毛细管放电EUVL光源演示装置

张兴强，王 骐

（1.湖北汽车工业学院 理学系，湖北 十堰 442002；2.哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨150001）

1 极紫外光刻技术

电子工业领域半导体元器件的生产和集成电路制造是国家走向现代化的技术保障，而超大规模集成电路（VLSI）既是微电子学的主体，也是电子工业的核心。为实现我国集成电路专用设备的跨越式发展，国家将2020年实现45～22 nm刻线制定为微电子中长期发展规划。自集成电路问世，电路的最小特征线宽遵循摩尔定律 （每3年减小约30%）的变化规律。随着集成度的提高，表征VLSI工艺水平的电路最小特征线宽已进入纳米范围［1］。

传统的光学光刻技术采用投影方法将掩模板上大规模集成电路的结构图形“刻”在涂有光刻胶的硅片上［2］。在此基础上，随着对光刻分辨率要求的提高，又发展出深紫外光刻［3－4］、极紫外光刻（EUVL）、电子束投影光刻、离子束投影光刻等。光学光刻受衍射效应的约束，最小分辨率无法突破R为0.2 μm的极限；电子束投影光刻可以获得很高的分辨率，但较低的生产效率、昂贵的生产设备和繁琐的电子注入易增加生产成本，不适合大规模工业生产；离子束投影光刻具有更高的分辨率，但因生产效率、设备投入和技术因素等方面的问题尚未解决，也不不适于工业应用。极紫外光刻是传统的光学光刻方法向极紫外（EUV）波段的延伸，它采用光学系统将掩模板上的图形缩小成像在光致抗蚀剂上，其优势体现在：具有很高的分辨率（30 nm，甚至达到7 nm）；具有一定的产量优势；图形缩小成像降低了掩模板制作的难度；继承了传统的光学光刻方法，易被VLSI厂商接受；比较符合设计规则，受到IC设计人员的欢迎；所需的费用低，降低了生产成本。这些优势促使许多发达国家甚至一些发展中国家都在积极投资，努力研发极紫外光刻设备，争取在国际先进光刻技术市场上占有一席之地［5－10］。

2 极紫外光刻光源

根据瑞利法则和焦深公式，要同时满足光刻的分辨率和焦深要求，合理的办法是缩短曝光波长。然而随着波长的缩短，物质对光的吸收加强，寻找合适的反射镜材料成为极紫外光刻研究中无法回避的难题。钼硅多层反射镜对10～16 nm的极紫外光有高达30%～70%的反射率，特别是在13.5 nm附近，反射率峰值高达65%。极紫外光刻的另一关键问题是光刻胶的抗蚀性能。采用PMMA型无颗粒光刻胶，对13.5 nm的辐射仅需5～10 mJ/cm2的感光量。如果光源采用重复频率工作，即使较低的辐射也能满足光刻要求。

极紫外光源主要采用3种装置方案：同步辐射源、激光等离子体（LPP）EUV光源、气体放电等离子体（DPP）EUV 光源。 同步辐射源（0.6～1.0 nm）是当前亮度最高的X射线源，可降低接触曝光的像场边缘的阴影效应，获得高分辨率和较大的焦深。但这种X射线源造价高，电子的注入繁琐，不适合工业生产。LPP极紫外光源历经几十年的发展，在选取靶材和提高能量转换效率等方面都取得了长足的进步，但能量的三级转换不仅降低了转换效率，且投资和运营成本也较高。DPP极紫外光源具有较高的能量转换效率，装置结构简单，投资和运营成本低，易于操作，适合各种工业应用。毛细管放电是4种气体放电方式（等离子体聚焦、中空阴极等离子体、Z－箍缩和毛细管放电）之一，将毛细管放电应用于极紫外光源研究近年来十分活跃［6，11］。

