DE60121412T2

DE60121412T2 - Methode zum Stoppen von Ionen und Verunreinigungen in Plasma-Strahlungquellen im extremem-ultaviolett oder weichen Röntgenbereich durch Verwendung von Krypton

Info

Publication number: DE60121412T2
Application number: DE60121412T
Authority: DE
Inventors: Francesco Flora; Chengen Zheng; Luca Mezi
Original assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Current assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: ATE333206T1; IT1316249B1; ITRM20000636A0; ITRM20000636A1; EP1211918A1; EP1211918B1; DE60121412D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich die Projektions-Mikrolithographie mit Strahlung im extremen Ultraviolett (EUV) und insbesondere die Probleme bezüglich der Dauer und Kosten von optischen Vorrichtungen, die in solchen Anwendungen verwendet werden. Es soll jedoch angemerkt werden, dass das Anwendungsgebiet der Erfindung eine Verbesserung einer Strahlungsquelle ist und sich auf alle möglichen Anwendungen von Strahlungsquellen im extremen Ultraviolett und für weiche Röntgenstrahlung erstreckt, die Verunreinigungen oder unerwünschte verunreinigende Fragmente emittieren.
Das industrielle Interesse an einer Mikrolithographie mit weicher Röntgenstrahlung rührt hauptsächlich daher, dass die Dichte von elektronischen Komponenten auf einem Mikrochip stärker von dem geometrischen Verhältnis der Raumauflösung abhängt, mit welcher der Mikrochip hergestellt wird, und von der Strahlungswellenlänge, die von der Vorrichtung zum Projizieren der Schaltungen auf die Siliziumwaver verwendet werden.
Daher erhöhte sich das wissenschaftliche und industrielle Interesse für Strahlungsquellen mit Spektralbereichen in extremen Ultraviolett- und von weichen Röntgenstrahlungs-Spektralbereichen in den letzten Jahren stark.
Insbesondere in dem Gebiet der Mikroelektronik und Nanomechanik ermöglicht die Verwendung von EUV-Strahlungsquellen und weicher Röntgenstrahlungsquellen eine Raumauflösung von weniger als 100nm zu erreichen, das heißt deutlich geringer als die momentan von Mikroelektronikunternehmen erreichten unter Verwendung von Ultraviolettstrahlung oder Strahlung von Excimerlasern (ARF) Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm.
Ein großes Projekt mehrerer Forschungszentren (Sandia National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Berkeley National Laboratory) und mehrere Mikroelektronikunternehmen (INTEL, Motorola, AMD, Infineon, Micron) wird in den USA zum Herstellen eines ersten Prototyps für eine Projektions-Mikrolithographie-Vorrichtung in dem extremen Ultraviolettbereich im Jahre 2005 entwickelt, das heißt der Bereich mit der geringsten Energie bezüglich weicher Röntgenstrahlung (nämlich einer Wellenlänge von 13,4 nm, bei welcher die besten mehrlagigen Spiegel für Strahlung im extremen Ultraviolett zu jetzigem Zeitpunkt hergestellt werden können). Diese Vorrichtung basiert auf einer Laserplasmaquelle mit einer hohen Durchschnittsleistung (einem 1,7kW Laser), der Xenon-Dampf als Target verwendet: der Laser überführt Xenon in einen Plasmazustand (bei etwa 1 Millionen Grad) und das letztere emittiert eine Strahlung im extremen Ultraviolett, die von einem Spiegel aufgenommen wird und dann zum Projizieren der Muster auf geeignete Masken auf einen Silizium-Waver verwendet wird. Die hohe Absorption, die alle diese Materialien in dem Strahlungsbereich im extremen Ultraviolett aufweisen, erzwingt die ausschließliche Verwendung von reflektiven Optiken, (das heißt, mehrlagige Spiegel).
Zwei ähnliche Projekte wurden in Frankreich und Deutschland unter Verwendung sowohl von Plasma, das in Gasen erzeugt wird, und Plasma, das auf Festkörpertargets hergestellt wird, entwickelt.
Der letztere Typ einer Quelle ermöglicht die höchste zu erreichende Effizienz, jedoch leidet er an einem schwerwiegenden Problem: das Plasma emittiert nicht nur Strahlung im extremen Ultraviolett, sondern auch Fremdkörper (Tropfen geschmolzenen Metalls mit sehr hoher Geschwindigkeit) wie auch Ionen und Neutrale, die den ersten Spiegel des optischen Projektionssystems treffen und ihn in kurzer Zeit beschädigen, wodurch seine Ersetzung notwendig wird.
