CN104619104A - Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统 - Google Patents

Abstract

Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，涉及一种13.5nm的极紫外光源。它为了解决常规的高功率EUV光源体积庞大、价格昂贵，不适合用作EUV光刻机各种部件的检测光源的问题。本发明中，主脉冲电源采用磁脉冲压缩网络对脉冲进行压缩陡化，主脉冲电源的高压电极和预脉冲电源的地电极共用一个电极，利用水冷系统对预脉冲高压电极和共用电极进行制冷，光学收集系统采用内嵌式Wolter I型收集系统，该系统包括10层收集镜，每层收集镜包括一个回转椭球面和一个回转双曲面，回转椭球面和回转双曲面具有一个公共几何焦点。本发明体积小，真空度高，且价格低，适合用作EUV光刻机各种部件的检测光源。

Description

Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统

技术领域

本发明涉及一种13.5nm极紫外光源。 

背景技术

为了实现我国超大规模集成电路的跨越式发展，国家将2020年实现45nm～22nm刻线作为我国微电子产业的中长期发展规划，并由此制定了国家科技重大专项02专项。过去的几十年，微电子产业迅速发展，集成电路最小特征尺寸决定了一个晶片上所能集成的晶体管数量，也决定了集成电路运行速度和存储容量。光刻技术作为集成电路的技术基础，是决定集成电路发展速度的一个重要因素。光刻机分辨率的物理极限R决定了集成电路的最小特征尺寸，光刻机分辨率的物理极限R决定了集成电路的最小特征尺寸，可以通过分辨率增强技术减小工艺因子k₁，或者减小光刻机曝光波长λ，或者提高数值孔径NA的方法，提高光刻机分辨率R。其中，减小光刻机曝光波长是主要方法之一。极紫外光刻技术采用13.5nm(2％带宽)辐射光作为曝光光源，是最有可能实现16nm节点甚至以下的下一代光刻技术之一。

对于大规模工业生产(HVM)用EUV光刻机中各种关键部件，例如光源、收集镜、掩膜版、光刻胶等，其性能参数与常规光刻机中的部件相比更为苛刻，检测条件更为复杂，需要采用13.5nm光源检测光源辐射特性及功率稳定性、收集镜表面粗糙度、面型精度、掩膜版精度、光刻胶对13.5nm(2％带宽)辐射响应灵敏度等参数。

毛细管放电EUV光刻光源是指采用Xe介质，在大电流、快脉冲毛细管放电Z箍缩机制获得13.5nm(2％带宽)辐射光输出，13.5nm(2％带宽)波长的辐射光能够实现22nm甚至更小的光刻线。在毛细管放电过程中，大电流会使毛细管内沿着内表壁形成一层Xe等离子体壳层，主脉冲放电时通过等离子体的强电流，受自身磁场作用，产生强大的洛仑兹力，使等离子体沿径向箍缩(称之为Z箍缩)。在等离子体压缩的过程中，等离子体同时受到排斥力、欧姆加热，使得等离子体温度升高，碰撞Xe离子产生更高价态的Xe离子，等离子体压缩到半径最小时～300μm，此时将会实现EUV辐射光输出。等离子体压缩到最小半径时毛细管内的等离子体是一个很细的等离子体柱，将这个等离子体柱中的每一个微小段均可视为一个点光源，这个点光源将向四周4π立体角范围内均匀的辐射EUV辐射光，毛细管放电形成的EUV辐射光，经过后续的极紫外光学收集系统，成像在中间焦点(IF)点，从而实现IF点一定功率的13.5nm(2％带宽)辐射光输出。毛细管放电Z 箍缩EUV光源具有较小的光源尺寸、良好的功率稳定性和空间稳定性，同时技术比较简单，但放电时具有较多的碎屑，这可以通过去碎屑系统解决。综上所述，毛细管放电Z箍缩EUV光源具有良好的稳定性，是目前作为检测用EUV光源的主要技术方案之一。

