分光器の感度調整方法及び分光器
【課題】感度が不均一になった光センサアレイの感度を調整し、感度不均一性を解消すること。
【解決手段】発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１から構成される２ステージレーザ装置の増幅段レーザ１１を単体発振させ、エタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を発生させる。この光は、スペクトル計測器１に入射し、エタロン１ｂなどを介してＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に入射する。ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に、劣化を補正する補正係数・補正定数を演算し、これに基づき可変ゲイン手段２ｃのゲインを制御して、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に感度を補正して、感度を均一化する。
【解決手段】発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１から構成される２ステージレーザ装置の増幅段レーザ１１を単体発振させ、エタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を発生させる。この光は、スペクトル計測器１に入射し、エタロン１ｂなどを介してＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に入射する。ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に、劣化を補正する補正係数・補正定数を演算し、これに基づき可変ゲイン手段２ｃのゲインを制御して、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に感度を補正して、感度を均一化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は狭帯域発振エキシマレーザ装置等のスペクトル測定・計測に使用される分光器の感度調整方法及び分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長分布等を計測する分光器は様々な分野で使用されており、例えば、半導体リソグラフィー用光源である狭帯域エキシマレーザ装置の出力レーザ光のスペクトル計測に使用される。
狭帯域発振するエキシマレーザの波長計測技術については、例えば特許文献１に記載されている。同文献にも記載されるように、露光用エキシマレーザ装置では、エタロン等を用いたモニターモジュールにより、中心波長を計測している。このモニターモジュールでは、ビームスプリッターによりレーザ光の一部を分岐し、その分岐光をエタロンに通したフリンジ（干渉縞）波形より、波長等を計測する。
【０００３】
図６に上記分光器の光学系の概要図を示す。
同図は、例えば図６（ａ）に示す発振段用レーザ及び増幅段用レーザを備えたツインチャンバ（２ステージ方式）のレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを計測する場合を示している。
ツインチャンバ（２ステージ方式）のレーザ装置は、高出力化の要求に答えるため、高光品位（スペクトル性能など）、小出力のレーザ光をつくる発振段レーザ１０と、そのレーザ光を増幅する増幅段レーザ１１で構成されている（ツインチャンバのレーザ装置については例えば特許文献２、３等参照）。
同図において、発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１から構成されるツインチャンバ方式のレーザ装置にモニタモジュール１２を設け、その出力レーザ光の一部をビームスプリッター１３により分岐し、その分岐光をモニタモジュール１２に設けられたスペクトル計測器１に取り込む。
【０００４】
スペクトル計測器１に取り込まれたレーザ光（計測光）は、同図（ｂ）に示すように、入射系レンズ１ａで集光され、エタロン１ｂに入射する。エタロン１ｂから出た光を結像系レンズ１ｃにより集光することにより、そのレーザ光の波長に応じた半径を有する同心円（フリンジパターン）が現れる。そのフリンジパターンの位置にＣＣＤセンサなどのラインセンサを置くことにより、図６（ｃ）に示すような光強度分布を得ることができる。この光強度のピークを示す半径等から例えばレーザ光の発振中心波長を計算することができる。
【特許文献１】特開平６−１８８５０２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２６５号号公報
【特許文献３】特開２００４−３４２９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
狭帯域発振エキシマレーザ装置においては、スペクトル線幅を安定して計測するため、高精度のスペクトル計測器（分光器）が要求されている。また、長期間のエキシマレーザ計測により測定精度が悪化しない耐久性が必要とされる。
しかしながら、長期の紫外線測定により、ＣＣＤセンサ等の光センサアレイの劣化が発生し、センサ感度の不均一化が測定精度に影響を与える問題が生じた。
図７は、フリンジパターンをＣＣＤセンサなどの光センサアレイで計測する際に生ずる光センサの劣化を説明する図である。
フリンジパターンは、位置によって光強度に強、弱があり、これを光センサアレイで計測する場合、チャンネル毎に入射する光強度が異なる。このため、同図（ａ）に示すように強い光が入射する部分のセンサチャンネルの感度は他の部分より劣化の進行が速い。
このため、同図（ｂ）に示すように、光強度が強いフリンジのピーク位置では劣化の進行が速く、光センサの感度の不均一化が発生する。
【０００６】
感度が低下したセンサ部分で線幅を測定した場合、本来のフリンジ波形に対して形状が変わってしまうため、間違った線幅を計測してしまう。
