RU2776025C1 - Высокояркостный источник на основе лазерной плазмы и способ генерации и сбора излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к высокояркостным источникам излучения в области длин волн приблизительно от 0.4 до 120 нм. Технический результат - увеличение средней мощности и спектрального диапазона собираемого излучения в компактных источниках мягкого рентгеновского, ЭУФ и ВУФ излучения высокой яркости Способ включает формирование под действием центробежной силы мишени в виде слоя расплавленного металла. Мишень вращают с линейной скоростью не менее 100 м/с. При этом большая часть капельной фракции загрязнений и вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия направлены по одну сторону от плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла. Одновременно импульсное облучение мишени и сбор излучения из плазмы осуществляют так, что пучок коротковолнового излучения плазмы и сфокусированный пучок лазерного излучения находятся по другую сторону указанной плоскости. Источник коротковолнового излучения содержит два соосных блока эллипсоидных зеркал, расположенных последовательно по пути пучка коротковолнового излучения плазмы. На пути пучка коротковолнового излучения к оптическому коллектору размещены средства подавления загрязнений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к высокояркостным источникам излучения в области длин волн приблизительно от 0.4 до 120 нм со сбором излучения в широком телесном угле и высокоэффективным подавлением загрязняющих частиц, генерируемых в лазерной плазме источника наряду с излучением.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Источники излучения мягкого рентгеновского, экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазонов высокой интенсивности применяются во многих областях: для микроскопии, биомедицинской и медицинской диагностики, испытания материалов, анализа наноструктур, в атомной физике, и литографии.

Плазма, эффективно излучающая в мягком рентгеновском диапазоне (0.4 - 10 нм), ЭУФ (10 - 20 нм) и ВУФ (20-120 нм) диапазонах может быть получена, как при фокусировке излучения мощных лазеров на мишень, так и в разряде. Наряду с эмиссией коротковолнового излучения в качестве побочного продукта из области излучающей плазмы генерируется поток нежелательных микрокапель, а также заряженных и нейтральных частиц (debris), загрязняющих оптическую систему сбора коротковолнового излучения, включающую в себя коллекторную оптику, которая может состоять из одного или из нескольких зеркал, расположенных вблизи источника излучения. Помимо того, что осевшие на коллекторное зеркало микрокапли и частицы уменьшают его коэффициент отражения, частицы, обладающие высокой скоростью, могут приводить к повреждению коллекторного зеркала и, возможно, других частей оптической системы, расположенных вслед за коллекторным зеркалом.

Это обусловливает актуальность разработки чистых высокояркостных источников коротковолнового излучения с эффективным подавлением потока загрязняющих частиц, в частности, на пути прохождения пучка коротковолнового излучения.

В патентах RU2670273 дата публикации 22 октября 2018 г., РФ 2709183 дата публикации 26 апреля 2019 и RU2743572 дата публикации 20 февраля 2021 был предложен принципиально новый подход в построении источников излучения на основе лазерной плазмы с использованием быстровращающейся жидкометаллической лазерной мишени, который позволяет эффективно ослабить поток загрязняющих частиц и, прежде всего, его наиболее проблемной капельной фракции, летящей по направлению зеркал оптического коллектора.

В частных вариантах исполнения этих источников излучения использовался оптический коллектор на основе многослойных зеркалах нормального падения. Однако такая система позволяет собирать коротковолновое излучение в относительно узком спектральном диапазоне, определяемом спектральной зависимостью коэффициента отражения зеркала. Так, при использовании олова или оловосодержащего сплава в качестве рабочего вещества плазма наиболее эффективно излучает в спектральном диапазоне около 13.5 нм, при этом диапазон эффективного отражения зеркала составляет около 0.54 нм, тогда как полный спектральный диапазон излучения плазмы составляет около 6-7 нм. Другой недостаток оптического коллектора на основе зеркал нормального падения связан со сложностью объединения в одном источнике требований большого телесного угла сбора коротковолнового излучения и высокой эффективности средств защиты от загрязняющих частиц. В случае большого телесного угла сбора зона, где размещаются средства защиты от загрязнений, имеет ограниченные размеры, что негативно сказывается на ее эффективности. Кроме того, в случае необходимости получения в промежуточном фокусе изображения источника с размером, близким к размеру излучающей плазмы, в качестве коллекторного зеркала нормального падения необходимо использовать очень сложное в изготовлении и дорогое асферическое зеркало, сложность изготовления и цена которого непропорционально возрастает с увеличением размера зеркала.

