Brevet FR2554302A1 — publié le 19850503

La présente invention est relative à une source de rayonnement pour appareils d'optique, notamment pour systèmes de reproduction par photolithographie. Elle s'applique de préférence dans les cas où il faut une puissance de rayonnement supérieure à celle des lampes à vapeur de mercure sous pression, par exemple dans les installations de photolithographie, pour l'éclairement d'une couche de vernis photo sur une plaque de semi-conducteur. On connaît actuellement de nombreux systèmes de sources de rayonnement qui sont utilisés dans des appareils scientifiques et dont les propriétés ont été largement adaptées aux conditions inhérentes au domaine d'utilisation. Ces propriétés sont relatives à la répartition spectrale de l'émission et à la densité de rayonnement susceptible d'être obtenue ainsi qu'd la répartition spatiale et angulaire du rayonnement produit. Les exigences relatives à des puissances de rayonnement dépassant la puissance de rayonnement spectrale d'un corps noir au-dessus du point de fusion des corps solides ne peuvent être satisfaites que par du plasma. Les plasmas s'obtiennent par chauffage d'un milieu actif, de préférence par passage d'un courant électrique ou par action de champs électromagnétiques de haute fréquence.Les densités de rayonnement spectrales susceptibles d'être atteintes sont limitées vers le haut par la valeur maximale de la puissance électrique, pouvant être mise en jeu par unité de volume, à laquelle les matériaux constituant les électrodes et les parois peuvent résister thermiquement. Dans le cas du chauffage à haute fréquence, il n'y a plus de limitation due à la charge des électrodes, mais le problème qui se pose alors est celui de la concentration spatiale de l'énergie de haute fréquence. Si l'on renonce à un fonctionnement stationnaire de la source de rayonnement, on peut obtenir, pendant un temps court, une augmentation, d'un ordre de grandeur assez important, de la puissance mise en jeu, du fait que la transformation en rayonnement de la puissance fournie s'effectue beaucoup plus rapidement que sa transmission aux parois et, s'il y en a, aux électrodes de la cavité de décharge.Cependant, même avec ce mode de fonctionnement, à coté des charges mécaniques dues aux ondes de choc qui, cependant, n'ont une action suffisante que dans des cas défavorables, la vaporisation et l'érosion des matériaux qui forment les parois et les électrodes constituent, lorsque la source de rayonnement doit avoir une certaine durée de vie, un obstacle à la production de flux de rayonnement intense- Il y a lieu de remarquer à ce sujet que, dans le cas de sources ayant un fonctionnement stationnaire comme dans le cas de sources ayant un fonctionnement par impulsions, au-dessus d'un niveau de puissance qui dépend du type adopté et qui, dans les applications techniques, est pratiquement atteint partout, toute augmentation supplémentaire de la puissance de rayonnement s'obtient aux dépens de la diminution de la durée de vie. Cependant, ces sources de rayonnement de courte durée sont inutilisables pour beaucoup d'applications, car elles augmentent d'une manière inadmissible les frais d'entretien des appareils auxquels elles sont incorporées, du fait que le remplacement d'une lampe entrains généralement un réglage compliqué et de longues opérations d'adaptation du système optique de transmission au flux de rayonnement spécifique de la lampe en question. On peut, entre certaines limites, augmenter la puissance de rayonnement tout en conservant la charge totale de 1 'éner- gie électrique investie dans le rayonnement, pour la longueur d'onde voulue et la largeur d'étalement préférée. On peut y parvenir en donnant au milieu actif une composition optimale et en réalisant des conditions de pression et de température optimales pour le plasma lors de la production du rayonnement. Il y a lieu cependant de tenir compte de limitationsqui découlent de l'incompatibilité existant, à la température de fonctionnement, entre différents milieux actifs et les matériaux qui constituent les électrodes et les parois, de sorte que, compte tenu de la durée de résistance de ces matériaux, les conditions de décharge doivent être choisies souvent de telle manière qu'elles s'écartent sensiblement des valeurs optimales.D'autres limitations résultent, dans le cas d'un fonctionnement non stationnaire, du fait que la source de rayonnement doit remplir en même temps les fonctions de commutateur électrique à grande puissance et de transformateur d'énergie électrique en rayonnement. Dans ce cas également, le jeu pour l'optimisation de la production d'un rayonnement efficace