JP2005276671A - Ｌｐｐ型ｅｕｖ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において、ターゲット材料の量を増加させることなくＥＵＶ光量を増加させる。
【解決手段】 ターゲットへのレーザ光集光を楕円集光とし、楕円の長軸方向とターゲット流れ方向とをほぼ一致させ、楕円の短軸方向長さをターゲット太さと同等又はそれ以下とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、露光装置等において用いられるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置に関する。

ＥＵＶ光を発生する手段としてＬＰＰが知られている。ＬＰＰとは、Laser Produced Plasmaの略称であって、細い内径を有するノズル内部から噴射される液体又は気体のターゲット材料にレーザ光を集光照射することにより、レーザ光を照射されてプラズマ化したターゲット材料からＥＵＶ光が放射される。このようなＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置について、特許文献を用いて更に説明する。

特許文献１の図１には、レーザ発振器の出力レーザ光３と、レーザ光を集光するレンズ１３と、ターゲット材料を噴射するノズル１０とを含むＸ線放射線又は極紫外線放射線を発生する装置が示されている。ターゲット材料の噴流１７は、ノズル１０から噴射された後、連続流れ状態を経て断続流れ状態１５及び１２へ変化する。一方、レンズ１３によって集光されたレーザ光３はターゲット材料を照射し、その位置でターゲット材料がプラズマ化してＥＵＶ光を放射する。なお、ＥＵＶ光は気体による吸収が多いため、ノズル１０や、レーザ光照射位置１１（ＥＵＶ光発生領域）等は真空チャンバ内に配置されている。特許文献１には、このようなＸ線放射線又は極紫外線放射線発生装置において、噴流１７が連続流れ状態である範囲にレーザ光３を照射することにより、断続流れ状態よりも確実且つ容易に、レーザ光をターゲットに照射することができることが記載されている。

このようにして生成されたＥＵＶ光は、例えば、半導体露光を行う場合には、曲面型集光ミラーによって集められ、反射ミラー光学系によって露光装置へ伝送される。なお、露光装置内部の投影光学系も反射型である。ここで、ＥＵＶ光は、物質による吸収や物質との相互作用が大きいため、ＥＵＶ光を減衰させないために、反射部の構造と、そこに用いられる材料の選択とが重要になる。

ところで、このようなＬＰＰ型ＥＵＶ光源から発生するＥＵＶ光は、軟Ｘ線帯域内の様々な波長成分を含んでいる。しかしながら、実際に利用されるＥＵＶ光の波長成分は、その内の一部であり、ＥＵＶ光の利用分野に応じて、必要な波長成分と不要な波長成分とが存在する。そこで、現在では、上記の反射ミラー光学系として、波長１３ｎｍ〜１４ｎｍで高い反射率が得られるＭｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコン）膜や、波長１０ｎｍ〜１１ｎｍで高い反射率が得られるＢｅ（ベリリウム）／Ｓｉ膜等が用いることが検討されている。そのような光学系を用いることにより、所定の範囲に含まれる波長成分のみが選択的に反射されるので、軟Ｘ線帯域の中から必要な波長成分を抽出することができる。なお、この内、Ｂｅは強い毒性を有するためＭｏ／Ｓｉ膜が有望視されている。

しかしながら、Ｍｏ／Ｓｉ膜を使った場合には、１３ｎｍ〜１４ｎｍ以外の波長成分は膜に吸収されてしまうので、膜が加熱される原因となる。また、Ｂｅ／Ｓｉ膜を使った場合においても同様に、１０ｎｍ〜１１ｎｍ以外の波長成分は膜に吸収されてしまい、膜が加熱される原因となる。このような膜の温度変化は、反射光学系の変形や損傷等の原因となり、露光に支障を来す。そのため、様々な反射光学系の加熱防止策や変形防止策が検討されている。例えば、特許文献２には、ミラーの熱膨張によってミラーの面形状が変形するのを抑制するために、ＥＵＶ光を反射するミラーを冷却する冷却機構を備えた露光装置が開示されている。

