(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準光源からの光と被検出光源からの光とを入射させて、スペクトル分光を行い、分光されたスペクトルを検出する波長検出装置において、
前記基準光源として自己吸収を伴う臭素放電ランプを用い、その自己吸収線を基準波長とすることを特徴とする波長検出装置。
【請求項２】
前記臭素放電ランプは、Ｂｒ原子濃度が０．００３〜０．１５０μｍｏｌ／ｃｃの範囲になるように封入されていることを特徴とする請求項１記載の波長検出装置。
【請求項３】
前記臭素放電ランプは、Ｂｒ原子濃度が０．０４μｍｏｌ／ｃｃ以上封入されていることを特徴とする請求項２記載の波長検出装置。
【請求項４】
前記被検出光源がフッ素分子レーザ装置であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の波長検出装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項記載の波長検出装置を備えたことを特徴とするフッ素分子レーザ装置。
【請求項６】
前記波長検出装置によって検出されたる波長データに基づいて発光波長を選択することを特徴とする請求項５記載のフッ素分子レーザ装置。
【請求項７】
前記波長検出装置によって検出されたる波長データに基づいて発光波長を安定化することを特徴とする請求項５記載のフッ素分子レーザ装置。
【請求項８】
臭素放電ランプからの波長１５７．４８４ｎｍ近傍のラインと１５７．６３９ｎｍ近傍のラインを基準光として用いることにより、発振レーザ光の波長を検出することを特徴とする請求項５から７の何れか１項記載のフッ素分子レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長検出装置及びそれを用いたフッ素分子レーザ装置に関し、特に、半導体露光装置用のフッ素分子レーザ装置の発光波長を正確に制御するための波長検出装置とそれを搭載したフッ素分子レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
７０ｎｍ以下のライン幅の半導体集積回路を半導体上に実現するための露光技術において、波長１６０ｎｍ以下の露光用光源が要求されている。そして、現在、波長１５７ｎｍ付近の紫外線を放出するＦ2 （フッ素分子）レーザ装置がその光源とし有力視されている。
【０００３】
Ｆ2 レーザ装置には、図１３に示すように、主な発振波長が２つあり（λ1 ＝157.6299nm，λ2 ＝157.5233nm：Sov.J.Quantum Electron.16(5),May 1986 ）、そのスペクトル線幅（ＦＷＨＭ：半値全幅）は約１ｐｍ程度である。上記２つの発振線の強度比Ｉ（λ1 ）／Ｉ（λ2 ）は約７である。通常、露光には強度の強い波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ラインが用いられる。
【０００４】
ところで、半導体露光技術には大きく分けて以下の２種類ある。
【０００５】
１）屈折系(dioptric system) を用いるもの
２）反射屈折系(catadioptric system) を用いるもの
反射屈折光学系を露光技術に用いると、反射光学素子には色分散がないため、反射光学素子と屈折光学素子を組み合わせることにより色収差の発生が抑えられる。そのために、反射屈折系を用いた露光装置が現状１５７ｎｍ付近の波長域では有望視されている。ただし、反射屈折系は従来の屈折系と比較して露光機の光軸調整が困難であり、量産することが難しいとされている。
【０００６】
これに対して、屈折系は従来の半導体露光装置に一般的に用いられていた投影光学系である。半導体露光技術では、光学系内での色収差補正方法が１つの大きな問題である。屈折系では、種類の違う屈折率を有するレンズ等の光学素子を組み合わせることによって色収差補正を実現してきた。ただし、１５７ｎｍ付近の波長域において透過性を有する使用可能な光学材料の種類には制限があり、現状ではＣａＦ2 以外は使用できない状況にある。
【０００７】
したがって、屈折系の露光装置の光源としてのＦ2 レーザ装置には狭帯域化が要請される。具体的には、レーザビームのスペクトルの半値全幅を０．３ｐｍ以下に狭帯域化することが要求される。この場合、レーザ共振器内に狭帯域化を行うための狭帯域化素子を設置することが必要となる。
【０００８】
また、反射屈折系の露光装置の光源としてのＦ2 レーザ装置には、狭帯域化が不要であるが、上記の通り、Ｆ2 レーザ装置には主な発振波長が２つあるので、強度の強い方の波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ラインを選択する（ラインセレクト方式）ことが必要がある。
