JP2018097105A

JP2018097105A - プラズマ光源システム

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Publication number: JP2018097105A
Application number: JP2016240114A
Authority: JP
Inventors: 一桑原; Hajime Kuwabara
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP6772804B2

Abstract

【課題】対向型プラズマフォーカス方式のプラズマ光源を用いて、単位時間当たりの発光出力を向上させること。【解決手段】プラズマ光源システムは線形光源１０を備える。線形光源１０は、発光点が１つの光路上に並ぶように配列し、順次発光する複数のプラズマ光源１１と、複数のプラズマ光源１１のうちの隣接する２つの間に設けられ、２つのプラズマ光源のうちの一方の発光点から放出された光を他方の発光点に集光する集光光学系１３とを有する。【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システムに関する。

半導体デバイスの更なる微細化を図るには、フォトリソグラフィにおける露光用光源の短波長化が必須であり、近年ではそのための光として極端紫外光が注目されている。極端紫外光は高温、高密度のプラズマから得られ、その発生源（換言すれはプラズマを利用した光源、以下プラズマ光源）は多種多様である。産業上の観点からは、プラズマ光源は小型化が図れるものが望ましく、その候補として、放電生成プラズマ(DPP：Discharge Produced Plasma)方式のプラズマ光源や、レーザー生成プラズマ(LPP：Laser Produced Plasma)方式のプラズマ光源が知られている。なお、これらのプラズマ光源から放出される極端紫外光は何れもパルス光である。

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。そのためには、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μｓ程度以下と短いため、プラズマの発生（即ち、極端紫外光の放出）を高速に繰り返す必要がある。

上記に関連するプラズマ光源が特許文献１に開示されている。同文献のプラズマ光源はDPP方式の一種であるプラズマフォーカス方式を採用したプラズマ光源である。このプラズマ光源は、対称面に対して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プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極と、各同軸状電極に対して放電電圧を印加する電圧印加装置とを備えている。各同軸状電極は、棒状の中心電極と、中心電極と一定の間隔を隔て、且つ中心電極の周方向に配置された複数の外部電極とを有している。

特許文献１のプラズマ光源では、中心電極と外部電極との間に高電圧が印加した状態で、さらにパルス状の電圧を印加することによって、或いは、同軸状電極の何れかの箇所においてレーザーアブレーションを行うことによって、両電極間に初期放電を誘発する。一方、初期放電の発生時には中心電極と外部電極との間に、プラズマの媒体がガス状となって供給されている。初期放電は中心電極を中心とする環状の面状放電に成長しつつ、媒体を電離させながら電磁力によって中心電極の先端に向けて移動する。さらに、各面状放電は各同軸状電極の間で融合し、閉じ込められる。これらの一連の過程において面状放電には絶えず電気エネルギーが供給されている。その結果、面状放電は高温、高密度のプラズマに成長し、成長したプラズマは極端紫外光を含む光を放出する。

特開２０１３−０８９６３４号公報

上述の通り、特許文献１のプラズマ光源は電気エネルギーを用いてプラズマを加熱し、所望の波長の極端紫外光を得ている。特許文献１のプラズマ光源では、各同軸状電極内へのプラズマの媒体の供給量は十分に確保されている。従って、極端紫外光の発光出力（強度）はプラズマの温度に依存し、この温度はプラズマに投入される電気エネルギーの量に依存する。即ち、プラズマの温度を上昇させるには、電気エネルギーの投入量を増加させる必要がある。しかしながら、電気エネルギーの投入量の増加は電極間の電流増加を意味し、過剰な電流増加は溶解等の電極の損傷を招いてしまう。つまり、１回の発光に対してプラズマに投入できる電気エネルギーの量には限度がある。また、特許文献１のプラズマ光源におけるプラズマの閉じ込め時間は数μｓであり比較的短い。しかしながら、プラズマの発生環境と成長を確保する一定の時間も必要であり、発光の周期を無限に小さくすることもできない。つまり、単位時間当たりの発光出力を向上させることは容易ではない。

本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、対称面に対して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プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を備えるプラズマ光源を用いて、単位時間当たりの発光出力を向上させることを目的とする。

