DE102006002758A1

DE102006002758A1 - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Entfernung von siliziumhaltigen Kontaminationen auf optischen Oberflächen

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Publication number: DE102006002758A1
Application number: DE200610002758
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. rer. nat. Arnold; Georg Dr. rer. nat. Böhm; Wilfried Dr. rer. nat. Frank; Axel Dr. rer. nat. Schindler
Original assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG EV; Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz-Institut fur Oberflaechenmodifizierun De; Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-19

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten und selektiven Entfernung siliziumhaltiger Kontaminationen von der Oberfläche thermisch und mechanisch empfindlicher optischer Elemente mittels eines kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls beschrieben, wobei das optische Element und dessen Oberfläche selbst aus einem Metallfluorid wie z. B. CaF¶2¶ oder MgF¶2¶ besteht oder mit einer oder mehreren Schichten versehen ist, von denen zumindest die oberste aus einem Metallfluorid besteht. DOLLAR A Anwendung finden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung z. B. bei der Reinigung von kontaminierten Frontlinsen in optischen Systemen. Dabei müssen nicht notwendigerweise diese Linsen aus den optischen Systemen entfernt oder anderweitig manipuliert werden. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung arbeiten unter atmosphärischen Druckbedingungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus transportabel und kann gegebenenfalls vor Ort eingesetzt werden.

Description

Stand der Technik
Optische Elemente wie Linsen oder Spiegel, die sich in einer gasförmigen Umgebung befinden, wobei das umgebende Gas teilweise aus siliziumhaltigen organischen oder anorganischen Verbindungen besteht, werden kontaminiert, wenn sich zusätzlich eine Energiequelle in Nähe der optischen Oberfläche befindet, die das siliziumhaltige Gas chemisch aufspaltet und umsetzt, so dass auf der optischen Oberfläche z. B. Siliziumoxid- oder Siliziumoxynitridschichten kondensieren. Diese Kontamination beeinflusst die Transmission bzw. Reflektivität des optischen Systems negativ oder es bilden sich Wellenfrontfehler aus. Im allgemeinen sinkt die Performance des optischen Systems. Kontaminationen dieser Art treten z. B. an Frontlinsen auf, die sich als Teil von optischen in situ Inspektions- und Analysesystemen in Plasmaprozessen zum Ätzen und Abscheiden von siliziumbasierten Materialien befinden. Beispielsweise sind hiervon Kameraobjektive, optische Sonden von optischen Spektrometern oder Objektive von Strahlungspyrometern betroffen, die sich direkt in einer Plasmaanlage befinden. Des weiteren tritt Kontamination mit siliziumhaltigen Schichten an Eximerlaseroptiken auf, an denen vom Substrat ablatiertes und vom Laser angeregtes siliziumhaltiges Material als Schicht kondensiert. Ein anderes Beispiel ist die Entstehung dünner siliziumhaltiger Schichten auf Linsen lithographischer Abbildungssysteme, die sich aufgrund von Verunreinigungen in der Umgebungsluft und durch Einwirkung von UV-Strahlung an den optischen Oberflächen niederschlagen.

Viele der in den genannten Beispielen eingesetzten Optiken bestehen aus Metallfluoriden oder sind mit einer oder mehreren Schichten aus Metallfluoriden versehen. Zum Beispiel bestehen Optiken von Analysesystemen, die für Infrarotstrahlung ausgelegt sind, meist aus Kalziumfluorid CaF₂. Optische Elemente, die für Strahlung im spektralen Bereich des sichtbaren und UV-Lichtes bis hin zu EUV ausgelegt sind, besitzen üblicherweise Entspiegelungsschichten aus verschiedenen Metallfluoriden. Es sind eine Reihe von Strategien zur Beseitigung der beschriebenen Kontaminationen bekannt.

Es existieren Verfahren, die im wesentlichen auf nasschemischen Ätzprozessen beruhen. Nachteil dieser Verfahren ist, dass das zu reinigende optische Element zunächst demontiert werden muss, was lange Stillstandzeiten des gesamten optischen Systems zur Folge hat. Daher sind bei bestimmten Systemen diese Methoden nur mit großem zeitlichen und finanziellen Aufwand anwendbar.

Weiterhin gibt es Verfahren, die durch Anlegen elektrischer Felder in der Nähe der optischen Oberfläche geladene Teilchen erzeugen und gegebenenfalls in Richtung der kontaminierten Oberfläche beschleunigen ( EP 1 431 828 A1 ). Über Prozesse wie z. B. reaktives Zerstäuben, physikalisches Zerstäuben, Einwirkung von Elektronen oder ähnliches soll die Kontamination, die aus Metallen, Oxiden oder kohlenstoffhaltigen Ablagerungen besteht, entfernt werden. Dazu müssen um das zu reinigende optische Element Vakuumbedingungen geschaffen werden, in dem entweder das optische Element demontiert und in ein stationäres Vakuumgefäß eingebracht wird oder ein Vakuumsystem lokal am eingebauten optischen Element angebracht wird. Beides ist technisch aufwendig und teuer. Zudem verursachen die bei den genannten Prozessen auftretenden energetischen Teilchen eine Schädigung der Oberfläche, und der Materialabtrag erfolgt nichtselektiv. Darüber hinaus tritt unter Umständen Redeposition auf.

