JP2006501463A - 真空室の壁に繰返し可能に取り付けるためのレーザ干渉計 - Google Patents

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Abstract

環境室(26、126)の壁に実質的に繰返し可能に取り付けることができ、レーザ源(12、112)を含むハウジング(10、40)と、環境室の中に位置する物体に取り付けられた反射器(22、50、122、150)と、環境室の壁を貫通して設けられた、レーザ源から反射器へのレーザビームの通過を可能にする光通路とを備えたレーザ干渉計が開示される。光通路を通過するレーザビームの通過方向を調整するために、少なくとも1つのビームステアラ(56、58、156、158)を提供することができる。カラムレーザ干渉計も開示される。

Description

本発明はレーザ干渉計(laser interferometer)に関する。
環境制御室(environmental control chamber)はあらゆる機器にとって厳しい要件を強いられる場所であり、前記機器中の構成要素は、高圧または低圧および有機ガスに耐えられなければならず、室の汚染が問題となる場合には150℃以上の温度に耐えられなければならない。
米国特許第6473250号明細書 GB0222970.6 国際公開第00/57228号パンフレット H Braddick, "Mechanical Design of Laboratory Apparatus", Chapman and Hall Limited, London 1960
従来のレーザ干渉計システムはこれらの要件を満たすことができない。環境制御が必要な1つの状況は、清浄な環境がなによりも重要な、例えばコンピュータチップおよびコンピュータチップマスクを製造するための半導体製造である。
本発明の第1の態様によればレーザ干渉計が提供される。このレーザ干渉計は、
環境室の壁に実質的に繰返し可能に取り付けることができ、レーザ源を含むハウジングと、
環境室の中に位置する物体に取り付けられた反射器と、
環境室の壁を貫通して設けられた、レーザ源から反射器へのレーザビームの通過を可能にする光通路と
を備える。
ハウジングの中に検出器が配置されることが好ましい。
レーザ源は、レーザまたはレーザに接続された光ファイバの端部とすることができる。
第2の態様によれば本発明はレーザ干渉計を提供する。このレーザ干渉計は、
第1のレーザビームを提供するレーザ源と、
第2のレーザビームを提供する手段と、
第1のレーザビームと第2のレーザビームを重ね合わせることによって干渉ビームを提供する干渉手段と、
干渉ビームを検出する検出器と、
レーザ源に対して可動の物体に取り付けられた、物体からの少なくとも1つのレーザビームを干渉手段へ反射させる反射器と
を備え、
少なくとも前記反射手段が環境室の中に配置され、少なくとも前記レーザ源が、環境室の壁に実質的に繰返し可能に取り付けることができるハウジングによって、真空室の外部に配置され、少なくとも1つのレーザビームの真空室壁の通過を可能にする光通路が、真空室壁を貫通して提供される。
環境室の壁は、室の加圧、減圧またはベーキングの間に歪みうる。これは、干渉計の繊細な構成要素に損傷を与える。さらに、この歪みはレーザビームのミスアラインメントを引き起こす可能性があり、そのため、環境室が使用条件下にあるときに適正かつ正確な繰返し可能配置が提供されるように位置決め継手を設計することが有利である。
ハウジングは、少なくとも最小信号強度が検出されるように、十分な繰返し性で室壁に取り付けられる(実質的に繰返し可能に取り付けられる)。このことは、信号強度計を使用して最適な信号強度を達成するレーザビームの再アラインメントを可能にし、したがって絶対的な繰返し性は必須ではない。
環境室は、部分真空または完全真空に耐える能力を有するシールを使用してガスの出入りを防ぐ、一般に真空室と呼ばれる任意の室を含む。このような室は例えば、完全真空、部分真空、無空気条件、例えば酸素、有機ガスなどの処理ガスが使用される条件、または1気圧を超える圧力で使用することができる。
