Электроразрядные лазерные и плазменные источники излучения УФ и ВУФ диапазона с высокой частотой следования импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ УФ И ВУФ ДИАПАЗОНА С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ.

Специальность: 01.04.13-электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской

Федерации

«Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор

Борисов В.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор доктор физико-математических наук, профессор доктор физико-математических наук, профессор

Бурцев В.А. Напартович А.П. Кузьмин Г.П.

Ведущая организация: ФГУП Российский федеральный ядерный центр "Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики", Нижегородская обл., г.Саров

Защита диссертации состоится " (¡1{С{11

часов минут

Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова» по адресу. 196641, Санкт-Петербург, Металлострой, ул. Полевая, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

И.А.Шукейло

\ 5 0 {Ч" Общая характеристика работы

В настоящей диссертации приводятся результаты исследований, выполненных автором в 1983-2003 гг. в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (бывший ФИАЭ им. И.В.Курчатова). Диссертация посвящена проблемам, связанным с созданием и исследованием высокоэффективных эксимерных лазеров УФ диапазона и некогерентных источников излучения ВУФ диапазона с высокими средней мощностью излучения и частотой следования импульсов.

Актуальность работы

Среди многообразия существующих в настоящее время лазеров эксимерные лазеры, излучающие в ультрафиолетовом диапазоне, занимают особое место. Это связано с их короткой длиной волны излучения, большой импульсной и средней мощностью, а также возможностью долговременной работы при высокой частоте следования импульсов с использованием электроразрядного способа накачки. Такое уникальное сочетание выходных параметров делает их привлекательными для использования в различных сферах деятельности. К числу наиболее важных применений эксимерных лазеров относятся: оптическая литография, микрообработка и очистка материалов, модификация поверхности, отжиг тонкопленочных

транзисторов, маркировка, медицина, экологический мониторинг, использование в качестве точечных источников рентгеновского излучения. Экономическая эффективность применения лазеров в большинстве технологий зависит, прежде всего, от их средней мощности излучения и частоты следования импульсов. Все это делает актуальным проведение исследований, направленных на создание эксимерных лазеров с большой средней мощностью и высокой частотой следования импульсов, выявление факторов, определяющих их достижение, а также влияющих на пространственные характеристики излучения. В историческом ракурсе развития технологий с использованием лазеров с высокой средней мощностью прослеживается тенденция перехода к более коротким длинам волн излучения. В частности, использование эксимерных лазеров в различных технологиях началось с длинноволновых XeF- (353 нм) и ХеС1-лазеров (308 нм), тогда как коротковолновые ЕхР- (248 нм) и Л^-лазеры (193 нм) получили широкое распространение позднее, когда они стали эффективно использоваться в оптической литографии. В то же время, для литографических установок следующего поколения требуются источники излучения с еще более короткой длиной волны, чем у эксимерных лазеров. Одним из наиболее перспективных подходов для создания таких источников в настоящий момент представляется излучение высокотемпературной ксеноновой плазмы, создаваемой в разряде типа /-пинч и излучающей в экстремальном ультрафиолетовом ¡(ЭУФ) диапазоне (5-^20 нм) с центральной

длиной волны на 13,5 нм. Выбор

БИБЛИОТЕКА |

С.Петер' 09

прежде всего, с разработкой зеркал с большим коэффициентом отражения в этом диапазоне, что позволяет создать эффективную оптическую систему сбора и обработки излучения. Следует отметить, что работы по разработке и исследованию подобных ВУФ источников с параметрами, пригодными для использования в литографических установках, в нашей стране до начала настоящей работы не проводились.

Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы определяется тем, что в ней решена проблема создания мощных селективных импульсно-периодических источников УФ и ВУФ диапазона, работающих с высокой частотой следования импульсов. Работа восполняет пробел в существующих представлениях о процессах, определяющих максимальные выходные параметры электроразрядных лазерных и плазменных источников УФ и ВУФ диапазона. Разработаны прототипы промышленных эксимерных лазеров и плазменных источников ВУФ диапазона.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное изучение физических закономерностей, связанных с получением эффективной генерации электроразрядных эксимерных лазеров с длинами волн излучения 353, 308, 248, 193 нм и эффективного излучения ВУФ диапазона (Я=13,5±0,135 нм) на основе высокотемпературной разрядной плазмы в Хе при высоких частотах следования импульсов, а также создание на основе проведенных исследований эксимерных лазеров и ВУФ источников с высокой средней мощностью излучения.

Задачи исследований

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Исследования эффективных режимов возбуждения разряда в различных средах эксимерных лазеров, имеющих различные комбинации выходных параметров.

2. Создания около 2-х десятков различных импульсно-периодических эксимерных лазеров (ИПЭЛ), обладающих широким диапазоном выходных параметров, в числе которых длина волны, энергия в импульсе и ее стабильность, средняя мощность, частота следования импульсов, длительность импульса, расходимость. Для чего предстояло разработать: а) схемы возбуждения разряда, системы УФ предыонизации, разрядные камеры, электродные системы; б) компактные и эффективные газодинамические контуры (ГДК) на основе осевых и диаметральных вентиляторов.

3. Экспериментального и теоретического исследования физических причин, вызывающих неоднородное протекание объемного разряда в газовых средах эксимерных лазеров, снижающих энергию генерации лазерных импульсов при импульсно-периодическом режиме, препятствующих достижению высоких средней мощности излучения и частоты следования импульсов, а также ухудшающих качество лазерного луча.

4. Исследования динамики установления стационарных значений параметров излучения ИПЭЛ от импульса к импульсу.

5. Создания плазменных источников ВУФ излучения с Я=13,5 нм на основе разряда типа Z-пинч в Хе с высокими средней мощностью излучения и частотой следования импульсов, имеющих небольшой (~1 мм) размер излучающей плазмы. Для чего предстояло разработать электрофизические установки, включающие: а) схемы возбуждения разряда, способные работать с высокой частотой следования импульсов в течение длительного времени; б) высоковольтный и заземленный узлы источника с эффективно охлаждаемой электродной системой, обеспечивающей минимальную индуктивность разрядного контура; в) систему дифференциальной вакуумной откачки; г) систему диагностики ВУФ излучения.

6. Поиска режимов возбуждения разряда типа Z-пинч и параметров газовой среды в плазменном ВУФ источнике, способствующих получению эффективного ВУФ излучения с требуемыми размерами излучающей плазмы.

Методы исследований

При решении перечисленных задач основным методом являлся физический эксперимент, который включал в себя измерение энергетических, временных, спектральных и пространственных параметров излучения, применялись также методы численного моделирования и оценочные расчеты.

Научная новизна работы

1. Проведены сравнительные исследования оптимальных условий поддержания разряда в различных эксимерных лазерах, позволившие выявить различия в зависимости эффективности генерации от разрядных параметров для лазеров, отличающихся не только типом эксимерной молекулы (XeF, XeQ, К^ и А^), но и комбинацией выходных характеристик: эффективностью и энергией генерации с одной стороны, частотой следования импульсов с другой. Впервые достигнута эффективность генерации К^- и Л^-лазеров 3,9% и 2,1% соответственно.

2. В различных электроразрядных эксимерных лазерах исследованы основные физические факторы, влияющие на формирование объемного разряда в импульсно-периодическом режиме и определяющие достижение высокой средней мощности излучения при увеличении частоты следования импульсов. Созданы электроразрядные эксимерные лазеры, на которых впервые получена средняя мощность излучения на ХеС1-, К^- и А^-молекулах 420, 650 и 300 Вт соответственно, что в 1,4ч-1,8 раза превышает значения, достигнутые другими исследователями.

3. Определены параметры электроразрядных систем и газовых сред, позволившие впервые получить объемный разряд и генерацию в газовых смесях Л^-, К^- и XeF-лазеров с частотой следования импульсов 5-=-6 кГц. Установлено, что использование в этих лазерах УФ предыонизации от

скользящего разряда обеспечивает более высокую однородность объемного разряда и значительно улучшает выходные характеристики лазеров по сравнению с искровой УФ предыонизацией.

4. Обнаружено, что для электроразрядных эксимерных лазеров динамика энергии генерации от импульса к импульсу при высоких (>1 кГц) частотах следования имеет общий характер: наблюдается уменьшение энергии генерации после первого оборота газа по контуру, которое сменяется ее ростом по мере разогрева электродов. Найдено, что наиболее сильно эти эффекты проявляются в ЛгР-лазерах.

5. Установлено, что градиенты плотности газа и/или продукты плазмохимических реакций, возникающие в газовом контуре лазеров от предыдущих разрядных импульсов, в большей степени влияют на процесс формирования объемного разряда и выходные характеристики ЛгР-лазеров, чем КгБ-лазеров.

6. Впервые созданы плазменные источники ВУФ излучения

нм) на основе разряда типа /-пинч в Хе со средней мощностью излучения 150 ср, внутренней эффективностью ср, частотой следования

импульсов 1,5 кГц, размером излучающей плазмы 0,3 х 1,7 мм2 и ресурсом более 5107 импульсов, пригодные для литографических установок следующего поколения.

7. Выявлены параметры электрофизической установки, определяющие энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения на основе разряда типа /-пинч в ксеноне. Определены условия, позволяющие получать излучающую плазму с малыми (~1 мм) размерами. Найдено, что в ВУФ источнике, имеющем в качестве высоковольтного электрода анод, энергетические характеристики излучения в диапазоне

нм могут значительно превосходить характеристики источника, имеющего в качестве высоковольтного электрода катод.

8. Впервые созданы электрофизические установки, позволяющие при небольшой вкладываемой энергии (~10 Дж) формировать разряд типа /-пинч с размерами ~1 мм, током до 50 кА, способные к длительной непрерывной работе при частотах следования импульсов кГц и вводимой в разряд удельной мощности -15 кВт/см3. Установки могут быть использованы для получения излучения в диапазоне длин волн нм с высокой средней

мощностью излучения.

Научная и практическая ценность работы

1. Установлена природа изменения энергии генерации от импульса к импульсу для эксимерных лазеров с высокой частотой следования.

2. Определены закономерности, определяющие энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения на основе разряда типа /-пинч.

3. Созданы два универсальных трансформируемых модуля, позволяющие получать на эксимерных средах высокую среднюю мощность (250-=-600) и (100+200) Вт соответственно с расходимостью излучения близкой к дифракционному пределу рад. Эти модули могут работать как в режиме пониженной частоты следования (до 1 кГц) и умеренной энергии в импульсе, так и с высокой частотой следования (до 6 кГц) и энергией в импульсе до 200 мДж. Они являются прототипами коммерческих эксимерных лазеров.

4. Создан новый класс плазменных источников ВУФ излучения (А=13,5±0,135 нм) на основе разряда типа /-пинч в Хе с энергией излучения свыше 100 мДж/27С ср, средней мощностью 150 Вт/2я ср, внутренней эффективностью 1,3%/2я ср, частотой следования импульсов 1,5 кГц и размерами излучающей плазмы Создано несколько прототипов коммерческих ВУФ источников, различающихся выходными параметрами.

