CN1390435A - 获得远紫外辐射的方法和远紫外辐射源,及其在光刻中的应用 - Google Patents

Abstract

根据本发明,至少用一个固体靶(28),通过与聚焦在靶的第1面(30)的激光束的彼此作用,该靶发射远紫辐射。该靶从对置面37出发可以发射辐射部分,并且这部分被收集和传输。

Description

获得远紫外辐射的方法和远紫外辐射源， 及其在光刻中的应用

                         技术领域

本发明涉及获得也称为“EUV辐射”的远紫外辐射的方法，以及远紫外辐射源。

这涉及波长包含在8纳米到25纳米区域的辐射。

本发明有许多应用，尤其在材料科学、显微术、特别在光刻术。

本发明也涉及应用EUV辐射源的光刻设备，本发明的目标。

这样的辐射的应用允许降低集成电路的蚀刻间距，并且能制造极高集成度的集成电路。

                     现有技术状况

回顾光刻设备是用于根据预定设计(《图形》)对样品曝光。该样品通常包含一半导体衬底，其上涂复光敏树脂层(《光致抗蚀剂层》)，该层用于根据预定设计曝光。

光刻设备包含

—曝光用的辐射源，

—掩模，其上复制具有放大倍数至少为4的应曝光的图形

—样品支架，和

—允许一方面在源和掩模之间，另一方面在掩模和样品之间传递辐射的光学系统。

人们主要知道产生强EUV辐射的两种技术。两者都建立于收集光子的基础上，这些光子是通过由激光装置产生的热以及不很密的等离子体自发发射的微观过程产生的。

第一技术用具有功率接近1KW的YAG激光器照射的氙束。实际上，如果很好选择在真空(《Vacuum》)中的气体特性和膨胀条件，则在束内通过多种物体彼此作用自然产生集聚体(《clusters》)(原子团)。这些是宏观粒子，它们可以包含高达一百万原子，并且显示足够高的密度(约为固体密度0.1)，为了吸收激光束，并因此从周围气体加热原子，这些周围气体随后可以通过荧光发射光子。

因此得到的EUV辐射或软X射线辐射被合适的光学装置收集，借助多个中间的光学装置空间成形，随后它照射掩模。使用的中间光学装置是多层镜，该多层镜在所研究的EUV波长附近(例如具有交替的Mo和Si层为13.4nm，用交替的Mo和Be层为11.2nm)显示高但狭窄的反射系数峰(取决于考虑的多层，具有传输带宽从2-5％)，

第二技术使用具有高原子序数的等离子体电晕放电，该电晕放电通过由KrF激光器发射的、并有强度接近10¹²W/cm²的激光束和从大厚度(至少20μm)的固体靶彼此作用得到的。

这在图1内概略示出，其中，可以看到该固体靶2，其中，激光束6通过合适的光学装置8聚焦在固体靶的面4上。在图1，也看到通过聚焦激光束与靶材料的彼此作用产生的EUV辐射10。该辐射从称为《前面》的面4发射的，并且被合适的光学收集装置12回收。

在上述的例子中，这些光学收集装置12位于面向前面4，它们包含一孔14，用于让聚焦激光束通过，并收集EUV辐射10，以便为了利用该EUV辐射把它发送到其它光学装置(未示出)。为了接近于13.4nm的发射，看来最适合于这类源的材料是铼。用该材料得到的变换系数(发射的辐射能和入射能之比)，在围绕13.4nm波长的2％传输带宽的情况下，可以甚至达到0.85％。

然而，这样一种EUV辐射源的能量是不够的，因为在上述实验情况下激光能只是1焦耳到几焦耳的量级。

但是，尤其是光子收集效率低(10％的量级)，并且这最终导致产额(可利用的光子/激光能量)太低。此外，靶的膨胀显著，因此为了在激光束与靶彼此作用期间保持发射的粒子远离收集的光学装置，必须设计专门装置。

上述困难是由于使用的物理过程的特性所引起的，即通过从热而非极密的介质产生的荧光的发射。事实上，如果通过包含一个光子(辐射机构)或一个电子(碰撞机构)起作用的一个过程，在一个原子或多荷离子内的一个束缚电子被激发，则发现该原子或该离子再处于不稳定的激发态。随后可能通过发射一个或多个光子去激发。

