左から右に照射されたレーザーにより、加熱されたプラズマ(EUV光源)が中心に集まる流れを持つ
特に図の明るい領域から、効率よくEUV光が放出されることが判明。
中心部への流れは、プラズマが周辺に拡散する速度を抑え、周辺のミラーの汚染の低減に効果的
(出所:北大プレスリリースPDF)
(a)プラズマ生成前のSnターゲットの影絵像
(b)プラズマの電子密度(上側)と電子温度(下側)のプロファイル
レーザーは図の左から右に照射されている。
レーザー軸上はEUV放射に最適な温度30～40eV(1eVは約1万度)
密度は周辺部の方が高い中空様構造を確認
(出所:北大プレスリリースPDF)
EUV exposure technology: 光源プラズマ流の構造解明！
structure du flux plasma de la source lumineuse !
Struktur des Lichtquellen-Plasmaflusses!
structure of the light source plasma flow!
闡明光源等離子流的結構！
ー「差分散型回折格子分光器」を作製ー
ー「光源プラズマ流の観測」に成功 ー
北海道大学(北大)：
先端半導体製造で必要な「EUV露光技術」
2月6日、
高出力化に重要な役割を果たす光源プラズマの複雑な流れの構造を明らかにした。
北大大学院 富田健太郎准教授、
大阪大学 西原功修名誉教授、
パデュー大学 砂原淳博士ーギガフォトン研究者も参加した国際共同研究チームによるものー
詳細が、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。
EUV露光技術：
TSMCやSamsung Electronicsなど、半導体メーカーが採用している。
その波長は13.5nm
それまでのArFやKrF露光で用いられてきたレンズを組み合わせるのではない。
高度に磨かれた反射ミラーを組み合わせて、光源から光がウェハまで届けられる。
ミラーの反射率：
しかし、ミラーの反射率は高くない。反射するごとに出力が減衰するのだ。
光源の高出力化：
ウェハに十分な光量を届けるためには、光源の高出力化が必要だ。しかし、必要とする電力も増加する。
低消費電力化と併せて現在も高スループットの実現に向け、その研究開発が続く。
EUVが光る原理：
EUVが光る原理には未解明なところがある。
その解明には：
「光源プラズマの温度や密度、プラズマの流れなどの基本的な物理量」を計測する必要がある。
「プラズマの制御のために、それらが重要」だ。
EUV光源プラズマの特徴：
直径0.5mmで、
20ナノ秒程度の寿命、
かつ0.2kg/m3程度の密度、
秒速10km以上の移動速度など、様々な特徴を有している。
その計測は難しいとされてきた。
これまでのEUV光源開発では、それら基本的な物理量が不明のままに進められていた。
そこで研究チームは、今回の研究にて、それらの計測を試みることにした。
EUV光源のプラズマを計測：
EUV光源プラズマを計測可能な手段として、レーザートムソン散乱(LTS)法がある。
レーザートムソン散乱(LTS)法：
外部からレーザーを入射し、プラズマとレーザーの相互作用で生じる散乱光を計測する。
非接触で高い空間・時間分解能が得られる。
差分散型回折格子分光器を立案・作製：
得られる散乱光が極めて微弱なのが課題で、「EUV光源プラズマのLTS計測は技術的に不可能」とされてきた。
反射型回折格子を採用：
6枚の「反射型回折格子」などからなる、「差分散型回折格子分光器」を作製した。
分光器を用いた計測：
差分散型回折格子分光器を用い、計測した。
プラズマの中空様構造：
プラズマの中心位置(プラズマ生成用レーザーの軸上)では、「周辺部より低密度の中空様構造が形成されていること」が判明した。
さまざまな条件で計測の結果、そのプラズマの中空様構造が、高効率化に重要な役割を果たしている。
ただし、
この中空様構造が発現すると、
「なぜEUV放射に適した高密度プラズマが、比較的長時間維持されるのか」はわからなかった。
トムソン散乱光スペクトル：
ードップラーシフトに着目ー
そこで研究チームは、「プラズマの温度、密度、その流動が重要」と考えた。
「トムソン散乱光スペクトルのドップラーシフト」に着目することにした。
プラズマ流動速度は光速の1万分の1である。
受光する散乱光のドップラーシフトには、プラズマの流動情報が明確に現れる。
ドップラーシフトを解析：
ドップラーシフトの高度解析を行った結果、
±20μm程度の微小領域内で、プラズマ流の方向は180度反転し、流れの大きさもさまざまに変化する。
微細な速度場構造が存在することや、速度の絶対値(秒速10kmの高速な流れ)として、可視化した。
プラズマの流れを観測：
また、プラズマの中心軸上に向かう、特徴的なプラズマの流れを観測した。
その流れは常に存在するわけではなく、プラズマ生成条件に依存していた。
プラズマの流れを制御：
同条件で流れを制御できることが判明した。
プラズマ内部の「温度・密度、流れ場の時間・空間変化」を基に、「その流れがEUV放射の効率を高めていること」を解明した。
プラズマの流れ制御が重要：
今回の研究により、EUVの高出力化には、プラズマの温度と密度の最適化が必須だ。
