光学超薄膜を用いた軟X線干渉計測法の開発と精密結像鏡の反射波面計測制御への応用

光学超薄膜を用いた軟X線干渉計測法の開発と精密

結像鏡の反射波面計測制御への応用

著者

山本 正樹

光学超薄膜を用いた軟Ⅹ線干渉計測法の開発と

精密結像鏡の反射波面計測制御への応用

(研究課題番号11305009)

平成1 3年度科学研究費補助金(基盤研究A (2))研究成果報告書

平成14年3月

研究代表者 山本正樹

(東北大学多元物質科学研究所)

1

はしがき

本研究は,光学超薄膜形成技術を,波長九= 13nmの軟Ⅹ線の多層膜曲面鏡に適用し,直入射結像光 学系の開発に不可欠な高精度結像光学鏡を実用化することを目的として,平成11年度から13年度の3 年間にわたって実施した.具体的には,結像性能を得るために不可欠な1 mmのオーダー以下の誤差で 軟Ⅹ線の波面を計測･制御する軟Ⅹ線干渉計測法を開発することが主題の研究である.また,開発過程 で, nm精度のアライメントシステムを備える干渉計測計本体に加え,実験室で干渉計測を可能とする ための,光学系を飛散物で汚染しないYAGレーザー励起プラズマ軟Ⅹ線光源の開発,軟Ⅹ線干渉縞を 計測処理する2次元検出データ-処理系の開発を行い,光源から検出器までの結像光学システムの基本 要素を完成させることを意図した. 3年間の研究で,レーザー生成プラズマを光源とする軟Ⅹ線干渉計測装置の製作を進めて,光源部, 光学系部,検出器部について,基本要素を完成できた. 光源部では,パルスYAGレーザーの1ショットで軟Ⅹ線干渉縞を記録するための明るい光源を完成 した.この光源では,開口数0.2の配置で口径10cmの多層膜集光鏡を設置し,距離21cmのSn固体 ターゲットからの軟Ⅹ線を効率良く集光する.飛散するデブリ粒子は,独自に考案･製作したデブリス トッパーを設置して除去する.このデブリストッパーで約9割の粒子を除去して,光源寿命を10倍の 4万ショットに伸ばすことが出来た. 光学系では,精密結像鏡用の多層膜周期の基板面内制御精度を昨年までの5%以内から1%以内に改善 できた.制御には,独自に開閉速度関数制御シャッターを開発した. 検出器部では,Tr用のイメージングプレートの軟Ⅹ線に対する感度と出力の直線性を軟Ⅹ線分光反射 率計を用いて計測した.波長13 nm付近で, 10万光子/m2の高感度と4桁以上の出力直線性が確認 できた. 以下に,光源部と光学系について述べると共に,既に出版済みの成果については研究論文の別刷りを 加えて報告に代えた. 研究組織 研究代表者 山本正樹 (東北大学多元物質科学研究所教授) 研究分担者 羽多野息 (東北大学多元物質科学研究所助手) 柳原美唐 (東北大学多元物質科学研究所助教授)

研究経費

9 0 9 8 1 1     3 度度度 年年年計 1 2 3 日リ  ‖リ  itH 成 成 成 平 平平 500千円 100千円 100千円 700千円

研究発表

(1)学会誌等

1 多層膜対物鏡を用いた結像型軟Ⅹ線蛍光顕微鏡の開発と性能評価 豊田光紀,志谷能崇,柳原美虞,江島丈雄,山本正樹,渡蓮誠 科学計測研究所報告, 48 39-61 (1999) 2 多層膜反射鏡(4.3節), pp.78-88,軟Ⅹ線偏光素子(4.5節) pp. 100-103,山本正樹 唇射鏡(4.2節), pp. 69-77,放射光による評価(8･2節) pp･ 254-261,レーザープラズマⅩ線 による評価(8.3節) pp. 26ト264,軟Ⅹ線領域における薄膜の光学定数の決走法(付録1) pp･ 296-301,柳原美麻 Ⅹ線結像光学:波岡武,山下広瀬共編 培風館(1999)

3 Development of80ft X･ray multilayermiorsfor a wavelength of3 nm,

Kiwamu Sakano and Masaki Yamamoto,

proc. soc. photo･Opt. Instrum. Eng., 3767 238-241 (1999)

4 Highre皿ectance multilayer mirrors for the water window rePon,

Masaki Yananoto,Kiwanu Saknno, and YoShifuni Hotta,

Inst. Phys. Conf. Ser. No.159, 1999 lop Publ., pp. 6011‡04

5 Faraday rotation measurement around Ni M2,3 edges usingAm6 multihyer polarizers, TadaShi Hatano, Weibing Hu, Katsuhiko Saito and Makoto Watanabe,

J. Electron Spectr. Rel. Phenon., 101-lob, 287-291 (1999)

6 Polari2;ation performance of EUV tran8miSSion multilayerS aS 〟4 and 〟2 plates at a photon

energy of 97 eV,

Masaki Yananoto, Hiroshi Nonura, Mihiro Yanagihara, Minaji Ftmdate, and Makoto Watanabe,

3. Electron Spectr. Rel. Phenom., 10ト103, 869-873 (1999)

7 A 80ft･Ⅹ･ray imagingmicroSCOpewith a multilayer･coated Schwar2;SChild objective: Imaging

teSt

MitSunOriToyoda, YoShitaknShitani, Mihiro Yuagihara, Takeo Ejima, Masaki Yamamoto,

and M. Watanabe,

Jpn. ∫.Appl. Phy8., 39, (2000) pp. 1926-1929

8 Compact debris shutter design of a laserproduced plasma 80urCe for highNA application,

M. Yamamoto, M. Furudate, N. Sato, and H. Takngi,

Proc. Soc. Photo･Opt. InStrum. Eng., 4146 (2000) pp. 128-131

9 High･reflection multilayer for wavelength range of200-30 nm,

Nucl. Ⅰ血Strum. Methods A, 467-468, 333-336 (2001)

10 Sub･nmfigure error correction of an EUV multilayermior by its surhce milling, Masaki Yananoto ,

Nucl. Instrum. Methods A, 4671468, 1282-1285 (2001)

ll Present Status 0f EUV Interferometer Development atthe Research Center for So允 Ⅹ･ray MicroSCOPy,

Masaki Yamamoto, Tadashi Hatano and M血aji Furudate,

Optics and Precision Engineering 9 (2001) pp. 405A10

12 ThermaldifhSion of Si atoms atthe inter血ce of Mo/Si bihyers studiedwith a 80氏Ⅹ-ray

emisSion Microscope,

YoShitaka Shitani, NoboruMiyata, Mihiro Yanagihara, and Makoto Watanabe,

OpticS and Precision Engineering 9 (2001) pp. 4461450 13 エリプソメトリー 山本正樹 界面ハンドブック 第1章(気/液界面) 5節, pp.54-55,第3章(固/気界面) 9節, pp.182-188, 第4章(固個界面) 6節, pp.258-260, ㈱エヌ･ティー･エス, 2001 14 軟Ⅹ線多層膜光学 山本正樹 光学30(9) (2001) pp.613-621

15 Efficiency and polarization performance of a multiplayercoated laminar grating in the 6.5-6.9･nm wavelength region,

Sadayuki IShikawa, Thknshi lma2;Oho, Tadashi Hatano, Mihiro Yanagihara, and Makoto

Watanabe,

App. Opt. 41, 763-767 (2002)

16 Design and血brication ofmultihyermiors for He･ⅠI radiation,

YoShifumiHotta M血aji Furudate, MaSaki Yamamoto and Makoto Watanabe,

Surf. Rev. Let. (in press)

17 Multilayer polari2:erS for use OfHe･I and He･ⅠI resonancelines

TadaShi Hatano, Yu2;i Rondo,払tsuhiko Saito, Thkeo Ejina, Maknto Watanabe and MaSahikn

Takahashi,

Surf. Rev.Let. Gn press)

lS Deposition shutter control for figured multilayer 血brication, -'hecl'sL'oD Sclemce and Te血oJoBy lw Pedect Sdaces'- Y. Furukawa, Y. Mori, & T. Xataokn(Eds.),

