Лазерно-плазменный источник экстремально короткого ультрафиолетового излучения

Полезная модель относится к лазерным технологическим устройствам, в частности, к устройству источника экстремально короткого ультрафиолетового излучения (ЭКУФ) и может быть использована в микроэлектронике для высокопроизводительного изготовления полупроводниковых микросхем с нанометровым размером элементов микропроцессорных чипов методом литографии. Задачей настоящей полезной модели является повышении технического коэффициента полезного действия лазерно-плазменного источника ЭКУФ излучения путем снижения мощности электропитания в канале многокаскадного СО₂ лазера, формирующего основной силовой импульс облучения плазмы конвертора. Поставленная задача решается лазерно-плазменным источником экстремально короткого ультрафиолетового излучения, содержащего твердотельный лазер, излучающий маломощный импульс для предварительного нагрева мишени конвертора и инициирования плазмы, многокаскадный СО₂ лазер, формирующий основной силовой импульс облучения плазмы, и задающий генератор стоксового излучения, отличающемся тем, что между СО₂ лазером и задающим генератором установлен ряд промежуточных ВКР-преобразователей доли излучения твердотельного лазера на длину волны усиления СО₂ лазера, формирующего основной силовой импульс облучения плазмы. При этом, внутри последнего ВКР-преобразователя, инжектирующего выходное излучение на вход СО₂ лазера, установлен набор поворотных зеркал.

Полезная модель относится к лазерным технологическим устройствам, в частности, к устройству источника экстремально короткого ультрафиолетового излучения (ЭКУФ) и может быть использована в микроэлектронике для высокопроизводительного изготовления полупроводниковых микросхем с нанометровым размером элементов микропроцессорных чипов методом литографии.

Как и в любом лазерном технологическом устройстве, производительность литографической установки, использующей для печати полупроводниковых интегральных схем экстремально короткое ультрафиолетовое излучение, в частности, с длиной волны 13.5 мкм, в значительной степени обуславливается мощностью источника излучения. Увеличение мощности ЭКУФ излучения, формируемого в результате фокусировки лазерного излучения на мишень конвертора, может быть достигнуто за счет повышения мощности лазера и радиационной эффективности плазмы. Долгое время в качестве основного кандидата для лазерно-плазменного источника рассматривался твердотельный Nd-лазер с длиной волны 1.06 мкм, на базе которого мультикиловаттный уровень мощности может быть реализован путем масштабирования

Известно устройство лазерно-плазменного источника экстремально короткого ультрафиолетовго излучения (1), содержащее многоканальный твердотельный лазер и мишень конвертора и предназначенное для литографической установки, где ЭКУФ излучение с длиной волны 13.5 нм формируется в плазме в результате синхронного импульсного облучения мишени конвертора несколькими лазерными пучками на одной длине волны. Недостатком такого устройства является низкий коэффициент конверсии лазерного излучения в ЭКУФ излучение и, соответственно, низкий энергетический выход из плазмы, поскольку наращивание мощности лазера за счет увеличения числа его составных модулей приводит лишь к сдвигу спектра излучения плазмы в более коротковолновую область относительно длины волны 13.5 мкм и, как следствие, к уменьшению радиационной эффективности плазмы на этой длине волны.

Известно также устройство лазерно-плазменного источника экстремально короткого ультрафиолетового излучения (2), содержащее два многоканальных твердотельных лазера, один из которых излучает маломощный импульс для предварительного нагрева мишени и инициирования плазмы, второй излучает силовой, основной импульс облучения, а также линию временной задержки силового импульса относительно маломощного. Это устройство, построенное по двухимпульсной одноволновой схеме, характеризуется повышенной радиационной эффективностью горячей плазмы. Однако, хотя твердотельный Nd-лазер с необходимым мультикиловаттным уровнем мощности генерации на длине волны 1.06 мкм может быть реализован путем масштабирования, все же в диапазоне наносекундных длительностей импульсов он обладает малым техническим к.п.д. (не более 0.1%) и не выгоден из-за высокой стоимости.

Поскольку выбор лазера для получения горячей плазмы диктуется сочетанием высокого к.п.д и низкой стоимости, наиболее перспективным с этой точки зрения является газовый СО ₂ лазер (к.п.д. выше 10%), на базе которого также возможно достижение требуемого мультикиловаттного излучения на длине волны 10.6 мкм.

Наиболее близким прототипом к заявляемой полезной модели является устройство лазерно-плазменного источника экстремально короткого ультрафиолетового излучения (3), содержащее канал твердотельного лазера, излучающего маломощный импульс для предварительного нагрева мишени конвертора и инициирования плазмы, и канал многокаскадного СО₂ лазера, формирующего основной, силовой импульс облучения плазмы, а также линию временной задержки силового импульса относительно маломощного. В данном техническом решении предложено использовать маломощный Nd лазер с длиной волны 1,06 мкм для предварительного нагрева мишени, создания плавного профиля плотности в плазме, обеспечения эффективного поглощения плазмой энергии силового импульса СО₂ лазера и получения максимального выхода ЭКУФ радиации. Такое устройство лазерно-плазменного источника ЭКУФ излучения, построенное по принципу двухимпульсного биспектрального облучения мишени конвертора, дает существенный энергетический выигрыш на длине волны 13.5 нм. Для получения, максимального коэффициента преобразования лазерного излучения в ЭКУФ силовой импульс СО₂ лазера поступает на мишень с задержкой по времени относительно маломощного, причем время рассогласования может варьироваться в довольно широком диапазоне с помощью соответствующей линии задержки. При этом, мультикиловаттный СО₂ лазер в строится по традиционной многокаскадной схеме, содержащей задающий генератор, предварительный усилитель и оконечный усилитель, а накачка каждого каскада осуществляется от своего электрического источника питания, что требует и соответствующей электронной системы синхронизации их срабатывания. Кроме того, каждый СО₂ каскад функционирует с контуром принудительного охлаждения

Задачей настоящей полезной модели является повышении технического коэффициента полезного действия лазерно-плазменного источника ЭКУФ излучения путем снижения мощности электропитания в канале многокаскадного СО₂ лазера, формирующего основной силовой импульс облучения плазмы конвертора.

