JP2017069125A - プラズマ光源の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】液状のプラズマ媒体を供給する供給路内の残留ガスを適切に排出することが可能なプラズマ光源の電極構造を提供する。
【解決手段】プラズマ光源の電極構造は、単一の軸線上に延びる中心電極１２および外部電極１４を有し、対称面１を挟んで互いに対向配置される一対の同軸状電極１０、１０を備える。中心電極１２は、リザーバ２０に連通し、中心電極１２の側面１２ｂに供給口１８ａを有するプラズマ媒体の供給路１８と、供給路１８の内面から中心電極１２の側面１２ｂに貫通する少なくとも１つの気抜き孔１９とを有する。気抜き孔１９の内径は、供給路１８の内径よりも小さく且つプラズマ媒体が自己の表面張力によって気抜き孔１９に侵入できない値に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、極端紫外光を生成するプラズマ光源の電極構造に関する。

半導体回路の更なる微細化を図るため、フォトリソグラフィにおける次世代の照射光として極端紫外光が注目されている。極端紫外光の生成方式としては、高エネルギー密度プラズマを利用したものが知られている。具体的には、パルス放電を用いる放電生成プラズマ（ＤＰＰ：ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式やパルスレーザーの照射を用いるレーザー生成プラズマ（ＬＰＰ：ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式が知られている。なお、上記方式の何れにおいても、生成される光はパルス光である。

フォトリソグラフィでは露光時間の制御が極めて重要である。そのため、極端紫外光の十分な強度及び輝度を確保するだけでなく、これらを安定に得る必要がある。また、極端紫外光の放出時間は数十μｓ程度と短いため、プラズマの発生を高速に繰り返す必要がある。

特許文献１の極端紫外光光源装置は、一対の円盤状の放電電極の間に１０ｋＨｚの周期で放電を発生させ、この放電に同期して放電電極にレーザー光を照射している。放電は各放電電極の周縁間で発生する。一方、レーザー光はこの周縁に塗布されたスズに照射し、スズを気化する。即ち、レーザー光はスズのアブレーションを発生する。アブレーションによって気化したスズは、放電電極間の放電内に取り込まれてプラズマに成長する。放電電極に印加された電気エネルギーはプラズマを加熱する。その結果、スズの電離が進行し、高温プラズマから極端紫外光が放出する。

特許文献２のプラズマ光源は、棒状の中心電極とその外周を囲むように設けられる外部電極とによって構成される同軸状電極を一対備えている。各同軸状電極は対称面を挟んで互いに対向配置される。特許文献２のプラズマ光源も、アブレーションによってプラズマの媒体（即ち原材料）を中心電極と外部電極との間に放出させると共に、これらの電極の間に放電を発生させ、媒体のプラズマを生成する。各同軸状電極内のプラズマは、各同軸状電極に印加された電気エネルギーによって成長しながら、自己磁場等によって対称面に進行し、その後、対称面上で合体する。合体したプラズマはピンチ効果によって更に高密度化、高温化される。その結果、媒体の電離が進行し、高温プラズマから極端紫外光が放出する。

特許文献２のプラズマ光源では、プラズマの媒体（以下、プラズマ媒体）として、例えばリチウム（Ｌｉ）等の低融点金属が用いられる。低融点金属は中心電極を支持するリザーバに予め充填され、貯留されている。この低融点金属はリザーバを加熱するヒータの熱によって溶融する。溶融した低融点金属は中心電極内の供給路を介して、多孔質体の媒体保持部に供給される。媒体保持部は中心電極の側面に設けられ、中心電極と共に上述のヒータによって加熱されている。従って、低融点金属は媒体保持部に保持され、その一部が媒体保持部から滲出する。滲出した低融点金属にはアブレーション用のレーザー光が照射される。

特開２０１０−２３２１５０号公報 特開２０１４−２３５８８７号公報

リチウム（Ｌｉ）等のプラズマ媒体は酸化しやすい。そのため、酸化しやすいプラズマ媒体をリザーバへ充填するときには、希ガス等の不活性ガスで満たされた容器を用意し、この中で充填作業を行う。この時のプラズマ媒体の形態は粒或いは小片である。従って、リザーバにプラズマ媒体を十分に充填しても、リザーバ内には多少の隙間が生じる。この隙間に残留したガスが金属の溶融時に泡となる。

一方、媒体保持部におけるプラズマ媒体の滲出を促すため、リザーバ内は希ガス等の不活性ガスにより与圧されている。この圧力によって、リザーバ内の残留ガスの泡も媒体保持部から排出される。このとき、残留ガスは急激に排出されるため、媒体保持部ではプラズマ媒体の噴出或いは飛散が発生しやすい。このような現象が生じるとプラズマ媒体が媒体保持部以外の部位に付着し、その結果、放電の異常発生やプラズマ媒体の過剰供給などの予期せぬ現象が発生する。即ち、プラズマ光源の動作が不安定になる。

