WO2010071036A1 - プラズマ光源とプラズマ光発生方法 - Google Patents

プラズマ光源とプラズマ光発生方法 Download PDF

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discharge
electrode
coaxial
electrodes
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一 桑原
一彦 堀岡
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株式会社Ihi
国立大学法人東京工業大学
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma light source and a method for generating plasma light for EUV radiation.
  • Lithography using an extreme ultraviolet light source is expected for fine processing of next-generation semiconductors.
  • Lithography is a technique for forming an electronic circuit by irradiating a resist material by reducing and projecting light or a beam onto a silicon substrate through a mask on which a circuit pattern is drawn.
  • the minimum processing dimension of a circuit formed by photolithography basically depends on the wavelength of the light source. Therefore, it is essential to shorten the wavelength of the light source for next-generation semiconductor development, and research for this light source development is underway.
  • EUV extreme ultraviolet light source
  • the most promising next generation lithography light source is an extreme ultraviolet light source (EUV), which means light in the wavelength region of about 1 to 100 nm.
  • the light in this region has a high absorptance with respect to all substances, and a transmissive optical system such as a lens cannot be used. Therefore, a reflective optical system is used.
  • the optical system in the extreme ultraviolet region is very difficult to develop, and exhibits a reflection characteristic only at a limited wavelength.
  • the light source plasma generation can be roughly divided into a laser irradiation method (LPP: Laser Produced Plasma) and a gas discharge method (DPP: Discharge Produced Plasma) driven by a pulse power technique.
  • LPP Laser Produced Plasma
  • DPP Discharge Produced Plasma
  • DPP has the advantage that the input power is directly converted into plasma energy, so that it has an advantage in conversion efficiency compared to LPP, and the apparatus is small in size and low in cost.
  • the conversion efficiency (plasma conversion efficiency: PCE) from plasma to radiation in the effective wavelength region (in-band) is expressed by the following equation (1).
  • P. C. E (P inband ⁇ ⁇ ) / E (1)
  • P inband is the EUV radiation output in the effective wavelength region
  • ⁇ is the radiation duration
  • E is the energy input to the plasma.
  • Xe, Sn, Li and the like are typical elements having a radiation spectrum in the effective wavelength region, and research has been progressed mainly on Xe in the early stages of development because of ease of experimentation and ease of handling.
  • Sn has been attracting attention and research is being promoted because of its high output and high efficiency.
  • expectation for hydrogen-like Li ions (Li 2+ ) having just a Lyman- ⁇ resonance line in the in-band region is increasing.
  • the radiation spectrum from a high-temperature, high-density plasma is basically determined by the temperature and density of the target material. According to the calculation result of the atomic process of the plasma, the electron in the case of Xe, Sn is used to make the plasma in the EUV radiation region. temperature, electron density, respectively 10 ⁇ 30eV, 10 18 cm -3 approximately, 20 eV in the case of Li, 10 18 cm about -3 is optimal.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1 The plasma light source described above is disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1.
  • EUV lithography light sources are required to have a high average output, a small light source size, and a small amount of scattered particles (debris).
  • the EUV emission amount is extremely low with respect to the required output, and increasing the output is one of the major issues.
  • the input energy is increased for increasing the output, the damage caused by the thermal load will be caused by The lifetime of the optical system is reduced. Therefore, high energy conversion efficiency is indispensable to satisfy both high EUV output and low heat load.
  • Room-temperature solid media such as Sn and Li have high spectral conversion efficiency, but the plasma generation is accompanied by phase changes such as melting and evaporation, so the effect of contamination inside the device due to debris (derived from discharge) such as neutral particles becomes larger. Therefore, the target supply and recovery system must be strengthened as well.
  • the conventional capillary discharge has a drawback that the effective solid solid angle is small because the plasma is confined in the capillary.
  • the present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, the object of the present invention is to generate plasma light for EUV radiation stably for a long time (on the order of ⁇ sec), and the damage caused by the thermal load of the component equipment is small, and effective radiation of the generated plasma light is achieved.
  • An object of the present invention is to provide a plasma light source and a plasma light generation method capable of increasing a solid angle and continuously supplying a plasma medium.
  • a pair of coaxial electrodes arranged opposite to each other, a discharge environment holding device that supplies a plasma medium in the coaxial electrodes and maintains a temperature and pressure suitable for plasma generation, and each coaxial electrode A voltage application device that applies a discharge voltage with the polarity reversed to the electrode, and
  • a plasma light source characterized in that a tubular discharge is formed between a pair of coaxial electrodes to confine the plasma in the axial direction.
  • each of the coaxial electrodes includes a rod-shaped center electrode extending on a single axis, a tubular guide electrode surrounding the center electrode at a predetermined interval, a center electrode, It consists of a ring-shaped insulator that is located between the guide electrodes and insulates between them,
  • the center electrodes of the pair of coaxial electrodes are positioned on the same axis and are symmetrically spaced from each other at a constant interval.
  • the voltage applying device includes a positive voltage source that applies a positive discharge voltage higher than the guide electrode to the center electrode of one coaxial electrode, and a negative discharge voltage that is lower than the guide electrode to the center electrode of the other coaxial electrode. And a trigger switch for simultaneously applying the positive voltage source and the negative voltage source to the respective coaxial electrodes.
  • the insulator is a porous ceramic
  • a plasma medium supply device for supplying a plasma medium into the coaxial electrode through the porous ceramic
  • the plasma medium supply device includes a reservoir that holds the plasma medium therein and a heating device that liquefies the plasma medium.
  • an ignition laser device that irradiates laser light onto the insulator surfaces of the pair of coaxial electrodes in synchronization with the application timing of the discharge voltage.
  • the ignition laser device irradiates multiple points of laser light on a plurality of locations on the surface of each insulator.
  • a pair of coaxial electrodes are arranged opposite to each other, a plasma medium is supplied into the coaxial electrodes and maintained at a temperature and pressure suitable for plasma generation, and the polarity is reversed to each coaxial electrode.
  • the discharge voltage is applied to generate a planar discharge on each pair of coaxial electrodes, and the planar discharge forms plasma at the opposite intermediate position of each coaxial electrode.
  • a pair of coaxial electrodes arranged opposite to each other are provided, and a planar discharge current (planar discharge) is generated in each of the pair of coaxial electrodes.
  • a planar discharge current planar discharge
  • Plasma light for EUV radiation can be stably generated for a long time (on the order of ⁇ sec).
  • plasma is formed at the opposite intermediate position of a pair of coaxial electrodes, and energy conversion efficiency can be greatly improved.
  • the thermal load is reduced, and the damage caused by the thermal load on the component equipment can be greatly reduced.
  • plasma which is a light emission source of plasma light
  • plasma is formed at an intermediate position where a pair of coaxial electrodes are opposed to each other, an effective radiation solid angle of the generated plasma light can be increased.
  • the plasma medium can be continuously supplied by the configuration in which the insulator is a porous ceramic, and the plasma medium supply device supplies the plasma medium into the coaxial electrode through the porous ceramic.
  • FIG. 1 Shows typical EUV signal of straight type A typical EUV signal with a tapered shape is shown. It is a schematic diagram of a cusp magnetic field guide discharge experiment. It is a typical block diagram of a counter plasma focus apparatus. The time when the current sheet collides at the center between the electrodes is shown. The time of formation of the plasma confinement magnetic field is shown. The EUV emission is shown. It is a schematic diagram of the experimental apparatus of the plasma light source which has a coaxial electrode. It is an experimental result which shows the breadth of the current sheet in a coaxial electrode. It is another experimental result which shows the breadth of the current sheet in a coaxial electrode.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a plasma light source according to the present invention.
