JPH11132848A - マルチパス分光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】従来技術の分光計の精度を実質的に増大させた
分光計を提供する。 【解決手段】マルチ−パス分光計。光源２からの光はコ
リメーティング光学素子で拡大され、かつコリメートさ
れて平行ビームになる。平行ビームは、回折格子１２の
ような分散光学素子を照明し、光が回折格子からコリメ
ーティング光学素子に向って反射される。透過−反射光
学素子は分散光学素子から平行ビームの少なくとも一部
の少なくとも２つの反射を生じさせるために平行ビーム
を横切って位置決めされる。光度計が光源から光の空間
的特性を決定するために空間的位置の範囲で二重分散ビ
ームを測定する。好ましい実施形態では、部分反射ミラ
ー２０が回折格子１２とコリメーティング光学素子との
間に位置決めされる。このミラーは、分散光学素子から
反射した光の一部が僅かに異なる角度範囲で分散光学素
子に向って再度反射されるように、９０度から僅かに異
なる角度に位置決めされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学装置に関し、特
に分光計に関する。

【０００２】

【従来技術】分光計は、種々の波長で光の強度を測定す
るための周知の装置である。典型的な分光計は、スリッ
ト、コリメータレンズ、プリズム又は回折格子のような
分散光学素子、種々の波長を焦点合わせするための対物
レンズ、及び種々の波長の強度を測定するための光度計
を有する。図１は、そのような従来技術の回折格子式分
光計の概略図である。波長測定の対象である光源２は、
約２５０ミクロンの内径を有する光ファイバー４にって
サンプル取りされ、光の一部は、ファイバーの内径より
も長く、約５ミクロンの巾を有するスリット６に差し向
けられる。スリット６を通過する光は、約３度の角度で
ビーム７の状態に５ミクロンの方向に拡大する。ビーム
はミラー８から反射され、レンズ１０によって平行にさ
れて回折格子１２を照明し、従来技術の図では、この回
折格子はリトロー形態に配置される。回折格子から反射
する種々の波長の光は波長に依存した角度で分散され
る。1 つの波長のみを表すビームは回折格子１２から反
射してレンズ１０を通り、ミラー８及び１４から反射し
ているとして図１に示され、１５で線に焦点合わせされ
る。（線の長さ寸法はページに出入りする。）この特定
の波長は対物レンズ１６で線１７で再度焦点合わせされ
る。この波長の光は光度計１８で測定され、他の波長の
光が光度計１８の前に置かれたスリット１９によって遮
られる。スリット１９及び光度計１８は同じハウジング
内に置かれる。述べた波長以外の波長の光は、述べたビ
ームの角度と僅かに異なる角度で回折格子１２から反射
される。かくして、他の波長は、強度測定をするため
に、図１に示すように、スリット１９とともに前後に移
動する光度計１８によって線１７の上又は下の位置で測
定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術による分光計
の解像度は、回折格子の分散及びその寸法によって制限
される。これらパラメーターの両方は技術の限度及びコ
ストによって決定される一定水準まで改良されるに過ぎ
ない。もし所望のパラメータが依然として達成されない
場合には、いくつかの回折格子をもっと精巧な分光測定
法に使用することができる。これは解像度を比例的に増
大させる。しかしながら、これらのもっと精巧な技術は
分光計のコスト及び寸法を実質的に増大させる。必要な
のは、従来技術の分光計の精度を実質的に増大させる簡
単且つ安価な方法である。０．１ｐｍ程度の解像度をも
った、コンパクトで高解像度紫外線分光計に対する特別
な要望が存在する。かかる分光計は、例えばマイクロリ
ソグラフィーに使用される、狭帯域エキシマレーザの出
力分光をモニターするのに必要とされる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はマルチ−パス分
光計を提供する。光源からの光は拡大され、コリメーテ
ィング光学素子で平行にされて平行ビームになる。平行
ビームは、回折格子のような分散光学素子を照明し、光
はこの回折格子からコリメーティング光学素子に向って
反射される。透過−反射光学素子が平行ビームを横切っ
て位置決めされ、分散光学素子から平行ビームの少なく
とも一部分を少なくとも２回反射させる。光度計が、光
源からの光の分光特性を決定するために、空間位置の範
囲で二重分散ビームを測定する。好ましい実施形態で
は、部分反射ミラーが回折格子とコリメーティング光学
素子との間に位置決めされる。このミラーは、分散光学
素子から反射された光の一部が僅かに異なる角度範囲で
分散光学素子に向って反射されるように、９０度から僅
かに異なる角度で位置決めされる。その光は再び分散さ
れ、次いで分散光学素子によって異なる角度範囲で反射
される。この第２反射ビームの一部は、部分反射ミラー
を透過し、焦点合わせされ、空間的に異なる位置での光
の強度は光源の分光特性を決定するために光度計によっ
て測定される。第２の好ましい実施形態では、第３反射
ビームからの光が測定される。

