JP5567640B2 - 極端紫外光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置の光源として用いられる極端紫外（ＥＵＶ：extreme ultra violet）光源装置に関する。

近年、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。そのため、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（reduced projection reflective optics）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、ターゲットにレーザビームを照射することによって生成されるプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma：レーザ生成プラズマ）光源（以下において、「ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置」ともいう）と、放電によって生成され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、ターゲット物質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、２πsteradian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。

ここで、ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置におけるＥＵＶ光の生成原理について簡単に説明する。ノズルからターゲット物質を噴射し、このターゲット物質に向けてレーザビームを照射することにより、ターゲット物質を励起してプラズマ化させる。このプラズマからは、極端紫外光（ＥＵＶ）光を含む様々な波長成分が放射される。そこで、その内の所望の波長成分を、集光ミラー（ＥＵＶ集光ミラー）を用いて選択的に反射集光することにより、ＥＵＶ光を利用する機器（例えば、露光装置）に出力する。例えば、波長が１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光を集光するためには、モリブデン及びシリコンが交互に積層された膜（Ｍｏ／Ｓｉ多層膜）が反射面に形成された集光ミラーが用いられる。なお、特許文献１の図６には、ＬＰＰ光源の概念図が示されている。

このようなＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置においては、プラズマから放出される高速イオンや高速中性粒子による影響が問題となっている。ＥＵＶ集光ミラーはプラズマ近傍に設置されているので、それらの粒子によってミラーの反射面がスパッタされ、損傷してしまうからである。ところが、ＥＵＶ集光ミラーは、高い反射率を維持するために、例えば、０．２ｎｍ（ｒｍｓ）程度の高い表面平坦性が要求されるので、非常に高価である。そのため、ＥＵＶ露光システム（光源としてＥＵＶ光を利用する露光システム）の運転コストの削減や、メンテナンス時間の低減等の観点から、ＥＵＶ集光ミラーの長寿命化が望まれている。なお、高速イオンや中性粒子を含むプラズマからの飛散物やターゲット物質の残骸は、デブリ（debris）と呼ばれている。

特許文献１には、このようなデブリの影響を低減すると共に、ＥＵＶ光の出力向上を図るために、ターゲットを高い繰り返し周波数で高速に供給するＥＵＶ光源装置が開示されている。このＥＵＶ光源装置は、ターゲットに電荷を与える電荷付与手段と、電荷を帯びたターゲットを、電磁場を利用して加速させる加速手段とを有するターゲット供給装置を備えている（第２頁、図１）。特許文献１に開示されているように、ドロップレットターゲットを加速して早くプラズマ発光点に到達させることにより、ワーキングディスタンスを大きくしつつ、ＥＵＶ光の出力を向上させることが可能となる。

また、特許文献２には、ターゲット物質を供給するターゲット供給部と、ターゲットにレーザビームを照射することによりプラズマを発生させるレーザ部と、プラズマから放出される極端紫外光を集光して出射する集光光学系と、プラズマから放出される荷電粒子をトラップするために、電流が供給されたときに集光光学系内に磁場を発生させる磁場発生部とを備えるＥＵＶ光源装置が開示されている。即ち、特許文献２においては、プラズマから放出される高速イオンを磁場の作用によってトラップすることにより、ＥＵＶ集光ミラーへの衝突を防いでいる。また、特許文献２には、電荷を持たない中性粒子を同様にトラップするために、中性粒子に紫外線を照射してイオン化することも開示されている。

特開２００３−２９７７３７号公報（第２、５頁、図１、６） 米国特許ＵＳ６，９８７，２７９Ｂ２（第１頁）

ところが、ＥＵＶ光源装置に、ドロップレットターゲットを帯電させて加速する技術（特許文献１）と、イオンを磁場の作用によってトラップする技術（特許文献２）との両方を適用しようとすると、次のような問題が発生する。
即ち、一般に、運動する荷電粒子は、磁場の作用により、運動する方向に直交する方向のローレンツ力を受ける。ここで、荷電粒子の電荷をｑ、速度をｖ（ベクトル）、磁束密度をＢ（ベクトル）とすると、磁場中を運動する荷電粒子に働くローレンツ力Ｆ（ベクトル）は、次式（１）によって表される。
Ｆ＝ｑ（ｖ×Ｂ） …（１）
従って、速度ｖと磁束密度Ｂとの為す角をθとすると、ローレンツ力の大きさ｜Ｆ｜は、次式（２）によって表される。
｜Ｆ｜＝｜ｑ｜・｜ｖ｜・｜Ｂ｜・ｓｉｎθ …（２）
また、ローレンツ力Ｆの向きは、電荷ｑが正電荷である場合に、ベクトル積ｖ×Ｂの向きに一致する。そのため、プラズマから発生したイオン（帯電したデブリ）の内で、磁束密度Ｂに平行でない速度成分を有するもの（即ち、磁束線を横切る荷電粒子）は、磁場の作用によって、プラズマ発生点近傍にトラップされる。

ところが、特許文献１においては、ドロップレットターゲットを加速するために帯電させているので、帯電したターゲットがレーザ照射位置まで到達する間に磁束線を横切ると、ローレンツ力Ｆによってその軌道が変化してしまう。ここで、式（１）及び（２）から明らかなように、ローレンツ力の大きさ｜Ｆ｜は、電荷ｑ、速度ｖ、及び、磁束密度Ｂの大きさに依存するので、ドロップレットターゲットの軌跡もそれらの大きさに応じて変化してしまい、予測することができない。

先にも述べたように、ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置においては、ドロップレットターゲットにレーザ光を照射することによりプラズマを生成する。そのため、ドロップレットターゲットの軌道は、常に安定していることが望ましい。ドロップレットターゲットの軌道が変化すると、ドロップレットターゲットに照射されるレーザビームの位置合わせが不完全になるので、生成されるプラズマの励起強度や、形状や、プラズマの生成回数等が変化してしまうからである。その結果、ＥＵＶ光の安定性が低下し、利用可能なＥＵＶ光が減少してしまう。そして、ＥＵＶ光の利用効率の低下に伴うＥＵＶ光源装置の運転コスト及び維持コストの増加や、ＥＵＶ光の照度が安定しないことによるＥＵＶ露光装置の性能低下をもたらし、最終的には、そのＥＵＶ露光装置によって生産される半導体デバイスの品質を不安定にしてしまう。

