JP4937616B2 - 極端紫外光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置の光源として用いられる極端紫外（ＥＵＶ：extreme ultra violet）光源装置に関する。

近年、半導体プロセスの微細化に伴い、光リソグラフィの微細化も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。そのため、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（catadioptric 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、ターゲットにレーザビームを照射することによって生成されるプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma：レーザ励起プラズマ）光源（以下において、「ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置」ともいう）と、放電によって生成され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、２πsteradianに近い大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点から、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。

ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置においては、次のような原理でＥＵＶ光が生成される。即ち、噴射ノズルから噴射されるターゲット物質にレーザビームを照射することにより、ターゲット物質が励起してプラズマ化する。このプラズマから極端紫外光（ＥＵＶ光）が放射されるので、ＥＵＶ集光ミラーによってＥＵＶ光を反射集光する。このＥＵＶ集光ミラーの反射面には、波長が１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光を選択的に反射するために、例えば、モリブデン及びシリコンを交互に積層した膜（Ｍｏ／Ｓｉ多層膜）が形成されている。ＥＵＶ集光ミラーにより選択的に反射集光されたＥＵＶ光は、露光装置等に出力される。なお、特許文献１の図６には、ＬＰＰ光源の概念図が示されている。

このようなＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置においては、プラズマからＥＵＶ光が放射されるだけでなく、イオンや高速粒子等の様々な物質も飛散する。ところが、そのような飛散物は、デブリとなってＥＵＶ集光ミラーに付着して反射面を汚染したり、反射面をスパッタすることにより、反射率の低下を招いてしまう。また、イオン等を含むガスが滞留することにより、プラズマから放射される極端紫外光が再吸収されてしまう。その結果、ＥＵＶ光の利用効率が低下してしまうので、そのような飛散物は、速やかに排出できることが望ましい。

関連する技術として、特許文献１には、ターゲットに駆動用レーザ装置からレーザ光を照射してプラズマを発生させ、数ｎｍ〜数十ｎｍの波長を有する極端紫外（ＥＵＶ）光を発生させる極端紫外光源装置において、ターゲットに電荷を与える電荷付与手段と、電荷を帯びたターゲットを、電磁場を利用して加速させる加速手段とを有するターゲット供給装置とを備える極端紫外光源装置が開示されている（第２頁及び図１）。この極端紫外光源装置においては、ターゲットを極端紫外光発生環境から速やかに除去し、併せて繰り返し周波数を数ＭＨｚまで増加させるために、加速されたターゲットの初速度をＶ_ｔ、生成されたプラズマの平均プラズマ拡散速度をＶ_ｐとした場合に、Ｖ_ｔ＞Ｖ_ｐとなるようにターゲットの初速度を規定している（第６頁）。即ち、レーザビームを照射されたターゲット物質は、ガスを発生させながら移動するので、その移動速度をプラズマ生成点において発生したガスの拡散速度Ｖ_ｐよりも速くすることにより、ガスが所定の位置を越えて（例えば、プラズマ生成点より上流）漂うことがなくなる。特許文献１においては、このようにターゲットの初速度を制御することにより、ＥＵＶ集光ミラーの汚染や損傷、及び、ＥＵＶ光の吸収を抑制している。

