毛细管放电的X光激光若干特性及极紫外光刻光源研究

摘要

极紫外光的波长越短，与软X射线的谱区重叠越多。在波长重叠的区域内，由于光束相干性的缘故，同样波长的辐射有时称为极紫外光，有时称为软X射线激光，这可能源于人们的习惯。无论称谓如何，这些短波长光源的获得主要来自于高温高密度等离子体的辐射。毛细管放电装置将电能直接转化成等离子体的辐射能，能量转换效率较高。
　　软X射线激光的波长短，获得软X射线激光需要很高的泵浦能量；软X射线激光很容易被物质吸收，建立激光谐振腔几乎不太可能。这些不利因素长期制约着软X射线激光器的研制，特别是小型、台式、高效、经济、实用的软X射线激光器。毛细管放电软X射线激光装置的建立和成功运行，打破了禁锢其发展的坚冰，有望建成真正实用的小型高效软X射线激光器。本文在介绍X射线激光基本理论的基础上，利用实验室已出光的毛细管放电软X射线激光装置，在前期研究工作的基础上，进一步深化了软X射线激光研究。开展了预-主脉冲延时对激光输出的影响、低气压下产生激光的主脉冲电流阈值、46.9nm激光谱线的辨认等实验。发现了产生激光的预-主脉冲延时范围和最佳延时段，并揭示了预-主脉冲延时与气压的关系；在28~46Pa的氩气气压下，找到了产生激光的主脉冲电流阈值为~19kA；成功辨认了毛细管放电类氖氩46.9nm激光谱线。通过改变主开关结构，研究了主开关电感对激光输出的影响。主开关支座改进后，电感下降了15％，主脉冲电流平均提高了4%，激光平均输出提高了31%，同时继承了改进前的高耐压性和出光稳定性。毛细管放电检测转接室设计将不仅能够同步检测激光能量和激光谱线，而且有可能大大提高检测的准确性。
　　极紫外光刻技术是目前国际上的研究热门之一，使用波长很短的极紫外光将掩模板上的电路图形缩小成像在光致抗蚀剂上，不用借助分辨率增强技术，即可获得30nm以下的分辨率，有望替代ArF浸没式光刻而成为下一代光刻技术的主流。毛细管放电极紫外光源具有较高的输出功率及能量转换效率，是极紫外光刻的首选曝光光源之一。本文对毛细管放电极紫外光源的重要参数和放电条件进行了定性计算，以便为毛细管放电极紫外光源演示装置的研制提供参考。之后作者全程参与了毛细管放电极紫外光源装置的设计、安装、调试、验收及开展的气体介质放电极紫外辐射研究等工作。通过对真实负载的放电试验，预脉冲电源的放电电压~7kV，电流40~60A，可单次和1~200Hz重复频率工作；主脉冲电源的放电电压~30kV，电流20~40kA，也可单次和1~200Hz重复频率工作，各项放电参数达到了设计标准。在整套装置验收合格的基础上，利用已经标定的罗兰园谱仪，开展了毛细管放电极紫外光谱实验研究，观察到Ar7+、He+离子30nm左右的极紫外光辐射。最终证实：已建成的毛细管放电极紫外光源演示装置安全可靠、运行稳定，等离子体辐射光谱基本位于极紫外目标区，可以开展进一步的极紫外光输出实验。
　　国际上有很多科研小组或团体进行极紫外光刻光源的研究，随着研究的深入，极紫外光刻光源的输出功率不断增大，目前已经达到了应用标准。但高功率光源的获得依赖于极高的重复工作频率，单次输出功率并不高。高重复频率工作对光刻过程及环境有很高的要求，这不仅增大了光刻过程的难度，而且提高了生产成本。本文提出了毛细管放电三束等离子体极紫外环带光源的设计，正是为了解决光刻光源单次输出功率小的问题。通过对毛细管放电三束等离子体形成环带光源的过程进行受力分析，定性计算了环带光源的输出参量等比较全面的设计、论证。结果表明：在相同放电总电流条件下，三束等离子体环带光源的发光体积是常用毛细管的~10倍，光源的最佳收集角提高了~60%，能量转换效率提高了~5倍。这些定性结果预示着毛细管放电三束等离子体极紫外环带光源将有着很大的研发潜力，基础预研还有待继续深化。
　　本论文理论、装置和实验并重，在已出光的毛细管放电软X射线激光装置上开展了进一步的实验研究；参与建立了国内首台毛细管放电极紫外光刻光源演示装置；提出了毛细管放电三束等离子体高功率(单次工作)极紫外环带光源的设计方案。这些成果为今后毛细管放电极紫外光源的深入研究奠定了坚实的基础。

