DE10310623B4

DE10310623B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch eletrische Entladung in einem Entladungsraum

Info

Publication number: DE10310623B4
Application number: DE10310623A
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Phys. Dr. Neff; Jeroen Dr. Jonkers; Eric Dr. Bosch; Günther Dr. Derra
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Philips GmbH
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: US7518300B2; KR101083085B1; JP2011100741A; KR20050116137A; JP5882580B2; EP1604552A1; EP1604552B1; DE10310623A1; JP2006521670A; WO2004082340A1; DE10310623B8; US20070001571A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung in einem Entladungsraum, der mindestens zwei Elektroden (10,12) aufweist, wovon mindestens eine (10) aus einem poröse oder kapillarähnliche Kanäle (48) aufweisenden Matrixmaterial bzw. Trägermaterial (30) ausgeführt ist, wobei sich zumindest durch den Stromfluß ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle bildet und zumindest an der Verdampfungsstelle ein Opfersubstrat (38) zugeführt wird, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials (30) liegt, so daß bei Stromfluß entstehende Ladungsträger hauptsächlich aus dem Opfersubstrat (38) erzeugt werden, und wobei das Opfersubstrat (38) durch das die äußere Form der Elektrode (10) definierende Trägermaterial (30) hindurchtritt und an der der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche austritt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung in einem Entladungsraum, der mindestens zwei Elektroden aufweist.

Eine Reihe derartiger Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt. So ist aus der WO-A-02/07484 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von kurzwelliger Strahlung durch ein gasentladungsbasiertes Plasma bekannt, bei der neben den zwei Plasmaelektroden noch zwei weitere Elektroden für eine Vorionisation verwandt werden. Neben einer aufwendigen und damit kostenintensiven Steuerelektronik zum Erzeugen des Plasmapinches, müssen zur Stabilisierung der Strahlungsquelle die vier Elektroden noch mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden.

Die WO-A-01/95362 offenbart eine weitere Vorrichtung zum Erzeugen eines hochfrequenten Plasmapinches durch elektrische Entladung, bei der eine Elektrodenerosion durch eine Rückspeicherung der in Resonanz übertragenen elektrischen Energie zwischen zwei Kondensatoren durch einen zusätzlichen im gesättigten Zustand befindlichen magnetischen Schalter verringert werden soll. Auf oder innerhalb einer der Elektroden befindet sich nach einer weiteren Ausführungsform Lithiummetall, welches durch kurze Laserstrahlpulse einer zusätzlichen Laservorrichtung verdampft wird, um im Plasmapinch zur Emission von extrem-ultravioletter Strahlung angeregt werden. Die Energie des Laserstrahlpulses erhöht die thermische Belastung der Elektrode und verkürzt deren Standzeit weiter.

Auch in Hochstromimpulsanlagen als Schaltelemente verwandte Ignitrons, Funkenstrecken, getriggerte Vakuumschalter oder Pseudofunken-Plasmaschalter weisen alle Elektroden auf, die bisher aufgrund starker Elektrodenerosion eine unzureichende Lebensdauer haben. Besonders nachteilig für viele Anwendungsgebiete sind dabei die Freisetzung von giftigen Abbrandprodukten des Elektrodenmaterials und die Bildung von Ozon bzw. ökologische Probleme bei der Entsorgung von Quecksilber eines Ignitrons.

Die CH 301203 bezieht sich auf ein Ignitron mit einer z.B. gesinterten Molybdänschwammelektrode zum Absorbieren des Quecksilbers und bietet, bezüglich des beim Schalten entstehenden Lichtbogens, einen hohen Widerstand. Dieses Ignitron besitzt dabei nur eine Schwammkathode, um für einen Ignitor in allen Bewegungszuständen und in jeder Lage des Ignitrons eine gleichbleibende räumliche Beziehung zur Kathode bereit zu stellen. Die Lebensdauer der als Ignitor verwandten Elektrode bleibt aber wegen der durch den Lichtbogen auftretenden Erosion zu gering.

