JPS62268048A - プラズマｘ線源のｘ線取り出し装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばＸ線リングラフィなどにおいて用いら
れるＸ線源に関し、特にそのＸ線取り出し装置に関する
。

〔従来の技術〕

サブミクロン転写技術の有力な一つの方法として、波長
５〜１５Ａ　の軟Ｘ線を用いるＸ線露光法がある。従来
、このようなＸ線露光用のＸ線源ではＡＪ、Ｓｉ、Ｍｏ
等の金属に電子線を照射してＸ線と低いため、高出力の
Ｘ＠が得られないという欠点を有していた。そこで、最
近は高温・高密度のプラズマからＸ線を発生させるプラ
ズマＸ線源が発生効率が数チと大きいことからＸ線露光
用Ｘ線源として着目されている。このプラズマＸ線源に
おいて、Ｘ線を発生するような高温・高密度のプラズマ
を形成する方法としては金属表面に１０Ｗ／−以上のパ
ワー密度でレーザ光を照射するレーザプラズマ法と、プ
ラズマに大電流を流して電磁作用によってプラズマを圧
縮・加熱する放電プラズマ法とが主として用いられてい
る。

一方、発生した波長５〜１５ＡのＸ線を、例えば容器の
外部へ効率よく取り出すためには、数ミクロン厚のベリ
リウム等の金属箔やポリプロピレン等の高分子膜がＸ線
取り出し膜として用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、前述したいずれのプラズマ形成法でも、Ｘ線
の発生時間は１回に１〜１１００ｎ　とパルス的であυ
、プラズマからＸ線が発生した後、プラズマは急激に崩
壊し、プラズマを構成している電子・イオン・高温ガス
等の高速粒子がプラズマから四方に飛散することになる
。このようなプラズマ崩壊にともなう高速粒子が前述し
たような薄くて衝撃に弱いＸｉ取り出し膜に衝突すると
、膜は破損され、その結果プラズマから発生したＸ線の
みを安定に取り出すことができなくなってしまう。この
ため、従来Ｘ線露光用のＸ線源としてプラズマＸ線源を
用いることは、望まれながらも事実上不可能であるとさ
れていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のプラズマＸ線源のＸ線取り出し装置は、第１図
にその基本構成を示すように、プラズマ形成部１のプラ
ズマから発生したＸ線２を容器３の外部へ取り出すだめ
のＸ線取り出し窓４と、プラズマ形成部１との間に１ガ
スを噴射してガス塊５を形成するだめのバルブ６と、こ
のバルブ６の開閉を制御する制御装置７とを設けたもの
である。

〔作用〕

Ｘ線発生時に、制御装置７はプラズマ形成部１における
プラズマ形成タイミングに合せてバルブ６を開き、例え
ば水素、ヘリウム、酸素、窒素等のＸ線吸収の小さいガ
スを噴射させてガス塊５を形成する。プラズマからの高
速粒子は、このガス塊５に衝突してそのエネルギーを長
失し、Ｘ線取り出し窓４には到達しなくなる。

〔冥施例〕

第２図は、本発明をＸ線露光装置に適用した場合の一実
施例を示す構成図である。同図において、１１はＸ線を
発生するプラズマ形成部、１１１はプラズマ形成部１１
と電気的に接続されているプラズマ形成用電源、１２は
プラズマ形成部１１から発生するＸ線、１３はプラズマ
形成部１１を所定の低圧力に保つための容器、１４はプ
ラズマ形成部１１から発生したＸ線１２を容器１３の外
部に取り出すためのＸ線取り出し窓であるＯＸＸ線取出
出窓１４は、ベリリウム箔、ポリエチレン膜等のＸ線を
透過しやすい材料からなシ、その厚さが数ミクロンの薄
膜状である。１５は水素、ヘリウム、酸素、窒素等のＸ
線吸収の小さい元素からなるガス塊、１６はガス塊１５
を形成するための高速開閉可能なバルブ、１１はバルブ
１６の制御装置である。

