專利名稱:帶有改進(jìn)脈沖功率系統(tǒng)的等離子聚集光源的制作方法
本申請是美國專利序列號09/590,962(2000年6月9日提出)、09/442,582(1999年11月18日提出)和09/324,526(1999年6月2日提出)的部分繼續(xù)申請(CIP)，美國專利序列號09/324,526是美國專利序列號09/268,243(1999年3月15日提出，現(xiàn)美國專利號6,064,072)和09/093,416(1998年6月8日提出，現(xiàn)美國專利號6,051,841)的CIP，美國專利序列號09/093,416是序列號08/854,507(現(xiàn)美國專利號5,763,930)的CIP。本發(fā)明涉及高能量光子源，尤其涉及高可靠性X射線源和高能量紫外線源。
發(fā)明背景半導(dǎo)體業(yè)不斷開發(fā)能印制尺寸越來越小的集成電路的光刻制版技術(shù)。這些系統(tǒng)必須具有高可靠性、節(jié)省成本的吞吐量和可行的處理范圍。集成電路制造業(yè)近來已從汞G線(436nm)和I線(365nm)曝光源變化到248nm和193nm受激準(zhǔn)分子激光源。需要高光刻制版分辨率且聚集深度損耗最小，加速這種過渡。
集成電路業(yè)的需求很快會超過193nm曝光源的分辨能力，因而形成需要波長顯著短于193nm的可靠曝光源。157nm處存在受激準(zhǔn)分子線，但此波長上充分透射且光質(zhì)量足夠高的光材料難以取得。因此，會需要全反射成像系統(tǒng)。全反射光系統(tǒng)要求數(shù)值孔徑(NA)小于透射系統(tǒng)。小NA造成的分辨率損失僅能通過大比例減小波長加以補(bǔ)償。因此，如果光刻制版分辨率要提高到超過193nm或157nm達(dá)到的程度，就需要10nm范圍的光源。
高能量紫外線和X射線源技術(shù)領(lǐng)域：
現(xiàn)在利用以激光束、電子或其他粒子轟擊各種靶材料而產(chǎn)生的等離子體。已采用固體靶，但固體靶燒蝕產(chǎn)生的碎片對要在生產(chǎn)線工作的系統(tǒng)的各元件有不利影響。一種解決碎片問題的建議方案是采用冷凍液體靶或冷凍氣體靶，使碎片不會鋪落在光設(shè)備上。然而，這些系統(tǒng)未證明對生產(chǎn)線操作實(shí)用。
許多年來已公知等離子箍縮動作中會產(chǎn)生X射線和高能量紫外線輻射。等離子箍縮中，電流以若干配置中的一種通過等離子體，使電流流通產(chǎn)生的磁場加速等離子體中的電子和離子進(jìn)入具有足夠能量的微小容積，導(dǎo)致外部電子大量剝離離子，從而產(chǎn)生X射線和高能量紫外線輻射。下列從聚焦或箍縮等離子體產(chǎn)生高能量輻射的各種已有技術(shù)J.M.Dawson，“X-RayGenerator”，美國專利號3,961,197，1976年6月1日。
T.G.Roberts等人，“Intense，Energertic Electron Beam Assisted X-RayGenerator，”美國專利號3,969,628，1976年7月13日。
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典型的已有技術(shù)等離子聚集器件能產(chǎn)生近X射線光刻制版適用的大量輻射，但每脈沖電能量要求大，內(nèi)部元件工作壽命短，因而重復(fù)率有限。這些系統(tǒng)的存儲電能要求范圍為1kJ至100kJ。重復(fù)率通常不超過每秒幾個脈沖。
需要一種產(chǎn)生高能量紫外線和X射線輻射的生產(chǎn)線上可靠且簡單的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以高重復(fù)率工作，并且避免已有技術(shù)中形成碎片所關(guān)聯(lián)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高能量光子源。一對等離子箍縮電極位于真空室中。該室裝有含惰性緩沖氣體和活性氣體的工作氣體，選擇這些氣體，以提供希望譜線。脈沖功率源以高達(dá)足以產(chǎn)生電極間放電的電壓提供電脈沖，在提供源譜線處輻射的工作氣體或活性氣體中形成甚高溫度、高密度等離子箍縮。最好電極配置成與軸上的陽極同軸。陽極最好中空，從而通過陽極導(dǎo)入活性氣體。這可使譜線源優(yōu)化，并且緩沖氣體可獨(dú)立優(yōu)化。較佳實(shí)施例提供電容值，陽極長度和形狀的優(yōu)化，并且揭示較佳活性氣體輸送系統(tǒng)。較佳實(shí)施例還包括脈沖功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含充電電容器和含脈沖變壓器的磁壓縮電路。描述一種熱管冷卻系統(tǒng)，用于冷卻中央電極。較佳實(shí)施例中，外部反射輻射收集器導(dǎo)向器收集等離子箍縮中產(chǎn)生的輻射，并按期望方向引導(dǎo)該輻射。描述一些實(shí)施例，用于產(chǎn)生聚焦束和并行束。這些較佳實(shí)施例中，活性氣體是鋰蒸氣，緩沖氣體是氦，輻射收集器鍍覆具有高切線入射反射率的材料，或由該材料做成。優(yōu)選的反射器材料有鉬、鈀、釘、銠、金和鎢。
其他優(yōu)化實(shí)施例中，緩沖氣體是氬，并且通過蒸發(fā)位于沿同軸電極配置的中央電極軸的孔中的固態(tài)或液態(tài)鋰，產(chǎn)生鋰氣體。一些較佳實(shí)施例中，在錐狀嵌套碎片收集器上收集碎片，該收集器具有與從箍縮處展出并導(dǎo)向輻射收集器—導(dǎo)向器的光線對準(zhǔn)的表面。將錐狀嵌套收集器和輻射收集器—導(dǎo)向器保持在高于鋰的溶點(diǎn)并且實(shí)質(zhì)低于鎢的熔點(diǎn)的約400攝氏度溫度范圍。鎢和鋰蒸氣都收集在碎片收集器上，但鋰會從碎片收集器和收集器—導(dǎo)向器蒸發(fā)掉，而鎢永久留在碎片收集器上，因而未收集在輻射收集器—導(dǎo)向器上，使其反射性劣化。反射輻射收集器—導(dǎo)向器和錐狀嵌套碎片收集器可作為一個部件制作在一起，或者可以是相互對準(zhǔn)并且與箍縮處對準(zhǔn)的獨(dú)立部件。
如果需要可提供唯一的腔室窗，該窗設(shè)計成透射EUV光并反射含可見光的低能量光。此窗最好是諸如硅、鋯或鈹之類極簿材料構(gòu)成的小直徑窗口。
申請人:在這里闡述申請人及其工作伙伴做的第3代密等離子體聚焦(DPF)原型器件，作為利用全固態(tài)脈沖功率驅(qū)動器的遠(yuǎn)紫外(EUV)光刻制版光源。利用與硅光電二極管測量組合的真空光柵光譜儀的結(jié)果，申請人發(fā)現(xiàn)用13.5nm雙離子化鋰輻射線能產(chǎn)生Mo/Si鏡反射帶內(nèi)的大量輻射。此原型DPF將每脈沖25J的存儲電能變換成射入4π球面度的約0.76J帶內(nèi)13.5nm輻射。查出此器件的脈沖重復(fù)率性能高達(dá)其DC電源極限的200Hz。高達(dá)此重復(fù)率仍未發(fā)現(xiàn)每脈沖EUV輸出顯著減小。在200Hz時，測量所得脈沖對脈沖的能量穩(wěn)定度為σ＝6％，未發(fā)現(xiàn)脈沖丟失。提供此原型DPF器件的電路和操作，還一起描述要改善穩(wěn)定性、效率和性能的若干較佳修改例。
還描述了第4代DPF器件，它能工作在2000Hz，可產(chǎn)生2π球面度的約每脈沖20mJ的有用EUV輻射。
