KR100614438B1 - 플라즈마 초점 고에너지 광자소스 - Google Patents

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Abstract

고에너지 광자소스. 한 쌍의 플라즈마 핀치 전극(8)이 진공 챔버에 위치된다. 작용가스 공급 시스템은 원하는 스펙트럼선을 만들도록 선택되는 활성가스 및 불활성 완충 가스를 포함하는 작용 가스를 공급한다. 펄스전력소스(10)는 활성가스의 스펙트럼선의 방사선을 제공하는 작용가스에서 초고온 고밀도 플라즈마 핀치가 발생되도록 전극사이에 방전을 발생시키는 데에 충분한 고전압 및 최소한 100Hz 주파수에서의 전기 펄스를 만든다. 외부 반사방사 컬렉터-디렉터(4)는 플라즈마 핀치에서 생긴 방사선을 수집하고, 원하는 방향으로 방사선을 나아가게 한다. 바람직한 실시예에서, 활성가스는 리튬이고, 완충가스는 헬륨이며, 방사-컬렉터는 전극으로 사용되는 물질로 코팅되어 있다. 이 물질은 텅스텐이다.
Figure 112006001594234-pct00018
불활성 가스, 완충가스, 컬렉터, 디렉터, 활성가스, 스펙트럼선, 방사, 펄스 전력소스, 방전, 플라즈마, 광자

Description

플라즈마 초점 고에너지 광자소스{PLASMA FOCUS HIGH ENERGY PHOTON SOURCE}
본 발명은 고에너지 광자소스에 관한 것이고, 특히 높은 신뢰성의 X-레이 또는 고에너지 자외선 소스에 관한 것이다.
반도체 산업은 더 작은 크기의 집적회로를 인쇄할 수 있는 리소그래피 기술을 발전시켜 왔다. 이들 시스템은 고신뢰성, 비용, 효율적인 스루풋, 및 합리적인 공정 범위를 가져야 한다. 집적회로 제조산업은 현재 수은 G-라인(436nm) 및 I-라인(365nm)노광소스에서 248nm 및 193nm 엑시머 레이저 소스로 변화하고 있다. 이러한 변화는 초점심도의 최소손실을 갖는 더 높은 리소그래피 해상도 요구에 의해 촉진된다.
IC산업은 193nm 노광소스의 해상능력을 곧 초과할 것이며, 따라서 193nm 보다 상당히 짧은 파장에서의 신뢰성 있는 노광소스를 요구할 것이다. 엑시머 라인은 157nm에 있으나 이 파장에서 충분히 전송할 수 있는 광물질은 없다. 따라서, 전반사 이미징 시스템이 사용되야 한다. 전반사 광학 시스템은 전송 시스템보다 더 작은 개구수(NA)를 요구한다. 더 작은 개구수에 의한 해상도 손실은 큰 계수로 파장을 줄임으로써 만회될 수 있다. 따라서, 193nm로 얻을 수 있는 광 리소그래피의 해상도 보다 더 큰 향상이 있으려면, 10nm 범위의 광소스가 필요하다. 고에너지 자외선 및 x-레이 소스에서의 현기술 상태는 레이저 빔, 전자 또는 다른 입자를 사용하여 다양한 타겟 물질에 충격을 가해 만든 플라즈마를 사용한다. 고체타겟이 사용되어 왔으나, 고체타겟의 어블레이션에 의해 생성된 파편은 생산라인동작에서 사용되는 다양한 구성요소의 시스템에 해로운 영향을 준다. 파편 문제에 제안되는 해결책은 냉동 액체나 냉동 기체 타겟을 사용하여 광학기구상에 파편이 입혀지지 않도록 하는 것이다. 그러나, 이 시스템은 생산라인동작에 실용적이지 못하다.
x-레이 및 고에너지 자외선 방사가 플라즈마 핀치 동작에서 만들 수 있음은 수년간 알려져 왔다. 플라즈마 핀치에서 전류는 수개의 가능한 배치중의 하나를 이루어 플라즈마를 통해 전달되고 그 결과, 전류의 흐름으로 발생된 자기장은 x-레이 및 고에너지 자외선 방사의 중요한 산출물과, 이온으로부터 내부전자를 실질적으로 떼어낼 수 있는 상당한 에너지를 가지고 플라즈마의 전자와 이온을 미소체적으로 가속시킨다. 플라즈마를 핀칭하고 집속하여 고에너지 방사를 생성하는 다양한 종래 기술이 다음 특허에 개시되어 있다.
