(57)【要約】【課題】デブリ除去のための噴射ガスの吸収による軟Ｘ線の強度低下を防ぐとともに、十分なデブリ除去作用により軟Ｘ線取り出し部が汚染されないようにした軟Ｘ線発生装置を提供する。【解決手段】真空容器内で生成させたプラズマから放射される軟Ｘ線を取り出し、プラズマ生成時に発生するデブリをガス流の噴射によって除去するとともに、前記ガス流を排気するための機構を備えた軟Ｘ線発生装置であって、該装置において、前記ガス流を噴射する装置として、超音速ガス流を噴射する矩形断面を有するラバルノズルを配置し、前記ガス流を排気する装置として、ガス流を回収して排気する真空排気装置を前記ガス流の下流側に配置したことを特徴とする軟Ｘ線発生装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内で生成させたプラズマから放射される軟Ｘ線を取り出す軟Ｘ線発生装置であって、プラズマ生成時に発生するデブリをガス流の噴射によって除去するデブリ除去機構と、ガス流を排気するガス流排気機構を備えた装置において、
前記ガス流を噴射する装置として、超音速ガス流を噴射する矩形断面を有するラバルノズルを所定の位置に配置し、前記ガス流を排出する装置として、ガス流を回収して排気する真空排気装置を前記ガス流の下流側に配置したことを特徴とする軟Ｘ線発生装置。
【請求項２】
ラバルノズルが、急膨張ノズルである請求項１に記載の軟Ｘ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温プラズマから放射される軟Ｘ線を取り出す軟Ｘ線発生装置に関するものであり、更に詳しくは、軟Ｘ線発生装置において、プラズマ生成時に発生するデブリを効率良く除去するための新しい機構を付加することにより軟Ｘ線取り出し部のデブリによる汚染を確実に防止することを可能とし、かつ軟Ｘ線の空間強度分布の変化を極力小さくすることを可能とする軟Ｘ線発生装置に関するものである。本発明は、例えば、半導体リソグラフィー装置、生体分析、及び構造解析などの軟Ｘ線源として用いられる軟Ｘ線発生装置を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温プラズマから放射される軟Ｘ線を取り出す装置として、軟Ｘ線発生装置が開発されている。この装置では、プラズマ発生時にデブリが発生し、これが、軟Ｘ線取り出し部を汚染する原因となっている。このようなデブリによる軟Ｘ線取り出し部の汚染の問題を解決するために、先行技術として、例えば、プラズマ生成時に発生するデブリをガス流の噴射により除去する方法及び装置が開発されている。しかし、この種の方法及び装置では、高温プラズマから放射された軟Ｘ線が、デブリ除去のための噴射ガス内を透過するとき、上記ガスによる軟Ｘ線の吸収損失が生じるために、軟Ｘ線が強度低下してしまうという問題があった。また、噴射ガスの密度分布の不均一性により、それを軟Ｘ線が透過する前後で、軟Ｘ線の空間強度分布が変化するという問題があった。
【０００３】
ここで、従来の、デブリ除去機構を備えた軟Ｘ線発生装置の概要を図２に基づいて説明する。図２において、レーザ発生機１４より発生させたレーザ１５をターゲット７に照射させると、プラズマ８が生成し、該プラズマ８から軟Ｘ線１７が発生し、軟Ｘ線１７は、軟Ｘ線取り出し部９へ向かって進む。軟Ｘ線の生成と同時にデブリ１６が発生し、Ｘ線取り出し部９に向かって飛翔する。そこで、軟Ｘ線取り出し部９がデブリ１６によって汚染されることを防ぐために、同期信号発生装置１１でレーザ発生と同期させて、噴射ガス１９を、高圧ガス供給管２を通り、吹き出し口１８から噴射する。
【０００４】
Ｘ線取り出し部９に向かって飛翔するデブリ１６は、噴射ガス１９と衝突し、軟Ｘ線取り出し部９方向の飛翔速度を失い、真空容器１０の中を漂った後、排気装置１１より真空容器外に排出される。上記装置において、例えば、噴射ガスとして、大気圧程度のヘリウムガスを用いると、Ｘ線取り出し部９でのデブリの付着を、噴射ガスがない場合と比較して、約１／１０００に抑制することができることが報告されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
レーザ研究、社団法人レーザ学会、第２７巻、第１号、第５頁（１９９９年）
【０００６】