Всех перечисленных выше недостатков лишена коллекторная система на основе 2-х эллипсоидных зеркал, которая использована в источнике ЭУФ излучения на основе разрядной плазмы плазменного фокуса, известном из патента US6566668 дата публикации 20 мая 2003 г.

Однако в этом источнике средства защиты от загрязняющих частиц состоят только из противотока защитного газа, что малоэффективно защищает оптический коллектор от основной массы загрязняющих частиц, образующихся при эрозии электродов источника, что сильно ограничивает его ресурс. Другим недостатком источника на основе разрядной плазмы является относительно небольшая частотой следования импульсов (нескольких килогерц), что существенно ограничивает область применения таких источников. Кроме этого, принципиальным недостатком источников на основе разрядной плазмы является относительно большой размер излучающей плазмы (более 200 мкм), что, во-первых, препятствует получению большой яркости источника и, во-вторых, неприемлемо для ряда применения, в частности, в рентгеновской и ЭУФ микроскопии.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, существует необходимость устранить, по меньшей мере, часть упомянутых выше недостатков. В частности, существует потребность в усовершенствованных источниках света, которые были бы компактными, мощными, обеспечивающими высокоэффективное, предпочтительно практически полное ослабление потока загрязняющих частиц на пути распространения пучка коротковолнового излучения в большом телесном угле при использовании широкодиапазонного оптического коллектора относительно простой конструкции.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с созданием мощных компактных чистых источников мягкого рентгеновского, ЭУФ и ВУФ излучения высокой яркости на основе оптимизации устройств и методов генерации лазерной плазмы, сбора излучения и подавления загрязнений, генерируемых в плазме наряду с излучением.

Достижение поставленных целей возможно с помощью способа генерации и сбора излучения из лазерной плазмы, включающим в себя формирование под действием центробежной силы мишени в виде слоя расплавленного металла на обращенной к оси вращения поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла; импульсное облучение мишени сфокусированным лазерным пучком, проходящим через средства подавления загрязнений; образование плазмы в зоне взаимодействия лазерного пучка с мишенью; генерацию пучка коротковолнового излучения плазмы, проходящего на оптический коллектор через средства подавления загрязнений.

Способ отличается тем, что мишень вращают с достаточно большой линейной скоростью, не менее 100 м/сек, для того, чтобы большая часть капельной фракции загрязнений и вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия были направлены по одну сторону от плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла, а импульсное облучение мишени и сбор излучения из плазмы осуществляют так, что пучок коротковолнового излучения плазмы и сфокусированный пучок лазерного излучения находятся по другую сторону указанной плоскости.

В предпочтительном варианте реализации изобретения рассчитывают пространственное распределение выхода загрязняющих продуктов из зоны взаимодействия и выбирают направления распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения в пространственных областях с малыми уровнями выхода загрязнений.

В предпочтительном варианте реализации изобретения выбирают пространственные области распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения, в которых уровень выхода загрязнений меньше максимального, по меньшей мере, в 10⁴ раз.

В предпочтительном варианте реализации изобретения сбор коротковолнового излучения плазмы осуществляют оптическим коллектором, состоящим из двух соосных блоков эллипсоидных зеркал, передающих, по существу, без искажений в масштабе, определяемым конструкцией указанных блоков, изображение области излучающей плазмы во второй фокус второго блока эллипсоидных зеркал при том, что второй фокус первого блока совпадает с первым фокусом второго блока эллипсоидных зеркал.

В предпочтительном варианте реализации изобретения подавление загрязнений осуществляют на всем пути пучка коротковолнового излучения к оптическому коллектору.

В предпочтительном варианте реализации изобретения осуществляют подавление загрязнений одним или несколькими средствами, включающими в себя: поток защитного газа, магнитное поле, фольговая ловушка, мембрана с высокой прозрачностью, более 50%, для коротковолнового излучения, экран, установленный вне области распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения мишень вращают с центробежным ускорением не менее 3000 g, где g - ускорение свободного падения, и поверхность мишени по существу параллельна оси вращения вращающегося мишенного узла из-за центробежной силы.

