(57)【要約】【課題】波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線の放射輝度を上げること。【解決手段】キセノン（Ｘｅ）ガスと、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）  が出現する温度域で、１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する、室温で分子または原子状の物質（例えばＫｒ，  Ａｒ，  Ｎｅ，  Ｎ２  ，ＮＨ３  ）を混合する。そして、貫通孔１１１，１２１、キャピラリ２１１に上記混合ガスを流しながら、接地側電極１１、高圧側電極１２にパルス的に高電圧を印加する。これにより、キャピラリ２１１内部でガス放電が生じ、高温プラズマが形成され、波長１３．５ｎｍの極端紫外光が発生し、この極端紫外光は、空間Ｓｂへ放射される。なお、本発明は、プラズマフォーカス型やＺ−ピンチ型の極端紫外光源等のその他の光源にも適用することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘｅに、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が出現する温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合した混合ガス中でプラズマを発生させ、
そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させる
ことを特徴とする極端紫外光源。
【請求項２】
Ｘｅに、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを混合した混合ガス中でプラズマを発生させ、
そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させることを特徴とする極端紫外光源。
【請求項３】
前記混合ガスを第一の電極と第二の電極の間に設けられる狭小通路の中を通過させ、
該狭小通路中で放電させてプラズマを発生させ、そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（  Ｘｅ１０＋  ）  が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の極端紫外光源。
【請求項４】
前記狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅの平均原子密度が２．４×１０２２／ｍ３  以上であることを特徴とする請求項３に記載の極端紫外光源。
【請求項５】
前記狭小通路の混合ガス流出方向に放射される極端紫外線を使用する
ことを特徴とする請求項３に記載の極端紫外光源。
【請求項６】
前記混合ガスは前記狭小通路に入る前に予備混合されることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れかに記載の極端紫外光源。
【請求項７】
上記狭小通路にガスを供給する空間をＡｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガス雰囲気もしくはＸｅのガス雰囲気にして、
上記空間をＡｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガス雰囲気にしたときにはＸｅを、また、上記空間をＸｅのガス雰囲気にしたときには、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを前記狭小通路に入る前に混合する
ことを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れかに記載の極端紫外光源。
【請求項８】
Ｚ−ピンチ方式の極端紫外光源であって、
前記混合ガスを第一の電極と第二の電極の間に設けられた筒状容器内に導入し、該筒状容器内の混合ガス中のＸｅの平均原子密度が２．４×１０２２／ｍ３  以上である
ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の極端紫外光源。
【請求項９】
プラズマフォーカス方式の極端紫外光源であって、
外側円筒電極と内側円筒電極が同心円状に配置され、該内側円筒電極の中心貫通穴に前記混合ガスを導入し、該内側円筒電極のガス放出側先端部に形成された高温プラズマのフォーカス部の混合ガス中のＸｅの平均原子密度が２．４×１０２２／ｍ３  以上である
ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の極端紫外光源。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項７に記載の極端紫外光源と、反射鏡と、マスクとを組合わせてなる
ことを特徴とする半導体露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光用装置の光源に利用される極端紫外光源および該光源を使用した半導体露光装置に関し、特に、その光源の放射輝度を向上させることができる極端紫外光源および半導体露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高性能化と低価格化を実現するために素子の回路部品の微細化が続けられている。
その実現のために光を使ったパターン縮小露光用光源の波長は短波長化されてきている。現在使用されている波長２００ｎｍ前後のレーザー光に代わる次世代以降の光として波長が１３．  ５ｎｍの極端紫外線を半導体露光用途に使用することが提案されている。この光は１０価のＸｅイオン（  Ｘｅ１０＋  ）  が所定の準位に遷移する過程で生じることが知られている。
