JP2005276673A - Ｌｐｐ型ｅｕｖ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において、ターゲット材料の量を増加させることなく、ＥＵＶ光の放射量を増加させる。
【解決手段】 ターゲット材料を照射するレーザ光の強度分布をフラット・トップ分布に変換し、レーザ光の強度分布全体がプラズマ化に必要な強度分布を持つようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、露光装置等において用いられるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置に関する。

ＥＵＶ光を発生する手段としてＬＰＰが知られている。ＬＰＰとは、Laser Produced Plasmaの略称であって、細い内径を有するノズル内部から噴射される液体又は気体のターゲット材料にレーザ光を集光照射することにより、レーザ光を照射されてプラズマ化したターゲット材料からＥＵＶ光が放射される。このようなＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置について、特許文献を用いて更に説明する。

特許文献１の図１には、レーザ発振器の出力レーザ光３と、レーザ光を集光するレンズ１３と、ターゲット材料を噴射するノズル１０とを含むＸ線放射線又は極紫外線放射線を発生する装置が示されている。ターゲット材料の噴流１７は、ノズル１０から噴射された後、連続流れ状態を経て断続流れ状態１５及び１２へ変化する。一方、レンズ１３によって集光されたレーザ光３はターゲット材料を照射し、その位置でターゲット材料がプラズマ化してＥＵＶ光を放射する。なお、ＥＵＶ光は気体による吸収が多いため、ノズル１０や、レーザ光照射位置１１（ＥＵＶ光発生領域）等は真空チャンバ内に配置されている。特許文献１には、このようなＸ線放射線又は極紫外線放射線発生装置において、噴流１７が連続流れ状態である範囲にレーザ光３を照射することにより、断続流れ状態よりも確実且つ容易に、レーザ光をターゲットに照射することができることが記載されている。

このようにして生成されたＥＵＶ光は、例えば、半導体露光を行う場合には、曲面型集光ミラーによって集められ、反射ミラー光学系によって露光装置へ伝送される。なお、露光装置内部の投影光学系も反射型である。ここで、ＥＵＶ光は、物質による吸収や物質との相互作用が大きいため、ＥＵＶ光は減衰し易い。そのため、反射部の構造や、そこに用いられる材料の選択とが重要になる。

このようなＥＵＶ光源装置において、ＥＵＶ光の出力を増加させるためには、例えば、ターゲット材料の量や、ターゲット材料を励起するレーザ光の出力を増加させることが考えられる。しかしながら、ターゲット材料を増加させると、チャンバ内に飛散したターゲット材料による光学系の汚染も激しくなるので、ＥＵＶ光の収集効率が低下するおそれがある。また、後述するように、所望の波長成分を有するＥＵＶ光を発生させるためには、照射されるレーザ光強度の適切な範囲が存在するので、単純にレーザ光強度を上げることもできない。そのため、ＥＵＶ光の発生効率を高め、或いは、発生したＥＵＶ光を効率良く収集するために、様々な検討が行われている。

特許文献２においては、ＥＵＶ光（Ｘ線）の発生効率を向上させるために、プラズマ生成に寄与することなくターゲット材料を通過してしまうレーザ光成分の存在に着目している。特許文献２の図１に示すように、レーザ発振器４０を出射したレーザ光２は、窓１１を通過して真空チャンバ内に入射する。このレーザ光２は、ノズル５から噴射されたガスターゲット１を照射してプラズマ３を生成し、それにより、ＥＵＶ光が放射される。また、プラズマ生成に寄与することなくターゲット１を通過したレーザ光成分２ａは、レンズ７によって平行光にされた後、ミラー８によって反射され、プラズマ３へ再入射する。これにより、プラズマ生成に寄与するレーザ光量が増し、ＬＰＰ光源の効率を向上することができる。

また、このようなＬＰＰ型ＥＵＶ光源から発生するＥＵＶ光は、軟Ｘ線帯域内の様々な波長成分を含んでいる。しかしながら、実際に利用されるＥＵＶ光の波長成分は、その内の一部であり、ＥＵＶ光の利用分野に応じて、必要な波長成分と不要な波長成分とが存在する。そこで、現在では、上記の反射ミラー光学系として、波長１３ｎｍ〜１４ｎｍで高い反射率が得られるＭｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコン）膜や、波長１０ｎｍ〜１１ｎｍで高い反射率が得られるＢｅ（ベリリウム）／Ｓｉ膜等が用いることが検討されている。そのような光学系を用いることにより、所定の範囲に含まれる波長成分のみが選択的に反射されるので、軟Ｘ線帯域の中から必要な波長成分を抽出することができる。なお、この内、Ｂｅは強い毒性を有するためＭｏ／Ｓｉ膜が有望視されている。