しかしながら、本願発明者がこのような極端紫外光源装置の開発を進めていたところ、プラズマ生成点近傍に集光ミラーを設置してＥＵＶ光を集光しようとすると、集光ミラーの配置に応じて、集光ミラーの反射率の変化に差が生じることが判明した。即ち、集光ミラーの反射面は不均一な損傷を生じていた。また、ターゲット回収装置や露光装置とのレイアウトを優先して集光ミラーを配置すると、特許文献１に開示されている条件（Ｖ_ｔ＞Ｖ_ｐ）を満たしている場合においても、必ずしも集光ミラーの損傷を回避できないことも判明した。
特開２００３−２９７７３７号公報（第２、６頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、レーザ励起プラズマ方式の極端紫外光源装置において、設計上要求されるレイアウトでＥＵＶ集光ミラーを配置する場合においても、ＥＵＶ集光ミラーの汚染や損傷を回避することができる条件を明らかにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る極端紫外光源装置は、レーザ励起プラズマ方式の極端紫外光源装置であって、液体又は固体のターゲット物質を供給するターゲットノズルと、レーザ光源から射出されるレーザビームを所定の位置に集光することにより、ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質にレーザビームを照射してプラズマを生成する集光光学系と、該プラズマから放射される極端紫外光を集光する集光ミラーとを具備し、ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質の所定の位置における速度をＶ_ｔとし、ターゲット物質の供給方向とプラズマ発光点から集光ミラーに向かう光軸との為す角をαとし、集光ミラーの集光立体角Ω（ｓｒ）によって定まる拡がり角の半角をθ（θ＝ｃｏｓ^−１{１−（Ω／２π）}）とし、プラズマから発生する飛散物の平均拡散速度をＶ_Ｐとして、（ｉ）集光ミラーの設置角度がα−θ＞９０°である場合にＶ_ｔ≧Ｖ_ｐ であり、（ｉｉ）集光ミラーの設置角度がα−θ≦９０°である場合にＶ_ｔ＞Ｖ_ｐ／ｓｉｎ（α−θ）であるという条件を満たすように、ターゲット物質の速度Ｖ _ｔ が制御される。

本発明によれば、ターゲット物質の供給速度を、ＥＵＶ集光ミラーの設置角度に応じて規定するので、露光装置等のレイアウトによってＥＵＶ集光ミラーの設置条件が制約される場合においても、プラズマからの飛散物がＥＵＶ集光ミラーに到達するのを抑制することができる。それにより、プラズマからの飛散物によるＥＵＶ集光ミラーの汚染や損傷を抑制することが可能となる。

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（ＥＵＶ）光源装置の構成を示す模式図である。このＥＵＶ光源装置は、レーザ発振器１と、集光レンズ２と、ターゲット供給装置３と、ターゲットノズル４と、ＥＵＶ集光ミラー５と、ターゲット回収装置６と、ターゲット制御部７とを含んでいる。

レーザ発振器１は、高い繰り返し周波数でパルス発振できるレーザ光源であり、後述するターゲット物質に照射して励起させるためのレーザビーム８を射出する。また、集光レンズ２は、レーザ発振器１から射出したレーザビーム８を所定の位置に集光させる集光光学系である。本実施形態においては、集光光学系として１つの集光レンズ２を用いているが、それ以外の集光光学部品又は複数の光学部品の組み合わせにより集光光学系を構成しても良い。

ターゲット供給装置３は、ターゲット物質をターゲットノズル４に供給する。ターゲット物質とは、レーザビーム８によって照射されることにより励起してプラズマ化する物質である。ターゲット物質としては、キセノン（Ｘｅ）、キセノンを主成分とする混合物、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、又は、低気圧状態でガスとなる水（Ｈ_２Ｏ）若しくはアルコール、錫（Ｓｎ）やリチウム（Ｌｉ）等の溶融金属、水又はアルコールに錫や酸化錫や銅等の微小な金属粒子を分散させたもの、水にフッ化リチウム（ＬｉＦ）や塩化リチウム（ＬｉＣｌ）を溶解させたイオン溶液等が用いられる。

ターゲット物質の状態としては、液体又は固体のいずれであっても良い。例えば、キセノンのように常温で気体のターゲット物質を液体ターゲットとして用いる場合には、ターゲット供給装置３は、キセノンガスを加圧及び冷却することにより液化してターゲットノズル４に供給する。反対に、例えば、錫のように常温で固体の物質を液体ターゲットとして用いる場合には、ターゲット供給装置３は、錫を加熱することによりこれを液化して、ターゲットノズル４に供給する。

