CN103281855B - 一种用于激光光源的液态金属靶产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属靶产生装置，其能够产生用于等离子激发的金属液滴，该装置包括：用于存储液态金属靶材料的储液箱，储液箱的底端与一个导管相连通；腔体，位于所述储液箱的下方，使得所述导管穿过腔体的上部进入腔体内部，以至于所述储液箱内的液态金属靶材料能通过该导管滴入到该腔体的内部；转轮，呈圆柱体形且能绕其中心轴转动，且该中心轴与该导管垂直，并且，该转轮与导管对准，以致从导管中滴下的液态金属靶材料能落到所述转轮的侧面，并通过转动的所述转轮的加速而形成所述金属液滴。本发明能够产生稳定、高频、高速的微小液态金属靶有效控制液态金属靶的直径，保证发光稳定性，有效控制发光过程中的系统污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态金属靶产生装置，特别是用于激光光源的液态金属靶产生装置。
背景技术
随着半导体产业的飞速发展，光刻技术从等倍光刻到微缩投影光刻，使用的波长亦在逐渐缩短，从g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)到极紫外13.5nm。随着曝光光源波长的减小，光源研发的难度越来越大，尤其是极紫外光源。
LPP(Laser Produced Plasmas)是用于光刻的由等离子体激发产生的极紫外光源的一种重要方式。LPP采用高能脉冲激光照射高密度金属靶生成高温等离子体，从而发出极紫外辐射。
为实现更高的极紫外辐射转换效率，目前极紫外光源的等离子体激发技术一般采用液态金属作为靶源。
采用液态金属靶进行等离子体激发时，为增强光源稳定性、减少激发过程中产生的靶材碎片、提高光源发光功率，对液态金属靶的产生结构有以下三方面的要求：
1)液态金属靶的产生频率稳定；
2)液态金属靶的产生频率与激发激光器的脉冲频率同步；
3)液态金属靶的直径为几微米～数十微米，以有效减少激发过程中的靶材碎片。
为使液态金属靶产生装置满足以上要求，产生稳定的高功率光源，公开号为US6647088B1、名称为“PRODUCTION FO A DENSE MIST OFMICROMETRIC DROPLET S IN PARTICULAR FOR EXTREME UVLITHOGRAPHY”的美国专利提出了一种如图1所示的装置，其采用将液态金属从内径纤细的滴管中挤压而出的方式得到小直径金属液滴，并通过控制储液箱压力来控制液滴的初速度。金属液滴在具备一定初速度后，受重力作用自由下落，在距滴管口处受激光激发。
公开号为US2011/0233429A1、名称为“LASER PRODUCED PLASMAEUV LIGHT SOURCE HAVING A DROPLET STREAM PRODUCEDUSING A MODULATED DISTURBANCE WAVE”的美国专利申请公开说明书在US2008/0283776A1的基础上，在滴管外部安装压电材料，通过压电材料控制滴管口径调节金属液滴直径，以滴管口径限制金属液滴生成的直径。
公开号为WO2011/116898A1、名称为“STEERING DEVICE FORCONTROLLING THE DIRECTION AND/OR VELOCITY OF DROPLETSOF A TARGET MATERIAL AND EXTREME EUV SOURCE WITH SUCHA STEERING DEVICE”的PCT国际专利申请公开说明书与上面提到的两篇专利文献的液滴产生原理类似，在其基础上添加了液滴尺寸测量装置。然而上述方法均存在以下不足：
1)金属液滴5、8、9作为液态金属靶，其初速度取决于储液箱13中液态金属12的压力，难以精确控制，影响光源发光频率稳定性。如图1所示，在该光源系统中，导管14的金属液滴出口与激光器1之间距离固定，金属液滴5、8、9具有不同初速度时，到达激光激发点所需时间各不相同，即金属液滴5、8、9到达激光激发点的频率不稳定。若采用脉冲式激光器，保持激光器发光频率与液滴产生频率的同步具有相当大难度，导致部分液态金属靶无法受到激发，影响激光光源的发光频率稳定性。