检测用EUV光源要求结构和操作简便、功率和价格适中、工作成本低廉，同时功率稳定性高，而常规的高功率EUV光源体积庞大、价格昂贵、运行成本高昂，不适合作为检测用光源。因此，开发一种满足检测用的光源变得十分重要，这既符合当前国内技术基础，这也可以为下一步实现大规模工业生产用EUV光源提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是为了解决而常规的高功率EUV光源体积庞大、价格昂贵，不适合用作EUV光刻机各种部件的检测光源的问题，提供一种Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统。

本发明所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统包括电源系统、放电室1、真空室2和光学收集系统3；

所述电源系统包括触发控制单元、主脉冲电源和预脉冲电源，所述触发控制单元的两个触发信号输出端分别连接主脉冲电源的触发信号输入端和预脉冲电源的触发信号输入端；主脉冲电源包括初级充电电路、中间储能脉冲形成电路和脉冲压缩电路，三相交流电源通过变压器与初级充电电路连接，初级充电电路采用交流调压的充电电路，所述初级充电电路为中间储能脉冲形成电路充电，中间储能脉冲形成电路的输出端通过变压器将能量传递给脉冲压缩电路，该脉冲压缩电路通过磁脉冲压缩网络对脉冲进行压缩陡化；

所述的放电室1包括主脉冲地电极1-1、预脉冲高压电极1-2、共用电极1-3、外壳1-4和极紫外光源的毛细管1-5；所述的主脉冲地电极1-1为所述的极紫外光源的主脉冲电源的地电极，所述的预脉冲高压电极1-2为所述的极紫外光源的预脉冲电源的高压电极，所述共用电极1-3为极紫外光源的主脉冲电源的高压电极和预脉冲电源的地电极的共用电极1-3；预脉冲高压电极1-2、共用电极1-3和外壳1-4均为圆管状结构，且中心轴重合；主脉冲地电极1-1、预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3的管壁的内、外表面均覆有绝缘层；主脉冲地电极1-1为圆环形，毛细管1-5嵌入在该圆环的中心孔内，主脉冲地电极1-1与毛细管1-5共同覆盖在外壳1-4的开口侧，且连接处密封；共用电极1-3位于外壳1-4内部，预脉冲高压电极1-2位于共用电极1-3内部；外壳1-4内部还设置有冷却系统，用于对预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3制冷；

所述的真空室2与放电室1连接，光学收集系统3位于真空室2内，光学收集系统3 采用内嵌式Wolter I型收集系统实现，由多层圆桶状反射镜构成，所述多层圆桶状反射镜依次共轴内嵌，每层反射镜由一个回转椭球面3-1和一个回转双曲面3-2连接而成，且该回转椭球面3-1与该回转双曲面3-2具有一个公共几何焦点，即公共焦点，各层反射镜的公共焦点重合；

真空室2的末端用于连接照明系统，所述末端的壁上设置有窗口，毛细管1-5发出的极紫外光经过光学收集系统3后聚焦在该窗口上，并通过该窗口进入照明系统。

本发明的放电室1和真空室2均设置有出气孔，该出气孔连接真空泵，用于对放电室1和真空室2抽真空。工作前，先对放电室1和真空室2抽真空，使放电室1和真空室2内获得10^-3Pa量级的真空度，再根据实验需要在毛细管1-5内充入适量的Xe、、Ar或He等气体，Xe、Ar或He气均通过独立的流量计控制充入毛细管1-5内的气体流量，三个流量计输出的气体通过一个气阀混合，充入毛细管1-5内。毛细管1-5和真空室2内气压稳定后，通过触发控制单元给预脉冲形成电路和主脉冲充电电源系统分别发出一个触发信号，两个触发信号之间具有一定的延时。预脉冲形成电路形成高压加载在毛细管前端形成预电离等离子体，预电离等离子体随着充入的放电气体进入毛细管内部，经过一定的延时后主脉冲电源将在毛细管两端形成高压脉冲，这个高压脉冲通过毛细管内预电离等离子体放电，形成高温高密度等离子体，实现13.5nm的EUV辐射光输出。EUV辐射光呈4π立体角发散，经光学收集系统3反射后，聚焦在窗口上，经窗口进入后续照明系统。放电电流和放电电压通过Rogowski线圈(罗式线圈)和高压探头测量，极紫外辐射光谱通过罗兰圆谱仪测量，13.5nm(2％带宽)辐射时间特性通过极紫外探测器测量。

