JP4615147B2 - 光スペクトル検出装置及びそれを用いた分光装置とレーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、光スペクトル検出装置に関し、特に、エキシマレーザやＦ2（フッ素分子）レーザの出力光のスペクトル（波長やスペクトル幅を含む）を検出するために用いられる光スペクトル検出装置に関する。さらに、本発明は、そのような光スペクトル検出装置を用いた分光装置及びレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の集積度の向上に伴い、露光装置の光源として、短波長のレーザ光を出力するエキシマレーザやＦ2（フッ素分子：molecular fluorine）レーザが注目されている。これらのレーザ装置は、露光装置の光学系における色収差を小さくするため、狭帯域なスペクトル幅を有するレーザ光を出力することが可能である。これらのレーザ装置から出力されるレーザ光の波長やスペクトル幅を所定の値に維持するために、紫外光のスペクトルを検出できる光スペクトル検出装置が使用されている。
【０００３】
このような光スペクトル検出装置として、日本国特許第２９９７９５６号公報には、エタロンのような分光素子を通過した被測定光が干渉縞（フリンジ）を形成する面の近傍に配置され、入射光をその強度に応じた電気信号に変換するための複数のチャンネルを有する波長検出装置が開示されている。この波長検出装置には、例えばＣＣＤ（電荷結合素子：charge coupled device）のような撮像素子が光検出器として含まれており、この光検出器の各チャンネルの出力値に基づいてレーザ光のスペクトルの検出を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体の集積度がさらに上昇する傾向にあり、露光装置用のエキシマレーザやＦ2レーザの出力光の波長やスペクトル幅をより高精度に調整する必要が生じている。このため、これらのレーザの出力光のスペクトルを検出する光スペクトル検出装置において、検出精度をさらに向上させることが求められている。
【０００５】
ところで、光スペクトル検出装置に含まれている光検出器の複数のチャンネル間には検出感度やリニアリティ（直線性）のバラツキが存在するので、同じ光強度に対する各チャンネルの出力値は一致しないことが多い。しかしながら、先に述べた様な従来の光スペクトル検出装置においては、各チャンネルの出力値をそのまま用いて被測定光のスペクトル検出を行っていたので、複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差が、レーザ光の波長やスペクトル幅の測定誤差となっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、被測定光のスペクトルをさらに高い精度で検出できる光スペクトル検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような光スペクトル検出装置を用いた分光装置及びレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光スペクトル検出装置は、分光素子を通過した被測定光の結像位置の近傍に配置される光検出器であって入射光をその強度に応じた電気信号に変換することにより検出信号を出力する複数のチャンネルを有する光検出器と、光検出器から出力される検出信号に基づいて検出データを出力するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出データに基づいて、光検出器の複数のチャンネル間における検出感度の差を補正した補正データを求める信号処理手段とを具備し、信号処理手段が、光検出器の複数のチャンネルごとに、光検出器の検出信号の複数のレベルに対応する複数の補正データを求めることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る分光装置は、入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、分光素子の出射光を結像させる結像手段と、分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、分光素子に入射される光の波長又はスペクトル幅を検出するための上記の光スペクトル検出装置とを具備する。
【０００９】
さらに、本発明に係るレーザ装置は、所定の波長とスペクトル幅とを有するレーザ光を発生するレーザ発振器と、レーザ発振器から入射される入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、分光素子の出射光を結像させる結像手段と、分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、レーザ発振器が発生するレーザ光の波長又はスペクトル幅を検出するための上記の光スペクトル検出装置とを具備する。
【００１０】
上記構成によれば、光スペクトルの測定において、光検出器の複数のチャンネルから出力される検出信号を複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキに基づいて補正して被測定光のスペクトル検出を行うので、光検出器の複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差を低減し、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素については同一の参照番号を付して、これらの説明を省略する。また、以下の諸数値は、本発明の実施形態の説明を簡単にするために用いられており、別の数値に変更されても良い。
【００１２】
図１に、本発明の一実施形態に係る光スペクトル検出装置の構成を示す。この光スペクトル検出装置は、エキシマレーザ光やＦ2（フッ素分子：molecular fluorine）レーザ光のような紫外光のスペクトルを検出するのに適している。
