JP5622081B2 - プラズマ光源 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光源に関する。

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。

ガス放電方式によ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数１０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−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ためには１ショットで数μｓｅｃ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数μｓｅｃ（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。

またガス放電方式の場合、プラズマを閉じ込める中心電極の先端部は電極母材がむき出しの状態であり、アーク放電による電極エロージョンのため短期間で電極交換が必要になる問題点があった。
さらに、プラズマ媒体を供給する供給部が面状放電を発生させる部分に限られるため、プラズマ媒体の供給量が制限され、プラズマの高密度化が困難である問題点があった。

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、アーク放電による中心電極先端部のエロージョンを低減してその寿命を大幅に延ばすことができ、かつプラズマ媒体の供給量を増加させてプラズマを高密度化できるプラズマ光源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、該同軸状電極内のプラズマ媒体を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、を備えるプラズマ光源であって、
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、該中心電極の対向する先端部を一定の間隔を隔てて囲むガイド電極と、前記中心電極とガイド電極の間を絶縁する絶縁部材とからなり、
前記中心電極は、前記先端部を含み導電性を有した多孔質からなる導電性多孔質部分を有し、該導電性多孔質部分を通してその内部から前記先端部にプラズマ媒体からなる液体金属を染み出すようになっている、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、前記導電性多孔質部分は、ガイド電極と対向する外周面を含み前記先端部が閉じた中空円筒形であり、
さらに、該導電性多孔質部分の内部と連通しプラズマ媒体を内部に保有する中空の第１リザーバーを有する導電性緻密部分を有する。

前記絶縁部材は、液化したプラズマ媒体が浸透できない絶縁性緻密部分と、液化したプラズマ媒体が浸透する絶縁性多孔質部分とを一体成型した部分多孔体セラミックであり、
前記絶縁性緻密部分は、プラズマ媒体を内部に保有する第２リザーバーを有し、前記絶縁性多孔質部分を通して第２リザーバーから中心電極とガイド電極の間までプラズマ媒体を染み出すようになっている。

上記本発明の構成によれば、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単一のプラズマを形成し、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、中心電極は、先端部を含み導電性を有した多孔質からなる導電性多孔質部分を通してその内部から先端部にプラズマ媒体からなる液体金属が染み出し、中心電極の先端部が発光物質（プラズマ媒体）である液体金属で被覆されるので、アーク放電による中心電極先端部のエロージョンで飛散するのは、表面を被覆している発光物質だけであり、中心電極母材の消耗を大幅に低減する事ができる。

また、導電性多孔質部分が、ガイド電極と対向する外周面を含み先端部が閉じた中空円筒形であり、さらに、導電性多孔質部分の内部と連通しプラズマ媒体を内部に保有する中空の第１リザーバーを有する導電性緻密部分を有する構成により、プラズマ媒体を供給する供給部で面状放電（電流シート）が形成されこの電流シートの移動時に、同軸電極部の中心電極表面からも発光物質（プラズマ媒体）の巻上げが発生する。これらも電流シートの放電電流によりイオン化されるため、光源プラズマ密度の高密度化が容易になる。

中心電極の先端部におけるアークスポットとスパッタの説明図である。 本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。 図２の同軸状電極の拡大図である。 本発明によるプラズマ光源の作動説明図である。

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、中心電極の先端部におけるアークスポットとスパッタの模式図である。この図において（Ａ）はアークスポットの模式図、（Ｂ）はスパッタの模式図である。

ガス放電方式の場合、プラズマを閉じ込める中心電極１２’の先端部は電極母材がむき出しの状態である。そのため、図１（Ａ）に示すように、中心電極１２’の先端部には、アーク放電Ａによりアーク電流とイオン衝撃がμｍオーダーで集中するマイクロアークスポットが発生し、このマイクロアークスポットはｎｓからμｓオーダーで高速移動する。従って、局所的に高熱負荷、高温域となり、電極材質の局所蒸発が生じる。

