DE102013110760A1

DE102013110760A1 - Strahlungsquelle zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma

Info

Publication number: DE102013110760A1
Application number: DE102013110760.5A
Authority: DE
Inventors: Jozef Antonius Willem Maria Corver; Zbigniew PAWLOWSKI; Roy MOHEDE; Zenon ZAJACZKOWSKI; Marcel KENNIS
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-09-28
Also published as: DE102013110760B4; US20150090907A1; US9119279B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der mindestens ein in ein Schmelzbad flüssigen Metalls partiell eintauchendes umlaufendes Element vorhanden ist. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zu finden, die es bei einer Strahlungsquelle mit einem umlaufenden Element zur Bereitstellung des Quellenmaterials auf einfache Weise gestattet, aus der Plasmazone herausgeschleudertes oder anderweitig austretendes ungenutztes Quellenmaterial zuverlässig aufzufangen, um Störungen der Strahlungsquelle durch Ablagerungen des ungenutzten Quellenmaterials zu vermeiden, wird gelöst, indem ein Behälter für das nicht ungenutzte Quellenmaterial als eine Auffangwanne ausgebildet ist und eine Wannenöffnung in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Plasmazone und unterhalb des Schmelzbades sowie wenigstens eine geneigte Seitenwand aufweist, um das ungenutzte Quellenmaterial großflächig aufzufangen und in einem tiefsten Wannenbereich der Auffangwanne zu konzentrieren, mindestens ein Heizelement zum Heizen des Quellenmaterials auf eine Temperatur oberhalb einer Schmelztemperatur TS an der Auffangwanne anbracht ist und eine Kontrolleinheit zum Regeln der Temperatur des Quellenmaterials in der Auffangwanne mit mindestens einem an der Auffangwanne angebrachten Temperatursensor vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der ein Schmelzbad eines flüssigen Metalls als ein Quellenmaterial zur Plasmaerzeugung vorhanden ist, mindestens ein partiell in das Quellenmaterial eintauchendes umlaufendes Element derart angeordnet ist, um Quellenmaterial in eine Plasmazone zur Plasmaerzeugung zu befördern und mindestens ein Laser zum Anregen des Quellenmaterials in der Plasmazone lokal auf eine Stelle des umlaufenden Elements gerichtet ist.
Die Erfindung findet Anwendung in Strahlungsquellen zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung mit Wellenlängen < 50 nm, insbesondere in EUV-Strahlungsquellen für die Halbleiterlithographie (mit Wellenlängen < 15 nm) zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit sehr kleinen Strukturbreiten.
In bekannten EUV-Strahlungsquellen wird die Strahlungsemission durch Anregung eines heißen Plasmas aus einem Quellenmaterial erzeugt, das Emissionslinien im EUV-Spektrum aufweist. Zur Plasmaerzeugung muss das Quellenmaterial innerhalb einer Vakuumkammer angeregt werden, aus der die erzeugte EUV-Strahlung dann ausgekoppelt wird.
Für die Bereitstellung des Quellenmaterials in einer EUV-Strahlungsquelle haben sich im Stand der Technik zwei Verfahren etabliert.
Bei einem ersten Verfahren wird das Quellenmaterial in Form von einzelnen Tropfen bereitgestellt, die eine Plasmazone durchqueren. In der Plasmazone werden einzelne Tropfen als massenlimitiertes Zielvolumen zur Anregung eines lasergenerierten Plasmas (LPP – Laser-Produced Plasma) mit gepulster Laserstrahlung beaufschlagt. Eine solche EUV-Strahlungsquelle unter Anwendung eines LPP ist in der WO 2008/027158 A2 offenbart. Dort weist die Strahlungsquelle eine Vakuumkammer auf, in der eine Zuführungseinrichtung angeordnet ist, die flüssiges Quellenmaterial entweder in Tropfenform oder als dünne Flüssigkeitssäule zuführen kann. Als flüssige Quellenmaterialien werden neben metallischem Zinn auch Zinnbromide oder Zinnhydrid sowie Zinnlegierungen beschrieben.
Bei einem zweiten Verfahren wird das Quellenmaterial in Form einer dünnen Schicht auf umlaufenden Elementen bereitgestellt, wobei das umlaufende Element mindestens teilweise in ein Bad des Quellenmaterials eintaucht und an seiner Oberfläche das Quellenmaterial in eine Plasmazone transportiert, in der die Anregung erfolgt. Diese Art der Bereitstellung des Quellenmaterials eröffnet ebenfalls die Anwendung eines LPP, indem die Plasmaerzeugung direkt durch gepulste Einstrahlung eines auf die Oberfläche des umlaufenden Elements fokussierten Laserstrahls erfolgt, wobei durch das unter dem Laserfokus umlaufende Element ständig frisches Quellenmaterial für die Erzeugung eines LPP zur Verfügung gestellt wird.
Andererseits können umlaufende Elemente auch als einander gegenüberliegende Elektroden für ein durch elektrische Entladung generiertes Plasma (DPP – Discharge-Produced Plasma) verwendet werden. In diesem Fall wird das emittierende Plasma durch den Entladungsstrom zwischen den Elektroden erzeugt. Bei dieser Art der Plasmaerzeugung wird meist zusätzlich in der Plasmazone ein Laser zur lokalen Verdampfung des Quellenmaterials auf eines der umlaufenden Elemente (Elektroden) gerichtet, um das Quellenmaterial gasförmig und vorionisiert (kaltes Plasma) für die Entladung aufzubereiten. Ein so erzeugtes Plasma wird mitunter auch als LDP-Plasma (LDP – Laser-Assisted Discharge-Produced Plasma) bezeichnet. Solche Quellen sind beispielsweise in den Schriften WO 05/101924 A1 , US 7531820 B2 , US 7800026 B2 , US 7649187 B2 und US 8040033 B2 ausführlich beschrieben.
In allen vorbeschriebenen Fällen wird das Quellenmaterial in der Plasmazone zur Erzeugung des EUV-Strahlung emittierenden Plasmas mit Energieimpulsen beaufschlagt. Ein sehr geringer Anteil des von den Energieimpulsen getroffenen Quellenmaterials (z. B. ein Tropfen oder ein lokaler Bereich einer Beschichtung) wird bei diesem Energieeintrag durch Verdampfung oder Ionisation verbraucht, während der größere Anteil, der Schwerkraft folgend, ungenutzt nach unten fällt. Um eine Kontamination der Strahlungsquelle durch verdampftes und/oder ungenutztes Quellenmaterial zu verhindern und um den ungenutzten Anteil des Quellenmaterials wiederverwenden zu können, sind in der Strahlungsquelle Einrichtungen vorgesehen, mit denen das ungenutzte Quellenmaterial aufgefangen bzw. in das Tauchbad zur Elektrodenbeschichtung abgelenkt werden kann.
Die einzige der vorgenannten Schriften des Standes der Technik, die sich mit dem Auffangen ungenutzten Quellenmaterials ausführlich beschäftigt, ist die bereits oben erwähnte WO 2008/027158 A2 . Dort ist zur Aufnahme des durch die Plasmazone fallenden ungenutzten Anteils des Quellenmaterials unterhalb der Plasmazone ein Sammelbehälter angeordnet. Der Sammelbehälter weist eine kleine obere Öffnung auf, durch die das Quellenmaterial in den Sammelbehälter gelangt. Der Querschnitt der Öffnung liegt in der Größenordnung der Tropfen oder der dünnen Säule (Jet) des Quellenmaterials. Um die Aufnahme des Quellenmaterials zu unterstützen, wird im Sammelbehälter ein Unterdruck erzeugt, der zum Einsaugen des ungenutzten Anteils des Quellenmaterials über die obere Öffnung des Sammelbehälters führt. Des Weiteren wird zum Auffangen des aus der Plasmazone herausgeschleudertem ungenutzten Anteils des Quellenmaterials die für den Laserstrahl erforderliche Strahlfalle verwendet, die in Richtung des Laserstrahls hinter dem durch die Plasmazone hindurch fallenden Quellenmaterial angeordnet ist und primär die ungenutzte Laserstrahlung absorbiert. Die Strahlfalle weist dazu außer einer zum Laserstrahl gerichteten Öffnung einen Hohlraum auf, der zur Abführung des im Hohlraum aufgefangenen ungenutzten Anteils des Quellenmaterials mit einem trichterförmigen Boden und einer Ablauföffnung zu einem Sammelbehälter versehen ist. Das sichere Auffangen sehr kleiner und leichter Partikel des ungenutzten Quellenmaterials kann wiederum durch einen Unterdruck im Hohlraum unterstützt werden.
