Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор лазерных и плазменных источников излучения уф и вуф диапазона, использующихся в современных микроэлектронных технологиях 23
1.1. Эксимерные лазеры для оптической литографии 23
1.2. Плазменные источники излучения для ВУФ литографии 32
1.2.1. Особенности ВУФ литографии 32
1.2.2. Источники излучения ВУФ литографии 40
1.3. Эксимерные лазеры для материальных процессов 45
1.3.1. Микрообработка материалов 45
1.3.2. Лазерная кристаллизация кремния в производстве жидкокристаллических экранов 50
ГЛАВА II. Исследование физических факторов, определяющих достижение высокой средней мощности электроразрядных эксимерных лазеров 57
2.1. Параметры, определяющие эффективность эксимерных лазеров 58
2.1.1. Условия получения эффективной генерации 58
2.1.2. Лазеры с максимальной эффективностью и максимальной частотой следования импульсов 61
2.2. Газодинамические процессы в газовом контуре эксимерных лазеров 68
2.2.1. Влияние акустических колебаний на выходные параметры ХеС1- импульсно-периодического эксимерного лазера (ИПЭЛ) 68
2.2.2. Расчет параметра для ХеС1-ИПЭЛ 72
2.2.3. Пространственное распределение энерговклада при импульсно-периодическом режиме (ИПР) 74
2.2.4. Влияние области нагретого разрядом газа на характеристики ИПЭЛ 77
2.3. Влияние приэлектродных процессов на контрагирование объёмного разряда в ИПЭЛ 86
2.3.1. Экспериментальное моделирование приэлектродных процессов и их влияние на контрагирование разряда в ИПР 87
2.3.2. Режимы воздействия лазерного импульса на электрод 93
2.3.3. Влияние приэлектродных процессов на выходные параметры ХеС1-ИПЭЛ 97
2.4Выводы к главе II
ГЛАВА III. XeCl-лазеры 100
3.1. XeCl-ИПЭЛ с энергией генерации ~1 Дж 100
3.1.1. XeCl-лазер со средней мощностью излучения 420 Вт 101
3.1.2. XeCl-лазеры с компактными газодинамическими контурами 105
3.2. Широкоапертурные XeCl-лазеры 111
3.2.1. Пространственно-временные и энергетические характеристики излучения широкоаппертурного (7x7см2) ХеС1-лазера 112
3.2.2. Влияние неоднородности предыонизации на характеристики разряда широкоапертурного ХеС1-лазера 119
3.2.3. XeCl-лазер со средней мощностью 600 Вт 121
3.3. Расходимость излучения XeCl-лазера при ИПР 124
3.3.1. Увеличение расходимости излучения XeCl-лазера при ИПР 125
3.3.2. Влияние акустических колебаний на расходимость излучения ХеС1-лазера 129
3.4. ВКР-преобразование излучения XeCl-лазера в сжатом Н2 в ИПР 134
3.4.1. Эффективность ВКР-преобразование излучения XeCl-лазера в сжатом Н2 135
3.4.2. Влияние ИПР на эффективность ВКР-преобразования 143
3.5. Выводы к главе III 149
ГЛАВА IV. KrF-Лазеры 151
4.1. Высокоэффективные KrF-лазеры 152
4.1.1. Особенности газопродувной и электроразрядной систем KrF-лазеров с компактными газодинамическими контурами 152
4.1.2. Влияние распределения электрического поля на характеристики KrF-лазера 155
4.1.3. Эффекты ограничения средней мощности в компактных KrF-ИПЭЛ \ 5Ь
4.2. KrF-лазер с высокой средней мощностью 164
4.2.1. Особенности функциональных систем лазера 164
4.2.2. Выходные характеристики лазера 170
4.3. KrF-лазеры с высокой частотой следования импульсов 184
4.3.1. KrF-лазер со средней мощностью 650 Вт 184
4.3.2. KrF лазер с частотой следования импульсов 5 кГц 193
4.4.Выводы к главе IV 201
ГЛАВА V. ArF- И XeF-ЛАЗЕРЫ 204
5.1. Высокоэффективные ArF-лазеры 205
5.2. ArF-лазеры с высокой частотой следования импульсов 207
5.2.1. ArF-лазер со средней мощностью 300 Вт 207
5.2.2. ArF-лазер с частотой следования импульсов 6 кГц 215 5.2.3 Исследование выноса области нагретого разрядом газа 224
5.3. XeF-лазер с частотой следования 5,5 кГц 227
5.4.Выводы к главе V 231
ГЛАВА VI. Плазменные вуф источники с высокой средней мощностью излучения 234
6.1..Устройство источников ВУФ излучения на основе разряда типа Z-пинч и методы регистрации их параметров 235
6.1.1. Функциональные системы источников 23 5
6.1.2. Источники первого поколения 237
6.1.3. Источники второго поколения 23 8
6.1.4. Высокотемпературная керамика лайнера источников 239
6.1.5. Система регистрации параметров ВУФ излучения 241
6.2. Процесс формирования разряда типа Z-пинч 242
6.3. Особенности режима вклада энергии в разряд 244
6.4. Спектр излучения ВУФ источника на основе разряда в Хе 248
6.5. Зависимость характеристик ВУФ источника от давления Хе 251
6.6. Энергетические параметры ВУФ источников 254
6.6.1. Источники первого поколения 254
6.6.2. Источники второго поколения 257
6.7. Пространственные характеристики излучающей плазмы 260
6.8. Импульсно-периодический режим работы источников 267 6.9.Выводы к главе VI 271
Общие выводы 273
Заключение 275
Литература
- Особенности ВУФ литографии
- Пространственное распределение энерговклада при импульсно-периодическом режиме (ИПР)
- Широкоапертурные XeCl-лазеры
- Эффекты ограничения средней мощности в компактных KrF-ИПЭЛ \
Введение к работе
Эксимерные молекулы представляют широкий класс молекул, существующих только в возбужденных состояниях. Впервые генерация на эксимерных переходах получена при электронном возбуждении жидкого ксенона (^=175 нм) в 1970 г. [1], хотя идея получения генерации в конденсированных инертных газов впервые была высказана еще в 1966 г. [2,3]. Первые сообщения о эксимерных лазерах на галогенидах инертных газов появились в 1975 г. [4,5]. Лучшими генерационными характеристиками среди них обладают лазеры на эксимерных молекулах ArF (Я=193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), ХеС1 (308 нм) и XeF (351, 353, 480 нм). Отличительной особенностью этих лазеров является то, что они работают на лазерных переходах между двумя электронными состояниями, верхний из которых имеет потенциальный минимум, а нижний является разлетным (ArF, KrCl, KrF), либо слабо связанным (XeCl, XeF), поэтому инверсия населенности в таких системах может достигать 100%. Этим же обусловлено наличие в них относительно широкой полосы усиления (0,1-г0,5 нм), что вместе с малым радиационным временем жизни возбужденных состояний (10" -г 10" с) вызывает необходимость использования накачки с высоким уровнем мощности.