劣化した光センサで計測した場合、例えば、図８（ａ）（ｂ）に示すように、本来のフリンジ波形よりピーク値を低く計測したり、線幅を小さく計測してしまう。
フリンジは波長によって位置が変わるため、波長を変えた場合、フリンジの形状はセンサの感度に依存して、様々に変化する。この変化に伴い、計測値も本来の線幅に対して大きい値を示したり、逆に小さい値を示すことがあるため、センサの劣化により線幅計測値の波長依存性が大きくなってしまう問題があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、感度が不均一になった光センサアレイの感度を調整し、感度不均一性を解消することができる分光器の感度調整方法及び、そのような機能を備えた分光器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を本発明においては、次のように解決する。
（１）分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、光センサアレイの出力に基づきスペクトルを計測する分光器の感度調整方法において、上記分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ：フリースペクトラルレンジ）よりも広いスペクトル幅を有する光を分光手段に入射させて、この分光手段を通過した光を上記光センサアレイで検出し、該検出結果に基づいて光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、この感度に基づき各チャンネルの補正値を求める。そして、この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する。
例えば、図２に示すように、光センサアレイ１ｄにおいて、一部のチャンネルの感度が、０．７、０．９、０．６に劣化した場合、チャンネル毎にこの劣化を補正することができるゲインを求め、このゲインをチャンネル毎にかけて、感度を補正して、感度を均一化する。
（２）分光手段と、光センサアレイと、該分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を放射する光源とを備えた分光器において、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を設ける。この調整手段は、上記光源からの光を光センサアレイに入射させ、光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、該感度に基づき各チャンネルのゲインの補正値を求め、上記補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する。
（３）上記（２）において、上記調整手段は、光センサアレイの各チャンネルの平均出力、出力の積算、測定時間、またはパルス数のいずれか、に対する各チャンネルの光感度とオフセットを計算することにより、各チャンネルの感度とオフセットを求め、該各チャンネルの上記光感度とオフセットと、その平均値、最大値または最小値のいずれかに基づき各チャンネルの補正値を求める。
（４）上記（３）において、上記分光器は、パルスレーザ装置に取り付けられ、パルスレーザ装置から出射するレーザ光のスペクトル線幅を計測する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、該光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度に基づき各チャンネルの補正値を求め、この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整するようにしたので、光センサの感度の不均一化を解消することができる。このため、長期間のエキシマレーザ計測において、スペクトル線幅を安定して計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例の構成を示す図であり、同図はツインチャンバ方式（２ステージ方式）のレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを計測する場合の構成を示し、同図（ａ）はシステムの全体構成、同図（ｂ）はＣＣＤセンサのゲイン調整動作を示している。
図１（ａ）に示すように、レーザ装置は、狭帯域化手段を備え高光品位で小出力のレーザ光を発生する発振段レーザ１０と、そのレーザ光を増幅する増幅段レーザ１１で構成され、それぞれ高電圧パルスを発生する電源１０ａ，１１ａを備える。
レーザ装置の出力側にモニタモジュール１２が設けられ、増幅段レーザ１１の出力レーザ光の一部がビームスプリッター１３により分岐され、その分岐光がモニタモジュール１２に設けられたスペクトル計測器１に取り込まれる。
スペクトル計測器１には、図１（ｂ）に示すように、入射系レンズ１ａ、エタロン（分光手段）１ｂ、結像系レンズ１ｃ、ＣＣＤセンサ（光センサアレイ）１ｄが設けられており、ビームスプリッター１３により分岐されたレーザ光は、前記したように、入射系レンズ１ａで集光され、分光手段であるエタロン１ｂに入射する。そして、エタロン１ｂから出た光は結像系レンズ１ｃにより集光され、ＣＣＤセンサ１ｄ上にフリンジ像（干渉縞）が結像する。
【００１０】
スペクトル計測器１により計測されたフリンジ波形はＣＣＤコントローラ２に送られる。ＣＣＤコントローラ２は、スペクトル計測器１のＣＣＤセンサ１ｄ等を制御し、ＣＣＤセンサ１ｄにより計測されたフリンジ波形を取り込み、スペクトル演算部２ａで出力レーザ光のＥ９５（発振波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅）等の演算を行う。
レーザコントローラ１４は、通常運転時には、発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１を同期制御して、所定のレーザ光を出力させる。
