DE102011007828A1 - Extreme UV lithography system for use in vacuum housing for bringing perfection to imaging characteristics of projection system, has filling gases and beryllium ions provided in optical path of radiation and including optical element effect - Google Patents
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Abstract
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft eine EUV-Lithographieanlage mit einer EUV-Lichtquelle sowie mit mindestens einer Vakuum-Kammer, in der mindestens ein optisches Element angeordnet ist.The invention relates to an EUV lithography system with an EUV light source and at least one vacuum chamber in which at least one optical element is arranged.
Die zentrale Aufgabe der Lithographieanlagen- bzw. Lithographieobjektiventwicklung besteht in der Perfektionierung der Abbildungseigenschaften eines Projektionssystems unter Maximierung der energetischen Ausbeute. Dies erfordert ein perfektes Zusammenspiel von Lichtquelle, Beleuchtung, Maskendesign, Optikdesign, Schichtdesign und der mechanischen Konstruktion.The central task of lithography equipment or lithography objective development is to perfect the imaging properties of a projection system while maximizing the energy yield. This requires a perfect interplay of light source, lighting, mask design, optics design, layer design and mechanical construction.
Verbleibende statische und im Betrieb erwachsende dynamische Restfehler werden beispielsweise mit mechanischen Manipulatoren, austauschbaren Linsenelementen oder steuerbaren Facettenspiegeln behoben. Diese etablierten Korrekturmethoden sind aber auch mit großem konstruktivem Aufwand verbunden und haben ihre Beschränkungen.Remaining static and operational dynamic residual errors are eliminated, for example, with mechanical manipulators, interchangeable lens elements or controllable facet mirrors. However, these established correction methods are also associated with great constructive effort and have their limitations.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine EUV-Lithographieanlage bereitzustellen, bei der alternative Methoden zur Beeinflussung der Propagation von EUV-Strahlung und insbesondere alternative Korrekturmethoden zum Einsatz kommen.The object of the invention is to provide an EUV lithography system in which alternative methods for influencing the propagation of EUV radiation and in particular alternative correction methods are used.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine EUV-Lithographieanlage der eingangs genannten Art, bei der ein im Strahlengang der EUV-Lichtquelle befindliches Füllgas die Wirkung eines optischen Elements aufweist.This object is achieved by an EUV lithography system of the aforementioned type, in which a filling gas located in the beam path of the EUV light source has the effect of an optical element.
Es ist bekannt, EUV-Lithographieanlagen in Vakuum-Gehäusen einzubetten und zur Reinigung der Spiegeloberflächen der EUV-Spiegel z. B. molekularen/atomaren Wasserstoff als Füllgas einzublasen, der kohlenstoffhaltige Verunreinigungen an den Oberflächen reduzieren soll. Bisher wird dem Bauraum zwischen den optischen Elementen (EUV-Spiegeln) und den darin vorhandenen Füllgasen aber keine optische Wirkung zugeordnet. Füllgase werden lediglich zu Reinigungszwecken der optischen Oberflächen benutzt.It is known to embed EUV lithography equipment in vacuum housings and to clean the mirror surfaces of the EUV mirror z. B. to inject molecular / atomic hydrogen as a filling gas, which is to reduce carbonaceous impurities on the surfaces. So far, the space between the optical elements (EUV mirrors) and the filling gases present therein but no optical effect is assigned. Filling gases are used only for cleaning purposes of the optical surfaces.
Mit dem Motto „There's plenty of room at the bottom” rief Richard Feynman 1959 die Nanotechnologie ins Leben. In diesem Sinne gibt es „viel optischen Weg zwischen den Spiegeln”, dem durch Manipulation der optischen Eigenschaften des stark verdünnten Gases optische Wirkung entlockt werden kann.With the motto "There's plenty of room at the bottom," Richard Feynman launched nanotechnology in 1959. In this sense, there is " much optical path between the mirrors", which can be elicited by manipulating the optical properties of the highly diluted gas optical effect.
