JPH10232184A

JPH10232184A - レーザー耐久性評価方法

Info

Publication number: JPH10232184A
Application number: JP9034706A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Irie; 則行入江
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】光学薄膜の種類（反射防止膜、反射増加膜
等）の相違やサンプル間のばらつきにかかわらず、精度
良く膜の破壊の起点（開始点）を検出することができる
レーザー耐久性評価方法を提供する。【解決手段】薄膜が形成されたサンプルに光を照射した
ときの光吸収に起因するサンプルの体積変化により発生
する音響信号と、前記サンプルに光を照射したときに生
じる散乱信号とを、照射光強度を増加させて照射し続け
ながら同時に計測し、その変動を用いて行うレーザー耐
久性評価方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学薄膜が形成さ
れた光学素子のレーザー耐久性評価方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体素子の集積度を増すために、
半導体製造用縮小投影露光装置（ステッパー）の高解像
力化の要求が高まっている。このステッパーによるフォ
トリソグラフィーの解像度を上げる一つの方法として、
光源波長の短波長化が挙げられる。それに伴って、この
短波長における光学素子などの計測評価が不可欠になり
つつある。

【０００３】光学素子など要求される評価項目のうち、
重要な項目の一つはレーザー耐久性である。ステッパー
に用いられる高出力のエキシマレーザーに対する光学材
料及び光学薄膜等の光学素子のレーザー耐久性について
はほとんど実績がない。光学素子の破壊のメカニズムは
詳細には解明されていないが、基板や薄膜の吸収発熱に
よる溶解、熱応力による脆性破壊、強い光電界による絶
縁破壊により光学素子の破壊に至ると考えられている。

【０００４】また、現実の光学素子では、基板材料の純
度や均質性、加工後の表面状態や粗さ、研磨材の残留
物、コートによる吸収やコート内部の電界強度分布等の
加工プロセス全体での各種の要因も光学素子の破壊の原
因になっている。第１のレーザー耐久性の評価方法とし
ては、図５に示すような装置を用いて、サンプル表面上
に場所を変えながら単位面積あたりのエネルギー密度を
変化させたレーザー光をスポットにして照射し、膜の破
壊の有無を顕微鏡の目視にて観察して、判定する方法が
ある。

【０００５】しかし、目視による判定法は観察者の個人
差があり、測定結果のバラツキをまねき、またサンプル
数の増加に対応できない等の問題がある。さらに、目視
による判定法は、膜破壊の状態認識によってのみでしか
耐久性を評価することができない。そこで、次に示すよ
うな第２、３のレーザー耐久性評価方法が提案された。
第２のレーザー耐久性の評価方法としては、図６に示す
ような装置を用いて光量調整光学系のズームレンズを駆
動して照射光強度を増大させながらサンプルに照射し続
け、光吸収に起因するサンプルの体積変化により発生す
る音響信号を測定し、急激な音響信号の変動が生じたと
き膜破壊が生じたと認定する方法がある。

【０００６】第３のレーザー耐久性の評価方法として
は、図７に示すような装置を用いて光量調整光学系のズ
ームレンズを駆動して照射光強度を増大させながらサン
プルに照射し続ける。光の照射と照射との間隙にＨｅ−
Ｎｅレーザーを照射し、その時に発生する散乱信号を測
定し、急激な散乱信号の変動が生じたときに膜破壊が生
じたと認定する方法がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は光学基板上に形成された光学薄膜の種類（反射防止
膜、反射増加膜等）の違いや、サンプル間のばらつきに
よって膜破壊のメカニズムが相違するため、音響信号の
変動のみによって評価する第２のレーザー耐久性評価方
法や散乱信号の変動のみによって評価する第３のレーザ
ー耐久評価方法では精度良く膜の破壊の起点（開始点）
を検出することができない。

【０００８】そこで、本発明はこれらの問題点に鑑み、
光学薄膜の種類（反射防止膜、反射増加膜等）の相違や
サンプル間のばらつきにかかわらず、精度良く膜の破壊
の起点（開始点）を検出することができるレーザー耐久
性評価方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意研究の
結果、本発明をするに至った。本発明は、第一に「薄膜
が形成されたサンプルに光を照射したときの光吸収に起
因するサンプルの体積変化により発生する音響信号と、
前記サンプルに光を照射したときに生じる散乱信号と
を、照射光強度を増加させて照射し続けながら同時に計
測し、その変動を用いて行うレーザー耐久性評価方法
（請求項１）」を提供する。また、本発明は第二に「前
記音響信号又は散乱信号の急激な変動のうち、最初に急
激に変動し始めた信号の始点を前記照射光強度を増加さ
せて照射し続けることに起因する前記薄膜の破壊の起点
と認定することを特徴とする請求項１記載のレーザー耐
久性評価方法（請求項２）」を提供する。また、本発明
は第三に「前記信号変化の始点の照射光強度をレーザー
耐力しきい値として認定することを特徴とする請求項２
記載のレーザー耐久性評価方法（請求項３）」を提供す
る。

