JP2002277328A - ガス放電レーザに関するウェーブメータ - Google Patents

ガス放電レーザに関するウェーブメータ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス放電レーザに関するウェーブメータを提
供することを目的とする。 【解決手段】 レーザウェーブメータのエタロンを最小
レベルの光強度で照射するような光学的構成。系は、エ
タロンハウジングに位置決めされたエタロンを介して、
フォトディテクタに、ビームの断面全体を表すレーザ出
力ビームの一部を差し向けるための光学コンポーネント
を有する。第１のレンズはビームサンプルのサイズを縮
小し、第２のレンズはビームを再び平行化し、次いで、
ビームの空間的なコンポーネントの全てが適当にサンプ
リングされることを保証するように、エタロンハウジン
グ内に通す。回折散乱エレメントは、光パス内に組み込
まれる。好ましい実施形態では、回折散乱エレメント
は、前記平凸レンズとエタロンとの間のエタロンハウジ
ング内に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願は、（現在は，米国
特許第5,978,394号である）シリアル番号09/165,593号
の一部継続出願であるシリアル番号09/273,446号の一部
継続出願である。
【０００２】
【従来の技術】放電レーザ、特にエキシマレーザは、半
導体デバイスのフォトリソグラフィ製造にますます使用
されている。投影レンズ技術が進歩するにつれ、レーザ
光出力の制御の要求は増大する。例えば、出力パワー、
中心波長、及びレーザ源の波長スペクトルにおける変化
は、矛盾のないプロセスパフォーマンスを保証するため
に最小にする必要がある。この制御を達成するために、
レーザの出力波長は、特徴付けられ、残りは安定であ
り、広い範囲の作動状態にわたって正確に制御される。
【０００３】レーザ波長の正確な測定は、正確な制御を
有効にするのに必要である。波長測定に関する典型的な
技術は、光学的フリンジパターンを作り出すためにエタ
ロンを介してレーザビームの一部を差し向け、フリンジ
パターンの間隔を波長に対応させる。このフリンジ間隔
は、マルチエレメントフォトダイオード・アレイのよう
なセンサで検知され、測定の結果は、波長フィードバッ
ク制御システムのために使用される。
【０００４】エタロンは、典型的には、レーザ波長の小
さなゆらぎの範囲内に、非常に正確に平行に保たれた２
つの平らな表面を備えた光学デバイスである。これらの
表面は、「固体エタロン（solid etalon）」と呼ばれ
る、透明な光学素子の両側であってよい。別のタイプの
構造では、エタロンは、スペーサ又は、平行な面を備え
たスペーサによって隔てられた、２つの透明な光学素子
の隣接した表面によって形成される。２つの素子の間が
透明な流体で満たされるので、このアセンブリはしばし
ば、「エアースペース・エタロン（air-spaced etalo
n）」と呼ばれる。
【０００５】特定の波長又は波長の範囲でそれらの反射
率を高めるためにエタロンの表面に特別な被覆を施すこ
とができる。このことにより、キャビティを通過する光
の強め合う干渉と弱め合う干渉が生じる光学キャビティ
が作られる。この干渉の特徴は、他の因子の中で、波
長、スペクトル、光の方向、平坦性、平行性、光学表面
の反射率、２つのキャビティ表面の間の光学的パス長に
依存する。これらの因子のいくつかが一定を保つなら
ば、作り出される干渉パターンの特徴は、他の因子によ
る情報を提供するように測定される。
【０００６】レーザ波長測定システム（かかるシステム
を以下、ウェーブメータと呼ぶ）では、レーザ出力ビー
ムをサンプリングする光学モジュールは、適当な位置に
位置決めされたエタロンを介してサンプリングされた光
を差し向ける。スペクトルの特徴の空間的な変化が所定
のレーザビームにおいて存在するので、ウェーブメータ
は、ビームの波長特性を決定するために、ビームの全て
の部分を等しくサンプリングすべきである。かかるウェ
ーブメータシステムはまた、結果として生じる干渉パタ
ーンのイメージを形成する光学コンポーネントと、パタ
ーンを記録するための検出器と、波長を測定するために
パターンを解析するために適当なエレクトロニクスとを
提供する。かかるウェーブメータは、本出願人に譲受さ
れた米国特許出願シリアル番号09/165,593号における２
人の発明者によって開示され、かかる開示はリファレン
