DE102005025624A1

DE102005025624A1 - Anordnung zur Erzeugung von intensiver kurzwelliger Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas

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Publication number: DE102005025624A1
Application number: DE102005025624A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Korobochko; Alexander Keller; Jürgen Dr. Kleinschmidt
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-06-02
Also published as: JP2006339645A; US7488962B2; US20060273732A1; DE102005025624B4; JP4958480B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von intensiver kurzwelliger Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung von intensiver kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, auf Basis eines Gasentladungsplasmas zu finden, die eine hohe Lebensdauer des Elektrodensystems bei hoher Gesamteffizienz der Strahlungsquelle erreicht, ohne dass sich die Dimensionen der Entladungseinheit wesentlich vergrößern, wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei zylindersymmetrischer Elektrodenanordnung zur Isolation von Katode (21) und Anode (22) gegeneinander ausschließlich geeignet geformte ringspaltförmige Vakuumisolationsbereiche (13; 14) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck (p) und Elektrodenabstand (d) zwischen Katode (21) und Anode (22) ausgebildet sind, um Elektronenüberschläge zuverlässig zu unterdrücken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von intensiver kurzwelliger Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas, vorzugsweise als Quelle von EUV-Strahlung. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung in leistungsstarken Strahlungsquellen für die EUV-Lithographie, die im Prozess der industriellen Fertigung von Halbleiterchips Strahlungsquellen mit hoher Lebensdauer der Elektroden benötigt.
In der Halbleiter-Technologie setzt sich der Trend in Richtung immer kleinerer Strukturen fort, für deren lithographische Erzeugung Strahlung immer kürzerer Wellenlänge benötigt wird. Derzeit sind EUV-Strahlungsquellen als aussichtsreichstes lithographisches Werkzeug in der Entwicklung, wobei grundsätzlich zwei Erzeugungsarten für das strahlende Plasma, das lasererzeugte Plasma (LPP) und das gasentladungserzeugte Plasma (GDPP), unterschieden werden.
Im Stand der Technik der gasentladungsbasierten EUV-Strahlungsquellen sind verschiedene Anordnungen bekannt, die unter den Bezeichnungen Z-Pinch-, Plasma-Fokus-, Star-Pinch-, Hohlkatodenentladungs- und Kapillarentladungsanordnungen beschrieben worden sind. Weiterhin existieren Variationen der genannten Entladungstypen (z.B. sogenannte Hyperzykloid-Pinch-Entladung) und Anordnungen, die Elemente verschiedener Entladungstypen vereinen. Diesen Anordnungen ist gemeinsam, dass eine gepulste Hochstromentladung von > 10 kA in einem Gas bestimmter Dichte gezündet wird und als Folge der magnetischen Kräfte und der dissipierten Leistung im ionisierten Gas lokal ein sehr heißes (kT > 30 eV) und dichtes Plasma entsteht.

Für den Einsatz in der EUV-Lithographie unter Produktionsbedingungen müssen die Strahlungsquellen jedoch genau definierten Anforderungen genügen:

1. Wellenlänge	13,5 nm ± 1 %
2. Strahlungsleistung im Zwischenfokus	115W
3. Folgefrequenz	7–10 kHz
4. Dosisstabilität (gemittelt über 50 Impulse)	0,3%
5. Lebensdauer der Kollektoroptik	6 Monate
7. Lebensdauer des Elektrodensystems	6 Monate.

Solche EUV-Hochleistungsgasentladungsquellen haben standardmäßig eine spezielle Keramik in Form von Scheiben oder Zylindern als Isolator zwischen den Elektroden. So sind aus der US 6,414,438 B1 Verfahren und Anordnung bekannt, mit denen kurzwellige Strahlung aus einem Gasentladungsplasma erzeugt wird, indem eine Vorionisation des Arbeitsgases zwischen koaxialen Elektroden als Gleitentladung auf Keramikoberflächen stattfindet, die Strahlung im UV und schnelle Elektronen abgibt, und das ionisierte Gas durch eine axiale Apertur einer der Elektroden in den Gasentladungsbereich geleitet wird, um dort die Hauptentladung zu zünden.

In der WO 03/087867 A1 ist eine weitere Hochenergie-Photonenquelle offenbart, die EUV-Strahlung im Bereich von 12–14 nm generiert. Zur Erosionsbegrenzung der Elektroden, insbesondere der Zentralelektrode und damit zur Erhöhung der Lebensdauer der letzteren, wurden zylindrische Isolatoren an den Seitenwänden der Zentralelektrode angebracht, so dass der Entladungsstrom nach der Pinch-Zündung über einen größeren Bereich in einen anderen Abschnitt der Elektrode verschoben wird. Als besonders vorteilhaft wird beschrieben, die Zentralelektrode innen und außen mit Isolatorröhrchen zu verblenden.

Ähnliche rohrförmige Isolatorkonfigurationen, die ergänzend auch an der Innenwand der äußeren Elektrode vorgesehen sind, werden in DE 101 51 080 C1 beschrieben. Dazu sind dort außerdem verschiedene Materialien angegeben. Es zeigt sich, dass alle diese Isolatorröhrchen zwar die Erosion der Elektroden auf bestimmte Flächenzonen begrenzen, die Lebensdauer der Isolator-Elektroden-Konfiguration, insbesondere bei hohen Pulsfolgefrequenzen der EUV-Gasentladungsquelle, aber durch Rissbildung und Metallisierung deutlich verkürzen.

Aus verschiedenen Gründen erfüllen die vorgenannten Anordnungen die oben angegebenen Anforderungen (1–7) stets nur in einzelnen Punkten.

Das soll beispielhaft an der an sich vorteilhaften Star-Pinch-Entladung erläutert werden. Wegen der vergleichsweise großen Plasma-Wand-Abstände (die infolge der sonst geringen Dimensionen bei allen anderen Anordnungen ein großes Problem darstellen) ist die Star-Pinch-Anordnung durch eine große Elektrodenlebensdauer gekennzeichnet. Die großen Dimensionen der Star-Pinch-Entladungen bewirken aber ein leuchtendes Plasma mit einer Länge von mehr als 5 mm. Diese Tatsache reduziert die Effektivität der Kollektoroptik erheblich und somit die Gesamteffizienz, die sich als Quotient aus Leistung im Zwischenfokus und elektrischer Eingangsleistung für die Entladung ergibt. Elektroden-Konfigurationen, die wegen ihrer geringen Abstände zusätzliche Isolatorröhrchen verwenden, um die konstante und stabile Erzeugung des Plasmas zu verbessern, kranken grundsätzlich an einer zu kurzen Funktionsfähigkeit des Isolators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung von intensiver kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, auf Basis eines Gasentladungsplasmas zu finden, die eine hohe Lebensdauer der Elektroden bei hoher Gesamteffizienz der Strahlungsquelle erreicht, ohne dass sich die Dimensionen der Entladungseinheit wesentlich vergrößern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Erzeugung von EUV-Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas, bei der eine Katode und eine Anode zylindersymmetrisch angeordnet sind und an das Katodenende ein vorionisiertes Arbeitsgas zugeführt wird, dadurch gelöst, dass zur Isolation von Katode und Anode gegeneinander ausschließlich geeignet geformte ringspaltförmige Vakuumisolationsbereiche vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand von Katode und Anode ausgebildet sind, um Elektronenüberschläge zuverlässig zu unterdrücken.

