TWI590713B - 具有減少殘餘物產生之雷射產生之電漿超紫外線（ｅｕｖ）源 - Google Patents

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TWI590713B
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丹尼爾 瓦克
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克萊譚克公司
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    • G03F7/70008—Production of exposure light, i.e. light sources
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Description

具有減少殘餘物產生之雷射產生之電漿超紫外線(EUV)源
本發明大體上係關於超紫外線，且更特定而言，係關於一種用於經由雷射產生之電漿來產生超紫外線光之方法及裝置。
超紫外線(EUV)光係一般定義為波長範圍在約10nm至約120nm之間的電磁輻射之高能紫外線輻射。EUV可藉由雷射產生之電漿來人工產生。
在習知雷射產生電漿(LPP)式EUV產生器中，EUV光產生物質可作為小滴釋放至腔室中。雷射束可接著輻照該腔室內部之小滴。當雷射束輻照小滴時，該小滴經激發至電漿狀態且產生EUV光。然而，在此製程期間小滴之一部分可破碎且分散，從而形成殘餘物。此殘餘物不可轉化為電漿，且可保留在腔室內部。
需要一種用於經由具有減少殘餘物之雷射產生之電漿來產生EUV光的方法及裝置。
本發明係有關一種用於產生超紫外線(EUV)光之方法。該方法可包含利用一第一雷射束以非熱方式剝蝕一標靶材料。該第一雷射束可經組態以用於以一非熱方式噴射該標靶材料之一部分以形成一羽流。該方法可進一步包含利用一第二雷射束輻照該羽流以產生一高溫電漿以用於EUV輻射。
本發明之另一實施例係有關一種用於產生EUV光之裝置。該裝置可包含一外殼、一第一雷射器件及一第二雷射器件。該外殼可經組態以用於圍封一標靶材料。該第一雷射器件可經組態以用於提供穿過一第一窗之一第一雷射束，從而以非熱方式剝蝕位於該外殼內部之該標靶材料以形成一羽流。該第二雷射器件可經組態以用於提供穿過一第二窗之一第二雷射束，從而輻照該外殼內部之該羽流，其中該經輻照之羽流產生一高溫電漿以用於EUV輻射。在一實施例中，該第一雷射束之脈衝持續時間可短於由該標靶材料之熱傳導吸收之雷射能量的耗散時間，藉此以非熱方式噴射該標靶材料之一部分以形成羽流。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述兩者僅為例示性及解釋性的，且未必限制本發明。併入本說明書中且構成本說明書之一部分的隨附圖式說明本發明之標的物。該等描述及該等圖式一起用以解釋本發明之原理。
熟習此項技術者可藉由參看附圖而更好地理解本發明之眾多優點。
現將詳細參考隨附圖式中所說明的所揭示之標的物。
本發明係有關一種用於經由自固態或液態準平面標靶而雷射產生之電漿來產生EUV光的方法及裝置。根據本發明之方法及裝置使通常與未使用標靶材料相關聯之殘餘物減至最少。在一實施例中，藉由極短脈衝式雷射束以非熱方式剝蝕標靶材料，從而在標靶材料之表面上方產生羽流。 可隨後藉由高強度脈衝式雷射束來輻照以此非熱方式產生之羽流，從而產生高溫電漿(例如，20eV至40eV)以用於EUV輻射。
