JP2005252164A - 高反復率でｅｕｖ放射線を発生させるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１０ｍＪ／ｓｒのパルスエネルギーで、５ｋＨｚよりも大きい反復率でＥＵＶパルスを連続的に発生させる。
【解決手段】同一構造の複数のソースモジュール１が、光軸４上の一点で連続的な放射線パルスを提供するためにソースの光軸４の周りに均一に分布して真空室５内に配されており、それぞれが放射線放出プラズマを発生させ、収束ＥＵＶ放射線を有する。光軸４周りに回転可能に支持された反射装置２が、ソースモジュール１によって放出された収束放射線を時間的に連続して光軸４方向に偏向させる。同期装置３が、反射装置２の実際の回転位置と、回転速度によって予め設定したパルス反復周波数とに依存して、ソースモジュール１を循環して連続的に作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的に作動するガス放電に基づいてＥＵＶ放射線（極紫外線放射線）を発生させるための装置に関し、真空室が放射線の発生のために設けられている。真空室は発生するＥＵＶ放射線のための光軸を有し、それは高反復率及び高平均出力（好ましくは、１３．５ｎｍの波長領域）で真空室から出る。

ＥＵＶ放射線や軟Ｘ線放射線のための線源は、半導体リソグラフィーにおける次世代の放射線源として見込まれている。パルス操作で作動するこの種の放射線源は、レーザー励起又は電気的に作動するガス放電に基づく様々な方法で、放射線放出プラズマを発生させることができる。本発明は後者に関する。

２５〜５０ｎｍの構造体幅が、（主に１３．５ｎｍの波長領域の）ＥＵＶ放射線を用いて得られる。半導体リソグラフィーにおいて一時間あたりのウェーハの処理量を十分高くするために、２πｓｒの立体角で６００〜７００Ｗの帯域内放射線出力が、ＥＵＶ源のために用いられる。「帯域内」放射線出力は画像形成光学によって作られ、放出される全放射線のスペクトル成分を示す。

ＥＵＶ源のための特性変数は、（２πｓｒの）ＥＵＶの帯域内出力の指数（quotient）、及び放電システムで分散した電力として定められる変換効率である。それは一般に約１〜２％である。これは、ガス放電の発生のために、電極系で約５０ｋＷの電気の出力が用いられることを意味する。これにより、電極は極度に高温に加熱されることになる。

経験的な発見により、電極の寿命が二つの効果によって制限されることが示される。
ａ）放電プロセスにおける電流（Ｉ_ｍａｘ≒３０〜５０ｋＡ、継続期間≒５００ｎｓ）のために生じる電極の消耗。局所的な過熱と蒸発が非常に薄い層で生じる。
ｂ）高い平均入力電力で電極物質の融解と蒸発のために生じる電極の消耗。

第一の効果ａ）は、原理上の限界を表す。この効果は、スパッタする傾向（スパッタ率）が最も小さい電極物質を用いることによって、及び／又は適切な電極配置の選択により電流密度を減少させることによってのみ減少する。普通は効果ｂ）はよく冷やすことにより減少する。

しかしながら、パルス反復周波数が高いとき、すなわちＥＵＶ源の反復率が高いときは、他の点も考慮されなければならない。

効果ａ）によれば、電極表面は励起パルスの際に高温に熱される（図１参照）。電極のタングステン層の厚さに限度があり（例えば５ｍｍ）、実際のヒートシンクへの熱流の速度に限度があるため（電極の物質及び配置に依存するが、冷却時間は約１０μｓである）、電極表面がクーラントの温度に再び達する前に、次の放電がもう起こる。ゆえに、電極表面は連続する放電の際に再び加熱される。見積もりによれば、５ｋＨｚよりも大きい反復率（連続運転）で、入力側の１０Ｊのパルスエネルギーのために、電極の表面温度が常に（それぞれの放電において周期的でなく）融解温度より高いことが示される。これは実際には、５ｋＨｚよりも大きい反復率のためにガス放電で励起したＥＵＶ源の連続運転が不可能であることを意味する。電極腐食を減少させるための試験が、Ｍ．Ｗ．マクゲオフ氏（M.W.McGeoch）によって実行された。特許文献１が光子源について述べている。そこでは、多数の粒子ビームが球状の電極表面にわたって分布するように発生し、それらは放電領域と呼ばれる地点でぶつかる。真空室で発生したイオンビームは放電領域の中心に向かって加速され、全てのイオンビームのために線形加速チャネルになる円形の開口を有する同心の（円筒状又は球状）電極装置を用いて部分的に放電される。このようにして、ＥＵＶ放射線や軟Ｘ線放射線を発生させる高密度、高温プラズマが装置の中央で形成される。

