УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
DEVICE AND METHOD FOR EMISSION GENERATION FROM LASER PLASMA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к высокояркостному источнику излучения, преимущественно в области экстремального ультрафиолета (ЭУФ) на длине волны 13,5 нм и способу генерации излучения из высокотемпературной лазерной плазмы. Область применений включает метрологию, в том числе, актиническую, на рабочей длине волны литографического процесса, инспекцию литографических ЭУФ масок.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проекционная литография нового поколения для крупномасштабного производства интегральных схем (ИС) с размерами структур 10 нм и менее основана на использовании ЭУФ излучения, отвечающего диапазону 13,5+/-0,135 нм эффективного отражения многослойных Mo/Si зеркал. Контроль бездефектности ИС является одним из наиболее важных метрологических процессов современной нанолитографии. Тенденцией общего подхода в литографическом производстве является переход от анализа ИС, чрезмерно трудоемкого и затратного при крупномасштабном производстве, к анализу литографических масок, поскольку в случае появления дефектов маски они проецируются на кремниевую подложку с фоторезистом, способствуя возникновению дефектов печати микросхем. Маска в ЭУФ литографии представляет собой Mo/Si зеркало, поверх которого наносится топологический рисунок из материала, поглощающего излучение с длиной волны 13.5 нм. Наиболее эффективно процесс инспекции маски осуществлять с помощью ее сканирования актиническим излучением, то есть излучением, длина волны которого совпадает с рабочей длиной волны литографа (так называемая Actinic Inspection). Такое сканирование излучением с длиной волны 13,5 нм позволяет детектировать дефекты с разрешением лучше 10 нм.
13,5
2
-3
2
2
Таким образом, контроль бездефектности литографических масок в процессе их производства и в течение всего времени эксплуатации является одной из ключевых проблем ЭУФ литографии, при этом создание прибора для диагностики литографических масок и его ключевого элемента - высокояркостного актинического источника входит в приоритеты развития ЭУФ литографии. Для этих целей требуется создание относительно компактного и экономичного прибора на основе ЭУФ источника с высокой яркостью излучения B≥100 Вт/мм ср в спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм и малой величиной геометрического фактора или etendue G=S⋅Ω≤10 мм⋅ср, где S-площадь источника в мм, Ω - телесный угол вывода ЭУФ излучения в стерадианах.
2
Источники излучения для ЭУФ литографии используют лазерную Sn-плазму, генерируемую мощной лазерной системой, включающей СО лазеры. Такие источники имеют мощность ЭУФ излучения, превышающую на несколько порядков величины уровень мощности, необходимой для инспекции ЭУФ масок. Поэтому применение для контроля масок источников ЭУФ излучения, используемых в настоящее время в литографических системах, является неадекватным из-за излишней сложности и стоимости. В связи с этим необходимы другие подходы к созданию высокояркостных источников ЭУФ излучения для актинической инспекции ЭУФ масок.
2
В соответствии с одним из подходов, известном из патента US 7307375, опубликованного 12.11.2007, в высокояркостном источнике ЭУФ излучения используется импульсный индукционный разряд для создания безэлектродного Z-пинча в газе, в частности, в Хе. Устройство включает в себя систему импульсного питания, подключенную к витку первичной обмотки магнитного сердечника, который окружает часть зоны разряда. При этом Z-пинч образуется в изолирующей керамической SiC втулке с диаметром отверстия около 3 мм, что определяет ее достаточно сильную эрозию и требует частой периодической замены. Источник характеризуется простотой, компактностью и относительно невысокой стоимостью. Однако, размеры излучающей плазмы относительно велики, а максимально достигнутая яркость источника (~10 Вт/мм ср) ниже требуемой для ряда применений, в том числе, для инспекции литографических масок.
2
Этого недостатка в значительной степени лишены известные из патентной заявки US 20150076359, опубликованной 19.03.2015, устройство и способ для генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы. В варианте реализации изобретения материалом мишени служит ксенон, намораживаемый на поверхность охлаждаемого жидким азотом вращающегося цилиндра. ЭУФ излучение лазерной плазмы, собираемое коллекторным зеркалом, направляется в промежуточный фокус. Устройство и способ позволяют достичь малого размера плазмы, излучающей в ЭУФ диапазоне, большей яркости источника излучения (до 80 Вт/мм ср) при отсутствии загрязнений оптики.
