Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines
Synchrotrons und ein Synchrotron.
Bekanntlich ist bei der Herstellung von integrierten Halb
leiterschaltungen das angewendete Expositionsverfahren we
sentlich für die Bildung eines bestimmten Musters auf einem
Substrat eines Halbleitermaterials für die integrierte
Schaltung. Bei den herkömmlichen Expositionsmethoden, die
mit UV-Strahlen arbeiten, ist es jedoch aus prinzipiellen
Gründen nicht möglich, die Integrationsdichte oder die An
zahl von Elementen pro Chip in der Schaltung zu erhöhen.
Deshalb wurde der Vorschlag gemacht, mit Röntgenstrahlen zu
arbeiten, die eine kürzere Wellenlänge besitzen als die UV-
Strahlen und somit eine Erhöhung der Integrationsdichte der
Schaltung ermöglichen.
Zur Erzeugung der Röntgenstrahlen benötigt man einen Rönt
genstrahl-Generator. Es wurden bereits verschiedene Gene
ratortypen vorgeschlagen, zum Beispiel ein spezieller Rönt
genstrahl-Generator für die Röntgenstrahl-Lithographie in
Form eines Synchrotron-Beschleunigers. In einer solchen An
lage werden weiche Röntgenstrahlen von der Synchrotron-
Kreisbahn-Strahlung (SOR) abgeleitet. Die weichen Röntgen
strahlen lassen sich sehr stark kollimieren und eignen sich
für die Exposition (Belichtung) im Zuge der Herstellung von
integrierten Halbleiterschaltungen.
In einem Synchrotron definiert ein Strahlkanal die Ringbahn
für geladene Teilchen, wobei ein im folgenden lediglich als
Hohlraum bezeichneter Beschleunigungshohlraum in den
Strahlkanal eingefügt ist und mit einem elektrischen Hoch
frequenz-Feld, das ein elektrisches Beschleunigungsfeld
darstellt, beaufschlagt wird. Die geladenen Teilchen werden
durch das Feld beschleunigt, wenn sie den Hohlraum passie
ren.
Allerdings können in dem Hohlraum beim Passieren der ge
ladenen Teilchen außer einer Komponente des Target-Grund
modes, das ist der sogenannte TM010-Mode, auch Komponenten von
Parasitär-Moden erregt werden. Diese Parasitär-Moden können
dazu führen, daß der Strom der geladenen Teilchen instabil
wird.
Es wurde vorgeschlagen (s. Nuclear Instruments and Methods,
Bd. 153 (1978), S. 51-52), in dem Beschleunigungshohlraum
eine verstellbare Dämpfungsantenne anzuordnen, um die Parasitär-Moden-
Komponenten zu dämpfen. Die Verstellbarkeit ist insoweit gegeben, als die
Einstandstiefe der Koppelsonden der Antenne optimierbar ist.
Wenn allerdings die Dämpfungsantenne
in ihrer Lage fixiert ist, bereitet es Schwierigkei
ten, die geladenen Teilchen, die einen starken Strom dar
stellen und den Bereich von niederenergetisch zu hochener
getisch einnehmen, wirksam zu beschleunigen.
Um geladene Teilchen eines starken Stroms geringer Energie
zu beschleunigen, müssen die Parasitär-Moden von der
Dämpfungsantenne stark abgeschwächt werden. Wenn geladene
Teilchen hoher Energie zu beschleunigen sind, ist aller
dings die Zuwachsrate der Parasitär-Moden-Komponenten klein
im Vergleich zu der Strahlungsdämpfungsrate der Elektronen-
Eigenschwingung, das heißt der Betratron-Schwingung oder der
Synchrotron-Schwingung. Deshalb brauchen die Parasitär-
Moden-Komponenten von der Dämpfungsantenne nicht so abge
schwächt zu werden, wie im Fall des niederenergetischen Zu
stands. Vielmehr ist es erwünscht, daß eine abträgliche Be
einflussung der Grund-Mode-Komponente durch die Dämpfungs
antenne verhindert wird.
