一种用于极紫外光源的燃料发射器的液滴控制装置及方法与流程

本发明属于极紫外光刻，具体涉及一种用于极紫外光源的燃料发射器的液滴控制装置及方法。

背景技术：

1、极紫外光刻是目前实现7nm及以下制程的关键技术。在激光产生等离子体极紫外光源中，需要将燃料液滴（通常为锡液滴）以数万赫兹的频率、数十米每秒的速度发射至真空腔体内，并由高功率激光精准轰击，产生极紫外辐射。在这种高频、高功率的极端工作工况下，对液滴发射系统的稳定性提出了极高的要求。

2、现有技术中，通过电磁力加速燃料液滴的方案已被提出。一种常见的设计是在喷嘴内壁设置两组彼此绝缘的连续轴向导电体，电源分别与两组导电体（两根连续轴向导电体）连接，利用导电的燃料液滴自身作为开关，当液滴通过时同时接触两组导电体，形成电流回路，在磁场中受到安培力作用而加速（如申请人已获得授权的专利：zl202310554609.2）。然而，现有技术未认识到，在euv光源的高频、微尺度、真空工况下，电磁加速液态金属液滴存在一系列相互耦合的复杂问题：液态金属液滴自身作为导体承载电流，其温升难以精确预测；液滴在加速过程中因受力不均发生形变（包括颈缩和高速铺展不足导致的接触形变），局部电流密度剧增；多个液滴同时接触连续导电体形成并联回路，导致电流分配随机。

3、正是上述euv工况特有的相互耦合问题，使得电磁加速方案面临一个极窄的工作电流窗口：

4、该工作电流窗口的下限由液滴的摩擦阻力和加速时间决定：若为避免电爆炸而降低电流，则安培力仅略大于摩擦力，加速时间显著延长，液滴在加速区内停留过久，极易发生融合，且增加颈缩风险；

5、该工作电流窗口的上限由液滴的汽化温度和电爆炸阈值决定：若为避免融合而增大电流，则会导致焦耳热过大引发汽化。更致命的是，液滴在加速中发生形变，局部截面积减小，导致局部电流密度剧增。

6、因此，现有技术未认识到该工作电流窗口的狭窄性，也未给出从结构上保证每个液滴电流稳定落入该窗口内的方案。

7、此外，连续导电体通常为金属材料，具有较高的导热系数。液滴与导电体接触时，电流流过液滴和导电体时产生的焦耳热，会沿导电体轴向快速传导，使导电体整体温度升高，并形成明显的轴向温度梯度。在极紫外光刻所要求的高频、长时间连续运行工况下，上述焦耳热积累问题被显著放大。

8、该温度梯度会引发系列的连锁反应：首先，热量极易传导至上游的压电驱动单元，导致压电材料退极化或性能漂移，直接影响液滴喷射的稳定性；其次，热量传导至喷嘴和燃料流道，会增加锡液温度，甚至引发局部汽化，干扰极紫外光的产生；此外，连续的导电体在轴向温差作用下，还会产生显著的热应力集中，长期在高频工况下运行，极易导致材料疲劳和表面绝缘层老化剥离，严重影响液滴发生器的使用寿命。

9、针对上述问题，现有技术通常依赖外部冷却、降低电流或增大散热面积手段进行缓解。然而这些措施仅能起到外部降温的作用，尚未提出能够从结构上阻断焦耳热沿导电体的传导路径的有效方案，局部温度梯度仍有待消除。因此，如何从结构上有效阻断焦耳热向压电单元及喷嘴流道的传导，成为本领域亟待解决的技术问题。

10、此外，随着euv光源对液滴控制精度要求的不断提高，单一的轴向加速功能逐渐暴露出局限性：

11、· 无法对液滴进行径向聚焦，难以校正因发射扰动或等离子体冲击波引起的轨迹偏差；

12、· 无法使液滴旋转，难以利用陀螺效应稳定液滴姿态，提高激光能量的利用率；

13、· 固定方向的持续工作容易导致局部热负荷集中，影响系统长期稳定性。

14、因此，本领域亟需一种能够根据不同的工况需求，动态切换工作模式，实现多目标优化控制的燃料发射器控制系统。

15、现有技术中，燃料液滴的生成与加速主要有两条技术路径：压电驱动路径和电磁驱动路径。压电驱动通过压电元件对喷嘴内的燃料施加周期性压力扰动，利用瑞利射流断裂原理形成均匀液滴序列，但其加速能力有限；电磁驱动通过导电体与液滴形成电流回路，在磁场中受安培力作用加速，但液滴形成仍依赖传统泵压方式。目前尚未有将两者有机结合并实现全流程闭环控制的方案。

