JP2011505668A - レーザ加熱放電プラズマｅｕｖ光源 - Google Patents

Abstract

印加された軸方向磁場を含めることのできる自己磁場閉じ込め型リチウムプラズマが、二酸化炭素レーザによって亜臨界密度において照射されて、１３．５ｎｍの波長で極紫外光子を高効率、高出力、かつ小型光源で生成する。

Description

関係出願の相互参照
本出願は、参照によりその全文を本明細書に組み入れてある、２００７年１１月２９日出願の米国特許仮出願第６１／００４６５６号に基づき優先権を主張するものである。
極紫外線リソグラフィ（extreme ultraviolet lithography）において高い印刷速度を得るためには、非常に低いレベルの汚染物と非常に高い信頼性で、２％という狭い分数帯域（fractional band）において１ｋＷの最小電力で１３．５ｎｍの光が、光源から出て２πステラジアンの立体角に入ることが必要となる［１］。

このような光の生成に対して２つの主要なアプローチが今日まで行われており、それは放電生成プラズマ（ＤＰＰ）およびレーザ生成プラズマ（ＬＰＰ）である。これらの内の前者では、ガス状媒体が、１３．５ｎｍでの放射を誘起する慣性加熱およびオーム加熱によりプラズマを小寸法にまでピンチさせるパルス大電流放電を伝える。

第２のアプローチでは、パルスレーザが、選択された１３．５ｎｍ放射体を含有する固体ターゲット上に集束され、このターゲットが気化、イオン化して、１３．５ｎｍでの放射が生成される。ＤＰＰおよびＬＰＰの両構成において放射体としてキセノンを初期に使用した後に、１３．５ｎｍで必要とされる２％分数帯域幅内での放射体としてのキセノンの究極効率は、いずれのアプローチによっても０．５％〜１．０％の範囲にあることがわかった。キセノンを使用することのさらなる欠点は、いずれのアプローチにおいても、プラズマから放出されるエネルギーに満ちたイオンが流れることであり、これが放電壁、または集光光学要素などの近傍の構成要素の早期の侵食を引き起こした。

キセノンよりも効率の良い放射体として、放電において最大２％の変換効率を有し［２］、ＬＰＰ状況において潜在的に６．８％効率を有する、スズに関心が移った。しかしながら、スズは、キセノンと同じ高エネルギーイオンの流れを生成し、電極および集光要素などの、近傍の構成要素の侵食を引き起こした。さらに、スズは（キセノンと異なり）、光学要素を吸収層で被覆しないようにトラップ上で濃縮しなくてはならなかったので、デブリ軽減システム（ＤＭＳ：debris mitigation system）と呼ばれる、システム内の付加要素が必要であり、その伝達効率は５０％以下の範囲になる可能性があった。

スズの揮発性が比較的低いことは、ＤＰＰ光源内でスズ蒸気を供給するための特殊な技法が必要であることを意味し、水素化スズ（stannane）などのスズの揮発性化合物を使用するか、またはレーザ蒸発によってスズ蒸気が生成された。後者の場合には、スズは、回転ディスク上で使用ポイントにもたらされた［２］。ＬＰＰ光源におけるスズの使用については、好ましいアプローチは、スズ液滴またはスズ含有液滴の流れを、それらに高出力レーザが当てられる相互作用領域に向って射出することであった［４］。しかしながら、スズ汚染を最小にする「質量制限（mass-limited）」プラズマを得るために、この工程で必要となる、小さなスズ液滴（直径２０μ未満）を生成することは容易ではなかった。

これらよりさらに困難なことは、ＤＰＰまたはＬＰＰのいずれかのアプローチで高エネルギースズイオンを生成することであり、これらのイオンは、ガスブランケット（gas blanket）との相互作用によってのみ減速させることが可能である。そのようなガスブランケットシステムは、１３．５ｎｍ光が極紫外（ＥＵＶ）光源の効率を大幅に低下させる可能性のある、密度に近づく。スズ自体は重い原子であって、低速で動き、それによってプラズマの回りに密度の高い雲を蓄積させる。スズは、ＥＵＶ１３．５ｎｍ光に対して１．８×１０^−１７ｃｍ^２の吸収断面積を有し、経路密度製品限界（path-density product limit）が厳格であり、したがってプラズマ熱を除去する能力に限界があることを意味している。これまで考察されたスズベースのＤＰＰまたはＬＰＰのＥＵＶ光源は、スズの供給を直線的に増大させることによってのみ出力のスケーリングが可能であり、結果として、１）バッファガスおよびスズ原子による吸収を避けること、および２）出力が拡大されるときにプラズマ熱を除去することが益々、困難となる。

スズを別として、リチウムは、ＥＵＶ光源動作材料用として魅力的なスペクトルを有することが長年にわたり認識されていた。リチウムプラズマからの放射は、主として単一遷移、すなわち水素様Ｌｉ^２＋の１３．５ｎｍ共鳴遷移からのものとすることができる［５］。さらに、リチウム放電からの固有の放射効率は 、２π半空間中で３０％レベルまで上がることがある［６］。プラズマからのリチウムイオンのエネルギーは、スズイオンまたはキセノンイオンのエネルギーの１０分の１より少なく、そのためにＤＭＳにおいてより少ないガスを使用することができ、吸収が少ない。ＤＰＰとＬＰＰの両タイプのリチウムベースＥＵＶ光源について多数の実験が実行されている。わずかな例外を除いて、ＤＰＰアプローチは、効率的なＥＵＶ生成ピンチ放電に対して必要な濃度において、リチウムを封じ込めることに失敗している。これらの研究の１つのみにおいて［７］、大型の立体角集光体中へのＥＵＶの効率的な出射を可能にする、広角ヒートパイプによって、リチウムが安定的に封じ込められた。

