(57)【要約】【課題】周囲の固体から十分に離れた場所に、十分に高い密度で、デブリを環境にまき散らさないで、固体材料を供給する手法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させる。この物質は、多数の超微粒子が凝集した粒子集合体であり、超微粒子の融点以下で気化する材料を凝集剤としている。微粒子濃度を高めた微粒子集合体８を、プラズマ発生用真空容器９に供給するために、レーザー６で液滴５を加熱し、溶媒７を蒸発させる。液滴を安定に生成するための大量の溶媒を予め蒸発させた上でプラズマ発生用真空容器９に供給することで、真空容器９の真空度の低下が抑制できる。高濃縮化後の微粒子集合体８の直径は数十μｍになる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させるレーザープラズマ発生方法において、
上記物質は、多数の超微粒子が凝集した粒子集合体であり、分子間力や帯電による凝集あるいは超微粒子の融点以下で気化する材料を凝集剤とすることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザープラズマ発生方法において、
レーザー照射による加熱あるいは荷電粒子の照射あるいはその他の熱的、電気的、機械的衝撃を与えて、粒子集合体の構成微粒子を分裂拡散させたのちに、プラズマ生成の主パルスを照射することを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザープラズマ発生方法において、
室温において液体である材料あるいは冷却によって液化する流体中に、粒子集合体を構成する超微粒子を混ぜ、その微粒子混合流体を噴流させて液滴化し、凝集剤としての流体を蒸発させて濃縮して粒子集合体を作成することを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
微粒子混合流体の媒質となる流体として、液体窒素、水あるいは有機溶媒を用いることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体の超微粒子の数の変動を小さくするために、微粒子混合流体は、水素イオン指数の調整や攪拌その他の手法で、流体中で溶解している超微粒子を一様に分散させたことを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
噴出させるノズルあるいはアパーチャーに規則的振動を与えて微粒子混合流体を液滴化することを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザープラズマ発生方法において、
ノズルあるいはアパーチャーに与える振動の周波数は、１００Ｈｚ以上、１ＭＨｚ以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のレーザープラズマ発生方法において、
ノズルあるいはアパーチャーに与える振動の振幅は、１μｍ以上であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
液滴化した微粒子混合流体をプラズマ発生空間に供給する前に、液滴中の媒質である流体の蒸発あるいは昇華を行う空間を設けることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザープラズマ発生方法において、
液滴化した微粒子混合流体中の媒質流体の蒸発あるいは昇華を促すために、レーザー照射その他の加熱を行うことを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体を帯電する手段と帯電した粒子集合体の軌道を電磁気的に制御する手段とを備えたことを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体を構成する超微粒子の直径は１μｍ以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体を構成する微粒子は、錫あるいは酸化錫あるいはその他の錫を含む物質であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体の総質量は、直径５μｍの固体密度の単一微粒子の質量以上であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体の総質は、直径２００μｍの固体密度単一微粒子の質量以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載のレーザープラズマ発生方法において、
粒子集合体を構成する微粒子として、短パルスレーザーを、微粒子を形成すべき元素を含む固体あるいは液体ターゲットに照射して剥離される物質を利用することを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１７】
レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させるレーザープラズマ発生方法において、
固体あるいは液体ターゲットの短パルスレーザー照射による超微粒子の発生を、気体の流れる環境で行い、気体流を利用して超微粒子群をプラズマ発生領域へ搬送して、プラズマ生成用物質を供給することを特徴とするレーザープラズマ発生方法。
【請求項１８】
レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させるレーザープラズマ発生装置において、
上記物質は、多数の超微粒子が凝集した粒子集合体であり、分子間力や帯電による凝集あるいは超微粒子の融点以下で気化する材料を凝集剤とすることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザープラズマ発生装置において、レーザー照射による加熱あるいは荷電粒子の照射あるいはその他の熱的、電気的、機械的衝撃を与えて、粒子集合体の構成微粒子を分裂拡散させたのちに、プラズマ生成の主パルスを照射することを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載のレーザープラズマ発生装置において、
室温において液体である材料あるいは冷却によって液化する流体中に、粒子集合体を構成する超微粒子を混ぜ、その微粒子混合流体を噴流させて液滴化し、凝集剤としての流体を蒸発させて濃縮して粒子集合体を作成することを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
微粒子混合流体の媒質となる流体として、液体窒素、水あるいは有機溶媒を用いることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２２】
請求項２０又は２１に記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体の超微粒子の数の変動を小さくするために、微粒子混合流体は、水素イオン指数の調整や攪拌その他の手法で、流体中で溶解している超微粒子を一様に分散させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
噴出させるノズルあるいはアパーチャーに規則的振動を与えて微粒子混合流体を液滴化することを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載のレーザープラズマ発生装置において、ノズルあるいはアパーチャーに与える振動の周波数は、１００Ｈｚ以上、１ＭＨｚ以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２５】
請求項２３又は２４に記載のレーザープラズマ発生装置において、
ノズルあるいはアパーチャーに与える振動の振幅は、１μｍ以上であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２６】
請求項２０〜２５のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
液滴化した微粒子混合流体をプラズマ発生空間に供給する前に、液滴中の媒質である流体の蒸発あるいは昇華を行う空間を設けることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載のレーザープラズマ発生装置において、液滴化した微粒子混合流体中の媒質流体の蒸発あるいは昇華を促すために、レーザー照射その他の加熱を行うことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２８】
請求項１８〜２７のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体を帯電する手段と帯電した粒子集合体の軌道を電磁気的に制御する手段とを備えたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項２９】
請求項１８〜２８のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体を構成する超微粒子の直径は１μｍ以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項３０】
請求項１８〜２９のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体を構成する微粒子は、錫あるいは酸化錫あるいはその他の錫を含む物質であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項３１】
請求項１８〜３０のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体の総質量は、直径５μｍの固体密度の単一微粒子の質量以上であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項３２】
