KR20080041578A - 주입동기형 레이저장치, 간섭계측장치, 노광장치 및디바이스 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 주입동기형 레이저장치가 개시되어 있다. 상기 주입동기형 레이저장치는 시드레이저, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 일부의 성분이 시드레이저광으로서 주입되는 발진기, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 다른 일부의 성분의 주파수를 시프트시키는 주파수변환기, 상기 발진기로부터 출력되는 광과 상기 주파수변환기로부터 출력되는 광이 합성된 광을 검출하는 포토디텍터, 및 상기 포토디텍터의 출력신호에 포함되는 비트신호 성분에 근거해서 상기 발진기의 광로길이를 제어하는 제어기를 구비한다.
Description
본 발명은 주입동기형 레이저장치, 간섭계측장치, 노광장치 및 디바이스 제조방법에 관한 것이다.
도 7은 종래의 주입동기형 레이저장치의 개략 구성을 나타내는 도이다(J. Rahn, "Feedback stabilization of an injection-seeded Nd:YAG laser, "App. Opt., 24, 940(1985)를 참조). 도 7에 나타내는 주입동기형 레이저장치에서는, 주입동기의 방법으로서 빌드업 타임을 최소화하는 방법이 채용되고 있다.
펄스광을 발생하기 위한 펄스발진기(O)는 스펙트럴 홀 버닝(spectral hole burning)의 영향을 피하기 위해서 통상은 링형으로 구성된다. 또, 펄스발진기(0)의 출력결합기는 PZT 마운트(4)에 배치되고 있다. PZT 마운트(4)는 PZT 제어기(PZT 앰프)(5)에 의해 고정밀도로 구동된다. 레이저의 이득매질(3)로서는, 예를 들면, Ti:sapphire 결정 등을 사용할 수가 있다. 결정의 여기에는, Nd:YAG 등의 여기광원(2)을 사용할 수 있어, 결정에 광속을 조사해서 흡수시킴으로써 여기를 행한다.
시드레이저(1)는 주입동기를 위한 주입광원이며, 반치폭(full width at half maximum)이 충분히 작은 단일 종모드광원이 사용된다. 시드레이저(1)로부터 출력되는 시드레이저광은 펄스발진기(0)의 횡모드와 일치하도록 펄스발진기(0)에 주입된다. 시드레이저(1)로서는, 예를 들면, 외부 발진기형 반도체레이저가 사용될 수 있다.
주입동기란, 발진기에 주입된 좁은 대역 레이저광의 파장과 발진기의 광로길이를 동기시키는 것이며, 주입된 좁은 대역 레이저광의 광자가 초기의 펄스 발진의 유도 방출을 담당하기 때문에, 여기 에너지를 좁은 대역에 집중시킨 펄스 발진이 용이하게 된다.
가장 효율적인 주입동기는, 발진기(O)의 광로길이가 시드레이저(1)의 발진파장의 정수 배일 때에, 실현되고, 빌드업 타임은 최단이 된다. 그 이외의 조건에서는, 시드레이저(1)에 대해 발진기의 손실이 발생하기 때문에 빌드업 타임은 길어진다.
여기서 빌드업 타임은, 여기레이저 입사 후, 펄스광이 발진할 때까지의 시간을 의미한다. 이상의 원리를 사용해서 빌드업 타임을 발진기의 제어에 사용한다.
빌드업 타임의 검출을 위해서, 발진기의 근방에는 여기광원용 포토디텍터(32)와 펄스광용 포토디텍터(33)가 삽입된다. 양 포토디텍터(32), (33)의 출력은 제어회로(34)에 제공된다. 제어회로(34)에서는, 양 포토디텍터(32), (33)의 출력신호에 근거해서 빌드업 타임을 산출하는 동시에, 빌드업 타임의 변화에 근거해서 오차신호를 생성하고, 오차신호를 피드백하기 위한 PID 필터링을 행한다.
필터링된 신호는 PZT 제어기(5)에 제공된다. PZT 제어기(5)는 이 신호에 근거해서 PZT 마운트(4)를 구동하고, 이것에 의해 주입동기 제어가 가능해진다.
그러나, 종래의 빌드업 타임에 의한 제어방법에서는, 예를 들면, 발진기길이 이외의 요소(예를 들면, 여기레이저의 강도 지터, 포인팅 지터 등)에 의한 빌드업타임의 변동에 의해 제어오차가 발생할 수 있다. 또, 레이저의 출력으로부터 빌드업 타임을 산출하기 위한 처리회로에 노이즈가 혼입되기 쉽고, SN이 높은 오차신호를 생성하는 것이 곤란하다. 이것에 의해, 동기제어오차가 발생해서, 강도나 파장의 지터 등의 레이저특성열화가 일어난다.
본 발명은 파장의 안정성이 좋은 주입동기형 레이저장치, 그것을 사용한 주입동기형 레이저장치, 간섭계측장치, 및 노광장치를 제공할 수가 있다.
