CN106092317A - 一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法 - Google Patents

一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法 Download PDF

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Abstract

一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法，涉及光谱识别领域。本发明是为了解决现有的采用Hg灯对8nm～20nm范围内的线状谱进行标定，谱线的标定准确性差，导致对光谱的识别性差的问题。本发明第一步采用真空紫外阴极灯对罗兰圆谱仪进行初步标定，工作气体为He气；第二步采用He气和Ar气介质毛细管放电机制工作，通过He气和Ar气的线状谱对罗兰圆谱仪进行精确地标定。它用于对光谱进行标定。

Description

一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的 方法
技术领域
本发明涉及毛细管放电极紫外光刻光源中谱线标定的方法。
背景技术
毛细管机制放电等离子体(DPP)极紫外(EUV)光刻光源是指采用Xe介质，在毛细管放电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，高电压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。IF点辐射光作为后续光学系统的光源，最终对光刻胶曝光实现32nm甚至更窄的线宽。
在这一过程中，13.5nm附件的EUV辐射来源非常复杂，主要来源于Xe8+～Xe11+离子4d-5p跃迁，此外还有4d-4f和4p-4d跃迁，这些因素导致8nm～20nm范围内的线状谱有几万条。为了获得较高功率的13.5nm(2％带宽)辐射光输出，需要等离子体温度和密度等参数位于一个合适的区间，这就需要对等离子体状态进行分析，而光谱是分析等离子体状态的一个最合适的方法。因而，必须设计一种方案，对8nm～20nm范围内的线状谱进行标定。常规的光谱仪采用Hg灯进行标定，由于Hg灯的线状谱较少，这会导致谱线的标定变得不准确，从而影响光谱的分析。本发明设计了一种新的方法，能够大幅度的提高谱仪的标定准确度，从而实现对光谱的准确识别。
发明内容
本发明是为了解决现有的采用Hg灯对8nm～20nm范围内的线状谱进行标定，谱线的标定准确性差的问题。现提供一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法。
一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法，它包括以下步骤：
步骤一、调整真空紫外阴极灯和罗兰圆光谱仪的位置，保证真空紫外阴极灯出射的光能垂直入射到罗兰圆光谱仪的入射狭缝正中心，然后将罗兰圆光谱仪和真空紫外阴极灯通过波纹管连接好，在阴极谱灯中充入He气，抽真空到达10-2Pa量级；
步骤二、将罗兰圆光谱仪调到某一特定中心波长λ处，打开数据采集系统，进行降温并去噪，此时准备工作就绪；
步骤三、打开真空紫外阴极灯，通过数据采集系统按照真空紫外阴极灯辐射出的辐射谱拟合出一条初始曲线，同时对比He的特征谱线，初步判定该初始曲线的各条谱线对应的波长值；通过控制步进电机转动，使得步进电机连接的罗兰圆光谱仪上的光栅转动，使罗兰圆光谱仪运动到内部设定的中心波长λ处，观察该中心波长λ是否实际出现在CCD中心像素点512像素处，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤五；
步骤四、该谱线对应的波长即为此时中心波长值；
步骤五、手动调节中心波长直至该谱线出现在512像素处，重复步骤三至步骤五确定最初记录光谱图像上各像素对应的波长值，再通过二次拟合的方法建立在某一中心波长处像素与波长的对应关系，改变中心波长，重复步骤三至步骤五得到不同中心波长时像素与波长的对应关系，完成罗兰圆光谱仪对极紫外光刻光源光谱的初步标定工作；
步骤六、由于阴极灯谱线较少，这导致步骤一至步骤五标定的波长与像素的关系数据量少，此时，在毛细管内充入He气，对充入的毛细管施加脉冲电源，使毛细管放电，然后测量辐射谱，将步骤一至步骤五得到的像素与波长的对应关系与真实波长进行对比，确定测量谱线中强度较强的谱线对应的波长作为中心波长，重复操作步骤二至步骤五，得到5nm～60nm范围内罗兰圆光谱仪像素对应的波长。
本发明的有益效果：采用真空紫外阴极灯对罗兰圆谱仪进行初步标定，工作气体为He气，具体为：通过将罗兰圆光谱仪调到某一特定中心波长λ处，不断调节中心波长直至罗兰圆谱仪辐射出的谱线均出现在512像素处，得到不同中心波长时像素与波长的对应关系，完成罗兰圆光谱仪对极紫外光刻光源光谱的初步标定工作；由于阴极灯谱线较少，这导致标定的波长与像素的关系数据量少，所以，采用He气和Ar气介质毛细管放电机制工作，通过He气和Ar气的线状谱对罗兰圆谱仪进行精确地标定，从而实现5nm～60nm大范围内的像素对应的波长。采用该方法使谱线的像素均对应相应的波长，从而实现使谱线的标定准确性同比现有技术的提高了7倍以上。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标 定及识别的方法的流程图；
图2为紫外阴极灯辐射谱原始图像；
图3为中心波长13.50nm的拟合曲线图；
图4为Ar气和He气的光谱比较图；
图5为Ne气和He气的光谱比较图；
图6为10nm～12.5nm波段范围内Ne气和He气光谱比较图；
图7为Xe气和He气光谱比较图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法，它包括以下步骤：
步骤一、调整真空紫外阴极灯和罗兰圆光谱仪的位置，保证真空紫外阴极灯出射的光能垂直入射到罗兰圆光谱仪的入射狭缝正中心，然后将罗兰圆光谱仪和真空紫外阴极灯通过波纹管连接好，在阴极谱灯中充入He气，抽真空到达10-2Pa量级；
