JP2010061903A

JP2010061903A - 極端紫外光光源装置および極端紫外光光源装置の残留ガス除去方法

Info

Publication number: JP2010061903A
Application number: JP2008224663A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Inoue; 隆博井上
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】放電電極の周囲に残留する気化した原料ガスによる影響を低減するため、放電電極の周囲に残留する気化した原料ガスを除去すること。
【解決手段】極端紫外光を放射するための原料と、前記原料の表面にエネルギービームを照射して前記原料を気化させるためのエネルギービーム照射手段と、前記気化した原料を、放電により加熱励起し高温プラズマを発生させるための一対の放電電極と、前記放電電極に高繰り返し高電圧を供給する高電圧供給手段と、を備える極端紫外光光源装置であって、前記放電電極の付近に残留する前記気化した原料を除去するための残留ガス除去手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、極端紫外光（以下、単にＥＵＶ光ともいう）を放射させる極端紫外光光源装置（以下、単に、ＥＵＶ光源装置ともいう）に関する。特に、次世代の半導体集積回路の露光用光源として期待される極端紫外光光源装置に関する。

半導体集積回路の微細化および高集積化が進むにつれて、その製造用の露光装置には解像度の向上が要求されている。解像度を向上させるには、短波長の光を放射する露光用光源を使用することが一般的である。短波長の光を放射する露光用光源としては、エキシマレーザ装置が使用されているが、それに代わる次世代の露光用光源として、特に波長１３．５ｎｍの極端紫外光を放射する極端紫外光光源装置の開発が進められている。

極端紫外光を発生させる方法の一つとして、極端紫外光放射源を含む放電ガスを加熱・励起することにより高密度高温プラズマを発生させ、このプラズマから放射させる極端紫外光を取出す方法がある。このような方法を採用する極端紫外光光源装置は、高密度高温プラズマの生成方式により、ＬＰＰ（ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）方式と、ＤＰＰ（ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）方式とに大別される。

ＬＰＰ方式の極端紫外光光源装置は、極端紫外光放射源を含む原料からなるターゲットに対してレーザー光を放射して、レーザアブレーションによって高密度高温プラズマを生成し、そこから放射される極端紫外光を利用するものである。

ＤＰＰ方式の極端紫外光光源装置は、極端紫外光放射源を含む放電ガスが供給された電極間に、高電圧を印加することで放電により高密度高温プラズマを生成し、そこから放射される極端紫外光を利用するものである。このようなＤＰＰ方式の極端紫外光光源装置は、ＬＰＰ方式の極端紫外光光源装置に比して、光源装置を小型化することができ、さらに、光源システムの消費電力が小さいという利点があることから、実用化が期待されている。

上記した高密度高温プラズマを発生させる原料としては、１０価前後のＸｅ（キセノン）イオンが知られているが、より強い極端紫外光を放射させるための原料として、Ｌｉ（リチウム）イオン、Ｓｎ（スズ）イオンが注目されている。
例えば、Ｓｎは、高密度高温プラズマの発生に必要な電気入力と波長１３．５ｎｍの極端紫外光の放射強度との比で与えられる極端紫外光変換効率がＸｅよりも数倍大きいことから、大出力の極端紫外光を得るための放射源として期待されている。例えば、特許文献１に示されるように、極端紫外光放射源として、例えばＳｎＨ４（スタナン）ガスを使用した極端紫外光光源装置の開発が進められている。

近年では、上記のＤＰＰ方式において、放電が発生する電極表面に供給された固体もしくは液体のＳｎやＬｉに対してレーザービーム等のエネルギービームを照射することにより気化し、その後、放電によって高温プラズマを生成する方法が非特許文献１に開示されている。

図６は、特許文献１に示す従来のＥＵＶ光源装置の概略を示す。
ＥＵＶ光源装置は、一対の円板状の放電電極２ａ，２ｂが収容される放電部１ａと、ホイルトラップ３と集光反射鏡４とが収容されるＥＵＶ集光部１ｂとを備えている。

放電部１ａには、一対の円板状の放電電極２ａ、２ｂが配置されている。
一対の円盤状の電極２ａ，２ｂは、絶縁部材２ｃを挟んで図６の紙面において上下に配置されている。
紙面の下方に位置する放電電極２ｂには、モータ２ｄの回転軸２ｅが取付けられている。放電電極２ａ、２ｂは、摺動子２ｇ、２ｈを介して、高繰り返し高電圧を供給する高電圧供給部３に接続されている。
放電電極２ｂの周辺部には溝部が設けられ、この溝部に高温プラズマを発生させるための固体の原料Ｍ（ＬｉまたはＳｎ）が配置されている。