本発明の第１の態様はプラズマ光源システムであって、発光点が１つの光路上に並ぶように配列し、順次発光する複数のプラズマ光源と、前記複数のプラズマ光源のうちの互いに隣接する２つの間に設けられ、当該２つのプラズマ光源のうちの一方の発光点から放出された極端紫外光を他方の発光点に集光する集光光学系とを有する線形光源を備え、各プラズマ光源は、単一の軸線上に延びる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と、前記プラズマの媒体を、前記中心電極と前記外部電極の間に供給する媒体供給部と、各前記同軸状電極に対して放電電圧を印加する電圧印加装置とを有することを要旨とする。

前記線形光源はその光路を所定の中心点に向けて複数設けられ、前記中心点には各線形光源から放出された極端紫外光を単一の集光点に集光する回転ミラーが設けられ、全ての前記プラズマ光源のうちの１つのプラズマ光源が発光するとき、そのうちの残りのプラズマ光源は発光を停止していてもよい。

前記線形光源は、その光路の最上流に設置された反射ミラーを更に有してもよい。

本発明によれば、対称面に対して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プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を備えるプラズマ光源を用いて、単位時間当たりの発光出力を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ光源システムの概略構成図である。本発明の実施形態に係るプラズマ光源システムにおける発光の一例を示す図である。本発明の実施形態に係るプラズマ光源システムの変形例を示す図である。本発明の実施形態に係るプラズマ光源システムの変形例における発光シーケンスの一例を示す図である。本発明の実施形態に係るプラズマ光源の概略構成図（断面図）である。本発明の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。図５のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す図である。媒体供給部とその周囲を示す断面図、及び、初期放電の発生及びその直後の状態を説明するための図である。中心電極と外部電極の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るプラズマ光源システム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プラズマ光源システムを示す概略構成図である。この図に示すように、プラズマ光源システムは線形光源１０を備えている。線形光源１０は、複数のプラズマ光源１１と、互いに隣接する２つのプラズマ光源１１、１１の間に設けられる集光光学系１３とを備えている。プラズマ光源１１及び集光光学系１３は、真空槽（図示せず）内で、直線の光路（光軸）１ａ上に交互に配列している。なお、プラズマ光源１１及び集光光学系１３の各個数は、集光光学系１３等による極端紫外光５の減衰が許容できる限り、任意に設定可能である。

各プラズマ光源１１は、その発光点１２が１つの光路１ａ上に並ぶように配列する。同様に、各集光光学系１３も光路１ａ上に配列する。光路１ａは例えば図１に示すように直線状に延伸し、プラズマ光源１１及び集光光学系１３は光路１ａに沿って一列に並んでいる。なお、集光光学系１３等による極端紫外光５の減衰が許容できる限り、光路１ａは屈曲していてもよい。

各プラズマ光源１１は一対の同軸状電極２１、２１（図５参照）を備える対向型プラズマフォーカス方式の光源である。各プラズマ光源１１は、レーザー装置４０からのレーザー光４１を受けて初期放電２ａを発生し、その後、初期放電２ａから成長したプラズマ４を同軸状電極２１、２１の間に閉じ込めつつ加熱して、プラズマ４から極端紫外光５を含む光を放出する。つまり、プラズマ光源１１の発光点１２は、プラズマ４（図５参照）が閉じ込められる場所（空間）でもある。

集光光学系１３は、複数のプラズマ光源１１のうちの隣接する２つの間に設けられ、これら２つのプラズマ光源１１、１１のうちの一方の発光点１２から放出された極端紫外光５を他方の発光点１２に集光する。即ち、集光光学系１３は、これら２つのプラズマ光源１１、１１の各発光点１２が共役点となる焦点距離を有する。

集光光学系１３は、例えば回転楕円面の反射面を有する少なくとも１つの円筒ミラーである。この場合、回転楕円面の２つの焦点は、隣接する２つのプラズマ光源１１、１１の発光点１２、１２と一致している。なお、集光率（転送率）を向上させるため、円筒ミラーは、直径が互いに異なり且つ同軸状に配置された複数の円筒状の反射面で構成されてもよい。反射面の材質及び構造は、使用される極端紫外光５の波長によって適宜選定される。例えば、極端紫外光５の波長が１３．５ｎｍである場合、反射面はＭｏ／Ｓｉ多層膜あるいはＲｕ膜によって形成されるなお、所望の反射率が得られる限り、集光光学系１３はウォルターミラー等の円筒型ミラー、ゾーンプレート、シュワルツシルトミラー等でもよい。