【０００９】
ところで、発振レーザ光のスペクトルの中心波長が露光中にずれないように高精度に安定化制御する必要がある。そのためには、露光中はモニタモジュール内において、常時基準光に対する発振レーザ光の相対波長を検出し発振レーザ光の絶対波長を検出する。そして、狭帯域化レーザ装置の場合は、この検出結果をレーザ波長コントローラにフィードバックして狭帯域化素子を駆動することにより、中心波長が安定化される。また、ラインセレクトレーザ装置の場合、レーザチャンバ内のレーザガス圧力を制御することにより、発振レーザ光のスペクトルの中心波長が安定化される。
【００１０】
従来、特開２０００−２４９６００においては、Ｆ2 レーザ装置の波長を検出する波長検出装置の基準光及びその波長検出装置が提案されている。
【００１１】
また、特開２０００−１６２０４７には、既知の２本の基準光とその位置を算出して分光器の分散値を補正して、被検出光（ＡｒＦエキシマレーザ光、ＫｒＦエキシマレーザ光）の波長を演算するようにした波長検出装置が提案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−２４９６００のように、１つ以上の発光線を基準光として用いる際に基準光として使われる発光線のスペクトル形状には様々な形状を持つことが知られている。例えば、Ｆ2 レーザの波長に最も近い発光線を持つ臭素（Ｂｒ）には、図１４（ａ）に模型的に示すように、基準になる発振波長（基準光２）のスペクトル形状が２つに分かれた形状になっていたり、条件により変化することを本発明者等は発見している。そのため、通常のピーク位置（上記基準光２の拡大図：図１４（ｂ））やスペクトル波形の重心位置による位置算出では、上記材料を使用したランプ光源発光線は温度、圧力、組成によりスペクトル形状が微妙に変化するため、いつも一定かつ正確な値を出すことは難しいことがあった。
【００１３】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｆ2 レーザの波長に近い発光線を持つ臭素の発光線を基準光として用いるようにした波長検出装置において、その基準光の吸収部分を使うことにより安定して正確な波長を検出することができる波長検出装置とそれを搭載したフッ素分子レーザ装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の波長検出装置は、基準光源からの光と被検出光源からの光とを入射させて、スペクトル分光を行い、分光されたスペクトルを検出する波長検出装置において、
前記基準光源として自己吸収を伴う臭素放電ランプを用い、その自己吸収線を基準波長とすることを特徴とするものである。
【００１５】
この場合に、臭素放電ランプは、Ｂｒ原子濃度が０．００３〜０．１５０μｍｏｌ／ｃｃの範囲になるように封入されていることが望ましく、特に、Ｂｒ原子濃度が０．０４μｍｏｌ／ｃｃ以上封入されていることが好ましい。
【００１６】
なお、被検出光源としては、フッ素分子レーザ装置が適している。
【００１７】
本発明は、以上の波長検出装置を備えたフッ素分子レーザ装置を含むものである。
【００１８】
その場合に、その波長検出装置によって検出されたる波長データに基づいて発光波長を選択するフッ素分子レーザ装置と、発光波長を安定化するフッ素分子レーザ装置がある。
【００１９】
これらのフッ素分子レーザ装置において、臭素放電ランプからの波長１５７．４８４ｎｍ近傍のラインと１５７．６３９ｎｍ近傍のラインを基準光として用いることにより、発振レーザ光の波長を検出することが望ましい。
【００２０】
本発明においては、基準光源として自己吸収を伴う臭素放電ランプを用い、その自己吸収線を基準波長とするので、その自己吸収線がシフトする可能性が極めて少ないため、波長検出精度が高く安定したものとなり、その波長検出装置を搭載したフッ素分子レーザ装置は、所定の波長を長時間にわたり安定して正確に発振することができ、屈折系、反射屈折系何れの半導体露光装置にも適した露光光源となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の波長検出装置及びそれを用いたフッ素分子レーザ装置の実施例を説明する前に、まず、本発明において用いる基準光源としての臭素放電ランプについて説明する。この臭素放電ランプは、特願２０００−３４５７１９において提案されているものと同様のものを用いる。
【００２２】
