Patentanmeldung : "Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Extrem- Ultraviolettstrahlung und weicher Röntgenstrahlung aus einer Gasentladung" Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Extrem- Ultraviolett-und Röntgenstrahlung wobei das die Strahlung emittierende Medium ein Plasma ist. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Anwendungen, bei denen Röntgenlicht im Wellenlängenbereich um 10 nm erforderlich sind, wie es zum Beispiel bei der EUV- Projektionslithographie für den Spektralbereich um 13 nm der Fall ist, wo kompakte, preisgünstige und langlebige Röntgenlichtquellen erforderlich sind. Ein weiteres Anwen- dungsfeld sind Röntgenanalyseverfahren wie die Photoelektronenspektroskopie oder die Röntgenfluoreszenzanalyse, die den Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung nut- zen, und welche mit der Verfügbarkeit einer kompakten Quelle im Labormaßstab realisiert werden können. Ferner können Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung von Röntgenoptiken oder Röntgendetektoren eingesetzt werden.

Stand der Technik Der Einsatz eines Plasmas als Quelle für Röntgenlicht ist bekannt. Beispielsweise werden die Plasmafokusentladung, die Z-Pinch-Entladung, die Kapillarentladung oder der Gas-Puff

hierzu eingesetzt. So wird bei der Z-Pinch-Entladung zwischen zwei flächig ausgeführten Elektroden ein Plasma erzeugt, wobei über die Wahl der Spannungspulse zwei Betriebs- weisen zur Verfügung stehen. Zum einen ist ein Betrieb möglich, bei welcher die Gasent- ladung auf der Oberfläche des Isolators zündet. Dies führt zu einem erheblichen Ver- schleiß des Isolators. Zum anderen können die Strompulse auch so gewählt werden, daß die Gasentladung im ganzen zur Verfügung stehenden und durch den Isolator begrenzten Volumen zwischen Anode und Kathode zündet. Bei Beginn der Plasmazündung sind da- mit auch ein oder mehrere feine Plasmakanäle in der Nähe des Isolators und der Elektro- den anzutreffen, wodurch diese einen Abbrand erfahren. Durch das Eigenmagnetfeld des dann fließenden Stromes kommt es zum Zusammenschnüren der Plasmakanäle zu einem einzigen Plasmakanal (Pinch-Effekt) entlang der Symmetrieachse der Elektrodenanord- nung. Beim Erlöschen des Stromes breitet sich das Plasma wieder bis zum Isolator aus was ebenfalls mit einem Abbrand des Isolatormaterials verbunden ist. Ein weiterer Nachteil der Z-Pinch-Entladung ist ferner der Umstand, daß für die Bildung eines effektiv emittie- renden Plasmas der Selbstdurchbruchbetrieb ungeeignet ist. Üblicherweise wird der Z- Pinch nur im Einzelpulsbetrieb eingesetzt, und dementsprechend ist die Ausbeute an Röntgenlicht gering. Stand der Technik für die Repetitionsrate, d. h die Rate für den Auf- und Abbau des röntgenlichtemittierenden Plasmas, sind typischerweise maximal 20 Pulse pro Sekunde. Wird der Gas-Puff zur Erzeugung eines röntgenlichtemittierenden Plasmas eingesetzt, so wird über eine geeignet positionierte Öffnung in Isolator oder Elektroden schubweise Gas in den Zwischenraum zwischen Anode und Kathode eingelassen. Der Plasmaaufbau erfolgt dann mit dem eingelassenen Gas zwischen den Elektroden. Gas- Puff, Z-Pinch und auch die Plasmafokusentladung werden zudem bei hohen Entladeströ- men (> 100 kA) und im Bereich einiger Kilojoule für die elektrisch gespeicherte Energie betrieben. Sie sind daher für ein Plasma optimiert, welches Röntgenlicht im Spektralbe- reich einiger Nanometer (harte Röntgenstrahlung) emittiert.

Für langwelligere Strahlung im Bereich von ca. 10 nm bis ca. 50 nm werden Gasentla- dungen mit kleinen Strömen bzw. einer kleineren pro Puls umgesetzten Energie einge- setzt. Dabei kommt zum Beispiel die Kapillarentladung zum Einsatz, wobei sich die glei-

chen Nachteile hinsichtlich des Verschleißes wie oben beschrieb ergeben. Als eine Ausfüh- rungsvarianten sei hier eine Kapillarentladung genannt, bei der der Isolator zwingend für die Zündung des Plasmas gebraucht wird. Kennzeichnend bei diesem Entladungstyp ist das Verdampfen von Isolatormaterial welches nachfolgend in den Plasmazustand über- führt wird. Der Abbrand des Isolators ist damit ebenfalls hoch. Alle genannten Entladung- stypen werden dabei mit einem Arbeitspunkt auf dem rechten Ast der Paschenkurve be- trieben, wobei durch den Pinch-Effekt gleichzeitig das Plasma aufgeheizt wird um die erforderliche Temperatur für die Röntgenlichtemission zu erreichen.