そこで、本発明は、ＥＵＶ光源装置において、ターゲットの軌道を擾乱させることなく、ドロップレットターゲットをレーザ照射位置に高速に供給する機構と、プラズマから発生したイオン（帯電したデブリ）を磁場の作用によりトラップする機構とを両立させることを目的とする

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る極端紫外光源装置は、レーザ光源から出力されたレーザ光をターゲット物質に照射することにより、ターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光を生成する極端紫外光源装置であって、（ｉ）内部で極端紫外光が生成されるチャンバと、（ii）チャンバ内にターゲット物質を噴射するターゲットノズルと、（iii）ターゲットノズルから噴射されるターゲット物質を帯電させる電荷供給装置と、（iv）電磁石、超伝導磁石、及び、永久磁石の内のいずれかを含み、チャンバ内にミラー磁場を形成する１組の磁石と、ターゲット物質の軌道において該ミラー磁場の磁束線が略直線状且つターゲット物質の進入方向に対して略平行となるように、補助的な磁場を形成する少なくとも１つの補助磁場形成装置とを含む磁場形成装置とを具備する。

本発明の１つの観点によれば、プラズマから放出されたイオンをトラップするために形成される磁場を、ターゲット物質の軌道において、磁束線が略直線状且つターゲット物質の進入方向に対して略平行となるように形成するので、そのような領域に帯電したターゲット物質を導入しても、磁場の作用により軌道が変動するのを抑制できる。従って、ターゲット物質がプラズマ発光点に安定的に供給されるようになり、ターゲット物質の高速供給とイオンをトラップする技術とを両立させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る極端紫外光源装置の構成を示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける断面を示す図である。 熱電子放射型電子銃の電子発生原理を説明するための図である。 電界放射型電子銃の電子発生原理を説明するための図である。 ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ発生装置の第１の構成例を示す模式図である。 ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ発生装置の第２の構成例を示す模式図である。 マイクロ波プラズマ発生装置の構成例を示す模式図である。 誘電帯電装置の構成例を示す模式図である。 誘導加速装置の原理を説明するための図である。 ＲＦ（高周波）加速装置の原理を説明するための図である。 ヴァンデグラフ型静電加速装置の原理を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る極端紫外光源装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る極端紫外光源装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る極端紫外光源装置の構成を示す図である。 図１４に示すXV−XVにおける断面を示す図である。 電場の作用を用いたターゲット位置調整装置を備える極端紫外光源装置の構成を示す図である。 磁場の作用を用いたターゲット位置調整装置を備える極端紫外光源装置の構成を示す図である。 図１７に示す電磁石部を示す平面図である。 図１４に示すターゲット位置調整装置を、ターゲット物質を間引きする装置として利用する例を示す図である。

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の実施形態に係る極端紫外（ＥＵＶ）光源装置の構成を示す図である。また、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩにおける断面図である。本実施形態に係る極端紫外光源装置は、レーザビームをターゲット物質に照射して励起させることによりＥＵＶ光を生成するレーザ生成プラズマ（ＬＰＰ）方式を採用している。図１に示すように、このＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ光の生成が行われるチャンバ１０と、ターゲット供給装置１１と、ターゲットノズル１２と、レーザ装置１３と、集光レンズ１４と、ＥＵＶ集光ミラー１５と、ターゲット回収筒１６と、電荷供給装置１７と、加速装置１８と、電磁石１９ａ及び１９ｂ並びにヨーク１９ｃと、同期コントローラ２０と、ターゲットモニタ２１（図２）を有している。また、本実施形態に係るＥＵＶ光源装置は、ターゲット回収配管２２と、イオン排出管２３と、ターゲット排出管２４と、ターゲット循環装置２５と、ターゲット供給管２６とを更に有していても良い。

ターゲット供給装置１１は、レーザビームを照射されることにより励起してプラズマ化するターゲット物質をターゲットノズル１２に供給する。ターゲット物質としては、キセノン（Ｘｅ）や、キセノンを主成分とする混合物や、アルゴン（Ａｒ）や、クリプトン（Ｋｒ）や、低気圧状態でガスとなる水（Ｈ_２Ｏ）若しくはアルコールや、錫（Ｓｎ）やリチウム（Ｌｉ）等の溶融金属や、水又はアルコールに錫や酸化錫や銅等の微小な金属粒子を分散させたものや、水にフッ化リチウム（ＬｉＦ）や塩化リチウム（ＬｉＣｌ）を溶解させたイオン溶液等が用いられる。

ターゲット供給装置１１に導入されるターゲット物質の状態は、気体、液体、固体のいずれであっても良い。例えばキセノンのように、常温で気体のターゲット物質を液体ターゲットとして用いる場合には、ターゲット供給装置１１においてキセノンガスを加圧及び冷却することにより、液化されたキセノンがターゲットノズル１２に供給される。反対に、例えば錫のように、常温で固体の物質を液体ターゲットとして用いる場合には、ターゲット供給装置１１において錫を加熱することにより、液化された錫がターゲットノズル１２に供給される。

ターゲットノズル１２は、ターゲット供給装置１１から供給されたターゲット物質を噴射することにより、真空チャンバ１０内の所定の位置（プラズマ発光点）に液滴状のターゲット物質１を供給する。ターゲットノズル１２は、ピエゾ素子等の振動機構を備えており、次のような原理によりターゲット物質から液滴（ドロップレット）を生成する。即ち、レイリーの微小擾乱の安定性理論によれば、速度ｖで流れる直径ｄのターゲット噴流を、周波数ｆで振動させることによって擾乱させるときに、ターゲット噴流に生じた振動の波長λ（λ＝ｖ／ｆ）が所定の条件（例えば、λ／ｄ＝４．５１）を満たす場合に、均一な大きさの液滴が周波数ｆで繰り返して形成される。そのときの周波数ｆは、レイリー周波数と呼ばれる。

