(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームのスペクトル測定を行うためのダブルパスエタロンベーススペクトロメータであって、
Ａ）拡散ビームを作り出すために、非常に多数の方位に前記ビームにおける光を差し向けるための拡散光学素子と、
Ｂ）前記拡散ビームが通る光路内に前記ビームの少なくとも一部を透過させるように位置決めされたエタロンと、
Ｃ）前記エタロンを１回透過したビームの少なくとも一部を受光し、前記受光したビームの少なくとも一部を前記エタロンに向けて反射させ、前記エタロンを再び透過させることにより該エタロンを２回透過して、前記１回透過のビームより角度的に更に離れたスペクトルのコンポーネントを含むようになったビームを形成するように位置決めされた逆反射光学素子と、
Ｄ）焦点合わせ光学素子と、
Ｅ）光検出器と、
Ｆ）前記焦点合わせ光学素子を介して前記光検出器に前記２回反射された少なくとも一部を反射するように位置決めされた反射光学素子と、を有し、前記ビームのスペクトルコンポーネントが前記光検出器によって検出され、
Ｇ）前記拡散光学素子と前記エタロンとの間に位置決めされた空間フィルタを有する、
ことを特徴とするダブルパスエタロンベーススペクトロメータ。
【請求項２】
前記逆反射光学素子が中空逆反射体であることを特徴とする、請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項３】
前記逆反射光学素子が、中空直交プリズムであることを特徴とする請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項４】
前記反射光学素子が、前記２回透過されたビームを反射するように位置決めされたミラーであるが、前記拡散ビームの少なくとも一部を前記エタロンに伝送することができる、ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項５】
前記反射光学素子は、主な偏光方位を前記ビームに与える偏光ビームスプリッタであり、前記中空プリズムはその交差点で交差ラインを構成する２つの交わる反射プレートからなり、前記２つのプレートが互いに対して９０度の角度で位置決めされており、前記プレートの交差ラインが前記エタロンを１回透過した前記ビームの少なくとも一部の主な偏光方位から約４５度の角度で位置決めされる、ことを特徴とする請求項３に記載のスペクトロメータ。
【請求項６】
前記光検出器が検出器アレイであることを特徴とする、請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項７】
前記検出器アレイが、線形フォトダイオードアレイである、ことを特徴とする請求項６に記載のスペクトロメータ。
【請求項８】
前記空間フィルタがスリットと、前記スリットを介して前記拡散ビームの少なくとも一部を焦点合わせするための第１のレンズと、を有することを特徴とする請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項９】
前記スリットを介して進む平行拡散光に関する第２のレンズを更に有することを特徴とする請求項８に記載のスペクトロメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スペクトロメータに関し、特にエタロンベーススペクトロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エタロンベーススペクトロメータは、波長の関数としてビームの光の強度を測定するための周知のデバイスである。図１は、レーザビーム１６の波長及びバンド幅の測定のために使用される従来技術のエタロンスペクトロメータの特徴を示す。ビームは、非常に大きな角度で伝搬する光線がエタロン４を照射するようにディフューザ２によって拡散される。図１は、約９０％を反射するように被覆された表面８Ａと８Ｂとの間のエタロンギャップ内で何回も反射される単一の光線２０を示す。エタロンを介して透過されるスペクトルコンポーネントは、フォトダイオードアレイ１２にレンズ１４によって焦点合わせされる。フォトダイオードアレイ１２は、エレクトリックデータ収集ボード（図示せず）を使用して読まれるフリンジパターン１５を記録する。示されたようなエタロンの入射光の透過又は反射は良く理解され、エタロンの設計、特に２つの反射表面の反射率に依存する。
