DE10219805B4

DE10219805B4 - Verfahren zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepuist betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE10219805B4
Application number: DE10219805A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kleinschmidt Jürgen
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: DE10219805A1; US6829261B2; US20030201737A1; JP4733913B2; JP2004006336A

Abstract

Verfahren zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle, insbesondere einer EUV-Strahlungsquelle, bei der innerhalb einer Sequenz aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Strahlungsimpulse eine gleichbleibende Impulsenergie abgestrahlt werden soll, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der Impulsenergie jedes Strahlungsimpulses der EUV-Quelle, – Messen wenigstens einer Einflussgröße, – Bilden von zeitlichen Mittelwerten der Impulsenergie und der Einflussgröße, – Berechnen der Abweichung der aktuellen Messwerte von den Mittelwerten der Impulsenergie und Einflussgröße, – Bestimmen des Verhältnisses von Impulsenergie und Einflussgröße zumindest für einen Arbeitspunkt, in dem die Impulsenergie konstant gehalten werden soll, wobei das Verhältnis aufgrund der geringen Größe der Schwankungen gegenüber den Mittelwerten als linear angenommen und in Form eines Proportionalitätsfaktors der funktionalen Abhängigkeit ermittelt wird, – Ermitteln von normierten Korrelationskoeffizienten der gemessenen Einflussgröße(n), um den Grad der statistischen Abhängigkeit der jeweiligen Einflussgröße auf die Impulsenergie zu bestimmen, – Regeln der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle, insbesondere einer EUV-Quelle auf Basis einer Gasentladung. Sie findet vorzugsweise bei der Halbleiter-Chipherstellung zur Einhaltung der Dosisstabilität in der EUV-Lithographie Anwendung.
EUV-Strahlungsquellen scheinen der aussichtsreichste Entwicklungstrend für die nächste Generation von lithographischen Maschinen zur Halbleiter-Chipherstellung zu sein. Dabei sollen Strukturbreiten von < 50 nm erreicht werden. Die entsprechende Auflösung hofft man mit EUV-Strahlung (um 13,5 nm) und moderaten numerischen Aperturen der anwendbaren Optiken von 0,2 ... 0,3 zu erreichen. Die EUV-Strahlungsquelle selbst stellt dabei die Baugruppe mit den meisten Beschränkungen und daraus resultierenden Fehlerquellen dar. Sie ist charakterisiert durch:

die EUV-Strahlungsleistung,
den vorgegebenen Raumwinkel, in dem die Strahlung erfassbar ist,
die Größe des emittierenden Plasmas,
die Impulsfolgefrequenz,
Puls-zu-Puls-Fluktuationen (Leistungsschwankungen und räumliche Schwankungen
der EUV-Emission),
die Lebensdauer der Entladungseinheit und
die Lebensdauer der optischen Komponenten.

Ein komplettes Lithographiesystem wird vornehmlich nach Durchsatz (engl.: throughput, d. h. bearbeiteten Wafern pro Stunde) und Bildqualität sowie Instandhaltungskosten (CoO: Cost of Ownership) beurteilt. Die am Ort eines Wafers ankommende „in-band”-Strahlungsleistung und die Empfindlichkeit der photoempfindlichen Schicht (Resist) im gewünschten EUV-Bereich bestimmen den Durchsatz des Systems, während die Bildqualität durch die sogenannte Dosisstabilität (engl.: dose accuracy) bestimmt wird. Letztere wird im Wesentlichen nach V. Banine et al. (Proc. SPIE vol. 3997 (2000) 126) durch folgende drei Beiträge beeinflusst:

a) Impuls-Quantisierung,
b) Puls-zu-Puls-Stabilität,
c) räumliche Stabilität des emittierenden Plasmas.

Die Impuls-Quantisierung ist scannerspezifisch. Die Anzahl der Strahlungsimpulse, die in den Spalt (des Scanners) fallen, kann dadurch variieren, dass der erste und/oder der letzte Impuls den Spalt nicht trifft. Daraus resultiert ein Dosisfehler von D_a D_a ≅ 2/N², wobei N die Zahl der Impulse ist, die in den Spalt fallen, und sich zusammensetzt als: N = Spaltbreite·Wiederholrate/Abtastgeschwindigkeit.
Die Beiträge b) und c) sind quellenspezifisch. Der Beitrag b) entsteht durch die Impulsenergie-Fluktuationen des emittierenden Plasmas D_b ≅ 3σ(Energie)/N^½.
3σ(Energie) ist etwa die Maximalamplitude der Energiefluktuationen. Weiterhin resultiert aus dem statistischen Charakter der Gasentladung eine räumliche Fluktuation des Plasmas. Diese bewirkt, vorgegeben durch die Optik des Scanners, ebenfalls einen Fehlerbeitrag der am Zielart (z. B. Wafer) wirksamen Strahlungsdosis D_c ≅ 6·3σ(räumlich)/N^½.
Der wesentliche Nachteil bekannter EUV-Stahlungsquellen ist der, dass die Beträge unterschiedlich verursachter Energiefluktuationen der EUV-Emission nicht messtechnisch erfasst und ausgewertet werden und die EUV-Quellen deshalb zumindest bezüglich der Konstanz der Impulsenergie ungeregelt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle, insbesondere einer EUV-Strahlungsquelle, zu finden, die eine Impulsenergieregelung auf Basis von messtechnisch erfassten Impulsenergie-Fluktuationen der Strahlungsemission gestattet, ohne regelmäßige Kalibrierungsmessungen der Impulsenergie in Abhängigkeit von der Ladespannung (eine Nachkalibrierung der sogenannten E(U)-Kurve) zu benötigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle, insbesondere einer EUV-Strahlungsquelle, bei der innerhalb einer Sequenz aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Strahlungsimpulse eine gleichbleibende Impulsenergie abgestrahlt werden soll, durch folgende Schritte gelöst:

– Messen der Impulsenergie jedes Strahlungsimpulses der EUV-Quelle,
– Messen wenigstens einer Einflussgröße für jeden Strahlungsimpuls,
– Bilden von zeitlichen Mittelwerten der Impulsenergie und der Einflussgröße,
– Berechnen der Abweichung der aktuellen Messwerte von den Mittelwerten der Impulsenergie und Einflussgröße,
– Bestimmen des Verhältnisses von Impulsenergie und Einflussgröße zumindest für einen Arbeitspunkt, in dem die Impulsenergie konstant gehalten werden soll, wobei das Verhältnis aufgrund der geringen Größe der Schwankungen gegenüber den Mittelwerten als linear angenommen und in Form eines Proportionalitätsfaktors der funktionalen Abhängigkeit ermittelt wird,
– Ermitteln von normierten Korrelationskoeffizienten der gemessenen Einflussgröße(n), um den Grad der statistischen Abhängigkeit der jeweiligen Einflussgröße auf die Impulsenergie zu bestimmen,
– Regeln der Impulsenergie mittels PI-Regelung auf Basis des aktuellen Proportionalitätsfaktors (a) entsprechend wenigstens einer Einflussgröße mit dem größten Korrelationskoeffizienten.

Vorteilhaft wird als primäre Einflussgröße die Ladespannung an der Hochspannungsquelle für die Gasentladung gemessen. Als weitere Einflussgrößen, die ergänzend oder untereinander kombiniert gemessen und ausgewertet werden können, sind die Durchbruchspannung der Gasentladung, gemessen z. B. an Entladungskondensatoren, die zum Aufbau einer reproduzierbaren Entladungsspannung zwischen Hochspannungsquelle und Entladungselektroden angeordnet sind (sogenannten Peaking-Kondensatoren), die Position des emittierenden Plasmas (gemessen mittels eines ortsauflösenden Detektors), oder der Druck des Arbeitsgases, gemessen in der Entladungskammer der Strahlungsquelle.
Die Impulsenergie als Regelgröße wird zweckmäßig mittels eines Energiedetektors in unmittelbarer Nähe des emittierenden Plasmas gemessen. Vorzugsweise wird dieser Hauptenergiedetektor entgegengesetzt zu einem auf ein Zielobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahlengang angeordnet. Dabei kann die Impulsenergie am Ort des Zielobjekts (z. B. eines Wafers in einem Belichtungsgerät der Halbleiter-Lithographie) als weitere (ergänzende) Einflussgröße gemessen werden. Die Impulsenergie am Ort des Zielobjekts kann aber auch selbst als Regelgröße verwendet werden, wobei die Impulsenergie in Plasmanähe dann als Einflussgröße benutzt werden kann.
Wegen der Degradation von Spiegeloberflächen (z. B. von der Kollektoroptik zur Bündelung der emittierten EUV-Strahlung) und ähnlichen strahlungsbedingten Alterungsprozessen des Hauptenergiedetektors wird vorteilhaft zusätzlich zur Impulsenergie jedes einzelnen Strahlungsimpulses in größeren Abständen eine Referenz-Impulsenergie in einem lichtschwachen Referenzstrahlengang gemessen, um Degradationserscheinungen kompensieren zu können.
Der Proportionalitätsfaktor bei einer Regelung unter Berücksichtigung der Abhängigkeit der Impulsenergie von mehreren der oben genannten Einflussgrößen wird vorteilhaft durch statistische Auswertung der gemessenen Impulsenergie und der ausgewählten Einflussgrößen (X, Y, ...) berechnet, wobei die gewählten Einflussgrößen gemäß der allgemeinen Gleichung für unterschiedliche (hier: zwei) Störgrößen (X, Y) eines Regelungsprozesses E = αX + βY mit α = (<EX> – β<XY>)/<X²>
und β = (<EY> – α<XY>)/<Y²>
einbezogen sind und bei Bedarf die Gleichungen entsprechend erweitert werden können. Dabei werden für eine direkte Abhängigkeit zwischen der Impulsenergie und den Einflussgrößen die Faktoren α und β vorzugsweise durch Anwendung der Methode der kleinsten Quadrate errechnet.
Um festzustellen, wie Impulsenergie und Einflussgrößen (letztere werden hier als Störgrößen eines Regelungsprozesses aufgefasst) miteinander korreliert sind, werden (für zwei verschiedene Störgrößen X und Y) die Korrelationskoeffizienten zweckmäßig als K₁(E, X) = <XE>/(<X²><E²>)^½ K₂(E, Y) = <YE>/(<Y²><E²>)^½ K₃(X, Y) = <XY>/(<X²><Y²>)^½ errechnet. Diese Korrelationskoeffizienten können dann auch vorteilhaft zur in-situ-Analyse von Veränderungen in der EUV-Strahlungsquelle selbst und im Beleuchtungsstrahlengang bis zum Zielobjekt (z. B. Wafer) sowie zur in-situ-Analyse von Fehlern und Störungen der gesamten Strahlungsquelle genutzt werden.
