(57)【要約】【課題】  所定の偏光状態を有する入射光束を第１の光束と第２の光束に分岐する光束分岐装置であって、第１の光束の光量を損失させずに、第１の光束が第２の光束と同一の偏光状態を有するようにすることができる光束分岐装置を提供する。【解決手段】  所定の偏光状態を有する入射光束を第１の光束と第２の光束に分岐させるプリズム４と、前記第２の光束を反射させる反射部材６とを備える光束分岐装置であって、前記プリズムは、前記入射光束を透過及び反射させることによって、前記第１の光束としての透過光束と前記第２の光束としての反射光束とに分岐させる入射面４０と、前記入射面から入射した前記第１の光束が射出する射出面５４と、前記入射面から入射した前記第１の光束を全反射させながら前記射出面へ導く少なくとも１つの反射面４２とを備え、前記射出面から射出した前記第１の光束は、前記反射部材で反射した前記第２の光束と同一の偏光状態を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の偏光状態を有する入射光束を第１の光束と第２の光束に分岐させるプリズムと、
前記第２の光束を反射させる反射部材とを備える光束分岐装置であって、
前記プリズムは、前記入射光束を透過及び反射させることによって、前記第１の光束としての透過光束と前記第２の光束としての反射光束とに分岐させる入射面と、
前記入射面から入射した前記第１の光束が射出する射出面と、
前記入射面から入射した前記第１の光束を全反射させながら前記射出面へ導く少なくとも１つの反射面とを備え、
前記射出面から射出した前記第１の光束は、前記反射部材で反射した前記第２の光束と同一の偏光状態を有することを特徴とする光束分岐装置。
【請求項２】
前記プリズムは、光束が入射する第１の面及び前記光束が射出する第２の面を有する第１及び第２の菱面体を備え、
前記第１の菱面体の前記第２の面と前記第２の菱面体の前記第１の面とが、
前記第１の菱面体内を全反射を繰り返して伝播する前記光束の光路を含む平面と前記第２の菱面体内を全反射を繰り返して伝播する前記光束の光路を含む平面とが垂直となるように接合されていることを特徴とする請求項１記載の光束分岐装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の光束分岐装置と、
前記反射部材により反射した前記第２の光束の光量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする光量モニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光束を分岐する光束分岐装置及び該光束分岐装置を備えた光量モニタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子等のマイクロデバイスを製造するための露光装置においては、露光するパターンの高集積化が進んでおり、ＡｒＦエキシマレーザ（波長約１９３ｎｍ）光源等が露光光源として用いられている。また、特定のパターンに対する解像度を高めるために、いわゆる輪帯照明や４極照明等の照明光学系の瞳面上の光軸を含む領域を露光光が通過しない照明条件が用いられている。この場合には、露光光は、投影光学系が備える瞳面の近傍のレンズの一部しか通過しないために、露光を継続すると、このレンズの露光光が通過する部分の温度が上昇して当該部分のみが熱膨張（熱変形）し、レンズの屈折力が変化する。従って、レンズの露光光が通過しない部分へ露光光とは波長が異なる非露光光を照射してレンズ表面の熱分布を平滑化し、レンズの局所的な熱変形を防止する装置が提案されている。
【０００３】
このような装置においては、非露光光の光量を検出しながらフィードバック制御する必要があり、高精度に光量を検出できる光量モニタが要求されている。