CN103163743B

CN103163743B - 一种激光等离子体极紫外光源的产生装置及方法

Info

Publication number: CN103163743B
Application number: CN201310062528.7A
Authority: CN
Inventors: 许瑞; 王新兵; 左都罗; 卢宏; 陆培祥
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: CN103163743A

Abstract

本发明属于激光技术领域，公开了一种激光等离子体极紫外光源的产生装置及方法，该产生装置包括真空腔室以及位于真空腔室内的收集镜、聚焦镜、固体靶材和电机；还包括驱动光源和辅助光源；辅助光源用于产生辅助激光，辅助激光辐射所述固体靶材并使得固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；电机用于带动固体靶材旋转，驱动光源用于产生驱动激光，驱动激光通过聚焦镜聚焦后辐射固体靶材的热影响区域并产生等离子体辐射出极紫外光。本发明由于采用辅助光源来加热固体靶材，使得整个装置简化、实现方式简单且扩大了靶材材料的选择范围。

Description

一种激光等离子体极紫外光源的产生装置及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种激光等离子体极紫外光源的产生装置及方法。

背景技术

光刻技术主要用于芯片制造，随着集成度的提高。所需的光刻线宽也要降低。对光刻光源提出了更高的要求，为了提高芯片的集成度，研究人员在寻找新一代的光刻光源。

光刻的最小特征尺寸(Minimum Feature Size，MFS)是和衍射极限有关的。满足以下关系式：其中k1是与光刻工艺相关的常数，λ是曝光光源的波长，NA是光学系统的数值孔径。由该关系式可知，为了改善光刻最小特征尺寸有两种途径：一种是增加光学系统的数值孔径，另外一种是减小曝光光源的波长。人们曾经尝试通过增加光学系统数值孔径的方法来降低最小特征尺寸。但是由于下一代光刻技术对最小特征尺寸存在非常苛刻的要求，需要整套光学系统的数值孔径非常大，这不仅会使得光学系统制备和调试变得异常复杂，而且光学数值孔径本身会会受到焦深的限制。所以人们采用减少曝光光源的波长来改善光刻的最小特征尺寸。

目前极紫外光源的主流方式是激光等离子体（Laser-Produced Plasma，LPP）极紫外光源，激光等离子体极紫外光源主要由以下部分组成：脉冲激光光源驱动系统，靶材系统和极紫外收集镜系统。采用液滴靶技术，靶材材料主要是Sn元素靶。液滴靶中要求液滴有稳定大小，球体形状和稳定的降落速度，这些会使实现方式相对复杂，液滴不容易和脉冲CO₂激光的同步。并且靶材只能选择低熔点的材料，直接导致有些范围的光谱是无法获得的。更换不同材料的靶材时就需要更换其它的一些装置，比如液滴产生装置等。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于简化激光等离子体极紫外光源的产生装置，扩大靶材的选择范围，旨在解决液滴靶的装置和实现方式复杂，以及靶材材料选择范围狭窄的问题。

本发明提供了一种激光等离子体极紫外光源的产生装置，包括真空腔室以及位于所述真空腔室内的收集镜、聚焦镜、固体靶材和电机；还包括驱动光源和辅助光源；所述辅助光源用于产生辅助激光，所述辅助激光辐射所述固体靶材并使得所述固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；所述电机用于带动所述固体靶材旋转，所述驱动光源用于产生驱动激光，所述驱动激光通过所述聚焦镜聚焦后辐射所述固体靶材的所述热影响区域并产生等离子体辐射出极紫外光。

更进一步地，所述产生装置还包括：位于驱动激光光路上的反射镜以及位于所述辅助激光光路上的合束镜，辅助激光经反射镜反射至合束镜，再经合束镜反射后经聚焦镜聚焦并辐射固体靶材，使得所述固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；驱动激光经合束镜透射后经聚焦镜聚焦并辐射至所述固体靶材的所述热影响区域，产生等离子体辐射出极紫外光。

更进一步地，所述温度阈值的范围为低于所述固体靶材熔点5°C－10°C。

更进一步地，所述驱动光源为脉冲激光器，所述辅助光源为连续激光器或脉冲激光器。

更进一步地，所述产生装置还包括设置在真空腔室外部且位于所述收集镜的反射聚焦光路上的滤片，用于滤除非极紫外光。

更进一步地，所述固体靶材为金属靶材。

本发明还提供了一种激光等离子体极紫外光源的产生方法，包括下述步骤：

S1：通过辅助激光辐射固体靶材，并将所述固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；

S2：通过驱动激光辐射所述固体靶材的所述热影响区域并产生激光等离子体。

更进一步地，当辅助激光为脉冲激光时，在步骤S2之后还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转，并重复步骤S1和步骤S2。