また、各チャンネルの感度が不均一になったＣＣＤセンサ１ｄの感度を調整し、感度不均一性を解消する際には、発振段レーザ１０の電源１０ａをオフ、増幅段レーザ１１の電源１１ａをオンにして、増幅段レーザ１１の単体発振をさせ、広いスペクトル幅を有する光を発生させる。
この光はＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に入射し、ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に、劣化を補正する補正係数・定数を演算し、これに基づき可変ゲイン手段２ｃのゲインを制御して、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に感度を補正して、感度を均一化する。
【００１１】
すなわち、ＣＣＤセンサ１ｄの感度補正時、レーザコントローラ１４は、上記したように増幅段レーザ１１を単体発振させて、増幅段レーザ１１から、例えばエタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）を放射させる。
この光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）は、ビームスプリッタ１３で取り込まれ、図１（ｂ）に示すように、エタロン１ｂ等を介して、ＣＣＤセンサ１ｄに入射する。
ＣＣＤコントローラ２は、ＣＣＤセンサ１ｄをスキャンさせ、各チャンネルの出力Ｐｍｉを、取り込む。
ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、補正係数Ａｉ、補正定数Ｂｉを計算する。そして、ＣＣＤセンサの各チャンネルの感度が均一化するように、ＣＣＤセンサ１ｄの出力側に設けられた可変ゲイン手段２ｃのゲインを調整する。
なお、上記補正係数・定数演算部２ｂ及び可変ゲイン手段２ｃにより、ＣＣＤセンサの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を構成する。なお、上記可変ゲイン手段２ｃは、増幅器などのハードウェアを用いてもよいし、あるいはＣＣＤコントローラ２内でソフトウエアにより実現してもよい。
【００１２】
上記補正係数Ａｉ、補正定数Ｂｉの計算は次のように行われる。
上述したように、増幅段レーザの単体発振を行なわせ、エタロン１ｄの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有し、光量の異なる光Ｌ１〜Ｌｎ（以下Ｌｍという。ここでｍ＝１〜ｎ）をスペクトル計測器１に入射する。この光Ｌｍは、ＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に照射される。
その時のセンサチャンネル出力をＰｍｉ（ｉ＝１〜１０２４ｃｈ）、平均出力をＶｍとする。ここで、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネルｉの数を１０２４としている。
ＣＣＤコントローラ２の補正係数・ 定数演算部２ｂでは、全てのチャンネルｉに対して、以下の（１）式に示される光感度ａi とオフセットｂi を計算する。
Ｐmi＝Ｖm ×ａi ＋ｂi （光入力とセンサ出力の関係）…（１）
ここで、上記ａi ，ｂi は、以下の（２），（３）式で表される回帰直線の一般式により求まる係数である。また、Ｖm ，Ｖ，Ｐm は、以下の（４）〜（６）式で表される。
ａi ＝Σ（Ｖm −Ｖ）（Ｐmi−Ｐm ）／Σ（Ｖm −Ｖ）2 …（２）
ｂi ＝Ｐm −ａi Ｖ …（３）
Ｖm ＝ΣＰmi／１０２４，ｍ＝１〜ｎ，ｉ＝１〜１０２４ …（４）
Ｖ＝ΣＶm ／ｎ …（５）
Ｐm ＝ΣＰmi／１０２４ …（６）
【００１３】
以下の（７）〜（１０）式により、次に全てのチャンネルの感度ａｉ、オフセットｂｉが、感度平均ａとオフセット平均ｂになるような補正係数Ａｉ，補正定数Ｂｉを、それぞれのチャンネルに対して計算する。
ａ＝Σａi ／１０２４ …（７）
ｂ＝Σｂi ／１０２４ …（８）
Ａi ＝ａ／ａi …（９）
Ｂi ＝ｂ−（ａ／ａi ）／ｂi …（１０）
各チャンネルの補正係数Ａi ，補正定数Ｂi がＣＣＤコントローラ２内で計算され決定される。計算された補正係数、補正定数は、ＣＣＤセンサ１ｄの可変ゲイン手段２ｃへ送信され、センサ各チャンネルのゲインを変更するゲイン調整を行なうことにより、測定光量が均一化される。
例えば、図２に示すように、ＣＣＤセンサ１ｄの一部のチャンネルの感度が劣化により、０．７、０．９、０．６となっている場合（劣化していない場合の感度１とする）、可変ゲイン手段２ｃのゲインを調整してＡ，Ｂ，Ｃとして、上記劣化により低下している感度を補正する。これにより、センサの感度は均一化される。
【００１４】
なお、上記実施例では、補正係数・定数計算の際に、平均出力Ｖｍを使用しているが、その他の値、例えば照射時間、照射パルス数、積算出力などを用いてもよい。
また、光入力の水準（ｎの数）は何個でもよく、水準が増えるほど精度は上がる。さらに、補正係数・補正定数は、各チャンネルの感度、オフセットを均一にする事が目的なので、感度平均、オフセット平均を基準にしなくてもよく、例えば感度ＭＡＸ、感度ＭＩＮであってもよい。
また、スペクトル計測器への光入力はレーザ装置に限らず、その他の光源を用いてもよいし、また、ＣＣＤセンサのチャンネル数は１０２４に限られず、何チャンネルでもよい。
【００１５】
図３はＣＣＤセンサの各チャンネルの感度のバラツキの一例を示す図である。
図３（ａ）は光入力がＬ１，Ｌ２の時の各チャンネル出力Ｐｍの一例を示し、Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ光入力がＬ１，Ｌ２の時の全センサのチャンネルの出力平均を示す。同図に示すように、チャンネルごとの感度にバラツキがあることがわかる。
図３（ｂ）は、各チャンネルの平均出力Ｖ１〜Ｖｍに対する各チャンネル１〜１０２４のセンサ出力Ｐｍの一例を示し、破線は各チャンネルの平均を示す。
同図に示すように、チャンネル毎に感度が相違し、係数ａi ，ｂi の値が相違しているが、上述したように、各チャンネルの補正係数Ａi ，補正定数Ｂi を求めて補正することにより、センサの感度を均一化することができる。
