DE10151080C1

DE10151080C1 - Einrichtung und Verfahren zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung

Info

Publication number: DE10151080C1
Application number: DE10151080A
Authority: DE
Inventors: Imtiaz Ahmad; Juergen Kleinschmidt; Guido Schriever
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP3978385B2; JP2003218025A; US6894298B2; US20030068012A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung, d. h. einer Strahlung aus hochenergetischen Photonen im Wellenlängenbereich von 11-14 nm, auf Basis einer Gasentladung. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit der Erzeugung von EUV-Strahlung zu finden, die bei stabiler Erzeugung einer dichten und heißen Plasmasäule eine große Lebensdauer des Systems erreicht, wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einer durch Gasentladung mit gepulster Gleichspannung erzeugten Plasmasäule vor der Hauptentladung eine Vorionisationsentladung zwischen zwei parallelen scheibenförmigen Flächenelektroden (52) mittels einer Oberflächenentladung entlang der Mantelfläche eines zylindrischen Isolators (51) gezündet wird, die mittels schneller geladener Teilchen eine Ionisation des Arbeitsganges in der Entladungskammer erzeugt, wobei die Vorionisationsentladung innerhalb eines ersten Elektrodengehäuses (1) ausgelöst wird und die Hauptentladung zwischen einem verengten Ausgang (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) und einem der Austrittsöffnung (32) der Entladungskammer (3) nahen Teil des zweiten Elektrodengehäuses (2) stattfindet, wobei sich das Plasma in einem von einem rohrförmigen Isolator (22) abgedeckten Teil des zweiten Elektrodengehäuses (2) herausbildet und infolge des strominduzierten Magnetfeldes zu einer dichten, heißen Plasmasäule (71), die mit einem Säulenende in der Nähe der Austrittsöffnung (22) des zweiten ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung, d. h. einer Strahlung aus hochenergetischen Photonen im Wellenlängenbereich von 11-14 nm (EUV = Extrem- UV-Bereich).

In der Halbleiterindustrie wird Strahlung mit immer kürzeren Wellenlängen benötigt, um zukünftig noch kleinere Strukturen von integrierten Schaltungen auf die Chips zu belichten. Zurzeit sind Lithographiemaschinen mit Excimer-Lasern im Einsatz, die mit 157 nm ihre kürzeste Wellenlänge erreichen werden, bei denen Transmissionsoptiken oder katadioptische Systeme zum Einsatz kommen.

Zukünftig (ca. im Jahre 2007) müssen deshalb Strahlungsquellen zur Verfügung stehen, die mit noch kürzeren Wellenlängen der Abbildung die Auflösung weiter erhöhen. Die optischen Systeme müssen bei Wellenlängen unterhalb von 157 nm jedoch aus Reflexionsoptiken bestehen, da keine für diese Wellenlängen transparenten Materialien zur Verfügung stehen. Bei Verwendung von Reflexionsoptiken ist die numerische Apertur limitiert und die Mannigfaltigkeit der optischen Elemente eingeschränkt. Die kleinere numerische Apertur der Optiken führt zu einer Reduzierung der Auflösung des Systems, die nur mit Hilfe einer noch kürzeren Wellenlänge (etwa eine Größenordnung) kompensiert werden kann.

Zur Erzeugung von EUV-Strahlung sind sowohl laserinduzierte Plasmen als auch Gasentladungsplasmen prinzipiell geeignet.

Beim laserinduzierten Plasma ist eine Energiekonversion in zwei Stufen notwendig, von elektrischer Energie in Laserstrahlungsenergie und anschließend in EUV- Strahlungsenergie. Diese doppelte Konversion führt zu einer verminderten Konversionseffizienz gegenüber einer Gasentladung.

Im Fall der Gasentladungen werden verschiedene Konzepte verfolgt: Plasmafokus-, Kapillarentladungs-, Hohlkatodenentladungs- und Z-Pinch-Geräte.

Das Plasmafokus-Prinzip hat im Vergleich zu den anderen Konzepten den Nachteil einer schlechten räumlichen Stabilität aufgrund der Formation des Plasmas. Dazu wird in US 5,763,930 eine Variante vorgeschlagen, die als Arbeitsgas ein Edelgas mit Lithium verwendet, was jedoch zu einer zusätzlichen Verschmutzung der Umgebung, insbesondere des Isolators führt.

Die Kapillarentladung als konkurrierendes Konzept weist nur eine kurze Lebensdauer auf, die zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit führt.

