JPH0414480B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、マイクロ波無電極光源装置に関する
ものであつて、更に詳細には、遠紫外線等の紫外
線を使用するフオトリソグラフイに使用するのに
適したマイクロ波無電極光源装置に関するもので
ある。

従来技術 遠紫外線フオトリソグラフイにおける露光工程
は非常に輝度が高く、且つ遠紫外線領域（190−
260nm）において相対的に高いパワーを有する光
源を使用することが必要である。現在最も広範に
使用されている光源は、ランプ被包体内の２つの
電極間に発生するアーク放電により放射が発生さ
れるキセノン−水銀（Xe−Hg）アークランプで
ある。

Xe−Hgアークランプ及び遠紫外線フオトリソ
グラフイにおいて試みられたその他のアークラン
プに関する第１の問題は、遠紫外線領域における
スペクトルパワーがあまりにも低すぎるというこ
とである。例えば、Xe−Hgアークランプは、入
力されたパワーの２％以下を遠紫外線に変換する
に過ぎない。

マイクロ波無電極光源装置は従来公知である
が、従来装置は、典型的に、その輝度が相対的に
低いか又は中程度のものである。この場合に、輝
度は、放射束パワー／表面積として定義される。
従つて、従来装置は、高い輝度が必要とされるフ
オトリソグラフイ又は他の用途への適用に対して
は適当ではない。従来、高い輝度の光源を得るた
めに、マイクロ波エネルギを高いパワー密度で小
さなランプ被包体に結合させるための無電極光源
装置は提供されていない。

目 的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、上述した如き従来技術の欠点を解消し、高輝
度及び高効率であり特に遠紫外線フオトリソグラ
フイに使用するのに好適なマイクロ波無電極光源
装置を提供することを目的とする。

構 成 本発明によれば、マイクロ波空胴と、該空胴内
に配置されるランプ被包体とを有しており、ラン
プ被包体の最大寸法が使用されるマイクロ波エネ
ルギの波長よりも実質的に小さいものであること
を特徴とするマイクロ波無電極放電光源装置が提
供される。ランプ被包体は、遠紫外線等の所望の
波長領域の光を放射するプラズマを形成する光発
生用媒体が封入されている。マイクロ波空胴は、
マイクロ波を被包体に結合させるためのスロツト
が形成されている。好適には、マイクロ波空胴の
内側表面は、例えば紫外線反射性材料で被覆処理
して、反射性とされている。マイクロ波空胴に
は、更に、開口が形成されており、該開口は、紫
外線等の光を実質的に透過させるがマイクロ波は
実質的に透過させない金属網で被覆されている。

マイクロ波空胴内に導入されるマイクロ波を小
型の被包体に効果的に結合させるために、マイク
ロ波空胴はマイクロ波エネルギの単一波長におい
て共振に近い状態、即ち準共振状態であるように
構成することが良い。更に、被包体内に封入する
プラズマ形成用媒体は、１気圧程度の比較的に低
い圧力で封入した水銀を有することが可能であ
る。少なくとも250〜300ワツト／cm³のパワー密度
のエネルギが被包体に結合されると、被包体の内
側表面に発生する皮殻深さが小さくなり、従つて
被包体内で発生する放電の大部分が被包体の半径
方向外側に向けて発生する。その結果、比較的高
い輝度レベルで比較的高い遠紫外線出力を得るこ
とが可能である。

本発明の無電極光源装置は、特に遠紫外線フオ
トリソグラフイにおいて使用するのに好適であ
る。本発明装置によれば、好適な実施形態におい
て、入力された電気エネルギの約８％を所要の輝
度レベルの遠紫外線領域の光出力に変換させるこ
とが可能である。一方、広く使用されている従来
の小型のアークランプ光源においては、その変換
効率は約２％であるに過ぎない。

