专利名称：放电灯光源装置和方法
技术领域：
本发明涉及毛细管放电，用作为超紫外光刻(EUVL)和其他技术(例如EUV显微术、干涉仪、检验、计量学等)中的成像光源。本发明描述了在10-14纳米波长区域内辐射强光的光源特性。这些光源的操作可以由下列因素确定(1〕产生优化发射通量的毛细管内的气体或蒸汽压；(2〕在此有足够的辐射通量但超过此即开始有明显有害碎屑和内孔侵蚀的放电电流范围；(3〕所希毛细管的内孔尺寸和长度所需的范围、在上述条件下毛细管放电的有效辐射的某些特定气体介质；以及(4〕两种容纳放电系统的特定构造。本发明是1997年3月11日提交的美国专利申请No.08/815,283的后续申请。本发明进一步与1996年3月12日授予William T.Silfvast的美国专利5,499,282有关，该专利作为参考文献包含在这里。
背景技术：
适于商用的软X射线(或EUV〕光刻设备需要强的软X射线/EUV光源，它可以在电磁波谱EUV部分大约11-14纳米特定的波长区域内进行发射。该区域由存在高反射率多层涂层的波长范围决定。多层涂层可以用来制造能集成在EUVL分步重量机内的镜面。特别是，这些涂层是在11.2-12.4纳米之间提供高反射率的Mo:Be多层反射涂层(由交替的钼和铍超薄层组成)或是在12.4-14纳米之间提供高反射率的Mo:Si多层反射涂层(由交替的钼和硅超薄层组成)。由此任何在11-14纳米波长范围内发光的强EUV光源均可以应用于光刻。已提出的两种EUV光源是产生同步辐射的同步加速器和软X射线的发射激光产生等离子体(LPP)。同步加速器光源存在下列缺点同步加速器和同步加速器支持设施耗资达100百万美元或以上；它们占据大约1,000,000立方英尺的空间。这样的体积不适于典型的微型光刻生产线。具有微型光刻系统所需波长和通量的激光产生等离子体要求大功率激光聚焦在目标材料上从而可以产生足够的等离子体密度以有效吸收入射的激光辐射。激光产生等离子体具有下列缺点如果采用固体目标材料，则聚焦的激光束与目标的相互作用产生大量的碎屑，它们以原子、离子和粒子的形式从激光聚焦区射出。这种射出物可能累积起来从而损坏收集来自等离子体发射的光所用的光学系统。在LPP光源中采用易挥发的目标材料成功地克服了碎屑问题。只不过易挥发的目标材料在室温真空下是不稳定蒸发的材料，其例子诸如氧、氙一类液化或固化的气体，并且也可以是诸如水之类的液体。对于这些材料，任何在激光脉冲下不会直接蒸发的块状物质都将蒸发掉并随后被泵抽走。这样在光学系统上不会聚集或凝结过多的目标材料。
虽然为EUVL研发了利用氧气和氙气作为辐射种类的这样一种激光产生等离子体光源。但是仍然存在对现实情况尚未提出明显改进的两个缺点。首先，这种光源的总电学效率只有0.005-0.025％量级。这源于考虑到量级为1-5％的激光效率的多重复合和0.5％左右激光至有用EUV辐射(在多层涂层反射镜面的反射率带宽内〕的转变效率。其次，需在1kHz以上重复速率下工作的激光器将至少需要几百万美元。
为了克服同步加速器光源和LPP光源特有的难题，我们发明了一种可以容纳在EUV光刻机器中的小型电致强毛细管放电等离子体光源。与同步加速器和LPP相比，这种光源的效率明显提高，体积小并且成本低(对于制造和运行而言都是如此〕。我们设想的其中一个光源(连同必要的支持设备〕占据不到10立方英尺的空间并且成本不超过100,000美元。在1996年3月12日授予WilliamT.Silfvast的美国专利5,499,282中首次描述了所提出的这样一种毛细管放电灯光源的实施例。该特别提出的光源工作在电激发的锂蒸汽内，等离子体电子温度为10-20eV而电子密度为1016-1021cm-3，对于在13.5纳米下优化操作锂蒸汽的放电灯，需要这样的特定范围。同一专利还提出了在铍、硼和碳等离子体下波长为7.6、4.86和3.38纳米的软X射线灯。但是这些波长不属于EUV光刻所需的波长范围。虽然该专利描述了这些灯的一般特征，但是未给出使内孔侵蚀和锂灯碎屑发射最小的具体放电灯电流工作范围，或者操作这种灯的合适的内孔尺寸范围。该专利未提及利用其他材料，例如可以成功地在上述专利所示结构中工作的原子或分子气体；因此自然也未提及这些适合于EUV光刻的气体的较佳工作压力范围。
发明内容
虽然先前已经用多种不同的气体用作光源和激光增益介质来制造气体等离子体放电灯光源，但是没有为商用EUV光刻机在合适的EUV波长下的工作提供足够的通量。因此以前未明确和描述在EUV光刻系统和/或相关应用中获得所要求通量需要的等离子体放电电流和气体压力。同样以前也未明确过EUV光刻所需的毛细管放电内孔尺寸范围以及与气体和金属蒸汽一起供用的某些特定的毛细管放电结构。本发明具体指出了在毛细管碎屑发射最小的情况下气体压力的范围、放电电流和/或电流密度的范围以及在这些条件下采用的具体气体。还描述了两种具体的放电结构，其中一种特别为气体或蒸汽设计并且无需真空窗口。我们将其称为“差分泵毛细管放电”。另一种专门为金属蒸汽或液体蒸汽设计，我们将其称为“热管毛细管放电”。它包含位于放电毛细管以外的灯芯(与1996年3月12日授予William T.Silfvast的美国专利5,499,282不同，在那里灯芯位于毛细管内部)。