集光光学系１３の設置によって、各発光点１２のプラズマ４から放出される極端紫外光５は、その下流側にある発光点１２への収束とその後の発散を繰り返しながら光路１ａの下流側に進行する。以上から理解されるように、「発光点から放出された光」とは、当該発光点で生成されたプラズマから放出された光に限られず、他の発光点から集光光学系によって当該発光点に集光された後、放出された光（換言すれば当該発光点を通過した光）でもある。

光路１ａの最下流に位置するプラズマ光源１１のさらに下流側には、ウォルターミラー等の転送光学系１４が設けられる。転送光学系１４は各プラズマ光源１１から放出された極端紫外光５をその下流側の集光点１９に集光する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本実施形態に係るプラズマ光源システムにおける発光の一例を示す図である。各プラズマ光源１１にはレーザー光４１が、所定の時間間隔（例えば数μｓ〜数百μｓ）を置いて順次導入される。例えば図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、最上流のプラズマ光源１１が最初に発光し、その次に中間のプラズマ光源１１が発光し、その後、最下流のプラズマ光源１１が発光する。更に、これら一連の発光が繰り返される。

各プラズマ光源１１を発光させるためのレーザー光４１は、１台のレーザー装置４０によって生成されてもよく、各プラズマ光源１１に対して個別に設けられた複数のレーザー装置４０によって生成されてもよい。前者の場合、レーザー光４１は、回転ミラー等を用いた光路切替手段４２（図１参照）によって各プラズマ光源１１に導入される。後者の場合、上記の時間間隔に基づいて各レーザー装置４０がレーザー光４１を生成する。何れの場合においても、レーザー光４１が導入される対象は、複数のプラズマ光源１１のうちの１つのみである。従って、複数のプラズマ光源１１のうちの１つが発光している間、他のプラズマ光源１１の発光は停止している。これにより、１つのプラズマから放出された極端紫外光５が、同時生成された他のプラズマによって吸収されることを防止する。

各プラズマ光源１１は順次発光し、そのうちの１つから放出された極端紫外光５だけが光路１ａ上を進行する。すなわち、複数のプラズマ光源１１は１本の光路１ａを共有する一方で、極端紫外光５の発光に関しては互いに独立に動作する。従って、プラズマ光源システムにおける単位時間当たりの発光出力（発光強度）は、プラズマ光源１１の数に概ね比例して増加する。換言すれば、各プラズマ光源１１の動作周波数（発光周波数）にプラズマ光源１１の個数を乗じた値にほぼ等しい。つまり、上述の発光出力を向上させることができる。

本実施形態では、プラズマ光源システムにおける発光出力をプラズマ光源１１の数で補っている。従って、生成された１個のプラズマに投入される電気エネルギーの量を過剰に増やす必要が無い。つまり、１回の発光に必要な電流を過剰に増やす必要が無いため、過剰な電流によるプラズマ光源１１の熱損傷を防止でき、プラズマ光源１１の寿命（稼働時間）の短縮化を抑制できる。また、複数のプラズマ光源１１は、プラズマの生成に関して互いに独立に動作している。従って、各プラズマ光源１１におけるプラズマの発生環境と成長を確保することができ、発光の再現性（安定性）を維持することができる。さらに、光路１ａの下流側に導く光学的手段は集光光学系１３だけである。従って、簡便な構成で発光出力の向上が図れる。

なお、極端紫外光５はプラズマから全方位に放出される。従って、極端紫外光５は光路１ａの上流側にも進行する。そこで図１に示すように、光路１ａにおいて最上流に位置するプラズマ光源１１の更に上流側に反射ミラー１５を設置してもよい。換言すれば、光路１ａの最上流に反射ミラー１５を設置してもよい。反射ミラー１５は、光路１ａにおいて最上流に位置するプラズマ光源１１から光路１ａの上流側に放出された極端紫外光５を、同プラズマ光源１１の発光点１２に向けて反射し、その進行方向を光路１ａの下流側に反転させる。反射ミラー１５は例えば球面ミラーであり、その反射面の中心は最上流に位置するプラズマ光源１１の発光点１２に一致する。これによりプラズマ光源システムの発光出力が倍増する。