3 装置及其放电试验

图1 毛细管放电极紫外光刻光源演示装置

图2 主脉冲电路

毛细管放电具有很多优势，图1是我国首台毛细管放电极紫外光刻光源演示装置，包括主脉冲电源、毛细管放电室、罗兰圆谱仪、工控计算机等。主脉冲电源由初级充电、中间储能脉冲形成和脉冲压缩3个功能区组成，电路如图2所示。初级充电区由交流接触器、调压器、大功率整流变压器和三相全桥整流电路构成，通过调压器控制储能电容C0的充电电压；中间储能脉冲形成区采用谐振式倍压电路对中储电容C1充电后，中储电容再对脉冲变压器放电，此区域的开关采用闸流管；脉冲压缩区采用三级磁脉冲压缩，脉冲压缩比分别为6和4。最后一级磁开关直接与负载连接，磁开关饱和时短路放电，相当于一个放电开关，调节最后一级磁脉冲压缩单元的电容可改变脉冲宽度。第一、二级磁开关磁芯的复位采用中储电容C1的充电电流，最后一级磁开关磁芯的复位采用单独的直流电源。主脉冲电路的工作过程为：电网电压经变压器T升压后，通过三相全桥整流电路对储能电容C0充电至约5 kV。当C0充电结束后，触发闸流管K1导通，使大的储能电容C0通过谐振式倍压电路对中储电容C1充电至10 kV左右；当C1充电到最大值时，流过闸流管K1的电流变为零，K1自断，此时闸流管K2导通，中储电容通过脉冲变压器PT对电容C2充电；当C2充电到最大值时磁开关MS1的磁芯饱和，电感迅速下降，电容C2通过磁开关的饱和电感对C3迅速放电，C3电压迅速上升，能量从C2转移到C3，完成第一级磁脉冲压缩。同理当C3电压达到最大值，磁开关MS2的磁芯饱和，C3通过磁开关的饱和电感对C4迅速放电，C4电压上升，完成第二级磁脉冲压缩；当C4电压达到最大值时，磁开关MS3的磁芯饱和，由于磁开关后面直接连有负载，C4短路放电，磁开关的饱和电感非常小，流过负载的电流脉宽很窄，幅值很大。从能量的角度估算，中储电容每次将其存储的100 J能量通过磁脉冲压缩单元传递到最后一个电容C4，考虑到C1放电的效率以及磁开关的损耗，最后输出到负载的脉冲能量为60～80 J。经三级磁脉冲压缩后电压平均值约30 kV，在等效阻抗放电的条件下，当重复工作频率为200 Hz时，测得主脉冲电压波形如图3所示。单次工作时，测得主脉冲电压和电流波形如图4所示，可见，电压达到约34 kV，持续时间为220 ns；电流峰值达到约32 kA，脉宽196 ns，上升沿100 ns。与设计电压17.8～35.6 kV和电流峰值20～40 kA比较，主脉冲的工作性能和放电参数符合设计要求。

图3 主脉冲200 Hz工作的电压波形

图4 主脉冲电压

4 测谱分析

毛细管放电极紫外光刻光源演示装置安装完成后，对充气的实际毛细管负载进行了放电试验。毛细管长度为10 mm、内径为5 mm，Al2O3陶瓷材料。当毛细管内充入40 Pa氩气、30 Pa氩气和80 Pa氦气时，利用罗兰圆谱仪测得的等离子体光谱如图5所示。为便于光谱比较和分析，测谱时考虑到所测极紫外光谱的范围在10～50 nm，因此把罗兰圆谱仪的中心波长设定在中间值35 nm附近，以最大限度地获取较多的光谱信息。从图5中可见，3种情况下中心波长设定在30.7 nm，这便于光谱对比。氦的 4条标准谱线 24.3 nm、25.6 nm、30.3 nm和53.7 nm，用罗兰圆谱仪测得24.4 nm、25.6 nm、30.3 nm和 53.7 nm，如图 5c中的 He1、He2、He3 和 He4 所示，中心波长30.7 nm左侧的He1被放大了0.1 nm。其中He1和He2谱线明显，He3可见，He4只显出一个小尖峰。

