本文介绍了利用“SparkLight”新型实验平台的多诊断系统，系统采用了hpSpectroscopy高分辨率X涉嫌光谱仪。对激光产生的锡（Sn）等离子体全面表征。锡等离子体由激光脉冲照射连续移动镀锡导线产生，通过相干汤姆逊散射、激光干涉测量法及 EUV 发射光谱技术分析。关联激光诊断与空间分辨 EUV 光谱数据表明，大部分有效 EUV 辐射源自靶材 150μm 范围内，在非理想等离子体条件下产生。本文为 EUV 光源开发的等离子体表征提供实用集成化方案。
激光生成锡等离子体在 EUV 光刻中的多诊断特性研究
一. 引言
13.5 纳米波长的极紫外（EUV）光刻技术是半导体制造“亚 7 纳米”工艺节点核心技术，激光产生的锡（Sn）等离子体是主要光子源。从深紫外向 EUV 波段过渡催生了对更优 EUV 光子源的需求。EUV 光源开发关键挑战是zui大化光谱纯度和转换效率。优化需精确控制等离子体参数，这些参数决定 EUV 发射率和光学深度。zui终 EUV 输出还取决于不透明度，控制锡离子电荷态分布对光谱纯度至关重要，精确测量这些参数对验证辐射流体力学代码也很重要。
本文介绍了“SparkLight”实验平台，用1064nm Nd:YAG激光器照射镀锡导线产生锡等离子体，集成 EUV 发射光谱学、激光干涉测量法及相干汤姆逊散射技术，可实现对电子密度与电子温度的时空分辨测量。
本文还介绍了汤姆逊散射，它是对激光产生的等离子体进行非微扰性、时空分辨表征的关键手段。我们提出基于沃拉斯顿棱镜与双体积布拉格光栅的设计方案，采用凹槽滤光片和单光栅光谱仪，降低了诊断技术应用门槛。
二、实验部分
A. 目标系统与驱动激光器架构
图 1A 展示“SparkLight”实验装置整体配置，含真空室、靶材及光学诊断系统。基腔压力初始为 10-4 mTorr，实验中升至≈1 mTorr。锡等离子体由 1064 nm Nd:YAG 激光器照射镀锡铜丝产生，激光束聚焦于铜丝表面时，光斑尺寸 D 为 75 - 100 μm，施加到靶材的激光能量为 12 - 38 mJ。计算了高斯分布光束的峰值激光强度，焦平面内光斑尺寸及强度分布由 ccd 相机监测。
SparkLight”设施示意图展示了相关装置及光路，光路采用颜色编码，并给出缩写词定义。激光束经双线消色差透镜后，从两个光学楔形透镜处发生菲涅尔反射。为让激光脉冲击中导线表面，导线以≈10 mm/s 速度拉伸，其横向位移小于 30 μm，装置安装在高精度真空兼容坐标台，通过远程控制系统调节导线位置。
所得的极紫外（EUV）辐射通过一台高分辨率X射线光谱仪（hpspectroscopy GmbH，highLIGHT型，水平入射狭缝宽度为100 μ）与CCD相机（hpSpectroscopy GmbH，maxCAM型，像素尺寸为1024 × 256，像素间距为26 μ）联用进行检测，设备功能介绍请看图1B。zui终实现的光谱分辨率可达0.05 nm，该分辨率受限于CCD像素尺寸和狭缝宽度。信号采集时间为10秒，相当于200次激光脉冲激发。该光谱仪采用在氟化锂固体靶材激光产生的等离子体中观测到的Li II、Li III、F V、F VI及F VII谱线进行校准。
图1 A .“SparkLight”实验装置示意图，展示真空腔、靶材、汤姆逊散射系统、激光干涉仪及 EUV 发射光谱诊断系统。各光学路径采用颜色标识，还给出缩写定义。
图1 B 实验装置使用的高分辨率X射线光谱仪（hpSpectroscopy GmbH，highLIGHT）特性介绍
B. 偏振分离型汤姆逊散射诊断技术
图 2 展示紧凑型偏振分离汤姆逊散射诊断系统示意图中，探测光束与驱动光束呈90度角。通过消色差透镜收集散射信号，获等离子体中间像抑制干扰，经空间滤波处理后的图像传至光谱仪入口狭缝。为表征等离子体位置分布，沿x轴扫描镀锡导线。探测光束源自驱动激光器二次谐波，聚焦至等离子体处形成直径40μm的FWHM光斑，单个激光器同时产生驱动和探测脉冲，用光学延迟线调整光路，使探测脉冲在驱动脉冲峰值附近抵达等离子体区域，消除脉冲抖动，保证等离子体生成与探测过程的时间同步性。采用两个OptiGrate公司生产、FWHM光谱带宽<10 cm⁻¹的体积布拉格光栅（VBG）陷波滤光片抑制杂散激光，VBG可超窄陷波滤波，理论衰减值为OD 3 - 4，陷波区域外透射率>95%，两组VBG安装于散射光束准直段，在532 nm激光线附近实现高衰减。