为了获得具有准确波长(接近跃迁宽度内)的一个光子，因此它足够产生合适的多荷离子，其中，存在与所要求的光子能量匹配的能量跃迁。必须注意，当光子通过自发发射而发射时，没有任何偏爱方向，得到各向同性发射。

适于产生大量激发多荷离子的最佳技术之一，应用大功率激光束与高密度介质之间的彼此作用。实际上，如果大功率激光束与固体(或准固体)靶彼此作用，则激光束伴随的电磁波在介质内传播，直到所谓截止密度为止(该密度与λ²成反比，其中λ是激光波长)，并且它经过多个微观过程把其能量传递给该介质。

随后，这些束缚电子，可能从原子中抽出，并被激光产生的电场加速，得到足够的动能，以致也抽出其它的束缚电子。因此产生多荷离子，介质的温度迅速上升到使其达到极限值(几十万度，甚至百万度)，并且可能发生导致光子发射的微观过程。实际上，在激光场的作用下，介质变为由多荷离子、电子和光子形成的等离子体。

除了特殊的密度，温度和/或辐射场条件之外，各种上述粒子并不彼此处于平衡。这在相当于激光电磁波传播并与介质强烈彼此作用的等离子电晕内明显地观察到。该电晕的特征为低物质密度(小于固体密度的1‰)和高温。在电晕内一个发射的电子在其内再被吸附的可能是极小的。据称该电晕在光学上是极薄的。

发射的光子离开等离子区，随后可以用于不同的目的，例如，用于通过光谱测量诊断介质的热动力学条件或用于光刻。

我们再来检查众知的EUV辐射源的一些缺点。

这些源有效率问题：无论在整个时间和空间上，在由激光产生的电晕内遇到强烈变化的热动力学条件(密度、温度、自由电子数)。

接近10nm来自电晕辐射的特征发射谱是异常复杂的，并且包含由原子发射或从电荷的不同态产生的大量发射线。如果选择具有非常狭窄的频带(2％的量级)准确的谱线，则可以看到作为辐射由等离子体发射的大部分能量落在该频带之外，并因此损失。

因而(产生的和使用的EUV能量/使用的激光能量)效率强烈减小。此外《寄生的》辐射各向同性地发射。尤其是，在收集有用光子的立体角内，并因此朝向用于收集这些光子的光学装置。

至于收集EUV辐射，因为由喷射产生的光子是各向同性的，所以必须提供合适的光学收集装置。通常，通过元光学收集极(一般总共6只)并置得到的伞形光学收集器。为了其立体角最大，这些收集极应显示大的表面积，并应尽可能放置于接近发射EUV辐射的等离子区。

在物质上这是非常困难的(尤其在应用氙聚集体的情况下，由于存在喷咀和氙回收系统)，并且根据收集器的寿命和实现氙回收系统，这也引起问题，因此，该收集器必须处于远离EUV辐射源，然而收集角将减小(除非建立巨大的收集器，对此价格过高。)因此这导致效率损失。

在应用固体靶的情况下，其中，EUV辐射通过该靶的前面发射，也提出同样的问题。然而，在这种情况下，即使对中等激光照射，由激光产生的等离子体电晕具有大的膨胀速度(高于10⁶cm/S)。因此物质的粒子可能污染并损伤使用的各光学系统，从而冒降低这些光学系统的反射特性的危险，因而冒降低到达应曝光光敏树脂层光子数的危险。需要设计特殊的装置用于消除这些粒子或碎片。

此外，通过从热和并非密的等离子区来的荧光产生的发射没有一个偏爱方向，特殊的光学装置必须嵌在收集器和掩模之间，以便空间上形成辐射场。这些特殊的光学装置包含多层镜，并因此导致光子损失。它们也是价格增补和光学系统对准困难的原因。

应用通过前面发射EUV辐射的厚固体靶的EUV辐射源，而该面接收该聚焦激光束，因此也有各种缺点，即：发射碎片和各向同性的EUV发射，该发射因此有大的角度发散。其结果，尤其是应用这样一种源的光刻设备不是非常有效的。

