JP5930553B2

JP5930553B2 - Ｌｐｐ方式のｅｕｖ光源とその発生方法

Info

Publication number: JP5930553B2
Application number: JP2014152154A
Authority: JP
Inventors: 一彦堀岡; 一桑原
Original assignee: IHI Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: IHI Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2014207246A

Description

本発明は、ＬＰＰ方式のＥＵＶ光源とその発生方法に関する。

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、極端紫外光源（ＥＵＶ：ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）であり、およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を意味する。この領域の光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。また極端紫外光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、高エネルギー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方式（ＬＰＰ：ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）とパルスパワー技術によって駆動されるガス放電方式（ＤＰＰ：ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）に大別できる。
本発明は、ＬＰＰ方式のＥＵＶ光源に関する。ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

図１は、特許文献１に開示された従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。この方法は、少なくとも１つのターゲット５７をチャンバー内で発生させるとともに、少なくとも１つのパルスレーザービーム５３をチャンバー内でターゲット５７に集光させるものである。ターゲットは液体の噴流の形態で発生し、レーザービーム５３は噴流の空間的に連続した部分に集光される。
またこの装置は、少なくとも１つのレーザービーム５３を発生するための手段と、チャンバーと、少なくとも１つのターゲット５７をチャンバー内で発生するための手段５０と、レーザービーム５３をチャンバー内でターゲット５７に集光させるための手段５４とを含む。ターゲット発生手段５０は、液体の噴流を発生し、集光手段５４は、レーザービーム５３を噴流の空間的に連続した部分に集光させるようになっている。
なお、この図で、５１は集光点、５２は液滴、５５は液滴形成点である。

図２は、特許文献２に開示された従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。
この装置は、レーザー発振部６１と、集光レンズ等の集光光学系６２と、ターゲット供給装置６３と、ターゲットノズル６４と、ＥＵＶ集光ミラー６５とを含んでいる。レーザー発振部６１は、ターゲット物質を励起させるためのレーザービームをパルス発振するレーザー光源である。レーザー発振部６１から射出したレーザービームは、集光レンズ６２によって所定の位置に集光される。一方、ターゲット供給装置６３は、ターゲット物質をターゲットノズル６４に供給し、ターゲットノズル６４は、供給されたターゲット物質を所定の位置に噴射する。

ターゲット物質にレーザー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６６が発生し、そこから極端紫外光６７（ＥＵＶ）光が放射される。ＥＵＶ集光ミラー６５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。プラズマ６６から放射されたＥＵＶ光６７は、ＥＵＶ集光ミラー６５により集光反射され、出力ＥＵＶ光として露光装置等に出力される。

特表２０００−５０９１９０号公報特開２００７−２０７５７４号公報

上述した従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源は、レーザー光源として高出力のパルスレーザー（例えば０．１Ｊ／Ｐｕｌｓｅ）を用い、これをターゲット物質に高繰り返し（例えば１００ｋＨｚ）で照射し、実用出力（例えば１００Ｊ／ｓ＝１００Ｗ）のＥＵＶ光源を得ることが原理的に可能である。

しかし、引用文献１及び２に記載されたＥＵＶ光源では、ターゲット物質のショット毎に生成されたプラズマを排気しているため、ターゲット物質（錫、リチウム、キセノン等）の蒸気化、プラズマ化に要したエネルギーをショット毎に廃棄することとなり、ターゲット物質及びエネルギーの利用効率が低い問題点があった。
また、実用出力を目指す、高繰り返し運転化（１０〜１００ｋＨｚ）においては、発光源物質（すなわちターゲット物質）の廃棄は、デブリ発生、チャンバーの真空度悪化などの大きな問題を引き起こしていた。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ターゲット物質及びエネルギーの利用効率を大幅に高めることができ、かつデブリの発生とチャンバーの真空度悪化を抑制することができるＬＰＰ方式のＥＵＶ光源とその発生方法を提供することにある。

