DE19961908A1 - Hochauflösendes Littrow-Spektrometer und Verfahren zur quasi-simultanen Bestimmung einer Wellenlänge und eines Linienprofils - Google Patents

Abstract

Bei einem Spektrometer mit einem dispergierenden Element, das zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar ist und bei dem in der ersten Stellung die einfach dispergierte Strahlung einer ausgewählten Wellenlänge unmittelbar in den einfallenden Strahlengang zurückfällt, fällt in der zweiten Stellung die dispergierte Strahlung der ausgewählten Wellenlänge auf ein reflektierendes Element, welches so angeordnet ist, daß die Strahlung mindestens ein weiteres Mal über das dispergierende Element und dann in den einfallenden Strahlengang zurück lenkbar ist. Dabei ist ein Mittel, z. B. ein Spiegel, ein Echelle-Gitter oder ein Prisma zum Auslenken des Strahls aus der Dispersionsebene vorgesehen, derart, daß der einfach dispergierte Strahl in einer anderen Ebene verläuft als der mehrfach dispergierte Strahl. Der Spiegel ist um eine Achse geneigt, die parallel zur Dispersionsebene und senkrecht zum einfallenden Strahl verläuft. Ein solches Spektrometer eignet sich zur Bestimmung der spektralen Eigenschaften eines Excimer Lasers für die Photolithographie. Bei einem Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich mit unterschiedlicher spektraler Auflösung, bei dem der Strahl von einer Abbildungsoptik auf ein dispergierendes Element geleitet wird und von dem dispergierenden Element wieder zurück auf die Abbildungsoptik geleitet wird, wird der Strahl durch eine Positionsänderung des dispergierenden Elements auf ein reflektierendes Element geleitet, von dem es wieder ...

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einem dispergierenden Element, das zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar ist und bei dem in der ersten Stellung die einfach dispergierte Strahlung einer ausgewählten Wellenlänge unmittelbar in den einfallenden Strahlengang zurückfällt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich mit unterschiedlicher spektraler Auflösung bei dem der Strahl von einer Abbildungsoptik auf ein dispergierendes Element geleitet wird und von dem Dispersionselement wieder zurück auf die Abbildungsoptik. Die Erfindung betrifft speziell die Verwendung eines solchen Spektrometers.

Stand der Technik

Die unter dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Spektrometer sind auch unter dem Begriff Littrow-Spektrometer bekannt. Bei einer Littrow-Anordnung fällt der Strahl einer ausgewählten Wellenlänge nach der Dispersion an einem Gitter oder Prisma annähernd wieder in sich selbst zurück. Dadurch können die gleichen optischen Komponenten als Abbildungs- und Kameraoptik verwendet werden. Eine vollständige Überlagerung der einfallenden und dispergierten Strahlen ist praktisch nicht möglich, da im Eintrittsspalt kein Detektor angeordnet werden kann. Eine Abweichung ist im allgemeinen nur für kleine Winkel tolerierbar, da die Abbildungsfehler zunehmen.

Hochauflösende Spektrometer mit spektralen Bandbreiten, die bis zu 15 fm schmal sind, werden insbesondere bei der Messung der spektralen Intensitätsverteilung von Lasern verwendet. Neben der Messung der spektralen Intensitätsverteilung kann es jedoch auch wünschenswert sein, die genaue spektrale Lage des Intensitätsmaximums oder des Linienschwerpunkts zu bestimmen. Dazu muß eine genaue Zuordnung der der Lage der Detektoren, bzw. der Bildpunkte auf dem Detektor zu den jeweiligen Wellenlängen erfolgen.

Es sind Echelle-Spektrometer bekannt, welche Gitter mit einem treppenartigen Querschnitt enthalten. Durch die Stufenartige Struktur mit einem entsprechenden Blaze- Winkel wird ein Beugungsmuster erzeugt, welches die Intensität in sehr hoher Ordnung, z. B. in achtzigster bis einhundertster Ordnung konzentriert. Diese Ordnungen können sich - je nach einfallenden Wellenlängen - überlagern.

Bei einigen derartigen Echelle-Spektrometern werden die Ordnungen daher nochmals senkrecht zur Dispersionsebene dispergiert, um die verschiedenen auftretenden Ordnungen zu trennen. Man erhält so ein zweidimensionales Spektrum, das mit Zeilen- oder Flächendetektoren erfasst werden kann.