ＤＰＰおよびＬＰＰの両方のタイプの様々なリチウム実験において、リチウムは安定して閉じ込められることはなく、装置全体に拡がり、集光光学系上への堆積や、多数の表面材料との化学的反応を起こした。開放型の、非ヒートパイプ真空システムの清浄度を十分に高く保ち、それによって酸素、窒素、水蒸気などと高温リチウムの大量の反応を回避し、やはり液体リチウムの粘度を増大させて流動性能を低下させる、低揮発性リチウム化合物を形成することは、実質的に不可能であることがわかった。しかしながら、リチウムのバッファガスヒートパイプ封じ込めによって、８５０℃の範囲の高温での長期間の動作に対して、この金属が清浄に保たれることが、本出願人によって証明されている。

リチウムは、ＥＵＶ放射の生成体として理論的にスズよりもずっと効率的であるだけでなく、その粒子速度が高いこととあいまってＥＵＶ吸収断面積が低いこと（２×１０^−１８ｃｍ^２）によって、リチウムは、点プラズマの回りの再結合した中性原子雲を通しての熱の除去において、スズよりも２０倍有利である［８］。しかしながら、封じ込められたリチウム体積内での放電動作が成功したとしても、放射源の大きさが、ステッパの約３ｍｍ^２ステラジアン（ｓｒ）エタンデュー（etendue）［１］範囲内で完全に使用可能なほど十分に小さくなることが証明されておらず、さらに、より持続時間の長い放電に対してより高い効率が予測されているが［６］、今日までの１３．５ｎｍ生成効率は、（５００ｎｓｅｃ以下の）ショートパルスリチウム放電において１〜２％の範囲である。より持続時間の長い放電によって、必ずしも、ステッパエタンデューに適合するために必要な小体積は得られない。

本発明は、磁場閉じ込め型リチウム放電プラズマをレーザ加熱するハイブリッド方法を使用して、ＤＰＰおよびＬＰＰ両方のリチウムＥＵＶ光源の従来の制限を克服することをねらいとしている。この方法を、「レーザ加熱放電プラズマ（ＬＨＤＰ）」と名付ける。そして、放射体積はリチウムプラズマ内のレーザスポットサイズおよびレーザ吸収長によって定義され、これに対して、出力スケーリングを行うことが、シーリングＤＭＳ内でトラップしなくてはならない射出材料の増大を伴うことがないように、リチウムは閉じ込められて再循環される。実際に、このアプローチにおける合計リチウムストックは、非常に少なくすることができる。なお、従来技術と異なり、プラズマはレーザ生成ではなく、放電生成された後に、単にレーザ加熱される。

固体密度リチウムターゲットの直接レーザ照射では、効率的なＥＵＶ発光に対して適正な密度と温度にある、レーザ生成プラズマの非常に薄い層があるだけであるので、レーザ光からＥＵＶ放射への変換効率が低くなる。しかしながら、本発明においては、プラズマが、入射レーザ放射に対して「不足密度（underdense）」となるように配設される場合には、比較的に長い吸収長を得ることができる。この状況においては、プラズマ電子密度は、ｎ_ｃ＝１．１×１０^２１／λ^２ｃｍ^−３、但しλはμｍ、で定義されるレーザ波長λに対する臨界密度よりも小さい。臨界密度より下では、プラズマ内での支配的なレーザ吸収機構は、逆制動放射（inverse bremsstrahlung）吸収の過程である。

プラズマ密度と温度を変化させることによって、以下にさらに考察するように、吸収長を、理想的なＥＵＶ光源寸法に対応して、１ｍｍ以下の範囲に調節することができる。レーザ放射に対して不足密度である小さな閉じ込めガス体積のレーザ加熱は、ｋｅＶエネルギー範囲における軟性Ｘ線を生成するのに、以前に使用されているが［９］、開始ガスは、中性であって、薄い薄膜によって閉じ込められているのに対して、我々は、ＥＵＶ光源設計、特にリチウムの場合に適している、ピンチ放電の自己磁場圧搾（self-magnetic constriction）により開始プラズマを生成することを提案する。

ＥＵＶ光源設計の主要な問題は、いずれかの固体材料を通過するときに、ＥＵＶ光が受ける非常に高い吸収に由来する。９２ｅＶ（１３．５ｎｍ）の最適ＥＵＶフォトンエネルギーにおける材料に対する吸収係数が、［１０］において表で示されている。この吸収の結果として、ＥＵＶ光源プラズマは、ＥＵＶ光集光鏡の直接視界にあって、光源と鏡の間はせいぜい低圧（大気の１００分の１未満）のガスでなくてはならない。ＥＵＶ光のその後の伝播は、集光鏡と使用場所の間で、ほぼ真空中でなくてはならない。

ＥＵＶ光生成のＬＨＤＰ方法の本態様は、電子密度が１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３の範囲のプラズマにおける、ＣＯ_２レーザ光（波長１０．６μｍ）の吸収に依存する。１．０６μｍにおけるＮｄレーザなどの、より短い波長レーザが使用される場合には、吸収に必要とされる電子濃度は、１０^１９〜１０^２１ｃｍ^−３とさらに高くなる。そのような高い電子密度の達成は、追加の圧縮手段を使用して、最初に低圧であるガスをレーザ励起パルスの直前にずっと小さい体積に寄せ集め（sweep up）ない限り、ＥＵＶ光の収集には適合しない、高いガス圧力においてのみ可能である。したがって、本発明の一つの特徴は、比較的大きな量から低密度ガスを収集するためにプラズマピンチを使用し、レーザ加熱の準備としてそれを圧縮してイオン化することである。