その最適な温度・密度を実現するには、プラズマ流れ制御が重要なことを示した。
特に、
「中心方向への流れを誘起することが、効率よく光るプラズマを長時間閉じ込める」のだ。
プラズマの保温効果があることを示した。
「プラズマ流れ制御で、プラズマの運動エネルギーを抑える効果」も期待できる。
プラズマ速度の計測技術：
ープラズマ速度の計測技術により、流れ場を非接触に可視化ー
「フェムト秒からナノ秒まで、「すべてのレーザープロセスにおける観測」を実現できる。
今後は、EUV光源開発だけでなく、幅広い分野での応用を行う。
TECH+
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20230207-2585644/
Un flux de plasma chauffé (source de lumière EUV) rassemblé au centre par irradiation laser de gauche à droite
Il a été constaté que la lumière EUV est émise de manière particulièrement efficace à partir des zones lumineuses de la figure.
Le flux vers le centre réduit la vitesse à laquelle le plasma se diffuse vers la périphérie, réduisant efficacement la contamination des miroirs périphériques.
(Source: communiqué de presse de l’Université d’Hokkaido PDF)
(a) Image de la silhouette de la cible Sn avant la génération de plasma
(b) Profil de la densité électronique du plasma (en haut) et de la température des électrons (en bas)
Le laser est émis de gauche à droite sur la figure.
Sur l’axe laser, la température optimale pour le rayonnement EUV est de 30 à 40 eV (1 eV correspond à environ 10 000 degrés)
Une structure en forme de creux avec une densité plus élevée à la périphérie a été confirmée.
(Source: communiqué de presse de l’Université d’Hokkaido PDF)
Technologie d’exposition EUV : Élucidation de la structure du flux plasma de la source lumineuse !
– Fabrication de “Spectromètre Différentiel à Réseau de Dispersion” –
-Observation réussie du flux de plasma de source lumineuse-
Université d’Hokkaido (Université d’Hokkaido):
“Technologie d’exposition EUV” nécessaire à la fabrication avancée de semi-conducteurs
6 février,
Nous avons clarifié la structure du flux complexe du plasma source de lumière, qui joue un rôle important dans l’augmentation de la puissance de sortie.
Professeur associé Kentaro Tomita, Graduate School of Hokkaido University,
Professeur émérite Konobu Nishihara, Université d’Osaka,
Université Purdue Dr Atsushi Sunahara
– Par une équipe de recherche conjointe internationale comprenant des chercheurs de Gigaphoton –
Les détails ont été publiés dans la revue universitaire britannique en ligne “Scientific Reports”.
Technologie d’exposition EUV :
Utilisé par les fabricants de semi-conducteurs tels que TSMC et Samsung Electronics.
