KR101083085B1

KR101083085B1 - 방전 공간에서 전기 방전을 통하여 플라스마를 발생시키기위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101083085B1
Application number: KR1020057016748A
Authority: KR
Inventors: 에릭 제라더스 데오도어 보쉬; 제르엔 존커스; 윌리 네프; 귄더 핸스 데라
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2011-11-16
Also published as: US7518300B2; WO2004082340A1; JP5882580B2; EP1604552B1; JP2011100741A; US20070001571A1; DE10310623B8; JP2006521670A; EP1604552A1; DE10310623A1; DE10310623B4; KR20050116137A

Abstract

본 발명은 방전 공간에서 방전을 통해 플라스마를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 방전 공간은 적어도 두 개의 전극을 포함하는데, 적어도 전류의 흐름에 의해 증발 지점이 있는 부식되기 쉬운 지역이 형성되도록 두 개의 전극 중 적어도 하나는 매트릭스 물질 또는 운반자 물질로부터 구성된다. 방전에 의해 플라스마를 발생시키기 위한 방법 및 장치를 제공하기 위하여, 적어도 증발 지점에서는 희생 기판(38)이 제공되며, 전류의 흐름에서 발생되는 전하 운반자들이 주로 희생 기판(38)으로부터 발생되도록 방전 동작 동안 희생 기판(38)의 끓는 점이 운반자 물질(30)의 녹는 점보다 낮다.

방전, 플라스마, 전극, 부식, 희생 기판, 매트릭스 물질, 운반자 물질

Description

방전 공간에서 전기 방전을 통하여 플라스마를 발생시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE GENERATION OF A PLASMA THROUGH ELECTRIC DISCHARGE IN A DISCHARGE SPACE}

본 발명은 방전 공간(discharge space)에서 전기 방전(electric discharge)을 통하여 플라스마를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 방전 공간은 적어도 두 개의 전극을 포함하는데, 증발 지점(evaporation spot)을 갖는 부식되기 쉬운 지역(erosion-susceptible region)이 적어도 전류 흐름(current flow)에 의해 형성되도록, 두 개의 전극 중 적어도 하나는 매트릭스 물질(matrix material) 또는 운반자 물질(carrier material)로부터 구성된다.

복수의 이러한 방법 및 장치가 알려져 있다. 그러므로, WO-A-02/07484는 가스 방전을 기초로 하여 플라스마에 의해 단파 방사(short-wave radiation)를 발생시키는 방법 및 장치를 개시하는데, 두 개의 플라스마 전극 이외에 추가로 두 개의 전극이 선-이온화(pre-ionization)를 위해 사용된다. 플라스마 핀치(plasma pinch)를 발생시키기 위한 복잡하고 이에 따른 고가의 전자 제어 시스템은 별도로 하고 네 개의 전극에는 방사원(radiation source)을 안정화시키기 위한 냉각 액체가 추가로 제공되어야한다.

WO-A-01/95362는 전기 방전을 통하여 고주파수 플라스마 핀치를 발생시키기 위한 또 다른 장치를 개시하는데, 공명(resonance)으로 전송되는 전기 에너지가, 포화된 상태에 있는 추가적인 자기 스위치(magnetic switch)에 의해 두 개의 캐패시터 간에 다시 저장된다는 점에서, 전극 부식이 감소한다. 다른 실시예에서, 리튬 금속은 전극들 중 하나 내에 또는 위에 존재하고, 극자외선 방사(extreme ultraviolet radiation)의 방출(emission)을 위해 플라스마 핀치에서 여기되도록(excited), 리튬은 추가적인 레이저 장치의 짧은 레이저 방사 펄스에 의해 증발된다. 레이저 방사 펄스의 에너지는 전극의 열 부하(thermal load)를 증가시키고, 전극의 동작 수명(operational life)을 더 감소시킨다.

고전류 펄스 설비(high-current pulse arrangements)의 스위칭 소자로서 사용되는 이그니트론(ignitron), 스파크 경로(spark path), 트리거된 진공 스위치, 또는 의사-스파크 플라스마 스위치(pseudo-spark plasma switches) 모두는, 강한 전극 부식 때문에 이제까지 불충분한 가용 수명을 갖는 전극을 포함한다. 전극 물질의 유독한 연소 발생물(toxic combustion products)의 방출, 오존의 형성 및/또는 이그니트론으로부터 수은을 처리하는 생태학적 문제는 여러 분야의 애플리케이션에 특히 불리하다.

