インジェクションロック方式の課題 (第3回)

従来のインジェクションロック方式は、空間的コヒーレンスの増加によるウエハー面上でのスペック発生の可能性と、増幅された自然放出光(ASE)による解像度の劣化の可能性が指摘されており、実現化を阻んでいた。ここでは、弊社のGigaTwin Platformにおいて、上記の課題を克服した内容に関して説明する。

図3 従来のインジェクションロック方式(アンプ側)

図4 空間的コヒーレンスの計測結果

空間的コヒーレンス低減化技術

レーザ光の空間的コヒーレンスとは、レーザのビーム面内の位相の良し悪しを定義したものである。リソグラフィー用には、空間的コヒーレンスが低い方が適している。これは、レーザビームが露光装置の照明系において、均一な照度分布をもつビームに整形される際、同じ位相をもった光が干渉しあい、むら（スペック)ができるからである。スペックはウエハー面上で点在して現れるため、部分的な露光量の大小を発生させ露光パターンのサイズ(CD)を変化させる。

従来のインジェクションロック方式では、アンプ側チャンバーの増幅効率が高いため、狭帯域チャンバーの出力を最低限に抑えることが可能であり、ビームのサイズを数ミリまで絞り込む。絞りこまれたビーム(Seed light)は、ほぼ均一な空間的な位相を持つ。図3に、従来方式における、アンプ側チャンバーへのビームの導入方法を示すが、絞りこまれたSeed lightは、小さいホールを通り、アンプチャンバー内でビームを徐々に拡大しながら出力を増加させる。したがって、最終的に得られるビームは、Seed lightが持つ均一な位相を受け継ぐことになり、空間的コヒーレンスが高くなる。

空間的コヒーレンスを低減させるため、GigaTwin Platformでは、狭帯域化チャンバーからのSeed lightを絞り込むことなく、かつ、アンプチャンバーにおいて高い増幅を行うための専用光学系を開発した。工夫として、従来の方式より狭帯域化チャンバーからの出力を上げ、ビームの大きさを最適化した。図4には、従来のインジェクションロック方式、弊社で開発した方式、および、既に実用化されているシングルチャンバー方式で計測された空間的コヒーレンスの測定結果を示す。横軸がビーム面内の距離を示し、縦軸が干渉性を示している(Visibility)。干渉性が大きいほど、空間的コヒーレンスは高くなる。この結果は、弊社が開発した専用光学系では、従来のインジェクションロック方式より数十倍低い空間的コヒーレンスが実現されており、かつ、シングルチャンバー方式よりも改善されていることを示している。

図5 ASEの計算結果

ASE低減技術

レーザ光のASEとは、増幅された自然放出光を意味する。自然放出光はチャンバー内の放電と同一のタイミングで発生し、微弱で広域なスペクトルを持つ光のことである。本来なら、光共振器中の光の往復過程において、主となる狭いスペクトルに紛れて、計測自体もできないレベルに低下する。リソグラフィーにおいては、この僅かな広いスペクトル成分が、レンズの色収差の影響により、露光パターンに影響を与えると言われる。

従来のインジェクションロック方式でASEが課題と考えられていた理由は、Seed lightが導入されない状態で、アンプ側チャンバーのみが動作した場合、広いスペクトル成分が発生する可能性があったからである。この課題はインジェクションロック方式のみならず、MOPAおよびシングルチャンバー方式でも同じである。

GigaTwin Platformの開発においては、実際のASEを計測する手法を開発し、定量化することに成功した。また、実際のデータを元に低減化技術を開発した。その結果、ASEの量を左右するのは、Seed lightの光量が支配的であることであることを明らかとした。

図5に、Seed lightの光量を変化させ、かつ、アンプチャンバーへの導入のタイミングを変化させたときのASE量の計測結果を示す。赤線のデータ(Low injection)は、可能な限りSeed lightの光量を絞ったときであり、従来のインジェクションロック方式のSeed light光量を模擬している。観測されたASEは、出力全体の1%のレベルであり、実際の露光パターンにも影響が現れる可能性がある量であった。一方、Seed lightの光量を上げたMiddle injection,High injectionでは、0.01%以下までASE量を低減できていることが分かる。この結果は、既に実績があるシングルチャンバーシステムと同等かそれ以下であり、露光パターンにも全く影響を与えないレベルであった。

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