Sa longueur d’onde est de 13,5 nm
Ce n’est pas une combinaison de lentilles qui ont été utilisées pour l’exposition ArF et KrF jusqu’à ce point.
La lumière provenant de la source lumineuse est transmise à la plaquette à l’aide d’une combinaison de miroirs réfléchissants hautement polis.
Réflectivité miroir :
Cependant, la réflectivité du miroir n’est pas élevée. La sortie est atténuée à chaque réflexion.
Source lumineuse haute puissance :
Afin de fournir une quantité suffisante de lumière à la plaquette, il est nécessaire d’augmenter le rendement de la source lumineuse. Cependant, il nécessite également plus de puissance.
La recherche et le développement se poursuivent aujourd’hui pour atteindre un débit élevé ainsi qu’une faible consommation d’énergie.
Principe de la lumière EUV :
Le principe de la lumière EUV n’est pas encore clair.
La clarification comprend :
Il est nécessaire de mesurer “des grandeurs physiques de base telles que la température et la densité du plasma de la source lumineuse et le flux du plasma”.
“Pour le contrôle du plasma, ils sont importants.”
Caractéristiques du plasma source de lumière EUV :
0,5 mm de diamètre,
Durée de vie de l’ordre de 20 ns,
et une masse volumique d’environ 0,2 kg/m3,
Il a diverses caractéristiques telles qu’une vitesse de déplacement de 10 km/s ou plus.
Sa mesure a été difficile.
Jusqu’à présent, le développement des sources lumineuses EUV s’est déroulé sans connaître ces grandeurs physiques de base.
Par conséquent, l’équipe de recherche a décidé d’essayer de les mesurer dans cette étude.
Mesurer le plasma d’une source lumineuse EUV :
La méthode de diffusion laser Thomson (LTS) est disponible comme moyen de mesurer le plasma de la source lumineuse EUV.
Méthode de diffusion laser Thomson (LTS) :
Un laser est injecté depuis l’extérieur et la lumière diffusée générée par l’interaction entre le plasma et le laser est mesurée.
Une résolution spatiale et temporelle élevée peut être obtenue sans contact.
Planification et fabrication d’un spectromètre différentiel à réseau de dispersion :
Le problème est que la lumière diffusée obtenue est extrêmement faible, et il a été dit que “la mesure LTS du plasma de la source de lumière EUV est techniquement impossible”.
Utilise un réseau de diffraction réfléchissant :
Un “spectromètre à réseau de dispersion différentielle” composé de six “réseaux de réflexion” a été fabriqué.
Mesure à l’aide d’un spectromètre :
Elle a été mesurée à l’aide d’un spectromètre à réseau de dispersion différentielle.
Structure creuse du plasma :
A la position centrale du plasma (sur l’axe du laser de génération de plasma), il a été constaté qu'”une structure en forme de creux avec une densité inférieure à la partie périphérique s’est formée”.
À la suite de mesures dans diverses conditions, la structure creuse du plasma joue un rôle important dans l’obtention d’un rendement élevé.
cependant,
Lorsque cette structure en forme de creux apparaît,
“Pourquoi le plasma à haute densité adapté au rayonnement EUV est maintenu pendant une période relativement longue” était inconnu.
Spectre de lumière diffusée Thomson :
Zoom sur le décalage Doppler
Par conséquent, l’équipe de recherche a pensé que “la température, la densité et le flux du plasma sont importants”.
J’ai décidé de prêter attention au “décalage Doppler du spectre de la lumière diffusée par Thomson”.
La vitesse d’écoulement du plasma est de 1/10 000 de la vitesse de la lumière.
Les informations sur le flux de plasma apparaissent clairement dans le décalage Doppler de la lumière diffusée reçue.
Analysez le décalage Doppler :
À la suite d’une analyse avancée du décalage Doppler,
La direction du flux de plasma est inversée de 180 degrés et l’amplitude du flux varie dans une zone minuscule d’environ ± 20 μm.
