JP4880179B2

JP4880179B2 - 気体放電プラズマから短波長放射線を生成する方法及びそのための装置

Info

Publication number: JP4880179B2
Application number: JP2002513245A
Authority: JP
Inventors: ミハイロビチボリソフ，ウラジミール; ボリソビチクリストフォロフ，オレグ
Original assignee: エクストリームテクノロジーズゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: US6414438B1; RU2206186C2; JP2004504706A

Description

【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、ピンチ(pinch)型の稠密ホットプラズマ放電(dense hot plasma)から極短波長UVおよび軟X線(soft X-ray)を生成するための方法および装置に関する。適用分野としては、特に約13.5nmのスペクトル範囲におけるリソグラフィ、短波長UVおよびX線範囲におけるレーザ、並びに、X線顕微鏡法が挙げられる。
【０００２】
２．関連技術の説明
プラズマ集束を使用してλ＝13.5nmで短波長放射線(short-wave radiation)を生成する方法は公知である(参照したことにより本明細書中に援用される米国特許第5,763,930号を参照)。しかし、効率的な動作の条件は放電チャンバ内に収容される不活性気体に対しリチウム蒸気を付加することであり、これは放射線源の設計を相当に複雑にすると共に放電の外側の空間を汚染する。
【０００３】
この不都合は、RF予備イオン化を含むｚピンチ(z-pinch)の助けにより短波長放射線を生成する方法では全くないが、ピンチ型の放電が開始される放電の誘電体壁は、強力な放射線束(radiation flux)と、電極の浸食(erosion)の結果として形成される物質の両者に晒される(参照したことにより本明細書中に援用される米国特許第5,504,795号を参照)。これにより、この手法が実施される場合には長期の耐用期間を達成する可能性は制限される。
【０００４】
これに近い技術成果は、一方の電極における軸方向の開孔を通して達成される同軸電極間の放電領域における気体の予備イオン化、及びピンチ型放電を開始することにある気体放電プラズマから短波長放射線を生成する方法である(参照したことにより本明細書中に援用されるドイツ特許DE 197 53 696 A1を参照)。
【０００５】
この方法を実施するための装置は、放電チャンバの外側に配置された予備イオン化源から一方の電極に形成された開孔を介して見通すことができる位置にある(optically communicating)軸対称な２個の電極を有する放電チャンバを含む(上記出願公開第'696号を参照)。
【０００６】
この方法および装置においては予備イオン化は低電流放電により達成され、この低電流放電は、放電電圧が印加されたときに陰極のキャビティ内に自動的に形成されてからこの中空陰極内の開孔を通り放電間隙内へと伝播する。上記放電チャンバの内部誘電体壁は放電により照射される領域の外側に配設することができ、これにより、周期的パルス動作モードにおいては長期の耐用期間が可能となる。
【０００７】
この方法ならびにそれを実施するための装置の不都合は、予備イオン化のレベルが低いために短波長範囲における放射線へのエネルギ入力の変換効率が低いことと、放電チャンバの各電極間の間隙における予備イオン化の空間的分布が理想的でないことである。上記の予備イオン化は実質的に放電間隙の近軸領域(paraxial region)内で実施されるので、ピンチ型放電の断面積の増大はその初期段階にては困難とされ、このために、短波長放射線のエネルギおよび平均パワーを増大させる可能性は制限される。更に、個々のパルス間の時間間隔と比較して自動予備イオン化の形成(約1ms)およびピンチ型放電の始動の時間が長く、また放電電圧の増加速度(rate of growth)が低い(約10⁷V/s)ことにより、パルス間において放射線エネルギーの高安定性を達成する可能性は制限される。
