JP2019168477A - Soft x-ray light source, exposure apparatus, and microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軟X線光源、露光装置および顕微鏡に関し、例えばレーザ光をターゲットに照射することにより軟X線を放射させる軟X線光源、露光装置および顕微鏡に関する。 The present invention relates to a soft X-ray light source, an exposure apparatus, and a microscope. For example, the present invention relates to a soft X-ray light source, an exposure apparatus, and a microscope that emit soft X-rays by irradiating a target with laser light.
極紫外(EUV:Extreme Ultraviolet)光または軟X線の光源として、レーザ生成プラズマ(LPP:Laser Produced Plasma)光源が知られている(例えば特許文献1〜4)。LPP光源は、ターゲット材料にレーザ光を照射することでターゲット材料がプラズマ化し、このプラズマから放射される極紫外光または軟X線を利用する光源である。
Laser-produced plasma (LPP) light sources are known as extreme ultraviolet (EUV) light or soft X-ray light sources (for example,
EUV光源において、チャンバ内に緩衝ガスを導入することによりデブリと呼ばれる飛散粒子が光学系を汚染または損傷することを抑制することが知られている(例えば特許文献5)。緩衝ガスをプラズマ放電中のチャンバ内に導入することで、プラズマにより生成されたイオンを遅くし光学系等への損傷を抑制することが知られている(例えば特許文献6)。 In an EUV light source, it is known that scattered particles called debris are prevented from contaminating or damaging an optical system by introducing a buffer gas into the chamber (for example, Patent Document 5). It is known that by introducing a buffer gas into a chamber during plasma discharge, ions generated by the plasma are delayed to prevent damage to the optical system or the like (for example, Patent Document 6).
LPP光源では、高出力化が求められている。このため、照射するレーザ光のエネルギーに対し出射される軟X線のエネルギーを示す変換効率を高めることが求められている。特許文献5および6には、光学系等の汚染や損傷を抑制するためにチャンバ内に緩衝ガスを導入することが記載されている。しかし、プラズマから放射される軟X線自体を高出力化する方法については記載されていない。
An LPP light source is required to have a high output. For this reason, it is required to increase the conversion efficiency indicating the energy of the soft X-rays emitted with respect to the energy of the irradiated laser beam.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、軟X線光源において、レーザ光から軟X線への変換効率を高めることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase the conversion efficiency from laser light to soft X-rays in a soft X-ray light source.
本発明は、ターゲットにレーザ光を照射することにより前記ターゲットに含まれる元素を含むプラズマを生成し、前記プラズマから軟X線を放射させるレーザ装置と、前記ターゲットを内部に収納し、前記レーザ装置が前記ターゲットに前記レーザ光を照射するときに、前記内部のガスのガス圧力を10Pa以上かつ大気圧未満とするチャンバと、を具備することを特徴とする軟X線光源である。 The present invention generates a plasma containing an element contained in the target by irradiating the target with a laser beam, and emits soft X-rays from the plasma; and the target is housed inside the laser device. A soft X-ray light source comprising: a chamber in which a gas pressure of the internal gas is 10 Pa or more and less than an atmospheric pressure when the target is irradiated with the laser beam.
上記構成において、前記内部の前記ガスのガス圧力は10Pa以上かつ1000Pa以下である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The gas pressure of the said inside gas can be set as the structure which is 10 Pa or more and 1000 Pa or less.
上記構成において、前記内部の前記ガスのガス圧力は、前記プラズマにより形成されるプラズマ球が真空中のプラズマ球より小さくなるようなガス圧力である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The gas pressure of the said inside gas can be set as the structure which is a gas pressure that the plasma sphere formed by the said plasma becomes smaller than the plasma sphere in a vacuum.
上記構成において、前記軟X線の波長は13nm以上かつ14nm以下であり、前記ガスはシリコンを含むガス、モリブデンを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つである構成とすることができる。 In the above structure, the wavelength of the soft X-ray may be 13 nm or more and 14 nm or less, and the gas may be at least one of a gas containing silicon, a gas containing molybdenum, a helium gas, and a hydrogen gas.
上記構成において、前記軟X線の波長は6nm以上かつ7nm以下であり、前記ガスは炭素を含むガス、ボロンを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つである構成とすることができる。 In the above structure, the wavelength of the soft X-ray may be 6 nm or more and 7 nm or less, and the gas may be at least one of a gas containing carbon, a gas containing boron, a helium gas, and a hydrogen gas.
上記構成において、前記軟X線の波長は4.5nm以上かつ5nm以下であり、前記ガスは炭素を含むガス、窒素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つである構成とすることができる。 In the above configuration, the wavelength of the soft X-ray is 4.5 nm or more and 5 nm or less, and the gas is at least one of a gas containing carbon, a gas containing nitrogen, a helium gas, and a hydrogen gas. it can.
上記構成において、前記軟X線の波長は2.3nm以上かつ4.5nm以下であり、前記ガスは酸素を含むガス、窒素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つである構成とすることができる。 In the above configuration, the wavelength of the soft X-ray is 2.3 nm or more and 4.5 nm or less, and the gas is at least one of a gas containing oxygen, a gas containing nitrogen, a helium gas, and a hydrogen gas. be able to.
本発明は、上記軟X線光源を含む露光装置である。 The present invention is an exposure apparatus including the soft X-ray light source.
本発明は、上記軟X線光源を含む顕微鏡である。 The present invention is a microscope including the soft X-ray light source.
本発明によれば、軟X線光源において、レーザ光から軟X線への変換効率を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the soft X-ray light source, the conversion efficiency from a laser beam to a soft X-ray can be improved.
まず、発明者らが行なった実験について説明する。
実験の手順は以下である。
チャンバ内にターゲットを配置する。
チャンバ内にガスを導入する。
ターゲットにレーザ光を照射する。
ターゲットから出射する軟X線のスペクトルを分光器および軟X線検出器を用い測定する。
First, experiments conducted by the inventors will be described.
The experimental procedure is as follows.
A target is placed in the chamber.
A gas is introduced into the chamber.
The target is irradiated with laser light.
The spectrum of soft X-rays emitted from the target is measured using a spectroscope and a soft X-ray detector.
[実験1]
実験1の条件を以下に示す。
レーザ装置:激光(Gekko)XII(大阪大学 レーザエネルギー学研究センター)
レーザ光波長:1053nm
パルスエネルギー:120J
パルス幅:500ピコ秒
ターゲット:Au(金)、またはAl(アルミニウム) 膜厚が100μmの薄膜
チャンバ内ガス:N2(窒素)ガス
分光器:Flat−field型斜入射分光器(回折格子溝間隔2400本/mm)
ターゲットから分光器の入射窓までの距離:800mm
分光器から検出器までの距離:800mm
ターゲットから検出器までは一定圧力のガスで満たされている。
[Experiment 1]
The conditions of
Laser equipment: Geko XII (Osaka University Laser Energy Research Center)
Laser light wavelength: 1053 nm
Pulse energy: 120J
Pulse width: 500 picoseconds Target: Au (gold) or Al (aluminum) Thin film with a film thickness of 100 μm Chamber gas: N 2 (nitrogen) gas Spectrometer: Flat-field type grazing incidence spectrometer (grating groove spacing) 2400 / mm)
Distance from target to spectrometer entrance window: 800mm
Distance from spectrometer to detector: 800mm
The target to the detector is filled with gas at a constant pressure.
図1(a)および図1(b)は、実験1における波長に対する相対発光強度を示す図である。図1(a)および図1(b)のターゲットはそれぞれAuおよびAlである。相対発光強度は、N2ガスによる軟X線の吸収を補正(以下吸収補正)した後、ガスをチャンバ内に導入しないガス圧力が0Paの発光強度で規格化している。吸収補正は、ターゲットから検出器までの距離1600mmとしたときのN2ガスの軟X線の透過率より算出した。波長は、N2ガスに起因するK殻吸収端N−K(約3.0nm)および分光器の炭素に起因するK殻吸収端C−K(約4.4nm)で較正した。
FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing the relative light emission intensity with respect to the wavelength in
図1(a)に示すように、ターゲットがAuのとき、波長が3nmから6nmにおいて、N2ガスの圧力が高くなると相対発光強度が大きくなる。特にN−K端およびC−K端の長波長側で相対発光強度が大きく、ガス圧力が400Paのとき、相対発光強度は約5となる。図1(b)に示すように、ターゲットがAlのとき、ガス圧力が267PaでN−K端の長波長側における相対発光強度は12となる。 As shown in FIG. 1A, when the target is Au, the relative emission intensity increases as the pressure of N 2 gas increases at a wavelength of 3 to 6 nm. In particular, the relative emission intensity is large on the long wavelength side of the NK end and the CK end, and the relative emission intensity is about 5 when the gas pressure is 400 Pa. As shown in FIG. 1B, when the target is Al, the gas pressure is 267 Pa, and the relative emission intensity on the long wavelength side at the NK end is 12.