レーザ装置１３は、高い繰り返し周波数（例えば、パルス幅が数ｎ秒〜数十ｎ秒程度、周波数が１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度）でパルス発振可能なレーザ光源であり、ターゲット物質１を照射することによりプラズマ化させるためのレーザビーム２を射出する。また、集光レンズ１４は、レーザ装置１３から射出されたレーザビーム２を集光し、プラズマ発光点（以下において、レーザ照射位置とも言う）に照射させる。なお、集光レンズ１４の替わりに、それ以外の集光光学部品や、複数の光学部品が組み合わせられた集光光学系を用いても良い。

このようなレーザビーム２をターゲット物質１に照射することにより、プラズマ３が生成され、そこから様々な波長成分が放射される。
ＥＵＶ集光ミラー１５は、プラズマ３から放射される様々な波長成分の内から、所定の波長成分（例えば、１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光）を集光する集光光学系である。ＥＵＶ集光ミラー１５は、例えば、波長が１３．５ｎｍ付近のＥＵＶ光を選択的に反射するモリブデン（Ｍｏ）／シリコン（Ｓｉ）多層膜が形成されている凹状の反射面を有している。このＥＵＶ集光ミラー１５により、ＥＵＶ光４は所定の方向（図１においては、マイナスＹ方向）に反射集光され、例えば、露光装置に出力される。なお、ＥＵＶ光の集光光学系は、図１に示すような集光ミラーに限定されず、複数の光学部品を用いて構成しても良いが、ＥＵＶ光４の吸収を抑えるために反射光学系とすることが必要である。

ターゲット回収筒１６は、プラズマ発光点を挟みターゲットノズル１２に対向する位置に配置されている。ターゲット回収筒１６は、ターゲットノズル１２から噴射されたにもかかわらず、レーザビームを照射されることなくプラズマ化しなかったターゲット物質を回収する。それにより、不要なターゲット物質が飛散してＥＵＶ集光ミラー１５等を汚染するのを防止すると共に、チャンバ内の真空度が低下するのを防いでいる。

電荷供給装置１７は、例えば、電子銃や、ＥＣＲ（電子サイクロトロン）プラズマ発生装置や、マイクロ波プラズマ発生装置や、誘電帯電装置であり、ターゲット物質１に電荷を供給することにより帯電させる。
加速装置１８は、例えば、静電加速装置や、誘導加速装置や、ＲＦ（高周波）加速装置であり、電場及び／又は磁場の作用により、帯電したターゲット物質１を加速させる。それにより、ＥＵＶ光の出力低下を招くことなく、ワーキングディスタンスを大きくすることができる。
なお、電荷供給装置１７及び加速装置１８の具体的な構成については、後で説明する。

電磁石１９ａ及び１９ｂの各々は、コイル巻き線やコイル巻き線の冷却機構等を含んでいる。また、望ましくは、電磁石１９ａ及び１９ｂに、ヨーク（電磁軟鉄のように、磁束を誘導するために用いられる部材）１９ｃが配置される。これらの電磁石１９ａ及び１９ｂには、図示しない電源装置及びコントローラが接続されており、各電磁石１９ａ及び１９ｂに供給される電流を調節することにより、真空チャンバ１０内に所望の磁場が形成される。

電磁石１９ａ及び１９ｂのコイルは、互いに平行、又は、略平行に、且つ、開口部の中心が一致するように対向して配置されており、１組のミラーコイルを形成している。ミラーコイルは、同じ向きに流れる電流を供給されることにより、プラズマ発生点を含む領域にミラー磁場を形成する。

ここで、ミラー磁場とは、電磁石１９ａ及び１９ｂのコイル近傍においては磁束密度が高く、それらのコイルの中間においては磁束密度が低い磁場のことである。通常、磁場閉じ込め核融合等で用いられるミラー磁場においては、イオンやプラズマの閉じ込め効果を高めるために、ミラー比を大きくする磁場設計が行われている。しかしながら、本実施形態においては、磁束線方向（Ｚ軸方向）にイオンを効率良く排出する目的から、ミラー比が小さくなるように、電磁石１９ａ及び１９ｂの電磁石コイル、又は、ヨーク１９ｃの設計を行っている。なお、ミラー比とは、２つのコイルの中間部における最小磁束密度Ｂ_０に対するコイル近傍の最大磁束密度Ｂ_１のこと（即ち、Ｂ_１／Ｂ_０）である。

このようなミラー磁場中において、荷電粒子（プラズマ３から放出される高速イオン等）は、ローレンツ力を受けることにより、磁束線に垂直な面内において回転する軌道を描いて運動するため、Ｚ軸付近にトラップされる。また、そのような荷電粒子がＺ方向の速度成分を有している場合には、Ｚ軸に沿ってらせん軌道を描きながら移動し、電磁石１９ａ及び１９ｂの外側に排出される。それにより、荷電粒子がＥＵＶ集光ミラー１５付近に飛来して、ミラーを汚染又は損傷するのを防いでいる。

また、本実施形態においては、電磁石１９ａ及び１９ｂに、互いに強さの異なる磁場をそれぞれ発生させることにより、図１の磁束線６に示すように、プラズマ３の位置で磁束線の中心軸に直交する面について、上下に非対称な磁場を形成している。なお、図１には、電磁石１９ａ側の磁場を、電磁石１９ｂ側の磁場よりも強くした場合における磁束線６が示されている。従って、磁場の作用によりトラップされたイオンは、磁束密度の低い方（図１においては、下方）に導かれる傾向が強くなる。その結果、イオンをプラズマ発光点付近に滞留させることなく、ターゲット回収筒１６やイオン排出管２３の方向に積極的に導くことが可能になる。