Beispielsweise ist es bekannt, dass gasförmiger Stickstoff, der in Plasma-Lichtquellen für EUV-Lithographieanlagen vorhanden ist, durch die EUV-Strahlung angeregt wird und gleichförmig in alle Richtungen fluoresziert. Deshalb wird der durch den gasförmigen Stickstoff propagierende EUV-Lichtstrahl in Vorwärtsrichtung absorbiert, gestreut, phasenverzögert und verändert seinen geometrischen Strahlengang wie in einem „gradient index”(GRIN)-Medium.For example, it is known that gaseous nitrogen present in plasma light sources for EUV lithography equipment is excited by the EUV radiation and fluoresces uniformly in all directions. Therefore, the EUV light beam propagating through the gaseous nitrogen is absorbed, scattered, phase-delayed in the forward direction and changes its geometric optical path as in a "gradient index" (GRIN) medium.
Die grundsätzlichen Parameter einer lasergepumpten Quecksilber-Plasma-Strahlungsquelle sind an der Eingangsseite z. B. nominell 100 W und hinter dem Retikel (Maske) 16 W, wobei EUV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 13,5 nm verwendet wird. Diese zeitgemittelte Leistung wird gepulst bei einer Repetitionsrate von 50–100 kHz erreicht. Die Pulsdauer liegt zwischen 20 und 2000 ns (FWHM – ”Full Width at Half Maximum”). Allerdings sind für optische Übergänge in Atomen nicht nur zeitgemittelte Leistungen relevant, sondern auch der zeitliche Feldstärkenverlauf. Der Restgasdruck in einer EUV-Lithographieanlage beträgt derzeit ca. 0,1 mbar. Mithilfe der Gasgleichung (p V = N kB T) findet man, dass dies einer Dichte von n = 2,4 1015 1/cm3 entspricht, welches mit den im Weiteren beschriebenen Effekten kompatibel ist.The basic parameters of a laser-pumped mercury plasma radiation source are on the input side z. Nominally 100 W and behind the reticle (mask) 16 W, using EUV radiation at a wavelength of 13.5 nm. This time averaged power is pulsed at a repetition rate of 50-100 kHz. The pulse duration is between 20 and 2000 ns (FWHM - "Full Width at Half Maximum"). However, not only time-averaged power is relevant for optical transitions in atoms, but also the temporal field strength course. The residual gas pressure in an EUV lithography system is currently about 0.1 mbar. The gas equation (p V = N k B T) shows that this corresponds to a density of n = 2.4 10 15 1 / cm 3 , which is compatible with the effects described below.
In einer Ausführungsform umfasst die EUV-Lithographieanlage eine Falle zur berührungsfreien, räumlichen Lokalisierung des Füllgases, z. B. durch elektromagnetische Kräfte bzw. durch Laserstrahlung.In one embodiment, the EUV lithography system includes a trap for non-contact spatial location of the inflation gas, e.g. B. by electromagnetic forces or by laser radiation.
Die Technologie, um neutrale und ionisierte atomare Ensembles in Vakuum-Kammern berührungsfrei mit elektromagnetischen Kräften aus einem Hintergrundgas einzufangen, zu halten und auch zu kühlen ist heute eine wohl entwickelte Technik, die seit vielen Jahren breite Anwendung findet. Diese Ideen waren von so grundlegender Bedeutung, dass sie unter anderem mit drei Nobelpreisen in Physik gewürdigt wurden:
1989 für die Entwicklung von Ionenfallen:
1997 für das Fangen und Kühlen der kinetischen Bewegung von Atomen mit Licht:
2001 für die Bose-Einstein-Kondensation von Gasen:
1989 for the development of ion traps:
1997 for the capture and cooling of the kinetic motion of atoms with light:
2001 for the Bose-Einstein condensation of gases:
Nachfolgend werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, um eine räumliche Lokalisierung von gasförmigen Objekten zu ermöglichen, diese im Strahlengang an geeigneten Stellen zu platzieren, ggf. berührungsfrei mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften zu halten, sowie bei Bedarf deren mechanische Bewegung zu kühlen.Various possibilities are shown below to enable a spatial localization of gaseous objects, to place them in the beam path at suitable locations, if necessary to hold them without contact by means of electromagnetic forces, and, if necessary, to cool their mechanical movement.
