Спектроскопия многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Чурилов, Сергей Семенович

• Чурилов, Сергей Семенович
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Чурилов, Сергей Семенович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Методики анализа спектров многозарядных ионов.

§1.1. Источники возбуждения спектров.

§1.2. Спектральная аппаратура высокого разрешения.

§1.3. Обработка спектр ограмм.

§ 1.4. Теоретические расчеты спектров многозарядных ионов.

§ 1.5. Классификация спектральных линий и критерии корректности анализа спектров.

Глава 2. Спектры многозарядных палладие-подобных ионов.

§2.1. Структура уровней Pd-подобных ионов.

§ 2.2. Исследование резонансных переходов в спектрах

Pd-подобных ионов.

§ 2.3. Анализ переходов между возбужденными конфигурациями в спектрах Pd-подобных ионов.

§2.3.1. Исследование высоковозбужденных конфигураций в спектрах Sb VI-IVIII.

§ 2.3.2. Анализ спектров Хе IX и Cs X.

§ 2.3.3. Анализ спектров Ва XI, La XII и Ce XIII.

§ 2.3.4. Анализ спектров Pr XIV и Nd XV.

§ 2.4. Обобщение спектроскопических данных для изоэлектронной последовательности Pd I.

Глава 3. Спектры ионов изоэлектронных последовательностей Ag I и Cd I.

§ 3.1. Проблемы селекции линий в спектрах многозарядных ионов.

§ 3.2. Анализ спектров Ag-подобных ионов от Sb V до Nd XIV.

§ 3.3. Анализ спектров многозарядных Cd-подобных ионов.

§3.3.1. Спектр Xe VIL

§ 3.3.2. Спектр Ва IX.

§ 3.3.3. Спектр La X.

§ 3.3.4. Спектр Ce XI.

§3.3.5. Спектры Pr XII и Nd XIII.

Глава 4. Спектры 4d ионов ксенона в дальней ВУФ области.

§4.1. Изученность спектров ионов с заполняющейся 4d оболочкой.

§4.2. Специфические особенности конфигураций 4dm14f и 4p54dm+1.

§ 4.3. Спектры ионов ксенона в дальней ВУФ области.

§ 4.4. Анализ Xe X и изоэлектронных спектров IIX - Ва XII.

§ 4.5. Анализ спектра Xe XI и изоэлектронного спектра IX.

Глава 5. Спектры 4d ионов олова и индия в дальней ВУФ области.

§ 5.1. Общая характеристика спектров ионов олова и индия в области 100-200 Á.

§ 5.2. Анализ конфигураций 4d64f и 4p54d8 в спектрах

In VII и Sn VIII.

§ 5.3. Анализ спектров In XII-XIII и Sn XIII-XIV.

§ 5.4. Классификация переходов в сложных спектрах

In VIII-XI и Sn IX-XII.

§ 5.5. Диагностика плазмы искрового источника для ВУФ литографии.

§ 5.5.1. Измерение электронной температуры плазмы.

§ 5.5.2. Определение электронной плотности плазмы.

§ 5.5.3. Оценки оптической толщины излучающей плазмы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектроскопия многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой»

Спектроскопия многократно ионизированных атомов сформировалась как отдельная ветвь атомной спектроскопии в первой половине прошлого столетия. Тем не менее, исследования спектров многозарядных ионов, в отличии от спектров нейтральных атомов, до сих пор далеки от завершения. Количество возможных ионов разных кратностей, естественно, намного превышает число элементов в периодической таблице и составляет более 4000 только для атомов, имеющих стабильные изотопы ^с<92). Для эффективного возбуждения спекров ионов больших кратностей, Z>30-40, требуются источники плазмы с электронными температурами порядка 1-10 кэВ, трудно реализуемыми в лабораторных условиях. К настоящему времени более или менее полно исследованы спектры около 1000 различных ионов, большинство из которых имеют относительно малые кратности.

Спектры многозарядных ионов начали изучаться с целью проверки фундаментальных основ физики атома. Результаты этих первых исследований были суммированы в таблицах энергий уровней, составленных Шарлоттой Мур [1]. Данные таблицы, в основном, содержат информацию о спектрах ионов относительно малых кратностей с зарядом Z<5. При дальнейших исследованиях выбор тех или иных ионов, как правило, определялся насущными потребностями науки и технологии. Длительное время основным стимулом для развития спектроскопии многозарядных ионов служили возрастающие потребности физики горячей плазмы астрофизических и лабораторных источников. Например, основными объектами спектроскопии многозарядных ионов в 1960-70-х годах являлись спектры ионов так называемых астрофизических элементов, присутствующих в атмосферах Солнца и других звёзд (ионы элементов 2-4 периодов вплоть до никеля с зарядом ядра Zc<28). Также интенсивно изучались спектры ионов, присутствующих как примесь в потенциальных термоядерных источниках типа Токамак и лазерной плазмы, в частности, ионов элементов 5-го периода вплоть до молибдена @с=42). Обнаружение химически особенных звезд и регистрация их ВУФ спектров с помощью космического телескопа Hubble инициировала исследования сложных спектров тяжёлых ионов элементов 6-го периода группы платины (Zc=73-83), обнаруженных в атмосфере этих звезд. Проблема создания лазерных источников в ВУФ и MP областях длин волн вызвала повышенный интерес к спектрам многозарядных ионов изоэлектронных последовательностей Ne I и Ni I. Параллельно решению насущных прикладных задач также анализировались спектры ряда относительно простых изоэлектронных последовательностей с одним-двумя электронами вне заполненных оболочек (HI, Hel, Li I, Bel, Nal, Mgl и т.д.), имеющих важное значение для фундаментальной атомной физики и для диагностики астрофизических и лабораторных источников плазмы. Результаты исследований спектров многозарядных ионов, полученные на определенных этапах исследований, представлены в обзорных статьях (см., например, [2-12]). Кроме того, Национальный Институт стандартов и технологий (бывшее Национальное Бюро стандартов) США публиковал, по мере изучения, сводки спектроскопических данных для ионов тех или иных элементов [13-19].

