JP3943089B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、全体として、チャンバ内のターゲットとのレーザプラズマ相互作用により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に関する。パルスレーザを上記ターゲットに集光させることにより、強力なＸ線源を得ることができる。このＸ線源は、例えば、リソグラフィー、顕微鏡検査、材料科学、または他のＸ線の用途において使用することができる。

強力な軟Ｘ線源は、多くの分野、例えば表面物理学、材料試験、結晶分析、原子物理学、リソグラフィー、および顕微鏡検査に応用されている。陽極に向かう電子ビームを使用する従来の軟Ｘ線源は、比較的弱いＸ線を発生する。シンクロトロン光源等の大型の施設は、高い平均出力を発生する。しかしながら、平均出力が比較的高いコンパクトでかつ小型のシステムを必要とする多くの用途がある。コンパクトでかつ安価なシステムは、それらの応用分野のユーザにさらによく受け入れられ、このため科学および社会にとって潜在的に大きな価値を持つ。特に重要な用途の一例は、Ｘ線リソグラフィーである。

１９６０年代から、集積電子回路の基礎をなす構造の大きさが小型化し続けてきた。これにより得られる利点は、高速で、複雑で、かつ必要とされる電力が小さい回路である。現在、線の幅が約０．３５μｍのこのような回路を産業的に製造するため、フォトリソグラフィーが使用されている。この技術は、線の幅が約０．１８μｍまでは適用することができると考えられている。線の幅をさらに小さくするためには、恐らくは他の方法が必要とされる。これらの方法のうち、Ｘ線リソグラフィーが潜在的に有力な候補である。Ｘ線リソグラフィーは、約１０〜２０ｎｍの範囲の波長の減圧型極紫外線（ＥＵＶ）対物システムを使用する投影リソグラフィー（例えば、ゼルナイキおよびアトウッド編、紫外線リソグラフィー、オプティカル・ソサイエティ・アメリカ第２３巻〔ワシントンＤＣ，１９９４年〕（Extreme Ultraviolet Lithography, Eds. Zernike and Attwood, Optical Soc. America Vol. 23 [Washington DC, 1994]）を参照のこと）、および０．８〜１．７ｎｍの範囲の波長で行われる近接リソグラフィー（例えば、マルドナドによるＸ線リソグラフィー、ジェイ・エレクトロニック・マテリアルズ１９，６９９〔１９９０年〕（Maldonado, X-ray Lithography, J. Electronic Materials 19, 699 [1990]）を参照のこと）の２つの方法で実施することができる。本発明は、直接的な応用分野が近接リソグラフィーである新型のＸ線源に関する。しかしながら、本発明は、他の範囲の波長でも使用することができ、極紫外線リソグラフィー、顕微鏡検査および材料科学等の応用分野でも使用することができる。

レーザ発生プラズマ（ＬＰＰ）は、小型で、高光度で、かつ空間的安定性が大きい優れたコンパクトな軟Ｘ線源である。この装置では、パルスレーザビームをターゲットに当てることによりＸ線放射プラズマを形成する。しかしながら、従来の固体ターゲットを使用するＬＰＰには重大な欠点、とりわけ、小さな粒子、原子、およびイオン（デブリス）が放出され、例えばプラズマの近くに配置された敏感なＸ線光学系またはリソグラフィーマスクを覆い、かつ破壊するという欠点がある。このような技術は例えば、ＷＯ９４／２６０８０号に開示されている。

