專利名稱：用于超紫外輻射的氣體放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分的、用于超紫外輻射的氣體放電燈。其優(yōu)選的應(yīng)用范圍是那些需要其波長范圍主要在大約10至20nm的超紫外(EUV-)輻射的領(lǐng)域，例如半導(dǎo)體平板印刷術(shù)。
眾所周知，使用致密的熱的等離子體作為用于提供超紫外輻射的輻射發(fā)射的介質(zhì)。
WO 01/91532 A2為此介紹了使用一種EUV-輻射源，該輻射源配有若干個呈圓弧形布置的部分電極，在這些電極之間離子束得到加速。這些離子束匯入到一個等離子體放電腔中，并在此形成一種密集的熱的等離子體，該等離子體發(fā)射EUV-波長范圍內(nèi)的輻射。為了減小離子束的發(fā)散性，并造成一種特別小的等離子體體積，于此配置了一些裝置以用于離子的電中和。
WO 01/01736 A1公開過一種用于產(chǎn)生EUV-輻射及軟X-射線的裝置，其中配有兩個主電極，在這兩個主電極之間有一個充滿氣體的中間空間。所述主電極在此具有一個或多個開口。主電極的配置導(dǎo)致如下的效果等離子體只能在由所述兩個中心開口的直徑所決定的圓柱體中點(diǎn)火，并隨后由于箍縮效應(yīng)而壓縮到一個更小的圓柱體上。因此，只形成一個唯一的等離子體通道。
本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種氣體放電燈，它具有一種在EUV-波長范圍內(nèi)發(fā)射的引縮性等離子體，其中可產(chǎn)生一個在空間上強(qiáng)烈地局限的等離子體，與此同時，陰極材料的腐蝕是盡可能小的。
上述技術(shù)問題的解決是通過獨(dú)立權(quán)利要求1所述特征加以實現(xiàn)的。優(yōu)選的改進(jìn)方案通過從屬權(quán)利要求得出。
依本發(fā)明可以認(rèn)定上述技術(shù)問題是采用一種用于超紫外輻射的氣體放電燈加以解決的，這種氣體放電燈配有一個陽極和一個空心陰極，其中該空心陰極具有至少兩個孔，而陽極具有一個通孔；空心陰極孔的縱軸線具有一個共同的切合點(diǎn)S，該切合點(diǎn)處在陽極孔的對稱軸線上。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識陰極腐蝕可以采取以下措施加以減小將全部由陰極發(fā)出的電子流經(jīng)多個陰極孔加以分配。一個氣體放電源的陰極必須就在一個電脈沖過程中提供一個很高的為若干千安培的電子流。這會導(dǎo)致在陰極孔的內(nèi)表面中以及在陰極的直接毗連的朝向陽極的表面區(qū)域內(nèi)形成所謂的陰極斑點(diǎn)。從這些陰極斑點(diǎn)會優(yōu)先發(fā)出電子。在這些地方還可能產(chǎn)生陰極材料的一種遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純熱蒸發(fā)引起的腐蝕。通過選擇所述多個空心陰極孔，便可減小出現(xiàn)在一個陰極斑點(diǎn)上的電流密度。總的說來，這可導(dǎo)致一種更小的陰極腐蝕、特別是在陰極孔范圍內(nèi)，并能導(dǎo)致氣體放電燈使用壽命延長。


圖1表示本發(fā)明提出的一種氣體放電燈，它配有一個陽極1和一個空心陰極2，其中空心陰極具有三個到一個空腔8的陰極孔3、3’、3”。
陽極1、陰極2和空腔8在壓力典型地為1-100Pa的條件下處在一種氣體氣氛中。對電極系統(tǒng)施加一個電壓。如此選擇氣體壓力和電極距離，使得等離子體的點(diǎn)火在巴申曲線(Paschenkurve)的左分支線上發(fā)生，即電離作用過程沿著長的電場線開始，這些電場線最好在陽極和陰極的孔的范圍內(nèi)出現(xiàn)。在放電過程中，空心陰極空腔8不是無電位的，更確切地說，電位或電場線伸入到空心陰極空腔8中。在該處產(chǎn)生一個空心陰極等離子體，由于振蕩性的電子而具有高的等離子體形成效益。
