DE60310807T2

DE60310807T2 - Verfahren zur Produktion von Tröpfchentargets für eine Laser-Plasma extrem-ultraviolett-Lichtquelle mit hoher Pulsrate

Info

Publication number: DE60310807T2
Application number: DE60310807T
Authority: DE
Inventors: Henry (NMI) Shields, San Pedro
Original assignee: University of Central Florida Research Foundation Inc
Current assignee: University of Central Florida Research Foundation Inc
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: US6855943B2; DE60310807D1; JP2010183103A; US20030223542A1; EP1367866B1; JP4874409B2; EP1367866A1; JP2004031342A

Description

1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Laserplasma-Extremultraviolett (EUV)-Lichtquelle und im Besonderen eine Laserplasma-Extremultraviolett-Lichtquelle, die synchronisierte Laserpulse und eine Targettröpfchen-Zuführrate bereitstellt, so dass Puffertröpfchen zwischen aufeinanderfolgenden Targettröpfchen bereitgestellt werden.
2. Diskussion des verwandten Standes der Technik
Mikroelektronische integrierte Schaltkreise werden typischerweise mittels eines Fotolithographieprozesses auf einem Substrat bemustert, was dem Fachmann gut bekannt ist, wobei die Schaltungselemente durch einen Lichtstrahl definiert werden, der durch eine Maske läuft oder von einer solchen reflektiert wird. Während sich der neuste Stand der Technik des Fotolithographieprozesses und der Architekturintegrierte Schaltungen weiterentwickelt, werden die Schaltungselemente kleiner und enger beabstandet. Wenn die Schaltungselemente kleiner werden, ist es notwendig, fotolithographische Lichtquellen zu verwenden, die Lichtstrahlen mit kürzeren Wellenlängen und höheren Frequenzen erzeugen. In anderen Worten erhöht sich die Auflösung des Fotolithographieprozesses, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle verringert, um es zu erlauben, kleinere Elemente integrierter Schaltungen zu definieren. Die Fotolithographie-Lichtquellen nach dem aktuellen Stand der Technik erzeugen Licht bei Wellenlängen im extremen Ultraviolett (EUV) oder bei weichen Röntgenstrahlen (13 bis 14 nm).
In Microelectronic Engineering, Elsevier Publishers BV., Amsterdam, NL – ISS 0167-9317, Band 46, Nr. 1–4, Seiten 453–455, beschreiben Rymell L.; Maimqvist L.; Berglund M.; Hertz H. M. Flüssigstrahltarget-Laserplasmaquellen für die EUV- und Röntgen-Lithographie.
US 6,324,256-B, betitelt "Liquid Sprays as a Target for a Laser-Plasma Extreme Ultraviolet Light Source", und auf den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen, offenbart eine Laserplasma-EUV-Strahlungsquelle für ein Photolithographiesystem, das eine Flüssigkeit als das Targetmaterial, typischerweise Xenon, zum Erzeugen des Laserplasmas verwendet. Ein Xenon-Targetmaterial stellt die gewünschten EUV-Wellenlängen bereit, und das sich ergebende verdampfte Xenongas ist chemisch inert und einfach aus dem Vakuumsystem der Quelle abpumpbar. Andere Flüssigkeiten und Gase, wie beispielsweise Krypton und Argon, und Kombinationen von Flüssigkeiten und Gasen, sind ebenfalls als Lasertargetmaterial verfügbar, um eine EUV-Strahlung zu erzeugen.
Die EUV-Strahlungsquelle verwendet eine Quellendüse, welche einen Strom von Targettröpfchen in einer Vakuumumgebung erzeugt. Der Tröpfchenstrom wird dadurch erzeugt, dass es einem flüssigen Targetmaterial (typischerweise Xenon) ermöglicht wird, durch eine Öffnung (50 bis 100 μm Durchmesser) zu fließen, und durch Stören des Flusses durch Spannungspulse von einer Anregungsquelle, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, die an einer Düsenzuführröhre befestigt ist. Typischerweise werden die Tröpfchen bei einer Rate erzeugt, welche durch die Rayleigh'sche Instabilitäts-Abrissfrequenz (10 bis 100 kHz) eines kontinuierlichen Flussstroms definiert ist. Die Tröpfchen werden von der Düse ausgegeben, wo sie verdampfen und einfrieren. Die Größe der Öffnung ist so festgesetzt, dass dann, wenn die Tröpfchen gefrieren und verkleinert werden, sie am Ionisationsbereich von einer Größe sind, bei der eine Ionisation mittels eines Hochintensitäts-Laserpulses eine signifikante EUV-Strahlung erzeugen wird, und zwar ohne es Stücken gefrorenen Xenons zu ermöglichen, der Ionisation zu entkommen und möglicherweise empfindliche optische Komponenten zu schädigen.
