CN102736450A - 无振动棒的金属靶发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无振动棒的金属靶发生器，其包括：筒体，该筒体内容置有液态金属（6），用于产生金属靶靶；微孔（10），开设在筒体底部，金属液体可通过该微孔（10）流出；其特征在于，该金属靶发生器还包括电磁线圈（9，15，37，38），其通电后产生电磁力作用在液体金属（6）上，使得从所述微孔（10）流出的液体为呈均匀滴落的金属靶，进而形成金属靶靶。本发明的装置利用电磁场实现射流断裂，无需借助振动棒，从而避免液体金属产生的波动，而且金属靶体积小、下落的间隔周期稳定。

Description

无振动棒的金属靶发生器

技术领域

本发明涉及金属靶发生器，用于EUV光刻机中。

背景技术

在下一代光刻机技术中，13.5纳米的采用金属靶靶的激光等离子体极紫外光源被看作是最有前途的光源，目前产生极紫外光源的方法主要有放电等离子体法（LPP）和激光等离子体法(DPP)。相比于DPP技术，LPP技术拥有较多光刻所需要的特性，比如，可以得到更大的输出功率、更好的工作稳定性。一台理想的基于LPP技术的EUV光源，主要组成部分应包括一个二氧化碳激光器、微金属靶靶发生器、碎片消除装置、聚光和光谱纯化装置，其主要原理是激光通过反射镜，照射到金属靶上，轰击金属靶产生等离子体，等离子体产生极紫外光。由轰击产生的极紫外光为散射光，所以将轰击点放在椭球反射镜的一个焦点上，从而在另一个焦点上得到较强的极紫外光。

基于上面所述的激光等离子体的极紫外光源的原理来看，对于理想金属靶金属靶的主要要求有以下几点要求：

（1）在可以产生等离子体的基础上，金属靶的体积尽可能的小，以保证每次轰击都可以将金属完全转化为等离子体，从而减少碎屑，减少对收集镜的伤害；

（2）在产生金属靶的体积尽量减小的同时，为保证极紫外光源的功率，需要尽可能的提高金属靶的产生速率，缩短金属靶的降落周期；

（3）由于收集镜要求金属靶处于其中一个焦点上，轰击点的便宜将影响收集镜的效率，所以要使金属靶下落的间隔周期尽可能地稳定；

（4）同样，为了达到上述要求同时使轰击后产生尽可能小的离子污染需要保证金属靶的下降轨迹稳定；

目前基于射流断裂的金属靶技术应用十分广泛，其中产生金属靶的方法主要是利用振动棒传递的振动使射流断裂为金属靶，文献“均匀颗粒成形中金属射流断裂因素的研究”（李宝凌等，稀有金属材料与工程，2011年S2期）中利用Sn-37％Pb合金为金属液，产生金属靶的方案，原理图如图1所示，在振动源的振动下将振动传递至金属液部分，产生的扰动使金属液层流断裂，获得均匀的金属靶。但此种方案金属射流在喷射中存在微小的固有扰动，这种扰动不仅产生的金属靶不均匀而且由于振动会使金属靶的下落轨迹有偏差，而极紫外光刻机光源中要求金属靶的位置是十分精确的，这在要就精度较高的极紫外光刻机中要尽量避免的。

发明内容

本发明旨在提出一种无振动棒的金属靶发生器，其利用电磁场实现射流断裂，无需借助振动棒，从而避免液体金属产生的波动，而且金属靶体积小、下落的间隔周期稳定。

为达到上述目的，本发明提出一种无振动棒的金属靶发生器，包括：

筒体，该筒体内容置有液态金属，用于产生金属靶；

微孔，开设在筒体底部，所述金属液体可通过该微孔流出；

其特征在于，该金属靶发生器还包括电磁线圈，其通电后产生电磁力并作用在液体金属上，使得从所述微孔流出的液体呈均匀滴落，形成金属靶。

作为本发明的改进，所述电磁线圈通入为变化的电流，以产生一定频率的行波磁场，该行波电磁场对微孔中的液态金属产生轴向扰动，使所述微孔流出的液体在该扰动下断裂为均匀的金属靶。

