JP2006228998A - 極端紫外線光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＰＰ型極端紫外光源装置において、中空円筒に近い形状を有するターゲットジェットを安定して形成する。
【解決手段】 極端紫外光の生成が行われるチャンバと、開口からターゲット物質をチャンバ内に噴射することにより、ターゲット物質の噴流を形成するために用いられるノズルであって、該ノズル内を通過するターゲット物質の進行方向に対して垂直な断面における形状が弧状である開口５ａが形成されたノズル５と、チャンバ内においてターゲット物質の噴流を照射するためのレーザ光を発生する少なくとも１つのレーザ光源と、該レーザ光源から出射したレーザ光を、チャンバ内の所定の位置に導く少なくとも１つの集光レンズとを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体ウエハ等を露光するために用いられる極端紫外光を発生するＬＰＰ(Laser Produced Plasma)型極端紫外（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ）光源装置に関する。

半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィも微細化が急速に進展しており、次世代においては、１００〜７０ｎｍの微細加工、更には５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。例えば、５０ｎｍ以下の微細加工の要求に応えるべく、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（cataoptric system）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

ＥＵＶ光源としては、レーザビームをターゲットに照射することによって生成するプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma）型と、放電によって生成するプラズマを用いたＤＰＰ（discharge produced plasma）型と、軌道放射光を用いたＳＲ（synchrotron radiation）型との３種類がある。これらの内でも、ＬＰＰ光源には、プラズマ密度をかなり大きくできるので黒体輻射に近い極めて高い輝度が得られ、ターゲット物質を選択することにより必要な波長帯のみの発光が可能であり、ほぼ等方的な角度分布を持つ点光源であるので光源の周囲に電極等の構造物がなく、２πsteradという極めて大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点がある。そのため、ＬＰＰ型のＥＵＶ光源装置は、数十ワット以上のパワーが要求されるＥＵＶリソグラフィ用の光源として有力であると考えられている。

ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置においては、次のようにＥＵＶ光の生成が行われる。真空ポンプが設けられたチャンバ（真空チャンバ）内に、キセノン（Ｘｅ）等のターゲット物質をノズルを用いて噴射することにより、ターゲット物質の噴流（以下において、「ターゲットジェット」又は単に「ジェット」ともいう）を形成する。このターゲットジェットに、チャンバ外に配置されたレーザから出射したレーザビームを集光して照射する。それによりターゲットがプラズマ化し、そのプラズマから１３．５ｎｍ近傍のＥＵＶ光が発生する。ここで、ターゲットジェットは、例えば、直径が約１０μｍ〜約１００μｍ程度の円柱状に形成されるので、レーザビームも、同程度の集光径となるように集光される。

ところで、ＥＵＶ光源においては、ターゲットに照射されたレーザエネルギからＥＵＶエネルギへの変換効率（Conversion Efficiency：ＣＥ）が重要なパラメータとなっている。ＣＥを上げるためには、レーザを照射することによって生成されるプラズマの温度及びサイズを最適にする必要がある。例えば、温度は２０ｅＶ〜３０ｅＶ程度であることが望ましく、プラズマのサイズは大きい方が望ましい。但し、光源の大きさと捕集角との積であるEtandueの制約があるため、プラズマのサイズは直径６００μ程度が上限である。なお、このEtandueの値は、光源装置のスペックとして決められている。

プラズマのサイズを大きくするためには、ターゲットジェットのサイズ（ジェット幅）を大きくすることが考えられる。しかしながら、単にターゲットジェットのサイズを大きくしてしまうと（例えば、直径１００μｍ程度）、チャンバ内に噴射されるターゲット物質の流量が増えるので、真空チャンバ内部において揮発する気体やプラズマの残渣も増えてしまう。そのため、真空度を維持するために排気ポンプに必要とされる排気能力が大きくなり、それに伴って排気ポンプのサイズが大きくなるという問題が生じてしまう。

そこで、ターゲットジェットを、円柱状ではなくシート状にして噴射する方法が提案されている。シートの平面に対して垂直にレーザビームを照射することにより、シート幅に応じてプラズマサイズを大きくすることができる。一方、シート状のターゲットジェットの奥行きは狭いので、円柱状のターゲットジェットと比較してターゲット物質の総量を大幅に減らすことができる。従って、先に述べた排気ポンプの大型化という問題を回避することができる。

