(57)【要約】【課題】スペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光を得る。【解決手段】固体レーザ装置１６から射出された所定波長のパルスレーザ光ＬＢの波長幅が、調整器１７によって実質的に狭められる。この結果、そのパルスレーザ光の波長幅は、スペクトル狭帯域化といった点から、満足しなければならない波長幅に近づく。そして、そのパルスレーザ光がシード光としてガスレーザチャンバ１８に入射され、増幅される。この結果、要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光が、ガスレーザチャンバ１８から射出される。【選択図】図１
2008124318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、
前記所定波長のパルスレーザ光を射出する固体レーザ光源と；
該固体レーザ光源から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭める調整器と；
前記調整器で波長幅が狭められた前記パルスレーザ光がシード光として入射され、該シード光を増幅するガスレーザチャンバと；を備えるレーザ装置。
【請求項２】
前記固体レーザ光源は、パルスレーザ光を増幅するファイバ増幅器を含む増幅部と、前記パルスレーザ光を前記所定波長のパルスレーザ光に波長変換する波長変換部との少なくとも一方を含む請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記調整器は、前記固体レーザ光源から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭めるエタロン及び回折格子の少なくとも一方を含む請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記調整器は、前記パルスレーザ光のスペクトル強度分布の積分値に基づいて定まるスペクトル幅を調整する請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記調整器は、前記パルスレーザ光の９５パーセントエネルギ純度幅を調整する請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記ガスレーザチャンバは複数設けられ、その複数のガスレーザチャンバは、前記シード光を増幅したレーザ光を異なるタイミングで発振する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記複数のガスレーザチャンバは並列に設けられ、かつ前記シード光が異なるタイミングで入射する請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記ガスレーザチャンバに対してその１回の放電中に複数の前記シード光が異なるタイミングで入射する請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記固体レーザ光源は複数設けられ、前記複数のシード光はそれぞれ前記複数の固体レーザ光源から射出される請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、
前記所定波長のパルスレーザ光を射出するレーザ光源と；
前記レーザ光源から射出される複数のパルスレーザ光がシード光として１回の放電中に異なるタイミングで入射し、その複数のシード光をそれぞれ増幅するガスレーザチャンバと；を備えるレーザ装置。
【請求項１１】
前記レーザ光源は複数設けられ、前記複数のシード光はそれぞれ前記複数のレーザ光源から射出される請求項１０に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記複数のレーザ光源はそれぞれ固体レーザ光源である請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記所定波長のレーザ光は、波長２００ｎｍ以下のエキシマレーザ光である請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、
前記所定波長のパルスレーザ光を射出する固体レーザを含む光源部と；
該光源部から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭める調整器と；を備えるレーザ装置。
【請求項１５】
対象物に光を照射する光照射装置であって、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ装置と；
前記レーザ装置から前記対象物に向けて射出されるパルスレーザ光が経由する光学系と；を備える光照射装置。
【請求項１６】
前記対象物は、パターンを有する物体である請求項１５に記載の光照射装置。
【請求項１７】
物体を露光して前記物体にパターンを形成する露光装置であって、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ装置と；
前記レーザ装置から前記物体に向けて射出されるパルスレーザ光が経由する光学系と；を備える露光装置。
【請求項１８】
所定波長のレーザ光を生成する光生成方法であって、
固体レーザ光源からパルスレーザ光を射出する第１工程と；
前記パルスレーザ光の波長幅を調整器を用いて実質的に狭める第２工程と；
前記波長幅が狭められた前記パルスレーザ光をガスレーザチャンバにシード光として入射させ、そのシード光を前記ガスレーザチャンバで増幅する第３工程と；を含む光生成方法。
【請求項１９】
前記第１工程は、前記固体レーザ光源内部で発生したパルスレーザ光をファイバ増幅器を用いて増幅する工程と、前記パルスレーザ光を前記所定波長のパルスレーザ光に波長変換する工程との少なくとも一方を含む請求項１８に記載の光生成方法。
【請求項２０】
前記第２工程では、エタロン及び回折格子の少なくとも一方を含む調整器を用いて前記固体レーザ光源から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭める請求項１８又は１９に記載の光生成方法。
【請求項２１】
前記第２工程では、前記パルスレーザ光のスペクトル強度分布の積分値に基づいて定まるスペクトル幅を調整する請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の光生成方法。
【請求項２２】
前記第２工程では、前記パルスレーザ光の９５パーセントエネルギ幅が調整される請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の光生成方法。
【請求項２３】
前記第３工程では、複数の前記ガスレーザチャンバが、前記シード光を増幅したレーザ光を異なるタイミングで発振する請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の光生成方法。
【請求項２４】
前記複数のガスレーザチャンバは並列に設けられ、かつ前記シード光が異なるタイミングで入射する請求項２３に記載の光生成方法。
【請求項２５】
前記第３工程では、前記ガスレーザチャンバに対してその１回の放電中に複数の前記シード光が異なるタイミングで入射する請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の光生成方法。
【請求項２６】
前記固体レーザ光源は複数設けられ、前記複数のシード光はそれぞれ前記複数の固体レーザ光源から射出される請求項２５に記載の光生成方法。
【請求項２７】
所定波長のレーザ光を生成する光生成方法であって、
レーザ光源から射出される前記所定波長の複数のパルスレーザ光を、シード光として１回の放電中に異なるタイミングでガスレーザチャンバに入射させてそれぞれ増幅する光生成方法。
【請求項２８】
前記レーザ光源は複数設けられ、前記複数のシード光はそれぞれ前記複数のレーザ光源から射出される請求項２７に記載の光生成方法。
【請求項２９】
前記所定波長のレーザ光は、波長２００ｎｍ以下のエキシマレーザ光である請求項１８〜２８のいずれか一項に記載の光生成方法。
【請求項３０】
対象物に光を照射する光照射方法であって、
請求項１８〜２９のいずれか一項に記載の光生成方法によりパルスレーザ光を生成する工程と；
前記パルスレーザ光を光学系を介して前記対象物に向けて射出する工程と；を含む光照射方法。
【請求項３１】
前記対象物は、パターンを有する物体である請求項３０に記載の光照射方法。
【請求項３２】
物体を露光して前記物体にパターンを形成する露光方法であって、
請求項１８〜２９のいずれか一項に記載の光生成方法によりパルスレーザ光を生成する工程と；
