JPH04262359A

JPH04262359A - 真空紫外光源

Info

Publication number: JPH04262359A
Application number: JP14904091A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Suzuki; 鈴木　節雄; Etsuo Noda; 悦夫野田; Osamu Morimiya; 森宮　脩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1992-09-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電プラズマからの放
射光を利用し、紫外光を発生するための真空紫外光源に
関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、ＳｉＨ４　（モノシランガス
）を光で直接解離させてアモルファスシリコン薄膜を形
成する場合には、真空紫外光を用いる必要がある。

【０００３】一般に、波長が１８０ｎｍ以下の真空紫外
光を発生させる光源装置としては、図１０に示された「
パイ型放電管」と呼ばれるものがよく知られている。

【０００４】この種の真空紫外光源は筒状の放電管１を
備えている。この放電管１内には軸方向に離間する位置
に電極２および電極３が配置されている。放電管１の一
端の側端壁には紫外光を外部へ取り出すための透過窓４
が設けられている。また、放電管１の外側には冷媒が通
流するための冷媒通路５が設けられている。この放電管
１内は十分に排気され、その後に放電管１内に希ガス，
水素または重水素が所定の圧力を一定に維持し得る量だ
け供給される。電極２と電極３の間で発生する放電に必
要なパワーは、電源装置６から供給される。この電源装
置６は、直流電源７を使って蓄積コンデンサ８を充電し
、スイッチ９で、電極２および電極３にパルス電圧を印
加する。

【０００５】電極２と電極３との間にパルス電圧が印加
されると、この電極２と電極３間でパルス放電が行われ
る。この放電に伴なって発生するプラズマから照射され
る紫外光は、透過窓４を介して取り出される。

【０００６】しかし、上述の如く構成された従来の真空
紫外光源には次のような問題がある。すなわち、高出力
の紫外光を得るためには、電流の立上がりが早く、しか
もピーク電流の値が大きな「高密度放電」が要求される
。しかし、上記構成の従来装置では、電流値を大きく設
定すると、放電が不安定になる故に、「高密度放電」を
安定に維持することが達成できない欠点があった。また
、従来の装置では、広い放電空間内に放電プラズマを空
間的に一様に、かつ安定に生成できないため、取り出せ
る紫外光ビームの径も大きくてもせいぜい直径３０ｍｍ
程度で比較的小さい。従って、これが原因でその真空紫
外光源としての使用範囲が大幅に制限されてしまう問題
もあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の真
空紫外光源においては、真空紫外光の放射効率ならびに
その出力が低いのみならず、紫外光ビームの大口径化を
図ることが困難であった。そこで本発明の目的は、高放
射効率，高出力，長寿命でしかも真空紫外光ビームの大
口径化を図ることのできる真空紫外光源を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の諸問題を解決し上
記の目的を達成するために、本発明に係る真空紫外光源
は、つぎの各要素により構成されている。すなわち、放
電室と、この放電室内に配置された板状の陽極と、この
放電室内にその陽極とは離間して対向配置された複数の
中空陰極と、これら中空陰極の内側空間に上記の中空陰
極とは絶縁状態にそれぞれ配置された補助電極と、この
放電室内の圧力を所定に保ちながら上記の各中空陰極の
内側空間を経由させた後にこの放電室を通る経路でガス
を通流させる手段と、上記の各中空陰極と各補助電極と
の間で予備放電を起こさせた後に上記の各中空陰極とそ
の陽極との間で主放電を行なわせるためのパワーを供給
する電源装置と、この放電室内での放電で発生したプラ
ズマから放射される紫外光を外部へ取り出すための紫外
光取出し手段とを備えている。

【０００９】

【作用】取り出すことのできる紫外光のビーム径を大き
くするためには、放電室内における放電プラズマ生成領
域を広く確保する必要がある。このためには電極面積を
広くとる必要がある。しかし一方、この電極面積を広く
すると、放電プラズマの空間的不均一性が発生する。ま
た、さらには放電が不安定となり、結果的に「出力・放
射効率」の低下を招く。

