JPH0527080B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、シンクロトン放射光を用いたＸ線
リソグラフイのようなＸ線の工業的利用に用いら
れるＸ線投射装置に関するものである。以下、Ｘ
線リソグラフイ技術を例にとつて説明する。

従来、微細構造を有するLSI素子の作成におい
て、レジスト膜へのパターン転写にはフオトリソ
グラフイの技術が用いられてきた。しかし、光の
回折現象のため、転写し得るパターン幅は光の波
長と同程度の約1μｍが限界である。さらに微細
化を進めるためにサブミクロンでのパターンの大
量転写に用いられ得るリソグラフイ技術が必要と
されており、そのひとつに回折効果の少ないＸ線
リソグラフイ技術がある。ここではＸ線源として
は、従来固体ターゲツトに電子線を照射して得ら
れる特性Ｘ線が用いられてきたが、その波長は10
Å以下であるので、次のような問題がある。すな
わち、この波長域のＸ線では全ての物質で透過率
が高いので、レジストへの吸収効率が低く露光時
間が長くなるとともに、十分なマスク・コントラ
ストを得るためには吸収体膜が厚くなり過ぎる。
また、波長が短いため、レジスト膜や基板中で発
生する光電子のエネルギーが高く、二次光電子が
拡散して解像度が低くなる。さらに、半影ぼけや
幾何学的な歪みの効果を避けるためには、Ｘ線源
とウエハ間の距離を十分離す必要があるが、この
種のＸ線源は発散源であるため、ウエハ間の距離
を離すとビームの利用効率が悪くなり、実用上十
分なビーム強度を得るためには非常に強力なＸ線
源が必要となつて、現状では技術的に困難であ
る。

上記の問題点を解決する技術として、シンクロ
トロン放射光の軟Ｘ線が注目されている。第１図
ａに示すように、シンクロトロン放射光２は、磁
場Ｈによつて電子軌道１を曲げられた時に電子ｅ
が放出する電磁波である。その拡がりは電子ｅの
進行方向に集中した円錐状になつている。電子ｅ
は電子軌道１上を進行してゆくので、第１図ｂの
ような通常用いられる鉛直方向の静磁場H_sの場
合には、電子軌道１上の発光点の重ね合わせによ
り、横方向（軌道面内方向）に一様で縦方向（軌
道面垂直方向）に狭い拡がり角の分布となつてい
る。そのため、無駄に散逸するビームが無く、す
べてのビームをウエハ面上に集中させて露光に利
用することができる。

また、シンクロトロン放射光２は、第２図に示
すようなＸ線からマイクロ波におよび連続スペク
トルであるが、電子ｅの運動エネルギーを選ぶこ
とにより、短波長のＸ線成分の少ない、リソグラ
フイにふさわしい10Åから100Åの軟Ｘ線を主成
分としたビームを得ることができる。

なお、軌道半径Ｒ＝２ｍ、電流Ｉ＝100ｍＡ、
発光点とウエハ間の距離Ｌ＝10ｍ、軌道面からの
仰角θ＝0radの場合を第２図に示した。

以上のごとく、ウエハ面上で露光に利用できる
シンクロトロン放射光２の強度は非常に強く、短
い露光時間でパターン転写が可能である。

その強度を生かすためには、半影ぼけや幾何学
的歪みの影響が出ない範囲で、発光点とウエハ間
の距離を短くすることが望ましく、５〜10ｍ程度
の距離にとどめる必要がある。

第３図に示すように放射光の縦方向の拡がりに
は波長依存性があり、軟Ｘ線は可視光より狭くな
つている。例えば、発光点からウエハまでの距離
を10ｍとした場合、リソグラフイに有効な軟Ｘ線
成分の強度がほぼ一様になるのは５mm程度の幅で
ある。

