JP2005345102A - 光検出器および半導体露光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高感度で光軸の揺らぎに強く、かつ、均一な光量分布を保存した光検出が可能な光検出器及びこれを用いた半導体露光装置を提供すること。
【解決手段】光検出器１０は、被検出光ＤＬの光軸上に配置される。この際、支持枠２３によって被検出光ＤＬの光路が妨げられないようにし、被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に全て入射するようにする。短波長光である被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に入射すると、短波長光の光エネルギーの一部が光電子放出に使用され、放出された電荷に相当する光電流が検出器本体２０とアースとの間に流れる。この光電流量を電流計３０で計測することにより、自立導電薄膜２１で減衰する光量、さらには透過光量を計測できる。
【選択図】 図１
【解決手段】光検出器１０は、被検出光ＤＬの光軸上に配置される。この際、支持枠２３によって被検出光ＤＬの光路が妨げられないようにし、被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に全て入射するようにする。短波長光である被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に入射すると、短波長光の光エネルギーの一部が光電子放出に使用され、放出された電荷に相当する光電流が検出器本体２０とアースとの間に流れる。この光電流量を電流計３０で計測することにより、自立導電薄膜２１で減衰する光量、さらには透過光量を計測できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、短波長光の強度等を計測するための光検出器及びこれを用いた半導体露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高エネルギー光等を同軸上で光電変換して検出する方法が知られている。このような同軸光検出法では、高エネルギー光の光路中に周囲から絶縁された金属メッシュを配置し、金属メッシュとアースとを電流計を介して結線する。高エネルギー光が金属メッシュを通過すると、高エネルギー光の一部が金属メッシュに入射し、金属メッシュ表面から光電子が放出される。この際、光電子を補うべく金属メッシュからアース方向へ電流が流れるので、かかる電流を光電流として電流計で計測すれば、高エネルギー光の強度を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の同軸光検出法では、金属メッシュを用いていることから、高エネルギー光の透過光量を確保するためにメッシュの開口を大きくすると、ゲイン（光電流）が低下してＳ／Ｎを大きく取ることができない。
【０００４】
また、高エネルギー光の光軸がこれに垂直な方向に変動する揺らぎがある場合、メッシュ上の照射領域が変動することになり、光電流が不安定になるなど、高精度の光検出が困難となる。
【０００５】
また、直線性の良いＳＯＲ光源等からの高エネルギー光を検出したり、被照射ターゲット近くに金属メッシュの検出部を配する場合には、被照射ターゲット上のビーム照射領域に金属メッシュの陰や光濃度の不均一が生じ、照射ビームの質の低下を避けることができない。
【０００６】
そこで、本発明は、高感度で光軸の揺らぎに強く、かつ、均一な光量分布を維持したままで光検出が可能な光検出器及びこれを用いた半導体露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光検出器は、自立導電薄膜を有する受光部と、被検出光が受光部を透過する際にこの受光部から放出される光電子を電流として検出する電流検出手段とを備える。
【０００８】
上記光検出器では、被検出光が受光部を透過する際にこの受光部すなわち自立導電薄膜が光電子を放出する現象を利用するので、被検出光である短波長光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で全体的に受け止めることができる。つまり、被検出光である短波長光を自立導電薄膜で透過させつつ自立導電薄膜で効率的に検出することができる。この際、電流検出手段によって、受光部で発生した光電子を電流として検出するので、被検出光の強度を簡易かつ精密に検出することができる。また、被検出光すなわち短波長光の光軸がこれに垂直な方向に変位するような揺らぎがある場合であっても、被検出光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で受け止めているので、検出される光電流の変動を低減することができる。さらに、短波長光を入射させるべき被照射ターゲットに近接して受光部を配置しても、金属メッシュの場合のような照射パターンが生じにくく、短波長光による均一な照明が可能になる。
【０００９】
また、上記光検出器の具体的態様では、受光部が、自立導電薄膜を周囲から支持するとともにこの自立導電薄膜を周囲から絶縁する支持枠をさらに備える。この場合、自立導電薄膜が周囲から電気的に独立した状態で安定して保持され、光電子に対応する電流を正確に検出することができる。
【００１０】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、自立導電薄膜が、金属膜である。この場合、受光部から効率的に光電流を取り出すことができる。
【００１１】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、受光部は、上面に絶縁層を形成したＳｉ基板を所定領域で裏面から除去することによって絶縁層からなる絶縁体メンブレンを形成し、この絶縁体メンブレン上に金属層を形成した後に、所定領域で絶縁体メンブレンを除去することによって形成される。この場合、所謂マイクロマシンプロセスを活用して、所望の厚み、形状及びサイズを有する自立導電薄膜を得ることができる。また、自立導電薄膜の周囲には、Ｓｉ基板材からなる支持枠を残すことができる。さらに、自立導電薄膜とＳｉ基板材との間に絶縁層を介在させて簡易な絶縁を達成することができる。