次に本実施形態の変形例について説明する。図３は、本実施形態に係るプラズマ光源システムの変形例を示す図である。図３に示すように、プラズマ光源システムは、複数の線形光源１０を備えてもよい。この場合、各線形光源１０は、光路１ａ（光路１ａの最下流、光路１ａの下流側）を所定の中心点ＲＣに向けて設けられている。例えば各線形光源１０は、所定の中心点ＲＣを中心に放射状に設けられる。また、全てのプラズマ光源１１のうちの１つのプラズマ光源１１が発光するとき、そのうちの残りのプラズマ光源１１は発光を停止している。即ち、プラズマ光源システム全体として全てのプラズマ光源１１が順次発光するものの、発光時に発光するプラズマ光源１１の数は一台のみである。

各線形光源１０の光路１ａは同一平面上に位置し、且つ、その下流側に位置する中心点ＲＣで一致する。また、中心点ＲＣを中心とする円１６上には、各線形光源１０において最下流に位置するプラズマ光源１１の発光点１２が位置する。なお、互いに隣接する２つの光路１ａ、１ａが成す角度は、図３に示す９０°に限られない。また、それぞれの角度は一定の値に限られない。

なお、各線形光源１０において最下流に位置するプラズマ光源１１を円１６上に配置する代わりに、各線形光源１０の下流側に集光光学系１３と同様の光学特性をもち、対応する線形光源１０から放出される極端紫外光５を、円１６上に集光させる集光光学系（図示せず）を設けてもよい。

中心点ＲＣには回転ミラー１７が設けられている。回転ミラー１７は、各線形光源１０から放出され光路１ａに沿って進行する極端紫外光５を、光路（光軸）１ｂ上の単一の集光点１９に集光する。ここで、光路１ｂは、中心点ＲＣを通り且つ複数の光路１ａを含む平面の法線に一致する。回転ミラー１７の反射面は回転楕円面や回転双曲面などの凹面を有し、円１６上の発光点１２から放出した極端紫外光５を、集光点１９に集光する曲率を有する。また、この集光が達成されるように、回転ミラー１７の反射面は光路１ａ及び光路１ｂに対して傾斜している。

回転ミラー１７の反射面は平面でもよい。この場合、回転ミラー１７と、円１６上の発光点１２との間には、回転ミラー１７を介して極端紫外光５を集光点１９に集光させる光学系（図示せず）が設けられる。

集光光学系１３の反射面と同じく、回転ミラー１７の反射面の材質及び構造は、使用される極端紫外光５の波長によって適宜選定される。例えば、極端紫外光５の波長が１３．５ｎｍである場合、反射面はＭｏ／Ｓｉ多層膜あるいはＲｕ膜によって形成される。

回転ミラー１７はシャフト１８に連結されており、シャフト１８はモーター等の駆動装置（図示せず）によって回転する。回転ミラー１７の回転中心軸は光路１ｂに一致している。回転ミラー１７は断続的に回転してもよく連続的に回転してもよい。何れの場合も、回転ミラー１７の動作とレーザー光４１の光路切替手段４２の動作は同期している。

回転ミラー１７が断続的に回転する場合、回転ミラー１７の回転は一時的に停止し、反射面が停止直後に発光する線形光源１０に対向する。対向した線形光源１０における一連の発光が終了した後、次に発光する線形光源１０に向けて回転ミラー１７は再び回転する。以下、この一例を説明する。図４は本変形例における発光シーケンスの一例を示す図である。この例では、回転ミラー１７が中心点ＲＣの周りで９０°毎に一時的に停止する。一方、４台の線形光源１０は、停止した回転ミラー１７に対向するように中心点ＲＣの周りで９０°毎に設置されている。ここで説明の便宜上、４台の線形光源１０のうち回転ミラー１７の回転角が０°のときに対向するものを第１線形光源と称する。同様に、回転角が９０°、１８０°、２７０°のときに回転ミラー１７と対向する線形光源を、それぞれ第２、３、第４線形光源と称する。