На рисунках 1 и 2 дана схема изученности спектров атомов и ионов вплоть до висмута. Чёрным цветом отмечены спектры, степень изученности которых можно признать удовлетворительным, т.е. спектры, в которых детально исследованы по крайней мере наиболее интенсивные (резонансные) переходы. Для остальных спектров информация или вообще отсутствовала, или была крайне скудна, например: было классифицировано лишь несколько наиболее сильных линий либо отождествлены серии переходов без детальной классификации. Данная упрощенная схема, конечно, не дает полной картины изученности спектров ионов, однако позволяет представить общее состояние исследований в области спектроскопии многозарядных ионов. Видно, что для элементов первой половины периодической системы вплоть до Мо более или менее полная спектроскопическая информация имеется для подавляющего большинства ионов. Недостаточно изучены лишь спектры ионов большой кратности (Z>25), для возбуждения которых требуется плазма с очень большой электронной температурой. Имеется также пробел в изучении спектров ионов

Н Не и Ва В С N О Р Ыв N8 Мд А1 Р Б С1 Аг К Са Бс 71 V Сг Мг Гв Со N1 Си За вв Аз Бв Вг Кг № Бг У Ь № Мо

XXXI

XXXIII

XXXIII XXXIV!

Рис.1. Таблица изученности спектров ионов элементов от Н до Мо на 2005 год

Тс № № М Ад и 1л Эп йТв I Хв Св Ва 1а Са Рг № Ртвт Еи(3<1ТЬОуНоЕгТтУЫиЮТаУУЯйО«1г И Аи Нд 71 РЬ В1

Рис.2. Таблица изученности спектров ионов элементов от Тс до ЕН, 1995-2005. Исследуемые в данной диссертации спектры отмечены серым цветом. умеренной кратности (2-10-20) для элементов от Си до №>. Большинство этих ионов имеют заполняющуюся Зё оболочку в основном состоянии, и их недостаточная изученность связана со значительными трудностями, возникающими при анализе этих сложных спектров. Тем не менее, спектры Зё ионов с Zc<2% (группа железа вплоть до никеля) были детально исследованы в связи с насущными потребностями астрофизики (см., например, [20]).

Спектры более тяжелых многозарядных ионов изучены гораздо хуже (Рис.2). Исследованы лишь относительно простые спектры изоэлектронных последовательностей ионов, имеющих в основном состоянии 1-2 электрона или вакансии вне заполненных оболочек. Так, например, были изучены спектры многозарядных ионов с 2с=50-60 последовательностей Бе I (основная конфигурация Зё8), Со I (Зё9), № I (Зё10), Си I (4в) и Ъъ I (4Э2), что связано с упомянутой проблемой создания лазеров в МР диапазоне. Также были частично исследованы резонансные переходы в относительно простых спектрах тяжелых многозарядных ионов группы платины (Та - ВО с основными конфигурациями 5ё, 5ё2, 5ё9 и 5ё10.

В ионах с заполняющейся 4ё оболочкой в основном были исследованы спектры ионов кратностью Z<l0, принадлежащие наиболее простым изоэлектронным последовательностям Ш) I (4ё), Ш11 (4ё9) и Рё I (4ё10). Причины отсутствия данных для остальных спектров 4ё ионов были практически те же, что и для спектров тяжёлых Зё ионов: очень сложные структуры спектров и отсутствие насущных прикладных задач, требующих соответствующей спектроскопической информации. Спектры 4ё ионов, как правило, состоят из переходов между весьма сложными электронными конфигурациями, содержащими до нескольких сотен уровней. Некоторые возбуждённые конфигурации этих ионов, например, 4ёш"Чг и 4р54ёт+1, сильно взаимодействуют друг с другом, так что их состояния в значительной степени перемешиваются. Более того, соседние ионы с заполняющейся 4ё оболочкой имеют мало отличающиеся потенциалы ионизации, поэтому даже в равновесных условиях в плазме одновременно существует несколько ионов. Как следствие, получаемые спектрограммы содержат до нескольких тысяч линий, и возбуждаемые в различных ионах переходы зачастую лежат в одних и тех же спектральных интервалах. Детальный анализ таких спектров представляет собой довольно трудную и кропотливую задачу и требует спектральную аппаратуру высокого разрешения в сочетании с современными компьютерными системами обработки спектрограмм и надежными методами теоретических расчетов.

