CN106238427A - 一种极紫外光学元件表面污染清洗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及极紫外光刻技术领域，具体公开一种极紫外光学元件表面清洗装置及清洗方法。本发明的极紫外光学元件表面清洗装置包括清洗腔体；设置于清洗腔体外两侧的进气口和出气口；设置于清洗腔体内的样品支撑调节台、紫外光发生装置、CO₂浓度监控装置、O₃浓度监控装置；还包括工作气体控制装置、控制电路以及控制终端。本发明清洗装置和清洗方法，能有效实现极紫外光学元件表面污染的彻底清洗，同时防止极紫外光学元件表面发生氧化，提高极紫外光学元件潜在的长期使用寿命；能够保证排出气体的安全性，降低清洗过程对实验室环境和实验人员安全健康的影响。

Description

一种极紫外光学元件表面污染清洗装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种用于极紫外光学元件表面污染清洗装置及方法。

背景技术

采用波长13.5nm或6.xnm的极紫外(EUVL)光刻技术是未来实现10nm以下节点极大规模集成电路制造的主要技术之一，对于未来信息技术的发展具有十分重要的支撑作用。由于波长极短，EUV光子能量非常高，且必需在真空环境中传输使用，因此，用于EUVL光刻系统中的光学元件在制备、存贮、运输和曝光使用过程中，经常会面临各种颗粒物、碳及有机污染层的沉积。这些光学元件的表面污染对于EUVL的反射，CD漂移，稳定性以及寿命等方面具有巨大的影响。

目前，EUVL光学元件主要为基于MO/Si材料的多层膜反射元件，由于表面的Si层容易在EUV光辐射过程中被氧化，从而迅速降低元件的反射率，因此，为了防止EUVL光学元件表面的Si层被氧化，需要在Si层上面沉积一层保护层，目前采用最多的薄层为金属Ru，最佳厚度一般为2.5nm左右。

为了确保EUVL光刻系统的性能，保持高的器件产率，需要对EUVL系统中的光学元件表面污染进行及时清洗。目前，EUVL系统中的光学元件表面污染清洗的方法有三种。第一种是采用化学清洗剂进行清洗的方法，即所谓的湿法清洗；第二种是采用紫外(UV)光辐照并通入合适气体的清洗方法；第三种是采用等离子体进行清洗的方法。

化学湿法清洗是采用合适的化学清洗剂如SPM和APM，或者其它的组合，经过系列的清洗流程，实现对表面污染的清除。采用化学湿法清洗方法，尽管可以清除表面沉积的碳污染等，并且基本不会使Ru保护层氧化或表面明显变粗糙，但是由于对于EUVL其它的功能层可能造成的不良影响及清洗后的残余离子进入EUVL真空环境的极大可能，使得这种方法的使用受到很大的制约。

UV光辐照清洗方法是较早采用的EUVL光学元件表面污染的干法清洗技术。这种方法通过UV光辐照使空气中的O₂转变成成O₃臭氧，利用O₃的氧化性来使EUVL光学元件表面沉积的碳污染被清洗去除。由于UV光的产生技术比较成熟，这种方法具有操作简便、过程快捷、成本低的优点，在实际中被广泛采用。但是这种方法中含有强氧化性的氧原子，虽然很容易去除碳和其它有机污染物，同时也容易导致EUVL光学元件表面层被氧化。

采用等离子体进行清洗的方法，通过特定气体产生等离子体来与EUVL光学元件表面的碳污染等发生反应生成气体物质去除。产生等离子体的具体方式也有多种，这种方法所产生的等离子体具体成分难于准确控制，并且等离子体对于样品表面容易产生刻蚀效应，从而可能影响EUVL光学元件的表面质量。

