1 引言

目前,极大规模集成电路芯片的工业生产主要采用193 nm激光光刻技术,其刻线的最小尺寸已小于16 nm,已经接近理论极限。为了进一步减小刻线的最小尺寸以提高芯片的集成度,下一代光刻采用波长更短的曝光光源。所有固体材料对波长短于100 nm的光都有强烈的吸收,故下一代光刻机需要采用反射式光学系统。Mo/Si多层膜反射镜对13.5 nm附近光的反射率最高(接近70%^[1]),因此下一代光刻机采用波长13.5 nm附近0.27 nm带宽的极紫外荧光光源,该技术被称为极紫外光刻技术。带宽0.27 nm为中心波长13.5 nm的2%,因此称其为“13.5 nm(2%带宽)”。Mo/Si多层膜反射镜的反射率通常小于70%,反射过程中13.5 nm光的能量损失严重,因此极紫外光刻机对光源的功率要求很高。

极紫外光刻机的光源主要采用激光辅助放电等离子体(LDP)或激光等离子体(LPP)中高价Sn离子辐射的13.5 nm荧光。在极紫外光刻技术的发展过程中,极紫外光源的输出功率较低,曾长期是极紫外光刻机不能实现大规模工业生产的主要原因之一。为了达到工业上每小时100 片的产能,要求极紫外光刻光源在中间焦点(IF点)处的功率大于200 W^[2]。在国际上处于领先地位的荷兰阿斯麦(ASML)公司已经推出了两代极紫外光刻机样机。第一代光刻样机NXE3100主要采用LDP极紫外光源,最初其光源IF点的功率只有4~5 W^[3];第二代光刻样机NXE3300主要采用LPP极紫外光源,其光源IF点功率已经达到210 W^[2],能够满足工业生产的要求。

产生13.5 nm辐射除了采用高价Sn离子的能级跃迁以外,也可以采用Xe¹⁰⁺离子的能级跃迁。采用高价Sn离子时能量转换效率高,故需要高功率光源的极紫外光刻机一般采用Sn等离子体光源。但Sn常温下为固体,需要采用预脉冲激光将Sn气化,然后在主脉冲电流或主脉冲激光的作用下产生放电等离子体或LPP,其装置相对复杂,造价昂贵。而Xe在常温下为气体,可以直接对其放电产生等离子体,其光源结构简单、造价低,更适合用作极紫外光学系统、掩模版、光刻胶等系统检测的中小功率光源^[4]。

Klosner等^[5]报道了利用放电Xe等离子体产生极紫外辐射的研究,获得了重复频率为100 Hz、13.5 nm附近0.3 nm带宽内平均功率为1.4 W的输出^[6]。Götze等^[7]通过多甲醛管放电烧熔管壁获得了O离子的13.5 nm辐射光输出,理论上可以作为极紫外光刻光源。Mohanty等^[8]通过Al₂O₃陶瓷管充入Xe气放电测量了Xe等离子体半径和13.5 nm辐射在时间上的变化。Teramoto等^[9]通过内径为2.3 mm的SiC管放电获得了Xe等离子体,13.5 nm(2%带宽)辐射的单位立体角最大辐射能量为8 mJ。Song等^[10]研究了不同电流上升沿对Xe等离子体13.5 nm辐射的影响,结果表明快变的电流能够提高13.5 nm辐射的光功率和稳定性。Nowakowska-Langier等^[11]通过直径为1 mm、长度为8 mm的氧化铝陶瓷管放电产生的Xe等离子体获得了12~63 nm的辐射。