Vorteilhaft ist innerhalb der zentral angeordneten Katode eine Vorrichtung zur Vorionisation des Arbeitsgases vorhanden.

Dabei ist die Anode vorzugsweise eine Ringelektrode, von der zumindest das Katodenende mit geringem Elektrodenabstand und die Entladungskammer umschlossen sind.

Zur Vorionisation des Arbeitsgases ist zweckmäßig eine Vorionisationselektrode mit einem überstehenden rohrförmigen Isolator zentralsymmetrisch innerhalb der Katode angeordnet und mündet in einen Hohlraum der Katode ein, wobei mittels eines Vorionisationsimpulses zwischen der Vorionisationselektrode und der Katode eine Oberflächengleitentladung am Isolator erzeugbar ist, so dass das so ionisierte Arbeitsgas aus dem Hohlraum über mindestens einen Durchgangskanal am Katodenende in die Entladungskammer ausströmt, um dort von einem Hauptentladungsimpuls in dichtes heißes Plasma umgewandelt zu werden. Dazu soll angemerkt sein, dass der für die Oberflächengleitentladung nötige Keramikisolator der Vorionisationselektrode vergleichsweise sehr gering elektrisch belastet wird, da die bei der Vorionisation dissipierte elektrische Energie pro Entladung (mit ca. 10 mJ) nur etwa ein Tausendstel der dissipierten Impulsenergie der Hauptentladung (von > 10 J) beträgt.

In einer Grundvariante ist lediglich ein Durchgangskanal koaxial zur Symmetrieachse des Entladungsraums vorhanden. Vorzugsweise sind aber mehrere gleichverteilte Durchgangskanäle entlang einer Kegelmantelfläche durch einen gemeinsamen Punkt der Symmetrieachse auf eine innere Oberfläche der Anode gerichtet. Dabei können die Durchgangskanäle auch zu einem Ringspalt zusammengefasst sein.

Zweckmäßig ist das Katodenende mit einem gerundeten Elektrodenkragen versehen, der in das Innere der Anode, das die Entladungskammer zirkular begrenzt, hineinragt, wobei durch den Elektrodenkragen der zwischen Anode und Katode befindliche Vakuumisolationsbereich vor Debristeilchen aus dem Plasma und Elektrodenabbrand geschützt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Katodenende innerhalb des Elektrodenkragens konkav geformt ist und den Ort für die Entstehung des dichten heißen Plasmas darstellt. Im Zentrum der konkaven Wölbung der Katode ist zweckmäßig ein Sackloch oder eine Durchgangsbohrung eingearbeitet, um die aus dem Plasma austretende Ionenstrahlung auf eine größere Fläche zu verteilen.

Die Katode weist vorteilhaft einen kleinen Hohlraum als Vorionisationskammer und lange Durchgangskanäle auf, die koaxial angeordnet und so geformt sind, dass am Katodenende in die Entladungskammer primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle durch einen gemeinsamen Punkt der Symmetrieachse der Entladungskammer auf eine Oberfläche der Anode gerichtet sind. Der entstehende Kreuzungspunkt bestimmt den bevorzugten Ort des leuchtenden Plasmas.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung weist die Katode einen großen Hohlraum und kurze Durchgangskanäle auf, wobei der Hohlraum bis nahe an ein konkav geformtes Katodenende reicht und die Durchgangskanäle so angeordnet sind, dass von dem in die Entladungskammer strömenden ionisierten Arbeitsgas primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle durch einen gemeinsamen Punkt der Symmetrieachse der Entladungskammer auf eine Oberfläche der Anode gerichtet sind.

Eine zur Vorionisation des Arbeitsgases verwendete Oberflächenentladung ist in einer ersten Variante zweckmäßig an der Innenseite des Isolators vorgesehen, wobei die Vorionisationselektrode kürzer als der rohrförmige Isolator und mit einem zentralen Gaseinlass innerhalb des rohrförmigen Isolators ausgeführt ist.

In einer zweiten Variante ist die zur Vorionisation des Arbeitsgases verwendete Oberflächenentladung vorteilhaft an der Außenseite des Isolators vorgesehen, wobei die in den Hohlraum der Katode hineinragende Vorionisationselektrode mit einem zentralen Gaseinlass und außen liegendem rohrförmigem Isolator ausgeführt ist.

In einer weiteren Variante ist der Hohlraum der Katode breit aufgeweitet und kugelhaubenförmig über dem konkav geformten Katodenende mit kurzen, auf einen gemeinsamen Punkt der Symmetrieachse gerichteten Durchgangskanälen versehen.

Eine weitere vorteilhafte Gestaltung sieht vor, dass der Hohlraum der Katode zum Katodenende konisch zulaufend geformt, direkt mit dem Gaseinlass versehen ist und eine kreisförmige Öffnung am konkaven Katodenende aufweist, wobei die Vorionisationselektrode in diese Öffnung koaxial eingesetzt ist und einen ringförmigen Spalt zur Entladungskammer freilässt, durch den das Arbeitsgas in primären elektrisch leitenden Ionisationskanälen kegelmantelförmig auf einen Punkt der Symmetrieachse gerichtet sind.

In diesem Fall weist die Vorionisationselektrode an deren Oberfläche zur Entladungskammer in der Symmetrieachse ein Sackloch auf und hat vorteilhaft auch eigene Kühlkanäle.

In einer weiteren Ausführung mit konisch zum Katodenende zulaufendem Hohlraum und kreisförmiger Öffnung der Katode, ist die Vorionisationselektrode in die Öffnung vorteilhaft mit innen und außen liegenden Isolatoren passend eingefügt, wobei die Vorionisationselektrode eine Vielzahl von Gaseinlässen aufweist, die als Durchgangskanäle zwischen innen und außen liegenden Isolatoren durch einen gemeinsamen Punkt der Symmetrieachse der Entladungskammer auf die Oberfläche der Anode gerichtet sind.

In einer weiteren Ausführung ist zweckmäßig vorgesehen, dass in den Hohlraum der Katode eine gegenüber der Katode isolierte Hilfselektrode eingesetzt ist, wobei die Hilfselektrode den für die Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehenen Hohlraum aufweist und die Vorionisationselektrode mit außen liegendem Isolator in den Hohlraum der Hilfselektrode hineinragend angeordnet ist, und dass mindestens ein übereinstimmender Durchgangskanal in Katode und Hilfselektrode zur Ausströmung des vorionisierten Arbeitsgases vorgesehen ist.