不都合なのは、正確に位置決めするための調節が複雑であり、このようにして発生したプラズマが重心のかなり強いゆらぎによって特徴付けられる点である。

WO01/91523A1

本発明の最も重要な目的は、増加する電極の消耗に耐える必要なく、１０ｍＪ／ｓｒ以上のパルスエネルギーで、５ｋＨｚよりも大きい反復率を有するＥＵＶパルスの連続的な発生を可能にするガス放電励起プラズマに基づいてＥＵＶ放射線を発生させる新たな可能性を見出すことである。

真空室が放射線の発生のために設けられ、電気的に作動するガス放電に基づくＥＵＶ放射線を発生させるための装置では、真空室は、真空室を出てくる発生したＥＵＶ放射線の光軸を表す対称軸を有する。上で述べた目的は本発明により次のようにして達成される。

先ず、同一構造の複数のソースモジュールが、連続的な放射線パルスを提供するために光軸の周りに均一に分布して真空室内に配されており、そのそれぞれが放射線放出プラズマを発生させ、収束ＥＵＶ放射線を有する。ここで、個々のソースモジュールは、光軸上の一点で交差するビーム軸を有する。

さらに、光軸周りに回転可能なように支持され、ソースモジュールによって放出された収束放射線を時間的に連続して光軸方向に偏向させる反射装置が設けられている。

さらに、反射装置の実際の回転位置と、回転速度によって予め設定したパルス反復周波数とに依存してソースモジュールを循環して連続的に作動させるために、同期装置が備えられている。

反射装置は、回転反射光学要素として平面鏡を有するのが好ましい。特に望ましいバリエーションでは、回転反射要素は光学格子である。それは、後続する光学系により送られるＥＵＶ放射線の所望の帯域幅のためにスペクトル選択できるのが好ましい。回転反射装置は適切な方法で冷却されるのが望ましい。

ソースモジュールは、どんな従来のＥＵＶ源（例えば、Ｚピンチ装置、シータピンチ装置、プラズマフォーカス装置、又は中空陰極装置）を有してもよく、それぞれが別個の高電圧充電回路を有する。しかしながら、個々のソースモジュールは、同期装置により始動し、且つ個々のソースモジュールにおいてガス放電を連続的に作動させる共通の高電圧充電モジュールを有するのが好ましい。同期装置は、回転機構（例えば、インクリメンタルエンコーダ）と直接、単純に接続される。

ソースモジュールのガス放電パルスを作動させるのに適切な反射装置の回転位置に至る場合、同期装置は１ソースモジュールにつき、反射装置で反射したレーザービームが当たる位置敏感検出器を有するのが好ましい。好ましいバリエーションでは、同期装置はレーザービームを有し、各ソースモジュールのために、関連するソースモジュールのためにガス放電を開始させる関連する検出器を作動させる。このレーザービームは、発生したＥＵＶ放射線と反対方向に光軸に沿ってつながり、反射装置で反射する。別の構成では、同期装置は各ソースモジュールのために、関連するレーザービームと位置敏感検出器を有する。

ソースモジュールはＥＵＶ源、デブリフィルター及びコレクター光学素子を有するのが好都合である。どのソースモジュールも高電圧充電回路を備えたＥＵＶ源を有するのが好ましい。しかしながら、全てのソースモジュールが、反射装置の回転位置に起因する作動に依存してガス放電を連続的に作動させる共通の高電圧充電モジュールを共有することが望ましい。

