DE102008031650A1

DE102008031650A1 - Anordnung zur Debrisunterdrückung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung

Info

Publication number: DE102008031650A1
Application number: DE102008031650A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Ziener; Guido Dr. Hergenhan
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-07-05
Also published as: DE102008031650B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Debrisfilteranordnung einer plasmabasierten Strahlungsquelle zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Realisierung einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit effektiver Debrisunterdrückung bei einem verminderten Vakuumdruck für die Plasmaerzeugung von <= 1 Pa zu finden, die bei Einhaltung des begrenzten Raumangebots zwischen Plasma und Kollektoroptik eine geringe Strahlungsschwächung und einen vertretbaren Aufwand zur Vakuumerzeugung gewährleistet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Vakuumkammer (2) durch eine Puffergassektion (23) zur Erzeugung einer definierten Puffergasschicht zwischen zwei mechanischen Filterstrukturen (42, 43) in eine Plasmasektion (21) zur Plasmaerzeugung und eine Kollektorsektion (22) zum Fokussieren des divergenten Strahlungskegels (13) aus dem Plasma (1) unterteilt ist, wobei wenigstens eine Zwischensektion (24; 25) zwischen der Plasmasektion (21) und der Puffergassektion (23) angeordnet ist, die ebenfalls von zwei Filterstrukturen (41, 42) begrenzt ist, die einzelnen Sektionen (21, 22, 23, 24, 25) der Vakuumkammer (2) jeweils nur durch eine Filterstruktur (41, 42, 43, 44) zur Erzeugung eines Strömungswiderstandes voneinander getrennt sind und außen der Puffergassektion (23) jeweils eine separate Vakuumpumpe (31, 32, 33, 34) aufweisen, so dass zwischen der Puffergassektion (23) und mindestens der Plasmasektion (21) ein Druckgefälle von wenigstens ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Debrisunterdrückung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, bei der in einer Vakuumkammer zwischen einem Plasma und einer Kollektoroptik mechanische Filterstrukturen zur adhäsiven Aufnahme von Debris und zwischen zwei in Strahlungsrichtung räumlich nacheinander angeordneten Filterstrukturen eine definierte Puffergasschicht zur Stoßabbremsung des Debris ein quasi-statisches Druckniveau aufweist, wobei für das durch die Filterstrukturen in die Vakuumkammer austretende Puffergas ein an der Vakuumkammer vorhandenes Vakuumpumpsystem vorgesehen ist und eine Gaszuführung für den ständigen Puffergasersatz zwischen den Filterstrukturen angeordnet ist, wobei für das durch die Filterstrukturen in die Vakuumkammer austretende Puffergas ein an der Vakuumkammer vorhandenes Vakuumpumpsystem vorgesehen ist und eine Gaszuführung für den ständigen Puffergasersatz zwischen den Filterstrukturen angeordnet ist.
Die Erfindung findet vorzugsweise in Strahlungsquellen für die Halbleiterlithographie Anwendung, bei denen ein besonders niedriger Vakuumdruck für die Erzeugung des Strahlung emittierenden Plasmas erforderlich ist.
Aus einem Plasma zur EUV-Erzeugung werden neben der gewünschten Strahlung auch energiereiche Teilchen (Atome, Ionen und Elektronen mit kinetischer und potentieller Energie im Bereich von mehreren Kiloelektronenvolt emittiert. Diese begrenzen durch Materialabtrag (Sputtern) die Lebensdauer der Optiken, insbesondere der Kollektoroptik. Weiterhin entstehen Metalldämpfe und Metalltröpfchen aus Emitter- und Elektrodenmaterial, die sich durch Kondensation auf der Kollektoroptik ablagern und ebenfalls die Lebensdauer der Optik herabsetzen. Alle diese unerwünschten Teilchen, die bei der Erzeugung des Plasmas entstehen, werden als Debris bezeichnet.
Die aus dem Plasma emittierten schnellen Debristeilchen (Atome und Ionen) können einerseits durch mechanische Debrisfilterstrukturen (Lamellenfilter, so genanntes Foil Trap; siehe z. B. US 7,034,308 B2 ; US 2006/151717 A1 ; US 2005/077483 A1 ; EP 1 274 287 B1 ) abgefangen werden, wobei diese besonders effektiv auch als rotierende Lamellenstruktur, wie z. B. gemäß US 7,057,190 B2 als Doppellamellenfilter beschrieben, zum Einsatz kommen.
Andererseits können Debristeilchen durch Teilchenströme, wie z. B. gemäß DE 102 15 469 A1 in Form eines lateral zur Strahlungsrichtung geführten Gasvorhangs oder gemäß EP 1 223 468 A1 in Form einer gegen die Strahlungsausbreitung gerichteten Gasströmung und Feldwirkung, abgebremst oder abgelenkt werden.
Zur Verbesserung des Kollektorschutzes wird in der US 7,061,574 B2 eine Kombination aus einem lateral zur Strahlungsrichtung orientierten Teilchenstrom und einem Lamellenfilter beschrieben, wobei der Teilchenstrom aus Nanopartikeln (vorzugsweise um 10 nm) besteht, die fest oder flüssig als Aerosole in den Strahlengang eingebracht werden, um die Debrispartikel aufzufangen, ohne die Transmission der EUV-Strahlung zu stark zu verringern. Partikel geeigneter Größe können auch in Form von Nebel aus einigen tausend Gasmolekülen (Inertgas) erzeugt werden.
