JP2007012603A - 極紫外線を発生するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極紫外線を発生するための装置および方法を提供する。
【解決手段】極紫外線を発生するための装置および方法の目的は、様々なエミッタを使用するために電極の耐用年数を増加させた放射線源を作製することであり、放電チャンバ内の堆積物は金属エミッタを用いる時にかなり低減される。出発原料は、指向注入によって連続的に導入されてパルスエネルギービームにより予備イオン化される連続した一連の単一体積として供給される。少なくとも比較的大きい熱負荷がかかる電極が回転電極として作製される。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線放射プラズマを形成するガス放電のための放電領域を有する放電チャンバと、第１電極および第２電極と、放射線を発生する働きをする出発原料の予備イオン化のためのエネルギービームを供給するエネルギービーム源と、２つの電極のために高電圧パルスを発生する高電圧電源とを備え、少なくとも第１電極が回転可能に取付けられた極紫外線の発生装置に関する。

本発明はさらに、放射線エネルギーによって予備イオン化される（予めイオン化される）出発原料が、第１電極および第２電極を有する放電チャンバの放電領域において放射線放射プラズマに変えられる、電極の少なくとも一方が回転可能に設けられた極紫外線の発生方法に関する。

異なった設計に基づき、ガス放電によって発生されたプラズマによる多くの放射線源がすでに記載されている。これらのデバイスに共通な原理は、１０ｋＡより大きいパルス高電流放電が決定濃度のガス中で点弧され、磁力および散逸された力の結果として非常に高温（ｋＴ＞２０ｅＶ）および高密度プラズマがイオン化ガス中に局部的に発生されることにある。

さらに別の発展形態は、とりわけ、高変換効率および電極の長い耐用年数を特徴とする解決を見出すことに関する。

極紫外線のリソグラフィについてこれまでのところ不十分であった放射線出力は、スズまたはリチウムまたはそれらの化合物などの効率的なエミッタ物質によって実質的にさらに増加させることができるにすぎないように見受けられることが示されている。

例えば、特許文献１によるＳｎＣｌ_４のように気体スズ化合物の形で供給されるスズは、極紫外線放射プロセスに必要であるよりも多くのエミッタ材料を放電チャンバに導入するという不便な点がある。他の金属エミッタの場合と同様に、余りの残留量は、濃縮の結果として放電チャンバ内の金属堆積物につながる。特に、スズ層ができる場合があり、ＳｎＣｌ_４を用いるとき、塩化物がさらに堆積する場合がある。もちろん、運転の故障は避けられない。

特許文献２には、金属エミッタに適しているデバイスが開示されており、ここで回転電極が、溶融金属、例えば、スズを含有する容器に貫入し、電極表面に適用された金属がレーザー放射線によって気化され、蒸気がガス放電によって点弧されてプラズマを形成する。このデバイスはまた、エミッタの過剰供給の問題を解決しない。

固定電極においておよびキロヘルツ範囲の繰返し率によって、電極材料の融解温度を超える表面温度が、タングステン（３６５０Ｋ）についても、数パルス後に達せられる（図７）。しかしながら、電極の回転のために、電極表面の温度ピークでさえタングステンの融解温度未満であるように平衡温度を十分に低く維持することができる（図８）。

しかし図８はまた、温度ピークが常に、スズの融解温度（５０５Ｋ）よりはるかに高く、レーザー気化の他に、電極の制御されないスズ消耗が生じることがあることを示す。電極へのプラズマの近接および電極上の得られた高い熱出力密度のために、電極の基礎材料の浸蝕を除くことができず、電極の耐用年数の低下をもたらす。これによって生じたシャドウイングもまた、不利である。

独国特許出願公開第１０２１９１７３Ａ１号明細書 国際公開第２００５０２５２８０Ａ２号パンフレット

従って、様々なエミッタを使用するために電極の耐用年数を増加させた放射線源を作製することが本発明の目的であり、放電チャンバ内の堆積物は金属エミッタを用いる時にかなり低減される。

