JP2002148122A - レーザ光の波長モニタ用光学装置 - Google Patents

レーザ光の波長モニタ用光学装置

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JP2002148122A
JP2002148122A JP2000347960A JP2000347960A JP2002148122A JP 2002148122 A JP2002148122 A JP 2002148122A JP 2000347960 A JP2000347960 A JP 2000347960A JP 2000347960 A JP2000347960 A JP 2000347960A JP 2002148122 A JP2002148122 A JP 2002148122A
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light
cylindrical lens
optical system
linear array
diffuser
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JP2000347960A
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Masashi Niihori
真史 新堀
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Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Original Assignee
Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長計測に必要な光量を極力小さくするとと
もに、受光面でのエネルギーの集中を防止することがで
きる波長モニタ用光学装置を提供すること。 【解決手段】 ビームスプリッタ1を介して入射する光
はクロスドシリンドリカルレンズアレイ2aで発散さ
れ、エタロン3に入射し、エタロン3により形成される
フリンジの像が、投影光学系4によりリニアアレイセン
サ5上に結像する。エタロン3に入射する光を発散させ
るディフューザとして、表裏の焦点距離またはレンズピ
ッチをかえたクロスドシリンドリカルレンズアレイ2a
を用いることにより、リニアアレイセンサ5面上の照射
領域を、リニアアレイセンサ5とほぼ等しい大きさにす
ることができる。また、縦横軸で光を発散させるので受
光面でのエネルギーの集中も起こらず、センサの寿命を
延ばすことができる。なお、クロスドシリンドリカルレ
ンズアレイに替え長方形のマイクロレンズアレイを用い
てよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】半導体集積回路の微細化につ
れ、露光用光源の短波長化がなされ、次世代の半導体露
光用光源として波長193nmのArFエキシマレーザ
装置が有力視されいる。露光用光源の短波長化が進むこ
とによって、露光装置に使用できる硝材が限られてくる
ため、色収差の問題を解決するためにレーザ光のスペク
トル幅を1pm以下に狭帯域化することが必要となり、
また中心波長の変動を0.1pm以下に押さえることが
必須の要件となる。上記のような波長安定化を実現する
ために、露光中に狭帯域化されたレーザの波長およびス
ペクトル線幅を計測する波長モニターが必要となる。本
発明は上記した狭帯域化されたレーザの波長およびスペ
クトル線幅を計測する波長モニタ用光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図6に狭帯域エキシマレーザ装置の構成
例を示す。エキシマレーザ装置は、レーザチェンバ10
1内に、例えば、フッ素(F2 )やアルゴン(Ar)お
よび、ネオン(Ne)等のバッファーガスからなるレー
ザガスが封入され、レーザチェンバ101内部にはレー
ザ光軸方向に延び、所定間隔だけ離間して対向した一対
の主放電電極が設けられている。この主放電用電極間に
立上りの早い高電圧パルスを印加して放電を発生させる
ことにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起され
