DE3307906A1

DE3307906A1 - Roentgenstrahlenerzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE3307906A1
Application number: DE19833307906
Authority: DE
Inventors: Ichio Yudasaka
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-05
Publication date: 1983-09-15
Also published as: FR2522879B1; GB8306064D0; FR2522879A1; JPS58152352A; GB2116361A; GB2116361B

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung.

Bei der üblichen bekannten Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung werden die Röntgenstrahlen im wesentlichen dadurch erzeugt, daß beschleunigte Elektronen auf einem metallischen Target zum Aufprall gebracht werden. Wegendes unzureichenden, niedrigen Intensitätspegels pro Zeiteinheit wird bei einer solchen Vorrichtung jedoch eine lange Strahlungszeit benötigt, wenn Röntgenstrahlen einer hohen Intensität verlangt werden.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Röntgenstrahlenquelle verfügbar zu machen, die eine hohe Strahlungsintensität aufweist und deshalb für Systeme geeignet ist, die Röntgenstrahlen einer hohen Intensität verlangen.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Plasma innerhalb eines Vakuumgefäßes durch ein starkes Magnetfeld zusammengedrängt und die bei dem Schnür- bzw. Pincheffekt auftretende Röntgenstrahlung hoher Intensität nutzbar gemacht. Es handelt sich um das bei der Kernfusion bekannt gewordene Prinzip mit der Zielsetzung, die beim Verdichten des Plasmas entstehende Röntgenstrahlung nutzbar zu machen. Diese Röntgenstrahlung wird in einer Intensität geliefert, wie sie insbesondere geeignet ist für die Herstellung höchstintegrierter Schaltungen, bei denen derzeit ein Platzbedarf in der Größenordnung von 1 μΐη

für das einzelne Element angestrebt wird. Bei derartig kleinen Elementen reicht das Auflösungsvermögen einer üblichen optischen Belichtungseinrichtung nicht mehr aus. Es ist erforderlich, auf kurzwelligere Strahlungen, wie Ultraviolett-oder Röntgenstrahlen, überzugehen. Die erfindungsgemäße Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung liefert für den genannten Zweck die gewünschte Strahlung einer ausreichend hohen Intensität.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einer Prinzipdarstellung die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung,

Fig. 2 den Querschnitt II-II von Fig. 1, Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist ein zylindrisches Vakuumgefäß 1,wie ein Quarzrohr, von Wicklungsabschnitten 3, 4 und 4' einer Wicklung umgeben, deren Anschlüsse mit 2 und 2' bezeichnet sind. Mit 5 ist der Einlaß und mit 6 der Auslaß für ein Inertgas, wie Argon oder Neon, bezeichnet. Der Auslaß 6 ist mit einer Vakuumpumpe verbunden, durch die das Vakuum im Gefäß 1 gesteuert wird. Es ist zweckmäßig, wenn der Druck etwa zwischen 10 und 3 Torr liegt. In der Mitte des Vakuumgefäßes 1 ist ein Fenster 7 für den Austritt der Röntgenstrahlung vorgesehen. Die beiden Enden 2 und der Wicklung sind über einen Schalter z.B. mit einem Kondensator großer Kapazität verbunden. Der Durchmesser des mittleren Wicklungsabschnittes 3 ist größer als der der beiden Endabschnitte 4 und 4¹.

