) may be employed. In an exposure apparatus that uses vacuum ultraviolet light (VUV light) having a wavelength of about 200 nm or less, a catadioptric system may be used as the projection optical system. Examples of the catadioptric projection optical system include a catadioptric system having a beam splitter and a concave mirror as a reflective optical element, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-171054 and 10-20195, and the like. A catadioptric system having a concave mirror or the like can be used without using a beam splitter as a reflective optical element, as disclosed in Kaihei 8-334695 and JP-A-10-3039.
[0200]
In addition, a plurality of refractive optical elements and two mirrors (a main mirror that is a concave mirror, a refractive element, or a plane-parallel plate) disclosed in US Pat. No. 5,488,229 and JP-A-10-104513 A secondary mirror, which is a back mirror having a reflecting surface formed on the opposite side of the incident surface, and an intermediate image of the reticle pattern formed by the plurality of refractive optical elements, A catadioptric system that re-images the wafer by a mirror may be used. In this catadioptric system, a primary mirror and a secondary mirror are arranged after a plurality of refractive optical elements, and illumination light is reflected in the order of the secondary mirror and primary mirror through a part of the primary mirror. It reaches the wafer through the part.
[0201]
Of course, it is used not only for the exposure apparatus used for the manufacture of semiconductor elements, but also for the manufacture of displays including liquid crystal display elements, etc., used for the manufacture of exposure apparatuses for transferring device patterns onto glass plates, and the production of thin film magnetic heads. The present invention can also be applied to an exposure apparatus that transfers a device pattern onto a ceramic wafer and an exposure apparatus that is used for manufacturing an image pickup device (CCD or the like).
[0202]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the light source device of the present invention, after the polarization adjusting device aligns the polarization states of the plurality of light beams emitted from the plurality of optical fibers, the polarization direction changing device is configured to include the plurality of optical fibers. Are converted into a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization direction, a plurality of light beams having the same polarization direction can be obtained with a simple configuration.
[0203]
Further, according to the exposure apparatus of the present invention, the light source apparatus of the present invention that efficiently generates ultraviolet light suitable for transfer of a fine pattern is used as an exposure beam generating apparatus. Can be transferred to the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the light source device of FIG. 1 together with a main controller.
3 is a diagram schematically showing a configuration of an optical amplifying unit in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a view showing a cross section of a bundle-fiber formed by bundling output ends of a final-stage fiber amplifier constituting an optical amplifier.
5 is a diagram schematically showing a fiber amplifier and its peripheral part constituting the optical amplifying part of FIG. 2 together with a part of a wavelength converting part. FIG.
6 is a diagram illustrating a configuration of a wavelength conversion unit in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Exposure apparatus, 16 ... Light source apparatus, 16D ... Polarization adjustment apparatus, 162 ... 1/4 wavelength plate (polarization direction conversion apparatus), 163 ... Wavelength conversion part (wavelength conversion apparatus), W ... Wafer (substrate).

Claims (12)

複数の光ファイバと;
前記複数の光ファイバを介した同一波長の複数の光束の偏光状態を揃える偏光調整装置と;
前記複数の光ファイバを介した全ての光束を同一の偏光方向を有する複数の直線偏光光束に変換する偏光方向変換装置と;
前記複数の光ファイバからの光出力を個別にオン・オフ制御することで、前記複数の光ファイバから出射する光量を制御する光量制御装置と;を備える光源装置であって、
前記複数の光ファイバそれぞれは、前記複数の光ファイバに入射する複数の光束それぞれを増幅対象光とする光ファイバ増幅器を構成する、前記増幅対象光が導波される光ファイバであることを特徴とする光源装置。
With a plurality of optical fibers;
A polarization adjusting device for aligning the polarization states of a plurality of light beams having the same wavelength via the plurality of optical fibers;
A polarization direction conversion device that converts all light beams through the plurality of optical fibers into a plurality of linearly polarized light beams having the same polarization direction ;
A light amount control device that controls the amount of light emitted from the plurality of optical fibers by individually turning on and off the light output from the plurality of optical fibers, and a light source device comprising:
Each of the plurality of optical fibers is an optical fiber in which the amplification target light is guided, which constitutes an optical fiber amplifier that uses a plurality of light beams incident on the plurality of optical fibers as amplification target light. Light source device.