In der DE 10 2005 020521 A1 ist offenbart worden, einen Puffergasstrom innerhalb mechanischer Debrisfilterstrukturen (Lamellen- oder Röhrenstruktur) einzuleiten und durch diese räumlich zu begrenzen, indem die Filterstrukturen neben ihrer adhäsiven Filterfunktion einen Strömungswiderstand für das Puffergas erzeugen, so dass innerhalb der räumlich begrenzten Filterstruktur ein deutlich höherer Gasdruck (d. h. eine wesentlich höhere Dichte der Gasteilchen) als außerhalb erzielt wird. Das Puffergas, das aus dem Debrisfilter mit einer definierten konstanten Leckrate austritt, wird danach durch leistungsstarke Vakuumpumpen außerhalb der Filterstrukturen abgesaugt, so dass in der umgebenden Vakuumkammer ein quasi-statischer niedriger Vakuumdruck (z. B. 10–20 Pa) aufrecht erhalten werden kann, wodurch die Absorptionswirkung auf das Debris durch Stoßprozesse mit dem Puffergas erhöht und die Extinktion der EUV-Strahlung durch das Puffergas auf eine definierte Volumenschicht innerhalb der Filterstruktur begrenzt (minimal) bleibt.
Das Problem bei den oben genannten puffergasdurchströmten Debrisfilterstrukturen besteht aber darin, dass sie eine nicht unerhebliche Baulänge benötigen und in der Regel für Vakuumdrücke um 1 Pa eine zu hohe Gaslast in der Vakuumkammer erzeugen, da die Saugleistungen der einsetzbaren Vakuumpumpen begrenzt sind.
Der Grund für die Forderung nach Absenkung des Druckes in der Umgebung des Plasmas ist, dass Z-Pinch-Quellen bei Umgebungsgasdrücken von ca. 20 Pa zwar funktionieren, deren Konversionseffizienz aber mit sinkendem Puffergasdruck steigt.
Messungen haben ergeben, dass bei Absenkung des Puffergasdruckes im Pinchgebiet von ≈ 20 Pa auf ≈ 2 Pa die Konversionseffizienz um etwa eine Größenordnung (eine Zehnerpotenz) gesteigert werden kann. Das hängt ursächlich mit der Druckabhängigkeit von spontanen elektrischen Durchbrüchen in Gasen im typischerweise verwendeten Druckbereich (1 Pa...30 Pa) zusammen. Gemäß dem Paschengesetz nimmt die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Durchbruch mit steigendem Druck zu. Dadurch entstehen z. B. verteilt über die ganze Elektrodenoberfläche so genannte Parasitärentladungen. Die dafür verbrauchte elektrische Leistung steht dann dem eigentlichen Plasma-Pinch – und damit der EUV-Erzeugung – nicht mehr zur Verfügung. Es sollte also in der Nähe des Pinchgebietes der Gasdruck so niedrig wie möglich gehalten werden und im Gebiet zwischen dem Pinch und der Kollektoroptik eine möglichst hohe Puffergasdichte zur effektiven Debrisreduktion einzustellen.
Für den benötigten Schutz der Kollektoroptik entstehen dadurch Probleme, dass infolge des geringen Abstandes zwischen Plasma und Kollektor nur sehr beschränkte räumliche Möglichkeiten für die Unterbringung der mechanischen Filterstrukturen und einer Puffergaseinleitung und -absaugung vorhanden sind. Vergrößert man bei einem aus dem nahezu punktförmigen Plasma im Raumwinkel von π emittierten Strahlungskegel den Abstand der Kollektoroptik um nur wenige Zentimeter, steigen die Flächenmaße der Kollektorspiegelschalen gleich um mehrere Größenordnungen.
Des Weiteren ist die Saugleistung der einsetzbaren (kostengünstigen) Vakuumpumpen begrenzt. Dabei führt die Hinzufügung je einer zusätzlichen (gleichgroßen) Vakuumpumpe in der Regel zwar zur Absenkung des Druckniveaus um den Faktor 0,1 innerhalb der die Debisfilterstruktur umgebenden Vakuumkammer(n), gestattet jedoch nur mit erheblichem Mehraufwand (wesentlich leistungsfähigere Vakuumpumpen oder Mehrfachanordnung herkömmlicher Vakuumpumpen) eine Druckabsenkung unter 1 Pa, was zugleich den gewünschten hohen Druckaufbau innerhalb der Filterstruktur signifikant behindert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Realisierung einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit effektiver Debrisunterdrückung bei einem verminderten Vakuumdruck für die Plasmaerzeugung von ≤ 1 Pa zu finden, die bei Kombination von mechanischen Filterstrukturen und Puffergasabbremsung des Debris die Einhaltung des begrenzten Raumangebots zwischen dem Plasma und der Kollektoroptik, eine geringe Strahlungsschwächung und einen vertretbaren Aufwand zur Vakuumerzeugung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Debrisunterdrückung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, bei der in einer Vakuumkammer der Strahlungsquelle zwischen einem Plasma und einer Kollektoroptik mechanische Filterstrukturen zur adhäsiven Aufnahme von Debris und zwischen zwei in Strahlungsrichtung räumlich nacheinander angeordneten Filterstrukturen eine definierte Puffergasschicht zur Stoßabbremsung des Debris ein quasi-statisches Druckniveau aufweist, wobei für das durch die Filterstrukturen in die Vakuumkammer austretende Puffergas ein an der Vakuumkammer vorhandenes Vakuumpumpsystem vorgesehen ist und eine Gaszuführung für den ständigen Puffergasersatz zwischen den Filterstrukturen angeordnet ist, dadurch gelöst, dass die Vakuumkammer durch eine Puffergassektion, die für die definierte Puffergasschicht durch zwei mechanische Filterstrukturen begrenzt ist, in eine Plasmasektion zur Plasmaerzeugung und eine Kollektorsektion zum Fokussieren eines divergent aus dem Plasma austretenden Strahlungskegels unterteilt ist, dass wenigstens eine Zwischensektion zwischen der Plasmasektion und der Puffergassektion angeordnet ist, wobei die Zwischensektion ebenfalls von zwei Filterstrukturen begrenzt ist, dass die einzelnen Sektionen der Vakuumkammer jeweils nur durch eine Filterstruktur zur Erzeugung eines Strömungswiderstandes voneinander getrennt sind, und dass jede Sektion außer der Puffergassektion eine separate Vakuumpumpe aufweist, so dass zwischen der Puffergassektion und mindestens der Plasmasektion ein Druckgefälle von wenigstens zwei Größenordnungen einstellbar ist, um den Vakuumdruck am Ort des Plasmas auf 1 Pa oder weniger absenken zu können.