スとしてここに組み入れられる。
【０００７】波長のかかる測定の結果、エタロンキャビ
ティにおける光学的パス長の小さな変化に対しては非常
に敏感なままである。エア・スペース・エタロンの場合
では、このパス長は、キャビティ表面の間隔と、それら
の間の流体の屈折率とによって影響され、それらの両方
は、温度変化によって影響される。キャビティ間隔は、
例えば、高い寸法安定性、低くて良好な特徴を示す熱膨
張係数を備えた知られた材料でスペーサを作ることなど
といった多くの方法で制御することができる。キャビテ
ィ流体の屈折率は、温度及び圧力に対して敏感である。
しばしば、エタロンはシールド密閉室内に包含される。
この密閉室は適当な窓を備えても良い。
【０００８】エタロン構造及びその周りの流体の温度又
は圧力は、温度及び波長測定の間の関係を確立するよう
にモニタすることができる。測定温度に関する波長測定
を補正するために、補償ファクタを適用することができ
る。しかしながら、温度又は圧力モニタは、急速に生じ
る温度変化を検出しない。
【０００９】レーザの作動状態の広いレンジにわたって
ウェーブメータにおけるキャリブレーション変化を最小
にするための、エタロンを照射するためのより良い方法
が必要である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、レーザウェー
ブメータのエタロンを最小レベルの光強度で照射するよ
うな光学的構成を提供する。系は、エタロンハウジング
に位置決めされたエタロンを介して、フォトディテクタ
に、ビームの断面全体を表すレーザ出力ビームの一部を
差し向けるための光学コンポーネントを有する。第１の
レンズはビームサンプルのサイズを縮小し、第２のレン
ズはビームを再び平行化し、次いで、ビームの空間的な
コンポーネントの全てが適当にサンプリングされること
を保証するように、エタロンハウジング内に通す。回折
散乱エレメントは、光パス内に組み込まれる。好ましい
実施形態では、回折散乱エレメントは、前記平凸レンズ
とエタロンとの間のエタロンハウジング内に配置され
る。別の好ましい実施形態では、散乱エレメントは、上
流に配置されるが、光パスにおいてハウジングの外に配
置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】狭バンドスペクトルガス放電レー
ザは、周知の従来技術を使用して狭帯域化され得る。Ｆ
ＷＨＭバンド幅は、（約１／８００倍により）約０．６
ｐｍまで著しく減少し、パルスエネルギは（約１／５倍
により）約５ｍＪまで減少する。その結果、所望の狭い
バンドでのパルスの強度は、非常に大きく増加する。典
型的には、狭バンドリソグラフィレーザのパルスエネル
ギは、約５乃至１０ｍＪである。
【００１２】レーザ３０は、線狭帯域化モジュール３１
における調整ミラー３６を使用して、レーザの広バンド
スペクトル内でどんな波長ででも作動するように調整さ
れる。好ましくは、ＡｒＦリソグラフィに関する調整レ
ンジは、約193,300pm乃至193,400pmと考えられる。好ま
しい実施形態では、レーザは、（プリズム３７Ａ，３７
Ｂ及び３７Ｃによって拡大された）レーザビームがグレ
ーティング３８に入射する角度をわずかに変化させるよ
うにステッパモータを備えた枢動ミラー４３６によって
調整される。
【００１３】ビームパラメータの測定図１は、好ましい
ウェーブメータユニット１２０と、絶対波長リファレン
スキャリブレーションユニット１９０と、ウェーブメー
タプロセッサ１９７とのレイアウトを示す。
【００１４】これらのユニットにおける光学装置は、パ
ルスエネルギと、波長とバンド幅とを測定する。これら
の測定は、パルスエネルギ及び波長を所望の範囲内に維
持するようにフィードバック回路と一緒に使用される。
装置は、レーザシステム制御プロセッサからのコマンド
に基づいて原子リファレンスソースを参照することによ
り装置自身でキャリブレーションする。
【００１５】図１に示すように、（図４に示した）出力
カプラ３２からの出力ビームは、部分反射ミラー１７０
を横切り、該部分反射ミラーは、ビームエネルギの約９
５．５％を出力ビーム３３として通し、パルスエネル
ギ、波長及びバンド幅測定のために約４．５％を反射さ
せる。
【００１６】パルスエネルギ 反射されたビームの約４％は、１秒あたり１０００の繰
り返し数を生じ得る個々のパルスのエネルギを測定する
ことができる非常に高速なフォトダイオード６９を有す