ターゲットノズル４は、ターゲット供給装置３から供給されたターゲット物質９を噴射することにより、ターゲットジェット（噴流）やドロップレット（液滴）ターゲットを形成し、プラズマ発光点に供給する。ドロップレットターゲットを形成する場合には、所定の周波数でターゲットノズル４を振動させる振動機構が更に設けられる。また、この場合には、形成されるドロップレットターゲットの間隔（位置間隔又は時間間隔）に合わせて、レーザ発振器１におけるパルス発振間隔が調節される。

このターゲットノズル４によって供給されたターゲット物質９にレーザビーム８を照射することによりプラズマ１０が発生し、そこから様々な波長成分を有する光が放射される。なお、図１においては、レーザビーム８の進行方向をＸ方向とし、ターゲット物質９の噴射方向をマイナスＹ方向としている。

ＥＵＶ集光ミラー５は、プラズマ１０から放射される様々な波長成分の内から、所定の波長成分（例えば、１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光）を集光する集光光学系である。ＥＵＶ集光ミラー５は、例えば、２焦点を有する凹状の反射面を有している。この内の一方の焦点にプラズマ発光点（ターゲット物質９がレーザビーム８によって照射される位置）が配置され、他方の焦点にＥＵＶ光の出力光学系が配置されるように、ＥＵＶ集光ミラー５の位置及び角度が設定されている。また、この反射面には、例えば、波長が１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光を選択的に反射するモリブデン（Ｍｏ）／シリコン（Ｓｉ）多層膜が形成されている。ＥＵＶ集光ミラー５によって反射集光されたＥＵＶ光は、例えば、出力光学系を介して露光装置に出力される。

なお、図１において、ＥＵＶ集光ミラー５は、その光軸がレーザビーム８の進行方向及びターゲット物質９の噴射方向を含む面に対して垂直（即ち、Ｚ方向）になるように配置されている。しかしながら、ＥＵＶ集光ミラー５の設置角度は、他の部品やＥＵＶ光の出力先である露光装置等のレイアウトに応じて変更され得る。ＥＵＶ集光ミラー５の配置については、後で詳しく説明する。

ターゲット回収装置６は、ターゲットノズル４に対向する位置に配置されており、レーザビームを照射されることなくプラズマ化しなかったターゲット物質や、プラズマ化したターゲット物質の残渣等を吸引することにより回収する。
ターゲット制御部７は、ＥＵＶ集光ミラー５の配置に応じて、プラズマからの飛散物（デブリ）によるＥＵＶ集光ミラー５の汚染や損傷を防止するために、ターゲット物質の供給速度を制御する。

本実施形態においては、このようなＥＵＶ光源装置において、ＥＵＶ集光ミラー５の配置（設置角度）とＥＵＶ光の集光範囲に応じて、ターゲット物質９の供給速度を制御している。そこで、ターゲット物質の供給速度に与えられる条件について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２及び図３は、図１に示すＥＵＶ集光ミラー５とプラズマ１０との位置関係を、ＹＺ平面において示している。また、以下の説明において、ターゲット物質９の供給速度をＶ_ｔとする。この速度Ｖ_ｔは、原則として、ターゲット物質９がプラズマ発光点１１を通過するときの速度である。

図２及び図３に示すように、プラズマ発光点１１から放射されるＥＵＶ光をＥＵＶ集光ミラー５によって捕集できる空間的範囲（集光範囲）は、集光立体角Ω（単位はステラジアン：ｓｒ）によって表される。ここで、図４を参照すると、立体角Ωとは、空間的な拡がりを表す量であり、ある一点から見た空間領域を半径１の球面上に投影した面積によって表される。なお、ある一点から空間領域が全空間方向に拡がっている場合に、その立体角は、半径１の球の表面積である４π（ｓｒ）となる。そして、本願においては、集光立体角Ωの中心軸を含む面における光路の最大角をＥＵＶ集光ミラー５の拡がり角（又は、単に拡がり角）と呼んでいる。この拡がり角の内側が、ＥＵＶ光の集光範囲である。拡がり角の半角θと集光立体角Ωとの関係は、次式によって表される。
Ω＝２π（１−ｃｏｓθ）

