JPH0687408B2 - プラズマｘ線発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パルス放電によって高温高密度のプラズマを
形成して軟Ｘ線を発生するプラズマＸ線発生装置に係
り、特に、サブミクロンの集積回路を製造するＸ線露光
装置、あるいはＸ線顕微鏡などの線源に用いて好適なプ
ラズマＸ線発生装置に関するものである。

〔従来の技術〕

２つの円筒電極が絶縁物を介して同軸状に配置された放
電管はプラズマフォーカスと呼ばれて、重水素などの気
体を充填し、充電したコンデンサからパルス電圧を印加
して気体をプラズマ化し、プラズマを電極の間の空間を
走らせて電極の先端にフォーカスし、磁界の圧力によっ
て圧縮して高温高密度のプラズマを形成し、中性子を発
生する線源として使用されてきた。この場合、プラズマ
フォーカスで形成される高温高密度のプラズマからは強
い軟Ｘ線が放射されるので、近年、軟Ｘ線源としても注
目されている。プラズマフォーカスを用いた軟Ｘ線源に
ついては、例えば特開昭60-84749号に記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

Ｘ線露光装置あるいはＸ線顕微鏡には、輝度の高い軟Ｘ
線源が必要である。プラズマフォーカスを上記の目的に
適合したものにするには、次に述べる問題点を解決しな
ければならない。

プラズマフォーカスによって形成される高温のプラズマ
から放射されるＸ線は、外部に放射される以前に、放電
管内の気体と透過窓による吸収を受けて減衰する。放電
管から高い輝度のＸ線を発生するには、プラズマからの
放射の強度を増すとともに、これらの吸収を減らさねば
ならない。放電管内の気体による吸収を減らすには、放
電管に充填する気体の圧力を下げること、Ｘ線が透過す
る通路を短かくすることが必要であり、透過窓による減
衰を低下するには、透過窓として使用するベリリウム，
ポリマーなどの厚さを減らすことが必要である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、プラズマフォーカスの電極に印加する電圧
の極性を、通常のものとは逆に、内側円筒電極を負、外
側円筒電極を正とする構成によって、上記問題を解決す
る。従来、プラズマフォーカスの電極に印加する電圧の
極性を本発明のようにすると、プラズマのフォーカスが
起こらないとか弱い等の理由で、内側円筒電極を陽性、
外側円筒電極を陰極として動作させていたのである。し
かし、プラズマフォーカスの電極の寸法を通常ののから
変えることによって、つまり内側円筒電極の直径を減少
し、沿面放電を開始する絶縁物の表面に強い電界を生ず
ることによって、あるいは、放電管に充填する気体を水
素、重水素ではなく、ネオン，アルゴン，クリプトン，
キセノンのように原子量の大きい気体に変えることによ
って、極性を従来のものとは反対にしても強いフォーカ
スが起こることを見出した結果、本発明が可能となった
のである。

本発明の要旨は、内側円筒電極と、該内側円筒電極と同
軸状に、かつ、上記内側円筒電極との間に所定のギャツ
プを有するように設置された外側円筒電極と、上記内側
円筒電極と上記外側円筒電極との間に設けられ、かつ、
上記内側円筒電極と上記外側円筒電極との間に所定の電
圧が印加された場合にブレークダウンが生じるような電
気的な絶縁部材と、その内部に上記内側円筒電極、上記
外側円筒電極およびプラズマを生成するためのガスを有
する放電容器と、上記外側円筒電極に対して負極性の電
圧パルスが印加され、かつ、上記放電容器内にプラズマ
を形成されるように上記内側円筒電極と上記外側円筒電
極との間にパルス電圧を印加するための手段とを有する
ことにある。

［作用］ 本発明においては、ネオン，アルゴン，クリプトン，キ
セノンなどの気体を使用し、気体を電離してプラズマを
発生し、プラズマを集束して高温高密度のプラズマを形
成し、軟Ｘ線を発生するプラズマフォーカスにおいて、
内側円筒電極に負、外側円筒電極に正の極性の電圧を印
加する。この極性では、プラズマ中のイオンは、電界に
よって内側円筒電極に向う力を受け、電子は外側円筒電
極に向う力を受ける。このために、プラズマが両電極の
間の空間を電極の先端に向って走りながら集められてゆ
く過程でイオンは内側円筒電極に向って運動し、その結
果、電極の先端に集められるイオンの数は、内側円筒電
極を陰極とする場合の方が多いことになる。したがっ
て、電極の先端に同じ密度の高温プラズマを形成するた
めには、内側円筒電極を負極性とする方が、正極性とす
るよりも、低い気体の圧力で動作させることができ、放
電管中の気体によるＸ線の吸収を減少させることができ
る。この圧力の比は、内側円筒電極を陰極とした方が、
数倍も低いことが実験から知られた。