Vorteilhaft ist zwischen der Puffergassektion und der Plasmasektion sowie der Kollektorsektion der Vakuumkammer jeweils eine Zwischensektion angeordnet, um in der Plasmasektion und der Kollektorsektion einen Vakuumdruck von ≤ 1 Pa einzustellen.
Die lateralen Dimensionen der Puffergassektion und der mindestens einen Zwischensektion sind zweckmäßig auf die lateralen Dimensionen der Filterstrukturen beschränkt, wobei die Plasmasektion und die Kollektorsektion durch eine Zwischenwand getrennt sind.
Vorzugsweise sind die Zwischensektionen von der Puffergassektion ausgehend zu beiden Seiten entlang der optischen Achse der Strahlungsquelle in gleicher Anzahl vorhanden, so dass die Debrisfilteranordnung ein symmetrisches Gebilde bezüglich der eingestellten Druckgefälle innerhalb des freigelassenen Strahlungskegels der Strahlungsquelle darstellt.
Bei einem Aufbau der Debrisfiltersanordnung mit symmetrischem Druckgefälle können die Puffergassektion und die mindestens zwei Zwischensektionen auf die lateralen Dimensionen der Filterstrukturen beschränkt sein, wobei die Zwischensektionen von der Puffergassektion ausgehend zu beiden Seiten in gleicher Anzahl angeordnet sind und die Plasmasektion und die Kollektorsektion das gleiche Druckniveau aufweisen.
Dabei können die Plasmasektion und die Kollektorsektion als einheitliche Vakuumkammer an das Vakuumpumpsystem der Strahlungsquelle angeschlossen sein.
Zur Begrenzung der einzelnen Sektionen der Vakuumkammer sind die Filterstrukturen vorzugsweise als ebene Lamellenfilter ausgeführt.
Zumindest plasmaferne Filterstrukturen können aber auch als ebene Röhrenfilter ausgeführt sein.
Die Filterstrukturen sind zweckmäßig als domförmig gewölbte Lamellenfilter ausgeführt und weisen zumindest als plasmaferne Filterstrukturen mit großem Durchmesser zusätzliche kegelförmige Stützringe auf.
Es erweist sich als Vorteil, wenn mindestens eine der plasmanahen Filterstrukturen um die optische Achse der von der Kollektoroptik gebündelten Strahlung rotierend ausgeführt ist.
Die Puffergassektion weist in Abhängigkeit von der Dicke der Puffergasschicht in Strahlungsausbreitungsrichtung zwischen den begrenzenden Filterstrukturen ein solches Druckniveau auf, dass ein Gasdruck-Weg-Produkt von > 2 Pa·m eingestellt ist.
Das in die Puffergassektion eingeleitete Puffergas ist vorzugsweise ein Inertgas.
Zweckmäßig wird als Puffergas ein Gas oder Gasgemisch aus der Gruppe Stickstoff, Helium, Neon, Argon und Krypton verwendet.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass die bekannte Kombination von mechanischen Lamellenfiltern mit einem Gasvorhang (Gasschicht definierter Dicke als Stoßvolumen für schnelle Debristeilchen mit Puffergasteilchen) eine zuverlässige Debrisunterdrückung erreicht, jedoch für geforderte Vakuumdrücke von 1 Pa (oder weniger) wegen der ins Vakuum eingebrachten Gaslast problematisch ist. Die Erzeugung eines solchen Hochvakuumniveaus bei einer relativ großen aus der Filterstruktur ausströmenden Gasmenge erfordert einen erheblich höheren Aufwand an Vakuumpumpleistung und macht zugleich die Erzeugung einer ausreichend hohen Puffergasdichte innerhalb der Filterstruktur nahezu unmöglich.
Die Erfindung löst das Problem dieser widerstreitenden Anforderungen, indem die Vakuumkammer in Sektionen mit unterschiedlichem Druckniveau unterteilt wird, von denen mindestens die Plasmasektion den für die Plasmaerzeugung erforderlichen Vakuumdruck von ≤ 1 Pa aufweist. In einer Puffergassektion, die zwischen der Plasmasektion und einer Kollektorsektion angeordnet ist, wird das Puffergas unter einem definiert höheren Druck gehalten, der je nach Gasart und Länge der Puffergassektion in Richtung der Strahlungsausbreitung so eingestellt ist, dass schnelle Debristeilchen thermalisiert (abgebremst) werden.
Bei Nutzung von Ar als Puffergas mit einem Gasdruck von 100 Pa werden z. B. Xe- bzw. Sn-Ionen von 10 keV entlang einer Wegstrecke von 18 mm auf < 50 eV abgebremst. Entscheidend für das Bremsvermögen und spezifisch für die jeweilige Gasart ist das Produkt aus Gasdruck und Weglänge (p × L).