Aus der WO-A-99/29145 sind besondere Elektrodengeometrien sowohl zur effektiveren Emission von extrem-ultravioletter und weicher Röntgenstrahlung, als auch für Pseudofunkenschalter mit Repetitionsraten bis in den Kilohertzbereich bekannt. Bei dem im Selbstdurchbruch betriebenen Plasmapinch wird ein zusätzliches Schaltelement zwischen einer Kondensatorbank und den Elektroden verwandt. Das Plasma steht nicht in Kontakt mit dem Isolator und soll nur einen Verschleiß an den Isolatoren verringern. Die vergleichsweise aufwendig gestaltete Vorrichtung schützt aber die Elektrodenoberflächen nicht ausreichend vor Erosion.

Wie in der DE-OS 101 39 677 offenbart, kann ein Hohlkathoden getriggertes Plasmapinch, kurz HCT-Pinch, dagegen ohne Schaltelement auf dem linken Ast der Paschenkurve betrieben werden und ermöglicht damit eine niederinduktive, effektive Energieeinkopplung. Die aus dieser Offenlegungsschrift entnommene 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Pseu dofunken-Plasmaschalters zum Erzeugen von extremultravioletter bzw. weicher Röntgenstrahlung.

Eine Hohlkathode (10) und eine Anode (12) begrenzen zusammen mit den Isolatoren (18) einen Entladungsraum (22). Dieses Elektrodensystem ist von einem Strompulsgenerator, zum Erzeugen eines Plasmas (26) durch elektrische Entladung beaufschlagt. Dieser Strompulsgenerator ist durch eine Kondensatorbank (20) symbolisiert. Das Plasma (26) zündet entlang einer Symmetrieachse (24), die durch Öffnungen (14,16) der beiden Elektroden (10,12) definiert wird.

Zum Erzeugen des Plasmas (26) wird ein entsprechend geeignetes Entladungsgas bei einem Druck (p), der typischerweise im Bereich von 1 bis 100 Pa liegt, im Entladungsraum (22) vorgelegt. Durch einen gepulsten Stromfluß von einigen zehn bis maximal 100 kA mit Pulsdauern, typischerweise zwischen zehn und einigen 100 ns Länge, wird durch Ohm'sche Heizung und elektromagnetischer Kompression ein Pinchplasma auf Temperaturen (T) von einigen zehn Elektronenvolt und Dichten gebracht, die das verwendete Entladungsgas zur effizienten Emission von Strahlung (28) im gewünschten Spektralbereich anregen. Ein niederohmiger Kanal im Elektrodenzwischenraum wird durch Ladungsträger im Rückraum der Hohlkathode (10) erzeugt. Solche Ladungsträger können auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Beispielsweise können zum Erzeugen von Ladungsträgern, wie z.B. Elektronen, ein Oberflächengleitfunkentrigger, ein hochdielektrischer Trigger, ein ferroelektrischer Trigger oder die bereits oben angeführte Vorionisation, vorzugsweise in der Hohlelektrode verwandt werden. Dabei tritt hauptsächlich an den Öffnungen (14,16) durch die hohen Pulsenergien eine starke thermische Belastung der Elektroden (10,12) auf.

Insbesondere unter Verwendung von Hilfselektroden, wie sie aus der WO-A-01/01736 bekannt sind, ist eine Beeinflussung der benötigten Zündspannung und eine Vorgabe des Zeit punktes der elektrischen Entladung möglich. Solche Hilfselektroden können alternativ auch zur Triggerung eingesetzt werden, wodurch die Kondensatorbank (20) nur bis unterhalb der Zündspannung aufgeladen werden muß. Dadurch wird aber wiederum das die Elektrodenoberfläche stark erodierende Plasma in der Hohlkathode erzeugt und die Lebensdauer nachhaltig verkürzt.