図４に示すように、回転ミラー１７の回転角が０°のとき、第１線形光源内の各プラズマ光源１１は順次発光する。第１線形光源内の発光が完了した後、回転ミラー１７は９０°回転して停止し（回転角＝９０°）、その後、第２線形光源内の各プラズマ光源１１が順次発光する。第２線形光源内の発光が完了した後、回転ミラー１７は更に９０°回転して停止し（回転角＝１８０°）、その後、第３線形光源内の各プラズマ光源１１が順次発光する。第３線形光源内の発光が完了した後、回転ミラー１７は更に９０°回転して停止し（回転角＝２７０°）、その後、第４線形光源内の各プラズマ光源１１が順次発光する。第４線形光源内の発光が完了した後、回転ミラー１７は回転角が０°の位置に戻り（回転角＝０°）、第１線形光源内の各プラズマ光源１１が再び、順次発光する。このように、回転ミラー１７の回転と停止、及び、その後の同一線形光源内の各プラズマ光源１１の発光が繰り返される。従って、集光点１９には、これら一連の発光による極端紫外光５が順次集光する。

一方、回転ミラー１７が連続的に回転する場合、各線形光源１０は、回転ミラー１７が対向したタイミングで、極端紫外光５を放出する。この時、１つの線形光源１０が極端紫外光５を放出する回数は１回でもよく、２回以上でもよい。即ち、回転ミラー１７が対向した線形光源１０内で、１又は複数のプラズマ光源１１が発光する。何れの場合も、次に回転ミラー１７が対向したときには、待機時間（停止期間）が最も長かったプラズマ光源１１から優先的に発光する。

なお、同一の線形光源１０内で複数のプラズマ光源１１が続けて発光する場合、回転ミラー１７の回転速度は、その発光によって放出された極端紫外光５の何れをも集光点１９に集光できる値に設定される。１つのプラズマ光源１１における発光周期は１ｍｓ程度であるが、それぞれのプラズマ光源１１の発光タイミングは互いに独立に設定できる。従って、例えば１つの線形光源１０内において、２つのプラズマ光源１１の発光タイミングの間隔（ずれ）を数μｓ〜数十μｓに設定することが可能であり、その場合の回転ミラー１７の向きは、回転による光の強度変化が無視できるほど実質的に同一となる。

線形光源１０を複数設けた場合、単位時間当たりの発光出力は更に向上する。また、回転ミラー１７の導入によって、極端紫外光５が集光光学系１３を通過する回数を、全てのプラズマ光源１１を１つの光路に配列させた時よりも減じることができる。つまり、極端紫外光５を極力減衰させることなく、集光点１９に集光させることもできる。

次に各プラズマ光源１１とその動作について詳述する。上述の通り、各プラズマ光源１１はレーザー光４１の導入によって順次発光する違いはあるものの、その構成と動作は同一である。

図５は本実施形態に係るプラズマ光源１１を示す概略構成図（断面図）である。図６は当該プラズマ光源１１の電気系統を示す図である。図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す図である。これらの図に示すように、本実施形態のプラズマ光源は、一対の同軸状電極２１、２１と、各同軸状電極２１に対して個別に設けられるリザーバ２７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２１は左側の同軸状電極２１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２１、２１は、図示しない真空槽内において対称面３に対して互いに対称な位置に設置されている。即ち、このプラズマ光源は、対向型プラズマフォーカス方式を採用している。同軸状電極２１、２１は、対称面３を挟み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２１、２１は、レーザー装置４０からのレーザー光４１を受け、プラズマの媒体（以下プラズマ媒体）６を放出するとともに、プラズマ媒体６を電離する初期放電２ａ（図８参照）を発生する。更に、同軸状電極２１、２１は、この初期放電２ａを面状放電２ｂに成長させて、両者の間にプラズマ４を発生させ、これを閉じ込める。同軸状電極２１、２１の間に閉じ込められたプラズマ４は同軸状電極２１、２１からの電気エネルギーを受けて加熱され、極端紫外光５を含む光を放射する。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。

本実施形態のプラズマ媒体６は、リザーバ２７から媒体供給部２６（後述）に供給可能な低融点金属（低融点合金）であり、その組成は、必要な紫外光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Ｌｉ（リチウム）やＳｎ（スズ）を含み、３〜４ｎｍの紫外光が必要な場合はＢｉ（ビスマス）を含む。

各同軸状電極２１は、中心電極２２と、中心電極２２の外周を囲むように設けられる複数の外部電極２３と、絶縁体２４とを備える。図５に示すように、中心電極２２は、各同軸状電極２１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る。なお、説明の便宜上、中心軸Ｚに対して直交し且つ互いに直交する軸をＸ軸、Ｙ軸とする（図７参照）。Ｘ軸は、互いに隣接する２つの外部電極２３の間の中央を通る軸であり、本実施形態においては、照射点Ｐを含むレーザー光４１の光路と一致する。

