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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung der Strahlungsstärke
einer gepulsten VUV- oder EUV-Strahlung. Die Bestimmung der Strahlungsstärke umfasst
dabei sowohl die mittlere Strahlungsleistung sowie die Pulsenergie
von intensiver und hochgradig gepulster VUV- oder EUV-Strahlung
(Photonenenergie: 10 eV bis 200 eV; mittlere Strahlungsleistung:
50 μW bis
50 W; Spitzenstrahlungsleistung: 10 MW bis 10 GW, Pulsenergie: 10 μJ bis 1 mJ;
Pulsfrequenz: 1 Hz bis 10 MHz, Pulsdauer: 0,1 ps bis 10 ns). Die
Erfindung betrifft ferner einen Monitordetektor für derartige
VUV- oder EUV-Strahlung und dessen Verwendung.
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Die Erzeugung hochgradig gepulster
und intensiver Strahlung im Vakuum-UV (VUV) bzw. Extrem-UV (EUV)
erfolgt derzeit in erster Linie an Freie-Elektronen-Lasern (FEL). Der
Bedarf an intensiver VUV- oder EUV-Strahlung ergibt sich beispielsweise
für die
EUV-Lithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. Die
hierfür
verwendbaren Strahlungsquellen emittieren aller Voraussicht nach
hochgradig gepulste Strahlung und basieren ggf. sogar auf dem Prinzip
eines FEL. Bei der industriellen Nutzung derartiger Quellen im Bereich
EUV-Lithographie ist eine genaue Kontrolle von Bestrahlungsdosen
und eine Überwachung
der Strahlungsleistungen bzw. Pulsenergien unumgänglich.
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Es besteht daher ein Bedarf für geeignete
Detektoren, mit deren Hilfe sich Strahlungsleistung und Pulsenergie
von intensiver und hochgradig gepulster VUV- oder EUV-Strahlung bestimmen lassen,
ohne die Strahlung merklich abzuschwächen (Monitordetektoren). Darüber hinaus
besteht ein Bedarf für
solche Detektoren, die sich zur Ausbildung eines kalibrierbaren
Transfernormals eignen, mit einem hinreichenden Maß an Strahlungsstabilität und Linearität, dessen
Kalibrierung seinerseits auf bekannte primäre Detektornormale rückführbar ist,
wie z.B. auf das elektrische Substitutionsradiometer SYRES II, das
die Physikalisch-Technische
Bundesanstalt in Kombination mit monochromatisierter VUV-Synchrotronstrahlung
in ihrem Radiometrielabor am Elektronenspeicherring BESSY II in
Berlin einsetzt. SYRES II ist ein thermischer Detektor, der auf der Äquivalenz
der Aufheizung eines Hohlraumabsorbers durch Strahlungsleistung
und elektrische Leistung beruht, wobei der Hohlraumabsorber einen
Absorptionsgrad von nahezu 100 % aufweist. Der Hohlraumabsorber
wird mit einer Umgebungstemperatur von ca. 4,2 K betrieben. Ohne
Strahlung wird eine leicht erhöhte Temperatur
durch Zuführung
elektrischer Leistung erzeugt und eingeregelt. Trifft nun in einem
zweiten Schritt Strahlung auf, wird die für die Aufrechterhaltung der
Regeltemperatur benötigte
elektrische Leistung um den Betrag der einfallenden Strahlungsleistung
vermindert. Die Differenz der zugeführten elektrischen Leistung ohne
und mit Strahlung entspricht daher der absorbierten Strahlungsleistung.
Derartige absolute Detektorennormale sind jedoch sehr aufwendig
und weisen nur einen begrenzten Dynamikbereich von etwa drei Größenordnungen
auf, innerhalb dessen sie verwendbar sind.
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Die üblicherweise im VUV oder EUV
als kalibrierbare Transfer-Detektornormale verwendeten Halbleiter-Photodetektoren
würden
durch die intensive und mit außerordentlich
kurzen Pulsen ausgesandte Strahlung eines FEL oder einer vergleichbaren
EUV-Strahlungsquelle zerstört
oder zumindest gesättigt
werden. Die alternative Verwendung photoemissiver Festkörperdetektoren
ist dagegen für
eine zuverlässige
und reproduzierbare absolute Photonendetektion im VUV oder EUV grundsätzlich limitiert,
da die Emission der Photoelektronen bei derartigen Detektoren und
damit deren Signal extrem von der Reinheit der emittierenden Oberfläche abhängt.
