プラズマ光源とプラズマ光発生方法
【課題】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プラズマ光源とプラズマ光発生方法を提供する。
【解決手段】対向配置された１対の同軸状電極１１を有しその中間位置１１ａにプラズマ３を軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対１０と、各同軸電極対１０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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置２０と、各同軸電極対の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とを備える。複数の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されており、電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加する。
【解決手段】対向配置された１対の同軸状電極１１を有しその中間位置１１ａにプラズマ３を軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対１０と、各同軸電極対１０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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置２０と、各同軸電極対の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とを備える。複数の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されており、電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を極端紫外（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光と呼び、本願において「ＥＵＶ光」又は「プラズマ光」と略称する。
【０００３】
ＥＵＶ光（プラズマ光）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。そのため、ＥＵＶ光には反射型光学系が用いられるが、この領域の光は、限られた波長にしか反射特性を示さない特性がある。
【０００４】
現在、ＥＵＶ光の波長領域のうち、１３．５ｎｍに感度を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜反射鏡が開発されている。従って、この反射鏡と波長１３．５ｎｍの光とを組み合わせたリソグラフィ技術により３０ｎｍ以下の加工寸法を実現することができる。そのためさらなる微細加工技術の実現のために、波長１３．５ｎｍのＥＵＶ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。
【０００５】
光源プラズマ生成はレーザー照射（ＬＰＰ：Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式とパルスパワー技術によって駆動されるガス放電（ＤＰＰ：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式に大別できる。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。
【０００６】
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、従来は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。
【０００７】
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、１０１８ｃｍ−３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０１８ｃｍ−３程度が最適とされている。
【０００８】
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。
【０００９】
【非特許文献１】佐藤弘人、他、「リソグラフィ用放電プラズマＥＵＶ光源」、ＯＱＤ−０８−２８
【非特許文献２】Ｊｅｒｏｅｎ Ｊｏｎｋｅｒｓ，“Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ） ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １５（２００６） Ｓ８−Ｓ１６
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２２６２４４号公報、「極端紫外光源および半導体露光装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＥＵＶ光源には、高い平均出力、及び微小な光源サイズが要求される。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。しかし、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対と、
該各同軸電極対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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置と、
前記各同軸電極対の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、
前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、
前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加する、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、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。
【００１７】
また、本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を前記中間位置で互いに交差させて配置し、
前記各同軸電極対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各同軸電極対内を保持し、
前記各同軸電極対の各同軸状電極に位相がずれた放電電圧を極性を反転させて印加し、
前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた面状放電を発生させ、該面状放電により前記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前記中間位置に閉じ込める位相がずれた磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の装置と方法によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を備え、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閉じ込める磁場（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。
【００１９】
また前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加するので、中間位置のプラズマに複数の同軸電極対により位相がずれた閉じ込め磁場を形成できる。
従って、閉じ込め磁場が常にプラズマに作用するので、リチウムの様な軽元素でも、放電電流反転時にプラズマ損失が発生せず、ＥＵＶ出力の高出力化、高変換効率化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。
【図２】図１のプラズマ光源の作動説明図である。
【図３】本発明による放電電流の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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。
【００２２】
図１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、複数の同軸電極対１０、放電環境保持装置２０、及び電圧印加装置３０を備える。
【００２３】
同軸電極対１０は、この例では２組であり、それぞれ対向配置された１対の同軸状電極１１を有し、その中間位置１１ａにプラズマ３を軸方向に閉じ込めるようになっている。なお、同軸電極対１０は、２組に限定されず、３組以上であってもよい。
【００２４】
各同軸電極対１０において、１対の同軸状電極１１は、中間位置１１ａを中心として対向配置されている。各同軸状電極１１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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
