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JP2781987B2 - 波長検出装置 - Google Patents

波長検出装置

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Publication number
JP2781987B2
JP2781987B2 JP1129393A JP12939389A JP2781987B2 JP 2781987 B2 JP2781987 B2 JP 2781987B2 JP 1129393 A JP1129393 A JP 1129393A JP 12939389 A JP12939389 A JP 12939389A JP 2781987 B2 JP2781987 B2 JP 2781987B2
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Japan
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wavelength
collimator lens
reference light
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理 若林
諭樹夫 小林
雅彦 小若
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Komatsu Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J9/0246—Measuring optical wavelength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はレーザ等の波長を検出する波長検出装置に
関し、特に半導体装置製造用の縮小投影露光装置の光源
としてエキシマレーザを用いる場合の波長検出に採用し
て好適な波長検出装置に関する。
〔従来の技術〕
半導体装置製造用の縮小投影露光装置（以下ステッパ
という）の光源としてエキシマレーザの利用が注目され
ている。これはエキシマレーザの波長が短い（KrFレー
ザの波長は約248.4nm）ことから光露光の限界を0.5μｍ
以下に延ばせる可能性があること、同じ解像度なら従来
用いていた水銀ランプのｇ線やｉ線に比較して焦点深度
が深いこと、レンズの開口数（NA）が小さくてすみ、露
光領域を大きくできること、大きなパワーが得られるこ
と等の多くの優れた利点が期待できるからである。
ところでエキシマレーザの波長は248.4nmと短いた
め、この波長を透過する材料が石英、CaF2およびMaF2等
しか存在せず、しかも均一性および加工精度等の点でレ
ンズ素材として石英しか用いることができない。このた
め色収差補正をした縮小投影レンズの設計は非常に困難
である。したがって、エキシマレーザをステッパの光源
として用いる場合、この色収差が無視しうる程度まで、
エキシマレーザの出力レーザ光を狭帯域化する必要があ
り、この狭帯域化された出力レーザ光の波長を高精度に
安定化制御する必要がある。
従来、狭帯域発振エキシマレーザ等の出力光の波長線
幅を計測したり、波長を検出したりするためにモニタエ
タロンが用いられている。モニタエタロンは部分反射ミ
ラーを所定の空隙をあけて対向配設したエアギャップエ
タロンを用いて構成されるものでこのエアギャップエタ
ロンの透過波長は次のように表わされる。
ｍλ＝2nd cos θ ただし、ｍは整数、ｄはエタロンの部分反射ミラー間
の距離、ｎは部分反射ミラー間の屈折率、θはエタロン
の法線と入射光の光軸とのなす角度、λは波長である。
この式より、n,d,mが一定とすれば、波長が変化する
とθが変化することが解る。モニタエタロンではこの性
質を利用して被検出光の波長を検出している。ところ
で、上述したモニタエタロンにおいて、エアギャップ内
の圧力および周囲温度が変化してしまうと波長が一定で
も上述した角θが変化してしまう。そこてモニタエタロ
ンを用いる場合、エアギャップ内の圧力および周囲温度
を一定に制御して波長検出を行なっていた。
しかし、エアギャップ内の圧力および周囲温度を高精
度に制御することは困難であり、このため充分な高精度
で絶対波長を検出することはできなかった。
そこで、被検出光とともに予め波長がわかっている基
準光をモニタエタロンに入力し、この基準光に対する被
検出光の相対波長を検出することにより被検出光の絶対
波長を検出する装置が提案されている。しかし、基準光
源と被検出光の光源とが性質が異なるような場合、例え
ば基準光が面光源とみなせる水銀ランプであり、被検出
光の光源がエキシマレーザであるような場合は基準光と
被検出光をそれぞれ充分な強度でモニタエタロンに導く
ことは困難であり、このためS/Nが悪く、高精度に絶対
