KR101919631B1 - 극자외선 광 생성 시스템 - Google Patents

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KR101919631B1
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pulse laser
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오사무 와까바야시
다쯔야 야나기다
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기가포톤 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 장치와 함께 사용되는 장치는 챔버, 상기 챔버의 내부 영역에 대상 물질을 공급하는 대상 공급장치, 상기 영역에 상기 레이저 장치로부터의 레이저 빔을 집속시키는 레이저 빔 집속 광학계, 및 상기 레이저 빔의 빔 세기 분포를 제어하는 광학계를 포함할 수 있다.

Description

극자외선 광 생성 시스템{EXTREME ULTRAVIOLET LIGHT GENERATION SYSTEM}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 6월 15일 출원된 일본 특허 출원 제2011-133112호, 및 2011년 9월 15일 출원된 일본 특허 출원 제2011-201750호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 극자외선(EUV) 광 생성 시스템에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조 공정은 포토리소그래피(photolithography)가 더 정밀한 제조를 향하여 빠른 속도로 진화됨에 따라, 점점 더 미세한 피처 크기(feature sizes)를 갖는 반도체 디바이스를 제조할 수 있게 되었다. 차세대 반도체 제조 공정에서는, 피처 크기가 60nm 내지 45nm인 미세 가공, 더 나아가 피처 크기가 32nm이하인 미세 가공이 필요할 것이다. 예를 들면, 피처 크기가 32nm이하인 미세 가공에 대한 요구를 충족시키기 위해서는, 대략 13nm의 파장에서 EUV 광을 생성하는 시스템을 축소 투영 반사 광학계(reduced projection reflective optical system)와 결합한 노광 장치(exposure apparatus)가 필요하다.
일반적으로, 대상 물질(target material)에 레이저 빔(laser beam)을 조사(irradiating)하여 플라즈마(plasma)를 생성하는 레이저 생성 플라즈마(LPP)형 시스템, 방전(electric discharge)을 통해 플라즈마를 생성하는 방전 생성 플라즈마(DPP)형 시스템, 및 궤도 방사(orbital radiation)를 이용한 싱크로트론 방사(SR)형 시스템을 포함하는 세 종류의 EUV 광 생성 시스템이 알려져 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 장치는 레이저 장치와 함께 사용될 수 있으며 챔버, 상기 챔버의 내부 영역에 대상 물질(target material)을 공급하는 대상 공급장치(target supply), 상기 영역에 상기 레이저 장치로부터의 레이저 빔(laser beam)을 집속(focusing)시키는 레이저 빔 집속 광학계(laser beam focusing optical system), 및 상기 레이저 빔의 빔 세기 분포(intensity distribution)를 제어하는 광학계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 극자외선 광(extreme ultraviolet light) 생성 시스템은 레이저 장치, 챔버, 상기 챔버의 내부 영역에 대상 물질을 공급하는 대상 공급장치, 상기 챔버의 내부 영역에 상기 레이저 빔을 집속시키는 레이저 빔 집속 광학계, 상기 레이저 빔의 빔 세기 분포를 조정하는 광학계, 및 상기 레이저 빔이 상기 레이저 장치에서 출력되는 타이밍을 제어하는 레이저 제어기를 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 관한 기술적 문제를 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명에서 프리 펄스(pre-pulse) 레이저 빔을 조사한 대상 물질의 액적(droplet)을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명에서 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 대상 물질의 액적의 다른 예를 도시한다.
도 4a는 빔축 방향에서 본, 본 발명에서 액적의 직경과 프리 펄스 레이저 빔의 직경 사이의 관계를 도시한다.
도 4b는 빔축 방향에서 본, 본 발명에서 확산 대상의 직경과 메인 펄스 레이저 빔의 직경 사이의 관계를 도시한다.
도 5는 빔축 방향에서 본, 액적의 위치가 변하는 범위와 프리 펄스 레이저 빔의 직경 사이의 관계를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 프리 펄스 레이저 빔의 빔 세기 분포의 예를 설명하는 도면이다.
도 7은 대상 물질에 조사되는 레이저 빔의 빔 세기 분포를 설명하는 도면이다.
도 8은 제1 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 9는 빔 형성 광학계의 일례를 도시한 개념도이다.
도 10은 빔 형성 광학계의 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 11은 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 12는 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 13은 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 14는 제2 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 15는 제3 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 16은 제4 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 17a는 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 액적을 도시한 개념도이다.
도 17b는 빔축에 수직인 방향에서 본, 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사할 때 형성되고, 톱햇(top-hat) 빔 세기 분포를 갖는 메인 펄스 레이저 빔을 조사한 토러스 형상의 확산 대상을 도시한 개념도이다.
도 17c는 빔축 방향에서 본, 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사할 때 생성되고, 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 메인 펄스 레이저 빔을 조사한 토러스 형상의 확산 대상을 도시한 개념도이다.
도 18은 제5 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서 프리 펄스 레이저 빔을 출력하도록 구성된 Ti:사파이어(sapphire) 레이저의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 19는 제6 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서 프리 펄스 레이저 빔을 출력하도록 구성된 광섬유 레이저의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 20은 제7 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 21은 제8 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 22는 제9 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에 사용된 레이저 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
도 23은 프리 펄스 레이저 빔의 대응하는 플루엔스(fluence)에 대해 얻은 변환 효율(CE)을 플롯한 그래프이다.
도 24는 액적의 직경을 다르게 하여 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 후 확산 대상에 메인 펄스 레이저 빔을 조사할 때까지 대응하는 지연 시간에 대해 얻은 CE를 플롯한 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 선택된 실시예들에 대해 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명될 것이다. 후술하는 실시예는 본질적으로 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 범주를 한정하지 않는다. 또한, 각 실시예에서 설명된 구성(들) 및 동작(들)은 본 발명을 구현하는데 모두 필요한 것은 아니다. 같은 구성 요소는 같은 참조 부호 및 기호로 나타내고, 그에 대한 중복 설명은 생략될 것이라는 점을 주목하자.
내용
1. 실시예의 배경
2. 실시예의 개요
3. 실질적인 균일성(Substantial Uniformity)을 갖는 영역의 직경
4. 빔 세기 분포(Intensity Distribution)의 예
5. 제1 실시예
6. 빔 형성 광학계(Beam-Shaping Optical Systems)의 예
7. 제2 실시예
8. 제3 실시예
9. 제4 실시예
10. 제5 실시예
11. 제6 실시예
12. 프리 펄스 레이저 빔의 조사 조건(Irradiation Conditions)
13. 제7 실시예
14. 제8 실시예
15 제9 실시예
15.1 구성
15.2 동작
16. 플루엔스(Fluence)의 제어
17. 지연 시간(Delay Time)의 제어
1. 실시예의 배경
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 관한 기술적 문제를 설명하는 도면이다. 도 1a 내지 도 1c는 각각 대상 물질(target material)의 액적(droplet)(DL)에 프리 펄스(pre-pulse) 레이저 빔(laser beam)(P)을 조사한(irradiated) 것을 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이 액적(DL)이 대시 점선의 교차점에 도달하는 타이밍에 프리 펄스 레이저 빔(P)이 액적(DL)에 충돌하는 것이 바람직하다.
비록 액적(DL)의 직경 및 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기와 같은 조건에 따라 다르지만, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면, 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 액적(DL)의 표면에서 프리 플라즈마(pre-plasma)가 생성될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 프리 플라즈마는 프리 펄스 레이저 빔(P)이 이동하는 방향과 실질적으로 반대 방향으로 분출(jet out)할 수 있다. 프리 플라즈마는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 액적(DL)의 표면에서 생성된 대상 물질의 이온(ions) 및 중성 입자(neutral particles)를 포함하는 기화된(vaporized) 대상 물질일 수 있다. 프리 플라즈마가 생성되는 현상을 레이저 어블레이션(laser ablation)이라고 지칭한다.
또한, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면, 액적(DL)은 분열(broken up)될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 분열된 액적(DL)은 분출하는 프리 플라즈마의 반력(reaction force)으로 인해 프리 펄스 레이저 빔(P)이 이동하는 방향으로 확산될 수 있다.
이하에서는, 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사할 때 생성되는 프리 플라즈마 및 분열된 액적 중 적어도 하나를 포함하는 대상(target)을 확산 대상(diffused target)이라고 지칭할 수 있다.
액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이저 빔(P)의 중심에 대한 액적(DL)의 위치가 변할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 액적(DL)의 위치는 대시 점선의 교차점에서 상방으로 오프셋(offset)될 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 액적(DL)의 위치는 대시 점선의 교차점에서 하방으로 오프셋될 수 있다. 이에 대응하여, 일 방법에서는, 프리 펄스 레이저 빔에 대한 액적의 위치가 변하는 경우에도 프리 펄스 레이저 빔이 액적에 충돌할 수 있도록 프리 펄스 레이저 빔의 직경을 증가시킬 수 있다.
전형적으로, 레이저 장치에서 출력되는 레이저 빔의 빔 세기 분포는 가우시안 분포(Gaussian distribution)이다. 도 1a 내지 도 1c에서 점선으로 도시된 가우시안 분포로 인해, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 빔축(beam axis)을 중심으로 그의 중심 부분 주위에서 더 높은 빔 세기를 가질 수 있지만, 그의 주변 부분에서는 더 낮은 빔 세기를 갖는다. 액적(DL)에 그러한 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사함에 따라 도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이 액적(DL)의 중심이 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에서 오프셋될 가능성이 있다.
