JP2009105399A - Euv放射線を生成するための配列装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】特に半導体チップの製造に用いられるEUVリソグラフィ露光装置の線源モジュール用にEUV放射線を生成するための配列に関し、一次線源位置(プラズマ3)から二次線源位置[線源モジュール(1)の出口開口部(6)/中間焦点面(62)]に放射線を伝送する際の費用対成果比が大幅に改善されるEUV線源モジュールを実現する新しい可能性を見出すことを課題とする。
【解決手段】プラズマ(3)が、集光光学系を不要として前記出口開口部(6)を直接くまなく照らすようになっている、プラズマ(3)の横方向寸法(d)が前記出口開口部(6)の直径(D)よりも大きくなっている、またその際には前記直径の超過の度合いが、プラズマ(3)と前記出口開口部(6)間の距離(L)および後置されるリソグラフィ照射系の開口数(NA)に従属している体積エミッターとして構成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、放射線を放出するプラズマを生成するためのプラズマ生成装置と、デブリフィルタと、特に半導体チップを製造するためにEUVリソグラフィの露光装置に必要となるような、一次放出プラズマとの関連で二次線源位置を具現する放射線出口開口部とから成る、EUV放射線を生成するための配列装置に関する。
半導体チップ技術において、EUVリソグラフィは、32nm以下の範囲のチップ構造の作成に用いられる次世代リソグラフィ用露光機である。リソグラフィ投影品質は、マスク(レティクル)を均質に照射するための照射系とならび、マスク構造をウェハに転写するための投影光学系により決まる。
照射系には通常、(図2に示されるように)たとえばEUVスペクトル域の放射線を放出するプラズマ3を生成するためにガスを電離するプラズマ生成配列2と、デブリフィルタ4と、放射線コレクタ5とを有する本来の線源モジュール1が含まれている。コレクタ5は、線源モジュール1の内部で、プラズマ3の一次線源位置を中間集光点61に投影するが、この中間集光点61は、線源モジュール1の真空チャンバー11の出口のところの中間集光点絞り62に、いわゆる二次線源位置を形成している。この二次線源位置(中間集光点61)からリソグラフィ照射系に向かって、放射線は、デブリなしでスペクトルフィルタリングされていなければならない。
プラズマ3から放出される著しい発散性を示す放射線を集光するために、通常は入れ子式に重ねて配置される複数の回転対称形のリフレクタ51が利用されるようになっている。通常これらのリフレクタ51は、内側を適切な反射性金属皮膜(たとえばモリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム等)で被覆された薄いニッケルシートである。そこでは全てのリフレクタシェルが、入射角<15°であるすれすれ入射の放射線を反射するようになっている。特に視野角が大きい場合は、光学的に有利となるように、ウォルタ設計に基づくコレクタ5が使用される(図2を参照)。そこでは、図2aに回転双曲面52と回転楕円面53の組み合わせとして示されるように、入れ子式に重ねて配置されるマルチシェル構造のリフレクタ51における多重反射が、集光のために利用されるようになっている。
生産向けの半導体リソグラフィ用装置については、中間集光点61(二次線源位置、中間集光点絞り62、ないしは線源モジュールの出口開口部)に一定の仕様が定義されている。要求される遠方界強度分布(far-field intensity distribution;Fernfeldintensitaetsverteilungen)とならび、レティクル面が一様にくまなく照らされることが必要であるために、与えられたエテンデューで、中間集光点のEUV放射線出力>115Wとすべきであることも、正に最重要の要求項目である。
