СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H05G2/00 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для получения мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 10-100 Å, имеющих практическое значение, например, в рентгеновской литографии.

Актуальность проблемы получения мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 10-100 Å связана, в частности, с внедрением методов рентгенолитографии в технологию изготовления сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и иных элементов микроэлектронной техники. При использовании такой технологии источник мягкого рентгеновского излучения, выполняющий функцию источника экспонирующего излучения, осуществляет засветку нанесенного на подложку рентгеночувствительного резистивного материала, обеспечивая тем самым формирование рисунка печати. Прогресс в данной технологии, а именно переход в область субмикронных разрешений, связан с использованием длин волн, которые лежат в области мягкого рентгеновского излучения, что требует сужения его спектра и увеличения интенсивности его источников.

Известен способ получения мягкого рентгеновского излучения, реализованный в каскадном генераторе мягкого тормозного излучения, представленном в [1] - RU №2090988 (C1), H 05 H 5/00, 20.09.1997. Суть этого способа заключается в том, что формируют поток быстрых электронов, которыми бомбардируют анодную мишень, при этом возникающее в результате этой бомбардировки мягкое тормозное излучение отбирают за катодом, т.е. с направления, противоположного потоку электронов. Эмиссию электронов осуществляют путем приложения импульсного напряжения с амплитудой несколько мегавольт между холодным катодом и анодной мишенью. Ускорение электронов осуществляют в N+1 ускорительных промежутках, образованных за счет размещения между катодом и анодной мишенью N промежуточных электродов. Промежуточные электроды имеют форму дисков с отверстиями в центре и обладают высокой прозрачностью для мягкого рентгеновского излучения, распространяющегося в обратном, по отношению к потоку электронов, направлению. Полученное при таком способе мягкое рентгеновское излучение является широкополосным и располагается ниже границы указанного диапазона длин волн 10-100 Å. Технические средства, необходимые для реализации данного способа, достаточно сложны, в частности требуется применение импульсного источника напряжения с амплитудой несколько мегавольт, что является недостатком этого способа.

Известен способ получения мягкого рентгеновского излучения, реализованный в импульсной рентгеновской трубке, представленный в [2] - RU №2160480 (C1), H 01 J 35/00, H 01 J 35/02, H 05 G 1/02, 10.12.2000. Суть этого способа заключается в том, что в ускорительном промежутке между холодным катодом и анодной мишенью формируют поток электронов, взаимодействие которых с анодной мишенью дает рентгеновское излучение. Эмиссию электронов и их ускорение обеспечивают за счет приложения между катодом и анодной мишенью импульса высокого напряжения с амплитудой порядка 100 кВ и длительностью порядка 1,5·10^-10 секунд. Получаемое при взаимодействии быстрых электронов с анодной мишенью рентгеновское излучение является широкополосным, располагается ниже границы указанного диапазона длин волн 10-100 Å и содержит «мягкую» и «жесткую» составляющие спектра, причем энергетическая доля «мягкой» составляющей спектра существенно ниже «жесткой» составляющей. Низкий выход мягкого рентгеновского излучения затрудняет возможность применения такого способа в технологии рентгеновской литографии.

В качестве прототипа заявляемого изобретения принят способ получения мягкого рентгеновского излучения, реализованный в источнике мягкого рентгеновского излучения, используемом в устройстве для рентгеновской литографии, представленном в [3] - RU №2187160 (C1), G 21 K 5/00, G 03 B 42/02, 10.08.2002.

Источник мягкого рентгеновского излучения, в котором реализован способ-прототип, представляет собой рентгеновскую трубку с вращающимся анодом традиционной конструкции. Такая трубка содержит вакуумированный корпус с окном для отбора рентгеновского излучения, катодный узел с подогреваемым катодом, служащий источником электронов, и связанную с узлом вращения анодную мишень, служащую источником рентгеновского излучения.

Способ-прототип заключается в том, что в ускоряющем промежутке между катодом и анодной мишенью формируют поток электронов, которыми бомбардируют анодную мишень с получением в результате этой бомбардировки рентгеновского излучения, содержащего «мягкую» и «жесткую» составляющие спектра, причем для целей литографии «мягкую» составляющую отфильтровывают от «жесткой» с помощью поглощающего фильтра, обладающего свойством избирательности.

