DE102012201497A1

DE102012201497A1 - Kollektor mit einem Beugungsgitter

Info

Publication number: DE102012201497A1
Application number: DE102012201497A
Authority: DE
Inventors: Udo Dinger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiegelschale (601) zur Reflektion von Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15nm unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene. Dabei umfasst die Spiegelschale (601) einen Spiegelgrundkörper der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist, und ein periodisches Beugungsgitter (611) mit Gitterstegen und Gitterfurchen, das auf mindestens einem Teil des Spiegelgrundköpers angeordnet ist. Hierbei schließen die auf eine um die Symmetrieachse (607) rotationssymmetrische Zylinderfläche radialprojizierten Gitterstege mit der Symmetrieachse (607) einen Winkel ein, der kleiner ist als 5°. Weiterhin betrifft die Erfindung eine zugehörige Kollektoreinheit und Lichtquelleneinheit, sowie einen Abformkörper zur Herstellung der Spiegelschale. Darüber hinaus wird auch ein Verfahren zur Herstellung des Abformkörpers und ein Verfahren zur Herstellung der Spiegelschale beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegelschale zur Reflektion von Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15nm unter einem Reflektionswinkel < 35° zur Oberflächentangentialebene. Ferner betrifft die Erfindung eine Kollektoreinheit umfassend eine derartige Spiegelschale, eine Quelleinheit mit einer derartigen Spiegelschale, einen Abformkörper zur Herstellung einer derartigen Spiegelschale und Herstellungsverfahren für den Abformkörper und die Spiegelschale.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen dienen zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauelementen mittels eines fotolithographischen Verfahrens. Dabei wird eine strukturtragende Maske, das sogenannte Retikel, mit Hilfe einer Lichtquelleneinheit und einer Beleuchtungsoptik beleuchtet und mit Hilfe einer Projektionsoptik auf eine fotosensitive Schicht abgebildet. Hierzu ist die strukturtragende Maske in einer Objektebene der Projektionsoptik angeordnet und die fotosensitive Schicht am Ort einer Bildebene einer Projektionsoptik. Dabei stellt die Lichtquelleneinheit eine Strahlung zur Verfügung, die in die Beleuchtungsoptik geleitet wird. Die Beleuchtungsoptik dient dazu am Ort der strukturtragenden Maske eine gleichmäßige Ausleuchtung mit einer vorbestimmten winkelabhängigen Intensitätsverteilung zur Verfügung zu stellen. Hierzu sind innerhalb der Beleuchtungsoptik verschiedene geeignete optische Elemente vorgesehen. Die so ausgeleuchtete strukturtragende Maske wird mit Hilfe der Projektionsoptik auf eine fotosensitive Schicht abgebildet. Dabei wird das Auflösungsvermögen einer solchen Projektionsoptik unter anderem von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung beeinflusst. So können umso kleinere Strukturen abgebildet werden, je kleiner die Wellenlänge λ der verwendeten Strahlung ist. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, Strahlung im Bereich des extremen Ultraviolett (EUV) d.h. mit der Wellenlänge λ = 5nm – 15nm zu verwenden.
Derartige Strahlung wird typischerweise erzeugt, indem ein Materialtarget in einen Plasmazustand überführt wird, so dass es Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge λ im Bereich von 5nm–15nm emittiert. Dabei gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten, das Plasma zu erzeugen. Zum einen kann das Materialtarget mit Hilfe von Laserpulsen erhitzt werden bis es in den Plasmazustand übergeht. Man spricht von sogenannten Laser produced Plasmaquellen (LPP-Quellen). Zum anderen kann das Plasma auch mit Hilfe einer Bogenentladung hergestellt werden. Derartige Quellen werden als discharge produced Plasmaquellen (DPP-Quellen) bezeichnet. Plasmaquellen zur Erzeugung von EUV-Strahlung haben den Nachteil, dass Sie keine monochromatische Strahlung bereitstellen. Stattdessen wird ein breites Strahlungsspektrum emittiert. Zur Abbildung der strukturtragenden Maske trägt dagegen nur ein sehr engbandiger Wellenlängenbereich bei. Je nach Konfiguration von Beleuchtungsoptik und Projektionsoptik liegt dieser engbandige Bereich bei 13,3–13,7nm oder bei 6,5–6,9nm. Jegliche Strahlung mit einer Wellenlänge außerhalb des jeweiligen Bereiches führt zu unerwünschter Erwärmung des optischen Systems, falls die Strahlung im optischen System absorbiert wird, oder zu Fehlbelichtungen der fotosensitiven Schicht, falls die Strahlung durch das optische System weitergeleitet wird. Aus diesem Grund kommen in derartigen Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen Spektralfilter zum Einsatz, die Strahlung der unerwünschten Wellenlängen rechtzeitig herausfiltern. Derartige Filterelemente sind z.B. in der US 7,248,667 B2 und der WO 2004/021086 beschrieben.