図2は、実験1における相対圧力に対する相対発光強度を示す図である。図示した相対発光強度は波長が3.2nmの発光強度である。相対圧力はガス圧力が67Paを1としている。図2に示すように、ターゲットの種類によらずガス圧力に対して相対発光強度は線形に増大する。
FIG. 2 is a diagram showing the relative light emission intensity with respect to the relative pressure in
[実験2]
実験2の条件を以下に示す。
レーザ装置:Nd:YAGレーザ
レーザ光波長:1064nm
パルスエネルギー:1J未満
パルス幅:7ナノ秒
ターゲット:Au
チャンバ内ガス:N2ガス
分光器:Flat−field型斜入射分光器(回折格子溝間隔2400本/mm)
ターゲットから分光器および検出器までの距離:1000mm
ターゲットから検出器までは一定圧力のガスで満たされている。
[Experiment 2]
The conditions of
Laser device: Nd: YAG laser Laser light wavelength: 1064 nm
Pulse energy: less than 1 J Pulse width: 7 nanoseconds Target: Au
Gas in chamber: N 2 gas Spectroscope: Flat-field type oblique incidence spectroscope (diffraction grating groove interval 2400 lines / mm)
Distance from target to spectrometer and detector: 1000mm
The target to the detector is filled with gas at a constant pressure.
図3(a)および図3(b)は、実験2における波長に対する発光強度を示す図である。図3(a)および図3(b)は、それぞれ吸収補正前および吸収補正後の発光強度を示す。発光強度は任意単位(arbitrary unit)である。吸収補正後の発光強度は、ターゲットから検出器までの距離1000mmとしたときのN2ガスの軟X線の透過率より算出した。
FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams showing the light emission intensity with respect to the wavelength in
図3(a)に示すように、波長が2nmから4.5nmにおいて、ガス圧力が50Paから99Paではガス圧力が0Paに比べ発光強度が小さい。ガス圧力が125Pa以上ではガス圧力が0Paに比べ発光強度が大きくなる。波長が4.5nmから7nmにおいて、ガス圧力が0Paの発光強度は波長が長くなると大きくなる。図3(b)に示すように、吸収補正後では、ガス圧力が99Pa以上で発光強度が0Paより大きくなる。ガス圧力が大きくなると、発光強度は大きくなる。このように、吸収補正すると、3nmから6nmにおいて、ガス圧力が100Pa以上で、ガス圧力が0Paより発光強度が大きくなる。 As shown in FIG. 3A, when the wavelength is 2 nm to 4.5 nm and the gas pressure is 50 Pa to 99 Pa, the emission intensity is smaller than that of 0 Pa. When the gas pressure is 125 Pa or higher, the emission intensity is higher than that when the gas pressure is 0 Pa. When the wavelength is 4.5 nm to 7 nm, the emission intensity at a gas pressure of 0 Pa increases as the wavelength increases. As shown in FIG. 3B, after the absorption correction, the emission pressure becomes greater than 0 Pa when the gas pressure is 99 Pa or more. As the gas pressure increases, the emission intensity increases. As described above, when the absorption correction is performed, the emission intensity becomes larger than the gas pressure of 0 Pa when the gas pressure is 100 Pa or more at 3 nm to 6 nm.
図4は、実験2におけるN2ガス圧力に対する発光強度を示す図である。発光強度は、波長が2.3nmから4.4nmにおける積算値(任意単位)である。同様の実験を3回行ない、3回の実験結果をそれぞれ白四角、黒丸および白丸で示す。ガス圧力が0Paに比較し、ガス圧力を大きくすると発光強度が大きくなる。特にガス圧力が50Pa以上では、ガス圧力に対して発光強度は線形に増大する。発光強度を大きくするためには、ガス圧力は100Pa以上が好ましく、150Pa以上がより好ましく、200Pa以上がさらに好ましい。
FIG. 4 is a graph showing the light emission intensity with respect to the N 2 gas pressure in
[実験3]
実験3の条件を以下に示す。
レーザ装置:Nd:YAGレーザ
レーザ光波長:1064nm
パルスエネルギー:0.85J未満
パルス幅:8ナノ秒から12ナノ秒
レーザ光径:22μm
レーザ光照射強度:2.0×1013±5×1011W/cm2
ターゲット:W(タングステン) 膜厚が0.3mmの薄膜
チャンバ内ガス:He(ヘリウム)ガス
分光器:166°定偏角型分光器(回折格子溝間隔600本/mm)
ターゲットから分光器までの距離:1500mm
ターゲットから分光器の入射スリットまでの距離:1000mm
分光器から出射スリットまでの距離:250mm
出射スリットの下流に波長1nmから30nmに特に感度を持つ検出器(フォトダイオード:IRD社製 EUVUV100)を設ける。
ターゲットから分光器の入射スリットまではほぼ一定圧力のガスで満たされている。
[Experiment 3]
The conditions of
Laser device: Nd: YAG laser Laser light wavelength: 1064 nm
Pulse energy: less than 0.85 J Pulse width: 8 nanoseconds to 12 nanoseconds Laser beam diameter: 22 μm
Laser light irradiation intensity: 2.0 × 10 13 ± 5 × 10 11 W / cm 2
Target: W (tungsten) Thin film with a film thickness of 0.3 mm Gas in chamber: He (helium) gas Spectrometer: 166 ° constant angle spectroscope (diffraction grating groove interval 600 / mm)
Distance from target to spectrometer: 1500mm
Distance from target to the entrance slit of the spectrometer: 1000mm
Distance from spectrometer to exit slit: 250mm
A detector (photodiode: EUVUV100 manufactured by IRD) having a sensitivity particularly at a wavelength of 1 nm to 30 nm is provided downstream of the exit slit.
The gas from the target to the entrance slit of the spectroscope is filled with a gas having a substantially constant pressure.
図5(a)および図5(b)は、実験3における波長に対する発光強度を示す図である。図5(a)および図5(b)は、それぞれ吸収補正前および吸収補正後の発光強度を示す。図6は、吸収補正後の波長に対する相対発光強度を示す図である。発光強度は100パルスの積算値であり任意単位である。吸収補正後の発光強度は、ターゲットから分光器の入射スリットまでの距離1000mmとしたときのHeガスの軟X線の透過率より算出した。
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the emission intensity with respect to the wavelength in
図5(a)に示すように、波長が8nmから30nmにおいて、ガス圧力が大きくなると、発光強度は小さくなる。これは、Heにより軟X線が吸収されるためである。図5(b)に示すように、吸収補正すると、波長が8nmから30nmにおいて、ガス圧力が大きくなると、発光強度が大きくなる。波長が17nm以下と17nm以上で振る舞いが異なる。波長が8nmから17nmにおいてブロードな発光ピークが観察される。ガス圧力を30Pa以上とすると、この波長領域の発光強度は、ガス圧力の増加に対して、線形に増加する。波長が17nmから30nmにおいては、明確なピーク構造は観測されない。この波長域での発光強度は、ガス圧力の増加に対して、指数関数的に増大する。 As shown in FIG. 5 (a), the emission intensity decreases as the gas pressure increases in the wavelength range of 8 nm to 30 nm. This is because soft X-rays are absorbed by He. As shown in FIG. 5B, when the absorption correction is performed, the emission intensity increases as the gas pressure increases in the wavelength range of 8 nm to 30 nm. The behavior is different when the wavelength is 17 nm or less and 17 nm or more. A broad emission peak is observed at a wavelength of 8 nm to 17 nm. When the gas pressure is 30 Pa or more, the emission intensity in this wavelength region increases linearly with an increase in gas pressure. When the wavelength is from 17 nm to 30 nm, no clear peak structure is observed. The emission intensity in this wavelength region increases exponentially with increasing gas pressure.
