Устройство для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы
Владельцы патента RU 2365069:
Иванов Александр Сергеевич (RU)
Борисов Владимир Михайлович (RU)
Христофоров Олег Борисович (RU)
Изобретение относится к устройству для получения мощного коротковолнового, в частности, экстремального ультрафиолетового излучения преимущественно из плазмы импульсного вакуумного разряда, инициируемого лазером между вращающимися электродами. Устройство для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы содержит соединенные с приводами вращения электроды, каждый из которых частично погружен в ванну с жидким металлом и подключен к источнику питания, и кожухи для возврата жидкого металла в ванны. Смачиваемая жидким металлом область каждого электрода, за исключением части поверхности, содержащей рабочую зону электрода, размещена в кожухе, а часть поверхности, содержащая рабочую зону электрода, спрофилирована так, что нормаль к поверхности электрода не совпадает с направлением центробежной силы, причем в плоскости, проходящей через ось вращения электрода, проекция центробежной силы на касательную к поверхности электрода направлена в сторону кожуха, и составляющая центробежной силы по нормали к поверхности электрода меньше силы поверхностного натяжения в слое жидкого металла при его отрыве от поверхности, при этом каждый кожух выполнен из электропроводного материала и подключение к источнику питания каждого из электродов осуществлено непосредственно через кожух и заполняемый жидким металлом зазор между кожухом и электродом. Изобретение позволяет устранить выброс продуктов эрозии в конденсированной капельной фазе из источника коротковолнового излучения, повысить его кпд, энергетическую стабильность и улучшить функциональные возможности устройства для получения коротковолнового излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для получения мощного коротковолнового излучения, в частности экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения из плазмы импульсно-периодического вакуумного разряда, инициируемого лазером между вращающимися электродами. Область применений включает ЭУФ-литографию, в частности, в спектральной полосе 13.5±0.135 нм, отвечающей диапазону эффективного отражения зеркальной оптики с Mo/Si покрытием.
Известно устройство для получения мощного коротковолнового, в частности, ЭУФ-излучения из лазерной плазмы, получаемой в режиме с высокой частотой следования импульсов при фокусировке импульсного лазерного пучка на субмиллиметровой мишени, содержащей рабочее вещество, линии излучения ионов которого находятся в нужной области ЭУФ-диапазона [1]. В указанном устройстве в область фокусировки лазерного луча инжектируют следующие друг за другом твердые или жидкие субмиллиметровые мишени, содержащие рабочее вещество такое, как олово (Sn), литий (Li), ксенон (Xe), а также формируют мощный лазерный пучок с высокой частотой повторения импульсов. Одним из достоинств устройства является малый расход рабочего вещества, что облегчает решение задачи защиты оптики при его использовании для ЭУФ-литографии. Недостаток ЭУФ-источника коротковолнового излучения на основе лазерной плазмы обусловлен его малой, по сравнению с разрядными источниками, эффективностью.
Частично этих недостатков лишено устройство для получения мощного коротковолнового излучения из плазмы инициируемого лазером вакуумного разряда между интенсивно охлаждаемыми вращающимися электродами, один из которых покрыт слоем плазмообразующего вещества, в частности олова [2]. В этом устройстве при вращении электрода плазмообразующее вещество подается в разрядную зону в твердом состоянии, что обеспечивает его малый расход и устраняет разбрызгивание. Однако, выходя из разрядной зоны за счет вращения электрода, часть слоя плазмообразующего вещества некоторое время, до остывания, находится в расплавленном состоянии, деформируясь под действием центробежной силы. Это требует применения системы регенерации электродной поверхности, что значительно усложняет устройство для получения мощного коротковолнового излучения.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы, содержащее соединенные с приводами вращения электроды, каждый из которых частично погружен в ванну с жидким металлом и подключен к источнику питания, и кожухи для возврата жидкого металла в ванны [3]. В указанном устройстве избыток жидкого металла, а именно олова, удаляют с вращающихся электродов скребками, что минимизирует расход и разбрызгивание жидкого металла. Кожухи, установленные в прототипе для улавливания паров жидкого металла и возврата конденсированного жидкого металла в ванны, могут окружать электродную систему со всех сторон, за исключением области вывода излучения. В прототипе импульсный источник питания подключен к вращающимся электродам через ванны с жидким металлом.
Прототип позволяет обеспечить высокую мощность коротковолнового излучения в ЭУФ и мягком рентгеновском диапазоне при большом времени жизни электродов.
Недостатком прототипа является то, что коррозия скребков в среде жидкого металла с течением времени приводит к избытку на отдельных частях поверхности электродов жидкого металла и к его разбрызгиванию в результате действия центробежных сил, в том числе в зоне разряда. При этом геометрия кожухов и электродов не позволяет устранить разбрызгивание жидкого металла в область выхода коротковолнового излучения. Это приводит к неустойчивой работе источника коротковолнового излучения от импульса к импульсу и загрязнению оптики. Кроме этого, в прототипе скользящие контакты в виде ванн с жидким металлом достаточно сильно удалены от разрядной зоны, что увеличивает индуктивность разрядного контура и уменьшает эффективность источника коротковолнового излучения.
