專利名稱：極紫外激光等離子體光源碎片隔離器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光等離子體光源的碎片隔離器，特別涉及極紫外激光等離子體光源碎片隔離器。
背景技術：
通常極紫外(EUV)光波長在5nm-15nm范圍內，根據(jù)瑞利衍射極限與波長和數(shù)字孔徑(NA)的關系，應用短波長的光源，可以大大提高大NA光學系統(tǒng)極限分辨率。近年來高分辨率EUV活體生物顯微鏡、高分辨率EUV光刻和檢測系統(tǒng)等許多應用領域的研究開發(fā)，急需滿足性能要求的EUV光源。但是激光等離子體光源產生EUV光時面臨激光(YAG激光)轟擊靶材產生碎片污染問題，導致光學系統(tǒng)污染，使系統(tǒng)性能嚴重下降甚至不能工作，影響光學系統(tǒng)的使用壽命。
目前，部分研究者為了解決碎片污染問題，針對自己的系統(tǒng)設計了不同的隔離器，例如文獻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；文獻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；文獻3M.Yamamoto et al.<Compact debris shutter design of a laser-indeucedplasma source for high NA application>，SPIE proceedings，2000，vol.4146，pp128-131；上述研究均是在沉積EUV多層膜反射鏡的基片前，通過空心柱面的三孔通道來隔離碎片，目的是限制激光鍍膜系統(tǒng)中，到達多層膜反射鏡的碎片。其結構特點如圖2所示柱體截面直徑20cm，側壁三孔H1直徑7mm、H2直徑10cm、H3直徑10cm，孔H1接近光源和靶體，孔H3接近光學系統(tǒng)。由于三孔兩通道非對稱分布，不易控制碎片的隔離，同時，隔離器的初始狀態(tài)沒有考慮通道處于合適的提前偏離角，在系統(tǒng)工作初期就有碎片通過。文獻2、3報道的隔離器可以很好地隔離高速運動的碎片，但低速運動的碎片依然可以穿過隔離器，造成反射膜沉積不均勻和真空系統(tǒng)的污染。
發(fā)明內容
為克服上述現(xiàn)有技術低速碎片隔離效果較差的缺陷，本發(fā)明提出一種比較普適的、用于極紫外(EUV)激光等離子體光源的碎片隔離器。本發(fā)明隔離器結構簡單、易于控制，可解決EUV激光等離子體光源在激射靶體時產生不可避免的碎片對光學系統(tǒng)的污染問題，對EUV激光等離子體光源在高精度無缺陷多層膜制備、EUV活體生物顯微鏡、EUV高精度干涉計量和EUV光刻中的應用，具有非常重要的意義。
本發(fā)明采用以下技術方案根據(jù)光源及光學系統(tǒng)相關參數(shù)和所建立的運動學理論，本發(fā)明隔離器為一圓柱體高速轉輪，隔離器的圓柱體側面開有一個貫穿圓柱體中心的等截面矩形通道，矩形通道的中心軸線通過圓柱體的中心。圓柱體轉輪的轉軸為圓柱體的中心軸，圓柱體轉輪隔離器安裝在靶與光學系統(tǒng)之間，三者處于同一中心水平線上。圓柱體轉輪的轉軸為垂直方向，并與上述三者中心水平線垂直相交。
圓柱體的半徑為R，高度為D，通道在圓柱體側壁開口的圓弧尺寸為d1，通道高度為d2，轉速是ω，隔離器到靶的距離為L，光學系統(tǒng)到靶的距離為LL。隔離器工作的初始狀態(tài)選擇在隔離器具有一定的初始偏離角，即通道中心軸線和中心水平線的夾角等于θA的位置，在激光轟擊靶材產生等離子體時，隔離器在具有初始偏離角θA的狀態(tài)下，以角速度ω旋轉。通道開口的中心張角為2θW。