磁界の圧力によって圧縮された高温高密度のプラズマか
らは、Ｘ線のほかに、荷電粒子つまり電子およびイオン
が放射される。これらの荷電粒子は高いエネルギーを持
っているので、電極をスパッタしたり、Ｘ線を透過する
のに用いられているベリリウムの薄い膜を損傷する。ベ
リリウムの膜を荷電粒子の損傷から防ぐには、膜の前に
磁界を作って荷電粒子を偏向して膜からそらす方法が実
施できる。荷電粒子のうち電子は、電荷と質量の比が大
きいために、比較的弱い磁界で必要な偏向量が得られる
が、イオンは、その比が小さいために、必要な偏向量を
得るには、強い磁界が必要である。プラズマフォーカス
Ｘ線源のＸ線透過窓は、内側円筒電極の先端に対向した
軸上に配置されることが好ましい。こうすると、線源の
大きさが最も小さくなり、輝度が高いからである。この
ような配置をとると、Ｘ線透過窓の電位は、外側円筒電
極の電位と等しくするのが構造上便利である。

本発明の構成によって内側円筒電極に負極性の電圧を印
加すると、さきに述べた理由から、Ｘ線透過窓のベリリ
ウムは、陽極である外側円筒電極と等しい電位に保たれ
て、ベリリウムには電子が衝突することになり、磁界に
よる荷電粒子の衝突防止が容易になる。

さらに、内側円筒電極に負極性の電圧を印加すると、こ
の電極に衝突する粒子は正のイオンとなり、電子が衝突
する場合に比べると、電極から発生するＸ線大幅に減少
する。電極から発生するＸ線は、プラズマから発生する
Ｘ線のバックグラウンドとなり、線源の大きさを広げ、
例えばＸ線露光装置に適用する場合であれば、転写する
図形の精度を落とすことになる。

また、内側円筒電極を陰極とすることによってこの電極
の消耗を減らすことが可能である。電極の消耗は、電流
のエネルギーが主に電子によって運ばれるために、電子
の衝突によって生ずるが、電極面積が小さい内側円筒電
極を陽極にすると、電子の密度が特に高くなるため、電
極の蒸発が激しくなるとともに、蒸発した電極材料の付
着によってベリリウム膜の汚れも激しくなる。極性を逆
にして本発明のようにすると、陽極の面積が広くなるた
めに、電子電流の密度が下がり、電極の消耗も大幅に低
下し、ベリリウム膜の汚れを減らすことができる。

なお、同様の理由から陽極の温度の上昇も問題となる
が、これも外側円筒電極を陽極とする方が温度の上昇も
少なく、冷却も容易である。

〔実施例〕

以下に、本発明を実施例により説明する。第１図は、一
実施例の断面図である。同図において、１は内側円筒電
極、２は外側円筒電極、３は両電極を絶縁する絶縁物で
ある。本発明においては、内側円筒電極１には、充電さ
れたコンデンサ５から負極性の高電圧が、エアーギャッ
プスイッチ６を介して、また外側円筒電極２には、正極
性の電圧が印加される。放電容器４により外界から隔離
された放電空間７には、ネオン，アルゴン，クリプト
ン，キセノンなどの気体が0.1〜１トル（Torr.）の圧力
で充填されている。電極間に電圧が印加されると、絶縁
物３の表面で絶縁破壊が起こり、プラズマが発生する。
プラズマは、電極の間の空間の電界と磁界からローレン
ツ力を受けて、電極の開放端に向って運動し、電極の端
を過ぎると磁界の圧力を受けてピンチし、内側円筒電極
１の先端の軸上に高温高密度のプラズマを形成して軟Ｘ
線を放射する。第１図において、８はプラズマから放射
される荷電粒子を偏向してベリリウムの窓９への衝突を
防止する磁界を作る磁極であり、10はコイルである。11
は、磁界が放電空間７へ洩れることを防ぐためのシール
ドである。第１図実施例はＸ線露光装置に適用する場合
で、シールド11の中央に設けた開孔を通って露光室12に
Ｘ線を導入し、マスクを通して、レジストを塗布したウ
エハ13にＸ線が照射される。なお、本実施例では電磁石
を用いるとして述べたが、このような磁界は永久磁石に
よって形成することも可能である。

