ИСТОЧНИК КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ
HIGH-BRIGHTNESS SHORT-WAVE RADIATION SOURCE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ПАТЕНТЫ И ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка является продолжением заявки на патент PCT RU/2018/000520, поданной 08 августа 2008 г., которая, в свою очередь, является продолжением заявки на патент РФ 2017141042, поданной 24 октября 2017 г., ныне патент РФ 2670273, и включена в настоящее описание посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к источникам излучения высокой яркости, предназначенным для генерации рентгеновского и экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения в области длин волн приблизительно от 0,01 до 20 нм, в которых предусмотрено высокоэффективное подавление загрязняющих частиц на пути прохождения пучка коротковолнового излучения, чтобы обеспечить долговременную работу источника излучения или интегрированной с ним аппаратуры. Область применения включает в себя рентгеновскую и ЭУФ метрологию, микроскопию, рентгеновскую диагностику материалов, биомедицинскую и медицинскую диагностику, а также различные виды контроля, включая инспекцию литографических ЭУФ масок.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рентгеновские и ЭУФ источники высокой интенсивности применяются во многих областях: для микроскопии, материаловедения, биомедицинской и медицинской диагностики, испытания материалов, анализа кристаллов и наноструктур, в атомной физике, и литографии,- являются основой аналитической базы современного высокотехнологичного производства и одним из основных инструментов при разработке новых материалов и изделий на их основе.
Для реализации методов рентгеновской диагностики требуются компактные высокояркостные источники рентгеновского излучения, характеризующиеся надежностью и большим временем жизни. В зависимости от применений, к которым относятся: визуализация и 3D-реконструкция внутренней структуры органических и неорганических объектов, получение высококонтрастных изображений органических объектов малого размера, точное определения наноструктурных параметров материалов,- энергия спектра должна быть в диапазоне от 100 до 6 кэВ (от ~ 0,01 до 0,15 нм), то есть в области жесткого рентгена. В этом диапазоне излучение наиболее эффективно генерируется путем прямого преобразования энергии электронного пучка в тормозное и характеристическое излучение.
Получение излучения в мягком рентгеновском (0,4 - 10 нм) и ЭУФ (10 - 60 нм) диапазонах наиболее эффективно с помощью источников излучения на основе лазерной плазмы. Их разработка в последние годы во многом стимулировалась развитием проекционной ЭУФ литографии для крупномасштабного производства интегральных схем (ИС) с размерами структур 10 нм и менее.
ЭУФ литография основана на использовании излучения в диапазоне 13,5+/-0,135 нм, соответствующем эффективному отражению многослойных Mo/Si- зеркал. Одним из важнейших метрологических процессов современной нанолитографии является контроль ИС на отсутствие дефектов. При этом общей тенденцией является переход от инспекции ИС к анализу литографических масок. Наиболее эффективно процесс инспекции маски осуществлять с помощью ее сканирования актиническим излучением, то есть излучением, длина волны которого совпадает с рабочей длиной волны литографа (так называемая Actiniс Inspection). Таким образом, контроль бездефектности литографических масок в процессе их производства и в течение всего времени эксплуатации является одной из ключевых проблем ЭУФ литографии, при этом создание прибора для диагностики литографических масок и его ключевого элемента- высокояркостного актинического источника входит в приоритеты развития ЭУФ литографии.
2
Источники излучения для ЭУФ литографии используют лазерную плазму капельных Sn-мишеней, генерируемую мощной лазерной системой, включающей CO-лазеры. Такие источники имеют мощность ЭУФ излучения, превышающую на несколько порядков величины уровень мощности, необходимой для инспекции ЭУФ масок. Поэтому применение для контроля масок источников ЭУФ излучения, используемых в настоящее время в литографических системах, является неадекватным из-за излишней сложности и стоимости. В связи с этим необходимы другие подходы к созданию высокояркостных источников ЭУФ излучения для актинической инспекции ЭУФ масок.
В соответствии с одним из подходов, известном из патентной заявки US 20020015473, опубл. 07.02.2002 известны источники для генерации рентгеновского или ЭУФ- излучения высокой яркости, включающие в себя струйную жидкометаллическую мишень, поставляемую в зону взаимодействия с электронным пучком.
Источники этого типа характеризуются компактностью и высокой стабильностью выходного излучения. Благодаря большой площади контакта жидкого металла с охлаждающей поверхностью теплообменного устройства, достигается быстрое снижение температуры мишени. Таким образом, удается получить высокую плотность потока энергии электронного пучка на мишени и обеспечить очень высокую спектральную яркость источника рентгеновского или ЭУФ излучения. Так, рентгеновские источники с жидкометаллической струйной мишени имеют яркость примерно на порядок величины более высокую, чем рентгеновские источники с твердым вращающимся анодом и использованием жидкого металла в качестве теплоносителя, известные, например, из патента US 7697665, опубл. 13.04.2010.
Однако система циркуляции струйной жидкометаллической мишени достаточно сложна, что усложняет устройство источника излучения в целом. Также для указанных источников излучения характерна проблема загрязнения выходного окна, через которое осуществляется выход пучка коротковолнового излучения. В источниках излучения со струйным жидкометаллическим анодом интенсивными источниками загрязнений являются сопло и улавливатель жидкометаллической струи, из области которых распространяется туман из микрокапель материала мишени. В результате мощность источника излучения уменьшается тем быстрее, чем больше мощность пучка энергии.
Частично этого недостатка лишен высокояркостный источник рентгеновского излучения, известный из патента US 8681943, опубл. 25.03.2014, в котором пучок рентгеновского излучения, создаваемого в результате взаимодействия электронного пучка со струйной жидкометаллической мишенью (предпочтительно жидкий металл с низкой температурой плавления, такой как индий, олово, галлий, свинец или висмут или их сплав), покидает вакуумную камеру через выходное окно (предпочтительно из бериллиевой фольги), снабженное защитным пленочным элементом с системой его испарительной очистки.