본 발명의 제 1 측면에 의하면, 시드레이저, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 일부의 성분이 시드레이저광으로서 주입되는 발진기, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 다른 일부의 성분의 주파수를 시프트시키는 주파수변환기, 상기 발진기로부터 출력되는 광과 상기 주파수변환기로부터 출력되는 광이 합성된 광을 검출하는 포트디텍터, 및 상기 포토디텍터의 출력신호에 포함되는 비트신호 성분에 근거해서 상기 발진기의 광로길이를 제어하는 제어기를 구비하는 주입동기형 레이저장치가 제공된다.
본 발명의 제 2 측면에 의하면, 시드레이저, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 일부의 성분이 시드레이저광으로서 주입되는 발진기, 상기 발진기로부터 출력되는 광의 주파수를 시프트시키는 주파수변환기, 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 다른 일부의 성분과 상기 주파수변환기로부터 출력되는 광이 합성된 광을 검출하는 포토디텍터; 및 상기 포토디텍터의 출력신호에 포함되는 비트신호 성분에 근거해서 상기 발진기의 광로길이를 제어하는 제어기를 구비하는 주입동기형 레이저장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징은 첨부도면을 참조한, 전형적인 실시형태의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 파장의 안전성이 좋은 주입동기형 레이저장치, 간섭계측장치, 노광장치 및 디바이스 제조방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태로서의 주입동기형 펄스레이저의 개략 구성을 나타내는 도이다. 시드레이저(seed laser)(1)로부터 출력되는 광속(B1)은 반투명경(M1)에 의해 2개의 광속(B2), (B3)으로 분할된다. 반투명경(M1)에 의해 반사된 광속(B2)은 미러(M2)에 의해 반사되어, 펄스발진기(0)에 주입된다. 펄스발진기(O)는 홀 버닝의 영향을 피하기 위해서 링형인 것이 바람직하다. 펄스발진기(O) 내에는 이득매질(3)이 배치되고, 그 여기는 발진기(O)의 외부에 배치되어 여기광원(여기레이저)(2)이 발생하는 레이저광을 발진기(0) 내에 조사함으로써 이루어질 수 있 다. 또, 발진기(0)의 출력결합미러(M3)는 PZT 마운트(4)에 배치된다. PZT 마운트(4)는 앰프를 포함한 PZT 제어기(5)에 의해 제어되고, 이것에 의해 발진기(0)의 광로길이가 고정밀도로 제어될 수 있다.
한편, 시드레이저(1)로부터 출력되고 반투명경(M1)을 투과한 광속(B3)은 미러(M4), (M5)를 개재해서 주파수변환기로서의 음향광학소자(AOM)(6)에 입사한다. 음향광학소자(6)에는, 주파수 fAOM를 가지는 전압신호가 인가되고, 음향광학효과에 의해 음향광학소자(6)를 투과하는 광속으로부터 복수 차수의 회절광이 발생한다. 이들 복수 차수의 회절광에 있어서 각각 n × fAOM(n는 차수)의 주파수 시프트가 발생한다.
이들 복수 차수의 회절광으로부터 +1차광만이 공간적으로 추출되어, 파이버결합기(7a)에 의해 분기파이버(8)의 제 1 입력단자에 결합된다. 여기서, 분기파이버(8)는, 예를 들면, 편파면보존 싱글모드형이며, 2개의 입력단자(제 1, 제 2 입력단자)와 1개의 출력단자를 포함한다.
마찬가지로, 반투명경(M6)에 의해 펄스발진기(O)의 출력의 일부가 분기 되어, 파이버결합기(7b)에 의해 분기파이버(8)의 제 2 입력단자에 결합된다.
여기서, 분기파이버(8)는 시드레이저(1)의 출력과 펄스발진기(O)의 출력을 공간적으로 중첩시키기 위해서 매우 적합하다. 또, 편파면보존형의 분기파이버는 2개의 광속 간의 비트신호진폭을 최대화하기 위해서, 및, 파이버에의 응력변화 등에 의한 편광의 변화를 막기 위해서 매우 적합하다. 물론, 분기파이버를 사용하지 않 고, 반투명경 등을 사용해서 광속을 중첩시켜도 된다.
분기파이버(8)의 출력단자는 포토디텍터(9)에 접속되어 있다. 포토디텍터(9)는 분기파이버(8)로부터 출력되는 광의 강도를 전기신호로 변환한다. 시드레이저(1)로부터 출력된 음향광학소자(6)를 개재해서 주파수가 시프트된 출력광과 펄스발진기(O)의 출력광이 분기파이버(8)에 의해 합성되므로, 포토디텍터(9)의 출력신호는 식(1)로 나타내진다.
이 된다. 여기서, Iseed는 시드레이저 강도 Ipulse는 펄스발진기 출력, fseed는 시드레이저광 주파수, fpulse는 펄스레이저 중심광 주파수이다. 이하, 식(1)로 나타내지는 신호 I(t)를 비트신호라고 부른다. 도 2는 시뮬레이션으로 얻어진 비트신호 I(t)를 예시하는 도이다.
해석기(10)는 비트신호I(t)로부터 오차신호를 추출한다. 이하, 해석기(10)에 있어서의 처리를 설명한다.