В другом аспекте реализации изобретения, поставленные цели достигаются при помощи источника коротковолнового излучения, содержащего вакуумную камеру с вращающимся мишенным узлом, поставляющим в зону взаимодействия со сфокусированным лазерным пучком мишень в виде кольцевого слоя расплавленного металла, пучок коротковолнового излучения плазмы, выходящий из зоны взаимодействия на оптический коллектор, и средства подавления загрязнений.

Источник отличается тем, что пучок коротковолнового излучения плазмы и сфокусированный пучок лазерного излучения расположены по одну сторону плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла, а вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия расположен по другую сторону от указанной плоскости.

В одном из вариантов осуществления изобретения оптический коллектор включает в себя два соосных блока эллипсоидных зеркал, расположенных последовательно по пути пучка коротковолнового излучения плазмы, при этом, по существу, на всем пути пучка коротковолнового излучения к оптическому коллектору размещены средства подавления загрязнений.

В одном из вариантов осуществления изобретения каждый из блоков эллипсоидальных зеркал определяет первую точку фокусировки и вторую точку фокусировки, при этом зона взаимодействия расположена в первой точке фокусировки первого блока, а первая точка фокусировки второго блока совпадает со второй точкой фокусировки первого блока.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый из блоков эллипсоидных зеркал содержит вложенный набор, по меньшей мере, из двух эллипсоидных зеркал; второй блок имеет геометрический размер в несколько раз меньше первого блока; оптический коллектор имеет увеличение, близкое или равное 1.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения материал поверхности зеркал выбран из группы, включающей в себя: Mo, Ru, Rh, Pd, U, Ni, W, Fe, Nb, Al, Si, Co и BN.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства подавления загрязнений включают в себя защитный экран, установленный на оси оптического коллектора вне телесного угла сбора источника коротковолнового излучения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства подавления загрязнений включают в себя поток защитного газа между блоками эллипсоидных зеркал.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства подавления загрязнений включают в себя мембрану, по существу, прозрачную для коротковолнового излучения, мембрана также представляет собой средство разделения объемов с различным давлением, обеспечивающее поток защитного газа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства подавления загрязнений на пути прохождения сфокусированного лазерного пучка и пучка коротковолнового излучения плазмы включают в себя одно или несколько из следующих средств: поток защитного газа, магнитное поле, фольговая ловушка, защитный экран; мембрана, по существу, прозрачная для коротковолнового излучения из материала, относящегося к группе, включающей в себя: углеродные нанотрубки, Ti, Al, Si, ZrSi, BN.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения мишень сформирована на обращенной к оси вращения поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла при центробежном ускорении не менее 3000 g, и поверхность мишени, по существу, параллельна оси вращения.

Техническим результатом изобретения является значительное увеличение средней мощности и спектрального диапазона собираемого излучения в компактных источниках мягкого рентгеновского, ЭУФ и ВУФ излучения высокой яркости при эффективном подавлении потоков загрязняющих частиц на пути прохождения пучков излучения лазера и лазерной плазмы, расширение на этой основе функциональных возможностей источников излучения.

Между совокупностью существенных признаков настоящего изобретения и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно-следственные связи.

Использование в источнике на основе лазерной плазмы и быстро вращающейся жидкометаллической мишени оптического коллектора с двумя блоками эллипсоидных зеркал позволяет (по сравнению с использованием многослойных зеркал нормального падения), во-первых,- значительно увеличить телесный угол сбора коротковолнового излучения, во-вторых,- существенно расширить спектральный диапазон собираемого излучения, в третьих,- без аберраций передать изображение плазменного источника в промежуточный фокус.

Увеличение телесного угла сбора коротковолнового излучения и значительное увеличение спектрального диапазона позволяет значительно (в несколько раз) повысить собираемую мощность коротковолнового излучения, а использование в коллекторной системе зеркал скользящего падения увеличить размер зоны размещения средств защиты от загрязнений на пути прохождения пучка коротковолнового излучения, тем самым увеличив ресурс его работы. Все это позволяет увеличить эффективность использования высокояркостных источников практически во всех применениях.