为了定义毛细管放电，我们在绝缘材料的开口通道内操作电流，其中开口通道填充使毛细管内导电的气体或蒸汽。通道或毛细管一般为圆柱形，直径范围在0.5mm-3mm并且长度在0.5mm-10mm不等。毛细管端部附着在导电材料上以用作毛细管内电流与外部电路电流之间的电学接口。毛细管填充离子化的气体介质从而为毛细管内放电电流提供低的电阻。放电电流激发毛细管内的气体或蒸汽，后者于是提供11纳米-14纳米之间光谱区域内所需的辐射。这样，毛细管内被放电电流离子化的气体或蒸汽相当于导电介质和EUV辐射器两者。
下列目标涉及工作在11-14纳米波长范围内的毛细管放电光源，在该波长区域内提供了特定应用所需的通量。目标涉及碎屑形成、材料的考虑、放电几何结构和应用。
本发明的第一个目标是限定所需的毛细管内孔直径和毛细管放电光源的长度范围。这些尺寸由观察到的强EUV发射的实验证据加以确定。
本发明的第二个目标是限定包含气体或液体蒸汽或金属蒸汽的毛细管放电光源工作的电流和电流密度从而至少在这些光学装置规定的工作寿命期内不产生损害光学装置的碎屑。
本发明的第三个目标是描述一种预处理毛细管内孔区域从而使毛细管在后续正常工作期间经受得住侵蚀或其他变化的方法。
本发明的第四个目标是限定毛细管放电光源的毛细管内气体或金属蒸汽或液体蒸汽或其他原子或分子种类所需的工作压力范围。
本发明的第五个目标是描述“差分泵的毛细管几何”。该几何结构无需EUV透射窗口，该窗口将在冷凝系统内的真空与光源等离子体发射所需的气体之间提供屏障。
本发明的第六个目标是描述“热管毛细管放电”，它在热管结构内部包含灯芯，从而使灯芯只放在位于毛细管放电区域的外部。
本发明的第七个目标是描述可以用于“差分泵的毛细管放电”和/或“热管毛细管放电”的各种材料。
本发明的第八个目标是提供用于下列应用的毛细管放电光源显微镜、干涉仪、计量学、生物学成象、病理学、定位、微型光刻的耐曝光试验以及超紫外线光刻(EUVL)。
在11纳米-14纳米波长区域内操作毛细管放电光源的较佳方法包括在内孔尺寸为1毫米左右并且至少有一种辐射气体的毛细管光源内形成放电，放电电流约为2000-10000安培之间，而从放电光源辐射的选择波长区域则约在11-14纳米之间。
气体可以包括一种辐射气体，例如氙气或者包含分子以提供作为辐射气体的氧气，每种气体的压力约在0.1-20乇之间。
气体可以包括诸如锂之类的金属气体以在选定的波长区域内发出辐射并且具有大约在0.1-20乇之间的压力。
除了辐射气体，可以采用缓冲气体，其中毛细管的总压力可以约在0.1-50乇之间。使用的多种气体可以包括约在11-14纳米选定波长区域内发出辐射的锂和作为缓冲气体的氦。
在11纳米-14纳米波长区域内操作毛细管放电光源的另一种较佳方法包括沿内孔尺寸为0.5-3毫米左右并且长度约为1-10毫米的毛细管光源形成放电和至少一种辐射气体，放电电流密度约为250,000-1,300,000安培/cm2之间，并从放电光源发出的辐射在11-14纳米之间的选定波长区域内。
构造工作在紫外线波长区域内的毛细管放电灯光源的方法包括从电绝缘材料构造毛细管，在毛细管内引入至少一种气体种类，其中毛细管用来产生紫外线放电。可以将诸如钼、可伐合金和不锈钢之类的金属导体用作位于毛细管相对侧上的电极。可以采用非导电和绝缘材料，例如石英、蓝宝石、氮化铝、碳化硅和氧化铝。而且毛细管可以有导电与非导电材料交替分段的内孔。
工作在紫外线波长区域的放电灯光源的另一较佳实施例可包括毛细管、位于毛细管一侧的第一电极、位于毛细管上与第一侧相对的第二侧上的第二电极、具有支承第二电极的第一端和第二端的管道、与管道第二端相连的放电端口、经由放电端口穿过管道到靠近但是不在毛细管内部的管道部分的灯芯(毛细管具有以锂湿润的网格作为热管操作用)和作为产生紫外线波长信号的放电光源的装置用于操作毛细管。
当内孔与工作在紫外线区域的光学元件一起使用时，在操作光源之前，为了防止损害光学元件或使接收辐射的光学单元的镜面沾污，揭示了毛细管放电内孔光源的预处理技术。预处理技术包括预调节工作在紫外线区域的毛细管放电光源内孔表面壁的步骤和继续预调节直至达到选定的脉冲值。
预处理技术可以采用热源，例如准分子激光器、Nd:Yag激光器和铜蒸汽0激光器。激光器可以聚焦在内孔内部并且工作在聚焦强度约为107-1011瓦特/cm2的范围内。