大體上參看圖1及圖2。圖1為描繪用於產生EUV光之裝置100的說明。裝置100包括外殼102，該外殼102經組態以用於圍封標靶材料104。標靶材料104可為具有準平面表面106之任何固態或液態EUV光產生物質。此等物質可包括(例如)錫(Sn)、氙(Xe)或其類似者。外殼102亦可包括一或多個窗，從而允許雷射束進入外殼102。該等窗可由氟化鈣(CaF2)、高品質之二氧化矽(SiO2)或其類似者製成。
裝置100進一步包括第一雷射器件108及第二雷射器件110。該第一雷射器件108經組態以用於提供穿過第一窗114之極短脈衝式(例如，大約數皮秒或數飛秒)剝蝕雷射束112，從而以非熱方式剝蝕位於外殼102內部之標靶材料。此種雷射剝蝕可導致材料移除速率(剝蝕速率)超過每脈衝十分之一單層(取決於雷射及材料性質)，從而使原子、離子、分子及分子聚集體(cluster)由於初始電子(或振動)光致激發轉化為動能而自標靶材料104之表面噴射。亦即，短脈衝式剝蝕雷射束112可以非熱方式噴射標靶材料104之一部分，從而在標靶材料104之表面上方形成羽流116。
可接著藉由來自第二雷射器件110之雷射束輻照羽流116。在一實施例中，第二雷射器件110經組態以用於提供穿過第二窗118之高強度脈衝式紅外線(IR)或CO2雷射束124，從而輻照外殼102內部之羽流116。經輻照之羽流接 著產生高溫電漿(例如，20eV至40eV)以用於EUV輻射。
可利用根據本發明之裝置100來產生13.5nm之EUV，在此狀況下，外殼102可組態為真空腔室。亦可利用裝置100來產生具有各種其他波長之EUV輻射，在此狀況下，外殼102無需為真空腔室。舉例而言，可利用高壓腔室來產生具有高於120nm之波長的EUV。
根據本發明之非熱剝蝕製程比習知系統有利。舉例而言，利用極短脈衝式剝蝕雷射束可提供標靶材料至蒸汽之直接轉化，從而允許剝蝕製程在無(或具有極少)熱耗散之情況下發生。另外，非熱剝蝕製程僅產生氣相物質，且脈衝之數目可經最佳化以用於有效EUV光產生，因此避免氣體之過量產生及系統中別處之後續輸送及沈積。以此方式，可在無將小滴幾何形態用於標靶材料時所遭遇之諸如以下各者之困難的情況下達成質量限制標靶：小滴槍可靠性、位置及時序控制以及與習知系統相關聯之其他挑戰。
在一實施例中，可藉由剝蝕雷射束112自前側(表面106所面向之側)以正入射角或與法線成給定角度θ來照射標靶材料，如圖1中所說明。或者，如圖2中所說明，可藉由剝蝕雷射束112自背側穿過透明基板120來照射標靶材料104，該剝蝕雷射束112聚焦於標靶材料104之表面106。入射角度可為正入射角或與法線所成之給定角度γ。
預期藉由剝蝕製程產生之羽流116可經塑形以便增加隨後藉由IR或CO2雷射束124輻照羽流116時之效率。可利用各種技術來對羽流116塑形。舉例而言，標靶材料104之表 面可界定諸如溝槽或其類似者之凹穴以在剝蝕製程之前及/或期間限制膨脹及對膨脹塑形。在另一實例中，孔隙或遮罩122可位於標靶材料104與雷射器件108之間的光學路徑中。孔隙122可用以對剝蝕區域/形狀進行塑形，此塑形又可控制所產生之羽流116的形狀。在又一實例中，可利用一個以上雷射器件108來剝蝕標靶材料104，且藉由此等雷射器件提供之剝蝕雷射束可成角度以便對羽流116塑形。