16、此外，在电磁加速过程中，液滴因受力不均会产生形态畸变，液滴与导电体接触会导致残余电荷问题，间断式导电体的绝缘间隔会造成推力中断（“动力断层”现象），而固定参数的加速方案难以保证液滴序列到达激发点的时间间隔一致性。现有技术中尚未提出有效的综合解决方案。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于极紫外光源的燃料发射器的液滴控制装置及方法，将“如何消除多液滴并联导致的电流分配随机性，抑制液滴在加速过程中的形变，从而将流经每个液滴的电流稳定在极窄的工作电流窗口内，避免因电流分配不均导致的加速度不一致、融合、汽化或电爆炸”作为本发明要解决的技术问题，提供以下技术方案：

2、一种用于极紫外光源的燃料发射器的液滴控制装置，包括：

3、至少一个喷嘴，具有燃料流道；

4、导电体配置，设置于所述喷嘴的内壁，和/或所述喷嘴出口下游的液滴飞行路径上，包括能够与通过所述喷嘴的燃料液滴形成至少一个电流回路的导电体；

5、至少两根导线，与所述导电体配置电性连接；

6、磁场发生装置，配置为产生作用于所述燃料液滴的磁场；

7、所述导电体和所述磁场发生装置构成所述液滴控制装置的电磁加速单元；

8、其中，流经燃料液滴的电流与所述磁场相互作用产生的安培力具有沿目标方向的分量，从而加速、轨迹修正和/或旋转所述燃料液滴。

9、进一步地，所述导电体配置被配置为：至少包含间断式导电体，包括多个在空间上分布的导电段，相邻导电段之间设有间隔；更进一步的，所述液滴控制装置还配置为：使流经至少一个所述导电段的电流主要由所述导电段所在回路的电气参数确定，而不是主要由同时接触所述导电段的燃料液滴数量确定。其中所述燃料液滴为液态金属液滴，所述燃料液滴的数量为一个或多个；

10、进一步地，还包括主控制单元，与所述导电体和/或所述磁场发生装置连接，配置为控制所述导电体和/或所述磁场发生装置，以调节所述安培力的大小和/或方向，使所述安培力具有沿目标方向的分量。

11、在一种实施方式中，所述主控制单元被配置为，根据目标工作模式，和/或燃料液滴的状态信息，控制所述导电体的通电状态，并与所述磁场发生装置配合，使所述安培力具有沿目标方向的分量，所述目标工作模式包括轴向加速模式、径向聚焦模式、旋转稳定模式、热负荷分散模式中的至少一种；所述状态信息用于确定所述燃料液滴的位置、运动状态、形变和/或热状态，包括位置信息、到达时刻、离开时刻、飞行速度、电荷量、形态信息、温度信息中的至少一种。

12、在另一种实施方式中，所述主控制单元被配置为执行以下至少一种操作：

13、(1)在检测到所述燃料液滴与所述导电体接触时或接触后，控制所述导电体通电或提高流经所述燃料液滴的电流；在检测到所述燃料液滴与所述导电体分离时或分离前，控制所述导电体断电或降低流经所述燃料液滴的电流。

14、(2)基于以下至少一种信息，调节施加于所述导电体的电信号参数和/或所述磁场发生装置的磁场参数，以调整所述燃料液滴的飞行速度、飞行姿态、到达时间和/或到达位置：

15、a)检测到的euv辐射强度；

16、b)燃料液滴离开喷嘴后的位置信息和/或运动参数，包括燃料液滴到达激光靶点的时间和位置信息；

17、c)燃料液滴在喷嘴内的位置信息、运动参数和/或飞行姿态，包括对液滴与导电体接触时刻和/或分离时刻的预判。

18、(3)使相邻燃料液滴所带的电荷极性相反。该功能基于接触起电原理，通过控制液滴离开导电体瞬间的电压极性，可使液滴带上预定极性的净电荷，从而利用异性电荷吸引力主动抑制液滴融合。

