CN101319936A - 极紫外波段发射效率测量装置 - Google Patents

Abstract

一种极紫外波段发射效率测量装置，该装置的结构包括：沿极紫外光前进方向依次是铝膜、水平狭缝、第一柱面金镜、第二柱面金镜、平面金镜、竖直狭缝、平场光栅、X射线CCD和计算机，该装置的优点是：采用计算机采集和处理数据，迅速准确；灵敏度高可实现单次测量；成像系统和光栅可有效滤除杂散光，结果精确度高；可单独对5－40纳米波长范围内任意波段的效率进行测量。

Description

极紫外波段发射效率测量装置

技术领域

本发明是一种新型的激光与物质作用产生的极紫外光(ExtremeUltraviolet，以下简称EUV)发射效率的测量装置。在本装置中，采用掠入射的柱面金镜对EUV进行收集成像，并用平场光栅对EUV进行色散，再用X射线面阵电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，以下简称CCD)进行采集，最后计算机分析处理数据。能对5～40纳米波长范围内的EUV在任意波段的效率进行单次测量。

背景技术

强激光与物质相互作用会产生等离子体并辐射出X射线，可以认为是一个高效的X射线源，这在许多方面有着广泛的应用，如X光照相、光刻，也可作为稠密物质的短脉冲探针。极紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography)是以波长为10～14纳米的EUV(也称为软X射线)为曝光光源的微电子光刻技术，出于安全性的考虑，一般采用13.5纳米的EUV，极紫外光刻是深紫外光刻(Deep Ultraviolet Lithography)向更短波长的自然延伸，本质上与光学光刻十分相似，只是在材料的强烈吸收中存在差异，使光学系统必须采用反射式。极紫外光刻是首选的下一代光刻技术，能将光刻分辨率提高到优于50纳米[参见Silfvast W T，Ceglio N M 1993 Appl.Opt.32 68952]。与其它以电子或离子束作为光刻源的新型光刻技术相比，它的优势在于能最大限度地继承深紫外光刻的关键技术和工艺。商用的光刻机要求EUV源在波长为13.5纳米(带宽为0.27纳米)处能产生300瓦的功率。这就要求EUV要有非常高的发射效率，一个能高效快速准确测量EUV发射效率的系统对于EUV光刻技术的发展是非常必要的。目前已有商用EUV光刻机投入使用。

发明内容

本发明的目的是为了准确迅速测量EUV的发射效率，提供一种极紫外波段发射效率测量装置，该装置对EUV波长的测量范围是5～40纳米。由于空气对EUV有强烈的吸收，所以整个系统必须工作在真空中。

本发明的技术解决方案如下：

一种极紫外波段发射效率测量装置，其特点是该装置的结构包括：沿极紫外光前进方向依次是铝膜、水平狭缝、第一柱面金镜、第二柱面金镜、平面金镜、竖直狭缝、平场光栅、X射线CCD和计算机，其位置关系如下：由S点发射的待测的极紫外光，经由所述的铝膜、水平狭缝掠入射在第一柱面金镜上，该第一柱面金镜的柱面轴线平行于光学平台，并被反射到所述的第二柱面金镜上，该第二柱面金镜的柱面轴线垂直于所述的光学平台，再由所述的平面金镜反射，经过所述的平场光栅色散后将一级衍射谱线成像在所述的X射线CCD上，这些部件置于真空中，各元件的位置和参数必须满足一定关系：假设第一柱面金镜到靶点s和X射线CCD的距离分别为u₁和v₁，第二柱面金镜到靶点s和竖直狭缝的距离分别为u₂和v₂，所述的平场光栅到竖直狭缝和X射线CCD的距离分别为u₃和v₃，EUV在第一柱面金镜、第二柱面金镜、平场光栅上的入射角分别为θ₁，θ₂，θ₃，第一柱面金镜、第二柱面金镜、平场光栅的曲率半径为R₁、R₂、R₃，则u₁、v₁、θ₁和u₂、v₂、θ₂必须满足柱面镜斜入射成像公式

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_1}{R_1},$

$\frac{1}{u_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{2}{R_2\cos {\mathrm{\θ}}_2},$

和几何关系

u₁+v₁＝u₂+v₂+u₃+v₃，

所述的X射线CCD的输出端接所述的计算机。

所述的第一柱面金镜、第二柱面金镜、平面金镜和平场光栅均采用掠入射结构，以提高对所述的被测的极紫外光的反射效率。

强激光与靶相互作用的区域很小，一般在100微米以下，作用产生的EUV发射可以看成点光源。在光路中放置0.5微米的铝膜可以利用铝的吸收边对EUV的波长进行定标，测量EUV发射效率时，将所述的铝膜移走。EUV经由水平狭缝限制后掠入射在第一柱面金镜上，并被反射到第二柱面金镜上，再由平面金镜反射，经过竖直狭缝被平场光栅色散到X射线CCD上，最后由计算机采集并分析数据。

