KR20120049269A - 플라즈마 광원 - Google Patents

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KR20120049269A
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Abstract

대향 배치된 한 쌍의 동축상(同軸狀) 전극(10)과 방전 환경 유지 장치(20)와 전압 인가 장치(30)를 구비한다. 각 동축상 전극(10)은 중심 전극(12)과, 중심 전극의 대향하는 선단부를 둘러싸는 가이드 전극(14)과, 중심 전극과 가이드 전극 사이를 절연하는 절연 부재(16)로 이루어진다. 절연 부재(16)는 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)으로 이루어지는 부분 다공체 세라믹이다. 또한, 절연성 치밀 부분(16a)은 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 리저버(18)를 갖고, 다공질 부분(16b)은 절연성 치밀 부분(16a)의 내부를 통해 리저버(18)의 내면과, 중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이를 연통한다.

Description

플라즈마 광원{PLASMA LIGHT SOURCE}
본 발명은 EUV(Extreme Ultra Violet) 방사를 위한 플라즈마 광원에 관한 것이다.
차세대 반도체의 미세 가공을 위해 극자외선 광원을 이용하는 리소그래피(lithography)가 기대되고 있다. 리소그래피란 회로 패턴이 그려진 마스크를 통해 빛이나 빔을 실리콘 기판상에 축소 투영하고, 레지스트 재료를 감광시킴으로써 전자 회로를 형성하는 기술이다. 광리소그래피(optical lithography)로 형성되는 회로의 최소 가공 치수는 기본적으로는 광원의 파장에 의존하고 있다. 따라서, 차세대 반도체 개발에는 광원의 단파장화가 필수적이며, 이 광원 개발을 향한 연구가 진행되고 있다.
차세대 리소그래피 광원으로서 가장 유력시되고 있는 것이 극자외선(EUV: Extreme Ultra Violet) 광원이며, 대략 1 내지 100㎚의 파장 영역의 빛을 의미한다. 이 영역의 빛은 모든 물질에 대해 흡수율이 높아서 렌즈 등의 투과형 광학계를 이용할 수 없기 때문에, 반사형 광학계를 이용하게 된다. 또한, 극자외선 영역의 광학계는 개발이 매우 곤란하며, 한정된 파장에서만 반사 특성을 나타낸다.
현재, 13.5㎚에 감도를 갖는 Mo/Si 다층막 반사경이 개발되어 있으며, 이 파장의 빛과 반사경을 조합한 리소그래피 기술이 개발되면, 30㎚ 이하의 가공 치수를 실현할 수 있을 것으로 예측되고 있다. 더 나은 미세 가공 기술을 실현하기 위해서는 파장 13.5㎚의 리소그래피 광원의 개발이 급선무이며, 높은 에너지 밀도 플라즈마로부터의 복사광이 주목받고 있다.
광원 플라즈마 생성은 레이저 조사 방식에 의한 광원 플라즈마 생성(LPP: Laser Produced Plasma)과 펄스 파워 기술에 의해 구동되는 가스 방전 방식에 의한 광원 플라즈마 생성(DPP: Discharge Produced Plasma)으로 크게 나눌 수 있다. DPP는 투입한 전력이 직접 플라즈마 에너지로 변환되므로 LPP에 비해 변환 효율에서 우위인데다, 장치가 소형이고 저비용이라는 이점이 있다.
가스 방전 방식에 의한 고온 고밀도 플라즈마로부터의 방사 스펙트럼은, 기본적으로는 타겟 물질의 온도와 밀도에 의해 정해지며, 플라즈마의 원자 과정을 계산한 결과에 따르면, EUV 방사 영역의 플라즈마로 하기 위해서는 Xe, Sn의 경우에 전자 온도, 전자 밀도가 각각 수십 eV, 1018 ㎝-3 정도, Li의 경우에 20 eV, 1018 ㎝-3 정도가 최적으로 여겨지고 있다.