Aus der Veröffentlichung "Novel metrology for measuring spectral purity of KrF lasers for deep UV lithography" von A. I. Ershov, G. G. Padmabandu, J. Tyler, P. Palash, in http:/ /www.cymer.com vom 17. 3. 1999 sind weiterhin Echelle-Spektrometer für Laser bekannt, bei denen ein kollimierter Strahl in Littrow-Anordnung auf ein Gitter geleitet wird. Bei der Littrow-Anordnung wird der Strahl einer bestimmten Wellenlänge unter dem Winkel an dem Gitter reflektiert, daß er wenigstens annähernd in sich zurückfällt.

Der dispergierte Strahl wird mittels eines Spiegels auf einen Zeilendetektor gelenkt. Zwischen Kollimator-Linse und Gitter befindet sich ein teildurchlässiger Spiegel. Dadurch wird ein Teil des Lichtes nach der ersten Dispersion am Gitter an dem teildurchlässigen Spiegel reflektiert und erneut an dem Gitter dispergiert. Der teildurchlässige Spiegel steht so, daß die Senkrechte darauf einen kleinen Winkel mit dem Strahl bildet. Dadurch wird eine geringfügige Winkelverschiebung der Strahlen mit einfacher und mehrfacher Dispersion erreicht, so daß sich die Peaks an unterschiedlicher Stelle auf dem Detektor befinden.

Die bekannte Anordnung verwendet einen intensitätsschwächenden teildurchlässigen Spiegel, der auch von dem einfach dispergierten Strahl zwei Mal durchlaufen werden muß. Bei mehrfachen Durchläufen, wird die Intensität ensprechend stärker reduziert. Zur Messung bei einfachem Durchgang ohne eine derartige Schwächung muß der teildurchlässige Spiegel aus dem Strahlengang entfernt werden.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hochauflösendes Spektrometer zu schaffen, mit welchem sowohl die spektrale Intensitätsverteilung einer Emissionslinie relativ zum Linienschwerpunkt als auch die absolute Wellenlängenposition des Linienschwerpunktes mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit bestimmt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, in der zweiten Stellung die dispergierte Strahlung der ausgewählten Wellenlänge auf ein reflektierendes Element fällt, welches so angeordnet ist, daß die Strahlung mindestens ein weiteres Mal über das dispergierende Element und dann in den einfallenden Strahlengang zurück lenkbar ist.

Bei einer derartigen Anordnung kann das dispergierende Element einmal so eingestellt werden, daß der Strahl direkt wieder zurück geleitet wird. Durch eine Positionsänderung z. B. eine einfache Drehung des dispergierenden Elements kann der Strahl aber auch auf ein reflektierendes Element geleitet werden, von dem es wieder zurück auf das dispergierende Element geleitet wird. Dann läuft der Strahl zweimal über das dispergierende Element. Entsprechend wird eine höhere spektrale Auflösung erreicht. Da der Strahl nicht geteilt wird, bleibt auch bei einem mehrfach Durchlauf ein gutes Signal zu Rausch-Verhältnis erhalten. Lediglich Reflexions- und Effizienzverluste an reflektierendem und dispergierendem Element mindern die Intensität.

Zur Trennung der Strahlung nach der Anzahl der Durchläufe können Mittel zum Auslenken des Strahls aus der Dispersionsebene vorgesehen sein. Sie sind so bemessen, daß der einfach dispergierte Strahl in einer anderen Ebene verläuft als der mehrfach dispergierte Strahl. Ein Spiegel, der um eine Achse geneigt ist, die parallel zur Dispersionsebene und senkrecht zum einfallenden Strahl verläuft, ist hierfür besonders geeignet. Die Auslenkung kann aber auch mit einem Prisma erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem dispergierenden Element um ein Gitter, daß in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Echelle-Gitter ist. Vorzugsweise beträgt der Blaze-Winkel des Echelle-Gitters wenigstens 45°. Dann wird in hoher Ordnung bei großem Einfallswinkel gemessen, wodurch nach der Gittergleichung eine hohe Auflösung erzielt wird.