この欠点は、ライメルおよびヘルツによるオプティカル・コミュニュケーション１０３，１０５（１９９３年）（Rymell and Hertz, Opt. Coomun. 103, 105 (1993)）に開示されているように、小さくかつ空間的に輪郭のはっきりした液滴をターゲットとして使用し、パルスレーザビームをターゲットに照射することにより、なくすことができる。この文献によれば、圧電効果によって振動させた小さなノズルを通して加圧液体を圧送することによって液体の噴流を形成することにより液滴を発生する。このような液滴の発生方法は例えば、米国特許第３，４１６，１５３号、およびハインツルおよびヘルツによる「電子工学および電子物理学の発展」６５，９１（１９８５年）（Heinzl and Hertz, Advances in
Electronics and Electron Physics 65, 91 (1985)）に記載されている。これによって非常に小さくかつ空間的に輪郭のはっきりした液滴が得られる。このようにして、デブリスを少なくすることに加えて、このコンパクトなＸ線源においては、極めて近付き易い幾何学的形態を有し、新たなターゲット材料が連続的に供給されるので中断なしに長期間に亘って作動させることができ、かつ繰返し数の多いレーザを使用することによって高い平均Ｘ線出力を得ることができる。同様の技術は、ヘルツらによる「レーザプラズマ放射線の応用II」、Ｍ．Ｃ．リチャードソン編のスピエ第２５２３巻（１９９５年第８８〜９３頁）（Hertz et al,in Applications of Laser Plasma Radiation II, M.C. Richardsson, Ed., SPIE Vol. 2523 (1995), pp 88-93）、欧州特許第１８６，４９１号、ライメルらによるアプライド・フィジックス・レター６６，２０（１９９５年）（Rymell et al, Appl. Phys. Lett 66, 20 (1995)）、ライメルらによるアプライド・フィジックス・レター６６，２６２５（１９９５年）（Rymell et al, Appl. Phys. Lett 66, 2625 (1995)）、および米国特許第５，４５９，７７１号に開示されている。

しかしながら、このような技術では、全ての液滴が空間的に十分に安定した微小液滴を形成するわけではないので、レーザビームを案内して微小液滴に当てるのが困難であるという欠点がある。さらに、適当な液体においてレーザビームの集光点に対して液滴の位置をゆっくりと変化させる場合には、レーザプラズマ発生を同期させるための一時的な調節が必要とされる。

従って、本発明の目的は、チャンバ内のターゲットから、レーザプラズマ放射により、安定しかつ単純なＸ線や極紫外線の発生のための方法および装置を提供することである。本発明の装置は、上述したように、コンパクトでかつ安価であり、発生する平均出力が比較的高く、デブリスの発生が最少でなければならない。本発明の別の目的は、近接リソグラフィーに適したＸ線放射線を発生する方法および装置を提供することである。本発明のさらに別の目的は、本発明の装置および方法を顕微鏡検査、リソグラフィー、および材料科学において使用できるようにすることである。

以下の説明から明らかになるこれらのおよび他の目的は、請求項１に記載の方法および請求項４に記載の装置によって完全にまたは部分的に達成される。従属項には好ましい実施の形態が記載されている。

本発明によれば、液体から発生された噴流の空間的に連続した部分にレーザビームを集光させる。これは、例えば、液体からなる空間的に完全に連続した噴流として噴流を発生することにより、および実際の噴流が瞬間的に壊れて液滴になる前にレーザ光をこの実際の噴流に集光させることにより行うことができる。また、直径よりもかなり大きい所定の長さをそれぞれが有する別々の空間的に連続した部分からなる液滴のパルス噴流または半連続噴流の形態で噴流を発生することも考えられる。

噴流の空間的に連続した部分でレーザプラズマを発生することによって、新たな液体をターゲットとして使用することができる。さらに、ゆっくりとした変化がＸ線放射に影響を及ぼさないので、安定性が改善される。別々の液滴を照射するために液滴の形成に合わせて一時的に同期させる必要がないレーザにより、取り扱いがかなりの程度まで簡単化されるということもまた重要である。これにより、多くの場合、最新型でないレーザを使用することができる。これらの利点は、例えばデブリスが大幅に減少し、近付き易い幾何学的形態を有し、新たなターゲット材料を液体の噴流によって連続的に提供することによって中断なしに長期間に亘って作動させることができ、ターゲット材料が低価格であり、繰返し数の高いレーザを使用することができ、これにより平均Ｘ線出力を増大させるという、導入部分に述べた液滴状のターゲットの利点の多くを維持したまま得られる。