前記偏光調整装置は、前記各光ファイバを介した複数の光束それぞれの偏光状態をほぼ円偏光とし、
前記偏光方向変換装置は1/4波長板を有することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
The polarization adjusting device is configured so that the polarization state of each of the plurality of light beams through the optical fibers is substantially circularly polarized,
The light source device according to claim 1, wherein the polarization direction conversion device includes a ¼ wavelength plate.
前記光ファイバはほぼ円筒対称の構造を有し、
前記偏光調整装置は、前記各光ファイバに入射する複数の光束それぞれの偏光状態をほぼ円偏光とすることを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
The optical fiber has a substantially cylindrically symmetric structure;
The light source device according to claim 2, wherein the polarization adjusting device substantially circularly polarizes a polarization state of each of the plurality of light beams incident on the optical fibers.
前記偏光調整装置は前記各光ファイバを介した複数の光束それぞれの偏光状態をほぼ同一の楕円偏光とし、
前記偏光方向変換装置は、偏波面を回転する1/2波長板と、前記1/2波長板と光学的に直列接続された1/4波長板とを有することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
The polarization adjusting device has substantially the same elliptical polarization as the polarization state of each of the plurality of light beams through the optical fibers,
2. The polarization direction conversion device according to claim 1, comprising: a half-wave plate that rotates a plane of polarization; and a quarter-wave plate that is optically connected in series with the half-wave plate. The light source device described.
前記複数の光ファイバに入射する前記複数の光束それぞれは、パルス光列であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置。Wherein the plurality of each of the plurality of light beams incident on the optical fiber to a light source device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a pulsed light train. 前記複数の光ファイバに入射する前記複数の光束それぞれは、前記複数の光ファイバへ入射する前に、1段以上の光ファイバ増幅器によって増幅された光束であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置。Wherein the plurality of each of the plurality of light beams incident to the optical fiber, before being incident to the plurality of optical fibers, according to claim 1 to 5, characterized in that the light beam is amplified by one or more stages of the optical fiber amplifier The light source device according to any one of the above. 前記偏光調整装置は、前記複数の光ファイバよりも上流側に配置された光学部品の光特性を制御して偏光調整を行うことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置。The polarization adjustment device according to any one of claims 1 to 6, wherein the performing control to the polarization adjusting the optical properties of the arranged optical components upstream of the plurality of optical fibers Light source device. 前記複数の光ファイバは、ほぼ並行に束ねられていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置。It said plurality of optical fibers, a light source device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that are bundled substantially parallel. 前記偏光方向変換装置から射出された光束を、少なくとも1つの非線形光学結晶を介させることにより、波長変換を行う波長変換装置を更に備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置。Wherein the light flux emitted from the polarization direction converter, by passing through at least one of the nonlinear optical crystal, to any one of claims 1-8, characterized by further comprising a wavelength converter for performing a wavelength conversion The light source device described. 前記複数の光ファイバから射出される光は赤外域及び可視域のいずれかの波長を有し、前記波長変換装置から射出される光は紫外域の波長を有することを特徴とする請求項に記載の光源装置。The light emitted from the plurality of optical fibers having any wavelength in the infrared region and the visible region, the light emitted from the wavelength conversion device in claim 9, characterized in that it has a wavelength in the ultraviolet range The light source device described. 前記複数の光ファイバから射出される光は1547nm付近の波長を有し、前記波長変換装置から射出される光は193.4nm付近の波長を有することを特徴とする請求項10に記載の光源装置。The light source device according to claim 10 , wherein light emitted from the plurality of optical fibers has a wavelength near 1547 nm, and light emitted from the wavelength conversion device has a wavelength near 193.4 nm. . 露光用ビームを基板に照射することにより、所定のパターンを基板に転写する露光装置において、
前記露光用ビームの発生装置として請求項10又は11に記載の光源装置を備えることを特徴とする露光装置。
In an exposure apparatus for transferring a predetermined pattern to a substrate by irradiating the substrate with an exposure beam,
An exposure apparatus comprising the light source device according to claim 10 or 11 as the exposure beam generator.
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