В данном изобретении объединены преимущества источников на основе лазерной плазмы и быстровращающейся мишени с оптическим коллектором на основе зеркал скользящего падения. Действительно, определяющую роль в загрязнении коллекторной оптики в плазменных источниках различных типов играет капельная фракция загрязнений, летящая из зоны взаимодействия с относительно медленной скоростью, которая в данном источнике эффективно подавляется за счет высокой скорости вращения мишени (несколько сотен Гц при линейной скорости более 100 м/с) и перенаправления подавляющей части капель в сторону от оптического коллектора. В тоже время, оптический коллектор на основе зеркал скользящего падения позволяет, как эффективно собирать коротковолновое излучение в большом телесном угле (до нескольких десятых стерерадиан) и широком спектральном диапазоне (до нескольких десятков нанометров), так и обеспечивать эффективную защиту зеркал от всех типов загрязнений.

Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схема источника коротковолнового излучения высокой яркости с оптическим коллектором на основе 2-х блоков эллипсоидных зеркал скользящего падения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - схема расположения сфокусированного пучка лазерного излучения и пучка коротковолнового излучения плазмы по отношению к вращающемуся мишенному узлу.

Фиг.3 - результаты расчета пространственного распределения выхода загрязняющих частиц из зоны взаимодействия, иллюстрирующие выбор направлений распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения в пространственных областях с малыми уровнями выхода загрязнений.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с примером осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1, высокояркостный источник коротковолнового излучения содержит вакуумную камеру 1 с вращающимся мишенным узлом 2, поставляющим мишень 3 в зону взаимодействия 4 со сфокусированным лазерным пучком 5. Мишень 3 представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения 6 поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла 2. При используемой в соответствии с изобретением высокой скорости вращения поверхность жидкометаллической мишени 3 является круглоцилиндрической с осью симметрии, совпадающей с осью вращения 6.

В зоне взаимодействия 4 под воздействием сфокусированного лазерного пучка 5 происходит генерации импульсной высокотемпературной плазмы материала мишени 3. Плазма генерирует коротковолновое излучение в одном или нескольких спектральных диапазонах, к которым относятся ВУФ, ЭУФ, мягкий рентген. Используемое коротковолновое излучение выходит из зоны взаимодействия 4 в виде расходящегося пучка коротковолнового излучения 7 на оптический коллектор 8.

В соответствии с изобретением сбор коротковолнового излучения плазмы осуществляется оптическим коллектором 8, содержащим два блока 9, 10 эллипсоидных зеркал.

Блоки эллипсоидных зеркал 9, 10 расположены на одной общей оптической оси 11 предпочтительно последовательно по пути распространения пучка коротковолнового излучения 7.

В соответствии с изобретением в первом фокусе первого блока 9 располагается зона взаимодействия 4, а второй фокус первого блока 9 совпадает с первым фокусом второго блока 10. При этом изображение области излучающей плазмы в зоне взаимодействия 4 проецируется в зону второго фокуса второго блока 10 эллипсоидных зеркал по, существу, без искажений.

На пути прохождения пучка коротковолнового излучения 7 вдоль оптической оси 11 оптического коллектора 8, расположены средства подавления загрязнений 12, 13, включающие в себя все или некоторые из ниже перечисленных средств:

- экраны 14, 15 установленные вне телесного угла сбора коротковолнового излучения,

- потоки защитного газа, направленные параллельно и/или перпендикулярно оптической оси 11 оптического коллектора 8 для подавления паровой фракции загрязнений,

-фольговая ловушка с высокой прозрачность для излучения, представляющая собой систему пластин, расположенных радиально по отношению к зоне взаимодействия 4, на развитой поверхности которой осаждаются загрязнения,

- магнитное поле, создаваемое предпочтительно постоянными магнитами, для подавления заряженной фракции загрязнений,

- мембрана 16, по существу, прозрачная для коротковолнового излучения, непроницаемая для загрязнений и газа, предпочтительно сменная.

Аналогичные средства подавления загрязнений размещены на пути прохождения сфокусированного лазерного пучка 5.

В соответствии с настоящим изобретением достигаются значительные преимущества по сравнению с источниками, использующими оптический коллектор на основе зеркал нормального падения, в которых значительную часть области между зоной взаимодействия и оптическим коллектором занимает зона прохождения отраженного пучка коротковолнового излучения. Соответственно, в таких источниках излучения область размещения средств для подавления загрязнений сильно ограничена. В соответствии с настоящим изобретением, по существу, во всей области между зоной взаимодействия 4 и оптическим коллектором 8 размещены средства подавления загрязнений 12, что способствует его более эффективной защите от загрязнений. Эти средства частично размещены внутри и снаружи кожуха, окружающего пучок коротковолнового излучения 7 между оптическим коллектором 8 и экраном 14.