해석기(10)는, 우선, 펄스비트신호 I(t)를 A/D변환한다. A/D변환의 트리거로는, 예를 들면, 여기광원(여기레이저)(2)의 Q스위치타이밍 등이 바람직하다. 샘플 링 수는, 후의 FFT(Fast Fourier Transform) 처리를 고려하면, 2n인 것이 바람직하다.
다음에, 해석기(10)는 비트신호 I(t)에 대해서 주파수해석을 행한다. 우선, 해석기(10)는 비트신호 I(t)에 대해 FFT를 행한다. 식(1)의 푸리에변환은 식(2)로 나타내진다.
도 3에는, 식(2)로 나타내는 푸리에변환이 예시되고 있다. 식(2)로부터 알 수 있는 바와 같이, fAOM주변의 스펙트럼이 펄스발진기(O)로부터의 펄스광과 시드레이저(1)로부터의 광 간의 주파수 차이를 나타낸다. 따라서, 펄스발진기(0)로부터의 펄스광의 주파수정보를 추출하기 위해서는, AOM(6)의 변조주파수 fAOM(주파수 시프트량)은 이 펄스광의 스펙트럴 폭보다 충분히 클 필요가 있다.
다음에, 해석기(10)는 스펙트럼의 가중평균(weighted mean)을 산출한다. 여기서, 스펙트럼의 피크위치가 아니라 가중평균을 사용하는 것은, 피크위치의 경우에는, 오차신호의 분해능이 FFT의 분해능으로 제약되게 되는 것, 및 간섭계 등의 어플리케이션에 있어서 파장 안정성은 스펙트럼의 가중평균의 변동에만 영향을 주기 때문이다.
실제의 시스템상에서는, 포토디텍터(9)나 해석기(10) 내의 AD변환기가 발생하는 노이즈에 의해 스텍트럴 성분이 존재할 수 없는 영역에 노이즈 데이터가 혼입 되고, 이것에 의해 가중평균의 계산오차가 발생할 수 있다. 이것에 대해서는, 미리 시스템의 노이즈 레벨에 상당한 역치를 정해두고, 이것 이상의 노이즈 레벨을 가진데이터만을 고려해서 계산에 적용함으로써 회피할 수 있다. 또한, DC레벨부근에는 펄스의 주파수에 의존하지 않는 스펙트럴 성분이 존재하기 때문에, 이 영향을 받지 않도록, 미리 가중평균계산영역을 지정하는 것이 필요하다. 이상으로부터, 시드레이저(1)의 출력광의 주파수 fseed와 펄스발진기(O)의 출력광의 주파수 fpulse와의 차이(fpulse-fseed)는 식(3)에 의해 산출된다.
여기서 얻어진 결과는 주파수차이의 정보뿐이어서 부호정보는 포함하지 않지만, PZT 마운트(4)의 이동방향과 주파수차이의 변동방향으로부터 부호판단이 가능하기 때문에, 피드백 시스템상은 문제가 되지 않는다. 또, 음향광학소자(6)의 변조주파수 지터가 계측오차가 되지만, 이것은 일반적인 광주파수 안정성에 대해서 충분히 작기 때문에 무시할 수 있다.
마지막으로, 해석기(10)는 주파수차이(fpuls-fseed)를 DA변환해서, 애널로그 오차신호로서 출력한다. 이 실시형태의 레이저는 펄스레이저이므로, 다음의 펄스가 발진할 때까지는, 이 오차신호는 홀드(hold)된다.
해석기(10)에 있어서의 처리는, 펄스발진기(0)의 제어주파수를 증가시키기 위해서도, 펄스마다 행하는 것이 바람직하다. 해석기(10)를 FPGA (Field Programmable Gate Array) 등을 사용해서 구성하면, 예를 들면, 1O kHz 정도의 반복주파수로 해석가능하다.
해석기(10)로부터의 오차신호출력은 PZT 제어기(5)에 제공되고, 이 신호는PZT 제어기(5)에 있어서 PID 보상이 이루어진 후에 PZT 마운트(4)에 제공(피드백)된다.
제 1 실시형태에서는, 펄스발진기(O)의 제어는, 펄스광의 발진파장이 시드레이저(1)의 발진파장과 동일한 파장이 되도록 행해진다. 따라서, 펄스발진기(0)의 광로길이는 시드레이저(1)의 광로길이의 정수 배로 유지되어, 안정된 주입동기가 실현된다. 제 1 실시형태에 의하면, 펄스비트신호에 따라 파장차이를 직접 추출가능하기 때문에, 여기광원의 강도지터의 영향을 받지 않기 때문에 고정밀도의 주입동기 제어가 가능하다.
[제 2 실시형태]
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태로서의 주입동기형 펄스레이저의 개략 구성을 나타내는 도이다. 시드레이저(1)로부터 출력되는 광속(B1)은 반투명경(M1)에 의해 2개의 광속(B2), (B3)으로 분할된다. 반투명경(M1)에 의해 반사된 광속(B2)은 미러(M2)를 개재해서 펄스발진기(O)에 주입된다. 펄스발진기(O)는 홀 버닝의 영향을 피하기 위해서 링형인 것이 바람직하다. 펄스발진기(O) 내에는 이득매질(3)로서 Ti:sapphire 결정이 배치되고, 그 여기는, 발진기(O)의 외부로부터 Ti:sapphire의 흡수대에 대응하는 파장을 가지는 여기광원(여기레이저)(2), 예를 들면 Nd:YAG의 2배 파를 조사함으로써 행해질 수 있다. 또, 발진기(O)의 출력결합미러(M3)는 PZT 마운트(4)에 배치된다. PZT 마운트(4)는 앰프를 포함한 PZT 제어기(5)에 의해 제어되고, 이것에 의해 발진기(O)의 광로길이가 고정밀도로 제어될 수 있다.