CH 301203은, 예컨대 수은을 흡수하기 위해 소결된 몰리브덴 스폰지 전극 (sintered molybdenum sponge electrode)을 갖는 이그니트론에 관한 것으로, 이는 스위칭 동안 발생하는 방전 아크(discharge arc)에 높은 저항을 제공한다. 움직임의 모든 조건(all conditions of movement)에 있고 점화기(ignitor)에 대해 이그니 트론의 각각의 그리고 모든 위치에 있는 캐소드(cathode)에 변화하지 않는 공간 관계(unchanging spatial relation)를 제공하도록, 이그니트론은 이 경우 오직 하나의 스폰지 전극을 갖는다. 그러나 점화기로서 사용되는 전극의 가용 수명은 방전 아크에 의한 부식 때문에 너무 짧다.

소프트 X선 방사(soft X-ray radiation) 및 극자외선의 더욱 효율적인 방출을 위한 그리고 수천 헤르츠(kilohertz) 범위로의 반복 레이트(repetition rates)을 갖는 의사-스파크 스위치를 위한 특수 전극 형상(special electrode geometries)은 WO-A-99/29145로부터 알려져 있다. 추가적인 스위칭 소자는, 자발적인 브레이크다운(spontaneous breakdown)으로 동작하는 플라스마 핀치의 전극과 캐패시터 뱅크(capacitor bank) 간에 사용된다. 플라스마는 절연체와 접촉하고 있지 않고, 단지 절연체의 마멸(wear)을 감소시켜야한다. 그러나 비교적 복잡한 구조를 갖는 이 장치는 전극을 부식으로부터 충분히 보호하지 못한다.

DE-OS 101 39 677에서 개시된 바와 같이, 속이 빈 캐소드(hollow cathode)에 의해 트리거되는 플라스마 핀치, 줄여서 HCT 핀치는 스위칭 소자 없이 파센 커브(Paschen curve)의 좌측 브랜치(left-hand branch) 상에서 동작될 수 있으며, 따라서 낮은 유도(induction)의 효과적인 에너지의 커플링(coupling)을 가능하게 한다. 공중의 열람을 위해 공개되는 본 명세서의 도 1은, 극자외선 또는 소프트 X선 방사를 발생시키기 위한 의사-스파크 플라스마 스위치의 구조를 도시적으로 보여준다.

속이 빈 캐소드(10) 및 애노드(anode)(12)는 절연체(18)와 함께 방전 공간(22)을 규정한다. 전류 펄스 발생기는 이 전극 시스템이 전기 방전을 통해 플라스 마(26)를 발생하도록 유발한다. 이 전류 펄스 발생기는 캐패시터 뱅크(20)에 의해 상징된다. 플라스마(26)는, 두 전극(10, 12)의 개구(openings)(14, 16)에 의해 규정되는 대칭축(24)을 따라 점화된다(ignited).

플라스마(26)를 발생시키기 위해, 일반적으로 1 내지 100Pa 범위 내의 압력(p)에서 방전 공간(22)으로 적절한 방전 가스가 이미 투입되어 있다. 일반적으로 10 내지 수백 ns 길이의 펄스 지속시간(pulse durations)을 갖는 수십에서 최대 100kA까지의 펄스화된 전류 흐름(pulsed current flow)은 핀치 플라스마가, 오믹 가열(ohmic heating) 및 전자기적 압축(electromagnetic compression)을 통하여, 사용되는 방전 가스가 소망하는 주파수 범위에서 방사(28)의 효과적인 방출로 여기되도록 하는 수십 전자 볼트(electron volts)의 온도(T) 및 밀도에 이르게 한다. 전극들 간의 공간의 저 저항 채널(low-ohmic channel)은, 속이 빈 캐소드(10)의 뒤쪽 공간의 전하 운반자(charge carriers)에 의해 발생된다. 이러한 전하 운반자는 다양한 방법으로 발생될 수 있다. 예컨대, 표면 스파크 트리거(surface spark trigger), 높은 유전체 트리거(highly dielectric trigger), 강유전체 트리거(ferroelectric trigger), 또는 전술한 선-이온화는, 예컨대 전자와 같은 전하 운반자의 발생을 위해 속이 빈 전극의 사용에 바람직하다. 전극(10, 12) 상의 강한 열 부하는, 높은 펄스 에너지로 인해 주로 개구(14, 16)에서 이에 의해 생기게 된다.

