JP4952513B2

JP4952513B2 - 極端紫外光光源装置

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Publication number: JP4952513B2
Application number: JP2007284596A
Authority: JP
Inventors: 隆博井上
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP2009111298A

Description

本発明は、極端紫外光を発生させる極端紫外光光源装置に係わり、特に、電極を回転させながら極端紫外光を発生させる極端紫外光光源装置に関する。

半導体集積回路の微細化高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。その要請に応えるため、露光用光源の短波長化が進められ、エキシマレーザ装置に続く次世代の半導体露光用光源として、波長１３〜１４ｎｍ、特に波長１３．５ｎｍの極端紫外光（以下、ＥＵＶ（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）光ともいう）を放出する極端紫外光光源装置（以下、ＥＵＶ光源装置ともいう）が開発されている。

ＥＵＶ光源装置において、ＥＵＶ光を発生させる方法はいくつか知られているが、そのうちの１つにＥＵＶ放射種を加熱して励起することより高温プラズマを発生させ、このプラズマから放射されるＥＵＶ光を取り出す方法がある。このような方法を採用するＥＵＶ光源装置としては、高温プラズマの生成方式により、ＬＰＰ（ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ：レーザ生成プラズマ）方式ＥＵＶ光源装置と、ＤＰＰ（ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ：放電生成プラズマ）方式ＥＵＶ光源装置とに大きく分けられる。ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源装置は、固体、液体、気体等のターゲットにパルスレーザを照射することにより、高温プラズマを生成する。一方、ＤＰＰ方式ＥＵＶ光源装置は、電流駆動により高温プラズマを生成するものである。

また、ＥＵＶ光源装置においては、波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光を放出する放射種、即ち、高温プラズマ用原料として、現在１０価前後のＸｅ（キセノン）イオンが知られているが、最近は、より強い放射強度を得るための原料としてＬｉ（リチウム）イオンとＳｎ（錫）イオンが注目されている。例えば、Ｓｎは高温プラズマを発生させるための入力エネルギーに対する波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光放射強度の比である変換効率がＸｅより数倍大きい。

特許文献１および特許文献２には、ＤＰＰ方式のＥＵＶ光源装置として、電極の消耗を防ぐため、電極を回転させる装置が提案されている。

図７は、特許文献１の図１に示されたＥＵＶ光源装置の構成を示す断面図である。
同図において、１０１，１０２は円盤状の電極、１０３，１０４はそれぞれ電極１０１，１０２を回転させる回転軸、１０５は電極１０１，１０２の一部が浸される高温プラズマ用原料としての加熱された液体金属または溶融金属である。電極１０１，１０２の回転に伴って電極１０１，１０２の表面上に乗った液体状の金属１０５は、予め設定された電極１０１，１０２間の放電領域１０６となるギャップに運ばれ、運ばれた液体状金属１０５に対してレーザビーム１０７が照射され気化される。次に、電極１０１，１０２間に気化された金属１０５を介して放電電圧が印加される。放電電圧が印加されると放電領域１０６において放電が開始され、高温プラズマが発生する。高温プラズマから発生したＥＵＶ光は図面上側から取り出される。

上記のＥＵＶ光源装置のように放電電極１０１，１０２を回転させると、次のような利点がある。即ち、電極１０１，１０２間に形成される放電領域１０６に向けて、常に新しいＥＵＶ発生種の原料である固体または液体状の高温プラズマ用原料を供給することができる。また、電極１０１，１０２のレーザビーム１０７を照射する位置、つまり、高温プラズマが発生する放電領域１０６の位置が常に変化するので、電極１０１，１０２の熱負荷が低減し、電極１０１，１０２の消耗を防ぐことができる。
特表２００７−５０５４６０号公報ＷＯ２００５／１０１９２４