作为本发明的改进，所述电磁线圈设置在筒体下部的外周面上，位于液态金属四周，和/或设置于筒体底部，位于微孔四周。

作为本发明的改进，通过所述电磁线圈对所述微孔中的液态金属施加旋转磁场，使所述金属液在旋转磁场作用下流向翻转，并通过控制所述旋转磁场的闭合与开通的频率，实现使从所述微孔流出的金属液体为均匀滴落的金属靶。

作为本发明的改进，所述微孔凸出筒体底部，并向外延伸形成管型通道，所述电磁线圈设置在凸起的微孔通道外壁上并与筒体磁隔离。

作为本发明的改进，在所述筒体底部上对称于微孔设置有电磁线圈。

作为本发明的改进，所述设置在凸起的微孔通道外壁上的电磁线圈为两组，两者通过隔板磁隔离。

作为本发明的改进，所述筒体上方盖有上顶盖，将容置有液态金属的筒体内部形成密闭空间，且该上顶盖上开有气体入口和气体出口，用于为发生器筒体内通入保护气体，以控制筒体内的压强从而推动液态金属从微孔均匀滴落。

作为本发明的改进，还包括用于检测筒内压力的压力传感器和检测筒内温度的温度传感器，其分别与压力控制系统和温度控制系统连接，用于控制筒体内的压力和温度。

作为本发明的改进，所述微孔通道包括依次相邻的入口区、压缩区、定径区、减压区和出口区，其中入口区和压缩区均呈喇叭状，口径逐渐缩小且入口区最小口径与压缩区最大口径相等，定径区口径保持不变并于压缩区最小口径相等，减压区和出口区同样均呈喇叭状，口径逐渐扩大，且减压区最小口径与定径区口径相等，减压区最大口径与出口区最小口径相等。

本发明的电磁场可以通过绕在金属容器底部的通电线圈产生，线圈的布置方式会决定熔融金属的流动形式。

本发明所施加的用于扰动液态金属的电磁场可以是旋转电磁场，优选是在圆筒形的筒壁中设置有六个相同的磁绕组，磁绕组采用星型连接，均匀分布在搅拌器筒壁内，当接通三相电流时，就会产生旋转电磁场。

本发明的射流断裂形成的金属靶均匀性也与容器内压强和扰动频率有关。因此需要压力传感器实时监测容器内部压强，并通过压力控制系统调节容器内部压力。

本发明对液态金属金属施加一定的扰动时会使其产生断流，若要产生均匀的金属靶需要调节电磁场的频率与电流大小。当对喷嘴（微孔）施加正弦波纵向扰动时，由于表面张力的作用，射流半径也发生相应的变化，射流内部压力高，则射流半径小；射流内部压力低，则射流半径大，这样射流表面产生初始扰动位移δ_i，，射流半径r=d/2－δ_i，其中d为射流直径。射流离开喷嘴后，其表面扰动位移不断增长，当达到一定条件时射流断裂，因此需要压力传感器实时监测容器内部压强，控制柜根据压力条件来改变产生的电磁场的频率和电流大小，从而使产生的金属靶尽可能的均匀。

本发明的装置主要用来产生EUV光源的轰击靶，可以利用电磁场搅动EUV光源中的目标金属液，使金属射流断裂为均匀的金属靶，进而作为EUV光源的轰击靶；也可以利用旋转磁场来对金属流制动，通过控制电磁场开关的频率来控制锡滴的产生频率。本发明通过电磁场的扰动产生了均匀的金属靶，避免了由于机械振动带来的其他不稳定性因素。对于液流下落所需要的压力既可以在容器上方通入气体（氮气、氩气等），也可以是在锡容器底部布置一个垂直磁场通过磁场的作用使金属溶液向下流动。另外当通过容器内部压力使金属液向下滴落时可根据金属液容器内的气体压强、温度调控电磁场的强度、频率等相关参数，使在电磁场的作用下形成的金属靶直径小，降落周期短，产生频率快，下降轨迹稳定。

