(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間の連続パルス発振と所定時間の休止とを交互に繰り返すバースト運転モードでパルス発振するとき、各連続パルス発振の初期の所定数のパルス発振に対して学習制御を行い、この学習制御の後は毎パルス制御を行い、前記学習制御時は、発振開始からｉ番目のパルス発振の際に、前回の連続パルス発振時のｉ番目パルスの電圧指令値(Vi)、及び、エネルギー目標値(Ed)とこのｉ番目の電圧指令値(Vi)に対応して発振したパルスのエネルギー計測値(E) との偏差値に応じて、今回のｉ番目の電圧指令値(Vi)を演算して出力し、また前記毎パルス制御時は、発振開始からＩ番目のパルス発振の際には、同一回の連続パルス発振内でのＩ−１番目のパルス発振の電圧指令値(VI-1)、及び、エネルギー目標値(Ed)とこのＩ−１番目の電圧指令値(VI-1)に対応して発振したパルスのエネルギー計測値(E) との偏差値に応じて、Ｉ番目の電圧指令値(VI)を演算して出力し、パルス発振させる出力制御部(10)を備え、前記電圧指令値(Vi)，(VI)に基づいて放電電圧を制御してレーザのパルスエネルギーを制御するエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、
前記出力制御部(10)は、毎パルス制御時に、前記エネルギー目標値(Ed)と前記エネルギー計測値(E) との偏差値に基づいて演算した補正値( ΔE)を前記エネルギー目標値(Ed)に加算して補正し、この補正した新たなエネルギー目標値(Ed0) に基づいて電圧指令値(VI)を演算して出力することを特徴とするエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、
前記補正値( ΔE)は、積分器(20a) により、前記エネルギー目標値(Ed)とエネルギー計測値(E) との偏差値を積算され、この積算値に応じて演算されることを特徴とするエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置。
【請求項３】
請求項１記載のエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、
前記補正値( ΔE)は、１次遅れ要素(20b) により、前記エネルギー目標値(Ed)とエネルギー計測値(E) との偏差値を時間的に古い偏差値の影響を小さくして積算され、この積算値に応じて演算されることを特徴とするエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に逐次移動型縮小投影露光装置（以下、ステッパと呼ぶ）の光源として用いられ、放電励起によりレーザ発振させるエキシマレーザ装置の出力エネルギーを一定に制御するエネルギー制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体のウェハ等を露光するステッパは、その露光量を一定に制御することが非常に重要である。この露光用の光源としては、最近の半導体回路の高集積密度の要求に対応するため、エキシマレーザ装置が広く用いられている。ところが、エキシマレーザ装置は、いわゆるパルス放電励起ガスレーザであるために、その発振するレーザ光の１パルス毎のパルスエネルギーに様々な要因によるばらつきが生じ、この結果露光量が安定しないという問題がある。したがって、従来から、ステッパ等に用いられるエキシマレーザ装置では、このばらつきを小さくして露光量を一定値に安定化させるために、複数回のパルス発振を連続して行う、いわゆる複数パルス露光による露光量制御を行うものがある。この複数パルス露光量制御によって、全体としての露光量ばらつきを所定値以下にでき、所望の露光量精度を得るようになっている。
【０００３】
また、ステッパでは、露光と、ウェハが設置されたステージの移動とが交互に繰り返されるので、上記のエキシマレーザ装置はいわゆるバーストモードで運転されている。このバーストモードとは、レーザ光を所定回数連続してパルス発振させた後、所定時間パルス発振を休止させる運転を繰り返し行うことを言う。ところが、このバーストモードでの運転時の特徴として、図５に示すように、所定時間休止した後の各連続パルス発振（以後、バースト発振と呼ぶ）の初期には発振が安定した状態となって比較的高いパルスエネルギーが得られるが、パルス発振を続けると、レーザガスの密度擾乱や、放電電極の表面の局所的な温度上昇等によって、徐々に各パルス発振が不安定となり、同図のＡ部で示すように出力パルスエネルギーが低下してゆく、いわゆるスパイキング現象が見られる。
【０００４】
