JP4810351B2 - ガス放電による放射線発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、出発原料から放射線を放出するプラズマを形成するためにガス放電の放電領域及び発生した放射線のための放出開口を有する放電チャンバ、回転できるように設けられた第１電極及び第２電極、及び２つの電極間で高電圧パルスを発生させるための高圧電源を有するガス放電による放射線発生装置に関する。

ガス放電により発生したプラズマに基づく、様々なコンセプトに頼る放射線源は既に多数記述されている。これら装置に共通の原理は、１０ｋＡ以上のパルス大電流放電が明確なガス密度で点火され、磁力及びイオンガス内の分散したパワーの結果、非常に高温（ｋＴ＞２０ｅＶ）で高密度のプラズマが局所的に発生することにある。

線源部品の交換は放射線源が使用される生産設備の休止時間をもたらすので、放射線源の寿命を長くすることは特に重要である。

ガス放電に基づく放射線源では、加熱及び腐食により引き起こされる広範囲の磨耗を受けやすいのは原則的に電極装置、特に電極である。電極の加熱が主に電極を通る電流の流れとプラズマの放射によって生じる一方、放射線放出プラズマから出る速い粒子が腐食をもたらす。

特許文献１、２に対応する公知の解決法は、電極の加熱に対抗するために回転電極を使用する。

金属エミッターに適する特許文献１に開示された装置では、回転電極は溶融金属（例えば、スズ）を有する容器に浸される。電極表面に適用される金属はレーザー放射により蒸発し、プラズマを形成するために蒸気はガス放電により点火される。

特許文献１はさらに、溶融金属により電極に電流パルスを運ぶことを提示する。プラズマ発生のために電気エネルギーを蓄えるのに必要なコンデンサーが、絶縁体に真空気密に埋設された複数の金属ピン又はバンドにより容器内の液体金属に電気的に接続している。コンデンサーは放電チャンバの外側に配置されているので、これは要求される電極への電流貫通のために放電回路の高インダクタンスを不可避的にもたらす。これは電極を通る電流パルスの持続時間を長くし、プラズマに析出されるエネルギーを放射線発生のために効率的に使用できない。

ＷＯ２００５／０２５２８０Ａ２ ＲＵ２２５２４９６Ｃ２

ゆえに、本発明の目的は、ガス放電のための放電回路のインダクタンスをかなり減少させ、同時に電極システムの寿命を増加させることである。また、様々なエミッターの使用が保証される。

本発明により、この目的は前記のタイプのガス放電により放射線を発生させる装置によって達成される。電極が互いに離れて互いにしっかり連結し、共通の軸の周りに回転できるように設置される。高圧電源のコンデンサー要素が相互の距離で形成された自由スペースに配置される。電極はコンデンサー要素とこれを充電するための電源とに電気的に接続している。

電気エネルギーを蓄えるのに必要なコンデンサー要素がまとめて回転電極の間に配置され、電極への直接電気的接続を有する点で放電回路のインダクタンスはかなり減少する。これは放電の間電流の非常に速い立ち上がりを保証し、電気エネルギーの放出される放射エネルギーへの変換を増加させる。コンデンサー要素は直流電流又は短い電流パルスにより充電される。

本発明の特別な発展形態では、電極は互いに電気的に分離した溶融金属の浴に浸され、電極の表面は電極の回転の間溶融金属で濡らされる。

それに代えて、電極は、回転軸と同心円状に指向した、互いに電気的に分離した溶融浴に浸った浸漬要素と電気接触してもよい。

どちらの構成でも、溶融浴を用いた電極の電源との電気接続が実行され、溶融浴としてスズ浴又はリチウム浴が利用される。

本発明に従う装置の別な構成によれば、電極で取り上げられた溶融金属は放射線を発生させる出発原料として働く。

それに代えて、注入装置が放電領域に向けられてもよい。注入装置は、連続する単一ボリュームの出発原料を液体小滴又は固体小滴として与え、それらを電極から距離を置いた放電領域に注入する。

特に極紫外線がガス放電により発生する本発明に従う装置では、単一ボリュームの注入はプラズマ発生の位置と電極の間の最大距離を保証する。

電極の回転に関連して、放射線発生のためのエミッターとして与えられる出発原料が小滴又は小球として濃い状態でプラズマ発生の最適位置に位置する距離であって、そこでプリイオン化される距離を増加させるためのステップにより、電極の寿命が増加することになる。さらに、エミッター原料自体に関する制限は排除され、キセノン、スズ並びにスズ化合物又はリチウムも利用できる。濃い状態は、固体状態密度又は固体状態密度より数桁小さい密度を意味する。