Zur Regelung von schnellen Änderungen der Impulsenergie ist es zweckmäßig, die Steuerung der Strahlungsquelle durch Änderung der Ladespannung an der Hochspannungsquelle (Netzgerät) vorzunehmen. Dabei ist es für eine schnelle Impulsenergieregelung vorteilhaft, im stationären Betriebsregime, d. h. innerhalb einer Sequenz von Strahlungsimpulsen, in der konstante Entladungsbedingungen angenommen werden können (z. B. Burst von mehreren hundert Impulsen) eine PI-Regelung (Proportional-Integral-Regelung) anzuwenden und einen dafür erforderlichen Proportionalitätsfaktor aus einer statistischen Analyse von Abweichungen der Regelgröße und Einflussgröße(n) von deren Mittelwerten zu errechnen. Bei langsam veränderlichen Vorgängen wäre auch die Regelung einer anderen Eingangsgröße z. B. des Drucks p in der Entladungskammer denkbar. Für die Regelung vergleichsweise langsamer Änderungen (> 1 s) der Impulsenergie kann es auch vorteilhaft sein, den Druck des Arbeitsgases in der Entladungskammer zu variieren. Dabei ist eine Druckregelung über die Xe- oder He-Durchflussmenge mit Zeitkonstanten 0,5 ... 1 s möglich und somit eine Druckregelung zur geeigneten Festlegung des Arbeitspunktes sinnvoll.
Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass die Fluktuationen der Impulsenergie von gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquellen, die insbesondere bei EUV-Strahlungsquellen für die Halbleiter-Lithographie nicht tolerierbar sind, durch unterschiedlichste Einflussgrößen (Störgrößen) hervorgerufen werden, ohne dass deren Verhältnis zur Regelgröße Impulsenergie sowie zueinander in geeigneter Weise berücksichtigt wird. Gegenüber der von Excimerlasern bekannten Regelung der Strahlungsenergie über den Anstieg der Funktion der Impulsenergie in Abhängigkeit von der Ladespannung geht die Erfindung von einer statistischen Analyse der Abweichungen der Einflussgrößen (Störgrößen) von deren Mittelwerten über eine Vielzahl von Strahlungsimpulsen bei ständiger Messung und Regelung aus. Dabei können wegen der geringen Größe der Abweichungen gegenüber den zugehörigen Mittelwerten lineare Abhängigkeiten angesetzt werden. Somit ist eine einfache Auswertung der Korrelation der Einflussgrößen zur Proportionalregelung der Impulsenergie anwendbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine gepulst betriebene, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle mittels unterschiedlicher messtechnisch erfasster Einflussgrößen die Impulsenergie-Fluktuationen der Strahlungsemission zu erfassen und durch statistische Korrelation die wesentliche Einflussgröße und geeignete Stellgrößen für die Regelung auszuwählen, um eine hinreichende Puls-zu-Puls-Stabilität der Strahlung, insbesondere für EUV-Strahlungsquellen eine hohe Dosisstabilität am Zielort (Wafer), zu erreichen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Darstellung einer Messgrößenstruktur für die Impulsenergieregelung bei einer in einen photolithographischen Scanner integrierten EUV-Strahlungsquelle,
2: ein Ablaufschema des Verfahrens für die Ladespannungsregelung in Abhängigkeit von der Impulsenergie (in der Waferebene),
3: ein Ablaufschema des Verfahrens für zwei direkte Einflussgrößen, Impulsenergie E_p (in Plasmanähe) und Lageschwerpunkt R der EUV-Emission.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die hohen Genauigkeitsanforderungen an die Dosisstabilität in der Halbleiterlithographie – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – Energieregelungen für auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden EUV-Strahlungsquellen beschrieben.
Die momentanen Erfahrungen zeigen, dass die Standardabweichungen der Impulsenergie vom Mittelwert (σ-Werte), die Lage des Schwerpunktes des leuchtenden Gebiets (mitunter auch mit Poyntingstabilität umschrieben) und die Positionsstabilität des Plasmas bei gasentladungsbasierten EUV-Strahlungsquellen (insbesondere z-Pinch-Anordnungen) die entsprechenden σ-Werte bei Excimerlasern im DUV-Bereich (Tief-UV-Bereich) weit übersteigen. Die Forderungen der Chiphersteller bezüglich Dosisstabilität (am Ort eines Wafers) erfordern eine Puls-zu-Puls-Energieregelung. Eine Impulsenergieregelung für Impulsfolgefrequenzen im kHz-Bereich ist nur über eine schnelle Hochspannungsregelung der Ladespannung möglich. Die Impulsenergie der EUV-Strahlung am Ort des Wafers wird aber durch viele Einflussgrößen (unter dem Regelungsaspekt: Störgröße, wie z. B. Fluktuationen der Durchbruchspannung des Arbeitsgases, Fluktuationen des Ortes des emittierenden Gebietes sowie des Plasmas selbst, Schwingungen des optischen Systems