由于產(chǎn)生了上述空心陰極等離子體的結(jié)果，特別是通過在空心陰極等離子體中產(chǎn)生的電子射束一該電子射束通過孔3、3’、3”朝陽極方向或沿箭頭方向傳播，也可參看圖2a-而在陽極和陰極之間的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個高導(dǎo)電率的等離子體。這種導(dǎo)電率尤其在切合點(diǎn)S的范圍內(nèi)是特別高的。
通過一位至兩位的千安培范圍內(nèi)的一種受脈沖的電流，上述等離子體受到壓縮，并被加熱到這樣的溫度，使得它產(chǎn)生在超紫外區(qū)的輻射。電流脈沖根據(jù)振幅和周期如此加以選擇，使得等離子體成為EUV-輻射源。該等離子體最好產(chǎn)生在切合點(diǎn)S的范圍內(nèi)。
在此處圖1表示一個裝置，它配有在技術(shù)可以特別簡單地實現(xiàn)的平面型電極1、2。也可以是一種圓弧形裝置，如圖3所示，它配有一個圓弧形的空心陰極2。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于電極壁遠(yuǎn)離等離子體，電極的冷卻比較簡單，還可實現(xiàn)對于對稱軸線6的較大的角度。在這種結(jié)構(gòu)形式中，與相關(guān)陰極孔3、3’、3”相對置的壁7分別垂直于該孔的縱軸線5、5’、5”，因此，通過電極間隙中的電離化而有助于使得主要在共同的切合點(diǎn)S的范圍內(nèi)存在一個高的導(dǎo)電率。
所用的電流脈沖最好具有帶有兩位千安培數(shù)的振幅和帶有在兩位至三位毫微秒范圍內(nèi)的周期。特別在電流脈沖的上述參數(shù)條件下，等離子體受到充分壓縮，從而受到加熱，致使它達(dá)到對于輻射發(fā)射所需的溫度。
主要使用純氙或者與其它氣體的混合物作為放電源的工作氣體。但也可以使用帶有其它輻射源、例如帶有鋰或鋅的氣體，元素形式或作為化合物均可，借以保證獲得一個盡可能高的輻射效果。工作壓力大致在1-100Pascal(帕)范圍內(nèi)。在這種情況下這樣選擇工作點(diǎn)，使得電極距離和放電壓力之積處在巴申曲線的左分支線上。在此情況下，在固定的電極幾何形狀時，點(diǎn)火電壓隨氣體壓力的下降而升高。
在放電開始時，即開始的通過電流條件下，如圖2a所示，在空心陰極2中產(chǎn)生一種等離子體13。在放電過程中，該等離子體13穿過陰極孔，并在陰極和陽極之間形成導(dǎo)電的通路11，亦可參看圖2b。由上述情況看出從空心陰極孔出來的由離子和電子構(gòu)成的射束11具有某種空間的擴(kuò)張。作為共同的切合點(diǎn)S在這種情況下應(yīng)理解為這樣一種空間范圍12在此空間范圍內(nèi)那些空間擴(kuò)張的射束彼此交叉或搭接。
沿著通路11出現(xiàn)一種快速的電流上升，從而使得等離子體如圖2c所示被磁性地在本裝置的對稱軸線6上壓縮到一個小的體積14。于此，也可以在主對稱軸線6的方向上實現(xiàn)一個雪茄形的等離子體。依軸線方向，這一等離子區(qū)的長度約為2至5mm，垂直高度約0.5至2mm。該離子區(qū)的重心大致在切合點(diǎn)S處。由于強(qiáng)烈的溫度升高之故，處于其中的氣體原子多重地被電離，并發(fā)射出所希望的EUV-輻射。
空心陰極孔朝向一個共同的切合點(diǎn)S上的指向?qū)е氯缦碌男Ч诜烹姷拈_始階段所產(chǎn)生的電子射束或等離子射束在一個點(diǎn)上即在切合點(diǎn)S上相遇，從而給定出朝向一個空間點(diǎn)的電流通路。在后面的高通過電流的階段中，于是由于箍縮效應(yīng)之故而形成一種很局部化的等離子體。
依本發(fā)明配置了至少兩個陰極孔，最好是使用更大數(shù)量的陰極孔。使用更大數(shù)量的陰極孔便可進(jìn)一步擴(kuò)大電極面，并減小每個單獨(dú)的陰極孔所受到的負(fù)荷。這一點(diǎn)也可如愿地減小對陰極的腐蝕。
有利的情況是相關(guān)的空心陰極孔3的縱軸線5盡可能地垂直于空心陰極壁7的對置于空心陰極孔3的那個部分、即空心陰極空腔的后壁，參看圖3?？招年帢O壁7相對于空心陰極孔的縱軸線的定向?qū)﹄娮由涫虻入x子射束的方向具有很大的影響，對射束在從空心陰極孔出來時的電流強(qiáng)度也有很大影響。