Актуальность работы. Благодаря уникальным генерационным характеристикам (УФ диапазону излучения, высокой импульсной и средней мощности), а также использованию относительно простого и надежного способа накачки самостоятельным разрядом, эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов нашли широкое применение во многих современных технологиях и научных исследованиях. Наиболее эффективно импульсно-периодические эксимерные лазеры (ИПЭЛ) применяются в микроэлектронной промышленности, в частности более коротковолновые KrF-и ArF-лазеры, имеющие частоту следования импульсов несколько килогерц и энергию генерации до 100 мДж - в УФ литографии [6,7], XeCl-лазеры с энергией более 1 Дж и частотой следования несколько сотен герц - в
технологии производства тонкопленочных транзисторов, применяемых в
v жидкокристаллических экранах [8-12]. Следует также отметить широкое
внедрение ИПЭЛ в процессы микрообработки материалов, модификации
поверхности, очистки материалов [13-19], экологического мониторинга [20,21],
медицине [22]. Мировые продажи ИПЭЛ в 2000 г. составили 367 млн. долларов
США [23], причём большая часть этой суммы (267 млн.) была израсходована на
производство эксимерных лазеров, использующихся в микроэлектронных
tjk технологиях.
В последнее время в связи с поступательным развитием микроэлектронной промышленности возникла необходимость в создании более коротковолновых, чем эксимерные лазеры, источников излучения, предназначенных для литографических установок следующего поколения. В настоящее время одним из наиболее перспективных подходов для создания такого источника представляется излучение высокотемпературной ксеноновой плазмы, создаваемой в разряде типа Z-пинч и излучающей вблизи коротковолновой границы ВУФ диапазона, в диапазоне так называемого экстремального УФ (5+20 нм) [24].
Эффективность использования как эксимерных лазеров, так и источников ВУФ диапазона в различных технологиях зависит, прежде всего, от их средней мощности излучения, частоты следования импульсов, пространственных параметров и надежности работы.
Одной из основных задач, возникающих при создании и исследовании
^. ИПЭЛ, является выявление причин, ограничивающих достижение высокой
средней мощности и высокой частоты следования импульсов. В этой связи необходимо найти экспериментальные условия получения эффективной генерации для различных типов электроразрядных эксимерных лазеров в импульсном режиме и сохранить ее в импульсно-периодическом режиме (ИПР). Эти условия могут отличаться не только для лазеров на различных эксимерных молекулах, но и для лазеров на одной и той же эксимерной
7 молекуле, но имеющих различную комбинацию выходных параметров, в частности обладающих либо максимальной эффективностью и энергией генерации, либо максимальной частотой следования импульсов. Разряд в газовых лазерах в ИПР осуществляется в среде, имеющей возмущения, вызванных предыдущими разрядными импульсами. Из возможных причин, уменьшающих энергию генерации в ИПР и ограничивающих максимальную частоту следования импульсов, следует отметить, прежде всего, газодинамические процессы, включающие акустические колебания [25,26] и неэффективный вынос области'нагретого газа [27,28], а также приэлектродные явления [29]. В данной работе эти факторы рассмотрены применительно к ИПЭЛ.
В диссертационной работе представлены результаты исследований электроразрядных лазеров на эксимерных молекулах XeCl, KrF, ArF и XeF с различной комбинацией энергии генерации Ег и частоты следования импульсов f:ErДж и/< 6 кГц.
На первом этапе наши исследования, начавшиеся в 1983 г., касались в основном XeCl-ИПЭЛ. К тому времени максимальная средняя мощность W и энергия генерации, полученные на электроразрядных XeCl-ИПЭЛ, составляли соответственно 40 Вт и 1 Дж [30], к 1985 г. в нескольких лабораториях была продемонстрирована средняя мощность JF=150-r300 Вт [31,32]. На двухмодульном XeCl-ИПЭЛ с использованием относительно простой схемы возбуждения разряда и искровой УФ предыонизации нам удалось получить рекордную для электроразрядных ИПЭЛ W=420 Вт при УЁ600 Гц [33]. Параллельно нами проводились работы, направленные на создание широкоапертурных XeCl-ИПЭЛ с энергией генерации 3-і-10 Дж и Ж=0,5-И кВт [34,35]. Проводились также исследования о влиянии акустических колебаний, возникающих в газодинамическом контуре (ГДК) лазера, на расходимость лазерного излучения близкую к дифракционному пределу 10"4ч-10"5 рад.
