(57)【要約】【課題】出力されるレーザ光の拡がり角の変化を小さくする。【解決手段】レーザ光ＬＢ１を出力するレーザ装置において、レーザ光ＬＢ１の一部を分岐するビームスプリッタ６と、ビームスプリッタ６で分岐されたレーザ光ＬＢ２の拡がり角に関する情報を計測する拡がり角モニタ部７と、拡がり角モニタ部７の計測結果に応じてレーザ光ＬＢ１の拡がり角を制御する拡がり角制御系１２とを備えた。拡がり角モニタ部７は、分岐されたレーザ光ＬＢ２を集光する集光レンズＬ１と、集光されたレーザ光ＬＢ２の断面形状を光軸に沿った２箇所で計測する撮像素子９Ａ，９Ｂとを有する。【選択図】図１
2008263066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ装置において、
前記レーザ光の拡がり角に関する情報を計測する拡がり角計測部と、
前記拡がり角計測部の計測結果に応じて前記レーザ光の拡がり角を制御する拡がり角制御部とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記拡がり角計測部は、
前記レーザ光の一部を分岐する分岐光学系と、
前記分岐光学系によって分岐されたレーザ光を集光する集光系と、
前記集光系で集光されたレーザ光の断面形状を光軸に沿った複数箇所で計測する光電検出器とを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記拡がり角制御部は、
所定の焦点距離を持つ光学系と、
前記光学系の位置を光軸に沿って調整する駆動機構とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記光学系を通過した後の前記レーザ光の断面形状を規定する絞り部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記拡がり角制御部は、
焦点距離が可変の光学系と、
前記光学系の位置を光軸に沿って調整する駆動機構とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ光の断面形状は矩形状で、かつ直交する第１及び第２方向の拡がり角が異なっており、
前記拡がり角制御部は、前記第１及び第２方向のうちで拡がり角が大きい方向の前記レーザ光の拡がり角を最小にすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザ光の断面は矩形状で、かつ直交する第１及び第２方向の拡がり角が異なっており、
前記拡がり角制御部は、前記第１及び第２方向にそれぞれ屈折力を持つ第１及び第２光学系を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記レーザ光は、レーザ共振器に挟まれたチャンバ内に封入された気体を放電させて出力されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
露光光で光学部材を介して基板を露光する露光方法において、
前記露光光として請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザ装置から出力されるレーザ光を用いることを特徴とする露光方法。
【請求項１０】
露光光で光学部材を介して基板を露光する露光装置において、
前記露光光として請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザ装置から出力されるレーザ光を用いることを特徴とする露光装置。
【請求項１１】
前記拡がり角計測部及び前記拡がり角制御部の少なくとも一方は、前記レーザ光の光源よりも、前記光学部材を介して前記基板を露光する露光本体部に近い位置に設置されることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の露光方法を用いることを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を出力するレーザ装置、並びにレーザ装置を用いた露光技術及びデバイス製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子又は液晶表示素子等のデバイス（電子デバイス、マイクロデバイス等）を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、レチクル（又はフォトマスク等）に形成された回路パターンを投影光学系を介してフォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に投影露光するために、ステッパ等の静止露光型（一括露光型）の投影露光装置、及びスキャニング・ステッパ等の走査露光型の投影露光装置等の露光装置が使用されている。斯かる露光装置では、半導体集積回路等の一層の微細化、高集積化に対応して、露光光を短波長化して解像力を向上させるために、その露光光源として、ＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）、さらにはＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）のような遠紫外域から真空紫外域にかけてのレーザ光を発生するレーザ装置が使用されている。
【０００３】