Figure 111999014723524-pct00001
J.M. Dawson, "X-Ray Generator," U.S. Patent #3,961,197, June 1, 1976.
Figure 111999014723524-pct00002
T.G. Roberts, et. al., "Intense, Energetic Electron Beam Assisted X-Ray Generator," U.S. Patent #3,969,628, July 13, 1976.
Figure 111999014723524-pct00003
J.H. Lee, "Hypocycloidal Pinch Device," U.S. Patent #4,042,848, Aug. 16, 1977.
Figure 111999014723524-pct00004
L. Cartz, et. al., "Laser Beam Plasma Pinch X-Ray System," U.S. Patent #4,504,964, Mar. 12, 1985.
Figure 111999014723524-pct00005
A. Weiss, et. al., "Plasma Pinch X-Pay Apparatus," U.S. Patent #4,536,884, Aug. 20, 1985.
Figure 111999014723524-pct00006
S. Iwamatsu, "X-Ray Source," U.S. Patent #4,538,291, Aug. 27, 1985.
Figure 111999014723524-pct00007
A. Weiss, et. al, "X-Ray Lithography System," U.S. Patent #4,618,971, Oct. 21, 1986.
Figure 111999014723524-pct00008
A. Weiss, et. al., "Plasma Pinch X-ray Method," U.S. Patent #4,633,492, Dec. 30, 1986.
Figure 111999014723524-pct00009
I. Okada, Y. Saitoh, "X-Ray Source and X-Ray Lithography Method," U.S. Patent #4,635,282, Jan. 6, 1987.
Figure 111999014723524-pct00010
R.P. Gupta, et. al., "Multiple Vaccum Arc Derived Plasma Pinch X-Ray Source," U.S. Patent #4,751,723, June 14, 1988.
Figure 111999014723524-pct00011
R.P. Gupta, et. al., "Gas Discharge Derived Annular Plasma Pinch X-Ray Source," U.S. Patent #4,752,946, June 21, 1988.
Figure 111999014723524-pct00012
J.C. Riordan, J.S. Peariman, "Filter Apparatus for use with an X-Ray Source," U.S. Patent #4,837,794, June 6, 1989.
Figure 111999014723524-pct00013
D.A. Hammer, D.H. Kalantar, "Method and Apparatus for Microlithography Using X-Pinch X-Ray Source," U.S. Patent #5,102,776, April 7, 1992.
Figure 111999014723524-pct00014
M.W. McGeoch, "Plasma X-Ray Source," U.S. Patent #5,504,795, April 2, 1996.
파편형성과 관련된 종래기술문제를 해결하는 고에너지 자외선 및 x-방사선을 만드는 간단하고 신뢰성있는 생산라인 시스템이 필요하다.
(발명의 개요)
본 발명은 고에너지 광자 소스를 만드는 것이다. 한 쌍의 플라즈마 핀치 전극이 진공챔버내에 위치되어 있다. 작용가스 공급 시스템은 원하는 스펙트럼선을 만들도록 선택되는 활성 가스 및 불활성 완충가스를 포함한 작용가스를 공급한다. 펄스 전력소스는 활성가스의 스펙트럼선의 방사선을 제공하는 작용가스에서 초고온 고밀도 플라즈마 핀치가 발생되도록 전극사이의 방전을 발생시키는 데에 충분한 고전압 및 적어도 100Hz 주파수의 전기 펄스를 만든다. 외부 반사방사선 컬렉터-디렉터(4)는 플라즈마 핀치에서 생긴 방사선을 수집하고, 원하는 방향으로 방사선을 나아가게 한다. 바람직한 실시예에서, 활성가스는 리튬이고, 완충가스는 헬륨이며, 방사선-컬렉터는 전극으로 사용되는 물질로 코팅되어 있다. 이 물질에 대한 가장 좋은 선택으로 텅스텐이 있다.