再び、図２及び図３を参照すると、角度αは、ターゲット物質８の噴射方向と、プラズマ発光点からＥＵＶ集光ミラー５に向かう光軸（即ち、プラズマからミラーに向かう集光立体角の中心軸方向）との為す角度を示しており、角度θは、ＥＵＶ集光ミラー５の拡がり角の半角を示している。（α−θ）は、ＥＵＶ集光ミラー５の集光範囲とターゲット物質の供給方向との最小角を示している。先にも述べたように、ＥＵＶ集光ミラー５の設置角度は、他の部品や装置のレイアウトに応じて変更される。図２は、角度（α−θ）が９０°より大きくなるようにＥＵＶ集光ミラー５を設置した様子を示しており、図３は、角度（α−θ）が９０°以下になるようにＥＵＶ集光ミラー５を設置した様子を示している。

本実施形態において、ターゲット物質の供給速度Ｖ_ｔに与えられる条件は、角度（α−θ）に応じて異なってくる。以下に、場合を分けて説明する。
（ｉ）α−θ＞９０°の場合（図２）
ターゲットノズル４によって供給されたターゲット物質は、プラズマ発光点１１においてレーザビーム８を照射されることによりプラズマ化する。それにより、プラズマ化したターゲット物質（プラズマ１０）は、イオンや高速粒子等の飛散物を拡散させながら供給速度Ｖ_ｔで進んでいく。ここで、プラズマ１０からの飛散物の平均拡散速度をＶ_ｐとすると、Ｖ_ｐ＝１ｋｍ／秒〜３ｋｍ／秒程度である。

ターゲット物質がプラズマ発光点１１においてレーザビームを照射された時からＴ時間後に、プラズマ１０の中心は、プラズマ発光点１１からＶ_ｔ×Ｔだけ進行した位置に達する。従って、この時、ＥＵＶ集光ミラー５の集光範囲とプラズマ１０の中心との最短距離は、Ｖ_ｔ×Ｔである。また、その間に、プラズマ１０からの飛散物は、プラズマ１０の中心から半径Ｖ_ｐ×Ｔの範囲に拡散している。従って、拡散範囲Ｖ_ｐ×Ｔが、上記最短距離Ｖ_ｔ×Ｔ以下であれば、プラズマ１０からの飛散物がプラズマ発光点１１よりも上流（即ち、ＥＵＶ集光ミラー５の集光範囲）に到達することはない。即ち、Ｖ_ｔ≧Ｖ_ｐという条件を満たすように、ターゲット物質９の供給速度Ｖ_ｔを制御すれば良い。

（ｉｉ）α−θ≦９０°の場合（図３）
ターゲット物質がプラズマ発光点１１においてレーザビームを照射された時からＴ時間後に、プラズマ１０の中心とＥＵＶ集光ミラー５の集光範囲との最短距離は、Ｖ_ｔ×Ｔ×ｓｉｎ（α−θ）となる。従って、プラズマ１０からの飛散物の拡散範囲Ｖ_ｐ×Ｔが、この最短距離より短ければ、プラズマからの飛散物がＥＵＶ集光ミラー５の集光範囲に到達することはない。即ち、Ｖ_ｔ＞Ｖ_ｐ／ｓｉｎ（α−θ）という条件を満たすように、ターゲット物質の供給速度Ｖ_ｔを制御すれば良い。
なお、条件（ｉ）及び（ｉｉ）のいずれの場合にも、一旦拡散したプラズマからの飛散物は、その後にターゲット回収装置６（図１）によって回収される。

