научная статья по теме ИСТОЧНИК ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ, НАГРЕВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Физика

Текст научной статьи на тему «ИСТОЧНИК ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ, НАГРЕВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА»

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.

Показать целиком