액적(DL)에 가우시안 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사함에 따라 액적(DL)의 중심이 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에서 오프셋되면, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 에너지는 액적(DL)에 불균형하게(disproportionately) 제공될 수 있다. 즉, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 에너지는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 가우시안 빔 세기 분포의 중심에 더 가까운 액적(DL)의 일부에 집중 제공될 수 있다(도 1a 및 도 1c 참조). 그 결과, 프리 플라즈마는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축과 다른 방향으로 분출할 수 있다. 또한, 전술한 분열된 액적은 분출하는 프리 플라즈마의 반력으로 인해 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축과 다른 방향으로 확산될 수 있다.
이러한 방식으로, 액적에 가우시안 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 경우에 생성되는 확산 대상은 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 경우 프리 펄스 레이저 빔의 빔축에 대한 액적의 위치에 따라 빔축의 방향과 다른 방향으로 확산될 수 있다. 따라서, 확산 대상에 메인 펄스(main pulse) 레이저 빔을 안정적으로 조사하는 것은 어려울 수 있다.
2. 실시예의 개요
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명에서 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 대상 물질의 액적을 도시한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 경우에서처럼, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대한 액적(DL)의 위치가 변할 수 있다. 그러나, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 경우에, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역(직경 Dt)을 포함하는 빔 세기 분포를 가질 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 경우에, 액적(DL)은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역(직경 Dt) 내에 위치한다. 따라서, 액적(DL)에는 액적(DL)의 조사 표면(irradiation surface)에 걸쳐 실질적으로 균일한 빔 세기를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다. 따라서, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대한 액적(DL)의 위치가 변하는 경우에도, 액적(DL)을 형성하는 대상 물질은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 방향으로 확산될 수 있다. 그 결과, 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명에서 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 대상 물질의 액적의 다른 예를 도시한다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 경우에, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 경우에서처럼, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역(직경 Dt)을 포함하는 빔 세기 분포를 가질 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 경우에, 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면 액적(DL)은 분열되고 디스크 형상으로 확산되어 확산 대상을 형성할 수 있다. 이러한 확산 대상은 액적(DL)이 질량 제한 액적(mass-limited droplet)(대략 직경이 10㎛)이라는 조건 하에서 얻을 수 있고 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기는 실질적인 세기로 제어되고, 이에 대해서는 후술할 것이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 경우에, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대한 액적(DL)의 위치가 변하는 경우에도, 액적(DL)은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역(직경 Dt) 내에 위치할 수 있다. 따라서, 액적(DL)에는 액적(DL)의 조사 표면에 걸쳐 실질적으로 균일한 빔 세기로 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다. 따라서, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대한 액적(DL)의 위치가 변하는 경우에도, 액적(DL)을 형성하는 대상 물질은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 방향으로 확산될 수 있다. 그 결과, 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사할 수 있다.
3. 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경
도 2a 내지 도 3c를 참조하면, 이제 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dt)에 대해 설명될 것이다.
액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이점 빔(P)의 빔축에 수직인 방향으로 대상을 확산하기 위해서는, 액적(DL)에 그의 반구형(hemispherical) 표면에 걸쳐 실질적으로 균일한 빔 세기를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 액적(DL)의 직경이 Dd인 경우, 상술된 영역의 직경 Dt는 직경 Dd보다 더 큰 것이 바람직할 수 있다.
또한, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대한 액적(DL)의 위치가 변할 수 있는 경우, 가능한 변화량(△X)(도 3a 및 도 3c 참조)을 고려하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 전술한 영역의 직경(Dt)은 다음과 같은 조건을 충족시키는 것이 바람직할 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00001
즉, 전술한 영역의 직경(Dt)은 액적(DL)의 직경(Dd)과 액적(DL)의 위치 변화량(△X)의 합과 같거나 큰 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 액적(DL)의 위치는 빔축에 수직인 평면을 따라 반대 방향으로 변하는 것으로 가정한다. 따라서, 액적(DL)의 직경(Dd)에 변화량(△X)의 두 배(2△X)가 가산된다.
도 4a는 빔축 방향에서 본, 액적의 직경과 프리 펄스 레이저 빔의 직경 사이의 관계를 도시한다. 도 4b는 빔축 방향에서 본, 확산 대상의 직경과 메인 펄스 레이저 빔의 직경 사이의 관계를 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 전술한 영역의 직경(Dt)은 직경(Dd)과 2△X의 합과 같거나 큰 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하기 위해, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 직경(Dm)은 확산 대상의 직경(De)과 같거나 큰 것이 바람직할 수 있다.
또한, 액적(DL)에 프리 펄스 레이점 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기가 실질적인 균일성을 갖는 영역을 포함하는 그러한 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 경우, 액적(DL)은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 방향으로 확산될 수 있다. 따라서, 확산 대상의 위치 변화량은 액적이 확산되는 방향에 좌우하지 않고, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 이미 존재하는 액적(DL)의 위치 변화량(△X)에 주로 좌우할 수 있다. 따라서, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 직경(Dm)은 다음과 같은 조건을 충족시키는 것이 바람직할 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00002
즉, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 직경(Dm)은 확산 대상의 직경(De)과 액적(DL)의 위치 변화량(△X)의 합과 같거나 큰 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 액적(DL)의 위치는 빔축에 수직인 평면을 따라 반대 방향으로 변하는 것으로 가정한다. 따라서, 확산 대상의 직경(De)에 변화량(△X)의 두 배(2△X)가 가산된다.
아래의 표 1은 액적(DL)의 위치 변화량(△X)의 예를 보여준다. 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축과 빔축에 수직인 평면을 따르는 액적(DL)의 중심 사이의 거리의 표준 편차(standard deviation)가 σ이면, △X는, 예를 들면, σ, 2σ, 3σ,...,로 설정될 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00003
여기서, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축과 액적(DL)의 중심 사이의 거리가 Dt ≥ Dd + 2△X라는 조건 하의 정규 분포(normal distribution) 내에 있다는 가정 하에서, 프리 펄스 레이점 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역 내에 액적(DL)이 위치하도록 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할(또는 조사하지 않을) 확률을 산출할 수 있다.
표 1에 나타낸 표에서는, 액적(DL)이 전술한 영역 내에 위치하도록 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하지 않을 확률을 우측 열(column)에 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 전술한 확률은 변화량(△X)이 σ인 경우, 15.9%이고, 변화량(△X)이 2σ인 경우, 2.28%이고, 변화량(△X)이 인 3σ경우 0.135%이다.
비록 지금까지 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)이 각각 원형(circular) 단면을 갖고 액적(DL) 및 확산 대상이 각각 원형 단면을 갖는 경우가 설명되었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 단면이 원형이 아닌 경우, 주어진 레이저 빔의 스폿 크기(spot size)와 액적의 크기 사이의 관계는 면적과 관련하여 2차원으로 규정될 수 있다. 예를 들면, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역(2차원 평면)의 (수학적) 면적은 액적(DL)의 (수학적) 최대 단면적을 초과할 수 있다. 또한, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 최소 면적은 액적(DL)의 최대 단면적과 액적(DL)의 위치 변화량의 합과 같거나 클 수 있다. 또한, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 단면적은 확산 대상의 최대 단면적보다 클 수 있다. 또한, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 최소 단면적은 확산 대상의 최대 단면적과 확산 대상의 위치 변화량의 합과 같거나 클 수 있다.
도 5는 빔축 방향에서 본, 액적(DL)의 위치가 변할 수 있는 범위와 프리 펄스 레이저 빔(P)의 직경 사이의 관계를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 평면을 따른 액적(DL)의 위치 변화량은 여러 방향에서 평가될 수 있다. 도 5에서, Xdmax는 액적(DL)의 반경과 액적(DL)의 중심 위치가 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축을 포함하고 Y-방향으로 연장하는 평면에서 X-방향으로 변하는 최대량(거리)의 합이고, Ydmax는 액적(DL)의 반경과 액적(DL)의 중심 위치가 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축을 포함하고 X-방향으로 연장하는 평면에서 Y-방향으로 변하는 최대량(거리)의 합이다. 도 5에 도시된 예에서, X-방향에 따른 변화량의 최대값은 Y-방향에 따른 변화량의 최대값보다 크다(Xdmax > Ydmax).
그 경우, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면(실질적으로 균일한 세기 분포 영역)의 크기는 X-방향에 따른 변화량을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 크기는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역이 Xdmax와 같거나 큰 직경(FR)을 갖는 원형 형상을 가질 수 있도록 결정될 수 있다. 대안으로, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 실질적으로 균일한 세기 분포 영역이 Xdmax와 같거나 큰 X-방향의 치수를 갖는 타원형(elliptical) 또는 어떤 다른 적절한 형상을 갖도록 형상화될 수 있다. 또한, 실질적으로 균일한 세기 분포 영역의 크기의 변화(TR)가 있을 수 있다는 것을 고려하면, 그 영역은 X-방향의 치수가 (Xdmax+TR)와 같거나 큰 어떤 적절한 형상을 가질 수 있다.
또한, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 직경은 액적(DL)의 위치 변화량에 따라 조정될 수 있다. 프리 펄스 레이저 빔(P)의 에너지가 일정하게 유지되면서 프리 펄스 레이저 빔(P)의 직경이 변하는 경우, 조사 평면에 따른 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기는 빔 직경의 제곱에 반비례하여 변화한다. 따라서, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 에너지는 빔 세기를 일정하게 유지하도록 조정될 수 있다.
