JP2012028621A - レーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定する測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フッ化カルシウム単結晶製小片の如き試料の、レーザ光線を繰り返し照射したことに起因する透過率の変動を充分簡易且つ迅速に測定することができる測定装置を提供する。
【解決手段】レーザ光線受光位置と透過率測定位置とに選択的に位置せしめられる試料保持手段（１４）が配設されている。そして、この試料保持手段（１４）に関連せしめて、パスルレーザ光線を生成するレーザ源（７０）と、レーザ源が生成するパルスレーザ光線を、レーザ光線受光位置に位置せしめられている試料保持手段に保持されている試料に照射せしめるための光学手段（７２）とが配設されている。更に、透過率測定位置に位置せしめられている試料保持手段に保持されている試料の透過率を測定するための透過率測定手段（１６）が配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光線を繰り返し照射することに起因する、試料の透過率変動を測定する測定装置に関する。

半導体デバイスの製造においては、周知の如く、半導体ウエーハの表面に所要パターンを露光する露光工程が遂行されている。この露光工程においては、ＡｒＦエキシマレーザの如きレーザ源が生成するレーザ光線を複数個のレンズ等の光学要素を含む光学系を通して半導体ウエーハの表面に照射している。然るに、光学要素にレーザ光線が繰り返し照射されると光学要素の透過率が漸次低下し、従って露光工程を繰り返し遂行した後には劣化した光学要素を交換することが必要である。かような次第であるので、露光工程に使用される光学要素は、耐レーザ光線特性が優れた材料、換言すればレーザ光線の繰り返し照射による透過率の低下が小さい材料を選定することが必要である。耐レーザ光線特性に優れた材料としては、例えばフッ化カルシウム単結晶を挙げることができるが、フッ化カルシウム単結晶の耐レーザ光線特性はその純度等に依存する。従って、耐レーザ光線特性に優れたフッ化カルシウム単結晶であるか否かを確認するためには、チョコラルスキー法或いはブリッジマンストックバーガー法によって精製されたフッ化カルシウム単結晶の耐レーザ光線特性を測定することが必要である。

而して、本発明者等の調査によれば、耐レーザ光線特性、換言すればレーザ光線を繰り返し照射することに起因する透過率の低下即ち変動、を充分簡易且つ迅速に測定することができる測定装置は、未だ提案されていないことが判明した。

従って、本発明の主たる目的は、フッ化カルシウム単結晶製小片の如き試料の、レーザ光線を繰り返し照射したことに起因する透過率の変動を充分簡易且つ迅速に測定することができる測定装置を提供することである。

本発明によれば、上記主たる目的を達成する測定装置として、レーザ光線受光位置と透過率測定位置とに選択的に位置せしめられる試料保持手段と、
パスルレーザ光線を生成するレーザ源と、
該レーザ源が生成するパルスレーザ光線を、該レーザ光線受光位置に位置せしめられている該試料保持手段に保持されている試料に照射せしめるための光学手段と、
該透過率測定位置に位置せしめられている試料保持手段に保持されている試料の透過率を測定するための透過率測定手段と、
を具備するレーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定する測定装置が提供される。

好ましくは、更に、該試料を透過したレーザ光線のパワーを測定するパワー測定手段も配設されている。該試料保持手段は該レーザ光線受光位置と該透過率測定位置との間を水平に往復動せしめられ、該試料保持手段は鉛直方向位置を調整自在に装着されているのが好都合である。好適には、該試料保持手段、該レーザ源、該光学手段及び該透過率測定手段は、暗室を規定するハウジング内に収容されている。該レーザ源は波長が１９３ｎｍのレーザ光線を生成するＡｒＦエキシマレーザである場合、該ハウジングには波長が１９３ｎｍのレーザ光線を吸収しないレーザ光線非吸収気体を導入するための少なくとも１個の導入孔と少なくとも１個の導出孔とが配設されているのが望ましい。該レーザ光線非吸収気体は窒素でよい。該ハウジングは、該試料保持手段及び該透過率測定手段が収容されている主チャンバ、該光学手段が収容されている光学手段チャンバ、該レーザ源が収容されたレーザ源チャンバ、該レーザ源チャンバと該光学手段チャンバとを接続する第一の補助チャンバ及び該光学手段チャンバと該主チャンバとを接続する第二の補助チャンバを含み、該レーザ源が生成するレーザ光線は該レーザ源チャンバ、第一の補助チャンバ、該光学手段チャンバ及び該第二の補助チャンバを通って該主チャンバ内に進行して、該レーザ受光位置に位置せしめられている該試料保持手段に保持されている試料に到達するのが好ましい。好適には、該主チャンバには、透明材料から形成された少なくとも１個の覗き窓が配設されており、該覗き窓は光遮断手段によって開放自在に閉じられている。好ましくは、該主チャンバには着脱自在なフレーム部材が配設されており、該フレーム部材には複数個の扉が夫々別個独立に開閉自在乃至着脱自在に装着されている。

