JPH10300586A - 波長測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ラインセンサが干渉計の光軸からずれて設置さ
れた場合や、集光レンズの焦点距離を正確に把握するこ
とができない場合でも、エキシマレーザーなどの発振波
長に不安定さがある光源の波長変動量を高精度で測定す
ることができる波長測定装置及び方法を提供する。 【解決手段】被検光の波長変動量を測定する波長測定装
置または方法において、被検光の干渉縞のピーク位置と
次数の関係を表す２次関数の極値の変動量に基づいて被
検光の波長変動量を求め、基準光の干渉縞のピーク位置
と次数の関係を表す２次関数の極値に基づいてラインセ
ンサの取付け誤差を求め、ラインセンサの取付け誤差に
基づいて被検光の波長変動量を補正する波長測定装置ま
たは方法である。さらに、基準光の干渉縞のピーク位置
と次数の関係を表す２次関数の係数に基づいて集光レン
ズの焦点距離を求め、集光レンズの焦点距離に基づいて
被検光の波長変動量を補正する波長測定装置または方法
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光の波長
変動量を検出する波長測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の製造や半導体チップ実装
基板の製造では、回路パターンがますます微細化してお
り、これらのパターンを焼き付ける半導体素子製造装置
には、より解像力の高いものが要求されてきている。そ
して、微細な回路パターンの露光を行うために、従来の
紫外光線として利用されてきた超高圧水銀灯に代わっ
て、より短波長でより高出力の紫外光線を発するエキシ
マレーザーを光源とする半導体露光装置や、その半導体
露光装置に用いる露光投影レンズの波面収差測定装置が
開発されている。しかるに、エキシマレーザーは発振波
長に不安定さがあるので、波面収差の正確な測定を行う
ためには、光源の波長変動量を正確に測定する必要があ
る。従来、この種のエキシマレーザーを光源とする光の
波長を測定する方法としては、ファブリ・ペロー干渉計
を用いて干渉縞を生成し、この干渉縞を解析する方法が
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
波長測定においては、ファブリ・ペロー干渉計により生
成した干渉縞を測定するラインセンサが干渉計の光軸か
らずれて設置された場合に、干渉縞のピーク位置を正確
に測定することができず、波長変動量を高精度で測定す
ることができなかった。また、干渉計を透過した光を集
光する集光レンズの焦点距離を正確に把握することがで
きない場合に、波長変動量の測定精度が低下するという
問題があった。そこで、本発明は、ラインセンサが干渉
計の光軸からずれて設置された場合や、集光レンズの焦
点距離を正確に把握することができない場合でも、エキ
シマレーザーなどの発振波長に不安定さがある光源の波
長変動量を高精度で測定することができる波長測定装置
及び方法を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、光源からの被検光を拡散板で拡散してエ
タロンに入射させ、エタロンを透過した被検光を集光レ
ンズに入射させ、集光レンズで被検光を焦点面に集光さ
せて、焦点面に生じる干渉縞をラインセンサで検出する
ことにより、被検光の波長変動量を測定する波長測定装
置または方法において、光源と拡散板の間の光路中に、
被検光を基準光源からの基準光に切り換える光路切換手
段を配置し、被検光を拡散板に入射させたときの被検光
の干渉縞のピーク位置と次数の関係を２次関数によって
フィッティングして２次関数の極値の変動量に基づいて
被検光の波長変動量を求め、基準光を拡散板に入射させ
たときの基準光の干渉縞のピーク位置と次数の関係を２
次関数によってフィッティングして２次関数の極値に基
づいてラインセンサの取付け誤差を求め、ラインセンサ
の取付け誤差に基づいて被検光の波長変動量を補正する
処理装置を有することを特徴とする波長測定装置または
方法である。