口頭発表

国内(domeStie) 1.高NA用のレーザー生成プラズマ光源デブリ除去装置 山本正樹,古舘三七二,羽多野息 第60回応用物理学会学術講演会, 1999年9月,神戸 2. EUV多層膜鏡の最上表面に付加した薄膜による反射位相補正 山本正樹 第60回応用物理学会学術講演会, 1999年9月,神戸 3.軟Ⅹ線発光による界面の研究 柳原美広東 第5回Ⅹ線結像光学シンポジウム予稿集pp.22-23, 1999年12月15日,名古屋 4.軟Ⅹ線用多層膜 山本正樹 第5回Ⅹ線結像光学シンポジウム予稿集pp.46147, 1999年12月16日,名古屋 5. He･Ⅰ, He･ⅠⅠ用2色多層膜を用いた極紫外顕微光電子分光装置の開発 江島文雄,近藤祐治,渡辺誠 第5回Ⅹ線結像光学シンポジウムP19予稿集pp.99-100, 1999年12月16日,名古屋 6.金属周期多層膜形成のiz7-61'tzLエリプソメトリーでの定常状態 山本正樹,古館三七二 第47回応用物理学関係連合講演会29a･P6･9, 2000年3月29日,東京 7.軟Ⅹ線(-184eV)用多層膜回折格子の製作と評価 石川禎之,今園孝志,柳原美康,羽多野息,渡辺誠 第61回応用物理学会学術講演会3a･W-8, 2000年9月3日,札幌 8. He･Ⅰ, ⅠⅠ共鳴線用多層膜偏光子の開発 羽多野息,近藤祐治,斉藤勝彦,江島文雄,渡辺誠,高橋正彦 第61回応用物理学会学術講演会3p･W･2, 2000年9月3日,札幌 9.多層膜ミリングによるEUV結像鏡波面誤差のlAデジタル制御 山本正樹, 第28回Ⅹ線光学懇談会, 2000年9月26日,兵庫県赤穂郡上郡町 10. He･Ⅰ, He･ⅠⅠ共鳴線用多層膜偏光子の開発 羽多野息,近藤祐治,斉藤勝彦,江島文雄,渡辺誠,高橋正彦 第14回日本放射光学会年会13･Z･15, 2001年1月15日,東広島 ll.レーザー生成プラズマ光源Sn固体ターゲットからのデブリ質量の速度分布 関山健太郎,羽多野息,神田剛,古館三七二山卒正樹 第48回応用物理学関係連合講演会29p･ZA･11, 2001年3月29日,東京

12･レーザープラズマ軟Ⅹ線光源に対するイメージングプレートの感度特性 原田哲男,古館三七二,羽多野息,山本正樹 第62回応用物理学会学術講演会11p･D･16, 2001年9月11日,豊田 13. He･Ⅰ, He･ⅠⅠ共鳴線用偏光子(招待講演) 江島丈雄,羽多野忠,近藤祐治,斉藤勝彦,渡辺誠 Ⅹ線絵像光学シンポジウム, 2001年12月20日,つくば 14･ Ⅹ線多層膜結像鏡の反射波面のサブnm物理光学補正ILPP光源EtJV干渉計の開発- (招待講演)

山本正樹･羽多野息,古館三七二(東北大多元研超顕微計測光学研究センター) , Eva Majkova (InSt. of Phys., Slovak Acad. of Sci.)

Ⅹ線希像光学シンポジウム, 2001年12月20日,つくば 15･高NA結像光学系用のLPPデブリストッパーの開発(招待講演) 羽多野息,神田剛,関山健太郎,古館三七二,山本正樹 Ⅹ線結像光学シンポジウム, 2001年12月20日,つくば 16･レーザープラズマ軟Ⅹ線光源に対するイメージングプレートの感度特性 原田哲男,古館三七二,羽多野息,山本正樹 Ⅹ線結像光学シンポジウムPll, 2001年12月20日,つくば 17.磁場を用いた固体ターゲットLPP光源のデブリ除去効果 神田剛,羽多野息,古館三七二 山本正樹 第49回応用物理学関係連合講演会27a･H･4, 2002年3月27日,平塚 18･欠陥検査が容易で修復できるEUV打ち消しあい干渉マスク構造の提案 山本正樹, Eva Majkova 第49回応用物理学関係連合講演会29p･YR･3, 2002年3月29日,平塚 19.直径100 mm基板上のMo侶i多層膜のスバッタ膜厚制御 梅津裕生,羽多野息,山本正樹 第47回応用物理学関係連合講演会308･S･2, 2000年3月30日,東京 20･イオンビームスパッタリング法で成膜したMo侶i多層膜の曲面基板上膜厚分布 羽多野息,窪田昭吾,山本正樹,宮田登 第48回応用物理学関係連合講演会30&･ZA･1, 2001年3月30日,東京 21.レーザープラズマ光源用の高NA多層膜集光鏡の開発 羽多野息,窪田昭吾,原田哲男,山本正樹 第62回応用物理学会学術講演会11p廿2, 2001年9月11日,豊田 22･速度可変シャッターによるスパッタリング成膜の膜厚分布制御 窪田昭吾,羽多野息,山本正樹 Ⅹ線結像光学シンポジウムP5, 2001年12月20日,つくば 23･イオンビームスパッタリング成膜におけるSiの膜厚分布とMoの膜厚分布 窪田昭吾,羽多野息,山本正樹

Book of Abstract 7th lnt. Conf. Synchr. Rad. Instru皿.,Berlin, August 21, 2000, p･POS2-080

ll. Sub･nm丘印re error correction of an EtJV multilayermirrors by it8 Surhcemilling Masaki Yananoto

Book of Abstract 7th tnt. Conf. Syichr. Rad. Instru皿.,Berlin, August 21, 2000, p･POS2-189 12. Accurate figure error correction of multihyer mirrors for Cu Kα radiation

Eva Majkova and Masa.ki Yananoto

Program and Abstr･ 13thInt･ Conf･ Vac･ Ultraviolet Rad･ Phys･, July 23, 2001, Theste p･ ThO97 13. Design and血brication of multilayermirrorSfor He･ⅠI radiation

Yo8hifumiHotta and Masaki Yananoto

Program and AbStr･ 13th Int･ Conf･ Vac･ Ultraviolet Rad･ Phys･, July 23, 2001, Tdeste p･Tb124

14. Multilayer polarizerS for use of He-I and He･ⅠI re80nanCelines

TadaShi Hatano, Yu2;i Rondo, KatSuhiko Saito, Thkeo Ejima, Maknto Watanabe and Masahikn TakahaShi

13th tnt. Conf. Vac. Ultraviolet Rad. Phy8., m132, July 23, 2001, Tdeste

15. Present status of EUV interferometer development at the Research Center for SoftⅩ･ray

Microscopy (invited)

MaSaki Yamamoto, Tadashi Hatano, and Minaji Furudate

Int. Cons. EUVL, August 30, 2001, Changchun

16. A new EUVL mask structure enabling easyinspection and repair of defects based on destructiveinterference by a stack of two mirror multilayers (invited)

Masaki Yananoto

Program and AbStr･ 3rd lnt･ Workshop EUVL, November 30, 2001, Matsue

17. A highNA compact debris Stopper for uSewitha IJPP source Ofmultilayer imaging optics

Kentaro Sekiyama, TsuyoShi Kanda, TadaShi Hatano, Mhaji Furudate and Masaki Yamamoto

program and Abstr･ 6th lnt･ Conf･ Phys･ Ⅹ･Ray Multilayer Structures, p･ 14･ March 4･ 2002･ Chanonix

18. Multilayer polarizerSfor a He discharge lamp and tunable multilayer pohrizer for

Synchrotron radiation

TadaShi Hatano, Yu2ii Rondo, Kat8uhiko Saito, Takeo Ejina, Makoto Watanabe and MaSahiko

Thkahashi

program and Abstr･ 6th lnt･ Conf･ Phys･ Ⅹ･Ray Multihyer Structures･ p･ 65, March 7･ 2002, Chanonix

19. Versatile Shutter control of radialthicknesS distribution for figured multilayer fabrication

(国外) (International)

1. Deposition 8lmtter control forfi印red multilayer fabrication Tadashi Hatano, Hiroo UmetSu and Ma8aki Yamamoto 9th lnt. Conf. Production Enginee血g, Au印St 1999, Osakn.