上記のＥＵＶ光源装置においては、放電電極２ｂの溝部に配置された高温プラズマ用の原料Ｍに対し、レーザービーム照射機４から、レーザー入射窓４ａを介してレーザービームが照射され、固体の原料が放電電極２ａと２ｂとの間で気化する。
この状態で、放電電極２ａと２ｂの間に高電圧供給部３からパルス電力が供給され、放電電極２ａのエッジ部分と放電電極２ｂのエッジ部分との間で放電が発生し、ＥＵＶ光が放射される。
放射されたＥＵＶ光は、ホイルトラップ５を介してＥＵＶ集光部１ｂに入射し、集光反射鏡６で集光され、ＥＵＶ光出射窓７から出射する。

特開２００４−２７９２４６号「リソグラフィ用ＥＵＶ（極端紫外）光源研究の現状と将来展望」

しかしながら、このようなＥＵＶ光源装置においては、以下に説明するような実用上の問題があった。
極端紫外光光源装置においては、高出力化などを目的に、１０ｋHzを超えるＥＵＶ発光の高繰り返し化が進められ、例えば、周波数を１００kＨｚ以上とすることも検討されている。
繰り返し周波数を高くするのは、ＥＵＶ発光パルスにおいて１パルス毎のＥＵＶ発光時間を大きくすることが困難であるため、１パルス毎のＥＵＶ発光時間を大きくできない代わりに、１パルス毎の時間間隔（パルス間隔）を短くすることにより、ＥＵＶ光の出力を高くするためである。
例えば、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上である場合は、パルス間隔が１０μ秒以下と短くなる。
パルス間隔が短いと、前述のようにレーザービームが照射されることによって気化した原料が、放電電極の周囲に累積的に残留することがある。
即ち、気化した原料の移動速度が小さいと、気化した原料ガスが、パルス間隔の間に放電電極の周囲から離れることができないため、放電電極の周囲に累積的に残留することになる。
その結果として、放電電極間に供給される原料ガスが、プラズマを生成するための適量ではなく過剰になる、という問題があった。
勿論、気化した原料の移動速度が速ければ、問題無いのであるが、ＥＵＶ光を発することのできる物質の中では、１０μ秒以内に放電電極から遠ざかることのできるものは見つかっていないのが現状である。
このように、放電電極の周囲に原料ガスが過剰に供給された場合は、一対の放電電極間に形成されるプラズマの位置が不安定になったり、プラズマから放射されるＥＵＶ光が残留する気化した原料ガスによって吸収されることにより、ＥＵＶ光の出力が低下する、という不具合が発生する虞がある。

以上から、本発明は、放電電極の周囲に残留する気化した原料ガスによる影響を低減するため、放電電極の周囲に残留する気化した原料ガスを除去する手段を備えた極端紫外光光源装置及び極端紫外光光源装置の残留ガス除去方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明は、極端紫外光を放射するための原料と、前記原料の表面にエネルギービームを照射して前記原料を気化させるためのエネルギービーム照射手段と、前記気化した原料を、放電により加熱励起し高温プラズマを発生させるための一対の放電電極と、前記放電電極に高繰り返し高電圧を供給する高繰り返し高電圧供給手段と、を備える極端紫外光光源装置であって、
前記放電電極の付近に残留する前記気化した原料を除去するための残留ガス除去手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の極端紫外光光源装置は、前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料を強制的に排気することを特徴とする。

また、本発明の極端紫外光光源装置は、前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料を拡散させるための複数の回転翼を放射状に配置してあることを特徴とする。

また、本発明の極端紫外光光源装置は、前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料に向けてガスジェットを噴射することを特徴とする。

また、本発明の極端紫外光光源装置は、前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料に対しエネルギービームを照射することを特徴とする。

さらに、本発明の極端紫外光光源装置は、前記原料が、スズ（Ｓｎ）あるいはスズ含有物であることを特徴とする。

さらにまた、本発明の極端紫外光光源装置に係る残留ガス除去方法は、極端紫外光を放射するための原料と、前記原料の表面にエネルギービームを照射して前記原料を気化させるためのエネルギービーム照射手段と、気化された前記原料を、放電により加熱励起し高温プラズマを発生させるための一対の放電電極とを備えた極端紫外光光源装置の残留ガス除去方法であって、前記気化した原料を除去することを特徴とする。