Das Z-Pinch-Konzept zeigt gute Eigenschaften im Vergleich mit anderen Gasentladungskonzepten und den laserinduzierten Plasmen. In einer veröffentlichten technischen Lösung gemäß US 5,504,795 wird die Vorionisation mittels einer RF- (Radiofrequenz)-Entladung in einem Isolatorrohr realisiert, in dem nachfolgend dann ebenfalls das Plasma gezündet wird. Dieses Hochfrequenz-Vorionisationssystem ist direkt an das Entladungssystem gekoppelt und dadurch der Plasmastrahlung sowie einem Beschuss mit geladenen Teilchen ausgesetzt, was zu einer reduzierten Lebensdauer insbesondere des Isolatorrohres führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit der Erzeugung von EUV-Strahlung zu finden, die bei einer stabilen Erzeugung einer dichten und heißen Plasmasäule eine große Lebensdauer des Systems erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Einrichtung zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung mit einer Entladungskammer, die von einem ersten Elektrodengehäuse und einem zweiten Elektrodengehäuse umgeben ist und von einem Arbeitsgas unter einem bestimmten Druck durchströmt wird, wobei die beiden Elektrodengehäuse koaxial zueinander angeordnet sind und zur Entladungskammer hin jeweils Zylindermantelflächen aufweisen und gegeneinander durch eine Isolatorschicht durchschlagfest getrennt sind, und einer Austrittsöffnung für die EUV-Strahlung, die axial im zweiten Elektrodengehäuse vorhanden ist, dadurch gelöst, dass im Innern des ersten Elektrodengehäuses eine koaxial angeordnete Vorionisationseinheit vorhanden ist, die parallele, im Wesentlichen ebene Flächenelektroden mit einem axialen Abstand zueinander aufweist, wobei die Flächenelektroden im Wesentlichen kreisringförmig sind und zwischen diesen ein zylindrischer Isolator, in den mindestens eine elektrische Zuleitung eingebracht ist, angeordnet ist, so dass bei Anlegen einer hinreichend hohen Spannung an die Flächenelektroden eine Gleitentladung entlang der Mantelfläche des zylindrischen Isolators erzeugt wird, dass das erste Elektrodengehäuse in Richtung des zweiten Elektrodengehäuses einen verengten Ausgang aufweist und dass die Zylindermantelfläche des zweiten Elektrodengehäuses mindestens in unmittelbarer Nähe des verengten Ausgangs des ersten Elektrodengehäuses mit einem rohrförmigen Isolator bedeckt ist.

Vorteilhaft ist als eine der Flächenelektroden der Vorionisationseinheit eine Stirnfläche des ersten Elektrodengehäuses vorgesehen, wobei die Vorionisationseinheit mit dem zylindrischen Isolator in die hintere Stirnfläche des ersten Elektrodengehäuses eingesetzt ist und die Zuleitung für die andere Flächenelektrode im Innern des zylindrischen Isolators geführt ist.

Die Flächenelektroden der Vorionisationseinheit sind dabei mit einem Vorionisations- Pulsgenerator verbunden, der zweckmäßig Hochspannungsimpulse mit kleinen Anstiegszeiten generiert.

Vorzugsweise wird die Zuleitung für die andere Flächenelektrode der Vorionisationseinheit als ein metallisches Röhrchen ausgeführt, das zugleich als Strömungsrohr für das Arbeitsgas vorgesehen ist. Dabei kann das Röhrchen gleichzeitig als Durchführung zur Anbringung eines Strahlungsdetektors für die Messung der von der Plasmasäule rückwärtig abgestrahlten EUV-Strahlung verwendet werden.

Das Röhrchen der Vorionisationseinheit kann vorteilhaft als Gaseinlass für das Arbeitsgas mit einem geregelten Gaszufuhrsystem in Verbindung stehen, wobei als Gasauslass ein an die Austrittsöffnung für die EUV-Strahlung angeschlossenes Vakuumsystem vorgesehen ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist das Röhrchen der Vorionisationseinheit als Gasauslass für das Arbeitsgas an ein Vakuumsystem angeschlossen, wobei zur Gaszufuhr Gaseinlässe, die mit einem geregelten Gaszufuhrsystem in Verbindung stehen, im zweiten Elektrodengehäuse vorhanden sind. Dabei sind die Gaseinlässe zweckmäßig gleichverteilt in einer Ebene um die Symmetrieachse der Entladungskammer angeordnet, wobei die Gaseinlässe in einer die Austrittsöffnung einfassenden Stirnfläche des zweiten Elektrodengehäuses oder in der Zylindermantelfläche des zweiten Elektrodengehäuses eingesetzt sein können. In beiden letztgenannten Fällen sind die Gaseinlässe radial in die Entladungskammer eingeführt, so dass das Arbeitsgas in das zweite Elektrodengehäuse möglichst gleichmäßig einströmt.

Als Arbeitsgas kommt vorzugsweise ein Edelgas, wie Xenon, Krypton, Argon oder Neon, zum Einsatz. Es können aber auch Sauerstoff, Stickstoff oder Lithium-Dampf eingesetzt werden. Für die Steigerung der Konversion sind auch Gasgemische von Xenon oder Helium mit Zusätzen von Wasserstoff oder Deuterium oder bei Einsatz von Lithiumdampf als Zusatzgas Helium oder Neon vorteilhaft einsetzbar.

Der zylindrische Isolator der Vorionisationseinheit wird vorzugsweise aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Blei-Borsilikat oder Blei-Zink-Borsilikat, hergestellt. Er ist zweckmäßig derart gefertigt, dass er Kanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmedium aufweist.

Um eine zuverlässige Isolation des Ausgangs des ersten Elektrodengehäuses gegenüber der Mantelfläche des zweiten Elektrodengehäuses zu erreichen, ist der rohrförmige Isolator im Innern des zweiten Elektrodengehäuses vorteilhaft bis in das erste Elektrodengehäuse hinein verlängert, wobei der verengte Ausgang des ersten Elektrodengehäuses ins Innere des rohrförmigen Isolators hineinragt. Der rohrförmige Isolator besteht dabei zweckmäßig aus einer hochisolierenden Keramik, insbesondere Si₃N₄, Al₂O₃, AlZr, AlTi, BeO, SiC oder Saphir.

Vorzugsweise deckt der rohrförmige Isolator die Zylindermantelfläche des zweiten Elektrodengehäuses vollständig ab.