步骤二、将罗兰圆光谱仪调到某一特定中心波长λ处，打开数据采集系统，进行降温并去噪，此时准备工作就绪；
步骤三、打开真空紫外阴极灯，通过数据采集系统按照真空紫外阴极灯辐射出的辐射谱拟合出一条初始曲线，同时对比He的特征谱线，初步判定该初始曲线的各条谱线对应的波长值；通过控制步进电机转动，使得步进电机连接的罗兰圆光谱仪上的光栅转动，使罗兰圆光谱仪运动到内部设定的中心波长λ处，观察该中心波长λ是否实际出现在CCD中心像素点512像素处，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤五；
步骤四、该谱线对应的波长即为此时中心波长值；
步骤五、手动调节中心波长直至该谱线出现在512像素处，重复步骤三至步骤五确定最初记录光谱图像上各像素对应的波长值，再通过二次拟合的方法建立在某一中心波长处像素与波长的对应关系，改变中心波长，重复步骤三至步骤五得到不同中心波长时像素与波长的对应关系，完成罗兰圆光谱仪对极紫外光刻光源光谱的初步标定工作；
步骤六、由于阴极灯谱线较少，这导致步骤一至步骤五标定的波长与像素的关系数据量少，此时，在毛细管内充入He气，对充入的毛细管施加脉冲电源，使毛细管放电，然后测量辐射谱，将步骤一至步骤五得到的像素与波长的对应关系与真实波长进行对比，确定测量谱线中强度较强的谱线对应的波长作为中心波长，重复操作步骤二至步骤五，得到5nm～60nm范围内罗兰圆光谱仪像素对应的波长。
本实施方式中，真实波长能够根据NIST数据库得到。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中的中心波长为13.500nm、30.378nm或58.433nm。
本实施方式中，具体标定时我们分别完成了中心波长为13.500nm、30.378nm和58.433nm时谱仪的标定工作，取这些中心波长一方面是考虑到He的特征谱线，另一方面以考虑到了以后实验的需要。各标定结果如下所示：
中心波长13.50nm
在阴极谱灯中充入He气，点亮后逐渐降低气压，在10Pa时各条谱线强度最大，记录下此辐射谱，如图2所示。
实际的拟合过程分为两步完成的：首先按照阴极谱灯辐射谱拟合出一条初始曲线，我们可以看出数据点只有三个，而且范围太小(24.30nm～30.38nm)，因而对其作了改进。在实际的放电室放电实验过程中，我们将中心波长调到13.50nm处，在多次放电过程中找到比较稳定并且强度比较大的几条谱线记录下其像素位置，在将中心波长移到其对应的初始拟合的波长位置，观察是否在512像素点，若不在则调节中心波长直至位于512像素处，重复此过程便可得到上述数据点。
表一为中心波长13.50nm数据点及拟合曲线，
由于数据点波长范围为12.81nm～30.38nm，因而认为此范围内的波长标定比较准确，此中心波长标定短波长误差小。
毛细管放电机制的精确标定：
在主脉冲放电初期，由于趋肤效应，电流会沿着毛细管内壁形成一层薄的电流壳层。同时，电流脱离毛细管管壁也需要一定的时间，在此时间内，主脉冲电流就会烧蚀毛细管内壁，从而产生一定量的碎屑。同时，放电过程中电流幅值高达几十千安，会产生大量的热量，沉积在电极表面，烧蚀电极，产生一定量的碎屑。碎屑在等离子体Z箍缩过程中会产生一定电离度的杂质离子，从而产生一定强度的杂质谱线，影响了整个辐射谱的分析。在此条件下，通过分析整个放电过程中杂质谱线的来源，并与Xe等离子体理论谱线相结合，可以判断出各真实放电条件下各波长的谱线来源，这为后续不同放电条件下光谱变化的分析提供依据。
通过对He、Ar和Xe气放电光谱的比较，结合NIST数据库，分析10nm～18nm范围内光谱来源。如图4所示为放电电流30kA、纯He和纯Ar流量均为6sccm条件下放电光谱比较。在此放电条件下，He已经被完全电离，变成裸核，因此其放电形成光谱均应来源于毛细管管壁和电极的烧蚀产生的杂质。通过比较纯Ar和纯He光谱，分析重合谱线的波长，可以初步判断出杂质谱的来源。表二为Ar和He光谱比较及分析，
表二
表二为光谱的分析结果，分析时参考NIST数据库。由图3和表一可以看出，10nm～18nm 范围内，杂质谱线主要有4组，分别来自于O5+2s-np(n＝3～5)、O5+2p-md(m＝3～6)跃迁、O4+2p-gd(g＝4～5)跃迁和Al4+2p-3d跃迁，其来源于放电过程中毛细管管壁烧蚀。同时，在此放电条件下，Ar气放电时10nm～18nm范围内仅能观察到Ar7+离子3s 2S2-4p 2P4、2P2跃迁，其强度非常弱，比O离子谱线低1个数量级。
为了证实上述实验结果，将纯He和纯Ne放电谱线进行了比较，如图4所示为放电电流30kA、纯He和纯Ne流量均为6sccm条件下放电光谱比较。由图5可以看出，Ne和He放电的重合谱线与图4基本相同，进一步证实了此部分谱线来源于杂质离子。同时，Ne气放电时会产生丰富的Ne离子谱线，主要存在于10nm～12.5nm范围内，图6为此波段范围内谱线的详细分析，结合NIST数据库分析可知，此部分谱线主要来源于Ne5+离子和Ne6+离子。
利用图4、图5和图6中已经识别的谱线，便可完成对罗兰圆谱仪的精确标定。标定完成后，分析10nm～12.5nm范围内Xe介质放电的详细光谱，结果如图7所示。Xe气放电时10nm～18nm范围内光谱主要来自于Xe8+～Xe12+离子4d-5p、4d-4f及4p-4d跃迁。整个谱线包括两个主要的跃迁：Xe8+～Xe11+离子4d-5p跃迁(12nm～18nm)和Xe9+～Xe12+离子4d-4f及4p-4d跃迁(10.5nm～12nm)。在4d-5p跃迁宽带(broad band)内主要存在12.40nm、13.51nm和15.00nm三组谱线，每一个谱带的宽度约为0.5nm～1nm，其分别来自于Xe11+、Xe10+和Xe9+离子的4dn～4dn-15p跃迁；Xe8+离子的4dn～4dn-15p跃迁主要包括两条谱线：16.17nm和16.53nm；Xe7+离子谱线强度非常弱，仅观察到波长为17.09nm的4d-5p跃迁谱线。