このように、本実施形態によれば、ＥＵＶ集光ミラーの配置及び集光立体角に応じてターゲット物質の供給速度を制御することにより、ＥＵＶ集光ミラーの汚染や損傷を抑制することができる。それにより、ＥＵＶ集光ミラーの反射率の低下を防止し、ＥＵＶ光の利用効率を維持することが可能となる。その結果、ＥＵＶ光源装置において、長期に渡って安定的にＥＵＶ光を生成することができるようになると共に、ＥＵＶ集光ミラーの長寿命化が図られるので、メンテナンスの手間やコストを削減することが可能となる。

以上の説明においては、図２及び図３に示すように、ＥＵＶ集光ミラーとして直入射型集光ミラーを用いたが、斜入射型のＥＵＶ集光ミラーを用いても良い。ここで、斜入射型の集光ミラーとは、反射面における全反射を利用することにより、反射面に対してすれすれの角度（斜入射領域）で入射したＥＵＶ光を反射させるものである。図５に示すように、斜入射型集光ミラー１２を用いる場合においても、第１の焦点Ｆ_１にプラズマ発光点が配置され、第２の焦点Ｆ_２に露光装置等への出力光学系が配置される。そして、ターゲット物質の噴射方向（供給方向）とＥＵＶ集光ミラー１２の光軸との為す角をα、ＥＵＶ集光ミラー１２の拡がり角の半角をθ、及び、ＥＵＶ集光ミラー１２の集光範囲とターゲット物質の供給方向との最小角を（α−θ）とすることにより、直入射型集光ミラーを用いる場合と同じ条件（ｉ）及び（ｉｉ）を適用することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＥＵＶ光源装置について、図６を参照しながら説明する。
ここで、本発明の第１の実施形態においては、制御部７がターゲットノズル４を制御することにより、ターゲット物質の供給速度を制御している。しかしながら、ターゲットノズル４から噴射された後のターゲット物質に対して、その供給速度を制御するようにしても良い。

図６に示すように、本実施形態に係るＥＵＶ光源装置は、図１に示すターゲット制御部７の替わりにターゲット制御部２３を有しており、さらに、電荷供給装置２１及び加速装置２２を有している。その他の構成については、図１に示すＥＵＶ光源装置と同様である。

電荷供給装置２１は、例えば、電子ビーム発生器であり、ターゲットノズル４から噴射されたターゲット物質９に電子ビームを照射することにより、帯電させる。また、加速装置２２は、例えば、静電加速器であり、ターゲット物質９が通過する領域に電場を形成することにより、帯電したターゲット物質９を加速させる。さらに、ターゲット制御部２３は、ターゲット物質９が所望の速度まで加速されるように、電荷供給装置２１及び／又は加速装置２２を制御する。なお、この制御により到達させるターゲット物質の速度については、第１の実施形態において説明したのと同様に、ＥＵＶ集光ミラー５の設置角度及び集光立体角に応じて、Ｖ_ｔ≧Ｖ_ｐ（α−θ＞９０°）、又は、Ｖ_ｔ＞Ｖ_ｐ／ｓｉｎ（α−θ）（α−θ≦９０°）の条件が適用される。

本実施形態においては、電荷供給装置２１として電子ビーム発生器を用いているが、それ以外の手段を適用しても良い。例えば、ターゲットノズル４に高電圧を印加したり、ターゲットノズル４から噴射されたターゲット物質に、プラズマ化しない程度の弱いレーザ光を照射することにより、ターゲット物質の表面をイオン化させても良い。また、加速装置２２についても、本実施形態において用いられている静電型加速器（例えば、バンデグラフ加速器）以外に、線形加速器や誘導加速器等の公知の装置を適用しても良い。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るＥＵＶ光源装置に適用される加速器の例を示している。この加速器は、３段の誘導加速器３１と、静電加速器３２とを含んでいる。
例えば、約２０ｍ／ｓの初速度を有する帯電したターゲット物質９（図７においてはドロップレットターゲット）が供給された場合に、３段の誘導加速器３１により、ターゲット物質９は１００ｍ／ｓ程度まで加速され、さらに、静電加速器３２により、１４００ｍ／ｓ程度まで加速される。このように、複数の加速器を組み合わせることにより、ターゲット物質を所望の速度まで容易に加速することが可能となる。