図２は、フッ素分子レーザ装置の発振レーザ光を制御するための基準光源としての臭素放電ランプ１０の構成例を示す図であり、例えば長さ１５０ｍｍ、外径２０ｍｍ程度の放電容器１は、本体ケース２と窓部材３から構成されている。本体ケース２は概略円筒形状をしており、例えばホウケイ酸ガラスあるいは石英ガラスから形成される。窓部材３は容器内部で生成した真空紫外光を取り出すためのもので、合成石英ガラスあるいはフッ化マグネシウム、フッ化リチウムからなる概略円板状部材が本体ケース２の一端２ａを塞ぐように取り付けられる。本体ケース２の外表面には、概略リング状の例えば銅、アルミニウムからなる２つの電極４ａ、４ｂが密着する形で巻き付けられており、この電極４ａ、４ｂからの接続線が交流電源５に接続される。電極４ａ、４ｂの幅は例えば１０ｍｍであり、電極４ａと放電容器１の端部との距離は例えば２０ｍｍ、電極４ｂと窓部材３との距離は例えば５０ｍｍである。
【００２３】
放電容器１の内部には、発光成分として臭素原子、点灯始動用バッファーガスとしてのアルゴンが封入される。発光成分としての臭素原子は０．００５μｍｏｌ／ｃｃ〜０．０４０μｍｏｌ／ｃｃの範囲、より好ましくは、０．００５μｍｏｌ／ｃｃ〜〜０．０１５μｍｏｌ／ｃｃの範囲で封入きれる。一方、希ガスはキセノン、アルゴン、クリプトンから選ばれた少なくとも１種のガスが採用され、０．３ｋＰａ〜３．５ｋＰａ（常温）の範囲で、より好ましくは、０．６７ｋＰａ〜２．６７ｋＰａ（常温）の範囲で封入される。
【００２４】
なお、放電容器１には、発光物質としては臭素原子以外を必要としない。
【００２５】
このような臭素放電ランプ１０の放電プラズマ６からは、図３に示すように、主なフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ発振ラインであるλ1 ＝１５７．６２９９ｎｍの近傍に、１５７．６３９ｎｍ、１５７．４８４ｎｍの発光ラインを有する光が発光する。従来例の特開２０００−２４９６００に記載されるように、フッ素分子レーザの波長検出には、１本若しくは２本以上の発光ラインを基準光として用いる。臭素放電ランプの場合、１５７．６３９ｎｍ、１５７．４８４ｎｍの発光ラインの中の少なくとも１本を用いてフッ素分子レーザビームの波長検出を行う。
【００２６】
図４に図３の１５７．４８４ｎｍライン近傍の拡大図、図５に図３の１５７．６３９ｎｍライン近傍の拡大図を示す。図３〜図５に、臭素放電ランプの本体ケース内に封入する臭素（Ｂｒ）原子の封入量を０．０００５μｍｏｌ／ｃｃ、０．００１６μｍｏｌ／ｃｃ、０．００３μｍｏｌ／ｃｃ、０．００５μｍｏｌ／ｃｃ、０．０３μｍｏｌ／ｃｃと変化させたときの臭素放電ランプのスペクトル特性を示す。なお、Ｂｒ原子はいくつかの方法でランプ内に導入できる。例えば、Ｂｒ2 として封入されたり、ＣＨ2 Ｂｒ2 、あるいは、臭化水素（ＨＢｒ）の形態で封入されている。また、始動用バッファーガスとしてアルゴン（Ａｒ）が３．３ｋＰａ封入されている。
【００２７】
図３〜図５のスペクトル特性は、回折格子を用いた分光器で測定されたものである。
【００２８】
図３〜図５から明らかなように、１５７．４８４ｎｍライン、１５７．６３９ｎｍラインにおいては、Ｂｒ原子濃度が高い程、スペクトル分布における自己吸収によるｄｉｐ（窪み）部分が顕著となる。
【００２９】
自己吸収によるｄｉｐが生じないＢｒ原子濃度領域は、ｄｉｐが生じるＢｒ原子濃度領域より低濃度となる。そのため、Ｂｒ原子濃度の減少によりランプから放出される光の強度は弱く、さらに、ランプ点灯によりＢｒ原子濃度が減少すると、光強度が不安定となり、波長検出装置の基準光源として使用した場合、Ｓ／Ｎ比が悪化し、測定精度が劣化する。また、スペクトル波形のピーク形状が不安定となるので、波長検出装置のセンサにおけるピーク位置（チャンネル）の特定が困難になる。
【００３０】
自己吸収によるｄｉｐが生じるＢｒ原子濃度領域は、ｄｉｐが生じないＢｒ原子濃度領域より高濃度となる。そのため、Ｂｒ原子濃度の増加によりランプから放出される光の強度は強い。ランプ点灯によりＢｒ原子濃度が減少した場合、スペクトル波形のピーク形状は変化するが、ｄｉｐ部分の谷底部分位置は変化しないことが特に図５より分かった。したがって、波長検出装置においてこの自己吸収ラインを基準ラインとして用いる場合、波長位置（チャンネル）の特定が容易で安定していて精度も良い。また、ｄｉｐ位置の強度も測定に十分な程大きかった。
【００３１】
臭素放電ランプにおいては、シュタルク拡がり、ファンデルワールス拡がりが無視できるので、この自己吸収により生ずるｄｉｐの最深部は、シフトする可能性は極めて少ないと考えられる。そのため、ｄｉｐ部分を基準光源の基準ラインとすると、波長検出装置の測定精度が安定して向上する。
【００３２】
図４に示す１５７．４８４ｎｍラインにおいては、Ｂｒ原子濃度が０．００３μｍｏｌ／ｃｃ以上のときに自己吸収によるｄｉｐが観測された。また、図５に示す１５７．６３９ｎｍラインにおいても、Ｂｒ原子濃度が０．００３μｍｏｌ／ｃｃより大きい場合に自己吸収によるｄｉｐが観測された。したがって、少なくともＢｒ原子濃度が０．００３μｍｏｌ／ｃｃより大きい場合に、Ｂｒ放電ランプの１５７ｎｍ付近のラインは自己吸収によるｄｉｐが観測される。特に１５７．６３９ｎｍラインにおいては、Ｂｒ原子濃度が０．０３μｍｏｌ／ｃｃのときに明確なｄｉｐ部分が確認できる。