本發(fā)明提供一種在可靠且高亮度EUV光源中實(shí)際實(shí)現(xiàn)的EUV光刻制版，該光源的輻射特性與Mo/Si或Mo/Be鏡系統(tǒng)的反射帶匹配良好。



圖1和圖1A是代表本發(fā)明較佳實(shí)施例的高能量光子源的圖。
圖2是具有盤狀電極的3維等離子箍縮器件的圖。
圖3是本發(fā)明第4較佳實(shí)施例的圖。
圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的較佳電路圖。
圖5A是申請人及其工作伙伴所做原型單元的圖。
圖5B是示出具有火花塞預(yù)離子化器的原型中各電極的剖視圖。
圖5B1-圖5B6是示出等離子箍縮的建立的圖。
圖5C示出具有附加防爆屏的電極區(qū)的截面。
圖5C1-圖5C6是示出帶防爆屏的等離子箍縮建立的圖。
圖6是原型單元產(chǎn)生的脈沖形狀。
圖7示出雙曲線收集器產(chǎn)生的部分EUV束。
圖7A是雙曲線收集器的立體圖。
圖7B是出橢圓收集器產(chǎn)生的部分EUV束。
圖8示出相對于MoSi鍍覆的反射率的13.5nm鋰光譜峰值。
圖9示出嵌套錐狀碎片收集器。
圖10示出反射可見光和透射EUV光用的細(xì)Be窗。
圖11是示出各種13.5nm紫外輻射材料反射率的曲線。
圖12是示出引入源氣體和工作氣體的技術(shù)的圖。
圖13是示出陽極電壓和EUV強(qiáng)度的時間圖。
圖14A、14B、14C和14D示出各種陽極設(shè)計對等離子箍縮的影響。
圖15是示出用RF能量操作鋰蒸發(fā)源氣體的技術(shù)的圖。
圖16、16A、16B、16C、16D和16E示出第4代原型等離子箍縮器件的特性和測試結(jié)果。
圖17示出較佳DPF器件中陽極的熱管冷卻法。
較佳實(shí)施例詳細(xì)說明基本設(shè)計圖1和圖1A中示出說明高能量紫外線源基本設(shè)計的簡圖。主要的元件是等離子箍縮單元2、高能量光子收集器4和中空光管6。等離子箍縮源包含由低電感脈沖功率電路10供電的同軸電極8。本較佳實(shí)施例中的脈沖功率電路是一種能量高效的高壓電路，它能以至少1000Hz的速率向同軸電極8提供1.4kv至2.5kv范圍的甚快(約50ns)的上升時間脈沖。
在圖1的情況下，對電極8的基座附近提供少量工作氣體，諸如氦和鋰蒸氣的混合氣，如圖1所示。在每一高壓脈沖，同軸電極8的內(nèi)外電極之間由于預(yù)離子化或本身擊穿，出現(xiàn)雪崩擊穿。緩沖氣體中出現(xiàn)的雪崩過程使該氣體離子化，并在電極基座的電極之間形成導(dǎo)電等離子區(qū)。一旦存在導(dǎo)電等離子區(qū)，電流即在內(nèi)外電極間流通。本較佳實(shí)施例中，內(nèi)電極處于高的正壓，外電極處于低電位。電流從內(nèi)電極流到外電極，因而電子流向中心，正離子流開中心。此電流產(chǎn)生磁場，作用在移動的電荷載體上，加速這些載體離開同軸電極8的基座。
等離子區(qū)達(dá)到中央電極的端部時，等離子區(qū)上的電磁力使等離子區(qū)箍縮到點(diǎn)11周圍的“焦點(diǎn)”，點(diǎn)11沿中心電極的中心線并與該電極端部距離較短，并且等離子區(qū)的壓力和溫度快速上升到極高的溫度，有些情況下比太陽表面溫度高得多！電極尺寸和電路中的總電能最好加以優(yōu)化，以便等離子區(qū)中產(chǎn)生期望的黑體溫度。為了在13nm范圍產(chǎn)生輻射，需要高達(dá)20-100eV的黑體溫度。對特定的同軸結(jié)構(gòu)而言，溫度一般隨電脈沖電壓的增加而升高。輻射點(diǎn)的形狀在軸向有些不規(guī)則，在徑向大致為高斯分布。光源的典型徑向尺寸為300微米，長度約為4mm。
技術(shù)文獻(xiàn)內(nèi)描述的多數(shù)已有技術(shù)等離子箍縮單元中，輻射點(diǎn)用接近黑體的頻譜在全部方向輻射。工作氣體中鋰的目的在于縮小輻射點(diǎn)輻射的頻譜。
圖1A中示出第2基本設(shè)計。這種情況下，鋰蒸氣是活性氣體，并且通過陽極的中心注入。緩沖氣體是氦，在分開的位置注入。用真空泵在腔室中形成期望的真空。對鋰線加熱，使鋰保持蒸氣狀態(tài)。
鋰蒸氣雙離子化鋰在13.5nm處呈現(xiàn)電子躍遷，并且在氦緩沖器中起輻射源原子的作用。雙離子化鋰是優(yōu)越的選擇，其理由有二。第1是鋰有低熔點(diǎn)和高蒸氣壓。從輻射點(diǎn)射出的鋰能保持不鋪到腔壁上和收集光學(xué)部件上，只要將這些表面加熱到180攝低度以上。然后，用標(biāo)準(zhǔn)渦輪分子泵抽吸技術(shù)能從腔室將汽態(tài)鋰和氦緩沖氣一起抽出。僅通過冷卻這兩種氣體就能方便地使鋰與氦分開。
可獲得在13.5nm處提供良好反射的鍍覆材料。圖8示出相對于公布的MoSi反射率的鋰輻射峰值。
鋰用作源原子的第3優(yōu)點(diǎn)是非離子化鋰具有對13.5nm輻射的低吸收截面。此外，從輻射點(diǎn)射出的任何離子化鋰能用中等電場方便地掃除。剩余的非離子化鋰對13.5nm輻射大致透明。目前最普遍建議的13nm范圍光源利用激光熔化的氙凍結(jié)流。由于13nm處氙的吸收截面大，該系統(tǒng)必須在下一脈沖前捕獲幾乎全部射出的氙。
氙寬帶發(fā)射在13.5nm范圍具有寬帶輻射線的氙是另一較佳源原子。申請人在本說明書的下一節(jié)說明這種解決吸收問題的方法。
輻射收集器輻射點(diǎn)產(chǎn)生的輻射均勻射入全部4π球面角。需要一些類型的收集光學(xué)部件，以捕獲該輻射，并將其導(dǎo)向光刻制版工具。先前建議的13nm光源提出基于采用多層介電鍍覆鏡的收集光學(xué)部件。采用多層介電鏡的應(yīng)用，以達(dá)到大角度范圍上的高收集效率。產(chǎn)生碎片的任何輻射源鍍覆這些介電鏡，降低其反射率，因而減少來自輻射源的收集輸出。該較佳系統(tǒng)會遇到電極腐蝕，從而隨時間使位于輻射點(diǎn)附近的介電鏡劣化。
可獲得在小切線入射角對13.5nmUV光具有高反射率的若干材料。圖11中示出其中一些的特性曲線。優(yōu)選材料包含鉬、銠和鎢。可從這些材料制作收集器，但最好將這些材料用作諸如鎳之類襯底結(jié)構(gòu)材料上的鍍層。能在可移動芯棒上電鍍鎳，制備該錐狀段。
為了形成能接納大錐角的收集器，可將若干錐狀段相互內(nèi)部嵌套。每一錐狀段可用一個以上的對輻射的反射，將其輻射錐狀體的部分重新引導(dǎo)到期望的方向。設(shè)計工作在最接近切線入射的收集，可產(chǎn)生最能經(jīng)受蝕落電極材料淀積的收集器。這樣的切線入射角鏡反射率強(qiáng)烈依賴于鏡表面粗糙度。表面粗糙度的依賴性隨著入射角接近切線入射而減小。我們估計能收集并引導(dǎo)在至少25度立體角上發(fā)出的13nm輻射。圖1、圖2和圖3中示出將輻射導(dǎo)入光管的較佳收集器。
鎢電極-收集器的鎢鍍層選擇外部反射收集器材料的較佳方法是使收集器上的鍍覆材料與電極材料相同。鎢呈現(xiàn)作為電極的性能并且在13nm處其折射率的實(shí)數(shù)部分為0.945，因而是有價值的候選材料。電極和鏡鍍層用相同的材料，使因蝕落電極材料鋪在收集鏡上引起的鏡反射率劣化減至最小。
銀電極和鍍層銀在13nm也具有低折射率，并且具有允許較高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)的高傳熱性，因而也是電極和鍍層的較佳選擇。
