(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電室内にプラズマを発生し、プラズマから極端紫外光を発生する光源において、
放電室内に配置された複数の電極と、
電極間に流す電流量を能動的に制御でき、電極間のプラズマを自己加熱すると共にプラズマに自己磁場を付与する電源装置と、
電源装置を制御する制御部と、を備え、
制御部は、第１過程としてプラズマを加熱するための加熱電流を流し、第２過程として、第１過程により極端紫外光の出力が上昇した後、プラズマを閉じ込めるために更に電流値を増大させ、第３過程として第２過程で増大させた電流値を一定に維持する、ように電源装置を制御して電極間に流す電流量を変化させ、プラズマの温度と密度を制御し、マイクロ秒以上の時間にわたってプラズマの温度と密度を維持することで前記極端紫外光の出力を維持する、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
電源装置は、スイッチング素子で駆動される複数系統の放電回路を有し、
制御部は、スイッチング素子を制御して、各放電回路を駆動する、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
放電回路は、容量型放電回路又は誘導型放電回路である、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
プラズマに外部磁場を付与する外部磁場発生装置を備え、
制御部は、外部磁場発生装置を制御して、プラズマに付与する磁場を変化させる、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
プラズマの温度を外部から制御する温度制御装置を備え、
制御部は、外部磁場発生装置と温度制御装置とを制御し、プラズマに付与する磁場とプラズマ温度を変化させる、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
プラズマ媒体は、リチウムである、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項７】
請求項６に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
プラズマに外部磁場を付与する外部磁場発生装置を備え、
制御部は、外部磁場発生装置を制御して、プラズマに付与する磁場を変化させる、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項８】
請求項６に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
放電電流を流す電極をリチウム金属とし、リチウム金属から放電室内にリチウムのプラズマ媒体を供給する、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【請求項９】
請求項６に記載のプラズマから極端紫外光を発生する光源において、
リチウムプラズマは、電子温度が５ｅＶ〜３０ｅＶであり、電子密度が１０１７ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３である、プラズマから極端紫外光を発生する光源。
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
［０００１］
本発明は、プラズマからの極端紫外光の発生に関するものである。
［背景技術］
［０００２］
波長１０ｎｍ乃至１３ｎｍ程度の極端紫外光（ＥＵＶ）は、次世代超微細半導体集積回路のリソグラフィー光源など、産業的に利用価値の高い光源として期待されている。ＥＵＶを発生させる方式の一つとして、放電生成プラズマ方式（ディスチャージ・プロデュースド・プラズマ、以下「ＤＰＰ方式」という。）を利用したものが知られている。
［０００３］
図１（ａ）は、従来のＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置の等価回路を表している（但し、電源部は省略している。）。すなわち、等価回路は、コイルＬ（回路インダクタンス）とコンデンサＣの直列回路にスイッチＳとプラズマ放電部Ｚが接続されたものである。プラズマ放電部Ｚは、例えばキャピラリ（細管）とよばれる直径数ミリメートル程度の細長い放電管が用いられる。コンデンサＣを充電して、スイッチＳをＯＮにして、放電を開始すると、放電部ＺにはＬＣの平方根（ルートＬＣ）に比例する角周波数ωの三角関数で表される単純な電流波形ｉｐ（ｔ）が現れる。
［０００４］
図１（ｂ）は、放電中の電流波形ｉｐ（ｔ）と放電電圧Ｖｐ（ｔ）を同一時間スケールで表したものである。なお、横軸の時間ｔは１ｄｉｖ当たり２μｓであり、縦軸の放電電流ｉｐは１ｄｉｖ当たり１．６ｋＡであり、縦軸の放電電圧Ｖｐは１ｄｉｖ当たり５．０ｋＶである。実際には、放電電流ｉｐは抵抗成分のために完全な三角関数ではなく滅衰する。
［０００５］
図１（ｃ）は、プラズマ放電の様子を示す図である。図１（ｃ）に示すように、放電が開始すると、プラズマＰは、波長λの光を放出しながら放電管の中心軸Ａに対し円筒状に成長する。プラズマ半径ｒｐ及びプラズマの長さは、プラズマの圧力と周囲の磁界の影響を受け、時間とともに変化する。
［０００６］
図２（ａ）は、プラズマの電子温度（ｅＶ）（横軸）とイオン密度（ｃｍ−３）（縦軸）の関係を示す図である。この図から明らかなように、一般にプラズマ放電によるＥＵＶ光源を得るためには、楕円で示す高温・高密度状態（ＥＵＶ放射条件）のプラズマが必要とされる。ところが、従来のＤＰＰ方式により生成した圧縮プラズマは、極めて短時間の間に膨張して冷却してしまうために、高温高密度状態が持続できない。そのためエネルギー変換効率（発光効率）が極めて低かった。
