JP4505664B2

JP4505664B2 - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP4505664B2
Application number: JP2000084941A
Authority: JP
Inventors: 洋行近藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: JP2001267096A; US6690764B2; US20020001363A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線分析装置、Ｘ線露光装置などのＸ線機器のＸ線源として用いて好適なＸ線発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
パルスレーザー光を真空容器内に置かれた標的材料上に集光し、標的材を
プラズマ化して、このプラズマから輻射されるＸ線を利用するレーザープラズマＸ線
源（以下ではＬＰＸと呼ぶ）は小型でありながら、アンジュレーターに匹敵するほど
の輝度を持つ。また、放電により標的材料をプラズマ化し該プラズマより輻射される
Ｘ線を利用するＸ線発生装置、例えばDense Plasma Focus (DPF)などの放電プラズマ
を用いたＸ線源は小型であり、Ｘ線量が多く、LPXに比べて投入電力に対するＸ線へ
の変換効率が高く、また、低コストである。このため、LPXや放電プラズマＸ線源は
Ｘ線分析装置，Ｘ線露光装置などのＸ線機器の光源として近年注目を集めている。
【０００３】
LPXや放電プラズマＸ線源ではプラズマやプラズマ近傍から標的材料が、またプラズマ近傍の部材が、原子やイオン状あるいは破片（以下ではこれらを飛散粒子という）となって周囲に放出される。これら飛散粒子はプラズマの周囲に置かれたＸ線光学素子上に付着・堆積し、光学素子の性能（反射率や透過率など）を劣化させたり、光学素子に衝突することにより光学素子に損傷を与えたりする。このため、ＬＰＸやプラズマＸ線源を実用化するための課題の一つが飛散粒子量を如何に低減するかということである。
【０００４】
飛散粒子の問題を低減するため、LPXでは標的材料として常温で気体である物質を用い（例えば窒素、二酸化炭素、クリプトン、キセノンなど）、ノズルから噴出させてこれらの標的材料のガスあるいは断熱膨張により生成されたクラスターにレーザー光を照射する方法が用いられている。これらの標的材料は常温で気体であるから、光学素子上に堆積することがないので、光学素子の性能を劣化させることはない。ところが、プラズマから放出された高速の原子，イオンあるいは電子がノズルやノズル近傍の部材に衝突してこれらを削り取り、削り取られた破片が周囲に飛散し光学素子上に堆積する。このため、完全に飛散粒子がゼロのＬＰＸはまだ実現されていない。
【０００５】
一方、放電プラズマＸ線源では飛散粒子量を低減するため、電極材料をタングステンやタンタルのような高融点、高硬度の材料で形成したり、動作電圧を低下させるなどの工夫を行っているが、飛散粒子量を完全にゼロにするには至っていない。
【０００６】
また、飛散粒子は等方的に放出されるわけではなく、ある角度分布をもって放出される。例えばガスジェットを用いたLPXではガスの噴出方向で飛散粒子量は少なく、噴出軸からの角度が大きくなるにつれて飛散粒子量は多くなってくる。
【０００７】
Ｘ線縮小露光装置の照明光学系としてマスク上でのＸ線強度分布が一定となるように図７(a)に示した円弧状の要素ミラーを集めたフライアイミラーを用いた照明光学系が提案されている（図７(b)）（特開平11-312638）。この様なフライアイミラーを用いる場合、入射Ｘ線がフライアイミラーの中心軸に対して軸対称なＸ線強度を持っている場合には、各要素ミラーからの反射光が互いに補いあい、マスク上での強度分布は一定となる。しかし、入射Ｘ線がフライアイミラーの中心軸に対して非対称の場合には強度ムラを補完できず、マスク上での強度分布は不均一となる。
【０００８】
ガスジェットLPXから輻射されるＸ線の角度分布は一般にガス噴出軸に対しておおよそ回転対称となるので、ガス噴出軸を回転軸とする回転放物面を、ガス噴出軸上に配置すると、回転放物面ミラーを反射したＸ線は回転軸（ガス噴出軸）に関してほぼ対称な強度分布を持った平行ビームになり、前述の照明光学系に適したＸ線束を形成することができる。しかし、飛散粒子放出の角度分布は、生成されるプラズマとノズル（ガスジェットLPXの場合）や電極（放電プラズマＸ線源の場合）の位置により必ずしも対称な角度分布に成るとは限らない。
