JP2005353736A

JP2005353736A - プラズマｘ線発生装置

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Publication number: JP2005353736A
Application number: JP2004171155A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kuwabara; 一桑原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP4696478B2

Abstract

【課題】光学系の損傷及び発生させるＸ線の吸収損失を抑制したプラズマＸ線源を提供する。
【解決手段】真空容器１１と、該真空容器１１内に設置され、プラズマ生成放電電極１５，１６間に形成されるプラズマ生成部１７に供給される作動ガスＧをプラズマ化してＸ線を発生させるプラズマＸ線源１３と、上記プラズマ生成部１７において発光有効時間を経過した残留プラズマＤを排気する排気手段１２と、上記プラズマ生成放電電極１５から離れて形成され、プラズマ生成放電電極１５より電位の低い低電圧電極とを備え、残留プラズマＤを低電位電極による静電気力により加速させて高速排気するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体リソグラフィー等に用いられ、極端紫外光（ＥＵＶ）を発光するプラズマＸ線源を備えたプラズマＸ線発生装置に関するものである。

放電生成によるプラズマＸ線源を備えたＸ線発生装置は、プラズマ生成放電電極間にＸｅ等の作動ガスを導入して、それを高速パルス放電により高密度、高電離プラズマ化し、このプラズマからＸ線を取り出す装置である。そのＸ線を取り出す過程を高速で繰り返すことで、Ｘ線を高出力化している（高繰り返し運転）。

プラズマＸ線源の主なものとして、キャピラリ放電型といった放電方式のＸ線源がある（例えば、非特許文献１参照）。

キャピラリ放電型のプラズマＸ線源は、作動ガスが封入された細管（キャピラリ）内に電流を流すことによって大電流を得て、ジュール加熱により高温プラズマを得ようとするもので、プラズマの閉じ込めをキャピラリ内で行うものである。

また、キャピラリ放電型のＸ線源の他に、Ｚピンチ型のプラズマＸ線源がある。Ｚピンチ型のプラズマＸ線源は、プラズマ中を流れる軸電流とこれにより生成される方位角方向磁界により、プラズマを強力に圧縮して衝撃波加熱を行うと共に、ジュール加熱を行って、高温、高密度のプラズマ柱を放電管軸上に生成し、閉じ込めるものである。

Ｘ線の発光効率を良くするために、プラズマの密度分布の不均一性や非対称性を改善した回転プラズマをピンチ電極間に生成放電させたＸ線発生装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１５５８９６号公報特開２００３−２２９５０号公報堀田，「リソグラフィ用ＥＵＶ（極端紫外）光源研究の現状と将来展望」，プラズマ核融合学会，２００３，第７９巻，第３号，p.２４５-２５１

しかしながら、従来のＸ線発生装置では、Ｘ線を発光し、発光有効時間を経過した残留プラズマを構成する質量数の大きい荷電粒子（イオン、微粒子等であり、電子を除く）がミラーやレンズ等の光学系へ衝突して起こすスパッタ効果によって、光学系を損傷させてしまう等、Ｘ線発光後のプラズマの拡散、光学系への入射が大きな問題であった。

また、Ｘ線を高出力発生させるために、プラズマＸ線源を高繰り返し運転する際、真空ポンプによる排気では排気速度に限界があり、次のショットまでの間の残留プラズマの排出が不十分であるため、Ｘ線発生部近傍の残留プラズマの濃度が高くなり、Ｘ線の吸収損失が大きくなってしまう事も、高出力化への大きな障害となっていた。

これに対し、レーザを用いたＥＵＶ光源において、ＥＵＶ光を発生させた際に生じる、プラズマを構成する質量数の大きい荷電粒子等のデブリの除去を目的とした露光装置がある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、従来のプラズマ生成放電を利用したＸ線発生装置においては、残留プラズマを積極的に除去して、前記の課題を解決することを目的とした装置がなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、プラズマＸ線源付近の残留プラズマを排気して光学系の損傷及びＸ線の吸収損失を抑制したプラズマＸ線発生装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、真空容器と、該真空容器内に設置され、プラズマ生成放電電極間に形成されるプラズマ生成部に供給される作動ガスをプラズマ化してＸ線を発生させるプラズマＸ線源と、上記プラズマ生成部において発光有効時間を経過した残留プラズマを排気する排気手段と、上記プラズマ生成放電電極から離れて形成され、プラズマ生成放電電極より電位の低い低電圧電極とを備え、上記残留プラズマを低電位電極による静電気力により加速させて高速排気するプラズマＸ線発生装置である。