更进一步地，当辅助激光为连续激光时，在步骤S2之前还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转。

本发明提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置及方法采用两束激光来辐射固体靶材，其中的一束激光做辅助光源，用来对固体靶材一个局部区域进行加热。使加热区域的温度接近熔点，另外一束脉冲CO2激光做驱动激光使用，当靶材的局部的温度较高，接近熔点时，驱动激光可以较容易地形成激光等离子体。而且本发明也适用于高温难融的金属靶材，扩大了靶材的选择范围。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用辅助光源来加热固体靶材，能够取得简化装置和实现方式以及扩大靶材材料选择范围的有益效果。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置的模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置中电机旋转固体靶材示意图；

图3是本发明实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置中激光辐射到固体靶材上的位置分布示意图；

图4是本发明第二实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置的模块结构示意图；

图5是本发明实施例提供的Sn固体靶材热影响区域的温度上升至设定的温度阈值的时间与辅助激光功率大小关系曲线示意图。

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。

本发明实施例针对Sn液滴靶技术存在的材料选择范围限制和系统装置的复杂等问题，提出一种激光等离子体极紫外光源的产生装置，可以将靶材选择为固体靶材，采用两束激光来辐射固体靶材，一束为驱动激光，用来产生激光等离子；另外一束做辅助激光，用来对靶材的局部区域进行加热；先用辅助激光将靶材局部区域温度升高到接近熔化的温度，然后让驱动激光辐射该区域产生激光等离子体。这样可以扩大靶材的选择范围。以及更换不同材料的靶材时，不需要改变装置。

图1示出了本发明第一实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置的模块结构；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：

激光等离子体极紫外光源的产生装置包括真空腔室10、位于真空腔室10内的收集镜5、聚焦镜6、固体靶材7、电机8、驱动光源1和辅助光源2；辅助光源2用于产生辅助激光，辅助激光辐射所述固体靶材7并使得固体靶材7的热影响区域的温度升高至温度阈值；电机8用于带动固体靶材7旋转，驱动光源1用于产生驱动激光，驱动激光通过所述聚焦镜6聚焦后辐射固体靶材7的热影响区域并产生等离子体辐射出极紫外光。

在本发明实施例中，产生装置还包括设置在真空腔室10外部且位于收集镜5的反射聚焦光路上的滤片9，用于滤除非极紫外光。极紫外光的波长范围为13-14nm。

驱动光源可以为脉冲激光器，辅助光源可以为连续激光器或脉冲激光器。温度阈值的范围为低于固体靶材7熔点5°C－10°C。固体靶材7可以是金属靶材，比如Sn，Ga，Au等。

图2示出了本发明实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置中电机旋转固体靶材；图3示出了本发明实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置中激光辐射到固体靶材上的位置分布；现结合图1、图2和图3详述其工作原理如下：

当辅助激光和驱动激光辐射在固体靶材的同一个位置时；辅助光源产生的辅助激光辐射在位置11上，因为光热作用，固体靶材在位置11的区域温度会上升，形成热影响区域。等到热影响区域的温度上升至设定的温度阈值（低于靶材熔点5°C－10°C)，辅助光源关闭，驱动激光开始辐射热影响区域，生成等离子体，等离子体辐射极紫外光；电机8带动靶材旋转，使辅助激光辐射到靶材的位置12上。同理，位置12产生等离子体，等离子体辐射极紫外光后，电机旋转靶材使辅助激光辐射到位置13上。这样可以延长靶材的使用时间。本过程中的辅助光源必须等待驱动光源关闭后才可以开启，所以两次等离子体产生的时间较长。

当辅助激光和驱动激光辐射在靶材的不同位置时；辅助光源产生的辅助激光辐射在位置11上，因为光热作用，固体靶材在位置11的区域温度会上升，形成热影响区域。等到热影响区域的温度上升至设定的温度阈值（低于靶材熔点5°C－10°C)，电机8旋转靶材7，是辅助激光辐射到位置12上，开启驱动激光辐射到位置11上，产生等离子体，辐射出极紫外光。等到位置12上的热影响区域的温度上升至设定的温度阈值（低于靶材熔点5°C－10°C)，电机8旋转靶材7，是辅助激光辐射到位置13上，开启驱动激光辐射到位置12上。本过程和之前描述的过程的区别在于本过程采用的辅助光源是连续激光器，所以两次等离子体产生的时间相对之前的两次等离子体产生时间较短。

