(57)【要約】【課題】絶縁物の劣化及び二次的な放電を低減し、高温高密度状態のプラズマを効率よく一点に収束形成することができるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】所定のガス２を通過させるガス通過路１０ａと、ガス通過路１０ａを通過した所定のガス２を噴出させる開口部とを設けた第１の電極部１０と、第２の電極部１１と、第１の電極部１０と第２の電極部１１とを内設したプラズマ発生室１３と、プラズマ発生室１３の残留ガスを排気する真空排気手段１８と、所定のガス２を第１の電極部１０のガス通過路１０ａへパルス的に噴出させるガス供給手段１５と、第１の電極部１０と第２の電極部１１との間に電圧を印可する電源部１４とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のガスを通過させるガス通過路と、上記ガス通過路を通過した上記所定のガスを噴出させる開口部とを設けた第１の電極部と、
第２の電極部と、
上記第１の電極部と上記第２の電極部とを内設したプラズマ発生室と、
上記プラズマ発生室の残留ガスを排気する真空排気手段と、
上記所定のガスを上記第１の電極部の上記ガス通過路へパルス的に噴出させるガス供給手段と、
上記第１の電極部と上記第２の電極部との間に電圧を印可する電源部とを備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部電極と外部電極との間に印可される電圧によって、所定のガスを放電させてプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを発生させるプラズマ発生装置の一つに、高温高密度のプラズマを生成するプラズマフォーカス装置がある。プラズマフォーカス装置は、軸対称の同心円筒電極間において、低圧ガスを放電させる単純な構造からなり、他のプラズマ発生装置に比べて小エネルギで、一点に収束した高温高密度のプラズマを発生することができる。
【０００３】
また、高温高密度のプラズマは、紫外線からＸ線にわたる幅広い波長領域の光を放出する。特許文献１に示すＸ線露光装置は、このような現象を利用して、プラズマフォーカス装置をＸ線の光源として用いている。
【０００４】
ここで、従来のプラズマフォーカス装置のプラズマの発生過程について説明する。
【０００５】
従来のプラズマフォーカス装置１００は、図８に示すように、円筒状の内部電極部１０１と、内部電極部１０１の周囲を覆う同心円筒状の外部電極部１０２と、内部電極部１０１と外部電極部１０２とを所定の絶縁物を介して接合する絶縁部１０３とからなる。また、プラズマフォーカス装置１００には、気密構造のプラズマ発生室内部に、低圧のガスが充填されている。プラズマフォーカス装置１００は、電源部１０５によって内部電極部１０１と外部電極部１０２との間に高電圧が印可されることによってプラズマを発生させる。
【０００６】
従来のプラズマフォーカス装置１００は、プラズマ発生時において、まず、電極間を絶縁させる絶縁部１０３の表面上の沿面放電によってプラズマ１０４ａを発生させる。絶縁部１０３の表面上に発生したプラズマ１０４ａは、プラズマ１０４ａが内部電極部１０１と外部電極部１０２との間を流れる電流と、この電流によって生じる自己磁場との相互作用により、電極先端方向に向かって移動する。プラズマ１０４ａが内部電極先端角１０１ａまで移動した後、プラズマ１０４ａは、内部電極１０１の中心軸へ向かう径方向へ収縮する。この収縮作用によって、プラズマフォーカス装置１００は、内部電極部１０１の長手先端方向の延長上に高温高密度状態のプラズマ１０４ｂを形成する。この高温高密度状態のプラズマ１０４ｂは、放電させるガスの種類等に応じて、紫外線からＸ線にわたる幅広い波長領域の光を放出する。
【０００７】