【０００７】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、プラズマの加熱方法である磁気圧縮の原理について説明するための図である。一般に、直流電流ｉｐが存在すると直線の円周方向（右ねじ方向）に磁界Ｂθが発生する。図２（ｂ）に示すように、放電管中を流れるプラズマ電流ｉｐが作る磁界Ｂθは、プラズマ電流自身の磁界によりプラズマ半径ｒｐを減少させ収縮させる（なお、放電開始から、プラズマが最も収縮するまでの時間を最大収縮時間τｉという。）。これにより、プラズマ密度が高くなり、プラズマ温度が一気に上昇する。これをＺ−ピンチ効果或いは単にピンチ効果と呼ぶ。この原理に基づいてプラズマを磁界中で閉じ込めて圧縮し、プラズマの加熱とプラズマ密度の増大を同時に実現することができる。
【０００８】
なお、本発明の背景技術として、光源プラズマの変換効率に及ぼす電離非平衡の影響を評価したものとして、本発明者たちによる公知文献（M.Masnavi,M.Nakajima,A.Sasaki,E.Hotta,K.Horioka,Characteristics of
Extreme Ultraviolet Radiation Conversion Efficiency of Xenon
Plasma,Jap.J.App1.Phys.,Vo1.43,No.12,(2004)）がある。
【０００９】
また、従来の方式は、主としてＸｅ（キセノン）やＳｎ（すず）の多価電離プラズマを媒体としているため、多数の放射スペクトル線が存在し、スペクトル効率、即ち、放射全スペクトルの中で有効なスペクトル領域の占める割合が低かった。
【００１０】
そこで、リチウムＬｉのプラズマは、スペクトル構造が単純なことと、有効なスペクトル領域に強力なスペクトル線（１３．５ｎｍ）が存在することから、レーザー照射用や放電照射用の光源媒体とする試みがあった。
【００１１】
しかしながら、従来、プラズマをマイクロ秒程度以上の時間に渡って持続しようとする概念が欠如していたため、従来の方法は、自由膨張するレーザー加熱プラズマや短パルスピンチ放電プラズマなどを利用する方式であった。そのため、発光プラズマの持続時間が短く、リチウムプラズマの変換効率は、キセノンＸｅやすずＳｎを用いた方式と大差はなかった。なお、プラズマをピンチ放電で維持する方法は、特許文献（ＷＯ  ２００５／０２５２８０  Ａ２）に示されている。また、ピンチ放電を利用して、プラズマの維持時間を長くする方法は、非特許文献（Applied Physics Letters, Vol.87, No.11, pp.111502-1〜111502-4(2005)）に示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者たちは、ＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置において、ＥＵＶの発光に寄与する高温高密度のプラズマ状態がどの程度の時間、持続しているかを、実験とコンピューターシミュレーションによるプラズマ解析の両面から求めた。
【００１３】
図３（ａ）は、通常のピンチプラズマの挙動を示すストリーク写真を時間スケールと共に示したものである。なお、プラズマ条件は、初期圧力が約６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）であり、封入気体がアルゴン（Ａｒ）である。キャピラリーの直径は３ｍｍである。時間軸のτｓは衝撃波到達時間であり、τｉは最大収縮時間である。
【００１４】
図３（ｂ）は、１次元ＭＨＤシミュレーション（１Ｄ−ＭＨＤ：Magneto Hydro Dynamic）の計算結果を表す流線図である。横軸はプラズマ生成開始後の経過時間ｔを表し、縦軸はプラズマ半径ｒｐを表している。なお、時間軸は図３（ａ）と同一スケールで表している。２つの結果を比較すると、衝撃波による加熱と磁気圧縮による閉じ込めが、ほぼ同時に起こっており、ＥＵＶの発光時間は、衝撃波到達時間τｓと最大収縮時間τｉの間もしくはその前後の１０ｎ秒程度である。その後、プラズマは膨張していることが分かる。なお、後述するプラズマ電子温度及びイオン温度のシミュレーション結果は、プラズマの膨張により電子温度及びイオン温度が急激に低下していることを示している。
【００１５】
これらの計算結果によると、従来の典型的なＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置（ＥＵＶ光源）は投入した電力の１％程度が発光に寄与し、残りの約９９％は全て熱負荷（Heat Load）となることが明らかとなった。この熱負荷に起因して、電極及び構造部品が消耗したり、デブリ（有害塵）が発生したりする等の深刻な問題が生じていたと考えられる。
【００１６】
本発明者たちは、以上の結果を次のように結論づけた。ＥＵＶを持続的に出力するためには、プラズマを加熱する過程と、加熱により高温になったプラズマを磁気により閉じ込めて高温高密度状態を維持する過程が必要である。しかし、従来のように三角関数の電流波形をプラズマの駆動電流として用いた場合には、駆動電流がピークに達し、プラズマが十分に加熱されてＥＵＶが出力されても、ピークを過ぎた後は、プラズマの圧力に対して磁気閉じ込め効果が相対的に小さくなるため、折角加熱されたプラズマが急速に膨張し冷却した。そのため、発光が持続しなかった。
【００１７】
（１）本発明は、持続的に制御できるプラズマを得ることにある。
（２）また、本発明は、発光を効率的に行えるプラズマを発生することにある。
（３）また、本発明は、極端紫外光（ＥＵＶ）の変換効率を改善することにある。
（４）また、本発明は、プラズマ発生部分の熱負荷を緩和することにある。
（５）また、本発明は、発光スペクトル効率の改善によって、反射光学系の熱負荷を緩和することにある。
（６）また、本発明は、放電派生物（デブリ）を低減することにある。
（７）また、本発明は、駆動電源の容量を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の実施の形態に係る技術的思想は、プラズマを加熱する過程と加熱されたプラズマ状態を一定時間維持する過程とを時間的に分離する点にある。特に、最初の加熱過程で加熱されたプラズマが次の過経で長時間にわたり維持されるように、プラズマ電流を能動的に制御すること（一例として、特定時刻におけるプラズマ電流値の意図的な維持又は増大）にある。これにより、プラズマに投入したエネルギーに対するＥＵＶへのエネルギー変換効率を従来よりも飛躍的に向上させることができる。
