WO1989002068A1 - Method and apparatus for detecting the wavelength of a laser beam - Google Patents

Description

明 細 軎 レーザ光の波長検出方法お よび装置 技 術 分 野

本発明は レーザ発振器か ら発振される レーザ光の波 長を検出する レーザ光の波長検出方法および装置に関 . し 、 特にその検出系と して レーザ才プ 卜 ガルパニ ッ ク 系 （ 以下 L O G系 という ） を用いた方法および装置に 関する。 背 景 技 術

従来、 レーザ光の波長を知るために は 、 第 8 図に示 すよ う に レーザ光源 Ί か ら出射 し た レーザ光を レンズ ♦ フ ィ ルタ 等の前処理系 2 で加工 し 、 分光器 3 に適 し た光 と して分光器 3 の入射 ス リ ッ ト 3 a に導入 し 、 分 光器 3 中の回折格子 4 b 、 3 c ( あるいはプ リ ズム 〉 と回転ステージに よ り決め られた方向へ光を導き 、 出 射ス リ ツ 卜 3 d か ら出てきた光を信号処理系 4 で検知 し 、 この ときの回転ステージの角度 （ 回転ステ ージの 角度と波長 との蘭係は予め検定されて いる ） か ら レー ザ光の波長を検知する。

したが っ て 、 レーザ光の波長を所定の波長 となるよ う に制御する場合には、 予め所望の波長の レーザ光が 入射する とき 、 出射ス リ ッ ト 3 d か ら光が出るよ う に 回転ステー ジの角度を調整 しておき 、 レ ーザ光が前記 出射ス リ ツ 卜 3 d か ら出るよ う にその レーザ光の波長 を波長選択手段 （例えば調整可能なエタ ロ ン） などに よ っ て同定する。

しか し、 分光器を用いて波長を同定する場台、 必ず 煩雜なァライ メ ン 卜作業が伴い、 また良い分析桔果を 得るためには大型の分光器が必要とな り、 装置が大が かりかつ高衝になる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、 分光器 を用いずに レーザ光の波長検出および波長制御を行な う こ とができる レーザ光の波長検出装匿およびレーザ 光の波長制卸方法を提供するこ とを目的とする。 発 明 の 開 示

本発明は L O G系を用いて入力 レーザ光の波長の検 出を行なう 。

この L O G系は、 プラズマ中の原子 ♦ 分子の光学遷 移に共鳴する光を照射する とプラズマの電気的性質が 変化するォプ ト ガルバノ効果を利用 したもので、 この 反応を発生させる共鳴先の波長はプラズマ中にある原 子 ♦ 分子に固有の波長に対応するため、 定性分析、 分 子構造の解析等に用い られるものである。

いま 、 第 2図 （ a ) に示すよう に予め通鼋 し故電 させておいた L O G系で使用する放電管 1 0の極板 1 0 a , 1 0 b間のプラズマ Aに レーザ光を照射する と、 第 2図 （ b ) に示すよう にイ オンが増加するため、 プラズマのイ ンピーダンスが低下 し、 この変化を放電 管 1 0からの雷圧 （電流 ） 信号と して取り 出すこ とが できる。 例えば、 放電管 1 0 と して鉄のホロ 力ソ ー ド ラ ンプを使用 した場合 、 極板問に は鉄のプラズマが存 在 し 、 照射 レーザ光の波長 に応 じて第 2 図のグラ フ に 示すよ う な信号を得るこ と ができる 。

したが っ て 、 こ の L O G系の特性を利用 し 、 予め放 電管内の物質に よる特有の照射 レーザ光の波長に対応 するパタ ー ンを測定 して決定 して き 、 レーザ光の照 射時に発生する電気信号 とそのパタ ー ン とを比較する こ と に よ り 、 現在発生 している レーザ光の波長を検知 するこ とがでぎる。

すなわち 、 本発明に よれば検出対象 レーザ光をブラ ズマ中の所定の原子又は分子に照射 し 、 こ の と きの前 記プラズマのイ ン ピーダンスを検出 し 、 こ のイ ン ピー ダンスを予め測定 しておいたイ ン ピーダンスパタ ー ン と比較するこ と に よ り 前記検出対象 レーザ光の波長を 検出する 。