另一种预处理技术具有小于20Torr-ms的选定值，其中借助约1-20乇压力范围的第二气体启动毛细管内的放电电流脉冲，而预操作脉冲则为3000个脉冲左右。
通过以下附图对本发明的详细描述可以进一步理解本发明的目标和优点。
附图简述
图1示出了氙气在各种放电电流下，在6毫米长1毫米内孔的毛细管放电管中产生11-14纳米光谱区域的光谱。如图所示，在低于3500安培或450000安培/cm2的放电电流下，13.5和11.4纳米处(两个特别有用的波长〕的发射数值明显低于较高电流峰值测量的发射数值。为了使其他气体或金属蒸汽种类比氙气的辐射效率更高，我们由此定义的最小电流是在2000安培下1毫米内孔毛细管内产生明显发射的最小放电电流或者递推到250000安培/cm2下其他毛细管内孔的最小放电电流密度。
图2A示出了在6毫米长1毫米内孔尺寸的毛细管放电管内产生的11-14纳米光谱区域内的氧光谱。
图2B示出了当在图3A所示恒压毛细管放电结构内工作时在6000安培放电电流和各种气体压力下13纳米处氧的发射强度。它表明随着压力上升高到10乇时，13.5和11.4纳米处的发射持续增大。
图3A示出了用于气体的新发明的均匀放电毛细管结构。
图3B示出了用于气体的差分泵的毛细管结构。
图4示出了当工作在图4B差分泵毛细管结构内时，氙气在各种气体压力和6000安培的放电电流下，在6毫米长1毫米内孔中毛细管放电管时产生的11-14纳米光谱区域的光谱，它表明毛细管高压端处的最佳压力在0.5-1乇之间，并且表明在压力为0.15乇时发射降低至无用的水平。该信息表明0.1-20乇的压力是适合于毛细管放电的操作范围。上限根据高压下产生等离子体(一般形成等离子体弧，明显阻止合适等离子体的形成〕的知识确定。
图5示出了新发明的毛细管放电构造，用于在11-14纳米的EUVL光谱区域内、在金属蒸汽下产生供EUVL及相关应用的强发射，它由在毛细管一端操作的热管组成，其中热管灯芯只在毛细管放电区域的外部区域。在利用这种构造中而不是灯芯位于毛细管内的构造(如专利5,499,282所述)时，设计得到了明显的改进放电电流只有通过离子化和电激发毛细管内的金属蒸汽才可能流经毛细管。相反，利用先前的设计，灯芯本身可能使毛细管内电流导电而不是通过放电中孔内的蒸汽。但是即使灯芯不位于毛细管内部，它仍可用来在毛细管放电光源的工作寿命内连续补充毛细管放电区域内的金属蒸汽压力。
图6示出了当1毫米内孔6毫米长毛细管内碎屑产生的相对量随放电电流增加的曲线。该曲线表明在这种情况下，对于氮化铝毛细管材料，电流应该保持在5500安培以下。这表示637000安培/cm2的放电电流密度。可以是其他可能的内孔材料，它们具有较强的耐侵蚀性，所以我们对电流密度设定的上限为1300000安培/cm2(以允许用于其它的毛细管内孔尺寸〕。
图7示出了当毛细管内放电电流脉冲数启动时毛细管端部以外大约10厘米距离处毛细管轴上产生的脉冲随毛细管内放电电流脉冲数增加而减少的曲线图。必须使这种脉冲尽可能少以防止损害窗口或其他光学元件。通过将内孔经受一定次数的预操作脉冲(对于图8所示的条件是3000次〕或者用激光或其他热处理装置对毛细管内孔表面进行热处理以便在操作期间不具有破坏性的压力脉冲，后者将有可能损坏窗口或其他位于毛细管区域外但是不在发射路径上的有用元件图8示出了新的毛细管内孔发明的激光热处理示意图。
实施发明的较佳方式在详细解释本发明的较佳实施例之前，应该理解的是本发明并不局限于其对所示特定布局细节的应用，因本发明能够是其它的实施例。同样这里所用的术语仅仅用于阐述目的而非限止。
用于超紫外线光刻(EUVL〕和其他应用(例如耐曝光工具、显微镜、干涉仪、计量学、生物学和病理学〕的脉冲毛细管放电灯的工作条件可以在这些工作条件下使用的脉冲毛细管放电灯光源可以是授权给Silfvast的美国专利5,499,282和授权给Silfvast等人的美国专利申请No.08/815,283中描述的那些，它们已经作为附属发明，被转让给本发明的同一受让人并且作为参考文献包含在本文中。
为阐述起见，毛细管内激发的气体种类可以是下列中的任意一种1．纯的100％的原子或分子气体浓度，也可以包括被蒸发的原子和/或分子材料，处在其或者中性或离子状态相当于辐射种类起作用；2．中性形成或离子形式的原子或分子气体或蒸汽同第二原子或分子气体的缓冲气体混合物，其中第一气体或蒸汽相当于辐射种类而第二气体相当于缓冲种类。缓冲气体与放电相互作用，从而促进有效的操作，这可能包括但不局限于任何下列过程合适等离子体条件的产生(例如温度和密度〕、冷却电子和/或系统的机制以及在蒸汽发射器情形下防止蒸汽扩散到整个系统从而使灯或在热管模式下工作或作为纯金属的蒸汽小室。
用于本发明的金属蒸汽辐射器的实例是锂金属蒸汽，工作在以下一个或两个波长下11.4纳米和13.5纳米。