水平狭缝的作用是EUV在竖直方向上进行限制，改变狭缝宽度可以调节对EUV的收集角；第一柱面金镜的柱面轴线平行于光学平台，其作用是收集EUV，并将在竖直方向的EUV成像到X射线CCD上；第二柱面金镜的柱面轴线垂直于所述的光学平台，其作用是将EUV在水平方向线聚焦到竖直狭缝上；竖直狭缝在水平方向对竖直线聚焦的EUV进行限制，其作用是滤去杂散光，提高系统对光谱的分辨能力；平场光栅对经过竖直狭缝的线聚焦的EUV进行色散，并将谱线成像在X射线CCD上，其作用是使EUV的收集具有波长分辨能力，也能进一步滤去激光和其他波长的散射光。

本发明有如下几个特点：

1、利用X射线CCD和计算机系统，可以迅速采集数据和处理数据。

2、EUV采集的灵敏度高，可以对强激光脉冲与物质相互作用产生的EUV进行单次测量。

3、采用柱面金镜成像系统，可以有效滤除杂碎光和激光，提高测量的准确性。

4、采用光栅进行色散，可以得到EUV的光谱，可单独对5～40纳米波长范围内任意波段的效率进行测量。

5、利用铝膜产生的吸收边对EUV光谱进行定标，方便快捷。

附图说明

图1是本发明EUV发射效率测量装置示意图

图2.是平场光栅衍射示意图

图3是定标计算得到的EUV光谱曲线

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明EUV发射效率测量装置示意图，也是本发明实施例EUV发射效率测量装置示意图，由图可见，本发明极紫外波段发射效率测量装置，该装置的结构包括：沿极紫外光前进方向依次是铝膜1、水平狭缝2、第一柱面金镜3、第二柱面金镜4、平面金镜5、竖直狭缝6、平场光栅7、X射线CCD8和计算机9，其位置关系如下：由S点发射的极紫外光，经由所述的铝膜1、水平狭缝2掠入射在第一柱面金镜3上，该第一柱面金镜3的柱面轴线平行于光学平台，并被反射到第二柱面金镜4上，该第二柱面金镜4的柱面轴线垂直于所述的光学平台，再由所述的平面金镜5反射，经过所述的平场光栅7色散后并将一级衍射谱线成像在所述的X射线CCD8上，整个系统置于真空中，该X射线CCD8的输出端接所述的计算机9。

所述的第一柱面金镜3、第二柱面金镜4、平面金镜5和平场光栅7均采用掠入射结构，以提高对所述的被测的极紫外光的反射效率。

本实施例所采用的平场光栅7是日本日立公司生产的平焦场变删距凹面光栅，闪耀角为3.2°，曲率半径为5649毫米，大小尺寸为30×50×10毫米³，平焦场入射角87°，物距237毫米，谱线成像在距光栅中心235.3毫米的平面上；所述的X射线CCD8是美国普林斯顿仪器(Princeton Instruments)公司的产品，型号为PI-SX-7386-0002，单个象素大小为20微米，CCD大小为1340×400象素。

系统的参数设置和原理如下：

(1)装置参数

由于系统中存在成像元件以及平场光栅本身参数的限制，故装置中各元件的位置和参数必须满足一定关系。假设第一柱面金镜3到靶点和CCD的距离分别为u₁和v₁，第二柱面金镜4到靶点和狭缝6的距离分别为u₂和v₂，平场光栅7到狭缝6和X射线CCD8的距离分别为u₃和v₃，EUV在第一柱面金镜3、第二柱面金镜4、平场光栅7上的入射角分别为θ₁，θ₂，θ₃，第一柱面金镜3、第二柱面金镜4、平场光栅7的曲率半径为R₁、R₂、R₃。其中u₃＝237毫米，v₃＝235.3毫米，θ₃＝87°，R₁＝15毫米，R₂＝4732毫米，R₃＝5649毫米为已知参数，则u₁、v₁、θ₁和u₂、v₂、θ₂必须满足柱面镜斜入射成像公式

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_1}{R_1},---\left(1\right)$

$\frac{1}{u_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{2}{R_2\cos {\mathrm{\θ}}_2},---\left(2\right)$

和几何关系

u₁+v₁＝u₂+v₂+u₃+v₃，                                (3)