波長を検出することができなかった。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように既知の基準光を導入して基準光に対する被
検出光の相対波長を検出し、これにもとづき被検出光の
絶対波長を検出する構成をとる場合、基準光の光源と被
検出光の光源との性質が異なると、基準光と被検出光と
をそれぞれ充分な強度でモニタエタロンに導くことが困
難となり、このため高精度で被検出光の絶対波長を検出
することはできなかった。
そこて、この発明は基準光の光源と被検出光の光源の
性質が異なっても基準光と被検出光をそれぞれ充分な強
度で導入することができ、これによって高精度に被検出
光の波長を検出することができる波長検出装置を提供す
ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明では上記目的を達成させるため、基準光源か
ら発生される基準光と被検出光とをエタロンに照射し、
該エタロンを透過した光を光検出手段で検出することに
より基準光に対する被検出光の波長を検出する波長検出
装置において、エタロンの前段に設けられ、エタロンに
照射される光を平行光に変換するコリメータレンズ手段
と、基準光と被検出光によりコリメータレンズの前側焦
点面を照射する照明手段と、エタロンの後段に設けら
れ、エタロンを透過した光を光検出手段の検出面に結像
させる結像レンズ手段とを具えて構成される。
〔作用〕
基準光と被検出光によりコリータレンズの前側焦点面
を照明する。この光はコリメータレンズで平行光に変換
されエタロンに照射される。このエタロンを透過した基
準光と被検出光は結像レンズ手段によって光検出手段の
検出面に結像され、該検出面上に基準光および被検出光
のそれぞれ対応する干渉縞を形成する。光検出手段はこ
の干渉縞を検出することにより、基準光に対する被検出
光の相対波長、すなわち被検出光の絶対波長を検出す
る。
〔実施例〕
以下、この発明に係わる波長検出装置の実施例を添付
図面を参照して詳細に説明する。
第１図はこの発明に係わる波長検出装置の一実施例を
示したものである。この実施例では被検出光として狭帯
域発振エキシマレーザ10の出力光11が用いられ、基準光
源30としては水銀ランプが用いられている。すなわち、
この実施例の場合、被検出光は波長248.4nmのKrFエキシ
マレーザ光であり、基準光は水銀ランプの253.7nmであ
る。
狭帯域発振エキシマレーザ10から出力されたレーザ光
11の一部はビームスプリッタ20によってサンプリングさ
れ、このサンプリング光はインテグレータ41を介して、
ビームスプリッタ42に照射される。また基準光源30から
出力された基準光31はビームスプリッタ42の他の面に照
射される。
ビームスプリッタ42はインテグレータ41から出力され
たサンプリング光の一部を透過させ、また基準光源30か
ら出力された基準光31の一部の反射させ、これにより、
サンプリング光と基準光とを合成する。このビームスプ
リッタ42によって合成されたサンプリング光と基準光と
の合成光はコンデンサレンズ43を介してコリメータレン
ズ61の前側焦点面50を照明する。コリメータレンズ61は
その前側焦点面51を照明する光を平行光線に変換して、
この平行光線をエタロン62に照射する。
エタロン62は内側の面が部分反射ミラーとされた２枚
の透明板62a、62bから構成され、エタロン62に対する入
射光の角度に対応してそれぞれ透過波長が異なるもので
ある。このエタロン62を透過した光は結像レンズ63を介
して光位置検出器64に照射され、この光検出器64の検出
面上に基準光の波長に対応した第１の干渉縞および被検
出光の波長に対応した第２の干渉縞を形成する。光検出
器64ではこの第１および第２の干渉縞を検出し、この検
出にもとづき基準光の波長に対する被検出光の波長の相
対波長を検出し、既知の基準光の波長と検出した相対波
長にもとづき被検出光の絶対波長を検出する。
なお、光検出器64としては一次元または二次元のイメ
ージセンサ、ダイオードアレイまたはPSD（POSITION SE
NSITIVE DETECTOR）等を用いて構成することができる。
このように構成すると光強度の強い干渉縞が得られ、
これによって被検出光の絶対波長を高精度に検出するこ
とができる。また基準光および被検出光はコリメータレ
ンズの前側焦点面を照明ればよいのでので、光軸を高精
度に合わせる必要はなく、調整が非常に容易になる。
第２図はこの発明の他の実施例を示したものである。
以下、この第２図を含む他の図面において互いに共通す
る機能を果す部分については説明の便宜上同一の符号は
付する。
第２図に示す実施例はビームスプリッタ20でサンプリ
ングした被検出光を集光レンズ44で集光し、この集光光
をビームスプリッタ42を透過させ、この透過光によって
コリメータレンズ61の前側焦点面50を照明し、また基準
光源30から発生された基準光31をビームスプリッタ42で
反射させ、この反射光によってコリメータレンズ50の前