5. Созданы электрофизические установки, позволяющие при небольшой вкладываемой энергии формировать разряд типа-пинч с малыми размерами (~1 мм), разрядным током до 50 кА, частотой следования импульсов 1,5+2 кГц и способные к многочасовой работе при вводимой удельной мощности ~15 кВт/см3.

Автор защищает

1. Найденные оптимальные условия поддержания разряда и характер зависимости эффективности генерации эксимерных лазеров от разрядных параметров не только для различных типов эксимерной молекулы

но и для различной комбинации параметров излучения: эффективности и энергии генерации с одной стороны и частоты следования импульсов с другой. Разработку на основе проведенных исследований лазеров, на которых впервые была получена эффективность генерации на КгР-И АгР-молекулах 3,9 и 2,1% соответственно.

2. Результаты исследований основных физических факторов, влияющих на формирование объемного разряда при импульсно-периодической работе и определяющих высокую среднюю мощность излучения электроразрядных

-лазеров. Разработку на основе проведенных исследований лазеров, на которых впервые была получена средняя мощность излучения на ХеС1-, КгР- И АгР-молекулах 420,650 и 300 Вт соответственно.

3. Параметры электроразрядных систем и газовых сред, позволившие впервые получить объемный разряд и генерацию с частотой следования импульсов в газовых смесях -лазеров. Использование УФ предыонизации от скользящего разряда вместо традиционной искровой, обеспечивающей более высокую однородность разряда и значительно улучшающей выходные характеристики этих лазеров.

4. Установленную закономерность динамики энергии генерации от импульса к импульсу при высокой частоте следования, имеющую общий характер для разных типов эксимерных лазеров: спад после первого оборота газа по контуру, сменяемого подъёмом, связанного с разогревом электродов.

5. Обнаруженную закономерность большей чувствительности разряда и выходных характеристик ArF-лазеров к градиентам плотности газа и/или продуктам плазмохимических реакций, возникающим от предыдущих разрядных импульсов, чем KrF-лазеров.

6. Разработку и результаты исследования плазменных источников ВУФ излучения (Л=13,5±0,135 нм) на основе разряда типа Z-пинч в Хе со средней мощностью излучения 150 Вт/2л ср, внутренней эффективностью 1,3%/2я ср, частотой следования импульсов 1,5 кГц, размером излучающей плазмы 0,3 х 1,7 мм2 и ресурсом более 5107 импульсов, пригодных для литографических установок следующего поколения.

7. Совокупность параметров электрофизической установки, определяющих энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения на основе разряда типа Условия формирования излучающей плазмы с малыми размерами. Зависимость энергетических и пространственных параметров ВУФ излучения от полярности высоковольтного электрода источника.

Реализация и внедрение результатов работы

Работа выполнялась по федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», отраслевой программе «Ультрадисперсные (нано -) материалы и технологии» и Государственному контракту №40.600.1.4.0024 «Разработка и исследование разрядных импульсно-периодических источников излучения в области вакуумного ультрафиолета (11,4-13,5 нм)», а также проектам МНТЦ №№1727 и 2412 с германскими фирмами «Lambda Physik» (программы «Eureka» - «Eurolaser EU205», Esprit -«Ellipse», и др.) и «Xtreme Technologies», контракту с финской фирмой «VTT Manufacturing Technology». В рамках вышеуказанных соглашений было поставлено несколько прототипов промышленных эксимерных лазеров и источников ВУФ излучения.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 6-ой Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме (Ленинград, 1983); XVII международной конференции по явлением в ионизированных газах (Budapest, 1985); XII Всесоюзной конференции по КиНО (Москва, 1985); Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (Киев, 1986; Омск, 1990); международных конференциях по лазерам и электрооптике (CLEO'87, Bultimore; '94, Netherlands; '95, Baltimore); международной конференции по лазерам (Laser-87, Lake Tahoe, USA); HI Всесоюзной конференции по физике

газового разряда (Махачкала, 1988); 3-м международном симпозиуме по современной оптике (OPTICA,88, Budapest); международной конференции по мощным газовым лазерам (Los Angeles, 1990); международных симпозиумах по газовым и химическим лазерам (Madrid, 1990; Florence, 2001); международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применения" (Самарканд, 1990); международных симпозиумах по оптической науке и инженерии (Hague, 1991; San Jose, 1997; St.Petersburg, 1998); международной конференции ассоциации материальных исследований (MRS'2001, San-Francisco, 2001); международных симпозиумах по микролитографии (Santa Clara, 2001, 2002); международной конференции по микро- и нано-инженерии (Grenoble, 2001); международной конференции по применениям газовых и химических лазеров и интенсивных пучков (San Jose, 2002); XXIX конференции по физике плазмы и управляемому синтезу (Звенигород, 2002); международной конференции по лазерам и их применениям (LAT2002, Moscow, 2002); международной конференции по квантовой электронике (IQEC2002, Moscow, 2002); международной конференции "IV Харитоновские научные чтения. Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом" (Саров, 2002); международной конференции "Оптика лазеров 2003" (St.Petersburg, 2003); 2-ой международном симпозиуме по ЭУФ литографии (EUVL, Antwerp, 2003); VI международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 2003); международном симпозиуме по рентгеновской оптике (Н.Новгород, 2003,2004).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано около 70 работ, включая авторские свидетельства и патенты на изобретения.

Вклад автора

В результаты совместных работ автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке и проведении экспериментов, разработке и проектировании экспериментальной техники, в определении задач теоретического исследования, анализе результатов экспериментов и их интерпретации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, заключения и содержит 276 страниц машинописного текста, 204 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 246 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, указана цель и задачи, при решении которых эта цель достигается. Приводится краткое содержание диссертации, формулируются основные

защищаемые положения, новизна и практическая значимость полученных результатов.

В главе I «Литературный обзор лазерных и плазменных источников излучения УФ и ВУФ диапазона, использующихся в современных микроэлектронных технологиях» рассмотрены лазерные источники излучения, применяемые в оптической литографии, и источники ВУФ диапазона, которые могут быть использованы для литографических установок следующего поколения. Обосновываются требования современной микролитографии к выходным параметрам как лазерных, так и ВУФ источников. Здесь же рассматриваются вопросы использования ИПЭЛ в других материальных процессах: в лазерной кристаллизации аморфного кремния при производстве жидко-кристаллических экранов, микрообработке различных материалов

Глава II «Исследование физических факторов, определяющих достижение высокой средней мощности электроразрядных эксимерных лазеров» посвящена результатам экспериментального и теоретического исследования причин, ограничивающих достижение эффективной генерации различных типов электроразрядных эксимерных лазеров в импульсном режиме и снижающих энергию генерации в импульсно-периодическом режиме (ИПР). Было определено, что на эффективность генерации эксимерных лазеров в импульсном режиме влияют такие взаимосвязанные факторы, как геометрия разрядного объема, режим ввода энергии в разряд, уровень и однородность предварительной ионизации, конфигурация и тип электродной системы. Экспериментальные исследования выявили оптимальные параметры накачки и различный характер зависимости эффективности генерации от разрядных параметров (интенсивности накачки, индуктивности разрядного контура) для эксимерных лазеров, отличающихся не только типом эксимерной молекулы . но и

комбинацией выходных характеристик: эффективностью и энергией генерации с одной стороны, частотой следования импульсов с другой, рис.1. Установлено, что для оптимальной удельной мощности энерговклада различных типов эксимерных лазеров справедливо соотношение

чем короче длина волны излучения лазера, тем требуется более интенсивная накачка. Определено, что для лазеров с максимальной частотой следования требуется более высокий уровень чем для лазеров с максимальной эффективностью генерации. Найдено, что для лазеров с максимальной эффективностью генерации зависимость эффективности генерации от индуктивности разрядного контура имеет более резкий характер, чем для лазеров с максимальной частотой следования импульсов. Показано, что для ХеС1-лазеров увеличение индуктивности разрядного контура не оказывает столь катастрофического воздействия на эффективность генерации как для Е^- и А^-лазеров.

Применительно к ИПЭЛ представлены результаты экспериментального и теоретического исследования основных причин, уменьшающих энергию

£

1 К'Р(ППА)| | | |

1, 1 1 1 -гЧЧ^Г

■+ ч -i-

1 г\ — *еСЦЯл4- —' —' —

ц -B-4-ebif] 1 ЛРЬЛЩ'

1 ~1~ ГТ1

1 ч 1 -1- h- + Ч fililí 1

1 1 2 1 1 1 1 1 3 4

J. МВт/см3

а)

i 1 Д|КГР1 1 1 1 1

---1- I 1 I- -+" —1 — 1 — t \ 1 1 1 1 1

i 1 J 1 1 1 1 1 1 _l_ L ± 1

i 1 1 1^06-4-4

ч -i- 1

i i —1- 1 1 -4- lililí lililí i 1 М 1 1

в)

J . МВт/см*

1 1

iiii "" гИЪаЯгГ Г

ÍÍVrfxj. -h

lili, lili! "IITTI -14 ■+ +- I I J i L I

-+ +- H

¡xJ2 , .

i i re i

l-l 4 -+ +- >t4<14 +- I

l I l I l M i Ti 1 |

10 15 L. нГн

6)

32-

^ 2-

1 2-

25

! 4 4 4-

4_ |_| _| 4 |_

"I -t*+" I" l-l "I -t 1-1

~iN#TKTF Г Г1 П T r I

jj t^jli_ijí ii

_l J _L LUd^i I -I 4 4 -I- I- l-l -I 4*4- I

-3^1-1-i-M-t 1-1

~~'bZZZZZ

i I I I I I I

r)

8

L. нГн

Рис.1. Зависимости эффективности генерации различных типов эксимерных лазеров от интенсивности накачки (а, в) и от индуктивности разрядного контура (б, г) для лазеров с максимальной эффективностью (о, . б) и лазеров с максимальной частотой следования импульсов (в, г)

генерации в ИПР и ограничивающих максимальную частоту следования импульсов, которые включают акустические колебания, неэффективный вынос области нагретого газа из межэлектродного промежутка и приэлектродные явления. Влияние акустических колебаний на характеристики эксимерных лазеров в ИПР рассмотрены на примере ХеС1-ИПЭЛ при использовании в качестве буферной компоненты газовой смеси Не и N0. Экспериментально показано, что при одинаковом уровне относительных возмущений газовой смеси в активном объеме, разряд в неоновой газовой смеси (НГС) обладает меньшей чувствительностью к флуктуациям плотности газа, чем в гелиевой газовой смеси (ГГС), так что

замена ГГС на НГС позволила не только в несколько раз увеличить среднюю мощность излучения, но и установить, что уменьшение энергии генерации лазера, работающего на НГС, при высоких частотах следования (/>500 Гц) невелико по отношению к энергии генерации в импульсном режиме, чего нельзя сказать о лазере, работающем на ГГС. Для проверки полученных экспериментальных результатов был проведен аналитический расчет параметра связывающего относительную неоднородность локального

энерговклада с возмущениями плотности газа в ГГС и НГС:

который показал, что ко времени окончания импульса генерации для ГГС заметно превосходит для НГС, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Экспериментально обнаружено, что при />250 Гц наблюдается повторяющееся от импульса к импульсу пространственное распределение энерговклада. Проведен численный расчет акустических колебаний в ГДК ИПЭЛ, в результате которого установлено, что, начиная с 6-7 импульса, структура распределения плотности газа и энерговклада к началу очередного импульса повторяется.