本発明によれば、放電パルス当たりのＥＵＶ波長範囲の所望の放射線放出のためのエミッターの最適量が、バックグラウンドガス密度とは実質的に無関係に注入される単一ボリュームのサイズで決定される。この意味で、エミッターとして働く出発原料が再生式で真に質量を制限されて供給される。

注入装置を介して小さい単一ボリュームの形状のエミッター原料を供給する別な利点は、電極の範囲内の所望の位置にエミッター原料の液滴を導入できることにある。このようにして、所望の方向に放射線を放出する放射線源を実現することが可能である。

エネルギービーム源で供給されるエネルギービームが放射線発生のために出発原料に向けられると特に有利であり、出発原料の少なくとも部分的なプリイオン化が行われ、放電エネルギーが最適に出発原料に連結されることが保証される。さらには、電極の幾何学的配置は、好ましくはバックグラウンドガスとしてのアルゴンの専用に比べてかなり広がる。

レーザービーム源、電子ビーム源又はイオンビーム源がエネルギービーム源として適する。

電気的に絶縁したラビリンスシール又は金属シリンダーリングを有する装置が、電極の間の自由スペース、特に放電領域とコンデンサー要素の間に配置され、電極、コンデンサー又は電極の間隔を保証する装置における望まれない物質の析出を防ぐ働きをする。金属シリンダーリングは電極に交互に配置され、少なくとも部分的に重なり、コンデンサー要素を取り囲む。

本発明を概略図面に関連して以下により詳細に説明する。

図１に示された回転電極装置では、２つの電極１，２は絶縁材料でできたスペーサー３により互いに固定して連結され、シャフト４を通って延びる共通の回転軸Ｘ−Ｘの周りに回転できる。電極に電気的に連結し、好ましくはセラミックコンデンサーとして構成された複数のコンデンサー要素５が、電極１，２の間の自由スペースに配置され、高圧電源の電圧源６により充電される。コンデンサー要素５は数ｋＨｚの繰返し率でガス放電が実行されるのを保証する。

第１の構成では、電極１，２が浸漬された電気的に互いから分離した溶融金属浴７，８が設けられ、放射線発生のための出発原料として与えられる溶融金属が電極１，２の回転の結果取り上げられる。これは自己回復電極になり、放射線発生のために出発原料を一定に与えることで電極の腐食が阻止される。

２つの溶融浴７，８、好ましくはスズ浴が電源６と電気的に接触するので、コンデンサー要素５の充電はこれら溶融浴７，８及び電極１，２を介して行われる。

エネルギービーム源９により与えられるエネルギービーム１０が電極表面１１に向けられ、表面に位置する放射線発生のための出発原料が蒸発する。２つの電極１，２の間で蒸発した出発原料の伝播がコンデンサー要素５の放電に必要な条件を作り、ガス放電の点火の結果、小さい高温プラズマ１２が放電領域１３で形成され、プラズマ１２は好ましい波長領域の電磁放射を放出する。

レーザービーム源、イオンビーム源及び電子ビーム源がエネルギービーム源９として特に適する。回転電極装置の操作のために、コンデンサー５もスペーサー３も、ガス放電源の内側の表面での放電の後凝縮する電気的導電材料から影響されないことが特に重要である。ゆえに、回転電極装置は電極１，２の間の自由スペースにラビリンスシールの形状の保護装置を有する。このシールは金属又は電気的絶縁セラミックの円筒リング１４．１を有する。これらリングは回転軸Ｘ−Ｘと同軸であり、電極１，２に交互に配置され、少なくとも部分的に重なり、コンデンサー要素５及びスペーサー３を取り囲む。ラビリンスシールが適切に寸法決めされると、凝縮による故障もなく長い操作寿命が保証される。

本発明の第２の構成によれば、スズなどの出発原料が単一ボリューム１５の形状で放電領域１３に、特にプラズマ発生が電極１，２から離れて与えられた放電領域１３において実行される位置に導入される。単一ボリューム１５は好ましくは、放電領域１３に向けられた注入装置１６によって濃い固体又は液体形状の連続流の液滴として与えられる。

エネルギービーム源９でパルスとして発生した、好ましくはレーザー放射線源のレーザービームであるエネルギービーム１０は、液滴の１つをプリイオン化するためにガス放電の繰返し率に時間を同期して放電領域１３におけるプラズマ発生の位置に向けられる。ビームトラップ（図示せず）は、吸収されないエネルギー放射を完全に吸収するために設けられる。

液滴の注入は、プラズマ１２と電極１，２の間の距離が出発原料が電極表面から蒸発する図１に従う構成に比べて増加するという利点がある。この増加は電極表面の腐食の減少をもたらす。これは、腐食した部材はガス放電源又はガス放電源が使用された全設備の汚染を場合によってはもたらすため、電極１，２が溶融金属を通るときにも有利である。