本発明によって、この目的は、注入装置が放電領域に向けられ、放射線を発生する働きをする一連の単一体積の出発原料を供給し、それらを電極から離れた位置から放電領域に注入する、上記のタイプの極紫外線発生装置において達成される。

エネルギービーム源によって供給されるエネルギービームは、ガス放電の率と時間的に同期して電極から離れた位置であって放電領域におけるプラズマ発生の位置に向けられ、単一体積は、それらが前記エネルギービームによって連続して予備イオン化されるこの位置に達する。

注入装置は有利には、前記ガス放電の率に適合した繰返し率で単一体積を供給するように設計される。

本発明による装置はさらに、第１電極がその回転軸が円板に垂直な円板として構成され、回転軸に同心の円形路に沿って複数の開口を有し、この開口が電極を通るという点で、特に有利に開発することができる。

本発明の好ましい構成において、第１電極が第２電極より小さい直径を有し、第２の固定電極に軸外に（ずれて）埋設される。この構成において、第２電極はプラズマによって放射された放射線のために単一の出口開口を有し、この単一の出口開口は第１電極の回転によって第１電極の開口の１つと一直線になる。

第１電極の開口は、単一体積が通って放電領域に達する入口開口として働く。第１電極の開口は有利には円錐形であり、放電領域の方向にテーパーを付けられる。

単一体積の気化の間に吸収されない残留エネルギー放射線のための通路として電極の開口を設けることもまた可能である。放射方向に電極の下流に配置されたビームトラップ（ビーム捕集器）がこの残留放射線を受光する。

上記の構成に代えて、第２電極はまた円板として構成され、第１電極に固定接続され、第１電極の入口開口および第２電極の出口開口が、回転軸に平行であり且つ互いに一直線の対称軸を有してもよい。

第１電極および第２電極はまた機械的に脱離され、互いに傾斜して配置されるか共通に延在する回転軸を有してもよい。

さらに、本発明は、気化レーザー、イオンビーム源または電子ビーム源をエネルギービーム源として設けるように構成されてもよい。

さらに、極紫外線の発生のための上記のタイプの方法を用いて本発明により上記の目的が達せられる。ここで、出発原料が、指向された注入によって連続的に且つ電極から離れた位置から放電領域に導入される連続した一連の単一体積として供給され、パルスエネルギービームによって予備イオン化される。

本発明によって、単一体積を異なった方法で供給することができる。第１のバリエーションでは、単一体積を連続注入によって放電空間に導入することができる。過剰な単一体積は放電領域に達する前に例えば回転電極によって分離される。しかしながら、一連の単一体積は供給されている時に注入装置によって制御することもできる。

本発明による装置および本発明による方法の他の望ましいおよび有利な実施態様、さらに別の発展形態が、従属請求項に示される。

極紫外線をＺピンチ型ガス放電によって発生することができる本発明による装置および方法は、特に、比較的大きな熱負荷がかかる電極の、電極表面を有効に増加する回転と組み合わせてプラズマ発生位置と電極との間の距離を最大にすることで、電極の長い耐用年数を確実にするだけでなく、放電チャンバ内で金属エミッタを使用する時に金属の堆積をかなり防止するのを確実にする。

距離の増加は、放射線を発生するためのエミッタとして働く出発原料を、プラズマ発生のための最適な位置に小滴または液滴として密度の高い状態で配置および予備イオン化する工程によって達成される。密度の高い状態は固体状態の密度を意味するか、または固体状態の密度よりも数桁低い密度を意味する。

この工程はまたエミッタ材料自体に関する制限条件を低減し、キセノンおよびスズならびにスズ化合物またはリチウムも使用することができる。

所望の波長において低吸収のガスがプラズマ発生のためのバックグラウンドガスとして用いられるのが好ましい。例えば、アルゴンが特に適している。バックグラウンドガスの密度は、所定の放電電圧および有効コンデンサ容量においてプラズマの形成の時点を最適化するように調整される。