バルブ１６において、１６１　はピストンで、ＡＡ’Ｉ
Ｔｉ等の金属でできておｐ、１６２　はバルブ駆動電源
である。１６３はコイルで、バルブ駆動電源１６２によ
シコイル　１６３に電流が流れると、金属製のピストン
１６１に誘起される電流との間に働＜［磁作用で、ピス
トン１６２が駆動され、ガス噴出孔１６４を開くように
なっている。１６５はピスト／　１６１を押し戻すため
のばね、１６６はガス塊１５を構成するガスのガス溜め
、１６Ｔはガス溜め　１６６にガスを導入するだめのガ
ス導入管である。

また、１８はガス塊１５が拡散する速度を遅くするため
の拡散防止用管であシ、プラズマ形成部１１からのＸ線
１２をＸ線取り出し窓１４に通すためのＸ線通過孔１８
１，１８２を有する。　さらに、１９は容器１３に接続
されている排気装置、２０はＸ線取り出し窓１４から取
）出したＸ線を用いてパターン転写するためのＸ線マス
ク、２１はパターンが転写されるウエノ・である。なお
、制御装置１７は、直接にはプラズマ形成用電′Ｊｇ、
１１１の、駆動に合せてバルブ駆動電源１６２を駆動制
御する。

これを動作するには、はじめに排気装置１９で容器１３
内部を所定の圧力まで排気した後に、制御装置１７から
の信号で、バルブ１７を動作させる。すなわちピストン
１６１をコイル１６３の電磁力で動かしてガスをガス噴
出孔１６４から噴射し、拡散防止用管１８の中に水素、
ヘリウム等のガス塊１５を形成する。その直後、制御装
置１１７でプラズマ形成電源１１１　を動作させてプラ
ズマを形成し、Ｘ線を発生させる。プラズマから発生し
たＸ線１２は、ガス塊１５、Ｘ線取り出し窓１４を通っ
て容器１３の外部に取り出され、Ｘ線マスク２０のパタ
ーンがウエノ・２１に転写される。

拡散防止用管１８内に形成されたガス塊１５は、Ｘ線通
過孔１８１，１８２を通って拡散し、排気装置１９で排
気される。

ここで、ガスの運動速度（拡散速度）を１０００ｍ／　
ｓとすれば、５０運動するのに５ｘ１ｏ秒の時間を要す
るが、この５ｘ１ｏ−ｂの時間は、例えばレーザープラ
ズマＸ線源での１０　秒、放電プラズマＸ線源での１０
　秒というようなｘ＃ｊ発生に要する時間と比べて充分
に大きい。このため、制御装置ｔ１７によって、プラズ
マ形成とガス塊１５の形成時間のタイミングを調整する
ことによシ、ガス塊１５がプラズマ形成部１１に拡散し
てプラズマ形成に影響を及ぼすことなく、安定にＸ線を
発生させることが可能でおる。

このようにプラズマ形成部１１とｘｈ敗す出し窓１４と
の間にガス塊１５があるとき、プラズマ形成部１１から
Ｘ線１２と同時にプラズマを構成している電子・イオン
・高温ガス粒子等の高速粒子が飛び出し、このカス塊１
５と衝突する０このとき、ガス塊１５の密度が充分大き
いと、プラズマからの高速粒子は、ガス塊１５を構成し
ている水素やヘリウム等の原子・分子と多数回の衝突を
生じ、高速粒子の方向が変わってそのエネルギーを失う
ことになシ、Ｘ線取り出し窓１４に到達しなくなる。一
方、水素・ヘリウム等のＸ綴吸収は小さいので、ＸＩＪ
Ｊ１２は減衰することなくＸ線取り出し窓１４に到達す
る。

ここで、ガス塊１５としてＨ・ガス、プラズマ生成にＮ
・ガスを用いた場合について、プラズマから放出された
高エネルギーのＮ＠イオンがＨ＠ガス原子と衝突してそ
のエネルギーを失う過程に２．１８＋２．５９ σ＝に（ｘｌＯ） ＝１．８Ｘ１０　　ｉ Ｈ＠ガス塊の圧力を例えば１０Ｔｏｒｒとすると、Ｎ−
原子の平均自由行程λは ＝１．６Ｘ１０　　傭となる。