Wenigstens zwischen der Puffergassektion und der Plasmasektion, aber vorteilhaft auch zwischen der Puffergassektion und der Kollektorsektion, ist eine Zwischensektion angeordnet, die separat evakuiert wird, um hier bereits den wesentlichen Teil des aus der Puffergassektion ausströmenden Puffergases zu eliminieren und den Gasdruck um eine Größenordnung (Zehnerpotenz) abzusenken.
Zwischen den die Vakuumkammer unterteilenden Sektionen sind keine vollständigen Trennwände, sondern lediglich strömungstechnische Barrieren vorhanden, die in Form von herkömmlichen Lamellen- oder Röhrenfilterstrukturen (sog. „Foil Traps” mit den bekannten axialsymmetrisch ausgerichteten Strukturen) großflächig eine hohe geometrische Transmission der vom Plasma emittierten Strahlung zulassen. Jede der einzelnen Sektionen ist mit einer definiert angepassten Pumpeinrichtung zur Erzielung unterschiedlicher Partialdrücke für die Herstellung eines hinreichend großen Druckgefälles der Puffergassektion gegenüber der Plasmasektion und/oder Kollektorsektion versehen.
Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem nächstliegenden Stand der Technik liegt darin, dass gemäß DE 10 2005 020 521 A1 zwischen dem Puffergas im Innern eines Lamellenfilters und der umgebenden Vakuumkammer typischerweise ein Druckunterschied von einer Größenordnung erzielt wird, wobei der erreichbare quasi-statische Enddruck in der Vakuumkammer indirekt proportional zur verfügbaren Pumpleistung ist. D. h. eine Verdopplung (Verdreifachung) der Pumpleistung durch Verwendung von zwei (drei) gleichen Pumpen führt zu einer Halbierung (Drittelung) des Enddruckes gegenüber dem mit nur einer Pumpe erreichbaren Enddruck.
Durch die erfindungsgemäße Debrisfilteranordnung mit einer zwischen Puffergassektion und Plasmasektion angeordneten Druckminderungssektion, die jeweils durch Filterstrukturen von diesen getrennt ist und durch eine (zur Plasmasektion gleichgroßen) Pumpe evakuiert wird, verringert sich das erreichbare Druckgefälle mit jeder zwischen Puffergassektion und Plasmasektion vorhandenen Filterstruktur um eine Größenordnung (eine Zehnerpotenz).
Das mit der Erfindung realisierbare Gesamtdruckgefälle zwischen Puffergassektion und Plasmasektion mit nur einer zwischengeschalteten druckmindernden Zwischensektion beträgt zwei Größenordnungen, wobei lediglich zwei Vakuumpumpen gleicher Pumpleistung in der Plasmasektion und der Zwischensektion zum Einsatz kommen.
Um denselben Druckunterschied zwischen Puffergassektion und Plasmasektion unter Verwendung nur einer mechanischen Filterstruktur (gemäß DE 10 2005 020 521 A1 ) zu erreichen, wäre eine Verzehnfachung der Pumpleistung in der Plasmasektion erforderlich, d. h. es müssten zehn gleiche Pumpen im Gegensatz zur Erfindung mit lediglich zwei gleichen Pumpen eingesetzt werden.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine plasmabasierte Strahlungsquelle mit effektiver Debrisunterdrückung auch bei einem verminderten Vakuumdruck (zwischen 0,1 Pa und 1 Pa) für die Plasmaerzeugung zu realisieren. Dies wird erreicht durch eine Kombination aus mechanischen Filterstrukturen mit kurzen Wirkungslängen und evakuierbaren Zwischensektionen, die bei kurzen Abständen zwischen den Filterstrukturen ein steiles Druckgefälle einstellen, so dass sowohl die begrenzten Abstandsbedingungen zwischen dem Plasma und der Kollektoroptik eingehalten als auch effektive Abbremswirkungen von Debristeilchen bei minimaler Strahlungsschwächung erreicht werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Debrisfilteranordnung mit unterschiedlichen Sektionen der Vakuumkammer, die lediglich durch Filterstrukturen als Strömungswiderstände voneinander getrennt sind und ein steiles Druckgefälle von der Puffergassektion zur Plasmasektion und zur Kollektorsektion ermöglichen,
2: eine Variante einem ebenen und drei gewölbten Filterstrukturen, wobei die Puffergassektion und Zwischensektionen auf die Dimensionen Filterstrukturen beschränkt sind und die Plasmasektion von der Kollektorsektion im Übrigen durch eine Trennwand voneinander getrennt sind.
3: zwei Ausführungen der Filterstrukturen als a) ebene Lamellenstruktur und b) gewölbte Lamellenstruktur mit Stützringen jeweils in Draufsicht und Seitenansicht,
4: eine Ausführung der Debisfilteranordnung mit einem modifizierten ersten Lamellenfilter, das einerseits plan und andererseits gewölbt geformt und rotierend ausgebildet ist,
5: eine modifizierte Ausführung der Debisfilteranordnung nach 2, bei der die Debrisfilteranordnung bezüglich des Druckgefälles symmetrisch zur Puffergassektion aufgebaut ist und alle Filterstrukturen rotieren.
In einer plasmabasierten Strahlungsquelle, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist, wird ein Plasmafunke 1 zwischen zwei Elektroden 12 erzeugt, wobei ein Laserstrahl 11 Elektrodenmaterial verdampft (ionisiert) und damit eine elektrische Entladung, die zur Ausbildung des Plasmafunkens 1 führt, initiiert. Der entstehende heiße Plasmafunke 1 sendet infolge räumlicher Begrenzungen einen Strahlungskegel 13 aus, der im weiteren Verlauf von einer Kollektoroptik 5 in einem Zwischenfokus 51 gebündelt wird. Die Ausführung der Elektroden 12 kann dabei beliebig sein, beispielhaft seien hier – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – rotierende Elektroden angenommen, auf denen flüssiges Zinn zur Verdampfung durch den Laserstrahl 11 regenerativ aufgebracht wird.
