NL8403294A - Stralingsbron voor optische apparaten, in het bijzonder voor fotolithografische afbeeldingssystemen. - Google Patents

Description

t * -1- H AL/EW/41 Jenoptik jena

Stralingsbron voor optische apparaten, in het bijzonder voor fotolithografische afbeeldingssystemen.

De uitvinding betreft een stralingsbron voor optische apparaten, in het bijzonder voor fotolithografische afbeeldingssystemen. Deze is bij voorkeur daar te gebruiken, waar een stralingsopbrengst noodzakelijk is, die groter is dan die 5 van hoge druk-kwiklampen zoals bij voorbeeld in fotolithografische apparaten voor de belichting van een fotolaklaag op een halfgeleiderschijf.

Er bestaan op het ogenblik talrijke stralingsbronnen die in wetenschappelijke apparaten worden toegepast en waar-10 van de eigenschappen aan de vereisten van het toepassingsgebied verstrekkend worden aangepast. Deze eigenschappen betreffen de spectrale verdeling van de emissie en de bereikbare stralingsdichtheid, alsmede de ruimtelijkeverdeling en de hoekverdeling van de opgewekte straling. Aan vereisten van 15 spectrale stralingsopbrengst, die de spectrale stralingsopbrengst van een zwarte straler boven het smeltpunt van vaste lichamen te boven gaan, kunnen slechts door plasma voldaan worden. Plasma*s wekt men door middel van verhitting van een werkmedium op, waardoorheen men bij voorkeur een elec-20 trische stroom doet stromen of waarop men hoogfrequente electromagnet ische velden doet inwerken. De bereikbare spectrale stralingsdichtheden zijn naar boven begrensd door het maximaal, per volume-eenheid omzetbaar electrisch vermogen, dat het electrode- en wandmateriaal thermisch kunnen doorstaan.

25 Bij hoogfrequente verhitting vervalt de begrenzing door elec-trodenbelasting, maar komt het probleem van de ruimtelijke concentrering van de HF-energie daarbij.

Laat het men het stationaire bedrijf van de stralingsbron varen, dan is een kortstondige stijging van de ver-30 mogensomzetting over enige ordegrootten mogelijk, doordat de omzetting van het gevoede vermogen in straling aanzienlijk sneller verloopt dan de overdracht daarvan op de wand en, 840 3294' * » -2- voor zover aanwezig, op de electroden van het ontladingsvat. Echter ook bij deze werkwijze is naast mechanische belastingen door schokgolven, die echter slechts in ongunstige gevallen voldoende uitwerking hebben, het verdampen en de 5 erosie van het wand- en electrodenmateriaal bij een vereiste levensduur van de stralingsbron een hinderpaal bij het opwekken van intensieve stralingsstromen. Opgemerkt hierbij wordt, dat zowel bij stationaire als gepulseerde bronnen elke verdere stijging van het stralingsvermogen boven een van het 10 type afhankelijk vermogenspeil, dat bij het technische gebruik praktisch overal reeds is bereikt, sterke vermindering van de levensduur op de koop toe genomen moet worden.

Een dergelijke stralingsbron met korte levensduur is echter voor zeer vele gebruiksdoeleinden onbruikbaar, daar 15 deze de mate van onderhoud van het daarvan voorziene apparaat ontoelaatbaar verhoogt, wanneer men bedenkt, dat een lampenwissel in de regel met een grote richtinspanning en tijdrovende aanpassing van het optische overdraagsysteem aan de specifieke stralingsstroom van elke afzonderlijke lamp ge-20 paard gaat. Binnen bepaalde grenzen kan men het stralingsvermogen onder gelijkhouden van de gezamenlijke belasting van de in straling geïnvesteerde electrische energie bij gewenste golflengtes en in voorkeursvoortplantingsrichting doen stijgen. Dit is mogelijk door middel van een optimale samenstel-25 ling van het werkmedium alsmede door optimale druk- en tempe-ratuuromstandigheden van het plasma bij het stralen. Hierbij moet men echter beperkingen in acht nemen, die ontstaan uit de onverdraagzaamheid van verscheidene wêrkmedia ten opzichte van de electroden- en wandmaterialen bij de werktemperatuur, 30 zodat herhaaldelijk vanwege de levensduur van de materialen de belastingsomstandigheden verre van het optimum gekozen moeten worden. Verdere beperkingen ontstaan bij niet-stationair bedrijf, doordat de stralingsbron gelijktijdig de functie van een electrische hoogspanningsschakelaar en die 35 van een omzetter van electrische energie in straling moet vervullen. Ook hier wordt de optimaliseringsspeelruimte voor een effectieve stralingsopwekking beperkt, daar een betrouwbaar ontsteken en doorschakelen aan bepaalde plasmatoestanden gebonden is.