대안으로, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 실질적으로 균일한 세기 분포 영역의 형상은, 예를 들면, X-방향의 치수(Xdmax+TR)가 Y-방향의 치수(Ydmax+TR)보다 큰 경우 타원형으로 조정될 수 있다. 메인 펄스 레이저 빔(M)의 경우, 그의 단면의 크기 또는 형상은 X-방향 및 Y-방향에 따른 확산 대상의 위치의 변화량에 따라 조정될 수 있다.
4. 빔 세기 분포의 예
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에서 프리 펄스 레이저 빔의 빔 세기 분포의 예를 설명하는 도면이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 단면에 걸쳐 실질적으로 균일한 빔 세기 분포를 갖는 경우, 그러한 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포는 톱햇 분포일 수 있고 실질적인 균일성을 갖는 것으로 간주될 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 주변 영역 주위에서 빔 세기가 점점 감소하는 단면에 따른 빔 세기 분포를 갖는 경우에도, 그러한 주변 영역으로 둘러싸인 중심 부분이 실질적으로 균일한 빔 세기 분포를 갖는다면, 그 중심 부분은 실질적인 균일성을 갖는다고 말할 수 있다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 주변 영역 주위에서 빔 세기가 더 커지는 단면에 따른 빔 세기 분포를 갖는 경우에도, 그러한 주변 영역으로 둘러싸인 중심 부분이 실질적으로 균일한 빔 세기 분포를 갖는다면, 그 중심 부분은 실질적인 균일성을 갖는다고 말할 수 있다.
액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 때 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 방향으로 액적(DL)을 확산시키기 위해, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 프리 펄스 레이저 빔(P)은 실질적으로 균일한 빔 세기가 분포된 중심 부분을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 주어진 레이저 빔의 빔 세기 분포는 완전히 균일할 필요가 없다. 주어진 레이저 빔의 단면의 전술한 영역(예를 들면, 도 4a 및 도 4b)이 소정의 균일성을 갖기만 하면 충분하다.
도 7은 대상 물질에 조사되는 레이저 빔의 빔 세기 분포를 설명하는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 빔은 Imax 값과 Imin 값 간의 차에 좌우하여 그의 단면에 따른 주어진 영역(직경 Dt)에서 실질적인 균일성을 갖는다고 말할 수 없다. Imax 값은 주어진 영역에서 최고 빔 세기이고 Imin 값은 주어진 영역에서 최저 빔 세기이다. 레이저 빔이, 예를 들면, 그의 단면에 따른 주어진 영역에서 실질적인 균일성을 갖는다고 간주하기 위해서는, 아래의 변화량 값(C)은 20(%)와 같거나 작을 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00004
예를 들면, 10(%)과 같거나 작은 변화량 값(C)은 20%보다 바람직하다고 간주될 수 있다.
또한, 영역 내에 복수의 피크(P1 내지 P6)가 존재하는 경우, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 실질적으로 균일한 빔 세기 분포를 갖는다고 하기 위해서는 인접한 두 피크 간의 갭(△P)은, 예를 들면, 액적(DL)의 직경(Dd)의 1/2과 같거나 작을 수 있다.
5. 제1 실시예
도 8은 제1 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제1 실시예의 EUV 광 생성 시스템은 LPP형일 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, EUV 광 생성 시스템(20)은 챔버(1), 대상 공급 유닛(2), 프리 펄스 레이저 장치(3), 메인 펄스 레이저 장치(4), 및 EUV 콜렉터 미러(5)를 포함할 수 있다.
챔버(1)는 EUV 광이 생성되는 진공(vacuum) 챔버일 수 있다. 챔버(1)에는 노광 장치 접속구(connection port)(11) 및 윈도우(12)가 제공될 수 있다. 챔버(1) 내에서 생성된 EUV 광은 노광 장치 접속구(11)를 통하여 노광 장치(축소 투영 반사 광학계)와 같은 외부 장치로 출력될 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3) 및 메인 펄스 레이저 장치(4)에서 각각 출력된 레이저 빔은 윈도우(12)를 통해 챔버(1)에 진입할 수 있다.
대상 공급 유닛(2)은 EUV 광을 생성하기 위해 주석(Sn) 또는 리튬(Li)과 같은 대상 물질을 챔버(1) 내에 공급하도록 구성될 수 있다. 대상 물질은 대상 노즐(13)을 통하여 액적(DL) 형태로 출력될 수 있다. 액적(DL)의 직경은 10㎛와 100㎛ 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 챔버(1) 내에 공급된 액적(DL) 중에서, 레이저 빔을 조사하지 않은 것들은 대상 콜렉터(14)에 수집될 수 있다.
각각의 프리 펄스 레이저 장치(3) 및 메인 펄스 레이저 장치(4)는 대상 물질을 여기하기 위한 구동 레이저 빔을 출력하도록 구성된 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA)형 레이저 장치일 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3) 및 메인 펄스 레이저 장치(4)는 각각 펄스 레이저 빔(예를 들면, 수 내지 수십 나노초(nanoseconds)의 펄스 지속 시간(duration))을 높은 반복률(예를 들면, 10 내지 100kHz)로 출력하도록 구성될 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3)는 제1 파장에서 프리 펄스 레이저 빔(P)을 출력하도록 구성될 수 있고, 메인 펄스 레이저 장치(4)는 제2 파장에서 메인 펄스 레이저 빔(M)을 출력하도록 구성될 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3)로는, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 레이저 장치가 이용될 수 있고, 메인 펄스 레이저 장치(4)로는 CO2 레이저 장치가 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 어떤 다른 적절한 레이저 장치라도 이용될 수 있다.
프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)은 빔 결합기(15a)를 통해 그리고 윈도우(12)를 통해 투과될 수 있고, 비축 포물면(off-axis paraboloidal) 미러(15b)와 같은 레이저 빔 집속(focusing) 광학계에 의해 반사될 수 있다. 다음에, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 EUV 콜렉터 미러(5)에 형성된 관통 홀(through-hole)(21a)을 통과하여, 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 액적(DL)에 집속될 수 있다. 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면, 액적(DL)은 확산 대상으로 전환될 수 있다.
메인 펄스 레이저 장치(4)로부터의 메인 펄스 레이저 빔(M)은 빔 결합기(15a)에 의해 반사되고, 윈도우(12)를 통해 투과되어, 비축 포물면 미러(15b)에 의해 반사된다. 다음에, 메인 펄스 레이저 빔(M)은 관통 홀(21a)을 통과하여, 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 확산 대상에 집속될 수 있다. 확산 대상에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하면, 확산 대상은 메인 펄스 레이저 빔(M)의 에너지에 의해 여기될 수 있다. 따라서, 확산 대상은 플라즈마로 전환될 수 있고, EUV 광을 포함하여 다양한 파장의 광선(rays of light)이 그 플라즈마에서 방출될 수 있다.
EUV 콜렉터 미러(5)는 13.5nm의 중심 파장에서 EUV 광을 선택적으로 수집하여 반사하도록 몰리브덴(Mo)층 및 실리콘(Si)층을 교대로 적층하여 형성된 다층 반사 필름이 형성된 구형 오목면(spheroidal concave surface)을 가질 수 있다. EUV 콜렉터 미러(5)는 구형 표면의 제1 초점이 플라즈마 생성 영역(PS)에 있고 그의 제2 초점이 중간 초점 영역(IF)에 있도록 배치될 수 있다. 이러한 배치로 인해, EUV 콜렉터 미러(5)에 의해 반사된 EUV 광은 중간 초점 영역(IF)에 집속된 다음, 외부 노광 장치로 출력될 수 있다.
빔 형성 광학계(31)는 액적(DL)에 조사할 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포를 조정하도록 구성될 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)은 먼저 빔 확장기(30)에 의해 직경이 확장된 다음, 빔 형성 광학계(31)에 진입할 수 있다. 빔 형성 광학계(31)는, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 액적(DL)에 그 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 위치에서 실질적인 균일성을 갖는 영역을 프리펄스 레이저 빔(P)이 포함하도록 그리고 전술한 영역의 직경(Dt)이 액적(DL)의 직경(Dd)보다 크도록(예를 들어 도 4a 참조) 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포를 조정할 수 있다. 빔 형성 광학계(31)에서 출력된 프리 펄스 레이저 빔(P)은 빔 결합기(15a)에 입사된다.
메인 펄스 레이저 장치(4)는 마스터 발진기(4a), 전치 증폭기(4c), 메인 증폭기(4e), 및 마스터 발진기(4a), 전치 증폭기(4c), 및 메인 증폭기(4e)의 하류에 각각 배치된 중계(relay) 광학계(4b, 4d, 및 4f)를 포함할 수 있다. 마스터 발진기(4a)는 제2 파장에서 시드(seed) 빔을 출력하도록 구성될 수 있다. 마스터 발진기(4a)로부터의 시드 빔은 전치 증폭기(4c) 및 메인 증폭기(4e)에 의해 원하는 빔 세기를 갖도록 증폭될 수 있다. 증폭된 시드 빔은 메인 펄스 레이저 장치(4)에서 메인 펄스 레이저 빔(M)으로서 출력되고, 그 다음 메인 펄스 레이저 빔(M)은 빔 결합기(15a)에 입사된다.
