JP4292193B2 - プラズマに基づく短波長放射線源用の集光鏡 - Google Patents

Description

本発明は、所望の短波長放射線のための高い反射率を有する光学的に活性な鏡面を有するプラズマに基づく短波長放射線源用の集光鏡であって、きわめて高温のプラズマのすぐ近くに集光鏡が位置することから、鏡体を冷却するための手段が設けられる集光鏡に関する。本発明は、極紫外線スペクトル領域（ＥＵＶ領域）に放出する半導体リソグラフィにおける大量生産のための放射線源に用いられることが好ましい。

半導体リソグラフィ（主にＥＵＶ源）用のプラズマに基づく放射線源は本質的に熱放射体であり、立体角４πステラジアンでその出力を放出する。放出は一般に、等方性ではない。気体放電（ＧＤＰＰ源）またはレーザビーム（ＬＰＰ源）のいずれかによって実施することができる励起工程は、この用途に使用可能な１２．４ｎｍ〜１４ｎｍの中心波長で２％の狭帯域のＥＵＶスペクトルでは低効率である。他方、広帯域の極紫外線スペクトルへの励起出力の変換は、数十％の効率を有する。１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のＥＵＶ放射線は、材料と相互作用する大きな断面を有する。すなわち、この放射線は、きわめて狭い経路長にわたって完全に吸収される。桁数を計算するためには、本質的に、プラズマに基づく放射線源の励起出力全体が放射線輸送によって放射線源の構成要素に達し、熱出力としてこれらの構成要素で生じると仮定することができる。

集光鏡は、立体角４πステラジアンで出射する源（プラズマ）からの放射線の大部分を集光して、中間焦点に利用帯域幅（約１３．５ｎｍの波長領域）の放射線を投影する。ガラスは良好な表面品質で製作されることから、プラズマに基づく放射線源用の集光鏡を製作するために原則的には適しているが、その熱伝導率（約１Ｗ／ｍＫ）は小さすぎて、半導体リソグラフィ用のＥＵＶ源で集光鏡の基板として用いることができない。

特に放射線の直接（非すれすれ）反射を有する交互層鏡の場合には、交互層鏡の温度平均が数十℃を超えないと考えられることから、この放射線負荷および熱負荷の消失は、技術的な障害となる。鏡が約２００℃を超えるまで（一時的に過ぎない）加熱され、反射率の実質的な低下をもたらす場合には、交互層システムの劣化が生じる。プラズマに基づく源のパルス動作のために、反射塗装の一時的な温度平均を相当上回る一時的な温度ピークに関する過渡温度曲線が生じる。

従来技術によれば、集光鏡は、ガラスの熱伝導率より相当高い熱伝導率を有する基板、たとえばケイ素から製作され、図３に示されているように、基板は、ヒートシンクまたは冷却体に押し付けられる。この目的のために、たとえばインジウムを含む接触金属箔が用いられることがよくある。半導体リソグラフィの大量生産のためのＥＵＶ源の出力で、数十ｋＷの励起出力が変換されるが、この種の冷却は集光鏡の反射塗装の長い耐用期間を確保するためには十分ではない。

本発明の目的は、空間要件または集光鏡の高精度の製作のための要件に関連する欠点を生じることなく、高性能の熱連結を光学的に活性な鏡面とサーモスタットシステムとの間に形成することができ、プラズマから生成される短波長放射線を集束するための集光鏡の温度を管理するための新規な可能性を見出すことである。さらに、集光鏡の別なまたは追加の表面塗装のための工程もまた、多大な費用を必要とすることなく実現可能である。

本発明によれば、本目的は、所望の短波長放射線のための高い反射率を有する光学的に活性な鏡面を有し、プラズマに基づく短波長放射線源用の集光鏡であって、高温プラズマのすぐ近くに集光鏡が位置することから、鏡体の温度を管理するための手段が設けられる集光鏡において達成され、集光鏡は１００Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導率の材料を含む固い回転対称な基板を有することと、冷却および温度管理のための流路が基板に直に組み込まれるので、所定のレベルで光学的に活性な鏡面の温度を急速に安定化するために、熱輸送媒体が直接、中を通って流れることができるようになっており、プラズマ生成のためのパルス動作で生じ、鏡面に広がっている温度平均を数倍一時的に超える過渡的な温度ピークによる熱が急速に消散することを特徴とする。