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Für
die Detektion von Strahlung im VUV oder EUV sind ferner Gasdetektoren
bekannt, in denen eine meist atomare Photoionisation durch die einfallende
Strahlung stattfindet. Das bekannte Prinzip der sog. Doppelionisationskammer
nach Samson zur Messung mittlerer Strahlungsleistungen basiert dabei
auf dem Betrieb bei verhältnismäßig hohen
Gasdrücken
im Bereich von 1 hPa und der Schwächung der Strahlungsintensität bei der
Durchstrahlung der Ionisationskammer. Die elektrischen Signale werden
erzeugt durch Extraktion und Aufsammeln der positiv geladenen Photoionen.
Dieses Prinzip eignet sich daher nicht als Monitordetektor und auch
nicht in der Umgebung von Ultrahochvakuum bei Drücken im Bereich 10–9 hPa.
Wegen der hohen Masse von Photoionen (gegenüber Photoelektronen) und der
damit verbundenen langen Flugdauer ist das Prinzip der Doppelionisationskammer
nach Samson auch nicht optimal für
pulsaufgelöste
Messungen bei gepulsten Strahlungsquellen. Eine denkbare Alternative
besteht in einem typischen und bekannten Photoionisationsexperiment,
bei dem mit niedrigen Gasdrücken < 10–4 hPa
gearbeitet wird und der Nachweis über die Detektion von Photoionen
oder Photoelektronen geschehen kann, jedoch mit Hilfe von Sekundärelektronenvervielfachung,
d.h. einer Signalverstärkung
beispielsweise durch Mikrokanalplatten-(MCP-)Detektoren oder sog. Channeltrons.
Wegen der Signalverstärkung
beim Photoelektronen- oder Photoionennachweis können aber auch derartige Detektoren
auf dem Prinzip des bekannten Photoionisationsexperimentes durch
die intensive und innerhalb kürzester
Pulse ausgesandte Strahlung eines FEL oder einer entsprechenden
EUV-Strahlungsquelle, die auch bei Gasdrücken < 10–4 hPa
Photoelektronen und Photoionen im Bereich 106 bis
109 pro Puls erzeugen können, leicht in die Sättigung
gebracht werden.
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Das der Erfindung zugrundeliegende
Problem besteht somit darin, dass kein Monitordetektor zur Verfügung steht,
der für
die Detektion von intensiver und hochgradig gepulster Strahlung
im EUV- bzw. VUV-Bereich einsetzbar und als kalibriertes Normal
verwendbar ist.
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Die vorliegende Endung geht daher
von der Problemstellung aus, die Detektion und insbesondere die kalibrierbare
Detektion derartiger Strahlung zu ermöglichen.
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Zur Lösung des Problems dient erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Bestimmung der Intensität
von gepulster VUV- oder EUV-Strahlung mit folgenden Verfahrensschritten:
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- – Durchstrahlung
einer mit Gas bei einem definierten Druck < 10–4 hPa
gefüllten
Wechselwirkungszone in einer definierten Strahlrichtung zur Bildung
von Photoelektronen und Photoionen,
- – Beschleunigung
der Photoelektronen und Photoionen in einem definieren Winkel zur
Strahlrichtung durch ein elektrisches Feld,
- – Detektion
von Ladung oder Strom der beschleunigten Photoelektronen und Photoionen
als Maß für die zu
bestimmende Intensität
der Strahlung unter Verzicht auf Ladungsvervielfachung.
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Zur Lösung des Problems ist ferner
ein Monitordetektor für
intensive VUV- oder EUV-Strahlung mit folgenden Merkmalen angegeben:
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- – eine
mit einem Gas bei einem definierten Druck < 10–4 hPa
gefüllten
Wechselwirkungskammer, durch die Strahlung mit einer definierten
Strahlrichtung hindurch tritt,
- – Elektroden
zur Ausbildung eines elektrischen Feldes senkrecht zur Strahlrichtung,
- – Sammelelektroden
als nicht-verstärkende
Strom- oder Ladungsdetektoren für
Photoelektronen und/oder Photoionen.
