产生X-光或EUV辐射的方法和装置 【技术领域】
本发明一般涉及一种产生X-光或远紫外(EUV)辐射，特别是涉及高亮度X-光或远紫外(EUV)辐射方法的和装置。所产生的辐射例如能用于医学诊断、无破坏测试、平版印刷术、显微术、材料科学，或某些其它X-光或EUV的应用上。
背景技术
高功率和亮度的X-光源应用于许多领域，如医学诊断、无破坏测试、晶体结构分析、表面物理、平版印刷术、X-光荧光和显微术。
在某些应用中，X-光是用于使不透可见光的物体的内部成象，例如在医学诊断和材料检验中，就利用了10-1000keV的X-光辐射，即硬X-光辐射。常规硬X-光源，其中一个电子束被加速送到一个固体阳极，产生相对低亮度的X-光辐射。在硬X-光成象中，所获影象的分辨率基本上取决于到X-光源的距离和光源的尺寸。曝光时间取决于到X-光源的距离和光源的功率。实际上，这使X-光成象成了分辨率与曝光时间之间的一种权衡。这一难题一直是要从尽可能小的光源获取尽可能大的X-光功率，即获得高亮度。在常规固体靶源中，X-光既呈连续的韧致辐射来发射，又呈特征线发射来发射，其中比辐射特征取决于所用靶材料。没有转变成X-光辐射的能量主要作为热沉积在固体靶中。限制常规X-光管所发射X-光辐射的功率、因而也限制常规X-光管所发射X-光辐射的亮度的首要因素是阳极变热。更具体地说，电子束功率必须被限制在阳极材料不被熔化地范围。为了增高这种功率限，已提出了几种不同的方案。一种这样的方案包括使阳极冷却和旋转，如见《医学诊断的成象系统)》(“Imaging Systems for Medical Diagnostics”，E.Krestel，SiemensAktiengesellschaft，Berlin and Munich，1990)的第3章和第7章。虽然冷却的旋转阳极能维持一种较高的电子束功率，但它的亮度仍然受到电子束焦点局部性加热的限制。平均功率负荷也受到限制，因为在每一周旋转中使用了同种靶材料。一般地说，强度非常高的用于医学诊断的X-光源，在100kw/mm2下工作，而目前工艺水平的低功率微聚焦装置在150kw/mm2下工作。
在软X-光和EUV波长区(几十eV到几keV)中的应用包括如下一代平版印刷术和X-光显微系统。自1960年代以来，构成集成电路基础的结构的尺寸在不断减小。由此带来的好处是需要较小功率的更快、更复杂的电路。现在，照相平版印刷术已用于工业化生产线宽度约为0.13μm的集成电路。这种技术预期到0.1-0.07μm仍可适用。为了进一步减小线宽度，其它方法可能是必要的，其中EUV投影平版印刷术是一个有力的候选者，如见《国际半导体技术路线图》(“International Technology Roadmap for Semiconductors”，International SEMATECH，Austin TX，1999)。在EUV投影平版印刷术中，一种减小的EUV目标系统被使用了，其波长范围约为10-20nm。
在软X-光和EUV区，与上述常规产生硬X-光辐射相比，通常采用一种产生辐射的不同方案，因为在固体靶中电子束能量转变成软X-光辐射的效率一般太低，难以利用。不过，一种产生软X-光和EUV辐射的常见技术是基于使用强(约1010-1013W/cm3)激光辐射加热靶材料，产生一种热而密的等离子体，如见《软X-光和远紫外辐射：原理与应用》(“Soft X-rays and ExtremeUltraviolet Radiation：principles and application”，D.T.Attwoodge UniversityPress，1999)中的第6章。这些所谓激光产等离子体(LPP)既发射连续的辐射，又发射特征的线发射，其中比辐射特征取决于靶材料和等离子体温度。传统的LPP的X-光源，使用固体靶材料，可受到不需要的碎屑发射的伤害，还有重复率和不间断使用的限制，因为靶材料的供应成了一个限制因素。这导致了再生性低碎屑靶包括气体喷射(如见US-A-5577 092，和Kubiak et al.，基于气体喷射的无碎屑EUVL源[Debris-free EUVL sources based on gas jets]，载OSA Trends in Optics and Photonics，No.4，p.66，1996)和流体喷射(如见US-A-6 002 744，和Malmqvist et al.，产生激光-等离子体软X-光的流体喷射靶[Liquid-jet target for laser-plama soft x-ray generation]，Review of ScientificInstruments，No.67，p.4150，1996)的开发。这些靶已广泛用于LPP软X-光或EUV的光源。不过，LPP源要受到电子能量转变成激光相对较低的效率、因而激光转变成X-光辐射的效率也较低的限制，因此必须使用昂贵的高功率激光器。
就在最近，为产生直接而无热产生的软X-光辐射，测试了一种气体喷射靶的电子束激发，虽然所得到的辐射，功率和亮度都相对较低，见Ter-Avetisyan et al.，SPIE汇编，No.4060，pp.204-208，2000.