2･ Sen8itivity andlinearity ofEUV image detectionwith an imaging plate

MaSiki Yamamoto, Minaji Furudate, Tada8hi Hatano and Masahiro Etoh lnt･ Workshop on Extreme UltravioletLithography, Octover 1999, Monterey

3･ Accurate figure correction to sub･0･l n皿by znultiplayer 811血ce mining

MaSaki Yamamoto

2nd_I.nt･ Workshop Extrezne UltravioletLithography, October 1999, Ban FranciSCO

4･lmaging plates for u8e8withEUV inaging optics

Tadashi Hatano, Minaji Furudate, Masaki Yamamoto and Masahiro Etoh 1999 Int･ Workshop on X･ray and EUVLithography, November 1999, Yokohama 5･ EUV reflection phase COrreCtion at a multilayer surface

Masaki YamamOtO and Tadashi Hatano

1999 1m七･ Workshop on X･ray and EUV Lithography, November 1999, Yokohama

6･ A soR･Ⅹ･ray imaging mocroSCOPe based on a multiplayer･coated SchwiLrZSChild objective

Gnvited)

MitsunoriTbyoda, YoShitab Shitani, Mihiro Yanagihara, Thkeo Ejina, Masaki Yamamoto and

Makoto Watanabe

Program and Abstr･ 5th lnt. Conf. Phy8. X･Ray Multilayer Strdctures, p. ll.1, March 8, 2000,

Chanonix

7･ Reflection wave･front error compen組tion by surhcemiuing at a layer prepared on top of an EUV nultihyer mirror

Masaki Yamamoto

Progz･am and Ab8tr･ 5th lnt･ Conf･ PhyS･ Ⅹ･Ray Mdtilayer Structures, P. 15.2, March 9, 2000, Chanonix

8･ The proSpeCt$ Of reflectometry and ellipsometrywithColorado State University tabletop XtJV

la8er (血vited)

R. Fechtchenko, A. Vinogradov, and M. Yamamoto

Program and Ab8tr･ 7th lnt･ Conf･ Ⅹ･ray La8er8, Saint Malo, June 23, 2000, p･ 55

9･ Sensitivity andlinearity of imaging plate8for EtJVlight

Tada8hi Hatano, Minaji Furudate, MaBdi Yamamoto, and Ma8ahiro Etoh

Book ofAbStraCt 7thInt･ Conf･ Synchr･ Rad･ In8trum･,Berlin, Au印St 21, 2000, p･POS1-209

10･ Materialselection for highreflectance multilayermirrors at 400 eV

20. MultilayerthickneSS COntrOl of ion beam sputtering on a spheriCalmior substrate

Tadashi Hatano, Shogo Kubota and MaSaki Yamamoto

Program and AbStr. 13th lnt. Conf. Vac. Ultraviolet Rad. Phy8., July 23, 2001,Trieste p.Tu115 2 1. Programmable deposition shutter for multilayer thickness COntrOl of ion beam spllttering

Tadashi Hatano, Shogo Kubota and Masaki Yamamoto

Program and AbStr. 6th tnt. Conf. PhyS. X-Ray Multilayer Structures, p. 24, March 3, 2002,

以下は,主として関山健太郎:東北大学大学院工学研究科修士学位論文｢レーザープラズ マ光源を用いた極紫外干渉光学系の開発｣による.

目次

第一章:軟X線結億光学系開発の課題 1-1光の干渉 1 - 2軟X線結像光学系 1 - 3三角交差光路干渉計 1 -4 レーザープラズマ光源 第二章:研究目的 第三章:形状評価用の干渉計の開発 3-1干渉縞のシミュレーション 3 - 2干渉縞の解析方法 3 - 3干渉波面の分解 3 - 4模査鏡の形状測定(シミュレーション) 3 - 5可視光の三角交差光路干渉計による模証 3 - 6ピンホールの挿入による球面波の生成 第四章:軟X線干渉計用レーザープラズマ光源の開発 4 - 1軟X線干渉計測装置 4-2デブリストッパー 4-3デブリ除去実験 4 -4デブリストッパーとYAGレーザーの同期調整 4 - 5デブリ王の測定結果 4-6シリコンウェハに付着したデブリ 4 - 7デブリの速度分布 4 - 8デブリによる反射率の影響 4 - 9 8ondorらの結果との比較 第五章:まとめ 参考文献 9 0 1 49  50 1 3 6 8 0 6 0 2 6 0 1 1 2  2 2 3 323537394 04 14 3454 6

第一章 軟X線結像光学系開発の課題 東北大学多元物質科学研究所附属超顕微計測光学研究センター(2001年3月迄は科学 計測研究所附属)では軟X線の結像光学系の開発研究を行っている.軟X線は波長が1nm ∼ 50nmであり,可視光に比べて波長が短いために数十nmの高い空間分解能が得られる.また, 光子エネルギーが高いので,元素の内穀吸収の差による元素コントラストが期待できる. そこで高解像度の元素顕微鏡や,超LSl作製用のリソグラフィーなどへの応用が期待され ている.しかし.以下に述べるように.結像光学系の実用化には.使用波長での干渉計測 法の開発と,波面誤差計測･制御法の開発が不可欠である. 1-1光の干渉 ある点における振幅,波長の等しい,位相差αの2つの光波を ul =Aelat u2 = Ae'1(ot+a) とすると,その2つの光の和の強度は.

I -Iul ･u212 -2A2(1･cosa) (1-3) となり,位相差αによって強度が強め合い,または弱め合いの状態になる.この現象を光

の干渉といい.これを利用した測定装置を干渉計という.

光学素子を検査するための干渉計に限ると,レーザーが発明される以前に主に用いられ ていたものはトワイマングリーン干渉計であった.これは,マイケルソン干渉計の光源部 を点光源に改良したもので,その光学系を図1-1に示す.

点光源からの準単色光をコリメーターレンズで平行光にし,ハーフミラーに入射して反 射光と透過光に分ける.片方の光路に,形状精度が十分に良い参照鏡を置き,もう一方の 光路に検査するための光学素子を置く.参照波面と検査波面がハーフミラーで合成され. 干渉縞が現れる.干渉縞は検査波面の等高線になっているので.解析することにより光学 素子の形状を非接触に,光の波長の精度で評価することができる.参照光と検査光の光路 長を等しくできるので.可干渉距離の条件が緩く,レーザーの発明以前にプリズム,レン ズ,反射鏡の検査に利用されてきた. 1960年代のレーザーの開発によって,干渉計を取り巻く状況は一変した.可干渉距離が 非常に長いので,参照光と模査光の光路長を一致させる必要がなくなり,光学系の自由度 が飛躍的に向上したのである.それによって光学素子の模査用の干渉計としてフイゾ-千 渉計が主流となった.その光学系を図1-2に示す. 図1-2フイゾ-干渉計 光源からの光をコリメーターレンズで平行光にする.基準面は高い形状精度を持ったハ ーフミラーで,その反射光が参照波面となる.透過光はその先に置いた検査用の光学素子 で反射され,模査波面となる.この干渉計は, 2つの光路の一部が共通の光路を通るために 干渉縞が安定して現れるので調整が容易なため,現在も光学メーカーの現場用の干渉計と して使用されている. 近年では,コンピューターの処理能力の向上により.さらに高精度の測定が可能になっ た.フリンジスキャン法は,図1のトワイマングリーン干渉計の参照鏡を光軸方向に正確 に移動し,各測定点での干渉縞の強度変化からその位相を決定する.また,ヘテロダイン 法は,わずかに波長の異なる2つのレーザー光を光源として使用し,干渉によるビート信 号を積出して位相を得る.測定精度はサブフリンジ法でl/200,ヘテロダイン法で)/1000 に達する(1).このように,干渉計測法は歴史の古い技術であるが,現在でも測定精度の向上 に向けて進化を続けている.

1-2軟X線結像光学系 軟X線領域では物質を光が透過しないため.レンズを用いることはできず,凹面鏡と凸 面鏡を組み合わせて光学系を作る.反射鏡による単純な同軸2枚組の結像系として知られ ているシュワルツシルト光学系を図1-3に示す(2).この結像光学系は,顕微鏡などの拡大光 学系にも,リソグラフィーなどの縮小光学系にもなる.

.■Tp 1

図1-3シユワルツシルト光学系 また,この領域では直入射の反射率が低いため,鏡の表面に図1-4のような反射率増加 のための多層膜をコーティングする.各界面からのわずかな反射光を強め合いの干渉をさ せて,高い反射率を得ることができる. Mo/Siの多層膜で,波長13nmの軟X線において60% 以上の高い反射率を得ることができる(2). 図1-4軟X線多層 冑ﾉKﾘ ｸｻ

図1-3のシュワルツシルト光学系において,凹面鏡への光線の入射角が外側ほど大きくな っている.反射光の波長を一致させるためには,多層膜の周期長を外側ほど厚くしなけれ ばならない.つまり,膜厚の制御をサブナノオーダーで行う必要があることを意味する. 当研究室では,イオンビームスバッタ装置にシャッター制御機構を付加して膜厚分布を精 密に制御する方法を開発している(3). 精密結像基板に多層膜を形成して鏡とすれば,軟X線の結像光学系を製作することがで きるが.所定の結像性能を得るためには,それぞれの光学素子ごとに反射波面の評価を行 う必要が出てくる.一般的に光学素子の評価は,干渉計を用いて行う.軟X線結像光学系 の場合も,同様に評価を行うことが必要だが,可視光による干渉計では光の波長が長すぎ て,測定の精度が不足する.また.可視光の場合,多層膜の表面ぞ反射されてしまうため, 膜厚分布に従った軟X線の波面形状とは一致しない.つまり.多層膜鏡の評価は,実際の 使用波長である軟X線を光源とした干渉計で行わなければならない. 形状評価用の軟X線干渉計は,放射光の挿入光源を用いて開発された.その構成を図1-5 に示す.これは,カリフォルニアのローレンスバークレー研究所で開発された,位相シフ ト型点回折干渉計である(4). 図1-5位相シフト型点回折干渉計

