一款清洁的小型化实验室桌面软X射线光源—ProLINE
光学技术是人类从微观尺度认识物质基本结构和演化规律的观测之“眼”，也是实现微纳结构精密加工的制造之“手”。
作为光学的重要组成部分，极紫外（EUV）和软X射线（SXR）光学在众多应用领域均表现出了独特的优势。如下图1，在EUV和SXR光谱区域分布着大量元素的原子共振能级，利用EUV或SXR光激发原子内壳层的轨道电子，可以实现元素价态和轨道电子结构的探测[1]。
EUV和SXR光波长短，光子能量高，在纳米尺度的高空间分辨率成像和先进光刻领域被广泛应用[2,3]。可以说，极紫外和软X射线光学技术是软材料表征、先进光刻及生物成像等领域不可或缺的技术，也是前沿科学和国家战略工程技术发展的重要支撑。
图1. 极紫外和软X射线光谱区域及光学技术应用
极紫外和软X射线光学技术的应用离不开高强度、高亮度的EUV和SXR的光源。采用激光驱动的等离子体（LPP）光源是目前常见的实验室EUV和SXR辐射发生光源，通过高强度激光与靶材相互作用在焦点处产生等离子体，而等离子体会在激光加热的作用下发生核心电离并发射出特征光谱辐射[4]。相比于固体和液体工作介质，气体介质是一种更清洁，也更灵活的靶材选择，能够连续稳定地发射高强度的EUV和SXR辐射，同时还具有低碎屑污染的优点。
长期致力于激光和物质相互作用研究方向的德国哥廷根激光实验室（LLG），基于各种气体靶材的特征发射设计和制造了一款清洁的小型化实验室桌面EUV和SXR光源，并广泛应用于包括极紫外反射率计量、水窗高分辨显微成像及软X射线吸收精细结构表征等研究领域，如图2所示[5]。
以Xe气体靶的EUV发射光源为例，通过优化激光参数、喷嘴设计和等离子体密度等条件，在13.5nm波长附近单发脉冲的EUV辐射能量可达 3 mJ (4 sr, 2% BW)[6]。以标准偏差σ作为对等离子体位置和脉冲能量稳定性的衡量标准，对于发射频率为5Hz，等离子体的横向和纵向位置稳定性在 σ≈10μm 内，脉冲能量稳定性可达 σ≈2%[7]。
图2. 基于LPP原理的EUV和SXR光源腔室及不同气体靶材在EUV和SXR光谱区域的特征发射光谱
实验室EUV反射率计量应用
图3. 实验室EUV反射率计量装置示意图 (上图); 激光驱动氧气靶在13 nm附近的特征发射光谱和Mo/Si多层膜镜的反射率曲线 (下图)[6]
在EUV光刻系统中，对反射光学元件的表征尤为重要。图3上图是在哥廷根激光实验室基于LPP光源设计的EUV反射率计量装置，该装置包含了LPP光源、聚焦和单色系统及样品测试系统。以氧气作为靶材，可以在12.98 nm波长发射准单色的EUV辐射，如图3下图所示。为降低由于EUV光源能量波动引起的反射率测试的不确定性影响，利用两片相同膜层周期设计的Mo/Si多层膜反射镜反射参考光和探测光，并通过两个相同的EUV二极管探测器进行能量探测，系统最终实现的绝对反射率测试精度优于5%，对EUV反射元件的峰值反射率重复性测量优于0.5%[6]。
图4是利用该实验室EUV反射率计量装置对100nm碳单层膜反射镜在不同角度条件下的反射率表征结果和理论曲线的对比，可以看到在掠入射角度大于5°条件下测得的碳单层膜反射镜的反射率和理论模拟结果基本一致，极低角度条件下的反射率测试结果偏差主要源于光路的屏蔽效应和对准偏差。
图4. 利用实验室EUV反射率计量装置测得的100 nm碳单层膜反射镜在0°~20°掠入射条件下对13 nm波长辐射的反射率曲线及CXRO模拟曲线对比[6]
实验室EUV光刻胶曝光应用
光刻胶对EUV光的灵敏度和曝光剂量的控制是实现大规模和高分辨率EUV光刻的基础。通常情况下，要求光刻胶对13.5 nm波长辐射的EUV光的曝光剂量控制在10mJ/cm2内。对此，基于LPP的紧凑型EUV光源为EUV光刻胶的灵敏度和曝光剂量研究提供了实验室的解决方案，如图5所示。采用一组数值孔径0.4的施瓦茨反射镜组对氙气特征发射13.5 nm波长附近的EUV光进行单色和聚焦，在焦点位置可以获得最大~35mJ/cm2的能量密度[8]。以PMMA样品作为实验研究对象，通过改变Zr滤片数目和EUV脉冲的数目可以实现对样品曝光剂量的调节，如图5下图所示。可以看出，在一定的EUV能量密度范围内，PMMA样品光刻的深度与曝光剂量成正比关系。
图5. 基于实验室LPP光源的小型EUV曝光系统（上图）及不同脉冲数目和脉冲能量下PMMA样品的曝光测试结果（下图）[8]
为了评估带外EUV辐射对PMMA样品光刻的影响，在曝光光路中加入一片栅线密度为20 l/mm的不锈钢的格栅进行EUV衍射实验，通过实际光路中有无Zr滤片的曝光结果和理论曝光刻蚀深度进行对比，AFM观察结果如图6所示。可以看到二级衍射被抑制，曝光剂量主要集中在零级衍射区域，PMMA样品各衍射级次的实验曝光结果和理论曝光对比数据表明，由带外EUV辐射贡献的剂量主要集中在零级衍射区域。
