TWI422286B - 雷射產生電漿方式之極端紫外光源及其產生方法 - Google Patents

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Description

雷射產生電漿方式之極端紫外光源及其產生方法
本發明係關於一種雷射產生電漿(LPP)方式之極端紫外(EUV)光源及其產生方法。
為了進行下一世代半導體之微細加工而使用極端紫外光源之微影技術(lithography)正受到期待。所謂微影技術係透過描繪有電路圖案之遮罩(mask)將光或射束(beam)予以縮小投影於矽基板上，且藉由使阻劑(risist)材料感光而形成電子電路之技術。以光微影所形成之電路的最小加工尺寸，基本上係依存於光源的波長。因此，下一世代的半導體開發，光源波長需要短化，而朝向此光源開發的研究正在進行中。
作為下一世代微影光源最被看好的就是極端紫外(EUV：Extreme Ultra Violet)光源，其係指大致1至100nm之波長領域的光。此領域的光，對於所有物質的吸收率均高，且無法利用透鏡(lens)等穿透型光學系統，因此要使用反射型光學系統。此外，極端紫外光領域之光學系統的開發極為困難，只對限定的波長才會顯示反射特性。
目前已開發一種對13.5nm之波長具有靈敏度之Mo/Si多層膜反射鏡，據預測，只要開發出將反射鏡與此波長之光組合的微影技術，30nm以下的加工尺寸就可實現。為了實現更進一步的微細加工技術，當務之急為開發波長13.5nm之微影光源，而一種來自高能量密度電漿的輻射光正受到矚目。
光源電漿產生大致可區分為利用雷射照射之光源電漿產生方式(LPP：Laser Produced Plasma)與藉由脈衝功率(pluse power)技術所驅動之氣體放電之光源電漿產生方式(DPP：Discharge Produced Plasma)。
本發明係關於一種LPP方式之EUV光源。LPP方式EUV光源已揭示於例如專利文獻1、2。
第1圖係為專利文獻1所揭示之習知LPP方式EUV光源之構成圖。此方法係在腔室(chamber)內產生至少一個靶(target)57，並且使至少一個脈衝雷射射束53在腔室內聚光於靶57。靶係以液體噴流之形態產生，而雷射射束53係聚光於噴流的空間上連續的部分。
此外，此裝置係包括：用以產生至少一個雷射射束53之手段；腔室；用以使至少一個靶57在腔室內產生之手段50；及用以使雷射射束53在腔室內聚光於靶57之手段54。靶產生手段50係產生液體噴流，而聚光手段54係使雷射射束53聚光於噴流的空間上連續的部分。
另外，在該圖中，51係為聚光點，52係為液滴，55係為液滴形成點。
第2圖係為專利文獻2所揭示之習知LPP方式EUV光源之構成圖。
此裝置係包括：雷射振盪部61；聚光透鏡等之聚光光學系統62；靶供給裝置63；靶噴嘴64；及EUV聚光鏡(mirror)65。雷射振盪部61係為將用以激勵靶物質之雷射射束予以脈衝振盪之雷射光源。從雷射振盪部61所射出之雷射束，係藉由聚光透鏡62聚光於預定位置。另一方面，靶供給裝置63係將靶物質供給至靶噴嘴64，而靶噴嘴64係將所供給之靶物質噴射於預定位置。
藉由將雷射束照射至靶物質，使靶物質激勵而產生電漿66，且從該處放射極端紫外光67(EUV)。在EUV聚光鏡65之反射面，為了選擇性反射波長為13.5nm附近之EUV光，係例如形成有將鉬及矽交替疊層之膜(Mo/Si多層膜)。從電漿66放射之EUV光67，係藉由EUV聚光鏡65予以聚光反射，且以輸出EUV光之形態輸出於曝光裝置等。
[先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]
日本特表2000-509190號公報、「用以產生X光放射線或極端紫外線放射線之方法及裝置」
[專利文獻2]
日本特開2007-207574號公報、「極端紫外光源裝置」
上述之習知LPP方式EUV光源，在原理上係可使用高輸出之脈衝雷射(例如0.1J/Pulse)作為雷射光源，且將此雷射光源以高重複(例如100kHz)方式照射於靶物質，而獲得實用輸出(例如100J/s=100W)之EUV光源。
然而，在引證文獻1及2所記載之EUV光源中，由於將靶物質之每一擊發(shot)所產生之電漿予以排氣，因此會有靶物質(錫、鋰、氙等)之蒸氣化、電漿化所需之能量依每一擊發予以廢棄，而使靶物質及能量利用效率較低的問題。
