CN102598874B - 尤其用于气体放电光源的电极系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电极系统，特别地涉及用于生成EUV辐射和/或软X射线的气体放电装置的电极系统。该电极系统包括由电极材料形成的至少两个电极(1？2)，该电极材料包含Mo或W或者Mo或W的合金以作为主要组分。该电极材料具有细晶粒结构，且细晶粒结构具有≤？500？nm的平均尺寸的细晶粒。利用所提出的电极系统，实现了电极的高的热机械耐受性和高的热化学耐受性。因此，该电极系统可用于使用液态Sn且高温运行的已知EUV光源中。

Description

尤其用于气体放电光源的电极系统

技术领域

本发明涉及一种电极系统，其包括由电极材料形成的至少两个电极，该电极材料包含钼(Mo)或钨(W)或者钼或钨的合金以作为主要组分。本发明尤其涉及一种气体放电电极系统，例如EUV和/或软X射线辐射发生电极系统。

背景技术

在例如EUV光刻或计量领域中，需要发出远紫外线(EUV)和/或软X射线辐射(即，在1-20nm的波长区域)的光源。这些装置到目前为止为用于半导体工业中未来光刻工具的高功率光源的最有前景的候选物。在本领域中，如何使用高度电离的等离子体来在13.5nm的波长有效地形成EUV光是已知的。从EUV发射目标材料激发这种等离子体可利用高功率激光束(激光产生的等离子体，LPP)或利用在电极之间的电性气体放电(放电产生的等离子体，DPP)来生成。

结合图1示意性地展示并描述了气体放电光源的实例。在基于目前现有技术的DPP的系统中，从气态供应到结合两个旋转圆形电极的基于液态金属的放电材料的转变用于实现更高的转换效率且因此用于实现目标应用所需的大量EUV光子。脉冲激光器通过从电极(参看图2)之间的液体表面至少部分地蒸发某些液态金属（特别是锡(Sn)）来触发放电。电容器组通过锡蒸汽放电，形成高电流箍缩放电。存在这种类型的某些决定性特点：例如，金属熔体供应系统，电极上液态金属层厚度的控制，利用例如数十mJ脉冲能量的激光束来至少部分地蒸发金属熔体的必要性。例如存在金属熔体或电极布置应用的许多构造，但使用液态Sn作为放电介质是普遍接受的。在DPP和LPP中通常需要液态目标材料流来向等离子体提供EUV发射属种（species）。

尽管最近从根本上证明了到达高功率水平的可扩展性，但大量制造的潜在障碍因素之一仍为在中间焦点（intermediatefocus）递送>200W(其对应于由点状光源在2πsr中所发射的>1000W)的高功率源的苛刻要求。在不久的将来，期望EUV源以大约10kHz的脉冲频率持续地运行，且必须展示大约10¹¹次闪光（shot）的最小寿命。为了实现高辐射功率，必须将很高平均电功率馈送到该源，且这可导致高电极磨损并因此导致较短的电极系统寿命。对于XeDPP，据报道电极系统的寿命受到腐蚀的限制，且对于钨电极而言，在11J/shot时，腐蚀速率为大约0.2μg/shot，这导致显著更小的EUV输出。

除了寿命缩短之外，另一缺点是，由于电极几何形状变化，等离子体将在空间上变得更大的事实，导致如下效果：即，仅可利用较小部分的所产生的光且因此降低了光学性能。从上文的陈述可理解到，EUV发生装置的专用构件或多或少地永久地暴露于高于例如200℃的升高的温度下的相对恶劣的物理和化学条件下。脉冲能量的大部分集中于箍缩等离子体中，该箍缩等离子体通过辐射和热粒子(离子，电子)的发射而导致电极的热荷载。此外，脉冲等离子体光源不仅发射光子，而且也产生不期望的材料（所谓的碎屑），诸如Sn、Li、Sb、Xe,……（视该源本身的性质而定）。在具有远UV或软X射线辐射的系统中，使用靠近高功率光源的诸如镜子或滤波器的光学构件。污染碎屑可凝结于这些光学构件上，从而使得其性能劣化且最终使之变得效率低。为使形势进一步复杂，还要求锡必需不受污染(异质元素)以确保大量的纯锡等离子体。熟知的是，纯Sn比例如先前钎焊系统中所用的稀释溶液更具有侵蚀性。

