JP5754594B2 - プラズマ光源とプラズマ光発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光源とプラズマ光発生方法に関する。

次世代半導体の微細加工のために極端紫外光源を用いるリソグラフィが期待されている。リソグラフィとは回路パターンの描かれたマスクを通して光やビームをシリコン基盤上に縮小投影し、レジスト材料を感光させることで電子回路を形成する技術である。光リソグラフィで形成される回路の最小加工寸法は基本的には光源の波長に依存している。従って、次世代の半導体開発には光源の短波長化が必須であり、この光源開発に向けた研究が進められている。

次世代リソグラフィ光源として最も有力視されているのが、極端紫外（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光源であり、およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を意味する。以下、この領域の光をプラズマ光又は単にＥＵＶと呼ぶ。
プラズマ光（ＥＵＶ）はあらゆる物質に対し吸収率が高く、レンズ等の透過型光学系を利用することができないので、反射型光学系を用いることになる。またこの領域の光学系は非常に開発が困難で、限られた波長にしか反射特性を示さない。

現在、１３．５ｎｍに感度を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜反射鏡が開発されており、この波長の光と反射鏡を組み合わせたリソグラフィ技術が開発されれば３０ｎｍ以下の加工寸法を実現できると予測されている。さらなる微細加工技術の実現のために、波長１３．５ｎｍのリソグラフィ光源の開発が急務であり、高エネルギ密度プラズマからの輻射光が注目されている。

光源プラズマ生成はレーザー照射（ＬＰＰ：Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式と、パルスパワー技術によって駆動されるガス放電（ＤＰＰ：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式とに大別できる。ＤＰＰは、投入した電力が直接プラズマエネルギに変換されるので、ＬＰＰに比べて変換効率で優位であるうえに、装置が小型で低コストという利点がある。

ガス放電（ＤＰＰ）方式の光源プラズマ生成手段として、特許文献１〜３が既に開示されている。

特開２０１０−１４７２３１号、「プラズマ光源とプラズマ光発生方法」 特開２０１１−５４７２９号、「プラズマ光源」 特開２０１１−５４７３０号、「プラズマ光源」

特許文献１〜３に開示されたプラズマ光源は、１対の対向する同軸状電極間でプラズマを封じ込める構造のものであり、２つの同軸状電極から進展する面状放電（電流シート）を、同軸状電極間の中央部で衝突させ、かつ電流路の繋ぎ変えにより、プラズマの封じ込めを行うものである。

図１は、電流路の繋ぎ変えの模式図であり、（Ａ）は繋ぎ変え直前、（Ｂ）は繋ぎ変え直後である。
この図に示すように、繋ぎ変え直前（Ａ）には、各同軸状電極ａ内の中心電極ｂとガイド電極ｃとの間で面状放電２が行われ、繋ぎ変え直後（Ｂ）には、２つの同軸状電極ａ内の２つの中心電極ｂ間で管状放電４が行われる必要がある。なおこの図で３はプラズマである。

しかし、かかるプラズマ光源を実際に製作し試験した結果、電流路の繋ぎ変えが生じにくく、電流路の繋ぎ変え動作を安定させ、プラズマ光源の出力、安定性、信頼性をさらに向上させたいという要望があった。

本発明は、かかる要望を満たすために創案したものである。すなわち、本発明の目的は、２つの同軸状電極内に発生した面状放電を同軸状電極間の管状放電に繋ぎ変える電流路の繋ぎ変えの安定性を高め、プラズマ光源の出力、安定性、信頼性を高めることができるプラズマ光源とプラズマ光発生方法を提供することにある。

本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、を備え、
前記同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の末端部間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
前記中心電極は、前記軸線上に位置し、かつそれぞれの先端部が互いに間隔を隔てて対向しており、
さらに、前記１対の中心電極の末端部に極性を反転させた放電電圧を印加して、中心電極とガイド電極の間にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により１対の中心電極間の中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の中心電極間の管状放電に繋ぎ変えて前記プラズマを封じ込めるプラズマ封じ込み磁場を形成するプラズマ制御装置を備えるプラズマ光源であって、
前記繋ぎ変え時点は、前記放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定されている、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。

