ВЫСОКОЯРКОСТНЫЙ ИСТОЧНИК ЭУФ-ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
HIGH-FREQUENCY SOURCE OF EUF-RADIATION AND METHOD OF GENERATION OF RADIATION FROM LASER PLASMA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к высокояркостному источнику излучения в области экстремального ультрафиолета (ЭУФ) и способу генерации ЭУФ излучения из высокотемпературной лазерной плазмы, обеспечивающей оптическое излучение высокой яркости на длине волны 13,5 нм. Область применений включает актиническую, на рабочей длине волны литографического процесса, инспекцию литографических масок и ЭУФ метрологию.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проекционная литография нового поколения для крупномасштабного производства интегральных схем (ИС) с размерами структур 22 нм и менее основана на использовании ЭУФ излучения, отвечающего диапазону 13,5+/-0,135 нм эффективного отражения многослойных Mo/Si зеркал. Контроль бездефектности ИС является одним из наиболее важных метрологических процессов современной нанолитографии, поскольку при наличии дефектов маски они проецируются на кремниевую подложку с фоторезистом, способствуя появлению дефектов печати микросхем. Тенденцией общего подхода в литографическом производстве является переход от анализа ИС, чрезмерно трудоемкого и затратного при крупномасштабном производстве, к анализу литографических масок. Маска в ЭУФ литографии представляет собой Mo/Si зеркало, поверх которого наносится топологический рисунок из материала, поглощающего излучение с длиной волны 13.5 нм. Наиболее эффективно процесс инспекции маски осуществляется с помощью ее сканирования актиническим излучением, т.е. излучением, длина волны которого совпадает с рабочей длиной волны литографа (так называемая Actinic Inspection). При этом сканирование ЭУФ излучением с длиной волны 13,5 нм позволяет детектировать дефекты с разрешением лучше 22 нм.
13,5
2
-2
2
2
Таким образом, контроль бездефектности литографических масок в процессе их производства и в течение всего времени эксплуатации является одной из ключевых проблем ЭУФ литографии, при этом создание прибора для диагностики литографических масок и его ключевого элемента - высокояркостного актинического источника входит в приоритеты развития ЭУФ литографии. Для этих целей требуется создание относительно компактного и экономичного прибора на основе ЭУФ источника с высокой яркостью излучения B≥30 Вт/мм⋅ср в спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм и малой величиной геометрического фактора, или etendue, G=S⋅Ω≤10 мм⋅ср, где S - площадь источника в мм, Ω - телесный угол вывода ЭУФ излучения в стерадианах.
В соответствии с одним из подходов, известным из патента US 7307375, опубликованного 12.11.2007, в высокояркостном источнике ЭУФ излучения используется импульсный индукционный разряд для создания безэлектродного Z-пинча в газе, в частности, в Хе. Устройство включает в себя систему импульсного питания, подключенную к витку первичной обмотки магнитного сердечника, который окружает часть зоны разряда. При этом Z-пинч образуется в изолирующей керамической SiC втулке с диаметром отверстия около 3 мм, что определяет ее достаточно сильную эрозию и требует частой периодической замены. Источник характеризуется простотой, компактностью и относительно невысокой стоимостью. Однако размеры излучающей плазмы относительно велики, а максимально достигнутая яркость источника ниже параметров, требуемых для ряда применений, в том числе для инспекции литографических масок.
Этого недостатка в значительной степени лишены известные из патентной заявки US 20150076359, опубликованной 19.03.2015, источник ЭУФ излучения и способ для генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы. В варианте реализации изобретения материалом мишени служит ксенон, намораживаемый на поверхность охлаждаемого жидким азотом вращающегося цилиндра. ЭУФ излучение лазерной плазмы, собираемое коллекторным зеркалом, направляется в промежуточный фокус. Устройство и способ позволяют достичь малого размера плазмы, излучающей в ЭУФ диапазоне и высокой яркости источника при отсутствии загрязнений оптики.
К недостаткам можно отнести недостаточно высокую эффективность материала мишени, дороговизну ксенона, требующую сложной системы его рециркуляции, необходимость высокой, >15 м/с, линейной скорости вращения охлаждаемого цилиндра для достижения высокой яркости источника и связанную с этим проблему достижения высокой стабильности источника, а также необходимость защиты коллекторного зеркала от воздействия потока тяжелых ионов из лазерной Хе-плазмы.
