(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素が含まれる混合ガスをチャンバに注入してレーザ発振するガスレーザ装置において、
チャンバから出射されるレーザ光のビームダイバージェンスをモニタするビームダイバージェンスモニタと、
モニタしたビームダイバージェンスを用いてチャンバ内のフッ素濃度を求め、その結果に基づきチャンバ内のフッ素濃度を制御するコントローラと、を備え、
前記ダイバージェンスモニタは、チャンバに配設された主電極間の放電方向と同一方向のレーザ光のビームダイバージェンスを検出すること
を特徴とするガスレーザ装置。
【請求項２】
前記コントローラは、ビームダイバージェンスとチャンバ内のフッ素濃度との対応関係を予め記憶し、この対応関係を用いてモニタしたビームダイバージェンスに対応するフッ素濃度を求め、その結果に基づきチャンバ内のフッ素濃度が所定範囲内の値となるようにチャンバからの混合ガスの排気とチャンバへの各種ガスの注入とを制御すること
を特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
【請求項３】
前記ダイバージェンスモニタは、ラインセンサとラインセンサにレーザ光を集光する集光レンズとを含むこと
を特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
【請求項４】
前記ダイバージェンスモニタは、ＣＣＤカメラとＣＣＤカメラにレーザ光を集光する集光レンズとを含むこと
を特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
【請求項５】
チャンバから出射されるレーザ光のビームダイバージェンスのうちチャンバに配設された主電極間の放電方向と同一方向のビームダイバージェンスをモニタするビームダイバージェンスモニタ工程と、
レーザ光のビームダイバージェンスを用いてチャンバ内のフッ素濃度を求め、チャンバ内のフッ素濃度を所定範囲内の値とするために必要な混合ガスの排気量と各種ガスの注入量とを演算する演算工程と、
演算結果に基づき混合ガスの排気と各種ガスの注入を制御するガス制御工程と、を含むこと
を特徴とするガスレーザ装置のフッ素濃度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フッ素ガスが含まれる混合ガスをチャンバに注入するガスレーザ装置に関し、特にレーザ光のビームダイバージェンスを検出するものに関する。またレーザ光のビームダイバージェンスを用いてフッ素濃度を制御するガスレーザ装置及びフッ素濃度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体露光装置の露光用光源となるＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザ並びに次世代の露光用光源として期待されているＦ２レーザなどにおいて、ウェハの露光を斑なく均等に行うためには、その露光量が一定となるようにレーザ装置を制御する必要がある。パルス発振するレーザ光を安定して出力させるためには、チャンバ内のガス圧力やガス組成、また充電電圧や光学素子の位置などが制御される。その制御パラメータの中にフッ素ガス濃度（又は分圧）がある。
【０００３】
ＫｒＦ又はＡｒＦエキシマレーザでは、０．数％のフッ素（Ｆ２）ガス及び数十％のアルゴン（Ａｒ）ガス又はクリプトン（Ｋｒ）ガスからなるレーザ媒質と、ネオン（Ｎｅ）ガス又はヘリウム（Ｈｅ）ガスからなる希釈ガスとを混合した混合ガスがチャンバ内に注入されている。Ｆ２レーザでは１％以下のフッ素ガスとネオンガス又はヘリウムガスとの混合ガスがチャンバ内に注入されている。チャンバ内の主電極間に放電が発生しレーザ発振が行われると、次第にチャンバ内のフッ素濃度が減少する。これはフッ素の反応性が非常に高いため、混合ガス中のフッ素が放電により生成された電極材料等の原子・分子などと反応してフッ化物に変化することに起因する。
【０００４】
フッ素濃度の減少に伴い出力エネルギーは減少し、さらにレーザパルス波形やスペクトル線幅やビーム幅なども変化する。以上から、レーザ発振が線り返されるとウェハの露光量が変化するという現象が生じる。フッ素濃度の減少に伴う露光量の変化を防止するためには、減少した分量のフッ素ガスを注入する必要がある。
【０００５】
したがってチャンバ内のフッ素濃度測定装置がレーザ装置に設けられていればよいが、フッ素濃度測定装置は大がかりであり、レーザ装置に設けることは好ましくない。したがって現状では、例えばレーザ発振前のフッ素濃度の初期値と１０００パルス発振後のフッ素濃度とが予め測定され、これらの値から１０００パルス発振する際のフッ素消費量が算出される。そして１０００パルス発振する毎にこの算出値相当のフッ素ガスが注入されている。しかし電極の消耗や全ガス圧力の変化や充電電圧の変化などによって放電状態は変化し、放電状態の変化に伴いフッ素消費量は変化する。したがって所定量のフッ素ガスが注入されたとしても実際のフッ素濃度は目標とする初期値と異なる場合が多く、このときレーザ性能を正常にコントロールすることが困難になる。
【０００６】
そのため出力されるレーザ光によってチャンバ内のフッ素濃度を測定する方法・装置が研究・開発されており、例えば、特開2000-286495号公報（以下「文献１」という）、特開平6-164026号公報（以下「文献２」という）、特開平7-335961号公報（以下「文献３」という）に関連する技術が記載されている。
【０００７】
文献１の技術は、レーザパルス波形がフッ素濃度により変化することを利用するものである。一般にエキシマレーザにはフッ素濃度が増加すると、レーザパルス波形の放電開始からの時間的立ち上がりが早くなる特性がある。その一例を図１１（ａ）に示す。これはフッ素が増加することによってレーザ発振の利得が増加するため、放電開始後の発振波長のエネルギーを持った光子の増加がレーザ発振の閾値を超える時間が早くなるためである。文献１の技術はこの特性を利用するものである。レーザ装置のモニタモジュール内にはレーザパルス波形を受光するバイプラナ光電管と、そのレーザパルス信号を検出し放電開始時間からの立ち上がり時間間隔を計測する高速オシロスコープとが設けられている。