在理论和实验研究的基础上,国际上还开展了放电Xe等离子体极紫外光源的商业样机研制。XTREME技术公司于2003年研制出了世界上第一台放电Xe等离子体极紫外光源商业样机,型号为XTS 13-35^[12-13]。该样机一般工作在重复频率为1 kHz的状态下,在13.5 nm(2%带宽)2π立体角内的输出功率为35 W,按10%的收集效率计算,IF点功率可达3.5 W^[12]。后续XTREME技术公司在提高收集镜的寿命和改进去碎屑装置方面进行了相应的研究^[13]。Energetiq Technology公司采用Xe介质的Z箍缩无电极放电方式,建造了极紫外光源商业样机,型号为EQ-10,在13.5 nm(2%带宽)2π立体角内的输出功率超过10 W^[14]。

基于Sn等离子体的极紫外光刻光源取得了重要的进展,并已经能够满足光刻机工业生产的要求。而基于Xe介质的放电等离子体极紫外光源虽然也得到了发展,但其2π立体角内的输出功率仍限于几十瓦。基于Xe等离子体的极紫外光源结构简单、造价低,因此在掩模检测等对光源功率要求较低的情形下得到了较好的应用^[12,14]。

本课题组一直在从事通过毛细管放电Z箍缩Ar等离子体产生软X射线激光的研究工作。在该研究工作的基础上,自2008年起开展了基于放电Xe等离子体的用于光学系统和掩模等检测的中小功率极紫外光源的研究。搭建了放电Xe等离子体极紫外光源实验装置,对13.5 nm(2%带宽)辐射进行了深入的理论和实验研究,获得了初始等离子体参数和放电参数对13.5 nm辐射的影响规律。在此基础上,建造了由重复频率为1 kHz的13.5 nm极紫外光源、去碎屑系统和极紫外光收集系统组成的样机。本文对本课题组在放电Xe等离子体极紫外光源方面取得的进展进行了全面的描述。

2 放电Xe等离子体极紫外光源的实验

放电等离子体极紫外光源通过Z箍缩过程获得高价离子组成的高温高密度的等离子体,通过高电压对介质放电产生陡前沿大电流。当变化率很大的大电流流过等离子体时,会产生强的环绕等离子体的磁场;该磁场与等离子体相互作用,产生指向轴心的洛伦兹力;在该洛伦兹力的作用下等离子体向轴心压缩,该过程称为Z箍缩。在等离子体Z箍缩的过程中,磁能转换成粒子的动能,粒子间相互碰撞,剥离原子的外层电子,形成高价离子组成的高温高密度等离子体。最终高价离子通过能级跃迁实现极紫外光的自发辐射。为了对等离子体进行有效箍缩,一般要求放电电流的脉宽为几百纳秒,电流幅值为几千安至几十千安,因此在建造放电电源时要考虑高电压大电流电脉冲的时间压缩。

2.1 实验装置

实验中通过放电产生Xe等离子体,利用Xe¹⁰⁺离子的能级跃迁获得光刻技术中所需的13.5 nm极紫外辐射,实验装置如图1所示。实验装置主要由预脉冲和主脉冲电源、放电室、真空室、充配气系统和探测器等组成。实验时首先调节气体的流量,在放电室中充入适量的初始气体,然后预脉冲放电形成初始的等离子体并流入Al₂O₃陶瓷管中。经过适当的预-主脉冲延时,主脉冲电流流过陶瓷管中的初始等离子体,并对等离子体进行Z箍缩,最终形成高温高密度的Xe等离子体辐射极紫外光。在极紫外光的测量方面,主要利用光电探测器测量13.5 nm(2%带宽)的时间特性,利用光谱仪测量极紫外光谱。自制的极紫外光电探测器由Mo/Si多层膜反射镜、SiN膜和快响应X射线二极管(IRD公司,美国,型号为AXUV20HS1BNC,上升沿为1 ns)组成^[15],用来测量中心波长为13.5 nm(2%带宽)的辐射光信号随时间的变化。极紫外掠入射谱仪(Mcpherson公司,美国,型号为248/310G)用于测量Xe等离子体辐射的极紫外光谱。

图 1. 放电Xe等离子体极紫外光源的实验装置结构

Fig. 1. Structural diagram of experimental setup of EUV light source based on discharge produced Xe plasma

