JP2005017274A - 先行パルスにより強化されたレーザ生成プラズマｅｕｖ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 高エネルギーのレーザメインパルスの直前に低エネルギーのレーザ先行パルスを用いるＥＵＶ放射源を提供する。
【解決手段】 先行パルスはターゲットエリア内に弱いプラズマを生成し、メインレーザパルスのレーザ吸収を改善して、ＥＵＶ放射の放出量を改善する。高エネルギーイオン流束は、先行パルスによって生成される、局在化したターゲット蒸気雲内の衝突によって低減される。また低エネルギーの先行パルスは、最大出力強度を得るためのメインパルスの２０〜２００ｎｓ前にターゲットエリアに到達する。低い強度のＥＵＶ放射を与えるため、先行パルスとメインパルスとの間のタイミングは１６０ｎｓ未満に低減することができる。１実施形態では、先行パルスは、適当なビーム強度比を有するビームスプリッタによってメインパルスから分離され、メインパルスは遅延され、先行パルス後にターゲットエリアに到達する。
【選択図】 図２

Description

本発明は概括的には極紫外線（ＥＵＶ：extreme ultraviolet）放射源に関し、より詳細には、高エネルギーのレーザメインパルスの直前に低エネルギーのレーザ先行パルスを用いて、レーザ電力のＥＵＶ放射への変換を改善したレーザプラズマＥＵＶ放射源に関する。

超小型電子（マイクロエレクトロニクス）集積回路は通常、当業者にはよく知られているフォトリソグラフィプロセスによって基板上にパターニングされており、その回路素子はマスクを通して伝搬する光ビームによって画定される。最新のフォトリソグラフィプロセスおよび集積回路アーキテクチャがさらに発達すると、回路素子はより小型になるとともに、より近接して配置されるようになる。回路素子が小さくなると、さらに短い波長の光ビームを生成するフォトリソグラフィ光源を用いる必要がある。言い換えると、光源の波長が短くなると、フォトリソグラフィプロセスの解像度（分解能）が向上し、より小型の集積回路素子が画定されるようになる。フォトリソグラフィ光源のための現在の動向は、極紫外線（ＥＵＶ）あるいは軟Ｘ線波長（１３〜１４ｎｍ）の光を生成するシステムを開発することである。

ＥＵＶ放射を生成するための種々の装置が当該技術分野において知られている。最も一般的なＥＵＶ放射源のうちの１つは、レーザプラズマターゲット材料として気体、典型的にはキセノンを用いるレーザプラズマ気体凝縮（ガスコンデンセイション）放射源である。アルゴンおよびクリプトンのような他の気体、および複数の気体の混合もレーザターゲット材料として知られている。レーザ生成プラズマ（ＬＰＰ：laser produced plasma）に基づく既知のＥＵＶ放射源では、気体は通常極低温の液相まで冷却され、その後、オリフィスあるいは他のノズル開口部を通して、連続した液流あるいはフィラメントとして真空プロセスチャンバに押し込まれる。液体ターゲット材料は真空環境において急速に凍結（凝固）し、凍結されたターゲット流になる。室温では気体である極低温に冷却されたターゲット材料は、光源光学系において凝縮することがないので、またプロセスチャンバから排出されなければならない副生成物を最小限しか生成しないので望ましい。いくつかの設計では、ノズルから放出されるターゲット材料が、ある特定の直径（３０〜１００μｍ）および所定の液滴間隔を有する液滴の流れ（ストリーム）を形成するように、ノズルが振動される。

ターゲット流は、通常Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの高電力レーザビームパルスによって照射され、そのビームパルスがターゲット材料を加熱して、ＥＵＶ放射を放出する高温プラズマを生成する。レーザのパルス周波数は応用形態に固有であり、種々の要因に依存する。レーザビームパルスは、プラズマを生成するだけの十分な熱を与えるために、ターゲットエリアにおいてある一定の強度がなければならない。典型的なパルス持続時間は５〜３０ｎｓであり、典型的なパルス強度は５×１０¹⁰〜５×１０¹²Ｗ／ｃｍ²の範囲内にある。