【０００８】
文献２の技術は、レーザ光のスペクトル線幅がフッ素濃度により変化することを利用するものである。前述したように、フッ素濃度が増加することによって、レーザパルスの立ち上がりが早くなる。故に放電開始からレーザが発振開始するまでの時間間隔が短くなる。光子の誘導放出が始まる時間を起点にしても、発振に至るまでの所要時間は短くなる。レーザ装置においては、レーザ媒質を封入するチャンバの両端に置かれた共振器の間をレーザ光が往復することによってレーザ光が増幅され出射される。その誘導放出が始まる初期に放出された光子をレーザ光の種とすれば、その種光子が生成されてからレーザ光が出射されるまでの時間が長ければ長いほど、光子は共振器の間を往復している時間が長くなり、その往復距離も長くなる。そのため、レーザパルスの立ち上がりが早くなると、そのレーザ光が共振器間を往復していた時間及び距離が短いということになる。つまりフッ素濃度が増加することによって、レーザ光が共振器間を往復する回数が少なくなる。レーザ光が共振器間を往復する回数をラウンドトリップ数という。
【０００９】
一般的に縮小露光する光がぼけないようにするために、露光用光源のスペクトル線幅やスペクトル純度を小さくする必要がある。このことをスペクトルの狭帯域化という。レーザ装置では、スペクトルの狭帯域化のために角度分散素子であるプリズムや回折格子からなる狭帯域化モジュールがレーザ共振器内に搭載されている。レーザ光のラウンドトリップ数が減少すると、狭帯域化素子を通過する回数が減少し、スペクトル線幅の細い成分が少なくなる。つまりスペクトル線幅が太くなる。その一例を図１１（ｂ）に示す。文献２の技術はこの特性を利用するものである。この装置ではスペクトル線幅が太くなるとフッ素濃度を減少させる制御が行われる。
【００１０】
文献３の技術は、レーザ光のビーム幅がフッ素濃度により変化することを利用するものである。前述したように、フッ素濃度が増加することによって、レーザの利得が大きくなる。このため、空間的利得領域が広がって、ビーム幅が太くなる特性がある。その一例を図１１（ｃ）に示す。文献３の技術はこの特性を利用するものである。レーザ装置のモニタモジュール内にビーム幅を測定するためのレンズとＣＣＤが搭載されており、ビーム幅が仕様範囲内に入るようにフッ素濃度を増減する制御が行われている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
文献１の技術は高速オシロスコープを必要とする。高速オシロスコープは高額であるため、これをレーザ装置に搭載するとなるとレーザ装置自体が非常に高額になるという問題が生じる。こうした問題から文献１の技術は実用的ではない。
【００１２】
文献２の技術において、レーザ発振によって狭帯域化モジュールに設けられたプリズムや回折格子等は、レーザ照射やチャンバからの熱伝導等の熱負荷を受ける。するとプリズムの屈折率が変化し、回折格子へのレーザ光の入射角度が変化する。狭帯域化モジュールではレーザ光を角度分散させて狭帯域化しているにもかかわらず、熱負荷の影響によってレーザ光の入射角度が変化することになる。そのためスペクトル線幅も変化する。つまりレーザ光のスペクトル線幅はフッ素濃度以外の影響を受けるため、原理的にスペクトル線幅からフッ素濃度を算出することが困難であるという問題が生じる。また図１１（ｂ）に示すように、チャンバの寿命が近づくと、主電極が消耗しスペクトル線幅が太くなる。このため長期運転におけるフッ素濃度値の安定性が悪いという問題もある。
【００１３】
文献３の技術も文献２の技術と同様に、熱負荷の影響によって回折格子へのレーザ光の入射角度が変化するため、チャンバ内を進行するレーザ光の光路が変化し、その結果としてビーム幅も変化する。つまりレーザ光のビーム幅はフッ素濃度以外の影響を受けるため、原理的にビーム幅からフッ素濃度を算出することが困難であるという問題が生じる。また図１１（ｃ）に示すように、チャンバの寿命が近づくと、主電極が消耗しビーム幅が太くなる。このため長期運転におけるフッ素濃度値の安定性が悪いという問題もある。
【００１４】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、製造コストの上昇を抑制するとともに、チャンバ内のフッ素濃度を正確に求め、混合ガスの排気及び各種ガスの注入を的確に行うことを解決課題とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
第１発明は、
フッ素が含まれる混合ガスをチャンバに注入してレーザ発振するガスレーザ装置において、
チャンバから出射されるレーザ光のビームダイバージェンスをモニタするビームダイバージェンスモニタと、
モニタしたビームダイバージェンスを用いてチャンバ内のフッ素濃度を求め、その結果に基づきチャンバ内のフッ素濃度を制御するコントローラと、を備え、
前記ダイバージェンスモニタは、チャンバに配設された主電極間の放電方向と同一方向のレーザ光のビームダイバージェンスを検出すること
を特徴とする。
【００２０】
第２発明は、第１発明において、
前記コントローラは、ビームダイバージェンスとチャンバ内のフッ素濃度との対応関係を予め記憶し、この対応関係を用いてモニタしたビームダイバージェンスに対応するフッ素濃度を求め、その結果に基づきチャンバ内のフッ素濃度が所定範囲内の値となるようにチャンバからの混合ガスの排気とチャンバへの各種ガスの注入とを制御すること
を特徴とする。
【００２２】
第１、第２発明を図１、図４、図６を用いて説明する。
【００２３】
