JP2006156359A - Plasma generation apparatus and spectrum control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピンチ放電方式を用いたプラズマ発生装置およびスペクトル制御方法に関する。 The present invention relates to a plasma generator using a pinch discharge method and a spectrum control method.
近年、ナノスケールの微細加工のためのリソグラフィ用の光源や、生物を生きたまま高解像度で観察可能な軟X線顕微鏡用の光源として、例えばZピンチ放電方式などのピンチ放電方式を用いたプラズマ光源の開発が進められている。このZピンチとは、ターゲットガス(低圧ガス)が封入された放電管の軸方向(Z方向)に大電流を流した場合に、この電流が作り出す方位角方向の自己磁場によって、プラズマ柱自身が圧縮される(圧縮プラズマが発生する)現象のことである。 In recent years, plasma using a pinch discharge method such as a Z pinch discharge method as a light source for lithography for nano-scale microfabrication and a light source for a soft X-ray microscope capable of observing living organisms with high resolution. Development of light sources is underway. This Z-pinch is a phenomenon in which the plasma column itself is caused by the azimuthal self-magnetic field created by this current when a large current flows in the axial direction (Z direction) of the discharge tube in which the target gas (low pressure gas) is sealed. It is a phenomenon of compression (compressed plasma is generated).
図7(A)〜(C)は、従来のZピンチ放電方式による収縮プラズマの発生過程を表したものである(例えば、非特許文献1参照)。この発生過程では、まず、生成された環状の初期プラズマP101において、Z軸方向に大電流Izを流すと、この初期プラズマP101の中心方向へ向けて電磁力Frが発生する(図7(A))。よって、初期プラズマP101は次第にZ軸上に収縮され(図7(B)のプラズマP102)、最終的には200〜300μmの大きさに収縮され、高温かつ高エネルギー密度の最大収縮状態となる(図7(C))。このようにして、微小かつ高エネルギー密度の収縮プラズマP103が発生し、この収縮プラズマP103の発生に基づいて、極短波長(主に真空紫外線からX線に至る波長領域)の光が放射されるようになっている。 7A to 7C show a generation process of contracted plasma by a conventional Z pinch discharge method (see, for example, Non-Patent Document 1). In this generation process, first, when a large current Iz is passed in the Z-axis direction in the generated annular initial plasma P101, an electromagnetic force Fr is generated toward the center of the initial plasma P101 (FIG. 7A). ). Therefore, the initial plasma P101 is gradually contracted on the Z-axis (plasma P102 in FIG. 7B) and finally contracted to a size of 200 to 300 μm, and reaches a maximum contraction state at a high temperature and a high energy density ( FIG. 7 (C)). In this way, a small and high energy density contracted plasma P103 is generated, and light of an extremely short wavelength (mainly a wavelength region from vacuum ultraviolet rays to X-rays) is emitted based on the generation of the contracted plasma P103. It is like that.
ところで、このようなZピンチ放電方式などのピンチ放電方式による光放射では、プラズマ発生に基づく放射光のスペクトル特性を制御することはできないという問題があった。したがって、例えば特定の波長領域の強度だけを選択的に向上させたいような場合であっても、スペクトル全体として強度を向上させる必要が生じ、装置への投入エネルギーが不必要に増大してしまっていた。 By the way, the light emission by the pinch discharge method such as the Z pinch discharge method has a problem that the spectral characteristic of the emitted light based on the plasma generation cannot be controlled. Therefore, for example, even when it is desired to selectively improve only the intensity of a specific wavelength region, it is necessary to improve the intensity of the entire spectrum, and the energy input to the apparatus is unnecessarily increased. .
このようにして、放射光のスペクトル特性を制御することができない従来の技術では、プラズマ発生に基づく放射光を効率よく取り出すことは困難であった。 Thus, it has been difficult to efficiently extract the radiated light based on the generation of plasma by the conventional technique in which the spectral characteristic of the radiated light cannot be controlled.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、プラズマ発生に基づく放射光をより効率的に取り出すことが可能なプラズマ発生装置およびスペクトル制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a plasma generation apparatus and a spectrum control method capable of more efficiently extracting radiation light based on plasma generation.
本発明の第1のプラズマ発生装置は、初期プラズマを生成すると共にこの初期プラズマを所定の軸線上に収縮させることにより、収縮プラズマを発生させるプラズマ発生部と、初期プラズマが生成される以前から上記軸線に沿って磁場を印加する磁場印加部と、この磁場印加部により印加する磁場の強度を調整する磁場強度調整手段とを備えたものである。 The first plasma generator of the present invention generates an initial plasma and contracts the initial plasma on a predetermined axis, thereby generating a contracted plasma, and before the initial plasma is generated. A magnetic field application unit that applies a magnetic field along the axis and a magnetic field strength adjusting unit that adjusts the strength of the magnetic field applied by the magnetic field application unit are provided.