従って、長時間Ｘ線源を動作させると、飛散粒子が光学素子の回転軸に対して非対称に堆積することにより、運転開始時には回転対称だったＸ線強度分布が非対称な分布に変化してしまう。このため、長時間運転後にはマスク上を照明するＸ線の分布にムラが生じてしまい、ウェハー上にマスクパターンを正確に転写できなくなってしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光学素子をＸ線光軸を中心に回転させる機構を具備することにより、飛散粒子放出の角度分布が非対称なＸ線源を使用した場合に於いても、光学素子上の飛散粒子の付着量が回転対称になるようになり、反射または透過Ｘ線束の強度分布の回転対称性を保つことができる。その結果、長時間運転した後でも、マスク上のＸ線強度分布は一様のままであり、正確にパターンをウェハー上に転写することができる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は第一に「パルスレーザー光を減圧さ
れた容器中の標的材料に集光することにより、該標的材料をプラズマ化し、該プラズ
マより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置あるいは放電により標的材料をプラズ
マ化し該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置に於いて、該プラズマ
から輻射されたＸ線が最初に入射する光学素子または該プラズマを含む真空容器内に
置かれている光学素子が、該光学素子の回転対称軸あるいはＸ線の光軸を中心に回転
する機構を具備していることを特徴とするＸ線発生装置（請求項１）」を提供する。
このようにすることにより、たとえ飛散粒子放出角度分布が非対称であったとしても
、光学素子上の飛散粒子の付着量の分布は軸対象となるので、反射、透過あるいは回
折されるＸ線束の強度分布は軸対象となる。
【００１１】
また、本発明は第二に「請求項１記載のＸ線発生装置において、前記光学素子の位置を検出する検出手段を有し、該検出器からの信号をもとに前記光学素子が常に所定の位置になるようにする制御手段及び駆動機構を有することを特徴とするＸ線発生装置（請求項２）」を提供する。このようにすることにより光学素子の回転中に生じるＸ線束の光軸のぶれを許容範囲内に納めることができる。
【００１２】
また、本発明は第三に「請求項１及び２記載のＸ線発生装置において、前記プラズマからのＸ線が最初に入射する前記光学素子が球面、回転放物面または回転楕円面または回転対称非球面あるいはこれらの複合面からなる多層膜ミラーあるいは斜入射ミラーであることを特徴とするＸ線発生装置（請求項３）」を提供する。球面ミラー、回転放物面ミラー、回転楕円ミラーなどの光学素子を用いることにより、効率的にＸ線を収集し、後段の光学系へ導くことができる。
【００１３】
【発明の実施の態様】
パルスレーザー光を減圧された容器中の標的材料に集光することにより、該標的物質をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線あるいは放電により標的材料をプラズマ化し該プラズマより輻射されるＸ線を利用する本発明（請求項１〜３）にかかるＸ線発生装置では、該Ｘ線源から輻射されたＸ線を収集し、後段の光学系へ導くためのＸ線光学素子を使用している。
【００１４】
発明の形態を図６を用いて具体的に説明する。図６ではＸ線源としてＬＰＸを用いており、ガス状の標的材料はノズル600から超音速で噴出されており、噴出されたターゲットガスにレーザー光602が照射されプラズマ603を生成しＸ線を発生させている。発生したＸ線は水平面内（レーザー入射面に平行な面内）ではほぼ均一な強度分布となる。そこで、プラズマ生成位置に焦点を持つ回転放物面ミラー604を図のように配置し、プラズマから放出されたＸ線を反射し、軸対称な強度分布を持つ平行光束611として次段の光学系へ導いている。回転放物面ミラー604には所定の波長のＸ線を反射するように多層膜が製膜されており、ミラー上の各点において反射率が最大になるように多層膜の周期長が変えられている。この回転放物面ミラーの回転対称軸はプラズマの位置を通過するように配置されており、ミラーの回転軸とＸ線の光軸（X線源の対称軸）とは同一である。この放物面ミラーは自身の回転対称軸の周りに回転できるように駆動装置605が取り付けられている。さらにこの駆動装置605は互いに直交するゴニオステージ606，607と互いに直交する直線ステージ608,609,610上に取り付けられている。（駆動装置の一例）。回転放物面ミラー604の側面及び裏面の互いに直交する方向には接触式の変位センサー612,613が取り付けられている。