下载图片 查看所有图片

实验中采用预脉冲技术在陶瓷管中获得初始的等离子体。预脉冲的电压幅值为6~8 kV(可调),电流幅值为10~50 A(可调),脉宽为3~10 μs(可调),预-主脉冲延时为1~20 μs(可调)。为了实现等离子体的有效箍缩,需要高幅值陡前沿的主脉冲电流波形,以获得足够大的电流变化率。为此,主脉冲电源采用了三级磁脉冲压缩技术,其电路图如图2所示,典型的主脉冲电流和电压波形如图3所示。主脉冲的电压幅值为15~35 kV(可调),电流幅值为15~40 kA(可调),电流脉宽为110~500 ns(可调)。

图 2. 主脉冲电源电路图

Fig. 2. Circuit diagram of main pulse power supply

下载图片 查看所有图片

图 3. 典型的主脉冲电压和电流波形

Fig. 3. Typical voltage and current waveforms of main pulse

下载图片 查看所有图片

2.2 极紫外光谱和13.5 nm辐射的时间特性

图4所示分别为主脉冲电流为30 kA、纯He流量为2 cm³/min和纯Xe流量为0.7 cm³/min时等离子体辐射的极紫外光谱。可以看出,在10~18 nm的波长范围内,He等离子体辐射的谱线较少,而Xe等离子体的辐射光谱很丰富,主要来源于Xe⁷⁺-Xe¹¹⁺离子4d-5p、4d-4f及4p-4d能级的跃迁。16.17 nm和16.53 nm的谱线来源于Xe⁸⁺离子的4d-5p跃迁;10.5 nm和12 nm的谱线来源于Xe⁹⁺-Xe¹¹⁺离子的4d-4f及4p-4d跃迁;15 nm附近的谱线来源于Xe⁹⁺离子4d-5p的跃迁;12.2~12.8 nm的谱线来源于Xe¹¹⁺离子的4d-5p跃迁;13.5 nm附近的谱线来源于Xe¹⁰⁺离子的4d-5p跃迁。

图 4. Xe和He等离子体辐射的极紫外光谱

Fig. 4. EUV spectra emitted from Xe and He plasma

下载图片 查看所有图片

极紫外光刻机的照明、掩模和投影光学系统均采用反射中心波长位于13.5 nm的Mo/Si多层膜反射镜,其他波长光的反射率很小,最终曝光时只剩下中心波长为13.5 nm(2%带宽)的光。因此图4中Xe¹⁰⁺离子辐射的中心波长为13.5 nm、2%带宽内的光为极紫外光刻所需的光源。

利用自制的极紫外光电探测器^[15]测量了13.5 nm(2%带宽)辐射光信号随时间的变化,典型结果如图5所示,此时Xe气流量为0.7 cm³/min,陶瓷管内径为5 mm。可以看出,主脉冲电流的幅值为28 kA,13.5 nm辐射在84,114,142 ns附近存在三个峰值。对等离子体的Z箍缩过程进行了理论计算,所得的等离子体半径随时间的变化如图6所示。为了方便比较,在图6中同时给出了13.5 nm辐射光信号随时间的变化。可以看出,13.5 nm辐射光信号三个峰值的产生时间与等离子体三次箍缩到最小直径的时间相对应。这表明等离子体存在三次箍缩过程,箍缩到最小半径时,等离子体的温度最高、密度最大,故此时的13.5 nm辐射最强。理论和实验结果表明,随着主脉冲电流的减小、气体流量的增大或陶瓷管内径的增大,等离子体Z箍缩的次数减少,实验测得的13.5 nm辐射信号的峰值个数也相应减少^[16]。产生13.5 nm辐射时等离子体可能存在多次箍缩过程的结论对深入理解等离子体的Z箍缩机理和获得更强的13.5 nm辐射具有重要的意义。