【００１６】
図４は、ＣＣＤセンサの感度調整による効果を説明する図であり、図４（ａ）はＣＣＤセンサの感度調整前後の各チャンネルの感度のバラツキを示す。
同図に示すように、本実施例の感度調整を行なうことにより、各チャンネルの出力特性を、ほぼフラットにすることができる。
図４（ｂ）は、波長に対するＥ９５エラーを示す図である。なお、Ｅ９５は前述したように光エネルギーの９５％が存在する波長幅を言い、Ｅ９５エラーとは、基準となる計測器で計測したＥ９５の値との差である。図４（ｂ）に示すように、感度調整後にＥ９５エラー値が大きく改善されている。
以上のように、本実施例で説明したように劣化したセンサの感度を均一化することにより、計測誤差の波長依存性を小さくすることが可能となる。
【００１７】
図５はＣＣＤセンサの感度補正処理を示すフローチャートであり、図５のフローチャートを参照しながら、ゲイン調整処理についてさらに説明する。
レーザコントローラ１４は、発振段レーザ１０の電源をオフにして発振段レーザ１０を停止させ、増幅段レーザ１１を単体発振させる（図２のステップＳ１）。これにより、増幅段レーザ１１はスペクトルの広いレーザ発振モードとなり、スペクトル計測器１のエタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）を出力する。
一方、光入力が無いときのＣＣＤセンサ１ｄの各チャンネルｉのセンサ出力が０になるようにゼロ点調整をする（ステップＳ２）。
ついで、ｍ＝１に設定し（ステップＳ３）、センサの全チャンネルｉの出力平均がＶｍとなる光量の光Ｌｍをレーザ装置から出射させ、ビームスプリッター１３を介してスペクトル計測器１に入射する。そして、この光をエタロン１ｂを介してＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に照射し、各チャンネルｉの出力Ｐｍｉを測定する（ステップＳ４）。
ｍ＞ｎであるかを判定し（ステップＳ５）、ｍ＞ｎでなければ、ｍをｍ＋１にして（ステップＳ６）、ステップ４に戻り、ｍ＝２，ｍ＝３，ｍ＝４，…のようにｍを増やしながら上記動作を繰返し、ｍ＞ｎになるとステップＳ７にいく。
【００１８】
上記ステップ４で得た出力平均Ｖｍｉに対する各チャンネルの出力Ｐｍｉを用いて、ＣＣＤセンサの各チャンネルについて、横軸をＶｍ、縦軸をＰｍとしたときの前記（１）式における傾きａｉとオフセットｂｉを最小自乗法により計算する（ステップＳ７）。
ついで、前記（７）（８）式により、ＣＣＤセンサの全チャンネルｉの傾きａｉの平均ａ、オフセットｂｉの平均ｂを計算する（ステップＳ８）。
各チャンネルｉの傾きａｉとオフセットｂｉが平均値のａ，ｂとなる補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを、各チャンネルｉについて前記（９）（１０）式により計算する（ステップＳ９）。
補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを、ＣＣＤセンサの可変ゲイン手段２ｃに送り、補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを調整して、各チャンネルのゲイン値とオフセット値を変更する（ステップＳ１０）
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例のレーザ装置とスベクトル計測器の構成を示す図である。
【図２】センサの各チャンネルの感度調整を説明する図である。
【図３】ＣＣＤセンサの各チャンネルの感度のバラツキの一例を示す図である。
【図４】ＣＣＤセンサの感度調整による効果を説明する図である。
【図５】本発明の実施例のセンサの感度補正処理を示すフローチャートである。
【図６】レーザ装置に用いられる分光器の光学系の概要図である。
【図７】フリンジパターンをＣＣＤセンサなどの光センサアレイで計測する際に生ずる光センサの劣化を説明する図である。
【図８】劣化したセンサで計測する場合に生ずる問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ スペクトル計測器
１ａ 入射系レンズ
１ｂ エタロン（分光手段）
１ｃ 結像系レンズ
１ｄ ＣＣＤセンサ（光センサアレイ）
２ ＣＣＤコントローラ
２ａ スペクトル演算部
２ｂ 補正係数・ 定数演算部
２ｃ 可変ゲイン手段
１０ 発振段レーザ
１１ 増幅段レーザ
１０ａ，１１ａ 電源
１２ モニタモジュール
１３ ビームスプリッター
１４ レーザコントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は狭帯域発振エキシマレーザ装置等のスペクトル測定・計測に使用される分光器の感度調整方法及び分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長分布等を計測する分光器は様々な分野で使用されており、例えば、半導体リソグラフィー用光源である狭帯域エキシマレーザ装置の出力レーザ光のスペクトル計測に使用される。
狭帯域発振するエキシマレーザの波長計測技術については、例えば特許文献１に記載されている。同文献にも記載されるように、露光用エキシマレーザ装置では、エタロン等を用いたモニターモジュールにより、中心波長を計測している。このモニターモジュールでは、ビームスプリッターによりレーザ光の一部を分岐し、その分岐光をエタロンに通したフリンジ（干渉縞）波形より、波長等を計測する。
【０００３】
図６に上記分光器の光学系の概要図を示す。
同図は、例えば図６（ａ）に示す発振段用レーザ及び増幅段用レーザを備えたツインチャンバ（２ステージ方式）のレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを計測する場合を示している。
