JPH10281990A

JPH10281990A - 光学材料の内部散乱測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JPH10281990A
Application number: JP9086222A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Jinbo; 宏樹神保; Norio Komine; 典男小峯
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】３００ｎｍ以下の紫外光を十分透過し、且つ
散乱係数が既知の物質が無いこと及び散乱の角度依存性
を考慮できない事から、従来の測定方法では、３００ｎ
ｍ以下における適当な基準物質が無く、内部散乱強度を
測定することができなかった。【解決手段】測定材料の形状を多角柱または円柱と
し、これを積分球内部に配置することにより、全方向の
散乱光を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光リソグラフィー
技術において４００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以
下の特定波長帯域で、レンズやミラー等の光学系に使用
される光リソグラフィー用石英ガラス光学材料の内部散
乱測定装置及び測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、ＶＬＳＩは、ますます高
集積化、高機能化され、論理ＶＬＳＩの分野ではチップ
上により大きなシステムが盛り込まれるシステムオンチ
ップ化が進行している。これに伴い、その基板となるシ
リコン等のウエハ上において、微細加工化及び高集積化
が要求されている。シリコン等のウエハ上に集積回路の
微細パターンを露光・転写する光リソグラフィー技術に
おいては、ステッパと呼ばれる露光装置が用いられてい
る。

【０００３】ＶＬＳＩの中でＤＲＡＭを例に挙げれば、
ＬＳＩからＶＬＳＩへと展開されて１Ｍ→４Ｍ→１６Ｍ
→６４Ｍ→２５６Ｍ→１Ｇと容量が増大してゆくにつ
れ、加工線幅がそれぞれ１μｍ→０．８μｍ→０．５μ
ｍ→０．３５μｍ→０．２５μｍ→０．１８μｍと微細
加工可能な光リソグラフィ−装置が要求される。このた
め、ステッパの投影レンズには、高い解像度と深い焦点
深度が要求されている。この解像度と焦点深度は、露光
に使う光の波長とレンズのＮ．Ａ．（開口数）によって
決まる。

【０００４】細かいパターンほど回折光の角度が大きく
なり、レンズのＮ．Ａ．が大きくなければ回折光を取り
込めなくなる。また、露光波長λが短いほど同じパター
ンでの回折光の度は小さくなり、従ってＮ．Ａ．は小さ
くてよいことになる。解像度と焦点深度は、次式のよう
に表される。解像度＝ｋ1・λ／Ｎ．Ａ．焦点深度＝ｋ2・λ／Ｎ．Ａ．² （但し、k1、k2は比例定数である。）解像度を向上させるためには、Ｎ．Ａ．を大きくする
か、λを短くするかのどちらかであるが、上式からも明
らかなように、λを短くするほうが深度の点で有利であ
る。このような観点から、光源の波長は、ｇ線（４３６
ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）へ、さらにＫｒＦ（２４
８ｎｍ）やＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザへと短
波長化が進められている。

【０００５】また、ステッパに搭載される光学系は、多
数のレンズ等の光学部材の組み合わせにより構成されて
おり、たとえレンズ一枚当たりの透過損失が小さくと
も、それが使用レンズ枚数分だけ積算されてしまい、照
射面での光量の低下につながるため、光学部材に対して
高透過率化が要求されている。そのため、４００ｎｍよ
りも短い波長帯域では短波長化及び光学部材の組み合わ
せによる透過損失を考慮した特殊な製法の光学ガラスを
用いる。さらに３００ｎｍ以下では合成石英ガラスやＣ
ａＦ₂（蛍石）等のフッ化物単結晶が用いられる。

【０００６】つまり、光リソグラフィー技術等に使用さ
れる光学部の物性において、像のコントラストを低下さ
せる原因の一つが透過損失である。透過損失は、光学部
材における光吸収、光散乱が主な原因である。光吸収と
は、光学部材に入射した光子エネルギーによる電子遷移
に起因する現象である。光学部材に光吸収が起こると、
そのエネルギーは主に熱エネルギ−に変換され、光学部
材が膨張したり、屈折率や面状態が変化し、結果として
解像度が得られなくなる。