【００１９】
プラズマの加熱過程では、プラズマ電流自身が自発的に形成する磁場Ｂθを用いてピンチ効果によりプラズマを加熱圧縮し、次いで、圧縮されたプラズマを長時間維持させるために、更に別の電流波形を与え、プラズマ電流を能動的に制御する。
【００２０】
本発明の実施の形態に係るプラズマ発生方法は、放電室内にプラズマを生成しプラズマを加熱する第１のステップと、第１のステップにより加熱されたプラズマを磁気により閉じ込めて一定時間プラズマの加熱状態を維持する第２のステップとを備え、放電室内に異なるパターンの電流波形を付与する。
【００２１】
第１のステップは、主としてピンチ効果によって高温のプラズマを形成するステップであり、このステップでプラズマを高温かつ高密度の状態にしてＥＵＶを発生できる状態に移行させる。第２のステップは、第１のステップの最終状態すなわち高温かつ高密度の状態を、磁気閉じ込め効果によって一定時間維持するステップである。これらのステップを連続して行うことにより、従来よりも高温高密度状態を長時間維持することができる。その結果、ＥＵＶの発光持続時間が延び、エネルギー変換効率を飛躍的に向上することができる。
【００２２】
また、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置は、放電室内にプラズマを発生するプラズマ発生装置において、放電室内に配置された複数の電極と、電極間に放電電流を流し、電極間のプラズマを自己加熱すると共にプラズマに自己磁場を付与する電源装置と、プラズマの状態を制御する制御部と、を備え、プラズマの温度と密度を所定の範囲に制御して、プラズマを空間に閉じ込めるものである。
【００２３】
また、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置は、放電部と放電部を駆動するための電源回路とからなり、この電源回路は、独立したスイッチング素子Ｓｌ〜Ｓｎで駆動される少なくとも２系統以上の容量型放電回路を備えていることにある。
【００２４】
なお、この容量型放電回路は、複数のコンデンサを用いた複数系統の放電回路という意味である。これを本発明の実施の形態に係るプラズマ発生方法に適用するときは、まず、第１の放電回路により放電部に第１の放電電流を与えた後、第２の放電回路により第１の放電電流に第２の放電電流を加える。ｎ段ある場合は、閉じ込め電流を制御してＥＵＶ出力を維持するように、より精密に駆動することもできる。
【００２５】
また、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置は、放電部と放電部を駆動するための電源装置とからなり、電源装置は、独立したスイッチング素子Ｓ１〜Ｓｎで駆動される少なくとも２系統以上の誘導型放電回路を備えていることにある。
【００２６】
なお、この誘導型放電回路は、例えば磁性体ユニットを放電部の周囲に配置して誘導電圧を重ね合わせる。これを本発明の実施の形態に係るプラズマ発生方法に適用するときは、まず、第１の放電回路により放電部に第１の誘導電圧を加えることにより放電電流を与えた後、第２の放電回路により第２の誘導電圧を加えることにより第１の放電電流に第２の放電電流を加える。ｎ段ある場合は、閉じ込め電流を制御してＥＵＶ出力を維持するようにして、より精密に駆動することもできる。
【００２７】
電流制御とするか或いは電圧制御とするかは一長一短があるが、いずれにせよ、加熱されたプラズマがそのまま維持されるような電流を駆動することが重要である。
【００２８】
また、本発明の実施の形態に係るプラズマから極端紫外光を発生する光源は、放電室内にプラズマを発生し、プラズマから極端紫外光を発生する光源において、放電室内に配置された複数の電極と、電極間に放電電流を流し、電極間のプラズマを自己加熱すると共にプラズマに自己磁場を付与する電源装置と、電源装置を制御する制御部と、を備え、制御部は、第１過程としてプラズマを加熱するための加熱電流を流し、第２過程として、第１過程により極端紫外光の出力が上昇した後、プラズマを閉じ込めるために更に電流値を増大させ、第３過程として第２過程で増大させた電流値を一定に維持する、ように電源装置を制御して電極間に流す電流量を変化させ、プラズマの温度と密度を制御し、マイクロ秒以上の時間にわたってプラズマの温度と密度を維持することで前記極端紫外光の出力を維持することにある。
【００２９】
また、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生方法は、放電室内にプラズマを発生するプラズマ発生方法において、プラズマに放電電流を流し、プラズマを自己加熱すると共にプラズマに自己磁場を付与するステップと、プラズマに外部磁場を付与するステップと、を備え、放電電流と外部磁場を制御して、プラズマ維持時間を制御して、プラズマの発光スペクトル効率を高めることにある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１（ａ）は、従来のＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置の等価回路を表している。図１（ｂ）は、放電中の電流波形ｉｐと放電電圧Ｖｐを同一時間スケールで表わしたものである。図１（ｃ）は、プラズマ放電の様子を表わしたものである。
【図２】図２（ａ）は、プラズマの電子温度とイオン密度の関係を示すものである。図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、プラズマの加熱方法である磁気圧縮の原理について説明するためのものである。
【図３】図３（ａ）は、通常のピンチプラズマの挙動を示すストリーク写真を時間スケールと共に示したものである。図３（ｂ）は、１次元ＭＨＤシミュレーション（１Ｄ−ＭＨＤ：Magneto Hydro Dynamic）の計算結果を表すものである。横軸はプラズマ生成開始後の経過時間を表し、縦軸はプラズマ半径ｒｐを表している。