  • the plasma light source of the present invention includes a pair of coaxial electrodes 10, a discharge environment holding device 20, and a voltage application device 30.
  • the pair of coaxial electrodes 10 are disposed opposite to each other with the symmetry plane 1 as the center.
  • Each coaxial electrode 10 includes a rod-shaped center electrode 12, a tubular guide electrode 14, and a ring-shaped insulator 16.
  • the rod-shaped center electrode 12 is a conductive electrode extending on a single axis ZZ.
  • a concave hole 12a is provided on the end face of the center electrode 12 facing the symmetry plane 1 so as to stabilize the planar discharge current 2 and the tubular discharge 4 described later.
  • This configuration is not essential, and the end face of the center electrode 12 facing the symmetry plane 1 may be arcuate or flat.
  • the tubular guide electrode 14 surrounds the center electrode 12 with a predetermined interval, and holds a plasma medium therebetween.
  • the plasma medium is preferably a gas such as Xe, Sn, or Li.
  • the end face of the guide electrode 14 facing the symmetry plane 1 may be arcuate or flat.
  • the ring-shaped insulator 16 is a hollow cylindrical electrical insulator positioned between the center electrode 12 and the guide electrode 14 and electrically insulates between the center electrode 12 and the guide electrode 14.
  • the shape of the insulator 16 is not limited to this example, and may be other shapes as long as the center electrode 12 and the guide electrode 14 are electrically insulated.
  • the center electrodes 12 are positioned on the same axis ZZ and are symmetrically spaced apart from each other.
  • the discharge environment holding device 20 supplies a plasma medium into the coaxial electrode 10 and holds the coaxial electrode 10 at a temperature and pressure suitable for plasma generation.
  • the discharge environment holding device 20 can be constituted by, for example, a vacuum chamber, a temperature controller, a vacuum device, and a plasma medium supply device. This configuration is not essential, and other configurations may be used.
  • the voltage application device 30 applies a discharge voltage with the polarity reversed to each coaxial electrode 10.
  • the voltage application device 30 includes a positive voltage source 32, a negative voltage source 34, and a trigger switch 36.
  • the positive voltage source 32 applies a positive discharge voltage higher than that of the guide electrode 14 to the center electrode 12 of the coaxial electrode 10 on one side (left side in this example).
  • the negative voltage source 34 applies a negative discharge voltage lower than that of the guide electrode 14 to the center electrode 12 of the other coaxial electrode 10 (right side in this example).
  • the trigger switch 36 simultaneously activates the positive voltage source 32 and the negative voltage source 34 to apply positive and negative discharge voltages to the respective coaxial electrodes 12 simultaneously.
  • the plasma light source of the present invention forms a tubular discharge (described later) between the pair of coaxial electrodes 10 to contain the plasma in the axial direction.
  • FIGS. 2A to 2D are operation explanatory views of the plasma light source of FIG. 2A shows a state in which a sheet discharge is generated
  • FIG. 2B shows a state in which the sheet discharge is moving
  • FIG. 2C shows a state in which plasma is formed
  • FIG. Hereinafter, the plasma light generation method of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2D.
  • the pair of coaxial electrodes 10 described above are disposed opposite to each other, a plasma medium is supplied into the coaxial electrode 10 by the discharge environment holding device 20, and the temperature and pressure are suitable for plasma generation.
  • the voltage is applied, and the voltage application device 30 applies a discharge voltage whose polarity is reversed to each coaxial electrode 10.
  • planar discharge 2 is a planar discharge current that flows between the center electrode 12 and the guide electrode 14 and spreads in a two-dimensional manner when viewed from the axial direction of the coaxial electrode 10. Called “current sheet”.
  • the center electrode 12 of the left coaxial electrode 10 is applied with a positive voltage (+)
  • the guide electrode 14 is applied with a negative voltage ( ⁇ )
  • the center electrode 12 of the right coaxial electrode 10 is applied with a negative voltage ( ⁇ ).
  • the guide electrode 14 is applied to a positive voltage (+).
  • both guide electrodes 14 may be grounded and held at 0 V
  • one center electrode 12 may be applied to a positive voltage (+)
  • the other center electrode 12 may be applied to a negative voltage ( ⁇ ).
  • planar discharge 2 moves in the direction of being discharged from the electrode by the self magnetic field (the direction toward the center in the figure).
  • the plasma medium 6 sandwiched between the pair of sheet discharges 2 becomes high density and high temperature.
  • a single plasma 3 is formed at the opposite intermediate position of the electrode 10 (the symmetry plane 1 of the center electrode 12). Note that “single” of “single plasma 3” means that the plasma 3 spreads in a limited small region. Such a spread region of the plasma 3 looks like a spot when viewed from the direction of the axis ZZ, for example.
  • the spread region of the plasma 3 spreads by about 1 to 2 mm in the direction orthogonal to the direction of the axis ZZ, and spreads by about 3 to 4 mm in the direction of the axis ZZ.
  • the dimensions of the region vary depending on the dimensions of the coaxial electrode 10 and other discharge conditions.
  • the pair of opposed center electrodes 12 have a positive voltage (+) and a negative voltage ( ⁇ ), and similarly, the pair of guide electrodes 14 opposed to each other also has a positive voltage (+) and a negative voltage.
  • ( ⁇ ) as shown in FIG. 2D, the planar discharge 2 is switched to a tubular discharge 4 that discharges between a pair of opposed center electrodes 12 and between a pair of opposed guide electrodes 14.
  • the tubular discharge 4 means a hollow cylindrical discharge current surrounding the axis ZZ.
  • a plasma confinement magnetic field (magnetic bin) indicated by reference numeral 5 in the figure is formed, and the plasma 3 can be confined in the radial direction and the axial direction.
  • the central portion of the magnetic bin 5 is large due to the pressure of the plasma 3 and both sides thereof are small, and a magnetic pressure gradient in the axial direction toward the plasma 3 is formed.
  • the plasma 3 is constrained to an intermediate position by this magnetic pressure gradient.
  • the plasma 3 is compressed (Z pinch) in the center direction by the self-magnetic field of the plasma current, and the restraint by the self-magnetic field also acts in the radial direction. In this state, if the energy corresponding to the emission energy of the plasma 3 is continuously supplied from the voltage application device 30, the plasma light 8 (EUV) can be stably generated for a long time with high energy conversion efficiency.
  • EUV plasma light 8
  • a pair of coaxial electrodes 10 arranged opposite to each other are provided, and a planar discharge current (planar discharge 2) is generated in each of the pair of coaxial electrodes 10,
  • a single plasma 3 is formed at the opposite intermediate position of each coaxial electrode 10 by the planar discharge 2, and then the planar discharge 2 is connected to a tubular discharge 4 between a pair of coaxial electrodes to contain the plasma 3. Since the plasma confinement magnetic field 5 (magnetic bin 5) is formed, plasma light for EUV radiation can be stably generated for a long time (on the order of ⁇ sec).
  • a single plasma 3 is formed at an intermediate position where a pair of coaxial electrodes 10 face each other, and the energy conversion efficiency is greatly improved (10 times or more).
  • the thermal load on each electrode during plasma formation is reduced, and the damage caused by the thermal load on the components can be greatly reduced.