Die Plasmaerzeugung zwischen den Elektroden 12 erfolgt wie herkömmlich in einer Vakuumkammer 2, die gemäß der Erfindung jedoch wegen der besonderen Anforderungen an das Vakuumniveau (Hochvakuum 0,1...1 Pa) in unterschiedliche Bereiche unterteilt ist. Innerhalb der Vakuumkammer 2 ist üblicherweise zwischen Plasmafunken 1 und Kollektoroptik 5 eine Debrisfilteranordnung 4 vorhanden, um die Kollektoroptik 5 vor den bei der Plasmaerzeugung emittierten Teilchen (Debris) zu schützen.
1 zeigt dazu einen Prinzipaufbau aus mehreren Filterstrukturen 41 bis 44, zwischen denen Vakua auf unterschiedlichem Druckniveau erzeugt werden. Zwischen zwei Bereichen mit Hochvakuum (< 1 Pa), eine Plasmasektion 21 und einer Kollektorsektion 22, befindet sich innerhalb der Debrisfilteranordnung 4 eine Puffergassektion 23, in der ein geeignetes Puffergas unter einem definierten Druck gehalten wird, um insbesondere schnelle Debristeilchen (> 50 keV) durch Stöße mit Puffergasteilchen abzubremsen. Die Puffergassektion 23 bildet dabei zwischen zwei Filterstrukturen 42 und 43 eine Puffergasschicht definierter Dicke in Richtung der vom Plasmafunken 1 emittierten Strahlung aus.
In die Puffergassektion 23 zwischen den beiden „inneren” Filterstrukturen 42 und 43 wird ein Puffergas oder ein Gasgemisch von Puffergasen (gemäß der unten angegebenen Tabelle 1) eingefüllt und – abhängig vom gewählten Puffergas und der von den Filterstrukturen 42 und 43 zugelassenen Leckrate – unter einem quasistatischen Gleichgewichtsgasdruck gehalten. Die Auswahl der/des Puffergase(s) richtet sich nach dem Raumangebot zwischen dem Plasmafunken 1 und der Kollektoroptik 5, nach der für die Filterstruktur angegebenen Leckrate sowie nach den spezifischen Werten des Produktes p × L für die verschiedenen Gasarten. Tab. 1: Spezifisches Bremsvermögen verschiedener Puffergase für Xe- oder Sn-Ionen zur Abbremsung von 10 keV auf unter 50 eV

Puffergas Abbremswirkung für Xe-, Sn-Ionen als (p × L)-Wert [Pa·mm]

He 11300 Pa·mm

Ne 2900 Pa·mm

Ar 1800 Pa·mm

Kr 1100 Pa·mm

N₂ 2000 Pa·mm
Die Puffergassektion 23 wird – in Abhängigkeit von der Gasart und einer Mindeststoßzahl für schnelle Debristeilchen innerhalb der limitierten Dicke der Puffergasschicht in Richtung der optischen Achse 52 – unter einem bestimmten Druck gehalten. Die einzustellenden quasi-stationären Drücke in der Puffergassektion 23 und der/den benachbarten Zwischensektion(en) 24 (und 25) ergeben sich aus dem jeweiligen Produkt p × L gemäß Tabelle 1 und der limitierten Dicke der Gasschichten in der jeweiligen Sektion 23, 24 und/oder 25.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird zunächst eine „symmetrische” Debrisfilteranordnung 4 betrachtet.
Die Debrisfilteranordnung 4 weist dabei zwei „äußere” Filterstrukturen 41 und 44 auf, die wie die „inneren” Filterstrukturen 42 und 43 als Lamellen- oder Röhrenstrukturen ausbildet sind und jeweils einen definierten Strömungswiderstand darstellen. D. h. die Realisierung des Druckunterschiedes von der Puffergassektion 23 zur Plasmasektion 21 und zur Kollektorsektion 22 der Vakuumkammer 2 erfolgt in beiden Richtungen in der gleichen Art und Weise über eine Zwischensektion 24 bzw. 25.
Aus den Zwischensektionen 24 und 25 wird der Hauptteil des Puffergases, das durch die „inneren” Filterstrukturen 42 und 43 ausströmt, durch separate Pumpen 33 und 34 abgepumpt.
Durch die gleichzeitige Zufuhr von Puffergas in die Puffergassektion 23 und das Abpumpen des Puffergases aus den Zwischensektionen 24 und 25 wird in der Puffergassektion 23 ein solcher Gleichgewichtsdruck (quasi-statisch) eingestellt, dass energiereiche Ionen durch Stöße mit dem Puffergas von ca. 10 keV auf < 50 eV abgebremst werden. Des Weiteren werden – auf niedrigerem Druckniveau – aber auch in den Zwischensektionen 24 und 25 Stöße mit Debristeilchen verursacht, die zu einer ersten Vorabbremsung (in der Zwischensektion 24) und einer nachträglichen Abbremsung (Zwischensektion 25) führen.