本発明のＥＵＶ光源装置は、放電電極の周囲に残留する気化した原料ガスを除去する手段を設けたことにより、原料を高い繰り返し周波数で加熱・励起するために１パルス毎の時間間隔を短縮した場合であっても、気化した原料ガスを放電電極の周囲から速やかに放電電極の遠方に向けて拡散させることができる。そのため、放電電極間にプラズマを形成する際に、気化した原料ガスが放電電極の周囲に累積的に残留することが無いので、放電電極間に供給される気化した原料ガスの量を適量とすることができる。
したがって、本発明のＥＵＶ光源装置においては、プラズマの形成位置が安定し、ＥＵＶ光の強度が低下することを確実に防止することができる。

図１は、本発明のＥＵＶ光源装置の構成の概略を示す。
ＥＵＶ光源装置は、放電電極を収容する放電部１ａと、ホイルトラップと集光反射鏡とを収容するＥＵＶ集光部１ｂとにより構成されるチャンバ１を備える。
一対の円板状の放電電極（回転電極）２ａ、２ｂは、絶縁部材２ｃを挟んで対向するよう配置され、各々の中心が同軸上に配置されている。
紙面において下方側に位置する放電電極２ｂには、モータ２ｄの回転軸２ｅが取付けられている。
回転軸２ｅは、放電電極２ａの中心と放電電極２ｂの中心とが回転軸２ｅの同軸上に位置している。回転軸２ｅは、メカニカルシール２ｆを介してチャンバ１内に導入される。
メカニカルシール２ｆは、チャンバ１内の減圧雰囲気を維持しつつ、回転軸２ｅの回転を許容する。

放電電極２ａ，２ｂには、それぞれ、例えばカーボンブラシ等で構成される摺動子２ｇおよび２ｈが設けられている。
摺動子２ｇは、放電電極２ａと電気的に接続されている。
摺動子２ｈは、放電電極２ｂと電気的に接続されている。
高繰り返し高電圧を供給する高電圧供給部３は、摺動子２ｇ、２ｈを介して、それぞれ放電電極２ａ、２ｂにパルス電力を供給する。

円板状の放電電極２ａ，２ｂの周辺部は、エッジ形状に形成されている。
放電電極２ｂの溝部には、高温プラズマ生成用の液体または固体の原料Ｍが配置されている。原料Ｍは、例えば、スズ（Ｓｎ）、スズ含有物、リチウム（Ｌｉ）の何れかを用いることができる。
高電圧供給部３より放電電極２ａ、２ｂに電力が供給されると、両電極のエッジ部分間で放電が発生する。
放電が発生すると、放電電極２ａ，２ｂの周辺部は放電により高温となるので、放電電極２ａ，２ｂは、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属からなる。
絶縁部材２ｃは、放電電極２ａと２ｂの間の絶縁を確保するため、窒化珪素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド等からなる。

チャンバ１には、原料Ｍに対してレーザービームを照射して、原料Ｍを気化するためのエネルギービーム照射機４が設けられている。エネルギービーム照射機４から照射されるエネルギービームは、例えばレーザービームである。
放電電極２ｂの溝部に配置された高温プラズマ用の原料Ｍに対し、エネルギービーム照射機４からレーザー入射窓４ａを介してレーザービームが照射される。これによって、固体の原料Ｍが放電電極２ａと２ｂとの間で気化する。

ＥＵＶ集光部１ｂに配置されたホイルトラップ５は、放電電極を構成する物質、高温プラズマ発生用の原料Ｍを基にして発生するデブリが、集光反射鏡６に向けて飛散することを抑制するために設けられている。
ホイルトラップ５は、放射状に伸びる複数の薄板により仕切られる複数の狭い空間が形成されている。

ＥＵＶ集光部１ｂに配置された集光反射鏡６は、高温プラズマから放射された波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光を反射するための光反射面が形成されている。
集光反射鏡６は、互いに接触することなく入れ子状に配置された複数の光反射面６ａにより構成されている。各光反射面６ａは、Ｎｉ（ニッケル）などからなる平滑面を有する基体材料の反射面側に、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｒｈ（ロジウム）などの金属を緻密にコーティングすることにより、０〜２５°の斜入射角度の極端紫外光を良好に反射するように形成されている。

集光反射鏡６の光出射方向には、ＥＵＶ光出射窓７が設けられている。
ＥＵＶ光出射窓７は、ＥＵＶ集光部１ｂに形成された開口からなり、中間集光点の近傍に配置される。
チャンバ１には、放電部１ａ、ＥＵＶ集光部１ｂを排気して、チャンバ１内を真空状態にするためのガス排気ユニット１ｃが設けられている。