Dabei ist vorzugsweise vom Hohlraum zur Entladungskammer in der Hilfselektrode und der Katode zur Ausbildung von primären Ionisationskanälen in der Entladungskammer eine Vielzahl übereinstimmender Durchgangskanäle entlang einer Kegelmantelfläche, deren Spitze in der Symmetrieachse der Entladungskammer liegt, angeordnet. Zusätzlich ist die Hilfselektrode gegenüber dem Katodenende durch einen weiteren Hohlraum isoliert.

Zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit der Vakuumisolation, insbesondere bei größeren Elektrodenabständen, sind im (größer dimensionierten) Vakuumisolationsraum zusätzliche Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorhanden, wobei die Feldlinien des magnetischen Feldes orthogonal zu denen des elektrischen Feldes zwischen Anode und Katode ausgerichtet sind.

Dafür sind zweckmäßig konzentrische Magnetringe innen und außen im Vakuumisolationsraum angeordnet, zwischen denen sich das Magnetfeld in radialer Richtung ausbildet, wobei zum Übergangsbereich eine Anformung an eine der Elektroden (z.B. der Anode) angebracht ist, um im Übergangsbereich Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zwischen Anode und Katode zu vermeiden.

In einer zweiten Ausführungsform sind konzentrische Magnetringe innen und außen im Vakuumisolationsraum angeordnet, um die sich zwei entgegengesetzte zirkular verlaufende Magnetfelder ausbilden, wobei ebenfalls eine Anformung am inneren Magnetring vorhanden ist, um im Übergangsbereich Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zu vermeiden.

Für die Erzeugung geeignet starker Magnetfelder sind die konzentrischen Magnetringe vorteilhaft in Form einer Vielzahl von einzelnen ringförmig angeordneten Permanentmagneten ausgeführt, die vorzugsweise aus NdFeB-Magneten bestehen. Die konzentrischen Magnetringe können aber auch in Form einer Vielzahl von ringförmig angeordneten Elektromagneten ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausführungsform weist eine Vorionisationseinheit Durchgangskanäle zu einem Übergangsbereich zwischen Vakuumisolationsraum und Entladungskammer auf, wobei das so vorionisierte Arbeitsgas durch den engen Übergangsbereich der Vakuumisolation zwischen Katode und Anode in die Entladungskammer eingeleitet und durch den Hauptstromimpuls zum dichten heißen Plasma kontrahiert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung sind am äußeren Vakuumisolationsraum, der einen großen Elektrodenabstand zwischen Katode und Anode aufweist, Gaseinlässe angeordnet und Gasdruck und Elektrodenabstand so eingestellt, dass eine spontane Zündung ausschließlich auf dem linken Ast der sogenannten Paschenkurve erfolgen kann, wobei das Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand so gewählt ist, dass die Durchbruchspannung einen vom verwendeten Arbeitsgas abhängigen Minimalwert übersteigt.

Dabei werden im äußeren Vakuumisolationsraum zweckmäßig zusätzlich Nuten oder ähnliche Strukturen in mindestens eine der gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen von Katode und Anode zur lokalen Vergrößerung des Elektrodenabstandes eingearbeitet, um das Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand lokal zu erhöhen und die spontane Zündung in mehreren primären Ionisationskanälen zu initiieren.

In allen vorhergehenden Ausführungen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn mindestens Katode und Anode zur Kühlung mit Kühlkanälen ausgestattet sind.

Bei Anordnungen mit zur Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehenen zusätzlichen Hilfselektroden sind auch diese vorteilhaft mit Kühlkanälen versehen, zumindest wenn sie direkt bis an die Entladungskammer heranreichen.

Als Kühlmittel wird zweckmäßig deionisiertes Wasser eingesetzt.

Die Anordnungen zur gasentladungsgepumpten Strahlungserzeugung im Bereich um 13,5 nm verwenden vorteilhaft als Arbeitsgas Xenon, Lithium- oder Zinndampf oder gasförmige Zinnverbindungen.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass sich die Lebensdauer des Elektrodensystems einer Strahlungsquelle auf Basis einer Gasentladung nicht signifikant erhöhen lässt, wenn Keramikisolatoren zwar den Abbrand der Elektroden auf bestimmte Bereiche begrenzen, jedoch relativ kurzfristig durch die hohe thermische Belastung Risse bekommen oder durch Besprühen mit erodiertem Elektrodenmaterial leitende Oberflächen erhalten, so dass das Elektrodensystem getauscht werden muss. Aus dieser Tatsache heraus geht die Erfindung zu einer Vakuumisolation der Elektroden über, bei der jedoch infolge von Gaszuführungen mit geeigneten Drücken und Elektrodenabständen gearbeitet werden muss, weil die Durchschlagsspannung vom Produkt aus Elektrodenabstand und Druckniveau abhängt. Fortführend ist eine Vielzahl geeigneter Anregungsformen zur Erzeugung einer Vorionisation in Form von in die Entladungskammer gerichteten, primären (elektrisch leitenden) Ionisationskanälen aus ionisiertem Arbeitsgas beschrieben.

