JP2005534183A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、小型もしくは携帯型の、および／または使い捨ての、高エネルギー輻射光学系を必要とする実験室環境またはその他の実施用途の縮小多箔型オブジェクトを提供する。具体的には、本発明は、Ｘ線もしくはＥＵＶリソグラフィ等の高エネルギーリソグラフィックシステムにおいてコンデンサ光学系として、またはトポグラフィックシステムにおいて、有用性を発揮する。リソグラフィックシステムにおいて、本発明は、優れた対称性、開口サイズ、および可処分性を実現する。それに加えて、本発明の多箔型光学系は、多くの用途において有益な高いスループット効率を提供する。

Description

発明の分野

本発明はＸ線等の高エネルギー輻射の撮像に関する。より詳細には、本発明は高エネルギー輻射実験室用途の多箔型光学デバイスに関する。

発明の背景

Ｘ線輻射、および極紫外線（ＥＵＶ）輻射等のその他の高エネルギー輻射は、可視光に関連するもののような一般的に発生する電磁輻射とは異なる挙動を示す。例えば、Ｘ線輻射の封じ込め、ならびに／またはＸ線および他の種類の高エネルギー輻射の集束は、可視光の場合よりもはるかに困難である。Ｘ線およびその他種類の高エネルギー輻射を利用する用途においては、特別な注意を払わねばならない。例えば、Ｘ線撮像システムは、Ｘ線が物質と相互作用するその態様のため、設計が特に困難である。

一般に、いかなる素材に対しても、垂直に入射するＸ線の大部分は反射されるよりもむしろ吸収される。そのため、可視波長に関する光学撮像システムに使用される通常の入射鏡は、Ｘ線撮像システムには有用でない。更なる難点は、あらゆる素材に対して、Ｘ線波長輻射の屈折率（ｎ）が略１であることである。そのため、レンズを使用する標準的な光学撮像システム等の、素子が充分薄くＸ線を透過するどのような屈折撮像システムも、焦点距離が極めて長く、実験室用途には実施できない。

しかしながら、多くの素材はＸ線波長での屈折率が１未満である。例えば、Ｘ線波長での屈折率は、多くの素材について、下記の数式１のように定義される複素数として表せる：
ｎ＝１−ｄ−ｉｂ （１）
ここで、ｄは素材による吸収を表し、ｂは素材による位相ずれを表し、両者は共に入射Ｘ線の波長に依存する。従って、上記数式１を参照して分かるように、ｄが０より大きくかつｂが略０であるならば、屈折率（ｎ）は１未満である。この特性のため、特定の入射角については、屈折率が単位元（すなわちｎ＝１）である真空等の媒体中で移動しているＸ線を、「全外反射（ｔｏｔａｌ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）」させることが可能である。全外反射は、スネルの法則により決定され、一般的に可視波長光に関連する「全反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）」に相当するものである。

Ｘ線が、屈折率が１の真空から上記数式１で定義したように屈折率が１未満の素材へ移動する際に全外反射されるためには、幾つかの条件が満たされなければならない。これらの条件はスネルの法則によって定義されており、それによれば、Ｘ線が角度θについて全外反射されるのは以下の場合である：
θ＜θ_Ｃ （２）
かつ
ｃｏｓθ_Ｃ＝１−ｄ （３）
ここで、ｄはＸ線が入射する素材のＸ線波長での屈折率に関連する素材パラメータであり、θ_Ｃは全外反射の臨界角である。また、臨界角は下記の数式４によって近似値を求めてもよい：
θ_Ｃ≒（２ｄ）^１／２ （４）

屈折率（ｎ）のパラメータｄは、原子番号（Ｚ）に比例する。従って、臨界角θ_Ｃも本質的に、Ｘ線が入射する素材の原子番号に比例する。そのため、原子番号が高い素材は、原子番号が低い素材よりも効率的にＸ線を反射する（すなわち、原子番号Ｚが高い素材ほど、臨界角θ_Ｃが大きい）。例えば、金およびニッケルが、Ｘ線用の反射素材として一般的に使用されている。これらの素子に入射するＸ線の臨界角θ_Ｃは、Ｘ線のエネルギーが略１ｋｅＶの場合、約１°である。そのため、上記数式２および３により（ならびにスネルの法則に基づいて）、エネルギーが１ｋｅＶのＸ線は、入射角が１°未満である限り、全外反射されるだろう。従って、上記から、Ｘ線を反射させるのに使用されるどのようなシステムも、必然的に、Ｘ線と反射素材との間の小さな入射角を利用するものであろう。