しかし、波長が１３．  ５ｎｍの光（以下１３．５ｎｍ光という）を半導体露光用途に使用する場合、光学系に光学レンズは使用できず、例えば現在ではＭｏ／Ｓｉ多層膜からなる反射鏡を組合わせて半導体露光装置は構成される。そして、現在最適とされるＭｏ／Ｓｉ多層膜においても１３．  ５ｎｍ光の反射効率は低く、多数回反射により当初の光強度の１０％未満となることが知られている。
【０００３】
今後、反射鏡を含めた光学系の改良が進むことも予想されるものの、高放射輝度の極端紫外線光源がなければ産業の実使用に耐える半導体露光装置の実現の可能性は低く、光源そのものの放射輝度のアップが強く望まれるところとなっている。
それは、光源から露光面までの光学系がどうであれ、露光面の放射照度は光源の放射輝度の上昇と共に増加する。したがって、露光プロセスのスループットを上げるために放射照度を上げたり、露光面積を大きくするためには放射輝度を上げざるを得ないからである。
特許文献１、特許文献２には、キャピラリ（狭小通路）  放電を利用した極端紫外光源が記載されている。これらはいずれも放電により高温高密度のプラズマを生成することによって極端紫外光を発生させるものである。極端紫外光源としては、この他にもプラズマフォーカス型光源やＺピンチ型光源、中空陰極管型光源等がある。非特許文献１には、各種極端紫外リソグラフィー用プラズマ光源の開発の状況、問題点等が紹介されている。
本発明の方法による放射輝度の増強は放電の型に拘わらず、Ｘｅを発光種に使う光源には全て有効である。
【０００４】
この種の極端紫外光源において、動作ガスとしてキセノン（Ｘｅ）  を使用する場合、放射輝度アップのためには動作ガスのＸｅ圧を上げることが先ずは考えられる。しかし、Ｘｅは１３．  ５ｎｍ光を放射する一方で、逆に折角放出された１３．  ５ｎｍ光を比較的強く吸収するという相反する特性を有する。
動作ガスのＸｅの圧力を上げると、１３．  ５ｎｍ光が放出されるキャピラリ（狭小通路）開放端付近から被照射面に至る空間においては、Ｘｅが充満した状態になることが考えられ、１３．  ５ｎｍ光を吸収する層を形成してしまう。
そうなると、排気ポンプで余分なＸｅを排気して、キャピラリ（狭小通路）開放端付近から被照射面に至る空間におけるＸｅを減らす必要があるため、排気ポンプの負荷を高める（大型化する）  ことになり、極端紫外光源が大型化し、装置の構成上問題となる。過度に排気速度の高い排気系を用いると、放電部でのＸｅ圧力までも減少し、放射輝度の低下を誘起してしまう欠点もある。
つまりは、ある程度の１３．  ５ｎｍ光の吸収はやむを得ないこととされた。
【０００５】
図９は、Ｘｅがプラズマ化したときのキャピラリ（狭小通路）  中のＸｅの平均原子密度が１×１０２３／ｍ３  の場合の、プラズマ到達温度（ｅＶで表記）でのＸｅイオンの粒子密度を示す。但し、１４価以上のＸｅイオンの存在は無視してある。
同図において、１＋〜１３＋の曲線はそれぞれＸｅの１価〜１３価のイオン粒子密度を示し、例えば温度が略１７ｅＶのとき、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）  が最大となる。
同図に示すように、低温域から１価イオンから順に現出しているが、このうち、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が電子軌道上、当初ある上位の準位から９１．  ８ｅＶだけ低い準位に遷移する際に１３．  ５ｎｍの極端紫外光を放射する。
【０００６】
本発明の適用できるプラズマはこのキャピラリ放電以外の方法で生成されたプラズマにも適用できるが、その生成法にかかわらず「三体衝突再結合が無視できない状態のプラズマ」、具体的にはＸｅの原子密度が２．４×１０２２／ｍ３  以上のプラズマに適用できるものである。ここでは簡単にするために局所熱平衡状態のプラズマを例にして説明する。
図１０は黒体からの１３．  ５ｎｍ光の分光放射輝度を示したものであり、同図の横軸は温度（ｅＶ）、縦軸は分光放射輝度（Ｗ／ｍｍ２  ・０．１ｎｍ・ｓｒ）である。
同図に示すように、黒体からの１３．５ｎｍ光の分光放射輝度は温度の上昇によって単調に増加する。光学的に薄いプラズマの場合には前述の、Ｘｅの１０価のイオン（Ｘｅ１０＋  ）  が放射する１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度は図９のイオン密度と図１０の黒体放射輝度の積に比例する関係にある。
黒体放射輝度は温度依存性が強いので、図９で示したＸｅの１０価のイオン（Ｘｅ１０＋  ）  のピーク位置温度を高温側にシフトさせれば、１３．  ５ｎｍ光の極端紫外光の放射輝度を高めることができると考えられる。
従来は、狭小通路中のＸｅの平均原子密度を上げれば（圧力を上げれば）  Ｘｅの１０価のイオン（  Ｘｅ１０＋  ）  のピーク位置を高温側ヘシフトできると考えられていた。圧力を上げれば確かにＸｅの１０価のイオン（  Ｘｅ１０  ＋）  のピーク位置を高温側ヘシフトできるが、圧力を上げると１３．  ５ｎｍ光が吸収される割合が増えてしまう。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，  １８８，  ０７６号公報
【特許文献２】
米国特許第６，  ３５６，  ６１８号公報
【非特許文献１】
富江敏尚，「極紫外リソグラフィー用プラズマ光源」，光学，日本光学会，２００２年，３１巻，７号，第５４５頁〜第５５２頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
放射輝度を上げるためには、通常の光源ではプラズマ温度を上げるか、あるいは発光種の密度を上げなければならない。しかし、イオン発光を使う場合には温度を上げ過ぎると当該イオンは更にもう一段高次のイオンに電離してしまい、減少する。即ち一定の原子密度の条件下では最高の放射輝度が設定され、それ以上はできない。
このため、放射輝度を上げるには、発光種の密度、すなわち、原子密度を大きくせざるを得ないが、光源から露光面までの空間に発光種の元になる原子あるいは分子状の物質の粒子密度が高くなり、前記したように放射の再吸収が大きくなる。したがって、これもどこかで上限がある。
