CN1379968A

CN1379968A - 尤其用于远紫外光刻技术的微米液滴浓雾的产生

Info

Publication number: CN1379968A
Application number: CN00814442A
Authority: CN
Inventors: M·施密德特; O·叙布勒蒙蒂尔
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-11-13
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: KR100711283B1; AU7801900A; US6647088B1; EP1222842B1; JP2003528710A; FR2799667B1; EP1222842A1; DE60001981D1; FR2799667A1; CN1185911C; RU2242291C2; WO2001030122A1; KR20020042720A; TW503130B; DE60001981T2

Abstract

本发明涉及用于产生微米和亚微米液滴浓雾的方法和装置,用于在远紫外光的产生,尤其是用于光刻技术的光的产生。其特征为把加压的液体(4)注入到非常小直径并向真空室内张开的喷嘴(10)内。通过把激光辐射(36)聚束到浓雾(23)上产生光(42)。

Description

尤其用于远紫外光刻技术的微米液滴浓雾的产生

技术领域

本发明涉及产生微米和亚微米液滴浓雾的方法和装置。

尤其是它可以用于产生也称为<超紫外幅射EUV>的远紫外幅射的产生。

这涉及波长处于8纳米到25纳米范围的幅射。

根据本发明，产生的超紫外幅射(EUV)有许多应用，尤其是在材料科学，显微技术，特别是在光刻技术，用于制造超大规模集成度的集成电路。

也可以列举一些其它应用，如集聚体的表面淀积，对此大和热的集聚体比根据现有技术的所有装置产生的小和冷集聚体更适合于表面集聚体淀积。

现有技术状态

众知有各种产生EUV幅射的技术，例如包括通过激光束照射处于真空内的靶的技术。

当从激光束来的照明足够强时，靶被强烈电离。因此产生等离子体，在等离子体内通过由激光束引起的电磁场和通过与等离子体的其它粒子碰撞产生的激发和/或电离的大量粒子去激发或复合，同时发射在远紫外区的光。因此，在靶的中心发生一种频率变换。

众知有多类靶可以得到能产生尽可能强的EUV光的高的频率变换效率。

尤其是在集成电路光刻技术的领域，必须找到一种靶，它可以被激光照射，产生在远紫外光区的光，并且可以与用于工业利用的光刻技术兼用。这种靶必须满足下述要求：

—在激光束和靶之间的彼此作用产生的碎片应当减少到最小，以避免损害极昂贵的光刻装置的镜片。

—必须提供可以能在高频以连续或脉冲模式(例如1KHz频率)制造靶的材料。因此材料必须是可连续更新的。

—因为激光在靶上聚束，所以照射材料的量必须足够大，为了能在远紫外区允许强发射。这对靶提出两个条件。第1，该靶的尺寸不应太小。第2，靶的平均密度应当足够大。

—靶应当放在真空中，在压强例如具有10^-2Pa的区域。可以得到这种压强的排气装置应当避免振动。

—激光和靶之间的能量转换必须是有效的，以便保证高转换效率。

—靶产生装置必须是长时间可靠的。尤其是激光和靶之间的彼此作用应当发生在离该装置足够大的距离，以避免由于等离子注入的离子碰撞引起的过早的耗损。这导致来自喷咀剥蚀产生的固体碎片。

通过由纳秒激光器发射的光束聚焦其上的氙集聚体的密集喷流的照射产生的EUV幅射在文献[1]内公布，该文献，如以后提到的其它文献一样，在本文结束时提及。

必须指出，这些氙的集聚体是亚微米颗粒，它们在通过真空室中的喷咀在绝热膨胀期间通过氙的凝结得到。

通过在近红外或近紫外激光束对这些集聚体的照射，产生发射处于远紫外区高能光的等离子体，在照射氙集聚体喷流的情况下激光和靶之间的耦合，因此该变换过程的效率特别大。

因此一大部分激光被吸收，这促进通过集聚体加热产生等离子体。变换过程的这种效率是由于集聚体的极小尺寸(小于0.1μm)引起的，它促使激光束几乎完全渗透入每一集聚体内。

