ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР
WIDE-BAND REFLECTIVE FILTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к оптическим элементам, а именно к широкополосному отражательному фильтру с настраиваемой в диапазоне 10-100 нм длиной волны отсечки коротковолнового излучения, предназначенному преимущественно для подавления излучения высокой яркости в коротковолновой области экстремального ультрафиолета (ЭУФ) при измерении характеристик литографических ЭУФ-источников в широком диапазоне вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) спектра.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известный из JP 2012128155 управляемый оптический фильтр низких частот, использующий эффект двойного лучепреломления, позволяет увеличивать разрешающую способность и получать оптимальное качество изображений, получаемых цифровой фотокамерой. Управление характеристиками указанного фильтра осуществляется вращением одного из элементов двулучепреломляющей оптической пары.
Однако для пропускающих фильтров нет материалов, для фильтрации областей спектра широкого ВУФ-диапазона с глубоким подавлением коротковолновой части спектра в диапазоне 10-100 нм.
Такое подавление может быть осуществлено с помощью газовых фильтров, например, на основе Ne и Ar, подавляющих излучение соответственно в области 10-55 и 10-80 нм. Такие фильтры, известные, например, из патентной заявки US 20130181595 предложено использовать в широкополосных источниках света с лазерной накачкой для отсечки коротковолнового излучения, способного приводить к соляризации материала колбы и к уменьшению оптического выхода со временем.
Однако такие фильтры сложны в использовании и потому не могут применяться в спектральных приборах и системах построения изображений вне лабораторных условий.
со
Перспективным может быть создание отражательного фильтра, основанного на использовании отклоняющего зеркала. Отражательная способность зеркала при переходе к ВУФ области быстро падает по мере уменьшения длины волны излучения. Однако для малых, около 10°, углов скольжения θ, то есть для скользящего падения, коэффициент отражения еще достаточно высок. Согласно эмпирическому правилу, известному из В. , Wavelength measurements in the vacuum ultra-violet, Reports on Progress in Physics, Volume 26, 181, 1963, эффективность зеркала при скользящем падении начинает заметно спадать при длинах волн, выраженных в нанометрах, меньших величины угла скольжения θ, выраженного в градусах. Наименьшая наблюдаемая длина волны при этом оказывается примерно на 25% меньше полученного значения. Поэтому зеркала могут служить широкополосными отражательными фильтрами, отрезающими коротковолновую часть излучения. Несомненным достоинством подобных фильтров могут быть возможность работы в ВУФ-диапазоне и управление длиной волны отсечки λ коротковолнового излучения.
Недостатками подобных фильтров могут быть их низкая контрастность, большая ширина переходной полосы, искажения, вносимые в ход пучка излучения отражательным фильтром, сложность его установки и съема, затрудняющие использования отражательного фильтра совместно со спектральными приборами и системами построения изображений в ВУФ-диапазоне.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к созданию широкополосного фильтра с настраиваемой в ВУФ-диапазоне (10-100 нм) длиной волны отсечки коротковолнового излучения высокой яркости, способного искажать в высоких порядках дифракции спектр более длинноволновой части ВУФ-диапазона и способного повредить оптический детектор спектрального прибора или системы построения изображения, в частности, при измерении характеристик литографических ЭУФ-источников в широком диапазоне ВУФ-спектра.
Решение достигается за счет использования широкополосного отражательного фильтра с отсечкой коротковолнового излучения, содержащего по меньшей мере одну систему из четырех зеркал, освещаемых пучком излучения от удаленного источника излучения, характеризующегося тем, что система из четырех зеркал выполнена с возможностью их перемещения, изменяющего угол скольжения, под которым освещается каждое зеркало, причем направление распространения и пространственное положение пучка излучения на выходе отражательного фильтра после последовательного отражения от каждого из зеркал не изменяется при перемещении зеркал.
Предпочтительно система четырех зеркал представляет собой две пары зеркал, в каждой из которых два плоских зеркала, нормали к поверхности которых коллинеарны и противоположно направлены, установлены неподвижно друг относительно друга, при этом обе пары зеркал выполнены с возможностью их поворота в противоположных направлениях вокруг двух параллельных осей.