本発明は、とりわけ、リソグラフィー、顕微鏡検査、および材料科学におけるコンパクトでかつ強力なＸ線源または極紫外線源の必要性に基づいてなされたものである。このような用途と特に関連した波長の範囲は、リソグラフィーにおいては０．８〜１．７ｎｍであり、顕微鏡検査においては２．３〜４．４ｎｍであり、光電子分光法、Ｘ線螢光、または極紫外線リソグラフィー等の材料科学においては０．１〜２０ｎｍである。このようなＸ線放射線は、レーザ発生プラズマによって発生される。このような短い範囲の波長を高い変換効率で発生させるには、約１０^１３〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２の強さのレーザが必要とされる。例えば、このような強さをコンパクトなレーザシステムで発生させるには、約１０〜１００μｍの直径に集光させることが必要である。従って、ターゲットは、空間的に安定しているならば、微小であってよい。この小さな寸法は、ターゲット材料を効果的に使用することに寄与する。これは、とりわけ、デブリスを大幅に減少させる。

上述したＸ線源の特別の用途として、本発明は、０．８〜１．７ｎｍの範囲の波長で照射を行うことを必要とする近接リソグラフィーに言及している。液体によって生ぜしめられた微小なターゲットからの、この波長の範囲に集中した放射は、従来は得られなかった。本発明によれば、例えば、弗素含有液体を使用することができる。液体の微小な噴流にパルスレーザ放射線を照射することによって、イオン化された弗素（Ｆ VIIIおよびＦ IX）から１．２〜１．７ｎｍの範囲の波長の強力なＸ線放射が発生する。この放射線は、適当なリソグラフィーマスクやＸ線フィルタ等によって構造に対して１００ｎｍ以下までのリソグラフィーを施すのに使用することができる。

上述した液体および他の液体を使用することにより、適当なＸ線波長を、上述した本発明を使用する多くの異なる用途のために発生させることができる。このような用途の例は、Ｘ線顕微鏡検査、材料科学（例えば光電子分光法およびＸ線螢光）、極紫外線投影リソグラフィー、または結晶分析である。本発明で使用する液体は、液体の噴流の発生時の温度で通常は液状の媒体、または通常は液状ではない物質および適当なキャリア液体からなる溶液のいずれかであるのがよいということを強調しなければならない。

発明を実施するための形態

次に、添付図面を参照して、現状における本発明の好ましい実施の形態を例示の目的で説明する。

本発明による方法および装置は、基本的には、図１および図２に示すものである。１つまたはそれ以上のパルスレーザビーム３は、ターゲットとしての液体の噴流１７に対して１つまたはそれ以上の方向から集光される。明瞭化を図るため、図１および図２にはレーザビームは１つしか示されていない。このようにして形成されたプラズマは、所望のＸ線放射線を放出する。Ｘ線の実際の発生は通常、真空中にて行われる。これにより、放出された軟Ｘ線放射線が吸収されることを防止している。特定の波長のＸ線または極紫外線については、レーザプラズマの発生を気体環境中にて行うことができる。しかしながら、液体の噴流１７の前方にてレーザ誘起分解を生じることを防止するためには、真空が好ましい。