【０００８】
故に、気体放電プラズマの短波長放射線の効率、平均パワーおよび安定性を増大させることが望まれる。
（発明の要約）
上記目的に従い、気体放電プラズマから短波長放射線を生成するための方法であって、同軸電極の間の、この電極の一方に形成される軸方向の開孔を通して達成される放電領域内で気体を予備イオン化する段階と、ピンチ型放電を開始する段階とを含む方法が提供される。予備イオン化は、上記ピンチ型放電の軸線から見通すことができない位置にある領域において開始されたパルス・スライディング放電(pulsed sliding discharge)のプラズマからの、UVからX線の範囲の波長を有する放射線束(flux of radiation)と、加速電子束(flux of accelerated electrons)とにより達成される。上記の領域にわたる放電電圧の増加速度は好適かつ望ましくは10¹¹V/sを超える。放射線束および電子束は好適には、軸対称的に形成され、この軸の外側の上記放電領域の一部へ導かれる。
【０００９】
上記の方法は、軸対称な２個の電極を有する放電チャンバであって、この放電チャンバの外側に配設された予備イオン化源に対し、上記の電極の一方に形成された開孔を通して見通しがつく上記の軸対称な２個の電極を有する放電チャンバを含む装置により実施され得る。上記予備イオン化源は好適には、スライディング放電を形成する軸対称なシステムであって、トリガ電極が表面上に配設された誘電体層により被覆された細長始動電極(elongated initiating electrode)を備えた軸対称システムから得られ、この始動電極は上記放電チャンバの電極と同軸的に配置されるように形成されると共に、上記誘電体層がこの放電チャンバの軸と見通しがつかない領域内に配設され、かつ上記のスライディング放電を形成するためのシステムの電極の一方は上記放電チャンバの電極の一方と組合されるように形成され、10¹¹V/sより大きな出力電圧の増加速度を有するパルス発成器が前記の装置に導入され、この発成器の正極性の出力は上記始動電極に接続される一方、上記パルス発成器の負極性の出力は上記のスライディング放電を形成するためのシステムのトリガ電極に接続される。
【００１０】
上記放電チャンバ内には軸方向の開孔が形成される誘電体インサートが好適に導入されると共に、このインサートの面上には上記放電チャンバの電極が配設される。
【００１１】
予備イオン化の結果として上記放電領域内には、高導電性を有する円筒状プラズマ・エンベロープ(plasma envelope)が形成される。これにより、理想的条件下でピンチ型放電の開始が確立されると共に、ホットプラズマ放電からの短波長放射線の出力が確実に増大するようになる。実質的に近軸的な予備イオン化を提供するのと対照的に、上記ピンチ型放電の断面サイズは、それが開始されたときに本発明に従い有利に増大する。これにより、上記放電の磁界により上記プラズマが圧縮される段階でこのプラズマの運動エネルギを実質的に増大させることが可能となるので、プラズマ柱の更に効率的な加熱と短波長放射線のエネルギならびに周期的パルスモードにおけるその平均パワーの増大が確実とされる。また、(10¹¹V/sを超える)大きな増加速度の放電電圧を使用することにより、予備イオン化を達成する非常に安定した均質なスライディング放電の開始が確立されると共に、ピンチ型放電のプラズマからの短波長放射線の非常に安定したエネルギを達成する可能性も確実になる。
（参照による援用）
上述の引用文献および関連技術の説明ならびに本発明の要約は参照により、本発明に係る好適実施例の要素および特徴と共に使用される代替的な要素および特徴を提供するものとして本明細書の好適実施例の説明中に援用される。この目的のために以下の付加的な引用文献は参照により本明細書中に援用される。
【００１２】
C.Stallings外の“爆縮アルゴンプラズマ実験(Imploding Argon Plasma Experiments)”、Appl. Phys. Lett. 35(7)、1979年10月1日、