また、図１（Ｂ）に示すように、マイクロアークスポットをミクロ的に観察すると、イオン衝撃による原子放出は発生しており、この原子放出はｐｓ以下で終了し、放出範囲は原子数個分の領域である。

このような、アーク放電による電極エロージョンは、経験則上、１〜２０μｇ／Ｃであり、ガス放電方式によるアーク放電をｋＨｚオーダーで実施する場合、中心電極の消耗量は、数ｃｃ／ｄａｙ〜数十ｃｃ／ｄａｙに達することになる。
従って、従来はアーク放電のため短期間で電極交換が必要になる問題点があった。

図２は、本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。
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、ガイド電極１４及び絶縁部材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に対向する端面は円弧状になっている。なお、この構成は必須ではなく、端面に凹穴を設け、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してもよく、或いは平面でもよい。

ガイド電極１４は、中心電極１２の対向する先端部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。
また、ガイド電極１４の対称面１に対向する端面は、この例では円弧状であるが平面でもよい。

絶縁部材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。

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内のプラズマ媒体を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１０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プラズマ光を発光させるようになっている。

図３は、図２の同軸状電極の拡大図である。
この図において、中心電極１２は、対向配置された先端部１１を含み導電性を有した多孔質からなる導電性多孔質部分１２ａを有する。この導電性多孔質部分１２ａは、例えばタングステン多孔体であり、その内部から先端部１１にプラズマ媒体６からなる液体金属を染み出すようになっている。

図３において、導電性多孔質部分１２ａは、ガイド電極１４と対向する外周面を含み、先端部１１が閉じた中空円筒形である。
また、この例において、中心電極１２は、さらに、導電性多孔質部分１２ａの内部と連通しプラズマ媒体６を内部に保有する中空の第１リザーバー１３を有する導電性緻密部分１２ｂを有する。
プラズマ媒体６からなる液体金属は、例えばＳｎ，Ｌｉ等である。これらのプラズマ媒体６は、図示しない加熱装置（ヒータ等）により、液体状態に保持されている。

上述した構成により、導電性多孔質部分１２ａを通してその内部からプラズマ媒体６が染み出し、中心電極の先端部１１と外周面が発光物質（プラズマ媒体６）で被覆される。プラズマ媒体６の被覆状態を図に破線で示す。
従って、アーク放電Ａによる中心電極先端部１１のエロージョンで飛散するのは、表面を被覆している発光物質（プラズマ媒体６）だけであり、中心電極母材の消耗を大幅に低減する事ができる。

図３において、絶縁部材１６は、液化したプラズマ媒体が浸透できない絶縁性緻密部分１６ａと、液化したプラズマ媒体が連続して浸透する絶縁性多孔質部分１６ｂとを一体成型した部分多孔体セラミックである。

絶縁性緻密部分１６ａと絶縁性多孔質部分１６ｂを構成するセラミックは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、等の絶縁性セラミックであるのが好ましい。
また絶縁性緻密部分１６ａの粒径及び焼成温度は、液化したプラズマ媒体が連続して浸透できないように設定する。さらに絶縁性多孔質部分１６ｂの粒径及び焼成温度は、液化したプラズマ媒体が連続して浸透するように設定する。

また、絶縁性緻密部分１６ａは、プラズマ媒体を内部に保有する第２リザーバー１８を有する。この例において、第２リザーバー１８は、絶縁性緻密部分１６ａの内部に設けられ、軸線Ｚ−Ｚを中心とする中空円筒形の空洞である。

上述したプラズマ光源を用い、絶縁部材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。

なお、絶縁性緻密部分１６ａと絶縁性多孔質部分１６ｂ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。

図４は、図２のプラズマ光源の作動説明図である。この図において、（Ａ）は面状放電の発生時、（Ｂ）は面状放電の移動中、（Ｃ）はプラズマの形成時、（Ｄ）はプラズマ封込み磁場の形成時を示している。
以下、この図を参照して、本発明の装置によるプラズマ光発生方法を説明する。

