JP2007225841A - 偏光子 - Google Patents

Abstract

【課題】深紫外領域の照明光を偏光させることができる薄型の偏光子を提供する。
【解決手段】紫外領域の照明光１を偏光させるための偏光子１０であって、異方性光学結晶材料である方解石が入射方向に対して厚さｄに形成されてなり、異方性光学結晶材料には、深紫外領域において異常光線と常光線の吸収係数（αｅ，αｏ）に所定の差を生じる光学材料が選択された。異方性光学結晶材料は、深紫外領域に吸収端を有し、吸収端付近の異方性吸収により異常光線と常光線の吸収係数に所定の差を生じるものが選択された。
【選択図】図４

Description

本発明は、偏光子に係り、特に深紫外領域の照明光を偏光するための偏光子に関する。

近年、半導体露光装置の分野では、微細パターンの解像度を向上させるため、露光波長の短波長化が進められており、例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザや波長１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザを用いた露光装置が開発されている。このような深紫外領域の照明光を用いる露光装置のマスク部や対物レンズの前後等に偏光子を配置する場合、偏光子は薄型で高開口である必要がある。
一般に偏光子は、プリズム型の偏光子（グラントムソン型，グランテーラ型，ローションプリズム型等）と、プレート型の偏光子（２色性偏光子，複屈折型，ワイヤーグリッド型）とに大別される。プリズム型の偏光子は、偏光性能が高いが、入射光の入射角が制限されると共に厚みが大きくなるため、上記偏光子として採用することができない。

これに対して、プレート型の偏光子は、一般に偏光性能はプリズム型に劣るものの、薄く形成することができると共に、入射光の制限も小さい（斜め入射も可能）等の利点があるため、上記偏光子に適している。
短波長用のプレート型の偏光子は、例えば特許文献１で紫外線偏光フィルムとして提案されているが、この偏光フィルムは波長２５０ｎｍ以上の照明光に適用されるものであり、深紫外領域の照明光に用いることはできなかった。

特開２００１−９１７３７号公報

本発明の目的は、上記問題に鑑み、深紫外領域の照明光を偏光させることができる薄型の偏光子を提供するものである。

前記課題は、本発明によれば、紫外領域の入射光を偏光させるための偏光子であって、異方性光学結晶材料が入射方向に対して所定厚さに形成されてなり、前記異方性光学結晶材料には、深紫外領域において異常光線と常光線の吸収係数に所定の差を生じる光学材料が選択されることより解決される。

このように、深紫外領域において異常光線と常光線の吸収係数に所定の差が生じる異方性光学結晶を所定厚さに形成することにより、深紫外領域の入射光を入射したときに、異常光線と常光線のうち吸収係数が大きい方を入射後に吸収させ、吸収係数が小さい方を所定の透過率で透過させることができる。これにより、深紫外領域の入射光を偏光させるための偏光子を、光学結晶材料にて薄型に形成することが可能となる。

また、前記異方性光学結晶材料は、深紫外領域に吸収端を有する光学材料が選択され、吸収端付近の異方性吸収により異常光線と常光線の吸収係数に所定の差を生じることを利用することができる。

また、異常光の吸収係数をαｅ，常光の吸収係数をαｏとしたときに、消光比Ｅ，透過光透過率Ｔ，入射方向厚さｄが、（ａ）αｅ＜αｏの場合： Ｅ／｛１０・（αｏ−αｅ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｅ）、（ｂ）αｅ＞αｏの場合： Ｅ／｛１０・（αｅ−αｏ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｏ）、（ただし、ｅは自然対数の底を表わす）の関係を満たすと好適である。このように消光比Ｅおよび透過光透過率Ｔを設定することにより、所定波長において偏光子の入射方向厚さを決定することができる。

また、前記異方性光学結晶材料は、その吸収軸が入射面と略平行に設定されると好適である。このように設定すると、入射光が効果的に吸収されるので消光比および透過光透過率の大きな偏光子を得ることができる。
また、具体的には、前記異方性光学結晶材料として方解石を用いることができる。

