JP2005268461A - ジェットノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 容易にメンテナンス可能であり、メンテナンスのコストを抑えることができるジェットノズルを提供する。
【解決手段】 このジェットノズルは、極端紫外光を発生する光源装置において用いられ、極端紫外光を発生するためにレーザビームが照射されるターゲットとなるターゲット物質を放出するためのジェットノズルであって、内部に第１の流路が形成され、第１の流路の一端に供給されるターゲット物質を第１の流路の他端から放出するためのターゲット放出部１１と、内部に第２の流路と冷却室とが形成され、第２の流路の一端に供給されるターゲット物質を冷却して第２の流路の他端からターゲット放出部に供給するための支持部１２と、第１の流路と第２の流路とが連通するように、ターゲット放出部を支持部に着脱可能に固定する固定手段１３、１４とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極端紫外（ＥＵＶ：extreme ultra violet）光を発生する光源装置において用いられるジェットノズルであって、ＥＵＶ光を発生するためにレーザビームが照射されるターゲットとなる物質を放出するためのジェットノズルに関する。

半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィも微細化が急速に進展しており、次世代においては、１００〜７０ｎｍの微細加工、更には５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。例えば、５０ｎｍ以下の微細加工の要求に応えるべく、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（cataoptric system）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

ＥＵＶ光源としては、レーザビームをターゲットに照射することによって生成するプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma）光源と、放電によって生成するプラズマを用いたＤＰＰ（discharge produced plasma）光源と、軌道放射光を用いたＳＲ（synchrotron radiation）光源との３種類がある。これらの内でも、ＬＰＰ光源は、プラズマ密度をかなり大きくできるので黒体輻射に近い極めて高い輝度が得られ、ターゲット材料を選択することにより必要な波長帯のみの発光が可能であり、ほぼ等方的な角度分布を持つ点光源であるので光源の周囲に電極等の構造物がなく、２πsteradという極めて大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点から、数十ワット以上のパワーが要求されるＥＵＶリソグラフィ用の光源として有力であると考えられている。

図７に、従来の光源装置の構成を示す。ノズル１０１が、冷媒供給装置１０３から供給される冷媒を用いて、ターゲット供給装置１０２から供給されるターゲットとなる物質（以下、「ターゲット物質」という）を冷やしてから下方に噴射する。駆動用レーザ１０４から発生したレーザ光を集光レンズ１０５により収束させることによって形成されたレーザビームをターゲットに照射することにより、プラズマ１０６を発生させる。プラズマ１０６から放出されたＥＵＶ光は、集光ミラー１０７により集光され、光束（例えば平行光）１０８となって露光機へ伝送される。

一般的に、ＥＵＶ光源に用いられるターゲット噴射用のジェットノズルの流路は、ターゲット物質をレーザビーム照射領域に安定的に供給するために、上部から下部に向けられている。なお、ターゲット物質を高密度化するために、液体又は固体のターゲット物質をレーザビーム照射領域に供給することが望ましい。

図８は、従来のジェットノズルの断面図である。図８に示すように、従来のノズル１０１には、ノズル先端部１１０、流路部１１１、及び、冷却室１１２が形成されている。ターゲット物質は、図７に示すターゲット供給装置１０２から加圧された気体の状態で流路部１１１の内部に供給され、冷却室１１２において液化される。液化されたターゲット物質は、ノズル先端部１１０内に形成された流路に送り込まれ、吐出口から噴射される。ここで、ノズル先端部１１０の流路の内径は、流路部１１１の内径よりも小さくなっている。

このように、従来のジェットノズルは、ノズル先端部と冷却室とが一体に形成されているので高価な部品となっており、また、ノズル先端部の流路の内径が１０μｍ〜１００μｍと非常に細く、真円度や内表面の平滑度等に関して高精度な加工を行おうとすると、流路の内径の１０倍である０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の深さまでしかノズル先端部の流路を形成できないので、ノズル先端部と冷却室とが一体に形成された大きいジェットノズルの加工は困難であった。

ところで、ＬＰＰ光源において、プラズマを発生させるためにターゲット物質にレーザビームを照射すると、レーザビーム照射領域のターゲット物質がプラズマ化するときの輻射熱によって、ノズル先端部がダメージを受けてしまう。

また、ターゲット物質にレーザビームが照射される際には、レーザビーム照射領域がプラズマ化するときにレーザビームの照射時に高速で発生するイオン化したターゲットがレーザビーム照射領域の周辺（ノズル等）に衝突する等、その周辺においてターゲット物質が飛散して、直径数μｍ以上の粒子塊（デブリ）となって多量に放出され、ノズル先端部に付着してダメージを与える。

