CN103257531A

CN103257531A - 一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器

Info

Publication number: CN103257531A
Application number: CN2013101458188A
Authority: CN
Inventors: 王梦瑶; 王新兵; 左都罗; 卢宏; 陆培祥
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-08-21

Abstract

本发明公开了一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，包括高压腔体、电加热器、热电阻、振杆、气源控制器、压力变送器、喷嘴、冷却风机和冷却水套；电加热器用于使腔体内的固态锡材融化成为液态，通过两端具有压强差的空腔环形结构喷嘴射出形成空心液滴或者空心柱状液滴流。提空腔环状的喷嘴所包含的辐射所需EUV光子能量的原子数目是最多的，并且吸收效率高；气源控制器和压力变送器所构成的加压系统用来给储液容器加高压；通过将靶室内抽真空，并充入氢气或氩气，以减少对EUV的吸收和降低高温高压的等离子体对收集镜的损害。本发明喷射距离远，对激光吸收效率和EUV转换效率较高，系统稳定性好，成本低廉，更适合工业上大规模生产。

Description

一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器

技术领域

本发明属于激光极紫外光源技术领域，具体涉及一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，主要是为高转换效率、低碎屑的极紫外光源提供一种液体锡靶。

背景技术

在电子信息产业发展过程中，集成电路技术对现代化工业的发展和人们的生活起了很重要的变化。其中的半导体制造工业的主题是把晶体管尽量做小，把尽可能多的晶体管集成到一起。随着芯片工艺不断地更新，从最开始的2μm芯片工艺逐步微缩到目前的22nm。2μm、22nm指的都是芯片工艺所能刻出的最小的尺度，而这个尺度主要是由光刻工艺所用光源的光波长决定的。所用的光波长越短，所能达到的尺度越小。也正是由于此，芯片工艺所用的光源从可见光过渡到紫外、深紫外，最后连深紫外的光源都无法满足技术的要求，极端紫外(EUVL)芯片工艺技术也就应运而生。而在极紫外光刻中，相当重要的一个环节就是极紫外光源的产生。极紫外光源非常难设计，现有的激光器在极端紫外光谱输出功率低，无法达到光刻所需的能量要求。在EUVL的发展过程中曾考虑过许多种光源，如同步辐射源、自由电子激光和激光等离子体源。由于要求光源必须能够与曝光机的光学系统设计很好地匹配，而且为满足规模生产的要求，光源必须具有足够的功率，目前只有激光产生的等离子体源具有一定的优势。激光等离子体(LPP)光源的工作原理是利用高功率激光脉冲(功率密度大于10¹⁰W/cm²)辐照物质(包括固态、液态和气态物质)，产生高温高密度激光等离子体，由原子高度电离而形成的等离子体可在极紫外(EUV)波段产生很强的辐射，并获得较高的转换效率。

但在激光与靶的作用下产生极紫外光的同时，还会产生碎屑，而使第一级聚光系统污染。为此人们曾尝试了各种靶材和碎屑的滤除技术(如高速旋转挡板、电场和磁场以及流动的气流)，尽管这些努力对于去除碎屑起到了一定的作用，但还未找到最理想的方法。目前，对激光等离子体源的研究主要集中在开发高功率激光器，提高EUV光的转换效率及完全消除靶所产生的碎屑。由于激光等离子体极紫外光源的靶材对入射激光能量的吸收效率由其密度决定。靶材密度越大，吸收效率越高，因而极紫外光的转换效率也越高。固体靶虽有很高的密度，但易产生碎屑；气体喷射靶材虽然产生极低的碎屑，但效率低。液体喷射靶不像固体靶需要经常更换，只要靶存储容器足够大，基本可以实现无限时操作，而且与激光作用的靶材随时都能保证是新鲜的，提高了系统的稳定性。另外，还能对喷射靶材进行回收再利用，可降低使用成本。为了获得高效、清洁的激光等离子体EUV光源，最小质量限制靶是近期提出的一种比较有效解决碎片问题的靶材方案，即靶材含有恰好能足够辐射所需EUV光子能量的最小原子数目。

发明内容

本发明提供了一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔环状液体锡靶发生器，其目的在于提高锡液滴的吸收效率，使锡靶发生器具有好的辐射光光谱特性，并且具有较高的系统稳定性。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，它包括高压腔体、电加热器、热电阻、振杆、气源控制器、压力变送器、喷嘴、冷却风机、冷却水套和靶室；

电加热器放置于腔体内，热电阻与电加热器电信号连接；高压腔体底部设置有空腔环形结构的喷嘴，且位于与真空系统相连的靶室上方，振杆的底部位于高压腔体内，且位于喷嘴的上方；振杆的上部外套有冷却水套，冷却风机安装在振杆顶端；压力变送器与用于控制气源的气源控制器连接，压力变送器垂直安装在腔体的盖板上，且压力变送器的压力接口位于腔体内，用于为腔体提供所需的气压；气源与腔体通过气源管道连接；电加热器用于使腔体内的固态锡材融化成为液态，通过两端具有压强差的空腔环形结构喷嘴射出形成空心液滴或者空心柱状液滴流。

作为上述技术方案的改进，喷嘴为带环形通孔结构。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述环形通孔上设有用于与靶室连接的支架。

