论文部分内容阅读
极紫外光刻技术是制造特征尺寸小于22 nm芯片的首选关键技术,光源是极紫外光刻系统的重要组成部分。激光等离子体极紫外光源因体积小、亮度高并通过选择靶材及控制等离子体参数可实现光源的输出波长调谐等诸多优点而受到研究人员的青睐,它是一种性能优良的、较为适合于极紫外光刻应用的台式极紫外光源。近十年来,研究人员对13.5 nm光源进行了大量的理论和实验系统研究,为激光等离子体光源的广泛应用奠定了研究基础。伴随着极紫外光刻中其它各项关键技术难题的不断解决,工作波长13.5 nm极紫外光刻将在近期投入工业化量产。为了制备更小特征尺寸的芯片,近年来国外光刻界开始了6.7 nm附近极紫外光刻技术的研究。类似于13.5 nm激光等离子体光源的情况,研究高光谱辐射强度、低碎屑6.7 nm附近激光等离子体光源已成为极紫外光学领域新的研究热点。以6.7 nm极紫外光刻为应用背景,论文开展钆（Gd）靶激光等离子体极紫外光源的研究。论文首先介绍用于光刻的激光等离子体极紫外光源的国内外发展现状,系统阐述激光等离子体光源的相关理论,为激光等离子体光源的研究提供了理论基础。设计并搭建一台极紫外平像场光栅光谱仪。研究激光参数及靶条件对光源光谱输出特性的影响;利用光谱法研究Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶激光等离子体电子温度和电子密度的时空演化特性;对光源碎屑减缓进行了系统的实验研究。具体的研究内容如下:首先,为了对工作波长为6.7 nm附近Gd靶光源进行光谱诊断,设计并搭建了一台平像场光栅光谱仪。该谱仪的摄谱范围为5-50 nm、光谱分辨率为0.02 nm。实验中分别采用了飞秒激光高次谐波源、锆（Zr）金属滤膜的吸收边以及玻璃靶形成激光等离子体中Si离子辐射出的线谱对谱仪进行了标定。其次,开展了Gd金属靶以及Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶激光等离子体光谱辐射的研究。结果表明,两种形式的Gd靶激光等离子体均可在6.7 nm附近产生较强的极紫外辐射。在Gd金属靶激光等离子体的实验中,研究了脉冲激光功率密度对Gd等离子体极紫外辐射光谱的影响。发现在激光功率密度增至为6.4×1011 W/cm2及其以上时,光谱在6.76 mm和7.14 nm附近有两个明显的强度峰,它们分别来自于Gd的类银离子（Gd17+）和类钯离子（Gd18+）的共振辐射。当打靶激光功率密度继续增加时,7.0 nm附近的长波成分要明显强于6.7 nm附近的辐射信号。这表明在继续增加激光功率密度的过程中,7.0 nm附近这一范围内的长波成分强度增加较快。这一光谱强度随入射激光功率密度增加（等离子体电子温度的提高）的变化特性与Gd元素特殊光谱结构相关,结果与S.Churilov等人的理论结果是一致的。同时,发现在金属Gd靶激光等离子体的极紫外光谱轮廓上明显存在由于等离子体自吸收而产生的凹陷。此外,采用脉冲激光作用Gd预等离子体时,发现在主脉冲相对于预脉冲延迟50 ns时,6.7 nm附近极紫外光谱宽度缩小为Gd金属靶时的五分之一左右。另一方面,在打靶激光功率密度为5×1011 W/cm2条件下,开展了玻璃靶中Gd2O3纳米粒子掺杂浓度对6.7 nm附近极紫外光谱影响的研究。发现当纳米粒子掺杂摩尔浓度由1%增加至10%的过程中,6.7 nm附近的光辐射强度增加幅度较大。当继续增加纳米粒子的掺杂浓度时,6.7 nm附近的极紫外辐射强度变化不大。这表明当掺杂纳米粒子的浓度大于10%以后,等离子体的自吸收限制了极紫外辐射强度的继续增加。光谱测量结果表明,Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶形成等离子体在6.7nm附近的峰值宽度约为Gd金属靶的情况五分之二。另外,对等离子体在250 nm到900 nm这一长波波段的光谱辐射测量结果表明,Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶比Gd金属靶的光谱强度要低许多。因此,Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶在极紫外及长波这两个波段均大幅度地减小了对多层膜反射镜有害的光源离带辐射强度。进一步,论文利用Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶等离子体在Si（I）250.7 nm和Si（I）263.2 nm波长处的线谱和玻尔兹曼双线法对激光作用结束之后等离子体的电子温度、电子密度的时空演化进行测量。结果表明,在距靶面6 mm位置处,从激光打靶后120 ns到400 ns过程中,电子温度和密度从大约4 eV和1.2×1018 cm-3分别下降到约1.5 eV以及8.5×1017 cm-3。另一方面,在固定测量时间为200 ns时,等离子体的电子温度和电子密度都表现出随着距靶面距离的增加而表现出先增大后减小的变化规律。电子温度和电子密度的峰值出现在距靶面6 mm处,其值分别为2.6 eV和8.5×1017 cm-3。最后,利用飞行时间法,论文还开展了金属靶6.7 nm激光等离子体光源离子碎屑动力学特性及减缓光源碎屑速度的实验研究。测得在打靶激光功率密度为7×1011W/cm2条件下,Gd金属靶离子碎屑峰值速度为7.14×106 cm/s,对应的动能为3.7 keV。进一步分别利用缓冲气体、外加磁场和双脉冲激光打靶等方法对光源离子碎屑开展了减缓效果的实验研究。结果表明,分别在真空靶室内充入压强分别为41 mTorr氩气和310 mTorr氦气缓冲气体,可使碎屑数量显著减少,实验与数值模拟结果相符合。通过引入外加磁场,对比磁场强度分别为0 T和0.9 T下光源碎屑的角分布,结果表明磁场强度可有效地阻挡光源在各个角度上辐射出的离子碎屑。采用双脉冲激光打靶方法,研究预脉冲激光能量、预-主脉冲时间延时以及预脉冲激光波长（1064 nm、532nm以及355 nm三种波长可选）等参数对碎屑减缓效果的影响,结果表明预脉冲选用355 nm波长激光,能量为40 mJ,预-主脉冲时间延时为550 ns时,离子碎屑的减缓效果最好,此时离子碎屑动能值减小到单脉冲打靶条件下的1/18。