【００１２】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、金属膜が、２種以上の金属からなる多層金属薄膜である。この場合、多層金属薄膜を構成する金属の選択により、受光部に入射する短波長光のうち特定波長光を所望の透過率で透過させつつ所望の効率で検出するといった多様な機能を持たせることができる。
【００１３】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、多層金属薄膜が、Ｔｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である。この場合、Ｔｉによって自立導電薄膜に皺が形成されることを防止でき、自立導電薄膜の剛性を高めることができ、さらに、Ｚｒの酸化等による劣化や特性変化を防止することができる。
【００１４】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、多層金属薄膜が、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である。この場合、Ｔｉによって自立導電薄膜に皺が形成されることを防止でき、自立導電薄膜の剛性を高めることができ、さらに、Ａｌの酸化等による劣化や特性変化を防止することができる。
【００１５】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、所定領域が、複数の部分領域からなり、受光部が、これらの複数の部分領域ごとに複数設けられている。この場合、広い断面積を有する被検出光すなわち短波長光を効率的に検出することができる。さらに、ビーム断面の光強度分布やビーム位置を検出することができる。
【００１６】
また、本発明に係る半導体露光装置は、上述の光検出器を備える。この場合、例えば露光光として使用される短波長光の強度をこの光検出器によって正確に監視することができるので、短波長光を用いた露光の精度をさらに高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る光検出器の構成を説明する図である。この光検出器１０は、光検出体を有する受光部である検出器本体２０と、被検出光ＤＬが検出器本体２０を透過する際に発生する電流を検出する電流検出手段である電流計３０とを備える。
【００１８】
ここで、検出器本体２０は、被検出光ＤＬが入射する光検出体である自立導電薄膜２１と、この自立導電薄膜２１を周囲から支持するとともにこの自立導電薄膜２１を周囲から絶縁する支持枠２３とを備える。前者の自立導電薄膜２１は、均一な厚みを有する金属薄膜であり、紫外線やＸ線等の短波長光である被検出光ＤＬを均一に透過させる。後者の支持枠２３は、Ｓｉ結晶を主要構成材とする矩形の構造体であり、被検出光ＤＬの波長にもよるが被検出光ＤＬをほとんど遮断する。
【００１９】
電流計３０は、一端が配線３１を介して自立導電薄膜２１に電気的に接続されており、他端が接地されている。この電流計３０には、自立導電薄膜２１への被検出光ＤＬの入射に伴って、自立導電薄膜２１から光電変換によって出射する光電子を補うように微小電流が流れる。つまり、電流計３０の出力を監視することにより、被検出光ＤＬの強度を検出することができる。
【００２０】
なお、検出器本体２０は、真空容器（不図示）中において、被検出光ＤＬの光路上に周囲から絶縁された状態で固定される。また、電流計３０は、真空容器の外部に配置され、配線３１を介して真空容器中の検出器本体２０と接続される。
【００２１】
図２は、図１に示す検出器本体２０の断面構造を説明する図である。検出器本体２０を構成する自立導電薄膜２１は、ＴｉとＡｕとを積層した２層構造の金属膜４１からなり、数１０ｎｍ程度の厚さを有する。この金属膜４１は、周囲の支持枠２３まで延びており、Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸化膜、窒化ホウ素等からなり数１００ｎｍ程度の厚さを有する絶縁膜４３を介して、Ｓｉ単結晶からなる枠本体４５に固定されている。ここで、枠本体４５は、数１００μｍ程度の厚さを有し、一辺が数ｃｍ程度の矩形開口２３ａを有する。つまり、支持枠２３は、Ｓｉ単結晶製の枠本体４５上にＳｉ窒化膜製の絶縁膜４３とＴｉ／Ａｕ製の金属膜４１とを積層した構造となっており、自立導電薄膜２１は、このような支持枠２３の矩形開口２３ａを覆うように形成・配置されている。
【００２２】
以下、図１及び図２に示す光検出器１０の動作について説明する。光検出器１０は、被検出光ＤＬの光軸上に配置される。この際、支持枠２３によって被検出光ＤＬの光路が妨げられないようにし、被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に全て入射するようにする。短波長光である被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に入射すると、短波長光の光エネルギーの一部が光電子放出に使用され、放出された電荷に相当する光電流が検出器本体２０とアースとの間に流れる。この光電流量を電流計３０で計測することにより、自立導電薄膜２１で減衰する光量、さらには透過光量を計測できる。
【００２３】
なお、自立導電薄膜２１に入射する被検出光ＤＬの強度と、電流計３０で検出される微小電流とは通常比例関係にあるが、他の非透過型の光センサを用いて、電流計３０からの検出値に基づいて被検出光ＤＬの強度を決定するためのグラフすなわち検量線を予め求めておくことができる。また、自立導電薄膜２１における被検出光ＤＬの減衰率や透過率は、被検出光ＤＬの波長に依存して変化するので、波長が異なる複数の短波長光について入射強度を比較する場合、減衰率や透過率の波長依存性を考慮して、被検出光ＤＬの強度を決定するためのグラフを修正する必要がある。
【００２４】
