双脉冲激光锡等离子体光源的碎屑动力学研究

极紫外光刻是下一代大容量集成电路制造中最有发展前景的技术之一, 而碎屑的减缓及阻挡一直是极紫外光刻光源研究中亟需解决的关键问题。研究了双纳秒激光脉冲辐照锡靶产生的等离子体碎屑的动力学演化。结果表明, 等离子体碎屑强烈依赖于预脉冲的能量及其与主脉冲的时间延迟, 当预脉冲能量为30 mJ, 双脉冲时间间隔150 ns情况下, 大部分锡离子的能量从2.47 keV降低到0.40 keV, 降低了6.1倍, 碎屑得到了有效抑制。通过对碎屑动能角分布的测量, 发现此方法可以有效减缓全角度范围的激光锡等离子体碎屑, 并且越接近靶材法线方向, 碎屑的动能减少得越多。     

脉冲激光辐照液滴锡靶等离子体极紫外辐射的实验研究

采用波长13.5 nm的极紫外光作为曝光光源的极紫外光刻技术是最有潜力的下一代光刻技术之一, 它是半导体制造实现10 nm及以下节点的关键技术. 获得极紫外辐射的方法中, 激光等离子体光源凭借转换效率高、收集角度大、碎屑产量低等优点而被认为是最有前途的极紫外光源. 本文开展了脉冲TEA-CO₂激光和Nd:YAG激光辐照液滴锡靶产生极紫外辐射的实验, 对极紫外辐射的谱线结构以及辐射的时空分布特性进行了研究.实验发现: 与TEA-CO₂激光相比, 较高功率密度的Nd:YAG激光激发的极紫外辐射谱存在明显的蓝移; 并且激光等离子体光源可以认为是点状光源, 其极紫外辐射强度随空间角度变化近似满足Lambertian分布.     

激光等离子体极紫外光刻光源

研究并讨论了下一代光刻的核心技术之一—激光等离子体极紫外光刻光源。简要介绍了欧美和日本等国极紫外光刻技术的发展概况,分析了新兴的下一代13.5 nm极紫外光刻光源的现状,特别讨论了国内外激光等离子体极紫外光刻光源的现状,指出目前其存在的主要问题是如何提高光源的转化效率和减少光源的碎屑。文中同时概述了6.x nm（6.5～6.7 nm）极紫外光刻光源的最新研究工作。最后,介绍了作者所在研究小组近年来在极紫外光源和极紫外光刻掩模缺陷检测方面开展的研究工作。     

脉冲CO_2激光烧蚀锡靶等离子体的数值模拟

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO_2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5nm极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

延迟双脉冲激光产生大气等离子体的实验研究

利用马赫-曾德尔干涉仪获得了延迟双脉冲激光和三种单脉冲激光产生大气等离子体的时间序列干涉图,得到了等离子体中心区域在不同时刻的电子密度．把延迟双脉冲激光与三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度进行比较的结果显示：第二束光作用后的相同时刻,延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度．对注入相同能量的延迟双脉冲激光与单脉冲激光产生等离子体的电子密度时间变化进行理论分析的结果表明：延迟双脉冲激光的第二束光与等离子体相互作用,使得作用结束时等离子体的电子密度增加得很多,进而造成了第二束光作用后延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于单脉冲激光产生的等离子体电子密度．进一步的分析表明,注入能量相同时延迟双脉冲激光有效延长了等离子体的存在时间．     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

双激光脉冲打靶形成Gd等离子体的极紫外光谱辐射

高端芯片制造所需要的极紫外光刻技术位于我国当前面临35项"卡脖子"关键核心技术之首.高转换效率的极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分.本文通过采用双激光脉冲打靶技术实现较强的6.7 nm极紫外光输出.首先,理论计算Gd¹⁸⁺—Gd²⁷⁺离子最外层4d壳层的4p-4d和4d-4f能级之间跃迁、以及Gd¹⁴⁺—Gd¹⁷⁺离子最外层4f壳层的4d-4f能级之间跃迁对波长为6.7 nm附近极紫外光的贡献.其后开展实验研究,结果表明,随着双脉冲之间延时的逐渐增加,波长为6.7 nm附近的极紫外光辐射强度呈现先减弱、后增加、之后再减弱的变化趋势,在双脉冲延时为100 ns处产生的极紫外光辐射最强.并且,在延时为100 ns处产生的光谱效率最高,相比于单脉冲激光产生的光谱效率提升了33%.此外,发现双激光脉冲打靶技术可以有效地减弱等离子体的自吸收效应,获得的6.7 nm附近极紫外光谱宽度均小于单激光脉冲打靶的情形,且在脉冲延时为30 ns时刻所产生的光谱宽度最窄,约为单独主脉冲产生极紫外光谱宽度的1/3.同时...     