したがって、ダメージを受けたジェットノズルを交換する必要があるので、メンテナンスの容易化が望まれている。また、ノズル先端部と冷却室とが一体に形成されたジェットノズルは高価な部品なので、メンテナンスにコストがかかるという問題があった。

関連する技術として、下記の特許文献１には、標的材料送給チューブを使用する、レーザープラズマ極紫外放射線源のためのノズルが開示されている。このノズルにおいては、送給チューブと熱交換器との間にギャップを提供し、送給チューブとボア内の本体部分の内壁との間にギャップを提供するように、送給チューブが位置決めされているので、送給チューブを、加熱されたグラファイト本体部分から熱隔離することができる。しかしながら、ノズルのメンテナンスについては述べられていない。
特開２００３−４３１９９号公報（第１，４頁、図２）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、容易にメンテナンス可能であり、メンテナンスのコストを抑えることができるジェットノズルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るジェットノズルは、極端紫外光を発生する光源装置において用いられ、極端紫外光を発生するためにレーザビームが照射されるターゲットとなるターゲット物質を放出するためのジェットノズルであって、内部に第１の流路が形成され、第１の流路の一端に供給されるターゲット物質を第１の流路の他端から放出するためのターゲット放出部と、内部に第２の流路と冷却室とが形成され、第２の流路の一端に供給されるターゲット物質を冷却して第２の流路の他端からターゲット放出部に供給するための支持部と、第１の流路と第２の流路とが連通するように、ターゲット放出部を支持部に着脱可能に固定する固定手段とを具備する。

本発明によれば、ターゲット放出部を支持部に着脱可能に固定するホルダ部を用いることにより、容易にメンテナンス可能であり、メンテナンスのコストを抑えることができるジェットノズルを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。このジェットノズルは、レーザビームをターゲットに照射することによって生成するプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma）方式のＥＵＶ光源において、真空引きされたチャンバ内に配置され、キセノン等のターゲット物質を液化して、先端部から放出するために用いられる。

図１に示すように、ジェットノズル１０は、内部に第１の流路が形成され、第１の流路の一端に供給されるターゲットとなる物質（以下、「ターゲット物質」という）を第１の流路の他端から放出するターゲット放出部１１と、内部に第２の流路と冷却室とが形成され、第２の流路の一端に供給される気体のターゲット物質を冷却して液化して、液体のターゲット物質を第２の流路の他端からターゲット放出部１１に供給する支持部１２と、ターゲット放出部１１を支持部１２に着脱可能に固定するホルダ部１３と、ターゲット放出部１１とホルダ部１３との間に挟まれた板バネ１４とを含んでいる。

また、ターゲット放出部１１と支持部１２との間には、ガスケット状のシール１５が挿入されている。シール１５には、ターゲット放出部１１の流路と支持部１２の流路とを連通させるための中空領域が形成されている。

ホルダ部１３は、ターゲット放出部１１と支持部１２とを内包する中空空間が形成された管状体である。支持部１２に雄ネジを形成し、ホルダ部１３に支持部１２の雄ネジに対応する雌ネジを形成することにより、ホルダ部１３の一端は、支持部１２と累合可能となっており、ホルダ部１３の他端は、板バネ１４と係合している。この構成により、輻射熱等によるダメージを受けることによって劣化したターゲット放出部１１のみを取り外すことが可能となるので、ターゲット放出部１１のみを交換することによって容易にメンテナンス可能であり、冷却室が形成されている支持部１２等を再利用でき、メンテナンスのコストを抑えることができる。さらに、非常に細い内径を有するターゲット放出部１１を独立部品とすることができるので、ターゲット放出部１１の流路を形成することが容易となる。なお、ホルダ部１３の材料としては、キセノンの冷却制御の効率を向上させるために、熱伝導が良く、さらに、熱容量の小さい銅やアルミニウム等の金属材料が望ましい。

支持部１２の流路には、高純度のキセノンを格納しているガスボンベから、レギュレータにより所望の圧力に調節された気体のキセノンが供給される。また、支持部１２の冷却室には、マイナス約１９６℃の液体窒素が、冷媒として供給される。流路に供給された気体のキセノンは、冷却室に供給された液体窒素によって、熱交換部を介して冷却され、加圧下における沸点以下となって液化する。例えば、供給される気体のキセノンの背圧が２．４ＭＰａである場合には、キセノンはマイナス約１００℃で液化する。

