一种极紫外和软X射线源的簇束产生方法与设备技术

技术编号:29465256 阅读:17 留言:0更新日期:2021-07-27 17:54
一种产生极端紫外线和软X射线辐射的方法,包括以下步骤:使气体混合物流到可加压阀中,该气体混合物包括团簇形成气体,稀释气体和三元气体,定义腔室的外壳与所述腔室连通的输入通道,所述气体流过所述输入通道进入所述腔室,与所述腔室连通的输出通道,以及一种温度可控喷嘴,所述喷嘴具有气体入口端,所述气体入口端固定地附接到所述输出通道,以及相对的气体出口端,所述喷嘴具有设置在其内的孔,所述阀包含在真空室内;对包含在所述阀中的所述气体混合物加压;降低所述真空室中的压力;将所述温度控制喷嘴的温度调节至适合于从所选择的团簇形成气体形成分子团簇的温度。

【技术实现步骤摘要】
一种极紫外和软X射线源的簇束产生方法与设备
本专利技术一般涉及通过用高能激光束照射靶材料来产生0.5-100纳米范围内的电磁辐射,更具体地涉及靶材料的产生。
技术介绍
极紫外(EUV)辐射的产生和使用在材料科学,微光刻和显微镜领域具有广泛的适用性。这种辐射的两个常用来源是激光产生的等离子体辐射和同步加速器辐射。经过适当的修改,激光等离子源的亮度与同步加速器相当,但更适合于小型实验室或商业环境。尽管激光等离子体是有效的EUV光源,但它们却受到由于产生等离子体的方法而产生的无法接受的高破坏性原子和颗粒碎片问题的困扰。此类碎片的排出限制了等离子体源的适用性。激光等离子体源通常使用平面固态金属靶,该靶以1011-1013瓦/cm2的入射强度用脉冲激光照射。在这些条件下,激光会在目标表面上方产生10-100eV的等离子体。热膨胀的等离子体可能会向靶标上施加大于100千巴的压力,从而导致靶标熔化和/或破碎,以及快速热的颗粒物喷出。这些喷射物的尺寸范围从原子尺寸到直径大于10微米。通过使用低压气体,可以有效地阻止原子大小的喷射器损坏附近的光学系统。相反,可以以高达105厘米/秒的速度行进的大颗粒喷射器很难阻塞或转移。这些碎片会粘附和/或侵蚀附近的固体表面,因此对放置在等离子体附近的光学器件和其他仪器极为有害。这个问题的严重性可以通过以下事实来说明:少至的典型目标材料(例如沉积在多层镀膜反射镜上的金)会将其反射率降低到原始值的13%。因为EUV和软X射线辐射的“零碎片”激光等离子体源将极大地扩展这些源在不能容忍碎片引起的损坏的商业和科学应用中的适用性,所以人们一直在努力开发减轻碎片的方法以及减少或消除此问题的新颖目标几何形状。
技术实现思路
解决现有技术问题的一种方法是将光学元件相对于激光等离子体目标表面以一定角度放置,从而减少对碎片的暴露。减少高能目标碎片的另一种策略是使用“质量受限”的目标。美国专利No.4,872,189、4,837,793和5,151,928公开了目标几何形状,其中带或陶瓷膜支撑薄金属膜,从而限制了暴露于激光束的目标材料的体积,从而减少但不消除喷射的碎屑总量。然而,这些系统难以构造并且容易破裂,从而需要打开真空系统并中断系统的操作。美国专利No.4,866,517公开了使用低温固体靶以避免形成可凝结的固体碎片。这些靶标是由冷冻的惰性或稀有气体(例如k或氙)制成的。由于使用这些气体的成本较高,因此必须有一套精巧的围堵和回收系统,以使每次喷射的成本保持在10-6以下。美国专利4,723,262公开了使用熔点低于100℃的金属的不连续小滴(例如汞,镓,铟,铯或钾)作为目标材料。为了使碎屑的产生最小化,将液滴的尺寸设定为对应于激光等离子体束的尺寸。这需要精密的控制设备以及用于加热熔点高于25℃的金属的装置。不可避免地会产生一些目标碎片。此外,由于这些材料在室温下的低蒸气压,它们将倾向于在光学部件上凝结,从而导致光学性能的损失。如美国专利No.5,235,200所述,使用快速机械快门和磁性快门。已经提出了美国专利第4,866,517号和第4,969,169号来阻挡或转移碎屑,但是,由于喷射器的行进速度,它们仅在边缘上有效。这些方案均未显示出在保持足够的光源亮度或收集立体角的同时减少碎片的能力。已经使用了另一种方案来产生激光等离子体靶。气体自由喷射膨胀,通过高功率激光与小型气体云或团簇的相互作用,产生了热致密的等离子体,这些气体云团或团簇是通过脉冲将气体通过喷嘴(自由射流膨胀)注入真空室而形成的,来自Nd3+:YAG激光辐照的自由射流膨胀气体靶标的实验研究的结果产生X射线表明,该技术可用于产生强烈的软X射线发射(带有吹气靶标的激光等离子体X射线源,H,Fiedorowicz,A.Bartnik,RParys和Z.Patron,《物理学会刊》第130号,第7章,第515页,IOP出版有限公司,1993和SPIE1994)。