本発明の測定装置によれば、試料を保持した試料保持手段をレーザ光線受光位置に位置せしめてレーザ源を繰り返し付勢し、これによって試料に所要回数繰り返しレーザ光線を照射し、しかる後に試料保持手段を透過率測定位置に位置せしめて透過率測定手段によって試料の透過率を測定することによって、充分簡易に且つ迅速に試料の耐レーザ光線特性、即ちレーザ光線が繰り返し照射されることに起因する透過率の変動を測定することができる。

本発明に従って構成された測定装置の斜面図。 図１に示す測定装置の簡略図。 図１に示す測定装置における試料保持手段及び駆動手段の部分側面図。 図１に示す測定装置における試料保持手段及び駆動手段の部分平面図。 図１に示す測定装置における光学手段の簡略図。

図１には、本発明に従って構成された測定装置の好適実施形態が図示されている。測定装置は全体を番号２で示すハウジングを具備している。このハウジング２は暗室を構成しており、測定装置の種々の構成要素はハウジン内に配設されている。図示の実施形態においては、ハウジング２は直方体形状である主チャンバ４、細長い直方体形状である光学手段チャンバ６、同様に細長い直方体形状であるレーザ源チャンバ８、レーザ源チャンバ８と光学手段チャンバ６とを接続する円筒形状の第一の補助チャンバ１０、及び光学手段チャンバ６と主チャンバ４とを接続する円筒形状の第二の補助チャンバ１２から構成されている。

図１と共に図２を参照して説明を続けると、主チャンバ４内には試料保持手段１４と共に透過率測定手段１６が配設されている。図２と共に図３及び図４を参照して説明すると、図３において左右方向で図４において上下方向に実質上水平に移動自在に可動基台１８が装着されている。この可動基台１８にはボールねじ式駆動手段２０が付設されている。更に詳述すると、中空フレーム２２内には実質上水平に延在する雄ねじロッド２４が配設されている。この雄ねじロッド２４の一端は静止軸受部材２６に回転自在に支持されており、他端はステッピングモータであるのが好都合である回転駆動源２８の出力軸に接続されている。雄ねじロッド２４は雌ねじブロック３０に形成された貫通雌ねじ孔に螺合せしめられている。雌ねじブロック３０は中空フレーム２２の上壁を貫通して上方に突出せしめられており、上記可動基台１８は雌ねじブロック３０の上面に固定されている。従って、回転駆動源２８によって雄ねじロッド２４が回転せしめられると、雌ねじブロック３０及び可動基台１８が雄ねじロッド２４に沿って移動せしめられる。回転駆動源２８の回転軸には中空フレーム２２の外側に配設された手動操作把持片３２が、中空フレーム２２の片側壁を通って延びる連結短軸によって接続されており、把持片３２を回転せしめることによって可動基台１８の停止位置（後述するレーザ光線受光位置及び透過率測定位置）を手動で微調整することができる。

