Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ РАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройству и способу для генерации мощного оптического излучения, в частности, в области экстремального УФ (ЭУФ) или мягкого рентгеновского излучения (МРИ) в диапазоне длин волн примерно от 1 нм до 30 нм. Источником излучения служит плазма разряда с высокой частотой повторения импульсов. В разряде наряду с используемым излучением генерируются нежелательные загрязняющие частицы, способные осаждаться на поверхностях оптической системы, расположенной на пути используемого излучения, что требует подавления потока загрязняющих частиц в направлении вывода излучения к оптическому коллектору и/или защиты оптического коллектора от потока загрязняющих частиц. Область применения включает ЭУФ-литографию при производстве интегральных схем или метрологию.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Разработка источников коротковолнового излучения, в частности экстремального УФ (ЭУФ) излучения, отвечающей диапазону эффективного отражения зеркальной оптики, стимулируется созданием технологии производства интегральных схем с размерами структур, имеющих размеры лишь в несколько нм. Для генерации ЭУФ излучения может использоваться плотная высокотемпературная плазма ряда элементов, в частности Sn.

Плазма, эффективно излучающая ЭУФ и/или МРИ излучение, может быть получена как при фокусировке излучения мощных лазеров на мишень, так и в разряде. Разрядные источники излучения обладают более высокой эффективностью, поскольку электрическая энергия, запасенная в конденсаторной батарее, непосредственно преобразуется в энергию излучающей плазмы. Наряду с эмиссией коротковолнового излучения в качестве побочного продукта из плазмы генерируется поток нежелательных 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. Если частицы обладают высокой скоростью, они могут приводить к повреждению коллекторной оптики и, возможно, других частей системы освещения, расположенных вслед за системой сбора излучения.

В наиболее эффективных источниках ЭУФ и МРИ излучения применяют разряд типа вакуумной искры. В них используется и лазерное излучение, но малой энергии - только для инициирования разряда, а нагрев плазмы до необходимого ионизационного состояния производится за счет ввода в разряд основной энергии от импульсного источника питания и магнитного сжатия плазмы. Малая область разрядного канала в районе его перетяжки - пинч, образуемый в результате магнитного сжатия, и является эффективным источником коротковолнового излучения, используемым оптической системой. Для получения высокой мощности излучения разряд осуществляют с высокой частотой повторения.

Оптический коллектор, как правило, предназначен для использования осесимметричного расходящегося оптического пучка с центром (вершиной) в области разрядного пинча. Коллекторный угол может достигать к стерадиан. Прилегающая к оси часть пучка не используется. Оптическая система сбора излучения может включать в себя размещаемую между источником излучения и оптическим коллектором систему его защиты от загрязняющих частиц.

Известны устройство и способ для генерации излучения из плазмы разряда с системой защиты оптического коллектора, включающей в себя вращающуюся и стационарную фольговые ловушки, отделенные промежуточным пространством, в которое подается буферный газ, US Patent Application 20110002569. Благодаря указанной конструкции объем для генерации плазмы и объем, содержащий коллектор, могут поддерживаться при низком давлении, в то время как буферный газ в промежуточном пространстве может подаваться при более высоком давлении, позволяющем эффективно замедлять загрязняющие частицы. Фольговые ловушки включают в себя структуры с проходами, через которые излучение напрямую проходит в оптический коллектор, в то время, как загрязняющие частицы преимущественно конденсируются на стенках этой структуры, не достигая коллектора. При наличии вращающейся ловушки медленно движущиеся, но относительно большие и тяжелые капли, почти не отклоняемые при столкновениях с атомами буферного газа и, следовательно, проходящие через фольговую ловушку, сталкиваются с фольгами вращающейся фольговой ловушки и преимущественно осаждаются на поверхности этих фольг.

Использование системы сбора оптического излучения предусматривает применение и других методов уменьшения корпускулярного излучения в ее направлении.

