JP4628122B2 - 極端紫外光源装置用ノズル - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等を露光するために用いられる極端紫外光を発生するＬＰＰ(Laser Produced Plasma)型極端紫外（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ）光源装置においてターゲットを噴射するノズルに関する。

半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィも微細化が急速に進展しており、次世代においては、１００〜７０ｎｍの微細加工、更には５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。例えば、５０ｎｍ以下の微細加工の要求に応えるべく、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（cataoptric system）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

ＥＵＶ光源としては、レーザビームをターゲットに照射することによって生成するプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma）光源と、放電によって生成するプラズマを用いたＤＰＰ（discharge produced plasma）光源と、軌道放射光を用いたＳＲ（synchrotron radiation）光源との３種類がある。これらの内でも、ＬＰＰ光源には、プラズマ密度をかなり大きくできるので黒体輻射に近い極めて高い輝度が得られ、ターゲット物質を選択することにより必要な波長帯のみの発光が可能であり、ほぼ等方的な角度分布を持つ点光源であるので光源の周囲に電極等の構造物がなく、２πsteradという極めて大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点がある。そのため、ＬＰＰ光源は、数十ワット以上のパワーが要求されるＥＵＶリソグラフィ用の光源として有力であると考えられている。

図１４は、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の概要を示す模式図である。このＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ光の生成が行われる真空のＥＵＶ生成チャンバ１と、ターゲット（標的）を照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源５とを含んでいる。ＥＵＶ生成チャンバ１の内部には、ターゲット物質を噴射するターゲット噴射装置の一部であるノズル２とターゲット回収筒３とが設置されている。また、ＥＵＶ生成チャンバ１の一部には、レーザ光を透過させる窓４が設けられている。さらに、ＥＵＶ生成チャンバ１の外部には、レーザ光源５から出射されたレーザ光がターゲット物質を照射するように、該レーザ光を集束する集光光学系（集光レンズ）６が設置されている。このようなＥＵＶ生成チャンバ１において、ノズル２からターゲット物質を噴射すると共に、レーザ光源５から出射されたレーザ光８を、集光レンズ６及び窓４を介してターゲット７に照射する。それによりターゲット物質が励起してプラズマ化され、発生したプラズマからＥＵＶ光９が放出される。このＥＵＶ光９は、集光ミラー１０によって集光され、所定の方向（図１４においては、図の手前方向）に導かれる。また、プラズマ化されなかったターゲット物質は、ＥＵＶ生成チャンバ内における残留量を減らすために、ターゲット回収筒３に回収される。なお、図１４においては、図の下方をＥＵＶ光源の設置面としている。

このようなＬＰＰ型ＥＵＶ光源においては、ターゲットとして、直径が数十μｍの液体キセノン（Ｘｅ）ジェット（噴流）が用いられる場合が多い。液体キセノンジェットを生成する方法としては、キセノンガスをノズル内において冷却して凝縮させ、それによって液化されたキセノンをキセノンガスの圧力でノズル出口部から噴射させる方法が一般的である。

関連する技術として、特許文献１には、ＥＵＶ線源用ノズル組立体であって、ガス標的材料を液体標的材料に極低温冷却する凝縮器を含む凝縮室と、該凝縮室から該液体標的材料を受容し、かつ該液体標的材料を圧力下に保持して該液体標的材料に混入した気泡を液体に変換させる保持室と、該保持室に連結され、ノズル組立体から該標的材料の安定した流れを放射する出口開口部とを備えるノズル組立体が開示されている。即ち、特許文献１においては、ターゲット出口の上流に凝縮器を設置し、そこでキセノンを凝縮することにより液化している。

また、特許文献２には、ジェットの安定性を向上させるために、吹き出し口からの方向にジェットを生成するための吹き出し口においてターゲット物質を圧迫し、Ｘ線又はＥＵＶ放射を生成するためにジェットと相互作用する少なくとも１つのエネルギービームがジェット上に導くＸ線又はＥＵＶ放射の生成方法及び装置が開示されている。即ち、特許文献２においては、圧力管（pressure vessel）と称する部分においてキセノンガスを冷却することにより液化している。

ところで、安定したＥＵＶ光を生成するためには、ターゲットの位置を安定させることが非常に重要となっている。しかしながら、ターゲット物質をＥＵＶ生成チャンバ内に噴射する際に、液体のキセノンを一定のタイミングで一定の位置に安定して供給することは、水やアルコールといった常温常圧で液体である物質と比較して極めて難しい。その理由として、主に次の４つが挙げられる。

（１）液体キセノンジェットを数十ｍ／ｓの速度で供給するためには、ターゲット物質を噴射するノズルの噴射圧力を数ＭＰａ台とする必要がある。数十ｍ／ｓの速度が必要とされるのは、高い繰り返し（ｋＨｚ台）でのＥＵＶ光生成を可能とするためである。ノズル内において数ＭＰａに加圧されたキセノンは、真空のＥＵＶ生成チャンバ内に噴射されるため、その際の急激な減圧により、液体中に含まれている微小な気泡が爆発的に成長する。その成長のために、ジェットが乱れてしまう場合がある。この問題に対する対策として、液体キセノン中に気泡が発生するのを抑制することが必要となる。しかしながら、水等のように最初から液体の状態で供給できる物質であれば、脱気を十分に行うことにより気泡の発生を抑制できるが、キセノンのように噴射する直前にガスを液化する場合には、完全に脱気を行うことは難しい。

