JP2005069854A - Euv光源スペクトル計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明においては、EUV光源から放射される全光線の波長強度分布を得ることのできるEUV光源スペクトル計測装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 上記の課題を解決するために、本発明は、EUV光源から発散される発散光のスペクトルを測定するEUV光源スペクトル計測装置において、前記発散光を減光する減光手段と、減光された発散光のうち所望の波長帯域の発散光のみを選択する分光手段と、前記分散光の光量を熱エネルギーとして検出する検出手段を有することを特徴とするEUV光源スペクトル計測装置を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、EUV光露光装置に用いられるEUV光源より照射される真空紫外領域から赤外領域までの広範囲な波長のスペクトルを計測するスペクトル計測装置に関わるものである。
従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造するための焼き付け(リソグラフィー)方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。縮小投影露光において転写できる最小の寸法は転写に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数に反比例する。このため微細な回路パターンを転写するためには用いる光の短波長化が進められ、水銀ランプi線(波長365nm)、KrFエキシマレーザー(波長248nm)、ArFエキシマレーザー(波長193nm)と用いられる紫外光の波長は短くなってきた。
しかし半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで0.1μmを下回るような非常に微細な回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に波長が短い波長10〜15nm程度の極端紫外光(EUV光)を用いた縮小投影露光装置が開発されている。図11はEUV光を用いた露光装置の概念図である。
EUV光源としては、たとえばレーザープラズマ(LPP)方式の光源とディスチャージ(DPP)方式が用いられる。
LPP方式のEUV光源では、真空容器中に置かれたターゲット材に高強度のパルスレーザー光を照射し、高温のプラズマを発生させ、これから放射される例えば波長13nm程度のEUV光を利用するものである。ターゲット材としては、金属薄膜、不活性ガス、液滴などが用いられ、ガスジェット等の手段で真空容器内に供給される。ターゲットから放射されるEUV光の平均強度を高くするためにはパルスレーザーの繰り返し周波数は高い方が良く、通常数kHzの繰り返し周波数で運転される。
一方、DPP方式のEUV光源は、電極間にXenon等のガスを流して放電させることでプラズマを生成し、EUV光を発生させる。
EUV光を露光に用いる場合、通常の金属性のミラーや石英性のレンズなどを用いた場合には、EUV光が吸収されてしまう。このため、EUV光に対しては、MoとSiの膜の対を20層ほど積層させた多層膜ミラーが用いられる。多層膜ミラーは一般には波長13.5nmのEUV光に対する反射率が高くなるようにミラーを構成する各層の厚みが調整されており、他の波長のEUV光はミラーに吸収される。
EUV露光装置内の光学系は数枚の多層膜ミラーを用いて形成される。また、特にLPP方式のEUV光源では、ターゲットから放射されるEUV光を効率よく利用するために、発光点の周囲に多層膜ミラーによる集光ミラーが設けられており、発生したEUV光を所定の光束に集光して用いている。
レーザープラズマ方式のEUV光源からは、露光のために用いられる特定波長のEUV光だけでなく、その帯域外のEUV光やX線、紫外光、可視光、赤外光などの広い範囲にわたる波長域の光が放出される。このため、多層膜ミラーで反射されない帯域外のEUV光やX線は多層膜ミラーに吸収され、ミラーの温度上昇を引き起こす。また、紫外光は真空容器内の残留ガスを活性化し、上記集光ミラー上の汚染物質堆積を促進する。可視域〜赤外域の光は露光装置内の光学系を形成する多層膜ミラーで反射されてウェハまで到達し、レジストに吸収されることでウェハを熱膨張させ、露光時の重ね合わせ精度を低下させる可能性がある。