Um die Anforderungen an die EUV-Leistungs- und -Dosierungs-Steuerung für die nächste Generation kommerzieller Halbleiter zu erfüllen, welche unter Verwendung der EUV-Fotolithographie hergestellt werden, muss die Laserstrahlquelle mit einer hohen Rate gepulst sein, typischerweise 5 bis 20 kHz. Es wird daher notwendig, hochdichte Tröpfchentargets mit einer schnellen Wiederherstellung des Tröpfchenstroms zwischen den Laserpulsen bereitzustellen bzw. zu liefern, so dass alle Laserpulse mit Targettröpfchen unter optimalen Bedingungen wechselwirken. Dies benötigt einen Tröpfchenerzeuger, welcher Tröpfchen innerhalb von 100 μs jedes Laserpulses erzeugt.
Wenn die Laserquelle bei diesen Frequenzen für einen flüssigen Tröpfchenstrom betrieben wird, welcher bei der Rayleigh-Frequenz für eine Öffnung der gewünschten Größe erzeugt wird, werden eng beabstandete Tröpfchen erzeugt, wobei der Abstand zwischen den Tröpfchen ungefähr neunmal dem Tröpfchenradius entspricht. Aufgrund dieser Nähe beeinträchtigt ein Targettröpfchen, das aktuell ionisiert wird, folgende Tröpfchen im Strom negativ. Daher werden die folgenden Tröpfchen beschädigt oder zerstört, bevor sie vom Laserstrahl ionisiert werden.
Ein Ansatz, um zu verhindern, dass folgende Targettröpfchen durch eine Ionisation eines vorhergehenden Targettröpfchens beeinträchtigt werden, wäre es, dass die Laserpulse jedes Tröpfchen unmittelbar dann treffen, wenn es aus der Düsenöffnung austritt. Jedoch würde dies zu einer Plasmabildung sehr nahe der Düsenöffnung führen, was zu einer übergroßen Hitzelast führen würde und eine plasmainduzierte Erodierung der Düsenöffnung bewirken würde.
Ein anderer Ansatz wäre es, den piezoelektrischen Wandler bei Frequenzen zu aktivieren, die nicht der natürlichen Rayleigh'schen Abrissfrequenz des Targetmaterials entsprechen. In anderen Worten kann die Frequenz der Tröpfchenbildung von der Rayleigh-Frequenz weg angepasst bzw. verstellt werden, und der Tröpfchenabstand kann verändert werden. Dies wird eine gewisse Verstellung der Tröpfchenfrequenz ermöglichen, um mit der Laserpulsfrequenz übereinzustimmen. Jedoch beeinträchtigt ein Betreiben des Wandlers bei einer Frequenz, die nicht der Rayleigh-Abrissfrequenz entspricht, die Fähigkeit negativ, einen konsistenten Strom von Tröpfchen zu erzeugen. Weil Xenon bei Raumtemperatur und -druck ein Gas ist, wird Xenongas auf beispielsweise –100°C gekühlt, um es zu verflüssigen. Tröpfchen-nach-Bedarf-Generatoren sind schwierig zu steuern, um Tröpfchen der richtigen Größe zur richtigen Zeit bereitzustellen, und zwar aufgrund der Oberflächenspannungseigenschaften flüssigen Xenons.