한편, 전술한 플라즈마 광원은 비특허 문헌 1, 2 및 특허 문헌 1에 개시되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2004-226244호 공보, '극자외선 광원 및 반도체 노광 장치'
비특허 문헌 1: 사토 히로토 외, '리소그래피용 방전 플라즈마 EUV 광원', OQD-08-28 비특허 문헌 2: Jeroen Jonkers, "High power extreme ultra-violet(EUV) light sources for future lithography", Plasma Sources Science and Technology, 15(2006) S8-S16
EUV 리소그래피 광원에는 높은 평균 출력, 미소한 광원 사이즈, 비산 입자(잔사(debris))가 적을 것 등이 요구된다. 현재로서는 EUV 발광량이 요구 출력에 대해 극히 낮아 고출력화가 큰 과제의 하나이지만, 한편으로 고출력화를 위해 입력 에너지를 크게 하면 열 부하에 의한 데미지가 플라즈마 생성 장치나 광학계의 수명 저하를 초래한다. 따라서, 높은 EUV 출력과 낮은 열 부하를 모두 만족하기 위해서는 높은 에너지 변환 효율이 필요 불가결하다.
플라즈마 형성 초기에는 가열이나 전리(電離)에 많은 에너지를 소비하는데다가, EUV를 방사하는 고온 고밀도 상태의 플라즈마는 일반적으로 급속히 팽창되기 때문에 방사 지속 시간 τ가 극단적으로 짧다. 따라서, 변환 효율을 개선하기 위해서는, EUV 방사를 위해 플라즈마를 적합한 고온 고밀도 상태로 장시간(μsec 단위로) 유지하는 것이 중요하게 된다.
Sn이나 Li 등의 상온 고체의 매체는 스펙트럼 변환 효율이 높은 반면, 플라즈마 생성에 용융, 증발 등의 상변화를 수반하기 때문에, 중성 입자 등의 잔사(방전에 수반하는 파생물)에 의한 장치내 오염의 영향이 커진다. 이 때문에, 타겟 공급, 회수 시스템의 강화도 마찬가지로 요구된다.
현재의 일반적인 EUV 플라즈마 광원의 방사 시간은 100 nsec 정도이며 출력이 극단적으로 부족하다. 산업 응용을 위해 높은 변환 효율과 높은 평균 출력을 양립시키기 위해서는 1샷(shot)에 수μsec의 EUV 방사 시간을 달성할 필요가 있다. 즉, 높은 변환 효율을 갖는 플라즈마 광원을 개발하기 위해서는, 각각의 타겟에 적합한 온도 밀도 상태의 플라즈마를 수μsec(적어도 1μsec 이상) 구속하여, 안정된 EUV 방사를 달성할 필요가 있다.
또한, 종래의 모세관 방전에서는 플라즈마가 모세관 내부에 갇혀버리기 때문에, 유효한 방사 입체각이 작다는 결점도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, EUV 방사를 위한 플라즈마광을 장시간(μsec 단위로) 안정적으로 발생시킬 수 있어 구성 기기의 열 부하에 의한 데미지가 작고, 발생한 플라즈마광의 유효한 방사 입체각을 크게 할 수 있는 플라즈마 광원을 제공하는 것에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 대향 배치된 한 쌍의 동축상(同軸狀) 전극과, 상기 동축상 전극 내부의 플라즈마 매체를 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지하는 방전 환경 유지 장치와, 각 동축상 전극에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가하는 전압 인가 장치를 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극 사이에 관상(管狀) 방전을 형성하여 플라즈마를 축 방향으로 구속하는 플라즈마 광원으로서,
상기 각 동축상 전극은, 단일의 축선상으로 연장되는 봉상(棒狀)의 중심 전극과, 상기 중심 전극의 대향하는 선단부를 일정한 간격을 두고 둘러싸는 가이드 전극과, 상기 중심 전극과 가이드 전극의 사이를 절연하는 절연 부재로 이루어지고,
상기 절연 부재는, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투할 수 없는 절연성 치밀 부분과, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투하는 다공질 부분으로 이루어지는 부분 다공체 세라믹이고,
상기 절연성 치밀 부분은 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 리저버를 갖고, 상기 다공질 부분은 절연성 치밀 부분의 내부를 통해 상기 리저버의 내면과, 중심 전극과 가이드 전극의 사이를 연통하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원이 제공된다.