【０００５】本発明はまた、処理装置は、基準光を拡散
板に入射させたときの基準光の干渉縞と次数の関係を２
次関数によってフィッティングし、２次関数の係数に基
づいて集光レンズの焦点距離を求め、集光レンズの焦点
距離に基づいて被検光の波長変動量を補正することを特
徴とする波長測定装置または方法である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例に係る被検光の
波長変動量を測定する波長測定装置について説明する。
本実施例に係る波長測定装置の配置図を図１に示す。本
実施例に係る波長測定装置に用いる干渉光学系として
は、ファブリ・ぺロー干渉計を用いる。光源１から出射
された被検光は、光量を調整するための可変ＮＤフィル
タ２を透過した後、拡散板３に入射して拡散され、様々
な入射角度を持ってエタロン４に入射する。エタロン４
を透過した被検光は、集光レンズ５を透過して、焦点面
上に干渉縞を形成する。この干渉縞の光量分布を焦点面
上に配置されたラインセンサ６によって検知し、処理装
置７によって干渉縞のピーク位置を算出する。なお、ラ
インセンサ６は、焦点面上において干渉計の光軸ｚと交
わるように配置されている。

【０００７】ここで、被検光の波長変動量を求める方法
について説明する。ファブリ・ペロー干渉計の概略図を
図２に示す。図２において、被検光は、高反射率を有す
るミラー面４ａ、４ｂを間隔ｄで対向させたエタロン４
に、入射角度θ_mを持って入射する。エタロン４を透過
した被検光は、集光レンズ５を透過し、集光レンズ５の
焦点面上に干渉縞を形成する。このときファブリ・ペロ
ー干渉計による干渉縞の基本式は、 である。ここで、λは被検光の波長であり、ｎは２枚の
エタロン板を配置した環境（一般には、空気）の屈折率
であり、ｍは干渉縞の次数を表す整数である。

【０００８】また、集光レンズ５に角度θ_mで入射され
た光束の結像位置（焦点面上における干渉縞の中心Ｏか
らの距離、即ち光軸ｚからの距離）ｘ （ｍ）は、集光レ
ンズ５の焦点距離をｆとすると、 である。

【０００９】入射角度θ_mを比較的小さな範囲内で考え
ると、 という２つ近似が成り立ち、（３）、（４）式を、それ
ぞれ（１）、（２）式に代入し、さらに（２）式を
（１）式に代入して整理すると、 という関係式が得られる。

【００１０】次に、ラインセンサ６とファブリ・ペロー
干渉計の光軸ｚとの間に取付け誤差ΔＤが存在する場合
について説明する。ラインセンサ６がファブリ・ペロー
干渉計の光軸ｚを取付け誤差ΔＤだけはずれて配置され
た状態を図４に示す。図４に示すように、取付け誤差Δ
Ｄだけはずれて配置されたラインセンサ６によって測定
されるｍ次の干渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）と、光軸ｚ
上に配置されたラインセンサ６によって測定されるｍ次
の干渉縞のピーク位置ｘ （ｍ）とは、 なる関係を有するから、干渉縞のピーク位置には、 だけの誤差が生じる。この誤差Δｘ（ｍ）は、波長変動
量を求める際に無視することができない。

【００１１】取付け誤差ΔＤだけはずれて配置されたラ
インセンサ６上では、測定される干渉縞の次数ｍとピー
ク位置ｘ_d（ｍ）について、（６）式を（５）式に代入
すると、 が成り立つ。（７）式を（５）式と比較し、２次関数の
極値は、取付け誤差ΔＤの影響により、−ｎｄΔＤ²／
ｆ²λだけの誤差を有している。

【００１２】本実施例に係る波長測定装置では、このラ
インセンサの取り付け誤差を補正するため、まず基準光
の干渉縞を測定する。図１において、光源１と拡散板３
の間の光路中に、光路切換手段としてのミラー８を挿入
し、被検光を基準光源９からの基準光（波長λ^*）に切
り換えて、基準光をファブリ・ペロー干渉計に入射させ
る。なお、本実施例に係る波長測定装置では、被検光の
光量だけでなく基準光の光量も調整するため、光源１と
可変ＮＤフィルタ２との間にミラー８を配置している。
この基準光の干渉縞の光量分布をラインセンサ６で検知
し、処理装置７によって干渉縞のピーク位置を算出す
る。