Bei Laserplasmaquellen kommt hinzu, dass neben der vom Plasma emittierten unerwünschten Strahlung auch noch Reste der Laserstrahlung selbst in das optische System gelangen kann. Derartige Strahlung hat typischerweise eine Wellenlänge von 10,6µm und liegt damit im Infrarotbereich.
Die Spektralfilter dürfen jedoch die zur Abbildung verwendete EUV-Strahlung nicht zu stark abschwächen. Daher werden derartige Spektralfilter typischerweise nicht als separates optisches Element ausgeführt. Stattdessen wird die Spektralfilterwirkung in ein bereits vorhandenes optisches Element der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage integriert. Hierfür kommt insbesondere die Kollektoreinheit in Betracht, da es sich hierbei um das erste optische Element innerhalb des Strahlenganges handelt, so dass die unerwünschte Strahlung so früh wie möglich aus dem Strahlengang herausgefiltert werden kann. Kollektoreinheiten dienen dazu die vom Plasma emittierte Strahlung zu sammeln und in das Beleuchtungssystem zu führen. Hierbei unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten von Kollektoreinheiten. Bei sogenannten normal incidence Kollektoren trifft die emittierte Strahlung unter einem Reflektionswinkel > 45° zur Oberflächentangetialebene auf die Kollektoroberfläche. Bei sogenannten gracing incidence Kollektoren trifft die Beleuchtungsstrahlung dagegen unter streifenden Einfall, d.h. unter einem Reflektionswinkel < 45° zur Oberflachentangentialebene auf die Kollektoroberfläche. Die Ausbildung eines normal incidence Kollektors mit einem Spektralfilter ist z.B. aus der US 2009/0289205 bekannt. Die Integration von Spektralfiltern in einem gracing incidence Kollektor ist dagegen in der US 7,084,412 B2 beschrieben.
Spezielle Beugungsgitter, die unter gracing incidence betrieben werden, sind zum Beispiel aus der Astrophysik bekannt. Siehe hierzu

– Off-plane gratings for Constellation-X, R. McEntaffer et al, Proc SPIE 4851 (2003), pp. 549
– Gratings in a conical diffraction mounting for an extreme-ultraviolet time-delay-compensated monochromator, M. Pascolini et al., APPLIED OPTICS, Vol. 45, No. 14, 2006, pp. 3253
– Efficiency of a grazing-incidence off-plane grating in the soft-x-ray region, Seely et al., APPLIED OPTICS, Vol. 45, No. 8, 2006, pp. 1680

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gracing incidence Kollektor mit einem Spektralfilter bereitzustellen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spiegelschale zur Reflektion von Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15nm unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene. Die Spiegelschale umfasst dabei einen Spiegelgrundkörper, der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist und ein periodisches Beugungsgitter mit Gitterstegen und Gitterfurchen, das auf mindestens einem Teil des Spiegelgrundkörpers angeordnet ist. Dabei schließen die auf eine, um die Symmetrieachse rotationssymmetrische, Zylinderfläche radialprojizierten Gitterstege mit der Symmetrieachse einen Winkel ein, der kleiner ist als 5°. Diese spezielle Orientierung der Gitterstege ermöglicht es, Beugungsgitter und Spiegelgrundkörper mit Hilfe von Elektroformen kostengünstig herzustellen.
Das Elektroformen von Spiegelschalen ist z.B. aus der WO 2008/145364 A2 bekannt. Hierbei wird zunächst ein Abformkörper (Mandrel) hergestellt, dessen Außenfläche mit der Geometrie der herzustellenden Spiegelschale übereinstimmt. Auf der Oberfläche des Abformkörpers wird dann durch Galvanisieren Material abgelagert, so dass sich die Spiegelschale um den Abformkörper herum bildet. In einem weiteren Schritt wird die Spiegelschale vom Abformkörper durch einen Temperaturschock getrennt. Dazu wird die gesamte Einheit aus Spiegelschale und Abformkörper einem Temperatursprung, typischerweise zu tieferen Temperaturen hin, ausgesetzt. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Abformkörper und Spiegelschale kommt es zu einer Trennung zwischen den beiden, sobald die thermisch induzierten Spannungen die Haftspannungen zwischen Spiegelschale und Abformgrundkörper übersteigen. Es ergibt sich ein Trennspalt zwischen Spiegelschale und Abformkörper. Bei den konventionell verwendeten Materialien von z.B. Aluminium für den Abformkörper und Nickel für die Spiegelschale ist dieser nur wenige Mikrometer tief. Abschließend wird die rotationssymmetrische Spiegelschale entlang der Symmetrieachse vom rotationssymmetrischen Abformkörper abgenommen.