Ein weiterer Ansatz wäre es, die Größe der Düsenöffnung zu erhöhen, so dass die Tröpfchen bei der Rayleigh-Abrissfrequenz weniger häufig erzeugt werden. Jedoch führt dies zu Tröpfchen, die für den Laserionisationsprozess zu groß sind, was möglicherweise eine Komponentenbeschädigung erzeugt, die sich aus nicht-ionisiertem gefrorenem Xenon ergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Targettröpfchen für eine Laserplasma-EUV-Strahlungsquelle nach Anspruch 1 offenbart, welches die Targettröpfchen-Zuführrate steuert, so dass vorgesehene Targettröpfchen durch die Ionisation vorhergehender Tröpfchen nicht beeinträchtigt werden. Die Quellendüse weist eine Öffnung einer vorbestimmten Größe auf, welches es den Tröpfchen gewünschter Größe ermöglicht, bei einer Rate ausgegeben zu werden, welche durch die natürliche Rayleigh-Instabilitätsabrissfrequenz des Targetmaterials festgesetzt wird, wie sie durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt wird. Die Rate der Tröpfchenerzeugung wird durch diese Faktoren im Zusammenhang mit der Pulsfrequenz des Anregungslasers bestimmt, so dass Puffertröpfchen zwischen den Targettröpfchen zugeführt werden. Die Puffertröpfchen dienen dazu, die von dem ionisierten Targettröpfchen erzeugte Strahlung zu absorbieren, so dass das nächste Targettröpfchen nicht beeinträchtigt wird.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen klar, welche zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen aufgenommen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Laserplasma-Extremultraviolett-Strahlungsquelle; und
2 ist eine Querschnittsansicht einer Düse für eine Laserplasma-Extremultraviolett-Strahlungsquelle, welche Puffertröpfchen bereitstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Düse für eine EUV-Strahlungsquelle gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter Art und keineswegs dazu vorgesehen, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu beschränken.
1 ist eine Draufsicht auf eine EUV-Strahlungsquelle 10 einschließlich einer Düse 12 und einer Laserstrahlungsquelle 14. Eine Flüssigkeit 16, wie beispielsweise Xenon, fließt durch die Düse 12 von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt). Die Flüssigkeit 16 wird unter Druck durch eine Austrittsöffnung 20 der Düse 12 gezwungen, wo sie in einen Strom 26 flüssiger Tröpfchen 22 ausgebildet wird, die auf einen Zielort 34 gerichtet werden. Ein piezoelektrischer Wandler 24, der an der Düse 12 positioniert ist, stört den Fluss der Flüssigkeit 16, um die Tröpfchen 22 zu erzeugen.
Ein Laserstrahl 30 von der Quelle 14 wird durch eine Fokussieroptik 32 auf die Tröpfchen 22 am Zielort 34 fokussiert, wo die Quelle 14 relativ zur Rate der Tröpfchen 22 gepulst ist, wenn sie den Zielort 34 erreichen. Die Energie des Laserstrahls 30 ionisiert die Tröpfchen 22 und erzeugt ein Plasma, das EUV-Strahlung 36 erzeugt. Die Düse 12 ist so ausgelegt, dass sie der Hitze und der Beanspruchung des Plasmaerzeugungsablaufs Stand hält. Die EUV-Strahlung 36 wird durch eine Sammeloptik 38 gesammelt und wird auf die zu bemusternde Schaltung (nicht gezeigt) gerichtet. Die Sammeloptik 38 kann jede für die Zwecke des Sammelns und Richtens der Strahlung 36 geeignete Form aufweisen. Bei dieser Ausführung breitet sich der Laserstrahl 30 durch eine Öffnung 40 in der Sammeloptik 38 aus. Der Plasmaerzeugungsprozess wird in einem Vakuum durchgeführt.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Düse 50, die dazu geeignet ist, die Düse 12 in der oben diskutierten Quelle 10 erfindungsgemäß zu ersetzen. Die Düse 50 empfängt ein flüssiges Targetmaterial 52, wie beispielsweise flüssiges Xenon, an einem Ende und gibt Tröpfchen 54 des Materials 52 durch eine speziell konfigurierte Öffnung 56 an einem gegenüber liegenden Ende aus. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein piezoelektrischer Wandler 58, der sich in Kontakt mit der Düse 50 befindet, Vibrationspulse bei einer Rate bereit, die der natürlichen Rayleigh-Abrissfrequenz des Materials 52 zugeordnet ist, wie sie durch den Durchmesser der Öffnung 56 bestimmt ist. Dies stellt eine Tröpfchenzuführung mit kontinuierlichem Fluss bereit, und zwar im Gegensatz zu einem Tröpfchen-nach-Bedarf-System, bei dem der Abstand zwischen den Tröpfchen 54 streng kontrolliert wird. In anderen Ausführungsformen kann der piezoelektrische Wandler 58 bei Frequenzen gepulst werden, die nicht der natürlichen Rayleigh-Abrissfrequenz entsprechen, um den Abstand zwischen den Tröpfchen 54 zu verändern. Zusätzlich können außer dem Wandler 58 andere Anregungsvorrichtungen verwendet werden, so wie es von dem Fachmann verstanden würde.