別の有利な構成では、ソースモジュールはそれぞれ、ＥＵＶ源と、デブリフィルター及びコレクター光学素子を備えた光学ユニットとを有する。全てのソースモジュールによって共有されるコレクター光学素子は、光軸上の反射装置の下流側に配される。

本発明に従う装置は、ソースモジュールの連続制御から生じるそれぞれのソースモジュールのパルス周波数が１５００Ｈｚより高くならないようにソースモジュールを有するのが望ましい。

本発明による解決法により、ガス放電励起プラズマに基づいてＥＵＶ放射線を発生させることが可能である。増加する電極の消耗に耐える必要なく、ＥＵＶパルスが１０ｍＪ／ｓｒ以上のパルスエネルギーで、５ｋＨｚよりも大きい反復率で連続的に発生可能である。

以下、本発明を実施形態の例に則してより十分に説明する。

図１に示すような基本的なバリエーションでは、本発明に従う装置が複数のソースモジュール１（この場合、４個）を有する。これらはそれぞれ独立に、どの所望の従来の方法（Ｚピンチ、シータピンチ又は中空陰極により作動するプラズマフォーカス装置やピンチ装置）でもＥＵＶ放射線を発生させる。これらソースモジュール１はそれぞれ、例えば１５００Ｈｚのパルス反復周波数（反復率）で作動する。この反復率では、連続作動で約１５００Ｋになる表面温度は、従来電極表面が（例えば厚さ５ｍｍで）コーティングされるタングステンの融解温度よりも実質的に低い。

個々のソースモジュール１の収束ＥＵＶ放射線が、時間的に均一に連続して装置全体の共通の光軸４上に偏向するように、全てのソースモジュール１の光学ビーム経路が回転反射装置２に向けられている。これは、図１の右側の部分図に示されているようにすれすれ入射の反射によって起こるのが好ましい。図１の左側の上面図に示されているように、回転反射装置２が真空室５の内部に位置し、４個のソースモジュール１を有する装置内で、例えば毎秒１５００回転（同時に、どのソースモジュール１の反復率とも一致する）で、共通の光軸４に一致する回転軸２１周りに回転する。真空室では、ソースモジュール１が均一に分布するように適切に回転可能に対称的に配され、集められている。個々のソースモジュール１からの収束放射線は、反射装置２の回転運動により連続的に反射し、技術的用途のために下流側に配される照明光学系（図示せず）に向けられる。

必要な回転速度（設定例では毎分９００００回転）を保証するために、回転反射装置２には、基本的には例えばＱスイッチレーザーのための回転鏡装置や超遠心分離器から知られた、均衡の取れた、磁石を搭載した回転機構２２が備えられている。現在、数十万回転に上る回転速度が技術的に正確に実現されている。

個々のソースモジュール１の同期作動は、同期装置３を用いて回転反射装置２の回転位置を直接得ることにより検出される。後者は、反射装置２の位置に対応するそれぞれのソースモジュール１においてプラズマ及び放射線を発生させるために、ガス放電の作動を開始する。ソースモジュール１から生じる案内ビームは反射装置２により光軸４の方向に反射する。

反射装置２の連続的な回転によって、４個のソースモジュール１の全てが連続的に作動され、個々のソースモジュール１の１５００Ｈｚのパルス反復周波数で、回転軸２１周りのソースモジュールの均一な分布の結果、真空室５の出口で共通の光軸４の方向に６ｋＨｚの反復率で所望のＥＵＶ放射線を放出する。これは、高平均放射線出力の半導体産業で必要とされる比較的高い反復周波数（＞５ｋＨｚ）が、電極物質の融解に耐える必要なく、従って準連続作動において電極消耗の増加に耐えることなく、容易に達成されることを意味する。