Mit der Erfindung ist es möglich, Anordnungen zur Erzeugung intensiver kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, auf Basis eines Gasentladungsplasmas anzugeben, die eine deutlich erhöhte Lebensdauer des Elektrodensystems bei hoher Gesamteffizienz der Strahlungsquelle bei vergleichbaren Dimensionen der Entladungseinheit gestatten.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
2: eine Darstellung des Standes der Technik,
3: eine Variante der Erfindung mit einem ausgeprägten Katodenhohlraum, der zur Vorionisation des Arbeitsgases dient, und mit Durchgangslöchern zum Entladungsraum, wodurch im Entladungsraum definiert ausgerichtete leitende Kanäle für die Hauptentladung entstehen,
4: eine gegenüber 3 modifizierte Ausführung mit vergrößertem Katodenhohlraum und verkürzten Durchgangslöchern zum Entladungsraum, wobei die Oberflächenentladung zur Vorionisation bereits innerhalb der Gaszuführung an der Innenseite eines Keramikröhrchens erfolgt,
5: eine weitere gegenüber 3 veränderte Variante mit speziell kugelsymmetrisch um das Zentrum des Entladungsraumes geformten Katodenhohlraum und sehr kurzen Durchgangslöchern zum Entladungsraum,
6: ein zu 3 deutlich abgewandelte Variante, bei der der Katodenhohlraum als Ringkammer ausgebildet ist, indem die Vorionisationselektrode als zentralsymmetrischer Stab in den Katodenhohlraum eingesetzt ist und dadurch die Durchgangslöcher zum Entladungsraum zu einem konischen Ringspalt entarten,
7: eine Modifikation der Ausführung nach 6, bei der die Vorionisationselektrode mit außen liegendem Keramikrohr eine Gleitentladungsfläche erzeugt, die als Zylindermantelfläche in direkter Sichtlinie zum Zentrum des Entladungsraumes ausgerichtet ist,
8: eine weitere Modifikation der Ausführung nach 6, bei der die Vorionisationselektrode einen Keramikteil mit Durchgangskanälen zum Entladungsraum aufweist, entlang deren Oberflächen die Gleitentladung in „Sichtkontakt" zum Zentrum des Entladungsraumes erfolgt,
9: eine Modifikation von 5 mit innerhalb der Katode angeordneter Hilfselektrode, die den Katodenhohlraum ausbildet und eine Trennung der Elektroden für die Vorionisation von den Hauptentladungselektroden, Anode und Katode, ermöglicht,
10: eine Gestaltungsvariante, bei der die Durchschlagspannung dadurch erhöht ist, dass im Vakuumisolationsbereich mit großem Elektrodenabstand ein radial ausgerichtetes Magnetfeld installiert ist,
11: eine Gestaltungsvariante, bei der die Durchschlagspannung dadurch erhöht ist, dass im Vakuumisolationsbereich mit großem Elektrodenabstand zwei entgegengesetzt zirkular ausgerichtete Magnetfelder angeordnet sind,
12: eine weitere Gestaltung der Erfindung, bei der zur Einleitung der primären Ionisationskanäle in die Entladungskammer der enge Übergangsbereich der Vakuumisolation genutzt wird, wobei die Durchgangskanäle der Vorionisationseinheit in den Übergangsbereich eingeleitet werden,
13: eine Ausführung der Erfindung ohne Vorionisation, bei der der Vakuumisolationsraum (mit großem Elektrodenabstand) gezielt lokal erweitert ist, so dass eine spontane Zündung des dort einströmenden Arbeitsgases erfolgt.
Die prinzipielle Grundanordnung gemäß der Erfindung enthält – wie in 1 dargestellt – eine Entladungskammer 1, die von den Hauptelektroden 2 (Katode 21 und Anode 22) gebildet wird und einen von einem geeigneten Kühlmittel durchflossenen Kühlmantel 15 aufweist, einen Hauptimpulsgenerator 3 für die Hochspannungsgasentladung, der an die Hauptelektroden 2 angeschlossen ist, einen Vorionisationsimpulsgenerator 4, der zur Vorionisation (für die Initiierung der Hauptentladung) zwischen einer Vorionisationselektrode 51 und einer der Hauptelektroden 2 (Katode 21 oder Anode 22, je nach Polung des Hauptimpulsgenerators 3) geschaltet ist, sowie einer Gasbereitstellungseinheit 6 zur Arbeitsgasversorgung der Vakuumkammer 1. Der Hauptimpulsgenerator 3 weist einen induktionsarmen Entladekreis (nicht gezeigt) auf, der so aufgebaut ist, dass die Polarität an Katode 21 und Anode 22 leicht getauscht werden kann.
Die Isolation zwischen Katode 21 und Anode 22 wird gemäß der Erfindung ausschließlich durch einen evakuierten kegelmantelförmigen Übergang 14 zwischen dem Entladungsraum 12 und dem Vakuumisolationsraum 13 erreicht, wobei in dem Übergangbereich 14 ein Elektrodenabstand < 1 mm eingestellt ist.
Um durch Elektrodenabbrand entstehende Partikel sowenig wie möglich in das evakuierte Gebiet bis zum Vakuumisolationsraum 13 gelangen zu lassen, ist in der Entladungskammer 12 vor dem kegelmantelförmigen Übergangsbereich 14 mindestens ein gerundeter Elektrodenkragen 23 der Zentralelektrode (Katode 21 oder Anode 22) mit großen Radien abgerundet, um Feldstärkeüberhöhungen an Kanten zu vermeiden. Vorzugsweise weist auch die äußere Elektrode (je nach Polung: Anode 22 bzw. Katode 21) gerundete Kanten auf.
Katode 21 und Anode 22 enthalten mindestens je eine Öffnung, wobei die Öffnung in der Katode 21 den Eintritt von UV-Strahlung sowie hochenergetischen Ionen und Elektronen, die durch die Gleitentladung 53 entstanden sind (Vorionisationsprozess), sowie weiteren Arbeitsgases in den Entladungsraum 12 ermöglicht und die Öffnung in der Anode 22 einen freien Raumwinkel für den Austritt der erwünschten EUV-Strahlung darstellt.
Die gesamte Vakuumkammer 1 mit der Elektrodenkonfiguration ist zylindersymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 11 (einer innerhalb der Zeichnungsebene angeordneten Achse) aufgebaut.
Der durch den Hauptimpulsgenerator 3 eingespeiste Strom erzeugt durch ohmsche Heizung und durch magnetische Kräfte ein sehr heißes (kT > 30 eV) und dichtes Plasma 7. Dieses Plasma 7 emittiert Strahlung im gewünschten Spektralbereich (z.B. EUV-Bereich zwischen 12,5 bis 14 nm.
Der Vorionisationsimpulsgenerator 4 sowie die Vorionisationselektrode 51 und eine Hauptelektrode 2 (vorzugsweise Katode 21) können bei beliebigen Elektrodenformen, die analog zu den nachfolgenden Beispielen sind, benutzt werden. Als Arbeitsgas kann in allen Fällen Xenon, Zinn- bzw. Lithiumdampf oder gasförmige Zinn- und Lithiumverbindungen verwendet werden. Ferner werden zweckmäßig Puffergase beigemischt, um einerseits die Effizienz der EUV-Strahlungserzeugung zu erhöhen und andererseits vorteilhaft ein Abbremsen der schnellen Teilchen aus dem Plasma 7 zum besseren Schutz der ersten sammelnden Optik (nicht gezeichnet) zu erreichen.