錐狀嵌套碎片收集器另一較佳實(shí)施例中，碎片收集器保護(hù)收集器-導(dǎo)向器免受蒸發(fā)電極材料的表面污染，碎片收集器在鎢蒸氣到達(dá)收集器導(dǎo)向器4之前將其全部收集。圖9示出收集等離子箍縮所造成碎片的錐狀嵌套碎片收集器5。該收集器5由嵌套的錐狀段組成，這些錐狀段的表面與從箍縮處中心展出并且導(dǎo)向收集器-導(dǎo)向器4的光線對準(zhǔn)。
收集的碎片包括來自鎢電極的蒸發(fā)鎢和蒸發(fā)的鋰。碎片收集器連接到收集器-導(dǎo)向器4，或者是后者的一部分。兩種收集器都由鍍鎳襯底構(gòu)成。輻射收集器-導(dǎo)向器4用鉬或銠鍍覆，以達(dá)到很高的反射率。最好兩種收集器都加熱到實(shí)質(zhì)高于鋰熔點(diǎn)且實(shí)質(zhì)低于鎢熔點(diǎn)的約400℃。鋰和鎢的蒸氣都收集在碎片收集器5的表面上，但鋰會蒸發(fā)掉，甚至鋰收集在收集器-導(dǎo)向器4后，也會很快蒸發(fā)掉。鎢一旦收集在碎片收集器5上，即永久保留。
圖7示出申請人設(shè)計的收集器的光特性。該收集器由5個嵌套的切線入射拋物面反射器構(gòu)成，但圖中示出5個中的3個。未示出2個內(nèi)部反射器。此設(shè)計中，收集角為約0.4球面度。如下文討論那樣，對收集器表面進(jìn)行鍍覆和加熱，以防止鋰淀積。本設(shè)計產(chǎn)生并行光束。諸如圖1、圖3和圖10所示的其他設(shè)計則聚焦光束。用在13.5nm波長范圍具有高切線入射反射率的材料鍍覆收集器。兩種這樣的材料是鈀和釘。
圖7B中示出設(shè)計成聚焦光束的另一收集器-導(dǎo)向器。此收集器-導(dǎo)向器利用橢圓鏡30聚焦EUV源。這種鏡可從諸如在捷克共和國有工廠的Reflex S.V.O等供應(yīng)商處購得，該鏡還由在英國和科羅拉多的Englewood有辦事處的BedeScientific Instruments Ltd.在美國銷售。讀者會注意到此鏡僅按圖7B中32所示的角度收集射線。然而，鏡30內(nèi)和鏡30外可包含附加鏡單元，以收集并聚焦附加射線。讀者還要注意到，其他鏡單元可以位于鏡30的下游以收集窄角射線，或者可以位于鏡30的上游以收集寬角射線。
光管重要的是使淀積材料遠(yuǎn)離光刻制版工具的照明光學(xué)部件。因此，選取光管6進(jìn)一步確保此隔離。光管6是利用其內(nèi)表面上實(shí)質(zhì)全外反射的中空光管?？稍O(shè)計初級收集光學(xué)部件，使收集輻射的錐角減小，以便與中空光管的接納角匹配。圖1中示出此概念。
于是，如圖1所示，由于鎢、銀或鋰原子與下行到中空光管的緩沖氣體流相反向上游擴(kuò)散，所以能很好保護(hù)光刻制版工具的介電鏡不受電極碎片影響。
脈沖功率單元較佳脈沖功率單元10是利用固態(tài)觸發(fā)器和磁開關(guān)電路的固態(tài)高頻高壓脈沖率單元，如美國專利5,936,988中闡述的脈沖功率單元。這些單元非?？煽?，能連續(xù)工作幾個月、幾十億個脈沖，無需實(shí)質(zhì)性維修。美國專利5,936,988的原理按參考文獻(xiàn)在此引入。
圖4示出簡化的脈沖功率提供電路。較佳實(shí)施例包括DC電源40，該電源是受激準(zhǔn)分子激光器中所用的那種命令諧振充電電源。C0是具有65μF組合電容的成品電容器組，峰值電容C1也是具有65μF組合電容的成品電容器組。可飽和電感42具有約1.5nH的飽和驅(qū)動電感。觸發(fā)器44是IGBT。二極管46和電感48構(gòu)成與美國專利號5,729,562所述電路類似的能量恢復(fù)電路，使來自一個脈沖的反射電能量可在下一脈沖前存放到C0。
系統(tǒng)因此，如圖1所示，氦和鋰蒸氣混合的工作氣體在同軸電極8內(nèi)放電。來自脈沖功率單元10的電脈沖以足夠高的溫度和壓力在11處產(chǎn)生深等離子聚焦，使工作氣體中的鋰原子雙離子化，在約13.5nm波長處產(chǎn)生紫外輻射。
在全外反射收集器4中收集此光，并將其導(dǎo)入中空光管6，其中進(jìn)一步將該光導(dǎo)至光刻制版工具(未示出)。用蝸輪真空泵12使放電室1保持約4 Torr的真空。在氦分離器14處分出工作氣體中的一些氦，用于凈化如圖1中16所示的光管。光管中氦的壓力最好與通常保持低壓或真空的光刻制版工具的壓力要求匹配。用熱交換器20使工作氣體的溫度保持期望的溫度，并且用靜電過濾器22凈化該氣體。該氣體向同軸電極空間放電，如圖1所示。
原型單元圖5A中示出申請人及其工作伙伴建立并測試的原型等離子箍縮單元的圖。主要的元件是C1電容器堆、C0電容器堆、IGBT開關(guān)、可飽和電感42、真空容器3和同軸電極8。
測試結(jié)果圖6示出申請人用圖5A所示的單元測量所得的典型脈沖波形。申請人記錄了8毫秒期間的C1電壓、C1電流和13.5nm處的強(qiáng)度。此典型脈沖的綜合能量為約0.8J。脈沖寬度(FWHM處)為約280ns。擊穿前的C1電壓略小于1KV。
此原型實(shí)施例能以高達(dá)200Hz的脈沖速率工作。200Hz時測得的平均帶內(nèi)13.5nm輻射在4π球面度中為152W。一西格馬的能量穩(wěn)定度為約6％。申請人估計能用圖1所示的收集器4將3.2％的能量導(dǎo)入有用的13.5nm波束。
第二等離子箍縮單元圖2中示出第2等離子箍縮單元。此單元與美國專利號4,042,848闡述的等離子箍縮器件相似。此單元包含2個外部盤形電極30和32以及1個內(nèi)部盤形電極36。如專利號4,042,848所述和圖2所示那樣，從3個方向產(chǎn)生箍縮。箍縮在電極周圍附近開始后，向中心發(fā)展，并且沿對稱軸在內(nèi)電極的中心形成輻射點(diǎn)，如圖2中34所示。如對圖1中實(shí)施例所述那樣，能收集輻射并加以導(dǎo)向。然而，如圖2所示，能在單元兩側(cè)的2個輸出方向捕獲輻射。還可以通過放置38處的介電鏡，把初始反射到左方的大部分輻射通過輻射點(diǎn)反射回來。這將促使輻射偏向右方。
第三等離子箍縮單元可通過參考圖3說明第3實(shí)施例。此實(shí)施例與第1較佳實(shí)施例類似。然而，此實(shí)施例中，緩沖氣體是氬。氦具有對13nm輻射相對透明的期望性能，但也具有原子質(zhì)量小的非所希望的性能。原子質(zhì)量小迫使我們以2-4 Torr的背景壓力運(yùn)轉(zhuǎn)該系統(tǒng)。He原子量小的另一缺點(diǎn)是加速距離與電驅(qū)動電路定時匹配所需的電極長度。由于氦輕，電極必須長于所希望的長度，以便氦在電極端部的跌落與通過驅(qū)動電路的電流峰值同時發(fā)生。
諸如Ar的較重原子對給定的壓力具有小于He的透射，但由于質(zhì)量較大，能以較低的壓力產(chǎn)生穩(wěn)定的箍縮。Ar的低工作壓力補(bǔ)償其吸收性增大，綽綽有余。此外由于原子質(zhì)量大，所需電極長度減小。短電極有利，其理由有二。第1是用短電極時，使電路的電感減小。小的電感讓驅(qū)動電路更有效，因而減小所需電泵能量。短電極的第2優(yōu)點(diǎn)是縮短從電極尖端到基座的熱傳導(dǎo)路徑長度。傳給電極的大部分熱能出現(xiàn)在其尖端，電極的傳導(dǎo)冷卻則主要出現(xiàn)在基座(也出現(xiàn)輻射冷卻)。短電極使溫度從發(fā)熱尖端到冷卻基座的電極長度上降落少。較小的每脈沖泵能量和改善的冷卻路徑都使此系統(tǒng)可用較高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)。重復(fù)率的提高直接增大系統(tǒng)的平均輸出光功率。與增大每脈沖能量相反，通過增大重復(fù)率放大輸出功率，對光刻制版光源的平均輸出功率而言，這是最理想的方法。