図３は、図２に示す検出器本体２０の製造方法を示す図である。まず、厚さ２００μｍ程度のＳｉ単結晶基板５１の表裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ等により、支持体となる厚さ０．１μｍ程度のＳｉＮ膜５２を成膜する（図３（ａ）参照）。なお、支持体としては、このＳｉＮに限らず、ＳｉＮxやＢＮなど機械的に強靭で、この絶縁体メンブレン上に一定膜厚の異なる材質の成膜が可能なものを使用することができる。次に、Ｓｉ単結晶基板５１の裏側にレジストを塗布し、金属薄膜を形成する部分より幾分外側の部分（周辺領域）を残して、フォトリソグラフィ・プロセスを利用してレジストを除去することにより、矩形のレジストパターン層５３を形成する（図３（ｂ）参照）。次に、残されたレジストパターン層５３をマスクとして、フッ素系活性種によるドライエッチングにより中央の矩形領域でＳｉＮ膜５２を除去し、その後レジストパターン層５３を除去する（図３（ｃ）参照）。続いて、裏面からフッ素系活性種を用いたドライエッチング等により中央の矩形領域でＳｉ単結晶基板５１を除去して、ＳｉＮ膜５２からなる支持体すなわちメンブレンを製作する（図３（ｄ）参照）。その後、ＳｉＮ膜５２の表面側に、蒸着、スパッタ等により例えば１５ｎｍ程度のＴｉ膜５４と例えば１６５ｎｍ程度のＡｕ膜５５とを順次堆積する（図３（ｅ）参照）。最後に、裏面側から、Ｓｉ単結晶基板５１をマスクとするフッ素系活性種によるドライエッチングによってＳｉＮ膜５２を除去し、Ｔｉ膜５４及びＡｕ膜５５からなる金属メンブレン層を完成させる（図３（ｆ）参照)。ＳｉＮ膜５２の除去に使用するエッチングガスとしては、支持メンブレン材料をエッチングでき、かつ、金属系メンブレン層にはあまり損傷を与えない条件の採用が可能なＲＩＥ、ＲＩＢＥ、ＩＣＰ−Ｅ、ラジカルビームエッチング等が使用できる。なお。支持体である絶縁体メンブレンがＳｉＮxの場合、エッチングガスはＣＦ4、ＣＨＦ3、ＳＦ6などＦ系ガスを主成分としたガス組成を用いるのが望ましい。
【００２５】
最終的な図３（ｆ）の状態において、上側のＴｉ膜５４及びＡｕ膜５５は、図２の金属膜４１に対応し、中間のＳｉＮ膜５２は、図２の絶縁膜４３に対応し、下側のＳｉ単結晶基板５１は、図２の枠本体４５に対応する。Ｔｉ膜５４及びＡｕ膜５５からなる金属メンブレンを構成する金属膜４１は、Ｓｉ単結晶５１からなる枠本体４５によって周囲から支持されている。よって、金属膜４１に適度な引っ張り応力を与えることができ、金属膜４１を平坦にすることができるので、同軸光検出器用の自立導電薄膜２１として用いるのに特に有効である。
【００２６】
図４（ａ）は、被検出光ＤＬを３つの異なる膜厚を有する３つの自立導電薄膜２１に入射させた場合の電流検出結果を示すグラフである。横軸は、自立導電薄膜２１に入射する被検出光ＤＬの光子エネルギーを示し、縦軸は、電流計３０で検出される微小電流を示す。なお、図示のグラフを得る測定において、被検出光ＤＬとしてＳＲ光を用い、被検出光ＤＬの光子エネルギーを徐々に変化させた。また、自立導電薄膜２１において、Ｔｉ膜５４の厚みを１．５ｎｍに固定しＡｕ膜５５の厚みを変更することによって上記３種類の膜厚を得た。さらに、これらの測定は、真空中で行った。
【００２７】
図４（ｂ）は、被検出光ＤＬに対応する光源光のスペクトル分布を示すグラフである。被検出光ＤＬの強度分布は、この被検出光ＤＬが透過する自立導電薄膜２１によって検出される光電流（図４（ａ）参照）とほぼ比例する関係にあることが分かる。
【００２８】
以上のグラフからも明らかなように、１０ｅＶ〜３０ｅＶの光子エネルギーを有する被検出光ＤＬを、５ｐＡ以上の光電流、かつ、良好なＳ／Ｎで検出することができる。つまり、上記のような自立導電薄膜２１を用いることにより、被検出光ＤＬを十分な電流量で、高精度の検出することができる。なお、自立導電薄膜２１の膜厚が３０ｎｍを超すと電流計３０で検出される電流が飽和する。
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係る光検出器を説明する図である。第２実施形態の光検出器は、第１実施形態の光検出器１０において、検出器本体２０の一部を変更したものであり、他の共通する部分については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００２９】
この場合、検出器本体１２０の金属膜１４１が一対のＴｉ膜１４１ａ、１４１ｂの間にＺｒ膜１４１ｃを挟んだＴｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造になっている。このように、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂでＺｒ膜１４１ｃを挟むことにより、自立導電薄膜２１に皺が形成され易くなることを防止でき、自立導電薄膜２１の剛性を高めることができる。また、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂによってＺｒ膜１４１ｃが封止されることになるので、Ｚｒ膜１４１ｃの酸化等による劣化を防止することができる。なお、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂの膜厚を０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とし、Ｚｒ膜１４１ｃの膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることで適正な検出結果が得られることが実験的に分かった。
【００３０】
以上では、検出器本体１２０の金属膜１４１をＴｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造としているが、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの３層構造とすることもできる。この場合も、Ｔｉ膜の膜厚を０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とし、Ａｌ膜の膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることで適正な検出結果が得られることが実験的に分かった。
〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係る光検出器を説明する図である。第３実施形態の光検出器は、第１実施形態の場合と異なり、被検出光ＤＬを入射・透過させるための検出器本体２２０が複数の受光部からなる。つまり、この検出器本体２２０は、被検出光ＤＬの光路上にマトリックス状に配置された多数の自立導電薄膜２１を備える。各自立導電薄膜２１は、その周囲まで広がる矩形の金属膜４１から形成されており、各金属膜４１からは、配線３１が検出器本体２２０の周辺に向かって延びている。各配線３１には、図１に示す電流計３０と同様の電流計がそれぞれ接続される。この場合、単独では大きくすることに限界がある自立導電薄膜２１を格子状のサポート部１２３ｂを介して二次元的に配列しているので、広い断面積を有する被検出光ＤＬを効率的に検出することができる。しかも、自立導電薄膜２１ごとに、配線３１を介して個別に電流計３０を接続しているので、各電流計３０で検出される相対的な電流強度比から、ビーム断面の光強度分布を検出したり、被検出光ＤＬの入射位置を特定することもできる。