此外，在每一集聚体内原子的局部密度非常高，因此大量原子参于转化。此外，在激光束聚束区内，包含足够高平均原子数的大量集聚体产生在远紫外区的极强发射。

基于纳秒激光照射集聚体流的EUV幅射源的另一优点在于几乎完全没有材料碎片，换言之，几乎完全没有由于照射的束流发射的快速材料碎片，因为这些碎片可能会损坏EUV幅射收集光学镜片。

然而，如果喷咀太靠近发光区，则大量材料碎片可以通过喷咀的侵蚀产生。因此在文献[1]和[7]给出的信息公布，照射区必须放在离喷咀的小距离处(1到2mm)，这由于喷咀侵蚀招致大量碎片的产生。

形成可再生的靶的喷流的应用使其可以在高频(1KHz或高于1KHz的量级)下工作，这适合于超大规模集成电路(VLSI)制造的光刻技术装置。

氙作为集聚体气体的应用对于远紫外光发射给出最佳结果，因为氙是(a)给出最高凝聚度，因而对于集聚体给出足够高平均尺寸的气体，和(b)在考虑的频谱范围内具有大量发射射线。

此外，在激光束和集聚体喷流之间的彼此作用区小，所以可以凝集最大量EUV幅射，而具有最小的光学像差。

然而，在文献[1]公布的EUV幅射源具有一系列缺点。

—膨胀喷咀必须强烈冷却，这要求有效的致冷装置。

—在喷咀冷却时集聚体产生装置的可靠性由于在喷咀的冷却端和局部温度出现上升的脉冲控制阀的运动机构之间的大温度梯度的存在而降低。

—高频(1_KHz量级)的运行要求高的气体流量，因此要求极有效的排气装置，这可能引起对包含集聚体产生设备的光刻装置光学镜片的对中的有害振动。

—在氙的情况下，为了降低在工业规模可能变成为过高的价格，气体回收装置必须的。

—EUV幅射的产生过程必定只发生在直径小于1mm的小面积内。因此实际应用的只是在喷流内有限的小量气体。然而，根据文献[1]图5和文献[7]图5，在离开喷咀的距离上升时，集聚体的密度剧烈下降。这便是为什么通过激光束的激发必须发生在紧临由于从等离子体输出的离子碰撞引起严重侵蚀的喷咀(通常是金属的)旁。喷咀的侵蚀显著地降低其寿命，因此降低EUV幅射源的可靠度，并产生很大量的碎片，这些碎片使得光学镜片和光刻装置的掩模损坏。

文献[2]公开了应用冰微晶喷流作为靶的一种EUV幅射源。这涉及到极高重复频率的一系列微晶，其中每个微晶典型地具有几十微米的直径。

与集聚体氙所发生的相反，为了激发激光束完全穿透，这些微晶太大。降低每个微晶的直径可以改善穿透，但是因为它降低了在等离子体内EUV光子发射体的数目，所以效率必定下降。

因此在文献[2]内所述的技术不能满足得到足够强的EUV幅射源的标准。

通过文献[3]人们获悉，基于照射液氮的连续微喷流的另一EUV幅射源。这类靶也有缺点，即，它所包含的材料不足以具有足够大数量的潜在的EUV发射体。这归因于液氮喷流的相对小的直径(约10μm)。

此外，在文献[2]和[3]内描绘的源从强度的观点看不是太稳定。在文献[2]的情况，由于与激光器同步问题，很难按照同一方式照射每一冰微晶。在文献[3]的情况，EUV强度的变化是由于连续的氮喷流的不稳定性引起的。

通过文献[4]，我们也知道基于照射包含微粒，例如金属微粒的气体喷流的一种EUV幅射源。这种众知的技术，如应用氙集聚体喷流的技术一样，具有良好的EUV幅射发射的稳定性，但是具有太低的粒子密度。结果是显著低的EUV幅射的产生。