附图说明

图1所示为现有技术中的一种产生金属靶的装置。

图2所示为本发明实施例施加旋转电磁场的金属靶发生器的结构示意图。

图3所示为本发明实施例的在容器底部施加电磁场的金属靶发生器的结构示意图。

图4所示为本发明实施例的微孔的截面示意图。

图5所示为本发明实施例的射流断裂示意图。

图6所示为本发明实施例在微孔处施加旋转磁场进行扰动的示意图。

图7所示为本发明实施例圆筒形通电线圈。

图8所示为本发明实施例在微孔处施加电磁场方案时电磁场在微孔处的分布形式示意图。

图9所示为本发明实施例的利用电磁场引动液体流动的金属靶装置图。

图10所示为本发明实施例的一种旋转磁场和垂直磁场的组合方式示意图。

图11所示为本发明实施例一种利用两个旋转磁场改变金属靶流动状态的金属靶发生装置图。

图中：

1-上顶盖          2-气体入口

3-气体出口        4-温度传感器

5-温度控制系统    6-液态金属

7-压电传动装置    8-气体供给装置

9-电磁线圈        10-微孔

11-控制柜a        12-压力传感器

13-压力控制系统   14-控制柜b

15-电磁线圈       16-入口区

17-压缩区         18-定径区

19-减压区         20-出口区

21-磁场屏蔽层     22-磁场分布

23-振动杆         24-熔融金属液

25-电极板         26-金属靶

27-微孔    28-电热器

29-容器    30-热电偶

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下面特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例一：

图2为本实施例的一种无振动棒的金属靶发生器，其包括筒体，筒体上方盖有上顶盖1，筒体内容置有液态金属6，筒体底部中心设有微孔10，金属液体通过该微孔滴落，筒体下部外周壁上设置有电磁线圈9，其通过通入变化的电流产生变化的电磁场，变化的电磁场搅动筒体内的液态金属6，在一定频率的扰动下，液态金属6从微孔10滴落时为呈均匀滴落的金属靶。

且该筒体内还设有用于检测筒内压力的压力传感器12和检测筒内温度的温度传感器4，压力传感器12和温度传感器4分别与压力控制系统13和温度控制系统5连接，分别用于控制筒体内的压力和温度。

在该结构中电磁场是施加在金属容器外围成圆筒形。

图4为金属靶下落时经过的微孔10，该微孔10通道孔径呈连续变化状，通道根据孔径可分为依次相邻的入口区16、压缩区17、定径区18、减压区19和出口区20，其中入口区16和压缩区17均呈喇叭状，口径逐渐缩小且入口区16最小口径与压缩区17最大口径相等，定径区18口径保持不变并于压缩区17最小口径相等，减压区19和出口区20同样均呈喇叭状，口径逐渐扩大，且减压区19最小口径与定径区18口径相等，减压区19最大口径与出口区20最小口径相等。

上顶盖1上还设置有气体入口2和气体出口3，用于为发生器筒体内通入气体，如氮气、氩气等，以控制筒体内的压强合适，以推动液态金属从微孔10均匀滴落。

如图1所示，温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5，然后通过加热管对系统温度进行调解。压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统11进而调节金属容器内部的气体压强，在气体压力下液态金属6在容器内被压至微孔10内。微孔10上方是一个无接触式搅动的电磁搅拌装置，该电磁搅拌装置优选为圆筒形。

在盛有熔融金属的包或模壁外围线圈中有电流通过时，电流将感生一个电磁力场，而作为导体的熔融金属，将在这一电磁力作用下流动，驱动流动的体积力即洛伦兹力。根据射流断裂理论，金属靶发生器在容器内部气体压力下首先产生一个射流，并通过洛伦兹力作为扰动力在轴向对射流进行扰动，此时扰动会随射流的轴向传递，并在传递过程中增大或减小，当增长率达到一定条件时，射流便会断裂。