本発明によれば、異方性光学結晶材料の吸収端付近における異方性吸収を利用することにより、深紫外領域の照明光を偏光させることができる偏光子を極めて薄型に形成することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する構成、手順等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
図１〜図６は本発明の一実施形態に係るものであり、図１は偏光子の説明図、図２は方解石の屈折率および吸収係数と波長との関係を示すグラフ、図３は図２の一部を拡大したグラフ、図４は方解石で形成した偏光子の０．１９３μｍにおける透過光透過率および消光比と厚さとの関係を示すグラフ、図５は方解石で形成した偏光子の０．１５７μｍにおける透過光透過率および消光比と厚さとの関係を示すグラフ、図６は偏光子を方解石で厚さ６０μｍに形成した場合の透過光透過率と波長との関係を示すグラフである。図７は改変例に係る偏光子の説明図である。

本例の偏光子１０は、異方性光学結晶材料を薄型に形成したプレート型偏光子である。詳しくは、本例の偏光子１０は、図１に示すように異方性光学結晶材料である方解石（ＣａＣＯ_３）を照明光１の入射方向に厚さｄに形成したものであり、照明光１の入射面１０ａに沿って略平行にその吸収軸１０ｂが設定されている。吸収軸１０ｂは、吸収係数の大きい方向の結晶軸である。すなわち、吸収軸１０ｂは、入射面１０ａに対して垂直に設定された偏光子１０の光軸に対して、略垂直に設定されている。
次述のように、本例の偏光子１０では、照明光１の常光線，異常光線のうち、常光線は吸収され、異常光線のみが略透過可能となっている。

図２は方解石の屈折率ｎおよび吸収係数Ｋと波長との関係を示している。グラフ中、Ｅｏは常光屈折率，Ｅｅは異常光屈折率，Ｆｏは常光吸収係数，Ｆｅは異常光吸収係数の波長に対する変化を表わしている。また、図３は図２の横軸（波長）および縦軸（吸収係数）を拡大したものである。なお、図２，図３で示した吸収係数Ｋは、いわゆる物質の吸収係数αと以下の関係にある。
［数１］
α＝Ｋ・４π／λ（ただし、λは波長）

方解石は、可視光領域では常光吸収係数，異常光吸収係数が略同一の値をとるが、図２，図３から分かるように、吸収係数が不連続に急激に大きな値をとるように変化する波長である吸収端付近では顕著な異方性吸収を示して、これらの係数に大きな差が生じる。このように深紫外領域（ここでは、０．２０μｍ以下の紫外領域とする）においては、方解石は常光吸収係数の方が異常光吸収係数よりも大きく、異常光線よりも常光線の方が吸収され易いことが分かる。
ここで、常光線の吸収係数をαｏ，異常光線の吸収係数をαｅとしたとき、一般に方解石に限らず異方性結晶材料で偏光子１０を形成した場合の透過光透過率Ｔ，消光比Ｅ（ｄＢ），厚さｄの関係は以下のようになる。ただし、透過光透過率Ｔは０〜１の値，消光比Ｅは０を含む正の値，ｅは自然対数の底である。
［数２］
αｅ＜αｏの場合
Ｅ／｛１０・（αｏ−αｅ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｅ）
［数３］
αｅ＞αｏの場合
Ｅ／｛１０・（αｅ−αｏ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｏ）

例えば、透過光透過率Ｔが１０％以上（Ｔ≧０．１）、消光比Ｅが１０（ｄＢ）以上（Ｅ≧１０）であれば、実用上、偏光子として利用可能であるから、これらの値を代入すると［数２］，［数３］は以下のようになる。
［数４］
αｅ＜αｏの場合
１／｛（αｏ−αｅ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（０．１）／（−αｅ）
［数５］
αｅ＞αｏの場合
１／｛（αｅ−αｏ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（０．１）／（−αｏ）

方解石の場合は、αｅ＜αｏであるから［数２］，［数４］が適用される。図４，図５に、それぞれ［数２］に基づいて算出した波長０．１９３（μｍ），０．１５７（μｍ）における透過光透過率Ｔおよび消光比Ｅと厚さｄとの関係を示す。
なお、図４，図５では透過光透過率Ｔをパーセント表示しており、消光比Ｅは負の値をとるように表示している（絶対値としては同じ）。消光比Ｅは縦軸の下側ほど高性能となる。