る。レーザチェンバ101の前後には、出力鏡102
と、レーザ光のスペクトル幅を狭帯域化し、中心波長の
波長安定化を実現するための狭帯域化ユニット103と
が各々配置され、出力鏡102と狭帯域化ユニット10
3はレーザ共振器を構成する。チェンバ101から放出
される光は、上記レーザ共振器により増幅され、レーザ
光としてレーザ共振器の出力鏡102より取出される。
出力鏡102により取り出されたレーザ光は、ビームス
プリッタ(導光光学系)104に入射し、一部のレーザ
光が分割され波長モニタ105に入射する。波長モニタ
105は、レーザ光の波長と波長線幅を検出しコントロ
ーラ106に出力する。コントローラ106は狭帯域ユ
ニット103によりレーザ光の波長と波長線幅が所望の
値になるように制御する。
【0003】上記狭帯域エキシマレーザの波長線幅を計
測したり、波長を検出したりする波長モニタ105に
は、エアギャップエタロンが用いられている。図7にエ
アギャップエタロンを用いた波長モニタの構成例を示
す。基準光源であるHe−Neレーザ6からの基準光
は、反射鏡7、シャッタ8を介してビームスプリッタ
(導光光学系)1に入射し、ビームスプリッタ1で反射
されディフューザ2に入射する。この光はディフューザ
2において角度を付けられたのち、エアギャップエタロ
ン(以下単にエタロンという)3に入射する。エタロン
3は入射光の中心波長に対応した間隔の干渉縞(フリン
ジ)を形成し、この干渉縞は結像光学系4の焦点面に結
像する。結像光学系4の焦点面にはリニアアレイセンサ
(CCD)5が配置されており、基準光の中心波長は予
めわかっているので、各フリンジのリニアアレイセンサ
5上での位置データから、エタロン3の空気の屈折率の
変動や、ミラー間隔の変動を補正する。ついで、シャッ
タ8を閉じ、シャッタ9を開き、エキシマレーザからの
被波長測定レーザ光を導光し、該サンプル光をシャッタ
9、ビームスプリッタ(導光光学系)1、ディフューザ
2を介してエタロン3に入射する。エタロン3により形
成されるフリンジは結像光学系4によりリニアアレイセ
ンサ5上に結像し、サンプル光の波長、波長線幅は、上
記リニアアレイセンサ5上に形成されるフリンジの位置
データにより測定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図8に上記波長モニタ
におけるビームスプリッタ(導光光学系)1、ディフュ
ーザ2、エタロン3、結像光学系4、リニアアレイセン
サ5からなる光学系を示す。図8において、上記したよ
うにエタロン3は入射するサンプル光の中心波長に対応
した間隔のフリンジを形成し、このフリンジが、結像光
学系4によりリニアアレイセンサ5上に結像される。上
記エタロン3の透過波長λは次のように表せる。mλ=
2nd cosθここで、mは整数、dはエタロンのギ
ャップ間隔、nはギャップ間の屈折率、θはエタロンの
法線と入射光の光軸とのなす角度である。上記式から明
らかなように、エタロン3により波長を連続的に測定す
るには、エタロン3に入射する光の角度θが広がってい
る必要がある。通常、レーザから出射される光の発散角
は波長を連続的に測定するために十分な角度でないた
め、何らかの手段でエタロン3に入射する光の角度を広
げる必要がある。最も簡単に光の角度を広げる方法は、
エタロンの直前にディフューザ2としてスリガラスを挿
入することである。
【0005】図8において、結像光学系4の焦点距離f
cとフリンジのリニアアレイセンサ5面上での結像位置
xf(xfは、リニアアレイセンサ5の受光面上の光軸
中心の位置と、フリンジの結像位置との距離に相当)
は、結像光学系への光の入射角θとの間に[tanθ=
xf/fc]の関係がある。ディフューザ2としてスリ
ガラスを用いた場合、リニアアレイセンサ5の受光面上
に結像するフリンジは、円形状となる。すなわちフリン
ジ半径が上記xfとなる。フリンジ半径を正確に測定す
るために、リニアアレイセンサ5の受光面の中心位置
と、光軸のリニアアレイセンサ5の受光面上での位置と
を、光軸と略一致させる。このように設定することによ
り、リニアアレイセンサ5の受光面上に結像するフリン
ジは、リニアアレイセンサ5の受光面の中心位置に対し
