WO2013107660A1 - Strahlführungssystem zur fokussierenden führung von strahlung einer hochleistungs-laserlichtquelle hin zu einem target sowie lpp-röntgenstrahlquelle mit einer laserlichtquelle und einem derartigen strahlführungssystem - Google Patents

Strahlführungssystem zur fokussierenden führung von strahlung einer hochleistungs-laserlichtquelle hin zu einem target sowie lpp-röntgenstrahlquelle mit einer laserlichtquelle und einem derartigen strahlführungssystem Download PDF

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    • G02B7/1815—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation with cooling or heating systems

Definitions

  • Beam guidance system for focusing guidance of radiation of a high-power laser light source toward a target and LPP X-ray source with a laser light source and such a beam guidance system
  • German applications DE 10 2012 200 693.1 and DE 10 2012 201 557.4 are hereby incorporated by reference.
  • the invention relates to a beam guidance system for focusing guidance of radiation of a high-power laser light source toward a target.
  • this invention relates to the beam delivery system of the laser in a laser produced plasma (LPP) source for EUVL (extreme ultraviolet wavelength radiation).
  • LPP laser produced plasma
  • EUVL extreme ultraviolet wavelength radiation
  • the invention further relates to an LPP X-ray source with a laser light source and such a beam guidance system.
  • the currently preferred laser plasma sources for EUV lithography use high-power CO2 lasers focused on a material particle, such as a metal droplet, particularly a tin droplet. This creates a hot, dense plasma that emits 13.5nm of radiation.
  • a useful wavelength of the generated X-radiation may also be in the range of 6.8 nm.
  • a droplet of gadolinium (Gd) or of terbium (Tb) can be used as the material particles.
  • Gd gadolinium
  • Tb terbium
  • mean CO2 laser powers of typically 35 kW are necessary.
  • the associated wavelength is 10.6 ⁇ .
  • the target typically consists of small (diameter approx. 10-100 ⁇ m) tin droplets, which must be precisely hit with an accuracy of a few ⁇ m to a few tens of ⁇ m.
  • Focusing the laser on the target is the task of the beam guidance system. As optical components in this, system only stand
  • the currently discussed beam guidance systems essentially consist of water-cooled copper deflecting mirrors and diamond windows. Other materials are not stable in the range of small beam cross sections and high laser powers and can be used at best in the range of lower intensities. Due to the high laser intensities and the finite absorption of the coated or even uncoated mirror, the mirror surfaces are deformed, which in turn deform the wavefronts of the laser beam. Coatings are only up to a borderline Laser intensity stable. At higher intensities it must be waived for life reasons.
  • Beam-induced changes to the beam guidance properties are changes that are caused by a beam-induced material expansion and / or by a beam-induced refractive index change of the respective beam guidance component.
  • the leading aberrations that are so introduced are:
  • the mirrors are used essentially as a 90 ° deflecting mirror, thereby creating an asymmetry in the thermal load which essentially leads to astigmatism and thereby to a
  • beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one mirror of the beam guidance system can be at least partially compensated by beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one transmission component, since component arrangements are readily possible in which these beam-induced changes counteract each other ,
  • the beam guidance system can have a plurality of mirrors.
  • the beam delivery system may include multiple transmission components.
  • the mirrors and / or the transmission components can be combined to form reflective or refractive component groups or can also be arranged alternately in the beam path of the beam guidance system.
  • the laser light source can generate radiation in the I range and, in particular, in the MIR range (medium infrared, wavelength range between 2.5 ⁇ m and 25 ⁇ m).
  • the laser light source may be a CO 2 laser with an emission wavelength of 9.6 ⁇ m, and / or 10.3 ⁇ m and / or 10.6 ⁇ m.
  • the beam guidance system can also be designed for focusing guidance of radiation of a high-power laser light source with a wavelength in the range between 800 nm to 1200 nm.
  • the high-power laser light source can have a cw power of the laser radiation in the range between 500W and 100kW, in particular in the range between 1kW and 50kW, for example in the range of 35kW.
  • the cw power of the high power laser light source laser radiation may be greater than 15kW or greater than 20kW.
  • An at least partial compensation of the beam-induced changes in the beam guidance properties, which are caused on the one hand by the at least one mirror and on the other hand by the at least one transmission component, is present if the compensated beam guidance property corresponds to a default value by at least 5% better than an uncompensated beam-guiding property ,
  • the compensated beam guiding property can correspond better to a predefined value by more than 10%, correspond more than 25% better or even correspond better by more than 50%.
  • the compensation effect can in particular be such that the default value is reached exactly.
  • a focal position F of the radiation in the region of the target 5 is predetermined.
  • a beam-induced change in the beam guidance properties of the at least one mirror leads to a change in the focal position to a value z 0 + 5z s .
  • the beam-induced change at the focal position, caused by the transmission component leads to a focal position z 0 - ⁇ ⁇ .
  • An at least partial compensation is achieved when: ⁇ ⁇ > 0.05 ⁇ ⁇ 8 .
  • ⁇ ⁇ > 0.1 ⁇ ⁇ 8 ⁇ ⁇ > 0.25 ⁇ 8 , ⁇ ⁇ > 0.5 ⁇ 8 .
  • ⁇ 8 ⁇ ⁇ .
  • At least one transmission component with a focusing or defocusing effect for. B. one or more lenses, come in the beam guidance system used.
  • a wedge plate according to claim 3 enables a compensation of thermally induced coma faults or tilt errors, that is in particular a compensation of interference with respect to their rotational symmetry.
  • a tilting according to claim 4 transmission component allows a targeted adjustment of their compensation effect.
  • a compensation surface profile according to claim 5 enables a compensation of stationary beam guiding errors.