본 발명의 바람직한 제1 실시 형태에 따르면, 플라즈마 광원은 상기 절연 부재를 가열해 그 내부의 플라즈마 매체를 액화하는 온도 조정 가능한 가열 장치를 더 구비한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시 형태에 따르면, 플라즈마 광원은 상기 리저버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치와, 상기 불활성 가스의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 장치를 구비한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 대향 배치된 한 쌍의 동축상 전극과, 상기 동축상 전극 내부의 플라즈마 매체를 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지하는 방전 환경 유지 장치와, 각 동축상 전극에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가하는 전압 인가 장치를 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극 사이에 관상 방전을 형성해 플라즈마를 축 방향으로 구속하는 플라즈마 광원으로서,
상기 각 동축상 전극은, 단일의 축선상으로 연장되는 봉상의 중심 전극과, 상기 중심 전극의 대향하는 선단부를 일정한 간격을 두고 둘러싸는 가이드 전극과, 상기 중심 전극과 가이드 전극의 사이를 절연하는 절연 부재로 이루어지고,
상기 절연 부재는, 중심 전극의 상기 선단부쪽에 위치하는 전면과 그 반대쪽의 배면을 갖는 다공체 세라믹으로 이루어지고,
절연 부재의 배면으로 개구되고 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 중공(中空)의 리저버와, 상기 리저버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치와, 상기 불활성 가스의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 장치와, 상기 리저버 내의 플라즈마 매체를 가열해 액화하는, 온도 조정 가능한 가열 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원이 제공된다.
본 발명의 바람직한 제1 또는 제2 실시 형태에 따르면, 상기 전압 인가 장치는, 한쪽 동축상 전극의 중심 전극에 그 가이드 전극보다 높은 양(positive)의 방전 전압을 인가하는 양전압원과, 다른 쪽 동축상 전극의 중심 전극에 그 가이드 전극보다 낮은 음(negative)의 방전 전압을 인가하는 음전압원과, 상기 양전압원과 음전압원을 각각의 동축상 전극에 동시에 인가하는 트리거 스위치를 갖는다.
상기 제1 및 제2의 본 발명의 장치에 따르면, 대향 배치된 한 쌍의 동축상 전극을 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극에 각각 면상(面狀)의 방전 전류(면상 방전)를 발생시키고, 그 면상 방전에 의해 각 동축상 전극의 대향하는 중간 위치에 단일의 플라즈마를 형성하고, 계속해서 상기 면상 방전을 한 쌍의 동축상 전극 사이의 관상 방전으로 전환하여 상기 플라즈마를 구속하는 자장(자기병)을 형성하므로, EUV 방사를 위한 플라즈마광을 장시간(μsec 단위로) 안정적으로 발생시킬 수 있다.
또한, 종래의 모세관 방전이나 진공 방전 금속 플라즈마와 비교하면, 한 쌍의 동축상 전극의 대향하는 중간 위치에 단일의 플라즈마가 형성되고, 또한 에너지 변환 효율을 큰 폭으로 개선할 수 있으므로, 플라즈마 형성중의 각 전극의 열 부하가 작아져 구성 기기의 열 부하에 의한 데미지를 큰 폭으로 저감할 수 있다.
또한, 한 쌍의 동축상 전극의 대향하는 중간 위치에 플라즈마광의 발광원인 플라즈마가 형성되므로, 발생한 플라즈마광의 유효한 방사 입체각을 크게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 광원의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 동축상 전극의 확대도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원의 작동 설명도이며, 면상 방전의 발생시를 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원의 작동 설명도이며, 면상 방전의 이동중을 나타낸다.
도 3c는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원의 작동 설명도이며, 플라즈마 형성시를 나타낸다.
도 3d는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원의 작동 설명도이며, 플라즈마 구속 자장의 형성시를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 광원의 제2 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 동축상 전극의 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부한 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 광원의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이다.
이 도면에서, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원은, 한 쌍의 동축상 전극(10), 방전 환경 유지 장치(20), 전압 인가 장치(30), 및 가열 장치(40)를 구비한다.
한 쌍의 동축상 전극(10)은 대칭면(1)을 중심으로 대향 배치된다.
각 동축상 전극(10)은 봉상의 중심 전극(12), 가이드 전극(14) 및 절연 부재(16)로 이루어진다.
봉상의 중심 전극(12)은 단일한 축선 Z-Z상으로 연장되는 도전성 전극이다.
이 예에서, 중심 전극(12)의 대칭면(1)에 대향하는 단면(端面)은 원호상이다. 한편, 이 구성이 필수인 것은 아니고, 단면에 오목부를 마련해 후술하는 면상 방전 전류(2)와 관상 방전(4)을 안정적으로 해도 되며, 혹은 평면이라도 무방하다.