このことは、ビームが集中していて無駄なく利
用できる放射光の特徴であるが、LSIパターンを
露光することを考えた場合、縦方向のビームの拡
がりが１チツプの寸法にも満たないという欠点に
もなつている。この拡がり角は電子ｅのエネルギ
ーを変えてもほとんど変化せず、軌道半径Ｒを小
さくすることでわずかに増大させることができる
が、十分な幅には程遠い。

従つて、１乃至数チツプを包含する１フイール
ドを露光するのに必要な１〜５cm四方程度の一様
な露光領域を縦方向においても実現するために
は、何らかの方法で軟Ｘ線の光路を変えてやる必
要がある。この光路変更のために以下の第４図ａ
〜ｄに示すいくつかの装置が提案されている。

なお、第４図で、１は電子軌道、２はシンクロ
トロン放射光、３はマスク、４は露光されるウエ
ハ、５は平面鏡、６は凸面鏡または凹面鏡、７は
平面鏡または凹面鏡を示す。以下、第４図ａ〜ｄ
を順次説明する。

(1) ウエハ４それ自体を縦方向に移動する装置
（第４図ａ参照）。

(2) 平面または曲面の反射鏡５を用いてシンクロ
トロン放射光２を反射させ、その反射鏡５を適
当な速さで振動させることで上下方向に放射光
を振る装置（第４図ａ参照）。ウオーレン・デ
ービツド・グローブマン他、特開昭58−118999
号公報）。

(3) 凸の円柱面鏡または凹の円柱面鏡６を用いて
シンクロトロン放射光２を反射させ、広い面積
に一様な強度を得る装置（第４図ｃ参照）。

(4) 何枚かの平面鏡または凹面鏡７を組み合わせ
て、ウエハ４の左右の不要な放射光を反射さ
せ、縦方向への一様な拡がりを増大させる装置
（第４図ｄ参照）。

これらのうち(1)は何枚ものマスク３を次々にウ
エハ４上に正確に位置決めしたり、大量のウエハ
４を処理したりするために複雑な機構をもつウエ
ハ・アライナーにさらに移動機構の自由度をもう
ひとつ要求することになり、実用上技術的困難が
予想される。

(2)には次のように技術的欠点がある。

(イ) 反射鏡を振るための精密機械装置と、その時
間的変化を正確に制御する装置ならびに制御ソ
フトウエアが必要である。

(ロ) この方式の軟Ｘ線ビームに対して用いる場
合、反射鏡と、それを振る機械部は、超高真空
中あるいはヘリウム等の特定の気体が密閉され
た領域中に置かなければならないので、可動部
分の潤滑を保つことや、精密運動を外部からこ
の密閉領域に供給するための複雑な機構が必要
になる。

(3)は、広い面積に一様な強度を得ることができ
るが、そのために本来の放射光強度に比べて、照
射強度が著しく低下する欠点がある。

(4)は、不要な放射光を巧みに利用した効率の高
い方法ではあるが、その一様性にはある程度のリ
ツプルが避けられず、又、数多くの鏡の微調整と
いう技術的に複雑な欠点がある。

この発明は、上記に鑑みなされたもので、従来
の光路変更装置の欠点を有さない、光路変更装置
を持つ軟Ｘ線投射装置を提供することを目的とす
る。以下、この発明について実施例に基づき図面
を用いて説明する。