在放電的初始階段，電子即從所述空心陰極的后壁7被發(fā)射，更確切地說都是垂直于后壁的。這就導(dǎo)致形成一個電子束，繼后產(chǎn)生一個中性的等離子束，該等離子束通過相關(guān)孔3、3’、3”沿陽極方向傳播。由于初次的電子發(fā)射是垂直于空心陰極的壁進(jìn)行的，所以當(dāng)所述孔的縱軸線垂直于空心陰極后壁時，載流子盡可能地完全從該孔中出來。
前面開頭述及的各實施形式具有一個共同點(diǎn)所述至少兩個空心陰極孔通向一個唯一的并因而也是共同的空心陰極空腔。
如圖4a和4b所示，下述情況也是可能的為每個空心陰極孔3、3’、3”配置一個單獨(dú)的空心陰極空腔8、8’、8”。一般地說，所謂的一個空心陰極也可以理解為帶有至少兩個孔3、3’的一個陰極，配有至少一個空心陰極空腔8。
單獨(dú)的空心陰極空腔都小于一個共同的空心陰極空腔。由于其尺寸較小，所以具有下述優(yōu)點(diǎn)等離子體可以更快速地再復(fù)合，從而可提高其重復(fù)率。
同樣本發(fā)明的這樣一個方案也是有利的，其中空心陰極2在對稱軸線6上沒有孔，為此可參看圖5a和圖5b。在這個位置上存在一個孔的情況下可根據(jù)實驗確定由這個孔發(fā)出的通過電流往往明顯地超過從其它孔3、3’發(fā)出的通過電流。通過在這個位置上不配置孔，則可避免該孔遭受特別強(qiáng)烈腐蝕的危險。換言之，總電流可以特別均勻地分配成單路電流。
圖5a和圖5b表示在對稱軸線6上沒有空心陰極孔的一些變型，其中這些孔3、3’具有唯一的一個共同的空腔，而上述實施形式就其本意來說同樣地如在圖4a或圖4b中所示，也可配有單獨(dú)的空腔8、8’、8”。
一個在圖中未示出的變型表示在對稱軸線上選擇了一個貫通的空心陰極孔，該孔的直徑小于其余空心陰極孔的直徑。在此情況下，中心的空心陰極孔、也就是在電極裝置的(主)對稱軸線上的空心陰極孔，對等離子體的點(diǎn)火不起作用。上述變型的優(yōu)點(diǎn)是可以避免由于微粒造成的腐蝕，這種微粒是在引縮性等離子體壓縮時沿軸向被發(fā)射的。
按另一種變型可以將一個或多個空心陰極孔3、3’、...設(shè)計成盲孔，參看圖6a和圖6b。這種結(jié)構(gòu)形式在制造上特別簡易。
此外實驗還證明在未最佳化的工作參數(shù)條件下，等離子體的重心不在點(diǎn)S上，而是往往朝陰極方向移動。特別是在對稱軸線6上具有一個盲孔3’，如圖6c和圖6d中所示，等離子體離陰極壁的距離可增大，尤其是當(dāng)盲孔的直徑大于其它空心陰極孔3或3’的直徑時。等離子體離陰極壁的距離增大將導(dǎo)致陰極腐蝕的進(jìn)一步減小。
此外，對于主對稱軸線6上的盲孔而言，上述裝置對孔部位中的腐蝕是比較能容忍的。陰極在所述孔邊緣上的可能有的磨圓或已有的磨損對一個盲孔的情況、對電流的輸送以及對引縮性等離子體而言，并不起著如具有通孔的幾何結(jié)構(gòu)那么大的作用。在最后所述情況下，引縮性等離子體的幾何形狀基本上是由電流調(diào)制及其在陰極孔中的及時展開所決定的，其中經(jīng)驗表明，所腐蝕的邊緣對引縮性幾何形狀產(chǎn)生負(fù)面影響。引縮性等離子體變得更長，從而導(dǎo)致能夠耦合輸出較少的輻射。于是盲孔導(dǎo)致的結(jié)果是雖然出現(xiàn)腐蝕，但等離子體就其位置和幾何形狀而言保持不變。
陽極1在對稱軸線6上包括一個貫通的中心主孔4。陽極1除了貫通的中心主孔4之外，還可以具有至少兩個另外的孔4’、4”。這些附屬的陽極孔4’或4”的縱軸線9’或9”分別等同于空心陰極孔3’或3”的縱軸線，為此可參看圖7。至此，對每個附屬的陽極孔4’、4”有一個相對置的、不在對稱軸線上的空心陰極孔3’、3”。在此情況下，在切合點(diǎn)S處有搭接的等離子通路，其它的陽極孔4’、4”大體確定將要經(jīng)過箍縮效應(yīng)而被壓縮的等離子體積。由于附加的陽極孔4’、4”的直徑小于對稱軸線6上的中心陽極孔4的直徑，所以將要被壓縮的等離子體積總的說來變得較小。因此，等離子體被壓縮到一個更小的體積。其優(yōu)點(diǎn)在于所產(chǎn)生的EUV-輻射有一個更高的部分可以沿著對稱軸線6加以輸出耦合并可加以實際利用。由于為了達(dá)到一個預(yù)定的EUV-輸出功率因此只需要較小的脈沖能，所以可進(jìn)一步限制陰極材料的腐蝕。