エテンデュー(放射線束)は、光学系全体を対象として与えられる固定値である。将来のEUVリソグラフィ・スキャナのために、3.3sr・mmのエテンデュー値が議論されている。この値は、ビームパスに存在する(絞りまたはその類による)特有のビネッティングにより規定値として与えられるものであって、これにより、何らかの絞りにより一定の放射線部分がカットされることなく、光路に沿ったビーム束の直径および光軸に対するビームの角度がどのくらい大きくてもよいのかが決まる。光軸に対する角度が小さい場合は、優れた近似として、発光領域の有効直径の二乗と線源地点を基準とするコレクタの立体角との積は、中間集光点の絞りの直径の二乗と中間集光点に向かう放射線の立体角との積と概ね等しいと仮定することができる。
したがって、コレクタにおける事情は次の通りとなる:放出プラズマ(一次線源位置)に対するコレクタの立体角を3.14sr(π型コレクタ、視野角60°)、中間集光点(二次線源位置)に向かう放射線の立体角を(コレクタの倍率に従属して)0.03sr〜0.2srの範囲とすると、二次線源位置の平面内の絞り開口部を約10mmとしたときの正確な計算から、放出線源領域の最大許容直径<1〜1.3mm、および<1〜1.6mmの軸方向の最大長さが求められる。サイズがこれよりも大きい場合は、追加放射線損失が生じるために、空間的に明確に限定された、非常に高密度のプラズマを目指して、多大な努力を強いられることになる。
中間集光点の要求放射線出力>115Wであると、典型的な例では20W超過の合計放射線出力がコレクタに印加されることになる。平均反射率を50%と仮定すると、反射表面に入射する放射線の50%はコレクタに吸収される。ネスト構造に重ねたコレクタシェルの端面が、光学的に曇っているとした場合は、さらにそれに追加してこれらの端面で放射線のかなりの部分が吸収されるために、入射する放射線出力は、全体としてはコレクタにより主に熱出力として消散されることになる。
コレクタの激しい熱負荷は、遠方界強度分布にひずみを引き起こし、それにより中間集光点の後方の遠方界強度分布の均質性に悪化を来たす。ほかにも冷却式コレクタの設計構造が、シャドーイングによるさらなる放射線損失を回避するためには、冷却管を放射線の影に配置する必要があるために、複雑なものとなっている。
コレクタの製造は、全体として多大な工数を要し、またそれに応じて殊の外コスト高となっている。高寿命化のためには、集光光学系を、相応のデブリフィルタにより、プラズマから出る高速イオンや噴霧状に飛散する電極材料から保護しなければならない。広く一般に使用されるコレクタの直径は〜500mmであるために、デブリフィルタも同様に大型に構成されなければならない。デブリフィルタは、多数の層板を特殊な形式で配置したフィリグラン構造であり(たとえば特許文献1または特許文献2を参照)、その製造も同様に非常にコスト高である。この大型集光光学系のもう一つの短所は、そのために必要な、直径約1m、長さ1.5〜2mのサイズを持つ真空チャンバーである。これが、高コストに加えて、何よりも特に長い排気時間の原因となっている。
プラズマ生成配列、デブリフィルタ、およびコレクタから成る線源モジュール全体の重要特性量は、いわゆる集光効率である。これは、立体角2πで発生された放射線出力の内のどのくらいが中間集光点絞りの後方に達するかを百分率で示したものである。目下のところ、いわゆるα−ツール線源において、1.5%〜3%の集光効率が達成される。したがってこの僅かな集光効率は、設計上、金銭上の莫大なコストと比べると、全く割りの合わないものとなっている。
DE 10237901 B3 DE 102005020521 A1 H. Oechsner,Plasma Physics 16(1974),p.835 CEA-COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE(FR),CEA-Grenoble,Feb.2005
本発明は、一次線源位置(プラズマ)から二次線源位置(線源モジュールの出口開口部/中間集光面)に放射線を伝送する際の費用対成果比が大幅に改善されるEUV線源モジュールを実現する可能性を見出すことを課題として成されたものである。