19、(4)独立控制各导电段的通电状态。

20、(5)控制所述导电体的通电状态，包括燃料液滴与所述导电体的接触前和/或分离前，调节施加于导电体的电压参数，和/或所述导电体所在回路的电阻参数，确保燃料液滴与导电体接触或分离时，使流经燃料液滴的电流，和/或所述导电体之间的电压控制在各自的安全阈值之下，避免电弧。

21、(6)根据燃料液滴的热积累，降低下游至少一级导电体的通电电流，或缩短该级的通电时间，或跳过该级导电体，以避免燃料液滴汽化。

22、(7)根据所述燃料液滴的初始温度或热状态，动态调节所述电气参数，使流经所述燃料液滴的电流不超过该级对应的汽化临界电流值。所述汽化临界电流值根据所述燃料液滴在该级的初始温度和累积温升确定，确保所述燃料液滴在离开全部加速级时的温度低于其汽化温度。

23、(8)根据所述燃料液滴的形变程度，动态调节所述电气参数，使所述燃料液滴形变处的局部电流密度不超过其电爆炸阈值。所述形变程度通过以下至少一种方式确定：形状检测传感器、电信号检测、流体力学模型预测、接触时间判断。

24、进一步地，所述导电体配置包括至少两组导电体，每组导电体能够与所述燃料液滴形成独立的电流回路；所述至少两组导电体沿不同方向或相同方向延伸，所述至少两组导电体包括以下至少一种类型：沿喷嘴轴向延伸的轴向导电体，所述轴向导电体为连续式或间断式；沿喷嘴周向延伸的环形导电体，所述环形导电体选自完整圆环形、由多个相互绝缘的弧形导电段拼接而成的分段式环形、横截面积沿轴向渐变的渐变截面环形中的至少一种；具有使流过液滴的电流同时产生径向和轴向分量效果的非轴向导电体，所述非轴向导电体为连续式或间断式。

25、进一步地，所述电气参数通过设置于所述导电段所在回路中的电流设定装置实现，所述电流设定装置选自以下至少一种方式：串联限流电阻、独立调压电路、恒流源、恒压恒流源、pwm控制（包括恒流模式和/或调流模式）、电感限流、电流镜、恒流二极管、负反馈控制、前馈控制、基于微控制器或fpga的高速闭环控制、稳压二极管与电阻的组合、电容限流、阻容限流。本领域技术人员可根据实际工况选择。所述电流设定装置被配置为，使流经每个所述燃料液滴的电流主要由所述电流设定装置的设定值确定；更进一步地，所述电流设定装置被配置为在所述导电段和/或所述燃料液滴因温度变化导致其电阻变化时，和/或所述燃料液滴因接触位置变化导致电阻变化时，使流经所述燃料液滴的电流保持稳定，从而使所述安培力的大小保持稳定。

26、进一步地，所述相邻导电段之间的间隔用于实现以下至少一种功能：

27、（1）增强相邻导电段之间的热隔离；

28、（2）通过所述间隔的燃料液滴由表面张力恢复至基本球形；

29、（3）捕集因局部过热产生的燃料蒸汽；

30、（4）使通过所述导电体的相邻燃料液滴之间电学隔离，避免液滴间的电流共享和电荷共享，无论所述燃料液滴是否与所述导电体形成完整电流回路。

31、可选地，所述磁场发生装置配置为产生固定磁场或可调磁场，所述磁场在燃料液滴的飞行路径上具有至少两种不同的几何形态，所述至少两种不同的几何形态包括直线形态、曲线形态、会聚形态、发散形态中的至少两种。

32、进一步地，所述液滴控制装置还包括压电单元，所述压电单元为压电修正单元和/或压电驱动单元；

33、（1）所述压电修正单元配置为在所述燃料液滴与所述导电体形成电流回路之后，对所述燃料液滴施加振动和/或推力脉冲，以控制所述燃料液滴的形态，和/或配置为产生振动以清除残留在所述喷嘴内的燃料液滴；所述压电修正单元由一修正控制单元控制，所述修正控制单元与所述主控制单元为同一控制单元，或独立于所述主控制单元的另一控制单元。

