JPWO2017199395A1 - 波長検出装置 - Google Patents

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Abstract

少なくとも1つのエタロンを用いて、レーザ共振器から出力される紫外線レーザ光の波長を検出する波長検出装置において、波長検出装置は、エタロンを収容する内部空間が密封された第1筐体と、第1筐体に形成された第1開口に取り付けられ、第1筐体内に紫外線レーザ光を採り入れる入力ウインドウと、入力ウインドウの端縁部と第1開口の内周部との間の隙間をシールする第1シール部材と、入力ウインドウの端縁部とシール部材との間に配置され、入力ウインドウからシール部材に向かう紫外線レーザ光を遮光する遮光膜と、第1筐体の外側に配置され、入力ウインドウの前段において、紫外線レーザ光を散乱させる拡散素子と、を備えている。

Description

本開示は、紫外線レーザ光の中心波長を検出する波長検出装置に関する。
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用のガスレーザ装置としては、中心波長248.4nmの紫外線レーザ光を出力するKrFエキシマレーザ装置ならびに、波長193.4nmの紫外線レーザ光を出力するArFエキシマレーザ装置が用いられている。
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけ上の波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ArFエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長134nmの紫外光が照射される。この技術をArF液浸露光という。ArF液浸露光はArF液浸リソグラフィーとも呼ばれる。
KrF、ArFエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約350〜400pmと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影される紫外線レーザ光の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力される紫外線レーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には、狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール(Line Narrowing Module)が設けられている。この狭帯域化モジュールによりスペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。狭帯域化素子は、エタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル線幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。
こうしたレーザ装置に用いられ、レーザ共振器が出力する紫外線レーザ光の中心波長を検出する波長検出装置が知られている。波長検出装置は、レーザ共振器が出力する紫外線レーザ光の一部をサンプル光として採光して、レーザ共振器が目標とする中心波長の紫外線レーザ光を出力しているか否かをモニタする。波長制御部は、波長検出装置が検出した中心波長に基づいて、紫外線レーザ光の中心波長が目標とする中心波長となるようにレーザ共振器を制御する。
特開2003−214958号公報 実開平1−29160号公報 特開平1−183871号公報
概要
本開示の1つの観点に係る波長検出装置は、少なくとも1つのエタロンを用いて、レーザ共振器から出力される紫外線レーザ光の波長を検出する波長検出装置において、第1筐体と、入力ウインドウと、第1シール部材と、遮光膜と、拡散素子と、を備えている。第1筐体は、エタロンを収容する内部空間が密封された筐体である。入力ウインドウは、前記第1筐体に形成された第1開口に取り付けられ、前記第1筐体内に前記紫外線レーザ光を採り入れる。第1シール部材は、前記入力ウインドウの端縁部と前記第1開口の内周部との間の隙間をシールする。遮光膜は、前記入力ウインドウの端縁部と前記シール部材との間に配置され、前記入力ウインドウから前記シール部材に向かう前記紫外線レーザ光を遮光する。拡散素子は、前記第1筐体の外側に配置され、前記入力ウインドウの前段において、前記紫外線レーザ光を拡散させる。
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図1は、比較例に係る波長検出装置を用いた狭帯域レーザ装置の構成を概略的に示す。 図2は、比較例の課題を説明する説明図である。 図3は、第1実施形態の波長検出装置を用いた狭帯域レーザ装置の構成を概略的に示す。 図4は、第1実施形態の波長検出装置の要部を示す。 図5は、入力ウインドウの遮光膜と保護膜の説明図である。 図6は、第2実施形態の波長検出装置の要部を示す。 図7は、第3実施形態の波長検出装置の構成を概略的に示す。 図8は、第3実施形態の第1ユニットの外観斜視図である。 図9は、第3実施形態の波長検出装置の要部を示す。 図10は、第4実施形態の波長検出装置の構成を概略的に示す。 図11は、第4実施形態の1組のビームスプリッタの姿勢を示す説明図である。 図11とは異なる方向から見た1組のビームスプリッタの姿勢を示す説明図である。 図13は、p偏光とs偏光の入射角度に対する反射率の関係を示すグラフである。 図14は、第4実施形態のビームスプリッタの作用を説明する概念図である。 図15は、参考形態の波長検出装置の要部を示す。
実施形態
<内容>
1.比較例に係る波長検出装置を用いる狭帯域化レーザ装置
1.1 レーザチャンバ
1.2 モニタモジュール
1.2.1 第2ユニット
1.2.2 第1ユニット
1.2.2.1 拡散板
1.2.2.2 第1エタロン分光器及び第2エタロン分光器
1.2.2.3 第1筐体
1.3 露光装置
1.4 レーザ制御部
1.5 動作
2. 課題
3.第1実施形態に係る波長検出装置を用いる狭帯域化レーザ装置
3.1 構成
3.2 動作
3.3 効果
4.第2実施形態に係る波長検出装置
4.1 構成
4.2 効果
4.3 変形例
5.第3実施形態に係る波長検出装置
5.1 構成
5.2 効果
6.第4実施形態に係る波長検出装置
6.1 構成
6.2 効果
7.参考形態に係る波長検出装置
8.その他
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
1.比較例に係る狭帯域化レーザ装置の全体説明
図1は、比較例に係る狭帯域化レーザ装置2の構成を模式的に示す。本例において、狭帯域化レーザ装置2は、露光装置4とともに用いられる形態を示す。狭帯域化レーザ装置2は、レーザチャンバ10と、一対の放電電極11a及び11bと、電源12と、狭帯域化モジュール14と、出力結合ミラー15とで構成されるレーザ共振器を含んでいる。レーザ共振器は、紫外線レーザ光であるパルスレーザ光を出力する。本例において、出力結合ミラー15から出力されるパルスレーザ光の進行方向は、Z方向である。一対の放電電極11a及び11bの間の放電方向は、V方向又は−V方向である。これらの両方に垂直な方向はH方向である。
また、狭帯域化レーザ装置2は、モニタモジュール16と、レーザ制御部20と、波長制御部21と、ドライバ23とを含んでいる。モニタモジュール16は、第1ユニット17と第2ユニット18とを含んでいる。第1ユニット17は、第1エタロン分光器26と、第2エタロン分光器27とを含んでいる。
1.1 レーザ共振器
レーザチャンバ10は、例えば、レアガスとしてアルゴンガスやクリプトンガス、ハロゲンガスとしてフッ素ガスや塩素ガス、バッファガスとしてネオンガスやヘリュームガスを含むレーザガスが封入されるチャンバである。レーザチャンバ10の両端にはウインドウ10a及び10bが設けられている。
一対の放電電極11a及び11bは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ10内に配置されている。一対の放電電極11a及び11b間には、電源12からパルス状の高電圧が印加される。電源12は、図示しない充電器と、図示しないパルスパワーモジュールと、を含んでいる。パルスパワーモジュールは、スイッチ12aを含んでいる。電源12は、レーザ制御部20からスイッチ12aに発振トリガ信号が入力されると、一対の放電電極11a及び11b間に印加される上述のパルス状の高電圧を生成する。
一対の放電電極11a及び11b間に高電圧が印加されると、一対の放電電極11a及び11b間に放電が起こる。この放電のエネルギにより、レーザチャンバ10内のレーザ媒質が励起されて高エネルギ準位に移行する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギ準位に移行するとき、そのエネルギ準位差に応じた光を放出する。
ウインドウ10a及び10bは、これらのウインドウに対する光の入射面とHZ平面とが略一致し、かつ、この光の入射角度が略ブリュースター角となるように配置されている。レーザチャンバ10内で発生した光は、ウインドウ10a及び10bを介して、パルスレーザ光としてレーザチャンバ10の外部に出射する。パルスレーザ光には、複数のパルスが含まれる。1つのパルスは、1つの発振トリガ信号に応じてレーザチャンバ10により生成されるレーザ光である。