放射光の挿入光源からの軟X線をピンホール上に集光し,球面波にする.グレーティン グで分割した0次光と1次光をシュワルツシルト光学系に入射する.そして, 2つ目のピ ンホールを通って理想的な球面波にした参照光と,開口を通った検査光との干渉縞を, C C Dカメラで観測し,光学系の反射波面を評価する. この干渉計では,光がピンホールを2回通っているので, CCDカメラに到達する光の 強度が著しく低下するため,高強度の放射光でなければ使用できない.しかし,放射光に はマシンタイムの制約があるために自由に使うことができず.実用的でない.多層膜鏡に よって発展しつつある軟X線結像光学系を普及するためには,実験室光源の軟X線干渉計 を開発する必要がある. しかし,放射光に比べて強度の弱い実験室光源での軟X線干渉計には課題が多く.未だ に報告例はない.その課題について,先に述べたトワイマングリーン干渉計で説明する. 図1-6軟X線トワイマングリ 坪98ｫ ﾇh,ﾈｭB 題点 軟X線は空気に吸収されるので,真空中で測定を行う必要がある.また,物質を透過し ないのでレンズを使うことができない.そして,波長が短いのでそれぞれのミラーの駆動 精度が1nm程度でなければ,精密な測定ができない.実験室光源の軟X線は単色性が悪く, 可干渉距離が短いため, 2つの光の光格差を1J川以内に押さえる必要がある.そして,ビ ームスプリッターは軟X線の吸収を避けるために,厚さを100nm以下にするIEt要があり. 製作が難しくなる. これらの課題があるため,軟X線ではトワイマングリーン型の干渉計で干渉縞を出すこ とができないので,新しいタイプの干渉計の開発が必要になる.

1-3 三角交差光路干渉計 軟X線の実験室光源でも使用できると期待できる干渉計の一つとして,三角光路干渉計 がある(5).この干渉計は,可干渉距離の長いレーザーが登場する以前に,位相物体を検査す るために開発された干渉計である.その概略図を図ト7に示す. 図1-7 倅 ｧ ﾏYцｫ ﾇb この干渉光学系では.ビームスプリッターの透過光が.三角形の光路を右回りで進むの に対して,ビームスプリッターの反射光は,三角形の光路を左回りで進む.つまり, 2つの 光が共通の光路を通るので,光路差がなくなり,可干渉距離の短い光でも干渉縞が出る. この光学系をベースにして新しく軟X線実験室光源用の干渉光学系を考案した.その概 略図を図1-8に示す.以後,本報告では三角交差光路干渉計と呼ぶことにする. 図ト8 倅 ｧ ﾏ ﾛxﾏYцｫ ﾇb

図1-8の三角交差光路干渉計では, 2つの凹面鏡の間の光路を,平行ではなく,一度収束 するようにした.こうすることで凹面鏡の反射による収差が大幅に減少するので,凹面鏡 の形状評価に使うことができる.また,この干渉計も共通光路型なので.可干渉距離の短 い軟X線の実験室光源でも干渉計測を実現できる可能性がある. この干渉計では,干渉縞の生成原理が従来の方式とは異なる.図1-8の検査鏡上のÅ点 に歪みがあると仮定すると,ビームスプリッターの透過光は,検査鏡上のA点で反射され た後,スクリーン上のC点に到達する.その一方,ビームスプリッターの反射光は, Å点で 反射された後.スクリーン上のB点に到達する.このように.検査鏡で反射された2つの 光が互いに折り返されて干渉しているために,干渉縞の解析に工夫が必要である. 本研究では,この三角交差光路型の干渉光学系に適用できる廃析方法を新しく開発した.

ト4 レーザープラズマ光源 干渉計用の光源は,コヒーレンスの長いものが望まれる.コヒーレンスには時間的コヒ ーレンスと空間的コヒ-レンスがあり,時間的コヒーレンスは光源の単色性に関係し,空 間的コヒーレンスは光源の大きさに関係する. 軟X線領域でのコヒーレンスの良い光源として,先に述べた放射光の挿入光源のアンジ ュレーターがある.これは,準単色でエミッタンスが小さく,非常に高輝度な光が得られ る.しかし,マシンタイムの制約がある. その間題を解消する実験室用の光源としてレーザープラズマ光源がある.高出力のパル スレ-ザーをターゲット上に集光することで局所的に高温のプラズマが生成され,そこか ら軟X線を含む白色光が放射される.これを干渉計の光源として用いるには,一般的には, 分光器などを通して単色性を良くする.しかし,放射光に比べて輝度が低いために単色性 を良くすると強度が不足する可能性がある.干渉縞を得るために十分な強度を保つために は.コヒーレンスをあまり長くすることができない.そのためか,レーザープラズマ光源 を用いた干渉計測の報告例はほとんどなく,わずかに複スリットの干渉計によるヤングの 干渉縞が報告されているに留まっている(6).形状評価用の干渉計の報告例は前例がない.本 研究ではコヒーレンスの悪い光源で,形状評価を行うことができる干渉光学系に主眼をお いて開発を行った. また,レーザープラズマ光源には,デブリの発生によって周辺の光学素子が汚染されて しまうという大きな問題点がある.デブリとは,プラズマが生成されるときに飛び散るタ ーゲット物質のイオン.原子,粒子を指す.多層膜鏡の場合,デブリが付着することで軟 X線の反射率が低下するので.デブリによる光学素子の汚染を防ぐ必要がある.そのため に.チャンバー内にバッファー用のガスを入れる方法(7).薄膜ターゲットを使用して発生 するデブリを減らす方法(8)などが提案されてきた.近年ではノズルから噴射したガスをタ ーゲットに用いてデブリを完全になくす方法が試みられている(9).本研究では,新たに機 械式のデブリストッパーを開発して,開口数を小さくすることなくデブリの飛散を防止し て光学素子の汚染を防ぐことを試みた. パルスレーザー 図ト9レーザープラズマ光源 ターゲット

第二章 研究目的 本研究の最終目標は,軟X線干渉計測装置を製作して.個々の多層膜反射鏡の形状評価 を行う技術を実験室規模で開発することである.しかし.第一章で述べたように軟X線干 渉計には.干渉光学系,光源ともに未解決な課題がある.それらを解決するために,以下 を具体的な研究目的とした. ● コヒ-レンスの低い光源で光学素子の評価をすることができる干渉光学系の開発を 行う. ● シミュレーションと可視光による実験で.開発した方法による形状の測定精度の評 価を行う. ● レーザープラズマ光源から飛散するデブリを除去し,軟X線干渉計用の光源として 使用できることを検証する.

第三章 形状評価用の干渉計の開発 3-1三角交差光路干渉計の干渉縞のシミュレーション 三角交差光路干渉計でどのような干渉縞が出るかを知るために,レイトレース方式の干 渉縞のシミュレーションプログラムを作成した.汎用性を高くするために,入射光,ビー ムスプリッター,参照鏡.検査鏡,スクリーンのパラメーターを変えられるようにした. 表3-1にその変数の種類を示す. __入射光 僥y+rﾈﾏX,ﾈ､ｨ*ｸｧ ﾈ7( ｸ8 5 h8ｨ6(5 ｸ-h,ﾉ?ﾈ ｸｧ

ビームスプリッター 譜 "ﾅ俯"ﾅｨ )_ｸﾏﾈ,ﾉ¥ 鎚僮+ﾈ )(i 2ﾉ Y[ﾘ )(i 8,ﾈ 5ﾒ

参照鏡 譜 "ﾅ俯"ﾅｨ )_ｸﾏﾈ,ﾉ¥ 鎚僮+ﾈ )(i 2 Y[ﾘ )(i 8,ﾈ 5ﾒﾈｼ越iKﾈﾆ

検査鏡 譜 "ﾅ俯"ﾅｨ )_ｸﾏﾈ,ﾉ¥ 鎚僮+ﾈ )(i 2ﾉ Y[ﾘ )(i 8,ﾈ 5ﾒﾈｼ越iKﾈﾆ

スクリ-ン ( ｸ8 5 h8ｨ6(5 ｸ* x,ﾈｹyz2

o次の縞を出すための検査鏡,参照鏡の配置について,図3-2をもとに説明する. 図3-2検査鏡と参照鏡の配置図 ビームスプリッターへの入射角を卓.検査鏡の曲率半径をRa,参照鏡の曲率半径をR｡と したときの,ビームスプリッターと検査鏡の距離al,ビームスプリッターと参照鏡の距離 b,,検査鏡への入射角α,参照鏡への入射角βを求める. まず, αとβを求める.右回りと左回りのビームスプリッターからの出射光の広がり角 を等しくするためには,凹面鏡の反射による倍率を等しくする必要があるので, Ra:Rb-al:bl-a2:b2. b1-% が成立する必要がある.ここで,余弦定理より,

a2+b2= all I(驚)2 -繁cos(1800-2少,

となる. αを求めるために正弦定理を用いると, 1 Rbal _  1 sin2α Ra sin(900-2￠) (3-1 ) (3-2) a.2･(管)21繁cos(90012少, (3-3' alを消去して,整理すると,

