DE10260458B3

DE10260458B3 - Strahlungsquelle mit hoher durchschnittlicher EUV-Strahlungsleistung

Info

Publication number: DE10260458B3
Application number: DE10260458A
Authority: DE
Inventors: Imtiaz Dr. Ahmad; Guido Dr. Schriever; Sven Götze; Jürgen Dr. Kleinschmidt; Uwe Dr. Stamm
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: US6815900B2; US20040145292A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen, dichten Plasmas. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine neue Möglichkeit zur Realisierung einer EUV-Strahlungsquelle zu finden, die eine hohe durchschnittliche Strahlungsleistung im EUV-Bereich und eine ausreichend lange Lebensdauer und Langzeitstabilität erreicht, wird erfindungsgemäß gelöst, indem elektrisch durchschlagfest voneinander getrennte erste und zweite Elektrodengehäuse Teile einer Vakuumkammer für eine Gasentladung zur Plasmaerzeugung bilden und das zweite Elektrodengehäuse einen vom ersten Elektrodengehäuse konzentrisch umschlossenen Elektrodenkragen aufweist, wobei im Bereich der Umschließung zwischen erstem Elektrodengehäuse und zweitem Elektrodengehäuse eine konzentrische Isolatorschicht vorhanden ist, um die Gasentladung im Wesentlichen nur parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse auszurichten, und der Elektrodenkragen gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht radial so abgestuft ist, dass mindestens ein Endbereich des Elektrodenkragens gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht einen Abstand in Form eines konzentrischen Spalters aufweist. Durch die optimierte Elektrodengeometrie wird in Kombination mit Materialauswahl und effektiver Wärmeabfuhr eine erheblich größere Betriebsdauer erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen, dichten Plasmas, insbesondere zur Erzeugung hoher durchschnittlicher EUV-Strahlungsleistungen.
In den letzten 35 Jahren haben die Halbleiterchip-Hersteller beachtliche Wachstumsraten und Leistungssteigerungen durch kontinuierliche Verringerung der Transistorgröße vom Mikrometerbereich zum Nanometerbereieh erzielt.
Seit der Aufstellung des Moore'schen Gesetzes im Jahre 1965 ist dieses Gesetz in der Industrie der Halbleiter-Lithographie durch stufenweise Verringerung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ständig bestätigt worden. Gegenwärtig vollzieht die Industrie den Übergang vom ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge λ = 193 nm zum F₂-Laser mit der Wellenlänge λ = 157 nm. Man ist davon überzeugt, dass wegen der Übertragungsgrenzen von Linsensystemen die Strahlung um λ = 157 nm die kleinste jemals in der Halbleiterlithographie verwendete Strahlung sein wird, die Transmissionsoptiken oder katadioptrische Systeme verwendet.
Die vom Mooreschen Gesetz bis zum Ende dieses Jahrzehnts vorausgesagte Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit eines Mikroprozessors könnte jedoch stagnieren, wenn die Auflösungsgrenze der Belichtungsgeräte erreicht wird, die mit R ∼ λ/NA für einen auflösbaren Strukturabstand R gegeben ist. Diese Beziehung zeigt, dass die Strukturauflösung nur verbessert werden kann, wenn die Wellenlänge λ verringert und/oder die numerische Apertur NA der Optik vergrößert werden. Da die theoretische Grenze der numerischen Apertur NA = 1 ist und die Industrie schon Werte bis zu NA = 0,8 benutzt, besteht die einzige Möglichkeit, die Auflösungsgrenze zu verringern und dadurch die Transistorgröße weiter zu reduzieren, darin, dass die Wellenlänge weiter verringert wird.
Man kann deshalb heute feststellen, dass es nicht möglich sein wird, die numerische Apertur der Optiken noch wesentlich zu erhöhen, und dass alle Transmissionsoptiken und katadioptrischen Systeme es nicht erlauben, wesentlich kleinere Wellenlängen als 157 nm einzusetzen. Es war also zu befürchten, dass in den nächsten Jahren die Entwicklung nach dem Mooreschen Gesetz in eine Stagnation übergeht, wenn keine alternativen Möglichkeiten zur Überwindung des Problems gefunden werden. Erfreulicherweise hat die Entwicklung von Mehrschicht-Spiegeln mit 70%-igem Reflexionsgrad im Bereich von 10 bis 15 nm der Halbleiterindustrie eine neue Perspektive eröffnet, EUV-Strahlung in diesem Wellenlängenbereich zu verwenden, und somit neue Hoffnung gesät, dass die gegenwärtige lithographische Chip-Herstellung für ein zusätzliches Jahrzehnt so dynamisch wie bisher bleiben wird.
Obwohl sowohl auf gasentladungs- als auch lasererzeugten Plasmen basierende Strahlungsquellen ausreichendes Potential gezeigt haben, EUV-Strahlung im erwünschten Wellenlängenbereich zwischen 10 und 15 nm zu emittieren, sind diese Quellen noch ein gutes Stück davon entfernt, als kommerzielle Hochleistungs-Strahlungsquellen, wie sie in Belichtungsmaschinen mit mehreren Hundert Watt Ausgangsleistung für die Chip-Herstellung erforderlich sind, eingesetzt zu werden. Rechnet man mit der größtmöglichen erreichbaren Umwandlungseffizienz eines durch Gasentladung erzeugten Plasmas von etwa 1 %/2π·sr, so wird, um eine 100-Watt-EUV-Strahlung in einem Raumwinkel von πsr zu sammeln, eine Eingangsleistung von 20 kW erforderlich sein. Außerdem muss man im Auge behalten, dass der Hauptteil dieser riesigen Leistung zur Umwandlung in Plasma über Entladungsoberflächen von wenigen Quadratzentimetern übertragen werden muss. Man kann sich leicht vorstellen, dass diese kleinen Flächen nicht langzeitbeständig sein werden, so dass die Strahlungsquellen auf Basis einer Gasentladung für einen stabilen Langzeiteinsatz ungeeignet erscheinen, da sie für den kommerziellen Einsatz in der Chiplithographie im kontinuierlichen Betrieb mindestens mehrere zehn Stunden mit Wiederholfrequenzen zwischen 2 und 10 kHz arbeiten müssen.

In der WO 01/78469 A2 ist eine Röntgenstrahlungsquelle auf Basis eines Z-Pinch-Plasmas unter Verwendung einer Vorionisation durch Oberflächenentladung beschrieben. Dabei wird in einer Entladungskammer entlang einer Isolatorwand eine Oberflächenentladung zur Vorionisation des Arbeitsgases erzeugt, indem zwischen den Entladungselektroden, die an entgegengesetzten Enden der Isolatorwand in die Kammer hineinragen und die Pinch-Zone definieren, außerhalb der Isolatorwand die Entladungskammer von einer Vorionisationselektrode umgeben ist. Mittels einer konischen Auswölbung bzw. einer Nase der Katode an der Isolatorwand bildet sich eine anfängliche Oberflächenentladung entlang der Innenfläche der Isolatorwand, die dann aufgrund des induzierten radialen magnetischen Feldes auf die Achse der Entladungskammer zusammenfällt. Über den Schutz der Elektroden und insbesondere der Katodennase gegen das Erschmelzen infolge der hohen Ströme ist nichts offenbart.

