TWI423734B

TWI423734B - 電漿光源系統

Info

Publication number: TWI423734B
Application number: TW099129226A
Authority: TW
Inventors: Hajime Kuwabara
Original assignee: Ihi Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201130387A; CN102484045B; JPWO2011027699A1; KR20120034124A; CN102484045A; KR101370615B1; WO2011027699A1; EP2474997A1; EP2474997A4; US20120161631A1; JP2012212942A

Description

電漿光源系統

本發明係關於用以放射EUV的電漿光源系統。

在用於次世代半導體之微細加工用的技術中，使用極端紫外光源的微影(lithography)係備受期待。所謂微影，係指將光線或光束(beam)通過繪有電路圖案的遮罩而縮小投影於矽基板上，使光阻劑(resist)材料感光，藉以形成電子電路的技術。藉由光微影所形成的電路之最小加工尺寸基本上係視光源之波長而定。從而，光源的短波長化在次世代半導體開發上是必要的，針對前述光源開發的研究係持續進行著。

作為次世代光源而言最受重視者係極端紫外光源(EUV：Extreme Ultra Violet)，其指1nm至10nm波長區域的光。由於該區域的光對於所有物質的吸收率高而無法利用透鏡等穿透型光學系統，故使用反射型光學系統。另外，極端紫外光區域的光學系統係相當難以開發，其僅於有限的波長中顯現出反射特性。

目前，已開發出對於波長13.5nm具有感度的Mo/Si多層膜反射鏡，預測若能開發將該波長之光與反射鏡組合的微影技術即可實現30nm以下之加工尺寸。為了實現更微細的加工技術，波長13.5nm的微影光源之開發可說是當務之急，其中以從高能量密度電漿發出的輻射光最受注目。

光源電漿生成可大致分類為雷射照射方式(LPP：Laser Produced Plasma，雷射激發電漿)和藉由脈衝電源(pulse power)技術所驅動的氣體放電方式(DPP：Discharge Produced Plasma，放電激發電漿)。由於DPP係將所投入的電力直接轉換為電漿能量，故不僅相較於LPP其轉換效率位居優位，且亦有裝置小型且低成本的優點。

以氣體放電方式生成之高溫高密度電漿的放射光譜(spectrum)基本上係視標的(target)物質之溫度和密度而定，由計算電漿原子過程之結果可知，要成為EUV放射區域之電漿，在Xe、Sn的情形係電子溫度、電子密度分別為數十eV、10¹⁸ cm^-3 左右，在Li的情形則以為20eV、10¹⁸ cm^-3 左右為最佳。

又，前述電漿光源係揭示於下述之非專利文獻1、2及專利文獻1。

(先前技術文獻) (非專利文獻) (非專利文獻1)

佐藤弘人及其他，「微影用放電電漿EUV光源」，OQD-08-28。

(非專利文獻2)

Jeroen Jonkers,”High power extreme ultra-violet(EUV) light sources for future lithography”,Plasma Sources Science and Technology,15(2006) S8-S16。

(專利文獻) (專利文獻1)

日本特開2004-226244號公報，「極端紫外光源以及半導體曝光裝置」

EUV微影光源係要求：高平均出力、微小的光源大小、以及飛散粒子(debris)少等。於現狀中，EUV發光量相對於輸出要求而言相當的低，高輸出化為重要課題之一，但相對地若為了高輸出化而增加輸入能量則因熱負荷造成的損傷將導致電漿生成裝置和光學系統之壽命縮短。從而，為了同時滿足高EUV輸出與低熱負荷兩個條件，高能量轉換效率是必要不可欠的。

於電漿形成初期，不僅加熱和電離會消耗大量的能量，且放射EUV的高溫高密度狀態之電漿通常係急速膨脹，故持續放射時間τ極短。從而，為了改善轉換效率，如何將電漿長時間(μsec等級(sec，秒))維持在適合EUV放射的高溫高密度狀態下是相當重要的。

現在一般的EUV電漿光源之放射時間為100nsec左右而輸出極端不足。為了同時兼顧產業應用所需的高轉換效率與高平均輸出，必須以1次放射(shot)即達成數μsec的EUV放射時間。亦即，為了開發具有高轉換效率的電漿光源，必須將適於各個標的之溫度密度狀態的電漿拘束數μsec(至少1μsec以上)而達成穩定的EUV放射。