ここで、「初期プラズマ」とは、ターゲットガスが絶縁破壊することにより生成される円環状のプラズマのことであり、収縮プラズマとなる前のプラズマ状態を意味する。 Here, the “initial plasma” is an annular plasma generated by the dielectric breakdown of the target gas, and means a plasma state before becoming a contracted plasma.
本発明のスペクトル制御方法は、初期プラズマを生成すると共にこの初期プラズマを所定の軸線上に収縮させることにより、収縮プラズマを発生させ、初期プラズマが生成される以前から上記軸線に沿って磁場を印加すると共にこの印加磁場の強度を調整することにより、収縮プラズマに基づく放射光のスペクトル特性を制御するようにしたものである。 The spectral control method of the present invention generates an initial plasma and contracts the initial plasma on a predetermined axis to generate a contracted plasma, and applies a magnetic field along the axis before the initial plasma is generated. In addition, by adjusting the intensity of the applied magnetic field, the spectral characteristics of the emitted light based on the contracted plasma are controlled.
本発明の第1のプラズマ発生装置およびスペクトル制御方法では、初期プラズマが生成される以前から所定の軸線に沿って磁場が印加されているため、初期プラズマが収縮される際にこの磁場による磁束が収縮プラズマの中心方向に束ねられ、収縮されるにつれて中心部分の磁束密度が急激に高まる。ここで、電磁力は磁束密度の2乗に比例することから、プラズマが収縮されるにつれてこの収縮方向とは逆向き(外向き)の電磁力が強まり、その結果、プラズマの収縮の度合い(収縮速度)が緩和され、収縮プラズマにおける最大収縮状態の持続時間(最大収縮持続時間)が長くなる。また、この収縮速度の緩和の度合いは、印加する磁場の強度により調整可能であることから、最大収縮持続時間が長くなる度合いも、任意に調整可能となる。 In the first plasma generation apparatus and spectrum control method of the present invention, since the magnetic field is applied along the predetermined axis before the initial plasma is generated, the magnetic flux generated by the magnetic field is generated when the initial plasma is contracted. It is bundled in the center direction of the contracted plasma, and as it contracts, the magnetic flux density in the center portion increases rapidly. Here, since the electromagnetic force is proportional to the square of the magnetic flux density, the electromagnetic force in the direction opposite to the contraction direction (outward) increases as the plasma contracts, and as a result, the degree of contraction of the plasma (contraction) (Velocity) is relaxed, and the duration of the maximum contraction state (maximum contraction duration) in the contraction plasma is increased. Further, since the degree of relaxation of the contraction speed can be adjusted by the strength of the magnetic field to be applied, the degree of the maximum contraction duration can be arbitrarily adjusted.
本発明の第2のプラズマ発生装置は、初期プラズマを生成すると共にこの初期プラズマを所定の軸線上に収縮させることにより、収縮プラズマを発生させるプラズマ発生部と、初期プラズマの収縮過程でこの初期プラズマの収縮方向とは逆方向に電磁力が発生するように、磁場を印加する磁場印加部と、この磁場印加部により印加する磁場の強度を調整する磁場強度調整手段とを備えたものである。 The second plasma generator of the present invention generates an initial plasma and contracts the initial plasma on a predetermined axis, thereby generating a contracted plasma, and the initial plasma in the contraction process of the initial plasma. A magnetic field applying unit that applies a magnetic field and a magnetic field intensity adjusting unit that adjusts the strength of the magnetic field applied by the magnetic field applying unit so that an electromagnetic force is generated in a direction opposite to the contraction direction of the magnetic field.
本発明の第2のプラズマ発生装置では、初期プラズマの収縮過程でこの初期プラズマの収縮方向とは逆方向に電磁力が発生するようにして、磁場が印加されるため、この逆方向の電磁力によって、プラズマの収縮速度が緩和され、収縮プラズマにおける最大収縮持続時間が長くなる。また、この収縮速度の緩和の度合いは、印加する磁場の強度により調整可能であることから、最大収縮持続時間が長くなる度合いも、任意に調整可能となる。 In the second plasma generating apparatus of the present invention, the electromagnetic force is generated in a direction opposite to the contracting direction of the initial plasma in the contracting process of the initial plasma, and the magnetic force is applied. As a result, the contraction rate of the plasma is relaxed, and the maximum contraction duration in the contraction plasma is increased. Further, since the degree of relaxation of the contraction speed can be adjusted by the strength of the magnetic field to be applied, the degree of the maximum contraction duration can be arbitrarily adjusted.