実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実
施の態様について詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明の１実施例に基づ
いて構成されたマイクロ波無電極光源装置２が示
されており、それは、マイクロ波空胴４及び該空
胴４内に配置されているランプ被包体６を具備し
ている。ランプ被包体６は、使用されるマイクロ
波エネルギの波長よりも実質的に小さい最大寸法
を有している。又、マイクロ波空胴４は、マイク
ロ波エネルギをランプ被包体に結合させるために
空胴４内に導入するためのスロツト８が形成され
ている。マイクロ波エネルギは電源１２により駆
動されるマグネトロン１０により発生され、導波
管１４を介して、スロツト８を介してマイクロ波
空胴４内に導入される。

本光源装置は、マイクロ波に関する設計条件に
よつて支配されないような紫外線出力部の形状を
有するものであることが望ましい。即ち、マイク
ロ波空胴４は、光学的観点から所望の形状を有す
るように構成することが可能であることが望まし
い。マイクロ波空胴４の内側は、好適には、紫外
線反射性材料で被覆されている。マイクロ波空胴
４は、ランプ被包体６から放出される紫外線放射
が空胴４の外部へ取りだされることを許容する開
口１８が形成されている。開口１８は、紫外線放
射を実質的に透過させるがマイクロ波エネルギを
実質的に透過させることのない金属性の網２０で
被覆されている。

本発明の他の特徴によれば、マイクロ波エネル
ギをランプ被包体６に効果的に結合させるため
に、マイクロ波空胴４自身は共振近傍、即ち準共
振状態であるが、ランプ被包体６が存在しない状
態のマイクロ波空胴４に対して計算される如き共
振状態ではないように構成する。共振近傍、即ち
準共振の条件は、小さな被包体６に対してマイク
ロ波の結合を最大とすることを可能とし、従つて
最大の光出力を得ることを可能とする。更に、結
合を最大とするために、マイクロ波空胴は、多数
の波長ではなく、所定の単一波長で共振近傍状態
とすることが望ましく、これによりマイクロ波エ
ネルギを効果的に吸収させることを可能となる。

第１図に示した本発明の好適実施態様において
は、ランプ被包体６は、マイクロ波空胴４と同様
に球形であり、且つ被包体６はマイクロ波空胴４
の中心に位置されている。第１図に示したスロツ
ト８と開口１８の相対的位置関係は、網２０を介
して均一な紫外線出力を外部に取り出すことを可
能とする。このことは、特に均一な放射を必要と
する紫外線フオトリソグラフイの適用において重
要である。

遠紫外線フオトリソグラフイに必要な輝度レベ
ルを与えるために、従来のパワー密度レベルより
も実質的に高いパワー密度を被包体６に結合させ
ることが重要である。同時に、遠紫外線のスペク
トル領域において比較的高い出力を得ることが所
望され、且つ、このことを達成するためには、発
生される紫外線放射が被包体６の半径方向内側へ
向かうのではなく半径方向外側に向かつて放出さ
れるものであることが望ましいことが判明した。
その理由は、被包体６の半径方向内側に向けて発
生された紫外線放射は被包体６の壁に到達する前
に内部のプラズマにより吸収される傾向となり、
又遠紫外線波長はこのプラズマに優先的に吸収さ
れる傾向があると考えられるからである。

半径方向外側において紫外線放射を発生させる
ためには、プラズマの皮殻深さεを比較的薄いも
のとすることが必要である。然し乍ら、皮殻深さ
が一層薄くなると、マイクロ波エネルギを被包体
６内のプラズマに結合させることは一層困難とな
る。好適実施態様においては、プラズマ形成用媒
体の水銀の圧力を比較的低く設定し、例えば、１
気圧乃至２気圧の範囲に設定し、且つ300ワツ
ト／cm³以上のパワー密度においてマイクロ波エネ
ルギを結合させることにより、所要の輝度レベル
において向上した遠紫外線スペクトルの光出力が
得られることが判明した。