従って、３つの同質の誘電体平板を備え、第１の誘電体平板により光源からの光束（入射光束）を第１の光束と第２の光束に分岐させ、第１の光束が入射する第２の誘電体平板を、該誘電体平板の光束の入射面の法線が、第１の誘電体平板の光束の入射面の法線に対して直交するように配置すると共に、第２の光束が入射する第３の誘電体平板を、該誘電体平板の光束の入射面の法線が、第１の誘電体平板の光束の入射面の法線に対して直交するように配置し、第２の誘電体平板を透過した第１の光束（射出光束）と第３の誘電体平板で反射した第２の光束（モニタ光束）のそれぞれのｐ偏光成分とｓ偏光成分に作用する透過率と反射率が、光束分岐装置全体を通して共通となるように構成して、射出光束とモニタ光束の偏光状態を同一とすることにより、入射光束の偏光状態が変動した場合であっても、モニタ光束の光量の検出値に基づいて、射出光束の光量を高精度にモニタすることができる光量モニタが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の特許文献１に記載されている光量モニタの光束分岐装置においては、入射光束を第１の光束と第２の光束に分岐させ、両光束の偏光状態を同一にさせる光学部材として平行平板（誘電体平板）を用いているので、平行平板の第１面（表面）から入射した光束が、平行平板内を進行して平行平板の第２面（裏面）から射出する際に、第２面における反射によって光量の損失が生じないように、平行平板の第２面に反射防止膜を成膜しているが、平行平板に入射した光束のすべてを透過させる反射防止膜の成膜は困難である。
【０００５】
本発明の課題は、所定の偏光状態を有する入射光束を第１の光束と第２の光束に分岐する光束分岐装置であって、第１の光束の光量を損失させずに、第１の光束が第２の光束と同一の偏光状態を有するようにすることができる光束分岐装置及び該光束分岐装置を備えた光量モニタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下に本発明の構成を実施の形態の符号を付して説明するが、本発明は、本実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
本発明の光束分岐装置は、所定の偏光状態を有する入射光束（Ｌ０）を第１の光束（Ｌ１）と第２の光束（Ｌ２）に分岐させるプリズム（４）と、前記第２の光束を反射させる反射部材（６）とを備え、前記プリズムは、前記入射光束を透過及び反射させることによって、前記第１の光束としての透過光束と前記第２の光束としての反射光束とに分岐させる入射面（４０）と、前記入射面から入射した前記第１の光束が射出する射出面（５４）と、前記入射面から入射した前記第１の光束を全反射させながら前記射出面へ導く少なくとも１つの反射面（４２）とを備え、前記射出面から射出した前記第１の光束は、前記反射部材で反射した前記第２の光束と同一の偏光状態を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光量モニタは、本発明の光束分岐装置と、前記第２の光束の光量を検出する検出手段（８）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光束分岐装置によれば、光量を損失させずに、プリズムから射出した第１の光束（射出光束）と反射部材で反射した第２の光束（モニタ光束）の偏光状態を同一にすることができる。
【００１０】
また、本発明の光量モニタによれば、モニタ光束の光量を検出することにより、射出光束の光量を高い精度でモニタすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る光束分岐装置について説明する。なお、以下の説明においてはＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照して説明する。ＸＹＺ直交座標系は、図１及び図２に示すように、Ｘ軸が後述する光源２から射出される入射光束Ｌ０の進行方向に、Ｙ軸が図１の紙面内においてＸ軸と直交するように、Ｚ軸がＸＹ平面と直交するようにそれぞれ設定される。
【００１２】
図１は、この実施の形態に係る光束分岐装置を備えた光量モニタを＋Ｚ側から視た構成図であり、図２は、この実施の形態に係る光束分岐装置を備えた光量モニタを−Ｙ側から視た構成図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、実施の形態に係る光量モニタは、光束分岐装置と、光量検出部８を備え、光束分岐装置は、光源２から射出された入射光束を分岐させるプリズム４及びプリズム４によって分岐された光束を反射させる反射部材６を備えている。
【００１４】
光源２は、ＡｒＦエキシマレーザ（波長約１９３ｎｍ）等のレーザビーム（入射光束Ｌ０）を、後述するプリズム４の入射面４０、即ち図１に示すＸ軸方向に向けて射出するレーザ光源である。
【００１５】