本發明係為了解決上述問題點而研發。亦即，本發明之目的為提供可大幅提升所產生的電漿光之輸出、且可抑制熱負荷及電極消耗而延長裝置壽命的電漿光源。

依據本發明所提供的電漿光源系統係具有：複數個電漿光源，在預定的發光點週期性地發出電漿光；以及集光裝置，將前述電漿光源之複數個發光點的電漿光集光於單一集光點。

依據本發明的實施形態，前述電漿光源的複數個發光點係設置於以單一中心軸為中心的同一圓周上；前述集光裝置係具有：反射鏡，位於前述中心軸上且使來自前述發光點的電漿光向前述集光點反射；以及旋轉裝置，使前述反射鏡以前述中心軸為中心旋轉，俾於各電漿光源發光時面向該電漿光源。

另外，前述集光裝置係具有將前述各發光點之電漿光向前述反射鏡集光的複數個集光鏡，藉由前述集光鏡和反射鏡，將各發光點的電漿光集光至單一集光點。

依據本發明之另一實施形態，前述集光點係位於前述中心軸上；前述反射鏡係為將來自前述發光點的電漿光向前述集光點集光的凹面鏡。

另外，從含有前述複數個發光點的平面與前述中心軸的交點至各發光點為止的距離和至前述集光點的距離係設定為相等。

另外，依據本發明之另一實施形態，前述集光裝置係具有：旋轉體，將前述電漿光源之複數個發光點設於以單一中心軸為中心之同一圓周上；以及旋轉裝置，使前述旋轉體以前述中心軸為中心旋轉，俾於各電漿光源發光時令該電漿光源之發光點位於同一位置。

另外，前述集光裝置係具有將來自前述同一位置的電漿光向前述集光點集光的集光鏡。

另外，前述各電漿光源係具有：1對同軸狀電極，係相對向配置；放電環境保持裝置，將電漿媒體供給至該同軸狀電極內且保持適合電漿產生之溫度及壓力；以及電壓施加裝置，於各同軸狀電極施加使極性反轉的放電電壓；於1對同軸狀電極間係形成管狀放電而將電漿封入於軸方向。

依據上述本發明之構成，由於具有在預定之發光點週期性發出電漿光的複數個電漿光源，故藉由使前述光源依序動作即可一邊抑制各個光源之熱負荷一邊大幅提升所產生之電漿光的輸出。

另外，由於具有將前述電漿光源之複數個發光點的電漿光集光於單一集光點的集光裝置，故可使單一集光點週期性地發出電漿光而作為微影用EUV光源。

依據本發明之實施形態，配置為將複數個電漿光源設置於同一圓周上，且將由集光鏡和反射鏡構成的集光系統的集光點建立於前述圓之中心軸線上，且藉由設置於圓之中心部的反射鏡而集光於通過圓中心的垂直軸上，更且，與配置於圓周上的各個電漿光源之發光時間點同步而將反射鏡以使其反射面面對該電漿光源的方式旋轉，藉此即可從單一集光點週期性發光高輸出且微小大小的電漿光。

另外，依據本發明之另一實施形態，由於係以單一凹面鏡的一次反射將電漿光集光至集光點，故可提升反射效率而可提升所產生的EUV光之利用效率。

另外，依據本發明之另一實施形態，將複數個電漿光源配置於同一圓周上，且將其些複數個電漿光源旋轉而於各電漿光源到達與集光鏡相向之位置的時間點時進行各個電漿光源的放電、電漿發光，藉此即可從單一集光點週期性發光高輸出且微小大小的電漿光。

以下，根據附圖而詳細說明本發明較佳之實施形態。又，對於各圖中共通部份係附加同一符號而省略重複的說明。

第1圖為本發明及與其有關聯的電漿光源之實施形態圖。該電漿光源10係具有：1對同軸狀電極11；放電環境保持裝置20；以及電壓施加裝置30。

1對同軸狀電極11係以對稱面1為中心而相對向配置。各同軸狀電極11係由：棒狀中心電極12；管狀導引(guide)電極14；以及環(ring)狀絕緣體16構成。

棒狀中心電極12為於單一軸線Z-Z上延伸的導電性電極。管狀導引電極14係與中心電極12相隔一定間隔而將其圍起，俾於其間保有電漿媒體。電漿媒體係例如為：Xe、Sn、Li等氣體。