  • the compensation surface profile can be embodied in the form of a correction sphere.
  • Such correction spheres are known when used in projection optics for projection exposure systems. In this context, reference is made by way of example to DE 10 2008 001 216 A1 and to the
  • ZnSe is a material suitable for its transmission properties for the at least one transmission component.
  • the transmission component may be made of ZnS, GaAs, germanium, silicon, diamond or other sufficiently transparent materials.
  • Mirrors according to claim 7 have proven themselves for guiding high-power laser radiation, in particular in the MI range.
  • the at least one mirror according to claim 8 is in the initial state, ie without exposure to the radiation of the high-power laser light source, a pure deflection mirror, ie in particular a plane mirror.
  • At least one mirror with a focusing or defocusing effect can also be used. So concave mirror and / or convex mirror can be used.
  • a housing according to claim 9 avoids degradation of the accommodated there transmission components by environmental influences, eg. By dust.
  • the housing may be evacuated or filled with a protective gas or inert gas.
  • the housing windows can be diamond windows.
  • the housing additionally prevents contamination of the environment in the event of thermally induced destruction of the compensator.
  • a beam guidance system according to claim 1 1 can be designed to simultaneously guide the radiation of a high-power laser light source for generating a main pulse and for guiding the radiation of a further laser light source for generating a pre-pulse.
  • the main pulse can then have the wavelength in the range between 9.5 m and 1 1 ⁇ and the power ranges explained above.
  • the pre-pulse can have the wavelength in the range between 800nm and 1200nm.
  • the pre-pulse can have a cw power in the range between 200W and 1000W, in particular in the range between 300W and 1000W.
  • the power of the pre-pulse is typically 10% of the power of the main pulse.
  • both the pre-pulse and the main pulse has a wavelength range between 9.5 ⁇ and 1 1 ⁇ .
  • a further embodiment is possible in which both the pre-pulse and the main pulse have a wavelength in the range between 800 nm and 1200 nm.
  • the components of the beam guidance system can all be designed so that they lead to different wavelengths, that is to say in the range between 9.5 ⁇ m and 1 ⁇ m and on the other hand between 800 nm and 1200 nm.
  • the beam guidance system may be subdivided into partial beam guidance systems via corresponding beam divisions, in particular via dichroic beam divisions, one of the beam guidance systems exclusively for guiding radiation in the range between 9.5 ⁇ m and 1 ⁇ m and / or a partial beam guidance system designed exclusively for guiding radiation in the range between 800nm and 1200nm.
  • the advantages of an X-ray source according to claim 12 correspond to those which have already been explained above with reference to the beam guiding system according to the invention.
  • the laser light source of the X-ray source may be divided into a pre-pulse and a main pulse laser light source.
  • the wavelengths of the pre-pulse and the main pulse may be the same but may be different.
  • the problem is solved by introducing one or more ZnSe components into the beam guiding system.
  • this material due to the temperature dependence of the refractive index of ZnSe, this material has a focussing effect on the laser beam when the temperature increases and thus can compensate for the indexed, defocusing effect of the mirrors. The size of this effect depends on the thickness of the material and the laser power.
  • Thermally induced coma or Kipp single disturbances
  • a suitable wedge of ZnSe can be compensated by introducing a suitable wedge of ZnSe.
  • stationary beam aberrations caused by the absorption, cooling and other effects can be compensated by imposing a suitable surface profile.
  • Beam guiding system for a CO2 laser characterized in that thermally induced wavefront deformations are compensated for independently of performance by an array of plate-shaped or wedge-shaped ZnSe elements. 4 embodiments
  • FIG. 1 shows schematically an X-ray source with a laser light source and a beam guidance system; in a similar to Figure 1 representation of another embodiment of an X-ray source with a laser light source and a beam guidance system; also schematically, but more in detail, various embodiments of the X-ray source of FIG. 1; and
  • the X-ray source 1 shows schematically an X-ray source 1.
  • the X-ray source 1 is used to generate X-radiation, in particular in the EUV (extreme ultraviolet) wavelength range, for example in the wavelength range between 5 nm and 30 nm.
  • the X-ray source 1 is an LPP - (laser produced plasma) X-ray source.
  • the X-ray source 1 has a laser light source 2 which generates laser radiation 3.
  • the laser light source 2 is a high-performance Laser light source with a cw power of the laser radiation 3 in the kW range, ie for example in the range between 500 W and 100 kW, in particular in the range between 1 kW and 50 kW, for example in the range of 35 kW.
  • the laser radiation 3 has a wavelength in the IR range, in particular in the MIR range.
  • the laser light source 2 is a CO 2 laser.
  • the laser light source 2 may be divided into a prepulse source and a main pulse source, as is well known for LPP x-ray sources. The aforementioned power ranges then apply to the main pulse source.
  • the pre-pulse source can have a cw power of the laser radiation in the range between 200W and 1000W, in particular in the range between 300W and 1000W.
  • a pre-pulse source a Nd solid-state laser, in particular a Nd: YAG laser can be used.
  • the high-power laser light source and in particular the main pulse source is embodied as such Nd solid-state laser.
  • the X-ray source 1 further comprises a beam guiding system 4. This serves for focusing guidance of the laser radiation 3 of the laser light source 2 towards a target 5.
  • the target is a tin droplet with a typical diameter in the range between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m and in particular with a typical diameter of 30 ⁇ .
  • the steel guide system 4 is designed so that the target 5 with a beam guidance accuracy in the range of 1 ⁇ to a few 10 ⁇ , exactly hit.
  • the beam guidance system 4 comprises a reileective component group 6 with at least one mirror 7 as a reflective beam guidance component and a refractive component group 8 with at least one transmission component 9, which is at least partially transmissive to the radiation, as a refractive beam-guiding component.
