СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК H05G2/00 H01J35/00 

Изобретение относится к способу и устройству для получения экстремально коротковолнового УФ и мягкого рентгеновского излучения из плотной горячей плазмы разрядов пинчевого типа. Область применений включает литографию, в частности, в спектральном диапазоне около 13,5 нм, лазеры коротковолнового УФ и рентгеновского диапазонов, рентгеновскую микроскопию.

Известен способ получения коротковолнового излучения на λ=13.5 нм с использованием плазменного фокуса [1]. Однако условием эффективной работы является добавление к инертному газу, содержащемуся в разрядной камере, паров лития, что существенно усложняет конструкцию источника излучения и загрязняет внеразрядное пространство.

Способ получения коротковолнового излучения с помощью z-пинча с ВЧ предыонизацией [2] лишен указанного недостатка, однако диэлектрическая стенка разрядной камеры, на которой осуществляется зажигание разряда пинчевого типа, подвержена воздействию мощных потоков излучения и вещества, образующегося в результате эрозии электродов. Это ограничивает возможности достижения высокого ресурса при реализации данного подхода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы, заключающийся в предыонизации газа в разрядной области между соосными электродами, осуществляемой через осевое отверстие в одном из электродов, и зажигании разряда пинчевого типа [3].

Устройство, реализующее данный способ, содержит разрядную камеру с двумя осесимметричными электродами, оптически связанную через отверстие, выполненное в одном из электродов, с источником предыонизации, расположенным вне разрядной камеры [3].

В указанных способе и устройстве предыонизация осуществляется слаботочным разрядом, автоматически формируемом в полости катода при подаче разрядного напряжения и распространяющимся затем в разрядный промежуток через отверстие в полом катоде. В прототипе реализовано размещение внутренней диэлектрической стенки разрядной камеры вне зоны облучения разрядом, что позволяет достичь высокого ресурса работы в импульсно- периодическом режиме работы.

Недостатками указанного способа и устройства для его реализации является малая эффективность преобразования энерговклада в излучение коротковолнового диапазона из-за низкого уровня предыонизации и ее неоптимального пространственного распределения в промежутке между электродами разрядной камеры. Поскольку предыопизация осуществляется преимущественно в приосевой области разрядного промежутка, затруднено увеличение площади поперечного сечения разряда пинчевого типа на его начальной стадии, что ограничивает возможность повышения энергии и средней мощности коротковолнового излучения. Кроме того, большое, ~1 мс, время формирования автоматической предыонизации и зажигания разряда пинчевого типа, сравнимое с временным интервалом между отдельными импульсами и низкая, ~ 10⁷В/с, скорость нарастания разрядного напряжения, ограничивают возможность достижения высокой стабильности энергии излучения от импульса к импульсу.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности, средней мощности и стабильности энергии коротковолнового излучения газоразрядной плазмы.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы, заключающемся в предыонизации газа в разрядной области между соосными электродами, осуществляемой через осевое отверстие, выполненное в одном из электродов, и зажигании разряда пинчевого типа предыонизацию осуществляют одновременно потоком излучения с длинами волн от УФ до рентгеновского диапазона и потоком ускоренных электронов из плазмы импульсного скользящего разряда, зажигаемого в области, не имеющей оптической связи с осью разряда пинчевого типа, при скорости нарастания разрядного напряжения на нем, превышающей 10¹¹В/с, при этом потоки излучения и электронов формируют аксиально-симметричными и направляют во внеосевую часть разрядной области.

Указанный способ может быть реализован устройством, содержащим разрядную камеру с двумя осесимметричными электродами, оптически связанную через отверстие, выполненное в одном из электродов, с источником предыонизации, расположенным вне разрядной камеры.

