Спектроскопия многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Институт спектроскопии Российской Академии Наук

На правах рукописи УДК 539.183.3

Чурилов Сергей Семенович

СПЕКТРОСКОПИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ С ЗАПОЛНЯЮЩЕЙСЯ 4<1 ОБОЛОЧКОЙ.

Специальность 01,04.05 — оптика

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Троицк -2006 г.

Работа выполнена в отделе атомной спектроскопии Института спектроскопии Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

д.ф.*м.н., профессор Ковальский Николай Григорьевич, д.ф.-м.н., профессор Логинов Андрей Васильевич, д.ф.-м.н. Пальчиков Виталий Геннадьевич.

Ведущая организация:

Физический Институт им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук.

Защита состоится 2006 года в № часов на заседании

Специализированного Диссертационного совета Д 002.014.01 при Институте спектроскопии РАН по адресу: 142190 г. Троицк Московской области, Институт спектроскопии РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан "Я 4" С\ 2006 года.

Ученый секретарь Специализированного диссертационного совета, доктор фиэ.-мат. наук, профессор

Общая характеристика работы.

Актуальцдспмг ртемы

Ионы, имеющие в основном состоянии электрошиле конфигурации 4<Зт (т-1-10), согласно сложившейся терминологии обозначаются как 4<1 ионы. Данный класс ионов образуется в относительно тяжелых атомах 5-7 периодов таблицы элементов с атомными номерами более 40. Спектры многозарядных 46 ионов сконцентрированы в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и мягкой рентгеновской (МР) областях длин волн и состоят из переходов между весьма сложными электронными конфигурациями, содержащими от нескольких десятков до нескольких сотен уровней. Соседние ионы с заполняющейся 4<! оболочкой имеют мало отличающиеся потенциалы ионизации, поэтому даже в однородной и равновесной плазме одновременно могут существовать несколько ионов разной кратности. Как правило, получаемые спектрограммы 4<1 ионов содержат до нескольких тысяч спектральных линий, а возбуждаемые в различных ионах переходы зачастую расположены в одной и той же области спектра. Детальный анализ таких спектров представляет собой довольно трудную и кропотливую задачу. Поэтому до настоящего времени более или менее полно изучены лишь спектры 4(1 ионов небольшой кратности ионизации с зарядом Х-й 5 Помимо этого, были исследованы относительно простые спектры резонансных переходов в более многозарядных ионах с основными конфигурациями 4й10 и 4<з'. Спектроскопические данные для подавляющего большинства многозарядных 44 ионов либо вообще отсутствовали, либо были неполны и требовали дальнейших уточнений и дополнений.

Современные компьютерные методики расчета, обработки и анализа спектров в принципе позволяют проводить детальные исследования сложных спектров 4<I ионов. Первые результаты анализа относительно простых конфигураций показали, что существенную роль в формировании спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4йт оболочкой играют переходы с

сильно взаимодействующих возбуждённых конфигураций типа 4<1ГО"14£ и 4р,4й|1гИ. Данные конфигурации обладают аномально большими интегралами обменных кулоновских взаимодействий (4(1,41) и (4р,4с1) электронов, превышающими к большинстве многозарядных 44 ионов интегралы прямого кулоновского (4(1,4(1) взаимодействия. Теоретически было показано, что аномальные величины интегралов обменных взаимодействий приводят к перестройке структур энергетических уровней и к возникновению внутри каждой конфигурации двух групп уровней, отличающихся как. энергиям» возбуждения, так и вероятностями переходами3. Как следствие, возникают эффекты терм-зависимости энергетических параметров конфигураций, а спектры переходов с данных конфигураций принимают весьма специфический вид. Набор конфигураций, в которых существуют эффекты подобного типа, весьма широк и не ограничивается лишь 4д ионами. Сильные обменные взаимодействия в значительной степени определяют структуры ряда электронных конфигураций и в других типах ионов, например: 4^584^ 4й*41'2 в Ае-подобных ионах, в Сй-

подобных ионах, Зр53(Г+| в 3(1 ионах и 5<Г"15£ бр^сР4,в тяжелых 5<1 ионах. Поэтому анализ спектров многозарядных 4(1 ионов весьма важен для развития методов спектроскопии многократно ионизированных тяжелых атомов. Спектроскопическая информация по многозарядным 4(1 нонам востребована и для решения ряда прикладных научных и технических задач.

Во-первых, переход 4<^5р 1Р| — 4(195(1 'Зо в многозарядных Р<1-подобиых ионах с основным состоянием 4(1'° '5( перспективен для получения лазерной генерации в дальней ВУФ и МР областях спектра. Процесс образования инверсии на уровнях Р<1-подобных ионов происходит согласно хорошо известному механизму электронного возбуждения с основного состояния, реализованному в N ¡-подобных ионах с основной конфигурацией 3<110. Спектры ^-подобных ионов были детально исследованы вплоть до Эп XXIII4, а лазерный эффект наблюдался на переходах 3<1*4р 'Р| - 3(194(1 'Эо и

3d,4d1Pi — 3d94f'Pi во множестве ионов в широком интервале длин волн вплоть до зоны прозрачности воды, Я,=18-45 А1. Спектры палладие-подобных ионов были достаточно полно изучены лишь до Sn V. В более многозарядных ионах не были измерены даже энергии верхнего уровня лазерного перехода 4d95d 'So. В Cs X и в спектрах более тяжелых ионов были уверенно идентифицированы лишь отдельные резонансные переходы. Конфигурация 4d'4Ç оказывающая существенное влияние на кинетику населенностей уровней Pd-подобных ионов, вообще не изучалась. В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по созданию коротковолновых лазеров на переходах палладие-подобных ионов. Лазерный эффект усиления излучения на переходах в палладие-подобных ионах пока наблюдался лишь в спектре XelX на длине волны 418 А". Отсутствие надежных экспериментальных данных для спектров многозарядных Pd-подобных ионов существенно осложняло проведение точных адекватных расчетов кинетики генерирующей плазмы и оптимизацию активной среды.

Разрабатываемые в настоящее время технологии для оптической литографии нового поколения предполагают создание эффективного источника излучения в области длин волн 130-140 А7. Такой источник позволит довести пространственное разрешение литографических методов до нескольких десятков нанометров, что, несомненно, вызовет очередной прогресс в технологии изготовления интегральных схем для микропроцессоров. Выбор области спектра для литографии нового поколения был предопределен полосой отражения ..интерференционных Mo/Si зеркал нормального падения8: другой шнрокоапертурной оптики для дальней ВУФ области пока не существует. Одним из определяющих параметров разрабатываемых литографических источников является коэффициент преобразования подводимой мощности в узкополосное излучение, фокусируемое оптическим коллектором (2-% интервал вблизи

максимума отражения). В настоящее время наиболее перспективными признаны источники плазмы, использующие излучение ионов ксенона, олова или индия. В спектрах этих ионов наблюдаются интенсивные пики излучения в области 130-140 А, состоящие, согласно предварительным расчетам, из переходов с возбужденных конфигураций типа 4dm",5pl 4dm"l4f и 4ps4dm+l в спектрах 4dm ионов Xem(m=8), Sn"»-Sn,i+(m=5-l) и In*Mnm(m=S-l). Сложные спектры этих ионов до сих пор не исследовались, что существенно затрудняло диагностический мониторинг и оптимизацию параметров плазмы литографических источников с целью достижения максимальной эффективности последних. Целр и направление исследований.

Данная диссертационная работа посвящена детальному исследованию спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой в ВУФ области длин волн (X—50-2000 А). Особое внимание уделено спектрам паллаоие-подобных ионов С основной конфигурацией 4d1f> и спектрам ионов ксенона, олова и индня с основными конфигурациями типа 4dm (ш =1-8). На Рис.1 изображена таблица изученности спектров тяжелых многозарядных ионов по состоянию на 1995 год. Черным цветом выделены ионы, спектры которых были в достаточной степени изучены к началу наших исследований. Серым цветом выделены ионы, спектры которых исследовались в данной диссертационной работе. Спектры 4d ионов In V,VI, Sn VI,VII, Sb VII,VIII и Те VIII,IX с основными конфигурациями 4d9 и 4ds были исследованы в соавторстве с другими сотрудниками отдела атомной спектроскопии ИСАН9. Результаты этих исследований не включены в данную диссертацию, но были использованы в процессе анализа спектров других многозарядных 4d ионов.

В диссертационной работе анализировались спектры около S0 ионов, принадлежащих двенадцати изоэлектронным последовательностям. Помимо десяти последовательностей 4dm (m-1-10) ионов были исследованы лежащие в тех же областях длин волн спектры ионов последовательностей Ag I и Cd I

fc MMNHUk I »OBtUCiPt ИЛйЬИЛЦНо&ТвИЫ!«» WfbOlk П Au Hgll ft В

Рис.1. Таблица изученности спектров ионов по состоянию на 1995 год.

Черным цветом обозначены ионы, спектры которых были известны. Серым цветом - ноны, исследуемые в данной диссертационной работе.

с основными конфигурациями 4d'°5s и 4d'°5s1. Некоторые из исследуемых в данной работе спектров ионов относительно малых кратностей, Cd III, In IV,VII, SnV.VIII, Sb V-VI, Те VI-VII, IVII-IX, XeVIII-X, Cs IX,X, изучались и ранее. Результаты анализов этих спектров были в значительной мере дополнены и частично исправлены в данной диссертационной работе. В ряде спектров более многозарядных ионов изоэлектронных последовательностей Ag I (Cs IX - Nd XIV) и Cd I (Хе VII - Nd XIII) ранее были идентифицированы только переходы с относительно низковозбужденных состояний, причем, как показали настоящие исследования, некоторые из них были классифицированы неверно. В Rb-подобных спектрах In ХШ, Sn XIV и в Pd-подобных спектрах Ва XI - Nd XV были классифицированы лишь отдельные линии, эти спектры исследовались практически заново. Спектры In VIII - InXII, Sn IX - SnXIII, IX и XeXI

вообще не изучались ранее и впервые исследуются именно в данной диссертационной работе.

Анализ каждого спектра заключался в классификации линий и измерении энергий уровней исследуемых электронных конфигураций с помощью теоретических расчетов, проведенных с учетом всех имеющихся для конфигураций подобного типа экспериментальных данных. На основе измеренных энергий уровней уточнялись значения интегралов электронного взаимодействия (полуэмпирические энергетические параметры) и вероятности исследуемых переходов. Полученные спектроскопические данные использовались для экстраполяции на более многозарядные ионы, а также для точного расчета спектров изучаемых ионов и моделирования спектров излучения различных источников плазмы.

Автором диссертации созданы мощная лазерная установка и несколько усовершенствованных модификаций искровых источников, используемых для возбуждения анализируемых спектров ионов. Регистрация, обработка и анализ спектров, квантово-механические и полуэмпирическне расчеты исследуемых в данной диссертационной работе спектров также выполнены непосредственно автором диссертации. Им же предложена и апробирована методика диагностики плазмы проектируемых литографических источников с использованием методов В УФ спектроскопии высокого разрешения.

Методы исследований и обоснование результатов.

Исследуемые спектры регистрировалось на двух спектрографах высокого разрешения ИСАН. 3-м спектрограф скользящего падения, оснащенный голографической дифракционной решеткой 3600 штр/мм, использовался в области длин волн 50-350 А. Регистрация спектров в области 250-2000 А осуществлялась на 6.65-м спектрографе нормального падения, оснащенном двумя сменными решетками 1200 штр/мм. Разрешающая способность этих приборов составляет Й-Ю^-Ю1 в диапазоне длин волн от 100 А до 2000 А, что заведомо превышает необходимое разрешение для спектров источников с

контурами линий, уширенными эффектом Доплера. Спектры возбуждались с использованием широкого набора источников плазмы. В основном, использовались различные модификации искровых разрядов с пиковыми токами от 1 до 100 кА: скользящая искра, малоиндуктивная вакуумная искра, разряд в капилляре. Для возбуждения интенсивных спектров многозарядных ионов была создана мощная лазерная установка на неодимовом стекле с использованием эффекта обращения волнового фронта. Использование источников плазмы с варьируемой в широких пределах эффективной электронной температурой (кТс~10-100 эВ) позволило эффективно разделять регистрируемые спектры по кратностям ионизации и возбуждать спектры ионов с кратностями от 2 до 20.