前記パルスレーザ光を光学系を介して前記物体に向けて射出する工程と；を含む露光方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の露光方法により物体上にパターンを形成するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置、光照射装置及び露光装置、並びに光生成方法、光照射方法、露光方法及びデバイス製造方法に係り、さらに詳しくは、所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置、該レーザ装置を備える光照射装置及び露光装置、並びに所定波長のレーザ光を生成する光生成方法、該方法を用いる光照射方法及び露光方法、及び該露光方法を用いるデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の微細構造の検査、物体の微細加工、また、視力矯正の治療等に光照射装置が使用されている。例えば、半導体素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクルに形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板上に転写するために、光照射装置の一種である露光装置が用いられている。また、視力矯正のために、角膜表面のアブレーション（ＰＲＫ：Photorefractive Keratectomy）あるいは角膜内部のアブレーション（ＬＡＳＩＫ：Laser Intrastromal keratomileusis）を行って近視や乱視等の治療をするために、光照射装置の一種であるレーザ治療装置が用いられている。
【０００３】
かかる光照射装置のために、短波長の光を発生する光源について多くの開発がなされてきた。こうした短波長光源の一つとして、例えば主発振器（Master Oscillator (ＭＯ)）及び光出力増幅器（Power Oscillator (ＰＯ)又はPower Amplifier (ＰＡ)）を有するエキシマレーザ、いわゆる主発振器光出力増幅器（ＭＯＰＯ又はＭＯＰＡ）レーザシステムが最近提案されている(特許文献１、２等参照)。
【０００４】
これらの特許文献に開示されるレーザシステムは、主発振器及び光出力増幅器がそれぞれガスレーザチャンバを有する２室レーザシステムである。この主発振器光出力増幅器レーザシステムは主発振器であるＡｒＦエキシマレーザで発生した波長１９３ｎｍのレーザ光がシード光として光出力増幅器であるレーザチャンバで増幅される。
【０００５】
しかるに、主発振器として、ＡｒＦエキシマレーザなどを用いる場合、現状では繰り返し周波数をあまり高くできないので、例えば露光装置の光源などに用いる場合、要求されるドーズ量を確保しようとすると、出力されるレーザパルス光のピークパワーを相当高く設定しなければならない。しかしながら、深紫外域のパルス光のピークパワーを必要以上に高く設定すると、露光装置内部の光学系などが損傷を受けるので、出力されるレーザパルス光のピークパワーを要求されるレベルまで高くすることは現実的であるとは言えない。
【０００６】
かかる点に鑑みて、発明者等は、主発振器として、エキシマレーザに比べて高い繰り返し周波数でのレーザ発振が可能な固体レーザ装置を用いる、主発振器光出力増幅器レーザシステムについて研究している。この種の主発振器光出力増幅器レーザシステムを特に露光装置の露光光源として用いる場合などにおいて、光出力増幅器であるレーザチャンバに対して、固体レーザ装置で発生した例えば波長１９３ｎｍのレーザ光をシード光として供給する場合、そのシード光は、スペクトル、パルスエネルギ、パルスの時間的な幅、ビーム形状などのレーザ特性に関して、幾つかの特別な条件を満足することが要求される。これらのうち、特にスペクトルに着目すると、主として光学系の色収差などの問題からスペクトル幅が十分に狭いことが要求される。
【０００７】
しかるに、この種の固体レーザ装置は、長波長のレーザ光（基本光）を用いて複数段の波長変換を行い短波長のレーザ光を発生する構成、あるいは基本光をファイバ光増幅器で増幅する構成などが多い。前者の場合、波長変換により発生したレーザ光は、必然的に波長幅が広くなる。また、後者の場合、レーザ光のスペクトル強度分布波形の山の裾野の部分に相当する強度が大きくなり、結果的に例えば露光装置において、ウエハ上に形成されるパターンの線幅などの制御に用いられる波長幅が広くなる。
【０００８】
【特許文献１】特表２００５−５２４９９８号公報
【特許文献２】特開２００６−５０５９６０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した事情の下でなされたもので、第１の観点からすると、所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、前記所定波長のパルスレーザ光を射出する固体レーザ光源と；該固体レーザ光源から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭める調整器と；前記調整器で波長幅が狭められた前記パルスレーザ光がシード光として入射され、該シード光を増幅するガスレーザチャンバと；を備える第１のレーザ装置である。
【００１０】
これによれば、固体レーザ光源から射出された所定波長のパルスレーザ光の波長幅が、調整器によって実質的に狭められる。この結果、そのパルスレーザ光の波長幅は、スペクトル狭帯域化といった点から、満足しなければならない波長幅に近づく。そして、そのパルスレーザ光がシード光としてガスレーザチャンバに入射され、増幅される。この結果、要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光が、ガスレーザチャンバから射出されることとなる。
【００１１】
本発明は、第２の観点からすると、所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、前記所定波長のパルスレーザ光を射出するレーザ光源と；前記レーザ光源から射出される複数のパルスレーザ光がシード光として１回の放電中に異なるタイミングで入射し、その複数のシード光をそれぞれ増幅するガスレーザチャンバと；を備える第２のレーザ装置である。
【００１２】
これによれば、レーザ光源から射出される複数のパルスレーザ光が、シード光としてガスレーザチャンバに１回の放電中に異なるタイミングで入射し、その複数のシード光がガスレーザチャンバによってそれぞれ増幅される。これにより、ガスレーザチャンバから射出されるレーザ光の繰り返し周波数を高くすることができ、実質的にレーザ光源のピークパワーを増加したことと同じ効果を得ることができる。
【００１３】
本発明は、第３の観点からすると、所定波長のレーザ光を射出するレーザ装置であって、前記所定波長のパルスレーザ光を射出する固体レーザを含む光源部と；該光源部から射出される前記パルスレーザ光の波長幅を実質的に狭める調整器と；を備える第３のレーザ装置である。
【００１４】
これによれば、固体レーザ光源から射出された所定波長のパルスレーザ光の波長幅が、調整器によって実質的に狭められる。従って、使用目的に応じて波長幅が狭められた所定波長のパルスレーザ光を得ることが可能となる。また、この第２のレーザ装置を、例えば主発振器光出力増幅器レーザシステムの主発振器として用いる場合、光出力増幅器の仕様、特性に整合させるように第２のレーザ装置からシード光として供給されるパルスレーザ光の波長幅を調整することが可能になる。
【００１５】
本発明は、第４の観点からすると、対象物に光を照射する光照射装置であって、本発明の第１ないし第３のレーザ装置のいずれかと；そのいずれかのレーザ装置から前記対象物に向けて射出されるパルスレーザ光が経由する光学系と；を備える光照射装置である。
【００１６】
これによれば、本発明の第１ないし第３のレーザ装置のいずれかを備えているため、使用目的に応じて波長幅が実質的に狭められた（これに応じてパルスの時間的な幅が拡張された）パルスレーザ光、すなわちビーム品質に優れたパルスレーザ光を安定して対象物体に照射することが可能となる。
【００１７】
本発明は、第５の観点からすると、物体を露光して前記物体にパターンを形成する露光装置であって、本発明の第１ないし第３のレーザ装置のいずれかと；そのいずれかのレーザ装置から前記物体に向けて射出されるパルスレーザ光が経由する光学系と；を備える露光装置である。
【００１８】
これによれば、本発明の第１ないし第３のレーザ装置のいずれかを備えているため、使用目的に応じて波長幅が狭められた（これに応じてパルスの時間的な幅が拡張された）パルスレーザ光、すなわちビーム品質に優れたパルスレーザ光を安定して物体に照射して物体を露光することが可能となり、これにより物体上に精度良くパターンを形成することが可能になる。
【００１９】
本発明は、第６の観点からすると、所定波長のレーザ光を生成する光生成方法であって、固体レーザ光源からパルスレーザ光を射出する第1工程と；前記パルスレーザ光の波長幅を調整器を用いて実質的に狭める第２工程と；前記波長幅が狭められた前記パルスレーザ光をガスレーザチャンバにシード光として入射させ、そのシード光を前記ガスレーザチャンバで増幅する第３工程と；を含む第１の光生成方法である。
【００２０】
これによれば、固体レーザ光源からパルスレーザ光が射出され、該パルスレーザ光の波長幅が、調整器によって実質的に狭められる。この結果、そのパルスレーザ光の波長幅は、スペクトル狭帯域化といった点から、満足しなければならないパルスの波長幅に近づく。そして、そのパルスレーザ光がシード光としてガスレーザチャンバに入射され、増幅される。この結果、要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光が、ガスレーザチャンバから射出されることとなる。
【００２１】