한편, 시드레이저(1)로부터 사출되고 반투명경(M1)을 투과한 광속(B3)은 미러(M4)에 의해 반사된 후에 반투명경(M6)에 입사해서, 2개의 광속(B4), (B5)으로 분할된다.
반투명경(M6)을 투과한 광속(B5)은 미러(M7)에 의해 반사되어 전기광학변조소자(11)에 입사해서, 주파수 fm의 위상변조를 받은 후에, 편광빔분할기(12)를 투과하고, 또한 λ/4 파장판(13)을 투과한 후에 기준공진기(14)에 입사한다. 편광 빔분할기(12)의 반대 측에는 포토디텍터(15)가 설치되어, 이 포토디텍터(15)에 의해 기준공진기(14)로부터 제공되는 광의 양이 검출된다.
제 2 실시형태에서는. 이하에 나타내는 방법으로 시드레이저(1)의 발진파장이 안정화된다. 제 2 실시형태에서는 Pound-Drever법이 사용된다. 전기광학변조소자(11)에 의해 주파수 fm의 변조를 받은 후, 레이저광속(B6)의 복소 진폭은 식(4)로 나타내진다.
여기서, υo는 시드레이저(1)가 발생하는 레이저광의 중심광주파수, Φ(t)는 중심광주파수로부터의 위상 시프트, Φm는 전기광학변조소자(11)에 의한 변조깊이를 나타낸다.
한편, 기준공진기(14)로부터의 반사광의 전달함수 Hr(v)는, 기준공진기(14) 의 미러의 진폭반사율을 r1, r2, 시드레이저(1)가 발생하는 광의 주파수를 υ, 기준공진기(14)의 FSR를 υF로 해서, 식(5)로 나타낸다.
포토디텍터(15)에 의해 수광되는 광의 강도신호는 식(4)와 식(5)와의 승산으로 나타내지고, 이 신호로부터 변조주파수 fm에서 진동하는 성분만 추출하면 식(6)으로 나타내진다.
이 강도신호를 주파수 fm에서 복조함으로써, 식(7)로 나타내지는 복조신호를 얻을 수 있다.
V(υ) = Nυf + δυ V(υ)로 하면, V(υ)는 δυ내지 0 근방에서 주파수 오차 δυ에 대해서 선형인 특성을 나타내서, 주파수 안정화용의 오차신호로서 사용하는 것이 가능하다. 광의 강도신호로부터의 오차신호의 복조와 예를 들면, 제어용의 PID 등의 필터링처리는 복조기(16)에 의해 행해지고, 복조결과는 시드레이저(1) 의 파장변조단자에 피드백된다.
이상에 의해, 기준공진기(14)를 포함한 안정화유닛에 의해 기준공진기(14)의 발진파장을 기준으로 사용해서 시드레이저(1)의 발진파장이 안정화된다. 여기서, 기준공진기(14)의 주파수변동은 오차요인이 되기 때문에 진동이나 온도나 소음 등의 외란에 의한 광로길이 변화에 대해 충분히 배려할 필요가 있다. 구체적으로는, 고강성인 기계구조, 저진동인 설치환경이 제공되는 동시에, 주입동기형 펄스레이저가 차음부 공조챔버 내에 배치되는 것이 중요하다.
또, Pound-Drever법의 특징으로서 오차신호의 SN은 기준공진기(14)의 피네스(finesse)에 의존하기 때문에,기준공진기(14)를 구성하는 미러로는 충분히 고반사율인 것을 선택하는 동시에 기준공진기(14)의 조정을 충분히 행할 필요가 있다.
또, 반투명경(M6)에 의해 반사된 시드레이저(1)의 광속(B4)은 AOM(6)에 입사 한다. AOM(6)에는, 주파수 fAOM를 가지는 전압신호가 인가되어, 음향광학효과에 의해 AOM(6)을 투과하는 광속으로부터 복수 차수의 회절광속이 발생한다. 이들 복수 차수의 회절광속에 대해 각각 n×fAOM의 주파수 시프트가 발생한다.
이들 복수 차수의 회절광속으로부터 +1차광만을 공간적으로 추출해서, 파이버결합기(7a)에 의해 분기파이버(8)의 제 1 입력단자에 결합한다. 여기서, 분기파이버(8)는, 예를 들면, 편파면보존 싱글모드형이며, 2개의 입력단자(제 1, 제 2 입력단자)와 1개의 출력단자를 포함한다.
마찬가지로, 반투명경(M6)에 의해 펄스발진기(O)의 출력의 일부가 분기되어, 파이버결합기(7b)에 의해 분기파이버(8)의 제 2 입력단자에 결합된다. 포토디텍터(9)는 분기파이버(8)로부터 출력되는 광의 강도를 전기신호로 변환해서 해석기(10)에 제공한다.