図１は、圧力をかけた状態でキセノンのような適当なターゲット材料を保有するターゲット材料貯留チャンバ１４を備えるノズル１２を含む、上記のタイプのＥＵＶ放射源１０の平面図である。チャンバ１４内には、ターゲット材料を極低温に冷却して液状にする熱交換器あるいは凝縮器（コンデンサ）が設けられる。液体ターゲット材料は、ノズル１２の細いスロート部あるいは毛管（毛細管）１６を通して押し出され、フィラメントあるいはターゲット流１８として、ターゲットエリア２０に向けて、圧力をかけた状態で真空プロセスチャンバ２６内に放出される。液体ターゲット材料は真空環境において急速に凍結し、その材料がターゲットエリア２０に向かって伝搬するのに応じて、ターゲット材料の固体フィラメントが形成される。ターゲット材料の蒸気圧とともにその真空環境によって、ターゲット流１８が移動する距離および他の要因に応じて、凍結したターゲット材料は最終的に凍結したターゲットフラグメントに分割されるようになる。

レーザ光源２４からのレーザビーム２２が、プロセスチャンバ２６内のターゲットエリア２０に向けて指向され、ターゲット材料フィラメントを気化させる。レーザビーム２２からの熱によって、ターゲット材料は、ＥＵＶ放射３２を放射するプラズマ３０を生成するようになる。ＥＵＶ放射３２は集光器光学系（collector optics）３４によって収集され、パターニングされる回路（図示せず）あるいはＥＵＶ放射３２を用いる他のシステムに指向される。集光器光学系３４は、放射３２を収集し、指向させるのに適した任意の形状、例えば楕円形にすることができる。この設計では、レーザビーム２２は、図に示されるように、集光器光学系３４内の開口部３６を通って伝搬する。他の設計では、他の構成を用いることができる。

別の設計では、スロート部１６は、圧電振動子のような適当なデバイスによって振動させることができ、そこから放出される液体ターゲット材料が小滴（粒子）の流れを形成できるようにする。振動の周波数およびターゲット流速度が小滴のサイズおよび間隔を決定する。ターゲット流１８が小滴の流れである場合には、レーザビーム２２はパルス化され、小滴毎に衝当するか、ある一定の数の小滴毎に衝当することができる。

ＥＵＶ放射源は良好な変換効率を有することが望ましい。変換効率は、収集可能なＥＵＶ放射に変換されるレーザビームエネルギーの割合、すなわちＥＵＶ放射のワット数をレーザ電力のワット数で割った値である。ターゲット流を取り巻くガスターゲット材料はＥＵＶ放射を吸収する傾向があるので、良好な変換効率を達成するためには、ターゲット流蒸気圧が最小限に抑えられなければならない。さらに、ターゲット流体の状態図即ち相図（phase diagram）の気相−液相飽和線付近で動作する液体凍結剤（起寒剤）供給システムは通常、ターゲット流が不安定であることにより分割されるようになるか、小滴が形成されるようになる前に、ターゲット材料の流れをかなりの距離まで放出することはできない。さらに、ノズルとターゲットエリアとの間の距離を最大限にして、ノズル加熱および凝縮可能な放射源細塵を最小限に抑えなければならない。

レーザ生成プラズマ技術においては、高エネルギーのレーザメインパルスがターゲット材料を加熱し、目的とする光の波長を生成する前に、ターゲット材料上に入射する低エネルギーのレーザ先行パルスを利用することが知られている。先行パルスを用いて、メインパルスの吸収を改善する。レーザ先行パルスは弱いプラズマを形成するが、目的とする光の波長を生成するほど十分に高い強度はない。先行パルスを用いる既知のプラズマ生成システムは、先行パルスおよびメインパルスがターゲット材料に衝当する際に、それらが同じ軸に沿って伝搬できるようにする適当な光学系を用いている。先行パルスを利用するレーザ生成プラズマ発生技術は、レーザ吸収およびプラズマサイズを増加することが立証されており、それらはいずれも放射効率を高める一因になる。しかしながら、先行パルス技術は、ＥＵＶ放射を生成するレーザ生成プラズマ源において利用することに成功していない。

