CN118033992A - 极紫外光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极紫外光源，包括激光器，用于发射激光脉冲；分光组件，用于将所述激光脉冲分光为多个激光脉冲，分别用于驱动光阴极注入器、介质激光加速装置以及激光波荡器；光阴极注入器，用于在激光脉冲的驱动下产生电子束团；介质激光加速装置，被配置为接收所述电子束团，并且在激光脉冲的驱动下生成加速电场，所述加速电场将电子束团加速，以得到预设能量值的高能电子束；激光波荡器，被配置为接收所述高能电子束，并且在激光脉冲的驱动下生成与所述高能电子束传播方向垂直的横向电场，高能电子束在横向电场的作用下产生极紫外光辐射。相较于现有技术方案，本发明能极大减小极紫外光源的尺寸。

Description

极紫外光源

技术领域

本发明涉及自由电子激光技术领域，尤其涉及一种极紫外光源。

背景技术

集成电路制程的先进程度主要取决于制程使用的光刻机光源的波长，后者可以分为紫外（UV）光源、深紫外（DUV）光源和极紫外（EUV）光源。波长越短，曝光的特征尺寸就越小。波长为193nm的DUV光刻机能用于制造7nm及以上制程的芯片。虽然7nm制程已经可以满足大部分数字芯片和几乎所有的模拟芯片，但为了追求芯片更快的处理速度和更优的能效，需要进一步缩短晶体管内部导电沟道的长度，从而需要EUV光刻机以达到更小的线宽。EUV光刻机大幅度提升了半导体工艺水平，能够实现7nm及以下工艺节点。随着向5nm及以下先进制程进化，EUV光刻机成为必需，它覆盖了手机芯片、CPU、GPU、10纳米级工艺DRAM等多种数字芯片的生产。最先进的极紫外（EUV）光刻机有三大核心技术：光源、高精度的物镜系统、精密工件台。

EUV光刻以波长为10-14nm的极紫外光作为光源，目前主流技术路线为激光照射液相锡靶产生13.5nm的EUV光。它采用传统的激光等离子体的技术路线，用高功率二氧化碳激光脉冲照射在直径为30微米的锡滴液靶材上，产生大量激发态的锡离子，后者回到基态的过程中发射出波长为13.5nm的极紫外光。该技术路线对二氧化碳激光的带宽、输出功率、波长、波长及功率稳定性、安全性等都提出了很高的要求。在高重复频率下该技术路线所产生的大量靶材气化，会带来真空室的污染而导致激光无法正常输入和整个EUV光源的停止工作。另外由于该技术路线的激光功率转换为EUV光的效率小于5%，再加上该发光的方向性差、背景气体带来的传输损失大，这导致激光器的功率需要超过20kW。采用同步辐射光源和自由电子激光器也能够产生高功率的EUV光，但是受限于传统加速器的加速梯度，整个设备的尺寸很大。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种极紫外光源，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种极紫外光源包括：

激光器，用于发射激光脉冲；

分光组件，用于将所述激光脉冲分光为第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲；

光阴极注入器，用于接收所述第一激光脉冲以产生电子束团；

介质激光加速装置，被配置为接收所述电子束团，并且在所述第二激光脉冲的驱动下生成加速电场，所述加速电场将所述电子束团加速，以得到预设能量值的高能电子束；

激光波荡器，被配置为接收所述高能电子束，并且在所述第三激光脉冲的驱动下生成与所述高能电子束传播方向垂直的横向电场，所述高能电子束在所述横向电场的作用下产生极紫外光辐射。

可选地，所述光阴极注入器包括金属光阴极，所述光阴极用于在所述第一激光脉冲的作用下产生所述电子束团，所述电子束团的发射度小于1um·mrad。

可选地，所述介质激光加速装置包括多个级联的介质激光加速结构，所述第二激光脉冲包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个次级激光脉冲。

可选地，所述分光组件包括树状介质波导，所述树状介质波导包括多级分支结构，所述树状介质波导用于将所述激光脉冲分光为所述第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲，以及将所述第二激光脉冲分光为多个次级激光脉冲。

可选地，所述激光器包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个锁模激光器，所述锁模激光器用于产生激光脉冲，以驱动相应的所述介质激光加速结构。

可选地，所述激光器的谐振腔为法布里-珀罗谐振腔。

可选地，所述介质激光加速装置为平面对称双柱结构。

可选地，所述介质激光加速装置的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。

可选地，所述激光波荡器为平面对称双柱结构。

可选地，所述激光波荡器的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。

本发明的有益效果在于：

介质激光加速结构通过激光驱动在加速腔体内激发出轴向方向上的电场，用于加速电子束，具有高加速梯度的优点，能够用很短的加速结构将电子束加速到高能量，尺寸比传统加速器大为减小；激光波荡器通过激光驱动产生横向电场，可用于周期性改变高能电子束的方向，在一定条件下激发出极紫外光，相比传统的永磁结构波荡器所需的电子束能量更低，可进一步减小加速结构的尺寸。