中心電極２２は、対称面３に面する先端部２２ａと、中心軸Ｚの周りに形成された側面２２ｂとを有し、直径は例えば５ｍｍである。なお、側面２２ｂにはプラズマ媒体６の媒体供給部２６が設けられている。中心電極２２は高温のプラズマや放電電流によって生じる熱に対して耐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Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）等の高融点金属である。

先端部２２ａは、対称面３に対向する半球状の曲面を有する。ただし、対称面３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５に示すように、外部電極２３は、中心電極２２の中心軸Ｚと平行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７に示すように、外部電極２３は、中心電極２２の周方向に沿って角度θ毎に配置されている。換言すると、各外部電極２３は中心電極２２と平行に配置され、中心電極２２の周囲を囲んでいる。図７に示す例では、６本の外部電極２３が中心電極２２の周りで６０°毎に配置されている。

外部電極２３は中心電極２２の周りで等角度間隔に設けられることが望ましい。例えば、加工や組み立ての観点或いは面状放電２ｂ（後述）の形成の容易性から、各外部電極２３は中心電極２２に対して回転対称な位置に設けら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２３の本数も図７に示す６本に限られることなく、中心電極２２及び外部電極２３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２３は、中心電極２２と同じく、高融点金属等の導電材料を用いて形成される。また、対称面３に対向する外部電極２３の端面は曲面、平面の何れでもよい。

絶縁体２４は例えばセラミックを用いて形成され、中心電極２２と外部電極２３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２４は例えば円盤状に形成され、中心電極２２及び外部電極２３を支持する孔や溝等の構造を有する。

図８は、媒体供給部２６とその周囲を示す断面図である。媒体供給部２６は、プラズマ媒体６が中心電極２２と外部電極２３との間の空間に放出されるようにプラズマ媒体６を保持する。例えば、図８に示すように、媒体供給部２６は、中心電極２２の側面２２ｂに設けられ、外部電極２３に向けて露出している。媒体供給部２６は側面２２ｂの全周に亘った帯状或いは照射点Ｐを含む点状に形成される。

媒体供給部２６は多孔質体からなり、溶融したプラズマ媒体６を蓄積し且つ外部に滲出させることができる。多孔質体は、例えば、中心電極２２と同じ材質で形成されている。なお、プラズマ媒体６で媒体供給部２６を構成してもよい。この場合、媒体供給部２６は多孔質体である必要はなく、プラズマ媒体６は溶融した状態で或いは固体の状態で留まることになる。例えば、プラズマ媒体６が固体の状態の場合、中心電極２２の側面２２ｂに設置（埋設）され、後述のリザーバ２７は省略される。また、この場合は、プラズマ媒体６としてリチウム（Ｌｉ）等の低融点金属だけでなく、６．７ｎｍの紫外光を発するガドリニウム（Ｇｄ）やテルビウム（Ｔｂ）を使用することも可能である。

リザーバ２７は各同軸状電極２１に対して個別に設けられる。図５に示すように、リザーバ２７は中心電極２２の基部を支持すると共に、内部に形成した空間２７ａにプラズマ媒体６を貯留する。この空間２７ａは、中心電極２２の流路２２ｃを介して媒体供給部２６に連通している。また、リザーバ２７はヒータ２８を搭載している。ヒータ２８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、空間２７ａ内のプラズマ媒体６を溶融すると共に、中心電極２２の温度をプラズマ媒体６が溶融する温度に維持する。従って、プラズマ媒体６が流路２２ｃを介して媒体供給部２６に流出したときも、媒体供給部２６はプラズマ媒体６を溶融した状態で保持することができる。

