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等離子體技術(shù)--EUV激光器
以下摘自《CO2激光驅(qū)動錫靶產(chǎn)生極紫外光源的實驗研究》
一、EUV簡介
在下一代光刻機(jī)光源的候選名單中，**受大家關(guān)注的是，離子體輻射極紫外光(EUV: extreme ultraviolet)，極紫外光刻技術(shù)能夠使特征尺寸小到50nm以內(nèi)。
某些靶材的等離子體輻射出EUV光，在某個波段會出現(xiàn)峰值，比如氙靶輻射的峰值在11.5nm，而錫靶輻射的峰值在13.5nm。
光刻機(jī)光源波長選擇為13.5nm，主更是因為鍍有多層鉬硅介質(zhì)膜(Mo/Si)的反射鏡在13.5nm處，2%的帶寬有很高的反射率，約70%11。
二、EUV的產(chǎn)生
產(chǎn)生EUV光主要有三種方式：同步輻射、電子放電產(chǎn)生等離子體、激光驅(qū)動產(chǎn)生等離子體。
（1）同步輻射指的是高速電子在磁場中運動，當(dāng)電子運動方向變化時，在運動的軌跡切線方向上產(chǎn)生EUV光輻射。
以同步輻射方式產(chǎn)生的EUV光源，對光學(xué)元件沒有碎屑污染，因而使用壽命很長，但是整套設(shè)備復(fù)雜、靈活度很低，價格昂貴、性價比低。
（2）電子放電產(chǎn)生EUV光直接將電能轉(zhuǎn)化為EUV輻射能，電極壽命短，輸出功率受到限制。
在氣體放電過程中，除了13.5nm處的輻射外，絕大部分能量轉(zhuǎn)化為其它波段的輻射，這些能量必須通過對放電電極的冷卻來及時導(dǎo)出，否則將會對電極產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕作用，從而影響電極壽命，
加上所有的一切都要在真空室內(nèi)進(jìn)行，這對冷卻的要求來說就更為困難了。因此，可以說放電等離子體中熱負(fù)載的處理效率極大地限制了它可以得到的比較大極紫外輻射功率。除了余熱移除能力對放電
等離子體的限制以外，它還有一個致命弱點就是放電區(qū)域較大，這首先會導(dǎo)致光源可收集立體角范圍比較小，也就是說等離子體發(fā)出的EUV輻射不能得到有效收集。
（3）激光等離子體光源有以下主要優(yōu)點:
1)等離子體可以遠(yuǎn)離象電子放電電極那樣的機(jī)械邊界，這樣就可以降低冷卻的要求和材料的腐蝕；
2)由于激光聚焦的光斑尺寸要小很多，激光等離子體產(chǎn)生的EUV光源發(fā)散角小于光刻系統(tǒng)的可接受集光角，所以原理上輻射的EUV光都是有用的；
3)激光等離子體光源沒有電子放電那樣受熱負(fù)荷的限制，它能夠通過增大相應(yīng)的激光功率來實現(xiàn)更高功率的EUV光輸出，這對將來實際量產(chǎn)有十分重要的意義；
4)激光等離子體中可以使用大尺寸的接收鏡，也就意味著更多的EUV光子可以被收集利用。
三、驅(qū)動電源
在選擇驅(qū)動光源時，人們也做了一些嘗試，用的**多的是Nd:YAG固體激光器與co2氣體激光器。
CO2激光器轉(zhuǎn)換效率＞Nd:YAG激光器
光速質(zhì)量：CO2激光器好于Nd:YAG(更集中在13.5nm附近)
四、碎屑問題
激光轟擊固體錫靶時產(chǎn)生碎屑，沉積在Mo/si反射鏡的表面，降低它對EUV光的反射效率，**終影響到的EUV光輸出功率，減少光刻機(jī)的使用壽命。
大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)要求光刻機(jī)光源的壽命大于30000小時，因此減少碎屑是光刻機(jī)光源研究中不可缺少的一部分。
研究者想了很多方法來減少碎屑，使EUV光源成為清潔光源。
常見的做法就是加磁場，減小離子的動能，讓離子沒有足夠的動能達(dá)到收集鏡，這只對帶電離子有效；
也有充入緩沖氣體的，增加原子、離子的阻力。這些方法都能在一定程度上改善。
也有研究者模擬碎屑的動力學(xué)過程，從理論上分析哪些離子態(tài)是主要的污染源。
由前面論述，同樣靶材的情況下, CO2激光器驅(qū)動產(chǎn)生的碎屑要少；液體靶產(chǎn)生的碎屑比固體靶少；所以用CO2激光轟擊液體靶，產(chǎn)生的碎屑更加少了，能**提高光刻機(jī)光源的使用壽命。
碎屑問題：CO2激光器產(chǎn)生的碎屑＜Nd:YAG激光器產(chǎn)生的碎屑
五、光放大
激光器實現(xiàn)光放大的一個必要條件就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，CO2激光器也不例外。
粒子數(shù)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)主要有以下幾個過程:
(1)電子碰撞激發(fā)N2的振動能級。N2是同核分子,在發(fā)射光子時不會損失這部分碰撞能量。N2振動能級的激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài),電子壽命相對比較長,約0.4毫秒,可積累較多的N2分子。
(2) N2與CO2分子相互碰撞引起CO2的振動能級的躍遷,且有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)滿足激光出光的條件。
(3) N2分子處于較低的激發(fā)態(tài)。N2分子與低溫He原子碰撞,躍遷到基態(tài)。
高溫He原子必須冷卻,才來維持CO2分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在密閉的激光腔中, He原子與容器壁碰撞的方式來降溫。在縱向流動激光中, Co2與N2的混合氣流被等離子體放電所激發(fā),諧振腔內(nèi)的高溫混合氣體被氣泵抽出。
六、整體結(jié)構(gòu)示意
（1）激光正入射，經(jīng)透鏡聚焦后打在錫靶材上；
（2）透鏡焦距為100mm，靶材平面與平場光柵光譜儀成450夾角；
（3）激光轟擊靶材產(chǎn)生等離子體，等離子體輻射出EUV光；
（4） EUV光經(jīng)Zr膜過濾后，進(jìn)入平場光柵光譜儀，光柵衍射，在CCD上成像，數(shù)據(jù)處理后在電腦上顯示出來；
（5）靶室與診斷室之間用KF50的波紋管連接，診斷室后板上有空，接有波紋管及CCD支架，CCD直接安裝在支架上。
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