DE102006036173B4

DE102006036173B4 - Verfahren zur Impulsenergieregelung von Gasentladungs-Strahlungsquellen

Info

Publication number: DE102006036173B4
Application number: DE200610036173
Authority: DE
Inventors: Dr. Kleinschmidt Jürgen
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: DE102006036173A1

Abstract

Verfahren zur Energieregelung von gepulst betriebenen, gasentladungsgepumpten Strahlungsquellen mit Anregung eines Arbeitsgases und Anwendung einer Hochspannungsaufladung, insbesondere von Excimerlasern, F2-Lasern und EUV-Strahlungsquellen, die im kontinuierlichen Betrieb eine quasi-stationäre Impulsfolge, einen sogenannten Burst, generieren, mit den Schritten: – Messen und Speichern der Impulsenergie von jedem einzelnen Impuls mindestens des aktuellen Burst, – Bestimmen einer Abweichung (σ) der gemessenen Impulsenergie (En) für jeden Impuls (n) gegenüber einem vorbestimmten Zielwert der Impulsenergie, der Ziel-Energie (E0), – Steuern der Impulsenergie (En) durch Einstellen der Ladespannung (Un) als Einflussgröße für den nächsten Impuls (n) mittels einer Proportionalregelung, bei der die Ladespannung (Un) für den nächsten Impuls (n) gegenüber der Ladespannung (Un-1) des Vorgängerimpulses (n – 1) dadurch geändert wird, dass die Abweichung eines gemessenen Energiewertes (En-i) wenigstens eines Vorgänger-Impulses (n – 1) im aktuellen Burst von der Ziel-Energie (E0) zum Anstieg (dE/dU) der E(U)-Kure bei der Arbeitsspannung ins Verhältnis gesetzt und mit...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impulsenergieregelung von gepulst betriebenen, gasentladungsgepumpten Strahlungsquellen mit Anregung eines Arbeitsgases durch Anwendung einer Hochspannungsaufladung, insbesondere von Excimerlasern, F₂-Lasern und EUV-Strahlungsquellen, die im kontinuierlichen Betrieb eine quasi-stationäre Impulsfolge, einen sogenannten Burst, generieren. Sie findet vorzugsweise in der Halbleiterlithographie Anwendung.
Bei den photolithographischen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips werden momentan neben speziellen Lampen vorwiegend schmalbandige Excimerlaser bei den Wellenlängen 248 nm und 193 nm als Strahlungsquellen eingesetzt. In der Entwicklung sind Strahlungsquellen auf der Basis eines F₂-Lasers (157 nm) und eines EUV-emittierenden Plasmas (um 13,5 nm), wobei letztere die aussichtsreichste Variante für die nächste Lithographiegeneration zu sein scheinen.
Allen lithographischen Verfahren ist gemeinsam, dass in einem so genannten Scanner eine Maske (mit der abzubildenden Struktur) verkleinert auf die Halbleiterscheibe (den Wafer) abgebildet wird.
Das übliche Belichtungsprinzip in den vorgenannten Scannern ist ein sogenanntes „Burstregime”, bei dem der Wafer (wegen der speziellen Herstellungsschritte eines Mikrochip) nicht kontinuierlich belichtet wird, sondern die Strahlungsquelle sequenziell definierte Folgen von Strahlungsimpulsen liefert. Eine solche Impulsfolge (Burst) enthält etwa 1000 Lichtimpulse. Nach jedem Burst erfolgt eine Pause, während der sich z. B. das Arbeitsgas innerhalb der Strahlungsquelle erholen kann. Nach dieser Burstpause liefert dann die Strahlungsquelle bei fester Arbeitsspannung im folgenden Burst für die ersten 10 bis 40 Impulse höhere Impulsenergien als für die restlichen Lichtimpulse. Dieses Verhalten wird als „Overshoot” (im Sinne einer „überdosierten” Belichtung) bezeichnet. Abhängig vom Gaszustand erreicht die Strahlungsquelle nach 10 bis 40 Impulsen einen quasi-stationären Zustand.