Наиболее мощные, эффективные и яркие источники ЭУФ излучения, известные, например, из патента US 7897947, опубликованного 03.01.2011, содержат сопло, мишень в виде струи капельных мишеней, поставляемых в зону взаимодействия в вакуумной камере с вводом газа, окном для ввода лазерного пучка, фокусируемого в зону взаимодействия, и выводом расходящегося пучка ЭУФ излучения на размещенное в вакуумной камере коллекторное зеркало. В способе генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы форму капельных мишеней оптимизируют с помощью лазерного предымпульса и затем облучают пучком основного лазера.
2
Подобные системы с использованием олова в качестве материала мишеней, облучаемых пучком мощного импульсно-периодического CO лазера, позволили создать наиболее мощные на сегодняшний день источники ЭУФ излучения на длине волны 13,5 нм для крупномасштабного производства ИС. Однако, необходимость применения сложной лазерной системы с предымпульсом, системы синхронизации лазерного пучка и капельной мишени, системы высокоскоростного продува газа для охлаждения и защиты коллекторного зеркала наряду с электромагнитной системой его защиты, и других систем делает такие источники ЭУФ излучения чрезвычайно сложными и дорогими. В устройстве и способе используется не замкнутый цикл использования материала мишени, а периодическая выгрузка отработанных лазерных мишеней. Все это затрудняет создание на основе таких систем коммерчески доступных ЭУФ источников для инспекции и метрологии.
В патенте US 7897947 в качестве материала мишени помимо олова, как наиболее эффективного плазмообразующего вещества, заявлена возможность применения лития (Li). При использовании лития в качестве материала лазерной мишени защита оптических элементов от загрязнений осуществляется с помощью испарительной очистки. Нагрев должен обеспечивать достаточную скорость испарения приходящих паров Li, т.е. давление насыщенного пара Li при рабочей температуре оптического элемента должно превышать давление приходящего пара.
В патенте US 7525111, опубликованном 03.01.2011, в источнике ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы используется окно вакуумной камеры с температурой 350-450°С. Однако нагрев окна, необходимый для его испарительной очистки, уменьшает время жизни герметизирующей прокладки, снижая надежность устройства в целом.
Из публикации Т. Feig et al. High-Temperature LPP Collector Mirror. Proc. of SPIE Vol. 6151, 61514A, (2006) известно коллекторное зеркало, работающее при температурах до 500°С. Однако, термостойкое зеркало дорого. Кроме этого, поскольку зеркало сделано из слоев чистого Мо и Si, эти материалы начинают химически реагировать друг с другом с ростом температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет реакция, приводящая к деградации многослойного зеркала. В результате испарительная очистка является фактором, ограничивающим ресурс дорогостоящего многослойного Mo/Si зеркала.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения - создание коммерчески доступного источника излучения для ЭУФ метрологии, инспекции нано- и микроструктур, в том числе, для актинической инспекции масок в ЭУФ литографии
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и времени жизни источника ЭУФ излучения, упрощение его конструкции и снижение затрат на эксплуатацию при обеспечении его высокой яркости, высокой энергетической и пространственной стабильности.
Достижение целей изобретения возможно с помощью высокояркостного источника ЭУФ излучения, содержащего лазерную мишень, поставляемую в зону взаимодействия в вакуумной камере, содержащей ввод газа, входное окно для лазерного пучка; и вывод пучка ЭУФ излучения на коллекторное зеркало.
Устройство характеризуется тем, что лазерная мишень представляет собой непрерывную струю жидкого лития, который циркулирует в замкнутом контуре, содержащем сопло и высокотемпературный насос, выполненный с функцией прокачки жидкого лития в чистых условиях и генерации непрерывной струи жидкого лития.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения коллекторное зеркало размещено снаружи вакуумной камеры в среде, заполненной инертным газом или смесью газов с давлением, превышающим давление внутри вакуумной камеры, и выход пучка ЭУФ излучения из зоны взаимодействия на коллекторное зеркало осуществляется через ЭУФ фильтр, служащий выходным ЭУФ окном вакуумной камеры.