或いは、上記のいずれかのような膜を用いる場合には、反射率の高い帯域の波長成分を多く含み、他の帯域の波長成分が少ないＥＵＶ光を、ＥＵＶ光源において発生させることが望ましい。特許文献３には、この点に着目し、光源から発生するＥＵＶ光のピークが１３ｎｍ程度になる条件が開示されている。即ち、特許文献３によれば、プラズマ電子温度が２０ｅＶ〜１００ｅＶとなる条件に制御されたレーザ光源を用いて、レーザ光を標的に照射する。
特表２０００−５０９１９０（図１） 特開２００４−３９９０５（第１頁） 特開２００１−３５６８８（第１頁） 特開２００１−１４３８９３（図１） 国際公開２００３−９６７６４（図３）

一方、ＥＵＶ光源においては、半導体露光に必要な光量を発光するのが難しいという問題が存在する。露光時に半導体に照射されるＥＵＶ光の光量を増す手段としては、光源の集光光学系や露光光学系の反射効率を向上させることの他に、ＬＰＰターゲット材料からの放射ＥＵＶ光量を増加させることが考えられる。放射ＥＵＶ光量を増加するためには、ターゲット材料を照射するレーザ光の光量を増加したり、ターゲット材料自体の量を増すことが考えられる。しかしながら、このような対応策にも問題があるので、それを以下説明する。

特許文献３に記載されているように、プラズマ電子温度と、発生したＥＵＶ光に含まれる波長成分との関係により、ターゲット材料を照射するレーザ光の強度には適切な範囲が存在する。従って、レーザ出力強度を上昇させても、単純に必要な波長のＥＵＶ光出力強度が上がるとは限らない。

また、図５は、ノズルから噴射されたターゲット材料（ターゲット噴流）２０と、それを照射するレーザ光の集光領域２１とを示している。図５に示すように、レーザ光をほぼ真円集光させる場合には、ターゲット材料にレーザ光が照射領域（ターゲット照射領域）２２は円形の集光領域内の一部限られる。そのため、それに応じてターゲット材料がプラズマ化する領域も限られてしまうので、ＥＵＶ光の発生量は少ない。ＥＵＶ光発生量を増やすためにはレーザ光強度を上げることが考えられるが、その場合には、上記の通り、適切な電子温度の範囲を超えてしまうので、ＥＵＶ露光に必要な波長成分の発光量を増やすことはできない。

そこで、必要な波長成分の発光量を増やすために、レーザ光強度を上げると共に、レーザ光の集光径を大きくすることが考えられる。これにより、ターゲット材料に照射されるレーザ光強度密度が適当な値になり、ターゲット材料において、適当な電子温度で照射される領域が増す。しかしながら、レーザ光の集光径が大きくなると、ターゲット材料を照射せずに素通りするレーザ光が増えてしまうので、ＬＰＰ光源全体としては効率が良いとは言えない。

特許文献４においては、ＥＵＶ光（Ｘ線）発生効率を向上させるために、プラズマ生成に寄与することなくターゲット材料を通過してしまうレーザ光成分の存在に着目している。特許文献４の図１に示すように、レーザ発振器４０を出射したレーザ光２は、窓１１を通過して真空チャンバ内に入射する。このレーザ光２は、ノズル５から噴射されたガスターゲット１を照射してプラズマ３を生成し、それにより、ＥＵＶ光が放射される。また、プラズマ生成に寄与することなくターゲット１を通過したレーザ光成分２ａは、レンズ７によって平行光にされた後、ミラー８によって反射され、プラズマ３へ再入射する。これにより、プラズマ生成に寄与するレーザ光量が増し、ＬＰＰ光源の効率を向上することができる。

しかしながら、特許文献４においては、新たに付加した光学素子７及び８の劣化の問題が生ずる。ＬＰＰ光源においては、使用されるターゲット材料がプラズマ化したときに発生するデブリスが周辺の光学素子に付着し、反射率等の光学特性を劣化させるという問題の存在が知られている。そのため、ターゲットのミラー８側から光学素子７及び８へ向かうデブリスによる素子劣化の問題は避け難く、デブリスの影響で劣化する光学素子をなるべく増やすことなくレーザ光の利用効率を高めることが望ましい。

また、ターゲット材料を素通りするレーザ光を減らすためには、ターゲット材料の噴射幅を拡大することが考えられる。しかしながら、それによってターゲット材料の量が増えてしまい、ＥＵＶ光発生に寄与しない無駄なターゲット材料が増加するという問題がある。無駄なターゲット材料は、ＬＰＰ発光部を包囲する真空チャンバ内において蒸発し、真空チャンバ内部の真空度を下げるため、発生したＥＵＶ光が吸収されてしまうという問題も生ずる。