Für die Erzeugung der Gasentladung (Hauptentladung) ist zweckmäßig das erste Elektrodengehäuse als Katode und das zweite Elektrodengehäuse als Anode an einen Hochspannungsimpulsgenerator angeschlossen. In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung wird das erste Elektrodengehäuse als Anode und das zweite Elektrodengehäuse als Katode verwendet.

Der Pulsgenerator wird zweckmäßig mit einem Thyratron-Schaltkreis betrieben, der einen ein- oder mehrstufigen Kompressionsmodul mit magnetisch sättigbaren Kernen enthält. Alternativ kann er aber auch ausschließlich aus Halbleiter-Bauelementen aufgebaut sein.

Der Pulsgenerator ist vorteilhaft auf eine Wiederholfrequenz im Bereich zwischen 1 Hz und 20 kHz und auf eine Spannung einstellbar, die ausreicht, um eine Gasentladung zu zünden und eine Plasmasäule mit hoher Dichte und Temperatur zu erzeugen.

Wegen der hohen Strombelastung und der thermischen Beanspruchung bestehen die Elektrodengehäuse mindestens im Bereich der Ausgänge zweckmäßig aus Materialien mit hohen Anteilen von Wolfram, Tantal oder Molybdän. Vorzugsweise werden Legierungen von Wolfram mit Kupfer, insbesondere 90%W und 10%Cu oder 80%W und 20%Cu (B3C) verwendet.

Als weitere Maßnahme zur Senkung des Verschleißes weisen die Elektrodengehäuse Hohlräume auf, die jeweils über räumlich entgegengesetzt liegende Anschlüsse mit einem Kühlmittelreservoir in Verbindung stehen. Dabei können in den Hohlräumen zusätzlich Rippen zur Vergrößerung der inneren Oberfläche für den Wärmeaustausch vorhanden sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird verallgemeinert mit einem Verfahren zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung, bei dem in einer von einem ersten Elektrodengehäuse und einem koaxialen zweiten Elektrodengehäuse umgebenen, im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammer, die von einem Arbeitsgas unter einem bestimmten Druck durchströmt wird, eine Hauptentladung durch Gleichspannungsimpulse ausgelöst wird, wobei die Hauptentladung mittels einer Vorionisation unterstützt wird, und eine entlang einer Symmetrieachse der Entladungskammer aus der Hauptentladung resultierende Plasmasäule durch eine Austrittsöffnung der Entladungskammer die EUV-Strahlung emittiert, dadurch gelöst, dass vor der Hauptentladung eine Vorionisationsentladung zwischen zwei parallelen scheibenförmigen Flächenelektroden mittels einer Oberflächenentladung entlang der Mantelfläche eines zylindrischen Isolators gezündet wird, die neben einer Strahlungsemission im Wellenlängenbereich von ultravioletter bis Röntgenstrahlung schnelle geladene Teilchen erzeugt, die eine Ionisation des Arbeitsgases in der Entladungskammer bewirken, dass die Vorionisationsentladung innerhalb eines ersten Elektrodengehäuses ausgelöst wird und dass die Hauptentladung zwischen einem verengten Ausgang des ersten Elektrodengehäuses und einem der Austrittsöffnung der Entladungskammer nahen Teil eines zweiten Elektrodengehäuses stattfindet, wobei sich das Plasma in einem von einem rohrförmigen Isolator abgedeckten Teil des zweiten Elektrodengehäuses herausbildet und infolge des strominduzierten Magnetfeldes zu einer dichten, heißen Plasmasäule kontrahiert, die mit einem Säulenende in der Nähe der Austrittsöffnung des zweiten Elektrodengehäuses liegt.

Vorteilhaft werden die Vorionisationsentladung und die Hauptentladung mit einer Wiederholfrequenz zwischen 1 Hz und 20 kHz zeitlich aufeinanderfolgend synchronisiert ausgelöst. Für die Halbleiter-Lithographie liegt die Wiederholfrequenz vorzugsweise im kHz-Bereich bis 8 kHz.

Die Vorionisationsentladung wird vorteilhaft zwischen einer Flächenelektrode und einer hinteren Stirnfläche des ersten Elektrodengehäuses ausgelöst, während die nachfolgende Hauptentladung zwischen dem verengten Ausgang des ersten Elektrodengehäuses und einem freigelassenen Ende des mit dem rohrförmigen Isolator abgedeckten zweiten Elektrodengehäuses stattfindet.

Dabei können das erste Elektrodengehäuse als Katode und das zweite Elektrodengehäuse als Anode geschaltet oder aber auch eine gegenteilige Polarität gewählt werden.

Die Grundidee der Erfindung besteht in der Überlegung, eine effektive Vorionisation zur stabilen Zündung der Hauptentladung zu finden, die den (vom Z-Pinch-Konzept bekannten) Nachteil einer gegenseitigen Beeinflussung und der erosiven Auswirkungen der beiden Entladungsprozesse vermeidet. Dazu werden erfindungsgemäß Vorionisations- und Hauptentladung örtlich voneinander getrennt, indem die Entladungskammer nahezu hälftig aus elektrisch isolierten Elektrodengehäusen so zusammengefügt wird, dass die Hauptentladung ausschließlich zwischen dem Ausgang des ersten Elektrodengehäuses und dem Ende des zweiten Elektrodengehäuses stattfindet, während die Vorionisation des Arbeitsgases durch eine Anordnung von zwei koaxialen scheibenförmigen Flächenelektroden innerhalb des ersten Elektrodengehäuses abläuft. Das erste Elektrodengehäuse kann dabei zugleich als eine der Flächenelektroden dienen, zwischen denen entlang der Mantelfläche eines zylindrischen Isolatorkörpers bei einem Spannungsimpuls eine Gleitentladung zustande kommt. Die Gleitentladung erzeugt neben Strahlung im Bereich von ultravioletter bis zu Röntgenstrahlung vor allem schnelle geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen - je nach gewählter Polarität der beiden Elektrodengehäuse), die eine fortschreitende Ionisation des Arbeitsgases bewirken.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung und dem damit realisierten Verfahren ist es möglich, bei reproduzierbarer Erzeugung einer dichten und heißen Plasmasäule und großer Lebensdauer des Systems eine EUV-Strahlung im Bereich von 11 bis 14 nm zu generieren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung mit EUV-Strahlungsaustritt aus der Anode,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung wie in Fig. 2, jedoch mit Strahlungsaustritt aus der Katode und entgegengesetzter Strömungsrichtung des Arbeitsgases,