本発明の第1のプラズマ発生装置では、上記磁場印加部がコイルを含むと共に、上記磁場強度調整手段がこのコイルに流す電流の大きさを調整することにより、磁場の強度を調整するようにしてもよい。このように構成した場合、このコイルに流す電流の調整によって、プラズマの収縮速度における緩和の度合いが調整される。 In the first plasma generator of the present invention, the magnetic field application unit includes a coil, and the magnetic field strength adjusting means adjusts the magnitude of the current flowing through the coil, thereby adjusting the strength of the magnetic field. Also good. When configured in this manner, the degree of relaxation in the contraction speed of the plasma is adjusted by adjusting the current passed through the coil.
本発明の第1のプラズマ発生装置では、上記磁場強度調整手段が、収縮プラズマに基づく放射光において特定の波長成分の強度が選択的に増加するように、磁場の強度を調整するようにするのが好ましい。 In the first plasma generator of the present invention, the magnetic field intensity adjusting means adjusts the intensity of the magnetic field so that the intensity of a specific wavelength component is selectively increased in the radiation light based on the contracted plasma. Is preferred.
本発明の第1のプラズマ発生装置では、上記磁場印加部により印加する磁場を、所定強度の直流磁場としてもよく、また、パルス磁場としてもよい。 In the first plasma generating apparatus of the present invention, the magnetic field applied by the magnetic field applying unit may be a direct-current magnetic field having a predetermined strength or a pulsed magnetic field.
本発明の第1のプラズマ発生装置またはスペクトル制御方法によれば、初期プラズマが生成される以前から所定の軸線に沿って磁場を印加すると共にこの印加磁場の強度を調整するようにしたので、プラズマの収縮速度を緩和させると共にその緩和の度合いを調整することができ、これにより収縮プラズマの最大収縮持続時間も調整できることから、プラズマ発生に基づく放射光をより効率的に取り出すことが可能となる。 According to the first plasma generating apparatus or spectrum control method of the present invention, since the magnetic field is applied along the predetermined axis before the initial plasma is generated and the strength of the applied magnetic field is adjusted, Since the contraction speed of the plasma can be relaxed and the degree of the relaxation can be adjusted, and the maximum contraction duration of the contracted plasma can be adjusted accordingly, the emitted light based on the plasma generation can be extracted more efficiently.
また、本発明の第2のプラズマ発生装置によれば、初期プラズマの収縮過程で初期プラズマの収縮方向とは逆方向に電磁力が発生するように磁場を印加するようにしたので、この逆方向の電磁力によってプラズマの収縮速度を緩和させると共にその緩和の度合いを調整することができ、これによりプラズマの最大収縮持続時間が長くなる度合いも調整できることから、プラズマ発生に基づく放射光をより効率的に取り出すことが可能となる。 According to the second plasma generator of the present invention, the magnetic field is applied so that the electromagnetic force is generated in the direction opposite to the contraction direction of the initial plasma during the contraction process of the initial plasma. Since the electromagnetic contraction can reduce the rate of plasma contraction and adjust the degree of relaxation, which can also adjust the degree to which the maximum plasma contraction duration is increased, more efficient radiation light based on plasma generation Can be taken out.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係るプラズマ発生装置の構成を断面斜視図で表すものである。このプラズマ発生装置1は、Zピンチ放電方式を用いて収縮プラズマPを発生させると共にこの収縮プラズマに基づく光(放射光L)を放射するプラズマ光源であり、コンデンサ2と、このコンデンサ2に接続されると共に互いに対向する一対の環状電極(陰極31および陽極32)と、これら陰極31と陽極32との間に配置された電極支持体4と、コンデンサ2と陰極31および陽極32との間を接続または切断するスイッチSWと、陰極31および陽極32を挟むようにして配置された一対の環状コイル(コイル6A,6B)と、これらコイル6A,6Bをそれぞれ駆動する駆動電源5と、この駆動電源5に接続された磁場調整部7とから構成されている。なお、本発明の一実施の形態に係るスペクトル制御方法は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置によって具現化されるので、以下、併せて説明する。
