JPH10290053A - 光学装置及び光短波長化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子ビームとレーザビームの１回の衝突によっ
て、１０¹³個オーダー以上の短波長化された光子を得る
ことができ、例えば、リソグラフィ技術においてレジス
ト材料を十分に感光させることができ、しかも、デザイ
ンルールに適合した所望の波長を有する電磁波（紫外
線）を容易に得ることを可能にする光学装置を提供す
る。 【解決手段】光学装置は、電子銃１１及び集束レンズ系
１２から成る電子線源１０とレーザ光源２０とを備え、
電子線源１０から射出された相対論的速度で運動する電
子ビーム中の電子とレーザ光源２０から射出されたレー
ザビーム中の光子とを衝突させて、電子の有するエネル
ギーをレーザビームの光子に与え、散乱光を短波長化す
る光学装置であって、衝突する電子ビームとレーザビー
ムの断面積の内、大きな方の断面積をＡ（単位：ｃ
ｍ²）としたとき、１×１０^-6≦Ａ≦１×１０^-1を満足
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、所謂、逆コンプト
ン散乱を応用した光学装置及び光短波長化方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置のデザインルールは微細化の
一途を辿り、２５６ＭビットのＤＲＡＭにおいては０．
２５μｍルール、１ＧビットのＤＲＡＭにおいては０．
１８μｍルール、４ＧビットのＤＲＡＭにおいては０．
１３μｍルールになると予想されている。このようにデ
ザインルールが微細化するに従い、所謂リソグラフィ技
術における光源が大きな問題の１つとなってきている。

【０００３】即ち、半導体装置を製造するために用いら
れる半導体露光装置においては、レジスト材料の露光
（感光）に用いる光の波長をλ、レンズの開口数をＮＡ
としたとき、解像度は、レイリーの式 ｋλ／ＮＡ で
表わされる。尚、ｋは定数である。このレイリーの式か
ら、デザインルールが小さくなるに従い、波長λの短い
露光光源を使用しないと、十分なる解像度を得ることが
できないことが明白である。従って、０．２５μｍルー
ルにおいてはＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２５３ｎ
ｍ）、０．１８μｍルールにおいてはＡｒＦエキシマレ
ーザ（λ＝１９３ｎｍ）を用いる必要があるとされてい
る。

【０００４】このようなデザインルールの微細化に伴
い、短波長の露光光を得るために、電子ビームを使用し
たリソグラフィ技術や、シンクロトロン放射を応用した
Ｘ線ビームによるリソグラフィ技術が検討されている。
ところが、電子ビームを使用したリソグラフィ技術は、
少量多品種の半導体装置の製造に適するものの、スルー
プットが低く、半導体装置の大量生産には不向きであ
る。また、シンクロトロン放射を応用したＸ線ビームに
よるリソグラフィ技術においては、Ｘ線源として大規模
で複雑な装置が必要とされ、半導体装置の製造コストの
上昇が免れないといった問題がある。従って、従来の技
術の延長である光（レーザ）を用いた基本的にリソグラ
フィ技術によって、半導体装置のデザインルールの微細
化に対処できるならば、かかる技術が最も好ましい技術
であると云える。しかしながら、デザインルールの変更
に応じて、所望の波長を有する新規のレーザを開発する
ことは非常に困難であるばかりか、露光光の短波長化と
レーザ開発の歩みを共にする必要があり、極めて開発効
率が悪いといえる。

【０００５】物質によって散乱されたＸ線のなかに、そ
の波長が入射Ｘ線の波長より長い方にずれたものが含ま
れるコンプトン散乱現象は古くから知られた現象であ
る。かかるコンプトン散乱においては、静止した電子に
Ｘ線が衝突して散乱し、Ｘ線の有するエネルギーを電子
が受け取ると共に、Ｘ線自体のエネルギーは減少する。
一方、相対論的速度で運動する電子による光の散乱によ
って電子の有するエネルギーを光子に与え、散乱された
光を短波長化する逆コンプトン効果も古くから知られて
いる。例えば、E. Feenberg and H. Primakoff, Phys.
Rev. 73, (1948)449 あるいは、R.H. Milburn, Phys. R
ev. Lett. 10 (1963) 75 や F.R. Arutyunian and V.A.
Tumanian, Phys. Lett. 4 (1963) 176、「エネルギー
可変偏極単色γ線の発生−逆コンプトン散乱の応用」、
大垣 英明及び野口 勉、日本物理学会誌、Vol.50, N
o.5 (1995) pp381-386 を参照のこと。