Однако требуемые для испарительной очистки температуры высоки, например, составляя около 1000°С и более, для испарения Ga и In, что значительно усложняет устройство.
Загрязняющие частицы или мусор (англ.- debris), образующийся в качестве побочного продукта во время работы источника излучения, могут быть в виде высокоэнергетических ионов, нейтральных атомов и кластеров или микрокапель материала мишени.
Метод магнитного ослабления, раскрытый, например, в патенте США 8519366, опубл. 27.08.2013, включает использование магнитного поля для устранения, по меньшей мере, заряженных загрязняющих частиц. Метод предназначен преимущественно для использования в источниках ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы капельных Sn- мишеней, характеризующихся сложностью конструкции и эксплуатации. В этом патенте система защиты от загрязнений включает также фольговую ловушку и порты для подачи буферного газа в фольговую ловушку, так что нейтральные атомы и кластеры материала мишени достаточно эффективно захватываются.
Однако эти методы не обеспечивают высокоэффективное подавление микрокапельной фракции загрязняющих частиц на пути прохождения пучка ЭУФ излучения. Это ограничивает время бесперебойной работы аппаратуры, в которую интегрирован источник ЭУФ излучения из-за загрязнений ее оптических элементов.
Частично этого недостатка лишен способ защиты от микрокапельной фракции загрязняющих частиц, известный из патента US 7302043, опубликованного 27.11.2007. Он предусматривает применение быстровращающегося затвора, выполненного с возможностью пропускания коротковолнового излучения, по меньшей мере, через одно отверстие в течение одного периода вращения и препятствование прохождению загрязняющих частиц во время другого периода вращения за счет поворота затвора.
Однако использования подобного средства защиты от загрязнений в компактном источнике излучения технически слишком сложно для реализации.
Из патента США 9897930, опубл. 20.02.2018, известно использование в литографическом устройстве мембраны из углеродных нанотрубок (сокр. УНТ, англ,- carbon nano tubes, сокр.- CNT) имеющей толщину более 50 нм и высокую прозрачность для ЭУФ излучения. УНТ- мембраны предложено использовать в качестве защитных пленок (англ.- pellicle), предохраняющих литографическую маску и/или кремниевую подложку с фоторезистом от осаждения на них загрязнений, в частности, пыли, а также в качестве средства защиты от загрязняющих частиц, производимых наряду с излучением в плазме литографического источника ЭУФ излучения.
УНТ- мембрана характеризуется рядом достоинств, среди которых невысокая стоимость, большая прочность, что позволяет изготавливать ее свободностоящей при больших (сантиметровых) размерах, как это известно, например, из публикации M.Y. Timmermans, et al. "Free-standing carbon nanotube films for extreme ultraviolet pellicle application," Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS 17(4), 043504 (27 November 2018).
Однако использование УНТ- мембраны для подавления потока загрязняющих в пучке ЭУФ излучения литографического источника представляется маловероятным, поскольку УНТ- мембрана с большой вероятностью разрушится под действием столь мощного излучения.. Для менее мощных источников излучения также имеется ограничение. Как показали наши исследования, небольшая доля капельной фракции загрязнений с размером капель более 300 нм способна проникать через УНТ- мембрану или пробивать ее, что не позволяет обеспечить чистоту источника коротковолнового излучения лишь за счет применения УНТ- мембраны.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которая должна быть решена с помощью изобретения, относится к созданию компактных источников рентгеновского и ЭУФ излучения высокой яркости с глубоким подавлением потока загрязняющих частиц на пути прохождения пучка коротковолнового излучения.
Достижение этих целей возможно с помощью источника коротковолнового излучения высокой яркости, содержащего вакуумную камеру с вращающимся мишенным узлом, поставляющим в зону взаимодействия мишень в виде слоя расплавленного металла, образованного центробежной силой на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося мишенного узла, пучок энергии, сфокусированный на мишень в зоне взаимодействия, и средства подавления загрязнений на пути прохождения пучка коротковолнового излучения.
Устройство характеризуется тем, что средства подавления загрязнений включают в себя вращение мишени с высокой, более 20 м/с, линейной скоростью, определяющей направление преимущественного выхода микрокапельной фракции загрязнений из зоны взаимодействия; вывод пучка коротковолнового излучения в направлении, отличном от направления преимущественного выхода микрокапельной фракции загрязнений; сменную мембрану из углеродных нанотрубок (УНТ- мембрану) с высокой, более 50%, прозрачностью в диапазоне длин волн короче 20 нм, установленную в области прямой видимости зоны взаимодействия и полностью перекрывающую апертуру пучка коротковолнового излучения.
В варианте осуществления изобретения вращающийся мишенный узел представляет собой диск с периферийной частью в виде кольцевого барьера, на внутренней поверхности которого, обращенной к оси вращения, имеется кольцевой желоб с профилем поверхности, предотвращающим выброс материала мишени в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения.
В варианте осуществления изобретения пучок энергии представляет собой импульсный лазерный пучок, а коротковолновое излучение генерируется лазерной плазмой материала мишени в экстремальном ультрафиолетовом (ЭУФ) и/или мягком рентгеновском и/или рентгеновском диапазоне.
В варианте осуществления изобретения материалом мишени является олово или его сплав, при этом линейная скорость мишени выбрана достаточно большой, более 80 м/с, для того чтобы подавить выход в направлении УНТ- мембраны капель с размером более 300 нм, способных проникать через УНТ- мембрану.
В вариантах осуществления изобретения дополнительно используются одно или несколько таких средств подавления загрязнений, как электростатическое и магнитное поля, поток защитного газа, фольговые ловушки.
Предпочтительно УНТ- мембрана имеет толщину в диапазоне от 20 до 100 нм.