Nimmt man an, daß die Kopplung zwischen der Dämpfungsan
tenne und den Parasitär-Moden-Komponenten so eingestellt
ist, daß die Parasitär-Moden-Komponenten, die nach der Be
schleunigung der niederenergetischen Elektronen erzeugt
werden, von der Dämpfungsantenne wirksam abgeschwächt wer
den, so wird, wenn die hochenergetischen Elektronen zu be
schleunigen sind, die Grund-Mode-Komponente von der
Dämpfungsantenne stark abgeschwächt. Nimmt man hingegen an,
daß die Kopplung von Grund-Mode-Komponente und Dämpfungsan
tenne so eingestellt ist, daß die Grund-Mode-Komponente
nicht von der Dämpfungsantenne abgeschwächt wird, nachdem
die hochenergetischen Elektronen beschleunigt wurden, so
ist es, wenn die niederenergetischen Elektronen zu be
schleunigen sind, schwierig, die Parasitär-Moden-Kompo
nenten wirksam mit der Dämpfungsantenne abzuschwächen, da
die Kopplung der Parasitär-Moden-Komponenten und der
Dämpfungsantenne zu schwach ist.
Die GB-PS 15 05 188 zeigt einen Microtron-Beschleuniger mit
einem oder mehren Resonator-Hohlräumen, in deren Außenwän
den Abstimmkolben angeordnet sind, um eine Resonanz nicht
nur bei einer bestimmten Frequenz F, sondern auch bei der
Oberschwingung mit der Frequenz 2F zu erzielen. Die Ab
stimmkolben dienen zur Einstellung einer oder mehrerer be
stimmter Resonanzfrequenzen eines Hohlraums und zur Ein
stellung der Microwellen-Energieverteilung für beschleu
nigte Teilchen. Damit läßt sich die Beschleunigung (oder
Verzögerung) der Teilchen einstellen.
In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
des Anspruchs 2 ist in IEEE Transactions on Nuclear
Science, Bd. NS-32, No. 5 (Okt. 1985), S. 3403-3405 ein
Verfahren zum Steuern eines Synchrotrons bzw. der Aufbau
eines Synchrotrons beschrieben. Das Anordnen einer
Dämpfungsantenne im Beschleunigungshohlraum führt zu den
obengenannten Schwierigkeiten, was auf den Umstand beruht,
daß bei hoher Teilchenenergie eine relativ große Kopplung
zwischen der Dämpfungsantenne und dem Parasitär-Mode eher
schädlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Syn
chrotron anzugeben, bei dem eine stabile Beschleunigung ge
ladener Teilchen erreicht wird, welche einen starken Strom
bilden und den Bereich zwischen niederenergetischem und
hochenergetischem Zustand einnehmen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er
findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird die Kopplung der Dämpfungsantenne mit
dem unerwünschten parasitären Mode dann, wenn die Energie
geladener Partikel gering ist, vergrößert. Andererseits wird
die Kopplung verringert, wenn die Energie der geladenen
Partikel groß wird.
Es läßt sich also die Kopplung von unerwünschten Parasitär-
Moden-Komponenten, die in dem Beschleunigungshohlraum ange
regt werden, mit der Dämpfungsantenne selektiv variieren.
Damit erfolgt eine wirksame Dämpfung unerwünschter Kompo
nenten von Parasitär-Moden. Als Vorteil wird erreicht, daß
sich in dem Bereich zwischen niederenergetischem und hoch
energetischem Zustand befindliche geladene Teilchen stabil
durch den Grund-Mode beschleunigen lassen.
In einer konstruktiven Ausgestaltung sieht die Erfindung
eine in dem Beschleunigungshohlraum angeordnete Dämpfungs
antenne vor, die mit einer Einstelleinrichtung derart
steuerbar ist, daß das obengenannte Verfahren durchgeführt
werden kann.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an
hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausfüh
rungsbeispiels eines Synchrotrons, wie es bei
der Röntgenstrahl-Lithographie eingesetzt
wird,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Beschleunigers nach
Fig. 1,
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Funktion
der Dämpfungsantenne nach Fig. 2 veranschau
licht und
Fig. 4 eine teilweise Schnittansicht einer Ausfüh
rungsform des erfindungsgemäßen Synchrotrons.
Ein in Fig. 1 dargestellter Synchrotron-Beschleuniger be
sitzt einen Strahlkanal 10 in Torus-Form, zum Beispiel in
der Form eines Oktagons. Der Kanal 10 definiert eine Ring
bahn für geladene Teilchen, das heißt Elektronen. Das Rohr
10 ist an eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe als Unterdruck
quelle angeschlossen, und das Innere des Rohrs 10 wird von
der Vakuumpumpe auf einen bestimmten Vakuumdruck evakuiert.