本发明所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统与常规极紫外光源系统相比，体积小，真空度高，且价格低，适合用作EUV光刻机各种部件的检测光源。

附图说明

图1为实施方式一所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的结构示意图图；

图2为实施方式二中主脉冲电源的电路图；

图3为实施方式二中Xe气流量1.0sccm、预-主脉冲联合放电时主脉冲电压电流波形图；

图4为实施方式三中放电室1的剖面图；

图5为实施方式四中收集镜支架4的结构示意图；

图6为实施方式五中去碎屑系统5的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统包括电源系统、放电室1、真空室2和光学收集系统3；

所述电源系统包括触发控制单元、主脉冲电源和预脉冲电源，所述触发控制单元的两个触发信号输出端分别连接主脉冲电源的触发信号输入端和预脉冲电源的触发信号输入端；主脉冲电源包括初级充电电路、中间储能脉冲形成电路和脉冲压缩电路，三相交流电源通过变压器与初级充电电路连接，初级充电电路采用交流调压的充电电路，所述初级充电电路为中间储能脉冲形成电路充电，中间储能脉冲形成电路的输出端通过变压器将能量传递给脉冲压缩电路，该脉冲压缩电路通过磁脉冲压缩网络对脉冲进行压缩陡化；如图2所示，三个虚线框分别表示初级充电电路、中间储能脉冲形成电路和脉冲压缩电路，脉冲压缩电路直接与负载相连；

所述的放电室1包括主脉冲地电极1-1、预脉冲高压电极1-2、共用电极1-3、外壳1-4和极紫外光源的毛细管1-5；所述的主脉冲地电极1-1为所述的极紫外光源的主脉冲电源的地电极，所述的预脉冲高压电极1-2为所述的极紫外光源的预脉冲电源的高压电极，所述共用电极1-3为极紫外光源的主脉冲电源的高压电极和预脉冲电源的地电极的共用电极1-3；预脉冲高压电极1-2、共用电极1-3和外壳1-4均为圆管状结构，且中心轴重合；主脉冲地电极1-1、预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3的管壁的内、外表面均覆有绝缘层；主脉冲地电极1-1为圆环形，毛细管1-5嵌入在该圆环的中心孔内，主脉冲地电极1-1与毛细管1-5共同覆盖在外壳1-4的开口侧，且连接处密封；共用电极1-3位于外壳1-4内部，预脉冲高压电极1-2位于共用电极1-3内部；外壳1-4内部还设置有冷却系统，用于对预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3制冷；

所述的真空室2与放电室1连接，光学收集系统3位于真空室2内，光学收集系统3采用内嵌式Wolter I型收集系统实现，由多层圆桶状反射镜构成，所述多层圆桶状反射镜依次共轴内嵌，每层反射镜由一个回转椭球面3-1和一个回转双曲面3-2连接而成，且该回转椭球面3-1与该回转双曲面3-2具有一个公共几何焦点，即公共焦点，各层反射镜的公共焦点重合；