还有一些如同步加速器光源之类的大装置可产生高平均功率和亮度的X-光辐射。不过，许多应用需要小型系统，而又可产生相对高功率和亮度的X-光辐射。小型便宜的系统，用户更容易接受，因此对科学和社会可能有更大的价值。
【发明内容】
本发明的目标是解决或缓解上述问题。更具体地说，本发明旨在提供产生X-光或EUV辐射的一种方法和装置，而所产生的X-光或EUV辐射具有与相对高平均功率相结合的极高亮度。
本发明的另一个目标是提供产生X-光或EUV辐射的一种小型的、相对便宜的装置。
本发明还应提供稳定和简单地产生X-光或EUV辐射、同时极少产生碎屑的技术。
本发明的一个进一步的目标是提供产生适用于医学诊断和材料检验的辐射的一种方法和装置。
本发明的再一个目标是提供适用于在平版印刷术、无破坏测试、显微术、晶体分析、表面物理、材料科学、X-光照相光谱学(XPS)、X-光荧光、X-光衍射蛋白质结构测定和其它X-光应用的一种方法和装置。
这些目标和在下面描述中所出现的其它目标可通过根据所附独立权利要求的方法和装置完全地或部分地实现。从属的权利要求给出了优选的实施例。
因此，本发明提供一种产生X-光或EUV辐射的方法，包括通过在压力下把一种液体物质从一个排出口挤出形成一个靶喷射体，而这个靶喷射体通过一个相互作用区进行传播的步骤，还包括使至少一个电子束指向相互作用区中的靶喷射体，以致这个电子束与靶喷射体发生相互作用，产生X-光或EUV辐射的步骤。
本发明的方法和装置允许以两种模式的任何一种工作，这取决于靶喷射体的材料，速度和直径，以及电子束的电流、电压和焦点的尺寸。在第一种工作模式中，硬X-光辐射通过电子束能量直接转变成韧致辐射和特征线发射产生，基本不把喷射体加热到形成等离子体的温度。在第二种工作模式中，软X-光和EUV辐射通过把喷射体加热到形成等离子体温度产生。在任何一种工作模式中，本发明都对现有技术提供了显著改进。
在第一种工作模式中，喷射靶与常规用于产生硬X-光辐射的固体阳极相比有几个优点。更具体地说，液体喷射体有很高的密度，足以允许所产生辐射有高的亮度和功率。而且，这种喷射体就其性质来说是可再生的，因此没有必要使靶材料冷却。事实上，靶材料是可破坏的，即被加热到其熔化温度以上温度，这是起因于靶材料的再生性。因此，与不可再生靶相比，靶上的电子束功率密度可被显著增高。此外，喷射体还可通过相互作用区得到一种极高的传播速度。与常规的固定或旋转的阳极相比，由于材料送入相互作用区的相应的高速度，在这种快速传播的喷射体中可沉积下更多的能量。这些特点合在一起允许所产生硬X-光辐射的亮度有显著增加。因此，与常规技术相比，使用一种通过在压力下把一种液体物质从一个排出口挤出所形成的喷射体状、小型、高密度、可再生的高速靶，一般应允许所产生硬X-光辐射的亮度有100倍的增加。
为了通过这种新颖的可再生靶实现所允许的功率密度，电子束最好应适当地被聚焦在靶上。一般地说，产生电子束所用的加速电压约为5-500kV，但可更高。射束电流约为10-1000mA，但可更高。
第二种工作模式是来源于这样一种基本见解：至少有一个电子束能代替激光束形成用于发射软X-光或EUV辐射的等离子体。与基于上述LPP概念的常规设备相比，本发明的方法和装置允许墙插座转换效率(wall-plugconversion efficiency)有显著增加，也允许较低的成本和复杂性。其它吸引人的特点包括低碎屑发射、对重复率基本无限制和不间断使用。