本申请提出了一种极紫外光源，该极紫外光源的尺寸相比传统极紫外光源大为减小。其技术方案结合了介质激光加速结构和激光波荡器，通过介质激光加速结构加速光阴极注入器产生的电子束团得到高能电子束，高能电子束在激光波荡器的横向电场作用下产生极紫外光。本申请提出的极紫外光源可作为光刻机的极紫外光源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明极紫外光源一实施例的原理框图；

图2为本发明介质激光加速结构一实施例的结构及电场分布示意图；

图3为本发明激光波荡器一实施例的结构及电场分布示意图；

图4为本发明树状介质波导一实施例的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前极紫外光源主流技术路线为激光照射液相锡靶产生EUV光，该技术路线产生EUV光的效率低，方向性差、背景气体带来的传输损失大，且会污染真空室；采用同步辐射光源和自由电子激光器也能够产生高功率的EUV光，但是受限于传统加速器的加速梯度，整个设备的尺寸很大。

为解决上述问题，本发明提出一种极紫外光源。

参阅图1、图2和图3，在一实施例中，所述极紫外光源包括：

激光器，用于发射激光脉冲；

分光组件11，用于将所述激光脉冲分光为第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲；

光阴极注入器12，用于接收所述第一激光脉冲以产生电子束团；

介质激光加速装置13，被配置为接收所述电子束团，并且在所述第二激光脉冲的驱动下生成加速电场，所述加速电场将所述电子束团加速，以得到预设能量值的高能电子束；

激光波荡器14，被配置为接收所述高能电子束，并且在所述第三激光脉冲的驱动下生成与所述高能电子束传播方向垂直的横向电场，所述高能电子束在所述横向电场的作用下产生极紫外光辐射。

具体地，本发明使用单一的高功率激光，激光器（图1未示出）可选用波长为2.09μm、峰值功率为2.5MW的高功率激光器。

激光器发出的激光脉冲经分光组件11分光，分光后形成作用于光阴极注入器12的第一激光脉冲、作用于介质激光加速装置13的第二激光脉冲和作用于激光波荡器14的第三激光脉冲。

其中，光阴极注入器12通过第一激光脉冲打在阴极的发射面上产生光电子，并且产生电子束团，所述电子束团经光阴极注入器12腔体内的高压电场预加速引出，再沿轴线方向注入介质激光加速装置13，经介质激光加速装置13轴线方向的加速电场加速后得到预设能量值的高能电子束。

光阴极注入器12也可设计为与介质激光加速装置13结合设置。

介质激光加速装置13利用高功率激光脉冲在介质光波导中产生的类TM01模式电场（参阅图2，其主要电场方向为轴向方向，即所述加速电场）加速电子。在介质激光加速装置13中，激光脉冲与介质相互作用产生高强度电场，介质作为波导将电场限制在小区域内从而实现高效的加速。与传统的线性加速器相比，介质激光加速装置13具有更小的尺寸。

在对第二激光脉冲和介质性质进行精确控制的前提下，所述介质激光加速装置13也可用于加速其他粒子（例如质子），以得到具有窄能量分布和高亮度的粒子束。

介质激光加速装置13的周期可由激光脉冲的波长确定，介质激光加速装置13工作在基模时的介质结构周期小于1μm。

激光波荡器14利用高功率激光脉冲在介质光波导中产生的类TE模式电场（参阅图3，其主要电场为横向方向，即所述横向电场）用于周期性改变电子束的方向，高能电子束通过周期性电场时在合适的条件下会产生自由电子激光辐射，其波长可以达到极紫外以及 X射线波长范围内。

自由电子激光的辐射波长满足，其中γ表示电子束的能量，表示波荡器的周期，/>表示波荡器系数（由磁场和周期共同决定）。

由上述公式可知，波荡器的周期越短，产生一定辐射波长所需的电子束能量越低。本申请需产生波长为13.5nm的EUV光辐射，传统的波荡器为永磁结构，周期约为15mm，所需的电子束能量约为0.47GeV；而激光波荡器14的周期可缩短为0.15mm，所需的电子束能量约为47MeV。因此，本申请采用激光波荡器14可显著降低产生EUV光辐射所需电子束的能量，相应地，可缩短介质激光加速装置13的尺寸以及设计难度。在一应用中，整个极紫外光源可缩短为20cm左右。