（２）液体キセノンの蒸気圧は非常に高いので（例えば、１６５Ｋの液体キセノンの蒸気圧は、約０.１ＭＰａ）、真空中においてはジェット表面からの蒸発現象が盛んになる。一方、ＥＵＶ生成チャンバ内は、ＥＵＶ光の吸収を抑制するために、通常では０.１Ｐａ以下の真空に維持される。このようなチャンバ内の圧力に対して、チャンバ内に供給される液体キセノンの蒸気圧は約０.１ＭＰａ（１６５Ｋ）となるので、両者間には極端な差が生じている。そのため、低温のエタノール（−６０℃のエタノ−ルの蒸気圧は、約４Ｐａ）等の他の液体と比較して、ジェット表面の近傍に安定した境界層が形成され難くなるので、キセノンの蒸発量は非常に大きくなる。この蒸発の反力により、ジェットが乱れやすくなる。特に、蒸発が不均一である場合には、この反力による影響が大きくなる。

（３）ジェットの表面は、蒸発時の気化潜熱によって急激に冷却されるため、ジェットの表面において部分的な固化が生じる。固化が生じると、液体キセノンと固体キセノンとの物性の違い（表面張力の有無や密度差等）により、ジェットが乱れてしまう。
（４）液体キセノンの表面張力は水の表面張力の１／３程度なので、ジェットの断面形状を保つ力が弱く、ノズル出口部に由来する擾乱が生じやすい。
特開２００４−１３４３６３号公報（第３頁、図２） 米国特許ＵＳ６，７６０，４０６Ｂ２明細書（図１）

通常、液体キセノンジェットは、ＥＵＶ光源の設置面に対して上方から下方に向かって噴射される。そのため、ターゲット（キセノンジェット）噴射装置は、ＥＵＶ生成チャンバ１（図１４）の上部に配置されている。しかしながら、現実のＥＵＶ光源の設置場所を考慮すると、スペースの広さ（横方向）に比較して高さ（縦方向）に制限がある場合が多いので、ＥＵＶ生成チャンバの全高が大きくなることは望ましくない。また、今後、ターゲット噴射装置の機能追加により、噴射装置がさらに大型化する可能性がある。そのため、ターゲット噴射装置をＥＵＶ生成チャンバの上部以外に配置できる方が望ましい。加えて、ジェットの噴射方向が上下方向に限られていることにより、ＥＵＶ生成チャンバ１に対するレーザ光８の導入口や、集光ミラー１０や、ターゲット回収筒３等のデブリ（残滓）防止装置の配置の自由度が制限されているので、これらの点からも、ＥＵＶ光生成チャンバ１の上部及び下部以外に配置できると共に、安定した液体キセノンジェットを形成できるターゲット噴射装置が必要となっている。

そのためには、例えば、ターゲット噴射装置を、ＥＵＶ光生成チャンバの側部に配置し、キセノンジェットを水平方向に噴射することが考えられる。しかしながら、通常のターゲット噴射装置を水平に設置するだけでは、キセノンジェットを安定的に形成できない可能性がある。その理由として、ノズル内部における液面の位置が問題となるからである。この問題について、図１５を参照しながら説明する。

図１５は、ターゲット噴射装置の一部であるノズルを示す断面図である。図１５に示すノズルは、ノズル管１１と、ノズル管１１の周りを囲むように配置されている冷却壁１２とを含んでいる。冷却壁１２は冷却装置によって所定の温度に保たれており、ノズル管１１及びその内部を冷却している。また、ノズル管１１の内部は、キセノンガスを冷却することにより液化が行われる液化室１３となっている。さらに、ノズル管１１の先端には、キセノンジェットが噴射される開口である噴射口１４ａが形成されたノズル出口部１４が設けられている。ノズル出口部１４からキセノンジェットを噴射するためには、液化室１３内にキセノンガスを供給する。それにより、ノズル管１１の内壁においてキセノンが冷却されて液化する。それによって形成された液体キセノンの液面を、供給されるキセノンガスによって加圧することにより、液体キセノンがキセノン（Ｘｅ）ジェット１５として噴射口１４ａから噴射される。

図１６及び図１７は、図１５に示すノズルにおける液体ターゲットの液面の変化を説明するための図である。図１６は、冷却壁１２の温度が比較的高い場合におけるノズル管１１の内部の様子を示しており、図１７は、冷却壁１２の温度が比較的低い場合におけるノズル管１１の内部の様子を示している。以下の説明において、ノズル管１１内に流入するキセノンガスの質量流量をＱ１（ｋｇ／ｍｉｎ）、ノズル出口部１４の噴射口１４ａから流出する液体キセノンジェットの質量流量をＱ２（ｋｇ/ｍｉｎ）、ノズル管１１内においてキセノンガスが凝縮することにより液化する質量流量をＱ３（ｋｇ／ｍｉｎ）、ノズル管１１内に貯まっている液体キセノンの単位時間当たりの変化量をΔＵ（ｋｇ／ｍｉｎ）とする。