Unter bestimmten Bedingungen kann auch ein so genanntes „Undershoot”-Verhalten beobachtet werden. Dies tritt dann ein, wenn sich während der Burstpause die Anregungsbedingungen für die Emission der Lichtquelle verschlechtern. Die so entstehenden Dosisschwankungen beeinträchtigen den photolithographischen Prozess und sind deshalb unerwünscht. Die Dosis ist die Gesamtstrahlungsenergie, die in einen Belichtungsspalt („moving slit”) fällt. Weil sich dieser Spalt aber über das Belichtungsfeld (siehe 4) bewegt, ist eine hohe Dosisstabilität (definiert als σ_Dosis) nötig. Normalerweise ist dafür ausreichend, dass ein gleitender Mittelwert (moving average) über eine definierte Anzahl von (typisch ca. 100) Impulsen, die jeweils als wirksame Belichtungsdosis in den Belichtungsspalt fallen, konstant bleibt, wobei die Einzelimpulse durchaus unterschiedliche Impulsenergien aufweisen können. Diese Mindestvoraussetzung eines konstant gehaltenen gleitenden Mittelwerts gilt aber nur, wenn alle übrigen Bedingungen im Belichtungsstrahlengang ideal und konstant sind. Das kann jedoch insbesondere wegen vorhandener Abbildungsfehler von Linsen und Spiegeln, örtlichen Plasmafluktuationen usw. nicht garantiert werden.
Falls also die Impulsfolge sequenzielle Schwankungen der Energie der einzelnen Impulse aufweist, die sich zwar (bei gleitender Mittelung) über eine Folge von mehr als 50 Impulsen schon ausreichend kompensieren (d. h. zu einem konstanten gleitenden Mittelwert über ca. 100 Impulse führen), so kann es durch die fortschreitende Bewegung des Belichtungsspaltes trotzdem zu erheblichen Unterschieden in der örtlich auf den Wafer einfallen Belichtungsdosis kommen. Somit ist innerhalb jedes Burst der Strahlungsquelle auch eine hohe Puls-zu-Puls-Stabilität (gekennzeichnet durch kleine Werte der Standardabweichung σ) zu fordern.
Von den Chipherstellern wird deshalb bezüglich der Dosisstabilität (am Ort eines Wafers) eine eng begrenzte Standardabweichung σ der aktuellen Lichtimpulsenergie vom Mittelwert der Lichtimpulsenergie bzw. von einem Impulsenergie-Zielwert (Set-Energie) vorgegeben. In der EUV-Lithographie sind nur Abweichungen von σ < 0,4% zugelassen.
Diese Forderungen können ausschließlich durch eine Puls-zu-Puls-Energieregelung erfüllt werden, die für Pulsfolgefrequenzen im kHz-Bereich nur über eine schnelle Hochspannungsregelung der Ladespannung für die Gasentladung möglich ist.
In der Regelungstechnik werden sehr häufig sogenannte PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) zur Steuerung von schnellen Vorgängen verwendet. Etwas einfacher und in vielen Fällen stabiler ist die sogenannte PI-(Proportional-Integral-)Regelung.
Eine solche Energieregelung für Schmalband-Excimerlaser wird im US-Patent US 6,005,879 A wie folgt beschrieben. Für die ersten 10...40 Impulse im Burst wird im Steuerrechner eine „Lerntabelle” für die Ladespannung U abgespeichert. Diese Lerntabelle ergibt sich aus dem Verhalten der ersten Impulse der Vorgängerbursts und wird anhand des aktuellen Burst laufend aktualisiert. Dabei werden die in der Lerntabelle gespeicherten Spannungswerte in einer modifizierten PI-Regelung berücksichtigt.
In den Patenten US 5,440,578 A , US 5,450,436 A und US 5,586,134 A werden ebenfalls schnelle Impulsregelungen offenbart, jedoch zielen diese nicht so sehr auf die zyklische Verarbeitung von Messwerten ab, sondern mehr auf das Zusammenspiel der Regelung von Hochspannung und Gasversorgung zur Impulsenergiestabilisierung in Excimerlasern.
Zur Stabilisierung der Ausgangsimpulsenergien bzw. speziell der Dosis wird im Patent US 6,128,323 A für gepulst betriebene Lithographie-Lichtquellen eine Regelprozedur gemäß Gleichung (1) offenbart. E_n = E_n-1 + A(E₀ – E_n-1) + BδN (1) mit δN = E₀ – (1/N)Σ_iE_iN (i = 1...N ≤ n – 1)
Dabei entspricht die Gesamtstrahlungsenergie E = Σ_iE_i (i = 1...N) der Dosis, die auf dem Wafer 1 in einem Belichtungsspalt 2 der Fläche s × h (sog. „moving slit” mit Länge h und Breite s, vgl. 6) deponiert wird. E_i ist die Impulsenergie des i-ten Strahlungsimpulses und N die Zahl der Strahlungsimpulse, die in den Belichtungsspalt („moving slit”) fällt.
