WO2019017819A1 - Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр - Google Patents

Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр Download PDF

Info

Publication number
WO2019017819A1
WO2019017819A1 PCT/RU2018/000455 RU2018000455W WO2019017819A1 WO 2019017819 A1 WO2019017819 A1 WO 2019017819A1 RU 2018000455 W RU2018000455 W RU 2018000455W WO 2019017819 A1 WO2019017819 A1 WO 2019017819A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spectrum
order
diffraction
detector
working
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000455
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Дмитрий Борисович АБРАМЕНКО
Владимир Михайлович КРИВЦУН
Александр Петрович ШЕВЕЛЬКО
Олег Феликсович ЯКУШЕВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН"
Priority to US16/618,480 priority Critical patent/US10753798B2/en
Publication of WO2019017819A1 publication Critical patent/WO2019017819A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1804—Plane gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1833—Grazing incidence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1838—Diffraction gratings for use with ultraviolet radiation or X-rays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/04—Slit arrangements slit adjustment
    • G01J2003/045—Sequential slits; Multiple slits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2813—2D-array

Definitions

  • the invention relates to analytical instrumentation, namely to compact spectrometers designed to measure the spectrum of vacuum ultraviolet (VUV) radiation.
  • VUV vacuum ultraviolet
  • VUV spectroscopy is one of the most effective plasma diagnostic methods used in studies of hot thermonuclear plasma, the active medium of X-ray lasers, and astrophysical plasma. Spectroscopy in the extreme ultraviolet (EUV) range is relevant in connection with the development of lithographic sources of EUV radiation based on high-temperature plasma for large-scale production of integrated circuits of the new generation.
  • EUV extreme ultraviolet
  • spectrometers For the VUV range, use is made of spectrometers that use phase reflecting diffraction gratings with a sliding beam incidence. Usually used concave rifled glass diffraction gratings coated with gold or tungsten. Spherical lattices are simpler than toroidal ones, which allow to increase the luminosity and improve the spatial resolution.
  • the slip angle is 1-10 °.
  • a known spectrometer for soft X-ray and VUV ranges containing an entrance slit located on the Rowland circumference, a concave sliding-dipole grating and a detector, Schwob JL, et al. Review of Scientific Instraments, 58, 1601 (1987).
  • the spectrometer is made according to a scheme close to Rowland, the only difference is that the recording surface is flat and not curved around the Rowland circumference, as is required to ensure a broad spectral recording region, the spectrometer is characterized by a fairly high spectral resolution.
  • the use of several spectrometers was required, which greatly complicates the measurements.
  • MCP microchannel plates
  • a spectrometer with an entrance slit, an amplitude slit diffraction grating, an optical detector based on a digital back-illuminated CCD camera, designed to record in the first or minus first order spectra of VUV radiation, Wilhein, T., et al. Review of Scientific Instruments, 70 (3), 1694 (1999).
  • a key feature of the spectrometer is the use of an amplitude grating with a 1: 1 ratio of transmitting and non-transmitting parts, which ensures the suppression of all even orders of the spectrum and a significant decrease in radiation intensities in odd higher diffraction orders.
  • the spectrometer is characterized by a wide spectral range, high aperture and spectral resolution, as well as compactness.
  • the efficiency of the amplitude grating can be calculated theoretically, that when using an absolutely calibrated optical detector allows absolute measurements in a fairly wide range of the spectrum.
  • the transmission grid is expensive, fragile, prone to the deposition of contamination, which over time can degrade the structure of the grid and the quality of the recorded spectral image, reducing the reliability of the instrument.
  • the long wavelength range ⁇ > 100 nm
  • great difficulties arise in calculating the transmission of the slit lattice, and it becomes uncertain, limiting the spectral range for absolute measurements.
  • the spectrometer contains an entrance slit located on the Rowland circumference, a concave sliding-fall grating and an image recorder whose entrance surface intersects the Rowland circle at an angle close to normal. In this case, the spectrum is recorded in the plane perpendicular to the diffracted rays, which determines the convenience and ease of use of the spectrometer with various types of detectors.
  • the advantage of the spectrometer is its compactness, ease of operation and high reliability.
  • the basis of the invention is to improve the compact spectrometer due to the expansion of the range of registration of the VUV spectrum and ensure the possibility of measuring the absolute intensities in the spectrum.
  • the task is implemented using the proposed spectrometer, which contains an entrance slit located in the housing, which is illuminated by a remote radiation source and emits a radiation beam that illuminates the diffraction grating with a constant period d at a glance angle and a detector.
  • the spectrometer is different in that the diffraction grating is made flat, embossed, with flat reflective working faces lying in the plane of the grating and not reflecting light recesses between the working faces, while the detector provides for recording the VUV spectrum in minus first diffraction order.
  • the spectral region is in the range of 5 to 200 nm.
  • the width of the working faces of the diffraction grating is equal to d / 2 - half the period of the diffraction grating.
  • the depth of the recesses between the working faces of the lattice is greater than d / 4 sin ⁇ .
  • the diffraction grating has a recess profile between the working faces either rectangular or trapezoidal.
  • the diffraction grating is located as close as possible to the entrance slit.
  • the angular size of the radiation source determined by the ratio of its characteristic size a to its distance A from the entrance slit, does not exceed 10 "3 rad: a / A ⁇ 10 " 3 rad.
  • the slip angle ⁇ is in the range of 4 to 6 degrees.
  • the detector is multi-element.
  • the spectrometer has a calibration of spectral sensitivity.
  • the edge of the detector determines the long-wavelength limit ⁇ . ⁇ of the working region of the spectrum minus-of the first order.
  • the housing is in the form of a quick-detachable part of the hermetic joint.
  • the spectrometer has an additional recording of the VUV spectrum in the plus-first diffraction order, with the long-wave boundary of the working region of the plus-first-order spectrum many times smaller than the long-wavelength ⁇ . ⁇ boundary of the working spectral region minus-first-order, ⁇ + ⁇
  • the resolution ( ⁇ / ⁇ ) +1 in the minus-first diffraction order is many times greater than the spectral resolution ( ⁇ / ⁇ ).] in the minus-first diffraction order: (/ ⁇ ) + ⁇ ( ⁇ / ⁇ ). ⁇ .