図１６に示すように、ノズルを垂直に設置する場合に、そのノズルが常にＱ３≧Ｑ２の関係を満たす凝縮能力を有していれば、液体ターゲットの液面は、常にノズル出口部１４の噴射口１４ａの上方に位置することになる。この場合に、次式（１）及び（２）の関係が成り立つ。
Ｑ１＝Ｑ３ …（１）
Ｑ３＝Ｑ２＋ΔＵ …（２）

また、ノズルから流出するキセノンジェットの質量流量Ｑ２は、ベルヌーイの式から、次式（３）によって表される。
Ｑ２＝ＣＡ（Ｐ／ρ）^１／２ …（３）
式（３）において、Ｃは損失係数（流量損失、速度損失）を表し、Ａはノズルの断面積を表し、Ｐはキセノンガスの圧力を表し、ρは液体キセノンの密度（温度、圧力で変化）を表している。

さらに、ノズル管１１内において凝縮するキセノンガスの質量流量Ｑ３は、ノズル管１１の内部における状態、即ち、ノズル管１１内面の表面積、ノズル管１１内面の表面粗さ、ノズル管１１内面の温度、ノズル管１１内面の熱伝達率、液体キセノンの温度、キセノンガスの圧力、及び、キセノンガスの温度と、それらの状態変化とによって決まる。加えて、ノズル管１１に流入するキセノンガスの質量流量Ｑ１は、式（１）及び式（２）を満足するように決定される。
従って、ノズル管１１内における液体ターゲットが定常状態にある場合、即ち、液面位置が変化しない場合（即ち、ΔＵ＝０）には、式（１）及び式（２）より、次式（４）が導かれる。
Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３ …（４）

ノズル管１１内における液面の位置（高さ）は、液面が定常状態に至るまでの液体の変化量ΔＵを時間積分したものとなる。以下に、ノズル管１１内における液面の挙動の一例を示す。
定常状態から冷却壁１２の温度が低下すると、凝縮質量流量Ｑ３が増加する。この温度低下に起因する流出質量流量Ｑ２の変化は、式（３）より、液体キセノンの密度ρの変化による僅かな増加に現れるだけである。即ち、式（２）より、凝縮質量流量Ｑ３の増加分の多くは、液体の変化量ΔＵの増加に寄与する。その結果、式（１）より、流入質量流量Ｑ１も増加する。ここで、図１７に示すように、液体の変化量ΔＵの増加により液面の位置が上昇すると、破線で示す凝縮面（キセノンガスに接するノズル管１１の内壁等）の総面積は減少する。それにより、凝縮質量流量Ｑ３も減少するので、液体キセノンの液面の位置は、最終的にＱ１＝Ｑ２＝Ｑ３となるような位置に安定する。

反対に、冷却壁１２の温度が上昇すると、凝縮質量流量Ｑ３は減少する。しかしながら、式（３）より、この温度上昇に起因する流出質量流量Ｑ２の減少分（密度ρの変化による減少分）は僅かであるので、式（２）より、凝縮質量流量Ｑ３の減少分の多くは、液体の変化量ΔＵの減少に寄与する。その結果、式（１）より、流入質量流量Ｑ１が減少する。ここで、図１６に示すように、液体の変化量ΔＵの減少により液面の位置が低下すると、破線で示す凝縮面の総面積は増加する。それにより、凝縮質量流量Ｑ３も増加するので、液体キセノンの液面の位置は、最終的にＱ１＝Ｑ２＝Ｑ３となるような位置に安定する。

次に、図１８に示すように、ノズルを水平方向に設置する場合について検討する。この場合に、液体キセノンの液面は、常にノズル出口部１４の噴射口１４ａの上方にあるとは限らないので、式（２）が成り立たない場合が生じる。
先に述べたように、液体キセノンの液面の位置は、Ｑ３とＱ２との関係により決定される。ここで、図１７に示すように、冷却壁１２の温度が低い状態においては、液化室１３内の空間の半分以上が液体キセノンによって占められているので、ノズルを水平にしても液体キセノンジェットを噴出することができる。しかしながら、図１６に示すように、冷却壁１２の温度が高い状態においては、液体キセノンの量が液化室１３内の空間の半分以下となる場合も生じる。即ち、液化室１３内に形成される液面が液化室１３の中心軸より下がってしまうので、一般的なノズルのように液化室１３とノズル出口部１４とが同心円状に構成されていると、液体キセノンをノズル出口部１４の噴射口１４ａから噴射することができなくなる。このような場合には、キセノンガス、又は、キセノンガスと液体キセノンとが混ざった霧状の流体が噴射口１４ａから流出する可能性が高い。

特許文献１においては、安定したターゲットを形成するための工夫として、凝縮室（液化室）とノズルとの間に液体フィルタを設けることにより、気泡の除去を行うことが開示されている（第７頁）。しかし、このようなフィルタを設けたとしても、ノズルを水平方向に設置すると液面がノズル出口部よりも下がってしまう可能性があるので、上記の問題を解決できるとはいい難い。また、フィルタによって圧力損失が生じてしまうので、その分だけ液化室に供給されるキセノンの圧力を高くする必要がある。さらに、フィルタを設けることにより、キセノンを充填する前の真空引き（水分、大気の除去）を、より入念に、長時間かけて行う必要が生じてしまう。
また、特許文献２においても、ノズルを水平方向に設置した場合には、上記の問題が発生するものと思われる。