Предпочтительно ЭУФ фильтр имеет температуру 350-450°С, и внутренняя часть ЭУФ фильтра, обращенная к зоне взаимодействия, имеет покрытие, химически стойкое к воздействию лития при высоких температурах, например, из молибдена.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть непрерывной струи жидкого лития в вакуумной камере окружена защитным экраном с отверстием для ввода лазерного пучка и другим отверстием для выхода пучка ЭУФ излучения, и защитный кожух имеет температуру более 180°С.
Предпочтительно защитный кожух снабжен системой термостатирования, включающей в себя замкнутый контур прокачки высокотемпературного жидкого теплоносителя.
Предпочтительно внутри защитного кожуха размещен отбойник или дефлектор, поверхность которого, обращенная к зоне взаимодействия, предназначена для отражения микрочастиц жидкого лития, главным образом, в направлении вдоль струи жидкого лития.
Предпочтительно на оси лазерного пучка между окном и зоной взаимодействия установлен экранирующий оптический элемент нагретый до 350-450°С, выполненный из материала химически стойкого к воздействию лития при высоких температурах.
Предпочтительно экранирующий оптический элемент изготовлен из сапфира, при этом длина волны лазерного излучения находится в диапазоне 0,3-3,5 мкм.
Предпочтительно входное окно и экранирующий оптический элемент примыкают к субкамере или вспомогательной камере с вводом газа, обеспечивающим разность давлений по обе стороны экранирующего оптического элемента.
В вариантах изобретения экранирующий оптический элемент представляет собой фокусирующую линзу.
Предпочтительно внешняя сторона сопла имеет керамическую облицовку или футеровку, по меньшей мере, вблизи выходного отверстия сопла.
-4
2
2
2
В вариантах изобретения геометрический фактор, или etendue, выхода источника ЭУФ излучения на коллекторное зеркало находится в диапазоне от 5⋅10 мм⋅ср до 1,5⋅10 мм⋅ср.
Предпочтительно оптическая ось лазерного пучка и оптическая ось пучка ЭУФ излучения составляют углы с нормалью к поверхности струи в зоне взаимодействия, отличные от нуля.
В вариантах изобретения угол между оптической осью пучка ЭУФ излучения, выходящего из зоны взаимодействия на коллекторное зеркало, и нормалью к поверхности струи жидкого лития не превышает 30 градусов.
В вариантах высокотемпературный насос является магнитогидродинамическим (МГД) насосом.
Предпочтительно, что высокотемпературный насос является лопастным насосом с жаропрочной магнитной муфтой.
В другом аспекте изобретение относится к способу генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы, при котором:
формируют лазерную мишень в виде непрерывной жидкой струи лития, поставляемую в зону взаимодействия в вакуумной камере при циркуляции жидкого лития по замкнутому контуру, с высокой частотой повторения облучают непрерывную струю жидкого лития лазерным пучком, вводимым в зону взаимодействия через входное окно вакуумной камеры, экранирующий оптический элемент и отверстие в защитном кожухе, окружающем непрерывную струю жидкого лития, при этом оптическая ось лазерного пучка отлична от нормали к поверхности непрерывной струи жидкого лития, вывод ЭУФ излучения из зоны взаимодействия к коллекторному зеркалу осуществляют через другое отверстие в защитном кожухе и через ЭУФ фильтр, служащий выходным ЭУФ окном вакуумной камеры.
Предпочтительно в процессе работы поддерживают температуру защитного кожуха выше температуры плавления лития 180°С.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения поддерживают температуры экранирующего оптического элемента и ЭУФ фильтра в диапазоне от 350 до 450°С.
Предпочтительно поддерживают давление инертного газа с наружных сторон ЭУФ фильтра и экранирующего оптического элемента выше давления в вакуумной камере.
Вышеизложенные и другие цели, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более ясными из следующего неограничительного описания иллюстративных вариантов его осуществления, приведенных лишь в качестве примера со ссылкой на сопутствующие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Существо изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 схематично иллюстрируют устройство и способ для генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2 показывает спектр ЭУФ излучения, полученный при реализации настоящего изобретения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с примером осуществления изобретения, показанным на Фиг. 1, высокояркостный источник ЭУФ излучения включает в себя сопло 10, мишень в виде струи 1, поставляемой в зону взаимодействия 2 в вакуумной камере 3 с вводом газа 4, окном 5 для ввода лазерного пучка 6, фокусируемого в зону взаимодействия 2, и выводом расходящегося пучка ЭУФ излучения 8 на коллекторное зеркало 7.