この問題を解決するために、本出願人は、例えば特開平７−１０６６７８号公報等によって、出力パルスエネルギーの大きさが充電電圧の大きさにほぼ比例するという性質を利用して、図６に示すように、各バースト発振時の最初のパルスの充電電圧を小さくし、この後次第に各パルスの充電電圧を大きくして行くような制御により、スパイキング現象によるバースト発振初期のエネルギー上昇を防止する技術を開示している。この従来技術によると、図５に示した発振休止時間ｔｓや、パワーロック（商標）電圧（レーザガスの劣化に応じて決定される充電電圧）などの各種パラメータを考慮して、バースト発振の各パルスエネルギーを所望の目標値にする充電電圧データを、バースト発振の各パルス毎に予め記憶するとともに、前回のバースト発振までに既に出力された各バースト発振の各パルス毎のエネルギー計測値を記憶し、このエネルギー計測値とパルスエネルギー目標値との比較結果に基づいて、前記記憶されている各パルスに対応する充電電圧データを補正するようにしている。この補正による制御を、以後スパイクキラー制御と呼ぶ。
【０００５】
このような技術によると、各バースト発振において、発振開始時のスパイク領域に加えて、その後発振が安定化して来るプラトー領域及び定常領域（図５参照）でも、前記スパイクキラー制御を行うことになる。スパイク領域では前述のように休止時間ｔｓの長さの影響を受けやすく、同じ充電電圧でも他の領域に比べて大きなパルスエネルギーが出力される。ところが、プラトー領域や定常領域では、休止時間ｔｓの影響よりも、同じバースト発振内の直前までのパルス発振の影響（例えば、電極温度の上昇や、レーザガスの乱れ等）を強く受けていると考えられる。したがって、スパイク領域以外の領域では、前記スパイクキラー制御によるパルスエネルギーのばらつきの抑制効果が十分ではないという問題が発生する。
【０００６】
このような問題を解決するために、同出願人は、特開平９−２４８６８２号公報によって以下のようなレーザ装置を提案している。すなわち、各バースト発振の初期のスパイク領域では、各パルス発振の際の充電電圧を、発振休止時間、同じバースト発振内でのパルスの順番、及び出力されたパルスエネルギーの計測値（モニタ値）に対応させて記憶すると共に、前記スパイク領域以降では、各パルス発振の際の充電電圧を、出力されたパルスエネルギーの計測値に対応させて記憶するようにしている。そして、前記各バースト発振を行う際には、前記スパイク領域では、前記記憶した過去のパルス発振のデータのうち、発振休止時間、及びバースト発振内のパルスの順番が等しく、かつ、今回のバースト発振のエネルギー目標値に近い前記出力パルスエネルギーの計測値とその時のパルスの充電電圧を少なくとも１組読み出し、この読み出した値に基づいて今回のパルス発振の際の充電電圧を演算し、この演算した充電電圧に基づいてパルス発振（前記スパイクキラー制御に相当）を行う。（以後、このような制御を学習制御と呼ぶ）また、前記スパイク領域以降の領域では、前記既に記憶した今回のバースト発振内で直前に出力されたパルスのパルスエネルギー計測値及びその時の充電電圧を読み出し、この読み出した値に基づいて今回のパルス発振の際の充電電圧を演算し、この演算した充電電圧に基づいてパルス発振（以後、毎パルス制御と呼ぶ）を行うようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の学習制御と毎パルス制御によるエネルギー制御においても、例えば図７に示したように休止時間後に各バースト発振を開始した時の先頭の数十パルスではパルスエネルギーのばらつきが大きくてエネルギー目標値よりも低くなってしまう現象が生じている。ただし、発振が継続すれば、エネルギー目標値に収束する。そして、各バースト発振内の連続したある領域でのパルスエネルギーに着目すると、このばらつきはそれ程大きくない。このため、従来まではこの程度のパルスエネルギーのばらつきがあっても問題とはならなかった。しかし、ステッパ装置においては近年の半導体のさらなる高集積化仕様に対応するばらつき精度の要求が非常に厳しくなって来ており、このばらつきの影響を無視することができなくなっている。
【０００８】
上記のようなエネルギー低下現象となる原因は、レーザを発振させた時のスパイキング現象と、その後に続く出力エネルギーの低下と、出力エネルギーのランダムなうねりにあると考えられる。すなわち、例えば、図８に示すように、充電電圧指令値を一定にして間欠的にバースト発振させた場合、休止後の発振開始先頭時から出力エネルギーは急激に減少していく。エネルギーを一定に保つためには、この出力エネルギーの変化を打ち消すように、充電電圧指令を大きくしていかなければならない。（図６を参照）学習制御を適用する範囲をなるべく短くしてパルスエネルギーが変動している範囲で毎パルス制御を適用した場合には、毎パルス制御が本質的には前述のようにフィードバック制御であるので、エネルギーの目標値と計測値との偏差の発生が避けられないことになる。また、充電電圧指令値を一定にして間欠的にバースト発振させた場合のバースト毎の出力エネルギーを観測すると、図８に示したように休止後の発振開始先頭時を除いてランダムにうねりのようなものが重畳されている。