微視的でかつ空間的に安定した液体の噴流を真空中で形成するため、本発明では、空間的に連続した液体の噴流１７を使用し、これは図２から明らかなように、真空チャンバ８内にて形成される。液体７は、ポンプまたは圧力容器１４から小さなノズル１０を通して高圧（通常は５〜１００気圧）下で圧送される。ノズル１０の直径は通常約１００μｍ以下であり、代表的には１０μｍまたは２０μｍから最大で数十μｍである。このため、ノズル１０とほぼ同じ直径を持つ、速度が約１０〜１００ｍ／ｓの安定した微視的な液体の噴流１７が形成される。液体の噴流１７は、液滴形成点１５まで所定の方向に移動し、ここで自然に分離し、液滴１２となる。液滴形成点１５までの距離は、本質的には、液体７の流体力学的性質、ノズル１０の寸法、および液体７の速度によって決まる。この点については例えば、ハインツルおよびヘルツによる「電子工学および電子物理学の発展」６５，９１（１９８５年）（Heinzl and Hertz, Advances in Electronics and Electron Physics 65, 91 (1985)）を参照されたい。液滴形成の頻度はある程度までランダムである。低粘度の液体については、乱流が発生すると、液体の安定した噴流１７が得られないが、表面張力が低い液体については、液滴形成点１５の位置をノズル１０から大きく離すことができる。

液体７は、ノズル１０を離れるときに気化によって冷却される。噴流１７が凍結し、液滴１２が全く形成されないことも考えられる。集光させたレーザビーム１１は、本発明の範疇において、このようにして凍結された噴流の空間的に連続した部分に集光させることができる。なお、この場合には、ノズル１０と仮想上の液滴形成点との間の噴流上の点にレーザ光を集光させる。

十分なパルスエネルギーを提供する現存のコンパクトなレーザシステムの繰返し数は、一般的には、１００〜１０００Ｈｚを越えていない。レーザビーム３は、直径が約１０〜１００μｍの範囲に集光される。液体の噴流１７の速度によっては、液体７の主要部分がレーザプラズマ発生に使用されず、このため多くの液体において、気化により真空チャンバ８内の圧力が上昇する。このような問題は例えば、図２から分かるように、使用されなかった液体を捕捉する冷却トラップ
１６によって解決することができる。また、図示はしないが、主真空チャンバ８の外側にノズル１０を位置決めし、非常に小さな孔を通して液体を注入するようにしてもよい。この場合には、所望量の液体のみを主真空チャンバ８に供給するために、主真空チャンバ８の外側に機械式チョッパーまたは電気偏向手段を配置して使用することができる。気化の少ない液体については、ポンプの容量を増大することで十分である。

上述した種類の液体の連続作動噴流１７を使用すると、液体の噴流１７の直径とほぼ同じ大きさに集光されたレーザビーム３によってレーザプラズマ発生を可能にするための十分な空間的安定性（±数μｍ）が得られる。半連続的すなわちパルス状の液体の噴流は、本発明の範疇において、特別な場合に適用することができる。このような噴流は、空間的に連続した別々の部分からなり、これらの部分は、短い期間中に液体をノズルを通して噴出することによって発生する。しかしながら、液滴とは異なり、半連続的な噴流の空間的に連続した部分は、長さが直径よりもかなり大きい。

図２に示す実施の形態においては、パルスレーザ１を、随意ではあるが、１つまたはそれ以上の鏡２を介して、レンズ１３または他の光学的集光手段により、液体の噴流の空間的に連続した部分、より詳細にはノズル１０と液滴形成点１５との間の液体の噴流１７の点１１に集光させることにより、レーザプラズマを発生させる。ノズル１０から液滴形成点１５までの距離は、ノズル１０がプラズマによって損傷しないようにするため、集光点１１にて発生したレーザプラズマをノズル１０から所定の距離に置くことができるよう十分に長い（数ｍｍ程度）ことが好ましい。約１〜５ｎｍの範囲の波長のＸ線放射においては、約１０^１３〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２の強さのレーザが必要とされる。例えば、このような強さは、１００ｍＪ程度のパルスエネルギーおよび１００ｐｓ程度のパルス持続時間を持つレーザパルスを約１０μｍの集光点に集光させることによって容易に得ることができる。可視光波長範囲、紫外線波長範囲、および近赤外線波長範囲におけるこのようなレーザは、１０〜２０Ｈｚの繰返し数のものが商業的に入手可能であり、繰返し数がこれより高いシステムも現在開発されている。パルスエネルギーおよびこれに伴うレーザの大きさを小さくしつつ高い強度を得るためには、パルスの持続時間を短くすることが重要である。

