DE102004060721A1

DE102004060721A1 - Verfahren zur Auswahl von optischen Materialien

Info

Publication number: DE102004060721A1
Application number: DE200410060721
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Lindner; Wilfried Dr. Clauß; Ulrich Dr. Pahl
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-12-18
Also published as: DE102004060721B4

Abstract

Verfahren zur Auswahl von optischen Materialien, in Bezug auf strahlungsinduzierte Transmissionsverluste durch eine Bestrahlung mit einer Strahlungsquelle insbesondere von Kalziumfluorid auf laserinduzierte Absorption. Das optische Material wird durch die Strahlungsquelle in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich bestrahlt. Die Bestrahlung findet in einem lokalen Materialbereich statt. In einem ersten Schritt wird die Transmission bzw. Absorption vor der Bestrahlung gemessen und in einem weiteren Schritt wird die Transmission bzw. Absorption nach der Bestrahlung gemessen. Bei den Messungen wird die gleiche Strahlungsquelle wie bei der Bestrahlung verwendet. Die erhaltenen Messergebnisse vor und nach der Bestrahlung werden miteinander verglichen. Anschließend wird eine Auswahl des optischen Materials getroffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl von optischen Materialen in Bezug auf strahlungsinduzierte Transmissionsverluste für Lithographiesysteme, insbesondere von Kalziumfluorid in einem Mikrolithographiesystem.

Es ist bekannt, dass die optische Qualität von optischen Materialien, die in einem Beleuchtungs- und Projektionssystem von Lithographiesystemen eingesetzt werden, wie z.B. synthetisches Kalziumfluorid, durch die im Laufe der Gebrauchsdauer insgesamt erfahrene Strahlungsbelastung degradiert. So nimmt beispielsweise der Transmissionsgrad des Materials im Laufe der Gebrauchsdauer durch die erfahrene Strahlungsbelastung ab. Obwohl bei der Kalziumfluorid-Kristallzucht auf hohe Reinheit geachtet wird, enthalten Kalziumfluoridkristalle zahlreiche Restverunreinigungen, wie z.B. Sauerstoff, Alkalimetalle und Seltene Erden etc.. An solchen Verunreinigungen können sich strahlungsinduzierte Defektzentren bilden, die über lange Zeit stabil sind und den Transmissionsgrad herabsetzen. Eine solche Absorption ist unerwünscht, weil sie zu Transmissions- und damit zu Effizienzverlusten von Lithographieoptiken führt.

Aus diesem Grunde sollte bekannt sein, von welcher Qualität ein optisches Material ist bevor man es in einem optischen System einsetzt, um damit eine Auswahl nach vorgegebenen Kriterien, hinsichtlich der Effizienz des optischen Systems zu treffen.

Die US 6, 486, 949 B2 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der optischen Qualität von Kristallen. Die Qualität wird hierbei über den Vergleich der Fluoreszenzspektren eines optischen Materials und einer Referenz bestimmt. Dadurch kann entschieden werden, für welche Aufgaben jeweils ein Material geeignet ist.

In der US 2004/0026631 ist ein Verfahren zur Detektion von Bleieinschlüssen beschrieben. Dazu wird ein optischer Kalziumfluoridkristall mit einer Wellenlänge von 200 nm bestrahlt. Die auftretende Lumineszenz wird mit einem Detektor gemessen. Bei den Messungen wird als Lichtquelle eine Lampe verwendet.

In dem Artikel von M. S. Mendicino und L. L. Clarke, Bicron Division of Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc., CaF₂ Testing Techniques and End of Life Determination Using ⁶⁰Co γ-ray Irradiation, werden Untersuchungen zum Verhalten von Kalziumfluorid unter Bestrahlung mit Gammastrahlen, mit hoher Energiedichte, vorgestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere mit der Möglichkeit optische Elemente mit relativ einfachen Mitteln und nach bestimmten Vorgaben über den Verwendungszweck auszuwählen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Auswahlverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf relativ einfache Weise das Verhalten des optischen Materials unter Strahlenbelastung testen und damit die Qualität bestimmen. Auf diese Weise kann eine Auswahl je nach vorgegebenen Kriterien des optischen Materials, bezüglich der laserinduzierten Absorption, getroffen werden.

