用于激光产生等离子体EUV光源的光谱宽带特性测量方法

《Measurement》：Spectral broadband characterization method for laser-produced plasma EUV source

　　•我们开发了一种用于激光产生的等离子体极紫外（LPP-EUV）光源的宽带光谱特性分析方法。•通过三个13.5纳米带内能量监测器实现的角度分布拟合避免了各向同性假设，同时使用测量的带内能量将相对EUV光谱缩放为绝对强度。•在激光强度为9.3×10^10 W·cm^-2时，从1微米激光产生的Sn等离子体中实现了最高的宽带EUV转换效率，达到33.13% ± 0.70%。•这项工作为LPP-EUV光源的计量应用提供了实用的计量学基础。

**引言**
在先进的半导体制造中，关键尺寸（CD）的持续减小已经达到了2纳米的技术节点[1]。这一趋势对计量和检测工具提出了非常高的要求[2][3]。为了大规模生产极紫外（EUV）光刻，已经成功开发出了能够发射13.5纳米窄带辐射的激光产生等离子体（LPP）光源，其带宽为2%[4][5]。这些光源可以实现平均功率超过500瓦，甚至达到1000瓦[6][7]。除了光刻之外，对宽带EUV光源的需求也在迅速增长[8][9]。这种需求是由于新兴应用的发展，如光学常数测量[10]、基于衍射的叠加（DBO）计量[11]、CD计量[9][12]、边缘放置误差（EPE）测量[13][14]以及纳米结构的三维轮廓测量[15]。

多项研究努力展示了宽带EUV光源在计量应用中的使用。Tryus等人开发了一种空间分辨的EUV反射仪[16]，并将其与发射9.5–17纳米宽带EUV辐射的放电产生等离子体（DPP）光源结合，用于表征具有不均匀污染层的硅片。Lohr等人使用EUV散射测量和软X射线散射技术，结合DPP和同步辐射，对纳米级光栅进行了表征，展示了亚纳米级的重建不确定性[17]。Porter等人提出了基于软X射线的计量方法，作为先进半导体器件中三维轮廓测量和间距叠加的潜在解决方案[15]。他们使用输出波长为10–20纳米的HHG光源，对全环绕栅极（GAA）器件进行了轮廓测量。Corazza等人展示了宽带EUV零级散射测量能够实现非破坏性的产品纳米结构计量[9]。他们采用了HHG-EUV光源，并在沟槽高度上达到了纳米级精度，在CD上达到了十纳米级精度。尽管HHG光源亮度很高[18]，但其产品计量应用受到平均功率低、飞秒脉冲持续时间可能对样品造成损坏以及从强驱动激光束中分离EUV光的挑战的限制。DPP光源在功率扩展方面表现更好，但随着功率的增加，等离子体发射体积的增长限制了光源的亮度。

因此，考虑到产品计量中对高吞吐量和高亮度的需求，固态激光驱动的等离子体EUV光源是一个非常有前景的选择，因为它们结合了小的发射体积、高亮度、台式结构以及强大的功率扩展潜力[19][20]。此外，它们在13.5纳米处的激光到EUV的转换效率（CE）很高，通常为2%–5%（无论是固体还是液体目标[21][22][23][24][25]）。更重要的是，通常用作LPP光源燃料的锡（Sn）元素自然会在10–20纳米范围内发射宽的未分辨跃迁阵列（UTA）[26]。以往关于激光产生的Sn等离子体光源的研究主要集中在13.5纳米处的窄带优化上，用于EUV光刻[27][28]。而对于计量应用所必需的绝对宽带辐射特性，关注度有限。