Неэффективное удаление области нагретого разрядом газа на лазерные характеристики рассматривается в работе на примере с

высокой частотой следования импульсов, в которых из-за узкого разряда влияние акустических колебаний не столь велико, как в лазерах с относительно широким разрядом. Показано, что в лазерах с высокой

частотой следования импульсов влияние области нагретого газа от предыдущих разрядных импульсов является основной причиной,

Рнс.2. Расчетное распределение плотности газа в сносимых потоком с г=50 м/с нагретых областях газа при М (кривая 6), 2 (5), 3 (4), 4 (3) и 5 (2) кГц к моменту второго импутьса; полученных для КгР-лазера, кривая 1- первый разрядный импульс

Рис. 3. Фотография разряда КгР-лазера при /=4,5 кГц (а) и теневая фотография разрядной зоны АгГ-лазера, полученная в луче диодного лазера через 10 мкс после очередного разряда при/= 6 кГц (б)

ограничивающей рост средней мощности генерации с увеличением Экспериментально установлено, что выходные характеристики -лазера более чувствительны к флуктуациям плотности и/или продуктам плазмохимических реакций, возникающих от предыдущих разрядных импульсов, чем -лазера. Приводятся результаты численного расчета релаксации пробки нагретого газа в -лазерах с высокой частотой

следования импульсов при отсутствии и при наличии продува газовой смеси, которые согласуются с экспериментальными результатами, рис.2 и рис.3. Сравнением экспериментальных и расчетных результатов определено, что уровень относительной неоднородности плотности газа для лазеров, при которых генерация полностью прекращается, составляет 1,6% и 0,5% соответственно. Установлено, что чем выше скорость прокачки газа и чем больше межэлектродное расстояние в лазерах, тем больше

должен быть коэффициент смены лазерной смеси для предотвращения возникновения дуг, шунтирующих основной разряд.

Методом экспериментального

моделирования исследовано влияние приэлектродных возмущений на

контрагирование объемного разряда в условиях типичных для ИПЭЛ. Приэлектродные возмущения

моделировались с помощью

сфокусированного на катод разрядной камеры излучения Разрядные

условия в камере соответствовали типичным разрядным условиям в ИПЭЛ. На рис.4 показаны зависимости времени задержки разрядного импульса относительно

лазерного импульса, вызывающего контрагирование разряда, от энергии лазерного импульса для различных

материалов катода разрядной камеры. Светлым значкам на рисунке соответствует область параметров при которых в

камере наблюдался объемный разряд, темным - контрагированный. Фотографии объемного и контрагированного разряда в разрядной камере также показаны на рис.4. Установлено, что массы паров металла, испаренных с электрода лазерным импульсом в модельных экспериментах и сильноточным контрагированным

разрядом в типичных смесях эксимерных

Рис.4. Зависимость времени задержки разрядного импульса относительно лазерного

импульса, вызывающего

контрагирование разряда, от энергии лазерного импутьса в Не для Си-(1), гп-(2), Ре- (3) XV -(4) для объемного (светлые точки) и контрагированного (темные точки) разряда

лазеров, были близки по порядку величины. Исследования позволили определить условия, при которых сильноточные каналы от предыдущих разрядных импульсов могут привести к контрагированию отдельных участков разряда в последующих разрядных импульсах. Было показано, что определяющим свойством материала катода, влияющим на контрагирование разряда в ИПР, является удельная теплота испарения. Использование электрода из тантала в XeCI-ИПЭЛ позволило существенно повысить выходные параметры лазерного излучения при

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что при условии достаточного продува газовой смеси контрагирование разряда при высокой частоте следования импульсов происходит из-за двух взаимосвязанных причин: из-за возникновения локальных неоднородностей энерговклада в объемный разряд вследствие флуктуации плотности газа и наличия локально разогретых участков электрода и паров металла электрода вблизи них, возникающих в областях повышенного энерговклада от предыдущих разрядных импульсов, что способствует дальнейшему усилению контрагирования разряда.

В главе III «XeCl-лазеры» представлены результаты исследования различных XeCI-ИПЭЛ, различающихся комбинацией выходных параметров, электроразрядными схемами, системами УФ предыонизации и системами прокачки газа, исследуются различные оптические резонаторы.

Сообщаются результаты исследования электроразрядного двухмодульного XeCI-ИПЭЛ, на котором получена рекордная средняя мощность излучения 420 Вт и максимальная частота следования импульсов 1,1 кГц. Приводятся результаты исследования энергетических и пространственных параметров двух компактных XeCI-ИПЭЛ с энергией генерации 1 и 0,2 Дж и средней мощностью излучения 60 и 14 Вт соответственно.

Представлены результаты исследования XeCl-лазера с

широкоапертурной (7x7 см2) генерацией и энергией в импульсе 8 Дж. Приводятся результаты исследования однородности разряда и генерации по апертуре излучения, которые позволили установить ряд физических закономерностей, присущих широкоапертурному излучению. Обнаружена зависимость крутизны переднего фронта импульса генерации отдельных участков активного объема от координаты, ориентированной вдоль меньшего размера электрода. Показано, что при определенных условиях неоднородное по пространству распределение концентрации начальных электронов, вызванное перфорацией электрода, сквозь который осуществлялась УФ предыонизация активного объема лазера от скользящего разряда, приводило к появлению не перекрывающихся между собой нитевидных каналов в разряде и к неоднородному распределению по апертуре излучения энергии генерации. Причем, распределение как разрядных каналов, так и генерации имело периодический характер, повторяющий период перфорации электрода. На основании упрощенной

одномерной кинетической модели показано, что в условиях однородного поля флуктуации концентрации начальных электронов пс0 не приводят к резкому изменению пе и ХеСГ, хотя и вызывают стягивание разряда в область низких пе0- Этот вывод коррелирует с наблюдаемой пространственной структурой разряда и генерации.

Сообщается о разработке широкоапертурного (6x3 см2) импульсно-периодического ХеС1-лазера со средней мощностью излучения 600 Вт и энергией генерации 3 Дж, в котором была использована ЬС-схема возбуждения разряда с магнитным сжатием импульса и 4-мя параллельно включенными тиратронами.

Исследовано влияние ИПР на расходимость излучения ХеС1-ИПЭЛ. При использовании неустойчивого конфокального резонатора достигнута расходимость излучения ХеС1-ИПЭЛ, близкая к дифракционному пределу (2,5-10"3-г1Д-10ц рад) при 0к1О-< незначительном (<30%) РЭД

уменьшении энергии генерации по сравнению с использованием плоско-параллельного резонатора. Обнаружена зависимость

расходимости излучения ХеС1-лазера от частоты следования импульсов по большему размеру апертуры при использовании так что при _/=600 Гц она более чем в 3 раза превосходит расходимость в импульсном режиме, рис.5. Обнаруженный эффект объясняется возмущениями плотности газовой среды в ИПР и вызванной ими неоднородностью показателя преломления. Показано, что акустические возмущения среды дают дополнительный вклад в расходимость излучения

где апертуры излучения,

активного объема, -длина волны акустического возмущения.

Экспериментально исследовано ВКР-преобразование широкополосного излучения ХеС1-ИПЭЛ в сжатом водороде. Проведенные эксперименты позволили установить сильную зависимость эффективности преобразования от параметров лазерного излучения (энергии генерации, расходимости излучения, степени фокусировки лазерного луча) и параметров рассеивающей среды. Максимальные энергетические кпд преобразования излучения с Д=308 нм в различных экспериментальных условиях в первую вторую стоксовые компоненты

составили 45, 40 и 28% при полном квантовом кпд свыше 80%. Эксперименты в ИПР выявили зависимость энергетических кпд

500 600 ^ Гц

Рис.5. Экспериментальная зависимость расходимости излучения ХеС1-лазера в ИПР от частоты следования импульсов; 1-0гор для ГГС и НГС, 2-0вср для НГС, 3-0аер для ГГС

преобразования первых трех стоксовых компонент от частоты следования импульсов: при /=500 Гц кпд преобразования в S2 и S3 уменьшаются более чем в 2 раза по сравнению с импульсным режимом. Сделанные в работе оценки позволили объяснить наблюдаемый эффект. В частности, при ВКР-преобразовании в зоне эффективного взаимодействия происходит выделение энергии, равной разности энергии квантов накачки и стоксовых компонент. Выделившая энергия разогревает среду, которая не успевает полностью остыть между импульсами, что приводит к уменьшению коэффициента усиления стоксовых компонент.

В главе приведены результаты исследований

разработанных нами высокоэффективных КгР-ИПЭЛ, различающихся комбинацией выходных параметров. Диапазон выходных параметров исследуемых в этой главе КгР-лазеров равнялся: энергия генерации до 1,3 Дж, частота следования до 5 кГц, средняя мощность излучения до рекордных 650 Вт. Большинство из исследованных КгР-лазеров являются прототипами промышленных лазеров.

Для КгР-лазеров со средней мощностью излучения до 100 Вт были проведены исследования, направленные на достижение максимальной эффективности генерации, для чего оптимизировались режим ввода энергии в разряд и конфигурация электродной системы. Сравнением экспериментальных результатов с расчетным распределением электрического поля Е в межэлектродном промежутке было установлено, что на ширине объемного разряда неоднородность поля не превышает ЛЕ/Е—2-3%. На оптимизированной разрядной системе максимальная эффективность

Рис.6. Поперечное сечение й^-лазера со средней мощностью излучения свыше 600 Вт

Рис.7. Зависимости средней мощности и

среднеквадратичного отклонения импульсов энергии генерации ег(2)1от частоты следования импульсов /

генерации КгР-лазера составила 3,9%. Исследовались различные подходы в организации продува газовой смеси в компактных ГДК. Разработаны оптимальные ГДК лазеров для прототипов коммерческих приводятся их аэродинамические характеристики.

Основываясь на результатах проведенных исследовании КгР-лазеров с относительно умеренной средней мощностью IV, был разработан и исследован электроразрядный ЕР-ИПЭЛ со средней мощностью излучения свыше 600 Вт. Поперечное сечение лазера изображено на рис.6. Максимальная энергия генерации и эффективность лазера равнялись соответственно 1,3 Дж и 3%.