В вариантах осуществления изобретения УНТ- мембрана имеет покрытие со стороны, находящейся вне области прямой видимости зоны взаимодействия.
В вариантах осуществления изобретения УНТ- мембрана служит окном между отсеками вакуумной камеры с высоким и средним вакуумом.
Предпочтительно материал мишени выбран из легкоплавких металлов, включая Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы
В вариантах осуществления изобретения пучок энергии представляет собой пучок электронов, вращающийся мишенный узел служит вращающимся анодом электронной пушки, а коротковолновое излучение представляет собой рентгеновское излучение, генерируемое при электронной бомбардировке мишени.
В одном из аспектов изобретение относится к высокояркостному источнику рентгеновского излучения, содержащему вакуумную камеру, в которой электронный пучок, производимый электронной пушкой, направлен в зону взаимодействия с мишенью, представляющей собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анода.
В вариантах реализации изобретения источник рентгеновского излучения высокой яркости содержит средства подавления загрязнений.
В варианте реализации изобретения на пути выхода пучка рентгеновского излучения установлена УНТ- мембрана и может быть введен узел замены УНТ- мембраны, не требующей разгерметизации вакуумной камеры.
В вариантах осуществления изобретения материал мишени выбран из легкоплавких металлов, включая Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы.
В вариантах осуществления вращающийся анодный узел снабжен системой охлаждения с протоком жидкого теплоносителя.
В вариантах реализации изобретения источник размер фокусного пятна пучка электронов на мишени составляет менее 50 мкм.
В вариантах реализации изобретения линейная скорость мишени составляет более 80 м/с.
Техническим результатом изобретения является создание источников рентгеновского и ЭУФ излучения высокой яркости с глубоким подавлением загрязнений на пути прохождения пучка коротковолнового излучения, характеризующихся повышенными сроком службы и удобством эксплуатации, а также уменьшение эксплуатационных расходов.
Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания его примерных вариантов осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схема источника коротковолнового излучения высокой яркости в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2 - спектр пропускания УНТ - мембраны,
Фиг. 3 и Фиг. 4 - иллюстрация механизма подавления капельной фракции загрязнений,
Фиг. 5 упрощенная схема источника коротковолнового излучения высокой яркости в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения,
Фиг. 6, Фиг. 7 - результаты тестирования средств подавления загрязнений в источнике ЭУФ излучения,
Фиг. 8 - схема источника рентгеновского излучения высокой яркости в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 9 - схема высокояркостного источника рентгеновского излучения в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
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 иллюстративные материалы частных случаев 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 в зону взаимодействия 3 мишень 4 в виде слоя расплавленного металла, образованного центробежной силой на обращенной к оси вращения 5 поверхности 6 кольцевого желоба 7 вращающегося мишенного узла.
При достаточно большой центробежной силе поверхность жидкометаллической мишени 4 параллельна оси вращения 5, Фиг. 1. Для формирования мишени вращающийся мишенный узел 2 предпочтительно выполнен в виде скрепленного с валом вращения 8 диска 9, имеющего периферийную часть в виде кольцевого барьера 10 или бортика. На внутренней поверхности кольцевого барьера 10, обращенной к оси вращения 5, имеется кольцевой желоб 7 или углубление. Кольцевой желоб 7 выполнен с функцией предотвращения выброса материала мишени 4 в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения 5. Поверхность желоба может быть образована цилиндрической поверхностью 6, обращенной к оси вращения 5, и двумя радиальными поверхностями, как показано на Фиг. 1, не ограничиваясь только этим вариантом.
В соответствии с изобретением поверхность жидкометаллической мишени 4 является круглоцилиндрической. При этом объем материала жидкометаллической мишени 6 не больше объема кольцевого желоба 7, Фиг. 1.
В вакуумной камере 1 пучок энергии 11, испускаемый источником энергии (не показан), сфокусирован на мишень 4 в зоне взаимодействия 3. Для определенности Фиг. 1 иллюстрирует вариант реализации изобретения, в котором пучок энергии представляет собой импульсный лазерный пучок 11. Предпочтительно лазер размещен вне вакуумной камеры, и ввод лазерного пучка 11 осуществляется через ее входное окно 12. В этих вариантах реализации изобретения коротковолновое излучение генерируется высокотемпературной лазерной плазмой материала мишени в одном или нескольких спектральных диапазонах, к которым относятся ЭУФ, мягкий рентген, рентген.
Используемое коротковолновое излучение выходит из зоны взаимодействия 3 в виде расходящегося пучка коротковолнового излучения 13. На пути прохождения пучка коротковолнового излучения 13, а также на пути лазерного пучка 11, расположены средства подавления загрязнений. Предпочтительно они содержат кожухи 14, 15, окружающие лазерный пучок 11 и пучок коротковолнового излучения 13, вводы газа 16, источники магнитного поля, например, в виде постоянных магнитов 17, источники электростатического поля (не показаны), фольговые ловушки 18, защитные экраны (не показаны).
В состав оборудования, использующего коротковолновое излучение, может входить коллекторное зеркало 19, расположенное в чистом оптическом отсеке вакуумной камеры 1.
В соответствии с изобретением средства подавления загрязнений включают в себя вращение мишени с высокой, более 20 м/с, линейной скоростью. За счет этого направление преимущественного выхода капельной фракции загрязнений из зоны взаимодействия 3 становится близким к тангенциальному. Поэтому для подавления капельной фракции загрязнений в пучке коротковолнового излучения 13 его направление выбирают существенно отличным от направления преимущественного выхода капельной фракции загрязнений. Так, направление пучка коротковолнового излучения 13 может быть направлено к оси вращения (Фиг. 1) или в противоположную сторону от направления линейной скорости мишени в зоне взаимодействия 3.
