シンクロトロン放射光用ミラーのための

超精密非球面形状測定装置の開発－　 X 線集光用楕円ミラーの測定と干渉計との比較

－

2005 年 9 月 15 日

大阪大学大学院工学研究科　附属超精密科学研究センター a

高エネルギー加速器研究機構 b

東保男 b , 遠藤勝義 a, 久米達哉 b, 江並和宏 b, ○鷹家優一 a

発表内容

背景と目的測定原理と測定装置測定装置の評価X 線集光用楕円ミラーの測定まとめ

本研究の背景と目的シンクロトロン放射光や EUV 用リソグラフィーに使用される X 線ミラー

　・　 X 線ミラーには PV1nm レベルの形状精度が要求される。

　・　 X 線ミラーの形状は、楕円面・トロイダル面といった非球面形状が必要である。

加　工

数値制御プラズマ CVM数値制御 EEM

　 1nm オーダーの精度で　形状を創成できる。

形状測定精度 1nmオーダー (スロープエラーでおよそ 1×10－ 7 rad)の

非球面絶対形状測定技術が必要である

本研究では非球面形状ミラーの法線ベクトル（スロープエラー）を1×10 － 7 radの精度で測定することを目標としている。

超精密非球面形状測定法の原理

特徴法線ベクトルを測定する際、主に２軸の回転運動を２組用いることにより、直進運動の使用を最小限に抑える。

運動精度 ： 回転 ＞ 直進精度が高い回転を

利用して形状を測定できる。

基本原理光の直進性を利用して、ミラー面上のある点での入射光と反射光を一致させることにより法線ベクトルを測定する。

法線ベクトルの測定方法として、検出器に４分割フォトダイオードを用いた零位法を採用する。

測定中、常に一定の値をとるように、１軸の微小な直進運動を用いて調整す

る。

測定中、常に一定の値をとる

(nｘ,nｙ,nｚ)

Y

θ

φ

測定点から検出器までの距離

L

最初の測定点への光線ベクトル

点 P１へのベクトル

Z

X

P１

P０

β

α ミラー表面検出器 D1

検出器 D0

(0,y,0)移動後の

測定点 P1での傾き (0,Ry,0)

ゴニオの回転中心

超精密非球面形状測定方法

α ・ β 軸回転中心（ 0,Ry,0 ）

測定原点 P0

X

Y

Z

① ２軸２組（ θ ， φ ），（ α ， β ）の回転運動により、測　　　定基準点 Po の法線ベクトルを測定する。

② P0 を原点とした座標系を決定する。

③ 光路長 L および測定原点 Po と回転中心とのずれ R ｙ　　を別の測定機を用いて測定する。

検出器 D

（光源、 θ ・ φ 軸回転中心）

測定点P1 （ X,Y,Z ）

測定点の法線ベクトルN

光線ベクトル（光路長 L ）

測定原点 P0

　超精密非球面形状測定方法

α ・ β 軸回転中心（ 0,Ry,0 ）

X

Y

Z

検出器 D

（光源、 θ ・ φ 軸回転中心）

④ 次の測定点 P1 の法線ベクトルを求めるために　　２軸（ θ ， φ ）の回転運動で P1 近傍に入射光が　　くるように調整する。

光線ベクトル（光路長 L ）

測定点の法線ベクトルN

測定点P1 （ X,Y,Z ）

測定原点 P0

　超精密非球面形状測定方法　

θ

φ

光線ベクトル（光路長 L ）

α ・ β 軸回転中心（ 0,Ry,0 ）

X

yo

Y

Z

β

検出器 D

（光源、 θ ・ φ 軸回転中心）

⑤ ２軸（ α ， β ）の回転運動によって、入反射光を一致させ、 4 分割フォトダイオードを用いた零位法により法線ベク トルを測定する。

⑥ 測定した法線ベクトルを、補間・積分することにより形状を導出する。

α

光線ベクトル（光路長 L ）

測定点P1 （ X,Y,Z ）

測定点の法線ベクトルN

　形状導出方法

検出器 D （光源、 θ ・ φ 軸回転中心）

θ

α

測定点の法線ベクトル N

φ

測定点P （ X,Y,Z ）

β

光線ベクトル（光路長 L ）

α ・ β 軸回転中心（ 0,Ry,0 ）

X

yo

測定原点

光線ベクトル（光路長 L ）

Y

Z

Tan

Tan

n

n

n

N

Z

Y

X

1　 　 　

RyLyofXP ,,,,,

RyLyohZP ,,,,,, RyLyogYP ,,,,,, 傾き（法線ベクトルの方向）は、

４軸の回転量のみで求まる。任意形状のミラーでも成立する。

導出法の特徴

装置の性能回転角度の読み取り精度

（ロータリーエンコーダ

の分解能）

1.745×10 － 8 rad

並進変位の読み取り精度

（リニアエンコーダ

の測定精度）

0.1μm

回転軸ずれ精度

（組み立て精度）

0.1μm

　形状測定装置

目標

スロープエラーの

測定精度 1×10 － 7 rad

の形状測定

Y

α

β

θ

φ

法線ベクトル測定系

試料系

　角度較正

dL L

dx’