Nach Anlegen einer vom Vorionisationsimpulsgenerator 4 gelieferten Vorionisationsspannung, der zur Vorionisation (für die Initiierung der Hauptentladung) an die Vorionisationselektrode 51 und die Katode 21 findet – wie in 1 dargestellt – über einen röhrenförmigen keramischen Isolator 52 eine Oberflächengleitentladung 53 statt. Die Oberflächenentladung 53 befindet sich auf der inneren Seite des zylinderförmigen Isolators 52. Sie erzeugt hochintensive Elektronen-, UV- und Röntgenstrahlung, die das Gas in einem Durchgangskanal 24 der Katode 21 vorionisiert und in ein leitfähiges Vorplasma in der Entladungskammer 12 umwandelt.
Das in der Entladungskammer 12 entstehende leitende Vorplasma wird während der Hauptentladung durch magnetische Komprimierung auf die nötige Temperatur von kT > 30 eV aufgeheizt und zum leuchtenden Plasma 7.
Die vollständige Elektrodenisolation wird durch den evakuierten kegelmantelförmigen Übergangsbereich 14 (Druck p < 15 Pa, Elektrodenabstand d > 0,5 mm) zwischen Entladungskammer 12 und Vakuumisolationsraum 13 gewährleistet.
Der gerundete Elektrodenkragen 23 der Katode 21 verhindert durch seine Formgebung, dass Feldstärkeüberhöhungen an spitzen Kanten entstehen und dass Sputterteilchen der Katode 21 aus der Entladungskammer 12 in den evakuierten kegelmantelförmigen Übergang 14 und den Vakuumisolationsraum 13 der Vakuumisolation gelangen können.
Den in 2–5 vorgestellten Ausführungen ist gemeinsam, dass die Katode 21 einen Hohlraum 25 aufweist. Dieser dient dazu, die elektrischen Feldlinien, insbesondere in den Durchgangskanälen 24 zur Entladungskammer 12 geeignet zu formen. Die Durchgangskanäle 24 bewirken dann, dass in der Entladungskammer 12 primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle 16 (gestrichelt gezeichnet) entstehen, über die der Hauptentladungsstrom fließt. Im Unterschied zu üblichen Hohlkatodenanordnungen (z.B. gemäß WO 02/082871 A1 oder WO 2004/019662) ist bei den hier vorgestellten Anordnungen die Verbindung zwischen Hohlraum 25 und Entladungsraum 12 durch Durchgangskanäle 24 (z.B. 3) oder durch einen ringförmigen Spalt 26 (siehe z.B. 6) realisiert, die definierte Ionisationskanäle 16 für die Zündung der Hauptentladungsimpulses schaffen. Zur Reduktion der Wärmebelastung pro Flächeneinheit sind diese Durchgangskanäle 24 auf einem ausreichend großen Kreisumfang angeordnet. Dieselbe Bedingung gilt auch für die Form eines Ringspaltes 26 vom Hohlraum 25 zur Entladungskammer 12.
Katode 21 und Anode 22 sind, wie zu 1 beschrieben, durch eine Vakuumisolation aus Vakuumisolationsraum 13 und evakuiertem Übergangsbereich 14 bis zur Entladungskammer 12 getrennt und die Katode 21 mit einem gerundeten Elektrodenkragen 23 zur Vermeidung des Eintritts von erodiertem Elektrodenmaterial in den Übergangsbereich 14 und den Vakuumisolationsraum 13 versehen.
3 stellt eine Katode 21 mit langen Durchgangskanälen 24 von einem relativ kleinen Hohlraum 25 zur Entladungskammer 12 dar. Nach Anlegen der Vorionisationsspannung an der Vorionisationselektrode 51 findet eine Oberflächenentladung 53 (Gleitentladung) zwischen Vorionisationselektrode 51 und Katode 21 auf der äußeren Oberfläche des zylinderförmigen Isolators 52 statt. Sie erzeugt hochintensive Elektronen-, UV- und Röntgenstrahlung, die das Arbeitsgas in den Durchgangskanälen 24 und dem Hohlraum 25 vorionisiert. Während der Hauptentladung bildet sich in den Durchgangskanälen 24 ein fast vollständig ionisiertes Vorplasma. Die dadurch generierten Elektronenstrahlen erzeugen primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle 16, die sich in der Entladungskammer 12 in einem Punkt P der Symmetrieachse 11 kreuzen und auf die gegenüberliegende Oberfläche der Anode 22 gerichtet sind.
Während der Hochstromphase der Hauptentladung fließt der Strom durch diese Ionisationskanäle 16 und erzeugt das Plasma 7 durch Aufheizung des eingeströmten vorionisierten Arbeitsgases.
Die Zeichnung von 4 stellt eine Katode 21 in der Entladungskammer 12 dar, die mit einem kleinen Hohlraum 25 und geometrisch kurzen Durchgangskanälen 24 ausgestattet ist. Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel findet die Oberflächenentladung 53 auf der Innenseite des zylinderförmigen Isolators 52 statt, da die Vorionisationselektrode 51 innerhalb des rohrförmigen Isolators 52 angeordnet ist. Ansonsten entspricht die Funktionsweise der des zweiten Ausführungsbeispiels.
In der Ausführungsform gemäß 5 weist die Katode 21 einen größeren Hohlraum 25 und einen geometrisch kurzen Ringspalt 26 (als besondere Gestaltung einer Vielzahl von Durchgangskanälen 24) auf. Zur Halterung des mittleren Bereiches der Katode 21 sind in diesem Fall Stege S angebracht, die zugleich zur verbesserten Kühlung des thermisch hoch belasteten Mittenbereichs der Katode 21 beitragen. Aufbau und Funktionsweise entsprechen ansonsten denen des Beispiels gemäß 3.
Das Gestaltungsbeispiel gemäß 6 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen (3 bis 5) dadurch, dass die Verbindung vom Hohlraum 25 der Katode 21 zur Entladungskammer 12 als Ringspalt 26 derart ausgebildet ist, dass in eine zentralsymmetrische konische Bohrung der Katode 21 die Vorionisationselektrode 51 (mit Isolator 52) zur Ergänzung der gewölbten Oberfläche der Katode 21 eingesetzt wird. Dadurch lässt sich infolge der rotationssymmetrischen Ausrichtung der Vorionisationselektrode 51 in der Bohrung der Katode 21 der gleichmäßige Ringspalt 26 in seiner Spaltbreite beliebig genau justieren.
Die Wirkungsweise des Entladungsablaufes erfolgt jedoch genauso, wie zu 3 bzw. 5 beschrieben.
7 und 8 betreffen Anordnungen, bei denen zwischen Vorionisationselektrode 51 und Katode 21 über den Isolator 52 die Oberflächenentladung 53 (und die somit entstehenden Elektronenstrahlen) zur Erzeugung von primären Ionisationskanälen 16 in der Entladungskammer 12 direkt genutzt wird. Dazu ist es erforderlich, dass die Entladungskammer 12 „Sichtkontakt" zur Oberflächenentladung 53 am Isolator 52 hat. Das bedeutet, dass die Oberflächentangente des Isolators 52 auf den gemeinsamen Punkt P zeigen muss. Als Besonderheit in 8 werden die Durchgangskanäle 24 durch innere und äußere Isolatoren 56 bzw. 55 gebildet, während die in der Vorionisationselektrode 51 einzeln angeordnete Gaseinlässe 61 direkt in die keramischen Durchgangskanäle 24 eingeleitet werden, um die Oberflächenentladung 53 zur Katode 21 hinzu erzeugen.
In 9 ist im Unterschied zu 5 eine zusätzliche Hilfselektrode 54 innerhalb der Katode 21 in einem vergrößerten Hohlraum 25 angeordnet. Innerhalb der Hilfselektrode 54 ist ein weiterer Hohlraum 27 vorhanden, der genauso wie der in der Katode 21 von 4 wirkt. Diese Anordnung weist drei verschiedene Hochspannungs-Potenziale auf:

1. Impulsspannung zwischen Vorionisationselektrode 51 und Hilfselektrode 54 zur Erzeugung der Oberflächenentladung 53 über den keramischen Isolator 52,
2. Impulsspannung zwischen Hilfselektrode 54 und Katode 21. Diese beschleunigt die in den Durchgangskanälen 24 der Hilfselektrode 54 startenden Elektronen hin zu den Durchgangskanälen 24 in der Katode 21.
3. Impuls-Hochspannung für die Hauptentladung zwischen Katode 21 und Anode 22.

Die beschleunigten Elektronen erzeugen für die Hauptentladung primäre Ionisationskanäle 16, die in Richtung der Oberfläche der Anode 22 zeigen und sich in einem Punkt P der Symmetrieachse 11 der Entladungskammer 12 kreuzen. Die Durchgangskanäle 24 in Hilfselektrode 54 und Katode 21 können auch schlitzförmig ausgeführt sein.
In 10 und 11 sind Modifikationen der in 3 dargestellten Anordnung dargestellt. Dabei wird in den Vakuumisolationsraum 13 zusätzlich mindestens ein Magnetfeld angeordnet, das eine zur Richtung des elektrischen Feldes zwischen Anode 21 und Katode 22 senkrechte Orientierung der Feldlinien aufweist. Die Funktion des Magnetfeldes ist wie folgt anzugeben.
Wenn zwischen Anode 22 und Kathode 21 ein ideales Vakuum bestünde, gäbe es bei der Vakuumisolation keine Probleme mit elektrischen Überschlägen. Die Durchbruchspannung zwischen Katode 21 und Anode 22 ist dabei abhängig von einem Produkt p·d (aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d), wobei in allen hier diskutierten Fällen (linker Ast der sogenannten Paschenkurve) die Durchbruchspannung mit steigenden p·d-Werten absinkt.
Da in eine Gasentladungsquelle zusätzlich Gas eingefüllt wird (als Arbeitsgas und/oder als zusätzliche Gaseinströmung zur Debrisreduktion), ist also ein p·d-Wert wirksam, bei dem die Durchbruchspannung durch steigenden Gasdruck sinkt. Die Erhöhung des p·d-Wertes kann aber im Vakuumisolationsraum 13 (dem Bereich größten Elektrodenabstandes d) aus konstruktiven Gründen (z.B. wegen der Rezipientenanschlüsse zur Verbindung mit den Vakuumpumpen 17) nicht unbegrenzt durch Verringerung der Elektrodenabstandes d kompensiert werden. Erste Experimente haben gezeigt, dass unter diesen Bedingungen speziell im Vakuumisolationsraum 13 die Grenze der Durchschlagfestigkeit erreicht wird.
Durch Einbau von Magnetfeldern B → (Elektromagnete, Permanentmagnete geeigneter Materialien), wobei die B-Feldlinien senkrecht auf den E-Feldlinien stehen, gelingt es aber, dass die Durchbruchspannung für die vorliegende Geometrie (z.B. 5 mm Elektrodenabstand) und dem vorliegenden Arbeitsdruck des Gases (z.B. 15 Pa) um einen Faktor > 5 gesteigert werden kann. Die Ursache dafür ist, dass aus der Katode 21 austretende Elektronen, die das elektrische Feld zwischen Anode 22 und Katode 21 beschleunigt, infolge des Magnetfeldes B → so abgelenkt werden, dass die Beschleunigungsweglänge der Elektronen bis zu einer Wechselwirkung mit einem Gasatom in Richtung des elektrischen Feldes stark reduziert ist. Die mittlere kinetische Energie der Elektronen ist damit vergleichsweise klein.
Eigene Untersuchungen zeigten, dass schon B-Felder mit Feldstärken in der Größenordnung von 1 T (Tesla) ausreichend sind. Diese lassen sich auch mit Permanentmagneten (z.B. NdFeB-Magneten) erreichen. Vorteilhafterweise sollten Magnetfelder an den Orten mit größten p·d-Werten, z.B. im Vakuumisolationsraum 13, d.h. in Bereichen großen Elektrodenabstandes, bzw. in der Nähe von Gaseinlassöffnungen 61, angeordnet sein.
10 zeigt dazu eine Variante mit zwei Magnetringen 8, zwischen denen sich ein magnetisches Feld B → in radialer Richtung zur Symmetrieachse 11 der Entladungskammer 12 und der gesamten Elektrodenkonfiguration ausbildet. Das Magnetfeld B → erstreckt sich in diesem Beispiel im Wesentlichen über den gesamten Vakuumisolationsraum 13.
Die Bereiche um den inneren und den äußeren Magnetring 81 und 82 sind dabei unkritisch, da dort die Durchschlagspannung infolge des verringerten Abstandes d automatisch erhöht ist. Es ist jedoch sinnvoll, an den inneren Magnetring 81 eine Anformung 83 an die Elektrode (hier an der Anode 22) anzubringen, um durch eine Angleichung des Elektrodenabstandes d vom Übergangsbereich 14 zum Magnetring 81 hin Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zwischen Anode 22 und Katode 21 zu vermeiden. Die Magnetringe 81 und 82 können alternativ auch an der Katode 21 angebracht werden. Anstelle von Permanentmagneten können auch Elektromagnete eingesetzt werden.
In der Ausführung gemäß 11 sind zwei Magnetringe 81 und 82 wirkungsgleich bezüglich der Erhöhung der Durchschlagfestigkeit, aber mit zirkularer Ausrichtung der magnetischen Feldlinien an der Anode 22 angebracht. In dieser Variante entstehen innerhalb des jeweiligen Magnetringes 81 bzw. 82 zwei zirkulare Magnetfelder B →₁ und B →₂, die entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Dabei wird das Magnetfeld B →₂ zwischen den Magnetringen 81 und 82 verstärkt und bildet sich insgesamt homogener aus als in der Radialform von 10. Die zirkulare Form des Feldes B →₂ bewirkt zusätzlich eine effektiveren Abtransport der Ladungsträger aus dem Vakuumisolationsraum 13 als im Falle eines radialen Magnetfeldes.
Die Gestaltungsvarianten gemäß 12 und 13 sind dadurch charakterisiert, dass nach Anlegen des Hochspannungs-Hauptimpulses an Katode 21 und Anode 22 die Zündung des Vorplasmas (Erzeugung von Ionisationskanälen 16) im Vakuumisolationsraum 13 bzw. im evakuierten Übergangsbereich 14 erfolgt. Der Vakuumisolationsraum 13 besitzt – wie in allen vorherigen Beispielen – im Vergleich zum Übergangsbereich 14 der Vakuumisolation zwischen Entladungskammer 12 und Vakuumisolationsraum 13 einen größeren Elektrodenabstand d.
In der Ausführung von 12 wird die ringförmige Vorentladung (in einer Art und Weise wie zu 3 bis 6 beschrieben) durch Vorionisation initiiert, wobei die Einleitung des vorionisierten Gases mittels der Durchgangskanäle 24 in den Übergangsbereich 14 zwischen dem Vakuumisolationsraum 13 und der Entladungskammer 12 erfolgt. Dabei wird zur Zündung der Hauptentladung der vakuumisolierte Übergangbereich 14 benutzt, der in diesem Beispiel die Funktion der Formung der primären Ionisationskanäle 16 für die Hauptentladung übernimmt. Auch in diesem Fall kontrahiert die so erzeugte leitende ringförmige Zone infolge magnetischer Kräfte während des Hauptstromimpulses in Richtung der Symmetrieachse 11 des Entladungsraumes 12 zum dichten, heißen Plasma 7.
Gemäß 13 ist der Gaseinlass 61 für das Arbeitsgas direkt von außen an den breiten Vakuumisolationsraum 13 angeschlossen. Da die Vakuumkammer 1 gasdicht und so evakuiert ist, dass die Gasentladung auf der linken Seite der sogenannten Paschenkurve erfolgt, startet die Entladung in Bereichen mit dem größeren Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d, wenn – wie im Fall von 13 – keine zusätzliche Entladungsinitiierung (z.B. durch Vorionisation) erfolgt. Dabei wird der Gasdruck so eingestellt, dass für Spannungen oberhalb eines definierten Spannungswertes eine spontane Zündung nur im ringförmigen Vakuumisolationsraum 13 erfolgen kann.
Um eine mehrkanalige Zündung durch Erzeugung lokaler, radial gerichteter primärer Ionisationskanäle 16 zu erreichen, sind in der Katode 21 und Anode 22 gegenüberliegend zusätzliche Nuten 29 vorgesehen. Diese bewirken an geeigneten Positionen im Vakuumisolationsraum 13 lokal eine weitere Vergrößerung des Produktes aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d, um speziell in diesen Nuten 29 bei Spannungen oberhalb eines definierten Spannungswertes eine spontane Zündung des Plasmas zu ermöglichen.
Der sich dadurch im Vakuumisolationsraum 13 ausbildende Stromring bzw. lokale Ionisationskanäle 16 in den Nuten 29 werden infolge der magnetische Kräfte des Hauptentladungsstromes radial in Richtung der Symmetrieachse 11 der Entladungskammer 12 durch den kegelmantelförmigen Übergang 14 zum Entladungsraum 12 kontrahiert. Eine dadurch entstehende leitfähige Zone, die entlang der Symmetrieachse 11 unterhalb des Sackloches 28 am Katodenende entsteht, wird dann durch den Hauptstromimpuls zum EUV-Strahlung emittierenden Plasma 7 aufgeheizt.