由于UV光的产生技术比较成熟，UV光辐照清洗方法具有操作简便、过程快捷、成本低的优点，在实际中被广泛采用。

但是，从目前使用的实际现状来看，UV光辐照清洗方法仍然存在许多不足之处。首先这种方法中含有强氧化性的氧原子，强氧化性的氧原子容易使得EUVL光学元件表面层被氧化，即便是相对比较抗氧化的Ru保护层，也存在被氧化的风险。其次，由于不同的EUVL光学元件样品表面的被污染的情况不尽相同，而影响光学元件表面碳污染清洗去除速率的实际因素较多，由此导致在实际使用中难于较好地把握合适的清洗处理时间，容易导致清洗不足或者过清洗。第三，现有技术中所采用的UV光发生装置，虽然功率更高，但是其产生的光谱成分也相对复杂，除了有用的紫外光外，还包括大量可见和近红外光谱，这些光不仅对于清洗没有帮助，反而会被EUVL光学元件吸收，使得EUVL光学元件的温度升高，由此将在EUVL光学元件内部产生应力，进而可能导致EUVL光学元件的损伤或影响其使用寿命。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种新型极紫外光学元件表面的清洗装置及清洗方法，能够实现对极紫外光学元件表面污染的彻底清洗，同时能够防止极紫外光学元件表面发生氧化，减少极紫外光学元件表面的损伤，提高极紫外光学元件的长期使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种极紫外光学元件表面清洗装置，所述清洗装置包括：清洗腔体；设置于所述清洗腔体外两侧的进气口和出气口；设置于所述清洗腔体内的样品支撑调节台、紫外光发生装置、CO₂浓度监控装置、O₃浓度监控装置；所述进气口用于通入工作气体；所述样品支撑调节台用于放置待清洗光学元件，并调整所述待清洗光学元件的位置；所述紫外光发生装置用于产生紫外光；所述CO₂浓度监控装置用于监控清洗过程中所述清洗腔体内的CO₂浓度；所述O₃浓度监控装置用于监控清洗过程中所述清洗腔体内的O₃浓度；所述清洗装置还包括工作气体控制装置、控制电路以及控制终端。

优选的，所述紫外光发生装置包括高压汞灯，所述高压汞灯为低气体压力高压汞灯。

优选的，所述低气体压力高压汞灯管内气体压力范围为1-10Pa。

优选的，所述低气体压力高压汞灯的灯管壁材料为熔石英材料，所述熔石英材料能够吸收185nm的紫外光。

优选的，所述高压汞灯与待清洗光学元件之间设置有双面镀膜的熔石英玻璃；所述熔石英玻璃的两面分别镀有短波通滤光膜和增透膜。

优选的，所述CO₂浓度监控装置包括红外辐射光源模块和红外光信号探测模块。

优选的，所述红外辐射光源模块包括可以发射3-10μm波长红外光源的镍络丝；所述红外光信号探测模块包括光信号滤波收集管、红外光电探测器、光电信号调制和放大电路。

优选的，所述O₃浓度监控装置包括紫外光收集管和紫外光信号探测模块。

优选的，所述紫外光收集管包括两个相互平行的金属管，所述两个金属管中分别安装有聚焦透镜；所述紫外光信号探测模块包括两个紫外探测光电管。

优选的，所述工作气体控制装置包括气体流量控制模块以及设置于所述出气口处的废气过滤装置。

再另一方面，本发明提供一种极紫外光学元件表面清洗的方法，使用上述的清洗装置，所述方法包括：

(1)确定清洗装置的清洗方案和清洗参数；

(2)将待清洗光学元件放置在样品支撑调节台，调节待清洗光学元件的垂直高度；

(3)向清洗腔体内部通入工作气体；

(4)打开CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置进行预热；

(5)打开紫外光发生装置，启动CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置开始监控，按照步骤(1)中的清洗方案和清洗参数开始清洗。