附加的陽極孔可以有不同設(shè)計的。從切合點(diǎn)S觀察，在圖7中所示的陽極孔4’、4”的后面有一個敞開著的空腔區(qū)，在圖8a中該空腔區(qū)是封閉的。這種封閉的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的后果是等離子體不會受到所述的空腔區(qū)中的各種過程的干擾，所以等離子體發(fā)射可以特別無干擾地進(jìn)行。于此，圖8b所示的變型在結(jié)構(gòu)上特別簡單的是，封閉的空腔區(qū)由一個設(shè)計成盲孔的陽極孔4’、4”構(gòu)成。
與附加的陽極孔4’、4”的存在及結(jié)構(gòu)無關(guān)，主孔4也可以設(shè)計成柵極，該柵極的敞開著的區(qū)域是條帶形的或棋盤形的。這種柵極在此情況下在等離子體的點(diǎn)火階段起著電屏蔽的作用。陽極的中心主孔的這種設(shè)計結(jié)構(gòu)首先在存在附加陽極孔的情況下是有利的。也就是說，所述點(diǎn)火過程可以更好支配地通過附屬的陽極孔4’、4”加以確定，從而使得要被壓縮的等離子體體積總起來說變得更小。
依本發(fā)明提出的另一項有利的實施情況，為所述空心陰極空腔配置了觸發(fā)機(jī)構(gòu)。這樣，就可精確地按需要觸發(fā)放電的點(diǎn)火系統(tǒng)。尤其是還可以改善部分放電的點(diǎn)火的同時性。
可以如圖9a和9b所示，在空腔8中將一個輔助電極10設(shè)為觸發(fā)機(jī)構(gòu)。該輔助電極10可以如此防止放電的點(diǎn)火它借助一種觸發(fā)器電子機(jī)構(gòu)而可保持在相對于陰極2的正電位上。如果觸發(fā)器電極通過向觸發(fā)器電子機(jī)構(gòu)所施加的一個控制脈沖而接通到陰極電位上，則可實現(xiàn)可精密控制的放電點(diǎn)火。相似地也適用下述情況，就是使用一種介電的觸發(fā)器。
如圖10a所示，可以配置一個受脈沖的高頻源10、10’、10”作為觸發(fā)機(jī)構(gòu)，例如使用一個微波源以用于放電的觸發(fā)。所述高頻通過所述孔沿著虛線所示軸線而被輸入耦合到所述空心陰極空腔8、8’、8”中，并在該處觸發(fā)空心陰極等離子體的構(gòu)成，最終觸發(fā)主放電。
為了實現(xiàn)觸發(fā)，也可如圖10b所示配置輝光放電單元。在這些輝光放電單元內(nèi)，在固有的主放電之前保持一個輝光放電。然后從輝光等離子體通過將一種正的電壓脈沖施加到朝著空心陰極2的柵極電極而提取電子，這些電子啟動空心陰極空腔8、8’、8”中及陽極和陰極之間的空腔中亦即電極空隙中的主放電。
如圖10c和圖10d所示，為了實現(xiàn)觸發(fā)，可在相關(guān)的空心陰極孔上使用一個受脈沖操作的激光射束源的聚焦的激光射束15、15’、15”，以用于從陰極表面釋放初級電子，并用于放電的點(diǎn)火。既可從陽極一側(cè)如圖10d所示、也可通過陰極一側(cè)的孔如圖10c所示，使一個或多個聚焦的激光射束入射。
圖11表示一種雙等離子體裝置，該裝置配有一個輔助陽極17。輔助陰極和陽極1經(jīng)過導(dǎo)線19而彼此實現(xiàn)電連接。在放電的點(diǎn)火階段，在空心陰極空腔8、8’、8”中形成一個等離子體，從該等離子體出發(fā)一個電子束沿陽極1的方向、也沿輔助陽極17的方向傳播。在以后的過程中，在空腔18、18’、18”中、在孔16、16’、16”和輔助電極17之間產(chǎn)生一種等離子體，該等離子體自身沿著空心陰極2的方向發(fā)射出一個離子束。該離子束橫穿過空心陰極空腔8、8’、8”，并穿過孔3、3’、3”而進(jìn)入到電極空隙中。在此沿著離子束會在陽極1和陰極2之間導(dǎo)致產(chǎn)生更為局部強(qiáng)化的主等離子體的電離。這樣，便可進(jìn)一步減小發(fā)射EUV-輻射的等離子體積的空間擴(kuò)展。這就允許改善所提供的EUV-輻射的輸出耦合。
從上述實施可以看出陰極、陽極、相關(guān)的孔及所屬觸發(fā)機(jī)構(gòu)的不同實施形式也可以任意加以組合。
