Устройство получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 11,2 нм ±1% для проекционной литографии высокого разрешения
DEVICE FOR RECEIVING DIRECTIONAL EXTREME ULTRAVIOLET RADIATION WITH WAVELENGTH OF 11,2 nm ±1% FOR HIGH-RESOLUTION PROJECTIVE LITHOGRAPHY

Предлагаемое изобретение относится к устройствам получения направленного мягкого рентгеновского, или, что то же самое, экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 11,2 нм ±1% для проекционной литографии высокого разрешения.
В проекционной литографии высокого разрешения обычно применяют устройства получения экстремального ультрафиолетового излучения на основе «точечных» источников с длиной волны 13,5 нм ±1%. В последнее время активно обсуждается возможность использования в проекционной литографии высокого разрешения более коротких длин волн 11.2 нм и 6.7 нм, которые могут обеспечить уменьшение размеров элементов в микроэлектронике. При этом во всех трех диапазонах разработаны достаточно эффективные системы формирования направленного экстремального ультрафиолетового излучения на основе многослойных брегговских зеркал нормального падения (многослойные зеркала Mo/Si отражают 73% излучения в диапазоне 13.5 нм ±1% [D. Glushkov, V.Y. Banine, L.A. Sjmaenok, N.N. Salashchenko, and N.I. Chkhalo, Multilayer mirror and lithographic apparatus, WO 10091907 A1. 19.08.2010], Ru/Be зеркала отражают 78% излучения в диапазоне 11.2 нм ±1% [D. Glushkov, V.Y. Banine, L.A. Sjmaenok, N.N. Salashchenko, and N.I. Chkhalo, Multilayer mirror and lithographic apparatus, WO 10091907 A1. 19.08.2010], зеркала La/B - 60% для излучения 6.7 нм [N.I. Chkhalo, S. , V.N. Polkovnikov, N.N. Salashchenko, F. , S.D. Starikov. Appl. Phys. Lett. 2013. V. 1020. P. 011602, Takamitsu Otsuka; Bowen Li; Colm O'Gorman; Thomas Cummins; Deirdre Kilbane; Takeshi Higashiguchi; Noboru Yugami; Weihua Jiang; Akira Endo; Padraig Dunne; Gerard O'Sullivan. Proc. SPIE 8322, Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography III, 832214 (March 29, 2012)]), обеспечивающие фильтрацию и формирование экстремального ультрафиолетового излучения в виде параллельного или сходящегося в промежуточный фокус пучка с малым угловым разбросом лучей, определяемым размером упомянутого «точечного» источника.
Например, для получения экстремального ультрафиолетового излучения на основе «точечного» источника с длиной волны 13,5 нм ±1% предлагается использовать плазму, содержащую многозарядные ионы олова, линии излучения которых лежат в необходимом диапазоне экстремального ультрафиолетового излучения (более ста линий излучения ионов олова с зарядом от +6 до +11 попадают в диапазон длин волн 13.5 нм ±1%). Для создания и поддержания такой плазмы используют различного типа разряды, создаваемые мощными лазерами, различными типами пинчей и т.д. (см., например, EUV Sources for Lithography. Vivek Bakshi. SPIE. 2006; Lithography. Edited by Michael Wang. InTech. 2010; патент RU 2365068 МПК H05G 2/00 (2006.01) публ. 20.08.2009; патент RU 2278483 МПК H05G 2/00 (2006.01) публ. 20.06.2006, пат. США US 6973164 МПК G21K 5/00, H05G 2/00 публ. 06.12.2005).