熱輸送媒体の流路は、光学的に活性な鏡面の近くに配置されることが好都合であり、基板内で少なくとも大部分は半径流方向を有する。流路は、集光鏡の光軸に対して半径方向に一様に分配するように配置されることが好ましい。熱輸送媒体を供給し排出するための連結部が、基板の中心および周囲に設けられる。流路は、基板の対称軸に対して直交に配置されることができる。しかし、流路は、光学的に活性な鏡面の生成曲線における中間接線と平行に、したがって円錐の外面に沿って配置されることが好ましい。

熱輸送媒体用の流路は円筒穿孔の形であることが好ましく、熱輸送媒体の供給のための連結部は簡単な態様で基板中のネジ穴に螺合されることが好都合である。

別の構成の変形では、流路は、集光鏡の後部から熱輸送媒体の実質的に半径流のために微細構造化流路の形で基板に導入され、数ミリメートルの一定の距離で光学的に活性な鏡面まで延在する。流路は、基板の対称軸を中心に一様に分配して配置された複数の曲線構造に構成されることが好ましい。

さらに、基板が２つの部分で構成される場合には利点が得られることが分かっている。第１の部分は、基板として、光学的に活性な鏡面および後部に組み込まれる微細構造化流路を有し、第２の部分は、カバーとして、媒体に対して密接するように流路を覆うために設計される。

流路が密閉されるように基板およびカバーを連結するために、機械加工は、２つの面が確動係合して重なり、摩擦係合で固定されるように行われることが好ましい。流路が密閉されるように基板およびカバーを連結するための２つの部分の間に構造化封止部を設けることができる。

２つの部分からなる基板のカバーは、基板中の複数のネジ穴を通るネジによって基板に押し付けられることが好ましい。しかし、周囲に配置される締付具によって基板に押し付けられても好ましい。

カバーを固締するための別の可能性は基板との材料接合であり、ハンダ接続またはセメント接合または接着によって実現されると好都合である。

大きな角度で集光鏡に所望の放射線が非すれすれ入射する場合、基板は、１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する材料から非球面形状に形成され、光学的に活性な鏡面は、約１３．５ｎｍの波長領域で４０％を超える反射率を有する反射塗装を備える。

基板はケイ素から構成されることが好ましく、反射塗装は、ケイ素を含む交互層システムとして構成される。交互層システムは、ケイ素およびモリブデンからなる交互層から形成されることが好ましいが、この層の構成に限定されるわけではない。

集光鏡への所望の放射線のすれすれ入射の場合、基板は１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する金属（たとえば、モリブデン、タングステン、銅など）と、約１３．５ｎｍの波長領域の放射線のすれすれ入射の場合に５０％を超える反射率を有する直に組み込まれる光学的に活性な鏡面と、から構成されることが好ましい。

放射線のすれすれ入射に関して別の好都合な構成では、基板は１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を備える金属から構成され、光学的に活性な鏡面は、たとえば、約１３．５ｎｍの波長領域における放射線のすれすれ入射の場合に５０％を超える反射率を有するパラジウムの別な反射塗装を備える。

