脉冲激光辐照液滴锡靶等离子体极紫外辐射的实验研究

采用波长13.5 nm的极紫外光作为曝光光源的极紫外光刻技术是最有潜力的下一代光刻技术之一, 它是半导体制造实现10 nm及以下节点的关键技术. 获得极紫外辐射的方法中, 激光等离子体光源凭借转换效率高、收集角度大、碎屑产量低等优点而被认为是最有前途的极紫外光源. 本文开展了脉冲TEA-CO₂激光和Nd:YAG激光辐照液滴锡靶产生极紫外辐射的实验, 对极紫外辐射的谱线结构以及辐射的时空分布特性进行了研究.实验发现: 与TEA-CO₂激光相比, 较高功率密度的Nd:YAG激光激发的极紫外辐射谱存在明显的蓝移; 并且激光等离子体光源可以认为是点状光源, 其极紫外辐射强度随空间角度变化近似满足Lambertian分布.     

低密度SnO2靶激光等离子体极紫外光及离带热辐射

极紫外光刻技术是我国当前面临35项“卡脖子”关键核心技术之首.高极紫外光转换效率和低离带热辐射的激光等离子体极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分.本文通过采用激光作用固体Sn和低密度SnO₂靶对极紫外光源以及其离带热辐射进行研究.实验结果表明,两种形式Sn靶在波长为13.5 nm附近产生了强的极紫外光辐射.由于固体Sn靶等离子体具有较强自吸收效应,在光刻机中心工作波长13.5 nm处的辐射强度处于非光谱峰值位置.而低密度SnO₂靶具有较弱的自吸收效应,其所辐射光谱的峰值恰好位于13.5 nm处.相比于固体Sn靶,低密度SnO₂靶中处于激发态的Sn离子发生跃迁所产生的伴线减弱,使其在13.5 nm处的光谱效率提升了约20%.另一方面,开展了极紫外光源离带热辐射(400—700 nm)的实验研究,光谱测量结果表明离带热辐射主要是由连续谱所主导,低密度SnO₂靶中含有部分低Z元素O(Z=8),导致其所形成的连续谱强度低,同时离带辐射时间短,因而激光作用低密度SnO₂靶所产生的离带...     

Bi靶激光等离子体极紫外光源以及碎屑辐射特性研究

激光等离子体极紫外光源具有体积小、稳定性高和输出波长可调节等优势,在极紫外光刻领域发挥着重要的作用。Bi靶激光等离子体极紫外光源在波长9～17 nm范围内具有较宽的光谱,可应用于制造极紫外光刻机过程中所需的极紫外计量学领域。利用平像场光谱仪和法拉第杯对Bi靶激光等离子体极紫外光源以及离子碎屑辐射特性进行了实验研究。在单脉冲激光打靶条件下,实验中观察到Bi靶激光等离子极紫外光谱在波长12.3 nm处出现了一个明显的凹陷,其对应着Si L-edge的吸收,是Bi元素光谱的固有属性。相应地在波长为11.8和12.5 nm位置处产生了两个宽带的辐射峰。研究了两波长光谱特性以及辐射强度随激光功率密度的变化。结果表明,在改变聚焦光斑大小实现不同激光功率密度（0.7×1010～3.1×1010 W·cm-2）过程中,当功率密度为2.0×1010 W·cm-2时两波长处的光辐射最强,其原因归结为Bi靶极紫外光辐射强度受激光能量用于支撑等离子膨胀的损失和极紫外光被等离子体再吸收之间的平衡制约所致。在改变激光能量实现不同激光功率密度过程中,由于烧蚀材料和产生两波长所需高阶离子随着功率密度的增加而增加,增强了两波长处的光辐射。进一步,研究了双脉冲激光对Bi靶极紫外光谱辐射特性影响,实验发现双脉冲打靶下原来在单脉冲打靶时出现在波长13～14 nm范围内的凹陷消失。最后,对单脉冲激光作用Bi靶产生极紫外光源碎屑角分布进行了测量。结果表明,当探测方向从靶面法线方向移动到沿着靶面方向上的过程中,探测到Bi离子动能依次减小,并且离子动能随激光脉冲能量降低而呈线性减小。此项研究有望为我国在研制极紫外光刻机过程所需的计量学领域提供技术支持和打下夯实的基础。     

