一款清潔的小型化實驗室桌面軟X射線光源—ProLINE
光學(xué)技術(shù)是人類從微觀尺度認(rèn)識物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律的觀測之“眼”，也是實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)精密加工的制造之“手”。
作為光學(xué)的重要組成部分，極紫外（EUV）和軟X射線（SXR）光學(xué)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域均表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。如下圖1，在EUV和SXR光譜區(qū)域分布著大量元素的原子共振能級，利用EUV或SXR光激發(fā)原子內(nèi)殼層的軌道電子，可以實現(xiàn)元素價態(tài)和軌道電子結(jié)構(gòu)的探測[1]。
EUV和SXR光波長短，光子能量高，在納米尺度的高空間分辨率成像和先進光刻領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2,3]?？梢哉f，極紫外和軟X射線光學(xué)技術(shù)是軟材料表征、先進光刻及生物成像等領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，也是前沿科學(xué)和國家戰(zhàn)略工程技術(shù)發(fā)展的重要支撐。
圖1. 極紫外和軟X射線光譜區(qū)域及光學(xué)技術(shù)應(yīng)用
極紫外和軟X射線光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用離不開高強度、高亮度的EUV和SXR的光源。采用激光驅(qū)動的等離子體（LPP）光源是目前常見的實驗室EUV和SXR輻射發(fā)生光源，通過高強度激光與靶材相互作用在焦點處產(chǎn)生等離子體，而等離子體會在激光加熱的作用下發(fā)生核心電離并發(fā)射出特征光譜輻射[4]。相比于固體和液體工作介質(zhì)，氣體介質(zhì)是一種更清潔，也更靈活的靶材選擇，能夠連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射高強度的EUV和SXR輻射，同時還具有低碎屑污染的優(yōu)點。
長期致力于激光和物質(zhì)相互作用研究方向的德國哥廷根激光實驗室（LLG），基于各種氣體靶材的特征發(fā)射設(shè)計和制造了一款清潔的小型化實驗室桌面EUV和SXR光源，并廣泛應(yīng)用于包括極紫外反射率計量、水窗高分辨顯微成像及軟X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)表征等研究領(lǐng)域，如圖2所示[5]。
以Xe氣體靶的EUV發(fā)射光源為例，通過優(yōu)化激光參數(shù)、噴嘴設(shè)計和等離子體密度等條件，在13.5nm波長附近單發(fā)脈沖的EUV輻射能量可達(dá) 3 mJ (4 sr, 2% BW)[6]。以標(biāo)準(zhǔn)偏差σ作為對等離子體位置和脈沖能量穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對于發(fā)射頻率為5Hz，等離子體的橫向和縱向位置穩(wěn)定性在 σ≈10μm 內(nèi)，脈沖能量穩(wěn)定性可達(dá) σ≈2%[7]。
圖2. 基于LPP原理的EUV和SXR光源腔室及不同氣體靶材在EUV和SXR光譜區(qū)域的特征發(fā)射光譜
實驗室EUV反射率計量應(yīng)用
圖3. 實驗室EUV反射率計量裝置示意圖 (上圖); 激光驅(qū)動氧氣靶在13 nm附近的特征發(fā)射光譜和Mo/Si多層膜鏡的反射率曲線 (下圖)[6]
在EUV光刻系統(tǒng)中，對反射光學(xué)元件的表征尤為重要。圖3上圖是在哥廷根激光實驗室基于LPP光源設(shè)計的EUV反射率計量裝置，該裝置包含了LPP光源、聚焦和單色系統(tǒng)及樣品測試系統(tǒng)。以氧氣作為靶材，可以在12.98 nm波長發(fā)射準(zhǔn)單色的EUV輻射，如圖3下圖所示。為降低由于EUV光源能量波動引起的反射率測試的不確定性影響，利用兩片相同膜層周期設(shè)計的Mo/Si多層膜反射鏡反射參考光和探測光，并通過兩個相同的EUV二極管探測器進行能量探測，系統(tǒng)最終實現(xiàn)的絕對反射率測試精度優(yōu)于5%，對EUV反射元件的峰值反射率重復(fù)性測量優(yōu)于0.5%[6]。
圖4是利用該實驗室EUV反射率計量裝置對100nm碳單層膜反射鏡在不同角度條件下的反射率表征結(jié)果和理論曲線的對比，可以看到在掠入射角度大于5°條件下測得的碳單層膜反射鏡的反射率和理論模擬結(jié)果基本一致，極低角度條件下的反射率測試結(jié)果偏差主要源于光路的屏蔽效應(yīng)和對準(zhǔn)偏差。
圖4. 利用實驗室EUV反射率計量裝置測得的100 nm碳單層膜反射鏡在0°~20°掠入射條件下對13 nm波長輻射的反射率曲線及CXRO模擬曲線對比[6]
實驗室EUV光刻膠曝光應(yīng)用