このようなレーザ装置は従来の代表的な露光光源である水銀ランプに比べて大型である。そのため、露光光源として例えばエキシマレーザ光源を用いる露光装置では、一例としてレチクルのパターンを投影光学系を介してウエハ上に投影する露光本体部が設置されているフロアの階下の機械室等にエキシマレーザ光源を設置し、このレーザ光源から出力されるレーザ光をビームマッチングユニット等の送光系を介して露光本体部に導いていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第０１／４５１４５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現状のエキシマレーザ光源においては、レーザ共振器から射出されたレーザ光は数ｍｒａｄ程度の拡がり角を有し、ビーム伝播距離が長くなるに従って、その拡がり角とその距離との積にほぼ比例してそのビームサイズが大きくなる。また、この拡がり角はレーザ光源の発振状態（発振周波数や休止時間等）に応じて変化することが知られている。そのため、上述のように露光光源としてのエキシマレーザ光源と露光本体部とを離して配置した場合に、エキシマレーザ光源側でのレーザ光の拡がり角の僅かな変化が露光本体部側でビームサイズの大きな変化となり、その結果として露光本体部側の光学部材の有効受光面積内に入射するレーザ光の光量が減少して、エネルギー損失を生じる恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、レーザ光の拡がり角の変化が小さいレーザ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、露光光源としてレーザ装置を用いる場合に、レーザ光の拡がり角の変化によるエネルギー損失を低減できる露光技術及びデバイス製造技術を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるレーザ装置は、レーザ光を出力するレーザ装置において、そのレーザ光の拡がり角に関する情報を計測する拡がり角計測部（６，７）と、その拡がり角計測部の計測結果に応じてそのレーザ光の拡がり角を制御する拡がり角制御部（１２）とを備えたものである。
また、本発明による露光方法及び装置は、それぞれ露光光で光学部材を介して基板を露光する露光方法及び装置において、その露光光として本発明のレーザ装置（１）から出力されるレーザ光を用いるものである。
【０００７】
また、本発明によるデバイス製造方法は、本発明の露光方法又は露光装置を用いるものである。
なお、以上の本発明の所定要素に付した括弧付き符号は、本発明の一実施形態を示す図面中の部材に対応しているが、各符号は本発明を分かり易くするために本発明の要素を例示したに過ぎず、本発明をその実施形態の構成に限定するものではない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のレーザ装置によれば、例えばその拡がり角計測部で計測される拡がり角の変化が小さくなるように、その拡がり角制御部によってそのレーザ光を制御することによって、レーザの発振条件によらずに、出力されるレーザ光の拡がり角の変化を小さくできる。
また、本発明の露光方法又は装置によれば、レーザ光の拡がり角の変化を小さくしてエネルギー損失を低減できるため、露光工程のスループットを向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態は、ＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）に本発明を適用したものであるが、本発明は、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、Ａｒ2 エキシマレーザ（波長１２６ｍ）等の他のエキシマレーザ光源、又はＦ2 レーザ（波長１５７ｎｍ）等のハロゲン分子レーザ光源等のガス放電型レーザ光源にも同様に適用できる。さらに本発明は、ＹＡＧレーザ光源又は半導体レーザ光源等の固体レーザ光源にも同様に適用できる。
【００１０】
図１（Ａ）は、本実施形態に係るＡｒＦエキシマレーザ光源として使用できるレーザ光源装置１の構成を示し、この図１（Ａ）において、レーザ光源装置１は、内部にアルゴン（Ａｒ）及びフッ素（Ｆ2 ）を混合したレーザガスと、このレーザガスを希釈するためのガス（例えばネオン（Ｎｅ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガス）とが封入されるとともに、一対の放電用の電極（不図示）が配置された放電チャンバ２と、この放電チャンバ２を長手方向（光軸に沿った方向）に挟むように配置された出力ミラー３及びリアミラー４からなるレーザ共振器と、その放電チャンバ２内の電極間に放電を起こさせるための電源部とコンピュータよりなる演算制御系とを含み装置全体の動作を統括的に制御する制御部１１とを備えている。制御部１１内の電源部は、レーザ光を使用する露光装置又はレーザ加工機等の加工装置の制御系（不図示）から供給される可変周波数のトリガーパルスＴＰに同期して、放電チャンバ２内の電極間に所定電圧で放電を起こさせる。これによって、放電チャンバ２及びレーザ共振器を含むレーザ光源からレーザ光ＬＢがパルス発光される。
【００１１】
なお、リアミラー４の代わりに、レーザ光ＬＢの発振波長を狭帯化するための狭帯域化モジュール（ＬＮＭ：Line Narrow Module）を使用してもよい。狭帯域化モジュールは、例えば３個又は４個の拡大プリズムと波長選択素子であるグレーティング（回折格子）等の光学素子とから構成される。なお、狭帯域化モジュールは、波長選択素子であるエタロンと全反射ミラー等の光学素子とで構成される場合もある。
【００１２】
本例において、そのようにパルス発光されるレーザ光ＬＢは、完全な平行光束ではなく或る程度の拡がりを持ち、その拡がりには、光の回折に起因してレーザのコヒーレンシィの尺度として使われることのある第１の成分と、レーザ共振器の構造に起因する第２の成分とがある。以下では２つの成分を区別するために、前者をビームダイバージェンス、後者をレーザ光の拡がり角と呼ぶものとする。通常、レーザ光を使用する場合、例えばスペックルパターンを低減するためには、レーザ光のコヒーレンシィはあまり高くない方がよいため、前者のビームダイバージェンスについてはレーザ光源装置１においては特に制御しないものとする。
