JP5479723B2

JP5479723B2 - プラズマ光源とプラズマ光発生方法

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Publication number: JP5479723B2
Application number: JP2008322526A
Authority: JP
Inventors: 一彦堀岡; 一桑原
Original assignee: IHI Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: IHI Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: US20110248635A1; KR20110094312A; EP2378844A1; JP2010147231A; TW201033750A; SG172258A1; US8907567B2; EP2378844A4; KR101431748B1; WO2010071036A1; TWI499358B

Description

本発明は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光源とプラズマ光発生方法に関する。

次世代半導体の微細加工のために極端紫外光源を用いるリソグラフィが期待されている。リソグラフィとは回路パターンの描かれたマスクを通して光やビームをシリコン基盤上に縮小投影し、レジスト材料を感光させることで電子回路を形成する技術である。光リソグラフィで形成される回路の最小加工寸法は基本的には光源の波長に依存している。従って、次世代の半導体開発には光源の短波長化が必須であり、この光源開発に向けた研究が進められている。

次世代リソグラフィ光源として最も有力視されているのが、極端紫外光源（ＥＵＶ：ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）であり、およそ１〜１００ｎｍの波長領域の光を意味する。この領域の光はあらゆる物質に対し吸収率が高く、レンズ等の透過型光学系を利用することができないので、反射型光学系を用いることになる。また極端紫外光領域の光学系は非常に開発が困難で、限られた波長にしか反射特性を示さない。

現在、１３．５ｎｍに感度を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜反射鏡が開発されており、この波長の光と反射鏡を組み合わせたリソグラフィ技術が開発されれば３０ｎｍ以下の加工寸法を実現できると予測されている。さらなる微細加工技術の実現のために、波長１３．５ｎｍのリソグラフィ光源の開発が急務であり、高エネルギー密度プラズマからの輻射光が注目されている。

光源プラズマ生成はレーザー照射方式（ＬＰＰ：ＬａｓｅｒＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）とパルスパワー技術によって駆動されるガス放電方式（ＤＰＰ：ＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ）に大別できる。ＤＰＰは、投入した電力が直接プラズマエネルギーに変換されるので、ＬＰＰに比べて変換効率で優位であるうえに、装置が小型で低コストという利点がある。

プラズマから有効波長領域（ｉｎ−ｂａｎｄ）の放射光への変換効率（ＰｌａｓｍａＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥ．ｃｉｅｎｃｙ：Ｐ．Ｃ．Ｅ）は次式（１）のように表される。
Ｐ．Ｃ．Ｅ＝（Ｐ_{ｉｎｂａｎｄ}×τ）／Ｅ・・・（１）
ここで、Ｐ_{ｉｎｂａｎｄ}は有効波長領域のＥＵＶ放射光出力、τは放射持続時間、Ｅはプラズマに投入されたエネルギーである。

有効波長領域に放射スペクトルを持つ元素としては、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等が代表的であり、実験の容易さ、取り扱いやすさから開発初期はＸｅを中心に研究が進められてきた。しかし、近年では高出力、高効率を理由にＳｎが注目を浴び研究が進められている。また、ｉｎ−ｂａｎｄ領域にちょうどＬｙｍａｎ−α共鳴線を有する水素様Ｌｉイオン（Ｌｉ^２＋）に対する期待も高まってきている。

高温高密度プラズマからの放射スペクトルは、基本的にはターゲット物質の温度と密度によって決まり、プラズマの原子過程を計算した結果によると、ＥＵＶ放射領域のプラズマにするにはＸｅ，Ｓｎの場合で電子温度、電子密度がそれぞれ数１０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−３程度，Ｌｉの場合で２０ｅＶ、１０^１８ｃｍ^−３程度が最適とされている。

なお、上述したプラズマ光源は、非特許文献１，２および特許文献１に開示されている。

佐藤弘人、他、「リソグラフィ用放電プラズマＥＵＶ光源」、ＯＱＤ−０８−２８ＪｅｒｏｅｎＪｏｎｋｅｒｓ，"Ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）ｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ"，ＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５（２００６）Ｓ８−Ｓ１６

