CN114442437A - 光源装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光源装置。一种光源装置，包括：等离子源；第一电源，用于为等离子源供电；第一电极，具有孔；第二电源，用于在等离子源的负电极与第一电极之间产生第一电场，使得等离子体从孔穿过第一电极；第二电极，用于接收穿过第一电极的等离子体；第三电源，用于在第一电极与第二电极之间产生第二电场；真空室；以及磁体，用于产生磁场，磁场被构造成将等离子体约束在真空室的中心轴附近，真空室包括第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，磁体包括：第一磁体，用于在第一腔室中产生第一磁场；第二磁体，用于在第二腔室中产生第二磁场；以及第三磁体，用于在第四腔室中产生第三磁场，等离子体在第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
Description
技术领域
本公开涉及一种光源装置。
背景技术
随着半导体技术的发展，芯片的制程不断进步。目前，最新的芯片制程已经达到5nm并实现了广泛的工业应用，2纳米制程工艺的工业化也正在紧锣密鼓的研发和准备中。所有制程工艺的进步都离不开光刻机。极紫外光刻机成为最热门的产品。光刻机的光源在某种意义上决定了工艺制程。可以产生极紫外光的光源是人们关注的焦点之一。
极紫外光，又称极端紫外线辐射，是指电磁波谱中波长从121纳米到10纳米的电磁辐射。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种光源装置，包括：等离子源；第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；第一电极，被构造成具有孔；第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；真空室，用于容纳所述等离子体；以及磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，所述磁体包括：第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
在根据本公开的一些实施例中，所述第四腔室的内径小于第一腔室的内径。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三磁体包括围绕所述第四腔室布置的螺线管。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源、所述第三磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
在根据本公开的一些实施例中，所述等离子源包括：中空的筒状正电极；以及位于正电极内部的负电极。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一电源的正极与所述等离子源的正电极电连接，所述第一电源的负极与所述等离子源的负电极电连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二电源的正极与所述第一电极电连接，所述第二电源的负极与所述等离子源的负电极电连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源的正极与所述第二电极电连接，所述第三电源的负极与所述第一电极电连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一电源为脉冲电源。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一电源的脉冲宽度为0.1毫秒-10毫秒。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一电源的电压为1kV-2kV。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二电源为脉冲电源。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二电源的脉冲宽度为0.5毫秒-50毫秒。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二电源的电压为300V-1000V。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源为脉冲电源。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源的脉冲宽度为0.1毫秒-10毫秒。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源的电压为1kV-3kV。
在根据本公开的一些实施例中，所述光源装置还包括：气体源，用于向所述真空室提供电离用气体。
在根据本公开的一些实施例中，所述真空室的气压为1Pa-10Pa。
在根据本公开的一些实施例中，所述气体源包括：氢气、氦气、氩气和氙气中的至少一种。