図6に示すように、実験3におけるガス圧力が0Paの発光強度で規格化すると、波長が8.5nm付近、9.5nm付近、10.5nm付近および20nm付近にピークP1からP4が観察される。ガス圧力が大きくなると、ピークP1からP4の強度も大きくなる。
As shown in FIG. 6, when the gas pressure in
図5(b)の波長が12nmから17nmの発光は、T. Putterich et al., Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008) 085016に示されているプラズマ温度が1keVのときのW24+からW27+の発光と考えられる。一方、図6のピークP1からP3は、C.S. Harte, et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 43 205004に記載されているそれぞれW20+、W19+、およびW18+の発光と考えられる。ピークP4は、C. Suzuki, et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 44 175004.に記載されているW20+の発光と考えられる。波長が17nm以上の発光は17nm以下の発光とは振る舞いが異なるため、発光機構が異なると考えられる。波長が17nm以上の発光は、例えば電子の制動輻射と考えられる。 The light emission having a wavelength of 12 nm to 17 nm in FIG. 5B is shown in T. Putterich et al., Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008) 085016, from W 24+ to W 27+ when the plasma temperature is 1 keV. It is considered that the light emission. On the other hand, peaks P1 to P3 in FIG. 6 are respectively W 20+ , W 19+ , and W 18+ described in CS Harte, et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. It is considered that the light emission. The peak P4 is considered to be W 20+ emission described in C. Suzuki, et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 44 175004. Since light emission having a wavelength of 17 nm or more has a different behavior from light emission of 17 nm or less, the light emission mechanism is considered to be different. Light emission having a wavelength of 17 nm or more is considered to be, for example, bremsstrahlung of electrons.
実験1から実験3の結果をまとめると、ガス雰囲気中のターゲットにレーザ光を照射すると出射される軟X線の強度が大きくなる。すなわち変換効率が高くなる。ターゲットとしてAu、AlおよびWにおいても同様の現象が生じる。ガスとしてN2およびHeにおいて同様の現象が生じる。また、波長が2nmから30nmの範囲で同様の現象が生じる。
Summarizing the results of
このようなチャンバ内へのガスの導入による発光強度の増大の機構を調べるため以下の実験を行なった。 The following experiment was conducted in order to investigate the mechanism of the increase in emission intensity due to the introduction of gas into the chamber.
[実験4]
実験3の実験装置を用い、シャッタを0.1秒開放しプラズマ球を写真撮影した。ガス圧力が0Paと60Paについて、それぞれ85枚の写真を撮影した。PCA(Principal Component Analysis)処理し、それぞれの平均画像を算出した。
[Experiment 4]
Using the experimental apparatus of
図7(a)および図7(b)は、実験4におけるプラズマ球の平均画像である。図7(a)および図7(b)において、左側の円形状の白パターンがプラズマ球である。右側の白いパターンはプラズマ球の反射画像である。図7(a)および図7(b)はそれぞれガス圧力が0Paおよび60Paである。図7(a)と図7(b)を比較すると、図7(b)ではプラズマ球が小さくなっているようにみえる。
FIGS. 7A and 7B are average images of plasma spheres in
図8(a)および図8(b)は、それぞれ図7(a)および図7(b)の画像内のA−Bにおけるピクセルに対するグレー値を示す図である。図8(a)および図8(b)において、グレー値が白(0.0045)の半分となるピクセル位置を破線で示す。破線の間隔がプラズマ球の直径に対応するとする。ガス圧力が60Paのプラズマ球の直径は、ガス圧力が0Paの約80%となっている。このように、ガスの導入によりプラズマ球は収縮することがわかる。 FIGS. 8A and 8B are diagrams showing gray values for pixels at AB in the images of FIGS. 7A and 7B, respectively. In FIG. 8A and FIG. 8B, the pixel position where the gray value is half that of white (0.0045) is indicated by a broken line. Assume that the interval between the broken lines corresponds to the diameter of the plasma sphere. The diameter of the plasma sphere with a gas pressure of 60 Pa is about 80% of the gas pressure of 0 Pa. Thus, it can be seen that the plasma sphere contracts due to the introduction of gas.
[実験5]
実験3の実験装置を用い、チャンバ内にガスを導入しない(ガス圧力が0Pa)のときのプラズマから飛来する荷電粒子の速度を測定した。ターゲットの法線方向に沿ってレーザ光を入射し、ターゲット面上のレーザ照射点から伸ばした法線に対して角度θの直線上でかつ照射点から距離が115mmの場所にファラデーカップを配置した。レーザ光のパルスと同期させ、飛来する荷電粒子のレーザ光照射直後からの時間応答を測定した。
[Experiment 5]
Using the experimental apparatus of
図9(a)は、実験5における時間に対するファラデーカップの荷電粒子数を示す図である。図9(a)は、ファラデーカップの計測値から求めた荷電粒子数を絶対値で示している。図9(b)は、図9(a)の時間をエネルギーに変換した図である。角度θが、23.7°、43.7°、53.7°および76.0°の結果を示している。
FIG. 9A is a diagram showing the number of Faraday cup charged particles with respect to time in
図9(a)および図9(b)に示すように、4つのピークPa、Pb、PcおよびPdが観察される。図9(a)および図9(b)のピーク記号Pb、PcおよびPdは、それぞれ対応するピークを表わしている。各ピークの時間から荷電粒子の速度を算出すると以下となる。
Pa:3.2×105m/秒
Pb:2.5×104m/秒
Pc:8.9×103m/秒
Pd:3.3×103m/秒
As shown in FIGS. 9A and 9B, four peaks Pa, Pb, Pc, and Pd are observed. The peak symbols Pb, Pc, and Pd in FIGS. 9A and 9B represent the corresponding peaks, respectively. Calculation of the velocity of charged particles from the time of each peak is as follows.
Pa: 3.2 × 10 5 m / sec Pb: 2.5 × 10 4 m / sec Pc: 8.9 × 10 3 m / sec Pd: 3.3 × 10 3 m / sec
ピークPa、Pb、PcおよびPdをWイオンによる信号と考えて、エネルギーに換算すると、それぞれ50000eV、620eV、70eVおよび12eVとなる。ピークPaのエネルギーは投入エネルギーから予想される黒体輻射温度ピークの値(180eV〜600eV)に対して2桁ほど大きく、投入エネルギーに対して高すぎるエネルギー値であるため、プラズマ中のWイオンからの信号とは考えられない。一方で、ピークPaを電子による信号と考えて、エネルギーに換算すると0.3eVとなり、プラズマ中の電子として十分とりうる値である。以上のことより、ピークPaは電子に相当し、ピークPb、PcおよびPdは価数の異なるWイオンに相当すると考えられる。 When peaks Pa, Pb, Pc and Pd are considered as signals from W ions and converted to energy, they are 50000 eV, 620 eV, 70 eV and 12 eV, respectively. The energy of the peak Pa is about two orders of magnitude higher than the black body radiation temperature peak value (180 eV to 600 eV) expected from the input energy, and is too high for the input energy. This signal is not considered. On the other hand, when the peak Pa is considered as a signal due to electrons and converted to energy, it becomes 0.3 eV, which is a value that can be taken sufficiently as electrons in plasma. From the above, it is considered that the peak Pa corresponds to electrons, and the peaks Pb, Pc and Pd correspond to W ions having different valences.