【図４】図４（ａ）は、プラズマ発生後の経過時間ｔと電子温度Ｔｅとの関係をＣＲＥモデル（Collisional Radiative Equilibriumモデル：衝突輻射平衡モデル）及びＳＥＳＡＭＥモデルに基づいてＭＨＤシミュレーションした結果に、イオン価数Ｚｉと流線図を重ね合わせたものである。図４（ｂ）は、プラズマ発生後の経過時間ｔとイオン温度Ｔｉとの関係をＣＲＥモデル及びＳＥＳＡＭＥモデルに基づいてＭＨＤシミュレーションした結果に、イオン価数Ｚｉと流線図を重ね合わせたものである。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、いずれも横軸に経過時間、縦軸にプラズマ電流とＥＵＶの発光出力を表したものである。
【図６】図６（ａ）は、コンデンサを備え、独立したスイッチング素子で駆動される多重放電回路を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）をｎ段に拡張した回路である。
【図７】図７は、磁性体１０を備えたｎ段の誘導型多重放電回路を示している。
【図８】図８（ａ）は、本発明で用いるＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置の本体部の構造断面図を示し、図８（ｂ）は、本体部の観測窓側から撮影した参考写真を示している。
【図９】図９は、外部磁場発生装置、外部加熱装置、プラズマ媒体供給用加熱装置を備えたプラズマ発生装置を示している。
【図１０】図１０は、電極にオーブンとディフューザを有するプラズマ発生装置を示している。
【図１１】図１１は、電極内部に電子ビームなどのエネルギービームを通す貫通孔を有するプラズマ発生装置を示している。
【図１２】図１２（ａ）は、キセノン（Ｘｅ）の電子密度が１０１８／ｃｃのプラズマのスペクトル放射強度分布を示している。図１２（ｂ）は、キセノン（Ｘｅ）の電子密度が１０１９／ｃｃのプラズマのスペクトル放射強度分布を示している。
【図１３】図１３（ａ）は、リチウム（Ｌｉ）の電子密度が１０１８／ｃｃのプラズマのスペクトル放射強度分布を示している。図１３（ｂ）は、リチウム（Ｌｉ）の電子密度が１０１９／ｃｃのプラズマのスペクトル放射強度分布を示している。図１３（ｃ）は、リチウム（Ｌｉ）の電子密度が３×１０１９／ｃｃのプラズマのスペクトル放射強度分布を示している。
【図１４】図１４は、キセノン（Ｘｅ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）の各プラズマ温度に対する加熱に必要なエネルギーの関係を示している。
【図１５】図１５（ａ）は、従来の短パルスによるプラズマにおいて、電子温度と密度に対するリチウムプラズマの有効帯域への放射変換効率を示している。図１５（ｂ）は、本発明の閉じ込めによるプラズマにおいて、電子温度と密度に対するリチウムプラズマの有効帯域への放射変換効率を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（プラズマ発生装置の原理）
図５（ａ）及び（ｂ）は、いずれも横軸に経過時間、縦軸にプラズマ電流とＥＵＶの発光出力を表したものであり、本発明の解決原理を説明するための図である。図５（ａ）は、従来の電流波形を破線で表し、それによるＥＵＶ出力を実線で表している。図５（ａ）に示すように、従来の電流波形は三角関数を基本とする電流波形であるため、放電が開始すると時間と共にプラズマ電流Ｉｐが増大し、ピークを過ぎると今度は減少に転ずる波形であった。このため、電流値Ｉｐの増大とともに加熱及び圧縮（及びこれに伴う磁気閉じ込め）が起こり、電流値のピーク近傍でプラズマ温度が閾値を超えるとＥＵＶが現れるが、最大収縮後はプラズマ圧力に対して磁気閉じ込めの効果が相対的に小さくなるため、プラズマが膨張してプラズマ温度が低下する。その結果、ＥＵＶの出力も急速に低下していた。
【００３２】
プラズマ密度と電子温度・イオン温度と電離度の関係は、確立しておらず、これらについて、いくつかのモデルが提唱されている。図４（ａ）は、プラズマ発生後の経過時間ｔ（ｎｓ）と電子温度Ｔｅ（ｅＶ）との関係をＣＲＥ衝突輻射モデル及びＳＥＳＡＭＥモデル（米国のデータベースに基づいたモデル）に基づいてＭＨＤシミュレーションした結果に、イオン価数Ｚｉと流線図を重ね合わせたものである。図４（ｂ）は、プラズマ発生後の経過時間ｔ（ｎｓ）とイオン温度Ｔｉ（ｅＶ）との関係をＣＲＥ衝突輻射モデル及びＳＥＳＡＭＥモデルに基づいてＭＨＤシミュレーションした結果に、イオン価数Ｚｉと流線図を重ね合わせたものである。ＥＵＶ出力を維持する時間をこれらの信頼あるシミュレーション結果により計算したところ、光源に有効な高温プラズマの維持時間は、わずか１０ｎｓ程度であり、効率にして約１％であった。
【００３３】
図５（ｂ）は、ＥＵＶ出力が低下しないように、プラズマ電流Ｉｐを能動的に制御した場合を示している。最初のプラズマ電流Ｉｐは、プラズマを加熱するための電流（加熱電流）であり（第１過程）、次に、ＥＵＶ出力が上昇した後、プラズマを閉じ込めるために更に電流値を増大させ（第２過程）、この状態を維持するように電流値を一定にする（第３過程）。この例では、駆動電流は２つの電流波形（図中に示した加熱電流Ｍと閉じ込め電流Ｎ）により、ＥＵＶ出力の持続時間を少なくとも３０ｎｓ維持することができた。
【００３４】
このように、電流波形を能動的に制御する（すなわち、ある時刻において意図的に増大し、又は維持する）ことで、磁気閉じ込め効果を持続させ、プラズマの膨張（すなわちプラズマ温度の低下）を抑制して、ＥＵＶ出力を長時間維持する。なお、電流波形は、これらを構成する回路などの構成により種々のパターンが考えられるが、例えば、加熱のための電流の波形と磁気閉じ込め電流の波形を加えて作成することができる。
【００３５】