Обработка и анализ полученных спектров проводились с применением уникальных компьютерных методик, разработанных в отделе атомной спектроскопии ИСАН. Использовалась программы автоматического измерения положений спектральных линий на спектрограммах и измерения их длин волн и иитенсивностей с помощью набора стандартов длин волн и модельной кривой отклика фотоэмульсии, а также программа ШЕИ, предназначенная для классификации сложных спектров. В процессе анализа использовался полный набор известных в спектроскопии критериев корректности классификации спектров. Учитывались следующие факторы:

1. Принадлежность классифицируемой спектральной линии данной кратности ионизации (селекция линий посредством регистрации спектров различных источников);

2. Соответствие экспериментальной н расчетной величии длины волны классифицируемой линии;

3. Соответствие относительной интенсивности линии рассчитанной вероятности перехода;

4. Согласованность волновых чисел линий переходов по комбинационному принципу Ритца;

5. Соответствие энергий измеренных уровней полуэы лирическим значениям, вычисленным при варьировании энергетических параметров исследуемых конфигураций (средне-квадратичном фнтгинге энергий);

6. Согласованность полученных полуэмпирических параметров вдоль изоэлектронной (нзоядерной) последовательности ионов.

Выполнение всех упомянутых критериев гарантировало корректность проведенного анализа, а использование спектрографов высокого разрешения при возбуждении спектров в источниках плазмы различного типа обеспечивало точность и надежность представляемых спектроскопических данных.

fíoeusHa и практическая уенность результатов работы. На защиту выносятся следующие положения:

1. Спектроскопические данные для многозарядных Pd-подобных ионов от Sb VI до Nd XV. Классификация переходов между конфигурациями 4d*4f, 4d'5s, 4d'5p, 4d95d и 4d95f, энергии уровней и полуэмпирические параметры этих конфигураций. Результаты экстраполяции спектроскопических данных на более тяжелые палладие-подобные ионы.

2. Результаты исследования спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Энергии конфигураций 4d10n£ 4d10mg (n=4,5; m»5,6) в спектрах Sb V — I VII и высоковозбужденных конфигураций 4d]0nl(n=6,7; l=p,d,f,g), 4d*5s5p, 4d*4f5s и 4de4fl в спектрах Cs IX - Nd XIV.

3. Результаты анализа спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Cd I. Энергии конфигураций 4f5s, 4f5p, 4f5d, 5p5d, 5s6p и 5s5f в спектрах Xc VII, Ba IX — Nd Х1Ц и конфигураций 4? и 4f5g в спектрах Pr XII и Nd Х1П.

4. Результаты анализа спектров Хе X и Хе XI, и изоэлектронных им спектров IIX, IX, Cs XI, Ba XII. Энергии конфигураций 4d®4f и 4ps4d'0 в спектрах

IIX - Ba XII и конфигураций 4d'5p, 4dT4f и 4p)4dí> в спектрах IX и Хе XI.

классификация спектра излучения ионов ксенона в области 130-140 А, представляющей интерес для оптической литографии в дальней ВУФ области длин волн.

5. Спектроскопические данные для 4d ионов олова Sn VIII - Sn XIV. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 130-140 А, энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4d"\ 4(Г"15р, 4d0"14f и 4р}4сГ+| в спектрах ионов олова,

6. Спектроскопические данные 4d ионов индия In VII — In XIIL

Классификация наиболее интенсивных переходов в области 140-150 А и энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4dm, 4dm'l5p, 4dm',4f4pí4dm+l в спектрах ионов индия.

7. Параметры плазмы малоиндуктивной вакуумной искры при токах разряда 15-25 кА: электронная температура, электронная плотность и оптическая толщина, измеренные с использованием методов спектроскопии высокого разрешения в дальней ВУФ области.

8. Создание спектроскопической базы для мониторинга, диагностики и оптимизации спектров излучения источников оптической литографии нового поколения на базе полученной в диссертации информации по спектрам 4d ионов ксенона, олова и индия.

В диссертационной работе впервые исследованы спектры 20 ионов, сведения о спектрах еще около 30 ионов были существенно дополнены и частично исправлены. В результате данных исследований впервые идентифицировано более 3200 спектральных линий в вакуумной ультрафиолетовой области длин волн и найдено около 1500 энергий уровней. По измеренным энергиям уровней определены полуэмпирические энергетические параметры большого количества электронных конфигураций в исследуемых ионах.

Полученная в диссертации информация о спектрах Pd-подобных ионов используется при разработке источников лазерного излучения в дальней ВУФ области длин волн. Спектроскопические данные по многозарядным

ионам ксенона, от Хе VII до Хе XI, включены в справочное издание по спектрам ионов, выпускаемым Национальным Институтом стандартов и технологий США10.

Основные результаты диссертации докладывались на XVI Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1998), на VII Международной Конференции по рентгеновским лазерам (Сан-Мало, Франция, 2000), на VII Коллоквиуме по атомной спектроскопии и силам осцилляторов (Дублин, Ирландия, 2001), на XXXVII Конференции Европейской группы по атомным системам (Дублин, Ирландия, 2005), на XXIII Съезде по Спектроскопии (Звенигород, 2005) и на 2-ой Международной Конференции по Атомной и Молекулярной Физике и Оптике (Нью-Дели, Индия, 2006). По результатам проведенных в диссертации исследований опубликовано 27 научных работ в рецензируемых отечественных и иностранных журналах.

Краткое содержание работы.

Диссертация содержит 392 станицы машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Во введении описывается современное состояние исследований в области спектроскопии многозарядных ионов, определяются основные цели и направление исследований, формулируются основные выдвигаемые на защиту положения. Обосновывается актуальность полученных результатов, их научная ценность, новизна и практическая значимость. Кратко изложены специфические особенности спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой, степень изученности спектров Pd-подобных ионов, а также современное состояние разработок плазменных источников для проекционной оптической литографии нового поколения в дальней ВУФ области длин волн.

В Главе 1 диссертации описываются источники плазмы и спектрографы высокого разрешения, используемые для возбуждения и

регистрации спектров многозарядных 4d ионов. Изложены примененные в работе современные методики измерения и обработки спектрограмм и классификации сложных спектров. Показана необходимость использования как можно большего количества стандартов длин волн при обработке спектров, зарегистрированных на спектрографах скользящего падения. Представлен краткий обзор методов расчета сложных спектров 4d ионов, более подробно описываются применяемые в данной работе методики расчета спектров: пакет программ Р.Д.Кауэна и метод ортогональных операторов. Обосновывается необходимость проведения полуэмпирических расчетов исследуемых сложных спектров 4d ионов, описываются методики экстраполяции вдоль изоэлектронных и изоядерных последовательностей ионов. Обсуждаются основные критерии корректности классификации спектров и используемые методики устранения случайных ошибок при анализе сложных спектров.

В Главе 2 представлены результаты исследования спектров палладие-подобных ионов от Cd III до Nd XV, Целью данных исследований было определение для как можно большего числа членов данной последовательности энергетических структур конфигураций 4d94f и 4d*51 (I=s,p,d), наиболее важных для проведения радиационно-кинетических расчетов активных сред для лазерной генерации. Анализ проводился в несколько этапов. Сначала были классифицированы неизвестные ранее переходы с высоковозбужденных состояний 4dl0lSo - 4d9np,n'f (п,п'=б-9) в спектрах Cd III - Cs X. Затем были уточнены и существенно дополнены данные по конфигурации 4d*5d и впервые определены энергии конфигурации 4d95f в спектрах Sb VI - IVIII. При этом в данных ионах были впервые установлены энергии верхнего рабочего уровня 4d,5dlSo (энергии этого уровня ранее были известны лишь для спектров PdI, AgПи XeIX1,s). Полученные для спектров Sb VI — IVIII данные экстраполировались вдоль изоэлектронноЙ последовательности от иона к иону. Начиная со спектра

ВаХ1, удалось впервые установить энергетические структуры конфигурации 4с194£ В легких нонах эта конфигурация имеет слишком большие энергии возбуждения и поэтому ее уровни очень слабо заселены. В результате анализа спектров многозарядных палладие-подобных ионов полностью изучены энергетические структуры конфигураций 4^5 я, 4с1,5р> 4с|'5(1 и, частично, 4<194( 4<195Г вплоть до спектра Nd XV. Дальнейшее продвижение вдоль последовательности было ограничено возможностями используемого источника (лазерной плазмы). Тем не менее, полученные данные позволили довольно точно экстраполировать энергетические структуры изучаемых конфигураций на более многозарядные ионы. Надежность экстраполяции обуславливается, как правило, монотонностью поведения энергетических параметров вдоль изоэлектронной последовательности. Процесс экстраполяции удобнее проводить с использованием масштабирующих множителей, т.е. отношений измеренных полуэмпирнчесхих параметров к их хартрифоковским значениям. На Рис. 2 приведены масштабирующие множители конфигураций 4й95р и в исследуемых спектрах палладие-

подобных нонов. Все параметры этих конфигураций довольно точно экстраполируются вдоль последовательности полиномами первой или второй степени. Хорошее согласие всего комплекса полученной спектроскопической информации для палладие-подобных ионов было также подтверждено при использовании обобщенного метода средних квадратов, специально ■предназначенного дня проверки корректности анализа вдоль изоэлектронной последовательности. Все это дало надежный базис для экстраполяции спектров ионов последовательности Рй I на более тяжелые ионы. Такая экстраполяция была проведена при использовании в расчетах методом Хартри-Фока масштабирующих множителей для энергетических параметров исследуемых конфигураций. В Таблице 1 приведены измеренные длины волн "лазерных" переходов 4ё'5р'Р1 — 4d95d 'Зо и 4d,4f 1Рх — 4d*5d '£¡0 в спектрах $Ь VI - № XV и экстраполированные длины волн и вероятности данных

1,20-3 1.15 1,10 1,05

1.оа

0,95 0,ВО 0,85 О.ВО

4<1*5р

«5р)

♦----^ —

£„(5р)

• -• ♦----*----~ ~ ^ " ~

"У*"'*

ЭЬУ1 ТвУН г/11] Хе(Х СзХ ВаХ1 ЬаХИ СеХШ РгХГ/ ЮсКУ

1,26 ,

1,20

1,15

1,10

1,05

1.00

0,95

0,90

0,85

0,60

0,75

«ЗД

СС4<0 • .....

,Ёау(5с1)

4с1*5с1

: С°{4<1,5<1)

.........

.....

.....*.....

—|-1-1-1-1-1-1-1-1-1—

5Ь\Л Т«У11 1VIII Хв1Х С&Х ВаХ1 1зХ11 СеХШ РгХ1У МйХУ

Рис. 2, Изоэлектронные зависимости энергетических параметров конфигураций 4(1,5р и в Рё-подобных ионах.

переходов в спектрах тяжелых палладие-подобных ионов. Оцениваемая ошибка экстраполированных длин волн переходов не превышает 0.5 А. В спектре ШХУ из-за перемешивания состояний наблюдались три линии переходов с уровня 4^5<1'Эо на уровни 4<1*5р1Р|,3р1 и 4<354Г'Р] со сравнимыми интенсивностями. При этом наиболее интенсивным в спектре спонтанного излучения является переход 4с194£'1р1 - 4с1®5<118о. В более тяжелых палладие-подобных ионах энергия возбуждения конфигурации 4<154Г быстро уменьшается и относительная населенность уровня 4^4(^1 растет, поэтому возникновение инверсной населенности на уровнях 4(1*41'1Р| и 4с1*5<1 1&5 представляется весьма сомнительным в достаточно плотной активной среде типа лазерной плазмы. Необходимо отметить, что длины волн перехода 4с195р 'Р| - 4(1*5(1 'Эо в спектрах Тт XXIV и УЬ XXV попадают в интервал 130-140 А, т.е. в спектральную область, используемую в ВУФ литографии нового поколения.

