CN101796893B - 用于气体放电源的电极设备以及操作具有电极设备的气体放电源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气体放电源的电极设备、包括这种电极设备的气体放电源以及操作该气体放电源的方法。电极设备包括可围绕旋转轴(3)旋转的电极轮(1)和擦拭器单元(11)，所述擦拭器单元(11)被设置成在所述电极轮(1)的旋转期间限制被施加到该电极轮(1)的外圆周表面(18)的至少一部分上的液体材料膜的厚度。擦拭器单元(11)被设置并设计成在外圆周表面(18)与擦拭器单元(11)的擦拭边缘(19)之间形成间隙(17)，并且在旋转期间抑制或者至少减少液体材料从侧表面到电极轮(1)的外圆周表面(18)的转移。利用所提出的电极设备，电极轮(1)可以在更高的旋转速度下旋转而不会形成液滴，从而得到具有这种电极设备的气体放电源的更高的输出功率和脉冲频率。

Description

用于气体放电源的电极设备以及操作具有电极设备的气体放电源的方法

技术领域

本发明涉及一种用于气体放电源的电极设备，其至少包括可围绕旋转轴旋转的电极轮和擦拭器单元，所述电极轮具有处于两个侧表面之间的外圆周表面，所述擦拭器单元被设置成在所述电极轮的旋转期间限制被施加到所述外圆周表面的至少一部分的液体材料膜的厚度。本发明还涉及一种包括这种电极设备的气体放电源以及操作具有这种电极设备的气体放电源的方法。

背景技术

气体放电源例如被用作EUV辐射(EUV：超紫外)或软x射线的光源。在EUV光刻领域内特别需要发射EUV辐射和/或软x射线的辐射源。辐射是从由脉冲电流产生的热等离子体发射的。迄今为止所知的最强大的EUV辐射源利用金属蒸气操作以生成所需的等离子体。在WO 2005/025280A2中示出了这种EUV辐射源的一个实例。在这种已知的辐射源中，金属蒸气是从金属熔体(metal melt)产生的，所述金属熔体被施加到放电空间内的一个表面上并且至少部分地被特别是激光束的能量束蒸发。在这种辐射源的一个优选实施例中，两个电极被可旋转地安装，从而形成在辐射源的操作期间旋转的电极轮。电极轮在旋转期间浸入到具有金属熔体的容器中。把脉冲激光束直接导向处于放电区域内的其中一个电极的表面，以便从所粘附的金属熔体生成金属蒸气并且点燃放电。通过几kA到几十kA的电流加热金属蒸气，从而激发所期望的电离度(ionization stage)并且发射具有所期望的波长的光。形成在电极轮的外圆周表面上的液体金属膜在放电过程中充当辐射介质，并且作为再生膜防止电极轮发生腐蚀。

为了得到这种EUV放电灯的稳定的EUV辐射输出，要求连续的放电脉冲总是击中电极表面的新的平滑部分。连续的放电脉冲在移动中的电极表面上的距离处于几百微米到几毫米的数量级。有可能主要通过增大放电的重复速率来提高灯的功率。因此，必须相应地提高电极旋转速度。

在实验中已经发现，由于离心力更大，因此旋转中的电极上的液体金属膜的膜厚度随着旋转频率的提高而增大。在高的旋转频率下，膜厚度可能会达到几百微米，从而导致形成从电极表面飞溅出去的金属液滴。这些液滴可能会导致在灯内发生短路，从而导致灯故障。此外，液体金属膜的变化的膜厚度还会影响电极之间的有效距离。这就需要对于每一种旋转频率对灯的操作参数进行优化。WO2005/025280A2公开了使用剥离器或擦拭器来确保被施加到电极轮的外圆周表面上的液体金属膜的有限厚度。但是由于液体金属膜在更高的旋转速度下会形成液滴或者不稳定，因此电极轮的旋转频率受到限制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用在气体放电源中的电极设备以及一种用于操作具有这种电极设备的气体放电源的方法，其允许在更高的旋转频率下进行稳定操作，从而获得更高的输出功率。