側焦点面を照明する構成をとっている。これによってコ
リメータレンズ50の前側焦点面は被検出光と基準光の両
者によって照明されることになる。この照明光はコリメ
ータレンズ61でコリメートされ、エタロン61、結像レン
ズ63を介して光検出器64の検出面上に基準光と被検出光
のそれぞれの波長に対応した２つの干渉縞を形成する。
この２つの干渉縞にもとづき被検出光の絶対波長を検出
することができる。
第３図は、この発明の更に他の実施例を示したもので
ある。この実施例において、ビームスプリッタ20でサン
プリングした被検出光はインテグレータ41、集光レンズ
45を介してビームスプリッタ42に入射され、このビーム
スプリッタ42の透過光はコリメータレンズ61の前側焦点
面50を照明する。
また基準光源30から発生した基準光31は結像レンズ46
を通り、ビームスプリッタ42で反射され、コリメータレ
ンズ61の前側焦点面50の手前に基準光源の像30aを結像
する。
このような構成によると基準光源30を基準光源の像30
aに配置したのと等価となり、コリメータレンズ61の前
側焦点面は集光レンズ45で集光された被検出光とこの基
準光源30の像30aからの基準光によって照射されること
になる。以下の動作は第１図、第２図に示したものと同
様である。
かかる構成によると基準光源30の光量が小さくても有
効にコリメータレンズ61の前側焦点面50を照明すること
ができ、特に基準光に関する干渉縞の光強度を大きくす
ることができる。
第４図はビームスプリッタ20でサンプリングした被検
出光を光ファイバを用いて導入するようにしたこの発明
の他の実施例を示したものである。この実施例の場合、
ビームスプリッタ20でサンプリングされた被検出光はレ
ンズ21、スリーブ22を介して光ファイバ23内に入力さ
れ、光ファイバ23を伝達した被検出光はスリーブ24を介
して出力され、このスリーブ24の出力光はビームスプリ
ッタ42を照射し、このビームスプリッタ42の透過光によ
ってコリメータレンズ61の前側焦点面50を照明する。他
の構成は第３図に示したものと同一である。
かかる構成によると、被検出光を光ファイバ23を用い
て伝達する構成をとっているため、被検出エキシマレー
ザ光11の位置と波長検出装置との位置関係を任意に設定
でき、波長検出装置の配設位置に限定が生じないという
利点がある。
第５図は第４図に示した構成に加えて、コリメータレ
ンズ61の前側焦点面50に拡散板47を挿入して構成したこ
の発明の他の実施例を示したものである。
また第６図は第４図に示した構成において光ファイバ
23の出力側のスリーブ24を多芯の光ファイバからなる光
ファイバスリーブで置換した他の実施例を示したもので
ある。
第５図、第６図のいずれの実施例においても高精度な
検出結果が得られている。
第７図は被検出光を光ファイバを用いて導入する他の
実施例を示したものである。第７図においてビームスプ
リッタ20によってサンプリングされた被検出光はレンズ
21、スリーブ22を介して光ファイバ23内に入力され、こ
の光ファイバ23を伝達した被検出光はスリーブ24を介し
て出力され、コリメータレンズ26を介してインデクレー
タ41に照射される。このインテグレータ41から出力され
た光はビームスプリッタ42に照射される。
また基準光源30から出力された基準光31はビームスプ
リッタ42の他の面に照射される。
ビームスプリッタ42はインテグレータ41から出力され
る被検出光と基準光源30から出力された基準光31とを合
成し、この合成光をコンデンサレンズ43を介してコリメ
ータレンズ50の前側焦点面に照射する。以下の動作は、
例えば第１図に示したものと同一である。
更に、第８図は第４図に示した構成において、基準光
源30と結像レンズ46との間にフィルタ32を挿入し、更に
コリメータレンズ61の前側焦点面50にアパーチャ48を配
置したこの発明の更に他の実施例を示したものである。
ここで、フィルタ32は基準光源30から発生される光の
うち特定の波長の光のみを透過させるものであり、例え
ば基準光源30が水銀ランプの場合、フィルタ32は水銀ラ
ンプの出力光のうち被検出光であるKrFエキシマレーザ
の発振光の波長、すなわち波長248.4nmに近い波長253.7
nmの発振線の光を選択的に透過させるものである。すな
わち、この実施例の場合、波長253.7nmの光のみが基準
光としてアパーチャ48を照明することになる。これによ
って外乱が少なくなり更に高精度に被検出光の絶対波長
を検出することができる。なお、フィルタは基準光源30
と結像レンズ46との間以外の他の位置に挿入するように
構成してもよい。
なお、第３図、第４図、第５図、第６図、第８図に示
す実施例において、基準光源30の像30aを結像レンズ46
を用いて結像させたが、この結像レンズ46の代わりに凹
面鏡を用いて基準光源30aを形成するように構成しても
よい。また上記実施例において基準光源30の像30aをコ
