Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (ИПФ РАН) разрабатывают концепцию создания яркого стабильного источника экстремального вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ излучения). Такой источник необходим в современных отечественных литографах для создания микросхем нового поколения. В отличие от используемой сейчас технологии, когда для создания ВУФ излучения используется лазерная импульсная плазма из капель олова, российские специалисты работают с лазерной плазмой из газа атмосферного давления – ксенона. Эксперименты ведутся на Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ) – уникальной исследовательской установке ИЯФ СО РАН, единственной в мире, на которой можно создавать стабильный и непрерывный терагерцевый лазерный разряд. На данный момент физики получили квазистационарную сферическую плазму диаметром 1 мм, температурой 5 эВ и плотностью 3,5 × 1017 см-3, что отвечает начальным требованиям. Запланированы работы по увеличению температуры плазмы. Если концепция будет успешно продемонстрирована с помощью НЛСЭ, то отработанную технологию можно будет реализовать в более компактных установках, на основе разрабатываемых сейчас терагерцевых гиротронов ИПФ РАН. Результаты опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Plasma Sources Science and Technology.
Сегодня в производстве микроэлектроники широко используется метод фотолитографии, позволяющий формировать на кремниевой поверхности микрочипов структуры, размеры которых достигли нескольких нанометров. Тренд на уменьшение микросхем требует соответствующих технологий. Например, для развития микроэлектроники актуальной является задача создания источников экстремального ВУФ излучения, так как только они работают на необходимой длине волны, порядка 10–30 нанометров. Именно источник излучения является основным элементом ВУФ литографа, от его характеристик (яркости, стабильности и мощности) зависит производительность всей установки.
«Источники ВУФ излучения, которые используются в действующих в настоящее время литографах, построены на вполне естественном принципе – любым способом получить требуемый экстремальный ультрафиолет, – прокомментировал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Виталий Кубарев. – Обычно для этого используют сложные системы на основе мощных импульсных CO2-лазеров, которые стреляют по летящим вниз каплям расплавленного олова. Таким методом получают плазму, излучающую ВУФ свет. С оловом работают все, в том числе и монополисты литографического производства, компания ASML. Но это не значит, что это единственный верный и удобный способ получить экстремальный ультрафиолет. Так как оловянная плазма образуется в результате процессов, неустойчивых по своей природе, то назвать такой источник излучения стабильным нельзя. К тому же, разлетающееся олово быстро загрязняет дорогие зеркала оптической системы и их приходится очень часто менять, то есть долговременной стабильности в такой системе тоже нет. Поэтому любая альтернатива в направлении создания стабильного источника – актуальна. Нет сомнений в практической полезности такого источника для развития отечественной микроэлектроники».
Специалисты ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН решили объединить свои научные компетенции и исследовательскую инфраструктуру для разработки и демонстрации концепции новой литографической технологии – создания яркого стабильного источника экстремального ВУФ излучения на основе лазерного разряда атмосферного давления в ксеноне. Физики работают на пользовательской станции НЛСЭ, где на данный момент им удалось получить такие параметры излучения, которые говорят о жизнеспособности концепции. Но впереди еще много работы.
«НЛСЭ – единственный в мире лазер, который способен создать непрерывный квазистационарный терагерцевый лазерный разряд, – добавил Виталий Кубарев. – Другого такого лазера в мире нет. А для работы с газовыми средами атмосферного давления оптимальным является именно терагерцевый диапазон. Поэтому вполне естественно, что мы занимаемся подобными исследованиями. Под эту работу был получен грант РНФ. В этом направлении мы работаем на протяжении семи лет и на данный момент получили промежуточные очень хорошие результаты. Благодаря применению ряда новшеств по ограничению объема плазмы и ее стабилизации вблизи фокуса излучения НЛСЭ, нам удалось получить квазистационарную плазму диаметром 1 мм, температурой 5 эВ и плотностью 3,5 × 1017 см-3. В этом состоянии ее поддерживает импульсно-периодическое излучение НЛСЭ со средней мощностью всего 200 Вт. Параметры плотности плазмы и ее размер достаточны, а вот температур мы бы хотели достичь больших, около 10–12 эВ. При этом уже пройден путь от 1 эВ до 5 эВ. Чем больше температура, тем выше кратность ионов ксенона в плазме, которые и излучают экстремальный ультрафиолет. Дальнейшее увеличение температуры планируется достичь за счет увеличения средней мощности излучения НЛСЭ. Средняя мощность НЛСЭ 200 Вт при импульсной мощности около 1 МВт получена в обычном режиме НЛСЭ с одним внутрирезонаторным световым импульсом, обращающемся на частоте 5,6 МГц. Но в НЛСЭ есть возможность работы с двумя и четырьмя внутрирезонаторными импульсами с соответствующим повышением средней мощности в 2 и 4 раза. Для реализации таких режимов на мощностях близких к максимальным требуется тщательная отладка и настройка всех систем НЛСЭ, которая проводится в настоящее время».
Помимо использования субмиллиметрового электромагнитного излучения как инструмента по созданию лазерного разряда новшество концепции новосибирских и нижегородских физиков состоит в том, что в качестве химического элемента, который будет хорошо излучать на данной длине волны, они использует не олово, а ксенон.
«Когда возникла идея использовать экстремальный ультрафиолет в литографии, то сразу встал вопрос, а какой химический элемент лучше всего подходит для излучения на длине волны 13,5 нанометров, для которой тогда умели делать многослойные зеркала. Остановились на олове, – прокомментировал старший научный сотрудник ИПФ РАН кандидат физико-математических наук Александр Сидоров. – А когда научились делать хорошие многослойные зеркала на длину волны 11,2 нанометров, то для этого диапазона самым идеальным источником излучения подошел именно ксенон. Сначала мы в ИПФ РАН попробовали получить плазму при помощи мощного микроволнового излучения, генерируемого в установках, на разработке и производстве которых мы специализируемся – гиротронах. Наши электровакуумные СВЧ-генераторы работают в миллиметровом диапазоне, а самые современные – в том числе и в терагерцевом диапазоне, но длина волны излучения этих приборов не настолько короткая, как длина волны НЛСЭ. Поэтому мы объединили наши усилия с ИЯФ СО РАН и теперь вместе работаем на уникальном источнике тергерцевого излучения. Параллельно с поисковыми работами на НЛСЭ, призванными продемонстрировать работоспособность концепции новой технологии, мы в ИПФ РАН модернизируем свои флагманские приборы – гиротроны, чтобы в будущем они могли работать в как можно более коротковолновом терагерцевом диапазоне с как можно большей средней мощностью. И если все сложится успешно, то показав при помощи НЛСЭ, как организовать разряд для яркого стабильного источника экстремального ВУФ излучения, и используя излучение гиротрона (более компактной и масштабируемой, чем НЛСЭ, установки), мы получим готовую технологически тиражируемую установку».
Работы ведутся при поддержке гранта РНФexternal link, opens in a new tab.