本較佳實(shí)施例中，鋰不像第1和第2實(shí)施例那樣以氣體形式注入腔室。反之，如圖3所示，在中央電極中心的一個孔中放置固體鋰。然后，電極的熱使鋰升到其蒸發(fā)溫度。通過調(diào)整鋰相對于電極發(fā)熱尖端的高度，能控制電極尖端附近鋰的部分壓力。圖3A中示出這樣做的一種較佳方法。提供一種機(jī)構(gòu)，用于相對于電極尖端調(diào)整固體鋰棒的尖端。最好將該系統(tǒng)排成垂直，使同軸電極8的開口側(cè)為頂部，從而熔化的鋰僅在中央電極頂部附近攪煉。射束在垂直方向向上直射，如圖5A所示。(另一方法是將電極加熱到超過鋰熔點(diǎn)，從而將鋰以液態(tài)加入。)可以獲得流量極低的泵，以任何特定重復(fù)率所需的速率抽吸液體?？捎面u芯將液態(tài)鋰汲到中央電極尖部的區(qū)域。
電極中央通底的孔提供另一重要好處。由于在中央電極尖部中心附近形成符離子箍縮，該區(qū)域耗散許多能量。該點(diǎn)附近的電極材料會受到燒蝕，并且最后落在壓力容器內(nèi)部其他表面上。采用帶中心孔的電極將大大減少蝕落材料的存在。此外，申請人的經(jīng)驗(yàn)說明該區(qū)域有鋰蒸氣會進(jìn)一步減小電極材料蝕落率。用風(fēng)箱或其他適當(dāng)密封方法將保持電極設(shè)備裝入腔室時的良好密封。能方便且價廉地制作裝滿固體鋰的替換電極，并且容易在腔室中替換。
小真空室窗箍縮產(chǎn)生需要與EUV光分開的大量可見光。還希望有一個窗，以進(jìn)一步確保光刻制版的光學(xué)部件不受鋰或鎢污染。固體中大量吸收本發(fā)明產(chǎn)生的遠(yuǎn)紫外光束。因此，提供該射束的窗是一種挑戰(zhàn)。申請人優(yōu)選的窗解決方案是利用透射EUV且反射可見光的極簿箔片。申請人優(yōu)選的窗是與輸入射束的軸成約10度入射角傾斜的鈹箔(約0.2至0.5微米)。用這種裝置，幾乎全部可見光都受到的反射，并且透射約50％至80％的EUV。這樣的簿窗，當(dāng)然不很堅固。因此，申請人用直徑很小的窗，通過該小窗將射束聚焦。最好簿鈹窗的直徑約為10mm。必須考慮對小窗加熱，并且需要對該窗特殊冷卻，以達(dá)到高重復(fù)率。
有些設(shè)計中可僅將此單元設(shè)計成射束分離器，由于該簿光學(xué)單元上無壓差，這樣會簡化設(shè)計。
圖10示出一實(shí)施例，其中通過收集器延伸段4A延伸輻射收集器4，經(jīng)0.5微米后的1mm直徑鈹窗7將射束9聚焦。
預(yù)離子化申請人的經(jīng)驗(yàn)表明無預(yù)離子化能得到良好結(jié)果，但預(yù)離子化會改善性能。圖5A所示原型單元包含DC驅(qū)動火花隙預(yù)離子化器，對電極間的氣體進(jìn)行預(yù)離子化。申請人用改進(jìn)的預(yù)離子化技枚能使這些能量穩(wěn)定性值大為改善，并且改善其他性能參數(shù)。預(yù)離子化是申請人等用于改善受激準(zhǔn)分子激光器中性能的開發(fā)良好的技術(shù)。較佳預(yù)離子化技術(shù)包括(1)直流(DC)驅(qū)動火花隙(2)RF驅(qū)動火花隙(3)RF驅(qū)動表面放電(4)電暈放電(5)與預(yù)離子化組合的尖峰形成器電路這些技術(shù)已在涉及受激準(zhǔn)分子激光器的科學(xué)文獻(xiàn)中詳細(xì)說明，因而已公知。
防爆屏圖5B示出較佳實(shí)施例中提供預(yù)離子化的總共8個火花塞138中2個的位置。該圖還示出陰極111和由不銹鋼外部件和鎢內(nèi)部件構(gòu)成的陽極123。絕緣器罩包圍陽極123的下部，并且5密爾的厚膜絕緣器125完成陽極與陰極絕緣。圖5B1-圖5B6示出導(dǎo)致箍縮的典型脈沖發(fā)展過程，該箍縮在放電開始后約1.2μs時在圖5B5中充分建立。
進(jìn)行放電時，通過等離子區(qū)的電流所形成的離子和電子上作用的洛倫茲力使等離子區(qū)加速朝向陽極尖端。到達(dá)圖5B中121所示的電極尖端時徑向力矢量壓縮等離子區(qū)，并將其加熱到高溫。
一壓縮等離子區(qū)，作用在等離子區(qū)上的現(xiàn)有軸向力會使等離子柱延長，如圖5B6特別示出。此延長導(dǎo)致不穩(wěn)定。該等離子柱沿軸發(fā)展到一超過某點(diǎn)，壓縮等離子區(qū)的電壓降就會大到使陽極尖端附近周圍區(qū)域中的低壓氣體不能保持。出現(xiàn)飛弧，大量或全部電流流過陽極尖端附近的短低密度氣體區(qū)，如圖5B6中的虛線所示。該飛弧產(chǎn)生脈沖不穩(wěn)定性，造成電極蝕落較快，因而不利。
此問題的一種解決方案是提供等離子柱軸向移動的實(shí)際阻擋體。該阻擋體按照圖5C中的元件號143表示，由于其作用類似抵抗DPF器件等離子耗蝕的屏障，申請人將其稱為防爆屏。該防爆屏必須用機(jī)械性能和熱性能牢靠的電絕緣材料制作。此外，配合諸如鋰之類高活性元素工作時，還必須考慮防爆屏材料的化學(xué)兼容性。由于鋰在13.5nm強(qiáng)發(fā)射，鋰是建議用于本EUV源的發(fā)射元素。優(yōu)越的候選元素是單晶氧化鋁、蘭寶石或非晶態(tài)蘭寶石，諸如通用電氣公司生產(chǎn)的注冊商標(biāo)材料Lucalux。
發(fā)現(xiàn)防爆屏的最佳形狀是以陽極為中心的圓頂，其半徑等于陽極的直徑，如圖5C所示。此形狀與等離子區(qū)處于最大壓縮下時自然出現(xiàn)的等離子流線匹配。如果防爆屏放得進(jìn)一步遠(yuǎn)離陽極尖端，等離子柱就會太長，導(dǎo)致不能充分加熱等離子區(qū)并且有飛弧的風(fēng)險。如果防爆屏放得太靠近陽極尖端，則從中心軸流出并向下流到陰極的等離子流受到約束，也導(dǎo)致不能充分加熱等離子區(qū)。
需要144處防爆屏143頂端中的孔，使EUV輻射可透出，并加以收集供使用。由于等離子流傾向通過該孔漏出，形成超過防爆屏的細(xì)長柱，所以該孔必須做得盡可能地小。該孔如144所示那樣往內(nèi)斜切允許增大等離子箍縮器件所產(chǎn)生EUV輻射的離軸收集。
圖5C1-圖5C6示出防爆屏如何容納等離子箍縮并防止飛弧。
氣體的類型和濃度的組合申請人發(fā)現(xiàn)單一氣體不能滿足源氣體和優(yōu)化緩沖氣體的各種要求。源氣體必須是類似于在13.5nm窄帶發(fā)射的鋰或在13.5nm附近寬帶發(fā)射的氙的某種氣體。鋰和氙的濃度、擊穿性和吸收性對用作緩沖氣體不是最佳。例如，氙的自吸收太強(qiáng)，鋰用作緩沖氣體則濃度不夠。
為了解決與該要求相抵觸的問題，如圖12所示，申請人將工作氣體分成源氣體和緩沖氣體，并且向陽極40的中心上方提供源氣體饋源42，諸如5％Xe和95％He的混合物。然后，申請人對保持恒壓的主容器區(qū)提供優(yōu)化緩沖氣體，諸如氦或氦與氬的混合物。于是，陽極內(nèi)的源氣體處于緩沖氣體的壓力下，并且源氣體的流速決定主容器區(qū)域中混入緩沖氣體的源氣體的部分壓力。最好源氣體流速低，以便使主容器中源氣體的部分壓力最小。(由未示出的調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)整主容器中工作氣體的壓力。)緩沖氣體在陽極40與陰極44之間循環(huán)，如46所示。