Физический смысл явлений, происходящих в процессе получения рентгеновского излучения в соответствии со способом-прототипом, общеизвестен и в общем виде описывается следующим. Поток электронов, испускаемый нагретым катодом в процессе термоэлектронной эмиссии, ускоряется в электрическом поле между катодом и анодной мишенью, создаваемом соответствующим источником высокого напряжения. Попав на анодную мишень, электроны тормозятся при движении в веществе мишени. В результате этого торможения возникает тормозное рентгеновское излучение, располагающееся в «мягкой» части спектрального диапазона. Мягкое тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной непрерывный спектр, ограниченный со стороны малых длин волн. Наряду с широким спектром тормозного излучения формируются и узкие полосы рентгеновского излучения, называемого характеристическим. Характеристическое излучение возникает при условии, когда энергия бомбардирующих анод электронов достаточна для вырывания электрона с одной из близких к ядру оболочек атома. При этом на освободившееся место переходит электрон из более удаленной от ядра оболочки. Этот переход сопровождается испусканием кванта рентгеновского излучения, длина волны которого определяется зарядом ядра и энергиями состояний, между которыми совершается указанный переход.

Для рассматриваемых целей литографии используют «мягкую» составляющую спектра формируемого рентгеновского излучения, хорошо поглощаемую веществом резиста. «Жесткую» составляющую спектра при этом отфильтровывают поглощающим фильтром, обладающим свойством избирательного поглощения. Полученный в результате указанных операций расходящийся пучок мягкого рентгеновского излучения преобразуют в квазипараллельный пучок с помощью соответствующей линзы. Этим пучком мягкого рентгеновского излучения (с энергией 0,6-6 кэВ) засвечивают обрабатываемую подложку, на которой нанесены последовательные слои резиста и маски. При этом мягкое рентгеновское излучение проходит через прозрачные участки маски и попадает на резист. В результате воздействия мягкого рентгеновского излучения на чувствительный к нему материал резиста образуются «окна» - свободные от резиста участки обрабатываемой поверхности подложки, которые формируют рисунок печати, повторяющий рисунок маски.

Формируемое в способе-прототипе мягкое рентгеновское излучение является широкополосным, располагается ниже границы диапазона длин волн 10-100 Å и характеризуется сравнительно низким выходом, что, в частности, ограничивает производительность технологических процессов рентгеновской литографии.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка нового способа получения мягкого рентгеновского излучения с использованием рентгеновской трубки, характеризующегося возможностью повышения выхода, в том числе, в рассматриваемом диапазоне длин волн 10-100 Å. Решение этой задачи позволяет повысить эффективность технологических процессов рентгеновской литографии, снизить время экспозиции, повысить разрешающую способность.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения мягкого рентгеновского излучения, при котором воздействуют на анодную мишень рентгеновской трубки пучком электронов, излучаемых катодом, в отличие от прототипа, одновременно с указанным воздействием анодную мишень дополнительно облучают интенсивным лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе, выбранной исходя из обеспечения возможности ионизации атомов материала анодной мишени путем удаления электронов вплоть до электронных оболочек (называемых ниже рабочими), на которые приходится максимум рекомбинационного излучения, лежащий в необходимом диапазоне длин волн. При этом указанный пучок электронов, излучаемых катодом, используют для удаления рекомбинирующих электронов с рабочих оболочек и обеспечения возможности многократного участия электронов в процессе рекомбинации на рабочие оболочки.

Так, при использовании в качестве рабочей оболочки «2р» и перехода «3d-2p» для получения мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 10-100 Å в качестве материала анодной мишени предлагается применять цинк, медь, железо, хром, титан, а облучение анодной мишени предлагается производить лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе не ниже значения 10¹⁵ Вт/см². При этом цинк предлагается применять при получении указанного излучения с длиной волны λ≈10,7 Å, медь - при получении указанного излучения с длиной волны λ≈ 11,6 Å, железо - при получении указанного излучения с длиной волны λ≈15,3 Å, хром - при получении указанного излучения с длиной волны λ≈19 Å, титан - при получении указанного излучения с длиной волны λ≈24 Å.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняется следующим.