（もう一つの方向は紙面に垂直方向なので図示していない。位置検出装置の一例。）回転放物面ミラー604の側面及び裏面は回転放物面ミラーの回転対称軸に対して、高い精度で平行及び垂直がでている。各変位センサーの出力はコンピューター（不図示，制御装置の一例）に入力されている。回転放物面ミラー604を回転中に回転軸がぶれると変位センサーがミラーの位置のずれを検出し、ずれ量が許容範囲を超えていたとコンピューターが判断した場合にはゴニオステージまたは／及び直線ステージを駆動してミラー位置が許容範囲に収まるようにする。この様に、ミラーの位置検出と制御機構及び駆動機構を備えることにより、ミラーを回転させても常にミラーを反射したＸ線光軸の変位は許容範囲内に収まり、後段の光学系に影響を与えることはない。もし、ミラー回転機構の精度が高くその軸ぶれが光学系に許容される光束の角度広がり内に収まっているならば上述のミラー位置検出機構、制御機構、及び駆動機構はなくとも良い。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００１５】
【実施例】
第１図に本発明の実施例を示す。本実施例ではレーザープラズマＸ線源を用いている。容器100内は真空排気装置（不図示）により、排気されレーザー光が途中で気中放電したり、プラズマから輻射されたＸ線が吸収されて著しく減衰してしまわない様な圧力にまで減圧されている。本実施例では標的材料送出機構としてステンレス製のガスジェットノズル101を用い、標的材料（クリプトン）を真空容器内に噴出させている。噴出されたKrはノズルに対向する位置に置かれている排気ポート104により効果的に真空容器外へ排気されている。真空容器内に残ったターゲットガスは真空容器付属の排気装置（不図示）により排気される。レーザーの入射方向は紙面に垂直方向で紙面の裏から表側に向けて入射している。レーザー装置（不図示）から放出されたパルスレーザー光はレンズ（不図示）によりノズル101の直上0.5mmの位置に集光され、プラズマ102を生成する。プラズマ102の形状はフィラメント状で、その大きさはレーザー光軸方向に約300μｍ，レーザー光軸と直交方向に約100μｍである。また、プラズマ104はノズルの直上よりも、約500μｍ程度集光レンズ側に生成されている。
【００１６】
プラズマ102は放物面ミラー103の焦点に来るようにミラー103及びノズル101位置が決められている。プラズマ102から放出されたＸ線は多層膜がコートされた放物面ミラー103によって特定の波長のＸ線（例えば13nm）のみ反射され、平行光とされた後、ニッケル(Ni)メッシュによりサポートされている厚さ150nmのジルコニウム(Zr)薄膜からなる可視光カットＸ線透過フィルター110を透過して次段のＸ線光学系へと導かれている。このZr薄膜はホルダー111によって保持されている。
放物面ミラー103の下部にはミラーを自身の回転対称軸のまわりに回転するためのリング状の超音波モーター105、ノズルの位置を決定、制御するための３軸直行ステージ106,107,108、及びノズルの傾きを制御するための傾斜ステージ109からなるステージ群が取り付けられている。各ステージはモーターにより真空容器外部から駆動できるようになっている。
【００１７】
本実施例では放物面ミラー103の位置や傾きを検出するために3つの半導体レーザーと3つのフォトダイオードのセットを用いている。半導体レーザー及びフォトダイオードは放物面ミラーの反射面側に配置されており、ミラーを反射したＸ線を遮らない位置に置かれている。また、半導体レーザーは各々互いに１２０°の角度をなすように置かれている。フォトダイオードも同様に各々互いに１２０°の角度をなすように置かれている。この様子をわかりやすいように図２(a)に示す。これは後段の光学系側から見た図である。半導体レーザー201から出たビームは放物面ミラー200の一点にあたり反射してフォトダイオード204に入射する。他の２つの半導体レーザー202,203に対しても同様にミラー面ので反射した後、フォトダイオード205,206にそれぞれ入射する。半導体レーザーからの出射光が放物面ミラー200上に照射される点は互いに120°の角度をなしている。各フォトダイオードの受光面は図２(b)のように４つに分割されており、各々の受光面からの信号を取り出せるようになっている。フォトダイオードからの各信号はコンピューター（制御装置の一つ）（不図示）に入力されている。ノズル位置や放物面ミラーや後段の光学系のアライメントが終了した状態でフォトダイオードからの全ての信号出力（３個×４面＝１２本）をコンピュータ内の記憶装置に記憶する。これがこの系の初期状態となる。