Das Problem des Auffangens ungenutzten Quellenmaterials ist nur für LPP-Quellen mit einem kontinuierlichen (Jet-) oder diskontinuierlichen (Tropfen-)Targetstrahl beschrieben, weil ein solcher Strahl von Quellenmaterial stets mehr Material, als vom gepulsten Laserstrahl verwertbar ist, durch die Plasmazone führt.
Bei DPP-Quellen mit umlaufenden Elektroden, z. B. in der vorgenannten US 8040033 B2 , wird davon ausgegangen, dass lediglich Ablenkkörper benötigt werden, die das Quellenmaterial in die Tauchbäder für die kontinuierliche Beschichtung der umlaufenden Elektroden zurückleiten. Diese Lösung birgt jedoch die Gefahr des Erstarrens von ungenutztem Quellenmaterial auf dem Ablenkkörper mit nachfolgenden Nebenentladungen oder Kurzschlüssen oder erneuter Verdampfung in Plasmanähe, wodurch die störungsfreie Betriebsdauer der Strahlungsquelle stark verkürzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Möglichkeit zu finden, die es bei einer Strahlungsquelle mit einem umlaufenden Element zur Bereitstellung des Quellenmaterials auf einfache Weise gestattet, aus der Plasmazone herausgeschleudertes oder anderweitig ausgetretenes ungenutztes Quellenmaterial zuverlässig aufzufangen, um Störungen der Strahlungsquelle durch Ablagerungen dieses Quellenmaterials zu vermeiden. Eine erweiterte Aufgabe besteht darin, anhand des aufgefangenen ungenutzten Anteils des Quellenmaterials Störungen der Strahlungsquelle zu erkennen und den Ersatz des verbrauchten Anteils des Quellenmaterials in der Strahlungsquelle zu erfassen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Strahlungsquelle zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der ein Schmelzbad eines flüssigen Metalls als ein Quellenmaterial zur Plasmaerzeugung vorhanden ist, mindestens ein partiell in das Quellenmaterial eintauchendes umlaufendes Element derart angeordnet ist, um Quellenmaterial in eine Plasmazone zur Plasmaerzeugung zu befördern, mindestens ein Laser zum Anregen des Quellenmaterials in der Plasmazone lokal auf eine Stelle des umlaufenden Elements gerichtet ist und ein Behälter zum Aufnehmen von ungenutztem Quellenmaterial vorhanden ist, dadurch gelöst, dass der Behälter für das ungenutzte Quellenmaterial als eine Auffangwanne ausgebildet ist, die eine Wannenöffnung in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Plasmazone und unterhalb des Schmelzbades sowie wenigstens eine geneigte Seitenwand aufweist, um das ungenutzte Quellenmaterial großflächig aufzufangen und in einem tiefsten Wannenbereich der Auffangwanne zu konzentrieren, dass mindestens ein Heizelement zum Heizen des ungenutzten Quellenmaterials auf eine Temperatur oberhalb einer Schmelztemperatur T_S des Quellenmaterials an der Auffangwanne anbracht ist und dass eine Kontrolleinheit zum Regeln der Temperatur des ungenutzten Quellenmaterials in der Auffangwanne mit mindestens einem an der Auffangwanne angebrachten Temperatursensor vorhanden ist.
Vorteilhaft ist die Auffangwanne als ein doppelwandiges Gefäß aus einer das ungenutzte Quellenmaterial aufnehmenden Innenwanne und einer die Innenwanne umgebenden Außenwanne ausgebildet. Dabei ist die Innenwanne vorzugsweise von der Außenwanne trennbar.
Zweckmäßig ist zwischen der Innenwanne und der Außenwanne zu deren thermischer Isolation ein Spalt vorgesehen.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass in dem Spalt das Heizelement untergebracht ist. In einer anderen Variante ist der Spalt zweckmäßig zum Durchströmen mit einem Kühlmittel vorgesehen. Vorzugsweise weist das Kühlmittel eine von der Kontrolleinheit geregelte Temperatur T auf, wobei das ungenutzte Quellenmaterial oberhalb der Schmelztemperatur T_S im Bereich T_S < T < T_S + 150 K temperiert ist.
In einer bevorzugten Ausführung weist die Auffangwanne mindestens zwei gegenüberliegende Seitenwände auf, die zur Mitte der Auffangwanne zusammenlaufend und in Richtung der Schwerkraft geneigt ausgerichtet sind.
Mindestens die Innenwanne der Auffangwanne besteht vorteilhaft aus widerstandsfähigem, thermisch und elektrisch leitendem Material, wobei mindestens die Innenwanne der Auffangwanne vorzugsweise aus Edelstahlblech hergestellt ist. Vorzugsweise weist mindestens die Innenwanne der Auffangwanne eine TiN-Beschichtung zur Steigerung der Widerstandsfähigkeit auf.
Zweckmäßig weist die Auffangwanne einen Füllstandssensor zur Erfassung eines Füllstandes des in der Auffangwanne befindlichen ungenutzten Quellenmaterials auf.
Zur Erweiterung des Fangbereiches der Auffangwanne ist vorteilhaft ein Fangblech oberhalb der Auffangwanne angeordnet, wobei das Fangblech geneigt zur Auffangwanne ausgerichtet ist und eine in oder über der Auffangwanne endende Abtropfkante aufweist. Bevorzugt ist das Fangblech gegenüber Auffangwanne elektrisch isoliert und die Abtropfkante als Füllstandssensor verwendbar.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Fangblech mindestens ein weiteres Heizelement und einen weiteren Temperatursensor aufweist.
In einer besonders bevorzugten Anordnung ist die Auffangwanne aus der Strahlungsquelle herausnehmbar. Dabei sind zweckmäßig Hebeösen an der Auffangwanne angebracht, an denen die Auffangwanne aus der Strahlungsquelle herausnehmbar ist.
Die Kontrolleinheit weist vorzugsweise einen PID-Regler zur Regelung der Heizelemente in Abhängigkeit von der mit dem mindestens einen Temperatursensor erfassten Temperatur T des ungenutzten Quellenmaterials auf. Dafür ist es zweckmäßig, dass der mindestens eine Temperatursensor unterhalb eines Minimalfüllstands des ungenutzten Quellenmaterials an der Auffangwanne angeordnet ist.
Dabei weist die Kontrolleinheit Mittel zur Erkennung von Temperatursprüngen auf, mit denen eine plötzliche Zunahme des aus der Plasmazone austretenden ungenutzten Quellenmaterials als ein Fehlerfall detektierbar ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer EUV-Strahlungsquelle mit einem umlaufenden Element zur Bereitstellung des Emittermaterials zur Plasmaerzeugung,
2 einen prinzipiellen Aufbau einer EUV-Strahlungsquelle mit zwei umlaufenden Elektroden zur Erzeugung eines Gasentladungsplasmas (GDP),
3 ein Beispiel einer DPP-Strahlungsquelle (Bildausschnitt mit den wesentlichen Elementen) mit geneigt und gegeneinander angewinkelt angeordneten rotierenden Scheibenelektroden unter Verwendung einer Auffangwanne mit zusätzlichem Fangblech,
4 eine Gestaltung des Fangblechs gemäß der Ausführung von 3 mit Heizelement und Temperatursensoren als kombinierte Anordnung von Auffangwanne und Fangblech, dargestellt in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten auf die Rückseite des Fangblechs,
5 eine Ausführung der Auffangwanne mit einer aus einer Außenwanne herausnehmbaren Innenwanne und mit in der Außenwanne befestigten Heizelementen und Temperatursensoren in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben,
6 ein Beispiel für die Ausführung der Kontrolleinheit zur Ansteuerung der Heizelemente unter Auswertung mehrerer Temperatursensoren an der Auffangwanne und dem Fangblech und
7 zwei Diagramme mit einer Darstellung der mengenabhängig unterschiedlichen Temperaturverläufe in der Schmelz- und Kristallisationsphase des verwendeten Quellenmaterials.