빔 결합기(15a)는 제1 파장(예를 들면, 1.06㎛)에서 프리 펄스 레이저 장치(3)에서 출력된 프리 펄스 레이저 빔(P)을 높은 투과율로 투과시키고 제2 파장(10.6㎛)에서 메인 펄스 레이저 장치(4)에서 출력된 메인 펄스 레이저 빔(M)을 높은 반사율로 반사시키도록 구성될 수 있다. 빔 결합기(15a)는 투과된 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 반사된 메인 펄스 레이저 빔(M)이 챔버(1) 내로 실질적으로 동일한 방향으로 이동할 수 있도록 배치될 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 빔 결합기(15a)는 전술한 반사/투과 특성을 갖는 다층 필름이 형성된 다이아몬드 기판(diamond substrate)을 포함할 수 있다. 대안으로, 빔 결합기(15a)는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 높은 반사율로 반사시키고 메인 펄스 레이저 빔(M)을 높은 투과율로 투과시키도록 구성될 수 있다. 이러한 빔 결합기를 이용하기 위해, 빔 결합기(15a)에 대한 프리 펄스 레이저 장치(3)의 위치 및 메인 펄스 레이저 장치(4)의 위치는 뒤바뀔 수 있다.
제1 실시예에 따르면, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 그의 단면에 따른 빔 세기 분포가 액적(DL)에 그 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 위치에서 실질적인 균일성을 갖는 영역을 포함할 수 있고, 그러한 영역의 직경(Dt)은 액적(DL)의 직경(Dd)보다 크다. 따라서, 액적(DL)의 위치 변화로 인한 확산 대상의 위치 변화는 감소될 수 있다. 결국, 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사할 수 있고, 결과적으로, 생성된 EUV 광의 에너지 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 제1 실시예에 따르면, 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)은 실질적으로 동일한 빔 경로를 따라 플라즈마 생성 영역(PS)으로 안내될 수 있다. 따라서, EUV 콜텍터 미러(5)에는 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)의 각각의 개별 관통 홀이 형성될 필요가 없다.
제1 실시예에서는, 프리 펄스 레이저 장치(3) 및 메인 펄스 레이저 장치(4)를 포함하는 EUV 광 생성 시스템(20)이 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 실시예(들)는 여기 에너지를 챔버 장치 내에 공급하여 EUV 광을 생성하도록 구성된 외부 레이저 장치와 함께 사용되는 챔버 장치에 적용될 수 있다.
6. 빔 형성 광학계의 예
도 9는 빔 형성 광학계의 일례를 도시한 개념도이다. 도 9에 도시된 빔 형성 광학계는 회절(diffractive) 광학 소자(31a)를 포함할 수 있다. 회절 광학 소자(31a)는 입사 레이저 빔을 회절하기 위한 미세한 오목부(concavities) 및 볼록부(convexities)가 형성된 투명성 기판을 포함할 수 있다. 회절 광학 소자(31a) 상의 오목/볼록 패턴은 회절된 레이저 빔이 집속 광학계에 의해 집속될 때 그의 단면에 걸쳐 실질적으로 균일한 빔 세기 분포를 갖는 스폿(spot)을 형성하도록 설계될 수 있다. 회절 광학 소자(31a)에서 출력된 회절된 레이저 빔은 집속 광학계(15)(예를 들면, 도 8에 도시된 비축 포물면 미러(15b))에 의해 집속될 수 있다. 그 결과, 액적(DL)에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다.
도 10은 빔 형성 광학계의 다른 예를 도시한 개념도이다. 도 10에 도시된 빔 형성 광학계는 위상 변이(phase shift) 광학 소자(31b)를 포함할 수 있다. 위상 변이 광학 소자(31b)는 중심부가 주변부보다 더 두꺼운 투명성 기판을 포함할 수 있다. 위상 변이 광학 소자(31b)는 중심부를 통해 투과된 레이저 빔과 주변부를 통해 투과된 레이저 빔 사이에 위상차 π를 부여할 수 있다. 위상 광학 소자(31b)로 인해, 가우시간 빔 세기 분포를 갖는 입사 레이저 빔은 집속 광학계(15)에 의해 집속될 때 그의 단면에 걸쳐 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 스폿을 형성하고 위상 변이 광학 소자(31b)로부터 출력되는 그러한 레이저 빔으로 변환될 수 있다.
도 11은 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다. 도 11에 도시된 빔 형성 광학계는 임의 형상의 개구(opening)가 내부에 형성된 마스크(32)를 포함할 수 있다. 마스크(32), 콜리메이터(collimator) 렌즈(33), 및 집속 광학계(15)는 축소 투영 광학계(31c)를 구성할 수 있다. 마스크(32)는 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 입사 프리 펄스 레이저 빔(P)의 일부를 통과시킬 수 있다. 축소 투영 광학계(31c)는 마스크(32)를 통과한 프리 펄스 레이저 빔(P)의 이미지를 콜리메이터 렌즈(33) 및 집속 광학계(15)를 통해 액적(DL)에 투영하도록 구성될 수 있다. 따라서, 액적(DL)에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다.
도 12는 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다. 도 12에 도시된 빔 형성 광학계는 복수의 소형 오목 렌즈가 배열된 플라이 아이(fly-eye) 렌즈 어레이(34)를 포함할 수 있다. 플라이 아이 렌즈 어레이(34) 및 집속 광학계(15)는 콜러(Kohler) 조명 광학계(31d)를 구성할 수 있다. 콜러 조명 광학계(31d)를 이용하면, 입사 프리 펄스 레이저 빔(P)은 플라이 아이 렌즈 어레이(34)의 각 오목 렌즈에 의해 비스듬히 분기(diverged)될 수 있고, 분기된 레이저 빔은 집속 광학계(15)의 초점에서 서로 중첩될 수 있다. 그 결과, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포는 집속 광학계(15)의 초점에서 실질적으로 균일해질 수 있다. 따라서, 액적(DL)에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다.
도 9 내지 도 12에 도시된 예에서, 투과성 광학 소자는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포를 조정하는데 이용된다. 그러나 , 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그대신 반사성 광학 소자가 이용될 수 있다. 또한, 비록 도 9 내지 도 12는 각각 빔 형성 광학계와 집속 광학계를 결합한 경우를 도시하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 두 기능을 성취하기 위해 단일 광학 소자가 구성될 수 있다. 예를 들면, 집속 렌즈에 회절 광학 소자에서와 같은 미세한 오목부 및 볼록부를 형성한 광학 소자, 또는 집속 미러가 위상 변이 기능을 갖는 광학 소자가 이용될 수 있다.
도 13은 빔 형성 광학계의 또 다른 예를 도시한 개념도이다. 도 13에 도시된 빔 형성 광학계는 다중 모드 광섬유(31e)를 포함할 수 있다. 또한, 프리 펄스 레이저 장치(3)와 다중 모드 광섬유(31e) 사이의 빔 경로에 빔 확장기(30)(도 8 참조) 대신 집속 광학계(30g)가 제공될 수 있다.
프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)은 집속 광학계(30g)에 의해 집속될 수 있고 다중 모드 광섬유(31e)에 진입할 수 있다. 바람직하게는, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 다중 모드 광섬유(31e)의 개구수(numerical aperture)에 따라 집속될 수 있다. 일반적으로, 다중 모드 광섬유(31e)는 단일 모드 광섬유보다 큰 코어를 가지며, 레이저 빔이 이동하는 다중 경로를 갖는다. 따라서, 가우시안 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)이 다중 모드 광섬유(31e)를 통과하면, 빔 세기 분포는 변화할 수 있다. 따라서, 가우시안 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)은 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔으로 변환될 수 있다. 집속 광학계(15g)는 액적(DL)에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있도록 다중 모드 광섬유(31e)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)의 이미지를 액적(DL)에 투영할 수 있다.
7. 제2 실시예
도 14는 제2 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제2 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서, 프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 장치(4)로부터의 메인 펄스 레이저 빔(M)은 개별 빔 경로를 따라 챔버(1) 내로 안내될 수 있다.
프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)은 고반사 미러(15c)에 의해 반사되고, 윈도우(12b)를 통해 투과되어, 비축 포물면 미러(15d)에 의해 반사될 수 있다. 다음에, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 EUV 콜렉터 미러(5)에 형성된 관통 홀(21b)을 통하여 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 액적(DL)에 집속될 수 있다. 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하면, 액적(DL)은 확산 대상으로 전환될 수 있다.
메인 펄스 레이저 장치(4)로부터의 메인 펄스 레이저 빔(M)은 고반사 미러(15e)에 의해 반사되고, 윈도우(12)를 통해 투과되어, 비축 포물면 미러(15b)에 의해 반사될 수 있다. 다음에, 메인 펄스 레이저 빔(M)은 EUV 콜렉터 미러(5)에 형성된 관통 홀(21a)을 통하여 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 확산 대상에 집속될 수 있다.
제2 실시예에 따르면, 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)은 각각 개별의 광학계를 통해 플라즈마 생성 영역(PS)으로 안내될 수 있다. 따라서, 각 광학계는 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)이 각각 원하는 크기의 스폿을 형성하도록 서로 독립적으로 설계될 수 있다. 또한, 액적(DL) 및 확산 대상에 각각 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)을 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 경로를 서로 일치하게 하는 빔 결합기와 같은 광학 소자 없이 실질적으로 동일한 방향으로 조사할 수 있다.
8. 제3 실시예
도 15는 제3 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제3 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서는, 도 8에 도시된 제1 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에 액적(DL)을 검출하는 위치 검출 기구가 추가될 수 있다. 이러한 위치 검출 기구로 인해, 위치 검출 기구에 의한 검출 결과에 따라 레이저 빔이 출력되는 타이밍이 제어될 수 있다. 위치 검출 기구는 액적 Z-방향 검출기(70) 및 액적 XY-방향 검출기(80)를 포함할 수 있다.