本發(fā)明隔離器應滿足下列條件首先d1＝2RθW，d2＝d1d1取決于光源特性和擊射靶體時，對光束發(fā)散角的要求以及光學系統(tǒng)被光照射的尺寸需求若光源的發(fā)散角是θ0角，光源照射光學系統(tǒng)的距離為LL，那么，光源照射光學系統(tǒng)的束斑直徑為
z＝(LL)θ0，本發(fā)明隔離器通道在圓柱體側壁開口的圓弧尺寸d1、通道高度d2、圓柱體高度D應滿足D＞d1＝d2＞z以便使光源發(fā)射出的束斑直徑小于d1、d2的光可通過隔離器，沒有束斑的攔截和能量的損失。
本發(fā)明被隔離的碎片能運動的最大距離Y＝L+2R本發(fā)明隔離器轉速ω＝2πv(rad/s)v是單位時間隔離器旋轉轉數(shù)(rps)設θ1＝θA+θWθ2＝θA-θwθA≥θW當本發(fā)明隔離器在其通道中心軸線與圓柱體轉輪、靶與光學系統(tǒng)三者的中心水平線的夾角等于θA時，處于初始狀態(tài)，此時，通道開口處于碎片運動經過區(qū)域之外，碎片處于被隔離狀態(tài)。當隔離器開始以ω高速旋轉，同時激光等離子體轟擊靶材。從隔離器開始旋轉時記時，通道旋轉過θA角度時，經過一定的時間T1(即ΔT1，也表示第一次通道關閉狀態(tài)持續(xù)的時間)后，通道前端開口位置旋轉到碎片運動經過的區(qū)域，即通道開始打開，經過Δt1時間后，通道打開結束并開始關閉，通道打開結束的時刻為t1。隨著隔離器的旋轉，在隔離器旋轉過程中，通道第一次關閉和打開經歷的時間為T1和t1，通道處于第一次關閉和打開狀態(tài)持續(xù)的時間為ΔT1和Δt1，通道如此打開和關閉的過程在隔離器旋轉的過程中會出現(xiàn)第2，3，……n次。n是一個激光脈沖周期內，隔離器開關通道的開關周期，其大小和激光器的特性及隔離器的旋轉速率有關，第2……m 各激光脈沖到來時，重復上述過程。為了便于理解，表1列舉了n＝5的上述幾個狀態(tài)，相應狀態(tài)結束經歷的時間和該狀態(tài)持續(xù)的時間間隔如表1所示。
表1，隔離器通道開通和關閉時間以及開通與關閉狀態(tài)持續(xù)的時間
值得注意的是在通道前端開口經過碎片飛行區(qū)域時，以一定速率飛來的碎片進入通道，但是，由于隔離器和通道一直在高速旋轉，滿足一定速率分布的碎片仍然會被通道的側壁擋住和隔離，進入通道的碎片不會全部通過。
本發(fā)明被隔離和通過的碎片的速率分布分析如下設碎片由靶出射到達隔離器通過的距離Y＝L+2R，根據(jù)表1所示，在每一次通道關閉和開通中，碎片通過和被隔離的臨界速率V可以表示為ΔT1＝t1-0 (第一次關閉)Y/(T1+Δt1)＝Yω/θ1＜V＜Y/T1＝Yω/θ2(通過)V＞Y/T1＝Yω/θ2(隔離)上式表示，第一次關閉時，臨界速率Y/(T1+Δt1)＝Yω/θ1＜V＜Y/T1＝Yω/θ2的碎片可通過，臨界速率V＞Y/T1＝Yω/θ2的碎片被隔離。
Δt1＝t1-T1(1st開通)V＞Y/t1＝Yω/(θ1)(通過)V＜Y/t1＝Yω/(θ1)(隔離)即第一次開通時，臨界速率Yω/θ1＜V的碎片可通過，臨界速率V＜Y/T1＝Yω/θ1的碎片被隔離。
ΔT2＝T2-t2(2st關閉)Y/t2＜V＜Y/T2＝Yω/(π-θ2) (通過)V＞Y/T2＝Yω/(π-θ2) (隔離)即第二次關閉時，臨界速率Y/t2＜V＜Y/T2＝Yω/(π-θ2)的碎片可通過，臨界速率V＞Y/T2＝Yω/(π-θ2)的碎片被隔離。