なお、媒体供給部２６は同軸状電極２１の外側に設置されていてもよい。この場合の「外側」とは、例えば、各外部電極２３の中心が中心電極２２の周りを囲む領域の外側の空間を意味する。媒体供給部２６は、例えばプラズマ媒体６を保持する容器（図示せず）として或いはプラズマ媒体６自体で構成され、隣接する２本の外部電極２３の間から、外部電極２３と中心電極２２の間にプラズマ媒体６を供給する。同軸状電極２１へのプラズマ媒体６の供給箇所は、中心電極２２に対して対称に分布していることが望ましい。従って、媒体供給部２６は同軸状電極２１の周りに複数設けられ、中心電極２２の周りに点対称な或いは回転対称な位置に位置することが望ましい。ただし、媒体供給部２６の設置箇所はこれらに限定されない。また、何れの場合も、レーザー光４１の照射点Ｐを含むプラズマ媒体６の表面は、外部電極２３と中心電極２２の間の空間或いは中心電極２２に向いている。媒体供給部２６が同軸状電極２１の外側に設けられる場合、リザーバ２７は媒体供給部２６のみに接続するだけでよい。

次に、プラズマ光源における電気系統について説明する。図６に示すように、プラズマ光源は各同軸状電極２１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２１に同極性又は逆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２１の中心電極２２に接続し、高圧電源３２のコモン側はこの中心電極２２に対応する外部電極２３に接続している。高圧電源３２は、中心電極２２‐外部電極２３間に放電電圧（例えば５ｋＶ）を印加する。なお、放電電圧の極性は外部電極２３に対して正または負の何れでもよい。また、図６に示すように、高圧電源３２のコモン側は接地されていてもよい。

上述の通り、各中心電極２２の周囲には複数の外部電極２３が設けられている。理想的な放電を得るには、全ての外部電極２３と中心電極２２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２２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。しかしながら、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異なる場所で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２３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６に示すように中心電極２２と各外部電極２３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２３毎に設けることで、全ての外部電極２３において放電を発生させることができる。即ち、放電エネルギーが、最初に発生した放電に過剰に消費されることを防止でき、中心電極２２の全周に亘る面状放電２ｂを発生させることができる。

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６に示すように各外部電極２３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２２及び外部電極２３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２３以外の外部電極２３に供給されることを防止するため、中心電極２２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。

上述の通り、本実施形態の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２１の中心電極２２にレーザー光４１を照射することで、プラズマ４の媒体を放出させると共に、電圧印加装置３０と協働してプラズマ４の初期放電（初期プラズマ）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やその二倍波を短パルスのレーザー光４１として出力する。レーザー光４１は、ハーフミラー等の光学素子によって分岐し、各中心電極２２の媒体供給部２６に照射される。例えばレーザー光４１は、互いに隣接する２本の外部電極２３の中間を中心軸Ｚに向けて進行し、媒体供給部２６の照射点Ｐに照射される。レーザー光４１が照射された媒体供給部２６からは、レーザー光４１のアブレーションによって、プラズマ媒体６が中性ガスやイオンとなって多量に放出される。

一方、レーザー光４１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２１の中心電極２２と外部電極２３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２２と各外部電極２３間の初期放電２ａが誘発される。

なお、中心電極２２と外部電極２３の各形状、両者の間隔等に応じて、レーザー光４１を中心軸Ｚの周方向に沿って間隔を置いて複数且つ同時に照射してもよい。本実施形態では、例えば、レーザー光４１の照射点Ｐが中心軸Ｚを挟んだ２箇所に設定されている。これにより、初期放電２ａを環状に形成することが容易になる。これは、外部電極が中心電極を中心とした同一円上に配列した同軸状電極において、初期放電２ａの発生領域が、中心電極２２の中心軸Ｚ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。

次に本実施形態のプラズマ光源の動作について説明する。図８は、媒体供給部２６とその周囲を示す断面図、及び、初期放電２ａの発生及びその直後の状態を説明するための図である。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２１、２１が設けられる。一対の同軸状電極２１、２１は、対称面３を挟んで互いに対向配置される。一方、真空槽（図示せず）内は、プラズマ４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２１には、例えば電圧印加装置３０により同極性の放電電圧が印加され、中心電極２２は外部電極２３よりも高電位に設定される。

各同軸状電極２１に放電電圧が印加された状態で、レーザー光４１が各同軸状電極２１の媒体供給部２６に同時に照射される。各同軸状電極２１ではこの照射によって、プラズマ媒体６が中性ガス又はイオンとなって多量に放出される。プラズマ媒体６の粒子密度が、外部電極２３と中心電極２２との間で増加すると、初期放電２ａが発生する。

