テレセントリシティとは

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テレセントリシティとは、露光エリア内の各点で、主光線が光軸に対してどれだけ傾いているかを表す量です。 現場ではテレセン度と呼びます。この角度によって、焦点が動いたときに像がぼけるだけで済むか、横方向にも動くかが決まります。露光装置のフォーカスは、ウェハの平坦度やチャックの状態でわずかに変動します。主光線が傾いていると、この焦点のずれが横方向の位置ずれに変わるため、1つの角度が寸法と重ね合わせの両方の誤差になります。

主光線の傾きは、絞りの位置で決まる

投影レンズの内部には絞りがあり、原画面上から出てこの絞りの中央を通って像面に至る光線を主光線と呼びます¹。露光エリア内の各点での主光線の光軸に対する角度ずれ（平行度）がテレセン度で、テレセン度によってテレセントリックレンズと非テレセントリックレンズが区別されます。ウシオ電機は、自社の投影レンズでテレセン度2度以内をテレセントリックレンズ、それより大きいものを非テレセントリックレンズと呼んでいます¹。

テレセントリック系は、入射瞳と射出瞳のいずれかが無限遠にある光学系で²、すべての主光線が物空間または像空間で光軸に平行になります。入射瞳が無限遠にある場合は後側（像側）焦点に開口絞りを置き、被写体のどこからでも光軸に平行な光束を取り込むので、被写体と光学系の距離が変わっても像の大きさは変わりません²。射出瞳が無限遠にある場合は前側（被写体側）焦点に開口絞りを置き、光学系から像面に届く光束は、像面のどこでも像面に垂直になります²。

主光線の傾きと焦点のずれ

主光線が光軸に平行なら、焦点面がΔzずれても像の位置は変わりません。主光線が傾いていると、同じΔzが横方向のずれになります。

テレセントリック光学系には物体側、像側、両側の3種類があります³。通常のレンズでは、対象物までの距離に応じて像の大きさが変わり、視野の周辺部ほど像が歪みます。テレセントリックレンズではこの問題が起きないため、精度を求められる測定器や露光装置などによく使われています³。

テレセン度が残ると、焦点のずれが寸法と位置のずれになる

焦点変動が、そのまま寸法変動と位置ずれへ化けます。ウシオ電機は自社の投影レンズ群の共通の特徴としてテレセントリックレンズを挙げ、ワークの凹凸などによる焦点の変動に対して寸法の変動が抑えられるメリットを持つとしています。裏を返せば、テレセン度が残っている光学系では、ワークの凹凸が寸法のばらつきとして出ます。

角度ずれと焦点ずれは掛け算で効きます。テレセン度2度で焦点が1マイクロメートルずれたときの横ずれは、1マイクロメートル×tan2度で約35ナノメートルです。焦点深度がフォーカスの許容幅を表すのに対し、テレセン度はフォーカスのずれを横方向のずれに換算する係数として働きます。そのため、ウェハの平坦度やチャックの吸着状態が、オーバーレイ計測の値に影響します。

照明系にも同様の量があります。光源の中心から出た中心光線が光軸となす角度の最大値を中心光線平行度（別名デクリネーション角）と呼び¹、コンタクト・プロキシミティ方式では加工パターンの位置ずれの原因になり、通常は1度以下です。レンズプロジェクション方式では、加工パターンの対称性などに影響します。

片側だけのテレセントリックでは、焦点の深さ方向で倍率が揺れる

Opto Engineeringは、片側だけのテレセントリックでは、物体側のテレセン度がとても良くても倍率の一定性が低いとし⁴、両側テレセントリックが、点像の広がりの不均一や、焦点の深さ方向での倍率のばらつきといった問題を解く鍵になるとしています⁴。同社は、両側テレセントリックの焦点深度が、そうでない光学系より20〜30%大きく感じられるとしています⁴。波長を選ぶ二色性フィルタを光路に入れる測定について、同社は、両側テレセントリックにすると光束の軸がフィルタ面に垂直に当たり、検出器の全面で透過帯域が保たれるとしています⁴。

代償はレンズの大きさです。Opto Engineeringは、平行な光線を集めるにはレンズ前側の光学部品が物体の最大寸法以上の大きさを持つ必要があり、そのためテレセントリックレンズは通常の光学系より大きく、重く、高価になるとしています⁴。照明側をテレセントリックにする使い方もあり、Edmund Opticsは、テレセントリック照明が物体からの拡散反射を減らして、エッジのコントラストと測定精度を上げるとしています⁵。

EUVでは、反射型マスクへの6度の斜め入射が転写位置を動かす

EUVでは、この話がマスク側で最初に出ます。EUVマスクは反射型のため、マスク面への入射と反射が光軸を共有できず、NA0.25の設計では主軸6度の入射になります⁶。高さのある遮光膜パターンのエッジはその方向に依存して入射光の角度が異なるため、解像性能と転写位置が異なり、パターンの変形が生じます。さらに、入射角が露光領域（スリット）内で像高に依存して回転するため、歪が露光領域内で像高ごとに異なります⁷。