8 Для целого ряда применений представляется необходимым расширить диапазон длин волн эксимерных лазеров, наиболее эффективно это можно сделать с помощью ВКР-преобразования в сжатом водороде. Были определены зависимости эффективности ВКР-преобразования излучения XeCl-ИПЭЛ от параметров накачивающего излучения и рассеивающей среды, как в импульсном режиме, так и ИПР при/< 600 Гц.
Некоторые из результатов проведенных исследований XeCl-ИПЭЛ были
, изложены в кандидатской диссертации [36].
Во многих технологиях, например, микролитографии, микрообработке
материалов, экологическом мониторинге и т.д., использование KrF-лазера
более эффективно по сравнению с ХеСІ-лазером. Это связано, прежде всего, с
его меньшей длиной волны излучения. Однако получение генерации
киловаттного уровня средней мощности для KrF-ИПЭЛ представляется более
сложной задачей, чем для XeCl-ИПЭЛ. Объясняется это тем, что для получения
эффективной генерации в KrF-лазерах требуется более высокая интенсивность
накачки и соответственно меньшая индуктивность разрядного контура, чем для
XeCl-лазеров. В таких условиях сложнее обеспечить пространственную
однородность разряда в сильно электроотрицательной газовой смеси, так как
развитие неустойчивости объемного разряда в газовой смеси KrF-лазера
происходит всего за ~50 не. Поэтому для получения KrF-генерации с высокой
средней мощностью нами были применены другие подходы. Первый из них
основан на высокоэффективной генерации (кпд ~4%) с энергией в импульсе ~1
VJ* Дж и частотой следования импульсов несколько сотен герц. В сочетании со
специально разработанными компактными газодинамическими контурами (ГДК) этот подход был реализован в нескольких прототипах коммерческих KrF-ИПЭЛ, максимально достигнутая средняя мощность генерации на одном из лазеров составила 630 Вт при^бОО Гц. Второй подход был реализован в 2-х прототипах коммерческих KrF-ИПЭЛ и основан на использовании относительно небольшой энергии генерации (менее 200 мДж) и высокой (более
9 1 кГц) частоте следования импульсов. В этом случае достигнутая в одном из
лазеров максимальная средняя мощность излучения составила~650 Вт при_/=3,5
кГц. До настоящего времени средняя мощность излучения >600 Вт, полученная
нами на разных лазерах, является рекордной для электроразрядных KrF-ИПЭЛ.
Еще более сложные задачи возникают при исследовании и разработке ArF-
лазеров с высокой частотой следования импульсов. Связано это с тем, что для
ArF-лазеров требуется еще большая интенсивность накачки, чем для KrF-
,0 лазеров. Кроме того, коротковолновое излучение ArF-лазера вместе с
агрессивным фтором оказывает сильное фотохимическое воздействие на используемые внутри ГДК конструктивные материалы, что сильно затрудняет процесс пассивации лазера и отрицательно сказывается на ресурсе газовой смеси лазера. Проведенные исследования позволили нам в рамках того же экспериментального подхода, что и для KrF-ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов, получить высокоэффективную (кпд ~2 %) генерацию на
,. ArF-молекуле с высокими средней мощностью (100-гЗОО Вт) и частотой
следования импульсов (4-^6 кГц). Было создано 2 прототипа коммерческих ArF-
ИПЭЛ. Этот же экспериментальный подход был применен нами и при создании
XeF-ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов.
Исследования как ArF-ИПЭЛ, так и KrF-ИПЭЛ с высокой частотой
следования импульсов проводилась нами в рамках программы по разработке
лазерных источников излучения для литографических установок совместно с
германской фирмой "Lambda Physik". Логика развития микроэлектронной
^ промышленности привела к необходимости разработки литографических
установок следующего поколения, основанных на источниках со значительно
более коротковолновым излучением, чем у эксимерных лазеров. Наиболее
перспективным в настоящей время признано излучение ВУФ диапазона с
центром излучения на Я=13,5 нм [37-39], что связано с разработкой зеркал с
большим коэффициентом отражения на этой длине волны. Одним из наиболее
обещающих физических подходов для получения такого излучения является
излучение высокотемпературной разрядной плазмы в ксеноне. Поэтому начатые нами в 1999 г. работы по исследованию и разработке источников ВУФ диапазона на основе разряда типа Z-пинч в Хе явились логическим продолжением работ по созданию источников излучения для микролитографии. Проведенные исследования позволили создать электроразрядные источники с А=13,5 нм (ЛЛ/Л=2%) с высокой средней мощностью (150 Вт/2л; ср), высокой частотой следования импульсов (1,5 кГц) и небольшими размерами (~1-т-2 мм),
уф предназначенные для литографии следующего поколения.
Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное изучение физических закономерностей, связанных с получением эффективной генерации электроразрядных эксимерных лазеров с длинами волн излучения 353, 308, 248, 193 нм и эффективного излучения ВУФ диапазона (Я=13,5 нм) на основе высокотемпературной разрядной плазмы в Хе при высоких частотах следования импульсов, а также создание на основе проведенных исследований
, g эксимерных лазеров и ВУФ источников с высокой средней мощностью.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
Экспериментального исследования эффективных режимов возбуждения разряда в различных типах эксимерных лазеров, имеющих различные комбинации выходных параметров.
Создания около 2-х десятков различных ИПЭЛ, обладающих широким диапазоном выходных параметров, в числе которых длина волны излучения, энергия в импульсе, частота следования импульсов, средняя мощность,
Щ расходимость, длительность импульса излучения и ресурс работы. Для чего
предстояло разработать: схемы возбуждения разряда; системы УФ предыонизации; электродные системы; компактные и эффективные ГДК на основе осевых и диаметральных вентиляторов.
3. Экспериментального и теоретического исследования физических причин,
вызывающих неоднородное протекание объемного разряда в средах ИПЭЛ,
снижающих энергию генерации лазерных импульсов, препятствующих
достижению высокой средней мощности и высокой частоты следования импульсов, а также ухудшающих качество лазерного луча.