2)金属液滴5、8、9直径完全取决于导管14的口径，一致性较难精确控制。然而在LPP中液态金属靶的直径与光源光斑直径及激发过程中产生的碎片污染有很大关系，有效控制液态金属靶直径可以降低系统污染，并且得到尺寸稳定的光源输出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种高频、微小的液态金属靶产生装置，以便为极紫外激光光源的等离子体激发提供高频稳定可靠的液态金属靶，并保证光源的发光效率及发光稳定性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种液态金属靶产生装置，其能够产生用于等离子激发的金属液滴，该装置包括：用于存储液态金属靶材料的储液箱，储液箱的底端与一个导管相连通；腔体，位于所述储液箱的下方，使得所述导管穿过腔体的上部进入腔体内部，以至于所述储液箱内的液态金属靶材料能通过该导管滴入到该腔体的内部；转轮，呈圆柱体形且能绕其中心轴转动，且该中心轴与该导管垂直，并且，该转轮与导管对准，以致从导管中滴下的液态金属靶材料能落到所述转轮的侧面，并通过转动的所述转轮的加速而形成所述金属液滴。
根据本发明的一种具体实施方式，所述导管的延长线与所述转轮的所述中心轴不相交。
根据本发明的一种具体实施方式，所述转轮的侧面开设有凹槽，且该凹槽对准所述导管，以使从导管中滴下的液态金属靶材料落入该凹槽中。
根据本发明的一种具体实施方式，还包括出料导管，其对准所述金属液滴的前进方向，用于对该金属液滴进行直径筛选，仅使直径小于导管内径的液滴通过该出料导管。
根据本发明的一种具体实施方式，还包括压电陶瓷，其安装在所述出料导管的外围，用于对所述出料导管的内径进行调节。
根据本发明的一种具体实施方式，所述腔体的底部具有一个漏孔，多余的液体金属靶材料通过腔体底部的漏孔流出腔体外。
根据本发明的一种具体实施方式，所述腔体具有开口，该开口供激光入射到腔体内以激发所所述金属液滴。
根据本发明的一种具体实施方式，所述腔体内还设置有收集镜，其用于收集所述金属液滴受激光激发生的高温等离子体的激光辐射。
根据本发明的一种具体实施方式，该收集镜以激光传播路径为法线中心对称。
根据本发明的一种具体实施方式，还包括位于所述腔体内的电极回路，该电极回路包括两个平行的电极，所述激光对所述金属液滴加热使其气化，金属蒸气在两平行电极之间扩散，扩散的金属蒸气团的边缘达到所述该两个平行的电极后导通电极回路，导通的电极回路对夹在两个平行的电极之间的金属蒸气进行放电，将金属蒸气团电离生成高温等离子体，进而产生激光辐射。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明能够产生稳定、高频、高速的微小液态金属靶，通过转轮转速及出料口金属导管内径两种方式有效控制液态金属靶的直径，保证发光稳定性，有效控制发光过程中的系统污染。
并且，本发明的装置结构简单可靠，便于安装和维修。
附图说明
图1为现有技术的一种液态金属靶产生装置的结构示意图；
图2为本发明的等离子体极紫外光源装置；
图3为本发明的液态金属靶产生装置；
图4为本发明的转轮结构；
图5为本发明的LDP中的应用实例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如前所述，本发明旨在为极紫外光源的等离子体激发提供一种液滴尺寸及产生频率均精确可控的高速、微小液态金属靶产生装置，从而产生稳定且较为清洁的极紫外光。
图2为本发明的液态金属靶产生装置的一个实施例的结构示意图。该实施例应用于LPP(Laser Produced Plasmas)激光光源中。如图所示，装置包括腔体18、储液箱13、高速转轮7、导管14。
所述腔体18在水平方向上具有两端，且两端均具有开口，激光器1可通过其中一端的开口入射到腔体内。在该实施例中，激光器1入射到腔体18中所经由的开口处安装有激光透射窗15，激光透射窗15起到过滤杂散光以及防止激发出的极紫外光直接照射激光器，损伤激光器的作用。若考虑到光能量衰减问题，不需要安装激光透射窗15，也可直接将激光出射口通过法兰与腔体18直接相连。
储液箱13位于腔体的上方，用于存储液态金属靶材料12。储液箱13的底端与一个导管14相连通，并且该导管14穿过腔体18的上部进入腔体18，以至于储液箱13内的液态金属靶材料12能通过该导管14滴入该腔体内部。