액적 Z-방향 검출기(70)는 액적(DL)의 이동 방향(Z-방향)에서 액적의 위치를 검출하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로 말하면, 액적 Z-방향 검출기(70)는 액적(DL)이 Z-방향의 위치에 도달할 때 Z-위치 검출 신호를 레이저 트리거 생성 기구(레이저 제어기)(71)로 송신할 수 있다.
Z-위치 검출 신호의 수신시, 레이저 트리거 생성 기구(71)는 제1 지연 시간의 경과시 프리 펄스 레이저 발진 트리거 신호를 프리 펄스 레이저 장치(3)로 송신할 수 있다. 프리 펄스 레이저 장치(3)는 프리 펄스 레이저 발진 트리거 신호에 기초하여 프리 펄스 레이저 빔(P)을 출력할 수 있다. 제1 지연 시간은 프리 펄스 레이저 장치(3)로부터의 프리 펄스 레이저 빔(P)이 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 액적(DL)에 충돌하도록 적절히 설정될 수 있다.
전술한 제어에 따라, 플라즈마 생성 영역(PS) 내에 있는 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사하고 이는 확산 대상으로 전환될 수 있다. 그 후, 레이저 트리거 생성 기구(71)는 제2 지연 시간의 경과시 메인 펄스 레이저 발진 트리거 신호를 메인 펄스 레이저 장치(4)로 송신할 수 있다. 메인 펄스 레이저 장치(4)는 메인 펄스 레이저 발진 트리거 신호에 기초하여 메인 펄스 레이저 빔(M)을 출력할 수 있다. 제2 지연 시간은 확산 대상이 원하는 크기로 확산된 타이밍에 확산 대상에 메인 펄스 레이저 장치(4)로부터의 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하도록 설정될 수 있다.
이러한 방식으로, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 출력되는 타이밍 및 메인 펄스 레이저 빔(M)이 출력되는 타이밍은 액적 Z-방향 검출기(70)의 검출 결과에 기초하여 제어될 수 있다.
액적 Z-방향 검출기(70), 레이저 트리거 생성 기구(71), 프리 펄스 레이저 장치(3), 및 메인 펄스 레이저 장치(4) 사이에는 다양한 지터(jitters)(시간적 변동)가 있을 수 있다. 이러한 지터는 (1) 액적 Z-방향 검출기(70)가 신호를 출력하는데 필요한 시간 상의 지터(σa), (2) 다양한 신호를 투과하는데 필요한 시간 상의 지터(σb), (3) 다양한 신호를 처리하는데 필요한 시간 상의 지터(σc), (4) 프리 펄스 레이저 장치(3)가 프리 펄스 레이저 빔(P)을 출력하는데 필요한 시간 상의 지터(σd), 및 (5) 메인 펄스 레이저 장치(4)가 메인 펄스 레이저 빔(M)을 출력하는데 필요한 시간 상의 지터(σf)를 포함할 수 있다. 전술한 지터들의 표준 편차(σj)는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00005
프리 펄스 레이저 빔(P)의 초점과 액적(DL)의 위치 사이의 Z-방향의 편차는, 예를 들면, 2σj×v로 표현될 수 있고, 여기서 v는 액적(DL)의 속도이다. 그 경우, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dtz)은 다음과 같은 조건을 충족하는 것이 바람직할 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00006
액적 XY-방향 검출기(80)는 액적(DL)의 이동 방향(Z-방향)에 수직인 평면을 따라 액적(DL)의 위치를 검출하고, XY-위치 검출 신호를 액적 XY 제어기(81)로 송신하도록 구성될 수 있다.
XY-위치 검출 신호의 수신시, 액적 XY 제어기(81)는 검출된 액적(DL)의 위치가 허용 범위 내에 속하는지 여부를 판단할 수 있다. 액적(DL)의 위치가 허용 범위 내에 속하지 않으면, 액적 XY 제어기(81)는 XY 구동 신호를 액적 XY 제어 기구(82)로 송신할 수 있다.
액적 XY 제어 기구(82)는 수신된 XY 구동 신호에 기초하여 대상 공급 유닛(2)에 제공된 구동 모터를 구동할 수 있다. 이에 따라, 액적(DL)이 출력되는 위치가 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 액적 XY-방향 검출기(80)의 검출 결과에 따라 XY 평면에 따른 액적(DL)의 위치가 제어될 수 있다.
전술한 제어로도, 각 액적(DL)마다 액적(DL)이 출력되는 위치를 변경하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, XY-방향의 단기간 변동(표준 편차)이 σx인 경우, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dtx)은 다음과 같은 조건을 충족시키는 것이 바람직할 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00007
제3 실시예에서는, 액적(DL)이 출력되는 위치가 XY 평면을 따라 제어된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 액적(DL)이 대상 공급 유닛(2)에서 출력되는 각도가 제어될 수 있다.
9. 제4 실시예
도 16은 제4 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 구성을 개략적으로 예시한다. 제4 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템은 메인 펄스 레이저 장치(4)와 빔 결합기(15a) 사이에 제공되어 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 세기 분포를 조정하는 빔 형성 광학계(41)를 포함할 수 있다.
빔 형성 광학계(41)의 구성은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 분포를 조정하도록 구성된 빔 형성 광학계(31)의 구성과 유사할 수 있다. 빔 형성 광학계(41)는 메인 펄스 레이저 빔(M)이 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역을 포함하도록 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 세기 분포를 조정할 수 있다. 이에 따라, 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 실질적으로 균일한 빔 세기로 조사할 수 있다.
도 17a는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 액적(DL)을 도시한 개념도이다. 도 17b 및 도 17c는 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 경우에 형성된 토러스 형상 확산 대상에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사한 것을 도시한 개념도이다. 도 17a 및 도 17b는 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔축에 수직인 방향에서 본 도면이다. 도 17c는 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔축 방향에서 본 도면이다.
도 17a에 도시된 바와 같이, 프리 펄스 레이저 빔(P)이 액적(DL)에 집속되면, 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 액적(DL)의 표면에서 레이저 어블레이션(ablation)이 발생할 수 있다. 레이저 어블레이션에 의한 에너지로 인해 액적(DL)의 내부를 향해 액적(DL)의 조사 표면에서 충격파가 발생할 수 있다. 이러한 충격파는 액적(DL) 전체에 걸쳐 전파될 수 있다. 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기가 제1 값(예를 들면, 1×109 W/㎠)과 같거나 크면, 이러한 충격파에 의해 액적(DL)은 분열되어 확산될 수 있다.
여기서, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기가 제2 값(예를 들면, 6.4×109 W/㎠)과 같거나 크면, 액적(DL)은 분열되어 도 17b 및 도 17c에 도시된 바와 같은 토러스 형상의 확산 대상을 형성할 수 있다. 도 17b 및 도 17c에 도시된 바와 같이, 토러스 형상의 확산 대상은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 대해 대칭으로 토러스 형상으로 확산될 수 있다.
토러스 형상의 확산 대상을 생성하는 구체적인 조건은, 예를 들면, 다음과 같을 수 있다. 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 범위는 6.4×109 W/㎠에서 3.2×1010 W/㎠까지(1010 W/㎠ 포함)일 수 있다. 액적(DL)은 직경이 12㎛에서 40㎛까지(40㎛ 포함)일 수 있다.
이제, 토러스 형상의 확산 대상에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하는 것에 대해 설명될 것이다. 예를 들면, 토러스 형상의 확산 대상은, 예를 들면, 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 후 0.5㎲에서 2.0㎲ 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 확산 대상에는 액적(DL)에 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사한 후 전술한 기간 내에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 도 17b 및 도 17c에 도시된 바와 같이, 토러스 형상의 확산 대상은 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축 방향의 길이가 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔축에 수직인 방향의 길이보다 짧도록 형상화될 수 있다. 그러한 치수의 토러스 형상의 확산 대상에는 프리 펄스 레이저 빔(P)과 같은 방향으로 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 확산 대상에는 메인 펄스 레이저 빔(M)을 더 균일하게 조사할 수 있고, 따라서 메인 펄스 레이저 빔(M)은 확산 대상에 의해 효율적으로 흡수될 수 있다. 결국, LPP형 EUV 광 생성 시스템의 변환 효율(CE)은 향상될 수 있다.
토러스 형상의 확산 대상을 생성하기 위해, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 톱햇 빔 세기 분포를 가질 필요가 없을 수 있다. 그 경우, 도 16에 도시된 빔 형성 광학계(31)는 생략될 수 있다. 그러나, 빔 형성 광학계(31)는 액적(DL)의 위치 변화로 인한 확산 대상의 위치 변화를 감소시키기 위해 제공될 수 있다.
토러스 형상의 확산 대상에 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사한 경우, 토러스 형상의 확산 대상에서 플라즈마가 원통형으로 방출된다는 것이 추측된다. 다음에, 원통의 내부 부분을 향해 확산된 플라즈마는 그 내부에 갇힐 수 있다. 이는 고온, 고밀도 플라즈마를 생성하고, CE를 향상시킬 수 있다. 여기서, "토러스 형상"이란 용어는 환상(annular) 형상을 의미하고, 확산 대상은 형상이 완전히 환형일 필요가 없고, 실질적으로 형상이 환형일 수 있다. 토러스 형상의 확산 대상은 프리 펄스 레이저 빔(P)에 의해 확산된 대상 물질의 입자를 포함한다. 그 입자들은 토러스 형상을 갖도록 합쳐진다.