液体となったキセノンは、ターゲット放出部１１に加圧状態で送り込まれ、ターゲット放出部１１から噴射される。なお、ターゲット物質であるキセノンの温度は、冷却室内に流れる冷媒の流量によって制御される。

ところで、ターゲット放出部１１を交換する場合に、真空中における作業は困難なので、大気中において室温でジェットノズルを締め付けてシールするが、ターゲット物質を噴射する際には、ジェットノズルが冷却される。このように温度差があると、各部品の収縮率の差により隙間が生じ、シール部からターゲット物質が漏れるおそれがある。また、シール部からターゲット物質が漏れると、ターゲット放出部１１内におけるターゲット物質の圧力が低減し、ターゲット放出部１１から噴射されるジェットが不安定になると共に、漏れたターゲット物質がチャンバ内の真空度を低下させてしまう。

これを防止するためには、シール１５のつぶし代により生じるシール材の反発力によって、シール面を密着させ気密を保持することが考えられる。しかしながら、この反発力を得るためには、シール１５の断面積を大きくし、大きな力でターゲット放出部１１を固定する必要がある。

そこで、本実施形態においては、シール面を密着させて気密を保持するために必要な力を、シール１５の反発力によって得るのではなく、板バネ１４の弾性力によって得ている。即ち、板バネ１４の弾性によって、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加することにより、温度変化が生じても、ターゲット放出部１１と支持部１２との間の気密性を維持することを可能としている。

この場合には、シール１５の断面積を小さくすることができるので、シール１５の内圧によって生じる力も小さくなり、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加する機構部品の小型化が可能となる。さらに、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加するための力を、工具を用いずに、ホルダ部１３を手締めすることによって得ることが可能な小型のジェットノズルも実現可能となる。

このように、ターゲット放出部１１と支持部１２との間の気密性を維持することにより、ターゲット放出部１１と支持部１２との間のシール部からの液体キセノンの漏洩を防止することができる。これにより、ターゲット放出部１１の内圧を保持し、ターゲット物質をレーザビーム照射領域に安定的に供給することができる。また、ターゲット物質の漏洩を防ぐことにより、漏洩したキセノンによってＥＵＶ光のエネルギーが吸収され、出力が低下することを防ぐことができる。

なお、本実施形態においては、シール材として、低温特性が良く熱収縮量の大きいテフロン（登録商標）を用い、ガスケット状に形成したテフロン（登録商標）の内径が、キセノンが液化する温度においてターゲット放出部１１の流入口の内径と等しくなるように、常温におけるテフロン（登録商標）の内径をターゲット放出部１１の流入口の内径よりも大きくしている。これにより、ターゲット放出部１１と支持部１２との間にガス溜りが形成され難くなり、ガス溜りに残留する不純物の量を抑えることができる。したがって、キセノンをレーザビーム照射領域に安定的に供給することができる。

図２に、本実施形態において用いられる板バネの形状の一例を示す。図２の（Ａ）は、板バネ１４の平面図であり、図２の（Ｂ）は、図２の（Ａ）におけるII−II面に沿った断面図である。板バネ１４の材料としては、真空中においても脱ガスの少ないステンレス鋼（ＳＵＳ：special use stainless）を用いている。

図２の（Ａ）に示すように、板バネ１４は、円盤状のＳＵＳの中央にターゲット放出部１１の先端部を貫通させるための穴が形成されている。また、その穴から円盤の外側に伸びる４つのスリットが形成されている。本実施形態においては、４つのスリットによって形成されるたわみ代によって、弾性力を発生させている。即ち、図２の（Ｂ）に示すように、板バネ１４のたわみ代が、弾性限度内のたわみ量σだけたわむことによって、力Ｆの弾性力を発生させている。なお、スリットの数及び長さを変えることによって、たわみ代の形状を変え、たわみ量に対する弾性力の大きさを調節することができる。

板バネ１４のスリットの数及び長さは、図１に示すターゲット放出部１１、ホルダ部１３、板バネ１４、及び、シール１５の到達温度における熱収縮量と、ターゲット放出部１１の内圧とによって決定される。即ち、到達温度における各部の熱収縮量の合計よりも板バネ１４のたわみ量の方が大きくなるようにして、さらに、板バネ１４のたわみ量から到達温度における各部の熱収縮量の合計を引いた残りのたわみ量によって、ターゲット放出部１１の内圧に耐えられるように設計されている。

なお、本実施形態においては、支持部１２にストッパを設けることにより、固定時に設定されるたわみ量の再現性を持たせている。即ち、固定時に、ホルダ部１３をストッパに突き当てて固定することにより、たわみ量が一定となるようにしている。また、ストッパの位置を変えることにより、任意の温度及び内圧に対応することができる。