WO-A-01/01736에 의해 알려진 대로, 특히 부가적인 전극(auxiliary electrodes)의 사용을 통하여, 요구되는 점화 전압에 영향을 미치고, 전기 방전의 순간을 미리 결정하는 것이 가능하다. 이러한 부가적인 전극은, 캐패시터 뱅크(20)가 점화 전압까지 그러나 낮은 전압까지 충전될 필요가 없도록, 트리거링을 위해 선택적으로 사용될 수 있다. 그러나 이것은, 전극 표면을 심하게 부식시키고 전극의 수명을 불리하게 단축시키는 플라스마를 속이 빈 캐소드에 다시 발생한다.

이에 따라 본 발명의 목적은, 기술적으로 간단한 수단을 사용하여 실질적으로 더 긴 동작 수명 또는 전극의 더 높은 평균 부하 용량을 유발하는, 전기 방전을 통해 플라스마를 발생시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 희생 기판이 적어도 증발 지점에서 제공되며, 전류 흐름에서 발생하는 전하 운반자들이 희생 기판으로부터 주로 발생되도록, 방전 동작 동안 희생 기판의 끓는 점이 운반자 물질의 녹는 점보다 낮다는 점에서, 서두 단락에서 언급한 종류의 방법으로 본 목적이 달성된다.

이러한 방식으로, 전극 모양을 일정하게 유지하기 위하여 매트릭스 물질에 이롭게 낮은 온도에서 녹는(low-melting) 희생 기판이 희생된다.

또한, 전극 표면으로부터 플라스마로의 전류의 흐름은 항상 표면 물질의 일부를 증발시키기 때문에, 전극의 모양은 보통 변화되며, 이것은 플라스마 발생의 효율에 악영향을 미친다. 이에 따라 플라스마의 크기와 위치 또한 변화하여, 이들 전극은 재생산가능한 안정적인 플라스마를 획득하는 데에 무용해진다. 일반적인 전극은, 한 편으로는 손실이 적은(low-loss) 플라스마로의 전류 통로에 적합하고, 다른 한 편으로는 플라스마로부터의 열 에너지의 방출에 적합한, 고체이며 전기적 및 열적으로 전도율이 높은 물질로 만들어진다.

바람직하게는, 본 방법은, 희생 기판이 전기 방전을 향하는 표면에 전극을 통해 공급되도록 구성된다.

전류 운송(current transport)을 가능하게 하기 위해 필요한 물질의 손실은, 오랜 기간 동안 전극의 외형이 변하지 않도록 균형잡힌다. 이롭게는, 본 방법은 희생 기판이 전극보다 낮은 녹는 점을 가지도록 구성된다. 그러면, 액체 희생 기판은, 전극의 표면으로 빠르고 효율적으로 운송될 수 있는 이동상(mobile phase)으로서 작용한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 방법은 표면이 희생 기판에 의해 적시어지도록(wetted) 이롭게 구성된다. 이것은, 전극의 외형을 규정하는 매트릭스 물질과 플라스마 간의 직접적인 접촉을 방지한다. 전기 방전을 향하는 표면은, 모세관력(capillary forces)에 의해 유도되는 희생 기판의 운송에 의해 계속적으로 새로워진다.

본 발명의 특히 이로운 실시예는, 희생 기판의 녹는 점보다 높은 전극의 평균 온도에서 방전이 동작될 때 얻어진다. 상기 평균 온도는 전극의 외형을 규정하는 운반자 물질의 녹는 점보다 항상 낮다. 전극 상의 열 부하는, 방사의 방출과, 예컨대 전기 방전에서의 수십 J에 달하는 펄스형 에너지(pulsatory energy) 또는 플라스마로부터의 이온과 같은 핫 입자(hot particles)에 의해 유발된다. 이것은 충분한 양의 전자의 열 유도 방출(thermally induced emission)에 대해 충분하지 않다. 전극, 바람직하게는 캐소드의 표면에서는, 국부적인 과열(local overheating)이나 지점 형성(spot formation)의 알려진 과정들이 이에 따라 일어나고, 이로 인해 전극 물질이 증발된다. 그 후, 증발하는 전극 물질은 보통 전하 운반자, 예컨대 플라스마로의 방전에 필요한 전자를 제공한다. 전극의 표면을 적시고 있는 희생 기판은 끓는 점이 초과할 때 증발하고, 전극의 운반자 물질의 부식을 제한하며, 또한 방출되는 증기(evolving vapor)에서의 지점 발생을 유리하게 한다.