【００１３】
一方、後者のレーザ光ＬＢの拡がり角は、レーザ光源の発振状態（発振周波数や休止時間等）によってレーザ共振器の角度等が変化するのに応じて時間とともに変化する。図１（Ａ）において、レーザ光ＬＢは、点線の漸近線で示すようにリアミラー４に近い交点を中心として発散する拡がり角θの光束であり、その拡がり角θ（又はその交点の光軸に沿った位置）が時間とともに変化している。レーザ光源装置１から出力されるレーザ光の拡がり角の変化が大きいと、送光距離にほぼ比例してレーザ光のビームサイズが大きく変化して、そのレーザ光を使用する加工装置等においてエネルギー損失が大きくなる。
【００１４】
そこで、本例のレーザ光源装置１は、レーザ光の拡がり角の変化を小さくするために、出力ミラー３から射出されるレーザ光ＬＢの拡がり角を制御する拡がり角制御系１２と、拡がり角制御系１２によって拡がり角が制御されたレーザ光ＬＢ１のビームサイズＢＳ（実際には直交する２方向の幅）を規定するための矩形の開口５ａ（図３参照）が形成された遮光板５と、遮光板５を通過したレーザ光ＬＢ１から例えば数％程度のレーザ光ＬＢ２を分岐するビームスプリッタ６と、分岐されたレーザ光ＬＢ２の拡がり角に関する情報としての断面形状を光軸に沿った複数の位置で計測する拡がり角モニタ部７とを備えている。この場合、ビームスプリッタ６を透過したレーザ光ＬＢ１が不図示の加工装置に供給される。
【００１５】
遮光板５の開口５ａの大きさは、例えば実測によって想定されるレーザ光ＬＢの最も小さな断面形状に合わせることが望ましい。また、遮光板５によるレーザ光ＬＢの遮光によるエネルギー損失は、出力されるレーザ光ＬＢ１の光量モニタ（不図示）の検出値に基づき、レーザ光ＬＢの出力エネルギーを大きくすることで補償してもよい。これによって、出力されるレーザ光ＬＢ１の光量を常に一定に調整できる。なお、遮光板５は省略可能である。
【００１６】
その拡がり角モニタ部７は、レーザ光ＬＢ２を集光する焦点距離Ｆ１の集光レンズＬ１と、集光レンズＬ１で集光されたレーザ光ＬＢ２を２分割するハーフミラー８と、２分割された一方のレーザ光を集光レンズＬ１から距離Ｆ１よりΔＦだけ遠くに離れた位置Ｐ２で受光する第１の撮像素子９Ａと、２分割された他方のレーザ光を集光レンズＬ１から距離Ｆ１よりもΔＦだけ近い位置Ｐ１で受光する第２の撮像素子９Ｂとを有している。撮像素子９Ａ，９Ｂの撮像信号は、制御部１１内の演算制御系に供給されている。撮像素子９Ａ，９Ｂとしては、ＣＣＤ型又はＭＯＳ型のイメージセンサ等の二次元のフォトダイードアレイ（Photo Diode Array)を使用できる。
【００１７】
撮像素子９Ａ及び９Ｂは、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、レーザ光ＬＢ２の断面形状よりも広い撮像面を備えており、撮像素子９Ａ，９Ｂの撮像信号を処理することによって、その演算制御系では、それぞれ位置Ｐ２及びＰ１におけるレーザ光ＬＢ２の断面形状の直交する２方向（これをＸ方向、Ｙ方向とする）の幅ＸＡ，ＹＡ及びＸＢ，ＹＢを求める。そして、その演算制御系では、例えばＸ方向の幅ＸＡと幅ＸＢとの差分ΔＸ及びＹ方向の幅ＹＡと幅ＹＢとの差分ΔＹにそれぞれ予め求められている係数を乗ずることによって、レーザ光ＬＢ２、ひいては出力されるレーザ光ＬＢ１のＸ方向及びＹ方向の拡がり角θＸ及びθＹを求めることができる。
【００１８】
本例では、演算処理を簡単にするために、レーザ光ＬＢ２のＸ方向、Ｙ方向の幅はほぼ同じであるものとして、その制御部１１内の演算制御系では、単に次式からレーザ光ＬＢ２の断面形状のＸ方向の幅の差分ΔＸ及びＹ方向の幅の差分ΔＹを求めるものとする。
ΔＸ＝ＸＡ−ＸＢ，ΔＹ＝ＹＡ−ＹＢ    …（１）
図１（Ａ）において、集光レンズＬ１から距離Ｆ１の位置（後側焦点位置）をＰ０とすると、集光レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢ２が発散している（拡がり角が正）ときには、レーザ光ＬＢ２の断面形状が最も小さくなるビームウェストの位置は位置Ｐ２に近づく。従って、レーザ光ＬＢ２の断面形状は、位置Ｐ２（撮像素子９Ａ）における幅が位置Ｐ１（撮像素子９Ｂ）における幅よりも小さくなり、幅の差分ΔＸ及びΔＹの計測値は比較的大きい負の値になる。逆に、集光レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢ２が収束している（拡がり角が負）ときには、レーザ光ＬＢ２のビームウェストの位置は位置Ｐ１に近づくため、レーザ光ＬＢ２の断面形状は、位置Ｐ２（撮像素子９Ａ）における幅が位置Ｐ１（撮像素子９Ｂ）における幅よりも大きくなり、幅の差分ΔＸ及びΔＹの計測値は比較的大きい正の値になる。
【００１９】
そして、集光レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢ２がほぼ完全な平行光束である（拡がり角が最も小さい）ときに、集光レンズＬ１によって集光されたレーザ光ＬＢ２のビームウェストの位置はほぼ後側焦点位置Ｐ０になる。その後側焦点位置Ｐ０におけるビームウェストの大きさはレーザ光ＬＢ２（ひいてはＬＢ１）のコヒーレンシィの大きさを現している。このとき、レーザ光ＬＢ２の位置Ｐ１及びＰ２における断面形状はほぼ等しくなり、幅の差分ΔＸ及びΔＹの計測値はほぼ０になる。このように、制御部１１内の演算制御系では、撮像素子９Ａ，９Ｂを介して計測されるレーザ光ＬＢ２の幅の差分ΔＸ及びΔＹによって、レーザ光ＬＢ２（ひいてはレーザ光ＬＢ１）の拡がり角の状態をモニタすることができる。一例として、次式で示すように、それらの差分の平均値の絶対値ΔＸＹが所定の基準値δｔｈよりも小さいときに、レーザ光ＬＢ２（及びレーザ光ＬＢ１）の拡がり角が平均的に最も小さい状態とみなすことができる。