特開２００４−２２６２４４号公報、「極端紫外光源および半導体露光装置」

ＥＵＶリソグラフィ光源には、高い平均出力、微小な光源サイズ、飛散粒子（デブリ）が少ないこと等が要求される。現状では、ＥＵＶ発光量が要求出力に対して極めて低く、高出力化が大きな課題の一つであるが、一方で高出力化のために入力エネルギーを大きくすると熱負荷によるダメージがプラズマ生成装置や光学系の寿命の低下を招いてしまう。従って、高ＥＵＶ出力と低い熱負荷の双方を満たすためには、高いエネルギー変換効率が必要不可欠である。

プラズマ形成初期には加熱や電離に多くのエネルギーを消費するうえに、ＥＵＶを放射するような高温高密度状態のプラズマは一般的に急速に膨張してしまうため、放射持続時間τが極端に短い。従って、変換効率を改善するためには、プラズマをＥＵＶ放射のために適した高温高密度状態で長時間（μｓｅｃオーダーで）維持することが重要になる。

ＳｎやＬｉ等の常温固体の媒体はスペクトル変換効率が高い反面、プラズマ生成に溶融、蒸発等の相変化を伴うため、中性粒子等のデブリ（放電に伴う派生物）による装置内汚染の影響が大きくなる。そのため、ターゲット供給、回収システム強化も同様に要求される。

現在の一般的なＥＵＶプラズマ光源の放射時間は１００ｎｓｅｃ程度であり出力が極端に足りない。産業応用のため高変換効率と高平均出力を両立させる為には１ショットで数μｓｅｃのＥＵＶ放射時間を達成する必要がある。つまり、高い変換効率を持つプラズマ光源を開発するためには、それぞれのターゲットに適した温度密度状態のプラズマを数μｓｅｃ（少なくとも１μｓｅｃ以上）拘束し、安定したＥＵＶ放射を達成する必要がある。

さらに、従来のキャピラリー放電では、プラズマがキャピラリー内に閉じ込められてしまうため、有効な放射立体角が小さいという欠点もあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができ、構成機器の熱負荷によるダメージが小さく、発生したプラズマ光の有効な放射立体角が大きくでき、プラズマ媒体を連続して供給することができるプラズマ光源とプラズマ光発生方法を提供することにある。

本発明によれば、対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備え、
前記各同軸状電極は、中心電極と、該中心電極を間隔を隔てて囲むガイド電極と、を有し、
前記電圧印加装置は、
一方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該一方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より高い正の電圧を印加する正電圧源と、
他方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該他方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より低い負の電圧を印加する負電圧源と、を有し、
１対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを半径方向及び軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記各同軸状電極の前記中心電極は、単一の軸線上に延び、
前記各同軸状電極は、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体を有し、
１対の同軸状電極の各中心電極は、同一の軸線上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する。

前記電圧印加装置は、前記正電圧源と負電圧源をそれぞれの同軸状電極に同時に印加するトリガスイッチを有する。

本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記絶縁体は、多孔質セラミックであり、
さらに該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備え、
該プラズマ媒体供給装置は、プラズマ媒体を内部に保有するリザーバーと、プラズマ媒体を液化する加熱装置とからなる。

また本発明の好ましい別の実施形態によれば、放電電圧の印加タイミングに同期して、前記１対の同軸状電極の絶縁体表面にレーザー光を照射するイグニッション用レーザー装置を備える。

前記イグニッション用レーザー装置は、前記各絶縁体表面の複数個所にレーザー光を多点照射する、ことが好ましい。

また本発明によれば、それぞれ中心電極と該中心電極を間隔を隔てて囲むガイド電極とからなる１対の同軸状電極を対向配置し、前記同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、一方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該一方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より高い正の電圧を印加するとともに、他方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該他方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より低い負の電圧を印加して、１対の同軸状電極にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを半径方向及び軸方向に封じ込める磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、対向配置された１対の同軸状電極を備え、１対の同軸状電極にそれぞれ面状の放電電流（面状放電）を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを封じ込める磁場（磁気ビン）を形成するので、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。

また、従来のキャピラリー放電や真空光電金属プラズマと比較すると、１対の同軸状電極の対向する中間位置に単一のプラズマが形成され、かつエネルギー変換効率を大幅に改善できるので、プラズマ形成中における各電極の熱負荷が小さくなり、構成機器の熱負荷によるダメージを大幅に低減できる。