この課題は、本発明により、真空チャンバーの内部に、空間的に明確に限定された高温プラズマを一次線源位置として生成するプラズマ生成装置が設けられており、この真空チャンバーが、後置される照射系のための均質に照らされる二次線源位置を定義付ける出口開口部を有しており、さらにプラズマとこの出口開口部との間に少なくとも一つのデブリフィルタが配置されている、EUV放射線を生成するための配列装置において、プラズマが、集光光学系を不要として出口開口部を直接くまなく照らすようになっている体積エミッターとして構成され、プラズマの横方向の寸法が出口開口部の直径よりも大きくなっていること、またその際には直径の超過の度合いが、プラズマと出口開口部間の距離および後置照射系の開口数に従属することにより、解決される。
放出プラズマは、d≒(D+2L・NA)の横方向の寸法を持つと有利である。EUV放出プラズマは、電極配列のところでガス放電プラズマとして生成されると好適である。その場合はEUV放出プラズマが、陽極と陰極間のガス体積中に生成される、またはアイソレータ(絶縁体)表面の全体にわたる表面放電(滑り放電)として生成されることが好ましい。
有利な実施例においては、陰極が、円筒形状または若干円錐形状の中空陰極として構成されており、また陽極として、その前方の線源モジュールの出口開口部寄りに配置された環状電極が設けられている。この場合は好適にも、後置されるデブリフィルタを陽極としてスイッチすることができる。
別の好ましい構成形態においては、EUV放出プラズマがアイソレータの表面全体にわたり表面放電として生成されるようになっている。そこでは陰極が中央電極として構成されて、その周囲に管状のアイソレータおよび陽極が実質的に共軸で配置されており、放電は、この電極配列の端面のところで、アイソレータ表面に沿って放射状に行われる。
そこではアイソレータが、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ホウケイ酸鉛、またはホウケイ酸鉛亜鉛などの誘電率が高い材料から成ると好適である。アイソレータはほかにも、Si、Al、AlZr、AlTi、BeO、SiCまたはサファイアなどの高絶縁性セラミックスから製造されたものであってもよい。
さらに別の基本的な実施例においては、EUV放出プラズマが高周波励起を利用して生成されるようになっている。それには電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)による励起を利用すると、EUV放出プラズマを有利に生成することができる。
本発明の根底には、コレクタおよびデブリフィルタの既に莫大となっているコストを、今後さらにいくらかけたとしても、EUV線源モジュールの集光効率には最小限の改善しか見られないという、基本的な考え方がある。強く放射するプラズマが通常のサイズを、大きな発光体積からの追加EUV放射線がセンチメートル域のサイズを持つこと、また作動ガス中でEUVが吸収されることとあわせ、デブリフィルタおよびコレクタ(コレクタ群)の内部のシャドーイングを想定すると、ガス放電源については、今後さらに改善を見るとしても、EUV効率は10%を大幅に下回ったままであると予測することができる(将来の生産ライン用の装置で約5%〜7%と予測される)。
ほかにもEUV生成スキャナについては、NA≒0.4の照射系の入口開口数許容されなければならないことから、コレクタ系の抜本的な簡素化を考慮する機は熟している。具体的には集光効率が、照射光学系により与えられる立体角の2π当たりの比率と概ね等しければ、莫大なコストがかさむコレクタの使用自体が不要となる。
照射系の許容開口数がNA≒0.4である場合は、上記の比率について、Ω/2π≒πNA/2π≒8%が成立する。これは、優れたコレクタにより達成可能な集光効率と完全に比肩し得るものである。したがって本発明により、コレクタを全く不要とする、明確に定義された寸法を持つプラズマが生成されることによって、線源モジュールの集光効率面での費用対利益比が劣るという問題が解決されることになる。
本発明により、線源モジュールの出口開口部における要求放射線出力が、格段と低減されたコストで達成されるEUV線源モジュールを実現することが可能となる。
次に本発明を幾つかの実施例に基づき詳しく説明する。
