CN100375219C - 用于超紫外辐射的气体放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于超紫外辐射的一种气体放电灯，该放电灯配有一个阳极(1)和一个空心阴极(2)，其中空心阴极(2)具有至少两个孔(3，3’)，阳极(1)具有一个通孔(4)，其特征在于，空心阴极孔(3)的纵轴线(5，5’)有一个共同的交叉点(S)，该交叉点处在阳极孔(4)的对称轴线(6)上。

Description

用于超紫外辐射的气体放电灯

技术领域

本发明涉及一种用于超紫外辐射的气体放电灯，该气体放电灯配有一个阳极和一个空心阴极，其中空心阴极具有至少两个孔，阳极具有一个通孔。其优选的应用范围是那些需要其波长范围主要在大约10至20nm的超紫外(EUV-)辐射的领域，例如半导体平板印刷术。

背景技术

众所周知，使用致密的热的等离子体作为用于提供超紫外辐射的辐射发射的介质。

WO 01/91532 A2为此介绍了使用一种EUV-辐射源，该辐射源配有若干个呈圆弧形布置的部分电极，在这些电极之间离子束得到加速。这些离子束汇入到一个等离子体放电腔中，并在此形成一种密集的热的等离子体，该等离子体发射EUV-波长范围内的辐射。为了减小离子束的发散性，并造成一种特别小的等离子体体积，于此配置了一些装置以用于离子的电中和。

WO 01/01736 A1公开过一种用于产生EUV-辐射及软X-射线的装置，其中配有两个主电极，在这两个主电极之间有一个充满气体的中间空间。所述主电极在此具有一个或多个开口。主电极的配置导致如下的效果：等离子体只能在由所述两个中心开口的直径所决定的圆柱体中点火，并随后由于箍缩效应而压缩到一个更小的圆柱体上。因此，只形成一个唯一的等离子体通道。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种气体放电灯，它具有一种在EUV-波长范围内发射的引缩性等离子体，其中可产生一个在空间上强烈地局限的等离子体，与此同时，阴极材料的腐蚀是尽可能小的。

依本发明可以认定：上述技术问题是采用一种用于超紫外辐射的气体放电灯加以解决的，这种气体放电灯配有一个阳极和一个空心阴极，其中该空心阴极具有至少两个孔，而阳极具有一个通孔；其中，这些空心阴极孔的纵轴线具有一个共同的交叉点，该交叉点处在阳极孔的对称轴线上，并且所述至少两个孔具有朝向由空心阴极和阳极所构成的腔的开口。

作为本发明的一个改进，空心阴极孔的纵轴线垂直于空心阴极壁的对置于空心阴极孔的部分；为每个空心阴极孔配置了一个单独的空心阴极空腔；处在对称轴线上的空心阴极孔是作为盲孔形成的，该盲孔的开口朝向由空心阴极和阳极所构成的腔。

作为本发明的另一个改进，空心阴极在阳极孔的对称轴线上没有孔。

作为本发明的另一个改进，空心阴极在阳极孔的对称轴线上具有一个通孔，该通孔的直径小于其余的空心阴极孔的直径。

作为本发明的另一个改进，阳极具有附加的孔，该孔的纵轴线分别与一个空心阴极孔的纵轴线一致，其中，所述附加的孔具有朝向由空心阴极和阳极所构成的腔的开口，从交叉点观察，附加的阳极孔后面的空腔区是封闭的。

作为本发明的另一个改进，一个附加的阳极孔是作为盲孔形成的，该盲孔的开口朝向由空心阴极和阳极所构成的腔。

作为本发明的另一个改进，中心的、贯通的阳极孔是作为栅极形成的，该栅极的敞开的区域是呈条带状的或棋盘状的。

作为本发明的另一个改进，为空心阴极空腔配置了触发机构，该触发机构是一个附加电极、一个介电触发器、一个受脉冲的高频源、一个或多个辉光放电单元，或一个受脉冲的激光源。