优选的，调节待清洗光学元件的垂直高度，使得所述待清洗光学元件表面距离所述熔石英玻璃外表面5-10mm。

优选的，所述工作气体为O₂和N₂，所述N₂气的含量范围为100％-95％，所述O₂气的含量范围为0％-5％。

优选的，所述N₂气的通气流量在5-10sccm之间；所述O₂气的初始通气流量在5-10sccm之间；所述N₂气和所述O₂气的通气时间为5-10min。

优选的，所述预热的时间为15min以上。

本发明的有益效果在于：(1)通过对UV光辐照清洗去除污染速率的精确控制以及对清洗过程终止点的有效判断，并通过在具体操作应用过程中，根据实际情况对清洗工艺参数优化，可以实现对EUVL光学元件表面污染的彻底清洗，同时防止EUVL光学元件表面发生氧化。(2)通过在高压Hg灯和被清洗样品表面之间插入表面镀短波通膜的熔石英玻璃，使高压Hg灯产生的可见和近红外光被衰减屏蔽掉，可以最大限度地降低被清洗样品由于温度升高而导致表面的Ru保护层被逐渐损伤的可能性，从而提高EUVL光学元件潜在的长期使用寿命。(3)通过在UV光清洗装置的出气口安装合适的废气过滤装置，对上述有害的气体成分进行处理，可以保证排出气体的安全性，从而尽可能降低清洗过程对实验室环境和实验人员安全健康的影响。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的清洗装置的结构示意图。

1、清洗腔体 2、样品支撑调节台 3、待清洗光学元件

41、低气体压力高压汞灯 42、熔石英玻璃

51、进气口 52、出气口 511、O₂进气管 512、N₂进气管

61、紫外光收集管 62、紫外光信号探测模块

71、红外辐射光源模块 72、红外光信号探测模块

8、废气过滤装置

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先参考图1示出根据本发明一个实施例的极紫外光学元件表面清洗装置。清洗装置包括清洗腔体1；设置于清洗腔体1外两侧的进气口51和出气口52；设置于清洗腔体1内的样品支撑调节台2、紫外光发生装置、CO₂浓度监控装置、O₃浓度监控装置；工作气体控制装置、控制电路以及控制终端。

其中，样品支撑调节台2用于放置待清洗光学元件3，并调节待清洗光学元件3的位置。控制电路包括紫外光发生装置对应的紫外光部分控制电路、CO₂浓度监控装置对应的控制电路、O₃浓度监控装置对应的控制电路、以及清洗装置整体的控制电路等。

紫外光发生装置主要用于产生紫外光，具体用于产生主要包含254nm波长的稳定紫外光。紫外光发生装置包括高压汞灯，具体的，高压汞灯为低气体压力高压汞灯41。优选的实施方式中，低气体压力高压汞灯41管内气体压力范围为1-10Pa。优选的实施方式中，低气体压力高压汞灯41的灯管壁材料为熔石英材料，熔石英材料能够吸收185nm的紫外光。

优选的实施方式中，低气体压力高压汞灯41与待清洗光学元件3之间设置有双面镀膜的熔石英玻璃42；熔石英玻璃42的两面分别镀有短波通滤光膜和增透膜，具体的，熔石英玻璃42朝向低气体压力高压汞灯41一面镀有短波通滤光膜(即朝Hg灯的一面)，另外一面则镀有增透膜。熔石英玻璃42可为紫外熔石英玻璃。

相对应的，控制电路包括为低气体压力高压汞灯41提供高压电源和辐射功率、时间等的紫外光部分控制电路。

具体的，紫外光发生装置和控制电路部分的工作原理为：通过高压装置给低气体压力高压汞灯41发射光管加上高电压，通过选用合适的紫外熔石英材料作为低气体压力高压汞灯41的发射光管，将185nm的紫外光吸收掉，使低气体压力高压汞灯41的发射管发出的光主要包含254nm的紫外光和其它的一些可见和近红外光，之后上述光再通过镀有短波通滤光膜的紫外熔石英玻璃42，短波通滤光膜的将波长300nm以上的可见和近红外光等滤掉，使得通过上述紫外熔石英玻璃42之后的辐射光为主要包含254nm的紫外光，并辐射到待清洗光学元件3表面。