Der Kanal 10 ist über ein Verbindungsrohr 12 an eine Hilfs
beschleunigereinheit 14 angeschlossen, die geladene Parti
kel, das heißt Elektronen, auf eine vorbestimmte Geschwin
digkeit beschleunigt. Mehrere Magneteinheiten 16 sind so
angeordnet, daß sie den Kanal 10 umgeben. Die Magneteinhei
ten 16 fokussieren die Elektronenstrahlen innerhalb des
Kanals 10.
Ablenkeinheiten 18 dienen zum Anlegen eines magnetischen
Ablenkfeldes an das Strahlrohr 10. Die Ablenkeinheiten sind
an Abschnitten des Kanals 10 angeordnet, die den Ecken des
Oktagons entsprechen. Die Kreisbahn für den Strahl inner
halb des Kanals 10 wird durch die magnetischen Ablenkfelder
gebogen, welche durch die Ablenkeinheiten 18 erzeugt wer
den. Damit definiert der Elektronenstrahl innerhalb des
Kanals 10 eine Kreisbahn in Form einer geschlossenen
Schleife.
Von verschiedenen Abschnitten des Beschleunigungsrohrs 10
aus erstrecken sich Führungsrohre 20, und zwar von den mit
den Ablenkeinheiten 18 ausgestatteten Abschnitten. Die Füh
rungsrohre 20 leiten Synchrotron-Bahnstrahlung (SOR), die
erzeugt wird, wenn der Elektronenstrahl in dem Rohr 10 die
Ablenkeinheiten 18 passiert, auf eine (nicht gezeigte) Fol
geeinheit, so daß weiche Röntgenstrahlen, die in der Bahn
strahlung (SOR) enthalten sind, für die Herstellung von
integrierten Halbleiterschaltungen verwendet werden können,
und zwar für den Expositionsvorgang.
Der Beschleunigungsabschnitt 22 ist an einem der gestreck
ten Abschnitte des Strahlkanals 10 angeordnet, der
Beschleunigungsabschnitt 22 umfaßt ein hohles zylindrisches
Gehäuse 24, welches in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist.
An den beiden Enden des Gehäuses 24 sind Flansche 26 ange
ordnet, die luftdicht mit entsprechenden Flanschen des
Kanals 10 verbunden sind.
Ein Beschleunigungshohlraum 28 vorbestimmter Gestalt ist in
dem Gehäuse 24 ausgebildet und steht in Verbindung mit dem
Beschleunigungsrohr 10, wobei er einen Teil der oben er
wähnten Elektronen-Umlaufbahn definiert.
In dem Gehäuse 24 sind zwei Löcher 30 und 32 gebildet, so
ihre Achsen senkrecht zur Achse des Beschleunigungsrohrs 10
verlaufen. Die Achsen der Löcher 30 und 32 sind in geeigne
ter Weise miteinander ausgerichtet.
Ein Loch, zum Beispiel das Kopplungsloch 30 in einem oberen
Teil des Gehäuses 24, ist luftdicht über eine Flanschkupp
lung an einen HF-Oszillator 34 angeschlossen. Der Oszilla
tor 34 besitzt eine Kopplungsantenne 36, die sich in dem
Kopplungsloch 30 befindet und in der Lage ist, den Be
schleunigungshohlraum 28 mit einem elektrischen HF-Feld zu
beaufschlagen. Wenn daher Elektronen den Hohlraum 28 pas
sieren, werden sie von dem elektrischen HF-Feld beschleu
nigt.
Das andere Loch 32 in einem unteren Teil des Gehäuses 24
befindet sich an einer geeigneten Stelle für eine Dämpfung
der Parasitär-Moden-Komponenten, und es ist luftdicht über
eine Flanschkupplung an den hohlen Lagerungszylinder 38 an
geschlossen. In dem Zylinder 38 ist als Dämpfungsantenne
eine Schleifenantenne 40 angeordnet. Die Schleifenantenne
40 besitzt ein äußeres leitendes Rohr 42 und ein inneres
leitendes Element 44, das in dem Außenrohr 42 angeordnet
ist. Ein Ende des inneren Elements 44, welches sich in der
Nähe des Beschleunigungshohlraums 28 befindet, das heißt
das obere Ende des inneren Elements 44, ist elektrisch an
das obere Ende des Außenrohrs 42 angeschlossen, wie Fig. 2
zeigt. Ein Dichtungselement 46, bestehend aus elektrischem
Isolierstoff, befindet sich im Mittelbereich des Außenrohrs
42 in dessen axialer Richtung, um das Innere des Rohrs 42
luftdicht abzuschließen. Die unteren Enden des inneren
Teils 44 und des Außenrohrs 42 sind über einen Lastwider
stand 48 miteinander verbunden.