【０００６】また、雑誌「パリティ」Vol.12, No.01, 1
997-01 の第４７頁に掲載された「ニュースダイジェス
ト」によれば、ローレンス・バークレー国立研究所材料
科学部門のシェーンラインらのチームは、赤外レーザの
パルスを線型加速器から引き出した電子ビームに直角に
当て、電子ビームの方向に散乱してくるピコ秒以下の極
短Ｘ線パルスを観測したと報告されている。即ち、シェ
ーンラインらの実験では、テラワット級のレーザパルス
を曲率半径７５ｃｍの鏡で直径３０μｍのスポットに絞
り、線型加速器から取り出したエネルギー５０ＭｅＶ、
ビーム厚み約９０μｍの電子線に直角に当てる。その結
果、電子ビームの方向に、エネルギー３０ｅＶ（波長
０．０４ｎｍ）、パルス０．３ｐ秒の指向性のよいＸ線
パルスが観測されたと報告されている。尚、Ｘ線の強さ
は、光子数にして１パルス当たり約５×１０⁴個であ
る。更には、１９９５年には、海軍研究所で０．６Ｍｅ
Ｖの電子ビームと出力１ＴＷのレーザ光とを正面衝突さ
せ、レーザ光の後方散乱としてエネルギー２０ｅＶの輻
射が得られたと報告されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これらの文献によれ
ば、電子線源として大掛かりな装置が必要とされる。し
かも、得られるＸ線の強さは、光子数に換算して１パル
ス当たり高々１０⁵〜１０⁶個程度である。リソグラフィ
技術においては、例えばＫｒＦエキシマレーザを用いる
場合、１パルス当たりのレジスト材料への照射エネルギ
ーを例えば１ｍＪ／ｃｍ²とし、２０パルス程度のレー
ザ照射によってレジスト材料を感光させている。この照
射エネルギー量の総和を光子数に換算すると、以下のと
おりとなる。尚、ＫｒＦエキシマレーザにおける１個の
光子の有するエネルギーを４．９ｅＶとする。

【０００８】

【数１】 １ｍＪ＝１×１０^-3×１０⁷（ｅｒｇ） ＝１×１０⁴×０．６２×１０¹²（ｅＶ） ＝６．２×１０¹⁵（ｅＶ） 光子数＝６．２×１０¹⁵×２０／４．９ ＝２．５×１０¹⁶（個） （１）

【０００９】これらの文献に開示された技術は、専ら、
原子核の構造の研究や化学反応、相転移、表面過程の研
究に関するものであり、得られるＸ線の強さも上記の程
度で十分なる研究が可能である。然るに、リソグラフィ
技術においては、レジスト材料を感光させるために極め
て多量の光子数が要求される。また、Ｘ線リソグラフィ
技術においては、光子１個当たりのエネルギーが増加す
るので、必要とされる光子数は一層少なくともよい可能
性もあるが、それでも１０¹³個オーダー以上の光子が必
要とされる。

【００１０】従って、本発明の目的は、電子ビームとレ
ーザビームの衝突によって１０¹³個オーダー以上の短波
長化された光子を得ることができ、例えば、リソグラフ
ィ技術においてレジスト材料を十分に感光させることが
でき、しかも、デザインルールに適合した所望の波長を
有する電磁波（紫外線）を容易に得ることを可能にする
光学装置及び光短波長化方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の光学装置は、電子銃び集束レンズ系から成
る電子線源とレーザ光源とを備え、電子線源から射出さ
れた相対論的速度で運動する電子ビーム中の電子とレー
ザ光源から射出されたレーザビーム中の光子とを衝突さ
せて、電子の有するエネルギーをレーザビームの光子に
与え、散乱光を短波長化する光学装置であって、衝突す
る電子ビームとレーザビームの断面積の内、大きな方の
断面積をＡ（単位：ｃｍ²）としたとき、１×１０^-6≦
Ａ≦１×１０^-1を満足することを特徴とする。