ビームアラインメントの偏向を達成できるようにするためには、少なくとも1つのビームステアラ(beam steerer)が提供されることが好ましい。それぞれのビームステアラがビーム方向に垂直な1つの平面に対応する、少なくとも2つのビームステアラが提供されることが好ましい。ビームステアラは、光通路を通過するレーザビームの通過方向を調整する。ビームステアラは、くさび形プリズムおよび/または機械式アジャスタを含むことができる。少なくとも2つのくさび形プリズムが提供される場合、それらはアンマッチドペアであることが好ましい。
次に、添付図面を参照して本発明を例を挙げて説明する。
図1は、一体型レーザ源/検出システム(combined laser source and detection system)12と、レーザ源12からのビームを参照ビーム16と測定ビーム20に分割する偏光ビームスプリッタ(polarising beamsplitter)14とを備えた、取外し可能物(detachable object)10を示している。参照ビーム16は再帰反射器18に向かって導かれ、次いで再び偏光ビームスプリッタ14および検出器12へと導かれる。測定ビーム20は、可動台24に取り付けられた真空コンパチブル平面鏡(vacuum compatible plane mirror)22に入射する。可動台24は真空室26の中に収容されており、レーザ源に近づく方向/レーザ源から遠ざかる方向(x方向)に移動することができる。測定ビーム20は光学窓38を通して真空室26に入り、真空室26を出る。取外し可能物10は、対偶マウント(kinematic mount)28によって真空室26の壁に保持される。
対偶マウント28は、取外し可能物10の突出部32の中に間隔を置いて取り付けられた3つのボール(ball)対30を備える(この対偶ロケータ(kinematic locator)がより分かりやすく示された図2を参照されたい)。真空室26には、1本のロッドが1つのボール対30の中心と一致するように間隔を置いて配置された3本のロッド(rod)34が取り付けられている。真空室26の壁からは、取外し可能物10の突出部30を収容するスリーブ(sleeve)36が延びている。スリーブ36およびロッド34は、加熱中または減圧時の真空室壁の歪みを収容するために十分に自由に、しかし取外し可能物10の繰返し可能な配置を可能にして両者間の光学経路を維持し、測定プロセス中に可動台に対して安定した取付位置を提供するため、真空室壁および平面鏡22に対して取外し可能物10が固定され続けるように十分にがっちりと、真空室の壁に固定されている。いくつかの異なる真空強度が使用される場合には、壁の撓みの変動を考慮するため、この取付けは調整を要する可能性がある。
次に図2を参照する。この対偶継手(kinematic joint)の中心には、真空室の光学窓38および平面鏡22と一直線に並んだ開口39があり、この開口は、測定ビームが平面鏡22に入射し、そこで反射されることを可能にする。
例えば半導体ウェハをその上に配置することができる試料台24を移動させると、レーザ検出器12によって測定される測定ビーム20と参照ビーム16の間の干渉が変化し、それによって可動試料ホルダ24と取外し可能物10の相対位置を知ることができる。
対偶継手28は、取外し可能物10の突出部30のボール対間に間隔を置いて配置された3つの磁石37によって所定の位置に保持される。このことは、真空室の壁が磁性材料でできていなければならないか、またはスリーブ36およびロッド34の取付けに金属製の薄いベース(base)を要することを意味する。
レーザ源、検出器および関連光学部品を収容する取外し可能物を使用する利点の1つは、真空室の排気およびベーキング(baking)の間、取外し可能物を室から取り外すことができることである。これによって、レーザ干渉計の壊れやすい構成要素が、真空室の中の不利な条件によって損傷を受け、歪み、または他の影響を受けることを防ぐことができる。