また、同軸状電極やリザーバは真空中に設置され、プラズマ媒体は真空中内で溶融する。リザーバ内の残留ガスは、供給路の唯一の出口である媒体保持部から排出される。つまり、残留ガスの泡が完全に排出されるまでに多大な時間を要する。即ち、プラズマ光源が安定に動作するまでに多大な時間を要する。

そこで本発明は、液状のプラズマ媒体を供給する供給路内の残留ガスを適切に排出することが可能なプラズマ光源の電極構造の提供を目的とする。

本発明の一態様はプラズマ光源の電極構造であって、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極および前記中心電極の外周を囲むように設けられる外部電極を有し、対称面を挟んで互いに対向配置され、極端紫外光を放射するプラズマを発生すると共に前記プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を備え、各前記同軸状電極の前記中心電極は、前記プラズマの媒体を貯留するリザーバに連通し、前記中心電極の側面において前記媒体のアブレーションを行うためのレーザー光が照射される位置に前記媒体の供給口として開口する前記媒体の供給路と、前記供給路の内面から前記中心電極の前記側面に貫通する少なくとも１つの気抜き孔とを有し、前記気抜き孔の内径は、前記供給路の内径よりも小さく且つ前記媒体が自己の表面張力によって前記気抜き孔に侵入できない値に設定されていることを要旨とする。

前記気抜き孔は前記供給口を挟んで前記対称面と反対側に設けられ、水平面に対して上向きに開口していてもよい。

前記気抜き孔は複数設けられていてもよい。

本発明によれば、液状のプラズマの媒体を供給する供給路内の残留ガスを適切に排出することが可能なプラズマ光源の電極構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電極構造を備えるプラズマ光源の概略構成図（断面図）である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマ光源の電気系統を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電極構造の概略構成図（断面図）である。 初期放電の経時変化の一例を示す画像である。 初期放電の経時変化の一例を示す画像である。 本発明の一実施形態に係る中心電極内を低融点金属が流動する様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る電極構造を備えるプラズマ光源について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る電極構造を備えるプラズマ光源の概略構成図（断面図）、図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す図、図３は当該プラズマ光源の電気系統を示す図、図４は本実施形態に係る電極構造の概略構成図（断面図）である。これらの図に示すように、プラズマ光源は、本実施形態に係る電極構造としての一対の同軸状電極１０、１０を備える。プラズマ光源は、更に、各同軸状電極１０に対して個別に設けられるリザーバ２０と、電圧印加装置３０と、レーザー装置４０とを備える。なお、図１において右側の同軸状電極１０は、左側の同軸状電極１０と同一の構成であるため、詳細な図示を省略する。

一対の同軸状電極１０、１０は、真空槽（図示せず）内において対称面１に対して互いに対称な位置に設置されている。具体的には、対称面１を挟んで一定の間隔を隔てて設置され、先端側（面状放電２ｂが放出される側）が互いに対向している。同軸状電極１０、１０は、プラズマの媒体（以下、プラズマ媒体と称する）６を含むプラズマ３を発生すると共に、両者の間に当該プラズマ３を閉じ込める。同軸状電極１０、１０の間に閉じ込められたプラズマ３は加熱され、極端紫外光を含むプラズマ光８を放射する。

本実施形態のプラズマ媒体６は、リザーバ２０から供給路１８の供給口１８ａ（後述）まで供給可能な低融点金属（低融点合金）であり、その組成は、必要な紫外線の波長に応じて選択される。例えば、１３．５ｎｍの紫外光が必要な場合はリチウム（Ｌｉ）やスズ（Ｓｎ）を含み、６．７ｎｍの紫外光が必要な場合はビスマス（Ｂｉ）を含む。

各同軸状電極１０は、中心電極１２と、中心電極１２の外周を囲むように設けられる複数の外部電極１４と、絶縁体１６とを備える。図１および図２に示すように、中心電極１２は、各同軸状電極１０に共通する単一の軸線Ｚ−Ｚを中心軸（以下、この軸を中心軸Ｚと称する）として、この中心軸Ｚ上に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば５ｍｍである。例えば図１に示すように、中心電極１２は対称面１に頂角を有する略円錐状に形成される。即ち、中心電極１２の直径は、対称面１に向かうに連れて小さくなっている。中心電極１２は高温プラズマに対して耐熱性を有する材料を用いて形成される。このような材料は、例えばタングステンやモリブデン等の高融点金属である。

中心電極１２は、対称面１に面する先端部１２ａと、中心軸Ｚの周りに形成された側面１２ｂと、中心電極１２の内部に設けられたプラズマ媒体６の供給路１８とを有する。中心電極１２における先端部１２ａと反対側の端部はリザーバ２０に装着され、電子ビーム溶接等によってリザーバ２０に接合している。これにより、両者の間の熱的な接触が確保されると共に、プラズマ媒体６の漏洩が防止されている。

先端部１２ａは、対称面１に対向する半球状の曲面を有する。ただし、対称面１に対向する面の形状は曲面に限られず、単なる平面でもよい。また、中心軸Ｚに沿って窪んだ凹部（図示せず）を設けてもよい。