со
Предпочтительно каждое из зеркал освещается пучком излучения под одинаковым по абсолютной величине углом скольжения θ, определяющим длину волны λ отсечки коротковолнового излучения.
Предпочтительно все зеркала имеют идентичные отражающие покрытия.
Предпочтительно, отражающие покрытия зеркал выполнены из материала, дающего высокий контраст отражательного фильтра, например, из одного из следующих материалов: Al, Ni, Cr, Si, С, SiC.
2
2
Отражающее покрытие зеркал может иметь защитное покрытие, например, из одного из следующих материалов: MgF, LiF, SiO.
c
c
В вариантах изобретения каждое из зеркал освещается под углом скольжения θ, не превышающим критический угол полного внешнего отражения θ: θ<θ.
В вариантах изобретения величина углов скольжения, под которыми освещаются зеркала, не превышает 20°.
В вариантах изобретения устройство характеризуется наличием режима без фильтрации, при котором зеркала перемещают в положение, обеспечивающее проход пучка излучения без взаимодействия с зеркалами.
В вариантах изобретения устройство дополнительно содержит нейтральный фильтр, выполненный с возможностью его ввода в зону прохождения пучка излучения.
Предпочтительно зеркала расположены в корпусе, при этом привод перемещения зеркал расположен, по меньшей мере, частично, снаружи корпуса.
В вариантах изобретения перемещение зеркал осуществляется посредством ручного привода.
В других вариантах реализации изобретения перемещение зеркал осуществляется посредством электрического привода.
Привод перемещения зеркал может быть оснащен зубчатой передачей.
Предпочтительно привод перемещения зеркал оснащен индикатором величины угла скольжения θ, под которыми освещаются зеркала.
В вариантах изобретения отражательный фильтр используется совместно с ВУФ-спектрометром.
В вариантах изобретения отражательный фильтр используется совместно с системой построения изображения.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно-следственные связи.
co
Наличие, по меньшей мере, одной системы из четырех зеркал, последовательно отражающих пучок излучения, определяет высокий контраст фильтра и глубокое подавление коротковолнового излучения с длинами волн менее длины волны отсечки λ.
co
За счет освещения системы зеркал под одинаковым углом скольжения θ и использования идентичных отражающих покрытий всех зеркал, достигается резкий наклон среза отражательного фильтра вблизи длины волны λ отсечки.
c
c
co
Освещение каждого из зеркал под углом скольжения θ, не превышающим критический угол полного внешнего отражения θ: θ≤θ≤20°, - обеспечивает малое ослабление проходящего через отражательный фильтр ВУФ-излучения, поскольку при λ>λ для указанных малых углов скольжения коэффициент отражения зеркал высок.
со
Варьирование угла скольжения θ, под которым освещается каждое из зеркал отражательного фильтра, обеспечивает возможность настройки длины волны λ отсечки коротковолнового излучения в широкой области от 10 до 80 нм.
Система зеркал, выполненная в соответствии с изобретением, не отклоняет и не смещает пучок излучения, проходящий через отражательный фильтр, что определяет удобство его эксплуатации совместно с различными приборами.
Наличие режима без фильтрации, при котором пучок излучения беспрепятственно проходит через фильтр без взаимодействия с зеркалами, а также использование в этом режиме нейтрального фильтра расширяет функциональные возможности устройства, обеспечивая, в частности, возможность регистрации параметров литографических ЭУФ-источников излучения в широком ВУФ-диапазоне, как вблизи рабочей длины волны источника, λ=13,5 нм, так и в более длинноволновом ВУФ-диапазоне, где спектральная яркость ниже на несколько порядков по величине.
Выполнение отражающего покрытия зеркал из одного из следующих материалов: Al, Ni, Cr, Si, С, SiC, обеспечивает высокий контраст отражательного фильтра. Кроме этого, выбор материала отражающего покрытия зеркал позволяет управлять характеристиками отражательного фильтра.