Wenn jeder Impuls die Ziel-Impulsenergie E₀ = DIN hätte, wäre die in den Belichtungsspalt einfallende Gesamtenergie Σ_i E_i = N·E₀ = D exakt gleich der erforderlichen Zieldosis D und schwankungsfrei (σ_Dosis = 0). Ein solcher Idealzustand wird jedoch mit der in o. g. US 6,128,323 A angegebener PI-Regelung nicht annähernd erreicht, da die rekursive Nachlaufregelung nicht auf die Konstanthaltung der Einzelimpulse ausgerichtet ist. Die tatsächliche Wirkungsweise des Regelungsverfahrens zeigt 3. Dabei wird das Minimum der Dosisstabilität σ_Dosis z. B. für einen Regelfaktor A ≈ 1...1,2 erreicht, während die Puls-zu-Puls-Stabilität σ ihr Minimum bereits überschritten hat und relativ zu ihrem Minimalwert A ≈ 0,5 um einen Faktor 1,4 bis 2,1 angestiegen ist.
Des Weiteren ist aus der DE 102 44 105 B3 bekannt geworden, eine einfache Proportionalregelung mit einem angepassten Regelungsfaktor zur Overshoot- oder Undershoot-Kompensation in einem Burst einer gepulst betriebenen Strahlungsquelle zu verwenden. Dabei wird die Impulsenergie dadurch stabilisiert, dass die für einen aktuellen Impuls einzustellende Impulsenergie im aktuellen Burst aus den Impulsenergien eines vorangegangenen Impulses im aktuellen Burst und eines gleichen Impulses eines älteren ungeregelten Vorgänger-Burst berechnet wird, und die einzustellende Ladespannung für den aktuellen Impuls aus der aktuell berechneten Impulsenergie durch Division mit dem Anstieg der E(U)-Kurve im linearen Arbeitsbereich der Strahlungsquelle errechnet wird. Dabei kann sowohl mit festem als auch mit variablen Regelungsfaktor gearbeitet werden, wobei zur Anpassung des Regelungsfaktors ausgehend von nichtkorrelierten Rauschgrößen, Spannungsschwankungen bei der Einstellung der Ladespannung sowie Messrauschen bei der Impulsenergiemessung, die Gleichung der Energie-Proportionalregelung mit quadratischen Fehlern des Spannungs- und Messrauschens modifiziert und die Standardabweichung der Impulsenergie von der Ziel-Energie minimiert wird, um den Regelungsfaktor adaptiv zu bestimmen.
Nachteilig ist dabei, dass für eine hinreichend gute Overshoot- oder Undershoot-Kompensation erhebliche Datenmengen gespeichert bereitgehalten werden müssen, um die erforderlichen gemittelten Fehlerquadrate der Impulsenergiewerte und der Rauschgrößen zur Verfügung zu haben. Dadurch erweist sich die an sich einfache Proportionalregelung als aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Stabilisierung der Strahlungsdosis einer gasentladungsgepumpten EUV-Strahlungsquelle zu finden, die bei minimaler Abweichung der Strahlungsdosis innerhalb jeder Strahlungsimpulsserie (Belichtungs-Burst) auch eine Minimierung der Abweichung der Einzelimpulsenergien von der Ziel-Impulsenergie gestattet, ohne das Prinzip der Proportionalregelung aufzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Energieregelung von gepulst betriebenen, gasentladungsgepumpten Strahlungsquellen mit Anregung eines Arbeitsgases und Anwendung einer Hochspannungsaufladung, insbesondere von Excimerlasern, F₂-Lasern und EUV-Strahlungsquellen, die im kontinuierlichen Betrieb eine quasi-stationäre Impulsfolge, einen sogenannten Burst, generieren, mit den Schritten:

– Messen und Speichern der Impulsenergie von jedem einzelnen Impuls mindestens des aktuellen Burst,
– Bestimmen einer Abweichung der gemessenen Impulsenergie für jeden Impuls gegenüber einem vorbestimmten Zielwert der Impulsenergie, der Ziel-Energie,
– Steuern der Impulsenergie durch Einstellen der Ladespannung als Einflussgröße für den nächsten Impuls mittels einer Proportionalregelung, bei der die Ladespannung für den nächsten Impuls gegenüber der Ladespannung des Vorgängerimpulses dadurch geändert wird, dass die Abweichung eines gemessenen Energiewertes wenigstens eines Vorgänger-Impulses im aktuellen Burst von der Ziel-Energie zum Anstieg der E(U)-Kurve bei der Arbeitsspannung ins Verhältnis gesetzt und mit einem anpassbaren Regelungsfaktor gewichtet wird,

_n

Vorteilhaft erfolgt die Regelung der Ladespannung durch eine Proportionalregelung ausschließlich auf Basis des vorherigen Impulses gemäß der Beziehung U_n = U_n-1 + a_n(E₀ – E_n-1)/dE/dU, a_n = 1/n. (3)
Zur weiteren Verbesserung der Puls-zu-Puls-Stabilität (σ → 0) und der Dosisstabilität (σ_Dosis → 0) werden die ersten Impulse eines Burst stets zur Regelung der nachfolgenden Impulse mit verwendet und zweckmäßig vor dem Austritt aus der Strahlungsquelle ausblendet.