가이드 전극(14)은 중심 전극(12)의 대향하는 선단부를 일정한 간격을 두고 둘러싸고, 그 사이에 플라즈마 매체를 보유하게 되어 있다. 가이드 전극(14)은, 이 예에서는, 대칭면(1)쪽에 위치하는 소직경 중공 원통 부분(14a)과, 그 반대쪽에 위치하고 소직경 중공 원통 부분(14a)보다 직경이 큰 대직경 중공 부분(14b)으로 이루어진다. 또한, 가이드 전극(14)의 대칭면(1)에 대향하는 소직경 중공 원통 부분(14a)의 단면(端面)은, 이 예에서는 원호상이지만 평면이라도 된다.
플라즈마 매체는, 이 예에서는 Sn, Li 등의 상온에서 고체인 플라즈마 매체인 것이 바람직하다.
절연 부재(16)는 중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이에 위치하는 중공 원통 형상의 전기적 절연체이며, 중심 전극(12)과 가이드 전극(14) 사이를 전기적으로 절연한다. 절연 부재(16)는, 중심 전극(12)의 선단부쪽에 위치하는 전면과 그 반대쪽의 배면을 갖는 다공체 세라믹으로 이루어진다.
절연 부재(16)는, 이 예에서는, 소직경 중공 원통 부분(14a)의 내측에 결합하는 소직경 부분과, 대직경 중공 부분(14b)의 내측에 결합하는 대직경 부분으로 이루어진다. 대직경 부분은 볼트(17)(도 2 참조)에 의해 가이드 전극(14)에 일체적으로 연결된다.
전술한 한 쌍의 동축상 전극(10)은, 각 중심 전극(12)이 동일한 축선 Z-Z상에 위치하고, 또한 서로 일정한 간격을 두고 대칭적으로 위치한다.
방전 환경 유지 장치(20)는, 동축상 전극(10) 내부의 플라즈마 매체를 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지한다.
방전 환경 유지 장치(20)는, 예를 들면, 진공 챔버, 온도 조절기, 진공 장치, 및 플라즈마 매체 공급 장치에 의해 구성할 수 있다. 한편 이 구성이 필수인 것은 아니며, 그 외의 구성이라도 된다.
전압 인가 장치(30)는 각 동축상 전극(10)에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가한다.
전압 인가 장치(30)는, 이 예에서는 양전압원(32), 음전압원(34) 및 트리거 스위치(36)로 이루어진다.
양전압원(32)은 한쪽(이 예에서는 좌측) 동축상 전극(10)의 중심 전극(12)에 그 가이드 전극(14)보다 높은 양의 방전 전압을 인가한다.
음전압원(34)은 다른 쪽(이 예에서는 우측) 동축상 전극(10)의 중심 전극(12)에 그 가이드 전극(14)보다 낮은 음의 방전 전압을 인가한다.
트리거 스위치(36)는 양전압원(32)과 음전압원(34)을 동시에 작동시켜, 각각의 동축상 전극(10)에 동시에 양·음의 방전 전압을 인가한다.
이 구성에 의해, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원은, 한 쌍의 동축상 전극(10) 사이에 관상 방전(후술한다)을 형성해 플라즈마를 축 방향으로 구속하게 된다.
가열 장치(40)는, 절연 부재(16)를 가열하는 전기 히터(42)와, 전기 히터(42)에 가열용 전력을 공급하는 가열 전원 장치(44)로 이루어지고, 절연 부재(16)를 가열해 그 내부의 플라즈마 매체를 액화한다. 특히, 가열 장치(40)는 절연 부재(16)를 가열해 후술하는 리저버(18) 내부의 플라즈마 매체를 가열해 액화한다.
이 예에서, 전기 히터(42)는 절연 부재(16)의 대직경 부분의 외주에 마련된 홈 내에 배치되고, 가이드 전극(14)의 대직경 중공 부분(14b)을 관통하는 전원 라인을 통해 가열 전원 장치(44)로부터 전력이 공급된다. 또한, 도시하지 않은 온도 센서를 구비해, 절연 부재(16)를 소정의 온도로 가열해 온도를 유지한다.
도 2는 도 1의 동축상 전극의 확대도이다.