【００２０】
ΔＸＹ＝｜（ΔＸ＋ΔＹ）／２｜＜δｔｈ  …（２）
なお、レーザ光ＬＢ２（ＬＢ１）の拡がり角θＸ及びθＹがほぼ等しいことが分かっているような場合には、断面形状の一方の幅、例えばＹ方向の幅ＹＡ，ＹＢの差分ΔＹのみを求めるだけでもよい。一方、レーザ光ＬＢ２（ＬＢ１）の２方向の拡がり角θＸ，θＹのうちで一方の拡がり角（例えばθＹ）が他方の拡がり角θＸよりも大きい場合には、その大きい方の拡がり角θＹに対応する断面形状の幅の差分ΔＹのみを求め、その大きい方の拡がり角θＹを最小にするように制御してもよい。これらの場合には、一例として、その差分ΔＹの絶対値がその基準値δｔｈよりも小さいときに、レーザ光ＬＢ２（及びレーザ光ＬＢ１）の拡がり角が最も小さい状態とみなすことができる。
【００２１】
さらに、これらの場合には、レーザ光ＬＢ２の断面形状のうちのＹ方向の幅ＹＡ及びＹＢのみを計測できればよい。そこで、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に２点鎖線で示すように、二次元の撮像素子９Ａ及び９Ｂの代わりに、Ｙ方向に配列された画素を持つラインセンサ等の一次元の撮像素子１０Ａ及び１０Ｂを用いることも可能である。これによって、拡がり角モニタ部７の製造コストを低減できる。
【００２２】
次に、図１（Ａ）の拡がり角制御系１２は、出力ミラー３から射出されるレーザ光ＬＢを平行光束にするための焦点距離Ｆ２のコリメータレンズＬ２と、コリメータレンズＬ２を保持するレンズ枠１３と、レンズ枠１３を介してコリメータレンズＬ２をレーザ光ＬＢの光軸に平行な方向に所定の移動ストローク内で移動する駆動部１４とを有している。駆動部１４は、例えばレンズ枠１３を光軸に沿って案内するガイド部材と、そのガイド部材に沿ってレンズ枠１３をボールねじ等を介して駆動するモータとを備えており、このモータが制御部１１内の演算制御系によって制御されている。なお、コリメータレンズＬ２の代わりに、複数のレンズを備えたコリメータ光学系を使用してもよい。
【００２３】
本例のレーザ光ＬＢは、リアミラー４に近い点線で示す漸近線の可動の交点から発散する拡がり角θの光束であり、予め実測等で求められているその交点の平均的な位置に、コリメータレンズＬ２の前側焦点ＰＦ２が合致するときに、コリメータレンズＬ２が移動ストローク内の中心に位置するように配置される。コリメータレンズＬ２がないものとすると、拡がり角モニタ部７中の集光レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢ２は、図２（Ａ）に示すように、拡がり角θを持つために、後側焦点位置Ｐ０から遠くに離れた位置にビームウェストＢＷが形成される。本例では、図２（Ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢの光路にコリメータレンズＬ２が配置されているため、図１（Ａ）において、仮に点線の交点がコリメータレンズＬ２の前側焦点ＰＦ２にほぼ合致するときには、集光レンズＬ１に入射するレーザ光ＬＢ２はほぼ完全な平行光束（拡がり角が最も小さい光束）となり、レーザ光ＬＢ２のビームウェストＢＷは集光レンズＬ１の後側焦点位置Ｐ０上に形成される。
【００２４】
次に、本例のレーザ光源装置１において、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角を制御する動作の一例につき説明する。
先ず、図１（Ａ）の制御部１１内の電源部は、加工装置の制御系（不図示）から供給されるトリガーパルスＴＰに同期して放電チャンバ２及びレーザ共振器からのレーザ光ＬＢのパルス発光を開始する。レーザ光ＬＢのうちで遮光板５の開口を通過したレーザ光ＬＢ１はその加工装置（不図示）に供給され、レーザ光ＬＢ１からビームスプリッタ６によって分岐されたレーザ光ＬＢ２が拡がり角モニタ部７に供給される。
【００２５】
制御部１１内の演算制御系では、所定のサンプリングレートで拡がり角モニタ部７内の撮像素子９Ａ，９Ｂの撮像信号を取り込み、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示す位置Ｐ２及びＰ１におけるレーザ光ＬＢ２の断面形状の幅の差分ΔＸ及びΔＹを式（１）より求める。次に、演算制御系は差分ΔＸ及びΔＹの平均値の絶対値ΔＸＹを求め、この絶対値ΔＸＹと式（２）の基準値δｔｈとを比較する。そして、絶対値ΔＸＹが基準値δｔｈより小さいときには、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角は最小であると判定して、拡がり角制御系１２のコリメータレンズＬ２の位置はそのままに維持する。
【００２６】
一方、絶対値ΔＸＹが基準値δｔｈ以上である場合、その演算制御系は、一例として、差分ΔＸ及びΔＹの平均値が正の値であるときには、集光レンズＬ１で集光されるレーザ光ＬＢ２のビームウェストは後側焦点位置Ｐ０から位置Ｐ１側にずれているため、拡がり角制御系１２中の駆動部１４を介してコリメータレンズＬ２を矢印ａで示す方向に移動する。一方、差分ΔＸ及びΔＹの平均値が負の値であるときには、レーザ光ＬＢ２のビームウェストは後側焦点位置Ｐ０から位置Ｐ２側にずれているため、コリメータレンズＬ２を矢印ａ’で示す方向に移動する。これによって、レーザ光ＬＢ２のビームウェストの位置は後側焦点位置Ｐ０側に移動する。その後、制御部１１内の演算制御系では、レーザ光ＬＢ２の断面形状の幅の差分ΔＸ及びΔＹの平均値の絶対値ΔＸＹが基準値δｔｈより小さくなるまで、上記の撮像素子９Ａ，９Ｂの撮像信号の取り込み、断面形状の幅の差分ΔＸ及びΔＹの平均値の算出、この平均値に基づくコリメータレンズＬ２の駆動を繰り返す。