【００３３】
図６は、臭素放電ランプの本体ケース内に封入する臭素（Ｂｒ）原子の封入量を０．０３０μｍｏｌ／ｃｃ、０．０５０μｍｏｌ／ｃｃ、０．１５０μｍｏｌ／ｃｃ、０．２５０μｍｏｌ／ｃｃと変化させたときの臭素放電ランプのスペクトル特性を示す。図６より明らかなように、１５７．４８４ｎｍライン、１５７．６３９ｎｍラインにおいては、Ｂｒ原子濃度が０．１５０μｍｏｌ／ｃｃ以上となると、光強度が略０となる。すなわち、自己吸収により両ラインが外部へ放出されない。
【００３４】
以上から、Ｂｒ原子濃度が０．０００５〜０．１５０μｍｏｌ／ｃｃの範囲内で、臭素放電ランプの１５７ｎｍ付近のラインの中、少なくとも１本は自己吸収によるｄｉｐが観測される。また、０．００３〜０．１５０μｍｏｌ／ｃｃの範囲内で、１５７．４８４ｎｍライン、１５７．６３９ｎｍラインの両者に自己吸収によるｄｉｐが観測される。
【００３５】
なお、ランプを点灯すると、本体ケース内のＢｒ原子は本体ケースのホウケイ酸ガラスと反応して消費され、発光に寄与するＢｒ原子の数が減少する。すなわち、点灯時間が経過するにつれ、Ｂｒ原子濃度が徐々に減少する。よって、ランプ本体に封入するＢｒ原子濃度はなるべく濃度が大きい方がランプの寿命の点で望ましいが、０．１５０μｍｏｌ／ｃｃに近くなると、自己吸収による強度が小さくなりすぎるので、好ましくない。
【００３６】
特願２０００−３４５７１９において提案されている臭素放電ランプにおいては、実用上のランプ強度という観点から、Ｂｒ原子濃度が、前記のように０．００５〜０．０４μｍｏｌ／ｃｃが好ましく、０．０４μｍｏｌ／ｃｃを越えると、自己吸収により強度が小さくなるので好ましくないとしている。
【００３７】
本発明においては、１５７．４８４ｎｍライン、１５７．６３９ｎｍラインに特化して着目し、これらのラインにおいて寧ろ自己吸収によるｄｉｐを積極的に基準ラインとして使用することに主眼を置くものであり、上記したように、Ｂｒ原子濃度が０．００３〜０．１５０μｍｏｌ／ｃｃの範囲が有効である。特に、ランプ点灯中のＢｒの消費が生じても、自己吸収によるｄｉｐがなるべく長時間発生するようにランプの寿命を設定するために、Ｂｒ原子濃度がなるべくリッチな状態でランプ本体中に封入されていることが好ましく、例えば、ランプ本体に０．０４μｍｏｌ／ｃｃ以上封入しておくことが望ましい。
【００３８】
以上のように、本発明の波長検出装置の基準光源に用いられる臭素放電ランプは、自己吸収によるｄｉｐが生じるようにＢｒ原子濃度を調整しておき、波長基準として自己吸収ラインを用いることにより、Ｓ／Ｎ比も大きく、また、基準位置（チャンネル）の特定も容易となり、安定で精度の高い波長検出が可能となるものである。
【００３９】
次に、このような臭素放電ランプの自己吸収ラインを基準波長として用いる本発明の波長検出装置の実施例を説明する。
【００４０】
図１は、本発明に基づき基準光源及び被検出光源の入力ポートをそれぞれ１つ持った波長検出装置の概略図である。この波長検出装置は、分光器２０の基準光源部１１に図２に示したような臭素放電ランプ１０を配置し、被検出光導光部１２には例えば被検出光源であるフッ素分子レーザ装置からの被検出光を導入する。基準光源部１１からの基準光はレンズ１４を経てビーム合成器１５に入射され、被検出光導光部１２からの被検出光は、デフューザ１３とレンズ１４を介してビーム合成器１５に入射される。ビーム合成器１５で合成された基準光と被検出光は、分光器２０の入射スリット２１を通ってコリメート用凹面鏡２２、分散素子としての回折格子２３、集光用凹面鏡２４を順に経て、凹面鏡２４の焦点面上に波長分散されたスペクトルを生じる。その面上に波長分散方向に離散的な多数の検出チャンネルを持つフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）、ＣＣＤ等のスペクトルセンサ２６が配置されており、図７に示すようなスペクトル波形が観察される。
【００４１】
なお、上記した例では、基準光と被検出光とを合成して、両者を同時に検出したが、両者を合成することなく別個に検出してもよい。
【００４２】
図７の基準光１と基準光２は、基準光源である臭素放電ランプ１０の２つの波長（１５７．４８４１ｎｍ、１５７．６３８７ｎｍ）のラインであり、この２つのラインの横軸上での正確な位置が分かれば、例えば特開２０００−１６２０４７に示すように、分光器２０の実際の特性値を演算し、センサ２６上における基準光１、２及び被検出光の検出位置と、演算された分光器２０の実際の特性値と、基準光１、２の既知の波長（１５７．４８４１ｎｍ、１５７．６３８７ｎｍ）とに基づいて、被検出光の波長を演算する計算方法にて、分光器２０の特性が変化した場合でも、被検出光源であるフッ素分子レーザ装置から出力される被検出光の波長を誤差なく精度良く検出することができる。
