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

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 Download PDF

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Abstract

The system (1) has an extreme UV (EUV) light source (5) e.g. plasma source, producing a pulsed, EUV radiation (6a). A monochromator (8), reflective optical elements (9, 10, 13, 14) and a photomask (11) are arranged in a radiation forming system (2), an illumination system (3) and a projection system (4). Filling gases (15) e.g. molecular hydrogen, and beryllium ions are provided in an optical path (6) of the EUV radiation in the systems. The filling gas include an effect of an optical element e.g. lens. An atom trap (16) and a penning trap non-contactly spatially localize the filling gases.

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: N. Ramsey, H. Dehmelt, H. Paul. ”For the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks/for the development of the iontrap technique”. Nobelpreis für Physik. 1989 .
1997 für das Fangen und Kühlen der kinetischen Bewegung von Atomen mit Licht: S. Chu, C. Cohen-Tannudji, B. Phillips. „For development of methods to cool and trap atoms with laser light”. Nobelpreis für Physik. 1997 , sowie
2001 für die Bose-Einstein-Kondensation von Gasen: E. Cornell, C. Wiemann, W. Ketterle. „For the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates”. Nobelpreis für Physik, 2001 .
The technology to capture, hold and cool non-contact neutral and ionized atomic ensembles in vacuum chambers with electromagnetic forces from a background gas is today a well-developed technique that has been widely used for many years. These ideas were of such fundamental importance that they were honored with, among others, three Nobel Prizes in physics:
1989 for the development of ion traps: N. Ramsey, H. Dehmelt, H. Paul. "For the separated oscillatory field method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks / for the development of the iontrap technique". Nobel Price for physics. 1989 ,
1997 for the capture and cooling of the kinetic motion of atoms with light: S. Chu, C. Cohen-Tannudji, B. Phillips. "For development of methods to cool and trap atoms with laser light". Nobel Price for physics. 1997 , such as
2001 for the Bose-Einstein condensation of gases: E. Cornell, C. Wiemann, W. Ketterle. "For the achievement of the Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates ". Nobel Prize in Physics, 2001 ,

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:

1 eine schematische Darstellung einer EUV-Lithographieanlage mit einem Füllgas mit optischer Wirkung, 1 a schematic representation of an EUV lithography system with a filling gas with optical effect,

2 eine schematische Darstellung einer Penning-Falle für die EUV-Lithographieanlage von 1, und 2 a schematic representation of a Penning trap for the EUV lithography of 1 , and

3 eine schematische Darstellung einer gasförmigen Diffusorlinse zur inkohärenten Beleuchtung einer Maske. 3 a schematic representation of a gaseous diffuser lens for incoherent illumination of a mask.

In 1 ist schematisch eine EUV-Lithographieanlage 1 gezeigt, welche aus einem Strahlformungssystem 2, einem Beleuchtungssystem 3 und einem Projektionssystem 4 besteht, die in separaten Vakuum-Gehäusen bzw. Vakuum-Kammern untergebracht und aufeinander folgend in einem von einer EUV-Lichtquelle 5 des Strahlformungssystems 2 ausgehenden Strahlengang 6 der von der EUV-Lichtquelle 5 erzeugten, gepulsten EUV-Strahlung 6a angeordnet sind. Den Vakuum-Kammern 2, 3, 4 ist eine (nicht gezeigte) Vakuum-Pumpe zugeordnet, die zur Erzeugung eines Restgasdrucks von z. B. 0,1 mbar dient.In 1 is schematically an EUV lithography system 1 shown which from a beam-forming system 2 , a lighting system 3 and a projection system 4 housed in separate vacuum housings or vacuum chambers and sequentially in one of an EUV light source 5 of the beam-forming system 2 outgoing beam path 6 that of the EUV light source 5 generated, pulsed EUV radiation 6a are arranged. The vacuum chambers 2 . 3 . 4 is associated with a (not shown) vacuum pump, which is for generating a residual gas pressure of z. B. 0.1 mbar is used.