[実験の考察]
実験1から実験3において、チャンバ内へのガスの導入により発光強度が増大する機構については明確でないが、実験4および実験5の結果に基づき、例えば以下のように考えられる。
[Experimental considerations]
In
実験5の結果より、真空中のプラズマからの荷電粒子の拡散について、以下のように考えられる。図10(a)および図10(b)は、考察した真空中のプラズマからの荷電粒子の拡散過程を示す模式図である。図10(a)に示すように、ターゲット10にレーザ光12を照射すると、ターゲット10の一部10aが溶融する。ターゲット10の材料(例えばW)のプラズマ球18が生成される。プラズマ球18には、電子14およびターゲット材料のイオン16が含まれる。レーザ光12の照射からピコ秒程度経過すると、プラズマ球18から軟X線20が出射される。
From the result of
図10(b)に示すように、レーザ光12の照射からマイクロ秒程度経過すると、レーザ光からエネルギーを得た荷電粒子は真空中を飛散する。レーザ光のエネルギーは荷電粒子に等分配されると、イオン16aから16dの束縛を離れた一部の電子14は最も速く飛散し、価数の異なるイオン16aから16dは電子14より遅く飛散する。イオン16aから16dは価数が異なっており、価数により速度が異なる。このように、最も外側が電子14となりイオン16aから16dが内側となる。
As shown in FIG. 10B, when about microseconds have elapsed from the irradiation of the
次に、実験4の結果より、ガス中のプラズマ球18は以下のように収縮すると考えられる。図11(a)から図11(c)は、考察したガス中のプラズマからの荷電粒子の拡散過程を示す模式図である。図11(a)に示すように、チャンバ内にはガス分子22が存在する。ターゲット10にレーザ光12を照射すると、図10(a)と同様にプラズマ球18が生成される。図11(b)に示すように、レーザ光12の照射からピコ秒程度経過すると、プラズマ球18から軟X線20が放射される。図11(c)に示すように、軟X線20が放射されてからナノ秒程度経過すると、ガス分子22が軟X線20に照射され光電効果によってガス分子22が電離する。
Next, from the result of
ガス分子22の電離によりイオン22aおよび電子22bが生成される。イオン22aおよび電子22bと電子14の間にはクーロン相互作用が働く。これを通じて電子14が冷却され、電子14の飛散速度が抑えられる。同様に、プラズマ球18内のイオン16の飛散も抑制される。これにより、実験4のように、ガス雰囲気ではプラズマ球18が収縮すると考えられる。このとき、電子14およびイオン16は最小発熱の原理を満たすように運動する。これにより、電子14は光などの形でエネルギーを放出し運動速度を低下させプラズマ球18内の電子密度を増加させる。一方、イオン16は光の形でエネルギーを放出することが出来ないので、運動エネルギーの一部を内部エネルギーに変換し、価数を増加させる。その結果、イオン16の密度の増加が起こる。すなわち、圧縮されたプラズマ球18においては、電子密度とイオン密度の増大が同時に起こると考えられる。
膨張するプラズマ球18から放射される軟X線20のエネルギーについて考える。1個のイオンが放射する光子束pradは電子密度neに比例する。比例係数bを用い、光子束pradは数式1で表される。
パルスレーザ光により生成されたプラズマは膨張してエネルギーを失う。このときプラズマの発光領域の径方向の幅Lはプラズマの吸収係数αに反比例する。吸収係数αを比例係数a、電離度Zおよび電子密度neを用いてα=aZne 2
と表すと、発光領域の幅Lは吸収係数αの逆数となる。よってLは数式4で表される。
In other words, the width L of the light emitting region is the reciprocal of the absorption coefficient α. Therefore, L is expressed by
プラズマが速度Vexpで膨張するとき、軟X線の発光領域は、時間texp=L/Vexpで倍の大きさに膨張する。このため、発光領域の膨張に対応する分、発光するイオンはエネルギーを失い、その数が減少する。イオンの数の減少に伴う強度の減少を単純に、tlaser/texpとして、数式2に代入すると、軟X線のエネルギーE(λ)は数式5となる。
図10(a)から図11(c)において説明したように、ターゲット10をガス雰囲気とすることで、プラズマ球18の大きさが収縮する。これによりイオン密度および電子密度が増大する。よって、数式3および5におけるイオン密度Ni,emitと電子密度neが増大し、軟X線の発光強度が増大したものと考えられる。この考察によれば、ガスによる発光強度の増大は、ターゲットの種類、ガスの種類およびレーザ光の種類には依存しないことがわかる。
As described with reference to FIGS. 10A to 11C, the size of the
以上の実験1から実験5およびその考察に基づき、本発明の実施形態について説明する。
The embodiment of the present invention will be described based on the
[実施形態1]
図12(a)および図12(b)は、実施形態1に係る軟X線光源のブロック図である。図12(a)はターゲットが固体の場合であり、図12(b)はターゲットが液体の場合である。
[Embodiment 1]
FIG. 12A and FIG. 12B are block diagrams of the soft X-ray light source according to the first embodiment. FIG. 12A shows a case where the target is solid, and FIG. 12B shows a case where the target is liquid.
図12(a)に示すように、軟X線光源100は、チャンバ30、ターゲット32、光学系34、レーザ装置36、ガス供給ユニット38および真空ポンプ40を備えている。チャンバ30には窓31aおよび31bが設けられている。ターゲット32はチャンバ30内に設置される。レーザ装置36はレーザ光60を出射する。レーザ光60は窓31aを介しターゲット32に照射される。ターゲット32から放射された軟X線62は、光学系34により集光される。軟X線62は窓31bを介しチャンバ30から出射される。ガス供給ユニット38はチャンバ30内にガスを供給し、チャンバ30内のガス圧力を一定に維持する。真空ポンプ40はチャンバ30内のガスを排気する。
As shown in FIG. 12A, the soft
図12(b)に示すように、軟X線光源102において、ターゲット供給ユニット42は、ターゲット32の液滴をチャンバ30内に供給する。ターゲット32は重力により落下する。レーザ光60はターゲット32が落下する途中にターゲット32に照射される。ターゲット回収ユニット44は落下したターゲット32を回収する。その他の構成は図12(a)と同じであり説明を省略する。
As shown in FIG. 12B, in the soft
実施形態1によれば、レーザ装置36は、ターゲット32にレーザ光60を照射することによりターゲット32に含まれる元素を含むプラズマを生成し、プラズマから軟X線62を放射させる。チャンバ30は、ターゲット32を内部に収納し、レーザ装置36がターゲット32にレーザ光60を照射するときに、内部のガスのガス圧力を10Pa以上かつ大気圧未満とする。すなわち、ガス供給ユニット38は、ターゲット32にレーザ光60を照射するときにターゲット32周囲が10Pa以上かつ大気圧未満のガス圧となるようにガスを供給する。これにより、軟X線光源100および102において、レーザ光60から軟X線62への変換効率を高めることができる。
According to the first embodiment, the
ターゲット32として固体または液体の例を説明したが、ターゲット32は、気体でもよい。ターゲット32が気体の場合、ターゲットの気体を含むチャンバ内部のガスのガス圧力が10Pa以上かつ大気圧以下であればよい。ターゲットの気体を含まないガスの分圧が10Pa以上であることが好ましい。また、固体または液体のターゲットにレーザ光をプレパルス照射し、ターゲットの一部または全てをプラズマ化し、プラズマ化したターゲットにさらにレーザ光を照射することで、プラズマを生成してもよい。
Although the example of solid or liquid was demonstrated as the
レーザ光60の波長は、プラズマを生成するものであれば特に限定されない。レーザ光60の波長は、例えば数100nm程度から数10μmとすることができる。レーザ装置36としては、高出力の可能なYAGレーザ装置またはCO2レーザ装置等を用いることができる。レーザ光60はパルスレーザ光である。パルス幅は、図11(c)において、軟X線20がガス分子22に到達する時間より長いことが好ましい。ガス分子22が存在する範囲を30cm程度と想定すると、パルス幅は1ナノ秒以上が好ましく、2ナノ秒以上がより好ましく、5ナノ秒以上がさらに好ましい。パルス幅は500ナノ秒以下が好ましく、100ナノ秒以下がより好ましい。
The wavelength of the
軟X線62の波長は、一般的に0.3nmから200nmである。実験1から実験3では、軟X線の波長は2nmから30nmである。2nmから30nmの波長域は極紫外線とも呼ばれる。軟X線の波長は、目的に応じ任意に設定できる。
The wavelength of the
ターゲット32として好ましい材料を考察する。プラズマからの発光機構は大きく3つに分類される。1つめは黒体輻射である。黒体輻射はターゲットの種類に依存しない。プラズマ温度および/またはプラズマ密度を高くすることにより発光強度を大きくできる。2つめは制動輻射による発光である。制動輻射は、プラズマ中の電子がイオンの周りを通過したときなど荷電粒子間のクーロン力により荷電粒子に加速度が加わったときに発生する。制動輻射はターゲットの種類に依存しない。
Consider a preferred material for the
3つめは電子遷移による発光である。電子遷移による発光は、短波長においても強度が大きいため、最も用い易い。原子番号とイオンの価数によりイオン化エネルギーが異なるため、プラズマから出射される軟X線には複数の発光線が観察できる。原子番号が3のLi(リチウム)から94のAm(アメリシウム)までの1価のイオンにおけるK殻、L殻およびM殻からの発光線のエネルギーは例えばA. Thompson et al., "X-ray Data Booklet" (Lawrence Berkely National Laboratory, Univ. of Cal., Berkeley, CA 94720 (2009)) Section 1.2.に記載されている。原子番号が大きくなると、多価イオンから多数の遷移が生じ、UTA(Unresolved Transition Array)と呼ばれる幅の広い発光を示す。発光強度を大きくするにはUTA発光を用いることが好ましい。
The third is light emission by electronic transition. Light emission by electronic transition is most easily used because of its high intensity even at short wavelengths. Since the ionization energy differs depending on the atomic number and the valence of ions, a plurality of emission lines can be observed in the soft X-rays emitted from the plasma. The energy of the emission lines from the K-shell, L-shell and M-shell in monovalent ions from Li (lithium) with