本発明のプラズマ光源は、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４（Ａ）に示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１０に絶縁部材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、２次元的に広がる面状の放電電流であり、以下「電流シート」とも呼ぶ。
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。

また、図４（Ａ）において、導電性多孔質部分１２ａを通してその内部（第１リザーバー１３）からプラズマ媒体６が染み出し、中心電極の先端部１１と外周面が発光物質（プラズマ媒体６）で被覆される。

図４（Ｂ）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。
この電流シート（面状放電２）の移動時に、同軸電極部の中心電極表面からも発光物質（プラズマ媒体６）の巻上げが発生し、電流シートの放電電流によりイオン化される。

図４（Ｃ）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。
図４（Ｃ）においても、中心電極の先端部１１が発光物質（プラズマ媒体６）で被覆されているので、中心電極先端部１１のエロージョンで飛散するのは、表面を被覆している発光物質（プラズマ媒体６）だけであり、中心電極母材の消耗を大幅に低減する事ができる。

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４（Ｄ）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。

また図４（Ｄ）においても、中心電極の先端部１１が発光物質（プラズマ媒体６）で被覆されているので、中心電極先端部１１のエロージョンで飛散するのは、表面を被覆している発光物質（プラズマ媒体６）だけであり、中心電極母材の消耗を大幅に低減する事ができる。

上述した本発明の装置によれば、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、上述した本発明の構成により、プラズマ媒体６を供給する供給部（絶縁部材１６の表面）で面状放電２（電流シート）が形成されこの電流シートの移動時に、同軸電極部の中心電極表面からも発光物質（プラズマ媒体６）の巻上げが発生し、これらも電流シートの放電電流によりイオン化されるため、光源プラズマ密度の高密度化が容易になる。

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。

１ 対称面、２ 面状放電（電流シート）、３ プラズマ、
４ 管状放電、５ プラズマ封込み磁場、６ プラズマ媒体、
８ プラズマ光（ＥＵＶ）、
１０ 同軸状電極、１１ 先端部、１２ 中心電極、
１２ａ 導電性多孔質部分、１２ｂ 導電性緻密部分、
１３ 第１リザーバー、１４ ガイド電極、
１６ 絶縁部材（部分多孔体セラミック）、
１６ａ 絶縁性緻密部分、１６ｂ 絶縁性多孔質部分、
１８ 第２リザーバー、２０ 放電環境保持装置、
３０ 電圧印加装置、３２ 正電圧源、
３４ 負電圧源、３６ トリガスイッチ

Claims (3)

1. 対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内のプラズマ媒体を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、を備えるプラズマ光源であって、
   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、該中心電極の対向する先端部を一定の間隔を隔てて囲むガイド電極と、前記中心電極とガイド電極の間を絶縁する絶縁部材とからなり、
   前記中心電極は、前記先端部を含み導電性を有した多孔質からなる導電性多孔質部分を有し、該導電性多孔質部分を通してその内部から前記先端部にプラズマ媒体からなる液体金属を染み出すようになっている、ことを特徴とするプラズマ光源。
2. 前記導電性多孔質部分は、ガイド電極と対向する外周面を含み前記先端部が閉じた中空円筒形であり、
   さらに、該導電性多孔質部分の内部と連通しプラズマ媒体を内部に保有する中空の第１リザーバーを有する導電性緻密部分を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
3. 前記絶縁部材は、液化したプラズマ媒体が浸透できない絶縁性緻密部分と、液化したプラズマ媒体が浸透する絶縁性多孔質部分とを一体成型した部分多孔体セラミックであり、
   前記絶縁性緻密部分は、プラズマ媒体を内部に保有する第２リザーバーを有し、前記絶縁性多孔質部分を通して第２リザーバーから中心電極とガイド電極の間までプラズマ媒体を染み出すようになっている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。