К недостаткам можно отнести недостаточно высокую эффективность плазмообразующего материала мишени, дороговизну ксенона, требующую сложной системы его рециркуляции, необходимость высокой, >15 м/с, линейной скорости вращения охлаждаемого цилиндра для достижения высокой яркости источника и связанную с этим проблему достижения высокой стабильности источника, а также необходимость защиты коллекторного зеркала от воздействия потока тяжелых ионов из лазерной Хе-плазмы.
Из патента US 8344339, опубликованного 01.03.2012, известно устройство для генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы, включающее в себя вакуумную камеру, в которой размещены вращающийся на валу мишенный узел, представляющий собой твердотельный стержень из плазмообразующего материала, входное окно для лазерного пучка, фокусируемого в зону взаимодействия, из которой осуществляется вывод пучка ЭУФ излучения на оптический коллектор. Устройство и способ генерации ЭУФ излучения характеризуются тем, что в качестве материала мишени используется олово (Sn), как наиболее эффективное плазмообразующее вещество, а стержень, помимо вращения, совершает также возвратно-поступательные осевые перемещения. Однако указанные устройство и способ обладают рядом недостатков, к которым относятся невоспроизводимость профиля твердой поверхности мишени от импульса к импульсу при долговременной непрерывной работе устройства, что сказывается на стабильности выходных характеристик источника коротковолнового излучения, сложность конструкции, так как требуются сложные перемещения мишенного узла и его периодическая замена, а также высокий уровень потока загрязняющих частиц из зоны взаимодействия, что резко ограничивает возможности применения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к созданию высокояркостного источника излучения на основе лазерной плазмы преимущественно для ЭУФ метрологии, инспекции нано- и микроструктур, в том числе, для актинической инспекции масок в ЭУФ литографии, в котором обеспечивается сильное подавление потока загрязняющих частиц из мишенного узла.
Достижение целей изобретения возможно с помощью устройства для генерации коротковолнового излучения из лазерной плазмы, включающего в себя вакуумную камеру, в которой размещены вращающийся на валу мишенный узел, поставляющий плазмообразующий материал мишени в зону взаимодействия, входное окно для лазерного пучка, фокусируемого в зону взаимодействия, выходное окно вывода пучка коротковолнового излучения, и ввод газа.
Устройство характеризуется тем, что вращающийся мишенный узел выполнен с кольцевым желобом, имеющим относительно оси вращения дальнюю стенку и ближнюю стенку; плазмообразующим материалом мишени служит расплавленный металл, расположенный в кольцевом желобе, а мишенью является образуемый при воздействии центробежной силы слой расплавленного металла на внутренней поверхности дальней стенки кольцевого желоба, при этом ближняя стенка кольцевого желоба выполнена обеспечивающей прямую видимость между зоной взаимодействия, с одной стороны, и входным и выходным окнами, с другой стороны, по меньшей мере, в моменты лазерных импульсов.
В вариантах изобретения кольцевой желоб имеет расположенные по его окружности n пар отверстий, в каждой из пар первое отверстие предназначено для входа лазерного пучка в зону взаимодействия, а второе отверстие предназначено для выхода пучка коротковолнового излучения из зоны взаимодействия в моменты лазерных импульсов, следующих с частотой f, равной произведению частоты вращения мишенного узла ν на количество пар отверстий n:f=ν⋅n.
В этих вариантах изобретения предпочтительно введена система синхронизации лазерных импульсов с углом поворота кольцевого желоба, при которых обеспечивается прямая видимость между зоной взаимодействия и входным и выходным окнами.
В других вариантах изобретения ближняя стенка кольцевого желоба имеет прорезь по всему периметру желоба, обеспечивающую прямую видимость между зоной взаимодействия, с одной стороны, и входным и выходным окнами, с другой стороны.
В вариантах изобретения плазмообразующий материал мишени является одним из следующих металлов: Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, их сплавы.
Предпочтительно вращающийся мишенный узел снабжен нагревателем материала мишени.
Предпочтительно лазерный пучок, за исключением своей вершины, и пучок коротковолнового излучения, за исключением своей вершины, расположены вне плоскости вращения, проходящей через зону взаимодействия.
Предпочтительно лазерный пучок и пучок коротковолнового излучения расположены по одну сторону от плоскости вращения, проходящей через зону взаимодействия, а вектор нормали к поверхности кольцевого желоба в зоне взаимодействия расположен по другую сторону от указанной плоскости вращения.
В вариантах изобретения лазерный пучок и пучок коротковолнового излучения расположены по одну сторону от плоскости вращения, проходящей через зону взаимодействия, а вал расположен по другую сторону от указанной плоскости вращения.
Предпочтительно кольцевой желоб снабжен крышкой.