【００４３】
ここで、基準光源である臭素放電ランプ１０は、１５７ｎｍ波長基準として十分な強度を持つ場合には、図３〜図６を用いて説明したように自己吸収によるｄｉｐが出やすく、例えば１５７．６３９ｎｍライン（基準光２）では図７に模式的に示したような谷部が生じる。基準光１、２を用いて波長を特定する場合、前記のように、発光線より自己吸収線を用いた方が、より安定性に優れている。特に臭素放電ランプの吸収線の場合、Ｈｇランプに比較すると、ほとんど発光と共に吸収が起こっているため、一旦吸収線が確認された場合、その吸収位置であるボトム位置は安定している。
【００４４】
実際に、基準光２の波形にＨｇランプ等でよく知られる自己吸収による窪みが生じていた場合、自己吸収部分の最小値をその光の測定波長位置として計算を行うことにより、自己吸収による波形の変動の影響を減らすことができ、高精度に波長を算出することができる。
【００４５】
この場合、サーチする基準光範囲を決定し、その中での谷部分を探すことにより簡単に自己吸収位置を算出することができる。この最小位置を求める際にも、図８に模式的に示すように、計測ポイント（センサ２６の離散的な検出チャンネル位置）の測定値を基準波長として使うこともできるが、ボトム位置（Ｘ２，Ｙ２）を含む両側の計測ポイント（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ３，Ｙ３）の値から、３点近似やローレンツ近似、スプライン近似等の近似を行うことにより、チャンネル間の最小位置（図８の星印の位置）を補間して決定をすることができ、より正確な波長計測が可能となる。なお、図８の破線の曲線は３点近似によりボトム位置（Ｘ２，Ｙ２）を含む両側の計測ポイント（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ３，Ｙ３）を通る２次曲線であり、その極小点がチャンネル間の最小位置（星印）となる。
【００４６】
ここで、３点近似においては、ボトム位置は次のようにして決められる。
Ｙ１＝Ｙ３  又は  Ｙ１−２Ｙ２＋Ｙ３＝０のとき、
ボトム位置：Ｘ２
それ以外のとき、
ボトム位置：Ｘ２＋（Ｙ１−Ｙ３）／［２（Ｙ１−２Ｙ２＋Ｙ３）］
となる。
【００４７】
また、ローレンツ近似においては、ボトム位置は次のようにして決められる。
【００４８】
Ｙ＝Ｋ×ａ2 ／［（Ｘ−ｂ）2 ＋ａ2 ］
３点（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）を通る関数では、
ｂ＝［Ｘ１2 （Ｙ１×Ｙ３−Ｙ１×Ｙ２）＋Ｘ２2 （Ｙ１×Ｙ２−Ｙ２×Ｙ３）＋Ｘ３2 （Ｙ２×Ｙ３−Ｙ１×Ｙ３）］／｛２［Ｘ１（Ｙ１×Ｙ３−Ｙ１×Ｙ２）＋Ｘ２（Ｙ１×Ｙ２−Ｙ２×Ｙ３）＋Ｘ３（Ｙ２×Ｙ３−Ｙ１×Ｙ３）］｝
ａ2 ＝［（Ｘ３−ｂ）2 Ｙ３−（Ｘ２−ｂ）2 Ｙ２］／（Ｙ２−Ｙ３）
Ｋ＝［（Ｘ２−ｂ）2 ＋ａ2 ］Ｙ２／ａ2 
となり、ボトム位置（Ｘｐ，Ｙｐ）は、
Ｘｐ＝ｂ
Ｙｐ＝Ｋ
となる。
【００４９】
ところで、臭素放電ランプ１０の基準光１（１５７．４８４１ｎｍ）は、図９に模式的に示したように、ピークの自己吸収がわずかに観察されて結果としてなだらかな波形となるときがある（図４）。図９のような波形の場合、窪みの最小位置は測定ピーク位置前後で変動することが多いため、単純な近似ではボトム位置の変動が激しくなる。それを防ぐために、重心をとる方法や、一定範囲内でのピークのＦＷＨＭに含まれるチャンネルの中心値をとる方法もある。もちろん、ＦＷＨＭでなく、ピーク値の１０％あるいは１／ｅ2 等に含まれるチャンネルの中心値をとる方法等、スペクトル形状に合わせた設定を行ってもよい。
【００５０】
なお、被検出光であるフッ素分子レーザ発振ラインを検出する場合、急峻なピークであるが、波形や分光装置の精度により計測ポイントだけでピーク位置を決定すると計測誤差が大きくなることがある。この場合、ピークの検出位置を３点近似やローレンツ近似により算出したり、スペクトルの重心を求め、その位置を決定する。これにより、フッ素分子レーザ発振ラインの高精度な位置決めが可能となり、それを使いさらに精度良く波長被検出光の波長を算出することができる。
【００５１】
本発明では、図１の被検出光導光部１２に、被検出光源としてフッ素分子レーザ装置からの被検出フッ素分子レーザ光を導入し、臭素放電ランプ１０からの基準光とビーム合成器１５で合成し、分光器２０でスペクトル分光してスペクトルセンサ２６でスペクトル波形を検出し、臭素放電ランプ１０の基準光１、２及びフッ素分子レーザからの被検査光のスペクトルセンサ２６上での位置を、上記の方法を適用することにより正確に導出して、１つ以上の基準光位置と被検査光の位置を使用して、被検査光（フッ素分子レーザ発振ライン）の精度良い絶対波長の検出を行う。