請求項１８〜３１のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体の総質は、直径２００μｍの固体密度単一微粒子の質量以下であることを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項３３】
請求項１８〜３２のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置において、
粒子集合体を構成する微粒子として、短パルスレーザーを、微粒子を形成すべき元素を含む固体あるいは液体ターゲットに照射して剥離される物質を利用することを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【請求項３４】
レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させるレーザープラズマ発生装置において、
固体あるいは液体ターゲットの短パルスレーザー照射による超微粒子の発生を、気体の流れる環境で行い、気体流を利用して超微粒子群をプラズマ発生領域へ搬送して、プラズマ生成用物質を供給することを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させるレーザープラズマ発生方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、室温で固体で存在する元素も、長時間連続でレーザープラズマの材料として供給できる方法およびそれを用いた輻射光源を提供することを目的とする。
短パルスレーザーを照射して生成される高温高密度プラズマはＥＵＶ領域からＸ線領域に亘る輻射を発生する高輝度光源である。輻射されるスペクトルは、レーザー照射条件とプラズマを構成する元素の種類で大きく異なり、用途によってプラズマ化する材料及びレーザー照射条件の最適化が必要である。
【０００３】
例えば、４５ｎｍ世代以降のリソグラフィー技術として、波長１３ｎｍの極端紫外光（ＥＵＶ）を用いるＥＵＶリソグラフィー（ＥＵＶＬ）が最有望視され、その光源としては、プラズマ光源しかない。ＥＵＶＬで用いられる多層膜反射鏡はＭｏ／Ｓｉであり、その反射スペクトルはピーク波長が１３ｎｍから１４ｎｍであり、バンド幅は２−３％であるので、光源も、それに適したスペクトルが必要である。
プラズマを数％のバンド幅の光源として用いる場合には、４ｄ−４ｆバンド発光を利用するのが最適であることは、１９７０年代初めにＳｕｇａｒ（非特許文献１参照）が始め、１９８０年代に行われたＳｕｇａｒ  とＯ’Ｓｕｌｌｉｖａｎの研究によって明らかにされている。４ｄ−４ｆバンド発光のピーク波長は元素の原子番号で決まっており、１３ｎｍにピークを持つのが原子番号が５０である錫であることも明らかになっている（非特許文献２参照）。従って、１３ｎｍ光が必要なＥＵＶＬ用の光源として、錫を用いるのが最適であろうことは周知である。
【０００４】
ところが、欧米で行われているＥＵＶＬ用光源の開発では、もっぱらＸｅが用いられてきた。原子番号が５４であるＸｅプラズマの場合は、４ｄ−４ｆバンド発光のピークは１１ｎｍにあり、１３ｎｍでの発光強度はそれほど強くないにも係わらず、Ｘｅが用いられている理由は、リソグラフィーに於いては、プラズマ光源からのＥＵＶ光を捕集する集光鏡の寿命は１年以上、ショット数にして１０１２ショット程度以上、が要求されるので、プラズマ光源には超クリーン性が求められるからである。固体平板にプラズマを生成する場合には、夥しい量のデブリと称されるμｍ程度の微粒子が発生し、周辺の光学素子の汚染が甚だしいことが周知である。９０年代半ばに、ガスフローやターゲットのテープ化などの幾つかのデブリ低減手段が試みられたが、ＥＵＶＬ用光源にはなり得ないと判断された（非特許文献３参照）。一方、室温で気体であるＸｅを用いれば、光学素子の表面に達しても付着せず、汚染が軽微に止まるだろうとの期待があり、研究開発が行われてきた。実際に、Ｘｅの付着による汚染は観測されていない。
【０００５】
このように、Ｘｅプラズマの技術がもっぱら開発されてきたが、ここに来て、錫を使わざるを得ない状況が出てきた。それは、必要とされるＥＵＶパワーが、数年前は数Ｗであったが、種々の理由で、現在は１００Ｗに大きく引き上げられたからである。投入するレーザーエネルギーと得られる１３ｎｍ光のエネルギーの比である変換効率が低いＸｅを用いると、大きなパワーを得るためには、相当のパワーの励起レーザーが必要になり、コストが膨大化する問題がある。さらに、プラズマ光源を発生させる真空空間の冷却が技術的ネックになりつつある。
変換効率の向上を期待して錫を用いようとしても、デブリ問題が解決できなければ、リソグラフィー用光源にはなり得ない。１０年弱前に一旦、デブリ問題は解決不能であると判断された訳であるから、新発想が必要である。
【０００６】
（必要な質量）
先ず、供給すべき質量を知っておく必要がある。ＥＵＶＬ用光源としてのプラズマに関しては、本発明者が詳細な理論的考察を行っている（非特許文献４参照）。それに依れば、電子温度が３０−５０ｅＶで、直径は５００μｍ前後、電子密度は一様で１０２０／ｃｍ３以上が必要である。１３ｎｍ用光源として最適な錫の場合、電離数は８前後であるので、必要な質量は