優(yōu)化電容申請人發(fā)現(xiàn)等離子箍縮事件與來自驅(qū)動電容器組的電流峰值同時發(fā)生時，存在最高等離子溫度。對給定的陽極結(jié)構(gòu)和緩沖氣體濃度而言，等離子流前端以給定長短的時間沿陽極長度方向下行，以便達(dá)到給定大小的充電電壓。通過調(diào)整電容值和充電電壓，使等離子箍縮期間存在峰值電容電流，從而得到最大發(fā)射效率。
如果需要較高的輸入能量級，因而充電電壓也較高，則必須減小驅(qū)動電容，以便驅(qū)動波形的定時符合等離子流沿陽極長度方向下行的時間。由于電容器存儲的能量與電壓的平方成比例增減并且與電容值成線性關(guān)系，存儲的能量在電容的減小與電壓的增大成比例時，隨電壓線性增大。
圖13是對較佳實(shí)施例示出測量的驅(qū)動電容電壓、測量的陽極電壓和EUV強(qiáng)度與時間的關(guān)系曲線圖，其中適當(dāng)選擇電容，以便在箍縮時產(chǎn)生最大電容器電流。這時，對2cm長的陽極，He緩沖氣體壓力為2.5 Torr，C1的電容值為3μF。
最佳陽極形狀申請人發(fā)現(xiàn)用中空陽極結(jié)構(gòu)可形成等離子箍縮，該箍縮即沿軸迅速發(fā)展，并向下延伸到中空陽極的開口處。隨著箍縮在長度方向發(fā)展，最終使電壓在長度方向下降太多，并跨陽極表面產(chǎn)生飛弧。防止此飛弧的一種方法是采用防爆屏，提供對離開陽極的箍縮長度伸展的實(shí)際阻擋物，如上文所述。另一種減小箍縮長度向下展入中空陽極的速率的解決方案是增大陽極狹窄區(qū)內(nèi)的開口直徑。這會減慢陽極長度增大速率，防止飛弧。
先前的所有文獻(xiàn)都示出具有恒定尺寸中空部分的中空陽極。
圖14A、14B、14C和14D示出各種中空陽極形狀的箍縮形狀的例子，圖14D中所示的結(jié)構(gòu)示出最短的箍縮形狀。
陽極暴露長度由于等離子流下行時間決定在驅(qū)動電壓波形的何處產(chǎn)生箍縮，申請人通過改變陽極暴露量，因而也改變下行持續(xù)時間，能調(diào)整等離子聚焦器件箍縮部分的持續(xù)時間。
緩沖氣體的濃度由等離子箍縮直徑支配，驅(qū)動電容則實(shí)際上限制在某范圍內(nèi)。這兩個參數(shù)，與驅(qū)動電壓組合在一起，決定需要的下行時間。于是，可通過增大或減小陽極暴露長度調(diào)整下行時間。最好選擇下行時間，使得在驅(qū)動電流波形峰值期間產(chǎn)生等離子箍縮事件。如果需要較長的等離子箍縮持續(xù)時間，就能減小陽極暴露長度，從而縮短下行時間，使等離子箍縮在驅(qū)動波形中較早發(fā)生。
鋰輸送法上述鋰輸送方案取決于陽極溫度升高得足以使鋰蒸汽壓力達(dá)到期望的程度。該溫度在1000℃-1300℃的范圍內(nèi)。
另一方案是用諸如浸漬鋰的多孔鎢之類材料制作RF天線。此填鋰的多孔鎢天線50放在下方陽極內(nèi)部，如圖15所示。RF功率源52在天線上及其附近形成等離子層，這將驅(qū)除由氣流54通過中空陽極中心卷升的原子和載送到陽極端部的鋰原子。
鋰離子產(chǎn)生速率不難由RF源的功率電平控制。此外，用此RF驅(qū)動器，使多孔鎢陽極維持在足以從位于陽極底部的儲液盒56吸上鋰液的溫度。
陽極冷卻本發(fā)明較佳實(shí)施例中，中央陽極具有約0.5cm至1.25cm的外徑。由于放電時等離子區(qū)降落，又由于從等離子箍縮吸取輻射，預(yù)計陽極會吸收大量能量。需要約15KW的冷卻。因?yàn)闅怏w壓力很低，緩沖氣體對流造成的冷卻不能很大。只有在陽極溫度很高時，輻射冷才會有效。沿陽極長度方向往下傳導(dǎo)會要求大量降溫。
如果將鋰蒸汽用作活性氣體，并通過陽極中心注入，陽極溫度就需維持在1000℃至1300℃或更高的范圍。這樣高的工作溫度、大量排熱要求、包殼考慮和高電壓限制了冷卻法的選擇。然而，有一種技術(shù)，即鋰(或其他堿金屬)熱管，提供較簡單且牢靠解決問題的可能性。鋰熱管在約1000℃的溫度下開始有效工作。該器件的具體設(shè)計通常將高熔點(diǎn)金屬(鉬和鎢)用于外殼和內(nèi)芯，因而能在很高的溫度下工作。初步的研究表明；確信該熱管能滿足DPF的冷卻要求。
最簡單的實(shí)施例取管狀或環(huán)狀熱管的形式，該熱管與DPF的陽極合為一體，以達(dá)到最佳熱耦合。一類似實(shí)施例為環(huán)狀，使液態(tài)鋰或汽化鋰能輸送到DPF的等離子區(qū)。作為一個例子，直徑0.5英寸且排熱15KW的固體熱管具有75KW/in2(11.8KW/cm2)的功率密度。外徑1英寸、內(nèi)徑0.5英寸且排熱15KW的環(huán)狀熱管具有25.4KW/in2(3.9KW/cm2)的功率密度。由于用鋰熱管已展示功率密度遠(yuǎn)大于15KW/cm2，這些例子說明此技術(shù)潛在可能性。工作中，熱管沿其長度方向僅具有很小的溫度梯度，為了實(shí)際目的可認(rèn)為對長度具有恒定溫度。因此，熱管的“冷”端(凝汽端)也處于1000℃以上的某溫度。為了使熱管的凝汽端排熱，較佳實(shí)施例對液體制冷劑(諸如水)套采用輻射冷卻。輻射熱傳遞按溫度的4次冪增減，因而在建議的工作溫度下可高速率傳熱。可用能在15KW下穩(wěn)定工作的環(huán)形水熱交換器包圍熱管。其他實(shí)施例可用諸如不銹鋼等另一種材料使熱管凝汽端絕緣，并且用液體制冷劑冷卻該材料的外表面。無論用何種方法，重要的是熱管不受凝汽端上的制冷劑“沖擊”，即迫使熱管比蒸發(fā)器端冷。這會嚴(yán)重影響性能。如果熱管溫度在沿其長度方向的任何點(diǎn)降低到工作液凍結(jié)溫度(鋰為約180℃)以下，就完全不能工作。
靠近中央電極(陽極)基座的元件，其工作溫度的約束條件可要求傳到該區(qū)的熱最少。例如可通過在熱管外部鍍覆接近低溫容限區(qū)的低發(fā)射率材料，以達(dá)到此條件。于是，可在熱管與所需低溫元件之間構(gòu)成真空間隙。由于真空具有很低的熱傳導(dǎo)率，并且熱管用低發(fā)射率材料鍍覆，熱管與冷卻件之間會出現(xiàn)最小的熱傳遞。另一種考慮是在各種不同功率負(fù)載程度下保持受控陽極溫度。通過在熱管與水冷外套之間放置一圓筒，可達(dá)到這點(diǎn)。該圓筒可加以鍍覆或拋光，以達(dá)到內(nèi)徑上反射率高，而外徑上發(fā)射率低。如果該圓筒在國輻射熱管與水冷外套之間充分插入，則可將輻射反射回到熱管，從而減少從熱管流能到外套的功率。拉出作為“限制器”的圓筒時，熱管中凝汽端的大部分能直接輻射到水管套熱交換器上。因此，該“限制器”位置的調(diào)節(jié)控制功率流，該功率流設(shè)定熱管的穩(wěn)態(tài)工作溫度，并且最終設(shè)定陽極的該溫度。
圖17中示出熱管冷卻用的較佳實(shí)施例，所示的圖是陽極8A、陰極8B和絕緣器單元9。這種情況下，鋰蒸氣用作活性氣體，通過陽極8A的中心輸入放電室，如圖中440所示。陽極8A用包含鋰熱管444的鋰熱管系統(tǒng)442進(jìn)行冷卻。熱管444的熱傳遞區(qū)446中的鋰在靠近電極8A的熱端處蒸發(fā)，其蒸氣流向熱管的冷端，其中熱通過輻射冷卻從熱管傳到散熱單元446，該冷源具有用水盤管450冷卻的散熱表面448。鋰蒸氣的冷卻使其狀態(tài)變?yōu)橐后w，該液體按照公知的熱管技術(shù)，利用毛細(xì)管抽運(yùn)汲回到熱端。此實(shí)施例中，作為限制器的圓筒452借助驅(qū)動器在散熱片表面48內(nèi)側(cè)上下滑動，如圖中454所示；該驅(qū)動器是未示出的溫度反饋控制單元的一部分。陽極熱管單元最好包含輔助加熱系統(tǒng)，以便在等離子箍縮器件未產(chǎn)生充分的熱時，使鋰保持高于其冷凍點(diǎn)的溫度。