LPXの運転を開始した後、放物面ミラー103を超音波モーター105により回転させる。この時の回転速度はプラズマからの飛散粒子の付着速度に依存し、単位時間当たりの飛散粒子放出量が少なければ回転速度は遅くても良い。逆に付着速度が速ければ高速に回転させる必要がある。本実施例で使用しているガスジェットLPXは飛散粒子の放出量が少ない光源であるので、本実施例では１回転／時間で回転させている。回転中にミラーのアライメントがずれると半導体レーザーの反射光のフォトダイオード上での到達位置が変化する。その結果、各々のフォトダイオード内の４つの受光面から出力される値に変化が生じる。各フォトダイオード内の受光面の各出力値と初期状態の各受光面の値との差が許容範囲を超えたならば、アライメントがずれたと判断して、傾斜ステージ、直線ステージを駆動し、許容範囲内に納まる様にする。この時、各フォトダイオードの４つの受光面の信号変化から、どちらの方向にミラーがずれたかがわかるので、そのズレをキャンセルするように各ステージを駆動する。このようにすることにより、ミラーを回転させてもＸ線の光軸の変化を許容範囲内に収めることができ、後段の光学系に影響を与えることがない。また、飛散粒子放出の角度分布が不均一であったとしても、ミラー反射後のＸ線の軸対称性は損なわれることはない。
【００１８】
本実施例では同一チャンバー内にＸ線フィルター110が置かれている。このため、プラズマからの飛散粒子はこのフィルター110にも堆積する。飛散粒子の角度分布が非対称であればこのフィルター上にも非対称に堆積し、その結果、透過Ｘ線光束が非対称になってしまう。そこで、本実施例ではＸ線フィルターが取り付けられているホルダー111の外周部にリング状の超音波モーター112を取り付け、Ｘ線光束の中心軸の周りに回転するようになっている。この様にすることにより、フィルターに堆積する飛散粒子量がＸ線光軸に関して軸対称となるので、透過Ｘ線光束の対称性は崩れない。なお、フィルターの場合多少回転軸がぶれていたとしても透過率の変化は極僅かなので、フィルターの位置検出器は取り付けられていない。フィルターを回転させることにより、フィルターの厚さのムラやフィルターを支えているメッシュなどのサポート部材による透過Ｘ線の光量ムラを緩和することができる。これは、軟Ｘ線縮小露光装置などの多重露光を行う場合に特に効果的である。ミラー及びフィルターの回転速度は等速でも良いし、Ｘ線源の運転状況に応じて可変としても良い。また、回転方向は一方向に回し続けても良いし、両方向に回転できるようにしても良い。
【００１９】
本実施例では放物面ミラーを用いたが、これは球面ミラーであっても良いし、回転楕円ミラーであってもよい。あるいは回転対称の非球面ミラーであっても良い。また、単一の基板でこれら球面、放物面、楕円面、非球面を形成しても良いし、複数のセグメントに分割された基板を一体化して、これらの面あるいはこれらに近似する面を形成するものであっても良い。
【００２０】
本実施例では４つに分割されたフォトダイオードを用いたが、分割数はこれに限らず２つでも３つでもさらに多くても良い。また、分割されていなくても良い。フォトダイオードの代わりに、フォトダイオードアレー等の１次元検出器やCCDなどの２次元検出器を用いても良い。
【００２１】
本実施例ではミラーの変位を測定するのにレーザーを用いているが、これに限らず、触針式変位計や渦電流センサー、超音波センサー、静電容量センサーなどどのような手法を用いて変位を測定しても良い。
【００２２】
ミラーの位置はプラズマに対してどの方向に配置しても良い。図３はＸ線源にDense Plasma Focus(DPF)と呼ばれる放電プラズマＸ線源をもちいた例である。この図ではDPFの電極部（アノード電極300，カソード電極301）のみを示しており、電源部は図示していない。この例では電極に対して横方向に多層膜放物面ミラー305が置かれている。この図ではミラーの駆動機構や、位置検出機構は省略してある。
【００２３】
平面ミラーの場合には法線方向を軸として回転させればよい。図４にガスジェットLPXを光源に用い、多層膜平面ミラーを使用した場合を示す。この場合、多層膜平面ミラー404は法線方向AAを軸として回転できるようになっている。この図でもミラーの駆動機構や、位置検出機構は省略してある。
【００２４】
上述の例では多層膜ミラーを用いていたが、全反射を利用した斜入射ミラーであってもよい。図５にDPFを光源に使用し斜入射回転放物面ミラー502を用いた例を示す。この図ではDPFの電極部（アノード電極500，カソード電極501）のみを示しており、電源部は図示していない。
【００２５】