토러스 형상의 확산 대상의 위치 변화량이 △X이면, 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dtop)은 토러스 형상의 확산 대상의 외경(outer diameter)(Dout)과 다음과 같은 관계를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00008
즉, 전술한 영역의 직경(Dtop)은 토러스 형상의 확산 대상의 외경(Dout)과 토러스 형상의 확산 대상의 위치 변화량(△X)의 두 배(2△X)의 합과 같거나 큰 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성에 따라, 토러스 형상의 확산 대상 전체에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 실질적으로 균일한 빔 세기로 조사할 수 있다. 따라서, 확산 대상의 더 큰 부분이 플라즈마로 전환될 수 있다. 그 결과, 대상 물질의 파편(debris)이 저감될 수 있다.
10. 제5 실시예
도 18은 제4 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서 프리 펄스 레이저 빔(P)을 출력하도록 구성된 Ti:사파이어(sapphire) 레이저의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제5 실시예의 Ti:사파이어 레이저(50a)는 프리 펄스 레이저 장치로서 챔버(1)의 외부에 제공될 수 있다.
Ti:사파이어 레이저(50a)는 반도체 가포화 흡수체(saturable absorber) 미러(51a) 및 출력 결합기(52a)에 의해 형성된 레이저 공진기(resonator)를 포함할 수 있다. 오목 미러(53a), 제1 펌핑(pumping) 미러(54a), Ti:사파이어 결정체(crystal)(55a), 제2 펌핑 미러(56a), 및 두 개의 프리즘(57a 및 58a)은 레이저 공진기의 광 경로에서 반도체 가포화 흡수체 미러(51a) 측부터 그 순서대로 제공된다. 또한, Ti:사파이어 레이저(50a)는 펌핑 빔을 레이저 공진기 내에 도입하는 펌핑 소스(59a)를 포함할 수 있다.
제1 펌핑 미러(54a)는 레이저 공진기의 외부에서 펌핑 빔을 높은 투과율로 투과시키고 레이저 공진기 내에 있는 레이저 빔을 높은 반사율로 반사시키도록 구성될 수 있다. Ti:사파이어 결정체(55a)는 펌핑 빔으로 유도 방출(stimulated emission)을 일으키는 레이저 매질(medium)로 기능할 수 있다. 두 개의 프리즘(57a 및 58a)은 소정의 파장에서 레이저 빔을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 출력 결합기(52a)는 레이저 공진기에서 증폭된 레이저 빔의 일부를 투과시키고 증폭된 레이저 빔을 레이저 공진기에서 출력하고, 레이저 빔의 나머지 부분을 레이저 공진기로 다시 반사시킬 수 있다. 반도체 가포화 흡수체 미러(51a)에는 반사층 및 가포화 흡수체층이 적층될 수 있다. 빔 세기가 낮은 입사 레이저 빔의 일부는 가포화 흡수체층에 의해 흡수될 수 있고, 빔 세기가 높은 입사 레이저 빔의 다른 부분은 가포화 흡수체층을 투과하여 반사층에 의해 반사될 수 있다. 이에 따라, 입사 레이저 빔의 펄스 지속 시간은 단축될 수 있다.
펌핑 소스(59a)로는 반도체 펌프형 Nd:YVO4 레이저가 이용될 수 있다. 펌핑 소스(59a)로부터의 제2 고조파(harmonic wave)는 제1 펌핑 미러(54a)를 통해 레이저 공진기 내에 도입될 수 있다. 반도체 가포화 흡수체 미러(51a)의 위치는 주어진 종축 모드(longitudinal mode)의 공진기 길이를 조정하도록 조정될 수 있다. 이러한 조정은 Ti:사파이어 레이저(50a)의 모드 동기(mode-locking)를 유발할 수 있고, 출력 결합기(52a)를 통해 피코초(picosecond) 펄스 레이저 빔이 출력될 수 있다. 여기서, 펄스 에너지가 작은 경우, 펄스 레이저 빔은 재생 증폭기에 의해 증폭될 수 있다.
제5 실시예에 따르면, 피코초 펄스 레이저 빔이 출력될 수 있고, 액적(DL)에 그러한 펄스 지속 시간을 갖는 프리 펄스 레이저 빔(P)을 조사할 수 있다. 따라서, 액적(DL)은 비교적 작은 펄스 에너지로 확산될 수 있다.
11. 제6 실시예
도 19는 제6 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에서 프리 펄스 레이저 빔(P)을 출력하도록 구성된 광섬유(fiber) 레이저의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제6 실시예의 광섬유 레이저(50b)는 프리 펄스 레이저 장치로서 챔버(1) 외부에 제공될 수 있다.
광섬유 레이저(50b)는 고반사 비러(51b) 및 반도체 가포화 흡수체 미러(52b)로 형성된 레이저 공진기를 포함할 수 있다. 격자 쌍(grating pair)(53b), 제1 편광 유지 광섬유(54b), 멀티플렉서(55b), 분리 소자(56b), 제2 편광 유지 광섬유(57b), 및 집속 광학계(58b)는 레이저 공진기의 빔 경로에서 고반사 미러(51b) 측부터 그 순서대로 제공될 수 있다. 또한, 광섬유 레이저(50b)는 펌핑 빔을 레이저 공진기 내에 도입하는 펌핑 소스(59b)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(55b)는 펌핑 소스(59b)에서 제1 편광 유지 광섬유(54b)로 펌핑 빔을 도입하도록 구성될 수 있고, 제1 편광 유지 광섬유(54b)와 제2 편광 유지 광섬유(57b) 사이에서 왕복 이동하는 레이저 빔을 투과시킬 수 있다. 제1 편광 유지 광섬유(54b)에는 이터븀(Yb)이 도핑(doped)될 수 있고, 이는 펌핑 빔으로 유도 방출을 일으킬 수 있다. 격자 쌍(53b)은 소정의 파장에서 레이저 빔을 선택적으로 반사할 수 있다. 반도체 가포화 흡수체 미러(52b)는 구성 및 기능 면에서 제5 실시예의 반도체 가포화 흡수체 미러(51b)와 유사할 수 있다. 분리 소자(56b)는 레이저 공진기에서 증폭된 레이저 빔의 일부분을 분리하고 분리된 레이저 빔을 레이저 공진기에서 출력하여 레이저 빔의 나머지 부분을 레이저 공진기로 다시 반송할 수 있다. 이러한 구성은 광섬유 레이저(50b)의 모드 동기를 유발할 수 있다. 펌핑 소스(59b)로부터의 펌핑 빔이 광섬유를 통해 멀티플렉서(55b) 내에 도입되면, 분리 소자(56b)를 통해 피코초 펄스 레이저 빔이 출력될 수 있다.
제6 실시예에 따르면, 제5 실시예에서 얻은 효과 외에, 프리 펄스 레이저 빔(P)은 광섬유를 통해 안내되기 때문에 프리 펄스 레이저 빔(P)의 방향은 쉽게 조정될 수 있다.
레이저 빔의 파장이 짧을수록, 주석에 의한 레이저 빔의 흡수율은 더 높다. 따라서, 주석에 의한 레이저 빔의 흡수율에 우선순위(priority)를 두면, 더 짧은 파장의 레이저 빔이 유리할 수 있다. 예를 들면, 1064nm의 파장에서 Nd:YAG 레이저 장치에서 출력되는 기본 고조파와 비교하여, 흡수율은 제2 고조파(532nm의 파장), 더 나아가 제3 고조파(355nm의 파장), 훨씬 더 나아가 제4 고조파(266nm의 파장)에 따라 증대할 수 있다.
여기서는, 피코초 펄스 레이저 빔을 이용한 일례가 도시되었다. 그러나, 펨토초(femtosecond) 펄스 레이저 빔으로도 유사한 효과가 얻어질 수 있다. 또한, 액적은 나노초 펄스 레이저 빔으로도 확산될 수 있다. 예를 들면, 프리 펄스 레이저 장치로는, 대략 15ns의 펄스 지속 시간, 100kHz의 반복률, 1.5mJ의 펄스 에너지, 1.03㎛의 파장, 및 1.5 미만의 M2 값과 같은 사양(specifications)을 갖는 광섬유 레이저가 이용될 수 있다.
12. 프리 펄스 레이저 빔의 조사 조건
아래의 표 2는 본 발명에서 프리 펄스 레이저 빔(P)의 조사 조건의 예를 보여준다. 조사 펄스 에너지가 E(J)이고, 펄스 지속 시간이 T(s)이고, 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경이 Dt(m)이면, 프리 펄스 레이저 빔(P)의 빔 세기 W(W/㎡)는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112013106242317-pct00009
Figure 112013106242317-pct00010
표 2는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 조사 조건의 네 가지 예(경우 1 내지 경우 4)를 보여준다. 경우 1 내지 경우 4 각각에서, 용융 주석 액적의 직경은 10㎛이고, 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dt)은 30㎛이다.
경우 1에서, 그러한 액적을 확산하여 원하는 확산 대상을 생성하기 위해, 조사 펄스 에너지(E)는 0.3mJ로 설정되고, 펄스 지속 시간(T)은 20ns로 설정된다. 이 경우, 2.12×109 W/㎠의 빔 세기 W가 얻어질 수 있다. 이러한 프리 펄스 레이저 빔(P)에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같은 확산 대상이 생성될 수 있다.