ま た 、 本発明に よ れば所定の原子又は分子を含むプ ラズマを発生するプラズマ発生手段 と 、 こ のプラズマ 発生手段に よ っ て発生されたプラズマ中に検出対象 レ 一ザ光を照射する レーザ光照射手段 と 、 前記所定の原 子又は分子を含むプラズマのイ ン ピーダンスを検出す るイ ン ピーダンス検出手段 と こ のイ ン ピーダンス検出 手段に よ っ て検出さ れたイ ン ピーダンス と予め測定 し た既知のイ ン ビーダンスパタ ー ン と を比校 し 、 こ の比 較にも とづき前記検出対象 レーザ光の波長を同定する 同定手段 とを具えて構成される 。 図面の簡単な説明 第 Ί 図は、， 本発明の一実施例を示すプロ ッ ク図、 第 2図 （ a ) および （ b ) はそれぞれ本発明に係る L O G系を説明するために用いた図、 第 3図は第 Ί 図にお ける放電管の入射波長に対する出力を示すグラフ 、 第 4図は本発明の他の実施例を示すプロ ッ ク図、 第 5図 は本発明の更に他の実施伊」を示すプロ ッ ク図、 第 6図 ( a ) ( b ) および （ c ) はそれぞれ第 5図のモニタ エタ ロ ン系を説明するために用いた図、 第 7図はマイ ケルソ ン干渉計を示す図、 第 8図は従来裝置を示すプ ロ ッ ク図である。 発明を実施するための最良の形態 第 1 図は上記放電管を用いて レーザ光の波長制御を 行なう装置の一実施例を示すプロ ッ ク図である。 同図 において、 K 「 Fの狭帯域発振エキシマ レーザ Ί 1 は、 2 4 8 , 3 5 n m付近の紫外域の波長を有する レーザ 光を発振する。 波長選択手段の Ί つであるエタ ロ ン Ί 2は、 入射する上記 レーザ光のうち 、 特定の波長の レ 一ザ光のみを通通させる。 ピームスプ リ ッ タ 1 3は入 射する レーザ光を分割 し、 一方は主用途へ、 他方は放 電管 1 0に導く 。

放電管 1 0は前述したよう に照射レーザ光の波長に 応じた電気信号を出力するもので、 例えば鉄のプラズ マを放電管内に封入するこ とによ り第 3図のような信 号を出力する。 放電管 1 0から出力された信号は信号 処理系 1 4を介 して制御系 Ί 5に加え られる。

制御系 1 5は、 予め上記第 3図に示す信号パタ ーン を記億 してお り 、 放電管 1 0 か ら入力する電気信号 と 上記予め記億 した信号パタ ー ン と を比較 し 、 現在主用 途測に発振 して いる レーザ光の波長が目 標波長 （ 例え ば 2 4 8 . 3 3 n m ) に一致 しているか否かを検知 し 、 一致 していない場合は レーザ光の波長が目 標波長に一 致するよ う,にガスプロ セ ッ サ 1 7 ま た は調整装置 Ί 7 若 し く はその両方に対 して制御をかける。 すなわち 、 ガスプ ロ セ ッ サ 1 7 に は、 こ のガスプ ロ セ ッ サ 1 7 が エキシマ レーザ 1 1 に供給する レーザ媒質ガスに対 し てそのガス粗成を変更するよ う に制御をかけ 、 こ れに よ っ て レーザ光の波長を目 標波長に向 っ て移動させ る 。 ま た 、 調整装置 Ί 6 は、 波長選択素子 1 2 の角度 、 波 長選択素子 1 2 のギ ャ ップ、 波長選択素子 1 2 のギ ヤ ップ間の圧力やガスのう ちの少な く と も二つを変更す る よ う に制御をかけ 、 こ れに よ つ て レーザ光の波長を 目 標波長に向 っ て移動させる 。