亦預期可利用一個以上雷射器件110來輻照外殼102內部之羽流116。此等雷射器件110可位於各種位置處以提供自各種角度輻照羽流116之雷射束124(例如，IR或CO2雷射束)。在一實施例中，剝蝕雷射束112及雷射束124可一般經設定以具有不同波長、不同脈衝寬度及不同輻照強度。雷射束124可聚焦於由剝蝕製程所產生之羽流116處。可為較佳的是，延遲藉由雷射束124進行輻照之時間以使其晚於藉由剝蝕雷射束112進行輻照之時間，從而在預先組態之平面/位置處產生所要LPP。
進一步預期根據本發明之非熱剝蝕製程的效率可基於剝蝕雷射束112及標靶材料104之性質而最佳化。此等性質可包括(但不限於)入射角度、縱橫比、標靶材料特性、表面光度及其類似者。舉例而言，每單位表面積吸收在標靶材料中之能量可取決於在脈衝持續時間tp上之雷射通量。因此，可依據通量來表達剝蝕速率。取決於標靶材料及雷射波長，典型剝蝕臨限值可為約0.1J/cm2至1J/cm2。如下文 詳細解釋，可基於剝蝕雷射束112之脈衝持續時間及波長來判定每脈衝所剝蝕之材料的量(深度及體積)。
剝蝕雷射束之脈衝持續時間為可影響每脈衝剝蝕速率之參數中之一者。舉例而言，可基於標靶材料之擴散率及脈衝持續時間來計算標靶材料之穿透深度。短雷射脈衝可限制吸收體積內之能量沈積，且使附帶(主要為熱)能量傳播減至最小。舉例而言，若脈衝寬度小於材料之電子晶格鬆弛時間，則可在材料之薄的表面下層中產生高能量密度。此情形導致迅速離子化及材料移除，其中大部分沈積之能量由噴射之材料攜載。此情形意謂熱擴散及/或熔融顯著減少。此情形亦暗示電子製程快於熱製程，且剝蝕製程可在無(或具有極少)熱耗散之情況下發生。結果為固體直接轉化為蒸汽，其中形成較少電漿。
在一實施例中，雷射脈衝持續時間tp經組態為短於由熱傳導所吸收之雷射能量之耗散時間tth。減少雷射相互作用時間減小標靶材料上之熱負載。此情形減小熔融及熱影響體積。大體而言，當脈衝縮短至低於數奈秒時，熱穿透深度將接近於光吸收深度，從而使整體熱損害減至最小。此外，當脈衝縮短時，每一脈衝之功率密度或輻照度(W/cm2)可升高，從而改良剝蝕速率且減少熱損害，此係因為較高輻照度將誘發較迅速相變。剝蝕速率機制之發生可比熱傳導快若干個數量級以使得可完全避免熱效應。預期利用具有廣譜脈衝持續時間(範圍為自數奈秒至數飛秒)的雷射系統/器件可為有益的。
剝蝕雷射束之波長為可影響每脈衝剝蝕速率之另一參數。舉例而言，與標靶材料之波長相互作用可影響穿透深度，此穿透深度又可影響剝蝕速率。對於具有至本體之最小熱能量轉移的雷射剝蝕而言，雷射脈衝遞送之能量應超過彼材料之結合能。另外，亦可能需要考慮標靶材料性質及表面光度。此外，藉由多光子製程之非線性吸收在高強度下可變得重要。此情形可在自由載流子可有助於增強吸收時發生。可能需要考慮非線性吸收多光子製程且可利用該等製程來增強或調整穿透深度及移除速率。
在一實施例中，利用紫外線(UV)雷射波長極為有效，此係因為UV能量接近化學鍵之解離能。此情形可導致藉由共價鍵之光化學分解移除材料，從而提供非熱剝蝕製程。此非熱剝蝕製程可在無熱影響區之情況下達成極精細特徵。應理解，準確的材料移除速率可取決於雷射光之雷射脈衝穿透深度。可利用各種方程式來計算穿透深度，該穿透深度可依據雷射波長以及其他參數(諸如，雷射之消光係數、吸收係數、強度及其類似者)來表達。