【００２７】
この動作によって、レーザ光源装置１から出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角は最小に維持される。この結果、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角の変化が小さくなり、レーザ光ＬＢ１をエネルギービームとして用いる加工装置側では、レーザ光ＬＢ１のうちで有効受光面積の外側に入射する光量が減少して、エネルギー損失を低減できる。従って、加工工程のスループットを高めることができる。
【００２８】
また、図１（Ａ）において、コリメータレンズＬ２が矢印ａの方向に移動すると、レーザ光ＬＢのビームサイズＢＳは小さくなり、逆に、コリメーターレンズＬ２が矢印ａ’の方向に移動すると、ビームサイズＢＳは大きくなるため、そのままでは出力されるレーザ光のビームサイズが変化する。これを避けるために、本例では大きさが固定されている開口を有する遮光板５を用いて、レーザ光ＬＢの中心部分をレーザ光ＬＢ１として取り出している。
【００２９】
なお、図１（Ａ）のレーザ光源装置１は、放電チャンバ２及びレーザ共振器を含むレーザ光源に対して、不図示のフレームを用いて、拡がり角制御系１２、遮光板５、ビームスプリッタ６、及び拡がり角モニタ部７を所定の位置関係で配置した後、制御部１１と対応する部材との間の配線等を行うことによって製造できる。
なお、図３に示すように、レーザ光ＬＢの断面形状が直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）で幅が異なる矩形であるとともに、レーザ光ＬＢのＸ方向の拡がり角θＸとＹ方向の拡がり角θＹとが異なる場合には、図１の軸対称のコリメータレンズＬ２の代わりに、図３のＹ方向に屈折力を持つコリメータレンズ（シリンドリカルレンズ）Ｌ２Ａと、Ｘ方向に屈折力を持つコリメータレンズ（シリンドリカルレンズ）Ｌ２Ｂとを組み合わせたレンズ系を用いてもよい。この構成では、コリメータレンズＬ２Ａ及びＬ２Ｂのそれぞれを光軸に沿って独立に駆動する駆動部（不図示）が設けられる。そして、コリメータレンズＬ２Ａ及びＬ２Ｂによってそれぞれ拡がり角θＹ及びθＸを補正することによって、出力されるレーザ光ＬＢ１の直交する２方向での拡がり角をそれぞれ最小にすることができる。
【００３０】
なお、図１（Ａ）の拡がり角モニタ部７は、ハーフミラー８でレーザ光ＬＢ２を２分割しているが、ハーフミラー８の代わりにレーザ光ＬＢ２の光軸から半面側の光を撮像素子９Ｂ側に反射するミラーを用いてもよい。また、ハーフミラー８及び撮像素子９Ｂを設けることなく、撮像素子９Ａの位置を光軸方向に移動する駆動機構を設け、撮像素子９Ａを駆動して光軸に沿った複数の位置でレーザ光ＬＢ２の断面形状を計測してもよい。また、レーザ光ＬＢ２の断面形状は光軸に沿った３箇所以上の位置で計測してもよい。
【００３１】
〔第２の実施形態〕
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態につき説明する。本例は、第１の実施形態（図１（Ａ））のレーザ光源装置１に対して、遮光板５における光量損失を避けるために、拡がり角制御系１２のコリメータレンズの焦点距離を可変としたものであり、図４において、図１（Ａ）に対応する部分には同一又は類似の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３２】
図４は、本例のガス放電型のレーザ光源装置１Ａを示し、この図４において、図１（Ａ）の拡がり角制御系１２の代わりに拡がり角制御系１２Ａが設置されている。この拡がり角制御系１２Ａは、出力ミラー３から射出されるレーザ光ＬＢを平行光束にするための焦点距離Ｆ３及びＦ４のコリメータレンズＬ３及びＬ４からなる焦点距離可変の合成コリメータレンズ系Ｌ５と、コリメータレンズＬ３及びＬ４を保持するレンズ枠１３Ａ及び１３Ｂと、レンズ枠１３Ａ，１３Ｂを保持するとともに、一方のレンズ枠１３Ａを介してコリメータレンズＬ３（Ｌ４でもよい）をレーザ光ＬＢの光軸に平行な方向ｂに所定の移動ストローク内で移動する第１の駆動部１４Ａと、駆動部１４Ａを介して合成コリメータレンズ系Ｌ５を全体として光軸に平行な方向に駆動する第２の駆動部１５とを有している。
【００３３】
第１の駆動部１４Ａは、レンズ枠１３Ａ，１３Ｂを保持する円筒状部材と、この円筒状部材に沿ってレンズ枠１３Ａを光軸に平行に案内するガイド部材と、レンズ枠１３Ａを介してコリメータレンズＬ３をボールねじ方式等で駆動するモータとを備えている。また、第２の駆動部１５は、図１（Ａ）の駆動部１４と同様に構成されて、駆動部１４Ａを介して合成コリメータレンズ系Ｌ５を光軸に沿って所定の移動ストローク内で移動する。駆動部１４Ａ及び１５の動作は制御部１１内の演算制御系によって制御されている。本例では、駆動部１４ＡによってコリメータレンズＬ３を方向ｂに駆動して、コリメータレンズＬ３，Ｌ４の間隔ｄを制御することで、次式のように合成コリメータレンズ系Ｌ５の焦点距離Ｆ５を制御する。
【００３４】
Ｆ５＝Ｆ３×Ｆ４／（Ｆ３＋Ｆ４−ｄ）  …（３）
なお、コリメータレンズＬ３の代わりに、又はコリメータレンズＬ３とともにコリメータレンズＬ４を移動してもよく、合成コリメータレンズ系Ｌ５を３枚以上のレンズから構成してもよい。さらに本例では、駆動部１５によって、その焦点距離Ｆ５が可変の合成コリメータレンズ系Ｌ５を全体として光軸に沿って移動できる。図４のレーザ光ＬＢは、点線の漸近線で示すように、リアミラー４に近い可動の交点を中心として発散する拡がり角θの光束である。予め実測等で求められている点線の交点の平均的な位置に合成コリメータレンズ系Ｌ５の前側焦点ＰＦ５が合致するときに、合成コリメータレンズ系Ｌ５が移動ストローク内の中心に位置するように配置される。