上で述べたタイプの対偶継手が好ましいが、磁石の代わりに、他の対偶着座構成およびバイアス(biasing)方法を使用することもできる。代替の対偶構成は非特許文献1に記載されている。代替のバイアス法の一例はばねを使用する方法であり、このばねは、継手を構築する方法に応じて、引張りばねまたは圧縮ばねとすることができる。
この繰返し可能な配置は、対偶的に(kinematically)拘束される必要はない。反射鏡に対するレーザ源の相対位置が繰返し可能であれば十分である。1つの代替方法は、真空室の外部のレーザ干渉計の構成要素が取り付けられたスライド板を使用する方法である。次いでこれを、真空室の壁に設けられた対応する「u」字形のマウントの中に配置する。マウント内のスライド板配置の繰返し性を保証するために、正確に配置されたねじを使用することができる。
参照ビームの経路と測定ビームの経路の条件をできるだけ同じにするため、参照ビーム経路は、光学窓38と同じ厚さ同じ組成のガラス片を、再帰反射器18とビームスプリッタ14の間に備えることができる。これによって、システムの温度が変化したときのガラスの膨張/収縮による経路長の変化を考慮する。
図3は、一体型レーザ源/検出システム12と、レーザ源12からのレーザビームを測定ビーム44と参照ビーム48に分割するビームスプリッタ42とを含む取外し可能物40を有する、カラムレーザ干渉計システム(column laser interferometer system)を示している。この場合、ビームスプリッタ42は、複光路式干渉計システムを生み出す偏光ビームスプリッタである。測定ビーム44は再帰反射器46に入射し、再帰反射器46はこのビームを、真空室26の中の可動試料ホルダ24に取り付けられた平面鏡22に向かって導く。参照ビーム48は45°鏡54に入射し、45°鏡54はこのビームを、可動試料ホルダ24に比べて相対的に固定された参照カラム(column reference)52に取り付けられた平面鏡50に向かって導く。この干渉計システムが対偶的に配置されているとき、参照カラム52の位置は、干渉計システムの他の部分に対して固定されている。試料台24の移動は、検出器12によって検出される測定ビーム44と参照ビーム48の間の経路長の変化をもたらす。したがって、試料台24の位置を正確に計算することができる。真空室26の壁に位置する真空窓138は、測定ビーム44の通過に加えて、参照ビーム48の第2の反射器50への通過を可能にする十分なサイズを有する。
この例では、一体型レーザ源/検出器が平面鏡22、50に対して実質的に垂直である。これによって取外し可能物40のx方向の長さが短くなり、このことは、対偶継手の歪みが低減し、したがって対偶継手に必要な強度が低下し、取外し可能物40が偶発的に外れる可能性が低くなることを意味する。
測定ビーム44および参照ビーム48の経路上には3つのプリズム56、58、60がある。このうちの2つのプリズム56、58を回転させると、測定ビームまたは参照ビームの平面鏡22、50へのビーム方向が偏向する。これによって、光学構成要素のアラインメントの製造誤差を補償することができる。回転可能な2つのプリズムを使用することもできるが、それらはマッチドペア(matched pair)のプリズムでなければならず、コストが増大する。45°鏡54の代替物はペンタプリズム(pentaprism)である。3つのプリズムを使用して2平面のビーム偏向を達成することが特許文献1に詳細に記載されている。
図4に、図3に示したカラム干渉計システムの代替システムを示す。この例では、一体型レーザ源/検出器112、ビームスプリッタ142および再帰反射器146がすべて、(室に取り付けられたときに)平面鏡122、150に対して垂直に近い角度、ただし垂直ではない角度で配置される。参照ビーム148を平面鏡150に向かって反射する鏡154の角度は、入射参照ビーム148に対して45°ではない。鏡154は、参照ビーム148に対して2平面で傾いている。このような軸ずれ(off−axis)レーザシステムの使用は、垂直にアラインメントがとられたレーザの場合のように2つのマッチドプリズムまたは3つのプリズムを使用する代わりに、回転可能な2つのマッチドまたはアンマッチドプリズム156、158をビームアラインメントに使用できることを意味している。
