JP2005251601A - Ｘ線発生用ターゲット物質供給方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザプラズマＸ線発生用ターゲット物質の蒸発を抑制し、且つターゲット物質を十分に離れたレーザ集光点まで必要とされる直径を維持し、高速で、安定した連続供給を可能とする。
【解決手段】ターゲット物質を加圧・冷却・液化してノズル部５によってターゲット物質の液体噴出流６を形成した後、固化冷却部８にてこれを極低温ガス１０の雰囲気中で強制冷却することにより、短時間に固化する温度まで冷却する。このため、不要なターゲット物質の蒸発量を少なく抑え、流体不安定性に影響されることなく、ターゲット物質を必要な直径をもつフィラメント状の固体ターゲット流１２として、Ｘ線発生真空チャンバー１４内のレーザ集光点１８へ安定して連続供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザプラズマＸ線源を高繰り返しで準連続的に発光させ、高平均出力のＸ線源とするために必要なターゲット物質の連続供給技術に関する。

レーザプラズマＸ線源は高輝度の点Ｘ線源である性質を利用して、半導体チップの製造に欠かせない究極の極端紫外光リソグラフィー露光の光源、材料加工や分析用の光源等への応用が始まりつつある。レーザプラズマＸ線は本質的にパルス状であるため、真空中でパルスレーザにより照射されてプラズマ化したターゲット物質はその都度、飛散する。そのため、Ｘ線発生量を十分な時間平均強度にするには真空中でターゲット物質がレーザの集光点に十分な繰返し速度で供給される必要がある。一方、ターゲット物質が飛散して周囲のＸ線光学素子に付着・堆積するようでは、付着・堆積物質がＸ線を吸収するため長時間の運転ができない。

キセノンなどの希ガスの結晶固体をターゲットとすることが特許文献１にて提案された。さらに、希ガスの固体ターゲットをレーザ集光点に輸送供給する具体的方法が特許文献２にて発明された。

これらの方式は２つの点で優れた特性を持っている。まず、希ガスをターゲット材料とするため、レーザ照射によってターゲット物質が飛散しても周辺の光学素子に付着してＸ線を吸収することはないという性質を持つ。また、ターゲットから蒸散した希ガスを回収し、これを再液化することによって容易にターゲット物質として循環使用できるという性質を持つ。したがって、長時間の運転に耐えるターゲット供給ができる機能がある。但し、Ｘ線の発生する真空チャンバー内で残留ターゲットガス密度が十分低レベルでないと、発生したＸ線がターゲットガスにより再吸収される。従って、十分な排気速度が必要である。

ハーツ（Ｈａｎｓ Ｍ．Ｈｅｒｔｚ）らはキセノンを液化してノズルより連続的に噴出させて形成される液体キセノン噴出流をターゲットとする方法を研究した（特許文献３および特許文献４）。

例えば、図３に示すように、ノズル２０から射出された液体の噴流２１は、ノズル２０から離れるにしたがって流体不安定性によりその表面が歪み、最後には液滴２２に分解して噴霧状になる。従って、その液滴形成点２３とノズル２０との間に形成される噴流２１の連続部分の一点を集光点１８としてレーザ光１７を集光レンズ１６により集光照射することを提示した。

しかしながら、極端紫外光リソグラフィー光源のように高出力の光源として使用できるためにはレーザのパルス周波数は１０ｋＨｚ程度が必要とされる。そのため、噴出流の速度として１０〜２０ｍ／ｓｅｃ程度が要求される。また、パルスレーザにより生成されたプラズマ粒子がノズルを損傷しないことが必要である。このためには、集光点までの十分な距離として５ｃｍ以上離れても安定に噴出流の存在することが必要である。

一方、液体流が安定であるための条件としては、流体のレイノルズ数（Ｒｅ数）が「１５００」程度以下である必要がある。Ｒｅ数は噴出流の直径Ｄ、速度Ｖ、質量密度ρ、および粘性νとした場合に下記数式（１）で表される。