$403294 a « -3-

Zowel voor het stationaire als ook voor het gepulseerde bedrijf ontstaan bij stralers met eiectroden afgeschermde ruimtehoekbereiken, waarin de straling niet gebruikt kan worden, hoewel de toepassing van geschikte optische op-5 bouwelementen, zoals bij voorbeeld ellipsoïde reflectoren en/of lichtdoorlatend glasfiber, een benutting van ook deze bereiken mogelijk zou maken, en zodoende een maximum aan afgestraalde energie aan het optische systeem toegevoerd zou kunnen worden. Voor oplichting van een optisch systeem bij de 10 fotolithografische micro-structurering worden ook lasers als stralingsbronnen gebruikt (SPIE vol. 174 (1979) pag. 28...36 "Coherent illumination improves step-and-repeat printing on wafers" by Michel Lacombat et. al.). De hoofdzakelijke beperkingen van dergelijke lichtbronnen ontstaan door hun hoge 15 ruimtelijke coherentie en daarmee samenhangende structuurver-vormingen, hun hoge monochromatie en daarmee samenhangende staande-golven-effecten in fotogevoelig materiaal. Bovendien staan in het algemeen in voordelige spectrale gebieden lasers, met hoog stralingsvermogen, respectievelijk met gunstig 20 rendement niet ter beschikking. Toepassingen met exitatie-lasers, die de vereiste energie in het gewenste golflengte-bereik (UV-bereik) emitteren zijn vanwege contact-lithografische gronden beperkt (SPIE vol. 334 (1982) pag.

259...262 "Ultrafast high resolution contact lithography 25 using excimer laser" by K. Jain et. al.), daar de voor de oplichting van projeetie-lithografische systemen vereiste ruimtelijke partiële coherentie niet in een zodanige mate gerealiseerd kan worden, dat een technisch toepassinggerecht-vaardigd is.

30 De uitvinding verschaft een van een hoog vermogen voorziene stralingsbron, die een lange levensduur heeft en die het mogelijk maakt een groot ruimtehoekbereik te bereiken en die een precieze en snelle belichting van fotogevoelige lagen mogelijk maakt en zodoende een hoge productiviteit bij 35 fotolithografische apparaten waarborgt.

De uitvinding heeft ten doel een stralingsbron voor optische apparaten, in het bijzondere voor fotolithografische afbeeldingssystemen, te verschaffen die de straling van een plasma gebruikt. Door middel van een ruimtelijke scheiding 8403294 « · -4- van het plasma van de wand of een andere inrichting van een vat alsmede door het niet gebruiken van electroden in het vat hoogfrequente velden voor het ruimtelijk concentreren van de energie, moet een hoge levensduur en een hoge vermogensdicht-5 heid bereikt worden. Voorts worden de belastingen van het vat door schokgolven bij gepulseerd bedrijf van de stralingsbron verminderd, en zijn geen afgeschermde ruimtehoekbereiken vanwege electroden of andere opstellingen in het vat gebleken.

De stralingsbron volgens de uitvinding zal een brede optima-10 liseringsspeelruimte voor stralingsopwekking in het gewenste golflengtebereik bezitten, daar werkmedia, druk- en tempera-tuurvoorwaarden niet door de verdraagzaamheid ten opzichte van.electrodenmateriaal gekozen behoeven te worden. Ten opzichte van laserstraling heeft de stralingsbron het voordeel, 15 dat deze speciaal bij fotolithografische afbeeldingssystemen een hoge ruimtelijke, partiële coherentie vertoont en spectraal zo is opgebouwd dat staande-golven-effecten in het fotogevoelige materiaal verminderd worden.

Dit doel wordt volgens de uitvinding zodanig bereikt, 20 dat in een gasdicht, met een ontladingsmedium gevuld vat ten minste één voor laserstraling doolatende intree-opening alsmede ten minste één voor plasmastraling doorlatende uittree-opening aangebracht zijn, en dat voor de opwekking en instandhouding van een stralend plasma in het ontladingsmedium 25 op op zich bekende wijze ten minste één laser buiten het vat is aangebracht, waarbij optische middelen voor focusering van de laserstralen in het ontladingsmedium via een intree-opening zijn aangebracht, zodat het plasma zich op een afstand van de binnenwand van het vat bevindt en de plasma-30 straling via de uittree-opening het vat verlaat.

Indien het toegevoerde stralingsvermogen van een laser niet voldoende is voor een doorslag in het ontladingsmedium, is het voordelig, dat voor het ontsteken van het ontladingsmedium buiten het vat ten minste een andere gepul-35 seerde laser is aangebracht, die-door middel van optische middelen voor de focusering via een intree-opening op hetzelfde volume is gericht.