2つのプリズム156、158はそれぞれ、ビーム経路に対して制限された回転運動を有する。例えば、これらのプリズムの回転は、ビーム経路を軸とした90°の回転に制限されており、したがってそれぞれのプリズムの回転はそれぞれ、異なる平面でのレーザビームの偏向を引き起こす。このような2つのプリズムの使用は、レーザ源が平面鏡に対してほぼ垂直に配置された記載の状況に限定されず、レーザ源を平面鏡に対して斜めに配置することができる。この軸ずれ実施形態は、同時係属出願である特許文献2により詳細に記載されている。
2次元ビーム偏向を得るための回転可能な2つのプリズムの使用には他の使用法もある。試料の位置決めが重要なプロセスでは、その試料の角偏向は望ましくない。そこで、2つの回転プリズム(またはその等価物)を利用する本発明の実施形態は、試料の位置決めの測定を可能にする他に、直線運動中の試料台の角運動の追跡も可能にする。干渉ビームは測定プロセスの間つねに検出されなければならないので、信号損失に至る前のある角ミスアラインメントは許容される。信号の損失は角運動があることを示す1つの方法である。しかし、この試料台の角偏向を相殺するためにプリズムを回転させる場合には、回転の程度およびおそらく回転率を監視することによって、角偏向の量を計算することができる。プリズムをモータで動かす場合には、この角偏向を自動追跡することができる。ある角偏向が許容される場合、この追跡技法を測定中に使用して、試料台が許容範囲を越えようとしていることをことを指示することもできる。
2つのくさび形プリズムを使用する必要は必ずしもない。例えば、必要なビーム方向に対する鏡のオフセットを1平面だけにすることができ、その場合には、単一のビームステアラを使用することができる。くさび形プリズムの代わりに、特許文献3に記載されている調整可能クランプなどの代替光学要素または機械的アジャスタを使用することもできる。
次に、図4に示した繰返し可能取付けを図4、5および6を参照して説明する。取外し可能物40の突出部232には、3つのロケータ(locator)230が間隔を置いて配置されている。室壁126は、取付板242を収容する凹んだ領域240を有する。取付板242は、取外し可能物の突出部232のサイズおよび形状に一致した凹み236を含む。取付板の凹み236はさらに、3つのロケータ230のサイズおよび相対位置に一致した、その中にロケータを収容する3つのロケータ凹み234を含む。
次に図6を参照すると、取付板242は、レーザ源112から反射器122、150への光の通過を可能にする窓238を含む。取付板242は、室壁126の溝246の中に位置するOリング244によって、室壁126に対してシールされている。Oリング244は窓238を都合よくシールする。
ロケータ230は、ボルト(図示せず)を通す中心穴248と、適当なロケータ凹み234と協力して室壁126に対する取外し可能物40のおおよその配置を提供する外部リップ(external lip)250とを含む。ロケータを介して取外し可能物を所定の位置にボルトで固定したら、回転可能なプリズム156および158(図4)を回転させてアラインメントをとり、レーザビーム144、148を鏡122、150ヘ導き、検出器112へ戻す。
代替実施形態では、取外し可能物を取付板に固定するのではなしに、室壁に直接に固定する。室壁から突き出し、取外し可能物の対応するサイズの穴と協力する、間隔を置いて配置された3本の位置決めピンが提供される。位置決めの繰返し性を良好にするため、この3本の位置決めピンは、取外し可能物の穴と接触する6つの点を提供する。例えば、第1のピンは3箇所で穴の表面と接触し、第2のピンは2箇所で楕円形の穴と接触し、第3のピンは1箇所で特大の穴と接触する。
いくつかの状況、例えば室が密封されているときには、レーザビームの視覚的なアラインメントを実施することができない。このような状況ではアラインメント装置260が提供される。このアラインメント装置は、環境室の壁を通したレーザビームの通過のアラインメントをとるのを助ける。
