CN103042221B - 一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置，包括激光、透镜、颗粒进料装置、喷嘴和管道。激光与所述喷嘴同轴，并通过透镜聚焦进入喷嘴中，用于加热进入喷嘴的靶材固体颗粒；颗粒进料装置通过管道与喷嘴连接，用于将靶材固体颗粒连续匀速投送至喷嘴中。当靶材固体颗粒进入到喷嘴，激光对靶材固体颗粒进行加热并使其熔化成液体，液体通过喷嘴喷出并形成均匀液滴靶。本发明产生的液滴靶均匀、稳定，大小可控，方法简单可靠；另外靶材在喷射时周围包裹一层稀薄气体，这层稀薄气体的存在能抑制激光与液滴靶材作用后形成的中性或带点的粒子碎片四处飞溅。

Description

一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置

技术领域

本发明属于EUV（Extreme Ultraviolet，极紫外）光源领域，更具体地，涉及一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置。

背景技术

近年来，随着半导体制造工业的迅速发展，集成电路越来越追求小的刻蚀尺寸和间隔从而造出更大规模集成电路。但是目前的光刻技术已经达到了光刻机刻蚀分辨率的极限。EUVL（Extreme Ultraviolet Lithography，极紫外光刻）技术利用极紫外光作为光刻机光源进行刻蚀。由于利用了更短波长的光源，EUVL技术大幅提升了刻蚀的分辨率。ITRS（InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors，国际半导体技术路线图）已将EUVL列为突破16nm和11nm节点的主要技术。其中6.x波段的极紫外光源光刻技术是突破11nm节点的主要解决方案。

LPP（Laser Produced Plasma，激光致等离子体）极紫外辐射光源是一种最受欢迎的EUVL光源。其原理图如图1所示，这种光源主要包括：脉冲激光11，靶材装置13，收集镜14。一束或多束高能脉冲激光11（功率密度大于10¹⁰W/cm²）经透镜12聚焦后与靶材在收集镜的一个焦点处作用。靶材受热气化、电离。受激电离的高电离态离子15辐射出极紫外光。这种极紫外波段的辐射光被多层膜收集镜14收集并从IF点（Intermediate focus，中间焦点）（收集镜14的另一个焦点）16输出。适用于商业量产的LPP光源需要在光源中的IF点处的功率达到100W以上，并且设备具有高亮度（转换效率）、高空间稳定性，高重复频率。靶材提供装置1必须能产生适用于LPP光源的高重复频率，高空间稳定性的靶材。

LPP光源中激光与均匀液滴靶相互作用产生极紫外辐射是一种公认的转换效率高，碎屑少，稳定性好的光源。液滴靶材密度大、体积小，比气体团簇靶更容易获得高的EUV辐射转换效率。而且液滴靶本身没有固体杂质，在喷射时还能容易的控制液滴的质量，从而在激光与液滴靶材作用的时候产生的更少碎屑。液滴靶还具有能无限时的工作，便于靶材回收再利用等一系列的优点。

用作上述LPP光源的靶材一般情况是锡液滴，由于锡熔点很低，普通的加热就能达到。采用锡的EUV特征辐射波长13.5nm。但是研究更短波长6.xnm的极紫外光源时采用的靶材料为Tb（铽）或Gd（钆）。这两种材料都属于难熔金属，它们的熔点都很高，Tb熔点达到了1356摄氏度，Gd也高达1313摄氏度。普通的加热喷射装置难以在如此高的温度下再加压喷射，并持久工作；即使能做到，设备也很复杂，使用起来比较危险。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置，旨在解决现有的加热喷射装置难以在如此高的温度下再加压喷射并持久工作的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置，包括激光、透镜、颗粒进料装置、喷嘴和管道，所述激光与所述喷嘴同轴，并通过所述透镜聚焦进入所述喷嘴中，用于加热进入所述喷嘴的靶材固体颗粒；所述颗粒进料装置通过所述管道与所述喷嘴连接，用于将靶材固体颗粒连续匀速投送至所述喷嘴中；当所述靶材固体颗粒进入到所述喷嘴后，所述激光对所述靶材固体颗粒进行加热并使其熔化成液体，所述液体通过喷嘴喷出并形成均匀液滴靶。

更进一步地，所述喷嘴为管状喷嘴。

更进一步地，所述喷嘴包括进料口，进光口和出料口；所述进料口用于与所述管道连接；所述进光口采用激光高透过率镜片密封，用于透射激光；所述出料口为尖细的喷孔，所述液体通过所述喷孔喷出。

更进一步地，所述喷孔的孔径大小为10-100um。

更进一步地，所述颗粒进料装置包括：传送带、均匀排布于传送带上的靶材固体颗粒、转盘以及均匀排布于转盘上的齿轮；传送带带动靶材固体颗粒匀速运动；转盘带动齿轮匀速转动；当靶材固体颗粒运动至管道的管口处时，齿轮运动至管口处并将所述靶材固体颗粒推入管道。

更进一步地，所述转盘转动的速度N、转盘上的齿轮数X、靶材固体颗粒间隔D和传送带的运动速度V之间满足关系k为正整数。

更进一步地，通过调节转盘转动的速度来改变靶材固体颗粒的输送频率。

更进一步地，所述颗粒进料装置包括：储存室、靶材固体颗粒和开关；所述靶材固体颗粒均匀排布于储存室中，所述储存室通过管道与喷嘴连接，开关位于所述管道上，所述开关周期性工作使得所述靶材固体颗粒连续匀速投送至所述喷嘴中。

更进一步地，所述装置放置于真空环境中；所述喷嘴、管道和所述颗粒进料装置中持续补充恒定气压的氮气或氢气。

更进一步地，所述靶材固体颗粒材料为Tb或Gd。

本发明中均匀投送的靶材固体颗粒在喷嘴中被一束激光照射，激光的能量使靶材固体颗粒熔化成液态并在气压的作用下由喷嘴喷出。在表面张力的作用下，液体收缩成为球形液滴靶；该液滴靶均匀、稳定，大小可控，方法简单可靠；另外靶材在喷射时周围包裹一层稀薄气体，在激光与靶材作用后形成的等离子体周围仍然包裹一层稀薄的气体，这层稀薄气体的存在能抑制激光与液滴靶材作用后形成的中性或带点的粒子碎片四处飞溅，并且由喷嘴喷射出的微气流将碎片吹走。

附图说明

图1是LPP光源原理结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料液滴靶产生装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料滴靶产生装置中颗粒进料装置的示意图；

图4是本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料滴靶产生装置中另一种颗粒进料装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料滴靶产生方法要用于获得均匀、稳定的液滴靶材，该装置利用激光对高熔点靶材固体颗粒进行加热，只要提供均匀投送的粒料，就能获得适用于LPP光源的均匀、稳定的液滴，并且很容易改变液滴大小、频率以及液滴间隔。

图2示出了本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料液滴靶产生装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明的装置主要包括：激光21、透镜22、颗粒进料装置23、喷嘴25、管道24。首先，整个装置放置于一直抽真空的真空环境中，喷嘴25、管道24以及进料装置23内部充一定气压(0-50MPa)的氮气或氢气。激光21与喷嘴25同轴，并通过透镜22聚焦进入喷嘴25中，用于加热进入喷嘴的靶材固体颗粒；颗粒进料装置23通过管道24与喷嘴25连接，将靶材固体颗粒一粒接一粒通过管道24送入喷嘴25中。当均匀的靶材固体颗粒输送到喷嘴内后，激光系统开始对颗粒进行加热，加热熔化后的液体由于表面张力的作用堆积在喷嘴25的喷嘴最下端的尖细处隔断喷嘴内部气压与外部真空环境，在两者压力差下作用下，液体材料喷出。喷出后的液体在表面张力的作用下收缩形成球状均匀液滴靶26。

在本发明实施例中，激光21主要是一种加热源，经过透镜22聚焦后的激光与高熔点靶材固体颗粒相互作用，使靶材固体颗粒受热熔化。

在本发明实施例中，喷嘴25可以采用耐高温陶瓷或其他耐高温材料制成。喷嘴25包括进料口28，进光口27，出料口29的管状喷嘴。进料口28与管道24连接，用于喷嘴的连续进料；喷嘴上端的进光口27采用激光21高透过率镜片密封，主要用于透射激光；出料口29为尖细的喷孔，孔径大小为10-100um。喷嘴25与激光21同轴。喷嘴25主要作为激光熔化靶材固体颗粒的空间，以及喷射。

在本发明实施例中，管道24为连接装置，一段连接于喷嘴25的进料口28，另一端连接于进料装置，主要用于靶材固体颗粒的输送。

在本发明实施例中，颗粒进料装置23通过管道24与喷嘴25连接，主要用于提供均匀时间空间间隔的靶材固体颗粒。如图3所示，颗粒进料装置23主要包括：传送带32，均匀排布与传送带32上的靶材固体颗粒33，转盘30，均匀排布于转盘30上的齿轮31。靶材固体颗粒33均匀排布固定在传送带32上，传送带32带动靶材固体颗粒33匀速运动。转盘30带动齿轮31匀速转动。当靶材固体颗粒运动至管道24管口处时，齿轮31正好运动至管口处，并将靶材固体颗粒推入管道24。设转盘转动的速度为N，转盘上的齿轮数为X，颗粒间隔为D，传送带的运动速度为V。工作中，必须使的k为整数且通常取1；这样才能使一个颗粒刚好对应一个齿轮，齿轮刚好把颗粒推入管道。颗粒送入管道的频率为调节转盘的转动速度N就能改变颗粒的输送频率。

在本发明实施列中，颗粒进料装置23还可以为另一种简单的开关结构，如图4所示，颗粒进料装置包括储存室41、靶材固体颗粒33和开关42；储存室41通过管道24与喷嘴25连接，开关42位于管道24上，靶材固体颗粒33由储存室41流入管道24并均匀排列在管道24内，开关42周期性工作使得靶材固体颗粒33连续匀速投送至喷嘴25中。储存室41中的靶材固体颗粒33均匀排布到储存室41下方的管道中，管道24上包含一个开关42，开关42周期性工作，开关42开一次，一颗颗粒得以通过开关向下流动。只要控制开关的通断频率就能改变液滴靶均匀液滴产生的频率。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于极紫外光刻机光源的高熔点材料液滴靶产生装置，现详述其工作原理如下：

首先整个装置放于真空环境中；喷嘴、管道以进料装置内部持续补充恒定气压的氮气或氢气。均匀进料装置将靶材33均匀推送至管道24。当靶材固体颗粒33留经管道24进入喷嘴25后，激光21经透镜22聚焦后与其作用使其熔化，熔化的液体由于表面张力的作用堆积在喷嘴25的喷嘴最下端的尖细处并隔断喷嘴内部气压与外部真空环境，在内外压力差下作用下，液体材料喷出。喷出后的液体在表面张力的作用下收缩形成球状。

均匀进料装置可采用多种方法获得：如图3所示，将高熔点材料靶材固体颗粒33放置于传送带32上，并使传送带匀速运动，紧挨着传送带有一带齿轮31的转动盘30匀速转动，调节传送带以及转盘的转速，使固体颗粒33运动到管道24的管口时转盘的齿轮31将靶材固体颗粒33推入管道24，补充不同气压的氮气或氢气能获得不同的液滴间距。氮气或氢气气压越大，射流喷射的越快，液滴间距越大；反之，液滴间距越小。转盘的转速或是改变转盘上齿轮数获得不同频率的液滴：转速越快，频率越高。改变靶材固体颗粒的质量能获得不同大小的液滴，液滴大小与靶材固体颗粒质量成正比。

或者如图4所示，靶材固体颗粒33储存于储存室41，并由储存室41流入管道24并均匀排列在管道24内，开关42周期性工作使得靶材固体颗粒33连续匀速投送至喷嘴25中。同样，不同气压的氮气或氢气能获得不同的液滴间距。氮气或氢气气压越大，射流喷射的越快，液滴间距越大；反之，液滴间距越小。开关的通断频率是获得不同频率的液滴的主要方法：接通频率越高，液滴频率越高。改变靶材固体颗粒的质量能获得不同大小的液滴，液滴大小与靶材固体颗粒质量成正比。

本发明提供的高熔点材料均匀液滴靶产生装置。本发明制作的高熔点材料均匀液滴靶克服了普通的加热喷射装置难以在超高温度下再加压喷射并持久工作的难题。制成了高熔点难熔金属的均匀液滴靶。用本装置产生靶材液滴均匀、稳定，大小可控，方法简单可靠。本发明的另一优点是，当液体靶材由喷嘴25喷出的时候，会在液滴周围包裹一层气体，在激光11与靶材作用的后会在等离子体15周围仍然包裹一层稀薄的气体，气体的存在能抑制激光与液滴靶材作用后形成的中性或带点的粒子碎片四处飞溅。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于极紫外光源的高熔点材料液滴靶产生装置，其特征在于，包括激光、透镜、颗粒进料装置、喷嘴和管道，

所述激光与所述喷嘴同轴，并通过所述透镜聚焦进入所述喷嘴，用于加热进入所述喷嘴的靶材固体颗粒；

所述颗粒进料装置通过所述管道与所述喷嘴连接，用于将靶材固体颗粒连续匀速投送至所述喷嘴；当所述靶材固体颗粒进入所述喷嘴后，所述激光对所述靶材固体颗粒进行加热并使其熔化成液体，所述液体通过喷嘴喷出并形成均匀液滴靶；

所述喷嘴为管状喷嘴。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴包括进料口，进光口和出料口；

所述进料口用于与所述管道连接；所述进光口采用激光高透过率镜片密封，用于透射激光；所述出料口为尖细的喷孔，所述液体通过所述喷孔喷出。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述喷孔的孔径大小为10-100um。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒进料装置包括：传送带、均匀排布于传送带上的靶材固体颗粒、转盘以及均匀排布于转盘上的齿轮；

传送带带动靶材固体颗粒匀速运动；转盘带动齿轮匀速转动；当靶材固体颗粒运动至管道的管口处时，齿轮运动至管口处并将所述靶材固体颗粒推入管道。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述转盘转动的速度N、转盘上的齿轮数X、靶材固体颗粒间隔D和传送带的运动速度V之间满足关系k为正整数。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，通过调节转盘转动的速度来改变靶材固体颗粒的输送频率。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒进料装置包括：储存室、靶材固体颗粒和开关；

所述储存室通过管道与喷嘴连接，开关位于所述管道上，所述靶材固体颗粒由储存室流入管道并均匀排列在管道内，所述开关周期性工作使得所述靶材固体颗粒连续匀速投送至所述喷嘴中。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置放置于真空环境中；所述喷嘴、管道和所述颗粒进料装置中持续补充恒定气压的氮气或氢气。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述靶材固体颗粒材料为Tb或Gd。