別のバリエーションでは、図２に示されるように、本発明に従う装置が３個のソースモジュール１を有する。そのそれぞれはＥＵＶ源１１、デブリフィルター１２及びコレクター光学素子１３を有し、従来の方法で独立にＥＵＶ放射線を発生させる。これらＥＵＶ源１１のそれぞれは、例えば２ｋＨｚのパルス反復周波数（反復率）で作動し、それで結果として６ｋＨｚの反復率が達成される。この高い個々の反復率では、連続作動における表面温度はすでにかなり高い（図１に従う第一の例や図４に従う好ましいバリエーションよりも）。しかし、それは図３ａと３ｂの比較から分かるように、タングステンの溶解温度よりもまだかなり低い。図３ａは、５ｍｍのタングステンでコーティングされた電極に対して、１ｋＨｚの反復周波数、１０Ｊの入力電力の準連続パルスの連続に対する表面温度のタイムカーブを示す。図３ｂは、１ｋＨｚ（実線）と２ｋＨｚ（点線）の反復率に対する温度依存性を示す。まず長いパルスの連続においてこの温度カーブの飽和が比較的高いパルス数で生じるが、２ｋＨｚのパルス反復周波数は示されたパラメータに対してまだ適切だと認められる。

回転軸２１で回転する平面鏡２３はこの場合、回転反射装置２として用いられる。鏡２３はすれすれ入射の反射のために、ＥＵＶ領域の通常の物質（例えばロジウム、パラジウム又はモリブデン等）で、または多層鏡システム（普通はモリブデン／シリコン層から成る）でコーティングされる。

この例では、個々のソースモジュール１の同期作動が、位置敏感検出器３１とレーザービーム３２を用いて特に正確に鏡２３の回転位置の光学検出により実行される。レーザービーム３２は、回転反射装置２の反射要素、すなわち鏡２３で反射するのが望ましい。この反射要素は、光軸４の方向に、ソースモジュール１からのＥＵＶ放射線の結合を実行する。このために、光軸４に沿ってパイロットレーザービームとしてレーザービーム３２を結びつけることが効果的であり、それでそれは回転反射装置２によって個々のソースモジュール１の方向に時間的に連続して偏向する。３個のソースモジュール１に対して、線源作動又はＥＵＶ放射線の放出が鏡２３の回転位置の正確な時間に作動するように、３個の位置敏感検出器３１が位置している。ソースモジュール１の内の一個に対応する回転鏡２３の角度位置に達する時、このソースモジュール１に関連する検出器３１には反射したレーザービーム３２が当たり、このソースモジュール１のＥＵＶ放射線を発生させるガス放電の作動が開始する。検出器３１から、作動回路と電気的な充電圧の立ち上がり時間を介する、個々のＥＵＶ源１１のガス放電までの電子チェーンの走行時間のゆらぎから得られる作動精度（トリガージッター）が、中間焦点４１におけるソース画像の空間的ゆらぎを決定する。この焦点は別の画像形成のために、鏡２３の後で、アプリケーションのための画像形成光学系の前の光路に位置するのが望ましい。

ＥＵＶ源１１はプラズマ発生のための実際の放電ユニットである。これらＥＵＶ源１１のそれぞれは一般的に、各々の電気的な高電圧充電回路（図２にはっきりとは示さず）を有する。この例では、位置敏感検出器３１がソースモジュール１に直接集められ、それに関連するソース１１を作動させる。しかしながら、個々のソース１１のガス放電の作動が時間的に連続して実行されるので、図４に則して以下で記述するように、この例でも実際には全ソースモジュール１のために一つの高電圧充電回路で十分である。

図４に対応する別な実施形態の例では、６個の線源１１と、デブリフィルターとコレクター光学素子を含む６個の光学ユニット１４が、６個のソースモジュール１を形成する。しかし、光軸４を通る断面で互いに反対側に位置するソースモジュール１だけが示されている。残りの４個のソースモジュール１は、図面を垂直に且つ鏡のように対称的に貫く円の周りに均一に分布するように配されている。

