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Die Erfindung betrifft eine EUV-Lithographieanlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit, die eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, eine Beschleuniger-Einheit zum relativistischen Beschleunigen des Elektronenstrahls, eine Undulator-Einheit zum Erzeugen von EUV-Licht und eine Lithographie-Einheit zum Belichten von Wafern mit dem EUV-Licht aufweist.
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Stand der Technik
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EUV-Lithographieanlagen nutzen einen Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) als Strahlungsquelle, um Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz zu erzeugen. Zentrale Komponenten des Freie-Elektronen-Lasers sind eine Elektronenquelle, in der Regel ein Teilchenbeschleuniger, und ein Wechselwirkungsbereich, in dem ein Teil der Bewegungsenergie der Elektronen in Photonen umgesetzt wird.
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Beim Freie-Elektronen-Laser wird der in der Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrahl üblicherweise in einem oder mehreren Beschleunigern auf eine relativistische Geschwindigkeit beschleunigt. Die relativistischen Elektronen werden dann in einen Undulator injiziert, in dem durch die sinusförmige periodische Bewegungsrichtung der Elektronen im Undulator die Synchrotronstrahlung erzeugt wird. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung nahezu vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Strahlung, die in benachbarten Perioden des Undulators ausgestrahlt wird, kann sich phasenrichtig überlagern. Die Wellenlänge des Freie-Elektronen-Lasers kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen, die Periode des Undulators oder das Magnetfeld des Undulators variiert werden. Eine genauere Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Freie-Elektronen-Lasers kann in dem Buch „The Physics of Free Electron Lasers“ von E.L. Saldin, E.V. Schneidmiller und M.V. Yurkow nachgelesen werden.
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Ein typischer Freie-Elektronen-Laser, wie er z.B. vom Helmholtz-Institut in Dresden-Rossendorf eingesetzt wird, erreicht eine Nutzleistung von 2.5kW, wobei mit einer Frequenz von 3MHz kurze Pulse von jeweils ungefähr 2ns Länge ausgestoßen werden. Daraus ergibt sich, dass der Tastgrad (duty cycle), d.h. das Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiodendauer, sehr viel kleiner als 1 ist. Die Nutzleistung von 2.5kW ist nur für den Betrieb eines einzelnen EUV-Lithographiesystems ausreichend, wenn berücksichtigt wird, dass auf Grund von erhöhtem Durchsatz, unempfindlicherem Fotolack zum Drucken feiner Strukturen und einer erhöhten Anzahl von Spiegeln im Objektiv eine hohe Lichtleistung im Vergleich zu aktuellen EUV-Lithographiesystemen erforderlich ist.
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Beim Freie-Elektronen-Laser ist der Undulator, also die Einheit zur EUV-Licht-Erzeugung, nur für einen Bruchteil der Gesamtkosten, die in der Größenordnung 100 Millionen Euro liegen, verantwortlich. Der größte Beitrag muss dagegen für die Kühlung aufgewendet werden. Die meisten Teile des Freie-Elektronen-Lasers wie der Beschleuniger müssen supraleitend sein und deshalb mit Helium gekühlt werden. Beim Undulator, dessen wesentliche Elemente Permanentmagneten sind, ist dies nicht der Fall, auch wenn hier eine hohe Wärmeleistung anfällt, die abgeführt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige und einfach zu betreibende EUV-Lithographieanlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine EUV-Lithographieanlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße EUV-Lithographieanlage weist eine Freie-Elektronen-Laser-Einheit und eine Undulator-Einheit mit wenigstens einem ersten Undulator und einem zweiten Undulator auf, die räumlich getrennt angeordnet sind und denen jeweils ein Lithographiesystem einer Lithographie-Einheit zugeordnet ist, wobei zwischen einer Beschleuniger-Einheit der Freie-Elektronen-Laser-Einheit und der Undulator-Einheit eine Elektronenstrahl-Weiche angeordnet ist, um den Elektronenstrahl wechselweise zu dem ersten Undulator oder dem zweiten Undulator zu lenken.