Il a été visualisé comme l’existence d’une structure de champ de vitesse fine et la valeur absolue de la vitesse (écoulement à grande vitesse de 10 km/s).
Observation du flux de plasma :
Nous avons également observé un flux de plasma caractéristique vers l’axe central du plasma.
Le flux n’était pas toujours présent et dépendait des conditions de génération du plasma.
Contrôler le flux de plasma :
Il a été constaté que le débit pouvait être contrôlé dans les mêmes conditions.
Sur la base des “changements temporels et spatiaux de la température, de la densité et du champ d’écoulement” à l’intérieur du plasma, nous avons précisé que “le flux améliore l’efficacité du rayonnement EUV”.
Le contrôle du flux plasma est important :
Selon ces recherches, il est essentiel d’optimiser la température et la densité du plasma afin d’augmenter le rendement des EUV.
Il a été démontré que le contrôle du flux de plasma est important pour obtenir la température et la densité optimales.
en particulier,
“L’induction d’un flux vers le centre confine efficacement le plasma incandescent pendant une longue période.”
Il a été démontré que le plasma a un effet de rétention de chaleur.
“L’effet de suppression de l’énergie cinétique du plasma en contrôlant le flux de plasma” peut également être attendu.
Technologie de mesure de la vitesse du plasma :
-Visualisation sans contact du champ d’écoulement par la technologie de mesure de la vitesse du plasma-
“De la femtoseconde à la nanoseconde”, des observations dans tous les processus laser peuvent être réalisées.
À l’avenir, nous développerons non seulement des sources lumineuses EUV, mais nous les appliquerons également dans un large éventail de domaines.
TECH+
Ein Strom aus erhitztem Plasma (EUV-Lichtquelle), der in der Mitte durch Laserbestrahlung von links nach rechts gesammelt wurde
Es zeigte sich, dass EUV-Licht besonders effizient aus den hellen Bereichen in der Abbildung emittiert wird.
Der Fluss zum Zentrum reduziert die Geschwindigkeit, mit der das Plasma zur Peripherie diffundiert, wodurch die Kontamination der peripheren Spiegel effektiv reduziert wird.
(Quelle: Pressemitteilung der Universität Hokkaido im PDF-Format)
(a) Silhouettenbild des Sn-Targets vor der Plasmaerzeugung
(b) Profil der Plasmaelektronendichte (oben) und Elektronentemperatur (unten)
Der Laser wird in der Figur von links nach rechts emittiert.
Auf der Laserachse liegt die optimale Temperatur für EUV-Strahlung bei 30 bis 40 eV (1 eV entspricht etwa 10.000 Grad)
Eine hohlartige Struktur mit einer höheren Dichte in der Peripherie wurde bestätigt.
(Quelle: Pressemitteilung der Universität Hokkaido im PDF-Format)
EUV-Belichtungstechnik: Aufklärung der Struktur des Lichtquellen-Plasmaflusses!
– Herstellung von “Differential Dispersion Grating Spectrometer” –
-Erfolgreiche Beobachtung des Plasmaflusses der Lichtquelle-
Hokkaido-Universität:
“EUV-Belichtungstechnologie”, die für die fortschrittliche Halbleiterfertigung erforderlich ist
6. Februar,
Wir haben die Struktur der komplexen Strömung des Plasmas der Lichtquelle aufgeklärt, die eine wichtige Rolle bei der Leistungssteigerung spielt.
Außerordentlicher Professor Kentaro Tomita, Graduiertenschule der Universität Hokkaido,
Emeritierter Professor Konobu Nishihara, Universität Osaka,
Purdue University Dr. Atsushi Sunahara
– Von einem internationalen gemeinsamen Forschungsteam mit Gigaphoton-Forschern –
Details wurden in der umfassenden britischen Online-Wissenschaftszeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.
EUV-Belichtungstechnologie:
Wird von Halbleiterherstellern wie TSMC und Samsung Electronics verwendet.