アラインメント装置260は、取外し可能物40と取付板242の間にぴったりとはまる(図6)。アラインメント装置260は、レーザビーム経路に対して約45°の角度に配置されたターゲット(target)262を収容する。ターゲットは、2対の開口264a、264b、266a、266bを有する。ビームのアラインメントがとれているとき、1対の開口264a、264bは測定ビーム264a、264bと一致し、1対の開口266a、266bは参照ビーム266a、266bと一致する(複光路式干渉計システムであるため開口対がそれぞれ1つのビームに関連づけられる)。ターゲット262は、図面の平面に対して45°に配置されており、そのため、個々の部品232、260、242をボルトで互いに固定すると、ターゲット262に入射した光はアラインメント装置260の側面を通して反射され、目で見ることができる。ビームのアラインメントがとれている場合、システムを最初に通過するときにビームは第1の開口264a、266aを通過し、2回目に通過するときには第2の開口264b、266bを通過する。ビームのアラインメントがとれていない場合、ビームはターゲット262と遭遇し、アラインメント装置の側面を通して反射される。1つのプリズムの回転は、プリズムを通過するレーザビームを1平面で偏向させ、それによってビームが開口264a、264b、266a、266bを通過するようにすることができる。くさび形プリズム156、158(図4)の回転は、レーザビームを、それぞれ偏揺れ方向(Z方向)および縦揺れ方向(Y方向)に偏向させる。
レーザビームのアラインメントがとれたら、アラインメント装置を除去して、取外し可能物と取付板を直接に接触させる。清浄環境で処理するため、室はプロセスサイクルごとにベークされ、これが室壁の歪みを引き起こす。この歪みは必ずしも繰返し可能というわけではなく、このことを考慮するため、レーザビームのアラインメントは、再び取り付けるときにアラインメントを再び最適化するための調整を要する可能性がある。室壁に取り付ける取外し可能物の表面とビームの平面との間の許容差は、再アラインメントのための最小信号強度を保持するため、76mmにつき±0.02mmである。
図3から6では、ビームの第1の経路と第2の経路、および測定ビームと参照ビームがともに、互いに縦に変位しているように示されている。実際には、測定ビームと参照ビームは縦に変位させるが、それぞれのビームの複光路はこれに垂直な平面内で、すなわち図面の平面の中へ変位させる。
図3および4に示したカラム干渉計は、測定ビームと参照ビームの間の距離が実質的に固定されている(この距離はくさび形プリズムの回転による偏向に依存する)。いくつかの状況では、新しいシステムを設計する必要なしにこの距離を変化させることが望ましい。そのために、取外し可能物40の突出部32、232の中に別のくさび形プリズム270が提供される。このプリズム270は、ビームをY方向に(図面の平面内で)偏向させ、測定ビームと参照ビームの間の距離を低減または増大させる。簡単にするため、この追加のくさび形プリズム270は、自体が作用するビームに対して固定され、そのためビーム間の角度の変化は固定される。
くさび形プリズム270はあるいは取付板242の中に配置される。
図3および4に示した干渉計システムでは、反射鏡22、50、122、150、および測定ビーム44、144と参照ビーム48、148が互いに実質的に平行である。状況によってはそうすることができず、またはそうすることが望ましくないことがある。このような状況では、相対的に固定されたカラム上の鏡50、150を、カラム52、152に対して傾けて取り付けることができる。図3および4に示したタイプのカラム干渉計では、相対的に固定されたカラムが相対的に可動の試料台に関して移動することができるが、カラムの動程は、試料台のそれの1/40程度である。鏡50、150がカラムに対して傾けて取り付けられる場合、カラムの動程上の余弦誤差は角度10°に対して2%となる。鏡50、150の作る角度が増大するにつれてこの誤差も増大する。試料台上の鏡22、122を傾ける場合には、その誤差は、試料台の動程上でずっと大きくなり、おそらくあまりに不正確な結果に終わるであろう。