Eine Strahlungsquelle 1 enthält in ihrem Grundaufbau, wie er in 1 dargestellt ist, mindestens ein umlaufendes Element 11, das ein Quellenmaterial 13 zur Erzeugung eines EUV-emittierenden Plasmas 15 regenerativ in einer Plasmazone 14 bereitstellt, ein Gefäß 12 mit einem erschmolzenen flüssigen Metall als das Quellenmaterial 13, in welches das umlaufende Element 11 wenigstens teilweise eintaucht, mindestens einen auf das umlaufende Element 11 gerichteten Laser 16, der auf einen Ort des umlaufenden Elements 11 in der Plasmazone 14 fokussiert ist, um das Quellenmaterial 13 zu erhitzen, und eine Auffangwanne 30 zum Auffangen von aus der Plasmazone 14 austretendem ungenutztem Quellenmaterial 13. An der Auffangwanne 30 ist mindestens ein Heizelement 33 angeordnet. Die Auffangwanne 30 weist mindestens einen Temperatursensor 34 und eine Kontrolleinheit 70 zum Regeln der Temperatur auf.
Gemäß 1 sind das Gefäß 12 mit dem Quellenmaterial 13 und dem mindestens einen umlaufenden Element 11 und die Auffangwanne 30 der Strahlungsquelle 1 in einer Vakuumkammer 10 aufgenommen.
Das umlaufende Element 11 ist in diesem Beispiel scheibenförmig, kreisrund und um eine horizontale Drehachse durch das Gefäß 12 rotierbar angeordnet. Im Gefäß 12 wird das metallische Quellenmaterial 13 in Form eines Schmelzbads bereitgestellt, in welches das umlaufende Element 11 beim Rotieren teilweise eintaucht. Beim Rotieren durch das Schmelzbad, wird an dem in das Schmelzbad eintauchenden Umfang des umlaufenden Elements 11 durch Adhäsionskräfte anhaftendes flüssiges Quellenmaterial 13 aufgenommen, sodass dieses einen peripheren Randbereich des umlaufenden Elements 11 benetzt.
Das umlaufende Element 11 transportiert das Quellenmaterial 13 innerhalb der Vakuumkammer 10 in die Plasmazone 14. Der gepulst betriebene und auf den Rand des umlaufenden Elements 11 fokussierte Laser 16 erhitzt das Quellenmaterial 13 lokal und findet aufgrund der Rotationsbewegung bei jedem Impuls frisches Quellenmaterial 13 vor. Dabei kann der Laser 16 entweder ausschließlich für die Erzeugung des die kurzwellige Strahlung emittierenden Plasmas 15 verwendet werden (LPP = Laser-Produced Plasma) oder – alternativ – lediglich eine Verdampfung (Vorionisation) des Quellenmaterials 13 auslösen, wobei zwei umlaufende Elemente 11 (eines davon in 1 gestrichelt gezeichnet) als Elektroden in der Plasmazone 14 für eine elektrische Entladung durch das verdampfte Quellenmaterial 13 hindurch sorgen, sodass das emittierende Plasma 15 als Entladungsplasma (DPP bzw. LDP) entsteht.
Bei der in 1 – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – dargestellten Variante wird das am Umfang des umlaufenden Elements 11 anhaftende Quellenmaterial 13 mit dem Laser 16 erhitzt, verdampft, ionisiert und in ein heißes Plasma 15 konvertiert. Die Stelle, an der mit dem Laser 16 das heiße Plasma 15 erzeugt wird, ist die Plasmazone 14. Die alternative Situation mit Verwendung von zwei umlaufenden Elementen 11 wird unten zu 2 genauer beschrieben.
Als Quellenmaterial 13 wird metallisches, im EUV-Bereich emittierendes Material (z. B. Lithium oder Zinn) verwendet, das oberhalb einer Schmelztemperatur (180,5°C bzw. 232°C) auf eine Temperatur (vorzugsweise 5–10 K oberhalb der Schmelztemperatur) temperiert wird und somit als das flüssige Metall in Form des Schmelzbads vorliegt.
Neben der Verwendung als Quellenmaterial 13 kann das Schmelzbad des flüssigen Metalls gleichzeitig als ein Kühlmittel für das umlaufende Element 11 verwendet werden. Durch die Anregung des Quellenmaterials 13 mittels des Lasers 16 zu heißem Plasma 15 kann sich das umlaufende Element 11 in kurzer Zeit sehr stark aufheizen. Die aufgenommene Wärme kann beim Eintauchen des umlaufenden Elements 11 an das Schmelzbad abgegeben werden. Zum Abführen der im Schmelzbad aufgenommenen Wärme weist die Strahlungsquelle 1 ein Kühlsystem 17 auf. Das Kühlsystem 17 ist als Kreislauf an das Gefäß 12 des Schmelzbads angeschlossen. Es führt kontinuierlich das durch das umlaufende Element 11 erhitzte Schmelzbad aus dem Gefäß 12 ab und führt gleichzeitig abgekühltes, knapp über den Schmelzpunkt des Quellenmaterials 13 temperiertes Schmelzbad zu. Da das Kühlsystem 17 für den Gegenstand der Erfindung nicht wesentlich ist, wird dieses hier nicht genauer ausgeführt.
Die Plasmaerzeugung in der Strahlungsquelle 1 erfolgt unter Hochvakuum. Zur Erzeugung des Vakuums (< 10 Pa) verfügt die Strahlungsquelle 1 über eine alle bisher beschriebenen Bestandteile der Strahlungsquelle 1 vollständig einhausende und abschließende (im Sinne von nach außen hin hermetisch abgedichtete) Vakuumkammer 10.
Mit zunehmender Intensität der in der Strahlungsquelle 1 erzeugten EUV-Strahlung werden bei der Plasmaerzeugung, neben dem verbrauchtem Quellenmaterial 13, eine Vielzahl Partikel, kleinster Tröpfchen oder Spritzer des Quellenmaterials 13 erzeugt, die aus der Plasmazone 14 in die Vakuumkammer 10 ausgestoßen werden. Das verbrauchte Quellenmaterial 13 steht für die Plasmaerzeugung nicht mehr zur Verfügung, wobei der Anteil an dem verbrauchten Quellenmaterial 13 im Verhältnis zum ausgestoßenen Quellenmaterial 13 so gering ist, das er vernachlässigt werden kann. Das ausgestoßene Quellenmaterial 13 ist ungenutztes Quellenmaterial 13, das ebenfalls für die Plasmaerzeugung nicht mehr zur Verfügung steht.
Das aus dem Schmelzbad austretenden ungenutzte Quellenmaterial 13 entsteht entweder bei auftretenden Betriebsfehlern der Strahlungsquelle 1, bei dem es beispielsweise zum Überlauf des Schmelzbads aus dem Gefäß 12 kommt, oder es entsteht bei der Plasmaerzeugung, bei der ein Teil des Quellenmaterials 13 aus der Plasmazone 14 ausgestoßen wird, nach unten fällt oder sich niederschlägt. Dieses ungenutzte Quellenmaterial 13 soll wie nachfolgend beschrieben aufgefangen werden.
Um jegliche Form von aus der Plasmazone 14 austretendem und durch die Schwerkraft nach unten fallendem ungenutzten Quellenmaterials 13 aufzufangen, ist innerhalb der Vakuumkammer 10, unterhalb des umlaufenden Elements 11 und des mit Quellenmaterial 13 gefüllten Gefäßes 12 die Auffangwanne 30 angeordnet.
Die Auffangwanne 30 weist eine Wannenöffnung 37 auf, die größer als ein in Richtung der Schwerkraft projizierter Grundriss des umlaufenden Elements 11 zusammen mit dem Gefäß 12 für das Schmelzbad ist, sodass auch weiter aus dem Gefäß 12 oder der Plasmazone 14 geschleuderte Spritzer des Quellenmaterials 13 sicher aufgefangen werden können. Ein festgelegter Maximalfüllstand 36 der Auffangwanne 30 für das ungenutzte Quellenmaterial 13 beträgt in der Regel etwa 5 bis 6 Liter. Bei Erreichen des Maximalfüllstands 36 ist im Rahmen einer manuell durchgeführten Wartung der Strahlungsquelle 1 ein Entleeren oder Austauschen der Auffangwanne 30 erforderlich.