Техническим результатом изобретения является устранение выброса продуктов эрозии в конденсированной капельной фазе из источника коротковолнового излучения, повышение его кпд и энергетической стабильности, что значительно улучшает функциональные возможности устройства для получения мощного коротковолнового излучения.
Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием устройства для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы, содержащим соединенные с приводами вращения электроды, каждый из которых частично погружен в ванну с жидким металлом и подключен к источнику питания, и кожухи для возврата жидкого металла в ванны.
Усовершенствование устройства состоит в том, что смачиваемая жидким металлом область каждого электрода, за исключением части поверхности, содержащей рабочую зону электрода, размещена в кожухе, а часть поверхности, содержащая рабочую зону электрода, спрофилирована так, что нормаль к поверхности электрода не совпадает с направлением центробежной силы, причем в плоскости, проходящей через ось вращения электрода, проекция центробежной силы на касательную к поверхности электрода направлена в сторону кожуха, и составляющая центробежной силы по нормали к поверхности электрода меньше силы поверхностного натяжения в слое жидкого металла при его отрыве от поверхности, при этом каждый кожух выполнен из электропроводного материала и подключение к источнику питания каждого из электродов осуществлено непосредственно через кожух и заполняемый жидким металлом зазор между кожухом и электродом.
В варианте реализации устройства один из электродов размещен внутри другого электрода, выполненного кольцевым, и для защиты кожухов от мощного коротковолнового излучения они размещены в областях, оптически не связанных с разрядной зоной.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 изображена общая принципиальная схема устройства для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы. На фиг.2 показан вариант устройства с вращением одного из электродов внутри другого вращающегося электрода.
Устройство для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы содержит соединенные с приводами вращения электроды - 1, 2, выполненные, например, в виде дискообразных элементов, частично погруженных в ванны - 3, 4 с жидким металлом. Смачиваемые в ваннах периферийные части поверхности электродов - 1, 2 покрыты слоями - 5, 6 жидкого металла, преимущественно олова. Устройство также содержит кожухи - 7, 8, которые закрывают смачиваемую жидким металлом область каждого электрода, за исключением части - 9 поверхности, содержащей рабочую зону электрода, лазер - 10 с оптической системой транспортировки и фокусировки луча на поверхность электрода - 1, покрытого слоем - 5 жидкого металла, служащего плазмообразующим веществом, и импульсный источник питания - 11 (фиг.1). Источник питания - 11 подключен к вращающимся электродам через кожухи - 7, 8, выполненные из электропроводного материала, и жидкий металл, заполняющий зазоры между вращающимися электродами и частями кожухов, наиболее близко расположенными к разрядной зоне. Смачиваемые части - 9 поверхности электродов, включающие в себя рабочие зоны электродов и не закрытые кожухами - 7, 8, выполнены с профилем, устраняющим отрыв слоя жидкого металла - 5, 6 от поверхности вращающихся электродов и обеспечивающим направленное движение жидкого металла к кожуху под действием центробежной силы. Для этого профиль указанных участков поверхности электродов выполняют так, что нормаль к поверхности электрода не совпадает с направлением центробежной силы, причем в плоскости, проходящей через ось вращения электрода, проекция центробежной силы на касательную к поверхности электрода направлена в сторону кожуха, а составляющая центробежной силы по нормали к поверхности электрода меньше силы поверхностного натяжения в слое жидкого металла при его отрыве от поверхности.
Вращающийся электрод - 1 может быть размещен внутри электрода - 2, выполненного кольцевым, кожухи размещены в областях, оптически не связанных с разрядной зоной (фиг.2), и вращение кольцевого электрода может производиться с помощью ведущей шестерни - 12.
Получение мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы реализуют следующим образом.