図４では曲線Ｇｅ，Ｇｏがそれぞれ異常光線，常光線の透過光透過率Ｔを示しており、曲線Ｈが消光比Ｅを示している。また、図５では曲線Ｉｅ，Ｉｏがそれぞれ異常光線，常光線の透過光透過率Ｔを示しており、曲線Ｊが消光比Ｅを示している。
［数２］によれば、所望の透過光透過率Ｔ，消光比Ｅを設定した場合に、曲線Ｇｅよりも縦軸において上側かつ曲線Ｈよりも縦軸において下側となる厚さｄの範囲が決定され、曲線Ｉｅよりも縦軸において上側かつ曲線Ｊよりも縦軸において下側となる厚さｄの範囲が決定される。すなわち、透過光透過率Ｔを設定することにより厚さｄの下限値が決定され、消光比Ｅを設定することにより厚さｄの上限値が決定される。

偏光子１０を波長０．１９３（μｍ）用に方解石で形成した場合について述べる。方解石の波長０．１９３（μｍ）におけるαｅは０．０２６０４（１／μｍ），αｏは０．１０４１８（１／μｍ）であり、これらを［数４］に代入すると以下のようになる。
［数６］
２９．５（μｍ）＜ｄ＜８８．４（μｍ）

［数６］で表される厚さｄの範囲を図４では範囲ａで示している。すなわち、厚さｄが範囲ａ内にあれば、透過光透過率Ｔを１０％以上、消光比Ｅを１０ｄＢ以上確保することができる。そして、範囲ａ内で厚さｄを設定した場合、偏光子１０を十分薄く形成することができることが分かる。
したがって、本例の偏光子１０を形成するには、まず、偏光子１０に偏光させる深紫外領域の照明光１の波長を設定すると共に、所望の透過光透過率Ｔ，消光比Ｅを設定する。これら設定した透過光透過率Ｔ，消光比Ｅと、選択した異方性光学結晶の設定波長における吸収係数αｏ，αｅを、吸収係数の大小に応じて［数２］または［数３］に代入することにより、厚さｄの範囲を決定する。
さらに、決定された厚さｄの範囲から適宜に厚さを決定し、この決定した厚さとなるように異方性光学結晶を研磨する。このとき、吸収軸を入射面と略平行となるように設定する。このようにして、偏光子１０を形成することができる。

図６に偏光子１０の厚さｄを６０（μｍ）としたときの常光線および異常光線の分光透過率を示す。曲線Ｋｏは常光線，曲線Ｋｅは異常光線の分光透過率を示している。このように厚さｄを６０（μｍ）としたときには、例えば、波長０．２２０（μｍ）では異常光線の透過率は常光線の透過率の１．１倍程度であるが、波長０．１９３（μｍ）では１０倍以上となっている。すなわち、吸収端よりも可視光領域側の波長０．２２０（μｍ）では消光比Ｅを十分な程度に確保することができないが、吸収端付近の波長０．１９３（μｍ）では消光比Ｅを十分な程度に確保することができることが分かる。
なお、図４から厚さｄを６０（μｍ）とした場合、波長０．１９３（μｍ）のときの消光比Ｅは、２０ｄＢ程度である。

このように本例の偏光子１０では、異方性光学結晶材料として方解石を用いており、吸収端付近での特定の波長範囲で常光線と異常光線の吸収係数が異なることを利用して偏光させている。そして、その際、透過光透過率Ｔと消光比Ｅとを設定することによって厚さｄの範囲が決定される。換言すれば、厚さｄを制御することによって透過光透過率Ｔと消光比Ｅを設定できる。
なお、本例では、偏光子１０を構成する異方性光学結晶材料として、波長０．１９３（μｍ）付近で異方性吸収を示す方解石を用いた例を示したが、これに限らず、異方性光学結晶材料として、例えば波長０．１９３（μｍ）付近ではＢＢＯ（ＢａＢ_２Ｏ_４）を用いてもよい。また、波長０．１５７（μｍ）付近では方解石の他、水晶（α‐ＳｉＯ_２），Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７，ＬｉＢ_３Ｏ_５，サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いてもよい。