【００３１】
第３実施形態に係る光検出器も、第１実施形態の場合と同様に作製することができる。ただし、図３（ｂ）の工程において、マトリックス状に配列された９つの矩形開口からなるレジストパターン層５３を形成する。さらに、図３（ｅ）の工程の後に、例えばＴｉ膜５４やＡｕ膜５５からなる金属膜をパターニングして配線３１を形成する。
【００３２】
なお、上記実施形態において、すべての自立導電薄膜２１を並列に接続して単一の電流計３０で被検出光ＤＬを検出することもできる。この場合、ビーム径の大きな被検出光ＤＬを高い感度で検出することができる。
〔第４実施形態〕
図８は、図１に示す光検出器１０等を組み込んだＸ線露光装置の一例を示す構成図である。
【００３３】
このＸ線露光装置は、主に、軟Ｘ線光源Ｓ、コンデンサＣ、照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4、マスクＭを支持するステージＭＳＴ、投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4、ウエハＷを支持するステージＷＳＴ等により構成されている。
【００３４】
軟Ｘ線光源Ｓには、プラズマ励起用レーザ光を発生するレーザ光源Ｌと、ターゲット材料であるキセノン等のガスを筐体ＳＣ中に供給するチューブＴとが付設されている。チューブＴの先端から出射するキセノンにレーザ光源Ｌからのレーザ光を集光させることにより、その部分のターゲット材がプラズマ化して軟Ｘ線を発する。コンデンサＣは、チューブＴ先端で発生した軟Ｘ線を集光する。コンデンサＣとコリメータミラーＣＭとの間には、図２や図５等に示す検出器本体２０が配置されており、軟Ｘ線光源Ｓの筐体ＳＣに固定されている。つまり、筐体ＳＣから出射する軟Ｘ線は、検出器本体２０に設けた自立導電薄膜２１を通過することになるので、軟Ｘ線の強度に応じた電流が電流計３０によって検出される。なお、以上のようなレーザプラズマ光源に代えて、放電プラズマ光源、ＳＲ光源からの放射光等を使用することができる。いずれの場合にも、光源光の光軸上に検出器本体２０を配置することにより、光源光を大きく減衰させることなくその強度を正確に検出することができる。
【００３５】
照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4は、反射型のオプティカルインチグレ一夕ＩＲ1、ＩＲ2、コンデンサミラーＩＲ3等により構成されている。この照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4によって、マスクＭ上を所望の波長のＸ線で均一に照明することができる。
【００３６】
Ｘ線の波長域では完全に透明な物質は存在しないので、マスクＭには従来の透過型のマスクではなく反射型のマスクが使用される。
【００３７】
投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4は、複数の多層膜ミラー等により構成されている。マスクＭ上に形成された回路パターンは、このような投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4によってレジストが塗布されたウエハＷ上に結像してこのレジストに転写される。なお、Ｘ線は大気に吸収されて減衰するが、装置全体を真空チャンバＶＣによって覆って、Ｘ線の光路を所定の真空度（例えば、１．３×１０- ３Ｐａ以下）に維持することで、Ｘ線の減衰を低減している。
【００３８】
以上のＸ線露光装置では、光検出器１０によって軟Ｘ線光源ＳからのＸ線強度の変動をリアルタイムで監視することができるので、ウエハＷに対する露光量をより精密なものとすることができる。
【００３９】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、自立導電薄膜２１の材料として、上記実施形態では、Ａｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ等を用いているが、Ｐｔ、Ｐｄ等を用いて自立導電薄膜２１を形成することもできる。このように自立導電薄膜２１を構成する金属を選択することで、光電変換に際しての仕事関数を適宜調節することができるので、自立導電薄膜２１の透過率や、光電変換の効率等を用途に応じて調整することができる。
【００４０】
さらに、自立導電薄膜２１は、上記のように金属に限らず、ＺｎＯ、ＴｉＯ2等の酸化物、炭素等で形成することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光検出器によれば、被検出光である短波長光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で全体的に受け止めることができる。つまり、被検出光である短波長光を受光部で透過させつつ効率的に検出することができる。この際、電流検出手段によって受光部で発生した光電子を電流として検出するので、被検出光の強度を簡易かつ精密に検出することができる。また、被検出光すなわち短波長光の光軸に揺らぎがある場合であっても、検出される光電流の変動を低減することができる。さらに、金属メッシュの場合のような照射パターンが生じにくく、短波長光による均一な照明が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光検出器の構成を説明する図である。
【図２】図１に示す検出器本体２０の断面構造を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は、図２に示す検出器本体の製造工程を示す図である。
【図４】（ａ）は、図２の自立導電薄膜に入射する被検出光のエネルギーと電流計で検出される電流との関係を説明するグラフであり、（ｂ）は、図２の自立導電薄膜に入射する被検出光のエネルギーと被検出光の強度との関係を説明するグラフである。
【図５】第２実施形態に係る光検出器を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係る光検出器を説明する図である。