上記の問題点に鑑み、本発明は、極端紫外光源装置においてＥＵＶ光の生成が行われるチャンバ内にターゲットを供給するために用いられるノズルであって、鉛直下方以外の方向であっても、安定してターゲットを噴射することができるノズルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る極端紫外光源装置用ノズルは、極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、気体の状態で供給されたターゲット物質と共に冷却され、液化されたターゲット物質を水平方向とは異なる方向に通過させるように配置される液化室と、液化されたターゲット物質を水平方向に噴射するように液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、液化室内に形成されるターゲット物質の液面よりも噴射口が下方となるように配置されるノズル出口部とを具備する。

本発明によれば、通路内に供給された物質に基づく液体によってノズル出口部が満たされている状態を保たれるので、ターゲットを概水平方向等の鉛直下方以外の方向に噴射する場合においても、ターゲットの位置が安定させることが可能となる。従って、ＥＵＶ光源装置において、レーザ光の導入口や、集光ミラーや、ＥＵＶ光路等のレイアウトの自由度を高くすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの構成を示す断面図である。本実施形態に係るノズルは、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において、ＥＵＶ光の生成が行われるチャンバ内にターゲットを供給するために用いられるものであり、ターゲットとしての液体のキセノン（Ｘｅ）ジェット（噴流）を、該水平方向に噴射する。

図１に示すノズルは、ノズル管１０１と、ノズル管１０１の周りを囲むように配置されている冷却壁１０２とを含んでいる。ノズル管１０１は、外部から供給されるキセノンを通過させる通路である。ノズル管１０１の内部は、気体の状態で供給されたキセノンを冷却することにより液化する液化室１０３となっている。また、ノズル管１０１の先端には、ノズル出口部１０４が設けられており、ノズル出口部１０４には、液化されたキセノンが噴射される開口である噴射口１０４ａが形成されている。さらに、ノズル管１０１の一部は、ノズル出口部１０４がノズル管１０１本体部分の長さ方向とは異なる方向を向くように曲げられている。このようなノズルは、例えば、ノズル管１０１本体（即ち、液化室１０３）の中心軸が垂直方向（図１おいては上下方向）を向き、ノズル出口部１０４の中心軸が水平方向（即ち、ターゲットの噴射方向、図１においては左右方向）を向くように配置される。

このように、液化室１０３の中心軸に対するノズル出口部１０４の中心軸の向きを変えることにより、供給されたキセノンガスを液化することによって液化室１０３内に形成される液面は、通常、噴射口１０４ａよりも上方に位置することになる。そのため、液化室１０３内の液体の量が比較的少なくなっても、噴射口１０４ａが液体で満たされている状態を保つことができる。これは、液化室とノズル出口部との中心軸が一致している一般的なノズルをそのまま水平方向に設置する場合（図１６参照）と比較して、大きなメリットである。従って、本実施形態によれば、ターゲットジェットを概水平方向に安定して噴射することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの構成を示す断面図である。本実施形態に係るノズルは、図１に示すノズル管１０１の替わりに、ノズル管本体部１２０と、交換部１２１ａ及び／又は１２１ｂとを有している。その他の構成については、図１に示すノズルと同様である。
ノズル管本体部１２０の内部は、供給されたキセノンガスを冷却することにより液化する液化室１２２となっている。また、交換部１２１ａ及び１２１ｂの先端には、ノズル出口部１２３ａ及び１２３ｂがそれぞれ設けられている。

ここで、本発明の第１の実施形態においては、ノズル管１０１（図１）の本体部分とノズル出口部１０４とを一体形成しているが、本実施形態におけるように、ノズル出口部を含む端部領域を交換（着脱）可能としても良い。即ち、交換部１２１ａと交換部１２１ｂとの内のいずれかをノズル管本体部１２０に取り付けることにより、図１に示すノズルと同様に、水平方向に向けてターゲットを噴射する水平ジェット用ノズルと、図１５に示す従来のノズルと同様に、鉛直下向きにターゲットを噴射する通常のノズルとを選択して使用することができる。それにより、ＥＵＶ生成チャンバ内に配置される部品や装置等の配置の自由度をさらに高くすることができる。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの構成を示す断面図である。本実施形態に係るノズルは、図１に示すノズル管１０１の替わりに、ノズル管１３０を有している。その他の構成については、図１に示すノズルと同様である。
ノズル管１３０の本体部分の内部は、供給されたキセノンガスを冷却することにより液化する液化室１３１となっている。また、ノズル管１３０の先端には、液化されたキセノンが噴射される噴射口１３２ａが形成されたノズル出口部１３２が設けられている。さらに、ノズル管１３０の一部は、噴射口１３２ａが液化室１３１の最下部よりも下方となるように曲げられている。