第５図は、本発明の一実施例を示した模式図で
ある。放射光の発光点Ｏの近傍に回転円弧面（通
称では回転楕円体面又はトロイダル面）をもつ長
方形の反射鏡８を設置し、これによつてただ１回
の反射によつてウエーハを露光するのに適当な大
きさの領域に軟Ｘ線の一様な照射を可能とするも
のである。すなわち、第５図の座標軸においてウ
エーハ面をxy面、電子軌道面をzx面、鏡面の中
心Ｃを通つてyz面に平行でｙ方面から視射角
（入射角の余角）θだけ傾いた方向をy′方向、
xy′面に垂直な方向をz′方向としたとき、反射後
の放射光の軟Ｘ線を、その中心面（z′x面）と直
角方向（y′方向）には拡開してその強度分布を緩
やかにすると同時に、中心面に平行な方向（ｘ方
向）には集光する。その際、軟Ｘ線の反射率を大
きく保つためには、θは、２〜３度以下である必
要がある。このため、ｘ方向での集光に寄与する
xy′面内の円弧の半径Rxは10cm程度の小さなもの
でなければならず、この結果、第６図に示すよう
に、鏡面の中心軸（z′軸）近傍を通る光線よりも
鏡面の端のz′x面に対して傾いた斜面を通る光線
の方がより大きな角度で反射されてｙ方向にず
れ、得られる放射光の像は著しく歪んだ弓なりの
扇形になる。

一方、ｙ方向での拡散に寄与するy′z′面内の円
弧の半径Rzは、これ単独の場合、即ち、集光を
行なわない上記(3)の方法の場合には、半径Rxに
おけるような像の歪みを生じることはないが半径
Rxと共存する場合には、半径Rxと協力して扇形
の歪んだ像をつくる。

本発明者は、このような半径Rxによる歪みと
半径Rzによる歪みが互いに相殺されるような半
径Rxと半径Rzの組合わせの条件が可能であるこ
とを見出した。そこでこの関係を用いることによ
つて、両者が完全に又は近似的に相殺されるよう
な回転円弧面鏡によつて一様かつ輝度の高い放射
光を広い面積に照射できる本発明に至つたもので
ある。

以下、この相殺条件について述べる。

鏡が設置されなかつた場合には、放射光は直進
して、ウエーハ面に達するが、この時のｙ方向の
幅をｈ〔mm〕（ｈ＞０）とし、鏡が設置されたこと
により反射されてウエーハ面に来た時のｙ方向の
幅をＨ〔mm〕とすると、ｙ方向の照射領域の拡大
率は γ_h＝Ｈ／ｈ ……(1) で与えられる。このとき、鏡による反射で照射領
域の上下がいれかわる場合にはＨを負と定義して
おくと、ｙ方向に照射領域が拡大されるために
は、 γ_h１又はγ_h＜１ ……(2) でなければならない。

同様にして、ｘ方向についても幅をｗ〔mm〕（ｗ
＞０）、鏡を使つた時の幅をＷ〔mm〕、照射領域の
拡大率をγ_wとすると、 γ_w＝Ｗ／ｗ ……(3) であり、ｘ方向に照射領域が縮小される即ち集光
されるためには、 −１＜γ_w＜１ ……(4) でなければならない。

鏡面の中心Ｃの付近で反射される軟Ｘ線は歪み
が少ないので設計通りの拡大率を得ることができ
るが、この付近では上記半径Rx、Rzとγ_w、γ_hの
間に、次の関係が成り立つ。但し、発光点Ｑとウ
エーハ面Ｓとの距離をＬ〔ｍ〕、発光点Ｑと鏡面中
心Ｃとの距離をａ〔ｍ〕とし、θ〔rad〕は、鏡面
中心Ｃでの上記視射角である。

Rx〔ｍ〕＝2sinθ／１−γ_w・ａ〔ｍ〕（１−ａ／Ｌ）
……(5) Rz〔ｍ〕＝２／sinθ（１−γ_o）・
ａ〔mm〕（１−ａ／Ｌ）……(6) 以上の定義のもとに、半径Rxと半径Rzによる歪
みの完全相殺条件を述べると、第７図の直線l₁と
l₂の上のみである。このうちl₂はγ_w＝１であるか
ら上記(3)の方法の場合に相当し、集光ができな
い。l₃が望ましい完全相殺条件であり γ_h＝−2.00γ_w−0.61 ……(7) と与えられる。但し、第７図及び第(7)式は、Ｌ＝
10ｍ、ａ＝２ｍ、θ＝1degree＝0.0175radの場合
に対して求めたものであるが、これらが変わつて
もほとんど変化しない。第７図からわかるように
照射領域がｘ方向に反転せず（γ_w＞０）ｙ方向
に反転する（γ_h＜０）の場合に、最も容易に歪み
のない像が得られ、たとえばどちらも反転しない
場合（γ_w＞０かつγ_h＞０）には歪みが互いに強め
合つてしまうので不適当である。

