-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strahlungserzeugung
mittels einer Gasentladung enthaltend eine Entladungskammer, die
einen Entladungsbereich für
die Gasentladung zur Ausbildung eines die Strahlung emittierenden
Plasmas aus einem Ausgangsmaterial und eine Emissionsöffnung für die erzeugte
Strahlung aufweist, eine erste und eine zweite drehbar gelagerte
Elektrode und eine Hochspannungsversorgung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen
zwischen den beiden Elektroden.
-
Es
sind bereits vielfach auf unterschiedlichen Konzepten beruhende
Strahlungsquellen beschrieben worden, die auf gasentladungserzeugten
Plasmen basieren. Gemeinsames Prinzip dieser Einrichtungen ist es,
dass eine gepulste Hochstromentladung von mehr als 10 kA in einem
Gas bestimmter Dichte gezündet
und als Folge der magnetischen Kräfte und der dissipierten Leistung
im ionisierten Gas lokal ein sehr heißes (kT > 20 eV) und dichtes Plasma erzeugt wird.
-
Von
besonderer Bedeutung ist es, die Lebensdauer der Quellenkomponenten
weiter zu erhöhen,
da durch deren Austausch Stillstandszeiten in Produktionsanlagen,
in denen die Strahlungsquellen zum Einsatz kommen, entstehen.
-
Bei
Strahlungsquellen, die auf einer Gasentladung basieren, ist es vor
allem das Elektrodensystem, insbesondere die Elektroden, die einem
hohen aufheizungs- und erosionsbedingten Verschleiß unterliegen.
-
Während die
Aufheizung der Elektroden vor allem durch den Stromfluss durch die
Elektroden und durch die Strahlung des Plasmas hervorgerufen wird, führen schnelle
Teilchen, die aus dem strahlungsemittierenden Plasma austreten,
zur Erosion.
-
Bekannte
Lösungen
entsprechend der WO 2005/025280 A2 und der
RU 2 252 496 C2 verwenden
rotierende Elektroden, um einer Elektrodenaufheizung entgegenzuwirken.
-
Bei
der für
metallische Emitter geeigneten Vorrichtung gemäß der WO 2005/025280 A2 tauchen die
rotierenden Elektroden zudem in einen Behälter mit einer Metallschmelze,
wie z. B. Zinn, ein, wobei das auf der Elektrodenoberfläche aufgetragene
Metall mittels Laserstrahlung verdampft und der Dampf durch eine
Gasentladung zu einem Plasma gezündet wird.
-
Die
WO 2005/025280 A2 schlägt
ferner vor, den Stromimpuls zu den Elektroden über die Metallschmelze zu führen, indem
die zur Speicherung der elektrischen Energie für die Plasmaerzeugung notwendigen
Kondensatoren mittels mehrerer, in Isolatoren vakuumdicht eingebetteter
Metallstifte oder Bänder
mit dem flüssigen
Metall in den Behältern elektrisch
verbunden sind.
-
Da
die Kondensatoren außerhalb
der Entladungskammer angeordnet sind, resultiert zwangsläufig eine
hohe Induktivität
des Entladungskreises aufgrund der erforderlichen Stromdurchführungen
bis zu den Elektroden. Das hat zur Folge, dass sich die zeitliche
Dauer der Stromimpulse durch die Elektroden verlängert, wodurch die Energie,
welche im Plasma deponiert werden kann, nicht effizient für die Strahlungserzeugung
genutzt werden kann.
-
Es
besteht deshalb die Aufgabe, die Induktivität des Entladungskreises für die Gasentladung
bei gleichzeitig erhöhter
Lebensdauer des Elektrodensystems erheblich herabzusetzen. Zudem
soll der Einsatz unterschiedlicher Emitter gewährleistet sein.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Strahlungserzeugung mittels einer
Gasentladung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die Elektroden mit gegenseitigem Abstand starr miteinander verbunden
und um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert sind, wobei durch
den gegenseitigen Abstand ein Freiraum gebildet wird, in dem Kondensatorelemente
der Hochspannungsversorgung angeordnet sind, und dass die Elektroden
sowohl mit den Kondensatorelementen als auch mit einer Spannungsquelle
zur Aufladung der Kondensatorelemente elektrisch verbunden sind.