图4示出了本发明第二实施例提供的激光等离子体极紫外光源的产生装置的模块结构，在第一实施例的基础上，产生装置还包括：位于驱动激光光路上的反射镜3以及位于辅助激光光路上的合束镜4，辅助光源2辐射的辅助激光经过反射镜3反射，反射的辅助激光经过合束镜4反射后经过聚焦镜6聚焦辐射至固体靶材7，使得固体靶材7热影响区域的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)，驱动光源1辐射的驱动激光通过合束镜4透射至聚焦镜6聚焦辐射至所述固体靶材7的所述热影响区域，产生的等离子体，等离子体辐射极紫外光被收集镜5收集后聚焦形成极紫外光源；电机8带动固体靶材7转动使得辅助光源2辐射至所述固体靶材的其它位置，避免靶材消耗太快。

在本发明实施例中，产生装置还包括滤片9，设置在真空腔室10外的收集镜的聚焦光路上，用于滤除13nm-14nm外的光源。

在本发明实施例中，驱动光源1可以为脉冲激光器，比如采用平均功率1.5KW，脉宽20ns，重复频率10KHZ的CO₂激光器，辅助光源2可以为脉冲激光器，也可以为连续激光器；当辅助光源2为脉冲激光器时，可以采用脉冲CO₂激光器，脉冲ND激光器或YAG激光器等，对脉冲激光器的脉宽，重复频率等参数没有特别要求；但与所需的平均功率、靶材的材料以及将靶材热影响区域温度升高到接近熔化温度的时间有关，对于Sn靶，平均功率和达到接近熔化温度的时间关系见图5所示。

本发明实施例还提供了一种激光等离子体极紫外光源的产生方法，包括下述步骤：

其中，温度阈值的范围为低于所述固体靶材熔点5°C－10°C。

在本发明实施例中，当辅助激光为脉冲激光时，在步骤S2之后还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转，并重复步骤S1和步骤S2。

在本发明实施例中，当辅助激光为连续激光时，在步骤S2之前还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转。

现结合附图详述其激光等离子体极紫外光源的产生方法具体如下：

当驱动光源1采用的脉冲激光器，辅助光源采用的是连续激光器。辅助光源2辐射出的辅助激光辐射在靶材7上，假定为靶材上位置11，使得固体靶材7位置11的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。电机8带动靶材7旋转，让辅助激光辐射在位置12上，驱动光源1开始辐射驱动激光，驱动激光经过聚焦镜6辐射在此时的靶材的位置11上，产生等离子体，等离子体辐射出极紫外光，驱动光源1关闭。等位置12的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。电机8带动靶材7旋转，让辅助激光辐射在位置13上。驱动光源1开始辐射驱动激光，驱动激光经过聚焦镜6辐射在此时的靶材的位置12上，产生等离子体，等离子体辐射极紫外光。

当驱动光源1采用的脉冲激光器，辅助光源采用的是脉冲激光器。辅助光源2辐射出的辅助激光辐射在靶材7上，假定为靶材上位置11，使得固体靶材7位置11的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。辅助光源2关闭，驱动光源1开始辐射驱动激光，驱动激光经过聚焦镜6辐射在靶材的位置11上，产生等离子体，等离子体辐射出极紫外光。电机8旋转靶材7，是辅助激光辐射至靶材位置12上。开启辅助光源，等位置12的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。关闭辅助光源，开启驱动光源1，驱动激光经聚焦镜6辐射在靶材的位置12上，产生等离子体，等离子体辐射极紫外光。关闭驱动激光，电机8旋转靶材7，让辅助激光辐射至靶材位置13上。

当驱动光源1采用脉冲激光器，辅助光源2采用的是脉冲激光器。辅助光源2辐射出的辅助激光经反射镜4反射到合束镜3，经过聚焦镜6辐射在靶材7上，假定为靶材上位置11，使得固体靶材7位置11的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。辅助光源2关闭，驱动光源1开始辐射驱动激光，驱动激光经过合束镜3，聚焦镜6辐射在靶材的位置11上，产生等离子体，等离子体辐射出极紫外光。电机8旋转靶材7，是辅助激光辐射至靶材位置12上。开启辅助光源，等位置12的温度上升至设定的温度阈值(低于靶材熔点5°C－10°C)。关闭辅助光源，开启驱动光源1，驱动激光经合束镜3，聚焦镜6辐射在靶材的位置12上，产生等离子体，等离子体辐射极紫外光。关闭驱动激光，电机8旋转靶材7，让辅助激光辐射至靶材位置13上。