In einer Ausführungsform ist die Falle als Atomfalle oder als Ionenfalle ausgebildet. Mit einer Ionenfalle können einzelne Ionen gefangen, ionische Plasmen oder ionische Wigner-Kristalle erzeugt werden. Bei einer Atomfalle können gefangene neutrale, atomare Ensembles in lokalisierten elektromagnetischen, lasergenerierten Fallen (MOT magneto-optische Falle, optische Dipolfalle) oder optisch, periodischen Gittern (stehende Laserwellen) räumlich lokalisiert gehalten werden und auf diese Weise z. B. Bose-Einstein Kondensate erzeugt werden.In one embodiment, the trap is formed as an atomic trap or as an ion trap. With an ion trap, single ions trapped, ionic plasmas or ionic Wigner crystals can be generated. In an atomic trap, trapped neutral, atomic ensembles can be spatially localized in localized electromagnetic, laser-generated traps (MOT magneto-optical trap, optical dipole trap) or optical, periodic grids (standing laser waves), and in this way z. B. Bose-Einstein condensates are generated.
In einer Ausführungsform dient das Füllgas zur Brechung der EUV-Strahlung und weist insbesondere die optische Wirkung einer Linse oder eines Wellenleiters auf. Die abbildenden optischen Eigenschaften von passiven, linearen, gasförmigen Medien sind aus dem Alltag z. B. in Form von Schlieren oder Fata Morganas wohlbekannt und können auch im Zusammenhang mit stark verdünnten Gasen in Vakuum-Kammern angewendet werden. Die Brechung von EUV-Strahlung an dem Füllgas kann auch genutzt werden, um Wellenleiter oder Strahlteiler zu realisieren. Es versteht sich, dass durch gezielte Veränderung der räumlichen Verteilung des Füllgases (z. B. durch zeitliche Variation der zur Lokalisierung verwendeten elektromagnetischen Felder) auch eine aktive Linsenwirkung erzielt werden kann, d. h. die Abbildungseigenschaften der Linse können sich zeitabhängig verändern und z. B. geeignet angepasst werden, um Abbildungsfehler zu vermeiden bzw. zu reduzieren.In one embodiment, the filling gas serves to refract the EUV radiation and in particular has the optical effect of a lens or a waveguide. The imaging optical properties of passive, linear, gaseous media are from everyday life z. In the form of streaks or mirages and can also be used in connection with highly diluted gases in vacuum chambers. The refraction of EUV radiation at the filling gas can also be used to realize waveguides or beam splitters. It goes without saying that by deliberately changing the spatial distribution of the filling gas (for example by temporally varying the electromagnetic fields used for localization), an active lens effect can also be achieved, ie. H. The imaging properties of the lens can change over time and z. B. be adapted to avoid aberrations or reduce.
In einer Ausführungsform dient das Füllgas zur Beugung der EUV-Strahlung und weist die optische Wirkung eines Gitters auf. Dies kann erreicht werden, indem ein Ionen-Plasma, z. B. in Form von Beryllium-Ionen, in einer Ionenfalle, z. B. in einer Penning-Falle, so weit abgekühlt wird, dass das Ionen-Plasma in eine kristalline Phase übergeht und einen Wigner-Kristall bildet.In one embodiment, the filling gas serves to diffract the EUV radiation and has the optical effect of a grating. This can be achieved by using an ion plasma, e.g. In the form of beryllium ions, in an ion trap, e.g. B. in a Penning trap, is cooled so far that the ion plasma passes into a crystalline phase and forms a Wigner crystal.
Wenn man eine solche Falle im Zwischenbild eines Projektions-Objektives platziert, so wir der Überlapp mit der gepulsten EUV-Strahlung maximal.If one places such a trap in the intermediate image of a projection lens, then the overlap with the pulsed EUV radiation is maximal.