従来のプラズマ発生方法は、放電室内にプラズマを生成し、プラズマを加熱すると共に加熱されたプラズマを磁気により閉じ込めて一定時間プラズマの加熱状態を維持している。この方法は、単一のパターンの電流波形（三角関数波形）により、同時的かつ受動的に行われている。それに対し、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生方法は、放電室内にプラズマを生成してプラズマを加熱する第１のステップと、第１のステップにより加熱されたプラズマを磁気により閉じ込めて一定時間プラズマの加熱状態を維持する第２のステップとを、明確に分離して、両者を「異なる２以上のバターン電流波形」で能動的に駆動して行っている。なお、電流波形が単一パターンであるか、２以上の異なるパターンであるかの判断は、最大収縮付近の電流波形のパターンに折れ曲がり点×が存在するか否かを調べることにより、容易に知ることができる。
【００３６】
（プラズマ発生装置）
プラズマ発生装置は、プラズマを発生し、プラズマ状態を保持するものである。特に、本件のプラズマ発生装置は、プラズマから発するスペクトルの放射効率を高めるものであり、特に、なるべくプラズマ状態を最適な状態に維持して、特定波長領域の放射効率を高めるものである。プラズマからのスペクトルの放射特性は、プラズマの密度と温度の関数である。そこで、プラズマの温度と密度と磁場を制御して、プラズマ維持時間を調整し、プラズマを準定常状態に維持して、放射効率を高めるものである。プラズマ発生装置は、プラズマから発するスペクトルの放射効率を高める発光装置に適用でき、特に、極端紫外光（ＥＵＶ）を高効率で発光する光源に適用できる。
【００３７】
図８（ａ）は、本発明の実施の形態で用いるＤＰＰ方式によるプラズマ発生装置の本体部の構造断面図を示し、図８（ｂ）は観測窓側から撮影した写真を示している。放電部は直径３ｍｍ長さが約１０ｃｍのキャピラリー（細管）１４であり、上部に設けられたガス導入孔１６よりキセノンガス（Ｘｅ）を導入する構造となっている。キャピラリー（細管）１４の上下に電極が配置され、電極間に絶縁材１５が配置されている。キセノンガス（Ｘｅ）は上方からキャピラリー１４を通り、下方に移送される。内部の様子は観察窓１８から観察することができる。この本体部の電極は、下記の放電回路に接続される。
【００３８】
（電源装置の容量型多重放電回路）
図６（ａ）は、電源装置の容量型多重放電回路の概略図を示している。図６（ａ）は、独立したスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２で駆動される。スイッチング素子Ｓとしては、例えば磁気スイッチや半導体スイッチ（サイリスタ等）或いは放電式スイッチ（サイラトロン等）などが用いられる。放電部（プラズマ光源部）Ｚには第１電極３０と第２電極３２が配置されている。第１のスイッチをオンにして第１のコンデンサＣ１から放電を開始すると、第１の放電電流Ｉ１は、コイルＬと第１電極３０と第２電極３２を介して、放電部（プラズマ光源部）Ｚに流れる。放電部（プラズマ光源部）Ｚに流れる電流Ｉ１はプラズマの加熱に用いられる。次いで第２のスイッチＳ１をオンにすると、放電部Ｚに流れる電流は、電流Ｉ１に第２のコンデンサＣ２からの放電電流Ｉ２が加算され、これが高温高密度状態のプラズマを磁気閉じ込めにより維持するための閉じ込め電流として用いられる。もちろん、図６（ｂ）に示すように、２段に限らず、ｎ段としてより精密に電流制御を行っても良い。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、・・Ｓｎは、制御部５２によりスイッチング制御される。この制御により、任意の波形を形成することができる。
【００３９】
（電源装置の誘導型多重放電回路）
図７は、電源装置のｎ段の誘導型多重放電回路の概略図を示している。図７の場合、磁性体１０に対して、一次側コイルの電極１２と二次側コイルの電極３０、３２が配置されている。一次側コイルの電極１２にスイッチング素子Ｓを介して電圧が印加される。スイッチング素子Ｓをオンにして、一次側コイルの電極１２に電圧を印加すると、二次側コイルの第１電極３０と第２電極３２間の放電部Ｚに電圧が誘導される。図７の場合、二次側の第１電極３０の周囲にｎ個の磁性体１０、１０、・・・が配置されている。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、・・Ｓｎを制御部５２によりオンオフ制御すると、オンとなったスイッチング素子Ｓに対応する磁性体に二次電圧が発生し、それらの二次電圧が重ね合わされ、二次側コイルの第１電極３０と第２電極３２間の放電部Ｚに合成された電圧が誘導される。即ち、第１の一次側コイルに電流Ｉ１を流して誘導電圧を第１電極３０と第２電極３２間に印加してプラズマ３８に電流を流す。この電流はプラズマ３８を加熱する。次いで第２の一次側コイルに電流Ｉ２を流して誘導電圧を第１電極３０と第２電極３２間に印加してプラズマ３８に電流を流す。これにより、第１の誘導電圧による電流Ｉ１に第２の誘導電圧による電流Ｉ２が加算される。この合成された電流は、高温高密度状態のプラズマを閉じ込めるための閉じ込め電流として用いられる。２段に限らず、必要に応じて、ｎ段の誘導電圧を第１電極３０と第２電極３２間に印加することができる。放電部Ｚの位置は、放電部Ｚに二次電圧が誘導され、プラズマ３８に電流が流れれば、任意の場所で良い。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、・・Ｓｎは、制御部５２によりスイッチング制御され、任意の波形を作成することができる。
【００４０】
原子過程を考慮した電磁流体力学モデルを用いて数値計算を行った結果、いずれも従来の単純な三角関数のような電流波形と比較すると、少なくとも３倍以上のエネルギー変換効率が得られることが明らかとなった。
【００４１】
（外部装置によりプラズマの環境条件を変えるプラズマ発生装置）