本実施例では回転放物面の対象軸(BB)、すなわちＸ線の光軸を中心にミラーを回転するようになっている。この図でもミラーの駆動機構や、位置検出機構は省略してある。本実施例では回転放物面を用いているが、他に回転楕円面やこれらの面を組み合わせたミラー（ウォルターミラーなど）であっても良い。
【００２６】
上述の実施例におけるＬＰＸにはガスジェットを用いたものを使用しているが、これはクラスターや液体（液滴）、微粒子を用いたLPXであってもよい。また、LPXや放電プラズマＸ線源に用いられるターゲット材料はKrに限らず、キセノン（Xe）、二酸化炭素（CO₂）、リチウム(Li)などどんな物質であってもよく、また、これらの物質を含む混合物、化合物であっても良い。
【００２７】
また、上述の実施例では放電プラズマＸ線源としてDPFを用いているが、これは他のどんな形態の放電プラズマＸ線源であってもよい。例えば、Ｚピンチプラズマやキャピラリー放電プラズマなどであっても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プラズマから輻射されたＸ線が最初に入射する光学素子またはプラズマ近傍に置かれている光学素子を回転させる手段を有しているので、プラズマから飛散粒子が不均一な空間分布で放出されたとしても、光学素子上には軸対称に飛散粒子が堆積する。その結果、光学素子を反射あるいは透過したＸ線束の軸対称性は維持される。従って、軸対称なＸ線束の入射が要求される光学系においては、Ｘ線源を長時間運転しても光学系の性能を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である。
【図２】図１のミラー部の詳細図(a)とフォトダイオードの詳細図(b) である。
【図３】本発明の第２の実施例である。
【図４】本発明の第３の実施例である。
【図５】本発明の第４の実施例である。
【図６】本発明の形態を示す概略図である。
【図７】フライアイミラーの構造の一例(a)及びＸ線照明光学系の一例(b)である。
【主要部分の符号の説明】
１００…真空容器、１０１…ノズル、
１０２…プラズマ、１０３…回転放物面多層膜ミラー、
１０４…排気ポート、１０５…超音波モーター、
１０６…X軸直線ステージ、１０７…Y軸直線ステージ、
１０８…Z軸直線ステージ、１０９…傾斜ステージ、
１１０…可視光カットＸ線透過フィルター、１１１…フィルターホルダー、
１１２…超音波モーター、１１３…パルスバルブ
２００，２０１，２０２…半導体レーザー、
２０４，２０５，２０５…フォトダイオード
３００…アノード電極、３０１…カソード電極、
３０４…プラズマ、３０5…回転放物面多層膜ミラー
４００…ノズル、４０１…パルスバルブ、
４０２…プラズマ、４０３…レーザー光、
４０４…多層膜平面ミラー
５００…アノード電極、５０１…カソード電極、
５０２…斜入射回転放物面ミラー、５０３…ビームストッパー、
５０４…プラズマ
６００…ノズル、６０１…パルスバルブ、
６０２…レーザー光、６０３…プラズマ、
６０４…回転放物面多層膜ミラー、６０５…回転駆動装置、
６０６，６０７…ゴニオステージ、６０８…Ｚ軸直線ステージ、
６０９…Ｙ軸直線ステージ、６１０…Ｘ軸直線ステージ、
６１１…反射Ｘ線、６１２，６１３…接触式変位センサ
７００…フライアイミラー、７０１…単位反射体、
７０２…平行Ｘ線束、 7０３，７０４…フライアイミラー、７０５…集光ミラー、７０６…平面ミラー、
７０７…マスク、７０８…縮小投影光学系、
７０９…シリコンウェハー

Claims

パルスレーザー光を減圧された容器中の標的材料に集光することにより該標的材料をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置あるいは放電により標的材料をプラズマ化し該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置に於いて、該プラズマから輻射されたＸ線が最初に入射する光学素子または該プラズマを含む真空容器内に置かれている光学素子が該光学素子の回転対称軸あるいはＸ線の光軸を中心に回転する機構を具備している事を特徴とするＸ線発生装置。
請求項１記載のＸ線発生装置において、前記光学素子の位置を検出する検出手段を有し、該検出器からの信号をもとに前記光学素子が常に所定の位置になるようにする制御手段及び駆動機構を有することを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１及び２記載のＸ線発生装置において、前記プラズマからのＸ線が最初に入射する前記光学素子が球面、回転放物面または回転楕円面または回転対称非球面あるいはこれらの複合面からなる多層膜ミラーあるいは斜入射ミラーであることを特徴とするＸ線発生装置。