激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

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。     

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.     

放电等离子体极紫外光源中的主脉冲电源

描述了Z箍缩放电等离子体极紫外光源系统中的主脉冲电源,给出了主电路拓扑结构,重点介绍了三级磁脉冲压缩网络,给出了关键参数的设计计算,并且介绍了新颖的末级磁脉冲压缩放电结构。实验结果显示:各级磁脉冲压缩效果达到设计指标,电源输出电压峰达30 kV,输出电流峰值大于40 kA,电流脉冲宽度200 ns,满足Z箍缩放电等离子极紫外光源对主脉冲的要求。     

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     

EAST等离子体Mo Ⅴ-Mo ⅩⅧ极紫外光谱的识别

磁约束聚变等离子体中高Z杂质的存在给等离子体的约束状态带来不同程度的影响.EAST装置第一壁是钼瓦,不可避免地,等离子体与壁相互作用会使钼进入等离子体成为高Z杂质.本文利用EAST托卡马克装置快速极紫外杂质谱仪系统实现了对5—500?(1?=0.1 nm)波段范围内杂质线光谱进行同时监测.结合EAST等离子体低、中Z杂质的特征谱线对波长进行原位标定,基于NIST数据库和已有实验数据进行对比,并利用归一化谱线强度随时间演化行为,对较低电子温度(T_e0=1.5 keV)等离子体中5—485?波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性识别.在15—30?和65—95?波段范围观测到分别由电离态Mo¹⁹⁺-Mo²⁴⁺(MoⅩⅩ-MoⅩⅩⅤ),Mo¹⁶⁺-Mo²⁹⁺(MoⅩⅦ-MoⅩⅩⅩ)组成的未分辨跃迁系.而且在EAST上观测并识别出27—60?和120—485?波段范围内低价钼离子(Mo⁴⁺-Mo¹⁷⁺)的多条谱线(MoⅤ-MoⅩⅧ...     

金等离子体中类Ni和类Ga离子跃迁子阵强度比研究

用Cowan 的原子结构从头算程序和SOSA模型计算各阶电离的金离子的能级结构和跃迁过程,在简化的碰撞辐射模型下求解能级布居数方程,计算了给定密度、不同电子温度下的金等离子体的理论合成谱.研究了类Ni和类Ga离子之间的共振线的强度比随电子温度的变化规律,利用这一变化规律可以为等离子体诊断提供辅助的方法.     

激光烧蚀脉冲放电激发的土壤等离子体电子数密度和温度的研究

以激光烧蚀快脉冲放电激发土壤为例,研究了激光烧蚀快脉冲放电等离子体技术产生的土壤等离子体的电子数密度和温度。根据实验测得的Si原子和离子谱线的强度和萨哈玻尔兹曼方程,计算了等离子体的电子温度,并从分析Si I 250.69nm谱线的斯塔克展宽中导出了等离子体的电子数密度。与使用同样激光能量激发的激光等离子体相比,激光烧蚀快脉冲放电激发等离子体的电子数密度和温度都明显增加,与观察到的光谱信号强度是一致的。     

Au等离子体M带5f-3d跃迁透射谱的理论模拟

基于细致组态(DCA)方法和跃迁系列群 (UTA) 模型,采用全相对论处理并结合量子亏损理论,计算了金Au激光等离子体的M带5f-3d跃迁的透射谱, 给出了金等离子体在不同电子温度和电子密度的时空电离态特性,平均电离度,离子丰度和离子内各能级的布居数,并模拟出Au等离子体的M 带5f-3d跃迁的细致谱线,其计算结果可对激光等离子体透射谱的电子温度和电子密度进行精密诊断.     

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。     

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.     

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。     

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。     

气体靶激光等离子体软X-射线源实验研究

介绍了一种无碎屑、高亮度、高工作频率的气体靶激光等离子体软X 射线源。其喷气阀门由压电陶瓷驱动 ,工作频率可达到 40 0Hz。与金属靶激光等离子体软X 射线源相比 ,此光源无碎屑。与喷嘴由电磁阀控制的气体靶激光等离子体软X 射线源相比 ,它有较高的工作频率。一工作在模拟模式的通道电子倍增器被用于探测来自光源的软X 射线辐射 ,其输出信号经过一电荷灵敏前置放大器进一步放大变成电压脉冲信号 ,脉冲幅度与输入电荷灵敏前置放大器的电量成正比。实验测得CO2 ,Xe和Kr在 8～ 2 2nm软X 射线投影光刻常用波段的光谱辐射特性。CO2 光谱包括类锂和类铍离子跃迁形成的线谱 ,Xe光谱是多电荷氙离子 4d 5f,4d 4f,4d 6p和 4d 5p跃迁所形成的光谱。Kr气体靶光谱包括类铜离子、类镍离子、类钴离子和类铁离子跃迁形成的线谱和连续谱。     

SECRAL等离子体中EUV光功率的产生

The high power EUV source is one of key issues in the development of EUV lithography which is considered to be the most promising technology among the next generation lithography.However neither DPP nor LPP seems to meet the requirements of the commercial high-volume product.Insufficiency of DPP and LPP motivate the investigation of other means to produce the EUV radiation required in lithography.ECR plasma seems to be one of the alternatives.In order to investigate the feasibility of ECR plasma as a EUV light source,the EUV power emitted by SECRAL was measured.A EUV power of 1.03W in 4~ sr solid angle was obtained when 2000W 18GHz rf power was launched,and the corresponding CE was 0.5%.Considering that SECRAL is designed to produce very high charge state ions,this very preliminary result is inspiring. Room-temperature ECR plasma and Sn plasma are both in the planned schedule.     

Characterization and optimization of the laser-produced plasma EUV source at 13.5 nm based on a double-stream Xe/He gas puff target

The paper describes a debris-free, efficient laser-produced plasma source emitting EUV radiation. The source is based on a double-stream Xe/He gas-puff. Its properties and spectroscopic signatures are characterized and discussed. The spatio-spectral features of the EUV emission are investigated. We show a large body of results related to the intensity and brightness of the EUV emission, its spatial, temporal, and angular behavior and the effect of the repetition rate as well. A conversion efficiency of laser energy into EUV in-band energy at 13.5 nm of 0.42% has been gained. The electron temperature and electron density of the source were estimated by means of a novel method using the FLY code. The experimental data and the Hullac code calculations are compared and discussed. The source is well suited for EUV metrology purposes. The potential of the source for application in EUV lithography was earlier demonstrated in the optical characterization of Mo/Si multi-layer mirrors and photo-etching of polymers.