【０００７】また、一般的に物質中に入射した光エネル
ギーは散乱現象を生ずる。散乱現象は、レ−リ−散乱、
ブリリアン散乱等の弾性散乱やラマン散乱等の非弾性散
乱に大別できる。特に、光学部材中の散乱強度が高い
と、その散乱光はフレアやゴーストとなり像のコントラ
ストを低下させ、光学性能を低下させる原因となる。も
っとも、光散乱は、光吸収による光学部材の形状や屈折
率の変化による解像力の低下に比べて、その影響が充分
に小さく、実用上は無視できる値であると考えられてい
た。実際、可視域の光学機器においては、透過損失の主
な原因は光吸収であり、その光吸収を一定以下に設定す
ることにより、所望の解像度を満たし、像のコントラス
トの良好なものが得られる。

【０００８】しかしながら、入射光の波長が短波長化す
るにしたがって光散乱は無視できなくなり、特に光リソ
グラフィー用の投影レンズなどの場合、散乱光によるフ
レアやゴーストにより鮮明な像が得られなくなることが
ある。従来、レンズ材料の光透過特性の仕様は透過率で
与えられており、透過損失の大半は内部吸収による事が
大きかった。しかし、２５０ｎｍ以下の遠紫外領域で
は、石英ガラスの本質的な散乱損失の影響を無視し得な
いことがわかってきた。

【０００９】従来、３００ｎｍ以上の紫外・可視域での
固体内部の散乱の測定方法としては、図３に示すよう
に、３面研磨したサンプルの両面研磨してある面に対し
て垂直に光線を入射し、サンプル内部の散乱光を入射光
に対して垂直方向から検出する方法がある。そして、測
定波長における散乱係数が既知の基準物質（ベンゼンな
どの液体）についても同様の測定を行い、基準物質との
相対値を算出後、絶対値に補正してガラスなどの固体物
質の内部散乱を算出していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この測
定方法では、３００ｎｍ以下における適当な基準物質が
無いため、内部散乱強度を測定することができなかっ
た。これは、３００ｎｍ以下の紫外光を十分透過し、且
つ散乱係数が既知の物質が無いこと及び散乱の角度依存
性を考慮できない事が主な問題点である。

【００１１】また、Ａｒ、Ｋｒ等紫外光を十分透過し且
つ散乱係数が既知のガス物質は存在するが、取り扱い面
及び固体物質をセルにいれて測定する方法もあるが簡便
な方法でないためほとんど行われていない。ここで、光
学部材における光散乱について述べる。光学単結晶、例
えば単結晶蛍石（ＣａＦ₂）は、完全結晶体とみなされ
るため、全ての原子やイオンが５Ａ゜前後の距離で規則
正しく配列していて、その密度は一様であると考えられ
る。光の伝搬に関するハイゲンス・フレネルの原理から
も、光の波面が分子（＝散乱因子）にあたって無数の２
次球面波を出しても、光が直進する方向の散乱光以外は
干渉して打ち消しあってしまう。そのため、光学単結晶
の散乱損失は、液体や非平衡状態であるガラス、プラス
チックと比較して非常に小さくなり、内部に構造欠陥や
微粒子等が実用上存在しない場合は、その散乱損失量は
無視し得ると考えられる。

【００１２】しかし、ガラスは製法上溶融物を急冷する
ため溶融時の原子配列がある程度凍結されるため、巨視
的性質は固体であるが、微視的には液体の構造をもつ。
そのため、液体同様分子の分布は結晶のような規則性を
もたず、熱運動をすることによる統計熱力学的なゆらぎ
を持つため、光散乱があると考えられている。このよう
な光散乱はレーリー散乱と呼ばれているものである。

【００１３】レーリ−散乱は、散乱強度が波長λの４乗
に反比例する。このため、短波長域で使用される光学機
器においては、光学部材のレーリー散乱が光学性能に影
響を及ぼす。特に、光リソグラフィ−用投影レンズ等の
ように超微細な解像度を要求される光学機器では、透過
損失や散乱光によるフレアやゴ−ストが問題となる。ガ
ラスの散乱損失量は、次式により算出することができ
る。