るエネルギ検出器１７２にミラー１７１によって反射さ
れる。パルスエネルギは、約5mJであり、個々のパルス
のエネルギの変化及び一連のパルスの又はパルスのバー
ストの積算されたエネルギを制限するために、ストアさ
れたパルスエネルギに基づいて将来のパルスのパルスエ
ネルギを正確に制御するためにレーザチャージ電圧を調
整するための特別なアルゴリズムを使用するコンピュー
タコントローラに検出器６９の出力を供給する。
【００１７】粗い波長測定 ミラー１７１を通過するビームの約４％は、ミラー１７
３によって反射され、スリット１７７を通って、ミラー
１７４、ミラー１７５に進み、ミラー１７４に戻り、エ
シェルグレーティング１７６に届く。ビームは、458.4m
mの焦点距離を有するレンズ１７８によって平行にされ
る。グレーティング１７６から反射された光は、レンズ
１７８を戻って通過し、再びミラー１７４，１７５及び
再び１７４から反射され、次いで、ミラー１７９で反射
され、１０２４ピクセルの線型フォトダイオードアレイ
１８０の左側に焦点合わせされる。フォトダイオードア
レイでのビームの空間的位置は、出力ビームの比較的相
対的な公称波長の粗い測定である。
【００１８】線型フォトダイオードアレイ 線型フォトダイオードアレイ１８０を図５により詳細に
示す。アレイは、１０２４の個々のフォトダイオード集
積回路と、関連するサンプル及びホールド読み出し回路
とを有する集積回路チップである。フォトダイオード
は、全長25.6mm（約１インチ）について２５μｍピッチ
である。各フォトダイオードは、５００マイクロメータ
長である。このようなフォトダイオードアレイは、種々
の供給者から入手可能である。好ましいサプライアは、
Hamamatsuである。好ましい実施形態では、我々は、完
全な１０２４ピクセルスキャンが２０００Ｈｚ若しくは
それ以上の周波数で読み出されるＦＩＦＯベースで２×
１０6ピクセル／秒の割合で読み出すことができるModel
S3903-1024を使用する。
【００１９】粗い波長の計算 ウェーブメータモジュール１２０における粗い波長オプ
ティクスは、フォトダイオードアレイ１８０の左側に約
0.25mm×3mmの四角い像を作り出す。１０又は１１の照
射されたフォトダイオードは、受けた照射の強度に比例
した信号を生成し、信号は、読み出され、ウェーブメー
タコントローラ１９７のプロセッサによってディジタル
化される。この情報及び補間アルゴリズムコントローラ
１９７を使用することにより、像の中心位置を計算す
る。
【００２０】（ピクセル単位で測定された）この位置
は、２つのキャリブレーション係数を使用し、位置と波
長との間の線型関係を仮定して粗い波長の値に変換され
る。これらのキャリブレーション係数は、原子波長リフ
ァレンスソースを参照することにより決定される。例え
ば、像の位置と波長との間の関係は、以下のアルゴリズ
ムとなる； λ＝（２．３ｐｍ／ピクセル）Ｐ＋191,625ｐｍ ここで、Ｐ＝粗い像の中心位置 である。
【００２１】詳細な波長測定 図１に示したようなミラー１７３を通過するビームの約
９５％は、ミラー１８２で反射され、レンズ１８３を通
過してエタロンアセンブリ１８４の入力でディフューザ
に進む。エタロン１８４から出るビームは、エタロンア
センブリにおいて焦点距離458.4mmのレンズによって焦
点合わせされ、線型フォトダイオードアレイ１８０の中
央及び右側に干渉縞を作り出し、図１に示したような２
つのミラーで反射される。
【００２２】スペクトロメータは、実質的にリアルタイ
ムに波長とバンド幅を測定する必要がある。レーザの繰
り返し数が１０００Ｈｚまたはそれ以上であるので、経
済的でコンパクトなプロセッシングエレクトロニクスを
備えた所望の性能を達成するために、計算的に示強性で
はないが正確なアルゴリズムを使用する必要がある。そ
れ故、計算アルゴリズムは、浮動小数点計算とは対照的
に整数を使用するのが好ましく、計算的な演算は、（平
方根、正弦関数、logなどを使用しない）有効なコンピ
ュータ計算であるのが好ましい。
【００２３】改良されたエタロン 在来のエタロン取り付けスキームは典型的には、光学素
子の位置を強要するように周りの構造体に光学素子を取
り付けるエラストマーを採用するが、素子にかかる力を
最小にする。一般的には、室温加硫シリコーン（ＲＴ
Ｖ）の化合物が使用される。しかしながら、これらのエ
ラストマーから出る種々の有機蒸気が、光学素子の表面
