JP5643172B2 - 受光部のスペックル軽減機能を有する分光器 - Google Patents
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Description
スペクトル計測も種々あるが、ここではE95を例に挙げて説明する。E95とは、狭帯域エキシマレーザ等の発振波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの95%が存在する波長幅であって、半導体露光分野では重要なパラメータである。
従来のスペクトルE95を計測するための高精度なグレーティング方式の分光器では、効率が低く長時間、検出器を露光する必要があり、また計算時間が長いため、計測に非常に長い時間を必要とした。
毎パルス計測できるような分光器では精度が不足しており、スペクトルE95の高精度な計測を行うことができなかった。そこで、高分解能のエタロン分光器を使用し、計測毎にデコンボリューション処理を行い正確なスペクトルE95を計算することが行われている。
計測光をレンズ50で集光し、光ファイバ51を通して取り込む。光ファイバ51から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ52により適当な角度に集光され、エタロン53に入射する。エタロン53から出た光は、集光レンズ54により集光され、CCDセンサなどのセンサ55上にフリンジ像(干渉縞)像を結像させる。
図12(b−1)に結像面に結像するフリンジ像を示す。同図に示すように、エタロン53により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分(同図におけるセンサ面イメージの部分)がセンサ55に取り込まれる。
図12(b−2) にセンサ55に取り込まれるフリンジ波形を示す。
望ましい形態は露光時間による積算を行わず、毎パルスデータを取得し、各チャンネルのデータの移動平均を取った後にE95計算を行う方式である。しかし、部品の寿命、計算速度等を鑑みて適当な時間、露光時間による積算を行っても良い。
積算処理部60で積算処理された後、デコンボリューション処理部61で計測毎にデコンボリューション処理が行われ、E95計算部62でE95が計測される。
密封容器壁面やエタロン自身からの水分、アウトガスの発生、吸収はエタロン分光器の装置関数を変化させる。その影響を取り除くために組立て後に高温窒素を密封容器に流してベーキングを行い、さらに密封容器内にモレキュラーシーブスを設置して発生した水分やアウトガスを即、吸収できるようにする。また、密封容器内およびレンズの温調を行うことにより装置関数の変動を安定化させる。
また、センサ自身が発生する電気的なノイズに加え、照明の不均一性に起因する光学的なノイズを減少させることも重要である。
従来のエタロン分光器ではエタロンに入射させる光を拡散させる手段としてフロスト拡散板や回折光学素子が使用されるのが普通だった。
これらの素子を用いる欠点として、拡散光が干渉しあうことによって生じるスペックルノイズにより不均一な照明となり、図4(a)に示すように、計測信号にノイズがのるという現象が生じた。また、計測器に直接光を入射させると空間的に一部の光しか取り出せないため、空間的に波長分布を持ったエキシマレーザのような光源の場合、ビーム全体のスペクトルが正確に計測されない。
光ファイバ51を通して光を出射させると光ファイバ径が小さいため、光源のサイズが小さくなり、スペックルの空間周波数が大きくなりスペクトル計測に大きな影響を及ぼさなくなる。
ここで、レンズにより結像させた場合、スペックルの平均粒度は以下の式で示される。
スペックルの平均粒度=1.22λ・Fno.(レンズ結像)
ここで、Fno.はレンズの口径と焦点距離の比、λは波長
ここで、Dは光源の大きさ、Lは、エタロンとセンサの距離である。
このような問題を解決するため、従来から以下の方法が提案されている。
例えば、特許文献1に記載されるものでは、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねたものへレーザ光を導入するようにしている。各光ファイバの長さの差がレーザ光の可干渉距離を越えているため各光ファイバ出射後の光同士は干渉性が低下し、スペックル発生も抑制される。
また、特許文献2に記載されるものでは、レーザ装置と露光装置との間に反射ミラーで構成した遅延光路を設け、レーザ光の一部は遅延光路を通過して露光装置へ向かいレーザ光の残りは遅延光路をN周(N=1,2,3、・・・)して、以下の計算式の時間だけ遅延時して順番に露光装置へ向かうように構成している。
遅延時間=(N×遅延光路1週分の長さ)/光速
この遅延光路1周分の長さをレーザ光の可干渉距離以上にすれば特許文献1と同様のスペックル軽減効果を得ることができる。さらに、特許文献3、4にも特許文献1と同様の構成が開示されている。