真空室2的末端用于连接照明系统，所述末端的壁上设置有窗口，毛细管1-5发出的极紫外光经过光学收集系统3后聚焦在该窗口上，并通过该窗口进入照明系统。

本实施方式中，预脉冲电源主要由桥式整流电路，开关IGBT，脉冲变压器和限流电阻构成。主脉冲电源的高压极与预脉冲电源的地极共用一个电极。共用电极1-3位于外壳 1-4的右端面上，外壳1-4的左端面封闭。三个电极的表面均覆有绝缘层，具有良好的绝缘性能。预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3均设置在外壳1-4内部，且预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3的位置沿轴向可调，使得预脉冲高压电极1-2与主脉冲地电极1-1的距离及共用电极1-3与主脉冲地电极1-1的距离均可调，提高了主脉冲电源和预脉冲电源的放电性能。电源系统的工作原理为：首先通过触发控制单元给预脉冲形成电路和主脉冲充电电源系统分别发出一个触发信号，两个触发信号之间具有一定的延时。预脉冲形成电路形成高压加载在毛细管前端形成预电离等离子体，预电离等离子体随着充入的放电气体进入毛细管内部，经过一定的延时后主脉冲电源将在毛细管两端形成高压脉冲，这个高压脉冲通过毛细管内预电离等离子体放电，形成高温高密度等离子体，从而实现EUV辐射光输出。

放电室1内还设置冷却系统，用于对电极进行制冷。本发明具有良好的绝缘性能、放电性能、冷却性能和真空性能。

真空室2是针对上述多层wolte-I型的光学收集系统而设计的，外壳上设置有出气孔，与分子泵、机械泵等真空系统设备相连接，维持真空室内的真空度。真空室整体为一个近似半圆锥结构，以便于与光学收集系统光路匹配，节省真空室空间和重量。

为了系统联调和装卸的方便，真空室2可分为两个部分：真空室I用于安装固定和调节光学收集系统的星形轮、去碎屑系统等；真空室II用于光源实时检测系统的安装及与后续照明系统的匹配。与常规的真空室相比，本实施方式中的真空室不仅具有良好的真空度，而且收集效率高。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的进一步限定，本实施方式中，所述的电源系统的主脉冲电源的脉冲压缩电路采用三级脉冲压缩方式对脉冲进行压缩。

如图2所示，脉冲压缩电路采用三级脉冲压缩电路结构，每一级脉冲压缩电路包括一个电容和一个电感，如图中最右侧虚线框所示。考虑脉冲形成和压缩回路工作时会产生大量的热量，同时为了保证装置小型化过程中的绝缘性能，将主脉冲电源的脉冲形成及前两级压缩回路置于油箱中。如图3所示，Xe气流量1.0sccm、预-主脉冲联合放电时主脉冲电压电流波形。由图3可以看出，单脉冲条件下，主脉冲电压峰值18.0kV、电流幅值15.6kA，半波宽120ns，均满足设计指标。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的进一步限定，本实施方式中，共用电极1-3的一 端位于外壳1-4内部，另一端穿过外壳1-4的端面，延伸至外壳1-4的外部，且延伸出来的端面封闭；

预脉冲高压电极1-2的一端位于共用电极1-3的内部，另一端穿过共用电极1-3的端面，延伸至共用电极1-3的外部，且延伸出来的端面封闭；预脉冲高压电极1-2的外壁与共用电极1-3的内壁之间留有空隙；

共用电极1-3的侧壁上设置有一号进水口1-7和一号出水口1-8，所述一号进水口1-7和一号出水口1-8关于共用电极1-3的中心轴对称，且一号进水口1-7和一号出水口1-8均位于外壳1-4的外部；

预脉冲高压电极1-2内部还设置有隔板1-6，该隔板1-6将预脉冲高压电极1-2的内部分隔为两个相连通的空间；预脉冲高压电极1-2的侧壁上开有二号进水口1-9和二号出水口1-10，所述二号进水口1-9和二号出水口1-10分别与上述两个空间相连通，且二号进水口1-9和二号出水口1-10均位于共用电极1-3的外部。

本实施方式中的放电室的结构如图4所示。本实施方式采用水冷方式对电极进行制冷。共设置两条水流通路，其中一条为预脉冲高压电极1-2和共用电极1-3之间的空隙，另一条为预脉冲高压电极1-2与隔板1-6间的空隙。水在电极内部流过，与其他制冷方式相比，制冷效果大大提高。

