На правах рукописи

Иванов Александр Сергеевич

ИСТОЧНИК ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ ( 13,5 нм)

НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА ТИПА ЛАЗЕРНОИНДУЦИРОВАННОЙ ВАКУУМНОЙ ИСКРЫ В ПАРАХ ОЛОВА

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Троицк 2008

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГН - РФ ТРИНИТИ)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Виноходов А. Ю.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Ковальский Н. Г.

доктор физико-математических наук,

профессор Сейсян Р. П.

Ведущая организация:

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита диссертации состоится У05Ф декабря 2008 г. в У14Ф часов У00Ф минут на заседании диссертационного Совета Д 201.004.01 при ГН - РФ ТРИНИТИ по адресу: 142190, Московская обл., г. Троицк,ул. Пушковых, владение 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГН - РФ ТРИНИТИ

Автореферат разослан 28 октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук Казаков С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Для дальнейшего развития микроэлектроники необходимо создание следующего поколения промышленных литографических систем. Среди существующих альтернативных технологий, наиболее привлекательной является технология проекционной фотолитографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (ЭУФ литография), которая использует излучение в диапазоне длин волн 13,5 0,135 нм. Ключевое значение для ЭУФ литографии имеет разработка эффективного источника ЭУФ излучения, обладающего высокой средней мощностью излучения. В настоящее время наиболее перспективными с точки зрения получения максимальной эффективности, высокой средней мощности и возможностей дальнейшего масштабирования являются разрядные источники ЭУФ излучения на основе разряда типа лазерноиндуцированной вакуумной искры в парах олова. Исследование физических процессов образования высокотемпературной плазмы и генерации ЭУФ излучения в разряде типа лазерноиндуцированной вакуумной искры в парах олова является важной и актуальной задачей для создания источника ЭУФ излучения.

Цель работы

Целью диссертационной работы являлось исследование физических процессов, происходящих в разряде типа лазерноиндуцированной вакуумной искры в парах олова, и их влияния на энергетические и пространственные характеристики ЭУФ излучения, соответствующие требованиям ЭУФ литографии.

Задачи исследований

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

- исследования физических процессов, происходящих при инициировании разряда лазерным излучением, и определения оптимальных параметров лазерного импульса для достижения максимальных выходных характеристик источника ЭУФ излучения.

- исследования физических процессов, происходящих в разряде типа вакуумной искры, и их влияния на выходные параметры источника ЭУФ излучения.

- поиска режимов возбуждения разрядного импульса, способствующих эффективной генерации ЭУФ излучения с требуемыми для ЭУФ литографии энергетическими и пространственными параметрами.

Методы исследований

При решении перечисленных задач основным методом являлся физический эксперимент с привлечением методов численного моделирования изучаемых физических процессов и интерпретация полученных экспериментальных данных на основе теоретического анализа.

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) Обнаружено, что для достижения максимальной эффективности источника ЭУФ излучения на основе разряда типа лазерноиндуцированной вакуумной искры в парах олова необходимо обеспечить достижение плотностью мощности лазерного импульса некоторого порогового значения, которое зависит от длины волны лазерного излучения, размеров фокального пятна и расстояния между электродами.

2) Установлено, что существует оптимальное значение скорости нарастания разрядного тока, при котором эффективность источника ЭУФ излучения достигает максимального значения.

3) Обнаружено, что осуществление предварительного разряда приводит к уменьшению пространственных размеров плазмы, генерирующей ЭУФ излучение.

4) Обнаружен эффект повышения эффективности ЭУФ источника при наличии временной задержки между моментом коммутации межэлектродного промежутка инициирующей лазерной плазмой и началом разрядного импульса. При этом оптимальное значение временной задержки зависит от плотности мощности инициирующего лазерного излучения.

5) Установлена природа энергетической и пространственной нестабильности ЭУФ излучения, связанная с модификацией профиля поверхности электрода, облучаемого инициирующим лазерным импульсом.

6) Проведено сравнительное исследование энергетических и пространственных характеристик ЭУФ излучения при разной полярности электродов. Найдено, что по совокупности параметров более предпочтительным для использования в ЭУФ литографии является облучение инициирующим лазерным импульсом катода.