スペックルの影響軽減の効果を得るためにはスペックルのコヒーレンス時間等のパラメータも考慮する必要があるが、従来はそこまで考慮したものは見当たらない。
また、前記したように、E95とはある波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの95%が存在する波長幅であるから、これを計測するにはスペクトル分布の裾野の範囲まで光エネルギー分布を正確に知る必要がある。
ところが、スペクトル分布の裾野では光エネルギーレベルが低いのでS/N比も低く、その光エネルギー計測値に占めるノイズ誤差の割合が多いためE95の正確な計測は困難である。これは、半値全幅のように、ピークパワー値の半分のパワーレベルにおける波長幅の計測との大きな違いである。ピークパワー値の半分のレベルがあればS/N比も十分に高いため計測誤差は少ない。
従って、特にE95計測ではノイズを軽減することが重要であり、大きなノイズ源であるスペックルの影響を減らすことは必須と言える。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、受光部のスペックルを軽減し、スペクトルE95の高精度な計測を行うことが可能な分光器を提供することを目的とする。
すなわち、計測光を分光手段に伝送する光ファイバと、伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する受光センサと、前記光ファイバと前記分光手段との間に配置されたコリメータレンズと、前記分光手段と前記受光センサとの間に設けた集光レンズと、前記光ファイバにおける前記計測光の出射端を振動させる振動手段と、を有し、前記コリメータレンズと前記集光レンズとは、前記振動手段による前記出射端の振動方向に曲率を持つ少なくとも1つのレンズをそれぞれ含み、前記コリメータレンズと前記集光レンズとのうち少なくとも1つは、前記受光センサの受光面の形状に合わせて前記計測光の断面形状を整形し、前記光ファイバの前記出射端と前記コリメータレンズとの距離をL1、前記コリメータレンズと前記分光手段との距離をL2、前記分光手段と前記集光レンズとの距離をL3、前記集光レンズと前記受光センサとの距離をL4とし、前記分光手段の有効径をqとし、前記コリメータレンズの焦点距離をF1とし、前記集光レンズの焦点距離をF2とし、前記計測光の波長をλとし、波数(2π/λ)をk0とし、前記振動手段による前記出射端の移動速度をvとし、前記コリメータレンズと前記分光手段と前記集光レンズとが形成する光学系のコヒーレンス時間をτとし、高速をcとし、F2=L4、Rs=2・F2/(k0・q)、B=A2・L3・L4[1/(A1・L1・L2)−(1−L2/F1)(1/L2−1/(A1・L2 2 )+1/L3−1/(A2・L3 2 ))]、A1=1/L1+1/L2−1/F1、A2=1/L3+1/L4−1/F2、ν=L2/F1−1とすると、前記振動手段は、式1/τc≦|v|√(B 2 /Rs 2 +ν 2 /q 2 )を満足する移動速度vで、前記光ファイバの出射端を振動させる。
また、本発明の分光器を用いてレーザ装置の出力光のE95を計測し、フィードバック制御することにより、レーザ光のE95を精度よく一定値に制御することができる。
狭帯域エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置から出力される計測光(レーザ光)をレンズ11で集光し、光ファイバ12を通して取り込む。光ファイバ12の出射側には、後述するファイバ揺動/移動機構13が設けられており、計測の間、常時、振動(以下では揺動ともいう)もしくは移動させる。
光ファイバ12から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ14により適当な角度に集光され、エタロン15に入射する。エタロン15はFSR3pm、フィネス20以上のものを用いる。また、エタロン15は周囲環境による影響を受けないように例えば窒素雰囲気を充填した空間に収納され、この空間は密封される。密封用のウインドウとして、前述のコリメータレンズ14や後述の集光レンズ16を使用しても良い。
なお、高繰り返し、高分解能での計測のため、従来使用したNMOSリニアセンサではなく、CCDセンサを用いるのが望ましい。
図1(b−1)にセンサ17上に結像するフリンジ像を示す。前記従来例と同様、エタロン15により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分(センサ面イメージの部分)がセンサ17に取り込まれる。センサ17には図1(b−2) に示すようなフリンジ波形が取り込まれる。
センサ17に取り込まれたセンサデータは、図2(a)に示すように積算処理部21に送られ、SN比を上げるため前記したように積算処理が行われる。
積算処理部21で積算処理された後、波長スケール変換部22で、図1(b−2)に示したフリンジ波形の横軸の波長をリニアスケールに変換し、分解能の最もよい中央部の波形を切り出す。
