JPH0372228A

JPH0372228A - 波長検出装置

Info

Publication number: JPH0372228A
Application number: JP20876289A
Authority: JP
Inventors: Osamu Wakabayashi; 理若林; Masahiko Kowaka; 雅彦小若; Yukio Kobayashi; 小林　諭樹夫
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1991-03-27
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JP2614768B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明はレーザ等の波長を検出する波長検出装置に関
し、特に半導体装置製造用の縮小投影露光装置の光源と
して狭帯域発振エキシマレーザを用いる場合の波長検出
に採用して好適な波長検出装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置製造用の縮小投影露光装置（以下ステッパと
いう）の光源としてエキシマレーザの利用が注目されて
いる。これはエキシマレーザの波長が短い（Ｋ　ｒ　Ｆ
レーザの波長は約２４８．４ｎｍ）ことから光露光の限
界０．５μｍ以下に延ばせる可能性かあること、同し解
像度なら従来用いていた水銀ランプのｇ線やｉ線に比較
して焦点深度か深いこと、レンズの開口数（ＮＡ）か小
さくてすみ、露光領域を大きくてきること、大きなパワ
ーが得られること等の多くの優れた利点か期待できるか
らである。

ところで、エキシマレーザをステッパの光源として用い
る場合には、エキシマレーザの出力レザ光を狭帯域化す
る必要があり、この狭帯域化された出力レーザ光の波長
を高精度に安定化制御する必要がある。

従来、狭帯域発振エキシマレーザ等の出力光の波長線幅
を計測したり、波長を検出したりするためにモニタエタ
ロンが用いられている。モニタエタロンは部分反射ミラ
ーを所定の空隙をあけて対向配設したエアギャップエタ
ロンを用いて構成されるものてこのエアギャップエタロ
ンの透過波長は次のように表わされる。

ｍλ−２ｎ　ｄ　−ｃｏｓθ たたし、ｍは整数、ｄはエタロンの部分反射ミラー間の
距離、ｎは部分反射ミラー間の屈折率、θはエタロンの
法線と入射光の光軸とのなす角度である。

この式より、ｎ、ｄ、ｍが一定とすれば、波長か変化す
るとθか変化することが解る。モニタエタロンではこの
性質を利用して被検出光の波長を検出している。ところ
で、上述したモニタエタロンにおいて、エアギャップ内
の圧力および周囲温度が変化してしまうと波長が一定で
も上述した角θが変化してしまう。そこでモニタエタロ
ンを用いる場合、エアギャップ内の圧力および周囲温度
を一定に制御して波長検出を行なっていた。

しかし、エアギャップ内の圧力および周囲温度を高精度
に制御することは困難であり、このため充分な高精度で
絶対波長を検出することはてきなかった。

そこで、被検出光とともに予め波長がわかっている基準
光をモニタエタロンに人力し、このＭ　Ｈ４光に対する
被検出光の相対波長を検出することにより被検出光の絶
対波長を検出する装置が提案されている。

かかる装置においては、モニタエタロンの透過光を直接
ＣＣＤイメージセンサ等の光検出器の検出面上に入射す
るようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、従来構成においては、モニタエタロンの出
力を直接光検出器に入射するようにしていたので被検出
光と基準光とを充分な光量で光検出器に大村することが
できない、光検出器上に干渉縞か発生しない等の不都合
かあり、このため高精度で被検出光の絶対波長を検出す
ることかできなかった。

この発明はかかる実情に鑑みてなされたちので、基準光
と被検出光とをそれぞれ充分な光量をもって光検出器に
入射することができるとともに、両光の各干渉縞を高精
度に検出することができる波長検出装置を提供しようと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明ては、基準光源から発生される基準光と被検出
光とをエタロンに入射する照明手段と、エタロンと、前
記エタロンの透過光を集光する集光手段と、該集光手段
の後側焦点面に配設され、前記集光手段によって集光さ
れた光の干渉縞を検出する光検出手段とを具えるように
する。