在这样的电极系统和由于电极材料的移除所造成的其潜在问题的情况下，可存在若干主要根本原因。主要驱动力可能是高热负荷和高电流密度以及其空间和时间条件(热机械效果)。这都与等离子体的脉冲操作和在电极与等离子体之间的小距离有关。由于高热通量和高电流密度，电极腐蚀是不可避免的。与金属熔体相结合，腐蚀将导致不均匀厚度和不稳定的液态金属层，且因此导致放电失败。液态金属的最小厚度据说为大约5μm以避免激光聚焦光斑和阴极斑点对电极表面形态的影响(例如，坑形成)。太厚的金属熔体层(超过大约40μm)也不利于控制箍缩等离子体中的碎屑材料的量。还陈述了腐蚀机制可包括体积沸腾和在表面层(例如具有溶解的气体的W的)中形成的大气泡的爆炸和甚至由来自等离子体的高能粒子造成的表面波激发所致的该表面处熔融电极材料的飞溅。

而且，电极材料移除的另一原因可能是由于升高温度的液态Sn的化学腐蚀(热化学效果)。由于这是热动力驱动的过程，其在升高的温度水平更为显著。这不仅会由于腐蚀而损害电极系统，而且也会降低EUV性能（即EUV光的输出），因为在EUV波长范围中并不有效地发射的不希望的元素或反应产物可变成放电区域的部分。已经表明特别是在纯Sn的情况下，该液体对于诸如不锈钢和灰铸铁的常见材料的侵蚀性很强。

WO2005/025280A2公开了一种气体放电光源，其发射EUV和/或软X射线辐射。这种光源的电极被描述为由Cu、W或覆盖Mo的Cu制成。这些材料具有高导热性。此外，在电极与液态金属之间还需要高电导率。在(固态)Sn作为目标材料的情况下，电阻率的值和热导率的值分别为11μΩcm和67W/(mK)，这两个值都比常见电极材料的值更差。因此，将Sn层制得越薄，能耗散的热就越多，且能耦合输入的电力就越多。一般而言，W和Mo预期为用于在极端环境中的受欢迎的难熔过渡金属。但是，已知它们在若干状况下经历严重脆化（例如再结晶脆化），这不可避免地限制了W和Mo的结构应用。晶粒边界的弱点源于其固有特征，且再结晶和脆化为在升高的温度下的另外的可能失效模式。

在固态电极（即XeDPP）的情况下，已知的减小电极腐蚀的方法是：通过处理电极表面以允许腐蚀的电极材料到制成的凹槽内的增加的再沉积。或者，还提出用多孔材料涂布以减小由于脆性破坏所造成的腐蚀。在另一已知的技术中，提到了专用溅射沉积来用材料对电极进行再生并解决了损失。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于气体放电装置（尤其是用于生成EUV和/或软X射线辐射的气体放电光源）中的电极系统，该电极系统具有高的热机械耐受性和高的热化学耐受性，导致在这种气体放电装置或光源中的减轻的电极腐蚀。

这个目的由以下技术方案来实现：一种EUV气体放电光源的电极系统，其包括由电极材料形成的至少两个电极，该电极材料包含Mo或W或者Mo或W的合金以作为主要组分，其中所述电极材料具有细晶粒结构，该细晶粒结构具有≤500nm的平均尺寸的细晶粒。所提出的电极系统的有利实施例为附属权利要求的主题或者描述于本说明书随后的部分中。本申请还涉及将含有的Mo或W或者Mo或W的合金作为主要组分的材料用于形成EUV气体放电装置的电极系统的电极主体和/或EUV气体放电装置的电极系统的其它构件的用途，其中所述材料具有细晶粒结构，该细晶粒结构具有≤500nm的平均尺寸的细晶粒。本申请还涉及一种EUV气体放电装置，其包括：气体放电腔室，该气体放电腔室中布置有上述电极系统；和电连接到所述电极系统的电极的电源。