いずれの場合も、基板は、光学的に活性な鏡面に表面塗装層を備えることが好都合である。

本発明は、特に高反射率の交互層システムを用いた場合には、反射率の低下を生じる反射性塗装の劣化によって、約２００℃を超えるまで加熱されたときに、集光鏡の耐用期間が相当短くなるという基本的な考えに基づいている。プラズマに基づくＥＵＶ源のパルス動作のために、一時的な平均より相当高い一時的な温度ピークを有する過渡温度曲線を生じる。このような一時的な温度ピークを可能な限り急激に補償するために、通常の外部サーモスタット連結は省略され、熱伝達（温度管理）は基板に熱輸送媒体用の適切な流路を組み込むことによって、鏡基板に直に組み込まれる。一方では、流路は適切な態様で導入されなければならないため、非球面反射面の研削、研磨および蒸着などの鏡製作のための従来の機械加工ステップは、より多くの労力を必要とするか、または不可能であることはない。他方、熱輸送媒体を供給するためのサーモスタット回路の接続もまた、真空下で機能するように簡単な態様で行われなければならない。これは、回転対称な鏡基板の中心（またはその軸に最も近い集光器の部分）およびその周囲に、ネジによって実現されることが好ましい。光学反射層から熱輸送媒体までの長い熱伝導経路および外部で接触している熱交換器（冷却体）に対する伝熱障壁は、本発明によれば、外側から内側に向かって半径方向に本質的に行われる、この直接温度管理によって回避される。

本発明による解決策によって、空間要件または集光鏡の高精度の製作のための要件に対する欠点を許容する必要がなく、効率的な熱連結を光学的に活性な鏡面とサーモスタットシステムとの間に形成することができ、プラズマから生成される短波長放射線を集束するための集光鏡の確実な冷却および温度管理を実現することができる。さらに、集光鏡の別なまたは追加の表面塗装のための工程もまた、費用を増大することなく実現可能である。

本発明は、実施形態の例を参照して以下にさらに詳細に説明される。

源位置（プラズマ２）を中心とした大きな立体角からリソグラフィック工程に必要な放射線を集光し、放射線をいわゆる中間焦点３に投影する課題が、たとえば、約１３．５ｎｍのＥＵＶ領域における強力な放射線を放出するプラズマに基づく短波長放射線源において集光鏡１によって従来の態様で一般に達成される。この配置が、図３に示されており、光学的に活性な面に施される反射層１２を過熱から保護することを目的とする冷却体１７を用いた従来技術による集光鏡１の従来の冷却を示している。これに関連して、（集光鏡１の後部で）冷却体１７および基板１１の大きな面積の平面が、ホルダ１８によって摩擦係合状態で互いに押し付けられる。２つの部分の間の伝熱は、熱伝導層１９、通常は熱伝導金属箔（たとえばインジウムからなる）または熱伝導ペーストによって、定期的に補強される。冷却体１７は通常、冷却回路（図示せず）に組み込まれ、熱輸送媒体４がその中を流れる。

本発明によれば、一般性を制限することなく、図１（ターゲットのレーザ励起の詳細を示していない）に示されているように、レーザプラズマ（ＬＰＰ源）に基づくＥＵＶ源の場合には、好ましい鏡設計は、回転対称な交互層鏡（多層鏡）である。源位置としてのプラズマ２および中間焦点３は、交互層鏡の対称軸に沿って位置決めされる。集光鏡１の波長に適合した反射塗装１２は、適切な形状の光学的に活性な面上で基板１１に施され、数ｎｍの厚さのモリブデンおよびケイ素からなる交互層によって形成されることが好ましい。しかし、反射塗装１２は、この種の交互層設計に制限されるわけではない。さらに、他の高い反射率を有する層システムもまた、基板１１の光学的に活性な面上の反射塗装１２として用いることができる。

光学的に活性な面に適合するその反射塗装１２によって、集光鏡１は、４πステラジアンの立体角で出射するプラズマ２の放射線の大部分を集光し、プラズマ２は、レーザにより誘発されるプラズマ（ＬＰＰ）として、ターゲット流（いずれも示さず）とレーザの相互作用によって生成され、中間焦点３で半導体リソグラフィに適用可能な帯域幅（約１３．５ｎｍの波長領域）の放射線を主に投影する。

（プラズマ２から放出される約１３．５ｎｍの波長領域における帯域内放射線の場合には＞４０％の高い反射率を有する）高品質反射塗装１２として交互層システムを適用するために、非球面構造（ＥＵＶ源の大きな開口部の角度のために）を形成するために高精度で機械加工することができる光学基板１１が必要とされる。現在利用可能な技術では、金属の非球面に必要な表面品質を合理化的な価格で達成できず、表面塗装物質をさらに塗布せずに達成することができない。