图2展示紧凑型偏振分离汤姆逊散射诊断系统：沃拉斯顿棱镜将采集信号分为s、p偏振分量。收集的光束经石英沃拉斯顿棱镜分为两束正交偏振光，信号偏振方向相对于含波矢ki和ks的散射平面定义，s偏振垂直散射平面，p偏振平行散射平面。两束光以小垂直间距聚焦于成像光谱仪入射狭缝，狭缝宽125 μ，匹配探测光束腰宽。通过测量瑞利散射信号FWHM确定光谱分辨率，1200 g/mm光栅时为0.3 nm，2400 g/mm光栅时为0.12 nm。zui终用门控型emICCD相机成像，针对不同距离采集十张图像，每张为20至40次激光脉冲累积结果。
图2. 紧凑型偏振分离汤姆逊散射诊断系统的示意图：沃拉斯顿棱镜将采集到的信号分为s偏振和p偏振分量
C. 激光干涉测量诊断法
激光干涉测量实验用准直处理的532 nm光束一部分穿过等离子体，等离子体图像经消色差双光阑成像于8位CCD相机。探测光束在到达CCD前分为信号光束和参考光束，通过紧凑型折叠式马赫-曾德尔干涉仪的两个分束器重新组合，其中一部分光束穿过等离子体以记录相位信息，另一部分则绕过等离子体作为参考光，等离子体的相位变化使干涉图出现条纹偏移。采用带通滤波器消除背景可见辐射，测量的时间分辨率由10 ns的探测脉冲持续时间决定，空间分辨率约为5 μm。干涉图通过IDEA软件转换为相位偏移图，再经逆Abel变换重建二维电子密度图。假设等离子体具有圆柱对称性，并将靶材近似为平面表面，Abel变换采用基于基组展开的算法实现，使用pyAbel Python包。
三、结果与讨论
A. 等离子体发射光谱学
锡等离子体的极紫外（EUV）发射主要由未分辨跃迁阵列（UTA）特征决定，该发射是由高电荷离子的众多紧密排列跃迁产生的准连续谱。已知随着电离度的增加，UTA发射峰会向更短波长方向移动；具体而言，Sn¹⁰⁺在约14纳米处发射，Sn¹²⁺在约13.5纳米处发射，Sn¹⁴⁺在约13纳米处发射。
我们假设本研究中所分析的等离子体主要由锡离子构成，铜元素的污染程度极低。为确保这一点，实验中持续拉伸导线，使每个激光脉冲作用于涂层中未被照射过的表面区域，以降低激光脉冲穿透锡涂层的影响。对同一区域进行多次激光照射的独立实验显示，存在明显的铜元素发射光谱特征。单次曝光实验中未出现的现象在多次曝光实验中出现，但由于锡与铜的光谱特征重叠，无法排除等离子体存在微量铜污染的可能。图3a展示了不同激光强度下的EUV发射光谱，带内区域用灰色标示，13–15 nm间的显著特征归因于Sn⁸⁺…Sn¹⁴⁺的多重共振跃迁，10–12 nm和16–20 nm间的谱带对应Sn⁵⁺…Sn⁹⁺离子。随着激光强度的增加，峰值发射特征发生蓝移，这可由产生更高电荷态的锡离子来解释。在zui高驱动激光强度下，发射峰仅与带内区域部分重叠，红移现象表明等离子体条件不利于实现zui大带内发射。使用Nd:YAG激光器的实验表明，约10¹¹ W/cm²的激光强度可获得更优的电子温度，但光谱数据不足以明确测定等离子体温度。
图3：(a)不同激光强度下激光产生的锡等离子体发射光谱；(b)和(c)汤姆逊散射实验所用激光强度下的空间与光谱分辨发射光谱，所有光谱经200次激光照射镀锡导线后累积得到。由于自吸收和锡电荷态跃迁的复杂性，需要采用汤姆逊散射等专门诊断方法。图3b和c展示了9.7×10⁹ W/cm²激光强度下的光谱与空间分辨发射光谱，汤姆逊散射实验将激光强度限制为此值。为获得空间分辨率的EUV等离子体图像，光谱仪入口设置了40 μm宽的垂直狭缝，图3c显示的等离子体模糊图像表明，大部分EUV辐射源自被烧蚀表面150 μm范围内的区域。
汤姆逊散射：在汤姆逊散射诊断中，收集到的光经沃拉斯顿棱镜分离为s偏振和p偏振分量，利用偏振特性分离信号并扣除非偏振背景辐射的方法已应用于等离子体散射诊断。本实验的探测激光为s偏振，s偏振信号由汤姆逊散射信号与一半非偏振等离子体自发射信号组成，p偏振信号则包含未偏振自发射的剩余部分。