【００１２】上記の目的を達成するための本発明の光短
波長化方法は、電子銃び集束レンズ系から成る電子線源
から射出された相対論的速度で運動する電子ビーム中の
電子とレーザ光源から射出されたレーザビーム中の光子
とを衝突させて、電子の有するエネルギーをレーザビー
ムの光子に与え、散乱光を短波長化する方法であって、
衝突する電子ビームとレーザビームの断面積の内、大き
な方の断面積をＡ（単位：ｃｍ²）としたとき、１×１
０^-6≦Ａ≦１×１０^-1を満足することを特徴とする。

【００１３】尚、衝突する電子ビームの断面積とレーザ
ビームの断面積の内、どちらの断面積の方が大きな断面
積となるかは、光学装置の設計によって決定される。

【００１４】本発明の光学装置あるいは光短波長化方法
においては、電子線源から射出された電子ビームの有す
るエネルギーは１×１０⁵ｅＶ以上であることが好まし
い。電子線源から射出された電子ビームの有するエネル
ギーが１×１０⁵ｅＶ未満では、逆コンプトン散乱によ
る光の短波長化の効果が小さく、しかも、電子ビーム中
の電子間の散乱によって電子ビームを所望のサイズに絞
り難い。電子ビームの電流値は１μＡ以上であることが
好ましい。また、衝突時の、電子線源から射出された電
子ビームの進行方向と、レーザ光源から射出されたレー
ザビームの進行方向とは、任意の角度で交わっていてよ
いが、短波長化された光子の収率を考慮すると、略逆方
向であることが望ましい。即ち、入射する電子ビームと
レーザビームが正面から衝突する、所謂ヘッドオン衝突
となるようにシステムを構成することが好ましい。尚、
入射する電子ビームとレーザビームが厳密に正面から衝
突する必要はない。

【００１５】電子線源としては、例えば、透過型電子顕
微鏡における電子線源と同様の電子線源を応用すること
ができる。即ち、電子線源を、電子銃と集束レンズ系
（コンデンサレンズ系）から構成することができる。あ
るいは又、電子線源として、電子銃と、バンチャーと称
される電子のバンチ化を図る装置と、集束レンズ系（コ
ンデンサレンズ系）とから構成することもできる。尚、
電子銃として、例えば、ヘアピン型のタングステン線の
熱陰極（あるいはポイントカソード型の熱陰極やランタ
ンヘキサボライドＬａＢ₆熱陰極）と、ウェーネルト電
極と、接地電位の陽極とから構成された熱電子放出型電
子銃を挙げることができる。あるいは又、陰極チップ
と、第１陽極（引き出し電極）と、第２陽極とから構成
された電界放出型電子銃を挙げることができる。更に
は、ショットキ放出型電子銃を用いることもできる。

【００１６】また、レーザ光源としては、高効率・高出
力で短いパルス幅でレーザを射出することができるＱス
イッチレーザを用いることが望ましく、具体的には、Ｙ
ＡＧレーザやチタンサファイアレーザ等の固体レーザ、
炭酸ガスレーザ、ＸｅＣｌエキシマレーザ、ＫｒＦエキ
シマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等の気体レーザを挙
げることができる。レーザ光源としては、出力（Ｐ）が
０．１ｍＪ／ｃｍ²以上であり、しかも、ビームの直径
（ｄ）が１ｍｍ以下であって、繰り返し周波数（ｆ）の
高いもの、即ち、Ｐｆ／ｄの値が大きいレーザ光源を用
いることが好ましい。