-
Durch
die Anordnung der für
die Speicherung der elektrischen Energie notwendigen Kondensatorelemente
zwischen den sich gemeinsam drehenden Elektroden und deren direkte
elektrische Verbindung zu den Elektroden wird die Induktivität des Entladungskreises
erheblich herabgesetzt. Das gewährleistet
einen sehr schnellen Anstieg des Stromes während der Entladung und führt zu einer
Erhöhung
der Konversionseffizienz von elektrischer Energie zu emittierter
Strahlungsenergie. Die Kondensatorelemente können entweder mit Gleichstrom
oder mit kurzen Stromimpulsen aufgeladen werden.
-
Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektroden
in elektrisch voneinander getrennte Schmelzbäder einer metallischen Schmelze
eintauchen, wodurch es bei der Rotation der Elektroden zu einer
Benetzung der Elektrodenoberfläche
mit dem Metall kommt.
-
Alternativ
können
die Elektroden in elektrischem Kontakt zu koaxial zur Drehachse
ausgerichteten Eintauchelementen stehen, welche in die elektrisch
voneinander getrennten Schmelzbäder
eintauchen.
-
Bei
beiden Ausgestaltungen ist die elektrische Verbindung der Elektroden
mit der Spannungsquelle über
die Schmelzbäder
geführt,
wobei als metallische Schmelze ein Zinn- oder ein Lithiumbad vorgesehen
sein kann.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen,
dass die von den Elektroden aufgenommene metallische Schmelze als
Ausgangsmaterial für
die Strahlungserzeugung dient.
-
Alternativ
kann aber auch eine Injektionseinrichtung auf den Entladungsbereich
gerichtet sein, die eine Folge von Einzelvolumina des der Strahlungserzeugung
dienenden Ausgangsmaterials als flüssige oder feste Tropfen bereitstellt
und mit Abstand zu den Elektroden in den Entladungsbereich injiziert.
-
Die
Injektion der Einzelvolumina gewährleistet
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
mit der insbesondere extrem ultraviolette Strahlung durch eine Gasentladung
erzeugt werden kann, eine Maximierung des Abstandes zwischen dem
Ort der Plasmaerzeugung und den Elektroden.
-
In
Verbindung mit der Rotation der Elektroden führt die der Abstandsvergrößerung dienende Maßnahme,
bei der das als Emitter vorgesehene Ausgangsmaterial für die Strahlungserzeugung
im dichten Zustand als Tröpfchen
oder Kügelchen
an einen für
die Plasmaerzeugung optimalen Ort platziert und vorionisiert wird,
zu einer Erhöhung
der Lebensdauer der Elektroden. Weiterhin können Einschränkungen
hinsichtlich des Emittermaterials selbst beseitigt werden, so dass
sowohl Xenon als auch Zinn sowie Zinnverbindungen oder Lithium zur
Anwendung kommen können.
-
Unter
dichtem Zustand soll Festkörperdichte oder
eine Dichte wenige Größenordnungen
unterhalb der Festkörperdichte
verstanden werden.
-
Erfindungsgemäß wird die
für die
gewünschte
Strahlungsemission im EUV-Wellenlängenbereich optimale Emitteranzahl
je Entladungspuls nahezu unabhängig
von der Hintergrundgasdichte durch die Größe der eingebrachten Einzelvolumina
bestimmt. In diesem Sinne erfolgt die Zufuhr des als Emitter dienenden Ausgangsmaterials
in regenerativer und echter massenlimitierter Form.
-
Ein
weiterer Vorteil der Bereitstellung des Emittermaterials in Form
von kleinen Einzelvolumina durch eine Injektionseinrichtung besteht
in der Möglichkeit,
Tropfen des Emittermaterials an einer beliebigen Stelle des Elektrodenumfangs
einbringen zu können.
Damit kann eine Strahlungsquelle verwirklicht werden, die Strahlung
in einer beliebigen Richtung abstrahlt.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn auf das Ausgangsmaterial für die Strahlungserzeugung
ein von einer Energiestrahlquelle bereitgestellter Energiestrahl
gerichtet ist, wodurch eine zumindest teilweise Vorionisation des
Ausgangsmaterials erfolgt, die eine optimale Einkopplung der Entladungsenergie
in das Ausgangsmaterial gewährleistet.
Außerdem
kann die Geometrie der Elektroden gegenüber der reinen Verwendung von
bevorzugt Argon als Hintergrundgas deutlich vergrößert werden.
-
Als
Energiestrahlquellen eignen sind Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahlquellen.