【００３５】
また、本例では、合成コリメータレンズ系Ｌ５を通過したレーザ光ＬＢ１は、直接にビームスプリッタ６を透過して不図示の加工装置側に供給される。これ以外の構成は図１（Ａ）のレーザ光源装置１と同様であり、本例でもレーザ光ＬＢ１からビームスプリッタ６によって分岐されたレーザ光ＬＢ２は拡がり角モニタ部７に供給され、レーザ光ＬＢ２（ＬＢ１）の拡がり角に関する情報としての位置Ｐ１及びＰ２における断面形状が計測される。
【００３６】
次に、本例のレーザ光源装置１Ａにおいて、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角を制御する動作の一例につき説明する。この場合にも、図４の放電チャンバ２及びレーザ共振器からのレーザ光ＬＢのパルス発光が開始された後、制御部１１内の演算制御系では、拡がり角モニタ部７内の撮像素子９Ａ，９Ｂの撮像信号を取り込み、位置Ｐ２及びＰ１におけるレーザ光ＬＢ２の断面形状の幅の差分ΔＸ及びΔＹを式（１）より求める。次に、差分ΔＸ及びΔＹの平均値の絶対値ΔＸＹが式（２）の基準値δｔｈよりも小さくなるように、駆動部１４Ａを介してコリメータレンズＬ３の位置を調整して合成コリメータレンズ系Ｌ５の焦点距離Ｆ５を調整する。この結果、合成コリメータレンズ系Ｌ５の前側焦点ＰＦ５が、レーザ光ＬＢの拡がり曲線の点線で示す漸近線の交点にほぼ一致して、レーザ光ＬＢ１の拡がり角が最も小さくなる。
【００３７】
この動作と実質的に同時に、制御部１１内の演算制御系では、合成コリメータレンズ系Ｌ５を通過したレーザ光ＬＢ１のビームサイズＢＳが予め定められている所定の値に維持される（不変となる）ように、駆動部１５を介して合成コリメータレンズ系Ｌ５を光軸に沿った矢印ａ又はａ’の方向に移動させる。この場合、合成コリメータレンズ系Ｌ５が矢印ａの方向に移動すると、射出されるレーザ光ＬＢ１のビームサイズＢＳが小さくなり、逆に合成コリメータレンズ系Ｌ５が矢印ａ’の方向に移動すると、レーザ光ＬＢ１のビームサイズＢＳが大きくなるように調整される。
【００３８】
なお、この調整によって、レーザ光ＬＢ１の拡がり角が大きくなる場合には、再びその拡がり角を小さくするように、駆動部１４Ａを介して合成コリメータレンズ系Ｌ５の焦点距離Ｆ５を調整する。以下、合成コリメータレンズ系Ｌ５の焦点距離Ｆ５と、合成コリメータレンズ系Ｌ５の光軸に沿った位置とを同時に調整することによって、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角を最小とするとともにそのビームサイズＢＳを一定値に制御する。
【００３９】
この結果、出力されるレーザ光ＬＢ１の拡がり角の変化が小さくなり、レーザ光ＬＢ１をエネルギービームとして用いる加工装置側では、レーザ光ＬＢ１のエネルギー損失を低減できる。さらに、本例では、遮光板を用いることなく、レーザ光ＬＢ１のビームサイズを一定値に制御しているため、レーザ光ＬＢ１の利用効率が高いという利点がある。
次に、上記の第２の実施形態のレーザ光源装置１Ａを露光光源として使用する露光装置の一例につき図５を参照して説明する。なお、露光光源としては、図１のレーザ光源装置１も同様に使用できる。
【００４０】
図５は、そのような走査露光型の露光装置（投影露光装置）ＥＸの概略構成を示し、この図５において、露光光源として図４のレーザ光源装置１Ａが使用されている。ただし、この図５の例では、図４の拡がり角モニタ部７及び拡がり角制御系１２Ａは、レチクルＲのパターンを投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に露光する露光本体部（後述のビームエクスパンダ６３に続く部分）に近い位置に配置されており、図５内のレーザ光源装置１Ａは、図４の放電チャンバ２及びレーザ共振器を備えている。また、一例として、その露光本体部は、例えば半導体デバイス製造工場の所定のフロアに設置され、そのレーザ光源装置１Ａは、その階下の機械室内に設置されている。なお、実際には拡がり角制御系１２Ａは、レーザ光源装置１Ａに近い位置に配置することが好ましい。これは、ビームマッチングユニット２０内ではできるだけ平行光束で送光することで、送光途中の光量損失を低減でき光学系を簡略化できるからである。
【００４１】
図５において、レーザ光源装置１Ａ（本例では図４の出力ミラー３）からパルス発光されたレーザ光ＬＢは、シリンドリカルレンズを含むビーム整形光学系６２に入射して、断面形状がほぼ正方形のビームに整形される。ビーム整形光学系６２から射出されたレーザ光ＬＢは、ミラー６１Ａ及び６１Ｂを含むビームマッチングユニット（又はビームデリバリユニット）２０を経てビームエクスパンダ６３に入射し、所定の断面寸法にまで断面形状が拡大された後、拡がり角制御系１２Ａに入射する。そして、拡がり角制御系１２Ａから射出されたレーザ光ＬＢ１は、反射率の大きいビームスプリッタミラー６１Ｃで大部分が反射された後、干渉縞の位相変調器としての振動ミラー６４にて光路（進行方向）が折り曲げられる。振動ミラー６４を直交する２つの回動軸６４ａ及び６４ｂを軸として独立に振動することによって、レーザ光ＬＢ１のスペックルパターンの影響が低減される。
【００４２】
また、ビームスプリッタ６１Ｃを透過したレーザ光は拡がり角モニタ部７に入射して、そのレーザ光の拡がり角に関する情報である断面形状が光軸に沿った複数位置で計測される。本例では、この計測結果に基づいて、レーザ光ＬＢ１の拡がり角が最小となり、かつそのビームサイズが所定値に維持されるように拡がり角制御系１２Ａが駆動される。