光スペクトル検出装置１００は、エタロンのような分光素子を通過した被測定光が干渉縞（フリンジ）を形成する面の近傍に配置されるイメージセンサ（光検出器）１を含んでいる。イメージセンサ１としては、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子：charge coupled device）のような撮像素子が用いられる。イメージセンサ１は、入射光をその強度に応じた電気信号に変換することにより検出信号を出力する複数（本実施形態においては２５６個）のチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５を有している。これらのチャンネルは、被測定光の干渉縞の形成面に平行な１つの方向に沿って１列に配列するように設けられている。イメージセンサ１は、電源回路２から電源が供給され、駆動回路３によって駆動されると、複数のチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５においてそれぞれ生成された複数の検出信号を順次出力する。
【００１３】
イメージセンサ１から出力された検出信号は、増幅回路４によって所定の増幅率で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５に入力される。Ａ／Ｄ変換器５は、増幅回路４から入力された検出信号を、例えば１２ビットの分解能（０〜４０９５）を有するデジタル信号に変換し、検出データとして信号処理部６に順次出力する。
【００１４】
信号処理部６は、基準光を測定した際にＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データを、初期データとして出力回路１０に供給する。また、信号処理部６は、被測定光を測定した際にＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データを、イメージセンサ１の複数のチャンネル間における検出感度やリニアリティのバラツキを補正した補正データに変換して出力回路１０に供給する。出力回路１０は、初期データや補正データを外部に出力する。
【００１５】
最初に、信号処理部６において使用される補正データを求める際には、出力回路１０にＣＰＵ（中央演算処理装置：central processing unit）２０が接続される。ＣＰＵ２０は、基準光を測定した際に出力回路１０から出力される初期データに基づいて、後で詳しく述べる方法を用いて補正データを作成し、信号処理部６に供給する。その後は、信号処理部６が、被測定光を測定して得られる検出データを補正データに変換することにより、イメージセンサ１の複数のチャンネル間における検出感度やリニアリティのバラツキを補正することができる。
【００１６】
図２に、信号処理部６の具体的な構成例を示す。信号処理部６は、補正データを記憶するためのフラッシュメモリ７と、フラッシュメモリ７に補正データを書込む補正データ書込み回路８と、Ａ／Ｄ変換器５から出力される検出データをアドレスとして用いて、補正データを読み出すためにフラッシュメモリ７にアクセスするアドレス回路９とを含んでいる。
【００１７】
フラッシュメモリ７に補正データを書き込む際には、補正データ書込み回路８にＣＰＵ２０が接続され、イメージセンサのチャンネルごとの補正データが供給される。補正データ書込み回路８は、これらの補正データを、イメージセンサのチャンネルごとに定められたフラッシュメモリ７の所定のアドレスに書き込む。
【００１８】
本実施形態においては、フラッシュメモリのアドレスの一部が、イメージセンサのチャンネル番号に相当し、フラッシュメモリのアドレスの他の一部が、記憶すべき補正データに対応する検出データに相当している。従って、イメージセンサのチャンネル番号とそのチャンネルから得られた検出データとによってフラッシュメモリのアドレスが定まると、そのアドレスに記憶されている補正データを読み出すことにより、即座に補正データが求められる。
【００１９】
ここで、フラッシュメモリに対する補正データの書込み及び読出し動作の一例について、詳細に説明する。
図３に、フラッシュメモリにおけるアドレスの設定例を示す。例えば、イメージセンサのチャンネルＣＨ０については、検出データ（００００〜４０９５）にそれぞれ対応するアドレス（０００００００〜０００４０９５）が設定されている。同様に、イメージセンサのチャンネルＣＨ２５５については、検出データ（００００〜４０９５）にそれぞれ対応するアドレス（２５５００００〜２５５４０９５）が設定されている。ここで、アドレスの７桁の数値において、上位３桁の数値は、その検出データが得られたチャンネルの番号を表し、下位４桁の数値は、検出データそのものを表している。
【００２０】
基準光を測定した際には、計算により求められた補正データが、フラッシュメモリのそれぞれのアドレスに書き込まれる。
図４に、イメージセンサのそれぞれのチャンネルについて、補正データの設定例を示す。ここでは、チャンネルＣＨ０の検出データ（００００〜４０９５）に対して一律に＋５の補正がされ、アドレス（０００００００〜０００４０９５）に補正データ（０００５〜４０９５）が書き込まれる。以下、チャンネルＣＨ１に対しては一律に＋１０の補正がされ、ＣＨ２５５に対しては一律に＋１００の補正がされて、それぞれのアドレスに補正データが書き込まれる。なお、ここでは補正データの最大値を４０９５としている。
【００２１】
被測定光を測定した際には、測定により求められた検出データに基づいて、フラッシュメモリのそれぞれのアドレスに記憶されている補正データが読み出される。
再び図２を参照すると、アドレス回路９は、イメージセンサのチャンネル番号とＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データそのものとの組合せをアドレス情報として用いて、フラッシュメモリ７にアクセスする。これにより、フラッシュメモリ７の当該アドレスに記憶されている補正データが、出力回路１０に供給される。なお、アドレス回路９において、Ａ／Ｄ変換器５から出力される検出データをデコードすることによりアドレス情報を得るようにしても良い。
【００２２】
次に、図５及び図６を参照しながら、フラッシュメモリに記憶する補正データの具体的な取得方法について説明する。
先ず、強度の均一なプロファイルを有する光源を用いて、イメージセンサの全チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５を露光する。なお、この光源は、紫外光を発生するものでも良いし、可視光を発生するものでも良い。
【００２３】
