JP2007087939A - 気体放電に基づく高い放射線出力を備える極紫外放射線源 - Google Patents

Abstract

【課題】気体放電に基づく高い放射線出力を備える極紫外放射線源を提供する。
【解決手段】本発明は、気体放電プラズマに基づく極紫外放射線の生成用の装置に関する。本発明の目的は、工業用途用の極紫外気体放電源において作動媒体としてスズを用いることを可能にする極紫外スペクトル領域（１２ｎｍ〜１４ｎｍ）における高い放射線出力を有するプラズマに基づく放射線生成に関する新規な可能性を見つけることである。本目的は、本発明によれば、気体調製ユニット（８）がスズ含有作動媒体の温度および圧力ならびに気体状態にある該作動媒体の真空室（４）への流れの所定の制御のために設けられることで達成される。少なくとも１つの断熱貯槽容器（８３）および断熱供給管路（８１）が、気体調製ユニット（８）から電極ハウジング（１、２）の内側に位置する予備電離ユニット（７）に気体のスズ含有作動媒体を輸送するために設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、１２ｎｍ〜１４ｎｍの範囲の高い放射線放出を備える気体放電プラズマに基づく極紫外放射線の生成用装置に関する。本発明は、工業的な半導体製作に適用され、特に製作条件下で極紫外リソグラフィの工程のために考案される。

気体放電プラズマによる放射線の生成は、励起用の有望な技術としてプラズマに基づく極紫外放射線源の分野で確立されてきている。本質的に、以下の気体放電の概念、すなわち、予備電離を有するＺピンチ装置（たとえば、特許文献１）、プラズマ集束装置（たとえば、特許文献２）、中空陰極放電装置（たとえば、特許文献３）、スターピンチ放電装置（たとえば、特許文献４）およびキャピラリ放電装置（たとえば、特許文献５）が周知である。

さらに、上記の放電タイプの変形（たとえば、ハイポサイクロイドピンチ放電）およびこれらの異なる放電タイプの要素を組み合わせた装置がある。

これらの装置のすべてにおいて、１０ｋＡを上回るパルス高パワー放電は、決定された密度の作動気体で発火され、電離された作動気体の磁力および消失されたパワーの結果として、きわめて高温（ｋＴ＞３０ｅＶ）で高密度プラズマが局所的に生成される。

放射線源は一般に、製作条件下で半導体リソグラフィに用いるための以下の特定の要件も満たさなければならない。
１．波長 １３．５ｎｍ±１％
２．中間集束における放射線出力 １１５Ｗ
３．繰り返し周波数 ７〜１０ｋＨｚ
４．線量安定性（５０パルスの平均） ０．３％
５．集光光学素子の寿命 ６ヶ月
６．電極システムの寿命 ６ヶ月

場合により様々な理由のために、これらの要件の一定の態様のみが、上述の装置によって満たされる。中でも、放射線出力、その安定性および電極システムの寿命は一般に、不十分である。

必要な放射線出力は有効なエミッタ物質によってのみ達成することができることが特に明らかになっている。１３ｎｍ〜１４ｎｍの所望のスペクトル領域で特に強い態様で放射線を放出するそのような物体は、キセノン、リチウムおよびスズである。

しかし、たとえば、特許文献２に記載されているように、リチウムおよびスズは標準状態下で固体であるために、プラズマ生成時に扱いにくく、さらに、大量のデブリ放出を示す。さらに、リチウムおよびスズの良好な処理の欠点は、以下の問題点にある。
―固体ターゲットにおける、陰極におけるクレータの発生による放電の不安定性
―電極における蒸着の形成（長期運転後に電極システムの短絡回路を招く）
―レーザ気化による、（液化されることが好ましい）ターゲットの芳しくない線量の分布
―気体のターゲットの場合には、必要な蒸気圧（純粋なスズの場合には温度Ｔ＞１０００℃）を生成するための高パワー炉の必要性