1: Vakuumkammer
11: Symmetrieachse
12: Entladungskammer
13: Vakuumisolationsraum
14: (evakuierter) Übergangsbereich
15: Kühlkanäle
16: primäre (elektrisch leitende) Ionisationskanäle
17: Vakuumpumpe
2: Elektroden
21: Katode
22: Anode
23: gerundeter Elektrodenkragen
24: Durchgangskanal
25: Hohlraum
26: Ringspalt
27: weiterer Hohlraum
28: Sackloch
29: Nuten
3: Hauptimpulsgenerator
4: Vorionisationsimpulsgenerator
5: Vorionisationseinheit
51: Vorionisationselektrode
52: (rohrförmiger) Isolator
53: Oberflächenentladung
54: Hilfselektrode
55, 56: innerer, äußerer Isolator
6: Gasbereitstellungseinheit
61: Gaseinlass
7: Plasma
8: Magnetringe
81: innerer Magnetring
82: äußerer Magnetring
83: Anformung
B →: magnetisches Feld
B →₁, B →₂: magnetische Felder (entgegengesetzt orientiert)
d: Elektrodenabstand
p: Gasdruck
P: gemeinsamer Punkt (Kreuzungspunkt der Ionisationskanäle)
S: Steg

Claims

Anordnung zur Erzeugung von EUV-Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas, bei der eine Katode und eine Anode zylindersymmetrisch angeordnet sind und an das Katodenende ein vorionisiertes Arbeitsgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolation von Katode (21) und Anode (22) gegeneinander ausschließlich geeignet geformte ringspaltförmige Vakuumisolationsbereiche (13, 14) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck (p) und Elektrodenabstand (d) von Katode (21) und Anode (22) ausgebildet sind, um Elektronenüberschläge zuverlässig zu unterdrücken.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zentral angeordneten Katode (21) eine Vorrichtung (5) zur Vorionisation des Arbeitsgases vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (22) eine Ringelektrode ist, von der zumindest das Katodenende mit engem Elektrodenabstand (d) sowie die Entladungskammer (12) umschlossen sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorionisation des Arbeitsgases eine Vorionisationselektrode (51) mit einem überstehenden rohrförmigen Isolator (52) zentralsymmetrisch innerhalb der Katode (21) angeordnet ist und in einen Hohlraum (25) der Katode (21) einmündet, wobei mittels eines Vorionisationsimpulses zwischen der Vorionisationselektrode (51) und der Katode (21) eine Oberflächengleitentladung (53) am Isolator (52) erzeugbar ist, so dass das so ionisierte Arbeitsgas aus dem Hohlraum (25) über mindestens einen Durchgangskanal (24) am Katodenende in die Entladungskammer (12) ausströmt, um dort von einem Hauptentladungsimpuls in dichtes, heißes Plasma (7) umgewandelt zu werden.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgangskanal (24) koaxial und zentral angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichverteilte Durchgangskanäle (24) entlang einer Kegelmantelfläche konzentrisch durch einen gemeinsamen Punkt (P) auf der Symmetrieachse (11) auf eine innere Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (24) zu einem Ringspalt (26) entartet sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katode (21) an ihrem Ende mit einem gerundeten Elektrodenkragen (23) versehen ist, der in das Innere der Anode (22), das die Entladungskammer (12) darstellt, hineinragt, wobei durch den Elektrodenkragen (23) die zwischen Anode (21) und Katode (22) befindlichen Vakuumisolationsbereiche (14; 13) vor Debristeilchen aus dem Plasma (7) und Elektrodenabbrand geschützt sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Katodenende innerhalb des Elektrodenkragens (23) konkav geformt ist und den Ort für die Entstehung des dichten heißen Plasmas (7) darstellt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum der konkaven Wölbung der Katode (21) ein Sackloch (28) eingearbeitet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katode (21) einen kleinen Hohlraum (25) und lange Durchgangskanäle (24) aufweist, wobei die Durchgangskanäle (24) koaxial angeordnet und so geformt sind, dass am Katodenende in die Entladungskammer (12) primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle (16) durch einen gemeinsamen Punkt (P) der Symmetrieachse (11) der Entladungskammer (12) auf eine Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katode (21) einen großen Hohlraum (25) und kurze Durchgangskanäle (24) aufweist, wobei der Hohlraum (25) bis nahe an ein konkav geformtes Katodenende reicht und die Durchgangskanäle (24) so angeordnet sind, dass von dem in die Entladungskammer (12) einströmenden ionisierten Arbeitsgas primäre elektrisch leitende Ionisationskanäle (16) durch einen gemeinsamen Punkt (P) der Symmetrieachse (11) der Entladungskammer (12) auf eine Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehene Oberflächenentladung (53) an der Innenseite des Isolator (52) vorgesehen ist, wobei die Vorionisationselektrode (51) kürzer als der rohrförmige Isolator (52) und mit einem zentralen Gaseinlass (61) innerhalb des rohrförmigen Isolators (52) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehene Oberflächenentladung (53) an der Außenseite des Isolators (52) vorgesehen ist, wobei die Vorionisationselektrode (51) mit einem zentralen Gaseinlass (61) und außen liegendem rohrförmigem Isolator (52) in den Hohlraum (25) der Katode (21) hineinragend angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (25) der Katode (21) breit aufgeweitet und kugelhaubenförmig über einem konkav geformten Katodenende mit kurzen Durchgangskanälen (24) versehen ist, wobei die Durchgangskanäle durch einen gemeinsamen Punkt (P) auf die innere Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (25) der Katode (21) zum Katodenende konisch zulaufend geformt, direkt mit dem Gaseinlass (61) versehen ist und eine kreisförmige Öffnung am konkaven Katodenende aufweist, wobei die Vorionisationselektrode (51) in diese Öffnung koaxial eingesetzt ist, so dass ein ringförmiger Spalt (26) zur Entladungskammer (12) freigelassen ist, durch den das Arbeitsgas in primären