図１及び図２に示すように、供給路１８は、リザーバ２０に連通すると共に中心電極１２の側面１２ｂにおいて開口する。具体的には供給路１８は、中心電極１２においてリザーバ２０側から中心軸Ｚに沿って延伸し、さらに供給口１８ａの数に応じて径方向外方に向けて分岐し、各供給口１８ａとして中心電極１２の側面１２ｂに開口する。供給口１８ａは、中心電極１２の側面１２ｂに複数形成され、プラズマ媒体６を中心電極１２と外部電極１４との間に供給する供給点として機能する。各供給口１８ａは、外部電極１４の部位Ｇ（図２参照）と対向し、且つ、レーザー光４２の照射位置を含む位置に位置する。本実施形態の供給口１８ａは、中心軸Ｚを挟んだ２か所に形成されている。

上述の通り、供給路１８はリザーバ２０に連通している。従って、プラズマ媒体６はこの供給路１８を介して供給口１８ａまで供給される。このとき、プラズマ媒体６の表面（露出面）は、中心電極１２の側面１２ｂと同じ高さに位置する。即ち、供給口１８ａ内は、プラズマ媒体６で満たされている。或いは、プラズマ媒体６の表面は中心電極１２の側面１２ｂより１ｍｍ〜数ｍｍ程度低くてもよい。なお、ここで言う「同じ高さ」とは、「実質的に同じ高さ」を意味する。即ち、「同じ高さ」には、プラズマ媒体６の表面張力による湾曲、放電時のプラズマ媒体６の変動、中心電極１２に対するプラズマ媒体６の濡れ性などに起因する相対的な位置の誤差を含む。

供給口１８ａの内径は、プラズマ媒体６が自己の表面張力によって供給口１８ａ内に留まることができ、且つ、レーザー光４２が供給口１８ａの周囲の側面１２ｂに当たらない値に設定される。このような値は、レーザー光４２の照射位置におけるビーム径（数百μｍ）の数倍、例えば１．５ｍｍである。

図１に示すように、中心電極１２は、供給路１８の内面から中心電極１２の側面１２ｂに貫通する少なくとも１つの気抜き孔１９を有する。気抜き孔１９は、供給口１８ａを挟んで対称面１と反対側（即ち、供給口１８ａから見てリザーバ２０側）に設けられる。例えば、図１に示すように、中心電極１２の側面１２ｂにおいて、供給口１８ａと絶縁体１６との間の領域に設けられる。後述の通り、気抜き孔１９は供給路１８内の泡を除去するために設けられている。泡は供給路１８内の上側に溜まりやすい。この泡の排出を促すため、気抜き孔１９は、同軸状電極１０が真空槽に設置された状態で、水平面に対して上向きに開口している。ただし、気抜き孔１９がその他の向きに開口していても、泡の大きさ或いは位置によってはその泡を除去することが可能である。

気抜き孔１９の内径は供給路１８（供給口１８ａを含む）の内径よりも小さい。また、気抜き孔１９の内径は、プラズマ媒体６が自己の表面張力によって気抜き孔１９に侵入できない値に設定されている。例えば、プラズマ媒体６がリチウム、中心電極１２の材質がタングステン、供給口１８ａの内径が１．５ｍｍであったとすると、気抜き孔１９の内径は０．８ｍｍ程度に設定される。ただし、この値はタングステンに対する機械加工の難易性を考慮して設定されたものである。従って、機械加工に支障がなく且つ気体の流動が可能な限り、気抜き孔１９の内径は更に小さくてもよい。上述した観点から、気抜き孔１９の内径は０．１ｍｍから０．８ｍｍであることが好ましい。供給路１８の内径が気抜き孔１９の内径よりも大きく、気抜き孔１９の内径は上述の条件を満たす値に設定されているので、プラズマ媒体６はリザーバ２０から供給口１８ａに優先的に流れ、プラズマ媒体６が気抜き孔１９に侵入しない。

図１に示すように、外部電極１４は、中心電極１２の側面１２ｂに沿って、中心軸Ｚに対して傾斜した方向に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば３ｍｍである。また、図２に示すように、中心電極１２と所定の間隔（例えば２．５ｍｍ）を隔てながら、中心電極１２の周方向に沿って角度θ毎に複数配置されている。換言すると、各外部電極１４は、中心電極１２の周囲を囲んでいる。図２に示す例では、６本の外部電極１４が中心電極１２の周りで６０°毎に配置されている。

図２に示すように、各外部電極１４は、その軸方向に垂直な面において、中心電極１２の側面１２ｂとの間隔が最少となる部位Ｇを１点だけ含む断面を有する。このような形状の断面は、例えば円である。ただし、外部電極１４の断面形状は円形に限られず、少なくとも中心電極１２に対向する面が、中心電極１２に向かって突出する曲面を有していればよい。また、何れの場合も、部位Ｇが中心電極１２の周りで角度θ毎に配置される。さらに、各外部電極１４は、中心軸Ｚに直交する面における部位Ｇと中心電極１２の側面１２ｂとの間隔が一定となるように形成されてもよく、対称面１に向かうに連れて小さくなるように形成されてもよい。