また、１対の同軸状電極の対向する中間位置にプラズマ光の発光源であるプラズマが形成されるので、発生したプラズマ光の有効な放射立体角を大きくできる。

さらに、絶縁体が多孔質セラミックであり、該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備える構成により、プラズマ媒体を連続して供給することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるプラズマ光源の第１実施形態図である。
この図において、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１０、放電環境保持装置２０、及び電圧印加装置３０を備える。

１対の同軸状電極１０は、対称面１を中心として対向配置されている。
各同軸状電極１０は、棒状の中心電極１２、管状のガイド電極１４及びリング状の絶縁体１６からなる。

棒状の中心電極１２は、単一の軸線Ｚ−Ｚ上に延びる導電性の電極である。この例において、中心電極１２の対称面１に対向する端面に凹穴１２ａが設けられ、後述する面状放電電流２と管状放電４を安定化させるようになっている。なお、この構成は必須ではなく、中心電極１２の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。

管状のガイド電極１４は、中心電極１２を一定の間隔を隔てて囲み、その間にプラズマ媒体を保有するようになっている。プラズマ媒体は、Ｘｅ，Ｓｎ，Ｌｉ等のガスであることが好ましい。また、ガイド電極１４の対称面１に対向する端面は、円弧状でも平面でもよい。

リング状の絶縁体１６は、中心電極１２とガイド電極１４の間に位置する中空円筒形状の電気的絶縁体であり、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する。
なお、絶縁体１６の形状はこの例に限定されず、中心電極１２とガイド電極１４の間を電気的に絶縁する限りで、その他の形状であってもよい。

上述した１対の同軸状電極１０は、各中心電極１２が同一の軸線Ｚ−Ｚ上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する。

放電環境保持装置２０は、同軸状電極１０内にプラズマ媒体を供給し、かつプラズマ発生に適した温度及び圧力に同軸状電極１０を保持する。
放電環境保持装置２０は、例えば、真空チャンバー、温度調節器、真空装置、及びプラズマ媒体供給装置により構成することができる。なおこの構成は必須ではなく、その他の構成であってもよい。

電圧印加装置３０は、各同軸状電極１０に極性を反転させた放電電圧を印加する。
電圧印加装置３０は、この例では、正電圧源３２、負電圧源３４及びトリガスイッチ３６からなる。
正電圧源３２は、一方（この例では左側）の同軸状電極１０の中心電極１２にそのガイド電極１４より高い正の放電電圧を印加する。
負電圧源３４は、他方（この例では右側）の同軸状電極１０の中心電極１２にそのガイド電極１４より低い負の放電電圧を印加する。
トリガスイッチ３６は、正電圧源３２と負電圧源３４を同時に作動させて、それぞれの同軸状電極１２に同時に正負の放電電圧を印加する。
この構成により、本発明のプラズマ光源は、１対の同軸状電極１０間に管状放電（後述する）を形成してプラズマを軸方向に封じ込めるようになっている。

図２は、図１のプラズマ光源の作動説明図である。この図において、（Ａ）は面状放電の発生時、（Ｂ）は面状放電の移動中、（Ｃ）はプラズマの形成時、（Ｄ）はプラズマ封込み磁場の形成時を示している。
以下、この図を参照して、本発明のプラズマ光発生方法を説明する。

本発明のプラズマ光発生方法では、上述した１対の同軸状電極１０を対向配置し、放電環境保持装置２０により同軸状電極１０内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、電圧印加装置３０により各同軸状電極１０に極性を反転させた放電電圧を印加する。

図２（Ａ）に示すように、この電圧印加により、１対の同軸状電極１０に絶縁体１６の表面でそれぞれ面状の放電電流（以下、面状放電２と呼ぶ）が発生する。面状放電２は、２次元的に広がる面状の放電電流であり、後述する実施例では「電流シート」と呼ぶ。
なおこの際、左側の同軸状電極１０の中心電極１２は正電圧（＋）、ガイド電極１４は負電圧（−）に印加され、右側の同軸状電極１０の中心電極１２は負電圧（−）、そのガイド電極１４は正電圧（＋）に印加されている。
なお、両方のガイド電極１４を接地させて０Ｖに保持し、一方の中心電極１２を正電圧（＋）に印加し、他方の中心電極１２を負電圧（−）に印加してもよい。