ここで、本発明の第１及び第２の実施形態においては、ノズル管の本体部分を概垂直に配置しつつ、ターゲットを概水平方向に噴射するノズルについて説明した。しかしながら、ノズル管の本体部分を水平に配置しつつ、ターゲットを水平方向に噴射する場合には、本実施形態におけるようにノズルを構成することが有効である。即ち、噴射口１３２ａが液化室１３１の最下部よりも下方となるように、ノズル出口部１３２の位置をずらせば良い。それにより、ノズル管１３０を水平方向に配置した場合においても、供給されたキセノンガスを液化することによって液化室１３１内に形成される液面は、通常、噴射口１３２ａよりも上方に位置することになる。即ち、噴射口１３２ａが液体で満たされている状態がほぼ維持される。従って、ターゲットジェットを概水平方向に安定して噴射することが可能となる。
なお、本実施形態においては、ノズル管の本体部分とノズル出口部とを一体形成しているが、第２の実施形態におけるのと同様に、それらを別の部品で形成することにより、交換可能としても良い。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの構成を示す断面図である。
本実施形態に係るノズルは、図３に示すノズル管１３０の替わりに、ノズル管１４０を有している。その他の構成については、図３に示すノズルと同様である。

ノズル管１４０の本体部分の内部は、供給されたキセノンガスを冷却することにより液化する液化室１４１となっている。また、ノズル管１４０の先端には、液化されたキセノンが噴射される噴射口１４２ａが形成されたノズル出口部１４２が、液化室１４１の中心軸から下方に偏心するように設けられている。
このように液化室１４１とノズル出口部１４２とを偏心させることによっても、噴射口１４２ａが液体で満たされている状態を比較的長く保つことができるので、ノズル管を水平に配置しつつ、ターゲットを概水平方向に安定して噴射できるノズルを実現することができる。

以上の本発明の第１〜第４の実施形態において説明したように、ノズル出口部が、液化室内に形成される液面よりも下方となるように配置されていれば、ノズル管本体部分の配置が垂直方向又は水平方向のいずれであるかに関わらず、ターゲットジェットを安定して噴射することができる。その場合におけるターゲットジェットの噴射方向は、第１〜第４の実施形態において説明した水平方向に限定されることはなく、水平方向から上方に向けて、又は、下方に向けて噴射させることも可能である。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの構成を示す断面図である。本実施形態に係るノズルは、液体のキセノンジェットを概鉛直上向きに噴射するためのものである。
本実施形態に係るノズルは、ノズル管１５０及び冷却壁１５１を含んでいる。ノズル管１５０の一部であり、冷却壁１５１によって囲まれている部分は、供給されたキセノンガスを冷却することにより液化する液化室１５２となっている。また、ノズル管１５０の一部は、外部から供給されるキセノンガスを液化室１５２に導入するためのガス流路１５３となっている。さらに、ノズル管１５０の内で、ガス流路１５３と反対の先端領域には、液化されたキセノンが噴射される噴射口１５４ａが形成されたノズル出口部１５４が設けられている。これらの液化室１５２、ガス流路１５３、及び、ノズル出口部１５４を構成するノズル管１５０は、一体的に形成しても良い、各部を別々に形成することにより、一部を交換可能としても良い。

ここで、ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源において一般的なターゲット噴射用ノズルの噴射口は、直径数十μｍと大変小さい。そのため、なんらかの異物が付着したり、詰まったりする場合がある。しかしながら、噴射口に異物が付着したり、一部が詰まってしまうと、液体キセノンの流れに大きく影響を及ぼしてしまうので、安定したターゲットジェットを生成することが困難となる。また、噴射口が完全に詰まってしまうと、ジェット生成は不可能となる。

そこで、図５に示すように、液化室１５２から上方に向けて液体キセノンを噴射するように、ノズル出口部１５４を設ける。液化室１５２内においては、液体キセノンの流速は極めて小さいので、液化室１５４内に異物が混入した場合においても、その異物は重力により液化室１５２の底面に沈殿する。従って、異物が噴射口１５４ａに流れ着くことにより、そこに付着してターゲットジェットの生成を妨害したり、噴射口１５４ａから噴射されるのを抑制することができる。この場合に、噴射口１５４ａが液化室１５２内に形成される液面よりも常に下方となるようにノズル出口部１５４を設けることにより、キセノンガスの気泡が液体キセノンに混入するのを確実に抑制することができる。

以上の本発明の第１〜第５の実施形態においては、ターゲットジェットを噴射するノズルについて説明したが、それらの実施形態は、液滴状のターゲット（ドロップレットターゲット）を噴射するためのドロップレット用ノズルに適用することもできる。ここで、ドロップレット用ノズルの機構としては、ターゲットジェットに振動を与えることにより液滴を形成するコンティニュアスジェット方式、又は、ノズルから液体を一滴ずつ押し出すことにより液滴を形成するドロップオンデマンド方式を採用したものがあるが、いずれの方式によるノズルでも良い。前者を採用する場合には、ノズル又はノズル出口部を振動させるために、ピエゾ素子等の加振機構をノズルに設ければ良い。また、後者を採用する場合には、ノズル内部を所定の間隔で加圧する加圧機構をノズルに設ければ良い。

一般的なドロップレット用ノズルを水平方向に配置する場合においても、ノズル内の液化室における液面とノズル出口部との位置関係により、ノズル出口部からキセノンガスや気液が混合された霧状の流体が噴射されてしまうことがあるので、安定したドロップレットを形成することは困難である。そこで、先に第１〜第５の実施形態において説明したのと同様に、ノズル出口部が液化室における液面よりも下方となるようにノズルを構成することにより、ドロップレットターゲットを概水平方向又は概鉛直上向きに安定して噴射することが可能となる。

