ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 1, с. 68-70
УДК 535-32
ИСТОЧНИК ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ, НАГРЕВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА © 2011 г. А. В. Водопьянов1, С. В. Голубев1, Д. А. Мансфельд1, Н. Н. Салащенко2, Н. И. Чхало2
E-mail: avod@appl.sci-nnov.ru
Обсуждается источник экстремального ультрафиолетового излучения на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в магнитной ловушке мощным электромагнитным излучением на частоте 75 ГГц. В экспериментах мощность излучения с длиной волны 13.5 нм в полосе ±1% достигала 50 Вт. Преобразование СВЧ-излучения в экстремальный ультрафиолет было на уровне 1%.
В настоящее время в мире ведутся интенсивные исследования, направленные на создание источника излучения для проекционной литографии высокого разрешения с длиной волны 13.5 нм. В наиболее эффективных источниках излучения используется линейчатое излучение многозарядных ионов олова (более 100 линий излучения ионов олова с зарядом от +6 до +11 попадают в указанный диапазон). В основном для получения такой плазмы используются установки с мощными лазерами или с различного типа пинчами (см., например, [1—6]). Наряду с ощутимым прогрессом в этом направлении у разрабатываемых схем есть ряд недостатков, которые не позволяют считать проблему создания источника экстремального ультрафиолета решенной. Прежде всего отметим проблемы, связанные с непродолжительным ресурсом работы источника, с загрязнением элементов оптической системы распыляемыми веществами, с бомбардировкой поверхности зеркал быстрыми ионами. Поиски новых источников жесткого ультрафиолета остаются актуальными в настоящее время.
В настоящей работе в качестве источника жесткого ультрафиолетового излучения предлагается использовать разряд низкого давления в парах олова, поддерживаемого в магнитной ловушке мощным электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). Метод получения многозарядных ионов металлов, эффективность которого продемонстрирована в [7—10], заключается в следующем. В прямую магнитную ловушку с помощью вакуумно-дугового источника инжектируется плазма паров олова. За время пролета плазмы магнитной ло-
1 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород
2 Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород
вушки нагреваемые СВЧ-излучением электроны производят дополнительную ионизацию, и заряд ионов повышается — образуются ионы, линии излучения которых лежат в диапазоне жесткого ультрафиолета. Использование миллиметрового излучения и миниатюрных вакуумно-дуговых плаз-могенераторов позволяет получать источники со сравнительно малыми размерами (поперечные размеры излучающей области ~1 мм) с достаточно высокой плотностью плазмы (до 1014 см-3), что делает описанный метод весьма привлекательным для создания почти точечного источника жесткого ультрафиолета. Отметим, что в ранних работах [11, 12] в ЭЦР-разряде большого объема удалось добиться высокой эффективности (до 10%) преобразования СВЧ-излучения в жесткий ультрафиолет в диапазоне от 7 до 15 нм.
Эксперименты проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1. Простая осесим-метричная магнитная ловушка (пробкотрон) создавалась током, протекающим через катушки 3. Длина ловушки составляла 26 см, максимальное магнитное поле в пробке 4 Тл, длительность импульса тока 5 мс.
Источник плазмы — вакуумно-дуговой плаз-могенератор типа МЕВВА [13]. Плазмогенератор (1 на рис.1) устанавливался на оси системы вблизи одной из пробок магнитной ловушки. Длительность импульса тока ~100 мкс, а величина тока 1агс = 50—300 А. Для дополнительного нагрева плазмы использовано излучение гиротрона с частотой излучения 75 ГГц, мощностью до 50 кВт, длительностью импульса 150 мкс. Разрядная вакуумная камера, помещенная внутрь магнитной ловушки, имела тефлоновое окно 2, через которое излучение гиротрона вводилось в область разряда. Поглощение излучения в плазме приводило к значительному увеличению энергии электронов, что обеспечивало дополнительную ионизацию ионов и их эффективное возбуждение с по-
ИСТОЧНИК ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
69
2 X 3 X 5 1 I
1=1
X 4 X
Интенсивность, отн. ед.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — плазмогенератор, 2 — СВЧ окно, 3 — магнитные катушки, 4 — откачной тракт, 5 — магнитная завеса, 6 — детектор ЕиУ либо экстрактор ионов и времяпро-летный анализатор ионного спектра.
следующим спонтанным высвечиванием. Экспериментальная установка работала в импульсном режиме с частотой следования импульсов до 1 Гц. Для анализа ионного состава плазмы использованы двухсеточный экстрактор ионного пучка с напряжением до 20 кВ ускоряющим ионы и вре-мяпролетный анализатор [14]. Измерения интенсивности свечения плазмы в ЕиУ-диапазоне проводили с помощью абсолютно калиброванного измерителя мощности на основе двух многослойных зеркал N5/81, обеспечивающих спектральную полосу регистрации 13.5 нм ±1%, фильтра 2г/81, отрезающего длинноволновое излучение, и кремниевого диода АХиУ-100 (ШЛ, США). Чувствительность измерителя 0.033 А • Вт-1, минимальная регистрируемая мощность излучения с длиной волны 13.5 нм (обнаружительная способность) 3.3 • 10-10 Вт. Подробнее о приборе можно узнать из [15]. Для исключения попадания плазмы в детектор в эксперименте использована "магнитная завеса" (5 на рис. 1). Средний заряд ионов олова без СВЧ-нагрева (2) = 2, максимальный заряд 2тах = 3. СВЧ-нагрев плазмы приводил к существенному сдвигу распределения ионов по крат-ностям ионизации в область больших зарядно-стей.