【０００５】

【発明の実施の形態】図２は本発明の好ましい実施形態
を示す。図２の装置は、レンズ１０と回折格子１２との
間に３０パーセントの反射率を有する部分反射ミラー２
０が挿入されていることを除いて、図１に示す従来技術
の分光計と実質的に同じである。ミラーは、ミラー８か
ら回折格子１２に差し向けられたビームと垂直な平面と
約０．０３４度の角度で位置決めされる。部分反射ミラ
ー２０の効果は、まず、回折格子１２からのビームの３
０パーセントを第１ビームの方向より下に約０．０６８
度の僅かに異なる角度で回折格子１２へ再び反射させる
ことである。（第１の反射における光の約７０パーセン
トが部分反射ミラー２０を透過する。）ビームの反射部
分は２回目反射され、かつ合致されて部分反射ミラー２
０に再び戻り、第２反射ビームの７０パーセントが部分
反射ミラー２０を透過する。

【０００６】特定の波長（以下λｐ）の光を表すこの第
２反射ビームの中の光の部分をビーム２２として示す。
このビームの中の光（λｐの）は先ず線２４に焦点合わ
せされ（２４でポイントとして図２に示す、線はページ
に出入りする）、次いで、線２１に焦点合わせされ（再
び、線を光度計１８のスリット１９にポイント２１とし
て示す）、このビームの中の光の強度は光度計１８によ
って測定される。部分反射ミラー２０を透過する第２反
射ビームの中の短い方の波長又は長い方の波長の光は、
線２１より上又は下で焦点合わせられ、これらの波長の
光の強度は両頭矢印で示すように光度計１８及びスリッ
ト１９の適切な移動によって測定される。当業者は、分
光計が狭分光範囲にわたってのみ高精度を有し、好まし
くは、集積回路リソグラフィーに使用される狭帯域エキ
シマレーザの出力のような非常に狭帯域の光の分光分析
を行うのにのみ使用されるべきであることを認識する。
リソグラフィーに使用される典型的な狭帯域ＫｒＦレー
ザは、０．８ｐｍ帯域幅をもつ２４８ｎｍの出力を有す
る。このスペクトルを測定する好ましい実施形態につい
て好ましい一組のパラメータは次のとおりである。 回折格子１２の光入射 ７８．５度、リトロー形態 レンズ１０の焦点距離 １メートル ミラー２０の角度 垂直から０．０３４度 入射スリット６のサイズ ５μ スリット９のサイズ １０μ レンズ１６の倍率 １：２ これらのパラメータは２４８ｎｍで約０．１２ｐｍの解
像度を得る。分光の測定による典型的な一組のデータは
図４に示すグラフの様である。