В Главе 3 изложены основные результаты анализа спектров многозарядных Ag- и Сй-подобных ионов элементов от сурьмы (заряд ядра 2^=51) до неодима (^=60). Необходимость исследования этих спектров возникла при анализе спектров палладие-подобных ионов и была обусловлена затруднениями, возникшими при селекции спектральных линий по кратностям ионизации. На Рис. 3 приведен участок спектра лазерной плазмы ионов церия в области 315-350 А. Используемый спектрограф нормального падения имеет почти стигматическое изображение в области длин волн короче 400-500 А, поэтому спектр обладает пространственным разрешением в направлении нормали к мишени. В представленной области, помимо переходов в палладие-подобном спектре Се XIII, находятся линии, принадлежащие С с!- и А£-подобным спектрам. Наиболее интенсивные линии в последних спектрах, излучаемые вплоть до довольно больших расстояний от мишени (до 1.0 - 1.5 мм), были классифицированы ещё 20-30 лет назад. С тех пор практически не предпринималось попыток уточнить или дополнить

Таблица 1.

Измеренные и экстраполированные интенсивности (I), длины волн (X), и вероятности (^А, Ю^с'1) переходов с уровня 4<1,5<1'Эо в Р(1-подобных ионах.

Переход 4а"5р - 4^5(1 'Бо 4с1^ 2Р1 - 4с1а5с1 'Зо

Спектр I Х.к <дА) I (дА)

Измерения:

БЬ VI 450 638.160 (1.1)

Те VII 180 542.582 (1.5)

I VIII 150 472.262 (2.1)

Хе IX 170 418.257 (2.5)

Сй X 150 375.446 (2.9) (1862.787](0.03)

Ва XI 130 340.551 (3.5) [934.047] (0.1)

Ьа XII 120 311.798 (4.0) [587.078] (0.3>

Се XIII 90 287.383 (5.0) [412.812] (0.5)

Рг XIV 80 266.446 (5.3) [310.890] (0.8)

Ш XV (1Р1-) 60 248.568 (2.5) 80 243.124 (4.2)

<3Р1-) 50 237.005 (2.4)

Экстраполяция:

ТЬ XX 186.6 ( 7) 109.6 ( 6)

Тт XXIV 138.5 (11) 68.9 (12)

УЬ XXV 131.8 (13) 62.7 (14)

Ее XXX 105.2 (24) 41.7 (26)

Аи XXXIV 88.2 (36) 32.0 (39)

В1 XXXVIII 74.0 (54) 25.6 (54)

№ Х1Л^ 55.2 (109) 18.3 (95)

и XIV!I 51.0 , (130) 16.8 (110)

(*) В квадратных скобках даны длины волн переходов, рассчитанные по

измеренным энергиям соответствующих уровней.

320 —

325

330 —

335

340 —

345 -I

'.'-¡Я

■щ

' ¿к*

■

'Ч!

5р - 5с1 Се XIII

.... XI "" XII

- XII

5с1 - 51 Се XIII

- XII

X

XI

XII

XI

XII

XI

Рис. 3, Участок спектра лазерной плазмы ионов церия

результаты анализов этих ионов. В зарегистрированных спектрах присутствовали и относительно слабые неизвестные линии, предположительно принадлежащие Аз* или С<1-подобным спектрам. Эти линии излучаются лишь вблизи мишени и практически неотличимы от линий Рс1-подобных ионов. С увеличением заряда иона в А$-подобных, С<1-подобных и в некоторых других изучаемых в данной диссертации последовательностей резко возрастает роль конфигураций с возбуждением 4£

электронов в формировании спектров излучения. Именно практически неизученные ранее конфигурации типа 4(1*4Й11 и 4<1|04Й11 (п-4,5; являлись основными объектами исследований данной главы диссертации, В результате, удалось впервые классифицировать большое количество спектральных линий, исправить ряд имевшихся ошибок прежних анализов (в частности, для синглетных уровней конфигураций 5з5<1,5рг и 5збз в спектрах Сб-подобных ионов), а спектры таких ионов как Се XI, Рг XII и N(1XIII по существу исследовать заново. Обсуждаются эффекты взаимодействия конфигураций 4с1*41г - 4(1,°п8(п=5-7), 4(1*415$ - 4а'°пр (п=6-8), 4^5 з5р -4»110пГ(п=4-6) в Ag-пoдoбныx ионах и конфигураций 5р5<1 - 4Й<1, 415р -4Гг, - 4<3*4£3 в С<1-подобных ионах.

В Главе 4 исследуются спектры многозарядных ионов ксенона в дальней ВУФ области длин волн, возбуждаемые в плазме малоиндуктивной вакуумной искры с импульсным газовым напуском. На Рис. 4 (вверху) представлен спектр ионов ксенона, зарегистрированный при пиковом токе разряда искры 50 кА. Из множества линий в области 100-160 А ранее были классифицированы лишь переходы 4<1'- 4с1!5р в спектре Хе X и резонансная линия перехода с уровня 4с1,4Г|Р1 в Р<1-подобном спектре Хе IX. В области 130-140 А, используемой в литографических источниках нового поколения, выделяется группа, содержащая около 150 спектральных линий (см. Рис. 4, внизу). Ни одна линия этой группы ранее не была классифицирована, В результате проведенных в диссертационной работе исследований были классифицированы спектры переходов 4(1* - (4дя4Г+4р54<1">) в Хе X и переходов 4(1® - (4с175 р+4с174 Г+4р'4<19) в Хе XI, а также спектры аналогичных переходов в изоэлектронных ионах IIX и IX, Се XI, Ва XII. Показано, что подавляющее большинство линий, наблюдаемых в спектре ксенона в области длин волн 130-140 А, принадлежит переходам 4(1* — 4<1т5р в спектре Хе XI. Наиболее интенсивные линии этих переходов сосредоточены непосредственно вблизи X = 135 А. Экспериментально измеренные значения

ХеХ 4с1'- 4<3°5р

100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 156 155

400 -300200100-

и

1.||| I

I

Ц

132 133 134 133 136 137 138

Рис. 4. Общий вид спектра ионов ксенона в дальней ВУФ области (вверху) и более детальная структура спектра в области 132-138 А (внизу)

длин волн переходов и энергий уровней ХеХ1, а также определенные в результате фитинга экспериментальных энергий полуэмпирические параметры исследованных конфигураций дают возможность проводить надежный мониторинг литографических источников, а также моделировать и оптимизировать спектры излучения этих источников.

В Главе 4 также обсуждаются эффекты воздействия обменного кулоновского (4(1,40 и (4р,4(1) взаимодействия на энергетические структуры и спектры переходов с конфигураций 4<Г"14£ и 4р,4<1т+|. Аномально большие

значения интегралов обменного взаимодействия приводят к изменению энергетической структуры конфигураций и к появлению в спектрах переходов с этих конфигураций групп линий с очень высокой интенсивностью, сосредоточенных в сравнительно узких спектральных интервалах. Такие группы, состоящие из большого количества интенсивных линий, наблюдались в спектрах излучения 4d ионов индия (140-150 Á), олова (130-140А), ксенона (105-115А) и более тяжелых элементов вплоть до вольфрама (45-50 А).

В Главе 5 анализируются спектры ионов индня и олова в дальней ВУФ области длин волн. Особое внимание уделено спектральной области 130150 А, используемой в оптической литографии нового поколения. Исследовались спектры вакуумной искры, зарегистрированные при различных токах разряда. Спектры ионов олова в области 120-170 А, полученные при пиковых токах искрового разряда 25, 17 и 10 кА, представлены на Рис. 5. Там же дана предварительная классификация наблюдаемых пиков излучения по кратностям ионизации. Из-за отсутствия данных для изоэлектронных последовательностей многоэарядных ионов с основными конфигурациями 4dn> (m=2-7) анализ спектров проводился поэтапно вдоль изоядерньгх последовательностей ионов индия и олова. Классифицированы наиболее интенсивные переходы в спектрах InVII -In XIV и Sn VIII - Sn XV, отождествлены практически все линии в областях длин волн, соответственно, 140-150 А и 130-140 А. Классификация по кратностям ионизации наиболее интенсивных линий спектра ионов олова в 2-% интервале длин волн вблизи 135 А представлена на Рис. б. Более полная классификация линий в этой области дана в приложении к Главе 5 данной диссертационной работе. Известно, что в источниках проекционной ВУФ литографии реально используется лишь 2-% интервал вблизи максимума отражения Mo/SÍ зеркал, причем это максимум может сдвигаться в пределах 134-142 А6, Наиболее интенсивные линии в 2-% интервале вблизи 135 А

1111111м11п1■м)■111111м111МI■11111111111II11111111

120 130 140 150 160 170

50-

I40"

| 20

ю-| о

М|1М1М|1|11М|11[ММ111)1|1ММ111]^Г11111МГ|МТ11

120 130 140 150 160 170

....... I | |1 I ....... | I III I I I I 1| I <1 I II I I I ........о

120 130 140 150 160 170 Длина волны, А

Рис. 5. Спектры ионов олова при различных токах разряда вакуумной искры

принадлежат переходам в спектрах Зп XI - Эп XIII. Наблюдающийся при токах разряда 17 и 25 кА квазинепрерывный фон под линиями (Рис. 5) состоит из очень большого количества перекрывающихся линий тех же кратностей ионизации. Аналогичный детальный анализ спектров ионов индия показал, что в 2-% интервале вблизи 142 А сконцентрированы наиболее интенсивные переходы в спектрах 1пХ1 - 1а XIII. Следовательно, что для повышения эффективности литографических источников, использующих излучение ионов олова и индия, необходимо обеспечить максимальную концентрацию возбужденных ионов с кратностью 2=10-12.

XIV

Длина волны, А

Рис. 6. Структура и классификация спектра ионов олова в 2-% интервале длин волн вблизи 135 А

В Главе 5 также изложена методика диагностики плазмы литографических источников с использованием методов ВУФ спектроскопии высокого разрешения. С этой целью в оловянный анод искры вводилась примесь в виде порошка 1дР. Электронная температура плазмы измерялась по относительным интенсивностям линий переходов 2в-4р, 2р-5с1 и 2з-5р, 2р-7<1 в ¡-¡-подобном спектре Р VII и составила 19 и 23 эВ при токах разряда искры 17 и 25 кА, соответственно. Электронная плотность излучающей плазмы определялась по штарковскому уширен ию линий лаймановской серии в водородо-подобном спектре Ы Ш. Зависимость штарковских ширин линий 1з-4р н 1б-5р в спектре 1л III от электронной плотности рассчитывалась в рамках квазнстатической теории в приближении Хольцмарка для распределения ионных микрополей На Рис. 7 изображены зарегистрированный профиль линии 1в-4р 1лIII в сравнении с профилями соседних линий, уширенных только эффектом Доплера. Электронная платность плазмы, определенная по дополнительному ушпрению этой линии, составила (5±1)-1017см'э. Измерения, проведенные для линии 1з-5р 1лШ, дали практически тот же результат, Ме-(б±2)-10п см"3. Анализ профилей спектральных линий переходов различного типа показал, что для подавляющего большинства исследуемых линий в спектрах 1п У11-Х11 и Бп УШ-ХШ оптическая толщина плазмы вакуумной искры составляет от 1 до 3 и имеет тенденцию к росту при повышении тока разряда. Исключение составляют две интенсивные линии в спектрах Бп XIV и 1пХШ, имеющие аномально большие ширины, соответствующие оптической толщине излучающей плазмы порядка 10.

Спектроскопические данные, полученные при анализе спектров многозарядкых ионов ксенона, олова и индия в области 130-140 А, а также проведенная диагностика плазмы малоиндуктивной вакуумной искры позволяют достаточно точно моделировать спектры потенциальных источников для оптической литографии в дальней ВУФ области. Вследствие

Дл ина волны, А

Рис. 7. Профиль линии ls-4p Li III уширенной линейным эффектом Штарка (полуширины линий даны в ангстремах)

большой сложности исследуемых систем расчеты производились на . вычислительной базе Института прикладной математики им. В.С.Келдыша. Моделирование спектров осуществлялось на основе теории радиационного коллапса для искровых разрядов12 при использовании полуэмпирически х параметров конфигураций и параметров плазмы вакуумной искры, измеренных в данной диссертационной работе. Показано, что общий вид моделируемого спектра существенно изменяется при варьировании электронной температуры в пределах 20-40 эВ, зависимость вида спектра от плотности излучающей плазмы, в основном, проявляется в эффектах насыщения профилей линий. Спектр, моделированный при электронной платности источника Ne = 5*1017 см"3 и температуре кТ,=20эВ, практически совпадает со спектром МВИ, обладающей теми же параметрами. Таким образом, по результатам проведенных исследований создан спектроскопический базис, на основе которого возможен диагностический

мониторинг и оптимизация основных параметров разрабатываемых источников оптической литографии в дальней ВУ Ф области.