【００１４】

【数１】

【００１５】例えば、石英ガラスの計算を試みると、与
えた物性値、波長λ＝１９３．４ｎｍ、屈折率ｎ＝１．
５６０３、仮想温度Ｔｆ＝１２７３Ｋ、での散乱損失係
数はｓ＝０．００１８６１／ｃｍ、すなわち散乱損失量
は０．１８６１％／ｃｍと算出される。この様に、実際
に測定される透過損失量に対し、より大きな数値が予測
され、１９３．４ｎｍの透過損失の原因については光吸
収よりも散乱損失が主因であることが予想される。

【００１６】尚、ブリリアン散乱分を補正し、レ−リ−
散乱係数の算出には、β_Tの項を以下の様に補正する。

【００１７】

【数２】

【００１８】計算結果、散乱損失量は０．１５１６％／
ｃmとなる。これより、散乱損失の理論計算値をレ−リ
−散乱損失＋ブリリアン散乱損失と定義する。尚、ブリ
リアン散乱損失の算出には、式（３）を使用し、β_Tを
式（４）中に示した（ν∞²）^-1に入れ替えＴ_Sを室温
（２９８Ｋ）にすることで算出できる。ブリリアン散乱
はレ−リ−散乱に対して理論上約１／２０程度と見積も
られる。

【００１９】

【数３】

【００２０】しかしながら、このようにして求めた散乱
損失量は、他の散乱因子や非弾性散乱等を考慮していな
いため実際より低く見積もられている可能性がある。ま
た、逆の可能性も否定できない。さらに、ここに示した
数値は、理論式からの算出であること、使用している物
性値の信頼性の問題などあるためあくまでも推測でしか
ない。

【００２１】例えば、多成分の光学ガラスは、各種物性
値の正確な測定が困難なこと、散乱因子が分子の統計熱
力学的なゆらぎだけでなく、泡・異物等の粒径により、
散乱損失のうちレ−リ−散乱が主因かミ−散乱、反射屈
折領域かの判別が困難である。そのため、実際には散乱
損失量の計測が必要となる。

【００２２】

【課題を解決するための手段】つまり、全方向内部散乱
を正確に知るためには、入射光の対して９０度方向の測
定値Ｒ90だけでなく、また理論計算だけではなく、全方
向の散乱光を測定することが必要との結論に至った。そ
こで、本発明者は、遠紫外域の光学部材の内部散乱測定
について研究した結果、測定材料の形状を多角柱または
円柱とし、これを積分球内部に配置することにより、全
方向の散乱光を検出することが可能となることを見い出
した。

【００２３】そこで、本発明はまず、第１に「内部に多
角柱または円柱形状の測定試料を保持することが可能な
積分球と、該積分球内部に保持された測定試料に光が入
射されたときに積分球内部に発生する散乱光を検出する
ことが可能な光検出器と、測定試料からの散乱光が光検
出器に直接入射するのを防ぐための反射板と、からなる
光学材料の内部散乱光測定装置」を提供する。

【００２４】また、本発明は第２に、上記の装置を用い
て、「積分球内部に多角柱または円柱形状の測定試料を
保持する工程と、該測定試料の一方の端面から略平行光
を入射する工程と、該光入射により積分球内部に発生す
る散乱光を光検出器により検出する工程とからなる光学
材料の内部散乱の測定方法」を提供する。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の内部散乱測定装置の一例
を図１に示す。図１の装置は、積分球を使用したもの
で、光学材料からの全散乱量を測定することが可能であ
る。特に、遠紫外域の測定が可能である点で優れるが、
可視・近赤外域の測定も可能である。ここでは、紫外光
に対する光学材料の内部散乱測定について説明する。

【００２６】光源（１）には、可視光ではＨｅ−Ｎｅレ
−ザ（６３２．８ｎｍ）、Ａｒ⁺イオンレ−ザ（４８８
ｎｍ他）等、遠紫外光ではＫｒＦ（２４８．３ｎｍ）、
ＡｒＦエキシマレ−ザ（１９３．４ｎｍ）、エキシマラ
ンプ、Ｄ2ランプを用いる。また、ビ−ムスプリッタな
どで切り替え可能な構成にしておけば、数種の光源を搭
載した装置にすることもできる。