さらに、短いパルスは、形成されるプラズマの大きさを小さくする。パルスが長いと、通常は約１×１０^７〜３×１０^７ｃｍ／ｓまでのプラズマが膨張するため、プラズマが長くなる。長いプラズマでよい場合には、直径がさらに大きい液体の噴流および僅かに長いパルスの持続時間と高いパルスエネルギーとを組み合わせて使用することにより、さらに高い全Ｘ線束を得ることができる。さらに長い波長を望む場合には、最大出力を下げるため、レーザパルスの持続時間を増大させなければならない。例えば数百ｍＪのパルスおよびナノ秒よりも長いパルスの持続時間を使用することにより、０．５〜５ｎｍの範囲の波長の放射が少なくなる代わりに１０〜３０ｎｍの範囲の波長の放射が増大する。このことは、ＥＵＶ投影リソグラフィーで重要である。

Ｘ線放射線を発生するための上述した方法は、とりわけ、近接リソグラフィーで使用することができる。この目的の装置を図２に示す。ここでは、液体をターゲットとして使用する。弗素含有液体、例えば液体Ｃ_ｍＦ_ｎ（ｎは５〜１０、ｍは１０〜２０）を使用すると、１．２〜１．７ｎｍの範囲の波長のＸ線放射が得られる。このような多くの液体の流体力学的性質は、本発明によれば、液体の噴流の空間的に連続した部分をターゲットとして使用することを必要とする。露光ステーション１８が、レーザの集光点１１のレーザプラズマから所定の距離のところに位置決めされている。露光ステーション１８は例えば、マスク１９、およびレジストをコーティングした物質２０を含む。薄いＸ線フィルタ２１は、所望の範囲の波長の放射線のみがマスク１９および物質２０に届くよう放射線にフィルタをかける。液体からなる微視的なターゲットを使用するため、デブリスの発生が非常に少なく、このことは、露光ステーションとレーザプラズマとの間の距離を小さくできることを意味する。リソグラフィーに関して必要であれば、距離を数ｃｍ程度まで小さくできる。これにより、露光時間が短くなる。また、Ｘ線コリメータを使用することもできる。

上述した液体以外の液体を使用することによって、新たなＸ線波長範囲の放射を得ることができる。例えばエタノールまたはアンモニア等の液体の噴流によるレーザプラズマは、２．３〜４．４ｎｍの範囲の波長のＸ線放射を発生する。これは、ライメルおよびヘルツによるオプティカル・コミュニュケーション１０３，１０５（１９９３年）（Rymell and Hertz, Opt. Commun. 103, 105(1993)）、 ライメル、ベルグランドおよびヘルツによるアプライド・フィジックス・レター６６，２６２５（１９９５年）（Rymell, Berglund and Hertz, Appl. Phys. Lett 66, 2625 (1995)）で周知のように、Ｘ線顕微鏡検査に適している。ここでは、炭素イオンおよび窒素イオンからの放射を使用する。投影リソグラフィーに適した極紫外線放射線を発生するため、大量の酸素を含む水または水性の混合物を、パルスのピーク出力が小さい１０〜２０ｎｍの範囲の波長のレーザと組み合わせることができる。これは、Ｈ．Ｍ．ヘルツ、Ｌ．ライメル、Ｍ．ベルグランド、およびＬ．マルムクヴィストによる「レーザプラズマ放射線の応用II」、Ｍ．Ｃ．リチャードソン編のスピエ第２５２３巻（ソサイエティ・フォトオプティカル・インストルメント・エンジニアズ、ベーリンガム、ワシントン、１９９５年第８８〜９３頁）（H.M. Hertz, L. Rymell, M. Berglund and L. Malmqvist, in Applications of Laser Plasma Radiation II, M.C. Richardsson, Ed., SPIE Vol. 2523 (Soc. Photo-Optical Instrum. Engineers, Bellingham, Washington, 1995, pp 88-93)）で周知である。重原子を含む液体を用いた場合の放射は波長が短い。これは例えば、材料科学における光電子分光法およびＸ線螢光に用いられる。さらに強力なレーザを使用できる場合には、さらに短い波長を得ることができる。これは、Ｘ線結晶学で関心を引くであろう。さらに、通常は液体の状態にない物質を適当なキャリア液体に溶解させることができ、これにより液体の噴流をレーザプラズ
マによるＸ線発生に使用することができる。