【００５２】
実際の計算結果について説明する。図１０はラインセレクトされたレーザビームを検出した際に得られたスペクトル波形を示しており、基準光１として臭素放電ランプ１０の１５７．４８４１０ｎｍの光、基準光２として臭素放電ランプ１０の１５７．６３８７０ｎｍの光とし、基準光１では、ピーク強度の半値に含まれるチャンネルの中心（図９）のチャンネルを用い、基準光２では、自己吸収部分のチャンネルを３点近似により求めている（図８）。これら２つのセンサチャンネル、それに対応する波長、及び、計測されたラインセレクトされたフッ素分子レーザ発振ライン（被検出光）のピークチャンネル（３点近似により求めた）から、フッ素分子レーザ発振ラインのメイン波長である１５７．６３１５７ｎｍが計算により導出された。なお、フッ素分子レーザ発振ラインは、ガス条件により変化するものである。
【００５３】
次に、図１のような本発明による波長検出装置を用いたフッ素分子レーザ装置の実施例について説明する。
【００５４】
図１１は、反射屈折系の露光装置に用いられるラインセレクト方式のフッ素分子レーザ装置の構成例を示す図である。図１１に示すように、レーザチャンバ３１の両端には、ウインド３３、３４が設けられている。レーザチャンバ３１内には、放電用の２つの電極３２、すなわち、アノード電極とカソード電極とが、上下に（紙面と平行して紙面の手前と奥側に）配置されている。これらの電極３２間には、高圧電源（図示せず）によって放電用の高電圧が印加される。放電方向は、紙面と直交する垂直方向である。レーザ媒質であるレーザガスが充填されたレーザチャンバ３１内において、２つの電極３２間に放電を発生させることによりレーザガスが励起され、レーザ発振が起こる。なお、図１１において、レーザ共振器は下記のアウトプットカプラー３６と全反射ミラー１１３とから構成される。
【００５５】
レーザチャンバ３１の後側にはラインセレクトモジュール１００が配置される。ラインセレクトモジュール１００は、例えば、ＣａＦ2 からなるプリズム１１１とプリズム１１２とを含む角度分散素子１１５及び全反射ミラー１１３からなり、これらはこの順に設置される。角度分散素子１１５の角度分散方向は、放電方向と直交する水平方向である。また、レーザチャンバ３１の前側には、スリット３５とアウトプットカプラー３６とがこの順に配置される。
【００５６】
レーザチャンバ３１へのレーザガス等のガスの充填は、レーザチャンバ３１と不図示のガス供給源とに接続されているガス供給ライン７１を介して行われる。ガス供給ライン７２にはバルブ７３が設けられ、ガスコントローラ７０により開閉が制御される。
【００５７】
また、レーザチャンバ３１に封入されたガスの排気は、レーザチャンバ３１と不図示の真空ポンプ等のガス排気手段とに接続されているガス排気ライン７２を介して行われる。ガス排気ライン７２にはバルブ７４が設けられ、ガスコントローラ７０により開閉が制御される。
【００５８】
フッ素分子レーザ装置の強度の強い方の波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ラインのラインセレクトは以下のように行われる。主な２つの発振ラインλ1 、λ2 （＝157.5233nm）を含むレーザビームは、プリズム１１１、１１２からなる角度分散素子１１５の分散作用により、角度分散素子１１５における屈折角が各発振ラインでそれぞれ異なることになる。角度分散素子１１５から出射されたビームはウインド３３、３４を通過して、開口を有するスリット３５に至る。ここで、発振ラインλ1 のみスリット３５の開口を通過し、発振ラインλ2 を含む他のラインがスリット３５により遮光されるように角度分散素子１１５を配置することにより、発振ラインλ1 を選択することが可能となる。
【００５９】
本発明の波長検出装置は、主な２つの発振ラインλ1 、λ2 を含むフッ素分子レーザビームを検出可能であり、ラインセレクトを行うための角度分散素子１１５のアライメント時に使用される。具体的には、本発明の波長検出装置にあたるモニタモジュール５０がレーザビームの波長を検出し、そのデータがコントローラ６０に送出される。コントローラ６０は、波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ライン以外が出力されないように、第１ドライバ６１若しくは第２ドライバ６２を駆動して、プリズム１１１、プリズム１１２、全反射ミラー１３０の少なくとも１つの姿勢角を調節する。
【００６０】