しかしながら、特許文献１に示されるＥＵＶ光源装置には、次のような問題がある。即ち、高温プラズマからのＥＵＶ発光強度および輝度を向上させるためには、プラズマに放電エネルギーを効率良く供給しなければならないが、そのためには、放電領域１０６に局所集中電界を発生させて放電電流の電流密度を増加させる必要がある。しかし、この装置においては、放電領域１０６は２つの円盤状の電極１０１，１０２が接近している、所謂円周のエッジ部分であり、放電は電極１０１，１０２のエッジの最も接近している部分で発生することとなる。しかし、実際の装置においては、電極１０１，１０２に供給する電力や電極１０１，１０２の熱容量や電極１０１，１０２の回転速度（周波数）を考慮すると、円盤状の電極１０１，１０２の径は大きくなり、両電極１０１，１０２のエッジの最も接近している箇所がどこであるか分からないのが実状である。

図８は、上記ＥＵＶ光源装置の円盤状の電極１０１，１０２間の拡大図である。一例として、電極１０１，１０２は半径が約３５０ｍｍ、電極１０１，１０２間のギャップ長は約５ｍｍであり、放電領域１０６は、２つの円形の電極１０１，１０２に挟まれた領域となる。同図に示すように、放電領域１０６における電極１０１，１０２の外周はほぼ直線状であり、両電極１０１、１０２のギャップ長は、電極１０１，１０２の外周１０ｍｍから２０ｍｍに亘ってほとんど変わらない。そのため、放電領域１０６の電気力線が分散して電界が弱くなり、放電電流の電流密度が低くなり、ＥＵＶ発光強度および輝度を大きくすることができない。

また、上記ＥＵＶ光源装置によれば、放電部１０６の電気力線が分散するので放電路（放電電流の通路）の空間的位置が変動する可能性が高い。放電路の空間的位置が変動すると、高温プラズマの空間的位置が変動し、ＥＵＶ光の発光する位置も変動する。ＥＵＶ光の発光する位置が変動すると、ＥＵＶ光の集光点が変動し、露光精度に影響を及ぼす。これを防ぐためには、ＥＵＶ光を発光するプラズマの空間的位置を安定させなければならない。そのためには、電気力線を集中させて（局所集中電界を発生させて）放電路の空間的位置を固定させなければならない。

本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、２つの回転する円盤状の電極を備えた極端紫外光光源装置において、２つの電極間の放電電流の電流密度を高くしてＥＵＶ発光強度および輝度を大きくし、かつ極端紫外光の発光する位置を固定化して極端紫外光を集光点化し、露光精度の向上を図った極端紫外光光源装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、容器と、該容器内に極端紫外光を放射させるための液体または固体の原料を供給する原料供給手段と、エネルギービームを上記原料に照射して該原料を気化するエネルギービーム照射手段と、上記気化した原料を放電により上記容器内で加熱励起して高温プラズマを発生させるための所定距離だけ離間して配置された一対の放電電極と、該放電電極間にパルス電力を供給するパルス電力供給手段と、上記放電電極間における放電により生成された上記高温プラズマから放射される極端紫外光を集光する集光光学手段と、上記集光された極端紫外光を取り出す極端紫外光取出部とを有する極端紫外光光源装置において、上記一対の放電電極は、各々が回転軸と直交しかつ該回転軸の周りを回転する円盤状の回転電極を備え、上記２つの回転軸および上記２つの回転電極を貫通する仮想直線を中心として、一方の回転電極が他方の回転電極に対して回動変位していることを特徴とする極端紫外光光源装置である。

本発明によれば、両回転電極間に高温プラズマが形成されたとき、互いに対向する両回転電極間の狭い範囲で電流密度が高くなり、高温プラズマから放射されるＥＵＶ光の発光強度および輝度を高くすることができる。電気力線が両回転電極間の狭い範囲に集中しているので、両回転電極間にプラズマ原料が供給されて気化すれば、対向する両回転電極間の狭い範囲でのみ放電が生じ、その位置から極端紫外光が放射されることになり、放電路の空間的位置が固定され、極端紫外光の発光位置を安定させることができる。