Neben dem Galvanisieren sind auch andere Replikationsverfahren zur Herstellung von Spiegelschalen fachüblich. Siehe hierzu zum Beispiel

– Production of Thin-Walled Lightweight CFRP/EPOXY X-Ray Mirrors for the XMM Telescope, D. Pauschinger et al., Proceedings of SPIE 1742, 235 (1992)
– WFXT Technology Overview, Pareschi et al., Proceedings of the "Wide Field X-ray Telescope" workshop held in Bologna on 25–26 Nov 2009

In diesen beiden Verfahren wird zunächst ein mechanischer Grundkörper hergestellt, auf den die Spiegelschale aufgebracht wird. Parallel wird auf einen Abformkörper eine Schicht aufgebracht, die später als reflektierende Schicht der Spiegelschale dient. Nun wird der Abformkörper in den Grundkörper verbracht, so dass zwischen Grundkörper und Abformköper ein Spalt von wenigen Hundert Mikrometer verbleibt. Dieser Spalt wird mit Epoxidharz gefüllt. Durch einen Temperaturschock wird abschließend der Abformkörper von der Spiegelschale getrennt. Damit ergibt sich eine Spiegelschale aus mechanischem Grundkörper, ausgehärtetem Epoxidharz und der Beschichtung, die nun nicht mehr mit dem Abformgrundkörper sondern mit dem Epoxidharz verbunden ist.
Bei allen diesen Herstellungsverfahren wird die Spiegelschale vom Abformkörper mittels eines Temperaturschocks getrennt (CTE-Trennung, Coefficient of Thermal Expansion). Der Trennspalt zwischen Abformkörper und Spiegelschale ist dabei nur wenige Mikrometer groß. Dies hat den Fachmann bislang davon abgehalten, im gleichen Verfahrensschritt eine Spiegelschale mit Beugungsgitter herzustellen, da die Höhe der Gitterstege typischerweise in der gleichen Größenordnung liegen wie die Breite des Trennspaltes.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Spiegelschale Gitterstege aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass die auf eine um die Symmetrieachse rotationssymmetrische Zylinderfläche radial projizierten Gitterstege mit der Symmetrieachse einen Winkel einschließen, der kleiner ist als 5°, kann der bekannte Abformprozess verwendet werden. Insbesondere kann die Spiegelschale vom Abformkörper abgenommen werden, ohne die Gitterstege zu beschädigen.
Bei einer speziellen Ausgestaltung schließen die radialprojizierten Gitterstege mit der Symmetrieachse einen Winkel kleiner 1° ein, so dass die Gitterstege und die Symmetrieachse im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Hierdurch wird das Abnehmen der Spiegelschale vom Abformkörper bei der Herstellung noch weiter vereinfacht.
Eine einstückige Ausführung von Spiegelgrundkörper und Beugungsgitter lässt sich mit dem beschriebenen Verfahren besonders kostengünstig herstellen.
Eine Ausführung des Beugungsgitters als Binärgitter ist besonders einfach herzustellen. Dagegen ermöglicht eine Ausführung des Beugungsgitters als geblaztes Beugungsgitter eine stärkere Beeinflussung, wie groß der gebeugte Anteil der Strahlung in den jeweiligen Beugungsordnungen ist.
Durch eine Ausgestaltung des Beugungsgitters zur Beugung von Strahlung im Wellenlängenbereich 10–12µm wird erreicht, dass die bei einer Laserplasmaquelle verbleibenden Reste der Laserstrahlung aus dem Strahlengang gefiltert werden.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei einer Kollektoreinheit zur Führung von Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm mit einer Mehrzahl von Spiegelschalen, die ineinander um eine gemeinsame Symmetrieachse angeordnet sind, und wobei die Beleuchtungsstrahlung jeweils unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene auf die Spiegelschalen auftrifft. Erfindungsgemäß umfasst dann mindestens eine der Spiegelschalen ein beschriebenes Beugungsgitter. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Kollektoreinheit trifft die Beleuchtungsstrahlung im Wesentlichen längs zu den Gitterstreben auf die Spiegelschale. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm nicht durch das Beugungsgitter beeinflusst wird. Wären die Gitterstreben quer zur einfallenden Beleuchtungsstrahlung orientiert, so würde es zu Abschattungseffekten an den Gitterstreben kommen, sobald die Beleuchtungsstrahlung auf die Stirnflächen der Gitterstreben trifft. Dort auftreffende Strahlung wird nicht in die gewünschte Richtung reflektiert. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Spiegelschale trifft die Beleuchtungsstrahlung dagegen längs der Gitterstreben auf die Spiegelschale und somit nicht auf die Stirnflächen der Gitterstreben sondern nur auf die Oberseite der Gitterstreben und die Unterseite der Gitterfurchen. Die erfindungsgemäße Spiegelschale reflektiert die Beleuchtungsstrahlung daher mit hoher Effizienz in die gewünschte Richtung und dient dennoch als Spektralfilter für Strahlung mit unerwünschten Wellenlängen. Da das Beugungsgitter typischerweise so ausgelegt ist, dass es Strahlung mit Wellenlängen beugt, die sich von der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung stark unterscheiden, ist die Beugungswirkung auf die Beleuchtungsstrahlung selbst zu vernachlässigen. Bei einer speziellen Ausgestaltung ist das Beugungsgitter zur Beugung von Strahlung im Wellenlängenbereich 10–12µm ausgestaltet. Diese Wellenlänge ist um ca. 1000mal größer als die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung im Bereich 5–15nm. Daher führt das Beugungsgitter auch zu keiner Beugung der Beleuchtungsstrahlung.