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of a plasma generator according to an embodiment of the present invention. The plasma generator 1 is a plasma light source that generates contracted plasma P using a Z-pinch discharge method and emits light (radiated light L) based on the contracted plasma. The plasma generator 1 is connected to the
コンデンサ2は、図示しない高圧電源に基づいて高圧の電荷(後述する投入エネルギーE0)を充電しておく部分である。また、陰極31および陽極32はそれぞれ電極として機能しており、コンデンサ2からスイッチSWを介して、これらの電極間に投入エネルギーE0に基づく電圧を印加することにより、例えばキセノン(Xe)などからなるターゲットガスGを放電させ、これら環状電極の形状に応じた環状のプラズマP(後述する初期プラズマP1)を生成するものである。また、これら陰極31および陽極32は、詳細は後述するが、生成したこのプラズマPに対して電極間の方向(後述するZ軸方向)に10〜50kAの大電流を流すことにより(Zピンチ放電方式)、収縮されたプラズマ(後述する収縮プラズマP2,P3)を発生させるようになっている。ここで、「ピンチ」とは、ターゲットガスが封入された放電管において所定の軸線に沿って大電流を流した場合に、この電流が作り出す方位角方向の自己磁場により、初期プラズマ自身が圧縮される(圧縮プラズマが発生する)現象のことを意味する。なお、これら陰極31および陽極32は、絶縁性の電極支持体4により互いに電気的に隔離されると共に支持されるようになっている。また、陰極31、陽極32および電極支持体4はそれぞれ、ターゲットガスGが封入された真空容器内に配置されるようになっている。
The
コイル6A,6Bはそれぞれ、駆動電源5から供給される電流に基づいて、陰極31と陽極32との間(後述するZ軸方向)に磁場B1,B2を印加するものである。また、詳細は後述するが、これら磁場B1,B2は、プラズマPが生成される以前から印加されるようになっており、これによってプラズマPの収縮の度合い(後述する収縮速度)が緩和されるようになっている。なお、これら磁場B1,B2は、所定強度の直流磁場、あるいはパルス磁場のどちらであってもよい。
The
磁場調整部7は、駆動電源5を介してコイル6A,6Bに流れる電流を調整することにより、これらコイル6A,6Bから印加される磁場B1,B2の強度をそれぞれ調整するものである。このようにして磁場B1,B2の強度を調整することにより、詳細は後述するが、上記したプラズマPの収縮速度における緩和の度合いを制御できるようになっている。
The magnetic field adjustment unit 7 adjusts the currents flowing through the
ここで、コンデンサ2、スイッチSW、陰極31、陽極32および電極支持体4が、本発明における「プラズマ発生部」の一具体例に対応する。また、駆動電源5およびコイル6A,6Bが本発明における「磁場印加部」の一具体例に対応し、磁場調整部7が本発明における「磁場調整手段」の一具体例に対応する。
Here, the
次に、図1〜図3を参照して、このような構成のプラズマ発生装置1の動作について、詳細に説明する。ここで、図2は、プラズマPの収縮過程(収縮プラズマの発生過程)を模式的に表したものであり、図3は、プラズマ半径と時間との関係を表したものである。 Next, the operation of the plasma generator 1 having such a configuration will be described in detail with reference to FIGS. Here, FIG. 2 schematically shows the contraction process of plasma P (generation process of contraction plasma), and FIG. 3 shows the relationship between the plasma radius and time.
まず、このプラズマ発生装置1では、プラズマPを生成する以前から、陰極31と陽極32との間に、磁場B1,B2が印加される。具体的には、磁場調整部6による制御に基づいて、駆動電源5からコイル6A,6Bへ電流が供給され、これにより陰極31と陽極32との間に磁場B1,B2が印加される。
First, in this plasma generator 1, magnetic fields B1 and B2 are applied between the cathode 31 and the anode 32 before the plasma P is generated. Specifically, based on control by the magnetic field adjustment unit 6, current is supplied from the
次いで、磁場B1,B2が印加された状態のもとでスイッチSWがオン状態になると、高圧の電荷が充電されたコンデンサ2によって、陰極31と陽極32との間に、投入エネルギーE0に基づく高圧の電圧が印加される。そしてこの電圧に基づいてターゲットガスGが放電すると、電極支持体4の表面付近において、図2(A)に示したような環状の初期プラズマP1が生成される。
Next, when the switch SW is turned on with the magnetic fields B1 and B2 applied, a high voltage based on the input energy E0 is applied between the cathode 31 and the anode 32 by the
次いで、図2(A)に示したように、この初期プラズマP1にZ軸方向の磁場Bz(前述の磁場B1,B2)を印加しつつ、陰極31と陽極32との間、すなわち同じくZ軸方向に10〜50kA程度の大電流を流すと、初期プラズマP1の中心方向へ電磁力Frが発生し、図2(B)に示したように、この初期プラズマPが次第にZ軸上に収縮される(収縮プラズマP2)。 Next, as shown in FIG. 2A, while applying a magnetic field Bz in the Z-axis direction (the above-described magnetic fields B1 and B2) to the initial plasma P1, it is between the cathode 31 and the anode 32, that is, similarly to the Z-axis. When a large current of about 10 to 50 kA flows in the direction, an electromagnetic force Fr is generated in the central direction of the initial plasma P1, and as shown in FIG. 2B, the initial plasma P is gradually contracted on the Z axis. (Shrinking plasma P2).