本发明的说明

本发明的目的是通过提供各向异性的EUV辐射源来克服上述缺点。该EUV辐射(例如用于光刻设备之中)是通过合适厚度的固体靶的背面发射，而激光束聚焦在该靶的前面上。

这样一种各向异性源提供EUV辐射束的有用部分增加，并且简化用于收集该辐射的光学装置。

特别地，本发明的目的是提供得到远紫外辐射的方法，据此，至少用一个固体靶，具有第1面和第2面，其中，该靶通过与激光束的彼此作用可以发射远紫外辐射，并且该激光束聚焦在靶的第1面上，该方法的特征为，该靶包含通过与激光束彼此作用可以发射远紫外辐射度的材料，并且靶的厚度处在从约0.05μm到约5μm的范围，其中，该靶可以从该靶的第2面各向异性地发射远紫外辐射部分，其中为了利用这部分，收集和传输该远紫外辐射部分。

最好在靶内包含材料的原子序数属于从29到92的原子序数组。

根据作为本发明目的的源的具体实施例，该源包含多个彼此牢固固定的多个靶，该源还包含使这多个靶移动的装置，以便这些靶连续地接收激光束。

该源还包含固定靶并可以使激光束按这些靶方向通过的支撑装置，其中提供移动装置，用于使这些支撑装置移动、并因此使这些靶移动。

这些支撑装置可以吸收由接收激光束的每一靶的第1面发射的辐射，并再发射这些辐射朝向这些靶。

根据本发明的目的的源的第1具体实施例，这些支撑装置包含一个面向每一个靶的孔，其中该孔通过彼此大体平行并垂直该靶的两壁定界。

根据第2具体实施例，这些支撑装置包含面向每一靶的孔，其中，该孔通过朝向靶、并彼此隔开的两壁定界。

根据本发明的具体实施例，该源还包含固定的辅助装置，该装置可以让激光束按靶方向通过，以便吸收由该靶的第1面发射的辐射，并把这些辐射朝向该靶再发射。

本发明的目的也提供包含以下部件的光刻设备，即：

—用于样品的支架，该样品应当根据预定图形曝光，

—按照本发明的远紫外源，

—包含以放大形式的预定图形的掩模，

—用于收集和传输从源的靶第2面来的远紫外辐射部分到掩模的光学装置，其中由此掩模可提供放大形式的图形图像，和

—用于减少该图像和把减小的图像投射到样品的光学装置。该样品可包含其上涂复了光敏树脂层的半导体衬底，该层应当根据预定图形曝光。

附图的简短描述

为了纯碎提供信息和非限制性的目的，在阅读了以下所示的实施例的描述，参考以下附图，将更好了解本发明，这些附图为：

·图1是众知的EUV辐射源的概略图，并且它已经描述过了，

·图2是按照本发明利用EUV辐射源的(作为本发明的目的的)光刻设备的具体实施例的概略图，

·图3是形成(在本发明可利用的)一组靶的带的概略透视图，

·图4和5是本发明的EUV辐射源的概略透视和部分图，和

·图6是本发明另一EUV辐射源的概略透视和部分图。

具体实施例的详细描述

通过固体靶和激光束彼此作用产生的等离子区包含几个区域。当然存在称作<电晕>的彼此作用区，但是也以连续的和简化的方式存在：

—称作<导电区>的区域，其中激光束未穿透并且其演变进程受热、电子、辐射传导的控制，其中通过电晕的离子发射的光子部分是按靶的冷和密的方向发射，并且

—吸附和再发射区，其中来自电晕或导电区的高能光子被密和冷的物质吸附，因此它们对加热这些物质并由此对较低能量的光子的发射有贡献。

后者形成辐射波，该波在介质内具有偏爱的传播方向，沿着温度梯度，如果靶不太厚，该波可能通过靶的背面激发靶，该面与激光束起作用的面几何上彼此对置。在背面的转换效率(在包含所有波长的辐射能对入射激光能量之比)可能接近30％。

从靶的背面来的这种发射的特征为，因为对光子发射有责任的区域的温度和密度条件是极不同的，所以其光谱分布是与从前面来的极不相同。发射的辐射自然具有角分布，即使具有理想的平面靶；该辐射是非各向同性的。