上記可動基台１８の上面には、実質上水平に延在する支持部材３４を含む試料保持手段１４が装着されている。詳述すると、可動基台１８の上面には実質上鉛直に延びる円筒形状である案内部材３６が固定されている。一方、支持部材３４の下面片側部には被案内部材３８が固定されている。被案内部材３８は、特定角度領域を部分的に弦状に欠損した円柱形状である。被案内部材３８の非欠損部分の外径は案内部材３６の内径に対応せしめられており、案内部材３６内に非案内部材３８を挿入することによって、案内部材３６に対して被案内部材３８が鉛直方向に移動自在に組み合わされている。支持部材３４には、被案内部材３８の欠損領域を通って実質上鉛直に延びる雄ねじロッド４０が固定されている。この雄ねじロッド４０の下端部、は案内部材３６の下部に回転自在に装着された雌ねじ部材（図示していない）に螺合されている。案内部材３６の外周面には回転リング４２を含む微調整機構が配設されている。回転リング４２は適宜の連動機構を介して上記雌ねじ部材に連結されており、回転リング４２を手動で回転して雌ねじ部材を回転せしめることによって、雄ねじロッド４０の鉛直方向位置、従って試料保持手段１４の鉛直方向位置を手動で微調整することができる。

上記支持部材３４の上面片側部（図３において右側部）には、静止片４４と可動片４６とが配設されている。静止片４４は所定位置に固定されており、可動片４６は静止片４４に対して接近及び離隔する方向に所定範囲に渡って移動自在に且つ静止片４４に接近する方向に適宜のばね部材（図示していない）によって弾性的に偏倚されている。静止片４４及び可動片４６は相互に対向する実質上鉛直な係合平面を有する。例えばフッ化カルシウム単結晶製の立方体（例えば２５×２５×２５ｍｍ程度の寸法であるのが好都合である）でよい試料４８は、その一平面即ち下面を支持部材３４の上面に接触せしめて静止片４４と可動片４６との間に弾性的に把持することによって保持される（この際には可動片４６を手動で静止片４４から離隔する方向に移動せしめて静止片４４と可動片４６との間に試料４８を位置せしめることができる）。

図３及び図４と共に図２を参照して説明を続けると、駆動手段２０における回転駆動源２８を付勢して雄ねじロッド２４を正転又は逆転することによって、試料保持手段１４は図２、図３及び図４に実線で示すレーザ光線受光位置と図２に二点鎖線で示す透過率測定位置とに選択的に位置付けられる。試料保持手段１４がレーザ光線受光位置に位置せしめられている状態において、試料保持手段１４の片側（図２において左側）には、レーザ光線が通過する小孔（アパーチャ）が形成されている小孔部材５０が配設されている。小孔部材５０に形成されている小孔の直径は５ｍｍ程度でよい。試料保持手段１４の他側（図２において右側）には、試料保持手段１４に保持されている試料４８を透過したレーザ光線のパワーを測定する、それ自体は周知の形態でよいパワー測定手段５２が配設されている。一方、試料保持手段１４が透過率測定位置に位置せしめられると、試料保持手段１６によって保持されている試料４８の透過率を透過率測定装置１６によって測定することが可能になる。透過率測定装置１６は市販されている周知の形態のものでよく、例えば１９０乃至８００ｎｍの波長範囲において光透過率を測定することができる紫外可視分光光度計を好都合に使用することができる。主チャンバ４の片側壁における第二の補助チャンバ１２の先端が接続されている領域には、フッ化カルシウム単結晶から形成されているのが好都合である透明板（図示していない）が配設されており、主チャンバ４と第二の補助チャンバ１２とは気密に分離されているのが好適である。