ビームダイバージェンス検出器３４では、放電方向のビームダイバージェンスθyが求められる。レーザコントローラ４１では、図６で示すようなビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２との相関と求めたビームダイバージェンスθyとからチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２が求められる。さらに求めたフッ素濃度Ｆ２から混合ガスの排気量とハロゲンガスや希ガスや希釈ガスの注入量が演算される。そしてガスコントローラ４４では、混合ガスの排気動作及び各種ガスの注入動作が制御される。
【００２４】
ビームダイバージェンスθのうち、特に放電方向のビームダイバージェンスθyは狭帯域化モジュールの熱負荷の影響及び主電極の消耗の影響を受けない。このためレーザ発振が継続されてもフッ素濃度Ｆ２とビームダイバージェンスθyとの対応関係は一定である。よって第１、第２発明によれば、常にチャンバ内のフッ素濃度を正確に求めることができるため、混合ガスの排気及び各種ガスの注入を的確に行うことできる。
【００２５】
第３発明は、第１発明において、
前記ダイバージェンスモニタは、ラインセンサとラインセンサにレーザ光を集光する集光レンズとを含むこと
を特徴とする。
【００２６】
第４発明は、第１発明において、
前記ダイバージェンスモニタは、ＣＣＤカメラとＣＣＤカメラにレーザ光を集光する集光レンズとを含むこと
を特徴とする。
【００２７】
第３、第４発明はビームダイバージェンスモニタの具体的な実施形態である。第３発明では、図４（ａ）で示すように、集光レンズ３５の焦点距離ｆの位置にラインセンサ３６が配設される。第４発明では、図４（ｂ）で示すように、集光レンズ３５の焦点距離ｆの位置にＣＣＤカメラ３７が配設される。ラインセンサ３６で検出されるビームの幅Ｗyは２ｆ・tanθyとなる。したがって縦方向のビームダイバージェンスθyは、θy＝arctan（Ｗy／２ｆ）によって求められる。集光レンズ３５、ラインセンサ３６、ＣＣＤカメラ３７は比較的安価であるため、製造コストを低減させることができる。
【００２８】
第５発明は、
チャンバから出射されるレーザ光のビームダイバージェンスのうちチャンバに配設された主電極間の放電方向と同一方向のビームダイバージェンスをモニタするビームダイバージェンスモニタ工程と、
レーザ光のビームダイバージェンスを用いてチャンバ内のフッ素濃度を求め、チャンバ内のフッ素濃度を所定範囲内の値とするために必要な混合ガスの排気量と各種ガスの注入量とを演算する演算工程と、
演算結果に基づき混合ガスの排気と各種ガスの注入を制御するガス制御工程と、を含むこと
を特徴とする。
【００２９】
ビームダイバージェンス検出器３４では、放電方向のビームダイバージェンスθyが求められる。レーザコントローラ４１では、図６で示すようなビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２との相関と求めたビームダイバージェンスθyとからチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２が求められる。さらに求めたフッ素濃度Ｆ２から混合ガスの排気量とハロゲンガスや希ガスや希釈ガスの注入量が演算される。そしてガスコントローラ４４では、混合ガスの排気動作及び各種ガスの注入動作が制御される。
【００３０】
ビームダイバージェンスθのうち、特に放電方向のビームダイバージェンスθyは狭帯域化モジュールの熱負荷の影響及び主電極の消耗の影響を受けない。このためレーザ発振が継続されてもフッ素濃度Ｆ２とビームダイバージェンスθyとの対応関係は一定である。よって第５発明によれば、常にチャンバ内のフッ素濃度を正確に求めることができるため、混合ガスの排気及び各種ガスの注入を的確に行うことできる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３２】
レーザ光は直進するに伴い光路と直交する方向に広がる、いわるゆビームダイバージェンスを有する。本発明はこの性質を利用するものであり、ビームダイバージェンスとして、アウトプットカプラ（フロントミラー）の出射側におけるビームダイバージェンスθを求めるものである。またその値に基づいてチャンバ内のフッ素濃度Ｆ２を求めるものである。また求めたフッ素濃度Ｆ２からチャンバ内のフッ素濃度Ｆ２が所定の濃度範囲内の値になるようにガスを制御するものである。なお以下の説明で用いる縦方向とは、主電極の放電方向のことをいい、横方向とは、縦方向及びレーザ光の光路と直交する方向のことをいう。
【００３３】
図１は本発明に係わるレーザ装置の構成を示すブロック図である。また図２（ａ）はレーザ装置における各光学装置の上面図であり、図２（ｂ）はレーザ装置における各光学装置の側面図である。
【００３４】
図１で示すように、レーザ装置は、チャンバ１０と、スリット１５、１６と、アウトプットカプラ（フロントミラー）１７と、狭帯域化モジュール２０と、モニタモジュール３０と、レーザコントローラ４１と、圧力センサ４２と、放電電源（パルスパワーモジュール）４３と、ガスコントローラ４４と、ハロゲンガスボンベ４５と、希ガスボンベ４６と、希釈ガスボンベ４７とを有する。
【００３５】
チャンバ１０の内部には主電極１１のカソード及び主電極１２のアノードが設けられており、レーザ光が出射される後方の部位にはブリュースタウィンドウ１３が設けられ、前方の部位にはブリュースタウィンドウ１４が設けられている。またチャンバ１０の内部には混合ガスが所定のガス圧力Ｐｔで注入される。ＫｒＦレーザならば混合ガスはＦ２、Ｋｒ、Ｎｅからなり、ＡｒＦレーザならば混合ガスはＦ２、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅからなり、Ｆ２レーザならば混合ガスはＦ２、Ｈｅ又はＮｅからなる。
【００３６】