また本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、を備え、
前記同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の末端部間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
前記中心電極を、前記軸線上に位置し、かつそれぞれの先端部を互いに間隔を隔てて対向させ、
前記１対の中心電極の末端部に極性を反転させた放電電圧を印加して、中心電極とガイド電極の間にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により１対の中心電極間の中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の中心電極間の管状放電に繋ぎ変えて前記プラズマを封じ込めるプラズマ封じ込み磁場を形成するプラズマ光発生方法であって、
前記繋ぎ変え時点を、前記放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、２つの同軸状電極内に発生した面状放電を同軸状電極間の管状放電に繋ぎ変える「繋ぎ変え時点」が、各同軸状電極に対する放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定されているので、各同軸状電極の中心電極はそれぞれ印加された放電電圧の極性（＋又は−）を維持しており、繋ぎ変え時点において両方の面状放電に繋ぎ変え方向に順方向の電位差があるので、繋ぎ変えがスムーズに行なわれる。
従って、電流路の繋ぎ変えの安定性を高め、プラズマ光源の出力、安定性、信頼性を高めることができる。

電流路の繋ぎ変えの模式図である。 本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。 本発明による放電電圧と放電電流の実施例である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。なお、この図は、代表的な放電回路図も示している。
この図において、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１０及び放電環境保持装置２０を備える。

１対の同軸状電極１０は、対称面１を中心として対向配置されている。
各同軸状電極１０は、棒状の中心電極１２、管状のガイド電極１４及びリング状の絶縁体１６からなる。

棒状の中心電極１２は、単一の軸線Ｚ−Ｚ上に延びる導電性の電極である。中心電極１２は、軸線Ｚ−Ｚに対して線対称の外周面を有する。

管状のガイド電極１４は、軸線Ｚ−Ｚに対して回転対称に構成されることが望ましく、中心電極１２を一定の間隔を隔てて囲み、その間にプラズマ媒体を保有するようになっている。
プラズマ媒体は、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等のガスであることが好ましい。
また、ガイド電極１４の形状は回転対称に限られず、例えば長方形でもよい。

リング状の絶縁体１６は、中心電極１２とガイド電極１４の末端部間に位置する中空円筒形状の電気的絶縁体であり、中心電極１２とガイド電極１４の末端部間を電気的に絶縁する。
なお、絶縁体１６は、本実施形態では、軸線Ｚ−Ｚに対して回転対称であるが、本発明はこの形状に限定されず、ガイド電極１４が長方形のときは絶縁体１６も長方形でもよい。

上述した１対の同軸状電極１０の各中心電極１２は、同一の軸線Ｚ−Ｚ上に位置し、かつそれぞれの先端部が互いに間隔を隔てて対向している。

放電環境保持装置２０は、同軸状電極１０内にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマ発生に適した温度及び圧力に同軸状電極１０を保持する。プラズマ発生に適した温度は、例えば０〜３００℃であり、プラズマ発生に適した圧力は、例えば１〜１０×１０^−６ｔｏｒｒの真空度である。
放電環境保持装置２０は、例えば、真空チャンバー２２、排気装置２４、ガス供給系、温度調節器、及びプラズマ媒体供給装置により構成することができる。なお、真空チャンバーと排気装置は必須であるが、ガス供給系、温度調節器、及びプラズマ媒体供給装置は必須ではない。

図２において、本発明のプラズマ光源は、さらにプラズマ制御装置３０を備える。
プラズマ制御装置３０は、１対の中心電極１２の末端部に極性を反転させた放電電圧を印加して、中心電極１２とガイド電極１４の間にそれぞれ面状放電２を発生させ、面状放電２により１対の中心電極１２間の中間位置に単一のプラズマ３を形成し、次いで面状放電２を１対の中心電極１２間の管状放電４（図１参照）に繋ぎ変えてプラズマ３を封じ込める磁場を形成する機能を有する。
プラズマ３を形成する「中間位置」は、対称面１上に限定されず、中心電極１２先端の中点以外の位置であってもよい。

図２において、プラズマ制御装置３０は、正電圧源３４、負電圧源３６及びタイミング制御装置４０を有する。

正電圧源３４は、放電用コンデンサ３７ｂにエネルギを蓄積し、蓄積したエネルギを一方（図で左側）の中心電極１２に接地電圧（０Ｖ）より高い正の放電電圧を印加する。
負電圧源３６は、放電用コンデンサ３７ｂにエネルギを蓄積し、蓄積したエネルギを他方（図で右側）の中心電極１２に接地電圧（０Ｖ）より低い負の放電電圧を印加する。

タイミング制御装置４０は、正電圧源３４と負電圧源３６の印加タイミングを制御する。

図２において、正電圧源３４と負電圧源３６は、それぞれ高電圧蓄電装置３７とトリガスイッチ３８とを有する。

高電圧蓄電装置３７は、それぞれ高電圧電源３７ａと放電用コンデンサ３７ｂを有し、放電用コンデンサ３７ｂに所定の高電圧を充電する。所定の高電圧（充電電圧）は、好ましくは１０〜１５ｋＶの正電圧又は負電圧である。