Δt2＝t2-T2(2st開通)V＞Y/t2＝Yω/(π+θ1) (通過)V＜Y/t2＝Yω/(π+θ1) (隔離)即第二次開通時，臨界速率V＞Y/t2＝Yω/(π+θ1)的碎片可通過，臨界速率V＜Y/t2＝Yω/(π+θ1)的碎片被隔離。
ΔT3＝T3-t2(3st關閉)V＜Y/T3＝Yω/(2π-θ2) (通過)V＞Y/T3＝Yω/(2π-θ2) (隔離)即第三次關閉時，臨界速率V＜Y/T3＝Yω/(2π-θ2)的碎片可通過，臨界速率V＞Y/T3＝Yω/(2π-θ2)的碎片被隔離。
Δt3＝t3-T3(3st開通)V＞Y/t3＝Yω/(2π+θ1) (通過)V＜Y/t3＝Yω/(2π+θ1) (隔離)即第三次開通時，臨界速率V＞Y/t3＝Yω/(2π+θ1)的碎片可通過，臨界速率V＜Y/t3＝Yω/(2π+θ1)的碎片被隔離。
ΔT4＝T4-t3(3st關閉)V＜Y/T4＝Yω/(3π-θ2) (通過)V＞Y/T4＝Yω/(3π-θ2) (關閉)即第四次關閉時，臨界速率V＜Y/T4＝Yω/(3π-θ2)的碎片可通過，臨界速率V＞Y/T4＝Yω/(3π-θ2)的碎片被隔離。
Δt4＝t4-T4(4st開通)V＞Y/t4＝Yω/(3π+θ1) (通過)V＜Y/t4＝Yω/(3π+θ1) (隔離)即第四次開通時，臨界速率V＞Y/t4＝Yω/(3π+θ1)的碎片可通過，臨界速率V＜Y/t4＝Yω/(3π+θ1)的碎片被隔離。
依次類推第n次通道開通結束的時間((n-1)π+θ1)/ω，n＝1，2，3....
第n次通道關閉結束的時間((n-1)π+θ2)/ω，n＝1，2，3....
第n次通道開通結束能被隔離的碎片的臨界速率VSCn=(L+2R)ω(n-1)π+θ1,]]>n＝1，2，3....
第n次通道關閉結束能通過隔離器的碎片的臨界速率VpCn=(L+2R)ω(n-1)π+θ2,]]>n＝1，2，3....
因此，在每一次通道開關的周期內，都有一定數(shù)量、具有某一速度的碎片通過，也會有一定數(shù)量、具有某一速度的碎片被隔離。
當碎片臨界速率滿足下列關系時，碎片被隔離，不會到達光學系統(tǒng)V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>而速率Vp分布在下列范圍內的碎片將通過隔離器的通道
V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1<VP<(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>其中，V1和V2表示碎片的兩個臨界速率。
綜上所述，根據(jù)實際應用的需要，優(yōu)化設計隔離器的尺寸、位置和轉速與激光等離子體脈沖頻率之間的關系，本發(fā)明便可以最大限度隔離碎片，即被本發(fā)明隔離器隔離的碎片速率覆蓋范圍最大，從而達到預防碎片污染的目的，同時不影響光線通過。
在激光轟擊靶材產生等離子體時，隔離器在具有初始偏離角θA的狀態(tài)下，以ω角速度旋轉，激光器停止工作后再停止碎片隔離器的工作。