EUV線源モジュール1は、図1に示されるように、かなりの大体積であるプラズマ3を生成するプラズマ生成装置2と、デブリフィルタ4とから成る基本構造を有している。線源モジュール1を取り囲んでいる真空チャンバー11は、光軸12に沿って、後置されるリソグラフィ露光系(不図示)に対する空間位置および配向に関して、従来の方式で諸元決定される中間集光面62に相当する、定義済みの出口開口部6を有している。
線源モジュール1は、プラズマ3の横方向の寸法d(光軸12に対して横向きのプラズマ3の直径)が、線源モジュール1の出口開口部6の直径Dよりも大きく、かつコレクタ5を使用しないで出口開口部6(以前の中間集光面62)が均質に照らされるように構成されている。出口開口部6から出る放射線は、デブリフリーとすべきであるために、デブリフィルタ4用に十分なスペースが提供されなければならず、このため、プラズマ3と出口開口部6間の距離Lが、ある一定の値を下回らないようにするとよい。
出口開口部6を均質に照らすためには、プラズマ3の有効直径d、すなわち出口開口部6を通り抜ける「可視」発光領域が、出口開口部6の直径Dよりも大きくなければならない。これは、出口開口部6のどの地点を通って出る放射線コーンビーム(不図示の後置リソグラフィ照射系の開口数NAにより定められる)が持つことが許される角度が、これらに含まれる放射線部分が、幾何学的損失を追加することなく、照射光学系を通過できるようにするために、最大でも2・アークサイン(NA)だけに限られることによる。したがって、後置照射系の与えられた開口数NAから、
d≒D+2L・NA
により、出口開口部6からのプラズマ3の距離Lをプラズマ直径dとの関係で選択することができるという、プラズマ3の横方向の寸法dに関する条件が明らかとなる。ミリメートル域のプラズマ直径で、粒子濃度が1015cm−3であるコレクタによる投影のために要求されていたようなプラズマは、もはやコレクタ5(図2aを参照)の検出可能な立体角に対する制約がなくなるために、プラズマ3として実質的に大体積に分散されたものとなることができるが、発光中心の数は維持される。
図3、4および5にはいずれも、放射プラズマ3を生成するための空間形状を異にするガス放電配列を内蔵した線源モジュール1が示されている。図3および図4においては、そのために陰極21と陽極22から成る電極配列が、ガス放電のために、縦長の光学的に薄いプラズマ31が光軸12に沿って生じるように構成されている。いずれのケースにおいても、陽極22は、線源モジュール1の出口開口部6までの距離を短く構成するために、環状電極としてデブリフィルタ4に取り付けられるようになっている。出口開口部6は、上述の従来技術にしたがった中間集光面62の開口部6に相当する。
本来の発光プラズマ3の中心点は、出口開口部6から距離Lをおいたところにある。出口開口部6(以前の定義済みの中間集光面62)内のどの地点も、陰極21内の発光領域から、Ω〜πNAの(図1および図5に示唆される)放射線コーンビームを受光し、これらの放射線コーンビームに含まれる放射線部分だけが、出口開口部6に続く照射系(入口光学系)を損失なしで通過することができる。
図3および4には、光学的に薄い放射プラズマが、陰極の中空室全体を完全に均質に充填しているように、図式的に示されている。しかし通例は、体積放電とならび、光学的に薄い表面スライディング放電が構成されて、これを利用することができるために、この図のようにはならない。
出口開口部6(以前の中間集光面62)を均質に照らすために、約D+2L・NA(D:出口開口部6の直径)のプラズマ31の有効直径dが選択される。図1について上記で説明したように、出口開口部6のどの地点に入る放射線コーンビームが持つことが許される角度は、これらが幾何学的損失なしで照射光学系に入ることができるようにするために、2・アークサイン(NA)だけに限られている。L≒50mm、N≒0.25とすると、プラズマ直径はd≒20〜30mmとなる。その際にLは、放電配列と出口開口部6との間にデブリフィルタ4(別名:デブリシールド、DMT-Debris Mitigation Tool)を配置できるような大きさに設定される。
