JP4213536B2 - 高次高調波エックス線発生装置及びその発生方法、並びに高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、高次高調波エックス線発生装置並びにその方法及び高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置に関するものである。より詳細には、干渉性が優秀な高次高調波エックス線光源を発生させ、これを利用した超紫外線リソグラフィー用光学系の表面品質を検査できるエックス線干渉計測装置に関するものである。

干渉計は、同じ光源から出た光を適当な方法で二つまたはそれ以上の光行路に分けて、それを重ねて干渉させてその干渉縞を観測する装置のことである。干渉計は、主に波長の測定、長さまたは距離の情密な比較、光学的距離の比較等に主に利用されてきたが、最近は、光学系の表面品質等を検査する分野等にその応用分野が拡大している。

このような目的に使用されている干渉計には、「放射光加速器で生成されたエックス線を利用したエックス線干渉計測装置」または「白色光線を利用したエックス線干渉計測装置」等がある。

一方、メデッキ(Medecki)等の米国特許第5,835,217号(Phase-shifting point diffraction interferometer)は、図１に図示したように、干渉性を向上させるための針孔装置1を光源と照射光学系3の間に配置して、前記針孔装置1と照射光学系3の間にはビームを２つに分ける装置であるビーム分離器2を配置したエックス線干渉計測装置を開示している。
米国特許第5,835,217号明細書

しかし、放射光加速器で生成されたエックス線を利用したエックス線干渉計測装置は、光源に放射光加速器で生成されたエックス線を利用するため、光源を生成するために必ず放射光加速器を利用しなければならない。巨大な構造の(数百メーターの装置)放射光加速器は、その使用には産業的にも多くの制約があるだけではなく、大量の光学系を照射するのにも限界がある。

また、検査や測定に使用される干渉計は、光源が干渉性を帯びていなければならないが、前記の放射光加速器で生成されたエックス線を利用したエックス線干渉計測装置の場合には、光源の干渉性を向上させる為には追加の装置を使用しなければならない問題点があり、測定装置全体の構造が複雑になるだけではなく、試料に照射される光源の強さを相当に減少させる問題があった。

また、図１の装置は、針孔装置1を備えた白色光源を利用していて、白色光が持っている短い干渉距離を最大活用することによって優秀な干渉縞5を得ることができる長所がある反面、前記のように光源の干渉性を向上させる為に追加的装置である針孔装置1が必要であるという問題点がある。

本発明は、前記の問題点を解決するために、追加的な装置が無くてもコヒーレントなエックス線光源の高次高調波エックス線を生成する装置及び方法を提供することを目的する。

また、本発明は、干渉性が優秀な高次高調波エックス線光源とマイクロ薄膜にマイクロ微細孔を開けられる高出力フェムト秒レーザードリリング技術を利用して、構造が非常に簡単でありながらも、超紫外線リソグラフィー用光学系の表面品質を検査できる、エックス線干渉計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記の目的を達成するために、高出力フェムト秒レーザー発生器10、前記高出力フェムト秒レーザー発生器10で発生するフェムト秒レーザーのエネルギー及びビームの大きさを調節するためのレーザービーム集束強度調節器11、前記フェムト秒レーザービームを集束して高次高調波エックス線を生成するアルゴン気体が満たされた標的20、及び前記アルゴン気体の圧力を調節するための気体圧力調節器21を備え、コヒーレントな高次高調波エックス線ビームを生成することを特徴とする高次高調波エックス線発生装置を提供する。

また、本発明は、高次高調波エックス線ビームの入射経路と垂直に配置され、基準ビームと照射ビームである回折ビームを生成する微細孔が開いた薄膜からなる干渉計板30、及び前記基準ビームと前記照射ビームの経路に配置され、これらの結合により生成された干渉縞を検出するエックス線検出器50を備えることを特徴とする、高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置を提供する。

