JP4488214B2 - 滴形ターゲットを形成するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部でガス状の窒素によって高圧が実現された、ターゲット液を収容するための少なくとも１つの容器、この容器に結合された、ｍｓ範囲で切り換わる電磁弁及びノズルを有する滴形ターゲットを形成するための装置及び滴形ターゲットを形成するための方法に関する。

以下に、液滴を発生させる公知の装置に基づいて従来技術を説明する。この場合、滴に向けられたレーザビームとの相互作用において、レントゲン線又は極紫外線光が形成される。これらの光線は、例えば顕微鏡検査又はリソグラフィーにおいて使用される。

米国特許第６３２４２５６号明細書では、ＥＵＶ光を発生させるためのレーザプラズマ源が記載された装置に、滴形ターゲットを形成するための装置も含まれている。形成される滴は、ノズルを通ってガイドされ、そこで凝縮してクラスタの形の極小粒子雲を形成するガスから形成される滴よりも、大きな直径を有している。当該明細書に記載の構成手段では、まず最初にガスの温度を下げる熱交換器によってガスから液体が生ぜしめられる。この液体は、開口が流出開口に向かって大きくなるノズルに供給される。この区分において滴が成形され、次いでこれらの滴はノズルの流出開口から流出し、ＥＵＶ光を発生させるためのレーザビームと相互作用する。但しこの場合、滴の大きさは規定して調整することはできない。つまり、この公知の構成手段では、まず最初にガス状の原料が液状に変換される。更に、滴はノズルに極めて密着してレーザビームと相互作用するので、結果的にノズルが加熱及び侵食により破壊される。

Ｌ．Ｒｙｍｅｌｌ及びＨ．Ｍ．Ｈｅｒｔｚにより、Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．１０３，１０５（１９９３）において、エタノール滴をターゲットとして使用するレントゲン線源について報告されている。前記エタノール滴を形成するためには、エタノールが３０〜５０ａｔで、ノズル内へテーパした約１０μｍの直径を有する毛管を通って真空室へ吐き出された。この場合、約１５μｍの直径を備えた液体体積を同期的に生ぜしめられるようにするためには、約１ＭＨｚの周波数を以て吐出衝撃が圧電式で発生される。当該の比較的大きな液滴は、Ｏ．Ｈｅｍｂｅｒｇ，Ｂ．Ａ．Ｍ．Ｈｅｎｓｏｎ，Ｍ．Ｂｅｒｌｕｎｄ及びＨ．Ｍ．ＨｅｒｔｚによってＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８８，５４２１（２０００）に記載されたように、１０^１２〜１０^１４Ｗ／ｃｍ^２の強度範囲におけるレーザビームとの相互作用の検査のために使用された。この場合、全ての個々の滴との相互作用が行われ、更に、レーザ焦点はエタノール滴の直径よりも僅かに大きいに過ぎないので、滴源のドリフト問題は重要である。なぜならば、この作業は特に正確な滴・レーザ同期化のための解決手段を目指しているからである。

密度が最高１０^１９原子／ｃｍ^３で、約１μｍの滴径を有する高密度の霧滴は、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６９，３７８０（１９９８）においてＬ．Ｃ．Ｍｏｕｎｔｆｏｒｄ，Ｒ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ及びＭ．Ｒ．Ｈ．Ｒ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎによって説明された滴源によって製作され、この滴源から本発明は出発する。この場合は、液体パルス延いては液体体積を形成する電磁弁が、滴源の出発点である。容器は液体で満たされて、エタノールによって高圧下で保持された。レーザと同期して、弁は２５００μｓの間開放されるので、滴がノズルから流出する。約０．６μｍの比較的小さな直径を有する滴が、次いで技術的に手間のかかる装置を要する、滴の静電分割によって得られた。しかし、これらの滴から成る霧は、比較的低い密度、つまり約１０^１６原子／ｃｍ^３を有している。

レントゲン線又はＥＵＶ光を効果的に発生させるためには、生じ得るレーザ波長の値の広がりを有し、延いては従来技術と比較してより小さな直径を有し且つ原子密度＞１０^１８原子／ｃｍ^３を有する霧を形成する滴形ターゲットを提供するということが必要である。

従って本発明の課題は、このような滴形ターゲットの形成を可能にする構成手段を提供することである。ノズルから大きな間隔があいても高密度が実現されているのが望ましい。つまり、滴形ターゲットは従来技術と比較してより良好な視準を有しており、これにより、ノズルの耐用年数が高められる。

この課題は、冒頭で述べた形式の装置により、本発明に基づいてノズルが超音速ノズルとして形成されており、この超音速ノズルと弁とが伸張通路を介して結合されており、伸張通路内に過飽和蒸気が形成されている値へ温度が調節可能な様に、加熱手段が伸張通路の周囲に形成されており、電磁弁と加熱手段との間に絶縁体が配置されていることによって解決される。