На рис.7 приведена зависимость средней мощности V и среднеквадратичного отклонения импульсов энергии генерации а от частоты следования импульсов. При /=620 Гц удалось достичь Л=630 Вт, что и по настоящее время является рекордным достижением для электроразрядных К^-лазеров. По результатам измерений зависимости №(/) шкалу / условно можно разбить на три участка. На участке I (от 0 до 400 Гц) при росте / наблюдается линейный рост средней мощности и незначительный рост среднеквадратичного отклонения энергии генерации с. На втором участке II (от 400 Гц до 620 Гц) рост средней мощности продолжается, но с меньшей скоростью, зависимость приобретает немонотонный характер - наблюдаются флуктуации средней мощности, а быстро растет. На третьем участке III дальнейшего роста почти не происходит, при этом разброс между максимумами и минимумами увеличивается, средняя мощность резко падает, а резко возрастает. Визуально в разряде при Гц наблюдаются

дуги вниз по потоку. Приведенное на рис.7 поведение зависимости И'ф характерно для компактных ИПЭЛ и объясняется на базе представлений, развитых во второй главе диссертации. Сохранение однородности разряда в ИПР возможно лишь при сохранении одинаковой плотности газа в разрядном объеме к моменту начала очередного разрядного импульса, чему препятствует ряд физических факторов, возникающих при ИПР. Линейный рост средней мощности до Гц показывает, что уровень колебаний

плотности газа в разрядном объеме достаточно мал и практически не влияет на динамику развития объемного разряда. По мере увеличения акустические колебания не успевают затухнуть, и очередной разряд уже развивается в условиях существенной неоднородности плотности газа, которые могут инициировать локально разогретые пятна на электродах, что, в свою очередь, может быть дополнительной причиной контрагирования разряда и, соответственно, ограничения средней мощности лазера. Резкий спад при Гц связан с возникновением дуг вниз по потоку через

область разогретого газа от предыдущего разрядного импульса.

Изучение динамики установления стационарной средней мощности излучения показало, что при Гц после пуска лазера происходит резкое

уменьшение энергии генерации до некоторого среднего уровня, рис.8. Чем выше тем за меньшее время происходит этот спад и тем меньше средний

Рис.8. Последовательности импульсов энергии генерации, полученные сразу (а-д) и через 20 секунд после пуска лазера (е) при частоте следования импульсов: 100 (а), 400 (б), 500 {в, е), 620 (г) и 700 Гц (д)

уровень. В зависимости от спад происходит за импульсов, что

совпадает с экспериментальными и расчетными результатами для ИПЭЛ, согласно которым в начальный момент после пуска лазеров для данной происходит установление квазистационарного пространственного распределения плотности

газовой среды в межэлектродном промежутке за те же импульсов. Продемонстрирована непрерывная работа лазера в режиме стабилизированной средней мощности в течение более 8 часов. Поддержание средней • мощности

осуществлялось с помощью корректировки зарядного

напряжения в схеме возбуждения разряда и периодической инжекции Р2.

В рамках программы по созданию ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов (/>1 кГц) на КгР-, АгР- и ХеР-молекулах были разработаны специальные электроразрядные системы, включающие такие элементы, как конфигурации электродной системы и разрядной камеры, систему УФ предыонизации, схему

возбуждения разряда. Для прокачки газовых смесей были использованы компактные ГДК на основе диаметральных вентиляторов. Было создано два лазерных модуля, способных работать с высокой частотой следования импульсов,

различающихся разрядным

объемом, энерговкладом,

конфигурацией ГДК. На рис.9

показаны зависимости средней мощности -генерации и для обоих модулей. Максимальная средняя мощность излучения на одном из модулей составила 650 Вт при на другом - Приводятся

результаты исследования зависимости и ресурса газовой смеси от

Рис.9. Зависимости средней мощности IV (кривые 1, 3) и среднеквадратичного отклонения а (2, 4) импутьсов энергии КгР-генерации от частоты следования импутьсов С полученные на 1-ом (1, 3) и 2-ом (3, 4) модулях

однородности УФ предыонизации и температуры газовой смеси. В первом модуле использовалась УФ предыонизация от искровых источников, во втором - от скользящего разряда по поверхности сапфировой пластины, что позволило резко улучшить стабильность генерации (а < 2% при /<, 5 кГц).

Рис.10. Последовательности импульсов энергии КгГ-генерации, полученные на 2-ом модуле сразу после пуска лазера при частотах следования импульсов: 0,5; 2; 3; 4 и 5 кГц

Рис.11. Зависимости средней мощности КгР-генерации И' (кривая 1) и среднеквадратичного отклонения энергии генерации и (2) от времени, 2-ой модуль,/=2 кГц

Изучена динамика основных параметров лазерного излучения от импульса к импульсу при /< 5 кГц. На рис.10 показаны последовательности импульсов энергии генерации, полученные на втором модуле при разных / При высокой частоте следования импульсов обнаружены эффекты снижения энергии генерации после первого оборота газа по контуру (рис.10) и их последующего роста (рис.11) с одновременным улучшением стабильности генерации. Установлено, что причинами возникновения этих эффектов являются соответственно продукты плазмо-химических реакций и разогрев электродов. Продемонстрирована работа ЮР-лазера в режиме стабилизированной мощности при_/=1 кГц, в течение более 8 час о^йв/пул ьс о в).

Глава V «АгР- и ХеР-лазеры» посвящена исследованиям АгР- и ХеР-лазеров с высокими частотой следования импульсов и средней мощностью излучения, проводившимся на тех же лазерных модулях, что и исследования КгГ-лазеров. Элементы электроразрядной системы (схема возбуждения, система УФ предыонизации, электродная система) оптимизировались для каждого типа эксимерных лазеров. На одном из модулей при кГц и

межэлектродном расстоянии мм с использованием искровой УФ

предыонизации была получена рекордная для электроразрядных -лазеров средняя мощность излучения 300 Вт, рис.12, кривая 1. На другом модуле при

Рис.12. Зависимости средней мощности АгР-генерации IV (кривые 1, 2, 3) и сг(4, 5, 6) от частоты следования импульсов / для 1-ого (кривая 1,4) и 2-ого (2, 3, 5, 6, 4) модулей, (¡=28

Р'ис .13. Последовательность импульсов энергии АгГ-генерации на 2-ом модуле, полученные при различных частотах следования

импульсов

¿/=20 мм максимальная средняя мощность составила около 100 Вт (кривая 2), при этом использовалась УФ предыонизация от скользящего разряда, что позволило уменьшить и до 4% при/=4 кГц (кривая 5). На рис.13 показаны последовательности импульсов энергии АгГ-генерации, полученные на втором модуле при различных / в начальный момент времени. Была найдена совокупность факторов, включающая конфигурацию электродной системы, состав и температуру газовой смеси, тип и уровень УФ предыонизации, и позволившая получить линейный рост средней мощности до_/=6 кГц, рис.12 (кривая 3), при этом а составило всего 3% (кривая 6). Проведенные эксперименты показали, что использование в качестве УФ предыонизатора скользящего разряда по сравнению с общепринятой искровой обеспечивает более высокую однородность разряда и позволяет сохранить ее при высокой частоте следования импульсов, и, как следствие, значительно улучшить выходные характеристики как так и особенно -лазеров.

При высокой частоте следования импульсов в АгР-лазерах, так же как и в КгР-лазерах, были обнаружены эффекты снижения энергии генерации после первого оборота газа по контуру (рис.14) и их последующего роста с одновременным улучшением

стабильности генерации. Причем эти эффекты более ярко выражены именно

Р'ис. 14. Последовательность импульсов энергии генерации АгР-лазера при /=500 Гц, у=8, 16, 24,

32, 40 и 52 м/с в начальный момент работы

в -лазерах. Установлено, что причинами возникновения этих эффектов являются соответственно продукты плазмо-химических реакций и разогрев электродов.

Обнаружено, что при росте температуры газовой смеси АгР-лазера стабильность энергии генерации от импульса к импульсу улучшается. Показывается, что в -лазерах требуются значительно большие

коэффициенты смены газовой смеси в межэлектродном промежутке, чем в других типах эксимерных лазеров. Установлено, что при высокой частоте следования импульсов обладают худшей стабильностью энергии

генерации, чем другие фторсодержащие эксимерные лазеры. Таким образом, АгГ-лазеры наиболее чувствительны к факторам, присущим ИПР и отрицательно влияющим на характеристики разряда и генерации. Приведены результаты исследования процесса релаксации и выноса области нагретого разрядом газа в АгР-лазере п - бркГц, фис.Зн б, а основании которых определено, что скорость ударных волн, распространяющихся от электрода к электроду, составляет =1,2 М. Исследуется электроразрядный ХеБ-лазер, на котором впервые получена генерация с

В Главе VI «Плазменные ВУФ источники с высокой средней мощностью излучения» приведены результаты исследований впервые созданных источников мощного ВУФ излучения с центральной длиной волны излучения равной 13,5 нм на основе разряда типа /-пинч в Хе, которые могут быть использованы для следующего поколения литографических установок.

На рис.15 приведена схема электрофизической установки, на которой проводилось исследование плазменных ВУФ источников на основе разряда типа /-пинч. Рассмотрены особенности работы установки ВУФ источников, позволяющей при небольшой запасаемой энергии (-15 Дж) формировать разряд типа /-пинч с малыми размерами (~1 мм) и током до 50 кА, способной к долговременной непрерывной работе при уровне вводимой удельной мощности Исследуется зависимость режима вклада энергии в

разряд от параметров схемы возбуждения, конфигурации электродной системы и параметров рабочего газа.

Приводятся результаты исследований двух поколений ВУФ источников, различающихся средней мощностью излучения, телесным углом сбора излучения и длиной излучающей плазмы. Оптимизируются геометрические и электрические параметры разрядной системы, а также параметры газовой среды для достижения максимальных энергетических характеристик излучения (эффективности, энергии и выходной средней мощности) и их стабильности в спектральном диапазоне нм, а также

оптимальных размеров излучающей плазмы и ее пространственной стабильности.

Исследуется зависимость энергетических и пространственных характеристик источника от полярности высокого напряжения. Обнаружено, что в случае, когда высоковольтным электродом является анод, энергетические характеристики излучения в диапазоне

Рис.15. Схема экспериментальной установки ВУФ источника: 1- электоразрядный модуль источника, высоковольтный 2 и заземленный 3 узлы источника, 4-изолятор, 5-турбомолскулярный насос, 6- форвакуумный насос, 7-натекатель, 8-УФ нредыонизатор, 9-высоковольтный зарядный источник, 10-тиратроны, 11- блок запуска тиратронов, 12- импульсный трансформатор, 13-система масляного охлаждения, 14-импульсный трансформатор УФ предыонизатора, 15-Mo/Si зеркала, 16-фотодиоды, 17-юстировочный диодный лазер, 18-осциллограф, 19-камера обскура с ПЗС- матрицей, 20-компьютер

собираемого в телесном угле 1,8 ср, могут значительно (в 1,7 раза) превосходить характеристики излучения в случае, когда высоковольтным электродом является катод, рис.16.

Показано, что почти от всей излучаемой ВУФ источником энергии

содержится в ЭУФ диапазоне (5-i-18 нм) и около 2% в требуемом диапазоне А-13,5+0,135 нм, рис.17. Сообщается о достигнутых выходных параметрах ВУФ источников: энергии излучения ~ 100 мДж/2и ср, средней мощности излучения 150 Вт/2 К ср, внутренней эффективности 1,3%/2л ср, частоте следования импульсов 1,5 кГц, рис.18. Продемонстрирована непрерывная работа ВУФ источника при средней мощности излучения W=80 Вт/2я ср в течение 13 часов (46-106 импульсов) и при W= 150 Вт/2л ср в течение 1,5 часа, рис.19. Скорость эрозии электродов в этих экспериментах составила 5-10 6 г/Кл или 310"8г/имп.