Исследования динамики установления стационарных значений параметров излучения ИПЭЛ от импульса к импульсу.
Создания плазменных источников ВУФ излучения с Я=13,5 нм на основе разряда типа Z-пинч в Хе с высокими средней мощностью излучения и частотой следования импульсов, имеющих небольшой (-1-J-2 мм) размер излучающей плазмы. Для чего предстояло разработать: схемы возбуждения разряда, способные работать с высокой частотой следования импульсов в течение длительного времени; высоковольтный и заземленные узлы источника, включающие эффективно охлаждаемые электродные системы и обеспечивающие минимальную индуктивностью разрядного контура; систему дифференциальной вакуумной откачки; систему диагностики ВУФ излучения.
Поиска режимов возбуждения разряда типа Z-пинч и параметров газовой среды в плазменном ВУФ источнике, способствующих получению эффективного ВУФ излучения с требуемыми размерами излучающей плазмы.
Методы исследований. При решении перечисленных задач в качестве основного метода использовался физический эксперимент, применялись также методы численного моделирования и оценочные расчеты.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Проведены сравнительные исследования оптимальных условий поддержания разряда в различных эксимерных лазерах, позволившие выявить различия в зависимости эффективности генерации от разрядных параметров для лазеров, отличающихся не только типом эксимерной молекулы (XeF, XeCl, KrF и ArF), но и комбинацией выходных характеристик: эффективностью и энергией генерации с одной стороны, частотой следования импульсов с другой. Впервые достигнута эффективность генерации KrF- и ArF-лазеров 3,9% и 2,1%, соответственно.
2. В различных электроразрядных эксимерных лазерах исследованы
основные физические факторы, влияющие на формирование объемного разряда
в импульсно-периодическом режиме и определяющие достижение высокой
средней мощности излучения при увеличении частоты следования импульсов.
Созданы электроразрядные эксимерные лазеры, на которых впервые получена
средняя мощность излучения на XeCl-, KrF- и ArF-молекулах 420, 650 и 300 Вт,
соответственно, что в 1,4-г1,8 раза превышает значения, достигнутые другими
.^ исследователями.
3. Определены параметры электроразрядных систем и газовых сред,
позволившие впервые получить объемный разряд и генерацию в газовых
смесях ArF-, KrF- и XeF-лазеров с частотой следования импульсов 5^6 кГц.
Установлено, что использование в этих лазерах УФ предыонизации от
скользящего разряда обеспечивает более высокую однородность объемного
разряда и значительно улучшает выходные характеристики лазеров по
^ сравнению с искровой УФ предыонизацией.
4. Обнаружено, что для электроразрядных эксимерных лазеров динамика
энергии генерации от импульса к импульсу при высоких (>1 кГц) частотах следования имеет общий характер: наблюдается уменьшение энергии генерации после первого оборота газа по контуру, которое сменяется ее ростом по мере разогрева электродов. Найдено, что наиболее сильно эти эффекты проявляются в ArF-лазерах.
5. Установлено, что градиенты плотности газа и/или продукты
ІЩ. плазмохимических реакций, возникающие в газовом контуре лазеров от
предыдущих разрядных импульсов, в большей степени влияют на процесс формирования объемного разряда и выходные характеристики ArF-лазеров, чем KrF-лазеров.
6. Впервые созданы плазменные источники ВУФ излучения (Д=13,5±0,135
нм) на основе разряда типа Z-пинч в Хе со средней мощностью излучения 150
Вт/2л ср, внутренней эффективностью 1,3%/2л ср, частотой следования
13 импульсов 1,5 кГц, размером излучающей плазмы 0,3 х 1,7 мм2 и ресурсом
tyf 7
более 5-10 импульсов, пригодные для литографических установок следующего поколения.
7. Выявлены параметры электрофизической установки, определяющие
энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения
на основе разряда типа Z-пинч в ксеноне. Определены условия, позволяющие
получать излучающую плазму с малыми (~1 мм) размерами. Найдено, что в
. . ВУФ источнике, имеющем в качестве высоковольтного электрода анод,
энергетические характеристики излучения в диапазоне /1=13,5 нм могут значительно превосходить характеристики источника, имеющего в качестве высоковольтного электрода катод.
8. Впервые созданы электрофизические установки, позволяющие при небольшой вкладываемой энергии (~10 Дж) формировать разряд типа Z-пинч с размерами ~1 мм, током до 50 кА, способные к длительной непрерывной работе при частотах следования импульсов 1-г2 кГц и вводимой в разряд удельной мощности -15 кВт/см3. Установки могут быть использованы для получения излучения в диапазоне длин волн 5-ь20 нм с высокой средней мощностью.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, заключения и содержит 276 страниц машинописного текста, 204 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 246 наименований.
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, указана
\Ч цель и задачи, при решении которых эта цель достигается. Приводится краткое
содержание диссертации, формулируются основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В главе I «Литературный обзор лазерных и плазменных источников излучения УФ и ВУФ диапазона, использующихся в современных микроэлектронных технологиях» рассмотрены лазерные источники излучения, применяемые в оптической литографии, и источники ВУФ диапазона, которые
14 могут быть использованы для литографических установок следующего поколения. Обосновываются требования современной микролитографии к выходным параметрам как лазерных, так и ВУФ источников. Здесь же рассматриваются вопросы использования ИПЭЛ в других материальных процессах: в лазерной кристаллизации аморфного кремния при производстве жидко-кристаллических экранов, микрообработке различных материалов.