デコンボリューション処理部23では、上記切り出したデコンボリューション対象波形と、予めわかっている装置関数のコンボリューション波形との偏差が小さくなるように、計測毎にデコンボリューション処理を行う。そして、デコンボリューション結果に基づき、前記したようにE95計算部24でE95が計算される。
この方法では収束条件の判断のためにコンボリューション処理を行うことで計算時間が2倍かかるという問題がある。また、収束にかかる時間が計測によって、まちまちとなるため、計測にかかる時間を見積もることができないという問題がある。
これらの問題を解決するために、いろいろな波形について、最終的な計算結果に対して精度が充分保つために必要な繰り返し回数をあらかじめ求めておき、最大の繰り返し回数を固定値として繰り返しの終了条件とするのが望ましい。
図3(a)に示すように、光ファイバ12の出射端の近傍にアクチュエータ31を設け、アクチュエータ31により、光ファイバ12の出射端を揺動(振動)させ、得られるフリンジを時間的に積算する。従来においては、前記図4(a)に示したように、不均一な照明により計測信号にノイズがのるという現象が生じたが、上記のように揺動させ積算することで、図4(b)に示すように光が均一化され、不均一な照明によるノイズを除去することができる。このため、スペックルの影響を低減化することができる。
光ファイバ12の揺動の対象は角度でも位置でもよいが、できるだけ均一な照明とするためにファイバ揺動の周期は信号積算時間と同じか、それより長いことが望ましい。
なお、揺動/移動機構13により光ファイバ12を非常に高速に動かし、レーザ発光時間内に均一に照明することができれば、前記したように複数パルスの信号を積算する必要はなくなる。このように、多パルスの積算を行うことで、高いSN比で信号を計測できると同時に、入射系を振動させてスペックルの影響を除去することができる。
また、レーザの発振周波数に対してスペックルのコヒーレンス時間が充分に小さくなるように光ファイバ12を揺動させることで、スペックルのパルス間の相関が低下し、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
アクチュエータ32は、図3(c)に示すようにミラー33を前後方向に移動させたり、図3(d)に示すようにミラー33の傾きを変動させたり、あるいは、図3(e)に示すように傾けたミラー33を回転させる。これにより、光ファイバ12の出射端を揺動させたのと同様の効果を得ることができる。
さらに、図3(f)に示すように、光ファイバ12から出射される光を拡散させる円形拡散板34を設け、円形拡散板34を回転させるように構成しても、図3(a)(b)と同様の効果を得ることができる。なお、以下では、図3(b)(f)に示したものも含めて、ファイバ揺動/移動機構という。
また、コリメータレンズ14として、単レンズを用いると、図1に示したようにセンサ面に光が円形に照射される。ラインセンサ受光素子として用いる場合、センサ受光面が長方形形状のため、センサで受光しない無駄な光が多くなる。そこで、コリメータレンズとして曲率の異なるシリンドリカルレンズを2枚組み合わせることによって、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
同図(a)は光学系を上から見た図、(b)はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、(c)は結像面に結像するフリンジ像を示す。
同図において、14はコリメータレンズであり、コリメータレンズ14は、レンズ面の曲率が異なる2枚のシリンドリカルレンズ14a,14bから構成される。シリンドリカルレンズは、一方向に対しては曲率を持ち、こ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、本実施例では、図6に示すように曲率を持たない面を対向させた2枚のシリンドリカルレンズ14a,14bをコリメータレンズ14として用いている。その他の構成は、前記図1に示したものと同様である。
コリメータレンズとして、上記構成のレンズを用いることにより、結像面に結像するフリンジ像を図6(c)に示すように、センサ形状に合わせた形状とすることができ、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
このとき得られるフリンジ像は前記図1(b−1)に示したように同心円状であり、同心円状の光を直線状のセンサを用いて切り取るような形となる。
そこで、エタロン15への入射光学系にシリンドリカルレンズや回折光学素子等を用いて2次元の1方向にだけ角度の分散をつけ、集光レンズ16にも1方向だけ集光するレンズを用いることで、より効率的にセンサ受光面に光を照射することができる。