在麦克弗森等人的文章(AppliedPhys.B57,p337,1993,Phys.Rev.Lett.72,p1810,1994),使用簇团研究了X射线产生的机理,其中极高的激光强度5x1016-8x1018watts/cm2短脉冲(300飞秒)激光源用于产生团簇增强的X射线发射。已经证明,簇确实在直接多光子诱导的特定X射线跃迁的发射中提供了益处。但是,没有报道表明分子簇的使用可以使等离子体碎片最小化,同时可以作为产生EUV或软X射线的有效靶标,而传统的激光等离子体却可以作为有效靶标,并且使用加热方案。我们公开了一种生产超低碎片激光等离子体源的新概念,该等离子体源是基于中等强度(1011-1012watts/cm2)的市售激光源对靶的照射,其中靶由大分子簇组成气体通过喷嘴的超音速膨胀产生,并通过范德华力保持在一起。本专利技术固有的特殊优点,除了在操作中产生的碎屑比传统的激光等离子源少许多数量级的事实外,还在于由于定期更换激光头而具有不间断操作的长寿命。用过的靶材,例如金属带或鼓靶,可以使用廉价的靶材,几乎连续不断地供应靶材,并且可以使激光聚焦远离喷嘴节流孔进一步减少了碎屑,或者不需要清洁和/或更换光学组件。本领域技术人员众所周知,在等熵条件下,气体通过喷嘴从高压区域到较低压力之一的超音速膨胀导致气体温度下降。随着气体温度的降低,气体的相对分子间速度降低,并且分子之间存在的弱吸引力范德华力导致膨胀气体冷凝,随后形成分子簇,例如二聚体聚合物,最终形成液滴。分子簇的形成是有效吸收激光,随后的激光加热和EUV生产的关键要素。从激光等离子体产生的角度来看,这些簇,原子或分子的聚集体将像微观固体颗粒一样局部响应。每个簇的电子密度都远高于有效吸收激光能量所需的临界密度。在没有这些簇的情况下,距孔口10-30mm处的气体射流密度非常低,以至于激光能量无法吸收,也不会形成等离子体。在例如水蒸气中达到完全吸收激光所必需的目标的临界密度所需的激光焦点体积中的气压将接近100个大气压。为了增加膨胀前的总压力和簇的数目,可以将诸如Ne或Ar的稀释气体添加到气体混合物中。可以将三元(隋性)气体(例如Ne,Ar或Kr)添加到混合物中,以优化碰撞能量转移,从而产生大分子簇,从而使每个簇的电子密度至少与完成整个过程所需的临界密度一样大,使得激光辐射吸收。通过适当调节团簇形成的条件,团簇将在距孔口很远的距离处保持其完整性。实验表明,可以将激光焦点移离喷嘴孔10-30mm,并且仍然可以使激光束有效地吸收每个簇周围产生的等离子体。将激光聚焦点移离喷嘴孔的好处是减少了碎屑的产生,并更好地进行了差动泵送,以减少由射流产生的X射线衰减的气态产物。通过的操作条件适当选择,红外线激光可以用于有效地产生EUV辐射。使用红外激光器具有特殊的好处,因为由于有效激光耦合的临界等离子体密度随激光波长的平方成反比而减小,因此降低了实现良好X射线生成所需的气体密度。因此,本专利技术的一个目的是通过使用分子簇消除目标碎片的产生。另一个目的是使气体通过喷嘴的超音速膨胀来形成这些靶。另一个目的是采用在0.5-100纳米光谱范围内是有效辐射体并本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种产生极端紫外线和软X射线辐射的方法,其特征是,包括以下步骤:使气体混合物流到可加压阀中,该气体混合物包括团簇形成气体,稀释气体和三元气体,定义腔室的外壳与所述腔室连通的输入通道,所述气体流过所述输入通道进入所述腔室,与所述腔室连通的输出通道,以及一种温度可控喷嘴,所述喷嘴具有气体入口端,所述气体入口端固定地附接到所述输出通道,以及相对的气体出口端,所述喷嘴具有设置在其内的孔,所述阀包含在真空室内;对包含在所述阀中的所述气体混合物加压;降低所述真空室中的压力;将所述温度控制喷嘴的温度调节至适合于从所选择的团簇形成气体形成分子团簇的温度;/n通过将包含在所述阀中的所述高压气体通过所述孔口膨胀到所述真空室中而形成分子气体团簇;和用聚焦在所述分子簇上的激光束照射所述分子簇以产生选定波长的辐射;/n所述团簇形成气体包括作为光谱能量的有效辐射的气体,所述辐射的光谱能量在大约波长为0.5到大约100纳米的区域中;/n其中,所述团簇形成气体包括作为光谱能量的有效辐射器的气体,所述有效辐射器在约11nm至约18nm的范围内;/n所述簇形成气体选自水,四氟化碳,氯化氢,氟,硫化氢,乙硼烷,氧气,氩气,氪气和氙气;/n其中组合选自水,四氟化碳,氯化氢,氟,硫化氢,乙硼烷,氧气,氩气,氪气和氙气的各种团簇形成气体来制备团簇形成气体混合物;/n所述稀释气体选自氢,氦和氖;/n所述三元气体选自氖气,氩气或氪气;/n所述阀中的压力至少高至两个大气压;/n所述真空室中的压力至少低至1托;/n所述激光以至少10...