本発明は、第７の観点からすると、所定波長のレーザ光を生成する光生成方法であって、レーザ光源から射出される前記所定波長の複数のパルスレーザ光を、シード光として１回の放電中に異なるタイミングでガスレーザチャンバに入射させてそれぞれ増幅する第２の光生成方法である。
【００２２】
これによれば、レーザ光源から射出される所定波長の複数のパルスレーザ光が、シード光として１回の放電中に異なるタイミングでガスレーザチャンバに入射され、それぞれ増幅される。これにより、ガスレーザチャンバから射出されるレーザ光の繰り返し周波数を高くすることができ、実質的にレーザ光源のピークパワーを増加したことと同じ効果を得ることができる。
【００２３】
本発明は、第８の観点からすると、対象物に光を照射する光照射方法であって、本発明の第１、第２の光生成方法のいずれかによりパルスレーザ光を生成する工程と；前記パルスレーザ光を光学系を介して前記対象物に向けて射出する工程と；を含む光照射方法である。
【００２４】
これによれば、本発明の第１、第２の光生成方法のいずれかにより生成された要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光が、光学系を経由して対象物に安定して照射される。
【００２５】
本発明は第９の観点からすると、物体を露光して前記物体にパターンを形成する露光方法であって、本発明の第１、第２の光生成方法のいずれかによりパルスレーザ光を生成する工程と；前記パルスレーザ光を光学系を介して前記物体に向けて射出する工程と；を含む露光方法である。
【００２６】
これによれば、本発明の第１、第２の光生成方法のいずれかにより生成された要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ所定波長のパルスレーザ光が、光学系を経由して対象物に安定して照射され、物体上にパターンが安定して形成される。
【００２７】
リソグラフィ工程において、本発明の露光方法を用いて物体上にパターンを形成することで、物体上にパターンを安定して形成され、デバイスの生産性を向上させることができる。従って、本発明は、さらに別の観点からすると、本発明の露光方法を用いるデバイス製造方法であるとも言える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図４（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、本発明のレーザ光生成方法及び光照射方が適用される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（いわゆるスキャナ）である。
【００２９】
露光装置１０は、エキシマレーザ装置２０、照明光学系ユニット１２、照明光学系ユニット１２からの露光用照明光（以下、適宜「照明光」又は「露光光」という）ＩＬにより照明されるレチクル（マスク）Ｒを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲを介した露光光ＩＬをウエハ（物体）Ｗ上に投射する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する主制御装置５０等を備えている。
【００３０】
前記エキシマレーザ装置２０は、一例として波長１９３．４ｎｍの紫外パルス光を射出する装置である。このエキシマレーザ装置２０は、波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光を射出する主発振器（Master Oscillator (ＭＯ)）としての固体レーザ装置１６、調整モジュール１９、光出力増幅器（Power Oscillator (ＰＯ)又はPower Amplifier (ＰＡ)）１８、ビーム反転モジュール２３、ビーム射出モジュール２１、及びこれら各部を相互に接続するビーム路形成用の複数の配管、並びに調整モジュール１９とビーム射出モジュール２１とを接続するビーム路形成用の配管の内部に配置された調整器１７等を備える、主発振器光出力増幅器（ＭＯＰＯ又はＭＯＰＡ）レーザシステムである。
【００３１】
固体レーザ装置１６は、図２に示されるように、クロック発生器１６１、３個のパルス発生器（１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃ）、３個のレーザ光源（１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃ）、２個のディレイ装置（１６２ａ、１６２ｂ）、３個の光増幅器（１６５ａ、１６５ｂ、１６５ｃ）、及び６個の波長変換素子（１６７ａ、１６７ｂ、１６７ｃ、１６７ｄ、１６７ｅ、１６７ｆ）等を備えている。
【００３２】
クロック発生器１６１は、主制御装置５０によって制御され、クロック信号を生成する。このクロック発生器１６１で生成されたクロック信号は、パルス発生器１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃのそれぞれに供給される。
【００３３】
パルス発生器１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃは、クロック信号に基づいてパルス信号をそれぞれ生成する。
【００３４】
レーザ光源１６４ａは、出力波長が１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲、一例として１５４７ｎｍの単一波長発振レーザ（例えばＤＦＢ半導体レーザ）を含み、パルス発生器１６３ａからのパルス信号に応じて、Ｐ偏光の波長１５４７ｎｍのパルスレーザ光を発生する。
【００３５】
レーザ光源１６４ｂは、レーザ光源１６４ａと同じ単一波長発振レーザを含み、パルス発生器１６３ｂからのパルス信号に応じて、Ｐ偏光の波長１５４７ｎｍパルスレーザ光を発生する。このＰ偏光のパルスレーザ光が第１ディレイ装置１６２ａにより所定時間だけ遅延される。第１ディレイ装置１６２ａの役割等については、さらに後述する。
【００３６】
レーザ光源１６４ｃは、レーザ光源１６４ａと同じ単一波長発振レーザを含み、パルス発生器１６３ｃからのパルス信号に応じて、Ｓ偏光の波長１５４７ｎｍのパルスレーザ光を発生する。このＳ偏光のパルスレーザ光が第２ディレイ装置１６２ｂにより所定時間だけ遅延される。第２ディレイ装置１６２ｂの役割等については、さらに後述する。
【００３７】
本実施形態では、主制御装置５０が、レーザ光源１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃにおけるパルスレーザ光の発光パワーを個別に検出（モニタ）し、その検出結果に応じて各単一波長発振レーザの駆動信号を個別に制御する。
【００３８】
光増幅器１６５ａは、レーザ光源１６４ａからのＰ偏光の波長１５４７ｎｍ（周波数ω）のレーザ光を増幅する。本実施形態では、波長１５４７ｎｍ（周波数ω）のレーザ光が波長変換部での波長変換の基本となるので、以下では、基本波と呼ぶものとする。
【００３９】
光増幅器１６５ａとしては、ここではモード径が大きいエルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（以下、「ＥＤＦＡ」と略述する）が用いられている。このため、光増幅器１６５ａから射出され後述する波長変換素子１６７ａに入射するＰ偏光の基本波のピークパワーを高くすることができる。
【００４０】
光増幅器１６５ａで増幅されたＰ偏光の基本波は、集光レンズ１６６ａを介して波長変換素子（非線形光学結晶）１６７ａに入射する。この波長変換素子１６７ａを基本波が通る際に、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１５４７ｎｍの１／２の７７３．５ｎｍ）のＰ偏光の２倍波が発生する。
【００４１】
波長変換素子１６７ａとして、一例としてＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）結晶から成る非線形光学素子（非線形光学結晶）が用いられている。
【００４２】
波長変換素子１６７ａで波長変換されずに透過したＰ偏光の基本波と、波長変換で発生したＰ偏光の２倍波とは、集光レンズ１６６ｂを介して、波長変換素子１６７ｂに入射する。波長変換素子１６７ｂとして、ＬＢＯ結晶から成る非線形光学素子が用いられている。この波長変換素子１６７ｂは、波長変換素子１６７ａで発生した２倍波と、波長変換されずにその波長変換素子１６７ａを透過した基本波との和周波混合を行って周波数３ω（波長は１５４７ｎｍの１／３の５１５．７ｎｍ）のＳ偏光の３倍波を発生する。なお、上述の波長変換素子１６７ａとしては、ＰＰＬＮ結晶に限らず、ＰＰＫＴＰ（Periodically PoledＫＴｉＯＰＯ4）結晶、ＰＰＳＬＴ（Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate）結晶、ＬｉＢ３Ｏ５結晶（ＬＢＯ結晶）等を用いることもできる。
【００４３】