ブリュースタウィンドウ１３側の光路にはスリット１５及び狭帯域化モジュール２０が設けられており、ブリュースタウィンドウ１４側の光路にはスリット１６及びアウトプットカプラ１７、モニタモジュール３０が設けられている。チャンバ１０で発生したレーザ光は狭帯域化モジュール２０とアウトプットカプラ１７との間を共振することで増幅された後、アウトプットカプラ１７側を通過しモニタモジュール３０側へ出射される。
【００３７】
図３（ａ）、（ｂ）はスリット１５（及び１６）の構造を説明するための図である。以下スリット１５を代表して説明する。
【００３８】
スリット１５は縦スリット１５ａ及び横スリット１５ｂの機能を有する。図３（ａ）で示すように、縦スリット１５ａは主電極１１、１２の放電部、すなわちビームを縦方向（放電方向に平行な方向）に対して垂直に切り出す形状であり、図３（ｂ）で示すように、横スリット１５ｂは主電極１１、１２の放電部、すなわちビームを横方向（放電方向に垂直な方向）に対して垂直に切り出す形状である。なお縦方向のビームダイバージェンスθyは縦スリット１５ａによって決まる。
【００３９】
図２（ａ）、（ｂ）で示すように、狭帯域化モジュール２０は、プリズム２１、２２と回折格子２３を有する。プリズム２１、２２はレーザ光を横方向に拡大するように配設され、回折格子２３は拡大されたレーザ光を角度分散し、所定波長のレーザ光のみをプリズム２２に戻すように配設される。狭帯域化モジュール２０によれば、レーザ光のスペクトルが狭帯域化される。
【００４０】
図１で示すように、モニタモジュール３０には、ビームスプリッタ３１ａ〜３１ｄと、出力検出器３２と、スペクトル線幅・中心波長検出器３３と、ビームダイバージェンス検出器３４が設けられている。アウトプットカプラ１７を通過したレーザ光は、ビームスプリッタ３１ａによってビームスプリッタ３１ｂ側へ反射されるレーザ光と図示しない半導体露光機側へ出射されるレーザ光とに分けられる。ビームスプリッタ３１ａに反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３１ｂによってビームスプリッタ３１ｃ側へ出射されるレーザ光と出力検出器３２側へ反射されるレーザ光とに分けられる。ビームスプリッタ３１ｂから出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３１ｃによってビームスプリッタ３１ｄ側へ出射されるレーザ光とスペクトル線幅・中心波長検出器３３側へ反射されるレーザ光とに分けられる。ビームスプリッタ３１ｃから出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３１ｄによってビームダイバージェンス検出器３４側へ反射される。出力検出器３２ではレーザ光の出力エネルギーＥが検出される。スペクトル線幅・中心波長検出器３３ではレーザ光のスペクトル線幅Δλ及び中心波長λ0が検出される。ビームダイバージェンス検出器３４ではビームダイバージェンスθが検出される。ビームダイバージェンス検出器３４の構成については後述する。
【００４１】
レーザコントローラ４１には、モニタモジュール３０で検出された出力エネルギーＥと、スペクトル線幅Δλと、中心波長λ0と、ビームダイバージェンスθとが入力され、圧力センサ４２で検出されたチャンバ１０内のガス圧力Ｐｔが入力される。また図６で示すようなビームダイバージェンスθとフッ素濃度Ｆ２の対応関係が記憶されており、入力されたビームダイバージェンスθに対応するフッ素濃度Ｆ２が特定される。さらにフッ素濃度Ｆ２が所定範囲内の値となるように、混合ガスの排気量及び各種ガスの注入量が演算される。その演算結果はガス制御指令Ｉとしてガスコントローラ４４に出力される。また必要な充電電圧Ｖが演算される。その演算結果は指令充電電圧Ｖiとして放電電源４３に出力される。
【００４２】
放電電源４３は、チャンバ１０内の主電極１１、１２に電気的に接続されている。放電電源４３によって主電極１１、１２間にはパルスの高電圧が印加され放電が発生する。主電極１１、１２間の放電によってチャンバ１０内のガスが励起され、レーザ光が発生する。
【００４３】
ガスコントローラ４４はガス制御指令Ｉに基づき、チャンバ１０からの混合ガスの排気動作及びハロゲンガスボンベ４５、希ガスボンベ４６、希釈ガスボンベ４７からチャンバ１０への各種ガスの注入動作を制御する。ハロゲンガスボンベ４５にはフッ素ガスが封入され、希ガスボンベ４６にはクリプトンガス又はアルゴンガス及びキセノンガスが封入され、希釈ガスボンベ４７にはネオンガス又はヘリウムガスが封入されている。ガスコントローラ４４による混合ガスの排気及び各種ガスの注入はレーザ発振中であっても可能である。
【００４４】
本実施形態では、モニタモジュール３０内にビームダイバージェンス検出器３４を搭載し、縦方向のビームダイバージェンスθyを求めるようにしている。狭帯域化モジュール２０内の光学素子の熱負荷の影響は、横方向のビーム角度に影響を与えるが、縦方向の角度分散には影響しない。したがって狭帯域化モジュール２０の熱負荷の影響によって横方向のビームダイバージェンスθxが変化するのに対し、縦方向のビームダイバージェンスθyは変化しない。よって縦方向のビームダイバージェンスθyはほぼフッ素濃度Ｆ２の変化のみによって変化するものと考えられる。図４〜図６を用いてダイバージェンス検出器３４の構成及びビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２との関係について説明する。
【００４５】
図４（ａ）、（ｂ）はビームダイバージェンス検出器３４の一例を示す図である。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、ビームダイバージェンス検出器３４には集光レンズ３５とラインセンサ３６とが設けられている。ラインセンサ３６は集光レンズ３５の焦点距離ｆの位置に縦方向（放電方向に平行な方向）と平行となるように配設されている。ビームダイバージェンス検出器３４に入射されたレーザ光は、集光レンズ３５によってラインセンサ３６に集光される。ビームダイバージェンスがない場合、すなわちレーザ光の広がりがない場合は、ラインセンサ３６上で点状のビームが検出される。ビームダイバージェンスがある場合、すなわちレーザ光の広がりがある場合は、ラインセンサ３６上でビームが検出される。このビームの幅Ｗyは２ｆ・tanθyとなる。したがって縦方向のビームダイバージェンスθyは、θy＝arctan（Ｗy／２ｆ）によって求められる。なおビームの幅Ｗyの基準として、例えば半値全幅または１／ｅ2幅を用いてもよい。