第4代器件圖16是申請人制作并測試的第4代源型等離子箍縮器件400的剖視圖。圖16A是該器件的部分放大圖，較詳細(xì)地示出箍縮區(qū)401。圖16B是電路圖，示出此實(shí)施例的高壓脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的重要電部件。此單元以高達(dá)約2KHz的脈沖重復(fù)率產(chǎn)生等離子箍縮。電極間的放電電能為約每脈沖12J。申請人估計每一箍縮在關(guān)注的EUV范圍產(chǎn)生的有用光能量射入2π球面度，并且在約20mJ的范圍內(nèi)。
圖16中所示的實(shí)質(zhì)上全部元件都是固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)404的一部分，用于對電極提供放電電脈沖。此實(shí)施例中，給中央陽極8A施加約4-5KV正電壓脈沖。陰極8B處于地電位。由8個火花塞138提供預(yù)離子化。這些火花塞在陰極和陽極之間的空間底部產(chǎn)生預(yù)離子化火花。這些火花塞以20KV進(jìn)行工作，用30KV、10mHz的正弦波發(fā)生器(未示出)作為電源。
電路下面參考圖16B，有時也參考圖16和圖16A，闡述此較佳脈沖功率系統(tǒng)的電路圖的說明。
等離子聚集功率系統(tǒng)采用約700V的常規(guī)直流電源將208伏3相交流公電變換成約700V、50A的直流電。使電源400對諧振充電器單元402提供功率。電源400對1500μF的大濾波電容器組C-1充電。根據(jù)來自外部觸發(fā)器信號的命令，諧振充電器通過閉合命令充電開關(guān)S1啟動充電周期。該開關(guān)一閉合，C-1電容器，充電電感L1和C0電容器組就形成諧振電路，C0電容器組構(gòu)成固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)(SSPPS)404的一部分。因此，電流開始放電，從C-1通過L1電感進(jìn)入C0，對該電容充電。由于C-1電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C0電容，在這諧振充電過程中，C0上的電壓能達(dá)到C-1上初始電壓約2倍。充電電流脈沖假設(shè)為半正弦波形，并且C0上的電壓類似“全余弦”波形。
為了控制C0上的未期電壓，可進(jìn)行若干動作。首先，在常規(guī)充電周期的任何時間，使命令充電開關(guān)S1打開。這時，電流停止從C-1流出，但已經(jīng)在充電電感中建立的電流繼續(xù)通過續(xù)流二極管D3流入C0。其作用在于阻止來自C-1的能量進(jìn)一步傳入C0。只有留在充電電感L1的能量(會較大)繼續(xù)傳到C0，將其充電到較高的電壓。
此外，跨接充電電感的降Q開關(guān)S2可閉合，將充電電感有效短路，使諧振電路“降Q”。這主要使電感離開諧振電路并防止電感中的電流進(jìn)一步繼續(xù)對C0充電。于是，電感中的電流與負(fù)載分路，陷入充電電感L1、降Q開關(guān)S2和降Q二極管D4構(gòu)成的環(huán)路。由于IGBT具有該器件中包含的常規(guī)導(dǎo)通反向電流的反向抗并聯(lián)二極管，此電路中含有二極管D4。結(jié)果，二極管D4阻斷此反向電流，否則在充電周期該電流會將充電電感旁路。
最后，一旦充電周期完全完畢，可用“泄流”或旁路開關(guān)和串聯(lián)電阻(本較佳實(shí)施例中均未示出)從C0放電，以達(dá)到C0上很精細(xì)的調(diào)壓。
直流電源是輸入208V、90A交流，輸出800V、50A直流的穩(wěn)壓電源，由諸如Universal Voltronice、Lambda/EMI、Kaiser System、Sorensen等銷售商提供。第2實(shí)施例可用串聯(lián)和/或并聯(lián)組合的多個低功率電源，以提供系統(tǒng)要求的總電壓、電流和平均功率。
C-1電容器包含2個串聯(lián)的450V(直流)、3100μF的電解電容器。其所得合成電容為1500μF，額定電壓900V，提供超過700-800V工作范圍的足夠余量。可從諸如Sprague、Mallory、Aerovox等銷售商購得這些電容。
本實(shí)施例中的命令充電開關(guān)S1和輸出串聯(lián)開關(guān)S3是1200V、300A的IGBT開關(guān)。該開關(guān)的實(shí)際部件號是CM300HA-24H，購自Powerex。降Q開關(guān)S2是1700V、400A的IGBT開關(guān)，也購自Powerex，部件號為CM400HA-34H。
充電電感L1是訂制的電感，由兩組并聯(lián)絞合線線圈(每組20圈)構(gòu)成，該線圈在繞50-50％鎳鐵帶的環(huán)形芯上隔2個1/8英寸空氣間隙形成，所得電感為約140μH。National Arnold提供這種線圈。其他實(shí)施例可對電感芯用不同的磁性材料，包括鉬玻莫合金、MetglasTM等。
串聯(lián)、降Q和續(xù)流二極管都是1400V、300A的二極管，購自Powerex，部件號為R6221430PS。
如上所述，SSPPS類似于已有技術(shù)中所述的系統(tǒng)。一旦諧振充電器402將C0充電，控制單元(未示出)即在諧振電荷中產(chǎn)生觸發(fā)信號，促使IGBT開關(guān)S4閉合。雖然圖中為了清楚僅示出一個IGBT，但S4包含8個并聯(lián)的IGBT，用于使C0放電到C1。于是，來自電容C0的電流通過IGBT放電，并且進(jìn)入第1磁開關(guān)LS1。該磁開關(guān)設(shè)計中提供足夠的伏特-秒，使全部8個并聯(lián)IGBT在放電電路中建立實(shí)質(zhì)電流前，充分導(dǎo)通(即閉合)。閉合后，產(chǎn)生主電流脈沖，用于將能量從C0傳入C1。從C0到C1的傳遞時間通常為約5μS，并且LS1的飽和電感為約230nH。C1上的電壓建立到達(dá)全所需電壓時，第2磁開關(guān)LS2的伏特-秒用完，并且該開關(guān)飽和，將C1上的能量傳入以下詳述的1∶4脈沖變壓器406。該變壓器基本上由3個并聯(lián)的一圈初級“線圈”和一個次級“線圈”組成。次級導(dǎo)體接到初級線圈的高壓端，從而配置比為1∶4，而不是自耦變壓器結(jié)構(gòu)中的1∶3。然后，次級“線圈”接到電容器組C2，由C1通過脈沖變壓器傳來的能量對其充電。從C1到C2的傳遞時間為約500nS，并且LS2的飽和電感為約2.3nH。C2上建立電壓時，達(dá)到第3磁開關(guān)LS3的伏特-秒乘積，其電感也飽和，將C2上的電壓傳到陽極8a，如圖14A和圖14B所示。LS3的飽和電感為約1.5nH。