ここで、本実施の形態のプラズマ生成装置1では、この収縮プラズマP2の収縮軸方向(Z軸方向)に沿って磁場Bzが印加されているため、図2(B)に示したように、この磁場Bzによる磁束が、収縮プラズマP2の中心方向に束ねられる。よって、このプラズマが収縮されるにつれて、その中心部分の磁束密度が、急激に高まる。 Here, in the plasma generation apparatus 1 of the present embodiment, since the magnetic field Bz is applied along the contraction axis direction (Z-axis direction) of the contraction plasma P2, as shown in FIG. The magnetic flux by the magnetic field Bz is bundled in the center direction of the contracted plasma P2. Therefore, as the plasma is contracted, the magnetic flux density in the central portion increases rapidly.
ここで、電磁力は磁束密度の2乗に比例することから、プラズマが収縮されるにつれて、この収縮方向とは逆向き(外向き)の電磁力が発生すると共にその大きさが急激に強まり、その結果、プラズマの収縮速度が緩和される。よって、例えば図3に示したように、磁場Bzを印加しない従来の場合(図中のグラフG0)におけるプラズマの最大収縮状態の持続時間T0(最大収縮持続時間)と比べて、磁場Bzを印加する本実施の形態(図中のグラフG1)におけるプラズマの最大収縮持続時間T1のほうが長くなり、言い換えると、プラズマが最大収縮状態でより安定化する。また、同じく図3に示したように、従来の場合(グラフG0)における最大収縮時のプラズマ半径と比べ、本実施の形態(グラフG1)における最大収縮時のプラズマ半径のほうが、大きくなっている。すなわち、本実施の形態では、従来と比べてプラズマの収縮速度が緩和され、これにより最大収縮持続時間もより長くなる。 Here, since the electromagnetic force is proportional to the square of the magnetic flux density, as the plasma contracts, an electromagnetic force in the opposite direction (outward) to this contracting direction is generated and its magnitude rapidly increases. As a result, the plasma shrinkage rate is relaxed. Therefore, for example, as shown in FIG. 3, the magnetic field Bz is applied as compared with the duration T0 (maximum contraction duration) of the maximum plasma contraction state in the conventional case where the magnetic field Bz is not applied (graph G0 in the figure). In this embodiment (graph G1 in the figure), the maximum contraction duration T1 of plasma is longer, in other words, the plasma is more stabilized in the maximum contraction state. Similarly, as shown in FIG. 3, the plasma radius at the maximum contraction in the present embodiment (graph G1) is larger than the plasma radius at the maximum contraction in the conventional case (graph G0). . That is, in the present embodiment, the plasma contraction rate is reduced as compared with the conventional case, and thereby the maximum contraction duration is longer.
また、磁場Bzの強度、すなわちコイル6A,6Bに流す電流の大きさは、磁場調整部7によって調整可能であるため、収縮速度の緩和の度合いが印加する磁場Bzの強度によって任意に調整可能となり、その結果、最大収縮持続時間が長くなる度合いも任意に調整可能となる。
Further, since the strength of the magnetic field Bz, that is, the magnitude of the current flowing through the
このようにして、図2(C)に示したように、最終的にプラズマは、従来と比べ収縮の度合いが緩和化されると共にその緩和の度合いが調整された最大収縮状態(収縮プラズマP3)となり、微小かつ高エネルギー密度の収縮プラズマP3が発生する。そしてこの収縮プラズマP3の発生に基づいて、極短波長(主に真空紫外線からX線に至る波長領域)の光(放射光L)が放射される。 In this way, as shown in FIG. 2C, the plasma is finally contracted in a maximum contracted state (contracted plasma P3) in which the degree of contraction is relaxed and the degree of relaxation is adjusted as compared with the conventional case. Thus, a contracted plasma P3 having a minute and high energy density is generated. Based on the generation of the contracted plasma P3, light (radiated light L) having an extremely short wavelength (a wavelength region mainly ranging from vacuum ultraviolet rays to X-rays) is emitted.