etc.) beeinflusst. Dazu ist in 1 eine Struktur von anfallende Parametern und Messgrößen für eine in der Halbleiterlithographie eingesetzte EUV-Strahlungsquelle dargestellt. Die Strahlungsemission wird für die Anwendung dieser Erfindung auf Basis einer Hochspannungs-Gasentladung in einer mit einem Arbeitsgas (vorzugsweise Xenon, Helium) gefüllten Entladungskammer erzeugt, wobei es infolge des großen Entladungsstromes durch eine feldbedingte Implosion des Entladungsplasmas zu einem sogenannten z-Pinch-Plasma kommt, das als eng begrenztes, konzentriertes (fokussiertes) Gebiet die gewünschte EUV-Strahlung emittiert. In der Mitte des Schemas von 1 steht die EUV-Strahlungsemission (am Ort des fokussierten Plasmas), die – von einer Vielzahl von Faktoren (Einflussgrößen, Störgrößen) beeinflusst – zu unterschiedlichen Energieausbeuten je Impuls der ausgesendeten Strahlung (Impulsenergie E) und damit zu einer schwankenden Strahlungsdosis am Ort des Zielobjekts (Wafers) führt. Einflussgrößen, die Regelungsgrößen für die Strahlungsdosis darstellen, sind die Ladespannung U und der Gasdruck p des Arbeitsgases. Beide beeinflussen wechselseitig die Energieumwandlung bei der Gasentladung in die EUV-Emission. Besondere Messgrößen, die für die Dosisstabilität in der Halbleiterlithographie interessant sind, enthält das Schema von 1 rechts neben der EUV-Emission. Dabei kommt der in unmittelbarer Nähe des Plasmas zumeist nach innerhalb der Entladungskammer – direkt gemessenen Impulsenergie E_p besondere Bedeutung zu. Wegen zu erwartender Degradationseffekte an Spiegeln und Energiedetektoren wird zusätzlich in einem lichtschwachen Kanal von Zeit zu Zeit (z. B. jeweils nach einigen tausend bis eine Million Impulse) ein Referenzwert E_pr der Impulsenergie aufgenommen und für Kompensationszwecke verwendet. Weiterhin werden auch einzelne Entladungsaussetzer als Fehlimpulse detektiert, die für eine Sonderbehandlung der dafür aufgenommenen Messwerte verwendet werden. Einen weiteren wesentlichen Einfluss auf die in der Waferebene ankommende Impulsenergie E hat der Schwerpunkt R der räumlichen Verteilung der EUV-Emission, der sich im Wesentlichen durch räumliche Fluktuationen der Lage des Plasmas verändert. Eine fluktuierende Lage des Schwerpunkts R verändert den Eintrittswinkel der EUV-Strahlung in nachfolgende optische Systeme (Kollektoroptik und in photolithographischen Scannern vorhandene Optiken und Abtastspalte) und führt somit zwangsläufig zu einer unerwünschten Schwankung der Dosisstabilität am Ort des Wafers. Einige dieser Störeinflüsse sind statistisch unabhängig von der Ladespannung U (z. B. die Schwingungen der Optik) und andere können indirekt von der Ladespannung U abhängen. Eine in-situ-Analyse dieser Zusammenhänge ist nicht nur für die Regelung wichtig, sondern auch für die Fehleranalyse des Systems sinnvoll und nützlich. Die vorliegende Erfindung sieht deshalb vor, dass an bestimmten Stellen innerhalb der EUV-Strahlungsquelle und am Ort des Zielobjekts (z. B. Waferebene) Sensoren für Spannungen, Impulsenergien und positionsempfindliche Strahlungssensoren angeordnet sind, deren Ausgangssignale permanent erfasst und dazu genutzt werden, statistische Zusammenhänge mittels einer in-situ-Korrelationsanalyse zwischen den Signalen zu ermitteln. Die Regelung an sich erfolgt durch einen Ansatz, der dadurch möglich wird, dass die Schwankungen von Regelungsparametern und Einflussgrößen (Störgrößen) jeweils auf deren zeitliche Mittelwerte (im sogenannten stationären Fall, d. h. innerhalb einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Strahlungsimpulsen) bezogen werden. Die Abweichungen von den jeweiligen Mittelwerten sind dann so klein, dass man eine lineare Abhängigkeit annehmen und zur Regelung verwenden kann. Die weiteren Ausführungen werden zeigen, dass eine solche Analyse auch dE/dU-Werte für die Energieregelung über die Ladespannung U liefert, so dass für die bei Excimerlasern übliche PI-Regelung ( US 6,005,879 A ) die aufwendige Ermittlung von dE/dU-Werten auf Basis einer durch Kalibrier-Messungen (einschließlich regelmäßiger Nachkalibrierungen) bestimmten strahlungsquellenspezifischen E(U)-Kennlinie entfallen kann.
Die linke Spalte in 1 zeigt statistisch voneinander unabhängige Eingangsgrößen, die die Ausgangsgröße, die Impulsenergie E am Ort des Wafers (Waferebene), beeinflussen: Die rechte Spalte beinhaltet die messbaren Einfluss- bzw. Störgrößen:

– Ladespannung U (Spannungsmessung an der Spannungsversorgung (Netzgerät)
– Gasdruck p (z. B. Arbeitsgas Xe/He)
– Durchbruchspannung U_p (Messung an den Entladungskondensatoren, sogenannten Peaking-Kondensatoren)
– EUV-Impulsenergie E_p (nicht räumlich aufgelöst),
– EUV-Referenzimpulsenergie E_pr (nicht räumlich aufgelöst), gemessen von Zeit zu Zeit in einem lichtschwachen Referenzkanal zwecks Kompensation der Degradation von Spiegeln und Energiedetektor (Messung E_p),
– räumlicher Schwerpunkt R der EUV-Emission (mit positionsempfindlichem Sensor)
– Schwingungsanalyse der Gesamtanordnung mit Berücksichtigung der Schwingungsamplituden, die im Frequenzbereich von Impulsfolgefrequenz pro mittlerer Anzahl der auf den Spalt des Scanners treffenden Impulse liegen,
– Impulsenergie E am Ort des Wafers (Waferebene).

Wie bereits oben erwähnt, kann eine schnelle Energieregelung nur über die Regelung der Ladespannung U erfolgen. Für Excimerlaser ist bekannt, dass die schnelle Impulsregelung eine Steuerung der Impulsenergie vor jedem Laserschuss durch Variation der Ladespannung U bedeutet und der dafür verwendete Algorithmus die Berechnung der Ladespannung U für die Impulsenergie des n-ten Lichtimpulses gemäß U_n = U_n-1 – (A E_n-1 + B D_n-1)/(dE/dU) (1) mit E_n-1 = E_n-1 – E_S und D_n-1 = Σ_i(E_i – E_S) (i = 1 ... n – 1)
gestattet. E_S ist die Set-Energie (die einem gewünschten Zielwert der Impulsenergie entspricht) und A, B sind experimentell zu optimierende Faktoren, wobei dE/dU üblicherweise durch Messreihen der funktionale Abhängigkeit E = f(U) bestimmt wird. Der Anstieg dE/dU wird dabei aus der gesamten E(U)-Kurve gewonnen (E – Laserimpulsenergie, U – Ladespannung). Die Kenntnis dieser Kurve ist wichtig für die Charakterisierung des Status eines Lasers.
Vorstehendes kann auch auf eine EUV-Strahlungsquelle auf Basis einer Gasentladung übertragen werden. Für eine schnelle Energieregelung wird jedoch die Kenntnis der gesamten E(U)-Kurve nicht verwendet, da erfindungsgemäß mit einem adaptierten Regelungsfaktor gearbeitet wird, so dass aufgrund der Wahl eines Zielwertes der Impulsenergie, der Set-Energie E_S, als Arbeitspunkt der Strahlungsquelle der Anstieg dE/dU der E(U)-Kurve lediglich in diesem Arbeitspunkt notwendig ist. Der Arbeitspunkt wird durch den zu stabilisierenden Energiewert der Set-Energie E_S (z. B. 10 mJ) festgegeben und für die Regelungsprozedur mit einem durch ständige Messungen laufend aktualisierten Energiemittelwert <E> der Impulsenergie gleichgesetzt. Der zugehörige Spannungsmittelwert ist . Die Gleichung (1) gilt nur für den Fall, dass bei konstanter Arbeitsspannung (im Arbeitspunkt) die über viele Strahlungsimpulse Bemittelte Impulsenergie <E> gleich dem Setwert E_S ist. Das gilt (wenigstens über eine längere Zeit) für den Dauerbetrieb einer gepulst betriebenen EUV-Strahlungsquelle.
Im cw-Betrieb wäre eine Mittelung über beliebig viele Impulse vorzunehmen, im „üblichen Lithographiebetrieb” sind die Mittelwerte <E>, jedoch typischerweise als Mittelung über eine bestimmte Anzahl N von Strahlungsimpulsen zu verstehen. Das könnte zum einen die Anzahl N der Impulse pro ”slit” (Abtastspalt des Scanners) sein. <E> ist in diesem Fall als „moving average”-Wert (<E> = Σ_iE_i/N) über N Impulse anzusehen. Zum anderen kann die Mittelung auch über die Gesamtzahl der Impulse in einem sogenannten Burst (Impulsfolge von einigen hundert Impulsen) erfolgen.