目录

毛细管放电的X光激光若干特性及极紫外光刻光源研究

Study on some characteristic of X-ray laser and extreme ultraviolet lithographic source in capillary discharge

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 毛细管放电软X 射线激光

1.1.2 毛细管放电极紫外光刻光源

1.2 毛细管放电极紫外光源研究的目的及意义

1.2.1 软X 射线激光

1.2.2 极紫外光刻光源

1.3 本论文主要研究内容

第2章 毛细管放电软X 射线激光研究的基本理论

2.1 引言

2.2 毛细管放电Z 箍缩效应

2.2.1 Z 箍缩效应

2.2.2 毛细管放电Z 箍缩

2.2.3 雪耙模型

2.2.4 等离子体多次箍缩对雪耙模型的修正

2.3 类氖氩系统原子参数研究

2.3.1 离子的电子碰撞激发

2.3.2 亚稳能级的单极激发

2.3.3 Cowan 程序

2.3.4 类氖氩系统原子参数的计算

2.3.5 粒子数反转的形成

2.4 类氖氩等离子体动力学过程研究

2.4.1 一维非平衡磁流体力学XDCH 程序介绍

2.4.2 动力方程的一维近似

2.4.3 类氖氩46.9nm激光的模拟

2.4.4 类氖氩46.9nm激光的准稳态增益

2.5 相关参数的计算方法

2.5.1 高增益所需的最大电子密度

2.5.2 箍缩电流的计算

2.5.3 激光输出能量的计算方法

2.6 本章小结

第3章 毛细管放电软X 射线激光装置和若干输出特性实验研究

3.1 引言

3.2 毛细管放电软X 射线激光装置

3.2.1 Marx 发生器

3.2.2 Blumlein 传输线

3.2.3 主开关

3.2.4 毛细管放电室

3.2.5 毛细管放电检测转接室设计

3.3 预-主脉冲延时对激光输出影响的实验研究

3.3.1 预-主脉冲的工作原理

3.3.2 最佳工作气压的确定

3.3.3 不同预-主脉冲延时的激光输出

3.3.4 预-主脉冲延时作用的分析

3.4 主开关电感对激光输出作用的实验研究

3.4.1 主开关支座改进引起主开关电感对激光输出的影响

3.4.2 改进前后的实验结果

3.4.3 改进后的效果

3.4.4 对激光参数的影响

3.5 产生激光的主脉冲电流阈值研究

3.5.1 国际上各研究小组实验参数对比

3.5.2 阈值电流的探索实验

3.5.3 探索阈值电流的意义

3.6 毛细管放电46.9nm 激光谱线的辨认

3.6.1 谱线辨认方法

3.6.2 测谱实验

3.6.3 谱线辨认

3.7 本章小结

第4章 毛细管放电极紫外光刻光源演示装置

4.1 引言

4.2 重要参数的计算

4.2.1 中心波长的能级跃迁

4.2.2 约束等离子体所需电流

4.2.3 毛细管放电等离子体的箍缩时间

4.2.4 毛细管的阻抗特性

4.2.5 毛细管的击穿特性

4.2.6 等离子体电离度计算

4.3 装置设计和研制

4.3.1 主要系统简介

4.3.2 电源系统

4.3.3 放电系统

4.4 装置的安装和调试

4.4.1 装置使用说明

4.4.2 预脉冲电源调试

4.4.3 主脉冲电源调试

4.5 毛细管放电气体介质极紫外辐射光谱实验观察

4.5.1 极紫外辐射收集室方案设计

4.5.2 罗兰园谱仪标定

4.5.3 极紫外辐射光谱实验观察

4.6 本章小结

第5章 毛细管放电三束等离子体极紫外光源方案

5.1 引言

5.2 毛细管放电三束等离子体光源的概念设计

5.2.1 极紫外光刻光源发展面临的难题

5.2.2 概念设计方案

5.3 毛细管放电三束等离子体环带光源的形成

5.3.1 受力方式分析

5.3.2 等离子体终态形状的差异

5.3.3 三束等离子体环带光源的形成过程

5.4 毛细管放电三束等离子体的定性计算

5.4.1 洛仑兹力的作用

5.4.2 热压力的作用

5.4.3 等离子体辐射所需条件

5.5 毛细管放电三束等离子体光源的发展前景

5.5.1 较大的发光体积

5.5.2 较大的最佳收集角

5.5.3 可能的毛细管内部结构设计方案

5.5.4 具有良好应用前景的可调谐光源

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致 谢

个人简历