すなわち、各バースト発振内でのパルス順番が同じでも、各バースト発振毎に、つまりＮバースト目と（Ｎ＋１）バースト目とで、パルスエネルギーの変動が大きく異なったものとなる。このため、パルスエネルギーが変動している範囲にわたって学習制御を適用することは困難である。そして、前述のように、従来は問題とされていなかったこの変動及び偏差量は、エキシマレーザ装置の応用分野（例えば、ステッパ装置等）からの要求が高度になるにつれ、無視できなくなって来ている。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、出力エネルギーのランダムなうねりの影響を受けずに各パルスエネルギーの偏差量を小さくできるエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定時間の連続パルス発振と所定時間の休止とを交互に繰り返すバースト運転モードでパルス発振するとき、各連続パルス発振の初期の所定数のパルス発振に対して学習制御を行い、この学習制御の後は毎パルス制御を行い、前記学習制御時は、発振開始からｉ番目のパルス発振の際に、前回の連続パルス発振時のｉ番目パルスの電圧指令値Ｖｉ、及び、エネルギー目標値Ｅｄとこのｉ番目の電圧指令値Ｖｉに対応して発振したパルスのエネルギー計測値Ｅとの偏差値に応じて、今回のｉ番目の電圧指令値Ｖｉを演算して出力し、また前記毎パルス制御時は、発振開始からＩ番目のパルス発振の際には、同一回の連続パルス発振内でのＩ−１番目のパルス発振の電圧指令値ＶI-1 、及び、エネルギー目標値ＥｄとこのＩ−１番目の電圧指令値ＶI-1 に対応して発振したパルスのエネルギー計測値Ｅとの偏差値に応じて、Ｉ番目の電圧指令値ＶI を演算して出力し、パルス発振させる出力制御部１０を備え、前記電圧指令値Ｖｉ，ＶI に基づいて放電電圧を制御してレーザのパルスエネルギーを制御するエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、前記出力制御部１０は、毎パルス制御時に、前記エネルギー目標値Ｅｄと前記エネルギー計測値Ｅとの偏差値に基づいて演算した補正値ΔＥを前記エネルギー目標値Ｅｄに加算して補正し、この補正した新たなエネルギー目標値Ｅd0に基づいて電圧指令値ＶI を演算して出力するようにしている。
【００１１】
請求項１に記載の発明によると、例えばステッパ等の外部制御装置から入力したエネルギー目標値Ｅｄと、エネルギー計測値Ｅとの偏差値の大きさに応じて、補正値ΔＥを演算し、エネルギー目標値Ｅｄに加算して補正する。この補正された新たなエネルギー目標値Ｅd0を毎パルス制御時のエネルギー目標値として電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値をレーザ電源部へ出力してパルスエネルギーを制御する。これによって、パルス発振時のうねりによりパルスエネルギーが変動して偏差が大きくなったときには、この偏差に応じてエネルギー目標値が補正されるので、電圧指令値も補正されることになる。したがって、前記偏差量が小さくなり、パルスエネルギーを安定して一定値に制御できる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、前記補正値ΔＥは、積分器２０ａにより、前記エネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値を積算され、この積算値に応じて演算される。
【００１３】
請求項２に記載の発明によると、前記入力したエネルギー目標値Ｅｄと、エネルギー計測値Ｅとの偏差値を積分器により積算し、この積算値の大きさに応じて前記補正値ΔＥを演算してエネルギー目標値Ｅｄに加算し、この補正された新たなエネルギー目標値Ｅd0を毎パルス制御時のエネルギー目標値として電圧指令値を演算する。これによって、うねりによりパルスエネルギーが変動して偏差値の積算値が大きくなったときには、この積算値に応じてエネルギーエネルギー目標値が補正されるので、電圧指令値が補正される。したがって、前記偏差量が小さくなり、全体としてパルスエネルギーを安定して一定値に制御できる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置において、前記補正値ΔＥは、１次遅れ要素２０ｂにより、前記エネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値を時間的に古い偏差値の影響を小さくして積算され、この積算値に応じて演算される。
【００１５】