O₃浓度监控装置用于实现对待清洗光学元件3表面O₃浓度的实时监测，并将测试数据反馈到控制终端中进行数据处理，用于调节控制O₃浓度。O₃浓度监控装置包括紫外光收集管61和紫外光信号探测模块62；其中，紫外光收集管61包括两个相互平行的金属管，两个金属管中分别安装有聚焦透镜；紫外光信号探测模块62包括两个紫外探测光电管，还包括各自进行光电信号采集处理的控制电路部分。

O₃浓度监控装置的工作原理为：在样品支撑调节台2的一侧，沿UV辐射光传播方向，分别放置两个并列的金属Al管，金属Al管的内径为38mm，在两个Al管的前端各安装一个密封的紫外熔石英窗片，其中一个Al管的前端与镀膜紫外熔石英玻璃42相连，用于收集UV光的原始光强，另外一个Al管的前端则向下移动3-5cm，使其位于待清洗光学元件3表面的水平面下方位置，如图1所示。在2个金属Al管的中间部分分别安装一块聚焦透镜，直径为38mm，选择合适的聚焦参数使254nm紫外光分别聚焦到紫外光信号探测模块62中包含的2个紫外光电探测器中心位置，然后光电探测器产生响应电信号，并通过信号滤波和放大处理，传到控制终端，通过比较两路信号的强度，可以由朗玻-比尔定律计算出被清洗光学元件表面O₃的浓度。

CO₂浓度监控装置用于实现对待清洗光学元件3表面CO₂浓度的实时监测，并将测试数据反馈到控制终端中用于调节O₂气的进气流量。CO₂浓度监控装置包括红外辐射光源模块71和红外光信号探测模块72；其中，红外辐射光源模块71包括可以发射3-10μm波长红外光源的镍络丝；红外光信号探测模块72包括光信号滤波收集管、红外光电探测器、光电信号调制和放大电路。

CO₂浓度监控装置的工作原理为：在紫外光清洗腔体1的右侧壁上部，沿水平方向安装红外辐射光源模块71，给红外辐射光源模块71中的镍铬丝通电，使其发射出3-10μm的红外光，通过一个内径25.4mm的密封红外窗口片进入UV光清洗腔中，并沿着待清洗光学元件3表面水平方向传播，其光束中心的高度距离待清洗光学元件表面5-10mm左右，红外光在清洗腔体1中的传播如图1中点画线所示，之后入射到安装于清洗腔体1左侧壁的红外光探测模块72的探测窗口，该窗口位于清洗腔体1侧壁内，包含一个红外密封窗口片，其内直径为30mm，在窗口片后端开孔中沿开孔方向并列放置两个红外玻璃管，玻璃管的内径为12.5mm，在每个管中沿红外光传播方向先后放置一个特定波长的红外滤光片和一块聚焦镜，其中一个红外滤光片的中心透过波长为4.26μm左右，另外一个红外滤光片的中心透过波长为4.0μm左右，两个滤光片的带宽均为80nm左右，两路不同波长的红外光分别被聚焦到两个红外探测器芯片，产生相应的电信号，并经过信号的滤波和放大处理，传输到控制计算，由于4.26μm波长刚好对应CO₂的强吸收峰位置，因此探测得到的4.26μm波长信号强度将随CO₂的浓度发生相应变化，而CO₂对4.0μm光基本没有吸收，探测得到的4.26μm光信号强度将主要只随发射光源功率而波动，因此该信号可以作为一个参考计算的基准，通过实时比较这两个红外探测器中的信号强度，可以计算得到CO₂气体的浓度。

工作气体控制装置用于实现对通入清洗腔体内部的工作气体的类型和流量进行控制，同时对排出清洗腔体1的废气进行过滤处理。工作气体控制装置包括气体流量控制模块以及设置于出气口处的废气过滤装置8。