プラズマ発生装置は、プラズマを挟んだ電極に放電電流を流し、放電電流によって磁場を形成し、プラズマに磁場を作用すると共に、放電電流によってプラズマを加熱する。このプラズマの放電電流によって発生する磁場を自己磁場と呼ぶ。また、放電電流によって発生するプラズマの加熱を自己加熱と呼ぶ。プラズマ発生装置は、プラズマに外部から磁場を付与する外部磁場発生装置を備えている。プラズマ発生装置は、プラズマを自己磁場で拘束し、更に、外部磁場でも拘束する。これにより、プラズマの密度と温度と磁場を制御する。プラズマ発生装置は、放電電流によって自己加熱し、加熱が不足する場合、外部加熱でプラズマの温度を制御する。そのために、プラズマ発生装置は、必要に応じて、プラズマを外部から加熱する外部加熱装置を備えている。このように、プラズマ発生装置は、プラズマの磁場と温度を制御して、プラズマを閉じ込め、プラズマを所定の温度と密度に維持して、プラズマから発光するスペクトルの放射効率を高める。プラズマ媒体は、キセノンＸｅ、すずＳｎ、リチウムＬｉなどプラズマとなるものであれば、どのような物質でもよい。一例として、以下に主にリチウム媒体について説明する。プラズマ媒体としてリチウムを使用した場合、プラズマ発生装置は、１３．５ｎｍのリチウムスペクトルを含む有効帯域（波長帯域）に強力なスペクトル線を発生する。この状態のプラズマの電子温度は、５ｅＶ〜３０ｅＶが好ましく、プラズマの電子密度は、１０１７ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３を維持することが好ましい。なお、１３．５ｎｍのリチウムスペクトルを含む波長帯域は、反射に対しても吸収の少ない波長範囲であり、この波長帯域の光源は、露光装置や検査装置などに有効に利用できるものである。この波長帯域は、１３．５ｎｍを基準に、特に±１％の範囲が好ましい。
【００４２】
図９は、プラズマ発生装置の構成図の一例を示している。プラズマ発生装置２０は、内部を外界から遮蔽する放電室２２を備えている。プラズマ発生装置２０は、放電室２２内に第１電極３０と第２電極３２を配置し、第１電極３０と第２電極３２間にプラズマ３８を発生する。プラズマ発生装置２０は、第１電極３０と第２電極３２間に電圧を付与する電源装置３４を備え、第１電極３０と第２電極３２間に制御された放電電流を流す。放電電流は、自己磁場を発生し、プラズマ３８に閉じ込め磁界を作用すると共に、プラズマ３８を加熱する。プラズマ発生装置２０は、外部磁場発生装置２８を備え、プラズマ３８に外部磁場を付与する。外部磁場発生装置２８であるコイルは、例えば、円柱形状の第１電極３０の周囲、及び円柱形状の第２電極３２の周囲を包囲するような円筒の形状とし、その円筒の軸に沿ってプラズマ３８が形成される。プラズマ発生装置２０は、必要に応じて、外部加熱装置２４を備え、プラズマ３８を加熱する。プラズマ発生装置２０は、プラズマ媒体供給用加熱装置２６を備え、電極からプラズマ３８に動作ガスを供給する。プラズマ発生装置２０は、露光装置、パターン検査装置など特定の用途に応じて、プラズマ３８から発生する光を受光する集光部３６を備えている。集光部３６以降の光路には、例えば、パターンが形成されたフォトマスクとその下方にフォトレジストが配置される。プラズマ３８から発生する光は、フォトレジストにフォトマスクのパターンを形成する。なお、集光部３６は、例えば光の反射板などが使用される。また、電源装置３４、外部磁場発生装置２８、及び外部加熱装置２４は、制御部５２により種々の制御が行われる。
【００４３】
放電室２２は、第１電極３０と第２電極３２間が放電するように内部を真空にでき、また、プラズマ３８から発生するＥＵＶ４０などの光が吸収されないで、集光部３６に達するように、内部を真空にできる容器である。第１電極３０と第２電極３２は、放電電流を流すことができる電極であればよい。電極は、プラズマ媒体と同一の元素からなっている場合、電極からプラズマ媒体を供給することができる。例えば、電極がリチウム金属であり、プラズマ媒体がリチウムの場合、リチウム金属電極にレーザーや電子ビームなどを照射することにより、電極からパルス的にリチウムガスを発生することができる。この場合、プラズマ媒体供給用加熱装置２６は、電極にレーザーや電子線などのエネルギーを照射できる装置であればよい。外部磁場発生装置２８は、プラズマ３８に磁場を付与できるものであればよく、例えば、電極の周囲に配置されたコイルがある。その場合、コイルで発生する外部磁場は、自己磁場と重ね合わされ、重ね合わされた磁場が、プラズマに作用することになる。図９の場合、外部磁場と自己磁場は直交し、その重ね合わされた強い磁場が、プラズマに作用することになる。外部加熱装置２４は、プラズマを外部から加熱できるものであれば良く、例えば、プラズマ３８にレーザーなどのエネルギービームを照射して、プラズマ３８を加熱できる装置を使用できる。集光部３６は、プラズマ３８で発生するＥＵＶ４０が集光できる箇所に配置される。プラズマ発生装置２０を露光装置として使用する場合、露光対象となる物質が集光部３６以降の光路に配置される。
【００４４】
図１０は、プラズマ発生装置２０の他の構成例を示している。図１０のプラズマ発生装置２０は、図９のプラズマ発生装置２０に対して、主にプラズマ３８を供給する構成が相違している。図１０のプラズマ媒体供給用加熱装置２６は、オーブン４２、ディフューザ４４、パイプ４６、循環装置４８などで構成されている。オーブン４２は、第１電極３０の内部に形成できる。オーブン４２から排出されたプラズマ媒体用のガスは、プラズマ３８中に供給される。ディフューザ４４は、第２電極３２の内部に形成され、プラズマ３８からのプラズマガスを回収する。回収されたプラズマガスは、パイプ４６を通して循環装置４８に集められる。また、プラズマガスは、循環装置４８によりパイプ４６を通して、オーブン４２に供給される。オーブン４２は、供給されたプラズマ媒体を加熱および加圧することができる。
【００４５】
図１１は、プラズマ発生装置２０の他の構成例を示している。図１１のプラズマ発生装置２０は、図９と図１０のプラズマ発生装置２０に対して、主に第２電極３２の構成とプラズマ媒体を供給する構成が相違している。図１１のプラズマ発生装置２０の第２電極３２は、内部に貫通孔５０を有している。外部加熱装置２４は、貫通孔５０を通して電子ビームあるいはレーザービームを電極３０およびプラズマ３８に照射し、プラズマ媒体を供給するとともにプラズマ３８を加熱する。第２電極３２と外部磁場発生装置２８のコイルは、円筒状に形成し、その円筒軸に沿ってプラズマが作成される。