Des weiteren offenbart die DE 44 44 763 A1 ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch eine elektrische Entladung in einem Entladungsraum. Der Entladungsraum weist dabei mindestens zwei Elektroden auf, wovon mindestens eine Elektrode aus einem Trägermaterial aufgebaut ist. Durch ein Stromfluß bildet sich ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle aus. An der Verdampfungsstelle kann ein Opfersubstrat zugeführt werden, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials liegt, so daß die bei Stromfluß entstehenden Ladungsträger hauptsächlich aus Opfersubstrat erzeugt werden. Diese Elektrode dient zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten, wobei das Verdampfungsmaterial in Draht-, Stab- oder Rohrform zugeführt wird. Die aus dieser Druckschrift bekannte Einrichtung dient dazu, eine Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten zur Verfügung zu stellen, mit der auch schwerverdampfbare Materialien über lange Beschichtungsdauern bei langen Standzeiten hohe Bogenleistungen verdampft werden können. Dabei dient das zu verdampfende Material als eigentliche Elektrode.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung anzugeben, die mit technisch einfachen Mitteln zu einer deutlich höheren Lebensdauer bzw. zu einer höheren mittleren Belastbarkeit der Elektroden führen.

Diese Aufgabe wird einerseits erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch elektri sche Entladung in einem Entladungsraum, der mindestens zwei Elektroden aufweist, wovon mindestens eine aus einem poröse oder kapillarähnliche Kanäle aufweisenden Matrixmaterial bzw. Trägermaterial ausgeführt ist, wobei sich zumindest durch den Stromfluß ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle bildet und zumindest an der Verdampfungsstelle ein Opfersubstrat zugeführt wird, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials liegt, so daß bei Stromfluß entstehende Ladungsträger hauptsächlich aus dem Opfersubstrat erzeugt werden, und wobei das Opfersubstrat durch das die äußere Form der Elektrode definierende Trägermaterial hindurchtritt und an der der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche austritt.

Es wird daher das niedrigschmelzende Opfersubstrat zu Gunsten des Matrixmaterials geopfert, um die Form der Elektrode konstant zu halten.

Da mit dem Stromfluß aus einer Elektrodenoberfläche in das Plasma immer auch ein Teil des Oberflächenmaterials verdampft, kommt es üblicherweise zu einer Änderung der Elektrodenform, die sich nachteilig auf die Effizienz der Plasmabildung auswirkt. Auch die Größe und die Lage des Plasmas verändern sich dabei, sodaß diese Elektroden für eine reproduzierbare, stabile Plasmabildung unbrauchbar werden. Übliche Elektroden bestehen aus festen, elektrisch und thermisch gut leitfähigen Materialien, die einen verlustarmen Stromdurchtritt in das Plasma einerseits und zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Plasma andererseits geeignet sind.

Dazu ist der notwendige Materialverlust zum Ermöglichen des Stromtransportes so ausgeglichen, daß die äußere Form der Elektrode langfristig erhalten bleibt. Vorteilhafterweise wird das Verfahren so ausgeführt, daß das Opfersubstrat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Elektroden hat. Das flüssige Opfersubstrat wirkt dabei als mobile Phase, die schnell und effektiv auf die Oberfläche einer Elektrode transportiert werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren vorteilhafterweise so ausgeführt, daß die Oberfläche von dem Opfersubstrat benetzt wird. Hierdurch wird ein direkter Kontakt des Plasmas mit einer die äußere Form der Elektrode definierenden Matrix verhindert. Die der elektrischen Entladung zugewandte Oberfläche wird durch den von Kapillarkräften induzierten Transport des Opfersubstrats ständig erneuert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ergibt sich, wenn die Entladung bei einer mittleren Temperatur der Elektrode oberhalb des Schmelzpunktes des Opfersubstrates betrieben wird. Diese mittlere Temperatur liegt dabei immer unterhalb des Schmelzpunktes des die äußere Form der Elektrode definierenden Trägermaterials. Eine thermische Belastung der Elektrode wird durch eine Emission von Strahlung und heißen Teilchen, wie z.B. Ionen aus dem Plasma bzw. einer Pulsenergie von bis zu mehreren 10 J bei einer elektrischen Entladung hervorgerufen. Diese reicht für eine thermisch induzierte Emission von Elektronen in genügender Anzahl nicht aus. Auf der Oberfläche einer Elektrode, vorzugsweise an einer Kathode, tritt daher der als Spotbildung bekannte Prozeß der lokalen Überhitzung auf, so daß Elektrodenmaterial verdampft. Das verdampfende Elektrodenmaterial stellt dann üblicherweise die für die Entladung notwendigen Ladungsträger, wie z.B. Elektronen, für das Plasma zur Verfügung. Das die Oberfläche der Elektrode benetzende Opfersubstrat verdampft bei Überschreitung seines Siedepunkts, begrenzt die Erosion des Trägermaterials der Elektrode und begünstigt zudem die Spotbildung im entstehenden Dampf.