請求項２の発明は、上記プラズマＸ線源の周囲に磁場を発生させる磁場発生手段と、電子を放出する電子放出電極とを備え、上記低電位電極は、磁場発生手段で発生させた磁場に電子放出電極から電子を放出、供給して形成される仮想電極であるプラズマＸ線発生装置である。

請求項３の発明は、上記電子放出電極は、ＬａＢ₆ やタングステン或いはタングステン化合物等、熱電子を低温で熱放出可能な物質で形成された熱電子供給体であるプラズマＸ線発生装置である。

請求項４の発明は、上記電子放出電極には、発光有効時間後に残留するプラズマを排気すべく、仮想電極を形成するための排気用パルス電圧印加手段が接続されるプラズマＸ線発生装置である。

本発明によれば、各ショット毎にＸ線源付近に残留するプラズマを構成するイオン等の荷電粒子を高速排気して、これらの粒子による光学系の損傷、Ｘ線の吸収損失を大幅に低減できるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明は、プラズマＸ線源付近に残留してＸ線の吸収損失の要因となるプラズマを、静電加速させて急速排気させる装置であり、本発明に係るプラズマＸ線発生装置は、以下の実施の形態に限られるものではない。

図１は本発明に係るプラズマＸ線発生装置の好適な実施の形態を示した構成図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るプラズマＸ線発生装置１０は、真空容器１１と、真空容器１１内を排気する排気手段１２と、真空容器１１内に設けられ、Ｘ線を発生させるプラズマＸ線源１３とを備える。

真空容器１１には、その側壁２３に形成される排気孔２４を介して、真空容器１１内のガスを排気して真空度を上げる排気手段１２が接続されている。図中では、排気手段１２をプラズマＸ線源１３の上側と下側に設けたが、排気手段１２を真空容器側壁２３のいずれの側に設けてもよく、例えば、プラズマＸ線源１３の左右側（紙面垂直方向）の側壁に設けてもよい。真空容器１１内の気圧は略１Ｐａ（１０^-2ｔｏｒｒ）となっている。作動ガス（Ｘｅガス等）の供給時の排気手段１２としては、慣用の真空ポンプが挙げられ、高速排気可能なターボ分子ポンプ等が好ましい。

プラズマＸ線源１３は生成放電プラズマを利用したＸ線源である。本実施の形態ではキャピラリ放電型のプラズマＸ線源を用いた。プラズマＸ線源１３は、キャピラリ１４とキャピラリ１４の両端に設けられたプラズマ生成放電電極（以下、放電電極）１５，１６とを備える。キャピラリ１４内の中空部は、キャピラリ１４内に供給された作動ガスＧをプラズマ化させるプラズマ生成部１７である。キャピラリ１４を形成する材料は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やセラミック等、絶縁体で、スパッタ係数が低く、熱安定性が良好なものが好ましい。

放電電極１５，１６は、図中左側の放電電極１６をＧＮＤとして図中右側の放電電極１５を高電位とするようにプラズマ生成用パルス電圧印加手段（図示せず）が接続されている。すなわち、右側のＸ線が発生する放電電極が正放電電極（アノード）１５、対して左側の放電電極が負放電電極（カソード）１６となっている。プラズマ化させるターゲットとなる作動ガスＧが、負放電電極１６側からプラズマ生成部１７に供給されるべく、作動ガス供給手段（図示せず）が設けられている。本実施の形態では、リソグラフィー等に利用する１３．５ｎｍのＸ線を発生させるために、作動ガスＧとしてＸｅガスを用いたが、作動ガスＧはこれに限られるものではない。

図２に示すように、プラズマ生成用パルス電圧印加手段は、プラズマ生成部１７に供給された作動ガスＧをプラズマ化させるために放電用の極短パルス電圧３１を印加（ショット）するものであり、その電圧は数ｋ〜１０ｋＶ、一回の電圧印加時間が１００ｎｓ程度であり、パルス周期は約１００μｓ（１０ｋ〜１００ｋＨｚ）である。