В результате облучения анодной мишени, изготовленной, например, из цинка, меди, железа, хрома, титана или из других сравнительно легких металлов, интенсивным лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе не ниже значения 10¹⁵ Вт/см² происходит ионизация атомов материала анодной мишени за счет удаления электронов со своих электронных оболочек, в том числе с рабочей оболочки «2р». Этот процесс сопровождается возникновением рентгеновского излучения за счет рекомбинации электронов, удаленных полем лазерного импульса. Длина волны этого рекомбинационного рентгеновского излучения определяется степенью ионизации и структурой электронных переходов выбранной мишени. Как следует из результатов исследований, представленных в работе [4] - Saturated multikilovolt x-ray amplification with Xe clusters: single-pulse observation of Xe(L) spectral hole burning/Alex B. Borisov, Jack Davis, Xian-gyang Song, Yevgeniya Koshman, Yang Dai 3, Keith Boyer 1 and Charles K. Rhodes//J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys. 36(2003) L285- L294, один из максимумов рекомбинационного излучения приходится на переход «3d-2p».

Как показывают расчеты, при использовании в качестве материала анодной мишени олова (атомный номер z=50, степень ионизации n=40, энергия перехода «3d-2р» конфигураций «1s²2s²2p⁵3d-1s²2s²2p⁶» е_3d-2p=140 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈3,26 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени серебра (z=47, n=37, е_3d-2p=122 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈3,74 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени молибдена (z=42, n=32, е_3d-2p=94 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈4,8 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени цинка (z=30, n=20, е_3d-2p=42,5 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈10,7 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени меди (z=29, n=19, е_3d-2p=39 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈11,6 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени железа (z=26, n=16, е_3d-2p=29,7 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈15,3 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени хрома (z=24, n=14, е_3d-2p=24 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈19 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени титана (z=22, n=12, е_3d-2p=19 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈24 Å; при использовании в качестве материала анодной мишени алюминия (z=13, n=3, е_d-2р=3,5 а.е.) можно получить мягкое рекомбинационное рентгеновское излучение с длиной волны λ≈128 Å.

Интенсивность полученного таким образом мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения определяется количеством ионизированных атомов и числом свободных мест рабочей оболочки «2p». Для повышения выхода мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения в заявляемом способе, помимо облучения анодной мишени лазерными импульсами, также воздействуют на анодную мишень постоянным пучком электронов, излучаемым катодом (например, в результате термоэлектронной эмиссии). Этот пучок электронов, ускоренный электрическим полем, приложенным между катодом и анодной мишенью, обеспечивает удаление рекомбинирующих электронов с рабочей оболочки «2р», что позволяет электронам многократно участвовать в процессе рекомбинации на эту оболочку. В процессе указанной рекомбинации каждый ион генерирует рентгеновские кванты до тех пор, пока имеются свободные места на рабочей оболочке «2р». Для воссоздания свободных мест на рабочей оболочке «2р» осуществляют повторяющиеся воздействия импульса лазерного излучения на анодную мишень. В результате этих импульсных воздействий в сочетании с постоянным воздействием пучка электронов, излучаемых катодом, в заявляемом способе поддерживается устойчивый процесс рекомбинации электронов на указанную рабочую оболочку, что повышает выход мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения.

Таким образом, за счет выбора определенного материала анодной мишени, периодической ионизации этого материала интенсивным лазерным излучением при одновременном подводе к нему постоянного пучка электронов, излучаемых катодом, в заявляемом способе обеспечивается высокий и устойчивый выход мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения в заданном диапазоне длин волн 10÷100 Å.