本発明はこの上限をより高いところにシフトさせることを目的に発明されたものであって、１３．  ５ｎｍ光のフォトンの吸収断面積の大きいＸｅの圧力を高めず、放射輝度を上げた波長が１３．  ５ｎｍの極端紫外線の放射を可能にする極端紫外線光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、各種のガス物質について１３．  ５ｎｍ光のフォトンの吸収断面積に着目した。なお、１３．  ５ｎｍ光のフォトンの吸収断面積とは光路中で波長１３．  ５ｎｍ光のフォトンを１個の原子、あるいは分子が吸収する量を表したもので単位はｂ（バーン）  やＭｂ（メガバーン）  で表記される。
図１１に各種ガスの１３．  ５ｎｍのフォトンの吸収断面積と、Ｘｅ１０＋  の粒子密度が最大になる温度域での１原子または１分子当たりの供給電子数を示す。
同図に示すように、Ｘｅに比べてＫｒ，  Ａｒ，  Ｎｅ，  Ｎ２  ，ＮＨ３  のフォトンの吸収断面積は小さく、しかもＸｅの１０価のイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大になる温度付近での１原子または１分子当たりの供給電子数は、Ｘｅが約１０．  ６個であるのに対し、その半分以上の供給電子数がある。
Ｘｅ以外の上記物質を混入して、混入した上記物質からの供給電子数が多ければ、Ｘｅイオンの電離を抑制し、それによって１０価のイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大になる温度がより高い温度にシフトすると考えられる。しかも、そのためには電子供給の物質は吸収断面積が小さくなるものを選ぶ必要があると考えられる。
【００１０】
したがって、Ｘｅに混入する物質として、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）  が出現する温度域（例えばＸｅ１０＋  の粒子密度が最大となる温度付近の数ｅＶの範囲内の温度領域）で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する、室温で分子または原子状の物質（例えば図１１に示したＫｒ，  Ａｒ，  Ｎｅ，  Ｎ２  ，ＮＨ３  ）の中から選ぶ必要がある。
このような物質を混入することで、Ｘｅイオンのより高次の段階への電離を抑制し、それによって１０価のイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大になる温度が、より高い温度にシフトして極端紫外光の放射輝度が高まることが期待される。
【００１１】
ここで、本発明の適応できるプラズマの電離的状態としては各段階のイオンの電離がプラズマの温度と電子密度に関係する場合である。例えば電子２個と正イオン１個が関与する三体衝突再結合の速度が他の再結合の速度に比べて完全には無視できないような状態である。
この状態は局所熱平衡では十分成り立っているが、衝突放射モデルにおいても比較的電子密度の大きな領域では本発明が適応できる。例えばＹ．Ｐ  Ｒａｉｚｅｒ著  Ｇａｓ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｐｈｙ  ｓｉｃｓ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  １９９１）のｐｐ６０〜６４に記述されている三体衝突再結合（Ｒ３  ）と放射再結合（Ｒｒ  ）の比Ｒ３  ／Ｒｒ  が０．２以上になる状態を三体衝突再結合が無視できない条件とする。
Ｘｅの１０価イオンの１３．５ｎｍでの放射が最大になる温度を前記したように１７ｅＶとすると、この条件から電子密度は２．５×１０１７／ｃｍ３  以上となり、このとき供給電子数が１０．６（図１１の表参照）であるから、原子密度は１／１０．６倍の２．４×１０１６／ｃｍ３  以上になれば本発明の適応できる条件となる。
また、狭小通路中のＸｅの平均原子密度が２．４×１０１６／ｃｍ３  （２．４×１０２２／ｍ３  ）以上あるとイオン密度が高い状態となり、電子を二体含んだ三体衝突が生じ易くなる。これにより、Ｘｅイオンの電離を抑制し、１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大になる温度が、より高い温度にシフトして極端紫外光の放射輝度が高まる。
【００１２】
上記に基づき、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
（１）Ｘｅに、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が出現する温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合した混合ガス中でプラズマを発生させる。そして、そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させる。
（２）Ｘｅに、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを混合し、混合ガス中でプラズマを発生させ、そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させる。
（３）上記（１）（２）において、混合ガスを第一の電極と第二の電極の間に設けられる狭小通路の中を通過させ、該狭小通路中で放電させてプラズマを発生させ、そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（  Ｘｅ１０＋  ）  が放出する波長１３．  ５ｎｍの極端紫外線を放射させる。
（４）上記（３）において、狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅの平均原子密度を２．４×１０２２／ｍ３  以上とする。
