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CN114509924A - 一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置 - Google Patents

一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置 Download PDF

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CN114509924A CN202210167231.6A CN202210167231A CN114509924A CN 114509924 A CN114509924 A CN 114509924A CN 202210167231 A CN202210167231 A CN 202210167231A CN 114509924 A CN114509924 A CN 114509924A
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黎遥
陈笑
侯鉴波
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严羽
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Abstract

一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，包含高功率纳秒激光器、极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器；其中，高功率纳秒激光器发出高能量短脉冲激光，短脉冲激光经过平面反射镜和真空窗片进入极紫外光源发生器，随后短脉冲激光在发生器真空腔内被透镜聚焦并打到靶材上；靶材在短脉冲激光的作用下被加热、蒸发和电离，最终形成高温致密的等离子体，等离子体持续吸收激光能量并向外辐射极紫外光；掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器都与极紫外光源发生器输出窗口相连，分别实现对光源光谱的探测和对光源带内功率的定量测量。

Description

一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置
技术领域
本发明涉及一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，包括光源的发生、光谱探测、带内功率定量测量和碎屑离子的探测。本发明属于极紫外光刻光源领域。
背景技术
光刻是通过涂胶、曝光、显影和刻蚀等一系列生产步骤，按照电路设计将晶圆表面的特定部分去除的工艺。光刻技术是当今半导体芯片制造行业的核心技术之一，它的出现使得电子器件的特征尺寸不断减小，芯片的集成度和性能不断提高。自上世纪80年代问世以来，光刻技术快速迭代，按照曝光光源波长的差异，光刻技术经历了紫外(EV)光刻(436nm、365nm)，深紫外(DUV)光刻(248nm、193nm)和极紫外(EUV)光刻(13.5nm)三个阶段。与上一代深紫外光刻技术相比，极紫外光刻的分辨率大为提高，可以实现10nm以下特征尺寸芯片的大批量加工。
激光等离子体(Laser Produced Plasma,LPP)被认为是产生极紫外光刻光源的最佳方式之一。该方式产生的极紫外光源具有带内功率高、碎屑污染小和系统稳定性强等优点。LPP极紫外光源的原理如下：高功率纳秒脉冲激光激发靶材(如Sn、Li、Xe、Gd等)，靶材表面被加热、汽化和电离后形成了高温致密等离子体，等离子体中的电子与离子相互碰撞并通过韧致辐射向外辐射出极紫外光。LPP过程产生的EUV辐射包含了很多波长不一的极紫外射线，其中只有一部分是光刻过程所需要的，这部分的光功率被称为带内功率。带内功率的高低与光刻的生产能力息息相关，所以提高LPP极紫外光刻光源系统的带内功率是推进极紫外光刻技术的重要一环。另外，LPP过程中还会伴随产生许多碎屑，包括固体微颗粒、中性原子、分子和高能离子等。尤其是高能碎屑离子会通过附着、消融和溅射等方式损坏光刻系统中光学元件的膜层并降低其反射率，这导致光刻系统寿命的急剧减少并大大增加了使用及维护成本，所以研究碎屑特性和缓解碎屑是极紫外光刻光源系统的另一个关键技术。
因此，为提高极紫外光刻光源的带内功率及降低碎屑污染，亟需一套紧凑的极紫外光刻光源产生及表征装置来进行相关的技术研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，从而实现光谱探测、对光源带内功率的定量测量和对碎屑离子的探测。