Неподвижно установленный экран 14, окружающий зону взаимодействия 4 и вращающуюся мишень, отделен от вращающегося мишенного узла 2 щелевым зазором. Экран 14 имеет только два небольших отверстия (для ввода сфокусированного лазерного пучка и для выхода пучка коротковолнового излучения), через которые загрязнения могут покидать мишенный узел. В предпочтительных вариантах реализации изобретения эти отверстия используются и для направления в зону взаимодействия 4 потоков защитного газа.

В соответствии с изобретением пучок коротковолнового излучения 7 после прохождения секции средств защиты от загрязнений 12 попадает на коллекторное зеркало первого блока 9, который может состоять из нескольких вложенных соосных эллиптических зеркал, так что их фокусы совпадают. В зоне между первым и вторым блоком эллипсоидных зеркал предпочтительно располагается вторая секция средств защиты от загрязнений 13, посредством которой через ряд сопел, установленных вокруг оптической оси, подается защитный газ, предпочтительно аргон. Тем самым в этой зоне создается зона повышенного давления, которая служит дополнительным барьером на пути распространения загрязнений во второй блок эллипсоидных зеркал и интегрированную с источником аппаратуру. Этот газ откачивается через кольцевой патрубок, также расположенный в этой зоне (не показан). Кроме того, здесь же может быть установлена еще одна мембрана 16, которая с одной стороны дополнительно ограничивает поток загрязняющих частиц, а с другой разделяет зоны с разным давлением защитного газа. Мембраны предпочтительно выполнены из материала, относящегося к группе, включающей в себя: углеродные нанотрубки (УНТ), Ti, Al, Si, ZrSi, BN.

После отражения от зеркал первого блока коротковолновое излучение фокусируется во втором фокусе первого блока 9 и попадает на зеркало второго блока 10, которое отражает коротковолновое излучение во второй фокус 17 второго блока эллипсоидных зеркал 10.

Для усиления эффекта защиты от капельной фракции загрязнений пучок коротковолнового излучения 7 направлен по другую сторону плоскости 18, проходящей через зону взаимодействия 4 и ось вращения мишенного узла 6, от вектора линейной скорости мишени

в зоне взаимодействия 4, как это показано на Фиг.2. В соответствии с этим вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия и указанный пучок коротковолнового излучения плазмы лежат по разные стороны плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла. Причем пучок лазерного излучения 5 может проходить, как по обе стороны от пучка коротковолнового излучения 7, так и совпадать с ним по меридиональному направлению и различаться по углу места.

Это утверждение хорошо иллюстрируют результаты расчета распределения массы загрязняющих частиц, проведенного в программе RZLINE,. В основу работы программы, предназначенной для работ в области радиационной гидродинамики плотной горячей плазмы, заложены математические модели, основанные на многолетней экспериментальной и теоретической работе, как, например, известно из публикации K. Koshelev, V. Ivanov, V. Medvedev, et al «Return-to-zero line code modeling of distributed tin targets for laser-produced plasma sources of extreme ultraviolet radiation», Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS Vol. 11, Issue 2 (May 2012). Программа позволяет моделировать взаимодействие лазерного излучения с газами, жидкостями и твердыми поверхностями с последующим образованием плазмы, а также взаимодействие с самой плазмой. На Фиг. 3 показана карта интегрального распределения загрязняющих частиц (учтены частицы всех фракций всех скоростей) в экспериментальных координатах, в которых θ- зенитный угол, ϕ-азимутальный угол, лежащий в плоскости рисунка. Характерные направления в зоне взаимодействия

I - параллельно оси вращения: θ = 0, ϕ - любое,

II - параллельное скорости мишени: θ = 90°, ϕ- 0°,

III - перпендикулярно оси вращения: θ = 90 °,ϕ - 90°;.

IV - против скорости мишени: θ = 90°, ϕ - 180°.

Распределение загрязняющих частиц дано в единицах скорости осаждения загрязняющих частиц Sn-мишени на поверхность, расположенную на расстоянии 40 см от зоны взаимодействия.

Данное распределение получено при типичных значениях параметров источника излучения: материал мишени - олово, длина волны лазерного излучения ~1-2 мкм, лазерная энергия несколько мДж в импульсе длительностью несколько нс, диаметр фокусного пятна- несколько десятков мкм, линейная скорость мишени 100-300 м/с.