2
6
Наиболее эффективным из известных является устройство получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения для проекционной литографии высокого разрешения, в которое для генерации экстремального ультрафиолетового излучения (длина волны 13,5 нм ±1%) включен работающий в импульсном режиме СО лазер, излучение которого при низких давлениях остаточного газа в вакуумной камере фокусируется системой зеркал на капли олова с размерами меньше 1 мм, сформированными специальной системой подготовки рабочего вещества (пат. США US 7067832 МПК H05G 2/00, G01J 1/00 (2006.01) «Extreme Ultraviolet Light Source», публ. 27.06.2006). Момент влета очередной капли в фокус синхронизован с моментом включения короткого лазерного импульса. Параметры взаимодействия (интенсивность и длительность импульса излучения, размеры капель) подобраны так, чтобы образовалось облако многократно ионизованной плазмы, причем кратность ионизации была оптимальной для генерации экстремального ультрафиолетового излучения в заданном диапазоне. В результате получают «точечный», с характерными размерами 50-100 мкм, быстро (со скоростью 10 см/с) расширяющийся источник экстремального ультрафиолетового излучения. Для эффективного формирования направленного экстремального ультрафиолетового излучения использовано многослойное рентгеновское зеркало нормального падения. Существенным недостатком такого устройства является необходимость использования импульсно-периодического режима работы, что вынуждает применять сложные дорогостоящие источники питания и вызывает технологические проблемы, связанные с импульсно-периодическими нагрузками на элементы конструкции. Эти недостатки обусловлены самим принципом его действия и представляются основными препятствиями на пути широкого использования устройства.
Отметим, что наиболее перспективным представляется использование Ru/Be зеркал, отражающих 78% излучения в диапазоне 11.2 нм ±1%, что обеспечивает существенное увеличение эффективности в многозеркальных рентгено-оптических системах современных литографов.
16
17
-3
В качестве прототипа выбрано устройство получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 11.2 нм ±1%, описанное в работе [M.Yu. Glyavin, S.V. Golubev, I.V. Izotov, A.G. Litvak, A.G. Luchinin, S.V. Razin, A.V. Sidorov, V.A. Skalyga, and A.V. Vodopyanov. A point-like source of extreme ultraviolet radiation based on a discharge in a non-uniform gas flow, sustained by powerful gyrotron radiation of terahertz frequency band. // Applied Physics Letters, v. 105, p. 174101-1 - 174101-4, 2014; doi: 10.1063/1.4900751]. В этой работе предложен новый тип устройства получения экстремального ультрафиолетового излучения для проекционной литографии высокого разрешения, содержащего гиротрон, генерирующий квазиоптический пучок электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот в непрерывном режиме работы, систему ввода терагерцевого излучения в вакуумную камеру, внутри которой расположена система квазиоптических зеркала, фокусирующая упомянутый квазиоптический пучок электромагнитного излучения в ограниченную область максимальной плотности неоднородного расширяющегося потока рабочего вещества ксенона, создаваемого системой газонапуска при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона в вакуум через сопло системы газонапуска, с характерным поперечным размером меньше миллиметра, расположенную в фокусе рентгеновского зеркала нормального падения, формирующего направленное экстремальное ультрафиолетовое излучение с длиной волны 11,2 нм ±1% от возникающего в совмещенных фокусах системы квазиоптических зеркала и рентгеновского зеркала нормального падения разряда ограниченного размера, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения. Отметим, что возможность создания такого устройства возникла сравнительно недавно благодаря прогрессу в создании мощных (на уровне сотен киловатт) гиротронов терагерцевого диапазона частот [В.Л Братман, А.Г. Литвак, Е.В. Суворов, УФН, 181, 867-874, 2011]. Использование терагерцевого излучения гиротрона, работающего в непрерывном режиме, позволяет создавать стационарно существующий разряд ограниченного размера («точечный» источник) с уникальными параметрами сильнонеравновесной плазмы: плотностью плазмы ~10-10 см и температурой электронов на уровне 100 эВ, оптимальной для многократной ионизации и возбуждения ионов; в такой плазме образуются ионы с необходимым зарядом, происходит их возбуждение и высвечивание в диапазоне экстремального ультрафиолетового излучения. Размеры разряда, определяемые размерами сопла и перепадом давлений в источнике газа и вакуумной камере, можно обеспечить меньше 1 мм.
-2
Недостатком прототипа является проблема с отводом энергии, попавшей из плазмы стационарно существующего разряда ограниченного размера, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения, на сопло: при работе в непрерывном режиме «точечный» источник, излучающий экстремальное ультрафиолетовое излучение заметной интенсивности, располагается в непосредственной близости от среза сопла, и плотность потока энергии, поглощенной поверхностью сопла, может достигать больших величин, до 100 кВт/см, что существенно уменьшает ресурс работы описанного устройства и может привести к его разрушению.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является повышение ресурса работы устройства получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения для проекционной литографии высокого разрешения с длиной волны 11.2 нм ±1%.
