Электростатические методы исследования динамики ЭУФ-индуцированной плазмы Абрикосов Алексей Алексеевич

Введение к работе

Актуальность темы работы Тематика диссертации является актуальной, поскольку затрагивает вопросы, связанные с литографией в экстремальном ультрафиолете (ЭУФ-литографии), перспективной технологии изготовления кремниевых микросхем, которую предполагается использовать в технологических процессах 22 нм и ниже [1]. Машина для ЭУФ-литографии (ЭУФ-литограф) представляет собой оптическую систему из многослойных зеркал, оптимизированных на рабочую длину волны литографа 13,5 нм [, и источник излучения на этой длине волны [. Такое излучение, называемое экстремальным ультрафиолетом, эффективно поглощается газами, поэтому оптическая система литографа должна поддерживаться в высоком вакууме. На практике в силу технологических особенностей в вакуумной камере присутствует водород; давление водорода составляет в разных частях системы от единиц до десятков и сотен паскалей. При работе литографа этот водород частично ионизуется: длина волны ЭУФ-излучения Л = 13,5 нм соответствует длине кванта у = 91,6 эВ, что многократно превышает потенциал ионизации молекулы Н₂ (/ = 13,6 эВ). Ионизация водорода приводит к образованию плазмы, которая называется ЭУФ-индуцированной, поскольку ионизующим агентом является ЭУФ-излучение. ЭУФ-индуцированная плазма, таким образом, оказывается неотъемлемой частью рабочей среды ЭУФ-литографа. Будучи в контакте с оптическими элементами литографа, ЭУФ-индуцированная плазма вызывает на их поверхности ряд физических и химических процессов, влияющих на отражающую способность зеркал и их рабочий ресурс. К таким процессам относятся, например, очистка поверхности от углеродных или оксидных загрязнений [ , возникающих при работе литографа, а также рост блистеров на поверхности зеркала [ при контакте с водородной плазмой. Изучение ЭУФ-индуцированной плазмы является необходимым для лучшего понимания механизмов поверхностных процессов, связанных с этой плазмой; потребность в экспериментальных исследованиях ЭУФ-индуцированной плазмы обуславливает актуальность представленной диссертационной работы.

Цели и задачи работы Целью проделанной работы была характеризация ЭУФ-индуцированной плазмы, образующейся в водороде в условиях, близких к условиям работы ЭУФ-литографа. Для характеризации такой плазмы в рамках данной работы были решены следующие задачи:

1. Создана установка, имитирующая условия оптической системы литографа.

2. Создана аппаратура для зондовых измерений с высокой токовой чувствительностью и

временным разрешением для диагностики неравновесной ЭУФ-индуцированной плазмы.

3. Разработан электростатический анализатор и электрическая схема регистрации сигнала с высокой токовой чувствителвностью и временнвім разрешением для измерений потоков и энергетического спектра ионов на оптической поверхности зеркала, находящегося в контакте с ЭУФ-индуцированной плазмой.

Научная новизна Объект изучения, ЭУФ-индуцированная плазма, представляет сложность с точки зрения диагностики. Первая проблема исследований ЭУФ-индуцированной плазмы связана с её неотъемлемо переходным характером: время рождения плазмы составляет примерно 100 не — такая длительность импульса свойственна ЭУФ-излучающей оловянной плазме, которую используют в коммерческих источниках ЭУФ-излучения. За рождением ЭУФ-индуцированной плазмы следует период послесвечения, во время которого плазма постепенно распадается. Время послесвечения в зависимости от давления газа, интенсивности излучения и геометрии камеры может составлять от единиц до десятков микросекунд. Наблюдение динамики ЭУФ-индуцированной плазмы требует поэтому диагностик с разрешением лучше микросекундного. Кроме того неравновесный характер ЭУФ-индуцированной плазмы делает неприменимыми аналитические подходы и, в частности, принцип локального теплового равновесия, подразумевающий наличие максвелловского распределения электронов по энергии [.

Вторая проблема диагностики ЭУФ-индуцированной плазмы — её низкая плотность. Типичные значения плотности электронов для ЭУФ-индуцированной плазмы составляют 10⁷- 10⁹ см^-3. Такая плотность приводит к низким уровням отклика на какие бы то ни было диагностики и плохому отношению сигнал-шум.