そ して 、 放電管 Ί 0 か ら の出力信号が予め記憶 した 信号パタ ー ンの ピー ク艟 （ た とえば 2 4 8 , 3 3 n m の波長の レーザ光を入射 した と きの出力 》 と一致する ま で上記調整を探 り返すこ と に よ り 、 正確に 2 4 8 . 3 3 n mの波長の レーザ光が得られる。

なお、 第 3 図に示すよ う な入力波長に対する信号パ タ ー ンにおいて 、 調整可能な目 標波長は、 最大の ピー ク値に対応する波長に隈 らず 、 他の ピー ク値に対応す る波長でもよ く 、 ま たこれ らの ピー ク值間の補間を と るこ と に よ り ピー ク値間の任意の波長を目 標波長 とす る こ と もできる。 さ ら に 、 封入するプラズマ を適宜変 更するこ とによ り 目標波長に ピークを有する信号バタ ーンを得るよう に しておよい。

第 4 図は色素レーザの波長制御を行なう装置の実旌 例を示す。 なお、 第 Ί 図と岡一箇所には同じ番号を付 し、 その詳細な説明は省略する。

同図において、 色素レーザ 2 1 はエキシマ レーザ、 Y A G レーザ等の励起レーザ 2 0 によ っ て光ポン ピン グを行ない レーザ光を発振する 。 そ して 、 調整装置 2 2 は、 制御系 1 5 からの信号によ りその レーザ光の 発振波長が目標波長となるよう に色素 レーザ 2 1 のス テージを鞑動する。 なお、 色素 レーザ 2 1 の溶媒の種 類あるいは濃度を調整して発振波長を制御するよう に してもよい。

第 5図は本発明の他の実施例を示すもので、 この装 置は一点鎖綜で囲んだ第 1 図の装置に対 して更に ピー ムスプリ ッ タ 3 0 、 モニタ エタ ロ ン系 3 Ί および信号 処理系 3 2 を付加 して構成されている。

第 Ί 図の装置によっ て目標波長に調整された レーザ 光は、 ビームスプ リ ッ タ 3 0 によっ て分割され、 モニ タ エタ ロ ン系 3 1 に導かれる。

モニタエタ ロ ン系 3 1 は第 6図 （ a ) に示すよう に レンズ 3 1 a 、 エタ ロ ン 3 1 bおよびライ ンイ メ ージ センサ 3 1 cから構成され、 レンズ 3 1 a は入射 した レーザ光を拡大し、 エタ ロ ン 3 1 bを介 してライ ンィ メ ージセンサ 3 1 c の検出面上に入射させる。 この検 出面上には、 第 &図 （ b ) に示すよう に干渉縞が形成 され、 ライ ンイ メ ージセンサ 3 1 c はこの干渉縞の位 置 · 間隔の情報を信号処理系 3 2を介 して制卸部 Ί 5 送る 。

制御部 Ί 5 は 、 ま ず上記入力情報か ら レ ーザ光の波 長を求める 。 すなわち 、 エタ ロ ン 3 1 bは 、 次式 、

m λ = 2 d cos θ … M 〉

に適合する レーザ光を透過させる。 こ こで、 mは次数、 ス は 波長 、 d はエ タ ロ ン 3 1 bのギ ャ ッ プである 。

第 6図 （ a ) よ り 、 0は t a n ^ i r j / x ) で得 ら れるので、 r : の值 （ 干渉縞の位置 ） を知る こ とが できれば、. 上記第 （ 1 ) 式に基づいて波長 ；！ を知る こ と ができる。 今 、 「 1 = 0 . 5 8 7 ΛΚ , 「 2 = 1 . 8 2 7覼 ， 「 3 = 2 . 5 1 6 m , R 4 = 3 . 0 5 4 mm , 「 5 = 3 . 5 1 0 Amが得 ら れた と する と 、 レーザ光の 波長は上式よ り ス = 2 4 8 . 3 5 n mが得 ら れる 。