  • the reflective component group 6 may have exactly one mirror 7, but may also have multiple mirrors.
  • the refractive component group 8 may have exactly one transmission component 9, but may also have a plurality of transmission components.
  • Mirror 7 and transmission components 9 of the beam guidance system 4 can also be arranged alternately in the beam path of the beam guidance system 4, as is indicated by way of example in FIG. 2, where a transmission component 9 is arranged between two mirrors 7 in the beam path of the laser radiation 3.
  • a mirror 7 between two transmission components 9 may be arranged.
  • the arrangement of the at least one mirror 7 and the at least one transmission component 9 within the beam guidance system 4 is such that beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one mirror 7 are at least caused by beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one transmission component 9 partially compensate.
  • the beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one mirror 7 result in particular from a beam-induced heating of a radiation-exposed portion of the reflection surface of the mirror 7 and a concomitant change in topography of the reflection surface due to thermal expansion of the mirror material.
  • Beam-induced changes to the beam guidance properties of the at least one transmission component can result from beam-induced refractive index changes of the component material and also from a change in topography of the component surfaces breaking the laser radiation 3 due to thermal expansion of the transmission component 9, in particular due to residual absorption of the laser radiation 3 ,
  • the transmission component 9 is made of ZnSe (zinc selenide). Alternatively, the transmission component 9 may also be made of ZnS, Ge, GaAs, silicon, diamond or other materials with sufficient transmission.
  • the at least one mirror 7 has a reflection surface made of copper. He may have an abso ⁇ tionsminderende coating. In the range of lower intensities, other mirror materials are also conceivable.
  • the at least one mirror 7 may have pure deflection properties. Alternatively, it is possible for the mirror 7 to have a focusing or a defocusing effect on the laser radiation 3.
  • the at least one transmission component 9 or even an entire refractive component group 8 can, as shown in dashed lines in FIGS. 1 and 2, be housed in a gas-tight housing 10 with at least one of the Las er radiation 3 permeable window 1 1.
  • the interior of the housing 10 may be evacuated. Alternatively or additionally, the interior of the housing 10 may have an inert gas atmosphere.
  • the mirror 7 is designed as a concave collimation mirror.
  • the transmission component 9 is shown as a plan vexlinse executed.
  • An embodiment of the transmission component as a biconvex lens or as a meniscus lens is also possible.
  • at least one of the transmission components 9 can be designed as a defocusing lens, as, for example, plano-concave or as a biconcave lens.
  • the mirror 7 is designed as a concave focusing mirror.
  • the transmission component 9 is designed as a plane-parallel plate.
  • the plane-parallel plate 9 of FIG. 4 is mechanically connected to a tilting drive 12 for controlled tilting of the plane-parallel plate 9 in operative connection.
  • the tilting drive 12 is connected to a control / regulating device 13 in signal connection.
  • the latter is in signal communication with an imaging optical sensor module 14 which detects a beam focus of the laser radiation 3 in the region of the target 5.
  • a tilt angle of the plane-parallel plate 9 in the beam path of the laser radiation 3 is readjusted via the tilting drive 12, as is is indicated by a double arrow 15 in Fig. 4.
  • a wedge plate serves as a transmission component 9.
  • the two optical surfaces of the wedge plate 9, which are driven by the laser radiation 3, have a wedge angle to one another, which is in the range between 1 ° and 30 °.
  • the wedge plate 9 can be tilted controlled (double arrow 15) as has already been explained in connection with the plane-parallel plate 9 of FIG.
  • An exit face 16 of the wedge plate 9 is designed as a compensation surface profile (compare the detail enlargement according to Fig. 6) for at least partial compensation of beam guiding errors generated by the laser light source 2 or by one of the other components of the beam guidance system 4.
  • stationary beam guidance errors can be compensated with the help of the compensation surface profile.

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Description

Strahlführungssystem zur fokussierenden Führung von Strahlung einer Hochleistungs-Laserlichtquelle hin zu einem Target sowie LPP- Röntgenstrahlquelle mit einer Laserlichtquelle und einem derartigen Strahlführungssystem
Der Inhalt der deutschen Anmeldungen DE 10 2012 200 693.1 und DE 10 2012 201 557.4 werden durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
1 Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Strahlführungssystem zur fokussierenden Führung von Strahlung einer Hochleistungs-Laserlichtquelle hin zu einem Target. Diese Erfindung betrifft insbesondere das Strahlführungssystem des Lasers in einer LPP-(laser produced plasma, lasererzeugtes Plasma)Quelle für EUVL (Strahlung bzw. Licht mit einer Wellenlänge im extremen Ultraviolett). Die Erfindung betrifft weiterhin eine LPP-Röntgenstrahlquelle mit einer Laserlichtquelle und einem derartigen Strahlführungssystem.
Die derzeit bevorzugten Laserplasmaquellen für die EUV-Lithographie verwenden CO2-Hochleistungs-Laser die auf einen Material-Partikel, beispielsweise auf ein Metall-Tröpfchen, insbesondere auf ein Zinn- Tröpfchen, fokussiert werden. Dadurch wird ein heißes, dichtes Plasma erzeugt, welches 13.5nm Strahlung emittiert. Eine Nutzwellenlänge der erzeugten Röntgenstrahlung kann auch im Bereich von 6.8nm liegen. In diesem Fall kann als Material-Partikel ein Tröpfchen aus Gadolinium (Gd) oder aus Terbium (Tb) zum Einsatz kommen. Um EUV-Leistimgen im Bereich 200 Watt im sogenannten intermediate Fokus (Zwischenfokus) eines EUVL- Systems zu erreichen sind mittlere CO2-Laserleistungen von typischerweise 35 kW notwendig. Die zugehörige Wellenlänge ist 10.6 μηι.