リメータレンズ61の前側焦点面の手前に結像させるよう
に構成したが、これをコリメータレンズ61の前側焦点面
上に結像させるように構成してもよい。
また、第１図、第２図、第３図、第６図、第７図に示
す構成において、コリメータレンズ61の前側焦点面上に
拡散板またはアパーチャを挿入して構成してもよい。
また上記実施例ではエアギャップエタロンを用いて構
成したが、このエアギャップエタロンの代わりにソリッ
ドエタロンを用いても同様に構成することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば基準光および被
検出光の両者に対して充分強度の大きい干渉縞が得ら
れ、これによって被検出光の絶対波長を高精度に検出す
ることができる。またこの発明によれば基準光および被
検出光はコリメータレンズの前側焦点面を照明するだけ
なので高精度な光軸合せは不要となる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の波長検出装置を狭帯域エキシマレー
ザの出力レーザ光の波長検出に適用した一実施例を示す
図、第２図は集光レンズを用いたこの発明の他の実施例
を示す図、第３図は基準光源をコリメータレンズの前側
焦点面の手前で結像させたこの発明の他の実施例を示す
図、第４図は光ファイバを用いて被検出光を導入したこ
の発明の他の実施例を示す図、第５図はコリーメータレ
ンズの前側焦点面に拡散板を用いたこの発明の他の実施
例を示す図、第６図は光ファイバの先端に光ファイバス
リーブを用いたこの発明の他の実施例を示す図、第７図
は光ファイバで被検出光を導入し、更にインテグレータ
を用いたこの発明の他の実施例を示す図、第８図は基準
光源にフィルタを用い、コリメータレンズの前側焦点面
にアパーチャを配置したこの発明の他の実施例を示す図
である。 10……狭帯域エキシマレーザ、11……被検出光、20,42
……ビームスプリッタ、23……光ファイバ、25……光フ
ァイバスリーブ、30……基準光源、31……基準光、32…
…フィルタ、41……インテグレータ、43……コンデンサ
レンズ、46,63……結像レンズ、50……コリメータレン
ズの前側焦点面、61……コリメータレンズ、62……エタ
ロン、64……光検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−101682（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−84767（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−123491（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/137 H01S 3/00

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基準光源から発生される基準光および被検
    出光をエタロンに照射し、該エタロンを透過した前記基
    準光および前記被検出光を光検出手段で検出することに
    より前記基準光を基準として前記被検出光の波長を検出
    する波長検出装置において、 前記エタロンの前段に設けられ、前記エタロンに照射さ
    れる光を平行光に変換するコリメータレンズ手段と、 前記基準光および前記被検出光により前記コリメータレ
    ンズの前側焦点面を照射する照明手段と、 前記エタロンの後段に設けられ、前記エタロンを透過し
    た前記基準光および前記被検出光を前記光検出手段の検
    出面に結像させる結像レンズ手段と を具えた波長検出装置。
  2. 【請求項２】前記照明手段は、 前記被検出光が入射されるインテグレータと、 前記インテグレータの後段に配置され、前記基準光源か
    ら発生される基準光と前記インテグレータの出力光とを
    合成するビームスプリッタと、 前記ビームスプリッタにより合成された合成光が入射さ
    れ、その後側焦点面が前記コリメータレンズの前側焦点
    面と一致するコンデンサレンズと を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  3. 【請求項３】前記照明手段は、 前記被検出光を集光する集光レンズと、 前記基準光源から発生された基準光と前記集光レンズの
    出力光とを合成し、該合成光で前記コリメータレンズの
    前側焦点面を照明するビームスプリッタと を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  4. 【請求項４】前記照明手段は、 前記被検出光が入射されるインテグレータと、 前記インテグレータの後段に配置され、該インテグレー
    タの出力光を集光し、該集光光で前記コリメータレンズ
    の前側焦点面を照明する集光レンズと、 前記集光レンズの出力光の光路内に配置されたビームス