【００４７】
また図４（ｂ）に示すように、ラインセンサ３６に代わりＣＣＤカメラ３７を配設してもよい。ラインセンサ３６では一次元のビームの幅Ｗyが計測されるのに対し、ＣＣＤカメラ３７では二次元のビームの幅Ｗx、Ｗyが計測される。したがってＣＣＤカメラ３７によれば、縦方向のビームダイバージェンスθy及び横方向（放電方向に垂直な方向）のビームダイバージェンスθxを求めることができる。
【００４８】
集光レンズ３５やラインセンサ３６やＣＣＤカメラ３７としては一般的に使用されている安価なものを用いることができる。但し耐久性を考慮し、各光学素子の母材には合成石英が使用され、特にＦ２レーザの場合はフッ化カルシウムが使用される必要がある。
【００４９】
ところで図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ビームダイバージェンス検出器３４は従来のビームプロファイル検出器３４′と構成要素が同一である。しかし両者は各構成要素の配置に差異がある。そこでビームダイバージェンス検出器３４とビームプロファイル検出器３４′の差異について説明する。
【００５０】
図５（ａ）はビームプロファイル検出器３４′の配置を示す図であり、図５（ｂ）はビームダイバージェンス検出器３４の配置を示す図である。
【００５１】
図５（ａ）に示すビームプロファイル検出器３４′は、例えばアウトプットカプラ１７′上のビームプロファイルを集光レンズ３５′を使ってラインセンサ３６′上に転写するものである。ビームプロファイルの像がぼけることなくラインセンサ３６′上に転写されるには、（ｆl／Ｘ1）＋（ｆ2／Ｘ2）＝１という関係が成立するようにアウトプットカプラ１７′と集光レンズ３５′とラインセンサ３６′とを配設しなければならない。ここでf1、f2は集光レンズ３５′の焦点距離を示し、Ｘ1、Ｘ2は集光レンズ３５′からアウトプットカプラ１７′及びラインセンサ３６′までの距離を示す。このようにビームプロファイル検出器３４′は像を転写するだけのものであるため、ビームダイバージェンスθを求めることはできない。
【００５２】
図５（ｂ）に示すビームダイバージエンス検出器３４は、前述したように、集光レンズ３５とラインセンサ３６との間隔が集光レンズ３５の焦点距離ｆになるように配設されている。ビームダイバージエンス検出器３４は、ビーム幅を求めることはできないものの、ビームダイバージェンスθを求めることはできる。
【００５３】
図６は縦方向のビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２との対応関係を示す図である。
【００５４】
ビームダイバージェンスθyは共振器長が長いほど小さくなる。そのためビームダイバージェンスθyは次の２つの要因によって決定されるといえる。第１の要因は、レーザ共振器の両端に設けられた２枚のスリット間隔である。スリット間隔が長いほど共振器長が長くなるためである。第２の要因は、２枚のスリット間におけるレーザ光の往復回数、すなわちラウンドトリップ数である。ラウンドトリップ数が多くなることによって光学的な共振器長が長くなるためである。レーザ光のラウンドトリップ数が多いほどビームダイバージェンスθyは小さくなる。
【００５５】
また前述の通りフッ素濃度Ｆ２が増加するとラウンドトリップ数は減少する。したがってフッ素濃度Ｆ２が増加するとビームダイバージェンスθyが大きくなるという特性が得られる。その一例を図６に示す。図６に示すように、ビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２とは比例関係にあるため、ビームダイバージェンスθyを検出することによってフッ素濃度Ｆ２を求めることができる。
【００５６】
さらに図６に示すように、チャンバ寿命に近づいても、ビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２の依存性は変化しなことが分かった。これは縦方向のビームダイバージェンスθyはビーム幅といったビーム形状の影響を受けないためである。したがってレーザ装置を長期運転して主電極１１、１２が消耗したとしても、フッ素濃度Ｆ２を正確に求めることができる。
【００５７】
ただし縦方向のビームダイバージェンスθyは、フッ素濃度Ｆ２以外に、ガス圧力Ｐtや充電電圧Ｖによっても、僅かながら影響を受ける。これはガス圧力Ｐtや充電電圧Ｖの増減によって放電の利得が変化し、レーザの立ち上がりが変化するためである。このためガス圧力Ｐt、充電電圧Ｖ、フッ素濃度Ｆ２の様々な組み合わせに対して縦方向のビームダイバージェンスθyの値を予め求めておき、これらの値をマトリックスとして記憶し、実際の演算時にガス圧力Ｐt、充電電圧Ｖ、ビームダイバージェンスθyをパラメータとして、マトリックスからフッ素濃度Ｆ２を求めることがより望ましい。この演算されたフッ素濃度Ｆ２によって初期状態からのフッ素の変位量を演算し、その変位分を補償するように混合ガスの排気と各種ガスの注入とを行う。
【００５８】
ラインセンサ３６やＣＣＤカメラ３７は実際のレーザ装置でも使用されている。これらの光学素子は比較的安価で実用的であり、耐久性もよい。また図６に示すように、狭帯域化モジュール内の光学素子の熱負荷の影響は横方向のビーム角度に影響を与えるが、縦方向への角度分散には影響しない。そのため、問題であった光学素子の熱負荷の影響も少なく、スペクトルに対しても独立で検出できるため、耐久性良く安定して動作させることが可能となる。