このため、EUV光を用いた露光装置を設計し、また露光を行うためには、EUV光源から放射される光の広帯域スペクトル測定を行い、各波長域で放出される光の強度を精密に測定する必要がある。
EUV光源から放射されるEUV光の測定について、特開2002−175980には図12に記載されているような装置が開示されている。図12において、放射されたEUV光を絞りで減光した後、多層膜ミラーで反射し、さらに測定の対象となるEUV光のみを透過するEUVフィルタを経てCCDアレイに到達して測定される。
また、図13に示すような斜入射分光システムでは、所定の波長域のEUV光のスペクトルの詳細が測定できる。この方式では、2枚の多層膜ミラーにEUV光を斜入射させることで、多層膜ミラーをフィルタとして用いている。このシステムでは5〜50nm程度の波長域で観測可能であり、波長分解能(λ/Δλ)を500以上にできるため、詳細なスペクトル形状を測定することができる。
特開2002−175980
しかしながら、上記いずれの計測装置においてもEUV光源から放出される光束の一部のみについて、比較的狭い範囲の波長域に関しての計測をしている。このため、EUV光源から放出される光束全体の広帯域スペクトル測定を行い、その絶対強度を知ることは困難である。この結果、EUV光を用いた露光装置を設計し、また安定して露光を行うために必要なEUV光源から放射される赤外線領域まで含めた全光線の波長強度分布を得ることができなかった。
本発明においては、EUV光源から放射される全光線の波長強度分布を得ることのできるEUV光源スペクトル計測装置を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、EUV光源から発散される発散光のスペクトルを測定するEUV光源スペクトル計測装置において、前記発散光を減光する減光手段と、減光された発散光のうち所望の波長帯域の発散光のみを選択する分光手段と、前記分散光の光量を熱エネルギーとして検出する検出手段を有することを特徴とするEUV光源スペクトル計測装置を提供する。
上記手段を用いることにより、EUV光源から発散される発散光に含まれる各特定波長帯域の光線の絶対光量の計測を行うことが可能となり、その計測結果から当該EUV光源の発生する光束のスペクトルを得ることが可能となる。
(第1実施形態)
本実施形態ではEUV光源から放射される全光線についての波長強度分布を得ることのできるEUV光源スペクトル計測装置とそれを用いた計測手順について説明する。
図1は本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置により、EUV光源の一方式であるレーザープラズマ光源の光量計測を行う際の概要図である。
EUV光源スペクトル計測装置の計測チャンバ17内においては、アパーチャ16を通り入射したEUV光源からの光線18がピンホールアレイ1により減光され、さらに測定する光線の波長を選択するためのフィルタ2及びフィルタ3を通過した後に、光量検出器4に入射する。EUV光は、計測チャンバ17内に存在するガス分子によっても吸収されて減衰するため、測定精度を向上するためには計測チャンバ17内は高真空に排気されていることが望ましい。
ピンホールアレイ1は、計測チャンバ17内に略全量入射するEUV光源からの光線を測定に適した光量に調整する機能を有する。図2は、ピンホールアレイ1の一例を示している。計測チャンバ17内には図2に示すような複数枚のピンホールアレイ1が選択可能な状態で収納されており、EUV光源から入射する光線を、例えば1/10、1/100、1/1000というように、所定の割合に減衰させることができる。また、減衰をさせずに全量を通過させることも可能である。ピンホールアレイ1の切り替えは、モータ5によってピンホールアレイ1を移動することにより行う。ピンホールアレイ1による減衰率は、計測する光源の最大出力、光源の種類(LPP、DPPなど)に応じて切り替えて使用し、測定器後段による測定に適した光量に調整される。