１ｘ１０２０ｘ（１／８）ｘ１００ｘ（１／２）／２０３ｘ１／（６ｘ１０２３）＝  １．２ｘ１０−７  ｇ  、つまり、０．１μｇ程度になり、比重７の固体密度では、直径３０μｍの球と同程度である。
このことから、一様な電子密度１０２０／ｃｍ３で直径が数百μｍのプラズマを生成するために、直径数十μｍの単一球と同程度の総重量を有するターゲット材料を供給することが必要である。
【０００７】
（Ｘｅガスへの混合）
固体材料である錫を微粒子にしてＸｅガスに混合させて噴出させれば、１３ｎｍ光強度が増大するだろうとの提案がＭａｔｓｕｉら（特許文献１参照）によって行われた。しかし、この提案には、二つの問題がある。一つは、微粒子はガスで搬送中に拡散し大半がプラズマ生成領域に供給されず、環境にまき散らされることである。プラズマが生成されると、その圧力は１０，０００気圧にも達し、その圧力で微粒子混合Ｘｅガス吹き飛ばされることでも、微粒子の撒き散らしが増幅される。これにより環境が汚染され、また周辺物質が破損される。もう一つは、微粒子の拡散が大きく、プラズマ発生領域に供給できる微粒子の密度が低くなり、輝度の高いプラズマが生成できないことである。つまり、錫を微粒子を混合したＸｅガスを噴出させる方法では、微粒子撒き散らしのためデブリフリー化が困難で、しかも、供給できる微粒子密度が低いので、１３ｎｍ光強度の増大効果は大きくない。
【０００８】
（液滴）
液滴を利用することも考えられた。噴出材料が気体だと、粒子間の衝突で直ぐに拡散してしまって、吹き出し口近傍でしか大きな密度が得られないので、Ｘｅジェットの場合も、断熱膨張冷却の利用あるいは液化Ｘｅを噴出させるなどの改良が進められてきた。しかし、噴出物を液体に変えても、流体の不安定性の成長により、吹き出し口からの距離が大きくなると多数の液滴に分裂し、１ｃｍ以上の長い距離に亘っての連続ジェットの形成は困難である。雑音が成長して多数の液滴に分裂すると、その分裂はランダムであり、制御不能になるが、強制振動を与えて強制的に一つの液滴にする手法がある。一旦液滴化すれば、後は安定して飛行するので、安定なターゲット材料供給が可能になる。プラズマ生成用に液滴を用いる試みは古く１９７３年から行われている。１９６０年代からレーザー核融合用のターゲット供給として、固体ペレットでターゲット供給をすることが検討されていたが、その代替手段として、ＳｃｈｗｅｎｎとＳｉｇｅｌ（非特許文献５参照）が、液体ジェットを生成する実験を報告している。従って、デブリを減らすために液滴を用いることは、レーザープラズマの専門家であれば思いつくことである。１９９０年代半ばには、Ｈｅｒｚら（例えば、非特許文献６参照）が液滴をターゲットとするＸ線発生の実験を行っている。
【０００９】
Ｘ線の波長は元素によって大きく異なり、３．３７ｎｍを発生させるには炭素を用い、２．２ｎｍの発生には酸素を用いることは専門家の常識であるので、必要な波長によって、液滴の材料として、酸素を主成分とする水を用いたり、炭素を含むアルコールを用いることになる。電子密度、プラズマ温度の評価を目的に、ＬｉＣｌあるいはＮａＣｌを含む水液滴をプラズマ化する実験が、Ｅｉｃｋｍａｎｓら（非特許文献７参照）によって報告されており、Ｘ線源としてＮａ，  Ｍｇなどが必要な場合に、それらの元素を含む化合物が溶液に含有させることが可能であれば、それを液滴化することも容易に思いつくことである。実際、Ｘ線発生に適したＣｕを用いるために、エチレングリコールに硝酸銅溶液を溶かした液体ジェットの液滴化が行われ、５−２０ｋｅＶＸ線の１ｋＨｚ繰り返し発生が実現されている（非特許文献８参照）。１３ｎｍ用光発生には錫が最適であることは周知であるので、硝酸錫、硫酸錫溶液を用いた液滴をターゲットとすることも、容易に思いつくことである。
しかし、錫を含む溶液を単純に液滴化することには、二つの問題がある。一つは、均一プラズマの生成ができないこと。二つ目に、高真空化が容易でないこと。である。単一の微粒子をターゲットにしても、大きな直径の均一なプラズマは生成されない。
【００１０】
図１に、波長１μｍのレーザーを固体平板に照射した場合の密度分布の時間変化を、一次元流体コードで数値シミュレーション計算した結果を示す。レーザーを吸収して高温化された物質が真空中に吹き出し、図１に見られるように、数十ｎｍ／ｎｓのオーダーの速度で固体ターゲットは削られる（アブレーション）が、図２に見られるように、ＥＵＶ発光強度の強い３ｘ１０−３  ｇ／ｃｍ３の近傍の領域の大きさは殆ど変わっていない。つまり、固体ターゲットの直径が数十μｍ以上の場合、図１に見られるように、ターゲット表面が削られ照射時間とともにターゲットは細っていくが、固体密度の領域は常に存在し、一様な密度のプラズマは生成されず、発光強度の高い臨界密度近傍の密度のプラズマの領域は広がらず、３ｘ１０−３  ｇ／ｃｍ３の近傍の発光領域は、図２に見られるように殆ど初期径のままである。
【００１１】