請求項３に記載の発明によると、前記入力したエネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値は１次遅れ要素により積算される。この１次遅れ要素では、時間的に古い偏差値は積算値に対する影響度（加算される度合い）が時間に応じて小さくなるようにして積算される。したがって、前記演算された積算値の大きさに応じて演算された補正値ΔＥは時間的に新しい偏差値がより考慮されたものとなる。この結果、この補正値ΔＥにより補正された新たなエネルギー目標値Ｅd0を毎パルス制御時のエネルギー目標値として電圧指令値を演算することにより、前述のような純粋な積分器で補正した場合に比べてより安定的にパルスエネルギーを一定値に制御できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、本発明に係わるエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置が用いられるステッパの構成例を示したブロック構成図である。同図において、エキシマレーザ装置１のレーザチャンバ２の内部には、レーザガスが封入されている。また、レーザチャンバ２の内部に配設された図示しない電極に、レーザ電源８から所定の放電電圧が印加され、この電極間で放電が行われる。この放電で励起された前記レーザガスによりレーザ発振が行われ、発振したレーザ光はグレーティング、プリズムなどといった狭帯域化素子６とフロントミラー７とを有する光共振器により共振し、フロントミラー７からレーザ光４として出射される。このレーザ光４はビームスプリッタ３を透過してステッパ３０に導かれると共に、レーザ光４の一部はビームスプリッタ３でサンプリングされて出力モニタ部のエネルギーセンサ５に入射され、エネルギーセンサ５によりレーザ光４の１パルス当たりのエネルギー、つまりパルスエネルギーが計測される。このエネルギー計測値Ｅは、出力制御部１０にフィードバックされている。
【００１７】
また、縮小投影露光装置としてのステッパ３０は露光制御装置３１を備えており、露光制御装置３１は取り込んだ前記レーザ光４を露光対象のウェハに照射したり、このウェハが搭載されたステージを逐次所定距離ずつ移動させるのを制御している。そして、この露光制御装置３１は、所望の露光量を得るために、前記出力制御部１０に、発振パルスの１パルス当たりのエネルギー目標値Ｅｄを出力し、また、各バースト発振内のトータル発振パルス数ｉｍを出力している。
【００１８】
出力制御部１０は、出力するパルスエネルギーが前記入力したエネルギー目標値Ｅｄに等しくなるように、後述する所定の制御アルゴリズムにより、エネルギー目標値Ｅｄと前記エネルギー計測値Ｅとの偏差値に基づいて各パルス毎に電圧指令値Ｖを演算し、レーザ電源部８に前記演算した電圧指令値Ｖを出力する。これにより、所定の放電電圧で放電されてレーザ光４が発振される。このとき、出力パルス数が前記トータル発振パルス数ｉｍに達するまでパルス発振する。なお、出力制御部１０は、例えばマイクロコンピュータなどのコンピュータ装置を主体にして構成することができる。
【００１９】
図２は、本発明に係わる前記出力制御部１０の内部の基本的な制御機能構成をイメージ的に表わす制御ブロック図を示している。
同図において、目標値補正演算部２０は、前記エネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈに基づいてエネルギー目標値Ｅｄの補正値ΔＥを演算する。この補正値ΔＥは上記エネルギー目標値Ｅｄに加算され、この加算値は毎パルス制御部１２にエネルギー目標値Ｅd0として入力される。
【００２０】
学習制御部１１は、各バースト発振時の初期のスパイク領域（図５参照）において、学習制御によってスパイクキラー制御を行うものである。すなわち、予め所定のエネルギー目標値Ｅｄに対応する電圧指令値のテーブル（電圧テーブルと言う）を記憶しておく。初回目のバースト発振のときには、先頭パルスからｉ番目のパルス発振の際に、この記憶している初期の電圧テーブルのｉ番目の電圧指令値Ｖｉを読み出してレーザ電源部８に出力する。この後、前記エネルギー目標値Ｅｄとレーザ発振時に計測されたエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈに基づいて、前記読み出した電圧指令値Ｖｉを更新し（これを学習と言う）、この更新した電圧指令値Ｖｉを電圧テーブルのｉ番目の電圧指令値Ｖｉとして記憶する。そして、以後、この更新された電圧テーブルは、次回のバースト発振の際に使用し、ｉ番目のパルス発振の時に対応するｉ番目の電圧指令値Ｖｉを読み出してレーザ電源部８に出力する。なお、所定のｉ0 番目の発振を終了したら、最終の電圧指令値Ｖi0を毎パルス制御部１２に送信する。
【００２１】
