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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Benetzbarkeit einer rotierenden Elektrode mit einem flüssigen Metall in einer Gasentladungslampe, insbesondere zur Erzeugung von EUV-Strahlung oder weicher Röntgenstrahlung, in der das flüssige Metall auf eine Randfläche der rotierenden Elektrode aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Gasentladungslampe, bei der mindestens eine der Elektroden eine gemäß dem Verfahren verbesserte Benetzbarkeit aufweist.
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Gasentladungslampe lassen sich bspw. in Anwendungen einsetzen, in denen Strahlung im extrem ultravioletten Spektralbereich (EUV) oder im Bereich der weichen Röntgenstrahlung benötigt wird, d.h. im Wellenlängenbereich zwischen etwa 1 nm und 20 nm. Dies betrifft bspw. die EUV-Lithographie oder die Messtechnik.
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Stand der Technik
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Aus der WO 2005/ 025 280 A2 ist eine Gasentladungslampe zur Erzeugung von EUV-Strahlung oder weicher Röntgenstrahlung bekannt, bei der die Gasentladung in einem Metalldampf zwischen zwei rotierenden Elektroden erzeugt wird. Hierzu wird das geschmolzene Metall auf die rotierenden Elektroden aufgebracht und am Ort der Entladung durch einen Laserstrahl verdampft. Die beiden kreisscheiben- bzw. radförmig ausgebildeten Elektroden tauchen zur Aufnahme des Metalls in Container mit dem flüssigen Metall ein. Sie müssen aus einem Trägermaterial bestehen, das mit dem flüssigen Metall benetzt werden kann, z.B. aus Wolfram. Durch die Rotation der Elektroden wird gewährleistet, dass die komplette Randfläche der Elektroden und auch der größte Teil der Seitenflächen mit dem flüssigen Metall benetzt werden. Aus technologischen Gründen wird eine Dicke des flüssigen Metallfilms auf den Elektroden angestrebt, die zum einen hinreichend dünn ist, um die Ablösung von Tröpfchen bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Elektroden zu vermeiden, und zum anderen hinreichend dick, um die thermische Belastung des Trägermaterials zu reduzieren und die Oberfläche gegen die Entladung zu schützen. In der Praxis wird daher am Ort der Entladung bzw. des Plasmas eine Dicke des flüssigen Metallfilms um 10 µm bis zu einigen 10 µm angestrebt. Diese Dicke wird in der Regel durch geeignete Abstreifer an den Seiten- und Randflächen der Elektroden kontrolliert. Die kritische Dicke des flüssigen Metallfilms am Ort des Plasmas hängt dann von der Einstellung der Abstreifer, der Geometrie der Elektroden sowie der Rotationsgeschwindigkeit ab.
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Aus der WO 2012/ 007 146 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Elektroden einer Gasentladungslampe bekannt, bei der die Elektroden zunächst in einem Vorbehandlungsschritt in Kontakt mit dem flüssigen Metall und anschließend bei einer Temperatur oberhalb von 800°C wärmebehandelt werden, um eine Verbindung des Trägermaterials der Elektrode und des flüssigen Metalls in einer Oberflächenschicht zu erreichen. Auch eine Abscheidung eines die Benetzbarkeit verbessernden zusätzlichen Materials wird vorgeschlagen.
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Aus der US 2012 / 0 276 334 A1 sind Oberflächen mit mikrometer- und nanometerskaligen Strukturen bekannt, die einstellbare Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften für Wasser aufweisen. Die Oberflächen können reversibel zwischen Zuständen größerer oder kleinerer Hydrophobizität und zwischen Zuständen größerer oder kleinerer Tropfenadhäsion geschalten werden. Die Benetzbarkeit kann dabei über elektrische, optische, thermische oder chemische Einwirkung schaltbar sein.
