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Diese Erfindung betrifft optische
Geräte
und insbesondere Spektrometer.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Spektrometer sind gut bekannte Vorrichtung
zum Messen der Intensität
von Licht bei diversen Wellenlängen.
Ein typisches Spektrometer besteht aus einem Schlitz, einer Kollimatorlinse,
einer dispergierenden Optik, etwa einem Prisma oder einem Gitter,
einer Objektivlinse oder Linsen zum Fokussieren der diversen Wellenlängen und
einem Photometer zum Messen der Intensität der verschiedenen Wellenlängen. 1 ist eine schematische
Ansicht eines derartigen konventionellen Spektrometers auf Grundlage
eines Gitters. Eine Lichtquelle 2, die einer Wellenlängenmessung
zu unterziehen ist, wird mit einer Glasfaser 4 abgetastet,
die einen Innendurchmesser von ungefähr 250 μm aufweist, wobei ein Teil des
Lichtes zu einem Schlitz 6 geführt wird, der länger als
der Innendurchmesser der Faser ist und eine Breite von ungefähr 5 μm aufweist.
Das durch den Schlitz 6 hindurchgehende Licht wird in der
Richtung der 5 μm
in einen Strahl 7 unter einem Winkel von ungefähr 3 Grad
aufgeweitet. Der Strahl wird von einem Spiegel 8 reflektiert
und wird von einer Linse 10 gebündelt, um ein Gitter 12 zu
bestrahlen, das in dieser konventionellen Darstellung in einer Littrow-Konfiguration angeordnet
ist. Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, das von dem Gitter reflektiert
wird, wird unter Winkel abgelenkt, die von den Wellenlängen abhängen. Ein
Strahl, der lediglich eine Wellenlänge repräsentiert, ist in 1 dargestellt, wobei er
von dem Gitter 12 zurück
zu der Linse 10 reflektiert wird und von Spiegeln 8 und 14 zurückgeworfen
und auf eine Linie bei 15 fokussiert wird. (Die lange Abmessung
der Linie verläuft
senkrecht zur Zeichenebene.) Diese spezielle Wellenlänge wird
erneut auf eine Linie 17 mittels einer Objektivlinse 16 fokussiert.
Licht bei dieser Wellenlänge
wird von einem Photometer 18 gemessen, während Licht
bei anderen Wellenlängen
durch einen Schlitz 19 abgeschirmt wird, der vor dem Photometer 18 angeordnet
ist. Der Schlitz 19 und das Photometer 18 sind
in dem gleichen Gehäuse
untergebracht. Licht mit anderen Wellenlängen als der dargestellten
Wellenlänge
wird von dem Gitter 12 unter Winkeln reflektiert, die sich
leicht von dem Winkel des dargestellten Strahls unterscheiden. Somit
werden an dere Wellenlängen
an Positionen über
oder unter der Linie 17 mittels dem Photometer 18 gemessen,
das, wie in 1 gezeigt,
sich rückwärts und
vorwärts
zusammen mit dem Schlitz 19 bewegt, um diese Intensitätsmessung
durchzuführen.
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Die Auflösung dieses konventionellen
Spektrometers ist durch die Dispersion des Gitters und dessen Größe begrenzt.
Beide Parameter können
nur bis zu einem gewissen Maße
verbessert werden, das durch Technologiegrenzen und Kosten bestimmt
ist. Wenn gewünschte
Parameterwerte dennoch nicht erreichbar sind, können mehrere Beugungsgitter
in einer anspruchsvolleren Spektrometrie verwendet werden. Dies
verbessert die Auflösung
in proportionaler Weise. Diese anspruchvolleren Techniken können jedoch
die Kosten und die Größe des Spektrometers
deutlich erhöhen.
Es besteht daher ein Bedarf für
ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zum deutlichen Verbessern der Genauigkeit von konventionellen
Spektrometern. Es besteht insbesondere ein Bedarf für ein kompaktes
Ultraviolettspektrometer mit hoher Auflösung, wobei die Auflösung in
der Größenordnung
von 0.1 pm liegt. Ein derartiges Spektrometer wird benötigt, um
das Ausgangsspektrum schmalbandiger Excimerlaser, die beispielsweise
in der Mikrolithographie verwendet werden, zu überwachen.
