JP5410283B2 - 集光光学系 - Google Patents

Description

本発明は多重反射光学系に関するものであり、特に、写真製版や画像処理などに適用するための集光光学系、および、そのような集光光学系の製造に関連している。

Ｘ線応用例に好適な周知の光学設計としてウォルターＩ型望遠鏡がある。ウォルターＩ型望遠鏡の光学構造は、すれすれの入射角すなわちかすめ入射の入射角で作用する、複数の入れ子配置の２重反射鏡から構成されている。

近年では、ウォルターＩ型設計の改良型が他の応用例について既に提案されているが、これは、放物面の代用として楕円面を採用し、極紫外線（EUV）マイクロ製版術において光源として利用されている小型の高温プラズマから放射される13.5 ナノメートルの放射線を集光するのに適用できるとされており、目下、半導体産業の次世代製版装置に有望な技術であると考えられている。この分野における性能要件として、光が照射されて画像形成領域となるシリコンウエーハの端から端までほぼ一定の放射エネルギー密度またはエネルギー束を供与することが必要となる。超紫外線製版用の光源の高温プラズマを生成する手段として、放電（放電プラズマ光源、すなわち、DPP源）、または、リチウム、キセノン、または、スズを含んでいる標的へのレーザービーム照射（レーザープラズマ光源、すなわち、LPP源）が採用されるが、後者の手段が最も期待できるのは明らかである。光源からの放射は凡そ等方性であり、現在の放電プラズマ光源については、放射は放電電極によって光軸線から約60度以上の角度に制限されている。極紫外線製版システムは、例えば、米国特許出願公開第2004/0265712A1号（特許文献１）、米国特許出願公開第2005/0016679A1号（特許文献２）、および、米国特許出願公開第2005/0155624A1号（特許文献３）に開示されている。

極紫外線による写真製版システムの簡単なブロック図が図１に例示されている（先行技術）。紫外線源１０２は通常は高温プラズマであり、紫外線放射は集光装置１０４により集光され、照射装置１０６に伝播される。後者の照射装置は、ウエーハ１１０に転写するべきパターンを含んでいるマスクまたはレチクルを照射する。マスクまたはレチクルの画像は、投射光学系ボックス１１２によってウエーは１１０に投影される。

現在のところ、集光装置１０４の最も将来有望な光学設計は、図２に例示されているような（先行技術の）入れ子配置のウォルターＩ型構造に基づいている。複数の鏡２００は各々が２つの鏡領域（２つの鏡面）２０２、２０４からなる１枚の薄い曲面板であり、第１鏡面２０２は、光源１０２により近い位置にあって、双曲面であるが、第２鏡面２０４は楕円面であり、これら鏡面は両方ともが回転対称を示し、同一焦点を共有する。

光源１０２は、共通焦点とは異なる、双曲面の焦点に設置されている。光源１０２からの光は双曲面領域２０２によって集光されてから反射されて楕円面領域２０４に入射した後に、共通焦点とは異なる楕円面の焦点に収束されるが、この焦点は中間焦点（ＩＦ）２０６として公知である。

光学的見地によると、集光装置１０２の性能を主として特徴づけるものは、集光効率と遠電磁界強度分布である。集光効率とは、中間焦点２０６における光強度の、光源１０２から半球面に放射される出力に対する割合である。集光効率は集光装置１０４の幾何学的形状に関連しているとともに、複数の鏡２００の各々の反射率および光源１０２の空間分布および角度分布に関連しているうえに、更に、照射装置の光学的仕様にも関連している。遠電磁界強度分布は、中間焦点２０６を超えた先の様々な距離における光強度の２次元空間分布のことであり、この距離は照射装置の設計で決まるが、通常は、光源１０２から中間焦点２０６までの距離と概ね同じ大きさである。

集光装置１０４は、通常、高温プラズマ光源１０２と連携させて使用される。従って、集光装置１０４に加えられる紫外線放射による熱負荷は非常に高く、適切な冷却システムが必要となる。冷却システムは各鏡２００の背面の影領域に設置されるが、このような影領域は楕円面領域２０４と双曲面領域２０２の両方（図２の先行技術表示を参照のこと）の後部に位置する。