外部電極１４は中心電極１２の周りで等間隔に設置されることが望ましい。例えば、加工や組み立ての観点から、各外部電極１４は中心電極１２に対して回転対称な位置に設置されることが望ましい。しかしながら、本発明はこのような配列に限定されない。また、外部電極１４の本数も６本に限定されず、中心電極１２及び外部電極１４の大きさや形状、両者の間隔などに応じて適宜設定される。なお、外部電極１４は中心電極１２を中心軸とした円筒状（管状）の電極であってもよい。ただし、面状放電２ｂ（後述）の形成の容易性を考慮すると、外部電極１４を複数の棒状電極で構成することが望ましい。

なお、外部電極１４は、中心電極１２と同じく、高温プラズマに対して耐熱性をもつ導電材料を用いて形成される。また、対称面１に対向する外部電極１４の端面は曲面、平面の何れでもよい。

中心電極１２の周りに複数の外部電極１４をこのように配置することで、面状放電２ｂに至る初期放電２ａ（図１参照）を、各外部電極１４と中心電極１２との間で発生させることができる。即ち、各部位Ｇを放電経路に含む初期放電２ａを優先的に発生させることで、初期放電２ａを中心電極１２の全周に亘って発生させることが可能になり、環状の面状放電２ｂの形成が容易になる。

絶縁体１６は例えばセラミックを用いて形成され、中心電極１２と外部電極１４の各基部を支持して両者の間隔を規定すると共にその間を電気的に絶縁する。絶縁体１６は例えば円盤状に形成され、中心電極１２及び外部電極１４を支持する孔や溝等の構造を有する。

リザーバ２０は各同軸状電極１０に対して個別に設けられる。図１に示すように、リザーバ２０は中心電極１２の基部を支持すると共に、内部に形成された空間２０ａにプラズマ媒体６を貯留する。この空間２０ａは、供給路１８に連通している。リザーバ２０は中心軸Ｚ或いはこれに平行な軸に対して対称な筒状に形成されてもよく、直方体等の六面体として形成されてもよい。何れの形状においても、リザーバ２０（リザーバ２０の外面）は少なくとも、中心軸Ｚ或いはこれに平行な軸に対して垂直で、中心電極１２が接合する平面と、空間２０ａを挟んでこの平面に対して反対側に位置する背面２０ｃとを有する。なお、プラズマ媒体６としてリチウムを想定した場合、リザーバ２０の材質は銅（Ｃｕ）である。ただし、リザーバ２０の材質は、耐久性（耐食性）が高く且つプラズマ媒体６の濡れ性が低い金属（合金）であればよく、銅に限定されない。例えばプラズマ媒体６がスズである場合、リザーバ２０の材質としてステンレスを用いてもよい。

また、リザーバ２０にはヒータ２３が設置されている。ヒータ２３は、例えば熱媒体（油）循環式のヒータや電熱式のヒータで構成され、熱的な接触が確保されるように、リザーバ２０の外面に固定されている。ヒータ２３は、リザーバ２０内のプラズマ媒体６を溶融すると共に、中心電極１２（供給路１８）内のプラズマ媒体６も溶融する。従って、プラズマ媒体６は、液体の状態で供給路１８を流れ、供給口１８ａに供給される。また、供給口１８ａ内のプラズマ媒体６は溶融した状態で保持される。

図１及び図４に示すように、リザーバ２０は与圧用ガスの導入口２１を有する。導入口２１はリザーバ２０の上面２０ｂから空間２０ａに連通している。導入口２１は、メタルＯリングを用いた接続部品やロウ付けなどによって与圧装置５０からのガス導入管５２に接続している。与圧装置５０は、希ガス等の不活性ガスを用いてリザーバ２０の空間２０ａを数十Ｔｏｒｒ程度の圧力で与圧し、溶融したプラズマ媒体６の供給口１８ａまでの流動を促す。与圧装置５０は、例えば、不活性ガスのボンベと、ボンベに装着されたレギュレータと、入口側がレギュレータの排出口に接続するバルブと、バルブの出口側に接続したガス導入管５２内の圧力を測定する圧力計とを備えている。なお、リザーバ２０内のプラズマ媒体６の自重によって供給口１８ａへのプラズマ媒体６の流動が確保されている場合、与圧装置５０は不要であり、導入口２１は水平面に対して上向きに開口し、真空中に開放していてもよい。

リザーバ２０は、プラズマ媒体６を空間２０ａに充填するための充填口２２を有する。充填口２２は、中心電極１２と接合する平面を除くリザーバ２０の外面から空間２０ａに連通している。充填口２２は、例えば図４に示すように、リザーバ２０の背面２０ｃに設けられる。この場合、充填口２２は中心軸Ｚに沿った供給路１８の延長線上に位置する。つまり、充填口２２からリザーバ２０内（即ち空間２０ａ）を見ると、中心軸Ｚに沿った供給路１８の内部を見ることができる。