図１にさらに示されるように、流路１３は、ケイ素（約１５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）から構成されることが好ましい基板１１に組み込まれる。流路１３は、鏡の周囲から中心まで半径方向に実質的に向いている。ネジ穴１４は、周囲で流路１３に配置されるので、サーモスタット回路（図示せず）から熱輸送媒体４用の供給線を簡単な態様で螺合することができる。この連結技術は、（さらに大きな）ネジ穴１４においても同様に中心で実現される。流路１３の入口および出口で基板１１に組み込まれるネジ穴１４によって、熱輸送媒体４用の供給線が基板１１に直に螺合される。このように、たとえば、接着された連結部または熱伝導ペーストからの気体放出によって生じうる重大な汚染源は、容易に着脱可能なサーモスタット回路の線連結ではなく、ＥＵＶ源用の通常の真空条件下で防止される。

図１に示される基板温度管理は、熱輸送媒体４が基板１１を通って直に案内され、それによって（図３による従来技術のように）個別の冷却体１７への伝熱を回避することから、特に効率的である。ケイ素を含む基板１１は、高精度の光学素子に必要な品質を備えた基板の光学的に活性な面となることが可能である。本発明によれば、半径方向に向いた穿孔として基板１１に導入され、熱輸送媒体４が中央穿孔１４に導かれる流路１３は、通常の研削、研磨および塗装の工程に対する障害物を表しているわけではない。他方、基板１１は、（流路１３の導入によって）サーモスタットシステムを「組み込む」ことによってようやく顕著な範囲まで拡大され、光学成形および塗装の工程および交互層システム（反射塗装１２として）の適用に必要な機械加工ステップのすべてを、従来の多層鏡と同様に正確に実現することができる。

図２に示される別の好ましい具現化では、流路１３は、反射塗装１２を有する光学的に活性な面に実質的に平行に配置される。この実施形態の例は、表面付近の流路１３によって達成される反射塗装１２における半径方向の温度勾配の起こりうる影響を示している。外部冷却体１７（図３に示されているような従来技術による）を用いた場合には、半径方向外側に増大する基板１１内の熱輸送経路のために、この可能性は著しく制限される。

円筒穿孔として再び基板１１に導入されることが好ましい流路１３は、光学的に活性な面の数学的に生成する曲線の中間接線ｔ_ｍに対する平行線の回転によって形成される円錐外面に沿って延在する。

図４は、実質的に矩形の断面を有する微細構造化流路１３が、光学的に活性な基板１１のすぐ近く（＜１０ｍｍ）まで切り込まれる別の好ましい具現化を示している。カバー１６は、複数のネジによって、（熱輸送媒体４に対する）圧力に対して緊密であるように、切り込まれた流路１３によって基板１１に連結される。カバー１６は、実際の基板１１と同一の材料から構成される必要はなく、唯一の必要なことは類似の熱膨張係数を有することである。

図４の破線で示されるホルダ１８は、基板１１およびカバー１６の摩擦係合の可能な別法を示している。他の連結の可能性としては、たとえば接着、セメント接合またはハンダ付けなどが挙げられる。図４に示される対称な曲線形状の流路１３の構成は、可能な限り、半径方向に対称であり、円の周りに一様に分配される流路システムのさまざまな可能性のうちの１つにすぎない。

前記の図面はすべて、ＬＰＰ源に適用するための標準的な直接反射する集光鏡１を指す。気体放電源（ＧＤＰＰ源）の場合には、金属基板５１または金属塗装は普通は光のすれすれ入射のための集光器５として用いられる。これらの場合には、反射層５２は温度に関して相当安定している。しかし、基板に組み込まれた温度管理はまた、耐用期間の増大またはこの種の集光器５の高い熱負荷での光学特性の安定化をもたらす。