В одних из наиболее мощных и эффективных источниках ЭУФ излучения разряд осуществляют между двумя дисковыми электродами, каждый из которых имеет вал с приводом вращения. Вращающиеся, как правило, вокруг горизонтальных осей дисковые электроды частично погружены в ванны из жидкого металла, служащего для охлаждения электродов, подвергаемых в зоне разряда с высокой частотой следования импульсов экстремально высоким тепловым нагрузкам. Одновременно ванны с жидким металлом служат в качестве скользящих контактов для подсоединения к вращающимся дисковым электродам источника питания, а также для подачи к зоне разряда жидкого металла, в частности Sn, служащего плазмообразующим веществом. В таких источниках движение загрязняющих частиц из зоны разряда происходит в направлениях, в значительной степени совпадающих с направлением выхода оптического излучения. Эффективное подавление потока загрязняющих частиц в направлении системы сбора излучения возможно за счет применения экранов, расположенных вблизи приэлектродных областей разряда и обеспечивающих прямую видимость оптического коллектора из малой части разрядной области в районе пинча. В мощных источниках излучения такие экраны должны подвергаться примерно столь же высоким тепловым нагрузкам, как и электроды.

В известных устройстве и способе для генерации излучения из разрядной плазмы, US Patent 7557366, осуществляют лазерно-инициируемый разряд между первым и вторым электродами, в частности, вращающимися, с вводом энергии импульсного источника питания в плазму разряда, генерации из плазмы разряда излучения и его выводе в сферический угол, определяемый расположением и конфигурацией электродов, одновременно служащими защитными экранами, препятствующими движению в направлении вывода излучения загрязняющих частиц, производимых в приэлектродных областях разряда. В указанных способе и устройстве достигается эффективное уменьшение потока частиц в направлении оптического коллектора, поскольку значительная часть разряда, за исключением области в районе пинча, находится в загороженной электродами зоне, оптически не связанной с коллектором. Однако указанные устройство и способ не предусматривают подавления потока загрязняющих частиц, в частности плазмы, из области разряда в районе пинча, являющейся эффективным источником излучения и находящейся в прямой видимости оптического коллектора.

Также известны устройство и способ для генерации излучения из разрядной плазмы, в частности, экстремального ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения, в которых первый и второй электроды представляют собой струи жидкого металла, формируемые, соответственно, первым и вторым соплами, к которым подсоединен импульсный источник питания, и один из электродов облучается сфокусированным лучом лазера, инициирующим между первым и вторым электродами разряд, в котором наряду с излучением в качестве побочного продукта производятся нейтральные и заряженные загрязняющие частицы (debris), US Patent 7557366.

Данные устройство и способ позволяют высокоэффективно получать мощное ЭУФ/МРИ излучение в большом пространственном угле. При этом величина скорости жидкого металла в струях, служащих электродами, определяет составляющую скорости потока загрязняющих частиц, в частности микро частиц и капель, в направлении движения струй, что позволяет избежать их попадания на оптический коллектор.

Однако данное устройство и способ также не предусматривают подавления потока загрязняющих частиц из области разряда, являющейся эффективным источником излучения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание устройства и способа для генерации ЭУФ/МРИ излучения из разрядной плазмы, обеспечивающих эффективное подавление в пучке излучения потока плазмы из наиболее эффективно излучающей области разряда, как правило, используемой системой сбора излучения и находящейся в прямой видимости оптического коллектора.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого устройства для генерации излучения из разрядной плазмы, в частности экстремального ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения, содержащего

импульсный источник питания, первый электрод, второй электрод, облучаемый сфокусированным лучом лазера, инициирующим между первым и вторым электродами разряд, производящий наряду с излучением в качестве побочного продукта нейтральные и заряженные загрязняющие частицы (debris),

в котором за счет выбора места облучения электрода лазерным лучом, геометрии электродов и разрядного контура лазерно-инициируемый разряд асимметричен, имея преимущественно изогнутую/бананообразную форму, при этом градиент собственного магнитного поля тока асимметричного разряда непосредственно вблизи области разряда имеет выделенное направление, которое определяет направление преимущественного движения потока разрядной плазмы от электродов в область менее сильного магнитного поля, а направление вывода из плазмы разряда оптического излучения в виде расходящегося пучка, характеризующегося оптической осью, существенно отличается от направления преимущественного движения плазмы из области разряда.

Предпочтительно, что в месте облучения лазерным лучом нормаль к поверхности второго электрода, определяющая направление преимущественного распространения лазерно-индуцированной плазмы, существенно отличается от направления на ближайшую точку первого электрода.

В варианте реализации устройства первый и второй электроды выполнены в виде вращающихся дисков, покрытых жидким плазмообразующим металлом.

В другом варианте реализации устройства первый и второй электроды представляют собой струи жидкого металла, формируемые, соответственно, первым и вторым соплами, к которым подсоединен импульсный источник питания.