se trouve limité, car la sécurité de l'allumage et de la commutation est liée à certains états du plasma. Dans le cas du fonctionnement stationnaire comme dans le cas du fonctionnement par impulsions, il y a, dans les appareils de rayonnement à électrodes, des angles solides morts dans lesquels le rayonnement ne peut pas être utilisé bien que l'insertion d'élémentsoptiques convenables, comme, par exemple, des réflecteurs ellip soldaux et/ou des fibres conductrices de la lumière, permette théoriquement d'utiliser également les zones formées par ces angles et, de ce fait, de fournir au système optique le maximum d'énergie de rayonnement.Pour l'éclairement des systèmes optiques utilisés dans les micro-installations de photolithographie, on utilise également, comme sources de rayonnement, des lasers (SPIE Vol. 174 (1979) p. 28 ... 36 "Un éclairage cohérent améliore l'impression "graduelle et répétée" sur les galettes" par Michel Lacombat et autres). Les principales limitations de ces sources lumineuses résultent de leur grande cohérence spatiale et des distorsions de structure qui en résultent, de leur forte monochromie et des effets d'ondes stationnaires qui en résultent dans les matériels sensibles à la lumière. De plus, en général, dans les zones du spectre avantageuses, il n'y a pas de laser ayant une grande puissance de rayonnement ou un rendement d'efficacité favorable.L'utilisation de lasers "excimer", qui émettent l'énergie nécessaire dans le domaine de longueurs d'ondes voulu (domaine ultraviolet), se limite à des procédés de lithographie par contact (SPIE Vol. 334 (1982) p 259 ... 262 "Lithographie par contact à forte résolution ultrarapide au moyen de laser excimer" par K. Jain et autres), car la cohérence partielle spatiale nécessaire à l'éclairement des systèmes de lithographie par projection ne peut pas être réalisée à un degré tel que son utilisation technique se justifie. Le but de l'invention est la réalisation d'une source de rayonnement de grande puissance qui ait une longue durée de vie et permette l'inclusion d'une zone importante d'angles solides et un éclairement précis et rapide de zones photosensibles et qui, de ce fait, assure à des installations de photolithographie une grande productivité. L'invention doit donc permettre de réaliser une source de rayonnement pour appareils d'optique, notamment pour systèmes de reproduction photolithographiques, qui utilise le rayonnement d'un plasma. Par une séparation spatiale entre le plasma et la paroi ou d'autres installations associées à une cavité et sans utilisation d'électrodes montées dans la cavité ni de champs de haute fréquence pour la concentration spatiale de l'énergie, elle doit permettre d'obtenir une longue durée de vie et une densité de puissance élevée. De plus, il y a diminution des charges imposées à la cavité par les ondes de choc en cas de fonctionnement par impulsions de la source de rayonnement et il n'y a pas de zones d'angles solides morts dues à des électrodes ou à d'autres instal lations montées dans la cavité. La source de rayonnement suivant l'invention doit comporter un jeu large pour l'optimation de la production du rayonnement dans le domaine de longueurs d'onde voulu, car le choix des milieux actifs et des conditions de pression et de température doit se faire indépendamment de la compatibilité avec les matériaux constituant les électrodes.En ce qui concerne le rayonnement laser, la source de rayonnement présente l'avantage que, notamment dans le cas des systèmes de reproduction photolithographiques, elle présente une cohésion partielle spatiale notable et que sa structure spectrale est telle que les effets d'ondes stationnaires dans le matériel photosensible sont atténués. Ce but est atteint, suivant l'invention,du fait qu'une enceinte étanche aux gaz remplie par un milieu de décharge comporte au moins une ouverture d'entrée laissant passer un rayonnement laser et au moins une ouverture de sortie laissant passer un rayonnement de plasma et que la production et le maintien d'un plasma émettant un rayonnement dans le milieu de décharge sont assurés, d'une manière connue, par un laser au moins situé à l'extérieur de l'enceinte, des moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser dans le milieu de décharge étant montés au niveau d'une ouverture d'entrée, de sorte que le plasma se trouve à une certaine distance de la paroi de l'enceinte et que le rayonnement de plasma sort de l'enceinte par l'ouverture de sortie. Lorsque la puissance de rayonnement d'un laser telle qu'elle est fournie n'est pas suffisante pour une décharge dans le milieu de décharge, il est avantageux que l'appareil