低エネルギー電子ビーム励起極端紫外光源の開発
米田研究室 引地

学 0212104

１．序論

２．EUV 光源材料

極端紫外(EUV)領域の光は、波長数十 nm、フォトン
エネルギー数百 eV の波長帯で、特に、波長 13.5nm のEUV 光は、将来の光リソグラフィ用光源として非常に注目されている。さて、現在勢力的に開発されているリソグラフィ用 EUV 光源は、レーザー生成プラズマ方式と放電生成プラズマ方式の二つである。この手法は、どちらも数十 kW 以上のエネルギーを物質に与えてプラズマ化させることによって 10 価程度の多価イオンを作り、特異な遷移をする 4d-4f 遷移から放射される熱平衡な EUV 光を得るというものである。
しかし、この手法の場合、物質の温度は数万度以上に達するため、その際に大量のデブリ（イオンなどの飛散粒子の総称）が発生し、周辺の光学素子の汚染や破壊をもたらす。そのため、検査用や分光用の EUV 光源としては不向きで、別途静的で安定な EUV 光源が要求されている。
一方、Ｘ線放出には、内殻を電子や光子により励起し、Kα線などを出す方法もある。この手法の場合、物質の温度上昇による液化、気化等の状態変化が起こらないため、物質の固体状態を保つことが可能である。
しかし、現在では keV 以上のＸ線源のみこの手法が用いられている。
そこで、本研究では、13.5nm を含む波長帯における静的な EUV 光源として、Ｘ線源に用いられている内殻励起法を応用し、ＥＵＶの放射エネルギー程度の低エネルギー電子ビームを用いた光源の開発を行うことを目的としている。そして、その第一段階として、この領域において、内殻励起法によって発光が見込める物質である Ge を用いた原理実証実験を行う。

本研究では、リソグラフィ用の光源材料に用いられている Xe や Sn に代わって、ゲルマニウム(Ge；原子図 1.1 内殻励起法による発光の模式図

1

番号 32, 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 10 4 s 2 4 p 2 )を使用する。
そのため、選択されるべき光は、n=4→n=3 の緩和光となる。
さて、内殻励起において 13.5nm 付近の EUV 発光が見込める物質を表 2.1 に示す。
表 2.1 内殻励起において 13.5nm 付近の EUV 発光が見込める物質
物質
K殻励起（n=2→n=1)

Be
物質

L殻励起（n=3→n=2)

M殻励起（n=4→n=3)

Ｋα線の放出波長[nm]
11.5
イオン化エネルギー[eV]

励起軌道
2 p1 ~ 2 p 6 → 3d

放出波長[nm]Mg

80.1〜266.0

Al120.0〜330.1

2 p1 ~ 2 p 6 → 3d

6.4〜18.6

Si

166.8〜401.4

2 p1 ~ 2 p 6 → 3d4.4〜9.6

Ge

93.5〜151

3d 8 ~ 3d 10 → 4 p

16.5〜33.2

6.0〜13.0

まず、K 殻励起においては、特性Ｘ線の放出波長から物質を選定することができる[1]。K 殻励起の場合、Be(Z=4)でその放出波長は 11.5nm であり、B(Z=5)以降では EUV 領域よりも短波長となってしまうため、内殻励起に用いることができる物質は Be のみである。
次に、L 殻励起以降の物質を選定する。L 殻以降の物質の場合、Ｋα線放出においてその波長が EUV 領域に相当する物質のデータが存在せず、特性Ｘ線の放出波長から物質を選定することができない。そこで、物質の各軌道でのイオン化エネルギーとその際の放出波長のデータを用いてある程度の物質の見積もりを行った[2][3]。なお、このデータは外殻に電子が存在しない場合の値であるため、内殻励起の値とは異なる。このような方法を用いて物質を選定すると、L 殻励起において Mg、Al、Si、M 殻励起において Ge となる。それぞれのイオン化エネルギーと放出波長は表2.1 に示す。ただし、L 殻・M 殻の各値は、それぞれ2p 軌道から 3d 軌道、及び 3d 軌道から 4p 軌道への励起のみであるので、実際にはこの値よりも広範囲の放出波長が期待される。
さて、光源を作成する場合に重要となるのは、要求される波長帯においてたくさんのスペクトル線を持っているということである。そのため、原子番号の大きい物質ほど、励起の仕方が複数存在し、広帯域な発光が期待できる。特に Ge の場合、励起において 16.5nm〜20.8nm の波長帯に 222 本ものスペクトル線を持っている。したがって、Ge の内殻励起による発光の場合でも、そのスペクトル線は非常に広帯域のものが得られることが期待される。