在根据本公开的一些实施例中，所述气体源包括：氢气、氦气和氩气，并且氩气、氢气和氦气的流量比为氩气：氢气：氦气＝1：3：10。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二腔室的内径小于第一腔室的内径。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三腔室中没有外加磁场。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三腔室的内壁设有反光层。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三腔室配置有出光口，所述电磁辐射经由所述出光口出射。
在根据本公开的一些实施例中，所述电磁辐射为极紫外光。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一磁场被构造成对所述等离子体进行压缩，从而减小所述等离子体的直径。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一磁体包括围绕所述第一腔室布置的螺线管。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源、所述第一磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二磁体包括围绕所述第二腔室布置的螺线管。
在根据本公开的一些实施例中，所述第三电源、所述第二磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
在根据本公开的一些实施例中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
根据本公开的另一个方面，提供了一种光源装置，包括：等离子源；第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；多个级联的第一电极，每个第一电极设置有孔；多个第二电源，所述多个第二电源串联连接，并且各个第二电源的正极与对应的第一电极电连接，使得所述等离子体从所述孔穿过对应的第一电极；第二电极，用于接收穿过所述多个级联的第一电极的等离子体；第三电源，所述第三电源的正极电连接到所述第二电极，所述第三电源的负极电连接到与所述第二电极相邻的第一电极；真空室，用于容纳所述等离子体；以及磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，所述磁体包括：第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二磁场的磁场强度大于第一磁场的磁场强度，所述第二磁体包括在所述第二腔室上缠绕多圈的线缆，所述线缆的一端电连接到所述第三电源的正极，另一端电连接到所述第二电极。
根据本公开的又一个方面，提供了一种光源装置，包括：等离子源；第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；第一电极，被构造成具有孔；第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；真空室，用于容纳所述等离子体；以及磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的多区域腔室、第三腔室和第四腔室，所述磁体包括：第一磁体，用于在所述多区域腔室的第一区域产生第一磁场；第二磁体，用于在所述多区域腔室的第二区域产生第二磁场；以及第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
根据本公开的又一个方面，提供了一种光刻机，包括上述光源装置。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的光源装置的示意图。
图2示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的光源装置的示意图。
图3示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的光源装置的示意图。
图4示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的光源装置的示意图。
图5示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的光源装置的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
图1示出了根据本公开的实施例的光源装置的示意图。
如图1所示，光源装置100包括等离子源、第一电极103、第二电极104、真空室106、气体源112、第一磁体141、第二磁体142、第三磁体143、第一电源107、第二电源108、第三电源109、第一电流计110以及第二电流计111。除此之外，在真空室106上还可以设置有排气口(未示出)。