Um das Plasma effizient zu zünden, ist es wesentlich, dass eine möglichst hohe Laserintensität an der Stelle des Targets sichergestellt wird.
Das Target besteht typischerweise aus kleinen (Durchmesser ca. 10 - 100 μηι) Zinntröpfchen, die mit einer Genauigkeit von einigen μηι bis ei- nigen zehn μηι genau getroffen werden müssen.
Den Laser auf das Target zu fokussieren ist Aufgabe des Strahlführungssystems. Als optische Komponenten in diesem, System stehen nur
(Kupfer-) Spiegel und einige wenige Materialien (Diamant, ZnSe sowie ZnS, GaAs, Ge, Si) für refraktive Elemente zur Verfügung.
2 Problemstellung und Nachteil des Standes der Technik
Die derzeit diskutierten Strahlführungs Systeme bestehen im Wesentlichen aus wassergekühlten Kupfer-Umlenkspiegeln und Diamantfenstern. Andere Materialien sind im Bereich geringer Strahlquerschnitte und hoher Laserleistungen nicht beständig und können allenfalls im Bereich geringerer Intensitäten eingesetzt werden. Durch die hohen Laserintensitäten und die endliche Absorption der beschichteten oder sogar unbeschichteten Spiegel kommt es zu einer Deformation der Spiegeloberilächen, die wiederum die Wellenfronten des Laserstrahls deformieren. Beschichtungen sind nur bis zu einer grenzwertigen Laserintensität stabil. Bei höheren Intensitäten muss aus Lebensdauergründen auf sie verzichtet werden.
Strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften sind Än- derungen, die durch eine strahlinduzierte Materialausdehnung und/oder durch eine strahlinduzierte Brechungsindexänderung der jeweiligen Strahlführungskomponente hervorgerufen werden.
Die führenden Aberrationen, die so eingeführt werden sind:
1. ) Defokus: Unter dem Einfluss der Laserstrahlung wölben sich alle
Spiegeloberflächen gleichsinnig auf, d. h. der Effekt kumuliert beim Durchgang durch das System, welches, die Spiegel in den Power Am- plifiern (Leistungsverstärker) mitgezählt, mehrere Dutzend Spiegel besitzen kann, so dass sich ein signifikanter nichttolerierbarer Fokusversatz aufsummieren kann. Der Laser wird dabei defokussiert.
2. ) Die Spiegel werden im Wesentlichen als 90°-Umlenkspiegel eingesetzt, dadurch entsteht eine Unsymmetrie in der thermischen Belastung die im Wesentlichen zu einem Astigmatismus und dadurch zu einer
Reduktion der erreichbaren Peakintensität führt. Je nach relativer Anordnung der verschiedenen Spiegel können sich deren Beiträge aufsummieren oder kompensieren. 3.) Durch Symmetriebrechungen in den Fassungen kann ein Wellen- frontkipp und damit ein Lateralvesatz des Strahles auftreten. 4.) Durch höhere Ordnungen dieser Störungen (Koma, sph. Aberration, höherer Astigmatismus,...) kann es zu einer zusätzlichen Reduktion der Peakintensität (Strehlfaktor) kommen. Insgesamt wird durch diese Mirror-heating-Effekte die Stabilität und Leistung des Laserplasmas stark beeinträchtigt.
Es müssen daher, sofern sie nicht vermeidbar sind, sehr aufwändige Kontroll- und Regelmechanismen in das Strahlführungssystem eingebaut wer- den um das System per feed-back oder ggf. feed-forward zu stabilisieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahlführungssystem der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, dass sich strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des Strahlführungs- Systems nicht störend auf die fokussierende Führung der Strahlung der Laserlichtquelle auswirken.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Strahlführungssystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
3 Erfinderische Lösung
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des mindestens einen Spiegels des Strahl- führungssystems durch strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften der mindestens einen Transmissions-Komponente zumindest teilweise kompensieren lassen, da ohne weiteres Komponentenanordnungen möglich sind, bei denen diese strahlinduzierten Änderungen einander entgegenwirken. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich eine induzierte Materialausdehnung sowie eine strahlinduzierte Brechungsindexänderung bei der mindestens einen Transmissions-Komponente grundsätzlich anders auf die Strahlführung auswirkt als eine strahlinduzierte Materialausdehnung bei dem mindestens einen Spiegel.
Das Strahlführungssystem kann mehrere Spiegel aufweisen. Das Strahlführungssystem kann mehrere Transmissions-Komponenten aufweisen. Die Spiegel und/oder die Transmissions-Komponenten können zu reflektiven bzw. refraktiven Komponentengruppen zusammengefasst oder auch ab- wechselnd im Strahlengang des Strahlführungssystems angeordnet sein.
Insbesondere könnten thermisch induzierte oder intensitätsinduzierte Änderungen an den Strahlenführungseigenschaften kompensiert werden. Die Laserlichtquelle kann insbesondere Strahlung im I -Bereich und insbeson- dere im MIR-Bereich (mittleres Infrarot, Wellenlängenbereich zwischen 2,5 μηι und 25 μηι) erzeugen. Bei der Laserlichtquelle kann es sich um einen CO2-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 9,6μηι, und/oder von 10,3μηι und/oder von 10,6 μηι handeln. Alternativ oder zusätzlich zu einer Hochleistungs-Laserlichtquelle mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 9,5μηι und 1 Ιμηι kann das Strahlführungssystem auch zur fokussierenden Führung von Strahlung einer Hochleistungs-Laserlichtquelle mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 800nm bis 1200nm ausgeführt sein.