2
2
Защитное покрытие из таких материалов как MgF, либо LiF, SiO позволяет увеличить долговременную стабильность и время жизни отражательного фильтра.
Использование корпуса, ручного привода с зубчатой передачей и индикатором перемещения зеркал, обеспечивает простоту конструкции и удобство эксплуатации отражательного фильтра.
Электрический привод перемещения зеркал, например, с шаговым двигателем позволяет осуществлять автоматизированное управление отражательным фильтром.
Использование предложенного отражательного фильтра совместно с ВУФ-спектрометром и/или с системой построения изображения позволяет измерять в широком диапазоне ВУФ-спектра основные характеристики источников излучения, характеризующихся высокой яркостью излучения в области мягкого рентгеновского и/или ЭУФ-диапазона.
со
Таким образом, техническим результатом изобретения является создание широкополосного отражательного фильтра, характеризующегося настраиваемой в диапазоне 10-100 нм длиной волны λ отсечки коротковолнового излучения, резким наклоном среза, высоким контрастом, большим временем жизни и удобством эксплуатации, в том числе, совместно с ВУФ-спектрометрами и системами построения изображения, в частности, для контроля параметров литографических ЭУФ-источников в широком диапазоне ВУФ-спектра.
Вышеупомянутые и другие особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Существо изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схематичное изображение отражательного фильтра в соответствии с изобретением.
Фиг. 2 схематичное изображение фильтра в составе спектрометра с пространственным разрешением в направлении, перпендикулярном направлению дифракции.
Фиг. 3 - спектр лазерной Sn-плазмы в ВУФ-диапазоне 6-200 нм.
Фиг. 4 - результаты теоретического моделирования характеристик отражательного фильтра.
Фиг. 5 - результаты экспериментальные тестирования образца отражательного фильтра.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.
Данные чертежи не охватывает и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.
В соответствии с примером осуществления изобретения, иллюстрируемым Фиг. 1, широкополосный отражательный фильтр 1 содержит, по меньшей мере, одну систему из четырех зеркал 2, 3, 4, 5, освещаемых пучком излучения 6 от удаленного источника излучения 7. Система из четырех зеркал 2, 3, 4, 5 выполнена с возможностью перемещения, изменяющего угол скольжения θ, под которым освещается каждое зеркало, причем направление распространения и пространственное положение пучка излучения 8 на выходе отражательного фильтра 1 после последовательного отражения от каждого из зеркал 2, 3, 4, 5 не изменяется при перемещении зеркал 2, 3, 4, 5.
а
а
-3
-3
Для формирования пучка излучения 6 на входе фильтра 1 может быть установлена диафрагма 9. Здесь удаленность источника излучения 7 означает, что его угловой размер, определяемый отношением его характерного размера  к его удаленности А от отражательного фильтра 1 мал, а именно не превышает 10 рад: /А≤10 рад. Это определяет формирование на входе отражательного фильтра квазипараллельного пучка излучения 6 или, другими словами, пучка излучения, близкого к параллельному.
co
Возможность перемещения зеркал, изменяющего угол скольжения θ, под которым освещается каждое зеркало, обеспечивает регулировку отражательного фильтра за счет изменения длины волны отсечки коротковолнового излучения λ. При этом за счет применения системы перемещаемых зеркал, Фиг. 1, не отклоняющих и не смещающих квазипараллельный пучок излучения при проходе через отражательный фильтр, достигается удобство его эксплуатации совместно с различными приборами.
co
Широкополосные зеркала нормального падения имеют малый коэффициент отражения в ВУФ-области спектра и обычно могут обеспечить длину волны λ отсечки коротковолнового излучения не менее 100 нм.