上述目的是通过根据本发明的电极设备、气体放电源以及操作该气体放电源的方法而实现的。上述电极设备、气体放电源以及方法的有利实施例在说明书的后续部分中做了公开。

所提出的电极设备至少包括可围绕旋转轴旋转的电极轮和擦拭器单元，所述电极轮具有处于两个侧表面之间的外圆周表面，所述擦拭器单元被设置成在所述电极轮的旋转期间限制被施加到所述外圆周表面的至少一部分的液体材料膜的厚度。擦拭器单元被设置并设计成在所述外圆周表面与该擦拭器单元的擦拭边缘之间形成间隙，并且在电极轮的旋转期间抑制或者至少减少液体材料从所述侧表面到圆周表面的转移。

已经发现，与在WO 2005/025280 A2中公开的已知的电极设备相比，这种电极设备的电极轮可以在更高的旋转速度下旋转，这是由于擦拭器单元抑制或者至少减少液体材料从轮的侧表面流到外圆周表面。这种措施无法通过WO 2005/025280 A2的擦拭器来实现，其仅仅控制外圆周表面上的膜厚度。通过减少这种流动或转移将允许改进对于电极轮的外圆周表面上的液体材料的总量及其该表面上的分布的控制。因此，即使在更高的旋转速度下也可以有效地限制旋转中的电极轮上的液体材料膜的厚度，从而形成在放电区域处保持足够厚度的稳定的膜。通过上述措施，与不具有抑制或减少液体材料从侧表面到外圆周表面的转移并且减少圆周表面上的液体金属数量的擦拭器单元的电极设备相比，可以达到更高的旋转速度。

通过在气体放电源内把上述电极设备用作至少其中一个电极，电极轮的更高旋转速度允许提高用于形成脉冲气体放电的脉冲频率，前提是用于蒸发液体材料的两个连续脉冲在电极表面上不发生重叠。这种气体放电源优选地包括：被设置成在放电区域处具有最小距离的两个电极；用于在两个电极之间施加高电压的电源；以及用于在电极轮的外圆周表面的至少一部分上施加液体材料膜的设备。可替换地，可以把材料作为固体材料施加在电极轮的外圆周表面上，并且随后对其加热，从而在该外圆周表面的至少一部分之上形成液体材料膜。在一个优选实施例中，全部两个电极都是具有根据所提出的电极设备的相应擦拭器单元的电极轮。

擦拭器单元可以由单一擦拭器元件或者一起运作的多个擦拭器元件形成。单个或多个擦拭器元件优选地被设置并设计成在所述电极轮的旋转期间在与圆周表面相邻的所述侧表面的部分处剥离液体材料。为此，相应的擦拭器元件可以被形成为在面向电极轮的圆周表面的部分处具有叉状形状。擦拭器元件在圆周表面与该擦拭器元件的擦拭边缘之间限定间隙，该间隙在两侧通过接触或几乎接触电极轮的侧表面的擦拭器元件的侧件(side piece)而闭合。为了把液体材料膜的厚度限制到所期望的高度，圆周表面与擦拭器元件的擦拭边缘之间的该间隙是必要的。通过对擦拭器元件的擦拭边缘和/或毗连该间隙的电极轮进行专门定形，可以实现具有所期望的形状的液体材料膜。举例来说，电极轮的外圆周表面在其宽度上可以具有平面形状或弯曲形状。此外，外圆周表面还可以包括在电极轮的圆周方向上延伸的沟槽。在其中一个优选实施例中，外圆周表面在其宽度上具有平面形状，同时擦拭器单元被设计成在外圆周表面的该宽度上形成具有恒定厚度的间隙。

尽管在上面的实例或优选实施例中，其中一个擦拭器元件被设计成形成间隙并且同时从电极轮的侧表面剥离液体材料，但是也有可能使用其中一个擦拭器元件形成间隙，并且使用另外的一个或多个擦拭器元件在电极轮的侧表面的部分处剥离液体材料。此外，可以把多个擦拭器单元设置在圆周表面关于旋转方向的不同位置处，以便进一步改进圆周表面上的液体材料膜的定形。优选地，这种另外的擦拭器单元的设计与主擦拭器单元类似，其具有用以限制轮的表面上的液体材料膜的厚度的一个或多个擦拭器元件。随后把所述另外的擦拭器单元设置成在旋转方向上处于所述主擦拭器单元之前。