て、略対称に結像する。入射角θが大きくなり、結像し
たフリンジの直径が、リニアアレイセンサ長(例えば、
長手方向において、図8ではリニアアレイセンサ長は2
×lとなる)を超えた場合、リニアアレイセンサ5の両
端から光がはみ出し、光は有効に利用されない。また、
リニアアレイセンサ5から外れた光は光学系の効率を落
とすだけでなく、迷光の原因となり、測定の精度を落と
す可能性がある。図9(a)にディフューザとしてスリ
ガラスを用いた場合のリニアアレイセンサ5面上の位置
に結像するフリンジの像を示す。同図に示すようにディ
フューザとしてスリガラスを用いた場合、発散はどの方
向にも等方向であるため結像面上のフリンジの像は円形
となる。また、スリガラスでは発散角を制御することが
できないため、フリンジの像はリニアアレイセンサ5か
ら外れた位置に結像する。
【0006】波長モニタに取り込んだ光を最大限に利用
するためには最大の入射角θmaxをθmax=tan
-1(l/fc)程度に制限する必要がある。そこで、エ
タロン3に入射する光の最大入射角を制限するために、
ディフューザ2として、スリガラスではなく、単レン
ズ、シリンドリカルレンズ、あるいは、シリンドリカル
レンズアレイを用いる方法が従来行われた。図9
(b)、図10(a)にそれぞれ単レンズ、シリンドリ
カルレンズを用いた場合のリニアアレイセンサ5面上の
位置に結像するフリンジの像を示す。なお、シリンドリ
カルレンズは、第1の方向に対しては曲率を持ち、第1
の方向に直交する方向に対しては曲率を持たないレンズ
であり、入射する光を上記第1の方向にのみ発散させ
る。図10(a)においては、シリンドリカルレンズ
は、縦方向(紙面の上下方向)に曲率を持つように配置
され、入射する光を縦方向にのみ発散させる。ディフュ
ーザ2として単レンズを用いた場合、発散角を制御する
ことができるが、発散はどの方向にも等方的であり、図
9(b)に示すように結像面上で光は円形に照射され
る。したがって、長方形をしたリニアアレイセンサ5上
に入る光の量は少なくなる。また、図9(b)に示すよ
うにディフューザ2に入射する光に空間的な強度分布が
あると、入射する光の空間的な強度分布が発散光の角度
分布に反映されるため、リニアアレイセンサ5面上のフ
リンジの像に強度分布が生じ、フリンジを正確に測定す
ることが難しくなる。
【0007】また、ディフューザ2としてシリンドリカ
ルレンズを用いた場合、ディフューザ2に入射した光は
1軸のみ発散される。発散されていない軸方向の光は結
像光学系により1点に集光されることとなるため、フリ
ンジの像は図10(a)に示すように線状の領域に結像
されることとなる。リニアアレイセンサ5の出力は受光
面内に入射した光量に比例するため、線状に光が入射す
る場合、その部分にエネルギーが集中することになる。
これはリニアアレイセンサ5の部分的な劣化を引き起こ
す可能性がある。また、図10(a)に示すようにディ
フューザ2に入射する光に空間的な強度分布があると、
単レンズを用いた場合と同様、リニアアレイセンサ5面
上のフリンジの像に強度分布が生じ、フリンジを正確に
測定することが難しくなる。
【0008】また、ディフューザ2として、シリンドリ
カルレンズアレイを用いた場合は、シリンドリカルレン
ズと同様、フリンジの像は図10(b)に示すように線
状の領域に結像されることとなる。なお、シリンドリカ
ルレンズアレイは、前記シリンドリカルレンズを、曲率
を持つ方向に隣り合うように列状に並べたものであり、
図10(b)においては、シリンドリカルレンズアレイ
は縦方向(紙面の上下方向)に曲率を持つように配置さ
れ、入射する光を縦方向にのみ発散させる。このため、
シリンドリカルレンズを用いた場合と同様、発散されて
いない軸方向の光は結像光学系により1点に集光されそ
の部分にエネルギーが集中することになり、リニアアレ
イセンサ5の部分的な劣化を引き起こす可能性がある。
なお、シリンドリカルレンズアレイを用いる場合には、
ディフューザ2に入射する光に空間的な強度分布があっ
ても、図10(b)に示すようにリニアアレイセンサ5
面上のフリンジの像に強度分布が生じることはない。
【0009】以上のように、デフューザとしてスリガラ
スや単レンズを用いた場合、フリンジの像はリニアアレ