In einer weiteren Ausführungsform dient das Füllgas zur Streuung der EUV-Strahlung und weist die optische Wirkung eines Diffusors auf. Komplementär zu der abbildenden Eigenschaft eines inhomogenen Gases ist auf der Beleuchtungsseite, d. h. vor der Maske, die inkohärente Streuungswirkung von lokalisierten Gasen relevant. Im Gegensatz zum Brechungsindex von Festkörpern, die i. A. ein spektral breites, strukturloses Dispersions- und Absorptionsverhalten aufweisen, sind in Gasen viele schmale, wohlisolierte Resonanzlinien zu finden. Diese können je nach Bandbreite des EUV-Pulses, resonant im Bereich der Doppler-, Stoßzahl- oder Leistungsverbreiterung angeregt werden und selbst wiederum spontan, inkohärent in alle Richtungen der Dipolkeule emittieren. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um das Gas als Diffusorlinse zu verwenden, um damit die Homogenität der Ausleuchtung von Beleuchtungsfeld und Pupille zu verbessern. Es versteht sich, dass auch ein insbesondere den relevanten Bauraum homogen ausfüllendes, stark verdünntes Gas in die Vakuum-Kammer eingebracht werden kann, um als Absorber für die EUV-Strahlung zu dienen.In a further embodiment, the filling gas serves to scatter the EUV radiation and has the optical effect of a diffuser. Complementary to the imaging property of an inhomogeneous gas is on the illumination side, i. H. before the mask, the incoherent scattering effect of localized gases relevant. In contrast to the refractive index of solids i. A. have a spectrally broad, structureless dispersion and absorption behavior, are found in gases many narrow, well-isolated resonance lines. Depending on the bandwidth of the EUV pulse, these can be excited resonantly in the area of Doppler, burst or power broadening and in turn emit spontaneously, incoherently in all directions of the dipole lobe. This property can be used to use the gas as a diffuser lens to improve the homogeneity of the illumination field and pupil illumination. It goes without saying that a strongly diluted gas, which in particular fills the relevant installation space homogeneously, can also be introduced into the vacuum chamber in order to serve as an absorber for the EUV radiation.
Die oben beschriebenen Füllgase, welche eine optische Wirkung aufweisen, können somit einerseits dazu verwendet werden, um vor der Maske eine inkohärente gleichförmigere Ausleuchtung in Feld und Pupille zu erreichen, andererseits aber auch, um hinter der Maske im Projektionsobjektiv kohärent kleine Wellenfrontkorrekturen vorzunehmen.The above-described filling gases, which have an optical effect, can thus be used, on the one hand, to achieve incoherent, more uniform illumination in the field and pupil in front of the mask, and on the other hand to make coherent small wavefront corrections behind the mask in the projection objective.
In einer weiteren Ausführungsform weist die EUV-Lithographieanlage einen Feldgenerator zur Erzeugung von (ggf. zeitlich veränderlichen) elektromagnetischen Feldern auf. Der Feldgenerator kann zur räumlichen Lokalisierung der Gasatome oder Gas-Ionen dienen. Neben der Lokalisierung der gasförmigen Materie kann der Feldgenerator selbstverständlich auch dazu dienen, die optischen Eigenschaften der lokalisierten gasförmigen Materie durch zusätzliche elektromagnetische Felder zu kontrollieren bzw. zu beeinflussen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Modifikationen der linearen Dispersionsrelation, nichtlineare dispersive oder aktive verstärkende Effekte handeln.In a further embodiment, the EUV lithography system has a field generator for generating (possibly time-variable) electromagnetic fields. The field generator can serve for the spatial localization of the gas atoms or gas ions. In addition to the localization of the gaseous matter of course, the field generator can also serve to control or influence the optical properties of the localized gaseous matter by additional electromagnetic fields. These may be, for example, modifications of the linear dispersion relation, non-linear dispersive or active amplifying effects.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:Embodiments are illustrated in the schematic drawing and will be explained in the following description. It shows:
In
Als EUV-Lichtquelle
Der im Strahlformungssystem
Es gibt heutzutage verschiedene Möglichkeiten, weiche Röntgenstrahlung bzw. EUV-Strahlung
Neben diesen Großforschungseinrichtungen, die mit größtem Aufwand die maximal erzielbaren Leistungen erreichen, existieren heute aber auch „table-top” Experimente, die mit verhältnismäßig geringem Aufwand EUV-Strahlung erzeugen [4]. Dies geschieht durch „higher harmonics generation” mittels gepulster optischer Laserstrahlung und generiert kohärente weiche und harte Röntgenstrahlung von moderater Leistung [5].In addition to these large-scale research facilities, which achieve the maximum achievable achievements with the greatest effort, there are also "table-top" experiments today that generate EUV radiation with relatively little effort [4]. This is done through "higher harmonics generation" using pulsed optical laser radiation and generates coherent soft and hard X-rays of moderate power [5].