Als EUV-Lichtquelle 5 kann beispielsweise eine Plasmaquelle dienen. Die aus dieser austretende Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ca. 5 nm und ca. 20 nm wird zunächst in einem Kollimator 7 gebündelt. Mit Hilfe eines nachfolgenden Monochromators 8 wird durch Variation des Einfallswinkels, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet, die gewünschte Betriebswellenlänge herausgefiltert. Im genannten Wellenlängenbereich sind der Kollimator 7 und der Monochromator 8 üblicherweise als reflektive optische Elemente ausgebildet, wobei zumindest der Monochromator 8 an seiner optischen Oberfläche kein Mehrfachschichtsystem aufweist, um einen möglichst breitbandigen Wellenlängenbereich zu reflektieren.As an EUV light source 5 For example, a plasma source can be used. The radiation emerging from this in the wavelength range between about 5 nm and about 20 nm is first in a collimator 7 bundled. With the help of a subsequent monochromator 8th is filtered out by varying the angle of incidence, as indicated by a double arrow, the desired operating wavelength. In the aforementioned wavelength range are the collimator 7 and the monochromator 8th Usually designed as reflective optical elements, wherein at least the monochromator 8th does not have a multi-layer system on its optical surface in order to reflect the broadest possible wavelength range.

Der im Strahlformungssystem 2 im Hinblick auf Wellenlänge und räumliche Verteilung behandelte Strahlung wird in das Beleuchtungssystem 3 eingeführt, welches ein erstes und zweites reflektives optisches Element 9, 10 aufweist. Die beiden reflektiven optischen Elemente 9, 10 leiten die Strahlung auf eine Photomaske 11 als weiterem reflektiven optischen Element, welche eine Struktur aufweist, die mittels des Projektionssystems 4 in verkleinertem Maßstab auf einen Wafer 12 abgebildet wird. Hierzu sind im Projektionssystem 4 ein drittes und viertes reflektives optisches Element 13, 14 vorgesehen. Die reflektiven optischen Elemente 9, 10, 11, 12, 13, 14 weisen jeweils eine optische Oberfläche 9a, 10a, 11a, 12a, 13a, 14a auf, die im Strahlengang 6 der EUV-Lithographieanlage 1 angeordnet ist.The in the beam-forming system 2 radiation treated in terms of wavelength and spatial distribution is introduced into the lighting system 3 introduced, which a first and second reflective optical element 9 . 10 having. The two reflective optical elements 9 . 10 direct the radiation onto a photomask 11 as another reflective optical element having a structure formed by the projection system 4 on a smaller scale on a wafer 12 is shown. These are in the projection system 4 a third and fourth reflective optical element 13 . 14 intended. The reflective optical elements 9 . 10 . 11 . 12 . 13 . 14 each have an optical surface 9a . 10a . 11a . 12a . 13a . 14a on, in the beam path 6 the EUV lithography system 1 is arranged.

Es gibt heutzutage verschiedene Möglichkeiten, weiche Röntgenstrahlung bzw. EUV-Strahlung 6a bei einer Wellenlänge von ca. 13,5 nm zu erzeugen. Grundsätzlich entspricht diese Wellenlänge einer Photonenenergie mit (1/2π) h ω = 91,8 eV und ist ein Vielfaches der Rydberg-Energie von 13,61 eV, welche die Ionisierungsschwelle von atomarem Wasserstoff angibt. Besonders prominent sind Großforschungseinrichtungen, wie der free-electron-laser FLASH in Hamburg [1], der seit rund 2 Jahren in Betrieb ist und kohärente Strahlungspulse liefert. Damit werden z. B. derzeit die Ionisierungspfade von vielen Gasen, wie z. B. Xenon [2] bei höchst möglichen Leistungsdichten untersucht. Daneben gibt noch andere inkohärente Synchrotronstrahlungsquellen an Beschleunigerringen oder wie im EBIT am Lawrence Livermore National Laboratory [3], die Röntgenemission aus Plasmen untersuchen.There are various possibilities today, such as X-rays or EUV radiation 6a at a wavelength of about 13.5 nm. Basically, this wavelength corresponds to a photon energy with (1 / 2π) h ω = 91.8 eV and is a multiple of the Rydberg energy of 13.61 eV, which indicates the ionization threshold of atomic hydrogen. Particularly prominent are large-scale research facilities, such as the free-electron laser FLASH in Hamburg [1], which has been in operation for around two years and provides coherent radiation pulses. This z. B. currently the ionization paths of many gases, such. B. xenon [2] examined at the highest possible power densities. There are also other incoherent sources of synchrotron radiation at accelerator rings or, as in the case of EBIT at Lawrence Livermore National Laboratory [3], who study X-ray emission from plasmas.