Защищаемые положения

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

1. Зависимость эффективности источников ЭУФ излучения на основе разряда типа лазерноиндуцированной вакуумной искры на парах олова от плотности мощности лазерного излучения имеет насыщающийся характер, при этом переход в насыщение зависит от длины волны лазерного излучения, размеров фокального пятна и расстояния между электродами.

2. Доказано существование оптимального значения скорости нарастания разрядного тока, равного dI/dt 0,41012 А/с, при котором достигается максимальное значение эффективности источника ЭУФ излучения в диапазоне длин волн 13,5 0,135 нм.

3. Найден режим ввода энергии в разряд, при котором происходит увеличение эффективности источника ЭУФ излучения и уменьшение пространственных размеров плазмы, излучающей в ЭУФ диапазоне спектра.

4. Установлено, что природа энергетической и пространственной нестабильности ЭУФ излучения связана с изменением профиля поверхности облучаемого инициирующим лазерным импульсом электрода под действием разряда при работе источника ЭУФ излучения в импульсно-периодическом режиме.

Вклад автора

В результаты совместных работ автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке и проведении экспериментов, разработке и проектировании экспериментальной техники, в определении задач теоретического исследования, анализе результатов экспериментов и их интерпретации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 153 страницы машинописного текста, 134 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 141 наименования.

Содержание работы

В введении обоснована актуальность проводимых исследований, указана цель и задачи, при решении которых эта цель достигается. Приводится краткое содержание диссертации, формулируются основные защищаемые положения, новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава I представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены основные принципы ЭУФ литографии и приводятся требования, предъявляемые к источникам излучения для ЭУФ литографии. Согласно этим требованиям, источник должен генерировать ЭУФ излучение в диапазоне длин волн 13,5 0,135 нм в телесный угол 1,8 ср с высокой энергетической ( 1%) и пространственной ( 1% от размеров) стабильностью от импульса к импульсу. При этом характерный размер плазмы, генерирующей ЭУФ излучение, не должен превышать 1,5 мм. Для повышения эффективности генерации ЭУФ излучения используется плазма, содержащая многозарядные ионы лития (Li), ксенона (Xe) или олова (Sn), которые являются основными источниками селективного излучения в требуемом спектральном диапазоне. Рассматриваются свойства и характеристики соответствующей плазмы. Показано, что наибольшей эффективностью обладает плазма многозарядных ионов олова (Sn7+Sn12+), которые имеют пик излучения в требуемом спектральном диапазоне. Представлено современное состояние разработок лазерных и разрядных источников излучения для ЭУФ литографии. Рассмотрены основные достоинства и недостатки данных источников ЭУФ излучения.

В главе II приведено описание экспериментальной установки, на которой проводились исследования. Схема установки и ее основные функциональные системы представлены на рис.1.

Вакуумная камера 1 откачивалась турбомолекулярным насосом 2. При проведении экспериментов рабочее давление в камере составляло 10-3 Торр.

Электродная система источника состояла из высоковольтного электрода, содержавшего оловянную вставку, и заземленного электрода с центральным отверстием для ввода инициирующего лазерного импульса и вывода ЭУФ излучения. Эксперименты проводились с оловом как в твердом, так и в жидком состоянии. Межэлектродное расстояние могло изменяться, но обычно составляло 3 мм.

Для инициирования разряда использовалось излучение эксимерного KrF лазера с длиной волны излучения 248 нм и СО2 лазера с 10,6 мкм. Оптическая система 12 фокусировала излучение лазера на поверхность оловянной вставки, при этом максимальная плотность мощности лазерного излучения в фокусе составляла 3109 Вт/см2 и 4108 Вт/см2 для KrF и СО2 лазера соответственно.

