硕士学位论文3mm 内径毛细管氙气放电产生极紫外辐射最佳条件研究THE OPTIMAL CONDITIONS REASEARCH OFEXTREME ULTRAVIOLET EMISSION SOURCEFROM XE PLASMA PRODUCED BY 3MMDIAMETER CAPILLARY DISCHARGE官治良哈尔滨工业大学2011 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN248.22 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 535.345.1 密 级 ： 公 开工学硕士学位论文3mm 内径毛细管氙气放电产生极紫外辐射最佳条件研究硕 士 研 究 生 ： 官 治 良导 师 ： 赵 永 蓬 教授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 ： 物 理 电 子 学所 在 单 位 ： 光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN248.22U.D.C: 535.345.1Dissertation for the Master Degree in EngineeringTHE OPTIMAL CONDITIONS REASEARCH OFEXTREME ULTRAVIOLET EMISSION SOURCEFROM XE PLASMA PRODUCED BY 3MMDIAMETER CAPILLARY DISCHARGECandidate： Guan ZhiliangSupervisor： Prof. Zhao YongpengAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Physical-ElectronicsAffiliation： Department of Opto-electronicsInformation Science and TechnologyDate of Defence： June, 2011Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要极 紫 外 (Extreme ultraviolet, EUV)光 刻 技 术 被 视 为 实 现 32nm 及 更 小 技 术 节 点的 下 一 代 主 流 光 刻 技 术 ， 它 采 用 波 长 为 13.5nm 的 极 紫 外 辐 射 光 作 为 曝 光 光 源 。 论文 中 利 用 3mm 内 径 毛 细 管 Xe 气放电技术实现了较强的 13.5nm 极 紫 外 光 的 输 出 。通 过 研 究 不 同 放 电 方 式 下 ， Xe 气 流 量 、 主 脉 冲 放 电 电 流 幅 值 和 掺 入 He 气 等 对 2%带 宽 内 13.5nm 辐 射 光 的 影 响 ， 找 到 了 目 前 实 验 装 置 下 所 能 实 现 带 宽 内 13.5nm EUV辐 射 光 输 出 的 最 佳 条 件 ， 对 以 后 继 续 开 展 小 毛 细 管 内 径 放 电 的 实 验 研 究 有 着 重 要 的指 导 和 借 鉴 意 义 。本 文 首 先 运 用 雪 耙 模 型 对 Z-箍 缩 理 论 进 行 了 描 述 ， 采 用 数 值 模 拟 和 具 体 实 验 相结 合 的 方 式 对 Xe 等离子体的箍缩过程进行了分析。通过实验中测得的极紫外辐射光 强 度 最 高 的 时 刻 与 数 值 模 拟 的 等 离 子 体 箍 缩 半 径 与 时 间 的 关 系 对 比 ， 证 实 了 放 电过 程 等 离 子 体 的 反 复 箍 缩 过 程 。 同 时 还 研 究 了 放 电 电 流 幅 值 和 Xe 气 流 量 对 等 离 子体 轴 向 箍 缩 过 程 的 影 响 ， 为 后 面 在 具 体 实 验 中 参 数 的 选 择 提 供 了 一 定 的 参 考 依 据 。在 第 三 章 中 详 细 介 绍 了 当 前 实 验 室 使 用 的 极 紫 外 光 源 装 置 ， 对 其 主 要 组 成 部 分及 功 能 进 行 了 说 明 。 在 此 实 验 设 备 下 获 得 了 极 紫 外 辐 射 光 谱 ， 并 对 1017nm 波 段EUV 光 谱 进 行 了 详 细 分 析 。 在 测 得 的 辐 射 光 谱 下 获 得 了 13.5nm 极 紫 外 辐 射 光 和Xe8+Xe12+离 子 对 应 的 谱 线 ， 为 后 续 实 验 中 寻 找 13.5nm（ 2%带 宽 内 ） 辐 射 光 的 最 佳输 出 条 件 奠 定 了 前 提 条 件 。研 究 了 改 变 放 电 电 流 幅 值 、 Xe 气 流 量 、 掺 He 等 实 验 条 件 对 带 宽 内 13.5nm 辐射 光 的 影 响 。 实 验 结 果 表 明 在 实 验 装 置 现 有 条 件 下 辐 射 光 强 度 随 着 放 电 电 流 幅 值 的增 加 和 Xe 气 流 量 的 减 小 而 增 强 。 同 时 在 掺 He 实 验 中 发 现 适 量 He 气 的 掺 杂 有 利 于增 强 带 宽 内 13.5nm 辐射光的强度，而当 He 气过量时会降低等离子体的电子温度，辐 射 光 的 整 体 强 度 将 受 到 影 响 而 降 低 。 实 验 中 还 分 析 了 在 掺 He 的情况下 Xe 流 量 的改 变 对 于 辐 射 光 强 度 的 影 响 ， 发 现 当 Xe 气流量为 0.7sccm 时 ， 13.5nm（ 2%带 宽 内 ）辐 射 光 的 强 度 达 到 峰 值 。最 后 总 结 实 验 结 果 找 到 了 目 前 实 验 室 的 3mm 内径毛细管 EUV 光 源 装 置 所 能 实现 带 宽 内 13.5nm 最 强 输 出 的 条 件 ， 为 后 面 采 用 其 它 毛 细 管 内 径 下 获 得 带 宽 内13.5nm 辐 射 光 最 强 输 出 奠 定 了 基 础 。关 键 词 ： 极 紫 外 光 刻 ； 毛 细 管 气 体 放 电 ； Xe 等 离 子 体 ； 极 紫 外 辐 射 光 谱-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractExtreme Ultraviolet (EUV) Lithography is the leading technology for patterning atthe 32nm technology node and beyond. It uses the wavelength of 13.5 nm extreme-ultraviolet emission as exposure light. In this paper, we use 3mm diameter capillarydischarge with Xe gas to produce strong 13.5nm (2% bandwidth) radiation. Throughchanging the different discharge manner, Xe flow rate and the amplitude of main pulsecurrent, we find the optimal conditions of achieving in-band 13.5nm radiation output inpresent experiment device. It is beneficial to conduct the study with smaller diametercapillary in future.First of all, we use snowplow model to describe the Z-pinch theory and analyze thepinch process of Xe plasma through numerical simulations in combination withexperiments. Through comparing the moment of EUV peak intensity measured in theexperiment with simulated relationship between the plasma Z-pinch diameter and time,we confirm the existence of plasma multiple pinch process. Meanwhile the paper studiesthe influence of plasma axial pinch process caused by varying the amplitude of currentand Xe flow rate, provides some reference on the choice of discharge parameters.Chapter 3 introduces the EUV source system detailly and illustrates its maincomponent and function. With these experiment devices, we get the ultraviolet radiationspectrum and analysis the intense EUV emission spectrum within the 1017nmwavelength range. Finally we find the 13.5nm radiation in the spectrum and the spectralline corresponding to Xe ions ranging from Xe7+Xe12+, which is to lay the foundationfor finding the optimal conditions of in-band 13.5nm radiation output later.We studies the influence of in-band 13.5nm radiation intensity caused by changingthe amplitude of current, Xe flow rate and injecting xenon-helium mixtures. Results ofthe in-band EUV measurements around 13.5nm shows that the higher the currentamplitude and lower Xe gas flow rate lead to higher intensity of EUV radiation around13.5nm (2% bandwidth) in our lab. Meanwhile it is found that higher in-band 13.5nmintensity is obtainable from moderate xenon-helium mixtures than pure xenon. However,the plasma electronic temperature will drop and affect the intensity of in-band 13.5nmradiation whe