光刻膠對EUV光的靈敏度和曝光劑量的控制是實現(xiàn)大規(guī)模和高分辨率EUV光刻的基礎(chǔ)。通常情況下，要求光刻膠對13.5 nm波長輻射的EUV光的曝光劑量控制在10mJ/cm2內(nèi)。對此，基于LPP的緊湊型EUV光源為EUV光刻膠的靈敏度和曝光劑量研究提供了實驗室的解決方案，如圖5所示。采用一組數(shù)值孔徑0.4的施瓦茨反射鏡組對氙氣特征發(fā)射13.5 nm波長附近的EUV光進行單色和聚焦，在焦點位置可以獲得最大~35mJ/cm2的能量密度[8]。以PMMA樣品作為實驗研究對象，通過改變Zr濾片數(shù)目和EUV脈沖的數(shù)目可以實現(xiàn)對樣品曝光劑量的調(diào)節(jié)，如圖5下圖所示。可以看出，在一定的EUV能量密度范圍內(nèi)，PMMA樣品光刻的深度與曝光劑量成正比關(guān)系。
圖5. 基于實驗室LPP光源的小型EUV曝光系統(tǒng)（上圖）及不同脈沖數(shù)目和脈沖能量下PMMA樣品的曝光測試結(jié)果（下圖）[8]
為了評估帶外EUV輻射對PMMA樣品光刻的影響，在曝光光路中加入一片柵線密度為20 l/mm的不銹鋼的格柵進行EUV衍射實驗，通過實際光路中有無Zr濾片的曝光結(jié)果和理論曝光刻蝕深度進行對比，AFM觀察結(jié)果如圖6所示。可以看到二級衍射被抑制，曝光劑量主要集中在零級衍射區(qū)域，PMMA樣品各衍射級次的實驗曝光結(jié)果和理論曝光對比數(shù)據(jù)表明，由帶外EUV輻射貢獻(xiàn)的劑量主要集中在零級衍射區(qū)域。
圖6. AFM測得的PMMA樣品經(jīng)2000發(fā)EUV脈沖曝光后顯影的結(jié)果（無Zr濾片，上圖）; 有無Zr濾片情況下不同衍射級次的EUV光對PMMA樣品刻蝕深度及理論模擬結(jié)果對比（下圖）[8]
實驗室EUV/SXR納米透射顯微成像
極紫外和軟X射線納米透射顯微成像技術(shù)是一種高分辨的成像技術(shù)，相較于傳統(tǒng)可見光顯微和電子顯微方法，EUV和SXR光子對材料具有更深的穿透深度和對元素的特異性吸收，可以實現(xiàn)納米分辨的成像結(jié)果，同時對活體生物樣品等具有更高的成像襯度。圖7是哥廷根激光實驗室基于LPP光源的軟X射線納米透射顯微實驗光路，采用氮氣作為靶氣體，可以獲得準(zhǔn)單色的2.88 nm波長軟X射線輻射，并利用橢球鏡作聚焦鏡，在樣品焦平面可以獲得FWHM=250 μm的焦斑，利用最外環(huán)寬度25 nm的波帶片作成像物鏡，通過對2D西門子星樣品的測試結(jié)果，可以看出整套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)50 nm的成像分辨率（如下圖7-c）。
圖7. 實驗室桌面軟X射線顯微實驗系統(tǒng)實物圖（a）和橢球鏡不同聚焦位置處的光強分布（b）及不同實驗樣品在探測面的成像結(jié)果（c-f）[9]
如上圖7-e和f，對抗輻射奇異球菌（ Deinococcus radiodurans）和矩圓囊裸藻 （Trachelomonas oblonga）的成像結(jié)果證實了利用實驗室LPP光源進行EUV/SXR納米全場透射顯微成像的可行性，在吸收襯度模式下，可以清晰地觀測到這兩類生物的圓形輪廓特征以及囊裸藻屬生物的鞭毛特征。在經(jīng)歷數(shù)小時的軟X射線照射條件下，并未觀察到生物體成像結(jié)果的變化，表明實驗室LPP光源發(fā)射的軟X射線并不足以使得輻射奇球菌和囊裸藻屬生物受到輻射損傷的影響。
實驗室NEXAFS光譜表征
近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（NEXAFS）光譜是材料分子鍵結(jié)構(gòu)和分子間相互作用的重要表征工具，通過探測特定元素吸收邊附近的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，可以獲得中心原子的局域環(huán)境、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵等信息。圖8是基于實驗室LPP光源的桌面NEXAFS光譜儀系統(tǒng)，和同步輻射NEXAFS實驗光路不同的是，該系統(tǒng)主要采用透射測試模式，并結(jié)合平場光柵譜儀的高分辨率和平場成像特征，可以實現(xiàn)較寬波長范圍內(nèi)元素吸收邊附近細(xì)微結(jié)構(gòu)變化的快速和精確測試。
圖8. 基于LPP光源的實驗室桌面軟X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀光路示意圖（上圖）和實物圖（下圖）[10]
圖9是利用實驗室桌面NEXAFS光譜儀系統(tǒng)測得的1 μm厚的PET薄膜樣品在EUV曝光前后的C K邊精細(xì)結(jié)構(gòu)變化?？梢钥吹?，與原始PET薄膜樣品相比，EUV輻照后材料的NEXAFS光譜在能量~287 eV附近區(qū)域表現(xiàn)出明顯的峰強度減弱，表明EUV輻照主要破壞了PET材料中的C-H分子鍵，進而改變材料的物化性質(zhì)。該NEXAFS測試的實驗結(jié)果對理解EUV光刻膠曝光前后的結(jié)構(gòu)變化和設(shè)計改進材料對EUV光的靈敏度及提高材料穩(wěn)定性等具有重要的意義。
圖9. 1μm厚的PET薄膜樣品受EUV曝光后的光學(xué)圖片（左圖）和利用C K邊NEXAFS光譜探測的EUV輻照前后PET薄膜材料結(jié)構(gòu)變化（右圖）[11]
當(dāng)前，德國HP Spectroscopy公司聯(lián)合德國哥廷根激光實驗室共同推出了一款經(jīng)過充分驗證，技術(shù)成熟的實驗室激光驅(qū)動等離子體EUV/SXR光源-ProLINE及其系統(tǒng)解決方案，可實現(xiàn)1-6 nm寬波長范圍及2.88 nm、13.0 nm和13.5 nm單色波長的EUV和軟X射線穩(wěn)定輸出。
圖10. 實驗室EUV/SXR光源-proLINE的打靶腔室實物圖
★ 該實驗室EUV/SXR光源-proLINE的詳細(xì)參數(shù)如下表所示：