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Erfindungsgemäß gelingt es erstmalig, einen
geeigneten Detektor für
extreme Strahlungsintensitäten in
extrem kurzen Pulsen einzusetzen, indem eine mit einem Gas bei einem
definierten Druck zwischen 10–4 hPa und 10–6 hPa
gefüllte Wechselwirkungskammer
durchstrahlt wird und die darin generierten Photoelektronen und
Photoionen beschleunigt und ohne Signalverstärkung detektiert werden. Durch
geeignete Abmessungen und Betriebsspannungen lässt sich ein linearer Dynamikbereich
des Monitordetektors von mindestens acht Größenordnungen gewährleisten.
Die Wechselwirkungskammer ist dabei vorzugsweise mit einem Edelgas
gefüllt,
wobei sich beispielsweise die Verwendung von Xenon mit einem Druck
von etwa 10–5 hPa
bewährt hat.
Die präzise
Gasdruckmessung kann dabei mit Hilfe eines sog. Gasreibungsvakuummeters
der Fa. MKS erfolgen.
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Für
die Bestimmung der mittleren Strahlungsleistung reicht es aus, den
ggf. über
ein RC-Glied geglätteten
Strom entweder der generierten Photoelektronen oder der generierten
Photoionen mit einem Picoamperemeter, z.B. von der Fa. Keithley,
zu messen. Für
pulsaufgelöste
Messungen von Pulsenergien gepulster Strahlung empfiehlt es sich,
den durch die Ladungsmenge eines Pulses über einen Kodensator generierten Spannungspuls
zu messen und elektronisch zu verarbeiten, und zwar des Photoelektronensignals,
da Elektronen wegen ihrer kleineren Masse gegenüber Ionen und ihrer daraus
resultierenden kürzeren
Flugdauern eine höhere
Zeitauflösung
garantieren. Bei Kalibrierung des Detektors mit gleichsam kontinuierlicher
Synchrotronstrahlung bzgl. der mittleren Strahlungsleistung ist
es für
die Messungen mit hochgradig gepulster Strahlung zweckmäßig, gleichzeitig
sowohl die generierten Photoelektronen für pulsaufgelöste Messungen
als auch die generierten Photoionen für die Absolutmessung der mittleren
Strahlungsleistung zu detektieren.
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Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein,
wenn die Photoionen vor der Detektion eine definierte Flugstrecke
durchlaufen und eine zeitliche Korrelation der detektierten Pulse
für die
Photoionen und Photoelektronen hergestellt wird. Im Einzelpulsbetrieb
einer hochgradig gepulsten Quelle kann aus der Flugzeit t der Ladungszustand
q der Photoionen ermittelt werden (Ionen-Flugzeitspektroskopie:
q ~ t–1/2).
Als Startsignal für
die Ionen-Flugzeitmessung dient beispielsweise das Elektronensignal
eines Photonenpulses, als Stoppsignal der in diesem Fall ebenfalls
als Spannungspuls über
einen Kondensator ausgeformete Ionenladungspuls. Die Messung der
Ladungszustandsverteilung der Photoionen erlaubt Rückschlüsse auf
die spektrale Reinheit der Strahlung (Anteile höherer Ordnungen bzw. höherer Harmonischer)
sowie auf eventuelle nicht-lineare Effekte bei der Photoionisation
bei sehr hohen Bestrahlungsstärken
(Mehr-Photonen-Prozesse).
Informationen über diese
Effekte sind wichtig, da sie die eigentlichen Messergebnisse bzgl.
Strahlintensitäten
beeinflussen können.
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Das Vakuum, in dem VUV-Strahlung
transportiert wird, beträgt
typischerweise 10–9 hPa. Die Druckdifferenz
zum Vakuum in der Wechselwirkungskammer, das bei Betrieb des Monitordetektors
vorzugsweise 10–5 hPa beträgt, kann
durch ein differentielles Pumpsystem sichergestellt werden, wie
es z.B. als Difterentialpumpe DP-03 der X-ray Instrumentation Associates
bekannt ist.