本発明によって、各放電パルスごとの極紫外線波長範囲の所望の放射線放射のためのエミッタの最適量は、バックグラウンドガスの密度に実質的に依存せずに注入された単一体積のサイズによって決定される。この意味において、エミッタとして働く出発原料は再生的かつ真に質量に制限された形で供給される。

放電エネルギーを出発原料に最適に結合するために、放電のすぐ前にエネルギービームによって、例えば、レーザー気化によって前記単一体積が予備イオン化されるという点で、バックグラウンドガスだけの使用と比較して電極の幾何学的配置をかなり拡大することができる。

小滴の形での燃料の供給はＺピンチ放電のためのエミッタ材料としてリチウムの使用を改良するか、可能にする。非常に高い電子密度がこの材料のために必要とされるからである。この理由は、リチウムの場合、２価のリチウムイオンＬｉ（２＋）の最初の励起状態から基底状態への遷移によって１３．５ｎｍの所望の放射線が生じることである。しかしながら、この励起状態はＬｉ（３＋）のイオン化レベルより２２ｅＶだけ低い。ガス放電の間に十分なＬｉ（２＋）イオンを発生可能とするために、電子密度は、Ｌｉ（３＋）＋ｅ⁻→Ｌｉ（２＋）に相応して非常に高くなければならない。しかしながら、空間的に均質なガス密度を有するピンチ放電の間に生じる電子密度は通常非常に小さいので、十分な変換効率を達成することができない。他方、小滴の形のリチウムの移動の期待値は３％を超え、７％に達することがある。

本発明は、略図を参照して以下により完全に記載される。

図１に示された放射線源は真空放電チャンバ１内に第１電極２および第２電極３を備えるが、それらは高電圧パルス発生器４に電気接続され、１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの間の繰返し率および十分なパルスサイズを有する高電圧パルスを発生することによって、放電ガスを充填された放電領域に放電を点弧し、予備イオン化エミッタ材料を加熱する高電流密度を発生して所望の波長の放射線が発生プラズマ６によって放射されることを確実にする。

円板として構成される電極２、３のうち、回転可能に取付けられ、カソードとして形成される第１電極２は、第２の固定電極３（アノード電極）よりも小さい直径を有し、そこに第１電極２を軸外に埋設してその回転軸Ｒ−Ｒが第２電極３の対称軸Ｓ−Ｓに平行に偏心的に方向付けされる。

第１電極２は、適した軸受によって受容され且つそのドライブが放電チャンバ１の外側にあるシャフト７に固定接続される。

２つの電極２、３は、電気的破壊を防ぐために互いに絶縁されており、真空絶縁によって放電がプラズマ発生の所望の位置（ピンチ位置）まで達しないような寸法にそれらの間の距離が設けられている。この位置は、発生した放射線のために第２電極に設けられる出口開口８の領域の放電領域５内にある。

本発明によって、特に電極２、３から離れた位置におけるプラズマ発生が行なわれる放電領域の位置において、エミッタ材料が単一体積９の形で放電領域５に導入される。前記単一体積９は、密集した連続的な流れの小滴、すなわち固体または液体として放電領域５に向けられた注入装置１０によって供給されるのが好ましい。

エネルギービーム源、好ましくは、レーザー放射線源のレーザービームによってパルス的に供給されるエネルギービーム１２は、小滴の１つを予備イオン化するために前記ガス放電の率と時間的に同期するようにプラズマが発生される放電領域５の位置に向けられる。ビームトラップ１３が設けられ、吸収されていない一切の残留エネルギー放射線を全部受光する。

デブリ保護デバイス１５を通過した後、高温プラズマ６によって放射された放射線１４は収集光学素子１６に達し、これが放射線１４を放電チャンバ１のビーム出力開口１７に導く。収集光学素子１６によってプラズマ６を形成することで、ビーム出口開口１７にまたはその付近に局在化された中間集光点ＺＦが生じ、好ましくは極紫外線波長領域のために形成される放射線源を設けることができる半導体露光設備内の露光光学素子への境界面として働く。