本発明による装置は、レーザビームとプラズマとの相互作用プロセスを検査するために必要とされる、高密度のサブミクロンの液体ターゲットの形成を可能にする。過飽和気相において滴が成形される引用従来技術とは異なり、本発明による構成手段では、雲霧中で凝縮する過飽和蒸気から滴が発生する。本発明による装置を以て製作されたターゲットは、平均直径が約１５０ｎｍの滴から成っており且つ平均原子密度＞１０^１８原子／ｃｍ^３を有している。このようなターゲットは、従来究明されていなかった、クラスタ（１固体の局所的な密度にほぼ等しい局所的な密度を有する、最高１０^６原子／クラスタの若干の原子）と固体との間に存在する状態の検査を可能にする。更に、クラスタターゲットの利点に関して、滴の空間的な広がりが、熱電子の空間電荷の制限強化に影響を及ぼし、このこともやはり、レーザエネルギの滴イオンへの改善された入射をもたらす。これにより、著しく高温のプラズマを発生させ且つレントゲン線への変換においてより高い効率を得ることが可能である。本発明による装置を以て製作される滴形ターゲットは連続的に形成可能であり、時間的に制約されない作業形式を有している。

本発明による装置の複数の実施例は、それぞれ個々の構成部材の構成に関するものである。つまり、脈動電磁弁は２ｍｓのパルス幅で作動する。伸張通路は数ｍｍ〜数十ｍｍの長さ及び数百μｍ〜ｍｍ範囲までの直径を有している。超音速ノズルは数度〜数十度の円錐形の開度２Θと、直径が数百μｍの入口開口と、数ｍｍの長さが円錐形に成形された区分とを有している。弁の開放時にターゲット液が伸張通路に吐き出された後、この伸張通路には加熱に基づいて過飽和水蒸気が存在しており、この過飽和水蒸気は超音速ノズルを通走する際に膨張し、冷却され且つ所望の大きさ及び密度の液滴を形成する。この場合、これらのパラメータは、伸張通路の寸法、温度及び伸張通路内を支配する圧力によって規定されている。

本発明による方法は、以下の方法ステップを有している：即ち、不活性ガスによって内部で高圧の実現された容器にターゲット液を充填し、この容器を脈動電磁弁によって一時的に開放し、ターゲット液を伸張通路へ断続的に導入し、過飽和液体蒸気が形成されるように伸張通路を加熱し、この蒸気を、伸張通路に接続された超音速ノズルの通走時に冷却して、ノズルの出口開口から真空中へ滴を流出させる。

この方法に関する実施例では、特に２ｍｓのパルス幅を有する、ｍｓ範囲で作動する脈動電磁弁が使用される。弁の各切換え動作において、ターゲット液が伸張通路に吐き出され、相応の蒸気が超音速ノズルに吐き出される。この場合、数ｍｍ〜数十ｍｍの長さ及び数百μｍ〜ｍｍ範囲の直径を有する伸張通路と、数度〜数十度の円錐形の開度２Θ、直径が数百μｍの入口開口及び数ｍｍの長さが円錐形に成形された区分を有する超音速ノズルが使用される。ノズルの出口開口に至る過程で過飽和ガスはノズル内で冷却され、このことは液滴の形成をもたらす。更に注目されるのは、既に述べた伸張通路のパラメータの他に、ノズル直径も、ノズル開口から真空中に流出する液滴の直径を規定するという点である。

本発明が出発する従来技術と比較して、本発明による構成の弁は、内部でターゲット液が加熱される、付加的に配置された伸張通路への供給を直接に制御する。今や存在する過飽和ガスはノズル出口開口へ案内されると同時に冷却され、このことはノズル内で滴形成を生ぜしめる。これとは異なり、公知の構成手段では弁が直接にノズルを開閉し、これにより、滴の形成、広がり及び視準に対して著しく小さな影響しか及ぼすことができない。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

滴形ターゲットを形成するための本発明による装置は、脈動電磁弁１を有している。この弁１は、内部でターゲット液がガス状の窒素によって３５バールの圧力に保持される容器（図示せず）を閉鎖する。ターゲット液は水であってよいが、基本的に他のあらゆる液体であってもよい。弁１は、２ｍｓのパルス幅を以て開閉し且つ開放段階で直径１ｍｍ、長さ１５ｍｍの伸張通路２に水滴を放出する。この伸張通路２内ではヒータ３によって１５０℃の温度が生ぜしめられ、伸張通路２は弁１から絶縁体５によって分離されている。今、伸張通路２の端部に存在する過飽和蒸気が、２Θ＝７°の開度、直径５００μｍの入口開口及び８ｍｍの長さの円錐形区分を有する超音速ノズル４を通って案内され、サブミクロンの液滴が真空中に形成される。超音速ノズル４の出口開口に滴形ターゲットが生ぜしめられ、この滴形ターゲットは連続して形成可能なので、時間的に制約されない作業形式を可能にする。