【００２７】光学系（２）は、光源からの光をほぼ平行
光になるように整形するためのものであり、その光学部
材には石英ガラスまたは蛍石製のレンズなどが用いら
れ、エネルギ−モニタ、エネルギ−調整及びアライメン
ト機構などを有する。本発明に用いられる積分球及びそ
の内部の概略を図２に示す。積分球（５）は、従来から
物体の照度や表面の拡散反射率測定などに用いられてい
る一般的なものを用いることが可能である。もっとも、
紫外光を照射して用いる場合、紫外光に対する拡散反射
率の良いポリテトラフロロエチレンなどの微粒子により
内壁面が構成されているものが好ましい。本発明では、
積分球内部の光路に相当する部分にサンプル（光学材
料）を保持するため、サンプルを固定するための保持手
段を有する積分球とする。

【００２８】積分球内部には、散乱光を検出するための
光検出器（３）が設けられている。この光検出部にサン
プルからの散乱光が直接入射すると、測定誤差が生じ
る。そこで、本発明においては、積分球内に反射板
（６）をセットし、測定試料からの散乱光が光検出器に
直接入射するのを防ぐ。反射板の材料は、好ましくは積
分球の内壁面と同じ材料を用いる。

【００２９】光検出器としては、各測定波長で高感度で
安定性の良いフォトダイオ−ドやフォトマル等を使用す
る。０点校正には、サンプルなしの時の信号強度を、検
量線には透過率が精密に保証されているＮＤフィルタ−
等を用いる。測定試料（４）（サンプル）形状は、円柱
もしくは多角柱とすし、好ましくは側面全面と少なくと
も光が入射される側の端面が全て研磨されたものとす
る。さらに好ましくは、全面研磨し、且つ端面が側面に
対して垂直な平行平面とする。表面粗さは、ＲＭＳで５
Å以下とし、表面清浄度を高めておくことも好ましい。
これは表面散乱、表面吸収の影響を防ぐためである。

【００３０】サンプル長（端面から端面の長さ）は、積
分球内部の光路長より、やや長くすることが好ましい。
これは、表面散乱光の積分球内への入射を防ぐためであ
る。以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

【００３１】

【実施例】

（比較例）図３は従来散乱光を測定する際に使用してい
た装置であって、入射光に対し９０度方向の散乱光の相
対強度を測定する装置である。この装置の構成を用いて
散乱光の補正を行うには、可視光ではベンゼン等散乱損
失係数のわかっている物質との相対値から算出する。

【００３２】例えば、光軸に対してθ９０度の相対散乱
強度比較（Ｒ90比:光軸90度方向の強度）より、全散乱
量は１６π／３×Ｒ90で見積もることができる。この場
合、散乱の角度依存性は、完全レ−リ−散乱であると仮
定している。散乱光の検出部への伝送には、光ファイバ
−の入射部を、光軸に対してθ９０度方向に設置し、検
出部にはフォトダイオ−ドアレイを用いた分光器を使用
することで簡易にＲ90相対値を測定することができる。
また、散乱光のスペクトルを確認することもできる。

【００３３】この方法で、１９３ｎｍの紫外光を測定し
たところ、基準物質の吸収の影響、またガス体を用いた
場合測定値が安定せず測定値を得るには至らなかった。（実施例）本発明の図１の全方位内部散乱測定装置を用
いて石英ガラスの１９３．４ｎｍ内部散乱係数を測定し
た。サンプル形状は図２の形状にし、図２の配置で積分
球内に設置した。光源にはＡｒＦエキシマレ−ザを使用
した。

【００３４】測定手順として、まずサンプル無しの状態
でバックグランド測定を行う。これは、電気系のノイ
ズ、暗電流、積分球内の気体の散乱の影響を測るためで
ある。気体の影響はＨｅパ−ジする事でほとんど無視で
きる。これは、石英ガラスの散乱係数が１×１０^-3（／
ｃｍ）オ−ダなのに対しＨｅでは１×１０^-7（／ｃｍ）
オ−ダであるためである。空気の散乱係数は１×１０^-5
（／ｃｍ）オ−ダであるため測定時１％程度の誤差要因
となる。本実施例では、Ｈｅパ−ジして測定を行った。