Dies beinhaltet eine erhebliche Produktionsverlangsamung, wie auch einen starken Kostenanstieg, da diese Spiegel sehr teuer sind.
Die vorliegende Erfindung versucht die vorgenannten Probleme und Rückschläge durch Bereitstellen eines Verfahrens und einer diesbezüglichen Vorrichtung zu überwinden, die fähig ist, Ionen und kleine Fremdkörper, die von einer Plasmaquelle für Strahlung im extremen Ultraviolett (EUV-Plasmastrahlungsquelle) emittiert werden, um die Beschädigungen, die durch die selben an dem ersten Spiegel der Fokussierungsoptik der mikrolithographischen Vorrichtung oder ähnlichen zu vermeiden.
Die spezifischen physikalischen Eigenschaften des Edelgases Krypton machen es möglich, die Ionen und kleinen Fremdkörper (mit einer Abmessung von weniger als ein paar Mikro metern), die von der Plasmaquelle emittiert werden, auszufiltern und zur selben Zeit einen erheblichen Anteil der Strahlung im extremen Ultraviolett zu transmittieren (EUV-Strahlung), (zum Beispiel 80 % für ein Druckabstandsprodukt von 10 mbar cm).
Die Verwendung eines Kryptonflusses um Spiegel vor Fremdkörpern zu schützen ist aus Bijkerk et al. Journal de Physique III, Band 4, Seiten 1669–1977 (1994) bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Filtern der vorgenannten Ionen und kleinen Fremdkörper gemäß Anspruch 1 zu schaffen, wie auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Ein solches neuartiges Filterverfahren kombiniert, falls notwendig, mit bereits getesteten, verbesserten mechanischen Verfahren zum Filtern von Fremdkörpern mit großen Abmessungen (größer als ein Mikron) ermöglicht eine Plasma-EUV-Strahlung ohne verschmutzende Fremdkörper zu erhalten und ermöglicht zum Beispiel die nutzbare Lebenszeit der teuren Spiegel der mikrolithographischen Vorrichtung wesentlich zu verlängern.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden nachfolgend aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich, die manche bevorzugten Ausführungen nur als nicht beschränkende Beispiele zeigen.
In den Zeichnungen:
1 ist ein Diagramm, das die Transmission von Krypton und Helium bei dem Druck von 1 mbar über einen Abstand von 10 cm gemäß den Daten von Henke zeigt;
2 zeigt die Ergebnisse eines vereinfachten Berechnungsmodells für die Tiefe eines Eindringens eines Tantalum-Ions mit einer Energie von 4,6 keV (durch gezogene Kurven) oder 0,8 keV (gestrichelte Kurven), das in Helium und Krypton fliegt, aufgetragen über den Gasdruck;
3A–3C zeigen Bilder (in Transmission) eines Plastikfilms (3 × 3 mm²), der einem Bombardement von Tantalum-Ionen bei einem Abstand von 4 cm von der Quelle mit 400 Laserpulsen unter Vakuum bzw. in Helium bei 1,2 mbar bzw. in Krypton bei 2,5 mbar ausgesetzt ist;
3D zeigt den nicht-ausgesetzten Film zum Vergleich;
4A und 4B sind Bilder eines Tantalum-Fremdkörpers (helle Punkte), die auf den Filmen der 3A bzw. 3C abgeschieden sind, und durch ein optisches Mikroskop (40 ×) im Reflektionsmodus beobachtet sind (die Breite des sichtbaren Bereichs ist 400 μm × 270 μm);
5A und 5B zeigen Diagramme des Peakwertes der EUV-Signale von 50–70 eV, die durch eine 1,6 μm dicke Aluminiumfolie transmittiert werden, die in einem Abstand von 5 cm von der Quelle angeordnet ist (senkrecht zu dem Target), während 100 Schüsse unter Vakuum bzw. in Krypton bei 2,5 mbar;
6 zeigt schematisch eine Vorrichtung für eine extreme EUV-Mikrolithographie, in welcher die Kammer der Quelle mit Krypton bei geringem Druck gemäß der Erfindung gefüllt ist;
7 zeigt eine erste Abwandlung des Diagramms von 6, die ein schematisches Ventilationssystem mit einem Ventilator beinhaltet, der fähig ist einen querverlaufenden Kryptonfluss zu generieren und einen Filter um ihn sauber zu halten;
8 zeigt eine zweite Abwandlung des Diagramms von 6, die ein oder mehrere rotierende gelochte Scheiben (oder Shutter) beinhaltet, um die langsamen Fremdkörper und die Metallwolke zu stoppen, die durch das Plasma in Kr ebenso erzeugt werden;
9 zeigt eine dritte Abwandlung des Diagramms von 6, das die zwei vorhergehenden Abwandlungen beinhaltet.