本発明の教示によれば、高エネルギーレーザメインパルスの直前に低エネルギーレーザ先行パルスを用いるＥＵＶ放射源が開示される。先行パルスはターゲットエリア内に弱いプラズマを生成し、ターゲット密度を低減するとともに、メインレーザパルスのレーザ吸収を改善して、ＥＵＶ放射の放出量を増加させる。先行パルスの強度は、有効なＥＵＶ放射の放出量を生成するほどは高くはない。先行パルスによって生成される局在化したターゲット蒸気雲内の衝突によって、高エネルギーイオン流束（フラックス）が低減され、それゆえ放射源収集光学系に損傷を与える可能性は低い。

１実施形態では、低エネルギー先行パルスは、メインパルスが最大のＥＵＶ放射を生成する２０〜２００ｎｓ前にターゲットエリアに到達する。ＥＵＶ放射強度は、先行パルスとメインパルスとの間の時間を短くすることにより制御することができる。また１実施形態では、先行パルスおよびメインパルスは、ターゲット上に別々に集束され、分離角θを有する個別のレーザビームである。角度θは０°から１８０°まで変化し、レーザエネルギーのＥＵＶ放射の放出量への変換を最適化することができる。１実施形態では、先行パルスおよびメインパルスは同じレーザ光源から放射することができる。先行パルスは、適切なビーム強度比を有する適当なビームスプリッタによってメインパルスから分割され、メインパルスは遅延され、先行パルスの後にターゲットエリアに到達する。

本発明のさらに別の利点および特徴は、添付の図面を参照する以下の説明および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

レーザ先行パルスおよびレーザメインパルスを利用するＥＵＶ放射源に向けられる本発明の実施形態の以下に記載される説明は実際には単なる例示であり、決して本発明およびその応用形態あるいは用途を限定するものではない。たとえば、本発明の先行パルス技術は、ＥＵＶ以外の光の他の波長を生成するための他の放射源に適用することもできる。

図２は、本発明の１実施形態によるＥＵＶ放射源５０の平面図である。以下に詳細に記載するように、ＥＵＶ放射源５０は、ターゲットエリア５６に向けて指向されるレーザ先行パルスビーム５２とレーザメインパルスビーム５４とを利用する。１実施形態では、先行パルスビーム５２とメインパルスビーム５４の持続時間は５〜３０ｎｓの範囲内にある。しかしながら、これは例示であって、限定するものではなく、上記の目的を果たすのに適した任意のパルス持続時間を用いることができる。上記のように、キセノンのようなターゲット材料の流れ（ストリーム）６０が、適当な装置５８からターゲットエリア５６に向かって指向され、気化され、ＥＵＶ放射を生成する。ターゲット流６０には、２０〜１００μｍの直径を有する凍結されたターゲットフィラメントを用いることができるか、あるいはターゲットシート、ターゲット小滴、複数のフィラメントなどのような、ＥＵＶ放射を生成するのに適した任意の他のターゲットを用いることができる。先行パルスビーム５２は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのようなレーザ光源６２によって生成され、レンズ６４によってターゲットエリア５６上に集束される。同様に、メインパルスビーム５４はレーザ光源６８によって生成され、レンズ７０によってターゲットエリア５６上に集束される。