図３を参照すると、ウォルターＩ型鏡の設計では、双曲面領域２０２および楕円面領域２０４の焦点（３０４）は共通しており、この共通焦点は光軸３０２上に存在する（すなわち、光源焦点１０２と中間焦点２０６を通る線上にある）。このような条件は鏡２００、鏡２００'の設計に制約を与え、結果的に、設計者は１個の鏡につき１度の自由（光軸３０２上の共通焦点３０４の位置に対応する、１個の現実のパラメータ）しか有さないようになる。結果として得られる設計自由の総度数は、集光装置１０４全体についてのシステム仕様により更に減少するが、例えば、複数の要件を設けることにより総自由度は低くなる。これら要件と境界条件を全部満たすために、集光装置の設計は光学性能に関しては十分には最適化されない恐れもある。

例えば、図４（先行技術）および表Ａ１は、ウォルターＩ型集光装置１０４の光学レイアウトおよび処方を例示しているが、以下のような仕様に適するように設計されている。
− 光源１０２から中間焦点２０６までの間の距離 1500ミリメートル
− 中間焦点２０６における最大開口数 0.139 （8°）
− 光源１０２から光学系（１０４）までの最短距離 110 ミリメートル
− 鏡の厚さ 2 ミリメートル
− 入れ子配置の複数の鏡２００、２００’の個数 7

図４（先行技術）の設計は、光源１０２からの光を最大55.5度までの角度で集光する。図４（先行技術）に例示されている集光装置１０４の集光効率は１点の光源ごとに算出され、ルテニウム被膜は、その理論上の反射率が２πステラジアン放射に関しては27.7％であると仮定している。本件で本発明による複数の集光装置設計について比較性能データが提示されている場合、図４の設計に相対的なデータとなっている。

図５（先行技術）は、図４のウォルターＩ型集光装置について、双曲面領域２０２および楕円面領域２０４の両方への入射光のすれすれの入射角を放射角の関数として例示している。双曲面領域２０２へのすれすれの入射角は楕円面領域２０４へのすれすれの入射角よりも常に大きくなることが分かる。このような差が生じる結果として集光装置１０４の効率が低下するが、それは、光伝達率が最大になるのはこれら２つの角度が等しくなった時だからである。

極紫外線源に集光装置１０４を設ける目的は、プラズマから放射される可能な限り最大量の同帯域出力を次の光学段階、すなわち、写真製版装置１００の照射装置１０６（図１を参照のこと）に伝達することであり、集光装置の集光効率については既に上段で定義したとおりである。光源側の所与の最大集光角度に対して、集光装置の集光効率を決定するのは、主として、集光角度と鏡の光学表面を覆う皮膜の反射率である。

米国特許出願公開第2004/0265712A1号 米国特許出願公開第2005/0016679A1号 米国特許出願公開第2005/0155624A1号

公知のシステムについての問題点は、集光装置の集光効率が最大限に可能な程度よりも相当に劣ることであり、その原因は、皮膜の反射率が最大限に効率的な態様で活用されていないせいであり、集光効率の向上が大いに望まれる。

もう１つの問題点は、利用できる集光効率では、極度に強力な光源を開発する必要があるうえに、集光装置の光学的品質と安定性を高める必要があることである。
更にもう１つの問題点は、鏡の各々の設計の自由度数が制限されていることである。

更に別な問題点は、極度に強力な光源に露光されるせいで、集光装置の寿命が比較的短くなる恐れがあることである。

本発明は、上述の問題点およびそれ以外の問題点に対処することを目的とする。

本発明の一つの観点は、極紫外線応用機器やＸ線応用機器のための集光光学系において、放射光は放射線光源を出て集光されてから画像焦点に方向転換され、
前記集光光学系は、１枚以上の鏡を備えており、前記１枚の鏡または複数の鏡は、各々が前記放射線光源を通って延びる光軸を中心として対称性を示しているとともに、少なくとも第１反射面および第２反射面を有しており、前記第１反射面および前記第２反射面は共通した楕円面焦点及び双曲面焦点を有しており、
使用するときに、前記放射線光源からの放射光は、前記第１反射面および前記第２反射面において連続したかすめ入射の反射をされ、
前記第１反射面および前記第２反射面の共通した楕円面焦点及び双曲面焦点は、光軸に関して所定の距離 Δr だけ横断方向に片寄せされる集光光学系である。