图4. 使用沃拉斯顿棱镜通过偏振分离信号，并采用emICCD相机进行成像。
图4展示了用沃拉斯顿棱镜进行偏振分离信号及emICCD相机成像的情况，可通过减去自发射贡献来分离汤姆逊散射信号。在进行减法操作前，需校正不同偏振状态下的系统透射效率，相对论效应和法拉第旋转引起的光去偏振效应可忽略不计。图4所示信号在谱线发射特征方面，由于信号采集点距目标较远（270±20 μm），谱线发射强度超过连续谱自身辐射；而在更靠近目标处（120–150 μm）采集的信号则以连续谱辐射为主。图5展示了汤姆逊散射光谱示例，信号采集点距靶材270±20 μm，每个序列采集40次激光脉冲数据并对10个序列进行平均处理。上图为扣除等离子体自发射后的二维光谱图像，下图是垂直积分后的光谱强度分布，光谱中包含相干电子等离子体特征峰（EPW）和中心特征峰（归因于分辨率不足的离子声波（IAW）散射效应）。
汤姆逊信号的相干效应程度由散射参数α = k₁λD = 4π sinλD给出，在本研究的等离子体条件下α = 1.7–3.2，散射信号由相干等离子体振荡主导。为提取等离子体参数，使用完整理论的汤姆逊散射模型对实验光谱进行拟合（如图6），采用Sheffield推导并集成于PlasmaPy Python库中的谱密度函数S(k，ω)。
图5 （左）汤姆逊散射信号的二维图像。（右）垂直积分后的光谱强度图显示明显的边带（电子等离子体特征，EPW）以及一个强中心特征峰，该特征归因于分辨率不足的离子声波（IAW）。
图5中，左为汤姆逊散射信号的二维图像，右为垂直积分后的光谱强度图，显示出明显的边带（EPW）和强中心特征峰（归因于IAW）。信号使用1200 g/mm光栅、在270±20 μm的参数下采集，每个序列整合40次激光脉冲并对10个序列进行平均处理。模型假设采用麦克斯韦等离子体模型，对于典型EUV激光产生的等离子体，电子-电子碰撞频率νee ≈ 2.91×10⁻⁶ [s⁻¹]，对应约皮秒量级的碰撞时间，而汤姆逊散射的测量时间尺度为10纳秒。模型参数电子温度Te和电子密度ne通过微分进化算法进行非线性zui小二乘法优化，拟合前将理论光谱与仪器函数（建模为FWHM = 0.3 nm的高斯核）进行卷积处理。含IAW的中心区域（532±2 nm）排除在拟合范围外，527–529 nm区间信号强度降至零以下是背景扣除的伪影，通过调整ne和Te来确定不确定度。对于图6的实验信号，推断出的等离子体参数为Te = 9±2.9 eV，ne = 5±1.5×10¹⁷ cm⁻³。
图6. 归一化的汤姆逊散射谱及对相干散射特征的理论拟合结果。
图6为归一化的汤姆逊散射谱及理论拟合结果，绿色曲线是在Te = 9 eV且ne = 5×10¹⁷ cm⁻³条件下的zui佳拟合。曲线展示了改变图(a)中的ne和图(b)中的Te得到的拟合不确定性。中心区域（532±2 nm，灰色阴影部分）不参与拟合。信号采集使用间距1200 g/mm的光栅，距靶材270±20 μm，每个序列整合40次激光脉冲，10个序列取平均。推算出的等离子体参数为：Te=9±2.9 eV；ne=5±1.5×10¹⁷ cm⁻³。
测得的zui大电子温度（Te = 15 eV）低于带内EUV发射所需的25–50 eV范围，这与EUV发射光谱的红移结果一致。无法确定电子温度在约15 eV处达到平台值，原因有二：一是120–170 μm范围内的数据不确定性高，受光栅光谱范围和信噪比的影响；二是大部分EUV辐射源自距靶材150 μm内的区域，该区域的Te值较高，但在当前实验配置下无法用汤姆逊散射诊断技术进行探测。
排除120–170 μm范围的数据后，观测到的Te（ne）关系符合绝热膨胀标度，表明在距离超过170 µm时，辐射损失不主导能量平衡。