此外，在以實用輸出為目標之高重複運轉化(10至100kHz)中，發光源物質(亦即靶物質)之廢棄，已引起碎屑(debris)產生、腔室真空度惡化等嚴重問題。
本發明係有鑑於解決上述問題而研創者。亦即，本發明之目的係在提供一種可大幅提高靶物質及能量利用效率，而且可抑制碎屑產生與腔室真空度惡化之LPP方式之EUV光源及其產生方法。
依據本發明，係提供一種雷射產生電漿方式之極端紫外光源，其特徵為具備：真空腔室，保持於真空環境；氣體噴射裝置，以可回收並循環使用之方式在該真空腔室內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體；及雷射裝置，將雷射光聚光照射於前述極超音速恆定噴射氣體；在前述雷射光之聚光點激勵靶物質而產生電漿，且從該處發出極端紫外光。
依據本發明之較佳實施形態，前述氣體噴射裝置係由以下構件所構成：夾介前述聚光點而對向配置於前述真空腔室內之極超音速噴嘴及極超音速擴散器(diffuser)；及將前述極超音速恆定噴射氣體從極超音速噴嘴噴射而且從極超音速擴散器回收並循環之氣體再循環裝置。
此外，前述氣體噴射裝置不提高前述真空腔室之背壓(back pressure)，而且恆定地形成適於吸收雷射光與釋放EUV光之高密度靶物質領域。
此外，依據本發明，係提供一種雷射產生電漿方式之極端紫外光源之產生方法，其特徵為：將真空腔室內保持於真空環境；以可回收並循環使用之方式在該真空腔室內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體；將雷射光聚光照射於前述極超音速恆定噴射氣體；在前述雷射光之聚光點激勵靶物質而產生電漿，且從該處發出極端紫外光。
依據上述本發明之裝置與方法，相較於將依每一擊發所產生之電漿及靶物質予以排氣之習知例，由於可回收循環使用靶物質，因此可大幅提高靶物質之利用效率，並且大幅提高能量之利用效率。此外，藉此即可抑制碎屑之產生與腔室真空度惡化。
以下根據所附圖式詳細說明本發明之較佳實施形態。另外，對於各圖中共通之部分係賦予相同符號，並省略重複之說明。
第3圖係為本發明之LPP方式EUV光源之構成圖。在此圖中，本發明之LPP方式EUV光源10係具備：真空腔室12、氣體噴射裝置14及雷射裝置16。
真空腔室12係具備真空泵(pump)13，藉此將腔室內部保持於真空環境。在真空腔室12中，係設有穿透雷射光3(後述)之光學窗12a。
另外，在本發明中，上述真空環境係需為10-2 Torr以下，且以10-5 至10-4 Torr之範圍內為佳。
氣體噴射裝置14係在真空腔室12內連續形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體1且予以回收。
靶物質係以Xe(氙)、Sn(錫)、Li(鋰)等之氣體或團簇(cluster)為佳。
此外，噴射氣體之構成物質不需為常溫氣體物質，藉由將氣體供給部設為高溫，亦可形成金屬噴射氣體。此時，噴射氣體形成雖藉由極超音速噴嘴所構成，惟回收側不需為極超音速擴散器，亦可藉由經控制溫度之回收盤(plate)等以液體金屬之形態回收。再者，以金屬噴射氣體之情形而言，雷射照射區域中金屬原子並非完全為分散的氣體狀，亦有成為複數個原子凝聚的噴射團簇之情形。
在此例中，氣體噴射裝置14係具有：極超音速噴嘴14a、極超音速擴散器14b及氣體再循環裝置15。
極超音速噴嘴14a與極超音速擴散器14b係夾介聚光點2而對向配置於真空腔室12。
極超音速噴嘴14a之末端(圖中為上端)與極超音速擴散器14b之前端(圖中為下端)，係夾介聚光點2而隔開預定間隙。此間隙係與真空腔室12內之真空環境連通。
極超音速噴嘴14a係為具有喉(throat)部之拉瓦(Laval)噴嘴，其係將以亞音速流入的氣體(靶物質)加速至極超音速而朝向聚光點2噴射。再者，極超音速擴散器14b係呈現具有喉部之拉瓦噴嘴形狀，用以將通過聚光點2之極超音速之氣體(靶物質)的大部分收容於內部，且將此氣體減速至亞音速。
在此例中，氣體再循環裝置15係由抽吸泵15a、靶腔室15b、及排出泵15c所構成。
氣體再循環裝置15係經由供給線路17a將靶物質以亞音速供給至極超音速噴嘴14a，且從極超音速噴嘴14a將靶物質之極超音速恆定噴射氣體1以極超音速(M＞5)噴射，而且從極超音速擴散器14b將靶物質以極超音速(M＞5)回收，並減速至亞音速，再經由返回線路17b返回至抽吸泵15a，藉此得以循環使用靶物質。另外，在靶腔室15b中，係從外部補給靶物質。