【００４６】
（プラズマ発生方法）
プラズマを発生する方法は、図６又は図７の電源装置を用いたプラズマを例にとって説明する。先ず、放電部Ｚのプラズマに第１の放電電流Ｉ１を流し、プラズマを加熱すると共に、プラズマを磁気により閉じ込める第１のステップと、第１の放電電流Ｉ１とは異なるパターンの第２の放電電流Ｉ２を重ね合わせる第２のステップを取ることにより、プラズマの維持時間を制御することができる。２段に限らずｎ段にすることにより、より複雑な電流波形をプラズマに付与し、高精度にプラズマ制御を行うことができる。
【００４７】
また、プラズマを発生する他の方法は、図９のプラズマ発生装置２０を用いたリチウムプラズマを例にとって説明する。制御部５２の制御により、電源装置３４により第１電極３０と第２電極３２間に電圧を印加し、電流制御して、第１電極３０と第２電極３２間で放電させる。電極にリチウム金属を使用していると、放電により、電極からリチウム蒸気が発生し、リチウムプラズマが形成される。第１電極３０と第２電極３２間のリチウムプラズマは、放電電流によって加熱されると同時に、その放電電流による自己磁場によって拘束される。外部磁場発生装置２８は、コイルに電流を流して外部磁場を発生し、プラズマに外部から磁場を加えて、自己磁場と共に、プラズマを閉じ込め、プラズマ３８の密度を所定の範囲に安定に維持する。プラズマ温度が不足する場合は、外部加熱装置２４によりプラズマ３８を追加熱する。この条件は、プラズマ３８の電子温度では５ｅＶ〜３０ｅＶが好ましく、プラズマ３８の電子密度では１０１７ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３が好ましい。特に、電子温度は、１０ｅＶ〜２０ｅＶが好ましく、電子密度は、１０１７ｃｍ−３〜１０１９ｃｍ−３を維持することが好ましい。この条件を維持すると、プラズマ３８は、有効帯域のＥＵＶ光源となり、プラズマ３８からはＥＵＶが発射される。このＥＵＶは、集光部３６に照射して、種々の用途に利用される。第１電極３０と第２電極３２間に駆動する電流は、直流電流が望ましいが、パルス電流でもよい。この電源装置３４の制御方法は、主として電流制御を用いる。リチウム蒸気の追加方法や発生方法として、プラズマ媒体供給用加熱装置２６を使用する場合は、プラズマ媒体供給用加熱装置２６により、陰極であるリチウム第１電極３０に電子ビームやレーザーなどの放射線を照射して、リチウム第１電極３０からリチウム蒸気を発生させる。
【００４８】
図１０のプラズマ発生装置２０を用いてプラズマを発生する方法を説明する。第１電極３０のリチウム陰極内部に設置したオーブン４２からリチウム蒸気を第１電極３０と第２電極３２の間に供給する。第１電極３０と第２電極３２の陽極間で電流制御能力を持つ電源装置３４を用いて放電させる。電極間のプラズマは放電電流によって加熱されると同時に電流による自己磁場によって拘束される。自己磁場に加えて、外部磁場をもちいてプラズマを閉じ込め、一定のプラズマ条件と安定性を維持する。一定のプラズマ条件を維持するために、電流を制御する。電子温度１０ｅＶ〜２０ｅＶ、電子密度１０１７ｃｍ−３〜１０１９ｃｍ−３に維持された光源プラズマから主として側面方向に光利用が可能である。リチウムは陽極のディフューザ４４で回収し、循環装置４８を用いて循環させる。
【００４９】
図１１のプラズマ発生装置２０を用いてプラズマを発生する方法を説明する。リチウム金属陰極３０から主として自己加熱にてリチウム蒸気を供給する。リチウムガスが不足する場合には、加熱装置２４を補助加熱として用い、リチウムガスが過剰な場合には、電極を冷却して供給を抑制する。電源装置３４を制御して陰極３０と陽極３２との間で放電させる。電極間のプラズマは放電電流によって加熱されると同時に電流による自己磁場によって拘束される。自己磁場に加えて、外部磁場発生装置２８により外部磁場を発生して、プラズマ３８を閉じ込め、さらには、必要に応じて加熱装置２４を用いて一定のプラズマ条件を維持する。
【００５０】
（リチウムプラズマのプラズマ効率）
図１２は、プラズマ半径を４００μｍとした時のキセノンＸｅプラズマのスペクトルの典型的な放射強度分布を示しており、横軸が波長λ（ｎｍ）であり、縦軸が出力強度（Ｗ/ｃｍ２）である。図１２（Ａ）は、プラズマ状態のキセノンの電子密度が１０１８／ｃｃの場合のＥＵＶのスペクトルを示している。図１２（Ｂ）は、プラズマ状態のキセノンの電子密度が１０１９／ｃｃの場合のＥＵＶのスペクトルを示している。このように、プラズマ状態のキセノンは、波長１３．５ｎｍ付近の有効帯域のスペクトル強度の割合が極めて小さく、その有効帯域より短い波長の領域に強いスペクトル強度を放射していることを示している。
【００５１】
図１３は、プラズマ半径を４００μｍとした時のリチウムＬｉのスペクトルの典型的な放射強度分布を示しており、横軸が波長λ（ｎｍ）であり、縦軸が出力強度（Ｗ/ｃｍ２）である。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、及び図１３（Ｃ）は、縦軸の単位が、各々１０４、１０５、及び１０６であり、また、プラズマ状態のリチウムの電子密度が、各々１０１８／ｃｃ、１０１９／ｃｃ、及び３×１０１９／ｃｃである。また、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、及び図１３（Ｃ）は、プラズマ電子温度Ｔｅとイオン温度Ｔｉが等しく、各々１２ｅＶ、１２ｅＶ、１８．５ｅＶの状態を示している。このように、プラズマ状態のリチウムＬｉの放射強度分布には、いずれの状態でも、有効帯域の波長１３．５ｎｍが強く表れている。
【００５２】