图 5. 主脉冲电流波形和13.5 nm辐射随时间的变化

Fig. 5. Current waveform of main pulse and 13.5 nm radiation versus time

下载图片 查看所有图片

图 6. 13.5 nm辐射和等离子体半径随时间的变化

Fig. 6. 13.5 nm radiation and plasma radius versus time

下载图片 查看所有图片

2.3 预脉冲和主脉冲放电对13.5 nm辐射的影响

实验中采用了预-主脉冲放电技术,即在主脉冲到来前通过预脉冲放电产生初始等离子体(等离子体中主要含有Xe⁺、Xe²⁺等低价离子)。在预脉冲电极间形成的初始等离子体被后续连续充入的Xe气吹入陶瓷管内部,陶瓷管内形成较均匀的初始等离子体。经过一定的延时后,主脉冲电压到达陶瓷管两端时,对管内的初始等离子体放电,形成主脉冲放电电流,获得Xe等离子体的Z箍缩过程。实验结果表明,在未采用预脉冲技术时,主脉冲直接对绝缘的Xe气放电,此时击穿所需的最小Xe气流量远高于最佳流量,且存在放电电流不稳定的问题。而采用预脉冲技术后,主脉冲电流的重复性更好,可以在最佳Xe气流量下获得强度更高且更稳定的13.5 nm极紫外辐射。

实验上研究了主脉冲电流对13.5 nm辐射强度的影响,实验结果如图7所示,此时Xe气流量为1.0 cm³/min。可以看出,主脉冲电流在16~30 kA范围内时,13.5 nm强度随电流的增大而线性增大。电流为30 kA时的13.5 nm辐射强度约是电流为16 kA时的2.7倍。当主脉冲电流幅值增大时,可以产生更大的洛伦兹力,箍缩更高密度的Xe等离子体,增大箍缩到轴心时等离子体中Xe¹⁰⁺离子的粒子数密度,有利于提高13.5 nm辐射的强度。但过大的电流会导致电源体积增大,对绝缘和散热的要求更高,增大了高重复频率工作时电源的设计难度。较大的电流也会更严重地烧蚀陶瓷管管壁和电极,产生更多的碎屑。同时,较大的电流会导致电极上热量沉积增多,在高重复频率工作时很难解决电极的散热问题。因此,在1 kHz重复频率的极紫外光源样机的设计和工作过程中,选择了适中的主脉冲电流幅值。

图 7. 13.5 nm辐射强度随主脉冲电流的变化

Fig. 7. 13.5 nm radiation intensity versus current of main pulse

下载图片 查看所有图片

2.4 初始等离子体参数对13.5 nm辐射的影响

2.4.1 初始等离子体密度对13.5 nm辐射的影响

实验中通过改变Xe气的流量改变初始Xe等离子体的密度,从而改变等离子体的Z箍缩过程。Xe气流量增大会导致Xe原子的初始密度增大,当预脉冲放电时,会形成密度更高的初始等离子体,增大Z箍缩时等离子体向外膨胀的热压,故Z箍缩过程变慢,压缩到轴心时的等离子体直径变大,影响压缩到轴心时等离子体的温度和密度。因此Xe气的流量会对13.5 nm辐射产生重要影响。图8所示为陶瓷管内径为5 mm、主脉冲电流幅值为30 kA时,主脉冲单独放电和预-主脉冲联合放电时不同气体流量下13.5 nm辐射强度的变化情况。可以看出,当没有预脉冲时,主脉冲能够击穿气体的最小流量为0.7 cm³/min。当预-主脉冲联合放电时,由于预脉冲已经形成了初始等离子体,较小的气体流量也能获得13.5 nm输出。当气体流量为0.4 cm³/min时,Z箍缩到轴心时等离子体的状态最有利于产生Xe¹⁰⁺离子,故辐射的13.5 nm荧光最强。当气体流量小于0.4 cm³/min时,随着流量减小,初始气压减小,等离子体向外膨胀的热压减小,Z箍缩产生的等离子体的温度升高,Xe¹⁰⁺离子会进一步电离成Xe¹¹⁺离子,故Xe¹⁰⁺离子的粒子数密度减小,13.5 nm辐射强度减小。当气体流量大于0.4 cm³/min时,随着流量增加,初始气压增大,等离子体向外膨胀的热压增大,Z箍缩产生的等离子体的温度降低,此时Xe⁸⁺或Xe⁹⁺离子很难电离成Xe¹⁰⁺离子,故Xe¹⁰⁺离子的粒子数密度减小,13.5 nm辐射强度减小。