再者，氣體噴射裝置14係依氣體力學方式設計成不提高真空腔室12之背壓，而且恆定地於聚光點2形成適於吸收雷射光3與釋放EUV光4之高密度靶物質領域。
另外，一般而言，所謂極超音速及極超音速恆定噴射氣體1，雖指M＞5之極超音速流，惟在本發明中，只要滿足上述條件，亦可為M＞1。
此外，為了將靶物質加熱，係以在極超音速噴嘴14a與氣體再循環裝置15之間設置靶加熱裝置18為佳。靶加熱裝置18係將靶物質之溫度加熱至適於形成極超音速擴散器14b之溫度。此加熱手段係為任意手段。
雷射裝置16係具有將雷射光3以連續方式或脈衝方式振盪之雷射振盪器16a、及將雷射光3會聚於聚光點2之聚光透鏡16b，用以將雷射光3聚光照射於極超音速恆定噴射氣體1。
在此例中，雷射光3之光程，雖與極超音速恆定噴射氣體1之流路正交，惟本發明並不限定於此，亦可傾斜交叉。此外，雷射裝置16及雷射光3，並不各限定為1個，亦可使用2個以上。
在雷射振盪器16a中，係可使用CO2 雷射(波長約10μm)、CO雷射(波長約5μm)、YAG雷射(波長約1μm及約0.5μm)等。尤其以使用YAG雷射或CO雷射為佳，惟本發明並不限定於YAG雷射或CO雷射，亦可為CO2 雷射。
聚光透鏡16b係為可將聚光點2之直徑會聚為約10μm以下，尤佳為約5μm以下之凸透鏡系統。
使用上述之裝置，在本發明之LPP方式EUV光產生方法中係：
(A)將真空腔室12內保持於預定的真空環境；
(B)以可回收之方式在真空腔室12內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體1
(C)將雷射光3聚光照射於極超音速恆定噴射氣體1，且在雷射光之聚光點2激勵靶物質而產生電漿，且從該處發出極端紫外光4。
第4圖係為第3圖之電漿光源之部分放大圖。
為了將靶物質電漿化而發出極端紫外光4，在聚光點2中靶物質需加熱至電漿化之溫度。此電漿化溫度之最佳溫度條件，在氙氣體之情形下為約30eV，而在鋰氣體之情形下則為約10eV。
施行電漿化而發出極端紫外光4之發光電漿之總輻射量，係以黑體輻射體之情形為最大，而電漿尺寸(亦即聚光點2之直徑)為10μm時，來自30eV之氙氣體之輻射量係達到約150kW，而來自10eV之鋰氣體之輻射量係成為其1/80左右(約1.9kW)。實際的發光電漿並非黑體，而來自EUV發光電漿之總輻射量比此還低。從調整能量平衡的觀點來看，雷射之最小聚光直徑，係以可將相當於電漿總輻射量之能量，從雷射振盪器16a供給至聚光點2為佳。
可在聚光透鏡16b聚光之聚光點2之直徑，係大致相當於雷射光之波長，而以CO2 雷射之情形而言係約10μm，CO雷射之情形而言係約5μm，以YAG雷射之情形而言係約1μm或約0.5μm。
為了將上述相當於輻射量之能量聚光於聚光點2，聚光點2之直徑係以愈小為佳，從此觀點而言，係以使用YAG雷射或CO雷射為佳。
例如，以使用YAG雷射，聚光點2之直徑為2.5μm之情形而言，來自30eV之氙氣體之輻射量係為約9.4kW(150kW之情形之1/42 )。同樣地，以例如使用CO雷射，聚光點2之直徑為5μm之情形而言，來自10eV之鋰氣體之輻射量係成為約470W(150kW×1/80×1/22 )。
另一方面，來自雷射之發光電漿之熱輸入係為極超音速恆定噴射氣體1通過電漿截面(亦即聚光點2之直徑)之期間從雷射振盪器16a接受之能量，此係可從噴射氣體1之速度及雷射振盪器16a之輸出來計算，不受聚光點2之直徑的影響。
因此，使用YAG雷射或CO雷射，使聚光點2之直徑儘可能縮小(例如2.5μm至5μm)，藉此即可以具有輸出為相對較小輸出(例如1至10kW)之雷射振盪器16a，在聚光點2中激勵靶物質而產生電漿，且從該處發出極端紫外光4。
要增加EUV光之總收量時，係可藉由雷射輸出、雷射波長、發光物質之組合，一面保持EUV光產生效率之較高能量平衡，一面增大電漿截面(聚光尺寸)之方式來增加。
依據上述本實施形態之裝置與方法，藉由氣體噴射裝置14，以可回收之方式在真空腔室12內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體1，而且藉由雷射裝置16，將雷射光3聚光照射於極超音速恆定噴射氣體1，而在雷射光之聚光點2激勵靶物質而產生電漿，且從該處發出極端紫外光4。