此外，背面的特征膨胀速度是比前面低几个量级，因此能量的主要部分是以辐射的形式。

这便是为什么本发明通过具有合适厚度的固体靶的背面发射的EUV辐射，而在靶的前面上我们聚焦激光束。按此方式我们得到各向异性的EUV辐射并且把物质碎片减少到最小。

为了产生EUV辐射，靶最好包含原子序数Z为28≤Z≤92的材料。

靶也可以用通过与激光束彼此作用产生只有合适光谱特性的EUV辐射的其它材料其可能与这种材料混合或与这种材料相关的材料。

此外也可以具有低原子序数的一种或多种其它材料任意组合用于滤掉寄生辐射。

最好包含产生EUV辐射的材料或活性元素的靶厚度在0.1μm和5μm之间。

为了获得背面的有效发射而材料并未太显著膨胀，最好使靶最佳化。

为了在所希望的波长范围，例如从10nm到20nm的范围，在背面为最佳EUV转换得到在靶内要求的动力学条件，激光特性也适合(尤其是提供的光脉冲的持续时间和短暂的形状，其波长和强度)。

在图2示出在光刻的特殊应用例的EUV辐射源(本发明的目的)的一个具体实施例。

在图2我们看到以示意图的方式的光刻设备，它包含一个半导体衬底18，例如硅衬底的支架16，在衬底上涂复了按照预定图形曝光的光敏树脂层20。

除了按照本发明的EUV辐射源22之外，本设备包含：

—包含以放大形式图形的掩模24，

—用于收集和传输由源所包含的固体靶28背面提供的EUV辐射部分到掩模24的光学装置26，其中掩模提供以放大形式的该图形的图像，和

一用于减小该图像并把该减小的图像投射到光敏树脂层20上的光学装置。

该靶是例如由银、铜、钐或铼的材料制成，它具有小的厚度(例如1μm量级)。

为了产生用于光敏树脂曝光用的EUV辐射，把由脉冲激光器35发射的脉冲束34经光学聚焦装置32聚焦在靶的称为《前面》的第1面30，随后该靶从其与前面30对置的背面37发射各向异性的EUV辐射36。

规定源22、收集器26、掩模24、光学装置29和承受衬底20的支架16放置在外壳(未示出)内，其中建立了低压强。通过合适的窗孔(未示出)激光束发送到该外壳内。

在图2的例子中，光学收集装置26由面向靶28的背面放置的光学收集器构成，提供该光学收集器用于收集由背面各向异性发射的EUV辐射，并用于使该辐射成形，并把它发送到掩模24。

因此在图2的装置内并不要求在收集器26和掩模24之间提供其它光学装置，由此简化了光刻设备的光学装置。

可以看到具有小厚度的靶28以其前面30固定到支架38上，该支架配有一孔40，用于使聚焦的激光束34通过，以便到达该前面。

实际上，因为单个激光脉冲局部地损伤具有小厚度的靶，不能两次把激光束发送到靶的同一点上。这便是为什么支架38配备移动装置(在图2未示出)，它可以使靶的不同区域相继地暴露在聚焦激光束下。

这通过图3概略地说明，其中，看到具有小厚度(例如，1μm)的固体靶是以固定在柔性支架44上带的形式，该支架，例如是由塑料制成并且提供纵向孔46，以便让聚焦束34通过。

靶支架作为整体形成柔性的复合材料带，该带未从第1线框架缠绕，而是绕在第2线框架50上，该线框架50能由合适装置(未示出)旋转，以便移动面对聚焦束的靶，该聚焦束包含相继到达靶的不同区域的脉冲。随后可考虑把几个靶安装在一起。

在变形例(未图示)里，还可以应用塑料柔性带作为靶支架，并把几个靶按规则的间隔固定在支架上，其中，在面向每一靶的支架里提供一孔，以便让聚焦束通过。

最好用带52(图4)，例如铜、银、钐或铼带来取代塑料带用作为靶支架，可以吸收在聚焦束34的冲击下靶的前面42发射的辐射，并按该靶的方向(靶是可以随着带52移动的)再发射这些辐射。例如，该带52具有5μm到10μm量级的厚度。