Энергетические параметры ЭУФ излучения в спектральном диапазоне 13,5 0,135 нм регистрировались с помощью калиброванных измерителей энергии на основе фотодиодов. Для измерения пространственных характеристик излучающей плазмы использовалась камера обскура, которая состояла из диафрагмы диаметром 100 мкм и ПЗС матрицы с нанесенным фосфоресцирующим слоем. Фильтрация длинноволнового излучения осуществлялась с помощью Be или Zr фильтра. Разрешение камеры составляло 50100 мкм. Эмиссия заряженных частиц из зоны разряда регистрировалась посредством цилиндра Фарадея и коллектора электронов. Параметры схемы возбуждения разряда измерялись калиброванными высоковольтными делителями и поясом Роговского.

Схемы возбуждения разряда, применявшиеся при проведении экспериментов, обеспечивали импульсную зарядку конденсаторной батареи емкостью С1 0,241,92 мкФ, подсоединенной к электродной системе, до напряжения U 1,510 кВ. Минимальная индуктивность разрядного контура составляла L 4 нГн. Высоковольтный импульсный трансформатор позволял проводить эксперименты при разной полярности электродов.

В главе III представлены результаты исследования основных физических процессов, происходящих при работе источника ЭУФ излучения.

В первом параграфе данной главы приведены результаты исследования инициирования разряда импульсом лазерного излучения. Минимальная плотность мощности лазерного излучения, необходимая для инициирования разряда, совпадает с порогом плазмообразования. Показано, что существует временная задержка между воздействием лазерного импульса и началом разрядного тока, которая вызвана распространением образующейся лазерной плазмы в межэлектродном промежутке. Рассмотрено влияние полярности электродов на процессы, происходящие при инициировании разряда.

Во втором параграфе рассматриваются процессы, происходящие в разряде типа вакуумной искры. Показано, что при облучении лазерным импульсом катода происходит сжатие плазмы под действием магнитного поля тока. В результате развития неустойчивости типа перетяжки (m = 0), возле поверхности катода формируется микропинч, который эффективно генерирует ЭУФ излучение. Типичные размеры излучающей плазмы возле катода составляют 0,2х0,3 мм2 (ширина на уровне половинной интенсивности). При определенных условиях могут происходить повторные сжатия плазмы в перетяжке. В результате воздействия на поверхность анода ЭУФ излучения, а также ускоренных пучков электронов и кумулятивных струй высокотемпературной плазмы, образующихся при сжатии плазмы в перетяжке, может происходить генерация ЭУФ излучения возле анода (рис.2А).

Рассмотрены особенности процессов генерации ЭУФ излучения при облучении лазерным импульсом анода. В этом случае высокотемпературная плазма образуется, в основном, под действием ускоренных пучков электронов, бомбардирующих поверхность анода. При этом величина энергии ЭУФ излучения может быть больше, чем при обучении катода, что, однако, сопровождается высокой энергетической нестабильностью от одного разрядного импульса к другому (рис.3). Типичный размер излучающей плазмы при облучении анода составляет 11,2 мм (ширина на уровне половинной интенсивности) (рис.2Б), что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источникам излучения для ЭУФ литографии, поэтому в дальнейшем рассматривается в основном случай, когда инициирующий лазерный импульс воздействует на катод.

В третьем параграфе представлены результаты исследования процессов, происходящих при работе источника ЭУФ излучения в импульсно-периодическом режиме. Показано, что при работе ЭУФ источника с твердым оловом под действием разряда происходит модификация профиля поверхности олова, которая приводит к падению уровня энергии ЭУФ излучения, ухудшению энергетической и пространственной стабильности излучающей плазмы (рис.4), а затем и прекращению пробоя разрядного промежутка. Выяснено, что использование жидкого олова позволяет избежать возникновения нестабильности при работе источника ЭУФ излучения в импульсно-периодическом режиме.

В четвертом параграфе третьей главы приведены результаты исследования продуктов эрозии электродов, которые образуются при работе ЭУФ источника, а также методы защиты элементов оптической системы. Показано что корпускулярные продукты эрозии электродов состоят из ионизированной, паровой и капельной фракции. Рассматривается воздействие данных продуктов эрозии на элементы оптической системы и методы защиты от них.

Глава IV посвящена результатам экспериментального исследования влияния параметров инициирующего лазерного излучения и схемы возбуждения разряда на характеристики источника ЭУФ излучения.