作为上述技术方案的更进一步改进，喷嘴的直径在20μm至200μm之间，环形通孔的宽度约为喷嘴直径的1/3。

作为上述技术方案的再进一步改进，喷嘴为由0.8mm～1.5mm厚的人造金刚石上通过激光烧蚀形成的环形通孔。

以前的研究都是通过预脉冲技术，即在主脉冲到达之前先用一束能量较低的激光与锡液滴作用，以减小碎屑污染，控制锡液滴的直径来获得密度比较小的锡液滴以达到要求。本发明提供的液体喷射靶，主要由一个空腔环状的喷嘴组成。空腔环状的喷嘴里面是和外面都是实心，锡液滴会从喷嘴的整个空心环状腔体内喷射出锡液滴，故喷出来的锡液滴会形成一个个类似于气泡的空心液滴或者形成空心柱状微流。在质量受限制的情况下，这种设计可以满足足够大数量的EUV发射体，提高粒子数密度。由于喷嘴喷出来的锡液滴的密度变小了，可以使喷嘴的直径做的比较大，这样喷射出来的空心锡液滴的直径就会比较大，整个液滴的表面积会增大很多，降低了锡液滴的密度，较大地提高了锡液滴的吸收效率。

本发明克服了现有技术的缺点，采用液体锡作为靶材。通过给液体锡加压、搅动、优化喷嘴结构等方式可以使喷嘴直接喷出空心锡液滴，空心结构大大降低了液体锡的密度，并且通过优化激光参数与液滴靶尺寸的匹配能够获得较高的转换效率和较好的辐射谱特性。该喷射靶对喷嘴和收集镜等光学元件的影响小，液体对激光吸收效率和EUV转换效率较高，系统稳定性好，而且成本低廉，更适合工业上大规模生产。

附图说明

图1为本发明实例提供的空腔环状液体锡靶发生器的结构示意图；(其中，靶室在图中没有显示)

图2为空腔环形喷嘴的结构示意图；

图3为空腔环形喷嘴喷射出的锡液滴的示意图，(a)为气泡状的液滴，(b)为柱状液滴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实例提供的用于激光等离子体极紫外光源的空腔环状液体锡靶发生器包括腔体14、电加热器1、热电阻3、振杆4、气源控制器5、压力变送器7、喷嘴8、冷却风机9、冷却水套10和靶室。

电加热器1放置于腔体14内，且优选螺旋状结构。热电阻3的测试端位于高压腔体14内，热电阻3与电加热器1电信号连接。高压腔体14底部设置有喷嘴8。喷嘴8采用空腔环形结构，空腔的等距的四处用支架11和靶室连接起来，喷嘴位于与真空系统相连的靶室上方。振杆4的一端位于高压腔体14内，且位于喷嘴8的上方；振杆4的另一端带有由冷却风机9和冷却水套10构成的冷却机构，冷却水套10套在振杆4的另一端外，冷却风机9安装在振杆4的顶部。压力变送器7与气源控制器连接，二者共同构成加压系统，为腔体14提供所需的气压。压力变送器7垂直安装在腔体14的盖板上，且压力变送器的压力接口位于腔体14内；气源控制器5控制气源；气源与腔体14通过气源管道连接。

电加热器1通电后将温度升高到232℃以上，使腔体14内常温下呈固态的锡材2融化成为液态锡，热电阻3用来检测锡材2的温度。再由振杆4以1-70kHz左右的的振动频率使液态锡碎裂成锡液滴。加压系统将高温液态锡加压到5×10⁶-10⁷Pa，同时通过气源控制器5来调节高压气源和抽气泵6，以保持液态锡压力恒定，压强大小可由压力变送器7检测并显示。然后真空系统将靶室抽真空，并向靶室内充入氢气或氩气，使其压强保持在10^-3Pa左右。这时空腔环形喷嘴两端会形成压强差，使液态锡从空腔环形喷嘴8中喷出。高频振杆顶部的冷却风机9、冷却水套10，冷却水套10里面装的是循环水，工作时水不间断的流过缠绕在高压腔外部的金属，用来保持整个系统的恒温。

如图2所示，喷嘴8采用空腔环形结构，空腔上设有等距的支架11(图中为4个)，喷嘴8通过支架11和靶室(未画出)连接起来，以避免由于压力过大而使喷嘴8和高压腔14分离。喷嘴的直径R在20μm至200μm之间，采用在0.8mm～1.5mm厚的人造金刚石上用激光烧出宽度r约为喷嘴直径R的1/3的环形通孔15，由于高压腔和靶室(未画出)两端的压强差，锡液滴从喷嘴的环形通孔15射出，形成一系列空心液滴12或者空心柱状液滴流13。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，它包括高压腔体、电加热器、热电阻、振杆、气源控制器、压力变送器、喷嘴、冷却风机、冷却水套和靶室；

电加热器放置于腔体内，热电阻与电加热器电信号连接；高压腔体底部设置有空腔环形结构的喷嘴，且位于与真空系统相连的靶室上方，振杆的底部位于高压腔体内，且位于喷嘴的上方；振杆的上部外套有冷却水套，冷却风机安装在振杆顶端；压力变送器与用于控制气源的气源控制器连接，压力变送器垂直安装在腔体的盖板上，且压力变送器的压力接口位于腔体内，用于为腔体提供所需的气压；气源与腔体通过气源管道连接；电加热器用于使腔体内的固态锡材融化成为液态，通过两端具有压强差的空腔环形结构的喷嘴射出形成空心液滴或者空心柱状液滴流。

2.根据权利要求1所述的用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，喷嘴为带环形通孔结构。

3.根据权利要求3所述的用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，在所述环形通孔上设有用于与靶室连接的支架。

4.根据权利要求2或3所述的用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，喷嘴的直径在20μm至200μm之间，环形通孔的宽度约为喷嘴直径的1/3。

5.根据权利要求2或3所述的用于激光等离子体极紫外光源的空腔液体锡靶发生器，其特征在于，喷嘴为由0.8mm～1.5mm厚的人造金刚石上通过激光烧蚀形成的环形通孔。