轴向的扰动是通过行波磁场施加上去的，而行波磁场（即变化的电磁场）是利用变频电源将三相交流电变成超低频的两相正交（或三相）的交流电，然后利用直线异步感应电机的原理产生的方向和大小可变的磁场，此时感应线圈相当于电机的定子，金属溶液相当于电机的转子。当感应器线圈内通以交变电流时就会产生一个行波磁场，磁场和筒体内的液体金属相互作用产生感应电势和感生电流，这感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动液体做定向流动，这样金属液在容器内形成有规律的运动，从而达到对金属液的无接触搅拌，实现对金属液的扰动。由于搅拌对射流施加了扰动，根据射流断裂理论，扰动达到一定条件射流便会断裂。

通电线圈是缠绕在容器壁外围的，当通电线圈中有电流通过时，就会感生电磁力场，在金属液中就会产生洛伦兹力。

其中图7为一种圆筒式的线圈缠绕方式，采用单列线圈均匀排列缠绕，为使产生的电磁场更均匀，可以采取多个线圈叠加的方式布置。

如果射流受到一个轴向的扰动，轴向的扰动会在径向表现出一个扰动，扰动处射流半径与扰动的振幅有关，可以通过控制轴向扰动的大小来改变扰动处的射流半径。

射流的速度由液体的压力决定，在不同的压力、温度下最佳的扰动频率是不同的，为了达到最佳的扰动频率产生均匀的金属靶，可以结合容器内温度和压力大小对电磁场进行控制。

当对喷嘴（微孔10）施加轴向扰动时，由于表面张力的作用，射流半径也发生相应的变化，射流内部压力高，则射流半径小；射流内部压力低，则射流半径大。容器内的压强由压力控制系统13来控制，而射流断裂形成的金属靶均匀性也与容器内压强有关，在同一喷射压强作用下，射流存在最佳干扰频率，此时，射流断裂长度最小，这个最佳干扰频率就通过控制柜11来调控。当喷射压强变化时最佳干扰频率也会产生变化，影响金属靶产生的均匀性。

为了使产生的金属靶更均匀就要时刻测控容器内部的压强大小。当金属靶在气体压力下从微孔10喷出时必会使容器内气体压强降低，如果压强降低而扰动频率没有变化那么产生的金属靶就不均匀，因此压力传感器12对容器内部的压力进行在线实时监控，使容器内的压强达到相应值。

实施例二：

图3为另一种无振动棒的电磁搅拌断流装置，本实施例与实施例一的区别在于用于产生搅动筒体内的液态金属的驱动力的电磁线圈15的布置位置位于筒体底部，其通入变频电流时，（同样）会产生一个行波磁场，这一磁场穿过容器筒体底部作用于金属熔液，在熔液中产生感应电势和电流，这感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动金属熔液定向流动，起到搅拌作用。

如图3所示，温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5对系统温度进行调解。压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统13进而调节金属容器内部的气体压强，在气体压力下液态金属金属6在容器内被压至微孔10内。在金属容器的下部安装感应器线圈15，同样由控制柜14来调节电流和频率。当在感应器线圈15内通入低频电流时，就会产生一个行波磁场，这一磁场穿过容器底，作用于金属熔液，在熔液中产生感应电势和电流，这感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动金属熔液定向流动，起到搅拌作用。产生的扰动使射流断裂，控制电流的频率可以产生均匀的金属靶。

实施例三：

图6所示，本实施例中的微孔10凸出筒体底部，并向外延伸形成管型通道，电磁线圈9对称设置在微孔通道10凸起的孔壁外周。

由电磁学知识知，金属液在旋转磁场作用下会产生强制流动，并可使流动的金属液体流向翻转，对本装置利用此原理，通过控制旋转磁场的闭合来控制产生金属靶的频率。工作时射流填充了整个微孔部分，在微孔处施加旋转磁场，由于在压力控制下射流向下流动，当开通旋转磁场时射流受到较大的洛伦兹力，这种旋转力可以使射流流向改变，对向下流动的射流有制动效应，这样控制旋转磁场的闭合与开通就能控制射流的流动，当旋转磁场以一个比较大的频率闭合与开通时，射流便会在施加旋转磁场处断裂成液滴。而所谓旋转磁场即磁感应矢量在空间以固定频率旋转的一种磁场，目前利用旋转磁场最普通的就是三相异步电动机，其通过利用旋转磁场实现转换能量。