Ein erfindungsgemäßes Echelle-Spektrometer, bei dem die Stellungen des Gitters durch den Winkel zum einfallenden Strahl bestimmt sind, hat den Vorteil, daß die beiden Stellungen durch eine einfache Gitterdrehung erreicht werden können. Die Drehachse ist die gleiche, wie die Achse um welche das Gitter zur Wellenlängeneinstellung gedreht werden muß.

Als reflektierendes Element kann nach der Erfindung ein Spiegel, der als Plan-Spiegel ausgestaltet ist oder ein einseitig verspiegeltes Prisma dienen. Der Spiegel oder das Prisma dienen vorzugsweise gleichzeitig zur Strahlablenkung des Strahls aus der Dispersionsebene. Dies geschieht bei einem Spiegel vorzugsweise durch Kippen um einen sehr geringen Winkel um eine Achse, die parallel zur Dispersionsebene liegt und senkrecht zu dem auf den Spiegel fallenden Strahl verläuft. Dadurch wird der mehrfach dispergierte Strahl etwas nach oben oder unten abgelenkt und erscheint gegenüber dem einfach dispergierten Strahl in der Höhe versetzt in der Bildebene, an der üblicherweise ein Detektor angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist das reflektierende Element derart angeordnet, daß der Winkel, den die Senkrechte auf das dispergierenden Element mit dem dispergierten Strahl bildet kleiner ist, als der Winkel mit dem einfallende Strahl bildet. Dadurch hat das parallele Strahlbündel, welches auf das Gitter fällt, einen kleineren Durchmesser, als das Bündel, welches auf das reflektierende Element fällt. Das reflektierende Element, z. B. der Planspiegel, ist dann größer ausgebildet, als der Kollimatorspiegel, der im allgemeinen teuerer ist. Es gibt aber auch Anordnungen, in welchen die umgekehrte Anordnung vorteilhafter ist.

Es sind vorzugsweise Mittel zur Steuerung des Winkels, unter dem der einfallende Strahl auf das dispergierende Element fällt, an dem Spektrometer vorgesehen. Diese Mittel können von einem Schrittmotor gebildet sein, mit welchem ein Hebel bewegbar ist, mit dem eine Drehung des dispergierenden Elements bewirkt wird.

Es sind vorzugsweise auch Mittel zur Steuerung des Winkels, unter dem der dispergierte Strahl das dispergierende Element verlässt, vorgesehen. Es sind ferner Mittel vorgesehen, mit denen die Positionen der Komponenten von einem Computer aus steuerbar sind. Dann kann ohne weitere Modifikation des Spektrometers vom Computer aus das Gitter gedreht und damit die Wellenlänge und die Anzahl der Gitter-Durchgänge eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Eintrittsspalt vorgesehen, sowie Mittel, mit denen der Strahl derart ablenkbar ist, daß das Primärbild dieses Eintrittsspalts bei einer ausgewählten Wellenlänge in der Dipersionsebene seitlich versetzt neben dem Eintrittsspalt liegt. Diese seitliche Versetzung kann durch eine einfache Drehung des Gitters um einen geringen Winkel erfolgen. Die Dispersionsebene wird allgemein als Ebene senkrecht zu den Gitterfurchen definiert, wenn das dispergierende Element von einem Gitter dargestellt wird. Wenn das dispergierende Element von einem Prisma dargestellt wird, dann wird die Dispersionsebene als die Ebene definiert, die senkrecht auf der Dachkante des Prismas steht.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, mit denen der Strahl derart ablenkbar ist, daß das Primärbild dieses Eintrittsspalts bei einer ausgewählten Wellenlänge senkrecht zur Dispersionsebene versetzt über oder unter dem Eintrittsspalt liegt. Eine solche Versetzung kann durch Ankippen eines abbildenden Elements, z. B. eines Spiegels erfolgen.

In dem Spektrometer sind vorzugsweise neben dem dispergierenden Element ausschließlich reflektierende optische Komponenten vorgesehen sind. Dadurch werden chromatische Abbildungsfehler vermieden und das Spektrometer kann in jedem Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Eine Nachvergrößerung z. B. mittels zweier Zylinderspiegel nur in Richtung der Dispersionsebene bewirkt, daß die Auflösung des Geräts nicht durch die endliche Breite der Detektorelemente begrenzt ist.