Fig. 4 Spannungs-Zeit-Diagramme des Vorionisations-Pulsgenerators und des Hochspannungs-Pulsgenerators

Fig. 5 Verlaufsdiagramme von Entladespannung und EUV-Strahlung

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht - wie in Fig. 1 dargestellt - in ihrem Grundaufbau aus einem ersten Elektrodengehäuse 1 und einem zweiten Elektrodengehäuse 2, die gemeinsam eine Entladungskammer 3 bilden, wobei die beiden Elektrodengehäuse 1 und 2 durch eine Isolationsschicht 4 und einen rohrförmigen Isolator 22 im Innern des zweiten Elektrodengehäuses 2 durchschlagfest gegeneinander isoliert sind, einer Vorionisationseinheit 5, die koaxial innerhalb des ersten Elektrodengehäuses 1 angeordnet ist und mit dem Vorionisations-Impulsgenerator 6 in Verbindung steht, einem Hochspannungs impulsgenerator 7, an den die beiden Elektrodengehäuse 1 und 2 angeschlossen sind, einem Gaszufuhrsystem 8 zur definiert geregelten Zuführung des Arbeitsgases in die Entladungskammer 3 sowie einem Vakuumsystem 9.

Die beiden Elektrodengehäuse 1 bzw. 2 sind koaxial übereinander angeordnet und weisen innere Zylindermantelflächen 11 bzw. 21 auf, die die Entladungskammer 3 radial um die Symmetrieachse 31 begrenzen. Das erste Elektrodengehäuse 1 hat in Richtung des zweiten Elektrodengehäuses 2 einen verengten Ausgang 12 und besitzt eine ebene hintere Stirnfläche 13, an der die Vorionisationseinheit 5 koaxial in den Innenraum hineinragt.

Das zweite Elektrodengehäuse 2 ist an seiner Zylindermantelfläche 21 zur Entladungskammer 3 hin mit dem rohrförmigen Isolator 22 abgedeckt, der zusammen mit der Isolationsschicht 4, die flächig in lateraler Richtung zur Symmetrieachse 31 der Entladungskammer 3 angeordnet ist, die beiden Elektrodengehäuse 1 und 2 elektrisch voneinander trennt. Dadurch wird eine elektrische Entladung zwischen dem ersten Elektrodengehäuse 1 und den angrenzenden Teilen (einschließlich wesentlicher Teile der Zylindermantelfläche 21) des zweiten Elektrodengehäuses 2 verhindert und die Entladung kommt definiert im Innern des rohrförmigen Isolators 22 zwischen dem verengten Ausgang 12 der ersten Entladungskammer 1 und dem (nicht isolierten) Ende des zweiten Elektroden gehäuses 2 zustande.

Das erste Elektrodengehäuse 1 hat infolge seines verengten Ausgangs 12 eine relativ kleine Öffnung zum zweiten Elektrodengehäuse 2 hin. Dadurch entsteht im ersten Elektrodengehäuse 1 ein separater Raum, in dem die Vorionisation stattfindet. Die Vorionisationseinheit 5 beinhaltet einen zylindrischen Isolator aus hochisolierender Keramik (nachfolgend als Keramikzylinder 51 bezeichnet), der durch die hintere Stirnfläche 13 ins Innere des ersten Elektrodengehäuses 1 koaxial hineingeführt ist, sowie koaxiale scheibenförmige Flächenelektroden 52, die zum einen konzentrisch außerhalb des Keramikzylinders 51 und zum anderen auf dessen Endfläche im Innern des ersten Elektrodengehäuses 1 angeordnet sind. Die elektrische Verbindung der Flächenelektroden 52 mit dem Vorionisations-Impulsgenerator 6 erfolgt innerhalb des Keramikzylinders 51.

Die Entladungskammer 3 ist von einem Arbeitsgas durchströmt, das von einem geregelten Gaszufuhrsystem 8 über einen Gaseinlass 81 unter definiertem Druck eingelassen wird, wobei mittels des entgegengesetzt angeschlossenen Vakuumsystems 9 in der gesamten Entladungskammer 3 ein Unterdruck (im Bereich 1 bis 20 Pa) realisiert wird.