Ｒｅ数＝（Ｄ×Ｖ）／（ρ×ν） （１）
ここで、液体キセノンの粘性は水より小さいので、上記Ｒｅ数が「１５００」以下であるためには、噴出流の直径は４０μｍ以下に制限される。そのため、生成されるプラズマの量が少なく、その密度分布が最適でないため、Ｘ線の発生効率が固体キセノンの平面ターゲットと比較して低いという欠点がある。

この欠点を解決するため、直径１００〜２００μｍで厚さを１０〜２０μｍとした液体キセノン中空噴出流を用いる方法が発明された（特許文献５）。

この方法では厚さを直径「Ｄ」と見做せるのでレイノズル数の増大を抑えつつ、ターゲットプラズマの寸法を十分な大きさに確保できる。また同時に、中空であることによってＸ線発生真空チャンバーの排気ポンプに与える不要なターゲットガスの負荷を少なく抑える効果がある。

一般に前述の液体キセノン噴出流の発生においては液体キセノンの蒸気圧が数１０ｋＰａと高い。このため、実際には蒸発によって噴出流の表面が冷却され、飛行中に粘性が増大するとともに表面層が固化していく傾向にある。しかし、このことは、飛行中に表面が蒸発によって自己冷却されて温度が低下し、蒸気圧が十分下がるまでの区間、噴出流の表面からは定常的に多量のキセノン蒸気が真空チャンバー内で直接放出されることを意味する。

したがって、十分な速度で排気しなくては真空チャンバー内のキセノン残留ガス密度を上昇させてしまう。すなわち、レーザ集光点１８で発生したＸ線１９を外に取り出す前にチャンバー内で吸収させてしまうことになる。

また、液体キセノン中空噴出流の場合、中空内部には液体キセノンの蒸気圧が静圧として存在するため、中空壁には内部より外向きに膨張力が作用する。したがって、十分な距離に離れたレーザ集光点まで安定に持続した液体キセノン噴出流を実現することのできる動作パラメーター範囲は極めて限られる。

特開昭５８−１５８８４２号公報 特許第２６１４４５７号公報 ＵＳ特許６，００２，７４４号 特表２０００−５０９１９０号公報 特開２００３−３０３６９６号公報

解決しようとする課題は、液体であるが故に避けられない流体的不安定性の発生とターゲット物質の蒸発とを抑制し、必要とされる直径をもつターゲット物質を高速で、かつ安定して、十分離れたレーザ集光点まで連続供給することができない点である。

本発明の固体流発生方法は、必要とされる直径をもつターゲット物質を高速で、かつ安定して、十分離れたレーザ集光点まで連続供給するため、ターゲット物質をレーザ集光点に向かって液体噴出流として射出するのではなく、流体不安定の起こらない固体流として射出することを主要な特徴とする。

また、安定した固体流を形成する過程は２段階に分けた装置構成により行う。

第１段階に相当する装置部分はターゲット物質を加圧・冷却して液化する加圧冷却液化部と、液化されたターゲット物質を液体噴出流に形成して噴出させるノズル部とから成る。第２段階に相当する装置部分は、前記ノズルの噴出口で形成された前記液体噴出流が流体不安定性によって分散する前に、これを極低温ガス雰囲気中で強制冷却することによって固体化された固体ターゲット流に変換する固化冷却部と前記極低温ガスを固化冷却部へ供給する極低温ガス供給部とから成る。

この構成により、ターゲット物質を、強制冷却によって短時間に、固化する温度まで冷却するため、不要なターゲット物質の蒸発量を少なく抑えることができる。また、上記特許文献５に開示される液体キセノン中空噴出流の場合、中空部を満たす液体キセノン蒸気の圧力によって中空壁に働く外向き膨張力を、固化冷却部内部で液体噴出流を外側から押圧する前記極低温ガスの圧力を調整することによって、打ち消すことができる。このため、液体中空噴出流の破裂を防止することができる。