바람직하게는, 전기 방전을 통해 플라스마를 발생시키는 방법은, 방전에 의해 증발되는 희생 기판의 대부분이 저장소(reservoir)로부터 보충되도록 구성된다. 적시는 희생 기판으로 인한 전극 표면에서 발생하는 손실은, 모세관력에 의한 희생 기판의 보충을 통해 자동으로 보완된다. 여기에서 운반자 물질은 젖은 스폰지와 같은 기능을 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 증발된 희생 기판이 응결 후에 저장소 또는 상기 저장소로 돌아온다고 규정된다. 운반자 물질의 매트릭스를 적시는 희생 기판은 즉시 흘러내릴 수 있어서, 본 발명에 따른 전극의 외형은 후에 변화하지 않고 남아 있다. 예컨대, 희생 기판의 증발에 의한 EUV 리소그래피(lithography)에 대한 광학 시스템의 오염은 비교적 작게 유지되어 더 많은 유용한 출력을 야기한다.

전기 방전을 통해 플라스마를 발생시키는 특히 이로운 방법은, 주어진 가스 압력에서 전기 방전이 파센 커브의 좌측 브랜치 상에서 동작하도록 구성된다. 최소점의 좌측 상의 파센 커브 상의 동작점의 선택은, 특히, 예컨대 극자외선 및 소프트 X선 방사와 같은 소망하는 파장 범위에서 방사 효율을 증가시키고, 의사-스파크 플라스마 스위치의 특성을 더 정확하게 규정하는 것을 가능하게 한다.

본 방법의 또 다른 이점일 수 있는 것은, 방사를 발생시키는 적어도 하나의 콤포넌트를 포함하는 전극들 간에 가스가 존재한다는 것이다. 예컨대, 크세논이 이것을 위해 사용될 수 있다. 플라스마 핀치에서 형성되는 매우 이온화된 크세논 이온은, 예컨대 13.5nm 파장에서 방사를 방출한다. 그러나 방전 공간에서 방사 방출 가스의 부분압이 너무 높게 선택되면, 발생된 방사 또한 흡수될 것이다.

발생된 방사의 강도를 증가시키기 위해서, 바람직하게는 본 방법은 가스의 주성분이 방출된 방사에 대해 투명하도록 구성된다. 이를 위해, 방전 공간의 가스 압력을 일반적으로 1에서 100 Pa로 조정하여, 적절한 전극 형상이 주어졌을 때 파센 커브의 좌측 브랜치 상의 동작점을 규정하도록, 예컨대 헬륨, 아르곤, 또는 질소가 사용될 수 있다.

HCT 핀치 방전(HCT pinch discharge)에서 하나의 펄스의 희생 물질의 양은, 가스 방전을 달성하고 방사 방출에 기여하는 전극들 간의 가스량에 비해 크기의 차수(orders of magnitude)만큼 낮다. 따라서, 적어도 그 위치나, 예컨대 레이저 펄스나 전자 빔과 같은 수단을 통해 캐소드 지점(cathode spot)이나 증발 지역이 발생하는 위치에서 방전 전에, 추가적인 에너지의 단기간 투입을 통해 현저히 더 많은 희생 기판이 증발하는 것이 이롭다. 대략 50mJ의 추가적인 레이저 펄스의 에너지는, 증기 형태로 10¹⁵개 입자 범위로 희생 기판 입자량을 발생할 수 있다. 이와 같이 발생되는 희생 기판 증기의 입자량은, 대략 일반적으로 사용되는 방전 가스의 양에 대응된다. 그 결과, 플라스마 핀치는 주로 증기에서 발생되며, 증기의 속성은 방사 방출을 규정하면서 전극 운반자 또는 매트릭스 물질의 형상적 안정성(dimensional stability)의 이점은 유지된다. 전극들 간의 증기를 자유롭게 하는 에너지 펄스의 덕에, 어떤 경우에는 추가적인 가스가 없어도 되기도 한다. 이에 따라 전극 시스템은 초기에는 진공(예컨대, 10^-6mbar)에, 즉 파센 커브에서 좌측으로 멀리 있다. 증기가 발생되었을 때 비로소 방전이 발생되고 희생 기판 증기에 핀치를 형성한다.

바람직하게는, 본 방법은, 주석, 인듐, 갈륨, 리튬, 금, 란탄, 알루미늄, 그리고 이들의 합금 및/또는 다른 원소들과의 화합물과 같은 희생 기판이 사용되도록 구성된다. 전술한 원소들 및 이들의 염(salts) - 이들 중 몇몇은 상당히 낮은 온도에서 끓음 - 은, 특히 극자외선 및/또는 소프트 X선 방사를 발생시키는 데에 사용될 수 있고, 희생 기판의 유동성 범위(liquidity range)는 매트릭스 물질로 조정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 또한 서두 단락에서 언급한 종류의 장치에 대한 목적은, 적어도 증발 지점에서 희생 기판을 공급하는 구조를 통해 달성되는데, 상기 희생 기판의 끓는 점은 방전 동작 동안 운반자 물질의 녹는 점보다 낮아서, 전류의 흐름의 경우 발생하는 전하 운반자가 주로 희생 기판으로부터 발생된다.

