JP2004037364A - 極短波長の光を発生させるターゲット、そのターゲットを用いた光発生方法及びそのための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投入レーザー光エネルギーをあまり無駄にすることなく、放射変換効率の高いターゲット、クリーン度の高いターゲット、そのターゲットを用いた極短波長光発生方法及びそのための装置を提供することにある。
【解決手段】一方の側にフロストを排出可能な排出口を有するホッパ４と、ホッパを極低温にするための冷凍機１と、ホッパの壁面を断続的に加熱しうるヒータ３と、ホッパの周囲を真空に保ち、一方の側に外部からのレーザー光を前記排出口付近に案内する第一の窓１０、他方の側に極紫外光を取り出す第二の窓１１が設けられた真空室７とを備えることを特徴とする、極短波長光の発生装置により、固体密度の１／１００〜１／２の密度を有するフロストＦをターゲットとして極短波長光を発生させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、紫外光よりも短かい波長の光、特に極紫外光を発生させる方法及びそのための装置に属し、フォトリソグラフィに好適に利用されうる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の集積度は、これまでほぼムーアの法則通りに急速に増大してきており、今後も同様の傾向で増大することが要請されている。集積回路はフォトリソグラフィによって形成される。従って、集積度増大の要請に応えるためには、リソグラフィの光源として露光波長が従来の紫外光より短い光（以下、極短波長光という。）ものを用いることが望ましい。最も有望な光源候補は波長１０ｎｍ〜１００ｎｍの極紫外光（以下、ＥＵＶという。）である。
一般に常温においてガス状の物質であるキセノンなどをガス状態のまま、あるいは冷却固化、液化して高密度状態にしたものターゲットとして、これにレーザー光を照射することにより、電離したプラズマ状物質からＥＵＶが放射することは知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のターゲットでは、レーザー光エネルギーを吸収可能なターゲットの臨界密度が、所定の波長の光を発する温度領域の密度よりも低いため、変換効率が低すぎてコスト高となっていた。即ち、例えば固体からガス化された物質をターゲットとすると、図２に示すように固体表面に近いほど低温高密度で、固体表面から離れるに連れて高温低密度となる。従って、これにレーザー光を照射した場合、ＥＵＶのような特定波長の光を発するのは、固体表面に近い低温度領域（図中のＥＵＶ発光領域）であるにも関わらず、臨界密度がその領域の密度よりも低いためにレーザー光エネルギーの大部分はＥＵＶ発光領域より固体表面から離れた低密度領域（図中のレーザー光吸収領域）で吸収されてしまう。
【０００４】
また、高密度領域は常時固体と熱交換していて低温になっているので、レーザー光エネルギーを多く吸収して高温となった低密度領域から高密度領域への熱伝導により熱損失が生じる。従って、これが変換効率の低下を助長している。
さらに、固体ターゲットや液体ターゲットではレーザー照射後に生じる衝撃波などによりターゲットの破片（デブリ）が飛散し、放射した光をハンドリングする光学系等に損傷を与えたり、その光学特性を劣化させる原因となっていた。
それ故、この発明の課題は、投入レーザー光エネルギーをあまり無駄にすることなく、放射変換効率の高いターゲット、クリーン度の高いターゲット、そのターゲットを用いた極短波長光発生方法及びそのための装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明のレーザー照射用ターゲットは、
