JP2012018820A

JP2012018820A - Ｌｐｐ方式のｅｕｖ光源とその発生方法

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Publication number: JP2012018820A
Application number: JP2010155485A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kuwabara; 一桑原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: JP5709084B2

Abstract

【課題】ターゲット物質及びエネルギーの利用効率を大幅に高めることができ、かつデブリの発生とチャンバーの真空度悪化を抑制することができるＬＰＰ方式のＥＵＶ光源とその発生方法を提供する。
【解決手段】所定の真空環境に保持された真空チャンバー１２と、真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を回収可能に形成するガスジェット装置１４と、極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場５を印加する磁場発生装置２０と、極超音速定常ガスジェットにレーザー光３を集光して照射するレーザー装置１６と、を備え、レーザー光の集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＰＰ方式のＥＵＶ光源とその発生方法に関する。

次世代半導体の微細加工のために極端紫外光源を用いるリソグラフィが期待されている。リソグラフィとは回路パターンの描かれたマスクを通して光やビームをシリコン基盤上に縮小投影し、レジスト材料を感光させることで電子回路を形成する技術である。光リソグラフィで形成される回路の最小加工寸法は基本的には光源の波長に依存している。従って、次世代の半導体開発には光源の短波長化が必須であり、この光源開発に向けた研究が進められている。

次世代リソグラフィ光源として最も有力視されているのが、極端紫外光源（ＥＵＶ：ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）であり、およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を意味する。この領域の光はあらゆる物質に対し吸収率が高く、レンズ等の透過型光学系を利用することができないので、反射型光学系を用いることになる。また極端紫外光領域の光学系は非常に開発が困難で、限られた波長にしか反射特性を示さない。

現在、１３．５ｎｍに感度を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜反射鏡が開発されており、この波長の光と反射鏡を組み合わせたリソグラフィ技術が開発されれば３０ｎｍ以下の加工寸法を実現できると予測されている。さらなる微細加工技術の実現のために、波長１３．５ｎｍのリソグラフィ光源の開発が急務であり、高エネルギー密度プラズマからの輻射光が注目されている。

光源プラズマ生成はレーザー照射方式（ＬＰＰ：ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）とパルスパワー技術によって駆動されるガス放電方式（ＤＰＰ：ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）に大別できる。
本発明は、ＬＰＰ方式のＥＵＶ光源に関する。ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源は、少なくとも１つのターゲットをチャンバー内で発生させるとともに、少なくとも１つのパルスレーザービームをチャンバー内でターゲットに集光させるものである。

特表２０００−５０９１９０号公報、「Ｘ線放射線または極紫外線放射線を発生するための方法および装置」特開２００７−２０７５７４号公報、「極端紫外光源装置」

上述した従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源は、レーザー光源として高出力のパルスレーザー（例えば０．１Ｊ／Ｐｕｌｓｅ）を用い、これをターゲット物質に高繰り返し（例えば１００ｋＨｚ）で照射し、実用出力（例えば１００Ｊ／ｓ＝１００Ｗ）のＥＵＶ光源を得ることが原理的に可能である。

しかし、引用文献１及び２に記載されたＥＵＶ光源では、ターゲット物質のショット毎に生成されたプラズマを排気しているため、ターゲット物質（錫、リチウム、キセノン等）の蒸気化、プラズマ化に要したエネルギーをショット毎に廃棄することとなり、ターゲット物質及びエネルギーの利用効率が低い問題点があった。
また、実用出力を目指す、高繰り返し運転化（１０〜１００ｋＨｚ）においては、発光源物質（すなわちターゲット物質）の廃棄は、デブリ発生、チャンバーの真空度悪化などの大きな問題を引き起こしていた。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ターゲット物質及びエネルギーの利用効率を大幅に高めることができ、かつデブリの発生とチャンバーの真空度悪化を抑制することができるＬＰＰ方式のＥＵＶ光源とその発生方法を提供することにある。

本発明によれば、所定の真空環境に保持された真空チャンバーと、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成するガスジェット装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場を印加する磁場発生装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射するレーザー装置と、を備える、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光源が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガスジェット装置は、前記真空チャンバー内に前記集光点を挟んで対向配置された極超音速ノズル及び極超音速ディフューザーと、前記極超音速定常ガスジェットを極超音速ノズルから噴射しかつ極超音速ディフューザーから回収して循環させるガス再循環装置とからなる。

