Исследование лазерной плазмы как источника излучения в области вакуумного ультрафиолета

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ КАК ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА А.А. Андреев, А.В. Кулик, Е.Г. Салль, Р.Л. Сабиров, С.А. Чижов, В.Е. Яшин

Экспериментально измерен коэффициент поглощения лазерной плазмы, образованной при фокусировке мощного лазерного импульса (Е=30 мДж, т=0,3 нс) на поверхность плоской оловянной мишени при различных углах падения и поляризациях падающего излучения. Получена диаграмма разлета осколков мишени, подтверждающая наличие «flip-over» эффекта.

Введение

Источники оптического излучения в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) представляют большой интерес в различных областях науки и техники, таких как спектроскопия, метрология, микроскопия, фотолитография. Применение литографических установок на основе ВУФ источников позволит в ближайшем будущем изготавливать интегральные схемы с характерным размером элементов порядка 40 нм, что приведет к значительному повышению производительности электронных устройств и уменьшению их размеров.

Наибольший интерес представляют источники линейчатого спектра с длиной волны —13,5 нм, где находится максимум коэффициента отражения многослойных зеркал, поскольку излучение от источника должно быть собрано и направлено на записывающую среду для формирования топологии.

В настоящее время можно выделить следующие виды источников мощного ВУФ излучения: синхротроны, электроразрядные источники и лазерно-плазменные (ЛП) источники. Вследствие больших размеров и высокой стоимости (25 млн. долларов) синхротроны не получили широкого распространения в качестве технологического ВУФ-источника. Электроразрядные источники обладают относительно высоким КПД в сравнении с лазерно-плазменными источниками, однако проигрывают им по ряду важных параметров: частоте следования импульсов, стабильности амплитуды излучения, степени загрязнения оптических элементов и ресурсу непрерывной работы. Поэтому для технологических применений наиболее подходящими могут оказаться лазерно-плазменные источники ВУФ излучения.

В ЛП установках источником ВУФ излучения служит горячая плазма, образующаяся при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с мишенью. Диапазону 10-15 нм соответствуют излучательные переходы в ионах с низкой степенью ионизации, которая достигается при относительно невысоких интенсивностях лазерного излучения на мишени (около 1011-1013 Вт/см2), что соответствует пиковой мощности лазера примерно 10-109 Вт при диаметре фокального пятна 100 мкм. При длительности лазерного импульса 3-10 нс энергия в импульсе равна 0,1-1 Дж.

Очень важным параметром ЛП источников ВУФ излучения является эффективность (или КПД) преобразования лазерного излучения в ВУФ излучение. Под ней принято понимать отношение энергии ВУФ излучения в требуемом спектральном диапазоне, излученной в телесном угле 2п ср, к энергии инициирующего лазерного излучения. У современных ЛП источников эффективность преобразования обычно не превышает 1%, что сильно сдерживает их практическое применение. Поэтому основной задачей, стоящей сейчас перед разработчиками источников ВУФ излучения, является увеличение эффективности ЛП источников. Эта задача решается путем оптимизации параметров как лазерного излучения, так и плазменной мишени.

В работе в качестве мишени использовано олово (Sn). Этот материал является одним из лучших с точки зрения энергетической эффективности преобразования лазерного излучения в ВУФ излучение. Теоретические [1] и экспериментальные [2, 3] иссле-

дования показывают, что энергетический КПД лазерно-плазменных источников на основе олова достигает в настоящее время 2,5-3%.

Задачей данной работы являлось исследование важного с точки зрения повышения эффективности ЛП источника вопроса - поглощения лазерного излучения в плазме при интенсивностях порядка 1011-1013 Вт/см2. Подобные исследования [4, 5] проводились ранее, но для больших интенсивностей. Кроме того, была исследована диаграмма направленности разлета осколков плазменной мишени, что является полезным для решения вопросов минимизации загрязнения оптических элементов.

Описание экспериментальной установки

Исследование поглощения лазерного излучения проведено на установке, схема которой приведена на рис.1.

Положения калориметра

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Для создания необходимого уровня интенсивности излучения на мишени применялся импульсный Кё:УЛО лазер, построенный по схеме задающий генератор-усилитель с ВРМБ-компрессией импульса. Он обеспечивал параметры выходного излучения, представленные в таблице.

_ Таблица

длина волны 1,064 мкм

энергия в импульсе до 35 мДж

длительность импульса 0,3 нс

расходимость излучения 2,2 дифракционной

модовый состав ТЕМ00

Предварительно расширенный лазерный пучок был сфокусирован линзой (Р=0,4 м) на поверхность мишени, расположенной в вакуумной камере. Механизм подвижки обеспечивал линейные и угловые перемещения мишени. Получаемая на поверхности мишени интенсивность могла варьироваться в пределах 1011-1013 Вт/см2 путем перемещения линзы. Давление в вакуумной камере составляло примерно 2*10"5 мм р.с.