回転可能に取付けられた第１電極２は、回転軸Ｒ−Ｒに同心の円形路に沿って複数の円錐形開口１８を備える。図１の構成において、これらの開口１８が、第一に、吸収されない残留エネルギー放射線の通路として働くのに対し、図２の開口１８は、開口１８の１つが、第１電極２の回転のために第２電極３の出口開口８と一直線になったとき、単一体積９の形で供給されるエミッタ材料が通って放電領域５に達する入口開口として構成される。電極２の開口１８の小滴速度、量、および電極２の回転速度を、例えば、１〜３滴だけが開口１８経由でプラズマ発生位置に達することができるように調節することができる。

小滴の残りは、必要ならば、直前の放電のプラズマ６からの放射線によって気化される犠牲小滴として役立ち、したがって、エネルギー放射線１２と相互作用しなければならない小滴のための放射線スクリーンとして作用する。

第１電極２の回転のために、付加的な小滴は、次の開口１８が通路を放電空間に再び解放するまで回転電極２で弾む。このようにして、単一体積を連続的な流れの小滴から選択することができる。遮断された小滴は円錐形状の開口１８を通って遠心力によって外側へ投げ出され、低温表面で凝縮するか、汲み上げられる。

注入装置１０、特に小滴を生じるそのノズル９を保護するために、有利には数キロヘルツの繰返し率の放電が、回転する第１電極２の位置がプラズマ６とノズル１９との間の直接通路を妨げる時に行なわれる。

第２電極３が固定されるように構成されるという事実のために、この第２電極３は、図示されないが、冷却液体が必要ならば高圧で流れるチャネルによって非常に効率的に冷却されうる。これは高真空下で部品を移動させるかなりの技術的な課題を有するが、にもかかわらず、それは回転電極２にも適用できる。電極の表面の冷却リブまたはチャネルを介して冷却剤リザーバに接続したキャビティの冷却リブ、およびキャビティへの多孔性材料の導入が冷却効果をさらに増加させる。

さらに、プラズマ発生位置を画定された状態に維持して空間的に一定のままにできることが有利である。

図３の本発明のさらに別の発展形態において、絶縁体２０によって互いに電気的に分離されている２つの電極２、３は回転可能に取付けられた共通シャフト２１によって固定接続され、２つの電極２、３は共同で回転する。適した絶縁体材料には、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａ１_２Ｏ_３、ＡｌＺｒ、ＡｌＴｉ、ＢｅＯ、ＳｉＣ、またはサファイアなどがある。

２つの電極２、３は、互いに一直線になった複数の円錐形に形成された開口８、１８を有する。図１の構成におけるように、単一体積９は放電空間５内に直接向けられる。

ドロップ・オン・デマンド原理に基づいて、単一体積９は、所望の繰返し率および速度で、例えば放電の率または放電の率の２倍で注入装置１０によって作られる。インクジェット技術から公知の技術もまた、この目的のために用いることができる。放電率の２倍では、１つおきの単一体積がエネルギービーム１２と相互作用する単一体積９のための放射線保護としても働く。

また、電極２、３の開口８、１８が設けられ、バックグラウンドガスを放電領域５に導入することができる。レーザービームが同様に図３の実施例のエネルギービーム１２として用いられる。予備イオン化のために、このレーザービームは単一体積９が通過する放電領域５の位置に向けられる。

イオン化する間に小滴によって吸収されないレーザービームの部分が、電極２、３の整列された開口８、１８によってビームトラップ１３に屈折され、残余なくその中に吸収される。最大繰返し率は、開口８、１８の量および電極２、３の回転速度によって決定される。

図３におけるように、回転可能に取付けられた共通シャフト２１によって固定接続されている電極２、３を備えた電極装置は、図４に示された放射線源に使用される。図４が図３と異なる点は、レーザービームの代わりに電子ビーム源２２によって供給された電子ビームが、単一体積９の予備イオン化のためのエネルギービームとして役立ち、放電領域５内に直接ではなく一直線の開口８、１８を通して放射されることである。