さらに、本実施形態においては、ターゲット物質１の軌道の近傍において、磁束線６が略直線となり、且つ、ターゲット物質１の進入方向に対して略平行となるように、磁場の形状が制御されている。言い換えれば、磁束線６が略直線となる領域を形成し、この直線領域に沿うように、ターゲットノズル１２からプラズマ発光点に向けてターゲット物質１を噴射する。それにより、帯電したターゲット物質１の速度ベクトルと磁束密度ベクトルとが平行になり、ターゲット物質１が磁束線６を横切ることはなくなる。その結果、帯電したターゲット物質１が受けるローレンツ力を低減できるので、ターゲット物質１の軌道の変動が抑制される。

このような電磁石１９ａ及び１９ｂ並びにヨーク１９ｃは、真空チャンバ１０内において使用されるため、チャンバ内の真空度保持並びに汚染物質の放出防止のために、ステンレスやアルミニウム等の非磁性体金属又はセラミックスによって形成された収納容器によって密閉されている。それによって、コイル巻き線等はチャンバ内の真空空間と隔てられる。

各電磁石１９ａ及び１９ｂが発生する磁場の強さを互いに変化させるためには、電磁石１９ａ及び１９ｂに供給する電流の強さを変化させたり、電磁石１９ａ及び１９ｂのコイルの巻き数や径を互いに変化させたりすれば良い。また、ミラー磁場及び磁場による荷電粒子の排出作用の詳細については、特許文献２、並びに、ニコルソン(Dwight R. Nicholson)著、「プラズマ理論への序説(Introduction to Plasma Theory)」（ジョン・ウィリー・アンド・サンズ出版(Johon Wiley & Sons, Inc.)）の第２章第６節を参照されたい。
なお、本実施形態においては、ミラー磁場を形成するために電磁石コイルを用いているが、その替わりに、超伝導磁石や永久磁石を用いても良い。

同期コントローラ２０は、後述するターゲットモニタ２１の出力信号に基づいて、ターゲット物質１が所定のタイミングでプラズマ発光点に到達するように、電荷供給装置１７及び加速装置１８の動作を制御すると共に、レーザ装置１３との動作タイミングを同期制御する。ＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ変換効率を向上させる観点から、例えば、数ｎ秒〜数十ｎ秒程度のパルス幅でレーザ（レーザビーム２）照射を行うからである。

図２を参照すると、ターゲットモニタ２１は、ＣＣＤカメラ又はリニアに配置されたフォトセンサアレイを含んでおり、ターゲット物質１が所定の位置を通過したときに、その時刻を表す信号を出力する。ターゲットモニタ２１がモニタする位置はレーザ照射位置であっても良いし、ターゲット物質１がレーザ照射位置に到達する時刻との相関があれば、それ以外の位置であっても良い。例えば、ターゲット物質１の軌道上であれば、モニタ位置とレーザ照射位置との間の距離と、ターゲット物質１の速度とに基づいて、ターゲット物質１がレーザ照射位置を通過する時刻を算出できる。

再び、図１を参照すると、ターゲット回収配管２２は、ターゲット回収筒１６によって回収されたターゲット物質をターゲット循環装置２５に搬送する。
イオン排出管２３は、電磁石１９ｂ（又は、ヨーク１９ｃ）の開口部に接続されるように設置されており、磁場にトラップされて電磁石１９ｂの外側に導出されたイオンを回収して、ターゲット循環装置２５に搬送する。

ターゲット排出管２４は、チャンバ１０内に残存するターゲット物質をチャンバ１０の外部に排出するための通路である。
ターゲット循環装置２５は、ターゲット回収配管２２や、イオン排出管２３や、ターゲット排出管２４を介して回収された残存ターゲット物質やイオンを再利用するための装置であり、吸引動力源（吸引ポンプ）、ターゲット物質の精製機構、及び、圧送動力源（圧送ポンプ）を備えている。ターゲット循環装置２５は、チャンバ１０内から回収されたターゲット物質等を精製機構において精製し、ターゲット供給管２６を介してターゲット供給装置１１に圧送する。
なお、ターゲット循環装置２５によるポンプ作用を補助するために、ターゲット回収配管２２や、イオン排出管２３や、ターゲット排出管２４に、排気ポンプを別途設けても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、プラズマから放出されたイオンをトラップするための磁場を、ターゲット物質の軌道において磁束線が略直線状となるように形成し、帯電したターゲット物質をその直線部分に沿うように導入するので、磁場の作用によってターゲット物質の軌道が変動するのを抑制することができる。それにより、所定のタイミングで、一定の位置（レーザ照射位置）にターゲット物質を供給することが可能になる。従って、ターゲット物質に対してレーザビームを確実にパルス照射できるようになるので、ＥＵＶ光を安定して発光させることが可能になる。その結果、極端紫外光源装置において、ＥＵＶ光の利用効率の低減を防ぐと共に、安定した照度を得ることが可能になる。それにより、ＥＵＶ光源装置の運転コストの削減や、稼働率の向上を図ることが可能となり、さらに、そのようなＥＵＶ光源装置を利用する露光システムにおいて露光性能が安定するので、稼働率や露光処理能力の向上を図ると共に、半導体デバイスの品質を安定させることが可能となる。

次に、図１に示す電荷供給装置１７として用いられる装置について詳しく説明する。
図３は、熱電子放射型電子銃の電子発生原理を説明するための図である。図３に示すように、加熱用電源１０１によってフィラメント１０２を加熱することにより、フィラメント１０２の先端から熱電子が発生する。この熱電子が加速用電極（陽極）１０３によって加速され、ターゲット物質１（図１）に向けて放出される。このとき、電子の加速エネルギーを比較的低く（例えば、１００ｅＶ以下）して、電子をターゲット物質１に照射すると、電子はターゲット物質１に付着する。それにより、ターゲット物質１は負に帯電する。一方、電子の加速エネルギーを比較的高く（例えば、１００ｅＶより大きく）して、電子をターゲット物質１に照射すると、電子の衝突エネルギーにより、ターゲット物質の表面の原子から２次電子が放出される。それにより、ターゲット物質１は正に帯電する。

