發(fā)布時間：2019-05-30 18:26

【摘要】：極紫外光刻技術(shù)是制造特征尺寸小于22 nm芯片的首選關(guān)鍵技術(shù),光源是極紫外光刻系統(tǒng)的重要組成部分。激光等離子體極紫外光源因體積小、亮度高并通過選擇靶材及控制等離子體參數(shù)可實現(xiàn)光源的輸出波長調(diào)諧等諸多優(yōu)點而受到研究人員的青睞,它是一種性能優(yōu)良的、較為適合于極紫外光刻應(yīng)用的臺式極紫外光源。近十年來,研究人員對13.5 nm光源進行了大量的理論和實驗系統(tǒng)研究,為激光等離子體光源的廣泛應(yīng)用奠定了研究基礎(chǔ)。伴隨著極紫外光刻中其它各項關(guān)鍵技術(shù)難題的不斷解決,工作波長13.5 nm極紫外光刻將在近期投入工業(yè)化量產(chǎn)。為了制備更小特征尺寸的芯片,近年來國外光刻界開始了6.7 nm附近極紫外光刻技術(shù)的研究。類似于13.5 nm激光等離子體光源的情況,研究高光譜輻射強度、低碎屑6.7 nm附近激光等離子體光源已成為極紫外光學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點。以6.7 nm極紫外光刻為應(yīng)用背景,論文開展釓(Gd)靶激光等離子體極紫外光源的研究。論文首先介紹用于光刻的激光等離子體極紫外光源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,系統(tǒng)闡述激光等離子體光源的相關(guān)理論,為激光等離子體光源的研究提供了理論基礎(chǔ)。設(shè)計并搭建一臺極紫外平像場光柵光譜儀。研究激光參數(shù)及靶條件對光源光譜輸出特性的影響;利用光譜法研究Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶激光等離子體電子溫度和電子密度的時空演化特性;對光源碎屑減緩進行了系統(tǒng)的實驗研究。具體的研究內(nèi)容如下:首先,為了對工作波長為6.7 nm附近Gd靶光源進行光譜診斷,設(shè)計并搭建了一臺平像場光柵光譜儀。該譜儀的攝譜范圍為5-50 nm、光譜分辨率為0.02 nm。實驗中分別采用了飛秒激光高次諧波源、鋯(Zr)金屬濾膜的吸收邊以及玻璃靶形成激光等離子體中Si離子輻射出的線譜對譜儀進行了標定。其次,開展了Gd金屬靶以及Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶激光等離子體光譜輻射的研究。結(jié)果表明,兩種形式的Gd靶激光等離子體均可在6.7 nm附近產(chǎn)生較強的極紫外輻射。在Gd金屬靶激光等離子體的實驗中,研究了脈沖激光功率密度對Gd等離子體極紫外輻射光譜的影響。發(fā)現(xiàn)在激光功率密度增至為6.4×10~(11) W/cm~2及其以上時,光譜在6.76 mm和7.14 nm附近有兩個明顯的強度峰,它們分別來自于Gd的類銀離子(Gd17+)和類鈀離子(Gd18+)的共振輻射。當(dāng)打靶激光功率密度繼續(xù)增加時,7.0 nm附近的長波成分要明顯強于6.7 nm附近的輻射信號。這表明在繼續(xù)增加激光功率密度的過程中,7.0 nm附近這一范圍內(nèi)的長波成分強度增加較快。這一光譜強度隨入射激光功率密度增加(等離子體電子溫度的提高)的變化特性與Gd元素特殊光譜結(jié)構(gòu)相關(guān),結(jié)果與S.Churilov等人的理論結(jié)果是一致的。同時,發(fā)現(xiàn)在金屬Gd靶激光等離子體的極紫外光譜輪廓上明顯存在由于等離子體自吸收而產(chǎn)生的凹陷。此外,采用脈沖激光作用Gd預(yù)等離子體時,發(fā)現(xiàn)在主脈沖相對于預(yù)脈沖延遲50 ns時,6.7 nm附近極紫外光譜寬度縮小為Gd金屬靶時的五分之一左右。另一方面,在打靶激光功率密度為5×10~(11) W/cm~2條件下,開展了玻璃靶中Gd_2O_3納米粒子摻雜濃度對6.7 nm附近極紫外光譜影響的研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米粒子摻雜摩爾濃度由1%增加至10%的過程中,6.7 nm附近的光輻射強度增加幅度較大。當(dāng)繼續(xù)增加納米粒子的摻雜濃度時,6.7 nm附近的極紫外輻射強度變化不大。這表明當(dāng)摻雜納米粒子的濃度大于10%以后,等離子體的自吸收限制了極紫外輻射強度的繼續(xù)增加。光譜測量結(jié)果表明,Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶形成等離子體在6.7nm附近的峰值寬度約為Gd金屬靶的情況五分之二。另外,對等離子體在250 nm到900 nm這一長波波段的光譜輻射測量結(jié)果表明,Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶比Gd金屬靶的光譜強度要低許多。因此,Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶在極紫外及長波這兩個波段均大幅度地減小了對多層膜反射鏡有害的光源離帶輻射強度。進一步,論文利用Gd_2O_3納米粒子摻雜玻璃靶等離子體在Si(I)250.7 nm和Si(I)263.2 nm波長處的線譜和玻爾茲曼雙線法對激光作用結(jié)束之后等離子體的電子溫度、電子密度的時空演化進行測量。結(jié)果表明,在距靶面6 mm位置處,從激光打靶后120 ns到400 ns過程中,電子溫度和密度從大約4 eV和1.2×1018 cm-3分別下降到約1.5 eV以及8.5×1017 cm-3。另一方面,在固定測量時間為200 ns時,等離子體的電子溫度和電子密度都表現(xiàn)出隨著距靶面距離的增加而表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。電子溫度和電子密度的峰值出現(xiàn)在距靶面6 mm處,其值分別為2.6 eV和8.5×1017 cm-3。最后,利用飛行時間法,論文還開展了金屬靶6.7 nm激光等離子體光源離子碎屑動力學(xué)特性及減緩光源碎屑速度的實驗研究。測得在打靶激光功率密度為7×10~(11)W/cm~2條件下,Gd金屬靶離子碎屑峰值速度為7.14×106 cm/s,對應(yīng)的動能為3.7 keV。進一步分別利用緩沖氣體、外加磁場和雙脈沖激光打靶等方法對光源離子碎屑開展了減緩效果的實驗研究。結(jié)果表明,分別在真空靶室內(nèi)充入壓強分別為41 mTorr氬氣和310 mTorr氦氣緩沖氣體,可使碎屑數(shù)量顯著減少,實驗與數(shù)值模擬結(jié)果相符合。通過引入外加磁場,對比磁場強度分別為0 T和0.9 T下光源碎屑的角分布,結(jié)果表明磁場強度可有效地阻擋光源在各個角度上輻射出的離子碎屑。采用雙脈沖激光打靶方法,研究預(yù)脈沖激光能量、預(yù)-主脈沖時間延時以及預(yù)脈沖激光波長(1064 nm、532nm以及355 nm三種波長可選)等參數(shù)對碎屑減緩效果的影響,結(jié)果表明預(yù)脈沖選用355 nm波長激光,能量為40 mJ,預(yù)-主脈沖時間延時為550 ns時,離子碎屑的減緩效果最好,此時離子碎屑動能值減小到單脈沖打靶條件下的1/18。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN23;O53

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本文編號：2489069