再び図１を参照して説明を続けると、主チャンバ４の上面壁５４には比較的大きな矩形状の開口（図示していない）が形成され、そしてかかる開口を囲繞するフレーム部材５６が上面壁５４上に装着されている。フレーム部材５６は複数個の締結ねじ５８によって上面壁５４に着脱自在に装着されている。フレーム部材５６は上記開口に対応した矩形外枠部片と共に外枠部材間を接続する複数個の桟部片（図示していない）を有する。フレーム部材５６の周縁部上面には、フレーム部材５６を主チャンバ４の上面壁５４から離脱せしめる際に把持することができる複数個のハンドル５９が配設されている。フレーム部材５６には、複数個（図示の場合は６個）の扉６０が装着されている。扉６０の各々は複数個の締結ねじ６２によって着脱自在にフレーム部材５６に装着されている。複数個の扉６０のうちの１個には円形でよい開口が形成されており、かかる開口に対応して覗き窓部材６４が扉６０に装着されている。覗き窓部材６４の円形中央部はガラスでよい透明材料によって規定されており、覗き窓６６が規定されている。この覗き窓６６は、上面に把持片を有する円形板から構成された光遮断手段６８によって解放自在に閉じられている。光遮断手段６８を覗き窓部材６４から離脱して覗き窓６６を開放すると、覗き窓６６を通して主チャンバ４内を覗くことができる。図示の実施形態においては、覗き窓６６は上記透過率測定位置に対応して配置されている。フレーム部材５６を主チャンバ４の上面壁５４から離脱せしめると、上面壁５４に形成されている比較的大きな開口が開放され、かかる開口を通して主チャンバ４内にアクセスすることができる。主チャンバ４の上面壁５４に固定されているフレーム部材５６から適宜の扉６０を離脱せしめると、上面壁５４に比較的小さい開口が形成され、かかる開口を通して主チャンバ４内にアクセスすることができる。

図１と共に図２を参照して説明を続けると、レーザ源チャンバ８内にはレーザ源７０が配設されている。レーザ源７０は波長が１９３ｎｍであるパルスレーザ光線を生成するＡｒＦエキシマレーザであるのが好適であり、例えばコヒレント・ジャパン株式会社から商品名「ＬＰＸＰｒｏ２２０」として販売されているＡｒＦエキシマレーザ（最大パルスエネルギー：３００ｍｊ、最大繰り返し周波数：２００Ｈｚ、光線サイズ：１０×２４ｍｍ、パルス幅：１５ｎｓｅｃ）を使用することができる。これに代えて、同社から「ＬＰＸＰｒｏ」シリーズ及び「ＣＯＭＰｅｘＰｒｏ」シリーズとして販売されているＡｒＦエキシマレーザ、或いは同社以外から販売されているＡｒＦエキシマレーザを使用することもできる。更に、試料使用条件に対応して、Ｆ_２エキシマレーザ或いはＫｒＦエキシマレーザ等を使用することもできる。

光学手段チャンバ６内には、レーザ源７０が生成するレーザ光線を上記小孔部材５０に形成されている小孔を通して、レーザ光線受光位置に位置せしめられている試料保持手段１４に保持されている試料４８に照射するための光学手段７２が配設されている。図２と共に図５を参照して説明すると、図示の実施形態における光学手段７２は凹レンズ７４、凸レンズ７６及び凸レンズ７８を含んでいる。レーザ源７０からのレーザ光線は、凹レンズ７４によって平行光線から漸次増径する形態に変更され、次いで凸レンズ７６によって平行光線に戻され、しかる後に凸レンズ７８によって漸次縮径する形態に変更され、小孔部材５０の小孔を通して、試料４８に照射される。即ちレーザ源７０が精製するレーザ光線は、レーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２を通って主チャンバ４内に進行せしめられて試料４８に照射される。レーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２は協働して単一の密封空間を形成しているのが好適である。

図２に簡略に図示する如く、単一の密封空間を規定している主チャンバ４には複数個の導入孔８０と共に複数個の導出孔８２が形成されており、導入孔８０には導入パイプ（図示していない）を介して、レーザ源７０が生成する波長が１９３ｎｍであるレーザ光線を吸収しないレーザ光線非吸収気体（例えば、窒素、アルゴン或いはヘリウム等）、好ましくは窒素、の供給源（図示していない）に接続され、導出孔８２には排出パイプ（図示していない）が接続される。同様に、単一の密封空間を規定するレーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２にも複数個の導入孔８０と共に複数個の導出孔８２が形成されており、導入孔８０には導入パイプ（図示していない）を介して、レーザ源７０が生成する波長が１９３ｎｍであるレーザ光線を吸収しないレーザ光線非吸収気体、好ましくは窒素、の供給源（図示していない）に接続され、導出孔８２には排出パイプ（図示していない）が接続される。測定装置が作動せしめられる際には、導入孔８０を通してレーザ光線非吸収気体が導入され、単一の密封空間を規定している主チャンバ４内と共に協働して単一の密封空間を規定してしるレーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２内はレーザ光線非吸収気体で満たされ、レーザ源７０が生成するレーザ光線が酸素に吸収されて減衰することが回避される。