Особенности ВУФ литографии
Частично эти проблемы удается решить, используя фазосдвигающие маски и кольцеобразное (вне осевое) экспонирование [66]. Кроме того, использование более коротковолнового излучения и оптических систем с большими NA приводит к тому, что глубина фокусировки «9 согласно (1.2) будет меньше достигнутых в настоящее время 0,5 мкм. Дальнейшее уменьшение & представляет сложную технологическую задачу.
В связи с выше изложенным, в настоящее время активно обсуждается ф вопрос о возможности перехода с систем, использующих Я=193 нм, на системы так называемого экстремального УФ диапазона (ЭУФ) с Л=5-г20 нм [24], в частности, на излучение с Л=13,5 нм, минуя системы с /1=157 нм. Выбор диапазона Я=11-Й4 нм был обусловлен, во-первых, разработкой многослойных зеркал (с Мо/Ве и Mo/Si покрытиями) с относительно большим («70%) коэффициентом отражения, во-вторых, широким выбором потенциальных источников с высокой яркостью в данном спектральном диапазоне. tyt Рассматриваются два принципиальных подхода получения излучения с Я=13,5 нм: синхротронное излучение и излучение высокотемпературной плазмы, имеющей электронную температуру 40-ь50 эВ. Такая плазма может быть создана с помощью сфокусированного лазерного излучения или разряда. Существует несколько типов разряда, где может быть получена плазма с требуемой температурой. Наибольшее распространение получили четыре типа разрядных устройств: классический Z-пинч, бесстеночный Z-пинч с полым катодом, капиллярный разряд и плазменный фокус. Конфигурации г электродных систем этих устройств изображены на рис. 1.1. Подробнее о различных типах ВУФ источников будет сказано в параграфе 1.2.1. Наиболее подходящими кандидатами для получения излучения с Л=13,5 нм в плазменных источниках являются переходы в ионах Li, Sn и Хе. Основным излучающим ионом Li является Li III (Li ), переход Is—2р. Типичный спектр излучения Li представлен на рис. 1.2 [67]. В отличие от Li, за излучение которого Ш на 13,5 нм отвечает один переход, у Sn и Хе в диапазоне 13-НІ4 нм существует 3 6 1 несколько переходов. Причем, если в ксеноновой плазме в диапазоне 13,5 нм в основном излучает ион Хе XI (Хе ), V 1 8 переходы 4d 5р -4d , то в плазме на парах олова помимо основного излучающего иона Sn XI (Sn ) вносят свой вклад и ионы от Sn+jxo Sn13+, переходы 4p64dn 4p64dn ,4f, 4p64dn-4p54dn+1 [67,68]. Максимальная относительная концентрация ионов Хе XI не может превышать 45%.
Идентификация конкретных линий Sn и Хе затруднена из-за их уширения, наличия тонкой структуры и довольно близкого расположения. Типичные спектры Sn и Хе представлены соответственно на рис. 1.2 [67] и 1.3 [69]. Как видно из рис. 1.2 и 1.3, спектры излучения ионов с одной стороны Li и с другой стороны Sn и Хе существенно различны: если спектр Li имеет одну узкую линию, то спектры Sn и Хе - множество линий, сливающихся в широкую полосу. В качестве альтернативы создания следующего поколения литографических установок рассматривались и другие физические подходы [37]: электронно-пучковая проекционная литография (ЭППЛ), ионно-пучковая проекционная литография (ИППЛ), рентгеновская литография (РЛ). Однако ЭУФ литография (ЭУФЛ) представляется наиболее перспективной по ґ. следующим причинам: -ЭУФЛ и РЛ обеспечивают большую производительность, чем ЭППЛ и ИППЛ т.к. в последних из-за кулоновского взаимодействия зарядов разрешение связано с производительностью процесса; -ЭУФЛ по сравнению с РЛ является уменьшающей проекционной технологией; -ЭУФЛ является технологическим продолжением оптической литографии и не , требует столь масштабной реконструкции существующих литографических систем, как другие подходы. Использование в ЭУФЛ значительно более коротковолнового излучения по сравнению с эксимерными лазерами позволяет получать с трудом достигаемое в оптической литографии разрешение zl=100 нм при относительно комфортных значениях параметров к\ и &: &i=0,7, «9=1 мкм. При достигнутых в настоящее время значениях »9=0,5 мкм, &i=&2=0,5 для получения Л 100 нм из соотношений (1.1) и (1.2) следует, что Я должна быть меньше 40 нм, a NA " меньше 0,2. В тоже время при і9 0,5 мкм, Агі,Аг2 0,5 можно использовать объектив с NA 0,2. По оценкам [37,38] для 4-х зеркального объектива можно достигнуть NA=0,\+Q,\4 и zl=90 нм, для 6-й зеркального объектива -NA=0,2-v-0,3 и zl 50 нм, а для 8-й зеркального объектива - NA 0,4 и zl 35 нм.
Сравним требования, предъявляемые к ВУФ источнику, литографических систем с Мо/Ве и Mo/Si зеркалами. Необходимо учитывать 3 фактора [1]: Ш пропускание оптической системы, несовпадение Я источника с центром спектральной полосы отражения зеркал и чувствительность фоторезиста. Т.к. Mo/Si зеркало имеет в 2 раза более широкую спектральную полосу отражения, чем Мо/Ве (ширина первого на половине интенсивности составляет 0,56 нм против 0,27 нм у второго), то при использовании 10 зеркальной оптической системы общее пропускание Mo/Si зеркал будет в 1,5 раза больше, чем для Мо/Ве зеркал. Несовпадение оптимальных X источника и зеркал приводит для 10 зеркальной системы к потерям излучения ещё в 1,1 раза для Мо/Ве системы по отношению к Mo/Si системе. Чувствительность фоторезиста для излучения с Я=11-Т-12 нм (полоса отражения Мо/Ве зеркала) составляет 7 мДж/см , а для Л=13-И4 нм (Mo/Si) - 5 мДж/см . Суммарный учет этих факторов приводит к тому, что при одной и той же производительности литографической установки источник излучения для Мо/Ве системы должен обеспечивать энергию излучения в 2,3 раза большую, чем для Mo/Si системы. Выбор системы на основе Mo/Si зеркал, определяет не только рабочую Я-ІЗ-т-14 нм ЭУФЛ установки, но и требуемую ширину линии излучения источника. Ширина полосы отражения АЛ/Я для одного Mo/Si зеркала составляет 4-ь5%, а для 10 зеркал она сужается до 2%.