用于本发明的缓冲金属蒸汽灯的实例是图5所示的锂金属蒸汽热管，由氦或其他气体加以缓冲，并且工作在以下一个或两个波长下11.4纳米和13.5纳米。
用于发明的利用纯原子或分子气体的放电光源的实例是氧气灯，它包含100％浓度的氧气，工作在如图2A和2B所示的5倍离子化氧中以下的一个或多个波长之下17.3纳米、15.0纳米、13.0纳米和11.6纳米。
用于本发明灯中缓冲气体混合物的实例是第一原子或分子气体结合第二原子或分子气体，该灯由作为辐射种类的氧气构成(工作在以下的一条或多条氧线之下17.3纳米、15.0纳米、13.0纳米和11.6纳米〕，并由诸如惰性气体之一的任何第二气体(氦气、氙气、氩气、氪气和氖气〕加以缓冲。
发明人观察到在17.3纳米、15.0纳米、13.0纳米和11.6纳米处有强烈的氧发射，其中在13.0纳米处氧的单位波长峰值强度大于锡激光产生等离子体的单位波长峰值强度。观察到的17.3纳米处的峰值发射比13.0纳米高3倍。在1毫米内孔毛细管放电中得到的如图2A和2B(对于氧气〕和图1和4(对于氙气〕所示的实验证据，表明在数十个毫乇至高达20乇的分压下激发的气体辐射器可以在EUV处发射强光。以下将描述工作电流和压力的范围。
(1〕工作的电流范围利用任何辐射种类的1毫米毛细管的灯将工作在下列电流范围内，从而使最小电流代表选定的应用获得所需通量的最小电流，而最大电流由内孔侵蚀明显开始出现的电流确定。对于氮化铝毛细管，这一电流无论如何约在2000-5500安培之间；对于碳化硅，则约在2000-10000安培之间。可以采用较大或较小的毛细管内孔尺寸与上述电流密度一致；对于氮化铝毛细管每平方厘米大约为250000-700000安培；对于碳化硅毛细管每平方厘米大约为250000-1300000安培。其他陶瓷毛细管材料可以工作在最小电流密度约为250000安培/cm2到由开始明显出现侵蚀(由碎屑试验表明在约108到109次脉冲之后灯的发射减小或者窗口损坏〕的电流密度所确定的最大电流密度之间。
(2〕工作压力范围对于毛细管放电灯，辐射种类无论如何，可在以下压力范围下存在分压约从0.025-大约20乇之间，而总压力(辐射器加上缓冲分压〕不超过大约50乇。
减轻工作在超紫外线(EUV〕下毛细管放电功耗灯中毛细管内孔侵蚀、压力脉冲生成和碎屑形成的技术和过程可同这些技术和过程一起使用的毛细管放电灯光源可以是授权给Silfvast的美国专利5,499,282和授权给Silfvast等人的美国专利申请No.08/815,283中所描述的那些，后二者均作为本发明转让给同一受让人并且作为参考文献包含在本文中。
(A〕工作范围如果工作电流和电流密度保持在某个极限，则陶瓷毛细管内孔中的侵蚀明显减少，并将借助图6加以描述。1毫米毛细管放电内的工作电流如下对于氮化铝毛细管，峰值电流约在2000安培与5500安培之间，而对于碳化硅毛细管，峰值电流约在2000-10000安培之间。在任意尺寸毛细管内放电的电流密度范围如下对于氮化铝毛细管，峰值电流密度约在250000安培/平方厘米与700000安培/平方厘米之间，而对于碳化硅毛细管，峰值电流密度则约在250,000-1,300,000安培/平方厘米之间。
(B〕绝缘体的预处理在毛细管寿命内来自陶瓷毛细管内孔放电的材料散发不是恒定的，并且如果在将毛细管放入成品灯装置之前通过暴露在一定次数的放电电流脉冲下进行适应可以大大减少散发，并将借助图7加以描述。从这些附图和分析可见，为了减少放电材料散发，需要借助通以上述工作范围内的放电电流脉冲来预处理毛细管内孔。正如以下所述，采用段(1〕中对所有放电共有特征的条件，需要大约1-10000次之间的放电脉冲(例如3000次脉冲〕，而超过大约10000次的脉冲与减少散发的过程不相关。
通过放电或其他热处理的预处理影响陶瓷内孔的结构形貌。毛细管内孔壁形貌的变化是导致减少材料散发的极重要因素，并且除放电以外的手段也可以带来有益的变化。这些其他手段可以包括但是不局限于图8所示的激光钻孔和激光热处理。
(1〕在此内孔侵蚀研究中对所有放电都共有的特征总电容为0.18mF(微法〕的电容组被充电至一定的电压并且在1毫米标称直径和6.35毫米长毛细管的陶瓷氮化铝(AIN〕或碳化硅(SiC〕中放电。在5kV放电电压下，总储存能量为2.25焦耳。所以毛细管上每次冲击1-2焦耳是典型的。重复速率可变，至现有最大为60Hz。电流-时间曲线类似阻尼的正弦曲线，其第一半个周期的全宽为460纳米。第二半个周期峰值是第一半个周期峰值的大约0.5倍。所有放电处理脉冲都在充以10乇氩气下进行。
(2〕内孔侵蚀数据从新鲜的毛细管开始，我们以给定的峰值电流冲击1000次。我们在每组冲击前后用显微镜分析毛细管内孔。显微分析测量了毛细管面上和稍微离开面上的内孔内(估计0.25毫米左右〕的平均内孔直径，这相对于毛细管的高压面一侧和接地面一侧两者。因此在每个峰值电流下进行4次直径测量，假定整个毛细管长度上是均匀的损耗(这并不总是正确的〕，则它们表示为被侵蚀的质量。在有些情况下，内孔开始在一端闭合；这表示为负的被侵蚀质量。