Een gunstige variant afhankelijk van de verandering van de plaatselijke stand van het stralende plasma ontstaat, 8403294 • * -5- indien de optische middelen voor de focusering van de laser-straling buiten het vat zijn aangebracht. Op deze wijze kan men met voordeel inrichtingen voor het richten van de optische middelen voor de focusering van de laserstraling aan-5 brengen.

Een voordelige vereenvoudiging in de opbouw van de stralingsbron ontstaat, indien optische middelen voor de focusering van de laserstraling aan de binnenzijde en/of in de wand van het vat zijn aangebracht. Dit biedt de mogelijk-10 heid, dat de binnenwand van het vat als optisch middel voor de focusering van de van buiten toegevoerde laserstraling is uitgevoerd. Voor het bereiken van een zo groot mogelijk ruim-tehoekbereik is het voordelig, dat de binnenwand van het vat als optisch middel voor de afbeelding van de van het plasma 15 uitgezonden straling uitgevoerd is. Op doelmatige wijze wordt dan de binnenwand van het vat als concave spiegel of als ellipsoïde spiegel uitgevoerd.

Voordelig met betrekking tot de opwekking van hoge stralingsdichtheden en voor de verhoging van de levensduur is 20 het, indien aan het vat een extern koelsysteem is aangebracht.

De uitvinding wordt aan de hand van de volgende tekening nader verduidelijkt. De figuren tonen: figuur 1 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron 25 volgens de uitvinding in schematische afbeelding? figuur 2 een uitvoeringsvoorbeeld waarbij de binnenwand van het vat als optisch element afgebeeld is? figuur 3 en 4 toepassingen, waarbij het ontladingsvat als ellipsoïde reflector uitgevoerd is.

30 Figuur 1 toont een uitvoeringsvorm van de stralings bron volgens de uitvinding in schematische afbeelding, waarbij zich in een gasdicht vat 1 het ontladingsmedium 2 bevindt. Het vat 1 bezit twee laserstralingdoorlatende intree-openingen 3 en 4 alsmede een plasmastralingdoorlatende uit-35 tree-opening 5. De intree-opening 3 is door het infrarood-doorlatende venster 6 en de intree-opening door de ultra-violetdoorlatende lens 7 afgesloten. De uittree-opening 5 is van het venster 8 voorzien. Buiten het vat 1 zijn twee lasers 9 en 10 aangebracht. De coherente straling 11 van de laser 9, 8403294 V' -6- die een stationaire C02-laser is, treedt door het venster 6 in het vat en wordt met de aan de wand van het vat aangebrachte concave spiegel 12 gefocuseerd. De straal 13 van de laser 10, die een stikstof-pulslaser is, wordt met behulp van 5 de üV-doorlatende lens 7 op hetzelfde punt gefocuseerd en wekt daar een electrische doorslag op en daardoor een absorp-tiegevoelig plasma 14, dat door de straling 11 tot op hoge temperatuur wordt opgewarmd. Door het venster 8 kan de straling 15 van het plasma aan het toegevoegde optische systeem 10 toegevoerd worden.

Indien de stralingsbron gepulseerd bedreven wordt, wordt in plaats van de continue laser 9 een puls-CC>2-laser gebruikt. Van de gepulseerde laser 10 kan dan in de regel afgezien worden, daar de veldsterkte van een puls-C02-laser in 15 vele gevallen voor de doorslag voldoende is. Met een dergelijke opstelling kunnen bij voorbeeld in een argon- of xenon-atmospheer als werkmedium met een druk van 10^ Pa ongeveer ellipsvormige plasma's van 4 tot 5 mm doorsnede tot aan een temperatuur van 16.000 K opgewekt worden. De optische diepte 20 en de temperatuur kunnen door verandering van de druk binnen wijde grenzen gevariëerd worden. Bij stijgende druk daalt de temperatuur en nadert de spectrale verdeling de Planck-functie. Bij lagere drukken stijgt de temperatuur en wordt de emissie lijnvormig. Temperaturen ver boven 20.000 K kunnen 25 met helium als werkmedium, dat in conventionele, electrisch gepulseerde lichtbronnen wegens verhoogde slijtage van de electroden praktisch niet gebruikt worden, opgewekt worden.

Op deze wijze kunnen de stralingsdichtheid en de spectrale verdeling daarvan binnen essentieel grotere grenzen geva-30 rieerd worden dan bij conventionele stralingsbronnen.