次に、図4〜図6を参照して、本実施の形態に係るプラズマ発生装置の具体的な実施例について説明する。ここで、図4は、磁場Bzの強度と放射光L(極端紫外領域の放射光の場合)の発光強度との関係の一例をスペクトル特性で表したものであり、図5は、磁場Bzの強度と、波長13.5nmの光出力との関係の一例(コンデンサ2に蓄えられた投入エネルギーがE0=15Jの場合)を表したものであり、図6は、磁場Bzの有無による収縮プラズマの変化の一例を説明するためのプラズマ中心部の写真であり、図6(A)は約300(Gauss)の磁場Bzを印加した場合を、図6(B)は磁場Bzを印加しない従来の場合を、それぞれ示している。なお、この実施例では、ターゲットガスGとして、キセノン(Xe)を用いている。
Next, specific examples of the plasma generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 4 shows an example of the relationship between the intensity of the magnetic field Bz and the emission intensity of the radiated light L (in the case of radiated light in the extreme ultraviolet region) with spectral characteristics, and FIG. FIG. 6 shows an example of the relationship between the intensity and the light output at a wavelength of 13.5 nm (when the input energy stored in the
まず、図4に示したように、磁場Bzを印加しない従来の場合と比べ、磁場Bzを印加する本実施の形態のほうが、放射光Lの発光強度がより大きくなっていることが分かる。これは、前述のように本実施の形態では、従来と比べてプラズマの最大収縮持続時間が長くなり、最大収縮状態でより安定化するためである。よって、プラズマの収縮過程において磁場Bzを印加することにより、放射光Lの発光強度が高まり、より効率的に光を放射できることが分かる。 First, as shown in FIG. 4, it can be seen that the emission intensity of the emitted light L is higher in the present embodiment in which the magnetic field Bz is applied than in the conventional case in which the magnetic field Bz is not applied. This is because, as described above, in the present embodiment, the maximum plasma contraction duration is longer than in the conventional case, and the plasma is further stabilized in the maximum contraction state. Therefore, it can be seen that by applying the magnetic field Bz in the plasma contraction process, the emission intensity of the emitted light L is increased, and light can be emitted more efficiently.
また、印加する磁場Bzの強度に応じて放射光Lの発光強度も変化していることから、この磁場Bzの強度、すなわちコイル6A,6Bに流す電流の大きさを調整することにより、放射光Lのスペクトル特性、具体的には発光強度を制御できることが分かる。より具体的には、例えば図5に示したように、印加する磁場Bzの強度に応じて光出力(放射光Lの発光強度)の最適値が存在する場合には、この最適値となるように、磁場Bzの強度を調整することができる。なお、図5の場合の例では、磁場Bzの強度を約300(Gauss)程度に設定することで、波長13.5nmの光出力を最大にすることができることが分かる。
Further, since the emission intensity of the radiated light L also changes in accordance with the intensity of the magnetic field Bz to be applied, the radiated light is adjusted by adjusting the intensity of the magnetic field Bz, that is, the magnitude of the current flowing through the
さらに、印加する磁場Bzの強度に応じて増加する発光強度の割合が、放射光Lの波長によって若干異なっているため(例えば図4の場合の例では、約11nm程度の波長領域や、約13.5nm程度の波長領域において、増加の割合が大きくなっている)、特定の波長領域における放射光の発光強度が他の波長領域における放射光の発光強度と比べてより増加するように磁場Bzを調整することにより、目標波長の放射光の発光強度を選択的に増加させることも可能であることが分かる。 Furthermore, the ratio of the emission intensity that increases according to the intensity of the applied magnetic field Bz is slightly different depending on the wavelength of the radiated light L (for example, in the case of FIG. 4, in the wavelength region of about 11 nm or about 13 In the wavelength region of about 5 nm, the rate of increase is large), and the magnetic field Bz is set so that the emission intensity of the radiated light in a specific wavelength region increases more than the emission intensity of the radiated light in other wavelength regions. It can be seen that it is possible to selectively increase the emission intensity of the emitted light of the target wavelength by adjusting.
また、図6(A)および図6(B)を比較すると、磁場Bzを印加しない従来の場合(図6(B))では収縮プラズマの形状が楕円形となっている一方、磁場Bzを印加する本実施例の場合(図6(A))の場合では、収縮プラズマの形状が円形になっており、本実施例のほうがプラズマがより均一に収縮され、より安定化していることが分かる。また、従来の場合と比べ、本実施例の場合のほうが収縮プラズマが若干大きくなっており(直径270μmに対して直径350μm)、実際に最大収縮の度合いが緩和化されていることが分かる。
6A and 6B, in the conventional case where the magnetic field Bz is not applied (FIG. 6B), the shape of the contracted plasma is elliptical, while the magnetic field Bz is applied. In the case of this example (FIG. 6A), the shape of the contracted plasma is circular, and it can be seen that the plasma is more uniformly contracted and stabilized in this example. Further, compared with the conventional case, the contracted plasma is slightly larger in the case of the present embodiment (diameter 350 μm with respect to the
以上のように、本実施の形態では、初期プラズマP1が生成される以前からコイル6A,6BによってZ軸方向に沿って磁場Bzを印加すると共に、磁場調整部7によってこの印加磁場Bzの強度を調整するようにしたので、プラズマの収縮速度を緩和させると共にその緩和の度合いを調整することができ、これによりプラズマの最大収縮持続時間が長くなる度合いも調整できることから、ピンチ放電方式を用いた光放射において、プラズマ発生に基づく放射光Lをより効率的に取り出すことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the magnetic field Bz is applied along the Z-axis direction by the
また、磁場強度調整部7により、印加する磁場Bzの強度を調整するようにしたので、放射光Lのスペクトル特性を制御することが可能となる。具体的には、プラズマの収縮の度合い(収縮速度)を調整することにより、放射光Lの強度を全体的に増加させることや、目標波長の光の強度を選択的に増加させることが可能となる。 Moreover, since the intensity of the magnetic field Bz to be applied is adjusted by the magnetic field intensity adjusting unit 7, the spectral characteristics of the emitted light L can be controlled. Specifically, by adjusting the degree of contraction (contraction rate) of the plasma, it is possible to increase the intensity of the radiated light L as a whole, or to selectively increase the intensity of light of the target wavelength. Become.