与传统的线性加速器相比，介质激光加速结构具有更小的尺寸；与传统的永磁结构波荡器相比，激光波荡器所需电子束能量更低。本实施例结合了介质激光加速结构和激光波荡器，通过介质激光加速结构加速电子束得到高能电子束，高能电子束在激光波荡器的横向电场作用下产生极紫外光，相比现有技术，本实施例提出的极紫外光源尺寸显著减小。

在一实施例中，所述光阴极注入器采用的金属阴极具有尖锐的表面，所述尖锐表面的金属阴极用于在所述第一激光脉冲的作用下产生所述低发射度、大电流密度的电子束团，所述电子束团的发射度小于1um·mrad。

介质激光加速结构工作在基模时的介质结构周期小于1μm，因此对电子束的发射度要求小于1um·mrad，同时为了保持高功率EUV光的输出功率，电子束需要非常高的电流密度，因此，本实施例采用尖锐表面的金属阴极（类似于高分辨电子显微镜中阴极所采用的尖锐金属尖端）代替传统光阴极注入器中的大面积平面阴极，以获得预设高电流密度和低发射度的电子束。

在一实施例中，所述介质激光加速装置包括多个级联的介质激光加速结构，所述第二激光脉冲包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个次级激光脉冲。

参阅图1，介质激光加速装置13采用多个介质激光加速结构级联组成，介质激光加速结构的周期变化与加速电场中的电子束能量变化相匹配，可将电子束的加速相位与加速电场锁定。同时，分光光路将第二激光脉冲分光为多个与介质激光加速结构一一对应的次级激光脉冲，以激励相应的介质激光加速结构。在一实施例中，可将介质激光加速结构设置为20个介质激光加速结构，每个加速段对应的次级激光脉冲功率为50-100kW。

在一实施例中，所述分光组件包括树状介质波导，所述树状介质波导包括多级分支结构，所述树状介质波导用于将所述激光脉冲分光为所述第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲，以及将所述第二激光脉冲分光为多个次级激光脉冲。

参阅图4，本申请的分光系统在光路分光的同时也是一个功率分配网络，可采用树状介质波导提供分光组件的分支结构，既实现光路分光也能实现激光功率分配。在一实施例中，所述树状介质波导将激光脉冲分光为第一激光脉冲、第二激光脉冲、第三激光脉冲，所述第二激光脉冲也可通过树状介质波导分光为用于激励介质加速器的不同介质激光加速结构的多个次级激光脉冲。图4为树状介质波导的示意图，具体的分支结构可根据应用需求进行设计。

同时，在一实施例中，通过预设介质波导的长度以控制介质激光加速结构中电子束与输入激光功率之间的延迟。进一步地，可通过光学移相器调整所述树状介质波导在设计制造过程中的误差或热膨胀。

在一实施例中，所述激光器包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个锁模激光器，所述锁模激光器用于产生激光脉冲，以驱动相应的所述介质激光加速结构。

上述通过分光组件对单一激光脉冲进行分光，从而提供作用于介质激光加速结构的驱动脉冲的方案优点在于激光器控制简单，缺点是分光光路复杂。作为替代方案，在一实施例中，也可以选用多个单独的低功率（kW量级）锁模激光器分别激励不同的介质加速级，以实现各个激光器单独可控、可调，同时由于激光器输出功率低，所述锁模激光器可以工作在更高的重复频率下。

在一实施例中，所述激光器的谐振腔为法布里-珀罗谐振腔。

法布里-珀罗谐振腔用于降低激光脉冲的相位噪声，本实施例需超高精细的法布里-珀罗谐振腔将相位噪声控制在0.01Hz-100kHz范围内。

同时，在采用单一的高功率激光器提供激光脉冲时，极紫外光源的各个部件之间的时间同步要求非常高，且由于电子束的长度为ps量级，相位同步角约1°，需要在高重复频率下保持稳定。可采用频率梳技术同时检测和控制激光脉冲的载波包络相位，以实现精确同步的脉冲时序。

在一实施例中，所述介质激光加速结构为平面对称双柱结构。

参阅图2，平面对称结构易于加工制造，介质激光加速结构的宽纵横比有助于改善电荷传输。介质加速器的工作模式在电子束传播方向（即图2中的轴向）有最强的电场分量，并根据柱体的周期性变化产生周期性轴向加速电场，用以有效加速电子束。作为替代方案，介质激光加速结构也可选用六边形空心光子晶体结构，其产生的类TM01模式在电子束传输方向上具有更强的加速场强，以实现更强的场调控能力。