ＣＣＤ等のイメージセンサの出力値は、入射光の光量、即ち、入射光の強度と露光時間との積に比例する。このため、強度の均一な光を用いて複数の露光時間についてイメージセンサの複数のチャンネルの出力値を補正することにより、様々な強度の入射光に対してイメージセンサの複数のチャンネルの出力値を均一化することが可能である。
【００２４】
そこで、本実施形態においては、イメージセンサの出力値が飽和しないような複数の露光時間Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔk（Ｔ1＜Ｔ2＜・・・＜Ｔk：ｋは２以上の整数を表す）において、イメージセンサのチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５の出力レベルを計測し、これらに基づいて得られた検出データを記憶する。これにより、図５に示すように、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、露光時間と検出レベルとの対応関係が把握される。
なお、このような計測を繰り返して行い、露光時間Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔkごとに、計測された検出レベルの平均値を求めても良い。このようにすれば、検出レベルの計測におけるバラツキを低減することができる。
【００２５】
次に、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、露光時間と検出レベルとの間の関係を一本の曲線で近似する。ここでは、例として、直線で近似する場合について説明する。この近似直線を、次式（１）で表す。
Ｙｉ＝Ａｉ・Ｔｊ＋Ｂｉ ・・・（１）
（ｉ＝０、１、・・・、２５５、 ｊ＝１、２、・・・、ｋ）
ここで、各記号は以下の値を表す。
Ｔｊ：それぞれの露光時間
Ｙｉ：番号ｉのチャンネルの検出レベルの近似値
Ａｉ：番号ｉのチャンネルの近似直線の傾き
Ｂｉ：番号ｉのチャンネルの近似直線の切片
式（１）における定数Ａｉ及びＢｉの値を求めるには、例えば、最小自乗法を用いれば良い。
【００２６】
次に、１つのチャンネルの検出レベルを基準として、他のチャンネルの検出レベルを補正する方法について説明する。ここでは、例として、チャンネルＣＨ１２８の検出レベルを基準とする。また、検出レベルは、１２ビットで表示されるものとする。
以下においては、露光時間として、チャンネルごとの値Ｔｉを考える。
Ｙｉ＝Ａｉ・Ｔｉ＋Ｂｉ ・・・（２）
式（２）を変形すると、次式（３）が得られる。
Ｔｉ＝（Ｙｉ−Ｂｉ）／Ａｉ ・・・（３）
ここで、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、検出レベルＹｉとして複数の数値Ｙ＝０、１、・・・、４０９５を、式（３）に順次代入する。
これにより、複数の検出レベルにそれぞれ対応する複数の露光時間Ｔｉ（Ｙ）、即ち、Ｔｉ（０）、Ｔｉ（１）、・・・、Ｔｉ（４０９５）が求められる。
【００２７】
例えば、チャンネルＣＨ１において得られた検出レベルＹ１に対し、対応する露光時間Ｔ１（Ｙ１）の値が求められる。チャンネルＣＨ１の検出レベルをチャンネルＣＨ１２８の検出レベルと同一となるように補正するためには、この露光時間Ｔ１（Ｙ１）に対応するチャンネルＣＨ１２８の検出レベルを式（２）に基づいて求めれば良い。即ち、チャンネルＣＨ１における補正後の検出レベルをＹｃ１とすると、次式が成立する。
Ｙｃ１＝Ａ１２８・Ｔ１（Ｙ１）＋Ｂ１２８
一般に、番号ｉのチャンネルの検出レベルをチャンネルＣＨ１２８の検出レベルと同一となるようにするには、番号ｉのチャンネルの検出レベルＹｉを次式のように補正して、補正後の検出レベルＹｃｉを求めれば良い。
Ｙｃｉ＝Ａ１２８・Ｔｉ（Ｙｉ）＋Ｂ１２８ ・・・（４）
【００２８】
このようにして補正された検出レベルは、チャンネルごとに異なる直線で近似される検出感度やリニアリティを、基準となるチャンネルＣＨ１２８の近似直線で表される検出感度やリニアリティに統一したのと等価である。なお、チャンネルＣＨ１２８を基準とするかわりに、理想的な入出力特性を表す曲線（例えば、原点を通る直線）を基準として用いても良い。
【００２９】
図６に示すように、チャンネルごとの複数の検出データ（０〜４０９５）にそれぞれ対応する複数の補正データは、フラッシュメモリにおいてチャンネル番号と検出データとの組合せで決定されるアドレスに対応して記憶され、補正テーブルを構成する。
【００３０】
本実施形態によれば、イメージセンサの複数のチャンネルにおける検出感度やリニアリティが補正により統一されるので、強度の均一な光を全チャンネルに入射したときに、出力されるデータが同じ値となる。これにより、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で検出することができる。
【００３１】
次に、図７を参照しながら、本発明の一実施形態に係る分光装置について説明する。なお、この分光装置が真空紫外光（例えば、ＡｒＦ（アルゴン・フッ素：argon fluoride）エキシマレーザ光、Ｆ2レーザ光）用である場合には、動作前にその内部を真空引きするか、又は、乾いた窒素ガスを用いてパージすることが望ましい。
【００３２】
図７に示す分光装置は、入射光を散乱させるための磨り硝子４０を有する。磨り硝子４０を通過した光は、入射光の中から目標の波長を有する光を取り出すのに用いられるエタロン４１に入射する。
【００３３】
エタロン４１は、互いに対面するように配置されたエタロン板４２、４３を有する。エタロン板４２、４３の間には、これらの間に空隙を形成するためのスペーサ４４、４５が設けられている。なお、この分光装置が真空紫外光用である場合には、エタロン板の材料として、螢石（ＣａＦ2）や、フッ素がドープされた合成石英等が用いられ、スペーサの材料として、フッ素がドープされた合成石英や、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等が用いられる。
【００３４】
エタロン４１及び集光レンズ４６を順に通過した光が干渉縞（フリンジ）ＩＦを形成する面の近傍には、先に述べた様な構成を有する光スペクトル検出装置４７が配置されている。光スペクトル検出装置４７は、検出した光のスペクトルに関するデータを、ＣＰＵ等で構成されるデータ処理装置５０に出力する。データ処理装置５０は、入力されたデータに基づいて、入射光の波長やスペクトル幅を求めて表示する。
【００３５】