図４は、電界放射型電子銃の電子発生原理を説明するための図である。図４に示すように、引出し電極（陽極）１１２によって強い電場を形成することにより、エミッタ（陰極）１１１の先端から電子が発生する。この電子が加速用電極（陽極）１１３によって加速され、ターゲット物質１（図１）に向けて放出される。この場合においても、加速エネルギーが比較的低い（例えば、１００ｅＶ以下）電子をターゲット物質１に照射することにより、ターゲット物質１に電子が付着して、ターゲット物質１が負に帯電する。一方、加速エネルギーが比較的高い（例えば、１００ｅＶより大きい）電子をターゲット物質１に照射することにより、ターゲット物質から２次電子が放出されて、ターゲット物質１が正に帯電する。

図５は、ＥＣＲプラズマ発生装置の第１の構成例を示す模式図である。図５に示す放電室１２１は、例えば、石英管によって形成されており、その内部には適切な圧力の中性粒子ガス（プラズマガス）が供給されている。中性粒子ガスとしては、キセノン（Ｘｅ）や、アルゴン（Ａｒ）や、ヘリウム（Ｈｅ）等が用いられる。また、放電室１２１の内部には、その周囲に配置された電磁石１２２により、高磁場（例えば、８７５gauss）が形成されている。そのため、放電室１２１中に存在する電子は、磁力線に巻きつくような旋回運動（サイクロトロン運動）を行っている。このような放電室１２１に、マイクロ波発生装置１２３からマイクロ波導波管１２４を介してマイクロ波（電場）を導入する。このとき、放電室１２１に形成された電場が、電子のサイクロトロン運動と同じ周波数で変化する場合には、電子は電場からエネルギーを得て、所謂、サイクロトロン共鳴状態となる。例えば、８７５gaussの磁場に対して、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入すると、サイクロトロン共鳴状態が引き起こされる。

ここで、マイクロ波エネルギーの有効利用の観点からは、右回転円偏光しているマイクロ波を用いる方が有利である。その理由は、次の通りである。即ち、図５に示すように、磁束が下向きの磁場（磁束密度Ｂ）が形成されている放電室１２１に対して、磁束と一致する方向（矢印方向）からマイクロ波を導入する場合を考える。このとき、水平偏光しているマイクロ波を放電室１２１内の電子に照射すると、電子は、電子サイクロトロン運動の１周期あたりに２回だけマイクロ波によって加速される。それに対して、右回転円偏光しているマイクロ波を電子に照射すると、マイクロ波の偏光方向と電子のサイクロトロン運動の回転方向とが常に一致することになるので、マイクロ波によって電子を加速し続けることが可能となるからである。その際に、磁束密度の高い方から低い方に向けてマイクロ波を照射することにより、電子臨界密度以上の高い密度のプラズマを生成することが可能である。なお、マイクロ波プラズマの発生原理の詳細については、電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編、「マイクロ波プラズマの技術」、第１版、株式会社オーム社、平成１５年９月２５日、ｐ．１８−２１を参照されたい。

このようにしてサイクロトロン共鳴状態となって加速された電子は、周囲の中性粒子に衝突して電離させる。そして、電子の衝突による電離と、電場から電子へのエネルギーの供給とが連鎖的に生じてプラズマが生成される。このプラズマは、オリフィス１２５を通って放電室１２１から真空チャンバ１０（図１）内の空間（即ち、ターゲット物質１の軌道）に向けて放射される。

図５に示すように、オリフィス１２５の外側には、メッシュ状の開口部を有する引き出し電極１２６が配置されている。また、引き出し電極１２６には、高電圧電源装置１２７が接続されている。このような引き出し電極１２６に負の高電圧を印加した状態で、オリフィス１２５から放射されたプラズマに、引き出し電極１２６の開口部を通過させる。それにより、正に帯電したプラズマのみを選択的に取り出すことができる。このようなプラズマをターゲット物質１に照射することにより、ターゲット物質１を正に帯電させることができる。

図６は、ＥＣＲプラズマ発生装置の第２の構成例を示す模式図である。
図６においては、マイクロ波導波管１３５をＬ字に曲げ、窓１３６によって仕切った先の部分を放電室１３１としている。従って、放電室１３１に導波路を兼ねさせると共に、後述するように、その内部に磁場を形成できるようにするために、放電室１３１は、銅やアルミニウム等の導電性非磁性体金属材料によって形成されている。この放電室１３１の向かい合う２箇所（図６においては上部及び下部）には、ターゲットノズル１２（図１）から噴射されたターゲット物質１を通過させるためのオリフィス１３２が形成されている。さらに、放電室１３１の内部には、プラズマガスとして、キセノン（Ｘｅ）や、アルゴン（Ａｒ）や、ヘリウム（Ｈｅ）等の中性粒子ガスが充填されている。或いは、ターゲット物質１としてキセノンを用いる場合には、真空チャンバ１０（図１）内に残留したキセノンガスをプラズマガスとして用いても良い。

このような放電室１３１の内部に、放電室１３１の周囲に配置された電磁石１３３によって高磁場を形成すると共に、マイクロ波発生装置１３４から導波管１３５及び窓１３６を介してマイクロ波（電場）を導入すると、放電室１３１内にプラズマが発生する。なお、プラズマ発生の原理については、第１の構成例において説明したのと同様である。このようなプラズマ領域に対してターゲット物質１を通過させることにより、ターゲット物質１が帯電する。ここで、通常、プラズマ中においては、イオンよりも電子の方が大きい速度で運動しているので、電子がターゲット物質１に衝突する確率が高くなる。そのため、本構成例において、ターゲット物質１は負に帯電する。

図７は、マイクロ波プラズマ発生装置の構成例を示す模式図である。
図７においては、マイクロ波導波路１４４の一部を窓１４５によって仕切ることにより放電室１４１を形成している。この放電室１４１は、マイクロ波を閉じ込めて振動させるために、金属材料で形成されていると共に、終端が閉じられている。また、放電室１４１の向かい合う２箇所（図７においては上部及び下部）には、ターゲットノズル１２（図１）から噴射されたターゲット物質１を通過させるためのオリフィス１４２が形成されている。これらのオリフィス１４２は、放電室１４１内に発生する定常波の電界強度が最も強くなる領域をターゲット物質１が通過するように配置されている。