Von den Vakuumpumpen 32 und 33 wird zum Teil auch kondensierbarer Metalldampf von der Plasmaerzeugung (Emittermaterial oder Material der Elektroden 12) mit abgepumpt. Zusätzlich sind der Puffergasstrom, der von der Puffergassektion 23 durch die Filterstruktur 42 ausströmt und der restliche Puffergasstrom, der – nach dem Abpumpen der Zwischensektion 24 noch durch die Filterstruktur 41 in die Plasmasektion 21 austritt, dem Metalldampf, der von seinem Entstehungsort in der Plasmasektion 21 konform mit der emittierten EUV-Strahlung in Richtung der Kollektoroptik 5 ausgeht, entgegen gerichtet, wodurch die Filterwirkung der einzelnen Filterstrukturen 41 und 42 und Filtersektionen 23 und 24 im Sinne eines Synergieeffekts gesteigert wird.
Weiterhin kondensiert Metalldampf durch Stöße mit den Lamellen der Filterstrukturen 41 bis 44. Durch eine Rotation wenigstens einer der Filterstrukturen 41 bis 44 werden langsam fliegende Cluster und Mikrotröpfchen aus der Plasmasektion 21 noch effektiver aufgefangen und die aufgefangenen flüssigen Metalltröpfchen – infolge der wirkenden Fliehkräfte – nach außen geschleudert und dadurch eine rotierende Filterstruktur 41, 42 etc. zugleich gereinigt.
Die beiden äußersten Filterstrukturen 41 und 44 sorgen dafür, dass der Hauptteil des aus der Puffergassektion 23 austretenden Puffergasstromes auf die Zwischensektionen 24 und 25 beschränkt bleibt und somit die Gaslast durch die Leckrate von an den Filterstrukturen 41 und 44 ausströmendem Restgas in der Plasmasektion 21 und in der Kollektorsektion 22 minimiert wird. Das verringert die benötigte Pumpkapazität in diesen beiden Hochvakuumbereichen erheblich.
Sind Plasmasektion 21 und Kollektorsektion 22 auf dasselbe Druckniveau evakuiert, ist zwischen Plasmasektion 21 und Kollektorsektion 22 nicht notwendig eine räumliche Trennung außerhalb des vom Plasmafunken 1 aufnehmbaren Strahlungskegels 13 vorhanden, wie das in 2 dargestellt ist.
Dennoch ist eine Trennung von Plasmasektion 21 und Kollektorsektion 22 regelmäßig sinnvoll, weil generell (auch außerhalb des Strahlungskegels 13) innerhalb der Plasmasektion 21 durch die Plasmaerzeugung vorhandene thermische und Kontaminationsbelastungen begrenzt werden sollen und weil die Halterung der Filterstrukturen 41 bis 44 (ggf. mit Rotationsantrieb, wie in 5 gezeigt) vereinfacht wird.
Somit können in der Plasmasektion 21 Hochvakuumbedingungen für eine stabile und effiziente Strahlungserzeugung aus dem Plasma geschaffen und in der Kollektorsektion 22 ebenfalls Hochvakuumbedingungen zur Verringerung der Absorption von EUV-Strahlung durch Puffergasteilchen auf dem Strahlungsweg bis zum Zwischenfokus 51 zur Verfügung gestellt werden.
Die Anordnung gemäß 2 zeigt die gleiche Anzahl mechanischer Filterstrukturen 41 bis 44 und Sektionen 21 bis 25 der Vakuumkammer 2 wie 1, jedoch sind hier drei der Strömungswiderstände als domförmig gewölbte Filterstrukturen 42 bis 44 in einer Schnittdarstellung gezeichnet. Den realen Aufbau einer solchen gewölbten Filterstruktur 42 bis 44 zeigt 3b.
Ein, mehrere oder alle Debrisfilter können rotierend gelagert sein (nur in 4 und 5 gezeichnet), um langsam fliegende, aber auf Grund ihrer größeren Masse mit der Gasströmung nicht zu stoppende Cluster und Mikrotropfen einzufangen und nach außen abzuschleudern.
Die erste Filterstruktur 41 ist als Lamellenfilter gemäß 3a eben ausgebildet und wird vorzugsweise rotierend angetrieben, um vorzugsweise kondensierendes Emitter- oder Elektrodenmaterial sofort abzuschleudern. Die aufgrund des stark divergenten Strahlungskegels 13 kleinste Filterstruktur 41 ist – wie in 3a erkennbar – nur mit einem inneren und einem äußeren Stützring 46 versehen, um das Abschleudern von Kondensattröpfchen zu erleichtern. Um den Strahlungsweg innerhalb der Filterstruktur 41 für „innere und äußere Strahlen” (d. h. sowohl für achsnahe und achsferne Strahlen als auch Debristeilchen) gleichlang zu gestalten, kann die Form der Lamellen 45 auf der vom Plasmafunken 1 abgewandten Seite auch entsprechend gewölbt ausgebildet sein, wie es die gestrichelte Linienführung in der rechten Schnittzeichnung von 3a zeigt.
Durch die Wölbung der Filterstrukturen 42 bis 44 gemäß 3b entsteht für innere und äußere Strahlen ein gleich langer Strahlweg durch die Sektionen 24, 23 und 25 sowie durch die Filterstrukturen 42 bis 44. wodurch eine kleinere Bauform der Kollektoroptik 5 realisiert werden kann. Die infolge des stark divergenten Strahlungskegels 13 größeren Filterstrukturen 42 bis 44 weisen gemäß 3b in der Regel mehrere Stützringe 46 auf, um im Außenbereich der Lamellenstruktur die Lamellen 45 ähnlich dicht wie in der Nähe des zentralen Stützringes 46 anordnen zu können.
Die Puffergassektion 23 wird – mit Bezug auf die 1, 2, 4 und 5 – auf ein solches Druckniveau eingestellt, dass ein Gasdruck-Weg-Produkt von 1,5–2,0 Pa·m erreicht wird.