Предпочтительно ближняя стенка кольцевого желоба выполнена толстостенной, с толщиной в диапазоне от 5 до 20 мм.
Предпочтительно часть лазерного пучка в вакуумной камере между входным окном и ближней стенкой кольцевого желоба окружена первым кожухом, в котором осуществляют проток газа от входного окна к ближней стенке кольцевого желоба.
Предпочтительно часть пучка коротковолнового излучения в вакуумной камере между выходным окном и ближней стенкой кольцевого желоба окружена вторым кожухом, в котором осуществляют проток газа от выходного окна к ближней стенке кольцевого желоба.
Предпочтительно на внешней поверхности первого и второго кожухов размещены постоянные магниты.
В вариантах изобретения первый и второй кожух совмещены.
В вариантах изобретения входное и выходное окна оснащены нагревателями, обеспечивающими их высокоэффективную испарительную очистку от материала мишени.
В вариантах изобретения частота вращения мишенного узла ν находится в диапазоне от 20 до 500 Гц.
В предпочтительных вариантах изобретения
- лазерные импульсы следуют с частотой повторения f в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц,
10
12
2
- плотность мощности лазерного излучения на мишени находится в диапазоне от 10 до 10 Вт/см,
- длительность лазерных импульсов находится в диапазоне от 0.5 пс до 100 нс.
В другом аспекте изобретение относится к способу генерации коротковолнового излучения из лазерной плазмы, включающему облучение с высокой частотой повторения плазмообразующего материала мишени на поверхности вращающегося мишенного узла лазерным пучком, вводимым в зону взаимодействия через входное окно вакуумной камеры и вывод пучка коротковолнового излучения из зоны взаимодействия через выходное окно вакуумной камеры.
Способ характеризуется тем, что мишень формируют в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, и их сплавы, на внутренней поверхности дальней от оси вращения стенке кольцевого желоба, выполненного во вращающемся мишенном узле; кроме этого, при наличии магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, в кожухах, окружающих часть лазерного пучка и часть пучка коротковолнового излучения, осуществляют проток газа от входного окна и выходного окна к ближней стенке кольцевого желоба, обеспечивающей прямую видимость между зоной взаимодействия, с одной стороны, и входным и выходным окнами, с другой стороны, по меньшей мере, в моменты лазерных импульсов.
Предпочтительно осуществляют вращение мишенного узла с высокой, в диапазоне от 20 до 500 Гц, частотой, при этом синхронизируют моменты лазерных импульсов с углами поворота вращающегося мишенного узла, при которых обеспечивается прямая видимость между зоной взаимодействия и входным и выходным окнами через n пар отверстий в ближней стенке кольцевого желоба, где n - целое число в диапазоне от 10 до 100.
Техническим результатом изобретения является создание высокояркостного источника коротковолнового излучения с чрезвычайно низким уровнем загрязнений, обеспечивающим повышение его времени жизни и снижение затрат на эксплуатацию.
Вышеизложенные и другие цели, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более ясными из следующего неограничительного описания иллюстративных вариантов его осуществления, приведенных лишь в качестве примера со ссылкой на сопутствующие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Существо изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство и способ для генерации излучения из лазерной плазмы в соответствии с вариантами настоящего изобретения,
Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 показывают характерные спектры излучения лазерной плазмы для различных материалов мишени.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.
Данные чертежи не охватывает и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с примером осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1, устройство для генерации коротковолнового излучения из лазерной плазмы включает в себя вакуумную камеру 1, в которой размещены вращающийся на валу 2 мишенный узел 3, поставляющий плазмообразующий материал мишени 4 в зону взаимодействия 5, входное окно 6 для лазерного пучка 7, фокусируемого в зону взаимодействия 5, выходное окно 8 для вывода расходящегося пучка коротковолнового излучения 9 с вершиной в области взаимодействия 5, и ввод газа 10.
Вращающийся мишенный узел 3 выполнен с кольцевым желобом 11, имеющим относительно оси вращения 12 дальнюю стенку 13 и ближнюю стенку 14.
Плазмообразующим материалом мишени 4 служит расплавленный металл 15, расположенный в кольцевом желобе 11, а мишенью 4 является образуемый при воздействии центробежной силы слой расплавленного металла на внутренней поверхности 16 дальней стенки 13 кольцевого желоба 11.
Ближняя стенка 14 кольцевого желоба 11 выполнена обеспечивающей прямую видимость между зоной взаимодействия 5, с одной стороны, и входным и выходным окнами 6, 8, с другой стороны, по меньшей мере, в моменты лазерных импульсов.