金属エミッター、特にスズに関するこの種の汚染問題は、凍ったキセノンの液滴が図３に従って単一ボリュームとして放電領域１３に導入され、レーザー放射線で蒸発させられることで回避できる。

プラズマ１２による電極表面の腐食は電極１，２の温度に依存するので、電極は直接冷却のために水などの冷却剤が流れる内部冷却ダクト１７を有する。冷却剤が高圧で冷却ダクト１７を通ると、特に冷却剤の沸点がかなり増加することにより冷却の効率が増加する。

ガス放電に必要な電気エネルギーは電源６によって様々にコンデンサー要素５に供給される。図３によれば、例えば、電極１，２が滑り接触１８によって電源６に電気的に接続している。

キセノン液滴が単一ボリューム１５として放電領域１３に再び注入される図４に従う別な構成では、コンデンサー要素５への電力供給は、電気的に絶縁された溶融金属浴７’，８’、好ましくはスズ浴又は他のガリウムなどの低溶融金属の浴により実行される。しかしながら、図１に従う構成とは対照的に、電極１，２は直接溶融金属に浸漬されず、むしろこの操作は環状ディスク形浸漬要素１９，２０に引き継がれる。浸漬要素１９，２０は電気的導電材料からなり、電極１，２を取り囲み、それらと電気的に接触している。浸漬要素１９，２０は形状及び大きさの観点から、それらが拾い上げた金属の蒸発が防がれるように設計される。特に、浸漬要素１９，２０の濡れた表面からプラズマ１２への直接の見通し線はなく、それで腐食が防がれる。

キセノン液滴を注入しても、前記の種類の解決法により、磨耗も、ガス放電源の中又は外の金属析出物ももたらさずにコンデンサー要素５に電流を供給することが可能になる。

さらに、低溶融金属を使用すると、溶融金属の浴は、適用された高電力の結果溶融浴の操作に必要な温度より高い温度にしばしば達する電極を冷却するためにある状況下で使用できる利点を有する。この過熱は溶融浴を冷却することで排除される。

図４に従う構成と異なる構成のバリエーションでは、図５に対応する回転軸Ｘ−Ｘが垂直に配置される。溶融金属、好ましくはスズの電気的に分離した溶融浴７’’，８’’が両方の電極１’，２’のために設けられ、シャフト４を同心円状に取り囲む。電極１’，２’は円筒リング形状の電気接触要素２１，２２によってそこに突出している。溶融金属の蒸発を最小化するために、溶融浴７’’，８’’は接触要素２１，２２のための小さい隙間だけ開いたカバー２３，２４を具備している。

さらに溶融浴７’’，８’’は同時に放電のために電極１’，２’に配された熱を運ぶ働きをする。この理由のため、溶融浴７’’，８’’は図示されない方法で冷却されると好ましい。

この場合にも、プラズマ１２の発生に必要なエミッター材料は、それがエネルギービームで蒸発させられる放電領域に液滴の形状で導入されるか、適切な方法で電極１’，２’の１つの表面に適用され、エネルギービームによりそこから放電領域に導入される。

図６に付加的に示されたガス放電源の基本的な構成部品が図３に従う構成のためだけに示されていることは、なんら制限を加えない。もちろん同様にこれら構成部品は他の構成にも見られる。

本発明に従う回転電極装置は真空チャンバとして形成された放電チャンバ２５に収容される。そこから電気真空フィードスルー２６，２７を介して電源６への電気接続が行われる。

デブリ保護装置２９を通った後、高温プラズマ１２で放出された放射線２８は、放電チャンバ２５のビーム出口開口３１に放射線２８を導くコレクター光学系３０に達する。コレクター光学系３０によりプラズマ１２をイメージングすると、中間焦点ＺＦが生じる。これはビーム出口開口３１内又は付近で局所化され、好ましくはＥＵＶ波長範囲のために構成されたガス放電源が設けられる半導体露光装置における露光光学系のインターフェースとして働く。

電極が溶融金属に浸漬される回転電極装置を示す。 放射線発生のための出発原料が単一ボリュームの形状で放電領域に導入される回転電極装置を示す。 キセノンが液滴の形状で出発原料として注入され、滑り接触により電力が供給される回転電極装置を示す。 キセノンが液滴の形状で出発原料として注入され、電気的に絶縁された溶融金属の浴により電力が供給される回転電極装置を示す。 回転電極装置の回転軸が垂直に配置された図４に従う構成のバリエーションを示す。 本発明に従う回転電極装置を有するガス放電源を示す。