【００１７】図２に示すように、衝突時の、電子線源か
ら射出された電子ビームの進行方向と、レーザ光源から
射出されたレーザビームの進行方向とは、逆方向である
と仮定する。即ち、振動数ν₀（波長λ₀）を有する光子
と、速度ｖ₀を有する電子とが正面衝突し、光子及び電
子が角度θ及びψで散乱されたと仮定する。また、散乱
光の振動数（散乱後の光子の振動数）をν（波長λ）、
散乱後の電子の速度をｖとする。このとき、エネルギー
保存則から以下の式（２）が導かれ、運動量保存則から
以下の式（３−１）及び（３−２）が導かれる。尚、ｈ
はプランク定数、ｍ₀は電子の静止質量であり、β₀はｖ
₀／ｃ、βはｖ／ｃを表す。ｃは光速である。

【００１８】

【数２】

【００１９】

【数３】

【００２０】式（２）、式（３−１）及び式（３−２）
からｖ及びψを消去すると、以下の式（４）が得られ
る。

【００２１】

【数４】

【００２２】ところで、式（４）中の（ｈ／ｃｍ₀）の
値は０．００２４３ｎｍであるが故に、（ｈ／ｃｍ₀）
を含む項は省略することができ、式（４）は以下の式
（５）のとおりに近似することができる。

【００２３】

【数５】 λ＝λ₀｛（１−β₀・ｃｏｓθ）／（１＋β₀）｝ （５）

【００２４】電子の加速電圧をＶ（ボルト）とすると、
β₀は以下の式（６）で表すことができる。尚、ｅは電
気素量である。

【００２５】

【数６】

【００２６】Ｖ＝１００ｋＶとしたとき、β₀の値は
０．５４８となるので、式（５）を、以下の式（７）の
ように変形することができる。

【００２７】

【数７】 λ＝λ₀（０．６４６−０．３５４ｃｏｓθ） （７）

【００２８】従って、電子銃び集束レンズ系から成る電
子線源から射出された電子ビームの有するエネルギー
（加速電圧）及びレーザ光源から射出されたレーザビー
ムの波長（λ₀）を適切に選択し、しかも、電子との衝
突によって散乱された散乱光の散乱角度θを適宜設定す
れば、所望の波長λを有する散乱光を得ることができ
る。尚、λ₀＝１０６４ｎｍ、２４８ｎｍ及び１９３ｎ
ｍにおける、加速電圧（Ｖ）と散乱光の波長λの関係
（但し、θ＝０度）を、それぞれ、図３、図４及び図５
に示す。

【００２９】電子線源から射出された相対論的速度で運
動する電子ビーム中の電子とレーザ光源から射出された
レーザビーム中の光子とを衝突させて、電子の有するエ
ネルギーをレーザビームの光子に与え、散乱光を短波長
化するとき、かかる短波長化された散乱光の光子の収率
Ｙは、電子ビーム及びレーザビームがパルス状でガウス
分布を有すると仮定したとき、以下の式（８）で表すこ
とができる。

【００３０】

【数８】 Ｙ＝２Ｎ_e・Ｎ_L・σ・Ｌ／（Ａ・τ・ｃ） （８）

【００３１】ここで、 Ｎ_e：１パルス当たりの電子の個数 Ｎ_L：１パルス当たりの光子の個数 σ ：基本的な散乱断面積であり、（８／３）π（ｅ／
ｍｃ²）²（ｃｍ²） Ｌ ：電子ビームとレーザビームの衝突領域の有効長
（ｃｍ） Ａ ：衝突する電子ビームとレーザビームの断面積の
内、大きな方の断面積（単位：ｃｍ²）。電子ビームと
レーザビームの衝突領域においてＡの値が変化する場合
には、最大時の値をＡの値とする。 τ ：衝突する電子ビームとレーザビームのパルスの
内、長い方のビームパルス幅（秒） ｃ ：光速（３×１０¹⁰ｃｍ／秒）

【００３２】例えば、波長λ₀が１．０６４μｍ、射出
エネルギーが１０ｍＪ／ｃｍ²、パルス幅が１ｎ秒、繰
り返し周波数が１ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いる場合、
光子の数は５．２×１０¹⁶個である。電子ビームの電流
値を３０μＡ、電子ビームパルスのパルス幅を１ｎ秒と
した場合、電子の数は１．８×１０¹⁴個である。また、
σ、Ｌ及びτの値をそれぞれ以下の値とする。 σ＝１．５×１０^-26（ｃｍ²） Ｌ＝３×１０¹⁰ｃｍ×１０^-9＝３０（ｃｍ） τ＝１０^-9（秒）