  • the plasma 3 which is a light source of plasma light is formed at an intermediate position where the pair of coaxial electrodes 10 face each other, the effective radiation solid angle of the generated plasma light can be increased.
  • FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the plasma light source according to the present invention.
  • the ring-shaped insulator 16 is a porous ceramic.
  • the plasma light source according to the present invention further includes a plasma medium supply device 18.
  • the plasma medium supply device 18 is provided in close contact with the outer surface of the porous ceramic 16, and supplies the plasma medium through the porous ceramic 16 into the coaxial electrode 10 (between the center electrode 12 and the guide electrode 14).
  • the plasma medium supply device 18 includes a reservoir 18a (for example, a crucible) that holds the plasma medium 6 therein, and a heating device 18b that liquefies the plasma medium.
  • the plasma medium may be a solid plasma medium such as Sn or Li at room temperature. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the porous ceramic 16 is heated to a temperature at which the vapor pressure of the plasma medium 6 (Sn, Li, etc.) becomes a pressure suitable for plasma generation (Torr order). Then, the inside of the coaxial electrode 10 (between the center electrode 12 and the guide electrode 14) is brought to the vapor atmosphere of the plasma medium 6 of the Torr order. Further, the electrode conductors (the center electrode 12 and the guide electrode 14) are maintained at a high temperature at which the vapor of the plasma medium 6 does not aggregate.
  • the plasma medium 6 can be continuously supplied into the coaxial electrode 10, and plasma light for EUV radiation can be stably generated for a longer time (on the order of ⁇ sec).
  • FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the plasma light source according to the present invention.
  • the plasma light source according to the present invention further includes an ignition laser device 40.
  • the ignition laser device 40 includes two laser oscillators 42 and a timing control device 44, and insulates the pair of coaxial electrodes 10 in synchronization with the timing of application of the discharge voltage by the voltage application device 30.
  • the surface of the body 16 is irradiated with laser light 7.
  • reference numeral 14 a denotes an opening provided in the guide electrode 14 for allowing the laser beam 7 to pass.
  • the opening 14a may be closed with a transparent body (for example, quartz glass) through which the laser light 7 passes.
  • the voltage application device 30 is a pulse high voltage power supply 38, and applies a discharge voltage with the polarity reversed to the left and right to the center electrode 12 and the guide electrode 14 of the pair of coaxial electrodes 10. ing.
  • the voltage application device 30 may have the configuration shown in FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the laser light 7 is irradiated on the surface of the insulator 16 in synchronization with the timing of applying the discharge voltage, thereby reducing the discharge jitter and making the discharge start timings of the opposing coaxial electrodes 10 coincide. be able to.
  • 5A and 5B are diagrams showing a fourth embodiment of the plasma light source according to the present invention.
  • 5A is a pair of coaxial electrodes 10
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB.
  • the ignition laser device 44 is configured to irradiate multiple points of laser light 7 to a plurality of locations on the surface of each insulator 16.
  • the positions of multi-point irradiation are positions that are equally spaced in the circumferential direction of each insulator 16, and in this example, there are 8 positions in the circumferential direction.
  • a beam splitter is used and the optical path lengths are matched.
  • capillary discharge experiment One of the simplest DPP generation methods is capillary discharge.
  • capillary discharge electrodes are installed at both ends of a cylindrical insulator tubule, and a high voltage is applied between the electrodes to form discharge plasma in the tubule.
  • the inventors of the present invention examined the influence of the initial current distribution on the duration of EUV plasma by changing the capillary shape.
  • FIG. 6A, 6B and 6C are schematic views of the capillary discharge device.
  • 6A is a schematic diagram of an experimental apparatus
  • FIG. 6B is a straight capillary
  • FIG. 6C is a schematic diagram of a tapered capillary.
  • the length of the straight capillary (FIG. 6B) is 10 mm, and the inner diameter is 3 mm.
  • the length of the tapered capillary (FIG. 6C) is 10 mm, and the inner diameters of the anode side and the cathode side are 2 mm and 8 mm, respectively.
  • the capillary has a Laval nozzle structure, and the Xe gas supplied into the capillary by an electronically controlled valve is accelerated at supersonic speed in the nozzle.
  • the DPP can be driven in a state where the inside of the chamber is kept at a vacuum of about 10 ⁇ 6 torr.
  • the EUV signal was measured using a photodiode (IRD Corporation, AXUV20HS1) placed in the capillary axis direction.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams showing the effect of the initial current distribution on the EUV signal.
  • FIG. 7A shows a typical EUV signal of a straight type
  • FIG. 7B shows a tapered type of EUV signal.
  • A is an input current
  • B is an EUV signal.
  • 7A and 7B clearly show that the duration of the EUV signal B is increased in the tapered type.
  • the plasma is compressed (Z pinch) in the center direction by the self magnetic field of the plasma current along the capillary surface.
  • the plasma compressed and heated by the Z pinch is in a high temperature and high density state, but expands rapidly due to the increased pressure after maximum compression. Therefore, plasma in the EUV radiation state can only exist for a short time.
  • the strength P B of the self magnetic field is expressed by the following equation (2).
  • I is a plasma current
  • r is a plasma radius.
  • the self-magnetic field becomes stronger on the anode side where the plasma radius r is small. Drift from the side to the cathode side. It is considered that the plasma moving in the capillary was continuously heated and maintained in a high temperature and high density state for a long time.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a cusp magnetic field guide discharge experiment. This figure shows the concept of current distribution control by an applied magnetic field. Permanent magnets were installed around both electrodes as shown in the figure, and the initial current path was controlled by a cusp-type magnetic field. The moment the high voltage is applied to the electrode, electrons that have jumped out of the cathode are controlled by the electric field and cusp-type magnetic flux and move to the anode, causing an electron avalanche. As a result, the formation of a current distribution as shown in the figure is expected.
  • the electrode diameter used in the proof-of-principle experiment was 2 mm, the distance between the electrodes was 4 mm, the magnet having a surface magnetic flux density of 1.25T had an inner diameter of 24 mm, an outer diameter of 50 mm, and an intermagnet distance of 8 mm.
  • the proof-of-principle experiment stronger light emission was observed near the center between the electrodes by being guided by the magnetic field B.
  • the reproducibility was low and a stable result could not be obtained. This is thought to be because the formation of the current path strongly depends on the path of the initial uncertain electronic avalanche. Since the EUV light source presupposes a high repetition rate of 1 to 10 kHz in order to obtain output, instability of plasma formation leads to reduction of output and efficiency.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a counter plasma focus device
  • FIGS. 10A, 10B, and 10C are diagrams showing plasma behavior expected by a current reconnector.
  • a DPP formation method with a plasma focus mechanism facing is proposed.
  • coaxial plasma focus electrodes are opposed to each other.
  • the outer guide electrode 14 is grounded, and the inner electrode (center electrode 12) applies positive and negative high voltages.
  • the coaxial electrodes the guide electrode 14 and the center electrode 12
  • discharge starts on the creeping surface of the insulator 16 (see FIGS. 10A, 10B, and 10C).
  • the current sheet (planar discharge 2) formed on the insulator surface is pushed in the direction of being discharged from the electrode by the self magnetic field.
  • the discharge jitter means a delay time from application of applied voltage to start of discharge. If the discharge jitter is sufficiently smaller than the current sheet progress time in the interelectrode gap, collision near the center of the electrode is possible. When the current sheet collides at the center between the electrodes, if the current path and the magnetic field are temporarily collapsed and reconnection occurs, it is considered that the plasma behavior as shown in FIG. 10A, FIG. 10B and FIG. The shape can be expected.