Отличие устройства заключается в том, что источник предыонизации выполнен в виде аксиально-симметричной системы формирования скользящего разряда, состоящей из протяженного инициирующего электрода, покрытого диэлектрическим слоем, на поверхности которого расположен поджигающий электрод, при этом инициирующий электрод установлен соосно с электродами разрядной камеры и выполнен так, что диэлектрический слой расположен в области, не имеющей оптической связи с осью разрядной камеры, и один из электродов системы формирования скользящего разряда совмещен с одним из электродов разрядной камеры, при этом в устройство введен импульсный генератор со скоростью нарастания выходного напряжения более 10¹¹ В/с, вывод положительной полярности которого соединен с инициирующим электродом, а вывод отрицательной полярности импульсного генератора соединен с поджигающим электродом системы формирования скользящего разряда.

Отличие устройства может состоять также в том, что в разрядную камеру введена диэлектрическая вставка, в которой выполнено осевое отверстие, и электроды разрядной камеры размещены на поверхности диэлектрической вставки.

Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное изобретение от прототипа и неизвестны технические решения, в которых эти признаки используются по данному назначению, то заявленное техническое решение обладает новизной и существенными отличиями.

При осуществлении способа в указанном виде, в отличие от прототипа, в разрядной области в результате предыонизации создается цилиндрическая плазменная оболочка с развитой проводимостью, что определяет зажигание разряда пинчевого типа при оптимальных условиях и обеспечивает повышение выхода коротковолнового излучения из горячей плазмы разряда. В отличие от прототипа с преимущественно приосевой предыонизацией, обеспечивается возможность увеличения поперечного размера разряда пинчевого типа при его зажигании. Это позволяет значительно увеличить кинетическую энергию плазмы на стадии ее сжатия магнитным полем разряда, что обеспечивает более эффективный нагрев плазменного столба и повышение энергии коротковолнового излучения, а также его средней мощности в импульсно-периодическом режиме. Применение высокой, более 10¹¹В/с, скорости нарастания разрядного напряжения определяет высокостабильное зажигание однородного скользящего разряда, осуществляющего предыонизацию, и, в свою очередь, обеспечивает возможность достижения высокой стабильности энергии коротковолнового излучения из плазмы разряда пинчевого типа.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для реализации предложенного способа; на фиг.2 - устройство, в разрядную камеру которого введена диэлектрическая вставка.

Устройство содержит источник питания 1, который в простейшем случае состоит из накопительного конденсатора с коммутатором, зарядных катушек индуктивности, импульсного конденсатора, магнитного ключа и подключен к электродам 2, 3 разрядной камеры 4; импульсный генератор 5, подсоединенный к поджигающему электроду 6 и инициирующему электроду 7 осесимметричной системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрического слоя 8, а также жидкостной охладитель 9 и изолятор 10 разрядной камеры. На фиг.2 в разрядной камере размещены диэлектрическая вставка 11, в которой выполнено осевое отверстие и на поверхности размещены электроды 2, 3.

Способ получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы реализуется следующим образом.

При включении источника питания 1 между электродами 2, 3 разрядной камеры 4 начинает нарастать напряжение.

Включается импульсный генератор 5, и импульс напряжения со скоростью нарастания более 10¹¹В/с подается на электроды 6, 7 предыонизатора, между которыми зажигается скользящий разряд по поверхности диэлектрического слоя 8. При зажигании в газе низкого, <10²Па давления генерируется пучок ускоренных электронов и в системе формирования скользящего разряда на поверхности тонкого диэлектрического слоя образуется однородный плазменный слой, служащий источником излучения с длинами волн от УФ до рентгеновского диапазона. При указанной скорости нарастания напряжения достигается высокая стабильность зажигания скользящего разряда от импульса к импульсу, и в балансе энергии импульсного скользящего разряда на стадии его формирования становится существенной доля энергии, идущая на образование пучка убегающих электронов и генерацию рентгеновского излучения. Отрицательная полярность поджигающего электрода 6 по отношению к инициирующему электроду 7 в несколько раз уменьшает амплитуду напряжения между указанными электродами, по сравнению со случаем обратной полярности. За счет выполнения инициирующего электрода, а соответственно и поверхностного разрядного промежутка, протяженным, то есть с длиной, превосходящей его поперечные размеры, достигается дальнейшее снижение напряжения зажигания скользящего разряда в газе низкого давления. Все это снижает электрические нагрузки на диэлектрический слой и обеспечивает достижение высокого ресурса его работы. Совмещение одного из электродов системы формирования скользящего разряда с одним из электродов разрядной камеры, например электрода 7 с электродом 3, упрощает конструкцию устройства.