α-坤+紺o串2￠)

(3-4)

βは, αが求まれば. β=￠-α から求められる. 次にa,, b,を求める.凹面鏡のガウスの近軸公式から,

三･三-去  吉･吉-去

(3-5) (3-6a. 6b) が成り立つ･また,ビームスプリッター上の集光点ともう-つの集光点を結んだ線分の長 さをXと置くと,正弦定理から a2     X sin(900+￠-2α) sin(900-￠) sin2α

b2    X

sin(900+￠-2β) sin(900-￠) sin2β

となる･ここで, α+β=少より,

sin(900+￠-2α) ≡ sin(900+￠-2β) =cos(α-β) これらより, cos(α - ♂) sin 2α cos(a - P) sin 2β

a2-A,

sin 2α

x b2 -Sx

a,,a2を式(3-6a)に代入すると, sin 2α cos(α-P) x cos￠ x Ra I sin2α 1 2 -+    ･-≡-これを整理して,

X-讐当

を得る. 1    1 cos(α-♂) cos￠ このXを式(3-9a) ∼ (3-9d)に代入することで, cos(α - β) (3-8) (3-9a, 9b) (3-9C, 9d) (3-10) (3-ll)

) (3-,2a･ ,2b,

(3-12C, 12d) が求められる･以上より,ビームスプリッターへの光線の入射角卓,参照鏡の曲率半径Ra, 検査鏡の曲率半径Rbから, 0次の縞が出る配置を求めることができた.

検査鏡,参照鏡.ビームスプlJッターの位置を決めた後.光源からの光を光線の束とし, それぞれの光線に反射の法則を用いて,光の進む方向と進んだ距離を求めた. 干渉縞は,スクリーンに到達した光線の光路差から求められる.その光路差を求めるた めに,図3-3に示すように,スクリーンの1ピクセルの範囲内で,左回りの光線が進んだ 距離の平均と,右回りの光線が進んだ距離の平均を求め,その引き算を行った.このよう にして求めた光路差から,干渉縞を作成した. 図3-3光路差を求める方法 l pIXel

干渉縞のシミュレーションの各パラメ ーターは,後述する軟X線干渉計測装置を 参考にして,参照鏡の曲率半径300m,棉 査鏡の曲率半径50mmとし,図3-3に示す ようにビームスプリッターへの光線の入 射角50 ,光線の開き角3o とした. また,光線の波長は.実験で用いたHe-Ne 図3-4ビームスプリッターへの入射光 レーザーの633nmとした. このシミュレーションソフトによって得られた干渉縞を図3-5に示す. (a)∼(C)は,そ れぞれビームスプリッターを鉛直軸中心にOo , 0.150 , 0.30 回転させたときの干渉縞で ある.区別するために, 0次の縞は色を変えて表示してある.ビームスプリッターからスク リーンまでの距離は250mmとしているので,図3-5の正方形の一辺は約3mmに相当する. これらから.ビームスプリッターの回転とともに干渉縞の間隔が小さくなっていること が分かる. (a) oo 回転 (C) 0.3o 回転 (b) 0.150 回転

同様に,ビームスプリッターに並進を加えた場合の干渉縞のシミュレーションを行った. 図3-6は,ビームスプリッターの反射面に垂直な方向に,それぞれ0.01【¶, 0.02mmの並進 を加えたときの干渉縞である. 図3-5に示した,ビームスプ｣ノッタ-の回転による干渉縞と同様に,並進量が大きくな るにつれて干渉縞の間隔が小さくなっていることが分かる. (a) 0.01mm並進       (b) 0.02mm並進 図3-6ビームスプリッター並進による干渉縞

3-2 干渉縞の解析方法 (ト1)∼(ト3)式では,簡単のために振幅が等しい2つの光の干渉を述べた.しかし,実 際にはビームスプリッターの透過率と反射率の差などから,干渉する2つの光の振幅は等 しくない･波長が等しく,振幅がA,とA2で,位相差が卓の2つの光は,次のように表され る. u. =4e'U. u2 - A,ei'叫' _{(3-1 3)} この2つの光の和の強度は,

I-J4e'u･A2ei'叫'l2 - 42･A22･24A,cos￠ - α(l'ycos￠) (3-14)

(a-A12･畑Y-岩等〕

となる･ここでαは強度のバイアス成分. γは干渉縞のコントラストである. AlとA,が一 定ならばαとγも一定になり,位相差卓は干渉縞の強度から直接求めることができる.し かし･光源から放射される光の強度は一般的に一様ではなく,その場合αとγは場所によ って異なる･そのため,強度から位相差≠を求めるときにαとγが測定誤差の原因になる. その誤差をなくす方法はいくつか提案されている.そのうちの一つが,第一章で触れた フリンジスキャン法である(1).これは.参照鏡を)/4ずつ光軸方向に移動して4つの干渉 縞を掘影する･注目する点の光の強度をlrl4とすると,その点の位相卓は, ￠=tan-I 74-72

1-73

(3-15) というように, αとγに依存せずに強度から卓を求めることができる.しかし,三角交差 光路干渉計の場合はコモンパス型の光学系なので,片方の光路長だけを独立に変化させる 構造にはなっていない.従って,この方法は適用が難しい. そこで,干渉縞の解析法としてサブフリンジ法を採用した(1).まず.ビームスプリッター にティルトを与えて.干渉縞の間隔を十分小さくする.そのサブフリンジの平均周期の中 では,強度のバイアス成分αとコントラストγが変化しないとみなす.そして,その周期 を4等分して,それぞれの分割した領域の積分強度から位相を求めることができる. 図3-7のように, X軸上のa点での位相を求める場合を示す. a点を中心としたサブフリ ンジの平均周期をTとすると.それぞれの積分強度lrl.は, 〟-2)r li-に豆αfl･ycos(￠･X))dx (i-.,2,3.4) 4 (3-16)

となる.このようにして求めた積分強度を次の式に代入する. ￠ = tan t ー71-72+J3+74 II-I2-I,+I. (3-17) こうして, 1つの干渉縞の強度か6･. X-aにおける位相を計算できる.この一連の計算を プログラミングし.干渉縞をパソコンで自動的に解析できるソフトを作成した. Ⅰ 図3-7サブフリンジ法による干渉縞解析 干渉縞のコントラストと,強度のバイアス成分の変化による影響を調べるために,干渉 縞を作成して,その波面をサブフリンジ法で解析した. 図3-8に干渉縞のコントラストを変化させて作成した干渉縞を示す.コントラストは干 渉縞の中央で1.両端で0である.また,歪みの位相として縞の横軸方向に振幅27T, 1周 期のSin波を加えた.

図3-8の干渉縞をサブフリンジ法で解析した結果を図3-9のグラフに示す.また,加えた 位相と解析した位相の差を図3-10に示した.つまり,これが測定誤差を表す.このグラフ から,コントラスト(図中のVisibi=ty)が0.2以上であれば,測定誤差はほぼ一定にな っていることが分かる. 0 (PeJ)OSeLJd 0      1 60      320      480 Pixel 図3-9位相の解析結果 0      1 60      320      480      640 Pixel 図3-10 測定誤差 次に,強度のバイアス成分を変化させた時の干渉縞を図3-11に示す.干渉縞の間隔と, 付加した歪みは図3-8の干渉縞と同じである.バイアス成分は中央で1,両端で0.2とした. 図3-11強度のバイアス成分を変化させた干渉縞

図3-11の干渉縞を解析した結果と測定誤差をそれぞれ図3-12と図3-13に示した.この グラフから,バイアス成分が0.4以上であれば,測定誤差はほぼ一定になっている.この ように,サブフリンジ法による解析は,コントラストや強度のバイアス成分の影響を受け ずに,波面を求められることが確認できた. (PEN)I aSeLJd 0      0 2      3 0      1 60      320      480      640 Pixel 図3-12位相の解析結果 1.2         1.5 1.0         1.0 0.8         0 5 1】 tz)   巴 0.63;  3 0･0 '石 Z o.4        -0.5 0.2        -1.0 0.0       -1.5 0      1 60      320      480      640 Pixel 図3-13 測定誤差 1.2 1.0 0,0 空 0.6 B) (〟 0.4 0.2 0.0

3-3 干渉波面の分解 3-2で,サブフリンジ法による干渉波面の解析法を示した.しかし,干渉波面を求めても, 三角交差光路干渉計による干渉縞払2つの波面が折り返されて重なっているので,その影 響を取り除いて,検査波面を求めなければならない.そのための方法として,ビームスプ リッターの回転で反射光の光路だけが変化することを利用した. 図3-14にその方法を示す.まず,ある位置にビームスプリッターがあったときの干渉波 面を測定する.そして,ビームスプリッターをある角度回転させてもう一つの干渉波面を 測定する.そのときに,ビームスプリッターの透過光の光路はその回転の影響を受けない が...反射光はビームスプリッタ-の回転によって反射角が変化し.'結果的に検査鏡で反射 される位置が変化する.この検査鏡上の反射光の変位を利用して検査波面を求める. 図3-14ビームスプリッター 弌 5ﾘ, h.僵ﾘ ｸﾏX,ﾉ¥ 犬 検査鏡による反射波の位相をWとすると.ビームスプリッターの回転前の干渉波面ulと. 回転後の干渉波面u2は,ビームスプリッターの反射光による波面と透過光による波面の差 から,それぞれ次の式で表される. ul - 叫ズ,y)-W(-X,-y)      (3-18) u, = 叫∫+d,y)-W(-X,-y)       (3-19) ここで,右辺の第一項はビームスプリッターの反射光の波面で,第二項は透過光の波面を 表す. (3-19)式の右辺の第一項に含まれるdが,検査鏡上で反射される波面の変位を表す. この2つの波面の差をとってdで割ると, 竺三二旦= W(X+d,y)-W(X,y) _ ∂W ･■■■-d ･■■■-d ax (3-20) となり,検査鏡による波面位相Wの微分量が求まる.よって,これを積分することでWが 求められる.