其中，等离子源包括中空的正电极102以及位于正电极102内部的负电极101。在根据本公开的一些实施例中，正电极102可以为圆筒状，如图1所示。此外，正电极102也可以为例如中空的圆锥筒状等其它合适的形状。负电极101可以为例如棒状或针状。第一电源107的负极电连接到等离子源的负电极101，第一电源107的正极电连接到等离子源的正电极102。
真空室106包括4个流体连通的腔室，即第一腔室131、第二腔室132、第三腔室133和第四腔室134。等离子源布置在第一腔室131内，可以在第一腔室131中产生等离子体。在第一腔室131中还设置有第一电极103。如图1所示，第一电极103设置有孔113，由等离子体形成的等离子束可以穿过孔113。第一电极103电连接到第二电源108的正极以及第三电源109的负极。
第四腔室134中设置有第二电极104。第二电极104电连接到第三电源109的正极。此外，气体源112与真空室106流体连通，可以向真空室106提供气体。例如，气体源112提供的气体可以为氢气、氦气、氩气、氙气或它们中的至少两种构成的混合气体等。进入真空室106的气体的一部分将由等离子体源电离成等离子体。
此外，在真空室106的第一腔室131中还可以设置有第一电流计110和第二电流计111。第一电流计110和第二电流计111可以为例如罗氏线圈(Rogowski Coil)，可以测量等离子束的电流。罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。罗氏线圈的输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原罗氏线圈的输入电流。在图1所示的实施例中，第一电流计110可以测量从等离子源流向第一电极103的等离子束的电流，第二电流计111可以测量从第一电极103流向第二电极104的等离子束的电流。
在图1所示的光源装置100中，还设置有多个磁体。如图1所示，第一磁体141可以布置在第一腔室131周围，第二磁体142可以布置在第二腔室132周围，第三磁体143可以布置在第四腔室134周围。这些磁体可以在对应的腔室中产生约束磁场。利用约束磁场可以使等离子束115约束在预定的轨迹上。例如，在真空室106中，中心轴附近的约束磁场B的方向为沿着平行于中心轴的方向向左，如图1的箭头所示。可以将等离子束115约束在真空室106的中心轴附近，确保等离子束115沿着中心轴行进。此外，第一腔室131中的约束磁场还可以被构造成对等离子束115进行磁压缩，从而减小等离子束115的直径。第二腔室132中的约束磁场还可以抑制等离子束115自身的Z-轴箍缩效应，使等离子束115的直径保持基本上不变。应当理解，这些磁体可以为永久磁体或者为电磁铁。此外，磁体可以设置在对应腔室的外部，也可以设置在对应腔室的内部。
由于通过等离子束115的电流会产生感应磁场，在该感应磁场的作用下运动中的电子会在罗伦兹磁场力的作用下产生向轴心的箍缩。在没有外磁场的情况下，这种向轴心的箍缩一般被称为Z－轴箍缩，其箍缩时间往往很短，比如在微秒或纳秒量级，而且该时间不可控制，并且会在一定程度上导致等离子束115的不稳定性。为了改善等离子束的稳定性，本公开使用了外磁场，目的是将箍缩时间大幅度提升到毫秒量级。这是由于外磁场对箍缩有抵抗作用。为了与传统的Z－轴箍缩方法区分，本公开所使用的方法在这里被称为磁压缩方法，其相对于Z－轴箍缩方法的优势是等离子束的压缩时间可以延长并且可以控制。在磁压缩过程中，等离子束的直径逐步缩小，比如可以从35毫米左右缩小至10毫米左右。
应当理解，在根据本公开的一些实施例中，光源装置100可以不包含磁体。根据理论计算，当电流达到大约30kA以上时，等离子束自身产生的磁场就可以实现对等离子束的磁约束，这称为自感磁约束(self-induced magnetic confinement)。但是，在目前的技术水平下，单个电源难以满足上述电流要求。在图1的实施例中，采用了第二电源108和第三电源109的布置。这种多个电源的布置方式可以支持更高的电流，并且等离子束115在真空室106中行进的距离可以更长。
此外，为了实现更大的电流，第一电源107、第二电源108和第三电源109可以都是脉冲电源。例如，第一电源107的脉冲宽度可以为例如0.1毫秒-10毫秒，电压可以为例如1kV-2kV。第二电源108的脉冲宽度可以为例如0.5毫秒-50毫秒，电压可以为例如300V-1000V。第三电源109的脉冲宽度可以为例如0.1毫秒-10毫秒，电压可以为例如1kV-3kV。在根据本公开的一些实施例中，第三电源109的电压也可以为例如1kV-2.2kV。
在图1所示的示例性实施例中，第三腔室133的周围没有设置磁体。也就是说，第三腔室133中没有外加的约束磁场。此外，第三腔室133还设置有出光口121。光源装置100产生的电磁辐射(光)经由出光口121出射。在根据本公开的一些实施例中，第三腔室133的内壁还可以设置有反射层，电磁辐射(光)可以被反射层反射，从而增加从出光口121出射的电磁辐射(光)的强度。
下面详细描述图1所示的光源装置100的示例性工作过程。