34、更进一步地，所述修正控制单元还被配置为根据状态信息，判断所述燃料液滴存在形变风险或已发生形变时，控制所述压电修正单元对所述燃料液滴施加振动和/或推力脉冲，以抑制或矫正所述燃料液滴的形变；所述状态信息用于确定所述燃料液滴的位置、运动状态和/或形变，包括以下至少一种：到达时刻、离开时刻、飞行速度、电荷量、形态信息。

35、（2）所述压电驱动单元设置在所述电磁加速单元的上游，与所述喷嘴耦合，配置为对燃料施加周期性压力扰动以形成均匀的液滴序列。

36、更进一步地，还包括一驱动控制单元，所述驱动控制单元与所述主控制单元为同一控制单元且与压电驱动单元连接，或所述驱动控制单元为另一控制单元，与所述主控制单元或所述电磁加速单元连接，且与所述压电驱动单元连接，配置为控制所述压电驱动单元与所述电磁加速单元的协同工作。

37、更进一步地，所述压电驱动单元与所述电磁加速单元相互独立工作，分别控制液滴的形成与加速；所述驱动控制单元配置为同步所述压电驱动单元的扰动与所述电磁加速单元的施加电信号时序。

38、压电单元可采用多种具有逆压电效应的材料实现，包括但不限于传统压电陶瓷、无铅压电陶瓷、高温压电材料、压电单晶、压电复合材料等。本领域技术人员能够理解，只要材料具有逆压电效应，能够在电信号激励下产生机械变形并对喷嘴内燃料施加压力扰动，均可用于实现本发明的压电单元。

39、在一种优选的实施例中，所述压电单元可以包括压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件耐温≥250℃，配置为响应于压电控制单元（修正控制单元或驱动控制单元）施加的电压波形产生机械变形。所述压电控制单元配置为生成具有可调频率、幅值和波形的驱动电压信号。

40、此外，电磁单元工作时，会产生大量的焦耳热，虽然大部分焦耳热在燃料液滴内，但是高频工作下，压电修正单元还面临在高温环境下工作挑战，必要时，需进行主动热管理，如设置隔热材料，通过导热率极低的连接件与高温区隔离，或主动冷却降温及通过实时监测，实现精准控温。

41、可选地，所述液滴控制装置还包括电荷管理单元，所述电荷管理单元设置于所述导电体的下游，配置为管理所述燃料液滴的残余电荷，所述电荷管理单元包括以下至少一种：电子发射源，配置为向所述燃料液滴发射电子；离子源，配置为向所述燃料液滴发射与所述残余电荷极性相反的离子；接地导电体，配置为通过物理接触或电场感应消除所述燃料液滴的残余电荷。

42、进一步地，还包括多级电磁加速单元，沿液滴飞行方向依次设置，每级包括至少一对导电体，各级导电体具有独立的电流调节单元，所述主控制单元配置为根据液滴到达信号，独立调节各级所述电流调节单元，并控制各级通电状态，使得在每一级导电体中，同一时间最多只有一个燃料液滴与导电体形成电流回路。所述电流调节单元包括以下至少一种：可调电阻、数字电位器、恒流源、恒压恒流源、pwm调流电路、恒流二极管、电流镜、每级独立电源、每级独立开关、以及本领域已知的其他能够独立调节该级电流的电路或元件。

43、本发明还提供一种用于极紫外光源的燃料发射器的液滴加速方法，包括以下步骤：

44、提供喷嘴，所述喷嘴内壁，和/或所述喷嘴出口下游的液滴飞行路径上，设置有导电体配置，包括能够与通过所述喷嘴的燃料液滴形成至少一个电流回路的导电体，所述导电体配置为：至少包含间断式导电体，包括多个在空间上分布的导电段，相邻导电段之间设有间隔，使流经至少一个所述导电段的电流主要由所述导电段所在回路的电气参数确定，而不是主要由同时接触所述导电段的燃料液滴数量确定。其中所述燃料液滴为液态金属液滴，所述燃料液滴的数量为一个或多个；