在一例示性實施中，可利用Sn或Sn混合物作為標靶材料104，且可將短脈衝(例如，數皮秒至數飛秒)式UV雷射112用於剝蝕製程。為了產生有效EUV及減少未使用Sn材料之量，最大化用於LPP EUV產生之Sn羽流可為有益的。假設大約20nm至100nm之固態Sn材料可足以產生所需EUV(例如，為了檢驗系統之使用)，且Sn或Sn混合物之穿透深度經判定為大約數十nm。此情形將建議單一脈衝至幾個脈衝 可足以產生Sn羽流所必要之材料量。
實驗結果已指示，對於約355nm之雷射穿透深度，90%之雷射脈衝吸收於標靶材料之前20nm中。對於極短脈衝(例如，數飛秒)，此情形可暗示可每脈衝剝蝕最多20nm。取決於所需材料之準確量，可使用多達若干個脈衝或所需要之脈衝數。若需要較強吸收(例如，為了調節噴射之剝蝕材料的量)，則標靶材料(例如，Sn)可摻雜有強吸收劑。此等吸收劑可包括(例如)蒽或其類似者。此情形准許諸如351nm及355nm之雷射波長的最大吸收，相比於接近300nm及低於300nm操作之UV雷射，該等雷射波長誘發較少電子激發。此外，若需要使每脈衝移除更多材料，則亦可利用較長波長。
除剝蝕雷射束之脈衝持續時間及波長外，可在計算剝蝕速率時考慮其他因素，諸如用於剝蝕製程之雷射器件108之數目、每一剝蝕雷射束之入射角或其類似者。計算剝蝕速率可幫助判定由剝蝕雷射束來產生形成羽流(用於EUC產生)所必要之最佳量之材料所需的脈衝之理想數目，同時使可能在噴射過多材料時沈積之可能殘餘物減至最少。
參看圖3，展示根據本發明之用於產生EUV光的方法300。步驟302可利用第一雷射束以非熱方式剝蝕標靶材料。該第一雷射束經組態以用於以非熱方式噴射標靶材料之部分以形成羽流。在一實施例中，該第一雷射束為短脈衝式雷射束，該短脈衝式雷射束之脈衝持續時間短於由標靶材料之熱傳導所吸收之雷射能量的耗散時間。隨後，步 驟304可利用第二雷射束輻照羽流以產生高溫電漿以用於EUV輻射。在一實施例中，該第二雷射束為高強度脈衝式紅外線或CO2雷射束。
預期可重複該等步驟以用於連續產生EUV光。應理解，可基於特定要求判定第一雷射束及/或第二雷射束之特定參數(強度、脈衝持續時間、脈衝之數目或其類似者)，該等特定要求包括(但不限於)EUV光之所要量、標靶材料之性質、空間可用性、成本以及其他因素。
咸信本發明之系統及方法以及其附帶優點中之許多者將由前述描述來理解，且將顯而易見，可在不脫離所揭示之標的物或不犧牲其所有材料優點之情況下在組件之形式、構造及配置方面進行各種改變。所描述之形式僅為解釋性的。
100‧‧‧用於產生EUV光之裝置
102‧‧‧外殼
104‧‧‧標靶材料
106‧‧‧準平面表面
108‧‧‧第一雷射器件
110‧‧‧第二雷射器件
112‧‧‧極短脈衝剝蝕雷射束/短脈衝UV雷射
114‧‧‧第一窗
116‧‧‧羽流
118‧‧‧第二窗
120‧‧‧透明基板
122‧‧‧孔隙或遮罩
124‧‧‧高強度脈衝紅外線(IR)或CO2雷射束
300‧‧‧用於產生EUV光之方法
θ‧‧‧給定角度
γ‧‧‧給定角度
圖1為描繪用於產生EUV光之裝置的說明；圖2為描繪用於產生EUV光之另一裝置的說明；及圖3為說明用於產生EUV光之方法的流程圖。
100‧‧‧用於產生EUV光之裝置
102‧‧‧外殼
104‧‧‧標靶材料
106‧‧‧準平面表面
108‧‧‧第一雷射器件
110‧‧‧第二雷射器件
112‧‧‧極短脈衝剝蝕雷射束/短脈衝UV雷射
114‧‧‧第一窗
116‧‧‧羽流
118‧‧‧第二窗
122‧‧‧孔隙或遮罩
124‧‧‧高強度脈衝紅外線(IR)或CO2雷射束

Claims (18)