先行パルスビーム５２は、ターゲットエリア５６内に弱いプラズマ７２を生成し、メインパルスビーム５４のレーザ吸収を改善し、ＥＵＶ放射の放出量を増加させる。言い換えると、先行パルスビーム５２は、レーザビーム焦点から広がるターゲットエリア５６内に弱くイオン化されたプラズマを生成し、メインパルス５４をより効率的に吸収する予め調整されたターゲットを与える。先行パルスビーム５２は、ターゲットエリア５６の密度および圧力を低減し、メインパルスビーム５４が高密度のターゲット材料から反射される可能性を低くするとともに、ＥＵＶ放射を生成するためにターゲット材料内に吸収される可能性を高めるようにするものと考えられる。ターゲットエリア５６における先行パルスビーム５２の強度は、有効なＥＵＶ放射の放出を生じさせるほど高くはない。

メインビーム５４の吸収を改善することにより、ビームエネルギーのＥＵＶ放射への変換が大きくなる。先行パルスビーム５２を用いることにより、先行パルスを利用しない放射源よりもＥＵＶ放射のエネルギーが２０〜３０％増加することが立証されている。したがって、小さなレーザビームエネルギーで同じ量のＥＵＶ放射が得ることができるか、あるいは同じレーザビームエネルギーから多くのＥＵＶ放射を得ることができる。先行パルスビーム５２とメインビーム５４とを合成したレーザ電力は、従来技術の放射源において用いられる単一のレーザビームパルスの電力以下であるか、あるいは大きくても著しく大きくはならない。

この実施形態では、先行パルスビーム５２は、メインパルスビーム５４に対して角度θでターゲットエリア５６に向けられる。角度θは、メインビームパルス５４のＥＵＶ放射への変換を最適化することになる０°〜１８０°の任意の角度にすることができる。角度θは、ビーム強度、ターゲット材料などのように、種々の応用形態に最適化させることができる。通常、先行パルスビーム５２の強度はメインパルスビーム５４の強度の約１０％になるであろう。また、先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４がターゲットエリア５６に衝当する際に、それらのビームを同じ軸に沿って指向させるために、ミラー等を設けることができる。この実施形態では、先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４は、適当な偏光板および／または波長板によって種々の方向に線形に偏光させることができる。１実施形態では、先行パルスビーム５２は、約４０ｍＪのエネルギーと、１０ｎｓの持続時間とを有し、メインパルスビーム５４は７００ｍＪのエネルギーと、１０ｎｓの持続時間とを有し、角度θは３０°である。別の実施形態では、先行パルスビーム５２は１０〜４０ｍＪのエネルギーを有し、メインパルスビーム５４は０．１〜１Ｊのエネルギーを有し、角度θは９０°である。

レーザ光源６２および６８は、ビーム５２および５４のパルスの開始およびタイミングを与えるコントローラ７４に電気的に接続される。コントローラ７４には、本明細書に記載される目的を果たすのに適した任意のコントローラ、マイクロプロセッサ等を用いることができる。本明細書で説明するように、先行パルスビーム５２はメインパルスビーム５４の直前にターゲットエリア５６に到達し、ＥＵＶ放射の変換を高めるという利点を提供する。１実施形態では、この遅延時間は２０〜２００ｎｓである。しかしながら、これは一例であって、限定するものではなく、他の応用形態の場合には他の遅延および時間差が適している場合もある。ビーム５２と５４との間の遅延時間を与えるために、コントローラ７４が最初にレーザ６２を発射させ、必要な時間が経過した後にレーザ６８を発射させる。

この実施形態では、ビーム５４はフォールディング（折返し）光学系７６によって曲げられ、ビーム５２と５４との間の所望の分離角が与えられる。レーザ６２からターゲットエリア５６までの経路長は、レーザ６８からターゲットエリア５６までの経路長と同じであり、コントローラ７４がタイミング制御を行う。別法では、レーザ６２からターゲットエリア５６までの経路長を、レーザ６８からターゲットエリア５６までの経路長よりも短くし、タイミング差を与えることができる。

