Например, Бобцов

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК НЕПРЕРЫВНОГО ДАЛЬНЕГО ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

74
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 светоэррозионных, 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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 6

Высокоэффективный источник непрерывного дальнего ВУФ-излучения

75

распространения из-за их громоздкости, низкой эффективности, высокой стоимости и малой

площади выходного излучения. В последнее время дальнее ВУФ-излучение получают, исполь-

зуя лазеры на свободных электронах [3], высшие гармоники излучения мощных короткоим-

пульсных лазеров [4], плазменные лазеры на линиях многозарядных ионов [5], спонтанное из-

лучение многозарядных ионов из короткоимпульсной плазмы [6, 7]. Однако из-за указанных

выше недостатков они также не используются в промышленности, например, малоиндуктив-

ный 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 даль-

него ВУФ-излучения [8], созданный на основе сильноточной плазмы пониженного давления,

которая ранее использовалась в качестве активной среды ионных аргоновых лазеров со сро-

ком службы порядка 1000 ч [9, 10]. Плазма создавалась продольным дуговым раз-

3

рядом постоянного тока в секциониро-

ванных трубках длиной l ≈ 0,4—4 м, диа-

2

метром d ≈ 1—40 мм при плотности тока от 40 до 4000 А/см2.
Схема отдельной секции трубки и расположение облучаемых образцов в раз-

0,5d

1

ряде иллюстрируются рис. 1, где О1О2 — продольная ось разряда (область разряда

показана точками), 1 — устройство выво- О1 да излучения, 2 — облучаемый образец, 3 — держатель образца. Облучаемые об-

Рис. 1

О2

разцы располагаются в боковых (по отношению к оси О1О2) отверстиях, по площади сечения сравнимых с сечением разряда. Используется наиболее мощное излучение резонансных ли-

ний ионов, которое не поглощается наполняющим газом

пониженного давления. В модельном эксперименте при

d = 40 мм общая площадь облучаемой поверхности об-

разцов составляла до 65 % от всей боковой поверхности

столба разряда: 0,65πdl.

Поскольку плазма аргоновых лазеров достаточно

хорошо изучена, произведем оценку энергетических характеристик резонансного ВУФ-излучения на ионах Ar+.

На рис. 2 приведена схема рабочих уровней. Резонанс-

ное излучение реабсорбировано, и для непосредствен-

ных абсолютных измерений интенсивности требуется

специальная вакуумная аппаратура. Однако для лазер-

ных переходов (например, с длиной волны λ = 488 нм)

заселенность нижнего рабочего (резонансного) уровня

более просто оценить по измеренным значениям засе-

Рис. 2

ленности верхнего уровня и коэффициенту поглощения

k0, см–1 (или усиления G0) в центре допплеровски уширенной рабочей линии:

k0 = −G0 =

ln2 π

λ2 Amn ∆ν D

gm 4π

⎛ ⎜ ⎝

Nn gn



Nm gm

⎞ ⎟

,



(1)

где Аmn — вероятность радиационного перехода с верхнего уровня m на нижний n (с–1),

∆νD — ширина линии (с–1), Nm и Nn — заселенность рабочих уровней (см–3), gm и gn — их ста-

тистический вес.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 6

76 В. И. Донин

Зависимость измеренной интегральной по сечению разряда заселенности верхнего

уровня Nm линии λ = 488 нм в трубке диаметром d = 11 мм от тока J разряда при различных

значениях давления наполнения p 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 наполне-

Nm, 10–10 см–3

ния, устанавливается только в приэлектродных частях (колбах), а вблизи стенок

разрядного канала трубки давление в 3—5

раз ниже. Последнее обстоятельство по-

зволяет пренебречь поглощением боково-

го ВУФ-излучения за счет фотоионизации

1,0 при использовании аргона (сечения ионизации которого велики — порядка

3,5·10–17 см2), поскольку расстояние от

столба разряда до подложки ≈ 2 см. При

этом расстоянии резонансное излучение

атомных линий Ar (85—100 нм) будет

0,5 полностью резонансно поглощаться). Используя измеренные значения G0 и формулу (1), можно определить, что заселен-