c
c
c
Z
Z
-4
2
3
Характеристики фильтра меняются при использовании зеркал скользящего падения. При очень малых углах скольжения θ излучение не входит в среду, а полностью отражается, как известно, например из Optical Properties Of Films And Coatings, Chapter 42 in Handbook of Optics: Volume IV - Optical Properties of Materials, Nonlinear Optics, Quantum Optics, 2010. http://www.photonics.intec.ugent.be/education/IVPV/res_handbook/vlch42.pdf. Явление называется полным внешним отражением. Угол скольжения θ, при котором преломленный луч скользит по границе раздела, называется критическим углом полного внешнего отражения. Для θ справедливо выражение cosθ=(1-δ), , где δ=5,4⋅10 (Zρ/A)λ, Z - атомный номер, ρ - плотность вещества в г/см, A - атомный вес, λ - длина волны в нм.
c
co
Таким образом, коротковолновое излучение отражается от гладких поверхностей при падении под скользящими углами θ<θ, которые для любых веществ изменяются от долей градуса в области рентгеновского излучения до 10-20° в ЭУФ-области спектра. Для использования зеркал скользящего падения в качестве широкополосных отражательных фильтров, отсекающих коротковолновую часть излучения, используется та их особенность, что коэффициент отражения падает с уменьшением λ. При этом для каждого материала и определенного угла θ существует коротковолновая граница отражения или другими словами - длина волны λ отсечки коротковолнового излучения.
co
c
c
В связи с этим в вариантах изобретения для обеспечения работы отражательного фильтра с длиной волны отсечки λ в спектральной области от рентгеновского до ЭУФ-диапазона зеркала 2, 3, 4, 5 освещают под углом скольжения θ, не превышающим критический угол полного внешнего отражения θ: θ<θ≤20°.
co
co
co
Покрытия зеркал могут быть выполнены из одного из следующих материалов: Al (λ≥1,2 нм, θ≥2°), Ni (λ≥1,9 нм, θ≥4,5°), Cr (λ≥2,8 нм, θ≥5°), Si, С, SiC и других материалов, например, Os-Si, Os-Sc-Si, дающих высокий контраст отражательного фильтра.
2
2
Для обеспечения высокого времени жизни отражающих покрытий зеркала могут иметь защитное покрытие, например, из одного из следующих материалов: MgF, LiF, SiO и других.
co
Наличие по меньшей мере одной системы из четырех зеркал, последовательно отражающих пучок излучения, обеспечивает глубокое подавление коротковолнового излучения в области длин волн λ<λ.
При необходимости для более глубокого подавления коротковолнового излучения и достижения более высокого контраста отражательный фильтр может содержать несколько систем из четырех зеркал.
0,8
0,5
0,05
co
0,5
co
Одной из важных характеристик фильтра является наклон среза, определяемый как , где λ, λ и λ относятся к длинам волн, при которых коэффициенты пропускания равны 0.8, 0.5 и 0.05 от максимального пропускания фильтра, λ=λ. Для обеспечения резкого наклона среза в предпочтительных вариантах реализации изобретения каждое из зеркал 2, 3, 4, 5 освещается квазипараллельным пучком излучения под одинаковым по абсолютной величине углом скольжения θ, определяющим длину волны λ отсечки коротковолнового излучения.
co
С этой же целью в предпочтительных вариантах реализации изобретения все зеркала имеют идентичные отражающие покрытия, материалы которых также влияют на величину длины волны λ отсечки фильтра.
Система четырех зеркал 2, 3, 4, 5 может быть выполнена в виде двух пар плоских зеркал 2, 3 и 4, 5, в каждой из которых два плоских зеркала, нормали к поверхности которых коллинеарны и противоположно направлены, установлены неподвижно друг относительно друга, например, на поворотных платформах 10, 11. При этом обе пары зеркал выполнены с возможностью их поворота в противоположных направлениях вокруг двух параллельных осей 12 и 13. На Фиг. 1 оси вращения перпендикулярны плоскости чертежа.
Обе пары зеркал 2, 3 и 4, 5 могут быть симметричны относительно плоскости, перпендикулярной направлению распространения квазипараллельного пучка излучения 6. На Фиг. 1 проекция плоскости симметрии двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5 на плоскость чертежа показана линией 14.