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Die US 2011 / 0 266 724 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Metall- oder Keramikwerkstücke mittels eines Abform-Verfahrens. Die erzeugten Werkstücke können hierbei auch hydrophobe, hydrophile oder adhäsive Oberflächeneigenschaften haben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Benetzbarkeit einer rotierenden Elektrode in einer Gasentladungslampe sowie eine Gasentladungslampe mit einer gut benetzbaren rotierbaren Elektrode anzugeben, die keine thermische Vorbehandlung der Elektrode mit dem aufzubringenden flüssigen Metall erfordern.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Randfläche der rotierenden Elektrode der Gasentladungslampe, auf die das flüssige Metall aufgebracht wird, durch äußere Bearbeitung mikrostrukturiert. Diese Mikrostrukturierung kann sich über die gesamte Randfläche der Elektrode oder auch nur über den Bereich erstrecken, von dem das flüssige Metall für die Gasentladung verdampft wird. Unter der Randfläche der Elektrode ist hierbei die im Abstand um die Rotationsachse umlaufende äußere Fläche zu verstehen, die sich zwischen den sich gegenüber liegenden Seitenflächen erstreckt. Vorzugsweise sind die Elektroden kreisscheibenförmig bzw. radförmig ausgebildet. Die Randfläche selbst kann auch ein makroskopisches Profil, bspw. eine Stufenform, im Querschnitt parallel zur Rotationsachse aufweisen.
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Die Mikrostrukturierung der Randfläche der Elektrode erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren durch äußere Bearbeitung, bspw. durch mechanische Bearbeitung der Oberfläche oder durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, vorzugsweise durch Bearbeitung mit einem oder mehreren Laserstrahlen. Selbstverständlich können für die Strukturierung auch andere Arten von energetischer Strahlung, bspw. Ionenstrahlen oder Elektronenstrahlen eingesetzt werden.
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Die Strukturdimensionen der erzeugten Mikrostruktur werden vorzugsweise so gewählt, dass zumindest die Tiefe oder die Breite oder die Länge der Strukturen ≤ 300 µm beträgt. Die Mikrostruktur soll die Haftung des flüssigen Metalls auf dem Trägermaterial, d.h. dem Oberflächenmaterial der Elektrode, verbessern. Die Strukturdimensionen müssen dann so gewählt werden, dass die Kapillarkräfte für das flüssige Metall so groß werden, dass sie die Haftung des flüssigen Metalls auf der Randfläche gegenüber einer glatten Randfläche erhöhen. Für eine Abschätzung geeigneter Dimensionen kann bspw. die sog. Bond-Konstante B herangezogen werden, die das Verhältnis der Kapillarkräfte zu den von außen wirkenden Kräften, wie bspw. der Schwerkraft oder der Fliehkraft bei einem rotierenden System, beschreibt. Die Bond-Konstante B ist gegeben durch:
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Dabei entsprechen ρ der Dichte des flüssigen Metalls, r der typischen Strukturgröße bzw. Strukturdimension, a der Beschleunigung und σ der Oberflächenspannung des flüssigen Metalls. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowie der vorgeschlagenen Gasentladungslampe sollten die Kapillarkräfte sehr viel größer als die Fliehkraft auf der rotierenden Elektrode sein, d.h. vorzugsweise B << 1. Im Folgenden wird beispielhaft für diesen Fall die Strukturgröße r beim Einsatz von flüssigem Zinn als flüssigem Metall abgeschätzt. Flüssiges Zinn weist eine Oberflächenspannung von σ = 500 mN/m und eine Dichte von ρ = 7,0 g/cm3 auf. Für den Anwendungsfall einer drehenden, mit Zinn benetzten Elektrode mit einem typischen Radius R = 10 cm und einer Rotationsfrequenz von f = 10 Hz ergibt sich eine Beschleunigung an der Randfläche der Elektrode von a = (2 πf)2*R = 395 m/s2. Die Bedingung B << 1 führt dann mit den angegebenen Materialkonstanten für flüssiges Zinn zu einer typischen Strukturgröße r << 300 µm. Dieser Wert von 300 µm kann als obere Grenze angesehen werden. Die bevorzugte Strukturgröße bzw. Strukturdimension auf der Randfläche der Elektrode wird daher in diesem Fall im Bereich von 10 µm oder einiger 10 µm bis wenige 100 µm gewählt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird ausgenutzt, dass Strukturen mit Abmessungen von wenigen µm ein anderes Oberflächenverhalten als glatte Flächen zeigen. Die Mikrostrukturierung beeinflusst vor allem die Benetzbarkeit von flüssigkeitstragenden Bauteilen. Durch die Strukturierung der rotierenden Elektroden wird eine funktionalisierte Oberfläche im Mikromaßstab erhalten, die die Benetzung und Haftung eines flüssigen Metalls auf dieser Oberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche erhöht. Die Struktur kann dabei auch so gewählt werden, dass sie den Flüssigkeitsfluss bei der Rotation steuert, bspw. in eine bestimmte Vorzugsrichtung lenkt oder für eine gleichmäßige Verteilung über der Fläche sorgt.
