(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザチャンバに設けられ、偏光子として機能する程度にレーザ光軸に対して入射面が傾斜して設置されたウィンドウからレーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態を検出する偏光モニタと、
レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φのそれぞれ許容できる下限値Ｐthおよび所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2を設定する許容範囲設定部と、
前記偏光モニタで検出されたレーザ光の偏光状態に基づいてレーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出し、その算出値と前記許容範囲設定部で設定された下限値Ｐthおよび所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2とをそれぞれ比較する比較演算部と、
前記比較演算部で算出された直線偏光純度Ｐが下限値Ｐth以下になった場合、または、偏光方位角Φが所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2外になった場合に、前記レーザチャンバのウィンドウが劣化したことを示す信号を出力する信号出力部と
を有するレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項２】
レーザチャンバに設けられ、偏光子として機能する程度にレーザ光軸に対して入射面が傾斜して設置されたウィンドウの劣化を判定する方法であって、
レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φのそれぞれ許容できる下限値Ｐthおよび所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2を設定する許容範囲設定工程と、
レーザチャンバに設けられたウィンドウからレーザ光を出力するレーザ出力工程と、
前記レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態を検出する偏光モニタ工程と、
前記偏光モニタ工程で検出されたレーザ光の偏光状態に基づいてレーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出し、その算出値と前記許容範囲設定工程で設定された下限値Ｐthおよび所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2とをそれぞれ比較する比較演算工程と、
前記比較演算工程で算出された直線偏光純度Ｐが下限値Ｐth以下になった場合、または、偏光方位角Φが所定の範囲Φth1＜Φ＜Φth2外になった場合に、前記レーザチャンバのウィンドウが劣化したものと判定するウィンドウ劣化判定工程と、
を有するレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法。
【請求項３】
レーザチャンバから出力されるレーザ光のメインビームを分岐して前記偏光モニタに入射する光学素子としてのビームサンプリング素子が設けられていること
を特徴とする請求項１記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項４】
前記偏光モニタは、
自身に入射した光を、自身の設置角度に応じた互いに直交する二方向の成分であるＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離し、Ｐ偏光成分をその伝搬方向をほぼ変化させずに出射し、Ｓ偏光成分をその伝搬方向を変化させて出射する偏光子を含み、
入射光軸を中心に当該偏光子を回転させ、各回転角度ごとにＰ偏光成分または/およびＳ偏光成分の強度を求め、求められたＰ偏光成分または/およびＳ偏光成分の強度に基づいてレーザ光の偏光状態を検出するものであること
を特徴とする請求項１または３に記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項５】
前記ビームサンプリング素子は、
レーザチャンバから出力されるレーザ光のメインビームを順次反射して最後に反射された反射光を前記偏光モニタに入射する２つのウェッジ基板からなり、これら２つのウェッジ基板は、前記偏光モニタに入射される反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比が、レーザチャンバから出力されるレーザ光のメインビームを直接前記偏光モニタに入射したときのＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比とほぼ等しくなるように配置されていること
を特徴とする請求項３記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項６】
前記偏光子は、入射されるレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離する偏光ビームスプリッタであり、
当該偏光ビームスプリッタは、平行平面基板と、当該平行平面基板の表面にコーティングされた偏光分離膜とからなり、
レーザ光を前記偏光分離膜に入射させたときに、前記偏光分離膜でＰ偏光を透過しＳ偏光を反射し、前記平行平面基板でＰ偏光を透過して当該平行平面基板の裏面よりＰ偏光が出力される傾斜角度で配置されていること
を特徴とする請求項４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項７】
前記偏光子は、入射されるレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離するRochonプリズムであり、
当該Rochonプリズムは、複屈折性の結晶からなる第一のプリズムおよび第二のプリズムで構成され、
前記第一のプリズムおよび第二のプリズムは、斜面同士が接触し、前記第一のプリズムの光学主軸の方位は入射光と垂直かつ自身の斜面に対して平行となり、前記第二のプリズムの光学主軸の方位は入射光と平行になるように配置され、
レーザ光が前記第一のプリズムに入射することにより、前記第二のプリズムの斜面でＰ偏光とＳ偏光の進行方向が変化して、前記第二のプリズムからＰ偏光とＳ偏光とが異なる進行方向で出射されること
を特徴とする請求項４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項８】
前記第二のプリズムの出射側に、Ｐ偏光を通過させ、Ｓ偏光を遮光するアパーチャが配置されること
を特徴とする請求項７記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項９】
前記偏光子は、入射されるレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離する偏光ビームスプリッタであり、
当該偏光ビームスプリッタは、１つまたは２つの平行平面基板と、当該平行平面基板の表面にコーティングされた第１および第２の偏光分離膜とからなり、
レーザ光を前記第１の偏光分離膜に入射させたときに、前記第１の偏光分離膜でＰ偏光を透過しＳ偏光を反射し、前記平行平面基板でＰ偏光を透過し、前記第２の偏光分離膜でＳ偏光を反射して、当該第２の偏光分離膜からＰ偏光を前記第１の偏光分離膜に対する光軸とずれなく出射する傾斜角度で配置されていること
を特徴とする請求項４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１０】
前記偏光子は、入射されるレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離する偏光ビームスプリッタであり、
当該偏光ビームスプリッタは、等方性の第一のプリズムおよび第二のプリズムと、偏光分離膜で構成され、
前記第一のプリズムおよび第二のプリズムは、前記偏光分離膜を介して斜面同士が対向して配置され、
レーザ光が前記第一のプリズムに入射することにより、前記偏光分離膜でＳ偏光が反射され、前記第二のプリズムからＰ偏光が出射されること
を特徴とする請求項４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１１】
前記偏光子は、入射されるレーザ光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分離するGlan Laserプリズムであり、