ツインチャンバ（２ステージ方式）のレーザ装置は、高出力化の要求に答えるため、高光品位（スペクトル性能など）、小出力のレーザ光をつくる発振段レーザ１０と、そのレーザ光を増幅する増幅段レーザ１１で構成されている（ツインチャンバのレーザ装置については例えば特許文献２、３等参照）。
同図において、発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１から構成されるツインチャンバ方式のレーザ装置にモニタモジュール１２を設け、その出力レーザ光の一部をビームスプリッター１３により分岐し、その分岐光をモニタモジュール１２に設けられたスペクトル計測器１に取り込む。
【０００４】
スペクトル計測器１に取り込まれたレーザ光（計測光）は、同図（ｂ）に示すように、入射系レンズ１ａで集光され、エタロン１ｂに入射する。エタロン１ｂから出た光を結像系レンズ１ｃにより集光することにより、そのレーザ光の波長に応じた半径を有する同心円（フリンジパターン）が現れる。そのフリンジパターンの位置にＣＣＤセンサなどのラインセンサを置くことにより、図６（ｃ）に示すような光強度分布を得ることができる。この光強度のピークを示す半径等から例えばレーザ光の発振中心波長を計算することができる。
【特許文献１】特開平６−１８８５０２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２６５号号公報
【特許文献３】特開２００４−３４２９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
狭帯域発振エキシマレーザ装置においては、スペクトル線幅を安定して計測するため、高精度のスペクトル計測器（分光器）が要求されている。また、長期間のエキシマレーザ計測により測定精度が悪化しない耐久性が必要とされる。
しかしながら、長期の紫外線測定により、ＣＣＤセンサ等の光センサアレイの劣化が発生し、センサ感度の不均一化が測定精度に影響を与える問題が生じた。
図７は、フリンジパターンをＣＣＤセンサなどの光センサアレイで計測する際に生ずる光センサの劣化を説明する図である。
フリンジパターンは、位置によって光強度に強、弱があり、これを光センサアレイで計測する場合、チャンネル毎に入射する光強度が異なる。このため、同図（ａ）に示すように強い光が入射する部分のセンサチャンネルの感度は他の部分より劣化の進行が速い。
このため、同図（ｂ）に示すように、光強度が強いフリンジのピーク位置では劣化の進行が速く、光センサの感度の不均一化が発生する。
【０００６】
感度が低下したセンサ部分で線幅を測定した場合、本来のフリンジ波形に対して形状が変わってしまうため、間違った線幅を計測してしまう。
劣化した光センサで計測した場合、例えば、図８（ａ）（ｂ）に示すように、本来のフリンジ波形よりピーク値を低く計測したり、線幅を小さく計測してしまう。
フリンジは波長によって位置が変わるため、波長を変えた場合、フリンジの形状はセンサの感度に依存して、様々に変化する。この変化に伴い、計測値も本来の線幅に対して大きい値を示したり、逆に小さい値を示すことがあるため、センサの劣化により線幅計測値の波長依存性が大きくなってしまう問題があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、感度が不均一になった光センサアレイの感度を調整し、感度不均一性を解消することができる分光器の感度調整方法及び、そのような機能を備えた分光器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を本発明においては、次のように解決する。
（１）分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、光センサアレイの出力に基づきスペクトルを計測する分光器の感度調整方法において、上記分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ：フリースペクトラルレンジ）よりも広いスペクトル幅を有する光を分光手段に入射させて、この分光手段を通過した光を上記光センサアレイで検出し、該検出結果に基づいて光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、この感度に基づき各チャンネルの補正値を求める。そして、この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する。
例えば、図２に示すように、光センサアレイ１ｄにおいて、一部のチャンネルの感度が、０．７、０．９、０．６に劣化した場合、チャンネル毎にこの劣化を補正することができるゲインを求め、このゲインをチャンネル毎にかけて、感度を補正して、感度を均一化する。
（２）分光手段と、光センサアレイと、該分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を放射する光源とを備えた分光器において、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を設ける。この調整手段は、上記光源からの光を光センサアレイに入射させ、光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、該感度に基づき各チャンネルのゲインの補正値を求め、上記補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する。
（３）上記（２）において、上記調整手段は、光センサアレイの各チャンネルの平均出力、出力の積算、測定時間、またはパルス数のいずれか、に対する各チャンネルの光感度とオフセットを計算することにより、各チャンネルの感度とオフセットを求め、該各チャンネルの上記光感度とオフセットと、その平均値、最大値または最小値のいずれかに基づき各チャンネルの補正値を求める。