第１図に示された本発明の好適実施態様におい
ては、金属製のマイクロ波空胴４は、網２０によ
り被覆されている2.8インチ（7.11cm）の直径の
円形開口１８を有する3.9インチ（9.91cm）の直
径の球形状を有している。網２０は、ワイヤ中心
間の間隔が0.033インチ（0.08cm）である直径が
0.0017インチ（0.004cm）のワイヤからなる格子
である。球形ランプ被包体６は内径が0.75インチ
（1.91cm）であり、Hg及びアルゴンの如き希ガス
及びHgCl₂を充填している。充填されている水銀
は比較的低い圧力にあり、且つ操作期間中、Hg
は約１〜２気圧であり、アルゴンは約100〜200ト
ールである。適当なHgの操作圧力を得るために、
液体水銀約２×10^-6mlの容量を製造期間中にバル
ブ即ちランプ被包体６内に封入する。

マグネトロン１０は、2450MHzの周波数におい
てマイクロ波パワー約1500ワツトを与える。この
パワーの大部分はプラズマに結合されて、約500
ワツト／c.c.のパワー密度を発生する。その結果得
られる本光源装置は、遠紫外線スペクトル領域に
おいて、約８％の変換効率を有しており、且つ約
190ワツト／c.c.で放射する高輝度光源装置である。
又、本光源装置は、結合スロツトに入るパワーの
大部分が吸収され、ほんの少量のみが反射される
に過ぎないので、非常に効率が良く、このこと
は、マグネトロンに適切な長寿命をもたらす。

好適実施形態として、球形のランプ被包体及び
球形マイクロ波空胴を有する場合について説明し
たが、その他の被包体及びマイクロ波空胴の形状
を使用することも本発明の技術的範囲を逸脱する
ことなしに使用可能であることは勿論である。

例えば、別の実施例として、第２図は、円筒形
状のマイクロ波空胴内に球形のランプ被包体を配
設した構成を示している。第２図に示した如く、
マイクロ波空胴３０は、大略円筒形状であり、マ
イクロ波を空胴３０内に導入する為の結合スロツ
ト３２を有すると共に、空胴３０内部に配設され
たランプ被包体３８から放射される紫外線照射が
マイクロ波空胴３０から外部へ取り出されるため
の開口３４を有している。結合スロツト３２は、
空胴３０の円筒形状表面に軸方向に延在して設け
られており、一方開口３４は紫外線を透過させる
がマイクロ波を透過させることのない網３６で被
覆されている。又、開口３４は、結合スロツト３
２とは、円筒形状の空胴３０の直径方向に対向し
て配置されている。

ランプ被包体３８は、円筒形状のマイクロ波空
胴３０の幾何学的中心、即ち円筒の中心軸の中心
で且つ直径方向における中心、に位置されてお
り、該空胴３０は、単一波長に対して共振の近
傍、即ち準共振であるように寸法決定されてい
る。ランプ被包体３８としては、球形以外の任意
の形状とすることも可能であり、又マイクロ波空
胴３０の形状も円筒形状以外の種々の形状、例え
ば、楕円体、双曲面、放物面、及び凹角球等の形
状とすることが可能である。更に、マイクロ波空
胴３０は、１個を超えた数の結合スロツトを具備
することが可能である。

マイクロ波無電極光源装置において、ランプ被
包体が操作される高いパワー密度においては、通
常石英から構成される被包体の表面を非常に高温
状態とさせる。従つて、このようなランプ被包体
が十分に冷却されない場合には、被包体は溶融を
開始し破裂することとなる。無電極光源装置にお
けるランプ被包体を冷却するための通常の方法
は、固定したランプ被包体に対して空気を吹き付
けることである。例えば、米国特許第44042850号
に開示される正の強制空気システムにおいては、
圧縮機からの空気が空胴内に導入されてランプ被
包体を通過するものであり、一方、負の即ち真空
型システムにおいては、空気は空胴から吸引さ
れ、その際にランプ被包体の周りから空気を持ち
去るものである。従来の冷却システムの限界条件
は特公昭55−154097号に記載されており、それに
は、強制空気を使用した場合には、100ワツト／
c.c.のパワー密度が限界であり、何故ならば、それ
よりも高いパワー密度ではランプ被包体を破裂さ
せることとなることが記載されている。そして、
高輝度の光源装置を得るために、操作期間中にラ
ンプ被包体を水中に浸漬させるシステムを提案し
ている。