次に、上述したとおりの測定装置による、レーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動の測定様式を説明する。例えば２５×２５×２５ｍｍの立方体形状フッ化カルシウム単結晶である試料４８の耐レーザ光線特性を測定する場合には、主チャンバ４の上面壁５４に配設されている扉６０の１個をフレーム部材５６から離脱してアクセス開口を生成し、レーザ光線受光位置に位置せしめられている試料保持手段１４に所要とおりに試料４８を装填する。次いで、離脱せしめた扉６０を再び装着して主チャンバ４を密封する。しかる後に、導出孔８０を通してレーザ光線非吸収気体を導入し続けて、主チャンバ４と共にレーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２内から空気を放逐してレーザ光線非吸収気体で満たす。次いで、レーザ源７０を作動せしめて試料４８に、例えば１００００回繰り返しパルスレーザ光線を照射する。パルスレーザ光線を繰り返し照射する際には所要パワーのパルスレーザ光線が照射されているか否かをパワー測定手段によって監視することができる。パスルレーザ光線の照射が終了すると、レーザ光線非吸収気体の導入を終了することができる。次いで、駆動手段２２を作動せしめて試料保持１４をレーザ光線受光位置から図２に二点鎖線で示す透過率測定位置に移動せしめる。次いで、透過率測定手段１６を作動せしめて試料４８の透過率を測定する。必要に応じて、駆動手段２２を再び作動せしめて試料保持手段１４をレーザ光線受光位置に位置せしめる。次いで、レーザ源７０を作動せしめて試料４８に、例えば４００００回（従って総計で５００００回）繰り返しパルスレーザ光線を照射する。しかる後に、駆動手段２２を作動せしめて試料保持手段１４を再びレーザ光線受光位置から図２に二点鎖線で示す透過率測定位置に移動せしめる。次いで、透過率測定手段１６を作動せしめて試料４８の透過率を測定する。かようにして、本発明に従って構成された測定装置によれば、充分簡易に且つ迅速に、レーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定することができる。

２：ハウジング
４：主チャンバ
６：光学手段チャンバ
８：レーザ源チャンバ
１０：第一の補助チャンバ
１２：第二の補助チャンバ
１４：試料保持手段
１６：透過率測定手段
２２：ボールねじ式駆動手段
４８：試料
５０：小孔部材
５２：パワー測定手段
５６：フレーム部材
６０：扉
６６：覗き窓
７０：レーザ源
７２：光学手段
８０：導入孔
８２：導出孔

本発明によれば、上記主たる目的を達成する測定装置として、レーザ光線受光位置と透過率測定位置とに選択的に位置せしめられる試料保持手段と、
パルスレーザ光線を生成するレーザ源と、
該レーザ源が生成するパルスレーザ光線を、該レーザ光線受光位置に位置せしめられている該試料保持手段に保持されている試料に照射せしめるための光学手段と、
該透過率測定位置に位置せしめられている試料保持手段に保持されている試料の透過率を測定するための透過率測定手段と、
を具備するレーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定する測定装置が提供される。