狭帯域化モジュール(LNM:Line Narrowing Module)14は、複数個、例えば2個のプリズム14a及び14bと、グレーティング14cと、回転ステージ14dと、を含んでいる。プリズム14a及び14bは、レーザチャンバ10のウインドウ10aから出射された光のH方向のビーム幅を拡大させて、その光をグレーティング14cに入射させる。また、プリズム14a及び14bは、グレーティング14cからの反射光のH方向のビーム幅を縮小させるとともに、その光を、ウインドウ10aを介して、レーザチャンバ10内の放電空間に戻す。
グレーティング14cは、表面の物質が高反射率の材料によって構成され、表面に多数の溝が所定間隔で形成されている。グレーティング14cは、分散光学素子である。各溝は、例えば、断面形状が直角三角形の溝である。プリズム14a及び14bからグレーティング14cに入射した光は、これらの溝によって反射されるとともに、光の波長に応じた方向に回折させられる。グレーティング14cは、プリズム14a及び14bからグレーティング14cに入射する光の入射角と、所望波長の回折光の回折角とが一致するようにリトロー配置されている。これにより、所望の波長付近の光がプリズム14a及び14bを介してレーザチャンバ10に戻される。
回転ステージ14dは、プリズム14bを支持しており、V軸と平行な軸周りにプリズム14bを回転させる。プリズム14bを回転させることにより、グレーティング14cに対する光の入射角度が変更される。従って、プリズム14bを回転させることにより、グレーティング14cからプリズム14a及び14bを介してレーザチャンバ10に戻る光の波長を選択することができる。
出力結合ミラー15は、表面に部分反射膜がコーティングされており、レーザチャンバ10のウインドウ10bから出力されたレーザ光の一部を反射し、一部を透過させる。狭帯域化モジュール14と出力結合ミラー15とが、光共振器を構成する。レーザチャンバ10から出射した光は、狭帯域化モジュール14と出力結合ミラー15との間で往復し、放電電極11a及び11bの間の放電空間を通過するたびに増幅されレーザ発振する。さらに、上述したウインドウ10a及び10bの配置によって、H方向の偏光成分が選択される。こうして増幅された光の一部が、パルスレーザ光として、出力結合ミラー15から露光装置4に向けて出力される。
1.2 モニタモジュール
モニタモジュール16は、レーザ共振器が出力するパルスレーザ光の一部をサンプルし、サンプルしたパルスレーザ光に基づいて、パルスエネルギを検出し、さらに、中心波長を検出する。
1.2.1 第2ユニット
第2ユニット18は、レーザ共振器が出力するパルスレーザ光の一部をサンプルする機能と、パルスエネルギを検出する機能とを担う。第2ユニット18は、第1ビームスプリッタ31と、第2ビームスプリッタ32と、エネルギセンサ33と、集光レンズ34とを含んでいる。
第1ビームスプリッタ31は、出力結合ミラー15と露光装置4との間のパルスレーザ光の光路に配置されている。第1ビームスプリッタ31は、出力結合ミラー15から出力されたパルスレーザ光を高い透過率で透過させ、出力結合ミラー15から出力されたパルスレーザ光の他の一部を反射する。第1ビームスプリッタ31によって反射されたパルスレーザ光の光路に、第2ビームスプリッタ32が配置されている。第2ビームスプリッタ32は、第1ビームスプリッタ31によって反射されたパルスレーザ光の一部を透過して、他の一部を反射する。
エネルギセンサ33は、第2ビームスプリッタ32によって反射されたパルスレーザ光の光路に配置されている。エネルギセンサ33は、第2ビームスプリッタ32によって反射されたパルスレーザ光の各パルスのパルスエネルギを計測する。エネルギセンサ33は、計測したパルスエネルギのデータを、レーザ制御部20に出力する。また、エネルギセンサ33は、パルスエネルギを検出した場合に、1つのパルスを検出したことを表す検出信号を、波長制御部21に出力する。エネルギセンサ33は、例えば、フォトダイオード、光電管、あるいは焦電素子(パイロ素子)である。
集光レンズ34は、第2ビームスプリッタ32を透過したパルスレーザ光を集光する。集光レンズ34の後段には、第1ユニット17が配置されている。集光レンズ34が集光したパルスレーザ光は、第1ユニット17に出力される。
1.2.2 第1ユニット
第1ユニット17は、パルスレーザ光の中心波長を検出する波長検出機能を担い、波長検出装置に相当する。第1ユニット17は、第1エタロン分光器26と第2エタロン分光器27に加えて、拡散板35と、第3ビームスプリッタ36と、筐体37と、センサ収容部38及び39とを含んでいる。筐体37は第1筐体に相当し、拡散板35は拡散素子に相当する。
1.2.2.1 拡散板
拡散板35は、例えば、パルスレーザ光に対して光透過性を有する平行平板で形成されている。拡散板35は、光入射側の面に拡散面35aが形成されている。拡散面35aは、粗面化処理を施すことにより形成したものであり、多数の凹凸を有する。粗面化処理は、例えば、サンドブラスト加工により行われる。拡散板35は、入射したパルスレーザ光を拡散面35aで散乱させることにより拡散させ、拡散光として出射する。拡散板35から出射された拡散光としてのパルスレーザ光は、第3ビームスプリッタ36に入射する。
1.2.2.2 第1エタロン分光器及び第2エタロン分光器
第3ビームスプリッタ36は、拡散板35から出射された拡散光の光路に配置される。第3ビームスプリッタ36は、拡散板35から出射された拡散光の一部を透過し、拡散板35から出射された拡散光の他の一部を反射する。
第3ビームスプリッタ36を反射する拡散光の光路には、第1エタロン分光器26が配置されている。一方、第3ビームスプリッタ36を透過する拡散光の光路には、第2エタロン分光器27が配置されている。第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27は、ともに、それぞれに入射する拡散光に基づいて生成される干渉縞(フリンジ波形)を検出して、パルスレーザ光の中心波長を計測する。第2エタロン分光器27は、第1エタロン分光器26と比較して、検出する干渉縞の分解能が相対的に高い。
第1エタロン分光器26は、第1エタロン26aと、集光レンズ26bと、ラインセンサ26cと、を含んでいる。第1エタロン26aは、周知のとおり、二つの対向する部分反射面を有する光学素子であり、部分反射面間の多重干渉の作用により特定の波長が強められて透過するという波長フィルタの効果を有する。第1エタロン26aを透過する光は干渉縞を形成する。
第1エタロン26aとしては、例えば、部分反射面間がエアギャップであるエアギャップエタロンが用いられる。エアギャップエタロンは、周知のとおり、一面に部分反射膜をコートとして部分反射面を形成したミラーを2枚用い、スペーサを介挿して2枚のミラーを光学的に結合し、各ミラーの部分反射面間にエアギャップを形成したものである。
一般にエタロンの干渉縞は以下の式(1)で表される。
mλ=2nd・cosθ ・・・・・・式(1)
ここで、λはレーザ光の波長、nはエアギャップの屈折率、dは部分反射面の間隔、mは整数である。
第1エタロン26aに入射した光の入射角θに応じて、2枚の部分反射面の間で往復せずに第1エタロン26aを透過する光と、2枚の部分反射面の間で往復した後で第1エタロン26aを透過する光との光路差が異なる。第1エタロン26aに入射した光は、上記の光路差が波長λの整数m倍である場合に高い透過率で第1エタロン26aを透過する。
第1エタロン26aに入射した波長λの光は、式(1)を満たす入射角θにおいて、高い透過率でエタロンを透過する。従って、第1エタロン26aに入射する光の波長λに応じて、第1エタロン26aを高い透過率で透過する光の入射角θが異なる。
集光レンズ26bは、第1エタロン26aを透過した光の光路上に配置され、第1エタロン26aを透過した光を集光する。ラインセンサ26cは、例えば、光電変換により光強度に応じた検出信号を出力する受光素子として複数個のフォトダイオードを用い、複数個のフォトダイオードが一次元に配列されて構成されたフォトダイオードアレイである。ラインセンサ26cは、検出面が集光レンズ26bの焦点位置に配置されている。集光レンズ26bを透過した光は、ラインセンサ26cの検出面に入射し、検出面において干渉縞として結像する。ラインセンサ26cは、検出面に結像する干渉縞の光強度分布を検出する。ラインセンサ26cが検出する干渉縞の半径の二乗は、パルスレーザ光の波長λに比例する。
ラインセンサ26cは、波長制御部21から出力トリガを受信する。ラインセンサ26cは、出力トリガを受信した場合に、干渉縞の光強度分布に応じた検出信号を、波長制御部21に出力する。なお、ラインセンサ26cの代わりに、図示しない受光素子が2次元状に配列された、図示しないエリアセンサが用いられてもよい。
第2エタロン分光器27も、第1エタロン分光器26と基本的な構成は同様であり、第2エタロン27aと、集光レンズ27bと、ラインセンサ27cと、を含んでいる。第2エタロン27aとしては、第1エタロン26aと同様に、例えばエアギャップエタロンが用いられる。
集光レンズ27bは、第2エタロン27aを透過した透過光の光路上に配置され、透過光を集光する。ラインセンサ27cは、例えば一次元のフォトダイオードアレイであり、検出面が集光レンズ27bの焦点位置に配置されている。集光レンズ27bを透過した光は、ラインセンサ27cの検出面に入射し、検出面において干渉縞として結像する。ラインセンサ27cは、検出面に結像する干渉縞の光強度分布を検出する。
分解能が相対的に低い第1エタロン分光器26はコースエタロン、分解能が相対的に高い第2エタロン分光器27はファインエタロンと呼ばれる。第1エタロン分光器26の集光レンズ26bの焦点距離は、第2エタロン分光器27の集光レンズ27bの焦点距離よりも短い。
また、エタロンの干渉縞の間隔に対応するフリースペクトルレンジ(FSR)は、以下の式(2)で表される。
FSR=λ2/(2nd) ・・・・・・式(2)
また、第1エタロン分光器(コースエタロン)26のFSRをFSRc、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27のFSRをFSRfとすると、FSRcとFSRfの関係は、以下の式(3)で表される条件を満たす。
FSRf<FSRc ・・・・・・・・式(3)
一般に、エタロンの分解能Rは、以下の式(4)で表される。
R=FSR/F ・・・・・・・・・・式(4)
ここで、Fはフィネスである。
フィネスFが同じ場合は、FSRが小さいほど分解能Rが高くなる。つまり、式(3)の関係から、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27のFSRfは、第1エタロン分光器(コースエタロン)26のFSRcよりも高いので、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27の方が、分解能Rが高い。そのため、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27の方が、中心波長の詳細な変化を計測することができる。
一般に、エタロンにおいて、波長変化がFSRの倍数と一致した場合、検出される干渉縞は略同じとなるため、波長変化が生じたか否かの区別がつかない。そのため、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27だけを用いると、検出できる波長変化の範囲が狭いので、検出できる波長変化の範囲が広い第1エタロン分光器(コースエタロン)26と組み合わせることで、比較的広い範囲の波長変化を、高精度に計測できる。
本例では、第1エタロン分光器(コースエタロン)26のFSRc、及び第2エタロン分光器(ファインエタロン)27のFSRfを、それぞれ、FSRc=400pm、FSRf=10pmとしている。これにより、例えば、エキシマレーザで約400pm程度波長を変化させる場合に、約400pmの比較的広い範囲の波長変化を第1エタロン分光器26で計測し、約10pmの範囲の詳細な波長変化を第2エタロン分光器(ファインエタロン)27で高精度に計測することができる。
なお、本例において、ラインセンサ26cとラインセンサ27cの解像度は同じであるが、ラインセンサ26cの解像度よりも、ラインセンサ27cの解像度を上げてもよい。これにより、第2エタロン分光器(ファインエタロン)27の干渉縞の検出精度をより向上することが可能となる。
1.2.2.3 第1筐体
第1筐体37は、第3ビームスプリッタ36と、第1エタロン26aと、第2エタロン26aとを収容する。第1筐体37の壁面には、拡散板35、集光レンズ26b、集光レンズ27bのそれぞれの光学素子に対応した開口が形成されており、各光学素子は各開口に取り付けられている。
第1筐体37の内部空間は、空気を乾燥窒素ガス(N2ガス)で置換して密封される。各開口と、拡散板35、集光レンズ26b及び27bの各光学素子の隙間は、例えば、Oリング41、43、44などのシール部材によってシールされる。これにより、第1筐体37の内部空間は密封チャンバとなる。
ガス漏れにより、第1筐体37の内部空間のガス密度やガス組成が変化すると、内部空間に配置される各エタロン26a及び27aのエアギャップの気体の屈折率nが変化する。上記式(1)で示したとおり、屈折率nが変化すると、エタロン26a及び27aに入射する光の波長に変化が無い場合でも、検出面における干渉縞の位置がドリフトして、計測される波長λが変化してしまう。このような波長計測の誤差を抑制するため、第1筐体37はシール部材によって内部空間を密閉する密閉構造が採用される。
具体的には、図2に示すように、第1筐体37の壁面には、開口40が形成されており、開口40には拡散板35が取り付けられている。拡散板35は、例えば平面形状が円形であり、開口40の平面形状も拡散板35の形状に合わせて円形である。開口40の内周部37aと拡散板35の端縁部35bとの隙間は、Oリング41によってシールされている。
開口40の内周部37aは、例えば、開口40の中心に向かって突出したフランジ部を有している。拡散板35は、端縁部35bの出射側の面(拡散面35aとは反対側の面)と、フランジ部の一面とが対面して当接する姿勢で配置される。内周部37aのフランジ部には、Oリング41を収容する溝37bが形成されている。拡散板35を開口40に嵌め込むと、拡散板35の端縁部35bとOリング41が接触する。
拡散板35が開口40に嵌め込められた状態で、拡散板35は固定部材42によって第1筐体37に固定される。固定部材42は、円形のリングであり、拡散面35a側から端縁部35bに被せられる。固定部材42は、ボルト42aによって第1筐体37に締結される。第1筐体37には、ボルト42aを取り付けるためのネジ穴37cが形成されている。ボルト42aの締結によって固定部材42は、拡散面35a側から拡散板35をフランジ部に押しつける。この押圧によりOリング41が弾性変形して、拡散板35の端縁部35bと開口40の内周部37aとの隙間がシールされる。
Oリング41は、例えばフッ素系のゴムなどの弾性を有する樹脂で形成される。第1筐体37は、例えばアルミニウムなどの金属で形成される。
集光レンズ26b及び27bのOリング43、44(図1参照)及びその取り付け構造についても、拡散板35のOリング41と同様であるので、詳細な説明を省略する。
また、図2において、符号34aは集光レンズ34を保持するホルダであり、同様に、符号36aは第3ビームスプリッタ36を保持するホルダである。符号A1は、集光レンズ34、拡散板35及び第3ビームスプリッタ36に入射する光の光軸を示し、符号A2は第3ビームスプリッタ36で反射して第1エタロン26aに入射する光の光軸を示し、符号A3は第3ビームスプリッタ36を透過して第2エタロン27aに入射する光の光軸を示す。
また、図1に示すように、センサ収容部38は、ラインセンサ26cを収容する。センサ収容部38は、ラインセンサ26cの検出面と集光レンズ26bと対向する姿勢で、かつ、ラインセンサ26cの検出面が集光レンズ26bの焦点位置に位置するように、ラインセンサ26cを保持する。センサ収容部38は、集光レンズ26bと対向する面が開口した有底の円筒部材であり、第1筐体37に固定される。センサ収容部39も同様の構成であり、ラインセンサ27cを保持し、第1筐体37に固定される。
1.3 露光装置
露光装置4は、露光装置制御部4aを含んでいる。露光装置制御部4aは、図示しないウエハステージの移動などの制御を行う。露光装置制御部4aは、レーザ制御部20に対し、目標中心波長λTのデータと、目標パルスエネルギETのデータと、発振トリガ信号とを出力する。目標中心波長λTのデータは、発振トリガ信号と同期して、1パルス毎にレーザ制御部20に入力される。
1.4 レーザ制御部
レーザ制御部20は、露光装置制御部4aから受信した目標中心波長λTのデータを、波長制御部21に送信する。レーザ制御部20は、露光装置制御部4aから受信した目標パルスエネルギETのデータと、エネルギセンサ33から受信したパルスエネルギのデータとを参照して、電源12における充電電圧の設定値を制御する。レーザ制御部20が電源12における充電電圧の設定値を制御することにより、パルスレーザ光の各パルスのパルスエネルギが制御される。
レーザ制御部20は、露光装置制御部4aから受信した発振トリガ信号に基づいて、電源12に含まれるスイッチ12aに発振トリガ信号を出力する。
1.5 波長制御部
波長制御部21は、エネルギセンサ33から検出信号を受信した場合に、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27のそれぞれのラインセンサ26c及び27cに対して出力トリガを出力する。ラインセンサ26c及び27cは、出力トリガを受信すると、干渉縞の光強度分布を表す検出信号を波長制御部21に出力する。波長制御部21は、ラインセンサ26c及び27cからそれぞれ検出信号を取得し、パルスレーザ光のパルス毎の中心波長λを算出する。
ラインセンサ26c及び27cが検出する干渉縞の半径の二乗は、パルスレーザ光の中心波長λに比例する。波長制御部21は、ラインセンサ26cが検出する干渉縞に基づいて、第1エタロン分光器26により発生した干渉縞の半径を算出し、かつ、ラインセンサ27cが検出する干渉縞に基づいて、第2エタロン分光器27により発生した干渉縞の半径を算出する。これらの半径の二乗と上記比例関係に基づいて、パルスレーザ光の中心波長λを算出する。波長制御部21は、算出した中心波長λと、レーザ制御部20から受信した目標中心波長λTとの差Δλを算出する。波長制御部21は、差Δλに基づいて、算出した中心波長λが目標中心波長λTに近づくように、回転ステージ14dを制御してプリズム14bを回転させる。回転ステージ14dの制御は、波長制御部21がドライバ23に制御信号を送信することによって行われる。
1.5 動作