19
-3
Технический эффект достигается тем, что устройство получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 11,2 нм ±1% для проекционной литографии высокого разрешения содержит гиротрон, генерирующий квазиоптический пучок электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот в непрерывном режиме работы, систему ввода электромагнитного излучения терагерцевого диапазона в вакуумную камеру, внутри которой расположена система квазиоптических зеркал, фокусирующая упомянутый квазиоптический пучок электромагнитного излучения терагерцевого диапазона в ограниченную область неоднородного расширяющегося потока рабочего вещества ксенона с требуемой высокой плотностью порядка 10 см, создаваемого системой газонапуска при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона в вакуум через сопло системы газонапуска, с характерным поперечным размером меньше миллиметра, расположенную в фокусе многослойного рентгеновского зеркала нормального падения, формирующего направленное экстремальное ультрафиолетовое излучение с длиной волны 11,2 нм ±1% от возникающего в совмещенных фокусах системы квазиоптических зеркал и многослойного рентгеновского зеркала нормального падения разряда ограниченного размера, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения.
Новым в случае реализации изобретения по п. 1 формулы, является то, что система газонапуска выполнена с возможностью смешения двух газов, отличающихся по массе: рабочего вещества ксенона и легкого газа.
Новым в случае реализации изобретения по п. 2 формулы, является то, что система газонапуска встроена в блок охлаждения и редуцирования газа, создающий при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона узконаправленный поток атомов и кластеров рабочего вещества ксенона с размером 10-1000 ангстрем.
Новым в частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы, является то, что в систему газонапуска встроены лимитер, представляющий собой преграду с отверстием, расположенную на оси сопла системы газонапуска на некотором расстоянии от него и пропускающую узконаправленный поток атомов и кластеров рабочего вещества ксенона, и система дифференциальной откачки, удаляющая неиспользованную часть потока рабочего вещества ксенона.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для случая реализации изобретения по п. 1 формулы.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства для случая реализации изобретения по п. 2 формулы.
На фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства для частного случая реализации изобретения по п. 3 формулы.
В общем случае предлагаемое устройство содержит гиротрон 1, генерирующий квазиоптический пучок электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона частот в непрерывном режиме работы, систему ввода 3 электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона в вакуумную камеру 4, внутри которой расположена система квазиоптических зеркал 5, фокусирующая упомянутый квазиоптический пучок электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона в ограниченную область максимальной плотности неоднородного расширяющегося потока рабочего вещества ксенона 6, создаваемого системой газонапуска 7 при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона 6 в вакуум через сопло 8 системы газонапуска 7, с характерным поперечным размером меньше миллиметра, расположенную в фокусе рентгеновского зеркала нормального падения 9, формирующего направленное экстремальное ультрафиолетовое излучение 10 с длиной волны 11,2 нм ±1% от возникающего в совмещенных фокусах обоих зеркал разряда ограниченного размера 11, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения.
В случае реализации изобретения по п. 1 формулы (см. фиг. 1) система газонапуска 7 выполнена с возможностью смешения двух газов, отличающихся по массе: рабочего вещества ксенона 6 и легкого газа.
В случае реализации изобретения по п. 2 формулы (см. фиг. 2) систему газонапуска 7 встроен блок охлаждения и редуцирования газа 12, создающий при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона 6 узконаправленный поток атомов и кластеров рабочего вещества ксенона 6 с размером 10-1000 ангстрем.
В частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы (см. фиг. 3) в систему газонапуска дополнительно встроены лимитер 13, представляющий собой преграду с отверстием, расположенную на оси сопла 8 системы газонапуска 7 на некотором расстоянии от него и пропускающую узконаправленный поток атомов и кластеров рабочего вещества ксенона 6, и система дифференциальной откачки 14, удаляющая неиспользованную часть потока рабочего вещества ксенона 6.
Предлагаемое устройство осуществляет работу следующим образом.