提供第4磁開關(guān)，作為DPF工作不正常時的防護(hù)裝置。在不按正確時間(僅按主脈沖前)施加預(yù)離子化脈沖時，主脈沖電壓不足以擊穿陽極與陰極之間的絕緣。結(jié)果，進(jìn)入開路狀態(tài)的脈沖電壓能基本上加倍，導(dǎo)致在機(jī)器中不是所需DPF電極的某部位產(chǎn)生不希望的擊穿。這種情況下，多數(shù)能量反射回到SSPPS的“前端”。這樣的大反向電壓脈沖會使SSPPS中的串聯(lián)二極管產(chǎn)生雪崩，導(dǎo)致器件的潛在損傷或破壞。設(shè)計第4磁開關(guān)，使主DPF電極未擊穿時超過伏特-秒乘積。此例中，設(shè)計該磁開關(guān)，使電壓加倍并造成顯著破壞前將負(fù)載短路。第4磁開關(guān)LS4的飽和電感為約22nH，并且終接具有1.5歐電阻和約75μH電感的并聯(lián)RL負(fù)載。
用14B中408所示的偏置電路也用于對4個磁開關(guān)進(jìn)行適當(dāng)偏置。來自偏置電源V1的電流通過磁開關(guān)LS4和LS3。然后，該電流分開，一部分電流通過偏置電感L5回到偏置電源V1。其余的電流通過脈沖變壓器次級線圈后，經(jīng)磁開關(guān)LS2和LS1以及偏置電感L3回到偏置電源V1。偏置電感L2提供從通過脈沖變壓器初級到地的電流回到電源的路徑。由于偏置電源V1工作接近地電位(與SSPS產(chǎn)生的電位相反，其中連接偏置)，SSPPS中產(chǎn)生脈沖時，偏置電感L3和L5也提供電壓隔離。
電容C0、C1和C2用裝在帶有厚(6-10oz)銅鍍層的印刷電路板上的一些并聯(lián)聚丙烯膜電容構(gòu)成。這些印刷電路板做成楔形，使4塊板組成一個圓筒狀電容器堆，由該堆給高壓連接和地電接提供圓筒狀總線。這樣，就形成DPF中對脈沖壓縮和等離子箍縮穩(wěn)定性都重要的低電感連接。C0和C1的總電容分別為21.6μF，而C2的總電容為1.33μF。C0和C1的各電容是0.1μF、1600V的電容器，購自諸如德國的Wima或北卡羅林納的Vishay Roederstein等銷售商。由于脈沖變壓器次級的電壓為約5KV，電容C2由串行疊置的3級電容器組成，以達(dá)到總額定電壓。C2的各電容器是0.01μF、2000V(直流)的元件，也購自Wima或Vishay Roederstein。
SSPPS的開關(guān)是1400V、1000A的IGBT開關(guān)。實(shí)際部件號為CM1000HA-28H，購自Powerex。如前文所述，用8個關(guān)聯(lián)的IGBT開關(guān)使C0放電到C1。
SSPPS的串聯(lián)二極管都是1400V、300A的二極管，購自Powerex，部件號為R6621430。每一IGBT開關(guān)用2個二極管，因而總共有16個并聯(lián)的器件。
磁開關(guān)LS1是訂制電感器，用16組并聯(lián)絞合線線圈(每組6圈)構(gòu)成，這些線圈在環(huán)形鐵氧體芯上構(gòu)成。該特定電感芯由新澤西的Ceramic Magnetics提供，用CN-20鐵氧體材料制成。芯環(huán)厚0.5英寸，內(nèi)徑5.0英寸，外徑8.0英寸。
磁開關(guān)LS2是1圈的環(huán)形電感器。磁芯是用0.7密爾厚、2英寸寬的2605-83A MetglasTM(購自Honeywell)繞在8.875英寸外徑的鐵心上，層間繞0.1密爾厚的Mylar，直到外徑為10.94英寸。
磁開關(guān)LS3也是1圈的環(huán)形電感器。磁芯是用1英寸寬，0.7密爾厚的2605-S3AMethlasTM(購自Honeywell)繞在外徑9.5英寸的鐵心上，層間繞0.1密爾厚的Mylar，直到外徑為10.94英寸。
脈沖變壓器結(jié)構(gòu)上類似于美國專利號5,936,988所述的結(jié)構(gòu)。3個變壓器芯都是用購自honeywell的1英寸寬、0.7密爾的2605-S3A MetglasTM繞在外徑12.8英寸的鐵心422上，層間繞0.1密爾厚的mylar，直到外徑為14.65英寸。3個芯418分別做成環(huán)形，內(nèi)徑約12.8英寸，外徑約14英寸，高度為1英寸。圖14C中示出說明3個芯和初、次級“線圈”實(shí)際排列的軸向剖視圖。每一初級線圈實(shí)際上由栓接到鐵心422和棒狀隔離物424的2個圓環(huán)420A和420B構(gòu)成。次級“線圈”包含48個成圓圈隔開的線卷棒426。
變壓器工作的主要原理與線性加速器中的類似。3個初級“線圈”中高壓電流脈沖在次級“線圈”誘發(fā)約等于初級電壓的升壓。其結(jié)果是次級“線圈”(即棒426)中產(chǎn)生的電壓等于初級電壓脈沖的3倍。但由于次級線圈的低電壓側(cè)接到初級線圈，提供4倍的變換。
偏置電感L3和L4是繞在鉬玻莫合磁芯上的環(huán)形電感器。具體磁芯尺寸是高0.8英寸，內(nèi)徑3.094英寸，外徑5.218英寸。該磁芯的部件號為a-430026-2，購自Group Arnold。電感L3有90圈，用12AWG的線繞在圓環(huán)上，以獲得約7.3mH的電感，而電感L4有140圈，也用12AWG的線繞在該環(huán)上，以得到約18mH的電感。
偏置電感L6僅16圈，用12AWG的線按直徑6英寸繞制。偏置電感L4有30圈，用12AWG的線按直徑6英寸繞制。偏置電感L2有8圈，用12AWG的線按直徑6英寸繞制。
電阻R1是12個并聯(lián)電阻的陣列，每一電阻是27歐，2W的碳素電阻。
能量恢復(fù)為了提高總效率，此第4代深等離子聚焦器件按照電路放電部分所反射電脈沖能量的脈沖對脈沖方式，提供能量恢復(fù)。這里用的能量恢復(fù)方法與美國專利號5,729,562中說明的類似，該專利按參考文獻(xiàn)在此引入。按照以下通過參考圖16B的說明，達(dá)到能量恢復(fù)。
放電后，將C2驅(qū)動到負(fù)電位。出現(xiàn)這點(diǎn)時，LS2對從C1到C2的電流已經(jīng)飽和。因此，不是能量在器件中環(huán)繞(這會使電極蝕落)，而是代之以LS2的飽和狀態(tài)促使C2上的反相電荷以諧振方式傳回C1。通過電流經(jīng)LS2繼續(xù)前流完成此回傳。電荷從C2傳到C1后，C1與這時處于接近地電位的C0相比，具有負(fù)電位(與LS2的情況一樣)，由于在剛出現(xiàn)的脈沖期間存在大電流，LS1繼續(xù)前向?qū)?。因而，電流從C0流到C1，使C1的電位升高到約為地電位，并且在C0上產(chǎn)生負(fù)電位。
讀者會注意到只有在全部可飽和電感(LS1、LS2和LS3)保持前向?qū)?，直到全部或大致全部能量在C0上得到恢復(fù)時，該反向能量才傳回到C0。浪費(fèi)的能量傳播回到C0后，C0相對于其初始存儲的電荷為負(fù)極性。這時，脈沖功率控制使開關(guān)54開放。由于二極管D3對電感L1中電流反向箍位時的諧振續(xù)流(即L1-C0電路的半周期振蕩)，包含電感L1和接地固態(tài)二極管D3的反相電路使C0的極性反相，其結(jié)果是能量因C0的部分再充電而得到恢復(fù)。因此，恢復(fù)原本會造成電極失落的能量，減少后續(xù)脈沖的充電要求。
測試結(jié)果圖16D和圖16E示出第4代原型器件的測試結(jié)果。圖16D示出電容C2上和電極兩端的脈沖波形，圖16E示出用氙作為活性氣體進(jìn)行測量所得的光電二極管信號。