次に、図８を参照しながら、本発明の一実施形態に係るレーザ装置について説明する。なお、このレーザ装置がＡｒＦエキシマレーザ装置又はＦ2レーザ装置である場合には、動作前にその内部を真空引きするか、又は、乾いた窒素ガスを用いてパージするのが望ましい。
【００３６】
図８に示すレーザ装置は、放電により励起して真空紫外光を発生させるレーザ媒質を収容するレーザチャンバ６０を有する。このレーザ装置がＡｒＦエキシマレーザ装置又はＦ2レーザ装置である場合には、フッ素分子を含む混合ガスがレーザ媒質として用いられる。レーザチャンバ６０内で発生した光は、窓６１又は６２を通してレーザチャンバ６０の外に出る。窓６１及び６２は、レーザチャンバ６０を貫く光軸と所定のブリュスタ角を為すように、レーザチャンバ６０に設けられている。このようにして、レーザチャンバ６０内で発生した光が窓６１又は６２から反射されることによる損失を防いでいる。
【００３７】
レーザチャンバ６０から窓６１を通して出射された光は、コントローラ７０からドライバ７１を介して設定される波長を有する入射光のスペクトル幅を目標値まで狭めるための狭帯域モジュール６３に入射する。窓６１及び狭帯域モジュール６３を順に通過した光は、全反射鏡６４により狭帯域モジュール６３に向けて反射される。一方、レーザチャンバ６０から窓６２を介して出射された光の一部は、部分反射鏡６５によりレーザチャンバ６０に向けて反射され、残りは部分反射鏡６５を通過する。
【００３８】
全反射鏡６４及び部分反射鏡６５は、目標の波長を有する光を共振させるための構造がそれらの間に形成されるように配置されている。レーザチャンバ６０内で発生した光の一部は、全反射鏡６４と部分反射鏡６５との間を往復しながら、レーザチャンバ６０を通過するごとに増幅され、狭帯域モジュール６３においてそのスペクトル幅を目標値にまで狭められる。
【００３９】
部分反射鏡６５を通過した光は、波長及び位相の揃ったレーザ光Ｌ1としてビームスプリッタ６６に入射する。ビームスプリッタ６６に入射したレーザ光Ｌ1の一部は、ビームスプリッタ６６を通過して出力され、残りは、ビームスプリッタ６６によって反射され、さらに、ビームスプリッタ６７に入射する。ビームスプリッタ６７は、コントローラ７０によって制御される参照光源６８から入射する参照光Ｌ2を、ビームスプリッタ６６によって反射されたレーザ光Ｌ1の進行方向と平行な方向に向けて反射する。参照光源６８から出力される参照光Ｌ2は、既に知られたスペクトル分布を有しており、レーザ光Ｌ1の波長を求める際の基準となる。
【００４０】
ビームスプリッタ６７を通過したレーザ光Ｌ1と、ビームスプリッタ６７から反射された参照光Ｌ2とは、先に述べた様な構成を有する分光装置６９に入力される。分光装置６９に含まれる光スペクトル検出装置の出力データは、コントローラ７０に入力される。コントローラ７０は、レーザ光Ｌ1を測定した際の出力データと参照光Ｌ2を測定した際の出力データとを比較することにより、レーザ光Ｌ1の波長やスペクトル幅を求め、これに基づいてドライバ７１を介して狭帯域モジュール６３を制御する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光スペクトルの測定において、光検出器の複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差を低減し、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光スペクトル検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の信号処理部の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図３】図２のフラッシュメモリにおけるアドレスの設定例を示す図である。
【図４】図２のフラッシュメモリにおける補正データの設定例を示す図である。
【図５】光スペクトル検出装置の各チャンネルにおける露光時間と検出レベルとの関係を示す図である。
【図６】図２のフラッシュメモリに記憶される補正テーブルの構成例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る分光装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ イメージセンサ
２ 電源回路
３ 駆動回路
４ 増幅回路
５ Ａ／Ｄ変換器
６ 信号処理部
７ フラッシュメモリ
８ 補正データ書込み回路
９ アドレス回路
１０ 出力回路
２０ ＣＰＵ
４０ 磨り硝子
４１ エタロン
４２、４３ エタロン板
４４、４５ スペーサ
４６ 集光レンズ
４７ 光スペクトル検出装置
５０ データ処理装置
６０ レーザチャンバ
６１、６２ 窓
６３ 狭帯域モジュール
６４ 全反射鏡
６５ 部分反射鏡
６６、６７ ビームスプリッタ
６８ 参照光源
６９ 分光装置
７０ コントローラ
７１ ドライバ
１００ 光スペクトル検出装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、光スペクトル検出装置に関し、特に、エキシマレーザやＦ2（フッ素分子）レーザの出力光のスペクトル（波長やスペクトル幅を含む）を検出するために用いられる光スペクトル検出装置に関する。さらに、本発明は、そのような光スペクトル検出装置を用いた分光装置及びレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の集積度の向上に伴い、露光装置の光源として、短波長のレーザ光を出力するエキシマレーザやＦ2（フッ素分子：molecular fluorine）レーザが注目されている。これらのレーザ装置は、露光装置の光学系における色収差を小さくするため、狭帯域なスペクトル幅を有するレーザ光を出力することが可能である。これらのレーザ装置から出力されるレーザ光の波長やスペクトル幅を所定の値に維持するために、紫外光のスペクトルを検出できる光スペクトル検出装置が使用されている。
【０００３】