此外，载流子气体不直接参于产生EUV幅射。因此，在高频，必须被排掉的大量过剩气体，这在氙集聚体喷流的情况下引起振动。

也可列举文献[5]和[6]，它们涉及通过集聚体例如集聚的氪、氙或氩发射X射线。

本发明的描述

本发明公布了一种产生EUV幅射的技术，它具有上述已知技术的所有优点而没有这些已知技术的缺点。

本发明应用微米和亚微米液滴的浓雾组成的靶做到这一点。该靶的变换效率大于或类似于在EUV领域内用已知技术得到的变换效率。

一般而言，本发明涉及产生液滴的浓雾的方法和装置，该方法和该装置尤其可用于产生EUV幅射，并且非常可靠，非常简单，这也是为工业应用必须的。

更准确说，本发明的目的是提供产生液滴组成的雾的方法，该方法的特征为液体在压强5×10⁵Pa到10⁷Pa的量级下加压，由此加压的液体注入到具有直径在20μm到1mm内变化的喷咀内，该喷咀张开到压强小于或等于10^-2Pa的区域内，因此在喷咀的出口处产生液滴的浓雾，该液滴的尺寸只有10μm到30μm的量级，该浓雾近似地处于沿着喷咀的轴。平均的雾密度大于或等于10²⁰分子/cm³。