Экспериментально исследуются условия (давление Хе, его распределение в разрядном объеме, конфигурация электродной системы), которые позволяют эффективно управлять размерами излучающей плазмы, в том числе и при высокой частоте следования импульсов. Показано, что с увеличением давления размеры излучающей плазмы уменьшаются.

Рис.16. Зависимость плотности энергии ВУФ излучения от давления Хе для в/в катода (1) и в/в анода (2), полученные под углом а=6°

Рис.17. Спектр излучения Хе в ЭУФ диапазоне

Рис. 18. Зависимость средней мощности ВУФ излучения источника от частоты следования импульсов в пачечном (кривая 1) и непрерывном (2) режимах, ¿2=1,8 ср

Рис.19. Зависимость средней мощности ВУФ излучения источника 2-ого поколения от времени работы прикГц

Рис.20. Изображения

излучающей плазмы единичного импульса (А) и суммы 5 импульсов (Б), полученные при /=1 кГц под углом 43°

Определены экспериментальные условия, позволившие получить излучающую плазму с требуемыми для литографических источников

следующего поколения размерами: 0,3 х 0,8 мм2 и 0,3 х 1,7 мм2 соответственно в импульсном и ИПР при

Общие выводы сделаны на основании впервые полученных результатов диссертационной работы. В заключении кратко отмечены основные выводы работы.

Основные результаты работы

Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные в диссертационной работе, позволили решить актуальную задачу — разработку высокоэффективных источников когерентного излучения в УФ диапазоне на основе различных типов эксимерных лазеров и некогерентного излучения ВУФ диапазона на основе излучения высокотемпературной

разрядной ксеноновой плазмы, обладающих высокими средней мощностью излучения и частотой следования импульсов.

1. Исследованы условия поддержания разряда в различных эксимерных лазерах. Установлены оптимальные значения удельной мощности энерговклада, индуктивности разрядного контура, фронта нарастания напряжения на разрядном промежутке для достижения максимальной эффективности генерации и выявлены различия в зависимости эффективности генерации от разрядных параметров для лазеров, отличающихся не только типом эксимерной молекулы и

но и комбинацией выходных характеристик: эффективностью и энергией генерации с одной стороны, частотой следования импульсов с другой. Впервые достигнута эффективность генерации -лазеров

3,9% и 2,1% соответственно.

2. Исследованы основные физические факторы, влияющие на формирование объемного разряда в импульсно-периодическом режиме и определяющие достижение высокой средней мощности излучения при увеличении частоты следования импульсов, в числе которых акустические колебания, неэффективный вынос области газа, нагретого предыдущим разрядом и приэлсктродные эффекты. Исследования позволили впервые получить среднюю мощность излучения на -молекулах соответственно 420, 650 и 300 Вт, что в 1,4-5-1,8 раза превышает значения, достигнутые другими исследователями.

3. Найдены условия, позволившие впервые реализовать объемный разряд и получить генерацию в газовых смесях -лазеров при частоте следования импульсов Предложено использование в этих лазерах УФ предыонизации от скользящего разряда, обеспечивающей более высокую однородность разряда и значительно улучшающей выходные характеристики лазеров по сравнению с искровой УФ предыонизацией, в особенности стабильность генерации и ресурс газовой смеси.

4. Проведено исследование динамики выходных параметров от импульса к импульсу электроразрядных эксимерных лазеров при высокой частоте следования импульсов. Установлено, что во всех типах эксимерных лазеров

наблюдается общая закономерность: уменьшение энергии генерации после первого оборота газа по контуру, которое в дальнейшем сменяется ее ростом. Показано, что причиной первого эффекта являются продукты плазмо-химических реакций, второго - разогрев электродов.

5. Проведено сравнительное исследование влияния возмущений газовой среды, вызванных предыдущими разрядными импульсами, на выходные характристики KrF- и ArF-лазеров. Установлено, что выходные характеристики обладают большей чувствительностью к градиентам плотности газа и/или продуктам плазмохимических реакций, возникающим от предыдущих разрядных импульсов, чем KrF-лазеров. Показано, что для KrF- и ArF-лазеров при относительной неоднородности плотности газа соответственно 1,6% и 0,5%, генерация полностью прекращается. Определена скорость поперечных ударных волн в ArF-лазерах с высокой частотой следования импульсов, равная =1,2 М. Исследованы зависимости коэффициента обмена лазерной смеси от скорости прокачки газа и межэлектродного расстояния в ArF-, KrF- и XeF- лазерах. Показано, что в ArF-лазерах требуются большие коэффициенты обмена газовой смеси, чем в других эксимерных лазерах. Найдено, что в ArF-лазерах с высокой частотой следования импульсов существует оптимальный диапазон скоростей продува газа, при которых коэффициент обмена газовой смеси имеет минимальное значение.

6. Впервые созданы источники ВУФ излучения (А=13,5±0,135 нм) на основе высокотемпературной плазмы, образованной в разряде типа -пинч в Хе, со средней мощностью излучения 150 Вт/2я ср, внутренней эффективностью 1,3%/2я ср, частотой следования импульсов 1,5 кГц, размером излучающей плазмы менее способные к многочасовой непрерывной работе. Созданные источники ВУФ излучения пригодны для литографических установок следующего поколения.

7. Проведено исследование влияния параметров электрофизической установки на энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения на основе разряда типа Найдены

оптимальные значения этих параметров, позволяющие получать высокоэффективное ВУФ излучение при малых размерах

излучающей плазмы. Найдено, что в ВУФ источнике, имеющем в качестве высоковольтного электрода анод, энергетические характеристики излучения в диапазоне нм могут значительно превосходить характеристики

источника, имеющем в качестве высоковольтного электрода катод.

8. Впервые созданы электрофизические установки, позволяющие при небольшой вкладываемой энергии (~10 Дж) формировать разряд типа Z-пинч с размерами ~1 мм, током до 50 кА, способные к длительной непрерывной работе при частотах следования импульсов 1-г2 кГц и вводимой в разряд удельной мощности Установки могут быть использованы для

получения излучения в диапазоне длин волн нм с высокой средней

мощностью.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Высикайло Ф.И., Кирюхин Ю.Б., О причинах снижения мощности импульсно-периодического ХеС1-лазера в процессе работы // Квантовая электроника. - 1983.- Т. 10. - №11. - С.2336-2340.

2. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Высикайло Ф.И., Кирюхин Ю.Б. Об особенностях импульсно-периодического режима эксимерных лазеров // Квантовая электроника. - 1983. - Т. 10. - №3. - С.540-546.

3. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б. Об увеличении частоты следования импульсов ХеС1-лазера до 1 кГц // Квантовая электроника. -1984. -Т.Н. -№4.-С.827-829.

4. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б. Установление стационарного уровня мощности генерации в эксимерных импульсно-периодических лазерах // Квантовая электроника. - 1984. -Т.П. -№10.-С.2069-2073.

5. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б., Степанов Ю.Ю. ВКР излучения электроразрядного импульсно-периодического ХеС1-лазера в сжатом Н2 // Квантовая электроника. - 1985. -Т.12.-№5.-С.1100-1102.

6. Арутюнян Р.Ф., Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю, Кирюхин Ю.Б. Влияние приэлектродных процессов на контрагирование объёмного разряда в импульсно-периодических лазерах // Квантовая электроника. -1985. - Т.12. - №5. - С.971-976.

7. Арутюнян Р.Ф., Борисов В.М., Виноходов А.Ю, Кирюхин Ю.Б., Морозов А.Н. Приэлектродные эффекты в импульсно - периодическом лазере // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13. - №12. - С.2403-2407.

8. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б. Эффекты эволюции энергии генерации в импульсно-периодическом эксимерном лазере на ХеС1 со средней мощностью -400 Вт // Квантовая электроника. - 1987.- Т. 14.- №5.-С.936-942.

9. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Высикайло Ф.И., Губарев А.В., Кирюхин Ю.Б., Краюшкин И.С., Лаптев С.А. Об акустических колебаниях в газоразрядной камере быстропроточного импульсно— периодического лазера // Квантовая электроника. - 1987. - Т. 14. - №6. -С.1206-1212.

10. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б., Морозов А.Н. Широкоапертурная система с УФ-предыонизацией для импульсно-периодического ХеС1-лазера // Квантовая электроника. - 1987. - Т.Н. - №11. -С.2168-2174.

11. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Евстратов Е.В., Кирюхин Ю.Б. Ковалевич A.M., Молчанов Д.Н., Морозов А.Н., Сандомиров М.А., Степанов Ю.Ю., Христофоров О.Б. Компактный ХеС1 импульсно-псриодический лазер // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - №4. - С. 157-159.

12. Baranov V.Yu, Borisov V.M., Kiryukhin Yu.B., Khristoforov O.B., Stepanov Yu.Yu., Vinokhodov A. Repetitively-pulsed excimer lasers // Proc. Intern. Conf. Laser-87. - Lake Tahoe, Nevada, USA. - STS Press, McLean, VA. -1988. -P.176-181.

13. Виноходов А.Ю. Электроразрядный импульсно-периодический XeCl-лазер: Дисс. канд.физ.-мат.наук. М. 1988. - 198 с.

14. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б., Молчанов Д.Н., Новиков В.П., Христофоров О.Б.. Расходимость излучения электроразрядного XeCI-лазера в импульсно-периодическом режиме // Квантовая электроника. -1988. - Т.15. - № 9. - С.1712-1719.

15. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Власов Д.В., Кирюхин Ю.Б., Молчанов Д.Н., Новиков В.П., Персианцев М.И., Федоров И.В. ВКР-преобразование излучения с Х=ЗО8 нм и частотой повторения импульсов до 600 Гц в сжатом водороде // Квантовая электроника. - 1988. - Т.15. - №10. -С.2030-2037.

16. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Молчанов Д.Н., Морозов А.Н., Кирюхин Ю.Б., Христофоров О.Б. 10 Дж, 50 Гц импульсно-периодический электроразрядный XeCl-лазер // Квантовая электроника. - 1990. - Т. 17. - №2. -С.163-165.

17. Baranov V.Yu., Borisov V.M., Kiryukhin Yu.B., Khristoforov O.B., Stepanov Yu.Yu., Vinokhodov A.Yu. Intense high-repetition rate excimer laser and applications // Proc. SPIE, -1990. - V.1225. - P.164-172.

18. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Герасимов СМ. и др. Импульсно-периодический XeCl-лазер мощностью 600 Вт для технологических применений // Квантовая электроника. - 1991. - Т. 18. - No2. - С. 183-185.

19. Borisov V.M., Kiryukhin Yu.B., Khristoforov O.B., Kuznetsov S.G., Stepanov Yu.Yu., Vinokhodov A.Yu. Kilowatt-range high-repetition rate excimer lasers // Proc. SPIE. -1991. - V.1503. - P.40-47.