シータ（θ）ピンチおよびＺピンチを含む、様々なプラズマピンチタイプの内で、前者は効率的なＥＵＶ光収集には適合しない包囲導電体（enveloping conductor）構造を必要とするのに対して、Ｚピンチは、自己磁場で圧縮される。これによって、我々が意味するのは、Ｚピンチ自体の中で軸方向に流れる電流は、強い方位角磁場を生成し、これが次いでプラズマ柱を圧縮することである。したがってＥＵＶ光は、Ｚピンチから出て、外部フィールド生成導電体によって、妨害なしに大きな収集立体角に入ることができる。Ｚピンチに加えて、本発明は、スターピンチ、ハイポサイクロイド状ピンチ（hypocycloidal pinch）、またはその他の自己磁場圧縮型プラズマによって支持してもよい。

リチウムＺピンチのＥＵＶ発光は、Ｍａｓｎａｖｉらによって詳細に計算されている［１１］。これらの著者によって提示されている結果から、レーザ吸収が逆制動放射によるものである本発明に好ましい１×１０^１８個ｃｍ^−３の密度に対して、１３．５ｎｍリチウムラインは、１０ｅＶのプラズマ温度において比較的弱く発光されるが、１５ｅＶのプラズマ温度では、何倍も強く発光される。したがって、我々のアプローチでは、レーザ吸収によって、ピンチ内ですでに確立された１０ｅＶの背景温度から出発して、Ｚピンチプラズマ柱を局所的に加熱する。

ピンチプラズマのレーザ加熱は、１９７０年に熱核融合反応を開始するためにプラズマ温度を上げる方法として提案されている［１２、１３］。提案された吸収機構は、逆制動放射であり、プラズマはシータピンチタイプおよびＺピンチタイプであった。この初期の研究は、いかなる極紫外光源の設計にも結びつかなかった。直線形の装置内のプラズマ封じ込めは、損失の多い端部領域に遭遇することが殆ど無いことに依存したため、軸方向レーザポンピングが提案され、したがって長さが最高１０００ｍまでの非常に長い装置が提案された。上記に考察したように、ＥＵＶ光源は、１ｍｍ未満のプラズマ直径と、軸方向ポンピングと異なり、集束されたレーザビームの半径方向または横方向の入射によって達成される、１ｍｍオーダーのポンプ長を必要とする。

ＬＨＤＰ光源は、主としてプラズマ形状における不安定性が理由で、ピンチの閉じ込めが遷移的であるので、本質的にパルス光源である。２つの電極間の高い反復速度でピンチを確立しなくてはならない限り、このことを、連続するパルス毎にピンチ電流の方向を逆転させるのに利用することができる。このことは、ａ）２つの電極を放電陰極として均等に加熱することによって、熱の主要供給源を提供し、これがそれから均等に共有される作用と、ｂ）イオンドリフトをキャンセルすることによって、電極間でリチウムストックをバランスさせる作用とがある。この発振放電のための駆動回路に関して、ピンチ電極間を横断してキャパシタが接続されている場合には、装置の１「ストローク」のプラズマにおいて放散されないエネルギーは、キャパシタ内の逆極性の格納エネルギーとして再貯蔵することができる。電源は、パルスの間にこのキャパシタに「補給（top up）」をしなくてはならない。キャパシタが電極に直接結合されていなくて、代わりに、「ステップダウン」変圧器を介して結合されおり、これが、高いインピーダンス電源を通常は非常に低いピンチ放電のインピーダンスに合致させるのを助ける場合には、エネルギー回収も行われる。

本発明の第１の観点によれば、パルス放電によって磁場自己閉じ込め型プラズマを生成し、このプラズマの小領域におけるプラズマエネルギーを、レーザ光を吸収させることによって増大させ、その結果、極紫外光を放射するイオン種の励起を局所的に増大させる、極紫外光源が提供される。

本発明の第２の観点によれば、１３．５ナノメートルの極紫外光源はリチウムイオンの発光に基づいており、パルス放電によって電子密度１０^１９ｃｍ^−３未満の磁場自己閉じ込め型リチウムプラズマを生成し、このプラズマの小領域におけるプラズマエネルギーを、１０．６ミクロンの波長のレーザ光を吸収させることによって増大させ、その結果、水素様リチウムの励起を、その共鳴レベルまで局所的に増大させて、１３．５ナノメートルの放射を増大させる。
本発明をよりよく理解するために、参照により本明細書に組み入れてある、添付の図面を参照する。

図１は、二酸化炭素レーザによって加熱された、リチウムにおける直線同軸ピンチ放電の概略図である。 図２は、電子密度の関数としての、リチウムプラズマにおける、計算された二酸化炭素レーザ逆制動放射吸収長のグラフである。 図３は、温度の関数としての、液体リチウムに対して平衡状態にあるリチウム数密度のグラフである。

図４は、リチウムスターピンチ放電形状を使用する、ＬＨＤＰ極紫外光源の概略図である。 図５は、スターピンチにおける伝導、対流および輻射による推定熱損失のグラフである。 図６は、温度の関数としての、リチウムをスターピンチに封じ込めるのに必要なバッファガス圧力のグラフである。

図７は、リチウムのハイポサイクロイド状ピンチ放電形状を使用するＬＨＤＰ極紫外光源の概略図である。 図８は、レーザビームを含まない、回転対称の水平軸およびリチウム還流用の４つの円錐状ヒートパイプ体積を包囲する６つの円錐状ヒートパイプ構造を備える、ＬＨＤＰ直線ピンチ極紫外光源の概略図である。 図９は、レーザビームを含まない、回転対称の水平軸、および中央点火装置ディスクおよび各ヒートパイプ電極の開放端と接触する円錐状表面を介するリチウム還流を備える、ＬＨＤＰ直線ピンチ極紫外光源の概略図である。