また、プラズマフォーカス装置１００によって放出された光は、Ｘ線露光装置等の光源として使用される。つまり、プラズマフォーカス装置１００により放出された光は、例えば図９に示すように、多層膜からなる楕円ミラー１０６で集光されて、平面ミラー１０７と放物面ミラー１０８を介して所定方向へ出射される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３２６０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来のプラズマフォーカス装置において、電極間を絶縁する絶縁部は、プラズマの発生によって、当該絶縁部の表面に生じる沿面放電により劣化する。また、従来のプラズマフォーカス装置は、繰り返しプラズマを発生させると当該絶縁部の絶縁耐圧が低下し、二次放電により高温高密度のプラズマが形成できなくなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、絶縁物の劣化や二次的な放電を低減し、一点に収束した高温高密度状態のプラズマを効率よく形成することができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明に係るプラズマ発生装置は、所定のガスを通過させるガス通過路と、上記ガス通過路を通過した上記所定のガスを噴出させる開口部とを設けた第１の電極部と、第２の電極部と、上記第１の電極部と上記第２の電極部とを内設したプラズマ発生室と、上記プラズマ発生室の残留ガスを排気する真空排気手段と、上記所定のガスを上記第１の電極部の上記ガス通過路へパルス的に噴出させるガス供給手段と、上記第１の電極部と上記第２の電極部との間に電圧を印可する電源部とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るプラズマ発生装置は、パルス状の所定のガスを第１の電極部の開口部から第２の電極部へ向けて、所定方向に誘導して均等に噴出させ、電極間に高電圧を印可させて放電させる。このことにより、本発明に係るプラズマ発生装置は、絶縁物表面で放電が開始されないため、絶縁物の劣化及び二次放電を抑止し、効率よく高温高密度のプラズマを形成することができる。また、プラズマ発生装置は、ガスの供給量を節約することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施例＞
プラズマフォーカス装置１は、図１の断面図に示すように、装置内部で所定の動作ガス２を放電させることによりプラズマを発生させる円筒形状のプラズマ発生装置である。ここで、動作ガス２は、内部電極部１０と外部電極部１１との間に印可される電圧によって放電を起こしてプラズマを発生させるガスであり、例えば、アルゴンガス、キセノンガスなどである。
【００１５】
また、プラズマフォーカス装置１は、図１に示すように、円筒体の内部電極部１０と、内部電極部１０を内設する円筒体の外部電極部１１と、内部電極部１０と外部電極部１１との間を絶縁する絶縁部１２とからなる。また、プラズマフォーカス装置１には、内部電極部１０と外部電極部１１とを内設する密閉されたプラズマ発生空間部１３が形成される。さらに、プラズマフォーカス装置１は、内部電極部１０と外部電極部１１とに高電圧を印可させる電源部１４と、動作ガス２が充填されているガス充填部からガス供給管へ動作ガス２を供給させるガス供給弁１５と、ガス供給管から内部電極部１０へ動作ガス２を噴出させるガス噴出弁１６と、内部電極部１０と外部電極部１１との間を流れる電流を計測する電流計測コイル１７と、プラズマ発生空間部１３内のガスを排気するガス排気部１８とから構成される円筒形状の装置である。
【００１６】
内部電極部１０内には、長手先端方向に動作ガス２を誘導するガス通過路１０ａが形成されている。また、内部電極部１０には、ガス通過路１０ａの管路先端部１０ｂに対向した位置にガス噴出孔部１０ｃが形成されている。
【００１７】
ガス供給弁１５は、開閉動作によりガス充填部からガス供給管へ動作ガス２を供給する。また、ガス供給管は、その両端がそれぞれガス供給弁１５とガス噴出弁１６とに接続されている。
【００１８】
ガス噴出弁１６は、ガス供給管に充填されている高圧状態の動作ガス２をガス通過路１０ａへ供給する。具体的に、ガス供給弁１５及びガス噴出弁１６は、その内部に設けられたコイルに電流を流すことにより、電磁石の磁力で開閉する構造になっている電磁弁が一般的に用いられている。
【００１９】