米国特許第4,635,282号、第4,504,964号、第6,051,841号、第3,961,197号、第5,763,930号、第5,504,795号、第5,081,638号、第4,797,888号、第5,499,282号および第5,875,207号、および
ドイツ特許公報DE 295 21 572号およびDE 197 53 696 A1号、
M.McGeochの“超紫外線リソグラフィ用無線周波数予備イオン化ｚピンチ源(Radio Frequency Preionized Z-Pinch Source for Extreme Ultraviolet Lithography)”、Applied Optics、Vol.37、No.9(1998年3月20日)および、
本願と同一の譲受人に各々が譲渡された米国特許出願第09/532,276号および第60/162,845号。
（好適実施例の詳細な説明）
本装置は、1つの場合においてはコミュテータ(commutator)を有する蓄電コンデンサ、充電用誘導コイル、パルス・コンデンサおよび磁気スィッチを備えた供給源1であって放電チャンバ4の電極2、3に接続された供給源1と、誘電体層8の表面上にスライディング放電(sliding discharge)を形成するための軸対称なシステムのトリガ電極6および始動電極(initiating electrode)7に接続されたパルス発成器5と、さらに上記放電チャンバの液体冷却剤9および絶縁体10と、を備えている。図２において上記放電チャンバ内には誘電体インサート11が配設され、この誘電インサート11内には軸方向の開孔が形成されると共にその面上には電極2、3が配設される。
【００１３】
気体放電プラズマから短波長放射線を生成する方法は好適には以下の様に実施される。
【００１４】
供給源1のスイッチが投入されるとき、放電チャンバ4の電極2、3間で電圧が増大し始める。
【００１５】
パルス発成器5のスイッチが投入されると予備イオン化装置(pre-ionizer)の電極6、7間に10¹¹V/sより大きな増加速度で電圧パルスが印加され、これらの電極間で誘電体層8の表面にスライディング放電が開始される。気体放電技術における当業者であれば、直接的に、または主パルスに対する予備イオン化パルスのタイミングおよび／または大きさを制御するための容量性、誘導性および／または抵抗性の要素を介して予備イオン化電極が主電極に連結されることを含む予備イオン化電極に電気パルスを供給することに対する代替的手法は理解されよう。
【００１６】
好適には＜10²Paの低圧の気体内での始動により、加速電子のビームが生成され、そして、スライディング放電を形成するためのシステムにおいて、UVからX線の範囲の波長を有する放射線源の役割を果たす均質なプラズマ層が薄い誘電体層の表面上に形成される。上記の電圧の増加速度でパルス間のスライディング放電を開始する際に高い安定性が達成され、かつ、パルス・スライディング放電が形成される段階でこのパルス・スライディング放電のエネルギー・バランスにおいて、逃避電子(escaping electron)のビームの形成と放射X線の生成とに費やされるエネルギーの割合は相当になる。始動電極7に対してトリガ電極6は負極性であることから、これらの電極間の電圧振幅は、極性が反転された場合と比較して数倍の率で減少する。上記始動電極を長くする設計、およびこれに対応して表面放電間隙も長くする設計、すなわち、その断面サイズを超える長さを有する設計に依れば、低圧の気体内における上記のスライディング放電の始動電圧の更なる低減が達成される。これは全て上記誘電体層上の電気負荷を低減し、作動表面の長寿命が確実に達成される。たとえば電極3と電極7を組合せるなどのように、スライディング放電を形成するための上記システムの電極の一方を放電チャンバの主電極の一方と組合せることにより、上記装置の設計は簡素化される。
【００１７】