環狀絕緣體16係為位於中心電極12與導引電極14之間的中空圓筒形狀的電性絕緣體，使中心電極12與導引電極14之間電性絕緣。

1對同軸狀電極11其各中心電極12係位於同一軸線Z-Z上且彼此係相隔一定間隔而位於相對稱的位置。

放電環境保持裝置20係將電漿媒體供給至同軸狀電極11內且將同軸狀電極11保持於適合電漿產生的溫度及壓力下。放電環境保持裝置20係例如可由：真空腔(chamber)；溫度調節器；真空裝置；以及電漿媒體供給裝置構成。

電壓施加裝置30係於各同軸狀電極11施加有極性反轉的放電電壓。電壓施加裝置30係於此例中由：正電壓源32、負電壓源34、以及觸發開關(trigger switch)36構成。

正電壓源32係於一方(此例中為左側)之同軸狀電極11的中心電極12施加較其導引電極14高的正放電電壓。

負電壓源34係於另一方(此例中為右側)之同軸狀電極11的中心電極12施加較其導引電極14低的負放電電壓。

觸發開關36係使正電壓源32與負電壓源34同時作動而於各自之同軸狀電極12同時施加正負之放電電壓。

藉由此構成，本發明之電漿光源係於1對同軸狀電極11間形成管狀放電而將電漿封入於軸方向。

第2圖(A)至第2圖(D)為第1圖的電漿光源之作動說明圖。於該圖中，第2圖(A)表示面狀放電之產生時，第2圖(B)表示面狀放電之移動中，第2圖(C)表示電漿之形成時，第2圖(D)表示電漿封閉磁場之形成時。

以下係參照此圖說明電漿光產生方法。

上述電漿光產生方法中，係將上述1對同軸狀電極11相對向配置，藉由放電環境保持裝置20而將電漿媒體供給至同軸狀電極11內且保持適合電漿產生的溫度及壓力，且藉由電壓施加裝置30而於各同軸狀電極11施加使極性反轉的放電電壓。

如第2圖(A)所示，藉由前述電壓施加，而於1對同軸狀電極11在絕緣體16之表面產生分別面狀的放電電流(以下稱為面狀放電2)。面狀放電2係2次元地展開的面狀之放電電流，以下稱為「電流片(current sheet)」。

又，此時，左側的同軸狀電極11之中心電極12係施加有正電壓(+)，導引電極14係施加有負電壓(-)，右側的同軸狀電極11之中心電極12係施加有負電壓(-)，其導引電極14係施加有正電壓(+)。

如第2圖(B)所示，面狀放電係因自身磁場而朝從電極排出的方向(在圖中往中心的方向)移動。

如第2圖(C)所示，當面狀放電2到達1對同軸狀電極11之前端時，夾在1對面狀放電2之間的電漿媒體6係成為高密度、高溫，而於各同軸狀電極11之相對向的中間位置(中心電極12之對稱面1)形成單一電漿3。

更且，於該狀態中，由於相對向的1對中心電極12為正電壓(+)與負電壓(-)，且同樣相對向的1對導引電極14也為正電壓(+)與負電壓(-)，故如第2圖(D)所示，面狀放電2連接轉換為在相對向的1對中心電極12以及相對向的1對導引電極14之間放電的管狀放電4。在此，管狀放電4係意指包圍軸線Z-Z的中空圓筒狀放電電流。

一旦形成前述管狀放電4，則形成於圖中以符號5表示的電漿封閉磁場(磁瓶(magnetic bottle))，而可將電漿3封入於半徑方向及軸方向。

亦即，磁瓶5係因電漿3之壓力而中央部大且其兩側小，形成朝向電漿3、沿軸方向的磁壓坡度，而藉由該磁壓坡度而將電漿3拘束於中間位置。更且，藉由電漿電流之自身磁場而使電漿3往中心方向壓縮(Z捏縮(Z-pinch))，於半徑方向也受到自身磁場的拘束作用。