しかしながら、上記の方法では、噴射ガス１９が、プラズマ８と軟Ｘ線取り出し部９との間の空間に拡散し、この拡散したガスによる軟Ｘ線１７の吸収損失のために、軟Ｘ線取り出し部９における軟Ｘ線１７の強度が低下してしまうという問題がある。そこで、この軟Ｘ線の吸収損失を小さくするために、例えば、噴射するガスの量を少なくすると、デブリ除去作用が十分でなくなり、軟Ｘ線取り出し部９がデブリによって汚染されることを確実に防止することができないという問題があった。
【０００７】
また、発生した軟Ｘ線１７が噴射ガス１９内を透過する際に、噴射ガス１９の密度分布が不均一であると、軟Ｘ線１７が噴射ガス内を透過する前後で、軟Ｘ線１７の空間強度分布の変化が生じ、軟Ｘ線取り出し部９で得られる軟Ｘ線の強度分布が制御できないという問題があった。これらのことから、当該技術分野においては、上記軟Ｘ線発生装置において、プラズマ生成時に発生するデブリによる軟Ｘ線取り出し部の汚染を確実に防止し、デブリ除去のための噴射ガスによる軟Ｘ線の吸収損失を抑制し、軟Ｘ線の空間強度分布の変化が生じるのを防ぐことを可能とする新しい軟Ｘ線発生手段及び装置の開発が要請されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を抜本的に解決することが可能な新しい軟Ｘ線発生手段及び装置を開発することを目標として鋭意研究及び検討した結果、ガス流として、矩形断面を有するラバル（先細末広）ノズルから噴射される超音速ガス流を使用することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、デブリ除去のための噴射ガスによる軟Ｘ線の吸収損失による軟Ｘ線の強度低下を防ぎながら、十分なデブリ除去作用を発揮して、デブリによる軟Ｘ線取り出し部の汚染を確実に防止することを可能とする軟Ｘ綿発生装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、軟Ｘ線の空間強度分布が、デブリ除去のための噴射ガス流を軟Ｘ線が透過する前後で変化しない軟Ｘ線発生装置を提供することを目的とするものである。
更に、本発明は、ガス流を、プラズマと軟Ｘ線部取り出し部との間の空間に、該空間に拡散しないように所定の形態に制御して噴射することを可能とする超音速ガス流噴射手段及び該手段を含む装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、（１）真空容器内で生成させたプラズマから放射される軟Ｘ線を取り出す軟Ｘ線発生装置であって、プラズマ生成時に発生するデブリをガス流の噴射によって除去するデブリ除去機構と、ガス流を排気するガス流排気機構を備えた装置において、前記ガス流を噴射する装置として、超音速ガス流を噴射する矩形断面を有するラバルノズルを所定の位置に配置し、前記ガス流を排出する装置として、ガス流を回収して排気する真空排気装置を前記ガス流の下流側に配置したことを特徴とする軟Ｘ線発生装置、である。
また、本発明は、（２）ラバルノズルが、急膨張ノズル（二次元ラバルノズル）である上記の軟Ｘ線発生装置、を好ましい実施の態様とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、真空容器内で生成させたプラズマから放射される軟Ｘ線を取り出し、プラズマ生成時に発生するデブリをガス流の噴射によって除去するとともに、前記ガス流を排気するための機構を備えた軟Ｘ線発生装置であって、該装置に、前記ガス流を噴射する装置として、超音速ガス流を噴射する矩形断面を有するラバルノズルを配置し、前記ガス流を排気する装置として、ガス流を回収して排気する真空排気装置を前記ガス流の下流側に配置したことを特徴とするものである。本発明では、上記ガス流を噴射する装置として、断面形状が矩形に構成されたラバルノズル（先細末広）を使用し、前記ガス流として、超音速ガス流を利用することが重要である。
【００１１】