旋转磁场可以通过如下方式施加：在筒体筒壁外周设置有多个相同的磁绕组，各磁绕组采用星型连接，均匀分布在搅拌器筒壁上，当接通三相电流时，即可产生旋转电磁场。各磁绕组外连到控制柜11，磁绕组的磁场强度通过调节控制柜的励磁电流和频率来改变。

温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5对系统温度进行调解；压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统11进而调节金属容器内部的气体压强，在气体压力下液态金属6在容器内被压至微孔10内。在微孔外部施加旋转磁场，为了达到金属靶金属直径的均匀性，需要通过调节电流大小和频率来改变电磁场的强度。而金属靶均匀性与金属容器内压力和温度大小有关系，所以可以采取将压力，温度，与通电线圈的电流大小和频率返回至控制中心，通过控制他们之间的大小来使搅拌断流的电磁场强度时刻保持在最佳大小。

微孔10只有定径区18部分受电磁场作用，在微孔的其它部分外壁分布着磁场屏蔽层使磁场只作用在定径区，因电磁场对液态金属具有制动效应，因此可控制电磁场的闭合频率来改变金属金属靶的降落频率。

实施例四：

图9所示为又一种组合方式的利用电磁场引动液体流动的金属靶装置图。本实施例中在筒体下部的外周布置有电磁线圈9，筒体底部对称与微孔布置有电磁线圈37。电磁线圈9和电磁线圈37中通入利用变频电源将三相交流电变成超低频的两相正交（或三相）的交流电，然后利用直线异步感应电机的原理产生方向和大小可变的行波磁场，以对液体金属产生扰动，起到搅拌作用。

同样，温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5对系统温度进行调节；压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统11；在垂直磁场37的作用下下液态金属6在容器内流到微孔10内。在容器外壁施加搅拌磁场9，为了达到金属靶金属直径的均匀性，需要通过调节电流大小和频率来改变电磁场的强度。而金属靶均匀性与金属容器内温度大小和施加的引起液流向下流动的垂直磁场有关系，所以可以采取将垂直磁场的参数，温度与通电线圈的电流大小和频率返回至控制中心，通过控制他们之间的大小关系来使搅拌断流的电磁场强度时刻保持在最佳大小。

实施例五：

图10所示为一种旋转磁场和垂直磁场的组合方式。本实施例中微孔10凸出筒体底部，并向外延伸形成管型通道，电磁线圈9对称设置在微孔通道10凸起的孔壁外周，在筒体底部上沿微孔通道对称布置有电磁线圈9。电磁线圈37中通入利用变频电源将三相交流电变成超低频的两相正交（或三相）的交流电，然后利用直线异步感应电机的原理产生方向和大小可变的行波磁场，以对液体金属产生扰动，起到搅拌作用。电磁线圈9通入三相电流，产生旋转电磁场，微孔10在定径区18部分受电磁场作用，在微孔的其它部分外壁分布着磁场屏蔽层使磁场只作用在定径区，因电磁场对液态金属具有制动效应，可控制电磁场的闭合频率来改变金属金属靶的降落频率。

温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5对系统温度进行调节，压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统11。如图10所示，在垂直磁场37的作用下液态金属6在容器内流到微孔10内。在微孔外部施加旋转磁场9，为了达到金属靶金属直径的均匀性的要求，需要通过调节电流大小和频率来改变电磁场的强度。而金属靶均匀性与垂直磁场和容器内温度大小有关系，所以可以采取将垂直磁场的参数，温度，与通电线圈的电流大小和频率返回至控制中心，通过控制他们之间的大小来使搅拌断流的电磁场强度时刻保持在最佳大小。