また、長時間レーザ光が出力されると、プリズム１１１、１１２内でレーザ光が吸収されてプリズム１１１、１１２の温度が上昇し、プリズム１１１、１１２の屈折率が大きくなってビームの屈折角が変化する。フッ素分子レーザ装置の場合、レーザビームの進行方向自体がずれ、全反射ミラー１１３とアウトプットカプラー３６とが作るレーザ共振器の光軸がずれることになるので、レーザ出力が低下する。フッ素分子レーザ装置の場合、レーザ光の波長が１５７ｎｍ前後とＶＵＶ（真空紫外）領域であり、先に述べたように、この波長域の光を透過させるプリズムの材質としては、実際上、ＣａＦ2 しかない。ＫｒＦレーザビーム、ＡｒＦレーザビームより短波長のＦ2 レーザビームはＣａＦ2 に対して吸収が大きく、また露光用Ｆ2 レーザ装置に求められるレーザの平均出力は４０Ｗと大きいので、プリズム１１１、１１２の温度上昇が起こりやすい。
【００６１】
本発明の波長検出装置は、長時間レーザ光が出力され、プリズムの屈折率が大きくなってビームの屈折角が変化しても、波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ライン以外出力されず、また、その出力が最大になるように制御するためにも用いられる。
【００６２】
具体的には、アライメント時と同様、モニタモジュール５０がレーザビームの波長を検出し、そのデータがコントローラ６０に送出される。コントローラ６０は、波長λ1 （＝157.6299nm）の発振ライン以外出力されず、また、その出力が最大になるように、第１ドライバ６１若しくは第２ドライバ６２を駆動して、プリズム１１１、プリズム１１２、全反射ミラー１３０の少なくとも１つの姿勢角を調節するものである。
【００６３】
一方、長時間レーザ光が出力されると、電極３２間で行われる放電に起因する発熱でレーザチャンバ内のレーザガス温度が上昇してレーザガス圧力が変化し、レーザ光の波長が変化して所望の波長からずれてしまう。
【００６４】
本発明の波長検出装置は、長時間レーザ光が出力され、レーザガス圧力が変化しても、ラインセレクトされたレーザ光の波長λ1 が所望の値となるように波長制御するためにも用いられる。
【００６５】
具体的には、モニタモジュール５０がレーザビームの波長λ1 を検出し、そのデータがコントローラ６０に送出される。コントローラ６０は検出データと予め記憶しておいた所定波長の値とを比較する。検出した波長λ1 の値が所定の値より小さい場合には、コントローラ６０は波長λ1 が長波長側にシフトするようにレーザチャンバ３１内のレーザガス圧力を増やすよう制御する。すなわち、コントローラ６０は、ガスコントローラ７０にレーザチャンバ３１内のレーザガス圧力を増やすように指令を出す。ガスコントローラ７０は、この指令に基づきガス供給ライン７１のバルブ７３を開けてレーザチャンバ３１内にガス供給源からガスを供給してレーザチャンバ３１内のガス圧力を上げる。
【００６６】
逆に、検出した波長λ1 の値が所定の値より大きい場合には、コントローラ６０は波長λ1 が短波長側にシフトするようにレーザチャンバ３１内のレーザガス圧力を減らすよう制御する。すなわち、コントローラ６０はガスコントローラ７０にレーザチャンバ３１内のレーザガス圧力を減らすように指令を出す。ガスコントローラ７０は、この指令に基づきガス排気ライン７２のバルブ７４を開けてレーザチャンバ３１内のレーザガスの一部をガス排気手段により排気してレーザチャンバ３１内のガス圧力を下げる。
【００６７】
次に、狭帯域化フッ素分子レーザ装置の構成例を図１２に示す。狭帯域化Ｆ2 レーザ装置の構成例は、図１１に示したラインセレクト方式のＦ2 レーザ装置の構成例において、レーザチャンバ３１の後側に配置されたラインセレクトモジュール１００の代わりに、狭帯域化モジュール１２０が配置されるものであり、その他の構成要素は同様である。狭帯域化モジュール１２０は、例えば、１個若しくはそれ以上のプリズム１２１、１２２（図１２の構成例では、直角プリズム１２１、１２２）からなる拡大光学系１２５と、リトロー配置のエシェル型回折格子１２３からなり、これらはこの順に配置される。レーザ共振器は、狭帯域化モジュール１２０に搭載された回折格子１２３とアウトプットカプラー３６とにより構成される。回折格子１２３による波長選択により、スペクトルの狭帯域化が実現する。
【００６８】
上記したように、長時間レーザ光が出力されると、プリズム１２１、１２２内でレーザ光が吸収されてプリズム１２１、１２２の温度が上昇し、プリズム１２１、１２２の屈折率が大きくなってビームの屈折角が変化する。すなわち、回折格子１２３への光の入射角が変化し、Ｆ2 レーザ装置から放出されるレーザビームの波長がずれる。
【００６９】
本発明の波長検出装置は、長時間レーザ光が出力され、プリズムの屈折率が大きくなってビームの屈折角が変化しても、波長のずれが起こらないように制御するために用いられる。