图6. AFM测得的PMMA样品经2000发EUV脉冲曝光后显影的结果（无Zr滤片，上图）; 有无Zr滤片情况下不同衍射级次的EUV光对PMMA样品刻蚀深度及理论模拟结果对比（下图）[8]
实验室EUV/SXR纳米透射显微成像
极紫外和软X射线纳米透射显微成像技术是一种高分辨的成像技术，相较于传统可见光显微和电子显微方法，EUV和SXR光子对材料具有更深的穿透深度和对元素的特异性吸收，可以实现纳米分辨的成像结果，同时对活体生物样品等具有更高的成像衬度。图7是哥廷根激光实验室基于LPP光源的软X射线纳米透射显微实验光路，采用氮气作为靶气体，可以获得准单色的2.88 nm波长软X射线辐射，并利用椭球镜作聚焦镜，在样品焦平面可以获得FWHM=250 μm的焦斑，利用最外环宽度25 nm的波带片作成像物镜，通过对2D西门子星样品的测试结果，可以看出整套系统能够实现50 nm的成像分辨率（如下图7-c）。
图7. 实验室桌面软X射线显微实验系统实物图（a）和椭球镜不同聚焦位置处的光强分布（b）及不同实验样品在探测面的成像结果（c-f）[9]
如上图7-e和f，对抗辐射奇异球菌（ Deinococcus radiodurans）和矩圆囊裸藻 （Trachelomonas oblonga）的成像结果证实了利用实验室LPP光源进行EUV/SXR纳米全场透射显微成像的可行性，在吸收衬度模式下，可以清晰地观测到这两类生物的圆形轮廓特征以及囊裸藻属生物的鞭毛特征。在经历数小时的软X射线照射条件下，并未观察到生物体成像结果的变化，表明实验室LPP光源发射的软X射线并不足以使得辐射奇球菌和囊裸藻属生物受到辐射损伤的影响。
实验室NEXAFS光谱表征
近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）光谱是材料分子键结构和分子间相互作用的重要表征工具，通过探测特定元素吸收边附近的细微结构变化，可以获得中心原子的局域环境、电子结构和化学键等信息。图8是基于实验室LPP光源的桌面NEXAFS光谱仪系统，和同步辐射NEXAFS实验光路不同的是，该系统主要采用透射测试模式，并结合平场光栅谱仪的高分辨率和平场成像特征，可以实现较宽波长范围内元素吸收边附近细微结构变化的快速和精确测试。
图8. 基于LPP光源的实验室桌面软X射线吸收精细结构谱仪光路示意图（上图）和实物图（下图）[10]
图9是利用实验室桌面NEXAFS光谱仪系统测得的1 μm厚的PET薄膜样品在EUV曝光前后的C K边精细结构变化。可以看到，与原始PET薄膜样品相比，EUV辐照后材料的NEXAFS光谱在能量~287 eV附近区域表现出明显的峰强度减弱，表明EUV辐照主要破坏了PET材料中的C-H分子键，进而改变材料的物化性质。该NEXAFS测试的实验结果对理解EUV光刻胶曝光前后的结构变化和设计改进材料对EUV光的灵敏度及提高材料稳定性等具有重要的意义。
图9. 1μm厚的PET薄膜样品受EUV曝光后的光学图片（左图）和利用C K边NEXAFS光谱探测的EUV辐照前后PET薄膜材料结构变化（右图）[11]
当前，德国HP Spectroscopy公司联合德国哥廷根激光实验室共同推出了一款经过充分验证，技术成熟的实验室激光驱动等离子体EUV/SXR光源-ProLINE及其系统解决方案，可实现1-6 nm宽波长范围及2.88 nm、13.0 nm和13.5 nm单色波长的EUV和软X射线稳定输出。
图10. 实验室EUV/SXR光源-proLINE的打靶腔室实物图
★ 该实验室EUV/SXR光源-proLINE的详细参数如下表所示：
☛ 关于HP Spectroscopy公司
HP Spectroscopy公司位于德国，一直以来致力于多学科交叉领域，可提供XUV波前诊断光学系统、激光驱动等离子体EUV-软X射线光源、平场光栅谱仪、单色仪、X射线吸收谱仪在内的定制化解决方案。主要团队由X射线、光谱、光栅设计、等离子体物理、beamline等领域的专家组成。长期与全球领先的研究机构的科学家维持紧密合作，关注前沿技术，保持产品的迭代与创新。
北京众星联恒科技有限公司作为德国HP Spectroscopy公司实验室X射线吸收谱仪（hiXAS、proXAS）和EUV/SXR光源（proLINE）在中国区的独家代理，为中国客户提供所有产品的售前咨询，销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的EUV、X射线产品及解决方案。如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。
☛ 参考文献
[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).
内 容 β·GONG
审 核 凯文
编 辑 小乔