図１４は、プラズマ媒体が、キセノンＸｅ、すずＳｎ、及びリチウムＬｉについて、プラズマ温度とプラズマエネルギーの関係を示しており、横軸がプラズマ温度（ｅＶ）を示し、縦軸がプラズマエネルギー（ジュールＪ）を示している。プラズマのイオン密度は、いずれのガスでも、１０１８／ｃｃである。プラズマの半径Ｒは、３００μｍ（０．０３ｃｍ）であり、長さは、０．４ｃｍであり、電子温度Ｔｉとイオン温度Ｔｅが等しい状態を示している。ここで、プラズマエネルギーは、熱エネルギー（電子とイオン）とイオン化ポテンシャルの和である。このグラフは、キセノンＸｅとすずＳｎは、プラズマ温度の上昇と共に、加熱に必要なプラズマエネルギーが、急勾配で上昇するのに対して、リチウムＬｉは、殆ど上昇しないことを示している。このため、リチウムＬｉの場合、プラズマの形成において、キセノンＸｅとすずＳｎに比べて、大きな電力が消費されないことを示している。このことは、高効率の光源プラズマとして、リチウムプラズマの潜在能力が高いことを示している。
【００５３】
図１５は、リチウムプラズマの変換効率が閉じ込め時間に強く依存することを示している。横軸がプラズマ電子温度（ｅＶ）であり、縦軸がプラズマ電子密度（対数目盛ｌｇ（Ｎｅ／ｃｃ））であり、リチウムのスペクトル１３．５ｎｍを含む有効帯域のプラズマ効率ＣＥｐ（％／２πｓｒ）の等高線グラフを示している。図１５（Ａ）は、プラズマの持続時間が短時間の場合のプラズマ効率のグラフを示している。図１５（Ａ）のグラフの等高線を横切る線、−７．５、−８、−９の数字は、対数で表したプラズマ維持時間であり、具体的には、各々、パルス幅１０−７．５秒、１０−８秒、１０−９秒を示している。図１５（Ａ）のグラフは、そのパルス幅によって決まる効率の限界線を示している。従来の方式では短パルスでしか維持されないプラズマを用いており、限界線の右上領域の効率しか期待できない。プラズマ効率ＣＥｐは、最大でも、温度が２０ｅＶ付近、電子密度が１０１９／ｃｃ付近において、ほぼ１．２（％／２πｓｒ）である。
【００５４】
それに対して、図１５（Ｂ）は、プラズマ維持時間が十分に確保された場合のプラズマ効率ＣＥｐを示している。なお、この場合、プラズマ効率はスペクトル効率と等しい。図１５（Ｂ）は、スペクトル効率ＣＥｐの等高線が描かれており、プラズマ電子温度が１０ｅＶ〜２５ｅＶ付近で、プラズマ電子密度が１０１８／ｃｃ以下で、プラズマ効率が４５（％／２πｓｒ）と高くなっている。プラズマ発生装置を露光装置として使用する場合には、多量の光線を発生させる必要がある。光量を大きくするには上記のパラメータ領域においてプラズマ密度が高い方が好ましいが、プラズマ効率は低密度の方が高くなる。維持するプラズマの密度と温度とは、出力を重視するか効率を重視するかによって選択すればよい。プラズマ温度が５ｅＶ〜３０ｅＶ付近で、プラズマ密度が１０１７／ｃｃ〜１０２０／ｃｃ付近が好ましい。その条件では、比較的プラズマ密度が大きく、比較的プラズマ効率が高いために、多くの光量を得ることができる。装置としては、プラズマ効率と共に密度・温度が低い方が望ましく、プラズマ電子温度は１０ｅＶ〜２０ｅＶ付近が更に好ましい。
【００５５】
（リチウムプラズマのプラズマ効率の算出根拠）
図１５（Ｂ）は、次のようにして求められる。プラズマから発する光の中、有効な波長（１３．５ｎｍ±１％をλ２％と表示している）の変換効率ＣＥは、以下の数１の式（１）のように求められる。分母はプラズマへの入力エネルギーを示し、分子は有効な波長領域の放射エネルギーを示している。式（１）において、Ｍλは積分スペクトル放射強度、Ｓｐは放射プラズマの表面積、τは放射時間、Ｅはプラズマの加熱とイオン化に消費されるエネルギーを示している。
【００５６】
【数１】
0005114711.tif 000002
【００５７】
式（１）において、放射時間τを十分に長くできると、分母のＥは無視でき、放射時間τおよび放射プラズマの表面積Ｓｐはキャンセルされる。したがって、この時の変換効率ＣＥは、下記の数２の式（２）のスペクトル効率ηＳになる。
【００５８】
【数２】
0005114711.tif 000003
【００５９】
この式２は、図１５（Ｂ）に示すような直流の場合の特性であり、従来の図１５（Ａ）に示すようなトランジェント（Transient）の特性と全く異なる。従来は、プラズマを短パルスでしか維持できないトランジェント（Transient）な条件でのみ効率が検討されてきたので、スペクトル効率そのものが深く検討されていなかった。トランジェント（Transient）な場合、プラズマ効率のグラフの等高線を横切る線（−９や−７．９の数字）は、対数で表したパルス幅によって決まる効率の限界を示している。短パルス的にしか維持されないプラズマでは、限界線の右上領域の効率しか期待できない。
【００６０】
本発明は、直流を含む長パルスでプラズマ状態を維持することにより、図１５（Ｂ）の高効率の発光スペクトル効率の光源を得ることができる。放射プラズマの維持時間の関数として変換効率を詳細に検討した結果、プラズマ温度とプラズマ密度、半径などのプラズマ・パラメータを電流の大きさや磁場の強度によって制御することにより、飛躍的に有効帯域の放射効率を改善できること、また閉じ込め効果が放射効率の向上に有効に働く時間の目安は、リチウムプラズマの場合、１０−６秒程度であることが分かった。そのためには、電極間の放電による自己磁場と自己加熱に加えて、プラズマに外部磁界を付与し、必要に応じて外部加熱を付与する。これらにより、閉じ込め力とエネルギー収支のバランスをとることが出来、プラズマ・パラメータを必要な維持時間を超えて安定に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置及び方法は、従来のプラズマ発生装置の電源駆動回路部分を変更するだけで実施できる点で実施化が容易であると共に、従来よりも飛躍的にエネルギー変換効率を増大させ、これにより電極或いは構造部品の消耗或いはデブリの発生を抑えることができる。
【図１】
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【図２】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図３】
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【図８】
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