本実施の形態の特徴は、プラズマＸ線発生装置１０の真空容器１１内のＸ線源１３付近に低電圧電極を形成したことにある。

低電圧電極は、真空容器１１内に設けた電子放出電極１９と磁場発生手段２１との作用により形成される。

電子放出電極１９は、プラズマ生成放電電極１５，１６から離れて設けられ、正放電電極１５に対して低電位（負電位）となるように排気用パルス電圧印加手段２２が接続されている。より詳細には、電子放出電極１９は、排気すべき作動ガスＧのプラズマが電子放出電極１９に衝突するのを避けるべく、Ｘ線の発光点２５より後方に配置される（図中では、正放電電極１５より左側）。

電子放出電極１９には、低温で熱電子を放出させるために、ＬａＢ₆ 、或いはＷ（純タングステン）やＢａＷ（バリウムタングステン）、ＴｈＷ（トリウムタングステン）等のタングステン化合物で形成された熱電子供給体を用いた。

排気用パルス電圧印加手段２２は、熱電子供給体１９から熱電子を放出させるために、排気用パルス電圧３２（図２）を印加するものである。また、印加する電圧は１ｋＶ以下とした。

磁場発生手段２１は真空容器１１の側壁２３の排気孔２４付近に設けられ、磁場発生手段２１により真空容器１１内に常時磁場Ｈを発生させるものである。磁場Ｈは放電電極１５と電子放出電極１９間で熱電子の移動を妨げる向き、すなわち、Ｘ線の照射方向と略平行に発生している。本実施の形態では、磁場発生手段２１として、慣用のコイルで形成されたものを用いた。

次に、本実施の形態のプラズマＸ線発生装置１０の作用について説明する。

まず、プラズマＸ線源１３よりＸ線が発生する動作について説明する。

プラズマＸ線源１３のプラズマ生成部１７に作動ガスＧを供給する。作動ガスＧはプラズマ生成部１７で高密度で封入されており、プラズマ生成放電電極間１５，１６に高電圧の極短パルス電圧３１を印加することで、プラズマ生成部１７内の作動ガスＧがプラズマ化され、そのプラズマからＸ線が発光する。このとき、プラズマ生成部１７に高温、高密度のプラズマを長時間保持する事は困難なため、Ｘ線等の極短紫外光を連続的に励起するのは困難であり、瞬間的に電圧を印加させて発光させるのが通例である。よって、Ｘ線の高出力化のために、ショットを繰り返し行ってＸ線を発生させている（高繰り返し運転）。

高繰り返し運転において、Ｘ線の発光有効時間は放電開始から１００ｎｓ程度であり、発光有時間を経過したプラズマ（残留プラズマ）Ｄがプラズマ生成部１７や発光点２５付近に存在する。

ここで、図３を用いて残留プラズマＤを排気する作用について説明する。

発光有効時間の終了と共に電子放出電極１９に排気用パルス電圧を印加して熱電子Ｅを放出する。真空容器１１内は、常時、磁場発生手段２１により磁場Ｈが発生しているので、熱電子Ｅが電子放出電極１９を通過する磁場Ｈ１に沿って移動し、その磁場Ｈ１上に供給された多数の熱電子Ｅは、磁場Ｈ１の周囲を漂うように固定されるので負電位の平行電極を形成したものと同等になる。この磁場Ｈ１に保持された熱電子群で形成される低電圧電極を仮想電極１８と称する。

プラズマ生成部１７近傍に存在している残留プラズマＤは数〜十数価の正イオンであり、仮想電極１８との静電力により仮想電極１８の方向に加速される。ただし、仮想電極１８の熱電子Ｅは磁場Ｈ１上に略固定されている。仮想電極１８方向に静電加速された残留プラズマＤは排気手段１２により排気孔２４から真空容器１１外へ排気される。このように、静電加速により次のショットまでに残留プラズマＤを排気できるので、プラズマ生成部１７付近の真空度を高く（気圧を低く）することができ、Ｘ線の吸収損失を大幅に低減することができる。

さらに、プラズマＸ線発生装置１０は、残留プラズマＤをＸ線ミラー等の光学系のある方向（Ｘ線照射方向）とは異なる方向に高速排気することができるので、光学系の損傷を防止することができる。