Научная новизна диссертации связана с вышеописанными свойствами ЭУФ-индуцированной плазмы и состоит в следующем:

3. Охарактеризованы различные режимы формирования ЭУФ-индуцированной плазмы вблизи облучаемой поверхности, показаны роли объёмной ионизации фотонами и ударной ионизации фотоэлектронами, выходящими из поверхности

4. Получена динамика распределения ионных спектров по энергии и ионных потоков на облучаемой поверхности для ЭУФ-индуцированной плазмы.

Положения, выносимые на защиту

5. В формировании ЭУФ-индуцированной плазмы вблизи поверхности участвуют фотоионизация и ударная ионизация фотоэлектронами. Роль каждого из этих процессов определяется давлением окружающего газа и потенциалом поверхности, причём при низких потенциалах доминирует фотоионизация, а при с ростом потенциала увеличивается роль ударной ионизации.

6. Зондовые измерения в послесвечении ЭУФ-индуцированной плазмы позволяют получить вольт-амперные характеристики с видом, характерным для зондов Ленгмюра. Однако если напрямую извлечь из них п_е и Т_е, полученные значения имеют большую систематическую ошибку. Более плодотворным подходом к зондовым измерениям является использование экспериментальных зондовых кривых для валидации модели и использование валидированной модели в качестве независимого диагностического инструмента.

7. Ионные спектры в послесвечении ЭУФ-индуцированной плазмы определяются давлением газа и смещением на образце; при повышении давления распределение ионов по энергии претерпевает изменения, соответствующие переходу от бесстолкновительного движения ионов через катодный слой к столкновительному. Столкновительные эффекты также проявляются при повышении катодного смещения, которое ведёт к росту толщины слоя.

Достоверность и методы исследования ЭУФ-индуцированная плазма создавалась на установке Прото-2 с помощью искрового источника ЭУФ-излучения на парах олова с оптическим коллектором, собиравшим ЭУФ-излучение в чистую камеру, заполненную водородом. Для измерений в ЭУФ-индуцированной плазме использовались собственноручно изготовленные диагностические приборы — система времяразрешённых зондовых измерений и времяразрешённый трехсеточный электростатический анализатор. Для автоматизации измерений использовалась плата сбора данных производства National Instruments и программное обеспечение на языке Lab VIEW. При обработке результатов зондовых измерений также использовалась численная модель Particle In Cell Monte Carlo [, созданная специально для расчётов в ЭУФ-индуцированной плазме.

Достоверность и надёжность представленных в работе результатов обеспечивается воспроизводимостью при повторении экспериментов и согласием между экспериментальными данными и независимой численной моделью.

Личный вклад автора Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальных приборов, автоматизации и проведении экспериментов, анализе экспериментальных данных и обсуждении полученных результатов. При подготовке непосредственно автором в САПР SolidWorks были спроектированы отдельные узлы экспериментальной установки, а также электронная аппаратура, необходимая для питания этих узлов и регистрации электрических сигналов. Помимо этого автором разработан программный комплекс на языке Lab VIEW для автоматизации измерений и обработки результатов.

Теоретическая и практическая ценность результатов Результаты диссертации имеют прямое отношение к проблеме очистки оптики в ЭУФ-литографе[10; и могут позволить предсказуемым образом управлять рабочей средой ЭУФ-литографической установки. Разработанные диагностики плазмы являются универсальными и могут быть применены для диагностики быстрых переходных процессов в низкотемпературной плазме малой плотности. Помимо этого описанный в диссертации модельный подход к обработке зондовых измерений является новым и плодотворным подходом к обработке экспериментальных результатов в тех случаях, когда непосредственное извлечение корректных характеристик из эксперимента затруднено.

Апробация диссертации Материалы исследований легли в основу докладов на трёх международных конференциях:

8. Abrikosov A., Yakushev О., Lopaev D., Dolgov A. Time-resolved measurements of electron temperature and density in low-pressure plasma induced by short pulses of EUV radiation // 26th Symposium on Plasma Physics and Technology. Прага, 19-22 июня 2014

9. Абрикосов А., Якушев О., Лопаев Д., Долгов А. Зондовые исследования в плазме водорода, индуцированной импульсным экстремальным ультрафиолетовым излучением // Международная конференция-конкурс молодых физиков. Москва, 2 марта 2015

10. Abrikosov A., Yakushev О., Lopaev D. Time-resolved measurements of ion energy distribution function in cold low-density plasma induced by nanosecond pulses of extreme ultraviolet radiation // 42nd EPS Conference on Plasma Physics. Лиссабон, 22-26 июня 2015