해석기(10)는 제 1 실시형태와 같은 처리에 의해 펄스발진기(0)에 대한 귀환신호를 생성한다. 이 귀환신호는 PZT 제어기(PZT 앰프)(5)를 개재해서 펄스발진기(0)의 PZT 마운트(4)에 피드백된다.
이상과 같이 해서, 펄스발진기(O)의 발진주파수가 시드레이저(1)의 발진주파수와 일치하도록 펄스발진기(O)가 제어된다.
시드레이저(1)는, 상기한 바와 같이, 기준공진기(14)의 발진파장을 기준으로 사용해서 파장 안정화를 행하고 있기 때문에, 그 시드레이저(1)의 발진파장과 펄스발진기(0)의 발진파장을 일정하게 유지하는 제어에 의해, 결과적으로 펄스레이저광의 고정밀도의 파장 안정화가 실현된다.
[제 3 실시형태]
도 5는 본 발명의 제 3 실시형태로서의 간섭계측장치의 개략 구성을 나타내는 도이다. 본 발명의 제 3 실시형태의 간섭계측장치에는, 제 2 실시형태의 주입동기형 펄스레이저가 내장되어 있다.
본 발명의 제 3 실시형태의 간섭계측장치는, 예를 들면, 반도체 노광장치 등의 노광장치에 내장된 투영광학계의 결상성능을 검사하기 위해 매우 적합하다. 노광장치는 KrF 또는 ArF 등의 엑시머레이저를 조명광원으로서 사용하기 때문에 투영광학계는 조명광의 파장에서 결상성능이 최적이 되도록 설계되고 있다. 따라서, 투 영광학계의 결상성능을 검사하는 검사장치도 조명광의 파장과 개략 일치하는 파장을 사용해서 검사를 행한다. 제 3 실시형태에서는, 파장 193nm로 최적화된 투영광학계용의 검사장치를 예시한다.
우선, 발진파장의 조정방법에 대해 설명한다. 검사장치로서의 간섭계측장치는 제 2 실시형태에서 나타낸 주입동기형 펄스레이저의 출력부에 파장변환유닛(17)을 구비한다. 파장변환유닛(17)은 비선형 광학효과를 사용해서 입사광의 파장을 그의 1/4의 파장으로 변환해서 출력한다. 파장변환유닛(17)으로부터 출력되는 광의 파장을 193nm로 설정하기 위해서 파장변환유닛(17)에 입사하는 광의 파장, 즉, 주입동기형 펄스레이저로부터 출력되는 광의 파장은 772nm에서 안정화될 필요가 있다.
제 2 실시형태의 미러(M7)는 반투명경(M8)으로 치환되어 있다. 시드레이저(1)로부터의 출력의 일부는 반투명경(M8)을 투과해서, 미러(M9)에 의해 반사되어 파장계(30)에 인도된다. 시드레이저(1)로부터 출력되는 광속은, 기타, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 펄스발진기(O)(주입동기), AOM(6)(비트검출), 외부의 공진기 (14)(파장 안정화)에도 분기된다.
파장계(30)에는 고정밀도로 교정된 에탈론이 내장되어 있어, 서브 pm 이하의 정밀도로 파장 절대치의 계측이 가능하다. 파장계(30)는 컴퓨터(29)에 접속되고. 컴퓨터(29)는 시드레이저(1)의 설정파장으로부터 파장 시프트량을 계산해서, 그 결과를 가산기(31)에 전송한다.
가산기(31)는 컴퓨터(29)로부터 제공되는 파장 시프트량에 대해서 PID 연산 을 행해서 파장계(30)를 기준으로 사용하는 귀환신호를 생성한다. 가산기(31)는 또 이 컴퓨터(29)로부터의 귀환신호와 기준공진기(14)를 기준으로 사용하는 귀환신호(파장귀환신호)를 가산해서, 가산결과를 시드레이저(1)의 파장변조단자에 피드백한다.
파장귀환신호와 주파수귀환신호가 시드레이저(1)에 제공되지만, 파장귀환신호의 제어주파수를 주파수귀환신호의 제어주파수에 비해 충분히 낮게 설정해 두면, 파장귀환신호와 주파수귀환신호와의 간섭의 영향을 최소화할 수가 있다.
이상과 같이 해서, 제 3 실시형태에 의하면, 기준공진기(14)와 파장계(30)를 포함한 파장안정화유닛에 의해 시드레이저(1)의 중심파장의 절대치 보증과 주파수 안정화가 실현된다. 따라서, 제 3 실시형태에 의하면, 제 2 실시형태와 마찬가지로 펄스발진기(0)의 광로길이(발진기길이)를 제어함으로써, 펄스광원의 중심파장의 보증과 주파수 안정화가 실현된다.
여기서, 펄스발진기(O)로부터 출력되는 광은 파장변환유닛(17)에 의해 1/4의 파장변환을 행함으로써 193nm로 변환된다. 파장변환시의 계수 1/4는 물리적으로 고정이며, 파장변환유닛(17)으로부터 출력되는 광의 파장은 파장변환유닛(17)에 입사하는 광의 파장만으로 결정되기 때문에, 193nm펄스에 대해서 중심파장의 보증과 주파수 안정화가 행해진다.