Vorzugsweise ist das Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung so gestaltet, daß die Menge des durch die Entladung verdampften Opfersubstrates aus einem Reservoir nachgeführt wird. Durch das benetzende Opfer substrat werden die an der Oberfläche einer Elektrode auftrenden Verluste durch Nachführen von Opfersubstrat mittels Kapillarkräften automatisch ausgeglichen. Das Trägermaterial wirkt dabei ähnlich einem nassen Schwamm.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß das verdampfte Opfersubstrat nach einem Kondensieren in ein bzw. das Reservoir rückgeführt wird. Das die Matrix des Trägermaterials benetzende Opfersubstrat kann sofort abfließen, wobei die äußere Form der erfindungsgemäßen Elektrode nachhaltig unverändert bleibt. Auch eine Verschmutzung eines optischen Systems für z.B. EUV-Lithographie durch verdampfendes Opfersubstrat bleibt relativ gering und führt zu einer höheren Nutzleistung.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Erzeugen von Plasma durch elektrische Entladung ist so gestaltet, daß die elektrische Entladung bei einem vorbestimmten Gasdruck auf dem linken Ast der Paschenkurve betrieben wird. Durch die Wahl eines Arbeitspunktes auf der Paschenkurve links vom Minimum kann insbesondere die Ausbeute an Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich, wie z.B. extrem-ultravioletter und weicher Röntgenstrahlung erhöht bzw. die Charakteristik eines Pseudofunken-Plasmaschalters besser definiert werden.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens kann sein, daß ein Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist, welches mindestens einen die Strahlung erzeugenden Bestandteil enthält. Hierzu kann z.B. Xenon verwandt werden. Die im Plasmapinch gebildeten hochionisierten Xenonionen emittieren Strahlung bei z.B. 13,5 nm Wellenlänge. Wird ein Partialdruck des die Strahlung emittierenden Gases im Entladungsraum jedoch zu hoch gewählt, tritt auch Absorbtion der erzeugten Strahlung auf.

Zur Steigerung der Intensität der erzeugten Strahlung besteht die Möglichkeit, daß ein Hauptbestandteil des Gases im Bezug auf die emittierte Strahlung transparent ist. Hierzu kann z.B. Helium, Argon oder Stickstoff verwandt werden, um einen Gasdruck von typischerweise 1 bis 100 Pa im Entladungsraum einzustellen, der bei entsprechender Elektrodengeometrie einen Arbeitspunkt auf dem linken Ast der Paschenkurve festlegt.

Bei der HCT-Pinchentladung ist die Menge des bei einem Puls geopferten Materials um Größenordnungen niedriger als die Gasmenge zwischen den Elektroden, die die Gasentladung bewirken und zur Strahlungsemission beitragen. Es ist daher vorteilhaft, daß durch kurzzeitges Einbringen von zusätzlicher Energie vor der Entladung zumindest an der bzw. den Stellen, wo üblicherweise die Kathodenspots bzw. Verdampfungsstellen auftreten, beispielsweise mittels eines Laserpulses oder Elektronenstrahls, wesentlich mehr Opfersubstrat verdampft wird. Durch eine Energie des zusätzlichen Laserpulses von etwa 50 mJ kann eine Teilchenmenge des Opfersubstrates im Bereich von 10¹⁵ Teilchen in Form eines Dampfes erzeugt werden. Die Teilchenmenge des so erzeugten Dampfes des Opfersubstrates entspricht dann ungefähr der des normalerweise verwendeten Entladungsgases. Hierdurch wird der Plasmapinch vorwiegend im Dampf gebildet und die Eigenschaften des Dampfes bestimmen nun die Strahlungsemission während die Vorteile der Formstabilität des Elektrodenträgers bzw. des Matrixmaterials erhalten bleiben. Durch den Energiepuls, der Dampf zwischen den Elektroden freisetzt, kann u.U. vollständig auf ein zusätzliches Gas verzichtet werden. Das Elektrodensystem befindet sich also zunächst im Vakuum (z.B. 10^-6 mbar), also sehr weit links auf der Paschenkurve. Erst die Dampffreisetzung führt zur Entladung und zur Bildung eines Pinches im Dampf aus Opfersubstrat.

Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, daß Opfersubstrate wie Zinn, Indium, Gallium, Lithium, Gold, Lanthan, Aluminium und deren Legierungen und/oder chemischen Verbindungen mit anderen Elementen verwandt werden. Insbesondere zum Erzeugen von extrem-ultravioletter und/oder weicher Röntgenstrahlung können die oben genannten Elemente und deren z.T. bei erheblich niedriger Temperatur siedenden Salze verwandt werden und der Flüssigkeitsbereich des Opfersubstrates an das Matrixmaterial angepaßt werden.

Des weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung, mit einem Entladungsraum, der mindestens zwei Elektroden aufweist, wovon mindestens eine aus einem poröse oder kapillarähnliche Kanäle aufweisenden Matrixmaterial bzw. Trägermaterial ausgeführt ist, wobei sich zumindest durch den Stromfluß ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle bildet, und mit einer Einrichtung, die zumindest an der Verdampfungsstelle ein Opfersubstrat zuführt, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials liegt, so daß bei Stromfluß entstehende Ladungsträger hauptsächlich aus dem Opfersubstrat erzeugbar sind, wobei das Opfersubstrat durch das die äußere Form der Elektrode definierende Trägermaterial hindurchtritt und an der der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche austritt.

Die Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann prinzipiell für jede gasentladungsbasierte Anwendung verwandt werden. Auch kann deren äußere Form jeglicher Art, wie z.B. in Form eines Zylinders oder einer Hohlelektrode ausgestaltet werden. Das zusätzliche Opfersubstrat tritt dabei durch das die äußere Form der Elektrode definierende Trägermaterial, vorzugsweise in die der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche aus.

Ferner ist es dabei möglich, daß in dem von mindestens zwei Elektroden und mindestens einem Isolator gebildeten Entladungsraum beim Erreichen einer definierten Zündspannung entlang einer durch Öffnungen festgelegten Symmetrieachse ein Plasma ausbildbar ist. Hierdurch kann z.B. ein HCT-Pinch-Plasma mit definierter räumlicher Ausdehnung im Selbstdurch bruch erzeugt werden, welches einen relativ großen Abstand zur Oberfläche des Entladungsraums aufweist. Dadurch wird die thermische Belastung der Elektroden und damit naturgemäß die Elektrodenerosion gering gehalten.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung so gestaltet, daß das Trägermaterial mit mindestens einem Reservoir, welches das Opfersubstrat in flüssiger und/oder gasförmiger Form enthält, verbunden ist. Das Reservoir dient sowohl zum Nachführen des im Entladungsbetrieb notwendigen Materialverlustes auf der Oberfläche der Elektrode als auch zum Rückführen des an den kühleren Stellen der Oberfläche des Entladungsraums kondensierenden Opfersubstrats, dabei wird die äußere Form der Elektrode immer beibehalten. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Opfersubstrat in fester Form dem Reservoir und/oder dem Entladungsraum zuzuführen, beispielsweise in Drahtform.

In der Ausgestaltung der vorbeschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen des Plasmas ist es zweckmäßig, daß das Trägermaterial aus refraktivem Material, vorzugsweise einem Metall bzw. einer Metallegierung oder aus Keramik hergestellt ist. Selbstverständlich kann das die äußere Form einer Elektrode definierende Trägermaterial aus jedem temperaturbeständigen Material hergestellt werden.

Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas ist derart ausgebildet, daß das Trägermaterial auf mindestens einer der dem Plasma zugewandten Oberflächen einer der Elektroden eine Porenform aufweist, die von der Porenform anderer Teile des Trägermaterials abweicht. Dadurch ist es möglich, daß das Trägermaterial auf der Oberfläche einer Elektrode unterschiedlich große Poren aufweist. Durch geeignete Herstellungsprozesse können Poren erzeugt werden, die z.B. durch Aufnahme von größeren Mengen des Opfersubstrates lokal hohe Verluste an Opfersubstrat ausgleichen, die z.B. entlang oder auf der Symmetrieachse des Plasma-Pinches auf treten, da diese hauptsächlich dem hohen Stromfluß ausgesetzt sind.

