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#20316;为极紫外光刻机的重要组成部分,到目前为止,已经被国内外众多研究机构进行了广泛的研究.2光刻用激光等离子体极紫外光源
为了满足大规模工业生产的需要,对于极紫外光刻中光源部分的基本要求是:提供足够高的带内极紫外辐射功率,对收集系统少污染,以保证整个系统的长时间稳定输出[3].
目前,获得极紫外光源主要有三种途径:同步辐射源,放电等离子体(DischargedProducedPlasma,DPP)和激光等离子体(LaserProducedPlasma,LPP).同步辐射环可将产生的高强度极紫外带内辐射用于光刻技术,相比于DPP和LPP,同步辐射不需要周期性的替换关键部件或燃料靶材,对光学元件无碎屑(debris)污染问题,是一种优良的极紫外光源.但是本身庞大,复杂的装置,昂贵的造价成本,缺乏灵活性,限制了其应用到商业光刻生产上.
DPP和LPP共同的特点是形成极高的温度环境,产生高温等离子体发射,从而辐射出高强度的极紫外光.因此两者可以使用相同的燃料靶材,只是在形成的手段上有所区别.DPP通过两个电极在高压下产生强烈的放电来产生高温高热的等离子体环境,而LPP则通过高功率的激光脉冲直接作用到靶材来产生高温等离子体环境,并向外发射极紫外辐射.其中,DPP方法可以获得相当强度的EUV辐射,增大放电电流的输入功率可以提高EUV的辐射输出,但等离子体在产生过程中会自然的对电极产生热负荷和腐蚀,造成关键元件部分的损坏,并伴随产生大量的碎屑,污染光学系统,很难维持长时间的稳定工作,到目前为止也没有找到很好的解决方案,因此阻碍了DPP在EUVL中的应用.LPP方法使用脉冲激光照射靶材,使其吸收高能量产生等离子体,相比DPP方式,光源具有更好的可控性和稳定性,不仅能够有效减少设备热负荷,提高光源工作频率,而且能直接控制等离子体产生区域的尺寸和空间稳定性.虽然LPP也存在碎屑的污染问题,但较DPP光源要清洁很多.LPP本身体积小,亮度高,可以通过选择适当的燃料靶材及控制等离子体参数来实现极紫外等离子体光源输出波长的调谐.由于其本身产生方式的灵活性,可在更大的立体角范围内收集EUV光,如图1所示,从而能更有效地利用产生的辐射,提高输出功率.从多年来的发展来看,LPP光源的巨大潜力不断被挖掘,最有希望能满足EUVL未来高量产的需求.
图1收集LPPEUV辐射示意图
Fig.1FrameworkofLPPEUVradiationcollected
图2是CYMER公司生产的以LPP为基础的极紫外光源工业样机[4].整个系统包括:激光器,光束传播系统(BeamTransportSystem,BTS)和光源放置器.作为驱动光源的激光器采用可以多级放大的CO2激光器,可提供高至40kW的输入功率.激光和BTS完全封闭到真空环境中.BTS使激光光束聚焦到靶材上,产生稳定的高温,高密度的等离子体,其发出的EUV辐射经过多层膜反射镜组成的收集系统收集并送给下一级光刻系统.
图2CYMER公司生产LPP源[4]
Fig.2LPPsourceproducedbyCYMERpany[4]
为了保证光源产生的极紫外光能被有效的收集,减小在成像系统中的损耗,使光源产生的极紫外辐射最终被充分用于光刻,整个系统的反射元件必须具有非常高的发射率.目前,在中心波长13.5nm处,光谱带宽(Bandwidth,BW)2%内,可制作出反射率接近70%的Mo/Si组成的多层膜反射镜[5],如图3所示,Mo和Si原子按6.7nm周期厚度交替叠放,使13.5nm的极紫外光在其中产生相消干涉,从而形成很高的反射效率.这也是促使研究人员把13.5nm作为EUVL主要候选工作波长的原因之一,相应的激光等离子体光源研究工作大多都集中在该输出波长的附近[6].
图3Mo/Si多层膜示意图
Fig.3FrameworkofMo/Simultilayer
经过多年的不懈努力,研究人员对输出波长为13.5nm附近激光等离子体极紫外辐射的物理机制有了比较深入的理解,已经可以在EUVL整机系统光源收集的中间聚焦处获得接近100W的极紫外辐射强度[7][8]..伴随着EUVL中其它各项关键技术难题的不断解决,以LPP为工作模式的EUVL有望在几年内投入工业化量产[9].但是在EUVL投入工业化生产之前,几个关键技术问题还必须进一步解决好,这些关键问题主要集中在EUV光源的转化效率和光源碎屑两个方面.
EUV光源转化效率的进一步提高
为了满足基本的商业生产需求,同时有效的控制成本,实际的光刻生产需要保证每小时100片晶圆以上的生产率,这就要求极紫外光源在进入光刻系统的中间聚焦处的输出功率必须达到115W以上.有效提高EUV光源转化效率是实现这一功率要求的直接途径.EUV光源的转化效率(ConversionEfficiency,CE),对13.5nm光源而言,是指在输出中心波长为13.5nm,2%的带宽内,EUV输出能量与输入激光能量的比值.可以提供LPP光源产生13.5nm附近工作波长的燃料靶材有很多种,其中具有代表性的有氙(Xe),锂(Li),锡(Sn)等.目前为止的研究显示,Xe的极紫外转化效率最高为1.4%[10],Li作为类氢元素,最高CE为2%[11],而Sn产生的CE最高可达3%[12].因此Sn是目前获得13.5nmEUV最理想的光源靶材.Sn在13.5nm附近的极紫外辐射,主要由形成的等离子体中Sn高价离子的4p64dN-4p54dN+1～4p4dN-14f(1≤N≤6)密集跃迁产生的类连续跃迁阵列,即不可分辨跃迁阵列(UnresolvedTransitionArray,UTA)形成,极紫外辐射的带内部分主要由Sn8+～Sn13+的离子跃迁形成.
人们发现通过改变靶材形状[13-14]和入射激光的参数以及聚焦条件等方式都可以有效的提高EUV的转化效率.研究结果表明激光等离子体的极紫外光转化效率可通过采用靶的形式进行优化.传统的Sn实验靶材是平面的,这就会造成激光束聚焦中心周围低强度处产生较冷的稠密等离子体,由于它膨胀速度比中心热等离子体慢,会对中心EUV发射主导区域(EmissionDominantRegion,EDR)[15]产生的EUV辐射有较强的吸收,影响EUV辐射的转化效率.为了解决这一问题,2003年,T.Tomie等人[16]使用Sn的腔限形靶(如图4所示),结合双脉冲方式,在激光束入射的反方向对EUV进行收集,对13.7nm处的窄带EUV辐射获得了较高的CE,但这种方法又很大程度上限制了EUV的收集角度,使其很难应用于EUVL工业生产之中.
2005年,Y.Tao等人[17]采用200μm宽,15μm厚度的Sn条覆盖在厚1μm的碳氢薄膜上作为靶材(如图5所示),使激光脉冲聚焦后的中心部分照射Sn条,而强度较低的光斑边缘则照射到碳氢薄膜上,其产生&
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