プリズム４は、図１及び図２に示すように、第１の菱面体４ａと第２の菱面体４ｂが後述する接合状態で接合された光学部材であり、入射光束Ｌ０を透過及び反射させて第１の光束（透過光束）Ｌ１と第２の光束（反射光束）Ｌ２に分岐させる入射面４０と、入射面４０から入射した透過光束Ｌ１が射出する射出面５４と、入射面４０から入射した透過光束Ｌ１を全反射させながら射出面５４へ導く反射面４２、４４、５０及び５２とを備えている。また、プリズム４は、射出面５４から射出した射出光束Ｌ３（透過光束Ｌ１）の進行方向がＸ軸と平行となるように構成されている。
【００１６】
第１の菱面体４ａは、図１に示すように、入射面（第１の面）４０、反射面４２、４４及び第１の接合面（第２の面）４６を有する光学部材であり、入射面４０、反射面４２、４４及び第１の接合面４６は、すべて１つの平面（図１においてはＸＹ平面）に対して垂直となるように形成されている。
【００１７】
また、第２の菱面体４ｂは、図２に示すように、第２の接合面（第１の面）４８、反射面５０、５２及び射出面（第２の面）５４を有する光学部材であり、第２の接合面４８、反射面５０、５２及び射出面５４は、すべて１つの平面（図２においてはＺＸ平面）に対して垂直となるように形成されている。なお、第２の菱面体４ｂは、第１の菱面体４ａと同一の形状を有する菱面体であり、第２の菱面体４ｂの第２の接合面４８、反射面５０、５２及び射出面５４は、それぞれ第１の菱面体４ａの第１の接合面４６、反射面４４、４２及び入射面４０に対応する。
【００１８】
ここで、第１の菱面体４ａと第２の菱面体４ｂとは、同一の形状を有する２つの菱面体が、接合面において線対称となるように第１の菱面体４ａの第１の接合面４６と第２の菱面体４ｂの第２の接合面４８とを接合させた状態から、第２の菱面体４ｂを第１の菱面体４ａに対してＸ軸回りに９０度回転させた状態で接合されている。
【００１９】
反射部材６は、プリズム４の入射面４０において分岐された反射光束Ｌ２を反射させてモニタ光束Ｌ４を生成し検出部８へ導光する。ここで、反射部材６は、プリズム４の射出面５４から射出した射出光束Ｌ３とモニタ光束Ｌ４とが同一の偏光状態となるように反射面の向きが設定されている。また、検出部８は、モニタ光束Ｌ４の進行方向上の所定位置に配置され、モニタ光束Ｌ４の光量を検出する。
【００２０】
次に、本発明の実施の形態に係る光束分岐装置による光束の分岐について説明する。光源２より射出された入射光束Ｌ０は、Ｘ軸方向に進行し、第１の菱面体４ａ及び第２の菱面体４ｂにより構成されているプリズム４の入射面４０に到達する。プリズム４は、入射面４０が入射光束Ｌ０に対して所定の角度を有すると共にＸＹ平面に対して垂直となるように配置されている。プリズム４の入射面４０に到達した入射光束Ｌ０は、入射面４０を透過する第１の光束としての透過光束Ｌ１と、入射面４０において反射する第２の光束としての反射光束Ｌ２とに分岐される。
【００２１】
図１に示すように、プリズム４の入射面４０から第１の菱面体４ａに入射した透過光束Ｌ１は、反射面４２へ向かって進行し、反射面４２において全反射した後に反射面４４へ向かって進行し、反射面４４においても全反射して第１の接合面４６へ向かって進行する。ここで、上述のように、入射面４０、反射面４２、４４及び第１の接合面４６は、全て図１のＸＹ平面に垂直な平面であるから、入射面４０から第１の菱面体４ａに入射し、第１の菱面体４ａ内を進行する透過光束Ｌ１の光路は、ＸＹ平面に平行な所定の一平面に含まれる。
【００２２】
ここで、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４は、入射面４０から入射して反射面４２及び４４で全反射して第１の接合面４６に向かう透過光束Ｌ１が、入射光束Ｌ０の進行方向と同一の進行方向、即ちＸ軸と平行に進行するように、所定の角度を有して形成されている。また、第１の菱面体４ａの第１の接合面４６は、反射面４４で全反射した透過光束Ｌ１が垂直に入射するように、即ちＹＺ平面と平行となるように形成されている。従って、透過光束Ｌ１は、入射光束Ｌ０と同一の進行方向、即ちＸ軸と平行に第１の菱面体４ａから射出する。
【００２３】