在腔体18内部具有一个转轮7，该转轮7呈圆柱体形且能绕其中心轴转动。该中心轴与该导管14垂直，并且与激光器出射的激光束垂直。并且，该转轮7的侧面(圆柱的侧表面)与导管14对准，但不接触。这样，从导管14中滴下的液态金属靶材料12正好落到该转轮7的侧面(圆柱的侧表面)。
图3示出了所述转轮的一种实施方式的侧面视图。如图3所示，转轮7的侧面开设有凹槽，且凹槽对准导管14，由此，从导管14中滴下的液态金属靶材料12可以落入该凹槽中，所述凹槽可用于控制液态金属流动方向及液滴初速度方向。
在该实施例中，导管14的出液口处于高速转轮7的偏心位置，即导管14的延长线与高速转轮7的所述中心轴不相交，如图2所示，以便流入高速转轮10后能够加速到适当的速度。转轮7与高速电机6咬合，通过电机为转轮提供动力。液态金属靶材料通过高速转轮7的加速，加速过程中液态金属受材料粘滞力及表面张力作用形成金属小液滴，其直径与材料性质及转轮转速有关。当金属小液滴所受离心力大于液体在转轮表面所受摩擦力后，在转轮切向方向受离心力作用产生金属液滴5，并沿转轮凹槽垂直地面向下的切向上甩出。该液滴5的直径由高速转轮的转速决定，转速越高产生的金属液滴直径越小，并且当转轮转速恒定时液滴直径恒定。例如直径约为200mm的高速转轮转速达到8000转/分时，产生的小液滴直径约为40μm。高速转轮转速稳定时，其液滴产生频率稳定。
图4是图2所示实施例的工作原理图。如图4所示，如图3和图4所示，该产生装置还包括一个出料导管4，该出料导管4对准所述转轮7的甩出的金属液滴5的前进方向，用于对金属液滴5进行直径筛选，仅使直径小于导管内径的液滴通过出料导管4。并且，该出料导管4的内径通过安装其外围的压电陶瓷3进行调节。当出料导管4的内径过大时，改变压电陶瓷3的输入电压使其向内收缩，金属导管受力发生弹性形变内径减小，当出料导管4的内径过小时，减小压电陶瓷3的输入电压，金属导管受压减少，弹性形变恢复，内径增大。
当该液态金属靶产生装置用于激光光源时，通过出料导管4的金属液滴8、9、11作为液态金属靶逐个通过激光器1所发出的激光的位置，金属液滴受激光激发产生高温等离子体，产生极紫外辐射，激光光源还包括位于腔体18内的收集镜2，该收集镜2与激光器1处于金属液滴流的同一侧，并在激光光束的光传播方向上挖空，收集镜以激光传播路径为法线中心对称。由激光光源激发的极紫外光在4π空间内各项同性，照射到收集镜2上的光线被收集镜2收集，由此，极紫外光通过收集镜2汇聚到聚焦中心10点上。
所述产生装置还可包括位于腔体下部的回收箱17，并且，腔体18的底部具有一个正对该回收箱的漏孔。由此，在金属液滴产生的过程中，多余的液体金属通过腔体18底部的漏孔流入液体金属回收箱17中进行有效回收利用。
本发明中的液态金属靶产生装置也可应用于LDP(Laser-assistedDischarge Plasma)极紫外发光技术中，LDP是改进型的DPP(DischargeProduced Plasmas)技术，也可以利用本发明的液态金属靶产生装置生成金属液滴。
图5为本发明的液态金属靶产生装置的另一个实施例的结构示意图。该实施例应用于LDP激光光源中。该实施例的液态金属靶产生装置的基本结构与图2显示的类似，除激光器外，整个系统处于腔体18内部，其系统结构在上述LPP光源的基础上增加了电极回路20，电极回路的中心轴线20与液态金属靶产生装置的中心轴线位于同一水平面且同一垂直面内。两电极互相平行，其法线与电极回路的中心轴线垂直。由于电极回路20的加入，受到空间上的限制，将激光器移至系统后方，使激光光束沿纸面法线向外照射，如图5所示。使用激光1对金属液滴加热使其气化，金属蒸气在两平行电极之间扩散，扩散的金属蒸气团的边缘达到两电极19后导通电极回路20，导通的电极回路对夹在电极19之间的金属蒸气进行放电，将金属蒸气团电离生成高温等离子体，进而产生极紫外激光辐射。如需对极紫外辐射进行收集，则在激光器的同一侧的腔体18内部加入中心带孔的极紫外收集镜，结构与上述LPP装置中的相同，不再赘述。