図４に示すように、充填口２２の内面は、軸対称に形成され同心上に位置する大径部２２ａ及び小径部２２ｂを有する。大径部２２ａは、リザーバ２０の外面（例えば背面２０ｃ）に開口し、小径部２２ｂは大径部２２ａと空間２０ａの間を連通させる。後述の封入部材２４が雄ネジである場合、大径部２２ａの内周面にはこの雄ネジのネジ山に対応するネジ溝が形成される。

小径部２２ｂの内径は大径部２２ａの内径よりも小さい。従って、充填口２２の内周面には、大径部２２ａと小径部２２ｂの内径の差によって、環状の段差部２２ｃが形成される。換言すれば、充填口２２の内周面には、大径部２２ａと小径部２２ｂの内径の差によって、大径部２２ａと小径部２２ｂとを接続するとともに、リザーバ２０の外部を臨む環状の表面が形成される。後述の通り、この表面（段差部２２ｃ）に、封入部材２４の当接面２４ｃが当接する。

充填口２２には封入部材２４が装着（挿入）される。封入部材２４は充填口２２を封じ、溶融したプラズマ媒体６が充填口２２から漏洩することを防止する。つまり、封入部材２４はいわゆる「栓」である。封入部材２４は、充填口２２に挿入される円柱部２４ａと、装着（挿入）の際に把持（保持）される頭部２４ｂとを有する。円柱部２４ａの直径は、大径部２２ａの直径と同一である。ただし、この「同一」とは、大径部２２ａへの円柱部２４ａの挿入（摺動）を許容する程度の公差を含む。封入部材２４が雄ネジである場合、円柱部２４ａの側面には、大径部２２ａのネジ溝に対応するネジ山が形成される。

封入部材２４は円柱部２４ａの後端に設けられる頭部２４ｂを有する。頭部２４ｂは円柱部２４ａの直径よりも大きな寸法を有し、充填口２２への円柱部２４ａの螺合を補助する形状に形成される。例えば、頭部２４ｂはスパナ等の工具が嵌るように六角形状に形成される。なお、図４の点線で示すように、頭部２４ｂは円盤状に形成され、ネジ或いはボルトによってリザーバ２０の背面２０ｃに固定されてもよい。

封入部材２４の前端（即ち、先端、或いは、空間２０ａに面する円柱部２４ａの端部）には当接面２４ｃが形成されている。封入部材２４が充填口２２に完全に装着された状態において、当接面２４ｃは、段差部２２ｃの周方向の全域に亘って、当該段差部２２ｃに当接する。即ち、当接面２４ｃは、段差部２２ｃの開口を封じる。

封入部材２４の材質は、リザーバ２０の材質の選定と同様の基準で選定される。即ち、プラズマ媒体６としてリチウムを想定した場合、封入部材２４の材質は銅（Ｃｕ）である。また、封入部材２４の材質は銅に限定されず、プラズマ媒体６に対する耐久性（耐食性）が高く且つプラズマ媒体６の濡れ性が低い金属或いは合金であればよい。なお、金属或いは合金の濡れ性については、自己の反発力（表面張力）によって当接面２４ｃと段差部２２ｃとの隙間に入り込めない程度のものである。例えばプラズマ媒体６がスズである場合、封入部材２４の材質としてステンレスを用いてもよい。つまり、本実施形態のリザーバ２０と封入部材２４は、プラズマ媒体６の濡れ性が低い金属で形成されている。

次に、本実施形態のプラズマ光源における電気系統について説明する。図３に示すように、プラズマ光源は各同軸状電極１０に接続する電圧印加装置３０を備える。電圧印加装置３０は、各同軸状電極１０に同極性の放電電圧を印加する。

電圧印加装置３０は、高圧電源３２を備える。高圧電源３２の出力側は、同軸状電極１０の中心電極１２に接続し、この中心電極１２に対応する外部電極１４よりも高い正の放電電圧（例えば５ｋＶ）を印加する。従って、外部電極１４が接地されている場合は、中心電極１２の電位は正になる。

上述の通り、各中心電極１２の周囲には複数の外部電極１４が設けられている。理想的な面状放電２ｂを得るには、全ての外部電極１４と中心電極１２との間で、放電が発生する必要がある。しかも、これらの放電が、中心電極１２の周りで空間的に等間隔に分布していることが望ましい。このため各外部電極１４は、中心電極１２に対向する面を曲面にして、優先的に放電する箇所を規定している。しかしながら、放電箇所を固定し、後述するレーザー光４２を各中心電極１２の供給口１８ａに同時に照射したとしても、各外部電極１４と中心電極１２との間の放電を厳密に同時に発生させることは困難であり、実際には各放電の発生タイミングに多少のずれが生じる。高圧電源３２から供給される放電エネルギーは最初に発生した放電に対して優先的に費やされる傾向があり、この場合は複数の放電を略同時に発生させることが困難になる。