本发明可以通过以下技术方案来实现：一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，包含高功率纳秒激光器、极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器。
其中，高功率纳秒激光器发出高能量短脉冲激光，短脉冲激光经过平面反射镜和真空窗片进入极紫外光源发生器，随后短脉冲激光在发生器真空腔内被透镜聚焦并打到靶材上；靶材在短脉冲激光的作用下被加热、蒸发和电离，最终形成高温致密的等离子体，等离子体持续吸收激光能量并向外辐射极紫外光；掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器都与极紫外光源发生器输出窗口相连，分别实现对光源光谱的探测和对光源带内功率的定量测量；离子碎屑探测器放置在极紫外光源发生器腔内，可以收集部分反应过程中产生的高能离子，进而表征离子碎屑的动能和角度分布等特性。
所述极紫外光源发生器包括真空腔、透镜、真空腔内的靶材及其靶材控制装置。透镜安装在真空一维电动平移台上，可以沿着激光入射方向前后移动。靶材被固定在由两维电动平移台上，每当脉冲激光与靶材反应结束，靶材沿着竖直或水平方向移动一定的距离以确保每一发脉冲激光激发的都是新的靶材表面。
所述掠入射平场光谱仪由Zr膜滤光片、球面镜、可调狭缝、变栅距凹面光栅和极紫外CCD(Charge-coupled Device)相机组成；Zr膜滤光片用以滤除6-20nm波段外的杂散光；球面镜表面镀金，将极紫外光源发生腔中产生的部分EUV光收集并聚焦到可调狭缝上；EUV光经过狭缝后入射到变栅距凹面光栅上，不同波长的光将以不同的衍射角被分开；CCD相机位于光栅的成像面上，探测得到光源的光谱。所述CCD被安装在一个一维平移台上，并通过波纹管与掠入射平场光谱仪的腔体连接，通过平移台改变CCD的位置以增大光谱仪的光谱探测范围。
极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器均独立连接真空泵组，真空度约为10-7mbar。
所述极紫外能量探测器由凹面聚焦镜、Zr膜滤光片、光阑和光电二极管组成。凹面聚焦镜收集极紫外光源发生腔中产生的部分EUV光并聚焦在光电二极管上；Zr膜滤光片在凹面聚焦镜和光电二极管之间，用以滤除大部分6-20nm波段以外的杂散光；光阑大小可调，放置在凹面聚焦镜前以控制进入光电二极管的光通量。
所述凹面聚焦镜是一块窄带多层膜反射镜，其针对特定波段的极紫外光有较高的反射率。可以根据极紫外能量探测器需要测量的极紫外光波段不同而选用不同类型的多层膜反射镜。
所述离子碎屑探测器包括法拉第杯、法拉第杯安装支架、直流电压源和示波器。法拉第杯安装支架与极紫外光源发生器同轴心，安装在极紫外光源发生器腔内；法拉第杯固定在安装支架上，用于收集LPP过程中产生的高能离子并产生电流信号；法拉第杯通过真空馈通与大气侧的示波器相连，并将电流信号传到示波器上并显示；直流电压源给法拉第杯提供偏压。
所述高功率纳秒激光器输出高能量的短脉冲激光，使用由半波片和布鲁斯特型薄膜偏振片构成的能量衰减器对脉冲激光进行能量调节。
掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器分别实现对光源光谱的探测，对光源带内功率的定量测量和对碎屑离子的探测。本发明所提供的基于激光等离子体方式的极紫外光源发生装置可以产生较高强度的极紫外光源，同时加入了掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器等表征装置。有助于进一步研究激光等离子体极紫外源的相关物理特性，优化反应条件以提高光源带内功率，研究和缓解碎屑问题，最终获得适用于极紫外光刻的高功率、低污染的极紫外光源。
有益效果：本发明所提供的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置可以产生较高强度的极紫外光源，同时加入了掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器等表征设备。本装置可以实现光源光谱探测，带内功率定量测量和离子碎屑测量等功能，有助于进一步研究激光等离子体极紫外源的相关物理特性，优化反应条件以提高光源带内功率，研究和缓解碎屑问题，最终获得适用于极紫外光刻的高功率、低污染的极紫外光源。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中光电二极管的光谱响应曲线图；