以上説明した第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルにおいては、ノズル出口部の形状を工夫することにより、さらに安定性の高いターゲットジェット又はドロップレットを噴射させることができるようになる。なお、以下に説明する技術は、ターゲットジェット又はドロップレットを下方に向けて噴射する通常のノズルに適用することも可能である。

図６〜図９は、第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルに適用することができるノズル先端の形状を示す断面図である。
図６に示すように、ノズル出口部２００において、ノズル狭窄部の長さＬと、噴射口の直径Ｄ（内径）との比であるＬ／Ｄを３以下とすることにより、ターゲットジェットの安定化を図ることができる。
ここで、佐藤、他、「単孔ノズルによる加熱噴流の微粒化現象」（日本機械学会論文集（機論）Ｂ、第５０巻、第４５９号、１９８４年、ｐ．２６６１）には、Ｌ／Ｄが０.５８〜１２.６５であるノズルを用い、温度が常温〜１７０℃である蒸留水を、０〜１.０ＭＰａの噴射圧力で大気中に噴射する実験を行ったところ、Ｌ／Ｄが６〜７以下であればノズル直後に円柱部が存在するが、Ｌ／Ｄがそれ以上になると円柱部が存在しなくなる旨報告されている。これは、ノズル狭窄部の壁面に由来する気泡が液体中に存在することに起因すると考えられる。そのため、Ｌ／Ｄが小さいほど、壁面の影響は相対的に小さくなるので、ジェット（液柱）の安定性を高くなる。

本願発明者らが液体キセノンについて行った実験においても、上記の佐藤等に報告されているのと同様の傾向が得られた。そして、液体キセノンの場合には、実験値としてＬ／Ｄが３以下であれば、安定したターゲットジェットを噴射できることが確認された。

また、図７に示すように、ノズル出口部２１０において、噴射口をいわゆるオリフィス（孔）としても良い。それにより、Ｌ／Ｄをさらに小さくすることができる。この場合には、噴射口から出る流れは縮流となるので、内壁からの影響は極めて小さくなる。従って、この場合には、ノズル内を通過する液体中に気泡が発生するのを防ぐ効果に加えて、流れの剥離や渦による影響を抑制できるという効果を得ることができる。

さらに、図８及び図９に示すように、ノズル出口部２２０及び２３０の内部を、先端に行くに従って先が細くなるテーパ形状としても良い。それにより、ノズル内における断面積を緩やかに減少させることになるので、ノズル内を通過する液体における流れの剥離や渦が生じるのを抑制することができる。また、ノズル内の圧力変化も緩やかになるので、圧力変化に起因する気泡の成長を抑制することもできる。従って、ノズルから噴射されるターゲットジェットを安定させることができる。ノズル出口部の内部形状としては、図８に示すように、断面が直線的に変化する形状でも良いし、図９に示すように、断面が多次曲線的に変化する形状でも良いし、それの組み合わせでも良い。

第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの変形例として、それらのノズルに、ターゲットとして噴射されるキセノンとは異なる種類のガスを供給するための機構をさらに設けても良い。図１０に示すノズル２４０には、ターゲットとなるキセノンガスを供給するターゲット用ガス供給管２４１に加えて、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給する加圧用ガス供給管２４２が設けられている。

ここで、ノズルから噴射されるターゲットジェットを安定化させるためには、噴射圧力を高くすることが考えられる。このことは、上記の佐藤等の論文においても報告されている。しかしながら、キセノンは、２８９.７３４Ｋ、５.８４ＭＰａの環境下において臨界状態となる。また、現実には、５ＭＰａ以上の圧力で充填されたキセノンボンベを入手することは不可能であるため、噴射圧力を高くするためには、何らかの加圧機構が必要となる。さらに、ノズル内の液化室においては、キセノンが臨界状態から液体状態に急激に相変化するため、ノズル内部にダメージを与えたり、微小な気泡が形成される等の問題が生じてしまう。そのため、安定したジェットを生成できなくなる可能性が高い。

そこで、図１０に示すように、この変形例においては、ノズル２４０内において液化させたキセノンの液面を加圧するために、キセノン以外のガスを用いている。一般的な種類のガスであれば、１０ＭＰａ以上の圧力で充填されたガスボンベを入手することは容易である。ガスの種類としては、キセノンの沸点よりも低いガスを使用することができる。キセノンの沸点は、ガスの中では高い部類に入るので、加圧用として窒素や酸素等を使用することができるが、沸点が大きく異なるヘリウムを使用することが好ましい。

ターゲット用ガス供給管２４１には、加圧用ガス（ヘリウムガス）の逆流を防ぐための逆止弁等の機構を設けることが必要である。また、加圧用ガス供給管２４２には、供給される加圧用ガスの圧力を調整する機構を設けることも必要である。
このような機構により、ターゲットジェットのさらなる安定化を図ることができる。
なお、図１０は、本発明の第１の実施形態において説明した形状を有するノズルに対してこの変形例を適用した例を示しているが、第２〜第５の実施形態において説明したノズルに対しても同様に適用することができる。

図１１及び図１２は、コンティニュアスジェット方式を用いたドロップレット用ノズルにおいて、ドロップレットを安定化させる工夫について説明するための図である。ここで、コンティニュアスジェット方式とは、連続的に噴射されるジェットに対して、擾乱となるような振動を与えることにより、ジェット柱を分裂させてドロップレット化させる方式のことである。