Es ist aber auch möglich und vorteilhaft, daß die Porengröße innerhalb des Trägermaterials unterschiedlich ist, beispielsweise von innen zur Oberfläche hin abnimmt. Dadurch unterstützen die Kapillarkräfte den Opfersubstrattransport in vorteilhafter Weise.

Ohne Beschränkung der allgemeinen Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung für gasentladungsbasierte Anwendungen, ist eine vorteilhafte Verwendung zum Erzeugen von Strahlung im Bereich von extrem-ultravioletter und/oder weicher Röntgenstrahlung, insbesondere für die EUV-Lithographie.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung können aber auch zum Steuern sehr hoher Stromstärken, insbesondere für Hochleistungsschalter verwandt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von fünf Ausführungsbeispielen sowie aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Elektrodengeometrie nach dem Stand der Technik;
2 eine Elektrode mit zusätzlich zuführbarem Opfersubstrat gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
3 eine schematische Darstellung eines Elektrodenquerschnitts gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels;
4 eine schematische Darstellung einer mit zusätzlichem Opfersubstrat beaufschlagten Elektrode im Entladungsbetrieb gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels;
5 eine schematische Darstellung eines Elektrodenquerschnitts mit zusätzlich beaufschlagtem Opfersubstrat und einer Elektrodenoberflächentemperaturverteilung im Betrieb gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels; und
6 eine schematische Darstellung einer Elektrodengeometrie mit kapillarähnlichen Kanälen gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen stets dieselben konstruktiven Merkmale und beziehen sich, soweit im folgenden nichts anderes gesagt ist, stets auf die 2 bis 6.
Insbesondere anhand 2 wird das erfindungsgemäße Funktionsprinzip eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit einer regenerierbaren Elektrode 10 beschrieben. Die Elektrode 10 besteht aus einem porösen Trägermaterial 30, in dessen Zwischenräumen sich ein Opfersubstrat 38 mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das poröse Trägermaterial 30 befindet. Das Opfersubstrat 38 liegt in flüssiger Form in einem Reservoir 34 vor und ist über eine Zuführung 32 mit einer der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche 36 (3) verbunden. Vorzugsweise besitzt das flüssige Opfersubstrat 38 die Eigenschaft, das poröse Trägermaterial 30 zu benetzen.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erneuerbaren Elektrode 10 im Querschnitt schematisch gezeigt. Das poröse Trägermaterial 30 besteht aus einer Matrix 40, die durch Sintern von Metallkörpern, vorzugsweise aus refraktivem Metallen, wie Wolfram oder Molybdän, hergestellt wird. Die Metallkörper können in Form und Größe so variiert werden, daß durch einen geeigneten Sinterprozeß entsprechend dimensionierte Poren auf der Oberfläche 36 bzw. Zwischenräume und Kanäle 48 in der Elektrode 10 erzeugt werden. Selbstverständlich kann das poröse Trägermaterial 30 auch aus einer Keramik gefertigt werden. Die Zwischenräume in der Matrix 40 sind bei der erfindungsgemäßen Elektrode 10 im Betrieb mit dem flüssigen Opfersubstrat 38 gefüllt. Der Schmelz- bzw. Siedepunkt des Opfersubstrates 38 ist dabei so gewählt, daß diese niedriger sind als der Schmelzpunkt der Matrix 40. Benetzt das Opfersubstrat 38 die Matrix 40, führen natürlich auftretende Kapillarkräfte in den Poren zu einer Sogwirkung vom Reservoir 34 in das poröse Trägermaterial 30. Diese einem Schwamm ähnelnde Eigenschaft des porösen Trägermaterials 30 führt im Entladungsbetrieb zu einem kontinuierlichen Nachführen des flüssigen Opfersubstrates 38 in die Oberfläche 36 und gleicht somit den üblicherweise auftretenden Abtrag an Elektrodenmaterial aus.
