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。     

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...     

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。     

Gd靶激光等离子体光源离带辐射及其等离子体演化的研究

利用脉冲宽度为10 ns,输出波长为1 064 nm的Nd∶YAG激光器作用金属Gd以及纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃等两种形式靶所产生等离子体光源的离带辐射进行了研究,发现等离子体所发出的连续辐射是离带辐射的主要成分,光谱分布与温度为5 eV的普朗克曲线相匹配。此外,相对于金属Gd靶而言,采用纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃靶可大幅度降低等离子体光源的离带辐射。利用光谱法,对激光作用纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃靶所形成光源的等离子体羽的电子温度和电子密度进行了时空分辨研究。实验结果表明,在打靶结束125 ns时,距靶面6 mm位置处等离子体的电子温度约为4 eV,电子密度约为1.2×1018 cm-3。同时发现在激光打靶结束后等离子体羽的电子温度和电子密度随延时的变化而呈指数下降,在120～250 ns时间范围内,两者下降较快,之后其幅度下降缓慢。另一方面,当打靶脉冲结束约200 ns时,在距离靶面1～10 mm的空间内等离子体的电子温度及密度均经历先上升后下降的变化过程。在距靶材表面6 mm位置处,电子温度和电子密度均达到最大值,电子温度约为2.6 eV,电子密度为8.5×1017cm-3。     

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.     

极紫外光源锡液滴靶的检测研究

采用正交放置的两路CCD,基于图像采集及处理的方法,建立了极紫外光源锡液滴靶发生装置的锡液滴检测系统,可以实时监测锡液滴的运动状态及稳定性。对本实验室频率为34 kHz的锡靶发生器产生的液滴进行了锡液滴监测实验。监测结果显示,锡液滴直径约为137 m,平均间距为375 m,稳定性较好,并对水平面上横向稳定性进行了分析。     

CO2,O2,CF4液体微滴喷射靶激光等离子体光源光谱

基于软X射线辐射计量和极紫外投影光刻(EUVL)应用,研制了一台使用纳秒激光器的液体微滴喷射靶激光等离子体(LPP)极紫外光源。该光源由一个可连续控温的不锈钢电磁喷气阀门、YAG激光器和能同步控制喷气阀门和激光器的脉冲发生器组成。使用液氮作致冷剂,控温范围77～473 K。对于足够高的背景气压和低的阀门温度,当气体经过阀门脉冲式地喷入真空靶室内时,气体经过气-液相变碎裂成大量的液体微滴形成液体微滴喷射靶。首先,依据非相对论量子力学理论,使用原子光谱分析常用的Cowan程序,计算了O2,CO2和CF4等几种液体在1011～1012W.cm-2激光功率密度下可能相应产生的O4 ,O5 ,O6 ,O7 ,F5 ,F6 和F7 离子的电偶极辐射跃迁波长和跃迁概率。其次,在激光焦点功率密度为8×1011W.cm-2时,测量了CO2,O2,CF4液体微滴喷射靶在6～20 nm波段的光谱。理论计算结果与实验结果相比较,得出了所测量谱线的电偶极辐射跃迁波长和跃迁概率以及跃迁能级所应归属的组态和光谱项。     

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。     

双脉冲激光锡等离子体光源的碎屑动力学研究

极紫外光刻是下一代大容量集成电路制造中最有发展前景的技术之一, 而碎屑的减缓及阻挡一直是极紫外光刻光源研究中亟需解决的关键问题。研究了双纳秒激光脉冲辐照锡靶产生的等离子体碎屑的动力学演化。结果表明, 等离子体碎屑强烈依赖于预脉冲的能量及其与主脉冲的时间延迟, 当预脉冲能量为30 mJ, 双脉冲时间间隔150 ns情况下, 大部分锡离子的能量从2.47 keV降低到0.40 keV, 降低了6.1倍, 碎屑得到了有效抑制。通过对碎屑动能角分布的测量, 发现此方法可以有效减缓全角度范围的激光锡等离子体碎屑, 并且越接近靶材法线方向, 碎屑的动能减少得越多。     

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.     

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     

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。     

Characteristics of ultrafast K line hard x—ray source from femtosecond terawatt laser—produced plasma

Theoretical studies and analytical scalings were carried out to find the optimized laser parameters and target conditions so that ultrashort hard x-ray pulses and high x-ray power could be achieved.The dependence of laser intensity and wavelength on the yield of K-shell x-ray emission was studied.We propose an optimal design for a foil target for producing high-yield hard x-ray pulses of customizing duration.     

Spectral and ion emission features of laser-produced Sn and SnO_2 plasmas

We have made a detailed comparison of the atomic and ionic debris, as well as the emission features of Sn and SnO_2 plasmas under identical experimental conditions. Planar slabs of pure metal Sn and ceramic SnO_2 are irradiated with1.06 μm, 8 ns Nd:YAG laser pulses. Fast photography employing an intensified charge coupled device(ICCD), optical emission spectroscopy(OES), and optical time of flight emission spectroscopy are used as diagnostic tools. Our results show that the Sn plasma provides a higher extreme ultraviolet(EUV) conversion efficiency(CE) than the Sn O2 plasma.However, the kinetic energies of Sn ions are relatively low compared with those of SnO_2. OES studies show that the Sn plasma parameters(electron temperature and density) are lower compared to those of the SnO_2 plasma. Furthermore, we also give the effects of the vacuum degree and the laser pulse energy on the plasma parameters.     

Investigation of contact lithography in the 5–20 nm region with a laser plasma source

In this paper, we present experiments of extreme ultraviolet (EUV) contact lithography based on a compact laser-produced plasma (LPP) and investigated the radiation of the plasma from Cu, Fe, W targets. We measured the depth of development of a polychlorinated methylstyrene (PCMS) resist exposed through a 100 I mm⁻¹ Cu net for times ranging from 10 to 40 minutes using different targets.     

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。     

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。