本発明の第１の実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る極端紫外光光源装置の概略構成を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した極端紫外光光源装置の要部構成を示す正面図である。
これらの図において、１は一対の回転電極６，８等が収納される真空容器、２は放射された極端紫外光を集光するＥＵＶ集光ミラー１２等が収納される真空容器、３はエネルギービーム照射手段としてのレーザー装置、４はレーザー光、５はレーザー入射窓、６は回転軸７と直交しかつ回転軸７の周りを回転する円盤状の回転電極、７は回転電極６の回転軸、８は回転軸９と直交しかつ回転軸９の周りを回転する円盤状の回転電極、９は回転電極８の回転軸、１０は放電領域、１１は高温プラズマ原料のドロップレットターゲット、１２は回転電極６，８とＥＵＶ集光ミラー１３の間に設けられ、高温プラズマから発生するデブリを除去するホイルトラップ、１３は集光光学手段としてのＥＵＶ集光ミラー、１４は極端紫外光取出部としてのＥＵＶ光出射窓、１５はガス供給ユニット、１６はガス排気ユニット、１７は回転電極６，８にパルス電力を供給するパルス電力供給手段としてのパルス電源、１８は液体または固体の原料を供給する原料供給手段としてのドロップレット供給装置、１９は滴下される原料を回収するターゲット回収筒である。

これらの図に示すように、一対の放電電極は、回転軸７と直交しかつ回転軸７の周りを回転する円盤状の回転電極６と回転軸９と直交しかつ回転軸９の周りを回転する円盤状の回転電極８を備え、２つの回転軸７，９および２つの回転電極６，８を貫通する仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６が他方の回転電極８に対して捻れ角度θが９０°回動変位した状態で配置されている。高温プラズマを発生させる原料（例えば、Ｓｎ）は、液体状のドロップレットとして、ドロップレット供給装置１８から、両回転電極６，８間に滴下供給される。滴下された高温プラズマ原料は、レーザー装置３からのレーザー照射により気化され、それと共に、回転電極６と回転電極８にパルス電源１７からパルス電力が供給されて放電が開始され、これにより両回転電極６，８間に気化した原料による高温プラズマが形成されてＥＵＶ光が放射され、放射されたＥＵＶ光はＥＵＶ集光ミラー１３により集光されたＥＵＶ光は、真空容器２に設けられたＥＵＶ光出射窓１４から取り出される。

図２（ａ）は、図１に示した極端紫外光光源装置の要部を詳細に説明するために、回転電極６，８が任意の捻れ角度θで配置されたときの回転電極６，８を原料供給側から見た平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した円盤状電極６，８を側面から見たを側面図である。
これらの図に示すように、一対の円盤状の放電電極は、２つの回転軸７，９および２つの回転電極６，８を貫通する仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６が他方の回転電極８に対して任意の捻れ角度θ回動変位して配置され、各々の回転電極６，８の回転軸７，９を介してモータ２０，２１が取り付けられ、回転軸７，９を中心にして回転する。両回転電極６，８が最も接近する位置が放電領域１０であり、この放電領域１０に向けて、図１（ｂ）に示すように、上方に配置されたドロップレット供給装置１８から、Ｓｎ等の液体状の高温プラズマ原料が滴下される。滴下された高温プラズマ原料が、放電領域１０に接近（または少し通過後）したとき、図２（ａ）に示すように、レーザー光１４が高温プラズマ原料に照射され気化される。それと共に、図１（ａ）、（ｂ）に示したパルス電源１７から回転電極６，８間にパルス電力が供給されて放電が開始され、これにより両電極間に高温プラズマが形成されてＥＵＶ光が出射する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、２つの回転軸７，９および２つの回転電極６，８を貫通する仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６が他方の回転電極８に対して捻れ角度０°、θ、９０°と変位して配置させたとき、回転電極６と回転電極８の対向する任意に設定した面積が減少していく様子を示す図である。
図３（ａ）に示すように、各々の厚さがｂの回転電極６，８が、その側面を対向させて同一平面上に配置されたとき、即ち、捻れ角度０°のとき、対向する回転電極６，８間のギャップ長が殆ど変わらない長さをａとすると、ａ＞ｂとなり、両回転電極６，８が接近している領域の面積はａ×ｂとなる。
これに対して、図３（ｂ）に示すように、仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６に対して他方の回転電極８を任意の捻れ角度θ回動変位して配置したとき、両回転電極６，８が接近している領域の面積はｃ×ｂ＜ａ×ｂとなり両回転電極６，８が接近している面積が捻れ角度０°の場合より小さくなる。
さらに、図３（ｃ）に示すように、仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６に対して他方の回転電極８を捻れ角度９０°回動変位して配置したとき、両回転電極６，８が接近している領域の面積はｂ×ｂ＜ｃ×ｂとなり両回転電極６，８が接近している面積が任意の捻れ角度θの場合よりもさらに小さくなる。

