一款清潔的小型化實(shí)驗(yàn)室桌面軟X射線光源—ProLINE
光學(xué)技術(shù)是人類從微觀尺度認(rèn)識(shí)物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律的觀測(cè)之“眼”，也是實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)精密加工的制造之“手”。
作為光學(xué)的重要組成部分，極紫外（EUV）和軟X射線（SXR）光學(xué)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域均表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如下圖1，在EUV和SXR光譜區(qū)域分布著大量元素的原子共振能級(jí)，利用EUV或SXR光激發(fā)原子內(nèi)殼層的軌道電子，可以實(shí)現(xiàn)元素價(jià)態(tài)和軌道電子結(jié)構(gòu)的探測(cè)[1]。
EUV和SXR光波長(zhǎng)短，光子能量高，在納米尺度的高空間分辨率成像和先進(jìn)光刻領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2,3]。可以說，極紫外和軟X射線光學(xué)技術(shù)是軟材料表征、先進(jìn)光刻及生物成像等領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，也是前沿科學(xué)和國家戰(zhàn)略工程技術(shù)發(fā)展的重要支撐。
圖1. 極紫外和軟X射線光譜區(qū)域及光學(xué)技術(shù)應(yīng)用
極紫外和軟X射線光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用離不開高強(qiáng)度、高亮度的EUV和SXR的光源。采用激光驅(qū)動(dòng)的等離子體（LPP）光源是目前常見的實(shí)驗(yàn)室EUV和SXR輻射發(fā)生光源，通過高強(qiáng)度激光與靶材相互作用在焦點(diǎn)處產(chǎn)生等離子體，而等離子體會(huì)在激光加熱的作用下發(fā)生核心電離并發(fā)射出特征光譜輻射[4]。相比于固體和液體工作介質(zhì)，氣體介質(zhì)是一種更清潔，也更靈活的靶材選擇，能夠連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射高強(qiáng)度的EUV和SXR輻射，同時(shí)還具有低碎屑污染的優(yōu)點(diǎn)。
長(zhǎng)期致力于激光和物質(zhì)相互作用研究方向的德國哥廷根激光實(shí)驗(yàn)室（LLG），基于各種氣體靶材的特征發(fā)射設(shè)計(jì)和制造了一款清潔的小型化實(shí)驗(yàn)室桌面EUV和SXR光源，并廣泛應(yīng)用于包括極紫外反射率計(jì)量、水窗高分辨顯微成像及軟X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)表征等研究領(lǐng)域，如圖2所示[5]。
以Xe氣體靶的EUV發(fā)射光源為例，通過優(yōu)化激光參數(shù)、噴嘴設(shè)計(jì)和等離子體密度等條件，在13.5nm波長(zhǎng)附近單發(fā)脈沖的EUV輻射能量可達(dá) 3 mJ (4 sr, 2% BW)[6]。以標(biāo)準(zhǔn)偏差σ作為對(duì)等離子體位置和脈沖能量穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于發(fā)射頻率為5Hz，等離子體的橫向和縱向位置穩(wěn)定性在 σ≈10μm 內(nèi)，脈沖能量穩(wěn)定性可達(dá) σ≈2%[7]。
圖2. 基于LPP原理的EUV和SXR光源腔室及不同氣體靶材在EUV和SXR光譜區(qū)域的特征發(fā)射光譜
實(shí)驗(yàn)室EUV反射率計(jì)量應(yīng)用
圖3. 實(shí)驗(yàn)室EUV反射率計(jì)量裝置示意圖 (上圖); 激光驅(qū)動(dòng)氧氣靶在13 nm附近的特征發(fā)射光譜和Mo/Si多層膜鏡的反射率曲線 (下圖)[6]
在EUV光刻系統(tǒng)中，對(duì)反射光學(xué)元件的表征尤為重要。圖3上圖是在哥廷根激光實(shí)驗(yàn)室基于LPP光源設(shè)計(jì)的EUV反射率計(jì)量裝置，該裝置包含了LPP光源、聚焦和單色系統(tǒng)及樣品測(cè)試系統(tǒng)。以氧氣作為靶材，可以在12.98 nm波長(zhǎng)發(fā)射準(zhǔn)單色的EUV輻射，如圖3下圖所示。為降低由于EUV光源能量波動(dòng)引起的反射率測(cè)試的不確定性影響，利用兩片相同膜層周期設(shè)計(jì)的Mo/Si多層膜反射鏡反射參考光和探測(cè)光，并通過兩個(gè)相同的EUV二極管探測(cè)器進(jìn)行能量探測(cè)，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)反射率測(cè)試精度優(yōu)于5%，對(duì)EUV反射元件的峰值反射率重復(fù)性測(cè)量?jī)?yōu)于0.5%[6]。