ность нижнего уровня также достигает

насыщения, но при увеличении J резко

спадает. Соответственно максимум мощ-

0

100

200 300

400

J, A

ности генерации на рабочем переходе несколько смещен к большим значениям

Рис. 3

тока (для кривой 3 он отмечен жирной

стрелкой, а светлой стрелкой показано начало развития неустойчивостей в разряде). Полу-

ченная в максимуме мощности генерации заселенность Nn в 2 раза ниже Nm , а при токе до

200 А значения заселенности Nn и Nm близки. Таким образом, в рассматриваемых здесь усло-

виях генерации значения Nn и Nm совпадают с точностью до множителя 2. Оценим интенсивность I излучения (излучаемая мощность с 1 см3) на линии λ = 72,3 нм,

пользуясь известным соотношением

I = F(k0r)AmnNmhν,

(2)

где Nm — заселенность верхнего (для перехода 72,3 нм) уровня, Amn — вероятность спонтанного распада уровня в основное состояние, множитель F(k0r) характеризует выход излучения
(r = d/2), hν — энергия кванта. Значение F(k0r) можно оценить по измеренной концентрации электронов ne=1,5·1014 см–3,
которая близка к заселенности основного состояния иона. Проведенная для рассматриваемых здесь условий оценка по формуле Хольштейна [12] F(k0r) = 1,6/k0r(πlnk0r)1/2 с учетом радиального движения ионов [13] дает значение F(k0r) ≈ 0,4. Подставив в выражение (2) численные значения (Аmn = 2,5·109 c–1, Nm = 1·1010 см–3), получим I ≈ 24 Вт/см3. Учитывая, что ВУФ-излучение иона Ar+ соответствует, по крайней мере, пяти сильным линиям в области 55— 75 нм (см. например, рис. 1.37 в [1]), получим суммарную интенсивность IΣ ≈ 120 Вт/см3.
В условиях генерации расходуемая на единицу длины разряда мощность W не зависит
от диаметра d и составляет W ≈ 840 Вт/см [9, 10], поэтому легко можно оценить эффектив-
ность ВУФ-излучения ≈ 14 %. Хотя с увеличением диаметра разряда заселенность возбужденных уровней Ar+ падает как 1/d, значение F(k0r) при этом не меняется. Следовательно, эффективность испускания ВУФ-излучения (за счет возрастания сечения разряда как d2) должна
увеличиваться пропорционально d.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 6

Высокоэффективный источник непрерывного дальнего ВУФ-излучения

77

Помимо обычного цилиндрического разряда для рассматриваемых здесь целей полез-
ным может оказаться использование разряда „щелевого“ типа (сечение в виде прямоугольни-
ка со значительной разницей длины сторон) [14], поскольку в таком разряде значение F(k0r) будет определяться меньшей стороной.
Следует отметить, что дуговой источник [8] 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 ис-
пользована для выращивания алмазных пленок [2, 16] на подложках с большой общей площадью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. М.: Наука, 1976.

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 6. P. 336—342.

4. Hϋve J., Haarlammert T., Steinbrϋck T., Kutzner J., Tsilimis G., Zacharias H. High-flux high harmonic soft X-ray generation up to 10 kHz repetition rate // Opt. Commun. 2006. Vol. 266, N 1. P. 261—265.

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. Cобельман 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—6.

7. Сейсян Р. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете // ЖТФ. 2005. Т. 75, вып. 5. С. 1—13.

8. Патент РФ № 2324255. Универсальный дуговой источник ВУФ–фотонов и химически активных частиц / В. И. Донин. Опубл. 10.05.2008. 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. 62, вып. 5. С. 1648—1660.

12. Holstein T. Imprisonment of resonanse radiation in gases // Phys. Rev. 1951. Vol. 83, N 6. P. 1159—1168.

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. 62—65.

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. 1976. 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, 2006. Т. 4. С. 153.

16. Спицын Б. В., Алексенко А. Е. // Современные проблемы физической химии. М.: ИФХ РАН, 2005. С. 350—368.

Валерий Ильич Донин

Сведения об авторе — д-р физ.-мат. наук; Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новоси-
бирск; Е-mail: donin@iae.nsk.su

Поступила в редакцию 12.01.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 6