Пространственное распределение энерговклада при импульсно-периодическом режиме (ИПР)
С ростом частоты следования импульсов модуляция локального энерговклада усиливается, что проявляется в изменении свечения разряда по длине электродов. При этом энергия генерации Еу уменьшается как для ГГС, так и в меньшей степени для НГС. На рис.2.11 приведены фотографии разряда, полученные при скоростной киносъемке разряда в ГГС через боковое окно ГДК при/=100 (кадр 1), 250 (2) и 500 Гц (3-й5). В поле зрения объектива находился участок в 20 см. Кадры Зн-15 расположены в порядке их следования. Как видно из рис.2.11, разряд при /=100 Гц имеет однородное распределение вдоль электродов. При /=250 Гц, а также в первом импульсе при /=500 Гц (3) однородность разряда нарушается, однако сильноточные участки отсутствуют. В последующих импульсах при/=500 Гц (4-rll) разряд становится сильно неоднородным, свечение разряда меняется от импульса к импульсу, появляются как сильноточные участки, так и участки, где свечение разряда практически отсутствует. К 7-І-10 импульсу свечение разряда стабилизируется, появляются места постоянной привязки сильноточных каналов, что свидетельствует о повторяющемся распределении возмущений плотности газа в активном объёме. В отдельных импульсах однородное распределение свечения разряда восстанавливается (13), однако в последующих импульсах вновь нарушается
Описанные выше закономерности хорошо согласуются с результатами экспериментов. Действительно, как видно из рис.2.7, установление стационарной средней мощности наступает за те же 7+10 импульсов, что и распределение свечения разряда. На рис.2.7 наблюдаются отдельные импульсы, амплитуда которых превышает стационарный уровень, что согласуется с рис.2.11 (13).
Фотографии разряда ХеСІ-лазера, полученные при f=100 (1), 250 (2) и 500 (3+15) Гц считалось выделение энергии Е с частотой следования импульсов f, приводящей к мгновенному увеличению давления в области электродов hxb на ЛР(х,у). Аналитические расчеты показали, что всегда существуют режимы, при которых структуры энерговыделения и возмущения давления в области электродов периодически повторяются. При некоторых fo, для / fo периодические структуры устойчивы к малым возмущениям.
Для интерпретации полученных результатов по характеру свечения разряда в ИПР были проведены аналитические и численные расчеты распределения плотности газовой среды и энерговклада в рамках двумерной модели. Рассматривался прямоугольный канал, в котором вдоль одной из координат при отсутствии возмущений со скоростью v« cs двигался газ с плотностью ро и давлением Р0. Внешним воздействием з
Был проведен численный расчет акустических колебаний в ИПЭЛ по методике изложенной в [149]. Всего было просчитано 10 последовательных импульсов при /=200 Гц, Е=135 Дж/л, v=100 м/с, P(f=l,2 кГ/м3. На рис.2.12 показаны _ б результаты расчетов пространственного распределения л. плотности газа и энерговклада перед 2-, 6-, 7- импульсами. Цифры характеризуют (гле) перед 2-, 6-, 7-импульсами при/=200 Гц уровень флуктуации плотности (р]=0,77 кГ/м3 и / =1,26 кГ/м3 минимальная и максимальная плотности), а на рис.2.12, г,д и е-энерговклада ( 1=135 Дж/л и Е ю=392 Дж/л - минимальный и максимальный энерговклад). Стрелками указаны зоны нагретого газа от предыдущих разрядных импульсов. Из рис.2.12, а,б и в следует, что неоднородность плотности газа в разрядном промежутке Лр=(рмак-рМУ[Ц)/рср достигает 9%, что приводит к существенному перераспределению удельного энерговклада в зоне разряда П (рис.2.12, е и д). Как видно на рис.2.12, бив уже к шестому импульсу устанавливается периодическая по времени структура распределения плотности газа и энерговклада в зоне разряда, что хорошо согласуется с наблюдавшимся свечением разряда и динамикой установления стационарной средней мощности. Из рис.2.12, г,д и е следует также, что основной энерговклад в 6-ом и 7-ом импульсах осуществляется на краях разрядного промежутка, т.е. происходит «шнурование» разряда.
Наиболее эффективным методом борьбы с акустическими колебаниями, возникающими в ГДК ИПЭЛ, является постановка специальных глушителей, конструктивно различающихся в зависимости от типа подавляемых волн: продольных, поперечных или энтропийных (отражение от пробок нагретого газа либо от пограничных слоев элементов газового тракта [150]). Примеры использования глушителей в ИПЭЛ приведены в работах [151,152]. Однако в коммерческих ИПЭЛ глушители практически не используются, т.к. их постановка очень сильно увеличивает габаритные размеры ГДК.
Неполное удаление из межэлектродного промежутка области нагретого разрядом газа между разрядными импульсами является одним из основных факторов, ограничивающих среднюю мощность излучения импульсно-периодических газовых лазеров [27,28]. При недостаточной скорости продува газа в межэлектродном промежутке очередной разрядный импульс происходит в объёме, где имеются, во-первых, градиент плотности газа, возникающий из-за расширяющейся области газа от предыдущего разрядного импульса, во-вторых, продукты плазмохимических реакций. Эти факторы наряду с рассмотренными в предыдущем параграфе акустическими колебаниями, а также неоднородностью предыонизации, наличия характерных для объёмного разряда анодных и катодных зон и неоднородностью поля в разрядной области вызывают пространственно неоднородный энерговклад в разряд.