波長変換素子１６７ｂからのＰ偏光の基本波及び２倍波と、Ｓ偏光の３倍波とは、波長板１７０を通る際に、２倍波だけがＳ偏光に変換される。この波長板として、例えば結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。一方の波長の光（２倍波）に対しては、偏光を回転させ、他方の波長の光（３倍波）に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対しては、波長の１／２の整数倍で、かつ他方の波長の光に対しては、波長の整数倍になるようにカットする。
【００４４】
そして、共にＳ偏光となった２倍波と３倍波が、集光レンズ１６６ｃを介して波長変換素子１６７ｃに入射する。
【００４５】
この波長変換素子１６７ｃとしては、例えばＬＢＯ結晶から成る非線形光学素子が用いられている。この波長変換素子１６７ｃでは、２倍波と３倍波と共に、２倍波と３倍波との和周波混合により周波数５ω（波長は１５４７ｎｍの１／５の３０９．４ｎｍ）のＰ偏光の５倍波を発生する。なお、Ｐ偏光の基本波はそのまま波長変換素子１６７ｃを透過する。
【００４６】
波長変換素子１６７ｃから発生する５倍波は、ウォークオフのため、断面が楕円形の形状をしており、そのままでは集光性が悪くて、次の波長変換には使用できない。このため、本実施形態では、波長変換素子１６７ｃの直後にシリンドリカルレンズ１６９ａ及びシリンドリカルレンズ１６９ｂが配置されており、波長変換素子１６７ｃからのレーザ光は、シリンドリカルレンズ１６９ａ、１６９ｂによってその断面形状が円形になるようにビーム成形された後、ダイクロイックミラー１６８ｂに入射する。なお、波長変換素子１６７ｃとしては、β−ＢａＢ２Ｏ４結晶（ＢＢＯ結晶）、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０結晶（ＣＬＢＯ結晶）を用いることもできる。
【００４７】
前記光増幅器１６５ｂとしては、例えばモード径が大きいＥＤＦＡが用いられている。この光増幅器１６５ｂによって、レーザ光源１６４ｂで発生し第１ディレイ装置１６２ａにより所定時間だけ遅延されたＰ偏光の基本波が増幅される。この増幅されたＰ偏光の基本波は、集光レンズ１６６ｄを介して波長変換素子１６７ｄに入射する。このため、波長変換素子１６７ｄに入射するＰ偏光の基本波のピークパワーを高くすることができる。
【００４８】
上記の基本波が波長変換素子１６７ｄ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１５４７ｎｍの１／２の７７３．５ｎｍ）のＰ偏光の２倍波が発生する。
【００４９】
波長変換素子１６７ｄとして、一例としてＰＰＬＮ結晶から成る非線形光学素子が用いられている。
【００５０】
波長変換素子１６７ｄで波長変換されずに透過したＰ偏光の基本波と、波長変換で発生したＰ偏光の２倍波とは、集光レンズ１６６ｅを介してダイクロイックミラー１６８ａに入射する。なお、波長変換素子１６７ｄとしては、ＰＰＬＮ結晶に代えてＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を使用しても良い。この波長変換素子１６７ｄとしては、可能な限り基本波から２倍波への変換が多くされる波長変換素子（２倍波形成光学素子）を選択することが好ましく、基本波から２倍波へ変換効率は６０％以上であることが好ましい。
【００５１】
さらに、前記光増幅器１６５ｃとしては、例えばモード径が大きいＥＤＦＡが用いられている。この光増幅器１６５ｃによって、レーザ光源１６４ｃで発生し第２ディレイ装置１６２ｂにより所定時間だけ遅延されたＳ偏光の基本波が増幅される。
【００５２】
光増幅器１６５ｃで増幅されたＳ偏光の基本波は、集光レンズ１６６ｆを介してダイクロイックミラー１６８ａに入射し、ダイクロイックミラー１６８ａにより前述のＰ偏光の２倍波と同軸に合成される。図２の例では、ダイクロイックミラー１６８ａは、基本波を透過し、２倍波を反射するものとなっている。合成されたＳ偏光の基本波とＰ偏光の２倍波とが、ダイクロイックミラー１６８ｂによって、シリンドリカルレンズ１６９ａ，１６９ｂによってビーム成形されたＰ偏光の５倍波と同軸に合成され、波長変換素子１６７ｅに入射する。この場合、ダイクロイックミラー１６８ｂは、基本波と２倍波を透過し、５倍波を反射するものとなっている。この光の合成には、バルク型光学素子を用いることが可能であり、例えば、色分解・合成ミラー（ダイクロイックミラー）、反射型又は透過型回折光学素子を用いることが可能である。
【００５３】
波長変換素子１６７ｅとしては、一例としてＣｓＬｉＢ６Ｏ１０結晶（ＣＬＢＯ結晶）から成る非線形光学素子が用いられている。波長変換素子１６７ｅは、ダイクロイックミラー１６８ｂを介したレーザ光に含まれる、Ｐ偏光の２倍波とＰ偏光の５倍波との和周波混合を行い、周波数７ω（波長は１５４７ｎｍの１／７の２２１ｎｍ）のＳ偏光の７倍波を発生する。
【００５４】
この場合、波長変換素子１６７ｅには、高いビーム品質のレーザ光が入射するとともに、波長変換素子１６７ｅは、非線形係数ｄｅｆｆが比較的大きく、ウォークオフ角が小さくなる角度で使用されている。また、前述したように、本実施形態では、各光増幅器としてモード径が大きいファイバ光増幅器が用いられ、高いピークパワーのレーザ光を各基本波として使用できるので、各波長変換素子の結晶長を短くできる、及び／又は入射ビーム径が大きくなることを許容できる。このような理由により、波長変換素子１６７ｅでは、高い変換効率での波長変換が可能であるとともに、該波長変換によって発生したレーザ光は、ガウスビームからの歪が小さいレーザ光である。すなわち、波長変換素子１６７ｅからのＳ偏光の７倍波は、ビーム品質が優れている。従って、波長変換素子１６７ｅからの波長２２１ｎｍ（深紫外域）のレーザ光は何ら補正することなく、次段以降の波長変換素子（本実施形態では波長変換素子１６７ｆ）での波長変換に用いることができる。このため、本実施形態では、波長変換素子１６７ｅと波長変換素子１６７ｆとの間には、光学素子が何も設けられていない。波長変換素子１６７ｅからのレーザ光の光路上に、シリンドリカルレンズなどは勿論、波長が２００ｎｍ帯（一例として２２１ｎｍ）の深紫外光と、波長が１．５μｍ帯（一例として波長１５４７ｎｍ）の赤外光とを合波するためのダイクロイックミラーなども介在させることなく、波長変換素子１６７ｆを配置することができる。
【００５５】
なお、波長変換素子１６７ｅと波長変換素子１６７ｆとの間のレーザ光の光路上に、例えば合成石英又は蛍石などから成るガラス板などが配置されていても良い。また、波長変換素子１６７ｄ及び波長変換素子１６７ｅの少なくとも一方が、いわゆるセル化され、保護ガラスで覆われていても良い。
【００５６】
波長変換素子１６７ｅで発生したＳ偏光の７倍波は、波長変換素子１６７ｅを通過したファイバ光増幅器１６５ｃからのＳ偏光の基本波とともに、直後に配置された波長変換素子１６７ｆに入射する。この波長変換素子１６７ｆとしては、一例としてＣＬＢＯ結晶から成る非線形光学素子が用いられている。波長変換素子１６７ｆは、波長変換素子１６７ｅで発生した７倍波と基本波との和周波混合により、周波数８ω（波長は、１５４７ｎｍの１／８の１９３．４ｎｍ）のＰ偏光の８倍波を発生する。
【００５７】
この場合、波長変換素子１６７ｆには、高いビーム品質のレーザ光が入射するとともに、波長変換素子１６７ｆとして、ウォークオフ角が非常に小さくなる角度でＣＬＢＯ結晶が使用されているため、波長変換素子１６７ｆからの波長１９３．４ｎｍのレーザ光は、ビーム品質が極めて優れている。そして、この波長１９３．４ｎｍ（正確には、中心波長が１９３．４ｎｍ）のパルスレーザ光ＬＢが、図１に示されるように固体レーザ装置１６から後述する調整モジュールに向かって射出される。
【００５８】
上述の説明から明らかなように、固体レーザ装置１６では、光増幅器１６５ｂで増幅された基本波から、できるだけピークパワーの高い７倍波発生用２倍波を発生させることにより、５倍波から７倍波への変換効率をあげて、よりピークパワーの高い７倍波を発生させることができる。また、その７倍波に対して、７倍波から８倍波への変換効率をあげるために十分なピークパワーの８倍波発生用基本波として、光増幅器１６５ｃで増幅された基本波を供給することにより、よりピークパワーの高い８倍波を発生することができる。
【００５９】
また、上述したように、波長変換素子１６７ｆには、高いビーム品質のレーザ光が入射するとともに、波長変換素子１６７ｆとして、ウォークオフ角が非常に小さい非線形光学素子を使用しているので、８倍波発生用基本波と７倍波発生用２倍波とは、ともに光軸調整などは不要と考えられるが、仮にこのような光軸調整を行う場合には、８倍波発生用基本波と７倍波発生用２倍波とを別々に光軸調整可能であるので、波長変換素子１６７ｅの複屈折によって発生するウォークオフの影響を回避し、理想的な光軸調整が可能である。また、８倍波発生用基本波と７倍波発生用２倍波のビームウエストも最適な位置に調整することができる。これにより、高い変換効率、安定性を達成することができる。
【００６０】
また、固体レーザ装置１６では、７倍波発生用２倍波は光増幅器１６５ｂで増幅された基本波から供給され、８倍波発生用基本波は光増幅器１６５ｃで増幅された基本波から供給される。これにより８倍波発生用基本波、７倍波発生用２倍波、５倍波のビーム径を広げても、十分な変換効率を確保するために必要な８倍波発生用基本波、７倍波発生用２倍波のパワー密度が得られる一方で、７倍波、８倍波の単位面積あたりの平均出力を低下させることができる。従って、変換効率を低下させることなく単位面積あたりの紫外光の平均出力を下げることが可能になり、波長変換素子１６７ｅ、１６７ｆのビーム領域の加熱による位相不整合や損傷の発生などを効果的に抑制しつつ、高出力化を図ることができる。
