Osservazione degli afflussi di plasma nel laser

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1825 (2023) Citare questo articolo

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La dinamica del plasma è governata dalla densità elettronica (ne), dalla temperatura elettronica (Te) e dal trasferimento di energia radiativa, nonché dai flussi macroscopici. Tuttavia, i campi di velocità del flusso del plasma (vflow) all'interno dei plasmi prodotti dal laser (LPP) sono stati misurati raramente, a causa delle loro piccole dimensioni (< 1 mm) e della breve durata (< 100 ns). Qui riportiamo, per la prima volta, misurazioni del vflow bidimensionale (2D) di Sn-LPP (schema a doppio impulso con un laser a CO2) per sorgenti di luce ultravioletta estrema (EUV) per litografia a semiconduttore utilizzando il metodo collettivo Thomson tecnica di scattering, che viene tipicamente utilizzata per misurare ne, Te e la carica ionica media (Z) dei plasmi. All'interno della sorgente EUV, abbiamo osservato una velocità di afflusso di plasma superiore a 104 m/s verso l'asse centrale del plasma dalle sue regioni periferiche. I profili 2D risolti nel tempo di ne, Te, Z e vflow indicano che gli afflussi di plasma mantengono la sorgente EUV a una temperatura adatta (25 eV < Te < 40 eV) per l'emissione di luce EUV ad alta densità (ne > 3 × 1024 m−3) e per un tempo relativamente lungo (> 10 ns), con conseguente incremento dell'emissione luminosa EUV totale. Questi risultati indicano che il controllo del flusso di plasma può migliorare l'emissione di luce EUV e che esiste il potenziale per aumentare ulteriormente l'emissione di EUV.

Per la lavorazione fine nel processo di produzione dei semiconduttori che supporta la società informatica è necessaria una sorgente luminosa litografica con una lunghezza d'onda corta, mentre attualmente viene utilizzata la luce ultravioletta estrema (EUV) con una lunghezza d'onda di 13,5 nm proveniente dal plasma di stagno (Sn) generato dal laser1 ,2,3,4,5,6,7. Il sistema ottico per la litografia EUV ha solo un sistema ottico riflettente e, anche se viene utilizzato uno specchio multistrato Mo/Si con un'elevata riflettanza di 0,67, è necessaria un'emissione di sorgente luminosa molto elevata perché ci sono 12 specchi di riflessione in un attuale strumento di litografia EUV8 .

High-density plasma is desired to obtain high output, however, self-absorption cannot be ignored when the density is too high. Therefore, it is necessary to maintain plasma of appropriate density for a relatively long time. It has been clarified that a "double-pulse method" is effective to generate EUV sources with high conversion efficiency (CE) of converting drive laser light into usable in-band EUV photons5. In this method, a small (20–30 µm diameter) tin droplet is irradiated with a pre-pulse laser and a main laser pulse for generating a light source plasma. Various papers have already pointed out that the double-pulse method is effective in improving CE3,300W high power LPP-EUV source with long mirror lifetime-III for semiconductor HVM. In Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography XII 48th edn (eds Felix, N. M. & Lio, A.) (SPIE, 2021). https://doi.org/10.1117/12.2581910 ." href="#ref-CR9" id="ref-link-section-d1829975e597"> 9,10,11. Sono stati presi in considerazione ulteriori miglioramenti nell'efficienza delle sorgenti luminose per sostituire il laser a CO2 come impulso principale con un laser a stato solido con lunghezza d'onda di 2 μm dotato di un'elevata efficienza di conversione da elettrico a ottico12,13,14,15,16. Pertanto, è significativo comprendere il meccanismo dettagliato di come il metodo a doppio impulso può fornire una maggiore efficienza di conversione. Uno dei problemi cruciali è la difficoltà di misurare i parametri fondamentali del plasma (densità elettronica, temperatura elettronica e stato di carica Z) all'interno di sorgenti EUV molto piccole (< 1 mm), non uniformi, di breve durata (< 100 ns) e transitorie. . Questi parametri fondamentali sono cruciali per aumentare l'uscita EUV in banda (lunghezza d'onda λ = 13,5 nm, 2% di larghezza di banda completa), come sottolineato dagli studi di modellazione atomica7,17,18. Indicano che la sorgente EUV dovrebbe avere una densità elettronica adeguata (ne: 3 × 1024–1025 m−3) e una temperatura elettronica (Te: 25–40 eV) per realizzare uno stato di carica ottimale di 8+–12+.

100 µm, the flow is in the positive x direction. In addition, there is a velocity component perpendicular to the x-axis, (i.e., the y-axis or the radial direction), although the plasma flow has a large component parallel to the x-axis. Regarding (ii), the flow components toward central axis were observed in the region close to the plasma central axis (y = r < 150 µm). In the region of y = r > 200 µm, the radial component of vflow were in the direction away from the central axis. Because the magnitude of vflow increased as further away from a specific local region (50 µm < x < 100 µm and 100 µm < y = r < 150 µm), it is expected that plasma flows out from the specific local region to its peripheral regions./p> 4 × 107 Pa) was formed around the position of (xp,yp) = (30 µm, 150 µm). Generally, pressure gradient can be a main force to generate plasma flows, i.e., the 2D-vflow profiles shown in Fig. 3a–c are considered to be formed by pressure gradient forces and plasma flows from higher pressure regions to lower pressure regions. However, the spatial distribution of the direction of the velocity vector shown in Fig. 3b indicates that the plasma is flowing outward from around the position (xv,yv) = (90 µm, 150 µm), which is 60 µm away from the peak pressure position (xp,yp) = (30 µm, 150 µm). This discrepancy is due to the phase difference between acceleration (pressure gradient) and flow velocity, i.e., the difference in definition time. We measured time-resolved peak pressure position at t = 5, 15 ns. As a results, we confirmed that the peak pressure position moved from (x,y) = (70 µm, 150 µm) at t = 5 ns to (x,y) = (10 µm, 150 µm) at t = 15 ns. The plasma flows toward the plasma central axis were observed only when the hollow-like pressure structure appeared. For example, there is no plasma inflow for the case of the 1.3 µs-plasma, in which no hollow-like pressure structure was observed [Fig. 3a]./p> 10 ns) and at a high ion density, i.e., The plasma inflows play an important role in improving the total EUV light emission./p>

300W high power LPP-EUV source with long mirror lifetime-III for semiconductor HVM. In Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography XII 48th edn (eds Felix, N. M. & Lio, A.) (SPIE, 2021). https://doi.org/10.1117/12.2581910./p>