首先，将真空室106抽至真空，然后通过气体源112向真空室106内通入氢气和氩气的混合气体，其中氢气和氩气的流量比为1：1。控制气体源112的流量，使得真空室106内的气体压强保持在1Pa-10Pa。例如，调节氢气的流量为2000sccm，氩气的流量为2000sccm，使真空室106内气压维持在5Pa左右。
接下来，接通第一电源107，向等离子源的负电极101和正电极102供电。当第一电源107产生的脉冲被提供给等离子源时，在负电极101和正电极102之间的气体被电离，从而产生等离子体。
第二电源108和第三电源109也是脉冲电源，并且第一电源107、第二电源108和第三电源109基本同步。也就是说，第一电源107、第二电源108和第三电源109基本上同时发出脉冲。因此，等离子源产生等离子体的同时，第二电源108发出的脉冲被施加到第一电极103和等离子源的负电极101之间，从而在第一电极103和负电极101之间产生电场。在该电场以及等离子体的作用下，使得第一电极103和负电极101之间的气体也被电离。因此，形成了第一电极103和负电极101之间的等离子束115。
第一电极103上设置有孔113，使得等离子束115的至少一部分可以经由孔113穿过第一电极103。第三电源109发出的脉冲施加到第二电极104和第一电极103之间，在第二电极104和第一电极103之间也产生电场。在该电场以及穿过孔113的等离子束的作用下，第二电极104和第一电极103之间的气体也被电离，从而使得等离子束115被延长并到达第二电极104。
当等离子束115从第一腔室131进入到第二腔室132后，利用第二腔室132周围的第二磁体142产生的约束磁场，可以保持等离子束115的直径保持基本不变。即等离子束115的直径不会进一步明显减小。第二磁体142在中心轴线附近产生的约束磁场，比如可以在1特斯拉至10特斯拉之间。
当等离子束115从第二腔室132进入到第三腔室133后，由于第三腔室133没有外部的约束磁场，等离子束115沿着径向发生箍缩(即所谓的Z箍缩)，从而会聚到O点。更具体地说，等离子束115中的电子受到的洛伦兹力垂直于电子的运动方向，使得电子产生径向的箍缩。因为等离子束115中的电子和带正电的原子核混合在一起，在库伦力的作用下，洛伦兹力表现为等离子束115内部的一种压缩力。等离子束115的电磁势能Π可以表达为：
其中，μ0为真空磁导率，I为电流，R0为进入等离子束中的粒子的初始半径，Rf为在洛伦兹力作用下箍缩后的最终半径，L为第二腔室132的长度。
等离子束的最终尺寸可以在一些实施例达到微米量级。在箍缩过程中，上述电磁场势能会转化为电子的动能，使得等离子体中的电子温度大幅度提高，导致氢气、氦气、氩气、氙气或它们中的至少两种构成的混合气体完全电离。以纯氙气为例，电子温度的大幅度提升可以使其外层越来越多的电子被电离，其中每个氙原子在电离前共有54个电子围绕着原子核旋转。作为范例计算，假设每个氙原子有21个电子被电离，这21个电子可以被理解为处于激发状态。激发状态可以是不稳定的。当这些电子又重新回到它们先前的轨道上围绕原子核旋转时，这些电子被称为“退激”。退激前后电子的能量差，因为能量守恒的缘故以光子形式发射出来。该能量差(即光子的能量)，主要取决于电子与原子核之间的结合能，其中最外层电子与原子核之间的结合能为12.13电子伏特，而第21个电子与原子核之间的结合能则高达615.64电子伏特。其余电子与原子核之间的结合能介于上述两个值之间。如果上述第21个电子退激，光子的能量会至少等于615.64电子伏特，其相应的波长为2.01纳米。假如在退激前电子的能量不是忽略不计，则光子的能量会大于615.64电子伏特，其相应的波长甚至可以低于2纳米。由于箍缩前后等离子束的尺寸相差很大，比如可以从毫米级别箍缩到微米级别(相差约3个数量级)，本公开所产生的光源可以基本上视为球对称的点光源，向四周均匀发光。在有的实施例中，由于在宏观比如毫米量级范围内，发光区域不能近似为球对称(但可以更为精确地模拟为轴对称)，又因为Z-轴箍缩是沿着半径方向的向心箍缩，由此产生的光子强度在这些实施例中也可以主要从轴心区域以半径方向均匀向外发射，而轴向光的强度则相对较小。
在下面的范例计算中，第三电源109的电压设定为2200伏特。假设在第一腔室131内的磁压缩过程中，等离子束的直径从初始的35毫米压缩至10毫米，然后以10毫米直径(半径＝5毫米)通过第二腔室。由于第二腔室的磁场强度(比如2.5特斯拉)大幅度高于第一腔室的磁场强度(比如0.3特斯拉)，在第二腔室内等离子束的进一步磁压缩可以忽略不计。进一步考虑初始电流，即当直径为35毫米时通过等离子束的电流为30kA。在第三腔室133中O点的位置，假设会聚后的等离子束的直径缩小至6微米(半径＝3微米)，并进一步假设由于分流的缘故通过等离子束的电流降低至1kA，等离子体中的电子密度，即单位体积中的自由电子个数，大幅度增加至5x1025/m3。根据方程(1)，可以进一步推导出每个电子可以获得的平均动能E如下：