Seine Wellenlänge beträgt 13,5 nm
Es handelt sich nicht um eine Kombination von Objektiven, die bisher für die ArF- und KrF-Belichtung verwendet wurden.
Licht von der Lichtquelle wird unter Verwendung einer Kombination aus hochglanzpolierten reflektierenden Spiegeln an den Wafer geliefert.
Spiegelreflexion:
Das Reflexionsvermögen des Spiegels ist jedoch nicht hoch. Der Ausgang wird mit jeder Reflexion gedämpft.
Hochleistungslichtquelle:
Um dem Wafer eine ausreichende Lichtmenge zuzuführen, ist es erforderlich, die Ausgangsleistung der Lichtquelle zu erhöhen. Allerdings wird auch mehr Kraft benötigt.
Forschung und Entwicklung werden bis heute fortgesetzt, um einen hohen Durchsatz sowie einen geringen Stromverbrauch zu erreichen.
Prinzip des EUV-Lichts:
Das Prinzip von EUV-Licht ist noch unklar.
Die Aufklärung beinhaltet:
Es ist notwendig, “grundlegende physikalische Größen wie die Temperatur und Dichte des Plasmas der Lichtquelle und den Fluss des Plasmas” zu messen.
“Für die Plasmakontrolle sind sie wichtig.”
Merkmale des EUV-Lichtquellenplasmas:
0,5 mm Durchmesser,
Lebensdauer in der Größenordnung von 20 ns,
und einer Dichte von etwa 0,2 kg/m3,
Es hat verschiedene Eigenschaften wie eine Bewegungsgeschwindigkeit von 10 km/s oder mehr.
Ihre Messung war schwierig.
Bisher ist die Entwicklung von EUV-Lichtquellen ohne Kenntnis dieser physikalischen Grundgrößen vorgegangen.
Daher beschloss das Forschungsteam, zu versuchen, sie in dieser Studie zu messen.
Messen Sie das Plasma einer EUV-Lichtquelle:
Das Verfahren der Laser-Thomson-Streuung (LTS) ist als Mittel zur Messung des EUV-Lichtquellenplasmas verfügbar.
Laser-Thomson-Streuung (LTS)-Verfahren:
Ein Laser wird von außen eingekoppelt und das durch die Wechselwirkung zwischen Plasma und Laser erzeugte Streulicht gemessen.
Eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung kann berührungslos erzielt werden.
Planung und Fertigung eines differentiellen Dispersionsgitter-Spektrometers:
Das Problem besteht darin, dass das erhaltene Streulicht extrem schwach ist, und es wurde gesagt, dass „eine LTS-Messung von EUV-Lichtquellenplasma technisch unmöglich ist“.
Verwendet ein reflektierendes Beugungsgitter:
Ein “Differenz-Dispersions-Gitter-Spektrometer”, bestehend aus sechs “Reflexionsgittern”, wurde hergestellt.
Messung mit einem Spektrometer:
Sie wurde unter Verwendung eines Differenz-Dispersionsgitter-Spektrometers gemessen.
Hohlartige Plasmastruktur:
An der zentralen Position des Plasmas (auf der Achse des Plasmaerzeugungslasers) wurde festgestellt, dass “eine hohlartige Struktur mit einer geringeren Dichte als der periphere Teil gebildet wurde”.
Als Ergebnis von Messungen unter verschiedenen Bedingungen spielt die hohle Struktur des Plasmas eine wichtige Rolle, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Jedoch,
Wenn diese hohle Struktur erscheint,
“Warum hochdichtes Plasma, das für EUV-Strahlung geeignet ist, relativ lange aufrechterhalten wird”, war unbekannt.
Thomson-Streulichtspektrum:
Konzentrieren Sie sich auf die Doppler-Verschiebung
Daher dachte das Forschungsteam, dass “Plasmatemperatur, -dichte und -fluss wichtig sind”.
Ich beschloss, auf “Dopplerverschiebung des Thomson-Streulichtspektrums” zu achten.