图 8. 13.5 nm辐射光强随Xe气流量的变化

Fig. 8. 13.5 nm radiation intensity versus Xe flow rate

下载图片 查看所有图片

2.4.2 初始等离子体直径对13.5 nm辐射的影响

初始等离子体充满陶瓷毛细管,因此在实验中通过改变陶瓷管的内径改变初始Xe等离子体的直径。初始等离子体直径的增大会导致Z箍缩到轴心的距离的增大,增大Z箍缩的难度。然而陶瓷管内径增大会减小陶瓷管内表面的电流密度,减少管壁烧蚀,延长陶瓷管的使用寿命。增大陶瓷管内径还可以减少管壁烧蚀产生的碎屑,有利于延长收集镜的使用寿命。此外,陶瓷管内径的增大会减少管壁对大发散角13.5 nm辐射的遮挡,有利于输出13.5 nm辐射。因此实验中,在保证Z箍缩能够形成合适的等离子体状态的同时尽量增大陶瓷管的内径。

图 9. 不同陶瓷管内径条件下的Xe等离子体辐射极紫外光谱

Fig. 9. EUV spectra emitted from Xe plasma under different ceramic tube diameters

下载图片 查看所有图片

图9所示分别为Xe气流量为1.0 cm³/min、主脉冲电流幅值为20 kA时3 mm和5 mm内径陶瓷管放电的极紫外光谱。可以看出,5 mm内径陶瓷管放电产生的13.5 nm辐射强于3 mm内径陶瓷管的;使用5 mm内径陶瓷管时14~18 nm之间Xe⁷⁺-Xe⁹⁺离子的4d-5p跃迁辐射也强于3 mm内径陶瓷管的。与5 mm内径毛细管相比,采用3 mm内径的毛细管会导致等离子体Z箍缩到轴心的距离减小,Z箍缩过程会更加剧烈,形成的等离子体中Xe¹⁰⁺离子可能会过电离成Xe¹¹⁺离子,减小13.5 nm辐射的强度。故5 mm内径陶瓷管放电的Z箍缩过程更有利于Xe⁷⁺-Xe¹⁰⁺离子的产生,且有效地避免了Xe¹⁰⁺离子的过电离,有利于增强13.5 nm辐射。此外,5 mm内径陶瓷管具有减少碎屑、延长陶瓷管使用寿命和有利于大角度光输出的优点,在建造极紫外光源样机时主要选用了5 mm内径的陶瓷管。

2.4.3 等离子体长度对13.5 nm辐射的影响

Xe气流量为0.7 cm³/min,放电电流为30 kA,等离子体长度分别为3,6,9 mm时Xe等离子体辐射的极紫外光谱如图10所示^[17]。可以看出,随着等离子体长度的增大,辐射光谱强度整体增大,这是由于等离子长度增大会使各价态离子的粒子数增多。但较长的等离子体柱经光学收集系统聚焦后,焦点的光斑尺寸会较大,不利于光刻机中照明系统的设计,在实际使用时电极距离一般为3~6 mm。