【００６１】
また、一般に短波長側の光は長波長側の光に比べて波長変換素子の中を通過する速度が遅いので、仮に、８倍波発生用基本波、並びに７倍波発生用２倍波及び５倍波が、同一のタイミングで波長変換素子１６７ｅに入射した場合を考えると、８倍波発生用基本波、７倍波発生用２倍波及び５倍波、並びに発生した７倍波は、波長変換素子１６７ｅの出射端では、順番に少しずつ送れた状態となり、７倍波の位置は基本波より所定距離（例えば１ｍｍ以上）遅れる。その状態で波長変換素子１６７ｅに隣接配置された波長変換素子１６７ｆを通過すると、さらに７倍波の基本波に対する遅れは、波長変換素子１６７ｆの内部を進行するにつれて徐々に拡大し、波長変換素子１６７ｆの射出端付近では双方が重なり合うことはなく、８倍波の発生が著しく低下するという事態が生じる可能性がある。
【００６２】
しかるに、本実施形態では、８倍波発生用基本波として、光増幅器１６５ｃで増幅された基本波が用いられるので、光増幅器１６５ｂで発生させた７倍波発生用２倍波とは個別に制御が可能である。そのため、８倍波発生用基本波が波長変換素子１６７ｅに入射するタイミングを、７倍波発生用２倍波が入射するタイミングより所定時間遅らせることにより、８倍波発生用基本波と７倍波とが波長変換素子１６７ｆを通過する過程で十分に重なり合う状態を作り出すことが可能である。この８倍波発生用基本波が波長変換素子１６７ｆに入射するタイミングの制御は、第２のディレイ装置１６２ｂが光増幅器１６５ｃに入射する基本波に遅延時間を与えることで実現されている。従って、第２のディレイ装置１６２ｂは、光増幅器１６５ｃに入射する基本波に光学的な手法により遅延時間を付与できるものであれば、その構成は問わない。
【００６３】
また、７倍波発生用２倍波が波長変換素子１６７ｅに入射するタイミングを、７倍波発生用５倍波が波長変換素子１６７ｅに入射するタイミングを考慮して、２倍波と５倍波とが波長変換素子１６７ｅを通過する過程で十分に重なり合う状態を作り出すように制御することは、第１のディレイ装置１６２ａが光増幅器１６５ｂに入射する基本波に遅延時間を与えることで実現されている。従って、第１のディレイ装置１６２ａは、光増幅器１６５ｃに入射する基本波に光学的な手法により遅延時間を付与できるものであれば、その構成は問わない。
【００６４】
なお、上述の第１、第２のディレイ装置１６２ａ、１６２ｂに代えて、クロック発生器１６１からパルス発生器１６３ｂ、１６３ｃに対してクロック信号が供給されるタイミングを遅延させるディレイ回路を設けても良い。いずれにしても、各波長変換素子での変換効率が最大になるように、２倍波が波長変換素子１６７ｅに入射するタイミングの制御及び基本波が波長変換素子１６７ｆに入射するタイミングを制御することが好ましい。
【００６５】
なお、図２では光増幅器１６５ａ〜１６５ｃがそれぞれ１段のみ設けられているものとしたが、このうちの少なくとも１つを、複数段設けても良い。換言すれば、光増幅器１６５ａ〜１６５ｃの少なくとも１つにおいて、ファイバ光増幅器を多段構成として、入射するレーザ光を複数回増幅しても良い。さらに、光増幅器１６５ａ〜１６５ｃの少なくとも１つにおいて、入射するレーザ光を複数に分岐し、その複数の分岐光をそれぞれ１段又は多段構成のファイバ光増幅器で増幅しても良い。この場合、その増幅された複数の分岐光を同軸に合成して出力することとしても良い。また、各波長変換光学素子に入射する光の偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）の組み合わせは、上述した組み合わせに限定されない。
【００６６】
図１に戻り、前記調整モジュール１９は、固体レーザ装置１６からのパルスレーザ光ＬＢを下方に反射する内面全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）及びそのパルスレーザ光ＬＢをビーム射出モジュール２１に正確に導くための位置合わせ構成部品（いずれも図示せず）を含む。ＴＩＲプリズムは、一般に高強度紫外線の下で劣化する反射被覆を必要とすることなく、９０パーセントを超える効率でレーザ光を９０°偏向させることができる。
【００６７】
調整モジュール１９からビーム射出モジュール２１に向かうビーム路上に調整器１７が配置されている。調整器１７は、例えば図３に示されるように、レーザ光ＬＢの光路上に所定角度傾けて配置された反射型の回折格子１７ａと、該回折格子１７ａで発生する回折光の光路上に回折格子１７ａにほぼ平行に配置された開口板１７ｂと、開口板１７ｂの開口を通過した回折光の光路上に開口板１７ｂにほぼ平行に配置されたミラー１７ｃとを含む。このようにして構成された調整器１７によると、調整モジュール１９から射出された波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢが回折格子１７ａに入射すると、そのパルスレーザ光ＬＢは、回折格子１７ａで分光され、一部の回折光のみが開口板１７ｂの開口を通過する。これにより、パルスレーザ光ＬＢの波長幅が実質的に狭められる。
【００６８】
固体レーザ装置１６のように、ファイバ光増幅器を用いる装置では、増幅後のパルスレーザ光のスペクトル強度分布波形を見てみると、図４（Ａ）中に実線で示されるように、スペクトル強度分布波形がきれいな山の形ではなく、山の裾野が広がって波長幅が広く、しかもその裾野の部分に異常な突部が現れるような波形となることが比較的多い。このような場合、露光装置で要求されるレーザ光のスペクトル狭帯域化が困難になる。また、レーザ光のスペクトルの強度分布の積分値に基づいて定まるスペクトル幅、一例として９５％エネルギ純度幅（以下、スペクトル幅Ｅ９５％という）を用いて、例えばウエハ上に形成されるパターンの特性、例えばパターンの線幅を制御する場合などに、上記の異常な突部の存在によりスペクトル幅Ｅ９５％の計測結果（算出結果）に誤差が生じてしまう。そこで、本実施形態では、Ｅ９５％の算出結果が、スペクトル強度分布波形がきれいな山形の場合に近い値が得られるように、上記調整器１７によってパルスレーザ光ＬＢの波長幅を実質的に狭めることとしている。なお、スペクトル幅Ｅ９５％とは、スペクトル強度波形と所定のスライスレベルとの２交点の間（波長幅内）の強度分布の積分値がそのスペクトルの強度分布の全積分値に対して９５％になるときの波長幅である。
【００６９】
ここで、波長幅の調整について、さらに説明する。図４（Ａ）中に実線で示されるスペクトル強度分布波形のスペクトル幅Ｅ９５％が、該波形とスライスレベルＳＬ１との両交点間の距離ＷＤ１で示されるものとし、図４（Ａ）中に点線で示されるきれいな山の形のスペクトル強度分布波形のスペクトル幅Ｅ９５％が、該波形とスライスレベルＳＬ２との両交点間の距離ＷＤ２で示されるものとする。この場合に、波長幅（スペクトル幅）がＷＤ１となるように、パルスレーザ光ＬＢの波長幅を調整器１７で狭めると、後述するビームモニタで得られるスペクトル強度分布波形は、図４（Ｂ）のようになり、この図４（Ｂ）のスペクトル強度分布波形のスペクトル幅Ｅ９５％は、ＷＤ３で示される波長幅となる。ＷＤ１とＷＤ２とＷＤ３とを比較すると、ＷＤ３は、ＷＤ１よりＷＤ２に近い値になっていることがわかる。従って、調整器１７によって波長幅を実質的に狭められたパルスレーザ光ＬＢのスペクトル幅Ｅ９５％に基づいて、ウエハ上に形成されるパターンの特性を制御することで、スペクトル強度分布波形の一部に生じる波形変化の影響を受けることのない制御が可能になる。換言すれば、本実施形態では調整器１７によってパルスレーザ光ＬＢのスペクトル幅Ｅ９５％が調整されている。
【００７０】
この場合において、開口板１７ｂを、不図示の駆動系を介して主制御装置５０によって図３中に両向き矢印ａで示されるように、回折格子１７ａに接近・離間する方向に駆動することとしても良い。このようにすると、パルスレーザ光の波長幅を所定範囲内で任意に調整することが可能になる。
【００７１】
いずれにしても、波長幅が実質的に狭められたパルスレーザ光ＬＢは、ミラー１７ｃを介して、ビーム射出モジュール２１の手前に配置されたビームスプリッタＢＳに到る。ビームスプリッタＢＳを透過したパルスレーザ光ＬＢの大部分（例えば９７％程度）は、ビーム射出モジュール２１に至り、ビームスプリッタＢＳで反射されたパルスレーザ光ＬＢがビームモニタ機構ＢＭに入射する。
【００７２】
ビームモニタ機構ＢＭは、一例として、その内部にエネルギモニタとビームモニタ（スペクトルモニタ）とを含む。エネルギモニタは、例えばビームスプリッタＢＳの反射光路上に配置された不図示のハーフミラーの反射光路上に配置されている。このエネルギモニタとしては、高い応答周波数を有するＰＩＮ型フォトダイオードなどの受光素子が用いられる。このエネルギモニタからの光電変換信号（光量信号）は主制御装置５０に出力される。
【００７３】