〔作用〕

エタロンを透過した基準光または被検出光は集光手段に
よって集光された後、該集光手段の焦点面上に配設され
た光検出手段の検出面上に結像される。

〔実施例〕

以下、この発明を添付図面に示す実施例にしたがって詳
述する。

第１図はこの発明に係わる波長検出装置の一実施例を示
したものである。この実施例では被検出光として狭帯域
発振エキシマレーザ１の出力光Ｌａが用いられ、基準光
源２としてはＨｅ−ＮｅレーザあるいはＡｒレーサ等の
レーザが用いられている。該基準光源２から発生された
基準レーザとエキシマレーザ光の波長は異なる。

狭帯域発振エキシマレーザ１から出力されたレーザ光Ｌ
ａの一部はビームスプリッタ３によってサンプリングさ
れ、このサンプリング光はビームスプリッタ４に照射さ
れる。また基準光源２から出力された基準光Ｌｂはビー
ムスプリッタ４の他の面に照射される。

ビームスプリッタ４はビームスプリッタ３から出力され
たサンプリング光Ｌａの一部を透過させ、また基準光源
２から出力された乱準光Ｌｂの一部を反射させ、これに
より、サンプリング光と基準光とを合成する。このビー
ムスプリッタ４によって合成されたサンプリング光と基
準光との合成光は凹レンズ５によってビームを拡げられ
た後、エタロン６に照射される。

エタロン６は内側の而か部分反射ミラーとされた２枚の
透明板６ａ、６ｂから構成される装置ン６に対する人別
光の角度に対応してそれぞれ透過波長が異なるものであ
る。すなわち、エタロン６は、波長の異なる基準光Ｌａ
およびエキシマレーザ光Ｌａを双方透過させるために反
射膜を２波長コートとしている。

このエタロン６を透過した光は集光レンズ７に入射され
る。この集光レンズ７は例えば、色収差補正が施された
色消しレンズであり、かかる色消し集光レンズ７を経る
ことにより色収差が補正される。

光検出器８は集光レンズ７の焦点上に配設されており、
これにより集光レンズ７を経た光は、光位置検出器８に
結像され、この光検出器８の検出面」二に基準光の波長
に対応した第１の干渉縞および被検出光の波長に対応し
た第２の干渉縞を形成する。光検出器８てはこの第１お
よび第２の干渉縞を検出し、この検出にもとづき基準光
の波長に対する被検出光の波長の相対波長を検出し、既
知の基準光の波長と検出した相対波長にもとづき被検出
光の絶対波長を検出する。

なお、光検出器８として一次元または二次元のイメージ
センサ、ダイオードアレイまたはＰＳＤ（ＰＯ８ＩＴＩ
ＯＮ　５ＥＮＳＩＴＩＶＥ　ＤＥＴＥＣＴＯＲ）等を用
イテ構成することができる。

このように、凹レンズ５てビームを拡げた後、該ビーム
をエタロン６に入射し、エタロン６の透過光を集光レン
ズ７によって光検出器８上に結像するようにしているの
で、充分な光量の光が光検出器８上に入射されるととも
に、両光の各干渉縞が良好に形成される。

第２図はこの発明の他の実施例を示したものである。以
下、この第２図を含む他の図面において互いに共通する
機能を果す部分については説明の便宜上同一の符号は付
する。

この第２図に示す実施例では、前記色消し集光レンズ７
の代わりに凹面ミラーまたは輔外放物面ミラー等の集光
ミラー９を用いるようにしている。

すなわち、基準光Ｌｂおよびエキシマレーザ光Ｌａを凹
レンズ５を介してビームを拡げてエタロン６に入射し、
エタロン６の透過光を集光ミラー９で交射し、該反射光
を該集光ミラー９の焦点位置に配置しである光検出器８
の検出面上に入射させるようにする。集光ミラー９は反
射面であるため色収差は全くなく、これによりエキンマ
レーザ光Ｌ　ａと基準レーザ光Ｌｂとの丙子渉縞を同じ
位置すなわちミラー９の焦点位置に配置しである光検出
器８上に結像することができる。