初期放電２ａは、自己磁場によって対称面３に向けて進行しながら、アブレーションによって放出されたプラズマ媒体６を電離し、中心電極２２の全周に亘って分布する面状放電２ｂに成長する。面状放電２ｂも自己磁場によって対称面３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。

面状放電２ｂが同軸状電極２１の先端に達すると、面状放電２ｂの電子の到着点は中心電極２２の円周側面から先端部２２ａに移行する。換言すれば、放電電流は先端部２２ａから集中的に流れ出す。この電流集中によって先端部２２ａ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２２ａ周辺のプラズマ媒体６は高温、高密度になる。

さらに、この現象は対称面３を挟んだ各同軸状電極２１で進行するため、プラズマ媒体６は、一方の同軸状電極２１から他方の同軸状電極２１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２１が対向する中間位置（即ち、中心電極２２の対称面３）に移動し、プラズマ媒体６を成分とする単一のプラズマ４が形成される。

面状放電２ｂが発生している間は、各中心電極２２の先端部２２ａに各面状放電２ｂの放電電流が集中する。従って、先端部２２ａ周辺には、プラズマ４に対して電磁的圧力がかかり、プラズマ４の高温化及び高密度化が進行する。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４からは極端紫外光５を含む光が放射される。この状態において、電圧印加装置３０は、プラズマ４に電気エネルギーを供給し続ける。このエネルギー供給により、極端紫外光５を含む光を長時間に亘って発生させることができる。

従って、本実施形態によれば、初期放電２ａを安定に発生させ、面状放電２ｂを安定に移動させることができる。その結果、極端紫外光５を放射する程度に高温且つ高密度のプラズマ４を安定に生成することができる。

また、図９に示すように、中心電極２２の直径は対称面３に向かうに連れて小さくなっていてもよい。例えば、中心電極２２は、先端部２２ａを頂角にもつ略円錐状に形成されてもよい。この場合、中心軸Ｚに直交する面において中心電極２２に最も近接している外部電極２３の部位は、中心軸Ｚとの距離が対称面３に向かうに連れて短くなるように形成されてもよい。例えば、外部電極２３が棒状に形成されている場合、外部電極２３は、対称面３に近づくに連れて中心軸Ｚに近づくように、中心軸Ｚに対して傾斜する。なお、図９に示す例では、中心電極２２と外部電極２３との間隔は一定である。しかしながら、この間隔は対称面３に近づくほど小さくてもよい。

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。

１ａ…光路（光軸）、１ｂ…光路（光軸）、２ａ…初期放電、２ｂ…面状放電、３…対称面、４…プラズマ、５…極端紫外光、６…プラズマ媒体、１０…線形光源、１１…プラズマ光源、１２…発光点、１３…集光光学系、１４…転送光学系、１５…反射ミラー、１６…円、１７…回転ミラー、１８…シャフト、１９…集光点、２１…同軸状電極、２２…中心電極、２２ａ…先端部、２２ｂ…側面、２２ｃ…流路、２３…外部電極、２４…絶縁体、２６…媒体供給部、２７…リザーバ、２７ａ…空間、２８…ヒータ、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、４１…レーザー光、４２…光路切替手段、Ｐ…照射点、Ｇ…頂部

Claims

発光点が１つの光路上に並ぶように配列し、順次発光する複数のプラズマ光源と、
前記複数のプラズマ光源のうちの互いに隣接する２つの間に設けられ、当該２つのプラズマ光源のうちの一方の発光点から放出された極端紫外光を他方の発光点に集光する集光光学系と
を有する線形光源を備え、
各プラズマ光源は、
単一の軸線上に延びる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と、
前記プラズマの媒体を、前記中心電極と前記外部電極の間に供給する媒体供給部と、
各前記同軸状電極に対して放電電圧を印加する電圧印加装置と
を有するプラズマ光源システム。
前記線形光源はその光路を所定の中心点に向けて複数設けられ、
前記中心点には各線形光源から放出された極端紫外光を単一の集光点に集光する回転ミラーが設けられ、
全ての前記プラズマ光源のうちの１つのプラズマ光源が発光するとき、そのうちの残りのプラズマ光源は発光を停止している、請求項１に記載のプラズマ光源システム。
前記線形光源は、その光路の最上流に設置された反射ミラーを更に有する、請求項１又は２に記載のプラズマ光源システム。