図２は、本発明の残留ガス除去手段の第１の実施形態であるエネルギービーム照射機構を概念的に示す。同図（ａ）および（ｂ）は残留ガス除去手段の構成を示す拡大図であり、同図（ｃ）はタイムチャートを示す。
残留ガス除去手段であるエネルギービーム照射機構２０は、原料Ｍを気化させるためのエネルギービーム照射機４とは独立に、レーザービームを照射する。
エネルギービーム照射機構２０は、レーザー入射窓２１を介して、放電電極２ｂの付近に残留する原料Ｍのガスに対して、レーザービームを照射する。
エネルギービーム照射機構２０は、原料Ｍに対してレーザービームが照射されることの無いように、レーザービームの進行方向が調整されている。
本実施形態では、エネルギービーム照射機構２０から出射したレーザービームを、放電電極２ｂの付近に残留する原料Ｍの残留ガスに照射して、ガス分子の加熱や蒸発等によりガス分子を拡散させることによって、原料の残留ガスを除去する。
エネルギービーム照射機構２０は、同図（ｃ）のタイムチャートに示すように、各ＥＵＶパルス発光のパルス間隔である９μ秒より若干短い期間にわたり、原料Ｍの残留ガスに対しレーザービームを照射することが好ましい。例えば、ＥＵＶ光源装置の繰り返し周波数が１００ｋＨｚである場合は、各ＥＵＶ発光のパルス間隔である９μ秒の間に残留ガスの除去を行うことのできるよう、エネルギービーム照射機構２０から出射されるレーザービームは、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上であり、出力が１０ｋＷ以上であることが好ましい。

次に、図３は、本発明の残留ガス除去手段の第２の実施形態を概念的に示す。同図（ａ）は残留ガス除去手段の構成を示す拡大図であり、同図（ｂ）は回転機構の正面図であり、同図（ｃ）はタイムチャートを示す。
残留ガス除去手段である回転機構３０は、互いに同一方向に回転する複数の回転翼３２が、光軸方向に伸びる回転軸３１の周囲に放射状に配置されている構成を有する。回転機構３０は、各回転翼３２が放電電極２ｂの周囲を通過するように配置されている。
本実施形態は、各回転翼３２が放電電極の付近の残留ガス雰囲気中を通過するように、回転軸３１を中心として各回転翼３２を同一方向に高速回転させ、残留ガスを放電電極の遠方に向けて叩き出すことによって、放電電極の周囲から残留ガスを除去する。
同図（ｃ）のタイムチャートに示すように、例えば、ＥＵＶ光源装置の繰り返し周波数が１００ｋＨｚである場合は、各回転翼３２が各ＥＵＶパルス発光のパルス間隔である９μ秒の間に放電電極の近傍に残留する残留ガス中を通過するように、回転翼の回転速度を調整することが好ましい。

次に、図４は、本発明の残留ガス除去手段の第３の実施形態を概念的に示す。同図（ａ）は残留ガス除去手段の構成を示す拡大図であり、同図（ｂ）はタイムチャートを示す。
残留ガス除去手段である送風機構４０は、超音速ガスジェットを噴出するものであり、放電電極２ｂの付近に向けて伸びるノズル４１を備える。
ノズル４１は、先端部にガスジェットの噴射口を有しており、噴射口が放電電極２ｂの付近に位置するように配置される。
本実施形態では、ノズル４１の噴射口からガスジェットを噴射することにより、ＥＵＶ発光後に放電電極付近の原料の残留ガスを加速して除去する。
送風機構４０は、同図（ｂ）のチャートに示すように、最初のＥＵＶパルス発光の直後から連続的にガスジェットを噴射することが好ましい。
ガスジェットは、それ自体が放電することを防止するため、ヘリウムガスなどの不活性ガスを用いることが好ましい。

次に、図５は、本発明の残留ガス除去手段の第４の実施形態を概念的に示す。同図（ａ）は、残留ガス除去手段の構成を示す拡大図であり、同図（ｂ）はタイムチャートを示す。
残留ガス除去手段である排気機構５０が、放電電極２ａ，２ｂの近傍に設けられている。排気機構５０は、放電電極２ｂの付近に残留する気化した原料Ｍを強制的に排気するための排気ポンプである。
排気機構５０は、放電電極２ａと２ｂの間に形成されるプラズマの付近に向けて伸びる筒状のノズル５１を有する。
排気機構５０により、残留ガスを強制的に排気する場合、ガスの流れ（ガス分子密度の勾配）によってガス分子を加速することが必要である。