【００１０】

【発明の実施形態】以下、本発明にかかるレーザー耐久
性評価方法に用いる光学薄膜損傷測定装置と、その測定
方法の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１
（ａ）は、本発明にかかる実施形態の光学薄膜損傷測定
装置の概略断面図である。

【００１１】本発明にかかる実施形態の光学薄膜損傷測
定装置のチャンバー（図示されていない）内には、光源
１０１からのエキシマレーザーを成形するビーム成形光
学系１０２と、光量を調節する光量調整光学系（ズーム
レンズ）１０３と、光量調整されたエキシマレーザーを
参照光と測定光に分離するビームスプリッタ１０５と、
エキシマレーザーをサンプル上に集光させる集光光学系
１０６と、参照光を受光する光量モニタセンサー１０４
と、サンプル１０８に取り付けられた音響検知素子１０
９（圧電素子など）と、測定光を吸収するビームストッ
プ（図示されていない）が設置されている。

【００１２】光学薄膜損傷測定装置において、光源１０
１からの光は、ビーム成形光学系１０２で成形され、光
量調整光学系１０３で光量（照射光強度）を変化させ、
ビームスプリッタ１０５により参照光と測定光に分離さ
れる。照射光強度は参照光を用いて光量モニタセンサー
１０４でモニタし、測定光はサンプル１０８に照射され
る。光量モニタセンサー１０４でモニタされた照射光強
度でサンプル１０８に照射し続けたとき発生する音響信
号を測定し、照射光強度を増大させながら照射し続けた
ときの音響信号の変化を観察するシステムである。

【００１３】この例での測定サンプル１０８は、ガラス
基板上の薄膜である。図１（ｂ）は、本発明にかかる光
学薄膜損傷測定装置の被測定物付近の概略断面図であ
る。サンプル１０８は金属製のサンプルホルダーにセッ
ティングされており、音響信号検出は、サンプル１０８
に取り付けられた音響検知素子（圧電素子など）１０９
によって行なわれる。図示されていない治具により、サ
ンプル１０８と音響検知素子ホルダー１１５とは固定さ
れ、音響検知素子ホルダー１１５内では、音響検知素子
１０９はコイルバネ１１４により一定の圧力で押さえつ
けられ、サンプル１０８の裏側（レーザー照射の反対
側）に強固に固定され、安定に音響整合がとられてい
る。

【００１４】このようにしてセットされたサンプル１０
８に光量調整光学系１０３のズームレンズを駆動して照
射光強度を増大させて照射し続け、その時発生する音響
信号の出力を測定する。照射径Φ１ｍｍの測定光はサン
プル１０８を１ショットごとに２０°ずつ回転させなが
ら円周に沿って照射する。サンプル１０８が一周回転し
終わったら２ｍｍ外側に移動して同様に照射し続ける。

【００１５】サンプルの吸収による音響信号発生は、照
射後約１５μｓｅｃである。照射直後、あるいは音響到
達直後しばらくたってからの信号は、サンプルの光吸収
以外の雑音信号がのってくるため、この付近約１０μｓ
ｅｃ分の信号をとりこんで測定を行う。信号は適切なフ
ィルタリングがなされて雑音が除かれる。実施形態では
音響のメインの周波数が１５０ｋＨｚ程度であり、この
付近の波長を選択して（ＦＦＴによる）測定をする。

【００１６】サンプル１０８から発生する散乱光を受光
する光電管１０７は、集光光学系１０６の横に配置さ
れ、サンプル１０８の照射箇所を中心に回転して任意の
角度で散乱信号の測定をすることができる。次に、光学
薄膜損傷測定装置を用いて、照射光強度を変化させなが
らサンプルに照射し続けた時の膜破壊と、音響信号の変
動及び散乱信号の変動との関係について説明する。