让聚焦在靶上的激光束34通过的纵向孔可以被彼此大体平行并垂直于靶的两壁54和56(如图4所看到的那样)定界。

然而，为了更好的吸收由靶前面发射的辐射，并且为了靶前面更好的再发射朝向靶，最好对孔定界的两壁朝向靶，并且彼如隔开，如图5所看到的那样，其中，这两壁是基准壁55和57。

在如图6所示的另一例子，靶42固定在(参考图3描绘类型的)可动支架44上。然而，在图6的例子内，EUV辐射源包含一个相对于聚焦激光束固定的、并位于面向靶前面的部件58。

这部件包含一个让激光束通过的孔，该激光束聚焦在该靶的前面以及由该部件提供的孔上，其向外张开朝向靶，并因此包含相对于该靶倾斜的两壁60和62，朝向靶，并彼此隔开。

随后，由靶42的前面发射的辐射64被这些壁60和62吸收，并且按靶的前面方向再发射。

由靶的背面发射的EUV辐射36因此更强烈。

当然，应用通过从厚度7μm的铝片形成的靶背面来的X射线发射的X射线源和通过功率密度3×10¹³/cm²的激光束照射的靶的前面可以从H.Hirose等的文章Prog.Crystal Growth and Charact.，Vol.33，1996，P227-280获悉。

然而，必须注意，作为本发明的目的的方法和源应用小厚度的靶，其范围从约0.05μm到约5μm，其中，该靶最好是由比铝原子序数大得多的原子序数Z的材料制作，因为Z最好大于等于28(或小于等于92)。

准确说，用于形成本发明的靶的优选材料是Z＝50的锡(tin)。

然而，在本发明可能应用具有极薄厚度(小于等于1μm)的靶在塑料衬底(例如具有1μm厚度CH₂(聚乙烯))衬底上形成，其中该靶(最好为锡)的背面—发射使用的EUV辐射的面—安置于衬底上。也可以在该靶的前面形成具有厚度小于1000(即100nm)的金膜层。

返回前述的文章，必须指出，正如文内所示，通过具有最高功率密度小于3×10¹³W/cm²的激光辐射照射其前面时，不能考虑具有厚度7μm的铝靶用于通过其背面发射，这尤其在微光刻领域，其中，上述考虑的最高功率密度例如接近10¹²W/cm²。

也必须注意以下所述：

如果激光彼此作用发生在具有低原子序数Z的材料铝(Z＝13)，则通过热电子传导发生在电晕内吸收的激光能量转移(在激光作用的侧面；前面)到冷和密区(即到背面)。即使靶相当厚(如在前述文章中提供的那样)，也并不能完全保证实现在背面的各向异性发射。

另一方面，在高Z材料的情况下，辐射传导是《控制》是在靶的内部和背部的调理。使本发明令人感兴趣的各向异性直接与背面该辐射波的输出连系起来，因此与厚度选择连系起来，关于厚度的最佳值将在以下给出。

另一方面，通过激光照射的靶里的温度和电子密度的特征分布根据材料是否具有低或高的原子序数以及根据使用的靶厚是极其不同的。

一种分析模型可以求出允许在背面的变换系数X最佳的最佳厚度Eo。Eo与靶材料的原子序数、材料的原子量A，在介质内的温度(≤°K)，(本身与用W/cm²表示的吸收的激光通量_α有关)，激光波长λ(cm)，脉冲持续时间Dt(秒)和质量密度ρ(g/cm³)的关系通过下述公式表示，

Eo(cm)＝26.22(A/Z)^0.5×T^0.5×Dt/α，

其中α＝ρ×λ²×(1+0.946(A/Z)^0.5)，温度(°K)是与 和λ^4/3成正比。

对于可利用的低激光能量(小于1J)，这通常是在本发明用于光刻的范畴里所要求的，因为为了在光敏树脂的水平上产生足够的统计要求非常高的频率(大于1kHz)，(因此确保达到曝光阈值)，并且对于给定的发射表面积(通过与使用的光学系统最佳耦合设置的)(例如接近300μm直径)，在靶上入射的激光通量是低的。纳秒级，在1.06μm，它不超过10¹²W/cm²。此外，今天基于100PS脉冲串制造具有这些频率的激光器实际上是不可想象的。