例えば、同図（ｂ）のタイムチャートに示すように、ＥＵＶ光源装置が、繰り返し周波数１００ｋＨｚでパルス発光する場合は、ＥＵＶ発光毎のパルス間隔が約９μ秒となる。
エネルギービーム照射機４からのレーザービームを照射することによって気化した原料Ｍのガスは、各ＥＵＶ発光のパルス間隔である９μ秒の間に放電電極２ａ，２ｂの遠方に移動させることが必要である。
そこで、本実施形態では、排気機構５０のノズル５１を、放電電極２ａ、２ｂの間に形成されるプラズマの付近に配置して、各ＥＵＶパルス発光後に放電電極間に残留する原料のガスを速やかに排気する。具体的には、図５（ｂ）のタイムチャートに示すように、同図ＡのＥＵＶパルス発光と同図ＢのＥＵＶパルス発光との間のパルス間隔である９μ秒の間に、放電電極間に残留する原料のガスを速やかに排気することが好ましい。このようにして、同図ＢのＥＵＶパルス発光の際には、放電電極の付近に残留する原料Ｍの残留ガスの量を低減している。

例えば、ＥＵＶ光源装置の繰り返し周波数が１００ｋＨｚである場合は、残留ガスを１０μ秒の間に１０ｍｍ以上移動させることが必要であることから、残留ガスの移動速度が１０００ｍ／秒となるよう残留ガスを加速する必要がある。
１μ秒の放電時間で、気化した原料Ｍのガスが１ｍｍ移動することになり、ターゲット蒸気の安定性に影響する可能性がある。
粘性流レベルのガス圧力は１Ｐａ程度であり、ガス分子密度は２．７×１０^１４／ｃｍ^３になる。
例えば、放電に最適なプラズマ（１ｍｍφ、イオン密度１０^１８／ｃｍ^３程度）が１０ｍｍφに膨張した場合、イオン密度は１０^１５／ｃｍ^３程度に低下する。
したがって、ノズル２１の先端の吸い込み口は、プラズマから１０ｍｍ以内の場所に配置することが好ましい。
なお、ノズル５１が金属製の場合は、放電電極２ａ，２ｂとの間で不所望な放電が発生することのないように留意する必要がある。

本発明のＥＵＶ光源装置の構成の概略を示す。本発明の残留ガス除去手段の第１の実施形態を概念的に示す。本発明の残留ガス除去手段の第２の実施形態を概念的に示す。本発明の残留ガス除去手段の第３の実施形態を概念的に示す。本発明の残留ガス除去手段の第４の実施形態を概念的に示す。従来のＥＵＶ光源装置の概略を示す。

符号の説明

１ａ放電部
１ｂＥＵＶ集光部
２ａ，２ｂ放電電極
２ｃ絶縁部材
２ｄモータ
２ｅ回転軸
２ｆメカニカルシール
２ｇ，２ｈ摺動子
３高電圧供給部
４エネルギービーム照射機
４ａレーザー入射窓
５ホイルトラップ
６集光反射鏡
６ａ光反射面
７ＥＵＶ光出射窓
２０エネルギービーム照射機構
２１レーザー入射窓
３０回転機構
３１回転軸
３２回転翼
４０送風機構
４１ノズル
５０排気機構
５１ノズル

Claims

極端紫外光を放射するための原料と、
前記原料の表面にエネルギービームを照射して前記原料を気化させるためのエネルギービーム照射手段と、
前記気化した原料を、放電により加熱励起し高温プラズマを発生させるための一対の放電電極と、
前記放電電極に高繰り返し高電圧を供給する高電圧供給手段と、
を備える極端紫外光光源装置であって、
前記放電電極の付近に残留する前記気化した原料を除去するための残留ガス除去手段を備えたことを特徴とする極端紫外光光源装置。
前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料に対しエネルギービームを照射することを特徴とする請求項１に記載の極端紫外光光源装置。
前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料を強制的に排気することを特徴とする請求項１に記載の極端紫外光光源装置。
前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料を拡散させるための複数の回転翼を放射状に配置してあることを特徴とする請求項１に記載の極端紫外光光源装置。
前記残留ガス除去手段が、前記気化した原料に向けてガスジェットを噴射することを特徴とする請求項１に記載の極端紫外光光源装置。
前記原料が、スズ（Ｓｎ）あるいはスズ含有物であることを特徴とする請求項１に記載の極端紫外光光源装置。
極端紫外光を放射するための原料と、
前記原料の表面にエネルギービームを照射して前記原料を気化させるためのエネルギービーム照射手段と、
気化された前記原料を、放電により加熱励起し高温プラズマを発生させるための一対の放電電極とを備えた極端紫外光光源装置の残留ガス除去方法であって、
前記気化した原料を除去することを特徴とする残留ガス除去方法。