In der DE 101 51 080 C1 ist eine Einrichtung zum Erzeugen von EUV-Strahlung auf Basis einer Gasentladung beschrieben, bei der innerhalb einer separierten Vorionisationskammer eine Vorionisation des Arbeitsgases erfolgt, so dass infolge des in, die Entladungskammer einströmenden ionisierten Gases eine dichte, heiße Plasmasäule (Pinch) stabil erzeugt wird, um auch die emittierte Strahlung gleichbleibend stabil zu erhalten. Für eine vertretbare Lebensdauer der Einrichtung (ca. 2 × 106 Impulse im Dauerbetrieb) wird angegeben, geeignet gewähltes Elektrodenmaterial und Elektrodenkühlung zu verwenden. Die Standfestigkeit der Entladungsoberflächen der Elektroden ist dennoch nicht befriedigend und führt insbesondere zu einer schnellen Metallisierung der Isolatoroberflächen zwischen den Entladungselektroden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Realisierung einer EUV-Strahlungsquelle zu finden, die eine hohe durchschnittliche Strahlungsleistung im EUV-Bereich und eine ausreichend große Langzeitstabilität erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten dichten, heißen Plasmas, enthaltend zwei Elektroden, die mittels durchschlagfester Isolatoren elektrisch voneinander getrennt sind und zugleich rotationssymmetrische Elektrodengehäuse für Teile einer Vakuumkammer bilden, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Elektrodengehäuse innerhalb der Vakuumkammer eine Gasentladung zur Plasmaerzeugung vorgesehen ist und in dem ersten Elektrodengehäuse eine Austrittsöffnung für die vom Plasma emittierte Strahlung vorhanden ist, eine Gasversorgungseinheit zum Erzeugen einer Durchströmung der Vakuumkammer mit einem Arbeitsgas, ein Hochspannungsmodul zur Bereitstellung von Hochspannungsimpulsen an den Elektroden und eine Vorionisationseinheit zur

Erzeugung einer Vorionisation des Arbeitsgases vor der durch den Hochspannungsimpuls ausgelösten Gasentladung, dadurch gelost, dass das zweite Elektrodengehäuse eine Verengung und einen daran anschließenden Elektrodenkragen aufweist, der von dem ersten Elektrodengehäuse konzentrisch umschlossen ist, wobei in diesem Bereich konzentrischer Überlappung zwischen dem, ersten Elektrodengehäuse und dem Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses eine konzentrische Isolatorschicht zur Abschirmung der konzentrischen Oberflächenbereiche beider Elektrodengehäuse vorhanden ist, die sich in Richtung der Austrittsöffnung der ersten Elektrode soweit erstreckt, dass die Gasentladung im Wesentlichen nur parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse stattfindet, und der Elektrodenkragen gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht radial so abgestuft ist, dass mindestens ein Endbereich des Elektrodenkragens gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht einen Abstand in Form eines konzentrischen Spaltes aufweist.

Vorteilhaft hat die Austrittsöffnung in dem ersten Elektrodengehäuse die Form einer kreisförmigen Verengung koaxial zu dessen Symmetrieachse des Elektrodengehäuses und das erste Elektrodengehäuse ist nach der verengten Austrittsöffnung kegelförmig aufgeweitet, so dass die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden im Innern des ersten Elektrodengehäuses gezündet und das dichte, heiße Plasma innerhalb der kegelförmigen Aufweitung nach der Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses gebildet wird.

Um die Gasentladung im Innern des ersten Elektrodengehäuses geeignet auszurichten, weist der in das erste Elektrodengehäuse hineinragende Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses vorzugsweise die Form eines mehrfach abgestuften Hohlzylinders auf.

Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Elektrodenkragen ein Hohlzylinder mit zwei äußeren und einer inneren Abstufung ist, wobei die zweite äußere Abstufung einen Übergang des Elektrodenkragens zum Grundkörper des zweiten Elektrodengehäuses darstellt. Weiterhin ist es sinnvoll, wenn wenigstens eine der Abstufungen des Hohlzylinders einen konischen Übergang aufweist, um die Wärmeableitung und die Stabilität des Elektrodenkragens gegenüber dem Grundkörper des zweiten Elektrodengehäuses zu verbessern.

Vorteilhaft sind die Grundkörper der Elektrodengehäuse aus einem der Metalle Kupfer, Wolfram, Molybdän oder einer Wolfram-Kupfer-Legierung in beliebigem Mischungsverhältnis hergestellt, wobei mindestens stark belastete Zonen des Elektrodenkragens des zweiten Elektrodengehäuses aus einer Legierung von Wolfram mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis hergestellt. sind oder die stark belasteten Zonen aus einer Legierung von Molybdän mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis bestehen.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn Zonen der Elektrodengehäuse, auf die der Strahlungsfluss besonders intensiv wirkt, insbesondere freie Innenkanten des Elektrodenkragens oder der Austrittsöffnung, zusätzlich mit einem Material niedriger Zerstäubungsrate beschichtet sind. Dazu eignen sich besonders Beschichtungen mit Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxiden oder Siliziumoxiden.

Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit zur Verringerung des Elektrodenverschleißes besteht darin, dass stark belasteten Zonen der Elektrodengehäuse, wie insbesondere der Elektrodenkragen oder die Austrittsöffnung, mit einer Legierung aus Wolfram, Molybdän oder Rhenium mit einer der Verbindungen Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid beschichtet sind. Weiterhin haben sich Beschichtungen dieser stark belasteten Elektrodenzonen mit einer Wolfram-Kohlenstoff-Verbindung, vorzugsweise einer Wolfram-Diamant-Verbindung, als besonders geeignet erwiesen.

Für den Betrieb der Strahlungsquelle ist es zweckmäßig, dass das erste Elektrodengehäuse als Anode und das zweite Elektrodengehäuse als Katode für die Hochspannungsgasentladung geschaltet sind. In einer weiteren bevorzugten Variante ist das erste Elektrodengehäuse als Katode und das zweite Elektrodengehäuse als Anode geschaltet.

Zur Verlängerung der Lebensdauer der Elektroden erweist es sich weiterhin als zweckmäßig, wenn das erste und das zweite Elektrodengehäuse so gefertigt sind, dass sie einen Grundkörper aus thermisch sehr gut leitendem Material, insbesondere Kupfer, aufweisen, wobei an diesen Grundkörper ein leistungsfähiges Wärmeableitungssystem zur effektiven Wärmeeliminierung aus der Entladungszone der Elektroden angefügt ist.

Das Wärmeableitungssystem basiert dabei vorzugsweise auf einer porösen Metallstruktur, durch die Kühlmittel unter hohem Druck gepumpt wird, oder auf einem Heat-Pipe-System. In beiden Fällen können als aktives Kühlmedium Wasser, Wie niedrig viskoses Öl wie Galden, Quecksilber, Natrium oder Lithium eingesetzt werden.

Es erweist sich von Vorteil, wenn ein Wärmeableitungssystem der vorstehend genannten Art in den Grundkörper jedes Elektrodengehäuses integriert ist. Es kann aber auch außen aufgesteckt sein, um Elektrodengehäuse und Wärmeableitungssystem getrennt austauschen zu können.

Der konzentrische Isolator im Innern des ersten Elektrodengehäuses, der zur Abschirmung der Seitenwände des ersten Elektrodengehäuses gegenüber dem Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses vorgesehen ist, wird zweckmäßig als Isolatorrohr aus einer der Verbindungen Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, AlZr, AlTi, BeO oder Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) hergestellt.

Das Vorionisationsmodul ist vorteilhaft koaxial innerhalb des zweiten Elektrodengehäuses angeordnet und besteht aus zwei kreisförmigen Elektroden mit einem dazwischen befindlichen stabförmigen Isolator, wobei als eine der kreisförmigen Elektroden zweckmäßig eine Endfläche des zweiten Elektrodengehäuses verwendet wird und die Oberfläche des stabförmigen Isolators für eine Gleitentladung zur Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehen ist. Dabei ist der stabförmige Isolator vorzugsweise aus einem der Materialien Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, AlZr, AlTi, BeO oder aus hoch dielektrischen Materialien, wie Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Blei-Borosilikat oder Blei-Zink-Borosilikat hergestellt.

Das Vorionisationsmodul kann zugleich einen Gaseinlass für das Arbeitsgas aufweisen, wobei der Gaseinlass koaxial durch den stabförmigen Isolator geführt ist.

Eine weitere vorteilhafte Art der Zufuhr des Arbeitsgases besteht darin, dass ein Gaseinlass mit zur Symmetrieachse gleichverteilten Einlassöffnungen in der konischen Aufweitung des ersten Elektrodengehäuses angeordnet ist.