当該Glan Laser プリズムは、複屈折性の結晶からなる第一のプリズムおよび第二のプリズムで構成され、
前記第一のプリズムおよび第二のプリズムは、斜面同士が所定間隔だけ離間して対向し、前記第一のプリズムおよび第二のプリズムの光学主軸の方位は入射光と垂直かつ入射面に垂直入射する光軸と前記第一および第二のプリズムの斜面の法線とを含む平面と平行になるように配置され、
レーザ光が前記第一のプリズムに入射することにより、前記第二のプリズムの斜面でＳ偏光が反射され、当該反射されたＳ偏光が前記第一のプリズムから出射されるとともに、Ｐ偏光が前記第二のプリズムから出射されること
を特徴とする請求項４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１２】
前記偏光モニタは、
前記偏光子と、
当該偏光子から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられ、光強度を検出する第一の光センサと、
前記偏光子から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられ、光強度を検出する第二の光センサと、
前記偏光子を、入射光軸を中心にして回転させる回転手段と
を含んで構成されること
を特徴とする請求項４から１１に記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１３】
前記比較演算部は、
前記偏光子の回転角度を０度にしたときに前記第一の光センサおよび前記第二の光センサで検出される光強度に基づき、Ｐ偏光とＳ偏光の強度の和Ｓ0を演算するとともに、前記偏光子の回転角度が０度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ1を演算し、
前記偏光子の回転角度を＋４５度にしたときに前記第一の光センサおよび前記第二の光センサで検出される光強度に基づき、前記偏光子の回転角度が＋４５度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ2を演算し、
これら演算されたＰ偏光とＳ偏光の強度の和Ｓ0と、前記偏光子の回転角度が０度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ1と、前記偏光子の回転角度が＋４５度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ2とに基づいて、レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出すること
を特徴とする請求項１２記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１４】
前記偏光モニタ工程は、
偏光子を入射光軸を中心にして回転させて、
各回転角度ごとに、当該偏光子から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられた第一の光センサで光強度を検出するとともに、前記偏光子から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられた第二の光センサで光強度を検出する工程を含むこと
を特徴とする請求項２記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法。
【請求項１５】
前記比較演算工程は、
前記偏光子の回転角度を０度にしたときに前記第一の光センサおよび前記第二の光センサで検出される光強度に基づき、Ｐ偏光とＳ偏光の強度の和Ｓ0を演算するとともに、前記偏光子の回転角度が０度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ1を演算し、
前記偏光子の回転角度を＋４５度にしたときに前記第一の光センサおよび前記第二の光センサで検出される光強度に基づき、前記偏光子の回転角度が＋４５度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ2を演算し、
これら演算されたＰ偏光とＳ偏光の強度の和Ｓ0と、前記偏光子の回転角度が０度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ1と、前記偏光子の回転角度が＋４５度であるときのＰ偏光とＳ偏光の強度の差Ｓ2とに基づいて、レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出する工程を含むこと
を特徴とする請求項１４記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法。
【請求項１６】
前記偏光モニタは、
前記偏光子と、
当該偏光子から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられ、光強度を検出する光センサまたは前記偏光子から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられ、光強度を検出する光センサと、
前記偏光子を、入射光軸を中心にして回転させる回転手段と
を含んで構成され、
前記偏光子を回転させて消光比が最大となる方位である偏光方位角Φを探索するものであること
を特徴とする請求項４から１１に記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１７】
前記比較演算部は、
前記偏光子を±９０度の範囲内の複数の回転角度にそれぞれ回転させたときに前記光センサで検出された光強度に基づき、前記偏光子の各回転角度と前記光センサで検出される各光強度との対応関係を求め、
当該求められた対応関係に基づいて、レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出すること
を特徴とする請求項１６記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置。
【請求項１８】
前記偏光モニタ工程は、
偏光子を入射光軸を中心にして回転させて、
当該偏光子から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられた光センサまたは前記偏光子から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられた光センサで光強度を検出し、消光比が最大となる方位である偏光方位角Φを探索する工程を含むこと
を特徴とする請求項２記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法。
【請求項１９】
前記比較演算工程は、
前記偏光子を±９０度の範囲内の複数の回転角度にそれぞれ回転させたときに前記光センサで検出された光強度に基づき、前記偏光子の各回転角度と前記光センサで検出される各光強度との対応関係を求め、
当該求められた対応関係に基づいて、レーザ光の直線偏光純度Ｐおよび偏光方位角Φを示す値を算出する工程を含むこと
を特徴とする請求項１８記載のレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハの露光用光源として使用されるレーザ装置に搭載されるレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置および方法に関し、特に、レーザ光の偏光状態が許容範囲外になったことをもってウィンドウが劣化したと判定するものである。
【背景技術】
【０００２】
（露光用光源）
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（以下、「露光装置」という）においては解像力の向上が要請されている。このため露光用光源から放出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、波長２４８nmの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザならびに、波長１９３nmの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザが用いられている。
【０００３】