これらの結果、固化冷却部の射出口より、ターゲット物質を固体流として、Ｘ線の発生する真空中のレーザ集光点へ安定に連続供給することができる。

本発明の固体流発生方法は、ターゲット物質を固体流として真空中に射出するため、ターゲット物質を十分に離れたレーザ集光点まで真空中を安定飛行させることができる。また、急速に固化することによって、ターゲット物質の蒸発量が抑制されるため、真空中で発光したＸ線を吸収する残留ターゲットガスの密度を低減する。また更にこれだけでなく、粘性が短時間に大きくなるので安定ターゲット流の形成に許される速度、直径などの動作パラメーター範囲を拡大することができる。したがって、長時間の運転にもプラズマによる損傷がなくかつ安定作動が得られる。更に、消費するターゲット物質の蒸発量が少ないので、Ｘ線発生効率の高い実用的な連続の固体流発生方法と装置とを提供することができる。

パルスレーザ光を高繰り返しにより集光照射して高温高密度プラズマＸ線を生成するレーザ集光点にターゲット物質を供給する方法および装置において、ターゲット物質の流出口から十分に離れたレーザ集光点に最適な寸法と速度でターゲット物質を連続的に安定に供給するという目的を、ターゲット物質を加圧・冷却・液化してノズルから高速噴出させ、これを極低温ガスにより冷却固化してターゲット物質を固体流に形成することにより実現した。

すなわち、まず、加圧冷却液化部が、ノズル部で要求される噴出速度を得るため、供給されるターゲット物質を加圧し、これを冷却して液化する。ターゲット物質に加えられた圧力は静圧として液化ターゲット物質をノズル中で加速する。加圧下での液化温度は比較的高いが粘性が大きくなりすぎない温度で生成した液体を、加圧冷却液化部がノズル噴射口より高速の液体噴出流として固化冷却部へ射出する。この液体噴出流は上述したような中空部を有することが望ましい。

固化冷却部は液体噴出流を極低温ガスの雰囲気中で強制冷却する。極低温ガス供給部は強制冷却用の極低温ガスを圧力・温度調整して固化冷却部に供給する。強制冷却により固化された液体噴出流は固体ターゲット流としてＸ線発生用真空チャンバー内に射出される。

従って、ターゲット物質としてはキセノンが望ましい。また、極低温ガスとしてはキセノンに比べ液化点がはるかに低いヘリウムガス、アルゴンガス、クリプトンガスなどが望ましい。これらのガスによるＸ線の吸収係数はキセノンガスと比較して一桁以上も下回るため、真空チャンバーの残留ガスとして存在しても影響は殆ど無い。以下に述べる実施例は前述したターゲット物質を希ガスとして具現化したものに過ぎず、本発明はここで述べられる実施例に限られたものでないことは言うまでもない。

本発明の実施例１について図１を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１における一つの構造を示す説明図である。固体流発生装置は、希ガスによるターゲット物質１、ターゲット供給管２、温度調整器３、加圧冷却液化部４、ノズル部５、断熱材７、固化冷却部８、極低温ガス１０、および極低温ガス供給部１１を備えて、供給されるターゲット物質１を固体ターゲット流１２として固体流射出口１３からＸ線発生用真空チャンバー１４内に射出する。

希ガスのターゲット物質１はターゲット供給管２を通して加圧された状態で温度調整器３により冷却された加圧冷却液化部４に供給される。そこで希ガスターゲット物質１は液化され、ターゲット供給管２を介して与えられた圧力により加速されてノズル部５から液体噴出流６として射出される。ノズル部５と固化冷却部８とは断熱材７を介して配置され、前記液体噴出流６は断熱材７と固化冷却部８とを介して受入口となる固化冷却部入口９に入射する。固化冷却部８は、空洞状の形状をもち、その内部には希ガスターゲット物質の固化温度より低い極低温ガス１０、例えば極低温ヘリウムガスが充填されている。極低温ガス１０は、外部の極低温ガス供給部１１から一定の温度でガスノズル１５により供給される。ガスノズル１５には往路と復路とがあり、固化冷却部８の空洞内部で発生したターゲット物質ガスは極低温ガス１０の流れによって復路を介して外部に排出される。