次に、本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るジェットノズルの断面図である。図３に示すように、ジェットノズル２０は、図１に示す支持部１２の替りに、支持部２１を含んでいる。その他の構成については、図１に示すジェットノズルと同様である。なお、支持部２１には、ターゲット物質等を冷却するためのパルスチューブ２２が接続され、パルスチューブ２２には、パルスチューブ２２の温度を測定するサーミスタ２３が装備されている。

支持部２１には、気体のキセノンを液化させるための冷却室と、気体のキセノンを冷却室に送り込むための流路とが形成されている。なお、冷却室内には、パルスチューブ２２によって気体のキセノンからエネルギーを奪い、液化させるための熱交換部が形成されている。ジェットノズル２０は、サーミスタ２３によって測定したパルスチューブ２２の温度に基づいて、コントローラがパルスチューブ２２の動作を制御し、冷却した気体のヘリウムをパルスチューブ２２内で循環させることにより、キセノン、ターゲット放出部１１、及び、ホルダ部１３等の温度を制御している。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。図４に示すように、ジェットノズル３０は、図１に示すジェットノズルから板バネ１４を取り除き、ホルダ部１３の替りにホルダ部３１を含んでいる。その他の構成については、図１に示すジェットノズルと同様である。

本実施形態においては、シール面を密着させて気密を保持するために必要な力を、シール１５の反発力によって得るのではなく、ホルダ部３１の弾性力によって得ている。即ち、ホルダ部３１のツメ部の弾性によって、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加することにより、温度変化が生じても、ターゲット放出部１１と支持部１２との間の気密性を維持することを可能としている。

ホルダ部３１の形状は、ターゲット放出部１１、ホルダ部３１、及び、シール１５の到達温度における熱収縮量と、ターゲット放出部１１の内圧とによって決定される。即ち、到達温度における各部の熱収縮量の合計よりもホルダ部３１のツメ部のたわみ量の方が大きくなるようにして、さらに、ホルダ部３１のツメ部のたわみ量から到達温度における各部の熱収縮量の合計を引いた残りのたわみ量によって、ターゲット放出部１１の内圧に耐えられるように設計されている。

なお、本実施形態においては、支持部１２にストッパを設けることにより、固定時に設定されるたわみ量の再現性を持たせている。即ち、固定時に、ホルダ部３１をストッパに突き当てて固定することにより、たわみ量が一定となるようにしている。また、ストッパの位置を変えることにより、任意の温度及び内圧に対応することができる。

ホルダ部３１の材料としては、キセノンの冷却制御の効率を向上させるために、熱伝導が良く、さらに、熱容量の小さい銅やアルミニウム等の金属材料が望ましい。但し、銅やアルミニウム等の金属材料を用いてシール面を密着させて気密を保持するために必要な力を得るためには、断面形状を大きくするか、又は、ホルダ部３１のツメ部の長さを長くする必要があるので、熱容量がある程度増大してしまう。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。図５に示すように、ジェットノズル４０は、図４に示すホルダ部３１の替りにホルダ部４１を含んでいる。その他の構成については、図４に示すジェットノズルと同様である。

本実施形態においては、シール面を密着させて気密を保持するために必要な力を、ホルダ部３１の弾性力によって得るのではなく、ホルダ部４１の熱収縮によって得ている。即ち、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける範囲において、ターゲット放出部１１及びシール１５の合計の熱収縮量よりも大きな熱収縮量を有するホルダ部４１によって、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加することにより、温度変化が生じても、ターゲット放出部１１と支持部１２との間の気密性を維持することを可能としている。

ホルダ部４１の材料としては、キセノンの冷却制御の効率を向上させるために、熱伝導が良く、さらに、熱容量の小さい銅やアルミニウム等の金属材料が望ましい。但し、これらの材料の熱収縮率は、シール１５の材料として用いているテフロン（登録商標）の熱収縮率の１／１０程度である。このような場合には、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける範囲において、ホルダ部４１が、少なくともターゲット放出部１１及びシール１５の合計の熱収縮量よりも大きな熱収縮量を有するようにする。但し、銅やアルミニウム等の金属材料を用いてシール面を密着させて気密を保持するために必要な熱収縮量を得るためには、ホルダ部４１の胴の長さを長くする必要があるので、第２の実施形態と同様に熱容量がある程度増大してしまう。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。図６に示すように、ジェットノズル５０は、図１に示すジェットノズルから板バネ１４を取り除き、シール１５の替りにシール５１を含んでいる。その他の構成については、図１に示すジェットノズルと同様である。