Способ генерации излучения из разрядной плазмы заключается в осуществлении лазерно-инициируемого разряда между первым и вторым электродами с вводом энергии импульсного источника питания в плазму разряда и генерации из плазмы разряда излучения наряду с побочным продуктом в виде нейтральных и заряженных загрязняющих частиц, при котором за счет выбора места облучения электрода лазерным лучом, геометрии электродов и разрядного контура формируют асимметричный разряд преимущественно изогнутой/бананообразной формы, собственное магнитное поле которого непосредственно вблизи разряда имеет градиент, определяющий направление преимущественного движения потока разрядной плазмы от электродов в область менее сильного магнитного поля

и осуществляют вывод излучения в виде расходящегося пучка, характеризующегося оптической осью, в направлении, существенно отличающемся от направления преимущественного движения плазмы из области разряда.

В варианте реализации способа обеспечивают вращение первого и второго электродов, выполненных в виде дисков с приводом вращения, и подают плазмообразующий жидкий металл на рабочую поверхность электродов.

В другом варианте реализации способа первый и второй электроды формируют в виде двух струй жидкого металла.

Предложенные устройство и способ генерации излучения из разрядной плазмы за счет выбора места воздействия лазерного луча на электрод, геометрии электродов и разрядного контура обеспечивают создание собственного магнитного поля разряда, обладающего вблизи разряда выделенным направлением градиента магнитного поля. В свою очередь, это обусловливает направленное движение разрядной плазмы, включая наиболее эффективно излучающую область разрядной плазмы, предназначенную для использования системой сбора излучения и находящуюся в области прямой видимости оптического коллектора.

В результате, при выводе из плазмы разряда оптического излучения в виде расходящегося пучка, характеризующегося оптической осью, в направлении, существенно отличающемся от преимущественного направления движения плазмы, достигается эффективное подавление в пучке излучения потока плазмы из наиболее эффективно излучающей области разряда. Это является высокоэффективным решением одной из наиболее сложных задач проблемы подавления потока загрязняющих частиц при генерации излучения из разрядной плазмы.

Создание потока плазмы и увлекаемых ею нейтральных загрязняющих частиц из области разряда в направлении от электродов способствуют быстрому восстановлению электрической прочности разрядного промежутка, позволяя повысить частоту следования разрядных импульсов и увеличить мощность излучения из разрядной плазмы.

Выбор места облучения лазерным лучом второго электрода указанным образом, при котором нормаль к поверхности второго электрода, определяющая направление преимущественного распространения лазерно-индуцированной плазмы существенно отличается от направления на ближайшую точку первого электрода, способствует формированию асимметричного разряда имеющего преимущественно изогнутую/бананообразную форму.

Применение в комплексе с предложенным способом генерации излучения из разрядной плазмы известных методов защиты оптического коллектора от загрязняющих частиц, таких, как экранировка приэлектродных областей разряда, применение стационарной и вращающейся фольговых ловушек, частично заполненных газом, позволяет наиболее полно решить проблему подавления потока загрязняющих частиц в пучке излучения из разрядной плазмы.

Выполнение в варианте предложенных способа и устройства первого и второго электродов в виде вращающихся дисков, покрытых жидким плазмообразующим металлом, позволяет наряду высокоэффективным подавлением потока плазмы в пучке излучения получать ЭУФ/МРИ излучение высокой мощности.

Выполнение первого и второго электродов в виде двух струй жидкого металла представляет собой другой вариант реализации изобретения, в котором наряду с высокоэффективным подавлением в пучке излучения потока плазмы и увлекаемых ею нейтральных частиц возможно достижение ЭУФ/МРИ излучения высокой мощности.

Все это позволяет наряду с получением мощного ЭУФ/МРИ излучения в большом, до π ср, телесном угле обеспечить выделенное направление движения загрязняющих частиц, генерируемых в плазме разряда как побочный продукт, и реализовать вывод излучения в направлении, существенно отличающемся от направления преимущественного распространения потока загрязняющих частиц.

Таким образом, наряду с возможностью генерации мощного ЭУФ/МРИ излучения обеспечивается высокоэффективное подавление в пучке излучения потока плазмы и увлекаемых ею нейтральных частиц из разряда, в том числе из его наиболее эффективно излучающей области.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Рисунки в заявке представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объем настоящего изобретения.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.

На фиг.1 схематично изображено устройство для генерации излучения из плазмы разряда между вращающимися электродами.