다음에, 간섭계에 대해 설명한다. 파장변환유닛(17)으로부터 사출되는 광속은 집광렌즈(18)를 통과하고, 그 후, 회절한계 이하의 핀홀(19)을 투과함으로써 파면형상이 정형된다. 핀홀(19)을 투과한 광속은 확산되면서 반투명경(20)을 투과해 서, 콜리메이터렌즈(21)에 의해 평행광속으로 변환되어, TS렌즈(23)에 입사한다. 여기서, TS렌즈(23)는 최종면의 곡률반경과 최종면으로부터 초점위치까지의 거리가 동일해지도록 설계된 렌즈이며, 최종면 이외에는 반사 방지막을 코팅한다. TS렌즈(23)의 최종면에서는, 공기와 유리의 굴절률 차이에 의해 5%정도의 반사광속이 발생해서, 입사광로를 따라 돌아온다. 이하, TS렌즈의 최종면을 TS면, TS면에 의해 반사되는 광속을 참조광속이라고 부른다. TS렌즈(23)는 위상시프트유닛(22) 상에 고정되어 있어, 위상시프트유닛(22) 내의 PZT 소자에 의해 광축방향에의 구동이 가능하다.
한편, TS면을 투과한 광속은 노광장치의 투영광학계(24)의 물체면 상에 한 번 집광된 후, 확산되면서 투영광학계(24)에 입사해서, 투영광학계(24)로부터 출사된 후에 투영광학계(24)의 상점에 집광한다. 상측에는, 투영광학계(24)의 상점위치에 곡률중심을 가지는 구면의 RS미러(25)가 삽입되어 있다. RS미러(25)의 반사면은 코팅이 없는 유리이며, TS면과 같이 5%정도의 반사율을 가진다. 상점에 집광된 광속은 RS면에 의해 반사되어 동일 광로를 돌아온다. 이하, RS미러의 반사면을 RS면, RS면에 의해 반사되는 광속을 피검광속이라고 부른다.
참조광속, 피검광속 모두 다시 TS렌즈(23)를 투과해서, 평행광속이 된 후에 콜리메이터렌즈(21)에 재차 입사해서 집광되면서 반투명경(20)에 의해 반사된다. 반투명경(20)의 반대측의 초점위치에는 공간필터(26)가 삽입되어 있다. 공간필터(26)에 의해 불필요한 고주파 영역이 커트된 피검광속 및 참조광속은 결상렌즈 (27)에 입사해서 평행광속이 된 후에 촬상소자(예를 들면, CCD)(28)에 입사한다. 촬상소자(28)에서는, 피검광속과 참조광속의 간섭무늬가 촬상되고, 촬상된 화상정보는 컴퓨터(29)에 전송된다.
간섭무늬는, 참조광속의 강도를 Iref, 피검광속의 강도를 Itest, 투영광학계(24)의 파면을 W(r), TS면-RS면 간의 광로길이를 L, 레이저광의 파장을 λ라 하면), 식(8)로 나타내진다.
간섭무늬로부터 고정밀도의 파면계측을 행하기 위해서 위상시프트법이 사용될 수 있다. 위상시프트법이란, 기지의 위상시프트가 주어진 복수의 간섭무늬의 화상으로부터 파면을 산출하는 방법이다.
컴퓨터(29)는 촬상소자(28)에 있어서의 촬상타이밍과 동기해서 위상시프트유닛(22)에 전압을 인가함으로써, TS렌즈(23)를 광축을 따라 구동해서, 소망한 위상시프트를 실현한다.
위상시프트시의 복수의 간섭무늬화상으로부터 간섭무늬 변화의 cosine성분과 sine성분을 추출하고, 각각을 Ic, Is라 하면, 피검렌즈의 파면 W(r)는 Φ를 초기위상항으로해서 식(9)로 나타내진다.
파면계측에 있어서 발생하는 오차의 주요인은 위상시프트시의 간섭무늬의 변 동이다. 식(8)로부터 명백한 바와 같이, 간섭무늬의 변동은 예를 들면, 스테이지 진동 등에 의한 TS면과 RS면 간의 광로길이 L의 변화, 혹은, 레이저광의 파장 λ의 변동에 의해서도 일어난다.
반도체 노광장치용의 거대한 투영광학계에서는, 광로길이 L이 수 m 길어질 필요가 있다. 이에 의해 파장 변동의 영향을 무시할 수 없게 된다. 이 실시형태에서는, 고정밀도의 파장 안정화가 실현되고 있기 때문에, 종래에 비해 고정밀도의 파면계측이 가능해진다.
또, 컴퓨터(29)에 파장계(30), 복조기(16), 해석기(10)를 접속함으로써, 위상시프트 계측시의 레이저 파장변화를 모니터하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 파장변동이 큰 경우에 경고를 발하고, 파장변화를 측정치에 피드백함으로써 보다 고정밀도로 계측을 행하는 것이 가능하게 된다.