Die den obigen Aufbau aufweisende Schleifenantenne 40 sowie
der Lagerungszylinder 38 sind über einen Balg 50 luftdicht
miteinander verbunden. Die Antenne 40 kann sich in der in
Fig. 2 durch einen Pfeil angedeuteten Richtung aufgrund des
Balgs 50 bewegen. In anderen Worten: Die Antenne 40 wird
von dem Balg 50 so gelagert, daß sie in bezug auf den Lage
rungszylinder 38 in einer Richtung bewegbar ist, in der sie
in den Beschleunigungshohlraum 28 vorsteht oder aus dem
Hohlraum 28 zurückgezogen ist. Der Balg 50 trägt nicht nur
die Schleifenantenne 40 sondern dichtet auch das Innere des
Lagerungszylinders 38 zusammen mit dem oben erwähnten Dich
tungselement 46 ab.
An der Innenfläche des Lagerungszylinders 38 ist eine Bür
ste 52 angebracht, welche die Schleifenantenne 40 umgibt.
Das nahe Ende der Bürste 52 ist elektrisch mit dem Zylinder
38 verbunden, das distale Ende der Bürste steht in Gleitbe
rührung mit dem Außenrohr 42 der Antenne 40. Die Bürste 52
hält TEM-Wellen (elektromagnetische Transversalwellen) da
von ab, in den Raum zwischen der Antenne 40 und dem Zylin
der 38 zu gelangen. Es wird also verhindert, daß der Balg
50 durch TEM-Wellen erhitzt werden kann. Man beachtet, daß
ein Bandsperren-Filter für den Grund-Mode in Fig. 2 nicht
dargestellt ist.
Nach Fig. 2 ist das untere Ende der Schleifenantenne 40 an
eine Linearantriebseinheit 54 gekoppelt. Die Antriebsein
heit 54 bewegt die Schleifenantenne 40 in der durch Pfeil
angedeuteten Richtung in Fig. 2, entsprechend dem Ausgangs
signal des oben erwähnten HF-Oszillators 34. Die Arbeits
weise der Antriebseinheit 54 wird anhand von Fig. 3 veran
schaulicht.
Wenn das Ausgangssignal Prf des HF-Oszillators 34 klein
ist, das heißt wenn die Elektronenenergie Ee des Strahls in
dem Beschleunigungsrohr 10 gering ist, bewegt die Linearan
triebseinheit 54 die Schleifenantenne 40 nach oben. Dann
erhöht sich das Maß der Einfügung der Antenne 40 in den Be
schleunigungshohlraum 28. Als Folge davon wird die Kopplung
ßex der Schleifenantenne 40 bezüglich der Parasitär-Mode
so, daß der TM110-Mode groß wird, wie aus Fig. 3 hervor
geht.
Der Parasitär-Mode wird von der Antenne 40 gedämpft, und
als Folge davon wird die Instabilität bei der Beschleuni
gung der Elektroden, welche aus der Kopplung des Parasitär-
Mode und der eine Betatron-Schwingung vollziehenden Elek
tronen resultiert, unterdrückt. Deshalb läßt sich der Elek
tronenstrahl durch den Grund-Mode, das heißt den TM010 -Mode
stabil beschleunigen. Darüber hinaus können andere, Parasi
tär-Moden, zum Beispiel TM011- oder TM111-Moden, durch
geeignete Positionierung der Antenne 40 wirksam gedämpft
werden. Man beachte, daß die in die Antenne 40 eingespeiste
Leistung von dem Lastwiderstand 48 verbraucht wird.