詳細な説明
横方向入射のパルス波または連続波の二酸化炭素レーザによる加熱による、リチウムプラズマの直線同軸Ｚピンチ閉じ込めに関する、本発明の第１の態様が図１に示されている。また軸方向磁場を印加して、ピンチ閉じ込め安定性を向上させてもよい。
パルス式二酸化炭素レーザによる加熱による、リチウムプラズマのスターピンチ閉じ込めに関する、本発明の第２の態様が図４に示されている。

パルス式二酸化炭素レーザによる加熱を含む、リチウムプラズマのハイポサイクロイド状ピンチ閉じ込めに関する、本発明の第３の態様が図７に示されている。
本発明の第４の態様は、図８に示すように、第１の態様の形状に適用された追加のリチウム蒸気封じ込めに関する。
本発明の第５の態様は、図９に示すように、第４の態様に付加された追加の点火電極に関する。

これらの態様の動作を詳細に説明する前に、吸収機構について、いくらかの概略説明をする。二酸化炭素レーザは、その主要波長は１０．６ミクロンであり、１０^１９個ｃｍ^−３より大きい電子密度のプラズマから反射される。この密度のすぐ下で、二酸化炭素レーザ放射は、逆制動放射吸収として知られている過程によって強力に吸収される。この吸収長は次式で与えられる［１４、１５］。

ここで、λはｃｍで表わされる波長、λ_ｅはプラズマ電子周波数ω_ｅにおける放射の波長、すなわちλ_ｅ＝２πｃ／ω_ｅ、ω_ｅ＝４πｎ_ｅｅ^２／ｍ_ｅ、Ｔ_ｅはｅＶにおける電子温度、ｎ_ｅは、ｃｍ^−３で表わされる電子密度、Ｚはイオン電荷である。

レーザ強度は、次式のように、プラズマ中への深さｘと共に減少する。
図２は、有意なＬｉ^２＋イオン密度が存在する状態に対応する、典型的なプラズマ温度１０ｅＶ、およびＺ＝２の平均電荷に対して計算された吸収長を示す。この図において、１ｍｍ吸収深さは、５×１０^１７ｃｍ^−３のリチウムイオン密度に対応する、約１×１０^１８ｃｍ^−３の電子密度を必要とすることがわかる。

吸収されたレーザエネルギーは、最初にプラズマ電子に与えられ、これらのプラズマ電子は、励起がグラウンドからＬｉ^２＋イオンの第１の励起状態まで上昇するまで、益々高温のマクスウエルエネルギー分布に熱化する。グラウンド状態への再放射は、１３．５ｎｍ光子の発光とともに、２６ｐｓｅｃ内に発生する。次いで、リチウムイオンが、励起と放射のさらなるサイクルに対して利用可能となる。１３．５ｎｍの極紫外光は、加熱レーザの焦点スポット直径、および吸収深さによって定義される、吸収体積からが最も強度が高い。したがって、この体積は、リソグラフィまたはその他の使用において照明均一性を最適化させるために、形状および大きさを調整してもよい。吸収されたレーザ出力が、プラズマ熱伝導による吸収領域からの熱移動を支配する場合には、吸収体積とほぼ同じ大きさの体積範囲で起こる、１０．６μｍで吸収された光の、１３．５ｎｍのＥＵＶ放射への効率的な変換が行われることになる。

熱の伝導はピンチの軸に沿ってのみ有意であるので、その強い方位角自己電磁場を有する、Ｚピンチの直線形状が、天然の熱トラップとして作用する。１〜数ｋＷの軸方向熱流が、レーザ吸収領域に近接して存在することができ、そのためにレーザ出力は、熱拡散による「スミアリング（smearing）」を回避するために、最適な小さなプラズマサイズに対する数ｋＷよりも大きくなくてはならない。より厳密には、プラズマ長Ｌの内部での熱の配置を考慮すると、この長さの端部を通る拡散による熱損失に対する特性時間ｒは次式となる［１３］。

ここで、Ｔ_ｅはｅＶにおける電子温度であり、ｎ_ｅはｃｍ^−３で表わされる電子密度であり、Ｚはイオン電荷、Ｌはｃｍ単位である。一例として、長さＬ＝０．１ｃｍに対して、Ｚ＝２、ｎ_ｅ＝１×１０^１８ｃｍ^−３、ｒ_ｅ＝１２ｅＶ（１０ｅＶの背景ピンチ温度から加熱される）であり、特性熱損失時間は６００ｎｓｅｃである。レーザ加熱パルスが、持続時間において６００ｎｓｅｃ未満のものであれば、加熱領域は、長さで１ｍｍを超えて広がることはなく、光源サイズ基準は満たされる。

公開特許出願［１６］において、Ｈｏｒｉｏｋａらは、効率的なＥＵＶ生成に対して最適な値にプラズマ密度および温度を維持するために、追加の電流制御を有してもよい、リチウムＺピンチ放電について考察している。また、ピンチを安定化させるために、印加軸方向磁場が設けられている。印加軸方向場によりＺピンチが安定化することは、長年にわたり実験的に実証される［１７］とともに理論的に予測されている［１８］。Ｈｏｒｉｏｋａら［１６］はまた、電極およびプラズマの両方を加熱するための外部加熱装置、レーザまたは電子ビームのいずれかを提案している。上記で考察したように、プラズマを加熱するためにレーザを使用することは、この文献に詳しく記録されている［１２、１３］。