符号の説明

１，２ 電極
３ スペーサー
４ シャフト
５ コンデンサー要素
６ 電圧源
７，８ 溶融金属浴
９ エネルギービーム源
１０ エネルギービーム
１１ 電極表面
１２ プラズマ
１３ 放電領域
１４ ラビリンスシール
１４．１ 円筒リング
１５ 単一ボリューム
１６ 注入装置
１７ 冷却ダクト
１８ 滑り接触
１９，２０ 浸漬要素
２１，２２ 接触要素
２３，２４ カバー
２５ 放電チャンバ
２６，２７ フィードスルー
２８ 放射線
２９ デブリ保護装置
３０ コレクター光学系
３１ ビーム出口開口

Claims (22)

1. ガス放電によって放射線を発生するための、放電チャンバを備えた装置であって、前記放電チャンバが、
   回転するように設けられた二つの電極と、
   前記二つの電極の間に設けられた放電領域及び放出開口であって、前記放電領域は、出発原料から放射線を放出するプラズマを形成するためのガス放電のために用いられ、且つ、前記放出開口は、発生した放射線のために用いられる、放電領域及び放出開口と、及び、
   前記二つの電極間の前記放電領域内でガス放電を生じるための高電圧パルスを発生させる高圧電源とを有する、装置において、
   皿形状を有し且つ共通の軸（Ｘ−Ｘ）の周りを回転するように設けられた前記二つの電極（１，２；１’，２’）が、少なくとも一つの絶縁性スペーサー（３）によって互いから距離を置いて互いに固く連結され、それによってこれら電極間に自由スペースが形成されて、高圧電源のコンデンサー要素（５）が前記自由スペースに配置されること、及び、
   前記電極（１，２；１’，２’）が、コンデンサー要素（５）及びコンデンサー要素（５）を充電するための電源（６）に電気接続していることを特徴とする装置。
2. 電極（１，２）が互いに電気的に分離した溶融金属浴（７，８）に浸漬されており、電極（１，２）の表面が電極（１，２）の回転の間金属で濡らされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記金属浴がスズ浴であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記金属浴がリチウム浴又はガリウム浴であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 電極（１，２；１’，２’）は、分離した浸漬要素（１９，２０；２１，２２）と電気接触しており、前記浸漬要素は環形状をしており且つ回転軸（Ｘ−Ｘ）と同心円状に配置され、また前記浸漬要素は、互いに電気的に分離した溶融金属浴（７’，８’；７’’，８’’）に浸ったことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 溶融金属浴（７，８，７’，８’，７’’，８’’）を介して電極（１，２，１’，２’）が電源（６）に電気接続していることを特徴とする請求項３，４又は５に記載の装置。
7. 注入装置（１６）が放電領域（１３）に向けられ、当該注入装置（１６）は放射線を発生する働きをする出発材料の一連の単一ボリューム（１５）を供給し、これらを電極（１，２，１’，２’）から距離を置いた放電領域（１３）に注入することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 注入装置（１６）が放電領域（１３）に向けられ、当該注入装置（１６）は放射線を発生する働きをする出発材料の一連の単一ボリューム（１５）を供給し、これらを電極（１，２，１’，２’）から距離を置いた放電領域（１３）に注入し、滑り接触（１８）を介して電極（１，２）が電源（６）に電気接続していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 放電領域（１３）に注入される単一ボリューム（１５）が液滴又は凍結した液滴として形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記液滴が金属材料でできていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. スズ又はリチウムが金属材料として使用されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記液滴が液体又は凍ったキセノンでできていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
13. 電極（１，２）で取り上げられた溶融金属が放射線発生のための出発原料として供給されることを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
14. エネルギービーム源（９）で供給されるエネルギービーム（１０）が放射線発生のための出発原料に向けられ、出発原料の少なくとも部分的なプリイオン化が行われることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記エネルギービーム源（９）がレーザービーム源であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記エネルギービーム源（９）が電子ビーム源であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記エネルギービーム源（９）がイオンビーム源であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
18. 放電領域（１３）とコンデンサー要素（５）の間に配置された出発材料の析出を防ぐ装置が電極（１，２）の間の自由スペースに収容されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 前記装置が円筒リング（１４．１）を有するラビリンスシール（１４）であり、当該円筒リングは回転軸（Ｘ−Ｘ）と同軸に配置され、電極（１，２）に交互に配置され、少なくとも部分的に重なり、コンデンサー要素（５）を取り囲むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記円筒リング（１４．１）が金属製であることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記円筒リング（１４．１）が電気絶縁セラミック材料製であることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
22. 冷却ダクト（１７）が電極（１，２）に配置されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置。

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