各元素からのUTA発光についてはT Higashiguchi, et al., J. Physics: Conf. Series 463 (2013) 012024に記載されている。図13(a)から図14(b)は、この文献に記載された各元素の波長に対するUTA発光の線強度を示す図である。図13(a)は、原子番号が49から59であるIn(インジウム)、Sn(スズ)、Sb(アンチモン)、Te(テルル)、I(ヨウ素)、Xe(キセノン)、Cs(セシウム)、Ba(バリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)およびPr(プラセオジム)における波長が7nmから26nmの範囲の線強度を示す図である。図13(b)は、原子番号が60から70であるNd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)およびYb(イッテルビウム)における波長が4nmから13nmの範囲の線強度を示す図である。 UTA luminescence from each element is described in T Higashiguchi, et al., J. Physics: Conf. Series 463 (2013) 012024. FIG. 13A to FIG. 14B are diagrams showing the line intensity of UTA emission with respect to the wavelength of each element described in this document. FIG. 13A shows In (indium), Sn (tin), Sb (antimony), Te (tellurium), I (iodine), Xe (xenon), Cs (cesium) having atomic numbers of 49 to 59, It is a figure which shows the linear intensity | strength in the range whose wavelength in Ba (barium), La (lanthanum), Ce (cerium), and Pr (praseodymium) is 7 nm to 26 nm. FIG. 13B shows Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium) having atomic numbers of 60 to 70, It is a figure which shows the linear intensity | strength in the range whose wavelength in Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), and Yb (ytterbium) is 4 nm to 13 nm.
図14(a)は、原子番号が71から81であるLu(ルテチウム)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Au(金)、Hg(水銀)およびTl(タリウム)における波長が3nmから9nmの範囲の線強度を示す図である。図14(b)は、原子番号が82から92であるPb(鉛)、Bi(ビスマス)、Po(ポロニウム)、At(アスタチン)、Rn(ラドン)、Fr(フランシウム)、Ra(ラジウム)、Ac(アクチニウム)、Th(トリウム)、Pa(プロトアクチニウム)およびU(ウラン)における波長が1nmから8nmの範囲の線強度を示す図である。 FIG. 14A shows Lu (lutetium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium) having atomic numbers of 71 to 81, It is a figure which shows the linear intensity | strength in the range whose wavelength in Pt (platinum), Au (gold), Hg (mercury), and Tl (thallium) is 3 nm to 9 nm. FIG. 14B shows Pb (lead), Bi (bismuth), Po (polonium), At (astatin), Rn (radon), Fr (francium), Ra (radium) having atomic numbers of 82 to 92, It is a figure which shows the linear intensity | strength in the range whose wavelengths in Ac (actinium), Th (thorium), Pa (protoactinium), and U (uranium) are 1 nm to 8 nm.
図13(a)から図14(b)に示すように、原子番号が大きくなるとUTA発光の波長が短くなる。ターゲット32の材料は、発光波長に合わせ適宜選択することができる。ターゲット32はチャンバ30内において、固体または液体であることが好ましい。UTA発光の波長およびターゲット32が固体または液体であるという観点で、ターゲット32の材料は以下であることが好ましい。
As shown in FIGS. 13 (a) to 14 (b), the UTA emission wavelength decreases as the atomic number increases. The material of the
軟X線光源を用いる応用としてEUVL(Extreme ultraviolet lithography)がある。EUVLには、波長が13.5nm付近、例えば13nmから14nmの軟X線を用いる。図13(a)に13.5nmの波長を実線で示し、波長13nmおよび14nmを点線で示した。波長が13nmから14nmの波長範囲のターゲット材料としては、In、Sn、Sb、TeまたはI等が好ましい。 As an application using a soft X-ray light source, there is EUVL (Extreme ultraviolet lithography). For EUVL, soft X-ray having a wavelength of around 13.5 nm, for example, 13 nm to 14 nm is used. In FIG. 13A, the wavelength of 13.5 nm is indicated by a solid line, and the wavelengths of 13 nm and 14 nm are indicated by dotted lines. As a target material having a wavelength range of 13 nm to 14 nm, In, Sn, Sb, Te, I or the like is preferable.
さらに、次世代のEUVLとして、波長が6nmから7nmが検討されている。図13(b)に波長6nmおよび7nmを点線で示した。波長が6nmから7nmの波長範囲のターゲット材料としては、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、TmまたはYb等が好ましい。
Further, as the next generation EUVL, a wavelength of 6 nm to 7 nm has been studied. In FIG. 13B,
さらに、4.5nmから5nmの範囲は、炭素の窓と呼ばれている。この範囲は、炭素のK殻吸収端の長波長側の範囲である。酸素、窒素および炭素のK殻吸収端より長波長のため、生物構成元素すべてに比較的透明である。このため、細胞やポリマーなどの軽元素化合物などの観察に適した軟X線となる。図14(a)に波長4.5nmおよび波長5.0nmを一点鎖線で示した。この波長範囲のターゲット材料としては、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、HgまたはTl等が好ましい。 Furthermore, the range of 4.5 nm to 5 nm is called a carbon window. This range is a range on the long wavelength side of the K-shell absorption edge of carbon. Because of the longer wavelength than the K-shell absorption edges of oxygen, nitrogen and carbon, it is relatively transparent to all biological elements. For this reason, it becomes a soft X-ray suitable for observation of light element compounds such as cells and polymers. In FIG. 14A, the wavelength of 4.5 nm and the wavelength of 5.0 nm are shown by a one-dot chain line. As a target material in this wavelength range, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, or the like is preferable.
さらに、2.3nmから4.5nmの範囲は、水の窓と呼ばれている。この範囲は、炭素と酸素のK殻吸収端の間の範囲である。酸素のK殻吸収端より短波長のため、水には透明であり、炭素には不透明となる。このため、細胞等の観察に適した軟X線となる。図14(a)および14(b)に波長2.3nmおよび4.5nmを点線で示した。この波長範囲のターゲット材料としては、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、PbまたはBi等が好ましい。 Furthermore, the range from 2.3 nm to 4.5 nm is called the water window. This range is the range between the K-shell absorption edges of carbon and oxygen. Since it has a shorter wavelength than the K-shell absorption edge of oxygen, it is transparent to water and opaque to carbon. For this reason, it becomes a soft X-ray suitable for observation of cells or the like. The wavelengths 2.3 nm and 4.5 nm are shown by dotted lines in FIGS. As a target material in this wavelength range, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, or the like is preferable.