在第二种工作模式中，电子源一般应在约为1010-1013W/cm3下向相互作用区传送电子束，以建立所希望的等离子体温度。这通过使电子源产生一种脉冲电子束很容易实现，其中脉冲长度最好与喷射体的尺寸匹配。于是，电子源的重复率确定了所产生X-光或EUV辐射的平均功率。当使用脉冲电子束时，喷射体可因不连续地与电子束相互作用而破坏。所以，喷射体传播速度最好应很高，以致喷射体能在各个电子束脉冲之间稳定化。
应当指出，电子束在第一和第二两种模式中都可以是脉冲的或连续的。
在这两种工作模式中，为了最佳利用可达到的电子束功率，电子束最好聚焦在喷射体上，以使电子束的尺寸与喷射体的尺寸基本匹配。在这种情况下，使用线聚焦代替点聚焦是可能的，这样，线聚焦的横向尺寸与喷射体的横向尺寸基本匹配。喷射体最好以约1-100μm的直径产生，但可大到几毫米。因此，辐射将从一个小相互作用区以高亮度发射。为了更好地利用所产生的辐射，本发明的装置和方法可自然地用于与X-光光学元件连接，如多毛细管透镜、复合折射透镜或X-光反射镜。
最好的是，靶喷射体通过把一种液体物质从一个排出口如喷嘴或喷口挤出产生，一般用一个泵和/或一个高压充气容器产生一般在0.5-500Mpa范围的压力，从排出口产生一种约为10-1000m/s喷射体传播速度。被挤出的物质并不限于一般呈液态的材料，也可以包括在从排出口挤出前被加热到到液态的固体，如某种金属，或在从排出口挤出前被冷却到液态的气体，如某种惰性气体。再不然，被挤出的物质还可以是溶解在载体液体中的材料。从排出口挤出一种气态物质也是可以想象的，只要这种气态物质在从排出口挤出后能形成一种液体喷射体。喷射体在其形成后可到达不同的水动力学状态。慢喷射体通常是层流状的，在表面张力作用下分裂成滴状；快喷射体多多少少是湍流状的，在其变成一种雾状物前在过渡区是空间连续的。本发明的技术可以利用喷射体的任何水动力学状态。在另一个可想象的实施例中，喷射体在与电子束相互作用前允许凝固成固态。
而且，喷射体可以是导电的，也可以是不导电的，取决于物质的类型。这对沉淀在相互作用区喷射体中的电荷的传送有意义。如果喷射体是导电的，电荷可从喷射体本身移出，以致喷射体将总基本上处于地电位。另一方面，如果喷射体是不导电的，所沉淀的电荷可通过喷射体本身的运动从相互作用区移出。相互作用区的任何电荷聚集都影响电子束聚焦。对于不导电的喷射体，一种高喷射体传播速度可能有利于使电荷聚集最小化。
气压在本发明的装置内可以是变化的。气压在这种装置中的必要布局既取决于所产生辐射的所希望波长，也取决于电子源的类型。一般地说，对真空环境的需求，电子源比相互作用区高。使用局部性气压和差泵方案保持装置不同部分的不同压力是可能的。
【附图说明】
现参照附图举例描述本发明，图中所示的是目前的一个优选实施例，示意表示了一种通过电子束与液体喷射体相互作用产生X-光或EUV辐射的本发明的装置。
【具体实施方式】
附图所示装置包括一个小室1、一个电子源2和一个靶发生器3。电子源2要安置得使脉冲的或连续的电子束4发射进小室1，并使电子束4聚焦于靶发生器3所产生的靶5上。虽然附图中没有示出，其实有多于一束的电子束4可以产生，这些电子束4是从一个以上方向聚焦于靶5的。电子源2，内有加速和聚焦单元(没有示出)，可以有常规的结构，由一个电压电源6供电。电子源2可以是从一个简单阴极源到一个复杂高能源如环形轨道源(racetrack)的任何源，取决于所希望的电子束4的特征。
正如下面将要描述的，X-光或EUV辐射(附图中箭头所示)由电子束4与靶5在小室1内相互作用产生。通常，由于电子源2的需要，小室1提供一种真空环境。而且，软X-光和EUV辐射在物质中的高吸收往往要求一种高真空环境。