この文脈では、「所定の距離 Δr だけ横断方向に片寄せされ」は、共通焦点が光軸上の最も近い点から所定の距離 Δr だけ離隔されていることを意味している。所定の距離 Δr は、光軸と画像焦点および共通焦点を通る直線との間に或る角度をなすように設定される。当業者には明瞭であるが、この角度は、集光装置の集光効率を向上させて最適化するのに十分であれば、どのような好適な値であってもよい。例えば、この角度は約0.01ミリラジアンから1000ミリラジアンの範囲であるとよい。この角度は約0.1ミリラジアンから約100ミリラジアンの範囲に入るのが好ましい。この角度は約1ミリラジアンから約100ミリラジアンの範囲であるのがより好ましい。この角度は約10ミリラジアンから約45ミリラジアンの範囲であるのが更に好ましい。

１枚の鏡または複数の鏡は各々が電鋳モノリシック構成部材として形成されるのが好ましく、第１反射面は１枚の鏡の２つの連続する領域のうちの一方に設けられており、第２反射面はその同じ鏡の連続領域の他方に設けられている。

第１反射面は、光源に最も近い位置にあって、双曲面形状を呈しているのが好ましい。

第２反射面は、光源から最も遠い位置にあって、楕円領域の対称軸線ではない軸線を中心として楕円領域の側面形状を回転させることにより得られる。

複数の鏡が入れ子配置にして設けられているのが好ましい。或る実施例では、２枚以上の鏡は各々が異なる幾何学的形状を呈している。

一実施例では、鏡は、以下に明示される表Ｂ１および表Ｂ２において指定されているように設けられている。

また別な実施例では、鏡は、以下に明示される表Ｃ１および表Ｃ２において指定されているように設けられている。

１枚以上の鏡には１個以上の鏡の熱管理用装置が取付けられているのが好ましく、例えば、鏡の背面側に取付けられ、１個以上の熱管理用装置としては、冷却線、ペルチエ熱電池、および、温度センサーなどが含まれているのが好ましい。

１枚以上の鏡には光源から出る埃を緩和する１個以上の装置が取付けられているのが好ましく、例えば、鏡の背面側に取付けられ、１個以上の埃を緩和する装置としては、腐食検出装置、ソレノイド、および、高周波源などが含まれているのが好ましい。

本発明のまた別な局面に従って、添付の特許請求の範囲の各請求項に記載されている前述の特徴に一致するいずれかの光学系を備えている、極紫外線製版に好適な集光光学系が提示される。

本発明の更に別な観点に従って、レーザープラズマ（LPP）光源などのような放射線光源、前段の集光光学系、光コンデンサ、および、反射マスクなどを備えている極紫外線製版システムが提示される。

本発明の更にもう１つの局面に従って、添付の特許請求の範囲の請求項１から請求項１２のいずれかに記載されている前述の特徴に一致する光学系を備えている、極紫外線画像処理またはＸ線画像処理に好適な画像処理光学系が提示される。

本発明のまた別な局面に従って、前段の画像処理光学系、および、例えば電荷結合素子（CCD）などのような画像処理装置を備えており、画像処理装置は画像焦点に配置されることを特徴とする、極紫外線画像処理システムまたはＸ線画像処理システムが提示される。

本発明の利点は、集光効率が向上され、または、最大限にされることである。

本発明のもう１つの利点は、極度に強力な光源を開発する労苦を減らし、集光装置出力の光学的品質と安定性を向上させ、集光装置の寿命を長くすることにある。

本発明のまた別な利点は、より高い光学性能を達成するための鏡の各々の設計の自由度数が上がることである。本発明の２領域式の鏡は各々が設計の自由が１度ではなく２度であり、すなわち、光軸上への共通焦点の投射位置が自由であるとともに、共通焦点を光軸から片寄せしてもよい自由がある。

公知の極紫外線製版システムの先行技術の一実施例を示した図である。 図１の先行技術の極紫外線製版システムの集光光学系についての光線図である。 極紫外線プラズマ光源に好適な公知のウォルターＩ型の入れ子配置の集光装置（基準設計）の部分的な光学レイアウトを詳細に描いた図である。 図３の先行技術の光線図である。 図４の先行技術の集光装置について、双曲面領域と楕円面領域の両方への入射光のすれすれの入射角度を放射角の関数として例示した図である。 本発明による入れ子配置の集光装置の部分的な光学レイアウトを例示した図である。 本発明の第１の実施形態による集光装置の光線図である。 図７の集光装置について、双曲面領域と楕円面領域の両方への入射光のすれすれの入射角すなわちかすめ入射の入射角を放射角の関数として例示した図である。 本発明の第２の実施例による集光装置の光線図である。 図９の集光装置について、双曲面領域と楕円面領域の両方への入射光のすれすれの入射角を放射角の関数として例示した図である。