図１１に示すように、ドロップレットを生成するためには、ノズルに与えられる振動の周波数をｆ（Ｈｚ）、ドロップレットの元となるジェットの速度をｖ（ｍ／ｓ）とした場合に、それらの値によって定まる擾乱波長λ（＝ｖ／ｆ）とノズル出口部における噴射直後のジェット３００の径ｄとの比λ／ｄを、所定の範囲の値にすることが重要である。

図１２は、液体キセノンを用いたドロップレット生成実験の結果を示している。図１２の（ａ）において、横軸はλ／ｄを示しており、縦軸はドロップレット生成のために最低限必要とされる振幅（相対値）を示している。また、図１２の（ｂ）は、λ／ｄを変化させた場合に形成されるドロップレットの様子を示す模式図である。図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、λ／ｄが８以上になると、ドロップレットのサイズが２種類（小さい方をサテライトと呼ぶ）となってしまう。一方、λ／ｄが３以下になると、ドロップレットのサイズが全く不均一になってしまう。従って、液体キセノンによる均一なサイズのドロップレットを生成するには、λ／ｄの範囲が３〜８以内であることが適切といえる。なお、λ／ｄの適切な範囲は、液体の粘性、密度、表面張力等の因子によって決定されるが、水、アセトン、アルコール、液化水素、液化クリプトン、液体酸素、液体窒素においても３〜８が適切である。また、金属微粒子や金属塩などを水やアルコール等液体に溶解又は混合させた溶液についても同様である。

以上においては、気体を冷却することによって液化された液体を噴射するノズルについて説明した。しかしながら、ＥＵＶ光源装置においては、ＥＵＶ領域の光を得るためのターゲットとして、ＳｎやＬｉ等の金属も利用されている。これらの金属を用いることにより、キセノンよりも高い変換効率（＝得られるＥＵＶ出力／投入されたレーザーエネルギー）が得られている。本発明の第１〜第５の実施形態、及び、図６〜図１１を用いて説明した技術は、そのような固体を加熱することによって液化された液体を噴射するノズルについても適用することができる。

金属材料を溶融することによって得られた液体をターゲットジェット又はドロップレットターゲットとして真空チャンバ内に噴射する場合には、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等のガスによって液化室を加圧することにより、ノズル出口部から噴射することが行われている。図１３に、固体のターゲット物質を用いることによりターゲットジェットを噴射するノズルの構成例を示す。図１３に示すノズル４００は、噴射口４０２ａが形成されたノズル出口部４０２を含むノズル管４０１と加熱壁４０３とを含んでおり、さらに、ターゲット物質である固体のリチウム（Ｌｉ）粒を供給するためのターゲット供給管４０４と、加圧用ガス（ヘリウムガス）供給管４０５とを備えている。このようなノズルにおいて、固体のリチウム粒を、ターゲット供給管４０４を介してノズル管４０３内の液化室に供給することにより、リチウムが加熱されて液化される。それによって生成された液体リチウムの液面を、加圧用ガス供給管４０５を介して供給されるヘリウムガスによって加圧することにより、噴射口４０２ａから液体リチウムジェットが噴射される。

このような固体のターゲット物質用ノズルにおいて、第１〜第５の実施形態において説明したのと同様に、供給された固体ターゲットを液化することによって液化室内に形成される液面よりも、ノズル出口部が下方となるようにノズルを構成する。それにより、加圧用ガスのみ、又は、加圧用ガスと液体ターゲットが混合された霧状の流体がノズル出口部から噴射されるのを防ぐことができる。従って、溶融金属のターゲットジェット又はドロップレットターゲットを概水平方向又は上方に向けて安定して噴射することが可能となる。なお、図１３は、第１の実施形態において説明したノズルの形状を、固体のターゲット物質用ノズルに適用した例を示している。

以上の説明においては、ターゲットとして、主に液体キセノンを用いる場合について説明したが、本発明は、それ以外にも、水やアルコールのように常温常圧で液体であるターゲットに対しても適用できる。そのようなターゲットにおいても、ガスで加圧する場合には、先に説明したのと同様に、液体中に気泡が混ざってしまう等の問題を生ずる可能性があるからである。或いは、スズ、リチウム等の金属、又は、それらの金属化合物を水やアルコール等の液体に混合させたターゲットを用いる場合にも本発明を適用することができ、ターゲットを安定して噴射できるという効果を得ることができる。

本発明は、半導体ウエハ等を露光するために用いられる極端紫外光を発生するＬＰＰ型極端紫外光源装置において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルを示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルを示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルを示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルを示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルに適用されるＬ／Ｄが３以下である噴射口を有するノズル出口部を示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルに適用されるオリフィス形状の噴射口を有するノズル出口部を示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルに適用されるテーパ形状の噴射口を有するノズル出口部を示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルに適用されるテーパ形状の噴射口を有するノズル出口部を示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る極端紫外光源装置用ノズルの変形例を示す断面図である。 コンティニュアスジェット方式によりドロップジェットが形成される様子を示す模式図である。 液体キセノンを用いたドロップレットの生成実験の結果を示す図である。 固体のターゲット物質が用いられるノズルの構成を示す断面図である。 ＬＰＰ型極端紫外光源装置の概要を示す模式図である。 ターゲット噴射装置の一部であるノズルを示す断面図である。 図１５に示すノズルにおける液体ターゲットの液面の変化を説明するための図である。 図１５に示すノズルにおける液体ターゲットの液面の変化を説明するための図である。 図１５に示すノズルを水平に設置する場合について説明するための図である。