Dadurch, dass die Bestrahlung in einem lokalen Materialbereich, unmittelbar an dem später zu verwendeten Kristall, durchgeführt wird, wird keine direkte Referenz benötigt. Die Messung findet nur in einem zuvor bestimmten begrenzten Bereich statt, wodurch sich das Verfahren stark vereinfacht. Dadurch ist eine Auswahl des Materials in einfacher und vorteilhafter Weise mit sehr genauem Aussagewert möglich.

Von Vorteil ist es, wenn die Bestrahlung in einem Wellenlän genbereich vorgesehen ist, der dem Einsatzwellenlängenbereich entspricht. Denkbar sind hier Wellenlängen zwischen 120 nm und 250 nm, vorzugsweise < 197 nm wie sie in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen vorgesehen sind. Dadurch, dass das Verfahren im Einsatzwellenbereich stattfindet, erhält man sehr präzise Ergebnisse und es sind keine weiteren Umrechnungen aus anderen Wellenlängenbereichen nötig.

Für eine ausreichende Bestrahlung kann vorgesehen sein, dass diese bei einer Energiedichte von ≤ 15 mJ/cm² und einer Pulszahl von ≥ 100.000.000 durchgeführt werden. Des weiteren könnte die Bestrahlung auch mit Energiedichten zwischen 15 mJ/cm² und 70 mJ/cm² und einer Pulszahl von ≥ 100.000, bzw. mit einer Energiedichte von > 70 mJ/cm² und einer Pulszahl von ≥ 1 durchgeführt werden. Durch die unterschiedlichen Bestrahlungsarten wird es auf einfache Weise möglich, die Pulszahl und die jeweilige Energiedichte, je nach verwendetem Material, optimal angepasst auszuwählen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, für die Messungen einen gepulsten Laser zu verwenden. Denkbar wäre auch die Verwendung einer Lampe mit einem Monochromator. Dadurch wird für die Messungen ein sehr großer Spektralbereich nutzbar.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend sind anhand der Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung prinzipiell dargestellt.
Es zeigt:
1 ein Diagramm zu Absorptionsmessungen bei der Einsatzwellenlänge;
2 ein Diagramm zu Lumineszenz-Messungen;
3 ein Diagramm zu Spektrometer-Messungen, und
4 ein Diagramm zu der linearen Korrelation zwischen dem normierten Integral der Transmissonsverhältnisse und der normierten Absorptionsänderung.
In dem Diagramm nach 1 ist auf der Abszisse die Anzahl der verwendeten Laserpulse in Milliarden und auf der Ordinate der Absorptionskoeffizient in 10^–4/cm aufgetragen. Eine Möglichkeit, den Grad der laserinduzierten Degradation von Kalziumfluoridproben zu bestimmen, ist die Durchführung von Transmissionsmessungen bei der Einsatzwellenlänge (193 nm oder 157 nm).
Bei der Messung mit dem Laser bietet sich das sogenannte Rapid-Damage-Messverfahren an, bei dem in Abhängigkeit von der Pulszahl Transmissionsmessungen bei verschiedenen Energiedichten durchgeführt werden. Die Energiedichten liegen hierbei in einem Bereich zwischen 0,1 mJ/cm² und 20 mJ/cm². Für jede Energiedichte werden mehr als 5000 Pulse verwendet, aus denen die Sättigungstransmission bestimmt wird, die zur Berechnung des Absorptionskoeffizienten k dient. Durch eine grafische Auswertung der Messdaten erhält man den Absorptionskoeffizienten für die jeweilige Energiedichte H, wobei auch andere Verfahren denkbar sind.
Anhand der Absorptionswerte vor und nach einer Bestrahlung lässt sich die Stärke der Degradation einer Probe ablesen. Gerade 1 in 1 zeigt eine degradierte Kalziumfluoridprobe, mit 1a vor der Bestrahlung und 1b nach der Bestrahlung. Gerade 2 zeigt eine nichtdegradierte Probe, mit 2a vor der Bestrahlung und 2b nach der Bestrahlung, wobei sich der Absorptionskoeffizient im wesentlichen nicht geändert hat.