激光等离子体极紫外光刻光源

研究并讨论了下一代光刻的核心技术之一—激光等离子体极紫外光刻光源。简要介绍了欧美和日本等国极紫外光刻技术的发展概况,分析了新兴的下一代13.5 nm极紫外光刻光源的现状,特别讨论了国内外激光等离子体极紫外光刻光源的现状,指出目前其存在的主要问题是如何提高光源的转化效率和减少光源的碎屑。文中同时概述了6.x nm（6.5～6.7 nm）极紫外光刻光源的最新研究工作。最后,介绍了作者所在研究小组近年来在极紫外光源和极紫外光刻掩模缺陷检测方面开展的研究工作。     

双激光脉冲打靶形成Gd等离子体的极紫外光谱辐射

高端芯片制造所需要的极紫外光刻技术位于我国当前面临35项"卡脖子"关键核心技术之首.高转换效率的极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分.本文通过采用双激光脉冲打靶技术实现较强的6.7 nm极紫外光输出.首先,理论计算Gd¹⁸⁺—Gd²⁷⁺离子最外层4d壳层的4p-4d和4d-4f能级之间跃迁、以及Gd¹⁴⁺—Gd¹⁷⁺离子最外层4f壳层的4d-4f能级之间跃迁对波长为6.7 nm附近极紫外光的贡献.其后开展实验研究,结果表明,随着双脉冲之间延时的逐渐增加,波长为6.7 nm附近的极紫外光辐射强度呈现先减弱、后增加、之后再减弱的变化趋势,在双脉冲延时为100 ns处产生的极紫外光辐射最强.并且,在延时为100 ns处产生的光谱效率最高,相比于单脉冲激光产生的光谱效率提升了33%.此外,发现双激光脉冲打靶技术可以有效地减弱等离子体的自吸收效应,获得的6.7 nm附近极紫外光谱宽度均小于单激光脉冲打靶的情形,且在脉冲延时为30 ns时刻所产生的光谱宽度最窄,约为单独主脉冲产生极紫外光谱宽度的1/3.同时...     

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

半导体产业是高科技、信息化时代的支柱。光刻技术,作为半导体产业的核心技术之一,已成为世界各国科研人员的重点研究对象。本文综述了激光等离子体13.5 nm极紫外光刻的原理和国内外研究发展概况,重点介绍了其激光源、辐射靶材和多层膜反射镜等关键系统组成部分。同时,指出了在提高激光等离子体13.5 nm极紫外光源输出功率的研究进程中所存在的主要问题,包括提高转换效率和减少光源碎屑。特别分析了目前已实现百瓦级输出的日本Gigaphoton公司和荷兰的ASML公司的极紫外光源装置。最后对该项技术的发展前景进行了总结与展望。     

软X射线-真空紫外波段光谱光源研究

介绍长春光学精密机械与物理研究所进行的软X射线-真空紫外波段光谱光源研究工作。研制成功的壁稳氩弧光源光谱辐射稳定性和重复性达±0.3%,可作标准辐射源,用于真空紫外波段仪器光谱强度绝对辐射定标。研制成功的潘宁(Penning)光源、双等离子体光源和空心阴极光源,可以覆盖从十几个nm至几十nm波段范围,光谱辐射稳定性和重复性达±1.0%,提供不同工作气体在该波段的原子和离子线谱,用于光谱仪器的波长定标。所研制的激光等离子体光源,尤其是近期研制成功的无污染微液滴喷射靶激光等离子体光源,可以提供较高亮度的软X射线辐射,13.0 nm处激光-软X射线转换效率达0.75%／2π·sr／2%带宽,适合于光刻和该波段辐射计量研究。     

基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究

研究了不同条件下脉冲放电CO₂激光烧蚀平板锡靶产生的等离子体极紫外辐射特性, 设计并建立了一套掠入射极紫外平焦场光栅光谱仪, 结合X射线CCD探测了光源在6.5～16.8 nm波段的时间积分辐射光谱,得到了极紫外光谱随激光脉宽, 入射脉冲能量及背景气压的变化规律。实验结果发现：入射激光脉冲能量在30～600 mJ变化时,极紫外辐射光谱的强度随辐照激光脉冲能量的增加而增加, 但并不是线性关系, 具有饱和效应, 且产生极紫外辐射的脉冲能量阈值约为30 mJ,当激光脉冲能量为425 mJ时具有最高的转换效率,此时中心波长13.5 nm处2%带宽内的转换效率约为1.2%。激光脉冲半高全宽在50～120 ns范围内变化时, 极紫外辐射光谱的峰值位置均位于13.5 nm,光谱形状几乎没有什么变化, 但是脉宽从120 ns变到52 ns后,由于激光功率密度的提高,极紫外辐射强度也随之增强了约1.6倍。极紫外光谱的强度随背景气压的增大而迅速下降, 当腔内空气气压为200 Pa时, 极紫外辐射光子几乎被全部吸收,而当缓冲氦气气压为7×104 Pa时,仍能够探测到微弱的极紫外辐射信号,计算表明100 Pa的空气对13.5 nm极紫外光的吸收系数为3.0 m-1,而100 Pa的He气的吸收系数为0.96 m-1。     