【００１７】多層膜の内部（基板との界面）で膜破壊が
生じた場合、まず膜の破壊による膜吸収係数の変化によ
って音響信号が大きくなる。さらに、照射光強度を増大
させていくと、内部の破壊が膜表面にまで到達し散乱信
号が大きくなる。ここで、レーザー耐力しきい値（膜破
壊の起点）は音響信号が急激に増加し始めた時の照射光
強度である。

【００１８】音響信号が急激に増加し始める照射光強度
と散乱信号が急激に変化し始める照射光強度との間にず
れが生じるのは、内部破壊が表面におよぶまでに必要な
エネルギーと考えられる。光学基板の表面で光の反射を
低減する反射防止膜は、まず光学基板と反射防止膜との
界面で破壊が生じることが多いので、本発明にかかる光
学薄膜損傷測定装置を用いてレーザー耐久性評価を行っ
た場合、まず音響信号の変動が生じ、その後散乱信号が
変動が生じるという現象が観察される。

【００１９】これは、反射防止効果により照射された光
のエネルギーが損失することなく基板表面まで到達し、
基板と膜の界面に存在する不純物等に蓄熱され、熱によ
り破壊が引き起こされると考えられるからである。多層
膜の表面又は膜中で膜破壊が生じた場合、まず膜の外観
変化により散乱信号が大きくなる。さらに、照射光強度
を増大させていくと、表面又は膜中の破壊が膜内部まで
到達し膜吸収係数の変化によって音響信号が大きくな
る。

【００２０】ここで、レーザー耐力しきい値（膜破壊の
起点）は散乱信号が急激に増加し始めた時の照射光強度
である。音響信号が急激に増加し始める照射光強度と散
乱信号が急激に変化し始める照射光強度との間にずれが
生じるのは、表面又は膜中破壊が内部におよぶまでに必
要なエネルギーと考えられる。

【００２１】光を反射するレーザーミラーは、まず、膜
表面又は膜中で破壊が生じることが多いので、本発明の
かかる光学薄膜損傷測定装置を用いてレーザー耐久性評
価を行った場合、まず散乱信号の変動が生じ、その後音
響信号の変動が生じるという現象が観察される。これ
は、レーザーミラーは膜の積層数が多く膜中の欠陥の存
在確率が高くなるので、破壊の発生率が高くなる。ま
た、反射効果により照射された光のエネルギーは積層さ
れた各層で反射され、ガラス基板に到達するレーザーは
少ないためたとえ基板と膜の界面に不純物があっても蓄
熱されることがない。したがって、基板と膜の界面から
膜破壊が生じることはほとんどなく、膜表面又は膜中に
付着した不純物により破壊が生じると考えられる。

【００２２】

【実施例】図１に示す光学薄膜損傷測定装置を用いてレ
ーザー耐久性評価を行った。光源１０１は、波長が２４
８ｎｍパルス巾４０ｎｓｅｃのエキシマレーザーであ
る。光学薄膜損傷測定装置のサンプルホルダーにサンプ
ル１０８をセットした。

【００２３】サンプルはΦ３０ｍｍ-ｔ３ｍｍの石英ガ
ラス基板上にＮｄＦ₃とＭｇＦ₂とからなる２層の反射防
止膜を片面に成膜したものである。光学系のズームレン
ズを駆動して、１０Ｊ／ｃｍ²以下の範囲内で、照射光
強度を変えながらサンプルに照射し、音響信号及び散乱
信号の出力を計測した。図２は、反射防止膜に照射光強
度を変えながら照射し続けた時の散乱信号と光音響信号
をグラフ化したものである。

【００２４】照射光強度が増加するにしたがって音響信
号、散乱信号は緩やかに増加するがある照射光強度の
時、先ずどちらか一方の信号が急激に増加して信号の傾
きが大きくなる。この変化の始点が膜破壊の瞬間であ
る。図２よりこの変化の始点は、音響信号の方が散乱信
号に比べて低い照射光強度で起こっていることがわか
る。

【００２５】これより、先ず膜破壊が膜の内部（基板と
膜の界面付近）で発生して、膜破壊による膜の吸収係数
の変化によって音響信号が急激に大きくなり、さらに照
射光強度を増加させて照射し続けることによって、その
破壊が表面にまで至り、散乱信号が急激に大きくなった
と推測することができる。また、レーザーミラーについ
て同様な測定を行った。