トリガスイッチ３８は、高電圧パルス発生器３８ａ及びギャップスイッチ３８ｂからなり、高電圧パルス発生器３８ａから高電圧パルスを出力し、ギャップスイッチ３８ｂを作動させるようになっている。また、この例では、抵抗Ｒ１，Ｒ２を有し、ギャップスイッチ３８ｂを保護している。

タイミング制御装置４０は、高電圧パルス発生器３８ａにそれぞれパルス信号を出力し、このパルス信号により高電圧パルス発生器３８ａを作動させて、ギャップスイッチ３８ｂを作動させる。
このギャップスイッチ３８ｂの作動により、ギャップスイッチ３８ｂが短絡し、放電用コンデンサ３７ｂに充電された高電圧がそれぞれの同軸状電極１０に印加される。

図２において、１対のガイド電極１４は、それぞれ接地（アース）されている。
また、正電圧源３４の放電用コンデンサ３７ｂの一端が接地（アース）され、他端はガイド電極１４より高い正（＋）の高電圧に印加される。
また、負電圧源３６の放電用コンデンサ３７ｂの一端が接地（アース）され、他端はガイド電極１４より低い負（−）の高電圧に印加される。
正電圧源３４と負電圧源３６の高電圧は、好ましくは１０〜１５ｋＶの正電圧又は負電圧である。

さらに、タイミング制御装置４０は、それぞれの高電圧パルス発生器３８ａに出力するパルス信号の時間差を設定するタイマー（図示せず）を備え、それぞれの同軸状電極１０に放電電圧を印加するタイミングを制御できるようになっている。

図２において、トリガスイッチ３８と中心電極１２の間には、図示しない残留抵抗Ｒと浮遊インダクタンスＬが存在する。上述した電圧印加時の電流波形は、上述した印加電圧Ｖ、浮遊インダクタンスＬ、放電用コンデンサ３７ｂの静電容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ１，Ｒ２及び残留抵抗Ｒによって決定される。
本発明において、電圧印加時の電流波形は、周期Ｔのサイン波であり、その４分の１周期（Ｔ／４）は、０．５〜３μｓであることが好ましく、１〜２μｓであることが特に好ましい。

本発明によれば、同軸状電極１０から進展する２つ面状放電２（電流シート）が衝突する衝突タイミング、すなわち同軸状電極１０内の面状放電２を１対の同軸状電極１０間の管状放電に繋ぎ変える「繋ぎ変え時点」が、放電電圧による放電電流のピーク時点（Ｔ／４）より前になるように設定されている。

また、上述した放電用コンデンサ３７ｂの静電容量Ｃ１と充電電圧により、放電電流のピーク時点を設定してもよい。
また、同軸状電極１０の長さ、又は中心電極１２の先端間距離により、繋ぎ変え時点を設定してもよい。

上述した装置を用い、本発明の方法では、同軸状電極１０内の面状放電２を１対の同軸状電極１０間の管状放電に繋ぎ変える「繋ぎ変え時点」を、放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定する。

図３は、本発明による放電電圧と放電電流の実施例である。
この図は、負電圧源３６による同軸状電極１０（図１の右側）における中心電極１２とガイド電極１４間の放電電圧（負極電圧）と放電電流（負極電流）を示している。

この図において、横軸は時間（μｓ）、縦軸（左側）は負極電流（ｋＡ）、縦軸（右側）は負極電圧（ｋＶ）である。また、図中の実線は負極電流、破線は負極電圧を示している。

図２において、タイミング制御装置４０により高電圧パルス発生器３８ａを作動させると、ギャップスイッチ３８ｂが短絡する。
図３におけるパルス信号の出力（０μｓ）からギャップスイッチ３８ｂの短絡までの時間は、およそ１μｓである。

図２において、ギャップスイッチ３８ｂが短絡すると、放電用コンデンサ３７ｂに充電された高電圧がそれぞれの同軸状電極１０に印加される。
上述したように、電圧印加時の電流波形は、印加電圧Ｖ、浮遊インダクタンスＬ、放電用コンデンサ３７ｂの静電容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ１，Ｒ２及び残留抵抗Ｒによって決定されており、図３における電圧印加時の電流波形（負極電流）は、周期Ｔのサイン波であり、その４分の１周期（Ｔ／４）は、およそ１μｓである。