放電チャンバの電極と同軸な始動電極でスライディング放電を開始するための軸方向に対称なシステムにおいては、生成される加速電子ビームおよび照射(irradiation)は軸方向に対称に形成される。このプロセスにおいては加速電子ビームおよび照射は、上記放電チャンバから見通すことができない位置にあり、その外側に配設された領域から放出される。上に示された形態において上記のスライディング放電を形成するための上記システムの設計および配置により、また、上に示された印加電圧の極性の選択により、加速電子束およびUVからX線の範囲の波長を有する放射線束は、上記放電領域内へ制御された形で導入される。上記放射線および電子ビームは、電極3における上記軸方向の開孔を通り上記軸線の外側の放電領域の部分内へと伝播し、この放電領域は上記のスライディング放電のプラズマ層から見通すことができる位置にあり、その中の気体が予備イオン化される。上記予備イオン化の結果として、上記放電領域の電極6、7間には円筒状のプラズマ・エンベロープが生成される。
【００１８】
電極2、3の間において上記円筒状プラズマ・エンベロープ上には低電流放電が進展するが、その電流は供給源1の上記パルス・コンデンサの磁気スィッチを介してのチャージ漏れ電流(charge leakage current)により制限される。上記低電流放電の間に上記プラズマ・エンベロープのイオン化は増大し、このイオン化は表皮効果のために主として電極2、3の近接する、上記プラズマ・エンベロープの外側で進展する。
【００１９】
上記磁気スィッチが開通し、この時点で充分に充電されているパルス源1のパルス・コンデンサは電極2、3を介して予備イオン化と低電流放電の流れとの結果として生成された上記プラズマ・エンベロープ上に放電する。上記プラズマ・エンベロープはその上に流れる電流の磁界により圧縮されて、それは短時間だけ上記放電領域の軸線に閉じ込められる。上記放電領域の軸線上に生ずる稠密ホットプラズマ柱は短波長放射線を放出する。この放射線の使用可能部分は、上記の電極の一方における開孔を通って上記の放電領域を出てゆく。このプロセスの間において、上記放電領域の軸線から見通すことができない位置にある領域内に配設された誘電体層8の表面は、放電チャンバ4の軸線上で生成された硬UVおよび放射X線、荷電粒子ビームおよびプラズマ束に対する照射を受けない。これにより、スライディング放電を形成するための上記のシステムの作動寿命が確実に長くなる。
【００２０】
上記の動作のサイクルは反復され、各パルス間の時間中に上記装置は上記電極を通って循環する液体冷却剤9により冷却される。
【００２１】
軸方向の開孔が形成されてその面に放電チャンバの電極が配設される誘電体インサート (dielectric insert)11(図２参照)を上記の放電チャンバ内へ導入することにより、上記気体放電プラズマから短波長放射線を効率的に生成する条件が簡素化される。まず第1に、上記放電チャンバの絶縁体10がピンチ型放電の放射線から高信頼性で確実に保護され、これにより、広範囲な動作パラメータ内で上記装置の動作の信頼性が高められる。第2に、上記放電チャンバのインダクタンスが低減されることにより、ピンチ型放電において稠密ホットプラズマを生成する際のエネルギの消費を減少させると共に短波長放射線の光学的出力を増大させることができる。これに加え、予備イオン化の結果として生成される上記プラズマ・エンベロープは上記誘電体インサートの円筒状開孔の内側表面上に形成されることにより、ピンチ型放電がそれが開始される段階で安定化される。この結果、放電の最終段階での短波長放射線のエネルギが増大することになると共に、パルス間におけるその安定性が高まる結果になる。強力な予備イオン化の結果として上記誘電体インサートの面上における上記の電極間の電圧は最小化されるので、その電気的破壊の可能性は歴然と減少する。上記誘電体インサートは上記放電チャンバの本体の要素でないので、そこにおける機械的負荷は最小化される。これは全て、上記誘電体インサートに対してたとえば窒化ケイ素Si₃N₄などの高い熱安定性を有する材料が選択されれば、上記装置の長期の作動耐用期間を確実にすることが可能である。
【００２２】
故に上記の好適方法によれば上記予備イオン化の結果としてパルス間において安定して、最適な形状、寸法および導電性を有する円筒状プラズマ・エンベロープを形成することができ、この結果、上記気体放電プラズマの短波長放射線の効率、平均パワーおよびエネルギ安定性が高められることになる。
【００２３】