基于强激光辐照固体锡靶产生极紫外光源的实验研究

建立了一套利用高功率YAG激光器辐照固体锡靶产生高转换效率极紫外光 (extreme ultraviolet) 源的实验装置.利用建立的实验装置开展了极紫外光源的强度和转换效率与抽运激光强度关系的实验研究,发现极紫外光源的转换效率随抽运激光强度的变化具有饱和效应.实验发现：当抽运激光能量达到250mJ时,极紫外光源的转换效率最高,波长为13.5nm处0.27nm带宽范围内的极紫外光源的能量转换效率为1.6%,此时对应的激光强度为1.8×10¹¹W/cm². 关键词： 极紫外光 转换效率     

等离子体密度对放电等离子体极紫外光源影响研究

等离子体状态是决定极紫外光源功率和转换效率的最重要因素之一,理论和实验研究上Xe气流量对放电等离子体极紫外光源辐射谱和等离子体状态的影响,对于优化光源工作条件具有重要的意义。理论上,采用碰撞-辐射模型,模拟了非局部热力学平衡条件下,不同电离度的离子丰度分布随电子温度和离子密度的变化。推导了Xe8+~Xe11+离子4d-5p跃迁谱线强度随电子温度的变化趋势。实验上,采用毛细管放电机制,利用罗兰圆谱仪测量和分析了不同等离子体密度条件下,放电等离子体极紫外光谱的变化,分析了Xe气流量对等离子体状态的影响。理论和实验结果表明： 相同的电流条件下,等离子体箍缩时的平均电子温度随着Xe气流量的增加而降低。对于4d-5p跃迁,低电离度离子与高电离度离子谱线强度的比值随着温度的增加而减少。电流28 kA、Xe气流量0.4 sccm(cm3·min-1)时,等离子体Z 箍缩平均电子温度位于29 eV附近。Xe气流量增加时,受离子密度和最佳电子温度的影响,实现Xe10+离子4d-5p跃迁13.5 nm(2%带宽)辐射谱线强度最优化的Xe气流量位于0.3~0.4 sccm之间。     

Mitigation of energetic ion debris from Gd plasma using dual laser pulses and the combined effect with ambient gas

For the next-generation beyond extreme ultraviolet lithography(EUVL) sources, gadolinium(Gd) plasma with emission wavelength at 6.7 nm seems to be the leading candidate. Similar to the Sn target 13.5 nm light source, ion debris mitigation is one of the most important tasks in the laser-produced Gd plasma EUV source development. In this paper,a dual-laser-pulse scheme, which uses a low energy pulse to produce a pre-plasma and a main pulse after a time delay to shoot the pre-plasma, is employed to mitigate the energetic ion generation from the source. Optimal conditions(such as pre-pulse energy and wavelength, and the time delay between the pre-pulse and the main pulse for mitigating the ion energy) are experimentally obtained, and with the optimal conditions, the peak of the ion energy is found to be reduced to1/18 of that of a single laser pulse case. Moreover, the combined effect by applying ambient gas to the dual-pulse scheme for ion debris mitigation is demonstrated, and the result shows that the yield of Gd ions is further reduced to around 1/9 of the value for the case with dual laser pulses.     

Effect of focal spot size on in-band 13.5 nm extreme ultraviolet emission from laser-produced Sn plasma

The effect of focal spot size on in-band 13.5 nm extreme ultraviolet (EUV) emission from laser-produced Sn plasmas was investigated for an EUV lithography light source. Almost constant in-band conversion efficiency from laser to 13.5 nm EUV light was noted with focal spot sizes from 60 to 500 microm. This effect may be explained by the opacity of Sn plasmas. Optical interferometry showed that the EUV emission must pass through a longer plasma with higher density when the focal spot is large, and strong reabsorption of EUV light was confirmed by a dip located at 13.5 nm in the spectrum.     