次世代の露光技術としては、露光装置側の露光用レンズとウエハ間を液体で満たして、屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけの波長を短波長化する液浸露光が研究されている。ＡｒＦエキシマレーザを露光用光源として液侵露光が行われた場合は、ウエハには波長１３４nmの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光（又はＡｒＦ液浸リソグラフィー）という。
【０００４】
次々世代の露光用光源としては、波長１５７nmの紫外線を放出するＦ2レーザが有力である。さらにＦ2レーザを露光用光源として液浸技術が行われる可能性もある。この場合は、ウエハには波長１１５nmの紫外光が照射されるといわれている。
【０００５】
（露光用光学素子と色収差）
多くの露光装置の光学系には、投影光学系が採用されている。投影光学系では異なる屈折率を有するレンズ等の光学素子が組み合わされて色収差補正が行なわれる。現在、前述した露光用光源によって得られる波長帯域２４８nm〜１１５nmの紫外光に対して、投影光学系のレンズ材料として使用に適する光学材料は合成石英とＣａＦ2以外にない。このため露光用光源としてＫｒＦエキシマレーザを使用する露光装置の投影レンズとしては、合成石英のみで構成された全屈折タイプの単色レンズが採用されている。また露光用光源にＡｒＦエキシマレーザを使用する露光装置の投影レンズとしては、合成石英とＣａＦ2で構成された全屈折タイプの部分色消しレンズが採用されている。
【０００６】
ところがＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザの自然発振幅は約３５０〜４００pmと広いため、これらの投影レンズが使用されると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放出される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（エタロンやグレーティング等）を有する狭帯域化モジュール（Line Narrow Module、以下「ＬＮＭ」という）が設けられ、スペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。
【０００７】
（液浸露光と偏光照明）
電場のみに着目して考えると、光は互いに直交する二つの直線偏波状態の波の線形結合として表される。通常、この二つの波はＰ偏光成分とＳ偏光成分という二つの成分として考えられる。Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の方位は絶対的なものではなく、光を出射する光学素子の設置角度に応じて定められる相対的なものである。光学素子へ入射する光の電場ベクトル方向と光学素子の設置角度によって光学素子表面におけるＰ偏光成分の方位とＳ偏光成分の方位が決まる。また二つの波の位相速度と振幅の大きさで、偏光状態（直線偏光、楕円偏光、円偏光）や偏光方位が決まる。二つの波の位相が同じであると直線偏光であり、二つの波の位相が異なると楕円偏光、円偏光となる。
【０００８】
前述したＡｒＦ液浸露光の場合に、媒体がＨ2Ｏであると屈折率が１．４４になるため、屈折率に比例するレンズ開口数ＮＡは通常のＡｒＦ露光の１．４４倍に増える。ＮＡが高くなるにつれ、光源から出射されるレーザ光の偏光状態の影響が大きくなる。
【０００９】
ところで、下記非特許文献１には露光装置側の事柄として次のような記載がある。互いに直交する二つの直線偏波状態の波のうち、方位がマスクパターンの方向に平行である偏光成分をＳ偏光と定義し、方位がマスクパターンの方向に垂直である偏光成分をＰ偏光と定義すると、Ｓ偏光は像のコントラストに影響を及ぼさないが、Ｐ偏光は像のコントラストを低くする。非特許文献１に記載されるような現象が発生する原因は次のように考えられる。
【００１０】
Ｐ偏光の場合は、ウエハ上の焦点における電界のベクトルが異なる方向である。このためウエハへの入射角が大きくなるに従い、電界のベクトルが同一であるＳ偏光に比べ、強度が弱くなるのである。この現象の影響は、ＮＡが１．０に近づくか超える場合に強くなり、ＡｒＦ液浸はこの場合に該当する。以上のことから、レーザ光にＳ偏光とＰ偏光の２つの偏光が混ざり合っているとコントラストが低くなるといえる。このため光源であるレーザ光は直線偏光であって、且つその方向性すなわち偏光方位が安定していることが要求される。
【００１１】
本明細書では、直線偏光の度合を偏光純度Ｐと呼ぶことにする。回転する直線偏光子を通してレーザ光を観察し、測定される光強度のうち最大値をＩmaxとし、最小値をＩminとすると、偏光純度Ｐは下記（１）式にて求められる。  
Ｐ＝｛（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）｝×１００  （％）  …  （１）
偏光純度Ｐが１００％に近づくほど偏光状態が直線偏光に近いといえる。
【００１２】
（２ステージレーザシステム）
液浸露光においては、高ＮＡ化によってレンズの透過率が低下する。よって一定露光量を得るためには、露光用光源であるガスレーザ装置の高出力化が必要である。また露光装置の高スループット化のためにも、ガスレーザ装置の高出力化が必要である。スペクトル線幅を狭帯域化した上で高出力を得るための装置として、２ステージレーザシステムがある。２ステージレーザシステム（以下、２ステージレーザという）は、シード光を生成する発振段（Oscillator：略してＯＳＣ）とシード光を増幅する増幅段（Amplifier：略してＡＭＰ）とからなる。
【００１３】
図１はレーザ発振器の一例である２ステージレーザの構成を簡略化して示す図である。  ２ステージレーザの方式として、増幅の手段が異なるＭＯＰＯ方式とＭＯＰＡ方式の２種類が知られている。ＭＯＰＯは、Master Oscillator, Power Oscillatorの略であり、インジェクションロック方式とも呼ばれる。この方式では増幅用チャンバを間に挟んで共振器が設けられ、レーザ光が増幅用チャンバを複数回通過して増幅される。ＭＯＰＡは、Master Oscillator, Power Amplifierの略である。この方式では増幅用チャンバを間に挟んで共振器が設けられず、レーザ光が増幅用チャンバを１回又は２回通過して増幅される。図１で示される２ステージレーザ１００はＭＯＰＯ方式の装置である。本明細書では２ステージレーザの増幅手段の具体例としてＭＯＰＯを説明する。
【００１４】
２ステージレーザ１００は、ＯＳＣ（レーザ）１０と、ＯＳＣ１０の出力光軸上に設けられたＡＭＰ（レーザ）２０とからなる。
【００１５】
ＯＳＣ１０では、ＯＳＣチャンバ１１と、ＬＮＭ１２と、ＯＳＣフロントミラー１５と、がレーザ光軸上に設けられる。ＯＳＣチャンバ１１は、ＣａＦ2を材料として作成されたウィンドウ１１ａ、１１ｂを有する。ＬＮＭ１２は一以上のプリズム、例えば二つのプリズム１３ａ、１３ｂと、グレーティング１４と、で構成される。以後、プリズムはプリズムビームエキスパンダ又は分散プリズムを意味するものとする。プリズム１３ａ、１３ｂは、ＯＳＣチャンバ１１側から伝搬する光のビーム幅を拡大し、またグレーティング１４側から伝搬する光のビーム幅を縮小する。グレーティング１４は、プリズム１３ｂから伝搬する光のうち、所定帯域の光のみをプリズム１３ｂ側に反射する。ＯＳＣフロントミラー１５にはＰＲ（Partial-Reflection）膜がコーティングされる。ＯＳＣフロントミラー１５では、ＯＳＣチャンバ１１側から伝搬する光の一部が透過し、残りが反射する。ＬＮＭ１２とＯＳＣフロントミラー１５とで共振器が構成される。
【００１６】
ＡＭＰ２０では、ＡＭＰチャンバ２１と、ＡＭＰリアミラー２２と、ＡＭＰフロントミラー２３と、がレーザ光軸上に設けられる。ＡＭＰチャンバ２１は、ＣａＦ2を材料として作成されたウィンドウ２１ａ、２１ｂを有する。ＡＭＰリアミラー２２には９０％程度の高反射率を有する反射膜がコーティングされる。ＡＭＰフロントミラー２３には３０〜５０％の反射率を有するＰＲ膜がコーティングされる。ＡＭＰフロントミラー２３では、ＡＭＰチャンバ２１側から伝搬する光の一部が透過し、残りが反射する。ＡＭＰリアミラー２２とＡＭＰフロントミラー２３とで共振器が構成される。
【００１７】