본 발명에 따른 장치의 전극은 원칙적으로 가스 방전을 기초로 하는 임의의 애플리케이션에 대하여 사용될 수 있다. 또한, 전극의 외형은, 예컨대 실린더 또는 속이 빈 형태와 같이 소망하는 임의의 방식으로 설계될 수 있다.

규정된 점화 전압이 도달될 때, 적어도 두 개의 전극과 적어도 하나의 절연체에 의해 형성되는 방전 공간의 개구에 의해 규정되는 대칭 축을 따라 플라스마가 형성될 수 있을 때, 특히 이로운 장치가 얻어진다. 예컨대 이것은, 방전 공간의 표면으로부터 비교적 먼 거리에서, 자발적인 브레이크다운(spontaneous breakdown)에 의해 규정된 공간적 규모(defined spatial dimension)를 갖는 HCT 핀치 플라스마를 발생하는 것을 가능하게 한다. 전극 상의 열 부하 및 이에 따른 전극 부식은 이로 인해 낮게 유지될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 운반자 물질이 다공성(porous)이거나 모세관 유형 채널(capillary-type channels)을 갖는다는 것을 규정한다. 그러면, 추가적인 희생 기판은, 바람직하게는 전기 방전을 향하는 표면에서, 전극의 외형을 규정하는 운반자 물질을 통해 빠져나간다.

바람직하게는, 본 장치는, 운반자 물질이, 액체 및/또는 가스 형태로 희생 기판을 함유하는 적어도 하나의 저장소에 접속되도록 설계된다. 저장소는 방전 동작에 반드시 후속하는 전극의 표면에서의 물질 손실을 보충하고, 방전 공간의 표면 중 더 시원한 위치에서 응결된 희생 기판을 수신하여, 전극의 외형이 항상 유지된다. 물론, 희생 기판을, 예컨대 와이어(wire)의 형태로 저장소 및/또는 방전 공간에 고체 상태로 제공하는 것 또한 가능하다.

전술한 바와 같은 플라스마를 발생시키기 위한 장치의 실시예에서, 운반자 물질이 굴절 물질, 바람직하게는 금속 또는 금속 합금으로부터, 또는 세라믹 물질(ceramic material)로부터 만들어질 때 유용하다. 당연히, 전극을 규정하는 운반자 물질의 외형은 임의의 온도-저항 물질(temperature-resistant material)로부터 형성될 수 있다.

플라스마를 발생시키는 특히 이로운 장치는, 전극들 중 하나의 플라스마를 향하는 표면들 중 적어도 하나 상의 운반자 물질이, 운반자 물질의 다른 부분의 다공성 형태와 상이한 다공성 형태를 갖도록 구성된다.

이것은 전극의 표면 상의 운반자 물질이 상이한 크기의 세공(pore)을 갖는 것을 가능하게 한다. 적절한 제조 과정은, 예컨대 플라스마 핀치의 대칭축을 따라 또는 대칭축 상에서 높은 손실이 발생하는 희생 기판의 대부분의 양의 흡수를 통하여 희생 기판의 국부적인 높은 손실에 대해 보상하는 세공을 만들 수 있는데, 이는 그곳이 고전류 흐름에 가장 강하게 노출이 되기 때문이다.

운반자 물질 내의 세공의 크기가 상이할 때, 예컨대 표면의 안 쪽으로 갈수록 작아질 때 그것은 선택적으로 가능하고 바람직하다. 그러면, 모세관력이 희생 기판의 운송을 이롭게 지지한다.

가스 방전을 기초로 한 애플리케이션에 대해 전기 방전을 통한 플라스마의 생성을 위한 장치 또는 방법의 일반적인 사용에 임의의 제한을 가하지 않으면서, 이로운 이점은, 특히 EUV 리소그래피를 위해, 극자외선 및/또는 소프트 X선 방사의 범위에서 방사의 발생에서 발견된다.

본 방법 및 장치는, 특히 고전력 스위치를 위해 매우 높은 전류의 세기를 제어하는 데에도 사용될 수 있다.

본 발명의 더 많은 특징과 이점은 다섯 개의 실시예의 다음의 설명으로부터 그리고 참조되는 도면들을 통해 명백해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 전극 형상의 도면.