  • reconnecting refers to a pair of opposing inner electrodes (center electrode) from discharge (state of FIG. 10A) between the inner electrode (center electrode 12) and the outer electrode (guide electrode 14). 12) and a current path and a magnetic field change in the discharge (state of FIG. 10B) between a pair of opposed outer electrodes (guide electrodes 14).
  • This reconnection can be automatically performed by adjusting the distance between the pair of coaxial electrodes, changing the discharge voltage, or the like.
  • the current waveform can be controlled by circuit parameters. After reconnecting successfully, if the plasma pressure gradient and the radial and axial magnetic pressure gradients can be balanced by an optimal current waveform, the plasma can be constrained for ⁇ sec.
  • the key points of this experiment are the onset of discharge, the uniformity of the current sheet, and the reconnection of the current sheet when it is achieved.
  • an experiment for confirming the discharge of the uniform current sheet was performed for the collision of the uniform current sheet.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of an experimental apparatus for a plasma light source having a coaxial electrode.
  • the electrode diameter of the center electrode 12 is 5 mm
  • the inner diameter of the outer guide electrode 14 is 10 mm
  • the electrode edge is curved to prevent the discharge from starting at the tip.
  • the coaxial electrodes (the center electrode 12 and the guide electrode 14) are separated by an insulator (not shown), and a needle-like trigger pin is installed on the insulator surface so that a uniform and stable discharge is started. Yes.
  • the depth of the coaxial electrode distance from the insulator surface to the tip of the coaxial electrode) can be changed by changing the length of the insulator.
  • the capacitor capacity is 1 ⁇ F
  • the applied voltage is 10 to 15 kV
  • the circuit inductance is 0.4 ⁇ H.
  • FIGS. 12A and 12B show a state in which the center electrode is applied to ⁇ 15 kV and driven by a current having a sine waveform (period 4 ⁇ sec). At this time, the discharge peak current is 4 kA, the initial gas pressure is 110 mtorr (Ar), and the exposure time is 100 nsec.
  • FIG. 12A and 12B show a state in which the center electrode is applied to ⁇ 15 kV and driven by a current having a sine waveform (period 4 ⁇ sec). At this time, the discharge peak current is 4 kA, the initial gas pressure is 110 mtorr (Ar), and the exposure time is 100 nsec.
  • FIG. 12A shows the state of plasma spread immediately after the start of discharge
  • FIG. 12B shows the state of plasma spread after a lapse of time (approximately 400 ns) from the start of discharge. That is, in these figures, the region indicated by the arrow S is the plasma spread.
  • the current sheet in the coaxial electrode tends to spread in the ⁇ direction. That is, under the discharge conditions described above, the uniformity of the current sheet can be obtained by starting discharge at two or more locations.
  • the plasma can be made to have a structure without a shield outside the radial direction (relative to the axis ZZ). Can be big.
  • the electrode depth was changed and plasma discharge was observed, plasma discharge was confirmed at an electrode depth of 20 mm.
  • the speed of the current sheet is about 1 cm / ⁇ sec under the above-mentioned conditions. Since the gap between the electrodes is about 5 to 10 mm, the deviation of the discharge start of both electrodes is acceptable if it is about 100 nsec. From the above experiments, the index for current sheet collision was obtained for the simultaneous discharge start and the uniformity of the current sheet.
  • the discharge jitter is a feasible value in terms of device performance, and the formation of two or more discharge start points can be solved by devising a trigger pin.
  • the inventors of the present invention measured EUV radiation of Xe plasma using a tapered capillary and compared it with a conventional capillary discharge. It was confirmed that the EUV emission time was prolonged by operating the current waveform. In the case of using the taper type capillary, the radiation duration was extended by about 1.5 times compared to the case of the straight type capillary operated under the same discharge conditions. It became clear that the operation of the discharge current is important for extending the radiation time. Moreover, although it was extended 1.5 times, it became clear that the radiation time of 300 nsec is still far from the goal of improving the output and improving the efficiency.