【０００３】
エタロンスペクトロメータは、レーザのスペクトルを測定するために広く使用される。エタロンスペクトロメータの特に重要な用途は、線狭帯域化ＫｒＦエキシマレーザのような線狭帯域化エキシマレーザのバンド幅を測定することである。これらのレーザは、例えばディープＵＶマイクロリソグラフィ用の光源として使用される。これらは、マイクロリソグラフィに関して非常に重要であるこれらのレーザの２つのスペクトルの特徴である。これらは、半値幅（略語ΔλＦＷＨＭ）と呼ばれるピーク強度の５０％で測定されたレーザのスペクトルバンド幅と、９５％積分バンド幅（略語Δλ９５％）と呼ばれるレーザエネルギの９５％を包含するスペクトルバンド幅である。スペクトルの広がりが、歩留まりの問題を生じ得るシリコンウエハにプリントされた集積回路のにじみ（ｂｌｕｒｒｉｎｇ）を生じうるので、レーザが、マイクロリソグラフィチップ製造中に仕様の範囲内で常に作動することが非常に重要である。それゆえ、レーザスペクトルに関する能力を連続的に監視することが非常に重要である。
【０００４】
従来技術のエタロンスペクトロメータは、ΔλＦＷＨＭ値を正確に想定することができ、ＣＹＭＥＲ，  Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンディエゴ）によって製造されたようなマイクロリソグラフィレーザ製品におけるこの目的のために現在使用されている。しかしながら、従来技術のエタロンスペクトロメータは、Δλ９５％値を正確に測定するのには非常に適していなかった。典型的な製品品質のＫｒＦエキシマレーザは、適当に作動するならば、約０．６ｐｍのΔλＦＷＨＭと、約２ｐｍのΔλ９５％とを有する。
【０００５】
図２は、５ｐｍのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）と、３８のフィネス（ｆｉｎｅｓｓｅ）係数とを有する典型的な従来技術エタロンの計算されたスリット関数スペクトルを示す。（用語ＦＳＲ及びフィネスは、米国マサチューセッツ州ＲｅａｄｉｎｇのＡｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙによって出版されたＥｕｇｅｎｅ  Ｈｅｃｈｔ／Ａｌｆｒｅｄ  ＺａｊａｅによるＯＰＴＩＣＳのような多くの光学テキストに説明され、定義されている。）図２のスリット関数スペクトルは、フリンジパターン１５のピークの１つから導出される。図２にグラフ化された計算は、エタロンを照射する光が単色性であると仮定する（即ち、無限狭バンド幅）。かかるエタロンがレーザビームのバンド幅を測定するのに使用されるならば、エタロンのスリット関数バンド幅は、エラーのソースであり、測定における不確実性又は誤差に寄与する。この従来技術エタロンに関する計算されたＦＷＨＭバンド幅は０．１３ｐｍであり、エタロンに関する９５％積分バンド幅は約１．５ｐｍである。
【０００６】
実際のレーザのスペクトルを正確に測定するためのエタロンに関して、エタロンそれ自身のスリット関数バンド幅は、レーザバンド幅よりも実質的に小さい。この状況がΔλＦＷＨＭ測定について満たされているとき、０．１３ｐｍのエタロンスリット関数ＦＷＨＭは約０．６ｐｍの典型的なレーザΔλＦＷＨＭより実質的に小さく、同じことがΔλ９５％測定に関しては真ではなく、約１．５ｐｍのエタロンスリット関数バンド幅が約２ｐｍの予測されたレーザバンド幅の実質的な関数である。
【０００７】
