СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОГО РАЗРЯДА
METHOD OF RECEPTION OF SHORT-WAVE RADIATION FROM VACUUM DISCHARGE PLASMA

Изобретение относится к способу эффективного получения коротковолнового, в частности, экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения из плазмы импульсно-периодического вакуумного разряда преимущественно с 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.
Известен способ получения коротковолнового, в частности, ЭУФ излучения из лазерной плазмы, в том числе 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 способе осуществляют подачу следующих друг за другом твердых или жидких субмиллиметровых мишеней, содержащих рабочее вещество, такое как олово (Sn), литий (Li), ксенон (Xe), на которые фокусируют мощное лазерное излучение с высокой частотой повторения импульсов. Одним из достоинств устройства является малый, около 1 мм, размер плазмы, излучающей в ЭУФ диапазоне, что отвечает требованиям, предъявляемым к источникам излучения для ЭУФ литографии. Недостатком источника коротковолнового излучения на основе лазерной плазмы является его малая, по сравнению с газоразрядными ЭУФ источниками, эффективность. Некоторое повышение эффективности возможно при последовательном воздействии на мишень двух лазерных импульсов различной энергии и длительности. Другой недостаток связан со сложностью обеспечения пространственной стабильности излучающей плазмы из-за трудностей согласования времени генерации лазерного импульса с временем прохождения очередной мишени через область фокусировки луча.
Частично этих недостатков лишен способ получения коротковолнового излучения из плазмы разряда пинчевого типа в газе, преимущественно в Xe [2]. В указанном способе перед зажиганием разряда пинчевого типа осуществляют вспомогательные разряды для предыонизации разрядной области и для формирования на ее периферии начальной токово-плазменной оболочки, что повышает энергетическую эффективность и пространственную стабильность ЭУФ источника малого размера. Способ предусматривает, в том числе, использование вращающихся электродов для обеспечения высокого ресурса работы источника излучения. Недостатком указанного способа являются ограниченные возможности повышения частоты следования разрядных импульсов и мощности источника излучения. Другим недостатком указанного способа является его низкая эффективность по сравнению со способом получения коротковолнового излучения из плазмы импульсного вакуумного разряда с использованием в качестве плазмообразующего вещества материала электрода, в частности олова (Sn).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда, заключающийся в облучении сфокусированным лазерным лучом одного из электродов, покрытого плазмообразующим веществом, и осуществлении с помощью импульсного источника питания основного разряда между электродами [3]. В прототипе разряд производят между вращающимися электродами, на которые непрерывно наносят слой плазмообразующего вещества, в частности жидкого олова. Разряд осуществляют непосредственно после перекрытия разрядного промежутка лазерной плазмой в результате ее распространения от одного вращающегося электрода к другому. Область плазмы, излучающей в коротковолновом диапазоне, расположена преимущественно вблизи электрода, на котором производят генерацию лазерной плазмы. В связи с этим полярность электродов обычно выбирают той, при которой достигается меньший размер области плазмы, излучающей в коротковолновом диапазоне.
Прототип позволяет обеспечить большое время жизни электродов при высоких средней мощности и эффективности коротковолнового излучения.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая для индустриальных применений пространственная и энергетическая стабильность источника коротковолнового излучения. Указанный недостаток частично обусловлен тем, что точная привязка разряда осуществляется на поверхности только одного из электродов - с помощью лазерного луча. Излучение малой яркости из области разрядной плазмы вблизи другого электрода, которая характеризуется большим размером и не имеет точной привязки к поверхности электрода, не используется. Обладая меньшей пространственной и энергетической стабильностью от импульса к импульсу, оно снижает кпд и стабильность источника коротковолнового излучения из плазмы малого объема вблизи электрода, облучаемого лазером.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности преобразования вложенной в разряд электрической энергии в энергию коротковолнового излучения, повышение пространственной и энергетической стабильности излучающей плазмы, а также уменьшение ее эффективного размера.
Указанная задача осуществлена усовершенствованием способа получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда, заключающегося в облучении сфокусированным лазерным лучом одного из электродов, покрытого плазмообразующим веществом, и осуществлении с помощью импульсного источника питания основного разряда между электродами.
Усовершенствование способа состоит в том, что основной разряд осуществляют с временной задержкой после воздействия лазерного луча, и в течение временной задержки формируют вспомогательный разряд между электродами с помощью вспомогательного импульсного источника питания, причем вспомогательный импульсный разряд осуществляют током, направление которого противоположно направлению тока основного разряда, и с энерговкладом, меньшим по сравнению с энерговкладом в основной разряд.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 схематично изображен вариант устройства, реализующего способ получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда. На фиг.2а представлены изображения разрядной плазмы при использовании только основного разряда с оптимальной полярностью, на фиг.2б - с применением как основного, так и вспомогательного разрядов различной полярности.
Устройство, реализующее способ получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда содержит электроды - 1, 2, выполненные, например, в виде вращающихся дискообразных элементов. Периферийные части поверхности электродов - 1, 2 покрыты слоями - 3, 4 плазмообразующего вещества, преимущественно жидкого олова. Устройство также содержит импульсный источник питания вспомогательного разряда - 5, лазер - 6 с оптической системой транспортировки и фокусировки луча на поверхность электрода - 1 и импульсный источник питания основного разряда - 7. Импульсные источники питания - 5, 7 подсоединены к вращающимся электродам с помощью скользящих контактов, не показанных на чертеже. Для подачи и формирования на электродах слоев - 3, 4 плазмообразующего вещества устройство, реализующее способ получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда, содержит инжекторы - 8, 9 и системы - 10, 11 регенерации поверхности электродов.
