CC BY
56
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вейко В. П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986. 248 с.
2. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии / Под общ. ред. Д. В. Чеснокова. Новосибирск: СГГА, 2003. 300 с.
3. [Электронный ресурс]: <www.nanolab.com>.
4. Емельянов В. И., Семиногов В. Н. Лазерно-индуцированные неустойчивости рельефа поверхности и изменение отражательной и поглощательной способности конденсированных сред // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 3. С. 57—91.
5. Панченко В. Я., Семиногов В. Н., Соколов В. И. Роль дифракции света на модуляциях поверхностного рельефа в процессах лазерной микротехнологии // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. М.: ВИНИТИ, 1989. T. 3. С. 92—161.
6. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970. 272 с.
7. Справочник по сопротивлению материалов / Отв. ред. Г. С. Писаренко. Киев: Наукова думка, 1988. 736 с.
8. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
Сведения об авторах
Дмитрий Владимирович Чесноков — канд. техн. наук, доцент; Сибирская государственная геодезическая
академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@yandex.ru
Владимир Владимирович Чесноков — д-р техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@ngs.ru
Поступила в редакцию 12.01.09 г.
УДК 681.7.069.225:537.53
В. И. Донин
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК НЕПРЕРЫВНОГО ДАЛЬНЕГО ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Представлен новый дуговой источник мощного непрерывного дальнего вакуумного ультрафиолетового излучения, созданный на основе сильноточной плазмы пониженного давления, которая ранее использовалась в качестве активной среды ионных аргоновых лазеров со сроком службы порядка 1000 ч.
Ключевые слова: ВУФ-излучение, дуговой разряд, возбуждение ионных уровней.
В настоящее время коротковолновые источники излучения являются объектом интенсивных исследований для специалистов многих стран. Более того, для разработки технологии изготовления изделий микро- и наноэлектроники (проекционной литографии), а также свето-эррозионных, радиационных технологий обработки материалов (в том числе с созданием регулярной нанометровой структуры) и др. требуются коротковолновые источники, способные работать в близких к промышленным условиях.
Традиционно для генерации непрерывного дальнего вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения используется синхротронное излучение и газоразрядные источники с камерами дифференциальной откачки для вывода излучения [1, 2], которые не получили широкого
0.5с1
01
распространения из-за их громоздкости, низкой эффективности, высокой стоимости и малой площади выходного излучения. В последнее время дальнее ВУФ-излучение получают, используя лазеры на свободных электронах [3], высшие гармоники излучения мощных короткоим-пульсных лазеров [4], плазменные лазеры на линиях многозарядных ионов [5], спонтанное излучение многозарядных ионов из короткоимпульсной плазмы [6, 7]. Однако из-за указанных выше недостатков они также не используются в промышленности, например, малоиндуктивный разряд в капилляре с ксеноном обеспечивает эффективность на уровне ~ 0,03 % и среднюю мощность спонтанного излучения ~10 мВт при сроке службы капилляра около 30 мин [6].
В настоящей статье представлен новый дуговой источник мощного непрерывного дальнего ВУФ-излучения [8], созданный на основе сильноточной плазмы пониженного давления, которая ранее использовалась в качестве активной среды ионных аргоновых лазеров со сроком службы порядка 1000 ч [9, 10]. Плазма создавалась продольным дуговым разрядом постоянного тока в секционированных трубках длиной / ~ 0,4—4 м, диаметром d ~ 1—40 мм при плотности тока от 40 до 4000 А/см2.
Схема отдельной секции трубки и расположение облучаемых образцов в разряде иллюстрируются рис. 1, где О1О2 — продольная ось разряда (область разряда показана точками), 1 — устройство вывода излучения, 2 — облучаемый образец, 3 — держатель образца. Облучаемые образцы располагаются в боковых (по отношению к оси О1О2) отверстиях, по площади сечения сравнимых с сечением разряда. Используется наиболее мощное излучение резонансных линий ионов, которое не поглощается наполняющим газом пониженного давления. В модельном эксперименте при d = 40 мм общая площадь облучаемой поверхности образцов составляла до 65 % от всей боковой поверхности столба разряда: 0,65п^/.