  • the stable EUV plasma generation and confinement method we proposed a method of facing a pair of plasma inverted polarities. If the discharge synchronism, current sheet uniformity, and current sheet reconnection are successful, the plasma is axially compressed and maintained by a self-magnetic field, providing a stable configuration suitable for long-term EUV radiation. It is thought that a plasma shape can be formed.
  • the energy conversion efficiency of the EUV plasma light source can be improved by forming a spatially and temporally controlled light source plasma.

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Abstract

　対向配置された１対の同軸状電極１０と、同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置２０と、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置３０とを備え、１対の同軸状電極間に管状放電４を形成してプラズマ３を軸方向に封じ込める。

Description

プラズマ光源とプラズマ光発生方法 発明の背景
発明の技術分野
　本発明は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光源とプラズマ光発生方法に関する。
関連技術の説明
　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板上に縮小投影し、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：Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａ　Ｖｉｏｌｅｔ）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：Ｌａｓｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）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：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）に大別できる。ＤＰＰは、投入した電力が直接プラズマエネルギーに変換されるので、ＬＰＰに比べて変換効率で優位であるうえに、装置が小型で低コストという利点がある。
　プラズマから有効波長領域（ｉｎ－ｂａｎｄ）の放射光への変換効率（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：Ｐ．Ｃ．Ｅ）は次式（１）のように表される。
　Ｐ．Ｃ．Ｅ＝（Ｐｉｎｂａｎｄ×τ）／Ｅ・・・（１）
　ここで、Ｐｉｎｂａｎｄは有効波長領域のＥＵＶ放射光出力、τは放射持続時間、Ｅはプラズマに投入されたエネルギーである。
　有効波長領域に放射スペクトルを持つ元素としては、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等が代表的であり、実験の容易さ、取り扱いやすさから開発初期はＸｅを中心に研究が進められてきた。しかし、近年では高出力、高効率を理由にＳｎが注目を浴び研究が進められている。また、ｉｎ－ｂａｎｄ領域にちょうどＬｙｍａｎ－α共鳴線を有する水素様Ｌｉイオン（Ｌｉ２＋）に対する期待も高まってきている。
　高温高密度プラズマからの放射スペクトルは、基本的にはターゲット物質の温度と密度によって決まり、プラズマの原子過程を計算した結果によると、ＥＵＶ放射領域のプラズマにするにはＸｅ，Ｓｎの場合で電子温度、電子密度がそれぞれ１０～３０ｅＶ、１０１８ｃｍ－３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０１８ｃｍ－３程度が最適とされている。
　なお、上述したプラズマ光源は、非特許文献１，２および特許文献１に開示されている。
佐藤弘人、他、「リソグラフィ用放電プラズマＥＵＶ光源」、ＯＱＤ－０８－２８ Ｊｅｒｏｅｎ　Ｊｏｎｋｅｒｓ，"Ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ"，Ｐｌａｓｍａ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　１５（２００６）　Ｓ８－Ｓ１６
特開２００４－２２６２４４号公報、「極端紫外光源および半導体露光装置」
　ＥＵＶリソグラフィ光源には、高い平均出力、微小な光源サイズ、飛散粒子（デブリ）が少ないこと等が要求される。現状では、ＥＵＶ発光量が要求出力に対して極めて低く、高出力化が大きな課題の一つであるが、一方で高出力化のために入力エネルギーを大きくすると熱負荷によるダメージがプラズマ生成装置や光学系の寿命の低下を招いてしまう。従って、高ＥＵＶ出力と低い熱負荷の双方を満たすためには、高いエネルギー変換効率が必要不可欠である。
　プラズマ形成初期には加熱や電離に多くのエネルギーを消費するうえに、ＥＵＶを放射するような高温高密度状態のプラズマは一般的に急速に膨張してしまうため、放射持続時間τが極端に短い。従って、変換効率を改善するためには、プラズマをＥＵＶ放射のために適した高温高密度状態で長時間（μｓｅｃオーダーで）維持することが重要になる。
　ＳｎやＬｉ等の常温固体の媒体はスペクトル変換効率が高い反面、プラズマ生成に溶融、蒸発等の相変化を伴うため、中性粒子等のデブリ（放電に伴う派生物）による装置内汚染の影響が大きくなる。そのため、ターゲット供給、回収システム強化も同様に要求される。
　現在の一般的なＥＵＶプラズマ光源の放射時間は１００ｎｓｅｃ程度であり出力が極端に足りない。産業応用のため高変換効率と高平均出力を両立させる為には１ショットで１～５μｓｅｃのＥＵＶ放射時間を達成する必要がある。つまり、高い変換効率を持つプラズマ光源を開発するためには、それぞれのターゲットに適した温度密度状態のプラズマを１～５μｓｅｃ（少なくとも１μｓｅｃ以上）拘束し、安定したＥＵＶ放射を達成する必要がある。
　さらに、従来のキャピラリー放電では、プラズマがキャピラリー内に閉じ込められてしまうため、有効な放射立体角が小さいという欠点もあった。
　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、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができ、構成機器の熱負荷によるダメージが小さく、発生したプラズマ光の有効な放射立体角が大きくでき、プラズマ媒体を連続して供給することができるプラズマ光源とプラズマ光発生方法を提供することにある。
　本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備え、
　１対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。
　本発明の好ましい実施形態によれば、前記各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
　１対の同軸状電極の各中心電極は、前記同一の軸線上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する。
　前記電圧印加装置は、一方の同軸状電極の中心電極にそのガイド電極より高い正の放電電圧を印加する正電圧源と、他方の同軸状電極の中心電極にそのガイド電極より低い負の放電電圧を印加する負電圧源と、前記正電圧源と負電圧源をそれぞれの同軸状電極に同時に印加するトリガスイッチとを有する。
　本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記絶縁体は、多孔質セラミックであり、
　さらに該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備え、
　該プラズマ媒体供給装置は、プラズマ媒体を内部に保有するリザーバーと、プラズマ媒体を液化する加熱装置とからなる。
　また本発明の好ましい別の実施形態によれば、放電電圧の印加タイミングに同期して、前記１対の同軸状電極の絶縁体表面にレーザー光を照射するイグニッション用レーザー装置を備える。
　前記イグニッション用レーザー装置は、前記各絶縁体表面の複数個所にレーザー光を多点照射する、ことが好ましい。