第１の菱面体４ａの第１の接合面４６からＸ軸と平行に射出した透過光束Ｌ１は、第１の接合面４６と接合している第２の接合面４８を透過して、第２の菱面体４ｂ内へＸ軸と平行に入射する。図２に示すように、第２の接合面４８から入射した透過光束Ｌ１は、反射面５０へ向かって進行して反射面５０で全反射した後に、反射面５２へ向かって進行して反射面５２で全反射し、射出面５４へ向かって進行する。ここで、上述のように、第２の接合面４８、反射面５０、５２及び射出面５４は、全て図２のＺＸ平面に垂直な平面であるから、第２の接合面４８から第２の菱面体４ｂに入射し、第２の菱面体４ｂ内を進行する透過光束Ｌ１の光路は、ＺＸ平面に平行な所定の一平面に含まれる。即ち、第１の菱面体４ａ内を進行する透過光束Ｌ１の光路を含む平面と、第２の菱面体４ｂ内を進行する透過光束Ｌ１の光路を含む平面とは直交（垂直）する。なお、以下において、この接合状態を「９０度回転した状態」という。
【００２４】
また、上述のように、第２の菱面体４ｂは第１の菱面体４ａと同一の形状を有する菱面体であり、第２の菱面体４ｂの第２の接合面４８、反射面５０、５２及び射出面５４は、それぞれ第１の菱面体４ａの第１の接合面４６、反射面４４、４２及び入射面４０に対応する。従って、Ｘ軸と平行に第２の接合面４８から入射した後に、反射面５０及び５２で全反射して射出面５４へ向かう透過光束Ｌ１は、透過光束Ｌ１が第１の菱面体４ａ内において進行した光路と同様の光路を、第２の菱面体４ｂ内において逆方向に進行する。このようにして、第２の菱面体４ｂ内を進行した透過光束Ｌ１は、入射光束Ｌ０と同一の進行方向、即ちＸ軸と平行に射出面５４から射出する。
【００２５】
また、この実施の形態に係る光束分岐装置では、第１の菱面体４ａ及び第２の菱面体４ｂは、フレネルの菱面体としての性質も有する。即ち、第１の菱面体４ａの入射面４０から入射した光のｐ偏光成分とｓ偏光成分には、反射面４２で全反射する際に、反射面４２に対する入射角に依存した位相差φｐ１及びφｓ１がそれぞれ生じる。そして、反射面４２で全反射した当該光のｐ偏光成分とｓ偏光成分には、反射面４４で全反射する際にも、反射面４４に対する入射角に依存した位相差φｐ２及びφｓ２がそれぞれ生じる。このようにして２回の全反射によって位相差を生じた光が第１の接合面４６から射出する。
【００２６】
第１の接合面４６から射出した光は、第２の接合面４８から第２の菱面体４ｂに入射する。上述のように、第２の菱面体４ｂは、第１の菱面体４ａと同一の形状を有し、第１の菱面体４ａに対して９０度回転させた状態で接合されており、第２の接合面４８、反射面５０、５２及び射出面５４が、それぞれ第１の菱面体４ａの第１の接合面４６、反射面４４、４２及び入射面４０に対応している。従って、第２の菱面体４ｂに入射した光の、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４におけるｐ偏光成分とｓ偏光成分は、第２の菱面体４ｂの反射面５０及び５２においてはｓ偏光成分とｐ偏光成分にそれぞれ入れ替わるため、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４におけるｐ偏光成分には、反射面５０及び５２で全反射する際に位相差φｓ２及びφｓ１がそれぞれ生じ、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４におけるｓ偏光成分には、反射面５０及び５２で全反射する際に位相差φｐ２及びφｐ１がそれぞれ生じる。
【００２７】
従って、プリズム４を構成する第１の菱面体４ａの入射面４０から入射した透過光束Ｌ１は、反射面４２及び４４における全反射を経て、ｐ偏光成分に位相差φｐ１＋φｐ２、ｓ偏光成分に位相差φｓ１＋φｓ２が生じて第１の接合面４６から射出する。そして、当該位相差が生じた透過光束Ｌ１は、第２の接合面４８から第２の菱面体４ｂ内へ入射し、反射面５０及び５２における全反射を経て、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４におけるｐ偏光成分に位相差φｓ１＋φｓ２、第１の菱面体４ａの反射面４２及び４４におけるｓ偏光成分に位相差φｐ１＋φｐ２が生じて射出面５４から射出光束Ｌ３として射出される。即ち、プリズム４内を全反射を繰り返して伝播する際に透過光束Ｌ１の偏光成分に生じる位相差は、ｐ偏光成分、ｓ偏光成分共にφｐ１＋φｐ２＋φｓ１＋φｓ２であるため、射出面５４から射出された射出光束Ｌ３のｐ偏光成分、ｓ偏光成分に位相差は生じず、入射光束Ｌ０と同等の偏光状態となる。
【００２８】
次に、本発明の光束分岐装置における入射光束Ｌ０、透過光束Ｌ１、反射光束Ｌ２、射出光束Ｌ３及びモニタ光束Ｌ４の光量について説明する。入射光束Ｌ０の光量をＩ０、入射光束Ｌ０のプリズム４の入射面４０におけるｐ偏光成分及びｓ偏光成分の光量をそれぞれＩｐ及びＩｓとすると、