    プリッタと、 前記基準光源と前記ビームスプリッタとの間に配置さ
    れ、前記基準光源を前記ビームスプリッタを介して前記
    コリメータレンズの前側焦点面またはその手前に結像さ
    せる結像レンズと を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  5. 【請求項５】前記照明手段は、 前記被検出光を導入し、その出力光で前記コリメータレ
    ンズの前側焦点面を照射する光ファイバと、 前記光ファイバの出力光の光路内に配置されたビームス
    プリッタと、 前記ビームスプリッタと前記基準光源との間に配置さ
    れ、前記基準光源を前記ビームスプリッタを介して前記
    コリメータレンズの前側焦点面またはその手前に結像さ
    せる結像系と を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  6. 【請求項６】前記照明手段は、 前記被検出光を導入する光ファイバと、 前記光ファイバの先端に設けられた光ファイバスリーブ
    と、 前記光ファイバスリーブの出力光を集光し、該集光で前
    記コリメータレンズの前側焦点面を照明する集光レンズ
    と 前記集光レンズの出力光路内に配置されたビームスプリ
    ッタと、 前記ビームスプリッタと前記基準光源との間に位置さ
    れ、前記基準光源を前記ビームスプリッタを介して前記
    コリメータレンズの前側焦点面またはその手前に結像さ
    せる結像系と を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  7. 【請求項７】前記照明手段は、 前記被検出光を導入する光ファイバと、 前記光ファイバの出力光を平行光にするコリメータレン
    ズと、 前記コリメータレンズの出力光が入射されるインテグレ
    ータと、 前記インテグレータの後段に配置され、前記基準光源か
    ら発生される基準光と前記インテグレータの出力光とを
    合成するビームスプリッタと、 前記ビームスプリッタにより合成された合成光が入射さ
    れ、その後側焦点面が前記コリメータレンズの前側焦点
    面と一致するコンデンサレンズと を具えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  8. 【請求項８】前記照明手段は、 前記コリメータレンズの前側焦点面に配置された拡散板
    を具える請求項（１）記載の波長検出装置。
  9. 【請求項９】前記照明手段は、 前記コリメータレンズの前側焦点面に配置されたアパー
    チャを具える請求項（１）記載の波長検出装置。
  10. 【請求項１０】前記基準光源は、 ランプと、 前記ランプから発生される光のうち所定の波長の光のみ
    を選択透過するフィルタと を備えた請求項（１）記載の波長検出装置。
  11. 【請求項１１】前記基準光源は、 面光源である請求項（１）記載の波長検出装置。
  12. 【請求項１２】前記ランプから発生される光のうち所定
    の波長の光のみを選択透過するフィルタを前記ランプか
    ら干渉縞を検出する光検出器までの光路のいずれかの位
    置に配設した請求項（１）記載の波長検出装置。
JP1129393A 1989-05-23 1989-05-23 波長検出装置 Expired - Lifetime JP2781987B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1129393A JP2781987B2 (ja) 1989-05-23 1989-05-23 波長検出装置
CA002033194A CA2033194A1 (en) 1989-05-23 1990-05-18 Wavelength detecting apparatus
PCT/JP1990/000640 WO1990014582A1 (fr) 1989-05-23 1990-05-18 Detecteur de longueur d'onde
US07/640,431 US5198872A (en) 1989-05-23 1990-05-18 Apparatus for detecting the wavelength of laser light
EP19900907442 EP0428744A4 (en) 1989-05-23 1990-05-18 Wavelength detector

Applications Claiming Priority (1)

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JP1129393A JP2781987B2 (ja) 1989-05-23 1989-05-23 波長検出装置

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