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Aus Herstellungs- und Betriebskosten ist es sinnvoll, mehrere EUV-Lithographiesysteme in einem Komplex zu betreiben. Diese EUV-Lithographiesysteme teilen sich die Elektronenquelle und die Beschleuniger-Einheit des Freie-Elektronen-Lasers, haben aber jeweils einen separaten Undulator. Jedem Undulator ist ein eigenes Lithographiesystem zugeordnet, so dass keine Umschaltung des EUV-Lichts zwischen verschiedenen Bahnen notwendig ist. Mit Hilfe der Elektronenstrahl-Weiche wird der Elektronenstrahl auf die verschiedenen Bahnen mit den nachgeordneten Undulatoren umlenkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der EUV-Lithographieanlage erzeugt die Elektronenquelle eine gepulsten Elektronenstrahl, wobei die Elektronenstrahl-Weiche angesteuert wird, um die Pulse wechselweise zu den Undulatoren zu lenken. Es können so eine Vielzahl von Lithographiesysteme parallel verwendet werden, prinzipiell begrenzt nur durch den Tastgrad des Freie-Elektronen-Lasers und durch die Umschaltfrequenz der Weiche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der EUV-Lithographieanlage werden die Lithographiesysteme mit einer zweiteiligen Bewegungsphase betrieben, bei der in der einen Hälfte der Bewegungsphase ein Belichten des Wafers stattfindet. Der Betrieb des dem ersten Undulator zugeordneten Lithographiesystems und der Betrieb des dem zweiten Undulator zugeordneten Lithographiesystems ist so abgestimmt, dass die Bewegungsphasen gegenläufig ausgeführt werden, wobei die Elektronenstrahl-Weiche angesteuert wird, um den Elektronenstrahl zu dem Undulator zu lenken, dessen zugeordnetes Lithographiesystem sich in der Bewegungsphase befindet, in der ein Belichten des Wafers stattfindet. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine einfache und kostengünstige Steuerung der Weiche, da nur eine niedrige Umschaltfrequenz notwendig ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der einzigen Figur detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Figur. Die Figur ist vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und ist nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt.
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In der Figur ist ein prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen EUV-Lithographieanlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit, die eine Undulator-Einheit mit drei Undulatoren aufweist, die räumlich getrennt angeordnet sind und denen jeweils ein Lithographiesystem einer Lithographie-Einheit zugeordnet ist, dargestellt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die EUV-Lithographie ist ein optisches Lithographieverfahren, das elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 6,7 nm oder 13,5 nm nutzt. Mit der EUV-Lithographie besteht die Möglichkeit, eine weitere Miniaturisierung von Strukturen insbesondere auf Halbleiterwafern durchzuführen. Eine EUV-Lithographieanlage setzt sich prinzipiell aus zwei Komponenten zusammen, der Strahlungsquelle zum Erzeugen der EUV-Strahlung und der Lithographieeinheit mit abbildender Optik, Beleuchtungssystem und Maske zum Belichten von Wafern mit dem EUV-Licht.
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Als EUV-Strahlungsquelle können neben Plasmaquellen und Synchrotrons Freie-Elektronen-Laser genutzt werden. Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugt Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz. Beim Freie-Elektronen-Laser wird ein von einer Elektronenquelle erzeugter Elektronenstrahl mit Hilfe einer Beschleunigereinheit auf eine relativistische Geschwindigkeit beschleunigt. Eine Undulator-Einheit versetzt den Elektronenstrahl dann in eine sinusförmige periodische Bewegung. Auf Grund dieser Ablenkung der Elektronen senden die Elektronen Synchrotronstrahlung aus. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung nahezu vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Strahlung, die in benachbarten Perioden des Undulators ausgestrahlt wird, kann sich phasenrichtig überlagern. Die Wellenlänge des Freie-Elektronen-Lasers kann dabei durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen, die Periode des Undulators oder das Magnetfeld der Undulator-Einheit variiert werden.
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Mit der Erfindung wird eine kostengünstige und einfach zu betreibende EUV-Lithographieanlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit bereitgestellt, bei der mittels einer einzelnen Freie-Elektronen-Laser-Einheit mehrere EUV-Lithographieeinheiten parallel betrieben werden können. Die erfindungsgemäße EUV-Lithographieanlage weist eine Freie-Elektronen-Laser-Einheit mit einer Elektronenquelle und einer Beschleunigereinheit auf, an die sich mehrere Undulatoren, die räumlich zueinander getrennt angeordnet sind und denen jeweils ein eigenes EUV-Lithographiesystem zugeordnet ist, anschließen. Zwischen der Beschleunigereinheit und den Undulatoren ist eine Elektronenstrahl-Weiche angeordnet, um den Elektronenstrahl wechselweise zu den einzelnen Undulatoren zu lenken.