Die Auffangwanne 30 weist einen doppelwandigen Aufbau aus einer Innenwanne 40 und einer Außenwanne 50 auf.
Das ungenutzte Quellenmaterial 13 wird ausschließlich in der Innenwanne 40 aufgenommen. Die Innenwanne 40 weist dazu die Form eines umgedrehten flachen Giebel-, Walm-, Mansarden- oder Tonnendaches mit mittig zu einem tiefsten Wannenbereich 38 zusammenlaufenden Seitenwänden 41 auf, sodass sämtliches aufgefangenes, ungenutztes Quellenmaterial 13 mittig in der Innenwanne 40 angesammelt werden kann.
Aus dem Gefäß 12 austretendes Quellenmaterial 13 kühlt außerhalb des Schmelzbads sehr schnell ab. Austretende Spritzer oder überlaufendes ungenutztes Quellenmaterial 13 würden in kurzer Zeit erstarren und zur Ausbildung von dicken Schichten, Stalaktiten oder sogar Säulen aus erstarrtem Quellenmaterial 13 führen, die unter einem erheblichen Aufwand wieder entfernt werden müssten. Um das zu vermeiden, wird das in der Auffangwanne 30 aufgefangene ungenutzte Quellenmaterial 13 stets im geschmolzenen Zustand gehalten.
Dazu ist in der Außenwanne 50 das Heizelement 33 angeordnet, das den zusammenlaufenden Seitenwänden 41 der Innenwanne 40 direkt gegenüberliegend und zu den Seitenwänden 41 parallel verlaufend angeordnet ist. Als Heizelement 33 wird bevorzugt ein Widerstandsheizdraht verwendet, der – vorzugsweise mäanderförmig verlegt – gegenüber den Außenseiten der Seitenwände 41 der Innenwanne 40 gleichverteilt angeordnet ist.
Das Heizen der Innenwanne 40 und des darin aufgenommenen ungenutzten Quellenmaterials 13 erfolgt durch eine vom Heizelement 33 ausgehende Wärmestrahlung oder auch Wärmeleitung durch Auflagekontakt. Um ein verlustarmes und mit einer geringen Verzögerungszeit erfolgendes Heizen zu erreichen, besteht die Innenwanne 40 aus einem chemisch und mechanisch widerstandsfähigen, thermisch gut leitenden Material. Die chemische Widerstandsfähigkeit definiert sich vorwiegend am Widerstand des Materials gegen elektrochemische Korrosion durch das Quellenmaterial 13, die bei steigender Temperatur zunehmend begünstigt wird. Die mechanische Widerstandsfähigkeit bezieht sich hauptsächlich auf die Festigkeit des Materials bzw. der Materialoberfläche, die dem Verschleiß des Materials durch fließendes und damit Reibung verursachendes Quellenmaterial 13 entgegen wirkt
Als Material der Auffangwanne 30 wird vorzugsweise Edelstahlblech verwendet, das sich gegenüber den verwendbaren Quellenmaterialien 13 und deren Schmelztemperaturen als ausreichend widerstandsfähig erweist. Für einen guten Wärmeübergang zur Innenwanne 40 ist das Heizelement 33 als elektrisch isolierter Widerstandsheizdraht so in der Außenwanne 50 befestigt, dass es ohne oder mit einem möglichst geringen Spalt 52 entlang der Seitenwände 41 der Innenwanne 40 verläuft.
Für eine Temperaturmessung ist in der Außenwanne 50 wenigstens ein Temperatursensor 34 so angebracht, dass er unmittelbar mit einer der gegenüberliegenden Außenseiten der Seitenwände 41 der Innenwanne 40 in Kontakt kommt. Der Temperatursensor 34 ist unterhalb eines festgelegten Minimalfüllstands 35 des Quellenmaterials 13 in der Innenwanne 40, im tiefsten Wannenbereich 38 angeordnet, sodass er die Temperatur des mittig in der Innenwanne 40 konzentrierten ungenutzten Quellenmaterials 13 auch bei Erreichen des Minimalfüllstands 35 erfassen kann.
Sowohl das Heizelement 33 als auch der Temperatursensor 34 sind an der Kontrolleinheit 70 angeschlossen. Mit der Kontrolleinheit 70 wird die Temperatur des aufgefangenen ungenutzten Quellenmaterials 13 überwacht und entsprechend den Ergebnissen der Temperaturmessung das Heizelement 33 geregelt. Bei der Verwendung von Zinn wird das Schmelzbad auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur T_S, bis maximal 400°C temperiert. Die Kontrolleinheit 70 ist auch geeignet, das Heizelement 33 nach festgelegten Temperaturprofilen zu regeln. Beispielsweise kann zum Verflüssigen von erstarrtem ungenutztem Quellenmaterial 13 zu Beginn des Heizvorgangs eine deutlich höhere Temperatur verwendet werden.
Die Innenwanne 40 ist von der Außenwanne 50 umgeben. Die Außenwanne 50 wird vorrangig zur Aufnahme und Stabilisierung der Innenwanne 40 und als mechanischer Schutz des Heizelements 33 und des Temperatursensors 34 verwendet, die von ungenutztem Quellenmaterial 13 abgeschirmt werden. Die Innenwanne 40 liegt mit ihrem äußeren Rand auf dem äußeren Rand der Außenwanne 50 auf. Der Rand der Innenwanne 40 ist dazu rahmenförmig in die Horizontale erweitert. Als Auflage für den Rand der Innenwanne 40 ist der Rand der Außenwanne 50 mit vielen sehr kleinen Auflagepunkten 51 versehen. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen Innenwanne 40 und Außenwanne 50 auf ein Minimum reduziert.
Bis auf die Auflagepunkte 51 verbleibt zwischen Innen- und Außenwanne 40 bzw. 50 nur der Spalt 52, durch den die Innenwanne 40 und das Heizelement 33 gegenüber der Außenwanne 50 und der Vakuumkammer 10 der Strahlungsquelle 1 thermisch isoliert wird. Der Spalt 52 bietet ausreichend Platz, um das Heizelement 33 und den Temperatursensor 34 aufzunehmen.
Die Innenwanne 40 lässt sich aus der Strahlungsquelle 1 entnehmen. Um die Innenwanne 40 aus der Außenwanne 50 bzw. der Vakuumkammer 10 entnehmen zu können, sind im Randbereich der Innenwanne 40 mindestens drei Hebeösen 32 (für eine stabile Dreipunktaufnahme) befestigt, die es gestatten, die Innenwanne 40 mittels eines Krans aufzunehmen und beispielsweise gegen eine andere Innenwanne 40 auszutauschen.
Im Inneren der Vakuumkammer 10 ist die gesamte Auffangwanne 30 mit der Außenwanne 50 auf einem Tragrahmen 31 abgestellt und lösbar befestigt. Die Außenwanne 50 besteht ebenfalls aus Edelstahlblech.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden in der Strahlungsquelle 1 zwei umlaufende Elemente 11 in Form von kreisrunden Scheibenelektroden zur Erzeugung des Plasmas 15 verwendet. Wie in 2 dargestellt, sind die umlaufenden Elemente 11 in der Strahlungsquelle 1 mit horizontal orientierten Drehachsen senkrecht stehend so nebeneinander angeordnet, dass sie sich an einer Stelle ihres Umfangs gegenüberstehen. Zwischen den beiden umlaufenden Elementen 11 verbleibt ein Elektrodenspalt 21, in dem ein starkes elektrisches Feld wirkt. Im Elektrodenspalt 21 wird das an den umlaufenden Elementen 11 anhaftende Quellenmaterial 13 mit dem Laser 16 verdampft und ionisiert, sodass es im Elektrodenspalt 21 zu einer Gasentladung kommen kann. Bei der Gasentladung wird das die EUV-Strahlung emittierende Plasma 15 (LDP = Laser-Assisted Discharge-Produced Plasma) gebildet.