在这些条件下，上述模型给出30ev的值作为平均温度，如果所有能量被吸收，则该温度可能达到。

在这些条件下，对铝，使背面转换率X最佳的厚度为0.15μm，这远离前述文章给出的值。此外，用铝一类具有低原子序数的材料，通过靶背面发射的辐射事先并未显示任何角度特征：它大体上是各向同性的；因此可认为前面和背面是等值的。

用金作例，我们发现在同样的条件下永远小于0.1μm。

返回参考在CH₂(聚乙烯)衬底上形成锡靶的早期给出的例子，给出下述技术条件：聚乙烯，可能放置在锡薄片的背面，金可能放置在该片的前面，两者用于限制，在被辐射波加热前通过锡形成的发射材料的膨胀，以便光子更好地《穿透》靶的令人感兴趣的区域。稍许加热的、在背面的聚乙烯对辐射是透明的，也限制膨胀，并因此只有微不足道的物质碎片的发射。

Claims (11)

1.获得远紫外辐射的方法，据此，至少利用具有第1面和第2面的一个固体靶(28，42)，该靶通过与激光束(34)彼此作用可以发射远紫外辐射，该激光束聚焦在靶的第1面上，其特征在于，靶(28，42)包含通过与激光束彼此作用可以发射远紫外辐射的材料；以及靶的厚度在约0.05μm到约5μm的范围，其中靶可以从该靶的第2面(37)各向异性地发射远紫外辐射部分(36)；以及这远紫外辐射部分被收集和传输，以便利用它。

2.一种远紫外辐射源，其中该源至少包含具有第1和第2面的一个固体靶(28，43)，该靶可以通过与聚焦在靶的第1面(30)上的激光束(34)彼此作用发射远紫外辐射，其中该源的特征在于，靶(28，42)包含可以通过与激光束彼此作用发射远紫外辐射的材料；以及靶的厚度处于从约0.05μm到5μm的范围，靶可以从靶的第2面(37)各向异性地发射远紫外辐射部分(36)；以及这远紫辐射部分被收集和传输，以便利用它。

3.根据权利要求2所述的源，其中包含在靶内的材料的原子序数属于从28到92的原子序数组。

4.根据权利要求2和3任一所述的源，它包含多个彼此牢固固定的靶(42)，其中源还包含用于使这多个靶移动，以便这些靶连续接收激光束(34)的装置。

5.根据权利要求4所述的源，它还包含固定靶(42)并可以使激光束按这些靶方向通过的支撑装置(38，44，52)，其中提供使这些支撑装置并因此使靶移动的移动装置(48，50)。

6.根据权利要求5所述的源，其中支撑装置(52)可以吸收由每个靶的第1面发射的辐射，该靶的第1面接收激光束并把这些辐射再朝向靶发射。

7.根据权利要求5和6任一所述的源，其中，支撑装置包含面向每个靶的孔(40，46)，其中该孔由大体彼此平行并垂直靶的两壁(54，56)定界。

8.根据权利要求5和6任一所述的源，其中，支撑装置包含面向每个靶的孔，其中该孔由朝向靶并彼此隔离的两壁(55，57)定界。

9.根据权利要求2到5任一所述的源，它还包含固定的辅助装置(58)，为吸收由该靶第1面发射的辐射并把这些辐射朝向该靶再发射，该辅助装置让激光束(34)按靶的方向通过。

10.一种光刻设备，包含：

—被指定按照预定图形曝光的样品支架(16)，

—根据权利2到9任一所述的远紫外辐射源(22)，

—包含以放大形式的预定图形的掩模(24)，

—用于收集从源的靶的第2面辐射的远紫外辐射部分并把它传输到掩模的光学装置(26)，其中掩模因此可以提供以放大形式的图形图像，和

—用于减小图像并把该减小图像投射到样品上的光学装置(29)。

11.根据权利要求10所述的光刻设备，其中，样品包含其上涂复了按预定图形曝光的光敏树脂层(20)的半导体衬底(18)。

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