【図７】図１に示す光検出器等を組み込んだＸ線露光装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０ 光検出器
２０,１２０,２２０ 検出器本体
２１ 自立導電薄膜
２３ 支持枠
３０ 電流計
３１ 配線
４１ 各金属膜
４１ 金属膜
４３ 絶縁膜
４５ 枠本体
ＤＬ 被検出光
【産業上の利用分野】
本発明は、短波長光の強度等を計測するための光検出器及びこれを用いた半導体露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高エネルギー光等を同軸上で光電変換して検出する方法が知られている。このような同軸光検出法では、高エネルギー光の光路中に周囲から絶縁された金属メッシュを配置し、金属メッシュとアースとを電流計を介して結線する。高エネルギー光が金属メッシュを通過すると、高エネルギー光の一部が金属メッシュに入射し、金属メッシュ表面から光電子が放出される。この際、光電子を補うべく金属メッシュからアース方向へ電流が流れるので、かかる電流を光電流として電流計で計測すれば、高エネルギー光の強度を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の同軸光検出法では、金属メッシュを用いていることから、高エネルギー光の透過光量を確保するためにメッシュの開口を大きくすると、ゲイン（光電流）が低下してＳ／Ｎを大きく取ることができない。
【０００４】
また、高エネルギー光の光軸がこれに垂直な方向に変動する揺らぎがある場合、メッシュ上の照射領域が変動することになり、光電流が不安定になるなど、高精度の光検出が困難となる。
【０００５】
また、直線性の良いＳＯＲ光源等からの高エネルギー光を検出したり、被照射ターゲット近くに金属メッシュの検出部を配する場合には、被照射ターゲット上のビーム照射領域に金属メッシュの陰や光濃度の不均一が生じ、照射ビームの質の低下を避けることができない。
【０００６】
そこで、本発明は、高感度で光軸の揺らぎに強く、かつ、均一な光量分布を維持したままで光検出が可能な光検出器及びこれを用いた半導体露光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光検出器は、自立導電薄膜を有する受光部と、被検出光が受光部を透過する際にこの受光部から放出される光電子を電流として検出する電流検出手段とを備える。
【０００８】
上記光検出器では、被検出光が受光部を透過する際にこの受光部すなわち自立導電薄膜が光電子を放出する現象を利用するので、被検出光である短波長光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で全体的に受け止めることができる。つまり、被検出光である短波長光を自立導電薄膜で透過させつつ自立導電薄膜で効率的に検出することができる。この際、電流検出手段によって、受光部で発生した光電子を電流として検出するので、被検出光の強度を簡易かつ精密に検出することができる。また、被検出光すなわち短波長光の光軸がこれに垂直な方向に変位するような揺らぎがある場合であっても、被検出光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で受け止めているので、検出される光電流の変動を低減することができる。さらに、短波長光を入射させるべき被照射ターゲットに近接して受光部を配置しても、金属メッシュの場合のような照射パターンが生じにくく、短波長光による均一な照明が可能になる。
【０００９】
また、上記光検出器の具体的態様では、受光部が、自立導電薄膜を周囲から支持するとともにこの自立導電薄膜を周囲から絶縁する支持枠をさらに備える。この場合、自立導電薄膜が周囲から電気的に独立した状態で安定して保持され、光電子に対応する電流を正確に検出することができる。
【００１０】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、自立導電薄膜が、金属膜である。この場合、受光部から効率的に光電流を取り出すことができる。
【００１１】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、受光部は、上面に絶縁層を形成したＳｉ基板を所定領域で裏面から除去することによって絶縁層からなる絶縁体メンブレンを形成し、この絶縁体メンブレン上に金属層を形成した後に、所定領域で絶縁体メンブレンを除去することによって形成される。この場合、所謂マイクロマシンプロセスを活用して、所望の厚み、形状及びサイズを有する自立導電薄膜を得ることができる。また、自立導電薄膜の周囲には、Ｓｉ基板材からなる支持枠を残すことができる。さらに、自立導電薄膜とＳｉ基板材との間に絶縁層を介在させて簡易な絶縁を達成することができる。
【００１２】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、金属膜が、２種以上の金属からなる多層金属薄膜である。この場合、多層金属薄膜を構成する金属の選択により、受光部に入射する短波長光のうち特定波長光を所望の透過率で透過させつつ所望の効率で検出するといった多様な機能を持たせることができる。
【００１３】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、多層金属薄膜が、Ｔｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である。この場合、Ｔｉによって自立導電薄膜に皺が形成されることを防止でき、自立導電薄膜の剛性を高めることができ、さらに、Ｚｒの酸化等による劣化や特性変化を防止することができる。
【００１４】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、多層金属薄膜が、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である。この場合、Ｔｉによって自立導電薄膜に皺が形成されることを防止でき、自立導電薄膜の剛性を高めることができ、さらに、Ａｌの酸化等による劣化や特性変化を防止することができる。
【００１５】
また、上記光検出器の別の具体的態様では、所定領域が、複数の部分領域からなり、受光部が、これらの複数の部分領域ごとに複数設けられている。この場合、広い断面積を有する被検出光すなわち短波長光を効率的に検出することができる。さらに、ビーム断面の光強度分布やビーム位置を検出することができる。