Наряду с этим, средства подавления загрязнений включают в себя сменную УНТ- мембрану 20 с высокой, более 50%, прозрачностью в диапазоне длин волн короче 20 нм, установленную в области прямой видимости зоны взаимодействия 3 и полностью перекрывающую апертуру пучка коротковолнового излучения 13, Фиг. 1. УНТ- мембрана представляет собой оптический элемент в виде закрепленной на раме свободно стоящей УНТ- пленки, которая обеспечивает прочность, мало поглощает коротковолновое излучение и может иметь покрытия или наполнитель для увеличения срока службы или придания других свойств.
Для смены УНТ- мембраны 20 введен узел 21 замены УНТ - мембраны, например, револьверного типа, который может приводиться в действие снаружи вакуумной камеры 1, например с приводом через магнитную муфту, либо через сальник, либо посредством миниатюрного шагового двигателя установленного в вакуумной камере, не ограничиваясь только этими вариантами.
УНТ - мембрана предпочтительно имеет толщину в диапазоне от 20 до 100 нм, что обеспечивает ее высокую прозрачность в диапазоне длин волн короче 20 нм, как это иллюстрируется Фиг. 2, на которой представлен спектр пропускания УНТ - мембраны толщиной около 100 нм. измеренный с помощью синхротронного излучения. Видно, что в указанном диапазоне прозрачность превышает 75%, составляя около 90% на длине волны 13,5 нм. В то же время УНТ - мембрана может служить спектральным фильтром, отрезающим нежелательное излучение, например в виде части лазерного излучения, рассеиваемого в зоне взаимодействия с мишенью.
Кроме этого, УНТ - мембрана может служить прочный основой, на которую нанесено покрытие, например, металлическая фольга, служащая спектральным фильтром, более узкополосным по сравнению с УНТ- мембраной.
Высокая прочность УНТ - мембраны является одним из ее несомненных достоинств. Образцы УНТ - мембраны диаметром 5 мм и толщиной 20 нм имеют следующие характеристики. Вязкоупругое состояние, диапазон упругой деформации до ΔP = 120 Па, разрывное давление ΔP = 5,5 кПа, модуль упругости- 15 Гпа, сверхнизкая газопроницаемость, тепловая нагрузка - 2500°C в высоком вакууме без каких-либо изменений характеристик.
В вариантах осуществления изобретения с одной из сторон УНТ- мембраны может быть размещена опорная сетка с высокой, до 98%, геометрической прозрачностью. В других вариантах УНТ - мембрана может быть размещена между двумя идентичными сетками с высокой, до 98%, геометрической прозрачностью, расположенными без смещения друг относительно друга. Это позволяет без заметного уменьшения прозрачности повысить прочность, увеличить площадь УНТ - мембраны, тем самым снизить скорость ее загрязнения и увеличить срок службы.
Благодаря высокой прочности и низкой газопроницаемости УНТ - мембрана может использоваться в качестве выходного окна или газового замка, например, между отсеками вакуумной камеры со средним и высоким вакуумом. Так, на Фиг. 1 показан вариант, в котором УНТ - мембрана 20 служит выходным окном источника коротковолнового излучения и газовым затвором или замком между кожухом 15 и чистым оптическим отсеком вакуумной камеры с более высоким вакуумом, в котором размещено коллекторное зеркало 19. При этом в кожухе 15 с помощью газового ввода 16 осуществляется прокачка защитного инертного газа от УНТ - мембраны 20 к зоне взаимодействия 3.
-5
-8
Работа источника коротковолнового излучения высокой яркости производится следующим образом. Вакуумная камера 1 откачивается безмасляной насосной системой до давления ниже 10-10 бар, удаляя газовые компоненты, такие как азот, углерод и др., способные взаимодействовать с материалом мишени.
Материал мишени предпочтительно относится к группе нетоксичных легкоплавких металлов, включающей себя Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы. При необходимости материал мишени приводится в расплавленное состоянии и поддерживается в нем с помощью неподвижного нагревательного устройства 23, которое может использовать индукционный нагрев, Фиг. 1. Предпочтительно нагревательное устройство выполнено с возможностью стабилизации температуры материала мишени в заданном оптимальном диапазоне температур.
Вращающийся мишенный узел 2 приводится в движение с помощью вращательного привода 22, например, электромотора с магнитной муфтой, что обеспечивает чистоту вакуумной камеры 1. Под действием центробежной силы мишень 4 формируется в виде слоя расплавленного металла на обращенной к оси вращения 5 поверхности 6 кольцевого желоба 7.
На мишень 4 воздействуют пучком энергии 11, сфокусированным на мишень в зоне взаимодействия 3. В варианте реализации изобретения (Фиг. 1) пучок энергии 11 представляет собой импульсный лазерный пучок, действующий с высокой частотой повторения импульсов, которая может быть в диапазоне от 1 кГц до 1 Мгц. Коротковолновое излучение генерируется в ЭУФ (10 - 60 нм) и/или мягком рентгеновском (0,4 - 10 нм) диапазонах лазерной плазмой материала мишени.
Отвод тепла осуществляется через узкий (~0.1-0.2 мм) зазор между вращающимся мишенным узлом и неподвижным охлаждаемым водой радиатором (не показан), через который продувается газ при давлении ~1 мбар. Теплопроводности газа и площади контакта достаточно, чтобы снять до 3 кВт тепловой мощности для этого типа охлаждения. Вместе с тем, могут использоваться другие способы охлаждения вращающегося мишенного узла.
Из плотной высокотемпературной лазерной плазмы, генерируемой в зоне взаимодействия 3, осуществляют вывод пучка коротковолнового излучения 13 через УНТ - мембрану 20, установленную в области прямой видимости зоны взаимодействия 3 и полностью перекрывающую апертуру пучка коротковолнового излучения 13. УНТ - мембрана 20 обеспечивает вывод пучка коротковолнового излучения, благодаря высокой прозрачности в диапазоне длин волн короче 20 нм, Фиг. 2. Одновременно с этим УНТ - мембрана 20 препятствует прохождению через нее загрязняющих частиц, обеспечивая глубокое подавление загрязнений на пути дальнейшего распространения пучка коротковолнового излучения 13.