レーザ制御部20は、露光装置4から目標パルスエネルギETと目標中心波長λTのデータを受信する。レーザ制御部20は、目標パルスエネルギETとなるように、電源12の充電電圧の設定値を制御する。レーザ制御部20は、目標中心波長λTのデータを波長制御部21に送信する。
レーザ制御部20は、露光装置4から送信された発振トリガ信号に基づいて、電源12のスイッチ12aをオンさせる。スイッチ12aがオンされると、一対の電極11a、11b間に高電圧が印加されて放電が生じ、放電によりレーザ媒質が励起される。レーザ媒質が励起されると、狭帯域化モジュール14と出力結合ミラー15の光が往復して、放電空間を通過することにより増幅されてレーザ発振する。レーザ発振により出力結合ミラー15から狭帯域化されたパルスレーザ光が出力される。
第1ビームスプリッタ31にパルスレーザ光が入射すると、第1ビームスプリッタ31は入射したパルスレーザ光を透過して、透過したパルスレーザ光が露光装置4に出力される。第1ビームスプリッタ31はパルスレーザ光の一部を反射して、パルスレーザ光をサンプルする。
第1ビームスプリッタ31によってサンプルされたパルスレーザ光は、第2ビームスプリッタ32に入射する。入射したパルスレーザ光は、第2ビームスプリッタ32において一部が反射して、反射光はエネルギセンサ33に入射する。レーザ制御部20は、エネルギセンサ33から受信したパルスエネルギのデータに基づいて、目標パルスエネルギETとなるようにパルスレーザ光のパルスエネルギを制御する。
一方、第2ビームスプリッタ32を透過した透過光は集光レンズ34に入射する。集光レンズ34は、入射した光を集光する。集光レンズ34で集光された光は、拡散板35に入射する。拡散板35に入射した光は散乱されて拡散光となり、第3ビームスプリッタ36を介して、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27のそれぞれに入射する。第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27において、入射した光の波長λに応じた半径を持つ干渉縞を検出する。
波長制御部21は、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27のそれぞれのラインセンサ26c及び27cから、パルスレーザ光のパルス毎に検出される干渉縞の検出信号を受信する。波長制御部21は、検出信号に基づいて、パルスレーザ光のパルス毎の中心波長λを算出する。波長制御部21は、算出した中心波長λが算出した中心波長λが目標中心波長λTに近づくように、プリズム14bを回転させる。
以上のように、レーザ共振器が出力するパルスレーザ光のパルスエネルギと波長が、露光装置4が要求する目標パルスエネルギET及び目標中心波長λTとなるように制御される。ここで、第1筐体37の内部空間は密封チャンバとなっているため、内部空間のガス密度やガス組成が安定する。これにより、第1エタロン26a及び第2エタロン27aのエアギャップの屈折率nの変化が抑制されるため、干渉縞のドリフトによる波長計測の誤差は低減される。
2. 課題
図2に示すように、拡散板35に入射するパルスレーザ光は拡散面35aで散乱され、拡散光として出射される。拡散光は、第3ビームスプリッタ36に向かう光ばかりでなく、その一部は、拡散板35の端縁部35bに向かい、端縁部35bと対面するOリング41に照射される。Oリング41に照射される光の経路としては、拡散面35aから直接的に端縁部35bと対面するOリング41に向かう経路の他に、拡散板35の内部で全反射を繰り返して端縁部35bと対面するOリング41に向かう経路がある。
Oリング41は、ゴムなどの弾性を有する樹脂で形成されているため、紫外線であるパルスレーザ光が照射されると、劣化する。また、Oリング41にフッ素系のゴムを使用しても、パルスレーザ光が照射されると、2重結合が切れて硬化してしまうこともある。Oリング41が劣化して、ひび割れが発生したり、弾性が消失すると、第1筐体37の密封が破られてしまう。第1筐体37の密封が破られると、ガスが漏れてガス密度の変化の原因となったり、外気の流入によりガス組成の温度変化の原因にもなる。ガス漏れによるガス密度の変化やガス組成の変化は、第1エタロン26a及び第2エタロン27aのエアギャップの屈折率nの変化を引き起こす。上述のとおり、エアギャップの屈折率nの変化は、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27のそれぞれに入射するパルスレーザ光の波長λに変化が無くても、各エタロン分光器26及び27のそれぞれにおいて干渉縞の位置のドリフトを生じさせ、計測精度を悪化させる。
また、第1筐体37の密封が破られて、第1筐体37内に不純物を含む外気が流入すると、流入した不純物等がパルスレーザ光によって分解される可能性がある。その分解生成物は、第1エタロン26a及び第2エタロン27a、第3ビームスプリッタ36などの光学素子に付着して曇りの原因となり、透過率の変化を引き起こす。
このため、Oリング41の劣化に起因するガス漏れを予防するため、Oリング41を定期的に交換する必要がある。Oリング41の交換に際しては、第1筐体37の密封が破られて内部空間が解放される。しかし、いったん密封が破られた第1筐体37を、再び密封する作業は非常に時間が掛かる。
というのも、第1筐体37を密封する場合、単に、第1筐体37の内部空間の空気を乾燥窒素ガスでガス置換が行われるだけでなく、その後に行われる後処理や、第1筐体37内の内部空間のガス密度を安定させるために非常に時間が掛かる。例えば、ガス置換が行われても、第1筐体37内の内壁やエタロンの部分反射膜には水分等が吸着している場合があり、この吸着した水分がガス化して、密封後しばらくの間、アウトガスとして乾燥窒素ガス内に放出される。ところが、放出された水分の量が多いと、エタロンの部分反射膜が水分を再度吸収するという現象が起こる。エタロンの部分反射膜に水分が吸収されるとパルスレーザ光の波長に対する反射率が変化し、エタロンの分解能が変化することがある。
また、第1筐体37の内壁などがメッキされていると、メッキから水分以外の有機物等によってアウトガスが生じ、乾燥窒素ガス内に放出される。そのため、ガス置換後、しばらくの間は、第1筐体37内のアウトガスの変動によりガス密度やガス組成が安定しない。ガス密度が安定しないと、エアギャップの屈折率nが変動し、パルスレーザ光の波長の計測精度が低下する。そのため、ガス密度やガス組成が安定するまでの間は、狭帯域化レーザ装置2を稼働させることができない。
もちろん、Oリング41は、パルスレーザ光が照射されない場合でも、経時的に劣化が進む消耗部品であるため、定期的なOリング41の交換は必要になる。しかしながら、上述のとおり、Oリング41の交換作業には第1筐体37を開閉するための作業が伴うため、手間と時間が掛かるばかりか、狭帯域化レーザ装置2の稼働率の低下を招くという問題がある。
また、拡散板35の前段に配置される集光レンズ34には、レーザ共振器から出力された直後の非常に光強度の高いパルスレーザ光がサンプルされて入射する。集光レンズ34に入射したパルスレーザ光は集光されて拡散板35に入射する。そのため、拡散板35に入射するパルスレーザ光は非常に光強度が高く、拡散板35の劣化は他の消耗部品と比較して早い。拡散板35の交換もOリング41と同様に第1筐体37を開閉するための作業が伴うため、Oリング41の交換と同様の問題が生じる。
そのため、消耗部品であるOリング41や拡散板35を使用しつつも、第1筐体37の密封を維持した状態で使用可能な期間を延長する手だてが模索されていた。
以下に説明される実施形態においては、この課題を解決するために、波長検出装置は、第1筐体に形成された第1開口に取り付けられ、筐体内に紫外線レーザ光を採り入れる入力ウインドウと、入力ウインドウの端縁部と第1開口の内周部との間の隙間をシールする第1シール部材と、入力ウインドウの端縁部とシール部材との間に配置され、入力ウインドウからシール部材に向かう紫外線レーザ光を遮光する遮光膜と、第1筐体の外側に配置され、入力ウインドウの前段において、紫外線レーザ光を拡散させる拡散素子とを備える。
3.第1の実施形態に係る波長検出装置を用いる狭帯域化レーザ装置
3.1 構成
図3は、第1実施形態に係る波長検出装置を用いる狭帯域化レーザ装置2Aの構成を概略的に示す。狭帯域化レーザ装置2Aは、図1を参照しながら説明した狭帯域化レーザ装置2のモニタモジュール16に代えて、モニタモジュール16Aを備えている点で異なる。狭帯域化モジュール14、レーザ共振器、レーザ制御部20、及び波長制御部21の構成は、狭帯域化レーザ装置2の構成と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
図3において、モニタモジュール16Aは、第1ユニット17Aと第2ユニット18Aとを備えている。第1ユニット17Aは、拡散板35の代わりに、第1筐体37にパルスレーザ光を採り入れる入力ウインドウ51が設けられている点で、図1に示す第1ユニット17と異なる。第1ユニット17Aにおいて、第1筐体37、第3ビームスプリッタ36、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27、Oリング41など、入力ウインドウ51以外の構成については、図1に示す第1ユニット17と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