作为本发明的再一个改进，将一个配有一个辅助阳极的双等离子体装置作为触发机构。

本发明基于以下认识：阴极腐蚀可以采取以下措施加以减小：将全部由阴极发出的电子流经多个阴极孔加以分配。一个气体放电源的阴极必须就在一个电脉冲过程中提供一个很高的为若干千安培的电子流。这会导致在阴极孔的内表面中以及在阴极的直接毗连的朝向阳极的表面区域内形成所谓的阴极斑点。从这些阴极斑点会优先发出电子。在这些地方还可能产生阴极材料的一种远远超过纯热蒸发引起的腐蚀。通过选择所述多个空心阴极孔，便可减小出现在一个阴极斑点上的电流密度。总的说来，这可导致一种更小的阴极腐蚀、特别是在阴极孔范围内，并能导致气体放电灯使用寿命延长。

具体实施方式

图1表示本发明提出的一种气体放电灯，它配有一个阳极1和一个空心阴极2，其中空心阴极具有三个到一个空腔8的阴极孔3、3’、3”。

阳极1、阴极2和空腔8在压力典型地为1-100Pa的条件下处在一种气体气氛中。对电极系统施加一个电压。如此选择气体压力和电极距离，使得等离子体的点火在巴申曲线(Paschenkurve)的左分支线上发生，即电离作用过程沿着长的电场线开始，这些电场线最好在阳极和阴极的孔的范围内出现。在放电过程中，空心阴极空腔8不是无电位的，更确切地说，电位或电场线伸入到空心阴极空腔8中。在该处产生一个空心阴极等离子体，由于振荡性的电子而具有高的等离子体形成效益。

由于产生了上述空心阴极等离子体的结果，特别是通过在空心阴极等离子体中产生的电子射束一该电子射束通过孔3、3’、3”朝阳极方向或沿箭头方向传播，也可参看图2a-而在阳极和阴极之间的区域内产生一个高导电率的等离子体。这种导电率尤其在交叉点的范围内是特别高的。

通过一位至两位的千安培范围内的一种受脉冲的电流，上述等离子体受到压缩，并被加热到这样的温度，使得它产生在超紫外区的辐射。电流脉冲根据振幅和周期如此加以选择，使得等离子体成为EUV-辐射源。该等离子体最好产生在交叉点的范围内。

在此处图1表示一个装置，它配有在技术可以特别简单地实现的平面型电极1、2。也可以是一种圆弧形装置，如图3所示，它配有一个圆弧形的空心阴极2。该装置的优点在于：电极壁远离等离子体，电极的冷却比较简单，还可实现对于对称轴线6的较大的角度。在这种结构形式中，与相关阴极孔3、3’、3”相对置的壁7分别垂直于该孔的纵轴线5、5’、5”，因此，通过电极间隙中的电离化而有助于使得主要在共同的交叉点S的范围内存在一个高的导电率。

所用的电流脉冲最好具有带有两位千安培数的振幅和带有在两位至三位毫微秒范围内的周期。特别在电流脉冲的上述参数条件下，等离子体受到充分压缩，从而受到加热，致使它达到对于辐射发射所需的温度。

主要使用纯氙或者与其它气体的混合物作为放电源的工作气体。但也可以使用带有其它辐射源、例如带有锂或锌的气体，元素形式或作为化合物均可，借以保证获得一个尽可能高的辐射效果。工作压力大致在1-100Pascal(帕)范围内。在这种情况下这样选择工作点，使得电极距离和放电压力之积处在巴申曲线的左分支线上。在此情况下，在固定的电极几何形状时，点火电压随气体压力的下降而升高。

在放电开始时，即开始的通过电流条件下，如图2a所示，在空心阴极2中产生一种等离子体13。在放电过程中，该等离子体13穿过阴极孔，并在阴极和阳极之间形成导电的通路11，亦可参看图2b。由上述情况看出：从空心阴极孔出来的由离子和电子构成的射束11具有某种空间的扩张。作为共同的交叉点S在这种情况下应理解为这样一种空间范围12：在此空间范围内那些空间扩张的射束彼此交叉或搭接。

沿着通路11出现一种快速的电流上升，从而使得等离子体如图2c所示被磁性地在本装置的对称轴线6上压缩到一个小的体积14。于此，也可以在主对称轴线6的方向上实现一个雪茄形的等离子体。依轴线方向，这一等离子区的长度约为2至5mm，垂直高度约0.5至2mm。该离子区的重心大致在交叉点S处。由于强烈的温度升高之故，处于其中的气体原子多重地被电离，并发射出所希望的EUV-辐射。