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

1.一种激光等离子体极紫外光源的产生装置，包括真空腔室以及位于所述真空腔室内的收集镜、聚焦镜、固体靶材和电机；其特征在于，还包括驱动光源和辅助光源；所述辅助光源用于产生辅助激光，所述辅助激光辐射所述固体靶材并使得所述固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；所述电机用于带动所述固体靶材旋转，所述驱动光源用于产生驱动激光，所述驱动激光通过所述聚焦镜聚焦后辐射所述固体靶材的所述热影响区域并产生等离子体辐射出极紫外光；

当所述辅助光源和所述驱动光源辐射在所述固体靶材的同一个位置时，所述辅助光源产生的辅助激光辐射在第一位置(11)上，所述固体靶材在所述第一位置(11)的区域温度会上升，形成热影响区域；当所述热影响区域的温度上升至设定的温度阈值时，关闭辅助光源，驱动光源开始辐射所述热影响区域并产生等离子体，等离子体辐射极紫外光；所述电机(8)带动所述固体靶材旋转，使得所述辅助光源辐射到靶材的第二位置(12)上；同理所述第二位置(12)产生等离子体，等离子体辐射极紫外光后，所述电机旋转并使得所述辅助光源辐射至第三位置(13)，依次执行直至所述固体靶材的各个位置均产生等离子体，从而延长所述固体靶材的使用时间；

当所述辅助光源和所述驱动光源在所述固体靶材的不同位置时，所述辅助光源产生的辅助激光辐射在第一位置(11)上，所述固体靶材在所述第一位置(11)的区域温度会上升，形成热影响区域；当所述热影响区域的温度上升至设定的温度阈值时，所述电机(8)旋转并带动所述固体靶材(7)使得所述辅助光源辐射到第二位置(12)上，此时开启所述驱动光源并辐射到所述第一位置(11)上，产生等离子体，辐射出极紫外光；当第二位置(12)上的热影响区域的温度上升至设定的温度阈值时，所述电机旋转并带动所述固体靶材，使得所述辅助光源辐射到第三位置(13)上，此时开启驱动光源并辐射到第二位置(12)；依次执行直至所述固体靶材的各个位置均产生等离子体。

2.如权利要求1所述的产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括：位于驱动激光光路上的反射镜以及位于所述辅助激光光路上的合束镜，辅助激光经反射镜反射至合束镜，再经合束镜反射后经聚焦镜聚焦并辐射固体靶材，使得所述固体靶材的热影响区域的温度升高至温度阈值；驱动激光经合束镜透射后经聚焦镜聚焦并辐射至所述固体靶材的所述热影响区域，产生等离子体辐射出极紫外光。

3.如权利要求1或2所述的产生装置，其特征在于，所述温度阈值的范围为低于所述固体靶材熔点5℃－10℃。

4.如权利要求1所述的产生装置，其特征在于，所述驱动光源为脉冲激光器，所述辅助光源为连续激光器或脉冲激光器。

5.如权利要求1或2所述的产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括设置在真空腔室外部且位于所述收集镜的反射聚焦光路上的滤片，用于滤除非极紫外光。

6.如权利要求1所述的产生装置，其特征在于，所述固体靶材为金属靶材。

7.一种激光等离子体极紫外光源的产生方法，其特征在于，包括下述步骤：

S2：通过驱动激光辐射所述固体靶材的所述热影响区域并产生激光等离子体；具体为：

当所述辅助光源和所述驱动光源辐射在所述固体靶材的同一个位置时，所述辅助光源产生的辅助激光辐射在第一位置(11)上，所述固体靶材在所述第一位置(11)的区域温度会上升，形成热影响区域；当所述热影响区域的温度上升至设定的温度阈值时，关闭辅助光源，驱动光源开始辐射所述热影响区域并产生等离子体，等离子体辐射极紫外光；电机(8)带动所述固体靶材旋转，使得所述辅助光源辐射到靶材的第二位置(12)上；同理所述第二位置(12)产生等离子体，等离子体辐射极紫外光后，所述电机旋转并使得所述辅助光源辐射至第三位置(13)，依次执行直至所述固体靶材的各个位置均产生等离子体，从而延长所述固体靶材的使用时间；

8.如权利要求7所述的产生方法，其特征在于，所述温度阈值的范围为低于所述固体靶材熔点5℃－10℃。

9.如权利要求7所述的产生方法，其特征在于，当辅助激光为脉冲激光时，在步骤S2之后还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转，并重复步骤S1和步骤S2。

10.如权利要求7所述的产生方法，其特征在于，当辅助激光为连续激光时，在步骤S2之前还包括下述步骤：电机带动所述固体靶材旋转。