Schaltet der Vorionisations-Impulsgenerator 6 einen ausreichenden Spannungsimpuls auf die Flächenelektroden 52, so bildet sich entlang der Oberfläche des Keramikzylinders 51 eine Gleitentladung 61 aus, die neben Strahlung im Bereich von ultravioletter bis Röntgenstrahlung schnelle geladene Teilchen generiert, die zu einer fortschreitenden Ionisation des Arbeitsgases in der gesamten Entladungskammer führen. Im Anschluss daran wird die Hauptentladung mittels des Hochspannungs impulsgenerators 7 über das erste und das zweite Elektrodengehäuse 1 und 2 gezündet, was zwischen dem verengten Ausgang 12 des ersten Elektrodengehäuses 1 und der Stirnseite 23 des zweiten Elektrodengehäuses 2 zur Ausbildung von Gasentladungen und eines zylindrischen Plasmas führt. Der dabei fließende erhebliche Strom erzeugt ein so starkes tangentiales Magnetfeld, dass das Plasma auf die Symmetrieachse 31 der Entladungskammer 3 kontrahiert, so dass im zweiten Elektrodengehäuse 2 eine dichte und heiße Plasmasäule 71 entsteht, deren emittierte EUV-Strahlung 72 durch die in der Stirnfläche 23 des zweiten Elektrodengehäuses 2 befindliche Austrittsöffnung 32 der Entladungskammer 3 austritt, um von einem ersten sammelnden optischen System (nicht dargestellt) gebündelt zu werden.

In Fig. 2 ist die Vorionisationseinheit 5 dadurch vereinfacht worden, dass die eine der Flächenelektroden 52 mit der Stirnfläche 13 des ersten Elektrodengehäuses 1 zusammengelegt wurde. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Vorionisations einheit 5 dahingehend, dass nur noch eine (zentrale) Zuleitung für die am Ende des Keramikzylinders 51 verbleibende Flächenelektrode 52 erforderlich ist. Letztere kann dann ein metallisches Röhrchen 53 sein, das zugleich als Gaseinlass 81 zur Durchströmung der Entladungskammer 3 mit Arbeitsgas vorgesehen ist. Das metallische Röhrchen 53 ist somit mit dem Vorionisations-Impulsgenerator 6 verbunden, der andererseits mit dem ersten Elektrodengehäuse 1 in Verbindung steht. Das erste Elektrodengehäuse 1 hat in diesem Beispiel die Funktion der Katode und das zweite Elektrodengehäuse 2 stellt die Anode dar. Die Elektrodengehäuse 1 und 2 sind mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 7 verbunden, der elektrische Impulse mit Wiederholfrequenzen zwischen 1 Hz und 20 kHz liefern kann. Für photolithographische Zwecke in der Halbleiterindustrie sind Wiederholfrequenzen zwischen 4 und 8 kHz einzustellen, um ausreichende Belichtung pro Fläche und Zeit und geringe Intensitätsschwankungen zu erreichen.

Das Arbeitsgas wird im Beispiel gemäß Fig. 2 durch das metallische Röhrchen 53 der Vorionisationseinheit 5 eingeleitet. Der Druck des Arbeitsgases wird über ein Gaszufuhrsystem 8 konstant gehalten, was zu einem optimalen Gasfluss in der Entladungskammer 3 führt. Zwischen dem ersten Elektrodengehäuse 1 (hier zugleich Katode für die Hauptentladung) und der Flächenelektrode 52 wird ein Vorionisationsimpuls angelegt. Dazu ist die scheibenförmige Flächenelektrode 52 elektrisch mit dem Vorionisations-Impulsgenerator 6 über das Röhrchen 53 verbunden. Der Vorionisations-Impulsgenerator 6 erzeugt elektrische Impulse mit einer Anstiegszeit von typischerweise 10¹¹ V/s und Spannungen, die ausreichend sind, eine Oberflächenentladung (Gleitentladung 61) an der Außenfläche des Keramikzylinders 51 zu erzeugen. Diese Gleitentladung 61 erzeugt (bei der vorgegebenen Elektroden-Polarität) neben einer Strahlung vom Ultraviolett bis in den Röntgenbereich vor allem schnelle Elektronen, die eine ausreichende Ionisation des Arbeitsgases der gesamten Entladungskammer 3 hervorrufen. Der Hauptentladungsimpuls zündet dann eine Gasentladung zwischen dem Ausgang 12 des ersten Elektrodengehäuses 1 zur Stirnfläche 23 des zweiten Elektrodengehäuses 2. Das Plasma bildet sich dabei nahezu im gesamten Innenraum des rohrförmigen Isolators 22 aus. Der Spitzenstrom des Hochspannungsimpulsgenerators 7 beträgt bei einer Pulsdauer von 330 ns ca. 54 kA. Das zunächst zylindermantelförmige Plasma "implodiert" infolge der durch den Strom der Gasentladung induzierten magnetischen Kräfte auf die Symmetrieachse 31 der von den Elektrodengehäusen 1 und 2 gebildeten Entladungskammer 3 und bildet eine Plasmasäule 71 hoher Dichte (mit 1-50 mm Länge und 0,2-4 mm Durchmesser) direkt vor der Austrittsöffnung 22 des zweiten Elektrodengehäuses 2 (Anode). Der Hochspannungsimpulsgenerator 7 enthält einen Thyratron-Schaltkreis mit einer einfachen oder mehrfachen Kompressionsstufe, basierend auf magnetisch sättigbaren Kernen (wie z. B. in US 6,226,307 B1 offenbart). Ebenso kann aber auch ein Hochspannungsimpuls generator 7 zum Einsatz kommen, der ausschließlich Halbleiter-Bauelemente enthält. Die Hauptentladung erfolgt wenige Mikrosekunden (µs) später als die Oberflächen entladung der Vorionisationseinheit 5. Zur Verdeutlichung sind in den Fig. 4 und 5 die Signale der Vorionisationsspannung, der Kondensatorspannung, der Entladespannung sowie ein Photodiodensignal der EUV-Strahlung 72 dargestellt. Die gewählte Art der Vorionisation garantiert die homogene Auslösung der Entladung durch den Hauptentladungsimpuls. Der entscheidende Vorteil dieser Vorionisation ist, dass die Vorionisationseinheit 5 nicht direkt der Strahlung aus dem Plasma ausgesetzt ist und dadurch eine hohe Lebensdauer erreicht.

