输出波长6.7nm的稀土元素Gd靶激光等离子体极紫外光源研究

本研究着眼于分辨率优于8nm的终极光学光刻（Beyond EUVL）、高分辨率成像以及材料分析等需求极短波长光源的场合，首次提出以玻璃中掺杂稀土元素Gd2O3粒子的、低于固体密度（金属）Gd靶形式，开展输出波长为6.7nm的激光等离子体光源研究。主要内容包括：制备玻璃中掺杂一定粒子浓度范围的新型Gd靶；通过采用不同Gd2O3粒子掺杂浓度的靶，研究6.7nm处光辐射相对强度与初始Gd等离子体密度的关系； 通过改变入射Nd:YAG激光的波长、功率密度等参量，研究Gd等离子体的临界电子密度及电子温度对6.7nm处光辐射相对强度的影响；综合以上结果，得到有利于6.7nm光输出的实验参数,并利用时空分辨可见光发射光谱术得到该实验条件下的等离子体参数（电子温度及密度）；研究这种新型Gd靶光源的碎屑辐射特性以及建立背压气体法对其阻挡的技术；研究光源在与其匹配使用的多层膜反射峰之外的离带辐射特性。

本项目开展了用于极紫外光刻的Gd靶激光等离子体光源的研究。.为降低等离子体自吸收效应对光源输出波长6.7 nm处的吸收影响，优化光源输出，制备了Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶。分别研究了靶中Gd的初始密度、打靶激光波长、激光功率密度、激光聚焦光斑尺寸、预等离子体条件和收集极紫外辐射方向等因素对Gd靶极紫外光源6.7nm附近辐射强度的影响。并给出了各阶Gd离子布居与等离子电子温度关系。比较研究了Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶与金属Gd靶激光等离子体光源的离带热辐射情况。项目还对Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶形成等离子体羽的时空演化过程进行了研究。最后，项目开展了Gd激光等离子体极紫外光源等离子碎屑特性及其阻挡的实验研究。.研究结果表明，对6.7nm极紫外输出而言，玻璃靶中Gd2O3纳米粒子掺杂浓度（摩尔浓度）为10% 时为最佳掺杂浓度；采用波长1064 nm激光打靶时获得的6.7nm附近极紫外辐射强度是波长532nm激光打靶时的5倍。在改变打靶激光功率密度的过程中，首次获得了Gd等离子体自吸收对光谱轮廓的影响规律。发现最有利于6.7nm附近极紫外辐射转化的电子温度为130eV。在Gd金属靶的实验中，采用Gd预等离子体的方法，首次观察到在主-预激光脉冲时间延时为50 ns时，6.7 nm附近的光谱宽度减小到单脉冲打靶时五分之一左右。首次开展了玻璃靶中Gd2O3纳米粒子掺杂浓度对极紫外光谱特性的影响实验研究，结果发现改变掺杂浓度，可大幅度地减小6.7 nm附近辐射的光谱宽度，其光谱宽度缩小到Gd金属靶时的五分之二左右。发现Gd2O3纳米粒子掺杂玻璃靶较Gd金属靶的离带波段光谱强度要低许多。即大幅度地减小了对多层膜光收集镜有害的光源离带辐射强度。.当分别采用加入中性缓冲气体、加入外部磁场、采用双脉冲以及缓冲气体与双脉冲相结合的方法对光源碎屑减缓作用研究时发现：当引入外加磁场强度为0.9 T时，可有效地偏折绝大多数的Gd离子，阻挡其到达放置法拉第杯离子探测器处（即光刻机中极紫外多层膜收集镜位置）；在优化了的双脉冲激光打靶等离子体离子碎屑减缓的实验条件下，经阻挡作用所得到离子碎屑峰值动能为0.2 keV，其值是单脉冲条件下离子动能值（3.7 keV）的1/18。迄今为止，本项目在国内外较有影响SCI学术期刊上发表论文11篇。国际学术会议邀请报告1次；申请发明专利1项。