実際には、完全に歪みをなくす必要はなく、一
様照射領域が充分広い矩形形状が得られればよい
ので、第７図上で直線l₁の近傍にあるγ_wとγ_hの組
みあわせを満たすように半径Rxと半径Rzを決め
てやればよい。

第７図にはγ_o＝−0.61、γ_w＝０を通る直線l₁′と
上下方向に±3.39平行移動させた直線l₁′および
l₂″が描かれており、この二直線上もしくはその
間にあつて、つまり、 −2γ_w−４≦γ_o≦−2γ_w＋2.78であつて、かつ ｜γ_o｜＞１、｜γ_w｜＜１ であり、しかも γ_w＞０かつγ_h＞０ ではないという条件を満たす領域が斜線で示され
ている。

第８図ａ，ｂは、上記の領域の中から代表的な
２点として、γ_w0.5、γ_o＝−２、Rx＝112mm、Rz
＝61.1ｍおよびγ_w＝0.25、γ_o＝−４、Rx＝74.5
mm、Rz＝36.7ｍの組合わせを選んだ場合である。
ａでは、長さ20cmの鏡で、ｘ方向に40mm、ｙ方向
に10mmの幅の矩形形状の一様域が、又ｂでは、
xy方向にいずれも15mmの正方形状の一様域が得
られる。

この時、照射領域での軟Ｘ線強度の一様性は、
ほとんど放射光本来の強度分布（即ち５mmの幅で
±10％の値）によつて定まり、鏡の絶対反射率の
値によつては影響を受けないので、絶対反射率の
影響を補正しなければならない(4)の方法に比べ信
頼性が高い。又、鏡面の各場所での視射角の変動
も10％以下であるので、軟Ｘ線の斜入射反射率の
角度依存性にはあまり影響されない。

又、(2)の方法と異なり可動部分がない静止した
鏡であるので超高真空中での信頼性が高い。

集光能力が高いので、(3)の方法と比べて２〜５
倍の光強度を得ることができる。

次に、本発明の変形例を２つ示す。まず第１
に、第９図ａに示したように、半径Rxをもつ回
転円弧面鏡（又はそのかわりとして回転円柱面
鏡）を用い、その両端又は片端を、直線導入器の
先端部やピエゾ素子などの微調整可能な支点でさ
さえる事により、数mm以下の支点の移動によつ
て、数百ｍの長さをもつ半径Rzを容易に制御す
ることができ、従つてｙ方向への拡大率を任意に
変えること及びその結果として照射領域の歪みを
最小にすることが容易に行なえる。

第２に第９図ｂに示したように、ａにおけるよ
うな微動可能な支点をｚ方向にわたつて複数個設
置することにより、局所的な半径Rzを順次連続
に変えてやることができる。こうして、放射光強
度の低くなつていくｙ方向の両端部をより輝度の
高い状態に集光すると同時に、照射領域の歪みを
さらに少しおさえることができる。

なお、この発明のような集光と拡散を同時に行
なうとともに、両者によつて生じる照射領域の歪
みを相殺するような働きをもつ回転円弧面鏡は、
従来の収束系即ち軟Ｘ線分光器等に用いられてき
たような収束光線束の無収差化をめざした回転円
弧面鏡（又は通称トロイダル鏡）とは、その設計
理念、設計方法、機能の全てにわたつて全く異な
るものであり、これはその基本的要請、即ち照射
面積の拡大という要請が従来の光学系に要請され
てきたものと全く異なることから来る当然の帰結
である。