Der rohrförmige Isolator 22 an der inneren Zylindermantelfläche 21 des zweiten Elektrodengehäuses 2 besteht aus Si₃N₄, was sich als ein sehr haltbares Material herausgestellt hat mit einer Lebensdauer von 2 × 10⁶ Impulsen im kontinuierlichen Betrieb ohne Zerstörung. Anstelle von Si₃N₄ können auch verschiedene andere Isolatormaterialien wie Al₂O₃, AlN, AlZr, AlTi, SiC oder Saphir verwendet werden. Die Elektrodengehäuse 1 und 2 sind derart gefertigt, dass in je einem Kühlkanal 14 bzw. 24 ein kontinuierlicher Strom von Kühlmittel die Entladungskammer 3 umströmen kann. Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr sind in den Kühlkanälen 14 bzw. 24 des ersten und des zweiten Elektrodengehäuses 1 und 2 Rippen 15 bzw. 25 eingearbeitet. Das Kühlmittel kann dadurch auf einer vergrößerten Oberfläche Wärme aufnehmen und die Kühlleistung wird verbessert. Das Kühlmittel wird von Kühlmittelreservoiren 17 und 27 bereitgestellt und in die Elektrodengehäuse 1 und 2 jeweils über gegenüberliegende Anschlüsse 16 bzw. 26 zu- bzw. abgeleitet. Die Notwendigkeit dieser Konstruktion liegt darin, dass eine EUV-Quelle für industrielle Anwendungen mehrere Wochen fortlaufend betrieben werden muss. Ungekühlt würden die Elektroden aufgrund der fließenden Ströme und der auftreffenden Strahlung extrem hohe Temperaturen erreichen. In der Vorionisationseinheit 5 ist ebenfalls über Kanäle 54 eine Kühlung vorgesehen. Als Kühlmittel werden in beiden Fällen Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität verwendet, wie Öl (z. B. Galden) oder destilliertes bzw. deionisiertes Wasser.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch mit umgekehrter Polarität der Hochspannung betrieben werden. Dazu zeigt Fig. 3 eine entsprechende Darstellung, bei der die Elektrodenpolarität des ersten und des zweiten Elektrodengehäuses 1 bzw. 2 geändert ist. Gegenüber der im vorhergehenden Beispiel beschriebenen Vorionisationseinheit 5 wird bei gleichfalls umgepolter Vorionisationsspannung lediglich die Erzeugung schneller geladener Teilchen in der Weise geändert, dass anstelle von Elektronen nun Ionen bei der Gleitentladung 61 freigesetzt werden. Diese bewirken jedoch in gleicher Weise eine Vorionisation des Arbeitsgases in der Entladungskammer 3. Außer der geänderten Richtung des Entladungsstromes zwischen erstem und zweitem Elektrodengehäuse 1 und 2 bleiben jedoch die Erzeugung des Plasmas, die Entstehung der Plasmasäule 71 sowie die Abstrahlung der EUV-Strahlung 72 in der zu Fig. 2 beschriebenen Weise erhalten.

Wesentlich ist noch die modifizierte Gaszufuhr in der Gestaltungsform gemäß Fig. 3 zu vermerken, die in diesem Beispiel Gaseinlässe 82 in das zweite Elektrodengehäuse 2 aufweist. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass besonders das zweite Elektrodengehäuse 2 gleichmäßiger durchströmt und die Hauptentladung homogener gezündet wird. Dazu sind die Gaseinlässe 82 am zweiten Elektrodengehäuse gleichverteilt (oder auch paarig symmetrisch) angeordnet, die für eine gleichmäßige Gasströmung in der Entladungskammer 3 sorgen. Auf der anderen Seite der Entladungskammer 3 im ersten Elektrodengehäuse 1 ist in Analogie zum Aufbau der Vorionisationseinheit 5 gemäß Fig. 2 das vorhandene Röhrchen 53 für den Durchfluss des Arbeitsgases vorgesehen und in diesem Fall an das Vakuumsystem 9 angeschlossen. Der für die Entladungsvorgänge erforderliche Unterdruck in der Entladungskammer 3 sollte jedoch - wie in Fig. 2 angegeben - noch durch einen weiteren Anschluss eines Hauptvakuumsystems 91 nach der Austrittsöffnung 32 der Entladungskammer 3 unterstützt werden.