於此狀態下，只要能從電壓施加裝置30持續供給相當於電漿3之發光能量的能量，即可以高能量轉換效率、長時間穩定地產生電漿光8(EUV)。

依據上述裝置和方法，具有相對向配置的1對同軸狀電極11，於1對同軸狀電極11分別產生面狀的放電電流(面狀放電2)，藉由面狀放電2而於各同軸狀電極11相對向的中間位置形成單一電漿3，接著將面狀放電2連接轉換為1對同軸狀電極間之管狀放電4而形成封入電漿3的電漿封閉磁場5(磁瓶5)，因此可長時間(μsec等級)穩定地產生EUV放射用的電漿光。

另外，與以往之毛細放電(capillary discharge)和真空光電金屬電漿比較，由於係於1對同軸狀電極11之相對向的中間位置形成單一電漿3，且能量轉換效率大幅(10倍以上)改善，故電漿形成中的各電極之熱負荷變小，而可大幅減低因構成機器之熱負荷所致的損傷。

另外，由於係於1對同軸狀電極11之相對向的中間位置形成為電漿光之發光源的電漿3，故可以增大所產生的電漿光之有效放射立體角。

但是，藉由上述電漿光源雖與習知技術相較已大幅改善能量轉換效率，但其能量轉換效率依然低弱(例如為10%左右)，相對於投入光源部的電力1kW其能產生的電漿光之輸出不過0.1kW左右。

因此，若為了達成微影光源所要求的電漿光之輸出(例如1kW)而大幅提高投入光源部的電力，則熱負荷將過大而使電極嚴重消耗，而可能縮短裝置的壽命。

第3圖(A)與第3圖(B)為本發明之電漿光源系統的第1實施形態圖，第3圖(A)為平面圖，第3圖(B)為側面圖。

於此圖中，本發明之電漿光源系統係具有：複數個(於本例中為4個)電漿光源10(於本例中為10A、10B、10C、10D)以及集光裝置40。

複數個(4個)電漿光源10(10A、10B、10C、10D)係分別於預定之發光點1a週期性地發出電漿光8。此週期較好為1kHz以上，電漿光之發光時間較好為1μsec以上，電漿光之輸出較好為0.1kW以上。另外，各電漿光源10之週期、發光時間、以及輸出，較好為彼此相等。

另外，各電漿光源10係具有：1對同軸狀電極11，如第1圖所示地相對向配置；放電環境保持裝置20，將電漿媒體供給至同軸狀電極11內且保持適合電漿產生的溫度及壓力；以及電壓施加裝置30，將極性反轉的放電電壓施加於各同軸狀電極；其中，係於1對同軸狀電極11之間形成管狀放電而將電漿封入於軸方向。

集光裝置40係將電漿光源10之複數個發光點1a的電漿光8集光於單一集光點9。

於此例中，電漿光源10之複數個發光點1a係設置於以單一中心軸7為中心的同一圓周上。圓周上的間隔較好為設定為彼此相等。

另外，於本例中，集光裝置40係具有：單一反射鏡42；單一旋轉裝置44；以及複數個(於本例中為4個)集光鏡46(於本例中為46A、46B、46C、46D)。

反射鏡42係位於前述中心軸上而將來自電漿光源10之各發光點1a的電漿光8向位於中心軸7上的集光點反射。反射鏡42較好為凹面鏡，但亦可為平面鏡。

旋轉裝置44係使反射鏡42以中心軸7為中心旋轉，俾當各電漿光源10發光時反射鏡42朝向該電漿光源。

複數個(4個)集光鏡46(46A、46B、46C、46D)係使各發光點1a的電漿光8朝向反射鏡42集光。

另外，集光鏡46與反射鏡42係以藉由前述兩者而使各發光點1a的電漿光8集光於單一集光點9的方式設定其形狀。

又，構成電漿光源10的放電環境保持裝置20與電壓施加裝置30較好為分別於複數個電漿光源110設置，但其一部分或全部亦可為共用。

又，於此實施形態中雖有4台電漿光源10，但亦可為2至3台，或5台以上。另外，若是為了縮短發光間隔而實現高循環運轉(1 kHz至10kHz)，則越多越好，例如較好為10個以上。