Für den Fall, dass E nur von U direkt abhängt, ist die Vorgehensweise gemäß 2 wie folgt zu gestalten. Da die Schwankungen um den Mittelwert klein gegen den Mittelwert selbst sind, kann eine lineare Abhängigkeit angenommen werden: (E_i – <E>) = a(U_i – ) (2)
Wir schreiben verkürzt: E_i = aU_i mit E_i = (E_i – <E>) und U_i = (U_i – ). (3)
Der Proportionalitätsfaktor a (entspricht dem Anstieg dE/dU) kann nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden: dE/dU = a = <EU>/<U²> (4)
Da alle Impulsenergie- und Ladespannungswerte E_i und U_i und deren Abweichungen von den Mittelwerten E_i und U_i (nachfolgend auch: Messwerte) laufend in Dateien des Steuerrechners abgespeichert werden, kann a durch Mittelwertbildung <EU> und <U²> laufend berechnet und demgemäß dE/dU im benötigten Umfang (Arbeitspunkt) laufend aktualisiert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise bei der Bestimmung des Proportionalitätsfaktors a zur Regelung der Puls-zu-Puls-Stabilität der Impulsenergie E besteht darin, dass aus den Messwerten E_i und U_i direkt der normierte Korrelationskoeffizient K(E, U) = <E·U>·(<U²><E²>)^½ (5) berechnet werden kann. Dieser gibt an, wie stark Impulsenergie E und Ladespannung U korreliert sind. Das ist insbesondere wichtig, wenn die abgestrahlte Impulsenergie E von mehreren Größen (Störgrößen) beeinflusst wird (siehe 1).
In einem zweiten Beispiel soll verallgemeinernd ein Fall betrachtet werden, in dem die abgestrahlte Energie E von zwei Störgrößen X und Y beeinflusst wird. E, X, Y sollen analog zur Vereinbarung in Gleichung (3) auch hier die Abweichungen von den jeweiligen Mittelwerten darstellen). E = αX + βY (6)
Die Faktoren α und β sind mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate <(E – αX – βY)²> → Minimum berechenbar zu: α = (<EX> – β<XY>)/<X²>, β = (<EY> – α<XY>)/<Y²> (7)
Auch in dem vorliegenden Fall können aus den Messwerten in einfacher Weise die normierten Korrelationskoeffizienten K(E, X), K(E, Y), K(X, Y) analog Gleichung (5) ausgewertet werden.
Das soll nun gemäß 3 am konkreten Fall einer EUV-Strahlungsquelle mit den zwei Einflussgrößen Impulsenergie E_p (in Plasmanähe) und Schwerpunkt R des emittierenden Gebietes erläutert werden. Es ist aus 1 erkennbar, dass die Impulsenergie E in der Waferebene nicht direkt von der Ladespannung U, sondern über die beiden Größen E_p und R von dieser abhängt. Analog zu Gleichung (6) ist somit die mittlere Schwankung der Impulsenergie E in der Waferebene gegeben durch: E = αE_p + βR mit E_p = E_p – <E_p> und R = R – <R> (8)
Das Ablaufschema zur Bestimmung von a = dE/dU verdeutlicht 3 in einer Abfolge der Verfahrensschritte. Dabei wird die Schrittfolge für jeden zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommenen (gemessenen) Satz von Parametern und Einflussgrößen E_i, E_pi, R_i und U_i in gleicher Weise wiederholt durchlaufen.
Für die im dritten Schritt erfolgende Mittelwertbildung wird die erforderliche Anzahl N von Messwerten E_i, E_pi, R_i und U_i so gewählt, dass bei den ausgelösten Strahlungsimpulsen der EUV-Quelle gleiche Anregungsbedingungen (stationärer Fall) vorausgesetzt werden können. Das ist bei gasentladungsgepumpten Strahlungsquellen in regelmäßigen Impulsfolgen nach wenigen (einige zehn) Impulsen als gegeben anzunehmen.