优选地还采取另外的措施来减少可能在电极轮的旋转期间从侧表面转移到圆周表面上的液体材料的数量。这些措施中的一种是使用在外圆周表面处具有T形横截面的电极轮。由于这种T形形态，液体材料不能直接到达外圆周表面，而是必须绕过一个突起。另一种优选措施是在电极轮的侧表面上施加不润湿层或涂层。不言自明的是，另一方面外圆周表面必须由润湿材料构成或者涂覆有这种材料。

在擦拭器单元与放电区域之间，液体材料膜受到离心力、粘滞力和表面张力，这些力会动态地影响膜厚度剖面轮廓(profile)并且可能会导致形成材料液滴。为了最大限度地控制液体材料膜的演变以及/或者在没有液滴形成的情况下实现最高可能旋转频率，可以同时应用在本专利申请中所公开的所有措施。此外还可以个别地组合不同的措施。

为了允许对间隙进行最优调节以便控制外圆周表面上的液体材料的膜厚度，优选地可以通过使用可调节擦拭器元件来调节限定该间隙的擦拭边缘与电极轮的外圆周表面之间的距离。这允许根据旋转频率以及在操作气体放电源时所使用的液体材料的属性来适当地设置间隙。

已经发现，如果间隙在垂直于旋转方向的平面内的横截面积不超过最大面积A_max，则利用稳定液体材料膜可以获得最高旋转频率，其中：

A_max＝8σ/(ρω²R)

其中，σ和ρ分别是液体材料的表面张力和密度，ω＝2π·f是角旋转频率，并且R是轮半径。该间隙限定擦拭器位置处的液体材料膜剖面轮廓并且控制液体材料总量和放电位置处的液体材料膜剖面轮廓。为了令所述膜在高旋转速度下具有高稳定性，需要小的间隙。另一方面，间隙必须被选择成是够大，从而有足够的液体材料可用于确保在放电位置处所需的大约几十微米的膜厚度。因此在操作具有所提出的电极设备的气体放电源的所提出的方法中，间隙的面积被控制成满足上面的等式。在所提出的气体放电源的其中一个实施例中，通过适当的传感器和适当的控制单元在气体放电源的操作期间自动控制间隙的恒定厚度。

在操作这种气体放电源的所提出的方法中，优选地使用具有外圆周表面的电极轮，其具有矩形横截面或者至少在横截面轮廓的一部分处具有矩形横截面。电极轮或者至少其横截面的矩形部分的宽度D被选择成处在D^＊＜D＜10·D^＊的范围内，其中

已经发现，对于满足上述等式的电极轮，与上面提到的某些或所有另外的措施相组合可以达到无液滴形成的情况下的最大旋转频率。

为了在擦拭器元件与轮的外圆周表面之间保持限定的间隙厚度，可以通过弹簧之类的弹性元件把擦拭器压在轮表面上，从而得到类似于流体动力轴承的效果。在这种情况下，根据旋转速度和将擦拭器元件压在表面上的弹力获得限定的膜厚度。可替换地，例如可以通过滚动擦拭器单元上的限定擦拭器元件到电极轮的外圆周表面的距离的各元件来控制间隙厚度，从而控制液体材料层的厚度。

为了实现对放电区域或位置处的液体材料膜厚度的最大限度的控制，擦拭器单元应当被设置成尽可能靠近该放电位置。此外，擦拭器材料必须是机械稳定的，并且对热液体材料具有化学和热抗性。对应于液体锡(Sn)的情况下的适当材料的一个实例是钨或钼。此外，为了达到最高可能圆周速度v＝ω·R并且从而达到最高放电重复频率，轮半径应当被选择得尽可能大并且与其他要求相容。