このような放電室１４１に、マイクロ波発生装置１４３から導波管１４４及び窓１４５を介してマイクロ波を導入すると、放電室１４１の終端においてマイクロ波が反射して、放電室１４１内に定常波が生成される。それにより、放電室１４１内にマイクロ波プラズマが発生する。そして、ターゲットノズル１２からターゲット物質１を噴射して、定常波の内で最も電界強度が強い領域に形成されたマイクロ波プラズマ中を通過させる。それにより、ターゲット物質１が負に帯電する。なお、負に帯電する理由については、第２の構成例において説明したのと同様である。

図８は、誘電帯電装置の構成例を示す模式図である。ターゲット物質１を噴射するターゲットノズル１２の下流側には、ターゲット物質１を通過させるための開口が形成された電極１５１が配置されている。これらのターゲットノズル１２と電極１５１との間には、高電圧電源装置１５２によって、例えば、約１ｋＶの高電圧が印加されている。それにより、ターゲットノズル１２内を通るターゲット物質の連続流が液滴（ドロップレット）に分裂する際に、外部電極によって誘電分極し、その結果、ターゲット物質１が帯電する。

次に、図１に示す加速装置１８として用いられる装置について詳しく説明する。
図９は、誘導加速装置の原理を説明するための図である。図９の（ａ）に示すように、誘導加速装置は、加速空洞（加速される粒子２００を通過させる通路）を形成している導体２０１と、導体２０１内に配置された磁性体２０２と、磁性体２０２を囲むように形成された配線２０３とを含んでいる。磁性体２０２は、粒子２００の通路を囲むように配置されている。図９の（ｂ）に示すように、磁性体２０２は、加速空洞内にステップ状の誘導電場を発生させるためのトランスの磁性体コアに相当する。また、配線２０３はトランスの１次側配線に相当し、導体２０１はトランスの２次側配線に相当する。この配線２０３（１次側配線）に電圧を供給することにより磁性体２０２内に磁場（磁束密度Ｂ_θ）を発生させると、同じ磁性体２０２を囲む導体（２次側配線）２０１に誘導起電力が発生し、導体２０１と配線２０３との間のギャップ２０４に誘導電場Ｅ_Ｚが発生する。荷電粒子２００は、このギャップ２０４を通過する際に、電場Ｅ_Ｚによって加速される。

図１０は、ＲＦ加速装置の原理を説明するための図である。ＲＦ加速装置は、銅等によって形成された円筒状の複数の加速空洞２１１〜２１６を含んでいる。これらの加速空洞２１１〜２１６は、１つおきに共通配線されてＲＦ電源装置２１７に接続されている。また、加速空洞２１１〜２１６の長さは、加速空洞２１１側から導入される荷電粒子２１０の速度に合わせて徐々に長くなるように設計されている。ＲＦ電源装置２１７は、荷電粒子２１０が加速空洞２１１〜２１６を通過するタイミングに同期して、各加速空洞２１１〜２１６に交流電圧を印加する。なお、図１０の（ａ）は、ある瞬間における電場の様子を示しており、図１０の（ｂ）は、別の瞬間における電場の様子を示している。例えば、荷電粒子２１０がマイナスの電荷を有している場合には、荷電粒子２１０があるギャップを通過する際に、マイナスの加速空洞からプラスの加速空洞に向かうように電圧印加タイミングを調整する。それにより、荷電粒子２１０は、ギャップを通過する毎に少しずつ加速される。

図１１は、ヴァンデグラフ型静電加速装置の原理を説明するための図である。ヴァンデグラフ型静電加速装置は、加速管２２１と、直流高電圧電源２２２と、電荷運搬部２２３と、電荷を蓄積するキャップ２２４とを備えている。電荷運搬部２２３は、例えば、絶縁材料によって形成されたベルトコンベアであり、直流高電圧電源２２２から供給された電荷をキャップ２２４に運搬する。それにより、キャップ２２４と接地電位との間に高電圧（例えば、数百キロ〜数メガボルト）が発生するので、これを加速電界として、加速管２２１内において荷電粒子２２０を加速する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る極端紫外光源装置について、図１２を参照しながら説明する。
本実施形態に係る極端紫外光源装置は、図１に示す極端紫外光源装置に対して、補助磁場形成装置３１を更に設けたものである。その他の構成については、図１に示すものと同様である。

ここで、電磁石１９ａ及び１９ｂによって形成される磁場においては、電磁石１９ａから離れるほど磁束線が発散してしまう。また、電磁石１９ａ及び１９ｂにヨーク１９ｃが設けられている場合には、磁束線はより発散し易い。そこで、本実施形態においては、補助磁場形成装置３１を設けることにより、より広い領域において、磁束線が略直線状、且つ、ターゲット物質１の進入方向に対して略平行となるようにしている。それにより、ターゲット物質１の軌道の変動をより確実に防いでいる。
なお、補助磁場形成装置３１の配置は、加速装置１８の下方には限定されず、電荷供給装置１７と電磁石１９ａとの間であればどこであっても良い。

次に、本発明の第３の実施形態に係る極端紫外光源装置について、図１３を参照しながら説明する。
本実施形態に係る極端紫外光源装置は、図１２に示す極端紫外光源装置に対して、加速装置１８の上部に補助磁場形成装置３２を更に追加したものである。
ここで、ターゲット物質１は、電荷供給装置１７によって電荷を与えられるとすぐに磁場の影響を受けてしまう。そこで、本実施形態においては、補助磁場形成装置３２を設けることにより、磁束線６が略直線状且つターゲット物質１の進入方向に対して略平行とする領域をさらに拡張している。それにより、帯電したターゲット物質１の軌道を、より確実に安定させることができる。補助磁場形成装置３２としては、電磁石や超伝導磁石や永久磁石が用いられる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る極端紫外光源装置について説明する。図１４は、本実施形態に係る極端紫外光源装置の構成を示す図であり、図１５は、図１４に示すXV−XVにおける断面図である。本実施形態に係る極端紫外光源装置は、図１に示す極端紫外光源装置に対して、ターゲット位置調整装置４１と、ターゲット位置コントローラ４２と、ターゲット位置モニタ４３とを更に設けたものである。その他の構成については、図１に示すものと同様である。