  • the edge of the detector determines the long-wavelength + ⁇ boundary of the working spectral region in plus-first order.
  • the detector is mounted with respect to the diffraction grating so that the angle of diffraction in the direction to the edge of the detector is no more than 90 °.
  • the working spectrum of the plus-first-order spectrum includes a wavelength of 13.5 nm and the long-wavelength ⁇ + l boundary of the working spectrum of the plus-first-order spectrum is close to a wavelength of 13.5 nm: 0 ⁇ ( ⁇ + 1-13, 5 nm) "13.5 nm
  • a shutter is installed in front of the detector, blocking radiation in the zero diffraction order.
  • the spectrometer is equipped with software that collects, processes, displays, and stores spectral measurement data in the plus-first and minus-diffraction diffraction orders.
  • the invention relates to a compact, wide-range sliding-fall VUV spectrometer with an entrance slit in the housing, illuminated by a remote radiation source and emitting a radiation beam, illuminating a diffraction grating with a constant period d, and a radiation detector.
  • the diffraction grating is made flat, relief, with flat reflective working faces lying in the plane of the grating and not reflecting light recesses between the working faces;
  • the radiation detector provides for recording the VUV spectrum in plus-first diffraction order and in minus-first diffraction order, with the long-wavelength ⁇ + ⁇ boundary of the working plus-first-order spectrum many times smaller than the long-wavelength ⁇ . ⁇ boundary of the working spectrum of the minus-first order: ⁇ “ ⁇ , ⁇ , and the spectral resolution ( ⁇ ⁇ ) +1 in the working spectrum of the plus-first-order spectrum is many times greater than the spectral resolution ( ⁇ / ⁇ ) . ⁇ in the working spectral region of the minus-first order: ( ⁇ / ⁇ ) + ⁇ »( ⁇ / ⁇ ) . ⁇ .
  • the spectrometer When performed in the proposed form, the spectrometer allows recording the spectra in minus the first diffraction order in a very wide spectral range (5–2 200 nm).
  • a flat diffraction grating with flat reflective working faces lying in the plane of the grating and not reflecting light recesses between the working faces is stronger and more reliable than the transmission grating. It is also more affordable, simple and cheap, since for its production less than half of the technological process of manufacturing transmission gratings is required, as is known from the publication Wilhein T., etal. Review of Scientific Instruments. 70, 1694 (1999).
  • the geometry of such a lattice allows you to reliably calculate its reflection coefficient for different wavelengths. Along with the use of an absolutely calibrated optical detector, this allows for absolute or quantitative measurements in a wide spectral range, in particular, to determine the efficiency of EUV sources and the energy balance of their radiation in different spectral ranges.
  • the spectrometer has a calibration of spectral sensitivity.
  • Illumination of a flat amplitude reflecting grating with a sliding angle of ⁇ in the range of 4 to 6 degrees ensures the achievement of optimally high values of the reflection coefficient of the diffraction grating, its filling with a radiation beam and the resolution power of the ⁇ / ⁇ spectrometer.
  • optimization of the resolution power of the ⁇ / ⁇ spectrometer is also achieved due to the small, ⁇ 10 "3 rad, angular size of the radiation source and the placement of the diffraction grating as close as possible to the entrance slit. The latter also minimizes the overall dimensions of the spectrometer, which is characterized by an extremely compact design.
  • a multi-element optical detector in particular a CCD detector, makes it possible to have high sensitivity, high measurement stability and the possibility of calibration for quantitative measurements.
  • the size of the radiation source in various VUV spectral ranges with high spatial resolution is additionally detected.
  • the spectrometer allows simultaneous recording in the plus-first diffraction order in a narrower spectral range, for example, 5-15 nm with a sufficiently high spectral resolution ( ⁇ / ⁇ ⁇ 100-g-150).
  • the spectrometer allows the measurement of spectral and energy parameters of lithographic sources of EUV radiation at the same time near the wavelength of EUV lithography of 13.5 nm and outside it in a wide spectral range.
  • the installation of the shutter protects the detector from excessive illumination of the area of zero diffraction order, ensuring the operation of the detector in nominal mode.
  • the software provides ease of measurement, including in two spectral ranges.
  • the design of the spectrometer ensures its extreme compactness, ease of installation and operation.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a wideband VUV spectrometer in accordance with the present invention
  • FIG. 3- spectra of laser Sn plasma in plus-first and minus-first orders of diffraction with suppression of zero-order diffraction
  • FIG. 5 images of spectra with spatial resolution in the direction perpendicular to the direction of diffraction
  • FIG. 6- photograph of the prototype spectrometer.
  • the compact wide-range VUV spectrometer of sliding incidence contains an entrance slit 2 located in the housing 1, illuminated by a remote radiation source 3 and emitting a radiation beam 4, illuminating the diffraction grating 5 with a constant period d, and the detector 6.
  • the spectrometer is characterized by the fact that the diffraction grating 5 is made flat, embossed, with flat reflective working faces 7 lying in the plane of the grating 5 and not reflecting light recesses 8 between the working faces 7, while the detector 6 providing It records the VUV spectrum in minus-first diffraction order.
  • the diffraction order (-1) corresponds to the diffraction angles ⁇ ⁇ , where f is the angle of incidence, and the diffraction order (+1) corresponds to the diffraction angles> ⁇ .
  • FIG. 1, rays 9, 10 and 11 are reflected from the diffraction grating 5, respectively, in the minus-first, zero and plus-first orders of diffraction.
  • a shutter 12 can be installed in front of it, blocking the radiation in the zero diffraction order.
  • the housing 1 can be equipped with an external lever that allows you to move the shutter to the operating position.
  • the detector 6 is preferably located inside the housing of the detector 13, which may be a removable part of the evacuated housing 1 of the spectrometer.
  • the detector through a sealed electrical input 14 with a connector is connected by cable 15 to the control unit 16.
  • the control unit 16 may be located inside the detector housing 13.
  • the control unit 16 is connected via a USB cable to a personal computer (PC) 17.
  • the power of the spectrometer is carried out preferably via a computer USB- ⁇ , and its operation is carried out with the help of a control program, which is also a tool for conducting various analyzes of the recorded spectra.
  • detector 6 is multi-element.
  • a digital back-illuminated CCD camera can be used as a detector, which makes it possible to have high sensitivity and the ability to calibrate the spectrometer for quantitative measurements.