なお 、 第 6図中の 3 1 aに球面 レ ンズの代 り に シ リ ン ド リ カ ルレ ンズを使用 して も良い 。 こ の場合得 ら れ る干渉縞は （ c 〉 の よ う な平行線のものである 。 （ b ) の同心円の干渉縞 と （ C ) の平行線の干渉縞では （ C ) の方が縞に曲率のない分だけ高い精度で位置検出が可 能である。 モニタ エ タ ロ ン系 3 1 の出力 は信号処理系 3 2を介 して制御系 1 5に加え られる。

制御系 1 5は上記のよ う に して求めた波長 と 目標波 長 とを比較 し 、 発振波長が目標波長 と一致する よ う に 調整裝匿 1 6およびガスプ ロ セ ッ サ Ί 7 に制卸信号を 出力する。

なお 、 制卸部 1 5 はモニ タ エ タ ロ ン系 3 1 の出力 に も とづき必ず しも波長を求める必要はな く 、 予めモニ タエタ ロ ン系 3 1 が目標波長の レーザ光を入射 した と きの干渉縞の位置を記憶 しておき、 検出 した干渉縞の 位置が上記記憶 した位置に形成されるよう に制御信号 を出力するよう に してちょい。

また、 モニタエタ ロ ン系 3 2 の代わり に、 マイ ケル ソン干渉計を用いてもよい。 第 7 ¾に示すよう にマイ ケルソン干渉計 4 0 は、 2枚の レンズ 4 Ί , 4 2 、 2 枚の全反射ミラー 4 3 , 4 4 およびビームスプリ ッ タ 4 5 から構成されている。 今、 ミラー 4 3 , 4 4 が点 0から等距離にある場台は、 ピームスプ リ ッ タ 4 5 に よっ て等分された レーザ光が等 しい光路を通過した後、 結像面 4 6 に到着するため、 この結像面には入射光の 像がそのま ま現れる。 なお、 レンズの倍率によ りサイ ズは変化するこ とがある。

ここで、 一方のミラー 4 4 を Δ h だけ後方に移動さ せる と、 ミラー 4 4で反射された光は、 2 Δ h c o s θ 分だけ長い光路を通過した後、 結像面 4 6 に到着する ため、 この増加分の光路長が波長； ϊ に対 して次式、.

を篛足すれぱ、. この 0 の位置では光は強め台い、. 桔徨 面 4 6ではこの 0 に関連する半径 f 2 t a n (9 の明るい 円環を作る。

上記第 （ 2 ) 式からも明らかなよう に逆に△ hを特 ' 定の籠 （ 1 «πとか 0 . 1 m ) に固定 した場合、 波長ス の変化により 6 、 つま り円環の半径が変化するこ とに なる。

したがっ て、 桔像面 4 6 にライ ンイ メ ージセンサを 配置 し 、 こ のライ ンイ メ ージセ ンサに よ り 明るい円環 を検出するよ う にすれば、 波長の変化を雷気的に検出 した こ と になる。

なお 、 本実旃例では 、 制御系 1 5 に よ っ て調整装置 1 6やガスプ ロ セ ッ サ 1 7 を自動的に制御 し 、 発振波 長を目 標波長に一致させるよ う に して いるが 、 才ペ レ ー タ が定期的に調整装置 Ί 6 やガスプ ロ セ ッ サ 1 7 を 手動で調整 して発振波長を目 標波長に一致させるよ う に してあよい。 産業上の利用可能性

以上説明 した よ う に本発明に よれば、 分光器を使用 する必要がな く なるため装置が簡略になる。 検出系は 単耗な電気回路であるため L O G系に光 入射させた 後は光学的な ァライ メ ン 卜 操作がな く 取扱いが容易に なる。 ま た 、 単純な電気回路であるため 、 大型の分光 器に対 し て価格の面でも 1 桁 ぐ ら い安価に構成できる 。 さ ら に 、 縮小投影露光用光源 と して本発明に係る レー ザ光を用いる と 、 露光波長を所定の波長に精度よ く 固 定できるため 、 フ ォ ー カ スエラ ーがな く な り歩留 り が よ く なる。

Claims

求 の範 囲

1 . 検出対象レーザ光をプラズマ中の所定の原子又は 分子に照射 し、 この ときの前記プラズマのイ ンピーダ ンスを検出 し、 このイ ンピーダンスを予め測定 してお いたイ ンピーダンスパタ ーンと比較するこ とによ り前 記検出対象レーザ光の波長を検出する レーザ光の波長 -検出 ¾法。