W -腎⊥dx      (3-2.)

つまり, 2つの干渉波面の差分をとり,それを積分することで検査鏡の形状を求めること ができると考えられる.

3-4検査鏡の形状測定(シミュレーション)

シミュレーションによって得られた干渉縞の波面位相の解析を行った.検査鏡に歪みが

ない.理想的な形状の時の干渉縞を周3-15に.また,その横軸方向の位相の解析結果を図

3-16に示す･それぞれ,ビームスプリッターを0.20 , 0.40回転させて干渉縞の間隔を変

化させた.

(a) 0.2o 回転 (b) 0.4o 回転

図3-15ビームスプリッター 弌 5ﾘ, h.亅 図3-16位相の解析結果 シミュレーション上では,参照鏡.模査鏡,ビームスプリッターを理想的な形状として いるが,ティルトを加えることによって波面に歪みが生じている.これは,凹面鏡の反射 における物点と像点が軸から外れていることによる収差の影響と考えられる. 実際に模査鏡の形状を求める時は,前述のように, 2つの干渉波面の差分から求める.つ まり,この収差の影響と考えられる波面の歪みは, 2つの干渉波面で等しければ,差分をと ることで除去できるはずである.

図3-16から,ビームスプリッターの回転を大きくすると.干渉縞の間隔が小さくなると ともに,反射光の光路のずれによる収差の影響が大きくなっていることが分かる.収差の 影響による歪みを等しくするためには,波面の差分を求める暗に必要な2つの干渉縞は, 互いに間隔が等しくする必要がある. 図3-16から,縞の本数と,収差による歪みの大きさは比例関係にある.このシミュレー ションでは,ビームスプリッターから250nTn離れたスクリーン上での3nTn四方の範囲で考 えているが,約50本の縞で1波長分の歪みが生じている.このことから,縞の本数を等し くすれば2つの干渉縞の歪みの差は1/50波長となり,十分な精度だと言える. 次に,検査鏡に歪みを付加したときの干渉縞のシミュレーションを行い,前述の解析方 法による測定の精度を評価した.図3-17に示すように,検査鏡上の歪みとして凹面鏡の半 面に振幅7T, l/2周期のsin波を歪みの位相として加え,その干渉縞を解析した. 図3-17検査鏡に付加した歪み シミュレーションで得られた干渉縞を図3-18に示す. (a)の干渉縞は,一様な縞が出る 位置からビームスプリッターを鉛直軸中心に0.30回転したもので. (b)の干渉縞はビーム スプリッターの回転0.20 と,干渉縞の間隔を等しくするためにビームスプリッターの表面 に垂直に並進0.007mmを加えたものである.

それぞれの干渉縞の中央で横軸方向に位相を解析した結果を図3-19に示す.このように, 模査鏡の歪みは半面だけに加えたが,解析した干渉波面では歪みの成分が両方に表れてい る. 方   0   打   方 Oseエd l l2 メ ■図3-19位相の解析結果 この解析した2つの波面をスムージングし,その差分を求めた.その結果を図3-20に示 す･黒のグラフが図3-19(a)の波面をスムージングした結果で,赤のグラフが図3-19(b)の 波面をスムージングした結果である.その差分を青のグラフで示してある. 27r 7r 4) め .Eq 0 ｢1 -7r l2 7E-0    1 00    200 PixeI 300     400 図3-202つの波面の差分

この差分を積分して,鏡の形状を求める.その結果を図3-21に示す.黒い線のグラフが 干渉縞から求めた検査鏡の形状を表している.検査鏡の反射波面は,実際の検査鏡の歪み の2倍になるので,それを補正するために求めた波面を2で割っている. 比較のために.シミュレーシJjン上で凹面鏡に付加した歪みを赤い線のグラフに示して ある.解析した検査鏡の表面形状と,付加した歪みの差を同じ図の青い線のグラフに示し た.これが.この解析法を用いた測定の誤差にあたる.縦軸の位相が27Tで1波長に相当す るので.測定誤差のpeak-to-peakを波長に換算すると)/20になる.つまり.シミュレ-ション上では, A/20の精度で検査鏡の形状を求めることができた.波長が13nmの軟X線 を光源に用いた場合,測定精度は0.65nmとなる.これは,軟X線用の多層膜鏡の評価用と して,十分な精度である.このように.非常に高精度な測定をすることができる可能性を 示すことができた. 0     1 00     200     300     400 Pixel 図3-21求めた検査鏡の形状と測定誤差

3-5 可視光の三角交差光路干渉計による検証 シミュレーションの結果を検証するために,実際に可視光源の三角交差光路干渉計を組 んで実験を行った.実験に用いた干渉光学系を図3-22に示す. 図3-22可視光の三角交差光路干渉計の装置図 光源にはXeランプを用いた.平凸レンズを通した平行光が図3-22の左側から入射する. その光を,透過波長が546nmである水銀灯用の緑のフィルターを通して, Xeランプからの 白色光を準単色光にする.そして,その先にある平凸レンズで.光をビームスプリッター 上に集光し,透過光と反射光に分ける. ビームスプリッターを透過した光の進行方向に,直径50mm,曲率半径100mmの参照用の 凹面鏡を配置し,反射光の進行方向に直径50mm,曲率半径200mmの検査用の凹面鏡を配置 した.検査鏡は,裏面から局所的に圧力をかけて,歪みを付加したものを使用した.ビー ムスプリッター,参照鏡,検査鏡で作られる三角光路を.ビームスプリッターの透過光と 反射光がそれぞれ左回りと右回りで進む.そして,2つの光がビームスプリッターで重なり, 透過光は再びビームスプリッターを透過し,反射光は再び反射されてスクリーンの方向へ 進む.トレーシングペーパーのスクリーンに干渉縞が映るので,それをスクリーンの後ろ からデジタルカメラで撮影した.

実際に撮影した干渉縞を図3-23に示す. (a)の干渉縞は,ビームスプリッターの反射面 の法線と入射光の光軸が平行な位置から,鉛直軸中心に130回転したものである. (b)の干 渉縞は,ビームスプリッターを13.50回転し,さらに干渉縞の間隔を図3-23(a)のものと 等しくするために,入射光の光軸と平行に0.03mm並進したものである. (a) 13o 回転 (b) 13.50 回転 0.03mm並進 図3-23 倅 ｧ ﾏ ﾛxﾏYцｫ ﾇh,ﾈｫ この2つの干渉縞において,横軸方向に解析した位相が,図3-24のグラフである. (A), (B), (C)はそれぞれ解析を行った横軸の位置を表している.解析した位相と,それをフィ ッティングしたものを重ねて示した. 0     1 0     20     30     40 X (mm) (a)

図3-24の解析した2つの波面位相からその差分を求め,それを積分して模査鏡の表面形 状を求めた.その結果を図3-25に示す. A A A 0 三角交差光路干渉計による形状測定結果 I ー■■ 0     10     20     30     40 X (mm)

図3-25 倅 ｧ ﾏ ﾛxﾏYцｫ ﾇh,Y ｩ. X+ﾘﾉ ﾛ ,ﾉUﾉlｨﾆ 2

このグラフの縦軸は,理想的な球面からの表面形状の差を表す.つまり,理想的な球面 ならばグラフは平面になる.縦軸の波長は水銀灯用フィルターの透過波長の546nmである. このように,鏡の左側に,裏面からの圧力によって約1波長分の歪みが出ていることが分 かる. 図3-25の結果と比較するために,この検査鏡を,多元研科学計測研究棟のレンズ工場に あるZygo干渉計で同様に表面形状の測定を行った.図3-26はZygo干渉計で撮影した干渉 縞で･図3-27は･その干渉縞を解析して得られた模査鏡の表面形状を示している. Zygo干 渉計では参照光と検査光による干渉縞が現れるので,干渉縞は単純に模査鏡の表面形状の 等高線を表している･実際の測定ではティルトを加えた干渉縞を解析し,その後でテイル ト成分を除いて形状を求めた. 図3-26Zygo干渉計で撮影した干渉縞

1 0      20      30 X (mm) 図3-27Zygo干渉計で測定した検査鏡の表面形状 Zygo干渉計の光源はヘリウムネオンレーザーなので.三角交差光路干渉計で用いたフィ ルターの透過波長とは異なるが,縦軸を合わせるために図3-27のグラフの縦軸の波長は 546nmに変換してある.図3-24と同様に,検査鏡の左側に1波長程度の歪みが現れている という点で. Zygo干渉計による模査鏡の形状の測定結果は定性的に一致していることが示 された.この結果は,三角交差光路干渉計を用いれば,可干渉距離の短い高圧水銀灯の光 でも凹面鏡の形状測定ができることを示す.