それ故、図２のスリット関数を備える従来技術のエタロンスペクトロメータがΔλ９５％を測定するのに使用されるならば、複雑な数値解析は実際のΔλ９５％値を解析するのに必要である。かかる解析は、エラー及び不明瞭な結果となる傾向があり、信頼性のあるΔλ９５％情報が、マイクロリソグラフィプロセス中に入手できない。その結果、レーザが気づかれない仕様で出ることになる。このことは、非常に高価な歩留まり問題を導き、回避しなければならない。
【０００８】
レーザスペクトルを正確に測定する別の方法は、高解像度グレーティングスペクトロメータを使用することである。これらの装置は、正確なΔλ９５％測定を含む正確なスペクトル測定を提供するが、非常にかさばり、高価である。これらの装置は、研究所で使用するには妥当であるが、マイクロリソグラフィの製造ラインでの使用には適当でない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロリソグラフィプロセス中にフィールドにおいて使用することができるような、内部レーザ診断セットの一部として組み入れられることができ、ΔλＦＷＨＭ及びΔλ９５％の両方の正確な測定をすることができるコンパクトなスペクトロメータが必要である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダブルパスエタロンベーススペクトロメータを提供する。拡散したビームのスペクトルのコンポーネントは、それらがエタロンを介して伝送されるときに、角度的に離される。逆反射器は、エタロンを介して伝送されたコンポーネントを戻すように反射する。２回伝送されたスペクトルのコンポーネントは、好ましい実施形態ではフォトダイオードアレイである光検出器上に焦点合わせされる。スペクトロメータは、ΔλＦＷＨＭ及びΔλ９５％の両方に関してマイクロリソグラフィのために必要とされる精密さを備えるバンド幅測定をすることができる正確なフリンジデータを作り出すように非常にコンパクトである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の好ましい実施形態
図３は、本発明の好ましい実施形態を示す。そのサイズがテレスコープ３２を使用して３倍減少されたレーザビーム１６がディフューザ３４を照射する。ディフューザ３４から散乱された光はエタロン２５を照射する。中空逆反射器３８が、第２のパスに関するエタロンにビームを戻すように使用される。ビームの各コンポーネントは、エタロン２５を介して第２のパスに関して正確に又は殆ど正確に１８０度で反射されるが、反射されたコンポーネントの小さな変位はある。これらの小さな変位により、エタロンを介したダブルパスの後、ビームコンポーネントを反射する４５度ミラー４０の使用をすることができるが、入ってくるビームの十分な部分を通すことができる。反射されたビームコンポーネントは、線形フォトダイオード（ＰＤＡ）４４上に１メートルの焦点距離でレンズ４２によって焦点合わせされ、そこでフリンジパターン４９が検出される。好ましいＰＤＡは２０４８エレメントであり、米国カリフォルニア州ＳｕｎｎｙｖａｌｅのＥＧ＆Ｇ  Ｉｎｃ．のようなサプライヤから入手可能な１４μ×１４μアレイである。
【００１２】
フリンジパターン４９は、図１５の従来技術のエタロンのピーク１５と同じ位置に配置される複数のピークからなる。このダブルパス構成におけるエタロンスペクトロメータの改善された解像度のため、本発明のエタロンのピークが実際のレーザスペクトルとより近接に適合する差である。
【００１３】
図３の設計に基づいたプロトタイプのダブルパスエタロンスペクトロメータは、出願人によって組み立てられテストされ、非常によい結果が出た。
【００１４】
図４は、たった約０．００３（ＦＷＨＭ）の超狭スペクトルバンド幅を備える光を２４８．２５ｎｍで放射する周波数ダブルＡｒイオン持続波（ｃｗ）レーザからのビームの（ＰＤＡ４４で記録された）スペクトルを示す。（このレーザからの光スペクトルは、０．１ｐｍよりも大きなレンジにおけるバンド幅を備えるエタロンをテストする目的のために単色性を十分に考慮して狭い。）（図３に示したような）ＰＤＡ４４によって記録されたＦＷＨＭバンド幅は、０．３３ｐｍの９５％積分値で約０．１２ｐｍである。上記条件下での一連の２つの完全なエタロンに関する理論値は、０．０９ｐｍ（ＦＷＨＭ）及び０．２５（９５％積分）である。これらの結果は、ＦＷＨＭで０．１ｐｍ、９５％積分で約０．３ｐｍの範囲におけるバンド幅解像度が図３のダブルパスエタロンスペクトロメータで得られることを示す。