本発明は、リソグラフィ用途の厳格なエタンデュー要件を満たすために、ピンチの全長の範囲内の小領域から放射されるＥＵＶ放射を大幅に増大させる目的で、その領域だけを局所的にレーザ加熱することについて記述する。本明細書において使用される場合には、「小領域」とは、直径１．５ｍｍの球の内部に納まる領域を指すが、この小領域は必ずしも球の形状である必要はない。本発明がＨｏｒｉｏｋａらと異なる別の点は、リチウム蒸気を捕獲して再循環させるために広角ヒートパイプ構造［１９］を使用することにある。

図１に示す、本発明の第１の態様は次のように動作する。同軸円筒形ヒートパイプ５および６は、対称軸３１に整列されている。これらのヒートパイプは、互いに対向し、開放端１０および１１が互いに対面している。ヒートパイプ内壁は、溶融リチウムを収納し、それがヒートポンプのより低温の外側端から、より高温の中央領域へと流れられるようにするために、その長さのほとんどの部分に沿って設置された、メッシュ２５、２６を有する。固体リチウムの装填量は、最初に、管５および６のそれぞれの内部に置かれている。ヒータ構造１５および１６は、メッシュの内側端付近の各管の外側に配置されている。水流を備える冷却構造２０および２１は、管５および６の各外側端の回りに配置されている。

対称軸３１と同軸に整列された磁気コイル３０に電流が流されて、中央領域に磁場を生成する。開口１０および１１の中間で、磁場はその最高強度となり、軸３１と整列されている。交流電流／電圧発生器３５が、導電体３７によって管５および管６のそれぞれの外側端に接続されている。二酸化炭素レーザビーム３９は、開口１０および１１の間の空間内の相互作用領域４５上の集束されたビーム４１に収束するように、レンズ４０によって集束されている。構成要素の回りのスペース４６は、真空下に維持されるか、またはヘリウムなどの非反応性のバッファガスで、低圧にして充填されている。

動作に際して、ヒータ１５および１６は、ヒートパイプ５および６の内側端の温度を約８００〜９００℃の範囲まで上げるのに使用されるのに対して、冷却エレメント２０および２１は、約２００℃より低い温度にとどまる。数密度で表わされるリチウムの蒸気圧は、図３に温度の関数として示されており、この図において領域２００は本明細書において最も関心のある領域を示している。管５および６内部のリチウムは溶融して、装置の中央部に向って流れ、ヒータ１５および１６に隣接する高温領域から蒸発し始める。リチウム密度が、約１０^１５個ｃｍ^−３の値を通過して上昇すると、発電機３５によって印加される交流電圧が、中空電極１０および１１の間での放電を発生させる。入口１０および１１の間の空間において、リチウムがほとんど完全にイオン化することによって、リチウムは印加された磁場によって非常にわずかな脱出確率でトラップされる。

８００℃〜９００℃の範囲の内部温度に引き続き加熱することによって、リチウム密度は、１０^１６〜１０^１７ｃｍ^−３範囲に上昇させられる。この時に、発電機３５によって十分な交流電流が駆動されると、中空電極１０および１１の間の放電は圧搾され（４４）、リチウムイオン密度を、レーザ吸収が約０．１ｃｍの長さにおいて有効である、５×１０^１７ｃｍ^−３範囲まで上昇させる。５ｍｍ〜１ｍｍまでの直径をパルス式に低減すると、２５倍の密度上昇を生じ、リチウム密度を、２×１０^１６ｃｍ^−３の静止値から５×１０^１７ｃｍ^−３へ上昇させる。リチウム原子は、この密度形態で、プラズマ電子温度が約１０ｅＶまで加熱されると、ほとんどは、二重イオン化されている。集束された二酸化炭素レーザビーム４１は、小さなプラズマ体積４５内のそのエネルギーを放電の胴部４４において放出し、１３．５ｎｍ極紫外放射が体積４５を出て、利用可能な４π立体角の大部分を包含するビーム群５０に入る。

二酸化炭素レーザは、発電機３５の各半サイクルにおいて最大の放電圧搾となる点において、そのエネルギーをパルスで送るように、タイミングを合わせることができる。この構成の対称性によって、ヒートパイプ管５および６のそれぞれにおけるリチウムの装填量が略等しくなることが保証される。平均吸収二酸化炭素レーザ出力が、ヒータ１５および１６における電力と比較して有意に大きくなると、後者の電力は、１５および１６内部のヒータエレメントの内部抵抗を測定することによって動作することのできる、制御回路によって低減される。次いで、ヒートパイプ作用によって過剰な熱が中央領域から除去される。

１３．５ｎｍ生成の対象となる二酸化炭素‐リチウムシステムについて示してあるが、図１を参照して説明した上記の原理は、その他の金属蒸気および同一またはその他のレーザ波長に適用して、様々な用途において、その他の対象となる極紫外波長を生成することができる。
図４に示す、本発明の第２の態様は、次のように動作する。リチウムスターピンチ［７、２０、２１］のパルス式放電プラズマが、プラズマを加熱して、１３．５ｎｍにおける放射をもたらす、集束された二酸化炭素レーザに対するターゲットとして使用される。図４の構成は、［１９］において開示されたような、広角ヒートパイプＥＵＶ光源の構成である。

１３．５ｎｍ放射を生成するスターピンチ放電作用を説明する前に、光源内部での金属蒸気制御に対する基本について説明する。図４に示す態様を参照すると、ディスク形電極１０１、１０２、１０３が絶縁体１０４によって分離されている。中央の、垂直対称軸によって、これらの電極が説明される。電極１０１は放電陽極であり、電極１０２は「内部シェル」電極であり、電極１０３は放電陰極である。陰極１０３の中央部１０７には、穴１４０の配列があり、これらの穴は、それらの軸１４２が、すべて中央対称軸上の点１７０において交叉するように整列されている。一実現形態では、この配列には１２の穴がある。