Speziell lässt sich die Erfindung anwenden bei die Spiegelschalen, die ringförmige asphärische Segmente umfassen, insbesondere bei Spiegelschalen, die aus einem ringförmiges Segment eines Ellipsoiden und einem ringförmigen Segment eines Hyperboloiden bestehen. Derartige Wolterkollektoren sind aus der Röntgenastronomie und der EUV-Lithographie bekannt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Lichtquelleinheit zur Bereitstellung von Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm. Dabei umfasst die Lichtquelleneinheit einen Laser zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Laserwellenlänge und ein Materialtarget, das bei Bestrahlung mit der Laserstrahlung in einen Plasmazustand übergeht und die Beleuchtungsstrahlung emittiert. Weiterhin umfasst die Lichtquelleinheit mindestens eine beschriebene Spiegelschale zum Sammeln der Beleuchtungsstrahlung mit einem Beugungsgitter, das zur Beugung der Wellenlänge der Laserstrahlung ausgebildet ist. Hierdurch wird erreicht, dass die bei verbleibenden Reste der Laserstrahlung aus dem Strahlengang gefiltert werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Abformkörper zur Herstellung einer vorbeschriebenen Spiegelschale. Dabei umfasst der Abformkörper einen Abformgrundkörper, der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist, und ein periodisches Abformgitter mit Abformstegen und Abformfurchen, das auf mindestens einem Teil des Abformgrundköpers angeordnet ist. Erfindungsgemäß schließen die auf eine um die Symmetrieachse rotationssymmetrische Zylinderfläche radialprojizierten Abformfurchen mit der Symmetrieachse einen Winkel ein, der kleiner ist als 5°. Diese spezielle Orientierung der Abformfurchen ermöglicht es, durch Abformen mit dem Abformköper eine Spiegelschale aus Spiegelgrundkörper und Beugungsgitter kostengünstig herzustellen.
Bei einer speziellen Ausgestaltung schließen die radialprojizierten Abformfurchen mit der Symmetrieachse einen Winkel kleiner 1° ein, so dass die Abformfurchen und die Symmetrieachse im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Hierdurch wird das Abnehmen der Spiegelschale vom Abformkörper bei der Herstellung noch weiter vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abformgrundkörper und das Abformgitter einstückig ausgeführt sind, da dies eine einfache Herstellung und eine besonders stabile Verbindung zwischen Abformgrundkörper und Abformgitter ermöglicht.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Abformkörpers. Bei diesem Verfahren werden in einen rotationssymmetrischen Abformrohling mit Hilfe von Diamantbearbeitung Abformfurchen eingebracht werden, so dass sich eine einstückige Ausführung aus Abformgrundkörper und Abformgitter ergibt. Hierdurch lassen sich sehr präzise Abformfurchen erreichen.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer beschriebenen Spiegelschale. Dabei umfasst das Verfahren mindestens die folgenden Schritte:

a. Bereitstellen eines beschriebenen Abformkörpers mit Abformfurchen
b. Abscheiden eines Trennschichtsystems auf der Oberfläche des Abformkörpers
c. Formen einer Spiegelschale mit Gitterstegen auf dem Trennschichtsystems, so dass die Gitterstege den Abformfurchen entsprechen und die Gitterfurchen den Abformstegen.
d. Ablösen der Spiegelschale am Trennschichtsystem vom Abformkörper.

Dabei kann das Formen der Spiegelschale zum Beispiel durch Elektroformen geschehen. Alternativ kann auch ein geeigneter Hohlraum mit Epoxidharz aufgefüllt werden.
Erfindungsgemäß ermöglicht dieses Verfahren die gleichzeitige Herstellung von Spiegelgrundkörper und Beugungsgitter, was besonders effizient ist. Weiterhin können im Wesentlichen bekannte Galvanik-Techniken zur Herstellung der Spiegelschale verwendet werden.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Spiegelschale
2 erläutert die genaue Lage der Gitterstege
3 zeigt einen Ausschnitt aus der Spiegelschale bei Beaufschlagung mit Beleuchtungsstrahlung
4 zeigt die Lage der Beugungsordnungen
5 zeigt einen Schnitt durch die Spiegelschale senkrecht zu den Gitterstegen
6 zeigt die Spiegelschale in Verbindung mit einem Abformkörper
7 zeigt eine Ausschnitt aus Spiegelschale und Abformkörper
8a zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines Abformkörpers
8b zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelschale.