図２には、時間に関連した弁切換えパルス及びノズルの出口開口から１ｍｍの間隔をおいた、所属の発生液霧の強度に関する曲線が示されている。時計回りでＨｅ‐Ｎｅレーザによって生ぜしめられるビームを滴形ターゲットに向けてそこで散乱させ、ノズル開口から１ｍｍの間隔をおいた散乱ビームの強度を求めたこの測定では、弁のパルス幅は２ｍｓである。噴霧パルスの主要部分は、弁開放後約１ｍｓで生ぜしめられるということが認識できる。

図３には、空気中及び真空中における、ノズルの出口開口からの距離に関連した液霧（噴霧）の広がりを表す曲線が示されている。従来技術に基づく公知の結果と比較すると、本発明による構成手段では約３０％だけ良好な視準が得られるということが確認可能である。

発生した粒子雲霧の拡散ジオメトリはＲ＝（０．３２±０．０２）×ｈ＋ｒで説明することができ、この場合、Ｒは噴霧雲の半径、ｈは超音速ノズルからの距離及びｒは超音速ノズルの流出開口の半径である。距離ゼロは、超音速ノズルの出口開口に相応する。

図４には、噴霧中の滴密度及び噴霧中の平均的な原子密度の両方が、ノズルの流出開口からの距離に関連して示されている。測定された滴密度は、直径が０．１５μｍの滴に関して、ノズルの流出開口における（１．６±０．５）・１０^１１滴／ｃｍ^３（若しくは１．５・１０^１８ｃｍ^−３の平均分子密度）から、流出開口から２０ｍｍの距離における（７．５±０．７）・１０^９滴／ｃｍ^３（若しくは８・１０^１６ｃｍ^−３の平均分子密度）まで変化している。これは、当該の滴サイズの場合、目下説明されている噴霧式滴源によるものよりも最高３オーダ高い滴密度であり、このことは放射されるレーザエネルギの変換に関して重要である。

図５には、観察角度に関連した散乱光強度の測定データが示されている。実線は、直径が０．１５μｍの粒子の散乱光強度の理論的な分布を表している。測定データとの良好な一致は、この場合、目下の従来技術と比較した場合よりも狭い滴サイズの分布ということを示しており、これにより、現行のように滴サイジングフィルタを下流側に接続せずに済むので、有効滴密度が有利に高められる。

本発明による装置の概略図である。 時間に関連した弁切換えパルス及び所属の発生液霧の強度を示す曲線である。 空気中及び真空中における、ノズルの流出開口からの距離に関連した液霧の広がり幅を示す曲線である。 ノズルの流出開口からの距離に関連した液霧の密度を示す曲線である。 ＣＣＤを用いて測定した散乱光の相対強度を示す曲線である。

Claims (8)

1. 滴形ターゲットを形成するための装置であって、高圧を有するターゲット液を収容するための容器と、該容器と結合された、数ｍｓのパルス幅で切り換わる電磁弁と、ノズルとを少なくとも有している形式のものにおいて、
   ノズルが超音速ノズル（４）として形成されており、電磁弁（１）が該超音速ノズル（４）と伸張通路（２）を介して結合されており、該伸張通路（２）の周囲に加熱手段（３）が、過飽和蒸気が該伸張通路（２）内に形成される値へ温度が調節可能なように形成されており、該電磁弁（１）と該加熱手段（３）との間に熱絶縁体（５）が配置されていることを特徴とする、滴形ターゲットを形成するための装置。
2. 前記電磁弁（１）が２ｍｓのパルス幅で作動する、請求項１記載の装置。
3. 伸張通路（２）が、数ｍｍ〜数十ｍｍの長さ及び数百μｍ〜数ｍｍの直径を有している、請求項１記載の装置。
4. 超音速ノズル（４）が、数度〜数十度の円錐形の開度２Θ、数百μｍの直径の入口開口及び数ｍｍの長さが円錐形に成形された区分を有している、請求項１記載の装置。
5. ‐不活性ガスによって内部で高圧が実現された容器にターゲット液を充填し、
   ‐脈動電磁弁によって前記容器を一時的に開放し、
   ‐ターゲット液を伸張通路へ断続的に導入し、
   ‐過飽和液体蒸気が形成されるように伸張通路を加熱し、
   ‐伸張通路と結合された超音速ノズルを通走する際に気体を冷却し、
   ‐ノズルの出口開口から液滴を流出させることを特徴とする、滴形ターゲットを形成するための方法。
6. 数ｍｓのパルス幅を有する脈動電磁弁を使用する、請求項５記載の方法。
7. 数ｍｍ〜数十ｍｍの長さ及び数百μｍ〜数ｍｍの直径を有する伸張通路を使用する、請求項５記載の方法。
8. 数度〜数十度の円錐形の開度２Θ、数百μｍの直径の入口開口及び数ｍｍの長さが円錐形に成形された区分を有する超音速ノズルを使用する、請求項５記載の方法。

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