上述した１対の同軸状電極１１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。
【００２９】
図１において、上述した２組の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されている。この交差は、この例では、２組の同軸電極対１０の軸線が同一平面（紙面に平行な平面）内で直交する配置である。
なお、本発明はこの交差に限定されず、３組の同軸電極対１０を３次元的に直交配置してもよい。また、本発明は直交配置に限定されず、２組以上の同軸電極対１０を中間位置１１ａにおいて、任意の角度で２次元的又は３次元的に交差させてもよい。
【００３０】
放電環境保持装置２０は、各同軸電極対１０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各同軸電極対１０の内部を保持する。
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。
【００３１】
電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の各同軸状電極１１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。
【００３２】
正電圧源３２は、一方（この例では左側）の同軸状電極１１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１１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。
なお、正電圧源３２及び負電圧源３４は、それぞれ内部にコンデンサを有しており、放電時の放電電流を蓄電し再利用するようになっている。
【００３３】
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１１間に管状放電（後述する）を形成してプラズマを軸方向に閉じ込めるようになっている。
【００３４】
図２は、図１のプラズマ光源の作動説明図である。なおこの図は、図１の２組の同軸電極対１０のそれぞれの作動を示している。
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）はプラズマ閉じ込め磁場の形成時を示している。
以下、この図を参照して、本発明のプラズマ光発生方法を説明する。
【００３５】
本発明のプラズマ光発生方法では、上述した同軸電極対１０を構成する１対の同軸状電極１１を対向配置し、放電環境保持装置２０により同軸状電極１１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１１に極性を反転させた放電電圧を印加する。
【００３６】
図２（Ａ）に示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１１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、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１１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１１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。
【００３７】
図２（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。
【００３８】
図２（Ｃ）に示すように、面状放電２が１対の同軸状電極１１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１１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。
【００３９】
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２（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。
【００４０】
この管状放電４が形成されると、図に符号５で示すプラズマ閉じ込め磁場（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。
【００４１】
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。
【００４２】
図３は、本発明による放電電流の説明図である。この図において、（Ａ）は単一の電圧印加装置３０による放電電流の変化、（Ｂ）は２組の同軸電極対１０における放電電流の位相のずれを示す図、（Ｃ）は３組の同軸電極対１０における放電電流の位相のずれを示す図である。
【００４３】
電圧印加装置３０による放電は、コンデンサに蓄積した電気をトリガスイッチ３６により瞬時に放電し、かつ余分な電気をコンデンサに再充電する。従って、図３（Ａ）に示すように、単一の電圧印加装置３０による放電電流の変化は一定の周期（２π）で正負を繰り返しながら減衰する。
【００４４】
本発明の電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加する。この位相のずれは、２組の同軸電極対１０の場合、好ましくは周期の半分（π）であり、３組の同軸電極対１０の場合、好ましくは周期の１／３（２π／３）である。
【００４５】
その結果、位相がずれた放電電流が各同軸電極対１０の同軸状電極１１に流れる。すなわち、位相がずれた放電電圧を印加することにより、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、位相がずれた放電電流が同軸状電極１１に流れる。
従って、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた面状放電２を発生させ、この面状放電２により中間位置１１ａに単一のプラズマ３を形成し、次いで面状放電を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を前記中間位置１１ａに閉じ込める位相がずれた磁場を形成することができる。
【００４６】
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１１を備え、１対の同軸状電極１１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１１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を閉じ込めるプラズマ閉じ込め磁場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。
【００４７】
また複数の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されており、電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加するので、中間位置１１ａのプラズマ３に複数の同軸電極対１０により位相がずれた閉じ込め磁場５を形成できる。
従って、放電電流が低下しゼロになる時間帯を無くし、閉じ込め磁場５が常にプラズマ３に作用するので、リチウムの様な軽元素でも、放電電流反転時にプラズマ損失が発生せず、ＥＵＶ出力の高出力化、高変換効率化が実現できる。
【００４８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４９】
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 プラズマ閉じ込め磁場、６ プラズマ媒体、
８ プラズマ光（ＥＵＶ）、
１０ 同軸電極対、１１ 同軸状電極、１１ａ 中間位置、
１２ 中心電極、１２ａ 凹穴、
１４ ガイド電極、１６ 絶縁体、
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、
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を極端紫外（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光と呼び、本願において「ＥＵＶ光」又は「プラズマ光」と略称する。
【０００３】
ＥＵＶ光（プラズマ光）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。そのため、ＥＵＶ光には反射型光学系が用いられるが、この領域の光は、限られた波長にしか反射特性を示さない特性がある。
【０００４】
現在、ＥＵＶ光の波長領域のうち、１３．５ｎｍに感度を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜反射鏡が開発されている。従って、この反射鏡と波長１３．５ｎｍの光とを組み合わせたリソグラフィ技術により３０ｎｍ以下の加工寸法を実現することができる。そのためさらなる微細加工技術の実現のために、波長１３．５ｎｍのＥＵＶ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。