このような構造において、充電されたコンデンサ５から
内側円筒電極１に負、外側円筒電極２には正の極性のパ
ルス電圧が印加される。本実施例における電極の寸法は
内側円筒電極の外径が30mm、外側円筒電極の内径が75m
m、電極の全長が170mm、絶縁物の沿面距離が40mmであ
る。この放電管に55μＦのコンデンサを8kVに充電し、
1.76kJのエネルギーで放電を起こすと、放電管に充填す
るアルゴンガスの最適圧力は0.18トルであり、従来通り
内側円筒電極を陽極とした同じ条件の放電の最適圧力0.
32トルより少なくなっており、発生するＸ線量は、約２
倍に増加した。

なお、上記の場合に比較に用いた従来装置の放電管の寸
法は、内側円筒電極の外径が50mm、外側円筒電極が100m
m、電極の全長が200mm、絶縁物の沿面距離が50mmであ
り、したがって、本発明によれば、放電管の寸法形状を
従来のものより小形にして、しかも、より強力なＸ線源
を実現し得ることが確認された。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、同軸状に配置さ
れた円筒電極を有するプラズマフォーカス方式のＸ線源
において、内側円筒電極が陰極として動作する極性のパ
ルス電圧を印加することによって、プラズマの集束効率
を高めることが可能となり、放電管に充填する気体の放
電最適圧力が低下することから、放電管内におけるＸ線
の吸収を減らすことができる。また、Ｘ線の透過窓に衝
突する荷電粒子の除去が容易となり、薄いＸ線透過窓を
使用してＸ線の減衰を減らすことができ、強力なＸ線を
試料室に取り出すことが可能となる。実験結果から、従
来構成の場合に比べて約２倍の強度をもつＸ線源とする
のは容易であることが確認された。さらに、電極から発
生するＸ線のバックグランドを除くことができ、Ｘ線露
光装置やＸ線顕微鏡に適用する場合の転写する図形の精
度を高めることができる。また、電極の温度上昇を低下
し、冷却を容易にすることができる。以上に述べたよう
に、本発明によれば、プラズマフォーカスの電極に印加
する電圧の極性を逆にすることによって、上記の著るし
い諸効果を発揮することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すプラズマフォーカスの
断面図である。 〈符号の説明〉 １…内側円筒電極、２…外側円筒電極 ３…絶縁物、４…放電容器 ５…コンデンサ ６…エアーギャップスイッチ ８…磁極、９…ベリリウム窓 10…コイル、11…シールド 12…露光室、13…ウエハ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内側円筒電極と、該内側円筒電極と同軸状
   に、かつ、上記内側円筒電極との間に所定のギャップを
   有するように配置された外側円筒電極と、上記内側円筒
   電極と上記外側円筒電極との間に設けられ、かつ、上記
   内側円筒電極と上記外側円筒電極との間に所定の電圧が
   印加された場合にブレークダウンが生じるような電気的
   な絶縁部材と、その内部に上記内側円筒電極、上記外側
   円筒電極およびプラズマを生成するためのガスを有する
   放電容器と、上記外側円筒電極に対して負極性の電圧パ
   ルスが印加され、かつ、上記放電容器内にプラズマを形
   成されるように上記内側円筒電極と上記外側円筒電極と
   の間にパルス電圧を印加するための手段とを有すること
   を特徴とするプラズマＸ線発生装置。
2. 【請求項２】上記ガスは、ネオン、アルゴン、クリプト
   ン、キセノンのいずれかであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のプラズマＸ線発生装置。
3. 【請求項３】上記内側円筒電極は、その一端面前方にＸ
   線透過窓が設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のプラズマＸ線発生装置。
4. 【請求項４】上記Ｘ線透過窓は、上記内側円筒電極との
   間に開口を有するシールド手段を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載のプラズマＸ線発生装置。