ＯＳＣチャンバ１１では、放電によって内部のレーザガス分子が励起される。分子はエネルギーを与えられ上準位に遷移した後に下準位に遷移する。こうした誘導放出の際に光が発生する。光はウィンドウ１１ａ、１１ｂから外部に出射される。この光はＯＳＣチャンバ１１を介してＬＭＮ１２とＯＳＣフロントミラー１５の間を往復して狭帯域化される。狭帯域化されたレーザ光はＯＳＣフロントミラー１５から出射される。レーザ光（シード光という）は、場合によっては一以上の伝搬ミラー３１で伝搬方向を変更され、ＡＭＰリアミラー２２を透過してＡＭＰチャンバ２１に注入される。ＡＭＰチャンバ２１では、ＯＳＣチャンバ１１と同様の誘導放出によって注入されたレーザ光が増幅される。レーザ光はＡＭＰチャンバ２１を介してＡＭＰリアミラー２２とＡＭＰフロントミラー２３の間を往復して徐々に増幅される。増幅されたレーザ光はＡＭＰフロントミラー２３から出射される。ＡＭＰ２０から出射されたレーザ光は露光装置３０に取り込まれ、露光対象（例えばウエハ）の露光に用いられる。
【００１８】
図１で示されているのは２ステージレーザすなわち２段増幅型レーザシステムであるが、３段増幅型レーザシステムであればさらなる出力向上が可能である。３段増幅型レーザシステムの場合は、ＡＭＰ２０の出力光軸上にさらに別のＡＭＰが設けられる。つまり多段増幅型レーザシステムは、ＯＳＣ１０の後段に一以上のＡＭＰが直列に設けられた形態になる。
【００１９】
２ステージレーザには、特願２００３−１１６９２４号、特願２００３−２９８２８６号に記載されているような別のシード光注入方式や、他の不安定共振器などが適用される場合もある。
【００２０】
（ブリュースタ角と偏光）
チャンバを有するレーザ装置においては、Ｐ偏光とＳ偏光の方向はウィンドウの姿勢によって定義される。
【００２１】
一般にガスレーザ装置の共振器内に設けられるチャンバのウィンドウ（図１のウィンドウ１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ）は、光軸に対してブリュースタ角だけ傾斜して設置されることが多い。ウィンドウの入射面がレーザ光軸に対して幾らかでも傾斜して設置された場合にウィンドウは所謂偏光子として機能する。ウィンドウに入射する光のＰ偏光成分は、ウィンドウ表面におけるフレネル反射が零になり、ほぼ１００％透過する。よってレーザ光のＰ偏光成分はウィンドウを通過する際に減衰が少なく、出力エネルギがほとんど減少しなくなる。ウィンドウに入射する光のＳ偏光成分は、ウィンドウ表面におけるフレネル反射を受ける。よってレーザ光のＳ偏光成分はウィンドウを通過する際に減衰し、出力エネルギが減少する。
【００２２】
レーザ光は共振器内を数〜十数回往復して出力される。レーザ光がウィンドウを数回通過する間に、Ｓ偏光成分はフレネル反射（１４．８６％）を繰り返し受け減衰する。一方、Ｐ偏光成分はほとんど減衰することなく透過し、レーザ媒質内を通過することによって増幅されていく。共振器内を往復することによって、レーザ光は概ねＰ偏光方向の直線偏光で出力される。ＡｒＦレーザ（波長193.368nm）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率が１．５０１９５８となるため、ブリュースタ角度は５６．３３６度になる。また、Ｆ2レーザ（波長157.63 nm）では、２０℃においてフッ化カルシウムの屈折率が１．５５９２６１となるため、ブリュースタ角度は５７．３１８度になる。
【００２３】
狭帯域化レーザでは、スペクトル線幅を狭帯域化するために、ビームがプリズムで拡大され波長分散素子であるグレーティングに入射される。プリズムは複数個使用される場合が多い。各プリズムの入射面には、フレネル反射による出力減少を防止するために、光の入射角に対してＰ偏光成分をほぼ１００%透過させるためのＰ偏光ＡＲ（Anti-Reflection）膜がコーティングされている。このＰ偏光ＡＲ膜ではＳ偏光成分の光は大きく反射される。結果として、狭帯域化レーザから出力されるレーザ光は、ＬＮＭを備えないフリーランニングのレーザと比較してＰ偏光成分の純度が高くなる。
【非特許文献１】Feasibility of immersion lithography, S.Owa, et al. ,Procceding of SPIE Vol. 5377
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
（２ステージレーザにおける偏光純度と偏光方位の変化）
２ステージレーザにおいて、ＯＳＣから出射されるレーザ光のエネルギー密度は数mJ/cm2であるが、ＡＭＰから出射されるレーザ光のエネルギー密度は数十mJ/cm2である。ＡＭＰチャンバのウィンドウには高エネルギー密度のビームが透過するため、ウィンドウは表面及び内部で多くの光を吸収し発熱する。するとウィンドウに熱応力が発生し、光吸収率が増加してウィンドウの複屈折が多くなる。本明細書では、このような現象をウィンドウの劣化と考える。一般に、偏光した光が複屈折物質内を透過すると、位相が変化する。例えば直線偏光の光が複屈折物質内を通過すると、位相がずれる。結果として、直線偏光は楕円偏光になる場合が多い。
【００２５】
シード光となるＯＳＣの出射光は直線偏光である。その偏光純度Ｐは約９９％である。直線偏光であるシード光はＡＭＰに注入され増幅されるが、シード光はＡＭＰチャンバのウィンドウを通過する際に複屈折の影響を受け、直線偏光から楕円偏光に変化する。また複屈折に起因して、偏光方位が変化する場合もある。このように偏光純度と偏光方位は安定していない。
【００２６】
ＡＭＰチャンバのウィンドウほどではないが、ＯＳＣチャンバのウィンドウでもウィンドウが劣化する場合がある。すなわち、ウィンドウで光の吸収が多くなり、複屈折量が大きくなることがあり、ＡＭＰからの出射光の偏光純度及び偏光方位が変化する場合がある。この場合はシード光自体の偏光純度及び偏光方向が変化するため、結果としてＡＭＰの出射光の偏光純度及び方向が変化することになる。
【００２７】
（複屈折による偏光の変化）
前述した複屈折の影響について、図２を用いて更に説明する。  
図２（ａ）、（ｂ）は複屈折物質を境にした偏光状態を示す図である。  
結晶１は複屈折物質であると想定する。結晶１内に複屈折が発生すると、結晶１内を伝播する光の位相速度が自身の偏波方向に依存して変化する。直線偏光である光が複屈折物質を通過すると、互いに直交する二つの波すなわちＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の位相がずれる。よって複屈折物質を通過した光は直線偏光でなく、概ね楕円偏光になる。このため結晶１内に複屈折が発生すると偏光純度Ｐが低下する。また入射する直線偏光がＰ偏光であった場合は、Ｐ偏光成分の光強度が減少し、Ｓ偏光成分の光強度が増加して、偏光方位が変化する。
【００２８】
前述したように、レーザ装置では、ウィンドウをほぼ１００％透過する偏光方向の直線偏光すなわちＰ偏光成分が増幅されていくはずである。しかしウィンドウが複屈折物質であって複屈折量が増加すると、Ｓ偏光成分が発生し、さらにＰ偏光とＳ偏光の位相がずれる。よって直線偏光は楕円偏光に変化する。なおレーザ強度によって複屈折の原因となる熱応力の発生量が変わるため、Ｓ偏光成分の発生量は安定していない。
【００２９】
Ｐ偏光とＳ偏光の方位は、ウィンドウ面の方位と入射光の電界ベクトルの方位によって定められる。結晶１がウィンドウである場合に、図２（ａ）、（ｂ）で示されるような配置、すなわち結晶（ウィンドウ）１の光入射面の法線（図中の破線）と入射レーザ光軸とを含む平面が直線偏光した入射レーザ光の電界ベクトル方向と平行となる配置では、紙面の上下方向がＰ偏光成分の方位であり、紙面に対して垂直方向がＳ偏光成分の方位となる。図２（ｂ）では、Ｐ偏光を示す記号とＳ偏光を示す記号がほぼ同一位置に記載されているが、Ｐ偏光とＳ偏光が同位相であることを意味するのではない。現実には両者には複屈折の程度に応じた楕円偏光を生ずる分だけ位相が相違する場合もある。他の図面においても同じ記号が用いられる場合は、同様のことがいえる。
【００３０】
（Ｓ偏光成分の増幅過程）
図３は偏光の増幅過程を説明するための図である。図３は、ＡＭＰ内を往復するシード光を一方向（図面右方向）に伝搬する光と仮定し、光の伝搬位置と（図面下段）Ｐ偏光及びＳ偏光の強度（図面上段）とを対応させて偏光の増幅過程の概念を示すものである。
【００３１】
図３を用いて、ＡＭＰにおけるＰ偏光、Ｓ偏光の増幅過程を説明する。  
２ステージレーザのＡＭＰ内に、ＯＳＣからの直線偏光（ＡＭＰチャンバのブリュースターウィンドウに対してＰ偏光方向）のシード光が注入されたとする。シード光は、ＡＭＰチャンバ２１のリア側のウィンドウ２１ｂを透過する際に、ウィンドウ２１ｂの複屈折の影響を受け、入射したＰ偏光の一部がＳ偏光に変わる（期間ｔ1）。光がＡＭＰチャンバ内の放電領域を通過すると、光の強度が増幅される。このときＰ偏光成分のみならず、Ｓ偏光成分も増幅される（期間ｔ2）。光がＡＭＰチャンバ２１のフロント側のウィンドウ２１ａを通過すると、ブリュースター角でのフレネル反射でＳ偏光の１４．８６％は反射損失を受け減少する。しかしウィンドウ２１ａ、２１ｂの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｓ偏光は増加するため、Ｓ偏光のこうした増減の差分だけＳ偏光の量が変化する（期間ｔ3）。