（４）上記（３）において、上記分光器は、パルスレーザ装置に取り付けられ、パルスレーザ装置から出射するレーザ光のスペクトル線幅を計測する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、該光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度に基づき各チャンネルの補正値を求め、この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整するようにしたので、光センサの感度の不均一化を解消することができる。このため、長期間のエキシマレーザ計測において、スペクトル線幅を安定して計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例の構成を示す図であり、同図はツインチャンバ方式（２ステージ方式）のレーザ装置の出力レーザ光のスペクトルを計測する場合の構成を示し、同図（ａ）はシステムの全体構成、同図（ｂ）はＣＣＤセンサのゲイン調整動作を示している。
図１（ａ）に示すように、レーザ装置は、狭帯域化手段を備え高光品位で小出力のレーザ光を発生する発振段レーザ１０と、そのレーザ光を増幅する増幅段レーザ１１で構成され、それぞれ高電圧パルスを発生する電源１０ａ，１１ａを備える。
レーザ装置の出力側にモニタモジュール１２が設けられ、増幅段レーザ１１の出力レーザ光の一部がビームスプリッター１３により分岐され、その分岐光がモニタモジュール１２に設けられたスペクトル計測器１に取り込まれる。
スペクトル計測器１には、図１（ｂ）に示すように、入射系レンズ１ａ、エタロン（分光手段）１ｂ、結像系レンズ１ｃ、ＣＣＤセンサ（光センサアレイ）１ｄが設けられており、ビームスプリッター１３により分岐されたレーザ光は、前記したように、入射系レンズ１ａで集光され、分光手段であるエタロン１ｂに入射する。そして、エタロン１ｂから出た光は結像系レンズ１ｃにより集光され、ＣＣＤセンサ１ｄ上にフリンジ像（干渉縞）が結像する。
【００１０】
スペクトル計測器１により計測されたフリンジ波形はＣＣＤコントローラ２に送られる。ＣＣＤコントローラ２は、スペクトル計測器１のＣＣＤセンサ１ｄ等を制御し、ＣＣＤセンサ１ｄにより計測されたフリンジ波形を取り込み、スペクトル演算部２ａで出力レーザ光のＥ９５（発振波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅）等の演算を行う。
レーザコントローラ１４は、通常運転時には、発振段レーザ１０と増幅段レーザ１１を同期制御して、所定のレーザ光を出力させる。
また、各チャンネルの感度が不均一になったＣＣＤセンサ１ｄの感度を調整し、感度不均一性を解消する際には、発振段レーザ１０の電源１０ａをオフ、増幅段レーザ１１の電源１１ａをオンにして、増幅段レーザ１１の単体発振をさせ、広いスペクトル幅を有する光を発生させる。
この光はＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に入射し、ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に、劣化を補正する補正係数・定数を演算し、これに基づき可変ゲイン手段２ｃのゲインを制御して、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネル毎に感度を補正して、感度を均一化する。
【００１１】
すなわち、ＣＣＤセンサ１ｄの感度補正時、レーザコントローラ１４は、上記したように増幅段レーザ１１を単体発振させて、増幅段レーザ１１から、例えばエタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）を放射させる。
この光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）は、ビームスプリッタ１３で取り込まれ、図１（ｂ）に示すように、エタロン１ｂ等を介して、ＣＣＤセンサ１ｄに入射する。
ＣＣＤコントローラ２は、ＣＣＤセンサ１ｄをスキャンさせ、各チャンネルの出力Ｐｍｉを、取り込む。
ＣＣＤコントローラ２の補正係数・定数演算部２ｂは、補正係数Ａｉ、補正定数Ｂｉを計算する。そして、ＣＣＤセンサの各チャンネルの感度が均一化するように、ＣＣＤセンサ１ｄの出力側に設けられた可変ゲイン手段２ｃのゲインを調整する。
なお、上記補正係数・定数演算部２ｂ及び可変ゲイン手段２ｃにより、ＣＣＤセンサの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を構成する。なお、上記可変ゲイン手段２ｃは、増幅器などのハードウェアを用いてもよいし、あるいはＣＣＤコントローラ２内でソフトウエアにより実現してもよい。
【００１２】
上記補正係数Ａｉ、補正定数Ｂｉの計算は次のように行われる。
上述したように、増幅段レーザの単体発振を行なわせ、エタロン１ｄの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有し、光量の異なる光Ｌ１〜Ｌｎ（以下Ｌｍという。ここでｍ＝１〜ｎ）をスペクトル計測器１に入射する。この光Ｌｍは、ＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に照射される。
その時のセンサチャンネル出力をＰｍｉ（ｉ＝１〜１０２４ｃｈ）、平均出力をＶｍとする。ここで、ＣＣＤセンサ１ｄのチャンネルｉの数を１０２４としている。
ＣＣＤコントローラ２の補正係数・ 定数演算部２ｂでは、全てのチャンネルｉに対して、以下の（１）式に示される光感度ａi とオフセットｂi を計算する。
Ｐmi＝Ｖm ×ａi ＋ｂi （光入力とセンサ出力の関係）…（１）
ここで、上記ａi ，ｂi は、以下の（２），（３）式で表される回帰直線の一般式により求まる係数である。また、Ｖm ，Ｖ，Ｐm は、以下の（４）〜（６）式で表される。
ａi ＝Σ（Ｖm −Ｖ）（Ｐmi−Ｐm ）／Σ（Ｖm −Ｖ）2 …（２）
ｂi ＝Ｐm −ａi Ｖ …（３）
Ｖm ＝ΣＰmi／１０２４，ｍ＝１〜ｎ，ｉ＝１〜１０２４ …（４）
Ｖ＝ΣＶm ／ｎ …（５）
Ｐm ＝ΣＰmi／１０２４ …（６）
【００１３】
以下の（７）〜（１０）式により、次に全てのチャンネルの感度ａｉ、オフセットｂｉが、感度平均ａとオフセット平均ｂになるような補正係数Ａｉ，補正定数Ｂｉを、それぞれのチャンネルに対して計算する。