Zur zusätzlichen Overshoot- oder Undershoot-Kompensation wird die Regelung der Ladespannung vorteilhaft durch eine Proportionalregelung der aktuell einzustellenden Impulsenergie in einem aktuellen Burst auf Basis der Impulsenergie eines vorangegangenen Impulses im aktuellen Burst und eines gleichen Impulses eines älteren Vorgänger-Burst berechnet, wobei als Vorgänger-Burst wenigstens ein ungeregelter Vorbildburst verwendet wird, der die gleichen Anregungsbedingungen wie der aktuelle Burst vorgefunden hat, wobei die Ladespannung für den aktuellen Impuls des aktuellen Bursts gemäß der Rekursionsformel U_n ^(p) = U_n-1 ^(p) + a_n(2E₀ – E_n ^(p-1) – E_n-1 ^(p))/dE/dU, a_n = 1/n (6) mit der angestrebten Ziel-Energie der Impulsenergie und den abgespeicherten Energiewerten eines ungeregelten Vorbildburst erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Proportionalregelung durch Berechnung der einzustellende Hochspannung für den aktuellen Impuls des aktuellen Burst unter Verwendung gemittelter Impulsenergiewerte gemäß der Gleichung U_n ^(p) = U_n-1 ^(p) + a_n(2E₀ – <E_n ^(p-1)> – E_n-1 ^(p))/dE/dU, a_n = 1/n, (6a) wobei für die zugehörigen Impulsenergien des Vorbildburst (p – 1) ein gemittelter Vorgänger-Burst genutzt wird, dessen Impulsenergiewerte <E_n ^(p-1)> durch Mittelung zugehöriger Energiewerte (E_n ^(p-1)) aus einer definierten Anzahl von ungeregelten Vorgänger-Bursts berechnet sind.
Zur weiteren Verbesserung der Puls-zu-Puls-Stabilität (σ → 0) und der Dosisstabilität (σ_Dosis → 0) werden die ersten Impulse eines Burst und des Vorgänger-Burst zweckmäßig für die Regelung der aktuellen Impulse verwendet und vor dem Austritt aus der Strahlungsquelle ausblendet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine hohe Stabilität der Strahlungsdosis einer gasentladungsgepumpten EUV-Strahlungsquelle zu erreichen, die bei minimaler Abweichung der Strahlungsdosis innerhalb jeder Strahlungsimpulsserie (Belichtungs-Burst) auch eine Minimierung der Abweichung der Einzelimpulsenergien von der Ziel-Impulsenergie gestattet, ohne das Prinzip der Proportionalregelung aufzugeben.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, Die Zeichnungen zeigen:
1: die Impulsenergie der ersten 100 Impulse (k = 1 bis 100) nach dem Einschalten der erfindungsgemäßen Regelung,
2a: einen ungeregelten Burst mit 20% anfänglichen Overshoot, der für die Regelung als sogenannter Vorbildburst dient,
2b: das errechnete Ergebnis für die Hochspannung eines geregelten Burst nach den Vorgaben eines Vorbildburst nach 2a,
3: die Abhängigkeiten der Abweichungen von Impulsenergie und Dosis bei einer Regelungsprozedur nach dem Stand der Technik (gemäß US 6,865,212 B2 ),
4: die Abhängigkeiten der Abweichungen von Impulsenergie und Dosis bei einer Regelungsprozedur nach dem Stand der Technik (gemäß US 5,608,429 A ),
5: die Abhängigkeiten der Abweichungen von Impulsenergie und Dosis bei einem Regelungsverfahren nach dem Stand der Technik (gemäß US 6,914,920 B2 ),
6: eine Darstellung der Belichtungsschemas in einem Scanner durch Belichtung des Wafers mittels eines bewegten Spaltes („moving slit”),
7: die Dosisstabilität bei Anwendung der erfindungsgemäßen Regelung,
8: das berechnete Ergebnis der Impulsenergie für eine Impulsfolge von 100 Impulsen auf Basis der erfindungsgemäßen Regelung eines Burst, bei dem ein 20%-iger Overshoot (gemäß 2a) vollkommen kompensiert ist.