根据本发明的方法的优选实施例，喷咀被加热。浓雾的产生吸热，该热一般必须通过输入卡路里得到补偿。如果所用液体是致冷(液化气)的，则这种卡路里的输入较低。

此外，为了改善液滴的均匀性，在喷咀处输入热量大于因产生浓雾被吸收的热量是有利的。

激光束也可以聚焦在由此得到的浓雾上，该激光束是可以与该浓雾彼此作用，产生在远紫外区的光。

以有利的方式，激光束在离喷咀1mm到10mm量级处聚焦在浓雾上。

然而，可能应用直到几厘米的更大距离，这也并不离开本发明的范围。

在远紫外区产生的光可以用于在其上沉积了光致抗蚀剂层的衬底的晒干。

本发明的另一目的是提供产生由液滴组成的雾的装置，该装置的特征是，包含：

—将容纳液体的一个容器，

—对容器内包含的液体加压的装置，通过给予液体加压力到5×10⁵Pa到10⁷Pa的量级。

—直径在20μm和1mm之间并与容器连接的喷咀，

—包含喷咀的真空室，以及

—在真空室内建立压强等于或低于约10^-2Pa的排气装置，

为了因此在真空室内在喷咀出口处产生具有直径在10μm到30μm量级的液滴的浓雾，该浓雾大体上处在喷咀轴上。

根据本发明装置的一个特定实施例，该装置也包含喷咀的加热装置。

例如，加压装置包含把加压气体注入到容器内的装置。

根据本发明的一个特定实施例，为了产生脉冲形式的浓雾，喷咀配备了脉冲装置。

尤其是根据本发明的装置可以用水作为液体。

本发明也涉及在远紫外区的光源，该光源包含：

—根据本发明的浓雾产生装置，

—可以与应用装置产生的浓雾彼此作用的激光束产生装置，

—把激光束聚焦到该浓雾上的聚焦装置。

本发明也涉及半导体衬底用光刻设备，该设备包含：

—支撑在其上沉积了光致抗蚀剂层的衬底的支撑装置，该光致抗蚀剂层将根据预定图形晒干，

—包含以放大形式的预定图形的一块掩模，

—在远紫外区的一只光源，

—把光传输到掩模的光学装置，该掩模提供以放大形式的图形的图像，

—用于减小该像并把该减小像投射到光致抗蚀剂层上的光学装置，

以及在该设备内的光源与本发明的光源是一样的。

附图的简要说明

在阅读了如下所示的实施例的描述后，纯粹为了直观的目的，以及决不限制，参考附图，本发明将被更好了解，其中，

—图1是用于产生本发明液滴的浓雾的特定实施例的示意图，

—图2是形成图1的装置的部件的喷咀示意图，以及

—图3是本发明的光刻设备的示意图。

特定的实施形态的详细描述

图1所示，部分装置在图2所示的本发明的雾产生装置包含一容器2，它是指定用于容纳液体4的，该液体将用于产生微米和亚微米液滴的浓雾。

装置A也包含容纳在容器2的液体的加压装置。这些加压装置在图1用箭矢6表示，并且在所示的例子中指定用于把加压气体送入容器之中。

从未示出的装置送来的该加压气体是情性气体，例如空气、氮或氩。

加到液体上的该气体压力为从5×10⁵Pa到10⁷Pa。

加压气体通过一根导管8直接送到容器2的上部。

本发明的装置A也包含一个喷咀10，该喷咀通过一根导管12与容器2的底相通。该喷咀是例如由金属、陶瓷或石英制成。

在图1和2示出垂直取向的喷咀10，但是根据需要，任何其它取向也是可能的，例如，它可以水平取向。

在喷咀10下部14形成一孔16，它可以有圆筒形，圆锥形或指数变化形。

孔16的上端18的直径处于20μm和1mm之间，该直径称为“喷咀直径”。

喷咀10张开通向真空室20。该真空室20配备可以建立压强等于约10^-2Pa的排气装置22。

注入到喷咀10的该液体，例如水，通过喷咀内的孔16因此剧烈地喷出到真空室20，并且在该真空室内形成高密度浓雾23，或微米和亚微米粒的浓雾。

这些液滴的直径为10μm到30μm的量级。

雾23强烈约束在沿着喷咀轴X，该X也是在该喷咀内孔的轴。

在图1和2所示的本发明装置内，为了得到高度定向的浓雾23，不必对喷咀10冷却。

然而，宁可提供喷咀的加热装置24。在图2所示的例子中，这些加热装置24包含一加热线26，该加热线置于其轴为X轴并在喷咀10的下部14上形成的圆环型凹槽28内。

配备了一些未示出的装置，用于在该加热线26内流过环流电流。

除了补偿在形成浓雾期间被液体吸收的热之外，喷咀10的加热可以改善形成的液滴的均匀性。尤其是该更佳的均匀性有效地改善了在特殊的浓雾应用时激光束和液滴之间的彼此作用的效率，它将在以后考虑，并涉及在应用这类彼此作用的EUV幅射的产生。

例如可以应用能使喷咀10加热到等于或小于300温度的加热装置24。

在浓雾23内包含的液滴尺寸取决于喷咀10的温度和该喷咀的几何尺寸(尤其是在喷咀内孔16的形状)。

作为所用液体特性，例如粘滞性，蒸汽压和该液体的沸点的函数，这些参量必须最佳化。

如果应用水，则最好用铝或不锈钢制成的，或用聚四氟乙烯(Teflon商品名)在内壁涂复的容器2和管12，以防止该容器和该管的内部侵蚀。

可以形成液滴的连续浓雾或脉冲的浓雾。

为了形成这样一种脉冲的浓雾，例如可以，通过在喷咀10内提供一活塞30，其端面向孔，并且用于周期性关闭孔16，并且这些装置用图8的箭矢32表示，能由专家制造，并指定用于使活塞30沿着喷咀轴X振荡。

例如，这些振荡装置可以是电磁或压电方式。

例如，活塞30的脉冲频率可以具有20Hz量级，但它可以应用专家众知的技术上升到1Hz。

微米或亚微米液滴的雾23非常类似于非常大聚集体的喷流，但具有极其明显的方向性。

在水的情况，雾23的半发散角α(图2)只有1°的量级。

在把本发明用于产生EUV幅射的情况下，使得在离开喷咀10的距离D处激发激光束相互作用成为可能，因此避免因液体(水)和激光束之间的彼此作用产生的等离子体对该喷咀的侵蚀。