Bei den Lumineszenzmessungen nach 2 wird ein Anregungslaser mit einer Wellenlänge < 500 nm gewählt. Im Diagramm sind auf der Abszisse die Photonenenergie in eV, aus der sich die Wellenlänge ableiten lässt, und auf der Ordinate die Intensi tät der Lumineszenz in Anzahl von Counts des Detektors aufgetragen. Die Messungen erfolgen entweder zeitaufgelöst oder zeitlich integral. Sie umfassen ganze Spektren. Denkbar sind auch nur Einzelwellenlängen oder spektral die gesamte Lumineszenz.
Bei der zeitaufgelösten Methode, wird die Lumineszenz in einem Zeitfenster kleiner 1 μs gemessen, das in unterschiedlichen zeitlichen Abständen bezogen auf den Anregungslaserpuls gesetzt wird. Bei der zeitlich integralen Methode wird die Energiedichte bzw. die Intensität des Lasers so gewählt, dass die Anregung der Lumineszenz von Self-Trapped-Excitons vermieden wird.
Es ist denkbar für eine zeitlich integrale, aber spektral aufgelöste Messung einen frequenzvervierfachten Titan-Saphir-Laser mit einer Wellenlänge von 215 nm zu verwenden, der eine Repetitionsrate von 80 MHz, eine Pulslänge von 200 fs und eine Leistung von 5 mW aufweist.
Die Proben werden reproduzierbar in einen Messaufbau eingelegt. Die Messungen verschiedener Proben erfolgen gleichartig, dadurch ist die Vergleichbarkeit quantitativ sichergestellt. Es wird jeweils die Lumineszenz von mehr als einem Laserpuls detektiert und damit zeitlich integriert. Dadurch sind höhere Auflösungen erzielbar. Wahlweise könnten Lumineszenz-Spektren aufgenommen werden oder die Lumineszenz integral über einen bestimmten Wellenlängenbereich gemessen werden. Bei Kalziumfluoridproben; die eine laserinduzierte Absorption zeigen, tritt eine zusätzliche breitbandige Lumineszenz 4a (siehe zweites Fenster rechts oben) bei ~2,5 eV im Lumineszenzspektrum nach der Bestrahlung 4 im Gegensatz zu vor der Bestrahlung 3 (siehe erstes Fenster links oben) auf. Hingegen bei Kalziumfluoridproben, die keine laserinduzierte Absorption zeigen, ist das Lumineszenzspektrum bzw. die Lumineszenz vor 5 und nach 6 der Bestrahlung (siehe Fenster links und rechts unten) unverändert. Anhand der breitbandigen Lumineszenz 4a lässt sich die Kristall-Qualität sehr präzise bestimmen.
In 3 ist das Spektrum einer Kalziumfluoridprobe zu erkennen, wobei Kurve 7 eine nicht degradierte und Kurve 8 eine degradierte Probe zeigt. Auf der Abszisse ist die Wellenlänge in nm und auf der Ordinate die Transmissionsrate aufgetragen, die bei der jeweiligen Wellenlänge gemessen wurde.
Die Spektrometer-Messungen können den Bereich der Einsatzwellenlängen abdecken. Auch die Verwendung des sichtbaren Bereichs des Spektrums kommt hierbei in Betracht. Proben, die eine induzierte Absorption an den Einsatzwellenlängen zeigen, verfügen über Absorptionsbanden im UV-Bereich 8a sowie in der Regel auch im sichtbaren Spektralbereich 8b und 8c, aufgrund derer sich die Degradierungsstärke sehr einfach einschätzen lässt.
In 4 ist die lineare Korrelation zwischen dem normierten Integral der Transmissionsverhältnisse, vor und nach der Bestrahlung, und der normierten Absorptionsänderung, bei der Bestrahlungswellenlänge, dargestellt, wobei die Gerade 9 den linearen Zusammenhang und Punkt 10 einen frei gewählten Messwert zeigt. Auf der Abszisse ist die normierte Absorptionsänderung und auf der Ordinate das normierte Integral des Transmissionsverhältnisses aufgetragen.
Die Normierung erfolgt jeweils auf die Zweiphotonendosis, Energiedichte ins Quadrat multipliziert mit dem Verhältnis aus Pulszahl und Pulslänge.
Die Intensität der Absoptionsbanden ist direkt korrelliert mit der Verschlechterung der Transmission bei der Arbeitswellenlänge. Zusammen mit der bekannten Korrelation zwischen Energiedichte und Transmissionverschlechterung bei der Arbeitswellenlänge im VUV-Bereich (z.B. 193 nm) erhält man Kriterien zur Materialauswahl. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sie weniger zeit- und kostenaufwändig ist als andere Methoden.