また、電子放出電極１９である熱電子供給体を、熱電子Ｅを低温で放出させることのできる材料で形成しているので、排出用パルス電圧３２を小さくすることができると共に、プラズマＸ線源１３に熱の影響を与えることがない。

ここで、図２に示したように、プラズマ生成放電パルス電圧３１と排気用パルス電圧３２が交互に印加されて、Ｘ線発生装置１０は高繰り返し運転される。残留プラズマＤを静電加速させた熱電子群は次第に拡散していくので、高繰り返し運転を行うにあたり、放電パルス電圧３１を印加する毎に排気パルス電圧を印加して、新たなる仮想電極１８を形成し、Ｘ線の発光と残留プラズマＤの排気を繰り返している。よって、Ｘ線が発生されて、プラズマの発光有効時間が経過する度に残留プラズマＤを排気することができ、常にプラズマ生成部１７付近の真空度を高く保持することができる。

また、残留プラズマＤを加速させる方向は仮想電極１８の位置と形状に依存するので、仮想電極１８の形状を変えることで、残留プラズマＤの静電加速方向を調整することができる。仮想電極１８は、真空容器１１内に発生させる磁場Ｈの向きや電子放出電極１９の位置等により、その位置と形状を調整することができる。

本実施の形態のプラズマＸ線発生装置１０では、低電位電極として仮想電極を形成したが、本発明に係るプラズマＸ線発生装置の低電位電極は仮想電極１８に限定されない。

例えば、低電位電極は、平板状や弧状に形成された金属製の金属電極でもよい。しかしながら、金属電極を用いると、残留プラズマＤが金属電極に衝突して、残留プラズマＤを真空容器１１内に留まらせて排気効率が低下する可能性や、残留プラズマＤが金属電極をスパッタして飛散物が発生する可能性がある。よって、静電加速させた残留プラズマＤが電極に衝突せず透過できるように、低電位電極は、細かい網目状（メッシュ状）に形成された金属電極が好ましく、上述した熱電子群で形成された仮想電極１８が最も好ましい。

本実施の形態のＸ線発生装置１０に用いたプラズマＸ線源１３は、キャピラリ放電型のプラズマＸ線源であるが、本発明に係るプラズマＸ線源は、キャピラリ放電型に限らず、Ｚピンチ或いはプラズマフォーカス等を用いた放電生成のプラズマＸ線源でもよく、Ｘ線源の放電方式を問わず、本実施の形態と同様の作用効果を有する。

本発明の一実施形態であるプラズマＸ線発生装置を示す構成図である。プラズマ生成放電パルス電圧と、排気用パルス電圧の特性を示す図である。図１のプラズマＸ線発生装置の仮想電極を説明する図である。

符号の説明

１０プラズマＸ線発生装置
１１真空容器
１２排気手段
１３プラズマＸ線源
１５，１６プラズマ生成放電電極
１７プラズマ生成部
１８仮想電極
１９電子放出電極
２１磁場発生手段
２２排気用パルス電圧印加手段
Ｇ作動ガス
Ｄ残留プラズマ
Ｈ磁場

Claims

真空容器と、該真空容器内に設置され、プラズマ生成放電電極間に形成されるプラズマ生成部に供給される作動ガスをプラズマ化してＸ線を発生させるプラズマＸ線源と、上記プラズマ生成部において発光有効時間を経過した残留プラズマを排気する排気手段と、上記プラズマ生成放電電極から離れて形成され、プラズマ生成放電電極より電位の低い低電圧電極とを備え、
上記残留プラズマを上記低電位電極による静電気力により加速させて高速排気することを特徴とするプラズマＸ線発生装置。
上記プラズマＸ線源の周囲に磁場を発生させる磁場発生手段と、電子を放出する電子放出電極とを備え、上記低電位電極は、磁場発生手段で発生させた磁場に電子放出電極から電子を放出、供給して形成される仮想電極である請求項１記載のプラズマＸ線発生装置。
上記電子放出電極は、ＬａＢ₆ やタングステン或いはタングステン化合物等、熱電子を低温で熱放出可能な物質で形成された熱電子供給体である請求項２記載のプラズマＸ線発生装置。
上記電子放出電極には、発光有効時間後に残留するプラズマを排気すべく、仮想電極を形成するための排気用パルス電圧印加手段が接続される請求項２または３記載のプラズマＸ線発生装置。