Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Studies on laser-triggered discharge plasmas as extreme ultraviolet light sources

 
: Beyene, G.A.

:
Volltext ()

Aachen, 2017, XXII, 223 S.
Aachen, TH, Diss., 2017
Englisch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer ILT ()

Abstract
Extreme ultraviolet (EUV) light sources are required for printing and inspection of ever more shrinking transistor sizes for the next generation of microchips. The lack of EUV light sources for metrology applications has remained among the major bottlenecks. Scientific and engineering challenges still remain for the EUV source technology to meet the strict requirements where the brightness, the stability and the debris mitigation are among the major ones. Dedicated experiments and numerical simulations were performed in this work to investigate the EUV emission from a hybrid laser-triggered discharge ignited between liquid-metal- coated rotating electrodes. Time-resolved visible imaging and EUV spectroscopy combined with temporal characterization were used to diagnose the EUV emission. The EUV output was found to correlate with the localized ablation of the thin film. This was achieved by tailoring laser parameters, mainly the pulse duration and energy density, using two Nd:YAG lasers with pulse durations of ~ 170 ps and ~ 7 ns, each with (λ =1064 nm), in an energy range of ~ 1 - 100 mJ. The picosecond (ps)-laser resulted in a simultaneous increase of conversion efficiency (CE) and spectral efficiency (SE) compared to the ns-triggering. With a fixed discharge energy of ~ 4 J, the CE tends to plateau at ~ 2.4 ± 0.25% for the ps laser pulses, while for the ns pulses, it saturates at ~1.7 ± 0.3%. The ps-triggering also resulted in narrower spectral profiles of the emission in comparison to ns-triggering, improving the SE by ~ 15 – 26% at 4.05 J. The differences in the observed results could mainly be attributed to the expanding laser plasma dynamics, where the ps-laser produced plasmas exhibit higher initial conductivity that facilitated better magnetic compression/confinement and resulted in higher radiative loss with less self-absorption for an efficient EUV emission during the pinch phase. The results indicate an advantage of using ps-triggering in laser-assisted discharges to produce brighter plasmas required for applications such as metrology. Pulse-to- pulse (p2p) measurements were also performed to optimize the laser, electrical discharge and background Argas influences on stabilities of the EUV pulse energy & peak brightness. A fast EUV photodiode, calibrated EUV energy monitor, dI/dt and High Voltage probes along with an EUV camera have been used to diagnose the EUV plasma emission and discharge current. The pulse-to- pulse EUV energy stability was found to be better at higher Ar pressure. Compared to the signals of the laser and the discharge current, the p2p fluctuations of the high voltage is the dominant influencing factor for the observed p2p fluctuations of the EUV signals.

 

Extrem ultraviolette (EUV) Lichtquellen sind zur Herstellung und Prüfung von immer kleiner werdenden Transistorgrößen für die nächste Generation von Mikrochips erforderlich. Das Fehlen von EUV-Lichtquellen für Messtechnik-Anwendungen bildet ein Engpass in diesem Bereich. Es bleiben wissenschaftliche und technische Herausforderungen um die strengen Anforderungen an die EUV-Quellen und deren Technologie zum Beispiel im Hinblick auf Helligkeit, die Stabilität und die Kontamination zu erfüllen. Dedizierte Experimente und numerische Simulationen wurden in dieser Arbeit durchgeführt, um die EUV-Emission aus einer hybriden, lasergetriggerten Entladung zu untersuchen, welche zwischen flüssigmetallbeschichteten Rotationselektroden gezündet wurde. Zur Diagnose der EUV-Emission wurden zeitaufgelöste sichtbare Bildgebung, EUV-Spektroskopie und zeitliche Charakterisierung der EUV-Lichtstärke verwendet. Es ist festgestellt worden, dass die EUV-Abstrahlung mit der lokalen Ablation des Dünnfilms korreliert. Dies wurde erreicht, indem Laserparameter, wie Pulsdauer und Energiedichte von zwei Nd:YAG Lasern (λ =1064 nm) angepasst wurden. Die Pulsdauer der Laser entsprach dabei ~ 170 ps und ~ 7 ns, während der Energiebereich von ~ 1 - 100 mJ angepasst werden konnte. Der Pikosekunden- (ps) Laser führte zu einer gleichzeitigen Erhöhung der Energie-Umwandlungseffizienz (CE) und der spektralen Effizienz (SE) im Vergleich zur ns-Triggerung. Bei einer festen Entladungsenergie von ~ 4 J erreicht die CE ein Plateau von ~ 2,4 ± 0,25% für die ps-Laserpulse, während sie für die ns-Pulse bei ~ 1,7 ± 0,3% sättigt. Die ps-Triggerung führte auch zu schmalerer spektralen Emission im Vergleich zur ns-Triggerung und verbesserte die SE um ~ 15 - 26% bei 4,05 J. Die Unterschiede in den beobachteten Ergebnissen konnten vor allem auf die Dynamik des expandierenden Laserplasmas zurückgeführt werden. Die ps-Laser produzierte Plasmen wiesen eine höhere Anfangsleitfähigkeit auf, welche eine bessere magnetische Kompression ermöglichte und zu einem höheren Strahlungsverlust mit geringerer Selbstabsorption führte. Dieser Vorgang erlaubte eine effizientere EUV-Emission während der Pinchphase. Die Ergebnisse zeigen, dass es von Vorteil ist ps-Triggerung zur Erzeugung von hellen, laserunterstützten Entladungen zu verwenden. Pulse-to- Puls (p2p) Messungen wurden auch zur Optimierung des Einflusses der Laser, der elektrischen Entladung und des Hintergrund-Ar- Gas-Drucks auf die Stabilität der EUV Pulsenergie & Peak-Helligkeit durchgeführt. Zur Diagnose der EUV-Plasmaemission und des Entladestroms wurde eine schnelle EUV-Photodiode, ein kalibrierter EUV-Energiemonitor, dI/dt- undHochspannungssonden sowie eine EUV-Kamera verwendet. Die Puls-zu- Puls-EUV- Energiestabilität wurde mit höherem Ar-Druck besser. Im Vergleich zu den Signalen des Lasers und des Entladungsstroms sind die p2p-Schwankungen in der Hochspannung der dominierende Einflussfaktor für die beobachteten p2p-Schwankungen der EUV-Signale.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-519612.html