图5a中47.8 nm谱线比图5b中的强，在图5c中它仍然显出一个小尖峰，从实验现象可以判断，这条谱线同时出现在氩等离子体和氦等离子体光谱中，必然出自同一来源，那么这条谱线既不是氩离子的，也不是氦离子的。毛细管用纯净的Al2O3陶瓷材料制作，强电流通过毛细管时，管壁很容易剥蚀，由此推测，47.8 nm谱线可能来自铝离子或氧离子。与铝离子或氧离子的标准谱线对比，发现Al6+的 2s2p33p （5S0）－2s2p33d （3D0） 跃 迁 产 生 的47.856 nm 谱线和 O3+的 2s23p－2p23s（1D）跃迁产生的47.6513 nm谱线都有很大的跃迁几率。此外，图5b中的28.3 nm谱线也出现在图5c中，但在图5a中测得它为28.2 nm，同理，28.2 nm谱线也应该来源于铝离子或氧离子。与铝离子或氧离子的标准谱线对比，发现Al6+的2s2p4－2p5跃迁产生的28.266 nm谱线有很大的跃迁几率，而O3+在28.2 nm附近没有标准谱线。综上可知，47.8 nm谱线应该来源于Al6+。图5c中的20.1 nm谱线很强，图5b中它在20.5 nm谱线前露出一个小尖峰，在图5a中完全被噪声淹没。与铝离子的标准谱线对比，发现Al7+的2s22p3s－2s2p23d跃迁产生的 20.1804 nm和20.2893 nm谱线都有很大的跃迁几率，这2条谱线与20.5 nm无关。从47.8 nm、28.2 nm和20.1 nm谱线的强度可以推测，氩等离子体有利于Al6+离子的产生，而氦等离子体有利于Al7+离子的产生。

图5 40 Pa和30 Pa的氩等离子体光谱及80 Pa的氦等离子体光谱

图5a中26.1 nm谱线非常强，在图5b中测得26.2 nm，但在图5c中这条谱线消失了，由此推测，这条谱线是氩等离子体的。与氩离子的标准谱线对比，发现Ar7+的2p63d－2p64f跃迁产生的26.250 nm、26.330 nm和26.350 nm谱线都有很大的跃迁几率。事实上，Ar7+离子从12.0087 nm到23.0867 nm共产生9条标准谱线：2p63s－2p65p跃迁产生的12.0087 nm和12.0158 nm谱线；2p63s－2p64p跃迁产生的 15.8925 nm和 15.9180 nm谱线；2p63d－2p65f跃 迁 产 生 的 18.4258 nm、18.4302 nm和18.4308 nm谱线；2p63p－2p64s跃迁产生的22.9428 nm和23.0867 nm谱线，这些谱线都有很大的跃迁几率。图5a和图5b中的15.3 nm谱线都很强，图5b中的16.1 nm谱线远大于图5a中的情况，但这2条谱线在图5c中都消失了，因此它们是氩等离子体产生的。考虑Ar7+离子的标准谱线和谱线间隔，以及罗兰圆谱仪的测量误差，推测这2条谱线是15.8925 nm和15.9180 nm标准谱线，离中心波长30.7 nm向左侧偏离越远，谱线间隔被放大得越多，因为罗兰圆谱仪测量光谱的探头沿着罗兰圆圈运动，探头的接收面却不是沿着罗兰圆圈的曲面，而是平面，这样所测的中心波长正好落在罗兰圆圈上，误差最小。偏离中心波长向左（短波长端）越远，所测波长是罗兰圆圈上真实值的投影，误差越大；偏离中心波长向右（长波长端）越远，所测波长是未达到罗兰圆圈上真实值的截断值，误差也偏大。由于探头平面的放置方位对后者有利，前者的误差更大一些，这就是2条标准谱线15.8925 nm和15.9180 nm的间隔被放大得较多的原因。

直接放电试验表明，充气气压为30 Pa和40 Pa的氩气在放电过程中都产生了Ar7+离子，2种气压下的放电电流峰值分别约28 kA和约34 kA，符合最初的设计要求。

5 结 论

毛细管放电极紫外光刻光源演示装置在等效阻抗放电的条件下，测得放电电流峰值约32 kA；对30 Pa和40 Pa氩气的实际负载放电时，测得放电电流峰值分别约28 kA和约34 kA。与设计的放电电流峰值20～40 kA相比，2种情况下的放电试验结果都满足放电要求。放电过程中同时也进行了测谱试验。当氩气气压为30 Pa和40 Pa时，都测到Ar离子的极紫外光谱。这表明整套装置性能良好，可用于极紫外光刻光源的进一步研究。

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