In Fig. 2 ist ebenfalls im Prinzip der Querschnitt des mittleren Abschnittes der Einrichtung nach Fig. 1 dargestellt. Die Ansicht zeigt, daß das Vakuumgefäß 1 kreisringförmig ausgebildet und vom Wicklungsabschnitt 3 umgeben ist. Innerhalb des Vakuumgefäßes 1 ist ein elektrisch leitender Metallzylinder 8 vorgesehen. Dieser erstreckt sich in Axialrichtung des Vakuumgefäßes 1 nur über den mittleren Wicklungsabschnitt 3, d.h. über den Bereich des Vakuumgefäßes, dessen Querschnitt vergrößert ist. Anstelle eines gesonderten Metallzylinders kann auch auf die Innenwand des Vakuumgefäßes eine Metallschicht z.B. durch Aufdampfen aufgebracht sein. Durch den Metallzylinder 8 wird der Wirkungsgrad für die Röntgenstrahlenerzeugung verbessert, er ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Seine Wirkung wird später beschrieben.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. sind wendeiförmige Wicklungen 14, 15 und 16 des gleichen Durchmessers vorgesehen. Die Wicklungen 14 und 16 sind an beiden Enden des Gefäßes aufgebracht und durch ihre benachbarten Enden miteinander verbunden. Die äußeren beiden Enden 12 und 12 · der Wicklungen 14. und 16 sind an eine Stromquelle anschließbar. Die Wicklung 15 ist auf den mittleren Abschnitt des Gefäßes aufgebracht und gegenüber den Wicklungen 14 und 16 elektrisch isoliert. Die beiden Enden 13 und 13' der mittleren Wicklung 15 sind an eine weitere Strom- bzw. Spannungsquelle anschließbar, die von der verschieden ist, mit der die Enden 12 und 12' der anderen Wicklungen verbindbar sind. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 3 sind die folgenden Forderungen zu erfüllen. Die Leistung, die über die Wicklungsenden 12 und 12' den Wicklungen 14 und 16 zugeführt wird, muß größer sein als die Leistung, die über die Enden 13 und 13' der mittleren Spule 15 zugeführt wird. Es muß also in den Wicklungen

14 und 16 ein größerer Strom fließen als in der Wicklung 15. Zweitens muß der Strom in den Wicklungen 14 und 16 immer dann fließen, wenn Strom in der Wicklung 15 fließt. Die Querschnittsansicht der Einrichtung nach Fig. 3 entspricht der von Fig. 1, d.h. sie ist im Prinzip durch Fig. 2 dargestellt. Der Metallzylinder 8/ der sich im wesentlichen über den Wicklungsabschnitt 15 erstreckt, dient auch hier dazu, den Wirkungsgrad der erzeugten Röntgenstrahlung zu verbessern.

Im folgenden wird nun beschrieben, wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 die Röntgenstrahlen erzeugt werden.

Im Inneren des Vakuumgefäßes 1 wird ein geeigneter Grad des Vakuums (10 bis 3 Torr) dadurch aufrechterhalten, daß das über den Einlaß 5 zugeführte Gas über den Auslaß 6 in geeigneter Menge abgezogen wird. Die Enden 2 und 2¹ der Wicklung werden z.B. über einen nicht dargestellten Schnellschalter mit einem aufgeladenen Kondensator großer Kapazität, der ebenfalls nicht dargestellt ist, verbunden. Die Kapazität des Kondensators soll groß genug sein, um der Wicklung einen Strom von mehreren kA zuführen zu können. Selbstverständlich muß die aus den Wicklungsabschnitten 3, 4 und 4¹ aufgebaute Wicklung in der Lage sein, den Strom aufzunehmen, d.h. sie muß einen ausreichend niedrigen Widerstand aufweisen, was beispielsweise durch Supraleitung realisiert werden kann. Wenn die Wicklung mit dem Stromstoß beaufschlagt wird, d.h. in dem Zeitpunkt, in dem plötzlich ein großer Strom in die Wicklung eingeleitet wird, wird das Gas innerhalb des Vakuumgefäßes 1 durch die Kraft der erzeugten elektromagnetischen Energie ionisiert und in den Zustand eines Plasmas übergeführt. An der Oberseite des Plasmas verläuft die Stromrichtung entgegengesetzt zur Richtung des großen Stromes in der Spule. Die durch die beiden Ströme bewirkte

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Kraft konzentriert das Plasma im mittleren Abschnitt des Vakuumgefäßes 1 und es wird im Ergebnis ein hochkonzentriertes Plasma erzeugt. Das innerhalb des Gefäßes 1 erzeugte Magnetfeld ist in den Endabschnitten stärker als im mittleren Abschnitt, da der Durchmesser der Wicklungsabschnitte 4 und 4' kleiner ist als der des Wicklungsabschnittes 3. Das erzeugte Plasma wird in den mittleren Abschnitt des Gefäßes 1 gedrängt und hier eingeschlossen, da die geladenen Teilchen durch die elektromagnetische Kraft in Richtung vom stärkeren zum schwächeren Magnetfeld gedrängt werden.