ガス通過路１０ａには、ガス噴出弁１６の開口によって動作ガス２が供給される。また、ガス通過路１０ａは、供給された動作ガス２を管路先端部１０ｂへ誘導する。また、ガス噴出孔部１０ｃは、断面が軸対称の凸形状であって、その凸部が管路先端部１０ｂに対向した位置に形成されている。また、ガス噴出孔部１０ｃは、管路先端部１０ｂに誘導された動作ガス２を、ガス通過路１０ａのガス通過方向に対して垂直な方向へ均等に誘導してプラズマ発生空間部１３内へ均等に噴出させる。
【００２０】
外部電極部１１には、ガス噴出孔部１０ｃのガス噴出面の周囲を覆う円筒状の外部電極先端部１１ａが形成されている。よって、動作ガス２は、外部電極先端部１１ａの壁面に対して垂直な方向に、内部電極部１０のガス噴出孔部１０ｃ付近から噴出される。
【００２１】
なお、外部電極先端部１１ａは、円筒形状、又は棒を円環状に配置したものとなっており、ガス噴射孔部１０ｃのガス噴出面を覆うような形状であれば、いかなるものを用いるようにしてもよい。
【００２２】
したがって、動作ガス２は、まず、ガス噴出弁１６により高速な開閉動作が行われることによって、パルス的にガス通過路１０ａへ供給される。その後、動作ガス２は、ガス通過路１０ａを通過して、管路先端部１０ｂとガス噴出孔部１０ｃと間に形成されている隙間から、ガス通過路１０ａのガス通過方向に対して垂直な方向に噴出される。
【００２３】
なお、内部電極部と外部電極部との電極間に、動作ガス２を局在化させて噴出させる形状を有した電極部であれば、上述した内部電極部１０を構成する形状に限られない。
【００２４】
また、動作ガス２を内部電極部１０と外部電極部１１と間に、動作ガス２を局在化させて噴出させるための具体的な条件の一例を示す。例えば、ガス供給管には、４〜５気圧の動作ガス２が充填されており、パルス時間間隔が１ｍｓ以下の高速な弁の開閉動作を行う。さらに、ガス噴出弁１６から噴出された動作ガス２は、ガス噴出弁１６とガス通過路１０ａとの間に設けられたラバルノズルを通過することによって超音速まで加速する。そして、超音速まで加速した動作ガス２は、ガス通過路１０ａを通過して、管路先端部１０ｂとガス噴出孔部１０ｃとの間に形成されている隙間からプラズマ発生空間部１３へ噴出される。
【００２５】
電流計測コイル１７は、内部電極部１０と外部電極部１１との間を流れる電流を計測するコイルである。
【００２６】
ガス排気部１８は、プラズマ発生空間部１３に形成された開口部１３ａに接続された排気管を通じて、プラズマ発生空間部１３内部の気体を吸引することにより、プラズマ発生空間部１３内を略真空状態に保つ。
【００２７】
次に、プラズマフォーカス装置１を用いて、高温高密度のプラズマを発生させる工程について説明する。
【００２８】
まず、プラズマフォーカス装置１は、ガス排気部１８を用いて、プラズマ発生空間部１３内を略真空状態にさせる。
【００２９】
動作ガス２は、ガス供給弁１５からガス噴出弁１６を介して、ガス通過路１０ａへ供給される。その後、動作ガス２は、図２に示すように、ガス通過路１０ａから管路先端部１０ｂへ流れ、ガス噴出孔部１０ｃによって、外部電極電極部１１ａに対して垂直方向へ均等に誘導され、超音速でパルス的に噴出される。
【００３０】
動作ガス２は、ガス噴出孔部１０ｃから噴出された後、ガス噴出孔部１０ｃ周辺の内部電極部１０と外部電極電極部１１ａとの間に印可された電圧によって、円環状のプラズマ２１が発生して内部電極部の軸方向に移動する。ここで、ガス噴出孔部１０ｃから噴出される動作ガス２の噴出速度は、当該動作ガス２を電極間に局在化させるために、超音速でなければならない。よって、プラズマフォーカス装置１において、動作ガス２は、ラバルノズルを通過することにより超音速に加速される。
【００３１】
ガス噴出孔部１０ｃと外部電極部１１ａとの間に形成された円環状のプラズマ２１には、当該プラズマ中を流れる電流と、その電流が作る磁場とにより、ガス噴出孔部１０ｃの長手軸先端方向に電流が磁場から受ける力２２が作用する。つまり、プラズマ２１は、図３に示すように、電流が磁場から受ける力２２により内部電極部１０の先端方向に向かって加速して移動する。
【００３２】
プラズマ２１は、図４に示すように、内部電極部１０の先端部分まで到達すると、ガス噴出孔部１０ｃの中心軸へ向かう径方向へ収縮する。そして、プラズマ２１の収縮運動により、ガス噴出孔部１０ｃの長手先端方向に、高温高密度状態のプラズマ２３が形成される。
【００３３】