内部シェル１０２の中央部１１６は、陰極穴の軸１４２上に整列された、対応する穴の配列１４１を備える。３つの電極ディスクに加えて、この構造は、場所１７０のプラズマ源によって決まる、収集立体角を一緒に画定する、入れ子にされた表面１０８の配列を含む。これらの表面は、光線１８０の妨害を最小にするように、１３．５ｎｍ放射光線１８０の方向に整列されている。これらの表面は円錐状であるが、テーパー付きハニカムまたはグリッドなどの、その他の表面の構造が可能であることが理解される。

ディスク形電極１０１と１０２の間、または１０２と１０３の間、または表面要素１０８間の各通路は、その側壁の少なくとも１つの上に、織布メッシュ、有孔材料、または１組の半径方向に整列された溝を含んでもよい、ウィック（wick）１０９が設けられている。中央垂直軸のまわりの対称性は、例えば、内部シェル１０２または陰極１０３上に示したウィック１０９が平坦な環状ディスクの形状を有することを意味する。装置の中央領域は、ヒータ要素１２０を備える。装置の外部領域には、冷却チャネル１２１が設けられている。

動作において、装置が組み立てられると、１３．５ｎｍ放射を生成するために蒸気形態で使用される金属のシートが、ウィック１０９に平行に取り付けられる。装置は、リチウム光源に対しては好ましくはヘリウムである、選択された低圧のバッファガスで充填されており、室温においては、ヘリウムは装置、領域１３０および１３１を満たすだけでなく、１３．５ｎｍ伝播スペースにも存在する１３１。リチウムに使用するためのヘリウムの典型的な圧力は、１〜４ｔｏｒｒの範囲である。

中央温度を上げるために、ヒータエレメント１２０によって熱が供給される。熱遮断１１０、または構造１０８の薄い壁が、ウィック温度が冷却剤温度よりもはるか上まで上昇することを可能にするので、ウィックの温度も上昇する。次いで、装填された金属が溶融して、ウィック１０９中に浸透する。さらに加熱することによって、中央部分１７０に最も近いウィックの部分における金属温度を、金属の蒸気圧がバッファガス圧力に接近するまで、上昇させる。ヘリウムをバッファガスとして、リチウムを使用してのこの光源の実現に対して、出願者が実験的に究明した、これを達成するのに必要な熱入力が、図５に示されている。この図において、中央から装置の外側への熱損失に対する異なる寄与が、別個の曲線として最初に示されており、次いで、加算されて合計を形成している。放射（曲線２０１）は、ヘリウムバッファ（２１０）を通しての伝導がそうであるように、比較的小さな損失である。

より大きな熱流（曲線２２０）が、リチウム浸漬ウィックおよび支持する熱遮断１１０を通る伝導によって生じる。これまで、高温における最大の熱流（曲線２３０）は、中央領域において蒸発し、外部領域に向って流れ、より温度の低いウィックの外部部分上に凝縮し、その熱を放出する、リチウム蒸気によるエンタルピーの対流によるものである。リチウム蒸気のスターピンチにおける１３．５ｎｍ生成に対して適切な８００℃の中央温度に達するために、このことの実現化においては、２〜３ｋＷの総合熱入力（曲線２４０）が必要である。ウィックの外部部分上に凝縮したリチウムは、液体として中央領域に向って流れ戻り、再蒸発に対して利用可能となり、定常状態の蒸気密度分布をもたらす。

図３は、同一の放電形状においてキセノンからの最適な１３．５ｎｍ発光に対してリチウム金属蒸気が、キセノンガスのそれと等しくなる、リチウム蒸気密度２００に対するターゲット範囲を示す。これによって、駆動回路が、そのエネルギーの大部分をプラズマ運動中に投入することが確実になる。このターゲット密度範囲は、約８００℃の温度に相当することがわかる。バッファガスの圧力と一致する、相当するリチウムの蒸気圧が、図６に示されている。１〜４ｔｏｒｒの概略範囲におけるバッファガス圧力が使用される。この温度が接近すると、リチウムは、中央領域１３０における本質的にすべてのヘリウムバッファを置換して、中央領域１３０におけるリチウムと外部領域１３１におけるヘリウムとの間に、比較的急峻な境界面１３２が発達する。

多重電極リチウム蒸気放電装置（２つまたはそれ以上の電極を備える）において、電極の一方が他方よりも温度が低くなり、その結果、凝縮によってより多くの液体リチウムが装填されるというリスクがある。これが起こると、液体リチウムの熱伝導度は、電極温度をさらに引き下げて、不安定な温度低下スパイラルを確立して、利用可能なリチウム蒸気圧力の障害となる傾向がある。そのような事態は、各電極に対して別個の温度制御回路を使用することによって防止される。電極の温度を検知する、［１９］に開示された一方法は、電極内部のヒータエレメントの電気抵抗を、このエレメントが電極の本体と良好な熱接触状態にある限り、計測するものである。

耐火性金属ヒータエレメントの抵抗は、温度に対して非常に強い関数である。温度制御回路は、金属製抵抗材料の既知の温度に対応するヒータエレメント内部の事前設定抵抗の確立に基づかせることができる。この温度制御機構はまた、大きな追加の電力が以下に説明する放電に供給されるときにも必要である。放電電力が増大すると、コントローラは、その温度を事前設定値に安定化させようとして、電極に供給される電力を低減する。