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US-A-5532818 offenbart ein Mehrfachdurchgangsspektrometer,
das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Diverse Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Mehrfachdurchgangsspektrometer bereit. Licht aus einer Lichtquelle
wird aufgeweitet und mit einer kollimierenden Optik in einen gebündelten
Strahl kollimiert. Der gebündelte
Strahl beleuchtet eine dispergierende Optik, etwa ein Gitter, von
der Licht zurück
zu der kollimierenden Optik reflektiert wird. Eine durchlässigereflektierende
Optik ist an dem kollimierten Strahl positioniert, um mindestens
zwei Reflektionen mindestens eines Teils des kollimierten Strahls
von der dispergierenden Optik zu bewirken. Ein Photometer misst
den doppelt gestreuten Strahl in einem Bereich räumlicher Positionen, um spektrale
Eigenschaften des Lichts aus der Lichtquelle zu bestimmen. In einer
bevorzugten Ausführungsform ist
ein teilweise reflektierender Spiegel zwischen dem Gitter und einer
kollimierenden Optik angeordnet. Dieser Spiegel ist unter einem
Winkel angeordnet, der sich geringfügig von 90 Grad unterscheidet,
so dass ein Teil des von der dispergierenden Optik reflektierten
Lichts zurück
in Richtung der dispergierenden Optik unter einem Bereich von leicht
unterschiedlichen Winkeln reflektiert wird. Dieses Licht wird wieder
von der dispergierenden Optik zerstreut und unter einem leicht unterschiedlichen
Winkelbereich reflektiert. Ein Teil dieses zweiten reflektierten
Strahls läuft
durch den teilweise reflektierenden Spiegel und kann fokussiert
werden, und die Intensität
des Lichtes kann an räumlich
unterschiedlichen Positionen mittels eines Photometers gemessen werden,
um spektrale Eigenschaften der Lichtquelle zu bestimmen. In einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
wird das Licht von einem dritten reflektierten Strahl gemessen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines konventionellen Spektrometers.
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2 ist
eine schematische Darstellung, in der eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
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3 ist
eine schematische Ansicht, in der ein Teil einer dritten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
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4 ist
eine Ansicht, die einen Graphen von Intensitätsdaten zeigt.
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DETAILLILERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung aus 2 ist im Wesentlichen die gleiche, wie
in dem in 1 gezeigten
konventionellen Spektrometer mit der Ausnahme, dass ein teilweise
reflektierender Spiegel 20 mit einer 30%igen Reflektivität zwischen
die Linse 10 und das Gitter 12 eingefügt ist.
Der Spiegel ist unter einen Winkel von ungefähr 0.034 Grad zu einer Ebene
senkrecht zu dem Strahl, der von dem Spiegel 8 zu dem Gitter 12 verläuft, angeordnet.
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Die Wirkung des teilweise reflektierenden
Spiegels 20 besteht darin, ungefähr 30% des Strahls, der zuerst
von dem Gitter 12 kommt, wiederum zurück auf das Gitter 12 mit
einem leicht unterschiedlichen Winkel von ungefähr 0.068 Grad unter der Richtung
des ersten Strahls zu reflektieren. (Ungefähr 70% des Lichtes bei der
ersten Reflektion gehen durch den teilweise reflektierenden Spiegel 20 hindurch.)
Der reflektierte Anteil des Strahles wird reflektiert und ein zweites
mal zerstreut, und kehrt erneut zu dem teilweise reflektierenden Spiegel 20 zurück, wobei
70% des zweiten reflektierten Strahles durch den teilweise reflektierenden
Spiegel 20 hindurchgehen.
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Ein Teil dieses Lichtes in diesem
zweimalig reflektierten Strahl, der ein Licht einer speziellen Wellenlänge (im
Weiteren λp)
repräsentiert,
ist als ein Strahl 22 dargestellt. Licht in diesem Strahl
(bei λp)
wird zunächst
in eine Linie 24 fokussiert (in 2 als ein Punkt bei 24 gezeigt, da die
Linie senkrecht zur Zeichenebene verläuft), und wird dann in eine
Linie 21 fokussiert (wiederum ist die Linie als Punkt 21
beim Schlitz 19 des Photometers 18 dargestellt),
und die Intensität
des Lichtes dieses Strahles wird durch das Photometer 18 gemessen.
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Licht mit kleinerer oder größerer Wellenlänge in dem
zweiten reflektierten Strahl, der durch den teilweise reflektierenden
Spiegel 20 läuft,
wird über
oder unter der Linie 21 fokussiert und die Intensität des Lichtes
bei diesen Wellenlängen
kann durch eine geeignete Bewegung des Photometers 18 und
des Schlitzes 19 gemessen werden, wie dies durch den Pfeil
mit Doppelkopf angedeutet ist.