实施例六：

图11所示为一种利用两个旋转磁场改变金属靶流动状态的金属靶发生器装置图。本实施例中微孔10凸出筒体底部，并向外延伸形成管型通道。在筒体底部上沿微孔通道对称布置有两组电磁线圈，分别为电磁线圈9和电磁线圈38。两电磁线圈9和38分别设置在微孔通道10凸起的孔壁外周，且两电磁线圈9和38中间有一层绝磁性物质39。

同样，温度传感器4将测量的容器内温度传至温度控制系统5对系统温度进行调节；压力传感器12测出的压力传至气体压力控制系统11；驱使液体往下落的压力既可以如实施例1，2，3中那样来自于容器上方的气体压力，也可以如实施例4，5中一样来自于垂直磁场37的引流作用。在微孔处施加两个旋转磁场9、38，两个旋转磁场中间有一层绝磁性物质39，旋转磁场9的作用是使液流向下滴落，磁场38的作用是使液流向上回流，这样金属靶就在此处断落，通过控制磁场的闭合来改变金属靶下落的频率。

Claims (10)

1.一种无振动棒的金属靶发生器，其包括：

筒体，该筒体内容置有液态金属（6），用于产生金属靶；

微孔（10），开设在筒体底部，所述金属液体（6）可通过该微孔（10）流出；

其特征在于，该金属靶发生器还包括电磁线圈（9，15，37，38），其通电后产生电磁力并作用在液体金属（6）上，使得从所述微孔（10）流出的液体呈均匀滴落，形成金属靶。

2.根据权利要求1所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述电磁线圈（9）通入为变化的电流，以产生一定频率的行波磁场，该行波电磁场对微孔（10）中的液态金属产生轴向扰动，使所述微孔（10）流出的液体在该扰动下断裂为均匀的金属靶。

3.根据权利要求2所述的所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述电磁线圈（9）设置在筒体下部的外周面上，位于液态金属（6）四周，和/或设置于筒体底部，位于微孔（10）四周。

4.根据权利要求1所述的所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，通过所述电磁线圈（9）对所述微孔（10）中的液态金属（6）施加旋转磁场，使所述金属液在旋转磁场作用下流向翻转，并通过控制所述旋转磁场的闭合与开通的频率，实现使从所述微孔（10）流出的金属液体（6）为均匀滴落的金属靶。

5.根据权利要求4所述的所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述微孔（10）凸出筒体底部，并向外延伸形成管型通道，所述电磁线圈（9，38）设置在凸起的微孔通道（10）外壁上并与筒体磁隔离。

6.根据权利要求4或5所述所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，在所述筒体底部上对称于微孔（10）设置有电磁线圈（37）。

7.根据权利要求5或6所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述设置在凸起的微孔通道（10）外壁上的电磁线圈（9，38）为两组，两者通过隔板（39）磁隔离。

8.根据权利要求6或7所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述筒体上方盖有上顶盖（1），将容置有液态金属（6）的筒体内部形成密闭空间，且该上顶盖（1）上开有气体入口（2）和气体出口（3），用于为发生器筒体内通入保护气体，以控制筒体内的压强从而推动液态金属从微孔（10）均匀滴落。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，还包括用于检测筒内压力的压力传感器（12）和检测筒内温度的温度传感器（4），其分别与压力控制系统（13）和温度控制系统（5）连接，用于控制筒体内的压力和温度。

10.根据权利要求1-9之一所述的一种无振动棒的金属靶发生器，其特征在于，所述微孔（10）通道包括依次相邻的入口区（16）、压缩区（17）、定径区（18）、减压区（19）和出口区（20），其中入口区（16）和压缩区（17）均呈喇叭状，口径逐渐缩小且入口区（16）最小口径与压缩区（17）最大口径相等，定径区（18）口径保持不变并于压缩区（17）最小口径相等，减压区（19）和出口区（20）同样均呈喇叭状，口径逐渐扩大，且减压区（19）最小口径与定径区（18）口径相等，减压区（19）最大口径与出口区（20）最小口径相等。

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