【００１５】
出願人は、高解像度グレーティングスペクトロメータと本発明のコンパクトスペクトロメータで測定されたマイクロリソグラフィＫｒＦレーザの典型的なスペクトルを比較した。グレーティングスペクトロメータは、ＦＷＨＭレベルで約０．１２ｐｍのスリット関数を有し、ＫｒＦエキシマレーザをテストする目的で米国カリフォルニア州サンディエゴにオフィスがあるＣＹＭＥＲ，  Ｉｎｃ．によって製造された。エタロンスペクトロメータで得られた結果とグレーティングスペクトロメータで得られた結果との間には非常に良好な一致が得られた。レーザバンド幅のＦＷＨＭ値は、本発明のダブルパスエタロンとグレーティングスペクトロメータによってそれぞれ測定された０．６５ｐｍと０．６２ｐｍであり、バンド幅の９５％積分値は、本発明のダブルパスエタロンスペクトロメータと、高解像度グレーティングスペクトロメータによってそれぞれ測定された１．６７ｐｍと１．７０ｐｍである。
【００１６】
本発明のダブルパスエタロンスペクトロメータは、従来のエタロンスペクトロメータと似たフリンジパターンを作り出すが、フリンジが実際のスペクトルより近く、エタロン解像度によって渦巻きが小さい点が異なる。それ故、どんな周知の技術でもフリンジパターンを解析するのに使用することができる。このエタロンスペクトロメータはまた、正確な中心波長測定を与えるために比較的低い解像度のグレーティングスペクトロメータと一緒に使用されうる。かかる応用は、例えば米国特許第５，０２５，４４５号及び第５，４５０，２０７号に記載されている。エタロンスペクトロメータは単独で、絶対波長測定をすることができず、それ故、エタロンデータを校正するための方法が必要である。複数の中心波長が、エタロンのフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）によって正確に分離されたエタロンから得られうる。好ましい実施形態では、ＦＳＲは約５ｐｍである。正確なエタロンデータを使用して正しい中心波長値を決定することができるために、低解像度グレーティングスペクトロメータが、米国特許第５，０２５，４４５号に例として使用される。そのグレーティングスペクトロメータの解像度はＦＳＲの約半分であってよく、それ故、一意的な中心波長値が選択されうる。好ましい校正技術が米国特許第５，４５０，２０７号に記載されている。
【００１７】
第２の好ましい実施形態
本発明の第２の好ましい実施形態を図５に示す。
レーザビーム１６が、第１の実施形態と同じ仕方でテレスコープ３２によって適当なサイズに減少された後、ディフューザ３４を照射する。しかしながら、第２の好ましい実施形態では、空間フィルタ５２が拡散された光の一部を選択するために使用される。空間フィルタ５２は、焦点距離の２倍、即ち約２０ｃｍの距離だけ離された、各１０ｃｍの焦点距離を備える２つのレンズ５４及び５８からなる。約０．１ｃｍの直径を有するアルミニウムアパーチャ５６がレンズ５４の焦点に位置決めされる。空間フィルタ５２の目的は、約０．０１ステラジアンの角度（空間的周波数）内でディフューザからくる光線の扇を選択することである。光線のこのフィルタリングされた扇は、ビームスプリッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６は、光の約５０％を透過し、残り（図示せず）を離すように反射する部分反射ミラーである。ビームスプリッタ４６を通過して拡散した光６２の一部は、エタロン２５を照射する。エタロン２５を通過した光は、第２のパスに関してエタロンに戻るようにビームを戻す中空逆反射体７０によって反射される。ビームのこの反射された部分を、６４として示す。ビームの各コンポーネントは、エタロン２５を介する第２のパスに関して正確又は殆ど正確に１８０度で反射される。