В аксиально-симметричной системе зажигания скользящего разряда с инициирующим электродом, соосным с электродами разрядной камеры, генерируемые пучки ускоренных электронов и излучения формируется аксиально-симметричными. При этом пучки ускоренных электронов и излучения эмитируются из области, не имеющей оптической связи с разрядной камерой и расположенной вне ее. За счет выполнения и размещения системы формирования скользящего разряда в указанном виде, а также за счет указанного выбора полярности приложенного напряжения осуществляется направленный ввод потока ускоренных электронов и потока излучения с длиной волн от УФ до рентгеновского диапазона в разрядную область. Излучение и пучок электронов через осевое отверстие в электроде 3 распространяются во внеосевую часть разрядной области, имеющую оптическую связь с плазменным слоем скользящего разряда, и осуществляют предыонизацию газа в ней. В результате предыонизации между электродами 6,7 разрядной области создается цилиндрическая плазменная оболочка.

Между электродами 2,3 по цилиндрической плазменной оболочке развивается слаботочный разряд, ток которого ограничен током утечки заряда импульсного конденсатора источника питания 1 через магнитный ключ. В процессе слаботочного разряда ионизация плазменной оболочки увеличивается, причем из-за скин-эффекта ионизация преимущественно развивается на внешней стороне плазменной оболочки, примыкающей к электродам 2,3.

Открывается магнитный ключ и полностью заряженный к этому моменту импульсный конденсатор импульсного источника 1 разряжается через электроды 2,3 на плазменную оболочку, созданную в результате предыонизации и протекания слаботочного разряда. Происходит сжатие плазменной оболочки магнитным полем протекающего по ней тока и ее удержание на оси разрядной области в течение короткого времени. Столб плотной горячей плазмы, образующейся на оси разрядной области, испускает коротковолновое излучение. Используемая часть излучения выходит из разрядной области через отверстие в одном из электродов. При этом поверхность диэлектрического слоя 8, расположенная в области, не имеющей оптической связи с осью разрядной области, не подвергается воздействию жесткого УФ и рентгеновского излучения, пучков заряженных частиц и потоков плазмы, генерируемых на оси разрядной камеры 4. Это обеспечивает достижение высокого ресурса работы системы формирования скользящего разряда.

Цикл работы повторяется, за время между импульсами производится охлаждение устройства жидкостным охладителем 9, циркулирующим через электроды.

Введение в разрядную камеру диэлектрической вставки (фиг.2), в которой выполнено осевое отверстие и на поверхности которой размещены электроды разрядной камеры, упрощает условия эффективного получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы. Во-первых, обеспечивается надежная защита изолятора 10 разрядной камеры от излучения разряда пинчевого типа, что повышает надежность функционирования устройства в широком диапазоне рабочих параметров. Во-вторых, уменьшается индуктивность разрядной камеры, что позволяет уменьшить энергозатраты на получение плотной горячей плазмы в разряде пинчевого типа и увеличить оптический выход коротковолнового излучения. Кроме этого, создаваемая в результате предыонизации плазменная оболочка формируется на внутренней поверхности цилиндрического отверстия диэлектрической вставки, что стабилизирует разряд пинчевого типа на стадии его зажигания. Это приводит к повышению энергии коротковолнового излучения на финальной стадии разряда и увеличению ее стабильности от импульса к импульсу. Поскольку в результате интенсивной предыонизации напряжение между электродами на поверхности диэлектрической вставки минимизировано, резко снижается вероятность ее электрического пробоя. Так как диэлектрическая вставка не является элементом корпуса разрядной камеры, в ней минимизированы механические нагрузки. Все это позволяет обеспечить высокий ресурс работы устройства при выборе для диэлектрической вставки материала с высокой термостойкостью, например нитрида кремния Si₃N₄.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет стабильно от импульса к импульсу формировать в результате предыонизации оптимальную по форме, размерам и проводимости цилиндрическую плазменную оболочку, что и приводит к увеличению эффективности, средней мощности и стабильности энергии коротковолнового излучения газоразрядной плазмы.