20. Borisov V.M., Bragin I.E., KiryukhinYu. В., O.B. Khristoforov, Vinokhodov A.Yu. Development of 1 kW power excimer laser with UV preionization // Proc. cleo/europe'94. - Netherland, 1994. - P.80-81.

21. Борисов В.М., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю., Водчиц В.А. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника. -1995. - Т.22. - №6. - С.533-536.

22. Борисов В.М., Борисов А.В, Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. Эффекты ограничения средней мощности в компактных импульсно-периодических KrF-лазерах // Квантовая электроника. - 1995. - Т.22. - №5. - С.446-450.

23. Borisov V.M., Demin A.I, Dem'yanov A.V, Kiryukhin Yu.B, Khristoforov O.B., Vinokhodov A.Yu. Theoretical and experimental investigations of the 1 kW

XeCl laser with UV preionization // Proc. SPIE. Gas and Chemical Lasers and Applications II.- 1997. - V.2987. - P. 94-104.

24. Borisov V.M., Demin A. I., Eltzov A.V., Khristoforov O.B., Kirykhin Yu.B., Vinokhodov A.Yu., Vodchits V.A. High average power excimer laser // Proc. SPIE. -1998. - V.3574. - P.56-66.

25. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Водчиц В.А., Ельцов А.В., Бастинг Д., Штамм У, Фосс Ф. О стабильности генерации компактного KiF-лазера мощностью 600 Вт // Квантовая электроника. -1998. - Т.25. - №2, С. 131-134.

26. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Водчиц В.А., Демин А.И., Бастинг Д., Штамм У, Фосс Ф. Компактный KrF-лазер мощностью 600 Вт // Квантовая электроника. -1998. - Т.25. - №2, С.126-130.

27. Лиманов А.Б., Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Чубаренко В.А., Христофоров О.Б. Исследование пленок кремния, полученным методом последовательного латерального роста (SLS) с использованием 3 кГц эксимерного лазера с ленточным пучком излучения // Микроэлектроника. -1999.-28.-№1.-С.24-35.

28. Борисов В.М, Виноходов А.Ю, Водчиц В.А., Ельцов А.В. О предельных частотах повторения импульсов XeF-лазера // Квантовая электроника. - 2000. - Т.ЗО. - №10. - С.881-883.

29. Borisov V.M., Demin A. I., Eltzov A.V., Khristoforov O.B., Kirykhin Yu.B., Vinokhodov A.Yu., Vodchits V.A. Prospects for high power, high repetition rate industrial excimer lasers // Proc. SPIE. - 2000. - V.4184. - P.348-352.

30. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Водчиц ВА, Ельцов А.В., Иванов А.С. О результатах разработок мощных KrF-лазеров с частотой повторения импульсов до 5 кГц // Квантовая электроника. - 2001. - Т.ЗО. - №9. - С.783-786.

31. Borisov V.M., Demin A. I., Eltzov A.V., Khristoforov O.B., Kirykhin Yu.B., Vinokhodov AYu., Vodchits V.A.,Basting D., Bragin I., Vogler К, Rahe M., Rebhan U., Stamm U. Recent progress in high power excimer laser development for producing next generation large-area electronic devices // Proc. MRS. - 2001.- V.695E. - D7.2. - P.89-94.

32. Borisov V.M., Khristoforov O.B., Vinokhodov A.Yu., Schriever G., Rahe M., Stamm U., Basting D. Compact Z-Pinch EUV Source for Photolithography // Proc.SPIE. -2001.- V.4343. - P.615-620.

33. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Водчиц В.А., Демин А.И., Ельцов А.В., Кирюхин Ю.Б., Христофоров О.Б. Мощные импульсно-периодические эксимерные лазеры // Труды Международной конференции «IV Харитоновские научные чтения», Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. - Саров. -2002, С.65.

34. Borisov V.M., Vinokhodov AYu., Vodchits V.A, Demin A. I., Eltzov A.V., Kiryukhin Y., Khristoforov O.B. Development of next generation excimer lasers for industrial applications // Proc. SPIE. -2002. -V. 5137, - P. 241-249.

35. Борисов В.М, Виноходов А.Ю, Иванов А.С., Кирюхин Ю.Б., Миронов СВ., Мищенко В.А., Прокофьев А.В., Христофоров О.Б. Мощный газоразрядный источник ВУФ (13,5 нм) излучения // Физика плазмы. - 2002. -Т.28.-№10.-С.1-5.

36. Stamm U., Borisov V.M., Ahmad I., Gabel К., GotzeJ., Ivanov A.S., Khristoforov O.B., Kleinschmidt Yu., Korobotchko V., Schriever G., Ringling J., Vinokhodov A.Yu. High-power EUV sources for lithography: a comparison of a laser-produced plasma and a gas-discharge plasma // Proc. SPIE. - 2002. - V.4688. -P.626-633.

37. Stamm U., Borisov V.M., Ahmad I., GotzeJ., Ivanov A.S., Khristoforov O.B., Kleinschmidt J., Korobotchko V., Schriever G., Ringling J., Vinokhodov A.Yu. Development of high power EUV sources for lithography // Proc. SPIE. -2002.-V.4688.-P.122-133.

38. Borisov V.M, Vinokhodov A.Yu., Vodchits V.A. Device for self-initiated UV pre-ionization of a repetitively pulsed gas laser / Patent of USA. -№US20022041615.- Publication date 2002.04.11.- 14 P.

39. Borisov V., Stamm U., Gabel K., Shriever G., Darscht M., Khristoforov O., Vinokhodov A. High power EUV sources based on gas discharge plasmas and laser prodused plasmas // Microelectronic Engineering. - 2002. - V.61-62, P.83-85.

40. Borisov V.M., Demin A.I, Eltzov A.V., Ivanov A.S., Khristoforov O.B., Kirykhin Yu.B., Vinokhodov A.Yu, Vodchits V.A., Mischenko V.A., Prokofiev

A.V. Recent advances in the development of coherent and incoherent UV and EUV discharge sources // Proc. SPIE. - 2003. - V.5479. - P. 108-117.

41. Borisov V., Demin A., Eltzov A., Vodchits V, Ivanov A., Khristoforov O., Kirykhin Yu., Mischenko V., Prokofiev A., Vinokhodov A. A comparison of EUV sources for lithography based on Xe and Sn // Second International EUVL Symposium. - Antwerp, Belgium. - 2003, http:// www.sematech.org/ resources/ litho/meetings/euvl/20030929/Oral%20presentations/13%20BO%20session-EUV%20Source%20Comparison.pdf.

42. Борисов В.М., Виноходов А.Ю., Иванов А.С., Кирюхин Ю.Б., Мищенко В.А., Прокофьев А.В., Христофоров О.Б., Чекалин Б.Н. Газоразрядный источник на Х=13,5 нм для литографии -следующего поколения / Труды VI Международного симпозиума по радиационной плазмодинамике: Сборник трудов. М.: НИЦ «Инженер», 2003. - С. 19-23.

43. Борисов В.М, Виноходов А.Ю, Иванов А.С., Кирюхин Ю.Б., Мищенко

B.А., Прокофьев А.В., Христофоров О.Б. Источник излучения Х=13,5 нм с высокой средней мощностью для литографии следующего поколения // Известия академии наук, серия физическая. - 2004. - Т.68. - №4. - С.501-506.

44. Борисов В.М., Виноходов А.Ю, Водчиц В.А Импульсно-периодический лазер с автоматической УФ предыонизацией. Авторское свидетельство №2000 127848, приоритет от 08.11.2000, 6 С.

45. Борисов В.М, Кирюхин Ю.Б., Прокофьев А.В., Христофоров О.Б. Устройство и способ для получения коротковолнового излучения из плазмы газового разряда. Заявка на патент РФ N 2002120301 от 31.07.2002, 14 С.

46. Stamm U., Borisov V.M., Ahmad I., Darscht M., Gabel K., GotzeJ., Ivanov A.S., Khristoforov O.B., Kiryukhin Y., Kleinschmidt J., Korobotchko V., Mishcenko V.,Prokofiev A., Schriever G., Ringling J., Vinokhodov A.Yu. High power gas discharge produced plasma extreme ultra-violet radiation sources // IQEC 2002, Technical Digest. -M. - URSS Publishers- 2002. - P.43.

ВИНОХОДОВ Александр Юрьевич

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ УФ И ВУФ ДИАПАЗОНА С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.

Лицензия ЛР № 020359 от 29.12.91 Подписано в печать 07.09.04 Формат 60x90/16. Гарнитура Таймс. Уч. изд. листов 2,1. Тираж 100 экз. № заказа 402.

Подготовлено к изданию и отпечатано в ТРИНИТИ, 142190, г. Троицк, Моск. обл.

№21530

РНБ Русский фонд

2005-4 19017

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ЛАЗЕРНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ УФ И ВУФ ДИАПАЗОНА, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В СОВРЕМЕННЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

1.1. Эксимерные лазеры для оптической литографии

1.2. Плазменные источники излучения для ВУФ литографии

1.2.1. Особенности ВУФ литографии

1.2.2. Источники излучения ВУФ литографии

1.3. Эксимерные лазеры для материальных процессов

1.3.1. Микрообработка материалов

1.3.2. Лазерная кристаллизация кремния в производстве жидкокристаллических экранов

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ДОСТИЖЕНИЕ ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ

2.1. Параметры, определяющие эффективность эксимерных лазеров

2.1.1. Условия получения эффективной генерации

2.1.2. Лазеры с максимальной эффективностью и максимальной частотой следования импульсов

2.2. Газодинамические процессы в газовом контуре эксимерных лазеров

2.2.1. Влияние акустических колебаний на выходные параметры ХеС1-импульсно-периодического эксимерного лазера (ИПЭЛ)

2.2.2. Расчет параметра £ для ХеС1-ИПЭЛ

2.2.3. Пространственное распределение энерговклада при импульсно-периодическом режиме (ИПР)

2.2.4. Влияние области нагретого разрядом газа на характеристики ИПЭЛ

2.3. Влияние приэлектродных процессов на контрагирование объёмного разряда в ИПЭЛ

2.3.1. Экспериментальное моделирование приэлектродных процессов и их влияние на контрагирование разряда в ИПР

2.3.2. Режимы воздействия лазерного импульса на электрод

2.3.3. Влияние приэлектродных процессов на выходные параметры ХеС1-ИПЭЛ

2.4.Выводы к главе II

ГЛАВА III. XeCl-ЛАЗЕРЫ

3.1. XeCl-ИПЭЛ с энергией генерации ~1 Дж

3.1.1. ХеСЬлазер со средней мощностью излучения 420 Вт

3.1.2. ХеС1-лазеры с компактными газодинамическими контурами

3.2.Широкоапертурные ХеС1-лазеры

3.2.1. Пространственно-временные и энергетические характеристики излучения широкоаппертурного (7х7см2) ХеС1-лазера

3.2.2. Влияние неоднородности предыонизации на характеристики разряда широкоапертурного ХеС1-лазера