Ｘ線光学系の数多くの利点が天文学分野にもたらされている。天文学者は、大型望遠鏡を使用して天体ソースからのＸ線輻射を撮像する様々な手法を用いてきた。例えば、天体望遠鏡においてＸ線を集束させる１つの方法として、適正な角度に設定された非平行で平坦な金属箔のセットの利用により、入射するＸ線輻射を集束させて適正な撮像を行うものが提案されている。このＸ線撮像の１つの特定タイプは、自然界に生息するロブスターの目の構造に因んで名付けられた「ロブスターアイ状」光学系として知られている。ロブスターアイ状光学系の詳細な検討は、米国メリーランド州グリーンベルト市にあるゴダード宇宙飛行センターの高エネルギー宇宙物理学研究所から入手可能な、Ａ．Ｇ．Ｐｅｅｌｅ著、コード６６２、次世代Ｘ線全天モニタの適用方法（Instrumentation for a Next-Generation X-Ray All-Sky Monitor）に記載されている。

望遠鏡等の天文装置で使用されるＸ線光学系は、通常約０．０２７ｍ^３オーダーの大型アセンブリが典型的である。かかる大型光学デバイスは、微弱で距離のあるソースから最大限可能な輻射を収集するのに役立つ。かかる大型デバイスは、天文学的用途で宇宙空間において操作が容易で理想的な一方、地球上ではいかなるタイプの実験室用途でも扱い辛く使用が困難である。また、宇宙から地球へ到達するＸ線は地表面に対してほぼ垂直なので、発散を制御、すなわち各箔間の間隔を最小化する必要性はそれほどない。しかしながら、かかる天文装置の性能が、実験室用途において有用であり得る。

そのため、実験室用途において用いられるＸ線およびその他の高エネルギー輻射のための、かかる収集光学系の縮小版の製作が望ましいだろう。これらの実験室用サイズの縮小収集光学系は、より大型の光学系で一般的な扱い辛いサイズでないにもかかわらず、より大型の天体光学系と同様の性能上の利点を示すはずである。

その他の光学デバイスは、全体サイズの縮小、および特に各素子間の間隔の縮小から利するところがあるだろう。例えば、ソラースリット等の視準装置では、各視準ブレードを薄くし、各ブレード間の間隔を狭くするのが望ましい。

発明の概要

よって、本発明は、実験室用途用に構成された光学デバイスによって上述の目的を達成するものである。本発明の光学デバイスは、縮小規模での光学系の製作に関連する困難を克服するものである。具体的には、本発明の光学デバイスの各素子の位置を高精度で間隔取りし、厳密に制御することによって、実験室環境におけるＸ線およびその他の高エネルギー輻射の集束が必要な用途をサポートできる。

一実施の形態によれば、本発明は、Ｘ線またはＥＵＶリソグラフィシステムにおいて第１光学系として使用可能な、効率的な収集光学系を提供する。本発明のこの実施の形態は、リソグラフィ等の実験室用途において望ましい大きな光学開口と高い効率性とを共に提供する点で有益な、多箔型光学系である。それに加えて、多箔型光学系は、リソグラフィおよびその他の用途で有益な平方対称性を示す。

本発明の上述の特長、およびそれらにより達成される利点を、添付の図面に示す特定の実施の形態を参照して、以下でより詳細に説明する。

本発明の詳細な説明

本発明の根幹をなす原理の理解を容易にするため、本発明を、Ｘ線リソグラフィに関連するその実装例を特に参照して、以下に説明する。だが、本発明の実施用途が、この特定の実施の形態に限定されないことは言うまでもない。むしろ、本発明は、実験室環境用の効率的なＸ線またはその他の高エネルギー光学系が要求される各種の異なる用途において、有用性を発揮するだろう。