3-6 ピンホールの挿入による球面波の生成 三角交差光路型の干渉計で実際に干渉縞を計測し,開発した解析方法を用いて凹面鏡 の形状を求めることができた.しかし,この解析法は. (1)二つの干渉縞の波面を求め. (2)その二つの波面の差分を求め, (3)その差分を積分して形状を求める,というよう に手順が複雑で,そのために系統誤差が混入しやすいと考えられる. その複雑な解析過程を簡略化する一つの方策として,図3-28のように,検査鏡と参照 鏡の反射による集光点の位置に,ピンホールを配置することができる. 図3-28ピンホールを挿入した三角交差光路干渉計 ピンホールから出射する光は.歪みを含まない球面波になる.そのため,参照鏡で反射 された光は球面波のままスクリーンに届き,また,検査鐘で反射された光は表面の歪みだ けを含んでスクリーンに到達する.つまり.干渉縞は単純に検査鏡の表面形状の等高線に なるので,簡単な解析で形状を求めることができると考えられる. この計測方式での予想される問題点として.ピンホールを通すことで光の強度が著しく 低下してしまうことが挙げられる.特にレーザープラズマによる軟X線で行う場合は,光 源の強度が限られるので,干渉縞の観測が難しくなると予想される. また,波長の短い軟X線では,ピンホールの製作も容易ではない.ピンホールは光の波 長程度の小ささが要求されるので,軟X線では10nmオーダーの加工精度が必要になる. 今後,これらが検査鏡の測定精度に対してどの程度影響するかについて,実験による検 証を行う必要がある.

また,ピンホールの有無にかかわらず,三角交差光路干渉計による形状測定では,参照 鏡の形状精度が生命線になる.図3-25に示した,可視光の三角交差光路干渉計による測 定結果は･図3-27のZygo干渉計による結果と比較すると,定性的には一致したものの, 定量的に一致したとは言えなし㌧これは,参照鏡の形状精度の悪さが大きな原因の一つと 考えられる･可視光の検証実験に用いた参照用の凹面鏡は,シグマ光機製で,保証される 波面精度が)/2のものであった･反射波面の歪みは,鏡の表面形状の2倍になるので.義 大で1波長分の歪みが参照鏡での反射によって混入することになる.このことが, 2つの測 定結果が定量的に一致しなかった主な原因であると思われる. このように,三角交差光路干渉計で形状測定を行う場合,参照鏡の精度がそのまま測定 _濁度に影響するので.参照鏡の精度はl/20以下でなければ実用的であるとは言えない.軟 X線光源の三角交差光路干渉計で測定する場合,参照鏡は多層膜をコーティングしたもの を用いる.波長13nmの場合. )/20を達成するには,多層膜の周期長をサブナノオーダー で制御しなければならず,技術的に重要な課題である.軟X線干渉計測をこの光学系で行 うためには,高精度な薄膜制御技術を確立することが不可欠である.

第四章軟X線干渉計用レーザープラズマ光源の開発 4-1軟X線干渉計測装置

第三章で述べた干渉光学系を,軟X線にたいして完成するには光源から検出器にいたる まで多くの課題がある.本研究では,図4-1に示す軟X線干渉計測装置を設計･製作した.

軟X線は空気に吸収されてしまうので,干渉計全体を真空中に入れる必要がある.この 装置では,縦0.9m,横1.2mの光学台を直方形の真空チャンバーの中に配置してある.干渉 計を構成する要素は.光源部,干渉光学系部.検出器部の3つに分けることができる.以 下,それぞれの構成要素についで説明する. 光源部にはレーザープラズマを用いる.この方式を採用した理由は第一章で既に述べた. 光源から発生するデブリが問題になるが,これを解決するために,後述するデブリストッ パーを配置してデブリの除去を行う. 干渉光学系部は,第三章で述べた三角光路型を採用する.参照鏡には, (樵)ニコン製の 表面形状精度が1nm以下の凹面基板に, Mo/Si多層膜を蒸着したものを用いる.また,ビー ムスプリッターにはフリースタンディンクのMo/Si多層膜を使用する(10). また,検出器部では, CCDカメラとイメージングプレートを用いる. CCDカメラは真空チ ャンバー内の軟X線による干渉縞をリアルタイムで見ることができるが,解像度が不足す る.そのため,調整用として使用する.解析用として,高解像度で干渉縞を記録するため に,イメージングプレートを用いる.以上が軟X線干渉計測装置の構成要素となる. 干渉計は,光の波長を基準にしているので,高精度な計測ができる半面,振動に非常に 弱いという難点がある.どれか一つの光学素子が波長程度の振幅で振動するだけで,干渉 縞は観測されない.軟X線は可視光に比べて格段に波長が短いので,振動対策には特に注 意を払わなければならない. そのために,軟X線干渉計測装置は図4-2に示すような配置で除張を行っている.

真空チャンバー内の光学台は,ベローズを通して除振台に接続する.一方,真空チャン

バーは除振台とは機械的に切り離されていて.直接床面に設置する.真空チャンバーには 振動の原因となるターボ分子ポンプとデブリストッパーが接続されているが.その振動は

4_2 デブリストッパー 函･4_1の軟X線干渉計測装置でデブリを除去するための装置として,起顕微計測光学研 究センターでは,図4-3のような装置を考案,製作した(-1). 図4-3デブリストッパー これは(樵)三菱プレシジョンに製作を依頼したもので.通信衛星のジャイロスコープの 技術を応用したものである.中央部に直径200mの円筒があり,図4-1の装置の上からつ るすことで,光源と多層膜集光鏡の間に設置することができる.光源側と多層膜鏡側には それぞれ幅7mの開口1と幅100mmの開口2があり,真空中で6000rpmまで回転できる･ プラズマを作るための高出力のレーザーのパルスを開口位置に同期すると,光は通過する が,遅いデブリは円筒に付着するので,多層膜鏡へのデブリの飛散を防止することができ る. 設計上の仕様として,光源からの光の開口数を0.17と高くとることができる･これは, 光源から遠い位置にある開口2の直径が100mと大きいために可能になっている.また, 250m/S以下の全てのデブl)粒子を捕獲することができる.デブリストッパーの回転によっ てどのようにデブリが除去されるかを,図4-4と図4-5に示す.

20m/S 2m/ら Oms    5ms 1 Oms 飛行時間 図4-4デブリストッパー断面図 図4-5捕獲されるデブリ粒子 図4-4は,ターゲットから飛散するデブリと回転するデブリストッパーの断面を,模式 的に示しものであり,図4-5はデブリ粒子が捕獲される様子をグラフで表したものである. このグラフの横軸は,ターゲットから飛散するデブリの飛行時間で,縦軸は,プラズマが 生成されてから,開口1の中央部から開口2の中央部を結んだ直線に沿って,つまり図4-4 の太い矢印に沿って飛行するデブリの飛行距離である.図4-5の赤い矢印が飛行するデブ リで,傾きがその速度を表している. 2本の青い直線は,開口1と開口2が開いているタイ ミングを表している. このグラフから, 250m/S以下のデブリは0.2m先の開口2が閉じていることによって捕獲 されることが分かる.また,開口2だけでは. 20m/S前後のデブリが周回遅れとして通過し てしまうが,それは開口lが閉じていることによって捕獲することができる.そして.開 口1を周回遅れで通過してしまう2m/S前後のデブリは,開口部の数nTnの厚みを通過でき ず,開口の側面で捕獲される.