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Die Figur zeigt eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen EUV-Anlage mit einer Freie-Elektronen-Laser-Einheit, die sich aus einer Elektronenquelle 1 zur Erzeugung eines gepulsten Elektronenstrahls und einer Beschleuniger-Einheit 2 zum Beschleunigen des Elektronenstrahls auf relativistische Geschwindigkeit zusammensetzt. Ein Dipolmagnet 8 lenkt Elektronen abhängig von ihrer Energie auf den Elektronstrahlpfad 3 oder den Elektronenstrahlpfad 7. Nach einem Durchlauf der Beschleuniger-Einheit 2 ist die Energie der Elektronen im Elektronenstrahl derart, dass sie durch den Dipolmagneten 8 auf den Elektronenstrahlpfad 7 gelenkt werden und damit die Beschleuniger-Einheit ein zweites Mal durchlaufen und damit weiter beschleunigt werden. Beim zweiten Durchlaufen des Dipolmagneten 8 ist die Energie der Elektronen im Elektronenstrahl derart, dass sie auf den Elektronstrahlpfad 3 gelenkt werden. Das mehrfache Durchlaufen der Beschleuniger-Einheit 2 wird als Rezirkulatorkonzept bezeichnet. Eine detaillierte Beschreibung eines solches Rezirkulators kann in der Veröffentlichung „Compact 13.5-nm free-electron laser for extreme ultraviolet lithography" von Y. Sokol, G. N. Kulipanov, A. N. Matveenko, O. A. Shevchenko und N. A. Vinokurov, veröffentlicht unter Phys. Rev. Spec. Top., 14:040702, 2011 nachgelesen werden.
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Im Elektronenstrahlpfad 3 befindet sich eine Elektronenstrahl-Weiche 4, z.B. in Form eines ansteuerbaren Magneten. Die Elektronenstrahl-Weiche 4 wird angesteuert, um die Elektronenpakete wechselweise zu drei parallel angeordneten Undulatoren 51, 52, 53 einer Undulator-Einheit 5 zu lenken. In den Undulatoren 51, 52, 53 wird aus der relativistischen Bewegung der Elektronenpakete eine EUV-Strahlung, die vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet ist, erzeugt. Die EUV-Strahlung wird dann in ein jeweils dem Undulator nachgeordnetes EUV-Lithographiesystem 61, 62, 63 einer EUV-Lithographie-Einheit 6 eingekoppelt, um Wafer mit dem EUV-Licht zu belichtet. Es können so eine Vielzahl von EUV-Lithographiesystemen parallel mit einer einzelnen Freie-Elektronenstrahl-Lasereinheit betrieben werden. Die Anzahl der parallel verwendeten EUV-Lithographiesysteme ist prinzipiell nur begrenzt durch den Tastgrad des Freie-Elektronen-Lasers und durch die Umschaltfrequenz der Weiche. Nach Durchlaufen der Undulator-Einheit 5 werden die Elektronen in einem gemeinsamen Beamdump oder einem Beamdump pro Undulator 51, 52, 53 absorbiert, was in der Figur nicht dargestellt ist.
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Um den Platzbedarf der gesamten Anlage klein zu halten, kann es sinnvoll sein, dass, wie in der Figur gezeigt, im Elektronenstrahlpfad 3 zwischen Beschleuniger-Einheit 2 und der Undulator-Einheit 5 eine Umlenkung des Elektronenstrahls erfolgt. Weiterhin kann es aus demselben Grund sinnvoll sein, wie ebenfalls in der Figur gezeigt, die Undulatoren 51, 52, 53 der Undulator-Einheit 5 parallel zueinander anzuordnen. Andere geometrische Anordnungen von Beschleuniger-Einheit 2 und der Undulator-Einheit 5 zueinander sowie der Undulatoren 51, 52, 53 zueinander sind ebenfalls möglich.
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Eine besonders einfache und kostengünstige Steuerung der Weiche, bei der nur eine niedrige Umschaltfrequenz notwendig ist, die im Bereich von 10 Hz liegt, ergibt sich, wenn zwei Undulatoren mit jeweils einem nachgeordneten Lithographiesystem durch die Freie-Elektronen-Lasereinheit betrieben werden. Die beiden Lithographiesysteme belichten die Wafer dabei in mäanderförmigen Bewegungen, wobei nur in der einen Hälfte der Bewegungsphase eine Belichtung stattfindet und damit EUV-Licht benötigt wird. Die Lithographiesysteme werden dann so angesteuert, dass ihre Bewegungsphasen gegenläufig ausgeführt werden, d.h. dass eine Lithographiesystem sich in der Bewegungsphase befindet, bei der EUV-Licht benötigt ist, das andere Lithographiesystem dagegen in der Bewegungsphase, in der kein EUV-Licht benötigt wird und anschließend umgekehrt. Die Elektronenstrahl-Weiche wird nun so betrieben, dass die relativistischen Elektronenpakete immer zu dem Undulator gelenkt werden, dessen Lithographiesystem sich in der Bewegungsphase befindet, in der das Belichten des Wafers mit EUV-Licht stattfindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Compact 13.5-nm free-electron laser for extreme ultraviolet lithography“ von Y. Sokol, G. N. Kulipanov, A. N. Matveenko, O. A. Shevchenko und N. A. Vinokurov, veröffentlicht unter Phys. Rev. Spec. Top., 14:040702, 2011 [0017]