圖4是利用該實(shí)驗(yàn)室EUV反射率計(jì)量裝置對(duì)100nm碳單層膜反射鏡在不同角度條件下的反射率表征結(jié)果和理論曲線的對(duì)比，可以看到在掠入射角度大于5°條件下測(cè)得的碳單層膜反射鏡的反射率和理論模擬結(jié)果基本一致，極低角度條件下的反射率測(cè)試結(jié)果偏差主要源于光路的屏蔽效應(yīng)和對(duì)準(zhǔn)偏差。
圖4. 利用實(shí)驗(yàn)室EUV反射率計(jì)量裝置測(cè)得的100 nm碳單層膜反射鏡在0°~20°掠入射條件下對(duì)13 nm波長(zhǎng)輻射的反射率曲線及CXRO模擬曲線對(duì)比[6]
實(shí)驗(yàn)室EUV光刻膠曝光應(yīng)用
光刻膠對(duì)EUV光的靈敏度和曝光劑量的控制是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和高分辨率EUV光刻的基礎(chǔ)。通常情況下，要求光刻膠對(duì)13.5 nm波長(zhǎng)輻射的EUV光的曝光劑量控制在10mJ/cm2內(nèi)。對(duì)此，基于LPP的緊湊型EUV光源為EUV光刻膠的靈敏度和曝光劑量研究提供了實(shí)驗(yàn)室的解決方案，如圖5所示。采用一組數(shù)值孔徑0.4的施瓦茨反射鏡組對(duì)氙氣特征發(fā)射13.5 nm波長(zhǎng)附近的EUV光進(jìn)行單色和聚焦，在焦點(diǎn)位置可以獲得最大~35mJ/cm2的能量密度[8]。以PMMA樣品作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，通過改變Zr濾片數(shù)目和EUV脈沖的數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品曝光劑量的調(diào)節(jié)，如圖5下圖所示。可以看出，在一定的EUV能量密度范圍內(nèi)，PMMA樣品光刻的深度與曝光劑量成正比關(guān)系。
圖5. 基于實(shí)驗(yàn)室LPP光源的小型EUV曝光系統(tǒng)（上圖）及不同脈沖數(shù)目和脈沖能量下PMMA樣品的曝光測(cè)試結(jié)果（下圖）[8]
為了評(píng)估帶外EUV輻射對(duì)PMMA樣品光刻的影響，在曝光光路中加入一片柵線密度為20 l/mm的不銹鋼的格柵進(jìn)行EUV衍射實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)際光路中有無Zr濾片的曝光結(jié)果和理論曝光刻蝕深度進(jìn)行對(duì)比，AFM觀察結(jié)果如圖6所示。可以看到二級(jí)衍射被抑制，曝光劑量主要集中在零級(jí)衍射區(qū)域，PMMA樣品各衍射級(jí)次的實(shí)驗(yàn)曝光結(jié)果和理論曝光對(duì)比數(shù)據(jù)表明，由帶外EUV輻射貢獻(xiàn)的劑量主要集中在零級(jí)衍射區(qū)域。
圖6. AFM測(cè)得的PMMA樣品經(jīng)2000發(fā)EUV脈沖曝光后顯影的結(jié)果（無Zr濾片，上圖）; 有無Zr濾片情況下不同衍射級(jí)次的EUV光對(duì)PMMA樣品刻蝕深度及理論模擬結(jié)果對(duì)比（下圖）[8]
實(shí)驗(yàn)室EUV/SXR納米透射顯微成像
極紫外和軟X射線納米透射顯微成像技術(shù)是一種高分辨的成像技術(shù)，相較于傳統(tǒng)可見光顯微和電子顯微方法，EUV和SXR光子對(duì)材料具有更深的穿透深度和對(duì)元素的特異性吸收，可以實(shí)現(xiàn)納米分辨的成像結(jié)果，同時(shí)對(duì)活體生物樣品等具有更高的成像襯度。圖7是哥廷根激光實(shí)驗(yàn)室基于LPP光源的軟X射線納米透射顯微實(shí)驗(yàn)光路，采用氮?dú)庾鳛榘袣怏w，可以獲得準(zhǔn)單色的2.88 nm波長(zhǎng)軟X射線輻射，并利用橢球鏡作聚焦鏡，在樣品焦平面可以獲得FWHM=250 μm的焦斑，利用最外環(huán)寬度25 nm的波帶片作成像物鏡，通過對(duì)2D西門子星樣品的測(cè)試結(jié)果，可以看出整套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)50 nm的成像分辨率（如下圖7-c）。
圖7. 實(shí)驗(yàn)室桌面軟X射線顯微實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖（a）和橢球鏡不同聚焦位置處的光強(qiáng)分布（b）及不同實(shí)驗(yàn)樣品在探測(cè)面的成像結(jié)果（c-f）[9]
如上圖7-e和f，對(duì)抗輻射奇異球菌（ Deinococcus radiodurans）和矩圓囊裸藻 （Trachelomonas oblonga）的成像結(jié)果證實(shí)了利用實(shí)驗(yàn)室LPP光源進(jìn)行EUV/SXR納米全場(chǎng)透射顯微成像的可行性，在吸收襯度模式下，可以清晰地觀測(cè)到這兩類生物的圓形輪廓特征以及囊裸藻屬生物的鞭毛特征。在經(jīng)歷數(shù)小時(shí)的軟X射線照射條件下，并未觀察到生物體成像結(jié)果的變化，表明實(shí)驗(yàn)室LPP光源發(fā)射的軟X射線并不足以使得輻射奇球菌和囊裸藻屬生物受到輻射損傷的影響。