Die Hochleistungs-Laserlichtquelle kann eine cw-Leistung der Laserstrahlung im Bereich zwischen 500W und 100kW, insbesondere im Bereich zwischen 1kW und 50kW, beispielsweise im Bereich von 35kW haben. Die cw-Leistung der Laserstrahlung der Hochleistungs-Laserlichtquelle kann größer sein als 15kW oder kann größer sein als 20kW.
Eine zumindest teilweise Kompensation der strahlinduzierten Änderungen an den Strahlführungseigenschaften, die einerseits durch den mindestens einen Spiegel und andererseits durch die mindestens eine Transmissions- Komponente bewirkt werden, liegt dann vor, wenn die kompensierte Strahlführungseigenschaft einem Vorgabewert um mindestens 5 % besser entspricht als eine unkompensierte Strahlführungseigenschaft. Die kom- pensierte Strahlführungseigenschaft kann einem Vorgabewert um mehr als 10 % besser entsprechen, um mehr als 25 % besser entsprechen oder auch um mehr als 50 % besser entsprechen. Die Kompensationswirkung kann insbesondere so sein, dass der Vorgabewert genau erreicht wird. Diese relativen Kompensationswerte seien anhand eines Beispiels erläutert:
Als Strahlführungseigenschaft sei eine Fokalposition F der Strahlung im Bereich des Targets 5 vorgegeben. Der Vorgabewert sei eine Strahlposition F = z0 in Strahlführungsrichtung z. Eine strahlinduzierte Änderung an den Strahlführungseigenschaften des mindestens einen Spiegels führt zu einer Änderung der Fokalpositon hin zu einem Wert z0 + 5zs. Die strahlinduzierte Änderung an der Fokalposition, bewirkt durch die Transmissions- Komponente führt zu einer Fokalposition z0 - δζτ. Die Fokalposition hat sich dann aufgrund der strahlinduzierten Änderungen an den Strahlfüh- rungseigenschaften des mindestens einen Spiegels und der strahlinduzierten Änderungen an den Strahlführungseigenschaften der mindestens einen Transmissions-Komponente auf einen Wert F = z0 + δζ8- δζτ geändert. Eine zumindest teilweise Kompensation ist dann erreicht, wenn gilt: δζτ > 0,05 · δζ8. Insbesondere gilt: δζτ> 0,1 · δζ8, δζτ> 0,25 δζ8, δζτ > 0,5 δζ8. Insbesondere gilt: δζ8 = δζτ.
Auch für die anderen vorstehend angesprochenen führenden Abberationen geltend entsprechende Kompensationsbedingungen.
Bei einer Ausführung nach Anspruch 2 ergibt sich die Möglichkeit einer Astigmatismuskompensation. Alternativ oder zusätzlich zu einer planparallelen Platte kann auch mindestens eine Transmissions-Komponente mit fokussierender oder defokussierender Wirkung, z. B. eine oder mehrere Linsen, beim Strahlenführungssystem zum Einsatz kommen.
Eine Keilplatte nach Anspruch 3 ermöglicht eine Kompensation von thermisch induzierten Komafehlern oder von Kippfehlern, also insbesondere eine Kompensation von hinsichtlich ihrer Rotations Symmetrie einzähligen Störungen.
Eine nach Anspruch 4 verkippbare Transmissions-Komponente ermöglicht eine gezielte Einstellung ihres Kompensationseinflusses. Ein Kompensations-Oberflächenprofil nach Anspruch 5 ermöglicht eine Kompensation von stationären Strahlführungsfehlern. Das Kompensations- Oberflächenprofil kann in Form einer Korrekturasphäre ausgeführt sein. Derartige Korrekturasphären sind beim Einsatz in Projektionsoptiken für Projektionsbelichtungsanlagen bekannt. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft verwiesen auf die DE 10 2008 001 216 AI und auf die
DE 100 16 176 AI . ZnSe ist ein aufgrund seiner Transmissionseigenschaften geeignetes Material für die mindestens eine Transmissions-Komponente. Alternativ kann die Transmissions-Komponente aus ZnS, GaAs, Germanium, Silizium, Diamant oder anderen hinreichend transparenten Materialien gefertigt sein.
Spiegel nach Anspruch 7 haben sich zur Führung von Hochleistungs- Laserstrahlung insbesondere im MI -Bereich bewährt.
Der mindestens eine Spiegel nach Anspruch 8 ist im Ausgangszustand, also ohne Beaufschlagung mit der Strahlung der Hochleistungs-Laserlichtquelle ein reiner Umlenkspiegel, also insbesondere ein Planspiegel.
Alternativ zu einem Umlenkspiegel nach Anspruch 8 kann auch mindestens ein Spiegel mit einer fokussierenden oder defokussierenden Wirkung zum Einsatz kommen. Es können also Konkavspiegel und/oder Konvexspiegel zum Einsatz kommen.
Ein Gehäuse nach Anspruch 9 vermeidet eine Degradation der dort untergebrachten Transmissions-Komponenten durch Umgebungseinflüsse, z. B. durch Staub. Das Gehäuse kann evakuiert sein oder mit einem Schutzgas bzw. Inertgas gefüllt sein. Bei den Gehäusefenstern kann es sich um Diamantfenster handeln. Das Gehäuse verhindert zusätzlich im Falle einer thermisch induzierten Zerstörung des Kompensators eine Kontamination der Umgebung.