この第２図に示す実施的においても、凹レンズ５および
集光ミラー９によって、先の実施例同様、充分な光量で
干渉縞を高精度に検出することができる。

第３図はこの発明の更に他の実施例を示したものである
。

この第３図に示す実施例は、合流型光ファイバ］０によ
ってエキシマレーザ光Ｌａと基準レーザ光Ｌｂとを合成
させるようにしたものである。すなわち、ビームスプリ
ッタ３でサンプリングされたエキシマレーザ光Ｌａは集
光レンズ１１、光フアイバスリーブ１２、光フアイバ１
３を経て光合波器１４に入射され、また基準光源２から
発生された基準レーザ光Ｌｂは集光レンズ１５、光フア
イバスリーブ１６、光フアイバ１７を経て光合波器１４
に入射される。光合波器１４は、これら両光Ｌａ、Ｌｂ
とを合波し、この合波された光は光フアイバ１８に入射
する。そしてスリーブ］９を介して拡った光がモニタエ
タロン６に人身１される。

モニタエタロン６を透過した光は色消し集光レンズ７を
経て光検出器８上に結像される。

かかる第３図に示す実施例では、干渉縞の位置は、合流
型光フアイバ１０の位置に左右されず、エタロン６、集
光レンズ７および光検出器８の位置関係だけで決定され
るので、先の実施例の利点に加えて光学系の調整作業が
容易になるという利点を持っている。

なお、この第３図に示す実施例では色消し集光レンズ７
を用いて色収差補正を行なうようにしたが、このレンズ
７の代わりに先の第２図に示した凹面ミラーまたは軸外
放物面ミラー９を用いるようにしてもよい。

第４図は基準光源として面光源であるランプ２０を用い
るようにしたこの発明の他の実施例を示すものである。

このランプ２０は、例えば波長２５３．７ｎｍの基準光
を発生する水銀ランプである。

すなわち、ビームスプリッタ３によってサンプリングさ
れたエキシマレーザ光Ｌａは凹レンズ２１によってビー
ムを拡げられた後、ビームスプリッタ４に入組され、こ
のビームスプリッタ４て水銀ランプ２０からの基準光Ｌ
ｃと合成された後エタロン６に照射される。エタロン６
を透過した光は、色消し集光レンス７を経て光検出器８
上に結像される。

この第４図に示す実施例においても、色消し集光レンズ
７を用いて色収差補正を行なうようにしたか、このレン
ズ７の代わりに先の第２図に示した凹面ミラーまたは軸
外放物面ミラー９を用いるようにしてもよい。

第５図も基準光源として水銀ランプ２０を用いるように
したこの発明の他の実施例を示すものであり、この実施
例ではエキシマレーザ光Ｌａを光フアイバ２３を用いて
ビームスプリッタ４に導くようにしている。すなわち、
ビームスプリッタ３でサンプリングされたエキシマレー
ザ光は集光レンズ１１によってスリーブ２２に入射され
、その後光ファイバ２３を経て、スリーブ２４を介して
出射される。そして、該スリーブ２４を経ることにより
拡がった光は、ビームスプリッタ４に入射され、ここで
水銀ランプ２０からの基準光Ｌｃと合成された後、エタ
ロン６に照射される。エタロン６を透過した光は、色消
し集光レンズ７を経て光検出器８上に結像される。

この第５図に示す実施例においても、色消し集光レンズ
７の代わりに先の第２図に示した凹面ミラーまたは軸外
放物面ミラー９を用いるようにしてもよい。

第６図は、この発明のさらに別の実施例を示すもので、
この実施例では先の第５図の実施例において色消し集光
レンズ７を凹面ミラー、軸外放物面ミラー等の集光ミラ
ー９に代えるとともに、フィルタ３０、シャッタ３１．
３２を追加するようにしている。