Dabei kann als Arbeitsgas eines der Gase Xenon, Krypton, Argon, Neon, Stickstoff, Sauerstoff oder Lithium oder ein Gemisch aus einigen von ihnen eingesetzt werden. Als besonders geeignetes Arbeitsgas hat sich Xenon erwiesen, das mit einem Volumenanteil von mindestens 10 % der Gase Wasserstoff, Deuterium, Helium oder Neon gemischt ist. Um ausreichend hohe durchschnittliche Ausgangsleistungen der Strahlungsquelle zu erzielen, enthält das Hochspannungsmodul zur Zündung der Gasentladung und Erzeugung eines dichten, heißen Plasmas zweckmäßig einen Impulsgenerator mit einer Wiederholfrequenz zwischen 1 Hz und 20 kHz.

Eine alternative Lösung der Aufgabe wird bei einer Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten dichten, heißen Plasmas, vorzugsweise unter Verwendung von hohlkatodengetriggerten Pinch-, Theta-Pinch-, Plasmafokus- oder Astron-Anordnungen, die zwei Elektroden, die elektrisch voneinander getrennt sind und zugleich rotationssymmetrische Elektrodengehäuse für Teile einer Vakuumkammer bilden, wobei zwischen den Elektrodengehäusen innerhalb der Vakuumkammer eine Gasentladung zur Plasmaerzeugung vorgesehen und in mindestens einem ersten Elektrodengehäuse eine Austrittsöffnung für die vom Plasma emittierte Strahlung vorhanden ist, eine Gasversorgungseinheit zum Erzeugen einer Durchströmung der Vakuumkammer mit einem Arbeitsgas sowie ein Hochspannungsmodul zur Bereitstellung von Hochspannungsimpulsen an den Elektroden enthält, erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein zweites Elektrodengehäuse ebenfalls eine Verengung aufweist, die vom ersten Elektrodengehäuse koaxial aufgenommen wird, und die Elektrodengehäuse jeweils aus einem sehr gut wärmeleitenden Grundkörper, der mit einem leistungsfähigen Wärmeableitungssystem verbunden ist, und thermisch stark belastete Elektrodenzonen mindestens an den Verengungen der Elektrodengehäuse aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt bestehen.

Vorteilhaft ist das erste Elektrodengehäuse an den Innenflächen, die sich (elektrisch isoliert) an die Verengung des zweiten Elektrodengehäuses koaxial anschließen, mit einer Isolatorschicht belegt, so dass die Gasentladung im Wesentlichen nur parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse ausgerichtet ist.

Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses eine kreisförmige Verengung koaxial zur Symmetrieachse des Elektrodengehäuses darstellt und das Elektrodengehäuse nach der Austrittsöffnung kegelförmig aufgeweitet ist, so dass die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden gezündet und das dichte, heiße Plasma innerhalb der kegelförmigen Aufweitung nach der Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses gebildet wird.

Die stark belasteten Elektrodenzonen bestehen vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän oder einer Legierung von Wolfram oder Molybdän mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis.

Um besonders stark belastete Teile der Elektrodengehäuse, die dem aus dem Plasma emittierten Strahlungsfluss ausgesetzt sind, zu schützen, werden insbesondere die Innenkanten der Elektroden vorteilhaft mit Materialien niedriger Zerstäubungsraten, wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxiden, Siliziumoxiden oder einer Legierung aus einer dieser Verbindungen mit Wolfram, Molybdän oder Rhenium beschichtet. Eine weitere Möglichkeit, die besonders strahlungsbelasteten Teile der Elektrodengehäuse vor Erosion zu schützen, besteht darin, die Innenkanten der Elektroden mit Wolfram-Kohlenstoff-Verbindungen, insbesondere mit einer Wolfram-Diamant-Verbindung, zu beschichten.

Das an den Elektrodengehäusen der Elektrodengehäuse angeschlossene Wärmeableitungssystem beinhaltet vorzugsweise in dem Grundkörper eine poröse Metallstruktur oder ein Heat-Pipe-System.

Bei einer Elektrodenkonfiguration, bei der mindestens ein wesentlicher Teil einer Elektrode innerhalb eines äußeren Elektrodengehäuses liegt, weist das Wärmeableitungssystem Kühlkanäle für die innere Elektrode auf, wobei die Kühlkanäle durch das äußere Elektrodegehäuse hindurch zur Kühlung der inneren Elektrode auf Basis einer porösen Metallstruktur oder eines Heat-Pipe-Systems vorgesehen sind.

Die Grundidee der Erfindung gründet sich auf die Überlegung, dass von den derzeitigen EUV-Strahlungsquellen auf Basis eines Gasentladungsplasmas die anspruchsvollen Anforderungen lithographischer Belichtungsgeräte für die Halbleiterindustrie vor allem deshalb nicht erfüllt werden können, weil ein enormer Elektrodenverschleiß einen Langzeiteinsatz unmöglich erscheinen lässt. Dabei sind die Elektroden einerseits erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt und unterliegen weiterhin einem Versprödungseffekt durch die intensive Strahlung aus dem generierten Plasma, die nicht nur das erwünschte EUV-Licht, sondern auch harte Röntgenstrahlung und Materie in Form von neutralen und geladenen Teilchen beinhaltet. Andererseits werden durch die Form der Vakuumkammer und der darin befindlichen Elektrodenkonfiguration zusätzliche Effekte verursacht, die infolge einer Metallisierung von Isolatoroberflächen zu Funktionsstörungen bereits nach kurzer Anwendung im Dauerbetrieb führen. Gemäß der Erfindung wird diesen unerwünschten Effekten dadurch begegnet, dass die aktiven Elektrodenzonen so gestaltet werden, dass eine gerichtete Gasentladung definiert gezündet wird und die Metallisierung der Isolatoroberflächen weitgehend vermindert wird. Durch weitere geeignete Formung eines Elektrodengehäuses wird der Ort des generierten dichten Plasmas aus dem eigentlichen Gasentladungsbereich hinaus hinter den als herkömmliche Austrittsöffnung vorhandenen Abschluss der Entladungszone der Vakuumkammer verlagert. Zusätzliche Maßnahmen betreffen die Wahl des Materials des Grundkörpers der Elektroden und der stark belasteten Elektrodenzonen sowie eine Beschichtung der Innenflächen der Elektroden zur Minderung des Zerstäubens der Elektrodenoberflächen (sowohl herkömmliche Katodenzerstäubung als auch Zerstäuben durch strahlungsbedingte Oberflächenversprödung). Einen weiteren Schwerpunkt zur Verminderung des Elektrodenverschleißes stellen Anordnungen zur effektiven Kühlung der Elektroden mittels porösen Metallstrukturen oder Heat-Pipe-Systemen (z.B. mit porösen Wolfram-Lithium-Wärmeröhren) dar, um Wärmebelastungen von mehreren kW/cm² abzuleiten.