  • the width of the working faces 7 of the diffraction grating is equal to d / 2 - half of the period of the diffraction grating eliminates all even diffraction orders and provides deep suppression of higher odd orders.
  • diffraction grating has a profile of the grooves between the working faces or rectangular or trapezoidal.
  • Amplitude diffraction grating made in the specified form is more durable and reliable compared to the amplitude grating for transmission, as well as more accessible and simple to manufacture.
  • the geometry of such a diffraction grating makes it possible to reliably calculate its reflection coefficient for various wavelengths, which, along with the use of an absolutely calibrated detector, allows for quantitative measurements in a wide spectral range.
  • the spectral resolution ⁇ is determined by the number of grooves ⁇ of the diffraction grating involved in diffraction, the width of the image of a monochromatic line in the recording plane for a point and length source and the width of the instrument function of the detector used. In accordance with the invention, these factors, which determine the resulting spectral resolution value, are optimized as follows.
  • the diffraction grating is set so that the slip angle is preferably in the range of 4 to 6 degrees. It also allows you to increase reflection of the diffraction grating 5 in the VUV range. At this slip angle from 4 to 6 degrees, there corresponds a small cut-off wavelength from the shortwave side of the working spectral region: from 4 to 6 nm.
  • the angular size of the radiation source 3 determined by the ratio of its characteristic size a to its distance A from the entrance slit, preferably does not exceed 10 "3 rad: a / A ⁇ 10 '3 happy.
  • the diffraction grating is located as close as possible to the entrance slit, in particular, the distance / from the diffraction grating 5 to the entrance slit 2 is much less than the distance L from the diffraction grating to the detector: l “L. This also minimizes the size of the spectrometer.
  • the direction of diffraction to the edge of the detector determines the long-wavelength limit ⁇ .] Of the working spectral region in minus-first diffraction order.
  • the edge of the detector means the edge of the detector's working area, for a multi-element linear detector it is the extreme element of the detector, and for the two-coordinate detector it is the extreme column of the detector elements, oriented perpendicular to the diffraction plane.
  • the working spectral region in the minus first diffraction order is in the range of 5 to 200 nm. Spectral measurements in this range allow you to diagnose plasma radiation sources, including those intended for projection EUV lithography.
  • FIG. Figure 2 shows the spectrum of a laser Sn plasma in the VUV range 6–200 nm, obtained in minus the first diffraction order using a spectrometer made in accordance with the present invention. In accordance with the capabilities of the spectrometer software, the spectrum is presented on a semi-log scale.
  • the spectrometer is characterized by additional recording of the VUV spectrum in plus the first diffraction order.
  • the long-wavelength boundary ⁇ +1 of the working spectrum of the plus-first order is many times smaller than the long-wavelength boundary ⁇ .
  • ⁇ ⁇ . ⁇ " ⁇ . ⁇ . ⁇ , and the spectral resolution ( ⁇ / ⁇ ) +1 in the minus-first diffraction order is many times greater than the spectral resolution ( ⁇ ⁇ ) . ⁇ in the minus-first diffraction order:
  • the diffraction angle konven towards the edge of the detector is not more than 90 °, while the direction of the diffracted beam to the edge of the detector 6 corresponds to the direction to the boundary wavelength of the working spectrum of the plus-first-order spectrum.
  • both its edges define the long-wavelength boundaries ⁇ . ⁇ and ⁇ + ⁇ of the working regions of the spectrum minus-first and plus-first orders.
  • the first-order plus-spectrum includes a wavelength of 13.5 nm: ⁇ +! > 13.5 nm.
  • the long-wavelength limit ⁇ + j of the working spectral region is close to a wavelength of 13.5 nm: 0 ⁇ ( ⁇ + ⁇ -13.5 nm) “13.5 nm.
  • the spectrometer was tested using 3 laser plasma as a radiation source.
  • a CO 2 laser with a radiation wavelength of 10.6 ⁇ m an energy of 0.5 J per pulse with a duration of 100 n and a focal spot with a diameter of 300 ⁇ m was used.
  • Tin and other materials were used as the target material.
  • a Hamamatsu S7030-1006N SPL detector with a pixel count of 1024x58 and a work area of 24.6x1.36 mm was used.
  • FIG. 3 The measured spectra of a laser Sn plasma are presented.
  • FIG. Figure 3 shows the spectrum with zero-order diffraction suppression, protects the detector from excessive illumination and provides spectrum recording with a high signal level and a low noise level.
  • the spectrometer has a two-coordinate detector 6, and the entrance slit 2 is illuminated through an additional slit 18, which is installed between it and the radiation source 3, parallel to the plane of dispersion. This allows you to record the size of the radiating region of the VUV source at different wavelengths of the VUV spectrum with high spatial resolution.
  • the spectrometer is equipped with software enabling data acquisition, processing, display and storage. spectral measurements in the plus-first and minus-first diffraction orders, which provides ease of operation of the spectrometer with a unique set of recorded parameters.
  • FIG. 6 shows a photograph of a prototype spectrometer, demonstrating the extreme compactness of the spectrometer, the maximum size of which does not exceed 30 cm.
  • the spectrometer housing is designed as a quick-detachable part of a hermetic joint.
  • the housing 1 of the spectrometer may contain an input flange KF-40, which allows you to quickly connect the spectrometer with a vacuum chamber containing a source of VUV radiation, and disconnect from it
  • the spectrometer allows simultaneous recording of spectra at the (+1) edge of the reflection order with a sufficiently high spectral resolution ( ⁇ / ⁇ ⁇ 100 -5-150) and in (-1) order with moderate resolution (/ ⁇ - 15-30 ), but in a very wide spectral range (5-200 nm).
  • the pre-calculated reflection coefficient of the amplitude reflecting diffraction grating and the use of an absolutely calibrated detector, in particular, a CCD detector allow absolute or quantitative measurements of intensities in these spectral ranges.
  • the spectrometer is effective for monitoring radiation sources with a small angular aperture. In embodiments of the spectrometer, the dimensions of the emitting region of the radiation source in different ranges of the VUV spectrum are recorded.
  • the spectrometer is characterized by extreme compactness and ease of use. INDUSTRIAL APPLICABILITY
  • the proposed invention is intended for use in instrumentation, in particular, when creating spectrometers VUV range, including for the control of plasma radiation sources intended for projection EUV lithography.
  • the description of the preferred embodiment of the invention is presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to specifically disclosed forms. Obviously, many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. It is assumed that the scope of the invention is defined by the following claims and its equivalents.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