図２（Ｂ）に示すように、面状放電２は、自己磁場によって電極から排出される方向（図で中心に向かう方向）に移動する。

図２（Ｃ）に示すように、面状放電２が１対の同軸状電極１０の先端に達すると、１対の面状放電２の間に挟まれたプラズマ媒体６が高密度、高温となり、各同軸状電極１０の対向する中間位置（中心電極１２の対称面１）に単一のプラズマ３が形成される。

さらに、この状態において、対向する１対の中心電極１２は、正電圧（＋）と負電圧（−）であり、同様に対向する１対のガイド電極１４も、正電圧（＋）と負電圧（−）であるので、図２（Ｄ）に示すように、面状放電２は対向する１対の中心電極１２同士、及び対向する１対のガイド電極１４の間で放電する管状放電４に繋ぎ換えられる。ここで、管状放電４とは、軸線Ｚ−Ｚを囲む中空円筒状の放電電流を意味する。
この管状放電４が形成されると、図に符号５で示すプラズマ封込み磁場（磁気ビン）が形成され、プラズマ３を半径方向及び軸方向に封じ込むことができる。
すなわち、磁気ビン５はプラズマ３の圧力により中央部は大きくその両側が小さくなり、プラズマ３に向かう軸方向の磁気圧勾配が形成され、この磁気圧勾配によりプラズマ３は中間位置に拘束される。さらにプラズマ電流の自己磁場によって中心方向にプラズマ３は圧縮（Ｚピンチ）され、半径方向にも自己磁場による拘束が働く。
この状態において、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを電圧印加装置３０から供給し続ければ、高いエネルギー変換効率で、プラズマ光８（ＥＵＶ）を長時間安定して発生させることができる。

上述した本発明の装置と方法によれば、対向配置された１対の同軸状電極１０を備え、１対の同軸状電極１０にそれぞれ面状の放電電流（面状放電２）を発生させ、面状放電２により各同軸状電極１０の対向する中間位置に単一のプラズマ３を形成し、次いで面状放電２を１対の同軸状電極間の管状放電４に繋ぎ換えてプラズマ３を封じ込めるプラズマ封込み磁場５（磁気ビン５）を形成するので、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光を長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。

また、従来のキャピラリー放電や真空光電金属プラズマと比較すると、１対の同軸状電極１０の対向する中間位置に単一のプラズマ３が形成され、かつエネルギー変換効率を大幅（１０倍以上）に改善できるので、プラズマ形成中における各電極の熱負荷が小さくなり、構成機器の熱負荷によるダメージを大幅に低減できる。

また、１対の同軸状電極１０の対向する中間位置にプラズマ光の発光源であるプラズマ３が形成されるので、発生したプラズマ光の有効な放射立体角を大きくできる。

図３は、本発明によるプラズマ光源の第２実施形態図である。
この例において、リング状の絶縁体１６は、多孔質セラミックである。また、本発明によるプラズマ光源は、さらにプラズマ媒体供給装置１８を備える。
プラズマ媒体供給装置１８は、多孔質セラミック１６の外面に密着して設けられ、多孔質セラミック１６を通して同軸状電極１０内（中心電極１２とガイド電極１４の間）にプラズマ媒体を供給する。
プラズマ媒体供給装置１８は、この例ではプラズマ媒体６を内部に保有するリザーバー１８ａ（例えばルツボ）と、プラズマ媒体を液化する加熱装置１８ｂとからなる。プラズマ媒体は、この例ではＳｎ，Ｌｉ等の常温で固体のプラズマ媒体であるのがよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図３のプラズマ光源を用い、本発明のプラズマ光発生方法では、多孔質セラミック１６をプラズマ媒体６（Ｓｎ，Ｌｉ等）の蒸気圧がプラズマ発生に適した圧力（Ｔｏｒｒオーダー）となる温度に加熱維持し、同軸状電極１０内（中心電極１２とガイド電極１４の間）をＴｏｒｒオーダーのプラズマ媒体６の蒸気雰囲気にする。
また、電極導体（中心電極１２とガイド電極１４）をプラズマ媒体６の蒸気が凝集しない高温に維持する。

上述した構成により、プラズマ媒体６を連続して同軸状電極１０内に供給することができ、ＥＵＶ放射のためのプラズマ光をより長時間（μｓｅｃオーダーで）安定して発生させることができる。