すると、直径５００μｍの高輝度の光源を生成しようとすると、直径５００μｍの液滴が必要になる。プラズマとして利用するのは表面の１μｍ程度でしかないので、百倍も余分な物質を光源チェンバー内に放出することになる。これは、汚染物質を増大させることであり、望ましくない。周囲の光学系を汚染するだけではなく、ＥＵＶ光の減衰も引き起こす。
ＥＵＶ光の透過率を９０％以上にするには、光源チェンバー内の真空度は、酸素の場合、０．１  Ｐａ程度以下が必要である。液滴直径が５００μｍの時、その大半の質量を占める溶媒が水であれば、レーザー照射で気化されて、０．１  Ｐａの酸素が５  リットル作られる。ＥＵＶＬ光源は１０ｋＨｚ程度で運転することが求められるが、すると、０．１  Ｐａの窒素が１秒、つまり１０，０００ショットで、５０，０００  リットル作られることになる。これを排気するのは真空ポンプにとってかなりの負担であり、排気すべき気体量を１／５０以下に減らすことが必要である。できれば、発生気体量が１／１，０００程度に少ないことが望ましい。つまり、液滴の直径は５０μｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第５，９９１，３６０号明細書
【特許文献２】
特許第２８９７００５号公報
【非特許文献１】
Ｓｕｇａｒ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ５  （１９７２）１７８５
【非特許文献２】
Ｇ．  Ｏ’Ｓｕｌｌｉｖａｎａｎｄ  ａｎｄ  Ｐ．Ｋ．Ｃａｒｒｏｌ，  Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．  ７１  （１９８１）  ２２７
【非特許文献３】
Ｈ．Ａ．Ｂｅｎｄｅｒ，  Ｄ．  Ｏ’Ｃｏｎｎｎｅｌ，  Ｗ．Ｔ．Ｓｉｌｆｖａｓｔ，  Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３４  （１９９５）  ６５１３
【非特許文献４】
富江：“ＥＵＶリソグラフィー用プラズマ光源に関する技術的考察”、産総研技術報告  ＡＩＳＴ０１ーＡ００００７，  （２００２年  １月）
【非特許文献５】
ＳｃｈｗｅｎｎとＳｉｇｅｌ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．  Ｅ：  Ｓｃｉ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．  ７  （１９７４）  ７１５
【非特許文献６】
Ｈｅｒｚ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｏｐｔ．  Ｃｏｍｍｕｎ．  １０３  （１９９３）  １０５
【非特許文献７】
Ｅｉｃｋｍａｎｓ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔ．  ２６  （１９８７）  ３７２１
【非特許文献８】
Ｒ．Ｊ．Ｔｏｍｋｉｎｓ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．  Ｉｎｓｔｕｒｕｍ．  ６９  （１９９８）  ３１１３
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように、プラズマから発光するＥＵＶ光の変換効率を大きくするために、プラズマ生成の材料には、波長毎に最適な材料を利用する必要がある。それが室温で固体である場合には、デブリが発生しない方法でターゲット材料を供給する必要があり、これまで幾つかの提案があるが、それぞれ問題点があり、解にはならない。
デブリフリーなプラズマとして、本発明者は、ターゲットをキャビティ構造にする方式を提案し（特許文献２参照）、実際にデブリフリーになると言う実験結果を報告しているが、得られるプラズマ密度を高くするのが容易でないために変換効率を高くするのが容易でないことと、プラズマと固体の距離を大きくするのが容易でないためにクリーン化が不十分であるという問題がある。
【００１４】
錫を微粒子にしてＸｅガスに混合させて噴出させる提案がＭａｔｓｕｉによって行われたが、搬送される微粒子の大半がチェンバー内にまき散らされ環境を極度に汚染する上に、プラズマ発生領域に供給できる微粒子の密度が低くて輝度の高いプラズマが生成できない。
必要な元素を含む物質を溶解した溶液を液滴化する方式の提案については、均一プラズマの生成ができない、必要な元素の密度を高くするのが容易でない、光源チェンバー内の高真空化が容易でない、という問題がある。
本発明は、これらの従来の提案の問題点を克服して、周囲の固体から十分に離れた場所に、十分に高い密度で、デブリを環境にまき散らさないで、固体材料を供給する手法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザープラズマ発生方法及び装置は、レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させる。この物質は、多数の超微粒子が凝集した粒子集合体であり、分子間力や帯電による凝集あるいは超微粒子の融点以下で気化する材料を凝集剤とすることを特徴としている。