清洗腔体外两侧设置有进气口51和出气口52，分别连接有进气管路和出气管路，进气口51用于通入工作气体，工作气体包括O₂和N₂，进气口51连接有O₂进气管路511和N₂进气管路512，分别通入O₂和N₂。具体的，N₂气的含量范围为100％-95％，O₂气的含量范围为0％-5％；优选的实施方式中，N₂气的通气流量在5-10sccm之间；O₂气的初始通气流量在0.2-0.5sccm之间；述N₂气和所述O₂气的通气时间为5-10min。

工作气体控制装置工作过程为：根据实际需要分别在进气口51连接不同的气源瓶，并通过合适的减压阀和流量计对气体的流量进行控制，在本发明中选择N₂气和O₂气的混合气体作为工作气体，其中N₂气的含量范围为100％-95％，O₂气的含量范围为0％-5％；为了提高控制O₂气流量的效率，在O₂进气管路511中安装一个电控的流量计，以便根据需要由计算机对其数值进行设置；出气口52处设置有废气过滤装置8，废气过滤装置8具体为包含Mn²⁺催化剂的活性炭材料，可以有效吸附并分解O₃和CO₂等废气。

控制终端可为计算机等。控制终端用于运行采集处理紫外光和红外光的探测信号，并据此调节O₂的含量，以及相对应的清洗时间。

再另一方面，本发明提供一种极紫外光学元件表面清洗的方法，方法包括：(1)确定清洗装置的清洗方案和清洗参数；(2)将待清洗光学元件放置在样品支撑调节台，调节待清洗光学元件的垂直高度；(3)向清洗腔体内部通入工作气体；(4)打开CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置进行预热；(5)打开紫外光发生装置，启动CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置开始监控，按照步骤(1)中的清洗方案和清洗参数开始清洗。

在步骤(1)确定清洗装置的清洗方案和清洗参数之前，首先确定清洗装置的基本工作参数，具体包括：(a)测量确定清洗装置在不放置待清洗光学元件3并固定UV光功率时，不同O₂流量在清洗腔体内部所能达到的O₃浓度稳定值及所需的时间；(b)在(a)的基础上，分别测量确定不同O₃稳定浓度时相应的污染清洗速率；(c)对不同O₂流量时，从UV光启动开始到达到O₃浓度稳定时的平均O₃浓度，并依照(b)的数据计算其平均的污染清洗速率，并考虑所需的时间，由此计算出不同O₂流量时，从UV光辐射开始到达O₃浓度稳定时能去除的污染层厚度。

针对被清洗EUVL光学元件表面污染层的具体情况，确定清洗装置的清洗方案和清洗参数的过程具体包括：(s1)将整个清洗过程分成几个不同阶段：UV光辐射开始阶段、稳定清洗阶段I、稳定清洗阶段II、稳定清洗阶段III，其中，在后面的稳定清洗阶段中O₃的浓度要比之前的逐渐降低；(s2)根据利用椭偏仪等获得的待清洗光学元件3表面污染层的厚度情况，初步确定所需采用的阶段及所需时间；(s3)结合CO₂浓度探测数据的变化情况，在CO₂浓度增长时，执行稳定清洗阶段I的参数，当其数值出现下降时，计算出已去除的污染层厚度，并开始执行稳定清洗阶段II和/或III的参数，并估算清洗所需的时间；(s4)重复上述(s3)，直到根据预先估算的清洗速率和污染层厚度判断样品表面污染层已被完全清洗，同时CO₂浓度已下降到峰值的20％以下时，关闭UV光停止进行清洗，并加大N₂气流量对清洗腔体内部进行吹洗。