В соответствии с изобретением, лазерная мишень представляет собой непрерывную струю жидкого лития 1, который циркулирует в замкнутом контуре 9, содержащем сопло 10 и высокотемпературный насос 11, выполненный с функцией прокачки жидкого лития в чистых условиях и генерации непрерывной струи жидкого лития.
При выполнении в предложенном виде высокояркостный источник ЭУФ излучения приобретает ряд достоинств. К преимуществам использования лития в качестве материала лазерной мишени относятся:
13,5
- Высокая эффективность конверсии CE энергии лазерного излучения в ЭУФ излучение в спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм, близкая к максимально достигнутой для различных видов плазмообразующих веществ,
- относительно небольшая температура плавления лития 180,54°С, упрощающая формирование жидкометаллической лазерной мишени,
- низкий удельный вес Li, что упрощает его циркуляцию через зону взаимодействия с высокой скоростью, необходимой для работы источника EUV при высокой частотой повторения;
- высокая эффективность испарительной очистки оптических элементов при их температуре около 400°С,
- малый атомный вес Li и, соответственно, относительно малая энергия ионов, генерируемых из лазерной Li-плазмы, значительно снижающая возможность деградации оптических элементов в результате ионной бомбардировки и позволяющая обеспечить большое время их жизни,
- высокая спектральная чистота источника, характеризующаяся тем, что на резонансном переходе 1s - 2р иона Li III в требуемой для использования спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм излучается около 50% от всей энергии в ЭУФ области спектра
- снижение радиационной нагрузки на ЭУФ оптику и увеличение времени ее жизни, благодаря высокой спектральной чистоте излучения Li-плазмы.
К преимуществам использования замкнутого контура 9 циркуляции жидкого лития, осуществляемой посредством компактного высоконапорного высокотемпературного насоса 11, относится обеспечение непрерывного режим работы устройства с практически неограниченным ресурсом и снижение стоимости эксплуатации.
Для прокачки жидкого лития насос для прокачки жидкого лития выполнен в виде либо магнитогидродинамического насоса, либо в виде лопастного насоса с жаропрочной магнитной муфтой привода рабочего колеса, подробное описание которого дано нами в патенте RU 2488716, опубликованном 27.07.2013. При использовании насосов указанного типа в соответствии с настоящим изобретением материал мишени не подвержен воздействию внешней атмосферы, что обеспечивает чистоту химически активного лития и высокую эффективность источника ЭУФ излучения в процессе долговременной работы.
В отличие от устройств со струей капельных мишеней, использование в качестве мишени непрерывной струи жидкого металла значительно упрощает устройство и удешевляет его при обеспечении высоких пространственной и энергетической стабильности источника ЭУФ излучения. В частности, упрощается сопло 10 для формирования непрерывной струи жидкого лития 1, так как не требуется его совмещения с пьезоэлектрическим механизмом дробления струи на капли.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения для предотвращения смачивания внешней поверхности сопла, способного нарушить стабильность течения струи 1, внешняя сторона сопла имеет керамическую облицовку или футеровку 13 вблизи выходного отверстия сопла 10.
Для очистки жидкого лития и предотвращения засора сопла 10 замкнутый контур 9 оснащен фильтрующими элементами 14, предпочтительно с убывающим размером пор от 100 до 5-10 мкм по ходу потока лития. Для повышения эффективности очистки и увеличения времени службы фильтрующих элементов 14 замкнутый контур 9 может быть оснащен холодной ловушкой. Процесс очистки состоит из охлаждения жидкого лития до температур, близких к температуре плавления, с образованием пересыщенного раствора и инициированием процесса кристаллизации примесей с последующим удалением выпавших кристаллов из потока металла. Ловушка может быть совмещена с приемником струи 15, входящим в состав замкнутого контура 9 прокачки жидкого лития и являющимся частью вакуумной камеры 3. Приемник струи 15 предпочтительно оснащен системой термостатирования, предназначенной для поддержания температуры находящегося в нем лития на заданном уровне, превышающем температуру плавления. Система термостатирования приемника струи 15 может содержать омический нагреватель 16 и теплоизолирующий кожух. Другие компоненты замкнутого контура 9 прокачки жидкого лития также оснащены омическими нагревателями, необходимыми для стартового пуска, и теплоизолирующими кожухами.