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Der Fachmann erkennt, dass das Spektrometer
eine hohe Genauigkeit lediglich über
einen engen Spektralbereich aufweist und daher lediglich vorzugsweise
verwendet wird, um eine Spektralanalyse eines sehr schmalbandigen
Lichtes auszuführen,
wie dies für
den Ausgangsstrahl eines schmalbandigen Excimerlasers der Fall ist,
der für
integrierte Schaltungslithographie verwendet wird. Ein typischer
schmalbandiger KrF-Laser, der für
Lithographie verwendet wird, kann eine Ausgangswellenlänge von
248 nm mit 0.8 pm Bandbreite aufweisen. Ein bevorzugter Satz an
Parametern für
eine bevorzugte Ausführungsform
zur Messung dieses Spektrums könnte
wie folgt sein:
| Lichteinfallswinkel
des Gitters 12 | 78.5
Grad, Littrow-Konfiguration |
| Brennlänge der
Linse 10 | 1
m |
| Winkel
des Spiegels 20 | 0.034
Grad zur Senkrechten |
| Größe des Eingangsschlitzes 6 | 5 μm |
| Größe des Schlitzes 19 | 10 μm |
| Vergrößerung der
Linse 16 | 1
: 2 |
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Diese Parameter liefern eine Auflösung von
ungefähr
0.12 pm bei 248 nm. Ein typischer Datensatz aus der Messung des
Spektrums könnte
so sein, wie dies in 4 gezeigt
ist.
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Der erste Spitzenwert 40 repräsentiert
Licht, das von dem Spiegel 20 reflektiert wird, und das
niemals das Gitter 12 erreicht. Dieser erste Spitzenwert
kann unberücksichtigt
bleiben.
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Der zweite Spitzenwert 42 repräsentiert
Licht, das einmal von dem Gitter 12 reflektiert wurde.
Der zweite Spitzenwert kann als Referenz benutzt werden. Der dritte
Spitzenwert 44 repräsentiert
Licht, das zweimal von dem Gitter 12 reflektiert wurde
und das typischerweise die beste spektrale Genauigkeit liefert.
Der vierte Spitzenwert 46 repräsentiert Licht, das dreimal
von dem Gitter 12 reflektiert wurde und kann die besten
Daten liefern, wenn ausreichend Licht verfügbar ist. Für die spezielle oben beschriebene
Konfiguration entspricht der Abstand zwischen den Spitzenwerten
einer Aufweitung in der Wellenlänge
von ungefähr
60 pm. Daher ist der Genauigkeitsbereich eines Spektrometers mit
der obigen Konfiguration auf einen Bereich von ungefähr ±30 pm
begrenzt. Der in 4 dargestellte
Graph zeigt eine Bandbreite von ungefähr 9 pm (FWHM) an, die wahrscheinlich
zu groß wäre zur Verwendung
in der integrierten Schaltungslithographie, in der eine Bandbreite von
ungefähr
1 bis 3 pm oder weniger erwünscht
ist.
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Der Fachmann erkennt, dass trotz
des begrenzten Spektralbereichs dieses Gitterspektrometer einen großen Vorteil
gegenüber
Etalon-Spektrometer liefert, die ein Fabri-Perot-Etalon als dispersives Element verwenden.
Obwohl ein Etalon-Spektrometer eine ähnliche Auflösung liefern
kann, wenn die Linienbreite des Lasers bei dem halben Maximum gemessen
wird, bietet es doch nicht ausreichend Kontrast und ein adäquates Signal/Rauschen-Verhältnis, das
wesentlich ist, wenn die integrale Spektrumsbreite (etwa ein Spektralbereich, in
dem 95% der Energie enthalten sind) zu bewerten ist. Diese zuletzt
genannte Messung ist äußerst wichtig für Mikrolithographieanwendungen.
Zudem bietet dieses Gitterspektrometer einen größeren Spektralbereich als ein
Etalon-Spektrommeter mit vergleichbarer Auflösung.
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Die relative Intensität der vier
Spitzenwerte wird wie folgt analysiert. Es sei eine Reflektivität des Spiegels 20 von
R = 20 Prozent und eine Reflektionseffizienz des Gitters 12 von
50% angenommen. Daher beträgt die
relative Intensität
des ersten Spitzenwertes (Reflektion am Spiegel 20) 30%.
Die relative Intensität
des zweiten Spitzenwertes (eine Reflektion am Gitter 12)
beträgt
(70%) (50%) (70%) oder 24.5 Prozent. Das Licht in dem dritten Spitzenwert,
d. h. zwei Reflektionen an dem Gitter 12 ergeben eine relative
Intensität
von (70%) (50%) (30%) (50%) (70%) oder 3.7%. Das Licht in dem vierten
Spitzenwert besitzt eine relative Intensität von 0.55%.
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Offensichtlich gibt es eine deutlich
Reduzierung des Lichtes in dem dritten und dem vierten Spitzenwert
bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem konventionellen Spektrometer,
das eine relative Intensität
von ungefähr
50% bereitstellen würde.