具体实施例中极紫外光学元件表面清洗的方法为：(1)确定清洗装置的清洗方案和清洗参数；(2)将待清洗光学元件3放置在样品支撑调节台2上，调节样品支撑调节台2的垂直高度，使待清洗光学元件3表面距离镀膜紫外熔石英玻璃42外表面5-10mm；(3)分别通入N₂气和O₂气，使N₂气流量选择在5-10sccm之间，O₂气流量开始时选择在0.25-0.5sccm之间，保持上述流量通气5-10分钟；(4)打开CO₂浓度监控装置中红外辐射光源模块72中的镍铬丝通电开关，并预热15分钟使红外光源稳定；分别打开O₃浓度监控装置电源和CO₂浓度监控装置电源，进行预热15分钟以上；5)打开UV光发生装置中发光管电源开关，启动O₃浓度监测和CO₂浓度监测，开始EUVL光学元件表面污染的清洗，并按照之前确定的清洗方案和清洗参数进行辐照清洗，直到待清洗光学元件3表面污染层被完全清洗掉。

采用该清洗装置和清洗方法，通过精确有效控制UV光辐照清洗去除污染的速率，以及对清洗过程终止点的有效判断，有效实现EUVL光学元件表面污染的彻底清洗，同时防止EUVL光学元件表面发生氧化，降低清洗过程对EUVL光学元件性能的影响，提高EUVL光学元件潜在的长期使用寿命；能够保证排出气体的安全性，降低清洗过程对实验室环境和实验人员安全健康的影响。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种极紫外光学元件表面清洗装置，其特征在于，所述清洗装置包括：

清洗腔体；设置于所述清洗腔体外两侧的进气口和出气口；

设置于所述清洗腔体内的样品支撑调节台、紫外光发生装置、CO₂浓度监控装置、O₃浓度监控装置；

所述进气口用于通入工作气体；所述样品支撑调节台用于放置待清洗光学元件，并调整所述待清洗光学元件的位置；所述紫外光发生装置用于产生紫外光；所述CO₂浓度监控装置用于监控清洗过程中所述清洗腔体内的CO₂浓度；所述O₃浓度监控装置用于监控清洗过程中所述清洗腔体内的O₃浓度；

所述清洗装置还包括工作气体控制装置、控制电路以及控制终端。

2.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述紫外光发生装置包括高压汞灯，所述高压汞灯为低气体压力高压汞灯。

3.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述低气体压力高压汞灯管内气体压力范围为1-10Pa。

4.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述低气体压力高压汞灯的灯管壁材料为熔石英材料，所述熔石英材料能够吸收185nm的紫外光。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的清洗装置，其特征在于，所述高压汞灯与待清洗光学元件之间设置有双面镀膜的熔石英玻璃；所述熔石英玻璃的两面分别镀有短波通滤光膜和增透膜。

6.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述CO₂浓度监控装置包括红外辐射光源模块和红外光信号探测模块。

7.根据权利要求6所述的清洗装置，其特征在于，所述红外辐射光源模块包括可以发射3-10μm波长红外光源的镍络丝；所述红外光信号探测模块包括光信号滤波收集管、红外光电探测器、光电信号调制和放大电路。

8.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述O₃浓度监控装置包括紫外光收集管和紫外光信号探测模块。

9.根据权利要求8所述的清洗装置，其特征在于，所述紫外光收集管包括两个相互平行的金属管，所述两个金属管中分别安装有聚焦透镜；所述紫外光信号探测模块包括两个紫外探测光电管。

10.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述工作气体控制装置包括气体流量控制模块以及设置于所述出气口处的废气过滤装置。

11.一种极紫外光学元件表面清洗的方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)确定清洗装置的清洗方案和清洗参数；

(2)将待清洗光学元件放置在样品支撑调节台，调节待清洗光学元件的垂直高度；

(3)向清洗腔体内部通入工作气体；

(4)打开CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置进行预热；

(5)打开紫外光发生装置，启动CO₂浓度监控装置和O₃浓度监控装置开始监控，按照步骤(1)中的清洗方案和清洗参数开始清洗。