在图2示出该距离。这是在喷咀10的低端14和聚束在浓雾23上的激光束轴Y之间的距离。

距离D可以调整在2mm和10mm之间。

此外，注入到真空室20内的液滴几乎完整地通过激光束聚焦区，因此显著降低参于不产生EUV幅射的材料量。

水滴的雾23的强烈约束也允许使用致冷排气装置。

必须指出，通过置于面向喷咀10下端14的开口以及轴X(几何的)通过喷咀，这些排气装置可以与真空室20内部连接。

致冷排气装置廉价，高效并且不产生任何振动。

通过几种方法，例如应用(未示出的)由空气锁(airlock)组成的装置，形成的冰随后可以从真空室消除以得到装置不中断的运行。

现在，我们考虑液滴浓雾23在产生EUV幅射时的应用。

为了激发该雾23，我们应用在文献[1]内描述的类型的激光器的照射。

例如应用Nd：YAG的纳秒激光器或具有脉冲持续时间在0.1纳秒和100纳秒之间，每个脉冲的能量大于10mJ的准分子激光器型。

为了在该雾上得到的激光器照度在10¹⁰w/cm²和10¹⁴w/cm²之间，用透镜38或镜，把由激光器34提供的光束聚束在雾23上。

必须指出，在所示例中，激光束36通过对激光束透明并安装在真空室壁上的窗40引入到真空室20之中。

在图1，由液滴发射的强EUV幅射由向所有方向取向的箭矢42表示。然而，最大量的EUV光由面向激光束的等离子体半球产生。

在真空室20一个或多个壁上提供一个或多个窗口(未示出)，以便回收EUV幅射并利用它。

为了把EUV幅射用于纳米光刻技术，最好由雾23发射的EUV幅射波长处于从10纳米到14纳米范围内，这是提供用于该纳米光刻技术的反射光学系统的波长的最佳范围。

为了得到这样的波长，人们利用例如水来产生0⁵⁺1S²2P-1S²4d氧跃迁(处于13nm)的幅射。

必须指出水具有优点，价廉，与氙不同，它不需任何回收装置。

然而，可以应用其它液体，混合液或溶液，为了使得在10纳米和14纳米之间或在需要时在其它波长，产生EUV幅射最佳化。

本发明的、在真空内得到的微米或亚微米微滴的浓雾具有氙集聚体喷流的优点(雾一激光耦合产生吸收率接近1，并且没有固体碎片可能损害EUV幅射处理的光学系统)。

但是用于产生浓雾的装置比用于产生氙集聚体的装置简单并更可靠。

原理上，根据文献[3]可能产生水集聚体喷流，但是产生该喷流的技术是复杂的，因为水必须气化，并且维持气态直到穿过喷咀在真空室内产生绝热膨胀。

此外，与氙的情况一样，应用喷咀的致冷冷却，以便产生大的集聚体。应用该技术产生足够大的水集聚体是极为困难的。

图3示意地图解说明由本发明的装置得到的EUV幅射在纳米光刻技术的应用。

在图3图解说明的纳米光刻技术包含用于产生与参考图1描述的EUV幅射源同一类型的EUV幅射装置44。

图3的纳米光刻技术的装置也包含用于被处理并被按照预定图形晒干的光致抗蚀剂层50复盖的半导体衬底48的支撑46。

该设备也包含：

—包含以放大形式的该图形的掩模52，

—指定用于形成从装置44输出的EUV幅射基准43，以及引导该幅射43到达掩模52，随后该掩模提供以放大形式的图像的光学镜片54，和

—指定用于减小该放大的图形，并把减小的图像投射到光致抗蚀剂层50上的光学镜片56。

支撑46、掩模52和光学镜片54和56安装在未图示的真空室内，为了简化的原因，该真空室最好是在其内建立了EUV晒干幅射43的真空室。

本文引用的文献如下：

[1] Kublak et al.，《Cluster beam targets for laser plasmaextreme ultraviolet and soft X-ray sources(激光等离子体远紫外和软X射线源用集束靶)》，US 5 577 092 A.

[2] Richardson et al.，《Water laser plasma X-ray pointsources(水激光等离子体X射线点源)》，US 5 577 091 A.