Entsprechend der Erfindung wird zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich mit unterschiedlicher spektraler Auflösung der Strahl von einer Abbildungsoptik auf ein dispergierendes Element geleitet wird und von dem Dispersionselement wieder zurück auf die Abbildungsoptik. Der Strahl wird dann wahlweise durch eine Positionsänderung des dispergierenden Elements, z. B. eine Drehung, auf ein reflektierendes Element geleitet, von dem es wieder zurück auf das dispergierende Element geleitet wird.

Man kann also nach folgendem Verfahren vorgehen:

• a) Positionierung des dispergierenden Elements derart, daß der dispergierte Strahl einer ausgewählten Wellenlänge in sich selbst zurückläuft
• b) Messung des Signals an einem Detektor,
• c) Positionierung des dispergierenden Elements derart, daß der dispergierte Strahl einer ausgewählten Wellenlänge auf das reflektierende Element fällt, und
• d) Messung des Signals am Detektor.

Wenn nach der zweiten Positionierung des dispergierenden Elements das Licht einer Referenzlichtquelle in das Spektrometer eingekoppelt wird, dann kann man die kleinere Auflösung mit großem Inspektionsbereich nutzen, um eine Wellenlängenzuordnung zu den Detektorelementen mittels einer Referenzlichtquelle vorzunehmen. Die Referenzlichtquelle, z. B. eine Niederdruck-Hohlkathodenlampe, hat im allgemeinen erheblich weniger Intensität als etwa ein Laser. Wird die Linienstrahlung der Referenzlichtquelle dann auf zu viele Detektorelemente verteilt, erhält man für jedes Detektorelement ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis. Für die Ermittlung des Linienpeaks oder des Linienschwerpunkts reicht u. U. eine geringere Auflösung aus. Es bietet sich also an, hier mit einfachem Gitterdurchgang zu messen.

Bei der Messung eines Linienprofils von einem Laser reicht die Intensität jedoch aus und die Linie kann auf viele Detektorelemente verteilt werden. Hier kann das Gitter entsprechend gedreht werden, daß bei mehrfachem Gitterdurchgang gemessen werden kann. Selbstverständlich kann auch zuerst die Referenzstrahlung gemessen werden.

Ein erfindungsgemäßes Spektrometer eignet sich insbesondere zur Bestimmung der spektralen Eigenschaften eines Excimer Lasers für die Photolitographie. So können die spektralen Eigenschaften des Excimer Lasers zu seiner Steuerung und Regelung dienen. Bei der Photolitographie kann man aus dem Linienprofil des eingesetzten Lasers die Laserqualität bestimmen. Wird z. B. die spektrale Halbwertsbreite bei einem KrF- Excimer Laser größer als ein Schwellwert, so muß das Gasgemisch ausgetauscht werden. Auch Peak zu Peak-Schwankungen der Laserpulse können beobachtet und ausgewertet werden, so daß nur solche Pulse tatsächlich auf den Wafer geleitet werden, die bestimmte Kriterien erfüllen. Mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann eine Auflösung erreicht werden, die die simultane Linienprofilmessung erlaubt und somit eine Steuerung und Regelung des Litographie-Prozesses aufgrund der spektralen Eigenschaften des Lasers.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Spektrometer mit zweifachem Gitterdurchgang, seitlich versetztem Austrittsspalt und festen Spiegelstellungen.

Fig. 2 den Aufbau eines Echelle-Gitters.

Fig. 3 das erfindungsgemäße Spektrometer mit zweifachem Gitterdurchgang, kippbarem Parabolspiegel und seitlich versetztem Austrittsspalt.

Fig. 4 das erfindungsgemäße Spektrometer mit einfachem Gitterdurchgang und senkrecht zur Dispersionsebene versetztem Austrittsspalt.

Fig. 5 das erfindungsgemäße Spektrometer mit zweifachem Gitterdurchgang und senkrecht zur Dispersionsebene versetztem Austrittsspalt.

Fig. 6 das erfindungsgemäße Spektrometer mit verkipptem Reflektor.

Fig. 7 das erfindungsgemäße Spektrometer mit reduzierten äußeren Abmessungen und Nachvergrößerung.