に堆積し、それらの性能を低下させる。エタロン性能の
寿命を長くさせるために、いかなるエラストマー化合物
も包含されない密封された遮蔽室にエタロンを取り付け
るのが好ましい。
【００２４】好ましい実施形態では、図１に１８４で示
した改良されたエタロンアセンブリを含む。このエタロ
ンアセンブリは、図３，２Ａ及び２Ｂに詳細に示す。石
英ガラスエタロン７９自身は、フランジ８１と下部プレ
ート８２を有するトッププレート８０を有し、両方のプ
レートはプレミアムグレードの石英ガラスからなる。エ
タロンは、1.0003の屈折率と２５と等しい若しくはそれ
以上のフィネスを有するガス環境のとき、193.35nmで2
0.00pmの自由スペクトルレンジを有するフリンジを作り
出すように設計される。極めて低い熱膨張率を備えた石
英ガラススペーサ８３が、９３４±１マイクロメータで
プレートを分離する。これらは、光学の製造技術におい
て周知の技術を用いて光学的コンタクトによって一緒に
エタロンを保持する。エタロンの内側表面の反射率は、
それぞれ８８パーセントであり、外側表面は反射防止コ
ーティングが施されている。エタロンの透過率は、約５
０パーセントである。
【００２５】エタロンは、リーダ８５によって示された
ラジアル位置でフランジ８１の底端の下で、示されてい
ないが１２０度の位置で３つのパッドに対してフランジ
を押す３つの弱いスプリング８６と重力によってのみア
ルミニウムのハウジング８４の適所に保持される。８７
でのフランジ８１の上端に沿った僅か０．００４インチ
（０．１ｍｍ）の隙間は、エタロンがその適当な位置の
近くに留まることを補償する。この閉じ許容量フィット
がまた、衝撃又はインパルスがマウントを介してエタロ
ンシステムに伝達するとしても、光学コンポーネントと
ハウジング接触点との間の相対速度を最小にとどめるこ
とを保証する。エタロンアセンブリ１８４の他の光学コ
ンポーネントは、ディフューザ８８，ウィンドウ８９、
及び、４５８．４ｍｍの焦点距離を備えた集束レンズを
含む。
【００２６】ディフューザ８８は、エタロンの適当な作
動のために必要な入射角の大きな変化を作り出すため
に、エタロンの上流で一般的に使用される標準的な従来
技術のディフューザであってよい。従来技術のディフュ
ーザの問題は、ディフューザを通過する光の約９０％が
有効な角度ではなく、その結果、フォトダイオードアレ
イに焦点合わせされないことである。しかしながら、こ
の無駄な光は、光学系を加熱し、光学素子の表面の劣化
に寄与する。より好ましい実施形態では、回折レンズア
レイがディフューザ８８として使用される。このタイプ
のディフューザでは、パターンが、完全ではあるが、約
５度の角度の範囲内で光を散乱させる回折レンズアレイ
で作り出される。その結果、エタロンに入る光の約９０
パーセントは有効な角度で入射し、エタロンの入射のよ
り多くの部分がフォトダイオードアレイによって最終的
に検出される。その結果、エタロンの入射は、著しく低
減し、光学コンポーネントの寿命が著しく向上する。出
願人は、入射光が、フォトダイオードアレイでの等しい
光で従来の値の５％又は１０％低減すると仮定した。
【００２７】より良好なコリメーション 図５は、エタロンを通過する光強度のさらなる低減を提
供する好ましい実施形態の特徴を示す。この実施形態
は、図１，２Ａ，２Ｂおよび３に示した実施形態と似て
いる。ミラー１８２からのサンプルビーム（約15mm×3m
m）は、集光レンズ４００を上流に通過し、次いで、レ
ンズ４０２によって再び平行化される。いま、平行化さ
れ、約5mm×1mmの寸法に縮小されたビームは、エタロン
ハウジングウィンドウ４０４を通過し、次いで、回折散
乱エレメント４０６を通過し、この場合（ＡｒＦレーザ
に関して）は、Mems Optical Corporationによって提供
された回折散乱エレメントである。エレメントは、いか
なる断面コンフィギュレーションの入射視準ビームの実
質的にすべての１９３ｎｍ光を、２°で第一の方向に、
および、４°で第１の方向と垂直な第２の方向に拡大す
るビームに変換するパーツ番号Ｄ０２３−１９３であ
る。次いで、レンズ４１０は、図１に示したフォトダイ
オードアレイ１８０をカバーする四角形パターンに拡大
ビームを「焦点合わせ」する。フォトダイオードアレイ
のアクティブ領域は、約幅0.5mm、長さ25.6mmであり、
レンズ４１０によって形成されたスポットパターンは、
約15mm×30mmである。回折散乱エレメントは、ビームの