[제 4 실시형태]
도 6은 본 발명의 제 4 실시형태로서의 노광장치의 개략 구성을 나타내는 도이다. 본 발명의 제 4 실시형태의 노광장치에는, 제 3 실시형태의 간섭계측장치가 내장되어 있다.
도 6에서는 위상시프트유닛(22) 및 TS렌즈(23)가 노광광의 광로 내에 삽입되어 있지만, 실제의 노광시에는, 이들은 해당 광로의 밖으로 퇴피된다. 노광시에는, 또, 투영광학계(24)의 상측에는. RS미러(25)가 아니라 노광대상의 웨이퍼(기판이라고도 함)가 배치되도록 웨이퍼스테이지(40)가 구동된다.
엑시머레이저(36)로부터 사출된 광속은 전송계를 개재해서 인코히런트화유 닛(37)에 입사한다. 인코히런트화유닛(37)에서는, 입사광속의 정형과 공간 코히런스의 저감이 동시에 행해진다. 인코히런트화유닛(37)으로부터 사출된 광속은 조명광학계 (38)에 입사해서 조도의 균일화와 소망한 유효광원의 생성이 이루어진 후, 레티클스테이지(39) 상에 배치된 레티클(원판 또는 마스크라고도 함)을 조명한다. 레티클의 패턴에 의해 회절된 입사광속은 투영광학계(24)에 의해 웨이퍼스테이지(40) 상에 배치된 웨이퍼에 축소 투영되어, 웨이퍼면 상에 레티클의 패턴이 전사된다. 패턴전사 후는 웨이퍼스테이지(40)가 노광영역으로부터 다음의 노광영역으로 스텝 이동되어, 다음의 노광영역이 노광된다.
다음에, 투영광학계(24)의 파면수차를 계측하는 방법에 대해 설명한다. 파면수차의 계측에는, 제 2 실시형태에서 설명한 간섭계가 사용된다. 간섭계용의 광원은 파장 안전화가 이루어져 있으며, 파장은 엑시머레이저(36)와 동일한 안정된 파장으로 설정되어 있다. 위상시프트유닛(22) 및 TS렌즈(23)는 반도체 노광시의 퇴피위치로부터 구동되어, 투영광학계(24)의 소망한 물점위치에 삽입된다. 또, 레티클스테이지(39)를 구동함으로써, 물점위치에 배치되어 있던 레티클은 퇴피된다. 한편, RS미러(25)는 웨이퍼스테이지(40)의 웨이퍼 유지부 주변에 배치되어 있어. 웨이퍼스테이지(40)가 구동되면, 투영광학계(24)의 물점위치와 공역인 위치에 RS미러(25)의 곡률 중심이 배치된다. 이상의 절차에 의해 피검광과 참조광의 간섭무늬가 촬상소자(CCD 카메라)(28)에서 촬상가능해진다. 파면의 계측은, 제 3 실시형태와 마찬가지로, 위상시프트유닛(22)을 사용한 위상시프트법에 따라 행한다.
이 실시형태에서는 고정밀도로 파장 안정화가 된 레이저를 광원으로서 사용 할 수 있기 때문에, 반도체 노광장치 상에서의 고정밀도의 파면계측이 가능해진다. 계측결과를 사용해서 투영광학계의 파면수차를 최적화함으로써 투영광학계의 결상성능을 최적화할 수 있어, 이것에 의해 고정밀도의 패턴의 전사가 가능하게 된다.
상기 실시형태에 있어서, 시드레이저(1)로부터 사출된 광의 주파수를 음향광학소자(6)에 의해 시프트하고, 이 주파수시프트된 광과 펄스발진기(0)로부터 사출된 광을 합성함으로써 비트신호를 얻는다. 그러나, 본 발명은 그 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 펄스발진기(0)로부터 사출된 광의 주파수를 음향광학소자(6)에 의해 시프트하고 이 주파수시프트된 광과 시드레이저(1)로부터 사출된 광을 합성함으로써 비트신호를 얻을 수도 있다.
[기타]
다음에 상기의 노광장치를 사용한 디바이스 제조방법을 설명한다. 도 8은 반도체 디바이스의 전체적인 제조프로세스의 순서를 나타내는 흐름도이다. 스텝 1(회로설계)에서는 반도체 디바이스의 회로설계를 행한다. 스텝 2(레티클 제작)에서는 설계된 회로패턴에 근거해서 레티클을 제작한다. 한편, 스텝 3(웨이퍼 제조)에서는 실리콘 등의 재료를 사용해서 웨이퍼를 제조한다. 스텝 4(웨이퍼 프로세스)는 전공정으로 불리우고, 상기의 레티클과 웨이퍼를 사용해서 리소그래피기술에 의해 웨이퍼 상에 실제의 회로를 형성한다. 다음의 스텝 5(조립)는 후공정으로 불리우고, 스텝 4에 의해 제작된 웨이퍼를 사용해서 반도체칩화하는 공정이며, 어셈블리공정(다이싱, 본딩), 패키징공정(칩 밀봉) 등의 공정을 포함한다. 스텝 6(검사)에서는 스텝 5에서 제작된 반도체 디바이스의 동작확인 테스트, 내구성 테스트 등의 검사를 행한다. 이러한 공정을 거쳐 반도체 디바이스가 완성되어, 이것을 출하(스텝 7)한다.