米国特許第６，４１４，４３８ Ｂ１号明細書 国際公開第０３／０８７８６７ Ａ２号パンフレット 米国特許第６，３８９，１０６ Ｂ１号明細書 米国特許第６，７２８，３３７ Ｂ１号明細書 米国特許第６，２３２，６１３ Ｂ１号明細書

本発明の目的は、工業用途用の極紫外気体放電源において作動媒体としてスズを用いることを可能にする極紫外スペクトル領域（特に１２ｎｍ〜１４ｎｍ）における高い放射線出力を有するプラズマに基づく放射線生成に関する新規な可能性を見出すことである。

本発明によれば、１２ｎｍ〜１４ｎｍの範囲における高い放射線放出を有する気体放電プラズマに基づく極紫外放射線の生成用の装置であり、真空室を包囲する２つの同軸電極ハウジングを備え、第１の電極ハウジングはプラズマ生成のための気体放電用の放電室として設けられ、第２の電極ハウジングは真空室に流れ込む作動気体の初期電離の生成のための予備電離装置を有し、第２の電極ハウジングの狭い電極カラーが第１の電極ハウジングの中に突出している該装置において、上述の目的は、気体調製ユニットがスズ含有作動媒体の温度および圧力ならびに気体状態にある該作動媒体の真空室への流れの所定の制御のために設けられ、少なくとも１つの断熱貯槽容器および断熱供給管路が気体調製ユニットから電極ハウジングの内側に位置する予備電離ユニットに気体のスズ含有作動媒体を輸送するために設けられることで達成される。

第１の変形において、気体調製ユニットは、標準状態下では気体であるスズ化合物を有する液化された作動媒体の冷却保持用の熱容器を有することが有利である。

用いられる気体のスズ化合物は、スタンナン（ＳｎＨ_４）であること好ましい。この場合には、熱容器は、−５２．５℃を下回る内部温度、好ましくは−１００℃まで冷却される。

極紫外線を放出する気体のスズ化合物の連続供給のために、リアクタがスズ化合物を生成するために用いられることが好ましく、このリアクタは、気体のスズ化合物を液化するように機能しかつ緩衝格納器として作用する冷却された熱容器に接続される。

気体調製ユニットは、気体のスズ化合物の均質な気体放電用の開始剤として機能する不活性気体に混合するための不活性気体貯槽をさらに有することが有利である。不活性気体貯槽は、気体のスズ化合物および不活性気体からなる気体混合物を生成するために、少なくとも１つの希ガスまたは窒素を収容することが好ましい。

気体のスズ化合物および不活性気体からなる気体混合物の供給量の比を制御するために、少なくとも１つの質量流量制御ユニット（質量流量制御装置）が、電極ハウジングへの気体入口の前に配置されることが好ましい。気体の作動媒体用の断熱供給管路は、気体入口によって第２の電極ハウジングに接続されることが好ましい。

第１の集光光学素子の方向において放電室から放出されるデブリを最小限に抑えるために、気体の作動媒体用の断熱供給管路が環状気体入口を介して第１の電極ハウジングに接続される場合もまた、有利である。

第２の変形において、気体調製ユニットは、液体のスズ化合物を気化するために設けられることが好ましい断熱炉の形状で熱容器を有することが有利である。別の構成では、炉が、標準状態下では固体であるスズ化合物を液体状態で格納し、このスズ化合物を気化するために用いられる。

炉は、電気的に加熱可能であることが好ましく、用いられるスズ化合物の気化温度（放電室の真空状態に適合している）を２４７℃〜１４００℃の温度範囲に調整するためのサーモスタットを有する。

作動媒体の気化用の炉は第２の電極ハウジングのすぐ近くに配置されることが好ましく、気体入口は予備電離ユニットに直接接続される。予備電離ユニットの気体入口は、気化されたスズ含有作動気体が、予備電離電極を包囲する絶縁体管と予備電離ユニットの外側絶縁体管との間で、第２の電極ハウジング予備電離室に導入されるように設計されることが好ましい。スズ含有作動気体の液化を防止するために、伝熱層が、好ましくは銅から構成され、少なくとも外側絶縁体管の初期領域にある気体入口に配置されることが好ましい。さらに、絶縁体管上の気体入口に伝熱層を配置することができる。