На фиг.2а схематично изображено поперечное сечение в области разряда устройства для генерации излучения из плазмы разряда между электродами в виде струй жидкого металла.

На фиг.2b представлена схема устройства с кольцевым коллектором для визуализации потоков плазмы из разряда.

На фиг.2с показан в развернутом виде кольцевой коллектор для визуализации потоков плазмы после экспозиции в источнике излучения с электродами в виде струй жидкого металла.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения, но не объема настоящего изобретения.

Устройство для генерации из разрядной плазмы излучения, в частности экстремального ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения, содержит импульсный источник питания 1, первый электрод 2, второй электрод 3, облучаемый сфокусированным лучом 4 лазера, инициирующим между первым и вторым электродами 2, 3 разряд 5, производящий наряду с излучением в качестве побочного продукта нейтральные и заряженные загрязняющие частицы (debris). В устройстве для получения излучения из разрядной плазмы за счет выбора геометрии электродов и места облучения лазерным лучом 4 электрода 3 лазерно-инициируемый разряд 5 асимметричен, имея преимущественно изогнутую/бананообразную форму. В непосредственной близости от разряда 5 в качестве токоведущих частей разрядного контура служат скин-слои 2а, 3а электродов 2, 3, расположенные преимущественно с вогнутой стороны разряда. Определяемый геометрией разряда и разрядного контура градиент собственного магнитного поля 6 тока разряда 5 вблизи него имеет выделенное направление: область сильного магнитного поля расположена с вогнутой стороны разряда. Градиент собственного магнитного поля 6 тока разряда определяет направление 7 преимущественного движения потока 8 разрядной плазмы и увлекаемых ею нейтральных загрязняющих частиц от электродов 2, 3 в область слабого магнитного поля, расположенную с выгнутой стороны разряда. При этом направление вывода из плазмы разряда 5 оптического излучения в виде расходящегося пучка 9 с вершиной в области пинча 5а и оптической осью 10, существенно отличается от направления 6 преимущественного движения потока плазмы 7 из области разряда.

Согласно предлагаемому изобретению предпочтительно, что в месте облучения лазерным лучом 4 нормаль к поверхности второго электрода 3, определяющая направление преимущественного распространения лазерно-индуцированной плазмы, существенно отличается от направления 12 на ближайшую точку первого электрода 2.

В варианте реализации устройства (фиг.1) первый и второй электроды 2, 3 выполнены в виде вращающихся дисков, покрытых тонким слоем жидкого плазмообразующего металла. При этом токоподвод к электродам 2, 3 осуществляется с помощью скользящих контактов 13а, 13b. Покрытие электродов тонким слоем жидкого плазмообразующего металла и его подача к области разряда при вращении электродов осуществляется, например, за счет частичного погружения электродов в ванны с жидким металлом, которые для упрощения не показаны на фиг.1. Ванны с жидким металлом при подключении к ним источника питания 1 служат и в качестве скользящих контактов 13а, 13b.

В другом варианте реализации устройства (фиг.2а, 2b) первый и второй электроды 2, 3 представляют собой струи жидкого металла, формируемые, соответственно, первым и вторым соплами 14, 15, к которым подсоединен импульсный источник питания (фиг.2b). Для экспериментального определения характера распределения потока плазмы из области разряда 5 устройство содержит кольцевой коллектор 16 для визуализации потоков плазмы, выполненный в виде полоски металлической фольги, окружающей разряд (фиг.2b).

Способ генерации излучения, в частности экстремального ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения из разрядной плазмы, реализуют следующим образом.