（５）上記（３）において、前記狭小通路の混合ガス流出方向に放射される極端紫外線を使用する。
（６）上記（３）〜（５）において、混合ガスを、前記狭小通路に入る前に予備混合する。
（７）上記（３）〜（６）において、狭小通路にガスを供給する空間をＡｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガス雰囲気もしくはＸｅのガス雰囲気にする。そして、上記空間をＡｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガス雰囲気にしたときにはＸｅを、また、上記空間をＸｅのガス雰囲気にしたときには、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを前記狭小通路に入る前に混合する。
（８）上記（１）（２）をＺ−ピンチ方式の極端紫外光源に適用し、前記混合ガスを第一の電極と第二の電極の間に設けられた筒状容器内に導入し、該筒状容器内の混合ガス中のＸｅの平均原子密度を２．４×１０２２／ｍ３  以上とする。
（９）上記（１）（２）をプラズマフォーカス方式の極端紫外光源に適用し、内側円筒電極の中心貫通穴に前記混合ガスを導入し、該内側円筒電極のガス放出側先端部に形成された高温プラズマのフォーカス部の混合ガス中のＸｅの平均原子密度を２．４×１０２２／ｍ３  以上とする。
（１０）上記（１）〜（７）に記載の極端紫外光源と、反射鏡と、マスクとを組合わせて半導体露光装置を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明が適用されるキャピラリ放電を利用した極端紫外光源の１構成例を示す図であり、同図は極端紫外光源から放出される極端紫外光の光軸を通る平面で切った断面図を示している。
同図に示すように、例えばタングステン製の第１、第２の電極１１，１２の間に、キャピラリ構造体２１が設けられる。キャピラリ構造体２１は例えば窒化ケイ素等からなる円柱状の絶縁体であり、中心に直径３ｍｍのキャピラリ２１１を有する。なお、電極１１，１２の材質としてはタンタルを用いてもよい。また、キャピラリ構造体２１の材質としては、窒化アルミニウムやダイヤモンドを用いてもよい。
第１，２の電極１１，１２には、電気導入線３１，３２を介して電源（図示せず）が電気的に接続され、該電源から第１、第２の電極１１，１２間にパルス的に高電圧が印加される。第２の電極は、通常接地され、第１の電極にパルス的に例えば負の高電圧を印加する。以下では、第１の電極を高圧側電極、第２の電極を接地側電極という。
上記高圧側電極、接地側電極１１，１２は、それぞれ貫通孔１１１，１２１を備え、これらの貫通孔１１１，１２１と、前記キャピラリ構造体２１のキャピラリ２１１は同軸上に配置され連通している。
【００１４】
上記接地側電極１１に絶縁板７３に取り付けられ、絶縁板７３は仕切り円筒７１に固定され、さらに仕切り円筒７１は底板７２に固定されており、接地側電極１１および絶縁板７３、仕切り円筒７１、底板７２により閉空間Ｓａを構成する。この閉空間はいわゆるプレナム室である。
上記底板７２は、上記電気導入線３１，３２が貫通する貫通孔、および上記閉空間Ｓａに混合ガスを導入するガス導入口４１、排気口４２が設けられる。
ガス導入口４１からは動作ガス、例えばキセノン（Ｘｅ）ガスと前記Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスの混合ガスが導入され、排気口４２から排出することにより、上記閉空間Ｓａ内の圧力が適当な値になるように制御される。
また、上記底板７２は、外囲円筒８１と気密に接合され、外部と遮断した空間Ｓｂを形成している。外囲円筒８１には排気口８２が設けられる。
空間Ｓａ内の作動ガスは、電極１１，１２に形成された貫通孔１１１，１２１、キャピラリ２１１を介して空間Ｓｂに流出し、上記排気口８２から排気される。
【００１５】
空間Ｓａおよび空間Ｓｂを予め排気した後に、空間Ｓａにガス導入口４１から放電に必要な動作ガス、例えばキセノン（Ｘｅ）にクリプトン（Ｋｒ）を所定量予備的に混合した後に導入する。このようにガスを予備的に混合すると、高圧側電極１１と接地側電極１２の間に設けられる貫通孔１１１、キャピラリ２１１等から形成される狭小通路内でのガスの組成が均一になる。
ガス排出孔４２からはガスが排気できるようになっており、空間Ｓａ内の圧力は放電に適当な圧力、例えば数１０００Ｐａになるように制御される。これは、ガス導入の流量を制御するなどの周知の方法で可能である。
上記貫通孔１１１，１２１、キャピラリ２１１に作動ガスを流しながら、接地側電極１１、高圧側電極１２にパルス的に高電圧を印加すると、キャピラリ２１１内部でガス放電が生じ、高温プラズマが形成される。これにより、波長１３．５ｎｍの極端紫外光が発生し、この極端紫外光は、空間Ｓｂへ放射される。
また、接地側電極１２の貫通穴１２１から空間Ｓｂに流出した混合ガスは、前記したように、排気口８２から高速に排気されるため、空間Ｓｂは極端紫外光の透過に支障のない高真空状態に維持される。キャピラリ２１１の部分の穴は、オリフィス状であり差動排気態様になっている。
このように、高圧側電極１１と接地側電極１２の間に形成される狭小通路中の混合ガスの流出方向に放射される極端紫外光が利用される。
【００１６】
以上のように、本実施例の極端紫外光源は、高圧側電極１１と接地側電極１２の間に形成される狭小通路にキセノン（Ｘｅ）ガスと前記Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスの混合ガスが導入することにより、１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大になる温度を、より高い温度にシフトさせ極端紫外光の放射輝度を高める。
以下、１つの例として局所熱平衡（ＬＴＥ；１ｏｃａ１  ｔｈｅｒｍａ１  ｅｑｕｉ１ｉｂｒｉｕｍ）が成立しているときの、上記の極端紫外光源における極端紫外光の放出に関して、本発明の考え方を説明する。