そこで、電圧印加装置３０は、放電電圧の放電エネルギーを外部電極１４毎に蓄積するエネルギー蓄積回路３４を備えている。エネルギー蓄積回路３４は、例えば図２に示すように中心電極１２と各外部電極１４との間を個別に接続する複数のコンデンサＣで構成される。各コンデンサＣは、放電のピーク時に１０ｋＡ程度の放電電流を流すことが可能な静電容量を持ち、高圧電源３２の各出力側及び各コモン側に接続される。

このように、放電エネルギーを蓄積するコンデンサＣを外部電極１４毎に設けることで、全ての外部電極１４において放電を発生させることができる。即ち、最初に発生した放電によって多くの放電エネルギーが消費されることを防止でき、中心電極１２の全周に亘って発生する理想的な面状放電２ｂを得ることができる。

さらに、電圧印加装置３０は、放電電流が帰還することを阻止する放電電流阻止回路３６を備えてもよい。放電電流阻止回路３６は、例えば図２に示すように各外部電極１４と電圧印加装置３０（具体的には高圧電源３２のコモン側）との間を接続するインダクタＬで構成される。インダクタＬは、放電電流に対して十分に高いインピーダンスを有するため、中心電極１２及び外部電極１４を経由した放電電流を、その発生源であるエネルギー蓄積回路３４に戻すことができる。つまり、各コンデンサＣに蓄積された放電エネルギーが、当該コンデンサＣに直結した外部電極１４以外の外部電極１４に供給されることを防止するため、中心電極１２の周方向における放電の発生分布に偏りが生じることを防止できる。

また、本実施形態に係るプラズマ光源はレーザー装置４０を備える。レーザー装置４０は、各同軸状電極１０の中心電極１２の表面にレーザー光４２を照射することで、プラズマ３の媒体を放出させると共にプラズマ３の初期放電２ａを発生させる。レーザー装置４０は例えばＹＡＧレーザーであり、アブレーションを行うために基本波の二倍波を短パルスのレーザー光４２として出力する。レーザー光４２は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）等の光学素子によって分岐し、各中心電極１２の供給口１８ａに照射される。供給口１８ａにおけるレーザー光４２のビーム径は数百μｍ程度である。レーザー光４２が照射された供給口１８ａでは、レーザー光４２のアブレーションによって、プラズマ媒体６が中性ガス又はイオンとなって放出する。

一方、レーザー光４２の照射時には、既に電圧印加装置３０による放電電圧が、各同軸状電極１０の中心電極１２と外部電極１４の間に印加されている。従って、アブレーションが発生すると、中心電極１２と各外部電極１４間の初期放電２ａが誘発され、この放電によって面状放電２ｂ（図１参照）が形成される。

なお、初期放電２ａの発生箇所は、レーザー光４２の照射領域及びその近傍に制限される可能性がある。従って、レーザー光４２は中心軸Ｚの周方向に沿って間隔を置いて、複数且つ同時に照射することが好ましく、その数は少なくとも２箇所である。

これは、初期放電２ａの発生領域が、中心電極１２の軸を基点に１８０度以上の開き角があった実験結果に基づいている。この実験結果の一例を図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。図５（ａ）
〜（ｃ）は４個のＣＣＤを有する高速度カメラで測定したものである。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、５ｋＶの放電電圧が印加された中心電極‐外部電極間の放電分布の経時変化を示す画像である。図５（ａ）は最初の放電の発生から１００ｎｓ後の状態、図５（ｂ）は最初の放電の発生から３００ｎｓ後の状態、図５（ｃ）は最初の放電の発生から５００ｎｓ後の状態を示している。各画像における蓄積時間（露光時間）は１００ｎｓである。図中白い個所はプラズマが生成し発光していることを示す。なお、最初の放電を誘発するために、中心電極と外部電極の間の絶縁体の一箇所に対してレーザーアブレーションを行っている。しかしながら、このような放電の経時変化は、図１に示す保持部１８に対するレーザーアブレーションでも同様に得られる。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す時間変化から判るように、レーザー光の照射点は１点のみであるにも関わらず、アブレーションに誘発された放電が発生し、当該放電がレーザー光の照射点から時計回り及び反時計回りにそれぞれ概ね９０度に亘って拡大していることが確認できる。その結果、少なくとも写真中央と右側の計４本の外部電極のそれぞれと、中心電極との間で十分な放電が発生していることが確認できる。つまり、放電は、当該放電を誘発する現象（図５（ａ）〜図５（ｃ）においてはレーザーアブレーション）が発生した箇所に最も近接した外部電極と中心電極との間だけでなく、その遠方に位置する外部電極と中心電極との間にも発生する。即ち、放電エネルギーを付与した複数の外部電極を中心電極の周りに配置することで、中心電極の円周方向において放電を局在させることなく、全体に拡大させることができる。