具体实施方式四：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的进一步限定，本实施方式中，所述的真空室2内部还设置有收集镜支架4，该收集镜支架4包括两个同心金属环和多个结构相同的支撑杆，所述两个同心金属环和多个支撑杆位于同一个平面内，且该平面与所述的中心轴垂直，且所述的两个同心金属环的圆心位于所述中心轴上，每个支撑杆的两端分别与两个同心金属环固定连接，多个支撑杆以金属环的圆心为中心，呈等间距放射状分布，支撑杆上开有多个凹槽，对于每个支撑杆，其每个凹槽用于安装收集系统的一层光学收集镜。

本实施方式中，光学收集系统3由10层反射镜组成，从中心轴向外，相邻两层反射镜之间的距离逐渐增大，相应地，收集镜支架4的每个支撑杆上开有10个凹槽，相邻两个凹槽的间距也逐渐增大。支撑杆的数量一般在3到8之间，且支撑杆的宽度尽量小，以减少极紫外光的损耗。凹槽的尺寸与反射镜的厚度相匹配，以确保反射镜的安装精度。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的进一步限定，本实施方式中，毛细管1-5与收集镜支架4之间还设置有去碎屑系统5，所述去碎屑系统5包括喷气装置5-1和金属箔片冷 阱5-2，该金属箔片冷阱5-2包括多层铜质金属箔片，每层金属箔片均为圆锥面，多层金属箔片与EUV光源同轴且依次嵌套，多层金属箔片的开口侧朝向毛细管1-5，喷气装置5-1位于毛细管1-5与金属箔片冷阱5-2之间，喷气装置5-1的喷气方向与EUV光源的中心轴垂直。

本实施方式中，毛细管1-5放电时会产生较多的碎屑，通过喷气装置5-1喷射气体来改变碎屑的轨迹，使其与光线辐射方向不平行，改变轨迹后的碎屑会附着在金属箔片上，从而达到去碎屑的目的。

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统的进一步限定，本实施方式中，真空室2的内部还设置有探测系统，用于对EUV光源放电特性和辐射光的动态监测，所述的探测系统通过探测系统支架固定在真空室2内。

Claims (6)

1.Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，包括电源系统、放电室(1)、真空室(2)和光学收集系统(3)；其特征在于：

所述电源系统包括触发控制单元、主脉冲电源和预脉冲电源，所述触发控制单元的两个触发信号输出端分别连接主脉冲电源的触发信号输入端和预脉冲电源的触发信号输入端；主脉冲电源包括初级充电电路、中间储能脉冲形成电路和脉冲压缩电路，三相交流电源通过变压器与初级充电电路连接，初级充电电路采用交流调压的充电电路，所述初级充电电路为中间储能脉冲形成电路充电，中间储能脉冲形成电路的输出端通过变压器将能量传递给脉冲压缩电路，该脉冲压缩电路通过磁脉冲压缩网络对脉冲进行压缩陡化；

所述的放电室(1)包括主脉冲地电极(1-1)、预脉冲高压电极(1-2)、共用电极(1-3)、外壳(1-4)和极紫外光源的毛细管(1-5)；所述的主脉冲地电极(1-1)为所述的极紫外光源的主脉冲电源的地电极，所述的预脉冲高压电极(1-2)为所述的极紫外光源的预脉冲电源的高压电极，所述共用电极(1-3)为极紫外光源的主脉冲电源的高压电极和预脉冲电源的地电极的共用电极(1-3)；预脉冲高压电极(1-2)、共用电极(1-3)和外壳(1-4)均为圆管状结构，且中心轴重合；主脉冲地电极(1-1)、预脉冲高压电极(1-2)和共用电极(1-3)的管壁的内、外表面均覆有绝缘层；主脉冲地电极(1-1)为圆环形，毛细管(1-5)嵌入在该圆环的中心孔内，主脉冲地电极(1-1)与毛细管(1-5)共同覆盖在外壳(1-4)的开口侧，且连接处密封；共用电极(1-3)位于外壳(1-4)内部，预脉冲高压电极(1-2)位于共用电极(1-3)内部；外壳(1-4)内部还设置有冷却系统，用于对预脉冲高压电极(1-2)和共用电极(1-3)制冷；