Важной составляющей технологии подавления загрязняющих частиц в соответствии с настоящим изобретением является использование высокой линейной скорости мишени, более 20 м/с. За счет этого капельная фракция загрязняющих частиц имеет значительную тангенциальную составляющую скорости. При этом вывод пучка коротковолнового излучения осуществляется в направлении, отличном от направления преимущественного выхода микрокапельной фракции загрязнений.
В вариантах реализации изобретения дополнительно используют такие средства подавления загрязнений, как электростатическое и магнитное поля, поток защитного газа, фольговые ловушки. В соответствии с этим в неподвижных кожухах 14, 15, окружающих часть лазерного пучка 11 и часть пучка коротковолнового излучения 13, с помощью вводов газа 16 непрерывно осуществляют продув защитного буферного газа от УНТ - мембраны 20 и от входного окна 12 к зоне взаимодействия 3, Фиг. 1. Этими потоками газа защищают входное окно 12 и УНТ - мембрану 20 от загрязнений, препятствуя продвижению к ним заряженных частиц и паров материала мишени, осаждаемых на стенках кожухов 14, 15 и/или на поверхностях фольговых ловушек 18, которые сочетают большую площадь поверхности с высокой геометрической прозрачностью.
Заряженные частицы также осаждают на поверхности кожухов 14, 15 и/или фольговых ловушек 18 с помощью магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 15, расположенными на наружной поверхности кожухов 14, 15. Магнитные поля предпочтительно ориентированы поперек оси пучка коротковолнового излучения 13 и лазерного пучка 11 для предотвращения движения плазмы и заряженных частиц к УНТ - мембране 20 и к входному окну 12.
Все это подавляет потоки загрязняющих частиц на пути прохождения пучка коротковолнового излучения 13, способствуя увеличению времени службы УНТ - мембраны 20.
Подавление потока микрокапельной фракции загрязняющих частиц в направлении УНТ - мембраны 20 с помощью высокой линейной скорости мишени схематически проиллюстрировано на Фиг. 3 и Фиг. 4, на которых представлены диаграммы скорости разлета капельной фракции загрязнений.
R
d0
R
Фиг. 3 иллюстрирует гипотетический случай, когда линейная скорость мишени 4 равна нулю, V = 0, характерная скорость выхода микрокапель равна V, пучок коротковолнового излучения 13 характеризуется углом раскрытия α, а поток 24 капельной фракции загрязняющих частиц характеризуется полным углом выхода γ. Как видно из Фиг. 3, в случае, когда V = 0, поток 24 капельной фракции загрязняющих частиц в значительной степени направлен на УНТ - мембрану 20, как показано на Фиг. 2.
В показанном на Фиг. 4 случае, когда к вектору скорости  каждой капли добавлена достаточно большая составляющая линейной скорости мишени , то поток 24 капельной фракции загрязняющих частиц не будет направлен на УНТ - мембрану 20 и на входное окно 12.
Условие того, что поток капельной фракции загрязняющих частиц не распространяется в направлении выхода пучка коротковолнового излучения 13 на УНТ - мембрану 20 и на входное окно 12, Фиг. 3, можно оценить из выражения:
(1).
d0
R
В варианте изобретения материалом мишени является олово (Sn) или его сплав, что обеспечивает как высокую яркость, так и высокий оптический выход в диапазоне (13,5+/-0,135) нм, поскольку более ста линий излучения ионов олова с зарядом от +6 до +11 попадают в указанный диапазон длин волн. Для этого материала мишени характерная скорость разлета капельной фракции загрязняющих частиц составляет около 100 м/с и менее: V ≤ 100м/с. Для угла раскрытия пучка коротковолнового излучения α =24°, полного угла выхода капельной фракции загрязняющих частиц γ= 90° и характерного радиуса вращения мишени R = 0,1 м линейная скорость V мишени 4 в соответствии с выражением (1) должна составлять 80 м/с или выше. В соответствии с этим, в данном варианте осуществления изобретения линейная скорость мишени выбрана достаточной большой, более 80 м/с, чтобы многократно, по сравнению с низкими линейными скоростями, уменьшить выход из вращающегося мишенного узла в направлении УНТ - мембраны 20 капельной фракции загрязняющих частиц.
Следует отметить, что высокоэффективное использование УНТ - мембраны 20 для окончательной очистки пучка коротковолнового излучения 13 достигается за счет глубокого подавления потока загрязняющих частиц в ее направлении. Это обеспечивает большое время службы УНТ - мембраны 20, определяемое, в первую очередь, скоростью уменьшения ее прозрачности из-за осаждения загрязняющих частиц. Особое значение имеет подавление загрязняющих частиц в виде микрокапель с размером более 300 нм, которые хотя и с малой вероятностью, но могут проникать в УНТ - мембрану или даже через нее, благодаря своей высокой энергии.
При достижении заданного изменения прозрачности УНТ - мембраны осуществляют ее замену с помощью узла 21 замены. Компактный узел замены УНТ - мембраны может быть револьверного либо карусельного типа с магазином, вмещающим необходимое на весь срок службы источника излучения количество сменных УНТ - мембран 20. Узел 21 замены УНТ - мембраны может приводиться в действие снаружи вакуумной камеры 1, например, через магнитную муфту, либо через сальник, либо посредством установленного в вакуумной камере миниатюрного механизма с шаговым двигателем, не ограничиваясь только этими вариантами.