2 . プラズマ中の所定の原子又は分子は検出対象レー ザ光の波長の近辺の波長に対 して特徴あ ¾光学遷移を 行なう請求の範囲第 1 項記載の レーザ光の波長検出方

3 , 所定の原子又は分子を含むプラズマを発生するプ ラズマ発生手段と、

このプラズマ発生手段によ っ て発生されたプラズマ 中に検出対象 レーザ光を照射する レーザ光照射手段と、 前記所定の原子又は分子を含むプラズマのィンピ一 ダンスを検出するイ ンビーダンス検出手段と、

このイ ンピーダンス検出手段によ っ て検出されたィ ンピーダンスと予め測定 した既知のイ ンピーダンスパ タ ーンとを比較し、 この比較にもとづき前記検出対象 レーザ光の波長を同定する同定手段と

を具えた レーザの波長検出装置。

4 . プラズマ発生手段は接地された第 1 の電極と高電 圧が印加された第 2 の電極との間に所定の原子又は分 子からなるガスを封入したちのである請求の範囲第 3 項記軟の レーザ波長検出装置。

5 . 所定の原子又は分子か らなるガス は希ガスである 請求の範囲第 4 項記載の レーザ波長検出装置。

6 . プラズマ発生手段は ホ ロ 力 ソ ー ドラ ンプか ら なる 請求の範囲第 3 項記戦の レーザ光の波長検出装置。

7 . 走査手段は検出対象 レーザ光を発振する レーザ発 振器内の波,長選択手段を制御する請求の範囲第 3 項記 載の レーザ光の波長検出装置。

8 . イ ン ピーダンス検出手段は第 1 の電極 と第 2 の電 極 との間を流れる電流の変化を検出する請求の範囲第 4 項記載の レーザ光の波長検出装置。

9 . 所定の原子又は分子を含むプラズマ を発生するプ ラズマ発生手段 と 、

このプラズマ発生手段に よ っ て発生されたプラズマ 中に レーザ発振器か ら出力された レーザ光の一部を照 射する レーザ光照射手段 と 、

前記所定の原子又は分子を含むプラスマのィ ン ピー. ダンスを検出するイ ン ピーダンス検出手段 と 、

このイ ン ピーダンス検出手段に よ っ て検出されたィ ン ピーダンス と予め測定 した既知のイ ン ピーダンスパ タ ー ン とを比較 し 、 この比較に も とづき前記 レーザ発 振器から出力された レーザ光の波長を同定する同定手 段 と 、

この同定手段に よ っ て同定された波長にも とづき前 記 レーザ発振器か ら出力される レーザ光の波長を制御 する制御手段 と

を具えた レーザ光の波長検出裝置 _c

1 0 , 所定の原子又 は分子を含むプラズマを発生する プラズマ発生手段と、

このプラズマ発生手段によ っ て発生されたプラズマ 中に レーザ発振器から出力された レーザ光の一部を照 射する レーザ光照射手段と、

前記所定の原子又は分子を含むプラズマのイ ンピー ダンスを検出するィ ンピーダンス検出手段と、

このイ ンピーダンス検出手段によ っ て検出されたィ ンピーダンス と予め測定 した既知のイ ンピーダンスパ タ ーンとを比較し、 この比較にちとづき前記レーザ発 振器から出力される レーザ光の波長を同定する同定手 段と

この同定手段によっ て同定された波長にも とづき前 記レーザ発振器か ら出力される レーザ光の波長を制卸 する第 1 の制卸手段と、

前記 レーザ発振器から出力される レーザ光の波長を 検出する波長検出手段と、

この波長検出手段の出力にも とづき前記 レーザ発振 器から出力される レーザ光の波長を更に制御する第 2 の制酆手段と

を具えた レーザ光の披長検出装置。

1 1 . 波長検出手段はモニタエタ ロンを用いたもので ある請求の範囲第 1 0項記載の レーザ光の波長検出裝