しかしながら、Ｍｏ／Ｓｉ膜を使った場合には、１３ｎｍ〜１４ｎｍ以外の波長成分は膜に吸収されてしまうので、膜が加熱される原因となる。また、Ｂｅ／Ｓｉ膜を使った場合においても同様に、１０ｎｍ〜１１ｎｍ以外の波長成分は膜に吸収されてしまい、膜が加熱される原因となる。このような膜の温度変化は、反射光学系の変形や損傷等の原因となり、露光に支障を来す。そのため、様々な反射光学系の加熱防止策や変形防止策が検討されている。例えば、上記のいずれかのような膜を用いる場合には、反射率の高い帯域の波長成分を多く含み、他の帯域の波長成分が少ないＥＵＶ光を、ＥＵＶ光源において発生させることが望ましい。特許文献３には、この点に着目し、光源から発生するＥＵＶ光のピークが１３ｎｍ程度になる条件が開示されている。即ち、特許文献３によれば、プラズマ電子温度が２０ｅＶ〜１００ｅＶとなる条件に制御されたレーザ光源を用いて、レーザ光を標的に照射する。
特表２０００−５０９１９０ 特開２００１−１４３８９３ 特開２００１−３５６８８

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ターゲット材料の量を増すことなく、ＥＵＶ発生光量を増加させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源は、ノズルから噴射されたターゲット材料に、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射することにより、ターゲット材料をプラズマ化させてＥＵＶ光を放射させるＥＵＶ光源装置であって、レーザ発振器から出力されたレーザ光のプロファイルを、フラット・トップ・プロファイルに変換すると共に、該レーザ光のビーム幅を、ターゲット材料の幅と同等、又は、それ以下の大きさにする手段を具備する。

本発明によれば、レーザ光の強度分布をフラット・トップ分布へ変換することにより、レーザ光の強度分布全体がプラズマ化に必要な強度分布を持つようにするので、ターゲット材料を照射したレーザ光がプラズマ生成に寄与する効率が向上する。従って、ターゲット材料を増すことなく、ＥＵＶ発生光量を増加させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係るＬＰＰ（Laser Produced Plasma）型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。このＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ光の生成が行われる真空チャンバ１と、ターゲット材料を照射するためのレーザ光を出射するレーザ光源５と、制御部７とを含んでいる。

真空チャンバ１の内部には、ターゲット材料を噴射するノズル２及びターゲット回収筒３が設置されている。ノズル２は、細い内径を有する貫通した通路を有し、図示しないターゲット材料貯蔵タンクとターゲット通路を介して接続されている。また、真空チャンバ１の一部には、レーザ光を透過させる窓４が設けられている。さらに、真空チャンバ１の外部には、レーザ光源５から出射されたレーザ光のプロファイルを整形すると共に、整形されたレーザ光をターゲット材料に照射する整形光学系６が設置されている。制御部７は、整形光学系６を透過したレーザ光が、ターゲット材料の位置において適切なビーム幅を有するように、整形光学系６に含まれるレンズ等の光学系の位置や角度を制御する。

このような真空チャンバ１において、ノズル２からターゲット材料を噴射すると共に、レーザ光源５から出射されたレーザ光１２を、整形光学系６及び窓４を介してターゲット材料１１に照射する。これによりターゲット材料が励起してプラズマ化し、発生したプラズマからＥＵＶ光１３が放出される。また、プラズマ化しなかったターゲット材料は、真空チャンバ内における残留量を減らすために、ターゲット回収筒に回収される。なお、発生したＥＵＶ光は、図示しない反射光学系によって集光され、露光装置等に導かれる。

図２は、図１の整形光学系６の構成を示す模式図である。整形光学系６は、レーザ光源５から出射されたガウシアン・プロファイルを有するレーザ光を、フラット・トップ・プロファイルに変換する光学系であり、２つのデフォーマブルミラー２１及び２２と、マスク２３と、結像レンズ２４とを含んでいる。ここで、レーザ光のプロファイルとは、レーザ光の光軸に直交する平面内におけるレーザ光強度分布のことをいう。