На Фиг. 5 представлена в упрощенном виде схема источника коротковолнового излучения в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. В отличие от варианта конструкции, изображенной на Фиг. 1, пучок энергии 11 и пучок коротковолнового излучения 13 расположены по обе стороны плоскости, проходящей через ось вращения 5 и зону взаимодействия 3. В остальном части устройства в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1), имеют на Фиг. 5 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
Вариант реализации изобретения в соответствии со схемой Фиг. 5 использовался для тестирования средств подавления загрязнений в источнике ЭУФ излучения. При этом пучок энергии представлял собой импульсный лазерный пучок 11, а коротковолновое излучение генерировалось высокотемпературной лазерной плазмой материала мишени.
Характерные параметры тестирования были следующими:
- радиус вращения мишени- 0,1 м.
- линейная скорость мишени- от 20 до 120 м/с
- расстояние от зоны взаимодействия до тестовой пластины - 0,44 м
- материал мишени- эвтектический сплав Sn/In при температуре выше 120°C
9
- длительность экспозиции- 5 часов или 1,08⋅10 импульсов
- длина волны, энергия, длительность и частота следования лазерных импульсов соответственно - 1,06 мкм, 0,44 мДж, 1,85 нс, 60 кГц.
С помощью сканирующего электронного микроскопа проводился подсчет количества и определение размеров загрязняющих частиц, осевших на поверхности тестового образца.
Помимо защиты от микрокапель за счет быстрого вращения мишени, дополнительно можно было использовать такие средства подавления загрязнений как магнитные поля и поток защитного буферного газа.
Проведены следующие тесты:
R
1-й тест: V = 24 м/с, другие средства подавления загрязнений не используются,
R
2-й тест: V = 24 м/с, все другие средства подавления загрязнений используются,
R
3-й тест: V = 120 м/с, все другие средства подавления загрязнений используются, кроме УНТ - мембраны,
R
4-й тест: V = 120 м/с, используются все средства подавления загрязнений, включая УНТ - мембрану.
Во время тестов на пути прохождения пучка коротковолнового излучения 13 устанавливался сменный тестовый образец (не показан), выполненный из зеркально полированной кремниевой подложки. В первых трех тестах тестовый образец устанавливался вместо УНТ - мембраны 20, в четвертом тесте тестовый образец устанавливался вплотную за УНТ - мембраной 20.
На Фиг. 6 представлены результаты измерения количества и распределения по размерам капельной фракции загрязняющих частиц, полученные в 1-м, 2-м и 3-м тестах.
Результаты 1-го текста показывают, что при низкой линейной скорости мишени без использования дополнительных средств подавления загрязнений микрокапли диаметром более 300 нм играют основную роль в осаждении материала мишени Sn/In на тестовом образце. В течение недельного цикла непрерывной работы капли всех размеров покрыли бы более 100% поверхности тестового образца.
Результаты 2-го текста показывают, что использование, магнитного поля и потока защитного буферного газа эффективно подавляет такие загрязнения, как ионы и пары материала мишени, а количество микрокапель диаметром более 300 нм уменьшается примерно в 50 раз по сравнению с первым тестом. Пересчет результатов показывает, что для недельного цикла непрерывной работы капли всех размеров покрыли бы около 4% поверхности тестового образца.
R
Результаты 3-го текста показывают, что высокая (V=120 м/с) скорость вращения практически полностью удаляет капли размером более 300 нм. Этот факт важен для высокоэффективного использования УНТ - мембраны для окончательной очистки пучка коротковолнового излучения от загрязнений. Пересчет результатов показывает, что для недельного цикла непрерывной работы капли всех размеров покрыли бы лишь около 0,7% поверхности тестового образца.
В четвертом тесте условия были, как в третьем тесте, но перед тестовым образцом устанавливалась УНТ - мембрана 20.
На Фиг. 7 показаны полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) фотографии тестовых образцов, полученные во 2-м, 3-м, 4-м тестах. Видно, что невысокая скорость вращения приводит к заметному загрязнению образца (верхнее фото). Повышение линейной скорости вращения мишени от 24 до 120 м/с приводит к резкому подавлению загрязнений (среднее фото). Результаты тестов при использовании УНТ - мембраны показали, что ионы и пары материала мишени не проникают через него. Было зарегистрировано проникновение через УНТ - мембраны лишь одиночных капель размером около 400 и 500 нм, что свидетельствует о практически полном подавлении загрязнений (нижнее фото).
Другим результатом 4-го теста стал тот факт, что осаждение капель на тестовом Si- образце в 45 раз больше, чем на УНТ - мембране. Это свидетельствует о том, что большая часть капельной фракций загрязнений отражается от УНТ - мембраны, что обусловлено несмачиваемостью и высокой упругостью поверхностного слоя УНТ - мембраны. Поэтому в случае наличия у УНТ- мембраны 20 металлического или иного покрытия, оно предпочтительно расположено на стороне, находящейся вне области прямой видимости зоны взаимодействия 3.
>300
>300
>300
-5
-7
6
На основании проведенных тестов оценено, что капли размером более 300 нм проникают через УНТ - мембрана с вероятностью P, не превышающей 0,005: P ≤ 0,005. Измеренная скорость S осаждения капель этого типа на УНТ - мембране составляет 4 10 за недельный цикл непрерывной работы. Соответственно для зеркала 19 за УНТ - мембраной (Фиг. 1) скорость потери отражательной способность из-за осаждения капель этого размера оценивается как S⋅P ≤ 2 10 % за недельный цикл непрерывной работы. Другими словами, деградация 5% поверхности зеркала за УНТ - мембраной по оценкам потребует непрерывной работы источника в течении 5 10 часов.
<300
<300
-5
Вероятность P прохождения капель с диаметром менее 300 нм через УНТ - мембрану была оценена как пренебрежимо малая величина: P ≤ 2⋅10.