3.2.3. ХеС1-лазер со средней мощностью 600 Вт

3.3. Расходимость излучения ХеС1-лазера при ИПР

3.3.1. Увеличение расходимости излучения ХеС1-лазера при ИПР

3.3.2. Влияние акустических колебаний на расходимость излучения ХеС1-лазера

3.4. ВКР-преобразование излучения ХеС1-лазера в сжатом Н2 в ИПР

3.4.1. Эффективность ВКР-преобразование излучения ХеС1-лазера в сжатом Н

3.4.2. Влияние ИПР на эффективность ВКР-преобразования

3.5. Выводы к главе III

ГЛАВА IV. KrF-ЛАЗЕРЫ

4.1. Высокоэффективные KrF-лазеры

4.1.1. Особенности газопродувной и электроразрядной систем KrF-лазеров с компактными газодинамическими контурами

4.1.2. Влияние распределения электрического поля на характеристики KrF-лазера

4.1.3. Эффекты ограничения средней мощности в компактных KrF-ИПЭЛ 15£

4.2. KrF-лазер с высокой средней мощностью

4.2.1. Особенности функциональных систем лазера

4.2.2. Выходные характеристики лазера

4.3. KrF-лазеры с высокой частотой следования импульсов

4.3.1. KrF-лазер со средней мощностью 650 Вт

4.3.2. KrF лазер с частотой следования импульсов 5 кГц

4.4.Выводы к главе IV

ГЛАВА V. ArF- И XeF-ЛАЗЕРЫ 204 5.1. Высокоэффективные ArF-лазеры

5.2. АгР-лазеры с высокой частотой следования импульсов

5.2.1. АгР-лазер со средней мощностью 300 Вт

5.2.2. АгР-лазер с частотой следования импульсов 6 кГц 215 5.2.3 Исследование выноса области нагретого разрядом газа

5.3. ХеР-лазер с частотой следования 5,5 кГц

5.4.Выводы к главе V

ГЛАВА VI. ПЛАЗМЕННЫЕ ВУФ ИСТОЧНИКИ С ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ

МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ бЛ.Устройство источников ВУФ излучения на основе разряда типа 2>пинч и методы регистрации их параметров

6.1.1. Функциональные системы источников

6.1.2. Источники первого поколения

6.1.3. Источники второго поколения

6.1.4. Высокотемпературная керамика лайнера источников

6.1.5. Система регистрации параметров ВУФ излучения

6.2. Процесс формирования разряда типа Z-пинч

6.3. Особенности режима вклада энергии в разряд

6.4. Спектр излучения ВУФ источника на основе разряда в Хе

6.5. Зависимость характеристик ВУФ источника от давления Хе

6.6. Энергетические параметры ВУФ источников

6.6.1. Источники первого поколения

6.6.2. Источники второго поколения

6.7. Пространственные характеристики излучающей плазмы

6.8. Импульсно-периодический режим работы источников

6.9.Выводы к главе VI

Эксимерные молекулы представляют широкий класс молекул, существующих только в возбужденных состояниях. Впервые генерация на эксимерных переходах получена при электронном возбуждении жидкого ксенона (^=175 нм) в 1970 г. [1], хотя идея получения генерации в конденсированных инертных газов впервые была высказана еще в 1966 г. [2,3]. Первые сообщения о эксимерных лазерах на галогенидах инертных газов появились в 1975 г. [4,5]. Лучшими генерационными характеристиками среди них обладают лазеры на эксимерных молекулах АгР (Я=193 нм), КгС1 (222 нм), КгР (248 нм), ХеС1 (308 нм) и ХеР (351, 353, 480 нм). Отличительной особенностью этих лазеров является то, что они работают на лазерных переходах между двумя электронными состояниями, верхний из которых имеет потенциальный минимум, а нижний является разлетным (АгР, КгС1, КгР), либо слабо связанным (ХеС1, ХеР), поэтому инверсия населенности в таких системах может достигать 100%. Этим же обусловлено наличие в них относительно широкой полосы усиления (0,1-Ю,5 нм), что вместе с малым радиационным

8 9 временем жизни возбужденных состояний (10 -г 10 с) вызывает необходимость использования накачки с высоким уровнем мощности.

Актуальность работы. Благодаря уникальным генерационным характеристикам (УФ диапазону излучения, высокой импульсной и средней мощности), а также использованию относительно простого и надежного способа накачки самостоятельным разрядом, эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов нашли широкое применение во многих современных технологиях и научных исследованиях. Наиболее эффективно импульсно-периодические эксимерные лазеры (ИПЭЛ) применяются в микроэлектронной промышленности, в частности более коротковолновые КгР-и АгР-лазеры, имеющие частоту следования импульсов несколько килогерц и энергию генерации до 100 мДж - в УФ литографии [6,7], ХеС1-лазеры с энергией более 1 Дж и частотой следования несколько сотен герц - в технологии производства тонкопленочных транзисторов, применяемых в жидкокристаллических экранах [8-12]. Следует также отметить широкое внедрение ИПЭЛ в процессы микрообработки материалов, модификации поверхности, очистки материалов [13-19], экологического мониторинга [20,21], медицине [22]. Мировые продажи ИПЭЛ в 2000 г. составили 367 млн. долларов США [23], причём большая часть этой суммы (267 млн.) была израсходована на производство эксимерных лазеров, использующихся в микроэлектронных технологиях.

В последнее время в связи с поступательным развитием микроэлектронной промышленности возникла необходимость в создании более коротковолновых, чем эксимерные лазеры, источников излучения, предназначенных для литографических установок следующего поколения. В настоящее время одним из наиболее перспективных подходов для создания такого источника представляется излучение высокотемпературной ксеноновой плазмы, создаваемой в разряде типа 2-пинч и излучающей вблизи коротковолновой границы ВУФ диапазона, в диапазоне так называемого экстремального УФ (5-г20 нм) [24].

Эффективность использования как эксимерных лазеров, так и источников ВУФ диапазона в различных технологиях зависит, прежде всего, от их средней мощности излучения, частоты следования импульсов, пространственных параметров и надежности работы. г

Одной из основных задач, возникающих при создании и исследовании ИПЭЛ, является выявление причин, ограничивающих достижение высокой средней мощности и высокой частоты следования импульсов. В этой связи необходимо найти экспериментальные условия получения эффективной генерации для различных типов электроразрядных эксимерных лазеров в импульсном режиме и сохранить ее в импульсно-периодическом режиме (ИПР). Эти условия могут отличаться не только для лазеров на различных эксимерных молекулах, но и для лазеров на одной и той же эксимерной молекуле, но имеющих различную комбинацию выходных параметров, в частности обладающих либо максимальной эффективностью и энергией генерации, либо максимальной частотой следования импульсов. Разряд в газовых лазерах в ИПР осуществляется в среде, имеющей возмущения, вызванных предыдущими разрядными импульсами. Из возможных причин, уменьшающих энергию генерации в ИПР и ограничивающих максимальную частоту следования импульсов, следует отметить, прежде всего, газодинамические процессы, включающие акустические колебания [25,26] и неэффективный вынос области'нагретого газа [27,28], а также приэлектродные явления [29]. В данной работе эти факторы рассмотрены применительно к ИПЭЛ.

В диссертационной работе представлены результаты исследований электроразрядных лазеров на эксимерных молекулах ХеС1, ЮР1, АгБ и ХеБ с различной комбинацией энергии генерации Ег и частоты следования импульсов /:ЕГ<% Дж и/< 6 кГц.

На первом этапе наши исследования, начавшиеся в 1983 г., касались в основном ХеС1-ИПЭЛ. К тому времени максимальная средняя мощность IV и энергия генерации, полученные на электроразрядных ХеС1-ИПЭЛ, составляли соответственно 40 Вт и 1 Дж [30], к 1985 г. в нескольких лабораториях была продемонстрирована средняя мощность ¿Г=150-г300 Вт [31,32]. На двухмодульном ХеС1-ИПЭЛ с использованием относительно простой схемы возбуждения разряда и искровой УФ предыонизации нам удалось получить рекордную для электроразрядных ИПЭЛ УУ=420 Вт при /квОО Гц [33]. Параллельно нами проводились работы, направленные на создание широкоапертурных ХеС1-ИПЭЛ с энергией генерации 3-^10 Дж и Ж=0,5-И кВт [34,35]. Проводились также исследования о влиянии акустических колебаний, возникающих в газодинамическом контуре (ГДК) лазера, на расходимость лазерного излучения близкую к дифракционному пределу 10"4ч-10"5 рад.

Для целого ряда применений представляется необходимым расширить диапазон длин волн эксимерных лазеров, наиболее эффективно это можно сделать с помощью ВКР-преобразования в сжатом водороде. Были определены зависимости эффективности ВКР-преобразования излучения ХеСЬИПЭЛ от параметров накачивающего излучения и рассеивающей среды, как в импульсном режиме, так и ИПР при/< 600 Гц.

Некоторые из результатов проведенных исследований ХеС1-ИПЭЛ были изложены в кандидатской диссертации [36].

Во многих технологиях, например, микролитографии, микрообработке материалов, экологическом мониторинге и т.д., использование ЮГ-лазера более эффективно по сравнению с ХеС1-лазером. Это связано, прежде всего, с его меньшей длиной волны излучения. Однако получение генерации киловаттного уровня средней мощности для КгР-ИПЭЛ представляется более сложной задачей, чем для ХеС1-ИПЭЛ. Объясняется это тем, что для получения эффективной генерации в КгР-лазерах требуется более высокая интенсивность накачки и соответственно меньшая индуктивность разрядного контура, чем для ХеС1-лазеров. В таких условиях сложнее обеспечить пространственную однородность разряда в сильно электроотрицательной газовой смеси, так как развитие неустойчивости объемного разряда в газовой смеси ЮГ-лазера происходит всего за ~50 не. Поэтому для получения КгР-генерации с высокой средней мощностью нами были применены другие подходы. Первый из них основан на высокоэффективной генерации (кпд ~4%) с энергией в импульсе ~1 Дж и частотой следования импульсов несколько сотен герц. В сочетании со специально разработанными компактными газодинамическими контурами (ГДК) этот подход был реализован в нескольких прототипах коммерческих КгР-ИПЭЛ, максимально достигнутая средняя мощность генерации на одном из лазеров составила 630 Вт при ^600 Гц. Второй подход был реализован в 2-х прототипах коммерческих КгР-ИПЭЛ и основан на использовании относительно небольшой энергии генерации (менее 200 мДж) и высокой (более

1 кГц) частоте следования импульсов. В этом случае достигнутая в одном из лазеров максимальная средняя мощность излучения составила~650 Вт при Jk3,5 кГц. До настоящего времени средняя мощность излучения >600 Вт, полученная нами на разных лазерах, является рекордной для электроразрядных KrF-ИПЭЛ.