Fig. 8 ein Detektorsignal einer vollständig aufgelösten Doppellinie bei doppeltem Gitterdurchgang.

Fig. 9 ein Detektorsignal der nicht vollständig aufgelösten Doppellinie aus Fig. 8 bei einfachem Gitterdurchgang.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein Spektrometer bezeichnet. Das Licht wird über einen Eintrittsspalt 12 in das Spektrometer 10 eingekoppelt. An einem off-axis Parabolspiegel 14 wird der divergente Strahl zu einem parallelen Bündel kollimiert und auf ein Echelle-Gitter 16 mit großem Blaze Winkel von wenigstens 45 Grad geleitet.

Ein Echelle-Gitter ist in Fig. 2 noch einmal im Detail dargestellt. Das Echelle-Gitter umfasst stufenförmige Gitterfurchen. Die Gitterfurchen haben einen Abstand d, welcher der Gitterkonstanten entspricht. Der Einfallswinkel α ist der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl 20 und der Senkrechten 22 auf das Gitter 16. Der Einfallswinkel β ist der Winkel zwischen reflektiertem Strahl 24 und der Senkrechten 22 auf das Gitter 16. Als Blazewinkel θ_B wird der Winkel zwischen der Senkrechten 22 auf das Gitter 16 und der Senkrechten auf die Gitterfurchen 18 bezeichnet.

Durch einen hohen Blazewinkel wird die Intensität des Beugungsbildes auf hohe Beugungsordnungen in der Gegend zwischen achtzigster und hundertster Ordnung konzentriert. Eine hohe Beugungsordnung bewirkt eine hohe Auflösung. Desgleichen bewirkt ein großer Beugungswinkel eine hohe Auflösung. Das Echelle-Gitter hat eine hohe Strichzahl von 50 bis 100 Striche pro Millimeter um die beugungsbegrenzte Auflösung möglichst groß zu machen. Durch den großen Einfallswinkel muß das Gitter entsprechend lang sein, wenn die gesamte Strahlung auf das Gitter auftreffen soll.

In Fig. 1 ist mit 26 eine Drehachse eingezeichnet. Das Gitter 16 ist um diese Achse 26 drehbar angeordnet, wie dies anhand eines mit 28 bezeichneten Pfeiles veranschaulicht wird. Die Drehung kann erreicht werden, indem das Gitter auf einem Drehtisch (nicht dargestellt) befestigt wird, der mit einem Hebel verbunden ist. Mittels Schrittmotoren kann von einem Computer aus der Hebel bewegt und somit eine definierte Drehung bewirkt werden. Über den Drehwinkel des Gitters kann die zu messende Wellenlänge, bzw. der Wellenlängenbereich auf besonders einfache Weise ausgewählt werden.

Das Gitter 16 ist so eingestellt, daß der dispergierte Strahl für die ausgewählte Wellenlänge auf einen Planspiegel 30 fällt. Dies ist durch den Pfeil 32 dargestellt. Der Planspiegel 30 steht so, daß der reflektierte Strahl direkt wieder in sich zurückfällt und erneut auf das Gitter 16 trifft. Dies ist durch den Pfeil 34 dargestellt. Dadurch wird ein doppelter Gitterdurchgang bewirkt, wodurch eine erhöhte spektrale Auflösung erreicht wird. Bei dem eingestellten Winkel am Gitter 16 fällt der Strahl 38 wieder in sich zurück. Dies ist durch den Pfeil 36 dargestellt. Dabei fällt der Strahl 38 nicht vollständig in sich zurück, sondern nur soweit es die Abmessungen des Eintrittsspalts 12 zulassen, damit der Detektor noch daneben angeordnet werden kann.

Der Strahl wird von der Parabel 14 wieder fokussiert und knapp an dem Eintrittsspalt 12 vorbei gelenkt, wo das Spektrum in einer Austrittsebene 40 mit einer Detektorzeile eines Detektors detektierbar ist. Als Detektor kann eine CCD-Zeile verwendet werden, es ist aber auch jede andere Detektorzeile oder jedes andere Detektor-Array geeignet, daß eine hinreichend kleine Pixelgröße aufweist.