Ｉ０＝Ｉｐ＋Ｉｓ
である。
【００２９】
入射面４０におけるｐ偏光成分の透過率及び反射率をそれぞれＴｐ及びＲｐ、ｓ偏光成分の透過率及び反射率をそれぞれＴｓ及びＲｓとすると、
Ｔｐ＋Ｒｐ＝１
Ｔｓ＋Ｒｓ＝１
である。
【００３０】
以上より、入射面４０において分岐された透過光束Ｌ１及び反射光束Ｌ２の光量をそれぞれＩ１及びＩ２とすると、
Ｉ１＝ＴｐＩｐ＋ＴｓＩｓ
Ｉ２＝ＲｐＩｐ＋ＲｓＩｓ
となる。
【００３１】
プリズム４の入射面４０から入射した透過光束Ｌ１は、プリズム４内を全反射を繰り返しながら伝播した後に射出面５４から射出光束Ｌ３として射出するため、プリズム４内を伝播する間に光量が損失されることはない。プリズム４は、第１の菱面体４ａと第２の菱面体４ｂとが９０度回転した状態で接合されたものであるから、入射面４０における透過光束Ｌ１のｐ偏光成分とｓ偏光成分は、射出面５４においてはそれぞれｓ偏光成分とｐ偏光成分に入れ替わる。従って、透過光束Ｌ１が射出面５４から射出する際には、入射面４０におけるｐ偏光成分に透過率Ｔｓが作用し、入射面４０におけるｓ偏光成分に透過率Ｔｐが作用するため、射出面５４から射出した射出光束Ｌ３の光量をＩ３とすると、
Ｉ３＝ＴｐＴｓＩｓ＋ＴｓＴｐＩｐ
＝ＴｐＴｓ（Ｉｐ＋Ｉｓ）
となる。従って、射出光束Ｌ３は、光量を損失することなくプリズム４の射出面５４から射出することができる。
【００３２】
反射部材６の設置については、プリズム４内を伝播した透過光束Ｌ１がプリズム４の射出面５４から射出する際に受ける作用と同等の作用を、反射部材６で反射する反射光束Ｌ２が受けるように設置する。即ち、２つの異なる媒体の境界での反射率と透過率とは何れの方向から入射しても等しいことから、プリズム４の入射面４０の法線と反射部材６の法線とが直交するように反射部材６を設置して、入射面４０における反射光束Ｌ２のｐ偏光成分とｓ偏光成分が、反射部材６におけるｓ偏光成分とｐ偏光成分にそれぞれ入れ替わるようにし、入射面４０における反射光束Ｌ２のｐ偏光成分にＲｓが作用し、入射面４０における反射光束Ｌ２のｓ偏光成分に反射率Ｒｐが作用するようにすればよい。反射部材６をこのように設置すると、反射部材６で反射したモニタ光束Ｌ４の光量をＩ４とすると、
Ｉ４＝ＲｐＲｓＩｓ＋ＲｓＲｐＩｐ
＝ＲｐＲｓ（Ｉｐ＋Ｉｓ）
とすることができる。従って、プリズム４を透過した射出光束Ｌ３と検出部８によって検出される反射部材６で反射したモニタ光束Ｌ４の偏光状態を同一とすることができ、検出部８でモニタ光束Ｌ４の光量Ｉ４を検出することで、射出光束Ｌ３の光量Ｉ３を高精度にモニタすることができる。
【００３３】
本実施の形態に係る光束分岐装置によれば、光量を損失させずに、プリズムから射出した射出光束が反射部材で反射したモニタ光束と同一の偏光状態を有すようにすることができる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る光量モニタによれば、モニタ光束の光量損失を発生させずに、モニタ光束と射出光束の偏光状態を同一とすることができるので、検出部が検出したモニタ光束の光量に基づいて、射出光束の光量を高精度にモニタすることができる。
【００３５】
なお、プリズム４と反射部材６は、本実施の形態ように分離して構成しなくてもよく、一体的に構成してもよい。また、プリズム４を構成する菱面体の数や各菱面体の有する反射面の数は、本実施の形態の例に限られない。即ち、射出光束とモニタ光束が同一の偏光状態を有するように構成すれば、その数はいくつであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態に係る光束分岐装置を備えた光量モニタを＋Ｚ側から視た構成図である。
【図２】本実施の形態に係る光束分岐装置を備えた光量モニタを−Ｙ側から視た構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
２…光源、４…プリズム、４ａ…第１の菱面体、４ｂ…第２の菱面体、６…反射部材、８…検出部、４０…入射面、４２，４４…反射面、４６…第１の接合面、４８…第２の接合面、５０，５２…反射面、５４…射出面、Ｌ０…入射光束、Ｌ１…透過光束、Ｌ２…反射光束、Ｌ３…射出光束、Ｌ４…モニタ光束
【図１】
2009147120.tif 000003
【図２】
2009147120.tif 000004