极紫外激光等离子体光源碎片隔离器的制作方法

专利名称：极紫外激光等离子体光源碎片隔离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光等离子体光源的碎片隔离器，特别涉及极紫外激光等离子体光源碎片隔离器。
背景技术：
通常极紫外(EUV)光波长在5nm-15nm范围内，根据瑞利衍射极限与波长和数字孔径(NA)的关系，应用短波长的光源，可以大大提高大NA光学系统极限分辨率。近年来高分辨率EUV活体生物显微镜、高分辨率EUV光刻和检测系统等许多应用领域的研究开发，急需满足性能要求的EUV光源。但是激光等离子体光源产生EUV光时面临激光(YAG激光)轰击靶材产生碎片污染问题，导致光学系统污染，使系统性能严重下降甚至不能工作，影响光学系统的使用寿命。
目前，部分研究者为了解决碎片污染问题，针对自己的系统设计了不同的隔离器，例如文献1T.Hatano et al.，<Deposition Shutter Control for Figured MultulayerFabrication>，Precision Science and Technology for perfect surfaces，Y.Furukawa，Y.Mori&T.Kataoka(Eds)，The Japan Society for Precision Engineering，Tokyo，1999，pp 292-297；文献2M.Yamamoto et al.，<Present Status of EUV Interferemeter Developmentat the Research Center for Soft X-ray Microscopy>，Optical and PrecisionEngineering，Vol.9，No.5，2001；文献3M.Yamamoto et al.<Compact debris shutter design of a laser-indeucedplasma source for high NA application>，SPIE proceedings，2000，vol.4146，pp128-131；上述研究均是在沉积EUV多层膜反射镜的基片前，通过空心柱面的三孔通道来隔离碎片，目的是限制激光镀膜系统中，到达多层膜反射镜的碎片。其结构特点如图2所示柱体截面直径20cm，侧壁三孔H1直径7mm、H2直径10cm、H3直径10cm，孔H1接近光源和靶体，孔H3接近光学系统。由于三孔两通道非对称分布，不易控制碎片的隔离，同时，隔离器的初始状态没有考虑通道处于合适的提前偏离角，在系统工作初期就有碎片通过。文献2、3报道的隔离器可以很好地隔离高速运动的碎片，但低速运动的碎片依然可以穿过隔离器，造成反射膜沉积不均匀和真空系统的污染。

发明内容
为克服上述现有技术低速碎片隔离效果较差的缺陷，本发明提出一种比较普适的、用于极紫外(EUV)激光等离子体光源的碎片隔离器。本发明隔离器结构简单、易于控制，可解决EUV激光等离子体光源在激射靶体时产生不可避免的碎片对光学系统的污染问题，对EUV激光等离子体光源在高精度无缺陷多层膜制备、EUV活体生物显微镜、EUV高精度干涉计量和EUV光刻中的应用，具有非常重要的意义。
本发明采用以下技术方案根据光源及光学系统相关参数和所建立的运动学理论，本发明隔离器为一圆柱体高速转轮，隔离器的圆柱体侧面开有一个贯穿圆柱体中心的等截面矩形通道，矩形通道的中心轴线通过圆柱体的中心。圆柱体转轮的转轴为圆柱体的中心轴，圆柱体转轮隔离器安装在靶与光学系统之间，三者处于同一中心水平线上。圆柱体转轮的转轴为垂直方向，并与上述三者中心水平线垂直相交。
圆柱体的半径为R，高度为D，通道在圆柱体侧壁开口的圆弧尺寸为d1，通道高度为d2，转速是ω，隔离器到靶的距离为L，光学系统到靶的距离为LL。隔离器工作的初始状态选择在隔离器具有一定的初始偏离角，即通道中心轴线和中心水平线的夹角等于θA的位置，在激光轰击靶材产生等离子体时，隔离器在具有初始偏离角θA的状态下，以角速度ω旋转。通道开口的中心张角为2θW。
本发明隔离器应满足下列条件首先d1＝2RθW，d2＝d1d1取决于光源特性和击射靶体时，对光束发散角的要求以及光学系统被光照射的尺寸需求若光源的发散角是θ0角，光源照射光学系统的距离为LL，那么，光源照射光学系统的束斑直径为