【０００７】第１ピーク４０はミラー２０から反射さ
れ、回折格子１２に全く到達しない光を表す。第１ピー
クは無視することができる。第２ピーク４２は回折格子
１２から１回反射された光を表す。第２ピークは基準と
して使用することができる。第３ピーク４４は回折格子
１２から２回反射された光を表し、典型的には、最も良
い分光精度を提供する。第４ピーク４６は回折格子１２
から３回反射された光を表し、十分な光が利用できれば
最も良いデータを提供する。上記の特定形態について、
ピークの間の距離は約６０ｐｍの波長の広がりに相当す
る。従って、上記形態を有する分光計の精度範囲は約プ
ラスマイナス３０ｐｍの範囲に制限される。図４に示す
チャートは約９ｐｍ（ＦＷＨＭ）の帯域幅を示し、これ
は約１乃至３ｐｍ又はそれ以下の帯域幅が望まれる集積
回路リソグラフィーに使用するにはおそらく大きすぎ
る。

【０００８】当業者は、制限された分光範囲にもかかわ
らず、この回折格子分光計がエタロンファブリペローを
分散要素として使用するエタロン分光計よりも大きな利
点を提供する。エタロン分光計が、最大の半分でレーザ
の線幅を測定するときに同様な解像度を提供することが
できるとしても、それは、積算分光幅（エネルギーの９
５％を含む分光範囲のような）を評価するときに重要で
ある、十分なコントラスト及び信号対バックグラウンド
比を提供しない。この後の測定は、マイクロリソグラフ
ィーの応用にとって極めて重要である。加えて、この回
折格子分光計は、匹敵する解像度を有するエタロン分光
計よりも大きな分光範囲を提供する。４つのピークの相
対強度は以下のように分析される。ミラー２０の反射率
をＲ＝３０パーセント及び回折格子１２の反射効率を５
０パーセントと仮定する。従って、第１ピークの相対強
度（ミラー２０からの反射）は３０パーセントである。
第２ピークの相対強度（回折格子からの１つの反射）は
（７０％）（５０％）（７０％）又は２４．５パーセン
トである。第３ピークの光、即ちオフ回折格子１２から
の２つの反射は（７０％）（５０％）（３０％）（５０
％）( ７０％）又は３．７パーセントの相対強度を有す
る。同様に、第４ピークの光は０．５５パーセントの相
対強度を有する。

【０００９】明らかに、約５０％の相対強度を提供する
従来技術の分光計と比較して、本発明の上記実施形態で
は第３ピーク及び第４ピークの光は本質的に減少する。
しかしながら、強度のこの減少は、利用できる光の強度
が、良好な分光測定に必要とされる大きさよりも高い大
きさの数オーダーであるレーザスペクトルを測定すると
きには通常問題とならない。光強度が制限されるとき、
図３に示すような実施形態を利用するのが良い。この実
施形態では、薄膜偏光ビームスプリッター３０及びλ／
４波長板３１がレンズ１０と回折格子１２との間に置か
れている。この好ましい実施形態については、分析され
る光は水平方向に偏光されると推定される。（レーザビ
ームは典型的には水平方向か垂直方向のいずれかに偏光
される。光が既に偏光されていないとしたら、偏光子を
加える必要がある。）薄膜偏光ビームスプリッター３０
は、水平方向に偏光した光を通し、垂直方向に偏向した
光を反射させるように位置決めされる。従って、レンズ
１０からの水平方向に偏光した光は偏光ビームスプリッ
ター３０を通過し、四分の一波長板３１によって円偏光
した光に転換される。光は回折格子１２から反射し、そ
して四分の一波長板３１を通ったとき、垂直方向に偏向
した光に転換され、その光は、偏光ビームスプリッター
３０によって反射され、ミラー３２によって反射され、
ビームスプリッター３０によって再度反射され、四分の
一波長板３１を通り、ここで光は円偏光した光に再度転
換される。ビームは回折格子１２から再度反射し、四分
の一波長板３１を再度通過し、ここで今度水平方向に偏
向した光に転換され、偏光ビームスプリッター３０及び
レンズ１０を通過する。この実施形態におけるこの第２
反射ビームの経路の残りは図２に示す実施形態の第２反
射ビームの対応する経路と同様である。この後者の実施
形態は、回折格子１２での損失を除いて、もとのビーム
の中の光のほぼ全てを第２反射ビームの中に保存してい
る。かくして、二重分散ビームの相対強度は（５０％）
（５０％）又は２５パーセントに近い。主に、回折格子
効率が偏光に敏感である事実により強度の追加的な損失
は小さいかもしれない。また、この実施形態では、ファ
イバー４が、ファイバーでの減偏光により光が失われな
いようにする偏波面保存ファイバーであるのが望まし
い。