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Der erfindungsgemäße Monitordetektor lässt sich
zur absoluten Detektion von gepulster VUV-Strahlung mit einer Spitzenleistung
von 10 MW bis zu 1 GW verwenden, bei Pulsabständen von ≥ 0,1 μs und Pulsdauern zwischen 0,1
ps und 10 ns. Diese kurzen Pulse können eine Pulsenergie von 10 μJ bis zu
100 μJ und eine
mittlere Strahlungsleistung von über
1 W aufweisen.
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Das Prinzip des Monitordetektors
basiert auf atomarer Photoionisation im Bereich linearer Prozesse, wie
sie für
einen unfokussierten Strahl im allgemeinen zu erwarten sind. In
einem weiteren Schritt können
jedoch auch nicht-lineare Effekte untersucht werden, die auftreten
können,
wenn der Strahl innerhalb der Wechselwirkungskammer fokussiert und
so die Bestrahlungsstärke
potenziert wird. Dadurch könnten
die Grenzen linearen Verhaltens bei der atomaren Photoionisation
und damit des Monitordetektors bestimmt werden.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand
eines in Form von Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gas-Monitordetektors,
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2 eine
Kurve der auf die Gasdichte normierten Quantenausbeute für den geglätteten Photoionenstrom,
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3 eine
Messkurve und eine Auswertungsgrafik für die Anzahl gemessener Photonen
pro Puls mit Hilfe des Elektronensignals,
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4 ein
Messergebnis im Einzelpulsbetrieb des VUV-FEL für einen Photoelektronenpuls
und einen Photoionenpuls mit Xenon als Arbeitsgas.
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In 1 ist
die Strahlrichtung 1 der VUV- bzw. EUV-Strahlung durch
einen horizontalen Pfeil gekennzeichnet.
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Ein differentielles Pumpsystem 2 erhält die Druckdifferenz
zwischen einer Wechselwirkungszone 3 und dem Außenbereich
aufrecht. In der Wechselwirkungszone 3 befindet sich ein
Edelgas, beispielsweise Xenon. Die die Wechselwirkungszone 3 durchlaufende
Strahlung 1 erzeugt durch Photoionisation Photoelektronen
und Photoionen. Senkrecht zur Strahlrichtung 1 befindet
sich ein als Sammelelektrode ausgebildeter Ladungsdetektor 4 auf
einem positiven Potential V1 gegenüber dem
Strahl 1, der somit die negativ geladenen Elektronen einsammelt
und unverstärkt
detektiert. Auf der gegenüberliegenden
Seite bzgl. Strahl 1 befindet sich für die Extraktion der Photoionen
eine Elektrode 5 auf einem negativen Potential V2 gegenüber
dem Strahl 1. Die Elektrode 5 weist eine durch
Pertorierung gebildete Öffnung
auf, die den Durchtritt der Ionen ermöglicht. Es schließt sich
eine durch eine zylindrische Elektrode 6 begrenzte Flugstrecke 7 an.
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Die zylindrische Elektrode 6 liegt
zur Fokussierung des Ionenstrahls auf negativem Potential Vs gegenüber V2. Die in Flugrichtung 8 der Ionen
liegenden Stirnwände
der Elektrode 6 sind ebenfalls perforiert, um die Ionen
durchzulassen. Eine Sammelelektrode bildet einen nicht-verstärkenden
Ladungsdetektor 9 für
die Photoionen auf einem gegenüber
V3 negativen Potential V4.
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Die Kalibrierung des erfindungsgemäßen Gas-Monitor-Detektors
kann mit monochromatisierter Synchrotronstrahlung bei verhältnismäßig niedrigen
Strahlungsleistungen von etwa 300 nW erfolgen, indem diese nach
Durchlaufen der Wechselwirkungskammer auf ein kalibriertes Detektornormal 10 trifft.
Zur Anpassung an die verfügbare
Strahlungsleistung monochromatisierter Synchrotronstrahlung kann
es zweckmäßig sein,
den Gasdruck in der Wechselwirkungskammer 3 um einem Faktor > 10, beispielsweise
etwa 40, gegenüber
dem Betrieb mit intensiver FEL-Strahlung zu erhöhen, um ein ausreichend großes Signal
für den
Strom der Ladungsteilchen zu erhalten.
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In der nachstehenden Tabelle 1
sind
die zu erwartenden Signalintensitäten bei der Photodetektion
mit Xenon als Arbeitsgas und bei einer Photonenergie von 15 eV abgeschätzt.
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In der Spalte A ist die spontane
FEL-Strahlung des VUV-FEL am DESY ohne eine selbstverstärkende spontane
Emission (SASE) betrachtet. In den Spalten B und C ist die SASE-Verstärkung des
FEL berücksichtigt,
wobei in Spalte B die Verstärkung
mit 102 und in Spalte C die Verstärkung mit
105 angenommen ist. In der Spalte D ist
die Ausbeute betrachtet, die während
der Kalibrierung des Monitordetektors mit monochromatisierter Synchrotonstrahlung
am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II entsteht.