Поворотные платформы 10, 11 могут быть выполнены в виде сцепленных между собой шестеренчатых колес, либо может использоваться передаточный механизм иного типа, обеспечивающий синхронный поворот на одинаковый угол в противоположных направлениях двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5, закрепленных на поворотных платформах 10, 11.
Зеркала 2, 3, 4, 5 могут быть расположены в корпусе 15, входной фланец которого подсоединяется к вакуумной камере с удаленным источником излучения 7. К выходному фланцу корпуса 15 подсоединяется ВУФ-спектрометр, либо система построения изображения источника излучения.
Привод перемещения зеркал может быть расположен, по меньшей мере, частично снаружи корпуса 15. В варианте исполнения он включает в себя вал с осью вращения 12, проходящий сквозь герметичный корпус 15, используя скользящее уплотнение либо магнитную муфту.
co
В варианте изобретения для поворота двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5 этот вал может быть снабжен приводом, например, ручным приводом 16 в виде рычага настройки и зубчатой передачи, содержащей зубчатые колеса 10, 11. Непрерывная настройка длины волны отсечки λ в диапазоне 10-100 нм возможна с помощью поворота рычага настройки 16. Для удобства эксплуатации фильтр может быть оснащен индикатором, например в виде шкалы 17, показывающим величину угла скольжения θ в зависимости от положения рычага 16 ручного привода кругового перемещения двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5.
В другом варианте реализации изобретения для автоматизированного управления отражательным фильтром 1 круговое перемещение двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5 может осуществляться электрическим приводом, например, с шаговым электродвигателем.
На Фиг. 2 схематично показан вариант широкополосного отражательного фильтра, используемого в составе ВУФ-спектрометра и/или системы построения изображения. На Фиг. 2 квазипараллельный пучок излучения 8, прошедший через отражательный фильтр 1, освещает входную щель 18 ВУФ-спектрометра, выделяющую пучок излучения, освещающий под скользящим углом дифракционную решетку 19. Детектор 20 ВУФ-спектрометра регистрирует спектр дифрагированного пучка излучения.
В варианте, показанном на Фиг. 2, ВУФ-спектрометр имеет двухкоординатный детектор 20 и освещение входной щели 18 через установленную между ней и удаленным источником излучения 7 диафрагму 21 в виде дополнительной щели, параллельной плоскости дисперсии ВУФ-спектрометра. Это позволяет регистрировать не только спектр, но и размер излучающей области удаленного источника излучения 7 на различных длинах волн ВУФ-спектра с высоким пространственным разрешением.
В другом варианте система построения изображения может быть выполнена в виде камеры-обскуры, содержащей только диафрагму 21 с круглым отверстием малого (обычно менее 100 мкм) диаметра и двухкоординатный детектор 20.
В вариантах реализации изобретения отражательный фильтр характеризуется наличием режима без фильтрации, при котором зеркала 2, 3, 4, 5 перемещают в положение, обеспечивающее проход квазипараллельного пучка излучения 6 без взаимодействия с зеркалами.
Наличие различных режимов работы отражательного фильтра позволяет регистрировать спектр удаленного источника излучения 7 как без обрезки, так и с обрезкой коротковолновой части спектра. В частности, достигается возможность регистрации параметров литографических ЭУФ-источников излучения, как вблизи рабочей длины волны источника, λ=13,5 нм, так и в широком ВУФ-диапазоне.
2
Источники излучения для проекционной ЭУФ литографии основаны на использовании лазерной плазмы олова (Sn). Для примера на Фиг. 3 в полулогарифмическом масштабе представлен спектр излучения ЭУФ-источника на основе лазерной Sn-плазмы. Для генерации плазмы использован CO-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм, энергией 0,5 Дж в импульсе длительностью 100 нс и фокальным пятном диаметром 300 мкм.
Из Фиг. 3 видно, что интенсивность излучения ЭУФ-источника на λ=13,5 нм выше на 2-3 порядка по величине по сравнению с интенсивностью излучения в длинноволновой части ВУФ-спектра. Это может затруднять измерения характеристик источника ЭУФ-излучения в широком ВУФ-диапазоне в режиме без фильтрации из-за возможности повреждения детектора 20 ЭУФ-излучением слишком высокой яркости.