【００２６】レーザーミラーはΦ３０ｍｍ-ｔ３ｍｍの
石英ガラス基板上にＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との交互層から
なる２１層の多層反射膜を片面に成膜したものである。
図３は、レーザーミラーに照射光強度を変えながら照射
し続けた時の散乱信号と音響信号をグラフ化したもので
ある。図３より信号の急激な変化の開始は、散乱信号の
方が音響信号に比べて低い照射光強度で起こっているこ
とがわかる。

【００２７】これより、先ず膜破壊が膜の表面付近で発
生して、外観変化により散乱信号が急激に大きくなり、
さらに照射光強度を増加させて照射し続けることによっ
て、その破壊が内部にまで至り、音響信号が急激に大き
くなったと推測することができる。さらに、ハーフミラ
ーについて同様な測定を行った。

【００２８】ハーフミラーはΦ３０ｍｍ-ｔ３ｍｍの石
英ガラス基板上にＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との交互層からな
る９層の多層反射膜を片面に成膜したものである。図４
は、ハーフミラーに照射光強度を変えながら照射し続け
た時の散乱信号と光音響信号をグラフ化したものであ
る。レーザーミラーと同様な変化を示した。

【００２９】

【発明の効果】以上、説明したとおり、本発明にかかる
レーザー耐久性評価方法は、散乱信号の変動と音響信号
の変動の両方を用いて評価しているので、膜破壊の過程
（膜の破壊が先ず散乱信号の変動となって現れる場合
と、膜の破壊が先ず音響信号の変動となって現れる場
合）にかかわらず、精度良くレーザー耐久性評価を行う
ことができる（レーザー耐力のしきい値を検出すること
ができる）。すなわち、膜の種類（反射防止膜、反射増
加膜等）の相違、サンプル間のばらつきにかかわらず、
精度良くレーザー耐久性評価を行うことができる。

【００３０】また、光学薄膜の種類、サンプルごとに生
じた膜破壊のメカニズムを解明することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明にかかるレーザー耐久性評価方
法に用いられる光学薄膜損傷測定装置の概略断面図であ
り、（ｂ）は、その装置の被測定物付近の概略断面図で
ある。

【図２】実施例の反射防止膜に照射光強度を変えながら
照射し続けた時の散乱信号と光音響信号をグラフ化した
ものである。

【図３】実施例のレーザーミラーに照射光強度を変えな
がら照射し続けた時の散乱信号と光音響信号をグラフ化
したものである。

【図４】実施例のハーフミラーに照射光強度を変えなが
ら照射し続けた時の散乱信号と光音響信号をグラフ化し
たものである。

【図５】従来の第１のレーザー耐久性評価に用いられる
測定装置の概略断面図である。

【図６】従来の第２のレーザー耐久性評価に用いられる
測定装置の概略断面図である。

【図７】従来の第３のレーザー耐久性評価に用いられる
測定装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、４０１・・・光源１０２、２０２・・・ビーム成形光学系１０３、２０３・・・光量調整光学系（ズームレンズ）１０４、２０４・・・光量モニタセンサー１０５、２０５・・・ビームスプッリッター１０６、２０６・・・集光光学系１０７・・・光電管１０８、２０７、３０３、４０４・・・サンプル１０９、３０４・・・音響検知素子（圧電素子）１１０・・・サンプルホルダーステージ１１１、３０５・・・アンプ１１２、２０８、３０６・・・オシロスコープ１１３・・・コンピュータ１１４・・・コイルバネ１１５・・・音響検知素子ホルダー３０２、４０２・・・光学系３０７・・・ＦＦＴ４０３・・・Ｈｅ−Ｎｅレーザ４０５・・・バイプラナ光電管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜が形成されたサンプルに光を照射した
ときの光吸収に起因するサンプルの体積変化により発生
する音響信号と、前記サンプルに光を照射したときに生
じる散乱信号とを、照射光強度を増加させて照射し続け
ながら同時に計測し、その変動を用いて行うレーザー耐
久性評価方法。
【請求項２】前記音響信号又は散乱信号の急激な変動の
うち、最初に急激に変動し始めた信号の始点を前記照射
光強度を増加させて照射し続けることに起因する前記薄
膜の破壊の起点と認定することを特徴とする請求項１記
載のレーザー耐久性評価方法。
【請求項３】前記信号変化の始点の照射光強度をレーザ
ー耐力しきい値として認定することを特徴とする請求項
２記載のレーザー耐久性評価方法。