Mit der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ist es möglich, eine stabile Plasmaerzeugung zur Emission von EUV-Strahlung durch Verringern des Elektrodenverschleißes und anderer das Entladungsverhalten in der Vakuumkammer beeinträchtigender Effekte (z.B. Metallisierung von Isolatoroberflächen), eine hohe durchschnittliche Strahlungsleistung im EUV-Bereich und eine ausreichend große Langzeitstabilität zu erreichen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle mit zwei Elektrodengehäusen, wobei in einem ersten die Gasentladung und ein einem zweiten eine Vorionisation stattfindet,
2: einen Querschnitt wie 1 mit dem Unterschied, dass zur Kühlung ein poröses Material verwendet wird;
3: eine bevorzugte Gestaltung der EUV-Quelle, bei der ein Kühlsystem vorhanden ist, das auf einer Heat-Pipe-Technologie basiert,
4: eine Ausführung der EUV-Quelle; bei der das Arbeitsgas von der Austrittsöffnung her durch die Gasentladungszone eingeleitet wird,
5a, 5b: zwei bevorzugte Formen des Elektrodenkragens mit Elektrodenabstufungen, worin der Grundkörper der Elektroden aus hoch wärmeleitendem Material hergestellt ist und sehr stark belastete Teile der Elektroden von Material mit hohem Schmelzpunkt belegt sind,
6a,: zwei bevorzugte Formen des Elektrodenkragens mit Elektrodenabstufungen des hoch wärmeleitenden Grundkörpers, wobei stark belastete Elektrodenteile aus hoch schmelzendem Material bestehen und zusätzlich mit Material mit niedrigem Zerstäubungsgrad beschichtet sind,
6b:, wobei die Abstufung zur Verbessung des thermischen und elektrischen Kontaktes konusförmig ist,
7: eine weitere Form des Elektrodenkragens mit großem Innendurchmesser und verengtem Ende aus hoch schmelzendem Material,
8: eine vorteilhafte Form des Elektrodenkragens mit kleinem Innendurchmesser und kreisförmig darum angeordneten Kanälen im hoch wärmeleitenden Grundkörper, der in stark beanspruchten Zonen mit hochschmelzendem Material und zusätzlich mit einer zerstäubungsarmen Schicht belegt ist,
9: eine Ausführung der Erfindung für eine durch hohlkatoden-getriggerte Pinch-Entladung betriebene EUV-Quelle,
In ihrem Grundaufbau besteht die erfindungsgemäße EUV-Quelle, wie sie in 1 gezeigt ist, aus einem ersten Elektrodengehäuse 1 und einem zweiten Elektrodengehäuse 2, die gegeneinander hochspannungsfest durch einen Isolator 3 isoliert sind, der so angeordnet ist, dass eine unerwünschte Entladung zwischen den Elektrodengehäusen 1 und 2 verhindert wird. Die Elektrodengehäuse 1 und 2 weisen jeweils einen rotationssymmetrischen Hohlraum auf und bilden gemeinsam eine mit einem Arbeitsgas durchströmte Vakuumkammer 4, in der eine Gasentladung zur Erzeugung eines dichten, heißen Plasmas 5 stattfindet. Dabei bildet der verengte Ausgang des ersten Elektrodengehäuses 1 die Austrittsöffnung 11 für die aus dem Plasma 5 erzeugte EUV-Strahlung 51.
Im Innern des ersten Elektrodengehäuses 1 stehen sich aktive Teile der Elektrodengehäuse 1 und 2 in Form von konzentrischen Elektroden 12 und 22 gegenüber, zwischen denen die Gasentladung ausgelöst (gezündet) wird. Eine rohrförmige Isolatorschicht 13 mit geeignetem Durchmesser und geeigneter Länge ist konzentrisch und fest in das erste Elektrodengehäuse 1 eingefügt und schirmt die inneren Seitenflächen gegenüber der Elektrode 22 des zweiten Elektrodengehäuses 2 ab, so dass die anfängliche Gasentladung 52 nur zwischen der Elektrode 22 und der mit der Austrittsöffnung 11 versehenen Gehäusewand des ersten Elektrodengehäuses 1 zustande kommt.
Innerhalb des zweiten Elektrodengehäuses 2 ist ein Vorionisationsmodul 7 angeordnet, um die Zündung der Gasentladung zu erleichtern, indem das Arbeitsgas teilweise ionisiert wird. Das Vorionisationsmodul 7 besteht aus einer koaxialen Elektrodengeometrie, die von einer End- bzw. Stirnfläche des zweiten Elektrodengehäuses 2 und einer zusätzlichen zentralen Elektrode 71, die im Innern eines Keramikröhrchens 72 eingeschlossen ist, gebildet wird. Entlang der Oberflächen des Keramikröhrchens 72 findet durch Anlegen einer (gepulsten) Spannung eine oberflächliche Gleitentladung 73 statt, die die Vorionisation des Arbeitsgases bewirkt. Dabei wird die Spannung für die Vorionisation von einem Vorionisations-Impulsgenerator 17 bereitgestellt, der an das zweite Elektrodengehäuse 2 und die zentrale Elektrode 71 angeschlossen ist. Im Vorionisationsmodul 7 ist zugleich ein Gaseinlass 8 für die Zufuhr des Arbeitsgases vorgesehen, der zweckmäßig das Arbeitsgas gleichmäßig um die Symmetrieachse 6 verteilt.
Gemäß 2 ist die Elektrode 12 ein integraler Bestandteil des ersten Elektrodengehäuses 1 und stellt – infolge der mit der Isolatorschicht 13 abgedeckten übrigen inneren Oberflächen – eine Ringelektrode dar. Im Zentrum dieser ringförmigen Elektrode 12 liegt die Austrittsöffnung 11 für die EUV-Strahlung 51. Der Raum zwischen der ringförmigen Elektrode 12 und dem verengten Ausgang 21 des zweiten Elektrodengehäuses 2 ist die tatsächliche Gasentladungszone.
Der Ausgang 21 des zweiten Elektrodengehäuses 2 ist ein speziell ausgeformter Teil in Form eines konzentrisch zu den beiden Elektrodengehäusen 1 und 2 angeordneten Hohlzylinders, der aus dem zweiten Elektrodengehäuse 2 in das Innere des ersten Elektrodengehäuses 1 auskragt und deshalb nachfolgend als Elektrodenkragen 22 bezeichnet wird. Der Elektrodenkragen 22 liegt im Wesentlichen dicht an der das erste Elektrodengehäuse 1 auskleidenden Isolatorschicht 13. Er ist an seinem Ende durch eine Verringerung seines äußeren Umfangs radial abgestuft, sodass ein ringspaltförmiger Abstand zu der rohrförmigen Isolatorschicht 13 entsteht. Dadurch findet die anfängliche Gasentladung 52 nicht direkt an der Oberfläche der Isolatorschicht 13 statt und eine Metallisierung der Isolatoroberfläche, wie sie bei direktem Kontakt mit der Isolatorschicht 13 und dem Elektrodenkragen 22 infolge von Elektrodenzerstäubung auftritt, wird deutlich vermindert. Eine ähnliche Ausformung einer Lücke zur Isolatorschicht 13 ist auch an der gegenüberliegenden Elektrode 12 des ersten Elektrodengehäuses 1 vorhanden. Zusätzlich ist die ringförmige Elektrode 12, die die Austrittsöffnung 11 umschließt, nach außen kegelförmig aufgeweitet. Diese kegelförmige Aufweitung 14 stellt eine massive Fortsetzung der ringförmigen Elektrode 12 außerhalb der Gasentladungszone, die sich im Innern des ersten Elektrodengehäuses 1 befindet, dar und bewirkt, dass sich das aus der anfänglichen Gasentladung 52 implodierende Plasma 5 von der Austrittsöffnung 11 nach außen in die kegelförmige Aufweitung 14 des ersten Elektrodengehäuses 1 verschiebt. Dadurch wird die Strahlungsbelastung der aktiven Bereiche der ringförmigen Elektroden 12 und des Elektrodenkragens 22 deutlich reduziert.