19
-3
Гиротрон 1 в непрерывном режиме генерирует квазиоптический пучок электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона частот, который заводится в вакуумную камеру 4 через систему ввода 3 и фокусируется с помощью расположенной внутри вакуумной камеры 4 системы квазиоптических зеркал 5. Одновременно в фокусе системы квазиоптических зеркал 5 формируется ограниченная область неоднородного расширяющегося потока рабочего вещества ксенона 6 с требуемой высокой плотностью порядка 10 см, создаваемого системой газонапуска 7 при сверхзвуковом истечении рабочего вещества ксенона 6 в вакуум через сопло 8 системы газонапуска 7, с характерным поперечным размером меньше миллиметра.
9
-3
6
16
17
-3
При высокой плотности плазмы в разряде ограниченного размера 11 и достаточной для ионизации и возбуждения температуре электронов (~100 эВ) тяжелые атомы рабочего вещества ксенона 6 могут быть многократно ионизованы. Если возникающие ионы не обладают достаточным зарядом, линии их излучения лежат в оптическом диапазоне, поэтому параметры плазмы необходимо создать такие, чтобы образовывались многозарядные ионы, линии излучения которых лежат в нужной спектральной области вакуумного ультрафиолета, и основной вынос энергии из разряда ограниченного размера 11 происходил за счет радиационных потерь. Такой режим возможен при образовании достаточно высокого заряда ионов, поскольку радиационные потери растут при увеличении степени ионизации. Степень ионизации определяется параметром удержания nT (n - плотность плазмы, Т - время пролета области разряда ограниченного размера 11, определяемое направленной скоростью движения ионов Т=L/ν), который требуется поддерживать на достаточно высоком уровне (см., например, Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. Institute of Physics. Bristol. 1996], для необходимой многократной ионизации ионов достаточно, чтобы nT>10 см с. В приведенных условиях в разряде ограниченного размера 11 (~1 мм) и скорости потока ионов в разряде ограниченного размера 11 до 10 см/с это можно обеспечить при плотности плазмы в разряде ограниченного размера 11 на уровне 10-10 см. Отметим, что в этих условиях можно рассчитывать на эффективное поглощение (более 50%) энергии терагерцевого излучения в области плазменного резонанса, что обеспечивает, как уже отмечалось, образование (на ионизацию тратится только небольшая часть энергии излучения - на уровне сотен ватт) и эффективное возбуждение многозарядных ионов с их последующим высвечиванием в диапазоне экстремального ультрафиолетового излучения.
В результате в сформированной ограниченной области неоднородного расширяющегося потока рабочего вещества ксенона 6 возникает разряд ограниченного размера 11 (менее 1 мм, так называемый «точечный» источник), который поддерживается постоянно непрерывной доставкой рабочего вещества ксенона 6 и работой гиротрона 1 в непрерывном режиме.
В свою очередь, возникший разряд ограниченного размера 11 располагают в фокусе многослойного рентгеновского зеркала нормального падения 9, которое отфильтровывает и формирует (отражает с малым угловым разбросом) направленное экстремальное ультрафиолетовое излучение 10 с длиной волны 11,2 нм ±1%.
16
17
-3
19
-3
В отличие от прототипа, в котором условия для поддержания и разряде ограниченного размера 11 под действием сфокусированного квазиоптического пучка электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона выполняются только в непосредственной близости от сопла 8 системы газонапуска 7, где плотность рабочего вещества ксенона 6 достаточно велика (поперечные размеры и характерный масштаб уменьшения плотности сравнимы с размером отверстия в сопле 8 и могут быть сделаны меньше миллиметра), в предлагаемом устройстве создают благоприятные условия для поддержания разряда ограниченного размера 11 на возможно большем расстоянии от сопла 8, для чего обеспечивают доставку на это расстояние в область, где фокусируется квазиоптический пучок электромагнитного излучения 2 терагерцевого диапазона, необходимого для поддержания плазмы с высокой плотностью ~10-10 см количества рабочего вещества ксенона 6 с плотностью 10 см (большая часть подаваемого рабочего вещества ксенона 6 обтекает уже возникший разряд ограниченного размера 11 с многократно ионизованными ионами, поэтому плотность подаваемого рабочего вещества ксенона 6 должна значительно превосходить плотность плазмы в разряде ограниченного размера 11). Это позволяет существенно, пропорционально квадрату расстояния от сопла 8 до разряда ограниченного размера 11, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения, уменьшить плотность потока энергии на сопло 8, облегчить отвод попавшей на сопло 8 энергии и тем самым обеспечить повышение ресурса работы точечного источника экстремального ультрафиолетового излучения.