其中，nf为在洛伦兹力作用下箍缩后的最终电子密度。根据方程(2)，以及上述各典型的参数值，可以计算出E＝546eV。继续考虑氙原子的最外层21个电子电离的情况，其电离能的范围为12.13-615.64eV，平均值为247eV。根据能量守恒定律，这21个电子完全电离之后，其初始电子温度(＝电子的平均动能)为299eV。但随着光子的辐射，等离子体中的电子温度会迅速降低至一个新的平衡温度，比如150eV左右。考虑该平衡温度，如果一个电子退激到氙原子最外层的电子，其对应的电子跃迁所产生的光子能量为162.13eV，波长为7.65纳米。作为另一个极端，如果一个电子退激到氙原子从外到内的第21个电子，其对应的电子跃迁所产生的光子能量为765.64eV，波长为1.62纳米。所以，根据理论计算并考虑到一定的误差，本公开所产生的光源的波长，可以在1-10纳米的量级。
进一步考虑通过等离子束的电流从初始的30kA，由于分流的缘故最终降低至1kA，其中大部分电流(29kA)最终从束的外部等离子体非常稀薄的大面积区域流过，原因是外部区域电阻较低。与此同时，由于电场势能(＝电压＝2200eV)对电子的加速作用，并且由于电子与原子核之间存在的局部库仑吸引力，导致氙原子核最终被加速，其轴向平均速度Vf可以表达为：
其中，V3为第三电源的电压，mXE为氙原子的质量，I0和If分别为初始和最终通过等离子束的电流，其比值可以理解为因等离子束尺寸大幅度降低所产生的能量集中或放大因子。根据方程(3)，可以计算出氙原子核的最终轴向速度为：Vf＝311公里/秒。在此基础上，可以根据下面的公式进一步计算出光子的强度Q：
根据上面列出的各参数值，光子的强度Q估算为：4.4x1020个/秒。该估算值的误差范围可以根据今后的实验结果确定。此外，还可以根据轴向动能与径向动能的比值，确定第三腔室中O点的位置：
其中d为从第二腔室出口到第三腔室O点的距离，R2为等离子束在第二腔室的半径(5毫米)，T2和Tf分别为等离子束在第二腔室出口的温度和在第三腔室O点的温度。由于位置或距离与速度成正比，在能量及温度的比值基础上加上了平方根号，其中电流的比值代表等离子束在箍缩过程中由于加速产生的能量放大因子。根据上述各参数值，并假设T2＝10eV以及Tf＝150eV，可以估算出d＝0.426米。
如上所述，当电子温度大约在150eV附近，从第三腔室的O点发出的电磁辐射的波长范围估算为1-10纳米。如果电子温度开始从150eV附近降低，就会至少部分产生波长超过10纳米的级紫外线。
因此，如图1所示，等离子束115在第三腔室133中将沿径向箍缩至近似一个点O(半径低于毫米量级，可以在微米量级或更小)。在点O附近，箍缩后的等离子束115发出电磁辐射。如上所述，电磁辐射的频率范围取决于O点附近区域的电子温度，当该温度低于大约150eV附近时，比如在50eV附近时，发出的电磁辐射可以主要为极紫外光。本领域技术人员可以理解，电磁辐射的谱线是连续的，而非间断的。该连续谱线产生的物理机理，为多种电离度离子激发态的“退激”。在上述的示范性计算中，产生级紫外线的阈值在100eV左右，比如50-150eV。但在不同的实施例中，产生级紫外线的阈值可以在不同于100eV的量级，比如在10eV或1000eV附近的范围内。该阈值可以由实验确定。
在上述实施例中，第一脉冲电源的电压为1000V，脉冲宽度为1毫秒；第二脉冲电源的电压为450V，脉冲宽度为5毫秒；第三脉冲电源的电压为2200V，脉冲宽度为1毫秒。可以经过计算得到，等离子束115中心在第三腔室O点附近的等离子密度大约为2.38×1024m-3。该等离子密度大于其它等离子束发生装置得到的等离子密度。
应当理解，本公开不限于以上的具体实施方式。在根据本公开的教导下，还可以采用其它方式。例如，光源装置100还可以包括更多的电极和对应的电源。换句话说，可以设置多个级联的第一电极和对应的第二电源来对等离子束进行延长。其中每个第一电极都可以设置有用于等离子束穿过的孔。例如，多个第二电源可以彼此串联连接，并且各个第二电源的正极与对应的第一电极电连接，这样，除了首个第二电源的负极电连接到等离子源的负极之外，其余第二电源的负极都电连接到对应的第一电极前面的第一电极。此外，第三电源的正极电连接到第二电极，第三电源的负极电连接到与第二电极相邻的第一电极。采用这种方式，可以沿着真空室的轴向产生方向相同的电场，使得等离子束可以沿着电场持续延伸。
图2示出了根据本公开的一些实施例的光源装置200的示意图。
如图2所示，等离子束发生装置200包含等离子源、第一电极103、第二电极104、第一腔室131、第二腔室132、第三腔室133、第四腔室134、第一磁体141、第二磁体142、第三磁体143、第一电源107、第二电源108、第三电源109、第一电流计110以及第二电流计111。这些部件与图1中的光源装置100相似，这里就不再重复描述。
在图2所示的光源装置200中，还设置有第一电极2103和第二电源2108。如图2所示，第二电源2108与第二电源108串联连接，其中第二电源2108的正极电连接到第一电极2103以及第三电源109的负极，第二电源2108的负极电连接到第一电极103以及第二电源108的正极。此外，第一电极2103也设置有孔2113，使得等离子束115可以穿过孔2113。第二电源2108也可以是例如脉冲电源，并且可以与其它脉冲电源同步。