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Die Mikrostruktur wird vorzugsweise so erzeugt, dass sie ein periodisches oder regelmäßiges geometrisches Muster aufweist. Beispielsweise kann eine Mikrostruktur mit kreuzförmigen, wabenförmigen, trapezförmigen, pyramidenförmigen, kreisförmigen, ringförmigen und/oder linienförmigen Erhöhungen und/oder Vertiefungen erzeugt werden. Selbstverständlich ist diese Aufzählung nicht abschließend. Die Form der Mikrostruktur wird vielmehr so gewählt, dass sie jeweils die gewünschten Anforderungen erfüllt, bspw. neben der verbesserten Haftung auch eine schnelle Verteilung des flüssigen Metalls über der Oberfläche ermöglicht. In jedem Falle führt die Mikrostrukturierung zu einer verbesserten Benetzbarkeit und Haftung des Flüssigkeitsfilms auf der Randfläche der rotierenden Elektrode und ermöglicht damit höhere Drehfrequenzen und eine wiederum höhere Leistungseinkopplung am Elektrodensystem. Über die Mikrosturkurierung kann damit auch eine verbesserte Kontrolle der Filmdicke und eine homogene Verteilung des flüssigen Metalls auf der Elektrode erreicht werden. Eine homogenere Verteilung des flüssigen Metalls führt auch gleichzeitig zu einer Erhöhung der Standzeit des Elektrodensystems bzw. der Gasentladungslampe, in der das Elektrodensystem zum Einsatz kommt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Gasentladungslampe können auch die Seitenflächen oder zumindest an die Randfläche angrenzende Bereiche der Seitenflächen entsprechend mikrostrukturiert werden. Hierfür werden vorzugsweise die Seitenflächen mit einer anderen Mikrostruktur versehen als die Randflächen. Eine unterschiedliche Strukturierung ist auch in unterschiedlichen Bereichen der Randfläche möglich, insbesondere eine andere Mikrostrukturierung in dem Bereich, in dem das flüssige Metall durch einen Laserstrahl verdampft wird, als in den restlichen Bereichen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlung durch eine elektrisch betriebene Entladung, in der vorliegenden Patentanmeldung als Gasentladungslampe bezeichnet, weist zwei Elektroden auf, die an einer Stelle einen geringen Abstand für die Bildung einer Entladungsstrecke aufweisen und von denen mindestens eine Elektrode um eine durch ein Zentrum der Elektrode verlaufende Achse rotierbar gelagert und antreibbar ist. Vorzugsweise sind beide Elektroden entsprechend als Elektrodenräder ausgebildet und rotierbar gelagert. Die Vorrichtung weist auch eine entsprechende Einrichtung zum Aufbringen eines flüssigen Metalls auf eine Randfläche der einen oder beiden Elektroden auf. In einer Ausgestaltung umfasst diese Einrichtung ein Reservoir oder Behältnis mit dem flüssigen Metall, in das die jeweilige Elektrode eintaucht. Durch die Rotation nimmt die Elektrode dann das flüssige Metall auf der Randfläche auf und transportiert es zum Ort der Entladung. Selbstverständlich stehen auch andere Möglichkeiten zum Aufbringen des flüssigen Metalls auf die Oberfläche der Elektrode zur Verfügung, bspw. über eine Düse oder über eine speziell an das Elektrodenrad angepasste Teilumrandung. Die Vorrichtung kann dabei in gleicher Weise ausgestaltet sein, wie bspw. die in der Beschreibungseinleitung genannte Gasentladungslampe der
WO 2005/025280 A2 . Die Vorrichtung umfasst dabei in bekannter Weise selbstverständlich auch eine Einrichtung zur Erzeugung der elektrischen Entladung über die beiden Elektroden sowie eine Einrichtung zur Verdampfung des flüssigen Metalls am Ort der Entladung, beispielsweise eine Lasereinheit. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung weist die Randfläche der mindestens einen Elektrode eine durch gezielte äußere Bearbeitung erzeugte Mikrostruktur auf. Diese Mikrostruktur und ihre möglichen Ausgestaltungen wurden bereits im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren erläutert, so dass an dieser Stelle nicht mehr näher darauf eingegangen wird. Dies betrifft auch die Seitenflächen der mindestens einen rotierbaren Elektrode, die ebenfalls entsprechend mikrostrukturiert sein können.