【００１６】
また、本発明に係る半導体露光装置は、上述の光検出器を備える。この場合、例えば露光光として使用される短波長光の強度をこの光検出器によって正確に監視することができるので、短波長光を用いた露光の精度をさらに高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る光検出器の構成を説明する図である。この光検出器１０は、光検出体を有する受光部である検出器本体２０と、被検出光ＤＬが検出器本体２０を透過する際に発生する電流を検出する電流検出手段である電流計３０とを備える。
【００１８】
ここで、検出器本体２０は、被検出光ＤＬが入射する光検出体である自立導電薄膜２１と、この自立導電薄膜２１を周囲から支持するとともにこの自立導電薄膜２１を周囲から絶縁する支持枠２３とを備える。前者の自立導電薄膜２１は、均一な厚みを有する金属薄膜であり、紫外線やＸ線等の短波長光である被検出光ＤＬを均一に透過させる。後者の支持枠２３は、Ｓｉ結晶を主要構成材とする矩形の構造体であり、被検出光ＤＬの波長にもよるが被検出光ＤＬをほとんど遮断する。
【００１９】
電流計３０は、一端が配線３１を介して自立導電薄膜２１に電気的に接続されており、他端が接地されている。この電流計３０には、自立導電薄膜２１への被検出光ＤＬの入射に伴って、自立導電薄膜２１から光電変換によって出射する光電子を補うように微小電流が流れる。つまり、電流計３０の出力を監視することにより、被検出光ＤＬの強度を検出することができる。
【００２０】
なお、検出器本体２０は、真空容器（不図示）中において、被検出光ＤＬの光路上に周囲から絶縁された状態で固定される。また、電流計３０は、真空容器の外部に配置され、配線３１を介して真空容器中の検出器本体２０と接続される。
【００２１】
図２は、図１に示す検出器本体２０の断面構造を説明する図である。検出器本体２０を構成する自立導電薄膜２１は、ＴｉとＡｕとを積層した２層構造の金属膜４１からなり、数１０ｎｍ程度の厚さを有する。この金属膜４１は、周囲の支持枠２３まで延びており、Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸化膜、窒化ホウ素等からなり数１００ｎｍ程度の厚さを有する絶縁膜４３を介して、Ｓｉ単結晶からなる枠本体４５に固定されている。ここで、枠本体４５は、数１００μｍ程度の厚さを有し、一辺が数ｃｍ程度の矩形開口２３ａを有する。つまり、支持枠２３は、Ｓｉ単結晶製の枠本体４５上にＳｉ窒化膜製の絶縁膜４３とＴｉ／Ａｕ製の金属膜４１とを積層した構造となっており、自立導電薄膜２１は、このような支持枠２３の矩形開口２３ａを覆うように形成・配置されている。
【００２２】
以下、図１及び図２に示す光検出器１０の動作について説明する。光検出器１０は、被検出光ＤＬの光軸上に配置される。この際、支持枠２３によって被検出光ＤＬの光路が妨げられないようにし、被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に全て入射するようにする。短波長光である被検出光ＤＬが自立導電薄膜２１に入射すると、短波長光の光エネルギーの一部が光電子放出に使用され、放出された電荷に相当する光電流が検出器本体２０とアースとの間に流れる。この光電流量を電流計３０で計測することにより、自立導電薄膜２１で減衰する光量、さらには透過光量を計測できる。
【００２３】
なお、自立導電薄膜２１に入射する被検出光ＤＬの強度と、電流計３０で検出される微小電流とは通常比例関係にあるが、他の非透過型の光センサを用いて、電流計３０からの検出値に基づいて被検出光ＤＬの強度を決定するためのグラフすなわち検量線を予め求めておくことができる。また、自立導電薄膜２１における被検出光ＤＬの減衰率や透過率は、被検出光ＤＬの波長に依存して変化するので、波長が異なる複数の短波長光について入射強度を比較する場合、減衰率や透過率の波長依存性を考慮して、被検出光ＤＬの強度を決定するためのグラフを修正する必要がある。
【００２４】
図３は、図２に示す検出器本体２０の製造方法を示す図である。まず、厚さ２００μｍ程度のＳｉ単結晶基板５１の表裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ等により、支持体となる厚さ０．１μｍ程度のＳｉＮ膜５２を成膜する（図３（ａ）参照）。なお、支持体としては、このＳｉＮに限らず、ＳｉＮxやＢＮなど機械的に強靭で、この絶縁体メンブレン上に一定膜厚の異なる材質の成膜が可能なものを使用することができる。次に、Ｓｉ単結晶基板５１の裏側にレジストを塗布し、金属薄膜を形成する部分より幾分外側の部分（周辺領域）を残して、フォトリソグラフィ・プロセスを利用してレジストを除去することにより、矩形のレジストパターン層５３を形成する（図３（ｂ）参照）。次に、残されたレジストパターン層５３をマスクとして、フッ素系活性種によるドライエッチングにより中央の矩形領域でＳｉＮ膜５２を除去し、その後レジストパターン層５３を除去する（図３（ｃ）参照）。続いて、裏面からフッ素系活性種を用いたドライエッチング等により中央の矩形領域でＳｉ単結晶基板５１を除去して、ＳｉＮ膜５２からなる支持体すなわちメンブレンを製作する（図３（ｄ）参照）。その後、ＳｉＮ膜５２の表面側に、蒸着、スパッタ等により例えば１５ｎｍ程度のＴｉ膜５４と例えば１６５ｎｍ程度のＡｕ膜５５とを順次堆積する（図３（ｅ）参照）。最後に、裏面側から、Ｓｉ単結晶基板５１をマスクとするフッ素系活性種によるドライエッチングによってＳｉＮ膜５２を除去し、Ｔｉ膜５４及びＡｕ膜５５からなる金属メンブレン層を完成させる（図３（ｆ）参照)。ＳｉＮ膜５２の除去に使用するエッチングガスとしては、支持メンブレン材料をエッチングでき、かつ、金属系メンブレン層にはあまり損傷を与えない条件の採用が可能なＲＩＥ、ＲＩＢＥ、ＩＣＰ−Ｅ、ラジカルビームエッチング等が使用できる。なお。支持体である絶縁体メンブレンがＳｉＮxの場合、エッチングガスはＣＦ4、ＣＨＦ3、ＳＦ6などＦ系ガスを主成分としたガス組成を用いるのが望ましい。
【００２５】
最終的な図３（ｆ）の状態において、上側のＴｉ膜５４及びＡｕ膜５５は、図２の金属膜４１に対応し、中間のＳｉＮ膜５２は、図２の絶縁膜４３に対応し、下側のＳｉ単結晶基板５１は、図２の枠本体４５に対応する。Ｔｉ膜５４及びＡｕ膜５５からなる金属メンブレンを構成する金属膜４１は、Ｓｉ単結晶５１からなる枠本体４５によって周囲から支持されている。よって、金属膜４１に適度な引っ張り応力を与えることができ、金属膜４１を平坦にすることができるので、同軸光検出器用の自立導電薄膜２１として用いるのに特に有効である。