z＝(LL)θ0，本发明隔离器通道在圆柱体侧壁开口的圆弧尺寸d1、通道高度d2、圆柱体高度D应满足D＞d1＝d2＞z以便使光源发射出的束斑直径小于d1、d2的光可通过隔离器，没有束斑的拦截和能量的损失。
本发明被隔离的碎片能运动的最大距离Y＝L+2R本发明隔离器转速ω＝2πv(rad/s)v是单位时间隔离器旋转转数(rps)设θ1＝θA+θWθ2＝θA-θwθA≥θW当本发明隔离器在其通道中心轴线与圆柱体转轮、靶与光学系统三者的中心水平线的夹角等于θA时，处于初始状态，此时，通道开口处于碎片运动经过区域之外，碎片处于被隔离状态。当隔离器开始以ω高速旋转，同时激光等离子体轰击靶材。从隔离器开始旋转时记时，通道旋转过θA角度时，经过一定的时间T1(即ΔT1，也表示第一次通道关闭状态持续的时间)后，通道前端开口位置旋转到碎片运动经过的区域，即通道开始打开，经过Δt1时间后，通道打开结束并开始关闭，通道打开结束的时刻为t1。随着隔离器的旋转，在隔离器旋转过程中，通道第一次关闭和打开经历的时间为T1和t1，通道处于第一次关闭和打开状态持续的时间为ΔT1和Δt1，通道如此打开和关闭的过程在隔离器旋转的过程中会出现第2，3，……n次。n是一个激光脉冲周期内，隔离器开关通道的开关周期，其大小和激光器的特性及隔离器的旋转速率有关，第2……m 各激光脉冲到来时，重复上述过程。为了便于理解，表1列举了n＝5的上述几个状态，相应状态结束经历的时间和该状态持续的时间间隔如表1所示。
表1，隔离器通道开通和关闭时间以及开通与关闭状态持续的时间

值得注意的是在通道前端开口经过碎片飞行区域时，以一定速率飞来的碎片进入通道，但是，由于隔离器和通道一直在高速旋转，满足一定速率分布的碎片仍然会被通道的侧壁挡住和隔离，进入通道的碎片不会全部通过。
本发明被隔离和通过的碎片的速率分布分析如下设碎片由靶出射到达隔离器通过的距离Y＝L+2R，根据表1所示，在每一次通道关闭和开通中，碎片通过和被隔离的临界速率V可以表示为ΔT1＝t1-0 (第一次关闭)Y/(T1+Δt1)＝Yω/θ1＜V＜Y/T1＝Yω/θ2(通过)V＞Y/T1＝Yω/θ2(隔离)上式表示，第一次关闭时，临界速率Y/(T1+Δt1)＝Yω/θ1＜V＜Y/T1＝Yω/θ2的碎片可通过，临界速率V＞Y/T1＝Yω/θ2的碎片被隔离。
Δt1＝t1-T1(1st开通)V＞Y/t1＝Yω/(θ1)(通过)V＜Y/t1＝Yω/(θ1)(隔离)即第一次开通时，临界速率Yω/θ1＜V的碎片可通过，临界速率V＜Y/T1＝Yω/θ1的碎片被隔离。
ΔT2＝T2-t2(2st关闭)Y/t2＜V＜Y/T2＝Yω/(π-θ2) (通过)V＞Y/T2＝Yω/(π-θ2) (隔离)即第二次关闭时，临界速率Y/t2＜V＜Y/T2＝Yω/(π-θ2)的碎片可通过，临界速率V＞Y/T2＝Yω/(π-θ2)的碎片被隔离。
Δt2＝t2-T2(2st开通)V＞Y/t2＝Yω/(π+θ1) (通过)V＜Y/t2＝Yω/(π+θ1) (隔离)即第二次开通时，临界速率V＞Y/t2＝Yω/(π+θ1)的碎片可通过，临界速率V＜Y/t2＝Yω/(π+θ1)的碎片被隔离。
ΔT3＝T3-t2(3st关闭)V＜Y/T3＝Yω/(2π-θ2) (通过)V＞Y/T3＝Yω/(2π-θ2) (隔离)即第三次关闭时，临界速率V＜Y/T3＝Yω/(2π-θ2)的碎片可通过，临界速率V＞Y/T3＝Yω/(2π-θ2)的碎片被隔离。
Δt3＝t3-T3(3st开通)V＞Y/t3＝Yω/(2π+θ1) (通过)V＜Y/t3＝Yω/(2π+θ1) (隔离)即第三次开通时，临界速率V＞Y/t3＝Yω/(2π+θ1)的碎片可通过，临界速率V＜Y/t3＝Yω/(2π+θ1)的碎片被隔离。
ΔT4＝T4-t3(3st关闭)V＜Y/T4＝Yω/(3π-θ2) (通过)V＞Y/T4＝Yω/(3π-θ2) (关闭)即第四次关闭时，临界速率V＜Y/T4＝Yω/(3π-θ2)的碎片可通过，临界速率V＞Y/T4＝Yω/(3π-θ2)的碎片被隔离。
Δt4＝t4-T4(4st开通)V＞Y/t4＝Yω/(3π+θ1) (通过)V＜Y/t4＝Yω/(3π+θ1) (隔离)即第四次开通时，临界速率V＞Y/t4＝Yω/(3π+θ1)的碎片可通过，临界速率V＜Y/t4＝Yω/(3π+θ1)的碎片被隔离。
依次类推第n次通道开通结束的时间((n-1)π+θ1)/ω，n＝1，2，3....