Все детали и узлы замкнутого контура 9, соприкасающиеся с жидким литием, выполнены из материалов, стойких в среде жидкого лития, или имеют покрытия, стойкие в среде жидкого лития.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, коллекторное зеркало 7 размещено снаружи вакуумной камеры 3 в среде, заполненной инертным газом или смесью газов с давлением, превышающим давление внутри вакуумной камеры. При этом выход пучка ЭУФ излучения 8 из зоны взаимодействия 2 на коллекторное зеркало 7 осуществляется через ЭУФ фильтр 12, служащий выходным ЭУФ окном вакуумной камеры.
Размещение коллекторного зеркала 7 снаружи вакуумной камеры 3, например, в чистом оптическом боксе 17 в среде инертного газа обеспечивает поток газа через щелевой зазор по периметру ЭУФ фильтра 12, препятствующий поступлению паров лития к коллекторному зеркалу 7, а также к наружной стороне ЭУФ фильтра 12. В результате коллекторное зеркало надежно защищено от загрязнений и не требует нагрева, что удешевляет его и увеличивает время его жизни.
В предпочтительных вариантах изобретения ЭУФ фильтр 12 имеет температуру от 350 до 450°С, включает в себя фольгу с защитным покрытием из материала, химически стойкого к воздействию лития при указанных температурах, например, из молибдена. Защитное покрытие расположено на внутренней, обращенной к зоне взаимодействия 2 стороне ЭУФ фильтра 12. Фольга, например, из циркония (Zr) с относительно высокой прозрачностью на длине волны 13,5 нм может быть нанесена на высокопрозрачную поддерживающую сетку с ячейками. Испарительная очистка обеспечивается системой омического либо индукционного нагрева 18, выполненной с возможностью стабилизации температуры ЭУФ фильтра 12 на уровне 350-450°С, достаточном, чтобы обеспечить скорость испарения лития существенно выше скорости его притока.
Коллекторное зеркало 7 представляет собой либо эллипсоидное зеркало скользящего падения, либо, как проиллюстрировано на Фиг. 1, - многослойное Mo/Si зеркало с углом падения, близким к нормальному. Расходящийся пучок ЭУФ излучения 8 с вершиной в первичном фокусе коллекторного зеркала 7, совмещенном с зоной взаимодействия 2, перенаправляется коллекторным зеркалом 7 во вторичную точку фокусировки или промежуточный фокус 19. Промежуточный фокус образует интерфейс между ЭУФ источником и ЭУФ проектором, для упрощения не показанным на Фиг. 1. В соответствии с изобретением ЭУФ фильтр 12 служит как для защиты коллекторного зеркала от паров лития, так и для обеспечения спектральной чистоты используемого ЭУФ излучения, отсекая рассеянное мишенью лазерное излучение.
-4
2
-2
2
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к ЭУФ источникам для актинической инспекции литографических ЭУФ масок, в предпочтительных вариантах реализации изобретения геометрический фактор (этендю) выхода источника ЭУФ излучения на коллекторное зеркало, реализуемого пучком ЭУФ излучения 8, составляет не более 10 мм⋅ср. В этом случае, учитывая, что площадь области лазерной плазмы, излучающей в ЭУФ диапазоне, около 10 мм, а расстояние до коллекторного зеркала не более 0,5 м, характерные размеры коллекторного зеркала 7, а также ЭУФ фильтра 12 не превышают нескольких десятков миллиметров, что упрощает и удешевляет устройство.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения для подавления выхода лития за пределы замкнутого контура 9 в вакуумной камере 3 вокруг, по меньшей мере, части непрерывной струи жидкого лития 1, включающей зону взаимодействия 2, установлен защитный кожух 20. Защитный кожух 20 имеет температуру выше 180°С и снабжен отверстием 21 для ввода лазерного пучка 6 в зону взаимодействия 2 и другим отверстием 22 для выхода расходящегося пучка ЭУФ излучения 8 с вершиной в зоне взаимодействия 2 на коллекторное зеркало 7. Указанная температура защитного кожуха 20 предотвращает накопление лития на его стенках.