３．電子ビーム源の試作間が 4.2mm である。
さて、作成した電子ビーム源の電子電流対加速電圧特性、及び電子電流対時間特性は図 3.2、図 3.3 のようになっている。図 3.2 の黒の実線は空間電荷モードの理論式を表しており、青の実線が試作した電子ビーム源のデータの近似曲線である。青い実線の傾きは1.5 と加速電圧 V 対して V32という空間電荷モードの理論式に傾きが一致しており、この電子ビーム源は電子放出が充分で、時間的にも安定しているといえる。

1000

電子電流[μA]y = 0.2748x1.5441

1000.3mm−6.20A
空間電荷モードの理論式

10累乗 (0.3mm−6.20A)

1110
加速電圧[V]100

図 3.2 電子電流対加速電圧特性
1200.3mm−6.20A

電子電流[μA]

100806040200

図 3.１ 試作した電子ビーム源の模式図とその寸法
試作した電子ビーム源は図 3.1 のようになっている。
フィラメントから放出された熱電子はグリットで加速され、静電レンズで Ge 先端に照射される。
材質としては、フィラメントがタングステン、グリットと静電レンズ（ワッシャ）はステンレス、それ以外のパーツはセラミック（絶縁・耐熱媒質）を使用した。また、静電レンズはアース電位のポテンシャルを保つため、絶縁・耐熱性に優れた樹脂接着剤でセラミック上に固定されている。さらに、Ge の先端は 45°にカットされ、2πsr 方向に発光が取り出せる構造になっている。
また、加速電圧は、電子のエネルギーを 100eV 付近で調節することができるように、0V〜300V までの可変直流電圧源を用いている。なお、今回作成した電子ビーム源はフィラメント−グリット間が 4.1mm、グリット−静電レンズ間が 6.8mm、静電レンズ−Ge2

0100200
時間[s]300400

図 3.3 電子電流対時間特性

４．集光ミラーGe から放射される光は 2πsr 方向に放射されるため、光を集光させなければならない。そのため、本研
究では球面ミラー（曲率半径 r = 3000mm, 反射率 R= 90%, 材質 SQ）を用いる。また、球面ミラーの表面には「金」を蒸着する。通常、EUV 領域の光は物質の吸収が激しく、反射率はとても低いが、金を用いた斜入射（入射角 1 rad 未満）反射の場合にはある程度高い反射率を得ることができる。ただし、EUV 領域の場合、その周波数は 1016 Hz オーダーと非常に高いため、表皮効果が大きく、蒸着を行う場合には、金の膜厚が EUV 光のスキンデプス以上でなければならない。ちなみに、13.5nm の EUV 光における真空中の金のスキンデプスは、δ=0.51nm である。図 4.1

4 ~ 6 × 10 −5 Torr 、電子増倍管部分が 1 ~ 2 × 10 −5 Torr である。また、回折格子は電気信号制御で 15 秒おきに１に金の各入射角度に対する反射率を示す[4]。

Åずつ回して測定している。

図 3.12 金へ斜入射させた場合の各入射角度に対する反射率。[4]より引用。
球面ミラーで反射、集光した光が一段目スリット上にスポットする条件は以下の式で与えられる。ただし、
r1 [m]が Ge の先端から球面ミラーの中心までの距離、r2 [m]がミラーの中心から一段目スリットまでの距離、Rt [m]が球面ミラーの曲率半径、θ [rad]が球面ミラーの垂線と入射光のなす角度である。

図 5.1 スペクトル分光測定装置の模式図
スペクトル分光測定の結果を図 5.2、及び図 5.3 に示す。なお、このデータはペンレコーダーで記録されたものを１ピクセルずつ読み込んで各波長ごとに平均したものである。

1 12+ =
(4.1)
r1 r2 Rt cosθ1

スペクトル強度[arb.units]

なお、本研究の場合、θ=1.5rad(86°)であり、入射角は 66mrad で、13.5nm の EUV 光に対して 87%の反射率が得られる計算となる。

５．スペクトル分光測定
図 5.1 に測定装置の模式図を示す。Ge から放射された光は、球面ミラーで集光し、反射される。その後、一段目スリットを通った光が回折格子に入る。そして、波長分解された光が二段目スリットを通って電子増倍管の受光面で検出される。電子増倍管において検出されたフォトンは、電子に変換され、 4 ×107 に増幅され、電流シグナルとなる。さらにそのシグナルはアン

08595105115125135145
波長[Å]155165175185195

図 5.2 加速電圧 150V におけるスペクトル分光測定の結果。フィラメント電流 6.39A、電子電流 38.6μA。

スペクトル強度[arb.units]