В последнее время появились веские причины, пробудившие значительный интерес к спектрам многозарядных ионов с заполняющейся 4ё оболочкой. Было показано, что на переходах многозарядных палладие-подобных ионов возможна лазерная генерация в дальней ВУФ области спектра [21]. Палладие-подобные ионы имеют основную конфигурацию 4с110, возбуждённое состояние 4с195<1 "Бо эффективно заселяется в плотной горячей плазме монопольными электронными переходами 4<110 'Зо => 4<195<1180, а состояния 4ё95р(7=1) быстро опустошаются радиационными переходами в основное состояние. В результате, образуется квазистационарная инверсия населённостей этих состояний, время существования которой определяется временем жизни плазмы. Таким образом, схема образования инверсии на уровнях палладие-подобных ионов аналогична схеме, реализованной на переходах во множестве никеле-подобных ионов с основной конфигурацией Зс110. Лазерный эффект наблюдался в горячей плотной лазерной плазме на переходах 3<194р (7=1) - Зс194с1 (1=0,2) в большом количестве никеле-подобных спектров от У XII до Аи 1Л1 (см., например, [22-34]). Кроме того, наблюдалось усиление на переходе Зс194с1 'Р] - Зс194Г 1Р1 в никеле-подобных спектрах 2гХШ - Мо XV [32,34]. Данный эффект был объяснен механизмом "само-фотонакачки" очень сильного резонансного перехода Зс110 ^о - 'Р[ в оптически плотной плазме [32]. Спектры никеле-подобных ионов детально исследовались при активном участии нашей группы, в результате чего наиболее интенсивные резонансные переходы были идентифицированы вплоть до спектра РЬ ЬУ [35-38], а энергетические структуры конфигураций Зс1941 (1=з,р,с1,1!) были установлены до спектра вп XXIII [11, 39-47].

Спектры многозарядных палладие-подобных ионов были изучены крайне неудовлетворительно. Достаточно упомянуть, что в единственном пока успешном эксперименте по наблюдению инверсии в палладие-подобных ионах

21] идентификация большинства переходов в спектре Хе IX оказалась неверной (см. Главу 2 данной диссертации). Для уверенных расчетов радиационно-столкновительной кинетики генерирующей плазмы и оптимизации параметров активной среды была необходима как можно более полная спектроскопическая информация, по крайней мере для первых возбуждённых конфигураций типа 4d951 и 4d94f в палладие-подобных ионах.

Другой побудительной причиной исследования спектров 4d ионов явились потребности оптической литографии (ОЛ) нового поколения. ОЛ широко используется при изготовлении интегральных электронных схем для микропроцессоров. По мере усложнения интегральных схем все большее значение приобретает увеличение плотности упаковки их элементов, что возможно лишь при повышении пространственного разрешения используемой технологии их изготовления. Пространственное разрешение ОЛ определяется выражением КД/NA, где Ki - фактор Релея, X - длина волны используемого излучения, NA - числовая апертура фокусируемого на объект пучка излучения. В настоящее время для изготовления микропроцессоров применяется ультрафиолетовое излучение эксимерных лазеров, что обеспечивает разрешение порядка нескольких сотен нанометров. Для повышения пространственного разрешения ОЛ необходим переход в дальний УФ диапазон длин волн, в котором отсутствуют эффективные, относительно дешевые лазерные источники. Альтернативой ОЛ с лазерными источниками является проекционная литография, при которой излучение "точечного" источника собирается и фокусируется оптическим коллектором с большой числовой апертурой [48]. На сегодняшний день такой коллектор в дальней УФ области может быть создан на основе многослойных Mo/Si зеркал нормального падения. Эти зеркала, имеющие коэффициенты отражения до 70% в диапазоне 134— 142 À, и определяют длину волны ОЛ нового поколения [49-53]. Предварительные оценки показывают, что излучающий в 2п стерадиан источник должен обладать интегральной мощность не менее 500 Вт в полосе отражения зеркал коллектора. Ширина полосы Mo/Si зеркала при однократном отражении около 4 %, однако после многократных отражений она сужается до

2 % вблизи 135 À (135±1.35 À). Для обеспечения требуемой мощности данные источники должны работать с частотой повторения импульсов не менее 10 кГц. С другой стороны, эффективность преобразования подводимой энергии в узкую полосу 135-À излучения чрезвычайно мала, порядка 1-2%, поэтому возникают проблемы отвода избыточного тепла, долговременной стабильности параметров плазмы и т.д. Вышеизложенные причины предъявляют повышенные требования при выборе активной среды (излучающих ионов) для литографических источников. В работе [54] были измерены эффективности преобразования энергии лазерного импульса в 2-% полосу излучения лазерной плазмы вблизи 135 À для широкого набора мишеней от F (А=9) до Bi (А=83). Было установлено, что для мишеней из Ge, Sn, Хе и W эффективность существенно выше, чем для остальных мишеней. В настоящее время в силу ряда технологических причин разработчики схем OJI нового поколения сосредоточились на источниках с ионами ксенона и олова возбуждаемыми в лазерной плазме и в искровых разрядах различной модификации. Показано, что интенсивное излучение в области 135 À в таких источниках создают переходы в ионах Хе10+ и Sn9+-Sn13+ с заполняющейся 4d оболочкой [55-58], спектры которых неизвестны (см. рис.2). Спектры ионов In8+-In12+ также могут быть использованы в источниках для ВУФ литографии при смещении максимума отражения Mo/Si зеркал коллектора до 142 À. В настоящее время (начиная с 2006 года) компания Intel приступает к созданию элементной базы для ОЛ в дальней УФ области с разрешением 32 нм [59]. Очевидно, что для создания эффективного интенсивных источников ОЛ нового поколения необходима детальная информация о спектрах их излучения.