Wenn die geladenen Teilchen mit hoher Energie in den engen Bereich, wie beschrieben, gedrängt und hier konzentriert werden, werden in diesem Bereich verschiedene Arten von Strahlungen erzeugt. Es sind'dies Strahlungen infolge eines Zusammenstossens von Plasmateilchen, infolge einer Rekombination von Ionen und Elektronen und infolge eines Übergangs des erregten Zustandes von Ionen in den Grundzustand. Falls die Temperatur des Plasmas ausreichend hoch ist, wird aufgrund dieser Vorgänge eine Röntgenstrahlung hoher Intensität emittiert. Da neben Röntgenstrahlen verschiedene andere Arten elektromagnetischer Wellen, wie sichtbares Licht etc., erzeugt werden, ist es zweckmäßig, das Fenster 7 aus Materialien wie Beryllium herzustellen, um zu gewährleisten, daß nur die Röntgenstrahlen aus dem Gefäß nach außen gelangen.

Wenn sich die in der Mitte des Gefäßes 1 erzeugte Plasmasäule ausdehnt oder wenn sie sich in eine exzentrische Position innerhalb des Gefäßes verlagert, werden im Metallzylinder 8, der elektrisch leitend sein soll, Wirbelströme erzeugt und hierdurch das Plasma in die gewünschte Ursprungsposition zurückgedrängt. Demzufolge kann das Plasma für längere Zeit stabilisiert werden,

und es ist möglich, intensitätsreichere Röntgenstrahlen während eines längeren Zeitabschnittes zu erzeugen.

Die Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach Fig. 3 wirkt ähnlich wie die nach Fig. 1. Die Stabilität des Plasmas bei diesem Aufbau wird dadurch erreicht, daß das durch die Wicklungen 14 und 16 erzeugte Magnetfeld stärker ist als das durch die Wickung 15 erzeugte. Der Querschnittsaufbau der Einrichtung nach Fig. 3 ist ähnlich der nach Fig. 1 und in Fig. 2 im Prinzip dargestellt. Die Wirkung des Metallzylinders 8 entspricht der oben beschriebenen Wirkung.

Die Windungen der Wicklungsabschnitte 3/4 und 4¹ sollen parallel zueinander, d.h. in Richtung eines bestimmten Winkels verlaufen. Die durch die einzelnen Windungen erzeugten Magnetflüsse sind damit alle gleich und es kann ein stärkeres magnetisches Feld erzeugt werden. Dieses wiederum erlaubt eine -stärkere Konzentration des Plasmas im mittleren Bereich des Gefäßes 1 und damit eine höhere Dichte des Plasmas. Das Ergebnis sind Röntgenstrahlen hoher Intensität.

Beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung in einer Belichtungseinrichtung zur Herstellung höchstintegrierter Schaltungen kann wegen der hohen Intensität der erzeugten Röntgenstrahlen die Belichtungszeit so weit herabgesetzt werden, daß eine wirtschaftliche Fertigung unter Verwendung von Röntgenstrahlen möglieh ist.

Claims

Patentansprüche

Qy Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung mit einem zylindrischen Gefäß, das auf ein bestimmtes Vakuum einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet/ daß das zylindrische Gefäß (1, 11) mit einer wendeiförmigen Wicklung umwickelt ist, deren Windungen parallel zueinander in Richtung eines bestimmten Winkels verlaufen und daß dieser Wicklung plötzlich ein Strom einer großen Stromstärke zugeführt wird.
2. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Wicklung an beiden Endabschnitten kleiner als im mittleren Bereich ist.
3. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Wicklung (15) und zwei Randwicklungen (14, 16) von jeweils gleichem Durchmesser vorgesehen sind, daß die Randwicklungen mit jeweils einem Ende verbunden sind und die anderen Enden mit einer Stromquelle verbindbar sind und daß die mittlere Wicklung (15) an eine weitere Stromquelle anschließbar ist

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und der den beiden Randwicklungen (14, 16) zugeführte Strom eine größere Stromstärke aufweist als der der mittleren Wicklung (15) zugeführte Strom.
4. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wicklung ein Metallzylinder (8) vorgesehen ist.
5. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gefäß hermetisch abgedichtet und auf einem geeigneten Vakuum gehalten ist.
6. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gefäß ein Druck zwischen 10 und 3 Torr aufrechterhalten wird.
7. Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas des zylindrischen Gefäßes ein Inertgas wie Argon oder Neon ist.
8. Verwendung einer Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Belichtungseinrichtung zum Belichten von Halbleiterplättchen bei der Herstellung höchstintegrierter Schaltungen.