  1. 一種用於產生超紫外線(EUV)光之方法，該方法包含：在一支撐基板上支撐一標靶材料；提供一第一雷射束，其用於剝蝕該標靶材料之一表面，以在無熱耗散的情況下以一非熱方式分離並噴射該標靶材料的一部分遠離該表面，該第一雷射束具有一脈衝持續時間，其比由該標靶材料之熱傳導所吸收的雷射能量的一熱耗散時間快多個數量級，該第一雷射束具有一紫外線波長範圍內之一波長，其中調諧該第一雷射束之該脈衝持續時間、該波長及一強度，以使得當該標靶材料被該第一雷射束剝蝕時，該剝蝕的一穿透深度接近該標靶材料之一光吸收深度的深度，以減少對該標靶材料之熱損害並在該標靶材料被該第一雷射束剝蝕時誘發被噴射遠離該標靶材料之該表面之該標靶材料之該部分的一迅速相變；基於該第一雷射束之該脈衝持續時間及該第一雷射束之該波長以計算一剝蝕速率；判定自該第一雷射束所需的脈衝之一數目而基於該剝蝕速率以產生形成一質量限制標靶羽流(mass-limited target plume)所必需之材料之一量；判定該第一雷射束與該標靶材料的該表面之間的一入射角以對該質量限制標靶羽流塑形以增加收集效率並在該質量限制標靶羽流由一第二雷射束輻照時減少殘餘物產生； 根據經判定之脈衝的該數目而利用該第一雷射束以非熱方式剝蝕該標靶材料之該表面以在無熱耗散的情況下產生自該標靶材料的該表面噴射之該質量限制標靶羽流；及利用該第二雷射束以輻照該質量限制標靶羽流以產生一高溫電漿以用於EUV輻射。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一雷射束之該脈衝持續時間經組態以提供僅產生氣相物質之該標靶材料之一非熱剝蝕。
  3. 如請求項1之方法，其中該第二雷射束為一高強度脈衝式紅外線或CO2雷射束。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含：在該標靶材料之該表面上定義空腔以限制及塑形該經被噴射之標靶材料之該部分。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包含：以一吸收劑摻雜該標靶材料以增強一特定範圍的雷射波長的吸收。
  6. 一種用於產生超紫外線(EUV)光之裝置，該裝置包含：一外殼，該外殼經組態以用於圍封一標靶材料，該外殼具有至少一第一窗及一第二窗；一支撐基板，其用於緊固及支撐該外殼內部之該標靶材料；一第一雷射器件，該第一雷射器件經組態以用於提供穿過該第一窗而聚焦於該標靶材料之一表面上之一第一 雷射束，而以非熱方式剝蝕位於該外殼內部之該標靶材料之該表面以在無熱耗散的情況下產生自該標靶材料的該表面噴射之一質量限制標靶羽流，其中該第一雷射束經組態以自一預定入射角及根據脈衝之一預定數目來剝蝕該標靶材料之該表面以產生該質量限制標靶羽流，其中該預定入射角係該第一雷射束與該標靶材料的該表面之間之一角，其經判定以對該質量限制標靶羽流塑形以增加收集效率並在該質量限制標靶羽流由一第二雷射束輻照時減少殘餘物之產生，其中基於該第一雷射束之一剝蝕速率以計算脈衝之該預定數目以產生該質量限制標靶羽流，且其中該第一雷射束具有一脈衝持續時間，其少於該標靶材料之一電子晶格鬆弛時間，該第一雷射束具有一紫外線波長範圍內之一波長，且調諧該第一雷射束之該脈衝持續時間、該波長及一強度，以使得在該標靶材料被該第一雷射束剝蝕時，該剝蝕的一穿透深度接近該標靶材料之一光吸收深度的深度，以減少對該標靶材料之熱損害並在該標靶材料被該第一雷射束剝蝕時誘發被噴射自該標靶材料之該表面之該質量限制標靶羽流的一迅速相變；及一第二雷射器件，該第二雷射器件經組態以用於提供穿過該第二窗之該第二雷射束，從而輻照該外殼內部之該質量限制標靶羽流，其中該經輻照之質量限制標靶羽流產生一高溫電漿以用於EUV輻射。
