JP2012191113A - プラズマ光源及びプラズマ光源の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極部との接触部分において隙間を生じさせない電極間絶縁体を有するプラズマ光源及びプラズマ光源の製造方法を提供する。
【解決手段】各同軸状電極１１は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極１２と、中心電極１２を一定の間隔で隔てて囲む管状のガイド電極１４と、中心電極１２とガイド電極１４の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体１６とからなり、絶縁体１６は、ホットプレス１８によって加圧されており、中心電極１２及びガイド電極１４を密着するように成形されるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光源及びプラズマ光源の製造方法に関する。

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（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光源であり、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：Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）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：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）に大別できる。ＤＰＰは、投入した電力が直接プラズマエネルギーに変換されるので、ＬＰＰに比べて変換効率で優位であるうえに、装置が小型で低コストという利点がある。

プラズマから有効波長領域（ｉｎ−ｂａｎｄ）の放射光への変換効率（Ｐｌａｓｍａ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅ．ｃｉｅｎｃｙ：Ｐ．Ｃ．Ｅ）は次式（１）のように表される。
Ｐ．Ｃ．Ｅ＝（Ｐ_{ｉｎｂａｎｄ}×τ）／Ｅ・・・（１）
ここで、Ｐ_{ｉｎｂａｎｄ}は有効波長領域のＥＵＶ放射光出力、τは放射持続時間、Ｅはプラズマに投入されたエネルギーである。

有効波長領域に放射スペクトルを持つ元素としては、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等が代表的であり、実験の容易さ、取り扱いやすさから開発初期はＸｅを中心に研究が進められてきた。しかし、近年では高出力、高効率を理由にＳｎが注目を浴び研究が進められている。また、有効波長領域にちょうどＬｙｍａｎ−α共鳴線を有する水素様Ｌｉイオン（Ｌｉ^２＋）に対する期待も高まってきている。

高温高密度プラズマからの放射スペクトルは、基本的にはターゲット物質の温度と密度によって決まり、プラズマの原子過程を計算した結果によると、ＥＵＶ放射領域のプラズマにするにはＸｅ，Ｓｎの場合で電子温度、電子密度がそれぞれ数１０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−３程度が最適とされている。

なお、上述したプラズマ光源は、非特許文献１，２および特許文献１に開示されている。

佐藤弘人、他、「リソグラフィ用放電プラズマＥＵＶ光源」、ＯＱＤ−０８−２８ Ｊｅｒｏｅｎ Ｊｏｎｋｅｒｓ，"Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ） ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ"，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １５（２００６） Ｓ８−Ｓ１６

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」

ＥＵＶリソグラフィ光源には、高い平均出力、微小な光源サイズ、飛散粒子（デブリ）が少ないこと等が要求される。現状では、ＥＵＶ発光量が要求出力に対して極めて低く、高出力化が大きな課題の一つであるが、一方で高出力化のために入力エネルギーを大きくすると熱負荷によるダメージがプラズマ生成装置や光学系の寿命の低下を招いてしまう。従って、高ＥＵＶ出力と低い熱負荷の双方を満たすためには、高いエネルギー変換効率が必要不可欠である。

プラズマ形成初期には加熱や電離に多くのエネルギーを消費するうえに、ＥＵＶを放射するような高温高密度状態のプラズマは一般的に急速に膨張してしまうため、放射持続時間τが極端に短い。従って、変換効率を改善するためには、プラズマをＥＵＶ放射のために適した高温高密度状態で長時間（μｓｅｃオーダーで）維持することが重要になる。

ＳｎやＬｉ等の常温固体の媒体はスペクトル変換効率が高い反面、プラズマ生成に溶融、蒸発等の相変化を伴うため、中性粒子等のデブリ（放電に伴う派生物）による装置内汚染の影響が大きくなる。そのため、ターゲット供給、回収システム強化も同様に要求される。

現在の一般的なＥＵＶプラズマ光源の放射時間は１００ｎｓｅｃ程度であり出力が極端に足りない。産業応用のため高変換効率と高平均出力を両立させる為には１ショットで数μｓｅｃ（少なくとも１μｓｅｃ以上）のＥＵＶ放射時間を達成する必要がある。つまり、高い変換効率を持つプラズマ光源を開発するためには、それぞれのターゲットに適した温度密度状態のプラズマを１μｓｅｃ以上拘束し、安定したＥＵＶ放射を達成する必要がある。

ここで、プラズマ物質供給源としてリチウム化合物（例えば、ＬｉＨ等）が電極間絶縁体として用いられており、絶縁体表面での沿面放電によりプラズマ物質の供給を行っている。

しかし、この場合、リチウム化合物は粉体から焼結により固体に成形されるが、リチウム化合物焼結体は加工性が悪く、高精度な加工が困難で、電極部との接触部分において隙間が生じる場合があった。
さらに、かかる場合において、この隙間は周方向に均一に発生するとは限らず、焼結部品個々のばらつきが発生することがあるという問題点があった。