また、ガスジェットの構成物質は常温気体物質である必要はなく、ガス供給部を高温にすることにより、金属ガスジェットを形成する事も可能である。この場合、ガスジェット形成は極超音速ノズルによりなされるが、回収側は極超音速ディフーザーである必要は無く、温度制御された回収プレート等により液体金属として回収する事も可能である。さらに、金属ガスジェットの場合、レーザー照射領域において金属原子が完全にバラバラのガス状でなく、複数原子が凝集したクラスタージェットとなる事もある。

また、前記集光点における前記磁場の強度は、１テスラ以上、２０テスラ以下である。

また本発明によれば、真空チャンバー内を所定の真空環境に保持し、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、
前記極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場を印加し、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射し、
前記レーザー光の集光点においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、ガスジェット装置により、真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、かつレーザー装置により、極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射して、レーザー光の集光点においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光を発光させることができる。

また、磁場発生装置を備え、極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場を印加するので、磁場の存在により、極超音速定常ガスジェットの流れに垂直な方向のプラズマ膨張が抑制され、所望波長領域のＥＵＶ出力の低下を抑制することができる。
なお、ガス流の流れ方向へのプラズマの流れは磁場の影響を受けないため、発光物質の排出には影響を与えない。

従って、ショット毎に生成されたプラズマ及びターゲット物質を排気する従来例と比較して、ターゲット物質を回収し循環使用できるので、ターゲット物質の利用効率を大幅に高めると共に、エネルギーの利用効率を大幅に高めることができる。またこれにより、デブリの発生とチャンバーの真空度悪化を抑制することができる。

本発明によるＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。図１のプラズマ光源の部分拡大図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。この図において、本発明のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源１０は、真空チャンバー１２、ガスジェット装置１４及びレーザー装置１６を備える。

真空チャンバー１２は、真空ポンプ１３を備え、これにより内部を所定の真空環境に保持する。真空チャンバー１２には、レーザー光３（後述する）を透す光学窓１２ａが設けられている。

ガスジェット装置１４は、真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を連続的に形成し回収する。
ターゲット物質は、Ｘｅ（キセノン），Ｓｎ（スズ），Ｌｉ（リチウム）等のガスもしくはクラスターであることが好ましい。

この例において、ガスジェット装置１４は、極超音速ノズル１４ａ、極超音速ディフューザー１４ｂ及びガス再循環装置１５を有する。

極超音速ノズル１４ａと極超音速ディフューザー１４ｂは、真空チャンバー１２に集光点２を挟んで対向配置されている。
極超音速ノズル１４ａの末端（図で上端）と極超音速ディフューザー１４ｂの先端（図で下端）とは、集光点２を挟んで所定の隙間を隔てている。この隙間は、真空チャンバー１２内の真空環境に連通している。

極超音速ノズル１４ａは、スロート部を有するラバールノズルであり、亜音速で流入するガス（ターゲット物質）を極超音速まで加速して集光点２に向けて噴射する。また、極超音速ディフューザー１４ｂは、スロート部を有するラバールノズル形状を持ち、集光点２を通過した極超音速のガス（ターゲット物質）の大部分を内部に受け入れ、これを亜音速まで減速するようになっている。

ガス再循環装置１５は、この例では、吸引ポンプ１５ａ、ターゲットチャンバー１５ｂ、及び吐出ポンプ１５ｃからなる。

ガス再循環装置１５は、ターゲット物質を供給ライン１７ａを介して極超音速ノズル１４ａまで亜音速で供給し、極超音速ノズル１４ａからターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を極超音速（Ｍ＞５）で噴射し、かつ極超音速ディフューザー１４ｂからターゲット物質を極超音速（Ｍ＞５）で回収し、亜音速まで減速して戻りライン１７ｂを介して吸引ポンプ１５ａまで戻すことにより、ターゲット物質を循環使用するようになっている。なお、ターゲットチャンバー１５ｂには、ターゲット物質が外部から補給される。

さらに、ガスジェット装置１５は、真空チャンバー１２のバックプレッシャーを高めず、かつレーザー光３の吸収とＥＵＶ光４の放出に適した高密度のターゲット物質領域を集光点２に定常的に形成するように、気体力学的に設計されている。
なお、一般的に、極超音速及び極超音速定常ガスジェット１とは、Ｍ＞５の極超音速流を意味するが、本発明では、上記要件を満たす限りで、Ｍ＞１であればよい。

また、ターゲット物質を加熱するために、極超音速ノズル１４ａとガス再循環装置１５の間にターゲット加熱装置１８を設けるのが好ましい。ターゲット加熱装置１８はターゲット物質の温度を極超音速ディフューザー１４ｂを形成するのに適した温度まで加熱する。この加熱手段は、任意である。