В заключении сформулированы приведенные ниже основные результаты данной диссертационной работы. Список цитируемых литературных источников содержит 236 работ, пронумерованных в порядке их упоминания в тексте. Небольшие таблицы со сквозной нумерацией даны непосредственно в тексте диссертации. Довольно громоздкие таблицы классифицированных спектральных линий, измеренных энергий уровней и энергетических параметров исследуемых электронных конфигураций сгруппированы по главам и вынесены в приложения. В тексте диссертационной работы размещено около 50 рисунков и графиков с отдельной нумерацией для каждой главы.

Резюмируя вышеизложенное, можно утверждать, что диссертация содержит решение большой научной проблемы исследования сложных спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4(1 оболочкой, имеющих важное значения для создания лазерных источников в дальней ВУФ области длин волн и для реализации проекта оптической литографии нового поколения.

Заключение.

Основные результаты диссертационной работы.

1) Создана мощная лазерная установка на неодимовом стекле с обращением волнового фронта, предназначенная для получения высокотемпературной лазерной плазмы. Использование данного источника в совокупности с искровыми источниками различных модификаций позволило эффективно возбуждать и при необходимости селектировать по кратностям ионизации спектры 4с1 ионов с зарядом

г = 2-20.

2) В работе анализируются около 50-ти спектров ионов, принадлежащих двенадцати различным изоэлектронным последовательностям, причём спектры 20 из этих ионов были изучены впервые. В результате проведенных анализов спектров впервые классифицировано около 3200 спектральных линий и измерены энергии более 1500 уровней. Для каждой исследуемой электронной конфигурации по измеренным энергиям уровней определены полуэмпирические параметры, позволяющие проводить достаточно точную и надежную экстраполяцию на еще не изученные ноны.

3) Детально исследованы спектры многозарядных Р<1-подобных ионов от 5ЬУ1 до N(1XV. В спектрах БЬ VI — IVIII измерены энергии конфигурации 4<1,5Г и неизвестные ранее энергии 4<1*5<1, включая энергию верхнего уровня лазерного перехода 4й'5<1 'Бо. В спектрах Хе IX и С$Х уточнены энергии конфигурации 4<з"5р и впервые исследованы конфигурации 4<155<1 и 4<3?51. В спектрах Ва XI - N(1XV исследованы энергетические структуры конфигураций 4(1*58, 4с1,5р, 4д*5<1 и Ад95 {, а также конфигурации 4<1®4£ ранее вообще не изучавшейся в спектрах данной изоэлектронной последовательности. Определенные в результате данного анализа полуэмпирические энергетические параметры были экстраполированы на более тяжелые палладие-подобные ионы. Предсказаны длины волн переходов в спектрах многозарядных палладие-подобных ионов от Зш XVII до и ШУИ, на которых возможна лазерная генерация.

4) Изучены спектры ионов изоэлектронной последовательности А& I. Определены энергии 4<3,04Г в спектрах Те VI, IVII, Се IX и Ва X, и энергии 4<1'°п£ (п=5,б) в спектрах ЗЬ V, Те VI и IVII. Также измерены ранее неизвестные энергии высоковозбужденных конфигураций 4<1|0п1 (п=6,7; 1=рД£,а), 4(1*555р, 4(3'4£5з н 4<1941г в спектрах Св IX — N<1XIV. Исследованы эффекты сильного

взаимодействия четных конфигурации 4<1101щ и 4Л*4? и нечетных конфигураций 4<110пГ и 4с|'555р в спектрах многозарядных Ав-подобных ионов.

5) Исследованы спектры многозарядных ионов последовательности СМ I. Впервые классифицировано около 700 спектральных линий и измерены энергии почти 400 уровней в спектрах Хе VII, Ва1Х — N<1X111. В спектрах Хе VII, Ва IX и Ьа X дополнительно к имеющимся в литературе данным измерены энергии конфигураций 4Г5£, 4£5р, 415(1, 5р5<1, 5збр и 555£ а также исправлены неверные классификации переходов с синглетных уровней 5з5с1>02 и 5р2 'Зо в данных спектрах. Практически заново изучены спектры Се XI, Рг XII и N<1Х1П, в которых определены энергетические структуры конфигураций 5б5р, 5к5<3, 5рг, 5£б£, 4£5б, 4Вр, 4£3(1, 5кбр и 5з5£ Впервые для данной последовательности исследована конфигурация 4? в спектрах Се XI -N<1XIII и конфигурация в РгХП и N<1X111. Изучены эффекты пересечения конфигураций 5&5<1-4£5р и 5р5<1-415й, а также влияние конфигурации 4<1*4^ на структуру конфигурации 4^.

6) Исследованы спектры переходов 4<1® - (4»114ГМр*4<110) в спектрах IIX, Хе X, С® XI и Ва XII и переходов 4<18 - ^^р-НЛМр^а®) IX и Хе XI. Полностью классифицированы спектры излучения ионов ксенона в области длин волн 130-140 А. Показано, что практически все более или менее интенсивные линии в этой области, представляющей интерес для оптической литографии нового поколения, принадлежат переходам 4<18—4475р в спектре Хе XI.

7) С помощью методики последовательной экстраполяции вдоль изоядерных последовательностей классифицированы наиболее интенсивные переходы 4(1™ - 15 р+4<Г' Чг-Нр5^"*1) в сложных спектрах Эп У1П-Х1У и 1п \Щ-ХШ, излучаемые в источниках проекционной оптической литографии нового поколения. Показано,

что в 2-% интервале длин волн вблизи 135 А, сконцентрированы переходы в спектрах Sn XI — Sn XIII. При использовании в литографических источниках индия вблизи 142 А лежат, в основном, переходы в спектрах In XI - In XIII. Сделан вывод, что для повышения эффективности литографических источников необходимо поддерживать параметры плазмы, соответствующие максимальной относительной концентрации данных ионов,

8) Предложена методика спектроскопической диагностики плазмы литографических источников в дальней ВУФ области, апробированная при диагностике плазмы малоиндуктивной вакуумной искры. Электронная температура плазмы при пиковом токе 25 кА составила около 20 эВ, а средняя электронная плотность - порядка 5*1017 см"3. Оптическая толщина плазмы, оцененная по дополнительному уширению спектральных линий, варьируется от 1 до 10.

9) Совокупность полученных в диссертации спектроскопических данных и результатов диагностики плазмы создают основу для моделирования спектров и оптимизации параметров плазмы литографических источников в дальней ВУФ области,

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. S.S.Churilov, Y.N.Joshi, A.N.Ryabtsev. The 4d10 'So-4d9(np+mi) transitions in the Pd I isoelectric sequence from Cd III to Cs X // J, Phys. B. - 1994. -v.27. - p.5485-5495.

2. R.R.Gayasov, S.S.Churilov, Y.N.Joshi, A.N.Ryabtsev, V.I.Azarov. Interpretation of the level structure of 4d®, 4d'(5p+4f) and 4pä4d9 configurations in nine times ionized iodine: IX // J. Opt. Soc. Am. B. - 1997. -v.l4, -No.5. -p.1013-1028.

3. Р.Р.Гаязов, А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов, Й.Н.Джоши, В.И.Азаров. Анализ спектра IX в дальней ВУФ области // Оптика и спектроскопия. -1997. -

T.82. - No.2. - C.205-211.

4. A.P. Shevclko, L.A. Shmaenok, S.S. Churilov, F. Bijkerk and R.K.F.J. Bastiaensen. Extreme ultraviolet spectroscopy of a laser plasma source for lithography // Phys. Scr. - 1998. - v.57. - p.276-282.

5. S.S.Churilov, Y.N.Joshi, R.R.Gayazov, Revised and extended analysis of IIX and IX spectra // J. Opt. Soc. Am. B. - 1998. - v.15. - No.7. - p.1923-1931.

6. S.S.Churilov, V.I.Azarov, A.N.Ryabtsev, W.-U.L.Tchang-Brillet, J.-F.Wyart. Revised and extended analysis of the Pd-like ion spectra Sb VI, Te VII and

I VIII // Phys. Scr. - 2000. - v.61. - p.420^30.

7. A,N.Ryabtsev, P.S.Antsiferov, A.V.Nazarenko, S.S.Churilov, W.-U.L.Tchang-Brillet and J.-F.Wyart, Analysis of the spectrum of the Pd I-like xenon (Xe IX) and extended interpretation of the Sb VI, Te VII and IVIII spectra //

J. Phys. IV Franoe. -2000. - v.ll. - No.2. -p.317-319.

8. Y.NJoshi, AJN.Ryabtsev, S.S.Churilov. Revised and extended analysis of the spectrum of ten-times ionized cerium (Ce XI)//J. Opt. Soc. Am, B.-2001. — v, 18. - No. 12. - p. 1935-1942.

9. S.S.Churilov, Y.NJoshi. Revised and extended analysis of six-times ionized xenon: Xe VII//Phys. Scr. - 2002. - v.65. -No.l. -p.35-39.

10. S.S.Churilov, Y.N.Joshi. Analysis of the 4p<4di4f and 4pi4d10 configurations of Xe X and some highly excited levels of Xe VIII and Xe IX //

Phys. Scr. - 2002. - v.65. - No.l. - p.40-45.

11. A.N.Ryabtsev, S.S.Churilov, Y.NJoshi. Analysis of the 5p5d, 4f5d and 5s5f configurations in Cd Hike La X ion // Phys. Scr. - 2002. - v.65. - p.227-232.

12. S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev,'W,-U.L.Tchang-Brillet and J.-F.Wyart. Analysis of the spectra of Pd-like ions from Xe IX through Cexni//Phys. Scr.-2002.-v.66. - p.293-307.

13. S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev, W.-U.LTchang-Brillet, J.-F.Wyart Spectroscopy of Pd-like ions // Phys. Scr. - 2002. - v. T100. - p.98-103.

14. S.S.Churilov, Y.NJoshi. Revised and extended analysis of the Cd I-like Pr XII

ion//Phys. Scr. - 2003. - v.68. - p. 128-132.

15. S.S.Churilov, Y.N. Joshi, J. Reader. High resolution spectrum of xenon ions at 13.4 nm. - Opt. Lett - 2003. - v.28. -No. 16. - p.1478.

16. S.S.Cburilov, Y.N.Joshi, J.Reader, R.R,Kildiyarova. 4p64d< - {4d75p+4d74f+ 4p54d®> transitions in Xe XI // Phys. Scr. - 2004. - v.70. - p.126.

17. S.S.Cburilov, Y.N.Joshi, A.N.Ryabtsev. Analysis of the thirteenth spectrum of neodymium, Nd XIII // Phys. Scr. - 2005. - v.71. - No. 1. - p.43-47.

18. S.S.Cburilov, Y.N.Joshi and A.Tauheed. Revised and extended analysis of the 4d84f+4ds5p+4ps4d,° configurations in Cs XI spectrum // Phys. Scr. - 2005. -v.71. - p.261.

19. S.S.Churilov, Y.N Joshi. Analysis of the 4^-4 f5g transitions on Cd-like Pr XII and Nd XIII // Phys. Scr. - 2005. - v.71. - p.453-456.

20. S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev, J.-F.Wyart, W.-U.L.Thang-Brillet and Y.N.Joshi. Analysis of the spectra of Pd-like praseodymium and neodymium (PrXIV and Nd XV) // Phys. Scr. - 2005. - v.71. -No.6. - p.589-598.

21. A.N.Ryabtsev, S.S.Churilov, E.Ya.Kononov, Extended analysis of the Sn V spectrum // Phys. Scr. - 2005. - v.72.-No.5. - p.377-384.