また、本発明のレーザープラズマ発生方法及び装置は、レーザーを物質に照射して得られるプラズマから輻射線を発生させる。固体あるいは液体ターゲットの短パルスレーザー照射による超微粒子の発生を、気体の流れる環境で行い、気体流を利用して超微粒子群をプラズマ発生領域へ搬送して、プラズマ生成用物質を供給することを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、例示に基づき、本発明を説明する。但し、ここで説明する溶媒、溶質、液滴生成条件、濃縮方法その他全て一例に過ぎず、専門家なら思いつく全てのバリエーションの採用が可能である。
図３は、超微粒子を含む溶液の液滴化を説明する図である。図示したように、液滴生成用真空容器に、ノズル２から、直径数十ｎｍの錫微粒子３を含む溶液を５００μｍから１ｍｍの直径のジェット４として噴出させる。その際、光源発生の繰り返し数以上の振動数の強制振動をノズル２に与え、連続ジェット４を液滴５に分裂させる。液滴化の安定度を高くするために、真空ポンプその他の要因によるノズルの振動の振幅を極力抑制し、ノズルに与える強制振動の振幅は、ノズルに働く外乱による振動の振幅より十分に大きくする。液滴中に含まれる超微粒子数の安定度を高めるため、貯蔵タンク内の溶液の水素イオン指数の調整や攪拌するなどの手段で、溶液中の超微粒子濃度の均一性を高める。
【００１７】
図４は、液滴の溶媒を蒸発させ、微粒子濃度を濃縮した微粒子集合体を生成することについて説明する図である。微粒子濃度を高めた微粒子集合体８を、プラズマ発生用真空容器９に供給するために、図４に示すように、レーザー６で液滴５を加熱し、溶媒７を蒸発させる。液滴を安定に生成するための大量の溶媒を予め蒸発させた上でプラズマ発生用真空容器９に供給することで、真空容器９の真空度の低下が抑制できる。高濃縮化後の微粒子集合体８の直径は数十μｍになる。凝集剤としての溶媒を、ほぼ蒸発させることで、真空容器９の排気ポンプの負担を小さくできる。微粒子集合体８は、溶媒が完全に蒸発した後も、分子間力及び帯電による凝集力で凝集させられる。
液滴発生用真空容器１は、溶媒の大量の蒸発により数Ｐａを越える低真空になる。一方、プラズマ発生用真空容器９では、０．１Ｐａ以下の真空度が必要である。このため、両真空容器間は微小径のアパーチャーで結合して、十分な差動排気が行える構造にする。
【００１８】
図５は、大きな径のプラズマ生成の際、密度の一様性を上げることについて説明する図である。一様な密度のプラズマ生成の支援のために、プラズマ化の前に、図５に示すように、数十μｍ径になっている微粒子集合体８に微粒子集合体分裂用レーザー１０を照射する。分裂用レーザー１０の照射により、集合体を構成する微粒子が溶解して合体すると、微粒子集合体にした意味がなくなるので、分裂用レーザー１０には、極短パルスレーザーを用いるのがよい。極短パルスレーザー光を吸収した微粒子は、温度が上昇し膨張し、重心がＬだけ移動する。短い時間ｔで重心移動がなされると、大きな加速度αが発生することになり、凝集体に力Ｆが加わることになる。微粒子の質量をｍと置けば、Ｆ＝ｍαであり、α＝Ｌ／ｔ２であるので、温度上昇時間ｔが極めて短ければ、極めて大きな衝撃を集合体に与えることが出来る。つまり、分裂用レーザー１０としては、ピコ秒パルスやフェムト秒パルスを用いると、効果が大きい。例えば、１００フェムト秒のレーザーを１Ｊ／ｃｍ２程度のエネルギー密度で照射すれば、１００ｎｍ以上の直径の微粒子は、分子間力による凝集力に打ち勝って、分離する程度の加速度が得られる。照射エネルギー密度を上げれば、それに比例して大きな加速度を貰うことになり、その反作用として微粒子集合体に大きな衝撃を与えられるが、温度上昇が大きすぎると溶解して微粒子の合体が始まるので、照射エネルギー密度には上限がある。微粒子集合体全体がひとかたまりにならなければ良いので、表面の何層かの微粒子が合体することは許容できる。
分裂用レーザー１０の照射後数百ｎｓから数μｓで、超微粒子３は、直径数百μｍの直径の領域に拡散された状態１１になる。この状態になってからパルスレーザー１２を照射して、プラズマＥＵＶ光源を生成する。強力な１３ｎｍ光を発生させる場合には、プラズマの直径は５００μｍ程度で、プラズマ温度は３０−５０ｅＶにするのが良い。電子密度は１０２０／ｃｍ３程度になるように、微粒子集合体の質量は調整しておくのが良い。パルスレーザー１２は波長１μｍ、パルス幅１０ｎｓ程度とし、パルスエネルギーは数十ｍＪから数百ｍＪにするのが良い。
【００１９】
図６は、微粒子集合体を帯電させ、電磁気的手法で、その軌跡を制御することについて説明する図である。微粒子集合体８が供給される空間位置の精度を上げるために、図６に示すように、電子銃１３あるいはイオン銃によって、荷電粒子１４を微粒子集合体８に付与し、帯電させ、電極１５でその軌道を制御する。