도 1은 본 발명을 이용한 고에너지 광자 소스의 도면,
도 2는 디스크형 전극을 갖는 3차원 플라즈마 핀치 장치의 도면.
바람직한 제 1 실시예
고에너지 자외선광 소스의 간략한 도면이 도 1에 도시되어 있다. 주요 구성성분은 플라즈마 핀치유닛(2), 고에너지 광자 컬렉터(외부 반사방사선 컬렉터-디렉터; 4), 및 중공 광파이프(6)이다. 플라즈마 핀치소스는 낮은 인덕턴스 펄스 전력회로(10)에 의해 전력공급되는 동축전극(8)을 포함한다. 바람직한 실시예에서 펄스 전력회로는 1000Hz의 레이트로 1kV 내지 2kV의 범위의 100ns 내지 500ns 펄스를 동축전극(8)에 제공할 수 있는 고전압, 에너지 효율 회로이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 헬륨 및 리튬 증기의 혼합물과 같은 작은 양의 작용가스는 동축전극(8)의 베이스 근처에 있다. 각각의 고전압 펄스에서, 전자사태항복은 자기항복 현상으로 인하여 동축전극(8)의 내부전극과 외부전극의 사이에서 일어난다. 완충 가스에서 발생되는 전자사태과정은 가스를 이온화시키고, 내부전극과 외부전극의 사이에 그 전극들의 베이스에서 전도 플라즈마를 생성한다. 일단 전도 플라즈마가 있으면, 전류가 내부전극과 외부전극의 사이에 흐른다. 바람직한 실시예에서, 외부전극은 고전압에 있고, 내부전극은 그라운드 전위에 있다. 전류는 외부전극에서 내부전극으로 흐르고, 따라서 전자는 중심으로부터 멀어지게 흐르고, 이온은 중심을 향해 흐른다. 이 전류 흐름은 동축전극(8)의 베이스로부터 멀어지도록 이동전하캐리어를 가속시키는 역할을 하는 자기장을 생성시킨다.
플라즈마가 중심 전극의 끝에 이르렀을 때, 플라즈마 상에 전기력 및 자기력은 중심전극의 끝을 지나서 단거리로 또한 중심선을 따라 점(9)주위에 "초점"으로 플라즈마를 핀칭시키고, 플라즈마의 온도 및 압력은 태양표면의 온도만큼 뜨거운 극도의 고온에 빠르게 도달된다. 바람직하게 전극의 크기 및 회로에서의 전체 전기 에너지는 플라즈마에서 바람직한 흑체 온도를 만드는 데 최대로 활용될 수 있다. 13nm 범위의 방사선 생성을 위해서, 약 100eV의 흑체온도가 요구된다. 일반적으로, 특정 동축 배치에 대해, 온도는 전기펄스의 전압증가와 함께 증가한다. 방사 스폿의 모양은 축방향으로 다소 불규칙적이고, 방사방향으로 대략 가우스형이다. 조사된 에너지의 약 95%는 약 1mm의 반경을 가진 부피에 있다.
기술문헌에 개시되어 있는 대개의 종래기술 플라즈마 핀치 유닛에서, 방사 스폿은 거의 흑체에 가까운 스펙트럼을 가지고 모든 방향에서 방사선을 방사한다. 활성가스로 리튬의 용도는 방사 스폿으로부터 방사선 스펙트럼을 협소하게 하는 것이다.