На основании полученных результатов для обеспечения ультравысокой чистоты высокояркостного источника коротковолнового излучения в предпочтительных вариантах реализации изобретения материалом мишени является олово или его сплав, при этом линейная скорость мишени выбрана достаточно большой, более 80 м/с, для того чтобы подавить выход в направлении УНТ- мембраны капель с размером более 300 нм, способных проникать через УНТ- мембрану
13,5
2
При относительно небольшой средней мощности лазерного излучения 24 Вт яркость излучения плазмы в спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм составила В= 60 Вт/мм ср и может быть легко масштабирована за счет увеличения лазерной мощности.
Другие варианты реализации изобретения относятся к источникам рентгеновского излучения высокой яркости, генерируемого при электронной бомбардировке мишени.
На Фиг. 8 схематично представлен вариант реализации источника коротковолнового, а именно рентгеновского излучения высокой яркости. Части устройства, которые в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1, Фиг. 5), имеют на Фиг. 8 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
В этом варианте осуществления изобретения пучок энергии 11 представляет собой электронный пучок, а вращающийся мишенный узел 2 служит вращающимся анодом электронной пушки. В состав электронной пушки наряду с вращающимся анодом 2 также входят катодный модуль 25 и блок питания 26. Анодная мишень 4 представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения 5 поверхности 6 кольцевого желоба 7 вращающегося анода 2. На Фиг. 8 ось вращения 5 перпендикулярна плоскости чертежа. Коротковолновое излучение представляет собой рентгеновское излучение, генерируемое в зоне взаимодействия 3, представляющей собой фокусное пятно электронного пучка, при электронной бомбардировке мишени 4.
Вращающийся анод 2 с мишенью 4 электрически соединен с блоком питания 26 электронной пушки через скользящий контакт 28, который предпочтительно расположен на валу вращения. С помощью блока питания 26 потенциал высокого напряжения, обычно между 40 кВ и 160 кВ, прикладывается между катодом, размещенным в катодном модуле 25, и вращающимся анодом 2. Этот потенциал напряжения заставляет излучаемые катодом электроны ускоряться в направлении вращающегося анода 2, и в результате электронной бомбардировки жидкометаллической мишени 4 генерируется рентгеновское излучение.
Пучок коротковолнового, а именно рентгеновского излучения 13 выходит из вакуумной камеры 1 через выходное окно 27. Герметичное выходное окно 27 предпочтительно состоит из тонкой фольги в рамке или оправе. Требования к материалу окна включают высокую прозрачность рентгеновских лучей, то есть низкий атомный номер, и достаточную механическую прочность, чтобы отделить вакуум от давления окружающей среды. Бериллий широко используется в таких окнах.
В вариантах осуществления изобретения линейная скорость мишени составляет не менее 80 м/с. Высокая скорость мишени обеспечивает возможность работы при высоком, киловаттном уровне мощности электронного пучка и обеспечивает более эффективное рассеивание вкладываемой в мишень мощности. Благодаря наличию поверхностных сил натяжения и центробежной силы поверхность вращающейся мишени обладает высокой стабильностью и устойчивостью к возмущениям. При достаточно высокой скорости вращения электронный пучок взаимодействует с невозмущенной «свежей» поверхностью мишени, что обеспечивает высокую пространственную и энергетическую стабильность источника рентгеновского излучения.
В отличие от рентгеновских источников со струйным жидкометаллическим анодом в предложенной конструкции уровень генерируемых загрязнений существо снижается, поскольку устраняются такие его интенсивные источники, как сопло и улавливатель жидкометаллической струи, из области которых распространяется туман из микрокапель материала мишени. В результате не требуются сложные системы испарительной очистки выходного окна и его сравнительно частые замены. В результате предложенное изобретение существенно повышает надежность и удобство эксплуатации рентгеновского источника излучения высокой яркости. Реализуется возможность его эксплуатации без дополнительных средств подавления загрязнений.
Тем не менее, во время длительной эксплуатации источника рентгеновского излучения высокой яркости, прозрачность выходного окна 27 может снижаться за счет осаждения на его поверхности паров и кластеров материала мишени. В связи с этим, с целью обеспечения максимально большой длительности эксплуатации без сервисного обслуживания для защиты выходного окна 27 в вакуумной камере могут дополнительно использоваться средства подавления загрязнений. Предпочтительно в качестве такого средства используется УНТ- мембрана, установленная на пути выхода пучка рентгеновского излучения. УНТ - мембрана 20 может быть установлена вплотную к выходному окну 27, обеспечивая его полную защиту от загрязнений. Обладающая хорошей электропроводностью УНТ - мембрана 20 предпочтительно заземлена для снятия с нее электростатического заряда.
В вариантах реализации изобретения в вакуумной камере 1 установлен компактный узел 21 замены УНТ - мембраны после достижении заданной величины уменьшения ее прозрачности. Предпочтительно узел 21 замены УНТ - мембраны функционирует без разгерметизации вакуумной камеры 1.
Материал мишени предпочтительно выбран из легкоплавких металлов, включая Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы. Предпочтительным материалом мишени может быть сплав с массовой долей 95%Ga и 5% In, имеющий температуру плавления 25 °C и температуру замерзания около 16°C. Другими возможными материалами мишени являются Galinstan, который представляет собой сплав, содержащий массовые доли 68,5% Ga, 21,5 % In и 10% Sn, имеющий температуру плавления и замерзания около -19 °C; сплав, содержащий 66 % In и 34% Bi, имеющий температуру плавления и замерзания около 72 °С, не ограничиваясь только ими. Предпочтительным для хранения и перевозки источника рентгеновского излучения могут быть материалы мишени, которые являются твердыми в нерабочем состоянии и требуют небольшого разогрева, например, самим электронным пучком 11 для перехода в рабочий режим. В вариантах реализации рентгеновского источника излучения вакуумная камера может быть снабжена компактным нагревательным устройством 23 для перевода материала мишени в расплавленное состояние.