Слева на Фиг.3 показана градация плотности масс загрязняющих частиц в логарифмическом масштабе. Как видно из Фиг.3, основная масса загрязняющих частиц сосредоточена в секторе по ходу вращения мишени, ограниченном азимутальными углами 100°-180° и полярными углами 0°-90°. Овалами на Фиг.3 показаны направления распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения. В лазерном конусе по расчетам скорость напыления загрязнений составляет менее 0.1 нм/месяц/Вт, а в области распространения пучка коротковолнового излучения- менее 1 нм/месяц/Вт. Данные приведены из расчета на 1 Вт мощности лазерного излучения и режим работы источника 24/7.

Работа источника коротковолнового излучения высокой яркости производится следующим образом. Вакуумную камерe 1 откачивают системой безмасляной откачки до давления ниже 10^-5-10^-11 мбар, удаляя газовые компоненты, такие как азот, кислород, углерод и др., способные взаимодействовать с материалом мишени и загрязнять коллекторное зеркало.

Материал мишени, относящийся к группе нетоксичных легкоплавких металлов, включающей себя Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы, приводят в расплавленное состоянии и поддерживается в заданном оптимальном диапазоне температур с помощью системы индукционного нагрева.

Мишень формируют в виде слоя расплавленного металла на обращенной к оси вращения 6 поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла 2 при центробежном ускорении не менее 3000 g, (g- ускорение свободного падения), так что поверхность мишени, по существу, параллельна оси вращения.

На мишень воздействуют лазерным пучком 5, сфокусированным на мишень в зоне взаимодействия 4, с высокой частотой повторения импульсов в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц. Коротковолновое излучение 7, в зависимости от плотности мощности лазерного излучения в зоне взаимодействия 4 и рабочего вещества мишени, генерируется в мягком рентгеновском (0.5 - 10 нм), ЭУФ (10 - 20 нм) и/или ВУФ (20-120 нм) диапазонах лазерной плазмой материала мишени.

Из плотной высокотемпературной лазерной плазмы, образованной в зоне взаимодействия 4, осуществляется генерация коротковолнового излучения 7, которое через средства подавления загрязнений 12 попадает в оптический коллектор на основе 2-х соосных блоков эллипсоидных зеркал. Из-за высокой скорости вращения мишени, капельная фракция загрязнений, вылетающая из зоны взаимодействия, приобретает значительную тангенциальную составляющую скорости сопоставимую с линейной скоростью

(Фиг.2) мишени, так что результирующий вектор скорости капельной фракции преимущественно будет направлен в сторону от лазерного пучка 5 и области выхода пучка коротковолнового излучения 7. При этом вывод пучка коротковолнового излучения осуществляют таким образом, что вектор линейной скорости мишени

в зоне взаимодействия 4 и пучок коротковолнового излучения плазмы лежат по разные стороны плоскости 18, проходящей через зону взаимодействия 4 и ось вращения 6 мишенного узла.

Первый блок эллипсоидных зеркал передает изображение плазменного источника из зоны взаимодействия, расположенной в первом фокусе первого эллипсоидного зеркала, во второй фокус зеркала, причем из-за разного коэффициента усиления различных частей эллипсоидного зеркала получающееся изображение плазменного источника сильно искажено. Второй блок эллипсоидных зеркал, первый фокус которого совмещен со вторым фокусом эллипсоидных зеркал первого блока, позволяет исправить искажения изображения, наблюдающиеся во втором фокусе первого зеркала, так что во втором фокусе эллипсоидных зеркал второго блока изображение плазменного источника проецируется без искажения с коэффициентом увеличения, определяемым взаимным расположением зеркал первого и второго блока.

Второй блок эллипсоидных зеркал может иметь много меньшие размеры, чем первый, это связано с тем, что при том же телесном угле сбора коротковолнового излучения нет необходимости оставлять много места перед вторым зеркалом для средств защиты, а разместить ее в задней части первого коллекторного зеркала. Такая конфигурация позволяет сделать весь оптический коллектор более компактным и более дешевым. Средства подавления загрязнений, которые могут быть использованы для защиты второго блока зеркал и последующую зеркальную систему могут включать в себя:

- поток защитного газа, подающийся через сопла перед вторым фокусом первого блока зеркал, предпочтительно расположенных по кругу относительно оптической оси и кольцевого патрубка для откачки газа, так что в зоне перед вторым фокусом первого блока зеркал образуется барьер в виде зоны повышеного давления защитного газа,

- полупрозрачную мембрану,

- защитный экран 15, расположенный вне телесного угла сбора коротковолнового излучения.