本発明によれば、所定の真空環境に保持された真空チャンバーと、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成するガスジェット装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射するレーザー装置と、を備え、
前記極超音速定常ガスジェットは、リチウムのガスもしくはクラスターからなる金属ガスジェットであり、
前記ガスジェット装置は、
極超音速ノズルと、
前記真空チャンバー内に前記極超音速ノズルとの間に、２．５μｍ以上、５μｍ以下の直径の集光点を挟んで対向配置された温度制御された回収プレートと、
前記極超音速定常ガスジェットを前記極超音速ノズルから噴射しかつ温度制御された前記回収プレートにより液体金属として回収して循環させるガス再循環装置と、
前記極超音速ノズルと前記ガス再循環装置の間に設けられたターゲット加熱装置と、を有し、
前記ターゲット加熱装置により、温度制御された前記回収プレートに流れる前の前記ターゲット物質を加熱し、
前記レーザー光の前記集光点においてリチウムである前記ターゲット物質を１０ｅＶまで加熱することにより励起してプラズマを発生させ、前記集光点から極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光源が提供される。

ここで、レーザー装置は連続出力のほか、パルス出力の装置の使用も可能である。
また、ガスジェットの構成物質は常温気体物質である必要はなく、ガス供給部を高温にすることにより、金属ガスジェットを形成する事も可能である。この場合、ガスジェット形成は極超音速ノズルによりなされるが、回収側は極超音速ディフューザーである必要は無く、温度制御された回収プレート等により液体金属として回収する事も可能である。さらに、金属ガスジェットの場合、レーザー照射領域において金属原子が完全にバラバラのガス状でなく、複数原子が凝集したクラスタージェットとなる事もある。

前記極超音速ノズルは、スロート部を有するラバールノズルである。

また本発明によれば、真空チャンバー内を所定の真空環境に保持し、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、
前記極超音速定常ガスジェットは、リチウムのガスもしくはクラスターからなる金属ガスジェットであり、
ターゲット加熱装置により温度制御された回収プレートに流れる前の前記ターゲット物質を加熱し、
前記極超音速定常ガスジェットを極超音速ノズルから噴射しかつ温度制御された前記回収プレートにより液体金属として回収して循環させ、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を２．５μｍ以上、５μｍ以下の直径の集光点に集光して照射してリチウムである前記ターゲット物質を１０ｅＶまで加熱し、
前記レーザー光の前記集光点において前記ターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、前記集光点から極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、ガスジェット装置により、真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、かつレーザー装置により、極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射して、レーザー光の集光点においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光を発光させることができる。

従って、ショット毎に生成されたプラズマ及びターゲット物質を排気する従来例と比較して、ターゲット物質を回収し循環使用できるので、ターゲット物質の利用効率を大幅に高めると共に、エネルギーの利用効率を大幅に高めることができる。またこれにより、デブリの発生とチャンバーの真空度悪化を抑制することができる。

特許文献１に開示された従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。特許文献２に開示された従来のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。本発明によるＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。図３のプラズマ光源の部分拡大図である。

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３は、本発明によるＬＰＰ方式ＥＵＶ光源の構成図である。この図において、本発明のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源１０は、真空チャンバー１２、ガスジェット装置１４及びレーザー装置１６を備える。

真空チャンバー１２は、真空ポンプ１３を備え、これにより内部を所定の真空環境に保持する。真空チャンバー１２には、レーザー光３（後述する）を透す光学窓１２ａが設けられている。

ガスジェット装置１４は、真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を連続的に形成し回収する。
ターゲット物質は、Ｘｅ（キセノン），Ｓｎ（スズ），Ｌｉ（リチウム）等のガスもしくはクラスターであることが好ましい。

この例において、ガスジェット装置１４は、極超音速ノズル１４ａ、温度制御された回収プレート１４ｂ及びガス再循環装置１５を有する。

極超音速ノズル１４ａと回収プレート１４ｂは、真空チャンバー１２に集光点２を挟んで対向配置されている。
極超音速ノズル１４ａの末端（図で上端）と回収プレート１４ｂの先端（図で下端）とは、集光点２を挟んで所定の隙間を隔てている。この隙間は、真空チャンバー１２内の真空環境に連通している。

極超音速ノズル１４ａは、スロート部を有するラバールノズルであり、亜音速で流入するガス（ターゲット物質）を極超音速まで加速して集光点２に向けて噴射する。また、温度制御された回収プレート１４ｂは、スロート部を有するラバールノズル形状を持ち、集光点２を通過した極超音速のガス（ターゲット物質）の大部分を内部に受け入れ、これを亜音速まで減速するようになっている。