Основная задача диссертационной работы заключалась в детальном систематическом исследовании спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой. Особое внимание уделено спектрам палладие-подобных ионов (основная конфигурация 4d10) и ионов ксенона, олова и индия, возбуждаемых в литографических источниках нового поколения (основные конфигурации от 4d до 4d9). Кроме того, в процессе анализа спектров палладиеподобных ионов были исследованы спектры многозарядных ионов соседних изоэлектронных последовательностей А§ I и Сс11. Спектры этих ионов перекрываются со спектрами Рс1-подобных ионов, и для надежного анализа последних было необходимо классифицировать все линии в исследуемых спектральных областях. При анализе спектров ионов ксенона были также исследованы спектры соседних изоэлектронных ионов от йода до бария. Необходимо также отметить, что изучение спектров ионов с заполняющимися <1 оболочками в силу их специфичности представляют значительный интерес для развития методов спектроскопии многозарядных ионов (см., например, [60]). Спектры ионов, изучаемые в данной диссертационной работе, отмечены на Рис. 2 серым цветом.

Научная новизна исследований заключается в следующем. Впервые классифицировано около 3200 спектральных линий и измерены энергии более 1500 уровней в спектрах 4(1 ионов элементов от индия (¿с=49) до неодима @с=65). Всего исследовались спектры до 50 различных ионов, принадлежащих л

12 изоэлектронным последовательностям, от СсИ (5э ) до Шэ I (4(1) (см. Рис. 2). Спектры 20 ионов были впервые исследованы в данной диссертации, результаты анализов спектров остальных ионов были частично исправлены и существенно дополнены. Определены полуэмпирические энергетические параметры основных и первых возбужденных электронных конфигураций в спектрах ионов с заполняющейся 4& оболочкой, изучены особенности энергетических структур и эффекты взаимодействия этих конфигураций. Исследовано влияние различных механизмов на профили спектральных линий многозарядных 4<1 ионов в горячей плазме искровых разрядов.

В целом диссертационная работа может быть охарактеризована как содержащая решение большой научной проблемы исследования сложных спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4(1 оболочкой, имеющих важное значения для создания лазерных источников в дальней ВУФ области длин волн и для оптической литографии нового поколения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании спектроскопического базиса для исследования лазерных эффектов на переходах палладие-подобных ионов и для разработок эффективных источников для проекционной оптической литографии в дальней ВУФ области спектра. Надежность и точность ряда полученных в работе результатов были подтверждены при моделировании спектров излучения различных плазменных источников. Спектроскопические данные, полученные для спектров ионов ксенона от Хе VII до Хе XI, уже включены в справочное издание Национального Института стандартов и технологий США по спектрам ионов ксенона [61]. Информация, полученная в работе при анализе спектров многозарядных ионов ксенона, олова и индия, используется для разработок эффективных источников литографии нового поколения (6-ая рамочная программа ЕС).

Основные результаты диссертации докладывались на XVI Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1998), на VII Международной Конференции по рентгеновским лазерам (Сан-Мало, Франция, 2000), на VII Коллоквиуме по атомной спектроскопии и силам осцилляторов (Дублин, Ирландия, 2001), на Симпозиуме по моделированию источников ВУФ излучения (Миязаки, Япония, 2004), на XXXVII Конференции Европейской группы по атомным системам (Дублин, Ирландия, 2005), на XXIII Съезде по Спектроскопии (Звенигород, 2005) и на 2-ой Международной Конференции по Атомной и Молекулярной Физике и Оптике (Нью-Дели, Индия, 2006). По результатам проведенных исследований опубликовано 27 научных работ в рецензируемых отечественных и иностранных журналах.

Основные защищаемые положения: 1. Спектроскопические данные для многозарядных палладие-подобных ионов от Sb VI до Nd XV. Классификация переходов между конфигурациями 4d10, 4d94f, 4d95s, 4d95p, 4d95d и 4d95f, энергии уровней и полуэмпирические энергетические параметры этих конфигураций. Результаты экстраполяции спектроскопических данных на более тяжелые палладие-подобные ионы.

2. Результаты исследования спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Энергии конфигураций 4d!0nf, 4d10mg (n=4,5; m=5,6) в спектрах Sb V -1 VII и высоковозбуждённых конфигураций 4d'°nl (11=6,7; l=p,d,f,g), 4d95s5p, 4d94f5s и 4d94f2 в спектрах Cs IX - Nd XIV.

3. Результаты анализа спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Cd I. Энергии конфигураций 4f5s, 4f5p, 4f5d, 5p5d, 5s6p и 5s5f в спектрах Xe VII и Ba IX - Nd XIII и конфигураций 4Í2 и 4f5g в спектрах Pr XII и Nd XIII.

4. Результаты анализа спектров Xe X и Xe XI, и изоэлектронных им спектров

IIX, IX, Cs XI, Ba XII. Энергии конфигураций 4d84f и 4p54d10 в спектрах IIX - Ba XII и конфигураций 4d75p, 4d74f и 4p54d9 в спектрах I X и Xe XI. Детальная классификация спектра излучения ионов ксенона в области 130140 Á, представляющей интерес для оптической литографии в дальней ВУФ области длин волн.

5. Спектроскопические данные для 4d ионов олова Sn VIII - Sn XIV. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 130140 Á, энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4dm, 4dm15p, 4dm"'4f и 4p4dm+I в спектрах ионов олова.

6. Спектроскопические данные 4d ионов индия In VII - In XIII. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 140150 Á и энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4dm, 4dm"'5p, 4dra"'4f 4ps4dm+1 в спектрах ионов индия.

7. Параметры плазмы малоиндуктивной вакуумной искры при токах разряда 15-25 кА: электронная температура, электронная плотность и оптическая толщина, измеренные с использованием методов спектроскопии высокого разрешения в дальней ВУФ области.