【０００５】
光源プラズマ生成はレーザー照射（ＬＰＰ：Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式とパルスパワー技術によって駆動されるガス放電（ＤＰＰ：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式に大別できる。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。
【０００６】
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、従来は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。
【０００７】
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、１０１８ｃｍ−３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０１８ｃｍ−３程度が最適とされている。
【０００８】
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。
【０００９】
【非特許文献１】佐藤弘人、他、「リソグラフィ用放電プラズマＥＵＶ光源」、ＯＱＤ−０８−２８
【非特許文献２】Ｊｅｒｏｅｎ Ｊｏｎｋｅｒｓ，“Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ） ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １５（２００６） Ｓ８−Ｓ１６
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２２６２４４号公報、「極端紫外光源および半導体露光装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＥＵＶ光源には、高い平均出力、及び微小な光源サイズが要求される。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。しかし、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対と、
該各同軸電極対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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置と、
前記各同軸電極対の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、
前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、
前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加する、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、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。
【００１７】
また、本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を前記中間位置で互いに交差させて配置し、
前記各同軸電極対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各同軸電極対内を保持し、
前記各同軸電極対の各同軸状電極に位相がずれた放電電圧を極性を反転させて印加し、
前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた面状放電を発生させ、該面状放電により前記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前記中間位置に閉じ込める位相がずれた磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の装置と方法によれば、対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を備え、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閉じ込める磁場（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。
【００１９】
また前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加するので、中間位置のプラズマに複数の同軸電極対により位相がずれた閉じ込め磁場を形成できる。
従って、閉じ込め磁場が常にプラズマに作用するので、リチウムの様な軽元素でも、放電電流反転時にプラズマ損失が発生せず、ＥＵＶ出力の高出力化、高変換効率化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるプラズマ光源の実施形態図である。
【図２】図１のプラズマ光源の作動説明図である。
【図３】本発明による放電電流の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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。
【００２２】
図１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、複数の同軸電極対１０、放電環境保持装置２０、及び電圧印加装置３０を備える。
【００２３】
同軸電極対１０は、この例では２組であり、それぞれ対向配置された１対の同軸状電極１１を有し、その中間位置１１ａにプラズマ３を軸方向に閉じ込めるようになっている。なお、同軸電極対１０は、２組に限定されず、３組以上であってもよい。
【００２４】
各同軸電極対１０において、１対の同軸状電極１１は、中間位置１１ａを中心として対向配置されている。各同軸状電極１１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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
上述した１対の同軸状電極１１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。
【００２９】
図１において、上述した２組の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されている。この交差は、この例では、２組の同軸電極対１０の軸線が同一平面（紙面に平行な平面）内で直交する配置である。
なお、本発明はこの交差に限定されず、３組の同軸電極対１０を３次元的に直交配置してもよい。また、本発明は直交配置に限定されず、２組以上の同軸電極対１０を中間位置１１ａにおいて、任意の角度で２次元的又は３次元的に交差させてもよい。
【００３０】
放電環境保持装置２０は、各同軸電極対１０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各同軸電極対１０の内部を保持する。
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。
【００３１】
電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の各同軸状電極１１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。
【００３２】
正電圧源３２は、一方（この例では左側）の同軸状電極１１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１１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。
なお、正電圧源３２及び負電圧源３４は、それぞれ内部にコンデンサを有しており、放電時の放電電流を蓄電し再利用するようになっている。
【００３３】
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１１間に管状放電（後述する）を形成してプラズマを軸方向に閉じ込めるようになっている。
【００３４】
図２は、図１のプラズマ光源の作動説明図である。なおこの図は、図１の２組の同軸電極対１０のそれぞれの作動を示している。
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）はプラズマ閉じ込め磁場の形成時を示している。
以下、この図を参照して、本発明のプラズマ光発生方法を説明する。
【００３５】
本発明のプラズマ光発生方法では、上述した同軸電極対１０を構成する１対の同軸状電極１１を対向配置し、放電環境保持装置２０により同軸状電極１１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１１に極性を反転させた放電電圧を印加する。