　また本発明によれば、１対の同軸状電極を対向配置し、前記同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加して、１対の同軸状電極にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置にプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを封じ込める磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ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、対向配置された１対の同軸状電極を備え、１対の同軸状電極にそれぞれ面状の放電電流（面状放電）を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置にプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを封じ込める磁場（磁気ビン）を形成するので、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。
　また、従来のキャピラリー放電や真空放電金属プラズマと比較すると、１対の同軸状電極の対向する中間位置にプラズマが形成され、かつエネルギー変換効率を大幅に改善できるので、プラズマ形成中における各電極の熱負荷が小さくなり、構成機器の熱負荷によるダメージを大幅に低減できる。
　また、１対の同軸状電極の対向する中間位置にプラズマ光の発光源であるプラズマが形成されるので、発生したプラズマ光の有効な放射立体角を大きくできる。
　さらに、絶縁体が多孔質セラミックであり、該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備える構成により、プラズマ媒体を連続して供給することができる。
　
本発明によるプラズマ光源の第１実施形態図である。 面状放電の発生時を示す。 面状放電の移動中を示す。 プラズマの形成時を示す。 プラズマ封込み磁場の形成時を示す。 本発明によるプラズマ光源の第２実施形態図である。 本発明によるプラズマ光源の第３実施形態図である。 本発明によるプラズマ光源の第４実施形態図である。 図５ＡのＢ－Ｂ線における断面図である。 実験装置の概要図である。 ストレート型キャピラリーの模式図である。 テーパー型キャピラリーの模式図である。 ストレート型の典型的なＥＵＶシグナルを示す テーパー型の典型的なＥＵＶシグナルを示す。 カスプ磁場ガイド放電実験の模式図である。 対向プラズマフォーカス装置の模式的構成図である。 電極間中心で電流シートが衝突した時を示す。 プラズマ封込み磁場の形成時を示す。 ＥＵＶの発光時を示す。 同軸状電極を有するプラズマ光源の実験装置の模式図である。 同軸状電極での電流シートの広がりを示す実験結果である。 同軸状電極での電流シートの広がりを示す別の実験結果である。
　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１は、本発明によるプラズマ光源の第１実施形態図である。
　この図において、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１０、放電環境保持装置２０、及び電圧印加装置３０を備える。
　１対の同軸状電極１０は、対称面１を中心として対向配置されている。
　各同軸状電極１０は、棒状の中心電極１２、管状のガイド電極１４及びリング状の絶縁体１６からなる。
　棒状の中心電極１２は、単一の軸線Ｚ－Ｚ上に延びる導電性の電極である。この例において、中心電極１２の対称面１に対向する端面に凹穴１２ａが設けられ、後述する面状放電電流２と管状放電４を安定化させるようになっている。なお、この構成は必須ではなく、中心電極１２の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。
　管状のガイド電極１４は、中心電極１２を一定の間隔を隔てて囲み、その間にプラズマ媒体を保有するようになっている。プラズマ媒体は、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等のガスであることが好ましい。また、ガイド電極１４の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。
　リング状の絶縁体１６は、中心電極１２とガイド電極１４の間に位置する中空円筒形状の電気的絶縁体であり、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する。
　なお、絶縁体１６の形状はこの例に限定されず、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する限りで、その他の形状であってもよい。
　上述した１対の同軸状電極１０は、各中心電極１２が同一の軸線Ｚ－Ｚ上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する。
　放電環境保持装置２０は、同軸状電極１０内にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマ発生に適した温度及び圧力に同軸状電極１０を保持する。
　放電環境保持装置２０は、例えば、真空チャンバー、温度調節器、真空装置、及びプラズマ媒体供給装置により構成することができる。なおこの構成は必須ではなく、その他の構成であってもよい。
　電圧印加装置３０は、各同軸状電極１０に極性を反転させた放電電圧を印加する。
　電圧印加装置３０は、この例では、正電圧源３２、負電圧源３４及びトリガスイッチ３６からなる。
　正電圧源３２は、一方（この例では左側）の同軸状電極１０の中心電極１２にそのガイド電極１４より高い正の放電電圧を印加する。
　負電圧源３４は、他方（この例では右側）の同軸状電極１０の中心電極１２にそのガイド電極１４より低い負の放電電圧を印加する。
　トリガスイッチ３６は、正電圧源３２と負電圧源３４を同時に作動させて、それぞれの同軸状電極１２に同時に正負の放電電圧を印加する。
　この構成により、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１０間に管状放電（後述する）を形成してプラズマを軸方向に封じ込めるようになっている。
　図２Ａ～図２Ｄは、図１のプラズマ光源の作動説明図である。図２Ａは面状放電の発生時、図２Ｂは面状放電の移動中、図２Ｃはプラズマの形成時、図２Ｄはプラズマ封込み磁場の形成時を示している。
　以下、図２Ａ～図２Ｄを参照して、本発明のプラズマ光発生方法を説明する。
　本発明のプラズマ光発生方法では、上述した１対の同軸状電極１０を対向配置し、放電環境保持装置２０により同軸状電極１０内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、電圧印加装置３０により各同軸状電極１０に極性を反転させた放電電圧を印加する。
　図２Ａに示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１０に絶縁体１６の表面でそれぞれ面状の放電電流（以下、面状放電２と呼ぶ）が発生する。面状放電２は、中心電極１２とガイド電極１４との間に流れ、同軸上電極１０の軸方向から見た場合に２次元的に広がる面状の放電電流であり、後述する実施例では「電流シート」と呼ぶ。
　なおこの際、左側の同軸状電極１０の中心電極１２は正電圧（＋）、ガイド電極１４は負電圧（－）に印加され、右側の同軸状電極１０の中心電極１２は負電圧（－）、そのガイド電極１４は正電圧（＋）に印加されている。
　なお、両方のガイド電極１４を接地させて０Ｖに保持し、一方の中心電極１２を正電圧（＋）に印加し、他方の中心電極１２を負電圧（－）に印加してもよい。
　図２Ｂに示すように、面状放電２は、自己磁場によって電極から排出される方向（図で中心に向かう方向）に移動する。
　図２Ｃに示すように、面状放電２が１対の同軸状電極１０の先端に達すると、１対の面状放電２の間に挟まれたプラズマ媒体６が高密度、高温となり、各同軸状電極１０の対向する中間位置（中心電極１２の対称面１）に単一のプラズマ３が形成される。なお、「単一のプラズマ３」の「単一」とは、プラズマ３が限られた小さい領域に広がっていることを意味する。このようなプラズマ３の広がり領域は、例えば、軸線Ｚ－Ｚの方向から見た場合、スポットのように見える。一例として、プラズマ３の広がり領域は、軸線Ｚ－Ｚの方向と直交する方向には、約１～２ｍｍ程度だけ広がっており、軸線Ｚ－Ｚの方向には約３～４ｍｍ程度だけ広がっている。ただし、当該領域の寸法は、同軸状電極１０の寸法や他の放電条件などによって異なる。
　さらに、この状態において、対向する１対の中心電極１２は、正電圧（＋）と負電圧（－）であり、同様に対向する１対のガイド電極１４も、正電圧（＋）と負電圧（－）であるので、図２Ｄに示すように、面状放電２は対向する１対の中心電極１２同士、及び対向する１対のガイド電極１４の間で放電する管状放電４に繋ぎ換えられる。ここで、管状放電４とは、軸線Ｚ－Ｚを囲む中空円筒状の放電電流を意味する。
　この管状放電４が形成されると、図に符号５で示すプラズマ封込み磁場（磁気ビン）が形成され、プラズマ３を半径方向及び軸方向に封じ込むことができる。
　すなわち、磁気ビン５はプラズマ３の圧力により中央部は大きくその両側が小さくなり、プラズマ３に向かう軸方向の磁気圧勾配が形成され、この磁気圧勾配によりプラズマ３は中間位置に拘束される。さらにプラズマ電流の自己磁場によって中心方向にプラズマ３は圧縮（Ｚピンチ）され、半径方向にも自己磁場による拘束が働く。
　この状態において、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを電圧印加装置３０から供給し続ければ、高いエネルギー変換効率で、プラズマ光８（ＥＵＶ）を長時間安定して発生させることができる。