dx

レーザー測長機

QPD

ゴニオメータ

リニアスライドテーブル

ロータリーエンコーダ

dXdX

dLdXL

'

L

dXtan

dLL

dX 'tan

・光路長 5mのときミラー上で 100mmの範囲内では±２ ×１０－７ radの精度で較正を行うことができた

- 25

- 20

- 15

- 10

- 5

0

0 50 100 150 200Psition(mm)

Hei

ghtl(n

m)

FirstSecondThird

200mm

50mm

測定方向

120mm の範囲で、 PV5nm 以下の再現性を達成した

ゴニオメータ

( 光学系 )

ゴニオメータ

( 試料系 )

平面ミラー測定プロファイル

測定ピッチ　　 : 　　 4.2mm

測定範囲 　　 : 　　 120mm

測定時間 　　 : 　　 20min

測定条件

σ ＝ 0.75nm

　平面ミラー測定の再現性

　平面ミラー測定による測定精度の検討

-4

-2

0

2

4

6

0 50 100 150 200

Position(mm)

Hei

ght(

nm)

- 25

- 20

- 15

- 10

- 5

0

0 50 100 150 200

Position(mm)

He

igh

t(n

m)

A→ BB→ A

200mm

50mm

測定方向AB

A

B

B

A

(1) A→B に平面ミラーを測定

(2) ミラーの左右を入れ替える

(3) B→A に平面ミラーを測定

ゴニオ

( 光学系 )

ゴニオ

( 試料系 )

σ=2nm

BA

200mm 平面ミラープロファイル ミラー回転前と回転後の形状誤差

φ30mm

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

- 15 - 10 - 5 0 5 10 15

Position mm（ ）

Heig

ht

nm

（）

First measurement of our instrument Second measurement our instrument

First measurement of Zygo Second measurement of Zygo

測定再現性 ： ±1.5nm

本測定装置と干渉計との比較： ±2nm で一致

本測定機を用いて平面ミラーの長周期のうねりを測定できた

Fixed by glueV-Block

測定ピッチ　　 :1mm

測定範囲 　　 :25mm

測定時間 　　 :20min

レーザー径 :4mm

測定条件

　 SiC平面ミラー測定による測定精度の検証

　 X線集光用楕円ミラーの測定

100 mm

50 mm4-lines

(0.83mm pitch)

ミラーの仕様

　　　視射角　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4.15mrad

　　　ミラー長　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 100 mm

　　焦点距離　　　　　　　　　　　　　　　　　　 150mm

　　 楕円関数係数 a 　　 500.1265 m

　　 楕円関数係数 b 　　 66.0096-3m

　　　集光径　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 36nm,FWHM

ミラー表面に Pt コーティング

測定条件

　　　レーザー径 . 　　　　　　　 3mm

　　　光路長 　　　　　　　 4.85m

　　　測定ピッチ　　　　　　　　　　　　　　0.83mm

　　　測定時間 　　　　　　　 40 min

参照Jpn.J.Appl.Phys,Part2,44(18),L539-542(2005)

　測定再現性

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100

Position(mm)

Hei

ght(

μm

)

FirstSecondThird

- 1.5

- 1

- 0.5

0

0.5

1

1.5

0 20 40 60 80 100

Position（ｍｍ）

Resi

dual

(nm

)

FirstSecondThird

測定形状

曲率が大きいため　 nm オーダーでの違いが見て取れない

3 回の平均とそれぞれの測定形状の相違

連続した 3 回の測定の再現性は　　 PV 　 2.5nm

　　 σ=0.8nm 　を達成

　干渉計との比較

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Hei

ght

(nm

)

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Hei

ght (μ

m)

RADSI（ relative-angle-deternable

stitching interferometer)による測定形状本測定装置による測定形状

RADSI と本測定装置との比較

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Heig

ht

(nm

)

RADSI と本測定装置の測定結果はPV5nm で一致した

　 σ=1.7nm

　干渉計との比較

水平方向 4 ラインの RADSI と本測定装置の比較

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Heig

ht

(nm

)