图3是本发明实施例中法拉第杯的电路连接示意图；
图4是本发明实施例中掠入射平场光谱仪探测到的光源光谱图。
图5是本发明实施例中离子碎屑探测器探测到的离子飞行时间谱(TOF)和处理后得到的离子能量分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
图1中包括：1.1-高功率Nd:YAG纳秒激光器，1.2-半波片，1.3-布鲁斯特型薄膜偏振片，1.4反射镜。2.1-平凸透镜，2.2-靶材控制装置。3-掠入射平场光谱仪，3.1-Zr膜滤光片，3.2-球面镜，3.3可调狭缝，3.4-变栅距凹面光栅，3.5-CCD相机。4-极紫外能量探测器，4.1-光阑，4.2-凹面聚焦镜，4.3-Zr膜滤光片，4.4-光电二极管。5-离子碎屑探测器，5.1-法拉第杯安装支架，5.2-法拉第杯，5.3-示波器。
如图1所示是一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，包括：高功率纳秒激光器、极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器。
其中，高功率纳秒激光器发出短脉冲激光，脉冲激光经过平面反射镜和真空窗片等进入极紫外光源发生腔，随后激光在腔内被透镜聚焦并打到靶材上；靶材在激光的作用下被加热、蒸发和电离，最终形成高温致密的等离子体，等离子体持续吸收激光能量并向外辐射极紫外光。掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器都与极紫外光源发生腔相连，分别实现对光源光谱的探测和对光源带内功率的定量测量。离子碎屑探测装置放置在极紫外光源发生器腔内，用以收集反应过程中产生的高能离子，进而表征离子碎屑的动能和角度分布等特性。
本实施例中，所述高功率纳秒激光器1.1是1064nmNd：YAG激光器，能产生最大能量为900mJ，脉冲宽度为7ns，重复频率1Hz/10Hz的脉冲激光。激光能量通过由半波片1.2和布鲁斯特型薄膜偏振片1.3组成的能量衰减装置进行调节。
所述极紫外光源发生器2包括平凸透镜2.1和靶材控制装置2.2。平凸透镜2.1的焦距为150mm，聚焦后的激光光斑大小约为100μm，激光功率密度约为1010～1012W/cm2。靶材2.2由两维电动平移台和一块40mm x 30mm x 3mm的平板Sn(纯度为99.99％)靶组成。每次被入射激光照射后，平板Sn靶以1.0mm的步长沿着竖直或水平方向移动，保证下一发脉冲激光照射到的是新的Sn靶表面。
所述掠入射平场光谱仪3包括Zr膜滤光片3.1，球面镜3.2，可调狭缝3.3、变栅距凹面光栅3.4和CCD相机3.5。Zr膜滤光片3.1厚100nm，对6-20nm波段具有较高的透过率，而对其他波段的EUV的透过率较低，因此可以滤除大部分的杂散光。球面镜3.2表面镀金以提高在极紫外波段的反射率，它可以收集部分极紫外光源发生器中产生的EUV光并将其聚焦到可调狭缝3.3上。可调狭缝3.3可以进一步滤除杂散光和提高掠入射光谱仪3的分辨率，在本实施例中选用的狭缝宽度为40μm。变栅距凹面光栅3.4的入射角为87°，入射距离为237mm，成像距离为235mm，当EUV光入射到其表面，不同波长的光将以不同的衍射角被分开。CCD相机3.5在横向具有2048个像素点，在纵轴方向上具有512个像素点，每个像素点大小为13.5μm x 13.5μm，可以提供高精度的光谱探测。
所述极紫外能量探测器4包括光阑4.1，凹面聚焦镜4.2，Zr膜滤光片4.3和光电二极管4.4.。凹面聚焦镜4.2为一块一英寸的Mo/Si多层膜反射镜，它在13.5nm(2％带宽内)的反射率大于60％，曲率半径为200mm；光电二极管4.4放置在凹面聚焦镜4.2的焦点附近，其对极紫外光的响应曲线如图2所示，在13.5nm附近的响应值约为0.26A/W；光阑4.1大小可调，用以调节光电二极管4.4接收的光通量；Zr膜滤光片4.3放置在凹面聚焦镜4.2和光电二极管4.4之间。
所述离子碎屑探测器5包括法拉第杯安装支架5.1，法拉第杯5.2，示波器5.3和直流电压源(图中未标出)。法拉第杯5.2安装在支架5.1上，法拉第杯5.2与入射激光的夹角可调，与Sn靶表面的距离设定为11.5cm；法拉第杯5.2信号经真空馈通与示波器5.3相连，并将探测信号显示在示波器5.3上；直流电压源给法拉第杯5.2提供-50V的偏压以减少二次电子发射造成的干扰，其电路连接如图3所示。5.2.1,5.2.2和5.2.3分别是法拉第杯5.2上的接地极、隔断极和抑制极。
图4为掠入射平场光谱仪3中测到的光谱，可以发现Sn靶等离子体光源在13.5nm处有较强的EUV发射峰。