図１は、Ｘ線輻射５０を集束させるための基本的なロブスターアイ状光学システムを示す。ミラープレート６０のロブスターアイ状アレイは、第１円の外弧７０に対して垂直な幾つかの平面６２を提供して、Ｘ線輻射５０を検出器表面８０上の点８２に集束させる。これは、第１円と同心の第２円の弧として図示されている。図１では一次元のロブスターアイ状光学装置のみ示したが、ロブスターアイ状光学系は二次元光学デバイスとして適したものであるのが好ましいことが、当業者には理解されよう。かかる場合には、ミラー面６２の第２セットが、第１セットに対して実質的に直角に設けられる。

このタイプのＸ線光学系は、平面から臨界角θ_Ｃより小さい角度で入射する各Ｘ線の全外反射に基づいている。Ｘ線トポグラフィシステムの一部を形成するロブスターアイ状光学系の一例は、同一出願人により２００１年１２月７日に出願され、「Ｘ線トポグラフィックシステム（Ｘ−Ｒａｙ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ）」と題された、Ｂｏｗｅｎ他の米国特許出願第１０／００４，７８５号に記載されている。

かかるロブスターアイ状光学系には天体望遠鏡における使用が提案されているが、これらの光学系は、約０．０２７ｍ^３の大型アセンブリが典型的である。かかる大型光学系は、宇宙環境における使用および操作は容易であるが、いかなる実験室用途での使用、すなわち地球上の実験室環境における使用は困難である。

しかしながら、本発明の一実施の形態によれば、かかるロブスターアイ状光学系の、大きさ約１２５ｍｍ^３の縮小版が提供される。本発明によれば、かかる小規模の多箔型光学系を適正に作動させるためには、測定、間隔、および生産品質の全てを厳重に監視し、小さな許容誤差内に維持しなければならない。臨界角θ_Ｃが比較的小さいことから明白なように、光学反射素子の配置精度は極めて重要で、１°をはるかに下回るように制御しなければならない。例えば、本発明の一実施の形態によれば、反射素子すなわちプレート６０の配置は、リソグラフィ用途では約０．０１°以内で制御しなければならない。結晶光学用途では、本発明の実施の形態によれば、反射素子６０の配置を約０．００２°以内で制御しなければならない。

光学反射素子６０のこのような高精度の位置決めを達成するには、改良した測角器等のマイクロ位置決め装置を使用してもよい。従来、結晶角度の測定に使用していたこの装置を改良して、箔の位置を測定できる。

光学素子６０の高精度な配置に加えて、全ての反射平面６２にコーティングを施してそれらの反射率を高めるべきである。典型的なコーティング材には、金、プラチナ、およびガラスが含まれる。これらの表面６２のそれぞれに高反射性のコーティングを施して、Ｘ線輻射５０を適正に反射させなければならない。コーティングは、金属もしくはガラスのどちらか、またはその他の高光沢の反射コーティングでもよい。反射面を形成する箔の粗度は、本発明の一実施の形態によれば、３オングストローム以下であるのが好ましい。また、箔のうねりも小さくなければならず、リソグラフィ用途では０．０５°未満、結晶光学系では０．００２°未満の傾斜誤差でなければならない。

薄箔は、ガラスまたは雲母等の低密度素材から製造できることが知られている。従来、Ｘ線の吸収を防止するためには高密度素材が必要と考えられていた。しかしながら、密度６ｇ／ｃｍ^３未満の低密度素材から作られる箔が、より薄く、より長く、箔を歪曲させずに作れるようになった。箔の厚さ（ｗ）は５から３００ミクロンの範囲にあることができる。各箔間の間隔（ｄ）の減少は、入射角が臨界角未満になることを意味する。

各箔間の間隔（ｄ）は、箔をそれぞれ高精度で位置決めし、そして固定手段を用いて間隔（ｄ）を固定することによって、狭くできる。この固定手段は、エポキシ等の適切な接着剤を使用した箔の接合を含み得る。接合材は、Ｘ線を透過するものとすべきである。

多箔型光学系は、本発明の実施の形態によれば、実験室用途において多くの使用目的に適うという点で有益なはずだが、手頃なサイズの実験室用途用多箔型光学系が開発されていないため、その点は今のところ未知の領域である。しかしながら、多箔型光学系は、ＥＵＶまたはＸ線リソグラフィ等の高エネルギー輻射リソグラフィ用システムにおいて第１光学系として使用可能な、効率的な集光系を提供する。この一因には、多箔型光学系が、大きな開口および高いスループット効率を提供することがある。それに加えて、かかる縮小多箔型光学系は、例えば、大きな反射面を有する天体望遠鏡またはその他の装置において必要であろう長さに渡って、その反射面が均一である必要はないので、有益である。