Der Strom von Tröpfchen 54 wird von der Düse 50 bei einer Rate ausgegeben, die der Pulsfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 58 entspricht, was den Abstand zwischen den Tröpfchen 54 festsetzt. Die Tröpfchen 54 laufen einen vorbestimmten Abstand zu einem Zielgebiet, wo ein Targettröpfchen 66 durch einen Laserstrahl 68, wie beispielsweise von der Laserquelle 14, ionisiert wird. Der Abstand zwischen der Düse 50 und dem Zielgebiet wird so ausgesucht, dass die Tröpfchen 54 durch Verdampfung im Vakuum auf eine gewünschte Größe einfrieren, und ist einen gewünschten Abstand entfernt von der Düse 50, so dass der Laserionisationsprozess die Düse 50 nicht beschädigt.
Erfindungsgemäß sind die Pulsrate des piezoelektrischen Wandlers 58, die Größe der Öffnung 56 und die Pulsrate der Laserquelle 14 aufeinander abgestimmt, so dass eine vorbestimmte Zahl von Puffertröpfchen 70 zwischen dem aktuellen Targettröpfchen 66 und einem nächsten Targettröpfchen 72 gebildet wird. In diesem Beispiel gibt es drei Puffertröpfchen 70 zwischen den Targettröpfchen 66 und 72, jedoch ist dies lediglich ein nicht beschränkendes Beispiel für eine bestimmte Laserpulsfrequenz.
In einem Beispiel benötigt das EUV-Licht für die Fotolithographie, dass die Laserpulsenergie ca. 0,75 J beträgt. Diese Energie wird von einem Xenon-Targettröpfchen mit 100 μm Durchmesser, wie beispielsweise dem Tröpfchen 66, am Zielort absorbiert. Das Tröpfchen 66 wird schnell ionisiert, um ein Plasma zu bilden, das die absorbierte Energie in Form kinetischer Energie von Ionen, neutralen Atomen und Teilchen als auch Breitbandstrahlung abstrahlt, welche den infraroten bis EUV-Spektralbereich abdeckt. Unter der Annahme, dass die Energie isotrop abgestrahlt wird, beträgt der geometrische Anteil, der vom nächsten Tröpfchen 70 im Strom abgefangen wird (r/2R)², wobei r der Tröpfchenradius und R der Abstand zwischen Tröpfchen ist. Für einen spontanen Rayleigh-Abriss in Tröpfchen beträgt r ungefähr 1,9-mal dem Radius der Düsenöffnung 20, und R beträgt ungefähr neunmal dem Öffnungsradius. Daraus folgt, dass (r/2R)² = 0,011.
Das erste Tröpfchen 70 nach dem aktuellen Targettröpfchen 66 absorbiert 1,1% der anfänglichen Laserpulsenergie oder 8,3 mJ. Die Masse einer flüssigen Xenonkugel mit Durchmesser 100 μm beträgt 1,6 μg, und die Verdampfungswärme beträgt 97 J/g oder 0,16 mJ. Die absorbierte Energie bewirkt, dass das erste Tröpfchen 70 nach dem aktuellen Targettröpfchen 66 verdampft wird, und 8,3 bis 0,16 mJ werden von diesem Tröpfchen abgestrahlt. Wiederum unter der Annahme isotroper Strahlung wird das zweite Tröpfchen 70 nach dem aktuellen Targettröpfchen 66 1,1% dieser Energie aufnehmen, was 0,09 mJ entspricht, die von dem zweiten Tröpfchen 70 nach dem aktuellen Targettröpfchen 66 absorbiert werden. Diese absorbierte Energie ist geringer als diejenige, die benötigt würde, um das Tröpfchen zu verdampfen (0,16 mJ), so dass dieses Tröpfchen eine minimale Störung erfahren wird. Daher dienen das zweite und das dritte Tröpfchen 70 als Puffertröpfchen, welche die überflüssige Plasmaenergie absorbieren und folgende Targettröpfchen schützen. Die folgenden Tröpfchen werden von dem vorhergehenden Laserpuls nicht beeinträchtigt sein, so dass der Tröpfchenstrom wieder hergestellt wird, bis der nächste Laserpuls das nächste Targettröpfchen 72 trifft.