このような光スペクトル検出装置として、日本国特許第２９９７９５６号公報には、エタロンのような分光素子を通過した被測定光が干渉縞（フリンジ）を形成する面の近傍に配置され、入射光をその強度に応じた電気信号に変換するための複数のチャンネルを有する波長検出装置が開示されている。この波長検出装置には、例えばＣＣＤ（電荷結合素子：charge coupled device）のような撮像素子が光検出器として含まれており、この光検出器の各チャンネルの出力値に基づいてレーザ光のスペクトルの検出を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体の集積度がさらに上昇する傾向にあり、露光装置用のエキシマレーザやＦ2レーザの出力光の波長やスペクトル幅をより高精度に調整する必要が生じている。このため、これらのレーザの出力光のスペクトルを検出する光スペクトル検出装置において、検出精度をさらに向上させることが求められている。
【０００５】
ところで、光スペクトル検出装置に含まれている光検出器の複数のチャンネル間には検出感度やリニアリティ（直線性）のバラツキが存在するので、同じ光強度に対する各チャンネルの出力値は一致しないことが多い。しかしながら、先に述べた様な従来の光スペクトル検出装置においては、各チャンネルの出力値をそのまま用いて被測定光のスペクトル検出を行っていたので、複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差が、レーザ光の波長やスペクトル幅の測定誤差となっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、被測定光のスペクトルをさらに高い精度で検出できる光スペクトル検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような光スペクトル検出装置を用いた分光装置及びレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光スペクトル検出装置は、分光素子を通過した被測定光の結像位置の近傍に配置される光検出器であって入射光をその強度に応じた電気信号に変換することにより検出信号を出力する複数のチャンネルを有する光検出器と、光検出器から出力される検出信号に基づいて検出データを出力するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出データに基づいて、光検出器の複数のチャンネル間における検出感度の差を補正した補正データを求める信号処理手段とを具備し、信号処理手段が、光検出器の複数のチャンネルごとに、光検出器の検出信号の複数のレベルに対応する複数の補正データを求めることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る分光装置は、入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、分光素子の出射光を結像させる結像手段と、分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、分光素子に入射される光の波長又はスペクトル幅を検出するための上記の光スペクトル検出装置とを具備する。
【０００９】
さらに、本発明に係るレーザ装置は、所定の波長とスペクトル幅とを有するレーザ光を発生するレーザ発振器と、レーザ発振器から入射される入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、分光素子の出射光を結像させる結像手段と、分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、レーザ発振器が発生するレーザ光の波長又はスペクトル幅を検出するための上記の光スペクトル検出装置とを具備する。
【００１０】
上記構成によれば、光スペクトルの測定において、光検出器の複数のチャンネルから出力される検出信号を複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキに基づいて補正して被測定光のスペクトル検出を行うので、光検出器の複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差を低減し、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素については同一の参照番号を付して、これらの説明を省略する。また、以下の諸数値は、本発明の実施形態の説明を簡単にするために用いられており、別の数値に変更されても良い。
【００１２】
図１に、本発明の一実施形態に係る光スペクトル検出装置の構成を示す。この光スペクトル検出装置は、エキシマレーザ光やＦ2（フッ素分子：molecular fluorine）レーザ光のような紫外光のスペクトルを検出するのに適している。
光スペクトル検出装置１００は、エタロンのような分光素子を通過した被測定光が干渉縞（フリンジ）を形成する面の近傍に配置されるイメージセンサ（光検出器）１を含んでいる。イメージセンサ１としては、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子：charge coupled device）のような撮像素子が用いられる。イメージセンサ１は、入射光をその強度に応じた電気信号に変換することにより検出信号を出力する複数（本実施形態においては２５６個）のチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５を有している。これらのチャンネルは、被測定光の干渉縞の形成面に平行な１つの方向に沿って１列に配列するように設けられている。イメージセンサ１は、電源回路２から電源が供給され、駆動回路３によって駆動されると、複数のチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５においてそれぞれ生成された複数の検出信号を順次出力する。
【００１３】
イメージセンサ１から出力された検出信号は、増幅回路４によって所定の増幅率で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５に入力される。Ａ／Ｄ変換器５は、増幅回路４から入力された検出信号を、例えば１２ビットの分解能（０〜４０９５）を有するデジタル信号に変換し、検出データとして信号処理部６に順次出力する。
【００１４】
信号処理部６は、基準光を測定した際にＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データを、初期データとして出力回路１０に供給する。また、信号処理部６は、被測定光を測定した際にＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データを、イメージセンサ１の複数のチャンネル間における検出感度やリニアリティのバラツキを補正した補正データに変換して出力回路１０に供給する。出力回路１０は、初期データや補正データを外部に出力する。