Die Plasmaströmungsgeschwindigkeit beträgt 1/10.000 der Lichtgeschwindigkeit.
Plasmaströmungsinformationen erscheinen deutlich in der Doppler-Verschiebung des empfangenen Streulichts.
Analysieren Sie die Dopplerverschiebung:
Als Ergebnis einer fortgeschrittenen Analyse der Doppler-Verschiebung,
Die Richtung des Plasmaflusses wird um 180 Grad umgekehrt und die Größe des Flusses variiert in einem winzigen Bereich von etwa ±20 μm.
Es wurde als Existenz einer feinen Geschwindigkeitsfeldstruktur und als Absolutwert der Geschwindigkeit (Hochgeschwindigkeitsströmung von 10 km/s) visualisiert.
Beobachtung des Plasmaflusses:
Wir beobachteten auch einen charakteristischen Plasmafluss in Richtung der Mittelachse des Plasmas.
Die Strömung war nicht immer vorhanden und hing von den Bedingungen der Plasmaerzeugung ab.
Kontrolle des Plasmaflusses:
Es wurde festgestellt, dass die Strömung unter den gleichen Bedingungen gesteuert werden konnte.
Basierend auf den “zeitlichen und räumlichen Änderungen der Temperatur, Dichte und des Strömungsfeldes” innerhalb des Plasmas stellten wir klar, dass “die Strömung die Effizienz der EUV-Strahlung erhöht”.
Plasmaflusskontrolle ist wichtig:
Gemäß dieser Forschung ist es wesentlich, die Temperatur und Dichte des Plasmas zu optimieren, um die Leistung von EUV zu erhöhen.
Es wurde gezeigt, dass die Steuerung des Plasmaflusses wichtig ist, um die optimale Temperatur und Dichte zu erreichen.
besonders,
“Durch das Induzieren einer Strömung zum Zentrum hin wird das leuchtende Plasma für lange Zeit effektiv begrenzt.”
Es konnte gezeigt werden, dass Plasma eine wärmespeichernde Wirkung hat.
“Der Effekt der Unterdrückung der kinetischen Energie des Plasmas durch Steuerung des Plasmaflusses” ist ebenfalls zu erwarten.
Plasmageschwindigkeitsmesstechnik:
-Berührungslose Visualisierung des Strömungsfeldes durch Plasmageschwindigkeitsmesstechnik-
„Von Femtosekunden bis Nanosekunden“ sind Beobachtungen in allen Laserverfahren realisierbar.
In Zukunft werden wir EUV-Lichtquellen nicht nur entwickeln, sondern in den unterschiedlichsten Bereichen anwenden.
TECH+
Observation of plasma inflows in laser-produced Sn plasma and their contribution to extreme-ultraviolet light output enhancement
Abstract
Plasma dynamics are governed by
electron density (ne),
electron temperature (Te),
and radiative energy transfer as well as by macroscopic flows.
However,
plasma flow-velocity fields (vflow) inside laser-produced plasmas (LPPs)
have rarely been measured, owing to their small sizes (< 1 mm) and short lifetimes (< 100 ns).
Herein, we report, for the first time,
two-dimensional (2D) vflow measurements of Sn-LPPs (“double-pulse” scheme with a CO2 laser) for extreme-ultraviolet (EUV) light sources for semiconductor lithography
using the collective Thomson scattering technique, which is typically used to measure ne, Te, and averaged ionic charge (Z) of plasmas.
Inside the EUV source,
we observed plasma inflow speed exceeding 104 m/s magnitudes toward a plasma central axis from its peripheral regions.
The time-resolved 2D profiles of ne, Te, Z, and vflow
indicate that the plasma inflows maintain the EUV source
at a temperature suitable (25 eV < Te < 40 eV) for EUV light emission at a high density (ne > 3 × 1024 m−3) and for a relatively long time (> 10 ns),
resulting increment of total EUV light emission.
These results
indicate that controlling the plasma flow can improve EUV light output and that there is potential to increase the EUV output further.
Scientific Reports