図３において、右側の斜線領域Ａは、放電電流のピーク時点に一致するように設定した衝突タイミング、すなわち繋ぎ変え時点である。
この場合、放電電流のピーク時点は、中心電極１２の電位（図で負極電圧）がほぼゼロから極性が反転するタイミングとなる。このタイミングで正負極（２つの同軸状電極１０）から進展する放電電流２が衝突した場合、中心電極１２間の電位差がほとんど無い状態となり、電流路の繋ぎ変えが生じにくいため、電流路の繋ぎ変え動作が安定しない。

図３において、左側の斜線領域Ｂは、本発明による衝突タイミング、すなわち繋ぎ変え時点である。

本発明によれば、面状放電２の衝突タイミングを放電電流のピーク時点より前、具体的には正負極の中心電極１２の電位がそれぞれ正電位、負電位にある状況で衝突するように設定される。
ギャップスイッチ３８ｂが短絡し、放電用コンデンサ３７ｂに充電された高電圧が同軸状電極１０へ印加された時点（図３の印加点）から、衝突タイミング（繋ぎ変え時点）までの時間は、例えば、同軸状電極１０の長さ、又は中心電極１２の先端間距離により、調節することができる。

その結果、面状放電２の衝突時に両方の面状放電２に繋ぎ変え方向に順方向の電位差があり、電流繋ぎ変えがスムーズに行なわれる。これにより、光源出力、動作が安定する。

上述したように、本発明の装置及び方法によれば、各同軸状電極１０内に発生した面状放電２を同軸状電極１０間の管状放電に繋ぎ変える「繋ぎ変え時点」が、各同軸状電極１０に対する放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定されているので、各同軸状電極１０の中心電極１２はそれぞれ印加された放電電圧の極性（＋又は−）を維持しており、繋ぎ変え時点において両方の面状放電２に繋ぎ変え方向に順方向の電位差があるので、繋ぎ変えがスムーズに行なわれる。
従って、電流路の繋ぎ変えの安定性を高め、プラズマ光源の出力、安定性、信頼性を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 対称面、２ 面状放電、３ プラズマ、４ 管状放電、
１０ 同軸状電極、１２ 中心電極、１４ ガイド電極、１６ 絶縁体、
２０ 放電環境保持装置、２２ 真空チャンバー、２４ 排気装置、
３０ プラズマ制御装置、３４ 正電圧源、３６ 負電圧源、
３７ 高電圧蓄電装置、３７ａ 高電圧電源、３７ｂ 放電用コンデンサ、
３８ トリガスイッチ、３８ａ 高電圧パルス発生器、
３８ｂ ギャップスイッチ、４０ タイミング制御装置

Claims (4)

1. 対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、を備え、
   前記同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の末端部間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
   前記中心電極は、前記軸線上に位置し、かつそれぞれの先端部が互いに間隔を隔てて対向しており、
   さらに、前記１対の中心電極の末端部に極性を反転させた放電電圧を印加して、中心電極とガイド電極の間にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により１対の中心電極間の中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の中心電極間の管状放電に繋ぎ変えて前記プラズマを封じ込めるプラズマ封じ込み磁場を形成するプラズマ制御装置を備えるプラズマ光源であって、
   前記繋ぎ変え時点は、前記放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定されている、ことを特徴とするプラズマ光源。
2. 前記プラズマ制御装置は、
   放電用コンデンサにエネルギを蓄積し、蓄積したエネルギを一方の中心電極に接地電圧より高い正の放電電圧で印加する正電圧源と、
   放電用コンデンサにエネルギを蓄積し、蓄積したエネルギを他方の中心電極に接地電圧より低い負の放電電圧で印加する負電圧源と、
   前記正電圧源と負電圧源の印加タイミングを制御するタイミング制御装置と、を有しており、
   前記放電用コンデンサの静電容量と放電回路のインダクタンスにより、前記ピーク時点が設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
3. 前記同軸状電極の長さ、又は前記中心電極の先端間距離により、前記繋ぎ変え時点が設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
4. 対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、を備え、
   前記同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の末端部間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
   前記中心電極を、前記軸線上に位置し、かつそれぞれの先端部を互いに間隔を隔てて対向させ、
   前記１対の中心電極の末端部に極性を反転させた放電電圧を印加して、中心電極とガイド電極の間にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により１対の中心電極間の中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の中心電極間の管状放電に繋ぎ変えて前記プラズマを封じ込めるプラズマ封じ込み磁場を形成するプラズマ光発生方法であって、
   前記繋ぎ変え時点を、前記放電電圧による放電電流のピーク時点より前に設定する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法。