さらに、動作ガス２は、高温高密度状態のプラズマ２３が形成された後に、ガス排気部１８により排気される。このようにして、プラズマ発生空間部１３内は略真空状態に保たれる。
【００３４】
ところで、従来のプラズマフォーカス装置は、当該装置内に動作ガスが充填されている。このため、絶縁部表面では、内部電極部と外部電極部との間に電圧が印可されると、沿面放電が起こる。したがって、従来のプラズマフォーカス装置の絶縁部は、繰り返し沿面放電が起こり劣化してしまう。
【００３５】
また、従来のプラズマフォーカス装置は、プラズマが電極先端方向へ移動する際にインダクタンスが増加して誘導起電力による高電圧が発生し、絶縁部に二次的な沿面放電が起こる。よって、従来のプラズマフォーカス装置は、この絶縁部の沿面放電により電源回路が短絡して内部電極と外部電極との電極間に供給される電力が低下するため、高温高密度のプラズマを効率よく形成することができなかった。
【００３６】
このような従来のプラズマ発生装置に対して、本実施形態に係るプラズマフォーカス装置１は、高圧状態の動作ガス２をパルス的に噴出させて動作ガス２を電極間に局在化させるので、絶縁部１２において沿面放電を十分に抑制することができる。したがって、プラズマフォーカス装置１は、絶縁部１２の劣化を生じさせることなく、一点に収束した高温高密度のプラズマ２３を繰り返し形成することができる。また、プラズマフォーカス装置１は、プラズマ発生空間部１３内で、動作ガス２を局在化させて放電させるため、上述した二次的な放電を低減することができる。
【００３７】
＜第２の実施例＞
第２の実施例のプラズマフォーカス装置３は、図５に示すように、第１の実施例のプラズマフォーカス装置１に対して内部電極部３０と外部電極部３１との形状が異なり、それ以外の構成が第１の実施例のプラズマフォーカス装置１と同様である。
【００３８】
内部電極部３０内部には、長手先端方向に動作ガス２を誘導するガス通過路３０ａが形成されている。また、内部電極部１０には、ガス通過路３０ａの長手方向の管路先端部３０ｂに対向して、ガス噴出孔部３０ｃが形成されている。ガス噴出孔部３０ｃは、断面が軸対称の略円錐形体であって、その突起部分が管路先端部３０ｂに対向して形成されている。
【００３９】
外部電極部３１には、内部電極部３０の長手先端方向の延長上に円環形状の外部電極電極板３１ａが形成されている。また、外部電極電極板３１ａは、当該円環形状の中空部分の内径が内部電極部３０の外径よりも大きい。
【００４０】
また、動作ガス４は、ガス供給弁３５からガス噴出弁３６を介して、ガス通過路３０ａへ供給される。
【００４１】
ガス通過路３０ａは、ガス噴出弁３６の開閉動作によって高圧状態でパルス状の動作ガス４が供給される。ガス噴出孔部３０ｃは、ガス通過路３０ａを通過して管路先端部３０ｂに誘導された動作ガス２を、ガス通過路１０ａのガス通過方向に対する鋭角方向に誘導して、プラズマ発生空間部３３内へ均等に噴出させる。
【００４２】
次に、プラズマフォーカス装置３を用いて、高温高密度状態のプラズマを形成させる形成工程について説明する。
【００４３】
まず、プラズマフォーカス装置３は、ガス排気部３８を用いて、プラズマ発生空間部３３内の圧力を低下させ略真空状態にさせる。
【００４４】
動作ガス４は、ガス供給弁３５からガス噴出弁３６を介して、ガス通過路３０ａへ供給される。その後、動作ガス４は、図６に示すように、ガス通過路３０ａから管路先端部３０ｂへ流れる。さらに、動作ガス４は、ガス噴出孔部３０ｃによって、ガス通過路１０ａのガス通過方向に対して鋭角方向へ均等に誘導され噴出される。
【００４５】
その後、ガス噴出孔部３０ｃと外部電極電極板３１ａとの間に印可された電圧によって、円環状のプラズマが形成される。そして、当該プラズマは、プラズマ発生室３３の空間を電極の長手先端方向へ移動する。ここで、プラズマは、当該プラズマに流れる電流によって生じる電流が磁場から受ける力により、ガス噴出孔部３０ｃの中心軸に向かう径方向へ収縮する。この収縮動作により、図６に示すように、電極間に形成されたプラズマ４０の一部において、高温高密度状態のプラズマ４１が、ガス噴出孔部３０ｃの先端中心でその長手方向の延長上の一点に形成される。
【００４６】