리튬 증기
이중으로 이온화된 리튬은 13nm에서 전자 천이를 나타내고, 완충제인 헬륨내에서 방사소스 원자로서 제공된다. 이중 이온화된 리튬은 두가지 이유로 우수한 선택이다. 첫번째로, 리튬의 높은 증기압 및 낮은 녹는점이다. 50-100℃로 표면을 간단히 가열함으로써, 방사 스폿으로부터 방출된 리튬이 수집광학계 및 챔버 벽에 입혀지는 것을 막을 수 있다. 다음, 증기 상태의 리튬은 표준 터보-분자 펌핑 기술을 사용하여 헬륨 완충 가스와 함께 챔버로부터 펌핑된다. 그리고 두개의 가스를 약간 냉각시킴으로써 리튬은 헬륨과 쉽게 분리될 수 있다.
소스원자로서 리튬을 사용하는 제 2 이점은 비이온화된 리튬은 13nm 방사에 대해 낮은 흡수 단면적을 갖는 것이다. 방사 스폿으로부터 방출된 임의의 이온화된 리튬은 적당한 전기장으로 쉽게 날려버려질 수 있다. 남아있는 비이온화된 리튬은 13nm 방사선으로 본질적으로 투명해진다. 현재 가장 많이 제안된 13nm 소스는 크세 논의 레이저 어블레이션된 냉동 제트를 사용하게 한다. 이러한 시스템은 13nm에서의 크세논에 대한 흡수 단면적이 매우 크므로 방출된 크세논을 다음 펄스 이전에 사실상 모두 잡아야 한다.
방사 컬렉터
방사 스폿에서 만들어진 방사는 풀 4Π스테라디언으로 균일하게 방출되어야 한다. 수집광학계의 일부 타입이 이러한 방사선을 포착하고 리소그래피 툴을 향하여 이것을 나아가게 하도록 요구된다. 이전에 제안된 13nm 광소스는 다층막 유전체로 코팅된 미러의 사용이 기본이 되는 수집광학계가 제안되었다. 다층막 유전체 미러의 사용은 매우 큰 각도 범위이상으로 높은 수집효율을 이루었다. 파편을 만드는 임의의 방사 소스는 이들 유전체 미러를 코팅시키고, 이들의 반사율을 떨어트리기 때문에 소스로부터 수집된 출력을 감소시킨다. 이러한 시스템은 전극 부식을 겪게하고, 따라서 계속해서, 방사 스폿에 근접하여 위치된 임의의 유전체 미러의 질을 떨어트린다.
따라서 방사선 컬렉터의 우리의 선택은 이전에 개발된 경x-선 방사선 수집 기술을 사용하는 것이다. 이 기술은 많은 물질이, x-선 영역에서의 유니티 보다 적은 실성분을 갖는 굴절률을 가진다는 사실을 이용한 것이다. 총 반사는 반사기 물질 내측의 굴절각이 90°보다 더 크다는 스넬의 법칙 요구 각에서 이루어질 수 있다. 텅스텐 같은 일부 물질은 13nm에서 총 외부반사가 그레이징 입사에서 18°에 이르는 것도 있다.
큰 원뿔각을 수용할 수 있는 컬렉터를 만들기 위해, 수개의 원뿔형 섹션이 서로의 내측에 포개넣어질 수 있다. 각각의 원뿔형 섹션은 원하는 방향으로 방사 원뿔의 그 섹션을 다시 나아가게 하도록 하나이상의 방사의 반사를 적용할 수 있다. 우리는 적어도 25°의 입체각 이상으로 방출되는 13nm 방사선을 수집하고 나아가게 할 수 있다고 평가한다.
텅스텐 전극- 컬렉터에 대한 텅스텐 코팅
총 외부반사 컬렉터에 대한 물질을 선택함에 있어서, 컬렉터를 코팅하는 물질은 전극물질과 동일한 것이 바람직하다. 텅스텐은 전극으로서 능력을 입증받았으며, 13nm에서 굴절률의 실제부분이 0.945이기 때문에 우수한 후보이다. 전극과 미러 코팅으로 동일한 물질을 사용하면 부식된 전극물질이 수집 미러상에 입혀짐으로 인한 미러의 반사율 감소를 제거할 수 있다.
