有望实现EUV曝光的高功率输出，北海道大学成功观测光源等离子体流

北海道大学（北大）2月6日宣布，在先进半导体制造所需的“EUV曝光技术”中，揭示了光源等离子体的复杂流动结构，该结构在高功率化中起着重要作用。

这一成果来自一个国际联合研究小组，包括北大工程学院副教授富田健太郎、大阪大学激光科学研究所的西原正树博士（大阪大学名誉教授）和普渡大学的Sawahara博士以及千兆光子的研究人员。 

EUV曝光技术由半导体制造商采用，这些制造商生产台积电和三星电子等先进逻辑半导体。 其波长为13.5nm，而不是结合以前在ArF和KrF曝光中使用的透镜，通过结合高度抛光的反射镜，从光源将光输送到晶圆。 然而，由于反射镜的反射率不高，由于每次反射的输出都会衰减，为了向晶圆提供足够的光量，需要光源的高输出，同时增加所需的功率，为了实现高吞吐量以及低功耗，其研发仍在继续。

然而，EUV发光的原理还有待澄清，为了阐明这一点，有必要测量光源等离子体的温度和密度，以及等离子体流动等基本物理量，它们对于等离子体的控制也很重要。 然而，EUV光源等离子体的寿命约为20纳秒，直径为0.5mm，密度约为0.2kg/m3，由于其移动速度超过10公里/秒，因此很难测量，到目前为止，EUV光源的开发一直处于未知状态。

因此，研究人员决定在这项研究中尝试测量它们。

作为测量EUV光源等离子体的一种可能方法，有激光汤姆森散射（LTS）方法。 该方法从外部入射激光，通过测量等离子体和激光相互作用产生的散射光，但获得非接触式高空间和时间分辨率，产生的散射光非常弱，EUV光源等离子体的LTS测量在技术上是不可能的。 因此，这次他决定规划和制作一个“差分分散衍射光栅光谱仪”，由六个“反射衍射光栅”组成。

实际使用同光谱仪进行测量时，在等离子体的中心位置（在等离子体生成激光的轴上），发现形成比外围低密度的空心状结构。 在各种条件下测量后，发现空心结构在提高效率方面起着重要作用的可能性很大。 然而，当这种空心结构被表达时，为什么适合EUV辐射的高温和高密度等离子体被维持相对较长的时间，据说是不清楚的。

因此，研究人员认为等离子体的温度、密度和流动很重要，因此决定关注汤姆森散射光谱的多普勒移位。 等离子体流动的速度约为光速的万分之一，等离子体的流动信息清楚地出现在接收的散射光的移位中。 对移位进行了高级分析，在±约20μm的微小区域内，等离子体流的方向反转180度，如流量大小也发生各种变化，存在精细的速度场结构，它被确认为速度的绝对值（每秒10公里左右的高速流动）。

此外，朝向等离子体的中轴，也观察到了特征等离子体的流动。 该流并不总是存在的，因为它依赖于等离子体生成条件，除了发现可以在相同条件下控制流动外，根据等离子体内部温度、密度和流场的时间和空间变化，可以澄清EUV辐射的效率。

等离子体（EUV光源）由从左到右照射的激光加热，具有集中在中心的流动，特别是发现EUV光从图中的明亮区域有效发射。 流向中心可以降低等离子体在周围扩散的速度，并有效减少周围镜子的污染（资料来源：北大新闻稿PDF）

这是通过中空结构表现时产生朝向中心轴上的流动，发现适合于EUV发光的等离子体具有在中心部长时间停留的效果的结果，该一系列的等离子体速度测量技术在成为EUV光源的进一步高输出化的关键的同时，控制等离子体的流动来提高光的输出， 研究人员解释说，一个全新的概念已经显示出的可能性。

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（A） 等离子体生成前 Sn 目标的阴影图像。 （b） 等离子体的电子密度（上）和电子温度（下侧）的轮廓。 激光从图中的左到右照射。 激光轴上的温度为 30-40eV（1eV 约为 10，000 度），最适合 EUV 辐射，并确认其密度高于外围部分

另外，通过本次研究，表明EUV的高输出化需要等离子体的温度和密度的最优化，为了实现其最佳温度·密度，等离子体的流动的控制很重要，特别是，诱导向中心方向的流动，由于有效地将发光的等离子体长时间封闭，或者等离子体具有保温效果，因此，在研究小组中， 该流还有望对等离子体的动能产生抑制作用。

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（a） 一般等离子体流动说明; （b） 解释在这项研究中观察到的等离子体流向中心方向。 通过等离子体对激光能量的非线性吸收过程，在激光强度低的外围形成高压区域，形成流向等离子体中心的流动。 一些高温和高密度等离子体可以留在中心

此外，等离子体速度测量技术，以非接触方式可视化速度场，即流场，有望在所有激光过程中实现“现场观测”，从飞秒到纳秒，并有望在未来不仅应用于EUV光源开发，而且在广泛的领域应用。