-
Dem
Schutz vor unerwünschten
Materialablagerungen an Elektroden, den Kondensatoren bzw. an den
Einrichtungen, welche den Abstand der Elektroden gewährleisten
dient eine Einrichtung, die in dem Freiraum zwischen den Elektroden,
insbesondere zwischen dem Entladungsbereich und den Kondensatorelementen
angeordnet ist, und die eine Labyrinthdichtung aus elektrisch isolierenden
oder metallischen Zylinderringen umfasst, die wechselseitig an den
Elektroden angebracht sind, sich zumindest teilweise überlappen
und die Kondensatorelemente umschließen.
-
Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
-
1 eine
Drehelektroden-Anordnung, bei der die Elektroden in eine Metallschmelze
eintauchen
-
2 eine
Drehelektroden-Anordnung, bei der das Ausgangsmaterial zur Strahlungserzeugung in
Form von Einzelvolumina in den Entladungsbereich eingebracht wird
-
3 eine
Drehelektroden-Anordnung mit tropfenförmig injiziertem Xenon als
Ausgangsmaterial und mit einer Stromzufuhr über Schleifkontakte
-
4 eine
Drehelektroden-Anordnung mit tropfenförmig injiziertem Xenon als
Ausgangsmaterial und mit einer Stromzufuhr über elektrisch isolierte Schmelzbäder metallischer
Schmelzen
-
5 eine
Variante der Ausführung
gemäß 4,
bei der die Drehachse der Drehelektroden-Anordnung vertikal gelegt
ist
-
6 eine
Gasentladungsquelle mit einer erfindungsgemäßen Drehelektroden-Anordnung
-
Bei
der in 1 dargestellten Drehelektroden-Anordnung sind
zwei Elektroden 1, 2 mittels Abstandshalter 3 aus
isolierendem Material fest miteinander verbunden und um eine gemeinsame,
durch eine Welle 4 verlaufende Drehachse X-X drehbar gelagert.
In dem Freiraum zwischen den Elektroden 1, 2 ist
eine Vielzahl elektrisch mit den Elektroden verbundener Kondensatorelemente 5,
die bevorzugt als Keramikkondensatoren ausgebildet sind, angeordnet,
zu deren Aufladung eine Spannungsquelle 6 einer Hochspannungsversorgung
dient. Die Kondensatorelemente 5 sorgen dafür, dass
eine Gasentladung mit Repetitionsfrequenzen von mehreren kHz betrieben
werden kann.
-
In
einer ersten Ausführung
sind elektrisch voneinander getrennte Schmelzbäder 7, 8 einer
metallischen Schmelze vorgesehen, in welche die Elektroden 1, 2 eintauchen,
so dass infolge der Rotation der Elektroden 1, 2 eine
Aufnahme der als Ausgangsmaterials zur Strahlungserzeugung vorgesehenen metallischen
Schmelze erfolgt.
-
Damit
sind selbstheilende Elektroden geschaffen, bei denen durch ständiges Auftragen
des Ausgangsmaterials für
die Strahlungserzeugung einer Erosion der Elektroden entgegenwirkt
werden kann.
-
Da
die beiden Schmelzbäder 7, 8,
die bevorzugt Zinnbäder
sind, in elektrischem Kontakt mit der Spannungsquelle 6 stehen,
kann die Aufladung der Kondensatorelemente 5 über diese
Schmelzbäder 7, 8 und
die Elektroden 1, 2 erfolgen.
-
Ein
von einer Energiestrahlquelle 9 bereitgestellter Energiestrahl 10 ist
auf eine Elektrodenoberfläche 11 gerichtet,
so dass auf der Oberfläche
befindliches Ausgangsmaterial für
die Strahlungserzeugung verdampft wird. Da sich das verdampfte Ausgangsmaterial
zwischen den beiden Elektroden 1, 2 ausbreitet,
werden die Voraussetzungen für
die Entladung der Kondensatorelemente 5 geschaffen, wodurch
sich infolge der Zündung
einer Gasentladung ein kleines, heißes Plasma 12 im Entladungsbereich 13 ausbildet,
welches elektromagnetische Strahlung im bevorzugten Wellenlängenbereich
emittiert.