9 zeigt eine Lichtquelleinheit
Die Bezugszeichen sind so gewählt, dass Objekte, die in 1 dargestellt sind mit einstelligen oder zweistelligen Zahlen versehen wurden. Die in den weiteren Figuren dargestellten Objekte haben Bezugszeichen, die drei- oder mehrstellig sind, wobei die letzten beiden Ziffern das Objekt angeben und die vorangestellte Ziffer die Nummer der Figur, auf der das Objekt dargestellt ist. Damit stimmen die Bezugsziffern von gleichen Objekten, die in mehreren Figuren dargestellt sind in den letzten beiden Ziffern überein. Gegebenenfalls findet sich die Beschreibung dieser Objekte im Text zu einer vorhergehenden Figur.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spiegelschale 1. Die Spiegelschale besteht aus zwei ringförmigen asphärischen Segmenten 3 und 5. Hierbei handelt es sich um das ringförmige Segment eines Hyperboloiden 3 und das ringförmige Segment eines Ellipsoiden 5. Die Spiegelschale 1 ist trichterförmig und rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 7. Der Durchmesser der Spiegelschale verjüngt sich entgegen der Achsrichtung der Symmetrieachse, d.h. in der 1 von rechts nach links. Die optisch genutzte Fläche der Spiegelschale 1 ist die Innenfläche 9. Auf der Innenfläche 9 ist ein periodisches Beugungsgitter 11 angeordnet. Das periodische Beugungsgitter 11 umfasst Gitterstege 13 und Gitterfurchen 15. Auf Grund der perspektivischen Darstellung ermöglicht 1 nur eine Aufsicht auf die Innenfläche 9 des ringförmigen Segment eines Ellipsoiden 5. Das periodische Beugungsgitter 11 ist jedoch sowohl auf der Innenfläche des ringförmigen Segment eines Ellipsoiden 5 als auch auf der Innenfläche des ringförmigen Segment eines Hyperboloiden 3 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, das periodische Beugungsgitter 11 nur auf einem der beiden Segmente anzuordnen. Die genaue Geometrie der Gitterstege ist in 2 dargestellt. 2 zeigt die Spiegelschale 201 und einen exemplarischen Gittersteg 217. Der Gittersteg 217 ist auf der Innenseite der Spiegelschale 201 angeordnet. Nur zur besseren Darstellung zeigt 2 den Gittersteg 217 auf der Außenseite der Spiegelschale 201. 2 zeigt weiterhin eine rotationssymmetrische Zylinderfläche 219, die rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 207 ist. Jeder Punkt des Gittersteges 217 wird radial nach außen projiziert, so dass sich auf der Zylinderfläche 219 ein radialprojizierter Gittersteg 221 ergibt. Unter Radialprojektion wird verstanden, dass jeder Punkt des Gittersteges 217 mit der Symmetrieachse 207 entlang einer Projektionslinie 223 verbunden wird. Die Projektionslinie 223 steht dabei senkrecht auf der Symmetrieachse 207. Der Schnittpunkt der Projektionslinie 223 mit der Zylinderfläche 219 ist dann der zugehörige radialprojizierte Punkt. Prinzipiell kann der radialprojizierte Gittersteg 221 eine beliebige Kurve auf der Zylinderfläche 219 darstellen. Um die kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, ist der Gittersteg 217 jedoch so orientiert, dass der radialprojizierte Gittersteg 221 mit der Symmetrieachse 207 einen Winkel einschließt, der kleiner 5° ist. Dies bedeutet, dass an jedem Punkt des radialprojizierten Gittersteges 221 der Winkel zwischen der Symmetrieachse 207 und dem radialprojizierten Gittersteg 221 kleiner 5° ist. Zur Bestimmung dieses Winkels verschiebt man die Symmetrieachse 207 parallel bis sie den radialprojizierten Gittersteg 221 an dem entsprechenden Punkt schneidet. Dann bestimmt man den Winkel zwischen der parallel verschobenen Symmetrieachse und dem radialprojizierten Gittersteg 221 in diesem Punkt. Da sowohl der radialprojizierte Gittersteg 221 als auch die verschobene Symmetrieachse in der rotationssymmetrischen Zylinderfläche 219 liegen, wird der Winkel nach dem üblichen Verfahren zur Berechnung von Winkeln auf gekrümmten Oberflächen ermittelt.
3 zeigt einen Ausschnitt aus der Spiegelschale 301. Die Spiegelschale umfasst einen Spiegelgrundkörper 325, der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Auf dem Spiegelgrundkörper 325 ist ein periodisches Beugungsgitter 311 angeordnet. Spiegelgrundkörper 325 und Beugungsgitter 311 sind in 3 durch eine gestrichelte Linie getrennt. Das periodische Beugungsgitter 311 weist Gitterstege 313 und Gitterfurchen 315 auf. Strahlung 327 die unter einem Winkel γ < 35° zu Oberflächentangentialebene auf die Spiegelschale auftrifft wird durch das Beugungsgitter 311 in verschiedene Beugungsordnungen aufgespalten. In 3 dargestellt sind die nullte Beugungsordnung 329, die erste Beugungsordnung 331 und die minus erste Beugungsordnung 333. Die genauen Beugungsbedingungen werden im Folgenden im Zusammenhang mit 4 näher erläutert.