Die Elektrodengehäuse 1 und 2 sind mit einem Hochspannungs-Impulsgenerator 16 verbunden, der zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit einer Wiederholrate zwischen 1 Hz und 20 kHz vorgesehen ist. Der Hochspannungs-Impulsgenerator 16 besteht aus einem Thyratron oder einem Halbleiterschaltkreis (Thyristor, IGBT oder andere) mit ein- oder mehrstufigen magnetischen Kompressionsmodulen. Die Größe jedes einzelnen Impulses ist ausreichend, um ein Plasma 5 zu erzeugen, das die erwünschte UV-Strahlung 51 emittiert.
In der Ausführung nach 1 tritt das Arbeitsgas durch den im Vorionisationsmodul 7 befindlichen Gaseinlass 8 ein. Der Druck des Arbeitsgases wird von einer Gassteuereinheit (nicht gezeigt) auf einem gewünschten Niveau gehalten, das eine optimale Durchflussrate des Arbeitsgases erlaubt. Ein Vorionisationsimpuls wird zwischen dem zweiten Elektrodengehäuse 2 und der zentralen Elektrode 71 durch einen Vorionisations-Impulsgenerator 17 ausgelöst, der in der Lage ist, Impulse mit einer Spannungsanstiegsrate von bis zu 10¹¹ V/s zu erzeugen und dessen Spannung groß genug ist, um eine oberflächliche Gleitentladung 73 zu erzeugen. Die Vorionisations-Entladung 73 erzeugt gleichzeitig eine Strahlung vom sichtbaren Spektralbereich bis zum Röntgen-Bereich sowie schnelle Elektronen/Ionen, die eine Ionisation im Raum innerhalb des Elektrodekragens 22 bis hin zur ringförmigen Elektrode 12 im ersten Elektrodengehäuse 1 erzeugen. Wenige Mikrosekunden nach dem Vorionisationsimpuls wird der Hochspannungsimpuls für die Hauptentladung gezündet, der die anfängliche Gasentladung 52 zwischen dem Elektrodenkragen 22 und der ringförmigen Elektrode 12 zündet. Die Gleitentladung 73 zur Vorionisation garantiert die Auslösung einer einheitlich ausgerichteten Hauptentladung zwischen dem Elektrodenkragen 22 und der ringförmigen Elektrode 12. Der wesentliche Vorteil des gezeigten Vorionisationsmoduls 7 ist, dass er nicht direkt vom Plasma 5 der Hauptentladung belichtet wird und daher eine langen Betriebsdauer erreicht. Der maximale Entladungsstrom, der durch die Gasentladungszone im Innern des ersten Elektrodengehäuses 1 fließt, liegt in Abhängigkeit von der Entladespannung und anderen Entladungsbedingungen im Bereich zwischen 10 kA und 60 kA und hat eine Impulsdauer von 200 bis 500 ns. Infolge der Lorenta-Kraft sowie der ohmschen Erwärmung wird eine dichte heiße Plasmasäule von 0,5 bis 8 mm Länge und 0,3 bis 2 mm Durchmesser im Bereich der Austrittsöffnung 11 erzeugt. Das Zünden der Gasentladung wurde mit verschiedenen Materialien für die rohrförmige Isolatorschicht 13, einschließlich AlN, Al₂O₃ und Si₃N₄, getestet, wobei sich die ersten beiden als nicht so haltbar erwiesen, während Si₃N₄ mit ausgewählten Elektrodenformen einen Dauerbetrieb mit mehr als 10⁸ Impulsen durchgestanden hat.
Für eine lange Betriebsdauer der Strahlungsquelle hat sich ein verringerter äußerer Durchmesser am Ende des Elektrodenkragens 22, d.h. eine Abstufung 23, als sehr nützlich erwiesen. Die Elektrodenabstufung 23 ist 5 – 15 mm lang und 0,5 – 1 mm tief. Es wurde beobachtet, dass ohne die Abstufung 23 die Strahlungsquelle nur für kurze Zeit funktioniert. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die keramische Isolatorschicht 13 infolge von metallischer Materialablagerung auf ihrer Oberfläche durch die Elektrodenerosion verunreinigt und nach wenigen Millionen Impulsen ihre Oberfläche leitend wird. Ohne Elektrodenabstufung 23 bewirkt die übermäßige Verunreinigung auf der Oberfläche der Isolatorschicht 13 nach wenigen Millionen Impulsen Betriebsdauer einen Kurzschluss zwischen Elektrodenkragen 22 und ringförmiger Elektrode 12. Dadurch wird ein Teil des Stromes, der während der Hochspannungsimpulsdauer fließt, über die Oberfläche der Isolatorschicht 13 zwischen Elektrodenkragen 22 und ringförmiger Elektrode 12 abfließen. Dieser unerwünschte Stromfluss reduziert den verfügbaren Strom für die Ausbildung des eigentlichen Plasmas 5. Bei Vorhandensein einer Elektrodenabstufung 23 kann kein direkter elektrischer- Kontakt zwischen Elektrodenkragen 22 und ringförmiger Elektrode 12 zustande kommen, so dass die Möglichkeit einer Stromteilung viel geringer im Vergleich zum früheren Fall ist.
Die Elektrodengehäuse 1 bzw. 2 sind in einer solchen Weise hergestellt, die einen kontinuierlichen Durchfluss von Kühlflüssigkeit durch ihren äußeren Teil ermöglicht, um die Temperatur der Elektroden 12 und 22 auf einem möglichst geringen Niveau zu halten. Im ersten Beispiel gemäß 1 sind tiefe Nuten jeweils im Grundkörper der Elektrodengehäuse 1 und 2 eingelassen, in denen Kühlmittel umläuft, wodurch die Grundkörper der Elektroden 12 und 22 Rippen 91 für den Wärmeaustausch und die Wärmabfuhr durch das Wärmeableitungssystem 9 aufweisen, um die größtmögliche Wärmemenge zu übertragen. Das Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser oder ein niedrig viskoses Öl, wie z.B. Galden.
In der Ausführung von 1 wird – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – angenommen, dass das erste Elektrodengehäuse 1 als Anode und das zweite Elektrodengehäuse 2 als Katode geschaltet ist. Eine Umschaltung der Polarität führt jedoch zu den gleichen Prozessabläufen und zum Teil sogar zu größerer EUV-Strahlungsausbeute.
Da für 100 Watt erreichbarer Ausgangsleistung an EUV-Strahlung 20 kW Eingangsleistung erforderlich sind und die wirksame Entladungszone in den meisten gebräuchlichen Anordnungen im Bereich von wenigen cm² liegt, sind hohe thermische Belastungen von mehreren kW/cm² von den Elektrodenoberflächen abzuführen. Um dieses Problem zu lösen, sind verschiedene Wege der Wärmeabfuhr möglich.