В варианте реализации способа (фиг.1) обеспечивают вращение первого и второго электродов 2, 3, выполненных в виде дисков с приводом вращения, и подают плазмообразующий жидкий металл на рабочую поверхность электродов. Включают импульсный источник питания 1, подключенный на терминалах А, В к первому и второму электродам 2, 3, в результате на электродах 2, 3 и на вакуумном разрядном промежутке между ними нарастает напряжение. Сфокусированным лучом 4 импульсного лазера облучают электрод 3, испаряя и ионизируя малую порцию материала на поверхности электрода 3. Предпочтительно, что в месте облучения лазерным лучом 4 нормаль 11 к поверхности второго электрода, определяющая направление преимущественного распространения лазерно-индуцированной плазмы, существенно отличается от направления 12 на ближайшую точку первого электрода 2. Замыкают разрядный промежуток между электродами 2, 3 разлетающейся лазерно-индуцированной плазмой. За счет выбора геометрии электродов 2, 3 и места воздействия лазерного луча 4 на электрод 3 формируют асимметричный разряд 5 преимущественно изогнутой/бананообразной формы, собственное магнитное поле 6 которого непосредственно вблизи области разряда 5 имеет градиент, определяющий преимущественное направление 7 движения потока 8 разрядной плазмы от электродов 2, 3 в область менее сильного магнитного поля 6. Направленное действие электромагнитных сил на плазму разряда 5 обусловлено формой разряда, при которой величина магнитного поля выше с вогнутой стороны разрядного канала. Кроме этого за счет выбора геометрии разрядного контура токоподводы к разряду, в качестве которых служат скин-слои 2а, 3а электродов 2, 3, расположены преимущественно с вогнутой стороны разрядного канала. Все это увеличивает разницу величин магнитного поля 6 по разные стороны разрядного канала, что повышает силу действия электромагнитных сил на разрядную плазму в выделенном направлении 7. В процессе разряда вводят энергию импульсного источника питания 1 в плазму разряда 5. За счет выбора плазмообразующего материала электрода 2, в частности олова, линии излучения ионов которого находятся в нужной области коротковолнового диапазона спектра, производят высокоэффективную генерацию ЭУФ и/или МРИ излучения из малой области разрядного канала в районе его перетяжки - пинча 5а, образованного в результате магнитного сжатия плазмы. Вывод излучения в виде расходящегося пучка 9, имеющего вершину в области пинча 5а и характеризующегося оптической осью 10, осуществляют в направлении 9, 10, существенно отличающемся от направления 7 преимущественного движения плазмы из области разряда 5. Для получения высокой средней мощности излучения разряд осуществляют с высокой частотой повторения импульсов.

Следует также отметить, что в отличие от известных аналогов, например US Patent Application 20090168967, в предложенных устройстве и способе загрязняющие частицы не задерживаются в области электродов, а беспрепятственно покидают область разряда в выделенном направлении, что обеспечивает высокоэффективную очистку разрядной области от плазмы и нейтральных частиц от предыдущего разрядного импульса и обеспечивает возможность повышения частоты разрядных импульсов. Это обеспечивает возможность повышения мощности пучка ЭУФ/МРИ излучения при высокоэффективном подавлении потока плазмы в направлении вывода пучка излучения.

В другом варианте реализации способа генерации излучения из разрядной плазмы с помощью первого и второго сопел 14, 15, к которым подсоединен импульсный источник питания 1, формируют первый и второй электроды 2, 3 в виде двух струй жидкого металла (фиг.2а, 2b). В остальном данный вариант реализации способа генерации излучения из разрядной плазмы не отличается от вышеописанного.

На фиг.2b представлена схема устройства с кольцевым коллектором 16 для визуализации потоков плазмы из разряда, а на фиг.2с кольцевой коллектор 16 показан в развернутом виде после длительного воздействия на него потоков плазмы и загрязняющих частиц, генерируемых в разряде наряду с излучением. Изображение на фиг.2с иллюстрирует положительный результат, достигаемый за счет применения предложенных устройства и способа, при которых выход плазмы из области разряда сосредоточен в сравнительно узком телесном угле, около 2 ср.

Таким образом, предложенные устройство и способ обеспечивают генерацию мощного излучения из разрядной плазмы при высокоэффективном подавлении в пучке излучения потоков плазмы из разряда, в том числе, из его наиболее эффективно излучающей области.

Список обозначений

1. импульсный источник питания с терминалами А, В подключения к электродам

2. первый электрод

2а. область скин-слоя первого электрода

3. второй электрод

3а. область скин-слоя второго электрода

4. сфокусированный луч лазера

5. разряд между первым и вторым электродами 5а разрядный пинч

6. направление преимущественного движения потока плазмы из области разряда

7. поток плазмы, распространяющейся из области разряда

8. линии магнитного поля

9. расходящийся пучок излучения с вершиной в области пинча

10. оптическая ось пучка излучения

11a, b скользящие контакты вращающихся электродов

12. нормаль к поверхности электрода в месте облучения лазерным лучом

13. направление на ближайшую точку первого электрода в месте облучения второго электрода лазерным лучом

14. первое сопло

15. второе сопло

16. кольцевой коллектор для визуализации потоков плазмы.