경우 2에서, 조사 펄스 에너지(E)는 0.3mJ로 설정되고, 펄스 지속 시간(T)은 10ns로 설정된다. 이 경우, 4.24×109 W/㎠의 빔 세기 W가 얻어질 수 있다. 이러한 프리 펄스 레이저 빔(P)에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같은 확산 대상이 생성될 수 있다.
경우 3에서, 조사 펄스 에너지(E)는 0.3mJ로 설정되고, 펄스 지속 시간(T)은 0.1ns로 설정된다. 이 경우, 4.24×1011 W/㎠의 빔 세기 W가 얻어질 수 있다. 이러한 프리 펄스 레이저 빔(P)에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같은 확산 대상이 생성될 수 있다.
경우 4에서, 조사 펄스 에너지(E)는 0.5mJ로 설정되고, 펄스 지속 시간(T)은 0.05ns로 설정된다. 이 경우, 1.41×1012 W/㎠의 빔 세기 W가 얻어질 수 있다. 이러한 프리 펄스 레이저 빔(P)에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같은 확산 대상이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 피코초 펄스 레이저 빔이 프리 펄스 레이저 빔(P)으로 이용된 경우, 높은 빔 세기(W)가 얻어질 수 있다.
표 2에 나타낸 경우들에서는, 직경이 10㎛인 액적이 이용된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 직경이 16㎛인 액적(DL)의 위치 변화량(△X)이 7㎛인 경우, 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역의 직경(Dt)은 30㎛로 설정될 수 있다.
13. 제7 실시예
도 20은 제7 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제7 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템은 프리 펄스 레이저 장치(3)(도 16 참조)가 제공되지 않는다는 점에서 도 16을 참조하여 설명된 제4 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템과 다를 수 있다. 제7 실시예의 EUV 광 생성 시스템에서, 액적(DL)은 단지 메인 펄스 레이저 빔(M)만으로도 플라즈마로 전환될 수 있다.
제7 실시예에서, 빔 형성 광학계(41)는 단면에 따른 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역을 포함하도록 메인 펄스 레이저 빔(M)의 빔 세기 분포를 조정할 수 있다. 이러한 구성에 따라, 액적(DL)에 메인 펄스 레이저 빔(M)을 조사할 때 액적(DL)의 위치가 전술한 영역 내에서 변하는 경우에도, 액적(DL)에 대한 메인 펄스 레이저 빔의 조사 빔 세기의 변화량이 작게 유지될 수 있다. 그 결과, 생성된 플라즈마 밀도의 안정성이 향상될 수 있고, 생성된 EUV 광의 에너지가 안정될 수 있다.
14. 제8 실시예
도 21은 제8 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제8 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템은 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M) 둘 다를 출력하도록 구성된 레이저 장치(7)를 포함할 수 있다.
레이저 장치(7)는 제1 마스터 발진기(7a), 제2 마스터 발진기(7b), 빔 경로 조정 유닛(7c), 전치 증폭기(4c), 메인 증폭기(4e), 및 중계 광학계(4b, 4d, 및 4f)를 포함할 수 있다. 제1 마스터 발진기(7a)는 프리 펄스 레이저 빔(P)의 시드 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 마스터 발진기(7b)는 메인 펄스 레이저 빔(M)의 시드 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 마스터 발진기(7a 및 7b) 각각에 의해 생성된 시드 빔은 동일 대역폭 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 빔 경로 조정 유닛(7c)은 시드 빔의 빔 경로가 공간적으로 서로 중첩하도록 조정하여 그 시드 빔을 중계 광학계(4b)로 출력할 수 있다.
레이저 장치(7)에서 출력된 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M) 각각은 빔 세기 분포가 실질적인 균일성을 갖는 영역을 포함하도록 빔 형성 광학계(41)에 의해 조정된 빔 세기 분포를 가질 수 있다. 프리 펄스 레이저 빔(P) 및 메인 펄스 레이저 빔(M)의 파장이 동일 대역폭 내에 포함되면, 두 레이저 빔의 빔 세기 분포는 신호 빔 형성 광학계(41)에 의해 조정될 수 있다.
15. 제9 실시예
15.1 구성
도 22는 제9 실시예에 따른 EUV 광 생성 시스템에 사용된 레이저 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 제9 실시예의 레이저 장치(8)는 프리 펄스 레이저 장치로서 챔버(1) 외부에 제공될 수 있다.
레이저 장치(8)는 마스터 발진기(8a), 전치 증폭기(8g), 및 메인 증폭기(8h)를 포함할 수 있다. 전치 증폭기(8g) 및 메인 증폭기(8h)는 마스터 발진기(8a)로부터의 레이저 빔의 빔 경로에 제공될 수 있다.
마스터 발진기(8a)는 고반사 미러(8b) 및 부분 반사 미러(8c)로 형성된 안정(stable) 공진기, 및 레이저 매질(8d)을 포함할 수 있다. 레이저 매질(8d)은 고반사 미러(8b)와 부분 반사 미러(8c) 사이에 제공될 수 있다. 레이저 매질(8d)은 Nd:YAG 결정체, 또는 Yb:YAG 결정체 등일 수 있다. 이 결정체는 기둥형(columnar) 또는 평면형(planar)일 수 있다.
각각의 고반사 미러(8b) 및 부분 반사 미러(8c)는 평면(flat) 미러 또는 곡선형(curved) 미러일 수 있다. 안정 공진기의 빔 경로에는 각각 개구(aperture)가 내부에 형성된 개구판(aperture plates)(8e 및 8f)이 제공될 수 있다.
각각의 전치 증폭기(8g) 및 메인 증폭기(8h)는 레이저 매질을 포함할 수 있다. 이러한 레이저 매질은 Nd:YAG 결정체, 또는 Yb:YAG 결정체 등일 수 있다. 이러한 결정체는 기둥형 또는 평면형일 수 있다.
15.2 동작
마스터 발진기(8a)의 레이저 매질(8d)이 펌핑 소스(미도시)로부터의 펌핑 빔에 의해 여기되면, 고반사 미러(8b) 및 부분 반사 미러(8c)로 형성된 안정 공진기는 다중 횡단 모드(multi-traverse mode)로 발진할 수 있다. 다중 횡단 모드 레이저 빔의 단면 형상은 안정 공진기에 제공된 각 개구판(8e 및 8f)에 형성된 개구의 형상에 따라 변형될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 마스터 발진기(8a)에서 개구의 형상에 따른 단면 형상 및 스폿에서 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔이 출력될 수 있다. 마스터 발진기(8a)로부터의 레이저 빔은 전치 증폭기(8g) 및 메인 증폭기(8h)에 의해 증폭될 수 있고, 증폭된 레이저 빔은 집속 광학계(15)에 의해 액적(DL)에 집속될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 빔 형성 광학계를 이용하지 않고도, 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔이 생성될 수 있다.
각 개구판(8e 및 8f)에 형성된 개구가 사각형인 경우, 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔의 단면 형상은 사각형이 될 수 있다. 각 개구판(8e 및 8f)에 형성된 개구가 원형인 경우, 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔의 단면 형상은 원형이 될 수 있다. 액적(DL)의 위치가 변하는 방향이 변동하는 경우, 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔의 단면 형상은 내부에 형성된 사각형 개구를 갖는 개구판(8e 및 8f)을 이용함으로써 사각형이 될 수 있다. 이러한 방식으로, 스폿에서 톱햇 빔 세기 분포를 갖는 레이저 빔의 단면 형상은 개구의 형상을 선택하거나 조정함으로써 조정될 수 있다. 또한, 개구판을 이용하는 것에 한정되지 않고, 레이저 빔의 단면 형상은 레이저 매질(8d)의 단면 형상에 의해 제어될 수 있다.
16. 플루엔스(Fluence)의 제어
도 23은 프리 펄스 레이저 빔의 대응하는 플루엔스에 대해 얻은 변환 효율(CE)을 플롯한 그래프이다. 플루엔스는 그의 초점에서 레이저 빔 단면의 단위 면적당 에너지로 규정될 수 있다.
측정 조건은 다음과 같다. 대상 물질로는 직경이 20㎛인 용융 주석 액적이 이용된다. 프리 펄스 레이저 빔으로는 YAG 레이저 장치에서 출력된 5㎱에서 15㎱ 까지의 사이의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 빔이 이용된다. 메인 펄스 레이저 빔으로는 CO2 레이저 장치에서 출력된 20㎱의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 빔이 이용된다. 메인 펄스 레이저 빔의 빔 세기는 6.0×109 W/㎠이고, 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 1.5㎲이다.
도 23에 도시된 그래프의 수평축은 프리 펄스 레이저 빔의 조사 조건(펄스 지속 시간, 에너지, 스폿 크기)을 플루엔스로 변환하여 얻은 값을 나타낸다. 수직축은 프리 펄스 레이저 빔의 각 조사 조건에 따라 생성된 확산 대상 각각에 실질적으로 동일한 조건의 메인 펄스 레이저 빔을 조사한 경우에 얻은 CE를 나타낸다.
도 23에 도시된 측정 결과에 의하면 프리 펄스 레이저 빔의 플루엔스를 증가시키면 CE를 (대략 3%) 향상시킬 수 있다고 나타난다. 즉, 프리 펄스 레이저 빔의 펄스 지속 시간이 적어도 5ns에서 15ns 범위에서는, 플루엔스와 CE 사이에 상관관계가 있다.