光源装置200的操作过程与图1所示的光源装置100类似。在各个电极之间的电场以及等离子源产生的等离子体的作用下，等离子体形成等离子束115，并且依次穿过第一腔室131中第一电极103的孔113、第一电极2103的孔2113、第二腔室132、第三腔室133，在第三腔室133中发生箍缩并发出电磁辐射后，等离子束115进入第四腔室134并到达第二电极104。第二电极104的端部可以设置有等离子束接收件105。在一些实施例中，等离子束接收件105可以起到保护第二电极104的作用。在根据本公开的另一些实施例中，等离子束接收件105也可以由靶材制成。这样，光源装置200除了可以在第三腔室133中产生电磁辐射，还可以在第四腔室134中进行其它实验。由于第一电极2103的加入，能够进一步延长等离子束115的长度，改善其稳定性，并且增大中心轴附近等离子体的密度。
根据本公开的光源装置可以具有许多用途。在光源装置产生的电磁辐射为极紫外光的情况下，该光源装置可以作为极紫外光刻机的光源。此外，在光源装置产生的电磁辐射为X射线或γ射线的情况下，该光源装置可以作为安全检测设备或医用CT设备的光源。
应当理解，本公开所述的等离子体的行进方向是指远离等离子源的方向，即电子和负离子在电场作用下行进的方向。如图1所示，从等离子源发出的等离子束115依次通过第一电流计110、第一电极103、第二电流计111，第二腔室132、第三腔室133、第四腔室134并最终接近或到达其中的第二电极104。
图3示出了根据本公开的一些实施例的光源装置300的示意图。如图3所示，光源装置300包括等离子源、第一电极103和第一电极2103、第二电极104、第一腔室131、第二腔室132、第三腔室133、第四腔室134、第一磁体141、第二磁体142、第三磁体143、第一电源107、第二电源108和第二电源2108、第一电流计110以及第二电流计111。这些部件与图2中的光源装置200相似，这里就不再重复描述。
此外，光源装置300中的第三磁体143为电磁体，例如螺线管。该螺线管的线圈可以缠绕在第四腔室134上并且由第三电源109供电。如图3所示，第三电源109的正极电连接到螺线管的一端，螺线管的另一端电连接到第二电极104。因此，第三电源109、第三磁体143(即螺线管)、第二电极104为串联连接。从第三电源109的正极流出的电流依次经过第三磁体143、第二电极104以及等离子束115等，最终返回到第三电源109的负极。
此外，如上所述，第三电源109可以为脉冲电源。这样，只有在产生等离子束115期间，才有电流经过第三磁体143并产生对应的磁场。采用这种方式，不必通过额外的电源持续向第三磁体143供电，降低了光源装置300的制造成本和运行成本。
此外，在根据本公开的一些实施例中，可以使用电缆作为第三磁体143的螺线管。例如，与第三电源109的正极电连接的电缆可以缠绕在第四腔室134上(例如缠绕5-20圈)，然后再电连接到第二电极104。这样，当电流从电缆中流过时，缠绕在第四腔室134上的电缆就可以起到螺线管的作用，从而在第四腔室134内产生约束磁场。
例如，在根据本公开的一些实施例中，电缆中导体的直径为18mm，由电缆缠绕在第四腔室134外周形成的螺线管的内径为132mm，流过电缆的电流为大约15kA，在第四腔室134的中心轴附近的磁场强度为大约0.8特斯拉。
图4示出了根据本公开的一些实施例的光源装置400的示意图。如图4所示，光源装置400在光源装置300的基础上，进一步将与第三电源109的正极电连接的电缆缠绕在第二腔室132和第一腔室131上。例如，从第三电源109的正极延伸的电缆依次缠绕在第四腔室134、第二腔室132和第一腔室131上，最后从第一腔室131电连接到第二电极104。这样，该电缆在第一腔室131、第二腔室132和第四腔室134外部缠绕形成的螺线管可以分别作为第一磁体141、第二磁体142和第三磁体143。通过控制电缆缠绕的圈数、各个腔室的直径等参数，可以调节各个磁体在对应腔室的中心轴线附近产生的磁场强度。在根据本公开的一些实施例中，可以以任意的次序将电缆分别缠绕在上述的三个腔室上。例如，可以先缠绕在第一腔室131上，然后缠绕在第二腔室132上，最后缠绕在第四腔室134上。
在上述根据本公开的各个实施例中，作为一个过渡腔室，第二腔室132可以延长将等离子束115最终压缩为一个近似点状区域O所需要的时间，以达到增加等离子束115稳定性的目的。由于经过在第一腔室131的磁压缩之后，进入到第二腔室132的等离子束115的尺寸(即直径)已经大幅度减少，第二腔室132的直径可以设计为小于第一腔室131的直径。因为外磁场强度与腔室直径成反比，更小直径的第二腔室132可以更容易地实现更强的磁场。相比之下，第一腔室131的内径必须大于等离子束115在第一腔室131上游磁压缩开始之前的最大直径，以避免在等离子束115和第一腔室131金属内壁之间出现打火现象。在有的实施例中，可以使用非金属腔室或在第一腔室131内壁涂上一定厚度的非金属镀层。在这些实施例中，第一腔室131的直径可以大幅度减少至与第二腔室132大致或完全相等，以达到工业化应用的目的。
图5示出了根据本公开的一些实施例的光源装置500的示意图。如图5所示，该光源装置500与图1所示的光源装置100的区别在于，将第一腔室131和第二腔室132融合在一起，形成了具有多个区域的单个腔室(也称为多区域腔室)。在该单个腔室的与第一腔室131对应的第一区域151，利用第一磁体141在中心轴线附近产生具有第一磁场强度的磁场；在该单个腔室的与第二腔室132对应的第二区域152，利用第二磁体142在中心轴线附近产生具有第二磁场强度的磁场。这样，在图5所示的示意性实施例中，可以在单个腔室的不同区域形成不同的磁场，从而实现多个腔室的功能。光源装置500的其它部分与光源装置100相似，这里就不再重复。