因此，相較於將依每一擊發(shot)所產生之電漿及靶物質予以排氣之習知例，由於可將靶物質回收且循環使用，因此可大幅提高靶物質之利用效率，並且大幅提高能量之利用效率。此外，藉此即可抑制碎屑之產生與腔室真空度惡化。
另外，本發明並不限定於上述之實施形態，亦包含申請專利範圍之記載所揭示，以及與申請專利範圍所揭示內容具均等涵義及其範圍內之所有變更。
1‧‧‧極超音速恆定噴射氣體
2‧‧‧聚光點
3‧‧‧雷射光
4‧‧‧EUV光
10‧‧‧LPP方式EUV光源
12‧‧‧真空腔室
12a‧‧‧光學窗
13‧‧‧真空泵
14‧‧‧氣體噴射裝置
14a‧‧‧極超音速噴嘴
14b‧‧‧極超音速擴散器
15‧‧‧氣體再循環裝置
15a‧‧‧抽吸泵
15b‧‧‧靶腔室
15c‧‧‧排出泵
16‧‧‧雷射裝置
16a‧‧‧雷射振盪器
16b‧‧‧聚光透鏡
17a‧‧‧供給線路
17b‧‧‧返回線路
18‧‧‧靶加熱裝置
50‧‧‧靶產生手段
53‧‧‧雷射射束
54‧‧‧聚光手段
57‧‧‧靶
61‧‧‧雷射振盪部
62‧‧‧聚光光學系統
63‧‧‧靶供給裝置
64‧‧‧靶噴嘴
65‧‧‧EUV聚光反射鏡
66‧‧‧電漿
67‧‧‧EUV光
第1圖係為專利文獻1所揭示之習知LPP方式EUV光源之構成圖。
第2圖係為專利文獻2所揭示之習知LPP方式EUV光源之構成圖。
第3圖係為本發明之LPP方式EUV光源之構成圖。
第4圖係為第3圖之電漿光源之部分放大圖。
1．．．極超音速恆定噴射氣體
2．．．聚光點
3．．．雷射光
4．．．EUV光
10．．．LPP方式EUV光源
12．．．真空腔室
12a．．．光學窗
13．．．真空泵
14．．．氣體噴射裝置
14a．．．極超音速噴嘴
14b．．．極超音速擴散器
15．．．氣體再循環裝置
15a．．．抽吸泵
15b．．．靶腔室
15c．．．排出泵
16．．．雷射裝置
16a．．．雷射振盪器
16b．．．聚光透鏡
17a．．．供給線路
17b．．．返回線路
18．．．靶加熱裝置

Claims (5)

  1. 一種雷射產生電漿方式之極端紫外光源，其特徵為具備：真空腔室，保持於真空環境；氣體噴射裝置，以可回收並循環使用之方式在該真空腔室內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體；及雷射裝置，將雷射光聚光照射於前述極超音速恆定噴射氣體；前述氣體噴射裝置係包括以下構件：夾介前述聚光點而對向配置於前述真空腔室內之極超音速噴嘴及極超音速擴散器(diffuser)；將前述極超音速恆定噴射氣體從極超音速噴嘴噴射而且從極超音速擴散器回收且予以循環之氣體再循環裝置；以及設置於前述極超音速噴嘴與前述氣體再循環裝置之間之靶加熱裝置；藉由前述靶加熱裝置將前述靶物質的溫度加熱至適合形成前述極超音速擴散器之溫度，並且在前述雷射光之聚光點激勵靶物質而產生電漿，且從前述聚光點發出極端紫外光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射產生電漿方式之極端紫外光源，其中，前述氣體噴射裝置係不提高前述真空腔室之背壓(back pressure)，而且恆定地形成適於吸收雷射光與釋放EUV光之高密度靶物質領域。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射產生電漿方式之極端紫外光源，其中，前述靶物質係Sn或者Li之氣體或者團簇；前述極超音速恆定噴射氣體係金屬噴射氣體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射產生電漿方式之極端紫外光源，其中，前述極超音速噴嘴係具有喉部之拉瓦噴嘴。
  5. 一種雷射產生電漿方式之極端紫外光源之產生方法，其特徵為：將真空腔室內保持於真空環境；以可回收並循環之方式在該真空腔室內形成靶物質之極超音速恆定噴射氣體，且將前述靶物質的溫度加熱至適合形成極超音速擴散器之溫度；將雷射光聚光照射於前述極超音速恆定噴射氣體；在前述雷射光之聚光點激勵靶物質而產生電漿，且從前述聚光點發出極端紫外光。
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