【００３２】
光は図示しないＡＭＰフロントミラーに達する。光の７０〜５０％はフロントミラーを透過して外部へ出射され、３０〜５０％は反射してリア側に伝搬する。この時点では、すでにＰ偏光とＳ偏光が混ざり合った状態である。そのフロントミラーで反射して光がウィンドウ２１ａを透過する際には、フレネル反射でＳ偏光は減少するものの、ウィンドウ２１ａの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｐ偏光の減少分だけＳ偏光は増加する（期間ｔ4）。また光が放電領域を通過する際には、Ｓ偏光成分も増幅される（期間ｔ5）。さらに光がウィンドウ２１ｂを透過する際には、フレネル反射でＳ偏光は減少するものの、ウィンドウ２１ｂの複屈折によって、Ｐ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。このためＰ偏光は減少し、Ｓ偏光は増加する（期間ｔ6）光は図示しないＡＭＰリアミラーに達し、さらにｔ1〜ｔ6と同じ様な工程を経て外部に出射される（ｔ7〜ｔ9）。
【００３３】
図３では、説明を簡単にするため、光が共振器内を１．５往復して外部に出射されるような形態が示されている。しかし実際には、光は共振器内を１．５往復以上往復して出射される。観測されるレーザパルスは、１．５往復、２．５往復、３．５往復と数回共振器内を往復して出射される光の積分である。
【００３４】
以上のように、２ステージレーザでは狭帯域化されたレーザ光がＡＭＰで増幅されるが故に、ＡＭＰチャンバのウィンドウの複屈折量が増加するため、レーザ光の偏光状態及び偏光方位が不安定である。半導体ウエハの露光においては、特定の偏光方位である直線偏光が要求されるため、レーザ光の偏光状態及び偏光方位が不安定であることは望ましくない。
【００３５】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態の変化をモニタし、レーザチャンバに取り付けられたウィンドウの劣化を早期に把握できる装置および方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
第１発明に係るレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置は、
レーザチャンバに設けられたウィンドウからレーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態を検出する偏光モニタと、
レーザ光の偏光状態を示す値のうち許容できる範囲を設定する許容範囲設定部と、
前記偏光モニタで検出された偏光状態に基づいて偏光状態を示す値を算出し、その算出値と前記許容範囲設定部で設定された範囲の閾値とを比較する比較演算部と、
前記比較演算部で算出された偏光状態を示す値が前記許容範囲設定部で設定された範囲外である場合に、前記レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態が許容範囲外になったことを示す信号を出力する信号出力部と、
を有する。
【００３７】
第２発明は第１発明において、
前記偏光状態を示す値は、偏光純度または偏光方位角の少なくとも一方であり、前記閾値は、偏光純度の下限値または偏光方位角の範囲の境界値の少なくとも一方である。
【００３８】
第１、第２発明を説明する。  
レーザ発振器には１以上のレーザチャンバが直列に設けられており、最前段のレーザチャンバでレーザ光が生成され、後段のレーザチャンバに進むにつれてレーザ光が増幅されていく。レーザ発振器から出力されたレーザ光は偏光モニタに入射する。偏光モニタではレーザ光の偏光状態がモニタされる。偏光モニタの検出結果は比較演算部に出力される。比較演算部では偏光モニタで検出された偏光状態を示す値、例えば偏光純度や偏光方位角、が算出され、この算出値と許容範囲設定部に予め設定された許容範囲の閾値とが比較される。算出値が許容範囲の閾値を超えた場合に、信号出力部からウィンドウ劣化信号が出力される。このウィンドウ劣化信号の発生をもってウィンドウが劣化したものと判定することができる。
【００３９】
第３発明に係るレーザチャンバのウィンドウ劣化判定方法は、
レーザ光の偏光状態を示す値のうち許容できる範囲を設定する許容範囲設定工程と、
レーザチャンバに設けられたウィンドウからレーザ光を出力するレーザ出力工程と、
前記レーザチャンバから出力されるレーザ光の偏光状態を検出する偏光モニタ工程と、
前記偏光モニタ工程で検出された偏光状態に基づいて偏光状態を示す値を算出し、その算出値と前記許容範囲設定工程で設定された範囲の閾値とを比較する比較演算工程と、
前記比較演算工程で算出された偏光状態を示す値が前記許容範囲設定工程で設定された範囲外である場合に、前記レーザチャンバのウィンドウが劣化したものと判定するウィンドウ劣化判定工程と、
を有する。
【００４０】
第３発明を説明する。  
先ず、偏光状態の許容範囲を設定する。次に、レーザ発振器からレーザ光を出力し、出力されたレーザ光の偏光状態を検出する。この検出結果に基づいてレーザ光の偏光状態を示す値、例えば偏光純度や偏光方位角、を算出し、この算出値と予め設定した許容範囲の閾値とを比較する。算出値が許容範囲の閾値を超えた場合に、ウィンドウが劣化したものと判定する。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、レーザ光の偏光状態の変化を検出し、その偏光状態が許容範囲内か否かを判断できるため、ウィンドウの劣化を早期に把握することができる。また、高い偏光純度を要求される半導体ウエハ露光等において劣化したウィンドウの早期交換が可能になるため、ウィンドウ劣化に起因する偏光純度低下を事前に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。  
なお、以下の説明では、２チャンバのレーザをレーザ発振器としているが、通常の１チャンバのレーザをレーザ発振器とすることも可能であるし、３チャンバ以上のレーザをレーザ発振器とすることも可能である。
【００４３】
図４は本発明に係るレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置の構成を示す図である。  本実施形態は、図１で示される２ステージレーザ１００の構成に加えて、ビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４と演算部９１と信号出力部９２と許容範囲設定部９３と報知部９４とを備えたものである。ＯＳＣ１０とＡＭＰ２０は従来と同じ構成であるため、以下ではその説明を省略する。
【００４４】
ビームサンプリング素子４３は、レーザ光を分岐する光学素子であって、ＡＭＰ２０以降の光軸上に設けられる。偏光モニタ４４は、ビームサンプリング素子４３で分岐された光の一方を取り込める位置に設けられる。ビームサンプリング素子４３および偏光モニタ４４の詳細については後述する。
【００４５】
演算部９１は、ビームサンプリング素子４３で検出されたレーザ光の偏光状態を数値化する。具体的には、レーザ光の偏光純度Ｐや偏光方位角Φを算出する。そして、その算出値Ｐ、Φと許容範囲設定部９３から出力される閾値Ｐth、Φth1、Φth2とを比較する。
【００４６】
ＡＭＰチャンバ２１から出力されるレーザ光の偏光状態には半導体露光用として許容できる範囲がある。閾値Ｐth、Φth1、Φth2というのは、この許容範囲の限界値のことである。なお、偏光純度Ｐの許容範囲は、上限値１００％と任意の下限値Ｐthとで表される。偏光純度Ｐの算出値が上限値１００％を超えることはあり得ないため、偏光純度Ｐの閾値は下限値Ｐthのみとしている。ウィンドウが劣化すると、偏光純度Ｐは閾値Ｐthを超え（Ｐ≦Ｐth）、または偏光方位角Φは閾値Φth1、Φth2を超え（Φ≦Φth1、Φ≧Φth2）、許容範囲外になる。
【００４７】
信号出力部９２は、演算部９１の比較結果において算出値Ｐ、Φが閾値Ｐth、Φth1、Φth2を超えている場合に、報知部９４にウィンドウ劣化信号を出力する。
【００４８】