Ｘｅの１０価イオンが放射するλ０  ＝１３．  ５ｎｍのスペクトル線の温度Ｔｅにおける輝度Ｉ（Ｔｅ）  は黒体の放射輝度をＢ（λｏ  ，Ｔｅ）  、Ｘｅの１０価イオンの（粒子）  密度をＮ（１０）  、このスペクトル線の放射に係わる下位レベルのエネルギーをＥｌ（ｅＶ）  とし、更にラインのプロファイル関数をＰ（△λ）  とし、誘導放射が小さいのでこれを無視すると、下記の（１）式のようになる。（なお、積分範囲は０〜∞である。）
ここで（１）式においてＡはこの線固有の定数、Ｌはプラズマ柱の長さである。光学的に薄い状態では近似計算をすることによって、（１）式は次の（２）式のようになる。なお、（２）式のＣは定数である。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
ここで、放射輝度はＸｅのガス（粒子）  密度で放電中の各電離ステージのイオン密度の総和に等しい。これは放電が極めて短時間の内に行われるので放電の開始直前の放電域でのＸｅの（粒子）  密度にほぼ等しいか、あるいは、プラズマ圧縮（Ｐｉｎｃｈ）が生じているときには圧縮率を前記の密度に乗じたものになる。
Ｘｅの密度Ｎｓｘｅを増加すると放射輝度Ｉも大きくなる。なお、Ｎｓｘｅは、放電する前のＸｅのガス密度（原子数／ｍ３  ）であり、以下、ガス密度をＮｓで表記し、例えばＸｅのガス密度をＮｓｘｅ、Ｋｒのガス密度をＮｓＫｒと記す。
これは、黒体放射輝度Ｂ（λ０  ，Ｔｅ）が温度の上昇に対して単調に増加することとＮ（１０）＊ｅｘｐ（−Ｅｌ  ／Ｔｅ）が最大になる温度（前記図９中のＸｅ１０  ＋のピーク参照）  が高温側ヘシフトすることによる。
しかし、Ｘｅ原子は前記図１１の表に示したように、波長１３．  ５ｎｍのフォトンの吸収断面積が比較的大きい。したがって過度のＮｓｘｅの増加は光源から露光対象物（例えばレジスト）  までの光路中での大きな放射の減衰をもたらす。例えば、前記図１においては、貫通孔１２１から露光光学系までの光路で、１３．  ５ｎｍ光が減衰する。
【００１９】
そのため、光路のＸｅ圧を０．  １Ｐａ、或いはそれ以下に保たねばならない。しかし、プラズマ放電域と光路との圧力比は１０４  程度になり、差動排気機構となっているキャピラリ２１１の孔径は極めて小さくなってしまう。即ち、キャピラリ２１１の内壁による光のケラレが大きくなり（光が遮られ）、実用に耐えない。
結局Ｎｓｘｅも実用的な上限がある。元々、Ｎｓｘｅの増加によって放射輝度が上昇するのは、電子密度Ｎｅが増加し、各ステージでイオンの電離が抑制されるためである。
反応の平衡性からもある温度で電子密度が増加すれば、反応としては電子密度を減らす方向に反応が進む。任意のステージのイオンの電離度を一定にするにはＮｓｘｅの増加とともに、温度も上昇しなければならない。
すなわち、Ｘｅの１０価イオンの密度Ｎ（１０）の最大が現れる温度が高温側ヘシフトする。そうすると黒体放射輝度、ボルツマン因子（Ｂｏ１ｔｚｍａｎｎｆａｃｔｏｒ）はともに大きくなり、結果として放射輝度の上昇をもたらすことになる。
【００２０】
ここで、前記図１１の表に示されるようにＡｒ，  ＫｒはＸｅよりも１３．  ５ｎｍのフォトンの吸収断面積が小さい。例えば、Ｋｒは１３．  ５ｎｍのフォトンの吸収断面積の約１／１８である。つまり、Ｋｒを１０倍、Ｘｅに添加しても１３．  ５ｎｍのフォトンの吸収断面積は１．  ５６倍にしか増加しないことが理解される。
そこで、本発明では、本来の発光種であるＸｅの密度をある程度減らし、その代わりこれら１３．  ５ｎｍフォトンの吸収断面積の小さな物質を混入したものを動作ガスとすることとした。
吸収係数をもとのＸｅ単体のときと同じになるように１３．  ５ｎｍフォトンの吸収断面積の小さなガスを混入すると、その混入されたガスの粒子密度は当然減ったＸｅの粒子密度よりも大きくなる。
この混入原子或いは分子が放電中に十分な数の電子を電離してくれると、もとのＸｅのみのときよりも電子密度が上がる可能性がある。
そうなれば放射輝度も増加していることになる。その効果はＸｅの１０価イオンの密度Ｎ（１０）が最大に近い温度域で多くの電子（１個の原子から約９．  ５個）  を放出できるＫｒが適していると推測される。
【００２１】
また、Ａｒも１個の原子から約８個の電子が放出されるが、１３．  ５ｎｍフォトンの吸収断面積は１．  ４Ｍｂと比較的大きく、Ｋｒよりは不利であるが、他の希ガスと比べ、安価である。
Ｎｅは１３．  ５ｎｍフォトンの吸収断面積が４．  ０Ｍｂと大きいが、１原子当たり放出電子数が約６．  ５個と多く、１３．  ５ｎｍの放射輝度の向上にある程度効果が推測される。
Ｎ２  も同吸収断面積は２．  ５Ｍｂと大きいが、１分子当たり放出電子数は約８個と多く、１３．  ５ｎｍの放射輝度の向上にある程度効果が推測される。
また、ＮＨ３  の同吸収断面積はＫｒと同等の１．  ２Ｍｂであり、１分子当たり放出電子数は約７個と多く、１３．  ５ｎｍの放射輝度の向上にある程度効果が推測される。
しかしながら、希ガスの１つであるＨｅは１３．  ５ｎｍの吸収断面積が小さいが、放出する自由電子が約２．  ０個と少なく、１３．  ５ｎｍの放射輝度の向上の効果が期待されない。
【００２２】
次に、前記（２）式により、純Ｘｅに上記物質のうち、Ｋｒ，  Ａｒを加えた場合の放射輝度をガスの混合量の関数として求めた。
図２〜図４、図５に基準となる純Ｘｅの密度のときの吸収係数を保って、Ｘｅ密度を減らしつつ、その分、他のガスで吸収係数が一定になるようにバランスをとりながら混合量を変えたときの放射輝度を計算した結果を示す。
図３〜図６のグラフの横軸は、Ｘｅのガス密度、縦軸は、純Ｘｅのみを動作ガスとした場合に放射される波長１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度を１としたときの相対放射強度比を示している。また、グラフの下の表に計算値を示す。