In figuur 2 is een uitvoeringsvoorbeeld afgebeeld, waarbij' de binnenwand van het vat als optisch element uitgevoerd is. Een mantel 16, de concave spiegel 17 en het kwartsvenster 18 vormen het gasdichte vat, waarbinnen zich 35 ontladingsmedium 19 bevindt. De coherente straal 20 van een gepulseerde C02-laser 21 wordt met de infrarooddoorlatende lens 22 gefocuseerd en door het infrarooddoorlatende venster 23 heen in het vat geleid. De gepulseerde laser 21 is in X-richting 24 en Y-richting 25 verschuifbaar aangebracht, de 8403294 \ -7- τ · IR-lens 22 is in X-richting 24, Y-richting 25 en Z-richting 26 verschuifbaar aangebracht. Zodoende kan de plaats van het brandpunt, die overeenkomt met de plaats van het plasma 27 ten opzichte van de optische as 28 gericht worden. De stra-5 ling van het plasma 27 wordt direct en met behulp van de concave spiegel 17 door het kwartsvenster 18 van de condensor-lens 29 van het toegevoegde optische systeem toegevoerd. Het gasdichte vat is door een reservoir 30 omgeven. De holle ruimte 31, die daarbij ontstaat, wordt door een koelmiddel 32 10 doorstroomd, dat bij de aansluiting 33 naarbinnen en bij de aansluiting 34 naar buiten geleid wordt en die de door de straling van de pulslaser 21 en het plasma 27 opgewekte warmte afvoert. Van het kwartsvenster 18 kan afgezien worden, indien de condensorlens 29 op de plaats daarvan wordt toe-15 gepast.

In figuur 3 en 4 zijn uitvoeringsvoorbeelden afgebeeld, waarin de ontladingsvaten 35 en 36 als ellipsoïde reflectors uitgevoerd zijn. De straal 37 van de CC>2-laser 38 wordt met behulp van de focuseerelementen, een concave spiegel 39 res-20 pectievelijk een infrarooddoorlatende lens 40 op het brandpunt 41 en 42 van de door de reflectielagen van de ellipsoïde spiegel 43 en 44 gevormde ellipsoïde gefocuseerd. Het door het stralende plasma uitgezonden licht wordt door de ellipsoïde spiegel heen in het tweede brandpunt 45 respec-25 tievelijk 46 van de ellipsoïde verzameld. Het in deze brandpunten 45, 46 afgebeelde stralende plasma dient als secondaire stralingsbron voor het met de condensorlenzen 47, 48 beginnende, toegevoegde optische systeem.

8403294

Claims (9)

1. Stralingsbron voor optische apparaten, in het bijzonder fotolithografische afbeeldingssystemen, met het kenmerk, dat in een gasdicht, met een ontladingsmedium gevuld vat ten minste één laserstraling doorlatende intreeopening 5 alsmede ten minste één voor plasmastraling doorlatende uittree-opening aangebracht zijn, en dat voor de opwekking en instandhouding van een stralend plasma in het ontladingsmedium op op zich bekende wijze ten minste één laser buiten het vat is aangebracht, waarbij optische middelen voor 10 focusering van de laserstralen in het ontladingsmedium via een intree-opening zijn aangebracht, zodat het plasma zich op een afstand van de binnenwand van het vat bevindt en de plasmastraling via de uittree-opéning het vat verlaat.

2. Stralingsbron volgens conclusie 1, met het ken-15 merk, dat voor de ontsteking van het ontladingsmedium buiten het vat ten minste één andere, gepulseerde laser is aangebracht, die door middel van optische, middelen voor de focusering via een intree-opening op hetzelfde volume gericht is.

3. Stralingsbron volgens conclusie 1 en 2, met het 20 kenmerk, dat de optische middelen voor de focusering van de laserstraling buiten het vat zijn aangebracht.

4. Stralingsbron volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat inrichtingen voor het richten van de optische middelen voor de focusering van de laserstraling aangebracht 25 zijn.

5. Stralingsbron volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat optische middelen voor de focusering van de laserstraling in het inwendige en/of in de wand van het vat zijn aangebracht.

6. Stralingsbron volgens conclusie 5, met het ken merk, dat de binnenwand van het vat als optisch middel voor de focusering van de van buiten toegevoerde laserstraling is uitgevoerd. 8403234 -9- Ir ·· »

7. Stralingsbron volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de binnenwand van het vat als optisch middel voor de afbeelding van de door het plasma uitgezonden straling uitgevoerd is.

8. Stralingsbron volgens conclusie 7, met het ken merk, dat de binnenwand van het vat gedeeltelijk als concave spiegel of als ellipsoïde spiegel uitgevoerd is.

9. Stralingsbron volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat aan het vat een extern koelsysteem is aangebracht. 8403294