为了在真空环境形成一个微小的、空间稳定的靶5，靶发生器3要安置得从一种液态物质产生一种空间连续的喷射体5。附图中所示靶发生器3包括一个容器7和一个形成喷射体的排出口8，即一般是一个喷管口，它连接着容器7的液体出口和小室1的开口。容器7装有将形成喷射体5的物质。根据物质的种类，容器7可装备冷却或加热元件(没有示出)，以保持物质在高压—通常0.5-500MPa—下，从排出口8被挤出时呈液态。所述压力一般通过向容器7气体出口7’输送高压气体获得。排出口8的直径一般小于100μm。最终形成的喷射体5，稳定而微小，基本具有与排出口8一样的直径，在小室1中以大约10-1000m/s的速度传播。虽然附图中没有示出，喷射体5可向一个分裂点传播，在那里自动分裂成滴状或雾状，这取决于靶发生器3的工作参数。到分裂点的距离基本上由液体物质的水动力学性质、排出口8的尺寸和液体物质的速度决定。
在液体物质离开排出口8时，由于蒸发而受到冷却。所以，喷射体5可能凝固，以致没有滴状物或雾状物形成，是可以想象的。
如附图所示，电子束4撞击喷射体5发生在喷射体5自动或受激分裂成滴状之前，即当它仍然是一个小的准直喷射体时。因此，电子束4与喷射体5之间的相互作用区9位于喷射体5的一个空间连续部分，即一个其长度显著超过直径的部分。因此，如下所述，这种装置能连续或半连续工作，产生X-光或EUV辐射。而且，这种方法导致喷射体5足够的空间稳定性，允许电子束4的焦点落在喷射体5上，近似有喷射体5直径一样的大小。在脉冲电子束4的情况下，这种方法还降低了对电子源2与靶发生器3时间同步性的要求。在某些情况下，一些由分离的空间连续部分所组成的喷射体也能给出类似的优点。不过，应当强调，任何从液体喷射体形成的凝结物都可用作本发明范围内电子束的靶，如果它是液体或固体的空间连续的滴状物或由滴或絮组成的雾状物的话。
通过使电子束4的特征恰好适应靶5的特征，电子束4与喷射体5的相互作用，在第一种工作模式中，导致从相互作用区9通过直接转换发射辐射，基本不使喷射体5加热到形成等离子体的温度。在第二种工作模式中，使这些特征这样相适应，以致喷射体5被加热到一种适合形成等离子体的温度。工作模式的选择取决于对所产生的辐射所希望的波长范围。基于等离子体的工作模式对产生软X-光和EUV辐射是极有效的，即在几十eV到几keV范围内，而基本不产生等离子体的直接转换工作模式对产生较硬X-光较有效，一般在约10keV到约1000keV范围内。
下面将一般地讨论装置以第一和第二种模式的工作。也给出了可想象能实现的例子，不限制这些例子的公开。
在第一种工作模式中，主要用于产生首先是用于医学诊断的硬X-光辐射，电子源2以这样一种方式对应靶5的特征加以控制，以致在相互作用区9基本不形成等离子体。所以，硬X-光辐射通过韧致辐射和特征线发射获得。优选的是，从排出口8到相互作用区9的距离足够长，一般0.5-10mm，以致电子束-喷射体的相互作用不损害排出口。在一个可想象能实现的例子中，使用直径约30μm、传播速度约600m/s的液体金属的喷射体5，用约100mA和100keV的电子束4照射距离排出口8约10mm的喷射体5，电子束4聚焦于喷射体5，以在相互作用区9获得约10MW/mm2的功率密度。如前面作为介绍所讨论的，这个功率密度大致比在常规固体靶系统中好100倍。借助于本发明，可以以一种低曝光时间得到一种高分辨率的影象。在第一种工作模式中，喷射体5最好由加热到液态的金属形成。在这种情况下，锡(Sn)应当是好用的，虽然其它金属或合金也可用于产生所希望波长范围的辐射。而且，使用完全不同的物质，如冷却到液态的气体或溶解在载体液体中的物质，产生喷射体5，也是可以想象的。