ターゲット位置調整装置４１は、ターゲット位置コントローラ４２の制御の下で、電荷を供給されたターゲット物質１が磁場の中心（即ち、プラズマ発光点の軸上）を通るように、ターゲット物質１の位置を調整する。ターゲット位置調整装置４１としては、電場や磁場のように、帯電したターゲット物質１に対して力学的作用を及ぼす装置が用いられる。

ターゲット位置コントローラ４２は、ターゲット位置モニタ４３から出力された検出信号に基づいて、ターゲット位置調整装置４１の動作を制御する。
図１５に示すように、ターゲット位置モニタ４３は、ＣＣＤカメラ等のイメージセンサ又はリニアに配置されたフォトセンサアレイを含んでおり、レーザ照射位置（プラズマ発光点）に対するターゲット物質１の位置を検出する。ターゲット位置モニタ４３が設置される位置は、レーザ照射位置を直接臨む位置であっても良いし、それ以外でも、レーザ照射位置に対するターゲット物質１の位置と相関がある位置であればどこでも良い。また、図１５に示すように、ターゲット物質１を互いに異なる複数の方向から臨むように、ターゲット位置モニタ４３を複数配置することにより、ターゲット物質１の位置検出精度を高めることができる。

本実施形態によれば、帯電したターゲット物質１の位置を調整して、ミラー磁場の磁束線が略直線状となっている領域に正確に投入するので、ターゲット物質１の軌道の変動をより効果的に抑制することが可能になる。

次に、図１４に示すターゲット位置調整装置４１の具体的な構成について説明する。
図１６に示す極端紫外光源装置は、ターゲット位置調整装置として、電圧発生装置５１と、２組の電極対５２及び５３とを有しており、電場の作用によりターゲット物質１の位置を調整する。

電圧発生装置５１は、ターゲット位置コントローラ４２の制御の下で、パルス的又は連続的な高電圧を電極対５２及び５３に供給する。
各電極対５２及び５３は、ターゲット物質１の軌道を挟んで互いに平行となるように対向配置された２枚の電極板を含んでいる。電極対５２は、２枚の電極板の間にＸ方向の電場が形成されるように配置されており、電極対５３は、２枚の電極板の間にＹ方向の電場が形成されるように配置されている。

このように、互いに異なる２つの方向の電場が電極対５２及び５３によってそれぞれ形成されている領域に、帯電したターゲット物質１を通過させることにより、ターゲット物質１の位置が２次元的に調整される。Ｘ方向及びＹ方向におけるターゲット物質１の変位量は、電圧発生装置５１から電極対５２及び５３に供給される電圧値によって制御される。

図１７に示す極端紫外光源装置は、ターゲット位置調整装置として、電源装置６１と、電磁石部６２とを含んでおり、磁場の作用によりターゲット物質１の位置を調整する。
電源装置６１は、ターゲット位置コントローラ４２の制御の下で、パルス的又は連続的に電流を電磁石部６２に供給する。

図１８は、電磁石部６２を示す平面図である。図１８に示すように、電磁石部６２は、ターゲット物質１の軌道を挟んで互いに平行となるように対向配置された２対の電磁石を含んでいる。これらの電磁石においては、同じ磁極同士が対向するように電流の向きが決定されており、それにより、４つの電磁石の間には、磁束線７によって表される磁場が形成される。また、これらの電磁石は、磁場の中心（言い換えれば、４つの電磁石によってそれぞれ形成される磁場が相殺される位置）が、プラズマ発光点の軸上（即ち、電磁石１９ａ及び１９ｂによって形成される磁場の中心軸上）に来るように配置されている。

図１８に示すように、帯電したターゲット物質１が、電磁石部６２によって形成される磁場の中心を、磁束線７を含む面に直交する方向（例えば、紙面の表面から裏面に向かう方向）に通過する場合には、ターゲット物質１は磁束線７を横切ることはない。従って、ターゲット物質１は、磁場の影響を受けることなく直進する。一方、ターゲット物質１の位置が磁場の中心からずれていると、ターゲット物質１は磁束線７を横切ることになる。そのため、帯電したターゲット物質１は、ローレンツ力を受けて中心方向に押し戻される。そして、図１８に示すように、磁束線７は、中心から周辺に向かって次第に密になっているので、ターゲット物質１の通過位置が周辺に近づくほど、ターゲット物質１はより多くの磁束線７を横切ることになるので、より大きい力で中心方向に押し戻される。結局、帯電したターゲット物質１は、磁束密度の小さい方向（即ち、磁場中心の方向）に力を受けて、その位置は磁場中心に収束する。

なお、電磁石部６２によって形成される磁場の中心をプラズマ発光点の軸上に合わせるためには、４つの電磁石に供給される電流の強さを調整することにより行っても良いし、それらの電磁石の位置を調整することにより行っても良い。また、図１７においては、電磁石の替わりに永久磁石を用いて、同様の原理によりターゲット物質１の位置調整を行っても良い。

以上の説明においては、電場及び磁場のいずれかの作用によりターゲット物質の位置を調整しているが、それらの両方の作用を利用しても良い。例えば、図１４に示すターゲット位置調整装置４１として、電荷供給装置１７の下流に、図１６に示す電極対５２及び５３を設け、さらにその下流に、図１７に示す電磁石部６２を設ける。それにより、電場の作用によりターゲット物質１の軌道を調整した後で、磁場の作用によりターゲット物質１の軌道をプラズマ発光点の軸上に収束させることができる。その結果、より高い精度でターゲット物質１の位置を調整することが可能になる。

ここで、本実施形態においては、磁場に投入されるターゲット物質１の位置を調節するためにターゲット位置調整装置４１を設けているが、それ以外の用途のためにターゲット位置調整装置４１を利用しても良い。