イセンサ5から外れた位置に結像し、結像した光が有効
に利用されないばかりでなく、迷光の原因となり、測定
の精度を落とす可能性がある。また、ディフューザ2に
入射する光に空間的な強度分布があると、リニアアレイ
センサ5面上のフリンジの像に強度分布が生じる。ま
た、ディフューザとしてシリンドリカルレンズやシリン
ドリカルレンズアレイを用いた場合には、フリンジの像
が線状の領域に結像され、リニアアレイセンサ5の部分
的な劣化を引き起こす可能性がある。特に、シリンドリ
カルレンズを用いた場合には、ディフューザ2に入射す
る光に空間的な強度分布があると、リニアアレイセンサ
5面上のフリンジの像に強度分布が生じる。本発明は上
記した事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的
は、エタロンに入射した光の大部分が受光素子であるリ
ニアアレイセンサ上に入るようにして、エネルギーの利
用効率を向上させ、波長計測に必要な光量を極力小さく
するとともに、受光面でのエネルギーの集中がおこら
ず、リニアアレイセンサの寿命を延ばすことができる波
長モニタ用光学装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記した波長モニタにお
いて、エタロンに入射する光を発散させるディフューザ
として、表裏の焦点距離を変えたクロスドシリンドリカ
ルレンズアレイ、表裏のレンズピッチをかえたクロスド
シリンドリカルレンズアレイ、もしくは、長方形のマイ
クロレンズアレイを用いる。クロスドシリンドリカルレ
ンズアレイは、第1の方向に対しては曲率を持ち、第1
の方向に直交する方向に対しては曲率を持たないシリン
ドリカルレンズを、曲率を持つ方向に隣り合うように列
状に並べたシリンドリカルレンズアレイからなる。すな
わち、クロスドシリンドリカルレンズアレイは、紫外光
に対して、充分な透過率を持つ基板の表裏に、シリンド
リカルレンズアレイを曲率を持つ方向が直交するように
形成したものであり、クロスドシリンドリカルレンズア
レイを用いれば、前記したように、入射する光に空間的
な強度分布があっても、照射面上のフリンジの像に強度
分布が生じることを防止することが出来る。クロスドシ
リンドリカルレンズアレイを用いて、エタロンにより形
成されるフリンジ像が、リニアアレイセンサにほぼ等し
い照射領域内に入るようにするには、上記照射範囲の縦
軸、横軸の長さをy、x、縦方向に曲率を持つシリンド
リカルレンズの縦方向(y方向)の幅(ピッチ)をp
v、焦点距離をfh、横方向に曲率を持つシリンドリカ
ルレンズの縦方向(x方向)の幅(ピッチ)をph、焦
点距離をfvとすると、pv/fv:ph/fh=y:
xとすればよい。同様に、照射範囲の縦横方向の長さを
y、xとした時、縦横方向の大きさdv、dhがdv:
dh=y:xを満たすマイクロレンズを複数個、紫外光
に対して充分な透過率を持つ基板上に形成したマイクロ
レンズアレイを用いてもよい。マイクロレンズアレイを
用いれば、クロスドシリンドリカルレンズアレイを用い
る場合と同様、照射面上のフリンジの像に強度分布が生
じることを防止することが出来る。上記のように、縦横
の軸で焦点距離あるいはレンズピッチの異なるクロスド
シリンドリカルレンズアレイ、縦横の軸で大きさの異な
るマイクロレンズアレイを用いて光の照射範囲を長方形
にすることにより、リニアアレイセンサ面にだけ光を当
てることができ、エネルギーの利用効率を向上させるこ
とが出来る。また、1軸のみに光を発散するのではない
ため、受光面でのエネルギーの集中も起こらず、リニア
アレイセンサの寿命を延ばすことが出来る。
【0011】
【発明の実施の形態】図1に本発明の第1の実施例の構
成を示す。同図は前記図8において、ディフューザとし
てクロスドシリンドリカルレンズアレイ2aを用いた場
合を示している。クロスドシリンドリカルレンズアレイ
2aは、例えば図1(b)に示すように、合成石英やC
aF2 といった紫外光に対して十分な透過率を持った基
板上の第1の面(A面)に、前記したシリンドリカルレ
ンズアレイを作成し、他方の面(B面)に、曲率を持つ
方向がA面のシリンドリカルレンズアレイと直交するよ
うに形成したシリンドリカルレンズアレイを作成したも