이 도면에서, 절연 부재(16)는 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투할 수 없는 절연성 치밀 부분(16a)과, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투하는 다공질 부분(16b)을 일체 성형한 부분 다공체 세라믹이다.
절연성 치밀 부분(16a)은 중심 전극(12)과 가이드 전극(14) 사이를 절연한다.
또한, 이 예에서, 다공질 부분(16b)은 절연성 치밀 부분(16a)의 내부를 통해 절연 부재(16)의 배면에서 전면까지 연속되어 있다.
절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)을 구성하는 세라믹은, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO), 실리콘카바이드(SiC) 등의 절연성 세라믹인 것이 바람직하다.
또한 절연성 치밀 부분(16a)의 입경 및 소성 온도는, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투할 수 없도록 설정한다. 또한, 다공질 부분(16b)의 입경 및 소성 온도는 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투하도록 설정한다.
또한, 절연성 치밀 부분(16a)은 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 리저버(18)를 갖는다. 이 예에서, 리저버(18)는 절연성 치밀 부분(16a)의 내부에 마련되고, 축선 Z-Z를 중심으로 하는 중공 원통형의 공동(空洞)이다.
한편 이 예에서, 리저버(18)는 절연 부재(16)의 배면으로 개구되고, 리저버(18)의 배면(도면에서 좌측)은 폐쇄판(15)으로 닫힌다. 폐쇄판(15)은 중심 전극(12)의 배면측에 마련된 나사축(12a)과 결합하는 너트(13)에 의해 탈착 가능하게 고정된다. 폐쇄판(15)은 액화한 플라즈마 매체의 온도에 견디는 내열 금속판 또는 내열 세라믹인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 폐쇄판(15)의 탈착에 의해 리저버(18)에 플라즈마 매체를 적절히 보급할 수 있다. 또한, 리저버(18) 내부의 플라즈마 매체는, 이 예에서는 Sn, Li 등이며, 가열 장치(40)에 의해 액화된다.
도 1의 플라즈마 광원은 가스 공급 장치(50) 및 압력 조정 장치(52)를 더 구비한다.
가스 공급 장치(50)는 리저버(18) 내에 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스는 아르곤, 크세논 등의 희(稀)가스인 것이 바람직하다.
압력 조정 장치(52)는 가스 공급 장치(50)의 가스 공급 라인의 중간에 마련되어, 불활성 가스의 공급 압력을 조정한다.
한편, 제1 실시 형태에서, 가스 공급 장치(50) 및 압력 조정 장치(52)를 생략해도 무방하다.
전술한 플라즈마 광원을 이용해, 절연 부재(16)를 플라즈마 매체(6)(Sn, Li 등)의 증기압이 플라즈마 발생에 적합한 압력(Torr 단위)이 되는 온도로 가열 유지하고, 동축상 전극(10) 내부(중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이)를 Torr 단위의 플라즈마 매체(6)의 증기 분위기로 한다.
또한, 전극 도체(중심 전극(12)과 가이드 전극(14))를 플라즈마 매체(6)의 증기가 응집하지 않는 고온으로 유지한다.
동축상 전극(10) 내부(중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이)에, 절연 부재(16)의 다공질 부분(16b) 표면(단면)으로부터 플라즈마 매체(6)를 액체 금속 상태로 침출시킬 수 있다.
대안으로서, 동축상 전극(10) 내부(중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이)에, 절연 부재(16)의 다공질 부분(16b) 표면(단면)으로부터 플라즈마 매체(6)를 금속 증기 가스로서 공급해도 된다. 이 경우, 가열 장치(40)는 리저버(18) 내의 플라즈마 매체(6)을 액화하고, 다시 액화한 당해 플라즈마 매체(6)를 기화시켜 금속 증기 가스로 한다. 한편, 동축상 전극(10) 내부에, 다공질 부분(16b) 표면(단면)으로부터 플라즈마 매체(6)를 금속 증기 가스로서 공급하기 위해, 절연성 치밀 부분(16b)은 기체를 통과시키지 않게 형성되는 것이 좋다.
한편, 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)의 형상은 이 예로 한정되지 않고, 중심 전극(12)과 가이드 전극(14) 사이를 전기적으로 절연하는 한 그 외의 형상이라도 무방하다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 플라즈마 광원의 작동 설명도이다. 도 3a는 면상 방전의 발생시, 도 3b는 면상 방전의 이동중, 도 3c는 플라즈마의 형성시, 도 3d는 플라즈마 구속 자장의 형성시를 나타내고 있다.