気体調製ユニットの上述の装置に適したスズ化合物は、塩化第一スズ（ＳｎＣｌ_２）である。気化されたＳｎＣｌ_２を真空室に注入するために、２４７℃〜６２３℃の温度まで炉を加熱することができることが有利である。

本発明の基本的概念は、１２ｎｍ〜１４ｎｍの強いスペクトル線のために、スズが極紫外放射線の発生量を実質的に増大するのに最適であるという理由に起因している。他方、主に固体の形態のターゲットとしての元素のスズは、プラズマ生成（クレータが生じるため）を安定にすることができず、液体のスズは、十分な蒸気圧を生成するために連続的高温槽を必要とし、液体相からのレーザ気化もまた、技術的にはきわめて要求が多いことから、スズを用いるのは不本意である。

本発明は、簡単な態様で気体相に変化させることができるスズ化合物が、作動媒体の予備電離の前に、温度管理された断熱態様で保持されることで、これらの欠点を克服する。

本発明による装置は、半導体リソグラフィ用の気体放電源における作動媒体としてスズを用いることができる極紫外スペクトル領域（１２ｎｍ〜１４ｎｍ）で高い放射線出力を有する気体放電に基づく放射線のプラズマに基づく生成を達成することを可能にする。

本発明は、実施形態の実施例を参照して以下にさらに十分に説明される。

図１は、本発明による装置の基本的な構成を示す。一般性を制限することなく、予備電離を伴うＺピンチ気体放電が用いられ、パルス気体放電が陰極と陽極の間で発生する。他の図のすべての場合のように、ｚ軸は図平面に垂直に延びる放電システムの対称軸６と同一である。この放電システムは、第１の電極ハウジング１（たとえば、陽極）および第２の電極ハウジング２（たとえば、陰極）から形成される。

電極ハウジング１および２が、簡略された概略的な態様でリブ付き冷却装置を備えて図１に示されている。このタイプの冷却は、本願明細書に記載される高出力極紫外気体放電源では条件付きである場合に限り使用可能である。電極ハウジング１および２は中心に回転対称のキャビティを有し、作動気体の予備電離用の予備電離室７１が第２の電極ハウジング２の中に位置し、主気体放電用の放電室が第１の電極ハウジング１の中に位置している。所望の極紫外放射線５１を放出するプラズマ５の生成が、数パスカル（たとえば、５〜３０Ｐａ）の圧力範囲の真空に閉じ込められるために、２つのキャビティは真空室４全体の一部である。

大部分の場合には、主放電用およびプラズマ５の生成用の第１の電極ハウジング１が陽極として接続され、予備電離用の第２の電極ハウジング２が陰極として接続されるため、以下の説明において、一般性を制限することなく、簡潔にするために陽極１および陰極２という語が用いられる。

図１において、気体放電に必要な作動気体は、陰極２の気体入口８２を通って真空室４の予備電離室７１の中に注入される。真空室４は、陰極２によってほぼ包囲され、陽極１の内部への狭い出口２１を有する。狭い出口２１は電極カラー２２によって形成され、電極カラー２２は管状絶縁体１３によって陽極１の円筒形の内壁から遮断され、気体放電が陰極２の電極カラー２２と陽極１の電極カラー１２との間で発生することができるようになっており、電極カラー１２は円錐状の出口１１で内部に向けられる。強い磁力のために、気体放電中に生成される予備プラズマは、高密度ホットプラズマ５（Ｚピンチ）を形成するために、対称軸６に収縮される。