Der Gasdruck ist nicht nur in der Plasmasektion 21 möglichst niedrig (< 1 Pa) zu wählen, sondern es erweist sich auch im Bereich der Kollektoroptik 5 bis zum sog. Zwischenfokus 51 als sehr vorteilhaft, den Puffergasdruck auf ein niedriges Niveau abzusenken, um die Strahlungsabsorption durch restliches Puffergas zu minimieren. Um beispielsweise eine Strahlungsabsorption < 5% über einen optischen Weg von ≈ 1 m zu gewährleisten, sollte bei Nutzung von Ar als Puffergas der Druck in der Kollektorsektion 22 < 1,3 Pa sein. Diese Druckangabe ist natürlich von der konkreten Geometrie der gesamten Vakuumkammer 2 abhängig, wobei die Geometrie im Wesentlichen durch die numerische Apertur der Kollektoroptik 51 im Zwischenfokus bestimmt wird.
4 zeigt eine von der vorstehend beschriebenen „symmetrischen” Filtervariante abweichende Ausführung der Erfindung, indem das Druckniveau in der Kollektorsektion 22 – sei es aus Platz- oder Kostengründen – nicht auf einem solch niedrigen Niveau gehalten wird, wie es für die Plasmasektion 21 gefordert wird. In dieser speziellen Ausführung der Debrisfilteranordnung 4 ist die erste Filterstruktur 41 rückseitig gewölbt und rotierend gelagert, wie es die außen gezeichnete Lagerstellen und der Rotationspfeil andeuten. Auf eine Darstellung des dafür erforderlichen Antriebs wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Die Puffergassektion 23 ist in diesem Beispiel zwischen gewölbten, feststehenden Filterstrukturen 42 und 43 angeordnet, wobei sich in Richtung des Plasmafunkens 1 zunächst eine Zwischensektion 24 zwischen den Filterstrukturen 41 und 42 anschließt und in Strahlungsausbreitungsrichtung nach der Filterstruktur 43 unmittelbar die Kollektorsektion 22 folgt. Die infolge der fehlenden Zwischensektion 25 höhere Puffergaslast kann in der Kollektorsektion 22 durch eine leistungsfähigere Vakuumpumpe 32 zumindest teilweise kompensiert (vermindert) werden.
Eine zu der dreistufigen Debrisfilteranordnung 4 gemäß 4 umgekehrte Variante mit nur einer Zwischensektion 24 zwischen der Puffergassektion 23 und der Kollektorsektion 22 ist ebenfalls denkbar für den Fall, dass eine andere Art der Plasmaerzeugung mit Druck um 10 Pa im Plasmagebiet auskommt und in der Kollektorsektion 22 eine besonders geringe Strahlungsextinktion erreicht werden soll. Dabei wäre die Puffergassektion 23 zwischen den Filterstrukturen 41 und 42 angeordnet und die einzige Zwischensektion 24 von der Seite der Plasmasektion 21 auf der Kollektorseite zwischen den Filterstrukturen 42 und 43 einzurichten. Für diesen Fall kehrt sich der in 4 unten gezeichnete Druckverlauf ebenfalls um, so dass in der Plasmasektion 21 ein Druckniveau im 1–2 Pa-Bereich und in der Kollektorsektion 22 ein Druckniveau im 0,5–1 Pa-Bereich einstellen lässt.
In 5 ist nochmals eine Modifikation der Lösung gemäß 2 gezeigt, bei der mehrere Filterstrukturen 41 bis 43 rotiert werden. Die Debrisfilteranordnung 4 ist wiederum symmetrisch bezüglich der eingestellten Drücke, wobei die Puffergassektion 23 und die Zwischensektionen 24 und 25 im Wesentlichen auf den Bereich der Filterstrukturen 41–44 beschränkt sind, um Platz für eine Antriebseinheit der rotierenden Filterstrukturen 41 bis 44 zu erhalten. Dadurch sind die Plasmasektion 21 und die Kollektorsektion 22 räumlich nicht offen, sondern nur über die vier Strömungswiderstände der Filteranordnung 4 miteinander verbunden. Aus Platzgründen wird es wegen der gewölbten Form der Filterstruktur 44 nicht ratsam sein, diese ebenfalls rotieren zu lassen, da das Abschleudern von kondensierten Dämpfen (z. B. Metalldämpfen) die Kollektoroptik 5 kontaminieren würde. Es ist im Übrigen – auch aufgrund der Puffergasgegenströmung durch die Filterstrukturen 41 und 42 hindurch – wesentlich effektiver, insbesondere oder ausschließlich die plasmanahen Filterstrukturen 41 und 42 rotieren zu lassen.
Alle übrigen Elemente, Funktionen und Bedingungen von 5 entsprechen denen, wie sie zu 1 und 2 beschrieben sind, und sollen in analoger Weise hier durch Bezugnahme einbezogen sein.
Abschließend sei erwähnt, dass eine Erhöhung der Anzahl von erfindungsgemäßen Zwischensektionen 24 und 25 in jedem Fall möglich und sinnvoll sind, wenn ein noch höheres Druckgefälle zwischen Plasmasektion 21 und Puffergassektion 23 quasi-statisch aufrechterhalten und die Leistung der Vakuumpumpen klein gehalten werden soll. Da in solchen Fällen weitere Filterstrukturen als Trennung zwischen den ebenfalls separat evakuierten zusätzlichen Zwischensektionen eingebracht werden, können die Wirkungslängen der Filterstrukturen 41, 42, 43 etc. weiter reduziert werden, so dass kein wesentlich größerer Raumbedarf entsteht.