図２は、多箔型光学系を利用可能な、基本的な高エネルギー輻射リソグラフィックシステム２０のブロック図である。図２において、ソース２２がエネルギービームを提供し、エネルギービームはコンデンサ光学系２４によってリソグラフィックマスク２６上に集束される。マスク２６は、例えば半導体ウェハ等の試料上に焼き付けられるのが望ましいパターンである。マスク２６を透過したエネルギーは、第２セットの光学系２８によって試料３０上に集束され、そこに所望のパターンを形成する。高エネルギー輻射すなわちＸ線リソグラフィは、特定の試料３０上に焼き付けできるフィーチャサイズを小さくするので、一般に望ましい。そのため、従来のリソグラフィックシステムで可能であろうよりも数多くのトランジスタを、Ｘ線リソグラフィを用いて例えば半導体ウェハ上に焼き付けでき、より効率的な電子デバイスの製造に一役買っている。

図２において、コンデンサ光学系２４は、多箔型光学系と、ビームを更に調整するための別の光学系（例えば、ポリキャピラリ光学系他）とを備えるハイブリッド光学系で置き換えてもよい。図２に示すシステム等のリソグラフィシステムにおいて多箔型光学系を利用することにより、幾つかの利点が得られる。まず、多箔型光学系の開口を、かかるシステムで従来用いられている開口よりも大きくできる。例えば、従来のシステムでは略２０ｍｍ×２０ｍｍの開口サイズを得られる一方、本発明では約５０ｍｍ×５０ｍｍの開口サイズを提供できる。

それに加えて、多箔型光学系は自然な平方対称性を示す。リソグラフィにおける平方対称性は、マスクおよび試料共に正方形の形状寸法であることが多く、かかるシステムにおける撮像に多箔型光学系が一層適するようになるため、有益である。その上、本発明の多箔型光学系の角度範囲は、各プレート上に多層コーティングを施すことにより、容易に拡張できる。

図２に示すシステム等の高エネルギーリソグラフィックシステムにおいて本発明を利用する別の利点は、コンデンサ光学系の汚染に関連する問題を回避できることである。コンデンサ光学系は通常高価なものであり、そのため、本発明は、使い捨てであることが利点になる。例えば、Ｘ線リソグラフィにおいて、図２に示すソース２２等のＸ線ソースは一般に、コンデンサ光学系２４を汚染する汚れたソースである。例えば、ソースは、銅箔等の金属箔に達してそれを気化させ、多価イオンプラズマを発生させるレーザを備え得る。これらのイオンが、システムで使用されるＸ線を発生させる。この気化プロセスで、高エネルギーリソグラフィックシステムのコンデンサ光学系２４を汚染するスパッタが発生する。しかしながら、本発明の多箔型光学系はより安価なため、汚染した場合は処分し、別の多箔型光学系と取り替えることができる。

多箔型光学系の更なる利点は、使用される高エネルギー輻射のスループット効率が高いことである。例えば、図２に示すシステム等の高エネルギーリソグラフィックシステムでは、例えば、本発明の多箔型光学系は、かかるシステムで使用されるほとんどの従来コンデンサ光学系２４よりも高いスループット効率を提供する。従来の回転楕円面は、例えば、中心に穴の開いた環状ビームをもたらすが、これは多くの用途で非常に不都合である。ポリキャピラリ光学系は、回転楕円面に関連するビームの問題を回避しているものの、大きなサイズでは効率性を失い、最大半頂角はわずか６°である。多箔型光学系は、回転楕円面およびポリキャピラリ光学系の両者よりもはるかに高いスループット効率を提供すると共に、ポリキャピラリデバイスの少なくとも３倍の透過効率を達成しつつ、かかるデバイスに関連する最大半頂角（すなわち開口角）を少なくとも２倍にできるはずである。