Eine Ausgestaltung nach Anspruch 10 ermöglicht eine geregelte Kompensation der strahlinduzierten Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des Strahlführungssystems. Ein Strahlführungssystem nach Anspruch 1 1 kann zur gleichzeitigen Führung der Strahlung einer Hochleistungs-Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Hauptpulses und zur Führung der Strahlung einer weiteren Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Vorpulses ausgeführt sein. Der Hauptpuls kann dann die Wellenlänge im Bereich zwischen 9,5 m und 1 1 μηι und die vorstehend erläuterten Leistungsbereiche aufweisen. Der Vorpuls kann die Wellenlänge im Bereich zwischen 800nm und 1200nm aufweisen. Der Vorpuls kann eine cw-Leistung im Bereich zwischen 200W und 1000W, insbesondere im Bereich zwischen 300W und 1000W, aufweisen. Die Lei- stung des Vorpulses beträgt typischerweise 10% der Leistung des Hauptpulses.
Grundsätzlich sind auch Ausführungen möglich, bei denen sowohl der Vorpuls als auch der Hauptpuls einen Wellenlängenbereich zwischen 9,5μηι und 1 1 μηι aufweist. Auch eine weitere Ausführung ist möglich, bei der sowohl der Vorpuls als auch der Hauptpuls eine Wellenlänge im Bereich zwischen 800nm und 1200nm aufweisen. Die Komponenten des Strahlführungssystems können alle so ausgelegt sein, dass sie verschiedene Wellenlängen, also einerseits im Bereich zwischen 9,5μηι und 1 Ιμηι und andererseits zwischen 800nm und 1200nm, führen. Alternativ ist es möglich, dass das Strahlführungssystem über entsprechende Strahlteilungen, insbesondere über dichroitische Strahlteilungen, in Teil- Strahlführungssysteme unterteilt ist, wobei eines der Strahlführungssysteme ausschließlich zur Führung von Strahlung im Bereich zwischen 9,5μηι und 1 1 μηι und/oder ein Teil-Strahlführungssystem ausschließlich zur Führung von Strahlung im Bereich zwischen 800nm und 1200nm ausgeführt ist. Die Vorteile einer öntgenstrahlquelle nach Anspruch 12 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Strahlführungssystem bereits erläutert wurden. Die Laserlichtquelle der Röntgenstrahlquelle kann unterteilt sein in eine Vorpuls- und eine Hauptpuls- Laserlichtquelle. Die Wellenlängen des Vorpulses und des Hauptpulses können gleich, können aber auch unterschiedlich sein.
Nachfolgend werden noch einige Erläuterungen zu vorteilhaften Ausgestaltungen des Strahlführungssystems und der Röntgenstrahlquelle gegeben:
Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Komponenten aus ZnSe in das Strahlführungssystem eingebracht werden.
Dies folgt an Stellen im Strahlführungssystem, die bzgl. der Strahlungsbe- lastung für ZnSe unkritisch sind. Dies kann z. B. an Stellen in der Verstärkerkette geschehen in denen die Laserleistung noch auf moderatem Niveau ist, oder an entsprechend aufgeweiteten Stellen an denen die Laserintensität hinreichend gering ist. Ausgenutzt wird, dass durch die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl von ZnSe, dieses Material bei Temperaturerhöhung eine fokussierende Wirkung auf den Laserstrahl hat und damit die indizierte, defokussierende Wirkung der Spiegel kompensieren kann. Die Größe dieses Effektes ist abhängig von der Dicke des Materials und der Laserleistung.
Da davon ausgegangen werden kann, dass sowohl der von den Spiegeln als auch der von einer ZnSe-Planparallelplatte induzierte Effekt mehr oder weniger linear in der Laserleistung ist, lässt sich für eine feste Konfiguration eine optimale ZnSe-Dicke bestimmen, die die laserinduzierten Fokuseffekte für beliebte Leistungen (größtenteils) kompensiert. Durch geeignetes Kippen einer solchen ZnSe-Platte mit geeigneter Dicke im Strahlengang, sollte sich - über den gleichen Mechanismus der in den Spiegeln Astigmatismus erzeugt -, auch ein kompensierendes Astigmatismusprofil erzeugen lassen, so dass auch der Astigmatismus des Gesamtsystems leistungsunabhängig kompensiert werden kann.
Thermisch induzierte Koma oder Kipp (einzählige Störungen) lassen sich durch Einbringen eines geeigneten Keiles aus ZnSe kompensieren.
Zusätzliche lassen sich stationäre Strahlaberrationen, verursacht die Fas- sungs-, Kühl- und sonstige Effekte durch Aufprägen eines geeigneten Oberflächenprofils kompensieren.
Im Idealfall ließen sich alle diese Kompensationsmechanismen in einem maßgeschneiderten gekippten ZnSe-Keil, definierter Dicke mit integrier- tem Korrekturprofil verwirklichen.
Eine Umsetzung der Erfindung ist natürlich auch auf andere Materialien und Wellenlängen verallgemeinerbar. Ein Aspekt der Erfindung lässt sich folgendermaßen formulieren: Strahlführungssystem für einen CO2-Laser, gekennzeichnet dadurch, dass von den Spiegeln thermisch induzierte Wellenfrontdeformationen durch eine Anordnung von plattenförmigen oder keilförmigen ZnSe-Elementen leistungsunabhängig kompensiert werden. 4 Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Röntgenstrahlquelle mit einer Laserlichtquelle und einem Strahlführungssystem; in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Röntgenstrahlquelle mit einer Laserlichtquelle und einem Strahlführungssystem; ebenfalls schematisch, aber stärker im Detail, verschiedene Ausführungen der Röntgenstrahlquelle nach Fig. 1 ; und
Fig. 6 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß Detail VI aus Fig.
5.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Röntgenstrahlquelle 1. Die Röntgenstrahlquelle 1 dient zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, insbesondere im EUV-(extremes Ultraviolett) Wellenlängenbereich, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 30 nm. Bei der Röntgenstrahl- quelle 1 handelt es sich um eine LPP-(laser produced plasma)Röntgen- strahlquelle.