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 1 genutzt werden, um simultan zur Plasma-Lichtquelle 5 das gasförmige Medium in den Vakuum-Kammern 2, 3, 4 bzw. gezielt dort eingebrachte Füllgase zu bestrahlen und hierbei u. U. auch Quanteninterferenzeffekte zu nutzen.The above and possibly further sources can be used in the EUV lithography system 1 be used simultaneously to the plasma light source 5 the gaseous medium in the vacuum chambers 2 . 3 . 4 or specifically introduced there to inject filling gases and this u. U. also to use quantum interference effects.

Ferner sind die bei gasförmigen Medien erzeugten Dispersionen stark kontrollierbar. Daher kann man einen Teilstrahl der EUV-Strahlung 6a der EUV-Lichtquelle 5, die oben erwähnten alternativen bzw. zusätzlichen EUV-Lichtquellen oder optische Multiphotonübergänge nutzen, um die gefangen Gase im Projektionssystem 4 simultan zum EUV-Belichtungsstrahl 6a zu treiben. Dies führt mittels Quanteninterferenz zu Überhöhungen, aktiven Verstärkung oder vollkommenen Auslöschung der Brechzahlen. Auf diese Weise wurde die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines sichtbaren Lichtpulses in einem gasförmigen Medium zeitlich verzögert und sogar bis zum vollständigen Stillstand (bis auf 0 m/s) reduziert: „stopping of light” [6], [7].Furthermore, the dispersions produced in gaseous media are highly controllable. Therefore, one can use a partial beam of EUV radiation 6a the EUV light source 5 , use the above-mentioned alternative or additional EUV light sources or optical multiphoton transitions to capture the trapped gases in the projection system 4 simultaneously with the EUV exposure beam 6a to drive. This leads by means of quantum interference to overshoots, active amplification or complete extinction of the refractive indices. In this way, the propagation velocity of a visible light pulse in a gaseous medium was delayed in time and even reduced to a complete stop (down to 0 m / s): "stopping light" [6], [7].

Nachfolgend wird beschrieben, wie neutrale oder ionisierte atomare Ensembles von Füllgasen in den Vakuum-Kammern 2, 3, 4 berührungsfrei mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften aus einem Hintergrundgas eingefangen, gehalten und auch gekühlt werden können, um diese im Strahlengang 6 an geeigneten Stellen zu platzieren. Es versteht sich, dass zur Zuführung der Füllgase in die Vakuum-Kammern 2, 3, 4 (nicht gezeigte) Gaszuführungsleitungen sowie – falls erforderlich – geeignete Gasabführungsleitungen vorgesehen sein können. Die berührungsfrei gehaltenen Füllgase können z. B. als passive oder aktive Linsen, periodische Gitter oder Diffusoren verwendet werden, wie nachfolgend näher beschrieben wird.The following describes how neutral or ionized atomic ensembles of filling gases in the vacuum chambers 2 . 3 . 4 Captured, held and cooled by electromagnetic energy from a background gas can be to this in the beam path 6 to be placed in suitable places. It is understood that for supplying the filling gases into the vacuum chambers 2 . 3 . 4 Gas supply lines (not shown) and - if necessary - suitable gas discharge lines can be provided. The non-contact filling gases can, for. As passive or active lenses, periodic grids or diffusers are used, as described in more detail below.