本発明によれば、１つ又はそれ以上の冷却ガス
の流れをランプ被包体に向けて吹き付け、一方ラ
ンプ被包体をそれを通過する所定の軸線の周りに
回転させることを特徴としている。ランプ被包体
が回転されるので、被包体の表面部分は順次に冷
却ガスの流れに露呈され直接的に冷却ガスにより
冷却されることとなる。従つて、ランプ被包体の
ほぼ全表面積が十分に且つ一様に冷却されること
となり、冷却ガスにより最大の冷却効果を得るこ
とを可能としている。ランプ被包体の全表面積を
ほぼ均一の温度に維持することが可能であるの
で、ランプ被包体の全表面積にわたつてほぼ均一
な光照射を得ることが可能であり、従つて、最終
的に得られる光照射もほぼ均一なものとなり、こ
のことは、特にマイクロ波空胴の設計を容計とす
る。更に、ランプ被包体はほぼ均一に冷却するこ
とが可能であるから、パワー密度が高い場合であ
つても、ランプ被包体に発生する応力が均一化さ
れ、従つてランプ被包体の破裂の可能性をほぼ完
全に取り除いている。従つて、ランプ被包体を固
定した状態で冷却ガスの流れを吹き付ける従来技
術と比較して、本発明の冷却システムは顕著な効
果を奏することが可能である。

第１図を参照して説明すると、ランプ被包体６
は心棒２９の先端に固着されており、心棒２９の
他端はモータ２３の回転軸２８に連結されてい
る。図示例においては、心棒２９はマイクロ波空
胴４の一部に形成した孔を介して外部へ延在して
おり、心棒２９は連結部材２７を介してモータ２
３の回転軸２８に連結されている。後述する如
く、心棒２９が通過する孔からマイクロ波が外部
へ漏洩することを防止するために適宜のシール手
段が施されている。

マイクロ波空胴４の開口１８は、紫外線等の光
は透過させるがマイクロ波は透過させることのな
い網２０で被覆されており、網２０は当業者に公
知の任意の機械的手段を使用して開口１８に取付
けることが可能である。第１図に示した実施例に
おいては、網２０は、網取付プレート３７をマイ
クロ波空胴４へ溶接させることにより、開口１８
に固定されている。

当業者に公知の種々の機械的手段を使用してモ
ータ２３を心棒２９に連結させることが可能であ
る。第１図に示した実施例においては、フランジ
２１がマイクロ波空胴４に装着されており、その
一端は網取付プレート３７に、他端は支持ロツド
６０に支持されている。心棒２９は、その一端に
フエルール６１が形成されており、該フエルール
６１は円筒形状をした連結部材２７に接着して固
定されている。連結部材２７内部にはガスケツト
２６が詰められており、心棒２９とマイクロ波空
胴４の孔との間の隙間を介して外部へマイクロ波
が漏洩することを防止している。モータ２３の回
転軸２８は連結部材２７の他端に挿入され且つ例
えば螺子止めされている。従つて、心棒２９は、
実質的には、モータ２３の回転軸２８の延長部と
して機能する。モータ２３は、取付ポスト２２を
介してフランジ２４に装着されている。図示した
如くに、バネ２５を設けることが可能である。
又、取付ポスト２２を螺子調節することにより、
ランプ被包体６をマイクロ波空胴４内の所望の位
置に位置させることが可能である。

第３図は、心棒２９の長手軸方向に見た場合の
第１図の実施例の概略断面を示しており、所定の
態様で配置された複数個の冷却ノズルの位置関係
を示している。導管５０及び５４が、圧縮空気供
給源３８から延在しており、夫々の導管５０及び
５４にはノズル４０，４２及び４４，４６が形成
されている。マイクロ波空胴４には適数個（本実
施例においては、４個）の冷却空気導入孔が穿設
されており、これらの導入孔の夫々に対応してノ
ズル４０，４２，４４，４６が外部からマイクロ
波空胴４内部に冷却空気を吹き込む態様で配置さ
れている。本実施例においては、各ノズル４０，
４２，４４，４６の先端は、マイクロ波空胴４の
ほぼ中心に向けて指向されており、従つて各ノズ
ルから流出する冷却空気の流れは、そのノズルの
対向するランプ被包体６の表面部分に向けて指向
される。即ち、圧縮空気源３８から圧縮空気が導
管５０及び５４を介して各ノズル４０，４２，４
４，４６からランプ被包体６へ向けて吹き付けら
れ、一方被包体６は矢印で示した如くに所定の回
転方向に回転される。従つて、各ノズルから吹き
付けられる冷却空気の流れは、満遍無くランプ被
包体６のほぼ全表面をほぼ均一に冷却することが
可能である。尚、圧縮空気を冷却ガスとして使用
した場合について説明したが、冷却ガスとして
は、例えば窒素又はヘリウム等のその他の冷却ガ
スを使用することも可能である。

上述した如く、ランプ被包体６が回転するの
で、ノズル４０，４２，４４，４６は固定して配
設されているにも拘らず、ランプ被包体６の全表
面は順次にノズル４０，４２，４４，４６から吹
き出される冷却ガスの流れに露呈されることとな
り、従つて、ランプ被包体６の全表面が十分に且
つ均一に冷却されることとなる。所望により、よ
り多くの又はより少ない数のノズルを設けること
も可能である。第３図に示した態様において、
0.75インチ（1.91cm）の直径の球形のランプ被包
体６を使用した場合には、各ノズルは球形のラン
プ被包体６の中心を通過する面内に位置させる。
何故ならば、第１図に示した状態の場合には、ホ
ツトスポツトがこの面において発生することが判
明したからである。一方、1.0インチ（2.54cm）
の直径の球形のランプ被包体６を使用した場合に
は、ランプ被包体６の表面部分７０及びそれと直
径方向における対応表面部分において一層多くの
冷却が必要であることが判明した。従つて、この
場合には、ノズル４０はマイクロ波空胴４の中心
から１側部に僅かにずらして指向させ、一方ノズ
ル４２は同様に、他側部に僅かにずらして指向さ
せ、更に、ノズル４４及び４６も同様に僅かにず
らして指向させることが必要であつた。

効 果 以上詳説した如く、本発明によれば、遠紫外線
に富んだ光を照射することが可能であり効率の良
い高輝度光源としてのマイクロ波無電極光源装置
が提供される。特に、ランプ被包体の最大寸法を
使用するマイクロ波の波長よりも実質的に小さく
設定することにより、電磁界の強度が実質的に低
下した部分をランプ被包体内部から取り除くこと
が可能であり、従つて高強度の照射を発生するこ
とが可能な高輝度光源を提供することが可能であ
り、且つランプ被包体が小さいので、内部に発生
するプラズマも一様であり、従つてランプ被包体
から発生される光照射も極めて一様である。更
に、ランプ被包体は小さいので、点光源に近づ
き、従つて、光源装置から外部に取りだされる光
照射も全体的に極めて一様性が向上される。又、
使用するマイクロ波の波長に比較して十分に小さ
いから、ランプ被包体がマイクロ波空胴内の位置
を多少変化したとしても、ランプ被包体に印加さ
れるマイクロ波の強度分布は実質的に影響を受け
ることが無く、従つて設計及び製造は極めて容易
となる。特に、ランプ被包体を回転させた場合
に、多少の軸振れが発生したとしても、光照射性
能に悪影響が与えられることはない。