22. S.S.Churilov and Y.N. Joshi, Extended analysis of the Ba XII spectrum in the EUV region // Phys. Scr. - 2006. - v.73. - No.2. - p.188-195.

23. А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов, Э.Я.Кононов. Автоионизационные и высоковозбуждённые состояния в спектре трёхкратно ионизированного олова Sn IV // Оптика и Спектроскопия. - 2006. - т. 100. - No/5. - с.713-720.

24. С.С.Чурилов, А.Н.Рябцев. Анализ переходов 4p64dT- (4p64ds4f+4ps4d8) в восьмом спектре олова (Sn VIII) И Оптика и спектроскопия. - 2006. -т.100. —No.5.-c. 721-727.

25. С.С.Чурилов, А-Н,Рябцев, Анализ спектров In XII-XIV и Sn XIII-XV в дальней ВУФ области//Оптика и спектроскопия.-2006. - т. 101. - No.2. - с.181-189.

26.1.Yu.Tolstikbina, S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev, K.N.Koshelev,

Atomic Tin Data // EUV Sources for Lithography. Ed. Vivek Bakshi. — 2006. - Ch.4, p.U3-148.

27. S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev. Analysis of the Sn IX - Sn XII spectra in the extreme UV region // Phys. Scr. - 2006. - v.73. - No.6. - p.614-619.

а также докладывали^ на конференциях:

1. С.С.Чурнлов, А.Н.Рябцев. Лазерные линии Ni- и Pd-подобных ионов в дальней В УФ области спектра // Тезисы докладов XVI Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 8-11 декабря 1998)-М. - Совет по Спектроскопии РАН. -сДб.

2. P.S.Antsiferov, A.V.Nazarenko, S.S.Churilov, A.N.Ryabtsev, W.-U.L.Tchang-Brillet andF.Wyart Analysis of the spectrum of Xe IX // Abstracts of the VII International Conference on X-ray Lasers (Saint-Malo, France, 18-23 June, 2000). - p.147.

3. S.S.Churilov S.S., AJJ.Ryabtsev, W.-U.L.Tchang-BriIlet, J.-F. Wyart. Spectroscopy of Pd-Iike ions//Abstracts of the VII Conference on Atomic Spectroscopy and Oscillator Strengths (Dublin, Ireland, August 2001).

4. S.S..Churilov, A.N.Ryabtsev, E.Ya.Kononov. Vacuum spark EUV spectra of tin. II Abstracts of the XXXVII Conference of the European Group

for Atomic Systems (Dublin, Ireland, August 2005).

5. С.С.Чурнлов, А.Н.Рябцев. Спектры многозарядных ионов олова для проекционной литографии в дальней ВУФ области // Тезисы докладов XXIII Съезда по Спектроскопии. (Звенигород, 17-20 Октября 2005) -М. - Совет по Спектроскопии РАН. — с. 5.

6. A.N.Ryabtsev, C.C.Churilov. Additional Fundamental Spectroscopic Data for In and Sn Ions И Proceedings of 2ni International Conference on Current Developments in Atomic, Molecular and Optical Physics with Applications. (New Delhi, India, 21-23 March 2006)-p.l 1.

Ссылки в тексте автореферата:

1 С.Е. Moore. Atomic Energy Levels - NBS Circular 35, v.III (Mo-La, Hf-Ac), 1971.

2 W.C.Martin, R.Zalubas, L.Hagan. Atomic Energy Levels — Rare-Earth Elements -NBS Circular 60, 1978.

3 S.Kucas and R.Karazija. Coulomb exchange interaction between electrons in the complex configurations // J. Phys. В. - 1991. - v.24. - p.2925-2936.

4 А.Н.Рябцев и С.С.Чурилов. Спектральные данные для многозарядных ионов нзоэлектронной последовательности Ni I // Сборник "Спектроскопия многозарядных ионов в горячей плазме". - Наука. -Москва.-1991. с.78.

s B.J.MacGowan, S.Maxon, etc. Demonstration of X-ray amplifier near the carbon K-edge // Phys. Rev. Lett - 1990. - v.65. - №4. - p.420-423.

6 B.E.Lemoff, G.Y.Yin, C.L.Gordon 1П, C.P.Barry and S.E.Harris. Demonstration of a 10-Hz femtosecond-pulse-driven XUV laser at 41.8 nm in Xe DC // Phys. Rev. Lett - 1995. - v.74. -p.I574-1577.

7 N.M.Seglio, A.M.Hawryluk, D.G.Stearns, D.P.Gaines, R.S.Rosen and S.P.Vernon. Soft X-ray projection lithography// J. Vac. Sci. Technol. B. -1990.-v-8.-p. 1325.

* R.Soufli and E.M.Gullikson, Optical constants of materials for multilayer mirror application in the EUV/soft X-ray region //Proc. SPIE. - 1997. - v.3113. -

p.222-229.

* V.I.Azarov, Y.N.Joshi, S.S.Churilov and A.N.Ruyabtsev. Analysis of the 4d7(4f+6p) and 4ps4d9 configurations of Sn VII, Sb VIII and Те IX // Physuca Scripta. - 1994. - v.50. - p.642.

10 E.B.Saloman. Energy levels and observed spectral lines of xenon, Xe I through Xe LIV // J. of Chem. Phys. Ref. Data. - 2004. - v.33. - №3. - p.765-921.

11 H.R.Griem. Spectral Line Broadening by Plasmas. New-York — London. Academic Press. 1974,

11 К.Н.Кошелев, Ю.В .Сил ельников, В.В.Вихрев, В.В.Иванов. Мнкропннчи в малоиндуктивных вакуумных искрах и радиационное сжатие // Сборник "Спектроскопия мкогозарядных ионов в горячей плазме". — Наука. — Москва. -1991. - с.163-201.

ООО «ТРОВАНТ». ЛР Ля 071961 от 01.09.99. 142191, г. Троицк Московской обл., м-и «В, д.52, Тел. 334-09-67. Заказ 0524-4. Печать офсетная. Печ. л. 2. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Методики анализа спектров многозарядных ионов.

§1.1. Источники возбуждения спектров.

§1.2. Спектральная аппаратура высокого разрешения.

§1.3. Обработка спектр ограмм.

§ 1.4. Теоретические расчеты спектров многозарядных ионов.

§ 1.5. Классификация спектральных линий и критерии корректности анализа спектров.

Глава 2. Спектры многозарядных палладие-подобных ионов.

§2.1. Структура уровней Pd-подобных ионов.

§ 2.2. Исследование резонансных переходов в спектрах

Pd-подобных ионов.

§ 2.3. Анализ переходов между возбужденными конфигурациями в спектрах Pd-подобных ионов.

§2.3.1. Исследование высоковозбужденных конфигураций в спектрах Sb VI-IVIII.

§ 2.3.2. Анализ спектров Хе IX и Cs X.

§ 2.3.3. Анализ спектров Ва XI, La XII и Ce XIII.

§ 2.3.4. Анализ спектров Pr XIV и Nd XV.

§ 2.4. Обобщение спектроскопических данных для изоэлектронной последовательности Pd I.

Глава 3. Спектры ионов изоэлектронных последовательностей Ag I и Cd I.

§ 3.1. Проблемы селекции линий в спектрах многозарядных ионов.

§ 3.2. Анализ спектров Ag-подобных ионов от Sb V до Nd XIV.

§ 3.3. Анализ спектров многозарядных Cd-подобных ионов.

§3.3.1. Спектр Xe VIL

§ 3.3.2. Спектр Ва IX.

§ 3.3.3. Спектр La X.

§ 3.3.4. Спектр Ce XI.

§3.3.5. Спектры Pr XII и Nd XIII.

Глава 4. Спектры 4d ионов ксенона в дальней ВУФ области.

§4.1. Изученность спектров ионов с заполняющейся 4d оболочкой.

§4.2. Специфические особенности конфигураций 4dm14f и 4p54dm+1.

§ 4.3. Спектры ионов ксенона в дальней ВУФ области.

§ 4.4. Анализ Xe X и изоэлектронных спектров IIX - Ва XII.

§ 4.5. Анализ спектра Xe XI и изоэлектронного спектра IX.

Глава 5. Спектры 4d ионов олова и индия в дальней ВУФ области.

§ 5.1. Общая характеристика спектров ионов олова и индия в области 100-200 Á.

§ 5.2. Анализ конфигураций 4d64f и 4p54d8 в спектрах

In VII и Sn VIII.

§ 5.3. Анализ спектров In XII-XIII и Sn XIII-XIV.

§ 5.4. Классификация переходов в сложных спектрах

In VIII-XI и Sn IX-XII.

§ 5.5. Диагностика плазмы искрового источника для ВУФ литографии.

§ 5.5.1. Измерение электронной температуры плазмы.

§ 5.5.2. Определение электронной плотности плазмы.

§ 5.5.3. Оценки оптической толщины излучающей плазмы.

Спектроскопия многократно ионизированных атомов сформировалась как отдельная ветвь атомной спектроскопии в первой половине прошлого столетия. Тем не менее, исследования спектров многозарядных ионов, в отличии от спектров нейтральных атомов, до сих пор далеки от завершения. Количество возможных ионов разных кратностей, естественно, намного превышает число элементов в периодической таблице и составляет более 4000 только для атомов, имеющих стабильные изотопы ^с<92). Для эффективного возбуждения спекров ионов больших кратностей, Z>30-40, требуются источники плазмы с электронными температурами порядка 1-10 кэВ, трудно реализуемыми в лабораторных условиях. К настоящему времени более или менее полно исследованы спектры около 1000 различных ионов, большинство из которых имеют относительно малые кратности.

Спектры многозарядных ионов начали изучаться с целью проверки фундаментальных основ физики атома. Результаты этих первых исследований были суммированы в таблицах энергий уровней, составленных Шарлоттой Мур [1]. Данные таблицы, в основном, содержат информацию о спектрах ионов относительно малых кратностей с зарядом Z<5. При дальнейших исследованиях выбор тех или иных ионов, как правило, определялся насущными потребностями науки и технологии. Длительное время основным стимулом для развития спектроскопии многозарядных ионов служили возрастающие потребности физики горячей плазмы астрофизических и лабораторных источников. Например, основными объектами спектроскопии многозарядных ионов в 1960-70-х годах являлись спектры ионов так называемых астрофизических элементов, присутствующих в атмосферах Солнца и других звёзд (ионы элементов 2-4 периодов вплоть до никеля с зарядом ядра Zc<28). Также интенсивно изучались спектры ионов, присутствующих как примесь в потенциальных термоядерных источниках типа Токамак и лазерной плазмы, в частности, ионов элементов 5-го периода вплоть до молибдена @с=42). Обнаружение химически особенных звезд и регистрация их ВУФ спектров с помощью космического телескопа Hubble инициировала исследования сложных спектров тяжёлых ионов элементов 6-го периода группы платины (Zc=73-83), обнаруженных в атмосфере этих звезд. Проблема создания лазерных источников в ВУФ и MP областях длин волн вызвала повышенный интерес к спектрам многозарядных ионов изоэлектронных последовательностей Ne I и Ni I. Параллельно решению насущных прикладных задач также анализировались спектры ряда относительно простых изоэлектронных последовательностей с одним-двумя электронами вне заполненных оболочек (HI, Hel, Li I, Bel, Nal, Mgl и т.д.), имеющих важное значение для фундаментальной атомной физики и для диагностики астрофизических и лабораторных источников плазмы. Результаты исследований спектров многозарядных ионов, полученные на определенных этапах исследований, представлены в обзорных статьях (см., например, [2-12]). Кроме того, Национальный Институт стандартов и технологий (бывшее Национальное Бюро стандартов) США публиковал, по мере изучения, сводки спектроскопических данных для ионов тех или иных элементов [13-19].