Применение защитного кожуха, имеющего лишь малые отверстия 21, 22 для ввода сфокусированного лазерного пучка и выхода пучка ЭУФ излучения, позволяет эффективно подавлять выход материала лазерной мишени за пределы замкнутого контура циркуляции жидкого лития, что обеспечивает высокий ресурс работы устройства и снижает затраты на его эксплуатацию.
Другая функция защитного кожуха 20 состоит в отводе тепла из зоны взаимодействия 2. Для отвода тепла из зоны взаимодействия и поддержания температуры защитного кожуха на заданном уровне выше 180°С защитный кожух 20 снабжен системой термостатирования. Система термостатирования включает в себя замкнутый контур прокачки высокотемпературного жидкого теплоносителя 23. Прокачка высокотемпературного жидкого теплоносителя 23 может осуществляться через канал или каналы защитного кожуха 20. Для упрощения замкнутый контур прокачки высокотемпературного жидкого теплоносителя 23 со специальным насосом и теплообменником не показан на Фиг. 1.
В предпочтительных вариантах изобретения внутри защитного кожуха 20 размещен отбойник или дефлектор 24, поверхность которого, обращенная к зоне взаимодействия предназначена для отражения преимущественно в направлении вниз по течению струи 1 микрочастиц и микрокапель жидкого лития, производимых, наряду с излучением, в зоне взаимодействия 2. В результате отбойник 24 подавляет выход микрокапель жидкого лития через боковые отверстия 21, 22 защитного кожуха. Для выполнения этой функции поверхность отбойника 24, обращенная к зоне взаимодействия, имеет наклон к струе 1, отличный от наклона к ней внутренней поверхности защитного кожуха 20. В частности, поверхность отбойника 24, обращенная к области взаимодействия, может быть конической, вершина конуса которой расположена вверх по течению струи 1 от зоны взаимодействия 2. Для ввода лазерного пучка 6 и вывода расходящегося пучка ЭУФ излучения отбойник 24 имеет отверстия либо вырезы.
Другая функция отбойника состоит в предохранении внутренней поверхности защитного кожуха от разрушительного воздействия потоков частиц и излучения из зоны взаимодействия. Для этого предпочтительно, что отбойник имеет покрытие из наиболее жаропрочных и стойких в литии материалов - вольфрама либо молибдена, либо корундовой керамики. Отвод тепла от отбойника может осуществляться через контакт с охлаждаемым защитным кожухом 20, Фиг. 1.
В предпочтительных вариантах изобретения для защиты входного окна 5 от загрязняющих частиц на оси 26 лазерного пучка между входным окном 5 и зоной взаимодействия 2 установлен экранирующий оптический элемент 25 с температурой от 350 до 450°С, обеспечивающей его испарительную очистку. Поддержание температуры обеспечивается системой нагрева 27, выполненной с возможностью стабилизации температуры и использующей либо омический, либо индукционный нагрев оправы 28 экранирующего оптического элемента 25.
Для обеспечения большого времени жизни экранирующий оптический элемент 25 выполнен, по меньшей мере, частично из материала химически стойкого к воздействию лития при указанных температурах. С этой целью экранирующий оптический элемент 25 может быть выполнен из прозрачного для лазерного излучения оптического материала с химически стойким покрытием.
2
3
В предпочтительных вариантах изобретения экранирующий оптический элемент 25 выполнен из сапфира, то есть из искусственного корунда AlO, стойкого к воздействию лития при температурах 350-450°С. При этом длина волны λ лазерного излучения находится в диапазоне оптической прозрачности сапфира 0,3-3,5 мкм.