При интегральном увеличении оптического коллектора равном 1 во втором фокусе второго блоке оптического коллектора получается неискаженное изображение плазменного источника того же размера.

В зависимости от рабочего диапазона длин волн в качестве отражающего материала поверхности эллипсоидных зеркал может быть выбран один из следующих материалов: Mo, Ru, Rh, Pd, U, Ni, W, Fe, Nb, Al, Si, Co и BN.

В зависимости от рабочего диапазона длин волн в качестве рабочего вещества источника может быть выбран один из следующих материалов: Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы.

Способ генерации и сбора излучения из лазерной плазмы, реализуют следующим образом.

Под действием центробежной силы формируют мишень в виде слоя расплавленного металла на обращенной к оси вращения поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла 2, мишень облучают импульсным сфокусированным лазерным пучком 5 с образованием плазмы в зоне взаимодействия 3 лазерного пучка с мишенью. Генерируют пучок коротковолнового излучения плазмы 7, проходящий на оптический коллектор 8 через средства подавления загрязнений 12, 13. Сбор коротковолнового излучения плазмы осуществляют оптическим коллектором 8, состоящим из двух соосных блоков эллипсоидных зеркал 9 и 10, передающих, по существу, без искажений изображение области излучающей плазмы во второй фокус второго блока 17 эллипсоидных зеркал при условии, что второй фокус первого блока эллипсоидных зеркал совпадает с первым фокусом второго блока эллипсоидных зеркал. Это обеспечивает передачу излучения коротковолнового источника, по существу, без потери яркости. Вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия 4 и пучок коротковолнового излучения плазмы 7 находятся по разные стороны плоскости 18, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла, а линейная скорость мишени достаточно велика, более 100 м/сек, для того, чтобы большая часть капельной фракции загрязнений не была направлена на оптический коллектор 8.

В способе используют средства подавления загрязнений, включающие в себя поток защитного газа, магниты, фольговую ловушку, мембрану, частично прозрачную для коротковолнового излучения и экран, установленный на оси оптического коллектора вне телесного угла сбора источника коротковолнового излучения.

Импульсное облучение мишени осуществляют так, что пучок излучения плазмы 7 и сфокусированный лазерный пучок 5 лежат по одну сторону плоскости, проходящей через зону взаимодействия 4 и ось вращения 6 мишенного узла, а вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия по другую сторону указанной площади.

Рассчитывают пространственное распределение выхода загрязняющих продуктов из зоны взаимодействия и выбирают направления распространения пучков 5, 7 лазерного и коротковолнового излучения в пространственных областях с малыми уровнями выхода загрязнений. Выбирают пространственные области распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения, в которых уровень выхода загрязнений меньше максимального, по меньшей мере, в 10⁴ раз.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет создать источники мягкого рентгеновского, ЭУФ и ВУФ излучения, характеризующиеся высокими средней мощностью и яркостью излучения, большим сроком службы и удобством использования.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Предложенные устройства предназначены для ряда применений, включающих микроскопию, материаловедение, рентгеновскую диагностику материалов, биомедицинскую и медицинскую диагностику, инспекцию нано- и микроструктур, включая актинический контроль литографических ЭУФ масок.

Claims (19)

1. Способ генерации и сбора излучения из лазерной плазмы, включающий в себя: формирование под действием центробежной силы мишени в виде слоя расплавленного металла на обращенной к оси вращения поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла; импульсное облучение мишени сфокусированным лазерным пучком, проходящим через средства подавления загрязнений; образование плазмы в зоне взаимодействия лазерного пучка с мишенью; генерацию пучка коротковолнового излучения плазмы, проходящего на оптический коллектор через средства подавления загрязнений, характеризующийся тем, что

мишень вращают с достаточно большой линейной скоростью, не менее 100 м/сек, для того, чтобы большая часть капельной фракции загрязнений и вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия были направлены по одну сторону от плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла, а импульсное облучение мишени и сбор излучения из плазмы осуществляют так, что пучок коротковолнового излучения плазмы и сфокусированный пучок лазерного излучения находятся по другую сторону указанной плоскости.