滑り放電７５用であることが好ましい予備電離ユニット７は、気体入口８２を流れる作動気体を電離するために、陰極２の中に構成される。滑り放電７５は、予備電離電極７２を包囲する絶縁体管７３の端部領域の上で発生する。一方の側の予備電離電極７２および他方の側の陰極２は、滑り放電７５のパルス生成用の予備電離パルス発生器７４と通信する。さらに、陰極２は高電圧パルス発生器１４と接続され、高電圧パルス発生器１４は陽極１と協働する主気体放電を引き起こす。

本発明によれば、作動媒体の供給は、気体状態のスズ含有物質が、適切に配置された気体入口８２を介して所定の圧力下で予備電離室７１に流れ込むことによって行われる。液体相のスズ含有物質が熱容器の中で気化点に近い状態で維持されるなかで、スズ含有作動気体は気体調製ユニット８によって利用可能に生成され、したがって、制御された温度管理および圧力調整によって蒸気圧が生成され、その結果、断熱かつ絶縁の施された供給管路８１を介した気体入口８２を通る真空室４の中へのスズ含有作動気体の十分な流れを生じる。

真空室４は、中に流れ込む作動媒体にかかわらず、真空ポンプシステム４１によって定常真空レベルに維持される。パルスプラズマ生成の連続運転を確保するために、２つの電極ハウジング１および２が熱除去システム９の冷却回路に組み込まれることで、電極ハウジング１および２は、熱交換器構造９１（リブとして簡略化された態様で示される）によって冷却される。

図２による構成は、図１から改変され、陽極１が略完全に閉じた内部空間を持たず、正確に言えば真空室４が内部空間を完全に包囲し、陽極１と陰極２との間に真空断熱層３１を形成するように、電極ハウジング１および２が改変される極紫外気体放電源用の装置を示す。気体の調製およびスズ含有作動気体の供給は初めは未変更のままであるが、図３〜図５を参照して以下に詳細に説明される気体調製の変形のすべてを用いることができる。

この実施例において、熱除去システム９は、熱交換器構造９１として冷却回路における電極ハウジング１および２に多孔性材料を導入することによって最適化され、より高速の熱伝達を可能にし、これにより連続運転における電極温度を著しく下げる。

図３による実施形態の実施例において、気体放電用のスズ含有作動媒体は、スズ化合物および不活性気体からなる気体混合物として提供される。この目的のために、気体調製ユニット８は、スズ含有化合物を有する熱容器８３と、制御可能な弁によって作動媒体として適切な気体混合物を生成する不活性気体貯槽８６と、を含む。

気体混合物において、スズ含有成分（たとえば、ＳｎＨ_４気体）のみが、極紫外放射線を実際に放出する物質であり、さらに混合され、希ガス（たとえば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ）または窒素（Ｎ_２）であってもよい不活性気体は、気体放電をより均質に引き起こすための開始剤として機能する。

この構成の変形の第２の特殊な特徴は、このように生成される作動媒体が陰極２の方向において陽極１の環状の気体入口８２を介して流れ込むことと、予備電離装置の予備電離室７１に気体混合物を供給するために、陽極１の出口１１で流れ込む気体混合物を吸引する真空ポンプシステム４１へのさらなる出力が、陰極２の後側に配置されることとにある。これは、本発明に従いスズ含有作動気体、たとえばＳｎＨ_４または気化されたＳｎＣｌ_２が用いられる場合には、これらの気体が集光光学素子の方向に吹かれることがなく、従って蒸着をもたらさないという利点を有する。

図４に示される装置において、ＳｎＨ_４気体が作動媒体として用いられ、この目的のために気体調製ユニット８が以下の態様で装備される。上述した熱容器８３は、冷却容器として動作され、液化されたＳｎＨ_４に関して必要な蒸気圧を達成するために、適切な温度（ＳｎＨ_４の場合には約−９５℃）に維持される。オプションとして破線で示したように、ＳｎＨ_４気体の連続供給を確保するために、本質的に周知の方法によってリアクタ８５で連続的にＳｎＨ_４気体の生成を行うことができる。冷却される熱容器８３は、液化のために用いられ、スズ含有作動気体成分に必要な蒸気圧を維持するために、適切に温度制御された貯槽として用いられる。不活性気体、好ましくはアルゴン（またはネオンまたは窒素）が、不活性気体貯槽８６から作動媒体の第２の成分として再び混合される。