特許文献５には、ターゲット材料の量を増やすことなく、ＥＵＶ光の発生量を増やすことが開示されている。図３において、３０１は図示しないレーザ発振器から出射されたレーザパルス（プレ・パルス）、３０２は図示しないノズルから噴射されているターゲットの連続した流れ、３０３は膨張した状態のターゲット、３０４は図示しないレーザ発振器から出射されたレーザパルス（メイン・レーザパルス）をそれぞれ示している。プレ・パルス３０１は、エネルギーレベルが低いためターゲット３０２をプラズマ化しない。プレ・パルス３０１の役割はターゲット３０２を、膨張した状態のターゲット３０３に、一時的に変換することである。メイン・レーザパルス３０４は、ターゲット３０２をプラズマ化するのに必要なエネルギー強度を有し、膨張したターゲット３０３を照射することによりプラズマ化し、ＥＵＶ光を発生させる。

このように、２種類のレーザパルスによってターゲットを２段照射する理由は、以下のとおりである。即ち、一般的なＥＵＶ光源装置の説明においては、例えば、特許文献１の図１に示すように、ターゲット材料は直線状に進行するように描かれるが、実際のターゲット材料の進行方向は揺らいでいるので、レーザ光を集光し、細いターゲット材料を適切に照射することは困難である。先にも述べたように、ターゲットを太い流れにすることにより、ターゲット進行方向が揺らいでいても、レーザ光をターゲットに照射することは可能であるが、プラズマ発生に寄与しないターゲット材料の量が増して真空チャンバ内において蒸発し、真空度を低下させるという新たな問題を生じてしまう。

そのため、ターゲット材料を増やすことなく、細いターゲット材料にレーザ光を確実に照射するために、上記のＥＵＶ光源装置においては、プレ・パルス３０１によってターゲット３０２を膨張させることが行われている。それにより、実際には大きなターゲット３０３を照射することになるので、ターゲット進行方向が揺らいでも、メイン・パルスがターゲットを照射する確率が向上する。なお、特許文献５においては、細く、且つ、揺らいでいるターゲット３０２のプレ・パルス３０１を確実に照射する必要があるため、プレ・パルス３０１のビーム幅は、ターゲット３０２の幅よりも大きく、且つ、ターゲット３０２の揺れ幅よりも大きくしてある。また、メイン・パルス３０４のビーム幅は、ターゲット３０３の大きさと形に合わせることが望ましい。
しかしながら、このようなＥＵＶ光源装置においては、２つのレーザ発振器を設けると共に、２種類のパルスの照射タイミングを調整する必要があるので、構成が煩雑になる。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ターゲット材料の噴射量を増やすことなく、所望の波長成分を多く含むＥＵＶ光の光量を増やすことを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置は、ノズルから連続流れとして噴射されたターゲット材料に、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射することにより、ターゲット材料をプラズマ化させてＥＵＶ光を放射させるＥＵＶ光源装置であって、レーザ発振器から出力されたレーザ光の断面形状を、ターゲット材料の流れ方向に伸びる形状に変形すると共に、断面形状が変形されたレーザ光をターゲット材料に照射する光学系を具備する。
望ましくは、ターゲット材料におけるレーザ光の断面形状を楕円形状とし、楕円の長軸方向とターゲット流れ方向とをほぼ一致させ、楕円の短軸方向長さをターゲット太さと同等又はそれ以下とする。さらに望ましくは、ターゲット照射位置におけるレーザ光強度密度を、所望の波長（例えば１３．５ｎｍ）のＥＵＶ光の発光量がピークを示す値とする。

本発明によれば、ターゲット噴射量を増すことなく、より広いターゲット領域にレーザ光を照射することができるため、発生するＥＵＶ光の光量を増やすことができる。その際に、ＥＵＶ光に含まれる所望の波長成分を増やすことも可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係るＬＰＰ（Laser Produced Plasma）型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。このＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ光の生成が行われる真空チャンバ１と、ターゲット材料を照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源５と、制御部１０とを含んでいる。