Типичное распределение ионов по кратностям ионизации представлено на рис. 2, на котором приведена осциллограмма тока коллектора вре-мяпролетного анализатора. Пики интенсивности соответствуют различным кратностям ионизации ионов. Такое распределение ионов по кратностям ионизации удалось реализовать при следующих параметрах работы установки: магнитное поле в пробках 1 Тл, мощность СВЧ 50 кВт, ток вакуумной дуги 100 А. Такое распределение ионов по кратностям ионизации не является оптимальным с точки зрения излучения в диапазоне 13.5 нм ± ± 1% (см., например, [16]). Но уже при таком распределении удалось зарегистрировать жесткое ультрафиолетовое излучение мощностью »2 Вт в телесный угол 2п ср в указанном спектральном диапазоне. При увеличении напряженности магнитного поля ловушки (до 4 Тл), т.е. при реализации резонансных условий нагрева электронов, интенсивность излучения плазмы в указанном диапазоне существенно возрастала и достигала
0 1 2 3 4 5 6 7
Время, мкс
Рис. 2. Зарядовое распределение ионов с СВЧ-нагре-вом.
Мощность излучения, Вт • см 3 10бГ 2> 104
102И
10°й
1013 1014 1015 1016 Плотность плазмы, N см-3
Рис. 3. Расчет мощности излучения в полосе 13.5 нм
±1% при заданных Те и 1агс.
»25 Вт в телесный угол 2п ср. Для оценок примем, что объем излучающей плазмы составляет 0.35 см3 [17], тогда удельная мощность свечения в указанном спектральном диапазоне достигает »100 Вт • см-3.
Оценка эффективности и перспективности работы ЭЦР-источника жесткого ультрафиолетового излучения проводилась следующим образом. Решалась система балансных уравнений на концентрации заряженных частиц с разными зарядовыми состояниями [10]. Время пролета ионами длины ловушки в расчетах принято равным 26 мкс. Константы скорости ионизации вычислялись для максвелловского распределения электронов по скоростям на основании данных [18]. Начальный
(2) = 2.
Плотность плазмы задавалась 1агс. Мощность СВЧ-излучения, необходимая для поддержания плазмы с определенной температурой электронов Те (мощность поглощаемая плазмой), вычислялась как сумма выносимой из ловушки через пробки энергии плазмы и затрат на ионизацию и возбуждение ионов. Излучательные потери плазмы рассчитывались с использованием усредненных констант скорости возбуждения многозарядных ионов [16]. На рис. 3 приведены результаты расчетов. Стрелка 1 обозначает параметры проведенного эксперимента.
70
ВОДОПЬЯНОВ и др.
Оценим параметры ЭЦР-источника жесткого ультрафиолетового излучения с накачкой современными гиротронами, работающими в непрерывном режиме. Для определенности возьмем ги-ротрон, производимый в НПП ГИКОМ с частотой излучения 170 ГГц, мощностью до 500 кВт (хотя для наших целей будет достаточно и 20 кВт). Использование такого гиротрона позволяет поддерживать плазму с характерными размерами 1 мм х 1 мм х 10 мм с {I) = 9, Те = 200—300 эВ. Как показывают расчеты, такая плазма в диапазоне 13.5 нм ± 1% будет излучать 1 кВт мощности (стрелка 2 на рис. 3) при эффективности преобразования СВЧ-излучения в жесткий ультрафиолет на уровне 5%.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 08-02-00140, 09-02-97067 и 08-0200873).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. EUV Sources for Lithography by Vivek Bakshi // SPIE Society of Photo-Optical Instrumentation Eng, 2005.
2. Schriever G., Rahe M, Stamm U. et al. // SPIE 2001. V. 4343. P. 615.
3. Stamm U., Ahmad I., Balogh I. et al. // SPIE. 2003. V 5037. P. 119.
4. Кошелев К.Н., Банин В.Е., Салащенко Н.Н. // УФН. 2007. Т. 177. С. 777.
5. Brandt D.C., Fomenkov I.V., Bowering N.R. et al. // SE-MATECH EUVL Symposium, Barcelona, Spain, 2006.
http://wwwisematech.org/meetings/archives/litho/7870/ proceedings/oral/D2/3S00 4%20 Brandt.pdf
6. Endo A., Hoshino H, Ariga T. et al. SEMATECH EUVL Symposium, Barcelona, Spain, 2006. http://www.se-matech.org/meetings/archives/litho/7870/proceedings/ oral/D2/3S00 4%20Endo.pdf
7. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Razin S.V. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2004. V. 75. P. 1888.
8. Водопьянов А.В., Голубев С.В., Мансфельд Д.А. и др. // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 9. С. 101.
9. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Khizhnyak V.I. et al. // High Energy Phys. Nucl. Phys. 2007. V. 31(S1). P. 159.
10. Водопьянов А.В., Голубев С.В., Мансфельд Д.А. и др. // ПЖТФ. 2007. Т. 33. № 20. С. 44.
11. Водопьянов А.В., Голубев С.В., Зорин В.Г. и др. // ПЖТФ. 2000. Т. 26. № 24. С. 7.
12. Golubev S.V., Platonov Yu.Ya., R
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.