次に、ガスとして好ましい材料を考察する。前述の[実験の考察]のように、発光強度の増大はガスの種類に依存しない。しかし、軟X線を吸収するガスは好ましくない。吸収端の長波長側では透過率が高くなる。このため、吸収端が軟X線の波長の短波長側になるようにガスを選択することが好ましい。 Next, a material preferable as a gas will be considered. As described above [Experimental considerations], the increase in emission intensity does not depend on the type of gas. However, a gas that absorbs soft X-rays is not preferable. The transmittance increases on the long wavelength side of the absorption edge. For this reason, it is preferable to select the gas so that the absorption edge is on the short wavelength side of the soft X-ray wavelength.
また、[実験の考察]に示したようにプラズマから飛散する電子がガスによって冷却されてプラズマ球18の圧縮が起こる結果、発光強度が増大する。このため、より強く電子が冷却される方が、プラズマ球18がより小さく圧縮される。電子の冷却の程度は、ガスの持つ内部エネルギーに比例する。例えば単原子気体であるHeと2原子分子気体であるN2を比較した場合、N2の方が分子の空間対称性が悪く、そのため分子の回転に伴うエネルギーが大きく、その結果として内部エネルギーが大きくなる。したがって仮にHeとN2が同じ透過率を持つ波長では、プラズマから飛散する電子は、N2によってより強く冷却され、結果として発光強度が強くなると考えられる。このため、吸収端が軟X線の波長の短波長側になるようにすることに加えて、より空間対称性の悪い分子からなるガスを選択することが好ましい。空間対称性の観点からは希ガスのような単原子ガスより多原子分子ガスが好ましい。また、H2ガスおよびN2ガスのような単一元素のガスより、複数種類の元素を含むガスが好ましい。
Further, as shown in [Experimental considerations], electrons scattered from the plasma are cooled by the gas and the
吸収端の観点および空間対称性の観点において示したガスは、互いに反応性でない場合においては、混合して用いることもできる。これにより、より強い電子の冷却効果が期待できるガスが安全上の理由により使用できない場合などにおいて、混合することにより安全性の高い状態に変えて使用することが可能となる。 The gases shown in terms of the absorption edge and spatial symmetry can be mixed and used when they are not reactive with each other. As a result, when a gas that can be expected to have a stronger electron cooling effect cannot be used for safety reasons, it can be used by changing to a safer state by mixing.
15nm以上の波長範囲では、吸収端のないHeまたはM殻吸収端が約13.2nmのKr(クリプトン)が好ましい。 In the wavelength range of 15 nm or more, He without an absorption edge or Kr (krypton) having an M-shell absorption edge of about 13.2 nm is preferable.
12.3nmから15nm程度の波長範囲ではL殻吸収端が12.4nmであるSi(シリコン)を含むガスが好ましい。Siを含むガスは、例えばSiCl4、SiF4、SiH4、SiH3(CH3)、SiH2(CH3)2、SiH(CH3)3、Si2H6、SiHCl3、SiH2Cl2、またはSi(OCH3)4などのシラン系ガスである。 In the wavelength range of about 12.3 nm to 15 nm, a gas containing Si (silicon) having an L shell absorption edge of 12.4 nm is preferable. Examples of the gas containing Si include SiCl 4 , SiF 4 , SiH 4 , SiH 3 (CH 3 ), SiH 2 (CH 3 ) 2 , SiH (CH 3 ) 3 , Si 2 H 6 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2. Or a silane-based gas such as Si (OCH 3 ) 4 .
10nmから12.3nmの波長範囲ではL殻吸収端が約9.2nmのP(リン)を含むガスが好ましい。Pを含むガスは、例えばPF3、PF5、PCl3、PCl5、PH3またはPOCl3である。 In the wavelength range of 10 nm to 12.3 nm, a gas containing P (phosphorus) having an L-shell absorption edge of about 9.2 nm is preferable. The gas containing P is, for example, PF 3 , PF 5 , PCl 3 , PCl 5 , PH 3, or POCl 3 .
9nmから12nmの波長範囲では、N殻吸収端が9.0nmであるSn(スズ)を含むガスが好ましい。Snを含むガスは、例えばSnH4またはSnCl4である。 In the wavelength range of 9 nm to 12 nm, a gas containing Sn (tin) having an N-shell absorption edge of 9.0 nm is preferable. The gas containing Sn is, for example, SnH 4 or SnCl 4 .
7.6nmから10nmの波長範囲ではL殻吸収端が約7.6nmのS(硫黄)を含むガスが好ましい。Sを含むガスは、例えばS2H、SF6またはSO2である。 In the wavelength range of 7.6 nm to 10 nm, a gas containing S (sulfur) having an L-shell absorption edge of about 7.6 nm is preferable. The gas containing S is, for example, S 2 H, SF 6 or SO 2 .
6.6nmから7.6nmの波長範囲ではK殻吸収端が6.6nmのB(ボロン)を含むガスが好ましい。Bを含むガスは、例えばBBr3、BCl3、BF3またはB2H6である。 In the wavelength range of 6.6 nm to 7.6 nm, a gas containing B (boron) having a K-shell absorption edge of 6.6 nm is preferable. The gas containing B is, for example, BBr 3 , BCl 3 , BF 3 or B 2 H 6 .
波長5.4nmから20nmまでの波長範囲では、N殻吸収端が5.4nmであるMo(モリブデン)を含むガスが好ましい。Moを含むガスは、例えばMoF6またはMoCl5である。 In a wavelength range from 5.4 nm to 20 nm, a gas containing Mo (molybdenum) having an N-shell absorption edge of 5.4 nm is preferable. The gas containing Mo is, for example, MoF 6 or MoCl 5 .
4.5nmから6.6nmの波長範囲ではK殻吸収端が約4.4nmのC(炭素)を含むガスが好ましい。Cを含むガスは、例えばCH4、C2H2、C2H4、C2H8、C3H6、C4H6、C4H10、C3H8、C3H6、C6H6、(CH3)20、CO2またはフルオロカーボン類である。
In the wavelength range of 4.5 nm to 6.6 nm, a gas containing C (carbon) having a K-shell absorption edge of about 4.4 nm is preferable. Gas containing C, for example CH 4, C 2 H 2, C 2
3.4nmから4.5nmの波長範囲ではK殻吸収端が約3.0nmのN(窒素)を含むガスが好ましい。Nを含むガスは、例えばN2、ND3、NF3、NH3、NO、N2O、NO2またはN(CH3)3である。 In the wavelength range of 3.4 nm to 4.5 nm, a gas containing N (nitrogen) having a K-shell absorption edge of about 3.0 nm is preferable. The gas containing N is, for example, N 2 , ND 3 , NF 3 , NH 3 , NO, N 2 O, NO 2, or N (CH 3 ) 3 .
2.3nmから3.4nmの波長範囲ではK殻吸収端が約2.3nmのO(酸素)を含むガスが好ましい。Oを含むガスは、例えばCO2、NO、N2O、NO2、SO2またはフルオロカーボン類である。 In the wavelength range of 2.3 nm to 3.4 nm, a gas containing O (oxygen) having a K-shell absorption edge of about 2.3 nm is preferable. The gas containing O is, for example, CO 2 , NO, N 2 O, NO 2 , SO 2 or fluorocarbons.
2.3nm以下では、多くのガスにおいて透過率が高い。例えば不活性ガスを用いることができる。不活性ガスは、例えば、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、アルゴン(Ar)、Kr(クリプトン)、Xe(キセノン)、Rn(ラドン)、N2、CO2またはフルオロカーボン類である。 Below 2.3 nm, the transmittance is high for many gases. For example, an inert gas can be used. The inert gas is, for example, He (helium), Ne (neon), argon (Ar), Kr (krypton), Xe (xenon), Rn (radon), N 2 , CO 2 or fluorocarbons.
明確な吸収端を有さない元素を含むガスは軟X線の波長によらず用いることができる。明確な吸収端を有さない元素は例えばHeまたはH(水素)である。 A gas containing an element having no clear absorption edge can be used regardless of the wavelength of soft X-rays. An element that does not have a clear absorption edge is, for example, He or H (hydrogen).
以上より、軟X線の波長範囲が13nm以上かつ14nm以下では、ガスはシリコンを含むガス、Moを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることが好ましい。 From the above, when the wavelength range of soft X-rays is 13 nm or more and 14 nm or less, the gas is preferably at least one of a gas containing silicon, a gas containing Mo, a helium gas, and a hydrogen gas.