ここで、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を具体例として詳細に説明してゆく。

詳細な説明と添付の図面において、同一構成部材を示すのに同一参照番号が使用されている。どの個々の設計特徴や構成部材も、それら以外に本件で開示されている設計特徴や構成部材のいずれとでも組合わせて利用することができるが、但し、特に組合わせられないと示されている場合はこの限りではない。

本件の光学構成部材または光学系を例示するにあたり、光軸に関する円筒部は対称であるものと想定されているが、但し、特に対称ではないと示されている場合はこの限りではなく、また、「画像焦点」についての言及は、画像焦点または中間焦点について述べたものである。

本発明による集光装置１０４の設計および構成は、図１から図５に関連して既にすでに明示されているが、例外的に、以下にも記載されている。

図６は、本発明による入れ子配置の集光装置の部分的光学レイアウトを例示しており、そのような光学レイアウトに基づく構想の中で、本発明のあらましが描かれている。共通焦点３０４（すなわち、図６に例示されている双曲面断面領域２０２および楕円面断面領域２０４に共通する焦点）は、光軸３０２に関して距離 Δr だけ片寄せされている。
鏡２００および鏡２００'の全体は、図６の断面を360度回転させることにより得られる。
このようなプロセスで、共通焦点３０４は光軸３０２を中心として半径 Δr の円を描く。図６の断面を回転させることにより得られる回転面は双曲面領域も楕円領域も含んでおらず、たとえ開始時に使用された断面に両領域、または、いずれか一方が含まれていたとしても、回転面には両領域とも含まれない。鏡２００および鏡２００'は各々を製造するのに適切な形状の芯材を採用した電鋳技術を利用するのが好適であるが、当業者には周知のとおりである。

図７は、本発明の第１実施例による集光装置１０４の光線図である。入れ子配置の集光装置１０４は７枚の鏡を含んでいる。この設計は上述のものと同じ仕様に基づいている。これに対応する設計処方が表Ｂ１および表Ｂ２に提示されている。

図７の設計は、光源１０２からの光を最大59.9度までの角度で集光する。図７に例示されている集光装置１０４の集光効率は１点の光源ごとに算出され、ルテニウム被膜はその理論上の反射率が２πステラジアン放射に関しては30.2％であると仮定しており、すなわち、図４の基準ウォルターＩ型集光装置の集光効率よりも9％高いことを想定している。

図８は、図７のウォルターＩ型集光装置について、双曲面領域および楕円面領域の両方への入射光のすれすれの入射角を放射角の関数として例示している。双曲面領域２０２へのすれすれの入射角および楕円面領域２０４へのすれすれの入射角の座標位置は互いに依然として遠く離れていることが分かる。従って、基準ウォルターＩ型の設計（図４）に関する集光効率の向上に主として寄与している原因は、光源１０２からの光の集光角度が大きくなったことである。

図９は、本発明の第２の実施例による、７枚の鏡を含んでいる集光装置１０４の光線図である。この設計は上述のものと同じ仕様に基づいている。これに対応する設計処方が表Ｃ１およびＣ２に提示されている。図９の実施例においては、中間焦点側（図の左側）の鏡のそれぞれの端部は光軸３０２に沿いの同じ位置に整列してはいない。これにより、設計に更に自由度が加わり、光学性能を更に向上させることができる。

図９の設計は、光源１０２からの光を最大61.8度までの角度で集光する。図９に例示されている集光装置１０４の集光効率は１点の光源ごとに算出され、ルテニウム皮膜はその理論上の反射率が２πステラジアン放射に関しては32.2％であると仮定しており、すなわち、図４の基準ウォルターＩ型集光装置の集光効率よりも16.2％高いことを、また、図７および図８の第１の実施例の集光効率よりも6.6％高いことを想定している。