С помощью приводов вращения производят равномерное вращение электродов - 1, 2, которые за счет частичного погружения в ванны - 3, 4 покрыты слоями - 5, 6 жидкого металла. При вращении каждого из электродов - 1, 2 за счет действия центробежной силы, направление которой не совпадает с нормалью к поверхности в области электрода, смачиваемой жидким металлом и не закрытой кожухами - 7, 8, происходит перемещение жидкого металла по поверхностям электродов - 1, 2. Смачиваемые жидким металлом и не закрытые кожухами - 7, 8 части - 9 поверхности электродов - 1, 2 спрофилированы так, что в плоскости, проходящей через ось вращения каждого электрода, проекция центробежной силы на касательную к поверхности электрода направлена в сторону кожуха, что обеспечивает автоматическое перемещение жидкого металла к кожухам - 7, 8 и заполнение зазоров между периферийной частью электродов - 1, 2 и кожухами - 7, 8 жидким металлом. На указанных участках поверхности электродов - 1, 2 составляющая центробежной силы по нормали к поверхности электрода меньше силы поверхностного натяжения в слое жидкого металла при его отрыве от поверхности, что устраняет разбрызгивания жидкого металла с поверхности электрода. В условиях эксплуатации устройства величина центробежной силы примерно на порядок величины или более превосходит силу тяжести, поэтому при рассмотрении работы устройства силой тяжести можно пренебречь. За каждый оборот электродов количество жидкого металла, поступающего в зазоры между электродами - 1, 2 и кожухами - 7, 8, равно количеству жидкого металла, которое возвращается в ванны - 3, 4 из указанных зазоров за счет вращения электродов. Лучом импульсного лазера - 7, сфокусированным на слой - 3 жидкого металла на электроде - 1, испаряют и ионизируют малую порцию жидкого металла. Лазерно-индуцированная плазма в процессе разлета распространяется от электрода - 1 к электроду - 2. После замыкания лазерно-индуцированной плазмой разрядного промежутка между электродами - 1, 2 с помощью импульсного источника питания - 11 осуществляют импульсный сильноточный разряд. Импульсный ток разряда протекает по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя кожухи - 7, 8, выполненные из электропроводного материала, и приближенные к зоне разряда зазоры между кожухами - 7, 8 и электродами - 1, 2, заполняемые жидким металлом. За счет выбора плазмообразующего вещества, в частности олова, линии излучения ионов которого находятся в коротковолновой области спектра, обеспечивается высокоэффективное испускание коротковолнового излучения из разрядной плазмы. После поворота электродов - 1, 2 на угол, достаточный для ввода в зону разряда свежих участков слоев - 3, 4 жидкометаллического плазмообразующего вещества, цикл работы повторяют. При высокой, ~10 кГц, частоте повторения импульсов достигается высокая мощность коротковолнового излучения из разрядной плазмы. Охлаждение элементов источника коротковолнового излучения в процессе работы производят с помощью не показанных на чертеже охлаждающих жидкостей, циркулирующих во вращающихся электродах - 1, 2 и ваннах - 3, 4.
За счет размещения в кожухе смачиваемой жидким металлом области каждого электрода, за исключением профилированной части - 9 поверхности, содержащей рабочую зону электрода, устраняется выброс плазмообразующего вещества в конденсированной капельной фазе в зону выхода коротковолнового излучения. Кроме этого, устранение разбрызгивания жидкого металла, которое может приводить к периодическим замыканиям разнополярных элементов электроразрядной цепи, повышает энергетическую стабильность источника коротковолнового излучения. Осуществление разряда по электрической цепи, включающей в себя максимально приближенные к разрядной зоне скользящие контакты в виде жидкого металла, заполняющего зазоры между вращающимися электродами и кожухами, выполненными из электропроводящего материала, позволяет значительно, по сравнению с прототипом, уменьшить индуктивность разрядного контура и повысить эффективность получения коротковолнового излучения из разрядной плазмы.
В варианте устройства, показанном на фиг.2, вращение одного из электродов - 1 производят внутри другого вращающегося электрода - 2, и в процессе работы экранируют неподвижные кожухи - 7, 8 от воздействия электромагнитного излучения за счет размещения кожухов в областях, оптически не связанных с разрядной зоной. Это позволяет увеличивать мощность, вводимую в разряд, и, соответственно, повышать мощность коротковолного излучения из разрядной плазмы. При выполнении электродов в указанном виде реализуется возможность увеличения пространственного угла, в который осуществляется вывод излучения, что увеличивает эффективность и мощность источника коротковолного излучения.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет устранить выброс продуктов эрозии в конденсированной капельной фазе из источника коротковолнового излучения, повысить его кпд и энергетическую стабильность, что значительно улучшает функциональные возможности устройства для получения коротковолнового излучения.
Источники информации
1. Патент WO 03085707; МКИ6 H01L 21/027, H05H 1/24; заявлено 04.04.2003.
2. V.Borisov, A.Eltsov, A.Ivanov, O.Khristoforov et al. "EUV sources using Xe and Sn discharge plasma", J.Phys. D: Appl. Phys. 37, 3254-3265 (2004).
3. Патент ЕР 1665907; МКИ7 H05G 2/00; заявлено 11.09.2003.
1. Устройство для получения мощного коротковолнового излучения из разрядной плазмы, содержащее соединенные с приводами вращения электроды, каждый из которых частично погружен в ванну с жидким металлом и подключен к источнику питания, и кожухи для возврата жидкого металла в ванны, отличающееся тем, что смачиваемая жидким металлом область каждого электрода, за исключением части поверхности, содержащей рабочую зону электрода, размещена в кожухе, а часть поверхности, содержащая рабочую зону электрода, спрофилирована так, что нормаль к поверхности электрода не совпадает с направлением центробежной силы, причем в плоскости, проходящей через ось вращения электрода, проекция центробежной силы на касательную к поверхности электрода направлена в сторону кожуха, и составляющая центробежной силы по нормали к поверхности электрода меньше силы поверхностного натяжения в слое жидкого металла при его отрыве от поверхности, при этом каждый кожух выполнен из электропроводного материала, и подключение к источнику питания каждого из электродов осуществлено непосредственно через кожух и заполняемый жидким металлом зазор между кожухом и электродом.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из электродов размещен внутри другого электрода, выполненного кольцевым, и для защиты кожухов от мощного коротковолнового излучения они размещены в областях, оптически не связанных с разрядной зоной.