図４は、回転電極６，８を図３（ａ）の配置から図３（ｂ）の配置へ変化させたとき、回転電極６と回転電極８が対向する間隔がどのように変化するかを計算するために示した図であり、図４（ａ）は捻れ角度０°、図４（ｂ）は任意の捻れ角度θのときの状態を示す図である。
ここで、回転電極６，８の電極直径Ｒ＝３５０ｍｍ、回転電極６と回転電極８との対向する最短距離（ギァップ）をδ、回転電極８上の任意の点Ｐから最も近い回転電極６上の点をＱとし、仮想直線Ａと点Ｐ間の距離をＬ、Ｐ−Ｑ間の距離をＤとすると、捻れ角度θ＝０°のときＤ＝ｄと表され、さらに、仮想直線Ａと回転電極８の回転中心と点Ｐを結ぶ線とのなす角度φ（Ｌ）はφ（Ｌ）＝ａｓｉｎ（Ｌ／Ｒ）、仮想直線Ａと回転電極６の回転中心と点Ｑを結ぶ線とのなす角度Φ（Ｌ）はΦ（Ｌ）＝ａｔａｎ［Ｌ／（Ｒ＋δ＋Ｒ（１−ｃｏｓφ（Ｌ）））］と表される。
その結果、捻れ角度θ＝０°のとき、電極間距離ｄ（Ｌ）＝√［（Ｒ＋δ＋Ｒ（１−ｃｏｓ（φ（Ｌ）））^２＋Ｌ^２］−Ｒと表され、捻れ角度θが任意の角度のとき、電極間距離Ｄ（Ｌ，θ）＝√［（ｄ（Ｌ）・ｃｏｓ（Φ（Ｌ）））^２＋（Ｌ・ｃｏｓ（θ）−Ｒ・ｓｉｎ（Φ（Ｌ）））^２＋（Ｌ・ｓｉｎ（θ））^２］と表される。

図５は、Ｌ＝５０，１０，０をパラメータとして、捻れ角度θを変化したときの電極間距離Ｄ（Ｌ，θ）の変化を示すグラフである。
同図に示すように、電極間距離Ｄ（Ｌ，θ）は捻れ角度θが大きくなるほど長くなり、
θ＝９０°において最大になる。

以上のごとく、図３ないし図５の結果から明らかな様に、仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６に対して他方の回転電極８を捻れ角度θ回動変位して配置したとき、対向する回転電極６，８間の放電を起こさせたい放電部の周辺の電極間距離を長くすることができ、放電領域１０が小さくなって、放電時に小さくなった放電領域１０に電気力線を集中させることができることが分かる。

従って、本実施形態の極端紫外光光源装置によれば、回転電極６，８間に高温プラズマが形成されたとき、互いに対向する回転電極６，８間の狭い範囲で電流密度が高くなり、高温プラズマから放射されるＥＵＶ光の発光強度および輝度を高くすることができる。電気力線が回転電極６，８間の狭い範囲に集中しているので、両回転電極６，８間にプラズマ原料が供給されて気化すれば、対向する回転電極６，８間の狭い範囲でのみ放電が生じ、その位置からＥＵＶ光が放射されることになり、放電路の空間的位置が固定され、ＥＵＶ光の発光位置を安定させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６を用いて説明する。
図６（ａ）は、本実施形態に係る極端紫外光光源装置の概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示した極端紫外光光源装置の要部の構成を示す正面図である。
これらの図において、２２は原料供給手段としてのメタルバスであり、その他の構成は図１に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。
これらの図に示すように、本実施形態に係る極端紫外光光源装置は、図１に示した高温プラズマの原料供給手段としてのドロップレツト供給装置１８に代えて、メタルバス２２を用いたものである。メタルバス２２には液体状の高温プラズマ原料が溜められており、回転電極６，８の一方または両方の一部がメタルバス２２の中に浸かり、回転電極６，８が回転させるものである。メタルバス２２を通過した回転電極８の外周縁の表面に、高温プラズマ原料が付着される。