Claims

Verfahren zur Auswahl von optischen Materialien in Bezug auf strahlungsinduzierte Transmissionsverluste durch eine Bestrahlung mit einer Strahlungsquelle, insbesondere von Kalziumfluorid in einem Mikrolithographiesystem auf laserinduzierte Absorption, wobei das optische Material durch die Strahlungsquelle in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich in einem lokalen Materialbereich, bestrahlt wird, wobei in einem ersten Schritt die Transmission vor der Bestrahlung gemessen und in einem weiteren Schritt nach einer Bestrahlung mit der gleichen Strahlungsquelle eine weitere Messung auf Transmission bzw. Absorption durchgeführt wird, wonach die erhaltenen Messergebnisse von vor und nach der Bestrahlung miteinander verglichen werden, und wonach eine Auswahl nach vorgegebenen Kriterien des optischen Materials vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einem Wellenlängenbereich durchgeführt wird, der wenigstens annähernd dem Einsatzwellenlängenbereich entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 120 nm und 250 nm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einem Wellenlängenbereich von < 197 nm erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit einer Energiedichte H von ≤ 15 mJ/cm² und einer Pulszahl N von ≥ 100.000.000 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit einer Energiedichte H zwischen 15 mJ/cm² und 70 mJ/cm² und einer Pulszahl N von ≥ 100.000 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit einer Energiedichte H von > 70 mJ/cm² und einer Pulszahl N von ≥ 1 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle ein Laser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser ein geprüfter Laser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle eine Lampe mit einem Monochromator verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des induzierten Absorptionsverhaltens Lumineszenz-Messungen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lumineszenz-Messungen als Strahlungsquelle ein Laser mit einer Wellenlänge < 500 nm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Lumineszenz-Messungen zeitlich integral gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Lumineszenz-Messungen zeitaufgelöst gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Lumineszenz-Messungen spektral aufgelöst gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des bestrahlungsinduzierten Transmissions-/Absorptionsverhaltens durch den Vergleich von Transmissions- oder Absorptionsspektren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich durch Quotientenbildung aus den Spektren des UV und sichtbaren Spektralbereichs, die vor und nach Bestrahlung aufgenommen wurden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich durch Differenzbildung aus den Spektren erfolgt, die vor und nach Bestrahlung aufgenommen wurden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Korrelation zwischen dem normierten Integral des Verhältnisses der Transmissionsspektren vor und nach der Bestrahlung und der normierten Absorptionsänderung bei der Bestrahlungswellenlänge (z.B. 193 nm) verwendet wird.