Ｈｅガス塊の厚さを１傭とすれば、Ｈａガス塊に飛び込
んで来九Ｎ＠原子は、少なくとも　／λ　回の衝突を生
ずるものと考えられる。すなわち、衝突回数ｎは ０−λ さ６３０回 となるので、６００回程鹿のＮｏとＦ（ａ原子間の衝突
が生ずる。

次に、原子間袋突で高速原子が失うエネルギーについて
概算する。静止した質ｉｋｍｒｎの原子に、速度ｖ０で
質ｔｍｅの原子が中心衝突をした場合に失うエネルギー
は、次式で与えられる（へ田吉典著「気体放電」近代科
学社、昭和４６年）。

中心衝突以下のあらゆる角度の衝突を考慮すると、１回
の衝突で失うエネルギの平均の割合δは、おおよそ次式
で与えられる。

ここで、Ｅｒａは高速で衝突する原子の初期エネルギー
である。以上のような原子の熱運動を無視し九剛体球モ
デルで計算した結果を用いて、Ｈｅガス塊中に飛び込む
高速Ｎｏ原子について考える。

Ｈ６原子とＮｅ原子との質蓋比はおおよそ１対５である
ので、この関係を上式に代入するとδ：０．２８となる
。すなわち、Ｈ＠原子が衝突すると、おおよそ３割のエ
ネルギーを失うことになる。例えば、Ｎｏ原子がＨｅガ
ス塊へ衝突する際のエネルギーが５０　ｋ＠Ｖ（プラズ
マ形成時の放電電圧に相当）の場合、これをＨａ原子と
の衝突によシ、熱運動エネルギー程度の０．０２５・Ｖ
に緩和するに必要な衝突回数は、次式で与えられる。

５　Ｘ　１０　’Ｘ０．２８ｎ＝０．０２５これから、
ｎさ１２回程度の衝突で、高速Ｎ・原子はその大部分の
エネルギーを失うこととなる。

前述したようにＨａガス塊では、数百回のＮ　ｅ　−Ｈ
ｅ間衝突が生ずるのであるから、以上の結果から関連Ｎ
ｓ原子はＨｅガス環中でそのエネルギーをほとんど失う
ことがわかる。

ここで、高速イオンあるいは原子の阻止に用いるガス環
のガス捌について検討する。このガス環に用いるには、
Ｘ線透過度が高いことおよびイオンあるいは高速原子と
の衝突断面積が大きく、かつ質量が大きくてエネルギー
を吸収しやすいことが望ましい。下表にＨ・、Ｎ２．Ａ
ｒの一般的なガスについて、ガス環のガス圧を１０　Ｔ
ｏｒｒ、　　Ｘ線取り出し方向での厚さを２ｃｒｎとし
たときのＸ線透過上表から、Ｘ線波長が比較的短い５Ａ
のＸ線を発生するＸ線源については、原子量の大きいＡ
ｒガスでも、Ｘ線吸収が少なくて使用可能であるが、Ｘ
線波長が１２又のＸ線源については、Ｈｅガスが望まし
いことがわかる。このようＫＸＸ線源の発生Ｘ線波長に
合せて、ガス環のガス種を変えればよい。

さらに、例えばプラズマ形成部１１の電極にカーボンを
用いたために、Ｘ線取り出し窓１４にカーボン膜が付着
するようなときは、ガス環１５のガス種に酸素を用いる
か、または酸素を混合したガスを用いればプラズマ形成
部１１でＸ線１２と同時に発生する極端紫外光でガス環
１５の酸素が活性化され、Ｘ線取り出し窓１４上のカー
ボンと反応してＣＯ２やＣＯガスとなって排気され、窓
に付着したカーボン膜を除去する効果がある。Ｘ線取り
出し窓１４の汚れが除去されるのであるから安定にＸ線
が取り出せることとなる。

このようにガス環１５を形成することによシ、Ｘ線取り
出し窓１４がプラズマからの高速粒子によって受ける損
傷が少なくなり、その寿命が延び安定にＸ線が取り出せ
ることになる。