Es ist bekannt, dass Krypton ein EUV-Transmissionsfenster zwischen 60 und 90 eV aufweist, wie in 1 dargestellt.
Dieser Spektralbereich ist sehr wichtig für die Anwendungen einer extremen EUV-Strahlung für eine Projektions-Mikrolithographie-Vorrichtung, da Spiegel mit hoher Reflektivität (70 % bei 88–92 eV oder bei einer Wellenlänge von 13,4–14,2 nm) verwendet werden, die unverzichtbar zum Abbilden des Maskenmusters auf einen Silizium-Waver sind, nur in solchen Bereichen hergestellt werden können.
Bekanntermaßen ist Helium das transparenteste Gas für weiche Röntgenstrahlungen, aber seine Verwendung zum Stoppen von Ionen oder kleinen Fremdkörpern ist aufgrund seiner geringen atomaren Masse stark begrenzt. Krypton hat anstatt dessen eine 21-fach größere atomare Masse, selbst wenn es eine Transparenz aufweist, die gleich der Heliums in dem oben genannten Bereich ist, wodurch eine größere Effizienz beim Stoppen von Ionen oder kleinen Fremdkörpern erhalten wird.
2 zeigt ein Diagram der Ergebnisse einer theoretischen Berechnung (unter der vereinfachten Annahme von nur elastischen Stößen), das den Flugweg von Tantalum-Ionen in Helium und Krypton betrachtet. Die Ergebnisse solcher Berechnungen sind, dass die Ionen in Krypton in einer 10-fach kürzeren Distanz gestoppt werden als gegenüber in Helium.
Der Grund, warum Tantalum-Ionen verwendet werden ist, dass während Experimenten eine höhere EUV-Strahlungserzeugungs-Effizienz und eine geringere Fremdkörper-Emission von einem Tantalum-Target beobachtet wurden. In jedem Fall würden ähnliche Ergebnisse für beliebige Target-Materialien erhalten werden.
Um eine erste qualitative Bestätigung der Richtigkeit einer solchen Feststellung zu erhalten, wurden transparente Plastikfilme einem Bombardement von Tantalum-Ionen (400 Schüsse) ausgesetzt, die von einer Laserplasmaquelle emittiert wurden, das heißt, eine Quelle, die auf einem Tantalumband-Target basiert, das in einen Plasmazustand durch einen XeCe-Excimer-Laser erhitzt wird, der Pulse mit 4 J Energie und 120 ns Dauer mit einer Wellenlänge von 308 nm emittiert.
Wie in den 3A–3D gesehen werden kann, zeigt letzteres einen nicht-ausgesetzten Film, reduziert die Abscheidung von Ionen die Transparenz des ausgesetzten Films im Vakuum (3A) und in Helium (3B), aber die Reduzierung ist deutlich geringer in Krypton (3C). Beim Untersuchen dieser Filme mit einem optischen Mikroskop im Reflektionsmodus kann der Tantalum-Fremdkörper einfach erkannt werden, da diese hell unter dem Licht des Mikroskops sind.
Mit Bezug auf die 4A und 4B entsprechend den obigen 3A und 3C, sollte festgehalten werden, dass ebenso Fremdkörper zusammen mit den Ionen in dem Film herausgefiltert werden, der in Krypton ausgesetzt ist (4B). Tatsächlich konnte auf den meisten untersuchten Bereichen kein Fremdkörper beobachtet werden. Dieses vorteilhafte Ergebnis konnte erreicht werden, obwohl es eine große Anzahl von Fremdkörpern gibt, wie dies aus 4A verglichen zu dem Film erkannt werden kann, der in dem Vakuum ausgesetzt wurde.
Um eine quantitativere Bestätigung des Kr-Effekts auf Ionen zu erhalten, wurde die hohe Absorption von Tantalum in EUV-Strahlung verwendet (die charakteristische Länge des Eindringens bei 70 eV ist nur 12 nm). In dem Experiment wird eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 1,6 μm, die 5 cm von der Tantalum-Laserplasmaquelle angeordnet war, dem Bombardement ausgesetzt und der Fluss von EUV-Strahlung, der durch die Folie transmittiert wird, wurde gemessen.