Dazu zeigt 2 eine Ausgestaltung, die eine Elektrodenkühlung mittels porösem Metall vorsieht, um Wärme von 10 kW/cm² aus der Elektrodenperipherie abzuführen. Das Prinzip des Wärmeaustauschers aus porösem Metall besteht darin, dass eine poröse Struktur 92 innerhalb einer Metallhülle als eine vergrößerte Oberfläche wirkt und somit Wärme schnell in eine umlaufende Flüssigkeit ableitet.
In einer weiteren Variante gemäß 3 weist der jeweilige Grundkörper der Elektrodengehäuse 1 und 2 in einem Kühlrohr ein Bündel einer kapillaren Struktur 93 auf, die im Innern Flüssigkeit (oder einen Festkörper, der sich in einem bestimmten Zustand verflüssigt) enthält, die in die Poren der kapillaren Struktur 93 eintreten kann. Die Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge erhitzt die Flüssigkeit, so dass sie in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Flüssigkeit nimmt also zusätzlich die latente Verdampfungswärme auf und das resultierende Gas, das dann unter hohem Druck steht, bewegt sich innerhalb eines geschlossenen Gefäßes zu einem äußeren kälteren Teil, wo es kondensiert und sich als Flüssigkeit zur heißeren Region zurückbewegt, um den Zyklus zu wiederholen. Wegen ihrer Fähigkeit, Wärme aus einer Zone schnell in eine andere zu übertragen, werden die Heat-Pipe-Systeme auch thermische Supraleiter genannt. Für die Kondensation der verdampften Kühlflüssigkeit ist an den Außenwänden der Elektrodengehäuse 1 und 2 ein herkömmlicher Wärmetauscher 94 angeschlossen, der die gleiche Kühlleistung über eine größere Fläche realisiert.
Auch für das Vorionisationsmodul 7 können ähnliche Vorkehrungen (nicht gezeigt) getroffen werden, um die belastete Oberfläche auf niedriger Temperatur zu halten. Weiterhin ist zwischen dem Vorionisationsmodul 7 und dem thermisch stark belasteten Elektrodenkragen 22 ein zylindrischer Stützrahmen 74 angebracht, der die Elektrode in das zweite Elektrodengehäuse einpresst, um einen besseren thermischen und elektrischen Kontakt herzustellen.
Stark belastete Zonen von Elektrodenkragen 22 und ringförmiger Elektrode 12 werden zur besseren und rationellen Kühlung und zur Verhinderung des Erschmelzens außerdem aus besonderen Legierungen hergestellt, die einen sehr hohen Schmelzpunkt und/oder einen geringen Zerstäubungsgrad haben.
Für die zuvor beschriebenen Ausführungen der EUV-Strahlungsquelle sind diese besonderen Elektrodenzonen 24, die in den 5a, 5b, 6a, 6b, 7 und 8 in verschiedenen Formgebungen für den Elektrodenkragen 22 gezeigt sind, aus Molybdän, Wolfram und einer Wolfram-Kupfer-Legierung und mittels Wärmeausdehnung in einen Grundkörper 25 aus Kupfer eingepresst. Solche Elektroden 12 und 22 haben zufriedenstellende Ergebnisse bis zu 9 kW durchschnittlicher Eingangsleistung für mehrere Stunden des Dauerbetriebs gezeigt. Als Materialien für die besonderen Elektrodenzonen 24 kommen des Weiteren auch Legierungen von Wolfram oder Molybdän mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen sowie Keramik-Metall-Verbindungen (z.B. Ceramet) in Betracht.
Noch bessere Ergebnisse erhält man, wenn man die besonderen Elektrodenzonen 24 am äußeren Rand des Grundkörpers 25 durch das Verfahren des Hintergießens, bei dem ein zweites Metall (bzw. eine Legierung) hinter ein vorgefertigtes Formteil gegossen wird, einbettet. Bei diesem Herstellungsverfahren für die Elektrodenzonen 24, die sehr starker Belastung durch die Gasentladung ausgesetzt sind, stellt man vorzugsweise zuerst die besonderen Elektrodenzonen 24 als Formteile aus den oben genannten Metallen oder Legierungen her, die einen hohen Schmelzpunkt und hohe thermische Leitfähigkeit und niedrige Zerstäubungsrate haben. Dann werden diese besonderen Elektrodenteile 24 in geschmolzenes Kupfer oder jegliches andere gut wärmeleitende Metall eingebettet. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die besonderen Elektrodenzonen 24 in wirklichem Kontakt zum Grundkörper 25 sind und daher einen höheren Wärmestrom erlauben. Die besonderen. Elektrodenteile 24 können aus reinem Molybdän, Wolfram, ihrer Legierung oder einer Legierung von diesen Metallen durch Hinzufügen von Kupfer, Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Lanthan, Nickel, Eisen oder Lanthanoxid oder Nickel-Eisen-Verbindungen,bestehen die im Verhältnis von wenigen ppm (Parts per Million) bis zu wenigen Prozent zum Hauptmetall (Wolfram oder Molybdän) hinzugefügt werden. Metalle, wie Nickel, Eisen oder Nickel-Eisen-Verbindungen, sind dazu vorgesehen, makroskopische Debrispartikel durch Einwirkung des Magnetfeldes (infolge des hohen Gasentladungsstromes) aufzufangen.
Gemeinsam ist den Gestaltungen der Elektroden gemäß den 5 bis 8, dass der aktive Teil der Elektrodengehäuse 1 und 2, nämlich die an der Gasentladung im Innenraum des ersten Elektrodengehäuses 1 beteiligte ringförmige Elektrode 12 und der Elektrodenkragen 22, rotationssymmetrische Hohlkörper sind, die zylinderförmig oder konisch geformt sind. Sie können verschieden sein in Länge, Außendurchmesser, Elektrodenabstufung 23, Innendurchmesser und sind in den genannten 5 bis 8 beispielhaft für den Elektrodenkragen 22 angegeben, der den Ausgang 21 des als Vorionisationskammer wirkenden zweiten Elektrodengehäuses 2 darstellt.
5a zeigt eine Art Grundform des Elektrodenkragens 22, dessen Grundkörper 25 an der Stelle des größten Außendurchmessers in das Elektrodengehäuse 2 (hier nicht weiter gezeichnet) übergeht. Deutlich erkennbar ist die Abstufung 23 des äußeren Durchmessers im Bereich des Endes des Elektrodenkragens 22. Zusätzlich sind die abbrandgefährdeten Innenkanten und die Endflächen als besondere Elektrodenteile aus gegenüber dem Grundkörper 25 höher schmelzendem Material der oben erwähnten Zusammensetzungen ausgeführt. Für den Fall eines geringeren Innendurchmessers des Ausgangs 21 des zweiten Elektrodengehäuses 2 als Übergang in das erste Elektrodengehäuse 1 (vgl. 1 bis 3) zeigt 5b eine Maßnahme zur Vermeidung des Verschlusses des Ausgangs 21 im Endbereich des Elektrodenkragens 22, indem der Innendurchmesser eine Stufe aufweist, die ansonsten wie in 5a vollständig mit hochschmelzendem Material belegt ist.