図示されないが、別の実施形態でも、イオンビームが電子ビームの代わりにエネルギービームとして働く。

両方の電極２、３は図３および４に示された構成で運転する際共同で回転するので、電極２、３の分離した回転位置を用いてプラズマ発生プロセスが行なわれる。

最後に、２つの電極２、３はまた、互いに傾斜して配置された回転軸Ｒ’−Ｒ’、Ｒ’’−Ｒ’’を有する。２つの電極２、３が機械的に結合されるかどうかは重要ではない。同じことが、それらの回転軸の向きおよび回転方向に当てはまる。

プラズマ発生位置のバックグラウンドガスの密度および導電率は単一体積９に向けられたエネルギービーム１２に非常に影響されるので、パッシェン曲線によるガス放電の絶縁破壊の条件がこの位置においてだけ満たされるように、電極２、３の幾何学的配置を実施しなければならない。

図５の構成は、回転可能に取付けられたシャフト２３、２４に固定接続されている、機械的に結合されていない電極２、３を提供する。放電が開始される前に、２つの電極２、３がわずかに離して互いに反対側に配置された放電領域５において、レーザービーム２５による小滴状の単一体積９の衝撃（衝突）によって局部的に高密度の予備イオン化された放出材料が発生する。吸収されない残余のレーザー放射線のためのビームトラップ２７は、互いに傾斜して配置された電極２、３の間に設けられた絶縁体ブロック２６に組み込まれている。

図６の別の構成では、プレートとして形成される２つの電極２、３もまた機械的に分離しているが、図５と対照的に回転可能に取付けられるシャフト２３、２４が、共通に延在する回転軸（Ｒ’−Ｒ’、Ｒ’’−Ｒ’’）を有している。従って、電極２、３は互いに離れた位置にあり、表面２８、２９が互いに対向している。

注入された単一体積のレーザー気化を行なうガス放電に基づく放射線源および固定電極と回転可能に取付けられた電極とを含む電極装置の第１の構成を示す。 固定電極と回転可能に取付けられた電極とを有する電極装置を示し、ここで単一体積は回転電極の開口を通して供給される。 ２つの電極が互いに固定接続され、共通軸の周りに回転できるように支持された電極装置を示す。 単一体積のイオン化のためのイオンビームまたは電子ビームを供給するエネルギービーム源を有する図３に従う電極装置を示す。 機械的に分離した電極を有する電極装置の第１の構成を示す。 機械的に分離した電極を有する電極装置の第２の構成を示す。 スイッチオン時間から開始する固定電極を有する電極システムの電極表面の温度の経時的推移を示す。 タングステンおよびスズの融解温度に対する回転電極の電極表面の温度の経時的推移を示す。

符号の説明

１ 放電チャンバ
２ 第１電極
３ 第２電極
４ 高電圧パルス発生器
５ 放電領域
６ プラズマ
７ シャフト
８ 出口開口
９ 単一体積
１０ 注入装置
１１ エネルギービーム源
１２ エネルギービーム
１３ ビームトラップ
１４ 放射線
１５ デブリ保護デバイス
１６ 収集光学素子
１７ ビーム出口開口
１８ 開口
１９ ノズル
２０ 絶縁体
２１ 共通シャフト
２２ 電子ビーム源
２３ シャフト
２４ シャフト
２５ レーザービーム
２６ 絶縁体ブロック
２７ ビームトラップ
２８ 表面
２９ 表面
Ｒ−Ｒ 回転軸
Ｒ’−Ｒ’，Ｒ’’−Ｒ’’ 回転軸
Ｓ−Ｓ 対称軸

Claims (26)

