(57)【要約】      （修正有）【課題】ピンチプラズマのパルス生成器を提供する。【解決手段】パルス放電型極紫外線（ＥＵＶ）光源のための磁気的にシールドされた効率的なプラズマ生成構造であって、定常磁場に平行な軸に取り付けられる２つの対向する凸電極１０、２０を含む。電極間に配置されるリミッタ開口は、磁場線と共に、電極間をつなぐ中空プラズマシリンダ９０を画定する。高パルスの電圧および電流は、プラズマシリンダ９０およびその内部磁場を圧縮し、同時に各側面から電極チップ間の空間に向けて活動ガスを進めるような磁気絶縁層を形成する。プラズマは次いで径方向に３次元圧縮するように崩壊し、デバイスの軸上に、極紫外線の放出を伴う高密度プラズマを形成する。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンチプラズマのパルス生成器であって、
同軸上に対向するように配置される２つの凸形状の電極、
電極の共通の軸に平行に印加される定常磁場、
電極の間に位置する軸の中心に穴を有するリミッタディスク、および
充填された低圧ガス、
を含み、
電極間のパルス電圧は、最初に前記穴により確定される直径の円筒状シート内に電流を引き起こし、電流シートは、プラズマピンチ効果により電極の凸表面上に崩壊させられ、定常磁場を各表面上の保護シースとなるよう圧縮し、電極間の軸上に高密度、高温のプラズマピンチを形成する、
前記パルス生成器。
【請求項２】
交流パルス電圧により駆動される、請求項１に記載のパルス生成器。
【請求項３】
パルス周波数が、パルス間で部分的なガス電離が持続するに十分な高さである、請求項１に記載のパルス生成器。
【請求項４】
主電流パルスの印加より前に、点火電圧パルスがリミッタディスクに印加される、請求項１に記載のパルス生成器。
【請求項５】
電極間に複数のリミッタディスクが分配される、請求項１に記載のパルス生成器。
【請求項６】
作動ガスが、広角ヒートパイプ内のヘリウムガスを含む金属蒸気であり、リミッタディスクが円錐形状を具備し、ヒートパイプの金属蒸気凝縮および還流表面を含む、請求項５に記載のパルス生成器。
【請求項７】
請求項６のプラズマ生成器内に形成されるプラズマピンチにより活性化された二価にイオン化されたリチウムの１３．５ｎｍ放射に基づく極紫外光源。
【請求項８】
加熱領域からのＥＵＶ放出を促進するためにレーザーパルスにより小さな容量でさらに過熱されたプラズマを有する、請求項６のプラズマピンチ生成器内で活性化された金属イオンの放射に基づく極紫外光源。
【請求項９】
加熱領域からの１３．５ｎｍ放射を促進するためにパルス炭酸ガスレーザーにより小さな容量でさらに過熱されたプラズマを有する、請求項６のプラズマピンチ生成器内で活性化された二価にイオン化されたリチウムの１３．５ｎｍ放射に基づく極紫外光源。
【請求項１０】
金属蒸気が、電極内部のチャンバからの蒸発により、電極の軸上の小さな穴を介して補充され満たされる、請求項６に記載の生成器。
【請求項１１】
凸状の電極の形状が実質的に円錐である、請求項１に記載の生成器。
【請求項１２】
請求項１のプラズマピンチ生成器、集光反射光学素子、および、プラズマから使用点への経路に沿った作動ガス圧を低減する手段を少なくとも含む極紫外光源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
多くの放電型極紫外線（ＥＵＶ）源は、電極表面からの高電流の立ち上がりを要求する（例えば、 US patent 5,504,795 "Plasma X-Ray Source", McGeoch (1996); US patent 6,541,786 "Plasma Pinch High Energy with Debris Collector", Partlo et al., (2003)）。この活性に関連した重要で長期にわたる問題は、このようなデバイスのピーク電流、パルス間隔およびパルス寿命を制限する、電極の加熱および腐食の度合いである。超高電流における一般的な状態は、イオン衝撃により生み出される極度に熱い表面からの電子の“超放出”であるが、この状態は、依然として電極素材の蒸発を伴うものである。先行米国特許申請（US application 12/854,375 "Z-Pinch Plasma Generator and Plasma Target", McGeoch (2010)）には、従来のカソードに対して２つの利点がある磁気的に補助されたカソードが開示されている。