Jedes der umlaufenden Elemente 11 verfügt über ein eigenes Gefäß 12, in dem das umlaufende Element 11 über das jeweilige Schmelzbad des metallischen Quellenmaterials 13 elektrisch und thermisch kontaktiert ist, und ein eigenes Kühlsystem 17. Um das elektrische Feld aufbauen zu können, müssen sowohl die Gefäße 12 als auch die Kühlsysteme 17 elektrisch voneinander isoliert sein.
Um aus beiden Gefäßen 12 austretendes Quellenmaterial 13 auffangen zu können, ist die Wannenöffnung 37 der Auffangwanne 30 größer als der in Richtung der Schwerkraft projizierte Grundriss der beiden umlaufenden Elemente 11 zusammen mit den beiden Gefäßen 12. Das Heizen des aufgefangenen Quellenmaterials 13 auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur verhindert in dieser Ausführung außerdem das Entstehen von Kurzschlüssen, die durch ausgetretenes und sich ablagerndes Quellenmaterial 13 zu einer elektrischen Verbindung (Schicht, Säulen- oder Stalaktitenbildung) zwischen den beiden Gefäßen 12 oder zwischen einem Gefäß 12 und der Auffangwanne 30 führen können.
In einem bevorzugten dritten, in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel funktioniert die Strahlungsquelle 1 entsprechend dem im vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebenen Prinzip. Innerhalb der hier zylinderförmig gestalteten Vakuumkammer 10 (3 zeigt nur einen Ausschnitt der Vakuumkammer 10) mit kreisrunder Grundfläche stehen sich die zwei umlaufenden Elemente 11 in Form von Scheibenelektroden unter einem stumpfen oder gestreckten Winkel gegenüber und sind leicht aus der Senkrechten verkippt. Die umlaufenden Elemente 11 sind in jeweils einem Elektrodengehäuse 20 aufgenommen, von dem sie nahezu vollständig umgeben sind. An den sich unmittelbar gegenüberstehenden Seiten der Elektrodengehäuse 20 weisen diese jeweils eine erste Öffnung 23 auf, durch die etwa 1/8 des Umfangs der umlaufenden Elemente 11 freigegeben wird. An einer Stelle des freigegebenen Umfangs sind die umlaufenden Elemente 11 maximal, bis auf den verbleibenden Elektrodenspalt 21, angenähert.
Innerhalb der Elektrodengehäuse 20 sind in einem in Richtung Schwerkraft nach unten gerichteten Teil unterhalb der umlaufenden Elemente 11 jeweils die Gefäße 12 zur Aufnahme des Quellenmaterials 13 angeordnet (in 3 durch das Elektrodengehäuse 20 verdeckt), in das die umlaufenden Elemente 11 von oben, mit einem Teil ihres Umfangs eintauchen. Beim Rotieren der umlaufenden Elemente 11 durch das Quellenmaterial 13 wird es in Form einer Beschichtung am Umfang der umlaufenden Elemente 11 in den Elektrodenspalt 21 transportiert.
In Richtung der Schwerkraft unterhalb der Gefäße 12 laufen die Elektrodengehäuse 20 in Form einer Spitze 22 aus. Die Spitzen 22 stellen einen tiefsten Punkt der Elektrodengehäuse 21 dar. An den Spitzen 22 weisen die Elektrodengehäuse 20 jeweils eine zweite Öffnung 24 auf, durch die in das Elektrodengehäuse 20 ausgetretenes Quellenmaterial 13 wieder aus den Elektrodengehäusen 20 abgeführt werden kann.
Zum Auffangen von in die Vakuumkammer 10 ausgetretenem oder aus den Elektrodengehäusen 20 abgeführtem Quellenmaterial 13 ist unterhalb der Elektrodengehäuse 20 die Auffangwanne 30 angeordnet.
Zwischen den beiden umlaufenden Elementen 11 wird durch eine angelegte Spannung das starke elektrische Feld erzeugt. In der Plasmazone 14, die im Bereich des kleinsten Elektrodenspaltes 21 liegt, wird durch Beaufschlagung eines der umlaufenden Elemente 11 mit dem gepulsten Laser 16 (in 3 nicht dargestellt) das am Umfang der umlaufenden Elemente 11 anhaftende Quellenmaterial 13 ionisiert. Infolge des starken elektrischen Feldes, das synchron zum Pulsregime des Lasers 16 geschaltet ist, kommt es im Elektrodenspalt 21 zur Gasentladung und zur Erzeugung des emittierenden Plasmas 15 (in 3 nicht dargestellt).
Die bei der Gasentladung aus der Plasmazone 14 ausgestoßenen Partikel, kleinen Tröpfchen oder Spritzer werden zum größten Teil schon innerhalb der Elektrodengehäuse 20 eingefangen, gesammelt und über die zweiten Öffnungen 24 an den Spitzen 22 der Elektrodengehäuse 20 in die Auffangwanne 30 abgegeben.
Durch die Gasentladungen können sich die umlaufenden Elemente 11 in kurzer Zeit sehr stark aufheizen. Deshalb wird das als Quellenmaterial 13 vorzugsweise verwendete Zinn auch als Kühlmittel für die umlaufenden Elemente 11 benutzt. Das Zinn wird durch das an die Gefäße 12 angeschlossene Kühlsystem 17 (in 3 nicht dargestellt) bereitgestellt und von diesem zusätzlich gekühlt. Dazu führt das Kühlsystem 17 den Gefäßen 12 das Quellenmaterial 13 abgekühlt und kontinuierlich zu und führt es nach dem Kontakt mit den umlaufenden Elementen 11 aufgeheizt wieder aus den Gefäßen 12 ab. Da die Gefäße 12 nach oben hin offen sind, kann es bei Störungen der Strahlungsquelle 1 oder des Kühlsystems 17 leicht zum Überlaufen des Quellenmaterials 13 in den Gefäßen 12 kommen. Das dabei aus den Elektrodengehäusen 20 austretende Quellenmaterial 13 wird ebenfalls an den Spitzen 22 der Elektrodengehäuse 20 in die Auffangwanne 30 abgegeben.
Konstruktionsbedingt sind in dieser Ausführung der Strahlungsquelle 1 die Befestigungsmöglichkeiten für die Auffangwanne 30 innerhalb der Vakuumkammer 10 stark beschränkt. Es ist deshalb nicht möglich, die Auffangwanne 30 mit der Wannenöffnung 37 (in 3 nicht dargestellt) direkt unterhalb der Spitzen 22 der Elektrodengehäuse 20 anzuordnen. In der Senkrechten befindet sich die Auffangwanne 30 gegenüber den Elektrodengehäusen 20 in einer tieferen Position. In der Waagerechten weist sie jedoch einen seitlichen Versatz zu einem von den Spitzen 22 ausgehenden Lot auf. Deshalb wird neben der Auffangwanne 30 ein separates Fangblech 60 verwendet, mit dem dieser Versatz überbrückt werden kann. Durch das separate Fangblech 60 wird ein durch die Wannenöffnung 37 vorgegebener Fangbereich der Auffangwanne 30 erweitert.
Das Fangblech 60 ist, abhängig von der konkreten konstruktiven Gestaltung der Strahlungsquelle 1, als eine schräge Fläche unter einem Winkel zwischen 10° und 60° zur Lotrichtung, von unterhalb der Spitzen 22 der Elektrodengehäuse 20 zur Auffangwanne 30 hin geneigt angeordnet. Es ist in seiner horizontalen Breite kleiner als die Auffangwanne 30 und in seiner geneigten Länge so groß ausgebildet, um den Versatz zwischen den Spitzen 22 und der Auffangwanne 30 zu überbrücken. Das obere Ende des Fangblechs 60 ist nahe den Spitzen 22 angeordnet, sodass das aus den zweiten Öffnungen 24 austretende sowie auch außen an den Elektrodengehäusen 20 ablaufendes Quellenmaterial 13, der Schwerkraft folgend, von den Spitzen 22 auf das Fangblech 60 tropfen kann. Damit beim Tropfen auf das Fangblech 60 auftretende Spritzer das Fangblech 60 nicht seitlich verlassen, weist das Fangblech 60 senkrecht nach oben angewinkelte Randkanten 61 auf.