Изобретение касается компактного широкодиапазонного спектрометра вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) и мягкого рентгеновского (MP) диапазона. Спектрометр скользящего падения состоит из корпуса с входной щелью, дифракционной решетки и детектора. Дифракционная решетка с постоянным периодом d имеет плоские отражающие рабочие грани, лежащие в плоскости решетки, и не отражающие свет углубления между рабочими гранями. Детектор обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в плюс первом и в минус первом порядке дифракции, причем длинноволновая граница λ+1рабочей области спектра плюс первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ-1рабочей области спектра минус первого порядка: λ+1≪λ-1, а спектральное разрешение (λ/δλ)+1 в рабочей области спектра плюс первого порядка во много раз больше спектрального разрешения (λ/δλ)-1 в рабочей области спектра минус первого порядка: (λ/δλ)+1≫(λ/δλ)-1. Техническим результатом изобретения является регистрация спектра в широком спектральном диапазоне (3-200 нм) с умеренным спектральным разрешением (λ/δλ~ 15-30) и со значительно более высоким спектральным разрешением (λ/δλ~100- 200) в узком MP или ЭУФ диапазоне с возможностью измерения абсолютного выхода излучения в этих областях спектра, а также уменьшение размеров спектрометра.

Description

Компактный широкодиапазонный ВУФ спектрометр
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретения относится к аналитическому приборостроению, а именно к компактным спектрометрам, предназначенным для измерения спектра вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Спектроскопия ВУФ диапазона является одним из наиболее эффективных методов диагностики плазмы, применяемым в исследованиях горячей термоядерной плазмы, активной среды рентгеновских лазеров, астрофизической плазмы. Спектроскопия в экстремальном ультрафиолетовом (ЭУФ) диапазоне актуальна в связи с разработкой литографических источников ЭУФ излучения на основе высокотемпературной плазмы для крупномасштабного производства интегральных схем нового поколения.
Для ВУФ диапазона находят применение спектрометры, в которых используются фазовые отражательные дифракционные решетки со скользящим падением луча. Обычно применяют вогнутые нарезные стеклянные дифракционные решетки, покрытые золотом или вольфрамом. Сферические решетки более просты по сравнению с тороидальными, позволяющими повысить светосилу и улучшить пространственное разрешение. Угол скольжения составляет 1-10°.
Известен спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий расположенные на окружности Роуланда входную щель, вогнутую фазовую дифракционную решетку скользящего падения и детектор, Schwob J. L., et al. Review of Scientific Instraments, 58, 1601 (1987). Спектрометр выполнен по схеме, близкой к Роуландовской, отличие состоит только в том, что поверхность регистрации плоская, а не изогнутая по окружности Роуланда, как это требуется для обеспечения широкой спектральной области регистрации, Спектрометр характеризуется достаточно высоким спектральным разрешением. Однако, из-за ограниченной спектральной области регистрации в указанной работе потребовалось применение нескольких спектрометров, что значительно усложняет проведение измерений. Кроме этого, для ряда детекторов, например, использующих микроканальные пластины (МКП) их освещение при скользящем падении значительно снижает квантовую эффективность детектора, вместе с тем резко повышая уровень шума.
Частично этих недостатков лишен спектрометр с входной щелью, амплитудной щелевой дифракционной решеткой, оптическим детектором на основе цифровой ПЗС камеры с задней подсветкой, предназначенный для регистрации в первом или минус первом порядке спектров ВУФ излучения, Wilhein, Т., et al. Review of Scientific Instruments, 70 (3), 1694 (1999). Ключевой чертой спектрометра является использование амплитудной решетки с отношением пропускающей и не пропускающей частей 1:1, что обеспечивает подавление всех четных порядков спектра и существенное уменьшение интенсивностей излучения в нечетных высших порядках дифракции. Спектрометр характеризуется широким спектральным диапазоном, высокими светосилой и спектральным разрешением, а также компактностью. Эффективность амплитудной решетки можно рассчитать теоретически, что при использовании абсолютно калиброванного оптического детектора позволяет проводить абсолютные измерения в достаточно широком диапазоне спектра.
Однако решетка на пропускание дорога, хрупка, подвержена осаждению загрязнений, что со временем может ухудшать структуру решетки и качество регистрируемого спектрального изображения, снижая надежность прибора. Кроме этого, для диапазона длинных волн (λ>100 нм) возникают большие трудности с расчетом пропускания щелевой решетки, и оно становится неопределенным, ограничивая спектральный диапазон для абсолютных измерений.
Этих недостатков лишен компактный спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, выполненный по схеме с "внероуландовской" регистрацией спектра, Shevelko А.Р. et al. Plasma Physics Reports. 34 (11), 944 (2008). Спектрометр содержит входную щель, расположенную на окружности Роуланда, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения и регистратор изображения, входная поверхность которого пересекает окружность Роуланда под углом, близким к нормальному. При этом регистрация спектра осуществляется в плоскости, перпендикулярной дифрагированным лучам, что определяет удобство и простоту использования спектрометра с различными типами детекторов. Достоинством спектрометра является его компактность, простота эксплуатации и высокая надежность.
Однако в указанной геометрии внероуландовского спектрометра идеальная фокусировка дифрагированного излучения имеет место только в одной точке - точке пересечения плоскости регистрации с кругом Роуланда, а с удалением от этой точки происходит падение спектральной разрешающей силы из-за дефокусировки. В результате регистрируемый спектральный диапазон достаточно узок, а спетральное разрешение достаточно низкое.
Этого недостатка частично лишен компактный ВУФ спектрометр с вогнутой дифракционной решеткой скользящего падения, в котором входная щель расположена внутри окружности Роуланда, а поверхность оптического детектора дважды пересекает поверхность фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, Antsiferov P.S., et al. Review of Scientific Instruments 87, 053106 (2016). В спектрометре достигается расширение регистрируемого диапазона ВУФ спектра, длинноволновая граница которого достигает около 50 нм.
Однако для ряда применений требуются измерения в более широком диапазоне ВУФ спектра. Так, при регистрации излучения литографических ЭУФ источников, желательны измерения, как вблизи рабочей длины волны источника, λ=13,5 нм, так и в как можно более широком ВУФ диапазоне с возможностью измерения абсолютного выхода излучения в различных областях спектра.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу изобретения положена задача усовершенствования компактного спектрометра за счет расширения диапазона регистрации ВУФ спектра и обеспечения возможности измерений абсолютных интенсивностей в спектре.