ガス再循環装置１５は、この例では、吸引ポンプ１５ａ、ターゲットチャンバー１５ｂ、及び吐出ポンプ１５ｃからなる。
ガス再循環装置１５は、ターゲット物質を供給ライン１７ａを介して極超音速ノズル１４ａまで亜音速で供給し、極超音速ノズル１４ａからターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を極超音速（Ｍ＞５）で噴射し、かつ温度制御された回収プレート１４ｂにより液体金属として回収して戻りライン１７ｂを介して吸引ポンプ１５ａまで戻すことにより、ターゲット物質を循環使用するようになっている。なお、ターゲットチャンバー１５ｂには、ターゲット物質が外部から補給される。

さらに、ガスジェット装置１４は、真空チャンバー１２のバックプレッシャーを高めず、かつレーザー光３の吸収とＥＵＶ光４の放出に適した高密度のターゲット物質領域を集光点２に定常的に形成するように、気体力学的に設計されている。
なお、一般的に、極超音速及び極超音速定常ガスジェット１とは、Ｍ＞５の極超音速流を意味するが、本発明では、上記要件を満たす限りで、Ｍ＞１であればよい。

また、温度制御された回収プレート１４ｂに流れる前のターゲット物質を加熱するために、極超音速ノズル１４ａとガス再循環装置１５の間にターゲット加熱装置１８を設けるのが好ましい。ターゲット加熱装置１８は温度制御された回収プレートに流れる前のターゲット物質を加熱する。この加熱手段は、任意である。

レーザー装置１６は、レーザー光３を連続的あるいはパルス的に発振するレーザー発振器１６ａと、レーザー光３を集光点２に集光する集光レンズ１６ｂとを有し、極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射する。
この例において、レーザー光３の光路は、極超音速定常ガスジェット１の流路に直交しているが、本発明はこれに限定されず、斜めに交差してもよい。また、レーザー装置１６及びレーザー光３は、それぞれ１つずつに限定されず、２以上を用いてもよい。

レーザー発振器１６ａには、ＣＯ_２レーザー（波長約１０μｍ）、ＣＯレーザー（波長約５μｍ）、ＹＡＧレーザー（波長約１μｍ及び約０．５μｍ）等を用いることができる。特に、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用いるのが好ましいが、本発明は、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーに限定されず、ＣＯ_２レーザーであってもよい。

集光レンズ１６ｂは、集光点２の直径を、約１０μｍ以下、さらに好ましくは約５μｍ以下に集光できる凸レンズ系であるのがよい。

上述した装置を用い、本発明のＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法では、
（Ａ）真空チャンバー１２内を所定の真空環境に保持し、
（Ｂ）真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を回収可能に形成し、
極超音速定常ガスジェットは、スズ又はリチウムのガスもしくはクラスターからなる金属ガスジェットであり、
（Ｃ）ターゲット加熱装置により温度制御された回収プレートに流れる前のターゲット物質を加熱し、
（Ｄ）前記極超音速定常ガスジェットを極超音速ノズルから噴射しかつ温度制御された回収プレートにより液体金属として回収して循環させ、
（Ｅ）極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射して、レーザー光の集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させる。

図４は、図３のプラズマ光源の部分拡大図である。
ターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光４を発光させるには、集光点２においてターゲット物質がプラズマ化する温度まで加熱する必要がある。このプラズマ化温度の最適温度条件は、キセノンガスの場合は約３０ｅＶであり、リチウムガスの場合は約１０ｅＶである。
プラズマ化して極端紫外光４を発光する発光プラズマの総輻射量は、黒体輻射体の場合最大であり、プラズマサイズ（すなわち集光点２の直径）が１０μｍの場合、３０ｅＶのキセノンガスからの輻射量は約１５０ｋＷに達し、１０ｅＶのリチウムガスからの輻射量はその１／８０程度（約１．９ｋＷ）となる。実際の発光プラズマは黒体ではなく、ＥＵＶ発光プラズマからの総輻射量はこれより低くなる。エネルギーバランス調整の観点から、レーザーの最小集光径は、プラズマ総輻射量に相当するエネルギーを、レーザー発振器１６ａから集光点２に供給できる事が望ましい。

集光レンズ１６ｂで集光可能な集光点２の直径は、レーザー光の波長にほぼ相当し、ＣＯ_２レーザーの場合は約１０μｍ、ＣＯレーザーの場合は約５μｍ、ＹＡＧレーザーの場合は約１μｍ又は約０．５μｍである。
上述した輻射量に相当するエネルギーを集光点２に集光させるために、集光点２の直径は、小さいほど好ましく、その観点から、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用いるのが好ましい。