すなわち、水銀ランプ２０からの基準光Ｌｃのうち、所
定の波長のみを選択出力するフィルタ３０をシャッタ３
１とビームスプリッタ４の間に設け、該フィルタ３０に
よって所定の波長の基準光のみをビームスプリッタ４に
入射するようにしている。

例えば、ＫｒＦ狭帯域エキシマレーザ（波長２４８．４
ｎｍ）の波長検出器として使用する場合はランプ２０と
して水銀ランプを用い、フィルタ１６としてエキシマレ
ーザの波長に近い波長２５３゜７ｎｍの干渉フィルタを
もちいるようにすればよい。

また、シャッタ３１．３２は基準光および被検出光（エ
キシマレーザ光）を別々に検出するために設けたもので
あり、基準光を検出するときはシャッタ３］を開け、シ
ャッタ３２を閉じる。また、被検出光を検出するときは
、これとは逆に、シャッタ３２を開け、シャッタ３１を
閉しる。

なお、この例では、フィルタ３０をビームスプリッタ４
とシャッタ３１との間に配設するようにしているが、該
フィルタ３０をランプ２０とシャッタ３１との間に挿入
するようにしてもよい。さらに、また基準光と′ｅ１険
出光との波長か近く、フィルタ３０を被検出光が透過す
る場合には、該フィルタ３０をビームスプリッタ４から
光検出器８まての光路中の適宜位置に配設するようにし
てもよい。

次に、第６図に示した実施例における基準光および被検
出光の検出動作を第７図〜第９図に示すフローチャート
を参照して説明する。

第７図は波長検出のメインルーチンを示すものであり、
まず、基準光検出サブルーチンが実行される（ステップ
１００）。この基準光検出サブルーチンでは、第８図に
示すように、被検出光側のシャッタ３２を閉とするとと
もに基準光側のシャッタ３１を開とすることにより、基
準光Ｌｃのみをエタロン６を介して光検出器８上に人１
１させる（ステップ２００，２１０）。そして、光検出
器８上に形成された基準光の干渉縞の半径Ｒｓを検出し
、該半径Ｒｓを記憶させておく　（ステップ２２０）。

この基準光検出サブルーチンか終了すると、りイマーの
計時値Ｔを零にクリアしくステップ１１０）、次にこの
計時値Ｔか所定の設定時間Ｋ（例えば数分）より大きい
か否かを調へる（ステップ１２０）。そして、Ｔ＜Ｋで
ある場合は、被検出光検出サブルーチンが実行される（
ステップ１４０）。この被検出光検出サブルーチンにお
いては、第９図に示すように、基準光側のシャッタ３１
を閉とし、被検出光側のシャッタ３２を開とすることに
より、被検出光Ｌａのみをエタロン６を介して光検出器
８上に入射させる（ステップ３００３１０）。そして、
光検出器８上に形成された被検出光の干渉縞の半径Ｒｅ
を検出する（ステップ３２０）。

この被検出光検出ザブルーチンが終了すると、該ルーチ
ンで求めた半径Ｒｅと先の基準光サブルーチンで求めて
記憶しておいた半径Ｒ，ｓとを比較することにより被検
出光の絶対波長を検出する（ステップ１５０）。これ以
降Ｔ＞Ｋとなるまでステップ１．４０，１５０の処理が
繰り返される。

そして、ステップ１１０においてＴ＞Ｋとなると、再び
第８図に示した基準光検出サブルーチンを実行し、該ル
ーチンで求めた基準光の干渉縞の半径Ｒｓて先の記憶デ
ータＲｓを更新する。この後、タイマの計時値Ｔが零に
クリアされた後、被検出光検出サブルーチンが再度実行
される。