本実施形態において、このような整形光学系６を用いる理由について、図３を参照しながら説明する。
一般に、レーザ光源から出射されるレーザ光は、図３の左側に示すように、ガウシアン・プロファイルを有している。図３の実線に示すように、そのようなレーザ光を、ほぼ球形のターゲット（ドロップレット・ターゲット）ＤＴに集光照射すると、ガウシアン分布の周辺部はターゲットの周辺を通過してしまうので、プラズマ生成に寄与することができない。また、図３の破線に示すように、全てのレーザ光がターゲットＤＴへ照射されるようにレーザ光を小スポットへ集光しても、ガウシアン分布の周辺部は光強度が低いため、やはり、プラズマ生成への寄与度は低くなる可能性がある。これは、ターゲット材料がプラズマ化するためには、ある程度のレーザ光強度が必要だからである。図３の一点鎖線を閾値とすると、ターゲット材料をプラズマ化するためには、この閾値を超えるレーザ光エネルギーが必要となり、閾値以下のレベルにあるレーザ光はプラズマ化への寄与が低い。即ち、ガウシアン・プロファイルを有するレーザ光を用いる場合には、スポット径を大きくすると、ターゲットの周辺を素通りしてしまうレーザ光量が増え、スポット系を小さくすると、ターゲットの周縁部においてプラズマ化されない領域が生じるので、いずれの場合においても、レーザ光エネルギーのロスが多い。

そのため、本実施形態においては、図３の右側に示すように、レーザビームをフラット・トップ・プロファイルに変換している。その際に、レーザ光のビーム幅を、ターゲット材料の直径とほぼ同じ、又は、それ以下の大きさとすることにより、ターゲット周辺を通過するレーザ光量を減らすことができる。また、プロファイル全体に渡って、ターゲット材料のプラズマ化に必要とされる強度が分布しており、閾値以下の強度は含まれないので、ターゲット材料を照射したレーザ光がプラズマ化に寄与する効率を向上させることができる。

図４は、図１に示す整形光学系６の別の構成例を示す模式図である。この整形光学系６は、２つの非球面ビームシェイパー３１及び３２と、マスク３３と、結像レンズ３４とを含んでいる。このような構成を用いても、ガウシアン・プロファイルを有するレーザ光を、フラット・トップ・プロファイルを有するレーザ光に変換することができる。

なお、本実施形態においては、図２及び図４に示すように、デフォーマブルミラーやマスク等の光学素子を追加するため、光の反射損失が増加することが考えられる。そのため、この損失を考慮し、ガウシアン・プロファイルを利用する場合と比較してＥＵＶ発生効率が上昇するように、ミラーの反射率やマスク開口面積等を選択する必要がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置について説明する。図５に示すように、本実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置は、図１に示す制御部７の替わりに、制御部８を有している。その他の構成については、図１に示すＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置と同様である。制御部８は、ターゲット材料の位置におけるレーザ光のビーム幅が適切な値となるように整形光学系６を制御すると共に、ターゲット材料を照射するフラット・トップ・プロファイルを有するレーザ光が適切な強度を有するようにレーザ光源５の出力を制御する。

先にも述べたように、ターゲット材料をプラズマ化するためには、照射されるレーザ光の強度がある閾値以上のレベルでなければならない。しかしながら、照射レーザ光強度は、生成されるＥＵＶ光の波長分布にも影響することが分っている。例えば、本発明の主な利用分野である半導体露光においては、約１３．５ｎｍの波長が必要とされるので、そのような波長成分を多く含むＥＵＶ光を生成することが理想的である。