同様の技術は、Ｘ線取り出し窓１４の保護の他に、プラ
ズマ形成容器の中で、高速粒子で損傷を受けやすい各種
検出器等の保護にも使用できる０第３図は、プラズマ形
成法としてガス注入放電法を用いた場合について、高速
イオンがガス環で除去・偏向され阻止される効果を測定
した装置の構成を示す。ここで、１１２は高電圧が印加
される高圧電極、　１１３はプラズマ形成用ガスを電極
間に注入するだめのガス注入環、　１１４は対向電極で
ある。また２２は円環状ガス環で、ガス注入環１１３　
よシ注入されたガスによυ形成される。２３はピンチプ
ラズマで電極間に高電圧を印加して放電させ、円環状ガ
ス環２２をプラズマ化し、数百ｋＡ程度の電流を流すこ
とによって、電流の作る磁場とプラズマの電磁相互作用
によシミ極中心軸上に形成される。１１５はピンチプラ
ズマ２３からＸａと同時に発生する電子の偏向用磁石で
ある。さらに、２４はファラデーカップで、ピンチプラ
ズマ２３の中心軸上に設けられている。ピンチプラズマ
２３のように円柱状にピンチしたプラズマでは、プラズ
マの軸方向に大量の高速粒子が飛散されることが一般的
に知られておシ、そのイオン流をファラデーカップ２４
でとらえる。２５はファラデーカップ２４の電荷測定用
抵抗で、一端は接地されている。この抵抗２５の両端の
電圧変化をオシロスコープで測定する。

第４図および第５図に、その測定結果の一例を示す。こ
こで、プラズマ形成用の円環状ガス環２２にネオンガス
を、高速粒子の阻止用のガス塊１５にはヘリウムガスを
用いている。

第４図は、バルブ１６を動作させず、ガス塊１５が逢い
場合に測定した一例で、大量のイオン流が検出されてい
る。

ここで、ピンチプラズマ２３に流した電流は、ピークで
３００ｋＡ、ファラデーカップ２４とプラズマ２３との
距離は１５濡である。また、ファラデーカップ２４の位
置に５μｍ厚のＡｌ箔を置くと、損傷が激しく、１回の
放電で破損された。

第５図は、バルブ１６を駆動させ、ヘリウムガス塊１５
全通して、第４図と同じプラズマ形成条件下で測定した
一例である。検出されるイオンの量はきわめて少なくな
っている。事実、５μｍ厚のＡｌ箔をファラデーカップ
２４０所に置いても、何ら損傷を受けることはなかった
。以上の結果から、ガス塊１５の存在による効果が顕著
であることが明らかになった。

実験から明らかなように、プラズマから発生する高速イ
オンはガス塊１５に衝突することによって消滅する。同
様に、プラズマの構成原子や、電極材の高速中性粒子も
大部分は除去される。さらに、プラズマからＸ線と同時
に発生する極端紫外光も、ガス塊に吸収されるので、Ｘ
線取り出し窓１４がエネルギーの高い極端紫外光で加熱
されることも少なくなる。

第６図は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。

高速粒子除去用のガス塊と合せて、プラズマの流れを変
えるための荷電粒子除去器を用いている点が特徴である
。

第６図において、３１はプラズマ形成部１１の直下に配
置された荷電粒子除去器である。　３１１は磁石、３１
２は磁気回路形成用ヨークで、これら磁石３１１とヨー
ク３１２とで、Ｘ線進行方向に平行ではない３ｋＧ程度
の磁界を形成している。

３１３はプラズマ反射板で、Ｘ線通過孔３１４を有して
いる。粒子阻止用ガス塊が形成される拡散防止用管１ａ
のＸ線取り出し窓側のＸ線通過孔１８２には、ベリリウ
ム等の箔３２が張られている。

３３は拡散防止用管１８の内部に磁界を印加するための
、３　ｋＧ程度の磁界を発生する磁石であ）、３４は磁
気回路形成用ヨークである。なお、同図においては省略
しであるが、Ｘ線取り出し窓１４や制御装［１７が設け
られていることは第２図に示した実施例と同様である。