따라서, 전술한 실시예에서는, 프리 펄스 레이저 빔의 빔 세기 대신, 플루엔스가 제어될 수 있다. 도 23에 도시된 측정 결과에 의하면 프리 펄스 레이저 빔의 플루엔스는 10mJ/㎠에서 600mJ/㎠까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다고 나타난다. 30mJ/㎠에서 400mJ/㎠까지의 범위가 더 바람직하다. 150mJ/㎠에서 300mJ/㎠까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다.
17. 지연 시간의 제어
도 24는 액적의 직경을 다르게 하여 액적에 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 후 확산 대상에 메인 펄스 레이저 빔을 조사할 때까지 대응하는 지연 시간에 대해 얻은 CE를 플롯한 그래프이다.
측정 조건은 다음과 같다. 대상 물질로는 직경이 12㎛, 20㎛, 30㎛, 및 40㎛인 용융 주석 액적이 이용된다. 프리 펄스 레이저 빔으로는 YAG 레이저 장치에서 출력된 5㎱의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 빔이 이용된다. 프리 펄스 레이저 빔의 플루엔스는 490mJ/㎠이다. 메인 펄스 레이저 빔으로는 CO2 레이저 장치에서 출력된 20㎱의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 빔이 이용된다. 메인 펄스 레이저 빔의 빔 세기는 6.0×109 W/㎠이다.
도 24에 나타낸 측정 결과에 의하면 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 0.5㎲에서 2.5㎲까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다고 나타난다. 더 구체적으로 말하면, 높은 CE를 얻기 위해 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간의 최적 범위는 액적의 직경에 따라 다를 수 있다.
액적의 직경이 12㎛인 경우, 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 0.5㎲에서 2㎲까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 0.6㎲에서 1.5㎲까지의 범위가 더 바람직하다. 0.7㎲에서 1㎲까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다.
액적의 직경이 20㎛인 경우, 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 0.5㎲에서 2.5㎲까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 1㎲에서 2㎲까지의 범위가 더 바람직하다. 1.3㎲에서 1.7㎲까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다.
액적의 직경이 30㎛인 경우, 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 0.5㎲에서 4㎲까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 1.5㎲에서 3.5㎲까지의 범위가 더 바람직하다. 2㎲에서 3㎲까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다.
액적의 직경이 40㎛인 경우, 메인 펄스 레이저 빔의 조사를 위한 지연 시간은 프리 펄스 레이저 빔의 조사부터 0.5㎲에서 6㎲까지의 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 1.5㎲에서 5㎲까지의 범위가 더 바람직하다. 2㎲에서 4㎲까지의 범위가 훨씬 더 바람직하다.
전술한 실시예 및 그 변형예는 단지 본 발명을 구현하기 위한 예에 불과하며 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 따라 이루어진 다양한 변형예는 본 발명의 범주 내에 속하고, 다른 다양한 실시예도 본 발명의 범주 내에 속한다. 예를 들면, 전술한 실시예 중 특정 실시예에 대해 예시된 변형예는 (본 명세서에서 설명된 다른 실시예를 포함하여) 그 밖의 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
본 명세서 및 첨부의 특허청구범위에서 사용된 용어는 "비제한적인"것으로 해석되어야 한다. 예를 들면, "포함하다(include)" 및 "포함된(be included)"이라는 용어는 "언급한 구성 요소들을 포함하지만 언급한 구성 요소들로 한정되지 않는" 것으로 해석되어야 한다. "갖다(have)"라는 용어는 "언급한 구성 요소들을 갖지만 언급한 구성 요소들로 한정되지 않는" 것으로 해석되어야 한다. 또한, 수식어 "하나(하나의)"는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"으로 해석되어야 한다.

Claims (29)

  1. 레이저 장치와 함께 사용되는 장치로서, 상기 장치는,
    챔버;
    상기 챔버의 내부 영역에 대상 물질(target material)을 공급하는 대상 공급장치(target supply);
    상기 챔버의 내부 영역에 상기 레이저 장치로부터의 레이저 빔(laser beam)을 집속(focusing)시키는 레이저 빔 집속 광학계(optical system); 및
    상기 레이저 빔의 빔 세기 분포(intensity distribution)를 제어하는 광학계
    를 포함하고,
    상기 광학계는 상기 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 단면에 실질적으로 균일한 빔 세기 분포 영역을 포함하도록 상기 빔 세기 분포를 제어하도록 구성되고,
    상기 빔 세기 분포 영역의 면적은 상기 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 상기 대상 물질의 최대 단면적과 상기 챔버의 내부 영역에서 상기 대상 물질의 위치 변화량(variation)의 합과 같거나 큰, 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 빔 세기 분포 영역의 면적은 상기 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 상기 대상 물질의 최대 단면적을 초과하는 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 빔 세기 분포 영역에서 최저 빔 세기와 최고 빔 세기 간의 차는 상기 최저 빔 세기와 상기 최고 빔 세기의 합의 20%와 같거나 작은 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 대상 물질은 액적(droplet) 형태로 공급되는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 대상 물질은 금속을 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 대상 물질에 조사되는 프리 펄스(pre-pulse) 레이저 빔 및 상기 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 대상 물질에 조사되는 메인 펄스(main pulse) 레이저 빔을 포함하고,
    상기 광학계는 상기 프리 펄스 레이저 빔의 빔 세기 분포를 조정하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 챔버의 내부 영역에서 상기 메인 펄스 레이저 빔의 단면적은 상기 메인 펄스 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 상기 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 대상 물질의 최대 단면적을 초과하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 메인 펄스 레이저 빔의 단면적은 상기 메인 펄스 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 상기 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 대상 물질의 최대 단면적과 상기 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 대상 물질의 위치 변화량의 합과 같거나 큰 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 대상 물질에 조사되는 프리 펄스 레이저 빔 및 상기 프리 펄스 레이저 빔을 조사한 상기 대상 물질에 조사되는 메인 펄스 레이저 빔을 포함하고,
    상기 프리 펄스 레이저 빔 및 상기 메인 펄스 레이저 빔은 실질적으로 동일한 이동 경로를 따라 이동하여 상기 챔버에 진입하는 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 챔버;
    상기 챔버의 내부 영역에 대상 물질을 공급하는 대상 공급장치;
    상기 영역에 레이저 빔을 집속시키는 집속 광학계; 및
    상기 레이저 빔이 상기 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 단면의 실질적으로 균일한 세기 분포 영역을 갖고, 상기 균일한 세기 분포 영역의 면적이 상기 대상 물질의 최대 단면보다 크도록 상기 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 세기 제어 광학계
    를 포함하고,
    상기 균일한 세기 분포 영역의 면적은 상기 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 상기 대상 물질의 최대 단면적과 상기 챔버의 내부 영역에서 상기 대상 물질의 위치 변화량의 합과 같거나 큰, 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 레이저 빔은 (1) 상기 대상 물질에 조사되는 프리 펄스 레이저 빔 및 (2) 상기 프리 펄스 레이저 빔 다음에 상기 대상 물질에 조사되는 메인 펄스 레이저 빔 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 세기 제어 광학계는 상기 프리 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 세기 제어 광학계는 상기 메인 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 프리 펄스 레이저 빔을 생성하여 상기 대상 물질이 상기 이동 경로에 수직인 단면에서 토러스 형상(torus shape)을 갖는 상기 대상 물질의 입자 응집체(particle aggregate)가 되도록 구성된 레이저 장치를 더 포함하는 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 세기 제어 광학계는 상기 프리 펄스 레이저 빔 및 상기 메인 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 세기 제어 광학계는 제1 광학계 및 제2 광학계를 포함하고,
    상기 제1 광학계는 상기 프리 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하고,
    상기 제2 광학계는 상기 메인 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 장치.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 생성하는 레이저 장치를 더 포함하고,
    상기 레이저 장치는,
    상기 프리 펄스 레이저 빔의 제1 시드(seed) 광을 생성하는 제1 발진기;
    상기 메인 펄스 레이저 빔의 제2 시드 광을 생성하는 제2 발진기;
    각각이 상기 제1 시드 광 및 상기 제2 시드 광을 증폭하여 상기 프리 펄스 레이저 빔 및 상기 메인 펄스 레이저 빔을 생성하는 적어도 하나의 증폭기를 포함하고,
    상기 세기 제어 광학계는 상기 프리 펄스 레이저 빔 및 상기 메인 펄스 레이저 빔의 세기 분포를 제어하는 장치.
  24. 제16항에 있어서, 상기 레이저 빔을 생성하는 레이저 장치를 더 포함하고,
    상기 레이저 장치는 상기 균일한 세기 분포 영역을 갖는 레이저 빔을 생성하는 상기 세기 제어 광학계를 포함하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 레이저 장치는,
    상기 세기 제어 광학계를 포함하는 광 공진기 및 레이저 매질(medium)을 포함하는 발진기; 및
    시드 레이저 광을 증폭하는 적어도 하나의 증폭기를 포함하고,
    상기 세기 제어 광학계는 상기 광 공진기의 미러들(mirrors) 중 하나이고,
    상기 하나의 미러는 시드 레이저 빔의 이동 경로에 수직인 단면의 균일한 세기 분포 영역의 시드 레이저 광을 출력하는 개구(aperture)를 갖는 장치.
  26. 제17항에 있어서, 상기 프리 펄스 레이저 빔은 1㎱ 미만의 펄스 지속 시간(duration)을 갖는, 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 프리 펄스 레이저 빔은 모드 동기(mode-locked) 레이저 장치에 의해 생성되는, 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저 장치는 Ti:사파이어(sapphire) 레이저인 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 모드 동기 레이저 장치는 광섬유(fiber) 레이저인 장치.
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