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 2, 3, 4 wurden Effekte wie „lensing”, „wave guiding” oder „optical lattices” in jüngster Zeit intensiv untersucht, vgl. z. B. [8]. So ist in Ref. [8] die fokussierende Wirkung eines stark verdünnten „zigarrenförmigen” Gases auf einen Laserstahl beschrieben, welches aus 87Rb mit einer Dichte von n = 1012 1/(cm3) besteht. Ein solches „zigarrenförmiges” Füllgas 16 ist in 1 im Projektionssystem 4 im Strahlengang 6 der EUV-Lichtquelle 5 gezeigt. Zur Erzeugung eines ultrakalten Mediums wird (wie in [8]) eine Atomfalle 16 in Form einer magnetooptischen Falle „magneto-optic trap” MOT verwendet, welche (nicht gezeigte) Ferromagnete zur Erzeugung magnetischer Felder aufweist, die einen starken radialen Einschluss des Füllgases 15 ermöglichen, wobei gleichzeitig eine (nicht gezeigte) Laserkühlung erfolgt. Aufgrund des speziellen Aufbaues wird in [8] eine optisch verstärkende Wirkung beobachtet, welche dazu führt, dass das Füllgas 15 bzw. die Atomwolke je nach Anwendung als konvexe bzw. konkave Linse dienen kann.The imaging optical properties of passive, linear, gaseous media are well known. In connection with strongly diluted gases in vacuum chambers 2 . 3 . 4 Effects such as "lensing", "wave guiding" or "optical lattices" have recently been intensively investigated, cf. z. B. [8]. For example, Ref. [8] describes the focusing effect of a highly diluted "cigar-shaped" gas on a laser steel consisting of 87 Rb with a density of n = 10 12 1 / (cm 3 ). Such a "cigar-shaped" filling gas 16 is in 1 in the projection system 4 in the beam path 6 the EUV light source 5 shown. To produce an ultracold medium (as in [8]) becomes an atom trap 16 used in the form of a magneto-optical trap "magneto-optic trap" MOT, which (not shown) ferromagnets for generating magnetic fields, which has a strong radial confinement of the filling gas 15 allow at the same time (not shown) laser cooling takes place. Due to the special structure, an optically amplifying effect is observed in [8], which leads to the filling gas 15 or the atomic cloud can serve as a convex or concave lens depending on the application.

Im gleichen Experiment [8] wurden auch die Wellenleitereigenschaften der gasförmigen quasilinearen Struktur (radial eingeschlossenes Füllgas 15) untersucht. Dort wurde gezeigt, dass bei (in 1 nicht gezeigten) unterschiedlichen Eintrittswinkeln in das als Wellenleiter dienende Füllgas 15 der Anteil von in den Wellenleiter eingekoppelter Strahlung verändert werden kann. Insbesondere kann der Wellenleiter aufgrund dieser Eigenschaft auch als Strahlteiler genutzt werden.In the same experiment [8], the waveguide properties of the quasilinear gaseous structure (radially enclosed filling gas 15 ). There it was shown that at (in 1 not shown) different entrance angles in serving as a waveguide filling gas 15 the proportion of coupled into the waveguide radiation can be changed. In particular, the waveguide can be used as a beam splitter due to this property.

Das als Linse dienende „zigarrenförmige” Füllgas 15 im Projektionssystem 4 kann z. B. dazu dienen, kohärent kleine Wellenfrontkorrekturen anzubringen.The serving as a lens "cigar-shaped" filling gas 15 in the projection system 4 can z. B. serve to coherently mount small wavefront corrections.

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 1 an. Dies ist einerseits durch die innere elektronische Struktur von mehrfach geladenen Ionen zu verstehen, andererseits auch durch die Möglichkeit, kalte Plasmen in kristalline Phasen zu verwandeln (Wigner-Kristall).Both single highly charged ions [9] and gaseous cold plasmas offer themselves as optical elements for the EUV lithography system 1 at. This is to be understood on the one hand by the internal electronic structure of multiply charged ions, on the other hand by the possibility of transforming cold plasmas into crystalline phases (Wigner crystal).