【背景技術】
【０００２】
第一に、プラズマ電極シースおよび印加される磁場の交差電場における電子の方位角方向へのドリフトは、電流を非常に均一に分散するため、表面のホットスポットが解消される。第二に、表面二次電子のらせん軌道は、最大イオン化断面のエネルギーに近い電子エネルギーを維持することにより、さらに効率の良いイオン化を形成するため、二次形成のための表面上のイオン衝突は活発でなく、故にスパッタリングおよび表面加熱が低減される。出願人の実験室において、この原理に基づくカソードは、無視できる程度の表面浸食を伴って、Ｚピンチプラズマ生成デバイス内において、ヘリウムおよびリチウムの混合物中で動作させ、２μｓｅｃ間隔、８ｋＡ以上のパルスを１億回以上形成した。
【０００３】
磁気的に補助されたカソードは、Ｚピンチ生成のための凹面カソード構造において使用されてきた（US application 12/854,375 "Z-Pinch Plasma Generator and Plasma Target", McGeoch (2010)）。このアプローチは、上記の均一性および効率的な電子増幅の利点を与える一方で、収束ホットプラズマからの電極の磁気シールドは提供しない。また、凹面アプローチでは、圧縮されたガスの２次元以上の収束は提供されない、すなわち、円筒状のプラズマシェルは、長さの変化なくデバイスの軸へと圧縮されるため、ピンチの線密度は限定的なものである。しかしながら、リチウム蒸気からの極紫外線（ＥＵＶ）生成が試みられる場合には、ピンチにおいて高線密度が必要であり、そして、これを２面圧縮だけで整えることは、得られるリチウム蒸気圧が限られたものであるため困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、凸状で、テーパー状の磁気に補助された電極の使用による、リチウム蒸気等の動作ガスの３次元圧縮を導入る。初期の円筒状プラズマシェルは、磁力線と、電極および磁場の共通軸に垂直な円形開口との交差により画定される。電極は凸表面が互いに対向するうように配置されるため、プラズマシェルが高電流のピンチ効果により圧縮されると、内部磁場がその表面上に圧縮され、動作ガスが電極間の中央ギャップに向け推される。これにより、２次元圧縮の数倍のピンチ密度が実現された３次元ガス圧縮が生じる。
【０００５】
印加される磁場（磁気的な補助）の第一の機能は、ＥｘＢドリフトを介した初期プラズマの方位角方向への分散である。方位角方向への対称性は、ホットプラズマを正確にデバイス軸上に最終形成するために必須である。プラズマは、印加電圧パルスに対して、表面イオン化の増加という対応をするので、高密度プラズマには半径方向の広がりに、スキンデプス限界がある。したがって、印加される磁場によりガイドされ、円形開口の寸法によりその外側表面が画定されたプラズマの円筒状シェルが生じる。円筒の端は、印加される磁場が電極に交差する場所に位置する。
【０００６】
磁場の次の機能は、電極をプラズマ熱から保護することである。短い高電流パルスが電極間をプラズマシェルを介して流れると、シェルは内側に動いて内部磁場を圧縮し始めるが、磁場は電流パルスの時間スケールの間では、電極に侵入することができない。磁場は、入ってくるプラズマシェルおよび電極の間に挟まれるため、高い磁場の絶縁層を形成し、プラズマ熱が電極に到達することを防ぐ。このような場合、プラズマシェルの、印加される磁場を横切る拡散時間は、圧縮時間よりずっと長い。
【０００７】
内側に動くプラズマシェルは、動作ガスを各端から中央に掻き込むため、シェルがすべての方向から中央に近づいていく時に、有利な高密度が達成される。シェルがデバイスの軸上に収束するにつれ、動作ガスの圧縮加熱およびイオン化が起こる。その時までに流れた高電流は、オーム加熱の主な源になり、イオン励起を通してＥＵＶ放射に変換されるエネルギーとして寄与する。電流路は、電極を保護する磁気層の外側表面上に残り、電極チップには集中しないため、過度の局所加熱およびスパッタ浸食を防ぐ。軸付近のより高い温度および密度は、高電流が軸の範囲内に侵入するのに十分な磁場拡散の比率を局所的に提供する。
【０００８】