  7. 如請求項6之裝置，其中該第一雷射束係一短脈衝式紫 外線雷射束且經組態以提供僅產生氣相物質之該標靶材料之一非熱剝蝕。
  8. 如請求項6之裝置，其中該第二雷射束為一高強度脈衝式紅外線或CO2雷射束。
  9. 如請求項6之裝置，其進一步包含：一孔隙，其位於該標靶材料與該第一雷射器件之間的一光學路徑中，該孔隙經組態以用於對該第一雷射束塑形以控制該羽流之一形狀。
  10. 如請求項6之裝置，其中該外殼為以下各者中之至少一者：一真空腔室或一高壓腔室。
  11. 如請求項6之裝置，其進一步包含：一第三雷射器件，該第三雷射器件經組態以用於提供穿過該外殼之一第三窗的一第三雷射束，從而以非熱方式剝蝕位於該外殼內部之該標靶材料。
  12. 如請求項6之裝置，其進一步包含：一第四雷射器件，該第四雷射器件經組態以用於提供穿過該外殼之一第四窗的一第四雷射束，從而與該第二雷射束共同輻照該外殼內部之該羽流。
  13. 一種用於產生超紫外線(EUV)光之裝置，該裝置包含：一外殼，該外殼經組態以用於圍封一標靶材料，該外殼具有至少一第一窗及一第二窗；一支撐基板，其用於緊固及支撐該外殼內部之該標靶材料；一第一雷射器件，該第一雷射器件經組態以用於提供 一第一雷射束以自一預定入射角及根據脈衝之一預定數目來剝蝕該標靶材料之一表面及根據脈衝之一預定數目以產生自該標靶材料之該表面所噴射之一質量限制標靶羽流，其中該預定入射角係該第一雷射束與該標靶材料的該表面之間之一角，其經判定以對該質量限制標靶羽流塑形以增加收集效率並在該質量限制標靶羽流由一第二雷射束輻照時減少殘餘物之產生，且其中基於該第一雷射束之一剝蝕速率以計算脈衝之該預定數目以產生該質量限制標靶羽流，該第一雷射束具有一脈衝持續時間，其比由該標靶材料之熱傳導所吸收的雷射能量的一熱耗散時間快多個數量級，該第一雷射束具有一紫外線波長範圍內之一波長，其中調諧該第一雷射束之該脈衝持續時間、該波長及一強度，以使得當該標靶材料被該第一雷射束剝蝕時，該剝蝕的一穿透深度接近該標靶材料之一光吸收深度的深度，藉此以一非熱方式分離並噴射該標靶材料的一部分遠離該表面以在無熱耗散的情況下產生該質量限制標靶羽流；及一第二雷射器件，該第二雷射器件經組態以用於提供穿過該第二窗之該第二雷射束，從而輻照該外殼內部之該質量限制標靶羽流，其中該經輻照之質量限制標靶羽流產生一高溫電漿以用於EUV輻射。
  14. 如請求項13之裝置，其中該第一雷射束之該脈衝持續時間經組態以提供僅產生氣相物質之該標靶材料之一非熱剝蝕。
  15. 如請求項13之裝置，其中該第二雷射束為一高強度脈衝式紅外線或CO2雷射束。
  16. 如請求項13之裝置，其進一步包含：一孔隙，其位於該標靶材料與該第一雷射器件之間的一光學路徑中，該孔隙經組態以用於對該第一雷射束塑形以控制該羽流之一形狀。
  17. 如請求項13之裝置，其中以一吸收劑摻雜該標靶材料以增強特定範圍的雷射波長的吸收。
  18. 如請求項13之裝置，其中該標靶材料係以含有蒽(anthracene)之一吸收劑摻雜以增強351nm與355nm之間的波長的吸收。
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