【００１０】この改良分光計を特定の実施形態を参照し
て説明したけれども、種々の適用及び修正をなしても良
いことを理解すべきである。例えば、フォトダイオード
アレイをスリットを有する移動可能な光度計の代りに使
用しても良く、レンズ１６を省いても良く、光検出器１
３及びスリット２１は焦点線２４の位置にあっても良
い。図２に示した特定の光学要素以外の光学要素の多く
の配置がありうる。１つ以上のプリズムを分散要素とし
て回折格子の代りに使用しても良い。光ファイバー及び
スリット以外の周知の方法を、光のビームを分散要素に
差し向けるのに使用しても良い。もとのビームの中の十
分な光が利用できれば、第３反射ビームにおけるλｐ及
び他の波長を測定することができる。この場合、第１及
び第２反射ビームからの光が測定に干渉しないようにす
るように気を付けるべきである。従って、本発明は請求
の範囲及び法律上の均等物によってのみ制限される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術による分光計の概略図である。

【図２】 本発明の好ましい実施形態を示した概略図で
ある。

【図３】 本発明の第３の好ましい実施形態の一部を示
した概略図である。

【図４】 強度データのチャートを表す図である。

【符号の説明】

２ 光源 ４ 光ファイバー ６ スリット ８ ミラー １０ レンズ １２ 回折格子 １４ ミラー １６ レンズ １８ 光度計 ２０ 部分反射ミラー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 種々の波長で光源の光の強度を測定する
   ためのマルチ−パス分光計であって、 ａ．前記光源から拡大光を生じさせるためのビーム拡大
   光学素子と、 ｂ．分散光学素子と、 ｃ．前記分散光学素子の照明のための平行ビームを生じ
   させるように前記光源をコリメートするためのコリメー
   ティングレンズと、 ｄ．前記分散光学素子から前記平行ビームの中の光の少
   なくとも１つの反射を生じさせるための、前記平行ビー
   ムを横切って位置決めされた透過−反射光学手段と、 ｅ．複数の空間位置で前記分散光学素子から反射した光
   の光強度を測定するための光度計と、を有するマルチパ
   ス分光計。
2. 【請求項２】 種々の波長で光源の光の強度を測定する
   ためのマルチ−パス分光計において、 ａ．前記光源から拡大光を生じさせるためのビーム拡大
   光学素子と、 ｂ．分散光学素子と、 ｃ．前記分散光学素子の照明のための平行ビームを生じ
   させるように前記光源をコリメートするためのコリメー
   ティング光学素子と、 ｄ．９０度から僅かに異なる角度で前記平行ビームを横
   切って位置決めされた部分反射ミラーとを有し、 前記ビーム拡大レンズ、前記分散光学素子、前記コリメ
   ーティング光学素子、及び部分反射ミラーは、前記光源
   からの光の一部が前記ビーム拡大光学素子によって拡大
   され、前記コリメーティング光学素子でコリメートさ
   れ、前記部分反射ミラーを透過し、第１の反射角度範囲
   で前記分散光学素子から分散されかつ反射され、前記第
   １の反射角度範囲と僅かに異なる第２の反射角度範囲で
   再度分散されかつ反射され、反射された前記光は前記コ
   リメーティング光学素子で焦点合わせされ、 ｅ．複数の空間位置で前記第２反射角度範囲で反射され
   た前記光の強度を測定するための光度計を更に有する、
   マルチパス分光計。