Das erfindungsgemäße Regelverfahren ist dem Grunde nach eine Proportionalreglung, bei der jedoch der Regelfaktor nicht konstant ist. Die aktuelle Impulsenergie wird demgemäß wie folgt rekursiv ermittelt: E_n= E_n-1 + a_n(E₀ – E_n-1), a_n = 1/n (2)
Die Größe mit der die Impulsenergie geregelt wird, ist üblicherweise die Hochspannung U, bis zu der der Speicherkondensator des elektrischen Schaltkreises für die Gasentladung aufgeladen wird.
Ausgehend von der Rekursionsformel (2) kann die Spannung U_n für den n-ten Impuls aus der Spannung U_n-1 des (n-1)-ten Impulses vorausgesagt werden: U_n = U_n-1 + a_n(E₀ – E_n-1)/(dE/dU), a_n = 1/n (3)
Dabei ist dE/dU der Anstieg der sog. E(U)-Kurve (Abhängigkeit der Impulsenergie von der Ladespannung) bei der aktuellen Arbeitsspannung.
Nimmt man im ungeregelten Fall die Abweichung σ der Impulsenergie von der Ziel-Energie E₀ mit 5% an, so ergibt sich mit der vorgeschlagenen gewichteten Proportionalregelung für die Ladespannung U_n eine Abweichung σ ≈ 1%.
1 zeigt dazu die Ergebnisse für die Impulsenergie der ersten 100 Impulse (k = 1 bis k = 100) nach dem Einschalten der Regelung gemäß Gleichung (2) bzw. (3), wobei σ im ungeregelten Fall mit 5% angenommen wurde. Es ist zu erkennen, dass σ im geregelten Fall < 5% bleibt. In dem dargestellten Beispiel ist σ ≈ 1% (im Intervall von 100 Impulsen). Einen noch besseren Wert erhält man, wenn die ersten 2–3 Impulse zwar für die Regelungsberechnung verwendet, aber nicht zur Belichtung zugelassen werden, indem diese vor dem Austritt aus der Strahlungsquelle (z. B. mit einem schnellen Verschluss) ausgeblendet werden.
Die Dosisstabilität ergibt sich für diese Regelung in gleicher Weise vorteilhaft. Man erhält die Dosisabweichung als Δ_Dosis/Dosis ≈ σ/N, (4) die sich mit den vorliegenden Werten von 1 zu einer Dosisstabilität von σ_Dodis = 0,05% ergibt (vgl. dazu 7).
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel lässt sich die vorgeschlagene Proportionalregelung auch zur so genannten Overshoot- und Undershoot-Kompensation nutzten. Dazu wird die Gleichung (2) wie folgt umgeformt E_n ^(p) = E_n-1 ^(p) + a_n(2E0 – E_n ^(p-1) – E_n-1 ^(p)), a_n = 1/n (5) E_n ^(p) = E_n-1 ^(p) + a_n(2E₀ – <E_n ^(p-1)> – E_n-1 ^(p)), a_n = 1/n (5a) wobei Gleichung (5a) mit gemittelten Energiewerten <E_n ^(p-1)> arbeitet, die über mehrere ungeregelte Vorbildbursts jeweils für die einzelnen Impulse gemittelt und als ein gemittelter Vorbildburst gespeichert wurden.
2a zeigt zunächst die ungeregelte Emission einer gepulst betriebenen Gasentladungsstrahlungsquelle (z. B. Excimerlaser, EUV-Strahlungsquelle etc.) mit einem sog. Overshootvon 20% am Anfang einer Impulssequenz (Burst). Die Zielimpulsenergie E₀ wurde beispielhaft auf 10 ml gesetzt. Ein solcher Burst kann als Vorbildburst genutzt werden. Der in 1a dargestellte Burst mit den Energiewerten bzw. der gemittelte Burst <E_n ^(p-1)> (streng monotone Kurve in 2a) dient als Vorbildburst. Die Energiewerte E_n ^(p-1) bzw. <E_n ^(p-1)> werden abgespeichert und dienen nach Eingabe in die Formeln (6 bzw. 6a) zur Berechnung die entsprechende Hochspannung U_n ^(p) für den n-ten Impuls im Burst p. U_n ^(p) = U_n-1 ^(p) + a_n[(2E₀ – E_n ^(p-1)) – E_n-1 ^(p)]/dE/dU, a_n = 1/n (6) U_n ^(p) = U_n-1 ^(p) + a_n[(2E₀ – <E_n ^(p-1)>) – <E_n-1 ^(p)>]/dE/dU, a_n = 1/n (6a)
In den Gleichungen (6) und (6a) ist dE/dU der Anstieg der sog. E(U)-Kurve bei der aktuellen Arbeitsspannung.