図５に示されているように、流路５３は、楕円形、双曲線形または放物線形の外面を備え、したがって曲面５６を有する回転対称な基板５１における面の近くに導入される。

放射線のすれすれ入射の場合、集光器５は、同心円状に内外に入れ子になった２つ以上の鏡面５４、５５（２つのみが図５には示されている）を備え、それぞれの鏡面５４、５５が流路５３を備えた個別の基板５１を表すことが好ましい。流路５３は、上述したケイ素基板１１と同様に導入され、熱輸送媒体４は一様に分配されて基板５１を通って流れることが可能である。流路５３は、エピタキシャル法またはリソグラフィック法によって生成されることが好ましい。

（複数の部分からなる）集光器５の基板５１は、たとえばモリブデン、タングステンまたは銅などの金属を用いて、きわめて良好な熱伝導率（＞１００Ｗ／ｍＫ）を有し、（約１３．５ｎｍの波長領域で放射線のすれすれ入射の場合）５０％を超える反射率を達成するために反射塗装５２（たとえば蒸着されたパラジウムを含む）を備える。

組み込まれた直接温度管理のための流路を備える本発明による集光鏡の概略図（平面断面図および側面断面図）である。集光鏡は、パルスレーザによって供給されたターゲットから真空室（図示せず）で生成されるプラズマのすぐ近くに位置している。 光学的に活性な面に実質的に平行に延在する流路を備える集光鏡の概略図（平面断面図および側面断面図）である。 集光鏡を保持し、冷却するための従来技術を示し、鏡が良好な熱伝導率を有する金属箔によって冷却体に対して押し付けられ、冷却剤が冷却体を流れている。 光学的に活性な面の数ミリメートル以内まで延在する基板における微細構造化流路の概略図であり、基板は個別のカバープレートによって後部で閉じられ、基板の流路の摩擦係合による閉鎖が達成される。 ＧＤＰＰ源用の集光鏡の概略図であり、熱輸送媒体用の対応する流路を備える金属基板を有する複数の鏡シェルが放射線のすれすれ反射のために配置される。

符号の説明

１ 集光鏡
１１ 基板
１３ 流路
１４ ネジ穴
１５ ネジ
１６ カバー（流路カバー）
１７ 冷却体
１８ ホルダ
１９ 熱伝導層
２ プラズマ
３ 中間焦点
４ 熱輸送媒体
５ 集光器
５１ 基板
５２ 反射塗装
５３ 流路
５４、５５ 鏡面
５６ （鏡シェルの）曲面
ｔ_ｍ 接線

Claims (25)