In einem Beispiel könnte eine Tröpfchenfrequenz von 15 kHz mit einer Laserpulsrate von 5 kHz verwendet werden, was zwei Puffertröpfchen 70 zwischen aufeinander folgenden Targettröpfchen bereitstellt. Falls mehr Puffertröpfchen 70 benötigt werden, kann die piezoelektrische Antriebspulsrate auf 20 kHz erhöht werden mit einer zugehörigen Erhöhung in der Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch Bereitstellen von drei Puffertröpfchen 70 zwischen den Targettröpfchen 66. Diese Diskussion nimmt an, dass die Tröpfchen 54 in eine Vakuumumgebung ausgegeben werden. In diesem Fall werden die Tröpfchen 54 schnell beginnen zu verdampfen, und ihre Oberflächentemperatur wird abnehmen, was zu einem Einfrieren führt. Dieser Phasenwechsel kann mit der Tröpfchenerzeugung wechselwirken, insbesondere, falls das Einfrieren in der Öffnung geschieht. Falls es benötigt wird, die Tröpfchen 54 in einem flüssigen Zustand zu halten, können Modifikationen an der Quelle 50 durchgeführt werden, um einen Zwischendruck bereitzustellen, wie beispielsweise durch ein Trägergas, um zu verhindern, dass die Tröpfchen 54 einfrieren, oder um die Einfrierrate zu steuern.
Die obige Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird schnell aus einer solchen Diskussion und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von Targettröpfchen für eine Laserplasma-Extremultraviolett (EUV)-Strahlungsquelle, welche aufweist: eine Düse (20; 50) einschließlich eines Quellenendes und eines Ausgangsendes, wobei das Ausgangsende eine Öffnung mit einem vorbestimmten Durchmesser umfasst, wobei die Düse einen Strom (26) von Tröpfchen (22, 54) eines Targetmaterials aus der Öffnung ausgibt; eine Targetmaterial-Anregungsquelle, die der Düse ein gepulstes Anregungssignal bereitstellt; und eine Laserquelle, die einen gepulsten Laserstrahl bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Taktung der gepulsten Anregungsquelle, – der Durchmesser der Öffnung und die Taktung der gepulsten Laserquelle zueinander so ausgelegt sind, dass • die Tröpfchen, die von der Öffnung der Düse ausgegeben werden, eine vorbestimmte Geschwindigkeit und einen vorbestimmten Abstand zwischen sich aufweisen und • Targettröpfchen im Tröpfchenstrom durch die Pulse des Laserstrahls ionisiert werden und eine vorbestimmte Zahl von Puffertröpfchen (70) zwischen den Targettröpfchen (66, 72) bereitgestellt werden, die nicht direkt durch den gepulsten Laserstrahl ionisiert werden, wobei die Puffertröpfchen von den ionisierten Targettröpfchen abgestrahlte Plasmaenergie absorbieren, um es so folgenden Targettröpfchen zu ermöglichen, von der vorhergehenden Targettröpfchenionisation unbeeinflusst zu bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zahl der Puffertröpfchen zwischen den Targettröpfchen aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Puffertröpfchen, zwei Puffertröpfchen und drei Puffertröpfchen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Anregungsquelle bei einer Frequenz gepulst wird, welche der natürlichen Rayleigh-Abrissfrequenz des Targetmaterials für den vorbestimmten Durchmesser der Öffnung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Anregung mittels eines piezoelektrischen Wandlers erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnung dazu ausgelegt ist, einen Durchmesser zwischen 50 und 100 Mikrometern aufzuweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das verwendete Targetmaterial flüssiges Xenon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laserquelle eine Pulsrate zwischen 5 und 20 KHz aufweist.