特許文献１には、ターゲット材料（ターゲット物質）を収容する容器であって、少なくとも１つの開口を有すると共に、その開口を通してターゲット材料を薄いシート状のターゲット材料として噴射する容器と、ＥＵＶ光を放射するプラズマを生成するためにシート状のターゲット材料に照射されるレーザビームを出射するレーザ光源とを具備するＥＵＶ光源が開示されている。このＥＵＶ光源においては、シート状のターゲットを形成するために、直径が１０μｍ程度で、１列に並べられた２５個の開口からジェットを噴射したり、スロット状の開口からジェットを噴射することが行われている。ターゲットジェットは、開口部の寸法とほぼ同じ寸法で噴射されるので、特許文献１には、後者の場合に、望ましい値として、スロット状の開口の寸法を１０μｍ×５００μｍ程度とすることが開示されている（第３頁）。しかしながら、シート状ターゲットは、真空チャンバ内に噴射された後で捩れる場合があるので、捩れた平面に対して垂直にレーザ光を照射することは困難である。

また、特許文献２には、固体及び液体の少なくとも一方でありかつ流体をなす物質をターゲット材（ターゲット物質）とし、該ターゲット材を柱状に噴出させて一つの噴流ターゲットに形成するノズルと、連続パルスにより一つの点に集光照射する少なくとも一つのレーザビームとを備え、該レーザビームを集光照射して噴流ターゲット材を加熱し、高温高密度のプラズマを生成するものであって、上記ノズルは環形をなす一つのターゲット材噴出口を有し、該ターゲット材噴出口は断面が環形のジェット流となってその中心軸上に噴出する噴流ターゲットを単一の中空筒状ターゲットに形成するような所定の断面形状と寸法とを備えたレーザプラズマ発生構造が開示されている。即ち、このレーザプラズマ発生構造においては、ターゲットから発生するガスの発生量を少なくすると共に、ターゲットから発生するＸ線の変換効率又は発生効率を向上するために、ドーナツ形状（環形）の開口部又は複数の扇状の開口部を有するノズルからターゲット物質を噴射することにより、中空円筒状のターゲットジェットを生成している。

ターゲットを中空円筒状とすることにより、プラズマサイズを大きくするためにターゲットの直径を大きくしても、ターゲット物質の総量が大きく増えることはない。そのため、真空チャンバ内の真空度を維持することは比較的容易である。また、外形が円筒状であるので、ターゲットジェットが捩れた場合においても、レーザ光の照射面積の変化が少ないというメリットがある。

さらに、特許文献２には、このような中空円筒状ターゲットを用いることによる次のようなメリットも開示されている。即ち、レーザ光の集光照射により中空筒状ターゲットの外部表面からターゲット材が蒸散する反作用で壁厚部の内側のターゲット材には内部空間の中空部への加速応力が働き、中心部分に向かってターゲット材の集束と圧縮とが行われる。この結果、中空筒状ターゲットの中心軸位置で爆縮という現象が発生し、中心部分で圧縮されかつ高温の滞留プラズマを形成する（第８頁）。その滞留プラズマから生じるＸ線放射を利用することにより、Ｘ線変換効率を実効的に向上させることも可能である。
米国特許出願公開第ＵＳ２００３／０２２３５４３Ａ１号明細書（第３頁） 特開２００３−３０３６９６号公報（第６、８頁、図１、図７）

ところで、特許文献２に開示されているレーザプラズマ発生構造においては、ドーナツ形状を有する開口部からターゲット物質を噴射している。しかしながら、噴射後の中空円筒状ジェットにおいては、ターゲット物質の蒸発により圧力が上昇するので、中空円筒の中心部における圧力が、中空円筒状ジェットの外側における圧力を上回ってしまう。そのため、ジェットの形状が壊れてしまう可能性が高い。また、扇状の開口部を複数有するノズルを用いる場合には、複数のジェットの間隔が次第に開いてしまうことにより、レーザビームの照射位置において所望の形状を得られないという問題を生じる可能性がある。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ＬＰＰ型極端紫外光源装置において、中空円筒に近い形状を有するターゲットジェットを安定して形成することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る極端紫外光源装置は、極端紫外光の生成が行われるチャンバと、開口からターゲット物質をチャンバ内に噴射することにより、ターゲット物質の噴流を形成するために用いられるノズルであって、該ノズル内を通過するターゲット物質の進行方向に対して垂直な断面における形状が弧状である開口が形成されたノズルと、チャンバ内においてターゲット物質の噴流を照射するためのレーザ光を発生する少なくとも１つのレーザ光源と、該レーザ光源から出射したレーザ光を、チャンバ内の所定の位置に導く少なくとも１つの集光光学系とを具備する。