在高功率EUV产生中，电子密度ne需要足够高以实现高效的激光吸收，同时又要足够低以zui小化不透明度。在Te值下，锡等离子体的理想ne范围在10¹⁸–10¹⁹ cm⁻³之间。此处120–270 µm范围内，电子密度从10¹⁸降至10¹⁷ cm⁻³，虽然靠近靶材的区域无法观测，但预计电子密度向靶材表面方向单调递增。120–150 µm测量区间内ne≈1.8×10¹⁸ cm⁻³附近的潜在平台值源于实验局限性，激光干涉测量法证实电子密度向靶材方向单调递增。
下一组实验计划进行角度分辨汤姆逊散射测量，以区分几何错位因子与复杂的等离子体流动。为获得接近目标区域的电子密度分布并交叉验证汤姆逊散射分析结果，进行了激光干涉测量。图7展示了参考与等离子体畸变干涉图，图8展示了二维电子密度分布图。
图7. 参考干涉图（左）与等离子体畸变干涉图（右）的示例
图8. 重建二维电子密度图的示例。因激光束折射及不透明效应，灰色区域无法观测
图9. 通过激光干涉测量法和相干汤姆逊散射测得的电子密度（ne）空间分布曲线。阴影区域对应第10至第90百分位区间。激光干涉测量法的灵敏度极限为1 × 10¹⁷ cm3。
可测量zui大密度为 3 × 10¹⁹ cm³，位于距目标约 20–40 μm 处，当前装置无法获取更接近目标区域密度值，实际密度上限受折射率和透明度限制。 10中灰色阴影部分与图7b中无条纹区完全对应。其他类似尺寸等离子体研究用532 nm光测得相似上限密度值。下限由zui小可检测条纹位移决定，等离子体柱厚500 μ m时，范围约1 × 10¹⁷ to 3 × 10¹⁷ cm⁻³，具体值取决于干涉图质量。
我们还采用激光干涉测量法来表征电子密度随时间的变化规律。通过调节探测激光的光程长度，实现了探测脉冲与烧蚀激光脉冲之间不同的延迟时间。图10展示了沿羽流对称轴测得的电子密度分布：峰值电子密度随时间推移逐渐降低，从10.5纳秒时的3 × 1019 cm−3 at 6.5 ns to 1.5 × 10¹⁹ cm⁻³开始下降。这种明显的非单调行为（尤其是在较远距离处）归因于每次放电产生的等离子体存在波动，以及测量灵敏度极限为3×10¹⁷ cm⁻³。然而可以明显看出，等离子体密度随时间推移而降低，表明等离子体羽流正在膨胀。
图10 显示不同延迟时间点轴向电子密度，阴影区为第10至第90百分位数，灵敏度极限3×10¹⁷cm⁻³。
四、总结
我们采用包含相干汤姆逊散射、激光干涉测量和 EUV 发射光谱学在内的多诊断方法，对激光产生的锡（Sn）等离子体进行了全面表征。这些诊断技术均在新型实验平台“SparkLight”上实现：该平台通过激光照射（波长1064 nm，脉冲宽度10 ns，功率zui高达5.7×10¹⁰ W/cm²）连续移动的锡镀层导线来产生锡等离子体。相干汤姆逊散射测得距靶材120–270 µm 处的电子温度为9–15 eV，电子密度为 5×1017 to 2×1018 ·cm⁻³；所得密度值与激光干涉测量结果经交叉验证后显示出高度一致性。补充性的 EUV 发射光谱分析则用于评估光谱纯度、确定锡离子电荷态并绘制 EUV 发射的空间分布图。
实验表明，在激光强度为10¹⁰ W/cm²时，大部分 EUV 辐射源自靶材150 µm 范围内的区域；其峰值出现在13.6–13.8 nm波长区间，仅部分重叠于本带区域，表明等离子体条件尚未理想。未来“SparkLight”的升级将包括提升驱动激光与探测激光的能量，并扩展检测光谱范围，以实现对 EUV 辐射主要来源区域（即靶材附近区域）的精确表征。
欢迎直接联系昊量光电
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司凭借强大的本地化销售网络与专业技术支持团队，长期服务于国内数以万计工业及科研客户，涵盖半导体、生物医疗、量子科技、精密制造、生物显微、物联传感、材料加工、光通讯等前沿领域。
昊量光电拥有的专家级的软硬件开发团队及丰富的行业应用经验，可提供：
✅ 全天候售后技术支持——快速响应，确保设备稳定运行；
✅ 定制化解决方案——从售前咨询到安装，培训，系统集成等，满足多样化需求；
✅ 客户高度认可——服务案例覆盖众多头部企业及高端科研机构，客户满意度持续居前列。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
展示全部 