上記構成において、プラズマ形成部１１から放出される
電子は、１００に＠Ｖ　程度の高エネルギー電子でも、
そのラーマ（Ｌａｒｍｏｒ）半径は１傭程度となるので
、大部分が磁石３１１　で偏向され、またイオンや高速
粒子もプラズマ反射板３１３によってその流れの方向を
変えられる。さらに、この荷電粒子除去器３１で取り除
くことができなかった数十ｋｅＶ以上のイオンや高速粒
子の一部は、拡散防止用管１８内のガス塊に衝突し、そ
のエネルギーを失い方向も変えられて、Ｘ線取り出し窓
には到達しなくなる。本実施例では、拡散防止用管１８
の一方のＸ線通過孔１８２が箔３２で閉じられているの
で、それが開放されている場合に比較してガス塊の拡散
速度はさらに小さくなシ、拡散防止用管１８中のガス分
子密度は高くなる。その結果、高速粒子がガス分子と衝
突する確率が高くなシ、　高速粒子を阻止する効果が高
まる。また、このガス塊自体がプラズマからの極端紫外
光等でイオン化されることがあっても、磁石３３の作る
磁界で箔３２に到達するのが阻止されるため、箔３２の
損傷は少ない。この箔３２をＸ線取り出し窓として用い
ることもできる。

本発明のプラズマＸＩｆｓ源のＸＩａ取り出し装置は、
Ｘ線リングラフィ用Ｘ線源のほかに、医療用Ｘ線源、分
析用Ｘ線源などにも同様に使用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればガス噴射用のバル
ブとその制御回路とを設け、プラズマ形成部とＸ線ｓｂ
出し窓との間にガス塊を形成するようにしたことによυ
、プラズマからＸ線発生と同時に放出される電子・イオ
ン・中性粒子等の高速粒子がガス塊と衝突して消滅ある
いはそのエネルギを失うので、Ｘ線のみがＸ線取り出し
窓に到達することとなシ、プラズマからの高速粒子にょ
るＸ線取り出し窓の損りは、きわめて小さくなる。

さらに、プラズマから発生する極端紫外光もガス身υ図
分吸収されるので、その分Ｘ線取り出し窓が加熱されな
くなる。さらに、電極構成物質が放電時に浴解して盗見
するが、その蒸気もガス塊に衝突し、方向が変わるので
、Ｘ線取り出し窓の汚染が少なくなる。

このようにＸｉ取り出し窓の損傷が少なくなるので、Ｘ
線取）出し窓を薄膜化することが可能で、効率よくＸ線
が取り出せる。さらに、プラズマ形成部とＸ線取り出し
窓間の距離も短縮で鷺、高出力のＸ線が得られる。また
、Ｘ線取り出し窓の寿命が長くなシ、安定にｘ巌が取り
出せる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成間、第２図は本発明をＸ線露
光装置に適用した場合の一実施例を示す構成図、第３図
はガス注入放電法でプラズマを形成し、本発明の効果を
明らかにした実験装置の構成図、第４図および第５図は
その実験結果の一例を示す図で、第４図はガス塊を形成
しない場合に検出されるイオン流を示す図、第５図はガ
ス塊を形成した場合に検出されるイオン流を示す図、第
６図は荷電粒子除去器と組み合せた本発明の第２の実施
例を示す構成図である。 １．１１・・ｅ・プラズマ形成部、２．１２−・・・発
生したＸ線、３．１３・・ｍｓ容器、４゜１４・・ＩＩ
ＩＩＸ線取り出し窓、５．１５−・・・ガス塊、６，１
６−・ｅ・ガス噴射用バルブ、γ。 １７・・・春制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高温・高密度プラズマを用いてＸ線を発生させるプラズ
   マＸ線源において、プラズマから発生したＸ線を外部に
   取り出すためのＸ線取り出し窓と、このＸ線取り出し窓
   とプラズマ形成部との間にガスを噴射してガス塊を形成
   するためのバルブと、このバルブの開閉をプラズマ形成
   タイミングに合せて制御する制御装置とを備えたことを
   特徴とするプラズマＸ線源のＸ線取り出し装置。