4 zeigt das periodische Beugungsgitter 411 und die auftreffende Strahlung 427. Die auftreffende Strahlung 427 schließt mit den Gitterstegen 413 einen Winkel γ ein. Die Einfallsrichtung der Strahlung 427 liegt somit auf einem Doppelkegel, dessen Spitze mit dem Auftreffpunkt 435 zusammenfällt und dessen Symmetrieachse parallel zu den Gitterstegen 413 verläuft. Vollständig festgelegt wird die Richtung der einfallenden Strahlung 427 daher durch die zusätzliche Angabe des Azimutwinkels α. Durch die Angabe von α und γ ist die Richtung der einfallenden Strahlung eindeutig bestimmt. Bei einer derartigen Geometrie kommt es zur sogenannten konischen Beugung. Das bedeutet, dass die Richtung der gebeugten Strahlung auf dem anderen Teil des Doppelkegels zu liegen kommt. Die nullte Beugungsordnung 429 hat den gleichen Azimutwinkel α. Der gebeugte Strahl 439 hat einen Azimutwinkel β. Der Kegelwinkel beträgt für beide Strahlen 429 und 439 jeweils γ. Der Wert des Azimutwinkels β ergibt sich aus der folgenden Beugungsgleichung: sin(α) + sin(β) = nλ / dsin(γ)
Hierbei ist d der Abstand zwischen den Gitterstreben 413, λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung 427 und die positive Integerzahl n die Beugungsordnung. Bei den erfindungsgemäßen Kollektoreinheiten die in den nachstehenden Figuren erläutert sind, liegt der Winkel α typischerweise nahe 0°.
5 zeigt einen Schnitt durch das erfindungsgemäße periodische Beugungsgitter 511. Die Gitterstege 513 haben einen Abstand d voneinander. Dieser Abstand wird zwischen den Mitten zweier benachbarter Gitterstege gemessen. Die Gitterfurchen haben eine Tiefe h. Als reflektierende Oberfläche für die Beleuchtungsstrahlung dienen die Unterseiten 514 der Gitterfurchen und die Oberseiten 512 der Gitterstege. Die Stirnflächen 508 der Gitterstege reflektieren die Beleuchtungsstrahlung nicht in die gewünschte Richtung.
6 zeigt eine Spiegelschale 601 mit einem periodischen Beugungsgitter 611. Die Spiegelschale 601 besteht aus einem ringförmigen Segment eines Hyperboloiden 603 und dem ringförmigen Segment eines Ellipsoiden 605. Weiterhin dargestellt ist ein Abformkörper 641. Dabei hat der Abformkörper 641 eine Außengeometrie, die der Innengeometrie der Spiegelschale 601 entspricht. Spiegelschale und Abformkörper sind rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 607. Auf der rotationssymmetrischen Außenseite des Abformkörpers 641 ist ein periodisches Abformgitter 643 mit Abformstegen 645 und Abformfurchen 647 angeordnet. Dabei sind die Abformfurchen 647 derart ausgebildet, dass die auf eine um die Symmetrieachse 607 rotationssymmetrische Zylinderfläche radialprojizierten Abformfurchen mit der Symmetrieachse 607 einen Winkel einschließen, der kleiner als 5° ist. Bezüglich der Radialprojektion und der Winkeldefinition gelten die zu 2 gemachten Erläuterungen entsprechend.
7 zeigt einen Ausschnitt aus der Spiegelschale 701 und dem Abformkörper 741. Die Spiegelschale umfasst einen rotationssymmetrischen Spiegelgrundkörper 725 und ein periodisches Beugungsgitter 711, das auf dem Spiegelgrundkörper 725 angeordnet ist. Das periodische Beugungsgitter 711 umfasst Gitterstege 713 und Gitterfurchen 715. Der Abformkörper 741 umfasst einen Abformgrundkörper 742, der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist. Auf dem Abformgrundkörper 742 ist ein periodisches Abformgitter 743 angeordnet. Das periodische Abformgitter 743 umfasst Abformstege 745 und Abformfurchen 747. Erfindungsgemäß entspricht die Außengeometrie des Abformkörpers 741 der Innengeometrie der Spiegelschale 701. Daher greifen die Gitterstege 713 in die Abformfurchen 747 und die Abformstege 745 greifen in die Gitterfurchen 715.
8a zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Abformkörpers. In Schritt 849 wird ein rotationssymmetrischer Abformrohling hergestellt. In Schritt 851 werden in diesen rotationssymmetrischen Abformrohling Abformfurchen eingebracht, so dass sich eine einstöckige Ausführung eines Abformkörpers aus Abformgrundkörper und Abformgitter ergibt.