In einer anderen Offenlegungsschrift wird u. a. die chemisch selektive Reinigung von Oberflächen mit Hilfe einer Verbrennungsfackel beschrieben, wobei die reaktiven Spezies durch thermische Zersetzung geeigneter Precursor erzeugt werden (US2004/0173580A1). Nachteil dieses Verfahrens ist die dazu notwendige hohe Temperatur, die eine Bearbeitung thermisch empfindlicher Oberflächen und Werkstücke nicht zulässt.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung siliziumhaltiger Kontaminationen von der Oberfläche eines optischen Elements bereitzustellen, wobei die genannte Oberfläche des optischen Elements aus einem Metallfluorid besteht. Das Verfahren soll gekennzeichnet sein dadurch, dass die Entfernung der siliziumhaltigen Kontamination selektiv erfolgt, das heißt ohne die darunter liegende Oberfläche des optischen Elements chemisch und physikalisch zu verändern oder zu schädigen. Darüber hinaus soll das Verfahren lokal anwendbar sein, d. h. dass die Kontaminationen ortsaufgelöst entfernt werden können. Außerdem soll die Dekontamination unter atmosphärischen Druckbedingungen erfolgen. Das Verfahren soll weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass am zu reinigenden optischen Element oder der zugehörigen optischen Baugruppe oder dem zugehörigen optischen System keine Manipulationen wie z. B. Anlegen elektrischer Spannungen, Einbringen in eine Bearbeitungskammer, Aufheizen o. ä. erforderlich sind. Zusätzlich soll die Vorrichtung transportabel und flexibel einsetzbar sein.

Lösung der Aufgabe

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass mittels heterogener chemischer Reaktionen unter Verwendung von Fluoratomen bzw. Fluorradikalen die Kontamination vom festen in den gasförmigen Zustand überführt und somit von der Oberfläche des optischen Elementes entfernt wird.

Erfindungsgemäß stellt eine Plasmastrahlquelle einen fluorhaltigen Plasmastrahl zur Verfügung, welcher vorzugsweise mit Hilfe eines computergesteuerten Mehrachsen-Bewegungssystems nach einem geeigneten Verfahralgorithmus solange über den zu reinigenden Bereich der kontaminierten Oberfläche geführt wird, bis die Kontamination in diesem Bereich vollständig entfernt ist. Die Bedingungen für die Erzeugung der Fluoratome bzw. Fluorradikale im Plasma des Plasmastrahls werden dabei so gewählt, dass die Temperatur des Plasmastrahls hinreichend niedrig ist („kalter Plasmastrahl"), so dass erfindungsgemäß die unter der Kontaminationsschicht befindliche Oberfläche nicht chemisch angegriffen, thermisch geschädigt, mechanisch aufgeraut oder anderweitig in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften beeinflusst oder verändert wird.