許容範囲設定部９３は、図示しない入力手段を介して設定された偏光純度Ｐや偏光方位角Φの許容範囲の閾値Ｐth、Φth1、Φth2を演算部９１に出力する。許容範囲設定部９３は、入力された閾値Ｐth、Φth1、Φth2を記憶しておき、必要なときに記憶した閾値Ｐth、Φth1、Φth2を出力するものであってもよいし、オペレータによって入力された閾値Ｐth、Φth1、Φth2をそのまま出力するものであってもよい。本明細書では閾値Ｐth、Φth1、Φth2は予め設定され記憶されているものとする。
【００４９】
報知部９４は、信号出力部９２から出力されたウィンドウ劣化信号を入力した場合に、ウィンドウが劣化したことを外部に報知する。例えば、ブザーやランプなどオペレータの感覚に働きかけるものであればよい。具体的な数値やインジケータ等を表示してオペレータに判断させるものであってもよい。
【００５０】
ここで、ビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４の説明をする。
【００５１】
（ビームサンプリング）
図５はビームサンプリングの一形態を示す図である。  
図４で示されるビームサンプリング素子４３としては、ＣａＦ2を材料とするウエッジ基板４３−１が使用される。ウエッジ基板４３−１は、入射面のＳa面とＳa面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb面を有し、Ｓa面に対してメインビーム４６がほぼ垂直（≠垂直）に入射するようにして設けられる。メインビーム４６の入射角度がある程度大きくなると、Ｓa面での反射光４７のＰ偏光とＳ偏光の強度比が変化するため、好ましくない。Ｓa面がメインビーム４６の光軸とほぼ直交するならば、メインビーム４６の入射角度がそれほど大きくならないため、反射光４７のＰ偏光とＳ偏光の強度比は、メインビーム４６のＰ偏光とＳ偏光の強度比と比較してほぼ等しくなる。
【００５２】
反射光４７の光軸上には偏光モニタ４４が設けられる。偏光モニタ４４では後述する測定が行われる。
【００５３】
ウエッジ基板４３−１ではメインビーム４６の反射がＳa面の他にＳb面でも生ずる。ウエッジ基板４３−１はウエッジ形状であるため、Ｓb面での反射光４８は偏光モニタ４４に取り込まれない。ウエッジ基板４３−１の代わりに平行基板が使用される場合は、Ｓb面に減反射コートが施されることが望ましい。減反射コートはモニタ４４へ入射する反射光４８の量を少なくするために設けられる。
【００５４】
図６はビームサンプリングの別の一形態を示す図である。  
図４で示されるビームサンプリング素子４３としては、ＣａＦ2を材料とする二つのウエッジ基板４３−２、４３−３が使用される。ウエッジ基板４３−２は、入射面のＳa2面とこのＳa2面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb2面を有し、メインビーム４６が約４５度の入射角でＳa2面に入射するように設けられる。ウエッジ基板４３−３は、入射面のＳa3面とこのＳa3面に対して任意角だけ傾いて対向するＳb3面を有し、Ｓa2面での反射光４７が約４５度の入射角でＳa3面に入射するように設けられる。メインビーム４６は、Ｓa2面で反射して反射光４７となり、Ｓa3面で反射して反射光５０となる。メインビーム４６の偏光成分のうち、Ｓa2面でＰ偏光として反射する成分はＳa3面でＳ偏光として反射する。同様に、メインビーム４６の偏光成分のうち、Ｓa2面でＳ偏光として反射する成分はＳa3面でＰ偏光として反射する。つまりＳa2面及びＳa3面での反射の結果、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比の変化は相殺される。よってメインビーム４６と反射光５０のＰ偏光とＳ偏光の強度比はほぼ等しくなる。例えば入射角度４５度の場合に、Ｐ偏光成分の反射率は0.0086であるのに対し、Ｓ偏光成分の反射率は0.093である。図６で示されるような配置であれば、メインビーム４６の偏光成分のうちの一方は、Ｓa2面でＰ偏光として反射し、Ｓa3面でＳ偏光として反射するので、トータルの反射率は0.0086×0.093＝0.0008となる。またメインビーム４６の偏光成分のうちの他方は、Ｓa2面でＳ偏光として反射、Ｓa3面でＰ偏光として反射するので、トータルの反射率は0.093×0.0086＝0.0008となる。このように二つのウエッジ基板４３−２、４３−３によってＰ偏光とＳ偏光の最終的な反射率がほぼ等しくなる。
【００５５】
反射光５０の光軸上には偏光モニタ４４が設けられる。偏光モニタ４４では後述する測定が行われる。
【００５６】
図５のウエッジ基板４３−１と同様に、ウエッジ基板４３−２、４３−３はウエッジ形状であるため、Ｓb2面及びＳb3面での反射光は偏光モニタ４４に取り込まれない。ウエッジ基板４３−２、４３−３の代わりに平行基板が使用される場合は、Ｓb2面及びＳb3面に減反射コートが施されることが望ましい。減反射コートは反射光４８の影響を少なくするために設けられる。
【００５７】
なお、図４に示すビームサンプリング素子４３の更なる他の形態としては、Ｐ偏光とＳ偏光を均等に反射する膜をコーティングしたビームスプリッタがある。各偏光の反射率が等しいためメインビームとビームスプリッタでの反射光のＰ偏光およびＳ偏光の強度比はほぼ等しくなる。
【００５８】
また、ビームサンプリング素子４３として、Ｐ偏光とＳ偏光を均等に反射する膜を持たないビームスプリッタを用いる構成であっても、Ｐ偏光反射率とＳ偏光反射率の各数値を用いた補正計算によってメインビームのＰ偏光とＳ偏光の強度比を正確に反映した計測をすることができる。
【００５９】
（偏光モニタ）
偏光モニタ４４はレーザ光の偏光の純度及び方位を測定するモジュールであり、所謂一般的なポラリメータと同等の機能を有する。ここで説明する三形態の偏光モニタ４４にはそれぞれ偏光子が含まれる。そこで、偏光モニタ４４の説明に入る前に、図７〜図１１を用いて具体的な五種類の偏光子を説明する。
【００６０】
偏光子は、自身に入射した光を、自身の設置角度に応じた互いに直交する二方向の偏光成分に分離し、一方の偏光成分をその伝搬方向をほぼ変化させずに出射し、他方の偏光成分をその伝搬方向を変化させて出射する。偏光子にとって、伝搬方向が変化しない偏光成分がＰ偏光成分であり、伝搬方向が変化する偏光成分がＳ偏光成分である。Ｐ偏光成分の方位は入射光軸を中心とする偏光子の回転と共に変化する。
【００６１】
図７は第一の形態の偏光子を示す図である。  
第一の形態の偏光子は偏光ビームスプリッタである。偏光子５１は、ＣａＦ2の平行平面基板５２と、平行平面基板５２の表面Ｓa面にコーティングされた偏光分離膜５３と、から構成される。偏光分離膜５３はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する。図７で示されるように、偏光分離膜５３に対するレーザ光の入射角度がブリュースター角に近いほど、平行平面基板５２の裏面Ｓb面でのＰ偏光透過率が更に向上し、効率が良くなる。またＳb面にＰ偏光に対する減反射膜をコーティングしても、同様に効率が良くなる。またＳb面にＳa面と同じ偏光分離膜をコーティングして、偏光子としての消光比を改善してもよい。
【００６２】
図８は第二の形態の偏光子を示す図である。  
第二の形態の偏光子はRochonプリズムである。偏光子５５は、複屈折性の結晶からなる第一のプリズム５６及び第二のプリズム５７で構成される。第一のプリズム５６及び第二のプリズム５７は斜面同士が接触している。第一のプリズム５６の光学主軸の方位は、入射光と垂直であり且つ自身の斜面と平行である。第二のプリズム５７の光学主軸の方位は、入射光と平行である。偏光子５５は入射したレーザ光のＰ偏光、Ｓ偏光を分離する。レーザ光は、第一のプリズム５６の入射面Ｓa面に入射し、第一のプリズム５６を直進し、第二のプリズム５７の斜面でＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま第二のプリズム５７を直進し、第二のプリズム５７の出射面Ｓb面から出射される。Ｓ偏光は、第二のプリズム５７の斜面で進行方向を若干変えられ、第二のプリズム５７を直進し、第二のプリズム５７の出射面Ｓb面から出射される。第二のプリズム５７の出射側にＳ偏光を遮光するアパーチャ５８を設けると、純度の高い直線偏光が得られる。第一、第二のプリズム５６、５７の材料としては、フッ化マグネシウム結晶などが適している。またＳa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。図示はしないが、第一のプリズム５６と第二のプリズム５７の間に空隙が設けられたRochonプリズムも同様の機能を有し、これを用いることも可能である。
【００６３】
図９は第三の形態の偏光子を示す図である。  