會理解，上述實(shí)施例僅說明能代表本發(fā)明主體應(yīng)用的許多實(shí)施例的一小部分。例如，可優(yōu)選僅收集鋰并且使氦放電，以代替工作氣體的反復(fù)循環(huán)。也可用其他電極鍍覆組合，而不是鎢和銀。例如銅或鉑的電極和鍍層也可工作。其他產(chǎn)生等離子箍縮的方法能代替所述具體實(shí)施例。本說明書的背景部分中參考的專利文獻(xiàn)闡述一些其他方法，這些說明均按參考資料在此引入?？商峁┎⒗迷S多產(chǎn)生高頻高壓電脈沖的方法。一種替換方法是使光管處于室溫，從而鋰和鎢要在沿光管長度方向下行時受到凍結(jié)。此凍結(jié)由于原子磁撞時會永久貼在光管壁上，還進(jìn)一步減少到達(dá)光刻制版工具所用光學(xué)元件的碎片量。通過將收集器光學(xué)部件設(shè)計成通過初級放電室的小孔將輻射點(diǎn)重新成像，并且采用差分抽運(yùn)裝置，能防止電極材料淀積在光刻制版工具的光學(xué)部件上?？蓮牡?室通過小孔將氦或氬供入第1室。此方案已展現(xiàn)對防止銅蒸氣激光器輸出窗口上淀積材料有效。可用鋰混合物代替鋰。此單元也可作為靜態(tài)充填系統(tǒng)進(jìn)行工作，無需工作氣體流過電極。當(dāng)然，可用各種重復(fù)率，從每秒一個脈沖到每秒約5個脈沖，甚至每秒幾百個脈沖或幾千個脈沖。如果需要，可修改調(diào)整固態(tài)鋰位置的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以便考慮中央電極尖端的蝕落，使該尖端的位置也可調(diào)整。
除上文所述外，還可有許多其他電極布局。例如，外電極可為錐形，而不是所示那樣對箍縮直徑最大的圓筒形。還能通過使內(nèi)電極可伸出外電極的端部，改善有些實(shí)施例的性能。借助火花塞或本領(lǐng)域公知的其他預(yù)離子化器，可達(dá)到這點(diǎn)。另一較佳替換例是外電極利用排成圓筒形或錐形的桿陣。此方法因?yàn)閹黼姼猩掀胶猓兄诠靠s沿電極軸對稱集中。
因此，請讀者根據(jù)所附權(quán)利要求
書及其合法等效件決定本發(fā)明范圍，而不是根據(jù)給出的例子。
權(quán)利要求
1.一種高能量光子源，其特征在于，包含A、真空室；B、至少2個電極，這些電極同軸裝在所述真空室內(nèi)，限定放電區(qū)，并且被安排成放電時在箍縮處產(chǎn)生高頻等離子箍縮；C、工作氣體，其中包含活性氣體和緩沖氣體，所述緩沖氣體是惰性氣體，并且選擇所述活性氣體，在至少一個譜線提供光；D、活性氣體提供系統(tǒng)，用于對所述放電區(qū)提供活性氣體；E、脈沖功率系統(tǒng)，其中包含充電電容和磁壓縮電路，所述磁壓縮電路包含脈沖變壓器，用于提供高到足以在所述至少一對電極之間產(chǎn)生放電的電脈沖和電壓。
2.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，所述電極中的一個是中空的陽極，并且所述活性氣體通過所述中空陽極導(dǎo)入所述真空室。
3.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，所述活性氣體包含鋰。
4.如權(quán)利要求
3所述的高能量光子源，其特征在于，所述活性氣體包含氙。
5.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，所述緩沖氣體是惰性氣體。
6.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，所述脈沖功率源包含至少一個優(yōu)化成峰值電容電流與所述等離子箍縮同時發(fā)生的電容器。
7.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，所述中空陽極限定箍縮端和靠近所述箍縮端的第1內(nèi)徑以及比所述第1內(nèi)徑遠(yuǎn)離所述箍縮端的第2內(nèi)徑，其中所述第2內(nèi)徑大于所述第1內(nèi)徑。
8.如權(quán)利要求
7所述的高能量光子源，其特征在于，所述第1內(nèi)徑從所述箍縮端沿伸一段距離，選擇該距離以防止飛弧。
9.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，所述陽極限制陽極暴露長度，并且選擇所述長度，使等離子箍縮與峰值驅(qū)動電流幾乎同時發(fā)生。
10.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，還包含由用鋰浸漬的多孔材料構(gòu)成的鋰源。
11.如權(quán)利要求
10所述的高能量光子源，其特征在于，所述多孔材料是多孔鎢。
12.如權(quán)利要求
11所述的高能量光子源，其特征在于，所述源還包含配置成圍繞至少一部分所述多孔材料產(chǎn)生等離子區(qū)的RF源。
13.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，所述脈沖功率系統(tǒng)包含對所述充電電容進(jìn)行充電的諧振充電系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，所述磁壓縮電路包含至少2個可飽和電感和對所述至少2個可飽和電感進(jìn)行偏置的偏置電路。
15.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，還包含能量恢復(fù)電路，用于在所述充電電容上恢復(fù)從所述電極反射的能量。
16.一種高能量光子源，其特征在于，所述充電電容由一組個體電容構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，還包含對至少一個所述電極進(jìn)行冷卻的熱管。
18.如權(quán)利要求
2所述的高能量光子源，其特征在于，還包含對所述中空陽極進(jìn)行冷卻的熱管冷卻系統(tǒng)。
19.如權(quán)利要求
18所述的高能量光子源，其特征在于，所述熱管冷卻系統(tǒng)和所述中空陰極包含冷卻具有導(dǎo)入所述活性氣體的中空陰極的熱管。
20.如權(quán)利要求
1所述的高能量光子源，其特征在于，所述脈沖變壓器由磁性材料做成的多個環(huán)形芯和與每一所述芯電磁關(guān)聯(lián)的初級線圈構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求
20所述的高能量光子源，其特征在于，所述磁材料由繞在鐵芯上的高導(dǎo)磁率膜構(gòu)成。
22.如權(quán)利要求
21所述的高能量光子源，其特征在于，所述脈沖變壓器限定由多根桿構(gòu)成的次級線圈。
23.如權(quán)利要求
21所述的高能量光子源，其特征在于，對于每一初級線圈，所述鐵芯形成所述初級線圈的一部分。
專利摘要
一種高能量光子源。一對等離子箍縮電極(8)位于等離子箍縮單元(2)的真空室內(nèi)。該真空室容納含惰性緩沖氣體和活性氣體的工作氣體,選擇活性氣體,以產(chǎn)生期望的譜線。脈沖功率源10提供電壓足夠高的電脈沖,以便在電極之間產(chǎn)生放電。該放電在工作氣體中產(chǎn)生高溫、高密度等離子箍縮,在該源的譜線提供輻射。這些電極在軸上與陽極同軸配置。通過中空陽極引入活性氣體。這使得譜線源可優(yōu)化,并且緩沖氣體可獨(dú)立優(yōu)化。
文檔編號G21K5/00GKCN1390360SQ00815810
公開日2003年1月8日 申請日期2000年10月26日
發(fā)明者W·N·帕爾特羅, I·V·福門科夫, I·R·奧利弗, R·M·賴斯, D·L·伯克斯 申請人:西默股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan