CN102484937A - Lpp方式的euv光源及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种LPP方式EUV光源，具备：真空腔室（12），被保持成真空环境；气体射流装置（14），在该真空腔室内以能够回收的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流（1）；以及激光装置（16），将激光（3）聚光到高超音速稳态气体射流来进行照射，在激光的聚光点（2）激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光发光。

Description

LPP方式的EUV光源及其产生方法
技术领域
本发明涉及LPP方式的EUV光源及其产生方法。
背景技术
为了下一代半导体的微细加工，期待使用极紫外光源的光刻法。光刻法是将光、光束通过描绘有电路图案的掩模缩小投影到硅基板上，使抗蚀剂材料感光，由此形成电子电路的技术。利用光刻法形成的电路的最小加工尺寸基本上依赖于光源的波长。因此，在下一代半导体开发中，光源的短波长化是必须的，正在进行面向该光源开发的研究。
作为下一代光刻光源被视为最有力的是极紫外（EUV：Extreme Ultra Violet）光源，这意味着大约1~100nm的波长区域的光。该区域的光对所有物质的吸收率高，不能利用透镜等的透射型光学系统，因此使用反射型光学系统。此外，极紫外光区域的光学系统的开发非常困难，仅在有限的波长中显示出反射特性。
现在，正在开发在13.5nm具有灵敏度的Mo/Si多层膜反射镜，预测如果开发了将该波长的光和反射镜组合起来的光刻技术的话，就能实现30nm以下的加工尺寸。为了实现更微细的加工技术，当务之急是波长13.5nm的光刻光源的开发，来自高能量密度等离子体的辐射光受到瞩目。
光源等离子体的生成能够大致分为利用激光照射方式的光源等离子体的生成（LPP：Laser Produced Plasma）和通过脉冲功率技术驱动的气体放电方式的光源等离子体的生成（DPP：Discharge Produced Plasma）。
本发明涉及LPP方式的EUV光源。LPP方式EUV光源例如在专利文献1、2中公开。
图1是表示在专利文献1中公开的现有的LPP方式EUV光源的结构图。在该方法中,使至少1个靶57在腔室（chamber）内产生，并且使至少1个脉冲激光束53在腔室内聚光到靶57。靶以液体的射流的方式产生，激光束53被聚光到射流的空间连续的部分。
此外，该装置包含：用于产生至少1个激光束53的单元；腔室；用于在腔室内产生至少1个靶57的单元50；用于在腔室内使激光束53聚光到靶57的单元54。靶产生单元50产生液体的射流，聚光单元54使激光束53聚光到射流的空间连续部分。
再有，在该图中，51是聚光点，52是液滴，55是液滴形成点。
图2是表示在专利文献2中公开的现有的LPP方式EUV光源的结构图。
该装置包含：激光振荡部61、聚光透镜等的聚光光学系统62、靶供给装置63、靶喷嘴64、EUV聚光反射镜65。激光振荡部61是对用于使靶物质激励的激光束进行脉冲振荡的激光光源。从激光振荡部61射出的激光束通过聚光透镜62而被聚光到规定位置。另一方面，靶供给装置63对靶喷嘴64供给靶物质，靶喷嘴64将供给的靶物质向规定的位置喷射。
通过对靶物质照射激光束，从而靶物质激励而产生等离子体66，从那里辐射极紫外光67（EUV）。在EUV聚光反射镜65的反射面，为了有选择地反射波长13.5nm附近的EUV光，例如形成有将钼和硅交替层叠的膜（Mo/Si多层膜）。从等离子体66辐射的EUV光67通过EUV聚光反射镜65而被聚光反射，作为输出EUV光向曝光装置等输出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2000-509190号公报“Ｘ線放射線または極紫外線放射線を発生するための方法および装置”；
专利文献2：日本特开2007-207574号公报（極端紫外光源装置）。
发明内容
发明要解决的课题
原理上在上述现有的LPP方式EUV光源中，作为激光光源使用高输出的脉冲激光（例如0.1J/Pulse），将其对靶物质高度反复（例如100kHz）照射，能够获得实用输出（例如100J/s=100W）的EUV光源。
可是，在专利文献1和2记载的EUV光源中，由于对靶物质的每次发射（shot）而产生的等离子体进行排气，所以在每次发射都废弃靶物质（锡、锂、氙等）的蒸气化、等离子体化所需要的能量，存在靶物质和能量的利用效率低的问题。
此外，在以实用输出为目标的高度反复运转（10~100kHz）中，发光源物质（即靶物质）的废弃会引起残渣产生、腔室的真空度恶化等的大问题。
本发明正是为了解决上述的现有的问题点而创造的。即，本发明的目的在于提供一种能够大幅提高靶物质和能量的利用效率，并且能够抑制残渣的产生和腔室的真空度恶化的LPP方式的EUV光源及其产生方法。
用于解决课题的方案
根据本发明，提供一种LPP方式EUV光源，其特征在于，具备：
真空腔室，被保持成真空环境；
气体射流装置，在该真空腔室内以能够回收并循环的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流；以及
激光装置，将激光聚光到所述高超音速稳态气体射流来进行照射，
在所述激光的聚光点激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光发光。
根据本发明的优选实施方式，所述气体射流装置包括：高超音速喷嘴和高超音速扩压器，在所述真空腔室内夹着所述聚光点相向配置；以及气体再循环装置，从高超音速喷嘴喷射所述高超音速稳态气体射流，并且从高超音速扩压器回收所述高超音速稳态气体射流以使其循环。
此外，所述气体射流装置不提高所述真空腔室的反压力，并且稳定地形成适于激光的吸收和EUV光的放出的高密度的靶物质区域。
此外根据本发明，提供一种LPP方式EUV光产生方法，其特征在于，
将真空腔室内保持成真空环境，
在该真空腔室内以能够回收并循环的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流，
将激光聚光到所述高超音速稳态气体射流来进行照射，
在所述激光的聚光点激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光发光。
发明的效果
根据本发明的装置和方法，与对每次发射生成的等离子体和靶物质进行排气的现有例子相比较，能够回收并循环使用靶物质，因此能够大幅提高靶物质的利用效率，并且大幅提高能量的利用效率。此外，由此能够抑制残渣的产生和腔室的真空度恶化。
附图说明
图1是表示在专利文献1中公开的现有的LPP方式EUV光源的结构图。
图2是表示在专利文献2中公开的现有的LPP方式EUV光源的结构图。
图3是本发明的LPP方式EUV光源的结构图。
图4是图3的等离子体光源的局部放大图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的优选实施方式。再有，在各图中对共同的部分赋予同一符号，省略重复的说明。
图3是本发明的LPP方式EUV光源的结构图。在该图中，本发明的LPP方式EUV光源10具备真空腔室12、气体射流装置14和激光装置16。
真空腔室12具备真空泵13，由此将内部保持成真空环境。在真空腔室12设置有透过激光3（后述）的光学窗12a。
再有，在本发明中，上述真空环境需要是10-2Torr以下，优选是10-5~10-4Torr的范围内。
气体射流装置14在真空腔室12内连续地形成并回收靶物质的高超音速稳态气体射流1。
靶物质优选是Xe（氙）、Sn（锡）、Li（锂）等的气体或团簇（cluster）。
此外，气体射流的构成物质不必须是常温气体物质，也能够通过使气体供给部为高温，从而形成金属气体射流。在该情况下，气体射流的形成是通过高超音速喷嘴来进行的，但在回收侧不必须是高超音速扩压器（diffuser），也能够通过被温度控制的回收板等将气体射流作为液体金属进行回收。进而，在金属气体射流的情况下，在激光照射区域中金属原子不是完全零散的气体状，也有时变成多个原子凝集起来的团簇射流。
在该例子中，气体射流装置14具有高超音速喷嘴14a、高超音速扩压器14b和气体再循环装置15。
高超音速喷嘴14a和高超音速扩压器14b在真空腔室12中夹着聚光点2相向配置。
高超音速喷嘴14a的末端（图中上端）和高超音速扩压器14b的顶端（图中下端）夹着聚光点2隔开规定的空隙。该空隙与真空腔室12内的真空环境连通。
高超音速喷嘴14a是具有狭缝部的拉瓦尔喷嘴，将以亚音速流入的气体（靶物质）加速到高超音速向聚光点2喷射。此外，高超音速扩压器14b形成为具有狭缝部的拉瓦尔喷嘴形状，将通过了聚光点2的高超音速的气体（靶物质）的大部分收容在内部，将其减速到亚音速。
气体再循环装置15在本例子中包括吸入泵15a、靶腔室15b、以及排出泵15c。
气体再循环装置15将靶物质经由供给管路17a以亚音速供给到高超音速喷嘴14a，从高超音速喷嘴14a以高超音速（M＞5）喷射靶物质的高超音速稳态气体射流1，并且从高超音速扩压器14b以高超音速（M＞5）回收靶物质，减速到亚音速并经由返回管路17b返回到吸入泵15a，由此使靶物质循环使用。再有，从外部对靶腔室15b供给靶物质。
进而，气体射流装置14进行气体动力学设计，使得不提高真空腔室12的反压力（back pressure），并且在聚光点2稳定地形成适于激光3的吸收和EUV光4的放出的高密度的靶物质区域。
再有，通常高超音速和高超音速稳态气体射流1意味着M＞5的高超音速流，但在本发明中，只要满足上述条件的话，只要是M＞1即可。
此外，为了加热靶物质，优选在高超音速喷嘴14a和气体再循环装置15之间设置靶加热装置18。靶加热装置18将靶物质的温度加热到适于形成高超音速扩压器14b的温度。该加热单元是任意的。
激光装置16具有连续地或脉冲地振荡激光3的激光振荡器16a，和将激光3聚光到聚光点2的聚光透镜16b，将激光3聚光到高超音速稳态气体射流1进行照射。
在该例子中，激光3的光路与高超音速稳态气体射流1的流路正交，但本发明并不限定于此，也可以倾斜地交叉。此外，激光装置16和激光3并不限定于各是1个，也可以使用2个以上。
在激光振荡器16a中能够使用CO2激光器（波长大约10μm）、CO激光器（波长大约5μm）、YAG激光器（波长大约1μm和大约0.5μm）等。特别是优选使用YAG激光器或CO激光器，但本发明并不限定于YAG激光器或CO激光器，也可以是CO2激光器。
聚光透镜16b优选是能够将聚光点2的直径聚光到大约10μm以下、更优选大约5μm以下的凸透镜系统。
使用上述装置，在本发明的LPP方式EUV光产生方法中，
（A）将真空腔室12内保持成规定的真空环境，
（B）在真空腔室12内以能够回收的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流1，
（C）将激光3聚光到高超音速稳态气体射流1进行照射，在激光的聚光点2激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光4发光。
图4是图3的等离子体光源的局部放大图。
为了使靶物质等离子体化来使极紫外光4发光，需要在聚光点2将靶物质加热到等离子体化的温度。该等离子体化温度的最优温度条件在氙气的情况下是大约30eV，在锂气体的情况下是大约10eV。
等离子体化而发光极紫外光4的发光等离子体的总辐射量在黑体辐射体的情况下最大，在等离子体尺寸（即聚光点2的直径）是10μm的情况下，来自30eV的氙气的辐射量达到大约150kW，来自10eV的锂气体的辐射量成为其1/80左右（大约1.9kW）。实际的发光等离子体不是黑体，来自EUV发光等离子体的总辐射量比其低。从能量平衡调整的观点出发，激光器的最小聚光直径优选能够从激光振荡器16a对聚光点2供给与等离子体总辐射量相当的能量。
以聚光透镜16b能够聚光的聚光点2的直径大致相当于激光的波长，在CO2激光器的情况下是大约10μm，在CO激光器的情况下是大约5μm，在YAG激光器的情况下是大约1μm或大约0.5μm。
为了使与上述的辐射量相当的能量聚光到聚光点2，优选聚光点2的直径越小越好，从该观点出发，优选使用YAG激光器或CO激光器。
例如，在使用YAG激光器、聚光点2的直径是2.5μm的情况下，来自30eV的氙气的辐射量是大约9.4kW（150kW的情况下的1/42）。同样地，在例如使用CO激光器、聚光点2的直径是5μm的情况下，来自10eV的锂气体的辐射量是大约470W（150kW×1/80×1/22）。
另一方面，来自激光器的发光等离子体的热输入是在高超音速稳态气体射流1通过等离子体尺寸（即聚光点2的直径）的期间从激光振荡器16a接受的能量，这能够根据气体射流1的速度和激光振荡器16a的输出来计算，不对聚光点2的直径造成影响。
因此，通过使用YAG激光器或CO激光器，能够使聚光点2的直径尽量小（例如2.5μm~5μm），由此在具有输出的比较小输出（例如1~10kW）的激光振荡器16a中，能够在聚光点2激励靶物质使等离子体产生，从那里使极紫外光4发光。
为了增加EUV光的总获得量，通过激光器输出、激光波长、发光物质的组合，能够一边保持EUV光的产生效率高的能量平衡，一边增大等离子体尺寸（聚光尺寸），由此增加EUV光的总获得量。
根据上述的本实施方式的装置和方法，通过气体射流装置14在真空腔室12内以能够回收的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流1，并且通过激光装置16，将激光3聚光到高超音速稳态气体射流1进行照射，在激光的聚光点2激励靶物质使等离子体产生，从那里使极紫外光4发光。
因此，与对每次发射生成的等离子体和靶物质进行排气的现有例子相比较，能够回收并循环使用靶物质，因此能够大幅提高靶物质的利用效率，并且大幅提高能量的利用效率。此外，由此能够抑制残渣的产生和腔室的真空度恶化。
再有，本发明不限于上述的实施方式而通过本技术方案所要求的范围的记载来表示，也包含与本技术方案所要求的范围的记载同等的意思，以及范围内的全部变更。
附图标记说明
1 高超音速稳态气体射流；
2 聚光点；3 激光；
10 LPP方式EUV光源；12 真空腔室；
12 光学窗；13 真空泵；
14 气体射流装置；
14a 高超音速喷嘴；14b 高超音速扩压器；
15 气体再循环装置；15a 吸入泵；
15b 靶腔室；15c 排出泵；
16 激光装置；
16a 激光振荡器；16b 聚光透镜；
17a 供给管路；17b 返回管路；
18 靶加热装置。

Claims (4)

1.一种LPP方式EUV光源，其特征在于，具备：
真空腔室，被保持成真空环境；
气体射流装置，在该真空腔室内以能够回收并循环使用的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流；以及
激光装置，将激光聚光到所述高超音速稳态气体射流来进行照射，
在所述激光的聚光点激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光发光。
2.根据权利要求1所述的LPP方式EUV光源，其特征在于，所述气体射流装置包括：高超音速喷嘴和高超音速扩压器，在所述真空腔室内夹着所述聚光点相向配置；以及气体再循环装置，从高超音速喷嘴喷射所述高超音速稳态气体射流，并且从高超音速扩压器回收所述高超音速稳态气体射流以使其循环。
3.根据权利要求1或2所述的LPP方式EUV光源，其特征在于，所述气体射流装置不提高所述真空腔室的反压力，并且稳定地形成适于激光的吸收和EUV光的放出的高密度的靶物质区域。
4.一种LPP方式EUV光产生方法，其特征在于，
将真空腔室内保持成真空环境，
在该真空腔室内以能够回收并循环的方式形成靶物质的高超音速稳态气体射流，
将激光聚光到所述高超音速稳态气体射流来进行照射，在所述激光的聚光点激励靶物质而使等离子体产生，从那里使极紫外光发光。
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