参见图6的曲线，50毫克的侵蚀量对应33％的直径增大或者76％的内孔截面积的增大。在5kA以下，氮化铝毛细管的侵蚀非常小。增大放电进行次数表明在4kA下100000次冲击之后内孔侵蚀在0-6％水平上。碳化硅毛细管直到10kA峰值电流(1.27MA/cm2)都不侵蚀。
图6表明即使在7500A的高峰值电流下SiC毛细管的稳定性。在10,000次冲击下的这些数据中有迹象表明在，接地一侧的内孔孔径有某些十分少量的填充。
(3〕压力脉冲数据从新鲜的毛细管开始，我们通过测量向可移动检测器发送的机械脉冲来测量放电产生的压力脉冲(时间积分的过压力〕。虽然我们没有来自这些测量的压力波时间形态的数据，但是一般假定其范围粗略地为电流的，也即1/2微秒左右。来自AIN毛细管的数据(图7〕表明，在开头在前几千次放电期间脉冲几乎降低了2个数量级。我们将其称为“插入(break-in〕”或“适应”曲线。系统表明，这由毛细管内孔的内壁上更易挥发成分的蒸发引起。用显微镜检查见到了形貌的变化。
Sandia国家实验室提供的超薄窗口(置于离开放电大约10厘米处〕的早期结果表明，在3.5kA放电压力脉冲下是可用的但当电流升高至4kA时就失效了。但是该数据取自未适应的毛细管(在窗口试验之前在3kA以下冲击1600次左右〕。因此仍然可以对适应的毛细管进行扩展试验。
(4〕湿润板的碎屑数据在离开放电大约5和10厘米处设置诸诸塑料的碎屑收集导板(22平方毫米，每个大约160毫克重〕，使5厘米板的顶部边缘略微低于内孔中心线，而10厘米板则与内孔中心线拉平，因此被5厘米板顶部边缘部分遮挡。利用100微克分辨率和大约200微克再现率的天平记录冲击前后的重量。正如所预期的那样，由于蒸汽扩散，对观察到的迷雾图案是不均匀的。对于所有迷雾组都在10厘米板上观察到5厘米板顶部清晰的阴影。迷雾在架子上凝积后呈涂敷的透明薄膜表明有非常薄的，可能是金属涂层的氧化物。当以低于光学显微镜分辨率极限(估计在0.5微米〕作显微观察时没有在迷雾材料中看到有颗粒淀积的迹象。原子力显微镜成象可以用于进一步的测试。
用于建造EUVL和其他应用的毛细管放电装置的附加材料任何对锂放电灯要求的材料组合也可以用于利用上述其他气体介质的工作灯以及在授予William T.Silfvast的美国专利5,499,282和授予William T.Silfvast等人的美国专利申请08/815,283中所描述的那些，后两者作为本发明同一转让给受让人，并且作为参考文献包含在本文中。这些材料可以基于如下金属导电电极和陶瓷或绝缘毛细管的任何组合，其中金属和陶瓷材料的热膨胀系数接近以确保灯在其工作温度下具有足够的机械强度，且从而使材料耐受发射气体种类和缓冲气体种类(如果存在〕的损坏或腐蚀作用。这些包括但不局限于钼作为金属导体而氮化铝、氧化铝或碳化硅作为陶瓷绝缘体(如授予William T.Silfvast的美国专利5,499,282和授予William T.Silfvast等人的美国专利申请08/815,283对用锂所述的那样〕。对于氧气发射器/氦气缓冲系统，可以采用上述材料组合，但可采用更为方便和经济的材料组合包括但不局限于可伐金属导体和氧化铝陶瓷绝缘体。
均匀放电和差分泵放电的毛细管构造图3A和3B示出了两种利用毛细管放电的EUV光源装置。图3A示出的布局沿毛细管放电长度保持恒定的气体压力。图3B表示的结构是利用毛细管内孔本身作为固定角限制孔径，以沿毛细管长度形成气体压力梯度为代价给出被发射EUV辐射的宽发散。
图3A示出了利用毛细管放电光源产生和检测EUV辐射的布局。电极300被充电至高电压；又气体被送至被该电极包含的空腔区域。该气体将包含EUV辐射种类；并且在最简单的情况中，将是辐射气体本身，例如但不局限于氙气。放电304在有电流通过并且包含在绝缘体302内毛细管内孔的电极300与306之间启动。电极306可以是装置内构成完整电路的分立的导体，或者可以简单地是所示灯壳的接地体。差分泵端口308是一种固体材料插头，带有长而窄的内孔，例如但不局限于1″厚带有1毫米钻孔直径的不锈钢。差分泵端口与高真空区域310(小于0.01乇)交界。长而窄的孔对气流造成的阻抗允许沿差分泵端口维持一较大的压力梯度。结果，沿毛细管放电304的气体压力几乎保持极好的常数而EUV可被延伸至312，并且在真空条件下被检测器314检测和分析。316中示出了该装置内气体压力与位置的关系。位于放电318的基压P可以通过调整向电极300的气体输送率而保持在大约从0.1-10乇的有用范围内。