作動気体成分の正確な割合は、断熱または適切な温度制御の施された管路８１および質量流量制御装置８４によって調整される。質量流量制御装置８４は、図４に示されているように、真空ポンプシステム４１からの気体の回収が行われ、気体が同時に供給もされる場合には、特に有利である。

図５は、ＳｎＣｌ_２が作動媒体として用いられる本発明の別の実施形態の実施例を示す。ＳｎＣｌ_２は、標準的な状態下で、結晶質の白い粉末である。これは、予備電離ユニット７付近の炉８７の内部に蒸着される。材料に応じて、所定の高温が達成されるまで、約１３３Ｐａの十分に高い蒸気圧が生じないという事実のために、炉８７は、そのような温度まで加熱可能であり、外側で適切に断熱されなければならない。ＳｎＣｌ_２の場合には約６２３℃の温度で十分であり、ＳｎＣｌ_４の場合には約１１４℃の温度で十分であるが、金属のスズの場合には約１４００℃の温度が必要とされる。

ＳｎＣｌ_２の蒸気が、予備電離電極７２の絶縁体管７３と外部絶縁体管７６との間の環状の気体入口８２を通って陰極２の予備電離室７１に導入される。外側絶縁体管７６は、内壁の上部分の伝熱層８８によって覆われるため、蒸気は陰極２の予備電離室７１に入る前に既に液化されることはない。この伝熱層８８は、たとえば、銅層であり、外側絶縁体管７６に真空蒸着される。この種の伝熱層８８はまた、冷却の影響をさらに緩和するために、内部絶縁体管７３の外側に施すこともできる。

本発明のこの構成における別の要素のすべては、前の実施例の場合と同様の態様で配置され、図１を参照して述べた基本的機能に対応する。

陰極側にある気体入口と冷却電極ハウジングとを備えたスズ含有作動気体用の気体調製ユニットを備えた気体放電源を示す。 陰極側にある気体入口、「多孔性金属」冷却および電極ハウジング間の真空断熱を備えたスズ含有作動気体用の本発明による気体放電源の構成を示す。 陽極側にある気体入口、「多孔性金属」冷却および電極のセラミック断熱を備えたスズ含有作動気体用の本発明による気体放電源の別の構成を示す。 液体のスズ含有物質または液化されたスズ含有物質、特にスタンナン（ＳｎＨ_４）用の気体調製ユニットに関する本発明の構造的な変形を示す。 固体のスズ含有物質、特に塩化第一スズ（ＳｎＣｌ_２）用の陰極側高温気体入口の形状の気体調製ユニットを備える本発明による気体放電の別の構成を示す。

符号の説明

１ 第１の電極ハウジング
１１ 出口開口部
１２ （第１の）電極カラー
１３ 管状絶縁体
１４ 高電圧パルス発生器
２ 第２の電極ハウジング
２１ 狭い出口
２２ （第２の）電極カラー
３ 絶縁層
３１ 真空断熱ギャップ
４ 真空室
４１ 真空ポンプシステム
５ プラズマ
５１ 放出される放射線
６ 対称軸
７ 予備電離ユニット
７１ 予備電離室
７２ 予備電離電極
７３ 絶縁体管
７４ 予備電離パルス発生器
７５ 滑り放電
７６ 外側絶縁体管
８ 気体調製ユニット
８１ 断熱供給管路
８２ 気体入口
８３ 熱容器
８４ 質量流量制御装置
８５ 気体リアクタ
８６ 不活性気体貯槽
８７ 炉
８８ 金属コーティング
９ 熱除去システム
９１ 熱交換器構造（リブ）
９２ 多孔材料

Claims (20)