【００１８】
エタロン２５を通過するビーム６４の部分の約５０％は、ビームスプリッタ４６によって反射される。この反射された部分は、１メートルの焦点距離を有するレンズ４２によって線形ＰＤＡアレイ４４に焦点合わせされ、ここでフリンジパターンが検出される。
【００１９】
この実施形態では、エタロン２５は、空間フィルタ５２を介して透過された扇（ｆａｎ）ビームが入ってくる軸に対して約０．０１ラジアンの小さな角度で傾く。その結果、ＰＤＡ４４によって記録されたフリンジの２つのセットがある。ＰＤＡの一方の側では、エタロン２５を２倍通過するビームによって作られたフリンジのセットがある図５に示されたフリンジセット４５Ｂがある。しかしながら、ＰＤＡ４４の他の側では、フリンジの異なるセットがある。図５にまた示されたこれらのフリンジ４５Ａは、第１のパスでエタロン２５によって反射されたオリジナルビーム６２の一部によって作り出される。反射フリンジのこのセットは、フリンジセット４５Ｂとは異なって見える。フリンジ４５Ａはディップであり、フリンジ４５Ｂはピークである。エタロンを介したダブルパスの後、ビームの強度、次いで、エタロンから反射されたビームの強度が著しく小さくなるので、光学的光低減フィルタ４８は、ＰＤＡの一部にわたって配置され、そこでフリンジセット４５Ａが形成される。この光学的フィルタ４８は、約３０％の透過率を備えるニュートラル密度フィルタであってよい。図７は、ＰＤＡ４４のフリンジ４５Ａ及び４５Ｂの相対方位を示す。傾いた空間フィルタ５２及びエタロン２５がないならば、反射フリンジ４５Ａ及びダブル透過フリンジ４５Ｂの両方は、ＰＤＡ４４の面における同心円として作り出されうる。フリンジ４５Ａ及び４５Ｂに関するこれらの円の直径は、正確に同じであり、それゆえ、それらは互いにキャンセルされうる。空間フィルタ５２の目的は、円４５の一部だけが形成されるようにフリンジが利用可能な光を制限することである。エタロンを傾ける目的は、図７に示したような反射された（４５Ａ）及び透過された（４５Ｂ）ビームによって作り出された円４５の一部を分離することである。それ故、ＰＤＡ４４は、反射された円と透過された円との両方の部分を検出するが、アレイは一方の円の左側と、他の一方の円の右側とを検出する。
【００２０】
ディップ４５Ａの位置が、従来のエタロンスペクトロメータのピークがあるべきである同じ場所で正確であるので、ダブルパスエタロンスペクトロメータは、在来のエタロンスペクトロメータが可能な測定の全ての測定が可能である。従って、フリンジ４５Ｂは、スペクトルの形状を解析するのに使用され、実際の波長は、校正データと一緒にフリンジ４５の直径（図７）によって判断される。従来のエタロンスペクトロメータでは、この直径は、ピーク１５Ａ及び１５Ｂ（図１）の間の距離として判断される。本発明のエタロンでは、この直径は、ピーク４５Ｂと、対応するディップ４５Ａとの間の距離（図５）として判断される。それ故、スペクトル形状及び中心波長情報を決定するための従来技術の全てが、本発明のエタロンで同様に使用することができる。
【００２１】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態を図８に示す。
この実施形態は、以下の点を除いて図５に示した第２の実施形態と全く同じである：
１）４５度５０％ビーム分割ミラーが偏光ビームスプリッタ４７と置換される。このビームスプリッタは、レーザ光の支配的な偏光を最大限に透過し、他の偏光を反射するように配置される。
２）中空逆反射体７０が中空プリズム７２と置換される。このプリズムは、レーザ光を効率的に反射する材料で被覆された２つの反射直交ミラーによって作られる。面７２Ａと７２Ｂとが交わるライン７２Ｃは、偏向ビームスプリッタ４７を介して透過されたビーム６２の偏光に対して約４５度の角度で整列される。
【００２２】