Diese Reduzierung der Intensität
ist jedoch für
gewöhnlich
kein Problem, wenn ein Laserspektrum gemessen wird, wobei die Intensität des verfügbaren Lichts
mehrere Größenordnungen
größer ist,
als dies für
gute spektrale Messungen erforderlich ist.
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Wenn die Lichtintensität begrenzt
ist, kann eine Ausführungsform,
wie sie etwa in 3 gezeigt
ist, verwendet werden. In dieser Ausführungsform sind ein polarisierender
Dünnfilmstrahlteiler 30 und
ein λ/4
Plättchen 31 zwischen
der Linse 10 und dem Gitter 12 angeordnet. Für diese
bevorzugte Ausführungsform
wird angenommen, dass das zu analysierende Licht horizontal polarisiert
ist (Laserstrahlen sind typischerweise horizontal oder vertikal
polarisiert. Wenn das Licht noch nicht polarisiert ist, muss ein
Polarisator hinzugefügt
werden). Der polarisierende Dünnfilmstrahlteiler 30 ist
so angeordnet, um horizontal polansiertes Licht durchzulassen und
vertikal polarisiertes Licht zu reflektieren. Daher läuft horizontal
polarisiertes Licht von der Linse 10 durch den polarisierden
Strahlteiler 30 und wird in zirkular polarisiertes Licht
durch das λ/4
Plättchen 31 umgewandelt.
Das Licht wird von dem Gitter 12 reflektiert und beim Zurücklaufen
durch das λ/4
Plättchen 31 in vertikal
polarisiertes Licht umgewandelt, so dass dieses von dem polarisierenden
Strahlteiler 30 reflektiert, von dem Spiegel 33 reflektiert
und erneut von dem Strahlteiler 30 reflektiert wird und
wieder zurück
zu dem λ/4 Plättchen 31 läuft, wo
es wiederum zu zirkular polarisiertem Licht umgewandelt wird. Der
Strahl wird wieder von dem Gitter 12 reflektiert und läuft wiederum
durch das λ/4
Plättchen 31,
wo es dieses mal in horizontal polarisiertes Licht umgewandelt wird,
das durch den polarisierenden Strahlteiler 30 und die Linse 10 läuft. Die restliche Strecke
dieses zweiten reflektierten Strahles in dieser Ausführungsform
ist ähnlich
zu dem entsprechenden optischen Weg des zweiten reflektierten Strahles
in der Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist. Diese
zuletzt genannte Ausführungsform
bewahrt in dem zweiten reflektierten Lichtstrahl nahezu das gesamte Licht
in dem ursprünglichen
Strahl, mit Ausnahme der Verluste an dem Gitter 12. Daher
liegt die relative Intensität
des doppelt gesteuerten Strahles bei nahe (50%) (50%) oder 25%.
Es kann ein geringer zusätzlicher
Verlust an Intensität
hauptsächlich
auf Grund der Tatsache auftreten, dass Gitterwirkungsgrade polarisationsempfindlich
sind. In dieser Ausführungsform
ist es wünschenswert,
dass die Faser 4 eine polarisationsbewahrende Fase ist,
die sicherstellt, dass kein Licht auf Grund einer Depolarisierung
in der Faser verloren geht.
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Obwohl dieses verbesserte Spektometer
mit Bezug zu einer speziellen Ausführungsform beschrieben ist,
ist zu beachten, dass diverse Anpassungen und Modifizierungen gemacht
werden können.
Z. B. kann ein Photodiodenarray für das bewegbare Photometer
mit dem Schlitz verwendet werden, oder die Linse 16 kann weggelassen
werden und ein Photodetektor 13 und ein Schlitz 21 können an
der Position der Fokuslinie 24 vorgesehen sein. Es gibt
viele mögliche
Anordnungen für
die optischen Komponenten, die sich von der Anordnung unterscheiden,
die in 2 gezeigt ist.
Ein oder mehrere Prismen können
für das
Gitter als das dispergierende Element verwendet werden. Andere gut
bekannte Verfahren statt der Glasfaser und dem Schlitz können verwendet
werden, um einen Strahl des Lichtes auf das dispergierende Element
zu richten. Wenn ausreichend Licht in dem ursprünglichen Strahl verfügbar ist,
können λp und andere
Wellenlängen
in dem dritten reflektierten Strahl gemessen werden. In diesem Falle
sollte Sorgfalt aufgewendet werden, um sicherzustellen, dass Licht
von den ersten und zweiten reflektierten Strahlen nicht die Messungen
stört.
Daher ist die Erfindung lediglich durch die Ansprüche und
deren Äquivalente
beschränkt.