図４は、本発明によるプラズマ光源の第３実施形態図である。
この例において、本発明によるプラズマ光源は、さらにイグニッション用レーザー装置４０を備える。
イグニッション用レーザー装置４０は、この例では、２台のレーザー発振器４２とタイミング制御装置４４とからなり、電圧印加装置３０による放電電圧印加のタイミングに同期して、１対の同軸状電極１０の絶縁体１６の表面にレーザー光７を照射するようになっている。
なお、この図で１４ａは、レーザー光７を通すためにガイド電極１４に設けられた開口である。なおこの開口１４ａをレーザー光７を通す透明体（例えば石英ガラス）で塞いでもよい。

図４において、電圧印加装置３０は、パルス高電圧電源３８であり、１対の同軸状電極１０の中心電極１２とガイド電極１４に、左右で極性を反転させた放電電圧を印加するようになっている。なお、電圧印加装置３０は、図１に示した構成であってもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した構成により、放電電圧印加のタイミングに同期して、絶縁体１６の表面にレーザー光７を照射することにより、放電ジッターを低減し、対向する同軸状電極１０の放電開始のタイミングを一致させることができる。

図５は、本発明によるプラズマ光源の第４実施形態図である。
この図において、（Ａ）は１対の同軸状電極１０の一方、（Ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図である。
この例において、イグニッション用レーザー装置４４は、各絶縁体１６の表面の複数個所にレーザー光７を多点照射するようになっている。多点照射の位置は、各絶縁体１６の周方向に等間隔離れた位置であり、この例では周方向８箇所である。また、複数個所にレーザー光７を分割するには、例えばビームスプリッターを用い、かつ光路長を一致させる。
このように、レーザー光７を分割して、各絶縁体１６の周方向に等間隔に多点照射とすることにより、周方向の放電ジッターを低減し、放電開始の周方向のタイミングを一致させることができる。

１．初期電流分布と光源プラズマの長パルス化
（キャピラリー放電による実験）
ＤＰＰ生成方法として最も簡単なものにキャピラリー放電がある。キャピラリー放電は、円筒状の絶縁体細管の両端に電極を設置し、電極間に高電圧を印加することによって細管内で放電プラズマを形成するものである。
本発明の発明者らは、キャピラリー形状を変えて、初期電流分布がＥＵＶプラズマの持続時間に与える影響を調べた。

（実験装置）
図６は、キャピラリー放電装置の概要図である。この図において、（Ａ）は実験装置の概要図、（Ｂ）はストレート型キャピラリー、（Ｃ）はテーパー型キャピラリーの模式図である。
ストレート型キャピラリー（図６（Ｂ））の長さは１０ｍｍ、内径は３ｍｍである。テーパー型キャピラリー（図６（Ｃ））の長さは１０ｍｍ、陽極側と陰極側の内径はそれぞれ２ｍｍ、８ｍｍである。また、キャピラリーはラバールノズル構造を持っており、電子制御されたバルブによってキャピラリー内に供給されたＸｅガスはノズル内で超音速に加速される。パルス的にガス投入を行うので、チャンバー内は１０^−６ｔｏｒｒ程度の真空に保たれた状態でＤＰＰを駆動できる。ＥＵＶシグナルはキャピラリー軸方向に置いたフォトダイオード（ＩＲＤ社製、ＡＸＵＶ２０ＨＳ１）を用いて計測した。

（結果と考察）
図７は、初期電流分布のＥＵＶシグナルへの効果を示す図である。この図において、（Ａ）はストレート型、（Ｂ）はテーパー型の典型的なＥＵＶシグナルを示している。また、各図において、Ａは入力電流、ＢはＥＵＶシグナルである。
この図から明らかにテーパー型の方がＥＵＶシグナルＢの持続時間が増えている事がわかる。通常ＤＰＰに使用されるストレート型のキャピラリー放電では、キャピラリー沿面のプラズマ電流の自己磁場によって中心方向にプラズマを圧縮（Ｚピンチ）させる。このＺピンチによって圧縮加熱されたプラズマは高温・高密度状態になるが、最大圧縮後は増加した圧力により急速に膨張する。そのため、ＥＵＶ放射状態にあるプラズマは短時間しか存在できない

