JP2005268186A

JP2005268186A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2005268186A
Application number: JP2004083072A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Horioka; 一彦堀岡; Makoto Shiho; 諒志甫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】放電部に動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されているキャピラリーを設け、動作ガスの加速と密度分布の制御（と同時に動作毎にプラズマの排除）を行うことにより放電プラズマを形成する際に派生する熱や派生物を排除し高繰り返し動作を実現する。
【解決手段】放電電源に接続されその間に繰返しパルス電圧が印加される一対の放電電極（２１、２２）からなり、前記一対の電極の配置方向に動作ガスが供給されるとともに該一対の電極間に動作ガス案内キャピラリー（２５）が設けられ、該キャピラリーは前記動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ発生装置に関し、より詳しくは、放電電源に接続されその間に繰返しパルス電圧が印加される一対の放電電極からなり、一対の電極の配置方向に動作ガスが供給されるとともに一対の電極間に動作ガス案内キャピラリーが設けられているプラズマ発生装置に関し、高エネルギー密度のパルスプラズマを高繰り返しで形成し、リソグラフイー、イメージングおよび医療分野などの工業用並びに短波長の分光光源などの研究分野において利用する真空紫外線領域から軟Ｘ線領域の光発生装置に関する。

プラズマ発生装置は、ＥＵＶリソグラフィ等のマイクロエレクトロニクス、超微細加工、生体細胞のホログラフィ、高温高密度プラズマの診断、Ｘ線顕微鏡の光源等に用いるＥＵＶ（極端紫外線）の光源として注目されている。
従来から、プラズマ発生装置として種々のものが提案されている。一例として、特許文献１には、カソードと中間電極と放電電極およびプロセス室を備え、不活性ガスをカソード部に供給し前記カソードと前記放電電極間の放電により放電プラズマを生成し、該放電プラズマから電子を引き出して加速し前記プロセス室に導入し、該プロセス室内のガスをプラズマ化して試料面に作用させる電子ビーム励起プラズマ装置において、前記放電電極を基準として前記中間電極の電位を測定し、該中間電極電位が所定の範囲に収まるようにする制御器を備えることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ装置が開示されている。

特許第３３９８６３９号公報

しかしながら、これらプラズマ発生装置にあっては、従来から、放電プラズマが不安定で再現性・制御性が悪く、このため、平均出力が高く安定な高繰り返し動作が要求される露光用電源には不向きであると考えられてきた。

すなわち、リソグラフイーやイメージング光源の分解能を決める基本的なパラメータは波長であり、高繰り返し能力を持つ平均出力の大きい短波長光源が求められ、短波長の電磁放射は必然的に高エネルギー密度のプラズマ発生を必要とする。一例として、次世代のリソグラフイー光源に要求されている繰り返しは７ｋＨｚ、平均出力は１００Ｗ以上となる。しかも、光出力は多層膜光学系に適合させるために特定の波長幅以内しか有効に利用されない。このため、プラズマ入力に対する有効な光出力への変換効率は高々１％程度であると予測される。したがって、１００Ｗの平均出力を実現するには、プラズマ生成部が１０ｋＷ以上の熱負荷に耐える構造を持つ必要がある。このため、非常に大きな熱負荷の処理が重要な問題となっている。

加えて、光学系への派生物（デブリー）をほぼ完全に抑制しなくてはならない。また、放電部はｌｃｍ程度の長さを持つが、通常安定な繰り返し動作とするにはパルス動作毎に媒質ガスはプラズマ領域から完全に排除されなくてはならないが、従来の装置は全くこれらのことが考慮されていない。

本発明は、従来から放電プラズマに付随する問題とされている再現性および繰り返し能力の問題を、定常超音速流を用いたガス供給と高速の非対称放電により解決するものである。

本発明の目的は、放電部に動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されているキャピラリーを設け、動作ガスの加速と密度分布の制御を行うことにより放電プラズマを形成する際に派生する熱や派生物を排除し高繰り返し動作を実現することにある。

本発明の更に他の目的は、プラズマを半径方向と同時に軸方向にも、加速・収縮することにより、局在された領域に高密度プラズマを形成することにある。

本発明においては、上記の目的を、放電電源に接続されその間に繰返しパルス電圧が印加される一対の放電電極からなり、前記一対の電極の配置方向に動作ガスが供給されるとともに該一対の電極間に動作ガス案内キャピラリーが設けられ、該キャピラリーは前記動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置により達成する。

ここに、前記キャピラリーが直径ｌｍｍ以下のスロート部分を持ち、動作ガス流量を制御すると同時に該キャピラリー内部で動作ガスを超音速に加速するようにすることが好ましい。

また、前記キャピラリーの長さが１０〜３０ｍｍであり、軸方向の高速ガス流によりパルス動作の間隔時間以内に動作ガスを排出するようになっていることが好ましい。この際に、放電パルス幅が５μ秒以下であることが好ましい。