また、駆動電源5およびコイル6A,6Bにより磁場Bzを印加するようにしたので、磁場調整部7が駆動電源5を介してこれらコイル6A,6Bに流れる電流を調整することにより、実際に磁場Bzの強度を調整することが可能となる。
In addition, since the magnetic field Bz is applied by the
また、印加する磁場Bzの強度調整により、プラズマが収縮する際のエネルギー状態(密度・温度)を制御することが可能なので、例えば発光粒子の数を増やして投入エネルギーを増加させるなどすることことなく、目標波長の光の強度を選択的に増加させることができる。よって、効率よく目標波長の光の強度を増加させることが可能となる。 Further, the energy state (density / temperature) when the plasma contracts can be controlled by adjusting the strength of the magnetic field Bz to be applied. For example, without increasing the input energy by increasing the number of luminescent particles. , The intensity of light of the target wavelength can be selectively increased. Therefore, it is possible to efficiently increase the intensity of light having the target wavelength.
また、プラズマの安定性を向上させることができるので、プラズマの流体不安定性に起因する、余分な高速イオンの発生を低減させることが可能となる。 In addition, since the plasma stability can be improved, it is possible to reduce the generation of extra high-speed ions due to the fluid instability of the plasma.
また、磁場Bzを印加することにより、プラズマ中の荷電粒子が螺旋運動をするようになるので、プラズマ抵抗が増加し、プラズマをより効率的に加熱することが可能となる。 Further, by applying the magnetic field Bz, the charged particles in the plasma undergo a spiral motion, so that the plasma resistance increases and the plasma can be heated more efficiently.
さらに、放射光Lの強度を高めることができるので、高効率で極短波長の放射光を発生させることができる。よって、例えばこの放射光Lをナノスケールの半導体等の微細加工用に利用するような場合には、そのような半導体等の製造コストを低減させることが可能となる。また、例えばこの放射光Lを軟X線顕微鏡に適用するような場合には、従来主にシンクロトロン(SOR)を用いて行っていた生体顕微鏡による研究を、小型の軟X線顕微鏡によって行うことができるようになり、そのような研究を小規模な研究室等によっても行うことが可能となる。 Furthermore, since the intensity | strength of the emitted light L can be raised, the emitted light of a very short wavelength can be generated with high efficiency. Therefore, for example, when this radiated light L is used for microfabrication of a nanoscale semiconductor or the like, the manufacturing cost of such a semiconductor or the like can be reduced. In addition, for example, when this synchrotron radiation L is applied to a soft X-ray microscope, research using a biological microscope, which has been mainly performed using a synchrotron (SOR), is performed using a small soft X-ray microscope. It becomes possible to conduct such research even in a small laboratory.
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。 While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施の形態では、コイル6A,6Bに流れる電流を調整して磁場Bzの強度を調整する場合について説明したが、この磁場Bzの強度調整方法としては、この方法には限られない。具体的には、例えば永久磁石を用いて磁場Bzの最適化を行うことにより、強度調整を行う方法などが挙げられる。
For example, in the above-described embodiment, the case where the current flowing through the
また、上記実施の形態では、初期プラズマP1が生成される以前から収縮プラズマの最大収縮時まで、磁場Bzを印加する場合について説明したが、最大収縮時よりも前で磁場Bzの印加を止めるようにしてもよい。このようにして磁場Bzの印加を途中で止めた場合でも、初期プラズマP1が生成される時点で印加されているのであれば、磁場Bzは継続してプラズマ内に束ねられていることから、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。 In the above embodiment, the case where the magnetic field Bz is applied from before the initial plasma P1 is generated until the maximum contraction of the contraction plasma is described. However, the application of the magnetic field Bz is stopped before the maximum contraction. It may be. Even when the application of the magnetic field Bz is stopped halfway in this way, the magnetic field Bz is continuously bundled in the plasma if it is applied when the initial plasma P1 is generated. The same effects as in the embodiment can be obtained.