도 9는 상기 웨이퍼 프로세스의 상세한 순서를 나타내는 흐름도이다. 스텝 11(산화)에서는 웨이퍼의 표면을 산화시킨다. 스텝 12(CVD)에서는 웨이퍼 표면에 절연막을 형성한다. 스텝 13(전극형성)에서는 웨이퍼 상에 전극을 증착에 의해 형성한다. 스텝 14(이온주입)에서는 웨이퍼에 이온을 주입한다. 스텝 15(CMP)에서는 CMP 공정에 의해 절연막을 평탄화한다. 스텝 16(레지스트처리)에서는 웨이퍼에 감광제를 도포한다. 스텝 17(노광)에서는 상기의 노광장치를 사용해서, 회로패턴이 형성된 마스크를 개재해서 감광제가 도포된 웨이퍼를 노광해서 레지스트에 잠상패턴을 형성한다. 스텝 18(현상)에서는 웨이퍼 상의 레지스트에 형성된 잠상패턴을 현상해서 레지스트패턴을 형성한다. 스텝 19(에칭)에서는 레지스트패턴이 개구한 부분을 통해서 레지스트패턴 아래에 있는 층 또는 기판을 에칭한다. 스텝 20(레지스트박리)에서는 에칭이 끝나 불필요해진 레지스트를 없앤다. 이들 스텝을 반복해서 행함으로써, 웨이퍼 상에 다중으로 회로패턴을 형성한다.
본 발명은 전형적인 실시형태를 참조해서 설명해 왔지만, 본 발명은 이 개시된 전형적인 실시형태에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다음의 특허청구범위는 이러한 모든 변형예 및 동등한 구성 및 기능을 망라하도록 가장 넓게 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태로서의 주입동기형 펄스레이저의 개략 구성을 나타내는 도;
도 2는 시뮬레이션으로 얻어진 비트신호 I(t)를 예시하는 도;
도 3은 비트신호의 푸리에변환을 예시하는 도;
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태의 주입동기형 펄스레이저의 개략 구성을 나타내는 도;
도 5는 본 발명의 제 3 실시형태의 주입동기형 펄스레이저의 개략 구성을 나타내는 도;
도 6은 본 발명의 제 4 실시형태로서의 노광장치의 개략 구성을 나타내는 도;
도 7은 종래의 주입동기형 레이저의 개략 구성을 나타내는 도;
도 8은 반도체 디바이스의 전체적인 제조 프로세스의 순서를 나타내는 흐름도;
도 9는 웨이퍼 프로세스의 상세한 순서를 나타내는 흐름도.
Claims (10)
- 시드레이저;상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 일부의 성분이 시드레이저광으로서 주입되는 발진기;상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 다른 일부의 성분의 주파수를 시프트시키는 주파수변환기;상기 발진기로부터 출력되는 광과 상기 주파수변환기로부터 출력되는 광이 합성된 광을 검출하는 포토디텍터; 및상기 포토디텍터의 출력신호에 포함되는 비트신호 성분에 근거해서 상기 발진기의 광로길이를 제어하는 제어기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 주파수변환기에서 사용되는 주파수 시프트의 양은 상기 발진기로부터 출력되는 광의 스펙트럴 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 주파수변환기가 음향광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 파장을 안정화시키는 안정화유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 안정화유닛은 기준공진기를 포함하고, 또한 상기 기준공진기로부터 출력되는 광의 파장을 기준으로 사용해서 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 파장을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 안정화유닛은 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 파장을 계측하는 파장계를 포함하고, 또한 상기 파장계의 출력에 근거해서 상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 파장을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 시드레이저;상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 일부의 성분이 시드레이저광으로서 주입되는 발진기;상기 발진기로부터 출력되는 광의 주파수를 시프트시키는 주파수변환기;상기 시드레이저로부터 출력되는 광의 다른 일부의 성분과 상기 주파수변환 기로부터 출력되는 광이 합성된 광을 검출하는 포토디텍터; 및상기 포토디텍터의 출력신호에 포함되는 비트신호 성분에 근거해서 상기 발진기의 광로길이를 제어하는 제어기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주입동기형 레이저장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 기재된 주입동기형 레이저장치; 및상기 주입동기형 레이저장치로부터 출력되는 광을 사용해서 참조광속과 피검광속을 생성해서, 이 참조광속과 이 피검광속을 간섭시키는 간섭계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 간섭계측장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 기재된 주입동기형 레이저장치;상기 주입동기형 레이저장치로부터 출력되는 광을 사용하여 참조광속과 피검광속을 생성해서, 이 참조광속과 이 피검광속을 간섭시키는 간섭계; 및원판의 패턴을 기판 상에 투영하는 투영광학계를 구비하고,상기 간섭계가 상기 투영광학계의 수차를 계측하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
- 디바이스 제조방법으로서,제 9 항에 기재된 노광장치를 사용해서, 기판에 도포된 감광제에 잠상패턴을 형성하는 공정; 및상기 잠상패턴을 현상하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조방법,
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