前記キャピラリーの断面積の最小部をＡ＊、最大部をＡｅとしたとき、１＜Ａｅ／Ａ＊＜１０を満たすことが好ましい。

本発明においては、前記動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されているキャピラリーを具備した非対称放電電極型細管プラズマ発生装置を用いており、非対称電極放電プラズマ発生装置により、高エネルギー密度（高密度で高温）のプラズマが得られる。また、本発明においては、非対称放電電極型細管プラズマ発生装置、特にキャピラリーの形状を選定することにより、プラズマの形状と運動とを制御できる。なお、従前、非対称細管電極放電でプラズマを制御した例はない。

更に、本発明に係る非対称放電電極型細管プラズマ発生装置によれば、プラズマが放電領域から自動的に排出されるので、電極部分の熱負荷を大幅に低減できる。

また、実施例に示すように、本発明に係る非対称放電電極型細管プラズマ発生装置とガス・ジェット型プラズマ・バリヤー装置と組み合わせることにより、高輝度で高効率、しかも高繰り返し能力（ｋＨｚ級）を持つ短波長（極端紫外から軟Ｘ線領域の波長）光源が実現できる。

以下、本発明の実施例を図示した添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係る非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の一部断面図とした概略正面図である。

図１において、ステンレス等の密封容器で作られた真空容器１０は真空排気装置１１に接続されており、内部を所望の高真空とできるようになっている。

真空容器１０内に、陰極２１および陽極２２からなる放電電極が１０〜３０ｍｍの所定の間隔Ｌを開けて設けられている。陰極２１および陽極２２はそれぞれ放電用一次電源２３に接続され、好ましくは放電パルス幅が５μ秒以下である所定電圧の繰返しパルス電圧が印加されて、放電用高速電源部２４を構成している。

陰極２１はその中心部に直径がＤｉの小径孔２１ａ有し、陽極２２はその中心部に陰極２１の小径孔２１ａよりも大径の直径Ｄｏの孔２２ａを有して非対称放電電極２０を形成している。

陰極２１の小径孔２１ａは動作ガス供給装置３１を介して動作ガスボンベ３０に接続され、キセノン、アルゴン等の動作ガスをよどみ圧力Ｐｏで連続的に供給し、供給された動作ガスが陰極２１から陽極２２に向けて移動する。

図２に示すように、陰極２１と陰極２１の間には、セラミック等の耐熱材料製の動作ガス案内キャピラリー２５が設けられ、キャピラリー２５自身を動作ガスの流路として用いている。キャピラリー２５は、動作ガスの移動方向に、すなわち、陰極２１から陽極２２に向けて、拡開するテーパーが形成されている。キャピラリー２５の形状と密度分布によりプラズマ・ダイナミクスを制御している。

キャピラリー２５が、陰極２１から陽極２２に向けて一様に拡開している場合には、テーパーのなす角度θは、
θ＝ｔａｎ^−１｛（Ｄｏ−Ｄｉ）／２Ｌ｝
と表され、この角度θは０〜５０°とすることが好ましい。

キャピラリー２５は上述したように一様に拡開しているものに限られず、より好ましくは、入り口側で先細、出口側で拡大するように断面積が変化する所謂ラバールノズル形状とすることが好ましい。ここに、キャピラリーの断面積の最小部をＡ＊、最大部をＡｅとしたとき、１＜Ａｅ／Ａ＊＜１０を満たすことが好ましい。

また、動作ガスはキャピラリー２５内の流路をマッハ数Ｍ＝０．３以上の高速で流れ、キャピラリー２５内に良く定義された密度分布を形成する。

更に、上述した放電用高速電源部２４からなる高温プラズマの発生装置により発生される高温プラズマの発生方向に交差して、動作ガスを超音速に加速する超音速ノズル部４１および動作ガスを減速させ圧力を回復させる超音速ディフューザ部４２が一直線上に設けられている。これにより、超音速ノズル部４１および超音速ディフューザ部４２の間に高温プラズマのバリヤーとして作用するバリヤーガス層が形成されている。

超音速ノズル部４１および超音速ディフューザ部４２がガス再循環装置４３により連結されており、超音速ディフユーザー部４２によって圧力回復・回収された動作ガスを圧縮・再循環（定常動作）できるようになっている。

次に、キャピラリー２５内の動作ガスの挙動について検討すると、準１次元を仮定し、スロート面積をＡ＊、流路断面をＡ、比熱比をγとすると、定常・超音速流の局所マツハ数Ｍと流路断面積との関係は、