【００１５】
最初に、信号処理部６において使用される補正データを求める際には、出力回路１０にＣＰＵ（中央演算処理装置：central processing unit）２０が接続される。ＣＰＵ２０は、基準光を測定した際に出力回路１０から出力される初期データに基づいて、後で詳しく述べる方法を用いて補正データを作成し、信号処理部６に供給する。その後は、信号処理部６が、被測定光を測定して得られる検出データを補正データに変換することにより、イメージセンサ１の複数のチャンネル間における検出感度やリニアリティのバラツキを補正することができる。
【００１６】
図２に、信号処理部６の具体的な構成例を示す。信号処理部６は、補正データを記憶するためのフラッシュメモリ７と、フラッシュメモリ７に補正データを書込む補正データ書込み回路８と、Ａ／Ｄ変換器５から出力される検出データをアドレスとして用いて、補正データを読み出すためにフラッシュメモリ７にアクセスするアドレス回路９とを含んでいる。
【００１７】
フラッシュメモリ７に補正データを書き込む際には、補正データ書込み回路８にＣＰＵ２０が接続され、イメージセンサのチャンネルごとの補正データが供給される。補正データ書込み回路８は、これらの補正データを、イメージセンサのチャンネルごとに定められたフラッシュメモリ７の所定のアドレスに書き込む。
【００１８】
本実施形態においては、フラッシュメモリのアドレスの一部が、イメージセンサのチャンネル番号に相当し、フラッシュメモリのアドレスの他の一部が、記憶すべき補正データに対応する検出データに相当している。従って、イメージセンサのチャンネル番号とそのチャンネルから得られた検出データとによってフラッシュメモリのアドレスが定まると、そのアドレスに記憶されている補正データを読み出すことにより、即座に補正データが求められる。
【００１９】
ここで、フラッシュメモリに対する補正データの書込み及び読出し動作の一例について、詳細に説明する。
図３に、フラッシュメモリにおけるアドレスの設定例を示す。例えば、イメージセンサのチャンネルＣＨ０については、検出データ（００００〜４０９５）にそれぞれ対応するアドレス（０００００００〜０００４０９５）が設定されている。同様に、イメージセンサのチャンネルＣＨ２５５については、検出データ（００００〜４０９５）にそれぞれ対応するアドレス（２５５００００〜２５５４０９５）が設定されている。ここで、アドレスの７桁の数値において、上位３桁の数値は、その検出データが得られたチャンネルの番号を表し、下位４桁の数値は、検出データそのものを表している。
【００２０】
基準光を測定した際には、計算により求められた補正データが、フラッシュメモリのそれぞれのアドレスに書き込まれる。
図４に、イメージセンサのそれぞれのチャンネルについて、補正データの設定例を示す。ここでは、チャンネルＣＨ０の検出データ（００００〜４０９５）に対して一律に＋５の補正がされ、アドレス（０００００００〜０００４０９５）に補正データ（０００５〜４０９５）が書き込まれる。以下、チャンネルＣＨ１に対しては一律に＋１０の補正がされ、ＣＨ２５５に対しては一律に＋１００の補正がされて、それぞれのアドレスに補正データが書き込まれる。なお、ここでは補正データの最大値を４０９５としている。
【００２１】
被測定光を測定した際には、測定により求められた検出データに基づいて、フラッシュメモリのそれぞれのアドレスに記憶されている補正データが読み出される。
再び図２を参照すると、アドレス回路９は、イメージセンサのチャンネル番号とＡ／Ｄ変換器５から出力される検出データそのものとの組合せをアドレス情報として用いて、フラッシュメモリ７にアクセスする。これにより、フラッシュメモリ７の当該アドレスに記憶されている補正データが、出力回路１０に供給される。なお、アドレス回路９において、Ａ／Ｄ変換器５から出力される検出データをデコードすることによりアドレス情報を得るようにしても良い。
【００２２】
次に、図５及び図６を参照しながら、フラッシュメモリに記憶する補正データの具体的な取得方法について説明する。
先ず、強度の均一なプロファイルを有する光源を用いて、イメージセンサの全チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５を露光する。なお、この光源は、紫外光を発生するものでも良いし、可視光を発生するものでも良い。
【００２３】
ＣＣＤ等のイメージセンサの出力値は、入射光の光量、即ち、入射光の強度と露光時間との積に比例する。このため、強度の均一な光を用いて複数の露光時間についてイメージセンサの複数のチャンネルの出力値を補正することにより、様々な強度の入射光に対してイメージセンサの複数のチャンネルの出力値を均一化することが可能である。
【００２４】
そこで、本実施形態においては、イメージセンサの出力値が飽和しないような複数の露光時間Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔk（Ｔ1＜Ｔ2＜・・・＜Ｔk：ｋは２以上の整数を表す）において、イメージセンサのチャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５の出力レベルを計測し、これらに基づいて得られた検出データを記憶する。これにより、図５に示すように、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、露光時間と検出レベルとの対応関係が把握される。
なお、このような計測を繰り返して行い、露光時間Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔkごとに、計測された検出レベルの平均値を求めても良い。このようにすれば、検出レベルの計測におけるバラツキを低減することができる。
【００２５】
次に、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、露光時間と検出レベルとの間の関係を一本の曲線で近似する。ここでは、例として、直線で近似する場合について説明する。この近似直線を、次式（１）で表す。
Ｙｉ＝Ａｉ・Ｔｊ＋Ｂｉ ・・・（１）
（ｉ＝０、１、・・・、２５５、 ｊ＝１、２、・・・、ｋ）