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 2 sieht man einen Schnitt durch eine Penning-Falle 18 zur Speicherung eines Plasmas von Beryllium-Ionen 17. Die Penning-Falle 18 umfasst einen Feldgenerator, der aus einer Zylinderspule 19 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes B sowie einer Elektrodenanordnung 20a–c mit einer Ringelektrode 20a sowie mit einer oberen und unteren Endkappe 20b, c besteht, die sich auf gleichem Potential befinden und die ein elektrisches Feld E erzeugen, welches die Beryllium-Ionen 17 in axialer Richtung einfängt. Zusätzlich dienen zwei gekreuzte Laserstrahlen 21a, 21b der Laserkühlung der Beryllium-Ionen 17.The ion trap technology knows many different configurations: Paul, Penning or Kingdon traps, which have advantages after application. In 2 you can see a cut through a Penning trap 18 for storing a plasma of beryllium ions 17 , The Penning Trap 18 includes a field generator consisting of a cylindrical coil 19 for generating a magnetic field B and an electrode arrangement 20a -C with a ring electrode 20a as well as with an upper and lower end cap 20b , c, which are at the same potential and which generate an electric field E, which is the beryllium ions 17 trapped in the axial direction. In addition, two crossed laser beams are used 21a . 21b Laser cooling of beryllium ions 17 ,

Die Penning-Falle 18 ermöglicht im Allgemeinen einen sehr guten optischen Zugang. Wenn man eine solche Falle im Zwischenbild eines Projektionssystems platziert, so wird der Überlapp mit der EUV-Strahlung bzw. einzelnen EUV-Pulsen maximal.The Penning Trap 18 generally allows a very good optical access. When placing such a trap in the intermediate image of a projection system, the overlap with the EUV radiation or individual EUV pulses becomes maximum.

Wird durch die Laserkühlung ein ultrakaltes Plasma erzeugt, kann ein Phasenübergang der Beryllium-Ionen 17 in eine feste Phase stattfinden, sobald die Coulomb-Abstoßung die thermische Energie übertrifft. In der festen Phase bildet das Beryllium-Plasma 17 einen defektfreien Wiegner-Kristall, der verschieden kristalline Formen annehmen kann (vgl. [11]). Die den Wiegner-Kristall bildenden Beryllium-Ionen 17 können somit ein Gitter bzw. eine
beugende Struktur für die EUV-Strahlung 6a, z. B. in dem Projektionssystem 4 von 1, bilden.
If an ultra-cold plasma is generated by the laser cooling, a phase transition of the beryllium ions 17 take place in a solid phase as soon as the Coulomb repulsion exceeds the thermal energy. In the solid phase forms the beryllium plasma 17 a defect-free Wiegner crystal, which can assume different crystalline forms (see [11]). The Beryllium ions forming the Wiegner crystal 17 Thus, a grid or a
diffractive structure for the EUV radiation 6a , z. In the projection system 4 from 1 , form.

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 3 vor der Maske 11 die inkohärente Streuungswirkung eines inhomogenen Gases 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 ausgenutzt werden, um eine in 3 dargestellte Fallenanordnung 22 zur Erzeugung einer gasförmigen Diffusorlinse zu bilden. Durch optische Lichtkräfte, die von einem Hilfslaser (optische Fallenlaserstrahlen) 21a, 21b sowie Hilfslinsen 24a, 24b erzeugt werden, kann man ein Füllgas 23 im Intensitätszentrum eines Gaußschen Strahls lokalisieren. Wenn nun EUV-Strahlung 6a diese gefangenen Atome durchdringt, so werden aufgrund von stimulierten und spontanen Streuprozessen (vgl. 3) Feld- und Pupillenbereiche des geometrischen Strahlenraumes homogenisiert und somit die Homogenität der Ausleuchtung von Beleuchtungsfeld und Pupille verbessert.Complementary to the imaging property of an inhomogeneous gas is on the illumination side, ie in the illumination system 3 in front of the mask 11 the incoherent scattering effect of an inhomogeneous gas is 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 range of Doppler, burst or power broadening and in turn emit spontaneously, incoherently in all directions of the dipole lobe. This property can be exploited to create an in 3 illustrated trap arrangement 22 to form a gaseous diffuser lens. By optical light forces emitted by an auxiliary laser (optical trap laser beams) 21a . 21b as well as auxiliary lenses 24a . 24b can be generated, you can fill a gas 23 locate in the intensity center of a Gaussian ray. If now EUV radiation 6a penetrates these trapped atoms, so are due to stimulated and spontaneous scattering processes (see. 3 ) Homogenized field and pupil areas of the geometric beam space and thus improves the homogeneity of the illumination of the illumination field and pupil.