Nutzung von Füllgasen mit optischer WirkungUse of filling gases with optical effect
Die oben genannten und ggf. weitere Quellen können in der EUV-Lithographieanlage
Ferner sind die bei gasförmigen Medien erzeugten Dispersionen stark kontrollierbar. Daher kann man einen Teilstrahl der EUV-Strahlung
Nachfolgend wird beschrieben, wie neutrale oder ionisierte atomare Ensembles von Füllgasen in den Vakuum-Kammern
1.) Gaslinsen und Wellenleiter1.) Gas lenses and waveguides
Die abbildenden optischen Eigenschaften von passiven, linearen, gasförmigen Medien sind wohlbekannt. Im Zusammenhang mit stark verdünnten Gasen in Vakuum-Kammern
Im gleichen Experiment [8] wurden auch die Wellenleitereigenschaften der gasförmigen quasilinearen Struktur (radial eingeschlossenes Füllgas
Das als Linse dienende „zigarrenförmige” Füllgas
2.) Selbstorganiserende ionische Gitter in Ionenfallen2.) Self-organizing ionic lattices in ion traps
Sowohl einzelne hochgeladene Ionen [9] als auch gasförmige kalte Plasmen bieten sich als optische Elemente für die EUV-Lithographieanlage
Wenn einem neutralen Gasatom alle bis auf das letzte (äußerste) Schalen-Elektron entrissen wird, so verbleibt ein „alkaliartiges” Ion, welches eine Ioniserungsschwelle >> 13,6 eV hat, z. B. Xe6+ mit ungefähr 93 eV [2] oder Rubidium-artiger Wolfram W37+ [10]. Ein solches Ion hat nun wiederum wohl definierte Spektrallinien, die im Wellenlängenbereich um 13,5 nm selektiv benutzt werden können.When all but the last (outermost) shell electron is ruptured from a neutral gas atom, an "alkaline" ion which has an ionization threshold of> 13.6 eV, e.g. Xe 6+ with about 93 eV [2] or rubidium-like tungsten W 37+ [10]. Such an ion again has well-defined spectral lines that can be selectively used in the wavelength range around 13.5 nm.
Die Ionenfallen-Technologie kennt viele verschieden Konfigurationen: Paul-, Penning- oder Kingdonfallen, die ja nach Anwendung Vorzüge haben. In
Die Penning-Falle
Wird durch die Laserkühlung ein ultrakaltes Plasma erzeugt, kann ein Phasenübergang der Beryllium-Ionen
beugende Struktur für die EUV-Strahlung
diffractive structure for the
Die optischen Eigenschaften der gasförmigen Materie können ferner durch zusätzliche (externe) elektromagnetische Felder kontrolliert werden. Auf diese Weise können Modifikation der linearen Dispersionsrelation, nichtlineare dispersive oder aktive verstärkende Effekte erreicht werden.The optical properties of the gaseous matter can also be controlled by additional (external) electromagnetic fields. In this way, modification of the linear dispersion relation, non-linear dispersive or active amplifying effects can be achieved.
3.) Optische Gitter für neutrale Atome 3.) Optical lattices for neutral atoms
Mit Hilfe stehender optischer Laserwellen kann man periodische, defektfreie, optische Potentialfelder in 1, 2, oder 3 Raumdimensionen erzeugen. Polarisierbare Atome lassen sich in diese konservativen Kraftfelder laden und stellen nun für Licht ein Materiewellengitter dar, welches wiederum die optische Wirkung eines optischen Gitters hat.With the help of standing optical laser waves one can generate periodic, defect-free, optical potential fields in 1, 2 or 3 space dimensions. Polarisable atoms can be loaded into these conservative force fields and now represent a matter-wave lattice for light, which in turn has the optical effect of an optical lattice.
4.) Diffusorlinsen4.) Diffuser lenses
Komplementär zu der abbildenden Eigenschaft eines inhomogenen Gases ist auf der Beleuchtungsseite, d. h. im Beleuchtungssystem
Zusammenfassend kann auf die oben beschriebene Weise die Strahlpropagation von EUV-Belichtungsstrahlung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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