-
Als
Energiestrahlquelle 9 eignen sich insbesondere Laserstrahlquellen
sowie Ionen- oder Elektronenstrahlquelle. Besonders wichtig für die Funktion
der Drehelektroden-Anordnung ist es, dass weder die Kondensatorelemente 5 noch
die Abstandshalter 3 mit elektrisch leitfähigen Materialien
beaufschlagt werden, welche nach der Entladung an Flächen im Inneren
der Gasentladungsquelle kondensieren können. Deshalb weist die Drehelektroden-Anordnung
in dem Freiraum zwischen den Elektroden 1, 2 eine Schutzeinrichtung
in Form einer Labyrinthdichtung 14 auf, welche aus koaxial
zur Drehachse X-X ausgerichteten zylindrischen Ringen 14.1 aus
Metall oder elektrisch isolierender Keramik besteht, die wechselseitig
an den Elektroden 1, 2 angebracht sind, sich zumindest
teilweise überlappen
und die Kondensatorelemente 5 und die Abstandshalter 3 umschließen. Bei
geeigneter Dimensionierung des Labyrinths wird eine lange Betriebsdauer
ohne Beeinträchtigung durch
Kondensate gewährleistet.
-
Gemäß einer
zweiten Ausführung
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial, z. B. Zinn,
in Form von Einzelvolumina 15 in den Entladungsbereich 13 eingebracht
wird, insbesondere an einen beabstandet zu den Elektroden 1, 2 vorgesehenen
Ort im Entladungsbereich 13, an dem die Plasmaerzeugung
erfolgt. Bevorzugt werden die Einzelvolumina 15 als kontinuierlicher
Tropfenstrom in dichter, d. h. in fester oder flüssiger Form durch eine auf den
Entladungsbereich 13 gerichtete Injektionseinrichtung 16 bereitgestellt.
-
Der
von der Energiestrahlquelle 9 erzeugte gepulste Energiestrahl 10,
der bevorzugt ein Laserstrahl einer Laserstrahlungsquelle sein kann,
ist zeitsynchron zur Frequenz der Gasentladung auf den Ort der Plasmaerzeugung
im Entladungsbereich 13 gerichtet, um einen der Tropfen
vorzuionisieren. Eine hier nicht dargestellte Strahlfalle kann dafür vorgesehen
sein, nicht absorbierte Energiereststrahlung vollständig aufzunehmen.
-
Die
Tropfeninjektion besitzt den Vorteil, dass der Abstand zwischen
dem Plasma 12 und den Elektroden 1, 2 gegenüber einer
Ausführung
gemäß 1,
bei der das Ausgangsmaterial von der Elektrodenoberfläche abgedampft
wird, vergrößert werden kann,
was zu einer Verringerung der Erosion der Elektrodenoberfläche führt. Das
ist auch dann von Vorteil, wenn die Elektroden 1, 2 durch
eine Metallschmelze laufen, da erodiertes Material potentiell zu einer
Verschmutzung der Gasentladungsquelle bzw. der gesamten Anlage führen kann,
in der die Gasentladungsquelle zum Einsatz kommt.
-
Ein
derartiges, bei metallischen Emittern, insbesondere bei Zinn bestehendes
Verschmutzungsproblem kann dadurch umgangen werden, dass als Einzelvolumina
Tropfen aus gefrorenem Xenon gemäß 3 in
den Entladungsbereich 13 eingebracht und mittels Laserstrahlung
verdampft werden.
-
Da
die Erosion der Elektrodenoberfläche durch
das Plasma 12 von der Temperatur der Elektroden 1, 2 abhängt, können diese
im Inneren Kühlkanäle 17 aufweisen,
durch die Kühlflüssigkeit,
z. B. Wasser, zur direkten Kühlung
strömt.
Wird die Kühlflüssigkeit
mit hohem Druck durch die Kühlkanäle 17 gepresst,
erhöht
das die Effizienz der Kühlung,
insbesondere auch durch die erhebliche Erhöhung des Siedepunktes der Kühlflüssigkeit.
-
Die
Zuführung
der für
die Gasentladung notwendigen elektrischen Energie von der Spannungsquelle 6 zu
den Kondensatorelementen 5 kann auf unterschiedliche Weise
erfolgen.
-
So
ist gemäß 3 vorgesehen,
die Elektroden 1, 2 über Schleifkontakte 18 mit
der Spannungsquelle 6 elektrisch zu verbinden.