8. Спектроскопическая база для мониторинга, диагностики и оптимизации спектров излучения источников оптической литографии нового поколения на базе полученной в диссертации информации по спектрам 4d ионов ксенона, олова и индия.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. В Главе 1 диссертации изложены примененные в данной диссертационной работе методики регистрации, обработки и анализа исследуемых спектров. Описываются источники плазмы и спектрографы высокого разрешения, используемые для возбуждения и регистрации спектров многозарядных 4d ионов. Показана необходимость использования как можно большего количества стандартов длин волн при обработке спектров, зарегистрированных на спектрографах скользящего падения. Представлен краткий обзор методов расчетов спектров 4d ионов, более подробно описываются применяемый в данной работе пакет программ Р.Д.Кауэна и метод ортогональных операторов. Обосновывается необходимость проведения полуэмпирических расчетов исследуемых сложных спектров 4d ионов, описываются методики экстраполяции вдоль изоэлекгронных и изоядерных последовательностей ионов. Обсуждаются основные критерии корректности классификации спектров и используемые методики устранения случайных ошибок при анализе сложных спектров.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Чурилов, Сергей Семенович

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1) Создана мощная лазерная установка на неодимовом стекле с обращением волнового фронта, предназначенная для получения высокотемпературной лазерной плазмы. Использование данного источника совместно с искровыми источниками различных модификаций позволило эффективно возбуждать и при необходимости селектировать по кратностям ионизации спектры многозарядных 4d ионов кратностью от 5 до 15.

2) В работе исследованы спектры 50 многозарядных ионов, принадлежащих двенадцати различным изоэлектронным последовательностям, причём спектры около 20 ионов изучались практически впервые. В результате проведенных анализов спектров впервые классифицировано около 3200 спектральных линий и определены энергии более 1500 уровней. По экспериментальным энергиям уровней определены полуэмпирические параметры, позволяющие проводить точную и надежную экстраполяцию на еще не изученные ионы исследуемых последовательностей.

3) Детально исследованы спектры многозарядных Pd-подобных ионов от Sb VI до Nd XV. В спектрах Sb VI - IVIII измерены энергии конфигурации 4d95f и неизвестные ранее энергии 4d95d, включая энергию верхнего уровня лазерного перехода 4d95d'S0. В спектрах XeIX и CsX уточнены энергии конфигурации 4d95p и впервые исследованы конфигурации 4d95d и 4d95f. В спектрах BaXI - NdXV исследованы энергетические структуры конфигураций 4d95s, 4d95p, 4d95d и 4d95f, а также конфигурации 4d94f, ранее вообще не изучавшейся в спектрах данной изоэлектронной последовательности. Определенные в результате данного анализа полуэмпирические энергетические параметры были экстраполированы на более тяжелые палладие-подобные ионы. Предсказаны длины волн переходов в спектрах многозарядных палладие-подобных ионов от Sm XVII до UILVII, на которых возможна лазерная генерация.

4) Изучены спектры ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Определены энергии 4<1104£ в спектрах Те VI, I VII, Сэ IX и Ва X, и энергии 4<110п£, 4<111^ (п=5,6) в спектрах 8Ь V, Те VI и I VII. Также измерены ранее неизвестные энергии высоковозбужденных конфигураций 4с110п1 (п=6,7; 4с195з5р, 4<194£5з и 4с194^ в спектрах Сэ IX - N<1XIV. Исследованы эффекты сильного взаимодействия четных конфигураций 4(1 ng и 4<194]£2 и нечетных конфигураций 4<110п£ и 4<195з5р в спектрах многозарядных Ag-пoдoбныx ионов.

5) Исследованы спектры многозарядных ионов последовательности С<11. Впервые классифицировано около 700 спектральных линий и измерены энергии почти 400 уровней в спектрах Хе VII, Ва IX - N<1XIII. В спектрах Хе VII, Ва IX и Ьа X дополнительно к имеющимся в литературе данным измерены энергии конфигураций 4£5в, 4£5р, 4£5(1, 5р5ё, 5э6р и а также исправлены неверные классификации переходов с синглетных уровней 5з5<1 'Б? и 5р 80 в данных спектрах. Практически заново изучены спектры Се XI, Рг XII и N<1XIII, в которых определены энергетические структуры конфигураций 5э5р, 5э5с1, 5р2, 5з6э, 4£5э, 4£5р, 4£5<1, 5э6р и 5э5£ Впервые для данной последовательности исследована конфигурация 4f в спектрах Се XI -N<1XIII и конфигурация 4f5g в Рг XII и N<1XIII. Изучены эффекты пересечения конфигураций 5з5<1-4£5р и 5р5<1-4£5<1, а также влияние конфигурации 4<194£3 на структуру конфигурации 4£5&

6) Исследованы спектры переходов 4ё9 - (4(184£+4р54ё10) в спектрах IIX, Хе X, Сэ XI и Ва XII и переходов 4<18 - (4с175р+4с174Т+4р54с19) I X и Хе XI. Полностью классифицированы спектры излучения ионов ксенона в области длин волн 130-140 А. Показано, что практически все более или менее интенсивные линии в этой области, представляющей интерес для оптической литографии нового поколения, принадлежат переходам 4(1 -4(175р в спектре Хе XI.