　上述した本発明の装置と方法によれば、対向配置された１対の同軸状電極１０を備え、１対の同軸状電極１０にそれぞれ面状の放電電流（面状放電２）を発生させ、面状放電２により各同軸状電極１０の対向する中間位置に単一のプラズマ３を形成し、次いで面状放電２を１対の同軸状電極間の管状放電４に繋ぎ換えてプラズマ３を封じ込めるプラズマ封込み磁場５（磁気ビン５）を形成するので、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。
　また、従来のキャピラリー放電や真空放電金属プラズマと比較すると、１対の同軸状電極１０の対向する中間位置に単一のプラズマ３が形成され、かつエネルギー変換効率を大幅（１０倍以上）に改善できるので、プラズマ形成中における各電極の熱負荷が小さくなり、構成機器の熱負荷によるダメージを大幅に低減できる。
　また、１対の同軸状電極１０の対向する中間位置にプラズマ光の発光源であるプラズマ３が形成されるので、発生したプラズマ光の有効な放射立体角を大きくできる。
　図３は、本発明によるプラズマ光源の第２実施形態図である。
　この例において、リング状の絶縁体１６は、多孔質セラミックである。また、本発明によるプラズマ光源は、さらにプラズマ媒体供給装置１８を備える。
　プラズマ媒体供給装置１８は、多孔質セラミック１６の外面に密着して設けられ、多孔質セラミック１６を通して同軸状電極１０内（中心電極１２とガイド電極１４の間）にプラズマ媒体を供給する。
　プラズマ媒体供給装置１８は、この例ではプラズマ媒体６を内部に保有するリザーバー１８ａ（例えばルツボ）と、プラズマ媒体を液化する加熱装置１８ｂとからなる。プラズマ媒体は、この例ではＳｎ，Ｌｉ等の常温で固体のプラズマ媒体であるのがよい。
　その他の構成は、第１実施形態と同様である。
　図３のプラズマ光源を用い、本発明のプラズマ光発生方法では、多孔質セラミック１６をプラズマ媒体６（Ｓｎ，Ｌｉ等）の蒸気圧がプラズマ発生に適した圧力（Ｔｏｒｒオーダー）となる温度に加熱維持し、同軸状電極１０内（中心電極１２とガイド電極１４の間）をＴｏｒｒオーダーのプラズマ媒体６の蒸気雰囲気にする。
　また、電極導体（中心電極１２とガイド電極１４）をプラズマ媒体６の蒸気が凝集しない高温に維持する。
　上述した構成により、プラズマ媒体６を連続して同軸状電極１０内に供給することができ、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光をより長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。
　図４は、本発明によるプラズマ光源の第３実施形態図である。
　この例において、本発明によるプラズマ光源は、さらにイグニッション用レーザー装置４０を備える。
　イグニッション用レーザー装置４０は、この例では、２台のレーザー発振器４２とタイミング制御装置４４とからなり、電圧印加装置３０による放電電圧印加のタイミングに同期して、１対の同軸状電極１０の絶縁体１６の表面にレーザー光７を照射するようになっている。
　なお、この図で１４ａは、レーザー光７を通すためにガイド電極１４に設けられた開口である。なおこの開口１４ａをレーザー光７を通す透明体（例えば石英ガラス）で塞いでもよい。
　図４において、電圧印加装置３０は、パルス高電圧電源３８であり、１対の同軸状電極１０の中心電極１２とガイド電極１４に、左右で極性を反転させた放電電圧を印加するようになっている。なお、電圧印加装置３０は、図１に示した構成であってもよい。
　その他の構成は、第１実施形態と同様である。
　上述した構成により、放電電圧印加のタイミングに同期して、絶縁体１６の表面にレーザー光７を照射することにより、放電ジッターを低減し、対向する同軸状電極１０の放電開始のタイミングを一致させることができる。
　図５Ａと図５Ｂは、本発明によるプラズマ光源の第４実施形態図である。
　図５Ａは１対の同軸状電極１０の一方、図５ＢはＢ－Ｂ線における断面図である。
　この例において、イグニッション用レーザー装置４４は、各絶縁体１６の表面の複数個所にレーザー光７を多点照射するようになっている。多点照射の位置は、各絶縁体１６の周方向に等間隔離れた位置であり、この例では周方向８箇所である。また、複数個所にレーザー光７を分割するには、例えばビームスプリッターを用い、かつ光路長を一致させる。
　このように、レーザー光７を分割して、各絶縁体１６の周方向に等間隔に多点照射とすることにより、周方向の放電ジッターを低減し、放電開始の周方向のタイミングを一致させることができる。
１．　初期電流分布と光源プラズマの長パルス化
（キャピラリー放電による実験）
　ＤＰＰ生成方法として最も簡単なものにキャピラリー放電がある。キャピラリー放電は、円筒状の絶縁体細管の両端に電極を設置し、電極間に高電圧を印加することによって細管内で放電プラズマを形成するものである。
　本発明の発明者らは、キャピラリー形状を変えて、初期電流分布がＥＵＶプラズマの持続時間に与える影響を調べた。
（実験装置）
　図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、キャピラリー放電装置の概要図である。図６Ａは実験装置の概要図、図６Ｂはストレート型キャピラリー、図６Ｃはテーパー型キャピラリーの模式図である。
　ストレート型キャピラリー（図６Ｂ）の長さは１０ｍｍ、内径は３ｍｍである。テーパー型キャピラリー（図６Ｃ）の長さは１０ｍｍ、陽極側と陰極側の内径はそれぞれ２ｍｍ、８ｍｍである。また、キャピラリーはラバールノズル構造を持っており、電子制御されたバルブによってキャピラリー内に供給されたＸｅガスはノズル内で超音速に加速される。パルス的にガス投入を行うので、チャンバー内は１０－６ｔｏｒｒ程度の真空に保たれた状態でＤＰＰを駆動できる。ＥＵＶシグナルはキャピラリー軸方向に置いたフォトダイオード（ＩＲＤ　社製、ＡＸＵＶ２０ＨＳ１）を用いて計測した。
（結果と考察）
　図７Ａと図７Ｂは、初期電流分布のＥＵＶシグナルへの効果を示す図である。図７Ａはストレート型、図７Ｂはテーパー型の典型的なＥＵＶシグナルを示している。また、各図において、Ａは入力電流、ＢはＥＵＶシグナルである。　
　図７Ａと図７Ｂから明らかにテーパー型の方がＥＵＶシグナルＢの持続時間が増えている事がわかる。通常ＤＰＰに使用されるストレート型のキャピラリー放電では、キャピラリー沿面のプラズマ電流の自己磁場によって中心方向にプラズマを圧縮（Ｚピンチ）させる。このＺピンチによって圧縮加熱されたプラズマは高温・高密度状態になるが、最大圧縮後は増加した圧力により急速に膨張する。そのため、ＥＵＶ放射状態にあるプラズマは短時間しか存在できない
　自己磁場の強さＰＢは次式（２）で表される。
　ＰＢ∝（Ｉ２／ｒ２）・・・（２）
　ここで、Ｉはプラズマ電流、ｒはプラズマ半径である。軸方向に勾配を持つテーパー型キャピラリー放電プラズマではプラズマ半径ｒの小さい陽極側で自己磁場が強くなり、キャピラリー内の軸方向の勾配により、プラズマは半径方向に圧縮されると同時に中心軸上を陽極側から陰極側にドリフトする。キャピラリー内を移動するプラズマは連続的に加熱され、高温高密度状態が長時間維持されたと考えられる。
　しかし、テーパーキャピラリー放電の場合でも、Ｚピンチさせたプラズマは軸方向に移動するうえに、キャピラリー外部に放出し自然膨張するためＥＵＶ放射時間は、約３００ｎｓｅｃ程度しか得られていない。また、キャピラリー内でプラズマが生成されるため、有効な立体角が十分にとれないので、要求される光源性能の達成は難しいことが明らかになった。
２．　カスプ磁場ガイドを用いた実験　
　前述の実験結果から、電流の半径方向に傾斜があれば磁気圧に差が生じ軸方向にもプラズマを制御できることが確認できた。プラズマの膨張する速度（熱速度）は１ｃｍ／μｓｅｃ程度なので、光源プラズマのサイズを考慮するとμｓｅｃの閉じ込めには半径方向だけではなく軸方向のプラズマの閉じ込めを実現しなければならない。そこで、両電極側の半径が小さく電極間中心で半径が最大になる電流分布が得られ、さらにそれに最適な電流波形を駆動することができれば半径方向には自己磁場による拘束力が働き、軸方向には磁気圧勾配による拘束力が働くため、プラズマの長時間拘束が可能と考えられる。
　図８は、カスプ磁場ガイド放電実験の模式図である。
　この図は、印加磁場による電流分布制御の概念を示している。両電極の周りに図のように永久磁石を設置し、カスプ型の磁場による初期電流路の制御を試みた。電極に高電圧を印加した瞬間、陰極から飛び出した電子は、電界とカスプ型の磁束に支配されて陽極に移動しながら、電子雪崩を起こす。その結果、図のような形の電流分布の形成が期待される。
　原理実証実験に使用した電極径は２ｍｍ、電極間距離は４ｍｍであり、表面磁束密度１．２５Ｔを持つ磁石は内径２４ｍｍ外径５０ｍｍ、磁石間距離は８ｍｍである。
　原理実証実験の結果、磁場Ｂにガイドされることによって電極間中心付近でより強い発光を観測することができた。さらに、予備電離を行うことで多少安定した放電を行う事に成功したが、再現性が低く安定した結果を得ることはできなかった。これは、電流経路の形成が初期の不確定な電子雪崩の経路に強く依存するためと考えられる。ＥＵＶ光源は出力を得るため１～１０ｋＨｚの高繰り返しを前提としているため、プラズマ形成の不安定性は出力、効率の低減につながる。
３．　対向プラズマフォーカス機構によるＺピンチ
　図９は、対向プラズマフォーカス装置の模式的構成図であり、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、電流のリコネクタにより期待されるプラズマの挙動を示す図である。
　安定したＥＵＶプラズマの生成と閉じ込め方法を確立するために、プラズマフォーカス機構を対向させたＤＰＰ形成方法を提案する。図９に示すように同軸状のプラズマフォーカス電極を対向させる。両方とも外側のガイド電極１４は接地させ、内側電極（中心電極１２）は正と負の高電圧を印加する。同軸状電極（ガイド電極１４と中心電極１２）に高電圧を印加すると、絶縁体１６（図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ参照）の沿面で放電が開始される。絶縁体面で形成された電流シート（面状放電２）は自己磁場によって電極から排出される方向に押し出される。
