Röntgenemission aus laserinduzierten Plasmen [original]

R¨

ontgenemission aus laserinduzierten Plasmen:

Einfluss von Laserintensit¨

at und Pulsdauer bei verschiedenen

Targetsystemen

von

Dipl. Phys. Ulrich Vogt

aus Osnabr¨

uck

von der Fakult¨

at II (Mathematik und Naturwissenschaften)

der Technischen Universit¨

at Berlin

zur Verleihung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften

genehmigte Dissertation

Berlin 2002

D 83

Promotionsausschuss:

Vorsitzender:

Prof. Dr. D¨

ahne

Berichter:

Prof. Dr. Sandner

Prof. Dr. von Oppen

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 09. Oktober 2002

Zusammenfassung

Die vorliegenden Arbeit befasst sich mit der spektralen Charakterisierung der R¨

ontgenemissi-

on aus laserinduzierten Plasmen bei verschiedenenen Targetmaterialien und Targetsystemen.

Untersucht wird insbesondere der Einfluss der beiden Laserparameter Intensit¨

at und Puls-

dauer auf die Emission. Diese wurden ¨

uber einen weiten Bereich variiert. Motivation f¨

ur die

grundlegenden systematischen Messungen ist dabei die Anwendung eines Laserplasmas als

Laborr¨

ontgenquelle f¨

ur die Lithographie oder Spektroskopie. Die Messung der Spektren er-

folgte mit teilweise absolut kalibrierten Spektrometern, die die Grundlage f¨

ur das absolute

Messen von Photonenzahlen darstellen und die die Bestimmung einer Konversionseffizienz

von Laser- in R¨

ontgenlicht erm¨

oglicht.

Zwei Kapitel dieser Arbeit widmeten sich Untersuchung von Quellen f¨

ur die EUV-

Lithographie bei 13 nm Wellenl¨

ange. Erste Messungen wurden an einem Wasserstrahl-Target

durchgef¨

uhrt. Die Emission im EUV-Bereich stammt dabei von Sauerstoffionen. Die Unter-

suchungen konzentrierten sich dabei auf eine Maximierung der Konversionseffizienz und die

Frage, ob ein d¨

unner Jet als Target f¨

ur einen Laser hoher mittlerer Leistung geeignet ist. Mit

dem MBI-burst-mode Laser als Modellsystem f¨

ur einen solchen Laser konnte gezeigt wer-

den, dass ein Fl¨

ussigkeitsstrahl die Anforderungen erf¨

ullt. Durch eine Variation der Pulsdauer

und der Energie des Lasers konnte ein Bereich von drei Gr¨

oßenordnungen in der Intensit¨

uberstrichen werden. Den h¨

ochsten Effizienzwert von 0,12% (4πsr) bei 13 nm Wellenl¨

ange

erh¨

alt man mit ns-Pulsen und einer Intensit¨

at von 1012 W/cm2, dabei ist der optimale Inten-

sit¨

atsbereich relativ eng definiert.

Als weiteres Targetmaterial wurden Xenon-Cluster untersucht. Anders als beim Wasserjet

zeigte sich, dass das Target in einem relativ großen Intensit¨

ats- und Pulsdauerfenster mit

hohen Konversionseffizienzen betrieben werden kann. Sowohl mit einem 10 ns Laserpuls

und 1014 W/cm2erreicht man eine Effizienz von ca. 0,3% (2πsr) als auch mit einem 2 ps

und 50 fs Puls und 5·1016 W/cm2bzw. 2·1018 W/cm2. Eine gemessene Konversionseffizienz

bei 13,4 nm Wellenl¨

ange von 0,8% (2πsr, 2,2%BW) wurde mit einem zirkular polarisierten

2 ps-Laserpuls erzielt.

In einem weiteren Kapitel ist die Charakterisierung eines Laserplasmas als Lichtquelle

f¨

ur ein R¨

ontgenabsorptionsspektrometers beschrieben. Das Festk¨

orper-Targetmaterial Kup-

fer stellte sich als geeignet heraus und es wurde eine optimale Lasereinstellung (Inten-

sit¨

at 1,6·1014 W/cm2, mittlere Leistung 1 W) f¨

ur maximale Photonenzahlen gefunden. Wei-

terf¨

uhrende Messungen ermittelten die Gr¨

oße und Ortsstabilit¨

at (24±3µm in vertikaler und

37±3µm in horizontaler Richtung) der Kupfer-Plasmaquelle im R¨

ontgenbereich und die

Emissionsdauer (44±7 ps). Aufgrund der Resultate erschien die Quelle f¨

ur ein Absorptions-

spektrometer geeignet, was in ersten Messungen dokumentiert werden konnte.

In Experimenten mit einem Gold- und Kupfertarget bzw. einem Gallium-Jet-Target, be-

schrieben im letzten experimentellen Kapitel dieser Arbeit, konnte gezeigt werden, dass

kHz-fs-Laser f¨

ur die Erzeugung harter R¨

ontgenstrahlung (charakteristischer K-Strahlung und

Bremsstrahlung) geeignet sind. Um eine m¨

oglichst hohe Photonenausbeute zu bekommen,

muss wieder eine Optimierung der Laserintensit¨

at erfolgen. Diese Quellen sollen f¨

ur die

zeitaufgel¨

oste R¨

ontgendiffraktion eingesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Grundlagen laserinduzierter Plasmen 3

2.1. DasstoßfreiePlasma .............................. 3

2.2. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem Plasma . . . . . . . . . . 4

2.3. Absorption von Laserpulsen in einem Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3.1. Multiphotonen- und Tunnelionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.2. Stoßabsorption (Inverse Bremsstrahlung) . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.3. Resonanzabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4. Plasmaexpansion ................................ 8

2.5. Strahlungsemission eines laserinduzierten Plasmas . . . . . . . . . . . . . . 8

2.5.1. Planck-Limit .............................. 9

2.5.2. Strahlungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5.3. Absch¨

atzungen zur Konversionseffizienz eines laserinduzierten Plas-

mas................................... 11

2.5.4. Wahl des Targetmaterials und Targetsystems . . . . . . . . . . . . . 12

3. Aufbau der Diagnostik im weichen und harten R¨

ontgenbereich 15

3.1. Spalt-Gitter-Spektrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2. Zonenplatten zur Quellgr¨

oßenmessung..................... 19

3.3. Detektoren.................................... 20

3.3.1. R¨

uckseitig belichtbare CCD-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3.2. R¨

ontgendioden und Einzelphotonenz¨

ahlung.............. 21

3.3.3. R¨

ontgen-Streak-Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4. Kalibrierung des Spalt-Gitter-Spektrographen im EUV-Bereich . . . . . . . . 23

4. Untersuchung der EUV-Emission eines Wasserstrahl-Targets 25

4.1. Hintergrund: EUV-Lithographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2. Erzeugung von Fl¨

ussigkeitsstrahlen im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3. Stabilit¨

atsuntersuchungen bei hoher mittlerer Laserleistung . . . . . . . . . . 28

4.3.1. Nd:YLF burst-mode Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3.2. Versuchsaufbau und Durchf¨

uhrung .................. 30

4.3.3. Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.4. Konversionseffizienz in Abh¨

angigkeit von Intensit¨

at und Pulsdauer . . . . . . 35

4.4.1. Versuchsaufbau und Durchf¨

uhrung .................. 36

4.4.2. Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.4.3. Emission im Spektralbereich 1,5–2,5 nm . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4.4. Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

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