ここで、各記号は以下の値を表す。
Ｔｊ：それぞれの露光時間
Ｙｉ：番号ｉのチャンネルの検出レベルの近似値
Ａｉ：番号ｉのチャンネルの近似直線の傾き
Ｂｉ：番号ｉのチャンネルの近似直線の切片
式（１）における定数Ａｉ及びＢｉの値を求めるには、例えば、最小自乗法を用いれば良い。
【００２６】
次に、１つのチャンネルの検出レベルを基準として、他のチャンネルの検出レベルを補正する方法について説明する。ここでは、例として、チャンネルＣＨ１２８の検出レベルを基準とする。また、検出レベルは、１２ビットで表示されるものとする。
以下においては、露光時間として、チャンネルごとの値Ｔｉを考える。
Ｙｉ＝Ａｉ・Ｔｉ＋Ｂｉ ・・・（２）
式（２）を変形すると、次式（３）が得られる。
Ｔｉ＝（Ｙｉ−Ｂｉ）／Ａｉ ・・・（３）
ここで、チャンネルＣＨ０〜ＣＨ２５５のそれぞれについて、検出レベルＹｉとして複数の数値Ｙ＝０、１、・・・、４０９５を、式（３）に順次代入する。
これにより、複数の検出レベルにそれぞれ対応する複数の露光時間Ｔｉ（Ｙ）、即ち、Ｔｉ（０）、Ｔｉ（１）、・・・、Ｔｉ（４０９５）が求められる。
【００２７】
例えば、チャンネルＣＨ１において得られた検出レベルＹ１に対し、対応する露光時間Ｔ１（Ｙ１）の値が求められる。チャンネルＣＨ１の検出レベルをチャンネルＣＨ１２８の検出レベルと同一となるように補正するためには、この露光時間Ｔ１（Ｙ１）に対応するチャンネルＣＨ１２８の検出レベルを式（２）に基づいて求めれば良い。即ち、チャンネルＣＨ１における補正後の検出レベルをＹｃ１とすると、次式が成立する。
Ｙｃ１＝Ａ１２８・Ｔ１（Ｙ１）＋Ｂ１２８
一般に、番号ｉのチャンネルの検出レベルをチャンネルＣＨ１２８の検出レベルと同一となるようにするには、番号ｉのチャンネルの検出レベルＹｉを次式のように補正して、補正後の検出レベルＹｃｉを求めれば良い。
Ｙｃｉ＝Ａ１２８・Ｔｉ（Ｙｉ）＋Ｂ１２８ ・・・（４）
【００２８】
このようにして補正された検出レベルは、チャンネルごとに異なる直線で近似される検出感度やリニアリティを、基準となるチャンネルＣＨ１２８の近似直線で表される検出感度やリニアリティに統一したのと等価である。なお、チャンネルＣＨ１２８を基準とするかわりに、理想的な入出力特性を表す曲線（例えば、原点を通る直線）を基準として用いても良い。
【００２９】
図６に示すように、チャンネルごとの複数の検出データ（０〜４０９５）にそれぞれ対応する複数の補正データは、フラッシュメモリにおいてチャンネル番号と検出データとの組合せで決定されるアドレスに対応して記憶され、補正テーブルを構成する。
【００３０】
本実施形態によれば、イメージセンサの複数のチャンネルにおける検出感度やリニアリティが補正により統一されるので、強度の均一な光を全チャンネルに入射したときに、出力されるデータが同じ値となる。これにより、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で検出することができる。
【００３１】
次に、図７を参照しながら、本発明の一実施形態に係る分光装置について説明する。なお、この分光装置が真空紫外光（例えば、ＡｒＦ（アルゴン・フッ素：argon fluoride）エキシマレーザ光、Ｆ2レーザ光）用である場合には、動作前にその内部を真空引きするか、又は、乾いた窒素ガスを用いてパージすることが望ましい。
【００３２】
図７に示す分光装置は、入射光を散乱させるための磨り硝子４０を有する。磨り硝子４０を通過した光は、入射光の中から目標の波長を有する光を取り出すのに用いられるエタロン４１に入射する。
【００３３】
エタロン４１は、互いに対面するように配置されたエタロン板４２、４３を有する。エタロン板４２、４３の間には、これらの間に空隙を形成するためのスペーサ４４、４５が設けられている。なお、この分光装置が真空紫外光用である場合には、エタロン板の材料として、螢石（ＣａＦ2）や、フッ素がドープされた合成石英等が用いられ、スペーサの材料として、フッ素がドープされた合成石英や、熱膨張係数の小さいセラミックガラス等が用いられる。
【００３４】
エタロン４１及び集光レンズ４６を順に通過した光が干渉縞（フリンジ）ＩＦを形成する面の近傍には、先に述べた様な構成を有する光スペクトル検出装置４７が配置されている。光スペクトル検出装置４７は、検出した光のスペクトルに関するデータを、ＣＰＵ等で構成されるデータ処理装置５０に出力する。データ処理装置５０は、入力されたデータに基づいて、入射光の波長やスペクトル幅を求めて表示する。
【００３５】
次に、図８を参照しながら、本発明の一実施形態に係るレーザ装置について説明する。なお、このレーザ装置がＡｒＦエキシマレーザ装置又はＦ2レーザ装置である場合には、動作前にその内部を真空引きするか、又は、乾いた窒素ガスを用いてパージするのが望ましい。
【００３６】
図８に示すレーザ装置は、放電により励起して真空紫外光を発生させるレーザ媒質を収容するレーザチャンバ６０を有する。このレーザ装置がＡｒＦエキシマレーザ装置又はＦ2レーザ装置である場合には、フッ素分子を含む混合ガスがレーザ媒質として用いられる。レーザチャンバ６０内で発生した光は、窓６１又は６２を通してレーザチャンバ６０の外に出る。窓６１及び６２は、レーザチャンバ６０を貫く光軸と所定のブリュスタ角を為すように、レーザチャンバ６０に設けられている。このようにして、レーザチャンバ６０内で発生した光が窓６１又は６２から反射されることによる損失を防いでいる。
【００３７】
レーザチャンバ６０から窓６１を通して出射された光は、コントローラ７０からドライバ７１を介して設定される波長を有する入射光のスペクトル幅を目標値まで狭めるための狭帯域モジュール６３に入射する。窓６１及び狭帯域モジュール６３を順に通過した光は、全反射鏡６４により狭帯域モジュール６３に向けて反射される。一方、レーザチャンバ６０から窓６２を介して出射された光の一部は、部分反射鏡６５によりレーザチャンバ６０に向けて反射され、残りは部分反射鏡６５を通過する。
【００３８】
全反射鏡６４及び部分反射鏡６５は、目標の波長を有する光を共振させるための構造がそれらの間に形成されるように配置されている。レーザチャンバ６０内で発生した光の一部は、全反射鏡６４と部分反射鏡６５との間を往復しながら、レーザチャンバ６０を通過するごとに増幅され、狭帯域モジュール６３においてそのスペクトル幅を目標値にまで狭められる。
【００３９】