此外，根据本公开的一些实施例，还可以采用以下技术方案：
1、一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
第一电极，被构造成具有孔；
第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；
第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
2、根据1所述的光源装置，其中，所述第四腔室的内径小于第一腔室的内径。
3、根据1或2所述的光源装置，其中，所述第三磁体包括围绕所述第四腔室布置的螺线管。
4、根据3所述的光源装置，其中，所述第三电源、所述第三磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
5、根据3所述的光源装置，其中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
6、根据1所述的光源装置，其中，所述等离子源包括：
中空的筒状正电极；以及
位于正电极内部的负电极。
7、根据1所述的光源装置，其中，所述第一电源的正极与所述等离子源的正电极电连接，所述第一电源的负极与所述等离子源的负电极电连接。
8、根据1-7中任一项所述的光源装置，其中，所述第二电源的正极与所述第一电极电连接，所述第二电源的负极与所述等离子源的负电极电连接。
9、根据1-8中任一项所述的光源装置，其中，所述第三电源的正极与所述第二电极电连接，所述第三电源的负极与所述第一电极电连接。
10、根据1-9中任一项所述的光源装置，其中，所述第一电源为脉冲电源。
11、根据10所述的光源装置，其中，所述第一电源的脉冲宽度为0.1毫秒-10毫秒。
12、根据10或11所述的光源装置，其中，所述第一电源的电压为1kV-2kV。
13、根据1-12中任一项所述的光源装置，其中，所述第二电源为脉冲电源。
14、根据13所述的光源装置，其中，所述第二电源的脉冲宽度为0.5毫秒-50毫秒。
15、根据13或14所述的光源装置，其中，所述第二电源的电压为300V-1000V。
16、根据1-15中任一项所述的光源装置，其中，所述第三电源为脉冲电源。
17、根据16所述的光源装置，其中，所述第三电源的脉冲宽度为0.1毫秒-10毫秒。
18、根据16或17所述的光源装置，其中，所述第三电源的电压为1kV-3kV。
19、根据1-18中任一项所述的光源装置，还包括气体源，用于向所述真空室提供电离用气体。
20、根据19所述的光源装置，其中，所述真空室的气压为1Pa-10Pa。
21、根据19所述的光源装置，其中，所述气体源包括：氢气、氦气、氩气和氙气中的至少一种。
22、根据21所述的光源装置，其中，所述气体源包括：氢气、氦气和氩气，并且氩气、氢气和氦气的流量比为氩气：氢气：氦气＝1：3：10。
23、根据1所述的光源装置，其中，所述第二腔室的内径小于第一腔室的内径。
24、根据1所述的光源装置，其中，所述第三腔室中没有外加磁场。
25、根据1所述的光源装置，其中，所述第三腔室的内壁设有反光层。
26、根据1所述的光源装置，其中，所述第三腔室配置有出光口，所述电磁辐射经由所述出光口出射。
27、根据1所述的光源装置，其中，所述电磁辐射为极紫外光。
28、根据1所述的光源装置，其中，所述第一磁场被构造成对所述等离子体进行压缩，从而减小所述等离子体的直径。
29、根据1所述的光源装置，其中，所述第一磁体包括围绕所述第一腔室布置的螺线管。
30、根据29所述的光源装置，其中，所述第三电源、所述第一磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
31、根据29所述的光源装置，其中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
32、根据1所述的光源装置，其中，所述第二磁体包括围绕所述第二腔室布置的螺线管。
33、根据32所述的光源装置，其中，所述第三电源、所述第二磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
34、根据32所述的光源装置，其中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
35、一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
多个级联的第一电极，每个第一电极设置有孔；
多个第二电源，所述多个第二电源串联连接，并且各个第二电源的正极与对应的第一电极电连接，使得所述等离子体从所述孔穿过对应的第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述多个级联的第一电极的等离子体；
第三电源，所述第三电源的正极电连接到所述第二电极，所述第三电源的负极电连接到与所述第二电极相邻的第一电极；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