【００２６】
図４（ａ）は、被検出光ＤＬを３つの異なる膜厚を有する３つの自立導電薄膜２１に入射させた場合の電流検出結果を示すグラフである。横軸は、自立導電薄膜２１に入射する被検出光ＤＬの光子エネルギーを示し、縦軸は、電流計３０で検出される微小電流を示す。なお、図示のグラフを得る測定において、被検出光ＤＬとしてＳＲ光を用い、被検出光ＤＬの光子エネルギーを徐々に変化させた。また、自立導電薄膜２１において、Ｔｉ膜５４の厚みを１．５ｎｍに固定しＡｕ膜５５の厚みを変更することによって上記３種類の膜厚を得た。さらに、これらの測定は、真空中で行った。
【００２７】
図４（ｂ）は、被検出光ＤＬに対応する光源光のスペクトル分布を示すグラフである。被検出光ＤＬの強度分布は、この被検出光ＤＬが透過する自立導電薄膜２１によって検出される光電流（図４（ａ）参照）とほぼ比例する関係にあることが分かる。
【００２８】
以上のグラフからも明らかなように、１０ｅＶ〜３０ｅＶの光子エネルギーを有する被検出光ＤＬを、５ｐＡ以上の光電流、かつ、良好なＳ／Ｎで検出することができる。つまり、上記のような自立導電薄膜２１を用いることにより、被検出光ＤＬを十分な電流量で、高精度の検出することができる。なお、自立導電薄膜２１の膜厚が３０ｎｍを超すと電流計３０で検出される電流が飽和する。
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係る光検出器を説明する図である。第２実施形態の光検出器は、第１実施形態の光検出器１０において、検出器本体２０の一部を変更したものであり、他の共通する部分については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００２９】
この場合、検出器本体１２０の金属膜１４１が一対のＴｉ膜１４１ａ、１４１ｂの間にＺｒ膜１４１ｃを挟んだＴｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造になっている。このように、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂでＺｒ膜１４１ｃを挟むことにより、自立導電薄膜２１に皺が形成され易くなることを防止でき、自立導電薄膜２１の剛性を高めることができる。また、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂによってＺｒ膜１４１ｃが封止されることになるので、Ｚｒ膜１４１ｃの酸化等による劣化を防止することができる。なお、Ｔｉ膜１４１ａ、１４１ｂの膜厚を０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とし、Ｚｒ膜１４１ｃの膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることで適正な検出結果が得られることが実験的に分かった。
【００３０】
以上では、検出器本体１２０の金属膜１４１をＴｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造としているが、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの３層構造とすることもできる。この場合も、Ｔｉ膜の膜厚を０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とし、Ａｌ膜の膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることで適正な検出結果が得られることが実験的に分かった。
〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係る光検出器を説明する図である。第３実施形態の光検出器は、第１実施形態の場合と異なり、被検出光ＤＬを入射・透過させるための検出器本体２２０が複数の受光部からなる。つまり、この検出器本体２２０は、被検出光ＤＬの光路上にマトリックス状に配置された多数の自立導電薄膜２１を備える。各自立導電薄膜２１は、その周囲まで広がる矩形の金属膜４１から形成されており、各金属膜４１からは、配線３１が検出器本体２２０の周辺に向かって延びている。各配線３１には、図１に示す電流計３０と同様の電流計がそれぞれ接続される。この場合、単独では大きくすることに限界がある自立導電薄膜２１を格子状のサポート部１２３ｂを介して二次元的に配列しているので、広い断面積を有する被検出光ＤＬを効率的に検出することができる。しかも、自立導電薄膜２１ごとに、配線３１を介して個別に電流計３０を接続しているので、各電流計３０で検出される相対的な電流強度比から、ビーム断面の光強度分布を検出したり、被検出光ＤＬの入射位置を特定することもできる。
【００３１】
第３実施形態に係る光検出器も、第１実施形態の場合と同様に作製することができる。ただし、図３（ｂ）の工程において、マトリックス状に配列された９つの矩形開口からなるレジストパターン層５３を形成する。さらに、図３（ｅ）の工程の後に、例えばＴｉ膜５４やＡｕ膜５５からなる金属膜をパターニングして配線３１を形成する。
【００３２】
なお、上記実施形態において、すべての自立導電薄膜２１を並列に接続して単一の電流計３０で被検出光ＤＬを検出することもできる。この場合、ビーム径の大きな被検出光ＤＬを高い感度で検出することができる。
〔第４実施形態〕
図８は、図１に示す光検出器１０等を組み込んだＸ線露光装置の一例を示す構成図である。
【００３３】
このＸ線露光装置は、主に、軟Ｘ線光源Ｓ、コンデンサＣ、照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4、マスクＭを支持するステージＭＳＴ、投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4、ウエハＷを支持するステージＷＳＴ等により構成されている。
【００３４】