所提出的电极系统包括由电极材料形成的至少两个电极，该电极材料包含Mo或W或者Mo或W的合金以作为主要组分。主要组分表示此元素或合金占形成该电极材料的所有物质的最高部分(按重量计)。优选地，此元素或合金占电极总重量的≥95重量%的部分。在所提出的电极系统中，电极材料具有细晶粒结构，该细晶粒结构具有≤500nm（优选在50-300nm之间）的平均尺寸的细晶粒。电极主体材料的晶粒尺寸能在电极的切隔件（cut）中确定，其中晶粒尺寸可用显微镜来识别。电极主体材料总是包含一定晶粒尺寸分布，其中此分布的所有晶粒尺寸的平均值≤500nm。为了实现电极材料的此特性，特别地选择并控制电极的制造过程以在整个过程中维持这些小晶粒尺寸。

利用所提出的电极材料，也实现了热机械耐受性以及热化学耐受性，特别是耐受大约1200K的高温和耐受液态Sn的影响。这允许电极系统使用在通过热等离子体递送目标辐射而生成EUV和/或软X射线辐射的气体放电光源中，等离子体由电极系统的脉冲电流产生。由于减轻了对所提出的电极材料的腐蚀，最小化了电极劣化，避免了这样的光源在其寿命内性能降低且延长了寿命。

所提出的电极提供了高抗热冲击耐受性、高热扩散率、高再结晶温度和对如液态Sn之类的液态金属的高腐蚀耐受性。该材料也允许对液态金属的薄的非苛刻的反应区，即，在可使用此电极系统的气体放电光源的特殊实施例的情况下，以便实现液态金属在旋转电极表面上的良好湿润和粘附。非苛刻在此意义上表示快速饱和且完成的反应主要允许充分湿润但并不继续进一步反应并因此抑制腐蚀。除此之外且基本上而言，所提出的电极材料具有<100μΩcm的电阻率和>20W/(mK)的热导率。

在一种近似形式中，热冲击耐受性R_s能与热机械特性有关以使得：

R_s=λσ/Eα，

其中λ为热导率，σ为拉伸强度，E为杨氏弹性模数且α为线性膨胀系数。重要的是，应注意热冲击性能与裂纹初始形成(如由上述方程式所表达的那样)和裂纹传播有关。在第一阶段，如果R_s大，则仅存在很小的裂缝初始形成的机会。在第二阶段，即，如果存在裂纹，则对热冲击的损坏耐受性或裂纹传播范围为：

~(K_1c)²~σ²，

且K_1c为断裂韧性(下标：模式1=裂纹张开和普通应变)。因此，K_1c描述了材料对始于预先存在的裂纹的断裂的材料失效耐受性。

另一重要参数为热扩散率，其与热导率的关系为：

κ=λ/ρc_p，

其中ρ为质量密度。具有高热扩散率的材料快速地将其初始温度梯度降低到其周围环境的温度梯度，这是因为它们比其体积热容或‘热主体’（thermalbulk）c_p更快地导热。

所提出的材料具有改进的高温机械性质（诸如断裂韧性和拉伸强度）。在一有利实施例中，此电极材料利用少量掺杂进行合成以实现进一步优化的特性。利用分散的纳米级粒子（优选地高达5重量%的量）进行掺杂。这些分散粒子的实例为La₂O₃、HfO₂、C、Y₂O₃、CeO₂、TiO₂且特别地为碳化物（诸如TiC、ZrC和TaC）。利用这些额外的材料，增强了晶粒边界以便抑制晶粒间的断裂并因此抑制脆性，这是因为分散的粒子主要在这些晶粒边界处隔离。这样的电极材料具有纳米结构或超细晶粒，例如50-300nm的Mo，其具有少量的纳米级分散体（例如1.5重量%的TiC），这样的电极材料也是非常热稳定的。

在再一实施例中，电极至少在最高热机械负荷和/或热化学负荷下方的区域处被附加地涂布陶瓷材料。这些材料本身表现为不仅满足电和热的要求，而且也不会受到液态金属的腐蚀攻击的影响，这归因于其共价键合的性质。具有适当特征的优选材料包括IVB族、VB族和VIB族难熔过渡金属的硼化物、碳化物、氮化物和硅化物的陶瓷。过渡金属硼化物、氮化物、碳化物和硅化物具有共价键合、离子键合和金属键合的特征。它们具有高热导率和电导率，同时共价性质提升了出色的机械化学特性。这些材料允许广泛地用作磨损保护以及装饰性涂层。大部分化合物完全可溶于彼此中，且因此允许具有进一步扩展的定制特性。举例而言，由于在每次冲击期间生长的内部裂缝所造成的重复热冲击所致的WC中的热疲劳效应能例如被Co掺杂的胶合碳化钨（cementedtungstencarbide）而减轻。可通过常规的膜沉积技术（诸如PVD或CVD）来生长材料，但也可例如通过热化学扩散或渗透来进行。必须选择涂层材料以具有与位于下面的电极材料类似的热膨胀系数。涂层厚度在1–50μm的范围。