また、軟X線の波長範囲が6nm以上かつ7nm以下では、ガスは炭素を含むガス、ボロンを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることが好ましい。 When the soft X-ray wavelength range is 6 nm or more and 7 nm or less, the gas is preferably at least one of a gas containing carbon, a gas containing boron, a helium gas, and a hydrogen gas.
また、軟X線の波長範囲が4.5nm以上かつ5nm以下では、ガスは炭素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることが好ましい。 When the soft X-ray wavelength range is 4.5 nm or more and 5 nm or less, the gas is preferably at least one of a gas containing carbon, helium gas, and hydrogen gas.
軟X線の波長範囲が2.3nm以上かつ4.5nm以下では、ガスは酸素を含むガス、窒素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることが好ましい。 When the wavelength range of soft X-rays is 2.3 nm or more and 4.5 nm or less, the gas is preferably at least one of a gas containing oxygen, a gas containing nitrogen, helium gas, and hydrogen gas.
次に、好ましいガス圧力について考察する。ガス圧力の下限は、真空中より軟X線の発光強度が大きくなるようなガス圧力である。このようなガス圧力は、図7(a)から図8(b)のように、ガス圧力をプラズマにより形成されるプラズマ球が真空中のプラズマ球より小さくなるようなガス圧力とすることにより実現できる。ガス雰囲気中のプラズマ球の大きさ(径)は真空中のプラズマ球の95%以下が好ましく、90%以下がより好ましい。 Next, a preferable gas pressure will be considered. The lower limit of the gas pressure is such a gas pressure that the light emission intensity of soft X-rays is higher than in vacuum. Such a gas pressure is realized by setting the gas pressure so that the plasma sphere formed by the plasma is smaller than the plasma sphere in the vacuum, as shown in FIGS. it can. The size (diameter) of the plasma sphere in the gas atmosphere is preferably 95% or less, more preferably 90% or less of the plasma sphere in vacuum.
図1(a)、図4および図6より、ガス圧力は10Pa以上が好ましく、50Pa以上がより好ましく、100Pa以上がさらに好ましい。 From FIG. 1A, FIG. 4 and FIG. 6, the gas pressure is preferably 10 Pa or more, more preferably 50 Pa or more, and even more preferably 100 Pa or more.
ガス圧力の上限は、軟X線の吸収が少ない範囲となる。ガスを通過後の軟X線の強度I(λ,p)は、軟X線の波長λとガス圧力pの関数である。真空中の発光強度I0(λ,0)、ガスを導入したことによる発光強度の増幅率α(λ,p)、ガス中の軟X線の透過率T(λ,p)とすると、強度I(λ,p)は以下の式で表される。
I(λ,p)=I0(λ,0)×α(λ,p)×T(λ,p)
実験1から実験3より、α(λ,p)として10程度とすると、I(λ,p)をI0(λ,0)より大きくするためには、T(λ,p)を0.1以上とすることが好ましい。また、I(λ,p)をより大きくするためには、T(λ,p)を0.6以上とすることが好ましい。
The upper limit of the gas pressure is in a range where soft X-ray absorption is small. The intensity I (λ, p) of the soft X-ray after passing through the gas is a function of the wavelength λ of the soft X-ray and the gas pressure p. If the emission intensity I 0 (λ, 0) in vacuum, the amplification factor α (λ, p) of the emission intensity due to the introduction of gas, and the transmittance T (λ, p) of soft X-rays in the gas, the intensity I (λ, p) is expressed by the following equation.
I (λ, p) = I 0 (λ, 0) × α (λ, p) × T (λ, p)
From
透過率T(λ,p)は軟X線がガスを通過する距離に依存する。軟X線をガスで吸収させないためには、軟X線がガス内を通過する距離を短くすることが有効である。しかし、光学系等を考慮すると、この距離は少なくとも10cm程度となる。そこで、各種ガスのガス圧力を変え軟X線がガスを10cm通過する場合の透過率を算出した。 The transmittance T (λ, p) depends on the distance that the soft X-ray passes through the gas. In order to prevent soft X-rays from being absorbed by gas, it is effective to shorten the distance that soft X-rays pass through the gas. However, considering the optical system and the like, this distance is at least about 10 cm. Therefore, the transmittance when soft X-rays passed through 10 cm of gas was calculated by changing the gas pressure of various gases.
図15(a)から図17は、波長に対する軟X線の透過率を示す図であり、それぞれN2、CHClF2、SiH4、KrおよびHeの軟X線の透過率を示す図である。N2、CHClF2、SiH4、Krは吸収端を有するガスの例であり、Heは吸収端を有さない例である。 FIG. 15A to FIG. 17 are diagrams illustrating the soft X-ray transmittance with respect to the wavelength, and are diagrams illustrating the soft X-ray transmittances of N 2 , CHClF 2 , SiH 4 , Kr, and He, respectively. N 2 , CHClF 2 , SiH 4 and Kr are examples of gas having an absorption edge, and He is an example having no absorption edge.
図15(a)に示すように、N2では3.0nm付近がNのK殻吸収端となる。ほぼ全ての波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、N2ガスのガス圧力はそれぞれ約100Pa以下および約30Pa以下となる。ガス圧力が1000Paでは、透過率が0.1以上となる波長範囲は1.5nm以下または3nmから5nmである。ガス圧力が5000Paでは、透過率が0.1以上となる波長範囲は1nm以下または3nmから3.6nmである。 As shown in FIG. 15A, in N 2 , the vicinity of 3.0 nm is the N K-shell absorption edge. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in almost all wavelength ranges, the gas pressure of N 2 gas is about 100 Pa or less and about 30 Pa or less, respectively. When the gas pressure is 1000 Pa, the wavelength range where the transmittance is 0.1 or more is 1.5 nm or less, or 3 nm to 5 nm. When the gas pressure is 5000 Pa, the wavelength range where the transmittance is 0.1 or more is 1 nm or less, or 3 nm to 3.6 nm.
NのK殻吸収端の長波長側の水の窓付近で透過率を0.1以上および0.6以上とするためにはガス圧力はそれぞれ約1000Pa以下および約700Pa以下が好ましい。6nm−7nmの波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、ガス圧力はそれぞれ約800Pa以下および約500Pa以下であることが好ましい。13nm−14nmの波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、ガス圧力はそれぞれ約300Pa以下および約80Pa以下であることが好ましい。 The gas pressure is preferably about 1000 Pa or less and about 700 Pa or less, respectively, in order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the vicinity of the water window on the long wavelength side of the N K-shell absorption edge. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 6 nm to 7 nm, the gas pressure is preferably about 800 Pa or less and about 500 Pa or less, respectively. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 13 nm to 14 nm, the gas pressure is preferably about 300 Pa or less and about 80 Pa or less, respectively.
図15(b)に示すように、CHClF2では、約1.8nmにFのK殻吸収端、約4.4nmにCのK殻吸収端および約6.2nmにClのL殻吸収端が存在する。ほぼ全ての波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、CHClF2ガスのガス圧力はそれぞれ約50Pa以下および約10Pa以下となる。水の窓付近で透過率を0.1以上および0.6以上とするためにはガス圧力はそれぞれ約200Pa以下および約50Pa以下が好ましい。6nm−7nmの波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、ガス圧力はそれぞれ約200Pa以下および約100Pa以下であることが好ましい。13nm−14nmの波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、ガス圧力はそれぞれ約100Pa以下および約30Pa以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 15B, in CHClF 2 , the K-shell absorption edge of F is about 1.8 nm, the K-shell absorption edge of C is about 4.4 nm, and the L-shell absorption edge of Cl is about 6.2 nm. Exists. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in almost all wavelength ranges, the gas pressure of the CHClF 2 gas is about 50 Pa or less and about 10 Pa or less, respectively. The gas pressure is preferably about 200 Pa or less and about 50 Pa or less, respectively, in order to make the transmittance in the vicinity of the water window 0.1 or more and 0.6 or more. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 6 nm to 7 nm, the gas pressure is preferably about 200 Pa or less and about 100 Pa or less, respectively. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 13 nm to 14 nm, the gas pressure is preferably about 100 Pa or less and about 30 Pa or less, respectively.