自己磁場の強さＰ_Ｂは次式（２）で表される。
Ｐ_Ｂ∝（Ｉ^２／ｒ^２）・・・（２）
ここで、Ｉはプラズマ電流、ｒはプラズマ半径である。軸方向に勾配を持つテーパー型キャピラリー放電プラズマではプラズマ半径ｒの小さい陽極側で自己磁場が強くなり、キャピラリー内の軸方向の勾配により、プラズマは半径方向に圧縮されると同時に中心軸上を陽極側から陰極側にドリフトする。キャピラリー内を移動するプラズマは連続的に加熱され、高温高密度状態が長時間維持されたと考えられる。

しかし、テーパーキャピラリー放電の場合でも、Ｚピンチさせたプラズマは軸方向に移動するうえに、キャピラリー外部に放出し自然膨張するためＥＵＶ放射時間は。約３００ｎｓｅｃ程度しか得られていない。また、キャピラリー内でプラズマが生成されるため、有効な立体角が十分にとれないので、要求される光源性能の達成は難しいことが明らかになった。

２．カスプ磁場ガイドを用いた実験
前述の実験結果から、電流の半径方向に傾斜があれば磁気圧に差が生じ軸方向にもプラズマを制御できることが確認できた。プラズマの膨張する速度（熱速度）は１ｃｍ／μｓｅｃ程度なので、光源プラズマのサイズを考慮するとμｓｅｃの閉じ込めには半径方向だけではなく軸方向のプラズマの閉じ込めを実現しなければならない。そこで、両電極側の半径が小さく電極間中心で半径が最大になる電流分布が得られ、さらにそれに最適な電流波形を駆動することができれば半径方向には自己磁場による拘束力が働き、軸方向には磁気圧勾配による拘束力が働くため、プラズマの長時間拘束が可能と考えられる。

図８は、カスプ磁場ガイド放電実験の模式図である。
この図は、印加磁場による電流分布制御の概念を示している。両電極の周りに図のように永久磁石を設置し、カスプ型の磁場による初期電流路の制御を試みた。電極に高電圧を印加した瞬間、陰極から飛び出した電子は、電界とカスプ型の磁束に支配されて陽極に移動しながら、電子雪崩を起こす。その結果、図のような形の電流分布の形成が期待される。

原理実証実験に使用した電極径は２ｍｍ、電極間距離は４ｍｍであり、表面磁束密度１．２５Ｔを持つ磁石は内径２４ｍｍ外径５０ｍｍ、磁石間距離は８ｍｍである。
原理実証実験の結果、磁場Ｂにガイドされることによって電極間中心付近でより強い発光を観測することができた。さらに、予備電離を行うことで多少安定した放電を行う事に成功したが、再現性が低く安定した結果を得ることはできなかった。これは、電流経路の形成が初期の不確定な電子雪崩の経路に強く依存するためと考えられる。ＥＵＶ光源は出力を得るため数ｋＨｚの高繰り返しを前提としているため、プラズマ形成の不安定性は出力、効率の低減につながる。

３．対向プラズマフォーカス機構によるＺピンチ
図９は、対向プラズマフォーカス装置の模式的構成図であり、図１０は、電流のリコネクタにより期待されるプラズマの挙動を示す図である。
安定したＥＵＶプラズマの生成と閉じ込め方法を確立するために、プラズマフォーカス機構を対向させたＤＰＰ形成方法を提案する。図９に示すように同軸状のプラズマフォーカス電極を対向させる。両方とも外側のガイド電極１４は接地させ、内側電極（中心電極１２）は正と負の高電圧を印加する。同軸状電極（ガイド電極１４と中心電極１２）に高電圧を印加すると、絶縁体１６（図１０参照）の沿面で放電が開始される。絶縁体面で形成された電流シート（面状放電２）は自己磁場によって電極から排出される方向に押し出される。

金属のトリガー・ピンを設置する等の絶縁体表面の工夫により、同軸電極間の放電開始電圧の閾値を印加電圧より十分小さくすることができれば、放電ジッターが小さくなる。ここで放電ジッターとは、印加電圧の印加から放電開始までの遅れ時間を意味する。
放電ジッターが電極間ギャップ中の電流シート進展時間よりも十分小さくなれば、電極中心付近での衝突が可能である。電極間中心で電流シートが衝突した時、電流経路と磁場が一時崩壊し、リコネクトが起これば、図１０に示すようなプラズマ挙動と長時間プラズマ拘束が可能と考えられる形状が期待できる。
ここで、リコネクトとは、図１０（Ａ）の状態から図１０（Ｂ）の状態に電流経路と磁場が変化することをいう。このリコネクトは、１対の同軸状電極間の間隔調節、放電電圧の変化、等により自動的に行わせることができる。