下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1a為本發(fā)明隔離器的立體圖；圖1b為本發(fā)明隔離器的主視圖；圖1c為本發(fā)明隔離器的A-A面剖視圖；圖中1隔離器，2通道，3靶，4光學系統(tǒng)；圖2為文獻3使用的隔離器示意圖；圖3a為隔離器初始狀態(tài)(t＝0)示意圖，圖3b為t＝T1+(1/2)Δt1狀態(tài)的示意圖；圖4為隔離器通道不斷開通和關閉和4個周期示意圖；圖5為實施例隔離器的結構和位置示意圖；圖6為被隔離的碎片臨界速率V1和V2隨隔離器通道的開關周期n的分布。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明隔離器是一個高速旋轉的圓柱體轉輪1。圓柱體轉輪1的側面開有一個貫穿圓柱體中心的等截面矩形通道2，矩形通道2的中心軸線通過圓柱體1的中心，圓柱體轉輪1的轉軸為圓柱體的圓形中心軸，靶3與光學系統(tǒng)4分別安裝在上述圓柱體轉輪1的兩端，三者處于同一中心水平線上。圓柱體轉輪的轉軸為垂直方向，并與上述三者中心水平線垂直相交。
通道2在圓柱體轉輪1側壁開口的圓弧尺寸為d1，通道2高度為d2，圓柱體轉輪1的圓截面半徑是R，高度是D，轉速是ω，隔離器到靶3的距離為L，光學系統(tǒng)4到靶的距離為LL。隔離器工作的初始狀態(tài)選擇在通道2中心軸線和水平線的夾角等于θA的位置，通道空心開口的中心張角為2θW。
本發(fā)明工作原理和工作過程如下當本發(fā)明隔離器在其通道2中心軸線與水平線的夾角等于θA時，處于初始狀態(tài)，此時t＝0，如圖3a所示。這時，通道2的開口處于碎片運動經過區(qū)域之外，碎片被隔離。當隔離器開始以ω高速旋轉，同時激光等離子體轟擊靶材。從隔離器開始旋轉時記時，經過一定的時間T1(ΔT1)后，即通道2旋轉過θA角度時，通道2前端開口位置旋轉到碎片運動經過的區(qū)域，即通道開始打開，如圖4的(a)狀態(tài)所示。當隔離器轉過θ1＝θA+θW后，通道處于打開階段的某一狀態(tài)，如圖3b所示。Δt1時間后，通道打開結束并開始關閉，通道打開結束的時刻為t1，如圖4的(b)狀態(tài)所示。隨著隔離器的旋轉，在隔離器旋轉過程中，通道第一次關閉和打開經歷的時間為T1和t1，通道第一次關閉和打開狀態(tài)持續(xù)的時間為ΔT1和Δt1，通道這樣打開和關閉的過程在隔離器旋轉的過程中會出現(xiàn)第2，3，4(如圖4的(c)，(d)，(e)，(f)，(g)狀態(tài)所示)……n次，n是一個激光脈沖周期內，隔離器開關通道的開關周期，其大小和激光器的特性及隔離器的旋轉速率有關，第2……m各激光脈沖到來時，重復上述過程。如YAG激光脈沖頻率是10Hz，一個激光脈沖的時間是0.1s。0.1秒內隔離器轉50轉，每轉通道2開關開通和關閉2次，即一個激光脈沖時間內，隔離器通道2開通和關閉100次。接下來的激光脈沖不斷到來時，隔離器繼續(xù)旋轉、不斷重復上述過程。
本發(fā)明一具體實施例如圖5所示，隔離器每秒轉500轉。
ω＝2πv(rad/s) θw＝d1/2Rv＝500(rps)d1＝8.736mm，L＝320mm，R＝30mm，θW＝0.146rad，θA＝2θW＝0.292rad激光器的發(fā)散角θ0＝0.00273(rad)靶3到光學系統(tǒng)4的距離LL＝1100mm激光到達光學系統(tǒng)的束斑直徑Z＝3mm(Z＜d1)根據(jù)下式計算的結果如表2所列，結果表明速率Vs分布在V1和V2之間，V1＞Vs＞V2范圍內的碎片被本發(fā)明隔離器隔離。