Wie Fig. 3 zeigt, arbeitet, wenn die Ausgangsleistung Prf
des HF-Oszillators 34 erhöht wird, das heißt, wenn die
Elektronenenergie Ee des Strahls zunimmt, die Linearan
triebseinheit 54 so, daß sie das Maß der Einfügung der
Schleifenantenne 40 in bezug auf den Beschleunigungshohl
raum 28 verringert. Dann verringert sich die Kopplung βex
der Antenne 40 mit dem Parasitär-Mode gemäß Fig. 3. Wenn
die Elektronenenergie Ee des Strahls groß ist, kann die
Kopplung βex klein sein, da die Dämpfung der Elektronen
schwingung durch den Strahl selbst, hervorgerufen durch die
sogenannte Strahlungsdämpfung, groß ist. Im Gegensatz dazu
ist in diesem Zustand, weil die Spannung des Oszillators
34, das heißt die Beschleunigungsspannung, relativ hoch
ist, die Dämpfung des Grund-Mode, das heißt des TM010-Mode,
vorzugsweise so gering wie möglich. Wenn in diesem Zusam
menhang die Kopplung βex abnimmt, wird auch die Kopplung
der Antenne 40 und des TM010-Mode verringert. Deshalb kön
nen Elektronen durch den TM010-Mode stabil beschleunigt
werden.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann man die
Einfügung oder das Ausmaß des Hineinragens der Schleifenan
tenne 40 in den Beschleunigungshohlraum 28 variieren, damit
Elektronen mit der Elektronenenergie Ee im Bereich zwischen
niederenergetischem und hochenergetischem Zustand stabil
beschleunigt werden können. Die Richtung der Bewegung der
Antenne 40 muß nicht senkrecht zur Achse des Hohlraums 28
verlaufen. Die Lage des Lochs 32 muß nicht in der Mitte des
Hohlraums 28 liegen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, statt
dessen kann das Loch 32 derart an einer geeigneten Stelle
angeordnet sein, daß es der Besonderheit des zu dämpfenden
Mode oder anderer physikalischer Grenzbedingungen ent
spricht.
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausfüh
rungsbeispiel beschränkt. Fig. 4 zeigt einen Teil eines
Synchrotrons nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Bei dem Synchrotron nach Fig. 4 sind für gleiche
und ähnliche Teile entsprechende Bezugszeichen verwendet
wie in Fig. 2, und auf eine nochmalige Beschreibung wird
verzichtet.
Der Beschleuniger nach Fig. 4 verwendet eine Stabantenne 56
anstelle einer Schleifenantenne 40. Die Antenne 56 durch
setzt unter luftdichtem Abschluß einen Lastwiderstand 48
und ein in einem Außenrohr 42 befindliches Abdichtelement
46. Das obere Ende der Antenne 56 erreicht das Innere des
Beschleunigungshohlraums 28. Das untere Ende der Antenne 56
ragt vom unteren Ende des Lagerungszylinders 38, der ein
stückig mit dem Gehäuse 24 des Beschleunigungsabschnitts 22
ausgebildet ist, nach außen. Das vorstehende Ende der
Antenne 56 ist auf einer Welle 58 drehbar gelagert, und das
freie Ende der Antenne ist an eine Linearantriebseinheit 54
gekoppelt. Deshalb läßt sich die Antenne 56 von der An
triebseinheit 54 um die Welle 58 in der in Fig. 4 durch
Doppelpfeil kenntlich gemachten Richtung verschwenken. Auch
bei dieser Ausführungsform nach Fig. 4 läßt sich durch
Ändern des Neigungswinkels des oberen Endes der Antenne 56
in bezug auf die Achse des Hohlraums 28 das Einfügungs-Maß
der Antenne 56 in bezug auf den Hohlraum 28 durch Drehen
der Antenne 56 variieren. Somit dient der Beschleuniger
nach Fig. 4 in ähnlicher Weise dem gleichen Zweck wie der
Beschleuniger nach Fig. 2.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 werden flexible lei
tende Stücke 60 anstelle der Bürste 52 nach Fig. 2 verwen
det.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine
Linearantriebseinheit 54 von außerhalb des Beschleunigungs
abschnitts betätigt, um die Dämpfungsantenne zu manipulie
ren. Man kann aber auch die Dämpfungsantenne unter Fortlas
sung der Antriebseinheit 54 von Hand betätigen. Obschon
oben nicht beschrieben, können Kühlmittel an denjenigen
Elementen und Abschnitten vorgesehen sein, die sich mög
licherweise erhitzen, zum Beispiel an der Dämpfungsantenne
und an dem Lastwiderstand. Während bei den oben beschriebe
nen Ausführungsbeispielen der Beschleunigungsabschnitt eine
Dämpfungsantenne besitzt, kann ein Beschleunigungsabschnitt
bei Bedarf auch mit mehreren Dämpfungsantennen ausgestattet
sein.