さらに、上記実施の形態では、ピンチ放電方式の一例として、Zピンチ放電方式によるプラズマ発生の場合について説明したが、本発明は、例えばプラズマフォーカス放電方式やθピンチ放電方式など、他のピンチ放電方式によるプラズマ発生の場合にも適用することが可能であり、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。 Furthermore, in the above embodiment, the case of plasma generation by the Z pinch discharge method has been described as an example of the pinch discharge method. However, the present invention is not limited to other pinch discharge methods such as a plasma focus discharge method or a θ pinch discharge method. The present invention can also be applied to the case of plasma generation by the above, and the same effect as in the above embodiment can be obtained.
本発明に係るプラズマ発生装置およびスペクトル制御方法は、例えば、ナノスケールの微細加工のためのリソグラフィ用の光源や、生物を生きたまま高解像度で観察可能な軟X線顕微鏡用の光源など、極短波長(主に真空紫外線からX線に至る波長領域)の放射光を用いるあらゆる産業分野で利用することが可能である。 The plasma generator and the spectrum control method according to the present invention include, for example, a lithography light source for nanoscale microfabrication and a light source for a soft X-ray microscope capable of observing living organisms with high resolution. The present invention can be used in all industrial fields that use synchrotron radiation having a short wavelength (mainly a wavelength region from vacuum ultraviolet rays to X-rays).
1…プラズマ発生装置、2…コンデンサ、31…陰極、32…陽極、4…電極支持体、5…駆動電源、6A,6B…コイル、7…磁場調整部、SW…スイッチ、G…ターゲットガス、P…プラズマ、P1……初期プラズマ、P2,P3…収縮プラズマ、B1,B2,Bz…印加磁場、Iz…電流、Fr…電磁力、L…放射光。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma generator, 2 ... Capacitor, 31 ... Cathode, 32 ... Anode, 4 ... Electrode support body, 5 ... Drive power supply, 6A, 6B ... Coil, 7 ... Magnetic field adjustment part, SW ... Switch, G ... Target gas, P: Plasma, P1: Initial plasma, P2, P3: Contracted plasma, B1, B2, Bz: Applied magnetic field, Iz: Current, Fr: Electromagnetic force, L: Synchrotron radiation.
Claims (7)
前記初期プラズマが生成される以前から前記軸線に沿って磁場を印加する磁場印加部と、
前記磁場印加部により印加する磁場の強度を調整する磁場強度調整手段と
を備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。 A plasma generating section for generating a contracted plasma by generating an initial plasma and contracting the initial plasma on a predetermined axis;
A magnetic field applying unit that applies a magnetic field along the axis before the initial plasma is generated;
And a magnetic field intensity adjusting means for adjusting the intensity of the magnetic field applied by the magnetic field applying unit.
前記磁場強度調整手段は、前記コイルに流す電流の大きさを調整することにより、前記磁場の強度を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ発生装置。 The magnetic field application unit includes a coil,
The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field intensity adjusting unit adjusts the intensity of the magnetic field by adjusting a magnitude of a current flowing through the coil.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプラズマ発生装置。 3. The magnetic field intensity adjusting unit adjusts the intensity of the magnetic field so that the intensity of a specific wavelength component is selectively increased in the radiation light based on the contracted plasma. The plasma generator described.
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field applied by the magnetic field applying unit is a direct-current magnetic field having a predetermined intensity.
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field applied by the magnetic field generator is a pulsed magnetic field.
前記初期プラズマの収縮過程でこの初期プラズマの収縮方向とは逆方向に電磁力が発生するように、磁場を印加する磁場印加部と、
前記磁場印加部により印加する磁場の強度を調整する磁場強度調整手段と
を備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。 A plasma generating section for generating a contracted plasma by generating an initial plasma and contracting the initial plasma on a predetermined axis;
A magnetic field application unit that applies a magnetic field so that an electromagnetic force is generated in a direction opposite to the contraction direction of the initial plasma in the contraction process of the initial plasma;
And a magnetic field intensity adjusting means for adjusting the intensity of the magnetic field applied by the magnetic field applying unit.
前記初期プラズマが生成される以前から前記軸線に沿って磁場を印加すると共にこの印加磁場の強度を調整することにより、前記収縮プラズマに基づく放射光のスペクトル特性を制御する
ことを特徴とするスペクトル制御方法。 By generating an initial plasma and contracting the initial plasma on a predetermined axis, a contracted plasma is generated,
Spectral control characterized by controlling the spectral characteristics of the radiation light based on the contracted plasma by applying a magnetic field along the axis and adjusting the strength of the applied magnetic field before the initial plasma is generated. Method.
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