電流波形は回路パラメータによって制御できる。リコネクトに成功した後、最適な電流波形によりプラズマの圧力勾配と半径方向、軸方向の磁気圧勾配をバランスさせることができればμｓｅｃのプラズマの拘束が可能である。
この実験の重要なポイントは、放電開始の同時性、電流シートの均一性、そしてそれが達成された時の電流シートのリコネクトである。均一な電流シートの衝突のため、まずは、均一な電流シートの排出を確認する実験を行った。

（実験装置）
図１１は、同軸状電極を有するプラズマ光源の実験装置の模式図である。
この図において、中心電極１２の電極径は５ｍｍ、外側のガイド電極１４の内径は１０ｍｍ、共に先端での放電開始を防ぐため電極エッジには曲率をつけてある。同軸の電極（中心電極１２とガイド電極１４）は絶縁体（図示せず）で隔てられ、絶縁体表面には均一で安定した放電が開始されるように針状のトリガー・ピンを設置している。
同軸状電極の深さ（絶縁体表面から同軸状電極先端までの距離）は絶縁体の長さを変えることによって変化させることができる。コンデンサ容量は１μＦ、印加電圧は１０〜１５ｋＶ、回路インダクタンスは０．４μＨである。電流シートの全体的な振舞いを確認するため、高速フレーミングカメラ（ＤＲＳＨＡＤＬＡＮＤ社製、ＩＭＡＣＯＮ４６８）を軸方向に設置し可視光領域で観測した。

（結果と考察）
図１２は、同軸状電極での電流シートの広がりを示す実験結果である。
この図は、中心電極を−１５ｋＶに印加し、正弦波形（周期４μｓｅｃ）の電流で駆動したときの様子である。この時の放電ピーク電流は４ｋＡ、初期ガス圧は１１０ｍｔｏｒｒ（Ａｒ）であり、露光時間は１００ｎｓｅｃである。一カ所から開始した放電がピーク電流に到達する時間までに方位角θ方向に１８０度以上の拡がりを見せているのがわかる。この結果から、同軸電極内の電流シートはθ方向には広がる傾向にあることがわかる。つまり、上述した放電条件では、２カ所以上で放電を開始させることにより、電流シートの均一性が得られる。

電極深さを変化させプラズマの排出を観測したところ電極深さ２０ｍｍでプラズマの排出が確認できた。プラズマの放電開始から排出までの時間と電極深さから、上述の条件下では、電流シートの速度は、約１ｃｍ／μｓｅｃ程度となる。電極間ギャップは数ｍｍ程度なので両電極の放電開始のずれは、約１００ｎｓｅｃ程なら許容できることになる。
以上の実験から放電開始の同時性、電流シートの均一性については電流シート衝突のための指標を得ることができた。放電ジッターは装置の性能上、実現可能な値であり、２カ所以上の放電開始ポイントの形成についてはトリガー・ピンの工夫により解決することができる。

上述したように、本発明の発明者らは、テーパー型キャピラリーを用いたＸｅプラズマのＥＵＶ放射を計測し、従来のキャピラリー放電と比較した。電流波形の操作を行い、ＥＵＶの発光時間が長くなったことが確認された。テーパー型キャピラリーを用いた場合では、放射継続時間が同様の放電条件で動作させたストレート型キャピラリーの場合と比較して約１．５倍に延長された。放射時間の延長には放電電流の操作が重要である事が明らかになった。また、１．５倍には延長されたが３００ｎｓｅｃという放射時間ではまだ出力向上、効率向上の目標には遠いことが明らかになった。

これらの問題を解決するため、初期電流分布を操作できる可能性を持つ方法としてカスプ磁場を放出電子のガイドとして用いる実験を行った。磁場によるガイド効果は実験で確認はできたが、テーパー型キャピラリー程ガイド効果が有効ではなく安定したプラズマ形状が確認できなかった。プラズマ形成が不安定な初期放出電子の経路に強く依存してしまうためだと考えられる。