【００１３】図３に示すように、（７）式は干渉縞のピ
ーク位置ｘ_d（ｍ）と次数ｍを変数とした２次関数であ
り、干渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）と次数ｍを（７）式
によってフィッティングすることにより、（７）式の極
値を求める。その際、干渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）に
対して干渉縞の次数ｍを対応させる必要がある。干渉縞
のうちで最も内側に発生する干渉縞のピーク位置ｘ
_d（ｍ）の次数は、（１）式で規定される次数の最大値
ｍ_maxに該当するが、この最大次数ｍ_maxを次のように求
める。

【００１４】いま基準光を入射させたときの（７）式の
極値をｍ^* _extとすると、 であり、ｆ²≫ΔＤ²を考慮して（８）式の第１項を無視
すると、ｎ、ｄの概略値及び基準光の波長λ^*は判明し
ているから、（８）式より、極値ｍ^* _extについて正確で
はないが概略の値は求めることができる。なお、次数ｍ
は整数であるのに対し、極値ｍ^* _extは一般に実数であ
る。この極値ｍ^* _extの概略値をｍ^* _ext′とし、概略値ｍ
^* _ext′を超えない最大整数を［ｍ^* _ext′］と定義し、α
をｍ^* _ext′の小数部とすれば、 ｍ^* _ext′＝［ｍ^* _ext′］＋α （０≦α＜１） （９） と表すことができ、また求める基準光についての次数の
最大値ｍ^* _maxは、 ｍ^* _max＝［ｍ^* _ext］ である。

【００１５】一般には、ｍ^* _max＝［ｍ^* _ext′］＝［ｍ^*
_ext］と判断することができるが、極値の概略値
ｍ^* _ext′は真の極値ｍ^* _extとの間で誤差を有するから、
この誤差を考慮すれば、αが０に近い場合の最大次数ｍ
_maxは、［ｍ^* _ext′］若しくは［ｍ^* _ext′］−１のいず
れかであり、αが１に近い場合の最大次数ｍ^* _maxは、
［ｍ^* _ext′］若しくは［ｍ^* _ext′］＋１のいずれかであ
る。すなわち、例えばｍ^* _ext′＝１００００．０１であ
る場合には、最大次数ｍ^* _maxは、９９９９、若しくは１
００００のいずれかの値となる。一方、ｍ^* _ext′＝１０
０００．９９である場合には、最大次数ｍ^* _maxは、１０
０００、若しくは１０００１のいずれかの値となる。

【００１６】この場合に、最大次数ｍ^* _maxが、
［ｍ^* _ext′］若しくは［ｍ^* _ext′］−１、または［ｍ^*
_ext′］若しくは［ｍ^* _ext′］＋１のいずれかであるか
を判別するには、以下のように極値の概略値ｍ^* _ext′
と、干渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）を比較すればよい。
まず、（７）式におけるｘ_d（ｍ）＝０（原点）の位置
を規定する。エタロン４による干渉縞は、ラインセンサ
６の置かれた焦点面上で、ｍ個の同心円として形成され
る。したがって、例えば、ｋ次の干渉縞については、ラ
インセンサ６上の１点に関して対称な点ｘ_d（ｋ）、
ｘ_d′（ｋ）が測定される。この一対の点ｘ （ｋ）、
ｘ ′（ｋ）の中点（ｘ_d（ｋ）＋ｘ_d′（ｋ））／２を計
算することによって、ラインセンサ６上の中心Ｏの座標
を求めることができ、この干渉縞の中心Ｏを（７）式に
おける原点ｘ_d（ｍ）＝０と規定する。そして、αが０
に近い場合であって、原点ｘ_d（ｍ）＝０の近傍に、干
渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）が検出された場合は、ｍ^*
_max＝［ｍ^* _ext′］と判断し、検出されない場合は、ｍ^*
_max＝［ｍ^* _ext′］−１と判断する。一方、αが１に近
い場合であって、原点ｘ_d（ｍ）＝０の近傍に、干渉縞
のピーク位置ｘ_d（ｍ）が検出された場合は、ｍ^* _max＝
［ｍ^* _ext′］＋１と判断し、検出されない場合は、ｍ^*
_max＝［ｍ^* _ext′］と判断する。