Die Röntgenstrahlquelle 1 hat eine Laserlichtquelle 2, die Laserstrahlung 3 erzeugt. Bei der Laserlichtquelle 2 handelt es sich um eine Hochleistungs- Laserlichtquelle mit einer cw-Leistung der Laserstrahlung 3 im kW- Bereich, also beispielsweise im Bereich zwischen 500 W und 100 kW, insbesondere im Bereich zwischen 1 kW und 50 kW, beispielsweise im Bereich von 35 kW. Die Laserstrahlung 3 hat eine Wellenlänge im IR- Bereich, insbesondere im MIR-Bereich. Bei der Laserlichtquelle 2 handelt es sich um einen CO2-Laser. Die Laserlichtquelle 2 kann unterteilt sein in eine Vorpuls-(prepulse)Quelle und in eine Hauptpuls-(main pulse)Quelle wie dies für LPP-Röntgenstrahlquellen grundsätzlich bekannt ist. Die vorstehend genannten Leistungsbereiche gelten dann für die Hauptpuls- Quelle. Die Vorpuls-Quelle kann eine cw-Leistung der Laserstrahlung im Bereich zwischen 200W und 1000W, insbesondere im Bereich zwischen 300W und 1000W, haben. Als Vorpuls-Quelle kann ein Nd- Festkörperlaser, insbesondere ein Nd:YAG-Laser zum Einsatz kommen. Grundsätzlich ist auch eine Ausführung möglich, bei der die Hochlei- stungs-Laserlichtquelle und insbesondere die Hauptpuls-Quelle als derartiger Nd-Festkörperlaser ausgeführt ist.
Die Röntgenstrahlquelle 1 umfasst weiterhin ein Strahlführungssystem 4. Dieses dient zur fokussierenden Führung der Laserstrahlung 3 der Laser- lichtquelle 2 hin zu einem Target 5. Bei dem Target handelt es sich um ein Zinntröpfchen mit einem typischen Durchmesser im Bereich zwischen 10 μηι und 100 μηι und insbesondere mit einem typischen Durchmesser von 30 μηι. Das Stahlführungssystem 4 ist so ausgeführt, dass das Target 5 mit einer Strahlführungsgenauigkeit im Bereich von 1 μηι bis einigen 10 μηι, genau getroffen wird.
Das Strahlführungssystem 4 umfasst eine reilektive Komponentengruppe 6 mit mindestens einem Spiegel 7 als reflektiver Strahlführungskomponente und eine refraktive Komponentengruppe 8 mit mindestens einer für die Strahlung zumindest partiell durchlässigen Transmissions-Komponente 9 als refraktiver Strahlführungskomponente. Die reflektive Komponentengruppe 6 kann genau einen Spiegel 7 aufweisen, kann aber auch mehrere Spiegel aufweisen. Die refraktive Komponentengruppe 8 kann genau eine Transmissions-Komponente 9, kann aber auch mehrere Transmissions- Komponenten aufweisen. Spiegel 7 und Transmissions-Komponenten 9 des Strahlführungssystems 4 können auch abwechselnd im Strahlengang des Strahlführungssystems 4 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in der Fig. 2 angedeutet ist, wo zwischen zwei Spiegeln 7 im Strahlengang der Laserstrahlung 3 eine Transmissions-Komponente 9 angeordnet ist. In gleicher Weise kann bei einer nicht dargestellten Ausführung auch ein Spiegel 7 zwischen zwei Transmissions-Komponenten 9 angeordnet sein. Die Anordnung des mindestens einen Spiegels 7 und der mindestens einen Transmissions-Komponente 9 innerhalb des Strahlführungssystems 4 ist derart, dass sich strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des mindestens einen Spiegels 7 durch strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften der mindestens einen Transmissi- ons-Komponente 9 zumindest teilweise kompensieren.
Die strahlinduzierten Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des mindestens einen Spiegels 7 ergeben sich insbesondere durch eine strahlinduzierte Erwärmung eines strahlungsbeaufschlagten Abschnitts der Re- flexionsfläche des Spiegels 7 und eine damit einhergehende Änderung einer Topographie der Reflexionsfläche aufgrund einer thermischen Ausdehnung des Spiegelmaterials. Strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften der mindestens einen Transmissions-Komponente können sich durch strahlinduzierte Brechungsindexänderungen des Komponentenmaterials und ebenfalls durch eine Änderung einer Topographie der die Laserstrahlung 3 bre- chenden Komponentenflächen aufgrund einer thermischen Ausdehnung der Transmissions-Komponente 9 insbesondere aufgrund einer Restabsortion der Laserstrahlung 3 ergeben.
Die Transmissions-Komponente 9 ist aus ZnSe (Zinkselenid) gefertigt. Al- ternativ kann die Transmissions-Komponente 9 auch aus ZnS, Ge, GaAs, Silizium, Diamant oder anderen Materialien mit hinreichender Transmission gefertigt sein.
Der mindestens eine Spiegel 7 hat eine Reflexionsfläche aus Kupfer. Er kann eine absoφtionsminderende Beschichtung besitzen. Im Bereich geringerer Intensitäten sind auch andere Spiegelmaterialien denkbar. Der mindestens eine Spiegel 7 kann reine Umlenkeigenschaften haben. Alternativ ist es möglich, dass der Spiegel 7 eine fokussierende oder eine defokus- sierende Wirkung auf die Laserstrahlung 3 hat.