Nach dem Stand der Technik ist der Einsatz von Pseudofunkenschaltern bekannt, der zum Beispiel in der Ausführungsvariante als Mehrkanalpseudofunkenschalter in der DE 39 42 307 A1 offenbart ist. Diese zeichnen sich u. a. dadurch aus, daß das Plasma nicht in Kontakt mit Isolator oder Elektrodenfläche gezündet wird, und daß daher deren Lebens- dauer hoch ist. Ebenfalls vorteilhaft ist deren hohe Repetitionsrate. Nachteilig bei diesen Schaltern ist jedoch, daß sie hinsichtlich der Gasart, des Gasdrucks und der Strompulse so betrieben werden, daß sich bei ihnen ein Plasma mit nur geringer Energiedichte ausbildet welches eine effektive Emission von EUV-oder Röntgenstrahlung ausschließt. Für die Emission von EUV-oder Röntgenstrahlung wäre daher eine Vorrichtung vorteilhaft, wel- che die Vorzüge von Z-Pinch-Entladung mit den Vorzügen des Pseudofunkenschalters kombiniert.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Erzeugung von Röntgenstrahlung und/oder extremer Ultraviolett- (EUV-) Strahlung aus einer Gasentladung bereitzustellen, bei welchen der Isolator keinem Verschleiß ausgesetzt ist, und bei welchen Repetitionsraten bis in den Kilohertzbereich möglich sind, und bei denen bei Wahl geeigneter Parameter für Elektrodengeometrie, Gasdruck und-art sowie für die Strompulse ein Plasma mit hinreichend hoher Energiedichte bzw. Temperatur er- zeugt wird, so daß es zu einer effektiven Emission von weicher Röntgenstrahlung kommt.

Die Lösung der vorrichtungsgemäßen Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gegebenen Merkmale gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen 2-13 an- gegeben sind. Die verfahrensmäßige Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens werden in den Ansprüchen 15- 25 angegeben.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die o. g. Nachteile für gasentladungserzeugte Rönt- genquellen vermieden werden können wenn über den Einsatz einer geeigneten Elektro- dengeometrie sichergestellt wird, daß sich nur fern vom Isolator Plasma befindet. Dies ist möglich, wenn dem System unter Ausnutzung einer geeignet gewählten Elektrodengeo- metrie, wie zum Beispiel einer Hohlkathode mit einer Hohlanode, eine vorgebbare Vor- zugsrichtung aufgeprägt wird. Diese Vorzugsrichtung stellt im Sinne des Hittorfschen Umwegeffekts sicher, daß sich die Gasentladung ausschließlich entlang dieser Vorzugs- richtung fern vom Isolator ausbildet. Eine Elektrodenkonfiguration, die diese Anforderun- gen erfüllt, ist zum Beispiel diejenige des Einkanalpseudofunkenschalters, welche in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei müssen die Elektroden so gestaltet sein, daß sich zwischen ihnen ein gasgefüllter Zwischenraum (7) befindet, jede Elektrode (1,2) eine fluchtende Öffnung (3,4) aufweist durch welche eine Symmetrieachse (5) definiert wird, und die Elektroden zylindersymmetrisch bzgl. obiger Symmetrieachse (5) sind. Die Symmetrieachse ist dann die oben genannte Vorzugsrichtung. Die Öffnungen der Elektroden haben dabei Durch- messer im Millimeterbereich. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Isolator (6), wel- cher den Zwischenraum zwischen Anode und Kathode vom Außenbereich mit höherem Gasdruck trennt. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Isolator als Stapelung von Isolatoren und Metallscheiben ausgeführt ist, da dadurch die Spannungsfestigkeit verbessert wird.

Der Elektrodenabstand liegt dabei im Millimeter-bis Zentimeterbereich. Der Gasdruck im Elektrodenzwischenraum liegt im Bereich von einigen Pascal bis einigen zehn Pascal. Der Arbeitspunkt wird dabei so gewähit, daß das Produkt aus Elektrodenabstand und Entla- dungsdruck auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt. Die Zündspannung steigt in die- sem Fall mit sinkendem Gasdruck bei fester Elektrodengeometrie. Allgemein hängt die

Zündspannung von der Elektrodengeometrie, der Zahl der Elektroden (mindestens 2), dem Durchmesser der Öffnungen in den mindestens zwei Elektroden, und dem gewähl- ten Arbeitsgasdruck ab. Nach Anlegen einer Spannung an die Elektroden, welche vorteil- hafterweise im Bereich von einigen Kilovolt bis einigen zehn Kilovolt liegt, wird ein elektri- sches Feld im Elektrodenzwischenraum aufgebaut, welches dort in guter Näherung paral- lel zur Symmetrieachse verläuft. Wenn die Elektroden als Hohlelektroden ausgestaltet sind, ragen die elektrischen Feldlinien im Bereich der Öffnungen auch in die Hohlelektro- den hinein, und ganz allgemein in die an die Zwischenraumbewandungen angrenzenden Raumbereiche.