【００１０】本発明の光源では、少なくとも陰極が複数
に分割されて、かつこれらの分割された陰極は回路上で
直流的に分離された状態で配設されている。上述のよう
に、少なくとも陰極を複数に分割したことによって、広
い放電空間内に放電プラズマを空間的に一様すなわち均
一に、かつ安定に生成させることができる。また、取り
出せる紫外光ビームの大口径化も同時に実現できる。さ
らに本発明装置では、陰極が複数の中空陰極により構成
されているので、この結果、放電を安定化させることが
容易となるとともに、「放射効率」の向上ならびに、出
力値の増大が可能となる。また、本発明では各中空陰極
に補助電極が設けられ、これら中空陰極と補助電極との
間で「予備放電」が行われた後に「主放電」に移行され
るように設定されている。このため、放電電流の「立上
がり時間」を短縮することができる。一般に、放電プラ
ズマから真空紫外光を取り出すためには、「立上がり時
間」が短く、しかもピーク電流の大きな放電が要求され
る。例えば、真空紫外光（キセノンガス使用時）の共鳴
線である１４７ｎｍの波長の光を放電プラズマから取り
出す場合を例にとると、共鳴線の励起エネルギーは８．
４ｅＶ　であるので、電子の平均エネルギーを大きくす
ることにより共鳴線の励起速度を速め、励起原子密度を
大きくとる必要がある。そのためには、立上がりが早く
、しかも電流ピーク値の大きなパルス放電が有効である
。特に、電流の立上がり時においては電子の平均エネル
ギーが高いので電離速度が大きい、したがって、できる
だけ電流の立上がり時間は短い方が望ましい。実験的な
検討によれば、パルス放電の電流半値幅は１マイクロ秒
程度以下がよい。また、各中空陰極と各補助電極との間
での予備放電は、主放電電流の立上がり時間の短縮化に
寄与する。なお、大きな電流を流し続けると「グロー放
電モード」から「アーク放電モード」に変化し、電子の
平均エネルギーが低くなるとともに励起速度が低下する
。したがって、アーク放電が発生する前に放電を停止し
なければ、放電電力は真空紫外光放射にとっては無駄な
電力として消費され、その結果、放射効率の低下をもた
らす。一般に、グロー放電モードからアーク放電モード
への移行時間は、ガスの種類およびガス圧力により異な
るが、約０．１μｓ　〜１μｓ　程度である。したがっ
て、パルス放電電流幅は長くても１μｓ　以内である必
要がある。このパルス放電電流幅を上記の時間内に抑え
ることは回路的に実現が可能である。

【００１１】

【実施例】図１には、本発明の一実施例に係る真空紫外
光源の概略的な構成が示されている。

【００１２】本発明装置は、その内部に放電室Ｐを形成
する容器１１を備えている。この容器１１は、円筒壁１
２と、この円筒壁１２の両端開口部を気密に閉塞する閉
塞壁１３および閉塞壁１４とにより構成されている。こ
の閉塞壁１３の中央部は、放電室Ｐの中心点を基準にし
て図中の上方に後退した形状に形成されている。また、
この後退した部分に壁の一部を形成する関係に弗化マグ
ネシウム，弗化リチウムおよび弗化カルシウムなどの材
料で形成された透過窓１５が装着されている。この閉塞
壁１４の透過窓１５に対向する部分は、放電室Ｐの中心
点を基準にして図中の下方に後退した形状に形成されて
いる。この後退部分の内面には、透過窓１５に対向して
凹面反射鏡１６が装着されている。

【００１３】放電室Ｐ内で、凹面反射鏡１６の位置を境
にした図中の右側空間には、板状に形成された陽極１７
が配置されている。

【００１４】次の図２に示される如くに、この陽極１７
はまた円筒壁１２の軸心線と直交する方向に延長した形
状に設けられている。この陽極１７の背面の中央近傍に
は導電棒１８の一端側が接続され、この導電棒１８の他
端側は円筒壁１２を絶縁状態に，かつ気密に閉塞壁１４
の透過窓１５を貫通した状態でこの円筒壁の外部に導か
れている。

【００１５】その閉塞壁１４の周縁部には、陽極１７の
延長された長手方向の面と平行する線上には、５個の孔
（図２参照）が並列に形成されている。これら孔の内縁
には１対１の関係に円筒体１９の一端側が気密に接続さ
れている。そして、これら５本の円筒体１９の他端側は
、円筒壁１２の軸心線と平行に図１中の下方に延びた後
、Ｌ字型に折れ曲がり、その先端部２０はガス供給源（
不図示）に接続されている。