Техническим результатом изобретения является регистрация спектра одновременно в очень широком спектральном диапазоне (3-200 нм) с умеренным спектральным разрешением (λ/δλ~ 15-30) и со значительно более высоким спектральным разрешением (λ/δλ~ 200) в узком MP или ЭУФ диапазоне, например, около λ=13,5 нм. При этом обеспечивается возможность измерения абсолютного выхода излучения в этих областях спектра, достигается дальнейшее уменьшение размеров спектрометра.
Выполнение поставленной задачи реализуется с помощью предлагаемого спектрометра, содержащего расположенные в корпусе входную щель, которая освещается удаленным источником излучения и выделяет пучок излучения, освещающий под углом скольжения Θ дифракционную решетку с постоянным периодом d, и детектор.
Отличие спектрометра состоит в том, что дифракционная решетка выполнена плоской, рельефной, с плоскими отражающими рабочими гранями, лежащими в плоскости решетки, и не отражающими свет углублениями между рабочими гранями, при этом детектор обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в минус- первом порядке дифракции.
Предпочтительно рабочая область спектра находится в диапазоне от 5 до 200 нм.
Предпочтительно ширина рабочих граней дифракционной решетки равна d/2- половине периода дифракционной решетки.
Предпочтительно глубина углублений между рабочими гранями решетки превышает d/4 sin θ.
Предпочтительно дифракционная решетка имеет профиль углублений между рабочими гранями либо прямоугольный, либо трапецеидальный.
Предпочтительно дифракционная решетка расположена максимально близко к входной щели.
Предпочтительно угловой размер источника излучения, определяемый отношением его характерного размера а к его удаленности А от входной щели, не превышает 10"3 рад: а/А < 10"3 рад.
Предпочтительно угол скольжения Θ находится в диапазоне от 4 до 6 градусов.
Предпочтительно детектор является многоэлементным.
Предпочтительно спектрометр имеет калибровку спектральной чувствительности. В вариантах изобретения двухкоординатным детектором и освещением входной щели через установленную между ней и источником излучения дополнительную щель, параллельную плоскости дисперсии.
Предпочтительно край детектора определяет длинноволновую границу λ.ι рабочей области спектра минус- первого порядка.
Предпочтительно корпус выполнен в виде быстросъемной части герметичного соединения.
Предпочтительно спектрометр имеет дополнительную регистрацию ВУФ спектра в плюс- первом порядке дифракции, при этом длинноволновая граница рабочей области спектра плюс- первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ.ι рабочей области спектра минус- первого порядка, λ+ι«λ_ι, а спектральное разрешение (λ/δλ)+1 в минус- первом порядке дифракции во много раз больше спектрального разрешения (λ/δλ).] в минус- первом порядке дифракции: ( /δλ)+ι»(λ/δλ).λ.
Предпочтительно край детектора определяет длинноволновую границу +ι рабочей области спектра в плюс- первом порядке.
Предпочтительно детектор установлен по отношению к дифракционной решетке так, что угол дифракции в направление на край детектора не больше 90°.
В вариантах изобретения угол скольжения Θ выбран так, что соответствующая углу дифракции ψ= 90° длина волны отсечки больше длины волны ЭУФ литографии 13,5 нм: 13,5 нм - и рабочая область спектра плюс- первого порядка включает в себя длину волны 13,5 нм: λ+ι>13,5 нм.
В вариантах изобретения рабочая область спектра плюс- первого порядка включает в себя длину волны 13,5 нм и длинноволновая граница λ+l рабочей области спектра плюс- первого порядка близка к длине волны 13,5 нм: 0 < (λ+1- 13,5 нм) « 13,5 нм
В вариантах изобретения перед детектором установлен затвор, блокирующий излучение в нулевом порядке дифракции.
Предпочтительно спектрометр снабжен программным обеспечением, обеспечивающим сбор, обработку, отображение и хранение данных спектральных измерений в плюс- первом и минус- пером порядках дифракции. В другом аспекте изобретение относится к компактному широкодиапазонному ВУФ спектрометру скользящего падения с расположенными в корпусе входной щелью, освещаемой удаленным источником излучения и выделяющей пучок излучения, освещающий под углом скольжения Θ дифракционную решетку с постоянным периодом d, и детектором излучения. Отличие спектрометра состоит в том, что дифракционная решетка выполнена плоской, рельефной, с плоскими отражающими рабочими гранями, лежащими в плоскости решетки, и не отражающими свет углублениями между рабочими гранями; детектор излучения обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в плюс- первом порядке дифракции и в минус- первом порядке дифракции, причем длинноволновая граница λ+ι рабочей области спектре плюс- первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ.ι рабочей области спектра минус- первого порядка: ^«λ,ι, а спектральное разрешение (λ δλ)+1 в рабочей области спектра плюс- первого порядка во много раз больше спектрального разрешения (λ/δλ).ι в рабочей области спектра минус- первого порядка: (λ/δλ)+ι»(λ/δλ).ι.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно- следственные связи.
При выполнении в предложенном виде спектрометр позволяет регистрировать спектры в минус первом порядке дифракции в очень широком спектральном диапазоне (5-^200 нм).
Плоская дифракционная решетка с плоскими отражающими рабочими гранями, лежащими в плоскости решетки, и не отражающими свет углублениями между рабочими граням является более прочной и надежной по сравнению с решеткой на пропускание. Также она является более доступной, простой и дешевой, поскольку для ее производства требуется менее половины технологического процесса изготовления решеток на пропускание, как это известно из публикации Wilhein Т., etal. Review of Scientific Instruments. 70, 1694 (1999).
Использование плоской амплитудной отражающей решетки с шириной рабочих граней равной d/2 позволяет устранить все четные порядки дифракции и обеспечивает глубокое подавление более высоких нечетных порядков, обеспечивая измерения с высоким уровнем сигнала и низким уровнем шума. Этому также способствует установка перед детектором излучения затвора, блокирующего излучение в нулевом порядке дифракции.
Геометрия такой решетки позволяет надежно рассчитать коэффициент ее отражения для различных длин волн. Наряду с использованием абсолютно калиброванного оптического детектора это позволяет проводить абсолютные или количественные измерения в широком спектральном диапазоне, в частности, определять эффективность ЭУФ источников и энергетический баланс их излучения в различных спектральных диапазонах. В соответствии с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения спектрометр имеет калибровку спектральной чувствительности.
Освещение плоской амплитудной отражающей решетки с углом скольжения Θ в диапазоне от 4 до 6 градусов обеспечивает достижение оптимально высоких значений коэффициента отражения дифракционной решетки, ее заполнения пучком излучения и разрешающей силы λ/δλ спектрометра.
Оптимизация разрешающей силы λ/δλ спектрометра также достигается за счет малого, < 10"3 рад, углового размера источника излучения и размещения дифракционной решетки максимально близко к входной щели. Последнее также способствует минимизации габаритных размеров спектрометра, характеризующегося чрезвычайно компактной конструкцией.
Использование многоэлементного оптического детектора, в частности ПЗС- детектора, позволяет иметь высокую чувствительность, высокую стабильность измерений и возможность калибровки для количественных измерений.