7) С помощью методики последовательной экстраполяции вдоль изоядерных последовательностей классифицированы наиболее интенсивные переходы 4<Г - (4<Г"!5р+4(Г"141?+4р54(1т+1) в сложных спектрах 8п УШ-Х1У и 1п УП-ХШ, излучаемые в источниках проекционной оптической литографии нового поколения. Показано, что в 2-% интервале длин волн вблизи 135 А, сконцентрированы переходы в спектрах 8пХ1 - 8пХШ. При использовании в литографических источниках индия вблизи 142 А лежат, в основном, переходы в спектрах 1п XI - 1п XIII. Сделан вывод, что для повышения эффективности литографических источников необходимо поддерживать параметры плазмы, соответствующие максимальной относительной концентрации данных ионов.

8) Предложена методика спектроскопической диагностики плазмы литографических источников в дальней ВУФ области, апробированная при диагностике плазмы малоиндуктивной вакуумной искры. Электронная температура плазмы искры при пиковом токе 25 кА составила около 20 эВ, а средняя электронная плотность - порядка 5-1017 см"3. Оптическая толщина плазмы вакуумной искры, оцененная по дополнительному уширению спектральных линий, варьируется от 1 до 10 для линий различных типов.

9) Сочетание полученных в диссертации спектроскопических данных и результатов диагностики плазмы создают основу для моделирования спектров и оптимизации параметров плазмы литографических источников в дальней ВУФ области.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Чурилов, Сергей Семенович, 2006 год

1. C.E.Moore. Atomic Energy Levels - NBS Circular 467, v.1.(H-V) 1949, v.II (Cr-Nb) 1952, v.III (Mo-La, Hf-Ac) 1958.

2. B.Edlen. Atomic Spectra // Handbuch der Physik. 1964. - v.21. - p.80-220.

3. L.Hagan, W.C.Martin. Bibliography on Atomic Energy Levels and Spectra, July 1968 through June 1971 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.l, 1972.

4. L.Hagan. Bibliography on Atomic Energy levels and Spectra, July 1975 through June 1979 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.2, 1977.

5. Э.Я.Кононов Современное состояние спектроскопии многократно ионизованных атомов // Изв. Ан СССР, сер. Физ. 1977. - т.41. - No.12. -с.2591-2596.

6. ЭЛ.Кононов, А.Н.Рябцев. Спектроскопия многократно ионизованных атомов в солнечных и звездных исследованиях в ВУФ области // Изв. АН СССР, сер. физ. 1981. - т.45. - No.12. - с.2361-2367.

7. А.Р.Стриганов. Успехи в исследовании спектров атомов и ионов и их степень изученности в настоящее время // УФН. 1983. - т.139. - No.4. -с.719-731.

8. Э.Я.Кононов, А.Н.Рябцев. Состояние и проблемы спектроскопии многократно ионизованных атомов // Изв. Ан СССР, сер. физ. 1984. - т.48. -No.4.-с.689-696.

9. B.C.Fawcett. Classification in the early 1980's of the spectra of highly ionized atoms // J. Opt. Soc. Am. B. 1984. - v.I. - p.195-217.

10. A.Musgrove, R.Zalubas. Bibliography on Atomic Energy levels and Spectra, July 1979 through December 1983 //NBS Spec. Publ. 363, Suppl.3, 1985.

11. А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов. Спектральные данные для многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ni I // В Сборнике "Спектроскопия многозарядных ионов в горячей плазме". Наука. - Москва. — 1991. — с.78-114.

12. J.Reader, J.Sugar. Energy levels of Iron, Fe I through Fe XXVI // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1975. - v.4. - No.2. - p.353-440.

13. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Magnesium, Mg I through Mg XII // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1980. - v.9. - No.l. - p.1-58.

14. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Sodium, Na I through Na XI // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1981. - v. 10. - No.l. - p. 153-210.

15. C.Corliss, J.Sugar. Energy Levels of Iron, Fe I through Fe XXVI // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1982. - v.l 1. - No.l. - p. 135-241.

16. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Silicon, Si through Si XIV // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1983. - v. 12. - No.2. - p.323-380.

17. W.C.Martin, R.Zalubas. Energy Levels of Phosphorus, P I through P XV // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1985. - v.14. - No.3. - p.751-802.

18. J.Sugar, C,Corliss. Atomic Energy Levels of the Iron-Period Elements: Potassium through Nickel // J. Phys. Chem. Ref. Data, 1985. - v. 14, Suppl.2.- p.1-664.

19. J.Sugar, C.Corliss. Atomic Energy Levels of Molybdenum, Mo I through Mo ILII // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988.

20. А.Н.Рябцев. Спектроскопия ионов с 3d электронами во внешних оболочках: Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Троицк, 1988. - 511 с.

21. B.E.Lemoff, G.Y.Yin, C.L.Gordon III, C.P.J.Barry and S.E.Harris. Demonstration of a 10-Hz femtosecond-pulse-driven XUV laser at 41.8 nm in Xe IX //Phys.Rev. Lett. 1995 . - v.74. - p. 1574-1577.

22. B.J.MacGowan, S.Maxon, etc. Demonstration of soft X-ray amplification in the nickellike ions // Phys. Rev. Lett. 1987. - v.59. -No.19. - p.2157-2160.

23. S.Maxon, P.L.Hagelstein, B.J.MacGowan, R.A.London, M.D.Rosen, etc. Calculation and design of a Ni-like Eu soft X-ray laser // Phys. Rev. A. 1988.- v.37. No.6. - p.2227-2230.

24. B.J.MacGowan, S.Maxon, etc. Demonstration of X-ray amplifiers near the carbon К edge // Phys. Rev. Lett. -1990,- v.65. No.4. -p.420-423.