作動金属蒸気、この場合にはリチウム、の還流平衡蒸気密度が確立されると、電気パルスが電極に印加されて、１３．５ｎｍ光を効率的に放射する位置１７０において高温プラズマを生成する。これを容易化するために、電圧発生器Ｖ_１（１６０）が、陽極１０１と内部シェル１０２の間に接続される。また、電圧発生器Ｖ_２（１５０）が、陽極１０１と陰極１０３の間に接続される。図４における電極とパルス発生器の配設は、スターピンチ、すなわちスターピンチ原理のいくつかの実装形態が記述されている先行開示［２０、２１］および公報［２２、２３、２４］において記述されている、極紫外光源タイプの一実現形態である。いくつかの電気的動作モードが可能であるが、好ましい態様においては、直流の「キープアライブ（keep alive）」電流が、内部シェル１０２と陽極１０１の間の電圧発生器１６０を介して流される。

電圧発生器１６０は、内部シェル１０２を、１０から１０００ｍＡの間の放電電流を供給しながら、陽極１０１に対して通常１００から１０００Ｖの負電位に維持する。この休止「キープアライブ」段階の間に、電圧発生器１５０は起動されずに、陽極１０１と陰極１０３の間の低インピーダンスを実質的に表わし、それらを同一の電位に維持する。この「キープアライブ」放電は、陰極穴１４０と内部シェル穴１４１の間に軸１４２によって画定されるチャネル内でイオンを生成する。これらのイオンは、陰極に対するその負電位によって、内部シェルの方向に加速される。チャネル１４１を通り、軸１４２に沿って通過すると、これらのイオンの一部は、共鳴電荷交換によって中性化されて、中性リチウム原子として領域１７０に向って進む。動作の第２段階においては、内部シェル１０２が、追加の原子が領域１７０に向って投射されるときに、電圧発生器１６０から、１〜１００Ａのレベルに上げられる、電流増加によって約１マイクロ秒間、負のパルスを受ける。

放電生成の最終段階において、数マイクロ秒までの追加の遅延の後に、主電力パルスが、電圧発生器１５０を介して陰極１０３および陽極１０１に印加される。通常５００Ａ〜１０ｋＡ、および持続時間１００ｎｓｅｃ〜１０μｓｅｃの電流パルスが、電圧発生器１５０から陰極１０３に負パルスを介して印加されて、電流が、通路１４１を介して陰極１０３と陽極１０１の間で流れる。この高電流パルスの間に、場所１７０において事前形成された低密度プラズマが加熱、圧縮されて、通常５ｅＶ〜２０ｅＶの範囲の電子温度、および通常１０^１７〜１０^１８個ｃｍ^−３の範囲の電子密度に達する。

プラズマが形成されると、二酸化炭素レーザ１９０が、レンズ１９１を介してプラズマ中に集束されて、プラズマを加熱して、水素様リチウム共鳴線の励起を行う。加熱機構は、逆制動放射吸収である。吸収長のプロットが、電子密度の関数として図２に与えられている。１０．６ミクロン炭酸ガスレーザ放射の臨界密度は、１×１０^１９個ｃｍ^−３である。この濃度の直下では（亜臨界密度においては）、吸収長は、図２に示すように変化するとともに、１×１０^１８ｃｍ^−３の領域の電子密度を選択することによって、０．１ｃｍのオーダーに配設することができる。これらの条件下で、Ｌｉ^２＋イオンの豊富な生成と、１３．５ｎｍおけるその共鳴遷移での強力な放射につながる、励起状態への励起がある。１３．５ｎｍ光は、すべての方向に放射されるが、構造１０８を通る反対方向伝播光を収集して、リソグラフィまたはその他の目的で使用することができる。

本発明の第３の態様は、図７に示すように、以下のように動作する。このＥＵＶ光源においては、リチウム蒸気の取扱いは、第２の態様と同じ方法で達成される。磁場閉じ込め型リチウム放電のタイプに違いがある。図７は、電極１および３が電極２のまわりに対称に配置され、全装置が垂直の回転対称軸を有する、ハイポサイクロイド状ピンチ［１５］を示す。このタイプのピンチは、高温プラズマが蓄積するゼロ磁場点の回りの小さい中央領域７０を含む、反対「Ｚピンチ」領域を有する。動作において、リチウム蒸気３０の作動密度が確立され、ヘリウムバッファ３１によるバッファガスヒートパイプ内に封じ込められると、電極２に印加された電圧パルスが、電極１および２、ならびに電極２および３の内側縁部間の放電を確立する。例えば、中央電極２に負のパルスが入力されると、この電極は、その両側でのピンチ放電に対して、それぞれ陽極１および３とともに、陰極として作用する。

１マイクロ秒のオーダーのパルスで数ｋＡの電流を印加すると、ハイポサイクロイド状ピンチプラズマを崩壊させて、その電子密度が約１×１０^１８個ｃｍ^−３で、その温度が１０ｅＶとなる点まで加熱する。このプラズマタイプは、Ｚピンチ放電単独よりもはるかに大きい安定性を有することが観察されており［１５］、このプラズマのリチウムＥＵＶ光源動作に対しての使用が示唆されているが、本開示におけるように、局所レーザ加熱といっしょにではない。適正な不足密度プラズマ状態が確立されると、レンズ９１によって集束されたＣＯ_２レーザビーム９０は、ハイポサイクロイド状ピンチのｍｍサイズの領域にパルス入力されて、プラズマをさらに加熱して、ハイポサイクロイド状ピンチのプラズマよりも数分の１まで小さくなり得る小さなレーザ吸収領域から強い１３．５ｎｍ放射を生成する。