В варианте спектрометра с двухкоординатным детектором и дополнительной щелью, параллельной плоскости дифракции, дополнительно обеспечивается регистрация размера источника излучения в различных диапазонах ВУФ спектра с высоким пространственным разрешением.
Наряду с регистрацией спектра в минус первом порядке дифракции в очень широком спектральном диапазоне (5·ί-200 нм) с умеренным разрешением {λ/δλ~ 15-30) спектрометр позволяет одновременно регистрировать в плюс- первом порядке дифракции в более узком спектральном диапазоне, например, 5-15 нм с достаточно высоким спектральным разрешением (λ/δλ~ 100 -г- 150). Спектрометр позволяет производить измерение спектральных и энергетических параметров литографических источников ЭУФ излучения одновременно вблизи длины волны ЭУФ литографии 13,5 нм и вне ее в широком спектральном диапазоне.
Установка затвора защищает детектор от чрезмерной засветки области нулевого порядка дифракции, обеспечивая работу детектора в номинальном режиме.
Программное обеспечение обеспечивает удобство измерений, в том числе, в двух спектральных диапазонах.
Конструкция спектрометра обеспечивает его чрезвычайную компактность, удобство установки и эксплуатации.
Вышеупомянутые и другие особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:
Фиг. 1- схематичное изображение широкополосного ВУФ спектрометра в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2- спектр лазерной Sn- плазмы в ВУФ диапазоне 6-200 нм,
Фиг. 3- спектры лазерной Sn- плазмы в плюс-первом и минус-первом порядках дифракции с подавлением дифракции нулевого порядка,
Фиг. 4- схема измерений с дополнительной щелью в плоскости дифракции для визуализации размера источника,
Фиг. 5 изображения спектров с пространственным разрешением в направлении, перпендикулярном направлению дифракции,
Фиг. 6- фотография опытного образца спектрометра.
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 РЕАЛИЗАЦИИ 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, компактный широкодиапазонный ВУФ спектрометр скользящего падения содержит расположенные в корпусе 1 входную щель 2, освещаемую удаленным источником излучения 3 и выделяющей пучок излучения 4, освещающий под углом скольжения Θ дифракционную решетку 5 с постоянным периодом d, и детектор 6. Спектрометр характеризуется тем, что дифракционная решетка 5 выполнена плоской, рельефной, с плоскими отражающими рабочими гранями 7, лежащими в плоскости решетки 5, и не отражающими свет углублениями 8 между рабочими гранями 7, при этом детектор 6 обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в минус- первом порядке дифракции.
Дифракционный порядок (-1) соответствует углам дифракции ψ<φ, где ф - угол падения, а дифракционный порядок (+1) соответствует углам дифракции ψ>φ. На Фиг. 1 лучи 9, 10 и 11 отражаются от дифракционной решетки 5 соответственно в минус- первом, нулевом и плюс- первом порядках дифракции.
Для предотвращения чрезмерной засветки части детектора 6 перед ним может быть установлен затвор 12, блокирующий излучение в нулевом порядке дифракции. При этом корпус 1 может быть снабжен наружным рычагом, позволяющим перемещать затвор в рабочее положение.
Детектор 6 предпочтительно расположен внутри корпуса детектора 13, который может представлять собой съемную часть вакуумируемого корпуса 1 спектрометра. Детектор через герметичный электрический ввод 14 с разъемом соединен кабелем 15 с блоком управления 16. В вариантах реализации устройства блок управления 16, может быть расположен внутри корпуса детектора 13. В свою очередь, блок управления 16 подключен через USB-кабель к персональному компьютеру (ПК) 17. Питание спектрометра осуществляется предпочтительно через USB-πορτ компьютера, а его работа - с помощью управляющей программы, также являющейся инструментом проведения различных анализов регистрируемых спектров. Предпочтительно детектор 6 является многоэлементным. Для регистрации ВУФ спектров в качестве детектора может использоваться цифровая ПЗС камера с задней подсветкой, что позволяет иметь высокую чувствительность и возможность калибровки спектрометра для проведения количественных измерений.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения ширина рабочих граней 7 дифракционной решетки равна d/2- половине периода дифракционной решетки устраняет все четные порядки дифракции и обеспечивает глубокое подавление более высоких нечетных порядков.
Установка дифракционной решетки под скользящим углом устраняет рассеяние и отражение света углублениями 8 решетки. Для этого глубина углублений 8 между рабочими гранями 7 решетки превышает d/4 sin Θ, что обеспечивает простую геометрию дифракционной решетки с отражением только от рабочих граней 7.
Все это обеспечивает измерения с высоким уровнем сигнала и низким уровнем шума.
Для упрощения дифракционная решетка имеет профиль углублений между рабочими гранями либо прямоугольный, либо трапецеидальный.
Амплитудная дифракционная решетка, выполненная в указанном виде является более прочной и надежной по сравнению с амплитудной решеткой на пропускание, а также более доступной и простой в изготовлении. Геометрия такой дифракционной решетки позволяет надежно рассчитать коэффициент ее отражения для различных длин волн, что наряду с использованием абсолютно калиброванного детектора позволяет проводить количественные измерения в широком спектральном диапазоне.
Спектральное разрешение δλ определяется числом штрихов Ν дифракционной решетки, участвующих в дифракции, шириной изображения монохроматической линии в плоскости регистрации для точечного и протяженного источника и шириной аппаратной функции используемого детектора. В соответствии с изобретением эти факторы, определяющие результирующее значение спектрального разрешения, оптимизируются следующим образом.
Для оптимизации числа штрихов Ν, участвующих в дифракции, дифракционная решетка установлена так, что угол скольжения Θ предпочтительно находится в диапазоне от 4 до 6 градусов. Это также позволяет повысить отражение дифракционной решетки 5 в ВУФ диапазоне. При этом углу скольжения Θ от 4 до 6 градусов соответствует малая длина волны отсечки с коротковолновой стороны рабочей области спектра: от 4 до 6 нм.
Для оптимизации разрешающей силы λ/δλ спектрометра за счет уменьшения ширины изображения монохроматической линии в плоскости регистрации детектора 6 угловой размер источника излучения 3, определяемый отношением его характерного размера а к его удаленности А от входной щели, предпочтительно не превышает 10"3 рад: а/А < 10'3 рад.
С этой же целью дифракционная решетка расположена максимально близко к входной щели, в частности, расстояние / от дифракционной решетки 5 до входной щели 2 много меньше расстояния L от дифракционной решетки до детектора: l« L. Это также минимизирует размер спектрометра.
Для оптимального использования детектора и согласования его пространственного разрешения с реальной спектральной структурой направление дифракции на край детектора определяет длинноволновую границу λ.] рабочей области спектра в минус- первом порядке дифракции.
Под краем детектора имеется ввиду край рабочей области детектора, для многоэлементного линейного детектора это крайний элемент детектора, а для двухкоординатного детектора- крайний столбец элементов детектора, ориентированный перпендикулярно плоскости дифракции.