Der Strahlungsdetektor war 4 cm von der A1-Folie entfernt, das heißt 9 cm von der Quelle. Wie in 5A erkennbar, verringert sich wie im Vakuum bei einer Aussetzung von 100 Schüssen des Laserplasmas die Transmission des A1-Filters um 25 %, entsprechend einer mittleren Tantalum-Dicke von 4 nm, die auf dem Aluminiumfilter abgeschieden wurde.
Der Druck Kr in der Kammer, die das Target enthält, wurde dann auf 2,5 mbar gebracht. Dies verursacht, dass das Signal des Detektors sich sofort um weitere 34 % verringert, aufgrund der Absorption von Krypton (entsprechend einer Verringerung von nur 17 % bei dem gleichen Abstand von 5 cm, wie dem zu der Aluminiumfolie), gemäß den Absorptionsdaten von Henke, die in 1 gezeigt sind. Während der folgenden 100 Schüsse (5B) verringerte sich der Fluss der EUV-Strahlung nur um 3%, aber eine solche Verringerung war dieselbe, wie die Absorption, die durch eine Erhöhung von 0,03 mbar aufgrund eines Einlasses von Luft während der 100 Schüsse verursacht wird (die verwendete Zelle war nicht vollständig dicht) und kann daher nicht nur der Abscheidung von Ionen zugeordnet werden.
Zusammenfassend wird es aus den experimentellen Ergebnissen offensichtlich, dass Krypton den Ionenfluss und den Fluss von kleinen Fremdkörpern zumindest um eine oder mehrere Größenordnungen stoppt.
Dies wird für einen Wert des Druckabstandsproduktes erhalten, der kompatibel mit einer Transmission von mehr als 80 % der extremen Ultraviolett-Strahlung zwischen 60 und 90 eV.
Neue Ergebnisse, die für ein Kupfer-Target erhalten wurden, zeigen, dass durch Kombinieren von Kr mit zwei gegenläufig rotierenden gelochten Scheiben (8), die ein paar Zentimeter von der Quelle entfernt angeordnet sind, ein Abschwächungsfaktor von mehr als zwei Größenordnungen die Ionen- und die Fremdkörperabscheidung erhalten wird (mit Scheibengeschwindigkeiten von 65 und 75 Umdrehungen und einem Scheibendurchmesser und Lochdurchmesser von 10 cm bzw. 2,5 cm).
Daher ist, wie bereits erwähnt, ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Stoppen des Ionenflusses und des Flusses von kleinen Fremdkörpern in EUV-Strahlungsplasmaquellen, wobei Krypton oder seine Mischungen in der Kammer zwischen der EUV-Plasmaquelle und dem ersten Spiegel S des optischen Projektionssystems, einem sog. Kondensor, verwendet wird.
Dies benötigt ein Bereitstellen einer Kammer, die die Quelle und den Kondensorspiegel S gefüllt mit Krypton bei geringem Druck aufweist (6).
Gemäß der Erfindung, die in 7 gezeigt ist, wird die getestete Effizienz von Krypton (Kr) zum Filtern von Ionen und kleinen Fremdkörpern, die durch EUV-Strahlungsplasmaquellen emittiert werden, unter Verwendung von Krypton oder seinen Mischungen in der Form eines kontinuierlich gefilterten Flusses über die Zeit konstant gehalten.
Dieser Anwendungstyp ist besonders nützlich, da die Ansammlung von Fremdkörpern in der Krypton-Atmosphäre innerhalb der Kammer der Quelle mehr und mehr die Filterfähigkeit und Transparenz davon bei EUV-Strahlung reduzieren würde.
Aus diesem Grund ist zum Beispiel ein Ventilator V in der Kammer angeordnet, um einen querverlaufenden Fluss zu der Richtung des EUV-Strahls und der Fremdkörper zu erzeugen. Ein solcher Ventilator V ist an einer Seite des Strahls angeordnet, während ein Filter V zum Säubern des Kr-Flusses, nachdem er durch den Strahl verlief, der durch die Plasmaquelle emittiert wird, auf der anderen Seite angeordnet ist.