Es sind weitere Gestaltungsvarianten der Erfindung möglich, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen. Ausgegangen wurde in den vorherbeschriebenen Beispielen von einem Aspektverhältnis der Elektrodengehäuse 1 und 2 (Durchmesser zu Länge) von ungefähr 1 : 1, es sind aber durchaus deutlich abweichende Verhältnisse zulässig, solange die beschriebenen Entladungsprozesse (Vorionisation und Hauptentladung) in der beschriebenen Art und Weise ablaufen. Dabei sind auch die geometrischen Formen der Elektrodengehäuse 1 und 2 im Sinne ihrer axialen Zwei-Kammer- Trennung in weiten Grenzen abwandelbar, wobei sich zwar die Eigenschaften der EUV-Quelle verändern, jedoch das Prinzip der Erzeugung eines reproduzierbaren stabilen Plasmas mit räumlich getrennter Vorionisation nicht verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1

erstes Elektrodengehäuse

11

Zylindermantelfläche

12

verengter Ausgang

13

Stirnfläche

14

Kühlkanäle

15

Rippen

16

Anschlüsse

17

Kühlmittelreservoir

2

zweites Elektrodengehäuse

21

Zylindermantelfläche

22

rohrförmiger Isolator

23

Stirnfläche

24

Kühlkanäle

25

Rippen

26

Anschlüsse

27

Kühlmittelreservoir

3

Entladungskammer

31

Symmetrieachse

32

Austrittsöffnung

4

Isolatorschicht

5

Vorionisationseinheit

51

Keramikzylinder (zylindrischer Isolator)

52

Flächenelektroden

53

Röhrchen

54

Kanäle

6

Vorionisations-Impulsgenerator

61

Gleitentladung

7

Hochspannungsimpulsgenerator

71

Plasmasäule

72

EUV-Strahlung

8

geregeltes Gaszufuhrsystem

81

Gaseinlass (im ersten Elektrodengehäuse)

82

Gaseinlässe (im zweiten Elektrodengehäuse)

9

Vakuumsystem

91

Hauptvakuumsystem

Claims

1. Einrichtung zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung mit einer Entladungskammer, die von einem ersten Elektrodengehäuse und einem zweiten Elektrodengehäuse umgeben ist und von einem Arbeitsgas unter einem bestimmten Druck durchströmt wird, wobei die beiden Elektrodengehäuse koaxial zueinander angeordnet sind und zur Entladungskammer hin jeweils Zylindermantelflächen aufweisen und gegeneinander durch eine Isolatorschicht durchschlagfest getrennt sind, und einer Austrittsöffnung für die EUV-Strahlung, die axial im zweiten Elektrodengehäuse vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
im Innern des ersten Elektrodengehäuses (1) eine koaxial angeordnete Vorionisationseinheit (5) vorhanden ist, die zwei parallele, im Wesentlichen ebene Flächenelektroden (52) mit einem axialen Abstand zueinander aufweist, wobei die Flächenelektroden (52) im Wesentlichen kreisringförmig sind und zwischen diesen ein zylindrischer Isolator (51), in den mindestens eine elektrische Zuleitung eingebracht ist, angeordnet ist, so dass bei Anlegen einer hinreichend hohen Spannung an die Flächenelektroden (52) eine Gleitentladung (61) entlang der Mantelfläche des zylindrischen Isolators (51) erzeugt wird,
das erste Elektrodengehäuse (1) in Richtung des zweiten Elektrodengehäuses (2) einen verengten Ausgang (12) aufweist und
die Zylindermantelfläche (21) des zweiten Elektrodengehäuses (2) mindestens in unmittelbarer Nähe des verengten Ausgangs (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) mit einem rohrförmigen Isolator (22) bedeckt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eine der Flächenelektroden (52) der Vorionisationseinheit (5) eine Stirnfläche (13) des ersten Elektrodengehäuses (1) vorgesehen ist, wobei die Vorionisationseinheit (5) mit dem zylindrischen Isolator (51) in die Stirnfläche (13) des ersten Elektrodengehäuses (1) eingesetzt und die Zuleitung für die andere Flächenelektrode (52) im Innern des zylindrischen Isolators (51) geführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelektroden (52) der Vorionisationseinheit (5) mit einem Vorionisations- Impulsgenerator (6) verbunden sind, der Hochspannungsimpulse mit kleinen Anstiegszeiten generiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für die andere Flächenelektrode (52) der Vorionisationseinheit (5) ein metallisches Röhrchen (53) ist, das zugleich als Strömungsrohr für das Arbeitsgas vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen (53) gleichzeitig als Durchführung zur Anbringung eines Strahlungsdetektors zur Messung der von der Plasmasäule (71) rückwärtig abgestrahlten EUV-Strahlung (72) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen (53) der Vorionisationseinheit (5) als Gaseinlass (81) für das Arbeitsgas mit einem geregelten Gaszufuhrsystem (8) in Verbindung steht, wobei als Gasauslass ein der Austrittsöffnung (32) für die EUV-Strahlung (72) nachgeordnet angeschlossenes Vakuumsystem (9) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen (53) der Vorionisationseinheit (5) als Gasauslass für das Arbeitsgas an ein Vakuumsystem (9) angeschlossen ist, wobei zur Gaszufuhr Gaseinlässe (82), die mit einem geregelten Gaszufuhrsystem (8) in Verbindung stehen, im zweiten Elektrodengehäuse (2) vorhanden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlässe (82) in einer Ebene gleichverteilt um die Symmetrieachse (31) der Entladungskammer (3) angeordnet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlässe (82) gleichverteilt in der Zylindermantelfläche (21) des zweiten Elektrodengehäuses (2) angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlässe (82) gleichverteilt an einer die Austrittsöffnung (32) einfassenden Stirnfläche (23) des zweiten Elektrodengehäuses (2) angeordnet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlässe (82) radial in das zweite Elektrodengehäuse (2) eingeführt sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Edelgas eingesetzt wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas Xenon eingesetzt wird.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas Sauerstoff oder Stickstoff eingesetzt wird.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas Lithium-Dampf eingesetzt ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Gemisch eingesetzt wird, wobei das Zusatzgas Wasserstoff oder Deuterium ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Gemisch eingesetzt wird, wobei das Zusatzgas Helium oder Neon ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Isolator (51) der Vorionisationseinheit (5) aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), Blei- Borsilikat oder Blei-Zink-Borsilikat, besteht.

19. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Isolator (51) der Vorionisationseinheit (5) Kanäle (54) zur Durchströmung mit einem Kühlmedium aufweist.

20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Isolator (22) die innere Zylindermantelfläche (21) des zweiten Elektrodengehäuses (2) vollständig abdeckt.

21. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Isolator (22) bis in das erste Elektrodengehäuse (1) hinein verlängert ist, wobei der verengte Ausgang (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) ins Innere des rohrförmigen Isolators (22) hineinragt.

22. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Isolator (22) aus einer hochisolierenden Keramik, insbesondere Si₃N₄, Al₂O₃, AlZr, AlTi, BeO, SiC oder Saphir gefertigt ist.

23. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodengehäuse (1) als Katode und das zweite Elektrodengehäuse (2) als Anode an einen Hochspannungsimpulsgenerator (7) angeschlossen ist.

24. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Elektrodengehäuse (1) als Anode und das zweite Elektrodengehäuse (2) als Katode an einen Hochspannungsimpulsgenerator (7) angeschlossen ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsimpulsgenerator (7) einen Thyratron-Schaltkreis, verbunden mit einem ein- oder mehrstufigen Kompressionsmodul mit magnetisch sättigbaren Kernen, enthält.

26. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsimpulsgenerator (7) ausschließlich Halbleiter-Bauelemente enthält.

27. Einrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsimpulsgenerator (7) auf Wiederholfrequenzen im Bereich zwischen 1 Hz und 20 kHz und Spannungen einstellbar ist, die ausreichend sind, eine Gasentladung zu zünden und eine Plasmasäule (71) mit hoher Dichte und Temperatur zu komprimieren.

28. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengehäuse (1; 2) mindestens im Bereich ihrer Ausgänge (12, 32) aus Materialien mit hohen Anteilen von Wolfram, Tantal oder Molybdän bestehen.

29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengehäuse (1; 2) im Bereich ihrer Ausgänge (12, 32) aus Legierungen von Wolfram mit Kupfer, insbesondere 90%W und 10%Cu oder 80%W und 20%Cu (B3C), bestehen.

30. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengehäuse (1; 2) Hohlräume (14; 24) in der Gehäusewand aufweisen, die über gegenüberliegende Anschlüsse (16; 26) mit einem Kühlmittelreservoir (17; 27) in Verbindung stehen.

31. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlräumen (14; 24) Rippen (15) zur Vergrößerung der inneren Oberfläche für den Wärmeaustausch vorhanden sind.

32. Verfahren zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis einer Gasentladung, bei dem in einer von einem ersten Elektrodengehäuse und einem koaxialen zweiten Elektrodengehäuse umgebenen, im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammer, die von einem Arbeitsgas unter einem bestimmten Druck durchströmt wird, eine Hauptentladung durch Gleichspannungsimpulse ausgelöst wird, wobei die Hauptentladung mittels einer Vorionisation unterstützt wird, und eine entlang einer Symmetrieachse der Entladungskammer aus der Hauptentladung resultierende Plasmasäule durch eine Austrittsöffnung der Entladungskammer die EUV-Strahlung emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Hauptentladung eine Vorionisationsentladung zwischen zwei parallelen kreisringförmigen Flächenelektroden (52) mittels einer Oberflächenentladung entlang der Mantelfläche eines zylindrischen Isolators (51) gezündet wird, die neben einer Strahlungsemission im Wellenlängenbereich von ultravioletter bis Röntgenstrahlung schnelle geladene Teilchen erzeugt, die eine Ionisation des Arbeitsgases in der Entladungskammer bewirken,
die Vorionisationsentladung innerhalb eines ersten Elektrodengehäuses (1) abläuft und
die Hauptentladung zwischen einem verengten Ausgang (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) und einem der Austrittsöffnung (32) der Entladungskammer (3) nahen Teil eines zweiten Elektrodengehäuses (2) stattfindet, wobei sich in einem rohrförmigen Isolator (22), der wesentliche Teile des zweiten Elektrodengehäuses (2) gegenüber dem ersten Elektrodengehäuse (1) abschirmt, das Plasma herausbildet und infolge des strominduzierten Magnetfeldes zu einer dichten, heißen Plasmasäule (71) kontrahiert, die mit einem Säulenende in der Nähe der Austrittsöffnung (32) der Entladungskammer (3) liegt.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisationsentladung und die Hauptentladung zeitlich aufeinanderfolgend mit einer Wiederholfrequenz zwischen 1 Hz und 20 kHz synchronisiert ausgelöst werden.

34. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisationsentladung zwischen einer Flächenelektrode (52) und dem als Katode geschalteten ersten Elektrodengehäuse (1) ausgelöst wird und die Hauptentladung zwischen dem verengten Ausgang (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) und einem frei gelassenen Teil des mit dem rohrförmigen Isolator (22) abgedeckten, als Anode geschalteten zweiten Elektrodengehäuses (2) stattfindet.

35. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisationsentladung zwischen einer Flächenelektrode (52) und dem als Anode geschalteten ersten Elektrodengehäuse (1) ausgelöst wird und die Hauptentladung zwischen dem verengten Ausgang (12) des ersten Elektrodengehäuses (1) und einem frei gelassenen Teil des mit dem rohrförmigen Isolator (22) abgedeckten, als Katode geschalteten zweiten Elektrodengehäuses (2) stattfindet.