Поскольку плазма аргоновых лазеров достаточно хорошо изучена, произведем оценку энергетических характеристик резонансного ВУФ-излучения на ионах Лг+. На рис. 2 приведена схема рабочих уровней. Резонансное излучение реабсорбировано, и для непосредственных абсолютных измерений интенсивности требуется специальная вакуумная аппаратура. Однако для лазерных переходов (например, с длиной волны X = 488 нм) заселенность нижнего рабочего (резонансного) уровня более просто оценить по измеренным значениям заселенности верхнего уровня и коэффициенту поглощения
'-- — О2
Рис. 1
= 2 =4
=2
=4 Аг
Рис 2
к0, см 1 (или усиления 00) в центре допплеровски уширенной рабочей линии:
кп = ^0 =
Дп2 X2 А„п 2
п АУп 4п
N N
2п 2
т )
(1)
где Атп — вероятность радиационного перехода с верхнего уровня т на нижний п (с 1), Ауп — ширина линии (с ), Ыт и N — заселенность рабочих уровней (см ), 2т и 2п — их статистический вес
N
10_10 см-3
Зависимость измеренной интегральной по сечению разряда заселенности верхнего уровня Ыт линии X = 488 нм в трубке диаметром ё = 11 мм от тока J разряда при различных значениях давления наполнения р представлена на рис. 3 (кривая 1 — р = 0,3, 2 — р = 0,65, 3 — р = 1 мм рт. ст.) [9, 11]. При зажигании разряда давление, близкое к давлению наполнения, устанавливается только в приэлек-тродных частях (колбах), а вблизи стенок разрядного канала трубки давление в 3—5 раз ниже. Последнее обстоятельство позволяет пренебречь поглощением бокового ВУФ-излучения за счет фотоионизации при использовании аргона (сечения ионизации которого велики — порядка
_17 2
3,5-10 см ), поскольку расстояние от столба разряда до подложки ~ 2 см. При этом расстоянии резонансное излучение атомных линий Аг (85—100 нм) будет полностью резонансно поглощаться). Используя измеренные значения G0 и формулу (1), можно определить, что заселенность нижнего уровня также достигает насыщения, но при увеличении J резко спадает. Соответственно максимум мощ-
ности генерации на рабочем переходе несколько смещен к большим значениям тока (для кривой 3 он отмечен жирной стрелкой, а светлой стрелкой показано начало развития неустойчивостей в разряде). Полученная в максимуме мощности генерации заселенность Ы„ в 2 раза ниже Ыт , а при токе до 200 А значения заселенности Ы„ и Ыт близки. Таким образом, в рассматриваемых здесь условиях генерации значения Ы„ и Ыт совпадают с точностью до множителя 2.
Оценим интенсивность I излучения (излучаемая мощность с 1 см3) на линии X = 72,3 нм, пользуясь известным соотношением
200 Рис. 3
J, А
I = Е(к0Г)ЛтпМтЬУ,
(2)
где Ыт — заселенность верхнего (для перехода 72,3 нм) уровня, Лтп — вероятность спонтан-
ного распада уровня в основное состояние, множитель ^(к0г) характеризует выход излучения
(г = ё/2), к\ — энергия кванта.
Значение ^(к0г) можно оценить по измеренной концентрации электронов пе=1,5-1014 см_3,
которая близка к заселенности основного состояния иона. Проведенная для рассматриваемых
1/2
здесь условий оценка по формуле Хольштейна [12] ^(к0г) = 1,6/к0г(п1пк0г) с учетом радиального движения ионов [13] дает значение ^(к0г) ~ 0,4. Подставив в выражение (2) чис-
9 _1 10 _3 3
ленные значения (Атп = 2,5-10 с , Ыт = 1-10 см ), получим I ~ 24 Вт/см . Учитывая, что
ВУФ-излучение иона Аг+ соответствует, по крайней мере, пяти сильным линиям в области 55— 75 нм (см. например, рис. 1.37 в [1]), получим суммарную интенсивность 120 Вт/см .