図１０は、図９の集光装置について、双曲面領域２０２および楕円面領域２０４の両方への入射光のすれすれの入射角を放射角の関数として例示している。双曲面領域２０２へのすれすれの入射角および楕円面領域２０４へのすれすれの入射角に対応する座標位置は、ここでは、第１の実施例（図８）のものよりも互いに近接している。従って、集光効率の向上の原因は、光源１０２からの光の集光角度が大きくなったこと、および、これら２つの鏡面領域２０２、２０４におけるそれぞれの反射角の値がより近似していることである。

本発明によって包含されるのは、画像処理に好適な集光光学系（例えば、極紫外線またはＸ線）、および、そのような光学系を組入れた画像処理システムであり、そのような画像処理光学系および画像処理システムの設計は、例えば、欧州特許出願第06425539.1号（弁護士事件参照番号ML00H19/P-EP）に説明されている。

Claims (14)

1. 極紫外線応用機器やＸ線応用機器のための集光光学系において、放射光は放射線光源を出て集光されてから画像焦点に方向転換され、
   前記集光光学系は、１枚以上の鏡を備えており、前記１枚の鏡または複数の鏡は、各々が前記放射線光源を通って延びる光軸を中心として対称性を示しているとともに、少なくとも第１反射面および第２反射面を有しており、前記第１反射面および前記第２反射面は共通した楕円面焦点及び双曲面焦点を有しており、
   使用するときに、前記放射線光源からの放射光は、前記第１反射面および前記第２反射面において連続したかすめ入射の反射をされ、
   前記第１反射面および前記第２反射面の共通した楕円面焦点及び双曲面焦点は、光軸に関して所定の距離 Δr だけ横断方向に片寄せされる、
   ことを特徴とする、集光光学系。
2. 前記所定の距離 Δr は、光軸と、前記画像焦点および前記共通の楕円面焦点及び双曲面を通る直線との間に設けられる角度が、１ミリラジアンから１００ミリラジアンの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の集光光学系。
3. 前記角度は、１０ミリラジアンから４５ミリラジアンの範囲に入ることを特徴とする、請求項２に記載の集光光学系。
4. 前記１枚の鏡または複数の鏡は各々が電鋳モノリシック構成部材として形成されており、前記第１反射面は１枚の鏡の２つの連続する領域のうちの一方に設けられており、前記第２反射面はその同じ鏡の連続領域の他方に設けられていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集光光学系。
5. 前記１枚の鏡または複数の鏡の各々について、
   前記第１反射面は、前記放射線光源に最も近い位置にあって、双曲面形状を呈していることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の集光光学系。
6. 前記１枚の鏡または複数の鏡の各々について、
   前記第２反射面は、前記放射線光源から最も遠い位置にあって、或る軸線を中心として楕円形の側面形状を回転させることにより得られるが、前記軸線は楕円面領域の対称軸線とは異なっていることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の集光光学系。
7. 複数の鏡が入れ子配置にして設けられていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の集光光学系。
8. 前記鏡のうち２枚以上は各々が互いに異なる幾何学的形状を呈していることを特徴とする、請求項７に記載の集光光学系。
9. 前記１枚以上の鏡には１個以上の鏡の熱管理用装置が取付けられており、取付け位置は前記鏡の背面側であり、前記１個以上の熱管理用装置は、冷却線、ペルチエ熱電池、および、温度センサーを含むことを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の集光光学系。
10. 前記１枚以上の鏡には光源から出る埃を緩和する１個以上の装置が取付けられており、例えば、取付け位置は前記鏡の背面側であり、前記１個以上の埃を緩和する装置は、腐食検出装置、ソレノイド、および、高周波源などを含んでいることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の集光光学系。
11. 極紫外線製版に好適な集光光学系であって、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学系を含んでいることを特徴とする、集光光学系。
12. 極紫外線製版システムであって、
    レーザープラズマ（LPP）光源などのような放射線光源と、
    請求項１１に記載の集光光学系と、
    光コンデンサと、
    反射マスクと、
    備えていることを特徴とする、システム。
13. 極紫外線画像処理またはＸ線画像処理に好適な画像処理光学系であって、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の集光光学系を備えることを特徴とする、画像処理光学系。
14. 極紫外線画像処理システムまたはＸ線画像処理システムであって、
    請求項１３に記載の画像処理光学系と、
    電荷結合素子などのような画像処理装置とを備え、前記画像処理装置は画像合焦点に配置されることを特徴とする、システム。

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