また、本発明は、高出力フェムト秒レーザー発生器10から発せられた高出力フェムト秒レーザー12をアルゴン気体が満たされた標的20に集束し、高次高調波エックス線を発生させる方法において、前記アルゴン気体の圧力を調節して長波長領域で透過される程度が非常に少ないエックス線フィルターを利用して、所定次数以下の長波長高調波の強さを減少させる段階と、前記高出力フェムト秒レーザービームの集束強さを調節することによって、前記所定次数以上の短波長高調波の強さを減少させる段階と、及び前記高出力フェムト秒レーザービームの大きさを調節して前記所定次数付近の高調波が、位相整合をなすようにする段階とを備え、コヒーレントな高次高調波エックス線を生成することを特徴とする高次高調波エックス線発生方法を提供する。

本発明によれば、高出力フェムト秒レーザーをアルゴン気体が満たされた標的に集束して適切な条件を維持することによって、コヒーレントなエックス線光源である高次高調波エックス線ビームを生成でき、また該高次高調波エックス線ビームを使用することによって、光源を作り出す装置の規模を従来の放射光加速器で生成された光源を利用する装置に比べて、約100分の1水準に画期的に減らすことができ、従来の技術に比べて装置が非常に簡略化されることによって産業的効用性を増大させられる。これは、従来の放射光加速器から出た光を利用する時に必要としたコヒーレントな光源を生成するための装置を使用しなくても具現が可能な為である。

さらに、本発明は、高次高調波エックス線光の優秀な干渉性によって、これを光源に使用するエックス線干渉計測装置の性能もまた優秀であるという長所がある。
本発明は、前記のように、装置の小規模化と優秀な性能によって実際の産業界に適用可能な有用性を有し、本発明の高次高調波エックス線干渉計測装置を利用すれば、超紫外線光学系の表面品質を検査することが可能である。このような光学系表面品質測定技術は、今後、超紫外線光学系を製作供給する技術的パターンになる。

以下、添付された図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
図２は、本発明のコヒーレントな高次高調波エックス線発生器の構造図である。図示したように、本発明のコヒーレントな高次高調波エックス線発生器は、高出力フェムト秒レーザー発生器10、レーザービーム集束強度調節器11、標的20、及び気体圧力調節器21で構成される。

本発明では、コヒーレントなエックス線光源である高次高調波エックス線を生成するために、まず、レーザー発生器10で発生した高出力フェムト秒レーザー12をアルゴン気体が満たされた標的20に集束する。このようにアルゴン気体にレーザーを集束すると、レーザーパルスが持っているエネルギーによってアルゴン原子内の電子が移動するようになり、このような過程で高次高調波が放出されるようになる。高次高調波は、ポンピングレーザー波長の奇数次数毎に生じる為、その発生波長幅はとても広い。前記の標的20には、He、NeまたはXe気体を含むことができる。

ゆえに、本発明では、エックス線光の干渉する長さを延ばす為に、発生する高調波の次数範囲を、27次を中心に25次から29次に減らすことによって、4nm以下の線幅を持ったコヒーレントなエックス線ビームだけを生成させる。

ここで、高次高調波の発生波長範囲を減らす方法を下記に示す。まず、27次より長い波長の高調波の強さを気体圧力調節器21により、気体の圧力を適切に調節(中性気体による吸収)して長波長領域で透過する程度が非常に少ないエックス線フィルターを利用して急激に減少させる。次に、27次より短い波長領域の高調波は、レーザービーム集束強度調節器11によってレーザービームの集束強さを適切に調節して最大発生次数を29次以下になるようにすることによって除去する。最後に、レーザービームの集束条件(本発明では、入射レーザービームの大きさ調節)を27次付近の高調波が位相整合される条件に合わせることによって、27次高調波が、発生する高調波全体エネルギーの所定値以上を持つように出来る。

一例として、本発明の場合、レーザーのパルス幅は、20フェムト秒、レーザーパルス当りのエネルギーは、0.35mJとし、長さ4cm、直径350μmの中空のガラス管標的にアルゴン気体を満たして使用した時、27次高調波のエネルギーが、発生する高調波全体エネルギーの68%以上になることを確認した。