【００５９】
つぎに図７〜１０を用いてレーザ装置の制御工程について説明する。
【００６０】
半導体露光装置にレーザ装置を接続してウェハの露光を行う場合は、レーザ装置は出力エネルギーＥを一定に保ついわゆるパワーロックモードで動作される。このような状態で数Mpls以上のレーザ発振が行われると、チャンバ１０内の物質や放電生成物とハロゲンガス（フッ素や塩素）とが反応し、ハロゲンガス自体が減少する。またチャンバ１０内には不純物が発生する。このため何らガス制御及び電圧制御が行われない場合は、チャンバ１０内のガス組成が初期状態と比べて変化し、出力エネルギーＥが低下する。
【００６１】
従来のレーザ装置では、低下する出力エネルギーＥを補償してパワーロックするために、ハロゲンガスを注入したり、モニタモジュール３０でモニタした出力エネルギーＥに基づいて、チャンバ１０内のガス圧力Ｐｔの制御（主に増加）や、充電電圧Ｖの制御が行われている。またチャンバ１０内の混合ガスを一部だけ交換して、混合ガスの一部をフレッシュな状態に戻すガス制御が行われている。本発明のレーザ装置はこのガス制御の中で、ビームダイバージェンス検出器３４を利用して、最新のフッ素濃度Ｆ２を求め、混合ガスの排気及び各種ガスの注入を行うようにするものである。
【００６２】
図７、８を用いてレーザ装置の制御例について説明する。
【００６３】
図７はガス制御の一例を示すフローチャートである。
【００６４】
ガス交換直後のレーザ発振初期において、チャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２がビームダイバージェンス検出器３４で求められ、この値が基準値Ｆ２（０）として設定されるとともに、この基準値Ｆ２（０）に対してガス制御が必要となるフッ素の変位量Ｆが設定される（ステップ７０１〜７０３）。レーザ発振中に規定ショット数（例えば時刻ｔlにおけるショット数）に到達した時点で、モニタモジュール３０にてレーザ光の縦方向のビームダイバージェンスθyと、チャンバ１０内のガス圧力Ｐtと、充電電圧Ｖとが検出される（ステップ７０４の判断ＹＥＳ、７０５）。
【００６５】
検出されたビームダイバージェンスθyと、ガス圧力Ｐtと、充電電圧Ｖとを用いて、記憶されているマトリックスより対応するフッ素濃度Ｆ２が求められる（ステップ７０６）。さらにフッ素濃度Ｆ２と基準値Ｆ２（０）との変位量ΔＦが求められる（ステップ７０７）。変位量ΔＦが所定範囲外（｜ΔＦ｜＞Ｆ）である場合は、後述する混合ガスの排気及び各種ガスの注入が必要である（ステップ７０８の判断ＹＥＳ）。変位量ΔＦが所定範囲内（｜ΔＦ｜≦Ｆ）である場合は、次の規定ショット数（例えば時刻ｔ2におけるショット数）に到達するまでレーザ発振が継続される（ステップ７０８の判断ＮＯ）。
【００６６】
混合ガスの排気及び各種ガスの注入を行う際には、フッ素濃度Ｆ２の増減が判断される（ステップ７０９）。変位量ΔＦがプラスの場合、すなわちフッ素濃度Ｆ２が減少している場合は、ガス圧力Ｐtを変えずにフッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（０）まで増加すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutと、ハロゲンガスボンベ４５からのフッ素ガスの注入量Ｐfinが演算される（ステップ７１０）。変位量ΔＦがマイナスの場合、すなわちフッ素濃度Ｆ２が増加している場合は、ガス圧力Ｐtを変えずにフッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（０）まで減少すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutと希釈ガスボンベ４７からの希釈ガスの注入量Ｐbinが演算される（ステップ７１１）。
【００６７】
演算された混合ガスの排気量Ｐout及びフッ素ガスの注入量Ｐfin又は希釈ガスの注入量Ｐbinに基づき、ガスコントローラ４４によってチャンバ１０からのガスの排気動作及び各ガスボンベ４５〜４７からのガスの注入動作が制御され、再度フッ素濃度Ｆ２を求めるステップ７０５以降の処理が行われる（ステップ７１２）。
【００６８】
本発明のレーザ装置では、図７に示すようなガス制御の他に、ガス圧力制御と充電電圧制御とが行われている。これら各制御のタイミングについて図８を用いて説明する。
【００６９】
図８（ａ）は出力エネルギーＥのタイミングチャートであり、図８（ｂ）は充電電圧Ｖのタイミングチャートであり、図８（ｃ）はチャンバ１０内のガス圧力Ｐtのタイミングチャートであり、図８（ｄ）はチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２のタイミングチャートである。
【００７０】
図８（ｂ）に示すように、出力エネルギーＥが一定値Ｅcになるように、レーザコントローラ４１から出力される指令充電電圧Ｖiに基づき放電電源４３によって充電電圧Ｖがパルス毎に制御されている。ここでは充電電圧Ｖは予め設定された目標電圧Ｖtargetとなるように制御されている。
【００７１】
時刻ｔ1において、規定ショット数に達したものとし、図７のステップ７０４以降に示すガス制御が行われる。
【００７２】
時刻ｔ2において、チャンバ１０内のガス等の劣化により、パルス毎の充電電圧制御及びガス制御のみでは出力エネルギーＥを一定値Ｅcに保つことができなくなる。そこで出力エネルギーを一定に保つために、ガス圧力Ｐtが増加される。これはガス圧力Ｐtを増加させることによって出力エネルギーＥが増加するためである。
【００７３】
時刻ｔ3において、ガス圧力Ｐtが上限値Ｐmaxに到達すると、もはやガス圧力Ｐtの増加によって出力エネルギーＥの減少を補償することができなくなる。そこで出力エネルギーを一定に保つために、充電電圧Ｖが目標電圧Ｖtarget以上となるように制御される。
【００７４】