1. １２ｎｍ〜１４ｎｍの範囲における高い放射線放出を有する気体放電プラズマに基づくＥＵＶ（極紫外放射線）の生成用の装置であり、真空室を包囲する２つの同軸電極ハウジングを備え、第１の電極ハウジングはプラズマ生成のための気体放電用の放電室として設けられ、第２の電極ハウジングは前記真空室に流れ込む作動気体の初期電離の生成のための予備電離装置を有し、前記第２の電極ハウジングの狭められた電極カラーが前記第１の電極ハウジングの中に突出している装置において、
   気体調製ユニット（８）がスズ含有作動媒体の温度および圧力ならびに気体状態にある該作動媒体の前記真空室への流れの所定制御のために設けられ、少なくとも１つの断熱貯槽容器（８３）および断熱供給管路（８１；８２）が、前記気体調製ユニット（８）から前記電極ハウジング（１、２）の内側に位置する予備電離ユニット（７）へ気体状のスズ含有作動媒体を輸送するために設けられることを特徴とする装置。
2. 前記気体調製ユニット（８）は、標準状態下で気体であるスズ化合物を有する液化された作動媒体の冷却保持のための熱容器（８３）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記スズ化合物は、スタンナン（ＳｎＨ_４）であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記熱容器（８３）は、−５０℃〜−１００℃の内部温度に調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 極紫外線を放出する気体状のスズ化合物を生成するためにリアクタ（８５）が設けられ、前記気体状のスズ化合物を液化するために機能しかつ緩衝格納器として作用する前記冷却された熱容器（８３）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記気体調製ユニット（８）は、前記気体状のスズ化合物の均質な気体放電のための開始剤として機能する不活性気体を混合するための不活性気体貯槽（８６）をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記不活性気体貯槽（８６）は、気体状のスズ化合物および希ガスから成る気体混合物を生成するために、希ガスを収容することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記不活性気体貯槽（８６）は、気体状のスズ化合物および窒素から成る気体混合物を生成するために、窒素を収容することを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記電極ハウジング（１、２）への前記気体入口（８２）の前に少なくとも１つの質量流量制御ユニット（８４）が配置され、前記気体状のスズ化合物および不活性気体から成る前記気体混合物の供給量の比を制御することを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 前記気体状の作動媒体用の前記断熱供給管路（８１）は、気体入口（８２）によって前記第２の電極ハウジング（２）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記気体状のスズ含有作動媒体用の前記断熱供給管路（８１）は、環状の気体入口（８２）を介して前記第１の電極ハウジング（１）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記気体調製ユニット（８）は、液体状のスズ化合物を気化するための断熱炉（８７）の形状をした熱容器（８３）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記炉（８７）は、標準状態下で固体であるスズ化合物を液体状態で格納し、気化するために用いられることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記炉（８７）は、電気的に加熱可能であり、前記スズ化合物の気化温度を真空状態下で２４７℃〜６５０℃に調整するためのサーモスタットを有することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記気化される作動媒体用の前記炉（８７）は前記第２の電極ハウジング（２）のすぐ近くに配置され、前記気体入口（８２）は前記予備電離ユニット（７）に直接接続されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 前記予備電離ユニット（７）の前記気体入口（８２）は、前記気化されたスズ化合物が、前記予備電離電極（７２）を包囲する絶縁体管（７３）と前記予備電離ユニット（７）の外側絶縁体管（７６）との間で、前記第２の電極ハウジング（２）の前記予備電離室（７１）に導入されるように構成されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 伝熱層（８８）が、少なくとも前記外側絶縁体管（７６）の初期領域にて前記気体入口（８２）に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 伝熱層（８８）はまた、前記絶縁体管（７３）上で前記気体入口（８２）に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記スズ化合物は、塩化第一スズであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
20. 真空状態下でＳｎＣｌ_２を気化するために、前記炉（８７）を２４７℃〜６２３℃の温度まで加熱することができ、ＳｎＣｌ_２が結晶質の粉末として前記炉に供給されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。

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