На рисунках 1 и 2 дана схема изученности спектров атомов и ионов вплоть до висмута. Чёрным цветом отмечены спектры, степень изученности которых можно признать удовлетворительным, т.е. спектры, в которых детально исследованы по крайней мере наиболее интенсивные (резонансные) переходы. Для остальных спектров информация или вообще отсутствовала, или была крайне скудна, например: было классифицировано лишь несколько наиболее сильных линий либо отождествлены серии переходов без детальной классификации. Данная упрощенная схема, конечно, не дает полной картины изученности спектров ионов, однако позволяет представить общее состояние исследований в области спектроскопии многозарядных ионов. Видно, что для элементов первой половины периодической системы вплоть до Мо более или менее полная спектроскопическая информация имеется для подавляющего большинства ионов. Недостаточно изучены лишь спектры ионов большой кратности (Z>25), для возбуждения которых требуется плазма с очень большой электронной температурой. Имеется также пробел в изучении спектров ионов

Н Не и Ва В С N О Р Ыв N8 Мд А1 Р Б С1 Аг К Са Бс 71 V Сг Мг Гв Со N1 Си За вв Аз Бв Вг Кг № Бг У Ь № Мо

XXXI

XXXIII

XXXIII XXXIV!

Рис.1. Таблица изученности спектров ионов элементов от Н до Мо на 2005 год

Тс № № М Ад и 1л Эп йТв I Хв Св Ва 1а Са Рг № Ртвт Еи(3<1ТЬОуНоЕгТтУЫиЮТаУУЯйО«1г И Аи Нд 71 РЬ В1

Рис.2. Таблица изученности спектров ионов элементов от Тс до ЕН, 1995-2005. Исследуемые в данной диссертации спектры отмечены серым цветом. умеренной кратности (2-10-20) для элементов от Си до №>. Большинство этих ионов имеют заполняющуюся Зё оболочку в основном состоянии, и их недостаточная изученность связана со значительными трудностями, возникающими при анализе этих сложных спектров. Тем не менее, спектры Зё ионов с Zc<2% (группа железа вплоть до никеля) были детально исследованы в связи с насущными потребностями астрофизики (см., например, [20]).

Спектры более тяжелых многозарядных ионов изучены гораздо хуже (Рис.2). Исследованы лишь относительно простые спектры изоэлектронных последовательностей ионов, имеющих в основном состоянии 1-2 электрона или вакансии вне заполненных оболочек. Так, например, были изучены спектры многозарядных ионов с 2с=50-60 последовательностей Бе I (основная конфигурация Зё8), Со I (Зё9), № I (Зё10), Си I (4в) и Ъъ I (4Э2), что связано с упомянутой проблемой создания лазеров в МР диапазоне. Также были частично исследованы резонансные переходы в относительно простых спектрах тяжелых многозарядных ионов группы платины (Та - ВО с основными конфигурациями 5ё, 5ё2, 5ё9 и 5ё10.

В ионах с заполняющейся 4ё оболочкой в основном были исследованы спектры ионов кратностью Z<l0, принадлежащие наиболее простым изоэлектронным последовательностям Ш) I (4ё), Ш11 (4ё9) и Рё I (4ё10). Причины отсутствия данных для остальных спектров 4ё ионов были практически те же, что и для спектров тяжёлых Зё ионов: очень сложные структуры спектров и отсутствие насущных прикладных задач, требующих соответствующей спектроскопической информации. Спектры 4ё ионов, как правило, состоят из переходов между весьма сложными электронными конфигурациями, содержащими до нескольких сотен уровней. Некоторые возбуждённые конфигурации этих ионов, например, 4ёш"Чг и 4р54ёт+1, сильно взаимодействуют друг с другом, так что их состояния в значительной степени перемешиваются. Более того, соседние ионы с заполняющейся 4ё оболочкой имеют мало отличающиеся потенциалы ионизации, поэтому даже в равновесных условиях в плазме одновременно существует несколько ионов. Как следствие, получаемые спектрограммы содержат до нескольких тысяч линий, и возбуждаемые в различных ионах переходы зачастую лежат в одних и тех же спектральных интервалах. Детальный анализ таких спектров представляет собой довольно трудную и кропотливую задачу и требует спектральную аппаратуру высокого разрешения в сочетании с современными компьютерными системами обработки спектрограмм и надежными методами теоретических расчетов.

В последнее время появились веские причины, пробудившие значительный интерес к спектрам многозарядных ионов с заполняющейся 4ё оболочкой. Было показано, что на переходах многозарядных палладие-подобных ионов возможна лазерная генерация в дальней ВУФ области спектра [21]. Палладие-подобные ионы имеют основную конфигурацию 4с110, возбуждённое состояние 4с195<1 "Бо эффективно заселяется в плотной горячей плазме монопольными электронными переходами 4<110 'Зо => 4<195<1180, а состояния 4ё95р(7=1) быстро опустошаются радиационными переходами в основное состояние. В результате, образуется квазистационарная инверсия населённостей этих состояний, время существования которой определяется временем жизни плазмы. Таким образом, схема образования инверсии на уровнях палладие-подобных ионов аналогична схеме, реализованной на переходах во множестве никеле-подобных ионов с основной конфигурацией Зс110. Лазерный эффект наблюдался в горячей плотной лазерной плазме на переходах 3<194р (7=1) - Зс194с1 (1=0,2) в большом количестве никеле-подобных спектров от У XII до Аи 1Л1 (см., например, [22-34]). Кроме того, наблюдалось усиление на переходе Зс194с1 'Р] - Зс194Г 1Р1 в никеле-подобных спектрах 2гХШ - Мо XV [32,34]. Данный эффект был объяснен механизмом "само-фотонакачки" очень сильного резонансного перехода Зс110 ^о - 'Р[ в оптически плотной плазме [32]. Спектры никеле-подобных ионов детально исследовались при активном участии нашей группы, в результате чего наиболее интенсивные резонансные переходы были идентифицированы вплоть до спектра РЬ ЬУ [35-38], а энергетические структуры конфигураций Зс1941 (1=з,р,с1,1!) были установлены до спектра вп XXIII [11, 39-47].

Спектры многозарядных палладие-подобных ионов были изучены крайне неудовлетворительно. Достаточно упомянуть, что в единственном пока успешном эксперименте по наблюдению инверсии в палладие-подобных ионах

21] идентификация большинства переходов в спектре Хе IX оказалась неверной (см. Главу 2 данной диссертации). Для уверенных расчетов радиационно-столкновительной кинетики генерирующей плазмы и оптимизации параметров активной среды была необходима как можно более полная спектроскопическая информация, по крайней мере для первых возбуждённых конфигураций типа 4d951 и 4d94f в палладие-подобных ионах.

Другой побудительной причиной исследования спектров 4d ионов явились потребности оптической литографии (ОЛ) нового поколения. ОЛ широко используется при изготовлении интегральных электронных схем для микропроцессоров. По мере усложнения интегральных схем все большее значение приобретает увеличение плотности упаковки их элементов, что возможно лишь при повышении пространственного разрешения используемой технологии их изготовления. Пространственное разрешение ОЛ определяется выражением КД/NA, где Ki - фактор Релея, X - длина волны используемого излучения, NA - числовая апертура фокусируемого на объект пучка излучения. В настоящее время для изготовления микропроцессоров применяется ультрафиолетовое излучение эксимерных лазеров, что обеспечивает разрешение порядка нескольких сотен нанометров. Для повышения пространственного разрешения ОЛ необходим переход в дальний УФ диапазон длин волн, в котором отсутствуют эффективные, относительно дешевые лазерные источники. Альтернативой ОЛ с лазерными источниками является проекционная литография, при которой излучение "точечного" источника собирается и фокусируется оптическим коллектором с большой числовой апертурой [48]. На сегодняшний день такой коллектор в дальней УФ области может быть создан на основе многослойных Mo/Si зеркал нормального падения. Эти зеркала, имеющие коэффициенты отражения до 70% в диапазоне 134— 142 À, и определяют длину волны ОЛ нового поколения [49-53]. Предварительные оценки показывают, что излучающий в 2п стерадиан источник должен обладать интегральной мощность не менее 500 Вт в полосе отражения зеркал коллектора. Ширина полосы Mo/Si зеркала при однократном отражении около 4 %, однако после многократных отражений она сужается до

2 % вблизи 135 À (135±1.35 À). Для обеспечения требуемой мощности данные источники должны работать с частотой повторения импульсов не менее 10 кГц. С другой стороны, эффективность преобразования подводимой энергии в узкую полосу 135-À излучения чрезвычайно мала, порядка 1-2%, поэтому возникают проблемы отвода избыточного тепла, долговременной стабильности параметров плазмы и т.д. Вышеизложенные причины предъявляют повышенные требования при выборе активной среды (излучающих ионов) для литографических источников. В работе [54] были измерены эффективности преобразования энергии лазерного импульса в 2-% полосу излучения лазерной плазмы вблизи 135 À для широкого набора мишеней от F (А=9) до Bi (А=83). Было установлено, что для мишеней из Ge, Sn, Хе и W эффективность существенно выше, чем для остальных мишеней. В настоящее время в силу ряда технологических причин разработчики схем OJI нового поколения сосредоточились на источниках с ионами ксенона и олова возбуждаемыми в лазерной плазме и в искровых разрядах различной модификации. Показано, что интенсивное излучение в области 135 À в таких источниках создают переходы в ионах Хе10+ и Sn9+-Sn13+ с заполняющейся 4d оболочкой [55-58], спектры которых неизвестны (см. рис.2). Спектры ионов In8+-In12+ также могут быть использованы в источниках для ВУФ литографии при смещении максимума отражения Mo/Si зеркал коллектора до 142 À. В настоящее время (начиная с 2006 года) компания Intel приступает к созданию элементной базы для ОЛ в дальней УФ области с разрешением 32 нм [59]. Очевидно, что для создания эффективного интенсивных источников ОЛ нового поколения необходима детальная информация о спектрах их излучения.

Основная задача диссертационной работы заключалась в детальном систематическом исследовании спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой. Особое внимание уделено спектрам палладие-подобных ионов (основная конфигурация 4d10) и ионов ксенона, олова и индия, возбуждаемых в литографических источниках нового поколения (основные конфигурации от 4d до 4d9). Кроме того, в процессе анализа спектров палладиеподобных ионов были исследованы спектры многозарядных ионов соседних изоэлектронных последовательностей А§ I и Сс11. Спектры этих ионов перекрываются со спектрами Рс1-подобных ионов, и для надежного анализа последних было необходимо классифицировать все линии в исследуемых спектральных областях. При анализе спектров ионов ксенона были также исследованы спектры соседних изоэлектронных ионов от йода до бария. Необходимо также отметить, что изучение спектров ионов с заполняющимися <1 оболочками в силу их специфичности представляют значительный интерес для развития методов спектроскопии многозарядных ионов (см., например, [60]). Спектры ионов, изучаемые в данной диссертационной работе, отмечены на Рис. 2 серым цветом.

Научная новизна исследований заключается в следующем. Впервые классифицировано около 3200 спектральных линий и измерены энергии более 1500 уровней в спектрах 4(1 ионов элементов от индия (¿с=49) до неодима @с=65). Всего исследовались спектры до 50 различных ионов, принадлежащих л

12 изоэлектронным последовательностям, от СсИ (5э ) до Шэ I (4(1) (см. Рис. 2). Спектры 20 ионов были впервые исследованы в данной диссертации, результаты анализов спектров остальных ионов были частично исправлены и существенно дополнены. Определены полуэмпирические энергетические параметры основных и первых возбужденных электронных конфигураций в спектрах ионов с заполняющейся 4& оболочкой, изучены особенности энергетических структур и эффекты взаимодействия этих конфигураций. Исследовано влияние различных механизмов на профили спектральных линий многозарядных 4<1 ионов в горячей плазме искровых разрядов.

В целом диссертационная работа может быть охарактеризована как содержащая решение большой научной проблемы исследования сложных спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4(1 оболочкой, имеющих важное значения для создания лазерных источников в дальней ВУФ области длин волн и для оптической литографии нового поколения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании спектроскопического базиса для исследования лазерных эффектов на переходах палладие-подобных ионов и для разработок эффективных источников для проекционной оптической литографии в дальней ВУФ области спектра. Надежность и точность ряда полученных в работе результатов были подтверждены при моделировании спектров излучения различных плазменных источников. Спектроскопические данные, полученные для спектров ионов ксенона от Хе VII до Хе XI, уже включены в справочное издание Национального Института стандартов и технологий США по спектрам ионов ксенона [61]. Информация, полученная в работе при анализе спектров многозарядных ионов ксенона, олова и индия, используется для разработок эффективных источников литографии нового поколения (6-ая рамочная программа ЕС).