のであり、A面のシリンドリカルレンズアレイにより同
図のX方向に光を発散させ、B面のシリンドリカルレン
ズアレイにより同図のY方向に光を発散させる。
【0012】ここで、シリンドリカルレンズで発散され
る光の発散角θは焦点距離fとしンズピッチpより[t
anθ=p/f]で決まる。リニアアレイセンサのチャ
ンネル方向(縦方向)に対応するシリンドリカルレンズ
アレイのピッチをpv、焦点距離をfv、リニアアレイ
センサの幅方向に対応するシリンドリカルレンズのピッ
チをph、焦点距離をfhとする。シリンドリカルレン
ズによる最大の発散角はリニアアレイセンサの位置での
照射範囲の長軸方向の長さyと結像光学系の焦点距離f
cから、pv/fv=y/(2×fc)と決定される。
したがって、縦と横で発散角を変えるためには、クロス
ドシリンドリカルレンズアレイの縦方向と横方向のp/
fの比を変えればよい。
【0013】例えば、図2に示すリニアアレイセンサ5
の大きさとほぼ同じ大きさの、長軸の長さyと、短軸方
向の長さxの長方形領域から光を出ないようにするに
は、pv/fv:ph/fh=y:xとすればよい。こ
れよりph/fhも一意に求まる。すなわち、次の
(1)または(2)のようにレンズのピッチpv,p
h、焦点距離fv,fhを選定すれば、図2に示す長方
形領域から光を出ないようにすることができる。 (1)焦点距離fvとfhをfv/fh=x/yとし、
レンズのピッチpvとphを等しくする。 (2)レンズのピッチpvとphをpv/ph=y/x
とし、焦点距離fvとfhを等しくする。 図3(a)(b)に上記(1)の場合の、クロスドシリ
ンドリカルレンズアレイのA面、B面におけるレンズピ
ッチと焦点距離を示す。図3(a)は前記図1(b)に
おいてC方向からA面を見た図を示し、図3(b)は図
1(b)において、D方向からB面を見た図を示してい
る。図3に示すように、A面のシリンドリカルレンズア
レイのピッチをph、焦点距離をfh(発散角θhはt
anθh=ph/fh)、B面のシリンドリカルレンズ
アレイのピッチをpv、焦点距離をfv(発散角θv
は、tanθv=pv/fv)とすると、焦点距離f
h,fvをfh/fv=x/yとし、レンズのピッチを
pv=phとすれば、図2に示す長方形領域から光を出
ないようにすることができる。また、上記(2)のよう
にする場合には、図3において、レンズのピッチpv,
pfをpv/pf=y/xとし、焦点距離fh,fvを
fh=fvとすればよい。
【0014】上記のようなクロスドシリンドリカルレン
ズアレイを作成するには、基板上の1面にレンズピッチ
pv、焦点距離fvのシリンドリカルレンズアレイを作
成し、もう1方の面にレンズピッチph、焦点距離fh
のシリンドリカルレンズアレイを、曲率を持つ方向が上
記1面と直交するように作成し、上記レンズピッチp
v,pf、焦点距離fv,fhが上記(1)(2)を満
たすようにすればよい。この光学素子を前記した波長モ
ニタのディフューザとして利用することにより、結像位
置でリニアアレイセンサの大きさにほぼ等しい長方形に
照射することができる。図4にディフューザとして本実
施例のクロスドシリンドリカルレンズアレイを用いた場
合のリニアイレイセンサ5面上の位置に結像するフリン
ジ像の一例を示す。同図に示すようにクロスドシリンド
リカルレンズアレイを用いることにより、フリンジの像
はリニアアレイセンサ5の大きさにほぼ等しい長方形の
領域に照射され、また、フリンジ像は縞状となる。この
ため、入射した光がリニアアレイセンサ5から外れたと
ころに結像することがなく、エネルギーの利用効率を向
上させることができる。また、受光面でのエネルギーの
集中がおこらず、リニアアレイセンサ5の部分的な劣化
を引き起こすこともない。さらに、クロスドシリンドリ
カルレンズアレイを用いれば、前記したように、ディフ
ューザ2に入射する光に空間的な強度分布があっても、
リニアアレイセンサ5面上のフリンジの像に強度分布が
生じない。
【0015】上記実施例では、裏、表で焦点距離あるい
はレンズピッチの異なるシリンドリカルレンズアレイを
直交して配置したクロスドシリンドリカルレンズアレイ
を用いる場合について説明したが、クロスドシリンドリ
カルレンズアレイに替えて、1面に長方形のマイクロレ