Zusammenfassend kann auf die oben beschriebene Weise die Strahlpropagation von EUV-Belichtungsstrahlung 6a durch die kontrollierbare, räumliche Lokalisierung der Gase 15, 17, 23 mit Hilfe von Fallen 16, 18, 22 geformt werden und dadurch die optische Wirkung von optischen Elementen wie Linsen und Wellenleitern, Gittern und Diffusoren erzeugt werden.In summary, in the manner described above, the beam propagation of EUV exposure radiation 6a through the controllable, spatial localization of the gases 15 . 17 . 23 with the help of traps 16 . 18 . 22 be formed and thereby the optical effect of optical elements such as lenses and waveguides, gratings and diffusers are generated.

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Claims (7)

EUV-Lithographieanlage (1), umfassend: eine EUV-Lichtquelle (5) zur Erzeugung von EUV-Strahlung (6a), sowie mindestens eine Vakuum-Kammer (2, 3, 4), in der mindestens ein optisches Element (8, 9, 10, 11, 13, 14) angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein im Strahlengang (6) der EUV-Strahlung (6a) in der Vakuum-Kammer (2, 3, 4) befindliches Füllgas (15, 17, 23), das die Wirkung eines optischen Elements aufweist.EUV lithography system ( 1 ), comprising: an EUV light source ( 5 ) for generating EUV radiation ( 6a ), and at least one vacuum chamber ( 2 . 3 . 4 ), in which at least one optical element ( 8th . 9 . 10 . 11 . 13 . 14 ) is arranged, characterized by a in the beam path ( 6 ) of EUV radiation ( 6a ) in the vacuum chamber ( 2 . 3 . 4 ) filling gas ( 15 . 17 . 23 ) having the effect of an optical element. EUV-Lithographieanlage nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Falle (16, 18, 22) zur berührungsfreien, räumlichen Lokalisierung des Füllgases (15, 17, 23).EUV lithography apparatus according to claim 1, further comprising: a trap ( 16 . 18 . 22 ) for non-contact, spatial localization of the filling gas ( 15 . 17 . 23 ). EUV-Lithographieanlage nach Anspruch 2, bei der die Falle als Atomfalle (16, 22) oder als Ionenfalle (18) ausgebildet ist.EUV lithography system according to claim 2, wherein the trap is an atomic trap ( 16 . 22 ) or as an ion trap ( 18 ) is trained. EUV-Lithographieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Füllgas (15) zur Brechung der EUV-Strahlung (6a) dient und die optische Wirkung einer Linse oder eines Wellenleiters aufweist.EUV lithography system according to one of the preceding claims, in which the filling gas ( 15 ) for refraction of the EUV radiation ( 6a ) and has the optical effect of a lens or a waveguide. EUV-Lithographieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Füllgas (17) zur Beugung der EUV-Strahlung (6a) dient und die optische Wirkung eines Gitters aufweist.EUV lithography system according to one of the preceding claims, in which the filling gas ( 17 ) for diffracting the EUV radiation ( 6a ) and has the optical effect of a grid. EUV-Lithographieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Füllgas (23) zur Streuung der EUV-Strahlung (6a) dient und die optische Wirkung eines Diffusors aufweist.EUV lithography system according to one of the preceding claims, in which the filling gas ( 23 ) on the scattering of EUV radiation ( 6a ) and has the optical effect of a diffuser. EUV-Lithographieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Feldgenerator (19, 20a–c) zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern.EUV lithography apparatus according to one of the preceding claims, further comprising: a field generator ( 19 . 20a -C) for the generation of electromagnetic fields.
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