真空チャンバ１の内部には、ターゲット材料を噴射するノズル２及びターゲット回収筒３が設置されており、真空チャンバ１の一部には、レーザ光を透過させる窓４が設けられている。なお、ノズル２は、細い内径を有する貫通した通路を有し、図示しないターゲット材料貯蔵タンクとターゲット通路を介して接続されている。また、真空チャンバ１の外部には、レンズ等の光学素子の位置及び角度を変化させることにより、レーザ光源５から出射されたレーザ光を、その断面形状が所定の形状となるように集光すると共に、ターゲット材料に照射する集光光学系６が設置されている。さらに、制御部１０は、レーザ光源５の発振周波数や出力強度を制御すると共に、出射されたレーザ光の断面形状が所望の形状及び大きさでターゲット材料に照射されるように、集光光学系６を制御する。

このような真空チャンバ１において、ノズル２からターゲット材料を噴射すると共に、レーザ光源５から出射されたレーザ光８を、集光光学系６及び窓４を介してターゲット噴流７に照射する。これによりターゲット材料が励起してプラズマ化し、発生したプラズマからＥＵＶ光９が放出される。また、プラズマ化しなかったターゲット材料は、真空チャンバ内における残留量を減らすために、ターゲット回収筒に回収される。なお、発生したＥＵＶ光は、図示しない反射光学系によって集光され、露光装置等に導かれる。

図２は、図１に示すＥＵＶ光９の発生領域付近を示す拡大図であり、レーザ光がターゲット材料を照射する様子が示されている。本実施形態においては、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置におけるＥＵＶ光発光強度を増加するために、ターゲット噴流７の幅に応じて集束されたレーザ光をターゲット噴流に照射している。そのために、集光光学系６において、レーザ光源５から出射されたレーザ光８の断面形状を所定の形状に変形している。

図２の（ａ）に示すように、レーザ光を楕円形状に集光し、その長軸方向とターゲット噴流の方向とをほぼ一致させるように、ターゲット噴流７に照射する。これにより、レーザ光集光領域１１の内、ターゲット噴流７を照射する領域（ターゲット照射領域）１２の割合が、レーザ光を真円形状に集光する場合（図５参照）と比較して高くなる。従って、レーザ光の照射量に対するＥＵＶ光発生効率を高くすることができ、ターゲット噴射量を増やすことなくＥＵＶ光発光強度を増加させることが可能になる。

また、制御部１０の制御の下で、楕円形状の面積を調節することにより、レーザ光の総エネルギー強度を上げた場合においても、ターゲット噴流７に照射されたレーザ光の強度密度を低く、或いは、高くならないようにすることができる。従って、生成されたプラズマの電子温度が、ＥＵＶ光発生効率の高い範囲に収まるようにレーザ光の強度密度を維持しつつ、全体としてＥＵＶ光発生量を増やすことが可能である。或いは、所望の波長成分（例えば、１３ｎｍ〜１４ｎｍ）に対応するようにプラズマ電子温度に保つことにより、その波長成分の強度を上げることが可能になる。これにより、Ｍｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコン）膜等を含む反射光学系が不要な波長成分を吸収して加熱や変形するのを抑制することができる。なお、その際においても、集光領域を楕円形状とすることにより、集光領域１１の内のターゲット照射領域１２の割合を高く維持することができる。

図２の（ｂ）及び（ｃ）は、レーザ光集光領域の形状の変形例を示している。本実施形態において、レーザ光集光領域の形状は、楕円に限定されず、ターゲット噴流の方向に長く集光すればその形状は問わない。例えば、図２の（ｂ）に示すレーザ光集光領域１３のように、長方形でもよい。また、図２の（ｂ）及び（ｃ）に示すレーザ光集光領域１３及び１４のように、それらの幅（楕円の場合には短軸の長さ、長方形の場合には短辺の長さ）は、ターゲット噴流の幅と同等又はそれ以下であることが望ましい。この場合には、ターゲット噴流を照射せずに素通りするレーザ光を減らすことができるので、レーザ光の利用効率が良くなる。