符号の説明

１…ＥＵＶ生成チャンバ、２…ノズル、３…ターゲット回収筒、４…窓、５…レーザ光源、６…集光光学系（集光レンズ）、７…ターゲット、８…レーザ光、９…ＥＵＶ光、１０…集光ミラー、１１、１０１、１２０、１３０、１５０、４０１…ノズル管、１２、１０２、１５１、４０３…冷却壁、１３、１０３、１２２、１３１、１５２…液化室、１４、１０４、１２３ａ、１２３ｂ、１３２、１５４、２００、２１０、２２０、２３０、４０２…ノズル出口部、１４ａ、１０４ａ、１３２ａ、１５４ａ、４０２ａ…噴射口、１５…キセノン（Ｘｅ）ジェット、１２１ａ、１２１ｂ…交換部、１５３…ガス流路、２４０、４００…ノズル、２４１…ターゲット用ガス供給管、２４２、４０５…加圧用ガス供給管、３００…ジェット、４０４…ターゲット供給管

Claims (13)

1. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   気体の状態で供給されたターゲット物質と共に冷却され、液化されたターゲット物質を水平方向とは異なる方向に通過させるように配置される液化室と、
   液化されたターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に形成される前記ターゲット物質の液面よりも噴射口が下方となるように配置される前記ノズル出口部と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
2. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   気体の状態で供給されたターゲット物質と共に冷却され、液化されたターゲット物質を水平方向に通過させるように配置される液化室と、
   液化されたターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に形成される前記ターゲット物質の液面よりも噴射口が下方となるように配置される前記ノズル出口部と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
3. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   気体の状態で供給されたターゲット物質と共に冷却され、液化されたターゲット物質を水平方向に通過させるように配置される液化室と、
   液化されたターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、該ノズル出口部の噴射口が前記液化室の中心軸に対して下方に偏心するように配置される前記ノズル出口部と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
4. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を垂直方向上方に向けて噴射するために用いられるノズルであって、
   気体の状態で供給されたターゲット物質と共に冷却され、液化されたターゲット物質を、少なくとも一部において垂直方向とは異なる方向に通過させるように配置される液化室と、
   液化されたターゲット物質を垂直方向上方に向けて噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に液化されたターゲット物質が満たされた場合に形成される液面よりも噴射口が下方となるように配置されるノズル出口部と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
5. 気体の状態で前記液化室内に供給されたターゲット物質を冷却することにより、前記液化室内においてターゲット物質を液化させる冷却手段をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ノズル。
6. 前記液化室内に形成される液面を加圧するためのガスを供給するガス供給手段をさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ノズル。
7. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   液体のターゲット物質を水平方向とは異なる方向に通過させるように配置される液化室と、
   前記ターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に形成される前記ターゲット物質の液面よりも噴射口が下方となるように配置される前記ノズル出口部と、
   前記液化室内に形成される液面を加圧するためのガスを供給するガス供給手段と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
8. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   液体のターゲット物質を水平方向に通過させるように配置される液化室と、
   前記ターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に形成される前記ターゲット物質の液面よりも噴射口が下方となるように配置される前記ノズル出口部と、
   前記液化室内に形成される液面を加圧するためのガスを供給するガス供給手段と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
9. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を水平方向に噴射するために用いられるノズルであって、
   液体のターゲット物質を水平方向に通過させるように配置される液化室と、
   前記ターゲット物質を水平方向に噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、該ノズル出口部の噴射口が前記液化室の中心軸に対して下方に偏心するように配置される前記ノズル出口部と、
   を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
10. 極端紫外光源装置において極端紫外光の生成が行われるチャンバ内に設置され、ターゲット物質を垂直方向上方に向けて噴射するために用いられるノズルであって、
    液体のターゲット物質を、少なくとも一部において垂直方向とは異なる方向に通過させるように配置される液化室と、
    前記ターゲット物質を垂直方向上方に向けて噴射するように前記液化室の一端に設けられたノズル出口部であって、前記液化室内に液化されたターゲット物質が満たされた場合に形成される液面よりも噴射口が下方となるように配置されるノズル出口部と、
    前記液化室内に形成される液面を加圧するためのガスを供給するガス供給手段と、
    を具備する極端紫外光源装置用ノズル。
11. 固体の状態で前記液化室内に供給されたターゲット物質を加熱することにより、前記液化室内においてターゲット物質を液化させる加熱手段をさらに具備する請求項７〜１０のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ノズル。
12. 前記ノズル出口部から液滴を噴射させるために、前記ノズル出口部を含む領域に振動を与える手段をさらに具備する請求項１〜１１のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ノズル。
13. 前記ノズル出口部から液滴を噴射させるために、前記ノズル出口部の内側を加圧する手段をさらに具備する請求項１〜１１のいずれか１項記載の極端紫外光源装置用ノズル。

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