【００３５】次に、散乱強度の基準として積分球と同じ
材質の図４の標準拡散板を作製し使用した。本実施例で
は４３の形状を使用した。この拡散板の１９３．４ｎｍ
の拡散反射率は６５％である。この標準拡散板を、図５
のように積分球内に設置し、ＡｒＦエキシマレ−ザ光を
入射しその時の検出される信号強度を基準値とする。次
に、図２のサンプルを十分に洗浄して積分球内に設置
し、ＡｒＦエキシマレ−ザ光入射時の信号強度を測定す
る。サンプルは表面散乱の影響を少なくするため積分球
両端部より、サンプルの入出射面を２５ｍｍ以上離れる
ような長さに作製してある。十分洗浄するのは、表面の
吸収が測定に影響するためである。

【００３６】次に、測定した信号強度を内部散乱係数に
換算する。その際、理論的な補正が必要となる。補正が
必要な項目は、光源光入射時の反射損失、内部散乱
光の角度のよる全反射光の損失分である。は、石英ガ
ラスの１９３．４ｎｍの反射損失を考慮した理論透過率
が９０．８７％であることでこの数値を用いる。

【００３７】は散乱光の入射光に対する角度が０〜５
０度迄が全反射することが、全反射の臨界角の計算から
算出できる。また、レ−リ−散乱光の角度依存（図６、
７、８）から約６６％が積分球外に放出され、積分球内
に取り込まれるのは３４％であることからこの数値で補
正する。本実施例の他、入出射面を楔状にすることで、
積分球内に取り込む散乱光の効率を１０％以上向上する
ことが可能である。

【００３８】つまり、石英ガラスの１９３．４ｎｍにお
ける内部散乱係数は以下の式で求めることが可能とな
る。（Ｃ−Ａ）／（Ｂ−Ａ）／０．３４×０．６５＝０．０
０１６（／ｃｍ）同一条件で作製した２０ケの測定値のバラツキは１シグ
マで０．０００１であった。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、遠紫外光における光学
材料の内部散乱係数を正確に測定することが可能となっ
た。この測定技術を用い、光散乱と光吸収の分離によ
り、レンズの発熱による面形状、屈折率変動による波面
の乱れと、光散乱によるフレアの影響を分離して、レン
ズ設計、レンズ調整、収差シミュレ−ションを行うこと
が可能となる。

【００４０】また、本発明により光学材料の内部散乱を
測定し選別することにより、選別された光学材料を用い
た光リソグラフィー装置の性能向上及び安定化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内部散乱測定装置の一例を示した概
略図である。

【図２】本発明に用いられる積分球及びその内部の断
面図であって、ａ）は上面から見た図、ｂ）は光軸方向
から見た図、ｃ）は検出器の方向から見た図である。

【図３】従来用いられる入射光に対し９０度方向の散
乱光の相対強度を測定する装置の概略図である。

【図４】標準拡散板の概略図である。

【図５】本発明に用いられる積分球に標準拡散板を配
置した状態の概略図である。

【図６】レーリー散乱光強度の角度依存性を示す概念
図である。

【図７】レーリー散乱光強度の角度依存性を示すグラ
フである。

【図８】図７のグラフの積分値比率を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１光源２光学系３検出器４測定試料（サンプル）５積分球６反射板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に多角柱または円柱形状の測定試料を
保持することが可能な積分球と、該積分球内部に保持さ
れた測定試料に光が入射されたときに積分球内部に発生
する散乱光を検出することが可能な光検出器と、測定試
料からの散乱光が光検出器に直接入射するのを防ぐため
の反射板と、からなる光学材料の内部散乱光測定装置。
【請求項２】積分球内部に多角柱または円柱形状の測定
試料を保持する工程と、該測定試料の一方の端面から略
平行光を入射する工程と、該光入射により積分球内部に
発生する散乱光を光検出器により検出する工程と、から
なる光学材料の内部散乱測定方法。
【請求項３】前記測定試料が、側面全面と少なくとも光
が入射される側の端面が全て研磨されたものであること
を特徴とする光学材料の内部散乱測定方法。
【請求項４】前記測定試料が、全面研磨されたものであ
り、且つ端面が側面に対して垂直な平行平面であること
を特徴とする光学材料の内部散乱測定方法。
【請求項５】前記測定試料が、前記積分球内部の光路長
よりも長い形状であることを特徴とする光学材料の内部
散乱測定方法。
【請求項６】前記測定試料に入射される光が３００ｎｍ
以下の紫外光であることを特徴とする光学材料の内部散
乱測定方法。