　金属のトリガー・ピンを設置する等の絶縁体表面の工夫により、同軸電極間の放電開始電圧の閾値を印加電圧より十分小さくすることができれば、放電ジッターが小さくなる。ここで放電ジッターとは、印加電圧の印加から放電開始までの遅れ時間を意味する。
　放電ジッターが電極間ギャップ中の電流シート進展時間よりも十分小さくなれば、電極中心付近での衝突が可能である。電極間中心で電流シートが衝突した時、電流経路と磁場が一時崩壊し、リコネクトが起これば、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すようなプラズマ挙動と長時間プラズマ拘束が可能と考えられる形状が期待できる。
　ここで、リコネクト（繋ぎ換える）とは、内側電極（中心電極１２）と外側電極（ガイド電極１４）との間での放電（図１０Ａの状態）から、対向する１対の内側電極（中心電極１２）の間、および、対向する１対の外側電極（ガイド電極１４）との間での放電（図１０Ｂの状態）に電流経路と磁場が変化することをいう。このリコネクトは、１対の同軸状電極間の間隔調節、放電電圧の変化、等により自動的に行わせることができる。
　電流波形は回路パラメータによって制御できる。リコネクトに成功した後、最適な電流波形によりプラズマの圧力勾配と半径方向、軸方向の磁気圧勾配をバランスさせることができればμｓｅｃのプラズマの拘束が可能である。
　この実験の重要なポイントは、放電開始の同時性、電流シートの均一性、そしてそれが達成された時の電流シートのリコネクトである。均一な電流シートの衝突のため、まずは、均一な電流シートの排出を確認する実験を行った。
（実験装置）　
　図１１は、同軸状電極を有するプラズマ光源の実験装置の模式図である。
　この図において、中心電極１２の電極径は５ｍｍ、外側のガイド電極１４の内径は１０ｍｍ、共に先端での放電開始を防ぐため電極エッジには曲率をつけてある。同軸の電極（中心電極１２とガイド電極１４）は絶縁体（図示せず）で隔てられ、絶縁体表面には均一で安定した放電が開始されるように針状のトリガー・ピンを設置している。
　同軸状電極の深さ（絶縁体表面から同軸状電極先端までの距離）は絶縁体の長さを変えることによって変化させることができる。コンデンサ容量は１μＦ、印加電圧は１０～１５ｋＶ、回路インダクタンスは０．４μＨである。電流シートの全体的な振舞いを確認するため、高速フレーミングカメラ（ＤＲＳ　ＨＡＤＬＡＮＤ社製、ＩＭＡＣＯＮ４６８）を軸方向に設置し可視光領域で観測した。
（結果と考察）　
　図１２Ａと図１２Ｂは、同軸状電極での電流シートの広がりを示す実験結果である。図１２Ａ、図１２Ｂは、図１の構成において軸線Ｚ－Ｚ方向から見た図に相当する。図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、「Ｃｅｎｔｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と「Ｏｕｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」は、それぞれ、棒状の中心電極１２、管状のガイド電極１４である。
　図１２Ａと図１２Ｂは、中心電極を－１５ｋＶに印加し、正弦波形（周期４μｓｅｃ）の電流で駆動したときの様子である。この時の放電ピーク電流は４ｋＡ、初期ガス圧は１１０ｍｔｏｒｒ（Ａｒ）であり、露光時間は１００ｎｓｅｃである。図１２Ａは、放電開始直後のプラズマ広がりの状況を示し、図１２Ｂは、放電開始から時間（およそ４００ｎｓ）が経過した後のプラズマ広がりの状況を示す。すなわち、これら図において、矢印Ｓで示す領域がプラズマの広がりである。
　また、図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、方位角θは、中心電極１２周りの周方向位置を示す回転角であり、θ＝０°の位置とθ＝±１８０°の位置を図示している。一カ所（即ち、θ＝０°の位置）から開始した放電がピーク電流に到達する時間までに方位角θ方向に１８０度以上の拡がりを見せているのがわかる。この結果から、同軸電極内の電流シートはθ方向には広がる傾向にあることがわかる。つまり、上述した放電条件では、２カ所以上で放電を開始させることにより、電流シートの均一性が得られる。
　図１２Ｂや図１の構造から分かるように、本発明では、プラズマの、（軸線Ｚ－Ｚに対する）半径方向外側には、遮蔽物の無い構造にできるため、プラズマ光の有効な放射立体角を大きくできる。
　電極深さを変化させプラズマの排出を観測したところ電極深さ２０ｍｍでプラズマの排出が確認できた。プラズマの放電開始から排出までの時間と電極深さから、上述の条件下では、電流シートの速度は、約１ｃｍ／μｓｅｃ程度となる。電極間ギャップは５～１０ｍｍ程度なので両電極の放電開始のずれは、約１００ｎｓｅｃ程なら許容できることになる。
　以上の実験から放電開始の同時性、電流シートの均一性については電流シート衝突のための指標を得ることができた。放電ジッターは装置の性能上、実現可能な値であり、２カ所以上の放電開始ポイントの形成についてはトリガー・ピンの工夫により解決することができる。
　上述したように、本発明の発明者らは、テーパー型キャピラリーを用いたＸｅプラズマのＥＵＶ放射を計測し、従来のキャピラリー放電と比較した。電流波形の操作を行い、ＥＵＶの発光時間が長くなったことが確認された。テーパー型キャピラリーを用いた場合では、放射継続時間が同様の放電条件で動作させたストレート型キャピラリーの場合と比較して約１．５倍に延長された。放射時間の延長には放電電流の操作が重要である事が明らかになった。また、１．５倍には延長されたが３００ｎｓｅｃという放射時間ではまだ出力向上、効率向上の目標には遠いことが明らかになった。
　これらの問題を解決するため、初期電流分布を操作できる可能性を持つ方法としてカスプ磁場を放出電子のガイドとして用いる実験を行った。磁場によるガイド効果は実験で確認はできたが、テーパー型キャピラリー程ガイド効果が有効ではなく安定したプラズマ形状が確認できなかった。プラズマ形成が不安定な初期放出電子の経路に強く依存してしまうためだと考えられる。
　安定したＥＵＶプラズマの生成と閉じ込め方法のために、極性を反転させた一対のプラズマフォーカスを対向させる方法を提案した。放電の同時性、電流シートの均一性、そして、電流シートのリコネクトが成功すれば、プラズマは軸方向に圧縮されると共に自己磁場によって維持され、ＥＵＶの長時間放射に適した安定な配位のプラズマ形状を形成できると考えられる。空間的、時間的に制御された光源プラズマを形成することによってＥＵＶプラズマ光源のエネルギー変換効率を改善できる。
　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。

Claims (7)

  1. 　対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備え、
    　１対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源。
  2. 　前記各同軸状電極は、単一の軸線上に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を一定の間隔を隔てて囲む管状のガイド電極と、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体とからなり、
    　１対の同軸状電極の各中心電極は、前記同一の軸線上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
  3. 　前記電圧印加装置は、一方の同軸状電極の中心電極にそのガイド電極より高い正の放電電圧を印加する正電圧源と、他方の同軸状電極の中心電極にそのガイド電極より低い負の放電電圧を印加する負電圧源と、前記正電圧源と負電圧源をそれぞれの同軸状電極に同時に印加するトリガスイッチとを有する、ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ光源。
  4. 　前記絶縁体は、多孔質セラミックであり、
    　さらに該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備え、
    　該プラズマ媒体供給装置は、プラズマ媒体を内部に保有するリザーバーと、プラズマ媒体を液化する加熱装置とからなる、ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ光源。
  5. 　放電電圧の印加タイミングに同期して、前記１対の同軸状電極の絶縁体表面にレーザー光を照射するイグニッション用レーザー装置を備える、ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ光源。
  6. 　前記イグニッション用レーザー装置は、前記各絶縁体表面の複数個所にレーザー光を多点照射する、ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマ光源。
  7. 　１対の同軸状電極を対向配置し、前記同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加して、１対の同軸状電極にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置にプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを封じ込める磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法。
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