図３は、図１に示す集光光学系６の構成例を示す図である。図３の（ａ）は、ターゲット噴流の流れ方向（Ｚ方向）に垂直な方向から見たＸＺ平面図であり、図３の（ｂ）は、ターゲット噴流の流れ方向から見たＸＹ平面図である。この集光光学系は、シリンドリカル凹レンズ３１及び凸レンズ３２を含んでいる。図３の（ａ）に示すように、ＸＺ平面において、集光光学系に入射したレーザ光８は、シリンドリカル凹レンズ３１によってＺ方向に拡大され、凸レンズ３２に入射する。これにより、凸レンズ３２によって集束されるレーザ光の焦点位置がずらされる。一方、図３の（ｂ）に示すように、ＸＹ平面において、レーザ光８は、シリンドリカル凹レンズ３１を通過し、平行光のまま凸レンズ３２に入射するので、焦点位置は変化しない。これにより、ターゲット噴流において、レーザ光照射領域をＺ方向のみに引き伸ばすことができる。

図４は、図１に示す集光光学系６の別の構成例を示すＸＺ平面図である。図４の（ａ）は、ターゲット噴流の流れ方向（Ｚ方向）に垂直な方向から見たＸＹ平面図であり、図４の（ｂ）は、ターゲット噴流の流れ方向から見た図である。この集光光学系は、焦点距離ｆ１を有するシリンドリカル凸レンズ３３と、ｆ１よりも短い焦点距離ｆ２を有するシリンドリカル凸レンズ３４とを含んでいる。図４の（ａ）に示すように、ＸＺ平面において、集光光学系に入射したレーザ光８は、シリンドリカル凸レンズ３３によりＺ方向について集光され、シリンドリカル凸レンズ３４を通過し、ターゲット噴流７に入射する。一方、図４の（ｂ）に示すように、ＸＹ平面において、レーザ光８は、シリンドリカル凸レンズ３３を通過し、シリンドリカル凸レンズ３４によりＹ方向について集光され、ターゲット噴流７に入射する。ここで、入射ビームの径及びダイバージェンスが同じ場合には、レンズの焦点距離が長い方が、焦点におけるスポット径は大きくなる。そのため、レーザ光８を、焦点距離が長いＺ方向を長軸とする楕円形に集光することができる。

なお、本実施形態においては、レーザ光源５から出射されたレーザ光の断面形状を、集光光学系６において集光する際に、楕円形状等に変形したが、一旦ほぼ真円に集光されたレーザ光を、ターゲット噴流の方向に引き伸ばすことにより、同様の断面形状を形成しても良い。

本発明は、露光装置等に用いられるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において利用可能である。

本発明の一実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。 レーザ光がターゲット材料を照射する様子を示す模式図である。 図１に示す集光光学系の構成例を示す図である。 図１に示す集光光学系の別の構成例を示す図である。 真円集光されたレーザ光がターゲット材料を照射する様子を示す模式図である。

符号の説明

１…真空チャンバ、２…ノズル、３…ターゲット回収筒、４…窓、５…レーザ光源、６…集光光学系、７…ターゲット噴流、８…レーザ光、９…ＥＵＶ光、１０…制御部、１１、１３、１４、２１…レーザ光集光領域、１２、２２…ターゲット照射領域、３１…シリンドリカル凹レンズ、３２…凸レンズ、３３、３４…シリンドリカル凸レンズ

Claims (4)

1. ノズルから連続流れとして噴射されたターゲット材料に、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射することにより、前記ターゲット材料をプラズマ化させてＥＵＶ光を放射させるＥＵＶ光源装置であって、
   前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の断面形状を、前記ターゲット材料の噴射方向に引き伸ばされた形状に変形すると共に、断面形状が変形されたレーザ光を前記ターゲット材料に照射する光学系を具備するＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。
2. 前記光学系が、前記ターゲット材料におけるレーザ光の断面形状の幅が前記ターゲット材料の流れの幅以下となるように、前記レーザ光の断面形状を変形させる、請求項１記載のＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。
3. 前記レーザ光を照射することによって生成されたプラズマの電子温度がＥＵＶ発生効率の高い範囲に含まれるように、前記レーザ発振器の出力及び／又は前記光学系を制御する手段をさらに具備する、請求項１又は２記載のＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。
4. 波長１３ｎｍ〜１４ｎｍにおいて発光強度のピークを有するように、前記レーザ発振器の出力及び／又は前記光学系を制御する手段をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項記載のＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。

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