図3は、ピンホールアレイ1のアレイパターンの例を示す。図3(a)は全面均等ピッチによる同径ホールのパターン、図3(b)はランダムなパターン、図3(c)は集光ミラーの形状を考慮した径方向に均等に配置されたパターンである。これらピンホールアレイ1のパターンは、ピンホールアレイ1を通過した光線が不要な回折などを生じることなく、またフィルタ2−3や光量検出器4に局所的に光線が集中することが無いように選択される。また、開口率は測定器後段による測定に適した光量に調整されるように選択される。図4は、ピンホールアレイ1を使用しない場合の様子を示す。EUV光源からの光線が弱い場合には、図4に示すようにピンホールアレイ1による光線の減衰を行わすに測定を行う。
ピンホールアレイ1とフィルタ2,3、又は検出器4の検収面との距離を考慮することで、フィルタ2,3、又は検出器4への放射光をぼかすことが望ましい。またピンホール径が小さいと透過しない波長があるので、ピンホールの径は計測する波長よりも大きいことが好ましく、特に波長の10倍以上の径を有することが望ましい。
例えば、本実施例において検出器4として使用するカロリーメータの検出波長の上限に近い波長λ=10μmの光線を測定する場合、ピンホールアレイ1(穴径d=φ0.14mm)を使用し、検出器4の検収面との距離Lを40mmとすると、焦点面(検出面)でのボケ量はL×λ/d=2.9mmとなり、光量検出器4に局所的な光線の集中を防止するのに十分である。ピンホール径のφ0.14mmは、被測定波長のλ=10μmよりも十分に大きいため、ピンホールで光線を遮ることはない。
フィルタ2、3は、必要に応じて1枚又は2枚のフィルタを組み合わせて、測定を行いたい波長帯域の光線のみを通過させるために用いられる。通過させる光線の波長帯域を選択するためには、フィルタ材質、厚み等を変えることが有効である。フィルタの材質としては、測定する光の波長帯域に応じて、CaF2(蛍石)、MgF2(フッ化マグネシウム)、ZnSe(セレン化亜鉛)、Si、臭塩化タリウムや、特定の波長領域以下の光を吸収する物質を溶解した光学ガラスなどが選択して用いられる。
フィルタ2、3はそれぞれ計測チャンバ17内に複数枚配置させる機構となっており、計測を行いたい所望の波長帯域を透過するフィルタ、及びフィルタを用いない状態がモータ5によって選択可能となっている。
ピンホールアレイ1によって減衰され、フィルタ2、3によって特定波長が切り出された後、入射光の光量は検出器4にて測定される。本実施形態においては、検出器4としてカロリーメータを使用している。図5は、本実施形態で使用したカロリーメータの各波長における吸収率を示す。図5に示すように、カロリーメータは広い波長帯域において90%以上の吸収率で光を吸収し、その光量を測定することが可能である。その他に、CCDやフォトダイオードなども検出器として使用可能である。
以上で説明したアパーチャ16、ピンホールアレイ1、ファイル2,3、検出器4などのEUV光源からの光束が照射される部分には、所定の温度以下に保つための冷却装置が設置されている。また、チャンバ内壁19にはピンホールアレイ1によって反射された光(特に赤外光)の乱反射を抑えるために、光を吸収しやすい材質でコーティングしている。チャンバ内壁の反射係数は、計測される全ての波長域の光に対して概ね0.1以下になるようにされていれば、乱反射による計測誤差は許容される範囲である。
図1において、本実施形態において本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置によりスペクトル計測が行われるEUV光源の構成は以下のとおりである。尚、本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置は図1に示したEUV光源とは異なる構成を有するEUV光源にも適用可能なことは明らかである。
図1に示したEUV光源においては、EUV光源チャンバ14内にターゲット10(例えばXenonなど)を供給するノズル8が設けられてターゲット10を供給する。レーザー発生装置12より出射されターゲット10上に集光されたパルスレーザー13により、ターゲット10はプラズマ7を生成してEUV光を含む光線を放射する。放射される光には、露光用として使用されるEUV光以外に、その帯域外のEUV光やX線、紫外光、可視光、赤外光と広い範囲にわたる波長域の光が含まれる。プラズマ生成に用いられたターゲット10の大部分はターゲット回収機構9によって回収され、チャンバ外へ取り出される。