【００１６】各円筒体１９内で、閉塞壁１４に近い部分
には、それぞれ中空陰極２１が装着されている。これら
中空陰極２１は、放電室Ｐ側に位置する端部が放電室Ｐ
との境界から所定距離だけ後退するように位置決めされ
た状態で、支持部材２２を介して円筒体１９の内面に固
定されている。各々の中空陰極２１の内部には、中空陰
極２１と同心的に補助電極２４が配置されている。これ
ら補助電極２４の外周面は、絶縁層２５によって覆われ
ている。なお、補助電極２４は、図１中の上端部だけが
露出状態になっている。そして、各補助電極２４は、図
１中の下端側が円筒体１９の周壁を気密に，かつ絶縁状
態に貫通して外部に導かれている。

【００１７】各中空陰極２１の外周面と各円筒体１９の
内周面との間には、前述の支持部材２２によって冷媒通
路２６がそれぞれ形成され、これら冷媒通路２６はそれ
ぞれ冷媒案内管２７および冷媒案内管２８に接続されて
いる。さらに、これら冷媒案内管２７および冷媒案内管
２８は、冷媒供給源（不図示）に接続されている。

【００１８】前記閉塞壁１４の周縁部で、陽極１７に対
向する位置にはガス排出管２９が通じている。したがっ
て、本装置では、図１中の破線矢印３０が示すように、
各円筒体１９に作動ガスが供給される。この作動ガスは
各中空陰極２１内を通っり放電室Ｐ内に流れ込み、その
後にガス排出管２９を通って外部に排出される。

【００１９】本実施例では、ヘリウムガスが９０％以上
、キセノンガスが１０％以下の混合ガスを供給するガス
供給系が使われている。このガス供給系は放電室Ｐ内の
圧力を所定圧に保ちながら上記混合ガスを連続的に供給
するように構成されている。

【００２０】前述の陽極１７，各中空電極２１および各
補助電極２４は，それぞれ電源装置３１に接続されてい
る。この電源装置３１は、直流電源（不図示）の出力端
間に蓄積コンデンサ３２，抵抗３４を直列に接続すると
ともに、上記の直列回路の両端間にはサイラトロンスイ
ッチ３５が接続されている。そして、このサイラトロン
スイッチ３５と抵抗３４との接続点は陽極１７に接続さ
れているともに、蓄積コンデンサ３２の容量より小さい
容量のピーキングコンデンサ３６を介して中空陰極２１
に接続されている。また、蓄積コンデンサ３２と抵抗３
４との接続点が各蓄積コンデンサ３２の容量より小さい
容量のコンデンサ３６’が補助電極２４Ｋに接続されて
いる。また、サイラトロンスイッチ３５に充電周期に同
期するトリガー信号Ｔが与えられるように構成されてい
る。

【００２１】次に、上記のように構成された真空紫外光
発生装置の動作を説明する。

【００２２】まず最初に、放電室Ｐ内が図示しない真空
ポンプにより十分に排気される。次は、図示しないガス
供給装置により作動ガスが供給される。この作動ガスは
、各中空陰極２１内を通って放電室Ｐ内に流れ込み、そ
の後に、ガス排出管２９を通って排出される。また、冷
媒供給装置により冷媒通路２６に冷媒，例えば水が流さ
れる。

【００２３】続いて、直流電源（不図示）を投入する。この電源投入に伴って蓄積コンデンサ３２が共振充電さ
れる。そして、所定のタイミングが到来すると、サイラ
トロンスイッチ３５にトリガ信号Ｔが与えられる。サイ
ラトロンスイッチ３５がオン（ＯＮ）されると、各補助
電極２４と各中空陰極２１との間で放電が起こり、ピー
キングコンデンサー３６が充電され、その結果、陽極１
７と各中空陰極２１との間で「グロー放電」が起こる。この放電によって放電室Ｐ内にプラズマが発生する。こ
のプラズマが放射した紫外光は、その一部は透過窓１５
に直接に向かって進行し、他の一部は凹面反射鏡１６で
反射されて透過窓１５へ向かって進行する。したがって
その結果、透過窓１５から真空紫外光が外部に向かって
放射される。