實(shí)驗(yàn)室NEXAFS光譜表征
近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（NEXAFS）光譜是材料分子鍵結(jié)構(gòu)和分子間相互作用的重要表征工具，通過探測(cè)特定元素吸收邊附近的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，可以獲得中心原子的局域環(huán)境、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵等信息。圖8是基于實(shí)驗(yàn)室LPP光源的桌面NEXAFS光譜儀系統(tǒng)，和同步輻射NEXAFS實(shí)驗(yàn)光路不同的是，該系統(tǒng)主要采用透射測(cè)試模式，并結(jié)合平場(chǎng)光柵譜儀的高分辨率和平場(chǎng)成像特征，可以實(shí)現(xiàn)較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)元素吸收邊附近細(xì)微結(jié)構(gòu)變化的快速和精確測(cè)試。
圖8. 基于LPP光源的實(shí)驗(yàn)室桌面軟X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀光路示意圖（上圖）和實(shí)物圖（下圖）[10]
圖9是利用實(shí)驗(yàn)室桌面NEXAFS光譜儀系統(tǒng)測(cè)得的1 μm厚的PET薄膜樣品在EUV曝光前后的C K邊精細(xì)結(jié)構(gòu)變化?？梢钥吹剑c原始PET薄膜樣品相比，EUV輻照后材料的NEXAFS光譜在能量~287 eV附近區(qū)域表現(xiàn)出明顯的峰強(qiáng)度減弱，表明EUV輻照主要破壞了PET材料中的C-H分子鍵，進(jìn)而改變材料的物化性質(zhì)。該NEXAFS測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理解EUV光刻膠曝光前后的結(jié)構(gòu)變化和設(shè)計(jì)改進(jìn)材料對(duì)EUV光的靈敏度及提高材料穩(wěn)定性等具有重要的意義。
圖9. 1μm厚的PET薄膜樣品受EUV曝光后的光學(xué)圖片（左圖）和利用C K邊NEXAFS光譜探測(cè)的EUV輻照前后PET薄膜材料結(jié)構(gòu)變化（右圖）[11]
當(dāng)前，德國HP Spectroscopy公司聯(lián)合德國哥廷根激光實(shí)驗(yàn)室共同推出了一款經(jīng)過充分驗(yàn)證，技術(shù)成熟的實(shí)驗(yàn)室激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV/SXR光源-ProLINE及其系統(tǒng)解決方案，可實(shí)現(xiàn)1-6 nm寬波長(zhǎng)范圍及2.88 nm、13.0 nm和13.5 nm單色波長(zhǎng)的EUV和軟X射線穩(wěn)定輸出。
圖10. 實(shí)驗(yàn)室EUV/SXR光源-proLINE的打靶腔室實(shí)物圖
★ 該實(shí)驗(yàn)室EUV/SXR光源-proLINE的詳細(xì)參數(shù)如下表所示：
? 關(guān)于HP Spectroscopy公司
HP Spectroscopy公司位于德國，一直以來致力于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，可提供XUV波前診斷光學(xué)系統(tǒng)、激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV-軟X射線光源、平場(chǎng)光柵譜儀、單色儀、X射線吸收譜儀在內(nèi)的定制化解決方案。主要團(tuán)隊(duì)由X射線、光譜、光柵設(shè)計(jì)、等離子體物理、beamline等領(lǐng)域的專家組成。長(zhǎng)期與全球領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家維持緊密合作，關(guān)注前沿技術(shù)，保持產(chǎn)品的迭代與創(chuàng)新。
北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為德國HP Spectroscopy公司實(shí)驗(yàn)室X射線吸收譜儀（hiXAS、proXAS）和EUV/SXR光源（proLINE）在中國區(qū)的獨(dú)家代理，為中國客戶提供所有產(chǎn)品的售前咨詢，銷售及售后服務(wù)。我司始終致力于為廣大科研用戶提供專業(yè)的EUV、X射線產(chǎn)品及解決方案。如果您有任何問題，歡迎聯(lián)系我們進(jìn)行交流和探討。
? 參考文獻(xiàn)
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審 核 凱文
編 輯 小喬