Для этого ближняя стенка 14 кольцевого желоба может иметь либо первые и вторые отверстия 17, 18, как показано на Фиг 1, либо прорезь по всему ее периметру.
Мишенный узел 3 предпочтительно выполнен дискообразным, вместе с тем, он может иметь форму колеса, либо низкой многогранной призмы, либо иную форму.
При выполнении в предложенном виде устройство для генерации излучения из лазерной плазмы приобретает ряд следующих преимуществ:
- использование жидкофазной мишени, в отличие от аналогов с твердофазной мишенью, обеспечивает воспроизводимость поверхности мишени, что повышает стабильность выходных характеристик источника коротковолнового излучения от импульса к импульсу,
- достигается долговременная стабильность источника коротковолнового излучения за счет непрерывной циркуляции, обновления и пополнения материала мишени в зоне взаимодействия,
- использование лазерной плазмы металлов, в частности, олова (Sn) обеспечивает, как высокую яркость, так и высокую эффективность источника коротковолнового излучения, в частности, на рабочей длине ЭУФ литографии 13,5 нм,
- в отличие от аналогов, предложенная конструкция вращающегося мишенного узла резко ограничивает выход за его пределы загрязняющих частиц, обеспечивает чистоту источника коротковолнового излучения и минимальный расход материала мишени,
- упрощается конструкция устройства, снижается стоимость его эксплуатации.
В варианте изобретения, показанном на Фиг. 1, для обеспечения прямой видимости между зоной взаимодействия 5 и входным и выходным окнами 6, 8 ближняя стенка 14 кольцевого желоба имеет расположенные по его окружности n пар отверстий 17, 18, в каждой из n пар первое отверстие 17 предназначено для входа лазерного пучка 7 в зону взаимодействия 5, а второе отверстие 18 предназначено для выхода пучка коротковолнового излучения 9 из зоны взаимодействия 3 в моменты лазерных импульсов, следующих с частотой f, равной произведению частоты вращения мишенного узла ν на количество пар отверстий n:f=ν⋅n. Количество пар отверстий n может быть в диапазоне от нескольких десятков до сотни.
В этих вариантах изобретения достигается наиболее сильное подавление потока загрязняющих частиц, поскольку есть лишь одна пара небольших отверстий 17, 18, через которые из зоны взаимодействия возможен выход загрязняющих частиц в направлении входного и выходного окон 6, 8. Микрокапли материала мишени, все же попавшие в одно из отверстий 17, 18, движутся под углом к осям этих отверстий, так как за время пролета микрокапель до отверстий 17, 18 их оси смещаются относительно микрокапель на некоторый угол, пропорциональный скорости вращения мишенного узла. Поэтому с большой долей вероятности микрокапли попадают на вращающуюся стенку отверстия и выбрасываются обратно в кольцевой желоб 11 под действием центробежной силы.
В вариантах изобретения работа устройства может производиться при помощи системы синхронизации лазерных импульсов с углами поворота кольцевого желоба 11. Указанная система синхронизации (для упрощения не показана) может включать в себя вспомогательный непрерывный лазер, облучающий поверхность вращающегося мишенного узла с расположенными вдоль его окружности n радиальными рисками, каждая из которых расположена под одинаковым углом к оси одного из n первых отверстий 17. При этом фотодетектор регистрирует модулируемый рисками непрерывный сигнал отраженного излучения вспомогательного лазера и инициирует запуск основного импульсного лазера при углах поворота вращающегося кольцевого желоба 11, обеспечивающих прямую видимость между зоной взаимодействия 5 и входным и выходным окнами 6, 8 через первые и вторые отверстия 17, 18 в ближней стенке 14 кольцевого желоба.
Оси отверстий 17 и 18 могут быть расположены на одной поверхности вращения, либо на разных поверхностях вращения, как это показано на Фиг. 1. Форма первых и вторых отверстий 17, 18 в ближней стенке 14 кольцевого желоба 11 может быть цилиндрической, конусной, прямоугольной, щелевой, не ограничиваясь только этим.
Все первые и вторые отверстия могут быть совмещены. В этих вариантах изобретения для обеспечения прямой видимости между зоной взаимодействия 5 и входным и выходным окнами 6, 8 ближняя стенка 14 кольцевого желоба может иметь прорезь по всему периметру. При этом не требуется система синхронизации лазерных импульсов с углом поворота кольцевого желоба, возможна работа с менее высокой скоростью вращения мишенного узла 3, также упрощается функционирование устройства при предельно высоких частотах f повторения лазерных импульсов, вплоть до 10 МГц.