광파이프
리소그래피 툴의 조명광학계로부터 성막 물질을 멀리 떨어트리는 것이 매우 중요하다. 따라서, 광파이프(6)는 이러한 이격거리 상태를 더 보증하는 것이 바람직하다. 광파이프(6)는 내측면상에 총 외부반사를 실질적으로 적용하는 중공 광파이프이다. 주 수집광학계는 중공 광파이프의 허용각과 일치하도록 수집된 방사의 원뿔각을 축소시키게 설계될 수 있다. 이러한 개념이 도 1에 도시되어 있다.
다음, 텅스텐 또는 리튬 원자는 도 1 에 도시된 바와 같이 중공 광파이프 아래에 헬륨의 흐름과 역행하여 업스트림으로 확산되기 때문에, 리소그래피툴의 유전체 미러가 임의의 전극파편으로부터 잘 보호된다.
펄스 전력 유닛
바람직한 펄스 전력유닛(인덕턴스 펄스 전력회로; 10)은 미특허5142166에 개시된 펄스 전력유닛과 같은 고체상태 트리거 및 자기 스위치회로를 사용하는 고체상태 고주파 고전압 펄스 전력유닛이다. 이들 유닛은 매우 신뢰성이 높고, 수억의 펄스 및 많은 달동안에도 실질적인 유지관리 없이 연속적으로 동작할 수 있다. 미특허5142166의 교시는 여기에서 참조로 구체화되어 있다.
시스템
도 1에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에 있어서, 90℃에서 헬륨 및 리튬 증기의 작용가스 혼합물은 동축전극(8)으로 배출된다. 펄스전력유닛(10)으로부터의 전기펄스는 약 13nm파장에서 자외선 방사를 발생시키는 작용가스에서 리튬원자가 이중으로 이온화되도록 상당한 고온 고압에서 점(9)에서 고밀도 플라즈마 초점을 만든다.
이러한 광은 총 외부반사 컬렉터(4)에서 수집되고, 중공 광파이프(6)로 나아가게 되며, 광은 추가로 리소그래피 툴(도시생략)로 나아가게 된다. 방전 챔버(1)는 터보 흡입 펌프(12)를 사용하여 약 4 Torr의 진공으로 유지된다. 작용가스에서 일부 헬륨은 헬륨 분리기(14)에서 분리되고, T자관(16)에서 도 1에 도시된 바와 같이 광파이프를 깨끗히 하는데 사용된다. 광파이프에서의 헬륨압력은 일반적으로 낮은 압력 또는 진공으로 유지되는 리소그래피 툴의 요구압력과 일치하는 것이 바람직하다. 작용가스의 온도는 열교환기(20)를 사용하여 원하는 온도로 유지되고 가스는 정전기필터(22)로 클리닝된다. 가스는 도 1 에 도시된 바와 같이 동축 전극 공간으로 배출된다.
제 2 의 바람직한 플라즈마 핀치 유닛
제 2의 바람직한 플라즈마 핀치 유닛이 도 2 에 도시되어 있다. 이 유닛은 미특허 4042848에 개시된 플라즈마 핀치 장치와 유사하다. 이 유닛은 두개의 외부 디스크형 전극(30,32) 및 하나의 내부 디스크형 전극(36)을 포함한다. 즉, 본 발명에서 전극은 적어도 2개 사용되고, 도 2에서는, 2개의 외부전극 및 1개의 내부전극을 형성하는 3개의 디스크형 전극으로 구성되어 있는데, 2개의 외부전극은 동작동안 내부전극과 반대인 극성에 있게 된다. 핀치는 도 2에 도시된 바와 같이, 또는 미특허 4042848에 개시된 바와 같이, 3 방향으로부터 생성된다. 핀치는 전극의 주변근처에서 시작되고 중심을 향하여 진행되며, 방사 스폿은 도 2의 34에서 도시된 바와 같이 내부전극의 중심에서 또한 대칭축을 따라 전개된다. 방사는 도 1의 실시예에서 도시된 바와 같이 수집되고 나아가게 된다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 두방향으로 유닛의 양쪽 밖에서 생성되는 방사선을 포착하는 것이 가능하다. 또한, 38에 유전체 미러를 위치시킴으로써, 왼쪽으로 초기에 반사된 실질적인 퍼센티지의 방사선이 방사 스폿을 통과하여 다시 반사될 수 있다. 이것은 오른쪽을 향하여 방사를 시뮬레이션해야 한다.