2b zeigt die gemäß Formel (6) berechnete Hochspannung U_n ^(p), die die Ladespannung für die ersten Gasentladungen absenkt und somit die Impulsenergien der ersten Entladungen besser an die Zielenergie E₀ annähert.
Zur Verdeutlichung der Unterschiede zum Stand der Technik ist in 3 eine Simulation einer Regelung gemäß US 6,128,323 A entsprechend der Rekursionsformel (1) gezeigt. Die Abhängigkeit von σ_Dosis und σ von A wurde in 3 für einen festen Wert B = 0,5 simuliert.
Daraus ergeben sich folgende Erkenntnisse:

– Das Minimum von σ_Dosis ergibt sich für A ≈ 1;
– die Optimierung von σ_Dosis ist verbunden mit einer Verschlechterung von σ.

Entsprechende Ergebnisse sind auch bei der Impulssteuerung von Excimerlasern und EUV-Gasentladungsquellen experimentell nachgewiesen worden.
Ein Regelalgorithmus nach US 5,608,429 korrigiert die Abweichung des Vorgängerimpulses durch den nachfolgenden Impuls, wie 4 zeigt. Dabei gilt:

– Abweichung von E₀ ist für den 1. Impuls +Δ₁
– Regelung für den 2. Impuls ist so eingestellt, dass die Abweichung von E₀ gleich –Δ₁ wird.
– für den 3. Impuls ist die Abweichung +Δ₃,
– der 4. Impuls wird auf eine Abweichung –Δ₃ geregelt usw. usf.

Wäre die Anzahl N der Impulse z. B. eine gerade Zahl, so würde der Dosiswert genau erreicht werden. Ist N eine ungerade Zahl, so kann der N-te Impuls nicht mehr durch einen weiteren Impuls korrigiert werden und der relative Fehler ist dann: σ_Dosis ≈ Δ_Dosis/Dosis = Δ_NDosis = ΔN/(N·E₀) ≈ σ/N (8)
Δ_N ist die Abweichung der Energie des N-ten Impulses von E₀. Die Abweichung der Dosis (bei N Impulsen) ist mit: σ_Dosis ≈ σ/√N (9) also immerhin viel kleiner als im ungeregelten Fall.
Unberücksichtig bleibt bei der Korrektur gemäß 4 jedoch, dass diese nur dann korrekt ist, wenn die Energie des (n – 1)-ten Impulses (Vorgängerimpuls) ohne Fehler gemessen und der Energiewert des n-ten Impulses (z. B. mittels der Hochspannung) beliebig genau eingestellt werden kann. Das ist aber regelmäßig nicht der Fall.
Um solche Messfehler und Einstellfehler zu berücksichtigen, wurde in einem Regelverfahren gemäß US 6,914,920 B2 bereits die folgende Rekursionsformel angegeben: E_n = (E_n-1 + m_n-1) + A[(E₀+ r_n) – (E_n-1 + m_n-1)], (10) wobei m_n bzw. r_n zufällige Rauschamplituden (+, –) infolge Ungenauigkeiten bei der Messung der Impulsenergie E_n-1 bzw. bei der Einstellung der aktuellen Impulsenergie auf die Zielenergie E₀ sind. Der Regelfaktor A wird dann so bestimmt, dass der mittlere quadratische Fehler σ_n ² <(E_n – E₀)²> ein Minimum wird (∂σ_n ²/∂_a = 0).
Dazu zeigt 5 ein Beispiel für den Fall statistisch gleicher Rauschamplituden für Mess- und Einstellrauschen von effektiv 10%. Auch aus 5 ist erkennbar, dass bei optimaler Standardabweichung σ_Dosis eine Verschlechterung der Puls-zu-Puls-Stabilität eintritt.