在使用多个介质激光加速结构级联组成所述介质激光加速结构的实施例中，介质激光加速结构亦统一采用上述结构设计，其周期变化设计为与电子束能量变化相匹配。

此外，介质激光加速结构内部可设置对电子束长度和位置有线性响应的介质光栅结构，辅以外部的光谱分析仪以测定电子束的参数及诊断电磁场的传输特性。

在一实施例中，所述介质激光加速结构的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。

熔融石英相对容易加工，可选用光刻或离子刻蚀的方式对熔融石英进行加工；金刚石和石英的电磁特性相比熔融石英更好，损坏阈值也更高，但是加工更加困难。可根据具体条件对以上三种材料进行选取和加工。

在一实施例中，所述激光波荡器为平面对称双柱结构。

参阅图3，激光波荡器的结构可选用和介质激光加速结构相似的平面对称双柱结构设计，区别在于激光波荡器工作在类TE模式，激光波荡器在激光脉冲驱动下产生的内部电场在横向方向（与入射电子束垂直方向）上最强，并根据柱体的周期性变化产生周期性横向电场，高能电子束通过周期性横向电场时在合适的条件下会产生自由电子激光辐射，在预设电子束能量和波荡器周期的条件下可得到所需波长的极紫外光。

在一实施例中，所述激光波荡器的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。

激光波荡器的介质材料可选用容易加工的熔融石英，也可选用加工困难但电磁特性更好、损坏阈值更高的金刚石或石英。在选用熔融石英作为介质材料时，由于激光波荡器的周期比介质激光加速结构的周期大得多（激光波荡器周期为毫米级别，如0.15mm、0.3mm，而介质激光加速结构工作在基模时的介质结构周期需小于1μm），因此可采用CVD加工熔融石英。

综上，本发明结合了介质激光加速结构和激光波荡器，通过介质激光加速结构加速电子束团得到高能电子束，高能电子束在激光波荡器的横向电场作用下产生极紫外光。因此本申请提出了一种极紫外光源，相比激光照射液相锡靶产生EUV光的传统方法，更加稳定且具有更高的效率，相比同步辐射光源和普通的自由电子激光器能极大减小极紫外光源的装置尺寸。同时，本发明还提出使用单一激光器产生激光脉冲，通过光路分光和功率分配系统实现对光阴极注入器、介质激光加速结构和激光波荡器的分别驱动，使得激光器可按正确时序驱动各个装置，控制简单且有助于高功率脉冲激光在激光加速领域的系统性研究。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种极紫外光源，其特征在于，所述极紫外光源包括：

激光器，用于发射激光脉冲；

分光组件，用于将所述激光脉冲分光为第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲；

光阴极注入器，用于接收所述第一激光脉冲以产生电子束团；

介质激光加速装置，被配置为接收所述电子束团，并且在所述第二激光脉冲的驱动下生成加速电场，所述加速电场将所述电子束团加速，以得到预设能量值的高能电子束；

激光波荡器，被配置为接收所述高能电子束，并且在所述第三激光脉冲的驱动下生成与所述高能电子束传播方向垂直的横向电场，所述高能电子束在所述横向电场的作用下产生极紫外光辐射。

2.如权利要求1所述的极紫外光源，其特征在于，所述光阴极注入器包括金属光阴极，所述金属光阴极用于在所述第一激光脉冲的作用下产生所述电子束团，所述电子束团的发射度小于1um·mrad。

3.如权利要求1所述的极紫外光源，其特征在于，所述介质激光加速装置包括多个级联的介质激光加速结构，所述第二激光脉冲包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个次级激光脉冲。

4.如权利要求3所述的极紫外光源，其特征在于，所述分光组件包括树状介质波导，所述树状介质波导包括多级分支结构，所述树状介质波导用于将所述激光脉冲分光为所述第一激光脉冲、第二激光脉冲和第三激光脉冲，以及将所述第二激光脉冲分光为多个次级激光脉冲。

5.如权利要求3所述的极紫外光源，其特征在于，所述激光器包括与所述介质激光加速结构一一对应的多个锁模激光器，所述锁模激光器用于产生激光脉冲，以驱动相应的所述介质激光加速结构。

6.如权利要求1所述的极紫外光源，其特征在于，所述激光器的谐振腔为法布里-珀罗谐振腔。

7.如权利要求1-6中任一项所述的极紫外光源，其特征在于，所述介质激光加速装置为平面对称双柱结构。

8.如权利要求7所述的极紫外光源，其特征在于，所述介质激光加速装置的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。

9.如权利要求1-6中任一项所述的极紫外光源，其特征在于，所述激光波荡器为平面对称双柱结构。

10.如权利要求9所述的极紫外光源，其特征在于，所述激光波荡器的介质材料为熔融石英、石英和金刚石中的至少一者。