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用于激光等离子体极紫外光源的锡滴

来源:信息管理中心 发布时间:2015-07-13 15:14:51

    

  用于18nm 节点以下的下一代光刻将基于极紫外光刻(EUVL)。与现在使用的浸没式光刻相结合的波长193nm将被13.5nm的极紫外波长取代。13.5nm的波长,    2%的带宽都是源自于EUV光刻中使用的高反射率钼/硅多层膜反射镜的选择。从基于锡靶的激光等离子体(LPP)获得EUV波长的辐射,它是通过锡靶和高功率(kW)激光器的相互作用形成的。尽管已经进行了多年的研究,但是EUV光源是被归类为高风险的,而且认为它是EUV光刻的一个潜在的发展障碍。 

  与基于放电等离子体(DPP)的光源相比,LPP光源的一个主要优点是利用激光重复频率的功率可扩展性。DPP光源中极为贴近的放电电极限制功率扩展。此外,LPP光源相比于DPP光源具有更小的光源尺寸。由于功率可扩展性和减小的LPP光源尺寸,这种光源的潜在应用领域可从高功率、高量产扫描光刻机到高亮度计量光源。高量产光源的主要焦点是在中间焦点处的功率,对于10mJ/cm2的光刻胶灵敏度,对该功率的要求为200W。该功率数值能实现每小时100片晶圆的吞吐量。已报道的中间焦点处的功率数值远远低于这些要求。此外高量产EUV光源还具有严格的时间和空间稳定性要求,在高于10kHz的频率有0.2%的综合EUV能量稳定性(3σ、超过    50脉冲) 

  掩模检查也需要EUV光源。事实上为了检测EUV光刻掩模上的能被印制到晶圆的缺陷,要求进行在光化波长的检查。计量工具包括光化空白检查(ABI)、光化图形检查(API)和空间像测量系统(AIMS),这些都要求高至100W/mm2 sr量级的亮度。其的应用包括光刻胶灵敏度/排气研究和EUV光学计量。由于成像传感器有限的灵敏度和高吞吐量的需求,光源亮度对检查非常重要。计量工具对能量稳定性有严格的要求,这主要是需要实现所要求的特征尺寸(CD)导致的。 

  LPP光源中,EUV辐射从高功率激光器与标靶材料的相互作用获得。该材料的选择是它的原子结构跃迁在考虑的带宽内具有高放射性。候选材料是锂(Li)、氙(Xe)和锡(Sn)。锡滴被辐射、蒸发和电离。在35eV左右的电子温度可产生EUV光子。转换效率对一个给定的激光器功率所产生的EUV功率大小进行量化。(EUV)光被一个垂直入射集光器收集,然后聚焦到中间焦点处,从这里它被引导至照明光学系统。必须对垂直入射集光器进行保护使其免受碎片的影响,如高能离子、中性原子或残留的标靶材料。 

  为了满足EUV光刻和计量工具的要求,需要一种能将燃料精确地传送到等离子体辐射位置的方法。过去研究了多种标靶,包括质量受限的锡靶、掺锡泡沫标靶、液态锡喷射机、富含锡的薄膜。然而,当今最普遍的燃料类型是液态的微米锡滴,因为纯净的锡具有高转换效率而液滴形成可再生标靶。事实上液滴可用高功率激光器进行同步,为了只将需要的材料传送到等离子体辐射位置,液滴体积可以进行调整。通过限制每个激光脉冲的锡的数量,可以使碎片的数量减小到最少,尤其是锡中性粒子的数量。 

  瑞士联邦理工学院能量转换实验室的锡滴生成器通过一个移动平台安装在光源室内,由千分尺精确定位。液滴生成器由液滴分注器和原料调整器构成,分注器包括一个喷嘴和液滴调整器,其关键器件是污染控制系统,原料调整器包括锡储存器,一个加热的高压管腔。为了确保液滴发生器长期运作,采用先进的热流体力学设计方案。 

    

  16  瑞士联邦理工学院能量转换实验室的LPP光源 

    

  17  (a) 第四代液滴分注器(b) 增加容量的第五代液滴分注器 

  LPP EUV光源中已经发现了液滴列的不稳定性。实现所需的液滴稳定性是一项艰巨的任务,当要求更大亮度的更小的光源尺寸,更是如此。通常可区分为两种不稳定性类型:横向(与喷射速度垂直的平面内)不稳定性和液滴-液滴抖动。辐射液滴的横向偏移意味着沉积的激光能量的变化。液滴-液滴抖动导致激光脉冲/液滴不同步。结果这两种不稳定性都引起每个激光脉冲产生的EUV能量的变化。因此光源稳定性直接与燃料传送系统的稳定性相关。为此EUV光源中对液滴分配器的关键要求是用最大的稳定性将液滴传送至辐射位置。 

  瑞士苏黎世能量转换实验室(LEC, ETHZ)的液滴分配器经过多年的发展,包括不同的喷嘴类型、激励机制、热管理方法和污染控制系统的研究,现在正处于第五代设计。该分配器在计量和高量产EUV光源所要求的频率范围内生产液滴。两个相关的不稳定模式为液滴-液滴抖动和横向不稳定性。横向液滴偏移的低频部分利用最近植入的分配器定位系统进行补偿,分配器定位系统如图18所示。该补偿方法的最高频率极限是由定位系统的响应时间确定的。液滴位置在2.5倍液滴直径的范围内变化时,补偿前的液滴列偏移的标准差为97%的液滴直径,通过补偿后,液滴列偏移不包含任何低频移动/漂移,只有平均位置附近的高频变化。因此液滴列偏移的标准差降低到16%的液滴直径。 

    

  18  液滴定位控制系统的设计 

  超过2000秒的研究,获得的液滴-液滴抖动为平均液滴间隔的11.2%(3σ)(  19)。典型的平均液滴间隔大概为56倍的液滴直径。在固定的激光触发的情况下,液滴-液滴抖动导致液滴和激光器焦点之间的偏差在液滴直径的60%范围内。因此为了光源运行单独的液滴触发是必要的。由于在激光脉冲周期中的变化会导致在液滴中沉积的激光脉冲能量的起伏,进而导致EUV辐射的起伏,故而需要最小化液滴-液滴抖动。脉冲周期的激光脉冲能量变化取决于激光器类型。 

    

  19  按照平均液滴间隔进行归一化的液滴间隔分布(液滴-液滴抖动) 

    

  20  50kHz的液滴进行超过2.2小时的观察得到的横向液滴偏移的高频部分 

  现在的横向不稳定性在液滴直径的7.1%(3σ)的范围内(如图20),当激光光斑与液滴直径的比例为1时,EUV辐射的起伏在0.35%的范围内。对于更大的激光光斑尺寸,能量稳定性会更好。横向偏移还会在包含激光轴的平面内发生,但是由于典型的焦深超过多个液滴直径,这种不稳定性引起的EUV能量起伏可忽略。 

  涂远莹编译自:Tin Droplets for LPP EUV Sources. Proc. of SPIE Vol.8322 83222P