この場合、光学ユニット１４によって収束されるソースモジュール１からの放射線は、回転光学格子２４に向けられる。図１に則して記述するように、回転軸２１上の磁石を搭載した回転機構２２（図４では示さず）に配された格子２４が、共通の光軸４上に一個だけ備えられた後続のコレクター光学素子６に放射線を反射する。ソースモジュール１の光学ユニット１４のための要件をデブリフィルターとビーム収束のための付加的な光学系に減らし、そのためコストを下げるこれらコレクター光学要素６は、回転格子２４と後続するアプリケーションのための照明光学系の間の光学ビーム経路上に配されている。用いられる格子２４は、（例えば、５ｎｍから２０ｎｍの波長領域で）スペクトル純度を実現するためのＥＵＶ帯域フィルター（スペクトル純度フィルター）として一般に用いられるタイプの反射格子であることが望ましい。従って、反射装置２を実現するために格子２４を用いることは、格子２４はその非常に良好な反射特性に加えて、いわゆる「帯域外」放射線を減少させるスペクトルフィルターとしても機能するという利点を有する。

全てのソースモジュール１のために、同期は、横窓を通って真空室に連結されるレーザービーム３３と位置敏感検出器３１を有する別個のペアが引き受ける。レーザービーム３３はレーザーダイオードによって経済的に供給されるのが好ましく、それで複数のレーザービーム３３によって大きなコストが発生することはない。説明の目的のために、光軸４の周りの装置を示すため、また高電圧充電モジュール３４を作動させるための割り当てを容易にするために、図示された検出器３１がＤ_１とＤ_４によって図４に示されている。

すでに上で述べたように、個々のソースモジュール１におけるガス放電の連続する作動のために、中央で高電圧充電を実行することが可能である。この目的のために、個々の高電圧充電モジュール３４が図４に従って備えられている。この高電圧充電モジュール３４は、すべてのソースモジュール１と連携し、同期装置３（すなわち、レーザービーム３３に関連する検出器３１の内の一個）により割り当てられた作動によって、格子２４の回転位置に対応して、それぞれのＥＵＶ源１１だけを充電する。作動入力信号が、高電圧充電モジュール３４のために検出器の示された線を介して供給される。Ｄ_１とＤ_２は図面内にあり、Ｄ_３とＤ_４は図面の上にあり、Ｄ_５とＤ_６は図面の下にある。後者は電圧充電を開始し、Ｑ_１〜Ｑ_６で示されるＥＵＶ源１１に対応する線を開ける。それでガス放電、ゆえに放射線パルスが、関連する線源１１のために検出器３１によって検出された格子２４の回転位置に依存して作動する。

図４は、Ｄ_１で示された検出器３１が高電圧充電モジュール３４に信号を送る具体的な状況を、この場合格子２４（回転軸２１に対して斜めの実線として示される）を示す。従って、高電圧充電モジュール３４は充電電圧を発生させ、それをＱ_１で示されるソースモジュール１のために開放する。従って、このソースモジュールの放射線は格子２４に当たり、所望の帯域幅のＥＵＶ放射線（「帯域内」放射線）を、格子２４のフィルター効果を介して光軸４のコレクター光学素子６へ偏向させる。図４に従えば、これは、点線で示された格子２４の位置に対してＱ_４で示された線源１１を作動させるためのＤ_４検出器３１にも同様に当てはまる。

この例では、６個のＥＵＶ源１１のそれぞれは、１ｋＨｚのパルス反復周波数（反復率）で作動する。この反復率では、特定の境界条件のための図３ａから分かるように、連続作動における表面温度は約１３００Ｋ（タングステンの融解温度よりずっと低い）である。図３ｂの実線で示される１ｋＨｚのパルス反復周波数に対する飽和カーブは、長いパルスの連続（準連続作動）に対する電極温度の限界を便利に示している。上述したバリエーションで示される装置全体により、６ｋＨｚの反復率が使用者に提供される。

先の記述と図は本発明を表すが、様々な変形が本発明の実際の精神と範囲を逸脱することなく成されることは当業者にとって明らかである。

４個の個体ソースモジュールを備えた本発明の概略図である。 平面回転鏡と３個のソースモジュールを備えた本発明のデザイン変形を示す図である。 パルス波形の電気的励起を有する電極表面の温度曲線を示す図である。 １ｋＨｚと２ｋＨｚのパルス反復率に対する電極表面の最小温度を示す図である。 回転格子と６個のソースモジュールを有する本発明の好ましい構成を示す図である。