【００１７】このように求めた最大次数ｍ^* _maxは、干渉
縞のうちで最も内側に発生する干渉縞のピーク位置ｘ_d
（ｍ^* _max）に対応するから、座標（ｍ^* _max，ｘ_d（ｍ^*
_max））、及び干渉縞の中心から外側に向かって、順
に、（ｍ^* _max−１，ｘ_d（ｍ^* _max−１））、（ｍ^* _max−
２，ｘ_d（ｍ^* _max−２））、‥‥‥のいくつかの座標を
（７）式によってフィッティングし、極値ｍ^* _extを求め
ることができる。したがって、ここで求めた極値ｍ^* _ext
及び（８）式から、次式のように取付け誤差ΔＤを求め
ることができ、この取付け誤差ΔＤを処理装置７に記憶
しておく。

【００１８】つぎに、被検光をファブリ・ペロー干渉計
に入射させ、同様の方法によって被検光についての２次
関数の極値ｍ_extを求める。被検光についての２次関数
の極値ｍ_extは、（７）式より、 であり、極値ｍ_extを波長λで微分すると、 を得る。ここで、λ²／２ｎｄはエタロンのＦＳＲ（フ
リー・スペクトル・レンジ）であることを用いた。処理
装置７において、（１０）式による取付け誤差ΔＤ及び
（１２）式を用いて、被検光の波長変動量Δλを求める
ことができる。なお、気圧計や温度計で気圧や温度を測
定し、その結果に基づき補正した空気の屈折率ｎから、
エタロン４のＦＳＲを補正することによって、さらに高
精度に被検光の波長変動量Δλを求めることができる。

【００１９】また、本実施例の波長測定装置では、ライ
ンセンサ６の取付け誤差ΔＤを処理装置７に記憶し、
（１２）式に基づいて計算処理し、被検光の波長変動量
Δλを求めたが、ラインセンサ６をマイクロメーターで
ΔＤだけ移動させることで、干渉計の光軸ｚと一致さ
せ、（５）式に基づき被検光の波長変動量Δλを求める
ことも可能である。

【００２０】つぎに、本発明に係る他の実施例の波長測
定装置であって、集光レンズ５の焦点距離ｆを正確に把
握できない場合において、高精度な波長変動量の測定が
可能な波長測定装置について説明する。本実施例の波長
測定装置においては、基準光を干渉計に入射させ、基準
光についての干渉縞のピーク位置ｘ_d（ｍ）と次数ｍを
（７）式によってフィッティングすることにより、
（７）式の係数を求め、この係数に基づいて焦点距離ｆ
の正確な値を知ることができる。基準光についての
（７）式の係数をａ^*とすると、 であるから、次の（１３）式より、焦点距離ｆの正確な
値を知ることができる。 したがって、（１２）式において、（１０）式により算
出した取付け誤差ΔＤと、（１３）式により算出した焦
点距離ｆとを用いて、焦点距離ｆを正確に把握できない
場合においても、精度の高い波長変動量の測定が可能と
なる。

【００２１】なお、（７）式におけるｘ_d＝０（原点）
の位置は、前述したように干渉縞の中心に関し対称な点
ｘ_d（ｋ）、ｘ_d′（ｋ）の中点（ｘ_d（ｋ）＋ｘ_d′
（ｋ））／２を計算することによって、干渉縞の中心Ｏ
の座標を求め、（７）式における原点ｘ_d（ｋ）＝０と
規定している。これにより、ラインセンサ５が外部から
の振動を受け、干渉縞全体が干渉縞の直径方向にシフト
しても、干渉縞のピーク位置と原点の相対位置関係は変
化しないから、測定結果が外部からの振動によって影響
を受けることはなく、高精度な波長変動量の測定を行う
ことが可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ファブ
リ・ペロー干渉計を用いた光の波長測定において、干渉
計の光軸と干渉縞を検出するラインセンサの取り付け誤
差に起因する被検光の波長測定誤差を補正することがで
きるため、ラインセンサを取り付ける際に機械的に正確
な位置決めを不要とし、精度良く被検光の波長変動量を
測定することができる。また、干渉計の集光レンズの焦
点距離を正確に把握できない場合であっても、波長測定
に影響を与えることなく測定できるため、ある波長にお
いて設計されたレンズを用いて、他の波長の測定に用い
たとしてもその影響を受けることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る波長測定装置の配置図