2
3
Изготовление экранирующего оптического элемента из сапфира или искусственного корунда AlO, используемого для изготовления оптических изделий, работающих в экстремальных условиях при воздействии высоких температур, механических нагрузок, агрессивных сред и радиации, обеспечивает большое время жизни экранирующего оптического элемента. При этом реализуется возможность использования лазеров различного типа, длина волны которых находится в широком диапазоне оптической прозрачности сапфира 0,3-3,5 мкм, в частности, высокоэффективных компактных и надежных твердотельных импульсно-периодических Nd:YAG лазеров.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения входное окно 5 и экранирующий оптический элемент 25 примыкают к расположенной между ними субкамере 29 с вводом газа 4. Система безмасляной вакуумной откачки 30, которой оснащена вакуумная камера 3, расположена снаружи субкамеры 29, что обеспечивает разность давлений газа по обе стороны экранирующего оптического элемента 25. В результате реализуется поток газа через щелевой зазор по периметру экранирующего оптического элемента 25, препятствующий поступлению паров лития к входному окну 5, а также к наружной стороне экранирующего оптического элемента 25. Для термоизоляции вакуумной камеры 3 и экранирующего оптического элемента 25 с температурой около 400°С, по меньшей мере, часть субкамеры 29, примыкающая к экранирующему оптическому элементу 25 может быть выполнена с низкой теплопроводностью, например, из тонкой нержавеющей стали.
При выполнении устройства в предложенном виде входное окно 5 надежно защищено от загрязнений и не требует нагрева, что повышает надежность герметизации входного окна и увеличивает время жизни его герметизирующей прокладки.
В вариантах реализации изобретения экранирующий оптический элемент выполнен в виде фокусирующей линзы, Фиг. 1, что позволяет минимизировать фокусное расстояние и за счет этого повысить остроту фокусировки лазерного пучка. В результате достигается повышение яркости источника ЭУФ излучения.
В других варианта реализации изобретения для фокусировки лазерного пучка 6 может служить фокусирующая линза, установленная снаружи входного окна 5. В вариантах изобретения фокусирующая линза и входное окно 6 могут быть совмещены.
Преимущественное движение плазмы и частиц жидкого металла из зоны взаимодействия 2 происходит по нормали 31 к поверхности струи 1 в зоне взаимодействия 2. В связи с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения для уменьшения потока загрязняющих частиц на экранирующий оптический элемент 25 и на ЭУФ фильтр 12 оптическая ось 25 лазерного пучка и оптическая ось 32 расходящегося пучка ЭУФ излучения 8 составляют углы с нормалью 31 к поверхности струи 1 в зоне взаимодействия 2, отличные от нуля.
Яркость источника ЭУФ излучения, как правило, максимальна в направлении нормали 31 к поверхности струи в зоне взаимодействия. В связи с этим для обеспечения высокой яркости в пучке ЭУФ излучения угол между осью 32 пучка ЭУФ излучения и нормалью 31 к поверхности струи в зоне взаимодействия должен быть оптимально малым, в частности, не превышающим 30 градусов.
11
2
Фиг. 2 показывает спектр ЭУФ излучения лазерной плазмы при реализации настоящего изобретения с использованием твердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны излучения 1064 нм, длительностью лазерного импульса 17 нс и плотностью мощности лазерного излучения на мишени 1,1⋅10 Вт/см. При данных параметрах устройства обеспечивается спектрально чистое ЭУФ излучение, попадающее в требуемый спектральный диапазон 13,5+/-0,135 нм. При этом длина волны лазера соответствует диапазону оптической прозрачности сапфира, применяемого в качестве материала экранирующего оптического элемента 25 с высоким временем жизни. Планируемые параметры источника, разработанного в соответствии с настоящим изобретением следующие:
- тип лазера: твердотельный Nd:YAG лазер с высокой частотой повторения импульсов
- длина волны лазерного излучения λ-1,064 мкм
- скорость литиевой струи - до 20 м/с
- диаметр струи - 1 мм
- расстояние от зоны взаимодействия до сопла - 50 мм
- расстояние от зоны взаимодействия до выходного ЭУФ окна - 160 мм
- диаметр выходного ЭУФ окна - 20 мм
- прозрачность выходного ЭУФ окна - 40-50%
13,5
- эффективность конверсии источника ЭУФ излучения, CE - до 2,5%
- пространственный угол вывода ЭУФ излучения - Ω=0,012 ср
-6
- энергия в пучке ЭУФ излучения - 6⋅10 Дж
13,5
- средняя мощность ЭУФ излучения, P - 60 мВт
13,5
2
- яркость пучка ЭУФ излучения, B - до 1 кВт/мм ср.