ビームモニタとしては、例えばビームスプリッタＢＳの透過光路上に順次配置された集光レンズ、コリメータレンズ、エタロン、テレメータレンズ及びラインセンサ等を含むファブリペロー干渉計が用いられている。そのエタロンにレーザビームＬＢが入射すると、部分反射面での回折光（ホイヘンスの原理による二次波）はエタロンのエアーギャップ間で反射と透過を繰り返す。この時、次式（１）を満たす入射角θの方向の光のみがエタロンを透過して強め合い、これにより、テレメータレンズの焦点面に干渉縞（フリンジパターン）が形成され、該フリンジパターンがラインセンサによって検出される。
【００７４】
２・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ＝ｍλ          …（１）
ここで、ｄはエアーギャップであり、ｎはエアーギャップの屈折率、ｍは次数を示す整数である。式（１）より、ｎ、ｄ、ｍが一定とすれば、波長λの違いによって焦点面に形成されるフリンジパターンが異なることがわかる。ラインセンサで検出される光強度の分布は、焦点面におけるラインセンサ長手方向に関して所定間隔で干渉縞に対応する山の形のレーザビームＬＢのスペクトルの強度分布波形が現れる。本実施形態では、このレーザビームＬＢのスペクトルの強度分布波形が、前述の調整器１７によって波長幅が実質的に狭められており、この狭められたスペクトルの強度分布波形が、ビームモニタの出力に基づいて主制御装置５０で検出される。
【００７５】
前記ビーム射出モジュール２１は、ＴＩＲプリズム、及び光出力増幅器１８のレーザ媒質（利得媒質）を通る第１のパスにパルスレーザ光ＬＢを導くための位置合わせ構成部品（いずれも図示せず）を含む。
【００７６】
光出力増幅器１８としては、通常のＡｒＦエキシマレーザ装置と同様に共振器を有するガスレーザチャンバ（Power Oscillator (ＰＯ)）が用いられている。従って、本実施形態のエキシマレーザ装置２０はＭＯＰＯレーザシステム、すなわち固体レーザ装置１６を主発振器（ＭＯ）とし、共振器を備えるエキシマレーザ装置（ＰＯ）を光出力増幅器１８とする、いわゆるインジェクションロッキング（以下、Ｉ／Ｌ：Injection Locking）システムである。なお、この光出力増幅器１８の内部には、レーザ媒質であるエキシマ分子の元となる媒質ガス（Ａｒ、Ｆ2）、及びバッファガスであるＮｅ等が充填されている。
【００７７】
ビーム射出モジュール２１から光出力増幅器１８の内部の第１のパスに導かれたパルスレーザ光ＬＢは、ビーム反転モジュール２３に向かう。ビーム反転モジュール２３は、２反射ビーム反転プリズム（不図示）を含み、これは内面全反射に依存するので光学的被覆は不要である。Ｐ偏光のパルスレーザ光ＬＢがプリズムに出入りする面は、反射損失を最小限に抑えてプリズムをほぼ１００％の効率にするためにブルースター角で配向される。
【００７８】
ビーム反転モジュール２３での反転後、増幅された、通常のＡｒＦエキシマレーザに比べて高い繰り返し周波数（例えば４ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）を有する波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢは、光出力増幅器１８内の利得媒質を通る第２のパスを通って、光出力増幅器１８の出力ビームとしてビーム射出モジュール２１（エキシマレーザ装置２０）から射出される。本実施形態において、光出力増幅器１８を通るパルスレーザ光ＬＢの第２のパスは、光出力増幅器１８の放電室内の細長い電極と一直線になっている。
【００７９】
本実施形態では、この光出力増幅器１８からの出力ビームであるパルスレーザ光ＬＢは、露光装置１０での使用に十分耐えるだけ波長幅（スペクトル幅）が狭帯域化されている。
【００８０】
このように、エキシマレーザ装置２０では、ビーム品質に優れ、波長幅（スペクトル幅）が狭帯域化されたパルスレーザ光ＬＢが光出力増幅器１８に送られるため、光出力増幅器１８では、ＡｒＦエキシマレーザ光を安定して射出することが可能となる。また、固体レーザ装置１６では、レーザ光源として単一波長発振レーザが用いられているので、通常のＡｒＦエキシマレーザに比べて狭帯域化されかつ高い繰り返し周波数でのレーザ光の発振が可能である。これにより、エキシマレーザ装置２０は、ピークパワーを抑えて露光装置等の光学素子へ与えるダメージを抑制でき、しかも全体として高エネルギ（大パワー）で、かつリソグラフィに用いるのに十分な程度に狭帯域化されたレーザ光の発生が可能になる。
【００８１】
このエキシマレーザ装置２０から射出されるパルスレーザ光は、ビームマッチングユニット（不図示）をその一部に有する、内部に密閉ビーム路を形成する送光光学系２２を介して、照明光学系ユニット１２に送られる。
【００８２】
照明光学系ユニット１２は、例えばエキシマレーザ装置２０に送光光学系２２を介して接続された照明光学系、及び該照明光学系が内部に配置される照明系ハウジングを含む。照明光学系は、例えば特開２００１−３１３２５０号公報（対応する米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号公報）などに開示されるように、オプティカルインテグレータ等を含む照度均一化光学系、レチクルブラインド等（いずれも不図示）を含む。ここで、オプティカルインテグレータとしては、フライアイレンズ、内面反射型インテグレータ（ロッドインテグレータ等）あるいは回折光学素子等が用いられる。照明光学系ユニット１２から射出された露光光ＩＬは、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上でＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に細長く伸びるスリット状の照明領域４２Ｒを均一な照度分布で照明する。なお、前述の照明光学系はミラーＭ及びコンデンサレンズ３２も含むものとしても良い。
【００８３】
前記レチクルステージＲＳＴ上には、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系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軸方向とする）に所定ストローク範囲で走査される。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（又はその側面に形成される反射面）を介してレーザ干渉計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。
【００８４】
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、Ｚ軸方向と平行な光軸ＡＸに沿って配列される複数枚のレンズエレメントを含む。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、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で縮小投影され、パターンの縮小像（部分像）が表面にレジスト（感光剤）が塗布されたウエハＷ上の前記照明領域４２Ｒに共役な露光領域４２Ｗに転写される。なお、投影光学系は縮小系のみならず等倍系及び拡大系のいずれでも良いし、屈折系のみならず反射系及び反射屈折系のいずれでも良いし、その投影像は倒立像及び正立像のいずれでも良い。
【００８５】
前記ウエハステージＷＳＴは、例えばリニアモータ等を含むウエハステージ駆動系５６によってＸＹ面内で駆動されるＸＹステージ１４と、該ＸＹステージ１４上に搭載されたＺチルトステージ５８とを含む。Ｚチルトステージ５８上に、ウエハＷが、ウエハホルダ（不図示）を介して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軸方向の位置（フォーカス位置）を調整するとともに、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、Ｚチルトステージ５８のＸＹ面内の位置情報及び回転情報（Ｘ軸回りの回転（θｘ回転）、Ｙ軸回りの回転（θｙ回転）、及びＺ軸回りの回転（θｚ回転））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。なお、ＸＹステージ１４及びＺチルトステージ５８の代わりに、ウエハが載置される単一の６自由度ステージを用いても良い。また、移動鏡５２Ｗの代わりに、Ｚチルトステージ５８の端面を鏡面加工して反射面（移動鏡５２Ｗの反射面に相当）を形成しても良い。
【００８６】
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）を備えており、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、走査露光の際の露光量の制御を行ったりする等の他、装置全体を統括制御する。
【００８７】
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、ウエハステージＷＳＴ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系４９、ウエハステージ駆動系５６をそれぞれ介してレチクルステージＲＳＴ、ウエハステージＷＳＴ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系５６を介してウエハステージＷＳＴの位置を制御する。
【００８８】