只需选取适当的参数，使之满足方程(1)，(2)和(3)即可。

(2)谱线定标

铝膜1对小于17.08纳米波长的EUV有强烈的吸收，使EUV光谱形成陡峭的吸收边，这可以用于对谱线的定标。图2为平场光栅衍射示意图。其中L是光栅中心到X射线CCD8面的距离，α是EUV在平场光栅上的入射角，假设x_λ是波长为λ的谱线在X射线CCD8上对应的位置，θ_λ则是相应的衍射角，x₀和θ₀是波长已知为λ₀的定标谱线在X射线CCD8对应的位置及衍射角。根据光栅方程可得

d(sinα-sinθ_λ)＝λ，           (4)

d(sinα-sinθ₀)＝λ₀，           (5)

其中d是光栅刻槽间距。由图2中的几何关系容易得出

x_λ＝Lcotθ_λ，                  (6)

x₀＝Lcotθ₀，                    (7)

由方程(4)，(5)，(6)，(7)可以解得光谱中波长λ与相对位置(x_λ-x₀)的关系为

$\mathrm{\λ}=d\{\sin \mathrm{\α}-\sin \[\mathrm{arccot}(\cot {\mathrm{\θ}}_0+\frac{x_{\mathrm{\λ}}-x_0}{L})\]\},---\left(8\right)$

只要知道谱线在X射线CCD8上与已知定标谱线的相对位置，就可以通过上式算出对应的波长。

(3)效率计算

在测量EUV的发射效率主要考虑了以下几个因素：

1、不同形式靶EUV的发射特性；

2、装置的接收效率η₁；

3、传播损耗效率η₂；

4、X射线CCD的采集效率η₃。

强激光与靶的作用区域大小在100微米以下，可以认为EUV源是个点光源。对于气体靶，可以认为EUV在整个空间的发射是均匀的，发射立体角是4π；对于固体，可以认为EUV辐射强度随空间角度的分布是Lambertian分布[参见Nieto-Vesperinas M 1982 Opt.Lett.7165]，即I(θ)＝I(0)cosθ，其中I(θ)是与靶面法线方向之间夹角为θ方向上的发射强度，I(0)是EUV源在靶面法线方向的发射强度，不考虑背向的EUV辐射时，各向同性的EUV源发射的立体角是2π，对于Lambertian分布来说，其有效立体角是π。

装置的接收立体角Ω取决于三个因素：

1、第一柱面金镜3(或第二柱面金镜4，取两者中对光源张角较小者)在水平方向对EUV光源点的张角α₁，

2、水平狭缝2在垂直方向对光源点的张角α₂，

3、接受方向与靶面法线方向的夹角θ(气体靶则不用考虑)。

由于α₁和α₂很小，故接收效率为

平场光栅在EUV光刻常用的13.5纳米波长附近的一级衍射效率为10％，镀金反射镜在2°掠入射的反射率0.90。由于装置采用了三个反射镜，由光学元件引起的传播损耗效率η₂＝0.1×0.90³＝0.0729。

X射线CCD8采集效率η₃包括量子效率η_Q和计数效率η_C，即η₃＝η_Qη_C。在13.5纳米波长附近，X射线CCD8的量子效率η_Q＝0.4；一个X射线光子转换成X射线CCD8计数的效率 ${\mathrm{\η}}_C=\frac{E_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{eV}\right)}{3.65},$ 其中E_x(eV)是X光子的能量(以电子伏为单位)。可算得，在13.5纳米附近，采集效率η₃＝0.110·E_λ(eV)

因此，如果X射线CCD8探测到波长λ附近EUV的总计数为N_λ，则EUV发射的总能量

$E_{\mathrm{total}}=\frac{N_{\mathrm{\λ}}{E}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{eV}\right)}{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2{\mathrm{\η}}_3}\×1.60\×{10}^{-19}$

$=\frac{N_{\mathrm{\λ}}{E}_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{eV}\right)}{{\mathrm{\η}}_1\×0.0729\×0.110\×E_{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{eV}\right)}\×1.60\×{10}^{-19}$

$=\frac{N_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\η}}_1}\×2.00\×{10}^{-17}$ (焦耳)，

于是EUV的转换效率

$\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_{\mathrm{pump}}}=\frac{N_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\η}}_1{E}_{\mathrm{pump}}}\×2.00\×{10}^{-17},---\left(9\right)$