In denAusführungen nach 6a und 6b ist der Tatsache Rechnung getragen, dass die Innenkanten des Elektrodenkragens 22, insbesondere wenn er als Katode geschaltet und der intensiven Strahlung aus dem Plasma 5 ausgesetzt ist, infolge der Strahlungsversprödung zur Elektrodenzerstäubung (Sputtern) neigen. Dieser Erscheinung wird durch Kantenbeschichtungen 26 des vordersten inneren Randes des Elektrodenkragens 22 entgegengewirkt. Dazu werden die Kanten des Elektrodenkragens 22, an denen die Strahlungsbelastung und die Temperatur am größten sind, mit Materialien mit niedriger Zerstäubungsneigung, wie Al₂O₃, AlN, Zirkonium-Sauerstoff-, Silizium-Sauerstoff-Verbindungen, oder mit einem Diamant-Überzug oder einer Legierung von einer der vorgenannten Verbindungen in Kombination mit Molybdän oder Wolfram beschichtet. Solche Kantenbeschichtungen 26 des Elektrodenkragens 22, die in verschiedenen EUV-Quellen getestet wurden, sind auch bei den Elektrodenformen der 5a, 5b und 7 anwendbar und in einer weiteren Ausführung gemäß 8 gezeigt.
6b weist gegenüber der 6a noch die Besonderheit auf, dass der Grundkörper 25 außen zwei Abstufungen 23 aufweist, wobei die zweite Abstufung 28 konisch verläuft und somit den thermischen Übergang zum übrigen Elektrodengehäuse 2 verbessert.
Die Gestaltung gemäß 7 schafft eine Aufweitung des Innenraumes (Bohrung) des Elektrodenkragens 22, um einen Materialabtrag von der Innenwand des Elektrodenkragens 22 zu verringern. Der dadurch entstehende verengte Ausgang 21 des Elektrodenkragens 22, der zugleich einen verbreiterten Fußbereich für die Gasentladung darstellt, ist vollständig aus hochschmelzendem Material gefertigt. Zusätzlich wird die Innenfläche des Elektrodenkragens 22 mit hochschmelzendem Material, das sich über die gesamte Innenfläche (Bohrung) des Elektrodenkragens 22 erstreckt, ausgekleidet, um die Elektrodenzerstäubung aus diesem Bereich weiter zu reduzieren.
8 zeigt eine Modifikation der Gestaltung von 6a. Hier sind in den Grundkörper 25 gleichverteilt um die Symmetrieachse 6 zusätzliche Kanäle 27 für die Durchströmung mit Arbeitsgas vorgesehen. Diese Kanäle 27 sollen insbesondere bei längerem Dauerbetrieb der Strahlungsquelle den Verschluss des zentralen Ausgangs 21 am Ende des Elektrodenkragens 22 kompensieren, wodurch sich die ungestörte Funktionsdauer der Gasentladung erheblich verlängert, weil der erforderliche Gasfluss durch die Kanäle 27 erfolgen kann.
Bei anderen möglichen Elektrodenformen, die in 5 bis 8 nicht gezeigt sind, können eine Vielzahl von Löchern, die kreisförmig um die Symmetrieachse 6 angeordnet sind, vorgesehen sein, um die Vorionisationsstrahlung aus dem zweiten Elektrodengehäuse 2 besser in die Gasentladungszone im Innern des ersten Elektrodengehäuses 1 durchzulassen bzw. zu verteilen.
Weiterhin sind konkave oder konvexe Oberflächen und gerundete Kantenbereiche, wie beispielsweise in 1 angedeutet, sinnvoll. Gleiches gilt für die Herstellung der ringförmigen Elektrode 12 des ersten Elektrodengehäuses 1.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle zeigt 4. Sie weist wie 2 eine poröse Struktur 92 als Basis des Wärmeableitungssystems 9 auf. Im Unterschied zu den 1 bis 3 wird in diesem Beispiel das Arbeitsgas als zusätzliches Kühlmittel in der Entladungszone eingesetzt. Dazu sind mehrere Gaseinlässe 8 am Ausgang des ersten Elektrodengehäuses 1 gleichverteilt um die Symmetrieachse 6 so angebracht, dass die kegelförmige Aufweitung 14 als Einleitungsfläche für das Arbeitsgas in das Innere des ersten Elektrodengehäuses 1 genutzt wird. Dadurch werden die aktiven Teile der ringförmig-konischen Elektrode 12 und des Elektrodenkragens 22 oberflächlich zusätzlich gekühlt. Alle übrigen Elemente sind entsprechend der Beschreibung gemäß 2 beibehalten worden.
Die 9 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf eine Strahlungsquelle auf Basis einer hohlkatoden-getriggerten Pinch-Entladung. Bei dieser Gestaltung ist im Vergleich zu den vorherigen Ausführungen nach den 1 bis 3 kein ausgeprägter Elektrodenkragen 22 vonnöten. Die Triggerelektrode 74, die von einem Triggerelektroden-Impulsgenerator 18 gegenüber dem zweiten Elektrodengehäuse 2 mit einem einige 100 V höheren Potential beaufschlagt wird, verhindert durch Absaugen von Elektronen die spontane Entstehung des Gasdurchbruchs. Alle übrigen Grundgestaltungen der Elektrodengehäuse 1 und 2 sowie Vorkehrungen, insbesondere zur effektiven Wärmeableitung – wie hier gezeigt – mit Heat-Pipe-System 93 und angeschlossenen Wärmetauschern 94 (oder alternativ – in Analogie zu 2 – mit poröser Metallstruktur im Grundkörper 25 der Elektrodengehäuse 1 und 2) sind analog ausgeführt. Weiterhin sind die Maßnahmen zur Verhinderung der Elektrodenerschmelzungs- und -zerstäubungsprozesse an den beanspruchten Innenkanten in gleicher Weise anwendbar.
Als effektiv für die Entstehung des Plasmas 5 wurde auch hier die Abschirmung der Seitenwände des ersten Elektrodengehäuses 1 durch die rohrförmige Isolatorschicht 13 und die Aufweitung 14 des ersten Elektrodengehäuses 1 nach der Austrittsöffnung 12 realisiert, so dass sich das Plasma 5 in Form einer heißen, dichten Plasmasäule aus der eigentlichen Entladungszone hinaus über die Austrittsöffnung 12 in die Aufweitung 14 verlagert. Damit greifen auch in diesem Beispiel der Plasmaerzeugung die erfindungsgemäßen Prinzipien der Verminderung des Elektrodenverschleißes.
Vorstehend sind die bevorzugten Ausführungen der Erfindung beschrieben worden, bei der die eigentliche Gasentladung in einem ersten Elektrodengehäuse stattfindet und eine separierte zweite Kammer im Innenraum eines zweiten Elektrodengehäuses der Vorionisation des Arbeitsgases bzw. der Triggerung der Gasentladung dient. Dafür wurden verschiedene Maßnahmen zur verbesserten Langzeitstabilität der aktiven Elektrodenteile vorgeschlagen, die sämtlich den Elektrodenabbrand und resultierende Kurzschlusseffekte verzögern sollen. Es wird jedem Fachmann klar sein, dass verschiedenste Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. So liegen zum Beispiel verschiedene Öffnungsverhältnisse der Elektrodengehäuses 1 bzw. 2, Positionen und Formen der Gaseinlässe 8 für das Arbeitsgas eindeutig innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, solange die Gestaltung der Elektrodengehäuse zur Verringerung des Elektrodenverschleißes und Verbesserung der Wärmeabfuhr in gleicher Weise gelöst sind. Analog sind die Maßnahmen auch auf Theta-Pinch-, Plasmafokus- oder Astron-Anordnungen übertragbar.