図16(a)に示すように、SiH4では、12.4nm付近がSiのL殻吸収端となる。13nm−14nmの波長範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、SiH4のガス圧力はそれぞれ約2000Pa以下および約500Pa以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 16A, in SiH 4 , the vicinity of 12.4 nm is the L shell absorption edge of Si. In order to set the transmittance to 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 13 nm to 14 nm, the gas pressure of SiH 4 is preferably about 2000 Pa or less and about 500 Pa or less, respectively.
図16(b)に示すように、Krでは、13.2nm付近がM殻吸収端である。波長が14nmから20nmの範囲で透過率を0.1以上および0.6以上とするためには、ガス圧力はそれぞれ約1000Pa以下および約400Pa以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 16B, in Kr, the vicinity of 13.2 nm is the M shell absorption edge. In order for the transmittance to be 0.1 or more and 0.6 or more in the wavelength range of 14 nm to 20 nm, the gas pressure is preferably about 1000 Pa or less and about 400 Pa or less, respectively.
図17に示すように、Heでは明確な吸収端が存在しない。水の窓では、ガス圧力が5000Pa以下で透過率は0.6以上となる。6nmから7nmの波長範囲では、5000Pa以下で透過率は0.1以上である。13nmから14nmの波長範囲ではガス圧力が500Pa以下で透過率が0.6以上である。 As shown in FIG. 17, there is no clear absorption edge in He. In the water window, the gas pressure is 5000 Pa or less and the transmittance is 0.6 or more. In the wavelength range of 6 to 7 nm, the transmittance is 0.1 or more at 5000 Pa or less. In the wavelength range of 13 nm to 14 nm, the gas pressure is 500 Pa or less and the transmittance is 0.6 or more.
図15(a)から図16(b)のように、吸収端を有するガスにおいて吸収端の長波長側に軟X線の波長が位置する場合、ガス圧力は1000Pa以下が好ましく、500Pa以下がより好ましく、200Pa以下がさらに好ましい。図17のように、K殻吸収端を有さないガスでは、水の窓付近では、ガス圧力は大気圧未満であればよい。13nmから14nmの波長範囲でもガス圧力は1000Pa以下であればよい。 As shown in FIGS. 15 (a) to 16 (b), in a gas having an absorption edge, when the wavelength of soft X-rays is located on the long wavelength side of the absorption edge, the gas pressure is preferably 1000 Pa or less, more preferably 500 Pa or less. Preferably, 200 Pa or less is more preferable. As shown in FIG. 17, in a gas having no K-shell absorption edge, the gas pressure may be less than atmospheric pressure in the vicinity of the water window. The gas pressure may be 1000 Pa or less even in the wavelength range of 13 nm to 14 nm.
以上より、ターゲット32周囲のガス圧力は10Pa以上かつ大気圧未満であり、10Pa以上かつ1000Pa以下が好ましく、50Pa以上かつ500Pa以下がより好ましい。
From the above, the gas pressure around the
[実施形態2]
実施形態2は、実施形態1の軟X線光源を用いた露光装置である。図18は、実施形態2の露光装置のブロック図である。図18に示すように、露光装置104は、軟X線光源100または102、チャンバ50、光学系52および54を備えている。チャンバ50内は軟X線が吸収されない程度の真空度を有する真空に維持されている。光学系52は、軟X線光源100または102を出射した軟X線62をマスク56に集光する。光学系54は、マスク56で反射した軟X線をウエハ58に集光する。これにより、マスク56上のパターンがウエハ58に転写される。
[Embodiment 2]
The second embodiment is an exposure apparatus using the soft X-ray light source of the first embodiment. FIG. 18 is a block diagram of an exposure apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 18, the
波長が13.5nmを用いたEUVLにおける軟X線光源の出力は例えば250Wが要求されている。実施形態1に係る軟X線光源を用いることで、変換効率が高まり、軟X線光源の出力を高めることができる。 For example, 250 W is required for the output of the soft X-ray light source in EUVL using a wavelength of 13.5 nm. By using the soft X-ray light source according to the first embodiment, the conversion efficiency can be increased and the output of the soft X-ray light source can be increased.
実施形態2のように、実施形態1に係る軟X線光源100または102を露光装置に用いることができる。
As in the second embodiment, the soft
[実施形態3]
実施形態3は、実施形態1の軟X線光源を用いた顕微鏡である。図19は実施形態3の顕微鏡のブロック図である。図19に示すように、顕微鏡105は、軟X線光源100または102、チャンバ70、光学系72、74および2次元検出器76を備えている。チャンバ70内は、軟X線が吸収されない程度の真空度を有する真空に維持されている。光学系72は、軟X線光源100または102を出射した軟X線62を、軟X線63として観察したい試料78に集光する。試料78を透過または反射した軟X線64は、光学系74によって、2次元検出器76に集光される。これにより、試料の透過像または反射像が、2次元検出器76に拡大投影される。
[Embodiment 3]
The third embodiment is a microscope using the soft X-ray light source of the first embodiment. FIG. 19 is a block diagram of the microscope according to the third embodiment. As shown in FIG. 19, the
軟X線を用いた顕微鏡は、これまでの可視光顕微鏡に比べて空間分解能が一桁以上高く、内殻吸収端により非染色で物質の元素分布が得られることから、ナノ領域の分析装置として要望されている。しかし強い軟X線光源が必要とされるため、光源として放射光を用いる方法が主であった。実施形態3のように、実施形態1に係る軟X線光源100または102を軟X線顕微鏡に用いることができる。
Microscopes using soft X-rays have a spatial resolution that is more than an order of magnitude higher than conventional visible light microscopes, and the element distribution of substances can be obtained without staining by the inner shell absorption edge. It is requested. However, since a strong soft X-ray light source is required, a method using radiant light as a light source has been mainly used. As in the third embodiment, the soft
実施形態1に係る軟X線光源100または102は、露光装置および軟X線顕微鏡以外にも、発光分光装置、吸収分光装置計または光電子分光装置等の計測機器に用いることもできる。例えば実施形態1の軟X線光源を水の窓または炭素の窓の波長に適用することで、生物細胞の観察および分析を行なうことができる。
The soft
以上、発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10、32 ターゲット
12、60 レーザ光
20、62 軟X線
30 チャンバ
34 光学系
36 レーザ装置
38 ガス供給ユニット
40 真空ポンプ
10, 32
Claims (9)
前記ターゲットを内部に収納し、前記レーザ装置が前記ターゲットに前記レーザ光を照射するときに、前記内部のガスのガス圧力を10Pa以上かつ大気圧未満とするチャンバと、
を具備することを特徴とする軟X線光源。 A laser device that irradiates a target with laser light to generate a plasma containing an element contained in the target, and emits soft X-rays from the plasma;
A chamber in which the target is housed and the gas pressure of the internal gas is 10 Pa or more and less than atmospheric pressure when the laser device irradiates the target with the laser beam;
A soft X-ray light source characterized by comprising:
前記ガスはシリコンを含むガス、モリブデンを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の軟X線光源。 The wavelength of the soft X-ray is 13 nm or more and 14 nm or less,
The soft X-ray light source according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is at least one of a gas containing silicon, a gas containing molybdenum, a helium gas, and a hydrogen gas.
前記ガスは炭素を含むガス、ボロンを含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の軟X線光源。 The wavelength of the soft X-ray is 6 nm or more and 7 nm or less,
The soft X-ray light source according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is at least one of a gas containing carbon, a gas containing boron, a helium gas, and a hydrogen gas.
前記ガスは炭素を含むガス、窒素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の軟X線光源。 The wavelength of the soft X-ray is 4.5 nm or more and 5 nm or less,
The soft X-ray light source according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is at least one of a gas containing carbon, a gas containing nitrogen, a helium gas, and a hydrogen gas.
前記ガスは酸素を含むガス、窒素を含むガス、ヘリウムガスおよび水素ガスの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の軟X線光源。 The wavelength of the soft X-ray is 2.3 nm or more and 4.5 nm or less,
The soft X-ray light source according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is at least one of a gas containing oxygen, a gas containing nitrogen, a helium gas, and a hydrogen gas.
A microscope including the soft X-ray light source according to any one of claims 1 to 7.
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