Основные результаты диссертации докладывались на XVI Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1998), на VII Международной Конференции по рентгеновским лазерам (Сан-Мало, Франция, 2000), на VII Коллоквиуме по атомной спектроскопии и силам осцилляторов (Дублин, Ирландия, 2001), на Симпозиуме по моделированию источников ВУФ излучения (Миязаки, Япония, 2004), на XXXVII Конференции Европейской группы по атомным системам (Дублин, Ирландия, 2005), на XXIII Съезде по Спектроскопии (Звенигород, 2005) и на 2-ой Международной Конференции по Атомной и Молекулярной Физике и Оптике (Нью-Дели, Индия, 2006). По результатам проведенных исследований опубликовано 27 научных работ в рецензируемых отечественных и иностранных журналах.

Основные защищаемые положения: 1. Спектроскопические данные для многозарядных палладие-подобных ионов от Sb VI до Nd XV. Классификация переходов между конфигурациями 4d10, 4d94f, 4d95s, 4d95p, 4d95d и 4d95f, энергии уровней и полуэмпирические энергетические параметры этих конфигураций. Результаты экстраполяции спектроскопических данных на более тяжелые палладие-подобные ионы.

2. Результаты исследования спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Энергии конфигураций 4d!0nf, 4d10mg (n=4,5; m=5,6) в спектрах Sb V -1 VII и высоковозбуждённых конфигураций 4d'°nl (11=6,7; l=p,d,f,g), 4d95s5p, 4d94f5s и 4d94f2 в спектрах Cs IX - Nd XIV.

3. Результаты анализа спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Cd I. Энергии конфигураций 4f5s, 4f5p, 4f5d, 5p5d, 5s6p и 5s5f в спектрах Xe VII и Ba IX - Nd XIII и конфигураций 4Í2 и 4f5g в спектрах Pr XII и Nd XIII.

4. Результаты анализа спектров Xe X и Xe XI, и изоэлектронных им спектров

IIX, IX, Cs XI, Ba XII. Энергии конфигураций 4d84f и 4p54d10 в спектрах IIX - Ba XII и конфигураций 4d75p, 4d74f и 4p54d9 в спектрах I X и Xe XI. Детальная классификация спектра излучения ионов ксенона в области 130140 Á, представляющей интерес для оптической литографии в дальней ВУФ области длин волн.

5. Спектроскопические данные для 4d ионов олова Sn VIII - Sn XIV. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 130140 Á, энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4dm, 4dm15p, 4dm"'4f и 4p4dm+I в спектрах ионов олова.

6. Спектроскопические данные 4d ионов индия In VII - In XIII. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 140150 Á и энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4dm, 4dm"'5p, 4dra"'4f 4ps4dm+1 в спектрах ионов индия.

7. Параметры плазмы малоиндуктивной вакуумной искры при токах разряда 15-25 кА: электронная температура, электронная плотность и оптическая толщина, измеренные с использованием методов спектроскопии высокого разрешения в дальней ВУФ области.

8. Спектроскопическая база для мониторинга, диагностики и оптимизации спектров излучения источников оптической литографии нового поколения на базе полученной в диссертации информации по спектрам 4d ионов ксенона, олова и индия.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. В Главе 1 диссертации изложены примененные в данной диссертационной работе методики регистрации, обработки и анализа исследуемых спектров. Описываются источники плазмы и спектрографы высокого разрешения, используемые для возбуждения и регистрации спектров многозарядных 4d ионов. Показана необходимость использования как можно большего количества стандартов длин волн при обработке спектров, зарегистрированных на спектрографах скользящего падения. Представлен краткий обзор методов расчетов спектров 4d ионов, более подробно описываются применяемый в данной работе пакет программ Р.Д.Кауэна и метод ортогональных операторов. Обосновывается необходимость проведения полуэмпирических расчетов исследуемых сложных спектров 4d ионов, описываются методики экстраполяции вдоль изоэлекгронных и изоядерных последовательностей ионов. Обсуждаются основные критерии корректности классификации спектров и используемые методики устранения случайных ошибок при анализе сложных спектров.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1) Создана мощная лазерная установка на неодимовом стекле с обращением волнового фронта, предназначенная для получения высокотемпературной лазерной плазмы. Использование данного источника совместно с искровыми источниками различных модификаций позволило эффективно возбуждать и при необходимости селектировать по кратностям ионизации спектры многозарядных 4d ионов кратностью от 5 до 15.

2) В работе исследованы спектры 50 многозарядных ионов, принадлежащих двенадцати различным изоэлектронным последовательностям, причём спектры около 20 ионов изучались практически впервые. В результате проведенных анализов спектров впервые классифицировано около 3200 спектральных линий и определены энергии более 1500 уровней. По экспериментальным энергиям уровней определены полуэмпирические параметры, позволяющие проводить точную и надежную экстраполяцию на еще не изученные ионы исследуемых последовательностей.

3) Детально исследованы спектры многозарядных Pd-подобных ионов от Sb VI до Nd XV. В спектрах Sb VI - IVIII измерены энергии конфигурации 4d95f и неизвестные ранее энергии 4d95d, включая энергию верхнего уровня лазерного перехода 4d95d'S0. В спектрах XeIX и CsX уточнены энергии конфигурации 4d95p и впервые исследованы конфигурации 4d95d и 4d95f. В спектрах BaXI - NdXV исследованы энергетические структуры конфигураций 4d95s, 4d95p, 4d95d и 4d95f, а также конфигурации 4d94f, ранее вообще не изучавшейся в спектрах данной изоэлектронной последовательности. Определенные в результате данного анализа полуэмпирические энергетические параметры были экстраполированы на более тяжелые палладие-подобные ионы. Предсказаны длины волн переходов в спектрах многозарядных палладие-подобных ионов от Sm XVII до UILVII, на которых возможна лазерная генерация.

4) Изучены спектры ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Определены энергии 4<1104£ в спектрах Те VI, I VII, Сэ IX и Ва X, и энергии 4<110п£, 4<111^ (п=5,6) в спектрах 8Ь V, Те VI и I VII. Также измерены ранее неизвестные энергии высоковозбужденных конфигураций 4с110п1 (п=6,7; 4с195з5р, 4<194£5з и 4с194^ в спектрах Сэ IX - N<1XIV. Исследованы эффекты сильного взаимодействия четных конфигураций 4(1 ng и 4<194]£2 и нечетных конфигураций 4<110п£ и 4<195з5р в спектрах многозарядных Ag-пoдoбныx ионов.

5) Исследованы спектры многозарядных ионов последовательности С<11. Впервые классифицировано около 700 спектральных линий и измерены энергии почти 400 уровней в спектрах Хе VII, Ва IX - N<1XIII. В спектрах Хе VII, Ва IX и Ьа X дополнительно к имеющимся в литературе данным измерены энергии конфигураций 4£5в, 4£5р, 4£5(1, 5р5ё, 5э6р и а также исправлены неверные классификации переходов с синглетных уровней 5з5<1 'Б? и 5р 80 в данных спектрах. Практически заново изучены спектры Се XI, Рг XII и N<1XIII, в которых определены энергетические структуры конфигураций 5э5р, 5э5с1, 5р2, 5з6э, 4£5э, 4£5р, 4£5<1, 5э6р и 5э5£ Впервые для данной последовательности исследована конфигурация 4f в спектрах Се XI -N<1XIII и конфигурация 4f5g в Рг XII и N<1XIII. Изучены эффекты пересечения конфигураций 5з5<1-4£5р и 5р5<1-4£5<1, а также влияние конфигурации 4<194£3 на структуру конфигурации 4£5&

6) Исследованы спектры переходов 4ё9 - (4(184£+4р54ё10) в спектрах IIX, Хе X, Сэ XI и Ва XII и переходов 4<18 - (4с175р+4с174Т+4р54с19) I X и Хе XI. Полностью классифицированы спектры излучения ионов ксенона в области длин волн 130-140 А. Показано, что практически все более или менее интенсивные линии в этой области, представляющей интерес для оптической литографии нового поколения, принадлежат переходам 4(1 -4(175р в спектре Хе XI.

7) С помощью методики последовательной экстраполяции вдоль изоядерных последовательностей классифицированы наиболее интенсивные переходы 4<Г - (4<Г"!5р+4(Г"141?+4р54(1т+1) в сложных спектрах 8п УШ-Х1У и 1п УП-ХШ, излучаемые в источниках проекционной оптической литографии нового поколения. Показано, что в 2-% интервале длин волн вблизи 135 А, сконцентрированы переходы в спектрах 8пХ1 - 8пХШ. При использовании в литографических источниках индия вблизи 142 А лежат, в основном, переходы в спектрах 1п XI - 1п XIII. Сделан вывод, что для повышения эффективности литографических источников необходимо поддерживать параметры плазмы, соответствующие максимальной относительной концентрации данных ионов.

8) Предложена методика спектроскопической диагностики плазмы литографических источников в дальней ВУФ области, апробированная при диагностике плазмы малоиндуктивной вакуумной искры. Электронная температура плазмы искры при пиковом токе 25 кА составила около 20 эВ, а средняя электронная плотность - порядка 5-1017 см"3. Оптическая толщина плазмы вакуумной искры, оцененная по дополнительному уширению спектральных линий, варьируется от 1 до 10 для линий различных типов.

9) Сочетание полученных в диссертации спектроскопических данных и результатов диагностики плазмы создают основу для моделирования спектров и оптимизации параметров плазмы литографических источников в дальней ВУФ области.

Заключение.

1. C.E.Moore. Atomic Energy Levels - NBS Circular 467, v.1.(H-V) 1949, v.II (Cr-Nb) 1952, v.III (Mo-La, Hf-Ac) 1958.

2. B.Edlen. Atomic Spectra // Handbuch der Physik. 1964. - v.21. - p.80-220.

3. L.Hagan, W.C.Martin. Bibliography on Atomic Energy Levels and Spectra, July 1968 through June 1971 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.l, 1972.

4. L.Hagan. Bibliography on Atomic Energy levels and Spectra, July 1975 through June 1979 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.2, 1977.

5. Э.Я.Кононов Современное состояние спектроскопии многократно ионизованных атомов // Изв. Ан СССР, сер. Физ. 1977. - т.41. - No.12. -с.2591-2596.

6. ЭЛ.Кононов, А.Н.Рябцев. Спектроскопия многократно ионизованных атомов в солнечных и звездных исследованиях в ВУФ области // Изв. АН СССР, сер. физ. 1981. - т.45. - No.12. - с.2361-2367.

7. А.Р.Стриганов. Успехи в исследовании спектров атомов и ионов и их степень изученности в настоящее время // УФН. 1983. - т.139. - No.4. -с.719-731.

8. Э.Я.Кононов, А.Н.Рябцев. Состояние и проблемы спектроскопии многократно ионизованных атомов // Изв. Ан СССР, сер. физ. 1984. - т.48. -No.4.-с.689-696.

9. B.C.Fawcett. Classification in the early 1980's of the spectra of highly ionized atoms // J. Opt. Soc. Am. B. 1984. - v.I. - p.195-217.

10. A.Musgrove, R.Zalubas. Bibliography on Atomic Energy levels and Spectra, July 1979 through December 1983 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.3, 1985.

11. А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов. Спектральные данные для многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ni I // В Сборнике "Спектроскопия многозарядных ионов в горячей плазме". Наука. - Москва. — 1991. — с.78-114.

12. J.Reader, J.Sugar. Energy levels of Iron, Fe I through Fe XXVI // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1975. - v.4. - No.2. - p.353-440.

13. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Magnesium, Mg I through Mg XII // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1980. - v.9. - No.l. - p.1-58.

14. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Sodium, Na I through Na XI // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1981. - v. 10. - No.l. - p. 153-210.

15. C.Corliss, J.Sugar. Energy Levels of Iron, Fe I through Fe XXVI // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1982. - v.l 1. - No.l. - p. 135-241.

16. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Silicon, Si through Si XIV // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1983. - v. 12. - No.2. - p.323-380.

17. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Phosphorus, P I through P XV // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1985. - v.14. - No.3. - p.751-802.