ここで、Ｘｅの１０価のイオンの電離エネルギーが２３３ｅＶであり、また、約９２ｅＶの遷移で１３．５ｎｍ光が放出されることから、上位遷移エネルギー（Ｅｕ）と下位レベル（Ｅｌ）のエネルギーの差は９２ｅＶである。そこで、１３．  ５ｎｍ光の放出の際のイオンの上位遷移エネルギー（Ｅｕ）として、この間の値をとり、ここでは２２０、１８０、１２０ｅＶの３つの値でＩ（Ｔｅ）を計算した。
【００２３】
図２〜図４のグラフと表は、Ｋｒを純Ｘｅに混合した場合の相対放射強度比を示したものである。
図２は、Ｘｅの平均原子密度（Ｎｓ）が０．  ３×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保って、狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅ密度を減らし、その分、Ｋｒガスで吸収係数が一定になるようにバランスをとりながら混合量を変えたときの、１３．  ５ｎｍ光放射の強度向上に対するＫｒ混合の効果を示す。ここでは、Ｅｕ（上位遷移エネルギー）  は１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）の仮定した上記３つのレベルについて計算した。
同図は、上記したように、Ｘｅに対するＫｒ混合割合（原子密度で表記）  と各遷移レベル（ｅＶ）において、放射輝度の増加について相対強度で示しており、例えば、Ｘｅが０．  １２×１０２３／ｍ３  のとき、Ｋｒを３．  １９１×１０２３／ｍ３  混合すると、例えばＸｅの遷移レベル２２０ｅＶにおいては、純Ｘｅのみを動作ガスとした場合に放射される波長１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度を１とした場合に比べ、相対放射輝度を２．  ５５にも高めることができると計算された。
【００２４】
図３のグラフと表は、Ｘｅの平均原子密度（Ｎｓ）が１．０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保って、狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅ密度を減らし、その分、Ｋｒガスで吸収係数が一定になるようにバランスをとりながら混合量を変えたときの、１３．  ５ｎｍ光放射の強度向上に対するＫｒ混合の効果を示す。Ｅｕ（上位遷移エネルギー）  は１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の仮定した３つのレベルについて計算した。
同図は、上記したように、Ｘｅに対するＫｒ混合割合（原子密度で表記）  と各遷移レベル（ｅＶ）において、放射輝度の増加について相対強度で示しており、例えば、Ｘｅが０．  ６×１０２３／ｍ３  のとき、Ｋｒを７．  ０９×１０２３／ｍ３  混合すると、Ｘｅの遷移レベル２２０ｅＶにおいては、平均原子密度が１．  ０×１０２３／ｍ３  の純Ｘｅのみを動作ガスとした場合に放射される波長１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度を１とした場合に比べ、相対放射輝度を２．  ８３にも高めることができると計算された。
【００２５】
図４のグラフとの表は、Ｘｅの平均原子密度（Ｎｓ）が３．０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保って、狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅ密度を減らし、その分、Ｋｒガスで吸収係数が一定になるようにバランスをとりながら混合量を変えたときの、１３．  ５ｎｍ光放射の強度向上に対するＫｒ混合の効果を示す。Ｅｕ（上位遷移エネルギー）  は１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の仮定した３つのレベルについて計算した。
同図は、Ｘｅに対するＫｒ混合割合（原子密度で表記）  と各遷移レベル（ｅＶ）において、放射輝度の増加について相対強度で示しており、例えば、Ｘｅが２．  ４×１０２３／ｍ３  のとき、Ｋｒを１０．６３５×１０２３／ｍ３  混合すると、Ｘｅの遷移レベル２２０ｅＶにおいては、平均原子密度が３．  ０×１０２３／ｍ３  の純Ｘｅのみを動作ガスとした場合に放射される波長１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度を１とした場合の相対放射輝度を２．  ３６にも高めることができると計算された。
【００２６】
図５のグラフと表は、Ｘｅの平均原子密度（Ｎｓ）が１．０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保って、狭小通路中の前記混合ガス中のＸｅ密度を減らし、その分、Ａｒガスで吸収係数が一定になるようにバランスをとりながら混合量を変えたときの、１３．  ５ｎｍ光の放射の強度向上に対するＡｒ混合の効果を示す。Ｅｕ（上位遷移エネルギー）  は１０価のＸｅイオン（Ｘｅ１０＋  ）  の仮定した３つのレベルについて計算した。
同図は、Ｘｅに対するＡｒ混合割合（原子密度で表記）  と各遷移レベル（ｅＶ）において、放射輝度の増加について相対強度で示しており、例えば、Ｘｅが０．  ８×１０２３／ｍ３  のとき、Ａｒを２．  ８８×１０２３／ｍ３  混合すると、Ｘｅの遷移レベル２２０ｅＶにおいては、イオン密度が０．  ３×１０２３／ｍ３  の純Ｘｅのみを動作ガスとした場合に放射される波長１３．  ５ｎｍの極端紫外光の放射輝度を１とした場合の相対放射輝度を１．  ９４にも高めることができると計算された。
以上、図２〜図５に示したように、Ｘｅに、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）の粒子密度が最大となる温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合した混合ガスを使用することで、３つのＸｅの遷移レベルについて極端紫外光の放射輝度を高めることができることが確認された。