现有的EUV辐射诊断方法在测量完整性和实验复杂性之间存在权衡。绝对校准的平场光谱仪可以直接提供光谱能量密度，但它只能测量给定角度下的特定立体角。单个带内能量监测器只能测量13.5纳米处的窄带宽EUV辐射，而多个位于不同角度的监测器可以提供大立体角范围内的总带内能量。角度分辨的光谱测量提供了最完整的信息，但需要特殊的实验腔室几何结构和重复测量。Hayden等人使用校准的平场光谱仪测量了相对于入射激光方向不同角度的绝对光谱EUV能量强度[29]。由于真空腔室的结构，测量仅在45°和90°进行。随后，他们升级了实验装置，并记录了从20°-90°范围内激光产生的平面Sn靶等离子体的角度分辨EUV光谱，发现带内和宽带EUV辐射能量随着与入射激光相对角度的增加而减少[30]。在更新的装置中，聚焦透镜和平面Sn靶安装在一个专用旋转支架上，使得等离子体相对于EUV探测器轴旋转，同时保持对靶的垂直入射激光照明。然而，这种更新的实验配置使得对准和重复性要求远高于固定几何结构的配置，限制了其在具有固定光学和诊断端口的常规LPP研究中的应用。

在这项工作中，我们报告了一种用于测量LPP产生的10–20纳米范围内宽带EUV辐射能量和光子产量的交叉校准方法。我们使用了两种类型的校准辐射诊断仪器。一种是13.5纳米处的带内能量监测器，其带宽为2%，在校准时使用了国家同步辐射实验室的设施。另一种是平场EUV光谱仪，其效率通过理论镜面反射率、光栅衍射效率和CCD效率曲线进行了校正。利用这些校准仪器和交叉校准方法，我们确定了1微米固态激光产生的Sn等离子体在10–20纳米范围内的辐射能量、光子产量和宽带CE。结果还表明，固态激光产生的Sn等离子体光源可以提供适合产品计量应用的高CE宽带EUV辐射。所提出的交叉校准方法为LPP-EUV光源的开发和计量应用提供了计量学基础。

**实验部分**
实验系统如图1所示。使用1微米Q开关Nd:YAG激光作为等离子体生成的驱动源，脉冲持续时间为5.6纳秒，输出能量为544毫焦耳。激光束通过石英透镜（F=400毫米）聚焦到真空腔内的平面Sn靶上。真空腔内的压力约为10^-5帕。通过调整聚焦透镜的失焦距离来控制靶上的光斑大小。结合半波片和偏振器...

**13.5纳米带内能量监测器的校准和数据处理**
带内能量监测器可以测量以13.5纳米为中心、带宽为2%的EUV辐射。为了获得带内能量值，监测器的响应度在校准时使用了国家同步辐射实验室的设施，测量波长范围为12.5–14.5纳米。这个校准后的响应度曲线表示为Sλ，单位为A·W^-1。监测器对其敏感波长范围内的所有辐射都有响应，而不仅仅是2%的带宽。因此，测量信号取决于监测器的带内能量...

**图3(a)显示了不同激光强度下带内能量监测器的校准灵敏度因子Scalib。Scalib的值在测试的激光强度范围内相对稳定，大约在0.058到0.062 A·W^-1之间，表明监测器的响应可以被视为一个常数值，并且在这些条件下Sn等离子体的带内光谱形状没有显著变化。这种稳定性很重要，因为它允许使用相同的Scalib...

**结论**
这项工作提出了一种交叉校准方法，用于确定10–20纳米波长范围内激光产生的等离子体的绝对宽带EUV能量、光子产量和激光到EUV的转换效率（CE）。该方法使用了在同步辐射设施校准的13.5纳米带内能量监测器以及其相对光谱响应通过理论效率曲线校正的平场光谱仪。三个放置在不同角度的带内能量监测器使得...

**作者贡献声明**
Hu Zhenlin：撰写 – 原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。
Huang Zhu：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、数据管理。
Liu Yixian：撰写 – 审阅与编辑、数据管理。
Wang Tianze：撰写 – 审阅与编辑、数据管理。
Lin Nan：撰写 – 审阅与编辑、监督、方法论、资助获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家 key R&D 计划（编号2023YFF0714905）和中国国家自然科学基金（授权号62405336）的支持。

Hu Zhenlin | Huang Zhu | Liu Yixian | Wang Tianze | Lin Nan