45、在所述喷嘴外部产生磁场；

46、使通过所述喷嘴的燃料液滴与所述导电体形成电流回路，流经燃料液滴的电流与所述磁场相互作用产生的安培力具有沿目标方向的分量，从而加速、轨迹修正和/或旋转所述燃料液滴。

47、进一步地，还包括主控制单元，所述主控制单元根据目标工作模式，和/或根据燃料液滴与所述导电体形成电流回路的电信号，选择性地激活所述导电体的一组或多组，使所述安培力具有沿目标方向的分量。所述目标工作模式包括轴向加速模式、径向聚焦模式、旋转稳定模式、热负荷分散模式中的至少一种。

48、进一步地，还包括多级加速单元，每级均设有导电体和电流调节单元，所述方法还包括：通过所述多级电磁加速单元对液滴进行加速，所述主控制单元根据液滴到达信息，独立调节各级电流调节单元的电流大小，控制各级通电状态，使得在每一级导电体中，同一时间最多只有一个液滴与所述导电体形成电流回路。

49、进一步地，还包括压电驱动单元和驱动控制单元，所述方法还包括：通过所述压电驱动单元对喷嘴内的燃料施加周期性压力扰动，使燃料在喷嘴出口处形成均匀的液滴序列；通过所述驱动控制单元同步所述压电驱动单元的扰动频率与施加于所述导电体的电信号时序。

50、本发明还提供一种极紫外光源装置，包括前述任一项所述的液滴控制装置。

51、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

52、1. 功能解耦，分别优化：压电驱动负责液滴形成，电磁驱动负责加速，可独立优化参数，避免性能折衷。

53、2. 多模式控制：通过选择性激活不同导电体组，实现轴向加速、径向聚焦、旋转稳定、热负荷分散等多种功能。

54、3. 智能闭环控制：利用液滴与导电体接触产生的电信号本身评估液滴状态，无需复杂外部检测系统，实现逐滴精准控制。

55、4. 形态矫正、电荷管理与推力补偿：通过压电修正单元和电荷管理单元，解决因受力不均和接触起电导致的形态畸变和轨迹偏移问题；同时，在绝缘间隔处由压电修正单元提供微秒级正向推力脉冲，消除“动力断层”现象，保持液滴受力连续。

56、5. 抑制形变振荡，稳定飞行轨迹：通过压电修正单元对液滴施加振动或推力脉冲，不仅矫正了液滴形态，还抑制了液滴因形变恢复产生的振荡，避免液滴在高速飞行中发生横向偏移，确保液滴序列的飞行轨迹一致。

57、6. 热负荷主动管理：间断式导电体，通过低占空比控制及多模式切换，从源头减少焦耳热产生。

58、7. 简化系统控制：多级加速组合可确保电流路径唯一、电流稳定输出，使液滴获得一致的加速力，简化对实时监控和反馈调节的依赖。

59、8. 末端精调：通过最后一级或两级精调单元，确保液滴以一致的速度和时间间隔离开喷嘴，提高激光同步精度。

60、9. 避免电弧、延长寿命：控制单元在液滴接触前和/或分离前调节电压或电阻参数，使流经液滴的电流和/或导电体之间的电压降至各自的安全阈值以下，避免电弧，减少电极烧蚀和碎屑污染。

61、10. 多源闭环智能控制：通过基于euv强度和/或燃料液滴位置等多源信息反馈调节电磁加速参数，实现激光击打时机的自动优化，进一步提升光源稳定性和能量利用率。

62、11. 电绝缘与热隔离：相邻导电段之间的间隔同时起到电绝缘和热隔离作用，抑制焦耳热沿导电体轴向传导，降低温度梯度，减少热应力和材料老化；且间隔可作为外部冷却或主动控制的施加位置。

63、12. 避免汽化与电爆炸、抑制形变（包括颈缩和铺展不足）：通过使流经每个导电段的电流主要由回路电气参数独立确定，消除了并联电流分配随机性，从而使每个液滴分得的电流可预测、可控制，从而将每个液滴的电流稳定在极窄的工作电流窗口内，有效避免个别液滴分得超额电流而引发的局部汽化或电爆炸。同时，微秒级短接触使液滴来不及发生严重形变即分离，避免局部电流密度剧增导致的电爆炸阈值动态降低，在级间自由飞行段由表面张力恢复至基本球形，保证加速稳定性。