第n次通道关闭结束的时间((n-1)π+θ2)/ω，n＝1，2，3....
第n次通道开通结束能被隔离的碎片的临界速率VSCn=(L+2R)ω(n-1)π+θ1,]]>n＝1，2，3....
第n次通道关闭结束能通过隔离器的碎片的临界速率VpCn=(L+2R)ω(n-1)π+θ2,]]>n＝1，2，3....
因此，在每一次通道开关的周期内，都有一定数量、具有某一速度的碎片通过，也会有一定数量、具有某一速度的碎片被隔离。
当碎片临界速率满足下列关系时，碎片被隔离，不会到达光学系统V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>而速率Vp分布在下列范围内的碎片将通过隔离器的通道
V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1<VP<(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>其中，V1和V2表示碎片的两个临界速率。
综上所述，根据实际应用的需要，优化设计隔离器的尺寸、位置和转速与激光等离子体脉冲频率之间的关系，本发明便可以最大限度隔离碎片，即被本发明隔离器隔离的碎片速率覆盖范围最大，从而达到预防碎片污染的目的，同时不影响光线通过。
在激光轰击靶材产生等离子体时，隔离器在具有初始偏离角θA的状态下，以ω角速度旋转，激光器停止工作后再停止碎片隔离器的工作。


下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图1a为本发明隔离器的立体图；图1b为本发明隔离器的主视图；图1c为本发明隔离器的A-A面剖视图；图中1隔离器，2通道，3靶，4光学系统；图2为文献3使用的隔离器示意图；图3a为隔离器初始状态(t＝0)示意图，图3b为t＝T1+(1/2)Δt1状态的示意图；图4为隔离器通道不断开通和关闭和4个周期示意图；图5为实施例隔离器的结构和位置示意图；图6为被隔离的碎片临界速率V1和V2随隔离器通道的开关周期n的分布。
具体实施例方式
如图1所示，本发明隔离器是一个高速旋转的圆柱体转轮1。圆柱体转轮1的侧面开有一个贯穿圆柱体中心的等截面矩形通道2，矩形通道2的中心轴线通过圆柱体1的中心，圆柱体转轮1的转轴为圆柱体的圆形中心轴，靶3与光学系统4分别安装在上述圆柱体转轮1的两端，三者处于同一中心水平线上。圆柱体转轮的转轴为垂直方向，并与上述三者中心水平线垂直相交。
通道2在圆柱体转轮1侧壁开口的圆弧尺寸为d1，通道2高度为d2，圆柱体转轮1的圆截面半径是R，高度是D，转速是ω，隔离器到靶3的距离为L，光学系统4到靶的距离为LL。隔离器工作的初始状态选择在通道2中心轴线和水平线的夹角等于θA的位置，通道空心开口的中心张角为2θW。
本发明工作原理和工作过程如下当本发明隔离器在其通道2中心轴线与水平线的夹角等于θA时，处于初始状态，此时t＝0，如图3a所示。这时，通道2的开口处于碎片运动经过区域之外，碎片被隔离。当隔离器开始以ω高速旋转，同时激光等离子体轰击靶材。从隔离器开始旋转时记时，经过一定的时间T1(ΔT1)后，即通道2旋转过θA角度时，通道2前端开口位置旋转到碎片运动经过的区域，即通道开始打开，如图4的(a)状态所示。当隔离器转过θ1＝θA+θW后，通道处于打开阶段的某一状态，如图3b所示。Δt1时间后，通道打开结束并开始关闭，通道打开结束的时刻为t1，如图4的(b)状态所示。随着隔离器的旋转，在隔离器旋转过程中，通道第一次关闭和打开经历的时间为T1和t1，通道第一次关闭和打开状态持续的时间为ΔT1和Δt1，通道这样打开和关闭的过程在隔离器旋转的过程中会出现第2，3，4(如图4的(c)，(d)，(e)，(f)，(g)状态所示)……n次，n是一个激光脉冲周期内，隔离器开关通道的开关周期，其大小和激光器的特性及隔离器的旋转速率有关，第2……m各激光脉冲到来时，重复上述过程。如YAG激光脉冲频率是10Hz，一个激光脉冲的时间是0.1s。0.1秒内隔离器转50转，每转通道2开关开通和关闭2次，即一个激光脉冲时间内，隔离器通道2开通和关闭100次。接下来的激光脉冲不断到来时，隔离器继续旋转、不断重复上述过程。
本发明一具体实施例如图5所示，隔离器每秒转500转。