-
Bei
einer anderen Ausführung
gemäß 4, bei
der als Einzelvolumina 15 ebenfalls Xenontropfen in den
Entladungsbereich 13 injiziert werden, erfolgt die Stromzufuhr
zu den Kondensatorelementen 5 über elektrisch isolierte Schmelzbäder 7', 8' metallischer
Schmelzen, vorzugsweise Zinnbäder
oder andere niedrigschmelzende metallische Bäder wie z. B. Galliumbäder. Im
Unterschied zur Ausführung
gemäß 1 tauchen
die Elektroden 1, 2 jedoch nicht direkt in die
metallische Schmelze ein, sondern diese Aufgabe übernehmen ringscheibenförmige Eintauchelemente 19, 20 aus
elektrisch leitfähigem
Material, welche die Elektroden 1, 2 umschließen und
mit diesen in elektrischem Kontakt stehen. Die Eintauchelemente 19, 20 sind
in ihrer Form und Größe derart ausgebildet,
dass eine Verdampfung des von ihnen aufgenommen Metalls verhindert
wird. Insbesondere hat die benetzte Oberfläche der Eintauchelemente 19, 20 keine
direkte Sichtlinie zum Plasma 12, wodurch eine Erosion
verhindert wird.
-
Mit
einer derartigen Lösung
ist auch bei injizierten Xenontropfen eine verschließfreie Stromzuführung zu
den Kondensatorelementen 5 möglich, ohne dass es zu metallischen
Ablagerungen in oder außerhalb
der Gasentladungsquelle kommt.
-
Metallische
Schmelzbäder
haben bei Verwendung niedrigschmelzender Metalle ferner den Vorteil,
dass diese unter Umständen
zur Kühlung
der Elektroden genutzt werden können,
welche aufgrund der eingebrachten hohen elektrischen Leistungen oftmals
weitaus höhere
Temperaturen erreichen können
als für
den Betrieb der Schmelzbäder
notwendig. Durch die Kühlung
der Schmelzbäder
kann diese überschüssige Wärme abgeführt werden.
-
Bei
einer konstruktiv anders gestalteten Variante der Ausführung gemäß 4 ist
die Drehachse X-X entsprechend 5 in die
Vertikale gelegt. Für beide
Elektroden 1', 2' sind elektrisch
getrennte Schmelzbäder 7'', 8'' einer
metallischen Schmelze, vorzugsweise Zinn, vorgesehen, welche die
Welle 4 koaxial umschließen und in welche die Elektroden 1', 2' mit zylinderringförmigen elektrischen
Kontaktelementen 21, 22 eintauchen. Die Schmelzbäder 7'', 8'' sind
mit Abdeckungen 23, 24 versehen, welche nur einen
kleinen Spalt zu den Kontaktelementen 21, 22 freilassen,
um die Verdampfung des geschmolzenen Metalls zu minimieren.
-
Ferner
dienen die Schmelzbäder 7'', 8'' gleichzeitig
dazu, die aufgrund der Entladung in den Elektroden 1', 2' deponierte
Wärme abzuführen, weshalb
die Schmelzbäder 7'', 8'' in
nicht dargestellter Weise geeignet gekühlt werden.
-
Auch
hier kann das für
die Erzeugung des Plasmas 12 notwendige Emittermaterial
entweder in Tropfenform in den Entladungsbereich gebracht werden,
wo es von einem Energiestrahl verdampft wird, oder es wird in geeigneter
Weise auf die Oberfläche einer
der Elektroden 1', 2' aufgebracht
und von dort von einem Energiestrahl in den Entladungsbereich gebracht.
-
Keine
einschränkenden
Auswirkungen soll es haben, dass die wesentlichen Bestandteile der Gasentladungsquelle
lediglich für
die Ausführung
gemäß 3 ergänzend in 6 dargestellt
sind. In analoger Weise sind diese Bestandteile selbstverständlich auch
bei den übrigen
Ausführungen
der Erfindung zu finden.
-
Die
erfindungsgemäße Drehelektroden-Anordnung
ist in einer als Vakuumkammer ausgebildeten Entladungskammer 25 untergebracht,
aus der heraus die elektrische Verbindung zu der Spannungsquelle 6 über elektrische
Vakuumdurchführungen 26, 27 erfolgt.
-
Die
von dem heißen
Plasma 12 emittierte Strahlung 28 gelangt nach
dem Durchlaufen einer Debrischutzeinrichtung 29 auf eine
Kollektoroptik 30, welche die Strahlung 28 auf
eine Strahlaustrittsöffnung 31 in
der Entladungskammer 25 richtet. Durch Abbildung des Plasmas 12 mittels
der Kollektoroptik 30 wird ein in oder in der Nähe der Strahlaustrittsöffnung 31 lokalisierter
Zwischenfokus ZF generiert, der als Schnittstelle zu einer Belichtungsoptik
in einer Halbleiterbelichtungsanlage dient, für welche die bevorzugt für den EUV-Wellenlängenbereich
ausgebildete Gasentladungsquelle vorgesehen sein kann.