Das abtropfende Quellenmaterial 13 läuft über das Fangblech 60 bis zu einem unteren Rand des Fangblechs 60. Der untere Rand bildet eine Abtropfkante 62, die innerhalb der Auffangwanne 30, in der Höhe des Maximalfüllstands 36 der Auffangwanne 30 angeordnet ist und an der das Quellenmaterial 13 vom Fangblech 60 in die Auffangwanne 30 abtropft.
In 4 ist das Fangblech 60 in einer perspektivischen Ansicht der Rückseite, von schräg unten dargestellt. Wegen der ausreichenden Widerstandsfähigkeit und der guten Wärmeleitung ist das Fangblech 60 ein Edelstahlblech. Das Fangblech 60 ist analog der Auffangwanne 30 mit einem weiteren Heizelement 63 versehen. Das weitere Heizelement 63 ist auf der den Elektrodengehäusen 20 abgewandten Rückseite des Fangblechs 60 vorzugsweise mäanderförmig verlegt und befestigt. Dadurch kann über das Fangblech 60 ablaufendes Quellenmaterial 13 stets im geschmolzenen Zustand gehalten werden.
Zur Überwachung der Temperatur des Fangblechs 60 sind weitere Temperatursensoren 64 auf der Rückseite des Fangblechs 60 befestigt. Diese vorzugsweise zwei weiteren Temperatursensoren 64 sind jeweils etwa lotrecht unter den Spitzen 22 an Auftreffpunkten 68 (nur in 3 dargestellt) von aus den Elektrodengehäusen 20 abtropfendem Quellenmaterial 13 und unterhalb einer horizontalen Mittellinie des Fangblechs 60 angeordnet. Gegenüber einem einzelnen weiteren Temperatursensor 64, der beispielsweise mittig am Fangblech 60 zwischen den Auftreffpunkten 68 angeordnet ist, weisen die zwei genau an den Auftreffpunkten 68 angeordneten weiteren Temperatursensoren 64 den Vorteil auf, dass z. B. überlaufendes Quellenmaterial 13 ohne Verzögerung festgestellt werden kann, da der Abstand zwischen den Auftreffpunkten 68 des Quellenmaterials 13 und den weiteren Temperatursensoren 64 sehr gering ist. Zur Regelung der Temperatur des Fangblechs 60 sind die weiteren Temperatursensoren 64 und das weitere Heizelement 63 mit der Kontrolleinheit 70 verbunden.
Wie die Auffangwanne 30 ist auch das Fangblech 60 doppelwandig ausgeführt. Zum Schutz der weiteren Temperatursensoren 64 und des weiteren Heizelements 63 und zur thermischen Isolation des weiteren Heizelements 63 gegenüber der Vakuumkammer 10 der Strahlungsquelle 1 ist die Rückseite des Fangblechs 60 mit einer Abdeckung 65 (in 4 ist die Rückseite des Fangblechs 60 ohne die Abdeckung 65 dargestellt) verkleidet. Die Abdeckung 65 ist dazu mit dem Fangblech 60 verschraubt, wobei die Verschraubung über wenige (maximal 4 bis 6 Stück) fest mit der Rückseite des Fangblechs 60 verbundene Gewindebolzen 66 erfolgt.
Das Fangblech 60 wird über die zuvor beschriebenen Gewindebolzen 66 an einer entsprechenden Fangblechhalterung 67 innerhalb der Vakuumkammer 10 an der Strahlungsquelle 1 befestigt (nur in 3 dargestellt). Es weist keine Verbindung zur Auffangwanne 30 auf.
Theoretisch könnte das Fangblech 60 auch durch eine entsprechende Verlängerung einer der zusammenlaufenden Seitenwände 41 der Innenwanne 40 ersetzt werden. Das separate Fangblech 60 weist jedoch mehrere, im Folgenden beschriebene Vorteile auf.
Durch die separate Aufnahme an der Fangblechhalterung 67 kann die Position des Fangblechs 60 sowohl lateral als auch in der Neigung gegenüber den Elektrodengehäusen 20 und der Auffangwanne 30 eingestellt werden. Das ist insbesondere für die Größe eines Abstands zu den Elektrodengehäusen 20 wichtig, um Kurzschlüsse zwischen den unter der hoher Spannung stehenden Elektrodengehäusen 20 und dem Fangblech 60 zu verhindern. Durch die Trennung von der Auffangwanne 30 braucht zur Einstellung des Fangblechs 60 nur das Fangblech 60 und nicht die gesamte Auffangwanne 30 mit dem hohen spezifischen Gewicht des aufgefangenen Quellenmaterials 13 bewegt zu werden.
Aufgrund der beengten Platzverhältnisse in der Vakuumkammer 10 ist es im Fall einer Entfernung oder des Austauschens der Innenwanne 40 aus der Strahlungsquelle 1 von Vorteil, wenn die Innenwanne 40 durch das schräg abstehende Fangblech 60 nicht zusätzlich vergrößert ist. Dadurch wird das Entfernen oder der Austausch der Auffangwanne 30 sehr einfach und nimmt wenig Zeit in Anspruch.
Außerdem ermöglicht die separate Anbringung des Fangblechs 60 eine differenziertere Temperaturmessung zwischen der Auffangwanne 30 und dem Fangblech 60. Da kein thermischer Kontakt zwischen beiden besteht, bleibt die jeweils andere Messung unbeeinflusst von Temperaturunterschieden zwischen Auffangwanne 30 und Fangblech 60. Dadurch können bestimmte Betriebs- oder Fehlerzustände der Strahlungsquelle 1 schneller und sicherer erkannt werden.
Weiterhin ist es durch das separate Fangblech 60 möglich, zwei getrennte Heizelemente 33 und 63 einzusetzen, mit denen die Auffangwanne 30 unabhängig vom Fangblech 60 beheizt werden kann. Beim Aufheizen einer in der Auffangwanne 30 erstarrten Metallschmelze kann das Fangblech 60 unbeheizt bleiben. Dadurch wird ein zusätzlicher und beim Aufheizen unnötiger Wärmeeintrag in die Strahlungsquelle 1 verhindert.
In 5 sind die Innenwanne 40 und die Außenwanne 50 der Auffangwanne 30 (entsprechend 3) in einer perspektivischen Ansicht von oben dargestellt. Die Innenwanne 40 ist aus der Außenwanne 50 entnommen dargestellt, sodass das an der Innenseite der Außenwanne 50 befestigte, im Spalt 52 mäanderförmig verlegte Heizelement 33 und der Temperatursensor 34 sichtbar sind.
Durch die herausnehmbare Innenwanne 40 wird eine besonders einfache Handhabung des in der Auffangwanne 30 aufgefangenen Quellenmaterials 13 ermöglicht. Das ist besonders vorteilhaft, wenn statt des hier beschriebenen und preiswerten Zinns deutlich teurere Quellenmaterialien 13, wie beispielsweise Gadolinium oder Terbium, zur Erzeugung von noch kurzwelliger emittierendem Plasma verwendet werden. Bei diesen Quellenmaterialien 13 ist eine möglichst vollständige Wiederverwertung ein entscheidender Kostenfaktor.
Wie bereits zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ist es für eine fehlerfreie Funktion der Strahlungsquelle 1 entscheidend, das Quellenmaterial 13 in der Auffangwanne 30 im geschmolzenen Zustand zu halten. Wie in 6 schematisch dargestellt, sind dazu die Heizelemente 33 an der Auffangwanne 30 und weitere Heizelemente 63 am Fangblech 60 angebracht. Entsprechend den mit den Temperatursensoren 34 der Auffangwanne 30 und den weiteren Temperatursensoren 64 am Fangblech 60 separat gemessenen Temperaturen werden die Heizelemente 33 und 63 ebenfalls separat über einen PID-Regler 71 der Kontrolleinheit 70 angesteuert. Eine Beeinflussung der Kontrolleinheit 70 kann mittels einer frei programmierbaren Steuerung 72 erfolgen.