第三の形態の偏光子は第一の偏光子を二つ組み合わせたタイプである。偏光子６１は、ＣａＦ2の基板６２と、基板６２の表面Ｓa面にコーティングされた偏光分離膜６３と、基板６２の表面Ｓb面にコーティングされた偏光分離膜６４と、から構成される。偏光子６１では、偏光分離膜６３、６４が共通の基板６１にコーティングされているが、別々の基板にコーティングされてもよい。偏光子６１のような構成によって、光軸がずれることなくＰ偏光のみを通過させることができる。
【００６４】
図１０は第四の形態の偏光子を示す図である。  
第四の形態の偏光子は偏光ビームスプリッタの一例である。偏光子６６は、等方性の第一のプリズム６７及び第二のプリズム６８と偏光分離膜６９で構成される。偏光分離膜６９を介して第一のプリズム６７及び第二のプリズム６８の斜面同士が対向する。Ｓa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。
【００６５】
図１１は第五の形態の偏光子を示す図である。  
第五の形態の偏光子はGlan Laserプリズムである。偏光子７１は、複屈折性の結晶からなる第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３で構成される。第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３は斜面同士が所定間隔だけ離間して対向している。第一のプリズム７２及び第二のプリズム７３の光学主軸の方位は、入射光と垂直であり、且つ入射面Ｓa面に垂直入射する光軸と第一及び第二のプリズムの斜面の法線とを含む平面と平行である。レーザ光は、第一のプリズム７２の入射面Ｓaに入射し、第一のプリズム７２を直進し、第二のプリズム７３の斜面でＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま第二のプリズム７３を直進し、第二のプリズム７３の出射面Ｓb面から出射される。Ｓ偏光は、第二のプリズム７３の斜面で反射され、第一のプリズム７２を直進し、第一のプリズム７２の出射面Ｓc面から出射される。第一、第二のプリズム７２、７３の材料としては、α−ＢＢＯ結晶などが適している。またＳa面、Ｓb面のように垂直に光が入射する面に減反射膜をコーティングすることによって、より少ない損失で偏光を分離できる。
【００６６】
以上、具体的な偏光子を説明したが、Ｐ偏光、Ｓ偏光を分離できる偏光子であればどのような形態のものでも用いることは可能である。次に、こうした偏光子を利用した偏光モニタ４４を説明する。
【００６７】
〔１．偏光モニタの第一の形態〕
図１２は第一の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
本形態はストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を測定することによって、偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−１である。偏光モニタ４４−１は、図８で示される偏光子５５と、第一、第二の光センサ７５、７６とで構成される。偏光子５５は、図示しない回転ステージに取り付けられており、入射光軸を中心にして回転自在である。第一の光センサ７５は偏光子５５から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられ、第二の光センサ７６は偏光子５５から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられる。本形態では偏光子５５の回転と共にＳ偏光の光軸も移動するため、偏光子５５の移動に追従して第一の光センサ７５の位置を変化させる駆動機構が設けられる。光センサ７５、７６は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。例えば、ＣＣＤラインセンサやＭＯＳエリアセンサなどを使用することができる。この場合は、レーザビームの場所毎、つまりレーザビームの光軸に直交する断面内での偏光の分布の状態が測定できる。
【００６８】
ストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を次のように定義する。なお、以下の説明は一般論である。半導体露光の分野を例にすれば、本発明のＡＭＰ出射光の電界の直線偏光方位が重力方向に対して直交することが望ましい状態である。
【００６９】
Ｓ0：全強度（Ｐ偏光、Ｓ偏光の強度の和）
Ｓ1：ｘ成分とｙ成分の強度差（偏光子５５の回転角度が０度である場合のＰ偏光、Ｓ偏光の強度の差）
Ｓ2：＋４５度成分と−４５度成分の強度差（偏光子５５の回転角度が＋４５度である場合のＰ偏光、Ｓ偏光の強度の差）
偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐは、パラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を用いた下記（２）、（３）式で演算される。  
Φ＝１／２・ｔａｎ-1（Ｓ2／Ｓ1）  …  （２）
Ｐ＝〔√｛（Ｓ1-2＋Ｓ2-2）／Ｓ0-2｝〕×１００  …  （３）
ここで方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を図１３を用いて説明する。
【００７０】
図１３は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求め、ウィンドウ劣化を判断する工程を示すフローチャートである。  
同図１３に示す一連の処理は任意のタイミングで行うことが可能である。
【００７１】
最初に偏光純度Ｐの下限値Ｐthと偏光方位角Φth1〜Φth2（Φth1＜Φth2）とが設定され、閾値設定部に記憶される（ステップＳ１０）。
【００７２】
次に偏光子５５の回転角度は０度にされる。この０度とは、所望の偏光方位に対する偏光子５５の基準方向のずれが０度であることを意味する。例えば、前述した半導体露光の分野では重力方向に直交方向、すなわち水平方向が０度である。レーザ光のＳ偏光は第一の光センサ７５に取り込まれ、Ｐ偏光は第二の光センサ７６に取り込まれる。第一の光センサ７５では光強度Ｓout1が測定され、第二の光センサ７６では光強度Ｓout2が測定される。そして、
Ｓ0＝Ｓout1＋Ｓout2  …  （４）
Ｓ1＝Ｓout1−Ｓout2  …  （５）
という演算によってＳ0、Ｓ1が求められる（ステップＳ１１）。
【００７３】
次に偏光子５５の回転角度が＋４５度にされる。ステップＳ１１と同様に、レーザ光のＳ偏光は第一の光センサ７５に取り込まれ、Ｐ偏光は第二の光センサ７６に取り込まれる。第一の光センサ７５では光強度Ｓout1が測定され、第二の光センサ７６では光強度Ｓout2が測定される。そして、
Ｓ2＝Ｓout1−Ｓout2  …  （６）
という演算によってＳ2が求められる（ステップＳ１２）。
【００７４】
求められたパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2は上記（２）、（３）式に代入され、方位角Φと直線偏光純度Ｐが求められる（ステップＳ１３）。
【００７５】
計算で求められた偏光方位角Φおよび直線偏光純度Ｐは、記憶された閾値とそれぞれ比較される（ステップＳ１４）。Φth1≧ΦもしくはΦ≧Φth2、又はＰ≦Ｐthの少なくとも一方の関係が成立した場合はウィンドウが劣化したものと判断され（ステップＳ１４の判断Ｙｅｓ）、ウィンドウ劣化信号が出力される（ステップＳ１５）。
【００７６】
ウィンドウ劣化信号の発生とともにブザー音が発するかランプが点灯するようにすれば、オペレータはウィンドウが劣化したことを把握することができる。ウィンドウ劣化信号が発生したときにウィンドウを交換すれば望ましい偏光状態のレーザ出力光を得ることができる。
【００７７】
なお偏光モニタ４４−１に図８で示される偏光子５５が使用される場合を説明したが、図７及び図９〜図１１で示される各偏光子が使用されてもよい。各場合においては、第一の光センサ７５と第二の光センサ７６の配置がかわる。
【００７８】
〔２．偏光モニタの第二の形態〕
図１４は第二の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
偏光モニタ４４−１と同様に、本形態もストークスのパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を測定することによって、偏光方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−２である。偏光モニタ４４−２の構造、原理は、文献K.Kawano and A.Nagashima,Rev.Sci. Instrum.68,4035(1997)に詳しく記載されているため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７９】