С целью преодоления указанных трудностей устройство может дополнительно содержать нейтральный фильтр 22 (Фиг. 2), выполненный с возможностью его ввода в зону прохождения квазипараллельного пучка излучения 8 при переводе отражательного фильтра в режим без фильтрации.
co
co
Работу широкополосного отражательного фильтра 1 осуществляют следующим образом. Входной фланец корпуса 15 отражательного фильтра подсоединяют к вакуумной камере с удаленным источником коротковолнового излучения 7. К выходному фланцу корпуса 15 отражательного фильтра подсоединяют компактный ВУФ-спектрометр 18, 19, 20 и/или систему построения изображения 21, 20. Квазипараллельный пучок излучения, сформированный с помощью диафрагмы 9, направляют на систему из четырех зеркал 2, 3, 4, 5. Перемещением зеркал, не меняющим направление распространения и пространственное положение квазипараллельного пучка излучения 8 на выходе отражательного фильтра 1, устанавливают угол скольжения θ, под которым освещаются зеркала 2, 3, 4, 5. Перемещение зеркал возможно производить посредством привода 10, 11, которым осуществляют синхронный поворот в противоположных направлениях вокруг параллельных осей 12, 13 двух пар неподвижных друг относительно друга зеркал 2, 3 и 4, 5, нормали к поверхности которых коллинеарны и противоположно направлены. При этом угол скольжения θ, определяющий длину волны λ отсечки коротковолнового излучения, визуализируется индикатором 17. Для различных значений λ с помощью ВУФ-спектрометра регистрируют спектры с отсечкой коротковолнового излучения. При переводе отражательного фильтра в режим без фильтрации с помощью нейтрального фильтра 22, предохраняющего детектор 20 от повреждения, регистрируют спектр излучения в коротковолновой части ВУФ-диапазона. При этом спектр длинноволновой части ВУФ-диапазона может быть искажен высокояркостным излучением коротковолновой части ВУФ-диапазона в высоких порядках дифракции. Сшивкой измерений с отражательным фильтром и без него получают истинный спектр источника излучения в широком ВУФ-диапазоне. Аналогичным образом в направлении, поперечном направлению дифракции с помощью детектора 20 может производиться регистрация размеров областей источника излучения 7, эмитирующих на различных длинах волн ВУФ-спектра.
Синхронное перемещение двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5 предпочтительно осуществляют при помощи электрического привода, управляемого с помощью программируемого контроллера ВУФ-спектрометра и/или системы построения изображения, в составе которых используется отражательный фильтр. При этом установку и регистрацию угла скольжения осуществляют с помощью панели управления с цифровой индикацией угла установки зеркал.
В варианте реализации изобретения, характеризующегося упрощенной конструкцией отражательного фильтра, перемещение двух пар зеркал 2, 3 и 4, 5 осуществляют ручным приводом с рычагом настройки 16, снабженным индикатором 17 угла скольжения θ в виде шкалы.
co
Для различных углов скольжения θ на Фиг. 4 показаны расчетные зависимости коэффициента отражения системы из четырех Al зеркал в зависимости от длины волны излучения. Результаты расчетов широкополосного отражательного фильтра, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, показывают возможность регулировки длины волны λ отсечки коротковолнового излучения в достаточно широких пределах, по меньшей мере, от 20 до 80 нм.
Это подтверждается и результатами экспериментального тестирования отражательного фильтра, показанными на Фиг. 5. Спектры 23, 24, 25 источника ЭУФ-излучения на основе лазерной Sn-плазмы, полученные соответственно в режиме без фильтрации и при различных значениях угла скользящего падения, подтверждают достижение заявленного технического эффекта настоящего изобретения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенное изобретение предназначено для использования в аналитическом приборостроении, в частности, для средств контроля плазменных литографических источников ЭУФ-излучения.