所提出的电极材料也可用于气体放电系统（特别是生成EUV和/或软X射线辐射的气体放电光源）的其它构件中。用于这些构件的实例（特别是EUV光源的源-收集器模块）为具有高的热和/或电输入的构件。这些构件通常靠近电极（诸如所谓的楔状物）定位，但也可包括系统的覆盖部件以及碎屑减轻的系统的装置。这可与所有苛刻位置有关，其中，例如必须将热从系统有效地传导出来到达散热器的位置。一实例为EUV放电光源的箔阱（foiltrap）的前热屏蔽件，其直接地且最靠近地定位于EUV源处，或者直接地且最靠近地定位于箔阱的旋转轴线的内表面和外表面处。但气体放电系统的专用装置也可受到此构思影响，即，热传感器作为中间焦点诊断或盖板来避免不想要的气体流。显然，此列举并不完备且也可包括其它构件。

在一有利实施例中，所提出的电极系统为气体放电装置的部分，特别地为生成EUV辐射和/或软X射线的气体放电光源的部分。这种气体放电光源包括其中布置电极系统的气体放电腔室和用于向电极系统的电极施加脉冲电流的电源。在EUV和/或软X射线光源的情况下，优选地电极被可旋转地安装，且由驱动单元驱动以在光源运行期间旋转，且提供用于向电极表面供应液态金属的供应装置。这种EUV和/或软X射线气体放电光源还包括激光源以蒸发在电极表面上的液态金属。在WO2005/025280A2中公开了这样的气体放电光源的实例，其中能使用所提出的电极系统，WO2005/025280A2在本说明书的介绍部分中已提到过。

附图说明

在下文中结合附图以举例说明的方式描述了所提出的电极系统和相对应的气体放电光源，而不限制由权利要求所限定的保护范围。附图示出：

图1为具有所提出的电极系统的气体放电光源的第一实例；

图2为具有所提出的电极系统的气体放电光源的第二实例；以及

图3为在电极顶部上的涂层的示意图。

具体实施方式

图1示出其中可布置所提出的电极系统的气体放电光源的一实例。该气体放电光源包括两个电极(阳极1，阴极2)，两个电极布置于放电腔室(在附图中未图示)中。两个电极1、2由隔离件3分隔以形成间隙。气体放电光源的脉冲操作所需的电能由电容器组4供应，能量首先存储在电容器组4中，然后经由电极1、2放电。气体放电腔室被通常以1-100帕范围的压力填充放电材料。由于施加通常数十KA至最高100kA的脉冲电流并施加通常数十ns至数百ns的脉冲持续时间所造成的磁性压缩，在电极1、2之间形成的箍缩等离子体5被加热到数十eV的温度。由于发射所需辐射6的箍缩等离子体5的高温，在箍缩等离子体5附近的电极1、2的表面暴露于很高的温度和高能离子。能通过使用如在本发明所提出的用于这些电极的电极材料来减轻所造成的电极的腐蚀。

图2示出其中可使用根据本发明的电极系统的气体放电光源的另一实例。此气体放电光源被设计为生成EUV辐射和/或软X射线。在此实例中的两个电极1、2可旋转地安装且在其表面上被供应液态Sn膜7。作为用于生成辐射的必需材料的气态供应的替代，在此气体放电光源中，结合两个旋转圆形电极1、2来使用基于液态金属的放电材料。这导致更高的转换效率且因此导致目标应用所需的更大量EUV光子。脉冲激光器8通过从电极1、2之一的液体表面至少部分地蒸发某些Sn来触发放电。电容器组4通过锡蒸汽放电，造成高电流箍缩放电5。液态Sn膜7经由特殊供应系统供应，在本实例中通过将旋转电极1、2浸渍于包含液态Sn的容器9中来进行。在电极表面上的液态金属的层厚度额外地利用适当的剥离器来控制(在此图中未图示)。尽管在此实例中，经由容器9来供应液态Sn，显然，液态金属也可通过其它措施涂覆到电极表面上。