偏光モニタ４４−２は、０度及び４５度の方位に配置された二つのＰＥＭ（Photo Elastic Modulators）７８、７９と、２２．５度の方位に配置された偏光子５１と、光センサ８０と、から構成される。レーザ光は、ＰＥＭ７８、７９と偏光子５１を通過して、光センサ８０に取り込まれる。二つのＰＥＭ７８、７９を異なる周波数ｆ1、ｆ2で変調し、また二つのロックインアンプ８１、８２の周波数を２ｆ1、２ｆ2に合わせて、光センサ８０から得られる信号を増幅する。すると光強度Ｓout1に相当するＶ2ｆ1及び光強度Ｓout2に相当するＶ2ｆ2の信号が得られる。よって上記（４）、（５）、（６）式にてパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2を求め、上記（２）式、（３）式にて方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める。
【００８０】
偏光モニタ４４−１では、偏光子５５の機械的駆動によってパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2が求められるが、偏光モニタ４４−２では、周波数の制御によってパラメータＳ0、Ｓ1、Ｓ2が求められる。偏光モニタ４４−２は機械的な動作部分がないため、偏光モニタ４４−１よりも高速な測定が可能である。
【００８１】
なお偏光モニタ４４−２に図７で示される偏光子５１が使用される場合を説明したが、図８〜図１１で示される各偏光子が使用されてもよい。また光センサ８０は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。
【００８２】
ちなみに本形態で使用されるＰＥＭ７８、７９としては、ＨＩＮＤＳ社（米国）などから提供されている商用製品が使用可能である。
【００８３】
〔３．偏光モニタの第三の形態〕
図１５は第三の形態の偏光モニタの構成を示す図である。  
本形態は、偏光子を回転させて消光比が最大となる方位（偏光方位角Φ）を探し、さらに直線偏光純度Ｐを求める偏光モニタ４４−３である。偏光モニタ４４−３は、図７で示される偏光子５１と、光センサ８４とで構成される。偏光子５１は、図示しない回転ステージに取り付けられており、入射光軸を中心にして回転自在である。光センサ８４は偏光子５１から出射されるＰ偏光の光軸上に設けられる。光センサ８４の代わりに、光センサ８５が設けられていてもよい。光センサ８５は偏光子５１から出射されるＳ偏光の光軸上に設けられる。本形態では偏光子５１の回転と共にＳ偏光の光軸も移動するため、偏光子５１の回転に追従して光センサ８５の位置を変化させる駆動機構が設けられる。光センサ８４、８５は、単一の受光素子でもよいし、１次元あるいは２次元に受光素子が並ぶものでもよい。例えば、ＣＣＤラインセンサやＭＯＳエリアセンサなどを使用することができる。
【００８４】
ここで方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を図１６を用いて説明する。
【００８５】
図１６は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求め、ウィンドウ劣化を判断する工程を示すフローチャートである。  
同図１６に示す一連の処理は任意のタイミングで行うことが可能である。
【００８６】
最初に偏光純度Ｐの下限値Ｐthと偏光方位角Φth1〜Φth2（Φth1＜Φth2）とが設定され、閾値設定部に記憶される（ステップＳ２０）。
【００８７】
次に偏光子５１の回転角度が０度にされる。この０度とは、所望の偏光方位に対する偏光子５５の基準方向のずれが０度であることを意味する。レーザ光のＰ偏光は光センサ８４に取り込まれる。光センサ８４では光強度Ｓoutが測定される。偏光子５１は回転角度が±９０度の範囲で回転され、±９０度の範囲内の複数の回転位置で、光強度Ｓoutの測定が行われる。各回転位置で測定された光強度Ｓoutは記憶される（ステップＳ２１）。
【００８８】
図１７は偏光子の回転角度と光センサの出力との関係を示す図である。  
横軸に偏光子５１の回転角度をとり縦軸に光強度Ｓoutをとると、ステップＳ２１によって図１７で示されるような曲線ｃが得られる。この曲線ｃは余弦関数Ａｃｏｓ2（θ＋Φ）＋Ｂで表される（ステップＳ２２）。Ａは曲線ｃの振幅であり、Ｂは曲線ｃの最小光強度である。方位角Φは、曲線ｃの最大光強度が得られたときの回転角度であり、余弦関数の位相から求められる。直線偏光純度Ｐは、
Ｐ＝｛Ａ／（Ａ＋２Ｂ）｝×１００  …  （７）
によって求められる（ステップＳ２３）。
【００８９】
計算で求められた偏光方位角Φおよび直線偏光純度Ｐは、記憶された閾値とそれぞれ比較される（ステップＳ２４）。Φth1≧ΦもしくはΦ≧Φth2、又はＰ≦Ｐthの少なくとも一方の関係が成立した場合はウィンドウが劣化したものと判断され（ステップＳ２４の判断Ｙｅｓ）、ウィンドウ劣化信号が出力される（ステップＳ２５）。
【００９０】
ウィンドウ劣化信号の発生とともにブザー音が発するかランプが点灯するようにすれば、オペレータはウィンドウが劣化したことを把握することができる。ウィンドウ劣化信号が発生したときにウィンドウを交換すれば望ましい偏光状態のレーザ出力光を得ることができる。
【００９１】
なお図１６で示される処理を光センサ８４を使用するのではなく、光センサ８５を使用して行ってもよい。また偏光モニタ４４−３に図７で示される偏光子５１が使用される場合を説明したが、図８〜図１１で示される各偏光子が使用されてもよい。
【００９２】
以上、ビームサンプリング素子４３と偏光モニタ４４の説明をした。ところで偏光モニタ４４はキャリブレーションがなされる必要がある。具体的には、２ステージレーザ１００の外部に偏光の絶対方位を測定する原器となる偏光測定器を設置しておき、この偏光測定器及び偏光モニタ４４でレーザ光の偏光方位を測定し、偏光測定器及び偏光モニタ４４で得られた偏光方位の測定値同士を比較し、その差をコントローラ４５で補正し、記憶しておく。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】図１はレーザ発振器の一例である２ステージレーザの構成を簡略化して示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は複屈折物質を境にした偏光状態を示す図である。
【図３】図３は偏光の増幅過程を説明するための図である。
【図４】図４は本発明に係るレーザチャンバのウィンドウ劣化判定装置の構成を示す図である。
【図５】図５はビームサンプリングの一形態を示す図である。
【図６】図６はビームサンプリングの別の一形態を示す図である。
【図７】図７は第一の形態の偏光子を示す図である。
【図８】図８は第二の形態の偏光子を示す図である。
【図９】図９は第三の形態の偏光子を示す図である。
【図１０】図１０は第四の形態の偏光子を示す図である。
【図１１】図１１は第五の形態の偏光子を示す図である。
【図１２】図１２は第一の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１３】図１３は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は第二の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１５】図１５は第三の形態の偏光モニタの構成を示す図である。
【図１６】図１６は方位角Φと直線偏光純度Ｐを求める工程を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は偏光子の回転角度と光センサの出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…ＯＳＣ  ２０…ＡＭＰ  ４３…ビームサンプリング素子  ４４…偏光モニタ
９１…演算部  ９２…信号出力部  ９３…許容範囲設定部  ９４…報知部
【図１】
0004763471.tif 000002
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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