Development of a target for laser-produced plasma EUV light source using Sn nano-particles

Nano-structured and tin-based targets have been fabricated by the pulsed-laser ablation method, in order to develop efficient and debris-free targets for the laser-produced plasma extreme ultraviolet (EUV) light source at 13.5 nm. Characteristic spectra that have the radiation peak around 13.5 nm were obtained from CO₂ laser produced plasma using the films as a target. A nano-structured target produced EUV light as intense as a bulk target and a narrower line spectrum at 13.5 nm than a bulk target. PACS 32.30.Rj; 52.38.-r; 52.38.Mf; 61.46.+w; 68.37.-d     

提高极紫外光谱纯度的多层膜设计及制备

极紫外光刻是实现22nm技术节点的候选技术。极紫外光刻使用的是波长为13.5nm的极紫外光,但在160～240nm波段,极紫外光刻中的激光等离子体光源光谱强度、光刻胶敏感度以及多层膜的反射率均比较高,光刻胶在此波段的曝光会降低光刻系统的光刻质量。从理论和实验两方面验证了在传统Mo/Si多层膜上镀制SiC单层膜可对极紫外光刻中的带外波段进行有效抑制。通过使用X射线衍射仪、椭偏仪以及真空紫外(VUV)分光光度计来确定薄膜厚度、薄膜的光学常数以及多层膜的反射率,设计并制备了[Mo/Si]40SiC多层膜。结果表明,在极紫外波段的反射率减少5%的前提下,带外波段的反射率减少到原来的1/5。     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

Laser-induced liquid tin discharge plasma and its EUV spectra

Laser-induced discharge plasmas(LDPs) have the potential to be inspection and metrology sources in extreme ultraviolet(EUV) lithography. An LDP EUV source was developed to avoid tin electrode erosion in which a tin pool was used as a cathode. A CO_2 pulse laser was focused on the liquid tin target surface, and then a breakdown occurred in a very short time. The voltage-current characteristics of the discharge oscillated, lasting for several microseconds, and an RLC fitting model was used to obtain the inductance and resistance. An intensified chargecoupled device(ICCD) camera was used to investigate the dynamics of LDP, which can explain the formation of a discharge channel. The EUV spectra of laser-induced liquid tin discharge plasma were detected by a grazing incident ultraviolet spectrometer, compared with a laser-produced tin droplet plasma EUV spectrum. To explain the EUV spectrum difference of laser-induced liquid tin discharge plasma and laser-produced tin droplet plasma,the collision radiation(CR) model combined with COWAN code was used to fit the experimental EUV spectrum, which can estimate the electron temperature and density of the plasma.     

极端远紫外光刻的等离子体光源及其光学性质研究进展

现代技术的飞速发展需要集成电路不断小型化，因而开发下一代光刻光源以满足小型化的要求成为当前的一项紧迫任务。目前工业界确定的下一代光刻光源是波长为13．5nm的极端远紫外（EUV）光源，它能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸，氙和锑材料的等离子体光源被认为是这种光源的最佳候选者。文章在介绍EUV光刻原理和EUV光源基本概念的基础上，讨论了目前研究得最多、技术最成熟的激光产生的和气体放电产生的等离子体EUV光源，对EUV光源的初步应用进行了简单介绍，并着重对氙和锑材料产生的等离子体发射性质和吸收性质的实验与理论研究进展进行了详细介绍与讨论。目前的理论研究进展表明，统计物理模型还不能很好地预测氙和锑等离子体的发射与吸收光谱，因此迫切需要发展细致能级物理模型，以得到更为精确的等离子体光学性质参数，并用于指导实验设计。提高EUV转换效率。     

Micro-pinch formation and extreme ultraviolet emission of laser-induced discharge plasma

Extreme ultraviolet(EUV) source produced by laser-induced discharge plasma(LDP) is a potential technical means in inspection and metrology. A pulsed Nd:YAG laser is focused on a tin plate to produce an initial plasma thereby triggering a discharge between high-voltage electrodes in a vacuum system. The process of micro-pinch formation during the current rising is recorded by a time-resolved intensified charge couple device camera. The evolution of electron temperature and density of LDP are obtained by optical emission spectrometry. An extreme ultraviolet spectrometer is built up to investigate the EUV spectrum of Sn LDP at 13.5 nm. The laser and discharge parameters such as laser energy, voltage, gap distance,and anode shape can influence the EUV emission.