そのため、電極間放電の安定性や再現性等が、一定の水準に維持できない場合があるという問題が生じていた。

本発明は、かかる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、電極部との接触部分において隙間を生じさせない電極間絶縁体を有するプラズマ光源及びプラズマ光源の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極と、
該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマの発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、
各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備えるプラズマ光源であって、
各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔で隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
前記絶縁体は、ホットプレスによって加圧されており、前記中心電極及び前記ガイド電極を密着して成形されるようになっている、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。

また、前記中心電極及び前記ガイド電極は、タングステン又はグラファイトからなる。

また、本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極を準備し、
前記各同軸電極対にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマ発生に適した温度及び圧力に各同軸電極対内を保持し、
各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加し、
１対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源の製造方法であって、
各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔で隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
前記絶縁体を、ホットプレスによって加圧され、前記中心電極及び前記ガイド電極を密着するように成形する、ことを特徴とするプラズマ光源の製造方法が提供される。

上記発明によれば、電極間絶縁体にタングステン又はグラファイトを使用することによって、電極部との接触部分において隙間を生じさせないため、放電特性の安定性、再現性を高めることができる。

本発明によるプラズマ光源の原理図である。 本発明による絶縁体に対するホットプレスの概念図である。 本発明によるプラズマ光源の作動説明図である。

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、本発明によるプラズマ光源の原理図である。
この図において、本発明のプラズマ光源１０は、１対の同軸状電極１１、放電環境保持装置２０、及び電圧印加装置３０を備える。

１対の同軸状電極１１は、対称面１を中心として対向配置されている。
各同軸状電極１１は、棒状の中心電極１２、管状のガイド電極１４及びリング状の絶縁体１６からなる。

棒状の中心電極１２は、単一の軸線Ｚ−Ｚ上に延びる導電性の電極である。
この例において、中心電極１２の対称面１に対向する端面に凹穴１２ａが設けられ、後述する面状放電電流２と管状放電４を安定化させるようになっている。なお、この構成は必須ではなく、中心電極１２の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。

管状のガイド電極１４は、中心電極１２を一定の間隔を隔てて囲み、その間にプラズマ媒体を保有するようになっている。なお、ガイド電極１４の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。

リング状の絶縁体１６は、中心電極１２とガイド電極１４の間に位置する中空円筒形状の電気的絶縁体であり、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する。
なお、絶縁体１６の形状はこの例に限定されず、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する限りで、その他の形状であってもよい。

上述した１対の同軸状電極１１は、各中心電極１２が同一の軸線Ｚ−Ｚ上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する。

放電環境保持装置２０は、同軸状電極１１内をプラズマ発生に適した温度及び圧力に同軸状電極１１を保持する。
放電環境保持装置２０は、例えば、真空チャンバー、温度調節器、真空装置、及びプラズマ媒体供給装置により構成することができる。なおこの構成は必須ではなく、その他の構成であってもよい。

電圧印加装置３０は、各同軸状電極１１に極性を反転させた放電電圧を印加する。
電圧印加装置３０は、この例では、正電圧源３２、負電圧源３４及びトリガスイッチ３６からなる。
正電圧源３２は、一方（この例では左側）の同軸状電極１１の中心電極１２にそのガイド電極１４より高い正の放電電圧を印加する。
負電圧源３４は、他方（この例では右側）の同軸状電極１１の中心電極１２にそのガイド電極１４より低い負の放電電圧を印加する。
トリガスイッチ３６は、正電圧源３２と負電圧源３４を同時に作動させて、それぞれの同軸状電極１１に同時に正負の放電電圧を印加する。
この構成により、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１１間に管状放電（後述する）を形成してプラズマを軸方向に封じ込めるようになっている。

図２は、本発明による絶縁体に対するホットプレスの概念図である。
この図において、１７はホットプレス用ケース、１８はホットプレス用圧力付与体である。

粉体の絶縁体１６を固体に成形させる場合において、絶縁体１６と共に中心電極１２とガイド電極１４をホットプレス用ケース１７に収納させ、同軸状電極１１の反対側から、絶縁体１６と中心電極１２及びガイド電極１４を一体としてホットプレス用圧力付与体１８によって高温高圧下（約６００℃、約１００気圧、約１時間）でホットプレスして焼結することによって行われる。
かかる方法によって、絶縁体１６の粉体を焼結させることで、絶縁体１６と中心電極１２又はガイド電極１４との間に隙間を発生させない形で粉体の絶縁体１６を固体に成形させることができる。

また、かかる場合において、中心電極１２及びガイド電極１４をグラファイトやタングステン等の高融点物質に変更することによって、高温高圧下でホットプレスしても熱変形を起こさないようにすることが可能になる。
なお、タングステン又はグラファイト以外にもタンタル等を使用することも可能である。

ホットプレス用ケース１７及びホットプレス用圧力付与体１８は、高温高圧下のホットプレスに耐えられるようにグラファイト等の高融点物質を用いることが望ましい。
また、中心電極１２及び絶縁体１６については、例えば、図２におけるＤ１を約１０ｍｍ程度、Ｄ２を約５ｍｍ程度、Ｗ１を約１０ｍｍ程度として設計するとよい。