レーザー装置１６は、レーザー光３を連続的あるいはパルス的に発振するレーザー発振器１６ａと、レーザー光３を集光点２に集光する集光レンズ１６ｂとを有し、極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射する。
ここで、レーザー装置１６は連続出力のほか、パルス出力の装置の使用も可能である。

この例において、レーザー光３の光路は、極超音速定常ガスジェット１の流路に直交しているが、本発明はこれに限定されず、斜めに交差してもよい。また、レーザー装置１６及びレーザー光３は、それぞれ１つずつに限定されず、２以上を用いてもよい。

レーザー発振器１６ａには、ＣＯ_２レーザー（波長約１０μｍ）、ＣＯレーザー（波長約５μｍ）、ＹＡＧレーザー（波長約１μｍ及び約０．５μｍ）等を用いることができる。特に、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用いるのが好ましいが、本発明は、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーに限定されず、ＣＯ_２レーザーであってもよい。

集光レンズ１６ｂは、集光点２の直径を、約１０μｍ以下、さらに好ましくは約５μｍ以下に集光できる凸レンズ系であるのがよい。

図１において、本発明のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源１０は、さらに磁場発生装置２０を備える。
磁場発生装置２０は、極超音速定常ガスジェット１にその流れと平行な磁場５を印加する。磁場５は、この例では一様な静磁場（静磁界）である。
磁場５の方向は、この例では極超音速定常ガスジェット１と反対方向であるが、同一方向であってもよい。

上述した装置を用い、本発明のＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法では、
（Ａ）真空チャンバー１２内を所定の真空環境に保持し、
（Ｂ）真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を回収可能に形成し、
（Ｃ）極超音速定常ガスジェット１にその流れと平行な磁場５を印加し、
（Ｄ）極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射して、レーザー光の集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させる。

図２は、図１のプラズマ光源の部分拡大図である。
ターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光４を発光させるには、集光点２においてターゲット物質がプラズマ化する温度まで加熱する必要がある。このプラズマ化温度の最適温度条件は、キセノンガスの場合は約３０ｅＶであり、リチウムガスの場合は１０〜３０ｅＶである。

プラズマ化して極端紫外光４を発光する発光プラズマの総輻射量は、黒体輻射体の場合最大であり、プラズマサイズ（すなわち集光点２の直径）が１０μｍの場合、３０ｅＶのキセノンガスからの輻射量は約１５０ｋＷに達し、１０ｅＶのリチウムガスからの輻射量はその１／８０程度（約１．９ｋＷ）となる。実際の発光プラズマは黒体ではなく、ＥＵＶ発光プラズマからの総輻射量はこれより低くなる。エネルギーバランス調整の観点から、レーザーの最小集光径は、プラズマ総輻射量に相当するエネルギーを、レーザー発振器１６ａから集光点２に供給できる事が望ましい。

集光レンズ１６ｂで集光可能な集光点２の直径は、レーザー光の波長にほぼ相当し、ＣＯ_２レーザーの場合は約１０μｍ、ＣＯレーザーの場合は約５μｍ、ＹＡＧレーザーの場合は約１μｍ又は約０．５μｍである。
上述した輻射量に相当するエネルギーを集光点２に集光させるために、集光点２の直径は、小さいほど好ましく、その観点から、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用いるのが好ましい。

例えば、ＹＡＧレーザーを用い、集光点２の直径が２．５μｍの場合、３０ｅＶのキセノンガスからの輻射量は約９．４ｋＷ（１５０ｋＷの場合の１／４^２）となる。同様に、例えば、ＣＯレーザーを用い、集光点２の直径が５μｍの場合、１０ｅＶのリチウムガスからの輻射量は約４７０Ｗ（１５０ｋＷ×１／８０×１／２^２）となる。

一方、レーザーからの発光プラズマの入熱は、プラズマサイズ（すなわち集光点２の直径）を極超音速定常ガスジェット１が通過する間にレーザー発振器１６ａから受けるエネルギーであり、これはガスジェット１の速度及びレーザー発振器１６ａの出力から計算でき、集光点２の直径には影響されない。

従って、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用い、集光点２の直径をできるだけ小さく（例えば、２．５μｍ〜５μｍ）することにより、比較的小出力（例えば１〜１０ｋＷ）のレーザー発振器１６ａで、集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させることができる。

ＥＵＶ光４の総収量を増やすには、レーザー出力、レーザー波長、発光物質の組み合わせで、ＥＵＶ光の発生効率の高いエネルギーバランスを保ちながら、プラズマサイズ（集光サイズ）を大きくする事で増加させる事ができる。