例えば、ＹＡＧレーザーを用い、集光点２の直径が２．５μｍの場合、３０ｅＶのキセノンガスからの輻射量は約９．４ｋＷ（１５０ｋＷの場合の１／４^２）となる。同様に、例えば、ＣＯレーザーを用い、集光点２の直径が５μｍの場合、１０ｅＶのリチウムガスからの輻射量は約４７０Ｗ（１５０ｋＷ×１／８０×１／２^２）となる。

一方、レーザーからの発光プラズマの入熱は、プラズマサイズ（すなわち集光点２の直径）を極超音速定常ガスジェット１が通過する間にレーザー発振器１６ａから受けるエネルギーであり、これはガスジェット１の速度及びレーザー発振器１６ａの出力から計算でき、集光点２の直径には影響されない。

従って、ＹＡＧレーザー又はＣＯレーザーを用い、集光点２の直径をできるだけ小さく（例えば、２．５μｍ〜５μｍ）することにより、出力を有する比較的小出力（例えば１〜１０ｋＷ）のレーザー発振器１６ａで、集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させることができる。

ＥＵＶ光の総収量を増やすには、レーザー出力、レーザー波長、発光物質の組み合わせで、ＥＵＶ光の発生効率の高いエネルギーバランスを保ちながら、プラズマサイズ（集光サイズ）を大きくする事で増加させる事ができる。

上述した本発明の装置と方法によれば、ガスジェット装置１４により、真空チャンバー１２内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェット１を回収可能に形成し、かつレーザー装置１６により、極超音速定常ガスジェット１にレーザー光３を集光して照射して、レーザー光の集光点２においてターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、そこから極端紫外光４を発光させることができる。

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極超音速定常ガスジェット、２集光点、３レーザー光、
４ＥＵＶ光（極端紫外光）、１０ＬＰＰ方式ＥＵＶ光源、
１２真空チャンバー、１２ａ光学窓、１３真空ポンプ、
１４ガスジェット装置、１４ａ極超音速ノズル、
１４ｂ温度制御された回収プレート、１５ガス再循環装置、
１５ａ吸引ポンプ、１５ｂターゲットチャンバー、
１５ｃ吐出ポンプ、１６レーザー装置、１６ａレーザー発振器、
１６ｂ集光レンズ、１７ａ供給ライン、１７ｂ戻りライン、
１８ターゲット加熱装置

Claims

所定の真空環境に保持された真空チャンバーと、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成するガスジェット装置と、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を集光して照射するレーザー装置と、を備え、
前記極超音速定常ガスジェットは、リチウムのガスもしくはクラスターからなる金属ガスジェットであり、
前記ガスジェット装置は、
極超音速ノズルと、
前記真空チャンバー内に前記極超音速ノズルとの間に、２．５μｍ以上、５μｍ以下の直径の集光点を挟んで対向配置された温度制御された回収プレートと、
前記極超音速定常ガスジェットを前記極超音速ノズルから噴射しかつ温度制御された前記回収プレートにより液体金属として回収して循環させるガス再循環装置と、
前記極超音速ノズルと前記ガス再循環装置の間に設けられたターゲット加熱装置と、を有し、
前記ターゲット加熱装置により、温度制御された前記回収プレートに流れる前の前記ターゲット物質を加熱し、
前記レーザー光の前記集光点においてリチウムである前記ターゲット物質を１０ｅＶまで加熱することにより励起してプラズマを発生させ、前記集光点から極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光源。
前記極超音速ノズルは、スロート部を有するラバールノズルである、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＰＰ方式ＥＵＶ光源。
真空チャンバー内を所定の真空環境に保持し、
該真空チャンバー内にターゲット物質の極超音速定常ガスジェットを回収可能に形成し、
前記極超音速定常ガスジェットは、リチウムのガスもしくはクラスターからなる金属ガスジェットであり、
ターゲット加熱装置により温度制御された回収プレートに流れる前の前記ターゲット物質を加熱し、
前記極超音速定常ガスジェットを極超音速ノズルから噴射しかつ温度制御された前記回収プレートにより液体金属として回収して循環させ、
前記極超音速定常ガスジェットにレーザー光を２．５μｍ以上、５μｍ以下の直径の集光点に集光して照射してリチウムである前記ターゲット物質を１０ｅＶまで加熱し、
前記レーザー光の前記集光点において前記ターゲット物質を励起してプラズマを発生させ、前記集光点から極端紫外光を発光させる、ことを特徴とするＬＰＰ方式ＥＵＶ光発生方法。