振動ミラー６４で反射されたレーザ光ＬＢ１は、不図示のインプットレンズ等を介してフライアイレンズ６５（オプティカル・インテグレータ）に入射する。フライアイレンズ６５の射出面（照明光学系の瞳面）から射出されるレーザ光ＬＢ１よりなる照明光ＩＬ（露光光）が透過率の大きい（反射率の小さい）ビームスプリッタ６６に入射する。
【００４３】
ビームスプリッター６６を透過した照明光ＩＬは、第１リレーレンズ６８によってレチクルＲのパターン形成面とほぼ共役な面上のレチクルブラインド（視野絞り）６９上に集光され、レチクルブラインド６９の開口部の形状によりレチクルＲ上のスリット状の幅Ｄの照明領域７３の形状が決定される。なお、レチクルブラインド６９の近傍には、走査露光の開始時及び終了時に不要な部分の露光を防止するために照明領域７３を走査方向に開閉するとともに、照明領域７３の非走査方向の幅を制御するための可動ブラインド（不図示）も配置されている。
【００４４】
レチクルブラインド６９及びその不図示の可動ブラインドの開口部を通過した照明光ＩＬは、第２リレーレンズ７０、光路折り曲げ用のミラー７１、及びメインコンデンサーレンズ７２を経て、レチクルＲのパターン形成面上の照明領域７３を照明する。ビームエクスパンダ６３からメインコンデンサーレンズ７２までの光学部材を含んで照明光学系が構成されている。
【００４５】
また、図５において、照明光ＩＬのうちビームスプリッタ６６で反射された僅かの光が、不図示の集光光学系を介して光電変換素子よりなるインテグレータセンサ６７に入射し、インテグレータセンサ６７の検出信号が露光量制御系７７に供給されている。インテグレータセンサ６７の検出信号とウエハＷ上での照明光ＩＬの照度（パルスエネルギー）との関係は予め計測されて記憶されており、露光量制御系７７は、インテグレータセンサ７７の検出信号に基づいて、ウエハＷ上で適正な露光量が得られるように、レーザ光ＬＢのパルスエネルギー及び／又は例えばミラー６１Ｂとビームエクスパンダ６３との間に設置された可変減光器（不図示）の減光率等を設定する。なお、そのレーザ光のパルスエネルギーの設定目標値は、装置全体の動作を統括制御する主制御系７６に供給され、主制御系７６は、レーザ光源装置１Ａ内の制御部に対して、そのレーザ光ＬＢのパルスエネルギー及び中心波長の設定目標値を含む制御情報と、レーザ光ＬＢのパルス発光のタイミングを指定するトリガパルスＴＰとを送出する。これに応じて、レーザ光源装置１Ａでは、そのトリガパルスＴＰに同期して、かつ指定されたパルスエネルギーでレーザ光ＬＢを出力する。
【００４６】
レチクルＲに形成された回路パターンのうち、照明光ＩＬによって照射された照明領域７３内のパターンが、両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４，１／５等）の投影光学系ＰＬを介してフォトレジストが塗布されたウエハＷの一つのショット領域上の投影領域７４に結像投影される。投影光学系ＰＬとしては、反射屈折系等も使用できる。図５において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に沿ってＸ軸を取り、その走査方向に直交する非走査方向に沿ってＹ軸を取って説明する。
【００４７】
レチクルＲは、レチクルベース（不図示）上をＸ方向に定速移動し、ＸＹ平面内で微小変位可能なレチクルステージ７５上に吸着保持されている。レチクルステージ７５の移動座標位置（少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びＺ軸の周りの回転角を含む）は、不図示のレーザ干渉計システムによって逐次計測され、その計測情報がステージ制御系７８及び主制御系７６に供給されている。主制御系７６の制御のもとで、ステージ制御系７８は、その計測情報に基づいて不図示の駆動系を介してレチクルステージ７５の位置及び速度を制御する。
【００４８】
一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ７９上に保持され、ウエハステージ７９は、走査露光時に少なくともＸ方向に定速移動できるとともに、Ｘ方向及びＹ方向にステップ移動できるように、不図示のウエハベース上に載置されている。ウエハステージ７９の移動座標位置（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りの回転角）は、不図示のレーザ干渉計システムによって逐次計測され、その計測情報がステージ制御系７８及び主制御系７６に供給されている。主制御系７６の制御のもとで、ステージ制御系７８は、その計測情報に基づいて不図示の駆動系を介してウエハステージ７９の位置及び速度を制御する。さらに、ウエハステージ７９には、ウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）、及びＸ軸、Ｙ軸の周りの傾斜角を制御するＺステージ機構も組み込まれている。
【００４９】
そして、ウエハＷの露光時には、図５において、不図示のアライメント系を用いてレチクルＲとウエハＷとのアライメントが行われる。その後、レチクルＲへの照明光ＩＬの照射を開始して、レチクルＲのパターンの一部の投影光学系ＰＬを介した像をウエハＷ上の一つのショット領域に投影した状態で、レチクルステージ７５を介して照明領域７３に対してレチクルＲを走査方向ＳＲ（＋Ｘ方向又は−Ｘ方向）に速度ＶＲで移動する動作に同期して、ウエハステージ７９を介して投影領域７４に対してウエハＷ上のショット領域を走査方向ＳＷ（−Ｘ方向又は＋Ｘ方向）に速度β・ＶＲ（βは投影倍率）で移動する走査露光動作と、照明光ＩＬの照射を停止して、ウエハステージ７９を介してウエハＷをＸ方向及び／又はＹ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。これによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００５０】