本発明に基づくレーザ干渉計は物体までの距離の測定を可能にする。これは、レーザ源12、112からの第1のレーザビーム20、44、144を物体に取り付けられた反射器22、122まで導き、第1のレーザビームから得た第2のレーザビームを、参照経路16、48、148に沿って導き、反射した第1のレーザビームと参照経路に沿って伝わった後の第2のレーザビームを重ね合せて、干渉ビームを生み出し、干渉ビームを検出し、物体と検出器の位置の相対変化を計算することによって達成される。
本発明に基づくカラムレーザ干渉計はさらに、試料ホルダまたは物体の方向の追跡を可能にする。これは、レーザ源12、112からの第1のレーザビーム44、144を試料ホルダに取り付けられた反射器22、122まで導き、第1のレーザビームから得た第2のレーザビームを、参照経路48、148に沿って導き、反射した第1のレーザビームと参照経路に沿って伝わった後の第2のレーザビームを重ね合せて、干渉ビームを生み出し、干渉ビームを検出することによって達成され、第1のレーザビームの経路上に、少なくとも1つの回転可能なくさび56、58、60、156、158が配置され、それによってこの少なくとも1つの回転可能なくさびの回転が、1平面において第1のレーザビームを偏向させ、この少なくとも1つの回転可能なくさびの回転によって、その平面の試料ホルダの方向の変化が追跡される。
一体型レーザ源/検出器を使用した発明を説明したが、これは必須ではない。実際、真空室の内壁に取り付けられた、例えば真空室の外部へのファイバ接続を有する別個の検出器を使用したほうが望ましいこともある。
本発明に基づく干渉計システムの平面図である。 図1に示したマウントを示す図である。 本発明に基づく代替レーザ干渉計システムを示す図である。 本発明に基づく他のレーザ干渉計システムを示す図である。 図4に示したマウントの端面図である。 図4に示したレーザ干渉計の断面図である。

Claims (9)

  1. 環境室(26、126)の壁に実質的に繰返し可能に取り付けることができ、レーザ源(12、112)を含むハウジング(10、40)と、
    前記環境室の中に位置する物体に取り付けられた反射器(22、50、122、150)と、
    前記環境室の前記壁を貫通して設けられた、前記レーザ源から前記反射器へのレーザビームの通過を可能にする光通路と
    を備えることを特徴とするレーザ干渉計。
  2. 前記ハウジング(10)は前記壁に対偶的に取り付ける(30)ことができることを特徴とする請求項1に記載のレーザ干渉計。
  3. 前記環境室は真空室であることを特徴とする任意の前記請求項に記載のレーザ干渉計。
  4. 前記反射器は鏡(22)であることを特徴とする任意の前記請求項に記載のレーザ干渉計。
  5. 前記ハウジングは、前記光通路を通過するレーザビームの通過方向を調整する少なくとも1つのビームステアラ(56、58、156、158)を含むことを特徴とする任意の前記請求項に記載のレーザ干渉計。
  6. 前記ハウジングは、2平面のレーザビームの通過方向を調整する2つのビームステアラ(56、58、156、158)を含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザ干渉計。
  7. 前記環境室の前記壁を通したレーザビームの通過のアラインメントをとるアラインメント装置(260)を備えることを特徴とする請求項5または6に記載のレーザ干渉計。
  8. 任意の前記請求項に記載のレーザ干渉計を備え、それによって前記環境室(26、126)の中に相対的に固定された第2の反射器(50、150)が提供され、前記光通路は、前記レーザ源から前記第2の反射器への参照ビーム(48、148)の通過を可能にすることを特徴とするカラムレーザ干渉計。
  9. 前記ハウジングは、前記測定ビームと前記参照ビームの間の角度を調整するくさび形プリズム(270)を含むことを特徴とする請求項8に記載のレーザ干渉計。
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