【技术特征摘要】
1.一种产生极端紫外线和软X射线辐射的方法,其特征是,包括以下步骤:使气体混合物流到可加压阀中,该气体混合物包括团簇形成气体,稀释气体和三元气体,定义腔室的外壳与所述腔室连通的输入通道,所述气体流过所述输入通道进入所述腔室,与所述腔室连通的输出通道,以及一种温度可控喷嘴,所述喷嘴具有气体入口端,所述气体入口端固定地附接到所述输出通道,以及相对的气体出口端,所述喷嘴具有设置在其内的孔,所述阀包含在真空室内;对包含在所述阀中的所述气体混合物加压;降低所述真空室中的压力;将所述温度控制喷嘴的温度调节至适合于从所选择的团簇形成气体形成分子团簇的温度;
通过将包含在所述阀中的所述高压气体通过所述孔口膨胀到所述真空室中而形成分子气体团簇;和用聚焦在所述分子簇上的激光束照射所述分子簇以产生选定波长的辐射;
所述团簇形成气体包括作为光谱能量的有效辐射的气体,所述辐射的光谱能量在大约波长为0.5到大约100纳米的区域中;
其中,所述团簇形成气体包括作为光谱能量的有效辐射器的气体,所述有效辐射器在约11nm至约18nm的范围内;
所述簇形成气体选自水,四氟化碳,氯化氢,氟,硫化氢,乙硼烷,氧气,氩气,氪气和氙气;
其中组合选自水,四氟化碳,氯化氢,氟,硫化氢,乙硼烷,氧气,氩气,氪气和氙气的各种团簇形成气体来制备团簇形成气体混合物;
所述稀释气体选自氢,氦和氖;
所述三元气体选自氖气,氩气或氪气;
所述阀中的压力至少高至两个大气压;
所述真空室中的压力至少低至1托;
所述激光以至少1011瓦/cm2的强度照射所述分子簇;
激光为脉冲激光器。


2.根据权利要求1所述的方法,其特征是,其中,所述脉冲激光选自红外激光和紫外线激光;所述脉冲激光以至少1011瓦/cm2的强度照射所述分子簇约10纳秒。


3.根据权利要求1所述的方法,其特征是,其中,所述阀是选自电磁阀,或压电膜片和排斥回路设计的脉冲阀;所述脉冲阀具有至少30μs的打开周期;
所述脉冲阀具有与所述脉冲激光器的发射速率同步的打开周期。


4.根据权利要求1所述的方法,其特征是,其中,所述温度控制喷嘴的温度比所述团簇形成气体的沸腾或升华温度高约10%至20%。


5.根据权利要求1所述的方法,其特征是,其中,所述孔口具有圆锥形形状,所述锥体的轴线平行于所述气体混合物通过所述喷嘴的流动,并且其中,所述锥体的顶点位于所述气体入口的近端;;,所述圆锥形孔口设置在所述喷嘴内,具有约25mm的长度,并且所述圆锥体的顶点的直径约为1mm,而所述基部的直径约为5mm。


6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:曹路宋凤麒刘翊张同庆
申请(专利权)人:江苏集创原子团簇科技研究院有限公司
类型:发明
国别省市:江苏;32

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