露光装置１０では、デバイスの製造に際し、通常のスキャニング・ステッパ（スキャナ）と同様の手順で、レチクルアライメント及び不図示のアライメント系のベースライン計測、ウエハアライメント（例えば特開昭６１−４４４２９号公報に開示されるエンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）など）が行われた後、上述したレチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとの同期移動を行う走査露光動作と、ウエハステージＷＳＴをショット領域の露光終了後次ショット領域の露光のための加速開始位置に移動するショット間移動（ステッピング）動作とを交互に繰り返すステップ・アンド・スキャン方式の露光動作が行われ、ウエハＷ上の複数のショット領域にレチクルＲのパターンがそれぞれ転写される。
【００８９】
以上説明したように、本実施形態に係るエキシマレーザ装置２０によると、固体レーザ装置１６から射出された波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢのスペクトル幅（波長幅）が、調整器１７によって実質的に狭められる。この結果、そのパルスレーザ光ＬＢのスペクトル幅（波長幅）は、スペクトル狭帯域化といった点から、満足しなければならない（要求される）波長幅となる。そして、その波長幅が狭められたパルスレーザ光ＬＢがシード光として光出力増幅器１８に入射され、増幅される。この結果、要求されるレベルにスペクトル幅（波長幅）が狭帯域化された、十分な繰り返し周波数を持つ波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢが、光出力増幅器１８から射出されることとなる。
【００９０】
また、本実施形態に係る露光装置１０によると、前述した走査露光にあたって、エキシマレーザ装置２０から射出される波長１９３．４ｎｍのレーザ光（照明光ＩＬ）が、照明光学系ユニット１２（照明光学系）を介してレチクルＲに照射され、レチクルＲを透過した照明光ＩＬが投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投射される。この場合、エキシマレーザ装置２０から射出される波長１９３．４ｎｍのレーザ光（照明光ＩＬ）は、投影光学系ＰＬの開口数（ＮＡ）や許容色収差などに応じて要求されるレベルに波長幅が狭帯域化された（これに応じてパルスの時間的な幅が拡張された）パルスレーザ光であり、繰り返し周波数は従来のエキシマレーザに比べて同等以上であるから、ウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターンを精度良く形成することが可能である。
【００９１】
なお、上記実施形態では、回折格子の分光作用を利用する調整器１７をエキシマレーザ装置２０が備えている場合について説明したが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。
【００９２】
例えば、上記実施形態において、調整器１７に代えて、ファブリペローエタロン、例えば図５に示されるような、ソリッドエタロンを含む調整器１７’を用いても良い。この調整器１７’に、調整モジュール１９から波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢが入射すると、該パルスレーザ光ＬＢは前述した式（１）（ソリッドエタロンの場合、式（１）のｄは、部分反射面部材がその両面に固定された例えば合成石英又は蛍石から成るガラス板の板厚であり、ｎはそのガラス板の屈折率となる。）を満たす入射角の光のみがエタロンを透過して強め合う。換言すれば、対向した反射面間の干渉効果により特定の波長の光のみが選択的にエタロンを透過する。これにより、パルスレーザ光ＬＢは波長幅が実質的に狭められる。そして、この波長幅が実質的に狭められた波長１９３．４ｎｍのパルスレーザ光ＬＢがビーム射出モジュール２１を介して射出され、シード光として増幅器１８に供給される。
【００９３】
従って、この調整器１７’を用いても、上記実施形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００９４】
なお、ソリッドエタロンに代えて、エアギャップエタロンを用いても良いことは言うまでもない。また、調整器は、図３、図５の構成に限らず、種々の構成の調整器が考えられるが、これらを使用目的に応じて適宜選択すれば良い。
【００９５】
なお、上記実施形態では、エキシマレーザ装置２０がＭＯＰＯレーザシステム（Ｉ／Ｌシステム）によって構成された場合について説明したが、これに限らず、固体レーザ装置１６を主発振器（ＭＯ）とし、通常のＡｒＦエキシマレーザ装置から共振器となる部分（フロントミラー、及びリアミラー又は狭帯域化モジュール）を取り除いた構成のガスレーザチャンバ（Power Amplifier (ＰＡ)）を光出力増幅器１８とするＭＯＰＡレーザシステムによってエキシマレーザ装置を構成しても良い。このＭＯＰＡレーザシステムから成るレーザ装置を、エキシマレーザ装置２０に代えて、露光装置１０の露光光源として用いても上記実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００９６】
また、エキシマレーザ装置２０のように、主発振器光出力増幅器（ＭＯＰＯ又はＭＯＰＡ）レーザシステムを構成する場合に、光出力増幅器（ＰＯ又はＰＡ）１８を並列に複数、例えば２つ配置し、この２つの光出力増幅器１８に対して１つの固体レーザ装置１６からのパルスレーザ光（シード光）を異なるタイミングで入射させる、例えば交互に供給する構成を採用しても良い。この場合、例えば光変調器（音響光学変調器(ＡＯＭ)など）によって、固体レーザ装置１６からのシード光を１パルス又は複数パルス単位で、２つの光出力増幅器１８に振り分けても良い。あるいは、シード光を分岐して２つの光出力増幅器１８に導き、その２つの分岐光路にそれぞれ設けられる、例えば電気光学変調器(ＥＯＭ)などによって、２つの光出力増幅器１８にシード光を入射させるタイミングを制御しても良い。かかる場合には、２つの光出力増幅器１８から異なるタイミングでレーザ光が発振され、例えばミラー又は偏光ビームスプリッタなどによってそのレーザ光を同軸に合成して出力することで、エキシマレーザ装置２０の繰り返し周波数が２倍になるので、同一のパワーを得たい場合には、パルスのピークパワーを１／２にすることができ、これにより、露光装置等の光学素子へ与えるダメージを一層抑制できる。一方、ピークパワーを同一に維持する場合には、２倍のパワーを得ることができる。
【００９７】
なお、前述のＭＯＰＯ又はＭＯＰＡレーザシステムにおいて、１つの固体レーザ装置１６に対して複数、例えば２つの光出力増幅器（ＰＯ又はＰＡ）１８を直列に配置し、その２つの光出力増幅器（ガスレーザチャンバ）１８での放電タイミングを異ならせることで、エキシマレーザ装置２０の繰り返し周波数を２倍にすることとしても良い。
【００９８】
また、前述のＭＯＰＯ又はＭＯＰＡレーザシステムにおいて、光出力増幅器（ＰＯ又はＰＡ）１８の１回の放電中に、固体レーザ装置１６から射出される複数のパルスレーザ光（シード光）を異なるタイミングで入射させても良い。この場合、例えば固体レーザ装置１６内でパルスレーザ光（シード光）を複数に分割し、かつ長さの異なる複数のファイバあるいは時分割光分岐装置（Time Division Multiplexer：ＴＤＭ）などによって、その分割された複数のパルスレーザ光を互いに遅延させて光出力増幅器（ガスレーザチャンバ）１８に入射させても良い。あるいは、複数の固体レーザ装置１６を並列に配置し、例えば発振タイミングの制御などによって、その複数の固体レーザ装置１６からそれぞれ所定時間ずれて射出される複数のパルスレーザ光を光出力増幅器１８に入射させても良い。かかる場合、１回の放電中に光出力増幅器１８に入射するその複数、例えば２つのパルスレーザ光（シード光）のパルス間隔は、光出力増幅器１８の放電時間（例えば２０ｎｓ）に比べて十分に短くする（例えば１０ｎｓ程度以下にする）ことが好ましく、これにより、固体レーザ装置１６のピークパワーを２倍にしたことと同じ効果を得ることができる。なお、このレーザシステムでは主発振器(ＭＯ)１６が固体レーザ装置に限られるものでなく他のレーザ装置を用いても良いし、他のレーザ装置の特性などによっては、前述の調整器１７、１７’を設けなくても良い。
【００９９】
なお、上記実施形態の固体レーザ装置１６では、各単一波長発振レーザからレーザ光がパルス発光される場合について説明したが、これに限らず、各単一波長発振レーザからレーザ光を連続的に発光させ、そのレーザ光を例えば電気光学変調器（二電極型変調器など）などを用いてパルス光としても良い。また、各単一波長発振レーザからパルス発光されるレーザ光のパルス幅を、その電気光学変調器などによって狭くしても良い。
【０１００】
また、上記実施形態の固体レーザ装置では、各光増幅器が、全てファイバ光増幅器である場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。各光増幅器は、ファイバ光増幅器の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えば希土類元素が高濃度で添加されたガラス体などを含むものとしても良い。