参照在下文中描述的各实施例，本发明的上述和其他方面将变得显而易见。

附图说明

下面将通过举例的方式结合附图描述所提出的电极设备、气体放电源和操作方法而不限制由所附权利要求书限定的保护范围。在附图中：

图1是具有根据本发明的电极设备的气体放电源的示意图；

图2是其有擦拭器单元和充当预擦拭器的附加擦拭器元件的电极轮的示意性侧视图；

图3是示出了所提出的设备的擦拭器单元的第一实例的横截面的示意图；

图4是示出了所提出的设备的擦拭器单元的第二实例的横截面的示意图；

图5是示出了所提出的设备的擦拭器单元的第三实例的横截面的示意图；

图6是示出了所提出的设备的擦拭器单元的第四实例的横截面的示意图；

图7是示出了所提出的设备的擦拭器单元的第五实例的横截面的示意图；

图8是示出了根据现有技术的电极轮上的膜厚度与电极轮的旋转速度的相关性的测量图；以及

图9是示出了在使用根据本发明的电极设备时的电极轮上的膜厚度与电极轮的旋转速度的相关性的测量图。

具体实施方式

图1示出了可以在其中实施根据本发明的电极设备的脉冲气体放电源的示意性侧视图。图中没有示出该电极设备的细节。气体放电源包括设置在具有可预先限定的气压的放电空间内的两个电极1、2。轮状电极1、2是可旋转地安装的，也就是说其在操作期间围绕旋转轴3旋转。在旋转期间，电极1、2部分地浸入到相应的容器4、5中。这些容器4、5当中的每一个包含金属熔体6，其在本例中是液体锡。金属熔体6被保持在大约300℃的温度下，即略高于锡的熔点230℃。通过连接到所述容器的加热设备或冷却设备(图中未示出)把容器4、5内的金属熔体保持在上述操作温度下。在旋转期间，电极1、2的外圆周表面被液体金属润湿，从而在所述电极上形成液体金属膜。电极1、2的外圆周表面上的液体金属膜的层厚度由擦拭器单元11控制，在图1中仅仅示意性地示出了擦拭器单元。在图3到7中示出了该擦拭器单元11的实例。通过金属熔体6为电极1、2提供电流，该金属熔体6经由绝缘馈通8连接到电容器组7。

在两个电极1、2之间的最窄点处把脉冲激光束9聚焦在其中一个电极上。结果，位于电极1、2上的金属膜的一部分蒸发并且桥接在电极间隙上。这就导致在该点处点燃放电并且导致由电容器组7供电的非常快的电流上升。高电流把金属蒸气加热或加燃料到这样一种高温，从而使得后者被电离并且在箍缩等离子体15中发射所期望的EUV辐射。

为了防止燃料逃离气体放电源，在气体放电源前方设置碎屑减缓(debris mitigation)单元10。该碎屑减缓单元10允许辐射直接穿出气体放电源，但是阻止大量碎屑粒子排出。为了避免污染气体放电源的外壳，可以在电极1、2与外壳之间设置屏障12。此外，在两个容器4、5之间的间隙内设置金属屏蔽13，以便减少到该间隙中的燃料扩散。

图2示出了图1的电极轮1的示意性侧视图。旋转中的轮1与由图1中的容器5形成的液体金属供给14相接触，该轮被部分地浸没在容器5中。如图2中所示，在液体金属供给14与由箍缩等离子体15表示的放电位置之间的途中，形成在电极轮1的外圆周表面上的液体金属膜首先被可选的预擦拭器16定形并且随后被主擦拭器11定形，其中液体金属膜的部分将在放电位置处被每一个激光脉冲烧蚀。

电极轮1的圆周表面以及擦拭器11、16的擦拭边缘的形状被选择成使得对于电极轮1的所需旋转频率，在放电位置处获得最优的液体金属膜厚度剖面轮廓。通过与适当设计的电极轮表面相组合对所述(多个)擦拭器进行适当的定形和定位，可以把液体金属膜控制成在最高旋转频率下保持稳定以及/或者集中在电极轮的外圆周表面上的所需位置处。在图3到7中示出了对应于适当形状的实例。