图5为法拉第杯5.2在与入射激光呈15°夹角，距靶材表面11.5cm处探测到的典型离子飞行时间谱(TOF)和处理后得到的离子能量分布图。Sn靶激光等离子体过程中多数碎屑离子的速度约为5.04x104m/s，动能约为1.3keV。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征是：包含高功率纳秒激光器、极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪、极紫外能量探测器和离子碎屑探测器；
其中，高功率纳秒激光器发出高能量短脉冲激光，短脉冲激光经过平面反射镜和真空窗片进入极紫外光源发生器，随后短脉冲激光在发生器真空腔内被透镜聚焦并打到靶材上；靶材在短脉冲激光的作用下被加热、蒸发和电离，最终形成高温致密的等离子体，等离子体持续吸收激光能量并向外辐射极紫外光；掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器都与极紫外光源发生器输出窗口相连，分别实现对光源光谱的探测和对光源带内功率的定量测量；离子碎屑探测器放置在极紫外光源发生器腔内，收集部分反应过程中产生的高能离子，进而表征离子碎屑的动能和角度分布特性。
2.根据权利1要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述极紫外光源发生器包括真空腔、透镜、真空腔内的靶材及其靶材控制装置。
3.根据权利1要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述掠入射平场光谱仪由Zr膜滤光片、球面镜、可调狭缝、变栅距凹面光栅和极紫外CCD(Charge-coupled Device)相机组成；Zr膜滤光片用以滤除6-20nm波段外的杂散光；球面镜表面镀金，将极紫外光源发生腔中产生的部分EUV光收集并聚焦到可调狭缝上；EUV光经过狭缝后入射到变栅距凹面光栅上，不同波长的光将以不同的衍射角被分开；CCD相机位于光栅的成像面上，探测得到光源的光谱。
4.根据权利1要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述紫外能量探测器由凹面聚焦镜、Zr膜滤光片、光阑和光电二极管组成；凹面聚焦镜收集极紫外光源发生腔中产生的部分EUV光并聚焦在光电二极管上；Zr膜在凹面聚焦镜和光电二极管之间，用以滤除大部分6-20nm波段以外的杂散光；光阑大小能调，放置在凹面聚焦镜前以控制进入光电二极管的光通量。
5.根据权利1要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述离子碎屑探测器包括法拉第杯、拉第杯安装支架、直流电压源和示波器；法拉第杯安装支架与极紫外光源发生器同轴心，其安装在极紫外光源发生器腔内；法拉第杯固定在安装支架上，用于收集LPP过程中产生的高能离子并产生电流信号；法拉第杯通过真空馈通与大气侧的示波器相连，将电流信号传到示波器上并显示；直流电压源给法拉第杯提供偏压。
6.根据权利1要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述高功率纳秒激光器输出高能量的短脉冲激光；使用由半波片和布鲁斯特型薄膜偏振片构成的能量衰减器对脉冲激光进行能量调节。
7.根据权利2要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述靶材控制装置包括靶材和平移台系统，靶材被固定在由两维电动平移台组成的平移台系统上，每当脉冲激光与靶材反应结束，靶材沿着竖直或水平方向移动一定的距离以确保每一发脉冲激光激发的都是新的靶材表面。
8.根据权利3要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述所述CCD被安装在一个一维平移台上，并通过波纹管与掠入射平场光谱仪的腔体连接，通过平移台改变CCD的位置以增大光谱仪的光谱探测范围。
9.根据权利4要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，所述凹面聚焦镜是一块窄带多层膜反射镜，其针对特定波段的极紫外光有较高的反射率。可以根据极紫外能量探测器需要测量的极紫外光的波段不同而选用不同的多层膜反射镜。
10.根据权利4要求所述的一种激光等离子体方式的极紫外光源发生及表征装置，其特征在于，极紫外光源发生器、掠入射平场光谱仪和极紫外能量探测器均独立连接真空泵组，真空度为10-7mbar。
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