[3] Hertz et al.，《Method and apparatus for generatingX-ray or EUV radiation(产生X射线或EUV幅射用的方法和装置)》，demande internationale PCT/SE97/00697 du 25 avril 1997.

[4] Matsui et al.，Laser plasma X-ray source，andsemiconductor lithography apparatus and method using the same(半导体光刻装置及用该装置的方法)》，EP 0858249 A.

[5] McPherson et al.，《Multiphoton-induced X-rayemission and amplification from clusters(多光子诱导的X射线发射以及从原子团束引出的放大)》，Applied Physics B57，667-347(1993).

[6] Mc Pherson et al.，《Multiphoton-induced X-rayemission from Kr Clusters on M-Shell(-100)and L-shell(-6)transitions(从Kr原子团在M壳层((-100)和L壳层(-6)跃迁引出的多光子诱导的X射线发射))，p.1810 à1813.

[7] Kubiak et al.，《Scale-up of a cluster jet laser plasmasource for Extreme Ultraviolet Lithography(用于远紫外光刻技术的原子团束激光等离子体源的增大)》，SPIE vol.3676，SPIEconference on Emerging Lithographic Technologies III，Mars1999，p.669 à678.

Claims

1.液滴(4)组成的雾的产生方法，其特征在于，液体(4)在压强为5×10⁵Pa到10⁷Pa下加压，以及由此加压的液体注入到具有直径在20μm和1mm之间的喷咀(10)内，该喷咀张开到压强等于或小于10^-2Pa的区域，因此在离开喷咀(10)出口的区域内产生具有10μm到30μm量级尺寸的液滴的浓雾(23)，该浓雾近似地处于喷咀的轴(X)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，喷咀(10)被加热。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，激光束也被聚焦在由此得到的浓雾(23)上，该激光束能与浓雾彼此作用，产生在远紫外区的光(42)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，激光束(36)在离喷咀(10)1mm到10mm量级的距离(D)被聚焦在浓雾(23)上。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，在远紫外区产生的光用于晒干在其上沉积了光致抗蚀剂层(50)的衬底(48)。

6.用于产生由液滴(4)组成的雾(23)的装置，该装置(A)的其特征在于，包含：

—将容纳液体(4)的容器(2)，

—通过使液体加5×10⁵Pa到10⁷Pa量级的压力，使容纳在该容器中的液体加压的装置(16)。

—具有直径在20μm和1mm之间并与容器连接的喷咀(10)，

—包含一喷咀的真空室(20)，以及

—用于在真空室内建立压强低于或等于约10^-2Pa的排气装置(22)，

为了因此在真空室(20)内，在喷咀出口处产生尺寸为10μm到30μm的液滴的浓雾(23)，该浓雾应当近似地处于喷咀的轴(X)上。

7.根据权利要求6所述的装置，也包含喷咀(10)的加热装置(24)，

8.根据权利要求6和7之一的装置，其中加压装置包含把加压气体注入容器(2)的装置(6)。

9.根据权利要求6～8之一所述的装置，其中，喷咀(10)配备脉冲装置(10)，以便产生以脉冲形式的浓雾。

10.根据权利要求6～9之一所述的装置，其中液体(4)是水。

11.在远紫外区的光源，该光源包含：

—根据权利要求6～10之一所述的装置(A)，

—产生激光束(36)的装置(34)，该激光束可以与用该装置产生的浓雾(23)彼此作用。

—把激光束聚焦在该浓雾上的聚束装置(38)，

12.半导体衬底的光刻装置，该装置包含：

—用于在其上沉积了光致抗蚀剂层(50)的半导体衬底(48)的支撑装置46，该层(50)将根据预定图形晒干，

—包含以放大形式的预定图形的掩模(52)，

—在远紫外区的光源(44)

—用于把光传送到掩模的光学装置(54)，该掩模提供以放大形式的图像，和

—用于减小该图像，并把该减小的图像投射到光致抗蚀剂层的光学装置(56)，以及根据权利要求11所述的装置内的源。