Способ получения коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда реализуют следующим образом.
Производят равномерное вращение дискообразных электродов - 1, 2, покрытых слоями - 3, 4 плазмообразующего вещества. В качестве плазмообразующего вещества преимущественно используют жидкое олово. Включают вспомогательный импульсный источник питания - 5, в результате чего на электродах - 1, 2 и на вакуумном промежутке между электродами нарастает напряжение. Лучом импульсного лазера - 6, сфокусированным на слой - 3 плазмообразующего вещества на электроде - 1, испаряют и ионизируют малую порцию плазмообразующего вещества. 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 вспомогательного импульсного источника питания - 5 производят вспомогательный разряд с малым энерговкладом, недостаточным для эффективной генерации коротковолнового излучения. В процессе вспомогательного разряда формируют плазменный канал, в частности, локализуют место привязки разрядного канала к электроду, не облучаемому лазером. После воздействия лазерного луча с временной задержкой, необходимой для реализации вспомогательного разряда, включают импульсный источник питания - 7 и в разрядном плазменном канале, предварительно сформированном на стадии вспомогательного разряда, осуществляют основной импульсный сильноточный разряд между электродами - 1, 2. При этом основной разряд осуществляют током, направление которого противоположно направлению тока вспомогательного разряда. За счет выбора плазмообразующего вещества, в частности олова, линии излучения ионов которого находятся в нужной области коротковолнового диапазона спектра, из плазмы вакуумного разряда обеспечивается высокоэффективная генерация коротковолнового излучения. После поворота электродов - 1, 2 на угол, достаточный для ввода в зону разряда свежих участков слоев - 3, 4 плазмообразующего вещества, цикл работы повторяют. Расход плазмообразующего вещества и деформация его поверхности в процессе работы компенсируются с помощью инжекторов - 8, 9 плазмообразующего вещества и систем - 10, 11 регенерации поверхности электродов. Охлаждение элементов источника коротковолнового излучения в процессе работы производят циркулирующей в них жидкостью.
При получении коротковолнового излучения из плазмы вакуумного разряда указанным способом предварительно с помощью вспомогательного разряда формируют разрядный канал, и за счет выбора полярности вспомогательного разряда осуществляют привязку формируемого разрядного канала к не облучаемому лазером электроду - 2. На стадии вспомогательного разряда не облучаемый лазером электрод - 2 обычно используют в качестве катода, в этом случае катодное пятно, к которому осуществляется привязка искрового канала, формируется в определенном месте электрода - 2. Как правило, привязка происходит в том месте электрода - 2, к которому в первую очередь приходит плазма, индуцированная лазером на электроде - 1. На стадии зажигания основного сильноточного разряда направление разрядного тока и полярность электродов меняют на противоположные, которые оптимальны для получения коротковолнового излучения из малой области разрядной плазмы вблизи электрода - 1. В отличие от прототипа, привязку разряда осуществляют не только с помощью лазерного луча на электроде - 1, но и с помощью вспомогательного разряда на не облучаемом электроде - 2.
В результате применения вспомогательного разряда с полярностью, противоположной полярности основного разряда, наблюдается значительное повышение стабильности импульса тока основного разряда. Все это приводит к повышению энергетической и пространственной стабильности источника коротковолнового излучения от импульса к импульсу. Кроме того, в результате вспомогательного разряда электрическое сопротивление разрядного канала вблизи не облучаемого лазером электрода - 2 уменьшается. Соответственно доля энергии, выделяемая в области эффективно излучающей плазмы вблизи электрода - 1, возрастает по сравнению с прототипом. Вследствие этого уменьшается эффективный размер плазмы, излучающей в коротковолновом диапазоне спектра, а кпд источника излучения или коэффициент преобразования электрической энергии в энергию коротковолнового излучения возрастает.
На фиг.2 представлены изображения разрядной плазмы, излучающей в спектральном диапазоне вблизи 13,5 нм, которые иллюстрируют положительный результат, достигаемый за счет предложенного способа. Как видно из фиг.2а, на которой размер кадра составляет 6 мм×6 мм, при использовании только основного разряда с оптимальной полярностью из сферической области разрядной плазмы с диаметром 1.5 мм излучается лишь около 50% всей энергии коротковолнового излучения, остальная часть энергии излучения приходится на область большого размера и не может быть использована. Фиг.2б в том же масштабе иллюстрирует результат применения вспомогательного разряда. В этом случае практически вся энергия коротковолнового излучения, а именно до 90% всей энергии, излучается из области разрядной плазмы малого размера, что значительно увеличивает эффективность использования источника излучения. Кроме того, возрастают пространственная и энергетическая стабильность источника коротковолнового излучения, и, в зависимости от условий, примерно на 20-50% возрастает эффективность преобразования вложенной в разряд электрической энергии в энергию коротковолнового излучения.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить эффективность преобразования вложенной в разрядную плазму электрической энергии в энергию коротковолнового излучения, то есть повысить кпд источника излучения и увеличить среднюю мощность коротковолнового излучения в импульсно-периодическом режиме, уменьшить размер плазмы, излучающей в коротковолновом диапазоне спектра, и улучшить ее пространственную и энергетическую стабильность.
Использованные источники информации
1. Патент WO 03085707; МКИ6 H01L 21/027, H05H 1/24; заявлено 04.04.2003.
2. Патент РФ №2252496, МКИ 7 H05G 2/00, заявлено 31.07.2002, опубликовано: RU БИМП №2, 20.01.2004, стр.431-432.
3. Jeroen Jonkers 2006 Plasma Sources Sci. Technol. 15 S8-S16,
http://www.iop.org/EJ/abstract/0963-0252/15/2/S02/.