そこで、本実施形態においては、プラズマ電子温度と生成されたＥＵＶ光の波長との関係によって定まる照射レーザ光強度の適切な範囲に基づいて、フラット・トップの高さ（光エネルギー強度）を調整している。ここで、レーザ発振器５の出力が大きすぎる場合に、フラット・トップの高さを適切な値に調整しようとすると、レーザ光のビーム幅をターゲット材料の直径とほぼ同じ、又は、それ以下の大きさに調節することが難しくなる。その場合には、制御部８の制御の下でレーザ発振器５の出力レベルを下げることにより、（i）フラット・トップの高さが適切、（ii）レーザ光のビーム幅がターゲット材料の直径とほぼ同じ、又は、それ以下の大きさという２条件を同時に満たすことが可能になる。これにより、例えば、約１３．５ｎｍの波長成分を多く含むＥＵＶ光を高い効率で発生させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置について説明する。図６に示すように、本実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置は、図１に示すＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置に加えて、真空チャンバ内に備えられた反射光学系１０を有している。反射光学系１０は、例えば、凹面ミラーであり、ターゲット材料１１の周辺を通過したレーザ光を反射してターゲット材料１１の方向に導く。その他の構成については、図１に示すＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置と同様である。

ここで、レーザ光の幅がターゲット材料１１の直径（又は、最大幅）より大きい場合には、レーザ光の一部がターゲット材料１１の周辺を通過してしまう。また、レーザ光の幅がターゲット材料１１の直径以下であっても、その一部がターゲット材料のプラズマ化に寄与することなく通過してしまう場合がある。そのような場合においても、反射光学系１０を設けることにより、プラズマ化に寄与しなかったレーザ光に再びターゲット材料を照射させることが可能になるので、レーザ光の出力に対するＥＵＶ光の発生効率を高めることができる。なお、本実施形態においては、制御部７によってレーザ光の幅を調節してもしなくても構わない。

次に、本発明の第４の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置について説明する。図７に示すように、本実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置は、図５に示すＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置に、ターゲット材料１１の周辺を通過したレーザ光を反射する反射光学系１０を設けたものである。その他の構成については、図５に示すＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置と同様である。

本実施形態においては、制御部８の制御の下でレーザ発振部５の出力レベルを調節することにより、適切なフラット・トップの高さを有するレーザ光をターゲット材料に照射すると共に、反射光学系１０によりターゲット材料周辺を透過したレーザ光を反射し、再びターゲット材料を照射させる。従って、この場合には、レーザ光の幅がターゲット材料よりも大きくても構わない。それにより、所望の波長成分（例えば、約１３．５ｎｍ）を多く含むＥＵＶ光を、効率良く生成することが可能になる。

以上説明した本発明の第１〜第４の実施形態においては、図２及び図４に示すような整形光学系を用いたが、その他にも、集光光学系の形状や構造を変化させる等、様々な手段によってフラット・トップ・プロファイル、又は、それに近似するプロファイルを有するレーザ光を形成することが可能である。

本発明は、露光装置等において用いられるＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置において利用可能である。

本発明の第１の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。 図１に示す整形光学系の構成を示す模式図である。 レーザビームのプロファイルを説明するための図である。 図１に示す整形光学系の別の構成例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置の一部を示す模式図である。

符号の説明

１…真空チャンバ、２…ノズル、３…ターゲット回収筒、４…窓、５…レーザ光源、６…整形光学系、７、８…制御部、１０…反射光学系、１１…ターゲット材料、１２…レーザ光、１３…ＥＵＶ光、２１、２２…デフォーマブルミラー、２３、３３…マスク、２４、３４…結像レンズ、３１、３２…非球面ビームシェイパー

Claims (3)

1. ノズルから噴射されたターゲット材料に、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射することにより、前記ターゲット材料をプラズマ化させてＥＵＶ光を放射させるＥＵＶ光源装置であって、
   前記レーザ発振器から出力されたレーザ光のプロファイルを、フラット・トップ・プロファイルに変換すると共に、該レーザ光のビーム幅を、ターゲット材料の幅と同等、又は、それ以下の大きさにする手段を具備するＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。
2. 前記ターゲット材料に対し、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の導入方向と対向するように設けられ、レーザ光を前記ターゲット材料に集光する光学系をさらに具備する請求項１記載のＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。
3. ノズルから連続流れとして噴射されたターゲット材料に、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射することにより、前記ターゲット材料をプラズマ化させてＥＵＶ光を放射させるＥＵＶ光源装置であって、
   前記レーザ発振器から出力されたレーザ光のプロファイルを、フラット・トップ・プロファイルに変換する手段と、
   前記ターゲット材料に対し、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光の導入方向と対向するように設けられ、レーザ光を前記ターゲット材料に集光する光学系と、
   を具備するＬＰＰ型ＥＵＶ光源装置。

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