Allen bekannten Regelungen (3 bis 5) ist gemeinsam, dass die σ-Werte (Abweichungen der Impulsenergien der einzelnen Impulse) bei einem auf die Dosisstabilität optimierten Regelfaktor A (d. h. σ_Dosis = Minimum) wieder anwachsen. Das ist aber für einen Belichtungsprozess in der Halbleiter-Chipherstellung nicht tolerierbar, wie aus dem Prinzip eines Scanners bei der Belichtung eines Wafers erkennbar wird.
Die Belichtung in einem Scanner für den photolithographischen Prozess funktioniert in einer Weise, wie sie schematisch in 6 dargestellt ist.
Auf einen Wafer 1, der in einzelnen Belichtungsfeldern 11 (sog. „dies”) elektronische Strukturen aufgeprägt bekommt, wird das Licht der Strahlungsquelle gebündelt als schmaler Belichtungsspalt 2 eingestrahlt. In den Belichtungsspalt 2 der Fläche s × h fällt – abhängig von Waferdurchsatz [engt. Throughput] und Resistempfindlichkeit – eine bestimmte Anzahl N von Strahlungsimpulsen (typisch: N ≈ 100). Dieser Belichtungsspalt 2 („moving slit”) bewegt sich mit der Geschwindigkeit v, die ebenfalls abhängig von Durchsatz und Resistempfindlichkeit ist, über das Belichtungsfeld 11 mit der Fläche h × w. Die in den Belichtungsspalt 2 fallende Gesamtenergie der N Strahlungsimpulse ist die Dosis, die über das ganze Feld hinweg so konstant wie möglich sein sollte. Die Schwankungen der Dosis werden durch σ_Dosis dargestellt.
Aber infolge des ständigen Verfahrprozesses entlang der Länge s des Belichtungsfeldes 11 spielen auch die Fluktuationen der einzelnen Impulse eine Rolle. Diese werden durch σ charakterisiert.
Aus diesem Grunde wird gemäß der Erfindung, wie bereits oben zu 1 erklärt, ein Proportionalregelverfahren angewendet, das mit einem nicht konstanten Regelungsfaktor a_n = 1/n, der von der Impulsnummer abhängig ist, arbeitet.
Die dabei erzielten Ergebnisse bei Verwendung der Regelung gemäß Gleichung (2) bzw. (3) zeigen, dass die Abweichung σ im geregelten Fall deutlich unter 5%, in dem in 1 dargestellten Beispiel sogar nur bei 1% bleibt.
Zusätzlich zeigt 7 die Dosisstabilität für die der impulsnummernabhängigen Proportionalregelung gemäß der Erfindung. Man erhält für die Abweichung der Dosis: Δ_Dosis/Dosis ≈ σ/N. (11)
Die Dosisstabilität ist im vorliegenden Fall σ_Dosis = 0,05%.
Im Ergebnis erhält man mit der Erfindung neben einer hohen Dosisstabilität also auch eine sehr gute Puls-zu-Puls-Stabilität σ.
Es sei angemerkt, dass die Anwendung der Erfindung zur so genannten Overshoot- bzw. Undershoot-Kompensation, wie bereits oben zu 2a und 2b beschrieben, durch Verwendung der Gleichungen (5) oder (5a) ebenfalls hervorragende Ergebnisse erzielt. 8 zeigt dazu die nach der erfindungsgemäßen Overshoot-Kompensation berechnete Impulsfolge von 100 Impulsen in einem Burst mit 20%-igen Overshoot am Burstanfang. Es ist deutlich erkennbar, dass der Overshoot von 20% vollständig kompensiert werden kann. Auch hierbei ist festzustellen, dass bei Ausblendung der ersten beiden Impulse eine weitere Verbesserung erzielt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Wafer
11: Belichtungsfeld
2: Belichtungsspalt
h: Länge des Belichtungsspaltes, Breite des Belichtungsfeldes
s: Breite des Belichtungsspaltes
v: Geschwindigkeit des Belichtungsspaltes
w: Länge des Belichtungsfeldes
E₀: Zielenergie (der Impulsenergie aller Impulse in einem Burst)

Claims