图 10. 不同等离子体长度条件下的Xe等离子体辐射极紫外光谱

Fig. 10. EUV spectra emitted from Xe plasma with different plasma lengths

下载图片 查看所有图片

2.4.4 初始等离子体成分对13.5 nm辐射的影响

在Xe气中掺入不同比例的He气,研究了Xe/He混合等离子体辐射的极紫外光谱。陶瓷管内径为3 mm、Xe气流量为1.6 cm³/min、主脉冲电流为26 kA时,纯Xe以及He与Xe的气体流量比分别为2∶1、6∶1和12∶1时的光谱如图11所示。可以看出,He气掺入时10~14 nm之间光谱强度明显增大。图12所示为13.5 nm辐射强度随He、Xe流量比的变化。可以看出,当He气和Xe气的流量比为8∶1时,13.5 nm辐射强度出现极值,此时光强约为纯Xe时的2倍。因此,实验中选用适当比例的Xe和He的混合气体,有利于提高13.5 nm辐射的强度^[18]。

图 11. 不同He/Xe流量比条件下的等离子体辐射光谱

Fig. 11. EUV spectra emitted from plasma under different He/Xe flow rate ratios

下载图片 查看所有图片

图 12. 13.5 nm辐射光强随He、Xe流量比的变化

Fig. 12. 13.5 nm radiation intensity versus He/Xe flow rate ratio

下载图片 查看所有图片

在等离子体的Z箍缩过程中,初始压缩时He未完全电离,电子与He离子的碰撞使得He离子激发或电离,电子与He离子的碰撞主要为非弹性碰撞,此时电子温度会比纯Xe放电时的偏低。He的第二电离能为54 eV,仅与Xe⁴⁺离子的电离能相当,因此在等离子体的Z箍缩过程中He将迅速电离为裸核。He完全电离后,电子与He离子的碰撞仅为弹性碰撞,可以认为此时与纯Xe等离子体相比电子温度基本不变。He完全电离时可以产生2个电子,因此掺入He气的主要作用是提高了箍缩过程中的电子密度,电子密度的增大导致更多的Xe¹⁰⁺离子通过电子碰撞激发跃迁到4d⁷5p能级,因而4d⁷5p能级向4d⁸能级跃迁产生的13.5 nm辐射的强度增大。

除了在Xe气中掺入He以外,实验上还研究了Xe气中掺入Ar气对极紫外光谱的影响^[18-19]。图13所示为陶瓷管内径为3 mm、Xe气流量为2.0 cm³/min、Ar气流量为6.0 cm³/min、主脉冲电流为30 kA时纯Xe和Xe/Ar混合气体放电光谱的比较。可以看出,Ar气的掺入对13.5 nm附近辐射光谱的影响不大。但实验中发现,Ar气的掺入有利于气体的顺利击穿,增强了放电的稳定性,因此Xe/He/Ar混合气体是比较理想的放电介质。

图 13. Xe/Ar混合气体和纯Xe条件下的等离子体辐射光谱

Fig. 13. EUV spectra emitted from plasma under Xe/Ar mixed gas and pure Xe conditions

下载图片 查看所有图片

为了获得最强的Xe¹⁰⁺离子的13.5 nm辐射输出,需要使初始等离子体Z箍缩到最小半径时时具有最佳的电子温度和密度。当等离子体偏离最佳状态时,不利于形成Xe¹⁰⁺离子。过低的电子温度会

导致Xe⁸⁺离子或Xe⁹⁺离子不能有效地电离成Xe¹⁰⁺离子,而过高的电子温度会导致Xe¹⁰⁺离子电离成Xe¹¹⁺离子。主脉冲电流、初始等离子体密度和初始等离子体直径都会影响等离子体的Z箍缩过程,进而影响产生13.5 nm辐射时的等离子体状态。主脉冲电流越大、初始等离子体密度越小、初始等离子体直径越小,Z箍缩过程越剧烈,形成的等离子体温度越高。因此通过适当选择主脉冲电流、初始等离子体密度和初始等离子体直径,可以有效地控制Z箍缩过程,使箍缩到最小半径时等离子体处于最佳状态,进而获得最强的13.5 nm辐射。此外,通过在Xe中掺入辅助气入He的方式适当增大等离子体中的电子密度,有利于提高13.5 nm辐射的强度。