Von der Kontrolleinheit 70 wird die Temperatur der Auffangwanne 30 und des Fangblechs 60 stets geringfügig oberhalb der Schmelztemperatur des Quellenmaterials 13 gehalten. Bei der Verwendung von Zinn sind die Auffangwanne 30 und das Fangblech 60 stets auf mindestens 237°C, vorzugsweise auf 242°C beheizt. Die Kontrolleinheit 70 verhindert gleichzeitig auch ein zu starkes Heizen des Quellenmaterials 13, indem die Heizelemente 33 und 63 bei Erreichen einer Höchsttemperatur abgeschaltet werden. Bei Zinn liegt die Höchsttemperatur bei etwa 400°C, da ab dieser Höchsttemperatur die korrosive Wirkung des Zinns gegenüber dem Edelstahl der Auffangwanne 30 und des Fangblechs 60 stark zunimmt.
Für eine hohe Prozesssicherheit sind im Ausführungsbeispiel in 6 die Temperatursensoren 34 und 64 jeweils redundant ausgeführt. Die Kontrolleinheit 70 weist für die redundanten Temperatursensoren 34 der Auffangwanne 30 und für die redundanten weiteren Temperatursensoren 64 am Fangblech 60 jeweils einen Umschalter 73 auf, mit dem bei einer auftretenden Störungen jeweils zwischen den Temperatursensoren 34 oder 64 umgeschaltet werden kann.
Aus kontinuierlich durchgeführten Temperaturmessungen der Kontrolleinheit 70 lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand der Strahlungsquelle 1 ziehen.
Anhand von in 7 gezeigten Temperaturmesskurven können sowohl in einer Schmelzphase (beim Aufheizen des erstarrten Metalls) als auch in einer Kristallisationsphase (beim Erstarren der Metallschmelze) des Quellenmaterials 13 Informationen über eine in der Auffangwanne 30 befindliche Menge des Quellenmaterials 13 gewonnen werden. In der Schmelz- und Kristallisationsphase gibt es in bestimmten Temperaturbereichen charakteristische Temperaturverläufe, die auswertbar sind. Hierbei handelt es sich um Bereiche, in denen die Temperatur des Quellenmaterials 13 während der Aufheizung oder der Abkühlung für kurze Zeit unverändert bleibt. Ursache sind in der Schmelz- und der Kristallisationsphase stattfindende endotherme oder exotherme Vorgänge im Metallgitter des Quellenmaterials 13, deren zeitliche Verläufe sich proportional zur Menge des Quellenmaterials 13 ändern. Je größer die Menge des Quellenmaterials 13 ist, umso länger dauert der charakteristische Temperaturverlauf an.
Weiterhin ist es möglich, einen Anstieg der Temperatur beim Aufheizen des in der Auffangwanne 30 befindlichen Quellenmaterials 13 aus dem erstarrten Zustand auszuwerten. Bei einer konstanten Heizleistung des Heizelements 33 ist der Anstieg der Temperatur proportional zur Menge des in der Auffangwanne 30 befindlichen Quellenmaterials 13. Aus dem Anstieg kann anhand von Vergleichswerten ebenfalls die Menge des in der Auffangwanne 30 befindlichen Quellenmaterials 13 ermittelt werden, da eine größere Menge des Quellenmaterials 13 zu einem vergleichsweise langsameren und eine kleinere Menge zu einem vergleichsweise schnelleren Anstieg der Temperatur führt.
Aus der ermittelten Menge des in der Auffangwanne 30 aufgefangenen Quellenmaterials 13, lässt sich indirekt auf die in der Strahlungsquelle 1 verbliebene Menge des Quellenmaterials 13 schließen, sodass bei geringer Menge von der Kontrolleinheit 70 beispielsweise Fehlermeldungen oder Wartungshinweise generiert werden können. Das ist einerseits von Vorteil, da die in der Strahlungsquelle 1 verbliebene Menge aufgrund der Komplexität der Strahlungsquelle 1 in der Regel nur schwer zu überprüfen ist; andererseits ist die kontinuierliche Überprüfung von wesentlicher Bedeutung, da ein Betrieb der Strahlungsquelle 1 mit einer zu geringen Menge an Quellenmaterial 13 zu einer starken Beschädigung der Strahlungsquelle 1 führen kann.
Aus dem Anstieg der Temperatur lassen sich auch Störungen der Strahlungsquelle 1 erkennen. Wird beispielsweise am Fangblech 60 ein plötzlicher und anhaltender Temperaturanstieg gemessen, ist von einem Stau mit anschließendem Überlauf des Quellenmaterials 13 in einem der Gefäße 12 auszugehen. Bei Erkennung solcher charakteristischer Temperaturverlaufsmuster generiert die Kontrolleinheit 70 eine Fehlermeldung.
In einer weiter verfeinerten Ausführung der Erfindung kann ebenfalls der Verlust an für die Plasmaerzeugung zur Verfügung stehendem Quellenmaterial 13 aus einem der Gefäße 12 festgestellt werden. Um den Verbrauch an Quellenmaterial 13 jederzeit, also auch ohne das zwischenzeitliche vollständige Abkühlen der Auffangwanne 30 zu ermitteln, wird das Heizelement 33 der Auffangwanne 30 im normalen Betrieb der Strahlungsquelle 1 mit einem definierten Temperaturprofil betrieben. Dazu wird die normalerweise konstante Heizleistung mit einem alternativ steigenden und abfallenden Heizstrom betrieben (d. h. ein „Wechselstrom“ mit sehr geringer Frequenz und definiertem Profil überlagert), der zudem eine Amplitude aufweist, welche die Auffangwanne 30 stets auf einem Temperaturniveau moderat oberhalb der Schmelztemperatur des Quellenmaterials 13 hält. Über den Zeitraum der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke des Heizstroms wird ein daraus resultierender Anstieg bzw. Abfall der Temperatur gemessen. Aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Temperatur kann dann die Menge des Quellenmaterials 13 in der Auffangwanne 30 ermittelt und der Verbrauch des für die Plasmaerzeugung bereitstehenden Quellenmaterials 13 berechnet werden.
In einer weiteren Ausführung ist sowohl das Heizelement 33 als auch der Temperatursensor 34 der Auffangwanne 30 direkt an der Außenoberfläche der Innenwanne 40 befestigt. Dabei sind die Innenwanne 40 und die Außenwanne 50 über eine lösbare Verbindung fest miteinander verbunden, wobei die Auffangwanne 30 komplett, mittels an der Außenwanne 50 befestigten Hebeösen 32 (wie in 4 dargestellt) aus der Strahlungsquelle 1 bzw. der Vakuumkammer 10 entnommen werden kann. Da das Heizelement 33 und der Temperatursensor 34 an der Kontrolleinheit 70 angeschlossen sind und diese zusammen mit der Auffangwanne 30 aus der Strahlungsquelle 1 entnommen werden, verfügen die Anschlüsse über einen trennbaren elektrischen Verbinder, mit dem sie von der Kontrolleinheit 70 getrennt werden können.
In einer weiteren Ausführung sind die vier Seitenwände 41 der Auffangwanne 30 mittig zusammenlaufend, in Form eines invertierten Walmdachs angeordnet. Durch die Schwerkraft wird das in der Auffangwanne 30 aufgenommene Quellenmaterial 13 mittig in der Auffangwanne 30 konzentriert.
Alle ständig mit dem Quellenmaterial 13 in Kontakt kommenden Oberflächen der Auffangwanne 30 und des Fangblechs 60 sind mit einer Beschichtung zur Steigerung der Widerstandsfähigkeit des Edelstahls versehen. Bei der Verwendung von Zinn als Quellenmaterial 13 kann dazu beispielsweise eine TiN-Beschichtung verwendet werden.
Das separat in der Strahlungsquelle 1 befestigte Fangblech 60 ist elektrisch gegenüber der Auffangwanne 30 und der Strahlungsquelle 1 isoliert und wird in dieser Ausführung als ein Füllstandssensor verwendet. Dazu ist das Fangblech 60, wie in 4 dargestellt, so gegenüber der Auffangwanne 30 ausgerichtet und befestigt, dass dessen Abtropfkante 62 genau auf der Höhe des Maximalfüllstands 36 in der Auffangwanne 30 endet. Steigt der Füllstand des Quellenmaterials 13 in der Auffangwanne 30 bis zum Maximalfüllstand 36 an, kommt die Abtropfkante 62 des Fangblechs 60 in Kontakt zum Quellenmaterial 13 und schließt einen von der Kontrolleinheit 70 bereitgestellten Stromkreis, mit dem eine Füllstandswarnung generiert wird.