図7に上記のように、コリメータレンズ14と集光レンズ16に曲率の異なるシリンドリカルレンズを用いた場合の本発明の実施例を示す。同図(a)は光学系を上から見た図、(b)はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、(c)は結像面に結像するフリンジ像を示す。その他の構成は前記図1と同様である。
同図に示すように、コリメータレンズ14と集光レンズ16にシリンドリカルレンズを用い、それぞれのシリンドリカルレンズの曲率を持つ方向を直交させることにより、図6(c)に示すように、縞状のフリンジパターンを得ることができる。このフリンジ信号をセンサ17で受光し、各ラインをビニングし積算することで、SN比の高いフリンジ信号を得ることができる。
同図に示すように、計測光をレンズ11を介して、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねた光ファイバ群12’に入射させ、光ファイバ群12’の出射端を前記したファイバ揺動/移動機構13により揺動させる。なお、光ファイバの揺動/移動機構としては、前記図3に示し各種機構を用いることができる。
上記構成とすることで、前記したようにファイバ内部での光の干渉に起因するスペックルを除去することができるとともに、光ファイバの揺動により、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
図9(a)の光学系は、前記図3に示した揺動/移動機構を備えた光ファイバ12の端面から出た光を、エタロン15に入射させ、出てきた光を集光レンズ16でセンサ面に集光させる場合の光学系を示し、図9(b)は、揺動/移動機構を備えた光ファイバ12の端面から出た光を、コリメータレンズ14を介してエタロン15に入射させ、エタロンから出た光をレンズでセンサ面に集光させる場合の光学系を示している。
図9(a)に示すように、光ファイバ端面と集光レンズ16の距離をL1、集光レンズ16とセンサ17の距離をL2とし、エタロン15の有効径をqとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
1/τc=|v|√(B2 /Rs2 +1/q2 )
ここでB=(L2/F)−1、Rs=2F/(k0・q)であり、Fは集光レンズ16の焦点距離、qはエタロンの有効径、k0は波数(2π/λ)である。
焦点位置に受光面があるためL2=Fなので、B=0となる。したがって1/τc=|v|/qとなる。
|v|=(1/τc)・q=40000[mm/s]
この速度を実現させるためには、前記図3に示した円形拡散板34を19100rpm以上の速度で回転させ、回転軸より20mmの位置に入射した光をエタロン15に入射させる。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
なお、可能であれば、光ファイバ12の端部、ミラー33を線速度40000mm/s以上で揺動させるようにしてもよい。
図9(b)に示すように、光ファイバ端面とコリメータレンズ14の距離をL1、コリメータレンズ14とエタロン15の距離をL2、エタロン15と集光レンズ16の距離をL3、集光レンズ16とセンサ17の距離をL4とし、エタロンの有効径をqとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
1/τc=|v|√(B2 /Rs2 +ν2 /q2 )
ここで、Rs=2・F2/(k0・q)、B=A2・L3・L4[1/(A1・L1・L2)−(1−L2/F1)(1/L2−1/(A1・L22 )+1/L3−1/(A2・L32 ))]、A1=1/L1+1/L2−1/F1、A2=1/L3+1/L4−1/F2、ν=L2/F1−1である。また、F1はコリメータレンズ14の焦点距離、F2は集光レンズ16の焦点距離であり、センサ17へは集光レンズ16で集光して入射させるため、F2=L4となる。
Rs=(2×650×193×10-6/2π)/10=0.004
1/τc=|v|√(6.52 /0.0042 +0.52 /102 )=1625|v| |v|=4000/1625=2.46mm/s
この速度を実現させるためには、前記図3に示した光ファイバ12の端部、ミラー33を線速度2.5mm/s以上で振動させるか、あるいは円形拡散板34を回転させ、光ファイバ12に対向する周速度を2.5mm/s以上になるようにする。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
図10は、上記フィードバック制御の構成例を示す図であり、図10(a)は上記実施例で示した分光器の出力により狭帯域化モジュール(LMN)の波面調整を行うことにより、E95を制御する場合の構成例を示し、図10(b)は、上記実施例で示した分光器の出力によりレーザチェンバに供給するガス分圧を調整することにより、E95を制御する場合の構成例を示している。