プラズマ7から放射され、露光用として使用される波長のEUV光の利用効率を上げるために回転楕円面の集光ミラー11により集光される。集光ミラー11としては、投影露光に用いる波長のEUV光に対して反射率が最大になるような膜厚のシリコン層とモリブデン層が既知の方法により交互に成膜されて構成されている多層膜ミラーが一般には使用される。このため、プラズマ7からの放射光の内の一部は上記の多層膜ミラーにより構成される集光ミラー11によって反射されずに吸収され、本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置により測定される光束は集光ミラー11により反射された光となる。
図1に示したEUV光源では、集光ミラー11は回転楕円面を有しており、プラズマ7を生成する部分を一方の焦点とし、その反射光を集光点6に集光している。本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置は、図1に示したEUV光源とは異なる構成により、例えば平行光束を放射するEUV光源にも適用可能である。
EUV光源チャンバ14はベローズ15によって計測チャンバ17と接続されている。また、アパーチャ16は集光点6の近傍に透過部を形成する。アパーチャ16は、EUV光源チャンバ14内が、プラズマ7からの飛散物質による集光ミラー11の汚染、損傷を軽減するためにEUV光源スペクトル計測装置の計測チャンバ17内よりも高圧力の10Pa程度の圧力に保たれることが望ましいために、EUV光源チャンバ14から計測チャンバ17へのガスの流入を軽減する目的で設けられる。
図1に示したEUV光源スペクトル計測装置による、EUV光源からの光束のスペクトル測定方法について以下に説明する。
最初にEUV光源からの光束の全光量の測定を行う。図4に、EUV光源から光束の全量を測定する際のEUV光源スペクトル計測装置の状態を示す。EUV光源から光束の全量を測定するためには、図4に示すように、ピンホールアレイ1とフィルタ2,3を取り除いた状態で検出器4により測定を行う。
本実施形態で使用した検出器4はカロリーメータであり、図5に示すような検出感度を有している。つまり、波長100nm以下の帯域では95%以上、EUV光ではほぼ100%、長波長帯域で最小部分でも88%以上,平均でも約93%の感度を持っている。また、長波長帯域側では波長30μm程度まで感度を有しているので、EUV光源から放射される光束のほぼ全量である全光量Wtがカロリーメータにより検知される。この検知結果を、図5に示したカロリーメータの波長に対する吸収率で補正することにより絶対光量Itが求められる。
尚、本実施形態においては、ピンホールアレイ1を取り除いて全光量Wtを測定しているが、EUV光源からの光量が多く、カロリーメータの容量を超える場合には、適当な減衰率を有するピンホールアレイ1を用いて測定を行ってもよい。
次に、上記で検知された全光量Wtに基づいて、後に使用するフィルタ2,3が損傷しない光強度に減衰するためのピンホールアレイ1を選択する。図6には、一例として、減光率が1/100のピンホールアレイ1を選択した場合のEUV光源スペクトル計測装置の状態を示す。選択したピンホールアレイ1の正確な減衰率を確認するためには、図6に示すように、フィルタ2,3を使用しないでEUV光源からの光量を再測定することが好ましい。図6に示す状態で計測を行うことにより、ピンホールアレイ1により検出器4にて検出される光量が光量Wp1に減光された場合、実際のピンホールアレイ1の減光率FはWp1/Wtで求めることができる。
次に、各周波数帯における光強度の計測を行う。図7に、特定の波長域の光量を測定するために、減光率が1/100のピンホールアレイ1共に、吸収端が既知のフィルタを一枚だけフィルタ2として光路に挿入した状態を示す。図7では、フィルタ2の一例として、390nm以下の波長領域の光を遮光するフィルタaを用いている。図8には、フィルタa及びフィルタbの吸収特性を示す。図8に示すようにフィルタaは、390nm以上の波長領域の光に対してのみ透過率を有する。フィルタa及びフィルタbとしては、例えばシグマ光機製のシャープカットフィルタのような一般的な光学ガラスフィルタ等を用いることが可能である。
図7に示した状態で、EUV光源からの光を照射すると、ピンホールアレイ1で減衰され、フィルタaより切り出された波長帯域の減光された光量Wf1’が検出器4にて検出される。光量Wf1’は390nm以上の波長領域の光の強度であって、その領域のフィルタaの透過率及び検出器4の感度を考慮することで、390nm以上の波長領域の光の光量Wf1が求められる。