Поставленная задача решается лазерно-плазменным источником экстремально короткого ультрафиолетового излучения, содержащего твердотельный лазер, излучающий маломощный импульс для предварительного нагрева мишени конвертора и инициирования плазмы, многокаскадный СО ₂ лазер, формирующий основной силовой импульс облучения плазмы, и задающий генератор стоксового излучения, отличающемсяся тем, что между CО₂ лазером и задающим генератором установлен ряд промежуточных ВКР-преобразователей доли излучения твердотельного лазера на длину волны усиления СО₂ лазера, формирующего основной силовой импульс облучения плазмы.

При этом, внутри последнего ВКР-преобразователя, инжектирующего выходное излучение на вход СО₂ лазера, установлен набор поворотных зеркал.

Число отражений ВКР-пучка варьируют в зависимости от выбора заданной величины временной задержки между импульсами излучения твердотельного лазера и CO ₂ усилителя, последовательно падающими на мишень конвертора.

Принцип действия ВКР-преобразователя известен и состоит в следующем. При облучении среды (например, водорода или метана) излучением с волновым числом v₀=1/₀ ( - длина волны) в ней наблюдаются серии боковых частот v_кр, сдвинутые на величины, равные частотам колебательно - вращательных переходов облучаемых молекул v_кв:

v_кр=v₀±v_кв

Боковые частоты меньше v₀, которые наблюдаются в спектрах ВКР, называют стоксовыми компонентами, а больше v ₀ - антистоксовыми.

При этом ВКР-преобразователи не требуют источников электропитания; их накачка осуществляется излучением маломощного твердотельного лазера и первой стоксовой компоненты, преобразованной из длины волны 1.06 мкм.

Для получения максимальной эффективности конверсии лазерных импульсов в ЭКУФ излучения линию временной задержки силового импульса на длине волны 10.6. мкм относительно маломощного на длине волны 1.06 мкм формируют внутри ВКР-преобразователя, устанавливаемого непосредственно перед входом в СО₂ лазер-усилитель, оптическим методом.

Схема размещения зеркал оптической линии задержки внутри ВКР-преобразователя: L_опт - длина оптического пути излучения внутри ВКР-преобразователя, представлена на рис.1

Энергия маломощного импульса твердотельного лазера разделяется на две равные части, одна из которых в качестве предимпульса поставляется непосредственно на мишень для создания плазменного облака. Вторая часть энергии дополнительно усиливается в твердотельном усилителе и доходит до светоделительного зеркала, которое делит энергию на две неравные части, основная из которых поступает в качестве накачки на усилитель попутного ВКР. Другая часть энергии импульса поступает в генератор стоксового излучения на основе обратного вынужденного рассеяния. Стоксов импульс на первой стоксовой компоненте ВКР генератора, идущий назад, поступает в качестве сигнала на усилитель попутного ВКР, в котором усиливается до необходимого уровня. Данный усиленный импульс излучения на первой стоксовой частоте является накачкой следующего усилителя попутного ВКР. Сигнал на второй стоксовой частоте генератора ВКР, идущий из ВКР «вперед», соответствующий длине волны усиления СО₂ лазера, попадает в качестве сигнала в усилитель попутного ВКР. После усиления импульс на второй стоксовой частоте инжектируют в оконечный СО₂ лазер, выходной силовой импульс которого фокусируется на мишень.

Линию временной задержки устанавливают внутри ВКР-преобразователя путем размещения набора поворотных зеркал, число отражений между которыми варьируют в зависимости от выбора заданной величины рассогласования по времени между импульсами излучения твердотельного лазера и СО₂ лазера-усилителя, последовательно падающими на мишень конвертора.

Применение полезной модели позволяет получить максимальный энергетический выход ЭКУФ радиации из плазмы конвертора. В таком гибридном источнике удается существенно увеличить технический к.п.д. (отношение энергии выходного излучения к потребляемой электрической энергии) за счет постановки взамен СО₂ задающего генератора и СО₂ каскадов предварительного усиления на длине волны 10.6 мкм, избежать применения контуров принудительного охлаждения и уменьшить массу.

1. C.Gwyn. - EUV lithography update.// OE Magazine, 2002, 6. c.22-34.

2. E.Parra, I.AIexeev, J.Fan, K.Y.Kim, S.J.McNaught, H.M.Milchberg - Phys. Rev. Lett. 2000. T.62. C.1063-1065.

3. Патент США 20100090133, 2010 г.

1. Лазерно-плазменный источник экстремально короткого ультрафиолетового излучения, содержащий твердотельный лазер, излучающий маломощный импульс для предварительного нагрева мишени конвертора и инициирования плазмы, многокаскадный CO₂ лазер, формирующий основной силовой импульс облучения плазмы, и задающий генератор стоксового излучения, отличающийся тем, что между CO₂ лазером и задающим генератором установлен ряд промежуточных ВКР-преобразователей доли излучения твердотельного лазера на длину волны усиления CO₂ лазера, формирующего основной силовой импульс облучения плазмы.

2. Лазерно-плазменный источник по п.1, отличающийся тем, что внутри последнего ВКР-преобразователя, инжектирующего выходное излучение на вход CO₂ лазера, установлен набор поворотных зеркал.