【００３３】以上の値に基づき式（８）を変形し、繰り
返し周波数が１ｋＨｚであることを考慮すると、以下の
式（９）を得ることができる。

【００３４】

【数９】Ｙ＝２．８×１０⁸／Ａ （９）

【００３５】従って、Ａ（単位：ｃｍ²）が、１×１０
^-6≦Ａ≦１×１０^-1を満足すれば、短波長化された光子
の収率Ｙは、２．８×１０⁹≦Ｙ≦２．８×１０¹⁴とな
り、電子ビームとレーザビームの衝突によって、所望の
１０¹³個オーダー以上の短波長化された光子を得ること
ができ、例えば、リソグラフィ技術においてレジスト材
料を十分に感光させることが可能となる。尚、以上の議
論は特定の数値に基づく議論であるが、種々のパラメー
タの値は、使用する光学装置に依存して適宜設定すれば
よい。

【００３６】尚、逆コンプトン散乱による散乱光の光子
の収率Ｙを一層向上させるためには、一般的には、 （Ａ）レーザビームの高出力化及び繰り返し周波数の増
加 （Ｂ）電子銃の大電流化及び電子ビームパルスの繰り返
し周波数の増加 （Ｃ）電子ビーム及びレーザビームの集束度の向上 を図ることが重要である。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態に基づき本発明を説明する。

【００３８】本発明の光学装置の概念図を図１に示す。
この光学装置は、電子銃１１とバンチャー１２と集束レ
ンズ系１３とから成る電子線源と、レーザ光源２０とを
備えている。電子銃１１は、例えば、熱電子放出型電子
銃とすることができる。また、レーザ光源２０はＱスイ
ッチレーザであるＹＡＧレーザから構成されている。レ
ーザ光源２０から射出されたレーザビームは、周知のレ
ンズ系２１を通過し、ハーフミラー２２によって反射さ
れ、電子線源１０から射出された相対論的速度で運動す
る電子ビームと衝突する空間（衝突領域）に集束され
る。一方、電子線源１０から射出された電子ビームは、
集束レンズ系１３によって、レーザ光源２０から射出さ
れたレーザビームと衝突する空間（衝突領域）に集束さ
れる。これによって、電子線源１０から射出された相対
論的速度で運動する電子ビーム中の電子とレーザ光源２
０から射出されたレーザビーム中の光子とが、所定の空
間（衝突領域）内で衝突する。尚、衝突時の、電子線源
１０から射出された電子ビームの進行方向と、レーザ光
源２０から射出されたレーザビームの進行方向とは、逆
方向とした。

【００３９】光学装置全体は、Ｘ線遮蔽手段３０で覆わ
れている。光学装置の内部は、空気による絶縁破壊を防
止するために、或る程度の真空度に保持することが好ま
しい。また、散乱光の所望の散乱角度θに対応するＸ線
遮蔽手段３０の部分には可変スリット３１が設けられて
いる。尚、可変スリット３１は光学装置の内部に配置し
てもよい。これによって、電子と衝突し散乱され、短波
長化された散乱光を系外に取り出し、例えばフォトリソ
グラフィ技術における光源として用いることができる。
即ち、かかる散乱光を露光光として用い、密着露光装
置、近接露光装置、レチクルに形成されたパターンを等
倍のまま若しくは縮小して投影する投影露光装置等の露
光装置４０において、レチクルに形成されたパターンを
例えば半導体基板上に形成されたレジスト材料に転写す
ることができる。