도 2는 제1 실시예에 추가로 공급될 수 있는 희생 기판을 갖는 전극.

도 3은 제2 실시예의 도식적인 전극 단면도.

도 4는 제3 실시예에서 방전 동작 동안 추가적인 희생 기판이 제공되는 전극을 도식적으로 도시하는 도면.

도 5는 제4 실시예의 동작 동안의 전극 표면 온도 분포와 추가적으로 제공된 희생 기판의 전극 단면도를 도식적으로 도시하는 도면.

도 6은 제5 실시예에서 모세관 유형 채널을 갖는 전극 형상을 도식적으로 도시하는 도면.

달리 명시되지 않은 이상, 동일한 참조 부호는 같은 구조적 특징에 항상 관련이 있으며, 도 2 내지 도 6에 관련이 있다.

자가 재발생 전극(self-regenerating electrode)(10)을 갖는 장치의 제1 실시예의 발명에 따른 동작 원리는 특히 도 2를 참조하여 설명된다. 전극(10)은 다공성 운반자 물질(porous carrier material)(30)로부터 형성되는데, 상기 물질의 내부 공간에는 다공성 운반자 물질(30)보다 낮은 녹는 점을 갖는 희생 기판(sacrificial substrate)(38)이 제공된다. 희생 기판(38)은 저장소(reservoir)(24)에 액체 형태로 존재하며, 통로(passage)(32)를 통해 방전을 향하 는 표면(36)(도 3)과 통신한다. 바람직하게는, 액체 희생 기판(38)은 다공성 운반자 물질(30)을 적시는(wetting) 속성을 갖는다.

도 3은, 도시적인 단면으로 갱신가능 전극(renewable electrode)(10)을 갖는 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시한다. 다공성 운반자 물질(30)은, 금속체(metal bodies), 바람직하게는 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 굴절 금속(refractive metals)의 소결(sintering)에 의해 얻어지는 매트릭스(40)로 구성된다. 금속체는 모양 및 크기가 변경될 수 있어서, 적절한 소결 프로세서는 전극(10)의 표면(36) 상에 또는 개재 공간(intervening spaces) 및 채널(48)에 상응하게 치수화되는 세공(correspondingly dimensioned pores)을 발생하는 것이 가능하다. 물론, 다공성 운반자 물질(30)은 선택적으로 세라믹 물질(ceramic material)일 수 있다. 매트릭스(40)의 개재 공간은 동작 동안 본 발명에 따라 전극(10)의 액체 희생 기판(38)으로 채워진다. 희생 기판(38)의 녹는 점 및 끓는 점은, 매트릭스(40)의 녹는 점보다 낮도록 선택된다. 만약 희생 기판(38)이 매트릭스(40)를 적신다면, 세공에서 자연히 발생하는 모세관력(capillary forces)은 저장소(34)로부터 다공성 운반자 물질(30)로 흡입효과를 가한다. 다공성 운반자 물질(30)의 이러한 스폰지와 같은 속성은, 방전 동작 동안 표면(36)으로 액체 희생 기판(38)의 연속적인 보충(continuous supplementation)을 유발하여, 전극 물질에서 보통 발생하는 파편(detritus)을 보상한다.

도 4는 방전 동작 중인 장치의 제3 실시예의 도시적인 단면도이다. 여기서 방전은 강하게 전류의 흐름(42)에 의해 전극(10)의 표면(36)을 가열해서, 액체 희 생 기판(38)은 표면(36)으로부터 부분적으로 증발하여 증기(vapor)(44)를 발생한다. 희생 기판(38)이 매트릭스(40)를 적시기 때문에, 플라스마(26)는 오직 희생 기판(38)과 접촉할 것이다. 여기에서 전극(10)의 표면(36)이 희생 기판(38)에 의해 완전히 적시어지는 것이 절대적으로 필요하지는 않다. 세공의 지역에만 존재한다면, 희생 기판(38) 또한 전극(10)으로부터 전류 운송(current transport)을 대신할 수 있다. 그 후, 요구되는 대로, 희생 기판은 모세관력(46)에 의해 전극(10)을 통해 전극(10)의 표면(36)에 추가적으로 제공되어, 메트릭스(40)의 윤곽(contour)과 이에 따라 전극(10)의 외형이 변하지 않는다.