由上述实施例可见，本发明的液态金属靶产生装置可以适用于多种需要产生液态金属靶的激光光源中。本发明的产生装置基于离心力能产生微小的、高速液态金属靶。本发明结构简单可靠，摆脱传统通过挤压方式获得液滴的桎梏，应用新的思路在有效控制液态金属靶的产生频率，以及有效控制液态金属靶的直径上均有突出的优势体现。本发明在控制液态金属靶的产生频率上有三大优势：
1)通过转轮转速能够精确控制液态金属靶的产生频率；
2)液态金属靶的产生频率可调范围较宽；
3)实现高频液态金属靶输出。通过高频输出能够实现极紫外光高能量输出，对于极紫外光源至关重要。
本发明在有效控制液态金属靶的直径上具有两大优势：
1)金属靶直径可控；
2)转轮机械加工的均匀性和电机稳定性保证生成金属靶直径的一致性；
3)通过出料导管对液滴进行二次筛选。
通过以上优势，通过本发明方法能够生成具有一定初速度，并且产生频率高、性能一致性好的液态金属靶，从而在光源激发过程中生成频率高，功率大，性能稳定的光波辐射。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种液态金属靶产生装置，能够产生用于等离子激发的金属液滴，该装置包括用于存储液态金属靶材料(12)的储液箱(13)，储液箱(13)的底端与一个导管(14)相连通，其特征在于，该装置还包括：
腔体(18)，位于所述储液箱(13)的下方，使得所述导管(14)穿过腔体(18)的上部进入腔体内部，以至于所述储液箱(13)内的液态金属靶材料(12)能通过该导管(14)滴入到该腔体(18)的内部；
转轮(7)，呈圆柱体形且能绕其中心轴转动，且该中心轴与该导管(14)垂直，所述导管(14)的延长线与所述转轮(7)的所述中心轴不相交，并且，该转轮(7)与导管(14)对准，以致从导管(14)中滴下的液态金属靶材料(12)能落到所述转轮(7)的侧面，并通过转动的所述转轮(7)的加速而形成所述金属液滴(5)。
2.如权利要求1所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，所述转轮(7)的侧面开设有凹槽，且该凹槽对准所述导管(14)，以使从导管(14)中滴下的液态金属靶材料(12)落入该凹槽中。
3.如权利要求1所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，还包括出料导管(4)，其对准所述金属液滴(5)的前进方向，用于对该金属液滴(5)进行直径筛选，仅使直径小于导管内径的液滴通过该出料导管(4)。
4.如权利要求3所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，还包括压电陶瓷(3)，其安装在所述出料导管(4)的外围，用于对所述出料导管(4)的内径进行调节。
5.如权利要求1至4中任一项所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，所述腔体(18)的底部具有一个漏孔，多余的液体金属靶材料通过腔体(18)底部的漏孔流出腔体外。
6.如权利要求1至4中任一项所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，所述腔体(18)具有开口，该开口供激光入射到腔体内以激发所述金属液滴。
7.如权利要求6所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，所述腔体(18)内还设置有收集镜(2)，其用于收集所述金属液滴受激光激发生的高温等离子体的激光辐射。
8.如权利要求7所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，该收集镜(2)以入射到所述腔体(18)的激光的传播路径为法线中心对称。
9.如权利要求6所述的液态金属靶产生装置，其特征在于，还包括位于所述腔体(18)内的电极回路(20)，该电极回路包括两个平行的电极(19)，所述激光对所述金属液滴加热使其气化，金属蒸气在两平行电极(19)之间扩散，扩散的金属蒸气团的边缘达到所述该两个平行的电极(19)后导通电极回路(20)，导通的电极回路对夹在两个平行的电极(19)之间的金属蒸气进行放电，将金属蒸气团电离生成高温等离子体，进而产生激光辐射。
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