Bei genügend hohen Spannungen kommt es durch die bei Gasentladungen allgemein bekannten Mechanismen der Vervielfachung von Ladungsträgern zu einer Gasentladung.

Die Zündung erfolgt dabei entweder im Selbstdurchbruchbetrieb über bereits vorhandene Ladungsträger die zum Beispiel über die kosmische Höhenstrahlung erzeugt werden kön- nen, oder aber bei getriggertem Betrieb durch Injektion von Ladungsträgern (Plasma oder Elektronen) in den an die Kathode angrenzenden Raumbereich. Durch die beschriebene Elektrodengeometrie kann sich die Gasentladung nicht auf dem kleinsten Weg zwischen den Elektroden ausbreiten, weil in diesem Fall die mittlere freie Weglänge der Ladungs- träger größer als der Elektrodenabstand ist. Die Gasentladung sucht sich dann einen län- geren Weg, da nur bei ausreichender Entladungsstrecke genügend viele ionisierende Stö- ße zur Aufrechterhaltung der Entladung möglich sind. Dieser längere Weg ist vorliegend durch die Öffnungen vorgebbar, über welche die Symmetrieachse definiert ist. Dies hat zur Folge, daß sich nur ein einziger Plasmakanal ausbildet, der die oben definierte Symme- trieachse (5) besitzt und dessen seitliche Ausdehnung durch die Öffnungen bestimmt wird. Sind die Öffnungen zum Beispiel konzentrisch geformte Bohrlöcher, so bildet sich das Plasma innerhalb des durch die Bohrlochbegrenzungen definierten Zylindervolumens aus. Dies wird auch durch Computersimulationen theoretisch vorhergesagt (J. B. Bouef, L. C. Pitchford, Pseudospark discharge via computer simulation, IEEE Trans. Plas. Sc., Vol.

19 (2), 1991). Bei einer Gasentladung der dargestellten Geometrie auf dem linken Ast der Paschenkurve erfolgt der Aufbau des Plasmakanals nicht wie bei einer Streamerentladung

über eine einzige kurzzeitige Elektronenlawine, sondern mehrstufig über Sekundärionisa- tionsprozesse. Dadurch ist die Plasmaverteilung bereits in der Startphase in hohem Maße zylindersymmetrisch, ohne daß hierfür beispielsweise eine Isolatorwand erforderlich wäre.

Dies hat zur Folge, daß auf zusätzliche Vorrichtungen zum Zünden des Plasmas bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verzichtet werden kann, da die Gasentladung im Selbst- durchbruch erfolgen kann. Mit einer zusätzlichen Zündvorrichtung kann aber erreicht werden, daß die Röntgenpulse zeitlich präzise ausgelöst werden, falls die Anwendung dies erfordert.

Bei Vorhandensein eines Plasmas kommt es zum Fließen eines gepulsten Stromes, wobei der Strom von einer geeigneten Stromquelle zur Verfügung gestellt werden muß. Durch eine geeignete Wahl von Amplitude und Periodendauer der Strompulse kann die für die Röntgenlichtemission geeignete Temperatur des Plasmas eingestellt werden, welche typi- scherweise im fünfstelligen Kelvinbereich liegt. Das Gas oder Gasgemisch ist so zu wäh- len, daß es im Plasmazustand charakteristische Strahlung im weichen Röntgenwellenlän- genbereich emittiert, was bei Gasen insbesondere für Kernladungszahlen Z 2 3 der Fall ist.

Die verwendeten Strompulse weisen vorteilhafterweise Amplituden mit zweistelliger Kilo- amperezahl und Periodendauern im zwei-bis dreistelligem Nanosekundenbereich auf.

Insbesondere bei diesen Parametern für die Strompulse wird das Plasma im Elektroden- zwischenraum entlang der Symmetrieachse hinreichend komprimiert und dadurch aufge- heizt, daß es für die erforderliche Temperatur für die Röntgenlichtemission erreicht.