光学的に薄いプラズマ31のz方向のサイズは、放出された放射線(たとえばEUV:13.5nm)の自己吸収だけにより、約z≒1/σN(N:体積当たりの発光点の数=プラズマ密度、σ:吸収断面積)に制限される。光学的に薄いプラズマ31を生成する場合の陰極21のz方向の寸法は、プラズマ密度Nに従属して典型的な例では2cm〜10cmの範囲となる。
図5に示される光学的に濃いプラズマ32は、非常に高い発光点密度Nを特徴とする。その結果、プラズマのz方向の寸法は、プラズマ直径≒D+2L・NAと比較して小さくなっている。非常に高いプラズマ密度Nは、セラミックス表面上の表面放電により発生される。その具体例を図5に示す。そこでは、中央陰極21とこれを半径方向に取り囲む陽極22間の表面放電が、管状のアイソレータ23のセラミックス表面の全体にわたり行われるようになっている。そのような放電は、非常に明確な定義付けを行って実施することが可能であり、(数kPaまでの)広い圧力範囲にわたり、短波長UV(EUVも含む)およびX線域の放射線に関して高い放出効率を持つという長所を有している。
電極ジオメトリについては、上記で説明した全てのケースにおいて、比較的大きなプラズマサイズのために、かなり大きく選定することができる。これには、電極21および22を良好に冷却できるという長所がある。
図6には、たとえば非特許文献1に説明されるような、または、非特許文献2のECRプラズマとして説明されるような、電子サイクロトロン共鳴加熱、すなわちECRH(electron cyclotron resonance heating)により生成されるプラズマを利用した、本発明を実現するためのさらにもう一つの可能性が示されている。
長年、特に高周波またはマイクロ波励起を利用したガス中へのエネルギ投入と同様に、知られているこのECRHは、HF励起のために電極が一切不要であるという長所を有している。
しかしそこで生成されるECRHプラズマ33は、比較的低いプラズマ密度および大体積を特徴とする。HF励起により直径が約3cm、長さが約5cmである光学的に薄いプラズマを生成することに、基本的には何の問題もない。しかしながら、体積が約50cmであるそのような発光ECRHプラズマ33は、コレクタ5を有する従来のEUV配列装置を使用する場合には、エテンデューが限定されるために(背景技術の説明を参照)、空間的に大き過ぎるかもしれない。
しかし、上記で図3および図4について既に詳しく説明したように、センチメートル域のプラズマサイズは、ここに提案されるコレクタを使用しない線源モジュール1のコンセプトに、完全に適したものとなっている。
図6に示されるように、マイクロ波励起装置24内のマイクロ波によりそれ自体が空間的に大きな寸法を持つECRHプラズマ33は、磁気ミラー配列装置25を利用して、光軸12の向きに空間的に約2〜5cmに限定されるようになっている。
したがって、提示されるコレクタを使用しない線源モジュール1により、半導体リソグラフィ用の放射線源として、マイクロ波またはHFにより生成されるプラズマ33を導入することも、初めて可能となる。
上述の線源モジュール1の全ての実施例に共通して、プラズマ生成配列装置2と出口開口部6との間に配置されるデブリフィルタ4は、僅か数センチメートルという実質的に微小な横方向のサイズを有している。それによりこのデブリフィルタ4は、現在コレクタ5と組み合わせて利用されているデブリフィルタよりも実質的に小型となっている。
プラズマ生成配列装置2-デブリフィルタ4-出口開口部6間のそれぞれの距離は、現在利用されているコレクタ配列装置(>1.5m〜2m)よりも遥かに短くなっており、真空チャンバー11内の残留ガスによる放射線吸収は、実際上もはや問題ではなくなる。
ここでは必要とされる真空チャンバー11も同様に小型サイズであるために、真空引きを実質的に急速かつ持続的に行うことができる。
本発明にしたがったEUV線源モジュールの基本構造を示す図である。 従来技術にしたがったEUV線源モジュールの一般的な構造を示す図である。図2aはネスト構造に重ねた六つのシェルから成るコレクタ(2回反射を行うウォルター設計)を示す。 軸方向に広がる光学的に薄い放電プラズマを生成するための、円筒形状の陰極配列を示す図である。 軸方向に広がる光学的に薄い放電プラズマの場合の、コレクタを不要とする円錐形状の陰極配列を示す図である。 電極配列を、表面スライディング放電による横方向に大面積の光学的に濃い放電プラズマとともに示す図である。 プラズマを生成するための、マイクロ波および磁気ミラー配列を有する電子サイクロトロン共鳴加熱装置を示す図である。