Das vorgeschlagene Verfahren eröffnet in dieser Variante die Möglichkeit einer Auswertung und Steuerung, wenn die Impulsenergie E am Ort des Wafers von mehreren Größen (z. B. E_p und R) direkt abhängt und erst über diese (mittelbar) von der Ladespannung U. Es ist das Ziel, auch in diesem Fall den Regelfaktor dE/dU zu bestimmen, der gegeben ist durch: dE/dU = dE/dE_p·dE_p/dU + dE/dR·dR/dU (9)
In Analogie zu der für nur eine Einflussgröße aufgestellten Gleichung (4) erhält man unter Anwendung der Gleichungen (6) und (7) mit dem Ansatz (8) für die entsprechende Messgrößenauswahl gemäß 3: dE/dU = α·dE_p/dU + β·dR/dU = α·<E_pU>/<U²> + β·<RU>/<U²> (10) mit α = <EE_p>/<E_p ²>·[1 – (<ER>/(EE_p>)(<RE_p>/<R²>)]/S β = <ER>/<R²>[1 – (<EE_p>/<ER>)(<RE_p>/(E_p ²>)]/S (11) S = 1 – <E_pR>²/(<E_p ²><R²>), wobei die erforderlichen Mittelwerte entsprechend den Vorgaben in den Operatorfeldern von 3 bis einschließlich des fünften Operatorfeldes (laufend aktualisiert) zu bestimmen sind. Im nachfolgenden sechsten Schritt wird dann der Proportionalitätsfaktor unter Anwendung der vorstehenden Gleichungen (10) und (11) errechnet. Prinzipiell kann das in 3 vorgeschlagene Ablauf für beliebige Einflussgrößen angewendet werden, wenn diese Einflussgrößen entsprechend den Schritten 1 bis 3 gemessen, gespeichert und gemittelt wurden, so dass die Abweichungen von den Mittelwerten sowie die daraus resultierenden Mittelwerte der Abweichungen entsprechend zur Verfügung stehen. Die vorhandene Anzahl von Mittelwerten der Abweichungen im fünften Operationsschritt gemäß 3 bietet die durch gestichelte Linien aufgezeigte Möglichkeit, durch Berechnung von Korrelationskoeffizienten K_i die Einflussgrößen mit der größten Korrelation auszuwählen, die für die Berechnung des Proportionalitätsfaktors dE/dU im dargestellten sechsten Operatorfeld verwendet werden. In Analogie zu der im ersten Beispiel angegebenen Gleichung (5) berechnen sich die Korrelationskoeffizienten für die in diesem Fall direkten Einflussgrößen, Impulsenergie E_p (In Plasmanähe) und Schwerpunkt R des Plasmas zu: K₁(E, E_p) = <E_pE>/(<E_p ²><E²>)^½ K₂(E, R) = <ER>/(<R²><E²>)^½ K₃(E_p, R) = <E_pR>/(<E_p ²><R²>)^½. (12)
Diese Korrelationskoeffizienten K_i können dann auch vorteilhaft zur in-situ-Analyse von Veränderungen in der EUV-Strahlungsquelle selbst und im Beleuchtungsstrahlengang bis zum Zielobjekt (z. B. Wafer) sowie zur in-situ-Analyse von Fehlern und Störungen der gesamten Strahlungsquelle genutzt werden. Die zusätzlichen Operatorfelder sind in 3 gestrichelt als Nebenzweig zu den permanent auszuführenden Schritten der senkrecht fortlaufenden Operatorfelder dargestellt und ermöglichen weiterhin eine In-situ-Fehleranalyse der EUV-Strahlungsquelle bzw. des gesamten Beleuchtungsstrahlengangs der Lithographiemaschine.
Obwohl die Erfindung in den angegebenen Beispielen im Zusammenhang mit auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden EUV-Strahlungsquellen beschrieben wurde, ist sie jedoch in äquivalenter Weise ebenfalls auf jegliche Strahlungsquellen, die auf einer Gasentladung basieren und gepulst betrieben werden, insbesondere Excimerlaser, anwendbar. Dabei sind insbesondere Lösungsansätze unter Anwendung von statistischer Messwerterfassung, die die Schwankungen der Einflussgrößen gegenüber den aus einer Vielzahl von Messwerten gebildeten Mittelwerten erfasst und darauf aufbauend eine lineare Abhängigkeit zugrunde legt sowie dadurch eine einfache Korrelationsanalyse ermöglichen, als klar von der Erfindung umfasst zu verstehen.