毎パルス制御部１２は、前記スパイク領域以降の各パルス発振の際に、各パルスエネルギーのばらつきを小さくする制御を行うものである。すなわち、毎パルス制御部１２は、バースト発振の先頭からｉ番目のパルス発振の際に、同一のバースト発振内における直前の、つまり（ｉ−１）番目のパルス発振時の電圧指令値Ｖｉ-1、及び、前記入力したエネルギー目標値Ｅd0とこれに対するエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈを参照して、今回の電圧指令値Ｖｉとしてレーザ電源部８に出力している。この後、毎パルス制御部１２は、このとき発振したパルスのエネルギー目標値Ｅd0とエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈに基づいて、前記ｉ番目の電圧指令値Ｖｉを更新し、この更新した電圧指令値Ｖｉを記憶する。この記憶したｉ番目の電圧指令値Ｖｉが同一バースト発振の（ｉ＋１）番目のパルス発振時に出力されるので、基本的にはフィードバック制御を行っていることになる。なお、学習制御から毎パルス制御に切り換わった時は、前記学習制御部１１から入力した電圧指令値Ｖi0を毎パルス制御時の初期値としている。
【００２２】
セレクタ１３は、現在の制御処理がスパイク領域に対するものか、あるいはこれ以降の領域かを判断し、スパイク領域での制御時には学習制御部１１から出力された電圧指令値Ｖｉを選択して出力し、この領域以降の制御時には毎パルス制御部１２から出力された電圧指令値Ｖｉを選択して出力する。
【００２３】
つぎに、前記目標値補正演算部２０の実施例を説明する。
図３は、この目標値補正演算部２０に積分器２０ａを備えた例を示している。すなわち、この積分器２０ａは、各バースト発振の度に、入力しているエネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈを積算して行き、この積算値Ｍに基づいて次の数１により補正値ΔＥを求める。
【数１】
補正値ΔＥ＝Ｋ×Ｍ
ここで、Ｋは所定の定数である。
【００２４】
この構成によると、エネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈの積算値に応じた前記補正値ΔＥにより、エネルギー目標値Ｅｄが補正され、これにより補正されたエネルギー目標値Ｅd0が毎パルス制御部１２に入力される。したがって、パルスエネルギーが前記うねり等の影響を受けて変動している場合には、毎パルス制御時のフィードバック制御の遅れを補正するので、前記偏差が小さくなる。また、パルスエネルギーが安定して来たら、偏差の平均値が０に近くなり、よって前記偏差の積算値Ｍが小さくなるので、補正値ΔＥによる補正は働かなくなる。
【００２５】
また、図４は目標値補正演算部２０に１次遅れ要素２０ｂを用いた例を示している。この１次遅れ要素２０ｂは、入力しているエネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈに基づいて、以下の数２により補正値ΔＥを求めている。
【数２】
ΔＥn+1 ＝Ａ×Ｈn ＋（１−Ａ）ΔＥn
ここで、ΔＥn はｎ番目のパルス発振時の補正値ΔＥであり、Ｈn はｎ番目のパルス発振時の偏差値Ｈであり、Ａは０から１までの範囲の所定の定数とする。この数２によると、過去の時間的に古い偏差値Ｈn をその経過時間に応じて忘れながら、すなわち経過時間に応じて積算値に対する古い偏差値Ｈn の影響度を小さくしながら積算して行き、この積算値を補正値ΔＥとしている。
【００２６】
この構成によると、エネルギー目標値Ｅｄとエネルギー計測値Ｅとの偏差値Ｈの積算値に応じて補正値ΔＥが求められ、これによりエネルギー目標値Ｅｄが補正されて新たなエネルギー目標値Ｅd0として毎パルス制御部１２に入力される。このとき、１次遅れ要素によって、時間的に古い偏差値Ｈの影響を小さくしているので、前述のような純粋な積分器よりも制御系全体で安定し、パルスエネルギーの偏差が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるエキシマレーザ装置のエネルギー制御装置が用いられるステッパの構成例を示したブロック構成図である。
【図２】出力制御部の内部の基本的な制御機能構成をイメージ的に表わす制御ブロック図を示す。
【図３】目標値補正演算部に積分器を備えた例を示す。
【図４】目標値補正演算部に１次遅れ要素を用いた例を示す。
【図５】従来技術に係わるバースト発振時のパルスエネルギーの変化の説明図である。
【図６】スパイクキラー制御時の充電電圧の出力例を示す。
【図７】従来技術に係わるスパイクキラー制御時のパルスエネルギーの変動例を示す。
【図８】従来技術に係わるスパイクキラー制御時の充電電圧一定制御でのパルスエネルギーのうねりの説明図である。
【符号の説明】
１…エキシマレーザ装置、４…レーザ光、５…エネルギーセンサ、８…レーザ電源部、１０…出力制御部、１１…学習制御部、１２…毎パルス制御部、２０…目標値補正演算部、２０ａ…積分器，２０ｂ…１次遅れ要素、３０…ステッパ、Ｖｉ…電圧指令値、ΔＥ…補正値、Ｅｄ…エネルギー目標値、Ｅ…エネルギー計測値。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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