V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>圖6為被隔離的碎片臨界速率V1和V2隨隔離器通道的開關周期n的分布。如圖6所示，本發(fā)明隔離器可以實現(xiàn)對速率分布在較大范圍內的碎片進行隔離，被隔離的碎片速率分布在圖中V2曲線的上部和V1曲線的下部，而通過隔離器的碎片僅僅在V1和V2曲線圍成的很小區(qū)域內。可以看到，被隔離碎片的速率分布范圍較大，說明本發(fā)明具有較大的速率覆蓋率。同時，本發(fā)明隔離器既可以隔離運動速率較大的碎片，也可以隔離運動速率較小的碎片。如YAG激光脈沖頻率是10Hz，一個激光脈沖的時間是0.1s。在0.1秒內，隔離器轉50轉，每一轉通道開關開通和關閉2次，即一個激光脈沖時間內，隔離器通道開通和關閉100次。n＝1時，隔離高速V＜2724.01m/s，和V＞8260.87m/s的碎片，這時，速度低的碎片還沒有飛到隔離器的位置，待下一個轉動周期來臨，有部分被隔離，部分穿過隔離器通道，而n＝100時，隔離V＜3.833m/sV＞3.837m/s速率極低的碎片在速率分布很小的范圍內，可以通過隔離器。
在實際的不同應用場合中，可以根據(jù)不同應用系統(tǒng)的激光脈沖、光學系統(tǒng)和相對位置，設計隔離器的尺寸(R，d)、初始偏離角θA，張角2θW、轉速等。
表2，被隔離的碎片臨界速率V1和V2隨隔離器通道的開關周期n的分布數(shù)據(jù)
權利要求
1.一種極紫外激光等離子體光源碎片隔離器，其特征在于它是一個高速旋轉的圓柱體轉輪[1]，圓柱體轉輪[1]的側面開有一個貫穿圓柱體中心的等截面矩形通道[2]，矩形通道[2]的中心軸線通過圓柱體[1]的中心，矩形通道[2]的長邊與圓柱體[1]的端面平行，圓柱體轉輪[1]的轉軸為圓柱體的圓形中心軸；圓柱體轉輪[1]安裝在靶[3]與光學系統(tǒng)[4]之間，三者處于同一中心水平線上；圓柱體轉輪[1]的轉軸為垂直方向，并與上述三者中心水平線垂直相交；通道[2]在圓柱體轉輪[1]側壁開口的圓弧尺寸為d1，通道[2]高度為d2，圓柱體轉輪[1]高度為D，光源照射光學系統(tǒng)的束斑直徑為zD＞d1＝d2＞z。
2.按照權利要求1所述的極紫外激光等離子體光源碎片隔離器，其特征在于(1)速度Vs落在下列范圍內的碎片被隔離器隔離V1=(L+2R)ω(n-1)π+θ1>VS]]>和VS>(L+2R)ω(n-1)π+θ2=V2]]>(2)速率Vp分布在下列范圍內的碎片將通過隔離器的通道[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運動碎片的兩個臨界速率，R圓柱體轉輪[1]的圓截面半徑，ω圓柱體轉輪[1]轉速，L隔離器到靶[3]的距離，θA隔離器初始偏離角，即通道[2]中心軸線和圓柱體轉輪[1]、靶[3]與光學系統(tǒng)[4]三者的中心水平線的夾角，2θW通道開口的中心張角，d1＝2RθW。
3.按照權利要求1或2所述的極紫外激光等離子體光源碎片隔離器，其特征在于隔離器工作的初始狀態(tài)選擇在初始偏離角為θA的位置；在激光轟擊靶材產生等離子體時，隔離器在具有初始偏離角θA的狀態(tài)下，以角速度ω旋轉，激光器停止工作后再停止隔離器的工作。
全文摘要
一種極紫外(EUV)激光等離子體光源碎片隔離器，其特征在于它是一個高速旋轉的圓柱體轉輪[1]，側面開有貫穿圓柱體中心的等截面矩形通道[2]，圓柱體轉輪[1]安裝在靶[3]與光學系統(tǒng)[4]之間，三者處于同一中心水平線上。圓柱體轉輪[1]的轉軸為垂直方向，并與上述三者中心水平線垂直相交。本發(fā)明隔離器工作的初始狀態(tài)選擇在通道[2]中心軸線和中心水平線的夾角等于θ
文檔編號G02F1/09GK1959463SQ20051008679
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權日2005年11月4日
發(fā)明者李艷秋 申請人:中國科學院電工研究所