图3B示出了较少限制的光源装置。可以向电极350输送气体并且充电至高电压，而且与接地电极356相连的放电354包含在绝缘体352的毛细管内孔中，全部和图3A各自对300、304、306和302所示的情况一样。然而，在这种装置中，毛细管内孔本身被用作差分泵端口并且毛细管与高真空区域358直接交界。EUV发射360如图所示以宽得多的立体角传播。因此气体压力曲线362显示出一沿毛细管内孔的梯度。此处基压P364处于大约0.1-50乇的范围内。
图3B示出了称为“差分泵的毛细管几何结构”的新型灯的构造，它允许利用气体的灯(与利用金属蒸汽工作的灯不同〕在气体区域与收集灯发射的11-14纳米波长区域内的辐射的光学装置之间无需窗口就可工作。由于所有材料(包括气体〕对该波长区域内非常强的辐射吸收，所以在EUV光刻系统以及其他应用中需要在非常低压力环境下(约小于0.01乇〕操作成象系统。因此灯通常将需要一个窗口将工作在0.1-50乇压力区域的灯的区域从成象系统的低压区域(小于0.01乇〕分开。我们差分泵的毛细管几何结构允许无需这种窗口就使包含辐射气体的灯进行操作。在该灯的操作中，气体从其中收集11-14纳米辐射通量的放电毛细管端相对的一端引入。毛细管在该端部的压力将根据特定气体和灯所需的发射特性而在大约0.1-50乇范围内。气体被具有可接近毛细管相对端的真空泵经由毛细管抽走，在该端处11-14纳米的辐射通量被收集并且用于所需光学系统(例如EUV光刻〕。当辐射从毛细管发射出时，随着气体经由放电毛细管被抽走，压力近似地线性下降从而达到所需的低压(小于约0.01乇〕。该灯就象在沿毛细管内孔区域长度上具有恒压的其他灯一样借助在毛细管内启动一脉冲放电电流局工作。我们观察到在毛细管内有足够的压力，即使在低压侧也从灯产生所需的发射，但在灯以外区域具有足够低的压力以允许11纳米和14纳米之间的辐射透过。当气体流经毛细管时，毛细管本身作为对气体所阻碍系统起作用，从而以极低的速率使用气体。气体也可以循环返回高压侧以供再用。
利用气体和利用金属蒸汽作为辐射种类的灯的结构图5示出在灯的正面(窗口〕具有灯芯的、以热管模式进行工作的新型灯结构。图5示出适于从锂蒸汽产生EUV辐射的金属蒸汽热管型灯装置。电极500被充电至高压并且在其空腔内包含一定的锂蒸汽504的压力和锂源(例如几克锂金属或液体金属〕。放电506在此电极与构成电路的电极之间产生，后者最简单的是灯壳510的接地体。放电包含在绝缘体502的毛细管内孔508内。等离子体将是离子化的锂并将辐射出在EUV内有用的窄线发射522。为了维持锂蒸汽压，需要利用加热器514、热沉516、灯芯512和缓冲气体520。这是热管的原理。加热器514可以是商用高温电阻炉，例如但不局限于Lindberg型50002。加热器514保护在电极500内的锂源与锂蒸汽504之间的平衡蒸汽压。流向装置冷区的锂蒸汽作为液体锂凝结在灯芯512上。灯芯512可以是不锈钢编织的丝网纤维，每英寸大约30线或更细，它滚卷成空心圆柱体形并且与热管体510的内管壁接触。沿灯芯上的温度梯度通过将致冷液(例如，但不限于冷冻的水〕流经铜管线圈的例如，但不限于，几圈(长约2-7圈〕的冷却环，并与热管体510传导性地接触加以保持。沿灯芯由此形成的温度梯度导致已凝结在灯芯上液体锂向较热区域回流以维持毛细管EUV输出一侧的锂蒸汽压。热管的工作需要缓冲气体520(例如但不局限于氦气〕。在未加热区域，利用此缓冲气体维持系统范围内气体压力的平衡。在灯芯512附近，存在过渡区域518，这里存在锂蒸汽和缓冲气体二者的分压。在该区域，越靠近毛细管，锂蒸汽越占据主要地位，而随着温度向外减小，缓冲气体的分压就逐渐增大。从而使整个灯装置的压力达到了平衡，总压力(锂蒸汽压与缓冲气体压力之和〕是常数。
靠近毛细管的区域必须维持在与毛细管内产生所需锂蒸汽密度相当的温度。这将在管道的该区域内建立起锂的金属蒸汽。该蒸汽将扩散入毛细管内和后面的电极区域，并将不在那里凝结，只要这些区域维持在较高温度上。因此在毛细管区域内建立了与毛细管附近灯芯区域的饱和蒸汽压等价的锂金属蒸汽压。放电触生在两个电极10、30之间产生从而使电流通过陶瓷毛细管，激发了锂蒸汽，并且产生软X射线。缓冲气体在管道内建立了过渡区域，在窗口侧外的锂金属蒸汽扩散急剧减小。
图5的热管模式与专利5,499,282的图4所示锂热管的不同在于灯芯位置。在该文中，灯芯位于毛细管本身2内并且扩展入与窗口相对的后电极区域。相反，本发明改进的锂热管相反，图6只是在灯1前侧90(窗口〕上有网格灯芯40，它延伸至但不超出毛细管20以外，形成毛细管20内锂蒸汽传导更为合适的环境。