18. J.Sugar, C,Corliss. Atomic Energy Levels of the Iron-Period Elements: Potassium through Nickel // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1985. - v. 14, Suppl.2.- p.1-664.

19. J.Sugar, C.Corliss. Atomic Energy Levels of Molybdenum, Mo I through Mo ILII // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988.

20. А.Н.Рябцев. Спектроскопия ионов с 3d электронами во внешних оболочках: Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Троицк, 1988. - 511 с.

21. B.E.Lemoff, G.Y.Yin, C.L.Gordon III, C.P.J.Barry and S.E.Harris. Demonstration of a 10-Hz femtosecond-pulse-driven XUV laser at 41.8 nm in Xe IX //Phys.Rev. Lett. 1995 . - v.74. - p. 1574-1577.

22. B.J.MacGowan, S.Maxon, etc. Demonstration of soft X-ray amplification in the nickellike ions // Phys. Rev. Lett. 1987. - v.59. -No.19. - p.2157-2160.

23. S.Maxon, P.L.Hagelstein, B.J.MacGowan, R.A.London, M.D.Rosen, etc. Calculation and design of a Ni-like Eu soft X-ray laser // Phys. Rev. A. 1988.- v.37. No.6. - p.2227-2230.

24. B.J.MacGowan, S.Maxon, etc. Demonstration of X-ray amplifiers near the carbon К edge // Phys. Rev. Lett. -1990,- v.65. No.4. -p.420-423.

25. H.Daido, Y.Kato, K.Murai, etc. Efficient soft X-ray lasing at 6 to 8 nm with nickel-like lanthanoides // Phys. Rev. Lett. -1995,- v.75.- No.4. -p.1074-1077.

26. J.Nilsen and J.S.Moreno. Lasing at 7.9 nm in nickel-like neodymium //

27. Opt. Lett. 1995. - v.20. - Nol2. - p. 1386-1388.

28. H.Daido, S.Nimomiya, T.Imani, etc. Nickel-like soft X-ray lasing at the wavelengths between 14 and 7.9 nm // Opt. Lett. 1996. - v.21. - No. 13. -p.958-960.

29. Y.Li, G.Pretzler, P.Lu, F.F.Fill. Demonstration of X-ray lasing in nickel-like tin // Phys. Rev. A 1996. - v.53.-No.2.-p.R652-654.

30. H.Fedorowicz, A.Bartnik, Y.Li, P.Lu, E.E.Fill. Demonstration of soft X-ray lasing wth neonlike argon and nickel-like xenon ions using a laser-irradiated gas puff target // Phys. Rev. Lett. 1996. - v.76. - N0.3. - p.415-418.

31. J.Zhang, A.J.MacPhee, J.Lin, etc. A saturation X-ray laser beam at 7 nanometers // Science. 1997. - v.276. - p. 1097-1100.

32. J.Zhang, A.G.MacPhee, J.Nilsen, etc. Demonstration of saturation in a Ni-like Ag X-ray laser at 14 nm // Phys. Rev. Lett. 1997. - v.78. - No.20. -p.3856-3859.

33. J.Nilsen. Design of a picosecond-laser-driven Ni-like Mo x-ray laser near 20 nm // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. - v.14. - No.6. - p.1511-1514.

34. J.Dunn, A.L.Osterheld, R.Shepherd. Demonstration of X-ray amplification in transient gain nickel-like palladium scheme // Phys. Rev. Lett. 1998. - v.80. -No.13. - p.2825-2828.

35. J.Nilsen, J.Dunn, A.L.Osterheld, Y.Li. Lasing on the self-photopumped nickel-like 4f .P, 4d 'Pj X-ray transition // Phys. Rev. A. - 1999. - v.60. -No.4. - p.R2677-2680.

36. P.G.Burkhalter, D.J.Nagel, R.R.Whitlock. Laser-produced rare-earth X-ray spectra // Phys. Rev. A. 1974. - v.9. - No.6. - p.2331-2336.1. No.6. p.2331.

37. A.Zigler, H.Zmora, N.Spector, etc. Identification of the spectra of Hf XLV, Ta XLVI, W XLVII and Re XLVIII isoelectronic to Ni I in laser-produced plasmas // J. Opt. Soc. Am. 1980. - v.70. - No.l. - p.129-132.

38. P.Mandelbaum, M.Klapisch, A.Bar-Shalom, J.L.Schwob. Classification of X-ray spectrum from laser-produced plasmas of atoms from Tm to Pt in the Range 6-9 A // Phys. Scr. 1983. - v.27. - No. 1. - p.39-53.

39. TFR-Group, J.-F.Wyart, C.Bauche-Arnoult, E.Luc-Koenig. Identification of highly-ionized xenon spectra (Xe XXVI through Xe XXXI) excited in the plasma of TFR Tokamak // Phys. Scr. 1985. - v.32. - No.2. - p. 103-104.

40. J.-F.Wyart, A.N.Ryabtsev. Extended analysis of Br VIII and predicted trends for the n=4, An=0 transitions of nickel-like ions (Kr IX-Mo XV) //

41. Phys. Scr. 1986,-v.33.-p.215-221.

42. А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов, Ж.-Ф.Виар. Конфигурации 3d941 в Ni-подобных ионах Rb X Mo XV // Оптика и спектроскопия. - 1987. - т.62. - No. 12. -с.258.

43. A.N.Ryabtsev, S.S.Churilov, J.-F.Wyart. Identification of n=4, Дп-0 transitions in the spectra of nickel-like and zinc-like ions through tin // Phys. Scr. 1988.-v.38.-p.326.

44. N.Tragin, J.-P.Geindre, P.Monier, J.-C.Gauthier. Extended analysis of the X-ray spectra of laser-irradiated elements in the sequence from tantalum to lead //Phys. Scr. 1988,-v.37.-No.L-p.72-81.

45. A.N.Ryabtsev, R.R.Gayasov, Y.N.Joshi, G.J. van het Hoff. Analysis of the 3d9ns(n=5,6), 3d94f and 3d84s4p configurations of five times ionized arsenic (As VI) II Phys. Scr. 1993. - v.48. -No.2. - p.131-139.

46. S.S.Churilov and Y.N.Joshi. Extended analyses of six-times ionized selenium (Se VII) and seven-times ionized bromine (Br VIII) // Phys. Scr. -1996. v.53. -p.431.

47. Yuelin Li, J.Nilsen, J.Dunn, A.N.Ryabtev and S.S.Churilov, Wavelengths of the Ni-like 4d IS0-4p IP1 x-ray laser line II Phys. Rev. A. 1998. - v.58. -No.4. - R2668.

48. A.N-Рябцев, С.С.Чурилов, Дж.Нильсен, Ю.Ли, Дж.Данн, А.Л.Остерхельд. Дополнительный анализ спектров Ni-подобных ионов // Оптика и Спектроскопия. 1999. - v.87. - с. 197.

49. S.S.Churilov. Analysis of the 4-4 transitions in the Ni-like Кг IX spectrum // Phys. Scr.-2005.-v.71.-p.457-463.

50. Proceedings of OSA Meeting on Extreme Ultraviolet Lithography. 1996. Boston. OSA TOPS, IV.

51. N.M. Seglio, A.M. Hawryluk, D.G. Stearns, D.P. Gaines, R.S. Rosen, S.P. Vernon. Soft X-ray projection lithography // J. Vac. Sci. Technol. B. -1990.-v.8.-p.l325.

52. A.M.Hawryluk, N.M.Seglio. Wavelength considerations in soft X-ray projection lithography // Appl. Opt. 1993. - v.32. -No.34. - p. 7062.

53. R.Soufli and E.M.Gullikson. Optical constatnts of materials for multiplayer mirror applications in the EUV/soft x-ray region // Proc. SPIE. 1997. -v.3113. - p.222-229

54. Y.Li, T.Watanabe, H.Kinoshita. Design of EUVL camera with large numerical aperture // Proc. SPIE. 2000. - v.3997. - p.759-764.

55. R.Soufli, E.A.Spiller, M.A.Scmidt, C.Davidson, R.F.Grabner, etc., Multilayer optics for an extreme-ultraviolet lithography tool with 70-nm resolution // Proc. SPIE . -2001. v.4343. -p.51-59.

56. A.P. Shevelko, L.A. Shmaenok, S.S. Churilov, F. Bijkerk, R.K.F.J. Bastiaensen. Extreme ultraviolet spectroscopy of a laser plasma source for lithography // Phys. Scr. 1998. - v.57. -p.276-282.

57. R.L. Kauffman, D.W. Phillion, R. Spitzer. X-ray production 13 nm from laser-produced plasmas for projection X-ray lithography applications //Appl. Opt. -1993.-v.32.-No.34.-p.6896.

58. G. Kubiak, L. Bernardes, S.P. Vernon. // Proc. SPIE. 1998. - v.3331. -p.81.

59. A. Klosner, W.T. Silfvast. Intense xenon capillary discharge extreme-ultraviolet source in the 10-16-nm wavelength region // Opt. Lett 1998. - v.23. -p.1609.

60. M.A.Klosner, W.T.Silfvast. Xenon-emission-spectrum identification in the 5-20-nm spectral region in highly-ionized xenon capillary discharge // J. Opt. Soc. Am. B. 2000. - v.17. - p.1279.

61. P.J. Silverman. Extreme ultraviolet lithography: overview and development status // J. Microlith, Microfab., Microsyst. 2005. - v.4(l), 011006.

62. A.N. Ryabtsev, Survey of some recent experimental analyses of 3p53dN+1 configurations and of Rh I spectra // Phys. Scr. 1996. - T65. - p.23.

63. E.B.Saloman. Energy levels and observed spectral lines of xenon, Xe I through

64. Xe LIV // J. of Phys. Chem. Ref. Data. 2004. - v.33. - No.3. -p.765-921.

65. P.S.Antsiferov, S.S.Churilov, L.A.Dorokhin, K.N.Koshelev, A.V.Nazarenko, Yu.V.Sidelnikov. Analysis of high resolution Ar IX spectrum excited in fast capillary discharge//Phys. Scr-2000. v.62. - No.l.-p. 127-131.

66. J.J.Rocca, F.G.Tomasel, M.C.Marconi, V.N.Shlyaptsev, J.L.Chilla, etc. Discharge-pumped soft X-ray laser in nickel-like argon // Phys. Plasmas. -1995. v.2. - No.6(2). - p.2547-2554.

67. K.N.Schoenbach, M.Kristiansen, G.Schafler. // Proc IEEE. 1984. - v.72. -p.28.

68. А.Н.Зайдель, Е.Я.Шредер. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета и ее применение. М. Наука, 1976.

69. T.Namioka. Theory of the concave grating // J. Opt. Soc. Am. 1959. - V.49. -No.5. -p.446-460.

70. В.И.Азаров. Система сканирования фотоспектрограмм. Препринт ИСАН No.21. Троицк. 1987.

71. В.И.Азаров. Автоматическая система обработки фотоспектрограмм. -Препринт ИСАН No.8. Троицк. 1991.

72. B.Edlen. Wavelength measurement in the vacuum ultraviolet // Rep. Prog. Phys. 1963.- v.26.-p.l81-212.

73. R.L.Kelly. Atomic and Ionic Spectrum Lines below 2000 Angstoms // J. of Phys. Chem. Ref. Data. 1987. - v. 16, Suppl.l.

74. В.И.Ковалев, Э.Я.Кононов, С.С.Чурилов. Точные измерения длин волн спектральных линий лазерной плазмы в дальней ВУФ области // В Сб. Научного Совета по спектроскопии АН СССР "Автоионизационные явления в атомах и ионах". Москва, 1983. - с.85-113.

75. E.Ya.Kononov. Spectra of highly ionized atoms in hot plasmas: conditions for production and observation//Phys. Scr- 1983. -. v.27. No.l. -p.117-124.

76. L.A.Svensson, J.O.Ekberg. The titanium vacuum-spark spectrum // Arkiv for Fysik. 1969. v.40. - No. 14. -p.145-163.

77. C.Froese-Fisher. The Hartree-Fock method for atoms. J.Willey&Sons. N.-Y., 1977.

78. R.D.Cowan. The Theory of Atomic Structures and Spectra. Berkeley.76