专题封面 | 激光诱导放电等离子体极紫外光源

为促进极紫外光源在世界科学前沿、国民经济主战场、信息与人工智能等领域中的全面发展，《中国激光》于2024第7期（4月）出版“极紫外光源及应用”专题。

专题封面来自广东大湾区空天信息研究院玄洪文研究员课题组的特邀研究论文。他们与华中科技大学等单位合作，搭建了一套CO₂激光诱导放电产生锡等离子体的实验装置，对产生的极紫外光谱进行收集探测，并结合辐射磁流体动力学模拟对极紫外的辐射特性进行了分析。

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封面展示了激光诱导放电等离子体产生极紫外光的过程。采用脉冲激光轰击真空环境下的锡靶电极，产生初始等离子体。初始等离子体在电场作用下向另一电极扩散，形成放电通道，产生脉冲电流。电流烧蚀锡靶电极，进一步产生放电等离子体。其中Sn⁸⁺、Sn⁹⁺、Sn¹⁰⁺、Sn¹¹⁺、Sn¹²⁺、Sn¹³⁺离子辐射出不可跃迁谱线，形成波长为13.5 nm（2%带宽）的极紫外辐射。该波长辐射光可用作半导体光刻领域中的曝光光源和掩模检测光源。

原文链接：王均武，玄洪文，王新兵，Vassily S. Zakharov. 激光诱导放电等离子体极紫外光源的研究[J]. 中国激光, 2024, 51(7): 0701012

一

研究背景

随着半导体工业的发展，光刻分辨率限制了极大规模集成电路制造集成度的进一步提升。在采用193 nm光刻技术实现32 nm甚至22 nm节点后，光刻技术的发展遇到了瓶颈。为了进一步减小芯片的特征尺寸，采用更短波长的极紫外（EUV）光刻技术应运而生。EUV光刻目前采用13.5 nm（2%带宽）波长极紫外光作为曝光光源，这是综合考虑靶材利用率、光谱纯度、极紫外转化效率等因素最终选定的波长。其中，锡已经成为EUV光源最主要的靶材。激光等离子体（LPP）和激光诱导放电等离子体（LDP）是产生EUV光源最主要的两种技术手段，分别通过不同能量注入的方式使得固体锡靶气化、电离，从而产生小尺寸、高温、高密度的等离子体，电子和高价锡离子进而频繁碰撞辐射产生EUV。近年来虽然LDP技术在曝光光源中的应用逐步被LPP 技术取代，但LDP 结构简单、成本低，可以直接将电能转换成等离子体，具有较高的能量利用效率，在掩模检测、显微成像、光谱计量等方面已有重要应用。LDP技术有自身独特的物理机制，相关的理论和实验研究尚待发掘，激光脉冲、放电脉冲的参数及其延时等如何优化，还有很多物理和技术问题需要深入研究。

二

创新研究

广东大湾区空天信息研究院玄洪文课题组与华中科技大学、俄罗斯研究中心库恰托夫研究所等联合研究，搭建了一套激光诱导放电等离子体极紫外辐射特性研究的实验装置，如图1所示。采用脉冲CO₂激光波聚焦后轰击旋转圆盘锡靶，诱导电极间击穿，探测回路的放电特性以及光源的极紫外辐射特性。 

图1 激光诱导放电等离子体实验装置图

实验采用掠入射极紫外光栅光谱仪测得LPP和LDP的EUV光谱，如图2所示，随着电压的升高，13.5 nm带宽内光谱强度得到显著提升，LDP辐射光谱峰值相比于LPP光谱有明显的红移。相对于LPP光源，LDP光源的电子温度更高，高价Sn¹⁰⁺、Sn¹¹⁺、Sn¹²⁺离子占据主导地位，多重激发态之间的跃迁逐渐取代单激发态到基态的跃迁，从而成为13.5 nm带内辐射的主要来源。

图2 LPP和不同电压下LDP的EUV光谱

采用辐射磁流体程序Z*对实验过程中等离子体动力学特性以及极紫外辐射特性进行模拟。模拟得到激光作用阶段和放电阶段等离子体辐射总功率和EUV带内辐射功率与激光、放电电流的关系，如图3所示。LPP辐射总功率和EUV带内辐射功率与激光功率密度的变化规律一致；而在LDP中，由于电流周期性衰减振荡，EUV时域信号有着多峰值结构。LDP-EUV辐射总能量可以达到65 mJ，转化效率可以达到0.23%，光谱纯度可以达到1.69%。目前，本研究中LDP光源辐射面积过大，导致LDP-EUV辐射功率密度仍然较低。

图3 等离子体总辐射功率和EUV辐射功率（左）激光等离子体；（右）激光诱导放电等离子体

三

总结与展望

本文从实验和模拟两个方面研究对比了激光等离子体和激光诱导放电等离子体的EUV辐射特性，探讨了放电电流对EUV辐射特性的影响。后续团队将从两个方面对激光诱导放电等离子体极紫外光源进行优化：（1）研究激光与放电参数对箍缩机制的影响，减少等离子体尺寸；（2）减小放电回路的电感，缩短电流上升时间，提升电容储能，提高电流上升速率。

 课题组介绍 

广东大湾区空天信息研究院超快激光及其与物质相互作用课题组，课题组长为玄洪文研究员。研究方向为超快激光技术、高功率固体深紫外激光、激光与物质相互作用等。目前实现掺杂Yb晶体材料的高功率激光振荡器及放大器；采用全国产硼酸盐系列非线性光学晶体，实现高功率深紫外固体激光；实现液态金属靶制备等。

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