【００３６】
図２（Ａ）に示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１１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、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１１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１１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。
【００３７】
図２（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。
【００３８】
図２（Ｃ）に示すように、面状放電２が１対の同軸状電極１１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１１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。
【００３９】
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２（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。
【００４０】
この管状放電４が形成されると、図に符号５で示すプラズマ閉じ込め磁場（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。
【００４１】
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。
【００４２】
図３は、本発明による放電電流の説明図である。この図において、（Ａ）は単一の電圧印加装置３０による放電電流の変化、（Ｂ）は２組の同軸電極対１０における放電電流の位相のずれを示す図、（Ｃ）は３組の同軸電極対１０における放電電流の位相のずれを示す図である。
【００４３】
電圧印加装置３０による放電は、コンデンサに蓄積した電気をトリガスイッチ３６により瞬時に放電し、かつ余分な電気をコンデンサに再充電する。従って、図３（Ａ）に示すように、単一の電圧印加装置３０による放電電流の変化は一定の周期（２π）で正負を繰り返しながら減衰する。
【００４４】
本発明の電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加する。この位相のずれは、２組の同軸電極対１０の場合、好ましくは周期の半分（π）であり、３組の同軸電極対１０の場合、好ましくは周期の１／３（２π／３）である。
【００４５】
その結果、位相がずれた放電電流が各同軸電極対１０の同軸状電極１１に流れる。すなわち、位相がずれた放電電圧を印加することにより、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、位相がずれた放電電流が同軸状電極１１に流れる。
従って、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた面状放電２を発生させ、この面状放電２により中間位置１１ａに単一のプラズマ３を形成し、次いで面状放電を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を前記中間位置１１ａに閉じ込める位相がずれた磁場を形成することができる。
【００４６】
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１１を備え、１対の同軸状電極１１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１１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を閉じ込めるプラズマ閉じ込め磁場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。
【００４７】
また複数の同軸電極対１０は、中間位置１１ａで互いに交差して配置されており、電圧印加装置３０は、各同軸電極対１０の同軸状電極１１に位相がずれた放電電圧を印加するので、中間位置１１ａのプラズマ３に複数の同軸電極対１０により位相がずれた閉じ込め磁場５を形成できる。
従って、放電電流が低下しゼロになる時間帯を無くし、閉じ込め磁場５が常にプラズマ３に作用するので、リチウムの様な軽元素でも、放電電流反転時にプラズマ損失が発生せず、ＥＵＶ出力の高出力化、高変換効率化が実現できる。
【００４８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４９】
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 プラズマ閉じ込め磁場、６ プラズマ媒体、
８ プラズマ光（ＥＵＶ）、
１０ 同軸電極対、１１ 同軸状電極、１１ａ 中間位置、
１２ 中心電極、１２ａ 凹穴、
１４ ガイド電極、１６ 絶縁体、
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、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対と、
該各同軸電極対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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置と、
前記各同軸電極対の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、
前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、
前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加する、ことを特徴とするプラズマ光源。
【請求項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。
【請求項３】
対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を前記中間位置で互いに交差させて配置し、
前記各同軸電極対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各同軸電極対内を保持し、
前記各同軸電極対の各同軸状電極に位相がずれた放電電圧を極性を反転させて印加し、
前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた面状放電を発生させ、該面状放電により前記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前記中間位置に閉じ込める位相がずれた磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法。
【請求項１】
対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対と、
該各同軸電極対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各同軸電極対内を保持する放電環境保持装置と、
前記各同軸電極対の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、
前記複数の同軸電極対は、前記中間位置で互いに交差して配置されており、
前記電圧印加装置は、前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた放電電圧を印加する、ことを特徴とするプラズマ光源。
【請求項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。
【請求項３】
対向配置された１対の同軸状電極を有しその中間位置にプラズマを軸方向に閉じ込める複数の同軸電極対を前記中間位置で互いに交差させて配置し、
前記各同軸電極対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各同軸電極対内を保持し、
前記各同軸電極対の各同軸状電極に位相がずれた放電電圧を極性を反転させて印加し、
前記各同軸電極対の同軸状電極に位相がずれた面状放電を発生させ、該面状放電により前記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前記中間位置に閉じ込める位相がずれた磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１１９２０７（Ｐ２０１２−１１９２０７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９０８７（Ｐ２０１０−２６９０８７）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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