【図２】ファブリ・ペロー干渉計の概略図

【図３】干渉縞のピーク位置と次数の関係を示した図

【図４】ラインセンサがファブリ・ペロー干渉計の光軸
を取付け誤差ΔＤだけはずれて配置された状態を示した
図

【符号の説明】

１…光源 ２…可変Ｎ
Ｄフィルタ ３…拡散板 ４…エタロ
ン ４ａ、４ｂ…ミラー面 ５…集光レ
ンズ ６…ラインセンサ ７…処理装
置 ８…ミラー ９…基準光
源 ｚ…光軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの被検光を拡散板で拡散してエタ
   ロンに入射させ、該エタロンを透過した前記被検光を集
   光レンズに入射させ、該集光レンズで前記被検光を焦点
   面に集光させて、該焦点面に生じる干渉縞をラインセン
   サで検出することにより、前記被検光の波長変動量を測
   定する波長測定装置において、 前記光源と前記拡散板の間の光路中に、前記被検光を基
   準光源からの基準光に切り換える光路切換手段を配置
   し、 前記被検光を前記拡散板に入射させたときの該被検光の
   干渉縞のピーク位置と次数の関係を２次関数によってフ
   ィッティングして該２次関数の極値の変動量に基づいて
   前記被検光の波長変動量を求め、前記基準光を前記拡散
   板に入射させたときの該基準光の干渉縞のピーク位置と
   次数の関係を２次関数によってフィッティングして該２
   次関数の極値に基づいてラインセンサの取付け誤差を求
   め、ラインセンサの該取付け誤差に基づいて被検光の前
   記波長変動量を補正する処理装置を有することを特徴と
   する波長測定装置。
2. 【請求項２】前記処理装置は、前記基準光を前記拡散板
   に入射させたときの該基準光の干渉縞と次数の関係を２
   次関数によってフィッティングし、該２次関数の係数に
   基づいて前記集光レンズの焦点距離を求め、集光レンズ
   の該焦点距離に基づいて被検光の前記波長変動量を補正
   することを特徴とする請求項１記載の波長測定装置。
3. 【請求項３】光源からの被検光を拡散板で拡散してエタ
   ロンに入射させ、該エタロンを透過した前記被検光を集
   光レンズに入射させ、該集光レンズで前記被検光を焦点
   面に集光させて、該焦点面に生じる干渉縞をラインセン
   サで検出し、前記干渉縞のピーク位置と次数の関係を２
   次関数によってフィッティングし、該２次関数の極値の
   変動量に基づいて前記被検光の波長変動量を求める工程
   と、 前記光源を基準光源に置き換え、該基準光源からの基準
   光の干渉縞のピーク位置と次数の関係を２次関数によっ
   てフィッティングして該２次関数の極値を求める工程
   と、 基準光についての前記極値に基づいて求めたラインセン
   サの取付け誤差に基づいて、被検光の前記波長変動量を
   補正する工程とを有する波長測定方法。
4. 【請求項４】前記基準光を前記拡散板に入射させたとき
   の該基準光の干渉縞のピーク位置と次数の関係を２次関
   数によってフィッティングし、該２次関数の係数に基づ
   いて前記集光レンズの焦点距離を求め、集光レンズの該
   焦点距離に基づいて被検光の前記波長変動量を補正する
   工程を有することを特徴とする請求項３記載の波長測定
   方法。