液体噴出流６は、固化冷却部８により強制的に冷却されて連続した、例えばフィラメント状の固体ターゲット流１２となって、固化冷却部８の固体流射出口１３からＸ線発生用真空チャンバー１４内に射出される。固体ターゲット流１２は、集光レンズ１６によって集光される少なくとも一つのパルス形式のレーザ光１７が集光点１８を通過時に高繰り返しにより集光照射されてプラズマ化し、Ｘ線１９を発光する。

固体流射出口１３の直径はできる限り固体ターゲット流１２の直径に近い寸法に形成して、固体流射出口１３からＸ線発生用真空チャンバー１４内に漏れ出る冷却用極低温ガス１０の量を抑制する。また、図示はしないが、本発明の固体流発生装置は中間室を介して真空チャンバー１４の外側に設置してもよく、中間室で差圧排気することによって真空チャンバー１４への極低温ガス１０の流入を防ぐことができる。一方、断熱材７はノズル部５と固化冷却部８との間の温度差を保持すると同時に極低温ガス１０の漏洩を防ぐ。上記極低温ガス１０としては固体流射出口１３から漏れ出ても、目的であるＸ線を吸収しないガスが望ましい。ヘリウムガスは液化温度が「４Ｋ」と極めて低く、熱伝導率が大きいうえ、Ｘ線吸収係数が小さいため、望ましい。また、固化冷却部８内部の極低温ガス１０の圧力を調整することによって、液体中空噴出流の中空部の蒸気圧による膨張力を打ち消すことができる。このため、液体中空噴出流の破裂を防止することができる。

本発明の実施例２について図２を参照して説明する。

図２は本発明の実施例２における一つの構造を示す説明図である。固体流発生装置は、上記図1と同様、Ｘ線発生用真空チャンバー１４外に希ガスによるターゲット物質１、ターゲット供給管２、温度調整器３、加圧冷却液化部４、ノズル部５、および極低温ガス供給部１１、並びに、Ｘ線発生用真空チャンバー１４Ａ内に固化冷却部を備えて、供給されるターゲット物質１を固体ターゲット流１２としてＸ線発生用真空チャンバー１４Ａ内で形成する。

ターゲット固化用の固化冷却部は極低温ガス１０Ａおよび極低温ガスノズル群１５Ａにより構成される。複数のガスノズル群１５Ａは極低温ガス供給部１１から供給される極低温ガス１０Ａを噴出してノズル部５から射出される液体噴出流６Ａを冷却する。ガスノズル群１５Ａのガス噴出口は液体噴出流６Ａの流れ方向に沿って流れに隣接して周囲に等間隔に配置されている。従って、液体噴出流６Ａに向かって噴出された極低温ガス１０Ａは、液体噴出流６Ａを周囲から均一に押圧しかつ冷却してこれを固化し固体ターゲット流１２に形成している。

ガスノズル群１５Ａは、目的とする用途によっては単数のガスノズルで構成されてもよい。

本発明の実施例３について図１を参照して説明する。図１と異なる構成要素には図示されていないが番号符号に「Ｂ」を付加して説明する。

本実施例３では、図示されるノズル部５Ｂの内部流路に電気パルスにより伸縮するピエゾ素子が配備されている。ピエゾ素子の伸縮は流路径を変化させて流速に変調をかけることになる。すなわち、ノズル部５Ｂが、流路径を変化させることにより流体不安定性を積極的に励起させ、その結果として間歇液体噴出流６Ｂを生成している。従って、固化冷却部８を通過後には間歇固体流として固体ターゲット流１２Ｂをレーザ集光点１８に供給する変調機構が形成される。