4 zeigt den schematischen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung im Entladungsbetrieb. Eine Entladung heizt dabei die Oberfläche 36 einer Elektrode 10 durch den Stromfluß 42 so stark auf, daß das flüssige Opfersubstrat 38 zum Teil unter Bildung von Dampf 44 von der Oberfläche 36 verdampft. Da das Opfersubstrat 38 die Matrix 40 benetzt, kommt das Plasma 26 nur mit dem Opfersubstrat 38 in Kontakt. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Oberfläche 36 der Elektrode 10 vollständig vom Opfersubstrat 38 benetzt wird. Auch wenn das Opfersubstrat 38 nur im Bereich der Poren vorliegt, kann es den Stromtransport aus der Elektrode 10 heraus übernehmen. Das Opfersubstrat wird dabei durch eine Kapillarkraft 46 bedarfsgerecht durch die Elektrode 10 auf die Oberfläche 36 der Elektrode 10 nachgeführt, sodaß die Gestalt der Matrix 40 und somit die äußere Form der Elektrode 10 unverändert bleibt.
Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in 5 gezeigt. Das Opfersubstrat 38 verdampft von einer Oberfläche 36 einer Matrix 40 beim Zünden eines Plasmas 26, wenn eine Temperatur T₁ eines sich bildenden Elektrodenspots den Siedepunkt des Opfersubstrates 38 erreicht. Durch das nachgeführte Opfer substrat 38 wird die thermische Belastung der Matrix 40 auf T₁ beschränkt, da die durch Bildung des Plasmas 26 auf die Oberfläche 36 auftreffende Energie in Form von Verdampfungsenthalpie des Opfersubstrates 38 abgeführt wird. Das zusätzlich verdampfende Opfersubstrat 38 kühlt dabei geringfügig die Oberflächen 36 und bildet einen Dampf 50, der sich durch Konvektion in alle Raumrichtungen bewegt. Hauptsächlich kann aber der Dampf des Opfersubstrats 38 an den kühleren Stellen der Elektrode 10 außerhalb des Spots wieder kondensieren, und das Kondensat wird durch die Poren wieder in das Matrixmaterial 30 zurückgeführt. Durch Stöße mit der Oberfläche 36 in Bereichen mit einer Temperatur T₂ unterhalb des Siedepunktes T₁ des Opfersubstrates 38 werden außerhalb des Plasmakontaktes liegenden kühleren Bereiche der Oberfläche 36 erreicht, die die im Dampf 50 gespeicherte Wärmeenergie aufnehmen. Das Opfersubstrat 38 kondensiert dabei und wird zurückgeführt. Dies kann z.B. durch die bereits erwähnten Kapillarkräfte 46 in das poröse Trägermaterial 30 erfolgen. Die mittlere Betriebstemperatur liegt dabei immer oberhalb des Schmelzpunktes des Opfersubstrates 38 und unterhalb der Schmelztemperatur der Matrix 40. Durch eine hier nicht gezeigte Einrichtung kann beispielsweise durch ein Laserpuls oder ein Elektronenstrahl kurzzeitig zusätzliche Energie vor der Entladung zumindest an den Stellen, wo üblicherweise Kathodenspots bzw. Verdampfungsstellen auftreten, zugeführt werden, um zusätzliches Opfersubstrat 38 zu verdampfen. Die so erzeugte Teilchenmenge des Opfersubstrates 38, welches z.B. Zinn, Indium, Gallium, Lihium und deren Legierungen und/oder chemische Verbindungen mit anderen Elementen sein kann, entspricht dabei in etwa der Menge des zum Erzeugen von EUV- und/oder weicher Röntgenstrahlung verwandten Entladungsgases.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 6 gezeigt. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel weist eine Elektrode 10 eine erste Öffnung 14 auf, die koaxial zur Symmetrieache 24 einer elektrischen Entladung angeordnet ist. Die Elektrode 10 umfaßt neben einem Trägermaterial 30 mindestens ein Reservoir 34, welches ein flüssiges und/oder gasförmiges Opfersubstrat 38 enthält, sowie zur Oberfläche 36 verlaufende kapillarähnliche Kanäle 48. Durch Oberflächenspannung des auf die Oberfläche 36 austretenden flüssigen Opfersubstrates 38 entstehen flächig begrenzte Bezirke einer benetzten Oberfläche 52, die im Entladungsbetrieb das Trägermaterial 30 vor Erosion schützt. Durch eine gezielte Einarbeitung der kapillarähnlichen Kanäle 48 in das Trägermaterial 30, kann eine gezielte Zuführung von Opfersubstrat 38 bedarfsgerecht erfolgen. Die Oberfläche 36, und damit die Elektrode 10 wird somit ständig regeneriert. Das Opfersubstrat 38 kann zweckmäßig auch in Drahtform bedarfsgerecht dem Reservoir 34 und/oder der Oberfläche 36 bzw. dem hier nicht gezeigten Entladungsraum 22 (1) zugeführt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung angegeben, die formstabil ist und insbesondere als Quelle für Strahlung im Bereich von extrem-ultravioletter und/oder weicher Röntgenstrahlung bzw. als Pseudofunken-Plasmaschalter verwandt werden kann.