空間的なコンポーネントを完全に混合させるが、エタロ
ンを通過する光が実質的に低減し、有効に利用されるよ
うに、全てのビームエネルギを２°及び４°の限度内に
実質的に維持する。読者は、エタロンを通過するビーム
エネルギの更なる低減が、フォトダイオードアレイの短
い寸法におけるスポットパターンを縮小することによっ
て実現することができることを認識すべきである。しか
しながら、１５ｍｍより小さい更なる減少は、光学的ア
ラメントをより困難にさせる。それゆえ、設計者は、ス
ポットパターン寸法とのトレードオフを考慮すべきであ
る。
【００２８】約248.327nmで作動するＫｒＦレーザに関
して設計された他のシステムでは、同様な設計が波長を
調整するのに提供される。この実施形態では、レンズ４
００は、約50mmの焦点距離を有する。（レンズは、Mell
es Griot Corporationのパーツ番号OILQP001である。）
視準レンズ４０２は、20mmの焦点距離を有する（EVILas
er Corporationパーツ番号PLCC-10.0-10.3-UV）。回折
散乱エレメント４０６は、Mems Optical Corporationパ
ーツ番号DO23-248である。この実施形態及びＡｒＦの実
施形態では、２つのレンズの間の間隔は、スペーサ４１
６で位置決めされるのが好ましい。出願人は、2000Hzで
作動するレーザでエタロンを通過するビームのエネルギ
は、約１０ｍＷであり、エタロンに著しい熱の問題を生
じさせるには十分ではないと評価した。
【００２９】他の好ましい実施形態では、ビームは、レ
ンズ４００と４０２との間に焦点が合うようにすること
ができる。適当なレンズは、この場合において、周知の
光学技術を用いて選択されることができる。
【００３０】本発明の特定の実施形態を示して説明して
きたけれども、本発明のその広い態様から逸脱すること
なく変更及び修正をすることができることは当業者にと
って明らかである。例えば、上記のものを参照して２°
及び４°よりもより広い又はより狭い拡大角度を備えた
他の回折散乱エレメントは利用可能である。しかしなが
ら、拡大角度は１０°よりも小さいのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェーブメータの主なエレメントを示す。
【図２Ａ】エタロン概観を示す。
【図２Ｂ】エタロン概観を示す。
【図３】エタロンハウジングを含むエタロンアセンブリ
を示す。
【図４】エキシマレーザの波長を制御するための主な特
徴を示すブロック図を示す。
【図５】好ましいエタロンアセンブリの特徴を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン ティ メルキォー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92129 サン ディエゴ テクサナ 12727 (72)発明者 リチャード エル サンドストロム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92024 エンシニータス ブリドーン テ ラス 410 Ｆターム(参考） 2G020 AA05 BA20 CB04 CB06 CB23 CB43 CC02 CC23 CC26 CC52 CC63 CD06 CD16 CD24 CD36 CD39 5F071 AA06 HH02 JJ05

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガス放電レーザのレーザビームの波の特徴
    を測定するためのウェーブメータであって、 Ａ）1)エタロンハウジングと、 2)前記ハウジングに光を入れることができる２つのウィ
    ンドウと、 3)前記ハウジング内に位置決めされたエタロンと を有するエタロンシステムと、 Ｂ）典型的なレーザビームを空間的に実質的に平行化し
    たサンプルビームを作り出すための光トレインと、 Ｃ）前記サンプルビームを、実質的に１０度より小さい
    角度で拡大するような散乱ビームに散乱させるように位
    置決めされた回折散乱エレメントと、 Ｄ）検出器アレイと、 Ｅ）前記散乱ビームを前記検出器アレイに焦点合わせさ
    せるための光トレインと、を有することを特徴とするウ
    ェーブメータ。
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