図６は、中心電極を挟んだ絶縁体の二箇所に対してレーザーアブレーションを行った後の放電の経時変化を示し、図５（ｂ）に対応している。この図に示すように、初期放電は環状に分布する放電（後述の面状放電２ｂ）に成長する。なお、この結果を考慮すると、照射箇所の数が少ないほど中心電極１２に対して回転対称な位置にレーザー光４２を照射することが望ましい。なお、複数のレーザー光の同時照射は、ビームスプリッタ及びミラー等の光学素子を用いて光路長を合わせた複数の光路を形成することで容易に達成できる。

上述の通り、本実施形態のプラズマ光源では、真空槽（図示せず）内に一対の同軸状電極１０が設けられる。一対の同軸状電極１０は、対称面１を挟んで互いに対向配置される。一方、真空槽内は、プラズマ３の発生に適した温度及び圧力に保持される。また、放電前の各同軸状電極１０には、電圧印加装置３０により同極性の放電電圧が印加される。

次にプラズマ光源の準備作業について説明する。まず、プラズマ媒体６の粒（小片）を用意する。例えばプラズマ媒体６がリチウムである場合は、リチウムの塊を小片に切断する。用意されたプラズマ媒体６の粒或いは小片を、空間２０ａがプラズマ媒体６で満たされるまで、充填口２２からリザーバ２０の空間２０ａに投入する。充填口２２がリザーバ２０の背面２０ｃに設けられている場合、供給路１８の内径よりも細い棒を充填口２２から挿入し、プラズマ媒体６を供給路１８に押し込んでもよい。空間２０ａがプラズマ媒体６で満たされた後は、封入部材２４を充填口２２に装着する。このとき、封入部材２４の当接面２４ｃが充填口２２の段差部２２ｃに十分に当接するまで封入部材２４を挿入する。以上の手順によって、プラズマ媒体６の充填作業を終了する。なお、プラズマ媒体６がリチウムのように酸化され易い材料である場合、上述の一連の作業はアルゴンガス等の不活性ガスで満たされた容器内で行われる。

その後、同軸状電極１０とリザーバ２０を真空槽（図示せず）内に設置し、真空ポンプ（図示せず）によって真空槽を排気する。真空槽内の圧力（真空度）が所望の値に達した後、ヒータ２３によってリザーバ２０が加熱され、リザーバ２０内のプラズマ媒体６が溶融する。

封入部材２４及びリザーバ２０は、耐久性（耐食性）が高く且つプラズマ媒体６の濡れ性が低い金属（合金）で形成され、さらに、封入部材２４の当接面２４ｃは充填口２２の段差部２２ｃに当接している。従って、溶融したプラズマ媒体６は、自己の表面張力や濡れ性に起因した反発力により、封入部材２４の当接面２４ｃと充填口２２の段差部２２ｃとの間に流入（漏洩）することができない。液体の漏洩を防ぐにはガスケットやＯリングなどのシール材が通常は必要であるが、本実施形態ではそのようなシール材や当該シール材を保持するための構造が不要である。つまり、リザーバ２０内にプラズマ媒体６を封入するための構造が単純なため、リザーバ２０内の空間２０ａを広く確保でき、多量のプラズマ媒体６を空間２０ａに充填することができる。また、充填口２２が供給路１８の延長線上に設けられている場合は、プラズマ媒体６を供給路１８にも充填することができる。プラズマ媒体６の溶融時における残留ガスの泡の総数（体積）を低減できるので、供給路１８内を流れる泡の数も低減でき、プラズマ光源が稼働状態になるまでの待機時間が低減される。

溶融したプラズマ媒体６は、与圧装置５０による与圧或いはリザーバ２０内のプラズマ媒体６の自重によって供給路１８内を流れる。上述の通り、気抜き孔１９の内径は、供給口１８ａを含む供給路１８内の何れの位置の内径よりも小さく、且つ、プラズマ媒体６が自己の表面張力によって気抜き孔１９に侵入できない値に設定されている。従って、溶融したプラズマ媒体６は、気抜き孔１９に浸入することなく、供給口１８ａに到達する。

また、プラズマ媒体６が溶融すると、粒状のプラズマ媒体６の隙間に残留していたガスが泡になる。図７に示すように、残留ガスの泡Ｂもプラズマ媒体６の流動に伴って供給口１８ａに向けて移動する。ただし、泡Ｂは供給口１８ａに到達する前に気抜き孔１９に到達する。上述の通り、気抜き孔１９の内径は、プラズマ媒体６が自己の表面張力によって気抜き孔１９に侵入できない値に設定されている。つまり、気抜き孔１９には気体だけが流通できる。そのため、残留ガスの泡Ｂは気抜き孔１９に流入し、その後、中心電極１２の外部に排出される。つまり、気抜き孔１９を設けることで、供給口１８ａから残留ガスの泡Ｂが噴出することを防止できる。換言すれば、液状のプラズマ媒体を供給する供給路内の残留ガスを適切に排出することができる。これも、プラズマ光源が稼働状態になるまでの待機時間の低減に寄与する。