第2ユニット18Aは、拡散板52を備えている点で、図1に示す第2ユニット18と異なる。第1ビームスプリッタ31、第2ビームスプリッタ32、エネルギセンサ33、及び集光レンズ34など、拡散板52以外の構成については、図1に示す第2ユニット18と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
図4に示すように、入力ウインドウ51は、パルスレーザ光を透過する材料で形成された平行平板であり、図1に示す拡散板35と異なり、パルスレーザ光の入射面及び出射面のいずれもが研磨された平滑面である。入力ウインドウ51は、開口40の形状に対応して、平面形状が円形をしており、開口40に取り付けられる。開口40は第1開口に相当する。入力ウインドウ51の端縁部51bの出射面側は、開口40の内周部37aと対面する。
端縁部51bと内周部37aとの隙間は、第1シール部材に相当するOリング41によってシールされる。Oリング41は、上述したとおり、弾性を有する樹脂で形成され、例えばフッ素系のゴムが使用される。
入力ウインドウ51の材料は、例えば合成石英である。なお、入力ウインドウ51の材料としてCaF2(フッ化カルシウム)を使用してもよい。しかし、CaF2は結晶構造を有するため、Oリング41や内周部31aと当接して強い押圧力を受けた場合に、合成石英と比較して損傷しやすい。そのため、押圧力に対する耐性が高い合成石英を用いることが好ましい。
また、入力ウインドウ51の端縁部51bには遮光膜53が設けられている。遮光膜53は、端縁部51bにコーティングされており、端縁部51bとOリング41との間に配置される。遮光膜53は、入力ウインドウ51からOリング41に向かうパルスレーザ光を遮光する。入力ウインドウ51は、拡散面が形成されていないため、図1に示す拡散板35と比較して、入力ウインドウ51の中央付近に入射する入射光のうち、散乱によって直接的に端縁部51bに向かう光は少ない。一方、入力ウインドウ51の内部で全反射して端縁部51bに向かう光は少なからず存在する。遮光膜53は、Oリング41を覆って、端縁部51bに向かう光によってOリング41が照射されるのを抑制する。
遮光膜53の材料は、例えば、紫外線を反射する反射膜として機能するアルミニウムである。遮光膜53としては、紫外線を吸収して遮光する吸収膜でもよい。しかし、吸収膜は熱を発生し、第1筐体37内の内部空間の温度変動の原因となるため、波長計測精度の安定性の点で好ましくない。そのため、遮光膜53の材料としては、アルミニウムなどの反射膜であることが好ましい。ここで、反射膜とは、反射率がほぼ100%である膜に限られず、少なくとも紫外線に対する吸収率よりも反射率が高い膜が含まれる。
しかし、アルミニウムは比較的柔らかい金属であるため、表面が摩耗に弱く、内周部37aやOリング41との当接により、削り屑が発生する場合がある。削り屑は、Oリング41の表面に付着してシールの不良を発生させるリスクがある。
そのため、図5に示すように、耐摩耗性を向上するため、遮光膜53のOリング41と当接する面には保護膜53aが設けられていることが好ましい。保護膜53aの材料は、例えば、SiO2(酸化シリコン)やMgF2(フッ化マグネシウム)などの緻密な膜であって、紫外線の吸収率が低い膜であることが好ましい。遮光膜53や保護膜53aは、例えば、入力ウインドウ51の端縁部51bに対して蒸着することにより形成される。
また、第1筐体37の内部空間は、図1に示す第1筐体37と同様に、不活性ガスである乾燥窒素ガスが充填される。内部空間の圧力は、第1筐体37の外部の大気圧よりも高い圧力、例えば、1.2〜1.4気圧に設定される。これは、仮にOリング41の劣化によりガス漏れが生じた場合でも、外部から第1筐体37内へ外気が進入するのを抑制するためである。不純物を含む外気の進入を抑制することにより、第1筐体37内において不純物がパルスレーザ光によって分解して、光学素子の表面に分解生成物が付着するのを抑制することができる。
図4において、第2ユニット18Aに設けられる拡散板52は、図1に示す拡散板35と同様に、パルスレーザ光を透過する材料で形成された平行平板であり、少なくとも一面にフロスト加工などにより粗面化された拡散面52aが形成される。符号52bは拡散板52のホルダである。拡散板52は、集光レンズ34の後段に配置される。拡散板52は、入力ウインドウ51の前段において、集光レンズ34が集光したパルスレーザ光を拡散する拡散素子に相当する。拡散板52が出射する拡散光が入力ウインドウ51に入射する。
拡散板52は、集光レンズ34の焦点位置から外れた位置に配置される。集光レンズ34の焦点位置に配置すると、非常に光強度が高いパルスレーザ光が拡散板52に入射することになるため、拡散板52が劣化しやすくなる。そのため、拡散板52を、集光レンズ34の焦点位置から外れた位置に配置して、拡散板52の劣化を抑制している。拡散板52の位置は、例えば、集光レンズ34の焦点位置の手前であって、集光レンズ34を透過したパルスレーザ光の拡散板52に対する照明領域が、拡散板52の有効領域に収まる位置に配置される。
拡散板52と入力ウインドウ51の間隔は、例えば約10mmである。拡散板52と入力ウインドウ51の間隔が広いと、拡散板52が出射する拡散光が拡散する範囲が入力ウインドウ51の有効径を超えて広がるため、好ましくない。そのため、拡散板52と入力ウインドウ51の間隔は、拡散光の拡散する範囲が入力ウインドウ51の有効径に収まるように設定されている。
上述したとおり、第1筐体37には、第1エタロン26aの透過光を集光する集光レンズ26bと、第2エタロン27aの透過光を集光する集光レンズ27bとが設けられている。集光レンズ26b及び27bは、第1筐体37の内部から外部に光を出力する出力ウインドウとして機能する。
図3に示すように、ラインセンサ26cは、第1筐体37の外部に配置され、第1エタロン26aを透過したパルスレーザ光の第1透過光を撮像する第1イメージセンサに相当する。集光レンズ26bは、第1筐体37に形成された第2開口に相当する開口37dに取り付けられ、第1透過光をラインセンサ26cに集光する第1出力ウインドウに相当する。ラインセンサ27cは、第1筐体37の外部に配置され、第2エタロン27aを透過したパルスレーザ光の第2透過光を撮像する第2イメージセンサに相当する。集光レンズ27bは、第1筐体37に形成された第3開口に相当する開口37eに取り付けられ、第2透過光をラインセンサ27cに集光する第2出力ウインドウに相当する。
入力ウインドウ51、開口40及びOリング41の構成と同様に、集光レンズ26bの端縁部と開口37dの内周部との間の隙間は、Oリング43がシールする。Oリング43は第2シール部材に相当する。同様に、集光レンズ27bの端縁部と開口37dの内周部との間の隙間は、Oリング44がシールする。Oリング44は第3シール部材に相当する。
集光レンズ26b及び27bの端縁部には、入力ウインドウ51の端縁部51bのように、遮光膜53は設けられていない。これは、集光レンズ26b及び27bに入射する光は、第1エタロン26a及び第2エタロン27aを透過した透過光であり、入力ウインドウ51に入射する光と比較して、光強度が低い。そのため、集光レンズ26b及び27bのそれぞれに入射する入射光が、集光レンズ26b及び27bのそれぞれの端縁部に向かい、Oリング43及び44を照射しても、劣化の影響が少ないためである。
3.2 動作
出力結合ミラー15から出力されたパルスレーザ光は、第1ビームスプリッタ31を高透過して、透過したパルスレーザ光が露光装置4に出力される。第1ビームスプリッタ31は、入射したパルスレーザ光の一部を反射してサンプルする。
第1ビームスプリッタ31によってサンプルされたパルスレーザ光の一部は、第2ビームスプリッタ32を透過して、集光レンズ34に入射する。集光レンズ34が集光した光は、拡散板52に入射する。拡散板52に入射した光は散乱されて拡散光となり、拡散光が入力ウインドウ51に入射して、第1筐体37内に進入する。入力ウインドウ51を透過した散乱光は、第3ビームスプリッタ36を介して、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27のそれぞれに入射する。第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27において、入射した光の波長λに応じた半径を持つ干渉縞を検出する。波長制御部21は、第1エタロン分光器26及び第2エタロン分光器27から出力される検出信号に基づいて中心波長λを制御する。
3.3 効果
第1筐体37において、入力ウインドウ51の端縁部51bには遮光膜53が設けられている。入力ウインドウ51に入射した光の一部が端縁部51bに向かっても、ほとんどの光は遮光膜53によって反射される。そのため、紫外線であるパルスレーザ光がOリング41に照射されるのが抑制され、その結果、Oリング41の劣化が抑制される。Oリング41の劣化が抑制されるため、Oリング41の耐用期間が延びるため、遮光膜53が無い比較例よりも、第1筐体37の密封を維持した状態で使用可能な期間を延長することができる。
また、遮光膜53の作用によりOリング41の劣化が抑制されるため、ガス漏れも抑制され、第1エタロン26a及び第2エタロン27aのエアギャップの屈折率nの変動も抑制される。これにより、長期間に渡って波長計測精度が安定する。
また、第1実施形態においては、第1筐体37に取り付けられる入力ウインドウ51から独立した拡散板52が、第1筐体37の外側に配置されている。そのため、拡散板52が劣化しても、第1筐体37の密封を破ることなく拡散板52を交換することができる。その結果、拡散板35の交換の都度第1筐体37の密封を破る必要があった比較例よりも、第1筐体37の密封を維持した状態で使用可能な期間を延長することができる。