4-3 デブリ除去実験 前述したデブリストッパーの効果を確かめるために,図4-6に示すセットアップを組ん で実験を行った. 図4-6デブリ捕獲実験の装置図 光軸合わせ用ミラー ターゲット上でプラズマを発生させるためのYAGレーザーと.光軸調整用のHe-Neレl ザーの両方を用いる. YAGレーザーが最初に反射されるミラーには, He-Neレーザーを90% 以上透過するものを用いたので, 2つのレーザーの光軸を一致させることができる.また, その先の凹レンズと凸レンズでビーム径を広げるとともに,凸レンズを前後してチャンバ ー内のスポット位置を調整する役割も持たせてある.ターゲットは直径20mmの円筒で,精 密ネジ要素を利用して,パルスモーターによって回転と軸方向の移動を同時に行うことが できる.それによって, YAGレーザー数パルス毎に新しいターゲットの表面を出すことがで きる.チャンバー内のレンズでYAGレ-ザーを金属ターゲット上に集光すると,プラズマ が生成されて,軟X線を含む白色光が放射され,それとともに金属ターゲットのデブリが He･Ne レーザー

を置く位置に,水晶振動式膜厚計を配置してデブリ量を測定する.また,その横にSiウェ ハを配置して,ターゲットからのデブリを捕獲し,顕微鏡で付着したデブリの様子を観察 した. チャンバー内の真空度は全て1×Ⅶ-5Torr以下で実験を行った.また. YAGレーザーは スペクトラ･フィジクス社製のもので,発振周波数10Hz,パルス幅8ns, 1パルスあたりの 工ネルギ1850mJであり.タ-ゲット上に約0.2nTnのスポットに集光している. また,ターゲット物質にはSnを用いた.その理由は. Snが他の金属に比べて13nm付近 の発光が強いという研究報告による. Bridgesらは.様々なターゲット物質でのレーザープ ラズマ光源の軟X領域のスペクトルを測定した(12). snのスペクトルを図4-7に示す.波長 13np.の付近に発光強度のピークが表れていることが分かる. Cerjanは,このピークがSn十6 イオンの6f-4d遷移によるものだとしている(13). TIN

二三三二'ー予やヰ空転車中砧ふ､

1 0    1 5     20    25     30     35    40 Wavelength (nmト.ーー 図4-7Snターゲットからのレーザープラズマ発光スペクトル また, Kauffmanらは,様々なターゲット物質を用いて,波長が13nm付近でのレーザープ ラズマ発光の変換効率を調べた(14).図418にそれを示す.これによると, Snの発光効率が 他の物質に比べて高いことが分かる. 仙  雌 M lrf^err bu●p-JI)uO】tJOALl〇〇 ▲Sb Sn Pb FeAu ▲▲Ta ▲ 0     20     40     60    80 人toml￠ nul¶bor 図4-8レ-ザ-プラズマ発光の変換効率 Mo/Si多層膜の反射ピークの波長は約13nmなので,光源はこの付近での強度が強いもの が望ましい.これらを踏まえて,レーザープラズマ光源のターゲットとしてSnを採用した.

4-4 デブリストッパーとYAGレーザーの同期調整 前述したデブリストッパーは, YAGレーザーと同期を取るために, 1回転毎にトリガパル スを出す.つまり, 6000rpmで回転させた場合, 100Hzのパルスが出ることになる.しかし, 実験に用いたYAGレーザーのフラッシュランプ用のトリガパルスは9Hz∼11Hzの範囲外で は同期しない.そのため,トリガパルスの周波数を制御する必要がある. 最初は,単純にパルス数を1/10にするカウンタ回路を作成し, 6000rpmにおけるトリガ パルスを10Hzにすることを試みた.しかし,デブリストッパーがトリガパルスを出すため の光センサーに,レーザープラズマによる光が入って付加的なトリガパルスが発生するた _かこ, 10Hzにすることができなかった. そのために,図4-9のような回路を作成した.パ ルス数の制御ではなく,時間による制御を行うため YAGレーザーから に,パルスが入った後,一定時間highを保持するマ ルチバイブレーターを使用した.図4-10に,パルス 制御の様子を表したオシロスコープの写真を示す. 上がデブリストッパーからのパルスで,下が図4-9 の回路を通った後にYAGレーザーに入力するパルス である.マルチバイブレーターによって92msの間 highを保持することで, YAGレーザーへのパルスの 間隔を100ms,つまり10Hzにすることができた.デ ブリストッパーからのパルスの周波数が10Hzの倍 数になっていれば, YAGレーザーへのパルスを10Hz にすることができる.つまり,この回路によって, デブリストッパー600rpm刻みでYAGレーザーと同期 させることができた. マルチバイブレーター 図4-9 x8ｨ4ｸ7 8ｸ5 ｯｨ р

4-5 デブリ量の測定結果 図4-11にデブリ量の測定結果を示す.デブリストッパーの回転数をOrpmから6000rpm まで変えて, YAGレーザーを6000ショット当てたときの水晶振動子に付着したスズのデブ リの膜厚を測定した.水晶振動子は光源から24センチのところに配置した.また,ターゲ ットは.YAGレーザーが同じスポットに10回当たるごとに新しい面が出るように回転した. そして,デブリによってYAGレーザーの集光レンズが汚染されるのを防ぐために,レン ズホルダーの前面にスライドガラスを貼り付けた.一回の測定でスライドガラスに多量の デブリが付着し, YAGレーザーの透過率が低下するので,一回ごとに真空を破り,スライド ガラスとデブリを捕獲するためのSiウェハを交換して測定を行っ`た. グラフの横軸はYAGレーザーのショット数で.縦軸がSnの膜厚である.上から順にデブ リストッパーの回転数がOrpm. 600rpm. 1200rpm. 1800rpm. 3000rpm. 6000rpmのデータで ある.データ点に不連続なところがあるが,これはRS-232Cケーブルによる通信上のエラ ーによるものである. デブリストッパーを回転しないときのSnの厚さは4.203nmだったが,デブリストッパー の回転数の上昇とともに水晶振動子に届くデブリは減少し, 6000rpmではSnの厚さは 0.675nmまで減少した.デブリストッパーを6000rpmで回転させることで,水晶振動子に到 達するSnのデブリ量を84%減少させることができた. 432 (∈u)SSau竜!LJ_i 0   1 000   2000   3000   4000   5000   6 000

YAG laser shots

図4-11デブリ量の測定結果 1.934nm 1.037nm 0.760nm 0.689nm 0.675nm

4-6 Siウェハに付着したデブリ siウェハに付着したSnのデブリをSEMで観察した.その結果を図4-12(a)∼(d)と図 4-13(a)∼(d)に示す.図4-12は倍率が200倍,図4-13は倍率が1000倍での結果である. それぞれ,デブリストッパーの回転数Orpm, 600rpm, 3000rpm, 6000rpmで測定を行った. (b) 600rpm 図4-12Siウエハで捕獲したデブリ(倍率200倍) 一l一 - ｳ# ﾉ ﾂ

(b) 600rpm 図4-13Siウエハで捕獲したデブリ(倍率1000倍) これらの結果から,デブリストッパーの回転数の上昇とともに,速度が遅いと思われる 大きいデブリ粒子から順に除かれていることが分かる.また,小さいデブリ粒子も減少し ているが,速度が速いために,デブリストッパーを6000rpm回転しても, 2〃m以下の小さ な粒子の中には捕獲できないものがあることが確認できる.

4-7 デブリの速度分布 図4-11の結果から･それぞれのデブリストッパーの回転数で. YAGレ-ザtlショットあ たりに水晶振動子に付着するSnデブリの厚さを求めた.その結果を図4-14に示す.グラ フの横軸はデブリストッパーの回転数で,縦軸がSnデブリの厚さを表す. 捌   8N o.      0. (10LJSJV)SSau13!LJト Orpm ㈹Orpm 1200rpm 1800rpm 3000rpm 6000rpm

Debri stopper rotation

図4-14デブリストッパー 弌 5ﾘ鳧, (+X+ﾘ6h7X8ｩ￨｢ デブリストッパーを6000rpmで回転させた場合, 250m/S以下のデブリ粒子を全て捕獲で きる･また･捕獲できるデブリの速度は,デブリストッパーの回転数と比例するので,チ ブリの速度をV,デブリストッパーの回転数をrとすると, 250 (4-1 ) の関係が成り立つ･この式から･Snデブリの速度分布を求めた.その結果を図4-15に示す.

(IOLISJY)SSOu竜王ト く25  25-50  50-75 75-125 125-250 〉250 Verocity range (m/S) 図4-15Snデブリ量の速度分布 グラフの横軸はSnデブリの速度範囲で,縦軸は図4-14と同じである.このグラフから, 25m/S以下の遅いデブリが全体の約半数を占めていることが分かる.そこから.速度が大き くなるにつれてデブリは急激に少なくなっているが, 250m/S以上のデブリは全体の1/6を 占めている･これは, 125m/Sから250巾の範囲のデブリ量のおよそ100倍に当たる. このことから,デブリ量が速度に対して単調減少するものと仮定すると,少なくても1 ×104m/Sの範囲までデブリが存在すると予想される.つまり. 250m/S以上の範囲では,お よそ2〃m以下の微小な粒子が散在するものの,その多くは質量が小さくて速度が速いと思 われるターゲットの単原子,イオンが大きな割合を占めていると考えられる.