1: erstes Elektrodengehäuse
11: Austrittsöffnung
12: ringförmig-konische Elektrode
13: rohrförmige Isolatorschicht
14: kegelförmige Aufweitung
16: Hochspannungs-Impulsgenerator
17: Vorionisations-Impulsgenerator
18: Triggerelektroden-Impulsgenerator
2: zweites Elektrodengehäuse
21: (verengter) Ausgang
22: Elektrodenkragen
23: Abstufung
24: besondere Elektrodenzone
25: Grundkörper
26: Kantenbeschichtung
27: Kanäle
28: zweite Abstufung
3: Isolator
4: Vakuumkammer
5: Plasma
51: emittierte Strahlung
52: anfängliche Gasentladung
6: Symmetrieachse
7: Vorionisationsmodul
71: Elektrode
72: Isolatorröhrchen
73: Gleitentladung
74: zylindrischer Stützrahmen
75: Triggerelektrode
8: Gaseinlass
9: Wärmeableitungssystem
91: Rippen
92: poröse Struktur
93: kapillare Struktur
94: Wärmetauscher

Claims

Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten dichten, heißen Plasmas, enthaltend zwei Elektroden, die mittels durchschlagfester Isolatoren elektrisch voneinander getrennt sind und zugleich rotationssymmetrische Elektrodengehäuse als Teile einer Vakuumkammer bilden, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Elektrodengehäuse innerhalb der Vakuumkammer eine Gasentladung zur Plasmaerzeugung vorgesehen ist und in dem ersten Elektrodengehäuse eine Äustrittsöffnung für die vom Plasma emittierte Strahlung vorhanden ist, eine Gasversorgungseinheit zum Erzeugen einer Durchströmung der Vakuumkammer mit einem Arbeitsgas, ein Hochspannungsmodul zur Bereitstellung von Hochspannungsimpulsen an den Elektroden und eine Vorionisationseinheit zur Erzeugung einer Vorionisation des Arbeitsgases vor der durch den Hochspannungsimpuls ausgelösten Gasentladung, dadurch gekennzeichnet, dass – das zweite Elektrodengehäuse eine Verengung und einen daran anschließenden Elektrodenkragen aufweist, der von dem ersten Elektrodengehäuse konzentrisch umschlossen ist, wobei in diesem Bereich konzentrischer Überlappung zwischen dem ersten Elektrodengehäuse und dem Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses eine konzentrische Isolatorschicht zur Abschirmung der konzentrischen Oberflächenbereiche beider Elektrodengehäuse vorhanden ist, die sich in Richtung der Austrittsöffnung der ersten Elektrode soweit erstreckt, dass die Gasentladung im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse stattfindet, und – der Elektrodenkragen gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht radial so abgestuft ist, dass mindestens ein Endbereich des Elektrodenkragens gegenüber der konzentrischen Isolatorschicht einen Abstand in Form eines konzentrischen Spaltes aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung in dem ersten Elektrodengehäuse in Form einer kreisförmigen Verengung koaxial zu dessen Symmetrieachse des Elektrodengehäuses angeordnet und das erste Elektrodengehäuse nach der verengten Austrittsöffnung kegelförmig aufgeweitet ist, so dass die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden im Innern des ersten Elektrodengehäuses gezündet und das dichte, heiße Plasma innerhalb der kegelförmigen Aufweitung nach der Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses gebildet wird.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in das erste Elektrodengehäuse hineinragende Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses die Form eines mehrfach abgestuften Hohlzylinders aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkragen des zweiten Elektrodengehäuses ein Hohlzylinder mit zwei äußeren und einer inneren Abstufung ist, wobei die zweite äußere Abstufung einen Übergang des Elektrodenkragens zum Hauptteil des zweiten Elektrodengehäuses darstellt.
Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abstufung des Hohlzylinders einen konischen Übergang aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkragen (22) innen aufgebohrt ist, um die Elektrodenerosion zu vermindern, wobei ein verengter Ausgang (21) als vergrößerter Fußbereich für die Gasentladung bestehen bleibt.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengehäuse aus einem der Metalle Kupfer, Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser Metalle in beliebigem Mischungsverhältnis hergestellt sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens stark thermisch belastete Zonen der Elektrodengehäuse, insbesondere des Elektrodenkragens, aus einer Legierung von Wolfram mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis hergestellt sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens stark thermisch belastete Zonen der Elektrodengehäuse, insbesondere des Elektrodenkragens aus einer Legierung von Molybdän mit einem der Materialien Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis hergestellt sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stark belastete Zonen der Elektrodengehäuse, auf die der Strahlungsfluss des Plasmas oder der elektrischen Stromfluss besonders intensiv wirkt, insbesondere freie Innenkanten des Elektrodenkragens oder der Austrittsöffnung, mit einem Material niedriger Zerstäubungsrate beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stark belasteten Zonen der Elektrodengehäuse mit Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxiden oder Siliziumoxiden beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stark belasteten Zonen der Elektrodengehäuse mit einer Legierung aus Wolfram, Molybdän oder Rhenium mit einer der Verbindungen Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stark belasteten Zonen der Elektrodengehäuse mit einer Wolfram-Kohlenstoff-Verbindung, insbesondere einer Wolfram-Diamant-Verbindung beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodengehäuse als Anode und das zweite Elektrodengehäuse als Katode geschaltet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodengehäuse als Katode und das zweite Elektrodengehäuse als Anode geschaltet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrische Isolatorschicht im Innern des ersten Elektrodengehäuses ein Isolatorrohr aus einer der Verbindungen Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, AlZr, AlTi, BeO oder Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Elektrodengehäuses das Vorionisationsmodul koaxial zum Elektrodengehäuse angeordnet ist und aus zwei kreisförmigen Elektroden mit einem dazwischen befindlichen rohrförmigen Isolator besteht, wobei als eine der kreisförmigen Elektroden eine Endfläche des zweiten Elektrodengehäuses und die Oberfläche des rohrförmigen Isolators für eine Gleitentladung zur Vorionisation des Arbeitsgases vorgesehen ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Isolator für die Gleitentladung aus einem der Materialien Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, AlZr, AlTi, BeO oder aus hoch dielektrischen Materialien, wie Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Blei-Borosilikat oder Blei-Zink-Borosilikat , hergestellt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorionisationsmodul einen Gaseinlass für das Arbeitsgas aufweist, wobei der Gaseinlass koaxial durch den rohrförmigen Isolator geführt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Elektrodengehäuse so gefertigt sind, dass sie einen Grundkörper aus thermisch sehr gut leitendem Material, insbesondere Kupfer, aufweisen, wobei an diesen Grundkörper ein leistungsfähiges Wärmeableitungssystem zur effektiven Wärmeeliminierung aus der Entladungszone der Elektroden angefügt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitungssystem auf einer porösen Metallstruktur basiert.
Strahlungsquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitungssystem auf einem Heat-Pipe-System basiert.
Strahlungsquelle nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Kühlmedium Wasser, ein niederviskoses Öl wie Galden, Quecksilber, Natrium oder Lithium vorgesehen ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeableitungssystem jeweils in den Grundkörper der Elektrodengehäuse integriert ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinlass für das Arbeitsgas an wenigstens einer definierten Stelle im Innenraum der kegelförmigen Aufweitung des ersten Elektrodengehäuses angeordnet ist, wobei der Gaseinlass um die Symmetrieachse gleichverteilte Einlassöffnungen aufweist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas eines der Gase Xenon, Krypton, Argon, Neon, Stickstoff, Sauerstoff, Lithium- oder Joddampf oder ein Gemisch aus einigen von ihnen eingesetzt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas Xenon im Volumenanteil von mindestens 10 % mit Wasserstoff, Deuterium, Helium oder Neon gemischt ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungsmodul zur Zündung der Gasentladung einen Impulsgenerator mit einer Wiederholfrequenz zwischen 1 Hz und 20 kHz aufweist.
Strahlungsquelle zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-) Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten dichten, heißen Plasmas, vorzugsweise unter Verwendung von hohlkatoden-getriggerten Pinch-, Theta-Pinch-, Plasmafokus- oder Astron-Anordnungen, die zwei Elektroden, die elektrisch voneinander getrennt sind und zugleich rotationssymmetrische Elektrodengehäuse für Teile einer Vakuumkammer bilden, wobei zwischen den Elektrodengehäusen innerhalb der Vakuumkammer eine Gasentladung zur Plasmaerzeugung vorgesehen ist und in mindestens einem ersten Elektrodengehäuse eine Austrittsöffnung für die vom Plasma emittierte Strahlung vorhanden ist, eine Gasversorgungseinheit zum Erzeugen einer Durchströmung der Vakuumkammer mit einem Arbeitsgas sowie ein Hochspannungsmodul zur Bereitstellung von Hochspannungsimpulsen an den Elektroden enthält, dadurch. gekennzeichnet, dass – das zweite Elektrodengehäuse ebenfalls eine Verengung aufweist, die vom ersten Elektrodengehäuse koaxial aufgenommen wird, – die Elektrodengehäuse jeweils aus einem sehr gut wärmeleitenden Grundkörper, der mit einem leistungsfähigen Wärmeableitungssystem verbunden ist, und thermisch stark belastete Elektrodenzonen mindestens an den Verengungen der Elektrodengehäuse aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt bestehen..
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodengehäuse an Innenflächen, die sich elektrisch isoliert an die Verengung des zweiten Elektrodengehäuses koaxial anschließen, mit einer Isolatorschicht ausgekleidet ist, so dass die Gasentladung im Wesentlichen nur parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse ausgerichtet ist.
Strahlungsquelle nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses eine kreisförmige Verengung koaxial zur Symmetrieachse des Elektrodengehäuses darstellt und das Elektrodengehäuse nach der Austrittsöffnung kegelförmig aufgeweitet ist, so dass die Gasentladung zwischen den beiden Elektroden gezündet und das dichte, heiße Plasma innerhalb der kegelförmigen Aufweitung nach der Austrittsöffnung des ersten Elektrodengehäuses gebildet wird.
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch stark belastete Elektrodenzonen aus Wolfram oder einer Legierung von Wolfram mit einem der Materialien Molybdän, Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis gefertigt sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch stark belastete Elektrodenzonen aus Molybdän oder einer Legierung von Molybdän mit einem der Materialien Wolfram, Titan, Tantal, Zirkonium, Rhenium, Lanthan, Lanthanoxid, Nickel, Eisen, Nickel-Eisen- oder Zirkonium-Sauerstoff-Verbindungen in beliebigem Mischungsverhältnis gefertigt sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass stark belastete Elektrodenzonen, auf die der Strahlungsfluss aus dem Plasma oder elektrischer Stromfluss besonders intensiv wirkt, insbesondere die Innenkanten der Elektroden an den Verengungen der Elektrodengehäuse, mit Materialien niedriger Zerstäubungsraten, wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumoxiden, Siliziumoxiden oder einer Legierung dieser Verbindungen mit Wolfram, Molybdän oder Rhenium beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass stark belastete Elektrodenzonen, auf die der Strahlungsfluss aus dem Plasma besonders intensiv wirkt, insbesondere die Innenkanten der Elektroden an den Verengungen der Elektrodengehäuse, mit Wolfram-Kohlenstoff-Verbindungen beschichtet sind.
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitungssystem in den Grundkörpern der Elektrodengehäuse eine poröse Metallstruktur oder ein Heat-Pipe-System beinhaltet.
Strahlungsquelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitungssystem Kühlkanäle für eine innere Elektrode aufweist, wobei die Kühlkanäle durch das äußere Elektrodegehäuse hindurch zur Kühlung der inneren Elektrode auf Basis einer porösen Metallstruktur oder eines Heat-Pipe-Systems vorgesehen sind.