さらに、プラズマ７２からの高エネルギーイオン流束が、先行パルスビーム５２によって生成される、局在化したターゲット蒸気雲内の衝突によって低減されることが立証されている。高エネルギーイオン流束の低減は、弱くイオン化されたプラズマによって与えられる、ターゲット材料とのあまり激しくない反応によって引き起こされるものと考えられる。これにより、プラズマ７２からの高エネルギーイオンの生成量（発生率）を低減できるようになる。これらのイオンはＫｅＶの低い範囲のエネルギーを有し、通常ＥＵＶ光学部品の敏感な表面に損傷を与え、結果として反射率が損なわれるようになる。

図３は放射源５０に類似のＥＵＶ放射源８０の一部の平面図であり、類似の構成要素は類似の参照番号によって表される。また放射源８０も、角度θだけ分離される先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４を用いる。この実施形態では、レーザ光源６２および６８の代わりに、単一のレーザパルスビーム８４を生成する単一のレーザ光源８２が用いられている。ビーム８４はビームスプリッタ８６によって分割され、先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４が与えられる。２つのビーム５２および５４の出力強度を選択し、所望のビームエネルギーを与えるように設計することができるビームスプリッタ８６は、よく知られているデバイスである。適当なビームスプリッタの例としてはコーティングされたミラーあり、そのコーティングが適当な強度比を与える。

適切なタイミングを与えるために、メインパルスビーム５４は光学遅延デバイス８８によって遅延され、そのビームが、先行パルスビーム５２後の適切な時点にターゲットエリア５６に到達するようにする。光学遅延デバイス８８には、本明細書に記載される目的を果たすのに適した任意の遅延デバイスを用いることができ、一般的には、メインパルスビーム５４に対して、先行パルスビーム５２の経路長よりも長い経路長を与えるミラーあるいは一連のミラーが用いられる。１実施形態では、メインパルスビーム５４の経路長を、先行パルスビーム５２の経路長よりも約２０フィート長くして、適当な遅延を与える。

当該技術分野において知られているように、時折、集積回路をパターニングするためのフォトリソグラフィにおいて用いられる光ビームの強度を変化させて、フォトレジストおよびマスクに供給される光照射量を正確に制御する必要がある。光としてＥＵＶ放射を用いるそれらのフォトリソグラフィシステムの場合、放射を生成するレーザパルスエネルギーを変化させることによりＥＵＶ放射出力を変化させることは難しい。なぜなら、レーザ熱および光学構成要素がある特定のパルスエネルギーに対して最適化されるためである。放射源設計パラメータからの偏差は、レーザ構成要素の故障を早める可能性がある。また、ＥＵＶ放射強度を変化させるために、レーザに入力されるエネルギーを変化させること、あるいはレーザビーム経路内に可変減衰器を挿入することなどの方法は、大量チップ製造に必要な高いパルス速度で実現するのが難しい。通常、レーザパルス間には約１００マイクロ秒しかない。それゆえ、駆動レーザパルスエネルギーを変更することなく、ＥＵＶ放射出力を変化させることが望ましい。

上記のように、先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４から最大限のＥＵＶ放射出力を達成するためには、ビームパルス間の遅延は２０〜２００ｎｓの範囲内に入るであろう。しかしながら、先行パルスビーム５２とメインパルスビーム５４との間の遅延時間が１６０ｎｓよりも短い場合には、ＥＵＶ放射ビームの強度は、それに比例してＥＵＶ出力強度よりも小さくなるであろう。たとえば、パルス当たりの出力エネルギーが同じ場合でも、ビーム５２と５４との間に８０ｎｓの遅延時間がある場合はＥＵＶ放射出力の強度が約２０％減少し、ビーム５２と５４との間に４０ｎｓの遅延時間がある場合はＥＵＶ放射強度が約３０％減少する。それゆえ、ＥＵＶパルスエネルギーは、先行パルスビーム５２およびメインパルスビーム５４のためのレーザ出力エネルギーを一定に保持したままでも、先行パルスレーザビームタイミングを変化させることにより、最大放射出力の約６０〜１００％の範囲内に調整されることができる。コントローラ７４によって与えられるタイミングが、放射ビーム出力強度を正確に制御することができる。したがって、フォトリソグラフィプロセスに供給されるＥＵＶ放射強度の量を制御することができる。これは、パルス間の安定性に関する要件を大きく緩和するとともに、おそらくチップ製造の製造歩留まりを改善する。