In Fig. 3 ist das Spektrometer 10 aus Fig. 1 mit einer Modifikation dargestellt. Das Gitter 16 ist so angeordnet, daß der dispergierte Strahl, der durch einen Pfeil 44 dargestellt ist, direkt in sich selbst, zurückreflektiert wird, d. h. in den einfallenden Strahl, der durch einen Pfeil 42 dargestellt ist, und nicht auf den Spiegel 30 fällt. Das Spektrometer 10 hat eine dementsprechend geringere spektrale Auflösung als bei einer Gitterstellung, bei der ein doppelter Durchgang bewirkt wird.

Durch eine Drehung des Parabolspiegels 14 um eine Achse 46, die durch einen Pfeil 48 in Fig. 3 dargestellt ist, kann der Strahl ein wenig in der Ebene versetzt werden. Dann erscheint das Spektrum nicht neben, sondern über oder unter dem Eintrittsspalt 12. Dieser Versatz tritt sowohl bei einem einfachen Gitterdurchgang auf, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, als auch bei einem mehrfachen Gitterdurchgang, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Der rücklaufende Strahl, dargestellt durch einen Pfeil 50, verläuft also oberhalb des einfallenden Strahls, dargestellt durch einen Pfeil 52.

Es gibt Gitterstellungen, bei denen die entsprechende Wellenlänge in einer Ordnung direkt auf den Parabol-Spiegel 14 zurückläuft, in einer anderen Ordnung aber gerade auf den Spiegel 30. Letztere werden in oben beschriebener Weise wieder zurück reflektiert und laufen erneut wieder über das Gitter. Dann findet man in der Bildebene des Primärbildes 40 zwei verschiedene Signale aus unterschiedlichen Ordnungen. Mindestens eins dieser Signale ist unerwünscht.

Dieses Problem kann gelöst werden, indem der Spiegel 30 um eine Achse 54 verkippt wird, die parallel zur Dipersionsebene und senkrecht zum einfallenden Strahl liegt. Der Verkippungswinkel kann sehr gering sein. Dadurch werden die entstehenden Abbildungsfehler minimiert. Er muß jedoch so groß sein, daß das Bild 58 des Eintrittsspaltes 12 in der Primärbildebene bei einem mehrfach dispergierten Strahl über oder unter dem Bild 60 des Einstrittsspaltes 12 bei einfach dispergiertem Strahl liegt. In Fig. 6 liegt das Bild 58 des mehrfach dispergierten Strahls unterhalb des Bildes 60 des einfach dispergierten Strahls.

Statt eines verkippten Planspiegels 30 ist auch ein entsprechend angeordnetes Littrow- Prisma geeignet (nicht dargestellt). Durch das einseitig verspiegelte Prisma mit entsprechend geringem Prismen-Winkel wird der Strahl etwas aus der Dispersionsebene des Gitters 16 herausgebeugt. Das Bild 58 bzw. 60 des Eintrittsspalts 12 liegt dann ebenfalls versetzt in der Austrittsebene am Detektor.

In Fig. 7 ist ein erfindungsgemäßes Spektrometer gezeigt, bei dem die äußeren Abmessungen reduziert wurden. Das Licht wird mittels eines Lichtleiters 62 in den Eintrittsspalt 12 geleitet. Dadurch kann die Lichtquelle an beliebiger Stelle positioniert werden. Planspiegel 64 und 66 im Strahlengang bewirken eine Faltung des Strahlengangs. Ebenso wird der Strahlengang mittels Zylinderspiegel 68 und 70 gefaltet. Die Zylinderform bewirkt eine Nachvergrößerung des Bildes in Richtung der Dispersion während die Abmessungen des Bildes senkrecht zur Dispersionsrichtung gleich bleiben.

Dadurch verteilt sich ein Peak auf mehr Bildelemente des Detektors und die Bildelemente sind nicht länger auflösungsbegrenzend.