例如，當使以第3圖的中心軸7為中心的圓之半徑為R，旋轉速度為N，電漿光8之脈衝寬度為τ時，放電中的電漿移動量Δ可表示為2πR‧N‧τ，當N為100(10頭，1kHz)，τ為5μs，R為5cm時，電漿移動量Δ約為160μm，可形成適用於EUV電漿光源的微小大小。

依據上述的本發明第1實施形態，係配置成將複數個電漿光源10設置於同一圓周上，且將由集光鏡46和反射鏡42所構成的集光系統的集光點建立在上述圓之中心軸線上，且藉由設置於圓中心部的反射鏡42而集光於通過圓中心的垂直軸上，更且，藉由與配置於圓周上的各個電漿光源10之發光時間點同步而以使反射鏡42之反射面面對該電漿光源10的方式旋轉，即可從單一集光點9週期性地發光高輸出且微小大小的電漿光。

第4圖(A)與第4圖(B)為本發明之電漿光源系統的第2實施形態圖。於此例中，反射鏡42係為將來自各發光點1a的電漿光8向位於中心軸7的集光點9集光的凹面鏡43。

其他構成係與第1實施形態相同。

第5圖為第4圖(B)之凹面鏡43的第1實施形態圖。

於第5圖中，以含有複數個發光點1a的平面與中心軸7之交點作為原點O，以連接原點O與發光點1a的線為X軸，以連接原點O與位於中心軸7上的集光點9的線為Y軸，以連接發光點1a與集光點9的線為對稱軸C。

於第5圖中，凹面鏡43為多層膜鏡，其反射面的形狀係形成為相對於反射面之法線的入射角與反射角一致，且相對於對稱軸C為線對稱。

依據上述的本發明之第2實施形態，即可藉由單一凹面鏡43而將來自各發光點1a的電漿光8向位於中心軸7上的集光點9集光。

從而，藉由使反射鏡42之反射面與配置於圓周上的各個電漿光源10之發光時間點同步而以面對該電漿光源10的方式旋轉，即可從單一集光點9週期性地發光高輸出且微小大小的電漿光8。

另外，由於EUV領域的鏡片反射率低(例如約70%左右)，故可想而知在複數鏡片的構成中，所產生的EUV光之利用效率將大幅降低。

相對於此，於第5圖之構成中，由於係藉由單一凹面鏡43以一次的反射將電漿光8集光至集光點9，故可提升反射效率而可提升所產生的EUV光之利用效率。

第6圖為第4圖(B)之凹面鏡43的第2實施形態圖。

於第6圖中，凹面鏡43為多層膜鏡片，其反射面之形狀係形成為相對於反射面之法線的入射角與反射角一致，且相對於對稱軸C線對稱。另外，於此例中，將凹面鏡43與中心軸7的交點O，與各發光點1a連結的直線相對於X軸的角度ψ並非0度，而例如設定為10度至45度。又，亦可將各發光點1a設定於Y軸的負側、將角度ψ設定為負。

此時，凹面鏡43之反射面的X-Y平面上的曲線係可以下述之數1之式(1)表示。在此，使各發光點1a與集光點9在X-Y軸上的位置為S(cosψ,sinψ)與F(Y,0)。

其他構成則與第5圖相同。

此曲線係以點S、F為2個焦點而形成通過點0的橢圓弧。

鏡面曲面係為將X-Y平面上之該曲線繞著對稱軸C旋轉一定角度而得的曲面。

【數1】

藉由由第6圖之構成，電漿光8對於凹面鏡43的入射角係未滿45°，故可消除P偏光成分(電場振動與入射面平行)之反射率為0的入射角度領域。

其他效果則與第5圖相同。

第7圖為第4圖(B)之凹面鏡43的第3實施形態圖。

於第7圖中，凹面鏡43為多層膜鏡片，其反射面之形狀係形成為相對於反射面之法線的入射角與反射角一致，且相對於對稱軸C線對稱。另外，於本例中，係將從原點O至各發光點1a的距離(以中心軸7為中心的圓之半徑R)和至集光點9的距離設定為相等。