ω＝2πv(rad/s) θw＝d1/2Rv＝500(rps)d1＝8.736mm，L＝320mm，R＝30mm，θW＝0.146rad，θA＝2θW＝0.292rad激光器的发散角θ0＝0.00273(rad)靶3到光学系统4的距离LL＝1100mm激光到达光学系统的束斑直径Z＝3mm(Z＜d1)根据下式计算的结果如表2所列，结果表明速率Vs分布在V1和V2之间，V1＞Vs＞V2范围内的碎片被本发明隔离器隔离。
V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>图6为被隔离的碎片临界速率V1和V2随隔离器通道的开关周期n的分布。如图6所示，本发明隔离器可以实现对速率分布在较大范围内的碎片进行隔离，被隔离的碎片速率分布在图中V2曲线的上部和V1曲线的下部，而通过隔离器的碎片仅仅在V1和V2曲线围成的很小区域内。可以看到，被隔离碎片的速率分布范围较大，说明本发明具有较大的速率覆盖率。同时，本发明隔离器既可以隔离运动速率较大的碎片，也可以隔离运动速率较小的碎片。如YAG激光脉冲频率是10Hz，一个激光脉冲的时间是0.1s。在0.1秒内，隔离器转50转，每一转通道开关开通和关闭2次，即一个激光脉冲时间内，隔离器通道开通和关闭100次。n＝1时，隔离高速V＜2724.01m/s，和V＞8260.87m/s的碎片，这时，速度低的碎片还没有飞到隔离器的位置，待下一个转动周期来临，有部分被隔离，部分穿过隔离器通道，而n＝100时，隔离V＜3.833m/sV＞3.837m/s速率极低的碎片在速率分布很小的范围内，可以通过隔离器。
在实际的不同应用场合中，可以根据不同应用系统的激光脉冲、光学系统和相对位置，设计隔离器的尺寸(R，d)、初始偏离角θA，张角2θW、转速等。
表2，被隔离的碎片临界速率V1和V2随隔离器通道的开关周期n的分布数据


权利要求
1.一种极紫外激光等离子体光源碎片隔离器，其特征在于它是一个高速旋转的圆柱体转轮[1]，圆柱体转轮[1]的侧面开有一个贯穿圆柱体中心的等截面矩形通道[2]，矩形通道[2]的中心轴线通过圆柱体[1]的中心，矩形通道[2]的长边与圆柱体[1]的端面平行，圆柱体转轮[1]的转轴为圆柱体的圆形中心轴；圆柱体转轮[1]安装在靶[3]与光学系统[4]之间，三者处于同一中心水平线上；圆柱体转轮[1]的转轴为垂直方向，并与上述三者中心水平线垂直相交；通道[2]在圆柱体转轮[1]侧壁开口的圆弧尺寸为d1，通道[2]高度为d2，圆柱体转轮[1]高度为D，光源照射光学系统的束斑直径为zD＞d1＝d2＞z。
2.按照权利要求1所述的极紫外激光等离子体光源碎片隔离器，其特征在于(1)速度Vs落在下列范围内的碎片被隔离器隔离V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>(2)速率Vp分布在下列范围内的碎片将通过隔离器的通道[2]V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1<VP<(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>其中θ1＝θA+θW，θ2＝θA-θw，θA≥θW式中V1、V2运动碎片的两个临界速率，R圆柱体转轮[1]的圆截面半径，ω圆柱体转轮[1]转速，L隔离器到靶[3]的距离，θA隔离器初始偏离角，即通道[2]中心轴线和圆柱体转轮[1]、靶[3]与光学系统[4]三者的中心水平线的夹角，2θW通道开口的中心张角，d1＝2RθW。
3.按照权利要求1或2所述的极紫外激光等离子体光源碎片隔离器，其特征在于隔离器工作的初始状态选择在初始偏离角为θA的位置；在激光轰击靶材产生等离子体时，隔离器在具有初始偏离角θA的状态下，以角速度ω旋转，激光器停止工作后再停止隔离器的工作。
全文摘要
一种极紫外(EUV)激光等离子体光源碎片隔离器，其特征在于它是一个高速旋转的圆柱体转轮[1]，侧面开有贯穿圆柱体中心的等截面矩形通道[2]，圆柱体转轮[1]安装在靶[3]与光学系统[4]之间，三者处于同一中心水平线上。圆柱体转轮[1]的转轴为垂直方向，并与上述三者中心水平线垂直相交。本发明隔离器工作的初始状态选择在通道[2]中心轴线和中心水平线的夹角等于θ
文档编号G02F1/09GK1959463SQ20051008679
公开日2007年5月9日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者李艳秋 申请人:中国科学院电工研究所