以上の処理が全て自動的に実行される。

すなわち、かかる波長検出処理においては、基準光と被
検出光との波長が近い場合、両者の干渉縞を同時に検出
することは困難となるので、シャッタ３１．３２によっ
て両者を別々に検出するようにするとともに、基準光は
比較的に安定しているので、予め設定した比較的長い所
定周期にてその干渉縞を検出するようにし、該基準光検
出性以外のときに被検出光を常時検出するようにしてい
る。すなわち、この場合、基準光の検出周期は被検出光
の検出周期より十分長く設定されである。

なお、この実施例では、干渉縞の半径を検出するように
しているが、干渉縞の直径または位置を検出して被検出
光の絶対波長を求めるようにしてもよい。

ところで、前記第１図〜第６図に示す実施例において、
基準光および被検出光の光量が少なく干渉縞の検出が困
難な場合にはエタロン６の手前にコリメータレンズを配
置し、平行光をエタロンに入射することで光量を多くす
るようにしてもよい。

さらに、前記第１図〜第６図に示す実施例においては、
ビームスプリッタ４は透過側に被検出光を、反１・ｊ側
に基準光が人１１されるよう配置しているが、これらの
関係を逆にするようにしてもよい。

またこのビームスプリッタ４は基準光と検出光の波長が
近い場合は部分反射ミラーを、波長の差が大きい場合は
ダイクロイックミラーをそれぞれ用いるようにすればよ
い。

また上記実施例ではエアギャップエタロンを用いてｆＭ
Ｍしたが、このエアギャップエタロンの代わりにソリッ
ドエタロンを用いても同様に構成することができる。

ところで、上記実施例では集光レンズ７の色収差を補正
したり、あるいは集光ミラー９を用いることによって基
準光と被検出光の結像位置を一致させるようにしたが、
集光レンズ７または光ｉＡ　ｒｆｆ器８を光軸方向に移
動可能な構成とし、これによって結像位置の違いを吸収
するようにしてもよい。

また、第１図、第３図、第４図または第５図の実施例に
おいて、基準光と被検出光の波長が近い場合は、色収差
補正なしの集光レンズをエタロン６と光検出器８の間に
挿入するようにしてもよい。