В условиях генерации расходуемая на единицу длины разряда мощность Ж не зависит от диаметра ё и составляет Ж ~ 840 Вт/см [9, 10], поэтому легко можно оценить эффективность ВУФ-излучения ~ 14 %. Хотя с увеличением диаметра разряда заселенность возбужденных уровней Аг+ падает как 1/ё, значение ^(к0г) при этом не меняется. Следовательно, эффективность испускания ВУФ-излучения (за счет возрастания сечения разряда как ё ) должна увеличиваться пропорционально ё.
Помимо обычного цилиндрического разряда для рассматриваемых здесь целей полезным может оказаться использование разряда „щелевого" типа (сечение в виде прямоугольника со значительной разницей длины сторон) [14], поскольку в таком разряде значение F(k0r) будет определяться меньшей стороной.
Следует отметить, что дуговой источник [S] может применяется и в других случаях. Например, в работах [9, 15] указывалось, что в используемом здесь сильноточном разряде пониженного давления с рабочим газом Cl2 (наполняющим) хлор находится в атомарном состоянии. Следовательно, предлагаемая конструкция может применяться для быстрого травления полупроводниковых материалов. При наполнении ее смесью водорода (при р ~ 10—100 мм рт. ст.) с небольшой добавкой углеродсодержащего газа она может быть использована для выращивания алмазных пленок [2, 1б] на подложках с большой общей площадью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. М.: Наука, 197б.
2. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 4. / Под ред. В. Е. Фортова. М.: Наука, 2000.
3. Ackermann W., Asova G., Ayvazyan V., Azima A., Baboi N. et al. Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window // Nat. Photon. 2007. Vol. 1, N б. P. 33б—342.
4. Hüve J., Haarlammert T., Steinbruck T., Kutzner J., Tsilimis G., Zacharias H. High-flux high harmonic soft X-ray generation up to 10 kHz repetition rate // Opt. Commun. 200б. Vol. 2бб, N 1. P. 2б1—2б5.
5. Виноградов А. В., Рокка Дж. Импульсно-периодический рентгеновский лазер на переходе 3p—3s Ne-подобного аргона в капиллярном разряде // Квант. электрон. 2003. Т. 33, вып. 1. С. 7—17.
6. ^бельман И. И., Шевелько А. П., Якушев О. Ф., Найт Л. В., Турли Р. С. Интенсивный источник ВУФ излучения на основе плазмы капиллярного разряда // Квант. электрон. 2003. Т. 33, вып.1. С. 3—б.
7. Сейсян Р. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете // ЖТФ. 2005. Т. 75, вып. 5. С. 1—13.
S. Патент РФ № 2324255. Универсальный дуговой источник ВУФ-фотонов и химически активных частиц /
B. И. Донин. Опубл. 10.05.200S. Б.И. № 13.
9. Донин В. И. Мощные ионные газовые лазеры. Новосибирск: Наука, 1991.
10. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Сер. Б. Т. XI-4 / Под ред. С. И. Яковленко. М.: Физматлит, 2005.
11. Донин В. И. Насыщение выходной мощности с током разряда в мощных аргоновых ОКГ непрерывного действия // ЖЭТФ. 1972. Т. б2, вып. 5. С. 1648—1660.
12. Holstein T. Imprisonment of resonanse radiation in gases // Phys. Rev. 1951. Vol. S3, N б. P. 1159—11б8.
13. Елецкий А. В., Фрейнкман Б. Г. Функция распределения и контур линии излучения ионов в разряде низкого давления // Докл. АН СССР. 1973. Т. 210. С. б2—б5.
14. Алферов Г. Н., Донин В. И., Юршин Б. Я. К вопросу об оптимальном сечении разряда постоянного тока для лазера на ионах ArII // Журн. прикл. спектроскопии. 197б. Т. 25, вып. 1. С. 40—42.
15. Донин В. И. Сильноточные дуговые катоды для непрерывных разрядов пониженного давления // II Междунар. науч.-практич. конф. „Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Сб. тр. СПб, 200б. Т. 4. С. 153.
16. Спицын Б. В., Алексенко А. Е. // Современные проблемы физической химии. М.: ИФХ РАН, 2005.
C. 350—36S.
Сведения об авторе
Валерий Ильич Донин — д-р физ.-мат. наук; Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск; E-mail: donin@iae.nsk.su
Поступила в редакцию 12.01.09 г.