さらに、本発明の第１及び第２の実施形態においては、ターゲット物質の供給速度を制御するために、ターゲットノズル４（図１）と、ターゲット物質の加速手段２１及び２２（図６）と内のいずれかについて制御を行っているが、それらの両方を制御するようにしても良い。

本発明は、露光装置の光源として用いられる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の構成を示す模式図である。 ＥＵＶ集光ミラー（設置角度がα−θ＞９０°）とプラズマとの位置関係を説明するための模式図である。 ＥＵＶ集光ミラー（設置角度がα−θ≦９０°）とプラズマとの位置関係を説明するための模式図である。 ＥＵＶ集光ミラーの集光立体角及び拡がり角を説明するための図である。 ＥＵＶ集光ミラーとして用いられる斜入射型集光ミラー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の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る極端紫外光源装置に適用される加速装置の例を示す断面図である。

符号の説明

１…レーザ発振器、２…集光レンズ、３…ターゲット供給装置、４…ターゲットノズル、５…ＥＵＶ集光ミラー、６…ターゲット回収装置、７、２３…ターゲット制御部、８…レーザビーム、９…ターゲット物質、１０…プラズマ、１１…プラズマ発光点、１２…斜入射型集光ミラー、２１…電荷供給装置、２２…加速装置、３１…誘導加速器、３２…静電加速器

Claims (4)

1. レーザ励起プラズマ方式の極端紫外光源装置であって、
   液体又は固体のターゲット物質を供給するターゲットノズルと、
   レーザ光源から射出されるレーザビームを所定の位置に集光することにより、前記ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質にレーザビームを照射してプラズマを生成する集光光学系と、
   該プラズマから放射される極端紫外光を集光する集光ミラーと、
   を具備し、
   前記ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質の前記所定の位置における速度をＶ_ｔとし、
   前記ターゲット物質の供給方向とプラズマ発光点から前記集光ミラーに向かう光軸との為す角をαとし、
   前記集光ミラーの集光立体角Ω（ｓｒ）によって定まる拡がり角の半角をθ（θ＝ｃｏｓ^−１{１−（Ω／２π）}）とし、
   プラズマから発生する飛散物の平均拡散速度をＶ_Ｐとして、
   （ｉ）前記集光ミラーの設置角度がα−θ＞９０°である場合にＶ_ｔ≧Ｖ_ｐ であり、
   （ｉｉ）前記集光ミラーの設置角度がα−θ≦９０°である場合にＶ_ｔ＞Ｖ_ｐ／ｓｉｎ（α−θ）である、
   という条件を満たすように、前記ターゲット物質の速度Ｖ _ｔ が制御される極端紫外光源装置。
2. 前記ターゲットノズルが、条件（ｉ）及び（ｉｉ）を満たす速度Ｖ_ｔでターゲット物質を供給するように、前記ターゲットノズルを制御する制御部をさらに具備する請求項１記載の極端紫外光源装置。
3. 前記ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質を加速する加速手段と、
   前記加速手段が、前記ターゲットノズルによって供給されたターゲット物質を、条件（ｉ）及び（ｉｉ）を満たす速度Ｖ_ｔまで加速するように、前記加速手段を制御する制御部と、
   をさらに具備する請求項１記載の極端紫外光源装置。
4. 前記加速手段が、前記ターゲットノズルによって供給されるターゲット物質に電荷を供給する手段と、帯電したターゲット物質が通過する領域に電場又は磁場を形成する手段とを有する、請求項３記載の極端紫外光源装置。

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