次に、上述したとおりの測定装置による、レーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動の測定様式を説明する。例えば２５×２５×２５ｍｍの立方体形状フッ化カルシウム単結晶である試料４８の耐レーザ光線特性を測定する場合には、主チャンバ４の上面壁５４に配設されている扉６０の１個をフレーム部材５６から離脱してアクセス開口を生成し、レーザ光線受光位置に位置せしめられている試料保持手段１４に所要とおりに試料４８を装填する。次いで、離脱せしめた扉６０を再び装着して主チャンバ４を密封する。しかる後に、導出孔８０を通してレーザ光線非吸収気体を導入し続けて、主チャンバ４と共にレーザ源チャンバ８、第一の補助チャンバ１０、光学手段チャンバ６及び第二の補助チャンバ１２内から空気を放逐してレーザ光線非吸収気体で満たす。次いで、レーザ源７０を作動せしめて試料４８に、例えば１００００回繰り返しパルスレーザ光線を照射する。パルスレーザ光線を繰り返し照射する際には所要パワーのパルスレーザ光線が照射されているか否かをパワー測定手段によって監視することができる。パルスレーザ光線の照射が終了すると、レーザ光線非吸収気体の導入を終了することができる。次いで、駆動手段２２を作動せしめて試料保持１４をレーザ光線受光位置から図２に二点鎖線で示す透過率測定位置に移動せしめる。次いで、透過率測定手段１６を作動せしめて試料４８の透過率を測定する。必要に応じて、駆動手段２２を再び作動せしめて試料保持手段１４をレーザ光線受光位置に位置せしめる。次いで、レーザ源７０を作動せしめて試料４８に、例えば４００００回（従って総計で５００００回）繰り返しパルスレーザ光線を照射する。しかる後に、駆動手段２２を作動せしめて試料保持手段１４を再びレーザ光線受光位置から図２に二点鎖線で示す透過率測定位置に移動せしめる。次いで、透過率測定手段１６を作動せしめて試料４８の透過率を測定する。かようにして、本発明に従って構成された測定装置によれば、充分簡易に且つ迅速に、レーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定することができる。

Claims (10)

1. レーザ光線受光位置と透過率測定位置とに選択的に位置せしめられる試料保持手段と、
   パスルレーザ光線を生成するレーザ源と、
   該レーザ源が生成するパルスレーザ光線を、該レーザ光線受光位置に位置せしめられている該試料保持手段に保持されている試料に照射せしめるための光学手段と、
   該透過率測定位置に位置せしめられている試料保持手段に保持されている試料の透過率を測定するための透過率測定手段と、
   を具備するレーザ光線の繰り返し照射に起因する試料の透過率変動を測定する測定装置。
2. 更に、該試料を透過したレーザ光線のパワーを測定するパワー測定手段を具備する、請求項１記載の測定装置。
3. 該試料保持手段は該レーザ光線受光位置と該透過率測定位置との間を水平に往復動せしめられる、請求項２記載の測定装置。
4. 該試料保持手段は鉛直方向位置を調整自在に装着されている、請求項３記載の測定装置。
5. 該試料保持手段、該レーザ源、該光学手段及び該透過率測定手段は、暗室を規定するハウジング内に収容されている、請求項１から４までのいずれかに記載の測定装置。
6. 該レーザ源は波長が１９３ｎｍのレーザ光線を生成するＡｒＦエキシマレーザであり、該ハウジングには波長が１９３ｎｍのレーザ光線を吸収しないレーザ光線非吸収気体を導入するための少なくとも１個の導入孔と少なくとも１個の導出孔とが配設されている、請求項５記載の測定装置。
7. 該レーザ光線非吸収気体は窒素である、請求項６記載の測定装置。
8. 該ハウジングは、該試料保持手段及び該透過率測定手段が収容されている主チャンバ、該光学手段が収容されている光学手段チャンバ、該レーザ源が収容されたレーザ源チャンバ、該レーザ源チャンバと該光学手段チャンバとを接続する第一の補助チャンバ及び該光学手段チャンバと該主チャンバとを接続する第二の補助チャンバを含み、該レーザ源が生成するレーザ光線は該レーザ源チャンバ、第一の補助チャンバ、該光学手段チャンバ及び該第二の補助チャンバを通って該主チャンバ内に進行して、該レーザ受光位置に位置せしめられている該試料保持手段に保持されている試料に到達する、請求項５から７までのいずれかに記載の測定装置。
9. 該主チャンバには、透明材料から形成された少なくとも１個の覗き窓が配設されており、該覗き窓は光遮断手段によって開放自在に閉じられている、請求項８記載の測定装置。
10. 該主チャンバには着脱自在なフレーム部材が配設されており、該フレーム部材には複数個の扉が夫々別個独立に開閉自在乃至着脱自在に装着されている、請求項８または９記載の測定装置。

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