図９は、ビーム６２（図８）の方向に沿って見たときのプリズム７２を示す。図９は、ライン７２Ｃ、並びに反射された光の偏光１６４に対する（図８に示した）ビーム６２の偏光１６２の方位を示す。この偏光１６４は、中空プリズム７２によって戻るように反射された後、９０度だけ回転される。図８に戻ると、この戻り反射光は、第２の実施形態（図５）と全く同じように２回エタロン３７を通り抜ける。この９０度の回転された偏光のために、このダブルパスビーム６４は、偏光ビームスプリッタ４７によって反射され、第２の実施形態（図５）と同様にフリンジパターン４５Ａ及び４５Ｂを形成するようにレンズ４２によってＰＤＡアレイ４４に焦点合わせされる。
【００２３】
この実施形態では、高いスループットのため、ＰＤＡ４４によって検出された信号の増幅はより高く、第２の実施形態（図５）における５０％反射器と比較して偏向ビームスプリッタ４７によって提供される。しかしながら、この実施形態のフリンジパターンは、第２の実施形態のそれと似ており、それ故、スペクトル形状及び中心波長を測定するための同じ技術が全てこの実施形態でも同様に使用することができる。マイクロリソグラフィ用に使用されるエキシマＫｒＦレーザのような多くのレーザは、より大きく偏光された光を作りだし、それ故、この第３の実施形態の使用は、信号を（２乃至３倍まで）著しく増大させうる。好ましい偏光ビームスプリッタ４７は、ある偏光に対しては約９０％の透過率を有し、他のものに関しては９７％以上の反射率を有する。
【００２４】
読者にとっては、３つ全ての実施形態が、光が同じエタロンを介して２倍進むことの利益を有することは明らかであろう。それ故、反射表面は非常に平行であり、本質的には、エタロンのプレートの間の同じ間隔は両方のパスに関して保証されると仮定している。
【００２５】
いかなるシリーズのエタロンスペクトロメータの配列においても、エタロンスペースの正確な適合は非常に重要である。２４８ｎｍ光に関して、６．３３ｎｍ（６３３ｎｍダブル周波数の１／１００、アルゴンイオンレーザ波長）と同じくらい小さいエタロンのプレートの間の間隔差は、スペクトロメータの解像度を実質的に破壊する。かかる間隔差の結果を図６に示し、それぞれ、６．３３ｎｍ間隔差の結果を示すヘビーカーブと、完全に適合した間隔を備える２つのエタロンスペクトルを表すライトカーブである。６ｎｍに適合された（典型的には１乃至１５ｍｍのレンジである）間隔を備えた２つのエタロンを有することは非常に困難である。本発明のエタロンスペクトロメータにおけるひとつのエタロンにおいて、エタロンが正確に平行な反射表面を備える良好な品質のものである限り、２つのパスに関するギャップは同様に残る。出願人は、第１及び第２の実施形態をテストし良好な成功を得た。
【００２６】
当業者には、本発明の精神を逸脱せずに他の修正をすることが可能であることは明らかであろう。例えば、第１の応答が必須でないならば、走査出口スリット及びフォトメータが、フォトダイオードアレイの代わりに使用されうる。このスリットフォトメータアセンブリは、ＰＤＡの領域をスキャンすることができ、異なる波長で光強度を測定することができる。本発明のエタロンは、比較的低解像度のグレーティングスペクトロメータなどのような別のスペクトロメータと一緒に使用することができうる。それ故、本発明は、特許請求の範囲及び法律的に均等な範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のスペクトロメータの図である。
【図２】従来技術のエタロンスペクトロメータのスリット関数のグラフである。
【図３】本発明の第１の好ましい実施形態の図である。
【図４】図３の実施形態で測定された周波数ダブルＡｒイオンレーザビームのスペクトルを示す。
【図５】本発明の第２の好ましい実施形態の図である。
【図６】非常に小さなエタロンプレートのミスマッチの影響を示す。
【図７】フォトダイオードアレイのフリンジパターンを示す。
【図８】本発明の第３の好ましい実施形態の図である。
【図９】偏光回転中空プリズムの図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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