ａ＝Σａi ／１０２４ …（７）
ｂ＝Σｂi ／１０２４ …（８）
Ａi ＝ａ／ａi …（９）
Ｂi ＝ｂ−（ａ／ａi ）／ｂi …（１０）
各チャンネルの補正係数Ａi ，補正定数Ｂi がＣＣＤコントローラ２内で計算され決定される。計算された補正係数、補正定数は、ＣＣＤセンサ１ｄの可変ゲイン手段２ｃへ送信され、センサ各チャンネルのゲインを変更するゲイン調整を行なうことにより、測定光量が均一化される。
例えば、図２に示すように、ＣＣＤセンサ１ｄの一部のチャンネルの感度が劣化により、０．７、０．９、０．６となっている場合（劣化していない場合の感度１とする）、可変ゲイン手段２ｃのゲインを調整してＡ，Ｂ，Ｃとして、上記劣化により低下している感度を補正する。これにより、センサの感度は均一化される。
【００１４】
なお、上記実施例では、補正係数・定数計算の際に、平均出力Ｖｍを使用しているが、その他の値、例えば照射時間、照射パルス数、積算出力などを用いてもよい。
また、光入力の水準（ｎの数）は何個でもよく、水準が増えるほど精度は上がる。さらに、補正係数・補正定数は、各チャンネルの感度、オフセットを均一にする事が目的なので、感度平均、オフセット平均を基準にしなくてもよく、例えば感度ＭＡＸ、感度ＭＩＮであってもよい。
また、スペクトル計測器への光入力はレーザ装置に限らず、その他の光源を用いてもよいし、また、ＣＣＤセンサのチャンネル数は１０２４に限られず、何チャンネルでもよい。
【００１５】
図３はＣＣＤセンサの各チャンネルの感度のバラツキの一例を示す図である。
図３（ａ）は光入力がＬ１，Ｌ２の時の各チャンネル出力Ｐｍの一例を示し、Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ光入力がＬ１，Ｌ２の時の全センサのチャンネルの出力平均を示す。同図に示すように、チャンネルごとの感度にバラツキがあることがわかる。
図３（ｂ）は、各チャンネルの平均出力Ｖ１〜Ｖｍに対する各チャンネル１〜１０２４のセンサ出力Ｐｍの一例を示し、破線は各チャンネルの平均を示す。
同図に示すように、チャンネル毎に感度が相違し、係数ａi ，ｂi の値が相違しているが、上述したように、各チャンネルの補正係数Ａi ，補正定数Ｂi を求めて補正することにより、センサの感度を均一化することができる。
【００１６】
図４は、ＣＣＤセンサの感度調整による効果を説明する図であり、図４（ａ）はＣＣＤセンサの感度調整前後の各チャンネルの感度のバラツキを示す。
同図に示すように、本実施例の感度調整を行なうことにより、各チャンネルの出力特性を、ほぼフラットにすることができる。
図４（ｂ）は、波長に対するＥ９５エラーを示す図である。なお、Ｅ９５は前述したように光エネルギーの９５％が存在する波長幅を言い、Ｅ９５エラーとは、基準となる計測器で計測したＥ９５の値との差である。図４（ｂ）に示すように、感度調整後にＥ９５エラー値が大きく改善されている。
以上のように、本実施例で説明したように劣化したセンサの感度を均一化することにより、計測誤差の波長依存性を小さくすることが可能となる。
【００１７】
図５はＣＣＤセンサの感度補正処理を示すフローチャートであり、図５のフローチャートを参照しながら、ゲイン調整処理についてさらに説明する。
レーザコントローラ１４は、発振段レーザ１０の電源をオフにして発振段レーザ１０を停止させ、増幅段レーザ１１を単体発振させる（図２のステップＳ１）。これにより、増幅段レーザ１１はスペクトルの広いレーザ発振モードとなり、スペクトル計測器１のエタロン１ｂの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光Ｌｍ（ｍ＝１〜ｎ）を出力する。
一方、光入力が無いときのＣＣＤセンサ１ｄの各チャンネルｉのセンサ出力が０になるようにゼロ点調整をする（ステップＳ２）。
ついで、ｍ＝１に設定し（ステップＳ３）、センサの全チャンネルｉの出力平均がＶｍとなる光量の光Ｌｍをレーザ装置から出射させ、ビームスプリッター１３を介してスペクトル計測器１に入射する。そして、この光をエタロン１ｂを介してＣＣＤセンサ１ｄのセンサ面に照射し、各チャンネルｉの出力Ｐｍｉを測定する（ステップＳ４）。
ｍ＞ｎであるかを判定し（ステップＳ５）、ｍ＞ｎでなければ、ｍをｍ＋１にして（ステップＳ６）、ステップ４に戻り、ｍ＝２，ｍ＝３，ｍ＝４，…のようにｍを増やしながら上記動作を繰返し、ｍ＞ｎになるとステップＳ７にいく。
【００１８】
上記ステップ４で得た出力平均Ｖｍｉに対する各チャンネルの出力Ｐｍｉを用いて、ＣＣＤセンサの各チャンネルについて、横軸をＶｍ、縦軸をＰｍとしたときの前記（１）式における傾きａｉとオフセットｂｉを最小自乗法により計算する（ステップＳ７）。
ついで、前記（７）（８）式により、ＣＣＤセンサの全チャンネルｉの傾きａｉの平均ａ、オフセットｂｉの平均ｂを計算する（ステップＳ８）。
各チャンネルｉの傾きａｉとオフセットｂｉが平均値のａ，ｂとなる補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを、各チャンネルｉについて前記（９）（１０）式により計算する（ステップＳ９）。
補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを、ＣＣＤセンサの可変ゲイン手段２ｃに送り、補正係数Ａｉと補正定数Ｂｉを調整して、各チャンネルのゲイン値とオフセット値を変更する（ステップＳ１０）
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例のレーザ装置とスベクトル計測器の構成を示す図である。
【図２】センサの各チャンネルの感度調整を説明する図である。
【図３】ＣＣＤセンサの各チャンネルの感度のバラツキの一例を示す図である。
【図４】ＣＣＤセンサの感度調整による効果を説明する図である。
【図５】本発明の実施例のセンサの感度補正処理を示すフローチャートである。
【図６】レーザ装置に用いられる分光器の光学系の概要図である。