また、拡散板52は、入力ウインドウ51の前段において、パルスレーザ光を拡散させる。そのため、光強度が低下した拡散光が入力ウインドウ51に入射することになるため、入力ウインドウ51の劣化が抑制される。そのため、入力ウインドウ51の耐用期間も延びるため、入力ウインドウ51の交換頻度が減る。これにより、第1筐体37の密封を維持した状態で使用可能な期間を延長することができる。
4.第2実施形態に係る波長検出装置
4.1 構成
図6に示す第2実施形態に係る波長検出装置は、図4に示す第1実施形態と基本的な構成と同じであり、相違点は以下の部分である。すなわち、第2実施形態においては、アルミニウム製の第1筐体37の内壁面及び外壁面にはニッケルメッキ56が施されており、かつ、第1筐体37の内壁面においてニッケルメッキ56が施された部分を覆うカバー部材57が設けられている点である。ニッケルメッキ56は、例えば無電解ニッケルメッキ処理によって形成される。無電解ニッケルメッキ処理により、膜厚を均一化することができる上、複雑な形状にも対応できる。また、カバー部材57は、アルミニウム又はステンレスで形成され、表面にニッケルメッキ等の表面処理が施されていないカバー部材である。
4.2 効果
アルミニウム製の第1筐体37の表面は、比較的柔らかいため、ネジ穴37cやOリング41を収容する溝37bなどの部分は、ニッケルメッキによって表面処理が施されるのが好ましい。ニッケルメッキにより耐摩耗性が向上して、摩耗による削り屑の発生が抑制され、また、溝37bの摩耗によるシール不良の発生が抑制されるためである。上述のとおり、削り屑が生じると、削り屑がOリング41に付着して、シール不良を発生させる場合があるので、溝37bなど、第1筐体37内において削り屑が発生することは好ましくない。また、シール不良はガス漏れを生じさせるため、波長計測精度を不安定にする。ニッケルメッキを施すことにより、こうした不都合を解消することができる。
しかし、ニッケルメッキ56は上述の効果がある一方で、紫外線であるパルスレーザ光が照射されると、ニッケルメッキ56に含まれる有機物等の不純物が蒸発してアウトガスが発生し、光学素子が曇るという課題が発生する場合がある。第3ビームスプリッタ36、第1エタロン26a及び第2エタロン27aなどの第1筐体37内の光学素子が曇ると、清掃や交換など必要になり、メインテナンス間隔を早める結果にもなる。
第1筐体37の密封状態を長期間維持するという観点からは、こうしたアウトガスの発生が抑制されることが好ましい。第1筐体37の内壁面においては、ニッケルメッキ56を覆うカバー部材57が設けられているため、ニッケルメッキ56に対してパルスレーザ光が照射されるのが防止される。これにより、ニッケルメッキ56を施すことによるメリットを享受しつつ、ニッケルメッキ56に含まれる有機物等の不純物に起因したアウトガスの発生を抑制し、第1筐体37の密封状態を長期間維持することが可能となる。
4.3 変形例
なお、同様の目的から、第1筐体37内に配置される、第3ビームスプリッタ36、第1エタロン26a及び第2エタロン27aのそれぞれのホルダ36a等についても、ニッケルメッキなしのアルミニウム又はステンレスで形成されることが好ましい。
5.第3実施形態に係る波長検出装置
5.1 構成
図7に示す第3実施形態に係る波長検出装置は、第1筐体37内の内部温度を制御する温度制御システムが設けられている点が、図6に示す第2実施形態との主な相違点である。温度制御システムは、温度センサ63、温度制御部64、ヒータ電源65及びヒータ66で構成される。また、第2ユニット18Aは、第1ビームスプリッタ31、第2ビームスプリッタ32、エネルギセンサ33、集光レンズ34及び拡散板52を収容する第2筐体61を有している。
第2筐体61の内部空間には、レーザ装置の稼働中、不活性ガスが常時流れている。不活性ガスは例えば乾燥窒素ガスである。不活性ガスとしてヘリウムを使用してもよいが、コストの観点から乾燥窒素ガスが好ましい。第2筐体61には、不活性ガスを外部から第2筐体61内に吸入する吸入ポート61aと、第2筐体61内から不活性ガスを外部に排出する排出ポート61bが設けられている。
第2筐体61には、出力結合ミラー15が出力するパルスレーザ光が入力される入力ウインドウ61cと、第1ビームスプリッタ31を透過したパルスレーザ光を露光装置4に向けて出力する出力ウインドウ61dが設けられている。符号31a、32a、34aは、第1ビームスプリッタ31、第2ビームスプリッタ32及び集光レンズ34のホルダである。また、第1ユニット17Aにおいて、符号26dは第1エタロン26aのホルダであり、符号27dは第2エタロン27aのホルダである。
なお、入力ウインドウ61cと出力ウインドウ61dは、例えば、次のような場合には、必ずしも必要ではない。すなわち、第2筐体61において、第2筐体61に対して入力されるパルスレーザ光の入力光路及び第2筐体61から出力されるパルスレーザ光の出力光路がそれぞれ光路管で構成され、各光路管内がパージガスで満たされている場合である。
第1ユニット17Aには、第1筐体37に、第1筐体37の内部空間の温度を測定する温度センサ63が設けられている。温度センサ63は、例えば第2エタロン27aの近傍に配置されている。これは、相対的に分解能が高い第2エタロン27aの方が、第1エタロン26aよりも温度変動の影響を受けやすいため、第2エタロン27aの近傍の温度に基づいて温度を制御するためである。
温度センサ63は測定した温度を温度制御部64に出力する。温度制御部64は、予め設定された目標温度を参照して、温度センサ63が測定した温度に基づいて、第1筐体37の内部空間の温度が目標温度になるように、目標温度は例えば約28℃±0.1℃の範囲である。ヒータ66の駆動を制御する。ヒータ66の駆動はヒータ電源65を介して行われる。
図8に示すように、ヒータ66は可撓性を有するラバーヒータであり、第1筐体37の外周面、具体的には左右及の側面及び背面に配置される。このように第1筐体37の側面の全域にラバーヒータを巻き付けることで、ラバーヒータが断熱材としても機能する。また、第1筐体37の上面37fには、断熱材67が設けられる。さらに、センサ収容部38及び39のそれぞれと、第1筐体37との接合部分にも断熱材68が設けられている。
断熱材67は、第1筐体37と第2筐体61との間の熱伝達を抑制して、第1筐体37の温度変動を抑制するために設けられる。断熱材68は、ラインセンサ26c及び27cが発熱するため、センサ収容部38及び39から第1筐体37にラインセンサ26c及び27cの熱が伝わり難いようにするために設けられる。断熱材67及び68の材料としては、熱伝導率が0.23(W/m・K)以下の材料が好ましい。より具体的な材料としては、例えば、PPS GF40%グレード(ポニフェニレンサルファイド ガラス繊維の含有率が40%)である。
図9に示すように、第1筐体37と第2筐体61は、第1筐体37の入力ウインドウ51が配置される第1面に相当する上面37fと、第2筐体61の拡散板(拡散素子)52が配置される第2面に相当する下面61eが対向して配置される。上面37fと下面61eの間には、入力ウインドウ51に対応する位置に開口67aが形成された断熱材67が介挿される。断熱材67の材料は、弾性を有する樹脂であるため、紫外線が照射されると、劣化する。
そこで、開口67aに拡散光が照射されるのを防止するために、遮光リング70が設けられている。遮光リング70は、開口67aの内周に沿って配置され、拡散板(拡散素子)52から出射して断熱材67に向かう散乱光を遮光する。遮光リング70は、例えば固定部材42に一体に設けられている。
また、第2筐体61の内部空間ばかりでなく、拡散板52と入力ウインドウ51の間にも、乾燥窒素ガスが流れるようになっている。
5.2 効果
稼働中において、第2筐体61内に不活性ガスを常時流すことにより、第2筐体61の内部空間で発生するアウトガス(例えば、蒸発した有機物など)を排出することができる。これにより、第1ビームスプリッタ31、第2ビームスプリッタ32、集光レンズ34及び拡散板52等の光学素子の曇りが抑制される。また、不活性ガスを流すことにより、第2筐体61内に水蒸気が進入した場合でも、これを排出することができる。これにより光学素子の結露が抑制される。さらに、狭帯域化レーザ装置2AがArFエキシマレーザである場合に出射される波長が193.4nmの紫外線レーザ光は、酸素に吸収されて減衰する特性を有している。そのため、不活性ガスを流して第2筐体61内から酸素を排出することにより、波長が193.4nmの紫外線レーザ光の減衰を抑制することができる。
また、温度制御システムによって第1筐体37の内部空間の温度を目標温度になるように制御するため、波長計測精度が安定する。
6.第4実施形態に係る波長検出装置
6.1 構成
図10に示す第4実施形態に係る波長検出装置は、モニタモジュール16Bが、第1ユニット17Aと第2ユニット18Bとで構成される。第4実施形態は、第2ユニット18B内の第1ビームスプリッタ71及び第2ビームスプリッタ72等の配置が、上記各実施形態との主要な相違点である。なお、図10において図示されていないが、モニタモジュール16Bは、上記各実施形態と同様に、図3に示す狭帯域化レーザ装置2Aに組み込まれており、出力結合ミラー15(図3等参照)が、露光装置4に向けて出力するパルスレーザ光の一部をサンプルする。第1ユニット17Aの構成については、第3実施形態と同様である。