以第一种模式工作的装置可包括一个对X-光透明的窗(没有示出)，为的是使所产生的辐射从小室1到蛋白质或其它目标可以成象的外部。通过用一个微小的液体喷射体5作为靶，X-光辐射的尺寸从一个极小的相互作用区9产生，导致一种高亮度。
在第二种工作模式中，主要想产生首先是用于EUV投影平版印刷术的软X-光和/或EUV辐射，电子源2以这样一种方式对应靶5的特征加以控制，以致在相互作用区9形成一种处于合适温度的等离子体。所以，软X-光辐射和/或EUV辐射通过连续的和特征的线发射获得。最好的是，脉冲电子束4照射喷射体5，因此电子源2受控通过每个电子束脉冲形成等离子体。优选的是，从排出口8到相互作用点9的距离足够长，一般0.5-10mm，以致所形成的等离子体不损害排出口。在一个可想象能实现的例子中，使用直径约30μm、传播速度约50m/s的液体惰性气体的喷射体5，用以大约50kHz的重复率工作的具有约5ns脉冲长度的约10A和1MeV的脉冲电子束4照射距离排出口8约10mm的喷射体5，电子束4聚焦于喷射体5，以在相互作用区9获得约1012W/cm2的功率密度和2.5kW的平均电子束功率。这样一种系统大致可提供下一代EUV投影平版印刷系统所需的EUV功率。
在第二种工作模式中，电子束4的特定特征并不是决定性的，只要其中平均功率足够高，脉冲功率和脉冲时间与靶匹配，以便在相互作用区9获得适当的等离子体形成温度。在第二种工作模式中，喷射体5最好由一种冷却到液态的惰性气体形成，以避免装置内的敏感元件被覆盖。例如，从激光-等离子体研究得知，液化的氙导致10-15nm波长范围的强X-光发射(如见Hansson et al.，EUV平版印刷术的氙液体-喷射体激光-等离子体源[Xenonliquid-jet laser-plasma source for EUV lithography]，载SPIE汇编，vol.3997，2000)。除液化的惰性气体，使用完全不同的物质，如溶解在载体液体中的材料或液化的金属，也是可以想象的。
以第二种模式工作、被设计用于平版印刷术和显微术的装置可包括一个由多层反光镜组成的集光系统(没有示出)，采集所产生的EUV或软X-光辐射的大部分，并把其送到平版印刷术/显微术系统的照射光学设备和其它设备上。通过使用从液体物质产生的喷射体5形式的微小靶，碎屑的产生非常低。本发明的装置在第二中模式的操作具有提供如同LPP系统相同的性能的潜力，但是成本较低，因为KW级的激光器非常复杂和昂贵，另外，对于电子源来说，墙插座转换效率也比激光器高得多。
还应当指出，当电子源2为了第一种模式的X-光的产生而工作，和/或发射脉冲电子辐射时，液体物质的大部分可保持不受电子束4的影响，并通过小室1进行畅通无阻的传播。这会导致真空小室1中的压力由于蒸发而增加。这个问题是可以得到解决的，例如使用附图所示的一种差泵方案，其中，喷射体5在一个小孔10被收集，然后通过一个挤压所收集的物质把其送回容器7的泵，再循环到容器7。
应当认识到，本发明的方法和装置可以为用于医学诊断、无破坏测试、平版印刷术、晶体分析、显微术、材料科学、显微-表面物理、蛋白质结构X-光衍射测定、X-光照相光谱(XPS)、X-光荧光和某些其它X-光或EUV的应用提供辐射。