符号の説明
1 線源モジュール
11 真空チャンバー
12 光軸
2 プラズマ生成装置
21 陰極
22 陽極
23 アイソレータ(セラミックス)
24 マイクロ波励起配列
25 磁気ミラー配列
3 プラズマ
31 光学的に薄い(中空陰極放電)プラズマ
32 光学的に濃い(表面放電)プラズマ
33 ECRHプラズマ
4 デブリフィルタ
5 コレクタ
51 ネスト構造のリフレクタ
52 回転双曲面
53 回転楕円面
6 (線源モジュールの)出口開口部
61 中間集光点
62 中間集光面
d プラズマの直径
D 出口開口部の直径
L 距離
NA 開口数

Claims (12)

  1. EUV放射線を生成するための配列装置であって、真空チャンバーの内部に、空間的に明確に限定された高温プラズマを一次線源位置として生成するプラズマ生成装置が設けられており、前記真空チャンバーが、後置される照射系のための均質に照らされる二次線源位置を定義付ける出口開口部を有しており、さらにプラズマと前記出口開口部との間に少なくとも一つのデブリフィルタが配置されている、配列装置において、
    プラズマ(3)が、集光光学系(5)なしに前記出口開口部(6)を直接照らす体積エミッターとして構成され、前記プラズマ(3)の横方向の寸法(d)が前記出口開口部(6)の直径(D)よりも大きくなっていること、またその際、
    前記直径の超過の度合いが、前記プラズマ(3)と前記出口開口部(6)間の距離(L)および前記後置される照射系の開口数(NA)に依存すること
    を特徴とする、配列装置。
  2. EUV放出プラズマ(3)の横方向の寸法(d)が、ほぼ(D+2L・NA)であることを特徴とする、請求項1に記載の配列装置。
  3. EUV放出プラズマ(3)が、ガス放電プラズマとして、電極配列(2)のところに構成されることを特徴とする、請求項1に記載の配列装置。
  4. EUV放出プラズマ(3)が、陽極(22)と陰極(21)間のガス体積中に生成されることを特徴とする、請求項3に記載の配列装置。
  5. 陰極(21)が、円筒形状または若干円錐形状の中空陰極として構成され、陽極(22)が、その前方の前記出口開口部(6)寄りに配置される環状電極であることを特徴とする、請求項4に記載の配列装置。
  6. デブリフィルタ(4)が、陽極(22)として、スイッチされることを特徴とする、請求項5に記載の配列装置。
  7. EUV放出プラズマ(32)が、表面放電として、アイソレータ(23)上に生成されることを特徴とする、請求項3に記載の配列装置。
  8. 陰極(21)が中央電極として構成され、その周囲に管状のアイソレータ(23)と前記陽極(22)が実質的に共軸で配置されること、またその際には放電が、前記電極配列の端面のところで、アイソレータ表面に沿って放射状に行われることを特徴とする、請求項7に記載の配列装置。
  9. アイソレータ(23)が、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ホウケイ酸鉛、またはホウケイ酸鉛亜鉛のような誘電率が高い材料から成ることを特徴とする、請求項7に記載の配列装置。
  10. アイソレータ(23)が、Si、Al、AlZr、AlTi、BeO、SiCまたはサファイアのような高絶縁性セラミックスから製造されることを特徴とする、請求項7に記載の配列装置。
  11. EUV放出プラズマ(3)が、高周波励起により生成されることを特徴とする、請求項1に記載の配列装置。
  12. EUV放出プラズマ(33)が、電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)による励起を利用して生成されることを特徴とする、請求項1または11に記載の配列装置。
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