泡の数が多い、或いは、泡の体積が大きい場合、１つの気抜き孔１９だけではコンダクタンスとの兼ね合いで泡を排出しきれない可能性がある。その場合は、気抜き孔１９を複数設ける。これにより、十分な排出性能を確保することができる。

プラズマ媒体６が溶融し、残留ガスの泡が十分に排出されるとプラズマ光源は稼働可能な状態になる。以下、プラズマ光源の主な動作について説明する。

電圧印加装置３０各同軸状電極１０に放電電圧が印加された状態で、レーザー光４２が各同軸状電極１０の供給口１８ａに同時に照射される。この照射によるアブレーションによって、供給口１８ａに留まっていたプラズマ媒体６が、中性ガス又はイオンとなって放出される。また、このアブレーションによって、中心電極１２と各外部電極１４の間で初期放電２ａが発生する（図１参照）。

その後、初期放電２ａは、アブレーションによって放出されたプラズマ媒体６を取り込みつつ、中心電極１２の全周に亘って分布し、面状放電２ｂに成長する（図１参照）。面状放電２ｂは、自己磁場によって同軸状電極１０から排出される方向（即ち、対称面１に向かう方向）に移動する。このときの面状放電２ｂは、中心軸Ｚから見て略環状に分布する。なお、面状放電とは、２次元的に広がる面状の放電電流のことであり、電流シート又はプラズマシートとも呼ばれている。

面状放電２ｂが同軸状電極１０の先端に達すると、面状放電２ｂの放電電流の出発点は強制的に中心電極１２の円周側面から先端部１２ａに移行する（図１参照）。換言すれば、放電電流は先端部１２ａから集中的に流れ出す。この電流集中によるピンチ効果によって先端部１２ａ周辺の電流密度は急激に上昇し、一対の面状放電２ｂの間に挟まれていた先端部１２ａ周辺のプラズマ媒体６は高密度、高温になる。

さらに、この現象は対称面１を挟んだ各同軸状電極１０で進行するため、プラズマ媒体６は、一方の同軸状電極１０から他方の同軸状電極１０に向かって押し出される。その結果、プラズマ媒体６は、中心軸Ｚに沿う両方向からの電磁的圧力を受けて各同軸状電極１０が対向する中間位置（即ち、中心電極１２の対称面１）に移動し、プラズマ媒体６を成分とする単一のプラズマ３が形成される（図１参照）。

上述の通り、面状放電２ｂが発生している間は各中心電極１２の先端部１２ａに各面状放電２ｂの電流が集中する。従って、先端部１２ａ周辺には、プラズマ３に対して中心軸Ｚに向かうピンチ効果が働き、プラズマ３の高密度化及び高温化が進行する。即ち、プラズマ媒体６の電離が進行する。その結果、プラズマ３からは極端紫外光を含むプラズマ光８が放射される。この状態において、電圧印加装置３０は、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを供給し続ける。このエネルギー供給により、高いエネルギー変換効率でプラズマ光８を長時間に亘って発生させることができる。

なお、本発明は上述の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、２ａ…初期放電、２ｂ…面状放電、３…プラズマ、６…プラズマ媒体、８…プラズマ光、１０…同軸状電極、１２…中心電極、１２ａ…先端部、１２ｂ…側面、１４…外部電極１６…絶縁体、１８…供給路、１８ａ…供給口、１９…気抜き孔、２０…リザーバ、２１…導入口、２２…充填口、２２ａ…大径部、２２ｂ…小径部、２２ｃ…段差部、２３…ヒータ、２４…封入部材、２４ａ…円柱部、２４ｂ…頭部、２４ｃ…当接面、３０…電圧印加装置、３２…高圧電源、３４…エネルギー蓄積回路、３６…放電電流阻止回路、４０…レーザー装置、４２…レーザー光

Claims (3)

1. 単一の軸線上に延びる棒状の中心電極および前記中心電極の外周を囲むように設けられる外部電極を有し、対称面を挟んで互いに対向配置され、極端紫外光を放射するプラズマを発生すると共に前記プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極
   を備え、
   前記各同軸状電極の前記中心電極は、
   前記プラズマの媒体を貯留するリザーバに連通し、前記中心電極の側面において前記媒体のアブレーションを行うためのレーザー光が照射される位置に前記媒体の供給口として開口する前記媒体の供給路と、
   前記供給路の内面から前記中心電極の前記側面に貫通する少なくとも１つの気抜き孔と
   を有し、
   前記気抜き孔の内径は、前記供給路の内径よりも小さく且つ前記媒体が自己の表面張力によって前記気抜き孔に侵入できない値に設定されていることを特徴とするプラズマ光源の電極構造。
2. 前記気抜き孔は前記供給口を挟んで前記対称面と反対側に設けられ、水平面に対して上向きに開口していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源の電極構造。
3. 前記気抜き孔は複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ光源の電極構造。