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung in einem Entladungsraum, der mindestens zwei Elektroden (10,12) aufweist, wovon mindestens eine (10) aus einem poröse oder kapillarähnliche Kanäle (48) aufweisenden Matrixmaterial bzw. Trägermaterial (30) ausgeführt ist, wobei sich zumindest durch den Stromfluß ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle bildet und zumindest an der Verdampfungsstelle ein Opfersubstrat (38) zugeführt wird, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials (30) liegt, so daß bei Stromfluß entstehende Ladungsträger hauptsächlich aus dem Opfersubstrat (38) erzeugt werden, und wobei das Opfersubstrat (38) durch das die äußere Form der Elektrode (10) definierende Trägermaterial (30) hindurchtritt und an der der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche austritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (36) von dem Opfersubstrat (38) benetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung bei einer mittleren Temperatur (T) der Elektroden (10) oberhalb des Schmelzpunktes des Opfersubstrates (38) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des durch die Entladung verdampften Opfersubstrates (38) aus einem Reservoir (34) nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Opfersubstrat (38) nach einem Kondensieren in ein bzw. das Reservoir (34) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung bei einem vorbestimmten Gasdruck (p) auf dem linken Ast der Paschenkurve betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas zwischen den Elektroden (10,12) vorhanden ist, welches mindestens einen Strahlung (28) erzeugenden Bestandteil enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch kurzzeitiges Einbringen von zusätzlicher Energie vor der Entladung zumindest an der bzw. den Stellen, wo üblicherweise die Kathodenspots bzw. Verdampfungsstellen auftreten, beispielsweise mittels eines Laserpulses oder eines Elektronenstrahls, wesentlich mehr Opfersubstrat (38) verdampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Opfersubstrate (38) wie Zinn, Indium, Gallium, Lithium, Gold, Lanthan, Aluminium und deren Legierungen und/oder chemische Verbindungen mit anderen Elementen verwandt werden.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas durch elektrische Entladung, mit einem Entladungsraum (22), der mindestens zwei Elektroden (10,12) aufweist, wovon mindestens eine (10) aus einem poröse oder kapillarähnliche Kanäle (48) aufweisenden Matrixmaterial bzw. Trägermaterial (30) ausgeführt ist, wobei sich zumindest durch den Stromfluß ein erosionsgefährdeter Bereich mit einer Verdampfungsstelle bildet, und mit einer Einrichtung, die zumindest an der Verdampfungsstelle ein Opfersubstrat (38) zuführt, dessen Siedepunkt im Entladungsbetrieb unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials (30) liegt, so daß bei Stromfluß entstehende Ladungsträger hauptsächlich aus dem Opfersubstrat (38) erzeugbar sind, wobei das Opfersubstrat (38) durch das die äußere Form der Elektrode (10) definierende Trägermaterial (30) hindurchtritt und an der der elektrischen Entladung zugewandten Oberfläche austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (30) mit mindestens einem Reservoir (34), welches das Opfersubstrat (38) in flüssiger und/oder gasförmiger Form enthält, verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (30) aus refraktivem Material, vorzugsweise einem Metall bzw. einer Metallegierung oder aus Keramik hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (30) auf mindestens einer der dem Plasma (26) zugewandten Oberflächen (36) einer der Elektroden (10) eine Porenform aufweist, die von der Porenform anderer Teile des Trägermaterials (30) abweicht.