時刻ｔ4において、充電電圧Ｖが上限値Ｖmaxに到達すると、もはや出力エネルギーＥの減少を補償することができなくなる。この時点がレーザガスの寿命とみなされ、チャンバ１０内の全ガス交換が行われる。
【００７５】
つぎに図９、１０を用いてレーザ装置の他の制御例について説明する。
【００７６】
図７、８で示す制御例は、フッ素濃度の基準値Ｆ２（０）が一定とされ、フッ素濃度Ｆ２が一定の基準値Ｆ２（０）となるように混合ガスの排気及び各種ガスの注入が行われるのに対し、図９、１０で示す制御例は、出力エネルギーＥの低下を抑制するためにフッ素濃度の基準値Ｆ２（Ｎ）が可変とされ、フッ素濃度Ｆ２が最新の基準値Ｆ２（Ｎ）となるように混合ガスの排気及び各種ガスの注入が制御される。但し半導体露光装置側から要求される各光学性能がスペックアウトにならないようにフッ素濃度Ｆ２が取りうる範囲が設定される。その設定範囲の上限値をＦ２maxとし、フッ素濃度Ｆ２が上限値Ｆ２maxを超えないようにガス制御が行われる。フッ素濃度Ｆ２を増加させた場合は出力エネルギーＥが増加する。フッ素濃度の基準値Ｆ２（Ｎ）を増加させることによって、フッ素濃度Ｆ２が増加するようにガス制御が行われるため、出力エネルギーＥの減少を補償することができる。したがって、図７、８で示す制御例よりもさらにガス全体の寿命を延ばすことができる。
【００７７】
ここでは、ガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、ガス圧力の判断値をＰt（１）、Ｐt（２）、Ｐt（３）、…と予め設定しておき、ガス圧力Ｐtが各判断値に到達したら、フッ素濃度の基準値をＦ２（Ｎ）＋ｋ（Ｎ）まで増加させる。この増加係数ｋ（Ｎ）はそのレーザ装置の特性に最適な値とする。
【００７８】
図９は他のガス制御の一例を示すフローチャートである。
【００７９】
図９で示すステップ９０１〜９０９は図７で示すステップ７０１〜７０９とほぼ同じであるためその説明を省略し、異なる部分を説明する。但しステップ９０２では、チャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２がビームダイバージェンス検出器３４で求められ、この値が基準値Ｆ２（０）として設定される。また基準値Ｆ２（０）に対してガス制御が必要となるフッ素の変位量Ｆと、Ｎの初期値０が設定される。
【００８０】
ステップ９０７で演算されたフッ素の変位量ΔＦがプラスであり、かつガス圧力Ｐt≦Ｐt（Ｎ＋１）の場合（ステップ９０９の判断ＹＥＳ、ステップ９１０の判断ＮＯ）は、フッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（Ｎ）まで増加すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutとハロゲンガスボンベ４５からのフッ素ガスの注入量Ｐfinが演算される（ステップ９２１）。
【００８１】
ステップ９０７で演算されたフッ素の変位量ΔＦがプラスであり、かつガス圧力Ｐt＞Ｐt（Ｎ＋１）の場合（ステップ９０９の判断ＹＥＳ、ステップ９１０の判断ＹＥＳ）は、ガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、フッ素濃度の基準値をＦ２（Ｎ＋１）＝Ｆ２（Ｎ）＋ｋ（Ｎ）とし（ステップ９１２）、フッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（Ｎ＋１）まで増加すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutとハロゲンガスボンベ４５からのフッ素ガスの注入量Ｐfinが演算される（ステップ９１３）。またＮ＋１がＮとされ、新たな基準値Ｆ２（Ｎ）が設定される（ステップ９１４）。
【００８２】
ステップ９０７で演算されたフッ素の変位量ΔＦがマイナスであり、かつガス圧力Ｐt≦Ｐt（Ｎ＋１）の場合（ステップ９０９の判断ＮＯ、ステップ９２０の判断ＮＯ）は、フッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（Ｎ）まで減少すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutと希釈ガスボンベ４７からの希釈ガスの注入量Ｐbinが演算される（ステップ９１１）。
【００８３】
ステップ９０７で演算されたフッ素の変位量ΔＦがマイナスであり、かつガス圧力Ｐt＞Ｐt（Ｎ＋１）の場合（ステップ９０９の判断ＮＯ、ステップ９２０の判断ＹＥＳ）は、ガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、フッ素濃度の基準値Ｆ２（Ｎ＋１）＝Ｆ２（Ｎ）＋ｋ（Ｎ）とし（ステップ９２２）、フッ素濃度Ｆ２を基準値Ｆ２（Ｎ＋１）まで減少すべく、チャンバ１０からの混合ガスの排気量Ｐoutと希釈ガスボンベ４７からの希釈ガスの注入量Ｐbinが演算される（ステップ９２３）。またＮ＋１がＮとされ、新たな基準値Ｆ２（Ｎ）が設定される（ステップ９２４）。
【００８４】
演算された混合ガスの排気量Ｐout及びフッ素ガスの注入量Ｐfin又は希釈ガスの注入量Ｐbinに基づき、ガスコントローラ４４によってチャンバ１０からのガスの排気動作及び各ガスボンベ４５〜４７からのガスの注入動作が制御される（ステップ９３０）。そしてフッ素濃度Ｆ２が上限値Ｆ２max以下ならば、再度フッ素濃度Ｆ２を求めるステップ９０５以降の処理が行われる（ステップ９３１の判断ＮＯ）。一方フッ素濃度Ｆ２が上限値Ｆ２maxより大きければ、基準値Ｆ２（Ｎ）としてＦ２maxが設定され（ステップ９３２）、図７に示すステップ７０５以降の処理に移行するようにする（ステップ９３３）。
【００８５】
本発明のレーザ装置では、図９に示すようなガス制御の他に、ガス圧力制御と充電電圧制御とが行われている。これら各制御のタイミングについて図１０を用いて説明する。
【００８６】