附圖標(biāo)記一覽表1 陽極2 空心陰極3、3’、3” 空心陰極孔4 陽極孔，通孔5、5’、5” 空心陰極孔的縱軸線6 對稱軸線，由貫通的陽極孔所確定7 空心陰極后壁8、8’、8” 空心陰極空腔9 附屬的陽極孔的縱軸線10觸發(fā)機(jī)構(gòu)11空間地擴(kuò)展的電子束和離子束12電子束的搭接區(qū)13等離子體14引縮性等離子體15、15’、15”激光束16、16’、16”空心陰極孔，是朝向輔助陽極的17輔助陽極18、18’、18”空心陰極2和輔助陽極17之間的空隙19電導(dǎo)線，它們將陽極1和輔助陽極17連接起來
權(quán)利要求
1.用于超紫外輻射的氣體放電燈，該放電燈配有一個陽極(1)和一個空心陰極(2)，其中空心陰極(2)具有至少兩個孔(3，3’)，陽極(1)具有一個通孔(4)，其特征在于，所述空心陰極孔(3)的縱軸線(5，5’)具有一個共同的切合點(diǎn)S，該切合點(diǎn)處在陽極孔(4)的對稱軸線(6)上。
2.按權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于，相關(guān)空心陰極孔(3)的縱軸線(5)在很大程度上垂直于空心陰極壁(7)的對置于空心陰極孔(3)的部分。
3.按權(quán)利要求1或2所述的氣體放電燈，其特征在于，為每個空心陰極孔(3)配置了一個單獨(dú)的空心陰極空腔(8)。
4.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，一個空心陰極孔是作為盲孔形成的。
5.按權(quán)利要求4所述的氣體放電燈，其特征在于，處在對稱軸線(6)上的空心陰極孔(3)是作為盲孔形成的。
6.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，空心陰極(2)在陽極孔(4)的對稱軸線(6)上沒有孔(3)。
7.按權(quán)利要求1至4中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，空心陰極(2)在陽極孔(4)的對稱軸線(6)上具有一個通孔，該通孔的直徑小于其余的空心陰極孔的直徑。
8.按權(quán)利要求1至7中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，陽極(1)具有附加的孔(4’，4”)，該孔的縱軸線(9’，9”)分別與一個空心陰極孔的縱軸線一致。
9.按權(quán)利要求8所述的氣體放電燈，其特征在于，從切合點(diǎn)S觀察，附加的陽極孔(4’，4”)后面的空腔區(qū)是封閉的。
10.按權(quán)利要求8或9所述的氣體放電燈，其特征在于，一個附加的陽極孔(4’，4”)是作為盲孔形成的。
11.按權(quán)利要求8、9或10中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，中心的、貫通的陽極孔(4)是作為柵極形成的，該柵極的敞開的區(qū)域是呈條帶狀的或棋盤狀的。
12.按權(quán)利要求1至11中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，為所述空心陰極空腔(8)配置了觸發(fā)機(jī)構(gòu)(10)，主要是一個附加電極、一個介電觸發(fā)器、一個受脈沖的高頻源、一個或多個輝光放電單元，或一個受脈沖的激光射束源。
13.按權(quán)利要求1至12中任一項所述的氣體放電燈，其特征在于，將一個配有一個輔助陽極(17)的雙等離子體裝置作為觸發(fā)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于超紫外輻射的一種氣體放電燈，該放電燈配有一個陽極(1)和一個空心陰極(2)，其中空心陰極(2)具有至少兩個孔(3，3’)，陽極(1)具有一個通孔(4)，其特征在于，空心陰極孔(3)的縱軸線(5，5’)有一個共同的切合點(diǎn)S，該切合點(diǎn)處在陽極孔(4)的對稱軸線(6)上。
文檔編號H05G2/00GK1720600SQ200380104994
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者G·H·德拉, J·R·R·帕科特, W·內(nèi)夫, K·伯格曼恩, J·喬克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司