又、本発明によれば、ランプ被包体冷却システ
ムにおいてランプ被包体を回転させる構成とした
ので、ランプ被包体は、その全表面がほぼ十分に
且つ均一に冷却されることとなり、異常な熱応力
分布によりランプ被包体が破裂したりする危険性
が完全に回避され、且つランプ被包体の表面を全
体的に一様な温度状態に維持することが可能であ
るから、ランプ被包体の全放射方向において常時
一様な光放射を与えることが可能である。また、
ランプ被包体を回転させるので、冷却ガスをラン
プ被包体に吹き付けるためのノズルの配置位置及
び数に関して設計上の自由度が増加されている。
従つて、マイクロ波空胴の設計においては、より
光学的側面に関して注意を払うことを可能とし、
そのことはマイクロ波空胴の設計を容易とすると
ともにより一様性且つ効率の高いマイクロ波空胴
を設計することを可能とする。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細
に説明したが、本発明はこれら具体例にのみ限定
されるべきものでは無く、本発明の技術的範囲を
逸脱すること無しに種々の変形が可能であること
は勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に基づいて構成さ
れたマイクロ波無電極光源装置を示した概略図、
第２図は本発明の第２実施例に基づいて構成され
たマイクロ波無電極光源装置を示して概略図、第
３図は本発明の冷却システムを示した概略図、で
ある。 （図面の簡単な説明）、２：マイクロ波無電極
光源装置、４，３０：マイクロ波空胴、６，３
８：ランプ被包体、８，３２：スロツト、１０：
マグネトロン、１２：電源、１８，３４：開口、
２０：金属網、２３：モータ、２９：心棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定周波数のマイクロ波を発生するマイクロ
   波発生源、前記マイクロ波を内部に導入するため
   のスロツトが形成されており且つ光を透過するが
   マイクロ波は透過しない網を付設した開口が形成
   されたマイクロ波空胴、前記マイクロ波空胴内に
   位置されておりマイクロ波により励起されて光を
   発生する光発生用媒体を封入した被包体、を有し
   ており、前記被包体の最大寸法が前記マイクロ波
   の波長よりも実質的に小さいことを特徴とするマ
   イクロ波無電極光源装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記マイク
   ロ波空胴が前記被包体の不存在下において共振状
   態に近い準共振空胴であることを特徴とするマイ
   クロ波無電極光源装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記マイク
   ロ波空胴が前記マイクロ波の単一波長において共
   振状態に近い準共振空胴であることを特徴とする
   マイクロ波無電極光源装置。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の内のいず
   れか１項において、前記マイクロ波発生源と前記
   スロツトとの間に導波管が設けられていることを
   特徴とするマイクロ波無電極光源装置。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項の内のいず
   れか１項において、前記被包体が実質的に球形で
   あることを特徴とするマイクロ波無電極光源装
   置。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第５項の内のいず
   れか１項において、前記マイクロ波空胴が前記開
   口部分を除き実質的に球形であることを特徴とす
   るマイクロ波無電極光源装置。 ７ 特許請求の範囲第６項において、前記網が実
   質的に平面状であることを特徴とするマイクロ波
   無電極光源装置。 ８ 特許請求の範囲第１項乃至第７項の内のいず
   れか１項において、前記マイクロ波空胴の内側表
   面が反射性であることを特徴とするマイクロ波無
   電極光源装置。 ９ 特許請求の範囲第１項乃至第８項の内のいず
   れか１項において、前記被包体が前記マイクロ波
   空胴の中心に位置されていることを特徴とするマ
   イクロ波無電極光源装置。 １０ 特許請求の範囲第６項乃至第９項の内のい
   ずれか１項において、前記スロツトと前記開口と
   が前記マイクロ波空胴の壁上において互いに実質
   的に90度の角度関係に位置されていることを特徴
   とするマイクロ波無電極光源装置。 １１ 特許請求の範囲第１項乃至第５項の内のい
   ずれか１項において、前記マイクロ波空胴が実質
   的に円筒形状であることを特徴とするマイクロ波
   無電極光源装置。 １２ 特許請求の範囲第１項乃至第１１項の内の
   いずれか１項において、前記光が紫外線放射であ
   ることを特徴とするマイクロ波無電極光源装置。