1プを用いて 108 V A に増幅され、その電圧の変化をペンレコーダーで記録する。なお、光源部の温度上昇による真空度の低下を考慮して、真空ポンプによる排気は別段排気を行っている。それぞれ一段目排気はロータリーポンプを使用しており、二段目排気は、光源と回折格子においてディフュージョンポンプ、電子増倍管においてターボ分子ポンプ（回転数約 27000rpm）を使用している。到達真空度は現状で、光源部分が08595105115125135145
波長[Å]155165175185195

図 5.3 加速電圧 300V におけるスペクトル分光測定の3結果。フィラメント電流 6.39A、電子電流 230.8μA。

図 5.4 に使用している電子増倍管の分光感度特性を示す。図 5.2、図 5.3 において観測している波長帯は、図 5.4 からわかるように感度をもたないため実際のシグナルはもっと大きな値になると推測される。また、120Å付近と 170Å付近での量子効率にも 2%〜3%程度の差が見込めるため、そのことも考慮する必要がある。

量子効率[%]

1001012004006008001000
波長[Å]12001400

図 5.4 電子増倍管の分光感度特性。EUV 領域(〜200Å)には感度をもたないことが読み取れる。なお、この分光感度特性は、浜松フォトニクス社の電子増倍管ヘッドオン型 R595 の仕様書より引用した。
さて、まず加速電圧 150V の場合、175Å〜178Åのところに非常に大きく、幅の狭いシグナルが得られた。
しかし、Ge のイオン化ポテンシャルによる見積もり
では、16.5nm〜20.8nm の波長帯において非常に広帯域のスペクトル線が得られるはずである。ここから、加速電圧 150V に対して、電子は、６価のイオン化ポテンシャル 151eV に相当するエネルギーを持っていないことがわかる。そのため、Ge は５価までしかイオン化しておらず、その際の放出波長は最低 218.2Åであるため、このような結果が得られたと考えられる。
一方、加速電圧 300V の場合、160Å以降で広帯域なスペクトル線が観測されており、これは、６価の Ge イオンから放射されたイオン発光によるものであると考えられる。この場合の放出波長は 165Å〜208Åであり、確かに一致している。
しかし、注目すべき点は、加速電圧 150V のデータにおいて、イオン発光では考えられない波長帯(200Å以下)において光のスペクトルが観測されているということである。これはまさに内殻励起によって放射された光が観測されている結果である。図 5.2 のうち、量子効率を考慮して光のスペクトルと考えられるのは、113Å〜134Å、138Å〜141Å、及び 175Å〜178Åの波長帯のシグナルである。特に 113Å〜134Åの波長帯においては、ある程度幅のあるスペクトルが観測されている。ただし、このスペクトルデータは非常4に微弱な信号を電子増倍管とアンプを用いて 1016 倍に増幅しているということを念頭に置かなければならない。Ge に到達した電子密度に対して、電子増倍管の受光面に到達した光子密度の比を取ると、その変換効率は数μ％程度である。

６．結論
本研究では、13.5nm を含む波長帯における静的なEUV 光源の開発を目標に、その領域において、内殻励起法によって発光が見込める物質である Ge を用いた原理実証実験を行った。具体的には、加速電圧 300V以下で駆動可能な電子ビーム源を試作し、8.5nm〜20nm までの波長帯におけるスペクトル分光測定を行った。その結果、加速電圧 150V において内殻励起による発光が 11.3nm〜13.4nm、13.8nm〜14.1nm、及び 17.5nm〜17.8nm の波長帯において微弱（変換効率数μ％）ではあるが、観測された。
したがって、Ge を用いた 100eV 程度のエネルギーの電子ビームによる内殻励起によって、EUV 領域での発光が見込めるという原理実証が、実験的に成されたといえる。
そこで、今後の課題としては、まず、加速電圧を100V〜150V の間で変化させてスペクトル分光測定を行い、どのような条件の時に 13.5nm を含む波長帯において発光が観測されるのかどうかを明らかにする必要がある。そして、その条件が明らかとなったら、次に市販のより優れた電子ビーム源を用いて、変換効率の飛躍的な向上等を目標に本格的な光源開発に移っていく予定である。

参考文献[1]理科年表（国立天文台, 1995）.
[2]R.L.Kelly, Atomic and Ionic Spectrum Lines
below 2000 Angstoms: Hydrogen throughKrypton Part 1(H-Cr).
[3] R.L.Kelly, Atomic and Ionic Spectrum Lines
below 2000 Angstoms: Hydrogen throughKrypton Part 2(Mn-Kr).
[4]B.L.Henke, E.M.Gullikson, and J.C.Davis,“Specular Reflectivity for Mirrors”, Atomic
Data and Nuclear Data Tables, Vol. 54, No. 2,
July 1993.