Для повышения выхода рентгеновского излучения предпочтительно использование материала мишени с высоким атомным номером, например, сплавов на основе свинца (Pb).
В целом, предложенная конструкция вращающегося анодного узла определяет широкий диапазон возможностей оптимизации материала мишени.
В варианте реализации изобретения охлаждение вращающегося анода 2 может быть радиационным.
На Фиг. 9 схематично показано осевое сечение источника рентгеновского излучения высокой яркости, выполненного в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. Части устройства, которые в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанном варианте осуществления изобретения (Фиг. 8), имеют на Фиг. 9 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
Устройство выполнено так, что электронный пучок 11, производимый электронной пушкой, направлен в зону взаимодействия 3 с мишенью 4, представляющей собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения 5 поверхности кольцевого желоба вращающегося анода 2.
Предпочтительно привод вращения состоит из ведомой и ведущей частей, расположенных соответственно внутри и снаружи вакуумной камеры. Так, в варианте реализации изобретения привод вращения выполнен в виде электродвигателя с размещенным в вакуумной камере 1 цилиндрическим ротором 29 с цилиндрическим валом вращения 8 и статором 30, расположенным снаружи вакуумной камеры 1, Фиг. 9.
В других вариантах реализации изобретения привод вращения может быть в виде магнитной муфты с наружной ведущей полумуфтой и ведомой внутренней полумуфтой.
Вращающийся анод 2 с ротором 29 поддерживается с помощью жидко- металлического гидродинамического подшипника, который включает в себя неподвижный вал 31 и слой жидкого металла 32, например, галлия или его сплава, такой, например, как галлий-индий-олово (GaInSn). Ротор 29 имеет кольцевой скользящий уплотнитель 33, окружающий часть боковой поверхности неподвижного вала 31 с зазором между ними. Зазор между скользящим уплотнителем 33 и неподвижным валом 31 имеет величину, которая обеспечивает вращение ротора 29 без утечки жидкого металла 32. Для этого ширина зазора составляет 500 мкм или менее. Скользящий уплотнитель 33 на Фиг. 9 имеет несколько кольцевых канавок, в которых аккумулируется жидкий металл 32. Таким образом, скользящий уплотнитель 33 функционирует как лабиринтное уплотнительное кольцо.
Гидродинамического подшипник с жидким металлом может выдерживать очень высокие температуры, не загрязняя вакуум. Большая поверхность контакта подшипника и жидкометаллическая смазка обеспечивают высокоэффективный отвода тепла от вращающегося анода 2 посредством жидкого теплоносителя 34, например воды, либо теплоносителя с более высокой температурой кипения. Для циркуляции жидкого теплоносителя 34 в неподвижном вале 31 имеются входной 35 и выходной 36 каналы, направление потока теплоносителя в которых изображено стрелками на Фиг. 9.
Устройство работает следующим образом. Откачивают вакуумную камеру 1. С помощью двигателя, состоящего из статора 30 и ротора 29, осуществляют вращение анода 2 с гидродинамическим подшипником, включающим в себя неподвижный вал 31 и слой жидкого металла 32. После включения электронного пучка 11 в зоне его взаимодействия 3 с вращающейся жидкометаллической мишенью 4 генерируется пучок рентгеновского излучения 13, покидающий вакуумную камеру через выходное окно 27. При этом на пути выхода пучка рентгеновского излучения 13 может быть установлена сменная УНТ - мембрана 20, обеспечивающая полную защиту выходного окна 27 от загрязнений. Теплоотвод осуществляется через слой жидкого металла 32 посредством жидкого теплоносителя 34.
Источник рентгеновского излучения может работать в непрерывном или циклическом режиме. В последнем случае анод после каждого цикла может затормаживаться, что увеличивает срок его службы.
Источнику рентгеновского излучения, выполненному в соответствии с настоящим изобретением, присущи такие достоинства современных рентгеновских трубок циклического действия для томографии, как высокая, до 100 кВт, рабочая мощность, достигнутая при теплоемкости вращающегося анода 6 МДж.
Кроме этого, ему присущи и достоинства рентгеновских источников со струйным жидкометаллическим анодом, позволяющие работать с очень маленьким размером фокусных пятен, поскольку нет ограничений, связанных с расплавлением мишени. В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах изобретения высокояркостный источник рентгеновского излучения является микрофокусным. В этих вариантах осуществления изобретения для достижения высокой яркости источника рентгеновского излучения производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени микрофокусной электронной пушкой с размером фокусного пятна 3 в диапазоне от 50 до 1 мкм. Для получения малых размеров фокусного пятна используют фокусирующие приспособления в виде электростатических, магнитных и электромагнитных линз, расположенных в катодном модуле 25.
Для уменьшения гидродинамической и термической нагрузки на поверхность мишени в фокусном пятне осуществляют ее вращение с высокой линейной скоростью, более 80 м/с
По сравнению с источниками рентгеновского излучения с использованием струйного жидкометаллического анода упрощается система циркуляции мишени и конструкция источника излучения в целом. По сравнению со свободно движущейся струей вращающаяся с высокой скоростью жидкометаллическая мишень более стабильна, в частности из-за наличия центробежной силы, и производит существенно меньше загрязнений. Геометрия мишени позволяет осуществлять вывод пучка рентгеновского излучения в направлении, практически противоположном направлению преимущественного выхода загрязнений из зоны взаимодействия. Несомненным преимуществом предложенной конструкции является устранение необходимости применения чрезвычайно сложной системы испарительной очистки выходного окна при температурах 1000°С и выше Все это упрощает конструкцию, повышает длительность работы источника рентгеновского излучения и улучшает условия его обслуживания и эксплуатации.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет создать наиболее высокояркостные источники ЭУФ и рентгеновского излучения с высоким сроком службы и удобством эксплуатации.
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.