Измерение коэффициента поглощения плазмы

В опыте измерялась энергия Ет на длине волны 1,064 мкм в зеркально отраженной компоненте. Калориметр устанавливался за окнами вакуумной камеры (см. рис.1). Телесный угол измерения составлял 0,055 ср. Для исключения влияния на результаты эксперимента кратеров, образовавшихся в результате лазерной абляции, каждый последующий лазерный импульс фокусировался в новое место мишени. Коэффициент диффузного отражения кга определялся через отношение пороговой энергии чувствительности калориметра к падающей на мишень энергии Е0. Значение кга в опытах принималось равным 0,3. Коэффициент поглощения плазмы ка вычислялся по формуле ка = 1 - (кгй + Егт / Е0). Графики полученных зависимостей представлены на рис.2.

Рис.2. Графики зависимости коэффициента поглощения плазмы ка от расчетной интенсивности I инициирующего лазерного излучения на поверхности мишени для углов падения 22,5° (вверху) и 45° (внизу) при различных состояниях поляризации

Из графика на рис.2 (вверху) видно, что в случае Р-поляризации падающего излучения коэффициент поглощения плазмы несколько больше, чем для ¿'-поляризации. Это объясняется наличием резонансного поглощения, отсутствующего при поляризации [6]. Однако это превышение крайне мало, поэтому можно утверждать, что в исследуемом диапазоне интенсивностей преобладает тормозной механизм поглощения лазерного излучения в плазме.

Определение диаграммы направленности разлета продуктов разрушения

Для определения диаграммы направленности разлета продуктов разрушения на расстоянии около 2 см от мишени были установлены пластинки из оргстекла (рис.3).

Рис. 3. Схема эксперимента по изучению характера разлета продуктов разрушения мишени.

После воздействия на мишень из олова 1200 лазерных импульсов на пластинке 2 (рис.3) были обнаружены следы продуктов разрушения материала мишени. Вид распределения этих следов по поверхности пластинки 2 с указанием линейных (в мм) и угловых размеров приведен на рис.4. На пластинках 1 и 3 следы продуктов разрушения обнаружены не были.

зона 1

100 мкм

зона 2

зона 3

0" 5' W 15'- !3°

Рис. 4. Схематическое изображение распределения продуктов разрушения на поверхности пластинки 2 (слева). Также показаны форма и расположение

фокального пятна

Периферийные области (зоны 1 и 2 рис. 4) представляли собой сплошной тонкий (— 500 нм), полупрозрачный слой олова с зеркальным отражением. К центру толщина осажденного слоя возрастала. В центральной области (зона 3 рис.4) слой олова был непрозрачным, матовым с выраженными концентрическими кольцами. Был обнаружен «flip-over»' эффект [7] - взаимный поворот на 90° фокального пятна и пятна, образованного осажденными продуктами разрушения материала мишени.

Заключение

В результате проведенной работы было установлено, что коэффициент поглощения лазерной Sn плазмы слабо зависит от интенсивности лазерного излучения и равен примерно 65% в диапазоне интенсивности от 1011 до 1013 Вт/см2. Обнаружено значительное превышение тормозного поглощения над резонансным. Была получена диаграмма направленности разлета продуктов разрушения материала мишени. Получены характерные эллипсовидные области осажденного вещества, причем максимум разлета осколков приходился на направление, нормальное к поверхности мишени. Взаимная ориентация области осажденных осколков и пятна фокусировки лазерного излучения подтвердило наличие «flip-over» эффекта.

Литература

1. O'Sullivan G., Cummings A., Duffy G., Dunne P., Fitzpatrick A., Hayden P. Optimising an EUV source for 13.5 nm. // Proc. SPIE. 2004. V.5196. Р.273-281.

2. Jansson P.A.C., Hansson B.A.M., Hemberg O., Otendal M. Liquid-tin-jet laser-plasma extreme ultraviolet generation. // Appl. Phys. Lett., 2004, V.84. № 13. Р. 2256-2258.

3. Shimada Y., Nishimura H., Hashimoto K., Yamaura M., Shigemori K., Nakai M., Fujioka S. Properties of EUV emissions from laser-produced tin plasmas. // Proc. SPIE. 2004. V.5374. Р.912-917.

4. Milchberg H.M., Freeman R.R. Light absorption in ultrashort scale length plasmas. J. Opt. Soc. Am. B 1989. V.6. № 7. Р.1351-1355.

5. Андреев А.А., Баянов В.И., Ваньков А.Б., Чижов С.А., Яшин В.Е. Поглощение лазерного УКИ, генерация рентгеновского излучения и быстрых частиц горячей плотной плазмой. // Квант. Электрон.1996. 23. № 10. С.907-910.

6. Мак А.А., Соловьев Н.А. Введение в физику высокотемпературной лазерной плазмы. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1991.

7. Anisimov S.I., Luk'yanchuk B.S., Luches A. An analytical model for three-dimensional laser plume expansion into vacuum in hydrodynamic regime. // Applied Surface Science 96-98. 1996. Р.24-32.