1. 所望の短波長放射線用の高い反射率を有する光学的に活性な鏡面を有するプラズマに基づく短波長放射線源用の集光鏡であって、きわめて高温のプラズマのすぐ近くに集光鏡が位置するために、鏡体の温度を管理するための手段が設けられる集光鏡において、
   集光鏡（１；５）は、５０Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導率を有する材料を含む固い回転対称な基板（１１；５１）を有することと、
   冷却および温度管理のための流路（１３；５３）が基板（１１；５１）に組み込まれ、それで所定のレベルで光学的に活性な鏡面（１２）の温度を急速に安定化するために、熱輸送媒体（４）が直接中を通って流れることができ、
   プラズマ生成用のパルス動作で生じ、鏡面（１２）に広がる温度平均を数倍一時的に超える過渡的な温度ピークの熱が急速に消散することを特徴とする集光鏡。
2. 熱輸送媒体（４）用の流路（１３）は、光学的に活性な鏡面（１２）の近くに配置され、基板（１１）の中で大部分は半径流方向を有することを特徴とする請求項１に記載の配置。
3. 流路（１３）は、集光鏡の光軸に対して半径方向に一様に分配されるように配置され、熱輸送媒体（４）を供給し排出するための連結部（１４）が、基板（１１）の中心および周囲に設けられることを特徴とする請求項２に記載の配置。
4. 流路（１３）は、基板（１１）の対称軸に対して直交に配置されることを特徴とする請求項３に記載の配置。
5. 流路（１３）は、円錐の外面に沿って光学的に活性な鏡面（１２）の生成曲線における中間接線（ｔ_ｍ）と平行に配置されることを特徴とする請求項３に記載の配置。
6. 熱輸送媒体（４）用の流路（１３）は、円筒穿孔の形で構成されることを特徴とする請求項３に記載の配置。
7. 熱輸送媒体（４）を供給するための連結部は、基板（１１）におけるネジ穴（１４）に螺合されることを特徴とする請求項６に記載の配置。
8. 流路（１３）は、集光鏡（１）の後部から熱輸送媒体（４）の実質的に半径流のために微細構造化流路の形で基板（１１）に導入され、流路（１３）は、１０ｍｍ未満の一定の距離で光学的に活性な鏡面（１２）まで延在することを特徴とする請求項２に記載の配置。
9. 流路（１３）は、基板（１１）の対称軸の周りに一様に分配して配置された複数の曲線構造に構成されることを特徴とする請求項８に記載の配置。
10. 基板（１１）は２つの部分から構成され、第１の部分は、基板（１１）として、光学的に活性な鏡面（１２）および後部に組み込まれる微細構造化流路を有し、第２の部分は、カバー（１６）として、媒体に対して密接するように流路（１３）を覆うために設計されることを特徴とする請求項８に記載の配置。
11. 流路が密閉されるように基板（１１）とカバー（１６）を連結するために、重なった２つの面が互いに確動係合され、摩擦係合で固定されるように、機械加工が行われることを特徴とする請求項１０に記載の配置。
12. 流路が密閉されるように基板（１１）とカバー（１６）を連結するために、これら２つの部分の間に構造化封止部が設けられることを特徴とする請求項１０に記載の配置。
13. カバー（１６）は、基板（１１）における複数のネジ穴を介してネジ（１５）によって基板（１１）に対して加圧されることを特徴とする請求項１０に記載の配置。
14. カバー（１６）は、周囲に配置される締付具（１８）によって基板（１１）に対して加圧されることを特徴とする請求項１０に記載の配置。
15. カバー（１６）は、材料接合によって基板（１１）に連結されることを特徴とする請求項１０に記載の配置。
16. カバー（１６）は、セメント接合によって基板（１１）に連結されることを特徴とする請求項１５に記載の配置。
17. カバー（１６）は、ハンダ接続によって基板（１１）に連結されることを特徴とする請求項１５に記載の配置。
18. 所望の放射線の非すれすれ入射の場合に、基板（１１）は、１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する材料から非球面形状に形成され、光学的に活性な鏡面は、約１３．５ｎｍの波長領域で４０％を超える反射率を有する反射塗装（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の配置。
19. 基板（１１）はケイ素から構成され、反射塗装（１２）は、ケイ素を含む交互層システムとして構成されることを特徴とする請求項１８に記載の配置。
20. 交互層システム（１２）は、ケイ素およびモリブデンからなる交互層から形成されることを特徴とする請求項１８に記載の配置。
21. 所望の放射線のすれすれ入射の場合に、基板（５１）は、直に組み込まれる鏡面のために５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率と同時に高い反射率とを有する金属から構成され、鏡面は、約１３．５ｎｍの波長領域における放射線のすれすれ入射の場合に５０％を超える反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の配置。
22. 直に組み込まれる鏡面用の基板（５１）は、パラジウム、ルテニウムまたは金から構成されることを特徴とする請求項２１に記載の配置。
23. 所望の放射線のすれすれ入射の場合に、基板（５１）は、１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する金属から構成され、光学的に活性な鏡面が、約１３．５ｎｍの波長領域における放射線のすれすれ入射の場合に５０％を超える反射率を有する反射塗装（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の配置。
24. 基板（５１）は、光学的に活性な面に表面塗装層（１２）を備えることを特徴とする請求項２１または２３に記載の配置。
25. 反射塗装（１２）は、パラジウムまたはルテニウムから構成されることを特徴とする請求項２３に記載の配置。
    

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