軟Ｘ線光源Ｓには、プラズマ励起用レーザ光を発生するレーザ光源Ｌと、ターゲット材料であるキセノン等のガスを筐体ＳＣ中に供給するチューブＴとが付設されている。チューブＴの先端から出射するキセノンにレーザ光源Ｌからのレーザ光を集光させることにより、その部分のターゲット材がプラズマ化して軟Ｘ線を発する。コンデンサＣは、チューブＴ先端で発生した軟Ｘ線を集光する。コンデンサＣとコリメータミラーＣＭとの間には、図２や図５等に示す検出器本体２０が配置されており、軟Ｘ線光源Ｓの筐体ＳＣに固定されている。つまり、筐体ＳＣから出射する軟Ｘ線は、検出器本体２０に設けた自立導電薄膜２１を通過することになるので、軟Ｘ線の強度に応じた電流が電流計３０によって検出される。なお、以上のようなレーザプラズマ光源に代えて、放電プラズマ光源、ＳＲ光源からの放射光等を使用することができる。いずれの場合にも、光源光の光軸上に検出器本体２０を配置することにより、光源光を大きく減衰させることなくその強度を正確に検出することができる。
【００３５】
照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4は、反射型のオプティカルインチグレ一夕ＩＲ1、ＩＲ2、コンデンサミラーＩＲ3等により構成されている。この照明光学系ＩＲ1〜ＩＲ4によって、マスクＭ上を所望の波長のＸ線で均一に照明することができる。
【００３６】
Ｘ線の波長域では完全に透明な物質は存在しないので、マスクＭには従来の透過型のマスクではなく反射型のマスクが使用される。
【００３７】
投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4は、複数の多層膜ミラー等により構成されている。マスクＭ上に形成された回路パターンは、このような投影結像光学系ＰＲ1〜ＰＲ4によってレジストが塗布されたウエハＷ上に結像してこのレジストに転写される。なお、Ｘ線は大気に吸収されて減衰するが、装置全体を真空チャンバＶＣによって覆って、Ｘ線の光路を所定の真空度（例えば、１．３×１０- ３Ｐａ以下）に維持することで、Ｘ線の減衰を低減している。
【００３８】
以上のＸ線露光装置では、光検出器１０によって軟Ｘ線光源ＳからのＸ線強度の変動をリアルタイムで監視することができるので、ウエハＷに対する露光量をより精密なものとすることができる。
【００３９】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、自立導電薄膜２１の材料として、上記実施形態では、Ａｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ等を用いているが、Ｐｔ、Ｐｄ等を用いて自立導電薄膜２１を形成することもできる。このように自立導電薄膜２１を構成する金属を選択することで、光電変換に際しての仕事関数を適宜調節することができるので、自立導電薄膜２１の透過率や、光電変換の効率等を用途に応じて調整することができる。
【００４０】
さらに、自立導電薄膜２１は、上記のように金属に限らず、ＺｎＯ、ＴｉＯ2等の酸化物、炭素等で形成することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光検出器によれば、被検出光である短波長光を２次元的に均一な広がりを有する自立導電薄膜で全体的に受け止めることができる。つまり、被検出光である短波長光を受光部で透過させつつ効率的に検出することができる。この際、電流検出手段によって受光部で発生した光電子を電流として検出するので、被検出光の強度を簡易かつ精密に検出することができる。また、被検出光すなわち短波長光の光軸に揺らぎがある場合であっても、検出される光電流の変動を低減することができる。さらに、金属メッシュの場合のような照射パターンが生じにくく、短波長光による均一な照明が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光検出器の構成を説明する図である。
【図２】図１に示す検出器本体２０の断面構造を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は、図２に示す検出器本体の製造工程を示す図である。
【図４】（ａ）は、図２の自立導電薄膜に入射する被検出光のエネルギーと電流計で検出される電流との関係を説明するグラフであり、（ｂ）は、図２の自立導電薄膜に入射する被検出光のエネルギーと被検出光の強度との関係を説明するグラフである。
【図５】第２実施形態に係る光検出器を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係る光検出器を説明する図である。
【図７】図１に示す光検出器等を組み込んだＸ線露光装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０ 光検出器
２０,１２０,２２０ 検出器本体
２１ 自立導電薄膜
２３ 支持枠
３０ 電流計
３１ 配線
４１ 各金属膜
４１ 金属膜
４３ 絶縁膜
４５ 枠本体
ＤＬ 被検出光
Claims (9)
- 自立導電薄膜を有する受光部と、
被検出光が前記受光部を透過する際に当該受光部から放出される光電子を電流として検出する電流検出手段と
を備える光検出器。 - 前記受光部は、前記自立導電薄膜を周囲から支持するとともに当該自立導電薄膜を周囲から絶縁する支持枠をさらに備える請求項１記載の光検出器。
- 前記自立導電薄膜は、金属膜である請求項１及び請求項２のいずれか記載の光検出器。
- 前記受光部は、上面に絶縁層を形成したＳｉ基板を所定領域で裏面から除去することによって前記絶縁層からなる絶縁体メンブレンを形成し、当該絶縁体メンブレン上に金属層を形成した後に、所定領域で前記絶縁体メンブレンを除去することによって形成される請求項３記載の光検出器。
- 前記金属膜は、２種以上の金属からなる多層金属薄膜である請求項３及び請求項４のいずれか記載の光検出器。
- 前記多層金属薄膜は、Ｔｉ／Ｚｒ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である請求項５記載の光検出器。
- 前記多層金属薄膜は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉの３層構造を含む３層以上の構成である請求項５記載の光検出器。
- 前記所定領域は、複数の部分領域からなり、前記受光部は、当該複数の部分領域ごとに複数設けられている請求項４記載の光検出器。
- 請求項１から請求項８記載の光検出器を備える半導体露光装置。
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