Движение плазмы, паров и частиц жидкого металла из зоны взаимодействия 5 происходит преимущественное в направлениях, близких к направлению вектора нормали к поверхности мишени 4 в зоне взаимодействия 5. При достаточно больших скоростях вращения поверхность мишени 4 параллельна оси вращения 12, и нормаль к ее поверхности лежит в плоскости вращения 19, проходящей через зону взаимодействия 5. В связи с этим, в предпочтительных вариантах изобретения лазерный пучок 7, за исключением своей вершины, и пучок коротковолнового излучения 9, за исключением своей вершины, расположены вне плоскости вращения 19, проходящей через зону взаимодействия 5. Это способствует глубокому подавлению потока загрязняющих частиц в направлении входного и выходного окон 6, 8.
Другое преимущественное направление выброса загрязняющих частиц из зоны взаимодействия 5 определяется следующим механизмом. Ударная волна, сформировавшаяся в мишени в процессе лазерного воздействия, после отражения от кольцевого желоба может генерировать выплеск микрокапель мишени преимущественно в направлении вдоль вектора нормали 20 к поверхности 16 кольцевого желоба в зоне взаимодействия 5. В связи с этим, в предпочтительных вариантах изобретения лазерный пучок 7 и пучок коротковолнового излучения расположены по одну сторону от плоскости вращения 19, проходящей через зону взаимодействия 5, а вектор нормали 20 к поверхности кольцевого желоба в зоне взаимодействия 5 расположен по другую сторону от указанной плоскости вращения 19.
В этих вариантах преимущественные направления потоков загрязняющих частиц существенно отличаются от направлений на входное и выходное окна 6, а ближняя стенка 14 кольцевого желоба служит высокоэффективным защитным экраном, предотвращающим выход потока загрязняющих частиц из мишенного узла 3.
Для подавления выхода загрязняющих частиц из мишенного узла 3 ближняя стенка 14 кольцевого желоба 11, имеющая отверстия 17, 18 либо прорезь по всему периметру, предпочтительно выполнена толстостенной, с толщиной в диапазоне от 5 до 20 мм. Это повышает вероятность осаждения загрязняющих частиц на поверхности отверстий или прорези и возврату материала мишени обратно в кольцевой желоб за счет центробежной силы.. С этой же целью ближняя стенка кольцевого желоба может иметь, по меньшей мере, одну кольцевую либо полость, либо проточку или может быть выполнена двойной, либо тройной. Все это повышает эффективность подавления потока загрязняющих частиц в направлении входного и выходного окон 6, 8.
Для того, чтобы предотвратить выход материала мишени из мишенного узла 3 в других направлениях кольцевой желоб 11 предпочтительно снабжен крышкой 21.
В предпочтительных вариантах изобретения для дополнительной защиты входного и выходного окон 6, 8 от загрязняющих частиц, к которым относятся плазма и пары материала мишени, часть сфокусированного лазерного пучка 7 окружена первым кожухом 22, в котором с помощью ввода газа 10 осуществляют проток газа от входного окна 6 к ближней стенке 14 кольцевого желоба 11.
Аналогичным образом часть пучка коротковолнового излучения 9 между выходным окном 6 и ближней стенкой 14 кольцевого желоба окружена вторым кожухом 23, в котором осуществляют проток газа от выходного окна 8 к ближней стенке 14 кольцевого желоба 11.
Выходное окно 8 вакуумной камеры предпочтительно включает в себя спектральный фильтр с относительно высокой прозрачностью в ЭУФ диапазоне. Вывод пучка коротковолнового излучения 9 может осуществляться на коллекторное зеркало 24, размещенное снаружи вакуумной камеры 1 в оптическом боксе 25, заполненном инертным газом или смесью газов с давлением, превышающим давление внутри вакуумной камеры. Это обеспечивает в кожухе 23 проток газа через щелевой зазор по периметру спектрального фильтра, служащего выходным окном 8, к ближней стенке 14 кольцевого желоба 11.
Потоки инертного газа или газов в кожухах 22, 23 препятствуют поступлению плазмы и паров материала мишени к входному и выходному окнам 6, 8, защищая их от загрязнений.
Для дополнительной защиты от потока ионов, вдоль кожухов 22, 23 предпочтительно размещены постоянные магниты 26, создающие магнитное поле, направленное предпочтительно поперек осей пучков излучения 7, 9 и препятствующие распространению плазмы материала мишени к входному и выходному окнам 6, 8.
В вариантах реализации изобретения в качестве дополнительного средства подавления потока загрязняющих частиц в первом и втором кожухах 22, 23 могут быть размещены фольговые ловушки, имеющие при высокой прозрачности развитую поверхность большой площади, на которой осаждаются загрязняющие частицы.