제4 실시예는 도 5에 도시된다. 형성 하의 전극 지점의 온도(T1)가 희생 기판(38)의 끓는 점에 도달하면, 희생 기판(38)은 플라스마(26)의 점화에 따라 매트릭스(40)의 표면(36)으로부터 증발한다. 플라스마(26)의 발생에 의해 표면(36)에 인가되는 에너지가 희생 기판(38)의 증발 엔탈피(enthalpy)의 형태로 제거되기 때문에, 희생 기판(38)의 보충 공급은 매트릭스(40) 상의 열 부하(thermal load)를 "T1"으로 제한한다. 추가적으로 증발하는 희생 기판(38)은 이 과정에서 표면(36)을 약간 냉각시키고, 대류(convection)로 인해 모든 공간적 방향으로 움직이는 증기(50)를 형성한다. 그러나 희생 기판(38)의 증기는, 지점 외부의 전극(10)의 더 시원한 위치에서 대부분 응축이 가능하며, 세공을 통해 매트릭스 물질(30)로 다시 반환된다. 플라스마 콘택트 외부에 놓이는 표면(36)의 더 시원한 지역은, 희생 기판(38)의 끓는 점(T1)보다 낮은 온도(T2)를 갖는 지역의 표면(36)과의 충돌에 의해 도달하며, 상기 지역은 증기(50)에 저장되어 있는 열 에너지를 흡수한다. 그 결과 로 희생 기판(38)이 응축되며 반환된다. 예컨대, 이것은 전술한 다공성 운반자 물질(30)에서의 모세관력(36)에 의해 일어날 수 있다. 그러면, 평균 동작 온도는 항상 희생 기판(38)의 녹는 점보다 높고 매트릭스(40)의 녹는 점보다 낮다. 도시되지 않는 설비에 의해, 예컨대 레이저 펄스 또는 전자 빔에 의해, 추가적인 희생 기판(38)을 증발시키도록 적어도 캐소드 지점 또는 증발 지점이 보통 발생하는 지점에서 방전 전에 짧은 기간 동안 추가적인 에너지를 공급하는 것이 가능하다. 상기 방법으로 발생된, 예컨대 주석(tin), 인듐(indium), 갈륨(gallium), 리튬 그리고 이들의 다른 원소를 갖는 화학적 화합물 및/또는 합금일 희생 기판(38)의 입자 질량은 이러한 경우에, EUV 및/또는 소프트 X선 방사를 발생하는 데에 사용되는 방전 가스의 질량에 대략 대응된다.

본 발명에 따른 장치의 특히 이로운 실시예는 도 6에 도시된다. 이 제6 실시예에서, 전극(10)은 전기 방전의 대칭축(24)과 동축인 제1 개구(14)를 갖는다. 전극(10)은, 운반자 물질(30) 이외에도, 액체 및/또는 가스 희생 기판(38)을 함유하는 적어도 하나의 저장소(34)와, 표면(36)까지 연장하는 모세관 유형 채널(48)을 포함한다. 표면(36)으로부터 생기는 액체 희생 기판(38)의 표면 장력(surface tension)은, 운반자 물질(30)이 방전 동작에서 부식되는 것으로부터 보호해주는, 젖은 표면(52)의 평면적으로 경계지워진 지역(planarly bounded regions)을 상승시킨다. 운반자 물질(30)의 모세관 유형 채널(48)의 적절한 배치(arrangement)는 요구사항에 따라 희생 기판(38)의 적절한 공급을 달성할 수 있다. 표면(36)과 이에 따라 전극(10)은 연속적으로 재건된다(regenerated). 희생 기판(38)은 요구되는 대로 저장소(34) 및/또는 표면(36), 또는 방전 공간(22)(도 6이 아닌, 도 1에 도시됨)에 와이어(wire) 형태로 제공될 수도 있다.

본 발명은, 형태면에서 안정적이고, 특히 극자외선 및/또는 소프트 X선 방사 범위에서의 방사의 소스, 또는 의사-스파크 플라스마 스위치로 사용될 있는, 방전을 통한 플라스마의 발생을 위한 방법 및 장치를 제공한다.