第2ユニット18Bの第2筐体74は、図7に示す第2筐体61と同様に、吸入ポート74aと排出ポート74bが設けられており、第2筐体74の内部空間には、稼働中において不活性ガスが常時流れている。不活性ガスを流す目的は、第3実施形態と同様である。
第2筐体74内には、第1ビームスプリッタ71、第2ビームスプリッタ72、第3ビームスプリッタ73、集光レンズ34、拡散板52及びエネルギセンサ33が配置されている。符号71aは第1ビームスプリッタ71のホルダを示しており、符号72aは第2ビームスプリッタ72のホルダを示している。
第1ビームスプリッタ71は、上記各実施形態の第1ビームスプリッタ31と同様の機能を有する。第1ビームスプリッタ71は、出力結合ミラー15と露光装置4との間のパルスレーザ光の光路に配置されており、パルスレーザ光の一部をサンプルする。出力結合ミラー15から第1ビームスプリッタ71に入射するパルスレーザ光の入射光軸は、出力結合ミラー15からのZ方向と平行である。第1ビームスプリッタ71は、入射した光の一部をV方向に反射する。第1ビームスプリッタ71を透過してZ方向に直進するパルスレーザ光は露光装置4に入射する。
第1ビームスプリッタ71が反射する反射光の光路(V方向)において、第1ビームスプリッタ71の後段には、第2ビームスプリッタ72と、第3ビームスプリッタ73とが配置されている。第3ビームスプリッタ73は、第1ビームスプリッタ71が反射した反射光の一部をエネルギセンサ33に向けて反射し、一部を透過させる。
第1ビームスプリッタ71は、合成石英又はCaF2(フッ化カルシウム)で形成された平行平板である。平行平板の両面は研磨されており、部分反射膜のコーティングは施されていない。そのため、第1ビームスプリッタ71における反射は、平行平板の両面において生じるフレネル反射である。第2ビームスプリッタ72及び第3ビームスプリッタ73についても、第1ビームスプリッタ71と同様である。
エネルギセンサ33は、センサ部33cと、センサ部33cに光を集光する集光レンズ33aとを備えている。センサ部33cは、集光レンズ33aの焦点位置の近傍に配置されている。上述のとおり、エネルギセンサ33は、パルスレーザ光のパルスエネルギを計測して、計測したデータをレーザ制御部20に出力する。
第3ビームスプリッタ73を透過した透過光は、第2ビームスプリッタ72に入射する。第2ビームスプリッタ72は、入射した光の一部を反射して、一部を透過させる。第2ビームスプリッタ72を透過する光の光路には、ビームダンパ76が配置されている。
ビームダンパ76は、第2ビームスプリッタ72を透過した光を減衰させることにより、透過した光が第2筐体74内に散乱することを防止する。ビームダンパ76は、例えば、2枚の平板の一辺同士が接合されて、全体の断面形状が略くさび形となるように形成されている。ビームダンパ76は、くさび型の尖端部分が、光の進行方向に向く姿勢で配置される。ビームダンパ76は、2枚の平板の対向する面で光を反射させながら減衰させる。ビームダンパ76として、円錐形状の形態のものを使用してもよい。
図11及び図12は、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72の配置及び姿勢の関係を示す。第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72は、入射するパルスレーザ光の入射光軸LA1、LA2に対して、それぞれの入射角が45°となるように、それぞれの反射面71b及び72bが略45°傾斜して配置されている。
第1ビームスプリッタ71に入射するパルスレーザ光の入射光軸はZ方向と平行である。図12に示すように、第1ビームスプリッタ71は、入射した光の一部をV方向に反射するように、反射面71bが入射光軸LA1(Z方向)に対して約45°傾斜した姿勢で配置されている。
第2ビームスプリッタ72は第1ビームスプリッタ71で反射した反射光の光路に配置されているため、第2ビームスプリッタ72に入射するパルスレーザ光の入射光軸LA2はV方向と平行である。図11に示すように、第2ビームスプリッタ72は、入射した光の一部を入射角が45°でH方向に反射するように、反射面72bが入射光軸LA2(V方向)に対して約45°傾斜した姿勢で配置されている。
さらに、図11および図12に示すように、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72は、それぞれの入射面に対するパルスレーザ光のp偏光及びs偏光の各偏光成分の関係が逆転するように、一方の入射面と他方の入射面が直交するように配置されている。
第1ビームスプリッタ71への入射光軸LA1はZ方向と平行であり、反射方向はV方向であるため、第1ビームスプリッタ71の入射面はZ−V平面である。対して、第2ビームスプリッタ72への入射光軸LA2はV方向と平行であり、反射方向はH方向であるため、第2ビームスプリッタ72の入射面はV−H平面である。Z−V平面とV−H平面は互いに直交する。
図13は、p偏光及びs偏光の各偏光成分の入射角と反射率Rp及びRsの関係を示す。周知のとおり、p偏光は、振動方向が入射面と平行な偏光成分であり、s偏光は、振動方向が入射面と垂直な偏光成分である。図13に示すように、フレネル反射において、p偏光とs偏光のそれぞれの反射率Rp及びRsには差があり、その差は入射角に応じて変化する。例えば、CaF2の基板や合成石英の基板のArFエキシマレーザ光のフレネル反射は、入射角がβ=45°の場合には、p偏光の反射率Rpβが約1%で、s偏光の反射率Rpβが約7%となる。
このようにフレネル反射においては、第1ビームスプリッタ71に対して所定の入射角で光が入射する場合、第1ビームスプリッタ71の反射率Rp及びRsの特性に応じて、第1ビームスプリッタ71が反射する光量に含まれる各偏光成分の割合が決まる。p偏光及びs偏光は、第1ビームスプリッタ71の入射面の姿勢に応じて変化する。例えば、入射光軸に対して略45°傾斜した第1ビームスプリッタ71の入射面(Z−V平面)を入射光軸回りに略90°回転させて、第2ビームスプリッタ72の入射面(V−H平面)のようにすると、第1ビームスプリッタ71の入射面に対する、p偏光及びs偏光の関係は逆転する。
そのため、図11及び図12に示すように、第1ビームスプリッタ71と第2のビームスプリッタ72を配置すると、第1ビームスプリッタ71にp偏光として入射した偏光成分は、第2ビームスプリッタ72に対してはs偏光として入射することになる。すなわち、図11及び図12において、第1ビームスプリッタ71の入射面(Z−V平面)と第2ビームスプリッタ72の入射面(V−H平面)とは直交しており、かつ、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72は、それぞれに入射するパルスレーザ光の入射角は45°で一致している。こうした配置により、第1ビームスプリッタ71にp偏光として入射した偏光成分は、第2ビームスプリッタ72に対してはs偏光として入射することになる。また、その逆も同様に、第1ビームスプリッタ71にs偏光として入射した偏光成分は、第2ビームスプリッタ72に対してはp偏光として入射することになる。
6.2 効果
図11及び図12に示すように、第1ビームスプリッタ71の入射面(Z−V平面)と第2ビームスプリッタ72の入射面(V−H平面)を直交させ、かつ、パルスレーザ光を、各ビームスプリッタ71及び72に対して同じ入射角で入射させる。その結果、第1ビームスプリッタ71への入射光量に含まれるs偏光及びp偏光の割合が変化した場合であっても、第2ビームスプリッタ72s偏光及びp偏光を含むトータルの出射光量を一定にすることができる。
図14は、第4実施形態の作用効果を概念的に説明する説明図である。図14において、第1ビームスプリッタ71に入射する入射光量をLin、入射光量Linに含まれるs偏光の割合をα、p偏光の割合をα−1、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72の入射角がβ=45°におけるそれぞれの反射率を反射率Rsβ、Rpβとする。そうすると、第2ビームスプリッタ72からの出射光量Loutは以下の式(5)で表される。
Lout=Lin(α・Rsβ・Rpβ+(1−α)・Rpβ・Rsβ)
=Lin・Rsβ・Rpβ ・・・・・・・・・・・・・・・・・式(5)
式(5)から明らかなように、出射光量Loutにおいては、入射光量Linに含まれるs偏光とp偏光の割合を表すαはキャンセルされるため、当該割合がどのような値になっていても、出射光量Loutは入射光量Linに対して一定となる。これは、第1ビームスプリッタ71の入射面(Z−V平面)と第2ビームスプリッタ72の入射面(V−H平面)を直交させ、かつ、それぞれの入射角を一致させることで、それぞれに入射するp偏光とs偏光の関係を逆転させているためである。
ここで、図11、図12及び図13で説明したモデルは、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72の間に、第3ビームスプリッタ73が配置されていないモデルである。図10においては、第1ビームスプリッタ71と第2ビームスプリッタ72との間に、第2ビームスプリッタ72と同じ姿勢で、第3ビームスプリッタ73が追加される。