comporte, pour l'allumage du milieu de décharge, à l'extérieur de l'enceinte, au moins un autre laser fonctionnant par impulsions qui est dirigé par des moyens optiques pour assurer la focalisation, au niveau d'une ouverture d'entrée, du même volume. Une variante avantageuse,en ce qui concerne le changement de position du plasma émettant le rayonnement, consiste à placer les moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser à l'extérieur de l'enceinte. On peut alors disposer avantageusement des installations permettant le réglage des moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser. On peut simplifier avantageusement la réalisation de la source de rayonnement en plaçant les moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser à l'intérieur et/ou à la surface de l'enceinte. Dans ces conditions, la paroi intérieure de 1 'enceinte constitue un moyen optique assurant la focalisation du rayonnement provenant de l'extérieur. Pour inclure une zone d'angles solides morts aussi grande que possible, il est avantageux de donner à la paroi intérieure de l'enceinte une forme telle qu'elle constitue un moyen optique assurant la réflexion du rayonnement provenant du plasma. Il est alors avantageux que la paroi intérieure de l'enceinte ait la forme d'un miroir convexe ou d'un miroir ellipsoldal. Il est avantageux, pour obtenir de fortes densités de puissance et pour augmenter la durée de vie, de munir l'enceinte d'un système de refroidissement extérieur. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig. 1 représente schématiquement un mode de réalisation de la source de rayonnement suivant l'invention. La fig. 2 représente un exemple de réalisation dans lequel la paroi intérieure de l'enceinte a une forme telle qu'elle constitue un élément optique. Les fig. 3 et 4 représentent des modes de réalisa tion dans lesquels l'enceinte de décharge a la forme d'un réflecteur ellipsoidal. La fig. 1 représente schématiquement un mode de réalisation de la source de rayonnement suivant l'invention dans lequel une enceinte 1 étanche aux gaz contient le milieu de décharge 2. L'enceinte 1 comporte deux ouvertures d'entrée 3 et 4 permettant le passage du rayonnement laser et une ouverture de sortie 5 permettant le passage de rayonnement du plasma. L'ouverture d'entrée 3 est fermée par la fenêtre 6 qui laisse passer l'infrarouge et l'ouverture d'entrée 4 est fermée par la lentille 7 qui laisse passer l'ultraviolet. L'ouverture de sortie 5 est munie d'une fenêtre 8. A l'extérieur de l'enceinte 1, le dispositif comporte deux lasers 9 et 10. Le rayonnement cohérent 11 du laser 9, qui est un laser stationnaire au gaz carbonique CO2, pénètre par la fenêtre 6 dans l'enceinte 1 et est focalisé par le miroir concave 12 monté sur la paroi de l'enceinte. Le rayonnement 13 du laser 10, qui est un laser à impulsions a'l'azote, est focalisé au même point par la lentille 7 qui laisse passer l'ultraviolet et produit en ce point une décharge électrique et, par conséquent, un plasma 14 capable d'absorption, qui, sous l'influence du rayonnement 11, est chauffé à haute température. La fenêtre 8 permet l'envoi du rayonnement 15 du plasma au système optique placé à la suite. Lorsque la source de rayonnement fonctionne par - impulsions, le laser continu 9 est remplacé par un laser au gaz carbonique CO2 à impulsions. On peut alors en général renoncer au laser à impulsions 10, car l'intensité du champ d'un laser au gaz carbonique CO2 à impulsions suffit dans beaucoup de cas à provoquer la décharge. Un dispositif de ce type permet d'obtenir, par exemple, dans un milieu actif constitué par une atmosphère d'argon ou de xénon sous une pression de 106 Pa, jusqu'à une tempé rature de 16 0000K, des plasmas à peu près ellipsoldaux de 4 à 5 mm de diamètre. La profondeur optique et la température peuvent être modifiées dans un vaste domaine en modifiant la pression. Lorsque la pression augmente, la température s'abaisse et la répartition spectrale se rapproche de la fonction de Planck.Lorsque la pression diminue, la température s'élève et l'émission devient linéaire. On peut atteindre des températures très supérieures à 20 0000K en utilisant comme milieu actif de l'hélium qui, dans les sources lumineuses à impulsions habituelles fonctionnant électriquement, ne peut plus être utilisé pratiquement en raison de la forte usure des électrodes. Dans ces conditions, la densité de rayonnement et sa répartition spectrale peuvent être modifiées dans un domaine beaucoup plus étendu que dans le cas des sources de rayonnement habituelles. La fig. 2 représente un exemple de réalisation dans lequel la paroi intérieure de l'enceinte