微粒子集合体８の発生時刻及び速度に若干の変動が生じる可能性があるが、それは、モニター用ＣＷレーザーのビーム光路１６を微粒子集合体８が横切る時刻を検出器１７で検出して、プラズマ生成用パルスレーザー１２のタイミング制御回路に与えて、同期を取る。
【００２０】
（超微粒子の集合体化）
本発明は、直径数十μｍの単一球と同程度の総重量を有するターゲット材料を、多数の超微粒子群として供給する手段を提供する。図１に見えるように、直径１０μｍ以下の超微粒子は、数ナノ秒レーザーの照射で、固体密度の核を残すことなく気化される。超微粒子群を、直径数百μｍの空間に一様に分散させたのちレーザー照射をすることで、直径数百μｍの一様な密度のプラズマが生成できる。直径１０μｍの微粒子を２７個凝集させた集合体でも良いが、プラズマ化の前に微粒子を拡散させる際の一様性を増すためには、凝集される微粒子の数は多い方が好ましい。直径１μｍの超微粒子を凝集させる場合には、直径３０μｍの単一球の重量と等しくするには、２０，０００個を一つの微粒子集合体にすることになる。
【００２１】
（凝集剤）
直径３０μｍの単一球と等しい質量を、直径０．１μｍの超微粒子群で供給するには３Ｅ７個の超微粒子が必要である。超微粒子は質量が小さく熱運動速度が小さくないため、超微粒子群は小さくない拡散角度を持っており、長距離を飛行させると、広い空間に飛散してしまう。
このことから、本発明では、分子間力及び帯電による凝集力あるいは凝集剤を用いて、超微粒子を凝集する手段を提供する。凝集剤としては、液体窒素、水あるいは有機溶媒室温において気体あるいは液体になる流体を媒質として用いることで、新たなデブリ及び汚染物質発生源を作らない。その溶媒流体中に、プラズマ材料になる超微粒子を混合分散させ、その混合流体を液滴化することで、必要な質量の超微粒子集合体を連続的に作成できる。液滴毎の超微粒子の重量の変動を小さくするために、攪拌その他の手法を用いて、流体中で溶解している微粒子を一様に分散させる。
【００２２】
（振動）
ノズルから液体を噴出させると、噴出直後は連続ジェットであるが、ある一定距離飛行した後、液滴分裂する。液滴分裂が始まる距離は、ノズル径、噴出速度、液体の粘性により異なる。連続ジェットの液滴分裂は、流体の不安定性によりものであり、通常は揺らぎが大きく、安定した液滴生成はできない。
本発明は、安定な液滴生成のために、ノズルあるいはその他の手段で噴出液体に、液体噴出方向あるいは、任意の方向への振動を与える手段を提供する。
この強制振動による液滴生成の安定化を行った例を図３に示す。
【００２３】
（濃縮化）
その中に比重７の固体密度で直径５０μｍの単一球の重量である０．１μｇ程度になる超微粒子が含まれてさえいれば、液滴の直径が直径５００μｍでも良い、という訳ではない。従来技術の説明で述べたように、ＥＵＶ光の吸収を避けるためにチェンバーの圧力を十分低く保つには、溶媒液滴の直径は５０μｍ以下であることが望ましい。
一方で、安定した液滴生成のためには、溶質超微粒子の密度は、十分低い必要がある。従って、液滴径は十分大きい必要がある。また、液体ジェットによる液滴生成に於いては、液滴の径は液体ジェットの径の２倍程度であり、連続で発生する液滴の間隔と液滴径の比は４倍程度であり、液滴間隔と液滴径の比は任意の大きな値にすることができない。
【００２４】
本発明は、液滴の安定生成のためにノズルからは大きな液滴を発生させながら、プラズマ光源生成時の微粒子集合体の直径を十分小さくするために、図４に示すように、溶媒を蒸発させて液滴中の超微粒子の含有濃度を高くして、液滴径を小さくする手段を提供する。
濃縮は、液滴からの媒質の蒸発あるいは昇華によって行われるが、濃縮の程度は、液滴の温度、飛行距離の制御によって、制御する。液滴の温度制御は、赤外線あるいは微弱なレーザー照射その他の加熱手段で液滴を加熱することよって可能である。プラズマ発生用真空容器の圧力上昇を防ぐため、別空間を設けて濃縮を行う。
【００２５】
（集合体の誘導）
液滴中の超微粒子群濃度を濃縮したりその他いろいろな要請で、液滴生成地点からプラズマ生成地点までの距離が大きくなる。すると、パルスレーザーが集光される場所を液滴が通過しないことも懸念される。このため本発明は、図６に示すように、電子シャワーの暴露その他の方法により液滴を帯電させる手段と帯電した液滴の運動を電気的に制御する手段とを提供する。
【００２６】
（超微粒子の分散）
生成されるプラズマの密度の一様性を高めるには、プラズマ生成用のパルスレーザーを照射する前に、集合体内の超微粒子を予め分散させておくことが有効である。本発明は、図５に示すように、微粒子集合体中の超微粒子群を必要な広さの空間に分散させる手段も提供する。
微粒子集合体中の凝集剤として作用する液滴化の溶媒が、室温において気体あるいは液体である流体なので、赤外線あるいは微弱なレーザー照射その他の加熱手段で微粒子集合体の凝集剤を加熱することで液滴媒質は蒸発拡散し、それに伴って溶質である超微粒子も分散運動を開始する。必要に応じて、超微粒子そのものの弱いプラズマ化を行っても良い。超微粒子群が、必要な広さの空間に分散した後に強力パルスレーザーの照射を行うことで、均一な密度分布の光源プラズマが生成できる。