本发明的一个主要特征是作为关于电极轮1的旋转移动最靠近放电位置的擦拭器单元的擦拭器单元11的设计。该擦拭器单元11被设计成在轮的旋转期间抑制或者至少减少液体金属从电极轮的侧表面流到外圆周表面。为此，擦拭器单元11可以由如图3中所示的具有叉状形状的单一擦拭器元件形成。利用这种擦拭器单元11，在电极轮1的外圆周表面18与擦拭器元件的相对擦拭边缘19之间形成限定间隙17。与此同时，电极轮1的侧表面26和27上的液体材料被擦拭器元件的侧件20剥离，从而无法流到电极轮的外圆周表面18上。

图4示出了另一个示例性实施例，其中除了擦拭器单元11的叉状形状之外，所形成的电极轮1还具有围绕其外圆周表面延伸的沟槽21。在这种情况下，擦拭器单元11的擦拭边缘19与电极轮1的外圆周表面18之间的间隙17由沟槽21的深度限定。

图4还示出了电极轮1的侧表面上的不润湿涂层25，其在旋转期间避免在这些侧表面上形成更多数量的液体材料。

为了进一步限制液体材料从电极轮的侧表面转移到其外圆周表面上，电极轮可以在外圆周表面处具有T形横截面，正如图5中所示出的那样。这种T形形态附加地阻止液体材料从侧表面转移到外圆周表面上。在图6的实例中，擦拭器单元11由三个擦拭器元件22、23、24构成。第一擦拭器元件22限定外圆周表面18与擦拭边缘19之间的间隙17。第二和第三擦拭器元件23和24从电极轮的侧表面剥离液体材料。

图3到5示出了电极轮的外圆周表面与擦拭器单元11的具有矩形横截面的相应擦拭边缘之间的间隙。但是如果放电位置(从而最大膜厚度)预计偏离电极轮的外圆周表面的中心，则可以结合擦拭器单元的经过相应适配的设计在电极轮的外圆周表面处使用其他轮形。在图6和7中示出了对应于这种几何结构的实例。对于电极轮和擦拭器单元的全部两种几何结构，液体材料将关于电极轮的旋转平面以偏心方式积聚。在图6中，擦拭器单元11由单一擦拭器元件形成，而在图7中则由不同的擦拭器元件22、23、24形成擦拭器单元11。

图8和9示出了在根据现有技术的不包括任何擦拭器的放电气体源与根据本发明的放电气体源之间进行的放电位置处的膜厚度与电极轮的旋转频率的相关性的比较。本发明的放电气体源使用了根据图3的擦拭器单元。从图8中可以看出，根据先有技术的系统中的液体金属膜的膜厚度随着旋转速度的增大而显著增大到高达700μm。在超过12Hz的旋转速度下形成液滴。对于电极轮的相同几何结构，根据本发明的放电源的膜厚度在高达18Hz的较宽旋转频率范围内保持在50到100μm之间的厚度范围内。在高于18Hz的频率下才开始形成液滴。这意味着通过使用具有根据本发明的适当擦拭器单元的电极设备可以粑最大旋转频率从12Hz增大到18Hz。因此实现了稳定灯操作下的放电重复速率的显著提高，从而得到更高的灯输出功率。

虽然在附图和前面的描述中详细示出并描述了本发明，但是这种图示和描述应当被视为说明性或示例性而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。还可以对于在上面和权利要求书中描述的不同实施例进行组合。通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解并实施所公开的实施例的其他变型。举例来说，还有可能使用超过两个擦拭器单元或者使用具有不同于图中所示的设计的擦拭器单元。此外，在根据本发明的放电源中，可以按照所要求保护的电极设备来设计单一电极或全部两个电极。

在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中阐述各项措施并不意味着不可能使用这些措施的组合来获益。权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制这些权利要求的范围。

附图标记列表

1-电极轮

2-电极轮

3-旋转轴

4-容器

5-容器

6-金属熔体

7-电容器组

8-馈通

9-激光脉冲

10-碎屑减缓单元

11-擦拭器单元

12-屏蔽

13-金属屏蔽

14-液体金属供给

15-箍缩等离子体

16-预擦拭器

17-间隙

18-外圆周表面

19-擦拭边缘

20-侧件

21-沟槽

22-第一擦拭器元件

23-第二擦拭器元件

24-另外的擦拭器元件

25-不润湿涂层

26-电极轮的侧表面

27-电极轮的侧表面

Claims (15)