上記矩形断面を有するラバルノズルから超音速ガス流を噴射することにより、超音速ガス流は、所定の形態（シート状、カーテン状等）に制御されて噴射される。上記ラバルノズルは、矩形断面を有するものであることが必要であるが、矩形であれば、四辺形及び長方形のいずれでも良い。本発明では、それらの具体的な構成、全体の形状、構造及びサイズ等は任意に設計することができ、実質的に矩形断面であると認められるものは全て本発明の範囲に包含される。本発明は、ラバルノズルの断面形状を矩形とすることにより、噴射される超音速ガス流の形態を、例えば、シート状、カーテン状等に制御することを可能としたものであり、本発明は、これらの点に最大の特徴を有する。また、上記超音速ガス流は、音速以上のものであり、噴射速度は速いほど好ましい。ガスの種類としては、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなどの不活性ガスを使用することができる。
【００１２】
本発明の装置では、上記したように、軟Ｘ線発生装置において、前記超音速ガス流を噴射する矩形断面を有するラバルノズルが配置され、かつ、噴射されたガス流を回収して排気する真空排気装置が前記ガス流の下流側に配置されるが、これらを真空容器内に配置する位置及び方向等は特に制限されるものではなく、装置の大きさ及び種類等に応じて任意に配置することができる。また、本発明の装置では、上記手段及び装置からなるデブリ除去機構の他に、基本的な構成要素として、例えば、真空容器、高圧ガスを供給する高圧ガス供給手段、高圧ガス流の流速制御手段、レーザ発生手段、レーザ制御手段、軟Ｘ線発生源のプラズマ、ターゲット保持手段、軟Ｘ線取り出し部、真空排気手段等が配置されるが、これらについては、これらと同効のものであれば、その種類に制限されることなく同様に使用することができる。
【００１３】
次に、本発明の装置の動作について説明する。真空容器内で高温プラズマから軟Ｘ線が生成すると、デブリが発生する。該デブリによって軟Ｘ線取り出し部が汚染されることを防止するために、例えば、レーザと同期させて超音速ガス流を前記ラバルノズルを通して噴射する。この場合、矩形断面を有するラバルノズルから超音速ガス流を噴射することにより、超音速ガス流は、例えば、シート状となって噴射される。軟Ｘ線取り出し部の方向に進むデブリは、シート状の超音速ガス流と衝突し、その速度を失い、超音速ガス流とともに、前記ガス流の下流側に配置されたガス流回収用真空排気装置を通して真空容器の系外へ排出される。
【００１４】
本発明では、前記ガス流を噴射するラバルノズルの特定の断面形状により、デブリ除去のためのガス流が所定の形態に制御されて噴射されることから、噴射ガス流の密度分布が高い均一性を有している。したがって、そのデブリ除去作用を十分に発揮することができ、それにより、軟Ｘ線取り出し部のデブリによる汚染を確実に防ぐことができるとともに、軟Ｘ線が噴射ガス流内を透過する前後で、軟Ｘ線の空間強度分布の変化が生じることを防ぐことができる。また、噴射ガスが、プラズマと軟Ｘ線取り出し部との間の空間に、所定の形態に制御されて噴射されるため、噴射ガスの拡散による軟Ｘ線の吸収損失が低減され、それにより軟Ｘ線の強度低下が小さくなる。また、本発明の装置では、上述のように、デブリ除去を高効率に行うことが可能であり、ラバルノズルの形状及び構造を種々変更することにより、装置の形態変更を容易に実現することができる。
【００１５】
更に、ラバルノズルとして、急膨張ノズルを用いると、ノズル内壁における速度境界層の影響を小さくすることができ、衝撃波の影響を受けない流れを作りやすく、また、ノズル長を短くできるため、装置の小型化が可能になる。本発明においては、軟Ｘ線発生装置の軟Ｘ線発生源のプラズマは、レーザを用いて生成されたプラズマに限定されず、例えば、プラズマフォーカス、キャピラリー放電、Ｚピンチ放電などのガス放電や、ワイヤー放電等の放電プラズマを適用することができる。また、軟Ｘ線発生源のプラズマが複数配置されている場合等は、その配置に応じ、複数の二次元ラバルノズルを直線又は円弧状等の任意の形状に配置し、デブリ除去機構として用いることもできる。
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１に、本発明による軟Ｘ線発生装置の一例を示す。図１の装置において、デブリ除去機構は、高圧ガスを供給する高圧ガス供給源１、高圧ガス供給管２、高圧ガス流のオンオフを制御するパルス動作弁３、ラバルノズル４、超音速ガス流を排気する超音速ガス流回収用真空排気装置６から構成され、これらは、真空容器１０内部に設置される。図１の装置において、レーザ発生機１４より発生させたレーザ１５をターゲット７に照射させると、プラズマ８が生成し、プラズマ８から軟Ｘ線１７が発生し、軟Ｘ線１７は、Ｘ線取り出し部９へ向かって進む。