本発明によれば、ターゲット物質を冷却・液化し、これをノズル噴出口から射出して形成される液体噴出流を短時間に極低温ガス雰囲気中で強制冷却することによって固体化し、固体流として真空中を機械的に安定に飛行させることができる。従って、本発明による方法または装置は、最適寸法のターゲット物質を十分に離れたレーザ集光位置まで高速度で供給できる。また、上述の構成により、液体状態であっては流体の不安定性によって生じる極めて限られる速度、直径などのパラメーター範囲を、拡大することができる。

したがって、安定で実用的なターゲット供給の用途に適用できる。また、点Ｘ線源を発生する真空チャンバー内でＸ線の吸収源となる不要なターゲットガスの発生が抑制できるため、排気ポンプが比較的小型で、低廉な価格・運転費を必要とする用途にも適用できる。

空洞状ターゲット固化用冷却部を備えた固体流発生装置における構造の実施の一形態を示す説明図である。（実施例１） ノズル噴射極低温ガスにより冷却するターゲット固化用冷却部を備えた固体流発生装置における構造の実施の一形態を示す説明図である。（実施例２） 液体ターゲット流の発生とレーザ照射との位置関係の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 希ガスターゲット物質
２ ターゲット供給管
３ 温度調整器
４ 加圧冷却液化部
５ ノズル部
６、６Ａ 液体噴出流
７ 断熱材
８ 固化冷却部
９ 固化冷却部入口
１０、１０Ａ 極低温ガス
１１ 極低温ガス供給部
１２ 固体ターゲット流
１３ 固体流射出口
１４、１４Ａ 真空チャンバー
１５ ガスノズル
１５Ａ ガスノズル群
１６ 集光レンズ
１７ レーザ光
１８ 集光点
１９ Ｘ線

Claims (7)

1. パルスレーザ光を高繰り返しにより集光照射して高温高密度プラズマＸ線を生成するレーザ集光点にターゲット物質を供給する方法において、室温では液体及び気体のうちのどちらかであるターゲット物質を冷却して固体流に形成し、固体流をレーザ集光点に射出により連続供給することを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給方法。
2. 請求項１において、ターゲット物質が化学的に不活性である希ガスであることを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給方法。
3. 請求項１において、ターゲット物質をノズルから液体噴出流として噴出させた後、これを極低温ガスにより強制冷却して固体流に変換することを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給方法。
4. パルスレーザ光を高繰り返しにより集光照射して高温高密度プラズマＸ線を生成するレーザ集光点にターゲット物質を供給する装置において、前記ターゲット物質を加圧・冷却して液化する加圧冷却液化部と、液化されたターゲット物質を液体噴出流として噴出させるノズル部と、供給される極低温ガスで前記液体噴出流を冷却して固化し、固体化された固体ターゲット流に変換する固化冷却部と、前記極低温ガスを前記固化冷却部へ供給する極低温ガス供給部とを備え、形成された固体ターゲット流がＸ線発生真空チャンバー内のレーザ集光点に供給されることを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給装置。
5. 請求項４において、前記固化冷却部は、前記液体噴出流の受入口と、前記固体ターゲット流の射出口と、当該液体噴出流を冷却するために、内部に圧力を調整された極低温ガスを充填させている空洞構造とを有することを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給装置。
6. 請求項４において、前記固化冷却部は、その内部で前記極低温ガス供給部から供給される前記極低温ガスを噴出する複数のガスノズル群を有し、ガスノズル群の噴出口は前記液体噴出流の流れ方向に沿って隣接して配置され、前記液体噴出流に向かって噴出する極低温ガスによって当該液体噴出流を周囲から均一に押圧し、且つ冷却する構造を有することを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給装置。
7. 請求項４において、前記ノズル部が液体流を間歇させ、前記固化冷却部を通過後に間歇固体流としてレーザ集光点に供給する変調機構を有することを特徴とするＸ線発生用ターゲット物質供給装置。
   

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