と表される。同様に、よどみ点圧力をＰｏとしたとき、局所マツハ数Ｍに対する圧力は、

と書ける。したがって、流路の形状が決まると背圧が十分に低く定常流の条件が成立する限り、ノズル軸に沿った半径に対応する数密度分布が確定されることになる。

一方，電磁力による加速は放電路の半径と電流値および内部に含まれる動作ガスの数密度分布に依存する。例えば、簡単な雪かきモデル（ＳｎｏｗＰｌｏｗＭｏｄｅｌ）を用いると、運動方程式は、

と表現できる。ここで、ρｏは初期ガスの密度、「ｒ（ｔ）はプラズマ半径、Ｉ（ｔ）は放電電流、ｐ（ｔ）は初期ガスの圧力である。
（３）式は、電流層の収縮（Ｐｉｎｃｈ）速度は、電流値、プラズマコラムの半径ｒおよびガス密度ρの関数になることを示している。したがって、放電部の形状（ｒ）、これによって決定されるガス密度（ρ）、電流の時間変化Ｉ（ｔ）によりプラズマのピンチ時間は制御されることになる。

放電路の最大断面積をＡｅとしたとき、放電管の条件（テーパー比）は以下の基準から決定される

本発明者らの研究により、１０^１２Ａ／ｓｅｃ程度の高速電流立ち上がりで、細管（キャピラリー）内をパルス放電させると再現良く円筒状の高密度プラズマが得られることは、放電型レーザーの研究を通じて明らかになっている。放電流路は、式（４）を満足するようにあらかじめ設計する。ここに、高密度のプラズマが必要な際には、放電路を凹面形状に整形したキャピラリーを用いに、高速のプラズマジェットが必要な際には凸面形状に整形したキャピラリーを用いる。

次に、上述の実施例のプラズマ形成動作の概要を図３を参照して以下に説明する。放電開始前に、動作ガスボンベ３０に接続された動作ガス供給装置３１から適度な数密度分布を持つガスが、図３（ａ）に示すように、ガス・ダイナミックな供給により、１ミリ秒以内にキャピラリー２５管内部に満たされる。

その後、図３（ｂ）に示すように、放電用一次電源２３から陰極２１と陽極２２間に放電パルス幅が５μ秒以下である所定電圧の繰返しパルス電圧が印加されて高速放電を行うことにより、電磁力によるプラズマ加速により、プラズマの圧縮・過熱と排出が行われ、プラズマは半径方向と同時に軸方向に加速される。以上の動作が繰り返される。

動作ガスは超音速（１０μ秒程度）でキャピラリー２５内部を満たすので、パルス放電後の回復時間は数十μｓｅｃ程度である。このことが、この装置がｌＯｋＨｚ程度の高繰り返し動作能力を持っていることを保証している。

式（３）に示したように、ピンチ過程はキャピラリー内部の初期密度分布、電流立ち上がり率、およびよどみ圧力によって変化する。加速されたプラズマが出口で高エネルギー密度状態となるようにパラメー夕の選択をすると、高密度で点状の（有効な立体角の大きい）プラズマが得られる。

本発明においては、動作ガスを高速のガス流とすることにより、再現性の高い繰り返し動作を実現できる。キャピラリーのテーパー形状により、プラズマの半径を制御（所望の大きさに選定）することができ、これにより、高エネルギー密度プラズマの制御と高速の排熱を可能にしている。また、テーパー付きキャピラリーにより動作ガスを超高速で流すので、放電部の冷却効果を奏することができ、放電動作に伴う不純物（デブリー）の発生を抑制できる。

本発明に係る非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の一部断面図とした概略正面図である。本発明に係る非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の放電電極の一例の概略を示す図である。細管ノズル型放電路（キャピラリー）とテーパー・ピンチ放電の動作の概略を示し、（ａ）は放電開始前を示し、（ｂ）は放電開始後を示す。

符号の説明

１０真空容器
１１真空排気装置
２０非対称放電電極
２１陰極
２２陽極
２３放電用一次電源
２４放電用高速電源部
２５キャピラリー

Claims

放電電源に接続されその間に繰返しパルス電圧が印加される一対の放電電極からなり、前記一対の電極の配置方向に動作ガスが供給されるとともに該一対の電極間に動作ガス案内キャピラリーが設けられ、該キャピラリーは前記動作ガスの移動方向に拡開するテーパーが形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記キャピラリーが直径ｌｍｍ以下のスロート部分を持ち、動作ガス流量を制御すると同時に該キャピラリー内部で動作ガスを超音速に加速することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
前記キャピラリーの長さが１０〜３０ｍｍであり、軸方向の高速ガス流によりパルス動作の間隔時間以内に動作ガスを排出するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
放電パルス幅が５μ秒以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の放電プラズマ発生装置。
前記キャピラリーの断面積の最小部をＡ＊、最大部をＡｅとしたとき、１＜Ａｅ／Ａ＊＜１０を満たすことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の放電プラズマ発生装置。