次に、フィルタaを560nmの波長領域以下の光を遮光するフィルタbに交換して、同様に測定を行うことで、光量Wf2’が検出器4により検出される。光量Wf2’は560nm以上の波長領域の光の強度であって、その領域のフィルタbの透過率及び検出器4の感度を考慮することで、560nm以上の波長領域の光の光量Wf2が求められる。更に、この光量Wf1のWf2の差を求めることにより、ピンホールアレイ1の存在下での390nm−560nmの光量Wfとなり、ピンホールアレイ1の減光率Fを考慮することでEUV光源から反射された390nm−560nm波長帯域の絶対光量If1が求められる。
また、フィルタ2として他の材質の材質を使用する場合の他の例として、厚さ5mmのZnSe(セレン化亜鉛)とSi(シリコン)のフィルタをそれぞれ切り替えて使用することもできる。この場合、ZnSeは0.6μm以上から20μmまでの波長の光を透過し、Siは1.2μm以上からから15μm波長の光を透過する。このうち、15−20μmの波長の光は室温程度の物質から輻射により放射される波長と同程度の波長のため、実質上は検出器4により検知することができない。このため、上記のフィルタを用いることで、0.6μm−1.2μmの波長を有する光の絶対光量が得られる。
以上のように、測定したい波長帯域に吸収端を有するフィルタに順次、切り替えることで、EUV光源からの光束が有するスペクトル分布の各部分の絶対光量を測定することが可能となり、これらを考慮することで、スペクトル分布及び放射光全体の絶対強度を決定することが可能となる。
(第2実施形態)
図9は、本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置の第2の実施形態について示す図である。図9は本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置をEUV光源の一方式であるディスチャージ方式プラズマ光源(DPP)に対して適用した状態を示している。本実施形態では、第1実施形態と異なる点について主に説明する。
ディスチャージ方式プラズマ光源(DPP)においては、高密度電流ピンチ放電などの放電によりプラズマを生成し、EUV光が取り出される。このDPP方式では、構造上、LPPとは違い放電電極21よりは上流側(プラズマ発光点を基準として、露光装置、計測装置が取り付けられる側)には集光ミラーを配置できないため、放射光を集めるための斜入射ミラー22は放電電極21より下流側に配置される。そのための集光点6では、LPP方式よりもEUV光以外の他波長成分の割合が高くなる。
このため、DPP方式のEUV光源に対して本発明に係るEUV光源スペクトル計測装置を適用する場合、ピンホールアレイ1によって反射された光の乱反射を抑えるために、チャンバ内壁19は光を吸収しやすい材質でコーティングすることが好ましい。さらに、光を吸収させる面積を増やすために、チャンバ内壁19と同様なコーティングを施した反射防止板23を配置することも好ましい。これらのコーティングは、測定を行う光の波長域において、反射係数が概ね0.1以下であれば測定に悪影響を及ぼさない。但し、反射係数が0.05以下であれば更に好ましい。
図9に示したEUV光源スペクトル計測装置による、EUV光源からの光束のスペクトル測定方法について以下に説明する。図10には、図9に示したEUV光源スペクトル計測装置において使用する分光用フィルタの透過率分布の一例を示す。
図9に示したEUV光源スペクトル計測装置においても、第1実施形態と同様に、例えば図10に示すようなそれぞれ異なる吸収端を有する物質からなるフィルタa、フィルタbとして、それぞれを用いたときの検知器4の検知する光量の違いから、所定の波長域の光強度を測定することが可能である。
これに対し本実施形態では、同じ材質から構成され、図10に示した厚さのみが異なるフィルタaとフィルタcを用いて所定の波長域の光の強度を測定する方法について説明する。
一般に均質な材料からなるフィルタの特定の波長における透過率に着目した場合、透過率は厚さの二乗に比例して低下する。このため、透過率の異なる二つの波長においては、フィルタの厚さの変化による透過率の変化の仕方が異なることとなり、透過率の波長依存性が変化する。これを利用して、特に当該フィルタを形成する材質の吸収端付近において細かな波長領域毎に光の強度を測定することが可能となる。