Die mindestens eine Transmissions-Komponente 9 oder auch eine gesamte refraktive Komponentengruppe 8 kann, wie dies in den Fig. 1 und 2 gestrichelt dargestellt ist, in einem gasdichten Gehäuse 10 mit mindestens einem für die Las er Strahlung 3 durchlässigen Fenster 1 1 untergebracht sein. Das Innere des Gehäuses 10 kann evakuiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Innere des Gehäuses 10 eine Inertgas -Atmosphäre aufweisen.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist der Spiegel 7 als konkaver Kollima- tionsspiegel ausgeführt. Die Transmissions-Komponente 9 ist als Plankon- vexlinse ausgeführt. Auch eine Ausführung der Transmissions- Komponente als Bikonvexlinse oder als Meniskuslinse ist möglich. Bei einer nicht dargestellten Ausführung kann mindestens eine der Transmissions-Komponenten 9 als defokussierende Linse, als beispielsweise Plan- konkav- oder als Bikonkavlinse ausgeführt sein.
Anhand der Fig. 3 bis 6 werden nachfolgend verschiedene Varianten für das Strahlführungssystem 4 erläutert. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist der Spiegel 7 als konkaver Fokussier- spiegel ausgeführt. Die Transmissions-Komponente 9 ist als planparallele Platte ausgeführt. Die planparallele Platte 9 nach Fig. 4 steht mechanisch mit einem Kippantrieb 12 zur gesteuerten Verkippung der planparallelen Platte 9 in Wirkverbindung. Der Kippantrieb 12 steht mit einer Steuer/Regeleinrichtung 13 in Signalverbindung. Letztere steht mit einem bildgebenden optischen Sensormodul 14 in Signalverbindung, welches einen Strahlfokus der Laserstrahlung 3 im Bereich des Targets 5 erfasst. Je nach dem Fokus-Bildergebnis, welches das Sensormodul 14 erfasst und welches in der Steuer-Regeleinrichtung 13 mit Hilfe eines entsprechenden Algorithmus ausgewertet wird, wird über den Kippantrieb 12 ein Kippwinkel der planparallelen Platte 9 im Strahlengang der Laserstrahlung 3 nachgere- gelt, wie dies in der Fig. 4 durch einen Doppelpfeil 15 angedeutet ist.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 dient eine Keilplatte als Transmissions- Komponente 9. Die beiden optischen Flächen der Keilplatte 9, die von der Laserstrahlung 3 durchtrieben werden, haben einen Keilwinkel zueinander, der im Bereich zwischen 1° und 30° liegt. Auch die Keilplatte 9 kann geregelt verkippt werden (Doppelpfeil 15) wie dies im Zusammenhang mit der planparallelen Platte 9 nach Fig. 4 bereits erläutert wurde. Eine Austrittsfläche 16 der Keilplatte 9 ist als Kompensations-Ober- flächenprofil (vgl. die Ausschnittsvergrößerung nach Fig. 6) zur zumindest teilweisen Kompensation von Strahlführungsfehlern ausgebildet, die von der Laserlichtquelle 2 bzw. von einer der weiteren Komponenten des Strahlführungssystems 4 erzeugt werden. Insbesondere stationäre Strahl- führungsfehler können mit Hilfe des Kompensations-Oberflächenprofils kompensiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlführungssystem (4) zur fokussierenden Führung von Strahlung (3) einer Hochleistungs-Laserlichtquelle (2) mit einer Wellenlänge der Strahlung (3) im Bereich zwischen 9,5μηι und 1 1 μηι hin zu einem
Target (5), mit mindestens einem Spiegel (7) als reflektiver Strahlführungskomponente und mit mindestens einer für die Strahlung (3) zumindest partiell durchlässigen Transmissions-Komponente (9) als refraktiver Strahlführungskomponente, - wobei die Anordnung des mindestens einen Spiegels (7) und der mindestens einen Transmissions-Komponente (9) derart ist, dass sich strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften des mindestens einen Spiegels (7) durch strahlinduzierte Änderungen an den Strahlführungseigenschaften der mindestens einen Transmissions-Komponente (9) zumindest teilweise kompensieren.
2. Strahlführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissions-Komponente (9) als planparallele Platte ausgeführt ist.
3. Strahlführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissions-Komponente (9) als Keilplatte ausgeführt ist.
4. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissions-Komponente (9) im Strahlengang des Strahlführungssystems (4) verkippbar (15) angeordnet ist.
5. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissions-Komponente (9) ein Kompensa- tions-Oberflächenprofil (16) zur zumindest teilweisen Kompensation von Strahlführungsfehlern aufweist, die von der Laserlichtquelle (2) und/oder von einer Komponente (7, 9) des Strahlführungssystems (4) erzeugt werden.
6. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Transmissions-Komponente (9) aus ZnSe gefertigt ist.
7. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spiegel (7) eine Reflexionsflä- che aus Kupfer hat.
8. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spiegel (7) im Ausgangszustand reine Umlenkeigenschaften für die Strahlung (3) hat.
9. Strahlführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die mindestens eine Transmissions-Komponente (9) in einem gasdichten Gehäuse (10) mit mindestens einem für die Strahlung (3) durchlässigen Fenster (1 1) untergebracht ist.
10. Strahlfühmngssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Sensormodul (14) zur Fokuserfassung der Strahlung (3) im Be- reich des Targets (5), einen Verlagemngsantrieb (12) zum Verlagern der Transmissions- Komponente (9) und - eine Steuer-/ egeleinrichtung (13), die in Signalverbindung mit dem Sensormodul (14) und dem Verlagemngsantrieb (12) steht.
1 1. Strahlfühmngssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet zur fokussierenden Fühmng von Strahlung einer weiteren La- serlichtquelle mit einer Wellenlänge der Strahlung im Bereich zwischen 800nm und 1200nm.
12. Laser Produced Plasma- (LPP-)Röntgenstrahlquelle (1) mit einer
Hochleistungs-Laserlichtquelle (2) und mit einem Strahlführungssy- stem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1.
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