Beispielbeschreibung
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise zur Entfernung einer SiO_x-Schicht von der Oberfläche einer CaF₂-Linse verwendet.
Bei plasmachemischen Prozessen wie Ätzen oder Schichtabscheidung wird häufig die Oberflächentemperatur mit berührungslosen Messverfahren in situ überwacht. Dabei kommen Strahlungspyrometer zum Einsatz, welche die von der Oberfläche emittierte Wärmestrahlung mit einem optischen System aus CaF₂-Linsen auf einen Infrarot-Strahlungsdetektor fokussieren. Während der plasmachemischen Prozesse wird die Frontlinse des Strahlungspyrometers mit einer dünnen SiO_x-Schicht kontaminiert. Diese Schicht absorbiert die zu detektierende Wärmestrahlung und die Strahlungsintensität am Infrarot-Strahlungsdetektor verringert sich mit zunehmender Schichtdicke. In der Folge treten Temperatur-Messfehler auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kontaminationsschicht von der CaF₂-Frontlinse selektiv entfernt werden, ohne dass das Linsenmaterial chemisch angegriffen wird oder physikalische Eigenschaften wie z.B. Brechungsindex oder Linsengeometrie verändert wird. Zudem ist es nicht notwendig, die Linse aus dem optischen System zu demontierten. Zur Entfernung der Kontaminationsschicht wird die erfindungsgemäße Vorrichtung so positioniert, dass sich die Austrittsöffnung der Plasmastrahlquelle zur Erzeugung des kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls gegenüber der kontaminierten Oberfläche befindet. Anschließend wird mit Hilfe eines Mehrachsen-Bewegungssystem der kalte Plasmastrahl mit den darin enthaltenen Fluoratomen bzw. Fluorradikalen computergesteuert nach einem vorgeschriebenen Bewegungsalgorithmus über die CaF₂-Linse geführt. Die im kalten Plasmastrahl erzeugten Fluoratome bzw. Fluorradikale reagieren mit den Siliziumatomen der SiO_x-Schicht und wandeln sie in stabile, gasförmige Substanzen um, die in die Umgebung abdampfen. Wegen der niedrigen Temperaturen im kalten Plasmastrahl von weniger als 100 °C wird die Oberfläche der CaF₂-Linse dabei chemisch nicht angegriffen, thermisch nicht geschädigt oder anderweitig beschädigt oder verändert.
In 1 ist das Verfahren schematisch dargestellt. Eine CaF₂-Linse (1) ist mit einer SiO_x-Schicht (2) kontaminiert. Eine Plasmastrahlquelle (4) erzeugt einen kalten, fluorhaltigen Plasmastrahl (3). Die Plasmastrahlquelle (4) ist mit einem computergesteuerten Mehrachsen-Bewegungssystem (5) verbunden. Der Bearbeitungskopf bestehend aus Plasmastrahlquelle (4) und Mehrachsen-Bewegungssystem (5) ist über eine flexible Leitung (6) mit der Versorgungs- und Steuereinheit (7) verbunden. Zum selektiven Abtragen der SiO_x-Schicht (2) von der Oberfläche der CaF₂-Linse (1) wird der Bearbeitungskopf bezüglich des optischen Elements (1) geeignet positioniert und anschließend die Plasmastrahlquelle (4) mit dem austretenden kalten, fluorhaltigen Plasmastrahl (3) von dem computergesteuerten Mehrachsen-Bewegungssystem (5) solange wenigstens über den kontaminierten Bereich der CaF₂-Linse (1) bewegt bis die SiO_x-Schicht (2) vollständig entfernt ist.

Claims

Verfahren zur Entfernung siliziumhaltiger Kontaminationen von der Oberfläche eines thermisch und mechanisch empfindlichen optischen Elements, wobei das optische Element selbst aus einem Metallfluorid besteht oder mit einer oder mehreren Schichten versehen ist, von denen wenigstens die oberste aus einem Metallfluorid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass im atmosphärischen Druckbereich ein kalter, fluorhaltiger Plasmastrahl auf die zu reinigende Oberfläche gerichtet wird und dort die siliziumhaltige Kontamination durch chemische Reaktion mit den Fluoratomen selektiv entfernt wird, ohne dass die darunter liegende Metallfluorid-Oberfläche in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der kalte, fluorhaltige Plasmastrahl nach einem geeigneten Bewegungsalgorithmus computergesteuert wenigstens solange über den zu reinigenden Bereich der kontaminierten Oberfläche geführt wird, bis in diesem Bereich die siliziumhaltige Kontamination vollständig entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oben genannten Kontaminationen aus Si, SiC, SiO_x oder SiO_xN_y oder Kombinationen daraus bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des optischen Elements aus einem der folgenden Materialien besteht: Actiniumfluorid (AcF₃), Wismutfluorid (BiF₃), Erbiumfluorid (ErF₃), Europiumfluorid (EuF₃), Gadoliniumfluorid (GdF₃), Holmiumfluorid (HoF₃), Kalium-Magnesium-Fluorid (KMgF₃), Kalziumfluorid (CaF₂), Lanthanfluorid (LaF₃), Magnesiumfluorid (MgF₂), Natrium-Yttrium-Fluorid (NaYF₃), Neodymfluorid (NdF₃), Samariumfluorid (SmF₃), Terbiumfluorid (TbF₃), Titanfluorid (TiF₃), Thuliumfluorid (TmF₃), Vanadiumfluorid (VF₃); Ytterbiumfluorid (YbF₃), Yttriumfluorid (YF₃).
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2 bestehend aus (i) einer Bearbeitungseinheit bestehend aus einer Plasmastrahlquelle zur Erzeugung eines kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls und einer steuerbaren Stellvorrichtung zur Aufnahme der genannten Plasmastrahlquelle (ii) einer Versorgungs- und Steuereinheit und (iii) einer flexiblen Verbindung zwischen der Bearbeitungseinheit und der Versorgungs- und Steuereinheit zur Zuführung der an der Bearbeitungseinheit benötigten Medien
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Plasmastrahlquelle zur Erzeugung des kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls eine mikrowellengetriebene Plasmastrahlquelle ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls kleiner als 80 °C ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des kalten, fluorhaltigen Plasmastrahls weniger als 1 mm beträgt.