本発明の例示の図面および特定の実施例が記述かつ図示されたが、本発明の適用範囲は論じられた特定の実施例に限定されないことは理解されよう。故に、上記実施例は限定的では無く例示的と見なされるべきであり、また、当業者であれば特許請求の範囲に示された本発明の適用範囲およびそれと同等なものから逸脱せずに上記実施例の変更を為し得ることは理解されるべきである。
【００２４】
更に、方法の特許の請求の範囲において、各段階は選択された印刷の順序で順序付けられている。しかし、この順序は印刷の便宜のために選択されてその様な順序とされているものであり、特定の段階の順序が明示されまたは必要であると当業者によって理解される特許請求の範囲を除き、各段階を実施する特定順序を意味することを意図するものでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】好適方法を実施するための装置の概略図である。
【図２】放電チャンバ内に誘電インサートが導入された装置を示す図である。

Claims

気体放電プラズマから短波長放射線を生成する方法であって、
同軸な電極の間の放電領域内の気体の予備イオン化であって、前記電極の一方に形成された軸方向の開孔を通して達成される放電領域内の気体の予備イオン化の段階と、
ピンチ型放電の開始の段階とを備え、
前記予備イオン化は、前記ピンチ型放電の軸線から見通すことができない位置にある領域において開始されるパルス・スライディング放電のプラズマからの、UVからX線の範囲の波長を有する放射線束と、加速電子束とにより達成される、
短波長放射線を生成する方法。
前記領域にわたる放電電圧の増加速度は10¹¹V/sを超える請求項１に記載の方法。
前記放射線束および電子束は、軸対称に形成されて該軸線の外側の前記放電領域の一部へ導かれる請求項２に記載の方法。
気体放電プラズマから短波長放射線を生成する装置であって、
軸対称な２個の電極を有する放電チャンバであって、該放電チャンバの外側に配設された予備イオン化源から、前記電極の一方に形成された開孔を通して見通すことができる位置にある放電チャンバを備え、
前記予備イオン化源は、スライディング放電を形成するための軸対称システムであって、トリガ電極が表面上に配設された誘電体層により被覆された細長電極を含む軸対称システムの形態で設計され、
前記細長電極は、前記放電チャンバにおけるピンチ型放電の軸線から見通すことができない位置にある領域内に前記誘電体層が配置されるように構成される短波長放射線を生成する装置。
前記細長電極は円筒状に形成される請求項４に記載の装置。
前記細長電極は前記放電チャンバの主電極と同軸に配置される請求項５に記載の装置。
前記スライディング放電を形成するための前記システムの前記電極の一方は前記放電チャンバの前記電極の一方と組合される請求項４に記載の装置。
前記予備イオン化電極に接続されて10¹¹V/sより大きな出力電圧の増加速度を有するパルス発成器を更に含む請求項７に記載の装置。
前記発成器の正極性の出力は前記の円筒状電極に接続される一方、前記パルス発成器の負極性の出力は前記スライディング放電を形成するための前記システムの前記トリガ電極に接続される請求項８に記載の装置。
前記放電チャンバは軸方向の開孔が形成される誘電体インサートを含み、かつ、前記放電チャンバの前記電極は前記誘電体インサートの端面上に配設される請求項９に記載の装置。
前記細長電極は前記放電チャンバの主電極と同軸に配置される請求項４に記載の装置。
前記細長電極は、前記放電チャンバの軸線に対して見通しがつかない領域内に前記誘電体層が配設されるように構成される請求項４に記載の装置。
前記スライディング放電を形成するための前記システムの前記電極の一方は前記放電チャンバの前記電極の一方と組合される請求項４に記載の装置。
前記予備イオン化電極に接続されて10¹¹V/sより大きな出力電圧の増加速度を有するパルス発成器を更に含む請求項４に記載の装置。
前記発成器の正極性の出力は前記の円筒状電極に接続される一方、前記パルス発成器の負極性の出力は前記スライディング放電を形成するための前記システムの前記トリガ電極に接続される請求項１４に記載の装置。
前記放電チャンバは軸方向の開孔が形成される誘電体インサートを含み、かつ、
前記放電チャンバの前記電極は前記誘電体インサートの端面上に配設される請求項４に記載の装置。