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie die vorgeschlagene Gasentladungslampe kommen vorzugsweise in Bereichen zum Einsatz, in denen EUV-Strahlung oder weiche Röntgenstrahlung erzeugt werden müssen. Durch die verbesserte Benetzbarkeit der rotierenden Elektrode bzw. Elektroden wird eine höhere Effizienz der Strahlungserzeugung ermöglicht. Die verbesserte Benetzbarkeit kann selbstverständlich auch noch durch zusätzliche Maßnahmen, bspw. eine zusätzliche Plasmabehandlung, erhöht werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Beispiel für eine Gasentladungslampe, die gemäß der vorgeschlagenen Erfindung ausgestaltet sein kann;
- 2 zwei Beispiele für das Querschnittsprofil eines Elektrodenrades einer derartigen Gasentladungslampe;
- 3 verschiedene Beispiele für geometrische Muster der Mikrostruktur auf der Rand- oder den Seitenflächen der Elektroden;
- 4 drei Beispiele für eine linien- oder grabenförmige Mikrostruktur im Querschnitt; und
- 5 zwei Beispiele einer Mikrostrukturierung der Seitenflächen der Elektroden in Draufsicht auf die Seitenflächen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren zur Verbesserung der Benetzbarkeit der rotierenden Elektroden kann bspw. bei einer Gasentladungslampe zur Erzeugung von EUV-Strahlung oder weicher Röntgenstrahlung zum Einsatz kommen, wie sie schematisch in
1 angedeutet ist. Diese Gasentladungslampe weist zwei Elektrodenräder
1,
2 (Kathode, Anode) auf, die in geringem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass sie an einer Stelle einen Spalt für eine Entladungsstrecke bilden. Die beiden Elektrodenräder
1,
2 rotieren während des Betriebs der Gasentladungslampe um ihre Rotationsachsen und tauchen dabei in zwei Container
3 ein, die ein flüssiges Metall, im vorliegenden Beispiel flüssiges Zinn, enthalten. Aufgrund der Rotation in dem flüssigen Zinn wird ein dünner Zinnfilm
4 auf der äußeren Randfläche der Elektrodenräder gebildet. Die Elektrodenräder sind über das flüssige Zinnbad elektrisch mit einer Kondensatorbank
5 verbunden, über die sie mit einem gepulsten Stromfluss beaufschlagt werden. Die Gasentladung
8 wird durch Verdampfen eines Teils des flüssigen Zinnfilms mit einem gepulsten Laserstrahl
6 einer Laserquelle
7 gezündet, wie dies schematisch in der Figur angedeutet ist. Das Plasma
8 emittiert die gewünschte EUV-Strahlung oder weiche Röntgenstrahlung. Die Elektroden sind in einer Vakuumkammer angeordnet, die in der Figur nicht dargestellt ist. Weitere Elemente, wie bspw. Abstreifer zur Einstellung einer definierten Dicke des Zinnfilms
4 auf den Elektroden oder Abschirmungselemente sind ebenfalls Teil einer derartigen Gasentladungslampe. Beispiele für derartige Elemente können bspw. der
WO 2005/025280 A2 entnommen werden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen Randbereich eines der Elektrodenräder 1 einer derartigen Gasentladungslampe in zwei Beispielen. Die Randfläche 9 eines derartigen Elektrodenrades ist bei der vorgeschlagenen Gasentladungslampe gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren mikrostrukturiert. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich diese Mikrostruktur 11 auch über einen kleinen Bereich der beiden Seitenflächen 10 des Elektrodenrades 1. Die Randfläche 9 des Elektrodenrades kann hierbei auch eine makroskopische Struktur in dem dargestellten Querschnitt aufweisen, wie dies im Beispiel des rechten Teils der Figur zu erkennen ist.