固体密度の１／１００〜１／２の密度を有するフロストからなることを特徴とする。フロストは気体を急冷して生じた粒子群からなるので、その密度及び温度をターゲット全体にわたってほぼ均一にすることができる。フロストを構成する元素は特に限定されず、元素によって１個のイオンから出る電子数が異なるため臨界密度も元素によって区々であるが、固体密度の１／１００〜１／２の範囲内であれば、ほとんどの元素の臨界密度以下となる。従って、上記のフロストは、図１に示すようにレーザー光に対して奥深くまで吸収領域と発光領域とが重なり、発光に寄与する領域の体積が増すので、高効率で極短波長光を発する。また、低密度なのでデブリ発生を抑制し、発光ガスの使用量も押さえることが出来る。
【０００６】
このため、上記課題を解決するこの発明の極短波長光発生方法は、
固体密度の１／１００〜１／２の密度を有するフロストに、レーザーを照射させることを特徴とする。
ＥＵＶを発生させるためにはフロストを構成する元素としては、通常キセノンが用いられるが、水素、酸素、窒素、アルゴン、クリプトンなど、フロストとなりうる物質であればよく、物質を変えることにより発光するスペクトルの波長が異なる。
【０００７】
この発明の極短波長光発生方法に適切な発生装置は、
一方の側にフロストを排出可能な排出口を有するホッパと、
ホッパを極低温にするための冷凍機と、
ホッパの壁面を断続的に加熱しうるヒータと、
ホッパの周囲を真空に保ち、一方の側に外部からのレーザー光を前記排出口付近に案内する第一の窓、他方の側に極紫外光を取り出す第二の窓が設けられた真空室と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この装置によれば、冷凍機にて冷媒を極低温にしながらホッパに所定の気体を注入すると、気体が固化してホッパの内壁面に固化層が形成される。この状態でホッパの壁面をヒータで加熱すると、固化層が昇華して高密度の気体となり、直ぐにヒータを切ることにより急冷されて雪状態となり降下してフロストとなる。同時に新たな固化層が壁面に形成される。従って、ヒータの加熱を断続的にすることにより、フロストがホッパ内に堆積する。堆積したフロストを排出口よりホッパ外に排出させ、第一の窓からレーザー光を真空室内に入射させてそのフロストに照射することにより、極短波長光を発生させることができる。尚、第一の窓はレンズからなり集光器を兼ねるように構成しても良い。
【０００９】
前記ヒータが高周波放電を原理とするものであると、放電によってホッパ内が高圧となり、放電停止とともに急冷されるので、フロストが生成しやすくて好ましい。この場合、ヒータの放電電極が、ホッパの外周に複数対設けられていると、ある組の放電電極で放電中に他の組の放電電極は放電を停止させておいて固化層を形成することができる。従って、連続してフロストを堆積させることができるので好ましい。
上記装置において更に、前記ホッパの排出口直前に回転可能に固定され、径方向に放射状に突出する複数の羽根を有する羽根車を備え、
前記ホッパは、排出口の直前で羽根車を包囲するように排出口付近が羽根車と同心のほぼ円筒状に形成されていると好ましい。こうすることで、隣り合う羽根の間に堆積したフロストが、羽根車の回転とともに順次適量ずつ排出されるからである。尚、羽根車の回転軸を中空にしてその中にも冷媒を通しておくと、フロストの昇華が抑制されるので好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
−実施形態１−
この発明の第一の実施形態を図３とともに説明する。図３は第一実施形態に係る極短波長発生装置（以下、本装置１００という。）の縦断面図である。
本装置１００は、冷凍機１、ガス注入管２、ヒータ３、ホッパ４、押し出し棒５、監視器６、真空室７、高出力パルスレーザー光発生器８及び波長変換器９を備える。
【００１１】