さらに、第１図、第２図または第４図の実施例では、凹
レンズ５、または２１てレーザ光Ｌａを拡げてエタロン
６に入射するようにしているが、この凹レンズの代わり
に凸レンズを用い、該＾１Ｊレンズによって集光した後
拡がった光をエタロン６に入射するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、エタロンの後側
に集光手段を介在させるだけという筒中な構成によって
、充分な光量を光検出器に人η・ｔさせることができ、
これによって光検出器上に干渉縞が確実に形成されるよ
うになり、被検出光の絶対波長を高精度に検出できるよ
うになる。特に、集光手段として色消しレンズまたは集
光ミラーを用いるようにすれば、基準光と検出光の波長
か異なっても光学系を可動構成とすることなく高精度に
絶対波長を検出することがてきる。そして、本発明の波
長検出装置を狭帯域発振エキシマレーザに搭載すること
によてエキシマレーザ光の波長を高精度に安定化するこ
とかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の波長検出装置を狭帯域エキシマレー
ザの出力レーザ光の波長検出に適用した一実施例を示す
図、第２図は集光ミラーを用いたこの発明の他の実施例
を示す図、第３図は合流型光ファイバを用いたこの発明
の他の実施例を示す図、第４図は基準光としてランプを
用いたこの発明の他の実施例を示す図、第５図はランプ
および光ファイバを用いたこの発明の他の実施例を示す
図、第６図はシャッタおよびフィルタを挿入したこの発
明の他の実施例を示す図、第７図は第６図の構成におい
て波長検出のメインルーチンの一例を示すフローチャー
ト、第８図は基準光検出サブルーチンの一例を示すフロ
ーチャート、第９図は被検出光検出サブルーチンの一例
を示すフローチャートである。１・・・狭帯域発振エキシマレーザ、２・・・基準光源（レーザ）、３．４・・・ビームスプリッタ、５．２１・・・凹しン
ス、６・・・エタロン、７・・・色消し集光レンズ、８
・・光検出器、９・・・集光ミラー１０・・・合流型光ファイバ２０・・・基準光源（ランプ）、３０・・フィルタ、３
１、．３２・・・シャッタ。第１図第２図第５図第図第７図第８図禎液定尤撲土すプルーナン第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基準光源から発生される基準光と被検出光とをエ
タロンに入射する照明手段と、エタロンと、前記エタロンの透過光を集光する集光手段と、該集光手段の後側焦点面に配設され、前記集光手段によ
って集光された光の干渉縞を検出する光検出手段と、を具え、前記光検出手段の検出出力に基づき被検出光の
波長を検出するようにした波長検出装置。
（２）前記被検出光はエキシマレーザ光であり、前記基
準光源はレーザ光を発生する基準レーザ光源である請求
項（１）記載の波長検出装置。
（３）前記照明手段は、前記基準レーザ光源から発生される基準光と前記被検出
レーザ光を合成するビームスプリッタと、該ビームスプリッタと前記エタロンとの間に介在される
凹レンズと、を具える請求項（２）記載の波長検出装置。
（４）前記照明手段は、前記基準レーザ光源から発生される基準光と前記被検出
レーザ光を合成するビームスプリッタと、該ビームスプリッタと前記エタロンとの間に介在される
拡散板と、を具える請求項（２）記載の波長検出装置。
（５）前記照明手段は、その第１入力端から前記被検出レーザ光を導入し、第２
入力端から前記基準レーザ光を導入し、これらの合波光
を前記エタロンに照射する合流型光ファイバー手段を有
する請求項（２）記載の波長検出装置。
（６）前記被検出光はエキシマレーザ光であり、前記基
準光源はランプである請求項（１）記載の波長検出装置
。
（７）前記照明手段は、前記被検出レーザ光が入射される凹レンズと、該凹レンズの後段に配置され、前記ランプから発生され
る基準光と前記凹レンズの出力光とを合成するビームス
プリッタとを具える請求項（６）記載の波長検出装置。
（８）前記照明手段は、前記被検出レーザ光を導入する光ファイバーと、該光ファイバーの先端に設けられた光ファイバースリー
ブと、該光ファイバースリーブの出力光と前記基準光とを合成
し、該合成光を前記エタロンに入射するビームスプリッ
タと、を具える請求項（６）記載の波長検出装置。
（９）前記ランプから発生される光および前記被検出レ
ーザ光のうち所定の波長の光のみを選択出力するフィル
タを前記ランプと前記光検出手段との間の光路のいずれ
かに配設した請求項（６）記載の波長検出装置。
（１０）前記照明手段は、基準光源から発生される基準
光と前記被検出光とをそれぞれ各別に遮断する第１、第
２のシャッタ手段を具える請求項（１）記載の波長検出
装置。
（１１）前記集光手段は色収差補正が施された色消しレ
ンズである請求項（１）記載の波長検出装置。
（１２）前記集光手段は前記エタロンを透過した光を反
射し、該反射光を前記光検出手段に入射する集光ミラー
である請求項（１）記載の波長検出装置。
（１３）前記集光ミラーは凹面ミラーである請求項（１
２）記載の波長検出装置。
（１４）前記集光ミラーは軸外放物面ミラーである請求
項（１２）記載の波長検出装置。（１５）基準光源から
発生される基準光と被検出光とをエタロンに照射し、該
エタロンを透過した光によってそれぞれ形成される前記
基準光に対応する第１の干渉縞と被検出光に対応する第
２の干渉縞を光検出手段で検出することにより前記被検
出光の波長を検出する波長検出装置において、前記第１の干渉縞と前記第２の干渉縞とをそれぞれ別の時刻に検出するとともに、前記第１の干渉
縞の検出周期を第２の干渉縞の検出周期より長くするよ
うにしたことを特徴とする波長制御装置。