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Die 3a bis 3f zeigen Ausschnitte aus unterschiedlichen Mikrostrukturen in Draufsicht auf die jeweilige Mikrostruktur 11 in schematischer Darstellung. 3a zeigt eine Struktur mit einzelnen Kreuzen, die wie auch die anderen dargestellten Strukturen regelmäßig bzw. periodisch über der mikrostrukturierten Fläche verteilt sind. 3b zeigt eine Struktur mit nebeneinander angeordneten Pyramiden, 3c eine Struktur mit nebeneinander angeordneten Trapezen. Kreuzstrukturen lassen sich sehr einfach fertigen. Die Pyramiden stellen einen Spezialfall der Trapeze dar, weisen jedoch eine größere Oberfläche auf. Grundsätzlich lassen sich Trapeze mit einem verfügbaren Laserprofil für die Strukturierung sehr einfach fertigen. 3d zeigt eine Grabenstruktur mit in der Darstellung von oben nach unten verlaufenden Gräben. Eine Grabenstruktur ermöglicht die Mischung verschiedener Längenskalen, da die Gräben in Längsrichtung auch unterbrochen sein können. In 3e ist eine Wabenstruktur dargestellt, 3f zeigt eine Struktur mit Kreisen oder Ringen. Die Wabenstruktur führt zu einer hohen Stabilität des Flüssigkeitsfilms durch die mögliche Ausbreitung entlang der Wabenstruktur. Die Ring- oder Kreisstruktur lässt sich besonders einfach mathematisch beschreiben, um damit bspw. das Verhalten des Flüssigkeitsfilms simulieren zu können.
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Grundsätzlich können die dargestellten Strukturen sowohl in Form von Erhöhungen, bspw. pyramidenförmigen Erhöhungen, oder auch in Form von Vertiefungen, bspw. pyramidenförmigen Vertiefungen, in der Mikrostruktur vorliegen.
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Eine weitere einfache Strukturierung besteht in einem Linienmuster, bei der geradlinig verlaufende Gräben 12 in der Oberfläche erzeugt werden. Jeder Graben 12 weist in guter Näherung einen konstanten rechteckigen, runden oder dreiecksförmigen Querschnitt auf, wie dies in den drei Beispielen der 4 angedeutet ist. Durch diese Strukturen, insbesondere die Art des Querschnitts, können Kontrollparameter für die Haftung und/oder Verteilung des flüssigen Films über der Oberfläche, wie bspw. das Volumen des Zinnfilmes oder dessen Benetzbarkeit, gezielt beeinflusst oder verändert werden.
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5 zeigt schließlich zwei Beispiele für eine Mikrostrukturierung der Seitenflächen 10 eines Elektrodenrades 1 in Draufsicht auf eine der beiden Seitenflächen. Im linken Teil der Figur wurde die gesamte Seitenfläche 10 des Elektrodenrades 1 mikrostrukturiert. Der rechte Teil der Figur zeigt ein Beispiel, bei der lediglich ein an die Randfläche angrenzender Bereich strukturiert wurde. Über die Art der Strukturierung der Seitenflächen 10 lässt sich der Zinnfluss über diese Seitenflächen zur Randfläche des Elektrodenrades gezielt beeinflussen. Damit kann bspw. das Zinn gezielt den Randflächen zugeführt werden, ohne große Tröpfchen zu bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Elektrodenrad
- 2
- zweites Elektrodenrad
- 3
- Behälter mit flüssigem Zinn
- 4
- Zinnfilm
- 5
- Kondensatorbank
- 6
- gepulster Laserstrahl
- 7
- Laserlichtquelle
- 8
- Plasma
- 9
- Randfläche des Elektrodenrades
- 10
- Seitenfläche des Elektrodenrades
- 11
- Mikrostruktur
- 12
- Graben