脉冲CO2激光烧蚀锡靶等离子体的数值研究

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

激光脉冲对内层等离子体辐射源的影响

本文的基本思想是设计双层金铝薄膜靶以检测激光脉冲宽度与等离子体消融深度的关系,找出有效的等离子体加热方法以产生更强更亮的等离子体辐射源.由于有预脉冲激光的存在,表层金薄膜首先被消融,由主脉冲携带的大能量就能较易穿过表层金等离子体将能量聚焦在内层铝靶上,由此产生内层高温等离子体.又由于外层低温等离子体存在,其将有效的阻碍内高温等离子体因膨胀而引起的能量损失.对无预脉冲而言,直接入射激光能量都沉积在靶表层形成表层高温等离子体.但是激光直接入射而产生的等离子体辐射总强度只比由预脉冲情况下产生的金等离子体辐射强度增加15%.而预脉冲能量只占激光总能量的2%.实验结果显示Al光谱线主要来自类氢,类氦离子跃迁.Au等离子体光谱线主要来自它的N带,O带和P带谱.我们也观察到一个明显的软X射线短波发射极限.所有结果显示由于预脉冲的存在将对靶各层等离子体辐射产生极大的影响     

Mitigation of energetic ion debris from Gd plasma using dual laser pulses and the combined effect with ambient gas

For the next-generation beyond extreme ultraviolet lithography(EUVL) sources, gadolinium(Gd) plasma with emission wavelength at 6.7 nm seems to be the leading candidate. Similar to the Sn target 13.5 nm light source, ion debris mitigation is one of the most important tasks in the laser-produced Gd plasma EUV source development. In this paper,a dual-laser-pulse scheme, which uses a low energy pulse to produce a pre-plasma and a main pulse after a time delay to shoot the pre-plasma, is employed to mitigate the energetic ion generation from the source. Optimal conditions(such as pre-pulse energy and wavelength, and the time delay between the pre-pulse and the main pulse for mitigating the ion energy) are experimentally obtained, and with the optimal conditions, the peak of the ion energy is found to be reduced to1/18 of that of a single laser pulse case. Moreover, the combined effect by applying ambient gas to the dual-pulse scheme for ion debris mitigation is demonstrated, and the result shows that the yield of Gd ions is further reduced to around 1/9 of the value for the case with dual laser pulses.     

Mass-limited Sn target irradiated by dual laser pulses for an extreme ultraviolet lithography source

A thin Sn film was investigated as a mass-limited target for an extreme ultraviolet (EUV) lithography source. It was found that those energetic ions that are intrinsic with the mass-limited Sn target could be efficiently mitigated by introducing a low-energy prepulse. High in-band conversion efficiency from a laser to 13.5 nm EUV light could be obtained using an Sn film with a thickness down to 30 nm when irradiated by dual laser pulses. It was shown that the combination of dual pulse and inert Ar gas could fully mitigate ions with a low ambient pressure nearly without the penalty of the absorption of the EUV light.     

Gd靶激光等离子体6.7nm光源的实验研究

本文对Gd靶激光等离子体极紫外光源进行了实验研究, 在 6.7 nm附近获得了较强的辐射, 并研究了6.7 nm 附近光辐射随打靶激光功率密度变化的规律以及收集角度对极紫外辐射的影响. 同时, 对平面Gd靶激光等离子光源的离子碎屑角分布进行了测量, 发现从靶面的法线到沿着靶面平行方向上Gd离子数量依次减少. 进一步研究结果表明采用0.9 T外加磁场的条件下可取得较好的Gd 离子碎屑阻挡效果.     

Bi靶激光等离子体极紫外光源以及碎屑辐射特性研究

激光等离子体极紫外光源具有体积小、稳定性高和输出波长可调节等优势,在极紫外光刻领域发挥着重要的作用。Bi靶激光等离子体极紫外光源在波长9～17 nm范围内具有较宽的光谱,可应用于制造极紫外光刻机过程中所需的极紫外计量学领域。利用平像场光谱仪和法拉第杯对Bi靶激光等离子体极紫外光源以及离子碎屑辐射特性进行了实验研究。在单脉冲激光打靶条件下,实验中观察到Bi靶激光等离子极紫外光谱在波长12.3 nm处出现了一个明显的凹陷,其对应着Si L-edge的吸收,是Bi元素光谱的固有属性。相应地在波长为11.8和12.5 nm位置处产生了两个宽带的辐射峰。研究了两波长光谱特性以及辐射强度随激光功率密度的变化。结果表明,在改变聚焦光斑大小实现不同激光功率密度（0.7×1010～3.1×1010 W·cm-2）过程中,当功率密度为2.0×1010 W·cm-2时两波长处的光辐射最强,其原因归结为Bi靶极紫外光辐射强度受激光能量用于支撑等离子膨胀的损失和极紫外光被等离子体再吸收之间的平衡制约所致。在改变激光能量实现不同激光功率密度过程中,由于烧蚀材料和产生两波长所需高阶离子随着功率密度的增加而增加,增强了两波长处的光辐射。进一步,研究了双脉冲激光对Bi靶极紫外光谱辐射特性影响,实验发现双脉冲打靶下原来在单脉冲打靶时出现在波长13～14 nm范围内的凹陷消失。最后,对单脉冲激光作用Bi靶产生极紫外光源碎屑角分布进行了测量。结果表明,当探测方向从靶面法线方向移动到沿着靶面方向上的过程中,探测到Bi离子动能依次减小,并且离子动能随激光脉冲能量降低而呈线性减小。此项研究有望为我国在研制极紫外光刻机过程所需的计量学领域提供技术支持和打下夯实的基础。     