本発明の第４の態様が図８に示されている。これは、円錐（円錐台）の内側縁部および外側縁部において、それぞれ加熱エレメント６１および冷却エレメント６０を有する、６つの円錐形ヒートパイプ構造を追加したこと以外は、動作において第１の態様と同一である。第２の態様を参照して先述したのと同じヒートパイプ封じ込め機能を有する、ヘリウムバッファガスも追加されている。円錐の表面には、凝縮後にリチウムを復帰させるメッシュを設けて、それによってＤＭＳとして作用させ、少量のリチウムストックでの動作を可能にすることができる。

本発明の第５の態様が図９に示されている。これは、動作において、２つの主放電電極のそれぞれの上に円錐形表面を追加したこと、および磁場コイル３０がその中に埋め込まれた、単一の中央ディスク電極９０を追加したことを除いて、第１の態様と同様である。加熱レーザビーム４１は、ここでは、電極構造９０を通過するように、半径方向に１５度傾斜させられている。円錐表面のそれぞれには、円錐（円錐台）の内側縁部および外側縁部に、それぞれ加熱エレメント６１および冷却エレメント６０を含めることができる。中央ディスク電極には、その内側縁部および外側縁部に、加熱エレメント６１および冷却エレメント６０をそれぞれ含めることができる。広角ヒートパイプ特許［１９］において提供されるように、各ディスクまたは円錐形表面には、リチウム還流用のメッシュを含めることができる。動作において、中央ディスク電極９０は、主ピンチ放電に対して低密度の種電子をもたらすために、高インピーダンス源に取り付けて、主放電電極に対して、１００Ｖから５ｋＶの範囲の電位で、正または負にバイアスをかけてもよい。

参考文献

本発明のさらなる実現形態は、当業者には明白であろう。本発明の少なくとも１つの態様のいくつかの観点について説明したが、当業者は様々な変更、修正および改善を容易に思いつくことを理解すべきである。そのような変更、修正、および改善は本開示の一部とするとともに、本発明の趣旨と範囲に含めることを意図するものである。したがって、前述の説明および図面は例示のためだけのものである。

Claims (17)

1. パルス放電によって磁場自己閉じ込め型プラズマを生成し、該プラズマの小領域におけるプラズマエネルギーを、レーザ光を吸収させることによって増大させ、その結果、極紫外光を放射するイオン種の励起を局所的に増大させる、極紫外光源。
2. リチウムイオンの発光に基づく１３．５ｎｍの極紫外光源であって、
   パルス放電によって電子密度１０^１９ｃｍ^−３未満の磁場自己閉じ込め型リチウムプラズマを生成し、該プラズマの小領域におけるプラズマエネルギーを、１０．６ミクロンの波長のレーザ光を吸収させることによって増大させ、その結果、水素様リチウムの励起を、その共鳴レベルまで局所的に増大させて、１３．５ｎｍの放射を増大させる、光源。
3. 軸方向静止磁場が、対向する開放端ヒートパイプ間に同軸放電を誘導するように印加され、レーザが半径方向から放電プラズマ上に衝突する、請求項１に記載の光源。
4. 軸方向静止磁場が、対向する開放端リチウムヒートパイプ間に同軸放電を誘導するように印加され、二酸化炭素レーザが半径方向から放電プラズマ上に衝突する、請求項２に記載の光源。
5. 閉じ込めプラズマが、交互する連続放電によって生成される、請求項１に記載の極紫外光源。
6. 閉じ込めプラズマが、交互する連続放電によって生成される、請求項２に記載の極紫外光源。
7. 閉じ込めプラズマが、交互する連続放電によって生成される、請求項３に記載の極紫外光源。
8. リチウムが、広角蒸気閉じ込めおよび還流によって、バッファガスヒートパイプ内部で閉じ込められる、請求項２に記載の光源。
9. Ｚピンチ放電が、リチウムイオン密度を増大させ、５電子ボルトを超える電子温度において、１０^１７個／ｃｍ^３より大きいプラズマ密度をもたらす目的で、磁場自己閉じ込め型リチウム体積をもたらす、請求項２に記載の光源。
10. スターピンチ放電形状が、５電子ボルトを超える電子温度において、１０^１７個／ｃｍ^３より大きいリチウムプラズマ密度の生成に適用される、請求項２に記載の光源。
11. ハイポサイクロイド状ピンチ放電形状が、５電子ボルトを超える電子温度において、１０^１７個／ｃｍ^３より大きいリチウムプラズマ密度の生成に適用される、請求項２に記載の光源。
12. 交番連続放電の各段階が、静止低電流期間に続いて、短い持続時間の高電流期間を含み、該高電流期間が、レーザ加熱の準備としてプラズマをピンチングしてその密度および温度を増大させる、請求項５に記載の光源。
13. 交番連続放電の各段階が、静止低電流期間に続いて、短い持続時間の高電流期間を含み、該高電流期間が、レーザ加熱の準備としてプラズマをピンチングしてその密度および温度を増大させる、請求項６に記載の光源。
14. 低電流が、１Ａ〜１００Ａの範囲であり、高電流が１００Ａ〜１０ｋＡの範囲である、請求項１２に記載の光源。
15. 静止期間が５μｓｅｃ〜５０μｓｅｃの持続時間を有し、高電流期間が５００ｎｓｅｃ〜５μｓｅｃの持続時間を有する、請求項１２に記載の光源。
16. 放電の点火が、放電が通過する中央穴を有する主放電電極間に対称に位置するディスク電極に印加される電位によって支援される、請求項３に記載の光源。
17. 電極と、広角蒸気閉じ込めおよび還流を備える中央ディスクとによって形成されるバッファガスヒートパイプ内部に、リチウムが閉じ込められる、請求項１６に記載の光源。