上記の説明は単に本発明の典型的な実施形態を開示し、記載するにすぎない。そのような説明、および添付の図面および特許請求の範囲から、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の改変、変更および変形を実施することができることは当業者は容易に理解するであろう。

ＥＵＶ放射源の平面図である。 本発明の１実施形態による、個別のレーザ光源によって生成されるレーザ先行パルスおよびレーザメインパルスを利用するＥＵＶ放射源の平面図である。 本発明の別の実施形態による、同じレーザ光源によって生成されるレーザ先行パルスおよびレーザメインパルスを利用するＥＵＶ放射源の平面図である。

Claims (12)

1. 極紫外線（ＥＵＶ）放射を生成するためのＥＵＶ放射源であって、
   ターゲット材料の少なくとも１つのストリームを生成するための装置であって、ターゲット材料がターゲットエリアに向けて指向される装置と、
   メインパルスレーザビームおよび先行パルスレーザビームとを生成するためのシステムと、
   を備え、前記メインパルスビームおよび前記先行パルスビームは、前記メインパルスビームの前に前記先行パルスビームが前記ターゲットエリアに到達するように時間設定され、前記先行パルスビームは前記ターゲットエリアにおいて弱くイオン化されたプラズマを生成し、前記メインパルスビームは前記ＥＵＶ放射を生成する、ＥＵＶ放射源。
2. 請求項１に記載の放射源において、前記システムは、前記メインパルスビームを生成するための第１のレーザ源と、前記先行パルスビームを生成するための第２のレーザ源とを含む放射源。
3. 請求項１に記載の放射源において、前記システムはさらにコントローラを含み、前記コントローラは前記メインパルスビームと前記先行パルスビームとの間のタイミングを与える、放射源。
4. 請求項３に記載の放射源において、前記コントローラは前記先行パルスビームと前記メインパルスビームとの間のタイミングを制御し、前記放射源によって生成される前記ＥＵＶ放射の強度を制御する、放射源。
5. 請求項４に記載の放射源において、前記コントローラは前記先行パルスビームと前記メインパルスビームとの間のタイミングが１６０ｎｓ未満になるように設定し、最大強度の所定のパーセンテージの前記ＥＵＶ放射を与える、放射源。
6. 請求項１に記載の放射源において、前記システムは、レーザパルスを生成するための単一のレーザ光源と、前記レーザパルスを前記メインパルスレーザビームと前記先行パルスレーザビームとに分割するためのビームスプリッタとを含み、前記システムはさらに、前記先行パルスレーザビームに対して前記メインパルスレーザビームを遅延させるための遅延デバイスを含む、放射源。
7. 請求項１に記載の放射源において、前記メインパルスビームおよび前記先行パルスビームは、前記ターゲットエリアにおいて、０°〜１８０°の範囲内の角度だけ分離される、放射源。
8. 請求項７に記載の放射源において、前記角度は約３０°である放射源。
9. 請求項７に記載の放射源において、前記角度は約９０°である放射源。
10. 請求項１に記載の放射源において、前記先行パルスビームは、前記メインパルスビームの２０〜２００ｎｓ前に前記ターゲットエリアに到達する、放射源。
11. 請求項１に記載の放射源において、前記先行パルスビームは約１０〜４０ｍＪのエネルギーを有し、前記メインパルスビームは約０．１ないし１Ｊのエネルギーを有する、放射源。
12. 請求項１に記載の放射源において、前記ターゲット材料の前記少なくとも１つのストリームは、凍結されたストリーム、液体流、複数のストリームおよびターゲット小滴からなるグループから選択される、放射源。
    
    

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