本発明によれば、弧状の開口が形成されたノズルからターゲット物質を噴射するので、中空円筒に近い形状を有するターゲットジェットを安定して形成することができる。従って、レーザビームの照射領域を広くしてプラズマサイズを大きくしつつ、ターゲット物質の総量を増やさないという中空円筒状ジェットの利点を十分に生かしてＥＵＶ光を生成することができる。

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。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る極端紫外（ＥＵＶ）光源装置の構成を示す模式図である。このＥＵＶ光源装置は、ＬＰＰ型を採用している。

図１に示すＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ生成チャンバ（真空チャンバ）１と、ＥＵＶ生成チャンバ１の内部を排気する真空ポンプ２と、ＥＵＶ生成チャンバ１の外部に設けられているレーザ光源３と、レーザ光源３から出射したレーザ光（レーザビーム）をＥＵＶ生成チャンバ１内の所定の位置に集光する集光レンズ４とを含んでいる。また、ＥＵＶ生成チャンバ１内には、液体のターゲット物質を噴射するためのノズル５と、集光ミラー９と、ターゲット回収筒１０とが設置されている。

ノズル５からキセノン（Ｘｅ）等のターゲット物質を噴射することにより、ターゲット物質の噴流６（以下において、「ターゲットジェット」又は単に「ジェット」ともいう）が形成される。後述するように、ノズル５には、中空円筒に近い形状を有するターゲットジェットを形成するために、所定の形状を有する開口が形成されている。

また、ノズル５には、加圧・冷却部７が設けられている。キセノン（Ｘｅ）のように常温で気体である物質をターゲット物質として用いる場合には、気体の状態でノズルに供給されたキセノンをノズル内において加圧及び冷却することにより、液化することが行われる。加圧・冷却部７における圧力及び温度は、制御部７ａによって制御される。

ターゲットジェット６に対して、レーザ光源３から出射して集光レンズ４を通過したレーザビーム８を照射すると、ターゲット物質がプラズマ化する。そのようにして生成されたプラズマから、１３．５ｎｍ近傍のＥＵＶ光が発生する。このＥＵＶ光は、集光ミラー９によって集光され、所望の方向に導かれる。また、プラズマ化されないで残留したターゲット物質は、ターゲット回収筒１０に回収される。

図２の（ａ）は、図１に示すＥＵＶ光源装置のノズル５の噴射口付近を拡大して示す側面図であり、図２の（ｂ）は、ノズル５の噴射口付近をターゲット物質の噴射方向（図１においては下方）から見た様子を示す平面図である。また、図３は、ノズル５から噴射されたターゲットジェットの変化の様子を示す図であり、ターゲットジェットの噴射方向と垂直な面における断面を示している。
図２の（ｂ）に示すように、ノズル５には、ターゲット物質が噴出する開口５ａが形成されている。この開口５ａの形状は、ノズル５内を通過するターゲット物質の進行方向に対して垂直な断面において、弧状となっている。

図２の（ｂ）に示すように、開口５ａの中心付近の幅は、端部の幅と比較して広くなっている。このような形状を有する開口５ａからターゲット物質を噴射することにより、次のような作用が生じる。即ち、ノズルから噴射されたターゲット物質は、急速に膨張して凍る。その際に、弧状の中心部は、端部と比較してボリュームが多いので、相対的に遅く凍る。そのため、図３に示すように、弧状の中心部から端部に向けて腕が伸びるように成長しつつ凍るので、結果として、中空円筒状の一部に切り欠きがある、中空円筒に近い形状を有するターゲットジェットが形成される。

本実施形態においては、ノズルの開口形状を弧状としているので、ノズルからターゲット物質が噴射された時点において、弧状の内側をＥＵＶ生成チャンバ１内に露出させることになる。そのため、弧状の内側と外側とにおいて、周囲の気圧は等しくなる。従って、完全な中空円筒状のジェットの場合と異なり、ジェットの中空部分における圧力の上昇を防ぐことができる。その結果、中空円筒状の形状を壊すことなくターゲットジェットを噴射することが可能となる。また、１つのつながった開口からターゲット物質を噴射するので、ターゲットジェットがレーザビームの照射位置に至るまでに、複数のジェットに散らばって互いに間隔が離れてしまうことはない。従って、レーザビームの照射位置においてターゲット物質の密度が低下することはなくなる。

図２においては、ノズルの開口形状である弧状の一例として三日月形状を示しているが、弧状であれば、三日月以外の形状であっても本実施形態に適用することができる。図４及び図５に、本実施形態に係るＥＵＶ光源装置のノズルに適用できる開口形状の別の例を示す。図４に示すように、弧状の湾曲を強くすることにより、開口５ｂの形状を「Ｃ」字型としても良い。また、図５に示すように、弧状の湾曲をさらに強くすることにより、開口５ｃの形状を円環の一部が切れた形状としても良い。図４及び図５に示す開口形状によっても、図２におけるのと同様の効果を得ることができると共に、弧状の湾曲を強くして腕を伸ばすことにより、ターゲットジェットの形状を比較的早く中空円筒に近い形状に至らしめることができる。