Verfahren zur Energieregelung von gepulst betriebenen, gasentladungsgepumpten Strahlungsquellen mit Anregung eines Arbeitsgases und Anwendung einer Hochspannungsaufladung, insbesondere von Excimerlasern, F₂-Lasern und EUV-Strahlungsquellen, die im kontinuierlichen Betrieb eine quasi-stationäre Impulsfolge, einen sogenannten Burst, generieren, mit den Schritten: – Messen und Speichern der Impulsenergie von jedem einzelnen Impuls mindestens des aktuellen Burst, – Bestimmen einer Abweichung (σ) der gemessenen Impulsenergie (E_n) für jeden Impuls (n) gegenüber einem vorbestimmten Zielwert der Impulsenergie, der Ziel-Energie (E₀), – Steuern der Impulsenergie (E_n) durch Einstellen der Ladespannung (U_n) als Einflussgröße für den nächsten Impuls (n) mittels einer Proportionalregelung, bei der die Ladespannung (U_n) für den nächsten Impuls (n) gegenüber der Ladespannung (U_n-1) des Vorgängerimpulses (n – 1) dadurch geändert wird, dass die Abweichung eines gemessenen Energiewertes (E_n-i) wenigstens eines Vorgänger-Impulses (n – 1) im aktuellen Burst von der Ziel-Energie (E₀) zum Anstieg (dE/dU) der E(U)-Kure bei der Arbeitsspannung ins Verhältnis gesetzt und mit einem anpassbaren Regelungsfaktor (a) gewichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – Messwerte von mindestens der Ladespannung als eine Einflussgröße auf die Impulsenergie für jeden einzelnen Impuls aufgenommen und gespeichert werden, und – die Impulsenergie (E_n) durch Verwendung von wenigstens der Ladespannung (U_n) als Einflussgröße für den jeweils nächsten Impuls (n) mit einer solchen Proportionalregelung gesteuert wird, bei der das besagte Verhältnis der Abweichung des aktuell gemessenen Energiewertes (E_n-i) von der Ziel-Energie (E₀) zum Anstieg (dE/dU) der E(U)-Kure mit einem direkt von der Impulsnummer (n) abhängigen Regelungsfaktor a_n = 1/n gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ladespannung (U_n) durch eine Proportionalregelung ausschließlich auf Basis des vorherigen Impulses (n – 1) gemäß der Beziehung U_n-1 + a_n(E₀ – E_n-1)/dE/dU, a_n = 1/n erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verbesserung der Puls-zu-Puls-Stabilität (σ) und der Dosisstabilität (σ_Dosis) die ersten Impulse des Burst ausschließlich zur Regelung der nachfolgenden Impulse verwendet und vor dem Austritt aus der Strahlungsquelle ausblendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ladespannung (U_n) durch eine Proportionalregelung der aktuell einzustellenden Impulsenergie (E_n ⁽ ^p ⁾) in einem aktuellen Burst (p) auf Basis der Impulsenergie (E_n-1 ^(p)) eines vorangegangenen Impulses (n – 1) im aktuellen Burst (p) und eines gleichen Impulses (E_n ^(p-1)) eines älteren Vorgänger-Burst (p – 1) berechnet wird, wobei als Vorgänger-Burst (p – 1) wenigstens ein ungeregelter Vorbildburst verwendet wird, der die gleichen Anregungsbedingungen wie der aktuelle Burst (p) vorgefunden hat, wobei die Ladespannung (U_n ^(p)) für den aktuellen Impuls (n) des aktuellen Bursts (p) gemäß der Gleichung U_n ^(p) = U_n-1 ^(p) + a_n(2E₀ – E_n ^(p-1) – E_n-1 ^(p))/dE/dU, an = 1/n mit der angestrebten Ziel-Energie (E₀) der Impulsenergie und den abgespeicherten Energiewerten (E_n ^(p-1) eines ungeregelten Vorbildburst (p – 1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalregelung durch Berechnung der einzustellende Hochspannung U_n ^(p) für den aktuellen Impuls (n) des aktuellen Burst (p) unter Verwendung gemittelter Impulsenergiewerte (<E_n ^(p-1)>) gemäß der Gleichung U_n(p) = U_n-1 ^(p) + a_n(2E₀ – <E_n ^(p-1)> – E_n-1 ^(p)/dE/dU a_n = 1/n erfolgt, wobei für die zugehörigen Impulsenergien des Vorbildburst (p–1) ein gemittelter Vorgänger-Burst genutzt wird, dessen Impulsenergiewerte <E_n ^(p-1)> durch Mittelung zugehöriger Energiewerte (E_n ^(p-1)) aus einer definierten Anzahl von ungeregelten Vorgänger-Bursts berechnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verbesserung der Puls-zu-Puls-Stabilität (σ) und der Dosisstabilität (σ_Dosis) die ersten Impulse eines Burst (p) und des Vorgänger-Burst (p – 1) ausschließlich für die Regelung der aktuellen Impulse verwendet und vor dem Austritt aus der Strahlungsquelle ausblendet werden.