1: Plasmafunke (Plasma)
11: Laserstrahl
12: Elektroden
13: emittierter Strahlungskegel
2: Vakuumkammer
21: Plasmasektion
22: Kollektorsektion
23: Puffergassektion
24: Zwischensektion
25: Zwischensektion
3: Vakuumpumpe
31: Vakuumpumpe (der Plasmasektion)
32: Vakuumpumpe (der Kollektorsektion)
33: Vakuumpumpe (der Zwischensektion 24)
34: Vakuumpumpe (der Zwischensektion 25)
4: Debrisfilteranordnung
41: (erste) Filterstruktur
42: (zweite) Filterstruktur
43: (dritte) Filterstruktur
44: (vierte) Filterstruktur
45: Lamelle
46: Stützring
5: Kollektoroptik
51: Zwischenfokus
52: optische Achse
p: Druck
L: Weglänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7034308 B2 [0004]
- US 2006/151717 A1 [0004]
- US 2005/077483 A1 [0004]
- EP 1274287 B1 [0004]
- US 7057190 B2 [0004]
- DE 10215469 A1 [0005]
- EP 1223468 A1 [0005]
- US 7061574 B2 [0006]
- DE 102005020521 A1 [0007, 0032, 0035]

Claims

Anordnung zur Debrisunterdrückung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, bei der in einer Vakuumkammer der Strahlungsquelle zwischen einem Plasma und einer Kollektoroptik mechanische Filterstrukturen zur adhäsiven Aufnahme von Debris und zwischen zwei in Strahlungsrichtung räumlich nacheinander angeordneten Filterstrukturen eine definierte Puffergasschicht zur Stoßabbremsung des Debris ein quasi-statisches Druckniveau aufweist, wobei für das durch die Filterstrukturen in die Vakuumkammer austretende Puffergas ein an der Vakuumkammer vorhandenes Vakuumpumpsystem vorgesehen ist und eine Gaszuführung für den ständigen Puffergasersatz zwischen den Filterstrukturen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vakuumkammer (2) durch eine Puffergassektion (23), die für die definierte Puffergasschicht durch zwei mechanische Filterstrukturen (42, 43) begrenzt ist, in eine Plasmasektion (21) zur Plasmaerzeugung und eine Kollektorsektion (22) zum Fokussieren eines divergent aus dem Plasma (1) austretenden Strahlungskegels (13) unterteilt ist, – wenigstens eine Zwischensektion (24; 25) zwischen der Plasmasektion (21) und der Puffergassektion (23) angeordnet ist, wobei die Zwischensektion (24; 25) ebenfalls von zwei Filterstrukturen (41, 42; 43, 44) begrenzt ist, – die einzelnen Vakuumkammersektionen (21, 22, 23, 24, 25) jeweils lediglich durch eine Filterstruktur (41, 42, 43, 44) zur Erzeugung eines Strömungswiderstandes voneinander getrennt sind, und – jede Vakuumkammersektion (21, 22, 24, 25) außer der Puffergassektion (23) eine separate Vakuumpumpe (31, 32, 33, 34) aufweist, so dass zwischen der Puffergassektion (23) und mindestens der Plasmasektion (21) ein Druckgefälle von wenigstens zwei Größenordnungen einstellbar ist, um den Vakuumdruck am Ort des Plasmas (1) auf 1 Pa oder weniger absenken zu können.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Puffergassektion (23) und der Plasmasektion (21) sowie der Kollektorsektion (22) der Vakuumkammer (2) jeweils eine Zwischensektion (24, 25) angeordnet ist, um in der Plasmasektion (21) und der Kollektorsektion (22) einen Vakuumdruck von 1 Pa oder weniger einzustellen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffergassektion (23) und die mindestens eine Zwischensektion (24, 25) auf die lateralen Dimensionen der Filterstrukturen beschränkt sind, wobei die Plasmasektion (21) und die Kollektorsektion (22) durch eine Zwischenwand getrennt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischensektionen (24, 25) von der Puffergassektion (23) ausgehend zu beiden Seiten in gleicher Anzahl vorhanden sind, so dass die Debrisfilteranordnung (4) ein symmetrisches Gebilde bezüglich der eingestellten Druckgefälle darstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffergassektion (23) und mindestens zwei Zwischensektionen (24, 25) auf die lateralen Dimensionen der Filterstrukturen beschränkt sind, wobei die Zwischensektionen (24, 25) von der Puffergassektion (23) ausgehend zu beiden Seiten in gleicher Anzahl angeordnet sind und die Plasmasektion (21) und die Kollektorsektion (22) das gleiche Druckniveau aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmasektion (21) und die Kollektorsektion (22) als einheitliche Vakuumkammer (2) an das Vakuumpumpsystem (3) angeschlossen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstrukturen (41, 42, 43, 44) als ebene Lamellenfilter ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest plasmaferne Filterstrukturen (42, 43, 44) als ebene Röhrenfilter ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstrukturen (41, 42, 43, 44) als domförmig gewölbte Lamellenfilter ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens plasmaferne Filterstrukturen (42, 43, 44) mit großem Durchmesser zusätzliche kegelförmige Stützringe (46) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der plasmanahen Filterstrukturen (41, 42) um die optische Achse (51) der von der Kollektoroptik (5) gebündelten Strahlung rotierend ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffergassektion (23) in Abhängigkeit von der Dicke der Puffergasschicht in Strahlungsausbreitungsrichtung zwischen den begrenzenden Filterstrukturen (42, 43) ein solches Druckniveau aufweist, dass ein Gasdruck-Weg-Produkt von > 2 Pa·m eingestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Puffergassektion (23) eingeleitete Puffergas ein Inertgas ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Puffergassektion (23) eingeleitete Puffergas ein Gas oder Gasgemisch aus der Gruppe Stickstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton ist.