25. H.Daido, Y.Kato, K.Murai, etc. Efficient soft X-ray lasing at 6 to 8 nm with nickel-like lanthanoides // Phys. Rev. Lett. -1995,- v.75.- No.4. -p.1074-1077.

26. J.Nilsen and J.S.Moreno. Lasing at 7.9 nm in nickel-like neodymium //

27. Opt. Lett. 1995. - v.20. - Nol2. - p. 1386-1388.

28. H.Daido, S.Nimomiya, T.Imani, etc. Nickel-like soft X-ray lasing at the wavelengths between 14 and 7.9 nm // Opt. Lett. 1996. - v.21. - No. 13. -p.958-960.

29. Y.Li, G.Pretzler, P.Lu, F.F.Fill. Demonstration of X-ray lasing in nickel-like tin // Phys. Rev. A 1996. - v.53.-No.2.-p.R652-654.

30. H.Fedorowicz, A.Bartnik, Y.Li, P.Lu, E.E.Fill. Demonstration of soft X-ray lasing wth neonlike argon and nickel-like xenon ions using a laser-irradiated gas puff target // Phys. Rev. Lett. 1996. - v.76. - N0.3. - p.415-418.

31. J.Zhang, A.J.MacPhee, J.Lin, etc. A saturation X-ray laser beam at 7 nanometers // Science. 1997. - v.276. - p. 1097-1100.

32. J.Zhang, A.G.MacPhee, J.Nilsen, etc. Demonstration of saturation in a Ni-like Ag X-ray laser at 14 nm // Phys. Rev. Lett. 1997. - v.78. - No.20. -p.3856-3859.

33. J.Nilsen. Design of a picosecond-laser-driven Ni-like Mo x-ray laser near 20 nm // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. - v.14. - No.6. - p.1511-1514.

34. J.Dunn, A.L.Osterheld, R.Shepherd. Demonstration of X-ray amplification in transient gain nickel-like palladium scheme // Phys. Rev. Lett. 1998. - v.80. -No.13. - p.2825-2828.

35. J.Nilsen, J.Dunn, A.L.Osterheld, Y.Li. Lasing on the self-photopumped nickel-like 4f .P, 4d 'Pj X-ray transition // Phys. Rev. A. - 1999. - v.60. -No.4. - p.R2677-2680.

36. P.G.Burkhalter, D.J.Nagel, R.R.Whitlock. Laser-produced rare-earth X-ray spectra // Phys. Rev. A. 1974. - v.9. - No.6. - p.2331-2336.1. No.6. p.2331.

37. A.Zigler, H.Zmora, N.Spector, etc. Identification of the spectra of Hf XLV, Ta XLVI, W XLVII and Re XLVIII isoelectronic to Ni I in laser-produced plasmas // J. Opt. Soc. Am. 1980. - v.70. - No.l. - p.129-132.

38. P.Mandelbaum, M.Klapisch, A.Bar-Shalom, J.L.Schwob. Classification of X-ray spectrum from laser-produced plasmas of atoms from Tm to Pt in the Range 6-9 A // Phys. Scr. 1983. - v.27. - No. 1. - p.39-53.

39. TFR-Group, J.-F.Wyart, C.Bauche-Arnoult, E.Luc-Koenig. Identification of highly-ionized xenon spectra (Xe XXVI through Xe XXXI) excited in the plasma of TFR Tokamak // Phys. Scr. 1985. - v.32. - No.2. - p. 103-104.

40. J.-F.Wyart, A.N.Ryabtsev. Extended analysis of Br VIII and predicted trends for the n=4, An=0 transitions of nickel-like ions (Kr IX-Mo XV) //

41. Phys. Scr. 1986,-v.33.-p.215-221.

42. А.Н.Рябцев, С.С.Чурилов, Ж.-Ф.Виар. Конфигурации 3d941 в Ni-подобных ионах Rb X Mo XV // Оптика и спектроскопия. - 1987. - т.62. - No. 12. -с.258.

43. A.N.Ryabtsev, S.S.Churilov, J.-F.Wyart. Identification of n=4, Дп-0 transitions in the spectra of nickel-like and zinc-like ions through tin // Phys. Scr. 1988.-v.38.-p.326.

44. N.Tragin, J.-P.Geindre, P.Monier, J.-C.Gauthier. Extended analysis of the X-ray spectra of laser-irradiated elements in the sequence from tantalum to lead //Phys. Scr. 1988,-v.37.-No.L-p.72-81.

45. A.N.Ryabtsev, R.R.Gayasov, Y.N.Joshi, G.J. van het Hoff. Analysis of the 3d9ns(n=5,6), 3d94f and 3d84s4p configurations of five times ionized arsenic (As VI) II Phys. Scr. 1993. - v.48. -No.2. - p.131-139.

46. S.S.Churilov and Y.N.Joshi. Extended analyses of six-times ionized selenium (Se VII) and seven-times ionized bromine (Br VIII) // Phys. Scr. -1996. v.53. -p.431.

47. Yuelin Li, J.Nilsen, J.Dunn, A.N.Ryabtev and S.S.Churilov, Wavelengths of the Ni-like 4d IS0-4p IP1 x-ray laser line II Phys. Rev. A. 1998. - v.58. -No.4. - R2668.

48. A.N-Рябцев, С.С.Чурилов, Дж.Нильсен, Ю.Ли, Дж.Данн, А.Л.Остерхельд. Дополнительный анализ спектров Ni-подобных ионов // Оптика и Спектроскопия. 1999. - v.87. - с. 197.