図６〜図８は、本実施形態に係るＥＵＶ光源装置における好ましいレーザ照射方法を説明するための図である。図６は、ノズル５の開口５ａからターゲットジェット６を噴射している様子を示しており、図７は、図６に示すターゲットジェット６のVII−VIIにおける断面形状を示しており、図８は、図６に示すターゲットジェット６のVIII−VIIIにおける断面形状を示している。

本実施形態に係るＥＵＶ光源装置においては、図６に示すノズル開口から噴射された直後の弧状のジェットから、図７に示す中空円筒に近い形状のジェットに成長するまで、多少の時間がかかる。そのため、ターゲット物質がノズルから噴射された直後にレーザビームの照射を開始してしまうと、レーザビームの照射位置において十分なジェットの幅を得ることができない。その結果、十分なＥＵＶエネルギを得ることができなくなってしまう。

そのため、本実施形態においては、図６に示すように、ノズル５から距離Ｌ以上離れた位置にレーザビーム８が照射されるように、レーザ光源３及び集光レンズ４を配置する。この距離Ｌは、ノズル５の開口５ａから噴射されたターゲットジェットの形状の変化が完了した後の位置、即ち、ターゲットジェットの断面形状が定常化した後の位置とする。このようにレーザビームの照射位置を決めることにより、ターゲットジェットの外径が大きくなると共に、形状が安定するので、十分なＥＵＶエネルギを得ることができると共に、ＥＵＶエネルギのばらつきを抑制することができる。

次に、本実施形態に係るＥＵＶ光源装置におけるターゲット物質の温度制御方法について説明する。
本実施形態においては、ターゲット物質として液体が用いられる。そのため、ノズルから噴射される前のターゲット物質は、ターゲットの溶融温度より高い温度に調節されている必要がある。ターゲット物質の温度がその物質の溶融温度よりも低くなると、ターゲット物質がノズル内で固化して噴射され難くなってしまうと共に、固化した状態でターゲット物質が噴射された場合には、噴射速度が上がらなくなるからである。

代表的なターゲット物質であるキセノンを用いる場合には、キセノンの溶融温度は約−１１１℃であるので、噴射前のターゲット物質は−１１１℃より高く保持される。好ましくは、−１１０℃〜−１０５℃である。この温度は、図１に示す制御部７ａによって制御することができる。

また、本実施形態においては、ノズルから噴射されたターゲット物質がＥＵＶ生成チャンバ内において蒸発しつつ冷却されて固化する過程において、中空円筒に近い形状のターゲットが形成される。従って、噴射前におけるターゲット物質の温度によって決定される蒸気圧は、噴射後のＥＵＶ生成チャンバ内の圧力よりも高くなければならない。噴射された液体のターゲット物質を所望の形状を有する状態で固化させるためには、ターゲット物質の蒸発量（蒸発速度）を制御する必要があるからである。

ここで、ターゲット物質の蒸気圧は、通常、ターゲット物質の温度によって決定され、ターゲット物質の温度上昇と共に蒸気圧も上昇する。従って、噴射前におけるターゲット物質の温度を制御することにより、噴射後におけるターゲット物質の蒸気圧とＥＵＶ生成チャンバ内の圧力とによって決定される蒸発速度を制御することができる。具体的には、ＥＵＶ生成チャンバ雰囲気内の圧力よりも、噴射後におけるターゲット物質の蒸気圧が十分に高くなるようにすることが、噴射前におけるターゲット物質の温度を調節する際の条件となる。

代表的なターゲット物質であるキセノンを用いる場合には、キセノンの蒸気圧は、−１１０℃において８０，０００Ｐａ程度であるので、ＥＵＶ生成チャンバの圧力が０．１ｐａ程度であれば、その蒸気圧は十分に高いと言える。従って、上記の条件は十分に満たされる。それにより、液体キセノンは、ノズルから噴射した後で急激に蒸発すると共に冷却され、固化するようになる。このキセノンの蒸気圧は、図１に示す制御部７ａによって噴射前におけるキセノンの温度を調節することにより制御することができる。