EUVマスクへの斜め入射

反射型のEUVマスクでは入射と反射が光軸を共有できず、光は主軸6度で斜めに入ります。高さのある遮光膜が影を落とし、エッジの向きで転写位置が変わります。

高さの差は重ね合わせへ抜けます。静電チャックの使用を前提とすると、要求される平坦度は数10ナノメートルで、マスクパターンの高さの差はウェハー上での位置ずれとなって重ね合わせ精度に影響します。ここまでは、2007年度から2009年度にかけての開発段階の見方です。

傾きはフォーカスを振って測り、3つの条件で抑える

テレセン度の残りは、フォーカスを振りながら寸法と重ね合わせを測ると、フォーカスに対する傾きとして出ます。CD-SEMで寸法の傾き、オーバーレイ計測で位置の傾きを追う形になります。ショット内の位置ごとに傾きが違えば、テレセン度が露光エリア内で分布していることになります。調整できる条件は3つあります。

1つ目は、ウェハ側のフォーカス変動そのものです。テレセン度は係数として働くため、掛け合わせる焦点ずれを小さくすれば、結果の横ずれも小さくなります。ウェハの平坦度を上げ、チャックの吸着を安定させれば、同じテレセン度でも位置ずれは減ります。これらの管理を緩めると、テレセン度との積がそのまま重ね合わせの誤差に加わります。

2つ目は、投影レンズと照明系の組み合わせです。絞りを後側焦点または前側焦点に置いてテレセントリックに近づければ、焦点変動による寸法と位置の変化が減ります。非テレセントリックで使う場合は照明系にコンデンサレンズが必要になり、性能の表し方も、光軸を基準にした角度から、照射面の各場所での中心光線が投影レンズの要求する光線となす角度に変わります。照明系を投影レンズに合わせ込む調整が増えます。

3つ目は、コンタクト・プロキシミティ露光での視角です。視角（別名コリメーション半角）は照射面から見た光源の大きさを角度で表した量で、コンタクト・プロキシミティ方式では露光面でのマスクパターンのぼけの程度を表します。ぼけを小さくするには視角を小さくする必要がありますが、小さすぎるとマスクパターンによる回折の影響が大きくなるため、通常は1度から5度の範囲です。

高NA EUVでは、回折角を抑えるかわりに露光面積が半分になる

アナモルフィック投影光学系は、高NA0.55のEUV露光で、スキャン方向の倍率8倍とスキャンに垂直な方向の倍率4倍が異なる反射投影光学系です⁸。EUV光はある角度で多層膜反射マスクに照射されるため、反射回折光も入射角度を中心に広がり、4倍では微細寸法で大きく広がって、多層膜の反射率低下や投影光学系による回折光の捕捉が難しくなります。8倍にすれば回折角度が小さくなってこの問題は解消しますが、従来と同じ6インチマスクを使う場合、ウェハ上の露光面積は半分になります。

アナモルフィック投影と露光面積

同じ6インチマスクでも、スキャン方向の倍率を8倍にするとウェハ上の露光面積は4倍縮小のときの半分になります。

露光面積が半分になれば、同じ面積を焼くためのショット数は増えます。スループットの見積りと、マルチパターニングへ振るかどうかの判断が、斜め入射という一点から動く形です。

よくある質問（FAQ）

テレセントリシティとは何ですか？

露光エリア内の各点で、主光線が光軸に対してどれだけ傾いているかを表す量です。投影レンズ内部の絞りの中央を通って像面に至る光線を主光線と呼び、露光エリア内の各ポイントにおける主光線の光軸に対する角度ずれ（平行度）をテレセン度と呼びます。

テレセントリックと呼ぶ境目はどこですか？

ウシオ電機は自社の投影レンズについて、テレセン度2度以内の場合をテレセントリックレンズ、それより大きい場合を非テレセントリックレンズと呼んでいます。

テレセントリックにすると何が得られますか？

焦点が動いても寸法の変動が抑えられます。ウシオ電機は、自社の投影レンズ群の特徴としてテレセントリックレンズを挙げ、ワークの凹凸などによる焦点の変動に対して寸法の変動が抑えられるメリットを持つとしています。

テレセン度が残ると位置はどれだけ動きますか？

角度ずれと焦点ずれの積になります。テレセン度2度で焦点が1マイクロメートルずれると、横方向のずれは1マイクロメートル×tan2度で約35ナノメートルです。

光学系のどこで決まるのですか？

絞りの位置です。テレセントリック系は入射瞳と射出瞳のいずれかが無限遠にある光学系で、入射瞳が無限遠にある場合は後側焦点、射出瞳が無限遠にある場合は前側焦点へ開口絞りを設置します。

何種類あるのですか？

テレセントリック光学系は主光線と光軸が平行になる光学設計で、物体側、像側、両側の3種類があります。通常のレンズでは、対象物までの距離に応じて像の大きさが変わり、視野の周辺部ほど像が歪みます。

EUVのマスク側もテレセントリックになりますか？

反射型のため難しくなります。開発段階の平成19年度と平成21年度のJEITAの報告では、EUVマスクは反射型のためマスク面への入射と反射が光軸を共有できず、NA0.25の設計では主軸6度の入射になるとされています。入射角は露光領域内で像高に依存して回転するため、歪は露光領域内で場所ごとに変わります。

比較・違いを学ぶ

焦点深度とは── フォーカスの許容幅そのものを表す側
開口数（NA）とは── 光線の角度の広がりを規定する側

出典

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