이하, 이들 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태의 장치에 의한 플라즈마광 발생 방법을 설명한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 광원은, 전술한 한 쌍의 동축상 전극(10)을 대향 배치하고, 방전 환경 유지 장치(20)에 의해 동축상 전극(10) 내부에 플라즈마 매체를 공급하고 또한 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지하고, 전압 인가 장치(30)에 의해 각 동축상 전극(10)에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가한다.
도 3a에 나타내는 바와 같이, 이 전압 인가에 의해, 한 쌍의 동축상 전극(10)의 절연 부재(16)의 표면에서 각각 면상의 방전 전류(이하, 면상 방전(2)이라고 한다)가 발생한다. 면상 방전(2)은 2차원적으로 확장되는 면상의 방전 전류이며, 이하 '전류 시트'라고도 한다.
한편, 이때, 좌측의 동축상 전극(10)의 중심 전극(12)은 양전압(＋), 가이드 전극(14)은 음전압(－)으로 인가되고, 우측의 동축상 전극(10)의 중심 전극(12)은 음전압(－), 가이드 전극(14)은 양전압(＋)으로 인가되어 있다.
한편, 모든 가이드 전극(14)을 접지시켜 0V로 유지하고, 한쪽의 중심 전극(12)을 양전압(＋)으로 인가하고, 다른 쪽의 중심 전극(12)을 음전압(－)으로 인가해도 된다.
도 3b에 나타내는 바와 같이, 면상 방전(2)은 자기 자장에 의해 전극으로부터 배출되는 방향(도면에서 중심을 향하는 방향)으로 이동한다.
도 3c에 나타내는 바와 같이, 면상 방전(2)이 한 쌍의 동축상 전극(10)의 선단에 도달하면, 한 쌍의 면상 방전(2)의 사이에 끼워진 플라즈마 매체(6)가 고밀도, 고온이 되어, 각 동축상 전극(10)이 대향하는 중간 위치(중심 전극(12)의 대칭면(1))에 단일의 플라즈마(3)가 형성된다.
또한, 이 상태에서, 대향하는 한 쌍의 중심 전극(12)은 양전압(＋)과 음전압(－)이고, 마찬가지로 대향하는 한 쌍의 가이드 전극(14)도 양전압(＋)과 음전압(－)이므로, 도 3d에 나타내는 바와 같이, 면상 방전(2)은 대향하는 한 쌍의 중심 전극(12)끼리, 및 대향하는 한 쌍의 가이드 전극(14)의 사이에서 방전하는 관상 방전(4)으로 전환된다. 여기에서, 관상 방전(4)이란, 축선 Z-Z를 둘러싸는 중공 원통형의 방전 전류를 의미한다.
이 관상 방전(4)이 형성되면, 도면에 참조 부호 5로 나타내는 플라즈마 구속 자장(자기병)이 형성되어, 플라즈마(3)를 반경 방향 및 축 방향으로 구속할 수 있다.
즉, 자기병(5)은 플라즈마(3)의 압력에 의해 중앙부는 크고 그 양측이 작아져 플라즈마(3)를 향하는 축 방향의 자기압 구배가 형성되고, 이 자기압 구배에 의해 플라즈마(3)는 중간 위치에 구속된다. 또한, 플라즈마 전류의 자기 자장에 의해 중심 방향으로 플라즈마(3)가 압축(Z핀치(Z-pinch))되고, 반경 방향으로도 자기 자장에 의한 구속이 작용한다.
이 상태에서, 플라즈마(3)의 발광 에너지에 상당하는 에너지를 전압 인가 장치(30)로부터 계속 공급하면, 높은 에너지 변환 효율로 플라즈마광(8)(EUV)을 장시간 안정적으로 발생시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 광원의 제2 실시 형태를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 동축상 전극의 확대도이다.
제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태의 중심 전극(12), 가이드 전극(14), 절연 부재(16), 리저버(18) 및 전기 히터(42) 대신에, 각각, 중심 전극(12B), 가이드 전극(14B), 절연 부재(16B), 리저버(18B) 및 전기 히터(42B)가 마련된다.