次に、図９及び図１０を参照しながら、中空円筒に近い形状のターゲットジェットに対するレーザビームの好ましい照射方法について説明する。図１０は、図９に示すターゲットジェット６のX−Xにおける断面を示している。
連続流であるターゲットジェットにレーザビームを照射すると、ターゲットのアブレーションが生じる。そのため、アブレーションによる反作用力により、ターゲットジェットがレーザ照射位置から遠ざかる力が生じてしまう。そのとき、レーザ照射の繰り返し数が低い場合（例えば、１ｋＨｚ以下）には、ジェットがレーザ照射位置からずれたとしても、ターゲット物質が次々と供給されることによりジェットは元の位置に復元するので問題とはならない。しかしながら、レーザ照射の繰り返し数が、高い場合（例えば、３ｋＨｚ以上）には、ジェットは元に位置に復元する間もなく、一方向にずれていってしまう。

そこで、高繰り返しのレーザ照射が必要な場合に、ジェットの位置ずれを生じさせないためには、図９に示すように、レーザ照射によるターゲットに対する反作用力を相殺するように、少なくとも２つ以上のレーザビームによってジェットを照射すれば良い。最も簡単な例として、図１０に示すように、２つのレーザビーム８ａ及び８ｂにより、ジェット６を両側から照射することが考えられる。複数のレーザビームを照射する場合には、レーザビームの数に応じたレーザ光源及び集光光学系を、ターゲットジェットにおけるレーザ照射位置が所定の複数の方向からそれぞれ照射されるように配置すればよい。

本発明は、露光装置等において用いられるＬＰＰ型極端紫外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極端紫外光源装置の構成を示す模式図である。 図１に示す極端紫外光源装置のノズルの噴射口付近を拡大して示す平面図である。 図２に示す開口から噴射されたターゲットジェットの変化の様子を示す断面図である。 図１に示す極端紫外光源装置のノズルに適用できる開口形状を示す平面図である。 図１に示す極端紫外光源装置のノズルに適用できる開口形状を示す平面図である。 図１に示すＥＵＶ光源装置におけるレーザ照射方法を説明するための図である。 図６に示すターゲットジェットのVII−VIIにおける断面図である。 図６に示すターゲットジェットのVIII−VIIIにおける断面図である。 ターゲットジェットに対するレーザビームの照射方法を説明するための図である。 図９に示すターゲットジェットのX−Xにおける断面図である。

符号の説明

１…ＥＵＶ生成チャンバ、２…真空ポンプ、３…レーザ光源、４…集光レンズ、５…ノズル、５ａ〜５ｃ…開口、６…ターゲットジェット、７…加圧・冷却部、７ａ…制御部、８、８ａ、８ｂ…レーザビーム、９…集光ミラー、１０…ターゲット回収筒

Claims (7)

1. 極端紫外光の生成が行われるチャンバと、
   開口からターゲット物質を前記チャンバ内に噴射することにより、ターゲット物質の噴流を形成するために用いられるノズルであって、前記ノズル内を通過するターゲット物質の進行方向に対して垂直な断面における形状が弧状である開口が形成された前記ノズルと、
   前記チャンバ内において前記ターゲット物質の噴流を照射するためのレーザ光を発生する少なくとも１つのレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を、前記チャンバ内の所定の位置に導く少なくとも１つの集光光学系と、
   を具備する極端紫外光源装置。
2. 前記ノズルが、前記開口からターゲット物質を噴射することにより、切り欠きを有する中空円筒状のターゲット物質の噴流を形成するために用いられる、請求項１記載の極端紫外光源装置。
3. 前記少なくとも１つの集光光学系が、前記レーザ光源から出射したレーザ光を、前記ノズルから噴射されたターゲット物質の噴流において、その断面形状が定常化している位置に照射するように該レーザ光を導くように配置されている、請求項１又は２記載の極端紫外光源装置。
4. 前記ノズルから噴射される前のターゲット物質の温度を、該ターゲット物質の溶融温度よりも高い温度に保つように制御する制御手段をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の極端紫外光源装置。
5. 前記チャンバ内に噴射された時のターゲット物質の蒸気圧が前記チャンバ内雰囲気における圧力よりも高くなるように、前記ノズルから噴射される前のターゲット物質の温度を制御する制御手段をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源装置。
6. 前記少なくとも１つのレーザ光源、及び、前記少なくとも１つの集光光学系が、ターゲット物質の噴流にレーザ光を照射することにより該ターゲット物質の噴流に生じる作用力が相殺されるように、少なくとも２つの方向から該ターゲット物質の噴流をレーザ光により照射するように配置されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の極端紫外光源装置。
7. 前記少なくとも１つのレーザ光源からそれぞれ出射する少なくとも１つのレーザ光が、３ｋＨｚ以上の繰り返し数でターゲット物質の噴流を照射する、請求項６記載の極端紫外光源装置。

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