ここで、液滴のターゲット物質１が生成される周波数ｆと、レーザ装置１３（図１４）がレーザビーム２をパルス発振する繰り返し動作周波数ｆ'とは、必ずしも同じではない。例えば、ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において一般に用いられるＹＡＧレーザの繰り返し動作周波数ｆ'が１０ｋＨｚ程度であるのに対し、速度約３０ｍ／ｓで滴下する直径約６０μｍの液滴を形成する場合に、液滴を生成するための振動の周波数ｆは約１１０ｋＨｚとなる。このように、通常、液滴の生成周波数ｆは、繰り返し周波数ｆ'の数倍から数十倍となる。そのような場合には、ターゲットノズル１２から噴射されたターゲット物質１は、数個の間隔でレーザビーム２を照射される。そのため、ＥＵＶ集光ミラー１５の周辺には、レーザビーム２が照射されないターゲット物質１も投入されてしまうが、そのような状態はデブリ発生の観点からあまり好ましくない。即ち、あるターゲット物質１にレーザビーム２を照射することによりプラズマが生成されるが、それによって発生した熱エネルギーによって近隣のターゲット物質１が蒸発してしまう。そのため、近隣のターゲット物質は、ＥＵＶ光の生成に貢献しないにも関わらず、真空チャンバ１０内の汚染原因になってしまうからである。

そこで、ターゲット位置調整装置４１を、液滴のターゲット物質１を間引くために利用できる。即ち、図１９に示すように、ターゲットノズル１２（図１４）から噴射されたターゲット物質１の内から、所定のターゲット物質１'の軌道を、ターゲット位置調整装置４１によってターゲット物質１の進行方向（プラズマ発光点に向かう方向）とは異なる方向に変更する。それにより、レーザビーム２の照射タイミングに合うターゲット物質１のみを、プラズマ発光点に投入することができる。また、軌道を変更されたターゲット物質１'は、例えば、ターゲット排出管２４の方向に導いて回収すれば良い。その後で、ターゲット循環装置２５によりターゲット物質１を精製して再利用しても良い。

このように、不要なターゲット物質１を間引くことにより、プラズマ発光点付近においけるターゲット物質１の蒸発量を低減できるので、真空チャンバ１０内の真空度の低下（圧力上昇）を防止できると共に、ＥＵＶ集光ミラー１５等の真空チャンバ１０内の部品の汚染を抑制することが可能になる。

以上説明した本発明の第４の実施形態は、図１に示す極端紫外光源装置に対してターゲット位置調整装置を設けているが、図１２や図１３に示す極端紫外光源装置に対して同様の装置を設けても良い。それにより、ターゲット物質１の軌道の精度をより高めることが可能になる。

本発明は、露光装置の光源として用いられる極端紫外光源装置において利用することが可能である。

１…ターゲット物質（ドロップレットターゲット）、２…レーザビーム、３…プラズマ、４…ＥＵＶ光、６、７…磁束線、１０…真空チャンバ、１１…ターゲット供給装置、１２…ターゲットノズル、１３…レーザ装置、１４…集光レンズ、１５…ＥＵＶ集光ミラー、１６…ターゲット回収筒、１７…電荷供給装置、１８…加速装置、１９ａ、１９ｂ…電磁石、１９ｃ…ヨーク、２０…同期コントローラ、２１…ターゲットモニタ、２２…ターゲット回収配管、２３…イオン排出管、２４…ターゲット排出管、２５…ターゲット循環装置、２６…ターゲット供給管、３１、３２…補助磁場形成装置、４１…ターゲット位置調整装置、４２…ターゲット位置コントローラ、４３…ターゲット位置モニタ、５１…電圧発生装置、５２、５３…電極対、６１…電源装置、６２…電磁石部、１０１…加熱用電源、１０２…フィラメント、１０３、１１３…加速用電極、１１１…エミッタ、１１２、１２６…引き出し電極、１２１、１３１、１４１…放電室、１２２、１３３…電磁石、１２３、１３４、１４３…マイクロ波発生装置、１２４、１３６、１４４…マイクロ波導波管、１２５、１３２、１４２…オリフィス、１２７、１５２…高電圧電源装置、２００、２１０、２２０…荷電粒子、１３６、１４５…窓、１５１…電極、２０１…導体、２０２…磁性体、２０３…配線、２０４…ギャップ、２１１〜２１６…加速空洞、２１７…ＲＦ電源装置

Claims (5)

1. レーザ光源から出力されたレーザ光をターゲット物質に照射することにより、ターゲット物質をプラズマ化して極端紫外光を生成する極端紫外光源装置であって、
   内部で極端紫外光が生成されるチャンバと、
   前記チャンバ内にターゲット物質を噴射するターゲットノズルと、
   前記ターゲットノズルから噴射されるターゲット物質を帯電させる電荷供給装置と、
   電磁石、超伝導磁石、及び、永久磁石の内のいずれかを含み、前記チャンバ内にミラー磁場を形成する１組の磁石と、ターゲット物質の軌道において該ミラー磁場の磁束線が略直線状且つターゲット物質の進入方向に対して略平行となるように、補助的な磁場を形成する少なくとも１つの補助磁場形成装置とを含む磁場形成装置と、
   を具備する極端紫外光源装置。
2. 前記磁場形成装置が、
   前記チャンバ内にミラー磁場を形成する１組の電磁石と、
   前記１組の電磁石によって形成されるミラー磁場の磁束線が、ターゲット物質の軌道において、略直線状且つターゲット物質の進入方向に対して略平行となるように、前記１組の電磁石に供給される電流を制御する制御部と、
   を含む、請求項１記載の極端紫外光源装置。
3. 前記電荷供給装置によって帯電させられるターゲット物質を加速する加速装置をさらに具備する、請求項１又は２記載の極端紫外光源装置。
4. 前記少なくとも１つの補助磁場形成装置が、前記加速装置と前記１組の磁石との間、及び／又は、前記電荷供給装置と前記加速装置との間に配置されている、請求項３記載の極端紫外光源装置。
5. 前記ターゲットノズルに対向して配置されたターゲット回収筒をさらに具備する、請求項１又は２記載の極端紫外光源装置。

Images