図１０（ａ）は出力エネルギーＥのタイミングチャートであり、図１０（ｂ）は充電電圧Ｖのタイミングチャートであり、図１０（ｃ）はチャンバ１０内のガス圧力Ｐtのタイミングチャートであり、図１０（ｄ）はチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２のタイミングチャートである。
【００８７】
図１０（ａ）に示すように、出力エネルギーＥが一定値Ｅcになるように、レーザコントローラ４１から出力される指令充電電圧Ｖiに基づき放電電源４３によって充電電圧Ｖがパルス毎に制御されている。ここでは充電電圧Ｖは予め設定された目標電圧Ｖtargetとなるように制御されている。
【００８８】
時刻ｔ1、ｔ2において、図９のステップ９０４以降に示すガス制御が行われる。
【００８９】
時刻ｔ3において、ガス圧力Ｐtが判断値Ｐt（１）に達する。するとガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、フッ素濃度Ｆ２の基準値がＦ２（０）からＦ２（１）に変更され、フッ素濃度Ｆ２がＦ２（１）となるように混合ガスの排気動作及び各種ガスの注入動作がガスコントローラ４４によって制御される。
【００９０】
時刻ｔ4において、ガス圧力Ｐtが判断値Ｐt（２）に達する。するとガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、フッ素濃度Ｆ２の基準値がＦ２（１）からＦ２（２）に変更され、フッ素濃度Ｆ２がＦ２（２）となるように混合ガスの排気動作及び各種ガスの注入動作がガスコントローラ４４によって制御される。
【００９１】
時刻ｔ5において、ガス圧力Ｐtが判断値Ｐt（３）に達する。するとガス圧力Ｐtの増加を抑えるために、フッ素濃度Ｆ２の基準値がＦ２（２）からＦ２（３）に変更され、フッ素濃度Ｆ２がＦ２（３）となるように混合ガスの排気動作及び各種ガスの注入動作がガスコントローラ４４によって制御される。
【００９２】
時刻ｔ6において、ガス圧力Ｐtが上限値Ｐmaxに到達すると、もはやガス圧力Ｐtの増加及びフッ素濃度の基準値Ｆ２（３）の増加によって出力エネルギーＥの減少を補償することができなくなる。そこで出力エネルギーの減少を補償するために、充電電圧Ｖが目標電圧Ｖtarget以上となるように制御される。
【００９３】
時刻ｔ7において、充電電圧Ｖが上限値Ｖmaxに到達すると、もはや出力エネルギーＥの減少を補償することができなくなる。この時点がレーザガスの寿命とみなされ、チャンバ１０内の全ガス交換が行われる。
【００９４】
なお本実施例では、狭帯域化モジュールを備えたレーザ装置に関して述べたが、本発明は数個のプリズムなどの角度分散素子からなるラインセレクトモジュールを備えたラインセレクトＦ２レーザや、狭帯域化しないフリーランニングレーザにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係わるレーザ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）はレーザ装置における各光学装置の上面図であり、図２（ｂ）はレーザ装置における各光学装置の側面図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）はスリット１５（及び１６）の構造を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）はビームダイバージェンス検出器３４の一例を示す図である。
【図５】図５（ａ）はビームプロファイル検出器３４′の配置を示す図であり、図５（ｂ）はビームダイバージェンス検出器３４の配置を示す図である。
【図６】図６は縦方向のビームダイバージェンスθyとフッ素濃度Ｆ２との対応関係を示す図である。
【図７】図７はガス制御の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８（ａ）は出力エネルギーＥのタイミングチャートであり、図８（ｂ）は充電電圧Ｖのタイミングチャートであり、図８（ｃ）はチャンバ１０内のガス圧力Ｐtのタイミングチャートであり、図８（ｄ）はチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２のタイミングチャートである。
【図９】図９は他のガス制御の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０（ａ）は出力エネルギーＥのタイミングチャートであり、図１０（ｂ）は充電電圧Ｖのタイミングチャートであり、図１０（ｃ）はチャンバ１０内のガス圧力Ｐtのタイミングチャートであり、図１０（ｄ）はチャンバ１０内のフッ素濃度Ｆ２のタイミングチャートである。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｃ）は従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  チャンバ    ３０  モニタモジュール
３４  ビームダイバージェンス検出器    ４１  レーザコントローラ
４４  ガスコントローラ    ４５  ハロゲンガスボンベ
４６  希ガスボンベ    ４７  希釈ガスボンベ
【図１】
0004033333.tif 000002
【図２】
0004033333.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004033333.tif 000005
【図５】
0004033333.tif 000006
【図６】
0004033333.tif 000007
【図７】
0004033333.tif 000008
【図８】
0004033333.tif 000009
【図９】
0004033333.tif 000010
【図１０】
0004033333.tif 000011
【図１１】
0004033333.tif 000012