Mit dem beschriebenen Aufbau können durch einfache Drehung des Gitters 16 ohne weitere Veränderungen zwei verschiedene Messungen mit unterschiedlicher Auflösung und unterschiedlicher Intensität an einem Detektorelement vorgenommen werden. Bei der ersten Gitterstellung wird der Strahl zweimal dispergiert und läuft erst dann zurück auf den Detektor 74. Damit wird eine große Auflösung erreicht und die Intensität des Lichtes wird auf viele Detektorelemente verteilt. Diese Einstellung eignet sich also insbesondere zur Vermessung von Linienprofilen von intensitätsstarken Lichtquellen, wie Laserlichtquellen. Ein mit dieser Einstellung erhaltenes Signal 80 ist in Fig. 8 dargestellt. Man sieht zwei deutlich voneinander getrennte Peaks 82 und 84.

In einer zweiten Gitterstellung wird der einfach dispergierte Strahl direkt auf den Detektor 74 zurückgeleitet. Man erhält dadurch eine etwas geringere Auflösung und verteilt das Licht auf weniger Detektorelemente 72. Das Signal-Rauschverhältnis an jedem Detektorelement wird dadurch größer. Diese Einstellung eignet sich insbesondere um das Emissionsspektrum intensitätsschwacher Lichtquellen, wie zum Beispiel von Niederdruck Hohlkathoden-Lampen zu messen. Dann kann zwar möglicherweise das Linienprofil der Emissionspeaks nicht vollständig aufgelöst werden, die Auflösung reicht aber immer noch aus, um den Linienschwerpunkt oder das Intensitätsmaximum zu ermitteln.

Ein mit dieser Einstellung erhaltenes Signal 86 der gleichen Lichtquelle wie in Fig. 8 ist in Fig. 9 dargestellt. Man sieht einen Doppelpeak auf einem deutlich reduzierten Untergrundrauschen. Das geringere Rauschen liegt zum einen daran, daß sich die gleiche Intensität aufgrund der geringeren Auflösung auf weniger Detektorelemente verteilt und zum anderen daran, daß die Reflexionsverluste am Spiegel und besonders am Gitter nicht auftreten. Das Signal ist aber ausreichend, um z. B. einen Linienschwerpunkt mit guter Genauigkeit zu bestimmen.

Die Kombination der beiden oben beschriebenen Messungen bietet besondere Vorteile: Mit der hohen Auflösung kann das Linienprofil gemessen werden. Mit der niedrigen Auflösung kann die Wellenlänge einer Referenzlichtquelle, wie zum Beispiel einer Hohlkathodenlampe ermittelt werden und so die Wellenlängenkalibrierung der Detektorelemente vorgenommen werden.

Über einen Computer kann die Gitterstellung relativ zur Stellung des off-axis- Parabolspiegels ermittelt werden. Das Gitter 16 kann drehbar montiert sein und mittels eines Hebels von einem Schrittmotor gedreht werden. Auf diese Weise lassen sich auch kleinste Winkeländerungen mit ausreichender Genauigkeit einstellen. Auf ähnliche Weise kann eine Positionierung des Parabolspiegels vorgenommen werden.

Claims (29)

1. Spektrometer (10) mit einem dispergierenden Element (16), das zwischen wenigstens zwei Stellungen bewegbar ist und bei dem in der ersten Stellung die einfach dispergierte Strahlung (44) einer ausgewählten Wellenlänge unmittelbar in den einfallenden Strahlengang (42) zurückfällt dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stellung die dispergierte Strahlung (32) der ausgewählten Wellenlänge auf ein reflektierendes Element (30) fällt, welches so angeordnet ist, daß die Strahlung (34) mindestens ein weiteres Mal über das dispergierende Element (16) und dann in den einfallenden Strahlengang (38) zurück lenkbar ist.

2. Spektrometer (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Auslenken des Strahls aus der Dispersionsebene derart, daß der einfach dispergierte Strahl (44) in einer anderen Ebene verläuft als der mehrfach dispergierte Strahl (36).

3. Spektrometer (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Auslenken des Strahls ein Spiegel (30) ist, der um eine Achse (54) geneigt ist, die parallel zur Dispersionsebene und senkrecht zum einfallenden Strahl (32) verläuft.

4. Spektrometer (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Auslenken des Strahls ein Prisma ist.

5. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dispergierende Element ein Gitter (16) ist.

6. Spektrometer (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (16) ein Echelle-Gitter ist.

7. Spektrometer (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blaze- Winkel (θ_B) des Echelle-Gitters (16) wenigstens 45° beträgt.

8. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungen des Gitters (16) durch den Winkel zum einfallenden Strahl (38) bestimmt sind.

9. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element ein Spiegel (30) ist.

10. Spektrometer (10) nach Anspruch 9, soweit er auf Anspruch 3 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (30) zur Reflexion des Strahls auf das dispergierende Element (16) auch den Spiegel (30) zur Strahlablenkung aus der Dispersionsebene bildet.

11. Spektrometer (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (30) ein Plan-Spiegel ist.

12. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element ein einseitig verspiegeltes Prisma ist.

13. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element (30) derart angeordnet ist, daß der Winkel (β), den die Senkrechte (22) auf das dispergierenden Element (16) mit dem dispergierten Strahl (24) bildet kleiner ist, als der Winkel (α) mit dem einfallenden Strahl (20).

14. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element (30) derart angeordnet ist, daß der Winkel (β), den die Senkrechte (22) auf das dispergierenden Element (16) mit dem dispergierten Strahl (22) bildet, größer ist, als der Winkel (α) mit dem einfallende Strahl (24).

15. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung des Winkels, unter dem der einfallende Strahl (20) auf das dispergierende Element (16) fällt.

16. Spektrometer (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Schrittmotor gebildet sind, mit welchem ein Hebel bewegbar ist, mit dem eine Drehung des dispergierenden Elements (16) bewirkbar ist.

17. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung des Winkels (β), unter dem der dispergierte Strahl (24) das dispergierende Element (16) verlässt.

18. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Positionen der Komponenten von einem Computer aus steuerbar sind.

19. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintrittsspalt (12) vorgesehen ist, sowie Mittel, mit denen der Strahl derart ablenkbar ist, daß das Primärbild (40) dieses Eintrittsspalts (12) bei einer ausgewählten Wellenlänge in der Dipersionsebene seitlich versetzt neben dem Eintrittsspalt liegt.

20. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintrittsspalt (12) vorgesehen ist, sowie Mittel, mit denen der Strahl derart ablenkbar ist, daß das Primärbild dieses Eintrittsspalts bei einer ausgewählten Wellenlänge senkrecht zur Dispersionsebene versetzt über oder unter dem Eintrittsspalt liegt.

21. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachvergrößerungsoptik (68, 70) zur Nachvergrößerung des Primärbildes vorgesehen ist.

22. Spektrometer (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachvergrößerungsoptik von zwei Zylinderspiegeln (68, 70) gebildet ist.

23. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spektrometer (10) neben dem dispergierenden Element (16) ausschließlich reflektierende optische Komponenten (14, 30) vorgesehen sind.

24. Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich mit unterschiedlicher spektraler Auflösung bei dem der Strahl von einer Abbildungsoptik (14) auf ein dispergierendes Element (16) geleitet wird und von dem dispergierenden Element (16) wieder zurück auf die Abbildungsoptik (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl durch eine Positionsänderung des dispergierenden Elements auf ein reflektierendes Element (30) geleitet wird, von dem es wieder zurück auf das dispergierende Element (16) geleitet wird.

25. Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsänderung des dispergierenden Elements (16) durch eine Drehung vorgenommen wird.

26. Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich nach Anspruch 24 oder 25, gekennzeichnet, durch die Schritte:

• a) Positionierung des dispergierenden Elements (16) derart, daß der dispergierte Strahl einer ausgewählten Wellenlänge in sich selbst zurückläuft,
• b) Messung des Signals an einem Detektor,
• c) Positionierung des dispergierenden Elements (16) derart, daß der dispergierte Strahl einer ausgewählten Wellenlänge auf das reflektierende Element (30) fällt, und
• d) Messung des Signals am Detektor.

27. Verfahren zur Messung der Strahlung aus einem Spektralbereich nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß nach der zweiten Positionierung des dispergierenden Elements (16) das Licht einer Referenzlichtquelle in das Spektrometer (10) eingekoppelt wird.

28. Verwendung eines Spektrometers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Bestimmung der spektralen Eigenschaften eines Excimer Lasers für die Photolitographie.

29. Verwendung eines Spektrometers (10) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralen Eigenschaften des Excimer Lasers zu seiner Steuerung und Regelung dienen.