Для этого в случае реализации изобретения по п. 1 формулы (см. фиг. 1) система газонапуска 7 выполнена с возможностью смешения двух газов, отличающихся по массе: рабочего вещества ксенона 6 и легкого газа. В качестве легкого газа может выступать, например, гелий. При сверхзвуковом истечении такой смеси неоднородный расширяющийся поток рабочего вещества ксенона 6 оказывается окруженным потоком легкого газа, который, расширяясь сам, мешает расширению потока рабочего вещества ксенона 6, что и дает возможность обеспечить необходимую для требуемой многократной ионизации высокую плотность рабочего вещества ксенона 6 на некотором удалении от сопла 8.
Как показали эксперименты, в случае реализации изобретения по п. 1 формулы расстояние от разряда ограниченного размера 11, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения, до сопла 8 удается увеличить до 1-1,5 мм (примерно в 2 раза), что соответственно уменьшает плотность потока энергии на сопло 8 в 4 раза.
В случае реализации изобретения по п. 2 формулы (см. фиг. 2) для формирования потока рабочего вещества ксенона 6 в системе газонапуска 7 дополнительно используют блок охлаждения и редуцирования газа 12, позволяющий получать при сверхзвуковом истечении (газ при этом дополнительно охлаждается и конденсируется, образуя атомные конгломераты с размером 10-1000 ангстрем - атомные кластеры) узконаправленный поток атомов и кластеров рабочего вещества ксенона 6, при этом плотность рабочего вещества ксенона 6 спадает с расстоянием медленнее, чем в случае реализации изобретения по п. 1. Такой поток атомов и кластеров обеспечивает доставку рабочего вещества ксенона 6 в разряд ограниченных размеров 11 (менее 1 мм, размер определяется разбросом потока атомов и кластеров по углу), отнесенный на еще большее расстояние от сопла 8, чем в случае реализации изобретения по п. 1.
Как показали эксперименты, в случае реализации изобретения по п. 2 формулы расстояние от разряда ограниченного размера 11 до сопла 8 удается увеличить до 1 см (примерно в 5 раз), что соответственно уменьшает плотность потока энергии на сопло 8 в 25 раз.
В частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы (см. фиг. 3) дополнительно ограничивают поперечный размер узконаправленного потока атомов и кластеров рабочего вещества ксенона 6 с помощью встроенного в систему газонапуска лимитера 13, представляющего собой преграду с отверстием, расположенную на оси сопла 8 системы газонапуска 7 на некотором расстоянии от него. С помощью системы дифференциальной откачки 14, удаляют неиспользованную часть потока рабочего вещества ксенона 6, не прошедшую через отверстие лимитера 13 (удаляется в основном быстро расширяющаяся газообразная часть рабочего вещества ксенона 6). Атомы и кластеры, пролетевшие через отверстие лимитера 13, имеют меньший, определяющийся размером отверстия разброс по углам, что позволяет уменьшить поперечный размер разряда ограниченных размеров 11, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения, и соответственно улучшить качество выходного направленного экстремального ультрафиолетового излучения за счет уменьшения разброса по углам. Кроме того, поскольку в конструкции устройства по п. 3 формулы самой уязвимой частью становится лимитер 13, возникает необходимость как можно дальше отодвинуть разряд ограниченных размеров 11 уже от лимитера 13 (как, впрочем, и от остальных элементов системы газонапуска 7, включая и сопло 8).
Как показали эксперименты, в случае реализации изобретения по п. 3 формулы расстояние от разряда ограниченного размера 11, являющегося «точечным» источником экстремального ультрафиолетового излучения, до лимитера 13 удается сохранить на уровне 1 см, что соответственно уменьшает плотность потока энергии на лимитер 13 в 25 раз.
Таким образом, в предлагаемом изобретении, реализованном в соответствии с пп. 1, 2 и 3 формулы, удается значительно по сравнению с прототипом снизить тепловую нагрузку на наиболее близко расположенные к «точечному» источнику экстремального ультрафиолетового излучения элементы системы газонапуска, что существенно повышает ресурс работы устройства получения направленного экстремального ультрафиолетового излучения для проекционной литографии высокого разрешения с длиной волны 11.2 нм ±1%.