第3ビームスプリッタ73が追加された構成においては、第1ビームスプリッタ71に対する入射光量Linに対して、第2ビームスプリッタ72の出射光量Loutが完全に一定とはならない。しかし、第1ビームスプリッタ71及び第2ビームスプリッタ72について、図11及び図12に示す配置とする構成を採用することにより、そのような構成を採用しない構成と比較すれば、第1ビームスプリッタ71への入射光量Linの変化に対する、第2ビームスプリッタ72からの出射光量Loutの変化を抑制する効果は得られる。
というのも、第3ビームスプリッタ73は、上述のとおり、第1ビームスプリッタ71及び第2ビームスプリッタ72と同様に、CaF2又は合成石英で形成された平行平板であり、部分反射膜のコーティングは施されていない。この場合、図13に示したとおり、入射角がβ=45°の場合のp偏光の反射率Rpβは約1%、s偏光の反射率Rsβは約7%と低い。そのため、第1ビームスプリッタ71を透過したパルスレーザ光の大半(p偏光については約99%、s偏光については約93%)が第3ビームスプリッタ73を透過して、第2ビームスプリッタ72に入射することになる。つまり、第1ビームスプリッタ71を透過して第2ビームスプリッタ72に入射するパルスレーザ光のp偏光とs偏光の割合は、各ビームスプリッタ71及び72の間に配置される第3ビームスプリッタ73の有無によって大きな変化はない。
そのため、第3ビームスプリッタ73が追加された場合でも、図11及び図12に示す構成を採用することにより、第1ビームスプリッタ71への入射光量Linの変化に対して、第2ビームスプリッタ72からの出射光量Loutの変化を抑制する効果が得られる。
また、図10に示す構成においては、第1ビームスプリッタ71に対する入射光量Linに対して、第3ビームスプリッタ73の出射光量Loutが一定となるという効果が得られる。この出射光量Loutは、すなわち、第3ビームスプリッタ73で反射した反射光は、エネルギセンサ33により、パルスレーザ光のパルスエネルギの計測に使用される。図10の構成では、エネルギセンサ33に入射する光量が安定するため、パルスレーザ光のパルスエネルギを高精度に検出することができる。
第1ビームスプリッタ71は、請求の範囲に記載の第1ビームスプリッタに相当し、第2ビームスプリッタ72又は第3ビームスプリッタ73が、請求の範囲に記載の第2ビームスプリッタに相当する。
また、第4実施形態において、第1ビームスプリッタ71、第2ビームスプリッタ72、第3ビームスプリッタ73について、パルスレーザ光のそれぞれに対する入射角が45°となるように配置する例で説明したが、それぞれの入射角が同じであれば、入射角は45°以外でもよく、反射させる方向や光量に応じて適宜選択してもよい。なお、入射角を45°にすることで、各ビームスプリッタ71〜73を透過するパルスレーザ光の透過光の光路と反射する反射光の光路が直交することになるため、各ビームスプリッタ71〜73をコンパクトに配置できるという効果がある。
7.参考形態に係る波長検出装置
図15に示す参考形態に係る波長検出装置は、図1に示す比較例に係る波長検出装置と基本的な構成は同様であり、拡散板35の端縁部に図4に示す第1実施形態の遮光膜53が設けられている点が異なる。このように比較例の拡散板52に対して遮光膜53を追加すれば、パルスレーザ光がOリング41に照射されるのを防止して、Oリング41の劣化を抑制するという効果は期待できる。もちろん、参考形態では拡散板35の交換時には。第1筐体37の密封を破る必要があるため、上記各実施形態で示した拡散板52のように、拡散板52を第1筐体37の外側に配置することが好ましい。
8.その他
上記各実施形態において、第1筐体37内に複数個のエタロン26a、27aを配置した波長検出装置を例に説明したが、エタロンが複数個ある必要はなく、少なくとも1つのエタロンを用いた波長検出装置に本発明を適用してもよい。
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「1つの」は、「少なくとも1つ」又は「1又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (17)

  1. 少なくとも1つのエタロンを用いて、レーザ共振器から出力される紫外線レーザ光の波長を検出する波長検出装置において、
    前記エタロンを収容する内部空間が密封された第1筐体と、
    前記第1筐体に形成された第1開口に取り付けられ、前記第1筐体内に前記紫外線レーザ光を採り入れる入力ウインドウと、
    前記入力ウインドウの端縁部と前記第1開口の内周部との間の隙間をシールする第1シール部材と、
    前記入力ウインドウの端縁部と前記シール部材との間に配置され、前記入力ウインドウから前記第1シール部材に向かう前記紫外線レーザ光を遮光する遮光膜と、
    前記第1筐体の外側に配置され、前記入力ウインドウの前段において、前記紫外線レーザ光を拡散させる拡散素子と、
    を備えている波長検出装置。
  2. 前記遮光膜の材料はアルミニウムであり、前記遮光膜には、前記シール部材と当接する面に保護膜が設けられている請求項1に記載の波長検出装置。
  3. 前記第1筐体はアルミニウム製であり、前記第1筐体の内壁面及び外壁面の少なくとも一部にはニッケルメッキが施されており、かつ、
    前記第1筐体の前記内壁面において前記ニッケルメッキが施された部分を覆うカバー部材であって、アルミニウム又はステンレスで形成され、表面に前記ニッケルメッキが施されていないカバー部材が設けられている請求項1に記載の波長検出装置。
  4. 前記拡散素子は、前記紫外線レーザ光を透過する平行平板の少なくとも一面が粗面化された拡散板である請求項1に記載の波長検出装置。
  5. 前記入力ウインドウの材料は、合成石英である請求項1に記載の波長検出装置。
  6. 前記遮光膜は、紫外線に対する吸収率よりも反射率が高い反射膜である請求項1に記載の波長検出装置。
  7. 前記シール部材は、弾性を有する樹脂で形成されたOリングである請求項1に記載の波長検出装置。
  8. 前記第1筐体の外周面に配置され、前記内部空間の温度を調節するヒータと、
    前記内部空間の温度を測定する温度センサと、
    前記温度センサで測定された温度に基づいて、前記ヒータの駆動を制御する温度制御部とを、備えている請求項1に記載の波長検出装置。
  9. 前記エタロンとして、第1エタロンと、前記第2エタロンよりも分解能が高い第2エタロンの2つのエタロンを備えている請求項1に記載の波長検出装置。
  10. 前記第1筐体の外部に配置され、前記第1エタロンを透過した前記紫外線レーザ光の第1透過光を撮像する第1イメージセンサと、
    前記第1筐体の外部に配置され、前記第2エタロンを透過した前記紫外線レーザ光の第2透過光を撮像する第2イメージセンサと、
    前記第1筐体に形成された第2開口に取り付けられ、前記第1透過光を前記第1筐体の外部に出力するウインドウであって、前記第1透過光を前記第1イメージセンサに集光する集光レンズとして機能する第1出力ウインドウと、
    前記第1筐体に形成された第3開口に取り付けられ、前記第2透過光を前記第1筐体の外部に出力するウインドウであって、前記第1透過光を前記第2イメージセンサに集光する集光レンズとして機能する第2出力ウインドウと、
    前記第1出力ウインドウの端縁部と前記第2開口の内周部との間の隙間をシールする第2シール部材と、
    前記第2出力ウインドウの端縁部と前記第3開口の内周部との間の隙間をシールする第3シール部材と、
    を備える請求項9に記載の波長検出装置。
  11. 前記レーザ共振器から出力された紫外線レーザ光の一部を反射して他の一部を透過する第1ビームスプリッタと、
    前記第1ビームスプリッタが反射する前記紫外線レーザ光の少なくとも一部を集光して、前記拡散素子に向けて出射する集光レンズと、
    前記集光レンズを収容する第2筐体とを、
    備えている請求項1に記載の波長検出装置。
  12. 前記拡散素子は、前記集光レンズの後段において、前記集光レンズの焦点位置から外れた位置に配置される請求項11に記載の波長検出装置。
  13. 前記拡散素子は、前記第2筐体に設けられる請求項11に記載の波長検出装置。
  14. 前記第1筐体と前記第2筐体は、前記第1筐体の前記入力ウインドウが配置される第1面と、前記第2筐体の前記拡散素子が配置される第2面とが対向して配置され、
    前記第1面と前記第2面の間には、前記入力ウインドウに対応する位置に開口が形成された断熱材が介挿されており、
    前記開口の内周に沿って配置され、前記拡散素子から出射して前記断熱材に向かう拡散光を遮光する遮光リングを備えている請求項13に記載の波長検出装置。
  15. さらに、前記第2筐体内において、前記第1ビームスプリッタの後段に配置され、前記第1ビームスプリッタで反射した前記紫外線レーザ光の一部を反射して他の一部を透過する第2ビームスプリッタを備えており、
    前記第1ビームスプリッタと前記第2ビームスプリッタは、前記紫外線レーザ光のそれぞれの入射角が一致し、かつ、それぞれの入射面が直交するように配置されている請求項11に記載の波長検出装置。
  16. 前記第1ビームスプリッタと前記第2ビームスプリッタへの前記紫外線レーザ光のそれぞれの入射角は45°である請求項15に記載の波長検出装置。
  17. 前記第2ビームスプリッタを透過した透過光を吸収するビームダンパを備えている請求項15に記載の波長検出装置。
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