本実施形態においては、シール面を密着させて気密を保持するために必要な力を、内圧用のスプリング荷重式のシール５１の反発力によって得ている。即ち、シール５１の反発力によって、ターゲット放出部１１を支持部１２に押し付ける圧力を印加することにより、温度変化が生じても、ターゲット放出部１１と支持部１２との間の気密性を維持することを可能としている。

なお、本実施形態においては、支持部１２にストッパを設けることにより、固定時に設定されるシール５１の反発力の再現性を持たせている。即ち、固定時に、ホルダ部１３をストッパに突き当てて固定することにより、シール５１の反発力が一定となるようにしている。また、ストッパの位置を変えることにより、任意の温度及び内圧に対応することができる。

シール５１は、リング状になっており、断面がアルファベットのＣ字形をしており、かつ、開口部が内側になるように形成されている。また、シール５１は、表面にテフロン（登録商標）コーティングが施されているＳＵＳによって形成され、Ｏリングと同様に用いることができる。

従って、シール５１のＣ字型部分におけるターゲット物質の圧力が高まることにより、ターゲット放出部１１とシール５１との間がより密着し、さらに、シール５１と支持部１２との間がより密着するので、シール性を向上させることができる。

本発明は、ＥＵＶ光を発生する光源装置においてターゲットとなる物質を放出するためのジェットノズルに利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。 本発明の第１の実施形態において用いられる板バネの形状の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係るジェットノズルの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るジェットノズルの断面図である。 従来の光源装置の構成を示す図である。 従来のジェットノズルの断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０…ジェットノズル、１１…ターゲット放出部、１２，２１…支持部、１３，３１，４１…ホルダ部、１４…板バネ、１５，５１…シール、２２…パルスチューブ、２３…サーミスタ

Claims (7)

1. 極端紫外光を発生する光源装置において用いられ、極端紫外光を発生するためにレーザビームが照射されるターゲットとなるターゲット物質を放出するためのジェットノズルであって、
   内部に第１の流路が形成され、前記第１の流路の一端に供給されるターゲット物質を前記第１の流路の他端から放出するためのターゲット放出部と、
   内部に第２の流路と冷却室とが形成され、前記第２の流路の一端に供給されるターゲット物質を冷却して前記第２の流路の他端から前記ターゲット放出部に供給するための支持部と、
   前記第１の流路と前記第２の流路とが連通するように、前記ターゲット放出部を前記支持部に着脱可能に固定する固定手段と、
   を具備するジェットノズル。
2. 前記ターゲット放出部と前記支持部との間に挿入されるシール部材であって、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通させるための中空領域が形成されているシール部材をさらに具備する請求項１記載のジェットノズル。
3. 前記固定手段が、
   前記ターゲット放出部と前記支持部とを内包する中空空間が形成され、一端が前記支持部と累合可能な管状のホルダ部と、
   前記ホルダ部の他端において、前記ターゲット放出部を前記支持部に押し付ける圧力を印加する圧力印加部と、
   を含む、請求項１又は２記載のジェットノズル。
4. 前記圧力印加部が、前記ターゲット放出部を前記支持部に押し付ける板バネを含む、
   、請求項３記載のジェットノズル。
5. 前記固定手段が、前記ターゲット放出部と前記支持部とを内包する中空空間が形成され、一端が前記支持部と累合可能な管状のホルダ部であって、前記ターゲット放出部を前記支持部に押し付ける圧力を印加するための弾性を有するホルダ部を含む、請求項１又は２記載のジェットノズル。
6. 前記固定手段が、前記ターゲット放出部と前記支持部とを内包する中空空間が形成され、一端が前記支持部と累合可能な管状のホルダ部であって、前記ターゲット放出部を前記支持部に押し付ける範囲において、少なくとも前記ターゲット放出部及びシール部材の合計の熱収縮量よりも大きい熱収縮量を有するホルダ部を含む、請求項２記載のジェットノズル。
7. 前記固定手段が、
   前記ターゲット放出部と前記支持部とを内包する中空空間が形成され、一端が前記支持部と累合可能な管状のホルダ部と、
   前記ターゲット放出部と前記支持部との間に挿入されるシール部材であって、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通させるための中空領域が形成され、前記ターゲット放出部を前記ホルダ部に押し付ける圧力を印加するためのスプリング荷重式シール部材と、
   を含む、請求項１記載のジェットノズル。

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