【００２７】
図６、図７は前記図１の変形例を示す図であり、同図は、前記図１の部分構成を示しており、キャピラリ２１１と高圧側電極１１、接地側電極１２の周辺部分を示したものである。
図６に示すものは、ガス導入口４１からＫｒガスを導入するとともに、ガス導入口４４からＸｅガスを導入し、高圧側電極１１に設けたノズル４４ａからＸｅガスを噴出して、狭小通路内で、Ｋｒガスと混合するように構成したものであり、その他の構成は前記図１に示したものと同じである。
また、図７に示すものは、ガス導入口４１からＫｒガスを導入するとともに、ガス導入口４５からＸｅガスを導入し、ノズル４５ａからＸｅガスを噴出し、狭小通路内で、Ｋｒガスと混合するように構成したものであり、その他の構成は前記図１に示したものと同じである。
図１ではＸｅガスとその他のガスを予備混合して、空間Ｓａに導入するようにしたが、図６、図７に示すようにノズル等を用いてキャピラリ２１１に入る前にＸｅガスを直接混合する構成としてもよい。
【００２８】
上述までのキャピラリ型の極端紫外光源について説明したが、本発明は、Ｘｅに、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大となる温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合した混合ガス、具体的にはＸｅに、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを混合した混合ガスを動作ガスとして使用することが波長１３．  ５ｎｍの放射輝度の向上をもたらすことを発明したものである。したがって、プラズマフォーカス型の極端紫外光源やＺ（ゼット）ピンチ型の極端紫外光源や中空陰極管型の極端紫外光源にも適用することができ、これらの極端紫外光源においても、１３．  ５ｎｍの放射輝度の改善が期待される。
【００２９】
図８はＺ−ピンチ方式の極端紫外光源の主要部を示す図である。
同図に示すように、Ｚ−ピンチ方式の極端紫外光源の主要部は円筒状や角筒状の放電容器５１の両端に一対の電極５２，５３を設けた構造となっており、放電容器５１は絶縁物で構成される。この絶縁物は場合によっては、放電容器を収める装置の器壁で兼用してもよい。その場合は少なくとも一つの電極及び電流導入部は該器壁と電気的に絶縁されている。
１３．５ｎｍの光の放射を取り出す端と反対側から、前記したように例えばＸｅとＫｒの混合ガスを中空円筒の形状で、放電容器５１内へ一定量噴射する。そして、噴射と同時に、高周波予備電離用電極５４に高周波電圧を印加して高周波放電により、噴入されたガスを予備電離する。その直後に主放電を開始し急速に放電流を立ち上げる。
そして、予備電離で作られた電子−イオン対の多い比較的放電容器壁に近い方に大きな電流が流れると同時に誘導磁場が発生する。この電流と磁場で発生するローレンツ力でプラズマは放電容器の軸方向に収縮（ピンチ）  し、プラズマの密度、温度が上昇し、強い１３．５ｎｍ光の放射が出る。コンデンサＣ１からの電流が低下してくると収縮もなくなり、やがて放電も終わる。以上のプロセスを繰り返し、高速（数ｋＨｚ）で行われる。
【００３０】
図９はプラズマフォーカス方式の極端紫外光源の主要部を示す図である。
同心状に内側電極（通常は陽極）５５と外側電極（通常は陰極）５６を設ける。両電極の間には絶縁壁で電気的に離されているが、この壁は内側電極の外表面に層状に延びている。
先ず、高速開閉バルブ５７を開き、一定量のＸｅとＫｒの混合ガスを放電部へ入れる。その後、主放電を開始させる。コンデンサＣ１の充電電圧を内、外側の電極に印加すると絶縁層の表面で絶縁破壊が生じ、放電が開始する。
図９中、時刻ｔ１は放電開始の段階を示し、ｔ２はプラズマ加速の段階を示し、ｔ３はフォーカス形成の段階を示し、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３である。Ｊは放電電流、Ｂは磁界、Ｊ×Ｂはローレンツ電磁力を示す。
大電流が流れ出すとコンデンサＣ１−陽極５５−プラズマ−陰極５６−コンデンサＣ１で作る閉回路による誘導磁場が発生する（図９のｔ１）。その磁場とプラズマ電流により、ローレンツ力がプラズマに働く（図９では右方に向かう力となる）。
この力でプラズマは、右方へ急速に移動する（ｔ２）。プラズマは陽極先端まで行くと陽極表面のプラズマには陽極中心へ向かう力が働く。陽極中心に移動すると点状に収縮し、高放射輝度になる（ｔ３）。プラズマ消失後は以上のプロセスを高速で繰り返す。
このプラズマフォーカス方式の極端紫外光源のフォーカス部のＸｅ平均原子密度は、例えばＰ  Ｍｅｅｎａｋｓｈｉ  Ｒａｊａ  Ｒａｏ、外７名「Ｌｉｎｅ  ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｉｎ  ｌｏｗ  ｅｎｅｒｇｙ  ｐｌａｓｍａ  ｆｏｃｕｓ」，Ｐｒａｍａｎａ−Ｊ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ３２，Ｎｏ．５，Ｍａｙ１９８９，ｐｐ６２７〜６３９に記載された方法により計算される。
【００３１】
図１０に上記極端紫外光源を用いて半導体露光装置を構成した場合の構成例を示す。
上記極端紫外光源を用いた半導体露光装置は、同図に示すように、キャピラリ放電等を利用した極端紫外光源１、反射面に多層膜が設けられた集光鏡２、反射型マスク３、投影光学系４、ウエハ５等を真空容器中に収納したものである。
極端紫外光源１から放出される極端紫外光を集光鏡２で集光して、反射型マスク３に照射し、マスク３の反射光を投影光学系４を介して、ウエハ５の表面に縮小投影する。