В вариантах изобретения первый и второй кожухи 22, 23 могут быть совмещены, то есть представлять собой единый кожух для защиты входного и выходного окон 6, 8.
Чтобы не создавать препятствий для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 и вывода пучка коротковолнового излучения 9 вал 2 может быть расположен только по одну сторону плоскости вращения 19, проходящей через зону взаимодействия 5. В соответствии с этим в предпочтительных вариантах изобретения лазерный пучок 7 и пучок коротковолнового излучения расположены по одну сторону от плоскости вращения 19, проходящей через зону взаимодействия 5, а вал 2 с электромотором 27 или приводом вращения иного типа расположен по другую сторону от указанной плоскости вращения 19, Фиг. 1.
В различных вариантах изобретения ось вращения 12 может быть вертикальна, либо может быть расположенной под углом к вертикали.
Вращение мишенного узла предпочтительно осуществляют с высокой, в диапазоне от 20 до 500 Гц, частотой, обеспечивающей:
- поверхность мишени, близкую к параллельной оси вращения;
- угол поворота мишенного узла достаточный для того, чтобы за время пролета капельной фракции загрязнений до ближней стенки с отверстиями 17, 18 их оси сместились на угол, исключающий бесстолкновительный пролет капель через эти отверстия;
- центробежную силу достаточную для того, чтобы попавшие в отверстия 17, 18 и осевшие, там капли с размерами ~100 мкм и менее возвращались в кольцевой желоб.
В вариантах реализации изобретения вращающийся мишенный узел 3 может быть снабжен системой нагрева 28 материала мишени. Для поддержания материала мишени в расплавленном виде во вращающемся мишенном узле 3 система нагрева 28 предпочтительно выполнена обеспечивающей безконтактный индукционный нагрев. Система нагрева 28 может быть выполнена с возможностью стабилизации температуры материала мишени в оптимальном диапазоне температур.
При использовании металлов, обладающих высоким давлением насыщенных паров при относительно невысоких температурах, например лития, как входное окно 6, так и выходное окно 8 могут быть оснащены нагревателями, обеспечивающими их высокоэффективную испарительную очистку от материала мишени при нагреве до температуры от 400 до 500 С достаточной, чтобы обеспечить скорость испарения лития существенно выше скорости его притока. Для упрощения на Фиг. 1 схематично показан только нагреватель 29 выходного окна 8, хотя испарительная очистка может быть использована и для входного окна 6.
10
12
2
Для получения высокотемпературной лазерной плазмы с высоким оптическим выходом в коротковолновом диапазоне спектра, от ультрафиолетового до мягкого рентгеновского диапазона, плотность мощности лазерного излучения на мишени предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 10 Вт/см, а длительность лазерных импульсов - в диапазоне от 100 нс до 0.5 пс.
Для генерации лазерного пучка может использоваться любой импульсный или модулированный лазер или лазерная система из нескольких лазеров. В вариантах реализации изобретения генератор лазерного пучка может включать в себя один или несколько твердотельных, либо газоразрядных лазеров. Средняя мощность лазерного излучения может быть на уровне ~1 кВт или менее с фокусировкой лазерного пучка в малое фокальное пятно на мишени, например, менее 100 мкм в диаметре.
Частота повторения лазерных импульсов f может быть в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц. В этом диапазоне более высокие частоты повторения лазерных импульсов f при меньшей выходной энергии лазера предпочтительнее для уменьшения потока загрязняющих частиц из зоны взаимодействия 5.
Частота вращения мишенного узла ν может быть в диапазоне от 20 до 500 оборотов в секунду.
В качестве входного окна 6 может быть установлен оптический элемент в виде линзы, фокусирующей лазерный пучок 7 на мишень 4 в зоне взаимодействия 5, Фиг. 1. В других вариантах изобретения фокусирующий оптический элемент может быть установлен отдельно от входного окна 6 снаружи вакуумной камеры 1, либо внутри нее для повышения остроты фокусировки лазерного пучка 7.
В соответствии с изобретением плазмообразующий материал мишени является одним из следующих металлов: Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, и их сплавы. Источники излучения на основе лазерной плазмы указанных легкоплавких металлов и сплавов являются наиболее эффективными в ЭУФ области спектра, в частности, на длине волны ЭУФ литографии 13,5 нм.