本発明の態様にしたがって、ピンチプラズマのパルス生成器が提供される。パルス生成器は、同軸上に対向して配置される２つの凸形状の電極を含み、定常磁場が電極の共通の軸に平行に印加され、軸上の中央に穴を具備するリミッタディスクが電極間に位置し、低圧ガスか充填される。ここで、電極間のパルス電圧は、前記穴により画定される直径の円筒状シート面内の初期電流を引き起こし、電流シートはプラズマピンチ効果により電極の凸表面上に崩壊させられ、定常磁場を圧縮して各表面上の保護シースとして、電極間の軸上に高密度、高温のプラズマピンチを形成する。
【０００９】
本発明をより理解するために、参照することにより本願に組み込まれる添付図面について述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の態様にしたがった、円筒対称性を有するプラズマ生成構造の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの構造内の収束プラズマシェルを示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一態様におけるプラズマ開始の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、軸に沿った、図２Ａの電極構造の断面図である。
【図３】図３は、電極内にリチウムを封入したものおよび複数のリミッタディスクを組み込んだ、プラズマ生成構造の断面図である。
【図４】図４は、開始事前パルス生成器を有する、プラズマ生成構造の断面図である。
【図５】図５は、プラズマ生成構造の一態様を組み込んだＥＵＶ源システムの断面図である。
【図６】図６は、本発明の一態様にしたがった、非対称プラズマ生成構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１の態様の動作は、図１Ａおよび１Ｂを参照して示され、図は回転軸１５の周りに円筒対称性を有する電極構造内のプラズマ発生の２つの段階を示す。電極１０、２０が、軸１５の周りに円筒対称性を有して対向しており、互いに向かい合う凸表面を有する。その中心が対称軸１５上にある円形の中心穴を有するディスク３０が、電極１０、２０の間の中間に位置づけられる。パルス電圧および電流生成器５０が、導体４０を介して電極１０、２０の間に接続される。本発明の好ましい態様における生成器５０は、交流極性のパルスを電極に提供する。対称軸１５に平行な磁力線６０を有する定常印加磁場Ｂが、存在する。作動ガス７０が電極間空間を充填する。このガスは、そのスペクトル線放出が印加に要求される波長に適合するように選択され得る。例えば、リチウム蒸気は、半導体のパターニングに有用な１３．５ｎｍ光の生成のために選択され、放射を発生させる核種は２価にイオン化されたＬｉ２＋状態である。
【００１２】
本発明の好ましい態様では、電圧および電流パルスは、次に続くパルスが起こる時にガス７０内で残りの測電離が起きるのに十分なだけ高い周波数で印加される。リチウム蒸気の場合は、この周波数は約１ｋＨｚを超えなければならないであろう。電圧パルスの急速な印加により、環状ディスク３０の内径およびディスクに垂直に走る定常印加磁場線６０により画定される円筒状のプラズマシェル７５内でのイオン化が開始される。シェルの厚さは、印加される電圧パルス内の周波数成分におけるプラズマのスキンデプスに関係づけられる。図２Ａおよび２Ｂを参照して以下に示されるように、プラズマシェルは、表面に形成される二次電子の方位角方向のドリフトに起因する方位角方向の優れた均一性を有して開始される。印加される電流パルスが増加するにつれ、電流を運ぶ電子と相互作用するこの電流の自己磁界により、プラズマシェル７５が内側に推される、すなわちピンチ効果である。
【００１３】
プラズマシェルのその後の位置８５が、図１Ｂに示される。このスナップショットにおいて、電極近くのシェルの端部は、内部磁場線を電極表面上の薄層６５へ圧縮し、この層内の磁場振幅は電極先端に向けて増幅される。磁場は、関心がある周波数成分であるＭＨｚ周波数においては比較的小さい、電極のスキンデプス以上に、電極に入ることはできない。電極の外側部分の周りに以前に形成されていた作動ガスは、収束プラズマシェルにより押し込まれ、デバイスの中心へ向けて進む。圧縮の最終段階において、高密度ガスシリンダ９０が電極先端間に形成され、軸上での滞留でもたらされる慣性エネルギーのため、ガスは、場合によってはいくつかのイオン化段階を経て、高温に過熱される。印加された電流の消散による継続的な熱の入力（オーム加熱）は、短波長放射の放出のためのエネルギーを提供する。印加される電流は、電極の外側端において立ち上がり、磁気絶縁のおかげで接触せずに輪郭表面によりガイドされ、シリンダ９０内の最高密度位置において収束することで、熱を蓄積する。