図３は、前記のように高出力フェムト秒レーザーで生成された高次高調波の超紫外線スペクトルを図示したものである。このように単一次数の高調波だけを集中的に発生させると全体高調波線幅が狭くなるため、従来技術で使用している単色光を作るための追加的な装置は必要なく、直ちにエックス線干渉計に利用できる長所がある。

図４は、本発明により発生された高次高調波の干渉性を測定した結果である。図４（ａ）は干渉縞の平面図であり、図４（ｂ）はエックス線ビームの強度を示すグラフである。本発明では、図５に見られるように双針孔干渉計を構成して、高次高調波の干渉性を測定した。その結果、図４で干渉縞の最大値と最小値との差が明白に克明な対照を成すため(明暗比が1に近い高い値を持つことによって)高次高調波エックス線ビームの空間的干渉性がとても優れていることを示している。本発明による高次高調波エックス線ビームの空間的干渉性は、図４のように明暗比の高い干渉縞を作るため、干渉縞の位置を正確に数値的に定量化することに長所がある。このようなコヒーレントなエックス線光源は、干渉縞を利用するエックス線干渉計にいかなる追加的な加工なしに、直ちに利用出来ることを確認出来た。したがって、高次高調波ビームの優秀な空間的干渉性によって、従来技術の一つである放射光加速器で発生したエックス線光源を利用する装置とは異なり、干渉性向上の為の追加的な装置が不必要になる。

次に、コヒーレントな高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置の構成について説明する。本発明のエックス線干渉計測装置は、基本的に高次高調波エックス線ビームを受け、２つに分ける針孔回折干渉計板30と干渉縞を検出するエックス線検出器50で構成される。

図５は、本発明のエックス線干渉計測装置の一実施形態を図示したものである。前記で説明した高出力フェムト秒レーザー発生器10と高次高調波エックス線が発生される標的20で構成された、高次高調波エックス線発生装置によって生成された高次高調波エックス線ビームを使用した例である。しかし、本発明で提案しているコヒーレントな高次高調波エックス線発生装置や方法以外に、異なる方法で高次高調波エックス線ビームを生成する装置をさらに具備する形態で具現出来ることは、当業者には自明なことである。

図５の実施形態は、大きく分けて、高出力フェムト秒レーザー発生器10、高次高調波エックス線が発生される標的20、ビームを２つに分ける針孔回折干渉計板30、エックス線フィルターのアルミニウムフィルター40及び干渉縞を検出するエックス線検出器50で構成される。

ここで、照射するビームと基準ビームである回折ビームを生成させる針孔回折干渉計板30は、高出力フェムト秒レーザードリリング技術を利用してマイクロ薄膜にマイクロ孔を形成したものである。エックス線干渉計測装置板の仕様やアルミニウムフィルターの仕様は、観測する干渉縞の可視度を最適化するのに重要な影響を及ぼす。本発明では、前もってシミュレーションを通して波面進行状態を確認した後、決定した。また、本発明では、針孔回折干渉計板30をアクチュエイターによりx-y 座標を自由に調節出来るようにした。このようにすると、高調波と針孔の相対位置を容易に調節が可能である。

一方、針孔回折干渉計板30とエックス線検出器50の間には、エックス線フィルターであるアルミニウムフィルター40を設置できる。これは、レーザー光によるノイズ成分を除去する役割を担当する。

図６は、アルミニウムフィルターの厚みを1μmにし、干渉計板の針孔を10μmにした状態で測定した、本発明の高調波エックス線ビームを利用して獲得した回折干渉縞と可視度を図示したものである。図６（ａ）は回折干渉縞の平面図であり、図６（ｂ）はエックス線ビームの強度を示すグラフである。図６で確認できるように干渉縞の最大値と隣接した干渉縞の最小値の差によって決定される可視度は、干渉縞の全領域に渡って50%以上になる。

図７は、このような干渉縞情報を利用して高次高調波エックス線ビームの波面位相を再構成したものである。再構成された波面の模様は、球面波の波面模様と似ていてこの時の波面位相の半径は、1.19mであることが分かる。波面位相が分かれば高次高調波エックス線ビームの進行による強さ分布が分かるようになる。たとえば、あるエックス線光学系を経た後、高調波ビームの強さ分布がどのように変化するのかに対する予測が可能になる。図７に表示された高調波の波面位相情報は、エックス線ビームを利用する光学系を設計するのに必須的なビームの進行情報を提供する。