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HP Spectroscopy公司位于德國，一直以來致力于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，可提供XUV波前診斷光學(xué)系統(tǒng)、激光驅(qū)動等離子體EUV-軟X射線光源、平場光柵譜儀、單色儀、X射線吸收譜儀在內(nèi)的定制化解決方案。主要團隊由X射線、光譜、光柵設(shè)計、等離子體物理、beamline等領(lǐng)域的專家組成。長期與全球領(lǐng)先的研究機構(gòu)的科學(xué)家維持緊密合作，關(guān)注前沿技術(shù)，保持產(chǎn)品的迭代與創(chuàng)新。
北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為德國HP Spectroscopy公司實驗室X射線吸收譜儀（hiXAS、proXAS）和EUV/SXR光源（proLINE）在中國區(qū)的獨家代理，為中國客戶提供所有產(chǎn)品的售前咨詢，銷售及售后服務(wù)。我司始終致力于為廣大科研用戶提供專業(yè)的EUV、X射線產(chǎn)品及解決方案。如果您有任何問題，歡迎聯(lián)系我們進行交流和探討。
? 參考文獻(xiàn)
[1] Ding X., Tam C.C., Sui X., et al., Critical role of hydrogen for superconductivity in nickelates. Nature, 615, 50–55 (2023).
[2] Levinson H. J., High-NA EUV lithography: current status and outlook for the future. Jpn. J. Appl. Phys., 61, SD0803 (2022).
[3] Chao W., Harteneck B., Liddle J., et al., Soft X-ray microscopy at a spatial resolution better than 15?nm. Nature, 435, 1210–1213 (2005).
[4] Schupp R., Behnke L., Bouza Z., et al., Characterization of angularly resolved EUV emission from 2-μm-wavelength laser-driven Sn plasmas using preformed liquid disk targets. J. Phys. D: Appl. Phys., 54, 365103 (2021).
[5] Barkusky F., Bayer A., Doring S., et al., Applications of compact laser-driven EUV/XUV plasma sources, Proc. SPIE, 7361 (2009).
[6] Bayer A., Barkusky F., et al., Material analysis with EUV/XUV radiation using a broadband laser plasma source and optics system. Proc. SPIE, 7360 (2009).
[7] Holburg J., Muller M., Mann K., et al., Brilliance improvement of laser-produced EUV/SXR plasmas. J. Vac. Sci. Technol. A, 37, 031303 (2019).
[8] Barkusky F., Peth C., Bayer A., Mann K., Direct photo-etching of poly(methyl methacrylate) using focused extreme ultraviolet radiation from a table-top laser-induced plasma source. J. Appl. Phys., 101, 124908 (2007).
[9] Muller M., Mey T., et al., Table-top soft X-ray microscopy with a laser-induced plasma source based on a pulsed gas-jet. AIP Conf. Proc., 1764, 030003 (2016).
[10] Muller M., Schellhorn M., Mann K., Laboratory-scale near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy with a laser-induced plasma source. J. Anal. At. Spectrom., 34, 1779 (2019).
[11] Wachulak P., Duda M., et al., 2-D elemental mapping of an EUV-irradiated PET with a compact NEXAFS spectromicroscopy. Spectrochim. Acta Part B: At. Spectrosc., 145, 107 (2018).
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審 核 凱文
編 輯 小喬