Das Zurverfügungstellen der Strompulse erfolgt dabei durch eine Integration der Elektro- denkonfiguration in einen elektrischen Entladekreis, welcher vorteilhafterweise eine Kon- densatorbank mit kapazitiv gespeicherter Energie aufweist. Dabei kann das Elektrodensy- stem entweder direkt mit der Kondensatorbank verbunden sein oder sich ein Schaltele- ment zwischen Elektrodensystem und Kondensatorbank befinden. Die direkte elektrische Verbindung eignet sich zum Beispiel beim Gasentladungsbetrieb im Selbstdurchbruch bei dem bei Erreichen der Zündfeldstärke die Gasentladung selbstätig zündet. Der Einsatz eines Schaltelements zwischen Elektrodensystem und Kondensatorbank erlaubt es, eine

Spannung an das Elektrodensystem anzulegen welche größer als die erforderliche Zünd- spannung ist. Da die Zündspannung bei gewählen Arbeitspunkt auf dem linken Ast der Paschenkurve mit sinkendem Gasdruck steigt, bedeutet dies, daß man dann bei höheren Gasdrücken arbeiten kann. Dies führt wunschgemäß zu einer höheren Intensität der emit- tierten Strahlung, da die Intensität quadratisch mit dem Gasdruck skaliert. Auch können Repetitionsraten bis in den Kilohertzbereich erreicht werden, was für viele Anwendungen einen Vorteil gegenüber dem Einzelschußbetrieb bedeutet.

Werden die für den Betrieb der Röntgenquelle erforderlichen Strompulse von einer Kon- densatorbank zur Verfügung gestellt, so bildet diese zusammen mit dem Elektrodensy- stem einen gedämpften elektrischen Schwingkreis, dessen Schwingungsverhalten durch seine Kenngrößen Kapazität, Induktivität und ohmscher Widerstand bestimmt ist. Die oben angegebenen Werte für die Stromamplituden beziehen sich in einem solchen Fall auf die erste Halbwelle des in seiner Stärke oszillierenden und gleichzeitig abnehmenden Stromes.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens sollen die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Fig. 2 zeigt eine Elektrodengeometrie mit der wie beschrieben ohne Isolatorverschleiß Röntgenlicht aus einer Gasentladung heraus generiert werden kann. Der Abstand der rund ausgeführten Öffnungen (3,4) beträgt 6 mm bei einem Durchmesser von 5 mm.

Vom Gaseinlaß (9) her strömt stationär Sauerstoff Richtung Pumpe (10). Es wurde festge- stellt, daß bei dieser zylindersymmetrischen Anordnung trotz des prinzipiell vorhandenen Druckgradienten die Druckunterschiede im Bereich der Öffnungen (3,4) vernachlässigbar ist, und die Zündung des Plasmas nur in dem Volumen erfolgt, welches durch die Öffnun- gen von Anode und Kathode vorgegeben ist. Der stationäre Gasfluß sichert im vorliegen- den Fall einen weitgend räumlich homogenen Gasdruck. Es kann jedoch auch mit einem größeren Druckgradienten gearbeitet werden so daß zwischen Gaseinlaß (9) und Pumpe (10) ein Druckgefälle herrscht. Das Druckmeßgerät integriert Meßwerte über einen Zeit-

raum von 5 Sekunden und liefert einen Wert von 10 Pa. Der Arbeitspunkt ist dabei so gewählt, daß das Produkt aus Elektrodenabstand und Entladungsdruck auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt. Das aufwendig gestaltete Elektrodensystem ist wie in der Zeichnung zu erkennen direkt mit einem Plattenkondensator verbunden. Der Plasmakanal~ bildet sich bei diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich im durch und zwischen den Off- nungen (3,4) definierten Kanal entlang der Symmetrieachse (5) aus. In anderen Raumbe- reichen zwischen Anode (2) und Kathode (1), zum Beispiel im Bereich (8), kann sich kein Plasmakanal ausbilden, da dort der für eine Zündung der Gasentladung erforderliche lan- ge Weg nicht vorliegt. Dies hat zur Folge, daß der Isolator (6) keinen Abbrand erfährt. Bei einer Ladespannung von 6 kV zwischen Anode (2) und Kathode (1) betrug die Stro- mamplitude der ersten Halbwelle im hier praktizierten Selbstdurchbruchbetrieb ca. 15 kA bei einer Schwingungsdauer von 730 ns. Die emittierte Strahlung wird von einem Detek- tor (11) nachgewiesen.

Fig. 3 zeigt ein mit einem Gitterspektrographen aufgenommenes Röntgenspektrum bei einer verwendeten Ladespannung von 6 kV. Bei diesem ist die detektierte Intensität I in <BR> <BR> <BR> <BR> willkürlichen Einheiten gegenüber der Wellenlänge X in Nanometern abgetragen. Es tre- ten charakteristische Übergänge von Sauerstoffionen auf, die im Plasmazustand nur noch 3 bis 4 Elektronen besitzen. Dies läßt auf eine Plasmatemperatur von ca. 20 bis 40 eV schließen.