In einer Abänderung, die in 8 gezeigt ist, die nicht die beanspruchte Erfindung betrifft, ist mindestens eine gelochte rotierende Scheibe (oder ein Shutter D) gekreuzt zu der Richtung des extremen Ultraviolett-Strahls angeordnet und rotiert um ihre Symmetrie-Achse synchron zu den Emissionen der Quelle in dem Pfad zwischen der Quelle und dem mehrlagigen zu schützenden Spiegel S. Die Strahlung trifft den Spiegel durch die Löcher und die größeren und daher langsameren Fremdkörper (wie auch die Wolke aus kryptonreichen Metall-Clustern) stoppen an der Oberfläche der Scheibe, die sich zwischenzeitlich zwischen die Quelle und den Spiegel aufgrund ihrer Rotation anordnet.
Abschließend verwendet eine dritte Abwandlung der Erfindung (9) eine Kombination eines Ventilators V und eines Filters F mit mechanischen Vorrichtungen D, sodass nahezu alle Fremdkörper mit großen und geringen Abmessungen und Ionen gestoppt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde zusammen mit einer bevorzugten Ausführungsform und Abwandlungen davon beschrieben und illustriert, jedoch soll verstanden sein, dass jeder Fachmann funktionell und technisch äquivalente Modifikationen und/oder Ersetzungen vor nehmen kann, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Abstoppen von Ionen und kleinen Fremdkörpern, welche durch eine plasmaerzeugende weiche Röntgenstrahlung oder EUV-Strahlung emittiert werden, wobei ein Element (S) die Strahlung von dem Plasma derart empfängt, dass das Element den durch das Plasma emittierten Fremdkörpern ausgesetzt ist, mit dem Schritt: Erzeugen eines Kryptonflusses bei niedrigem Druck zwischen dem Plasma und dem Element, um die Menge an Fremdkörpern, welche das Element erreichen, zu reduzieren, gekennzeichnet durch den Schritt: kontinuierliches Durchlaufen lassen des Kryptonflusses durch einen Filter (F), um die Transparenz des Kryptons für EUV-Strahlung und die Effizienz des Kryptons, Fremdkörper und Ionen, welche durch das Plasma emittiert sind, konstant zu halten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Krypton verdünntes Krypton bei einem Druck von etwa 1 mbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, welches ferner den Schritt umfasst: Bereitstellen von mindestens einer perforierten drehbaren Scheibe oder Blende (D), welche um ihre Symmetrieachse derart rotiert, dass jedes ihrer Löcher in der Richtung des EUV-Strahls synchron mit den Emissionen der EUV-Quelle angeordnet ist, wobei die Blende quer zu der Richtung des EUV-Strahls in dem Weg zwischen der Quelle und dem zu schützenden Element (S) angeordnet wird, wodurch erreicht wird, dass die Strahlung den Spiegel durch das Loch oder durch die Blende trifft und die größeren, dann langsameren Fremdkörper und die schmutzige Kryptonwolke an der Oberfläche der Scheibe, welche zwischenzeitlich aufgrund ihrer Drehung zwischen Quelle und Spiegel liegt, abstoppt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem Vakuumsystem, Mitteln zum Erzeugen eines Plasmas in dem Vakuumsystem, wobei das Plasma weiche Röntgenstrahlung oder EUV-Strahlung erzeugt, ein Element (S) innerhalb des Vakuumsystems, wobei das Element die Strahlung von dem Plasma derart emp fängt, dass das Element Fremdkörpern ausgesetzt ist, welche durch das Plasma emittiert sind gekennzeichnet durch Ventilationsmittel (V) zum Erzeugen eines Gasflusses, welcher in der Kammer bei niedrigem Druck vorliegt, und einem Filter (F) zum Reinigen von Krypton, welcher derart eingerichtet ist, dass die Ventilationsmittel den Gasfluss zwingen den Filter zu durchlaufen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, mit ferner mindestens einer perforierten drehbaren Scheibe oder Blende (D), welche im Betrieb um ihre Symmetrieachse derart rotiert, dass jedes ihrer Löcher in der Richtung des EUV-Strahls synchron mit den Emissionen der EUV-Quelle angeordnet ist, wobei die Blende quer zu der Richtung des EUV-Strahls in dem Weg zwischen der Quelle und (S) dem zu schützenden Element angeordnet ist, wodurch erreicht wird, dass im Betrieb die Strahlung den Spiegel durch das Loch oder durch die Blende trifft und die größeren, dann langsameren Fremdkörper und die schmutzige Kryptonwolke an der Oberfläche der Scheibe, welche zwischenzeitlich aufgrund Ihrer Drehung zwischen Quelle und Spiegel liegt, abstoppt.