Источники информации
1. Патент США 5763930, кл. США 250/504R; 12.05.97.

2. Патент США 5504795, кл. США 378/119; 06.02.96.

3. Патент ФРГ 19753696 А1, МКИ 6 Н 05 G 2/00, 03.12.97.

Изобретение может быть использовано для литографии, в частности на λ= 13,5 нм, в лазерах коротковолнового УФ и рентгеновского диапазона, в рентгеновской микроскопии. Техническим результатом является увеличение эффективности, энергии, средней мощности и стабильности излучения газоразрядной плазмы. Способ получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы заключается в том, что в разрядной области между соосными электродами производят предыонизацию, осуществляемую через осевое отверстие в одном из электродов, и зажигают разряд пинчевого типа. Предыонизацию осуществляют потоком излучения с длинами волн от УФ до рентгеновского диапазона и потоком ускоренных электронов из плазмы импульсного скользящего разряда, зажигаемого в области, не имеющей оптической связи с осью разряда пинчевого типа, при скорости нарастания разрядного напряжения на нем более 10¹¹В/с, при этом потоки излучения и электронов формируют аксиально-симметричными и направляют во внеосевую часть разрядной области. Источник предыонизации размещен вне разрядной камеры и выполнен в виде аксиально-симметричной системы формирования скользящего разряда, состоящей из протяженного инициирующего электрода, покрытого диэлектрическим слоем, на поверхности которого расположен поджигающий электрод, при этом инициирующий электрод установлен соосно с электродами разрядной камеры и выполнен так, что диэлектрический слой расположен в области, не имеющей оптической связи с осью разрядной камеры, и один из электродов системы формирования скользящего разряда совмещен с одним из электродов разрядной камеры. В разрядную камеру может быть введена диэлектрическая вставка с осевым отверстием, на поверхности которой размещены электроды разрядной камеры. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы, заключающийся в предыонизации газа в разрядной области между соосными электродами, осуществляемой через осевое отверстие, выполненное в одном из электродов, и зажигании разряда пинчевого типа, отличающийся тем, что предыонизацию осуществляют одновременно потоком излучения с длинами волн от УФ до рентгеновского диапазона и потоком ускоренных электронов из плазмы импульсного скользящего разряда, зажигаемого в области, не имеющей оптической связи с осью разряда пинчевого типа, при скорости нарастания разрядного напряжения на нем превышающей 10¹¹В/с, при этом потоки излучения и электронов формируют аксиально-симметричными и направляют во внеосевую часть разрядной области. 2. Устройство для получения коротковолнового излучения из газоразрядной плазмы, содержащее разрядную камеру с двумя соосными осесимметричными электродами, оптически связанную через отверстие, выполненное в одном из электродов, с источником предыонизации, расположенным вне разрядной камеры, отличающееся тем, что источник предыонизации выполнен в виде аксиально-симметричной системы формирования скользящего разряда, состоящей из протяженного инициирующего электрода, покрытого диэлектрическим слоем, на поверхности которого расположен поджигающий электрод, при этом инициирующий электрод установлен соосно с электродами разрядной камеры и выполнен так, что диэлектрический слой расположен в области, не имеющей оптической связи с осью разрядной камеры, и один из электродов системы формирования скользящего разряда совмещен с одним из электродов разрядной камеры, при этом в устройство введен импульсный генератор со скоростью нарастания выходного напряжения более 10¹¹В/с, вывод положительной полярности которого соединен с иницирующим электродом, а вывод отрицательной полярности импульсного генератора соединен с поджигающим электродом системы формирования скользящего разряда.