レーザ共振器は、狭帯域化モジュール103に搭載されたグレーティング(回折格子) と出力ミラー104とにより構成され、レーザ光は上記グレーティングと出力ミラー104の間を往復し、出力ミラー104からレーザ光として出射される。
出力ミラー104から出射されるレーザ光の一部はビームスプリッタ105により波長モニタ(分光器)106へ導入され、E95が計測される。
コントローラ107は、上記計測結果に基づき、狭帯域化モジュール(LMN)の波面調整を行ったり(図10(a))、レーザチェンバ101に供給するガス分圧を調整する(図10(b))ことにより、E95を制御する。
2ステージレーザ装置は、発振段レーザ100と増幅段レーザ200から構成され、1台目の発振段レーザ100は低パルスエネルギーながら狭帯域化スペクトルをもち、2台目の増幅段レーザ200は、発振段レーザ100の狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。
図11において、増幅段レーザ200が出力するレーザ光はの一部はビームスプリッタ105により波長モニタ(分光器)106へ導入され、E95が計測される。
波長モニタ106による計測結果は、同期コントローラ108に送られ、同期コントローラ108は、発振段レーザ100と増幅段レーザ200の同期タイミングを調整することにより、E95を制御する。
12 光ファイバ
13 ファイバ揺動/移動機構
14 コリメータレンズ
15 エタロン
16 集光レンズ
17 センサ
21 積算処理部
22 波長スケール変換部
23 デコンボリューション処理部
24 E95計測部
31 アクチュエータ
32 アクチュエータ
33 ミラー
34 円形拡散板
Claims (5)
- 計測光を分光手段に伝送する光ファイバと、
伝送された光を分光する分光手段と、
分光された光を受光する受光センサと、
前記光ファイバと前記分光手段との間に配置されたコリメータレンズと、
前記分光手段と前記受光センサとの間に設けた集光レンズと、
前記光ファイバにおける前記計測光の出射端を振動させる振動手段と、
を有し、
前記コリメータレンズと前記集光レンズとは、前記振動手段による前記出射端の振動方向に曲率を持つ少なくとも1つのレンズをそれぞれ含み、
前記コリメータレンズと前記集光レンズとのうち少なくとも1つは、前記受光センサの受光面の形状に合わせて前記計測光の断面形状を整形し、
前記光ファイバの前記出射端と前記コリメータレンズとの距離をL1、前記コリメータレンズと前記分光手段との距離をL2、前記分光手段と前記集光レンズとの距離をL3、前記集光レンズと前記受光センサとの距離をL4とし、前記分光手段の有効径をqとし、前記コリメータレンズの焦点距離をF1とし、前記集光レンズの焦点距離をF2とし、前記計測光の波長をλとし、波数(2π/λ)をk0とし、前記振動手段による前記出射端の移動速度をvとし、前記コリメータレンズと前記分光手段と前記集光レンズとが形成する光学系のコヒーレンス時間をτとし、高速をcとし、F2=L4、Rs=2・F2/(k0・q)、B=A2・L3・L4[1/(A1・L1・L2)−(1−L2/F1)(1/L2−1/(A1・L2 2 )+1/L3−1/(A2・L3 2 ))]、A1=1/L1+1/L2−1/F1、A2=1/L3+1/L4−1/F2、ν=L2/F1−1とすると、前記振動手段は、式1/τc≦|v|√(B 2 /Rs 2 +ν 2 /q 2 )を満足する移動速度vで、前記光ファイバの出射端を振動させる
ことを特徴とする分光器。 - 前記振動手段は、前記受光センサによる前記計測光の計測結果を積算するあらかじめ定められた信号積算時間以上の周期で前記光ファイバを振動させることを特徴とする請求項1に記載の分光器。
- 前記コリメータレンズと前記集光レンズとが形成する光学系は、それぞれ異なる曲率を備え、前記曲率を持つ方向が互いに直交するように配置された2つのシリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項1に記載の分光器。
- 前記2枚のシリンドリカルレンズは、前記光ファイバと前記分光手段との間に位置し、
前記光ファイバ側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記光ファイバ側に配置し、
前記分光手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記分光手段側に配置した
ことを特徴とする請求項3記載の分光器。 - 前記分光手段は、エタロンであり、
前記2枚のシリンドリカルレンズのうち、
一方は、前記光ファイバと前記エタロンとの間に設けられるとともに、曲面を持つ面を前記光ファイバ側に配置し、
他方は、前記エタロンと前記受光センサとの間に設けられるとともに、曲面を持つ面を前記分光手段側に配置した
ことを特徴とする請求項1記載の分光器。
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