8b zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelschale. Schritt 853 besteht dabei im Bereitstellen eines Abformkörpers mit Abformfurchen und Abformstegen, wie er im Zusammenhang mit 6 beschrieben ist. Nachfolgend wird in Schritt 855 auf der Oberfläche dieses Abformkörpers ein Trennschichtsystem abgeschieden. Danach wird galvanisch Material auf dem Trennschichtsystem abgeschieden, so dass sich eine Spiegelschale mit einem periodischen Beugungsgitter ergibt. Dabei entsprechen die Gitterstege den Abformfurchen und die Gitterfurchen den Abformstegen. In einem weiteren Schritt 859 wird die Spiegelschale am Trennschichtsystem vom Abformkörper gelöst. Hierzu wird die gesamte Einheit aus Spiegelschale und Abformkörper einem Temperatursprung, typischerweise zu tieferen Temperaturen hin, ausgesetzt. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Abformkörper und Spiegelschale kommt es zu einer Trennung zwischen den beiden, sobald die thermisch induzierten Spannungen die Haftspannungen zwischen Spiegelschale und Abformgrundkörper übersteigen. Es bildet sich ein, typischerweise wenige µm tiefer, Trennspalt zwischen Spiegelschale und Abformkörper. In einem weiteren Schritt werden Spiegelschale und Abformkörper voneinander getrennt, indem sie gegeneinander entlang der Symmetrieachse bewegt werden. Dies ermöglicht, dass die abgeformten Gitterstege beim Trennprozess nicht beschädigt werden.
9 zeigt die erfindungsgemäße Quelleinheit 961 mit einer Kollektoreinheit 963 in Form eines Linsenschnittes. Die Quelleinheit 961 umfasst einen Laser 965 zur Erzeugung von Laserstrahlung 967 mit einer Laserwellenlänge. Die Laserstrahlung 967 ist auf ein Materialtarget 969 gerichtet. Auf Grund der Bestrahlung des Materialtargets 969 mit der Laserstrahlung 967 geht das Materialtarget in einen Plasmazustand über und emittiert die Beleuchtungsstrahlung 971. Die Beleuchtungsstrahlung 971 wird mit Hilfe der Kollektoreinheit 963 gesammelt und auf einen Fokuspunkt 973 gebündelt. Die Kollektoreinheit 963 umfasst neun Spiegelschalen 901, welche rotationssymmetrisch um die gemeinsame Achse 975 angeordnet sind. Jede der Spiegelschalen 901 umfasst zwei ringförmige asphärische Segmente. Die Kollektoreinheit ist vom Wolter-Typ wie sie z.B. in der US 2008/0018876 A1 beschrieben ist. Das asphärische Segment 903, das näher zum Materialtarget 969 liegt ist somit ein ringförmiges Segment eines Hyperboloiden. Das ringförmige Segment 905, dass näher in Richtung des Fokuspunktes 973 liegt ist dagegen ein ringförmiges Segment eines Ellipsoiden. Jede der gezeigten neun Spiegelschalen 901 ist erfindungsgemäß ausgeführt und umfasst einen Spiegelgrundkörper der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist sowie ein periodisches Beugungsgitter mit Gitterstegen und Gitterfurchen, dass auf mindestens einem Teil des Spiegelgrundkörpers angeordnet ist. Für alle neun Spiegelschalen 901 gilt weiterhin das die auf eine um die Symmetrieachse rotationssymmetrische Zylinderfläche radial projizierten Gitterstege mit der gemeinsamen Symmetrieachse einen Winkel einschließen der kleiner ist als 5°.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7248667 B2 [0003]
WO 2004021086 [0003]
US 20090289205 [0005]
US 7084412 B2 [0005]
WO 2008145364 A2 [0008]
US 20080018876 A1 [0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Off-plane gratings for Constellation-X, R. McEntaffer et al, Proc SPIE 4851 (2003), pp. 549 [0006]
Gratings in a conical diffraction mounting for an extreme-ultraviolet time-delay-compensated monochromator, M. Pascolini et al., APPLIED OPTICS, Vol. 45, No. 14, 2006, pp. 3253 [0006]
Efficiency of a grazing-incidence off-plane grating in the soft-x-ray region, Seely et al., APPLIED OPTICS, Vol. 45, No. 8, 2006, pp. 1680 [0006]
Production of Thin-Walled Lightweight CFRP/EPOXY X-Ray Mirrors for the XMM Telescope, D. Pauschinger et al., Proceedings of SPIE 1742, 235 (1992) [0009]
WFXT Technology Overview, Pareschi et al., Proceedings of the "Wide Field X-ray Telescope" workshop held in Bologna on 25–26 Nov 2009 [0009]

Claims

Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) zur Reflektion von Beleuchtungsstrahlung (971) mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15nm unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene umfassend: a. einen Spiegelgrundkörper (325, 725), der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse ausgebildet ist, b. ein periodisches Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) mit Gitterstegen (13, 217, 313, 413, 513, 713) und Gitterfurchen (15, 315, 515, 715), das auf mindestens einem Teil des Spiegelgrundköpers (325, 725) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine um die Symmetrieachse (7, 207, 607) rotationssymmetrische Zylinderfläche radialprojizierten Gitterstege (13, 217, 313, 413, 513, 713) mit der Symmetrieachse (7, 207, 607) einen Winkel einschließen, der kleiner ist als 5°.
Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialprojizierten Gitterstege (13, 217, 313, 413, 513, 713) mit der Symmetrieachse (7, 207, 607) einen Winkel kleiner 1° einschließen, so dass die Gitterstege (13, 217, 313, 413, 513, 713) und die Symmetrieachse (7, 207, 607) im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelgrundkörper (325, 725) und das Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) einstückig ausgeführt sind.
Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) als Binärgitter oder als geblaztes Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) ausgeführt ist.
Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) zur Beugung von Strahlung im Wellenlängenbereich 10–12µm ausgeführt ist.
Kollektoreinheit (963) zur Führung von Beleuchtungsstrahlung (971) mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm umfassend mindestens eine Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901), auf die die Beleuchtungsstrahlung (971) unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) gemäß einem der Ansprüche 1–5 ausgeführt ist.
Kollektoreinheit (963) zur Führung von Beleuchtungsstrahlung (971) mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm mit einer Mehrzahl von Spiegelschalen (1, 201, 301, 601, 701, 901), die ineinander um eine gemeinsame Symmetrieachse (975) angeordnet sind, und wobei die Beleuchtungsstrahlung (971) jeweils unter einem Reflektionswinkel kleiner als 35° zur Oberflächentangentialebene auf die Spiegelschalen (1, 201, 301, 601, 701, 901) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) der Mehrzahl von Spiegelschalen (1, 201, 301, 601, 701, 901) gemäß einem der Ansprüche 1–5 ausgeführt ist.
Kollektoreinheit (963) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschalen (1, 201, 301, 601, 701, 901) ringförmige asphärische Segmente (3, 5, 203, 205, 603, 605, 903, 905) umfassen.
Kollektoreinheit (963) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Spiegelschalen (1, 201, 301, 601, 701, 901) aus einem ringförmiges Segment eines Ellipsoiden (3, 203, 603, 903) und einem ringförmigen Segment eines Hyperboloiden (5, 205, 605, 905) besteht.
Lichtquelleinheit (961) zur Bereitstellung von Beleuchtungsstrahlung (971) mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15 nm umfassend einen Laser (965) zur Erzeugung von Laserstrahlung (967) mit einer Laserwellenlänge und ein Materialtarget (969), das bei Bestrahlung mit der Laserstrahlung (967) in einen Plasmazustand übergeht und die Beleuchtungsstrahlung (971) emittiert dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleinheit (961) mindestens eine Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) gemäß einem der Ansprüche 1–4 zum Sammeln der Beleuchtungsstrahlung (971) umfasst, wobei das Beugungsgitter (11, 311, 411, 511, 611, 711) zur Beugung der Wellenlänge der Laserstrahlung (967) ausgebildet ist.
Abformkörper (641, 741) zur Herstellung einer Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach Anspruch 1, umfassend a. einen Abformgrundkörper (742), der rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse (7, 207, 607) ausgebildet ist a. ein periodisches Abformgitter (643, 743) mit Abformstegen (645, 745) und Abformfurchen (647, 747), das auf mindestens einem Teil des Abformgrundköpers (742) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine um die Symmetrieachse (7, 207, 607) rotationssymmetrische Zylinderfläche radialprojizierten Abformfurchen (647, 747) mit der Symmetrieachse (7, 207, 607) einen Winkel einschließen, der kleiner ist als 5°.
Abformkörper (641, 741) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die radialprojizierten Abformfurchen (647, 747) mit der Symmetrieachse (7, 207, 607) einen Winkel kleiner 1° einschließen, so dass die Abformfurchen (647, 747) und die Symmetrieachse (7, 207, 607) im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Abformkörper (641, 741) nach einem der Ansprüche 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abformgrundkörper (742) und das Abformgitter (643, 743) einstückig ausgeführt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Abformkörpers (641, 741) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass in einen rotationssymmetrischen Abformrohling mit Hilfe von Diamantbearbeitung Abformfurchen (647, 747) eingebracht werden, so dass sich eine einstückige Ausführung aus Abformgrundkörper (742) und Abformgitter (643, 743) ergibt.
Verfahren zur Herstellung einer Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach einem der Ansprüche 1–5 umfassend mindestens die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Abformkörpers (641, 741) nach einem der Ansprüche 11–13 b. Abscheiden eines Trennschichtsystems auf der Oberfläche des Abformkörpers (641, 741) c. Formen einer Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) nach einem der Ansprüche 1–5 auf dem Trennschichtsystems, so dass die Gitterstege (13, 217, 313, 413, 513, 713) den Abformfurchen (647, 747) entsprechen und die Gitterfurchen (15, 315, 515, 715) den Abformstegen (645, 745). d. Ablösen der Spiegelschale (1, 201, 301, 601, 701, 901) am Trennschichtsystem vom Abformkörper (641, 741).