Способ генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы реализуют следующим образом.
-8
Вакуумную камеру 3 с зоной взаимодействия 2 предварительно откачивают системой безмасляной откачки до давления ниже 10 мбар, устраняя остатки газовых компонент, такие как азот и углерод, взаимодействующих с литием. Затем с помощью натекателей через вводы газа 4 подают инертный газ в чистый оптический бокс 17 с коллекторным зеркалом 7 и в субкамеру 29 с входным окном 5 и экранирующим оптическим элементом 25.
Посредством высоконапорного насоса 11, выполненного в виде либо магнитогидродинамического насоса, либо лопастного насоса с жаропрочной магнитной муфтой привода рабочего колеса, в чистых условиях осуществляют циркуляцию жидкого лития по замкнутому контуру 9 с соплом 10, на выходе которого формируют лазерную мишень в виде непрерывной струи жидкого лития 1, поставляемую в зону взаимодействия 2 в вакуумной камере 3.
В импульсно-периодическом режиме облучают непрерывную струю 1 жидкого лития сфокусированным лазерным пучком 6, направление оптической оси 26 которого отличается от нормали 31 к поверхности струи жидкого лития, вводя лазерный пучок 6 в зону взаимодействия 2 через входное окно 5 вакуумной камеры 3, экранирующий оптический элемент 25 и отверстие 21 в защитном кожухе 20, окружающем струю 1 жидкого лития.
Вывод на коллекторное зеркало 7 ЭУФ излучения из плотной высокотемпературной лазерной плазмы, генерируемой в зоне взаимодействия 2, осуществляют расходящимся пучком ЭУФ излучения 8 через отверстие 22 в защитном кожухе 20 и ЭУФ фильтр 12, служащий выходным ЭУФ окном вакуумной камеры 3.
В процессе работы температуру защитного кожуха 20, посредством которого осуществляют отвод тепла из зоны взаимодействия 2 и подавляют выход материала лазерной мишени за пределы замкнутого контура 9, поддерживают на уровне выше температуры плавления лития 180°С.
С помощью систем нагрева 18, 27 поддерживают температуры экранирующего оптического элемента 25 и ЭУФ фильтра 12 в диапазоне от 350 до 450°С, обеспечивая их эффективную испарительную очистку. При этом поддерживают давление инертного газа с наружных сторон ЭУФ фильтра 12 и экранирующего оптического элемента 25 выше давления в вакуумной камере 3, обеспечивая надежную защиту коллекторного зеркала 7 и входного окна 5 от загрязнений.
Устройство и способ для генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, обладают следующими основными преимуществами.
Обеспечивается устойчивое положение мишени, ее размера и, соответственно стабильность дозы ЭУФ излучения.
Достигается непрерывный режим работы устройства с практически неограниченным ресурсом, не требующий открытия вакуумной камеры для замены Li мишени, как в случае использования оловянных капельных мишеней.
Использование Li в качестве материала мишени уменьшает деградацию оптических элементов при воздействии корпускулярного излучения по сравнению с использованием олова.
Достигается относительная простота испарительной очистки оптических элементов.
Достигается длительный срок службы коллекторного зеркала, благодаря его размещению вне вакуумной камеры.
В отличие от оловянной или ксеноновой плазмы, высокая спектральная чистота излучения Li-плазмы снижает радиационную нагрузку на коллекторное зеркало, а также на ЭУФ фильтр, обеспечивая дальнейшее увеличение их времени жизни.
Достигается длительный срок службы входного окна для ввода лазерного пучка, благодаря использованию газовой защиты и сапфирового экранирующего элемента.
Достигается простота конструкции источника ЭУФ излучения, повышается удобство и снижается стоимость его эксплуатации.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенные устройство и способ предназначены для ряда применений, включающих ЭУФ метрологию, инспекцию нано- и микроструктур. Основным результатом изобретения является обеспечение возможности создания коммерчески доступного источника излучения, отвечающего требованиям, предъявляемым к источникам для актинической инспекции масок в ЭУФ литографии.