所述的真空室(2)与放电室(1)连接，光学收集系统(3)位于真空室(2)内，光学收集系统(3)采用内嵌式Wolter I型收集系统实现，由多层圆桶状反射镜构成，所述多层圆桶状反射镜依次共轴内嵌，每层反射镜由一个回转椭球面(3-1)和一个回转双曲面(3-2)连接而成，且该回转椭球面(3-1)与该回转双曲面(3-2)具有一个公共几何焦点，即公共焦点，各层反射镜的公共焦点重合；

真空室(2)的末端用于连接照明系统，所述末端的壁上设置有窗口，毛细管(1-5)发出的极紫外光经过光学收集系统(3)后聚焦在该窗口上，并通过该窗口进入照明系统。

2.根据权利要求1所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，其特征在于：所述的电源系统的主脉冲电源的脉冲压缩电路采用三级脉冲压缩方式对脉冲进行压缩。

3.根据权利要求1所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，其特征在于：共用电极(1-3)的一端位于外壳(1-4)内部，另一端穿过外壳(1-4)的端面，延伸至外壳(1-4)的外部，且延伸出来的端面封闭；

预脉冲高压电极(1-2)的一端位于共用电极(1-3)的内部，另一端穿过共用电极(1-3)的端面，延伸至共用电极(1-3)的外部，且延伸出来的端面封闭；预脉冲高压电极(1-2)的外壁与共用电极(1-3)的内壁之间留有空隙；

共用电极(1-3)的侧壁上设置有一号进水口(1-7)和一号出水口(1-8)，所述一号进水口(1-7)和一号出水口(1-8)关于共用电极(1-3)的中心轴对称，且一号进水口(1-7)和一号出水口(1-8)均位于外壳(1-4)的外部；

预脉冲高压电极(1-2)内部还设置有隔板(1-6)，该隔板(1-6)将预脉冲高压电极(1-2)的内部分隔为两个相连通的空间；预脉冲高压电极(1-2)的侧壁上开有二号进水口(1-9)和二号出水口(1-10)，所述二号进水口(1-9)和二号出水口(1-10)分别与上述两个空间相连通，且二号进水口(1-9)和二号出水口(1-10)均位于共用电极(1-3)的外部。

4.根据权利要求1所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，其特征在于：所述的真空室(2)内部还设置有收集镜支架(4)，该收集镜支架(4)包括两个同心金属环和多个结构相同的支撑杆，所述两个同心金属环和多个支撑杆位于同一个平面内，且该平面与所述的中心轴垂直，且所述的两个同心金属环的圆心位于所述中心轴上，每个支撑杆的两端分别与两个同心金属环固定连接，多个支撑杆以金属环的圆心为中心，呈等间距放射状分布，支撑杆上开有多个凹槽，对于每个支撑杆，其每个凹槽用于安装收集系统的一层光学收集镜。

5.根据权利要求4所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，其特征在于：毛细管(1-5)与收集镜支架(4)之间还设置有去碎屑系统(5)，所述去碎屑系统(5)包括喷气装置(5-1)和金属箔片冷阱(5-2)，该金属箔片冷阱(5-2)包括多层铜质金属箔片，每层金属箔片均为圆锥面，多层金属箔片与EUV光源同轴且依次嵌套，多层金属箔片的开口侧朝向毛细管(1-5)，喷气装置(5-1)位于毛细管(1-5)与金属箔片冷阱(5-2)之间，喷气装置(5-1)的喷气方向与EUV光源的中心轴垂直。

6.根据权利要求1所述的Xe介质毛细管放电检测用极紫外光源系统，其特征在于：真空室(2)的内部还设置有探测系统，用于对EUV光源放电特性和辐射光的动态监测，所述的探测系统通过探测系统支架固定在真空室(2)内。