以上から、本発明は、Ｘ線等の高エネルギー輻射の集束を要求する実験室用途における使用に好都合な、光学デバイスを提供することが分かる。本発明を利用可能なかかる実験室用途の１つには、高エネルギーすなわちＸ線リソグラフィ用途がある。かかる用途において、本発明は優れた対称性、効率性、および開口サイズを実現し、ならびに使い捨てであるため、汚染された高価なコンデンサ光学系を再使用する必要がない。

本発明は、その精神および本質的特徴から逸脱することなく、その他の特定形態で実施できることが当業者には理解されよう。一例として、Ｘ線およびその他の高エネルギーリソグラフィを参照して本発明の例示的実施の形態を説明したが、本発明の原理は、Ｘ線またはその他の高エネルギー輻射を集束させるための、縮小型使い捨て多箔型オブジェクトを用いるのが望ましい、全用途に適用できる。また、本発明はソーラスリット等の視準装置にも適用できる。本発明によるソーラスリットを図３に示す。図中、ソーラスリットにより、輻射５０が各プレート６０と実質的に平行になって検出器８０に到達していることが分かる。しかしながら、プレート６０の表面６２は無反射で、発散する輻射５０がソーラスリットを通過することはない。そのため、輻射５０は視準される。

本明細書で開示された実施の形態は、従って、あらゆる点において例示的であって、限定的ではないと解釈されるものである。本発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、それらの意味および均等物の範囲に該当する全ての変更に及ぶことを意図するものである。

本発明の一実施の形態によるロブスターアイ状多箔型光学系の概略図である。 本発明を利用可能なリソグラフィックシステムのブロック図である。 本発明の一実施の形態によるソラースリットの概略図である。

Claims (18)

1. 光学デバイスであって、
   高エネルギー輻射ソースからの高エネルギー輻射の全外反射、または視準のどちらかを行うよう位置決めされる複数の平面を提供する複数のプレートを備え、
   前記複数のプレートは、前記複数の平面によって反射された、もしくは視準された、高エネルギー輻射を受けるよう位置決めされる検出器の前、または前記輻射ソースの後のどちらかに配置されており、
   前記複数の平面は非平行である、光学デバイス。
2. 前記ソースまたは前記検出器のどちらかが弓形面を成し、そして前記複数の平面がそれぞれ前記弓形面に対して実質的に垂直である、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記高エネルギー輻射がＸ線輻射を含む、請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記高エネルギー輻射が極紫外線（ＥＵＶ）輻射を含む、請求項１または２に記載の光学デバイス。
5. 更に、前記複数のプレートの位置を互いに固定するための固定手段を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. 前記固定手段が前記高エネルギー輻射に対して透過性を持つ、請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記複数のプレートがコーティング材を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記複数のプレートが密度６ｇ／ｃｍ^３未満の素材から形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
9. 前記固定手段が接着剤を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学デバイス。
10. 更に、前記複数のプレートを互いに位置決めするための位置決め装置を備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
11. 前記光学デバイスが多箔型光学系である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学デバイス。
12. 前記光学デバイスがソラースリットである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学デバイス。
13. 高エネルギー輻射リソグラフィを行うための方法であって、
    高エネルギー輻射ソースから高エネルギー輻射を受けるステップと、
    前記高エネルギー輻射ソースからの前記高エネルギー輻射を、光学デバイスを用いて集束させるステップと、
    前記光学デバイスからの前記集束された高エネルギー輻射を、リソグラフィックマスクを介してリソグラフィック試料上で受けるステップと、を含む方法。
14. 前記高エネルギー輻射がＸ線輻射を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記高エネルギー輻射が極紫外線（ＥＵＶ）輻射を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 高エネルギーリソグラフィックシステムであって、
    高エネルギーソースと、
    前記高エネルギーソースからの高エネルギー輻射を集束させるための光学デバイスと、
    前記光学デバイスから集束された高エネルギー輻射を受けるマスクと、
    前記マスクを通過してくる前記高エネルギー輻射によって前記マスクのパターンが焼き付けられる試料と、を備える高エネルギーリソグラフィックシステム。
17. 前記高エネルギー輻射がＸ線輻射を含む、請求項１６に記載の高エネルギーリソグラフィックシステム。
18. 前記高エネルギー輻射が極紫外線（ＥＵＶ）輻射を含む、請求項１６に記載の高エネルギーリソグラフィックシステム。

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