Широкоапертурные XeCl-лазеры
Воздействие лазерного импульса на электрод приводит к быстрому разогреву поверхности, выбросу паров металла в окружающий газ, нагреву и расширению газа, соприкасающегося с зоной нагрева [160]. Картина тепловых и газодинамических процессов существенно различна при воздействии излучений разной интенсивности — достаточной лишь для нагрева поверхности до температур не выше Гкип или вызывающей развитое испарение металла.
Рассмотрим эти два случая отдельно. При интенсивности ниже порога развитого испарения временная зависимость температуры поверхности металла Т при воздействии прямоугольным лазерным импульсом длительностью ти имеет вид [161]: Т = 2-Ч -4-(Л-ф-ти) l k (2.7) где t- время; А:-теплопроводность (для железа (9=0,05 см /с, AF=0,25 Вт/см-К); 4у- плотность мощности лазерного излучения. При t»ru из (2.7) следует
При поглощенной энергии лазерного импульса =5 мДж и S= 1 мм2 (М0 МВт/см ) температура поверхности будет 7=250, 80 и 25 С соответственно при t=\, 10 и 100 мкс. Количество испаренного металла при =10 МВт/см оценивается сверху по выражению для потока испаренных атомов [160]: где Ттах - максимальная температура нагрева; Л, т - энергия испарения и масса одного атома. При If lO МВт/см масса, испаренная за импульс, согласно (2.9) заведомо меньше 10"17 г.
Толщина слоя газа, разогреваемая на несколько сотен градусов, в режиме без испарения определяется диффузией тепла за время /д порядка времени охлаждения поверхности электрода в области облучения до сотни градусов и
Таким образом, при Е Е" согласно приведенным оценкам, совпадающим с результатами наших экспериментов и [162], масса испаренного с поверхности электрода металла невелика (менее 10" г), при этом испаренные атомы находятся в слое толщиной 10"3-т-10 2 см. Через -10 мкс после действия лазерного импульса температура поверхности электрода в зоне воздействия излучения и окружающего слоя газа ( 10 см) не превышает нескольких десятков градусов. Однако, как следует из рис. 2.24, 2.25 (начальные участки кривых Е Е"), даже эти возмущения приводят к контрагированию разряда.
При интенсивностях выше порога развитого испарения Е Е" доля поглощенной энергии лазерного импульса, затраченная на испарение, становится порядка единицы. Испаренная за импульс масса М=Е-т/Л для =0,1 Дж составляет 10" г. Характерные времена разлета паров tp до выравнивания их давления с давлением окружающего газа и радиус разлета Rp можно оценить из модели точечного взрыва [163]: щ tp =po5/6-pI/2-EV2, Rp = tf-E /р)Ш, (2.10) где ро, р - давление и плотность газа в межэлектродном пространстве; -внутренняя энергия испаренной массы металла (по порядку величины для импульсов с т = 5-Ю"8 с близкая к энергии поглощенного излучения). Дляро \ атм, =0,1 Дж, /7=1,8-Ю"4 г/см3 оценка по (2.10) дает tp =30 мкс, Rp =1 см. Концентрация паров металла на этих временах в возмущенной области газа будет составлять 1017-т-1018 см3.
Отметим, что оценка в этом случае проводилась без учета наличия щ теплоизолированных участков на поверхности электрода. Наличие теплоизолированных участков малых размеров [161] может приводить к их перегреву и испарению. Выяснение роли перечисленных факторов (локальный нагрев электрода и прилегающего тонкого слоя газа до Т=\00С или испарение теплоизолированных участков с поверхности электрода) в контрагировании разряда требует дальнейшего изучения.
Времена релаксации и распределение в объеме температуры и плотности образовавшегося облака паров существенно зависят от характера диффузии паров и, в частности, от наличия неоднородных потоков, приводящих к перемешиванию газа и паров. Однако, даже при неоднородных потоках с характерными размерами / 1 мм время охлаждения паров по оценке t l2/& будет не меньше 10"3 с.
Таким образом, большие времена задержки ( 102-т-104 мкс) в области Е Е", при которых происходит образование контрагированного канала, локализованного в области воздействия лазерного излучения на электрод (см. рис.2.24, 2.25), обязаны испарению массы металла (10 -НО" г), атомы которого к моменту начала разрядного импульса находятся в объеме с характерным размером 1 см и концентрацией 1017-г1018 см 3.
Механизм влияния разогретых до температуры кипения участков на электроде и атомов металла вблизи его поверхности на контрагирование не вполне ясен. Одной из возможных причин может быть ионизация атомов щ металла, имеющих низкий потенциал ионизации (б-т-7 эВ), электронами или пенинговская ионизация возбужденными атомами инертных газов. Об этом, в т частности, свидетельствуют результаты экспериментов, приведенные на рис.2.26. Так, цинк (рис. 2.26, кривая 2), обладая малой удельной теплотой испарения, но высоким потенциалом ионизации, в меньшей степени способствует стягиванию разряда, чем медь, у которой больше удельная теплота испарения, но меньше потенциал ионизации. Тем не менее, учитывая, что масса металла, выбрасываемого из области локализации сильноточного канала, имеет тот же порядок, что и в режиме Щ развитого испарения (Е "), а при прокачке газовой смеси атомы могут оставаться в приграничных слоях, можно сделать следующие выводы. Интенсивный выброс металла катода (10 -5-І0 г) в область локализации сильноточного канала является достаточной причиной контрагирования разряда в последующих разрядных импульсах и ограничения частоты следования до 10 -Я 0 Гц. Наблюдаемая в экспериментах [см. параграф 2.2.1] привязка сильноточного канала к одному и тому же месту на электроде в течение ряда импульсов, может явиться следствием развития некоторой приэлектродной неустойчивости. Для такой неустойчивости характерно увеличение тока через контрагированный канал в каждом последующем импульсе. Это происходит за счет того, что сильноточный канал оставляет после себя все большее количество паров, которые способствуют увеличению тока в каждом последующем импульсе.