ンズアレイを作成したものを使用してもよい。マイクロ
レンズアレイは、図5(a)に示すように単レンズLか
ら矩形状に切り出した形状のマイクロレンズを図5
(b)に示すように縦横方向に並べて配置したものであ
る。上記マイクロレンズアレイを前記した波長モニタの
ディフューザとして用いる場合には、各マイクロレンズ
の縦方向(y方向)のピッチpvと横方向(x方向)の
ピッチphの比pv/phを、前記したようにpv/p
h=y/x(xはリニアアレイセンサの横方向の長さ、
yはリニアアレイセンサの縦方向の長さ)とする。これ
により、前記図2に示す長方形領域から光を出ないよう
にすることができるとともに、フリンジ像を前記図4に
示したように縞状とすることができる。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、エタロンを含む波長モニタのディフューザとして、
表裏の焦点距離を変えたクロスドシリンドリカルレンズ
アレイ、表裏のレンズピッチをかえたクロスドシリンド
リカルレンズアレイ、もしくは、長方形のマイクロレン
ズアレイを用いたので、エタロンに入射する光の入射角
を制御することができ、エタロンに入射した光の大部分
を受光素子であるリニアアレイセンサ上に入るようにす
ることができる。このため、エネルギーを有効利用し、
波長計測に必要な光量を極力小さくする。また、リニア
アレイセンサ上で局所的にエネルギーが集中することが
ないので、受光素子の局所的な劣化を押さえることがで
きる。さらに、入射する光に空間的な強度分布があって
も、照射面上のフリンジの像に強度分布が生じることを
防止することができ、フリンジを正確に測定することが
容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の波長モニタ用光学系を示す図
である。
【図2】リニアアレイセンサと照射範囲を示す図であ
る。
【図3】図1に示したクロスドシリンドリカルレンズア
レイのA面、B面におけるレンズピッチと焦点距離を示
す図である。
【図4】クロスドシリンドリカルレンズアレイを用いた
場合のフリンジ像の一例を示す図である。
【図5】本発明の実施例で使用されるマイクロレンズア
レイを示す図である。
【図6】狭帯域エキシマレーザ装置の構成例を示す図で
ある。
【図7】エアギャップエタロンを用いた波長モニタの構
成例を示す図である。
【図8】上記波長モニタにおけるビームスプリッタ、デ
ィフューザ、エタロン3、結像光学系、リニアアレイセ
ンサからなる光学系を示す図である。
【図9】ディフューザとしてスリガラス、単レンズを用
いた場合のフリンジの像の一例を示す図である。
【図10】ディフューザとしてシリンドリカルレンズ、
シリンドリカルレンズアレイを用いた場合のフリンジの
像の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 ビームスプリッタ(導光光学系) 2 ディフューザ 2a クロスドシリンドリカルレンズアレイ 3 エタロン 4 結像光学系 5 リニアアレイセンサ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 露光用レーザ光源から光を導入する導光
    光学系と、導光光学系から導かれてきた光を発散させる
    ディフューザと、 ディフューザからの光が入射するエタロンと、エタロン
    から出射した光を結像させる結像光学系と、エタロンに
    より生じたフリンジを検出するために結像光学系の焦点
    面に配置されたリニアアレイセンサとを有するレーザ光
    の波長モニタ用光学装置であって、 上記ディフューザとして、表裏の焦点距離を変えたクロ
    スドシリンドリカルレンズアレイ、表裏のレンズピッチ
    をかえたクロスドシリンドリカルレンズアレイ、もしく
    は、長方形のマイクロレンズアレイを用いたことを特徴
    とするレーザ光の波長モニタ用光学装置。
JP2000347960A 2000-11-15 2000-11-15 レーザ光の波長モニタ用光学装置 Pending JP2002148122A (ja)

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