具体的には、図10のフィルタaは、450nm以上では概ね90%の透過率を有する一方で、450nm以上では透過率が急激に低下して、400nmで約40%になり、380nm付近で実質的に不透明となる。一方、フィルタaと同じ材質で、厚みが2倍のフィルタcを用いた場合には、450nm以上では約81%の透過率を保てる一方で、例えば400nmでは約16%の透過率となる。このようにフィルタの厚さが増加した場合に、透過率の低い波長において特に大きく透過量が低下する現象を利用して、波長フィルタを形成できる。このような手法による波長フィルタは、透過率が急峻に変化する波長域に対して有効であり、フィルタの厚みを順次変えて測定することにより、細かなスペクトルを得ることが可能となる。
以上のように、測定したい波長帯域に応じた材料を用いたフィルタの厚さを順次切り替えることで生じる透過率の差から、各波長域における絶対光量を得ることが可能となる。
本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置の概要図 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置に用いるピンホールアレイの配置の一例 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置に用いるピンホールアレイのパターンの一例 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置による計測工程における状態を示す概略図 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置に用いられる検出器の光吸収率を示すグラフ 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置による計測工程における状態を示す概略図 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置による計測工程における状態を示す概略図 本発明の第1実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置に使用するフィルタの透過率の一例を示すグラフ 本発明の第2実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置の概要図 本発明の第2実施形態に係るEUV光源スペクトル計測装置に使用するフィルタの透過率の一例を示すグラフ EUV光を用いた露光装置の概念図 従来のEUV光源の計測システムの一例 従来のEUV光源の計測システムの他の一例
符号の説明
1 ピンホールアレイ
2 フィルタ
3 フィルタ
4 光量検出器
5 モータ
6 集光点
7 プラズマ
9 ターゲット回収機構
10 ターゲット
12 レーザー発生装置
14 EUV光源チャンバ
15 ベローズ
16 アパーチャ
17 計測チャンバ
18 光線
19 チャンバ内壁
21 放電電極
22 斜入射ミラー

Claims (6)

  1. EUV光源から発散される発散光のスペクトルを測定するEUV光源スペクトル計測装置において、
    前記発散光を減光する減光手段と、減光された発散光のうち所望の波長帯域の発散光のみを選択する分光手段と、前記選択された発散光の光量を熱エネルギーとして検出する検出手段を有することを特徴とするEUV光源スペクトル計測装置。
  2. 前記減光手段はピンホールアレイであることを特徴とする請求項1記載のEUV光源スペクトル計測装置。
  3. 前記ピンホールアレイの開口径は、光量計測を行う前記発散光の波長より大きいことを特徴とする請求項2記載のEUV光源スペクトル計測装置。
  4. 前記検出手段はカロリーメータであることを特徴とする請求項1記載の計測装置。
  5. 前記減光手段と前記分光手段と前記検出手段は、共通の真空容器内に設置され、当該真空容器の内壁は当該発散光に対する反射係数が0.1以下となるようにされていることを特徴とする請求項1記載のEUV光源スペクトル計測装置。
  6. 請求項1乃至5に記載のEUV光源スペクトル計測装置を用いてEUV光源のスペクトル計測をする方法。
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