【００２４】この場合、陰極は直流的に分離された複数
の中空陰極２１によって構成されているので、広い放電
空間内に放電プラズマを空間的に一様に，かつ安定に生
成させることができる。したがって、取り出せる紫外光
ビームの大口径化が実現できる。また、陰極を複数の中
空陰極２１で構成しているので、放電を安定化させるこ
とが容易であり、その結果、放射効率の向上ならびに出
力の向上が実現可能となる。すなわち、中空陰極放電の
安定性はガスの種類，圧力，電極形状によっても左右さ
れるが、図８に示されるようにキセノンガスにヘリウム
ガスを約９０％以上混合された場合には、中空陰極放電
の安定化が実現可能となる。また実験によれば、キセノ
ンガスが数％程度の場合に１４７ｎｍ紫外光の放射強度
が最大値を示すことが確認された。

【００２５】図９にはキセノン（Ｘｅ）ガスが約１％の
場合と、キセノンガスが１００％の場合の、１４７ｎｍ
放射強度の比較がグラフで示されている。同じ投入電力
５０Ｗで比較すると、キセノンガスが約１％のときの１
４７ｎｍ放射強度の方が約２．５倍程度増加しているこ
とが判る。また、その時の放電電力で比較すると、キセ
ノンガスが１００％のときは６０Ｗ程度で放電が不安定
となり、電力投入が不可能となる。それに対して、キセ
ノンガスが約１％のときには少なくとも３倍以上の電力
投入が可能であることが判る。　　以上の結果から、中
空陰極放電を安定に、かつ高電力密度で行なわせるには
、少なくともヘリウムガスを９０％以上混合すればよい
ことがわかる。

【００２６】また、各中空陰極２１に補助電極２４が設
けられた構成をとり、これら中空陰極２１と補助電極２
４との間で予備放電を行わせた後に，主放電に移行させ
るように制御されている。このため、放電電流の立ち上
がり時間を短くできる。

【００２７】また、実施例のように透過窓１５を放電室
Ｐの中心点から離れる方向に位置させておくと、透過窓
１５を構成している部材がプラズマの荷電粒子によって
損傷されることを抑制することが可能であり、よって、
光源としての長寿命化が図られる。また、本実施例のよ
うにプラズマを境にし、透過窓１５に対向するように凹
面反射鏡１６が設けられた構成にすると、放射損失を半
減させることができるので、出力の増加を図ることがで
きる。上記に加えて、本実施例に示すように凹面反射鏡
１６を放電室Ｐの中心点から離れる方向に配設させてお
くと、凹面反射鏡１６を構成する部材がプラズマの荷電
粒子によって損傷されることを抑制することが可能とな
り、その結果として光源の長寿命化を図ることができる
。

【００２８】また、本実施例のように、中空陰極２１の
先端部を放電室Ｐとの境界位置より後退させておくこと
により、スパッタで叩き出された電極材料が放電室Ｐに
侵入して電子温度が低下し、励起速度の低下を招いて真
空紫外光の放射が低下することを防止できる。

【００２９】また、本実施例のように、電源装置３１を
容量移行型のパルス回路で構成することにより、光源装
置の全体を小型化することができる。さらにはピーキン
グコンデンサの容量を小さく設定することによって、パ
ルス幅を狭くすることが可能であり、よって放射効率を
向上することができる。

【００３０】なお、本発明は上述の実施例に限られるも
のではなく種々の変形実施が可能である。たとえば、凹
面反射鏡１６を、図３に示されるように、その周縁部が
閉塞壁１４の内面と面一になるように配設されてもよい
。また、凹面反射鏡に限らず、図４に示すように平板型
の反射鏡４１を用いてもよい。

【００３１】さらに、陰極グローが中空陰極２１の上流
側（例えば、ガスの配管系）まで移行し、陰極でのエネ
ルギ損失が増加してその放射効率が低下するのを防止す
るために、図５，図６および図７に示されるように、中
空陰極２１の上流側の内径を数ミリに絞り、可能なかぎ
り中空陰極２１の内部にプラズマを閉じ込めるために補
助リング４２，４３および４４を取り付けてもよい。

【００３２】また、中空陰極の形状は特に円筒形に限ら
れるものではなく、多角形筒でもよい。その数も５個に
限られない。また、陽極は分割されていてもよい。

【００３３】さらに作動ガスは、キセノンガスに対しヘ
リウムガスを９０％以上混合した混合ガスに限らない。例えば「希ガス」すなわちヘリウム，ネオン，アルゴン
，クリプトンおよびキセノン等の各ガスの内で少なくと
も２種類以上を組み合わせた混合ガスが採用された場合
でも、最も電離電圧の高いガスが９０％以上混合されて
いれば安定な中空陰極放電が達成できる。よって、「希
ガス」の共鳴線からの真空紫外光を効率良く取り出すこ
とができる。また、「希ガス」と他のガス、たとえば窒
素，酸素および水素等のガスを混合したガスを採用して
も同様な効果が得られる。