1.一种用于气体放电源的电极设备，其至少包括：

能够围绕旋转轴(3)旋转的电极轮(1)，所述电极轮(1)具有处于两个侧表面(26，27)之间的外圆周表面(18)；以及

擦拭器单元(11)，其被设置成在所述电极轮(1)的旋转期间限制被施加到所述外圆周表面(18)的至少一部分和所述侧表面(26，27)上的液体材料膜的厚度，

其中，所述擦拭器单元(11)被设置并设计成在所述外圆周表面(18)与该擦拭器单元(11)的擦拭边缘(19)之间形成间隙(17)，并且在所述电极轮(1)的旋转期间抑制或者至少减少液体材料从所述侧表面(26，27)到所述外圆周表面(18)的转移。

2.根据权利要求1的设备，

其中，所述擦拭器单元(11)被设置并设计成在所述电极轮(1)的旋转期间在与所述外圆周表面(18)相邻的所述侧表面(26，27)的部分处剥离液体材料。

3.根据权利要求2的设备，

其中，所述擦拭器单元(11)包括具有叉状形状的擦拭器元件。

4.根据权利要求2或3的设备，

其中，所述擦拭器单元(11)包括一起运作的多个擦拭器元件(22，23，24)。

5.根据权利要求4的设备，

其中，其中一个所述擦拭器元件(22，23，24)被设计并设置成形成所述间隙(17)，并且一个或多个另外的所述擦拭器元件(22，23，24)被设置并设计成在电极轮(1)的所述侧表面(26，27)的各部分处剥离液体材料。

6.根据权利要求1的设备，

其中，所述电极轮(1)在外圆周表面(18)处具有T形横截面。

7.根据权利要求1的设备，

其中，所述外圆周表面(18)形成在圆周方向上延伸的沟槽(21)。

8.根据权利要求1的设备，

其中，所述擦拭器单元(11)被设计成在所述外圆周表面(18)的宽度上形成具有恒定厚度的所述间隙(17)。

9.根据权利要求1的设备，

其中，所述侧表面(26，27)覆盖有不润湿材料或涂层(25)。

10.根据权利要求1的设备，

其中，所述擦拭器单元(11)被设计成允许对于所述电极轮(1)的不同旋转频率调节由所述外圆周表面(18)与所述擦拭边缘(19)之间的距离限定的间隙(17)的宽度。

11.根据权利要求1的设备，

其中，另一个擦拭器单元(16)被设置成在旋转方向上处于所述擦拭器单元(11)之前，所述另一个擦拭器单元(16)被设计成限制外圆周表面(18)上的液体材料膜的厚度。

12.一种包括根据权利要求1的电极设备的气体放电源，所述电极设备的电极轮(1)形成所述气体放电源的两个电极(1，2)当中的第一个，所述两个电极被设置成在放电区域处具有最小距离，其中，气体放电源还包括用于在电极轮(1)的外圆周表面(18)的至少一部分上施加或生成液体材料膜的设备(4，5)。

13.根据权利要求12的气体放电源，其中，全部两个电极(1，2)由根据权利要求1的电极设备形成。

14.一种操作根据权利要求12的气体放电源的方法，其中，利用角旋转频率ω＝2π·f来驱动电极轮(1)，并且其中调节擦拭器单元(11)到电极轮(1)的外圆周表面(18)的距离，从而形成具有不超出最大间隙面积A_max＝8σ/(ρω²R)的间隙面积A的间隙(17)，其中σ是所施加的液体材料的表面张力，ρ是所施加的液体材料的密度，并且R是电极轮(1)的轮半径，所述轮半径被定义为圆周表面(18)到轮的旋转轴(3)的距离。

15.根据权利要求14的方法，其中，电极轮(1)的规格被确定成在其外圆周表面(18)处具有宽度D，其中D^＊＜D＜10·D^＊并且 $D*=\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\σ}/\left(\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}^{2}R\right)}.$

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