【００１４】
図２Ａおよび２Ｂは、方位角方向に均一性のとれたプラズマシェルの発達を示す。図２Ａにおいて、初期の低密度プラズマシェル７５は、生成器５０からの印加電圧に応答して発達する。シェル７５が電極１０、２０に当たる場所には、それを横切って電圧降下があるプラズマシース９５が存在し、電場は電極表面に垂直である。図２Ｂに示すように、表面を離れる二次電子は、交差磁場またはＥｘＢドリフトを行う。図１Ａおよび１Ｂを参照して上記に示されるように、これら電子の方位角方向への運動は、プラズマピンチ効果の下でのその内側への運動より前の、プラズマシェル７５の位置および濃度の両方における方位角方向への良好な対称性を保証する。この高度な対称性は、高密度プラズマ９０のための正確な最終位置を保証する。
【００１５】
図３に示される本発明の第２の態様において、熱せられた液価金属の備蓄容器からの蒸発により有用な密度が得られ得る、リチウムのような作動ガスの利用が提供される。この場合、電極１０、２０は、ある量の液体金属１２０を含む内蔵備蓄容器１１０を具備する。対称軸１５に位置する開口穴１３０は、作動ガス空間７０へ金属蒸気を伝達する。リチウム（または問題となる金属）は、電極から得る加熱か、または電極内に取り付けられたヒーター１４０によるか、これらの組み合わせにより蒸発される。広角円錐形の凝縮および湾曲表面構造３０、３５を含む、広角ヒートパイプ（US 7,479,646 "Extreme Ultraviolet Source with Wide Angle Vapor Containment and Reflux", McGeoch (2009)）が示される。軸１５の周りに回転対称性を有する２つの表面を各々有するような、３つの構造が図３に示されるが、このような構造は複数存在し得る。電極の外側表面１５０はまた、ヒートパイプの一部である。リチウムガスの場合は、リチウムを含むようにヒートパイプの外側部分にヘリウム緩衝ガス１６０が存在する（US 7,479,646, McGeoch (2009)）。
【００１６】
安定した操作において、パルサー５０により引き起こされる放電による熱は、必要に応じてヒーター１４０により増強され、電極備蓄容器１１０を、放電領域７０内で要求される金属蒸気密度に適した温度に維持する。さらに、ヒートパイプ構造３０、３５の内側境界の温度は、プラズマ熱排気の送出または他のヒーター手段を介した安定した操作において、備蓄容器１１０の温度と同様な温度に上昇され、構造３０、３５上で凝縮された後に内側に流れる金属の再蒸発を促進する。金属蒸気と接するすべての表面は、したがって同様の温度になり、金属は、デバイス内のいかなる冷温スポット上への純移動も起きないことを保証する。金属蒸気の濃度の望ましい操作を確立してしまうと、プラズマ生成構造の動作は、図３の番号対応する番号で示された図１Ａおよび１Ｂを参照して上述されるように進む。
【００１７】
図４に示されるように、本発明のさらなる態様において、主高電圧パルスＶが生成器５０により提供される前の期間に、生成器５５によりリミッタディスク３０に提供される点火電圧パルスＶ１がある。プラズマ生成器においては、電極１０、２０の一つとリミッタディスク３０の間に印加される電圧Ｖ１が、また一般的に他の電極とディスク３０の間に出るように、電極１０、２０は一般的には低インピーダンスパルス生成器５０を通して互いに接続される。点火生成器５５は、一般的に生成器５０より高いインピーダンスを有するため、主電流パルスが生成器５０から送出されるより前に、重大な電流を送出することまたは重大なピンチ効果に寄与することはない。しかしながら、主パルスの印加の際にイオン雪崩がそこから起こりプラズマシェル７５を作る、基礎イオン化を作り出す働きをする。
【００１８】