符号の説明

１ ソースモジュール
１１ ＥＵＶ源
１２ デブリフィルター
１３ コレクター光学素子
１４ 光学ユニット
２ 回転反射装置
２１ 回転軸
２２ 回転機構
２３ 鏡
２４ 格子
３ 同期装置
３１ 検出器
３２ 中央レーザービーム
３３ レーザービーム
３４ 高電圧充電モジュール
４ 光軸
４１ 中間焦点
５ 真空室
６ 一般コレクター光学素子

Claims (16)

1. 電気的に発生したガス放電により作られたプラズマに基づいてＥＵＶ放射線を発生させるための装置にして、
   放射線を発生させるために真空室が備えられ、
   上記真空室が、上記真空室から出る際に発生するＥＵＶ放射線のための光軸を表す対称軸を有する装置において、
   同一構造の複数のソースモジュールが、連続する放射線パルスを提供するために上記光軸の周りに均一に分布するように配されており、そのそれぞれが放射線放出プラズマを発生させ、また収束ＥＵＶ放射線を有し、
   個々の上記ソースモジュールの収束ビームが、光軸上の一点で交差するビーム軸を有し、
   上記ソースモジュールによって放出された収束放射線を、時間的に連続して上記光軸方向に偏向させる、上記光軸の周りに回転可能に支持された反射装置が備えられており、
   同期装置が、上記反射装置の実際の回転位置と、回転速度により予め設定された上記パルス反復周波数とに依存して、上記ソースモジュールを循環して連続的に作動させるために備えられていることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、上記反射装置が回転反射光学要素として平面鏡を有することを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、上記反射装置が回転反射光学要素として光学格子を有することを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置において、上記光学格子が、後続の光学系によって伝えられるＥＵＶ放射線の所望の帯域幅のためにスペクトル選択できることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置において、上記回転反射装置が適切に冷却されることを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載の装置において、個々の上記ソースモジュールが個別の高電圧充電回路を有することを特徴とする装置。
7. 請求項１に記載の装置において、個々の上記ソースモジュールが、上記同期装置によって作動され、且つ個々の上記ソースモジュールでガス放電を連続して作動させる共通の高電圧充電モジュールを有することを特徴とする装置。
8. 請求項１に記載の装置において、上記同期装置が上記回転機構と直接接続されていることを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載の装置において、時間的に個々のソースモジュールのガス放電を開始するのに適切な反射装置の回転位置に達するとき、上記反射装置で反射したレーザービームが当たる位置敏感検出器を上記同期装置が有することを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置において、上記同期装置が、
    発生した上記ＥＵＶ放射線と反対方向に光軸の方向につながり、且つ上記反射装置で反射するレーザービームを有し、
    各ソースモジュールのために、関連する上記ソースモジュールのためにガス放電を開始する関連する検出器を作動させることを特徴とする装置。
11. 請求項９に記載の装置において、上記同期装置が、各ソースモジュールのために関連するレーザービームと位置敏感検出器を有することを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載の装置において、上記ソースモジュールがＥＵＶ源、デブリフィルター及びコレクター光学系を有することを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、上記ソースモジュールが高電圧充電回路を備えたＥＵＶ源を含むことを特徴とする装置。
14. 請求項１２に記載の装置において、全てのソースモジュールが、上記反射装置の回転位置に起因する作動に依存して上記ガス放電を連続して作動させる共通の高電圧充電モジュールを共有することを特徴とする装置。
15. 請求項１に記載の装置において、
    上記ソースモジュールがそれぞれ、ＥＵＶ源と、デブリフィルター及びコレクター光学系を備えた光学ユニットとを有し、
    全ての上記ソースモジュールが共有するコレクター光学系が、上記光軸上の上記反射装置の下流側に配されることを特徴とする装置。
16. 請求項１に記載の装置において、上記ソースモジュールの連続する制御の際に生じるパルス反復周波数のために、個々のソースモジュールのパルス反復周波数が１５００Ｈｚより高くならないように、上記ソースモジュールの数が設定されることを特徴とする装置。

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