constitue, par sa forme, un élément optique. Une enveloppe 16, le miroir concave 17 et la fenêtre de quartz 18 constituent l'enceinte étanche aux gaz contenant le milieu de décharge 19. Le rayonnement cohérent 20 d'un laser à gaz carbonique CO2 à impulsions 21 est focalisé par la lentille 22 qui laisse passer l'infrarouge et pénètre dans l'enceinte par la fenêtre 23 qui laisse passer l'infrarouge. Le laser à impulsions 21 est monté de manière à pouvoir être déplacé dans le sens des X, 24,et dans le sens des Y, 25, et la lentille pour infrarouge 22 peut être déplacée dans le sens des X, 24, dans le sens des Y, 25, et dans le sens des Z, 26. De ce fait, la position du foyer, qui correspond à la position du plasma 27, peut être réglée par rapport à l'axe optique 28. Le rayonnement du plasma 27 est envoyé directement, et au moyen du miroir concave 17, à travers la fenêtre de quartz 18, à la lentille de condenseur 29 du système optique placé à la suite. L'enceinte étanche aux gaz est entourée par un récipient 30. L'espace libre 31 qu'ils délimitent est parcouru par un milieu réfrigérant 32 qui pénètre, par la tubulure 33,et sort par la tubulure 34 et évacue la chaleur produite par le rayonnement du laser à impulsions 21 et du plasma 27. On peut supprimer la fenêtre de quartz 18 si l'on installe à sa place la lentille de condenseur 29. Les fig. 3 et 4 représentent des modes de réalisation dans lesquels les enceintes de décharge 35 et 36 sont constituées par des réflecteurs ellipsoidaux. Le rayonnement 37 du laser à gaz carbonique (CO2) 38 est focalisé par les éléments de focalisation, un miroir concave 39 ou une lentille 40 laissant passer l'infrarouge, sur les foyers 41 et 42 de l'ellipsoide formé par les couches réfléchissantes du miroir ellipsoidal 43 et 44. La lumière émise par le plasma produisant un rayonnement est concentrée par le miroir ellipsoidal au deuxième foyer 45 ou 46 de l'ellipsoide. Le plasma formé au niveau de ces foyers 45, 46 sert de source de rayonnement secondaire pour le système optique situé à la suite et commençant au niveau des lentilles de condenseur 47, 48. REVENDICATIONS 1 - Source de rayonnement pour appareils d'optique, notamment pour systèmes de reproduction photolithographique, caractérisée en ce qu'une enceinte (1) étanche aux gaz remplie par un milieu de décharge (2) comporte au moins une ouverture d'entrée (3 et 4) laissant passer un rayonnement laser et au moins une ouverture de sortie (5) laissant passer un rayonnement de plasma et en ce que la production et l'entretien d'un plasma émettant un rayonnement dans le milieu de décharge sont assurés, d'une manière connue, par au moins un laser situé à l'extérieur de l'enceinte (1), des moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser dans le milieu de décharge étant montés au niveau d'une ouverture d'entrée, de sorte que le plasma se trouve à une certaine distance de la paroi de l'enceinte (1) et que le rayonnement du plasma sort de l'enceinte par l'ouverture de sortie (5). 2 - Source de rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'allumage du milieu de décharge est assuré à l'extérieur de l'enceinte (1) par au moins un autre laser (10) fonctionnant à impulsions qui est dirigé par des moyens optiques (7) pour sa focalisation, après passage dans une ouverture d'entrée (4), sur le même volume. 3 - Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens optiques (22) assurant la focalisation du rayonnement laser (21) sont situés en dehors de l'enceinte (19). 4 - Source de rayonnement selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'appareil comporte des dispositifs de réglage des moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser. 5 - Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que des moyens optiques assurant la focalisation du rayonnement laser sont placés à l'intérieur et/ou sur la paroi de l'enceinte. 6 - Source de rayonnement selon la revendication 5, caractérisée en ce que la paroi intérieure de l'enceinte a une forme telle qu'elle constitue un moyen optique assurant la focalisation du rayonnement laser venant de l'extérieur. 7 - Source de rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi intérieure de l'enceinte a une forme telle qu'elle constitue un moyen optique assurant la réflexion du rayonnement émis par le plasma. 8 - Source de rayonnement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la paroi intérieure de l'enceinte a partiellement la forme d'un miroir concave ou d'un miroir ellipsoldal (43, 44). 9 - Source de rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte est munie d'un système de refroidissement extérieur (31, 32, 33, 34).