Insbesondere ist die Erfindung nicht – wie in den Beispielen gewählt – auf eine oder zwei Einflussgrößen Störgrößen) bei der statistische Analyse beschränkt auszulegen, sondern es sind Erweiterungen auf alle geeigneten Einflussgrößen mit umfasst, die eine hinreichend große Korrelation zu wenigstens einer geeigneten Regelgröße aufweisen. Liste der verwendeten Zeichen

E	Impulsenergie (in Waferebene)
E_p	Impulsenergie (in Plasmanähe)
E_pr	Referenzwert der Impulsenergie
E_i, U_i, ..., R_i	Messwerte
<E>, <U>, ..., <R>	Mittelwerte der Messwerte
E_i, U_i, ..., R_i	Abweichung (von den Mittelwerten der Messwerte)

K, K_i	Korrelationskoeffizient
N	Anzahl der Impulse
a	Proportionalitätsfaktor (der PI-Regelung)
α, β	Faktoren
A, B	Koeffizienten der PI-Regelung

Claims

Verfahren zur Stabilisierung der Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen, auf gasentladungserzeugtem Plasma basierenden Strahlungsquelle, insbesondere einer EUV-Strahlungsquelle, bei der innerhalb einer Sequenz aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Strahlungsimpulse eine gleichbleibende Impulsenergie abgestrahlt werden soll, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der Impulsenergie jedes Strahlungsimpulses der EUV-Quelle, – Messen wenigstens einer Einflussgröße, – Bilden von zeitlichen Mittelwerten der Impulsenergie und der Einflussgröße, – Berechnen der Abweichung der aktuellen Messwerte von den Mittelwerten der Impulsenergie und Einflussgröße, – Bestimmen des Verhältnisses von Impulsenergie und Einflussgröße zumindest für einen Arbeitspunkt, in dem die Impulsenergie konstant gehalten werden soll, wobei das Verhältnis aufgrund der geringen Größe der Schwankungen gegenüber den Mittelwerten als linear angenommen und in Form eines Proportionalitätsfaktors der funktionalen Abhängigkeit ermittelt wird, – Ermitteln von normierten Korrelationskoeffizienten der gemessenen Einflussgröße(n), um den Grad der statistischen Abhängigkeit der jeweiligen Einflussgröße auf die Impulsenergie zu bestimmen, – Regeln der Impulsenergie mittels PI-Regelung. auf Basis des aktuellen Proportionalitätsfaktors (a) entsprechend wenigstens einer Einflussgröße mit dem größten Korrelationskoeffizienten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als primäre Einflussgröße die Ladespannung (U) an einer Hochspannungsquelle für die Gasentladung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Einflussgröße die Durchbruchspannung (U_p) für jede Gasentladung an zwischengeschalteten Entladungskondensatoren gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Einflussgröße die Position (R) des emittierenden Plasmas mittels eines ortsauflösenden Detektors gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Einflussgröße der Druck (p) des Arbeitsgases in der Entladungskammer gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie (E) als Regelgröße mittels eines Hauptenergiedetektors, der nahe des emittierenden Plasmas außerhalb eines auf ein Zielobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahlengangs angeordnet ist, gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Einflussgröße die Impulsenergie (E) am Ort des Zielobjekts gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie (E) als Regelgröße am Ort des Zielobjekts gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie (E) als Einflussgröße mittels eines Hauptenergiedetektors, der nahe des emittierenden Plasmas außerhalb eines auf ein Zielobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahlengangs angeordnet ist, gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass. zusätzlich zur Impulsenergie (E_p) jedes Impulses in größeren Abständen eine Referenz-Impulsenergie (E_pr) in einem lichtschwachen Referenzstrahlengang gemessen wird, um Alterungsprozesse von Spiegeln und Hauptenergiedetektor kompensieren zu können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung in Abhängigkeit von mehreren Einflussgrößen (U, U_p, R, p, E_p) mehrere Faktoren (α, β), wobei für zwei unterschiedliche Störgrößen (X, Y) die Regelung gemäß der allgemeinen Gleichung E = αX + βY definiert ist, durch statistische Auswertung der gemessenen Regelgröße (E) und mindestens zwei ausgewählten und als Störgrößen (X, Y) eingesetzten Einflussgrößen (U, U_p, R, p, E_p) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faktoren (α, β) bei direkter Abhängigkeit zwischen Regelgröße (E, E_p) und Einflussgrößen (U, U_p, R, p, E_p, E) für zwei beliebige Störgrößen (X, Y) durch Anwendung der Methode der kleinsten Quadrate gemäß den allgemeinen Gleichungen α = (<EX> – β<XY>)/<X²> und β = (<EY> – α<XY>)/<Y²> errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationskoeffizienten (K) zwischen Regelgröße (E, E_p) und Einflussgrößen (U, U_p, R, p, E_p, E), wobei letztere für zwei verschiedene Störgrößen (x, Y) gemäß K₁(E, X) = <XE>/(<X²><E²>)^½ K₂(E, Y) = <YE>/(<Y²><E²>)^½ K₃(X, Y) = <XY>/(<X²><Y²>)^½ errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationskoeffizienten (K_i) zur in-situ-Analyse von Veränderungen in der Strahlungsquelle und im Beleuchtungsstrahlengang genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationskoeffizienten (K_i) zur in-situ-Fehleranalyse der Strahlungsquelle genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass schnelle Änderungen der Impulsenergie (E) durch Änderung der Ladespannung (U) an der Spannungsquelle geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für eine schnelle Impulsenergieregelung in einem stationären Betriebsregime eine PI-Regelung gemäß U_n = U_n-1 – (AE_n-1 + BD_n-1)/(dE/dU) mit E_n-1 = E_n-1 – <E> und D_n-1 = Σ_i(E_i – <E>), i = 1 ... n – 1 verwendet und der Proportionalitätsfaktor dE/dU im Arbeitspunkt aktuell aus der statistischen Analyse durch laufende Berechnung von Abweichungen der Regelgröße (E) und Einflussgröße (U) von deren Mittelwerten (, <E>) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vergleichsweise langsame Änderungen der Impulsenergie (E, E_p) durch Variation des Gasdruckes (p) in der Entladungskammer geregelt werden.