Практическим доказательством возможности удаления электронов с электронных оболочек атомов за счет воздействия лазерного импульса с получением при этом рекомбинационного рентгеновского излучения определенной длины волны, зависящей от возбуждаемого вещества, могут служить результаты экспериментов, представленные в указанной выше работе [4], а также в работе [5] - Multiphoton indused X-ray emission at 4-5keV from Xe atoms with multiply core vacancies/A.McPherson, B.D.Thompson, A.B.Borisov, K.Boyer and C.K.Rhodes//Nature Vol. 370 631. Эти эксперименты связаны с получением ионов ксенона (Xe, z=54) с порядком ионизации вплоть до n=37 с помощью лазерных импульсов с интенсивностью около 10¹⁹ Вт/см². В результате осуществления этих экспериментов получено рентгеновское излучение, обусловленное рекомбинацией удаленных полем лазерного импульса электронов, при этом основную роль играет переход «3d-2p» иона Хеⁿ⁺ (n=30÷37). Длина волны полученного таким образом рекомбинационного рентгеновского излучения составила λ=2,8-2,9 Å, что определяется степенью ионизации и структурой электронных переходов ионизированного атома вещества, использованного в экспериментах.

В отличие от экспериментов, представленных в работах [4] и [5], в заявляемом способе используют вещества, пригодные для применения в анодных мишенях рентгеновских трубок и имеющие структуру электронных переходов, обеспечивающую получение мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения в заданном диапазоне длин волн 10-100 Å, обусловленном, в частности, потребностями рентгеновской литографии. При этом используется пониженный уровень лазерного облучения (с плотностью энергии в импульсе, начиная со значения 10 Вт/см¹⁵) в сочетании с подводом свободных электронов со стороны катода, что обеспечивает устойчивый повышенный выход получаемого мягкого рекомбинационного рентгеновского излучения, достаточный для эффективного промышленного применения, в частности, в целях рентгеновской литографии.

В отличие от способов, реализованных в устройствах [1]÷[3], заявляемый способ не требует значительных уровней напряжения между катодом и анодной мишенью, что обусловлено рассмотренной выше новой функцией пучка электронов, подводимых к анодной мишени от катода.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и решает поставленную задачу по разработке нового способа получения мягкого рентгеновского излучения с использованием рентгеновской трубки, характеризующегося возможностью повышения выхода, в том числе, в важном для целей рентгеновской литографии диапазоне длин волн 10-100 Å.

Использование: для получения мягкого рентгеновского излучения. Сущность: заключается в том, что воздействуют на анодную мишень рентгеновской трубки пучком электронов, излучаемых катодом, одновременно с указанным воздействием анодную мишень дополнительно облучают интенсивным лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе, выбранной исходя из обеспечения возможности ионизации атомов материала анодной мишени путем удаления электронов вплоть до электронных оболочек, на которые приходится максимум рекомбинационного излучения, лежащий в необходимом диапазоне длин волн. При этом указанный пучок электронов, излучаемых катодом, используют для удаления рекомбинирующих электронов с указанных оболочек и обеспечения возможности многократного участия электронов в процессе рекомбинации на эти оболочки. Технический результат: получение новым способом мягкого рентгеновского излучения с использованием рентгеновской трубки. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ получения мягкого рентгеновского излучения, при котором воздействуют на анодную мишень рентгеновской трубки пучком электронов, излучаемых катодом, отличающийся тем, что одновременно с указанным воздействием анодную мишень дополнительно облучают интенсивным лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе, выбранной, исходя из обеспечения возможности ионизации атомов материала анодной мишени путем удаления электронов вплоть до электронных оболочек, на которые приходится максимум рекомбинационного излучения, лежащий в необходимом диапазоне длин волн, при этом указанный пучок электронов, излучаемых катодом, используют для удаления рекомбинирующих электронов с указанных оболочек и обеспечения возможности многократного участия электронов в процессе рекомбинации на эти оболочки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 10-100 Å в качестве материала анодной мишени применяют цинк, медь, железо, хром, титан, а облучение анодной мишени производят лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе не ниже значения 10¹⁵ Вт/см².3. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют цинк в качестве материала анодной мишени в случае получения мягкого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈10,7 Å.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют медь в качестве материала анодной мишени в случае получения мягкого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈11,6 Å.5. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют железо в качестве материала анодной мишени в случае получения мягкого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈15,3 Å.6. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют хром в качестве материала анодной мишени в случае получения мягкого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈19 Å.7. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют титан в качестве материала анодной мишени в случае получения мягкого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈24 Å.