【図７】フリンジパターンをＣＣＤセンサなどの光センサアレイで計測する際に生ずる光センサの劣化を説明する図である。
【図８】劣化したセンサで計測する場合に生ずる問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ スペクトル計測器
１ａ 入射系レンズ
１ｂ エタロン（分光手段）
１ｃ 結像系レンズ
１ｄ ＣＣＤセンサ（光センサアレイ）
２ ＣＣＤコントローラ
２ａ スペクトル演算部
２ｂ 補正係数・ 定数演算部
２ｃ 可変ゲイン手段
１０ 発振段レーザ
１１ 増幅段レーザ
１０ａ，１１ａ 電源
１２ モニタモジュール
１３ ビームスプリッター
１４ レーザコントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、光センサアレイの出力に基づきスペクトルを計測する分光器の感度調整方法であって、
上記分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を上記分光手段に入射させて、分光手段を通過した光を上記光センサアレイで検出し、該検出結果に基づいて光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、
上記各チャンネルにおける感度に基づき各チャンネルの補正値を求め、
この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する
ことを特徴とする分光器の感度調整方法。
【請求項２】
分光手段と、光センサアレイと、該分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を放射する光源とを備えた分光器であって、
光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を備え、
該調整手段は、上記光源からの光を光センサアレイに入射させ、光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、該感度に基づき各チャンネルのゲインの補正値を求め、
上記補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する
ことを特徴とする分光器。
【請求項３】
上記調整手段は、光センサアレイの各チャンネルの平均出力、出力の積算、測定時間、またはパルス数のいずれか、に対する各チャンネルの光感度とオフセットを計算することにより、各チャンネルの感度とオフセットを求め、該各チャンネルの上記光感度とオフセットと、その平均値、最大値または最小値のいずれかに基づき各チャンネルの補正値を求める
ことを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
上記分光器は、パルスレーザ装置に取り付けられ、パルスレーザ装置から出射するレーザ光のスペクトル線幅を計測する
ことを特徴とする請求項３に記載の分光器。
【請求項１】
分光手段を通過した光を光センサアレイで検出し、光センサアレイの出力に基づきスペクトルを計測する分光器の感度調整方法であって、
上記分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を上記分光手段に入射させて、分光手段を通過した光を上記光センサアレイで検出し、該検出結果に基づいて光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、
上記各チャンネルにおける感度に基づき各チャンネルの補正値を求め、
この補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する
ことを特徴とする分光器の感度調整方法。
【請求項２】
分光手段と、光センサアレイと、該分光手段の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）よりも広いスペクトル幅を有する光を放射する光源とを備えた分光器であって、
光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する調整手段を備え、
該調整手段は、上記光源からの光を光センサアレイに入射させ、光センサアレイの各チャンネルにおける入射光に対する感度を求め、該感度に基づき各チャンネルのゲインの補正値を求め、
上記補正値に基づき、光センサアレイの各チャンネルのゲインを調整する
ことを特徴とする分光器。
【請求項３】
上記調整手段は、光センサアレイの各チャンネルの平均出力、出力の積算、測定時間、またはパルス数のいずれか、に対する各チャンネルの光感度とオフセットを計算することにより、各チャンネルの感度とオフセットを求め、該各チャンネルの上記光感度とオフセットと、その平均値、最大値または最小値のいずれかに基づき各チャンネルの補正値を求める
ことを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
上記分光器は、パルスレーザ装置に取り付けられ、パルスレーザ装置から出射するレーザ光のスペクトル線幅を計測する
ことを特徴とする請求項３に記載の分光器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−７３８６３（Ｐ２０１０−７３８６３Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３９１７７（Ｐ２００８−２３９１７７）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（３０００７３９１９）ギガフォトン株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（３０００７３９１９）ギガフォトン株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
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