安定したＥＵＶプラズマの生成と閉じ込め方法のために、極性を反転させた一対のプラズマフォーカスを対向させる方法を提案した。放電の同時性、電流シートの均一性、そして、電流シートのリコネクトが成功すれば、プラズマは軸方向に圧縮されると共に自己磁場によって維持され、ＥＵＶの長時間放射に適した安定な配位のプラズマ形状を形成できると考えられる。空間的、時間的に制御された光源プラズマを形成することによってＥＵＶプラズマ光源のエネルギー変換効率を改善できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明によるプラズマ光源の第１実施形態図である。図１のプラズマ光源の作動説明図である。本発明によるプラズマ光源の第２実施形態図である。本発明によるプラズマ光源の第３実施形態図である。本発明によるプラズマ光源の第４実施形態図である。キャピラリー放電装置の概要図である。初期電流分布のＥＵＶシグナルへの効果を示す図である。カスプ磁場ガイド放電実験の模式図である。対向プラズマフォーカス装置の模式的構成図である。電流のリコネクタにより期待されるプラズマの挙動を示す図である。同軸状電極を有するプラズマ光源の実験装置の模式図である。同軸状電極での電流シートの広がりを示す実験結果である。

符号の説明

１対称面、２面状放電（電流シート）、３プラズマ、
４管状放電、５プラズマ封込み磁場、６プラズマ媒体、
７レーザー光、８プラズマ光（ＥＵＶ）、
１０同軸状電極、１２中心電極、１２ａ凹穴、
１４ガイド電極、１４ａ開口、１６絶縁体（多孔質セラミック）、
１８プラズマ媒体供給装置、１８ａリザーバー（ルツボ）、
１８ｂ加熱装置、２０放電環境保持装置、３０電圧印加装置、
３２正電圧源、３４負電圧源、３６トリガスイッチ、
３８パルス高電圧電源、４０イグニッション用レーザー装置、
４２レーザー発振器、４４タイミング制御装置

Claims

対向配置された１対の同軸状電極と、該同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持する放電環境保持装置と、各同軸状電極に極性を反転させた放電電圧を印加する電圧印加装置と、を備え、
前記各同軸状電極は、中心電極と、該中心電極を間隔を隔てて囲むガイド電極と、を有し、
前記電圧印加装置は、
一方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該一方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より高い正の電圧を印加する正電圧源と、
他方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該他方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より低い負の電圧を印加する負電圧源と、を有し、
１対の同軸状電極間に管状放電を形成してプラズマを半径方向及び軸方向に封じ込める、ことを特徴とするプラズマ光源。
前記各同軸状電極の前記中心電極は、単一の軸線上に延び、
前記各同軸状電極は、中心電極とガイド電極の間に位置しその間を絶縁するリング状の絶縁体を有し、
１対の同軸状電極の各中心電極は、同一の軸線上に位置し、かつ互いに一定の間隔を隔てて対称に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ光源。
前記電圧印加装置は、前記正電圧源と負電圧源をそれぞれの同軸状電極に同時に印加するトリガスイッチを有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ光源。
前記絶縁体は、多孔質セラミックであり、
さらに該多孔質セラミックを通して同軸状電極内にプラズマ媒体を供給するプラズマ媒体供給装置を備え、
該プラズマ媒体供給装置は、プラズマ媒体を内部に保有するリザーバーと、プラズマ媒体を液化する加熱装置とからなる、ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ光源。
放電電圧の印加タイミングに同期して、前記１対の同軸状電極の絶縁体表面にレーザー光を照射するイグニッション用レーザー装置を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ光源。
前記イグニッション用レーザー装置は、前記各絶縁体表面の複数個所にレーザー光を多点照射する、ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマ光源。
それぞれ中心電極と該中心電極を間隔を隔てて囲むガイド電極とからなる１対の同軸状電極を対向配置し、前記同軸状電極内にプラズマ媒体を供給しかつプラズマ発生に適した温度及び圧力に保持し、一方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該一方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より高い正の電圧を印加するとともに、他方の前記同軸状電極の前記中心電極に、該他方の前記同軸状電極の前記ガイド電極より低い負の電圧を印加して、１対の同軸状電極にそれぞれ面状放電を発生させ、該面状放電により各同軸状電極の対向する中間位置に単一のプラズマを形成し、次いで前記面状放電を１対の同軸状電極間の管状放電に繋ぎ換えて前記プラズマを半径方向及び軸方向に封じ込める磁場を形成する、ことを特徴とするプラズマ光発生方法。