elektrisch leitenden Ionisationskanälen (16) kegelmantelförmig durch einen gemeinsamen Punkt (P) der Symmetrieachse (11) der Entladungskammer (12) auf eine innere Oberfläche der Anode (22) gerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisationselektrode (51) an deren Oberfläche zur Entladungskammer (12) in der Symmetrieachse (11) ein Sackloch (28) und eigene Kühlkanäle (15) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (25) der Katode (21) zum Katodenende konisch zulaufend geformt ist und eine kreisförmige Öffnung am konkaven Katodenende aufweist, in die die Vorionisationselektrode (51) mit innen und außen liegenden Isolatoren (55, 56) passend eingefügt ist, wobei die Vorionisationselektrode (51) eine Vielzahl von Gaseinlässen (61) aufweist, die als Durchgangskanäle (24) durch die innen und außen liegenden Isolatoren (55, 56) über einen gemeinsamen Punkt (P) der Symmetrieachse (11) auf die Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (25) der Katode (21) eine gegenüber der Katode (21) isolierte Hilfselektrode (54) eingesetzt ist, wobei die Hilfselektrode (54) den für die Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehenen Hohlraum (25) aufweist und die Vorionisationselektrode (51) mit außen liegendem Isolator (52) in den Hohlraum (25) hineinragend angeordnet ist, und dass mindestens ein übereinstimmender Durchgangskanal (24) in Katode (21) und Hilfselektrode (54) zur Ausströmung des vorionisierten Arbeitsgases in die Entladungskammer (12) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung primärer Ionisationskanäle (16) vom Hohlraum (25) in die Entladungskammer (12) eine Vielzahl von Durchgangskanälen (24) in der Hilfselektrode (54) und der Katode (21) übereinstimmend entlang einer Kegelmantelfläche angeordnet ist, wobei die Durchgangskanäle (24) durch einen gemeinsamen Punkt (P) der Symmetrieachse (11) der Entladungskammer (12) auf eine innere Oberfläche der Anode (22) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (54) gegenüber dem Katodenende durch einen weiteren Hohlraum (27) isoliert ist, in dem zusätzlich zwischen Hilfselektrode (54) und Katode (21) ein Spannungsimpuls zur Beschleunigung des ionisierten Arbeitsgases anlegbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit der Vakuumisolation, insbesondere bei größeren Elektrodenabständen (d) im Vakuumisolationsraum (13), Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (B →; B →₁, B →₂) vorhanden sind, wobei die Feldlinien des magnetischen Feldes orthogonal zu denen des elektrischen Feldes zwischen Anode (22) und Katode (21) ausgerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrische Magnetringe (81, 82) konzentrisch innen und außen im Vakuumisolationsraum (13) angeordnet sind, zwischen denen sich das Magnetfeld in radialer Richtung ausbildet, wobei zum Übergangsbereich (14) eine Anformung (83) angebracht ist, um im Übergangsbereich (14) Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zwischen Anode (22) und Katode (21) zu vermeiden.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrische Magnetringe (81, 82) konzentrisch innen und außen im Vakuumisolationsraum (13) angeordnet sind, um die sich zwei entgegengesetzte zirkular verlaufende Magnetfelder (B →₁, B →₂) ausbilden, wobei zum Übergangsbereich (14) eine Anformung (83) angebracht ist, um im Übergangsbereich (14) Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zwischen Anode (22) und Katode (21) zu vermeiden.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Magnetfelder (B →;
) konzentrische Magnetringe (81, 82) aus einer Vielzahl von einzelnen Permanentmagneten angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrischen Magnetringe (81, 82) aus einer Vielzahl von einzelnen NdFeB-Magneten gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Magnetfelder konzentrische Magnetringe (81, 82) aus einer Vielzahl von einzelnen Elektromagneten angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorionisationseinheit (5) Durchgangskanäle (24) zu einem spaltförmigen Übergangsbereich (14) zwischen Vakuumisolationsraum (13) und Entladungskammer (12) aufweist, wobei das so vorionisierte Arbeitsgas durch den Übergangsbereich (14) der Vakuumisolation zwischen Katode (21) und Anode (22) in die Entladungskammer (12) eingeleitet und durch den Hauptstromimpuls zum dichten heißen Plasma (7) kontrahiert wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem äußeren Vakuumisolationsraum (13) mit großem Elektrodenabstand (d) zwischen Katode (21) und Anode (22) der Gaseinlass (61) angeordnet ist und Gasdruck (p) und Elektrodenabstand (d) so eingestellt sind, dass das Produkt aus Gasdruck (p) und Elektrodenabstand (d) für ein verwendetes Arbeitsgas einen definierten Wert übersteigt, um eine spontane Zündung des Arbeitsgases im ringförmigen Vakuumisolationsraum (13) zu erreichen.
Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Vakuumisolationsraum (13) Nuten (29) oder ähnliche Strukturen in mindestens eine der gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen von Katode (21) und Anode (22) zur Vergrößerung des Elektrodenabstandes eingearbeitet sind, um das Produkt aus Gasdruck (p) und Elektrodenabstand (d) lokal zu erhöhen und die spontane Zündung in mehreren primären Ionisationskanälen (16) zu initiieren.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) für die Plasma erzeugende Gasentladung, Katode (21) und Anode (22), zur Kühlung mit Kühlkanälen (15) ausgestattet sind.
Anordnung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehene zusätzliche Hilfselektroden (51; 54) mit Kühlkanälen (15) versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 31 oder 32 dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel deionisiertes Wasser eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas Xenon, Lithium- oder Zinndampf oder gasförmige Zinnverbindungen eingesetzt sind.