Предпочтительно рабочая область спектра в минус- первом порядке дифракции находится в диапазоне от 5 до 200 нм. Спектральные измерения в этом диапазоне позволяют диагностировать плазменные источники излучения, в том числе, предназначенные для проекционной ЭУФ литографии.
Обычно источники излучения для проекционной ЭУФ литографии основаны на использовании лазерной плазмы олова (Sn). На Фиг. 2 представлен спектр лазерной Sn- плазмы в ВУФ диапазоне 6-200 нм, полученный в минус первом порядке дифракции с помощью спектрометра, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с возможностями программного обеспечения спектрометра спектр представлен в полулогарифмическом масштабе.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, иллюстрируемом Фиг. 1 , спектрометр характеризуется дополнительной регистрацией ВУФ спектра в плюс- первом порядке дифракции. При этом длинноволновая граница λ+1 рабочей области спектра плюс- первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ.] рабочей области спектра минус- первого порядка, λ^.\«λ.ι, а спектральное разрешение (λ/δλ)+1 в минус- первом порядке дифракции во много раз больше спектрального разрешения (λ δλ).ι в минус- первом порядке дифракции:
(λ/δλ)+1»(λ/δλ).ι·
Для рационального использования детектора 6 угол ψ дифракции в направление на край детектора не больше 90°, при этом направление дифрагированного луча на край детектора 6 соответствует направлению на граничную длину волны рабочей области спектра плюс- первого порядка.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения для оптимального использования детектора оба его края определяют длинноволновые границы λ.ι и λ+ι рабочих областей спектра минус- первого и плюс- первого порядков.
В спектрометре, выполненном в соответствии с изобретением, дифракционная картина в (+1) и (-1) дифракционных порядках сильно асимметрична. Плюс- первый порядок имеет длину волны отсечки ^, соответствующую углу дифракции ψ = 90°. Вблизи дисперсия спектрометра D [нм/мм] очень мала и спектральное разрешение (λ/δλ)+1 велико. Угол скольжения Θ может быть выбран таким образом, чтобы интересующий диапазон длин волн, в частности, около λ= 13,5 нм, был как можно ближе к λ^,. В этом случае можно достичь среднего спектрального разрешения (λ δλ)+1 до (100- 200) на λ = 13,5 нм в (+1) дифракционном порядке и наблюдать очень широкий спектральный диапазон в (-1) порядке с низким спектральным разрешением: (λ δλ).! до (15-30).
В соответствии с этим, в предпочтительном варианте изобретения угол скольжения Θ выбран так, что соответствующая углу дифракции ψ= 90° длина волны отсечки λ^, больше длины волны ЭУФ литографии 13,5 нм: λςο> 13,5 нм,- и рабочая область спектра плюс- первого порядка включает в себя длину волны 13,5 нм: λ+!>13,5 нм. При этом предпочтительно, что длинноволновая граница λ+j рабочей области спектра близка к длине волны 13,5 нм: 0 < (λ+ι-13,5 нм) « 13,5 нм. Спектрометр был испытан с использованием в качестве источника излучения 3 лазерной плазмы. Для генерации плазмы был использован С02-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм, энергией 0,5 Дж в импульсе длительностью 100 не и фокальным пятном диаметром 300 мкм. В качестве материала мишени использовалось олово и другие материалы. Использовался детектор Hamamatsu S7030-1006N SPL с количеством пикселей 1024x58, рабочей областью 24.6x1.36 мм.
Тестирование проведено при следующих параметрах:
- ширина входной щели 84мкм,
- расстояние источник излучения - входная щель - 400 мм.
- угол скольжения θ= 5.5°,
-расстояние входная щель - дифракционная решетка 3,5 мм,
- дифракционная решетка: период d=3 мкм, размер 3x3 мм, материал - Si02, углубления прямоугольного профиля шириной d/2= 1 ,5 мкм,
- расстояние дифракционная решетка - детектор - 56 мм,
На Фиг. 3. представлен измеренные спектры лазерной Sn- плазмы. Спектрометр позволяет наблюдать очень широкий спектральный диапазон 6-200 нм в (-1) порядке с низким спектральным разрешением (λ/δλ).ι ~ 15-30 и узкий спектральный диапазон около длины волны ЭУФ литографии λ = 13,5 нм со средним спектральным разрешением (λ/δλ)+1 ~ 100-200. На Фиг. 3 представлен спектр с подавлением дифракции нулевого порядка, предохраняет детектор от чрезмерной засветки и обеспечивает регистрацию спектра с высоким уровнем сигнала и низким уровнем шума.
В соответствии с вариантом изобретения, схематично иллюстрируемом Фиг. 4, спектрометр имеет двухкоординатный детектор 6, и освещение входной щели 2 осуществляется через установленную между ней и источником излучения 3 дополнительную щель 18, параллельную плоскости дисперсии. Это позволяет регистрировать размер излучающей области ВУФ источника на различных длинах волн ВУФ спектра с высоким пространственным разрешением.
Изображения спектров (без подавлением дифракции нулевого порядка) лазерной плазмы кремния (Si) и фторида лития (LiF), полученные с цифровой ВУФ камерой Andor в качестве двухкоординатного детектора, представлены на Фиг. 5.
Предпочтительно спектрометр снабжен программным обеспечением, дающим возможность сбора, обработки, отображения и хранения данных спектральных измерений в плюс- первом и минус- пером порядках дифракции, что обеспечивает удобство эксплуатации спектрометра с уникальным набором регистрируемых параметров.
На Фиг. 6 представлена фотография опытного образца спектрометра, демонстрирующая чрезвычайную компактность спектрометра, максимальный размер которого не превышает 30 см.
С целью обеспечения удобства эксплуатации корпус спектрометра выполнен в виде быстросъемной части герметичного соединения. Для этого, как показано на Фиг. 6, корпус 1 спектрометра может содержать входной фланец KF- 40, позволяющий быстро осуществлять соединение спектрометра с вакуумной камерой, содержащей источник ВУФ излучения, и отсоединение от нее
Таким образом, спектрометр позволяет одновременно регистрировать спектры на краю (+1) порядка отражения с достаточно высоким спектральным разрешением (λ/δλ~ 100 -5- 150) и в (-1) порядке - с умеренным разрешением ( /δλ- 15-30), но в очень широком спектральном диапазоне (5-200 нм). Заранее рассчитанный коэффициент отражения амплитудной отражающей дифракционной решетки и использование абсолютно калиброванного детектора, в частности, ПЗС детектора, позволяют проводить абсолютные или количественные измерения интенсивностей в этих спектральных диапазонах. Спектрометр эффективен для контроля источников излучения, обладающих малой угловой апертурой. В вариантах реализации спектрометра обеспечивается регистрация размеров эмитирующей области источника излучения в различных диапазонах ВУФ спектра. Спектрометр характеризуется чрезвычайной компактностью и удобством эксплуатации. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенное изобретение предназначено для использования в приборостроении, в частности, при создании спектрометров ВУФ диапазона, в том числе для контроля плазменных источников излучения, предназначенных для проекционной ЭУФ литографии. Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать изобретение конкретно раскрытыми формами. Очевидно, что многие модификации и варианты будут очевидны специалистам в данной области техники. Предполагается, что объем изобретения определяется следующей формулой изобретения и ее эквивалентами.