3 放电Xe等离子体13.5 nm极紫外光源样机的研制

在对主脉冲电流、Xe气流量、陶瓷管内径、等离子体长度、混合气体放电介质等深入研究的基础上,设计并建造了重复频率为1 kHz的放电Xe等离子体13.5 nm极紫外光源样机^[20],其结构如图14所示。光源样机包括电源系统、放电系统、去碎屑系统和光收集系统。

图 14. 放电Xe等离子体极紫外光源样机的结构

Fig. 14. Structural diagram of EUV light source prototype based on discharge produced Xe plasma

下载图片 查看所有图片

3.1 电源及放电系统

采用预-主脉冲联合放电方式能够提高光源的稳定性,因此1 kHz光源采用预脉冲与主脉冲联合放电的工作方式。综合考虑主脉冲电流对13.5 nm辐射的影响规律和主脉冲电源的建造难度,设计主脉冲电源参数为:电压10~20 kV、电流10~20 kA、脉宽120 ns、重复频率1~1000 Hz可调。为了提高预脉冲击穿气体的稳定性,适当增大了预脉冲电压的幅值,预脉冲电源的参数为:电压20~25 kV、电流15~25 A、脉宽1~20 μs可调、预-主脉冲延时1~20 μs可调、重复频率1~1000 Hz可调。

极紫外光源样机的放电室的结构与图1所示的结构基本相同^[21],如图14所示。根据关于陶瓷管内径和长度的实验结果,陶瓷管长度选择6 mm、内径选择5 mm。为了减少重复频率下的热能沉积,放电电极配有循环水冷却装置^[22]。

3.2 去碎屑系统

在真空室内放置硅片测量了碎屑的产生情况,Xe气介质放电1500次后测量硅片上的沉淀物,发现在硅片上的沉积物主要由O和Al组成,来源于陶瓷管(Al₂O₃)和电极的烧蚀。为了保证光收集系统的镜面不受污染,设计了去碎屑系统。去碎屑系统采用喷气和多层金属箔片技术相结合的方式^[23]。喷气的作用是改变出射碎屑的轨迹,使其附着到金属箔片上,避免对光学系统的污染。设计和加工的去碎屑系统的多层金属箔片实物如图15所示,由10片金属箔片组成,箔片按照图14中的光线传播方向设计,尽量减少了其对光源传输到收集镜的极紫外光的遮挡。

图 15. 多层金属箔片去碎屑系统的实物

Fig. 15. Picture of debris mitigation tool of multilayer metal foil

下载图片 查看所有图片

3.3 极紫外光收集系统

极紫外光收集系统采用10层Wolter-I型反射镜结构^[24],每一片镜片包括一个椭球面和一个双曲面,其结构和相应光收集情况如图16所示。极紫外光以掠入射的方式照射到反射镜上,以增大镜面的反射率。根据国内超精密加工水平,提出了一套以车削加工为核心的收集镜加工工艺。直接以铝合金LY12作为收集镜基底,镍磷合金为反射面,具体工艺流程分为收集镜基底粗车^[25]、收集镜基底数控车削与尺寸稳定化处理^[25]、收集镜内表面镀镍磷厚膜^[26]、收集镜基底精车^[27]、手工抛光和面型检测等步骤。图17所示为精车和抛光后的收集镜,精车后未经抛光前反射面的粗糙度为7 nm,手工抛光后相同位置的表面粗糙度为4.1 nm。