本発明のプラズマ生成構造は、ＥＵＶ源システムに組み込むことができ、その態様の一つが図５に示される。図における態様において、プラズマ生成構造は、軸１５の周りに回転対称を有し得るバキュームチャンバ４００内に位置する。要求される定常磁場６０（ラベルＢ）が、チャンバ４００の外側に位置し得るヘルムホルツコイル３００により提供される。鏡１９０は楕円断面形状であってもよく、高密度プラズマ領域９０から放射利用位置２００に向けて、ＥＵＶ光線１８０の再照準が行われる。バリア５００は、ＥＵＶ光に対して実質的に透明であるが、金属蒸気が広角ヒートパイプ内に含まれる場合は、作動ガスまたはヘリウム緩衝ガスの動きに対してのバリアとなる。
【００１９】
これは、領域４２０内に位置する利用点２００を、領域４１０内に位置する作動ガスまたは緩衝ガスから分離して利用することを可能にする。バリア５００は、反射された光線に平行な狭い通路であって、ガスの流れに対して高いインピーダンスを示すが、殆どのＥＵＶ光を伝えるものから成っていてよい。そのかわり、または、それと併用して、バリア５００は、殆どのＥＵＶ光を伝えるサポートメッシュ上に取り付けられる薄膜を含んでもよい。この種類の膜は文献により周知であり、ＥＵＶ光の利用のためのものがＳｃｈｒｏｆｆらによりさらに開発されている（Proc SPIE 6151 paper 615104, Shroff et al. (2006)）。レーザービーム６００を、小さな相互作用領域におけるＥＵＶ生成を促進するために高密度プラズマ９０に向けて集中することができ、それによって、レーザ加熱放電プラズマ（ＬＨＤＰ）源内のＥＵＶ源の輝度を増加させる（US Patent Publication No. US 2009/0212241, "Laser Heated Discharge Plasma EUV Source", McGeoch (2009)）。
【００２０】
レーザービーム６００は、レンズまたはウィンドウ（図５には示さず）を通してチャンバ４００に入り、集束ミラー１９０の穴を通過してデバイスの中心に到達する。同様の構成要素での他の配置も可能であり、その一つにおいて、チャンバの対称軸または楕円形のミラーは、プラズマ生成構造の対称軸１５に対して平行ではない。前述の態様は、請求項に定義される本発明のサブコンポーネントを組み込んだ多くの異なるシステムの内の一つであり、本発明の範囲を制限するものとしては解釈されない。
【００２１】
本発明のさらなる態様が、図６に示される。この態様では、非対称の電極対１０、２０を示し、本発明によれば両方が凸状をしているが、各電極は異なる凸外形をしており、一つの電極（２０）のみが、液体金属備蓄容器１１０へアクセスできる中央穴１３０を具備する。この態様では、金属蒸気の捕捉および再循環のための広角ヒートパイプを構成する３つのリミッタディスク３０、３５、３５を具備する。動作は、図３を参照して示された通りである。すべての可能性のある非対称構造が本発明の範囲に含まれる。
【００２２】
本発明の少なくとも一つの態様は、出願人の実験室において実現された。その一つの態様において、リミッタディスクの穴の直径は２５ｍｍ、開始プラズマシリンダの長さは３０ｍｍであった。０．０４Ｔの定常磁場が、生成器の軸に平行に印加され、直径３ｍｍの中央穴を具備する対称電極が用いられ、リチウムを含むチャンバへのアクセスが提供された。動作においては、２．５ｔоｒｒのヘリウム圧が、広角ヒートパイプ内にリチウムを含んで使用された。４つのリミッタディスクが使用され、その内の２つの中央に事前点火パルスが印加された。プラズマシェルを圧縮するために、２μｓｅｃのパルスおよびピーク電流１０ｋＡが印加された。生成器のパルスは、２ｋＨｚまで上げられ、数百ワットの１３．５ｎｍ極紫外線が発生された。これは、物理的スケールの異なる多くの可能性のある態様の内の一つの例に過ぎず、作動ガスおよび周波数の要求に依存して、異なるピーク電流、パルス幅または印加される磁場を要求する。
【００２３】
本発明をさらに別の態様で実現できることは、当業者にとって明らかである。本発明の少なくとも一つの態様のいくつかの側面が示されたため、その様々な修正、変更および改良は当業者にとって容易である。そのような修正、変更および改良は、本開示の一部であり、本発明の精神と範囲の内である。したがって、前述の説明および図面は、ほんの一例である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【外国語明細書】
2012146637000001.pdf