ホッパ４は、真空室７内に固定されており、上部が円筒状の胴部４ａ、下部が円錐状のガイド部４ｂをなし、いずれもガラス、セラミックスなどの絶縁材料からなり、上面が閉塞していて下端にフロストを排出可能な排出口４１を有する。ホッパ４の周囲には壁面にそって図略の冷媒、例えば液体ヘリウムが循環する配管４２が設けられている。配管４２は真空室７を気密に貫通して冷凍機１に接続されている。ヒータ３は高周波放電を原理とするもので、その放電電極３１ａ、３１ｂは胴部４ａの壁の内面に設けられている。尚、壁の厚さや材質によっては放電電極を壁の外面に設けても良い。押し出し棒５は、ホッパ４内で鉛直に立てられ、真空室７の外から遠隔操作によって上下動可能に設定されている。
【００１２】
真空室７の一方の側には、排出口４１と同じ高さにレンズからなる第一の窓１０が設けられ、他方の側には第一の窓１０と対向して第二の窓１１が設けられている。そして、真空室７の外側では窓１０に波長変換器９及びレーザー光発生器８が順に接続されている。ガス注入管２は、真空室７の一方の側面及び胴部４ａを気密に貫通し、外部からガスをホッパ４内に注入可能にしている。真空室７には監視器６も貫通しており、監視器６の先端は排出口４１に接近している。
窓１０を構成するレンズは、その焦点が排出口４１の直下に位置するように合わせられて、集光器を兼ねている。従って、レーザー光発生器８より発せられたパルスレーザー光は、波長変換器９でフロストに対する吸収率の高い高調波に変換され、窓１０で屈折して排出口４１の直下に集光される。
【００１３】
本装置１００の動作を、キセノンＸｅをターゲットとする場合を例にして以下に説明する。先ず冷凍機１を立ち上げて常圧でキセノンが固化する１６１Ｋまでホッパ４を冷却する。そして、キセノンガスをガス注入管２より注入すると、ホッパ４の内壁面にキセノンの固化層が形成される。そこで、ヒータ３に通電して放電電極３１ａ、３１ｂ間を高周波放電させ、ホッパ４の内壁面にいったん形成された固体層の表面を局部加熱して蒸気を発生させる。直ぐにヒータ３への通電を停止すると、蒸気となったガスは急速に冷却され「雪」状態となりこれが降下してフロスト（　（図３の符号Ｆ）となってホッパ４のガイド部４ｂに堆積する。これを押し出し棒５で排出口４１から押し出すことにより、棒状のターゲットが形成される。
【００１４】
得られたターゲットは、固相、液相、気相が同時に存在する「三重点」の温度より低く、固相と気相が同時に存在しうる温度密度条件下で、ほぼ２×１０^２０〜８×１０^２１個／ｃｃ前後の粒子密度を有する。これはキセノンの質量密度３．５ｇ／ｃｃ、キセノンの原子量１３１．３及びアボガドロ数６．０２×１０^２３から求めた数密度１．６×１０^２２個／ｃｃ＝（３．５／１３１．３）×６．０２×１０^２３のほぼ１／１００〜１／２に相当する。従って、このターゲットに例えばＹＡＧレーザー光が照射されることにより、加熱されて電離し２×１０^２０〜８×１０^２１個／ｃｃのイオン密度、１０^２０〜１０^２３個／ｃｃの電子密度を有するプラズマが発生する。電子密度の上限がイオン密度のほぼ１０倍であるのは、一つのイオンが１０〜１５個の電子を放出するためであり、下限が１０倍とならないのは加熱されたプラズマが速やかに膨張するためである。こうして発生したプラズマが波長１３−１４ｎｍのＥＵＶを発生する。しかも、このターゲットは、全体が上記のＥＵＶ発光温度で例えばＹＡＧレーザーの基本波長光に対する臨界密度より僅かに小さい密度のフロストからなるので、発光限界である黒体放射に近い高効率で発光する。また、本装置１００によれば、発光に寄与しない部分をレーザー光で無駄に加熱することがないので、エネルギー損失を最小限に抑制することができるし、デブリの発生も抑制出来る。
【００１５】
−実施形態２−
この発明の第二実施形態を図４及び図５とともに説明する。図４は第二実施形態の極短波長光発生装置（以下、本装置２００という。）を示す縦断面図、図５は図４のＡＡ断面図である。
本装置２００も冷凍機１、ガス注入管２、ヒータ３、ホッパ４、押し出し棒５、監視器６、真空室７、高出力パルスレーザー光発生器８及び波長変換器９を備え、ヒータ３及びホッパ４を除く構成要素については基本的に同形同質で、互いの配置関係も同じであり、これらに加えて羽根車１２を備える。よって、羽根車１２、ヒータ３及びホッパ４のみ詳述する。