本実施形態の極端紫外光光源装置においても、仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６に対して他方の回転電極８を捻れ角度９０°回動変位して配置され、両回転電極６，８は予め設定された所定の間隔で向き合うように設計されている。回転電極６，８間が放電領域１０であり、高温プラズマ原料が付着した回転電極８が、放電領域１０に接近（または到達）したとき、レーザ装置３からレーザー光１１が高温プラズマ原料に照射され気化される。それと共に、パルス電源１７から回転電極６，８間にパルス電力が供給されて回転電極６，８間で放電が開始され、これにより回転電極６，８間に高温プラズマが形成されてＥＵＶ光が出射する。

本実施形態の極端紫外光光源装置においても、回転電極６，８間に高温プラズマが形成されたとき、互いに対向する回転電極６，８間の狭い範囲で電流密度が高くなり、高温プラズマから放射されるＥＵＶ光の発光強度および輝度を高くすることができる。電気力線が回転電極６，８間の狭い範囲に集中しているので、両回転電極６，８間にプラズマ原料が供給されて気化すれば、対向する回転電極６，８間の狭い範囲でのみ放電が生じ、その位置からＥＵＶ光が放射されることになり、放電路の空間的位置が固定され、ＥＵＶ光の発光位置を安定させることができる。

第１の実施形態に係る極端紫外光光源装置の概略構成を示す平面図および極端紫外光光源装置の要部構成を示す正面図である。図１に示した極端紫外光光源装置の要部を詳細に説明するために、回転電極６，８が任意の捻れ角度θで配置されたときの回転電極６，８を原料供給側から見た平面図、および円盤状電極６，８を側面から見たを側面図である。２つの回転軸７，９および２つの回転電極６，８を貫通する仮想直線Ａを中心として、一方の回転電極６が他方の回転電極８に対して捻れ角度０°、θ、９０°と変位して配置させたとき、回転電極６と回転電極８の対向する任意に設定した面積が減少していく様子を示す図である。回転電極６，８の配置を変化させたときの回転電極６と回転電極８が対向する間隔がどのように変化するかを計算するために示した図である。Ｌ＝５０，１０，０をパラメータとして、捻れ角度θを変化したときの電極間距離Ｄ（Ｌ，θ）の変化を示すグラフである。第２の実施形態に係る極端紫外光光源装置の概略構成を示す平面図および極端紫外光光源装置の要部の構成を示す正面図である。特許文献１の図１に示されたＥＵＶ光源装置の構成を示す断面図である。図７に示したＥＵＶ光源装置の円盤状の電極１０１，１０２間の拡大図である。

符号の説明

１真空容器
２真空容器
３レーザー装置
４レーザー光
５レーザー入射窓
６回転電極
７回転軸
８回転電極
９回転軸
１０放電領域
１１ドロップレットターゲット
１２ホイルトラップ
１３ＥＵＶ集光ミラー
１４ＥＵＶ光出射窓
１５ガス供給ユニット
１６ガス排気ユニット
１７パルス電源
１８ドロップレット供給装置
１９ターゲット回収筒
２０モータ
２１モータ
２２メタルバス

Claims

容器と、該容器内に極端紫外光を放射させるための液体または固体の原料を供給する原料供給手段と、エネルギービームを上記原料に照射して該原料を気化するエネルギービーム照射手段と、上記気化した原料を放電により上記容器内で加熱励起して高温プラズマを発生させるための所定距離だけ離間して配置された一対の放電電極と、該放電電極間にパルス電力を供給するパルス電力供給手段と、上記放電電極間における放電により生成された上記高温プラズマから放射される極端紫外光を集光する集光光学手段と、上記集光された極端紫外光を取り出す極端紫外光取出部とを有する極端紫外光光源装置において、
上記一対の放電電極は、各々が回転軸と直交しかつ該回転軸の周りを回転する円盤状の回転電極を備え、上記２つの回転軸および上記２つの回転電極を貫通する仮想直線を中心として、一方の回転電極が他方の回転電極に対して回動変位していることを特徴とする極端紫外光光源装置。