空心阴极孔朝向一个共同的交叉点S上的指向导致如下的效果：在放电的开始阶段所产生的电子射束或等离子射束在一个点上即在交叉点S上相遇，从而给定出朝向一个空间点的电流通路。在后面的高通过电流的阶段中，于是由于箍缩效应之故而形成一种很局部化的等离子体。

依本发明配置了至少两个阴极孔，最好是使用更大数量的阴极孔。使用更大数量的阴极孔便可进一步扩大电极面，并减小每个单独的阴极孔所受到的负荷。这一点也可如愿地减小对阴极的腐蚀。

有利的情况是：相关的空心阴极孔3的纵轴线5尽可能地垂直于空心阴极壁7的对置于空心阴极孔3的那个部分、即空心阴极空腔的后壁，参看图3。空心阴极壁7相对于空心阴极孔的纵轴线的定向对电子射束或等离子射束的方向具有很大的影响，对射束在从空心阴极孔出来时的电流强度也有很大影响。

在放电的初始阶段，电子即从所述空心阴极的后壁7被发射，更确切地说都是垂直于后壁的。这就导致形成一个电子束，继后产生一个中性的等离子束，该等离子束通过相关孔3、3’、3”沿阳极方向传播。由于初次的电子发射是垂直于空心阴极的壁进行的，所以当所述孔的纵轴线垂直于空心阴极后壁时，载流子尽可能地完全从该孔中出来。

前面开头述及的各实施形式具有一个共同点：所述至少两个空心阴极孔通向一个唯一的并因而也是共同的空心阴极空腔。

如图4a和4b所示，下述情况也是可能的：为每个空心阴极孔3、3’、3”配置一个单独的空心阴极空腔8、8’、8”。一般地说，所谓的一个空心阴极也可以理解为带有至少两个孔3、3’的一个阴极，配有至少一个空心阴极空腔8。

单独的空心阴极空腔都小于一个共同的空心阴极空腔。由于其尺寸较小，所以具有下述优点：等离子体可以更快速地再复合，从而可提高其重复率。

同样本发明的这样一个方案也是有利的，其中空心阴极2在对称轴线6上没有孔，为此可参看图5a和图5b。在这个位置上存在一个孔的情况下可根据实验确定：由这个孔发出的通过电流往往明显地超过从其它孔3、3’发出的通过电流。通过在这个位置上不配置孔，则可避免该孔遭受特别强烈腐蚀的危险。换言之，总电流可以特别均匀地分配成单路电流。

图5a和图5b表示在对称轴线6上没有空心阴极孔的一些变型，其中这些孔3、3’具有唯一的一个共同的空腔，而上述实施形式就其本意来说同样地如在图4a或图4b中所示，也可配有单独的空腔8、8’、8”。

一个在图中未示出的变型表示：在对称轴线上选择了一个贯通的空心阴极孔，该孔的直径小于其余空心阴极孔的直径。在此情况下，中心的空心阴极孔、也就是在电极装置的(主)对称轴线上的空心阴极孔，对等离子体的点火不起作用。上述变型的优点是：可以避免由于微粒造成的腐蚀，这种微粒是在引缩性等离子体压缩时沿轴向被发射的。

按另一种变型可以将一个或多个空心阴极孔3、3’、...设计成盲孔，参看图6a和图6b。这种结构形式在制造上特别简易。

此外实验还证明：在未最佳化的工作参数条件下，等离子体的重心不在点S上，而是往往朝阴极方向移动。特别是在对称轴线6上具有一个盲孔3’，如图6c和图6d中所示，等离子体离阴极壁的距离可增大，尤其是当盲孔的直径大于其它空心阴极孔3或3’的直径时。等离子体离阴极壁的距离增大将导致阴极腐蚀的进一步减小。

此外，对于主对称轴线6上的盲孔而言，上述装置对孔部位中的腐蚀是比较能容忍的。阴极在所述孔边缘上的可能有的磨圆或已有的磨损对一个盲孔的情况、对电流的输送以及对引缩性等离子体而言，并不起着如具有通孔的几何结构那么大的作用。在最后所述情况下，引缩性等离子体的几何形状基本上是由电流调制及其在阴极孔中的及时展开所决定的，其中经验表明，所腐蚀的边缘对引缩性几何形状产生负面影响。引缩性等离子体变得更长，从而导致能够耦合输出较少的辐射。于是盲孔导致的结果是：虽然出现腐蚀，但等离子体就其位置和几何形状而言保持不变。