【００１６】
ヒータ３は、３対の放電電極３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂを有し、放電電極３２ａ、３３ａ、３４ａと放電電極３２ｂ、３３ｂ、３４ｂとが各々対向するようにホッパ４の胴部４ａの壁面に固着されている。
ホッパ４は、ガイド部４ｂの下に胴部４ａと直交する円筒状のハウジング４ｃを一体的に有し、ハウジング４ｃの下端に排出口４１が設けられている。羽根車１２は、このハウジング４ｃと同心で、ハウジング４ｃ内で回転可能に固定され、径方向に放射状に突出する複数（図面では８枚）の羽根１２ａを有する。羽根１２ａの先端は、ハウジング４ｃの内周面と微小間隙を介して対向している。また、羽根車１２の中心にも胴部４ａの周囲の冷媒と同じ冷媒が収容されており、配管の図示を省略するが、この冷媒も羽根車１２と冷凍機１との間を循環する。
【００１７】
本装置２００によれば、１対の放電電極（例えば３２ａ、３２ｂ）に通電して固化層を剥離させている間に、残りの放電電極の放電を停止して注入ガスを冷却固化させて新たな固化層を形成することができる。従って、フロストを連続して堆積させることができる。また、剥離したフロスト（図３の符号Ｆ）は、隣り合う羽根１２ａの間に堆積し、羽根車１２が回転して排出口４１に臨んだ適量の堆積フロストのみ順次排出される。排出されたフロストは実施形態１と同様にレーザー光が照射されることにより、ＥＵＶを発生する。
【００１８】
【発明の効果】
この発明によれば、ターゲットの発光領域とレーザー光の吸収領域を一致させることができるので、高効率で極短波長光を発生させることができる。従って、フォトリソグラフィなどの物質加工分野の他、物質検査、物質診断などの広い分野での利用を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のターゲットの距離と温度及び密度との関係を示すグラフである。
【図２】従来のターゲットの距離と温度及び密度との関係を示すグラフである。
【図３】この発明の第一実施形態の装置を示す縦断面図である。
【図４】この発明の第二実施形態の装置を示す縦断面図である。
【図５】図４のＡＡ断面図である。
【符号の説明】
１　冷凍機
２　ガス注入管
３　ヒータ
４　ホッパ
５　押し出し棒
６　監視器
７　真空室
８　レーザー光発生器
９　波長変換器
１０　第一の窓
１１　第二の窓
１２　羽根車
１００、２００　極短波長光発生装置

Claims (6)

1. 固体密度の１／１００〜１／２の密度を有するフロストからなることを特徴とする、レーザー照射用ターゲット
2. 固体密度の１／１００〜１／２の密度を有するフロストに、レーザーを照射させることを特徴とする、極短波長の光を発生させる方法。
3. 一方の側にフロストを排出可能な排出口を有するホッパと、
   ホッパを極低温にするための冷凍機と、
   ホッパの壁面を断続的に加熱しうるヒータと、
   ホッパの周囲を真空に保ち、一方の側に外部からのレーザー光を前記排出口付近に案内する第一の窓、他方の側に極紫外光を取り出す第二の窓が設けられた真空室と
   を備えることを特徴とする、極短波長光の発生装置。
4. 前記ヒータが高周波放電を原理とするものである請求項３に記載の装置。
5. 前記ヒータの放電電極が、ホッパの外周に複数対設けられている請求項４に記載の装置。
6. 更に、前記ホッパの排出口直前に回転可能に固定され、径方向に放射状に突出する複数の羽根を有する羽根車を備え、
   前記ホッパは、排出口の直前で羽根車を包囲するように排出口付近が羽根車と同心のほぼ円筒状に形成されている請求項３に記載の装置。

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