【０１０１】
なお、上記実施形態のレーザ装置はＡｒＦエキシマレーザ（発振波長１９３．４ｎｍ）であるものとしたが、これに限らず、例えばＫｒＦエキシマレーザ、又はＦ2レーザなどでも良いし、エキシマレーザに限らず、ガスレーザチャンバを備える他のレーザ装置でも良い。また、上記実施形態のレーザ装置はその発振波長がＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、及びＦ２レーザ光のいずれとも異なっていても良いし、遠紫外域又は真空紫外域に限られるものでもないが、特に波長が２００ｎｍ以下のレーザ光を発生するレーザ装置として有効である。
【０１０２】
なお、上記実施形態では、固体レーザ装置１６と、光出力増幅器１８との間に、調整器１７が配置されている場合について説明したが、固体レーザ装置１６と同様の固体レーザ装置の筐体の内部に調整器１７又は１７’と同様の調整器を収容しても良い。この場合、この調整器を内蔵した固体レーザ装置を、露光装置、その他の光照射装置の光源として用いても良いし、上述したＭＯＰＯ又はＭＯＰＡレーザシステムの主発振器(ＭＯ)として用いることとしても良い。なお、露光装置の光源として用いる場合には、十分なパワーが得られるように、固体レーザ装置内部の構成を変更する必要がある。
【０１０３】
なお、上記実施形態では、パルスレーザ光を発振する固体レーザの一種である単一波長発振レーザと、ファイバ光増幅器と、波長変換部とを全て備える固体レーザ装置を具備するエキシマレーザ装置について説明したが、これに限らず、本発明のレーザ装置は、パルスレーザ光を発振する固体レーザとファイバ光増幅器と波長変換部との少なくとも１つを備えていれば良い。固体レーザから発振されるパルスレーザ光は、スペクトル強度波形が歪み波長幅が広がり易いので、本発明のように調整器を用いて波長幅を狭めることは効果的である。また、ファイバ光増幅器でレーザ光を増幅すると、スペクトル強度波形の山の裾野の部分に前述したような異常な波形部分が生じ易いので、本発明のように調整器を用いて波長幅を狭めることは効果的である。また、高調波になるほど、すなわち多くの波長変換を経たレーザ光ほど、パルスの時間的な幅が短くなる、換言すれば波長幅（スペクトル幅）が広くなる傾向があるので、本発明のように調整器を用いて波長幅を狭めることは効果的である。
【０１０４】
なお、上記実施形態では、本発明に係るレーザ装置がステップ・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、これに限らず、静止露光型、例えばステップ・アンド・リピート方式あるいはステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置は勿論、プロキシミティー方式の露光装置、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。この他、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットなどに開示される、投影光学系ＰＬとウエハとの間に液体（例えば純水など）が満たされる液浸型露光装置などにも本発明を適用することができる。さらに、例えば国際公開第２００１／０３５１６８号パンフレットに開示されているように、干渉縞をウエハ上に形成することによって、ウエハ上にライン・アンド・スペースパターンを形成する露光装置、例えば特表２００４−５１９８５０号公報（対応米国特許第６，６１１，３１６号）に開示されているように、２つのレチクルパターンを投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回の走査露光によってウエハ上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置などにも本発明を適用することができる。
【０１０５】
また、上記実施形態の露光装置は、例えば特開平１０−２１４７８３号公報、及び国際公開第９８／４０７９１号パンフレットなどに開示されているように、投影光学系を介してレチクルパターンの転写が行われる露光位置と、ウエハアライメント系によるマーク検出が行われる計測位置（アライメント位置）とにそれぞれウエハステージを配置して、露光動作と計測動作とをほぼ並行して実行可能なツイン・ウエハステージタイプでも良い。さらに、例えば特開平１１−１３５４００号公報、特開２０００−１６４５０４号公報等に開示されているように、ウエハステージとは独立に可動で、基準マークが形成された基準部材及び／又は各種の光電センサを搭載した計測ステージを備えた露光装置にも本発明を適用することができる。
【０１０６】
なお、上記実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）を用いたが、このレチクルに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスクとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含む）を用いても良い。
【０１０７】
半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置により前述の露光方法を実行し、レチクルのパターンをウエハに転写するリソグラフィステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。この場合、リソグラフィステップで、上記実施形態の露光装置を用いて前述の露光方法が実行され、ウエハ上にデバイスパターンが形成されるので、高集積度のデバイスを生産性良く製造することができる。
【０１０８】
なお、これまでは、本発明に係るレーザ装置が露光用照明光を発生するレーザ装置として使用される例を説明したが、露光用照明光とほぼ同一の波長の光を必要とするレチクルアライメント用のレーザ装置、あるいは投影光学系の物体面又は像面に配置されるマークの投影像を検出して当該投影光学系の光学特性求める空間像検出系のレーザ装置等として使用することも可能である。
【０１０９】
また、本発明のレーザ装置は、露光装置以外でデバイス製造工程などに用いられる装置（デバイス製造装置、リソグラフィ装置）、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、レチクルのパターン又はウエハ上に形成されたパターンを検査する検査装置などにも適用することができる。また、本発明のレーザ装置は、その他の加工装置、例えば高分子結晶の加工装置などにも使用することができる。
【０１１０】
この他、本発明のレーザ装置は、例えばレーザ光を角膜に照射して表面のアブレーション（あるいは切開した角膜内部のアブレーション）を行い、角膜の曲率若しくは凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行うレーザ治療装置に使用されるレーザ装置として利用することができる。また、マスク欠陥検査装置などの光学式検査装置等におけるレーザ装置としても、本発明のレーザ装置は利用可能である。いずれの装置も、本発明に係るレーザ装置を備えているため、所定波長のエキシマレーザ光を、光学系を経由して対象物に安定して照射することが可能となる。
【０１１１】
また、本発明のレーザ装置は、上記の実施形態における投影光学系のような光学系の光学調整（光軸合わせ等）用又は検査用としても利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
以上説明したように、本発明のレーザ装置及び光生成方法は、ビーム品質に優れた所定波長のレーザ光を射出するのに適している。また、本発明の光照射装置及び光照射方法は、ビーム品質に優れたレーザ光を物体（照射対象物）に照射するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【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の固体レーザ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の調整器の構成の一例を説明するための図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、パルスレーザ光の波長幅の調整及びその調整の効果について説明するための図である。
【図５】調整器の別の実施形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０…露光装置、１２…照明光学系ユニット、１６…固体レーザ装置、１７…調整器、１７ａ…回折格子、１７’…ソリッドエタロン（調整器）、１８…光出力増幅器、２０…エキシマレーザ装置、１６４ａ〜１６４ｃ…単一波長発振レーザ、１６５ａ〜１６５ｃ…ＥＤＦＡ、１６７ａ〜１６７ｆ…波長変換素子、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、Ｒ…レチクル。
【図１】
2008124318.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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