この露光に際して、本例では、レーザ光源装置１Ａ（図４の放電チャンバ２及びレーザ共振器を含むレーザ光源）よりも露光本体部に近い位置で、レーザ光ＬＢ１の拡がり角の計測及び制御を行うことによって、レーザ光源装置１Ａから露光本体部までのレーザ光の送光距離が長い場合でも、露光本体部におけるレーザ光ＬＢ１のエネルギー損失を低減できる。従って、照明光ＩＬの出力が大きく維持されて、高いスループットが得られる。なお、本発明のレーザ光源装置は、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置、及びプロキシミティ方式等の投影光学系を使用しない露光装置の露光光源としても使用できる。
【００５１】
また、上述の実施形態においては、光透過性の基材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）を用いているが、このマスクに替えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号公報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を用いてもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態においては、投影光学系ＰＬを使ってパターン像をウエハ上に投影することによってウエハを露光しているが、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、干渉縞を基板上に形成することによって、基板上にライン・アンド・スペースを露光する露光装置（リソグラフィシステム）の露光光源にも本発明を適用することができる。
【００５３】
さらに、本発明のレーザ光源装置（図１のレーザ光源装置１等）は、露光装置以外のレーザ加工用の装置等の光源としても使用可能である。
また、上記の実施形態の露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施形態の露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンを基板（ウエハ）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ、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）、並びに検査ステップ等を経て製造される。
【００５４】
また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスへの適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレート等に形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置の製造プロセスや、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、セラミックスウエハ等を基板として用いる薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスの製造プロセスにも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、製造工程にも適用することができる。
【００５５】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のデバイス製造方法によれば、露光ビームとしてのレーザ光のエネルギー損失を低減でき、露光工程のスループットを向上できるため、微細なパターンを有するデバイスを効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態のレーザ光源装置の構成を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）内の撮像素子９Ａの撮像面を示す図、（Ｃ）は図１（Ａ）内の撮像素子９Ｂの撮像面を示す図である。
【図２】（Ａ）は、図１（Ａ）のコリメータレンズＬ２が無い場合に、集光レンズＬ１によって集光されるレーザ光のビームウェストの位置を示す図、（Ｂ）は、コリメータレンズＬ２がある場合に、集光レンズＬ１によって集光されるレーザ光のビームウェストの位置を示す図である。
【図３】図１（Ａ）のコリメータレンズＬ２の代わりに２枚のシリンドリカルレンズよりなるコリメータレンズＬ２Ａ，Ｌ２Ｂを用いる場合の要部を示す斜視図である。
【図４】第２の実施形態のレーザ光源装置の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態のレーザ光源装置を露光光源とする露光装置の一例の概略構成を示す一部を切り欠いた斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、Ｌ１…集光レンズ、Ｌ２，Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ…コリメータレンズ、Ｌ５…合成コリメータレンズ系、１，１Ａ…レーザ光源装置、２…放電チャンバ、３…出力ミラー、５…遮光板、６…ビームスプリッタ、７…拡がり角モニタ部、９Ａ，９Ｂ…撮像素子、１１…制御部、１２，１２Ａ…拡がり角制御系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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