【００４０】実施の形態１においては、電子ビームの電
流を３０μＡとし、電子線源１０から射出された電子ビ
ームの有するエネルギーを１×１０⁵ｅＶとした。ま
た、ＹＡＧレーザの仕様を、波長λ₀＝１．０６４μ
ｍ、射出エネルギー＝１０ｍＪ／ｃｍ²、パルス幅τ＝
１ｎ秒、繰り返し周波数＝１ｋＨｚとした。また、衝突
時の電子ビーム及びレーザビームの断面積を同一（５×
１０^-5ｃｍ²）とした。従って、断面積Ａは５×１０^-5
ｃｍ²である。それ故、式（９）から求めた散乱光の光
子の収率Ｙは１０¹³となる。かかる光子の収率は、レジ
スト材料を露光（感光）するのに十分なる光子の数であ
る。

【００４１】以上、本発明を、発明の実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。発明の実施の形態に基づき説明した光学装置及び光
短波長化方法における条件や数値は例示であり、適宜設
計変更することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明においては、高い自由度にて所望
の波長を有する電磁波（紫外線）を得ることが可能であ
り、しかも、電子ビームとレーザビームの衝突によっ
て、１０¹³個オーダー以上の短波長化された光子を得る
ことができる。従って、例えばリソグラフィ技術におい
てレジスト材料を十分に感光させることができるが故
に、半導体装置のデザインルールの変更にあっても容易
に露光光の波長の変更を行うことが可能となる。しか
も、装置的には、基本に左程複雑な構造ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学装置の概念図である。

【図２】電子と光子が衝突する状態のモデル図である。

【図３】λ₀＝１０６４ｎｍにおける、加速電圧（Ｖ）
と散乱光の波長λの関係を示すグラフである。

【図４】λ₀＝２４８ｎｍにおける、加速電圧（Ｖ）と
散乱光の波長λの関係を示すグラフである。

【図５】λ₀＝１９３ｎｍにおける、加速電圧（Ｖ）と
散乱光の波長λの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０・・・電子線源、１１・・・電子銃、１２・・・バ
ンチャー、１３・・・集束レンズ系、２０・・・レーザ
光源、２１・・・レンズ系、２２・・・ハーフミラー、
３０・・・Ｘ線遮蔽手段、３１・・・可変スリット、４
０・・・露光装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子銃及び集束レンズ系から成る電子線源
   とレーザ光源とを備え、電子線源から射出された相対論
   的速度で運動する電子ビーム中の電子とレーザ光源から
   射出されたレーザビーム中の光子とを衝突させて、電子
   の有するエネルギーをレーザビームの光子に与え、散乱
   光を短波長化する光学装置であって、 衝突する電子ビームとレーザビームの断面積の内、大き
   な方の断面積をＡ（単位：ｃｍ²）としたとき、１×１
   ０^-6≦Ａ≦１×１０^-1を満足することを特徴とする光学
   装置。
2. 【請求項２】電子線源から射出された電子ビームの有す
   るエネルギーは１×１０⁵ｅＶ以上であることを特徴と
   する請求項１に記載の光学装置。
3. 【請求項３】衝突時の、電子線源から射出された電子ビ
   ームの進行方向と、レーザ光源から射出されたレーザビ
   ームの進行方向とは、略逆方向であることを特徴とする
   請求項１に記載の光学装置。
4. 【請求項４】電子銃び集束レンズ系から成る電子線源か
   ら射出された相対論的速度で運動する電子ビーム中の電
   子とレーザ光源から射出されたレーザビーム中の光子と
   を衝突させて、電子の有するエネルギーをレーザビーム
   の光子に与え、散乱光を短波長化する方法であって、 衝突する電子ビームとレーザビームの断面積の内、大き
   な方の断面積をＡ（単位：ｃｍ²）としたとき、１×１
   ０^-6≦Ａ≦１×１０^-1を満足することを特徴とする光短
   波長化方法。
5. 【請求項５】電子線源から射出された電子ビームの有す
   るエネルギーは１×１０⁵ｅＶ以上であることを特徴と
   する請求項４に記載の光短波長化方法。
6. 【請求項６】衝突時の、電子線源から射出された電子ビ
   ームの進行方向と、レーザ光源から射出されたレーザビ
   ームの進行方向とは、略逆方向であることを特徴とする
   請求項４に記載の光短波長化方法。