２の集光鏡は熱膨張係数の小さい金属基板の上にＳｉとＭｏの多層膜を形成したものであり、３の反射型マスクは石英にＭｏとＳｉの多層膜を形成したものであり、４の投影光学系は熱膨張係数の小さい金属基板の上にＳｉとＭｏの多層膜を形成した反射鏡を組合わせたものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）キセノン（Ｘｅ）  ガス中で大電流放電させ、プラズマを発生させ、そのプラズマ中に発生するＸｅの１０価イオン（Ｘｅ１０  ＋）  が放出する極端紫外線を利用する極端紫外線光源において、ＸｅにＸｅの１０価イオン（  Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大となる温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合することで、Ｘｅの密度を増やすことなく放射輝度が最大になる温度は混合率の増加に伴って、高温側にシフトさせることができ、１３．  ５ｎｍ光の放射輝度を大きくすることができる。
（２）クリプトン（Ｋｒ）は１３．  ５ｎｍの光のフォトンの吸収断面積が大きく、自由電子数も多いので、クリプトン（Ｋｒ）  を動作ガスのキセノン（Ｘｅ）ガスＸｅに混合すると極めて有効である。
すなわち、純粋なＸｅガスのときと同じ吸収係数にしたときにガス圧を高くすることが可能となるので、狭小通路の孔径を広くでき、差動排気の圧力差を小さくすることができる。また、排気装置の大型化の弊害を抑止することができる。（３）アルゴン（Ａｒ）は、１３．  ５ｎｍ光のフォトンの吸収断面積が大きく、自由電子数も多いので、アルゴン（Ａｒ）  を動作ガスのＸｅに混合することも、有効である。
すなわち、Ｋｒの場合と同じくＡｒの場合も、純粋なＸｅのときと同じ吸収係数にしたときに動作ガス圧を高くすることが可能となるので、狭小通路の孔径を広くでき、差動排気の圧力差を小さくすることができる。また、極端紫外光の取り出し量が増加する。そして、排気装置の大型化の弊害を抑止することができる。
（４）その他にも、Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  でもＫｒやＡｒと同様な効果が期待できる。また、Ｋｒ・Ａｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  はＸｅに比べて安価であり、経済的である。
（５）動作ガスとしては純粋なＸｅではなく、上記のように、Ｘｅの１０価イオン（Ｘｅ１０＋  ）  の粒子密度が最大となる温度域で１個のＸｅ原子から遊離される電子の数の少なくとも半分以上の数の自由電子を１個の分子或いは１個の原子から放出する物質であって、室温で分子または原子状の物質を混合した混合ガス、具体的な物質で特定するならば、Ｘｅに、Ａｒ・Ｋｒ・Ｎｅ・Ｎ２  ・ＮＨ３  のうちの少なくとも１種のガスを混合した混合ガス中で１３．５ｎｍの極端紫外線を放射する本発明の極端紫外光源を半導体露光装置に適用することにより、微細半導体の半導体露光に実使用される可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される極端紫外光源の一構成例を示す図である。
【図２】Ｘｅの平均原子密度が０．  ３×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保ってＸｅとＫｒの混合比を変えたときの放射強度比を示す図である。
【図３】Ｘｅの平均原子密度が１．  ０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保ってＸｅとＫｒの混合比を変えたときの放射強度比を示す図である。
【図４】Ｘｅの平均原子密度が３．  ０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保ってＸｅとＫｒの混合比を変えたときの放射強度比を示す図である。
【図５】Ｘｅの平均原子密度が１．  ０×１０２３／ｍ３  のときの吸収係数を保ってＸｅとＡｒの混合比を変えたときの放射強度比を示す図である。
【図６】図１の変形例（１）を示す図である。
【図７】図１の変形例（２）を示す図である。
【図８】Ｚ−ピンチ方式の極端紫外光源の主要部を示す図である。
【図９】プラズマフォーカス方式の極端紫外光源の主要部を示す図である。
【図１０】本発明の極端紫外光源を用いて半導体露光装置を構成した場合の構成例を示す図である。
【図１１】Ｘｅイオン密度と温度の関係を示す図である。
【図１２】黒体放射輝度と温度の関係を示す図である。
【図１３】各物質の１３．  ５ｎｍフォトンの吸収断面積および供給電子数を示す図である。
【符号の説明】
１              極端紫外光源
２              集光鏡
３              反射型マスク
４              投影光学系
５              ウエハ
１１            高圧側電極
１１１          貫通孔
１２１          貫通孔
１２            接地側電極
２１            キャピラリ構造体
２１１          キャピラリ
３１，  ３２      電気導入線
４１            ガス導入口
４２            ガス排出孔
４４，４５      Ｘｅガス導入口
４４ａ，４５ａ  ノズル
５１            放電容器
５２，５３      円筒状電極
５４            高周波予備電離電極
５５            内側円筒電極
５６            外側円筒電極
７１            仕切り円筒
７２            底板
７３            絶縁板
８１            外囲円筒
８２            排気口
【図１】
2004226244.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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