Emission characteristics of debris from CO<Subscript>2</Subscript> and Nd:YAG laser-produced tin plasmas for extreme ultraviolet lithography light source

We describe a comparative study of the emission characteristics of debris from CO₂ and Nd:YAG laser-produced tin plasmas for developing an extreme-ultraviolet (EUV) lithography light source. Tin (Sn) ions and droplets emitted from a Sn plasma produced by a CO₂ laser or an Nd:YAG laser were detected using Faraday cups and quartz crystal microbalance (QCM) detectors, respectively. The droplets were also monitored by using silicon substrates as witness plates. The results showed higher ion kinetic energy and lower particle emission for the CO₂ laser than the Nd:YAG laser for the same laser energy (50 mJ). The average ion energy was 2.2 keV for the CO₂ laser-produced plasma (LPP), and 0.6 keV for the Nd:YAG LPP. The debris accumulation of the CO₂ LPP detected by the QCM detectors, however, was less than one fourth of that of the Nd:YAG LPP for the same laser energy. Using ion energy data, the mirror lifetime is estimated for the CO₂ and Nd:YAG lasers. In both cases, the upper limit of the number of shots was of the order of 10⁶. PACS  52.38.DX; 52.38.Ph; 52.38.Mf     

Spectral and ion emission features of laser-produced Sn and SnO_2 plasmas

We have made a detailed comparison of the atomic and ionic debris, as well as the emission features of Sn and SnO_2 plasmas under identical experimental conditions. Planar slabs of pure metal Sn and ceramic SnO_2 are irradiated with1.06 μm, 8 ns Nd:YAG laser pulses. Fast photography employing an intensified charge coupled device(ICCD), optical emission spectroscopy(OES), and optical time of flight emission spectroscopy are used as diagnostic tools. Our results show that the Sn plasma provides a higher extreme ultraviolet(EUV) conversion efficiency(CE) than the Sn O2 plasma.However, the kinetic energies of Sn ions are relatively low compared with those of SnO_2. OES studies show that the Sn plasma parameters(electron temperature and density) are lower compared to those of the SnO_2 plasma. Furthermore, we also give the effects of the vacuum degree and the laser pulse energy on the plasma parameters.     

Effect of focal spot size on in-band 13.5 nm extreme ultraviolet emission from laser-produced Sn plasma

The effect of focal spot size on in-band 13.5 nm extreme ultraviolet (EUV) emission from laser-produced Sn plasmas was investigated for an EUV lithography light source. Almost constant in-band conversion efficiency from laser to 13.5 nm EUV light was noted with focal spot sizes from 60 to 500 microm. This effect may be explained by the opacity of Sn plasmas. Optical interferometry showed that the EUV emission must pass through a longer plasma with higher density when the focal spot is large, and strong reabsorption of EUV light was confirmed by a dip located at 13.5 nm in the spectrum.     

Opacity effect on extreme ultraviolet radiation from laser-produced tin plasmas

Opacity effects on extreme ultraviolet (EUV) emission from laser-produced tin (Sn) plasma have been experimentally investigated. An absorption spectrum of a uniform Sn plasma generated by thermal x rays has been measured in the EUV range (9-19 nm wavelength) for the first time. Experimental results indicate that control of the optical depth of the laser-produced Sn plasma is essential for obtaining high conversion to 13.5 nm-wavelength EUV radiation; 1.8% of the conversion efficiency was attained with the use of 2.2 ns laser pulses.     

氟化氪短脉冲激光的放大和组束研究

为充分利用氟化氪(KrF)准分子激光放大器的长泵浦时间,探索提高激光输出效率的方法,开展紫外超短脉冲在KrF准分子激光器中多脉冲放大和组束的实验研究。采用双脉冲放大方案研究激光脉冲时间间隔对输出能量的影响,确定延时时间,提高脉冲总能量并有效抑制自发辐射(ASE)。实现了单次放大4个紫外超短脉冲,获得了近4倍于单脉冲放大的输出能量。并探索紫外超短激光脉冲的组束技术,成功应用光学角多路的方法将两个亚皮秒的紫外激光脉冲进行精确组束。