Эффекты ограничения средней мощности в компактных KrF-ИПЭЛ \
Для увеличения энергии генерации в импульсе Ег необходимо увеличить или активный объем (в основном за счет увеличения поперечного сечения разряда), или удельный энергосъем, который в импульсных эксимерных системах с Ег 1 Дж обычно не превышает З-т-5 Дж/л [173,174]. Увеличение активного объема приводит к росту индуктивности разрядного контура, что в свою очередь увеличивает время вклада энергии в разряд, и тем самым уменьшает интенсивность накачки. Как было показано в параграфе 2.1.2, оптимальная интенсивность накачки для ХеО-лазеров, в отличие от KrF- и ArF-лазеров, относительно невелика 1 МВт/см , что позволяет увеличить ительность ввода энергии в разряд без ущерба для его однородности, а значит, может быть увеличено и его поперечное сечение.
Практически во всех созданных до начала данной работы эксимерных лазерах с апертурой 10 см использовались накопительные водяные линии, заряжаемые до U3ap l00 кВ, и рельсовые разрядники, отделяющие разрядный промежуток от линии [173,174]. Очевидно, что при таких U3Zp возникают трудности коммутации накопительных устройств в ИПР.
В данном параграфе представлены результаты исследований 2-х широкоапертурных (7x7 см и 3x6 см ) XeCl-ИПЭЛ, имеющих относительно простые схемы возбуждения разряда, которые не содержат водяной линии и рельсового разрядника, работают при умеренных ( 50 кВ) зарядных напряжениях и позволяют в качестве коммутаторов использовать тиратроны. В обоих лазерах использовалась одна и та же разрядная камера, которая является составной частью ГДК 2-х модульного XeCl-ИПЭЛ (см. параграф 3.1.1).
Получение широкоапертурного излучения ИПЭЛ связано с трудностью создания разряда, однородно распределенного по объему. Важную роль при этом играет предыонизация активного объема. Система боковой УФ предыонизации, использующаяся в системах с цельнометаллическими электродами, для широкоапертурных разрядов становится мало пригодной, так как, во-первых, для предотвращения каскадных пробоев она должна располагаться довольно далеко от активного объема. Во-вторых, из-за существенного поглощения предыонизационного излучения распределение пе0 в поперечном электродам направлении будет иметь существенно неоднородный характер, что приведет к неоднородному энерговкладу и соответственно генерации. Поэтому для широкоапертурных ХеС1 - лазеров нами была предложена другая система простой и эффективной УФ предыонизации, основанная на скользящем разряде (СР) по поверхности диэлектрика и расположенная под одним из электродов. Эта система УФ предыонизации несравненно проще и надежнее, чем рентгеновская предыонизация [173], и в отличие от широко используемой УФ предыонизации от барьерного разряда [175], позволяет оптимизировать вводимую в предыонизатор энергию. На рис.3.12 представлено поперечное сечение и схема возбуждения разряда ХеС1-лазера с апертурой 7x7 см2 с УФ предыонизацией от СР. Электродная система лазера состояла из высоковольтного сплошного 1 и заземленного перфорированного 2 электродов, имеющих профиль Чанга с шириной и длиной плоской части электродов 80 и 800 мм соответственно.
Диаметр отверстий перфорации составлял 0,8 мм, расстояние между центрами отверстий 1 мм, что обеспечивало коэффициент пропускания света через перфорацию 0,4. Межэлектродное расстояние регулировалось в пределах с , 50-7-70 мм. УФ предыонизатор 3 Рис.3.12. Поперечное сечение и схема возбуждения разряда широкоапертурного (7x7 см ) ХеСІ-лазера на основе СР размещался под перфорированным электродом. Ширина разряда могла изменяться наложением масок с внутренней стороны перфорированного электрода. Электродная система размещалась на изоляторах 4. При коммутации тиратрона 5 энергия, запасаемая в накопительном конденсаторе Сн=0,5 мкФ, перекачивалась в малоиндуктивный конденсатор С і=0,2 мкФ, отделенный от разрядного объема пассивным разрядником 6.
Коммутация разрядника происходила на пике напряжения. Обострительная емкость С2=Сз=0,02 мкФ распределялась вдоль электродов. Энергия, прокачивающаяся через предыонизатор, запасалась в конденсаторе С4. С помощью дополнительного разрядника имелась возможность регулировать задержку между импульсом предыонизации и током разряда.
На смеси газов HCl:Xe:Ne=l:5:1000 при полном давлении Р=5 атм и t/3ap=50 кВ была получена энергия генерации Ег=5 Дж с апертурой 6x6 см2 и Ег=8 Дж с апертурой 7x7 см . Таким образом, примененная электрическая схема позволяет получать высокую энергию генерации при и. зар относительно возможность коммутировать ее тиратроном и р МВт 70 35 0 использовать в ИПР. На рис.3.13 приведены t, МКС 0.5 осциллограммы напряжения U, тока и Рис.3.13. Осциллограммы напряжения (а), тока (б), интенсивность накачки (в) и мощности импульса генерации (г), полученные при С/,ап=50кВ удельной мощности энерговклада основного разряда, а также мощности импульса генерации. Осциллограмма U корректировалась на индуктивную составляющую L-dl/dt, для чего предварительно снималась осциллограмма напряжения в режиме короткого замыкания.