其中E_pump为泵浦激光单发脉冲的能量。

根据成像公式(1)，(2)和几何关系(3)设置各个元件的位置和入射角，装置选用的参数是u₁＝594毫米，v₁＝678毫米，θ₁＝88.6°；u₂＝659毫米，v₂＝141毫米，θ₂＝87.2°，参见图1。由于系统采用掠入射结构，故对EUV的入射角度的精确度要求比较高。调节时采用的方法是用一束准直的氦氖激光模拟EUV，在后方几米远的地方放一个光屏，然后按量好的位置依次放入各个光学元件，根据屏上光斑偏转的距离就可以精确计算出入射角。X射线CCD8放在一个二维平移调节架上，以便于调节成像面位置和EUV测量波段。

定标时，在狭缝2之前放入铝膜1，根据拍得的光谱图确定吸收边在X射线CCD8水平方向上的位置。由于X射线CCD8上每个象素长度为已知(20微米)，于是很容易算出X射线CCD8上任意位置与吸收边的水平相对距离(x_λ-x₀)，代入公式(8)就可以计算出光谱图在这个位置上波长。以脉冲能量为0.25焦耳的激光电离平板锡靶产生EUV发射源，X射线CCD8上测到的具有一维空间分辨的EUV谱线，利用吸收边进行定标，并在竖直方向(谱线空间成像方向)做积分可以得到EUV发射谱，如图3所示。

测量时，调节水平狭缝2的宽度可以调节EUV的收集角。对于图3中拍得的平板锡靶的谱线图，影响其收集角的参数是：水平狭缝2的宽度δ＝0.1毫米，到EUV源的距离a＝560毫米，第一柱面金镜3的长度L＝28毫米，入射角θ₁＝88.6°，到EUV源的距离u₁＝594毫米，收集方向和靶面法线的夹角θ＝30°，因此接收立体角为

因此接收效率为

计算发射效率时，对EUV谱某波段(对于EUV光刻，感兴趣的波段是13.5±1.35纳米)进行积分，得到总计数N_λ，已知泵浦激光的能量E_pump和接收效率η₁，根据公式(9)就可以计算出发射效率。对图4曲线在13.5±1.35纳米范围内积分，得到总计数N_λ＝1.13×10⁷，脉冲能量E_pump＝0.25焦耳，由(9)式有 $\mathrm{\η}=\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_{\mathrm{pump}}}=\frac{1.13\×{10}^7}{5.67\×{10}^{-8}\×0.25}\×2.00\×{10}^{-17}\×100\%=1.6\%.$

Claims (2)

1、一种极紫外波段发射效率测量装置，其特征在于该装置的结构包括：沿极紫外光前进方向依次是铝膜(1)、水平狭缝(2)、第一柱面金镜(3)、第二柱面金镜(4)、平面金镜(5)、竖直狭缝(6)、平场光栅(7)、X射线CCD(8)和计算机(9)，其位置关系如下：由S点发射的极紫外光，经由所述的铝膜

(1)、水平狭缝(2)掠入射在第一柱面金镜(3)上，该第一柱面金镜(3)的柱面轴线平行于光学平台，并被反射到第二柱面金镜(4)上，该第二柱面金镜(4)的柱面轴线垂直于所述的光学平台，再由所述的平面金镜(5)反射，经过所述的平场光栅(7)色散后并将一级衍射谱线成像在所述的X射线CCD(8)上，这些部件置于真空中，各元件的位置和参数必须满足一定关系：假设第一柱面金镜(3)到靶点s和X射线CCD(8)的距离分别为u₁和v₁，第二柱面金镜(4)到靶点s和竖直狭缝(6)的距离分别为u₂和v₂，所述的平场光栅(7)到竖直狭缝(6)和X射线CCD(8)的距离分别为u₃和v₃，EUV在第一柱面金镜(3)、第二柱面金镜(4)、平场光栅(7)上的入射角分别为θ₁，θ₂，θ₃，第一柱面金镜(3)、第二柱面金镜(4)、平场光栅(7)的曲率半径为R₁、R₂、R₃，则u₁、v₁、θ₁和u₂、v₂、θ₂必须满足柱面镜斜入射成像公式

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{2{\cos \mathrm{\θ}}_1}{R_1},$

$\frac{1}{u_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{2}{R_2\cos {\mathrm{\θ}}_2},$

和几何关系

u₁+v₁＝u₂+v₂+u₃+v₃，

所述的X射线CCD(8)的输出端接所述的计算机(9)。

2、根据权利要求1所述的极紫外波段发射效率测量装置，其特征在于所述的第一柱面金镜(3)、第二柱面金镜(4)、平面金镜(5)和平场光栅(7)均采用掠入射结构，以提高对所述的被测极紫外光的反射效率。

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