ところで、第１の実施例のプラズマフォーカス装置１は、発生させたプラズマの大部分をプラズマ発生空間部１３内で膨張させてしまう。したがって、第１の実施例のプラズマフォーカス装置１によって発生されたプラズマは、一部分が収縮作用により高温高密度となる。
【００４７】
これに対して、第２の実施例のプラズマフォーカス装置３が発生するプラズマは、第１の実施例のプラズマフォーカス装置１が発生するプラズマに比べて、内部電極部の軸方向への移動が少なく、その大部分が径方向への収縮する。したがって、第２の実施例のプラズマフォーカス装置３は、第１の実施例のプラズマフォーカス装置１に比べて、高温高密度のプラズマを効率よく生成することができる。
【００４８】
また、プラズマをより効率よく収縮させる形態として、ガス噴出孔部３０ｃの形状を変更して、動作ガス４のガス噴出角度を、図７に示すように、内部電極部３０の長手方向に対して平行にすることが考えられる。このようなプラズマ発生装置は、プラズマフォーカス型ではなくＺピンチ型と呼ばれている。ここで、Ｚピンチ型プラズマ発生装置から形成される高温高密度状態のプラズマ４１は、内部電極部の長手先端方向の延長上に点在するため、一点に収束形成されない。
【００４９】
これに対して、第２の実施例のプラズマフォーカス装置３は、一点に収束された高温高密度のプラズマを効率よく形成することができる。
【００５０】
ところで、上述したように、プラズマフォーカス装置は、生成した高温高密度状態のプラズマから光が放出されるため、様々な波長領域の光源として用いられる。
【００５１】
例えば、半導体リソグラフィのため、プラズマフォーカス装置を波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光源としては、動作ガスにキセノンを使用する方法、又は、内部電極部や外部電極部にスズやリチウムを用いて動作ガスに水素を使用する方法がある。
【００５２】
また、プラズマフォーカス装置を軟Ｘ線光源として用いる場合には、例えば、動作ガスにアルゴンガスを用いることで４．４ｎｍの波長領域の光が得られる。また、メタンなど炭素を含むガスによる放電で波長２．５ｎｍの波長領域の光が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の各構成を示した断面図である。
【図２】プラズマの発生過程を示した、第１の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の断面図である。
【図３】プラズマの発生過程を示した、第１の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の断面図である。
【図４】プラズマの発生過程を示した、第１の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の断面図である。
【図５】第２の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の各構成を示した断面図である。
【図６】プラズマの発生過程を示した、第２の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の断面図である。
【図７】プラズマの発生過程を示した、ガス噴出方向を変更した第２の実施形態におけるプラズマフォーカス装置の断面図である。
【図８】従来のプラズマフォーカス装置における、プラズマの発生過程を示した断面図である。
【図９】プラズマフォーカス装置を光源として利用した模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、３  プラズマフォーカス装置、２、４  動作ガス、１０、３０  内部電極部、１１、３１  外部電極部、１２、３２  絶縁部、１３、３３  プラズマ発生空間部、１４、３４  電源部、１５、３５  ガス供給弁、１６、３６  ガス噴出弁、１７、３７  電流計測コイル、１８、３８  ガス排気部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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