1. 放射線放射プラズマを形成するガス放電のための放電領域を有する放電チャンバと、第１電極および第２電極と、放射線を発生する働きをする出発原料の予備イオン化のためのエネルギービームを供給するエネルギービーム源と、２つの電極のために高電圧パルスを発生する高電圧電源とを備え、少なくとも第１電極が回転可能に取付けられた極紫外線の発生装置であって、
   注入装置（１０）が放電領域（５）に向けられ、放射線を発生する働きをする一連の単一体積（９）の出発原料を供給し、それらを電極（２、３）から離れた位置から放電領域（５）に注入することを特徴とする装置。
2. エネルギービーム源（１１）で供給されるエネルギービーム（１２）が、ガス放電の率と時間的に同期するように、電極（２、３）から離れた位置であって放電領域（５）におけるプラズマ発生の位置に向けられ、単一体積（９）がこの位置に達し、ここでエネルギービーム（１２）によって連続して予備イオン化されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 注入装置（１０）が、ガス放電の率に適合した繰返し率で単一体積（９）を供給するように設計されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 第１電極（２）が円板として構成され、回転軸（Ｒ−Ｒ）が円板に垂直であり、この電極が回転軸（Ｒ−Ｒ）に同心の円形路に沿って複数の開口（１８）を有し、開口（１８）が電極を通っていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 第２電極（３）が固定して構成され、プラズマ（６）によって放射された放射線（１４）のための単一の出口開口（８）を有し、第１電極（２）の開口（１８）の１つが、第１電極（２）の回転によって出口開口（８）と一直線になることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 第１電極（２）が第２電極（３）より小さい直径を有し、第２電極（３）に軸外に埋設されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 第１電極（２）の開口（１８）が、単一体積（９）が通って放電領域（５）に達する入口開口として構成されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 第１電極（２）の開口（１８）が円錐形であり、放電領域（５）の方向にテーパーを付けられることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 電極（２、３）の開口（８、１８）が、単一体積（９）の予備イオン化の間に吸収されない残留エネルギー放射線のための通路として設けられ、ビームトラップ（１３）が、残留エネルギー放射線を受けるために放射方向に電極（２、３）の下流に配置されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
10. 放電チャンバ（１）内に設けられる真空が、第１電極（２）と第２電極（３）の間の絶縁体として働くことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 第２電極（３）が円板として構成され、第１電極（２）に固定接続され、第１電極（２）の入口開口（１８）および第２電極（３）の出口開口（８）が、回転軸に平行に指向し且つ互いに一直線になった対称軸を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
12. 絶縁体材料Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａ１_２Ｏ_３、ＡｌＺｒ、ＡｌＴｉ、ＢｅＯ、ＳｉＣ、またはサファイアから作製された絶縁体（２０）が、第１電極（２）と第２電極（３）の間に設けられることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 第１電極（２）および第２電極（３）が機械的に分離され、互いに傾斜して配置される回転軸（Ｒ’−Ｒ’、Ｒ’’−Ｒ’’）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
14. 第１電極（２）および第２電極（３）が機械的に分離され、共通に延在する回転軸（Ｒ’−Ｒ’、Ｒ’’−Ｒ’’）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
15. 電極（２、３）が、チャネルを介して冷却剤リザーバに接続したキャビティを有することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 表面を拡大するためにリブ構造物がキャビティに設けられることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. キャビティが多孔性材料で満たされることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の装置。
18. 気化レーザーがエネルギービーム源（１１）として提供されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. イオンビーム源がエネルギービーム源（１１）として提供されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
20. 電子ビーム源がエネルギービーム源（１１）として提供されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
21. 放射線エネルギーによって予備イオン化される出発原料が、第１電極および第２電極を有する放電チャンバの放電領域において放射線放射プラズマに変えられ、電極の少なくとも一方が回転可能に設けられた極紫外線の発生方法であって、
    出発原料が、指向された注入によって連続的に且つ電極から離れた位置から放電領域に導入される連続した一連の単一体積として供給され、予備イオン化されることを特徴とする方法。
22. 単一体積が連続注入によって放電空間に導入され、過剰な単一体積は放電領域に達する前に分離されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 一連の単一体積が供給の際に注入装置によって制御されることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
24. 過剰な単一体積が回転電極によって分離されることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
25. 単一体積がパルスエネルギービームによって予備イオン化されることを特徴とする、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. プラズマによって放射された波長に吸収バンドを有さないバックグラウンドガスが放電領域に導入されることを特徴とする、請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
    

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