なお、中心電極１２をホットプレス用ケース１７に接続するために、中心電極１２の先端部にネジ部（図示しない）を設け、ホットプレス用ケース１７と接続させる形でもよい。

図３は、本発明によるプラズマ光源の作動説明図である。この図において、（Ａ）は面状放電の発生時、（Ｂ）は面状放電の移動中、（Ｃ）はプラズマの形成時、（Ｄ）はプラズマ封込み磁場の形成時を示している。
以下、この図を参照して、本発明のプラズマ光源の製造方法を説明する。

本発明のプラズマ光源の製造方法では、上述した１対の同軸状電極１１を対向配置し、放電環境保持装置２０により同軸状電極１１内をプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、電圧印加装置３０により各同軸状電極１１に極性を反転させた放電電圧を印加する。

図３（Ａ）に示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１１に絶縁体１６の表面でそれぞれ面状の放電電流（以下、面状放電２と呼ぶ）が発生する。面状放電２は、２次元的に広がる面状の放電電流である。

なおこの際、左側の同軸状電極１１の中心電極１２は正電圧（＋）、ガイド電極１４は負電圧（−）に印加され、右側の同軸状電極１１の中心電極１２は負電圧（−）、そのガイド電極１４は正電圧（＋）に印加されている。
なお、両方のガイド電極１４を接地させて０Ｖに保持し、一方の中心電極１２を正電圧（＋）に印加し、他方の中心電極１２を負電圧（−）に印加してもよい。

また本発明において、絶縁体１６は、プラズマ媒体を主成分とする常温で固体の絶縁化合物で構成されているので、面状放電２により、絶縁化合物の表面が気化してプラズマ媒体６として同軸状電極間に供給される。

図３（Ｂ）に示すように、面状放電２は、自己磁場によって電極から排出される方向（図で中心に向かう方向）に移動する。

図３（Ｃ）に示すように、面状放電２が１対の同軸状電極１１の先端に達すると、１対の面状放電２の間に挟まれたプラズマ媒体６が高密度、高温となり、各同軸状電極１１の対向する中間位置（中心電極１２の対称面１）に単一のプラズマ３が形成される。

さらに、この状態において、対向する１対の中心電極１２は、正電圧（＋）と負電圧（−）であり、同様に対向する１対のガイド電極１４も、正電圧（＋）と負電圧（−）であるので、図３（Ｄ）に示すように、面状放電２は対向する１対の中心電極１２同士、及び対向する１対のガイド電極１４の間で放電する管状放電４に繋ぎ換えられる。ここで、管状放電４とは、軸線Ｚ−Ｚを囲む中空円筒状の放電電流を意味する。
この管状放電４が形成されると、図に符号５で示すプラズマ封込み磁場（磁気ビン）が形成され、プラズマ３を半径方向及び軸方向に封じ込むことができる。

すなわち、磁気ビン５はプラズマ３の圧力により中央部は大きくその両側が小さくなり、プラズマ３に向かう軸方向の磁気圧勾配が形成され、この磁気圧勾配によりプラズマ３は中間位置に拘束される。さらにプラズマ電流の自己磁場によって中心方向にプラズマ３は圧縮（Ｚピンチ）され、半径方向にも自己磁場による拘束が働く。
この状態において、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを電圧印加装置３０から供給し続ければ、高いエネルギー変換効率で、プラズマ光８（ＥＵＶ）を長時間安定して発生させることができる。

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 対称面、２ 面状放電、３ プラズマ、
４ 管状放電、５ プラズマ封込み磁場、
６ プラズマ媒体、８ プラズマ光（ＥＵＶ光）、
１０ プラズマ光源、１１ 同軸状電極、
１２ 中心電極、１２ａ 凹穴、
１４ ガイド電極、１６ 絶縁体（絶縁化合物）、
１７ ホットプレス用ケース、１８ ホットプレス用圧力付与体、
２０ 放電環境保持装置、３０ 電圧印加装置、
３２ 正電圧源、３４ 負電圧源、３６ トリガスイッチ

Claims (3)

1. 対向配置された１対の同軸状電極と、
   該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマの発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、
   各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備えるプラズマ光源であって、
   各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔で隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
   前記絶縁体は、ホットプレスによって加圧されており、前記中心電極及び前記ガイド電極を密着して成形されるようになっている、ことを特徴とするプラズマ光源。
2. 前記中心電極及び前記ガイド電極は、タングステン又はグラファイトからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
3. 対向配置された１対の同軸状電極を準備し、
   前記各同軸電極対にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマ発生に適した温度及び圧力に各同軸電極対内を保持し、
   各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加し、
   １対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源の製造方法であって、
   各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔で隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
   前記絶縁体を、ホットプレスによって加圧され、前記中心電極及び前記ガイド電極を密着するように成形する、ことを特徴とするプラズマ光源の製造方法。