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.     

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。     

Gd靶激光等离子体6.7nm光源的实验研究

本文对Gd靶激光等离子体极紫外光源进行了实验研究, 在 6.7 nm附近获得了较强的辐射, 并研究了6.7 nm 附近光辐射随打靶激光功率密度变化的规律以及收集角度对极紫外辐射的影响. 同时, 对平面Gd靶激光等离子光源的离子碎屑角分布进行了测量, 发现从靶面的法线到沿着靶面平行方向上Gd离子数量依次减少. 进一步研究结果表明采用0.9 T外加磁场的条件下可取得较好的Gd 离子碎屑阻挡效果.     

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...     

等离子体尺寸对放电极紫外光源影响

计算了放电等离子体极紫外光刻光源中,不同等离子体长度条件下的收集效率,实验上研究了等离子体长度对Xe气放电极紫外辐射的影响。结合本系统光学收集系统设计参数和理论计算结果,给出了不同等离子体长度条件下中间焦点处13.5 nm（2%带宽）光功率。结果表明等离子体长度为3~6 mm时毛细管光源中间焦点光功率和尺寸最优。     

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。     

Xe介质极紫外光源时间特性及最佳条件研究

理论和实验上研究了Xe介质毛细管放电极紫外光源等离子体时间特性和最佳条件. 从理论上建立了Xe介质一维辐射磁流体力学模型,模拟了不同气压和电流条件下等离子体压缩和辐射特性;实验上测量了放电电流30 kA时不同气压条件下13.5 nm （2%带宽）动态特性. 理论和实验结果表明：不同放电电流条件下,存在最佳气压值,最佳气压随着电流的增加而增加;同时,电流增加时,13.5 nm （2%带宽）辐射光强峰值时刻减小. 关键词： 极紫外光刻光源 毛细管放电 磁流体力学 Xe等离子体     

脉冲CO2激光烧蚀锡靶等离子体的数值研究

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

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。     

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...     

极紫外投影光刻光学系统

极紫外光刻（EUVL）是半导体工业实现32～16nm技术节点的候选技术,而极紫外曝光光学系统是EUVL的核心部件,它主要由照明系统和微缩投影物镜组成。本文介绍了国内外现有的EUVL实验样机及其系统参数特性;总结了EUVL光学系统设计原则,分别综述了EUVL投影光学系统和照明光学系统的设计要求;描述了EUVL投影曝光系统及照明系统的设计方法;重点讨论了适用于22nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统,指出了改善EUVL照明均匀性的方法。     

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。     

基于高次谐波产生的极紫外偏振涡旋光

突破传统涡旋光场束缚,发展短波极紫外涡旋光场是实现阿秒脉冲偏振控制的有效途径.本研究利用自制的平场光栅光谱仪和超快时间保持的单色仪,以800 nm,35 fs高斯或具有偏振奇点的涡旋光脉冲驱动诱导氩原子产生高次谐波,分别获得相应的高次谐波光谱以及谐波谱单阶光源的分布.实验结果表明,基于高次谐波产生实现近红外波段的涡旋光束特性转移到极紫外波段,优化后的极紫外涡旋可以实现每秒108光子数输出.同时发现极紫外波段的涡旋场和高斯场高次谐波产生具有相似相位匹配机制.基于高次谐波产生的极紫外波段的偏振涡旋光为探究和操控原子分子量子态的含时演化动力学以及形成阿秒矢量光束提供了重要的方法和技术手段.     

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.     

Phase defect inspection of multilayer masks for 13.5 nm optical lithography using PEEM in a standing wave mode

We report on recent developments of an “at wavelength” full-field imaging technique for defect inspection of multilayer mask blanks for extreme ultraviolet lithography (EUVL). Our approach uses photoemission electron microscopy (PEEM) in a near normal incidence mode at 13.5 nm wavelength to image the photoemission induced by the EUV wave field on the multilayer blank surface. We analyze buried defects on Mo/Si multilayer samples down to a lateral size of 50 nm and report on first results obtained from a six inches mask blank prototype as prerequisite for industrial usage.     

极紫外光学器件辐照污染检测技术

总结并讨论了极紫外光刻技术中,有关极紫外光学器件受辐照污染的"在线"检测方法。简要介绍了极紫外光刻系统的原理、反射镜膜层结构以及表面污染产生的机理;指出光刻系统中"在线"检测的技术要求;分析了目前几种主要表面检测技术的特点;给出了每种方法在极紫外光学系统中的应用潜力;最后,指出光纤椭偏仪在极紫外光学系统的"在线"表面污染检测中具有良好的应用前景。     

Laser-plasma extreme ultraviolet source at 6.7?nm using a rotating cryogenic Xe target

A laser-plasma source comprising a rotating cryogenic solid-state Xe target has been studied for use in extreme ultraviolet lithography (EUVL) systems equipped with La/B₄C mirrors. The laser-to-EUV power conversion efficiency (CE) of the cryogenic Xe target was improved to achieve a maximum CE of 0.15?% at 6.7?nm with 0.6?% bandwidth. We successfully demonstrated the continuous generation of EUV light with an average power of 80?mW at 6.7?nm with 0.6?% bandwidth using a Nd:YAG slab laser at a repetition rate of 320?Hz and an average power of 100?W. Scaling-up of the laser-plasma source for use as a future EUVL source is also discussed.     

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.