为了实现对抗电极表面上的液态Sn的高热化学耐受性和实现电极的高热机械耐受性，两个电极由本发明中提出的材料制成。这导致气体放电光源显著更长的寿命。

在本发明中的电极系统的电极表面也可额外地例如涂布有陶瓷涂层。图3示意性地示出电极1的这样的涂层10，其例如可用于图2的气体放电光源中。该涂层仅在暴露于最高温度和液态Sn的表面部分处被涂覆。

为了实现电极材料具有小晶粒尺寸的特性，必须适当地选择和控制这样的电极的制造过程。为此目的，本领域技术人员能控制该过程。在下文中，描述了用于实现电极材料的小晶粒的示例性实施例。在此情况下，用于电极的原材料被提供为平均颗粒尺寸≤500nm的粉末。为了获得根据本发明的纳米结构难熔合金，电极由此原材料通过例如粉末冶金加工工艺而形成。首先，纯材料或固体溶液合金的起始粉末通过机械铣削来处理。为了增加致密化，粉末随后在相对较低的温度被烧结，在该相对较低的温度，显著地抑制了纳米级材料的晶粒生长。而且，例如，热等静压（hotisostaticpressing）能有效地用于基本上维持晶粒的大约初始尺寸。

虽然在附图和前文的描述中详细地示出和描述了本发明，这些说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的，本发明并不限于所公开的实施例。也可组合上文和权利要求中所述的不同实施例。所公开的实施例的其它变型可由本领域技术人员在实践所主张的本发明时，通过学习附图、公开的内容和所附权利要求书而理解和实施。

在权利要求书中的词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”并不排除为多个。在相互不同的附属权利要求中陈述措施的简单事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。在权利要求书中的任何附图标记不应被理解为限制这些权利要求的范围。

附图标记清单

1电极(阳极)

2电极(阴极)

3隔离件

4电容器组

5箍缩等离子体

6辐射

7Sn膜

8激光器

9具有液态Sn的容器

10涂层

11激光束

Claims (9)

1.一种EUV气体放电光源的电极系统，其包括由电极材料形成的至少两个电极(1,2)，该电极材料包含Mo或W或者Mo或W的合金以作为主要组分，

其中所述电极材料具有细晶粒结构，该细晶粒结构具有≤500nm的平均尺寸的细晶粒。

2.根据权利要求1所述的电极系统，

其中所述电极材料掺杂有分散的纳米级粒子。

3.根据权利要求1所述的电极系统，

其中所述电极材料掺杂有La₂O₃、HfO₂、C、Y₂O₃、CeO₂、TiO₂和金属碳化物所构成的材料组中的分散的纳米级粒子。

4.根据权利要求1所述的电极系统，

其中所述电极材料包含≤5重量%的量的分散的纳米级粒子。

5.根据权利要求1所述的电极系统，

其中所述电极在至少最高热机械和/或热化学负荷下方的区域处被涂布陶瓷材料。

6.根据权利要求5所述的电极系统，

其中所述陶瓷材料由下列材料之一形成：IVB族、VB族和VIB族的难熔过渡金属的硼化物、碳化物、氮化物和硅化物。

7.将含有的Mo或W或者Mo或W的合金作为主要组分的材料用于形成EUV气体放电装置的电极系统的电极主体和/或EUV气体放电装置的电极系统的其它构件的用途，其中所述材料具有细晶粒结构，该细晶粒结构具有≤500nm的平均尺寸的细晶粒。

8.一种EUV气体放电装置，其包括：

气体放电腔室，该气体放电腔室中布置根据权利要求1所述的电极系统；和

电连接到所述电极系统的电极(1,2)的电源。

9.根据权利要求8所述的气体放电装置，其还包括：

供应装置(9)，其被布置成供应液态金属到所述电极(1,2)的表面，以及

激光器(8)，其被布置成利用激光束(11)从所述电极(1,2)的表面蒸发所述液态金属的部分，

其中所述电极(1,2)被可旋转地安装。