溶質は、プラズマ発生空間でプラズマ化され後にガス化するので、環境への影響が小さな窒素を用いるのが望ましく、液体窒素が適当な溶質であるが、酸素を発生する水も適当である。さらには、微粒子の溶解の容易さや、液滴化の容易さその他種々の条件により、炭素を含む有機溶媒、その他の溶媒も用いられる。
【００２７】
（蒸発での超微粒子生成）
液体に溶かして液滴化する超微粒子の径は、プラズマ生成用のレーザー照射で固体核がなくなる程度に小さければ良い。その大きさは、レーザー照射条件で異なるが、単一パルスの場合、１０μｍ程度以下である。つまり１０μｍ程度であれば、生成されるプラズマの密度はある程度一様になるが、その一様性を高めるには、微粒子集合体を構成する超微粒子の数は大きいことが望ましく、数十ｎｍ程度から数百ｎｍにすることが望ましい場合もある。
数十ｎｍから数百ｎｍに径の超微粒子を作成する方法としては、その超微粒子材料の蒸気を凝集させる手段が採用可能である。超微粒子を溶媒に混合させることが可能であるが、超微粒子材料の蒸気を溶媒に送りこんで、溶媒中で超微粒子化することも可能である。
【００２８】
（アブレーションでの超微粒子生成）
また、本発明で用いる超微粒子は、パルスレーザー照射による熱衝撃で発生することも可能である。この場合、固体錫にパルスレーザーを照射して溶融化と超微粒子飛散を同時に行うことが可能であり、あるいは、溶融させた液体錫を用意し、その表面から超微粒子を飛散させるための熱衝撃発生用に、パルスレーザー照射その他のパルス加熱手段を用いることが可能である。
【００２９】
（気流での搬送）
用いる超微粒子の径がある程度以上大きくなると、熱運動効果が小さくなり、また搬送すべき距離がそれほど大きくない場合は、微粒子群の拡散を抑制するための液滴化による凝集は必ずしも必要でなくなる。しかし、利用されないで環境にまき散らされる微粒子の数を抑制するためには、微粒子群の供給は、連続的ではなくパルス的に行うことが望ましい。
このことから、本発明は、パルスレーザーによるアブレーションを利用して、直径が０．１μｍ以上でおよそ１μｍ前後である超微粒子群を発生させ、その集団を気流で搬送する手段を提供する。
【００３０】
固体平板をパルスレーザー照射することで、０．２μｍをピークとする粒径の微粒子が発生することが観測されており、このレーザーブレーションを気流中でおこなうことで、発生された微粒子群を気流に乗せることができ、細管を通して、プラズマ発生用の真空領域に導くことができる。搬送用のガスには、窒素ガス、ヘリウムガス、空気など、種々のガスの利用が可能である。
気流での搬送では、微粒子群の拡散が避け得ないので、拡散させないで搬送できる距離にはある程度の限界はある、しかし、一方で、液滴の場合は、溶媒の蒸発によって光源発生用真空容器の圧力低下が避けがたい状況も起こりえるが、気流による搬送の場合は、この問題が軽減される利点がある。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、ターゲット材料を微粒子集合体の形状で供給することで、周囲の固体から十分に離れた場所に、十分に高い密度で、デブリを環境にまき散らさないで、固体材料を供給することができる。
また、本発明は、超微粒子を溶解した溶液を液滴化し、のちに、溶媒を蒸発させて濃縮化して、微粒子集合体を生成することで、ｋＨｚを越える高繰り返し供給と、プラズマ生成領域への高精度のガイディングが可能になる。
また、本発明は、微粒子集合体をプラズマ発生用真空容器に導く前に、超微粒子を含む液滴の溶媒を蒸発させることで、プラズマ発生用真空容器内の真空度の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直径２０μｍの球ターゲットがレーザー照射されたときの密度プロファイルの時間変化を示す図である。
【図２】直径２０μｍの球ターゲットがレーザー照射されたときの密度プロファイルの時間変化を示す図である。
【図３】超微粒子を含む溶液の液滴化を説明する図である。
【図４】液滴の溶媒を蒸発させ、微粒子濃度を濃縮し、微粒子集合体を生成することを説明する図である。
【図５】大きな径のプラズマ生成を説明する図である。
【図６】微粒子集合体を帯電させ、電磁気的手法で、その軌跡を制御することを説明する図である。
【符号の説明】
１  液滴生成用真空容器
２  ノズル
３  錫微粒子
４  ジェット
５  液滴
６  レーザー
７  溶媒
８  微粒子集合体
９  プラズマ発生用真空容器
１０  微粒子集合体分裂用レーザー
１１  拡散された状態
１２  パルスレーザー
１３  電子銃
１４  荷電粒子
１５  電極
１６  ビーム光路
１７  検出器
【図１】
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【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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