此時，凹面鏡43之反射面的X-Y軸上的曲線可表示為下述之數2之式(2)。

其他構成則與第5圖相同。

【數2】

藉由第7圖之構成，可於集光點9光軸對稱地使電漿光8集光。另外，此時來自集光點9的電漿光8之照射角係與來自發光點1a的電漿光8之照射角為同一。

第8圖(A)與第8圖(B)為本發明之電漿光源系統的第3實施形態圖，第8圖(A)為平面圖，第8圖(B)為側面圖。

於此圖中，本發明的電漿光源系統係具有：複數個(於此例中為4個)電漿光源10(於此例中為10A、10B、10C、10D)；以及集光裝置40。

於此例中，集光裝置40係具有：單一旋轉體48；單一旋轉裝置44；以及單一集光鏡46。

旋轉體48係將電漿光源10之複數個(4個)發光點1a設置於以單一中心軸7為中心的同一圓周上。

旋轉裝置44係使旋轉體48以中心軸7為中心旋轉，俾於各電漿光源10之發光時其電漿光源之發光點1a位於同一位置(於圖中為右側的發光點1a)。

另外，集光鏡46係使來自前述同一位置(於圖中右側的發光點1a)的電漿光8向集光點9集光。

又，構成電漿光源10的放電環境保持裝置20與電壓施加裝置30雖較好於複數個電漿光源10各自設置，但亦可共用其一部份或全部。

其他構成係與第1實施形態相同。

依據上述的本發明之第3實施形態，係將複數個電漿光源10設置於同一圓周上且使其些複數個電漿光源10旋轉，而在各電漿光源10到達與集光鏡46相向之位置的時間點時進行各電漿光源10的放電、電漿發光，藉此，可從單一集光點週期性地發光高輸出且微小大小的電漿光。

如上所述，依據本發明之構成，由於具備在預定的發光點1a週期性地發出電漿光8的複數個電漿光源10，因此藉由使其依序動作，即可抑制各個熱光源之熱負荷且大幅提升產生的電漿光之輸出。

另外，由於具有使在電漿光源10之複數個發光點1a的電漿光8集光於單一集光點9的集光裝置40，故可作為微影用EUV光源而從單一集光點9週期性地發出電漿光。

又，本發明並不被上述實施形態所限定，其範圍係揭示於申請專利範圍且包含與專利申請範圍之記載為均等意義及範圍內的所有變更。

1．．．對稱面

1a．．．發光點

2．．．面狀放電(電流片)

3．．．電漿

4．．．管狀放電

5．．．電漿封閉磁場

6．．．電漿媒體

7．．．中心軸

8．．．電漿光(EUV)

9．．．集光點

10、10A、10B、10C、10D．．．電漿光源

11．．．同軸狀電極

12．．．中心電極

12a．．．凹穴

14．．．導引電極

14a．．．開口

16．．．絕緣體(多孔質陶瓷)

18．．．電漿媒體供給裝置

18a．．．貯器(坩堝)

18b．．．加熱裝置

20．．．放電環境保持裝置

30．．．電壓施加裝置

32．．．正電壓源

34．．．負電壓源

36．．．觸發開關

40．．．集光裝置

42．．．反射鏡

43．．．凹面鏡

44．．．單一旋轉裝置

46、46A、46B、46C、46D．．．集光鏡

48．．．旋轉體

C．．．對稱軸

R．．．半徑

O．．．原點

第1圖為與本發明相關聯的電漿光源之實施形態圖。

第2圖(A)為第1圖之電漿光源面狀放電產生時的作動說明圖。

第2圖(B)為第1圖之電漿光源的面狀放電移動中的作動說明圖。

第2圖(C)為第1圖之電漿光源的電漿形成時的作動說明圖。

第2圖(D)為第1圖之電漿光源的電漿封閉磁場形成時的作動說明圖。

第3圖(A)為本發明之電漿光源系統的第1實施形態之平面圖。

第3圖(B)為本發明之電漿光源系統的第1實施形態之側面圖。

第4圖(A)為本發明之電漿光源系統的第2實施形態之平面圖。

第4圖(B)為本發明之電漿光源系統的第2實施形態之側面圖。

第5圖為第4圖(B)之凹面鏡的第1實施形態圖。

第6圖為第4圖(B)之凹面鏡的第2實施形態圖。

第7圖為第4圖(B)之凹面鏡的第3實施形態圖。

第8圖(A)為本發明之電漿光源系統的第3實施形態之平面圖。

第8圖(B)為本發明之電漿光源系統第的3實施形態之側面圖。