13,5
На Фиг. 2 показаны спектры 30, 31 и 32 излучения лазерной плазмы с использованием в качестве материала мишени соответственно Sn, эвтектического сплава Sn/In=52/48 и In, полученные при одинаковых условиях возбуждения. Видно, что при использовании этих материалов достигается одинаково высокая спектральная яркость в ЭУФ диапазоне. Использование олова или оловянного сплава предпочтительней для достижения высокой яркости на рабочей длине ЭУФ литографии 13,5 нм при высокой, до 5%, эффективности конверсии СЕ энергии лазерного излучения в ЭУФ излучение в спектральной полосе 13,5+/-0,135 нм. При этом использование эвтектического сплава Sn/In может быть предпочтительнее, поскольку температура его плавления 125°С существенно ниже температуры плавления 232°С чистого олова.
В качестве легкоплавкого материала мишени могут использоваться висмут и свинец и их сплавы, в частности, эвтектический сплав Bi/Pb=56,5/43,5 с температурой плавления 125°С. На Фиг. 3 показан спектр 33 лазерной плазмы эвтектического сплава Bi/Pb, имеющий максимальную интенсивность в ЭУФ диапазоне.
На Фиг. 4 показан спектр 34 излучения лазерной плазмы с использованием в качестве материала мишени Li. К преимуществам использования лития в качестве плазмообразующего материала мишени относятся:
13,5
- высокая, до 2,5%, эффективность конверсии СЕ,
- высокое давление насыщенного пара, обеспечивающего высокоэффективную испарительную очистку оптических элементов при их температуре 400-500°С,
- высокая эффективность испарительной очистки оптических элементов при их температуре 400-500°С,
- высокая спектральная чистота источника, снижающая радиационную нагрузку на ЭУФ оптику,
- малый атомный вес Li и малая энергия ионов, генерируемых Li-плазмой, что снижает возможность деградации оптических элементов, в частности, спектрального фильтра в результате ионной бомбардировки.
Более низкие температуры расплава, близкие к комнатной, могут быть получены при использовании в качестве материала мишени галлия (Ga) и его сплавов. На Фиг. 5 показаны спектры 35, 36 и 37 излучения лазерной плазмы соответственно сплавов Sn/Ga=8,5/91,5, Sn/Ga=25/75 и чистого Ga. Указанные материалы позволяют получать высокую яркость излучения в ЭУФ диапазоне при низких, в диапазоне от 20 до 30°С, температурах плавления, что упрощает устройство для генерации излучения из лазерной плазмы.
11
2
Спектры на Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 получены при использовании твердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны излучения 1064 нм, длительностью лазерного импульса 17 нс и плотностью мощности лазерного излучения на мишени 1,1⋅10 Вт/см.
В качестве примера характерные параметры устройства для генерации излучения из лазерной плазмы, выполненного в соответствии с настоящим изобретением для использования в системах инспекции ЭУФ масок, могут быть, не ограничиваясь только ими, следующими:
- тип лазера: твердотельный Nd:YAG лазер
- длина волны лазерного излучения λ - 1,064 мкм
- частота повторения импульсов 10-30 кГц
- энергия лазерного импульса 1-50 мДж/импульс
- линейная скорость перемещения мишени - до 150 м/с
- частота вращения мишенного узла - 200 Гц
13,5
- эффективность конверсии источника ЭУФ излучения, СЕ - до 3%
- пространственный угол вывода ЭУФ излучения - Ω=0,04 ср
13,5
2
- яркость пучка ЭУФ излучения, В - до 2 кВт/мм ср.
Способ генерации ЭУФ излучения из лазерной плазмы реализуют следующим образом.
-5
-8
Вакуумную камеру 1 предварительно откачивают системой безмасляной откачки до давления ниже 10-10 бар, устраняя остатки газовых компонент, такие как азот и углерод, способных взаимодействовать с материалом мишени.
В вакуумной камере 1 с помощью электромотора 27 либо другого привода производят равномерное вращение мишенного узла 3, закрепленного на валу 2 со стабилизированной осью вращения 12. Вращение мишенного узла 3, выполненного с кольцевым желобом 11, производят с частотой ν предпочтительно находящейся в диапазоне от 20 до 500 Гц.
Мишень 4 формируют на внутренней поверхности 16 дальней от оси вращения 12 стенке 13 кольцевого желоба 11 в виде слоя расплавленного металла, предпочтительно относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, и их сплавы. Предпочтительно поддерживают плазмообразующий материал мишени в расплавленном состоянии с помощью системы индукционного нагрева 28, выполненной с возможностью стабилизации температуры материала мишени в оптимальном диапазоне температур.