Еще более сложные задачи возникают при исследовании и разработке ArF-лазеров с высокой частотой следования импульсов. Связано это с тем, что для ArF-лазеров требуется еще большая интенсивность накачки, чем для KrF-лазеров. Кроме того, коротковолновое излучение ArF-лазера вместе с агрессивным фтором оказывает сильное фотохимическое воздействие на используемые внутри ГДК конструктивные материалы, что сильно затрудняет процесс пассивации лазера и отрицательно сказывается на ресурсе газовой смеси лазера. Проведенные исследования позволили нам в рамках того же экспериментального подхода, что и для KrF-ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов, получить высокоэффективную (кпд ~2 %) генерацию на ArF-молекуле с высокими средней мощностью (100-г300 Вт) и частотой следования импульсов (4-^-6 кГц). Было создано 2 прототипа коммерческих ArF-ИПЭЛ. Этот же экспериментальный подход был применен нами и при создании XeF-ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов.

Исследования как ArF-ИПЭЛ, так и KrF-ИПЭЛ с высокой частотой следования импульсов проводилась нами в рамках программы по разработке лазерных источников излучения для литографических установок совместно с германской фирмой "Lambda Physik". Логика развития микроэлектронной промышленности привела к необходимости разработки литографических установок следующего поколения, основанных на источниках со значительно более коротковолновым излучением, чем у эксимерных лазеров. Наиболее перспективным в настоящей время признано излучение ВУФ диапазона с центром излучения на Л= 13,5 нм [37-39], что связано с разработкой зеркал с большим коэффициентом отражения на этой длине волны. Одним из наиболее обещающих физических подходов для получения такого излучения является излучение высокотемпературной разрядной плазмы в ксеноне. Поэтому начатые нами в 1999 г. работы по исследованию и разработке источников ВУФ диапазона на основе разряда типа Z-пинч в Хе явились логическим продолжением работ по созданию источников излучения для микролитографии. Проведенные исследования позволили создать электроразрядные источники с Л= 13,5 нм (АА/Л=2%) с высокой средней мощностью (150 Вт/27Г ср), высокой частотой следования импульсов (1,5 кГц) и небольшими размерами (~1-г2 мм), предназначенные для литографии следующего поколения.

Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное изучение физических закономерностей, связанных с получением эффективной генерации электроразрядных эксимерных лазеров с длинами волн излучения 353, 308, 248, 193 нм и эффективного излучения ВУФ диапазона (Л=13,5 нм) на основе высокотемпературной разрядной плазмы в Хе при высоких частотах следования импульсов, а также создание на основе проведенных исследований эксимерных лазеров и ВУФ источников с высокой средней мощностью.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Экспериментального исследования эффективных режимов возбуждения разряда в различных типах эксимерных лазеров, имеющих различные комбинации выходных параметров.

2. Создания около 2-х десятков различных ИПЭЛ, обладающих широким диапазоном выходных параметров, в числе которых длина волны излучения, энергия в импульсе, частота следования импульсов, средняя мощность, расходимость, длительность импульса излучения и ресурс работы. Для чего предстояло разработать: схемы возбуждения разряда; системы УФ предыонизации; электродные системы; компактные и эффективные ГДК на основе осевых и диаметральных вентиляторов.

3. Экспериментального и теоретического исследования физических причин, вызывающих неоднородное протекание объемного разряда в средах ИПЭЛ, снижающих энергию генерации лазерных импульсов, препятствующих достижению высокой средней мощности и высокой частоты следования импульсов, а также ухудшающих качество лазерного луча.

4. Исследования динамики установления стационарных значений параметров излучения ИПЭЛ от импульса к импульсу.

5. Создания плазменных источников ВУФ излучения с Я= 13,5 нм на основе разряда типа Z-пинч в Хе с высокими средней мощностью излучения и частотой следования импульсов, имеющих небольшой (~1-г2 мм) размер излучающей плазмы. Для чего предстояло разработать: схемы возбуждения разряда, способные работать с высокой частотой следования импульсов в течение длительного времени; высоковольтный и заземленные узлы источника, включающие эффективно охлаждаемые электродные системы и обеспечивающие минимальную индуктивностью разрядного контура; систему дифференциальной вакуумной откачки; систему диагностики ВУФ излучения.

6. Поиска режимов возбуждения разряда типа 2-пинч и параметров газовой среды в плазменном ВУФ источнике, способствующих получению эффективного ВУФ излучения с требуемыми размерами излучающей плазмы.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в качестве основного метода использовался физический эксперимент, применялись также методы численного моделирования и оценочные расчеты.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Проведены сравнительные исследования оптимальных условий поддержания разряда в различных эксимерных лазерах, позволившие выявить различия в зависимости эффективности генерации от разрядных параметров для лазеров, отличающихся не только типом эксимерной молекулы (ХеР, ХеС1, КгИ и АгР), но и комбинацией выходных характеристик: эффективностью и энергией генерации с одной стороны, частотой следования импульсов с другой. Впервые достигнута эффективность генерации КгР- и АгР-лазеров 3,9% и 2,1%, соответственно.

2. В различных электроразрядных эксимерных лазерах исследованы основные физические факторы, влияющие на формирование объемного разряда в импульсно-периодическом режиме и определяющие достижение высокой средней мощности излучения при увеличении частоты следования импульсов. Созданы электроразрядные эксимерные лазеры, на которых впервые получена средняя мощность излучения на XeCl-, KrF- и ArF-молекулах 420, 650 и 300 Вт, соответственно, что в 1,4-г1,8 раза превышает значения, достигнутые другими исследователями.

3. Определены параметры электроразрядных систем и газовых сред, позволившие впервые получить объемный разряд и генерацию в газовых смесях ArF-, KrF- и XeF-лазеров с частотой следования импульсов 5^6 кГц. Установлено, что использование в этих лазерах УФ предыонизации от скользящего разряда обеспечивает более высокую однородность объемного разряда и значительно улучшает выходные характеристики лазеров по сравнению с искровой УФ предыонизацией.

4. Обнаружено, что для электроразрядных эксимерных лазеров динамика энергии генерации от импульса к импульсу при высоких (>1 кГц) частотах следования имеет общий характер: наблюдается уменьшение энергии генерации после первого оборота газа по контуру, которое сменяется ее ростом по мере разогрева электродов. Найдено, что наиболее сильно эти эффекты проявляются в ArF-лазерах.

5. Установлено, что градиенты плотности газа и/или продукты плазмохимических реакций, возникающие в газовом контуре лазеров от предыдущих разрядных импульсов, в большей степени влияют на процесс формирования объемного разряда и выходные характеристики ArF-лазеров, чем KrF-лазеров.

6. Впервые созданы плазменные источники ВУФ излучения (Д=13,5±0,135 нм) на основе разряда типа Z-пинч в Хе со средней мощностью излучения 150 Вт/2л ср, внутренней эффективностью 1,3%/2тг ср, частотой следования импульсов 1,5 кГц, размером излучающей плазмы 0,3 х 1,7 мм2 и ресурсом п более 5-10 импульсов, пригодные для литографических установок следующего поколения.

7. Выявлены параметры электрофизической установки, определяющие энергетические и пространственные характеристики источника ВУФ излучения на основе разряда типа Z-uиnч в ксеноне. Определены условия, позволяющие получать излучающую плазму с малыми (~1 мм) размерами. Найдено, что в ВУФ источнике, имеющем в качестве высоковольтного электрода анод, энергетические характеристики излучения в диапазоне /1=13,5 нм могут значительно превосходить характеристики источника, имеющего в качестве высоковольтного электрода катод.

8. Впервые созданы электрофизические установки, позволяющие при небольшой вкладываемой энергии (~10 Дж) формировать разряд типа Т-ттпч с размерами ~1 мм, током до 50 кА, способные к длительной непрерывной работе при частотах следования импульсов 1-г2 кГц и вводимой в разряд удельной мощности -15 кВт/см3. Установки могут быть использованы для получения излучения в диапазоне длин волн 5-ь20 нм с высокой средней мощностью.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, заключения и содержит 276 страниц машинописного текста, 204 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 246 наименований.

Основные результаты работы.

1. Впервые реализован объемный разряд и получена генерация с частотой следования импульсов 6 и 5,5 кГц в газовых смесях соответственно АгР- и ХеР-лазеров. Установлена совокупность независимых факторов, способствующих увеличению максимальной частоты следования импульсов в электроразрядных АгР-лазерах без увеличения скорости продува газовой смеси, включающих параметры предыонизационного излучения, газовой смеси, электродной системы.

2. Получена рекордная средняя мощность излучения 300 Вт для электроразрядных АгР-лазеров.

3. Показано, что использование в АгР- и ХеР-лазерах УФ предыонизации от скользящего разряда вместо искровой УФ предыонизации позволяет получать более высокую однородность разряда и сохранять ее на высоких частотах следования импульсов, и как следствие, существенно улучшать выходные характеристики лазера.

4. Установлено, что в АгР-лазерах параметры генерации улучшаются при разогреве газовой смеси до 40° и уменьшении длительности фронта нарастания напряжения на электродах до 50 не.

5 В АгР-лазерах с высокой частотой следования импульсов (/М кГц) обнаружены эффекты: начального спада энергии генерации после первого оборота газа по контуру, и последующего подъёма, зависящего от частоты следования импульсов. Основной причиной начального снижения энергии генерации являются продукты плазмохимических реакций, а последующего подъема - разогрев электродов. Обнаруженные эффекты носят общий характер для всех эксимерных лазеров, однако наиболее ярко проявляются в АгР-лазерах.

6. Показано, что в АгР-лазерах с высокой частотой следования импульсов требуются значительно большие коэффициенты смены газовой смеси в межэлектродном промежутке, чем в других эксимерных лазерах. В АгР-лазерах существует оптимальный диапазон скоростей продува газа в межэлектродном промежутке, при которых коэффициент смены газовой смеси имеет минимальное значение.

Практическим результатом исследований, изложенных в V главе, явилось создание 2-х прототипов коммерческих АгР-лазеров со средней мощностью излучения до 300 Вт и максимальной частотой следования импульсов до 6 кГц, а также создание прототипа коммерческого ХеР-лазера с максимальной частотой следования импульсов 5,5 кГц.

1. Экспериментальному исследованию плазменных источников на основе разряда типа Z-nинч в Хе, излучающих в ВУФ диапазоне с центром на Л=13,5 нм, посвящена настоящая глава.

2. Устройство источников ВУФ излучения на основе разряда типа г-пинч и методы регистрации их параметров61.1. Функциональные системы источников 212,233-240.

3. При напуске рабочего газа, осуществлявшегося через натекатель 7 и систему

4. Хе в разрядном объеме Ю'ч-Ю' торр, давление Хе в вакуумной камере составляло 10'3-тТ0'2 торр.

5. Все системы источника обладали большим ресурсом и могли поддерживать его непрерывную работу при частотах следования импульсов свыше 1,5 кГц в течение нескольких часов.61.2. Источники первого поколения 233-236.

6. Рнс.6.2, ВУФ источник первого поколения (а); поперечное сечение разрядной части источника (б): 1-пипч, 2-керамическая трубка, 3-катод, 4-анод, 5-отверстие для вакуумной откачки и вывода ВУФ излучения; фотография катодного и анодного узлов (в)

7. Вторая отличительная особенность источников 2-ого поколения связана с необходимостью повышения средней мощности излучения источника и ресурса его разрядной системы. Поэтому