2. Способ по п. 1, в котором рассчитывают пространственное распределение выхода загрязняющих продуктов из зоны взаимодействия и выбирают направления распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения в пространственных областях с малыми уровнями выхода загрязнений.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что выбирают пространственные области распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения, в которых уровень выхода загрязнений меньше максимального, по меньшей мере, в 10⁴ раз.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором сбор коротковолнового излучения плазмы осуществляют оптическим коллектором, состоящим из двух соосных блоков эллипсоидных зеркал, передающих, по существу, без искажений в масштабе, определяемом конструкцией указанных блоков, изображение области излучающей плазмы во второй фокус второго блока эллипсоидных зеркал при том, что второй фокус первого блока совпадает с первым фокусом второго блока эллипсоидных зеркал.

5. Способ по п. 4, в котором подавление загрязнений осуществляют на всем пути пучка коротковолнового излучения к оптическому коллектору.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором осуществляют подавление загрязнений одним или несколькими средствами, включающими в себя: поток защитного газа, магнитное поле, фольговая ловушка, мембрана с высокой прозрачностью, более 50%, для коротковолнового излучения, экран, установленный вне области распространения пучков лазерного и коротковолнового излучения.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором мишень вращают с центробежным ускорением не менее 3000 g, где g – ускорение свободного падения, и поверхность мишени по существу параллельна оси вращения вращающегося мишенного узла из-за центробежной силы.

8. Источник коротковолнового излучения, содержащий вакуумную камеру с вращающимся мишенным узлом, поставляющим в зону взаимодействия со сфокусированным лазерным пучком мишень в виде кольцевого слоя расплавленного металла, пучок коротковолнового излучения плазмы, выходящий из зоны взаимодействия на оптический коллектор, и средства подавления загрязнений, характеризующийся тем, что

пучок коротковолнового излучения плазмы и сфокусированный пучок лазерного излучения расположены по одну сторону плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла, а вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия расположен по другую сторону от указанной плоскости.

9. Источник по п. 8, в котором оптический коллектор включает в себя два соосных блока эллипсоидных зеркал, расположенных последовательно по пути пучка коротковолнового излучения плазмы, при этом, по существу, на всем пути пучка коротковолнового излучения к оптическому коллектору размещены средства подавления загрязнений.

10. Источник по п. 9, в котором каждый из блоков эллипсоидальных зеркал определяет первую точку фокусировки и вторую точку фокусировки, при этом зона взаимодействия расположена в первой точке фокусировки первого блока, а первая точка фокусировки второго блока совпадает со второй точкой фокусировки первого блока.

11. Источник по любому из пп. 9 или 10, в котором каждый из блоков эллипсоидных зеркал содержит вложенный набор, по меньшей мере, из двух эллипсоидных зеркал; второй блок имеет геометрический размер в несколько раз меньше первого блока; оптический коллектор имеет увеличение, близкое или равное 1.

12. Источник по любому из пп. 9-11, в котором материал поверхности зеркал выбран из группы, включающей в себя: Mo, Ru, Rh, Pd, U, Ni, W, Fe, Nb, Al, Si, Co и BN.

13. Источник по любому из пп. 9-12, в котором средства подавления загрязнений включают в себя защитный экран, установленный на оси оптического коллектора вне телесного угла сбора источника коротковолнового излучения.

14. Источник по любому из пп. 9-13, в котором средства подавления загрязнений включают в себя поток защитного газа между блоками эллипсоидных зеркал.

15. Источник по любому из пп. 9-14, в котором средства подавления загрязнений включают в себя мембрану, по существу, прозрачную для коротковолнового излучения, мембрана также представляет собой средство разделения объемов с различным давлением, обеспечивающее поток защитного газа.

16. Источник по любому из пп. 8-15, в котором средства подавления загрязнений на пути прохождения сфокусированного лазерного пучка и пучка коротковолнового излучения плазмы включают в себя одно или несколько из следующих средств: поток защитного газа, магнитное поле, фольговая ловушка, защитный экран, мембрана из материала, относящегося к группе, включающей в себя: углеродные нанотрубки, Ti, Al, Si, ZrSi, BN, по существу, прозрачная для коротковолнового излучения.

17. Источник по любому из пп. 8-15, в котором мишень сформирована на обращенной к оси вращения поверхности кольцевой канавки вращающегося мишенного узла при центробежном ускорении не менее 3000 g, и поверхность мишени, по существу, параллельна оси вращения.

Images