【００７０】
具体的には、モニタモジュール５０がレーザビームの波長を検出し、そのデータがコントローラ６０に送出される。コントローラ６０は、レーザビームの波長が所定波長となるようにドライバ６３を駆動して、回折格子１２３の姿勢角を調節して、回折格子１２３への光の入射角を制御して、波長安定化制御を行う。
【００７１】
なお、波長安定化システムは、直角プリズム１２１、１２２の何れかの姿勢角を制御するように構成してもよい。
【００７２】
以上、本発明の波長検出装置及びそれを用いたフッ素分子レーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００７３】
なお、本発明に基づくと、Ｆ2 レーザの波長に近い発光線を持ち、かつ、光強度が一定以上の炭素Ｃ、鉄Ｆｅ、ナトリウムＮａ、フッ素Ｆ、マグネシウムＭｇ、アルミニウムＡｌ、アルゴンＡｒ、カルシウムＣａ、スカンジウムＳｃ、クロムＣｒ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、銅Ｃｕ、ゲルマニウムＧｅ、ヒ素Ａｓ、白金Ｐｔの中の１つ以上の発光線を基準光として用いるようにした波長検出装置においても、基準光の自己吸収部分を使うことにより、安定して正確な波長を検出することができると推測される。
【００７４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の波長検出装置及びそれを用いたフッ素分子レーザ装置によると、基準光源として自己吸収を伴う臭素放電ランプを用い、その自己吸収線を基準波長とするので、その自己吸収線がシフトする可能性が極めて少ないため、波長検出精度が高く安定したものとなり、その波長検出装置を搭載したフッ素分子レーザ装置は、所定の波長を長時間にわたり安定して正確に発振することができ、屈折系、反射屈折系何れの半導体露光装置にも適した露光光源となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の波長検出装置の構成を示す概略図である。
【図２】基準光源としての臭素放電ランプの１実施例の構成を示す図である。
【図３】臭素放電ランプからの発光スペクトル特性の例を示す図である。
【図４】図３の１５７．４８４ｎｍライン近傍の拡大図である。
【図５】図３の１５７．６３９ｎｍライン近傍の拡大図である。
【図６】臭素放電ランプの封入する臭素原子の封入量を変えたときのスペクトル特性を示す図である。
【図７】図１の配置で得られるスペクトル波形の例を示す図である。
【図８】自己吸収位置を算出するために発振ラインを模式的に示す図である。
【図９】ピークの自己吸収が少ないときのピーク位置算出方法を説明するための図である。
【図１０】実際に得られたスペクトル波形とそれに基づいた検出結果を示す図である。
【図１１】本発明に基づくラインセレクト方式のフッ素分子レーザ装置の構成例を示す図である。
【図１２】本発明に基づく狭帯域化フッ素分子レーザ装置の構成例を示す図である。
【図１３】フッ素分子レーザ装置の２つの主な発振波長を説明するための図である。
【図１４】フッ素分子レーザ装置に最も近い発光線を持つ臭素のスペクトル形状とそれを用いる場合の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…放電容器
２…本体ケース
２ａ…本体ケースの一端
３…窓部材
４ａ、４ｂ…電極
５…交流電源
６…放電プラズマ
１０…臭素放電ランプ
１１…基準光源部
１２…被検出光導光部
１３…デフューザ
１４…レンズ
１５…ビーム合成器
２０…分光器
２１…入射スリット
２２…コリメート用凹面鏡
２３…回折格子
２４…集光用凹面鏡
２６…スペクトルセンサ
３１…レーザチャンバ
３２…電極
３３、３４…ウインド
３５…スリット
３６…アウトプットカプラー
５０…モニタモジュール
６０…コントローラ
６１…第１ドライバ
６２…第２ドライバ
６３…ドライバ
７０…ガスコントローラ
７１…ガス供給ライン
７２…ガス排気ライン
７３、７４…バルブ
１００…ラインセレクトモジュール
１１１、１１２…プリズム
１１３…全反射ミラー
１１５…角度分散素子
１２０…狭帯域化モジュール
１２１、１２２…プリズム
１２３…エシェル型回折格子
１２５…拡大光学系
【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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【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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