阳极1在对称轴线6上包括一个贯通的中心主孔4。阳极1除了贯通的中心主孔4之外，还可以具有至少两个另外的孔4’、4”。这些附属的阳极孔4’或4”的纵轴线9’或9”分别等同于空心阴极孔3’或3”的纵轴线，为此可参看图7。至此，对每个附属的阳极孔4’、4”有一个相对置的、不在对称轴线上的空心阴极孔3’、3”。在此情况下，在交叉点S处有搭接的等离子通路，其它的阳极孔4’、4”大体确定将要经过箍缩效应而被压缩的等离子体积。由于附加的阳极孔4’、4”的直径小于对称轴线6上的中心阳极孔4的直径，所以将要被压缩的等离子体积总的说来变得较小。因此，等离子体被压缩到一个更小的体积。其优点在于：所产生的EUV-辐射有一个更高的部分可以沿着对称轴线6加以输出耦合并可加以实际利用。由于为了达到一个预定的EUV-输出功率因此只需要较小的脉冲能，所以可进一步限制阴极材料的腐蚀。

附加的阳极孔可以有不同设计的。从交叉点S观察，在图7中所示的阳极孔4’、4”的后面有一个敞开着的空腔区，在图8a中该空腔区是封闭的。这种封闭的结构所导致的后果是：等离子体不会受到所述的空腔区中的各种过程的干扰，所以等离子体发射可以特别无干扰地进行。于此，图8b所示的变型在结构上特别简单的是，封闭的空腔区由一个设计成盲孔的阳极孔4’、4”构成。

与附加的阳极孔4’、4”的存在及结构无关，主孔4也可以设计成栅极，该栅极的敞开着的区域是条带形的或棋盘形的。这种栅极在此情况下在等离子体的点火阶段起着电屏蔽的作用。阳极的中心主孔的这种设计结构首先在存在附加阳极孔的情况下是有利的。也就是说，所述点火过程可以更好支配地通过附属的阳极孔4’、4”加以确定，从而使得要被压缩的等离子体体积总起来说变得更小。

依本发明提出的另一项有利的实施情况，为所述空心阴极空腔配置了触发机构。这样，就可精确地按需要触发放电的点火系统。尤其是还可以改善部分放电的点火的同时性。

可以如图9a和9b所示，在空腔8中将一个辅助电极10设为触发机构。该辅助电极10可以如此防止放电的点火：它借助一种触发器电子机构而可保持在相对于阴极2的正电位上。如果触发器电极通过向触发器电子机构所施加的一个控制脉冲而接通到阴极电位上，则可实现可精密控制的放电点火。相似地也适用下述情况，就是使用一种介电的触发器。

如图10a所示，可以配置一个受脉冲的高频源10、10’、10”作为触发机构，例如使用一个微波源以用于放电的触发。所述高频通过所述孔沿着虚线所示轴线而被输入耦合到所述空心阴极空腔8、8’、8”中，并在该处触发空心阴极等离子体的构成，最终触发主放电。

为了实现触发，也可如图10b所示配置辉光放电单元。在这些辉光放电单元内，在固有的主放电之前保持一个辉光放电。然后从辉光等离子体通过将一种正的电压脉冲施加到朝着空心阴极2的栅极电极而提取电子，这些电子启动空心阴极空腔8、8’、8”中及阳极和阴极之间的空腔中亦即电极空隙中的主放电。

如图10c和图10d所示，为了实现触发，可在相关的空心阴极孔上使用一个受脉冲操作的激光射束源的聚焦的激光射束15、15’、15”，以用于从阴极表面释放初级电子，并用于放电的点火。既可从阳极一侧如图10d所示、也可通过阴极一侧的孔如图10c所示，使一个或多个聚焦的激光射束入射。