【００３４】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変形ができる。

【００３５】例えば、放電室内に発生する放電が拡散す
ることを防ぐために仕切り壁等によって放電を包囲する
ことも可能である。また、中空陰極の放電室側の先端位
置を、放電室の壁面より突出した位置に設置してもよい
。

【００３６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、大口径で，大出
力，しかも高効率でかつ長寿命な真空紫外光源を実現し
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る真空紫外光源の一部断
面と配線を表わす概略構成図である。

【図２】前図中のＡ−Ａ線に沿って切断された部分を矢
印方向に見た断面図である。

【図３】本発明の真空紫外光源の実施例に係る変形例を
表わす断面図である。

【図４】本発明の真空紫外光源の実施例に係る変形例を
表わす断面図である。

【図５】本発明の真空紫外光源の実施例に係る変形例を
表わす断面図である。

【図６】本発明の真空紫外光源の実施例に係る変形例を
表わす断面図である。

【図７】本発明の真空紫外光源の実施例に係る変形例を
表わす断面図である。

【図８】ヘリウムガス中のキセノンガス比と，１４７ｎ
ｍ真空紫外光放射強度との関係を示すグラフ図である。

【図９】投入される電力と，１４７ｎｍ真空紫外光放射
強度との関係を示すグラフ図である。

【図１０】従来の真空紫外光源の要部の構成を示す概略
構成図である。

【符号の説明】

Ｐ…放電室、１１…容器、１２…円筒壁、１３，１４…
閉塞壁、１５…透過窓、１６…凹面反射鏡、１７…陽極
、１９…円筒体、２１…中空陰極、２４…補助電極、３
１…電源装置、３２…蓄積コンデンサ、３６…ピーキン
グコンデンサ、４２，４３，４４…補助リング。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　低圧ガス中でパルス放電を行わせ、こ
の放電で発生したプラズマから紫外光を取り出すように
構成された真空紫外光源であって、放電空間としての放
電室と、上記の放電室内に配置された板状の陽極と、前
記放電室内に前記陽極とは離間して対向配置された複数
の中空陰極と、これら中空陰極の内側空間に上記中空陰
極とは絶縁状態にそれぞれ配置された補助電極と、前記
放電室内の圧力を所定に保つため前記各中空陰極の内側
空間を経由させた後に前記放電室を通る経路でガスを通
流させる手段と、前記各中空陰極と前記各補助電極との
間で予備放電を起こさせた後に上記各中空陰極と前記陽
極との間で主放電を行なわせるためのパワーを供給する
電源装置と、前記放電室内での放電で発生したプラズマ
から放射される紫外光を外部へ取り出すための紫外光取
出し手段と、により構成されていることを特徴とする真
空紫外光源。
【請求項２】　　前記紫外光取出し手段は、前記放電室
の壁の一部を構成するように設けられた紫外光透過窓と
、前記放電室内に前記透過窓に対向して設けられた反射
鏡とで構成されていることを特徴とする、請求項１に記
載の真空紫外光源。
【請求項３】　　前記中空陰極は、前記放電室側の先端
位置を上記放電室の壁面より突出した位置に配設されて
いることを特徴とする、請求項１に記載の真空紫外光源
。
【請求項４】　　前記中空陰極は、その上流側が下流側
にくらべて実質的に小径に形成されていることを特徴と
する、請求項１に記載の真空紫外光源。
【請求項５】　　前記補助電極は、前記放電室側の先端
部を除いて全体が絶縁体で被覆されていることを特徴と
する、請求項１に記載の真空紫外光源。
【請求項６】　　前記ガスを通流させる手段は、希ガス
を含む少なくとも２種類以上の混合ガスで，かつ電離電
圧が最も高い希ガスを８５パーセント以上含む混合ガス
を前記放電室内に供給することを特徴とする、請求項１
に記載の真空紫外光源。
【請求項７】　　前記放電室の内側において、前記板状
の陽極と，これに対向配置された複数の中空陰極との間
に、前記紫外光透過窓と平行な位置に所定の大きさの孔
部を有し、発生する放電を限定的に包囲するための仕切
り壁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の真空
紫外光源。