도 4, 도 5에서, 각 동축상 전극(10)은 봉상의 중심 전극(12B), 관상의 가이드 전극(14B) 및 링상의 절연 부재(16B)로 이루어진다.
링상의 절연 부재(16B)는 중심 전극(12B)과 가이드 전극(14B) 사이에 위치하는 중공 원통 형상의 전기적 절연체이며, 중심 전극(12B)과 가이드 전극(14B) 사이를 전기적으로 절연한다. 이 예에서, 링상의 절연 부재(16B)는 다공질 세라믹이다.
또한, 도 4의 플라즈마 광원은, 절연 부재(16B)의 배면으로 개구되고, 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 중공의 리저버(18B)를 더 구비한다.
또한, 이 예에서 가열 장치(40)는, 리저버(18B)를 가열하는 전기 히터(42B)와 전기 히터(42B)에 가열용의 전력을 공급하는 가열 전원 장치(44)로 이루어지고, 리저버(18B) 내의 플라즈마 매체를 가열해 액화한다.
제2 실시 형태에서의 그 밖의 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 단, 제2 실시 형태에서는, 가스 공급 장치(50) 및 압력 조정 장치(52)를 생략하지 않는다.
전술한 본 발명의 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태의 장치에 따르면, 대향 배치된 한 쌍의 동축상 전극(10)을 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극(10)에 각각 면상의 방전 전류(면상 방전(2))를 발생시키고, 면상 방전(2)에 의해 각 동축상 전극(10)의 대향하는 중간 위치에 단일의 플라즈마(3)를 형성하고, 계속해서 면상 방전(2)을 한 쌍의 동축상 전극 사이의 관상 방전(4)으로 전환해 플라즈마(3)를 구속하는 플라즈마 구속 자장(5)(자기병(5))을 형성하므로, EUV 방사를 위한 플라즈마광을 장시간(μsec 단위로) 안정적으로 발생시킬 수 있다.
또한, 종래의 모세관 방전이나 진공 방전 금속 플라즈마와 비교하면, 한 쌍의 동축상 전극(10)의 대향하는 중간 위치에 단일의 플라즈마(3)가 형성되고, 또한 에너지 변환 효율을 큰 폭(10배 이상)으로 개선할 수 있으므로, 플라즈마 형성중의 각 전극의 열 부하가 작아져 구성 기기의 열 부하에 의한 데미지를 큰 폭으로 저감할 수 있다.
또한, 한 쌍의 동축상 전극(10)의 대향하는 중간 위치에 플라즈마광의 발광원인 플라즈마(3)가 형성되므로, 발생한 플라즈마광의 유효 방사 입체각을 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에서는, 절연 부재(16)가 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)을 일체 성형한 부분 다공체 세라믹이며, 절연성 치밀 부분(16a)에 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 리저버(18)를 갖고, 다공질 부분(16b)은 절연성 치밀 부분(16a)의 내부를 통해 리저버(18)의 내면과, 중심 전극(12)과 가이드 전극(14)의 사이를 연통하므로, 절연성 치밀 부분(16a)의 존재에 의해, 다공질 부분(16b)을 통해 플라즈마 매질인 액체 금속을 흘려도 동축 전극 사이의 절연을 유지할 수 있어, 플라즈마 매체를 연속해 중심 전극(12)과 가이드 전극(14) 사이에 공급할 수 있다.
한편, 장치 구조상, 절연 부재(16)는 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)이 일체 성형된 것이 바람직하지만, 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)을 접합(접착, 납땜 등)한 것, 혹은 절연성 치밀 부분(16a)과 다공질 부분(16b)의 틈새로부터 플라즈마 매질이 새지 않도록 씰링 구조를 마련한 것이라도 된다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에서는, 절연 부재(16 또는 16B)의 배면으로 개구되고 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 중공의 리저버(18 또는 18B)와, 리저버(18 또는 18B) 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치(50)와, 불활성 가스의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 장치(52)와, 리저버(18 또는 18B) 내의 플라즈마 매체를 가열해 액화하는 온도 조정 가능한 가열 장치(40)를 구비하므로, 가열 장치(40)의 온도 조정에 의해 절연 부재(16 또는 16B)의 전면에서의 플라즈마 매체의 증기 압력을 제어할 수 있다. 또한 동시에, 가스 공급 장치(50)와 압력 조정 장치(52)에 의해, 리저버(18 또는 18B) 내에 공급하는 불활성 가스의 압력을 조정해 플라즈마 매질(액체 금속)의 공급량을 제어할 수 있다.