部分反射鏡６５を通過した光は、波長及び位相の揃ったレーザ光Ｌ1としてビームスプリッタ６６に入射する。ビームスプリッタ６６に入射したレーザ光Ｌ1の一部は、ビームスプリッタ６６を通過して出力され、残りは、ビームスプリッタ６６によって反射され、さらに、ビームスプリッタ６７に入射する。ビームスプリッタ６７は、コントローラ７０によって制御される参照光源６８から入射する参照光Ｌ2を、ビームスプリッタ６６によって反射されたレーザ光Ｌ1の進行方向と平行な方向に向けて反射する。参照光源６８から出力される参照光Ｌ2は、既に知られたスペクトル分布を有しており、レーザ光Ｌ1の波長を求める際の基準となる。
【００４０】
ビームスプリッタ６７を通過したレーザ光Ｌ1と、ビームスプリッタ６７から反射された参照光Ｌ2とは、先に述べた様な構成を有する分光装置６９に入力される。分光装置６９に含まれる光スペクトル検出装置の出力データは、コントローラ７０に入力される。コントローラ７０は、レーザ光Ｌ1を測定した際の出力データと参照光Ｌ2を測定した際の出力データとを比較することにより、レーザ光Ｌ1の波長やスペクトル幅を求め、これに基づいてドライバ７１を介して狭帯域モジュール６３を制御する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光スペクトルの測定において、光検出器の複数のチャンネル間の検出感度やリニアリティのバラツキによる検出誤差を低減し、被測定光の波長やスペクトル幅を高い精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光スペクトル検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の信号処理部の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図３】図２のフラッシュメモリにおけるアドレスの設定例を示す図である。
【図４】図２のフラッシュメモリにおける補正データの設定例を示す図である。
【図５】光スペクトル検出装置の各チャンネルにおける露光時間と検出レベルとの関係を示す図である。
【図６】図２のフラッシュメモリに記憶される補正テーブルの構成例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る分光装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るレーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ イメージセンサ
２ 電源回路
３ 駆動回路
４ 増幅回路
５ Ａ／Ｄ変換器
６ 信号処理部
７ フラッシュメモリ
８ 補正データ書込み回路
９ アドレス回路
１０ 出力回路
２０ ＣＰＵ
４０ 磨り硝子
４１ エタロン
４２、４３ エタロン板
４４、４５ スペーサ
４６ 集光レンズ
４７ 光スペクトル検出装置
５０ データ処理装置
６０ レーザチャンバ
６１、６２ 窓
６３ 狭帯域モジュール
６４ 全反射鏡
６５ 部分反射鏡
６６、６７ ビームスプリッタ
６８ 参照光源
６９ 分光装置
７０ コントローラ
７１ ドライバ
１００ 光スペクトル検出装置
Claims (8)
- 分光素子を通過した被測定光の結像位置の近傍に配置される光検出器であって、入射光をその強度に応じた電気信号に変換することにより検出信号を出力する複数のチャンネルを有する前記光検出器と、
前記光検出器から出力される検出信号に基づいて検出データを出力するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出データに基づいて、前記光検出器の複数のチャンネル間における検出感度の差を補正した補正データを求める信号処理手段と、
を具備し、前記信号処理手段が、前記光検出器の複数のチャンネルごとに、前記光検出器の検出信号の複数のレベルに対応する複数の補正データを求めることを特徴とする光スペクトル検出装置。 - 前記信号処理手段が、
補正データを記憶するためのメモリと、
前記メモリに補正データを書込む書込み回路と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出データをアドレスの一部として用いて、前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出データに対応する補正データを読み出すために前記メモリにアクセスするアドレス回路と、
を含む、請求項１記載の光スペクトル検出装置。 - 前記信号処理手段が、
補正データを記憶するためのメモリと、
前記メモリに補正データを書込む書込み回路と、
前記光検出器に含まれるチャンネルの番号をアドレスの一部として用いて、前記光検出器の複数のチャンネルにそれぞれ対応する複数の補正データを順次読み出すために前記メモリにアクセスするアドレス回路と、
を含む、請求項１又は２記載の光スペクトル検出装置。 - 入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、
前記分光素子の出射光を結像させる結像手段と、
前記分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、前記分光素子に入射される光の波長又はスペクトル幅を検出するための請求項１〜３のいずれか１項記載の光スペクトル検出装置と、
を具備する分光装置。 - 前記分光素子がエタロンを含む、請求項４記載の分光装置。
- 所定の波長とスペクトル幅とを有するレーザ光を発生するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から入射される入射光をその波長に応じた角度で出射する分光素子と、
前記分光素子の出射光を結像させる結像手段と、
前記分光素子の出射光の結像位置の近傍に配置され、前記レーザ発振器が発生するレーザ光の波長又はスペクトル幅を検出するための請求項１〜３のいずれか１項記載の光スペクトル検出装置と、
を具備するレーザ装置。 - 前記レーザ光の波長を求める際の基準となる波長を有する光を出力する基準光源をさらに具備する請求項６記載のレーザ装置。
- 前記レーザ発振器が、エキシマレーザ発振器又はＦ２（フッ素分子）レーザ発振器を含む、請求項６又は７記載のレーザ装置。
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