49. S.S.Churilov. Analysis of the 4-4 transitions in the Ni-like Кг IX spectrum // Phys. Scr.-2005.-v.71.-p.457-463.

50. Proceedings of OSA Meeting on Extreme Ultraviolet Lithography. 1996. Boston. OSA TOPS, IV.

51. N.M. Seglio, A.M. Hawryluk, D.G. Stearns, D.P. Gaines, R.S. Rosen, S.P. Vernon. Soft X-ray projection lithography // J. Vac. Sci. Technol. B. -1990.-v.8.-p.l325.

52. A.M.Hawryluk, N.M.Seglio. Wavelength considerations in soft X-ray projection lithography // Appl. Opt. 1993. - v.32. -No.34. - p. 7062.

53. R.Soufli and E.M.Gullikson. Optical constatnts of materials for multiplayer mirror applications in the EUV/soft x-ray region // Proc. SPIE. 1997. -v.3113. - p.222-229

54. Y.Li, T.Watanabe, H.Kinoshita. Design of EUVL camera with large numerical aperture // Proc. SPIE. 2000. - v.3997. - p.759-764.

55. R.Soufli, E.A.Spiller, M.A.Scmidt, C.Davidson, R.F.Grabner, etc., Multilayer optics for an extreme-ultraviolet lithography tool with 70-nm resolution // Proc. SPIE . -2001. v.4343. -p.51-59.

56. A.P. Shevelko, L.A. Shmaenok, S.S. Churilov, F. Bijkerk, R.K.F.J. Bastiaensen. Extreme ultraviolet spectroscopy of a laser plasma source for lithography // Phys. Scr. 1998. - v.57. -p.276-282.

57. R.L. Kauffman, D.W. Phillion, R. Spitzer. X-ray production 13 nm from laser-produced plasmas for projection X-ray lithography applications //Appl. Opt. -1993.-v.32.-No.34.-p.6896.

58. G. Kubiak, L. Bernardes, S.P. Vernon. // Proc. SPIE. 1998. - v.3331. -p.81.

59. A. Klosner, W.T. Silfvast. Intense xenon capillary discharge extreme-ultraviolet source in the 10-16-nm wavelength region // Opt. Lett 1998. - v.23. -p.1609.

60. M.A.Klosner, W.T.Silfvast. Xenon-emission-spectrum identification in the 5-20-nm spectral region in highly-ionized xenon capillary discharge // J. Opt. Soc. Am. B. 2000. - v.17. - p.1279.

61. P.J. Silverman. Extreme ultraviolet lithography: overview and development status // J. Microlith, Microfab., Microsyst. 2005. - v.4(l), 011006.

62. A.N. Ryabtsev, Survey of some recent experimental analyses of 3p53dN+1 configurations and of Rh I spectra // Phys. Scr. 1996. - T65. - p.23.

63. E.B.Saloman. Energy levels and observed spectral lines of xenon, Xe I through

64. Xe LIV // J. of Phys. Chem. Ref. Data. 2004. - v.33. - No.3. -p.765-921.

65. P.S.Antsiferov, S.S.Churilov, L.A.Dorokhin, K.N.Koshelev, A.V.Nazarenko, Yu.V.Sidelnikov. Analysis of high resolution Ar IX spectrum excited in fast capillary discharge//Phys. Scr-2000. v.62. - No.l.-p. 127-131.

66. J.J.Rocca, F.G.Tomasel, M.C.Marconi, V.N.Shlyaptsev, J.L.Chilla, etc. Discharge-pumped soft X-ray laser in nickel-like argon // Phys. Plasmas. -1995. v.2. - No.6(2). - p.2547-2554.

67. K.N.Schoenbach, M.Kristiansen, G.Schafler. // Proc IEEE. 1984. - v.72. -p.28.

68. А.Н.Зайдель, Е.Я.Шредер. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета и ее применение. М. Наука, 1976.

69. T.Namioka. Theory of the concave grating // J. Opt. Soc. Am. 1959. - V.49. -No.5. -p.446-460.

70. В.И.Азаров. Система сканирования фотоспектрограмм. Препринт ИСАН No.21. Троицк. 1987.

71. В.И.Азаров. Автоматическая система обработки фотоспектрограмм. -Препринт ИСАН No.8. Троицк. 1991.

72. B.Edlen. Wavelength measurement in the vacuum ultraviolet // Rep. Prog. Phys. 1963.- v.26.-p.l81-212.

73. R.L.Kelly. Atomic and Ionic Spectrum Lines below 2000 Angstoms // J. of Phys. Chem. Ref. Data. 1987. - v. 16, Suppl.l.

74. В.И.Ковалев, Э.Я.Кононов, С.С.Чурилов. Точные измерения длин волн спектральных линий лазерной плазмы в дальней ВУФ области // В Сб. Научного Совета по спектроскопии АН СССР "Автоионизационные явления в атомах и ионах". Москва, 1983. - с.85-113.

75. E.Ya.Kononov. Spectra of highly ionized atoms in hot plasmas: conditions for production and observation//Phys. Scr- 1983. -. v.27. No.l. -p.117-124.

76. L.A.Svensson, J.O.Ekberg. The titanium vacuum-spark spectrum // Arkiv for Fysik. 1969. v.40. - No. 14. -p.145-163.

77. C.Froese-Fisher. The Hartree-Fock method for atoms. J.Willey&Sons. N.-Y., 1977.

78. R.D.Cowan. The Theory of Atomic Structures and Spectra. Berkeley.76