次に磁場発生装置２０による磁場５の作用を説明する。
ＥＵＶ光４を発光させるプラズマは、ＥＵＶ光４の発生効率、発生量の観点から、リチウムガスの場合、その電子温度、密度はおおよそ、１０〜３０ｅＶ、１０^１８／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３の範囲にある。
このような、高温、高密度のプラズマは、大きな内部圧力を有し、これとバランスする外力がなければ、短時間で発散してしまう。

一方、プラズマは荷電粒子の集合体であるため、強力な磁場５（好ましくは一様な静磁場）を用いれば、プラズマ（荷電粒子）を磁場５に拘束し、いわゆるラーマー半径内に閉じ込めることができる。

閉じ込めに必要な磁場５の強度Ｂは、プラズマ圧力Ｐ_ｋと磁気圧力Ｐ_Ｂのバランスから数１の式（１）で与えられる。

ここで、Ｐ_ｋはプラズマ圧力、Ｐ_Ｂは磁気圧力、ｎは原子密度／ｍ^３であり、電子密度はｎ（Ｚ＋１）・・・（２）で表される。
また、ｋはボルツマン定数（１．３８ｘ１０^−２３Ｊ／Ｋ）、Ｔは電子温度（絶対温度Ｋ）であり、電子温度１ｅＶは１．１６ｘ１０^４Ｋに相当する。
さらに、Ｂは磁場（テスラ）、μ_０は真空の透磁率（４πｘ１０^−７Ｈ／ｍ）、Ｚは電離価数（リチウムプラズマ光源の場合：２程度）である。

リチウムガスを用いてＥＵＶ光４を発光させる場合の電子温度と密度が、１０〜３０ｅＶ、１０^１８／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３の範囲では、上記式（１）からプラズマを閉じ込めるのに必要な磁場５の強度Ｂは、２テスラ〜１１テスラになる。

従って、本発明において、集光点２における磁場５の強度Ｂは、好ましくは１テスラ以上、２０テスラ以下であり、更に好ましくは２テスラ〜１１テスラである。
１テスラ未満の強度Ｂの場合、プラズマの閉じ込め作用が不足するため、プラズマの膨張と共に所望の波長領域（１３．５ｎｍ近傍）の出力が低下するため、レーザー出力のＥＵＶ変換効率が低くなる。
また、２０テスラを超える強度Ｂは、磁場発生装置２０が大型になりすぎる。

上述した本発明の装置と方法によれば、ガスジェット装置１４により、真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を回収可能に形成し、かつレーザー装置１６により、極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射して、レーザー光の集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させることができる。

また、磁場発生装置２０を備え、極超音速定常ガスジェット１にその流れと平行な磁場５を印加するので、磁場５の存在により、極超音速定常ガスジェット１の流れに垂直な方向のプラズマ膨張が抑制され、所望波長領域のＥＵＶ出力の低下を抑制することができる。
なお、ガス流の流れ方向へのプラズマの流れは磁場５の影響を受けないため、発光物質の排出には影響を与えない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１極超音速定常ガスジェット、
２集光点、３レーザー光、４ＥＵＶ光（極端紫外光）、
５磁場、
１０ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源、１２真空チャンバー、
１２ａ光学窓、１３真空ポンプ、
１４ガスジェット装置、
１４ａ極超音速ノズル、１４ｂ極超音速ディフューザー、
１５ガス再循環装置、１５ａ吸引ポンプ、
１５ｂターゲットチャンバー、１５ｂ吐出ポンプ、
１６レーザー装置、
１６ａレーザー発振器、１６ｂ集光レンズ、
１７ａ供給ライン、１７ｂ戻りライン、
１８ターゲット加熱装置、
２０磁場発生装置

Claims

所定の真空環境に保持された真空チャンバーと、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成するガスジェット装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場を印加する磁場発生装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射するレーザー装置と、を備える、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光源。
前記ガスジェット装置は、前記真空チャンバー内に前記集光点を挟んで対向配置された極超音速ノズル及び極超音速ディフューザーと、前記極超音速定常ガスジェットを極超音速ノズルから噴射しかつ極超音速ディフューザーから回収して循環させるガス再循環装置とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源。
前記集光点における前記磁場の強度は、１テスラ以上、２０テスラ以下である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源。
真空チャンバー内を所定の真空環境に保持し、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、
前記極超音速定常ガスジェットにその流れと平行な磁場を印加し、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射し、
前記レーザー光の集光点においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法。