Zur Erkennung des Maximalfüllstands 36 oder des Minimalfüllstands 35 oder von beliebigen Zwischenfüllständen können auch handelsübliche Füllstandssensoren (nicht gezeichnet) verwendet werden, die in oder an der Innenwanne 40 befestigt sind.
In einer gegenüber 1 oder 2 modifizierten Ausführung der Auffangwanne 30 kann der Spalt 52 zwischen der Innenwanne 40 und der Außenwanne 50 zur gezielten Kühlung des in der Innenwanne 40 befindlichen Quellenmaterial 13 benutzt werden. Dazu müssen an der Außenwanne 50 ein Zufluss und ein Abfluss (nicht gezeichnet) vorhanden sein, durch die ein Kühlmittel in den Spalt 52 zwischen Innen- und Außenwanne 40 bzw. 50 eingeleitet werden kann, sodass der Spalt 52 vollständig vom Kühlmittel durchflossen wird. Die Temperatur bzw. der Durchfluss des Kühlmittels kann dann von der Kontrolleinheit 70 geregelt werden. Bei der Verwendung von Zinn ist die Temperatur des Quellenmaterials 13 mit dem Kühlmittel unterhalb von 400°C, jedoch stets oberhalb der Schmelztemperatur T_S zu halten. Für beliebige andere Quellenmaterialien 13 sollte der Temperaturbereich oberhalb der Schmelztemperatur T_S auf T_S + 150 K beschränkt sein.
Alternativ zur oben erläuterten Ermittlung der in der Auffangwanne 30 vorhandenen Menge des Quellenmaterials 13 anhand des Anstiegs der Temperatur beim Aufheizen ist es genau so möglich, die Menge beim Abkühlen des Quellenmaterials 13 zu ermitteln. Mit einem konstanten Volumenstrom des durch den Spalt 52 fließenden Kühlmittels kann der Abfall der Temperatur erfasst werden und der Abfall anhand von Vergleichswerten der Menge des in der Auffangwanne 30 befindlichen Quellenmaterials 13 zugeordnet werden. Gegenüber der Mengenermittlung beim Aufheizen kann hier ein Einfluss der von der Kontrolleinheit 70 durchgeführten Temperaturregelung ausgeschlossen werden, sodass die Mengenermittlung beim Abkühlen genauer ist.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsquelle
10: Vakuumkammer
11: umlaufendes Element
12: Gefäß
13: Quellenmaterial
14: Plasmazone
15: Plasma
16: Laser
17: Kühlsystem
20: Elektrodengehäuse
21: Elektrodenspalt
22: Spitze
23: erste Öffnung
24: zweite Öffnung
30: Auffangwanne
31: Tragrahmen
32: Hebeöse
33: Heizelement
34: Temperatursensor
35: Minimalfüllstand
36: Maximalfüllstand
37: Wannenöffnung
38: tiefster Wannenbereich
40: Innenwanne
41: Seitenwände
50: Außenwanne
51: Auflagepunkt
52: Spalt
60: Fangblech
61: Randkante
62: Abtropfkante
63: weiteres Heizelement
64: weiterer Temperatursensor
65: Abdeckung
66: Gewindebolzen
67: Fangblechhalterung
68: Auftreffpunkt
70: Kontrolleinheit
71: PID-Regler
72: programmierbare Steuerung
73: Umschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/027158 A2 [0005, 0009]
WO 05/101924 A1 [0007]
US 7531820 B2 [0007]
US 7800026 B2 [0007]
US 7649187 B2 [0007]
US 8040033 B2 [0007, 0011]

Claims

Strahlungsquelle zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der ein Schmelzbad eines flüssigen Metalls als ein Quellenmaterial (13) zur Plasmaerzeugung vorhanden ist, mindestens ein partiell in das Quellenmaterial (13) eintauchendes umlaufendes Element (11) derart angeordnet ist, um Quellenmaterial (13) in eine Plasmazone (14) zur Plasmaerzeugung zu befördern, mindestens ein Laser (16) zum Anregen des Quellenmaterials (13) in der Plasmazone (14) lokal auf eine Stelle des umlaufenden Elements (11) gerichtet ist und ein Behälter zum Aufnehmen von bei der Plasmaerzeugung ungenutztem Quellenmaterial (13) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter für das ungenutzte Quellenmaterial (13) als eine Auffangwanne (30) ausgebildet ist, die eine Wannenöffnung (37) in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Plasmazone (14) und unterhalb des Schmelzbades sowie wenigstens eine geneigte Seitenwand (41) aufweist, um das ungenutzte Quellenmaterial (13) großflächig aufzufangen und in einem tiefsten Wannenbereich (38) der Auffangwanne (30) zu konzentrieren, mindestens ein Heizelement (33) zum Heizen des ungenutzten Quellenmaterials (13) auf eine Temperatur T oberhalb einer Schmelztemperatur T_S des Quellenmaterials (13) an der Auffangwanne (30) anbracht ist, eine Kontrolleinheit (70) zum Regeln der Temperatur T des ungenutzten Quellenmaterials (13) in der Auffangwanne (30) mit mindestens einem an der Auffangwanne (30) angebrachten Temperatursensor (34) vorhanden ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangwanne (30) ein doppelwandiges Gefäß aus einer das ungenutzte Quellenmaterial (13) aufnehmenden Innenwanne (40) und einer die Innenwanne (40) umgebenden Außenwanne (50) aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwanne (40) von der Außenwanne (50) trennbar ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (52) zwischen der Innenwanne (40) und der Außenwanne (50) zu deren thermischer Isolation vorgesehen ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (52) zur Unterbringung des Heizelements (33) vorgesehen ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (52) zum Durchströmen mit einem Kühlmittel vorgesehen ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine von der Kontrolleinheit (70) geregelte Temperatur T aufweist, wobei das ungenutzte Quellenmaterial (13) oberhalb der Schmelztemperatur T_S im Bereich T_S < T < T_S + 150 K temperiert ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangwanne (30) mindestens zwei gegenüberliegende Seitenwände (41) aufweist, die zur Mitte der Auffangwanne (30) zusammenlaufend und in Richtung der Schwerkraft geneigt ausgerichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwanne (40) der Auffangwanne (30) aus widerstandsfähigem, thermisch und elektrisch leitendem Material besteht.
Strahlungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwanne (40) der Auffangwanne (30) aus Edelstahlblech herstellt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwanne (40) der Auffangwanne (30) eine TiN-Beschichtung zur Steigerung der Widerstandsfähigkeit aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangwanne (30) einen Füllstandssensor zur Erfassung eines Füllstandes des in der Auffangwanne (30) befindlichen ungenutzten Quellenmaterials (13) aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fangblech (60) zur Erweiterung der Auffangwanne (30) oberhalb der Auffangwanne (30) angeordnet ist, wobei das Fangblech (60) schräg zur Auffangwanne (30) ausgerichtet ist und eine in der Auffangwanne (30) endende Abtropfkante (62) aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fangblech (60) gegenüber der Auffangwanne (30) elektrisch isoliert ist und die Abtropfkante (62) als Füllstandssensor verwendbar ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fangblech (60) mindestens ein weiteres Heizelement (63) und einen weiteren Temperatursensor (64) aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangwanne (30) aus der Strahlungsquelle (1) herausnehmbar ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Hebeösen (32) an der Auffangwanne (30) angeordnet sind, an denen die Auffangwanne (30) aus der Strahlungsquelle (1) herausnehmbar ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (70) einen PID-Regler (71) zur Regelung der Heizelemente (33, 63) entsprechend der mit dem mindestens einen Temperatursensor (34) erfassten Temperatur T des ungenutzten Quellenmaterials (13) aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Temperatursensor (34) unterhalb eines Minimalfüllstands (35) des ungenutzten Quellenmaterials (13) an der Auffangwanne (30) angeordnet ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (70) Mittel zur Erkennung von Temperatursprüngen aufweist, mit denen eine plötzliche Zunahme des aus der Plasmazone (14) austretenden ungenutzten Quellenmaterials (13) als ein Fehlerfall detektierbar ist.