图 16. 10层收集镜系统的光路图

Fig. 16. Diagram of optical path for 10 layer collector system

下载图片 查看所有图片

图 17. 精车和手工抛光后的收集镜实物

Fig. 17. Picture of collector after finish turning and polishing by hand

下载图片 查看所有图片

3.4 极紫外光源样机的集成与测试

在完成了各关键部件性能测试后,开展了重复频率为1 kHz的放电Xe等离子体极紫外光源样机的系统集成,图18所示为样机集成后的实物图。在该样机上开展了13.5 nm辐射性能的测试。

图 18. 重复频率为1 kHz的放电Xe等离子体极紫外光源样机的实物

Fig. 18. Picture of EUV light source prototype based on discharge produced Xe plasma at repetition frequency of 1 kHz

下载图片 查看所有图片

主脉冲电流为15 kA、Xe气流量为0.7 cm³/min时,样机Xe等离子体辐射的极紫外光谱如图19所示,与图4所示的光谱形状非常相近,获得了Xe¹⁰⁺离子13.5 nm附近的辐射,证明了样机的电源系统、放电系统设计的正确性。测量了不同重复频率下预-主脉冲放电的稳定性,分析了Xe气流量、He气与Xe气的比例对13.5 nm辐射的影响,确定了样机的最佳工作参数。在Xe气流量为0.7 cm³/min的条件下,采用极紫外能量计(00M-EM-001,Bruker Advanced Supercon GmbH公司,德国),测量了单脉冲条件下13.5 nm辐射光信号,如图20所示。根据能量计与光源的距离以及能量计的相关参数,计算可知此时2π立体角的单脉冲能量为1.28 mJ。在重复频率为1 kHz时使用Xe气与He气的混合气体,测得2π立体角内13.5 nm辐射光功率约为1.4 W,稳定性为±26%,经估算此时IF点的功率约为100 mW。目前该样机还存在高重复频率时主脉冲电流下降、击穿不稳定、电子元件寿命较短等问题,解决这些问题会使13.5 nm极紫外光的功率得到进一步的提升。

图 19. 放电Xe等离子体极紫外辐射光谱

Fig. 19. EUV spectrum emitted from discharge produced Xe plasma

下载图片 查看所有图片

图 20. 13.5 nm辐射光脉冲和主脉冲电流波形

Fig. 20. 13.5 nm radiation light pulse and current waveform of main pulse

下载图片 查看所有图片

4 结论

搭建了放电Xe等离子体极紫外光源实验装置,获得了中心波长位于13.5 nm的辐射,并分析其来源于Xe¹⁰⁺离子4d-5p的跃迁。测量了13.5 nm(2%带宽)辐射光的时间特性,观察到辐射光脉冲存在3个峰值,并用多次箍缩理论的计算结果解释了实验结果。实验中采用了预-主脉冲联合放电技术。研究结果表明,采用预脉冲技术有利于在较低的流量下击穿Xe气,并能提高主脉冲电流和13.5 nm辐射的稳定性。开展了实验参数对13.5 nm辐射强度影响的研究,实验结果表明,随着主脉冲电流的增大,13.5 nm辐射的强度线性增大;存在最佳的气体流量,对应最强的13.5 nm辐射;适当增大陶瓷管内径和等离子体长度、在Xe气中适当掺入He气,有利于提高13.5 nm辐射的强度。根据上述规律对实验参数进行选择,建造了重复频率为1 kHz的13.5 nm极紫外光源样机。样机中采用喷气和多层金属箔片相结合的方式去除了放电时产生的碎屑,以减少对光收集系统的污染。极紫外光收集系统采用Wolter-I型反射镜结构,以掠入射方式将陶瓷管内发出的13.5 nm极紫外辐射聚焦到IF点。对极紫外光源样机进行了系统集成和调试,获得了中心波长位于13.5 nm的极紫外辐射。在重复频率为1 kHz时,2π立体角内13.5 nm辐射光功率约为1.4 W,经估算此时IF点的功率约为100 mW。该极紫外光源样机的研制为建造更高功率的极紫外光源提供了参考。