위에서 설명된 실시예는 본 발명의 이론들의 응용을 대표할 수 있는 많은 가능한 특정 실시예중에 단지 몇개의 예시일 뿐이다. 예를 들면, 작용가스를 재순환시키는 대신에 리튬을 다소 가두고 헬륨을 배출하는 것도 바람직할 수 있다. 텅스텐 이외에 다른 전극-코팅조합을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 구리 또는 플라티늄 전극 및 코팅으로도 작동가능하다. 설명된 특정기술에 대해 플라즈마 핀치를 발생시키는 다른 기술이 대체될 수 있다. 일부 다른 기술은 본 명세서의 배경부분에서 참조된 특허에서 설명되어 있고 이들 설명은 모두 참조로서 구현된다. 고주파 고전압 전기펄스를 생성하는 많은 방법이 사용가능하고, 이용될 수 있다. 대안으로 광파이프의 길이를 아래로 이동시키는 시도를 할 때 광파이프를 실온에서 유지시키고 리튬 및 텅스텐 모두를 냉동시킨다. 원자가 충격으로 광파이프벽에 영구적으로 부착되기 때문에, 이러한 냉동 개념은 리소그래피 툴에 사용되는 광소자에 도달되는 파편의 양을 더 감소시킨다. 광학 컬렉터가 방사 스폿을 주 방전챔버에 작은 구멍을 통하여 재이미징되고 다른 펌핑배치를 사용하도록 디자인함으로써 광학 리소그래피 툴위에 전극물질의 성막을 막을 수 있다. 헬륨은 작은 구멍을 통하여 제 2 챔버에서 제 1 챔버로 공급될 수 있다. 이러한 구조는 구리 증기 레이저의 출력윈도상에 물질이 성막되는 것을 막기에 효과적이다. 리튬 수소화물이 리튬대신 사용될 수 있다. 유닛은 또한 전극을 통하여 흐르는 작용가스없이 정적-충전 시스템으로서 작동될 수 있다.
따라서, 독자는 단지 위에 주어진 예뿐만아니라, 부가된 청구항 및 그들의 법적인 상당어구에 의해 본발명의 범주를 결정하도록 요구받을 것이다.

Claims (6)

  1. A. 진공챔버,
    B. 상기 진공챔버내에 위치되어 방전 영역을 형성하고, 방전시 고주파 플라즈마 핀치가 발생되도록 배치된 적어도 2개의 전극,
    C. 적어도 하나의 광 스펙트럼선을 제공하도록 선택되는 활성가스, 및 불활성가스인 완충가스를 포함하는 작용가스,
    D. 상기 방전영역에 작용가스를 공급하는 작용가스 공급시스템,
    E. 상기 적어도 2개의 전극 사이에 방전을 발생시키기에 충분한 고전압 및 적어도 100Hz의 주파수의 전기펄스를 제공하는 펄스전력소스, 및
    F. 상기 플라즈마 핀치에서 생긴 방사선을 수집하고 원하는 방향으로 상기 방사선을 나아가게 하는 외부 반사방사선 컬렉터-디렉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 활성가스는 리튬 증기인 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 활성가스는 리튬 수소화물인 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 컬렉터-디렉터에 의해 수집되고 나아가게 된 방사선을 전송하도록 배치된 광파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 전극물질로 구성되어 있고, 상기 컬렉터-디렉터는 전극 물질과 동일한 물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전극은 2개의 외부전극 및 1개의 내부전극을 형성하는 3개의 디스크형 전극이고, 상기 2개의 외부전극은 동작동안 상기 내부전극과 반대인 극성에 있는 것을 특징으로 하는 고에너지 광자소스.
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