以上、詳細に述べたように、この発明は、円弧
の半径Rxの円柱面鏡によつて生じる像歪みと円
弧の半径Rzの円柱面鏡によつて生じる像歪みが
互いに相殺されるような円弧の半径Rxと円弧の
半径Rzの組み合わせの条件が可能であることを
用いて、両者が完全に又は近似的に相殺されるよ
うな回転円弧面鏡によつて一様かつ輝度の高い放
射光をたヾ一回の反射により容易に広い面積に照
射できるようにしたもので、これによつて例え
ば、高いスループツトを持つ軟Ｘ線リソグラフイ
を可能とする優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは磁場中の電子がある瞬間に出すシン
クロトロン放射光の分布を示す模式図、第１図ｂ
は鉛直方向の一様な静磁場中を運動してゆく電子
が出すシンクロトロン放射光の分布を示す模式
図、第２図は電子蓄積リングから出る放射光強度
の波長に対する分布を示す特性図、第３図は縦方
向（軌道面垂直方向）への放射光の強度分布をい
くつかの波長について示した特性図、第４図ａ〜
ｄは縦方向に一様な露光を行うために提案されて
いる種々の装置の模式図、第５図はこの発明の一
実施例を示すＸ線投射装置を示す模式図、第６図
は半径Rxをもつ円柱面鏡によつて生じる像歪み
についての説明図、第７図は像歪みが解消される
ためのｘ方向の拡大率γ_wとｙ方向の拡大率γ_hの組
み合わせ条件がl₁とl₂であることを示す説明図。
第８図ａ，ｂはそれぞれ40mm×10mmと15mm×15mm
の一様照射域を得る回転円弧面鏡の例とその照射
形状を示す模式図、第９図ａ，ｂはそれぞれこの
発明の変形例を示す模式図である。 図中、１は電子軌道、２はシンクロトロン放射
光、３はマスク、４は露光されるウエハ、５は平
面鏡、６は凸又は凹の円柱面鏡、７は複数の平面
鏡、８は回転円弧面鏡、９は軟Ｘ線の一様照射領
域である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高速荷電粒子の加速度運動によつて軟Ｘ線を
   発生させる軟Ｘ線源と、前記軟Ｘ線を反射させる
   少なくとも一個の回転円弧面反射鏡とから成り、
   前記軟Ｘ線を照射する試料面をxy面、高速荷電
   粒子を軌道面をzx面としたとき、前記回転円弧
   面反射鏡のｙ方向の照射領域の拡大率γ_oとｘ方向
   の照射領域の拡大率γ_wとの関係が、 −2γ_w−４≦γ_o≦−2γ_w＋2.78 かつ｜γ_h｜＞１、｜γ_w｜＜１であり、 かつ、「γ_w＞０かつγ_o＞０」ではない、 という条件を満たすために、前記回転円弧面反射
   鏡の曲率半径RxおよびRzを、前記軟Ｘ線の発光
   点から前記反射鏡の中心までの距離をａ、発光点
   から前記試料面までの距離をＬ、前記軟Ｘ線が前
   記反射鏡面に入射するときの所要の視射角をθと
   したとき、 Rx＝2sinθ／１−γ_w・ａ（１−ａ／Ｌ） Rz＝２／sinθ（１−γ_o）・ａ（１−ａ／Ｌ） の関係を満たす値に選ばれており、前記反射鏡面
   の中心を通つてyz面に平行でｙ方向から前記視
   射角θだけ傾いた方向をy′方向、xy′面に垂直な
   方向をz′方向としたとき、反射後の軟Ｘ線を、
   z′x面に垂直なy′方向には拡開してその強度分析
   を緩やかにすると同時に、中心面に平行なｘ方向
   には集光し、かつ前記拡開と集光の像歪が互いに
   相殺される構成としたことを特徴とする軟Ｘ線投
   射装置。