最小毛细管内孔直径将是压力敏感的并且具有这样的尺寸从而确保在电子与毛细管碰撞因而丧失激励之前电子与离子有足够的碰撞以激发辐射状态。如果难以在毛细管内启动脉冲放电电流，则也将取决于以下尺寸。这种最小直径大约为0.5毫米数量级。最大内孔直径根据以下要求决定将辐射通量保持为最小从而更适合于成象目的用聚焦系统，以及将总电流也保持在合理的值，但仍提供所需的最佳电流密度。合理的最大尺寸将是大约3毫米量级。内孔的最小长度应该不小于毛细管内孔直径。最大内孔长度应该足够长以为选定的应用产生足够的辐射通量，但是不要过分长以致于浪费输入的能量以产生因离毛细管输出端达远而不能用的辐射。从与辐射输出通量相关的几何结构考虑，内孔长度应该不长于10个内孔直径。通过10个直径的内孔长度将限制辐射通量。
预处理毛细管内孔以减缓内孔侵蚀以下借助图7和8描述预处理内部内孔壁的技术。图7示出了随着毛细管内部放电电流脉冲次数的增加，毛细管端部以外约10厘米距离处毛细管轴上产生的脉冲减少的曲线图。需要使这种脉冲减至最小以防止窗口或其他光学元件的损害。这通过使内孔经历一定次数的预操作脉冲(对于图8所示条件为3000次〕或者用激光或其它热处理手段热处理毛细管内孔以便在操作期间不致于对窗口或位于毛细管以外但在辐射路径上的其它有用元件产生可能造成损害的具有破坏性的压力脉冲加以达到。
激光被成功用于机械加工、热处理、焊接等。在本发明中，激光可以用来热处理毛细管内孔内部区域从而更耐腐蚀。如图8实施例所示，通过使毛细管内孔区域的表面经历一个或多个高强度激光辐射脉冲实现这种处理，其强度区域在106-1011W/cm2左右。随着激光辐射通过毛细管内孔，它将加热整个内孔区域。在某些实例中，可以沿轴调节透镜以聚焦在内孔内不同的区域。
图8示出了准备毛细管内孔的例子。实验发现，在点火触发放电时散发的气体压力脉冲可以通过预先的点火触发、放电几千次而明显减小。其作用是从毛细管内孔壁去除所有凝结的易挥发材料。另外，在毛细管与灯装置组合在一起之前利用大功率激光辐射进行热处理。图8示出一热处理技术。大功率脉冲激光束800(例如从诸如但不局限于准分子激光器、Nd:YAG激光器、铜蒸汽激光器、二氧化碳激光器等之类的激光器产生〕足以在毛细管处产生约108W/cm2或以上量级的功率密度。激光束800将毛细管壁局部突击加热至接近熔点，并由聚焦透镜802聚焦在与毛细管内孔同轴的焦点804上。激光束800将照射内孔区域并产生足够的热量以改变内孔的材料结构从而使其比钻孔形成的内孔更耐用和光滑。根据所使用的内孔材料，可以采用高达1000次或以上的激光脉冲来实现内孔材料中所需的补偿性变化。正如通过焦点的聚焦光被拟用于EUV灯装置内绝缘体806的毛细管内孔壁所截断。假定透镜的F数小于毛细管的长度-直径比(大约6或更大〕，则大多数光线将被内孔截断并且只有小部分通过内孔。为了完全覆盖毛细管内孔壁长度，可以轴向平移绝缘体并且翻过来使相反一面朝向光线。
虽然对本发明进行了描述、揭示、说明，并以某些不同形式的实施例或修正(已在实践中利用〕加以示出，但本发明的范围既不打算，也不应被认为，就此受到限止，而且特别要保留借助这里的阐述而可能提出的诸如其他的修正或实施例等，尤其当它们落入此处所附权利要求的幅度和范围以内时，更其如此。
权利要求
1．一种在11纳米-14纳米波长区域内操作毛细管放电光源的方法，其特征在于包括以下步骤(a)在内孔尺寸为1毫米左右并且至少有一种辐射气体的毛细管光源内形成放电，放电电流为约2000-10000安培之间；以及(b)从放电光源辐射出在约11-14纳米之间选择的波长区域。
2．一种在11纳米-14纳米波长区域内操作毛细管放电光源的方法，其特征在于包括以下步骤(a)在内孔尺寸为0.5-3毫米左右并且至少有一种辐射气体的毛细管光源内形成放电，放电电流密度约为250000-1300000安培/cm2之间；以及(b)从放电光源辐射出在约11-14纳米之间选择的波长区域。
3．如权利要求2所述操作毛细管放电光源的方法，其特征在于内孔尺寸进一步包括长度大约在1-10毫米左右。
4．如权利要求1所述操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括氙气。
5．如权利要求2所述操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括氙气。
6．如权利要求1所述操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括包含分子的氧气以提供作为辐射气体的氧气。
7．如权利要求2所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括包含分子的氧以提供作为辐射气体的氧气。
8．如权利要求1所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于进一步包括缓冲气体。
9．如权利要求2所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于进一步包括缓冲气体。