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Die Zeilen geben die Pulsrate (Bunch
rate), die in jedem Puls (des FEL) enthaltene Anzahl der Photonen
für die
Fälle A,
B und C und den Photonenfluss in allen vier Fällen an.
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Die Zeile „Target-gas pressure" gibt den üblichen
Wert des Gasdruckes von 10–5 hPa für die Wechselwirkungszone 3 bei
der Verwendung eines FEL-Strahls 1 und den erforderlichen
Druck 4 × 10–4 hPa
bei Durchstrahlung der Wechselwirkungszone 3 mit Synchrotronstrahlung
(für die
Kalibrierung) an. Die weiteren Zeilen enthalten die Gasdichte (Target
density) für
die beiden unterschiedlichen Drücke
in der Wechselwirkungszone 3, sowie die für Xenon
mit 15 eV Photonenenergie gültigen
Werte für
den Photoionisationswirkungsquerschnitt und die sich aus der perforierten Öffnung von
Blende 5 ergebende wirksame Länge der Wechselwirkungszone an.
Die sich in den letzten beiden Zeilen ergebenden Zahlenwerte für die Anzahl
der durch Photoionisation generierten Photoionen und den sich daraus
ergebenden Strom sind durch den erfindungsgemäßen Gas-Monitordetektor in
Kombination mit kommerziell erhältlicher
Elektronik zur Einzelpulsauslesung bzw. Picoamperemetern detektierbar.
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2 zeigt
die mit einer relativen Unsicherheit von 4 % bestimmten Werte der
Quantenausbeute für den
Photoionenstrom, normiert auf die Gasdichte mit Xenon als Arbeitsgas.
Im Bereich zwischen 50 und 70 nm wurden die Daten mit Hilfe einer
Halbleiterphotodiode als kalibriertes Detektornormal rückführbar auf
das elektrische Substitutionsradiometer SYRES gemessen (farbige
Datenpunkte) und dann mit Hilfe bekannter Photionisationswirkungsquerschnittsverläufe von
Xenon extrapoliert (schwarze Datenpunkte). Die Messung ist erfolgt
im Radiometrielabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II mit monochromatisierter
Synchrotronstrahlung und Xenon als Arbeitsgas.
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Die in 3 dargestellte
Messkurve, bestimmt am VUV-FEL des Deutschen Elektronensynchrotron (DESY)
in Hamburg bei einer Photonenenergie von 14,3 eV mit Xenon als Arbeitsgas,
zeigt als Beispiel einen Pulszug mit zehn FEL-Pulsen bei einer Photonenenergie von
14,3 eV, die einen zeitlichen Abstand von größenordnungsmäßig 1 μs aufweisen.
Die dabei am Ladungsdetektor 4 über einem Kondensator gemessenen Spannungspulse
der Photoelektronen sind in 3 oben
aufgetragen. Die zugehörige
Auswertung in Anzahl der Photonen pro Puts ist in 3 unten dargestellt.
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Für
die in 3 dargestellte
quantitative Auswertung des Elektronensignals ist es zweckmäßig, wenn dieses
parallel mit dem (kalibrierten) Ionenstromsignal aufgenommen wird.
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Es ist erkennbar, dass der erfindungsgemäße Gas-Monitordetektor
mit hoher Auflösung
die quantitative Messung von Photonenanzahlen pro Puls bzw. Pulsenergien
kurzer Photonenpulse ermöglicht.
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4 verdeutlicht
für einen
Einzelpulsbetrieb der FEL-Quelle die zeitliche Korrelation zwischen
dem Messsignal an dem Ladungsdetektor 4 für die Photoelektronen
eines Strahlungspulses und an dem Ladungsdetektor 9 für die Photoionen
desselben Strahlungspulses. Die hier gemessene Laufzeit von 3,5 μs der Photoionen
gegenüber
den Photoelektronen indiziert, dass die Xenon-Ionen einfach ionisiert
sind, da zweifach ionisierte Ionen den Ladungsdetektor 9 in
einer kürzeren
Laufzeit durch die Laufstrecke 7 erreichen würden.