Claims

Формула изобретения
1. Компактный широкодиапазонный ВУФ спектрометр скользящего падения с расположенными в корпусе входной щелью, освещаемой удаленным источником излучения и выделяющей пучок излучения, освещающий под углом скольжения Θ дифракционную решетку с постоянным периодом d, и детектором, характеризующийся тем, что
дифракционная решетка выполнена плоской, рельефной, с плоскими отражающими рабочими гранями, лежащими в плоскости решетки, и не отражающими свет углублениями между рабочими гранями, при этом
детектор обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в минус- первом порядке дифракции.
2. Устройство по п. 1, в котором рабочая область спектра в минус- первом порядке дифракции находится в диапазоне от 5 до 200 нм.
3. Устройство по п. 1, в котором ширина рабочих граней дифракционной решетки равна d/2- половине периода дифракционной решетки.
4. Устройство по п. 1, в котором глубина углублений между рабочими гранями решетки превышает d/4 sin θ.
5. Устройство по п. 1 , в котором дифракционная решетка имеет профиль углублений между рабочими гранями либо прямоугольный, либо трапецеидальный.
6. Устройство по п. 1, в котором дифракционная решетка расположена максимально близко к входной щели.
7. Устройство по п. 1, в котором угловой размер источника излучения, определяемый отношением его характерного размера а к его удаленности А от входной щели, не превышает 10" рад: а/ А < 10" рад.
8. Устройство по п. 13, в котором угол скольжения Θ находится в диапазоне от 4 до 6 градусов.
9. Устройство по п. 1 , в котором детектор является многоэлементным.
10. Устройство по п. 1, имеющее калибровку спектральной чувствительности.
1 1. Устройство по п. 1, в котором детектор является двухкоординатным и освещение входной щели осуществляется через установленную между ней и
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) источником излучения дополнительную щель, параллельную плоскости дисперсии.
12. Устройство по п. 1 , в котором край детектора определяет длинноволновую границу λ_ι рабочей области спектра минус- первого порядка.
13. Устройство по п. 1 , в котором корпус выполнен в виде быстросъемной части герметичного соединения.
14. Устройство по любому из пп. 1-13 с дополнительной регистрацией ВУФ спектра в плюс- первом порядке дифракции, при этом длинноволновая граница λ+ι рабочей области спектра плюс- первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ.1 рабочей области спектра минус- первого порядка:
15. Устройство по п. 14, в котором детектор установлен так, что угол дифракции в направление на край детектора не больше 90°.
16. Устройство по п. 14, в котором край детектора определяет длинноволновую границу λ+1 рабочей области спектра плюс- первого порядка.
17. Устройство по п. 14, в котором угол скольжения Θ выбран так, что соответствующая углу дифракции ψ= 90° длина волны отсечки λ00 больше длины волны ЭУФ литографии 13,5 нм: λ00> 13,5 нм, - и рабочая область спектра плюс- первого порядка включает в себя длину волны 13,5 нм: λ+1>13,5 нм.
18. Устройство по п. 14, в котором рабочая область спектра плюс- первого порядка включает в себя длину волны 13,5 нм и длинноволновая граница λ+1 рабочей области спектра близка к длине волны 13,5 нм:
0 < (λ+1 - 13,5 нм) « 13,5 нм.
19. Устройство по п. 14, в котором перед детектором установлен затвор, блокирующий излучение в нулевом порядке дифракции.
20. Устройство по п. 14, в котором спектрометр снабжен программным обеспечением, обеспечивающим сбор, обработку, отображение и хранение данных спектральных измерений в плюс- первом и минус- пером порядках дифракции.
21. Компактный широкодиапазонный ВУФ спектрометр скользящего падения с расположенными в корпусе входной щелью, освещаемой удаленным источником излучения и выделяющей пучок излучения, освещающий под углом скольжения Θ
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) дифракционную решетку с постоянным периодом d, и детектором излучения, характеризующийся тем, что дифракционная решетка выполнена плоской, рельефной, с плоскими отражающими рабочими гранями, лежащими в плоскости решетки, и не отражающими свет углублениями между рабочими гранями; детектор излучения обеспечивает регистрацию ВУФ спектра в плюс- первом порядке дифракции и в минус- первом порядке дифракции, причем длинноволновая граница λ+Ι рабочей области спектре плюс- первого порядка во много раз меньшей длинноволновой границы λ.ι рабочей области спектра минус- первого порядка: λ+ι«λ.ι,- а спектральное разрешение (λ/δλ)+] в рабочей области спектра плюс- первого порядка во много раз больше спектрального разрешения (λ/δλ).ι в рабочей области спектра минус - первого порядка: (λ/δλ)+1»(λ/δλ).| .
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2018/000455 2017-07-18 2018-07-10 Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр WO2019017819A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/618,480 US10753798B2 (en) 2017-07-18 2018-07-10 Compact wideband VUV spectrometer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017125698 2017-07-18
RU2017125698A RU2661742C1 (ru) 2017-07-18 2017-07-18 Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019017819A1 true WO2019017819A1 (ru) 2019-01-24

Family

ID=62917043

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000455 WO2019017819A1 (ru) 2017-07-18 2018-07-10 Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10753798B2 (ru)
RU (1) RU2661742C1 (ru)
WO (1) WO2019017819A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4241999A (en) * 1978-08-24 1980-12-30 Agence Nationale De Valorisation De La Recherche (Anvar) Monochromators
US20060146344A1 (en) * 2003-02-25 2006-07-06 Wolfgang Biel Method for determining optimum grating parameters for producing a diffraction grating for a vuv spectrometer
US7485869B2 (en) * 2007-02-27 2009-02-03 Metrosol, Inc. Prism spectrometer
RU2593423C1 (ru) * 2015-05-21 2016-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" Спектрометр для мягкого рентгеновского и вуф диапазона

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3237508A (en) * 1962-04-12 1966-03-01 Bausch & Lomb Reflecting diffraction grating for minimizing anomalies
US4268115A (en) * 1979-06-01 1981-05-19 Tetra-Tech, Inc. Quick-release fiber-optic connector
WO2004019083A2 (en) * 2002-08-26 2004-03-04 Valorbec Societe En Comandite Planar waveguide grating devices having controlled polarization dependent sensitivity and method of manufacturing thereof
CA3016413C (en) * 2016-03-23 2020-12-29 Leia Inc. Grating-based backlight employing reflective grating islands

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4241999A (en) * 1978-08-24 1980-12-30 Agence Nationale De Valorisation De La Recherche (Anvar) Monochromators
US20060146344A1 (en) * 2003-02-25 2006-07-06 Wolfgang Biel Method for determining optimum grating parameters for producing a diffraction grating for a vuv spectrometer
US7485869B2 (en) * 2007-02-27 2009-02-03 Metrosol, Inc. Prism spectrometer
RU2593423C1 (ru) * 2015-05-21 2016-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" Спектрометр для мягкого рентгеновского и вуф диапазона

Also Published As

Publication number Publication date
RU2661742C1 (ru) 2018-07-19
US20200173853A1 (en) 2020-06-04
US10753798B2 (en) 2020-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7076024B2 (en) X-ray apparatus with dual monochromators
US6907108B2 (en) Dual-wavelength x-ray monochromator
Atherton et al. TAURUS: a wide-field imaging Fabry–Perot spectrometer for astronomy
JP5990734B2 (ja) 蛍光ｘ線分析装置
CN108169790B (zh) 一种掠入射x射线显微镜的强度标定方法
US20140291518A1 (en) X-ray spectrometry detector device
JP6952033B2 (ja) Ｖｕｖ光学素子の非接触サーマル測定
Dinh et al. Evaluation of a flat-field grazing incidence spectrometer for highly charged ion plasma emission in soft x-ray spectral region from 1 to 10 nm
RU2661742C1 (ru) Компактный широкодиапазонный вуф спектрометр
US20190271586A1 (en) Method, apparatus and computer program for measuring and processing a spectrum of an xuv light source from soft x-rays to infrared wavelength
Hirano et al. Imaging Bragg spectrometer for pinched plasma experiments
JP5346916B2 (ja) エネルギーフィルタ及び角度フィルタを行う回折アナライザシステムを備えた試料のｘ線解析装置
Schuermann et al. Metrology tools for EUVL-source characterization and optimization
ES2764753T3 (es) Procedimiento para la determinación de parámetros de rejilla óptimos para la producción de una rejilla de difracción para un espectrómetro VUV
JP5563935B2 (ja) Ｘ線検出システム
JP2912127B2 (ja) 蛍光ｘ線分析方法
JPS61107104A (ja) 微細パタ−ン深さ測定方法及びその装置
Tomsick et al. Calibration of the stellar X-ray polarimeter
JPH1048158A (ja) 単結晶試料等のｘ線応力測定方法
JP7333790B2 (ja) 分光光度計較正方法及びシステム
Dewey et al. AXAF grating efficiency measurements with calibrated nonimaging detectors
RU2599923C1 (ru) Внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и вуф диапазона
CN114646652A (zh) 一种x射线光子甄选仪的应用
GB2238115A (en) Optical profile measurement
Rideout et al. Synchrotron measurements of the absolute x-ray quantum efficiency of CsI-coated microchannel plates

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18835059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18835059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1