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Res

idua

l (n

m)

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Resi

dual

(n

m)

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

0 20 40 60 80 100

Position (mm)

Residu

al (n

m)

　結言

• 本測定に重要な回転運動の精度を補償するため、ゴニオメータの較正を行い、現在光路長 5m の位置で 100mm の範囲では ±2×10-7rad の精度で較正を行うことができた

• ミラーの左右をひっくり返して測定したところ、一致度はσ=2nm であった

• Φ30mm の平面ミラーの測定結果を ZYGO 社の干渉計と比較したところ ±2nm で一致したことから、本測定機を用いてミラーの長周期の形状を測定できることがわかった

• X 線集光用楕円ミラーの測定精度は PV5nm 以下を達成した

• X 線集光用楕円ミラーの左右をひっくり返した測定を行い、測定制度の検証を行う

• 今より広範囲にわたり 1×10^-7rad の精度でのゴニオメータの較正を行う

• 放射光ミラーの測定、集光シュミレーション、実際の集光

• 形状導出プログラムの作成

　今後の方針

　測定原理

dL

XXX

L21

1

θ

Ｘ１

LX

Tan 11

ゴニオメータの回転中心

Y

０ｄＬ

Ｘ２

L

X

　平面ミラーの固定方法

45°

φ30mm接着

今まで、真空チャック + テフロンシートでミラーを固定していたが、

固定時にミラー表面の変形が見られたため、

現在テフロンシートの厚さと変形量の関係を検証している。

そこで、今回の実験では上図の固定方法を用いた。

　ゴニオメータ角度較正結

-2.E-06-1.E-060.E+001.E-062.E-063.E-064.E-065.E-066.E-067.E-06

0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04

(rad)ロータリーエンコーダによるゴニオの回転量

(rad)

誤差

右端 中央 左端

-1.5E-06

-1.0E-06

-5.0E-07

0.0E+00

5.0E-07

1.0E-06

1.5E-06

2.0E-06

0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04

(rad)ロータリーエンコーダによるゴニオメータの回転量

(rad

)回転誤差

左

右

中央

θ 軸ゴニオメータ較正結果 α 軸ゴニオメータ較正結果

ゴニオメータ

右

左

4×10-2rad

- 2.E- 06

- 1.E- 06

0.E+00

1.E- 06

2.E- 06

3.E- 06

4.E- 06

5.E- 06

6.E- 06

7.E- 06

0.E+00 5.E- 05 1.E- 04 2.E- 04

(rad)ロータリーエンコーダによる回転量

(rad

)回転誤差

連続した 20 目盛の目盛内誤差

±2×10-7rad で一致する。

　平面ミラーの固定方法

45°

φ30mm 片方のみ接着

今まで、真空チャック + テフロンシートでミラーを固定していたが、

固定時にミラー表面の変形が見られたため、

現在テフロンシートの厚さと変形量の関係を検証している。

そこで、今回の実験では上図の固定方法を用いた。

光路長変化に伴う測

c-0.0225

b-2×0.0225

0.0225

a+Δa

φ30mm 平面ミラーを同角送りで測定する際、光路長Ｌの変化は最大で22.5μm 。

反射光の結像位置 は、 ma

fb

fba 287.0

0225.02

0225.02

mr

fz

7.6682 2

2

後方になるが、

焦点深度が、

そのため QPD の位置を変化させる必要がなく、ビーム径もまったく変化しないと言える。

であり、結像位置はまったく変化しない。

また、 QPD 上での角度分解能も、

nmb

caal 00013.10

0625.02

0625.02

と変化しない。

本研究の背景と目的シンクロトロン放射光や EUV 用リソグラフィーに使用される X 線ミラーの製作

　・　 X 線ミラーには 1nm オーダーの形状精度が要求される。

　・　 X 線ミラーの形状は、楕円面・トロイダル面といった非球面形状が必要である。

基準面を用いない、形状測定精度 1nm オーダー（スロープエラーにすると1×10 － 7 rad オーダーに相当）の非球面絶対形状測定技術の開発が必要であ

る。

加　工

数値制御プラズマ CVM数値制御 EEM

　 1nm オーダーの精度で　形状を創成できる。

形　状　計　測

・　基準面が必要。・　平面・球面以外の非球面形状を測定するのは困難。

平面や球面を基準面とした干渉計測

本研究では非球面形状ミラーの法線ベクトル（スロープエラー）を1×10 － 7 radの精度で測定することを目標としている。