なお、上記実施形態では、偏光子１０は、照明光１の入射面１０ａに沿って略平行にその吸収軸１０ｂが設定されていたが、これに限らず、図７（Ａ）に示すように入射面１０ａに対して傾けて設定してもよい。すなわち、図７（Ａ）の例では、吸収軸１０ｂは光軸と傾斜角度θをなす方向に設定されており、図１は傾斜角度θ＝９０°に設定された例に相当する。
このように吸収軸１０ｂが入射面１０ａに対して傾けて設定されている場合、常光吸収係数αｏは傾斜角度θに依存しないが、異常光吸収係数αｅは傾斜角度θに依存する。傾斜角度θのときの異常光吸収係数をαｅ（θ）と表記する。なお、傾斜角度θ＝９０°のときは異常光吸収係数αｅ（９０°）となるが、このときに最も効果的に吸収が行われる。

しかしながら、傾斜角度θが９０°に設定されていない場合であっても、実用上は影響の程度はごく小さい。このことを示すために図７（Ｂ）に示すように、図１の例と同様に吸収軸１０ｂが入射面１０ａと略平行に設定されている偏光子１０に、入射角θ_０で照明光１を入射させて擬似的に吸収軸１０ｂを傾けた状況とし、この場合の透過光透過率および消光比を測定した。
この測定例では、方解石を厚さｄ（＝６０μｍ）に形成した偏光子１０に、波長λ（＝１９３ｎｍ）の照明光１を入射角θ_０（θ_０＝０°，２０°）で入射させた。この結果を［表１］に示す。

このように、入射角θ_０を０°，２０°とした場合でも、常光透過率，異常光透過率，消光比はほとんど変化がない。したがって、図７（Ａ）のように吸収軸１０ｂが入射面１０ａと平行に設定されておらず、吸収軸１０ｂに対して照明光１が垂直方向から入射しなかった場合でも、透過光透過率および消光比には実質上ほとんど影響がないことが分かる。このことは、本例の偏光子１０が高開口性を有することを意味しており、図１の例のように吸収軸１０ｂが入射面１０ａと平行に設定されている場合に、照明光１が入射角θ_０で入射しても必要な透過光透過率および消光比を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る偏光子の説明図である。 方解石の屈折率および吸収係数と波長との関係を示すグラフである。 図２の一部を拡大したグラフである。 方解石で形成した偏光子の０．１９３μｍにおける透過光透過率および消光比と厚さとの関係を示すグラフである。 方解石で形成した偏光子の０．１５７μｍにおける透過光透過率および消光比と厚さとの関係を示すグラフである。 偏光子を方解石で厚さ６０μｍに形成した場合の透過光透過率と波長との関係を示すグラフである。 改変例に係る偏光子の説明図である。

符号の説明

１・・照明光
１０・・偏光子
１０ａ・・入射面
１０ｂ・・吸収軸

Claims (5)

1. 紫外領域の入射光を偏光させるための偏光子であって、
   異方性光学結晶材料が入射方向に対して所定厚さに形成されてなり、
   前記異方性光学結晶材料には、深紫外領域において異常光線と常光線の吸収係数に所定の差を生じる光学材料が選択されたことを特徴とする偏光子。
2. 前記異方性光学結晶材料は、深紫外領域に吸収端を有する光学材料が選択され、吸収端付近の異方性吸収により異常光線と常光線の吸収係数に所定の差を生じることを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
3. 異常光線の吸収係数をαｅ，常光線の吸収係数をαｏとしたときに、消光比Ｅ，透過光透過率Ｔ，入射方向厚さｄが、
   （ａ）αｅ＜αｏの場合：
   Ｅ／｛１０・（αｏ−αｅ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｅ）、
   （ｂ）αｅ＞αｏの場合：
   Ｅ／｛１０・（αｅ−αｏ）・ｌｏｇ（ｅ）｝＜ｄ＜ｌｎ（Ｔ）／（−αｏ）、
   （ただし、ｅは自然対数の底を表わす）
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
4. 前記異方性光学結晶材料は、その吸収軸が入射面と略平行に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
5. 前記異方性光学結晶材料として方解石を用いたことを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
   

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