Claims (2)

1.一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、调整真空紫外阴极灯和罗兰圆光谱仪的位置，保证真空紫外阴极灯出射的光能垂直入射到罗兰圆光谱仪的入射狭缝正中心，然后将罗兰圆光谱仪和真空紫外阴极灯通过波纹管连接好，在阴极谱灯中充入He气，抽真空到达10-2Pa量级；
步骤二、将罗兰圆光谱仪调到某一特定中心波长λ处，打开数据采集系统，进行降温并去噪，此时准备工作就绪；
步骤三、打开真空紫外阴极灯，通过数据采集系统按照真空紫外阴极灯辐射出的辐射谱拟合出一条初始曲线，同时对比He的特征谱线，初步判定该初始曲线的各条谱线对应的波长值；通过控制步进电机转动，使得步进电机连接的罗兰圆光谱仪上的光栅转动，使罗兰圆光谱仪运动到内部设定的中心波长λ处，观察该中心波长λ是否实际出现在CCD中心像素点512像素处，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤五；
步骤四、该谱线对应的波长即为此时中心波长值；
步骤五、手动调节中心波长直至该谱线出现在512像素处，重复步骤三至步骤五确定最初记录光谱图像上各像素对应的波长值，再通过二次拟合的方法建立在某一中心波长处像素与波长的对应关系，改变中心波长，重复步骤三至步骤五得到不同中心波长时像素与波长的对应关系，完成罗兰圆光谱仪对极紫外光刻光源光谱的初步标定工作；
步骤六、由于阴极灯谱线较少，这导致步骤一至步骤五标定的波长与像素的关系数据量少，此时，在毛细管内充入He气，对充入的毛细管施加脉冲电源，使毛细管放电，然后测量辐射谱，将步骤一至步骤五得到的像素与波长的对应关系与真实波长进行对比，确定测量谱线中强度较强的谱线对应的波长作为中心波长，重复操作步骤二至步骤五，得到5nm～60nm范围内罗兰圆光谱仪像素对应的波长。
2.根据权利要求1所述的一种高精度Xe介质放电等离子体极紫外光刻光源光谱标定的方法，其特征在于，步骤二中的中心波长为13.500nm、30.378nm或58.433nm。
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