【００１７】
上記装置において、軟Ｘ線生成と同時にデブリ１６が発生する。Ｘ線取り出し部９がデブリ１６によって汚染されることを防ぐために、同期信号発生装置１２によりレーザと同期させてパルス動作弁３を開くと、高圧ガス供給源１から高圧ガス供給管２を通り二次元ラバル（先細末広）  ノズル４を通し、ターゲット７と軟Ｘ線取り出し部９との間の軟Ｘ線の光路上に超音速ガス流５が噴射される。このとき、ラバルノズルの断面形状を矩形とすることにより、超音速ガス流５はシート状となる。これにより、デブリ１６は、シート状の超音速ガス流５と衝突し、軟Ｘ線取り出し部９方向の飛翔速度を失い、シート状の超音速ガス流５とともに、超音速ガス回収用真空排気装置６より真空容器１０の外に排出される。
【００１８】
このように、この実施形態によれば、シート状の超音速ガス流５には指向性があり、シート状の超音速ガス流５の下流に超音速ガス回収用真空排気装置６を設置することにより、ガスが真空中に拡散する前にガス流の排気が行なわれる。それにより、噴射ガスの吸収による軟Ｘ線１７の強度低下を防ぎながら、十分なデブリ除去作用を発揮するデブリ除去機構を備えた軟Ｘ線発生装置としての機能を発揮することが可能となる。また、ラバルノズル４を用いたことにより、衝撃波がガス流内部に発生せず、シート状超音速ガス流５の内部空間の密度分布が均一なものとなり、軟Ｘ線１７がガス流を透過する前後での軟Ｘ線１７の空間強度分布の変化を極力小さくすることができる。
【００１９】
図３に、上記デブリ除去機構における二次元ラバルノスル４の出口におけるガスの空間密度分布のコンピュータによるシミュレーション結果を示す。このコンピュータシミュレーションでは、スロート幅が１２０ミクロンで、動作ガスのヘリウムガスに対し出口マッハ数がマッハ５となるように規定した二次元スリットノズル（急膨張ノズル）を一例として用いた。この急膨張ノズルの断面形態をデザインした例を図４に示す。図３において、グラフの縦軸（ρ／ρ０）は、高圧ガス供給源のガス密度で規格化されたガス密度を示す。グラフのＸ−Ｙの空間座標系は、図３中、上部の枠内に図示した通りである。グラフのＸ軸はガス流の流れ方向、Ｙ軸はガス流の流れに垂直な方向である。このように、ラバルノズル出口から下流方向に５ｍｍ程度まではガス流は広がらず、均一な空間密度分布を形成することが示された。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明、デブリ除去機能を備えた軟Ｘ線発生装置に係るものであり、本発明により、１）所定の形態に制御した超音速ガス流を噴射することができる、２）デブリ除去のための噴射ガスの吸収による軟Ｘ線の強度低下が少なくなる、３）十分なデブリ除去作用を発揮して、軟Ｘ線取り出し部が汚染されることを確実に防止することができる、４）軟Ｘ線の空間強度分布がデブリ除去のための噴射ガス流の透過前後で変化しない、５）これらの機能を有する軟Ｘ線発生装置を提供することができる、６）ラバルノズルとして急膨張ノズルを用いることによりノズル長を短くすることができる、７）それにより、装置の小型化が可能となる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軟Ｘ線発生装置の一例の断面図を示す。
【図２】従来の軟Ｘ線発生装置の断面図を示す。
【図３】シート状超音速ガス流の空間密度分布のシミュレーション結果を示す。
【図４】急膨張ノズルの断面形態のデザイン例を示す。
【符号の説明】
１    高圧ガス供給源
２    高圧ガス供給管
３    パルス動作弁
４    ラバルノズル
５    超音速ガス流
６    超音速ガス流回収用真空排気装置
７    軟Ｘ線発生用ターゲット
８    軟Ｘ線発生源のプラズマ
９    軟Ｘ線取り出し部
１０  真空容器
１１  真空排気装置
１２  同期信号発生装置
１３  軟Ｘ線発生用レーザ制御装置
１４  レーザ装置
１５  レーザ
１６  デブリ
１７  軟Ｘ線
１８  吹き出し口
１９  噴射ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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