10
12
2
С частотой повторения, находящейся в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц, облучают плазмообразующий материал мишени на поверхности вращающегося мишенного узла 3 сфокусированным лазерным пучком 7, вводимым в зону взаимодействия 5 через входное окно 6 вакуумной камеры 1. Плотность мощности лазерного излучения на мишени предпочтительно обеспечивают в диапазоне от 10 до 10 Вт/см при длительности лазерных импульсов, находящейся в диапазоне от 0.5 пс до 100 нс.
Из плотной высокотемпературной лазерной плазмы, генерируемой в зоне взаимодействия 5, осуществляют вывод расходящегося пучка коротковолнового излучения 9 высокой яркости через выходное окно 8 вакуумной камеры.
В неподвижных кожухах 22, 23, окружающих часть лазерного пучка 7 и часть пучка коротковолнового излучения 9, с помощью вводов газа 10 непрерывно производят проток газа от входного окна 6 и выходного окна 8 к ближней стенке 14 кольцевого желоба. Потоком инертного газа или газов защищают входное и выходное окна 6, 8, от загрязнений, препятствуя продвижению к ним заряженных частиц и паров материала мишени, осаждаемых на стенках кожухов 22, 23 и/или на поверхностях фольговых ловушек, которые могут быть в них установлены. С помощью постоянных магнитов 26, расположенных вдоль кожухов 22, 23 на их наружной поверхности, создают магнитное поле, также способствующее осаждению заряженных частиц на поверхности кожухов 22, 23 и/или фольговых ловушек и служащее еще одним фактором защиты входного и выходного окон 6, 8.
Предпочтительно облучение мишени и вывод пучка коротковолнового излучения 9 осуществляют так, что направления осей лазерного пучка 7 и пучка коротковолнового излучения 9 существенно отличаются от преимущественных направлений потоков загрязняющих частиц, направленных вдоль вектора нормали к поверхности мишени 4 и вдоль вектора нормали 20 к поверхности 16 кольцевого желоба 11 в зоне взаимодействия 5.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения синхронизируют моменты лазерных импульсов с углами поворота вращающегося мишенного узла, при которых обеспечивается прямая видимость между зоной взаимодействия 5 и входным и выходным окнами 6, 8 через n пар первых и вторых отверстий 17, 18 в ближней стенке 14 кольцевого желоба, где n - целое число в диапазоне от 10 до 100.
В этих вариантах изобретения ближняя стенка 14 кольцевого желоба играет роль вращающейся ловушки, в которой микрокапли материала мишени, все же попавшие в одно из отверстий 17, 18, сталкиваются с вращающейся стенкой отверстия и выбрасываются затем обратно в кольцевой 11 желоб 11 под действием центробежной силы. Для повышения эффективности подавления потока загрязняющих частиц кольцевой желоб 11 снабжен крышкой 21, а ближняя стенка 14 желоба выполнена толстостенной, с толщиной в диапазоне от 5 до 20 мм, и может иметь, по меньшей мере, одну кольцевую либо полость, либо проточку. Все это способствует глубокому подавлению выхода загрязняющих частиц из мишенного узла 3.
При высокой, от 20 до 500 Гц, частоте ν вращения мишенного узла 3 обеспечивается, как эффективное подавление выхода загрязняющих частиц из мишенного узла, так и высокая яркость коротковолнового излучения, благодаря высокой частоте повторения лазерных импульсов f=ν⋅n.
За счет неизменной формы жидкометаллической мишени обеспечивается высокая стабильность энергии коротоковолнового излучения лазерной плазмы от импульса к импульсу.
В вариантах изобретения для обеспечения прямой видимости между зоной взаимодействия 5 и входным и выходным окнами 6, 8 ближняя стенка 14 кольцевого желоба имеет прорезь по всему периметру. Это позволяет упростить способ генерации излучения из лазерной плазмы, особенно при предельно высоких, более 50 кГц, частотах повторения импульсов, поскольку не требуется система синхронизации лазерных импульсов с углом поворота кольцевого желоба и возможна работа с высокой частотой следования импульсов при менее высокой скорости вращения мишенного узла 3.
В целом, устройство и способ для генерации коротковолнового излучения из лазерной плазмы, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивают создание высокояркостного источника коротковолнового излучения с чрезвычайно низким уровнем загрязнений, большим временем жизни и низкой стоимостью эксплуатации.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенные устройство и способ предназначены для ряда применений, включающих ЭУФ метрологию, инспекцию нано- и микроструктур. Одним из основных результатов изобретения является обеспечение возможности создания источника излучения, отвечающего требованиям, предъявляемым к источникам для актинической инспекции масок в ЭУФ литографии.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