10．如权利要求1所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于毛细管内总压力的范围为约0.1-50乇。
11．如权利要求2所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于毛细管内总压力的范围为约0.1-50乇。
12．如权利要求1所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于辐射选定波长区域的气体的压力为约0.1-20乇。
13．如权利要求1所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括辐射选定波长区域的金属蒸汽。
14．如权利要求13所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于金属蒸汽的压力为约0.1-20乇。
15．如权利要求13所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于金属蒸汽是锂。
16．如权利要求1所述的操作毛细管放电光源的方法，其特征在于气体包括辐射约11-14纳米之间选定波长区域的锂；以及氦气作为缓冲气体。
17．一种在操作光源之前，预处理具有工作在紫外线区域的光学元件的毛细管放电光源的方法，以便防止损害光学元件或使接收辐射的镜面沾污，其特征在于包含以下步骤预调节工作在紫外线区域内的毛细管放电光源内孔表面壁；以及继续预调节直到达到选定的脉冲值。
18．如权利要求17所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于预调节步骤进一步包括加热源。
19．如权利要求18所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于热源包括激光器。
20．如权利要求18所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于激光器选自下列一种准分子激光器、Nd:Yag激光器和铜蒸汽激光器。
21．如权利要求19所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于进一步包括以下步骤使激光器聚焦在内孔内；以及使激光器在聚焦强度约为107-1011瓦特/cm2的范围内工作。
22．如权利要求17所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于选定值为小于约20Torr-ms。
23．如权利要求17所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于预调节步骤进一步包括以下步骤用压力约为1-20乇的第二气体启动毛细管内部的放电电流脉冲。
24．如权利要求17所述的预处理毛细管放电光源的方法，其特征在于预操作脉冲包括大约3000次脉冲。
25．一种工作在紫外线波长区域内的毛细管放电灯光源，其特征在于包含以下步骤从非导电和绝缘材料构造毛细管；以及将至少一个气体种类引入毛细管，其中毛细管被用于产生紫外线放电。
26．如权利要求25所述的毛细管放电灯光源，其特征在于进一步包括位于毛细管相对侧上的金属导体。
27．如权利要求26所述的毛细管放电灯光源，其特征在于金属导体选自下列其中一种钼、可伐和不锈钢。
28．如权利要求25所述的毛细管放电灯光源，其特征在于非导电和绝缘材料选自下列其中一种石英、蓝宝石、氮化铝、碳化硅和氧化铝。
29．如权利要求25所述的毛细管放电灯光源，其特征在于毛细管是导电与非导电材料交替的分段内孔。
30．一种工作在紫外线波长区域内的放电灯光源，其特征在于包括毛细管；位于毛细管一侧的第一电极；位于毛细管上与第一侧相对的第二侧上的第二电极；具有支承第二电极的第一端和第二端的管道；与管道第二端相连的放电端口；从放电端口穿过管道到靠近但是不在毛细管内部的管道部分的灯芯；以及用于操作作为产生紫外线波长信号用放电光源的毛细管的装置。
31．如权利要求30所述的毛细管放电光源，其特征在于操作用装置包括作为热管操作用的湿润有锂的网格。
全文摘要
一种用于超紫外线微型光刻的毛细管超紫外灯光源装置和方法。毛细管光源包括:灯体(306);具有电极(300)、绝缘体(302)和放电等离子体区域(304)的内孔。
文档编号H01J61/28GK1306673SQ98813826
公开日2001年8月1日 申请日期1998年12月28日 优先权日1997年12月31日
发明者W·T·西尔弗瓦斯特, M·A·克洛森尔, G·M·希姆卡外格 申请人:中佛罗里达大学