36、根据35所述的光源装置，其中，所述第二磁场的磁场强度大于第一磁场的磁场强度，所述第二磁体包括在所述第二腔室上缠绕多圈的线缆，所述线缆的一端电连接到所述第三电源的正极，另一端电连接到所述第二电极。
37、一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
第一电极，被构造成具有孔；
第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；
第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的多区域腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述多区域腔室的第一区域产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述多区域腔室的第二区域产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
38、一种光刻机，包括根据1-37中任一项所述的光源装置。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
第一电极，被构造成具有孔；
第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；
第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其中，所述第四腔室的内径小于第一腔室的内径。
3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，所述第三磁体包括围绕所述第四腔室布置的螺线管。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其中，所述第三电源、所述第三磁体的螺线管以及所述第二电极串联连接。
5.根据权利要求3所述的光源装置，其中，所述螺线管包括串联在所述第三电源和所述第二电极之间的导线的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的光源装置，其中，所述等离子源包括：
中空的筒状正电极；以及
位于正电极内部的负电极。
7.根据权利要求1所述的光源装置，其中，所述第一电源的正极与所述等离子源的正电极电连接，所述第一电源的负极与所述等离子源的负电极电连接。
8.一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
多个级联的第一电极，每个第一电极设置有孔；
多个第二电源，所述多个第二电源串联连接，并且各个第二电源的正极与对应的第一电极电连接，使得所述等离子体从所述孔穿过对应的第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述多个级联的第一电极的等离子体；
第三电源，所述第三电源的正极电连接到所述第二电极，所述第三电源的负极电连接到与所述第二电极相邻的第一电极；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述第一腔室中产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述第二腔室中产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
9.一种光源装置，包括：
等离子源；
第一电源，用于为所述等离子源供电以产生等离子体；
第一电极，被构造成具有孔；
第二电源，用于在所述等离子源的负电极与所述第一电极之间产生第一电场，使得所述等离子体从所述孔穿过所述第一电极；
第二电极，用于接收穿过所述第一电极的等离子体；
第三电源，用于在所述第一电极与所述第二电极之间产生第二电场；
真空室，用于容纳所述等离子体；以及
磁体，用于产生磁场，所述磁场被构造成将所述等离子体约束在所述真空室的中心轴附近，
其中，所述真空室包括沿所述等离子体中自由电子的行进方向依次设置的多区域腔室、第三腔室和第四腔室，
所述磁体包括：
第一磁体，用于在所述多区域腔室的第一区域产生第一磁场；
第二磁体，用于在所述多区域腔室的第二区域产生第二磁场；以及
第三磁体，用于在所述第四腔室中产生第三磁场，
其中，所述等离子体在所述第三腔室中会聚，从而产生电磁辐射。
10.一种光刻机，包括根据权利要求1-9中任一项所述的光源装置。
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| 《中国原子能科学研究院年报》编辑部: "《中国原子能科学研究院年报2006》", pages: 51 - 52 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114442437B (zh) | 2024-05-17 |
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