따라서, 플라즈마 매체를 연속해 공급할 수 있고, 충분한 공급 속도로 플라즈마 매체를 공급할 수 있으며, 또한 플라즈마 매체의 공급량과 증기압을 독립적으로 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않으며, 특허 청구의 범위의 기재에 의해 나타나고, 또한 특허 청구의 범위의 기재와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.
1 대칭면
2 면상 방전(전류 시트)
3 플라즈마
4 관상 방전
5 플라즈마 구속 자장
6 플라즈마 매체
8 플라즈마광(EUV)
10 동축상 전극
12, 12B 중심 전극
12a 나사축
13 너트
14, 14B 가이드 전극
15 폐쇄판
16, 16B 절연 부재(부분 다공체 세라믹)
16a 절연성 치밀 부분
16b 다공질 부분
18, 18B 리저버
20 방전 환경 유지 장치
30 전압 인가 장치
32 양전압원
34 음전압원
36 트리거 스위치
40 가열 장치
42, 42B 전기 히터
44 가열 전원 장치

Claims (5)

  1. 대향 배치된 한 쌍의 동축상 전극과, 상기 동축상 전극 내부의 플라즈마 매체를 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지하는 방전 환경 유지 장치와, 각 동축상 전극에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가하는 전압 인가 장치를 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극 사이에 관상 방전을 형성해 플라즈마를 축 방향으로 구속하는 플라즈마 광원으로서,
    상기 각 동축상 전극은, 단일의 축선상으로 연장되는 봉상의 중심 전극과, 상기 중심 전극의 대향하는 선단부를 일정한 간격을 두고 둘러싸는 가이드 전극과, 상기 중심 전극과 가이드 전극 사이를 절연하는 절연 부재로 이루어지고.
    상기 절연 부재는, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투할 수 없는 절연성 치밀 부분과, 액화한 플라즈마 매체가 연속해 침투하는 다공질 부분으로 이루어지는 부분 다공체 세라믹이고,
    상기 절연성 치밀 부분은 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 리저버를 갖고, 상기 다공질 부분은 절연성 치밀 부분의 내부를 통해 상기 리저버의 내면과 중심 전극과 가이드 전극의 사이를 연통하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재를 가열해 그 내부의 플라즈마 매체를 액화하는 온도 조정 가능한 가열 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리저버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치와,
    상기 불활성 가스의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원.
  4. 대향 배치된 한 쌍의 동축상 전극과, 상기 동축상 전극 내부의 플라즈마 매체를 플라즈마 발생에 적합한 온도 및 압력으로 유지하는 방전 환경 유지 장치와, 각 동축상 전극에 극성을 반전시킨 방전 전압을 인가하는 전압 인가 장치를 구비하고, 한 쌍의 동축상 전극 사이에 관상 방전을 형성해 플라즈마를 축 방향으로 구속하는 플라즈마 광원으로서,
    상기 각 동축상 전극은, 단일의 축선상으로 연장되는 봉상의 중심 전극과, 상기 중심 전극의 대향하는 선단부를 일정한 간격을 두고 둘러싸는 가이드 전극과, 상기 중심 전극과 가이드 전극 사이를 절연하는 절연 부재로 이루어지고,
    상기 절연 부재는 중심 전극의 상기 선단부쪽에 위치하는 전면과 그 반대쪽의 배면을 갖는 다공체 세라믹으로 이루어지고,
    절연 부재의 배면으로 개구되고 플라즈마 매체를 내부에 보유하는 중공의 리저버와,
    상기 리저버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치와,
    상기 불활성 가스의 공급 압력을 조정하는 압력 조정 장치와,
    상기 리저버 내의 플라즈마 매체를 가열해 액화하는 온도 조정 가능한 가열 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전압 인가 장치는, 한쪽 동축상 전극의 중심 전극에 그 가이드 전극보다 높은 양의 방전 전압을 인가하는 양전압원과, 다른 쪽 동축상 전극의 중심 전극에 그 가이드 전극보다 낮은 음의 방전 전압을 인가하는 음전압원과, 상기 양전압원과 음전압원을 각각의 동축상 전극에 동시에 인가하는 트리거 스위치를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원.
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