< 참조 부호 목록 >

10 전극 I

12 전극 II

14 제1 개구

16 제2 개구

18 절연체

20 캐패시터 뱅크

22 방전 공간

24 대칭 축

26 플라스마

28 방사

30 운반자 물질, 매트릭스 물질

32 피드 패시지(feed passage)

34 저장소

36 표면

38 희생 기판

40 매트릭스

42 전류 흐름

44 기판 증기

46 모세관력

48 채널

50 증기

52 젖은 표면

p 가스 압력

T, T1, T2 온도

U 점화 온도

Claims

적어도 두 개의 전극을 포함하는 방전 공간에서 전기 방전(electric discharge)을 통해 플라스마를 발생시키기 위한 방법으로서,

증발 지점(evaporation spot)을 갖는 부식되기 쉬운 지역(erosion-susceptible region)이 적어도 전류 흐름에 의해 형성되도록 상기 전극들 중 적어도 하나는 매트릭스 물질(matrix material) 또는 운반자 물질(carrier material)로부터 구성되고, 희생 기판(sacrificial substrate)(38)이 적어도 증발 지점에서 제공되며, 상기 전류 흐름에서 발생하는 전하 운반자들이 상기 희생 기판(38)으로부터 발생되도록 방전 동작 동안 상기 희생 기판(38)의 끓는 점이 상기 운반자 물질(30)의 녹는점보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 희생 기판(38)은 상기 전기 방전을 향하는 표면(36)에 전극(10)을 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 표면(36)은 상기 희생 기판(38)에 의해 적시어지는(wetted) 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방전은 상기 희생 기판(38)의 녹는 점(melting point)보다 높은, 전극(10)의 평균 온도(T)에서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방전에 의해 증발되는 상기 희생 기판(38)의 대부분은 저장소(reservoir)(34)로부터 보충되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 증발된 희생 기판(38)은 응결(condensation) 후에 저장소(34)로 돌아오는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 방전은 주어진 가스 압력(p)에서 파센 커브(Paschen curve)의 좌측 브랜치 상에서 동작되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 방사(28)를 발생하는 적어도 하나의 콤포넌트를 포함하는 가스가 전극들(10, 12) 간에 존재하는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제8항에 있어서, 상기 가스의 주성분은 방출된 방사(28)에 투명한 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 캐소드 지점들(cathode spots) 또는 증발 영역들(evaporation areas)이 보통 적어도 예컨대 레이저 펄스 또는 전자 빔에 의해 발생하는 위치(location) 또는 위치들에서, 상기 방전 전에 추가적인 에너지의 단기간 투입을 통하여 실질적으로 더 많은 희생 기판이 증발되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 주석(tin), 인듐(indium), 갈륨(gallium), 리튬, 금, 란탄(lanthanum), 알루미늄, 그리고 이들의 합금 및/또는 다른 원소들을 갖는 이들의 화합물들과 같은 희생 기판(38)이 사용되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 방법.
전기 방전을 통하여 플라스마를 발생시키기 위한 장치로서,

상기 장치는 적어도 두 개의 전극을 갖는 방전 공간(22)을 포함하고, 증발 지점을 갖는 부식되기 쉬운 지역이 적어도 전류 흐름에 의해 형성되도록 상기 전극들 중 적어도 하나는 매트릭스 물질 또는 운반자 물질로부터 구성되며, 상기 장치는 적어도 상기 증발 지점에서 희생 기판(38)을 제공하는 배치(arrangement)를 특징으로 하고, 전류 흐름의 경우에 발생하는 전하 운반자들이 상기 희생 기판(38)으로부터 발생될 수 있도록 방전 동작 동안 상기 희생 기판(38)의 끓는 점이 상기 운반자 물질(30)의 녹는 점보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
제12항에 있어서, 규정된 점화 전압에 도달했을 때, 적어도 두 개의 전극(10, 12) 및 적어도 하나의 절연체(18)에 의해 형성되는 방전 공간의 개구(14, 16)에 의해 규정되는 대칭축(24)을 따라 플라스마(26)가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 운반자 물질(30)은 다공성(porous)이거나 모세관 유형 채널들(capillary-type channels)(48)을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 운반자 물질(30)은, 액체 및/또는 가스 형태로 희생 기판(38)을 함유하는 적어도 하나의 저장소(34)에 접속(connect)되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 운반자 물질(30)은 굴절 물질(refractive material)에 의해, 또는 세라믹 물질(ceramic material)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 운반자 물질(30)은 전극들(10) 중 하나의 전극의 플라스마 대향 표면들(plasma-facing surfaces) 중 적어도 하나의 표면 상에 다공성 형태를 갖고, 상기 형태는 상기 운반자 물질(30)의 다른 부분들의 다공성 형태와는 다른 것을 특징으로 하는 플라스마를 발생시키기 위한 장치.
극자외선(extreme ultraviolet) 및/또는 소프트 X선(soft X-ray) 방사(radiation)의 범위의 방사의 발생을 위해 제1항 또는 제2항의 플라스마의 발생을 위한 방법의 사용.
고전력 스위치들에서, 고전류의 세기들을 제어하기 위해 제1항 또는 제2항의 플라스마(26)의 발생을 위한 방법의 사용.