図８は、高次高調波エックス線ビームを生成するためのレーザービームの集束条件による再構成された波面の位相と球面波との波面位相差を図示したものである。図８において、(イ)の場合には、生成された高次高調波エックス線ビームの位相波面が球面波と相当な差がある場合に測定されたもので、球面波との位相差値を本発明による高次高調波エックス線干渉計測装置で充分に測定できることを示し、(ロ)は、レーザービームの集束条件を変化させ生成された高次高調波エックス線ビームの位相波面が球面波と似るようにした場合で、この時、エックス線ビームの全部分に渡ってλ/15より少ない位相差を示している。

誤差がとても少なく球面波に近く生成された高次高調波ビームは、ビーム自体だけでも基準球面波に用いられるため、測定しようとする超紫外線光学系を経たビームの位相波面が、球面波に比べてどれだけ外れているかを測定することによって、その超紫外線光学系の表面品質を知ることができる。これは、高次高調波エックス線ビームを加工なしにそのまま超紫外線光学系の表面品質測定に使用でき、また追加的な装置が不必要であることを示している。

従来のエックス線干渉計測装置の構造図である。 本発明の高次高調波エックス線発生装置の構造図である。 高出力フェムト秒レーザーで生成された高次高調波の超紫外線スペクトル図である。 高次高調波エックス線を利用した双針孔干渉実験結果を示した図とグラフである。 本発明のエックス線干渉計測装置の構造図である。 高次高調波エックス線ビームを利用した針孔回折干渉縞を示した図とグラフである。 干渉縞を利用して再構成された高次高調波エックス線ビームの位相波面の図である。 位相波面測定誤差及び高次高調波エックス線ビームの位相波面誤差を示したグラフである。

符号の説明

１０…フェムト秒レーザー発生器、１１…レーザービーム集束強度調節器、２０…標的、２１…気体圧力調節器、３０…干渉計板、４０…エックス線フィルター、５０…エックス線検出器。

Claims (5)

1. 高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置であって、
   高次高調波エックス線ビームの入射経路に垂直に配置され、照射ビームと基準ビームである回折ビームを生成する微細孔が開いた薄膜からなる干渉計板と、前記基準ビームと前記照射ビームの経路に配置され、これらの結合によって生成された干渉縞を検出するエックス線検出器とを備え、前記干渉計板が、高出力フェムト秒レーザーによるドリリング技術を使用して微細孔を開けたマイクロ薄膜であり、当該エックス線干渉計測装置は、
   高出力フェムト秒レーザー発生器と、前記高出力フェムト秒レーザー発生器から発生するフェムト秒レーザーのエネルギー及びビームの大きさを調節するためのレーザービーム集束強度調節器と、前記フェムト秒レーザーのビームを集束して高次高調波エックス線を生成するアルゴン気体が満たされた標的と、前記アルゴン気体の圧力を調節するための気体圧力調節器とから成り、前記高次高調波エックス線ビームを生成する高次高調波エックス線発生装置をさらに備えることを特徴とする高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置。
2. 前記高次高調波エックス線ビームが、前記レーザービーム集束強度調節器及び前記気体圧力調節器の調節により、単一次数の高調波が集中的に発生するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置。
3. 前記干渉計板と前記エックス線検出器の間に垂直に配置され、前記フェムト秒レーザー光によるノイズ成分を除去するエックス線フィルターをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置。
4. 前記フェムト秒レーザーのパルス幅が、約２０フェムト秒で、パルス当りのエネルギーが、約０．３５ｍＪであることを特徴とする請求項３に記載の高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置。
5. 前記干渉計板が、アクチュエイターによって、ｘ−ｙ軸上に移動可能であることを特徴とする請求項４に記載の高次高調波エックス線を利用したエックス線干渉計測装置。

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