液体の薄い噴流が壊れて液滴になる前にこの薄い噴流によってプラズマを発生することによりＸ線放射線または極紫外線放射線を発生する、本発明の装置の概略図である。 Ｘ線を発生するための、特に近接リソグラフィー用の本発明の装置の一実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ レーザ
３ レーザビーム
７，１０，１４ ターゲット発生手段
１３ 集光手段
１７ ターゲット

Claims (11)

1. レーザ誘起プラズマ放射により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であって、少なくとも１つのターゲット（１７）を発生させるとともに、少なくとも１つのパルスレーザビーム（３）を前記ターゲット（１７）に集光させて前記プラズマを発生させる方法において、
   前記ターゲット（１７）は、ノズル（１０）を通して液体を圧力の作用で圧送することによって噴流の形態で発生され、前記ターゲット（１７）は、気化によって液滴が形成されないように凍結されて空間的に連続した部分を含む固体の形態となり、かつ、前記レーザビーム（３）は、このように凍結された噴流の空間的に連続した部分に集光されることを特徴とする方法。
2. 前記噴流のターゲット（１７）は、その直径が１〜１００μｍであるように発生される、請求項１記載の方法。
3. 接触リソグラフィーに適した０．８〜２ｎｍの範囲の波長のＸ線放射線を発生するよう、弗素含有液体を使用して前記ターゲット（１７）を発生する、請求項１記載の方法。
4. 少なくとも１つのレーザビーム（３）を発生するための少なくとも１つのレーザ（１）と、少なくとも１つのターゲット（１７）を発生するためのターゲット発生手段（７，１０，１４）と、前記レーザビーム（３）を前記ターゲット（１７）に集光させて前記プラズマを発生させるための集光手段（１３）とを備えた、レーザ誘起プラズマ放射によりＸ線放射線または極紫外線放射線を発生するための装置において、
   前記ターゲット発生手段（７，１０，１４）は、ノズル（１０）を通して液体を圧力の作用で圧送することによって前記ターゲット（１７）を噴流の形態で発生させるように構成され、前記装置は、前記ターゲット（１７）が気化によって液滴が形成されないように凍結されて空間的に連続した部分を含む固体の形態となるように構成され、かつ、前記集光手段（１３）は、このように凍結された噴流の空間的に連続した部分に前記レーザビーム（３）を集光させるように構成されていることを特徴とする装置。
5. 前記ターゲット発生手段（７，１０，１４）は、１〜１００μｍの直径を持つ前記噴流のターゲット（１７）を発生させる、請求項４記載の装置。
6. 前記液体は接触リソグラフィーに適した０．８〜２ｎｍの範囲の波長のＸ線放射線をプラズマの状態で発生するための弗素含有液体であり、前記ターゲット（１７）上での前記レーザビーム（３）の集光と関連して露光ステーション（１８）がさらに配置されている、請求項４に記載の装置。
7. Ｘ線顕微鏡検査に使用される、請求項４又は５記載の装置の使用法。
8. 近接リソグラフィーに使用される、請求項４乃至６のいずれか記載の装置の使用法。
9. 極紫外線投影リソグラフィーに使用される、請求項４又は５記載の装置の使用法。
10. 光電子分光法に使用される、請求項４又は５記載の装置の使用法。
11. Ｘ線螢光に使用される、請求項４又は５記載の装置の使用法。

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