图11表示一种双等离子体装置，该装置配有一个辅助阳极17。辅助阳极和阳极1经过导线19而彼此实现电连接。在放电的点火阶段，在空心阴极空腔8、8’、8”中形成一个等离子体，从该等离子体出发一个电子束沿阳极1的方向、也沿辅助阳极17的方向传播。在以后的过程中，在空腔18、18’、18”中、在孔16、16’、16”和辅助电极17之间产生一种等离子体，该等离子体自身沿着空心阴极2的方向发射出一个离子束。该离子束横穿过空心阴极空腔8、8’、8”，并穿过孔3、3’、3”而进入到电极空隙中。在此沿着离子束会在阳极1和阴极2之间导致产生更为局部强化的主等离子体的电离。这样，便可进一步减小发射EUV-辐射的等离子体积的空间扩展。这就允许改善所提供的EUV-辐射的输出耦合。

从上述实施可以看出：阴极、阳极、相关的孔及所属触发机构的不同实施形式也可以任意加以组合。

附图标记一览表

1                 阳极

2                 空心阴极

3、3’、3”       空心阴极孔

4                 阳极孔，通孔

5、5’、5”       空心阴极孔的纵轴线

6                 对称轴线，由贯通的阳极孔所确定

7                 空心阴极后壁

8、8’、8”       空心阴极空腔

9                 附属的阳极孔的纵轴线

10                触发机构

11                空间地扩展的电子束和离子束

12                电子束的搭接区

13                等离子体

14                引缩性等离子体

15、15’、15”    激光束

16、16’、16”    空心阴极孔，是朝向辅助阳极的

17                辅助阳极

18、18’、18”    空心阴极2和辅助阳极17之间的空隙

19                电导线，它们将阳极1和辅助阳极17连接起来

Claims (14)

1.用于超紫外辐射的气体放电灯，该放电灯配有一个阳极(1)和一个空心阴极(2)，其中空心阴极(2)具有至少两个孔(3，3’)，阳极(1)具有一个通孔(4)，其特征在于，这些空心阴极孔(3，3’)的纵轴线(5，5’)具有一个共同的交叉点(S)，该交叉点处在阳极孔(4)的对称轴线(6)上，并且所述至少两个孔(3，3’)具有朝向由空心阴极(2)和阳极(1)所构成的腔的开口。

2.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，相关空心阴极孔(3)的纵轴线(5)垂直于空心阴极壁(7)的对置于空心阴极孔(3)的部分。

3.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，为每个空心阴极孔(3)配置了一个单独的空心阴极空腔(8)。

4.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，一个空心阴极孔是作为盲孔形成的。

5.按权利要求4所述的气体放电灯，其特征在于，处在对称轴线(6)上的空心阴极孔(3)是作为盲孔形成的，该盲孔的开口朝向由空心阴极(2)和阳极(1)所构成的腔。

6.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，空心阴极(2)在阳极孔(4)的对称轴线(6)上没有孔(3)。

7.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，空心阴极(2)在阳极孔(4)的对称轴线(6)上具有一个通孔，该通孔的直径小于其余的空心阴极孔的直径。

8.按权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，阳极(1)具有附加的孔(4’，4”)，该孔的纵轴线(9’，9”)分别与一个空心阴极孔的纵轴线一致，其中，所述附加的孔(4’，4”)具有朝向由空心阴极(2)和阳极(1)所构成的腔的开口。

9.按权利要求8所述的气体放电灯，其特征在于，从交叉点(S)观察，附加的阳极孔(4’，4”)后面的空腔区是封闭的。

10.按权利要求8所述的气体放电灯，其特征在于，一个附加的阳极孔(4’，4”)是作为盲孔形成的，该盲孔的开口朝向由空心阴极(2)和阳极(1)所构成的腔。

11.按权利要求8所述的气体放电灯，其特征在于，中心的、贯通的阳极孔(4)是作为栅极形成的，该栅极的敞开的区域是呈条带状的或棋盘状的。

12.按权利要求1至11中任一项所述的气体放电灯，其特征在于，为所述空心阴极空腔(8)配置了触发机构(10)。

13.按权利要求12所述的气体放电灯，其特征在于，将一个配有一个辅助阳极(17)的双等离子体装置作为触发机构。

14.按权利要求12所述的气体放电灯，其特征在于，将一个附加电极、一个介电触发器、一个受脉冲的高频源、一个或多个辉光放电单元，或一个受脉冲的激光源设为触发机构。

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