WO2004023512A1

WO2004023512A1 - Einrichtung und verfahren zur erzeugung von uv-strahlung; insbesondere euv-strahlung

Info

Publication number: WO2004023512A1
Application number: PCT/EP2003/050613
Authority: WO
Inventors: André EGBERT; Boris Chichkov; Helmut Appelt; Eberhard Neuser; Stefan Becker
Original assignee: PHOENIX EUV SYSTEMS+ SERVICES GmbH
Current assignee: PHOENIX EUV SYSTEMS+ SERVICES GmbH
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2005-03-06
Also published as: AU2003271762A1; DE20213975U1

Abstract

Eine Einrichtung zur Erzeugung von UV-Strahlung, insbesondere EUV- Strahlung, umfasst eine Teilchenquelle, die elektrisch geladene Teilchen freisetzt, und Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, in welchem die elektrisch geladenen Teilchen auf ein Target zu beschleunigt werden. Erfindungsgemss ist das Target (3) ein Festkörper, der durch die auftreffenden elektrisch geladenen Teilchen elektromagnetische Strahlung im EUV-Spektralbereich emittiert. Es wird ebenfalls ein entsprechendes Verfahren vorbestellet.

Description

Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlung,

insbesondere EUV-Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlung, insbesondere zur Erzeugung von EUV-Strahlung.

Das sogenannte Moore'sche Gesetz besagt, dass sich die Leistung von Computerchips etwa alle 18 Monate verdoppelt. Das erfordert immer feinere Strukturen auf den Chips, die wiederum nur mit Hilfe fortschrittlicher lithographischer Verfahren unter Verwendung immer kleinerer Lichtwellenlängen realisierbar sind. Extreme Ultraviolett (EUV) Lithographie mit einer Wellenlänge von 11 bis 14 nm wird in Fachkreisen als der wahrscheinlichste Nachfolger der heute üblichen optischen Lithographie für die Chipherstellung der nächsten Generation mit Strukturgrößen unterhalb von ungefähr 50 nm angesehen. Als mögliche Quellen dieser kurzwelligen EUV- Strahlung werden laserproduzierte Plasmen und Gasentladungen intensiv untersucht.

Parallel zur Entwicklung und Optimierung von EUV-Hochleistungsquellen für die Lithographie ist die Verfügbarkeit kompakter, kalibrierter und preisgünstiger Quellen für Anwendungen in der Messtechnik von großem Interesse. Typische Anwendungsfelder sind die Charakterisierung von Multilayerspiegeln und EUV-Filtern, die Prozesskontrolle während der Herstellung von EUV-Optiken, die Kalibrierung von Gittern für EUV-Strahlung sowie die Messung von Detektoreffizienzen. Auch die EUV-Quellen für die Messtechnik basieren bislang entweder auf Plasmen oder auf sehr komplexen und kostspieligen Synchrotrons.

Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit einfachen Mitteln eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von UV- Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung zu schaffen, die kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Einrichtung zur Erzeugung von UV- Strahlung, insbesondere EUV-Strahlung, mit einer Teilchenquelle, die elektrisch geladene Teilchen freisetzt, mit Mitteln zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, in welchem die elektrisch geladenen Teilchen auf ein Target zu beschleunigt werden, gelöst wobei die Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Target ein Festkörper ist, der durch die auftreffenden elektrisch geladenen Teilchen elektromagnetische Strahlung im EUV-Spektralbereich emittiert.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist eine Teilchenquelle auf, die kontinuierlich oder gepulst elektrisch geladene Teilchen freisetzt. Die elektrisch geladenen Teilchen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf ein Target gerichtet. Das Target ist ein Festkörper, der durch die auftreffenden Teilchen zur Emission von elektromagnetischer Strahlung im EUV- Spektralbereich angeregt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Einrichtung ist ihr einfacher Aufbau, der wesentlich von dem Festkörpertarget begünstigt ist, das technisch einfacher Handzuhaben ist als beispielsweise ein Plasma.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Teilchenquelle eine Elektronenquelle, die Elektronen freisetzt. Die Elektronenquelle kann beispielsweise als elektrisch beheiztes Filament, Feldemissionskathode oder als laserbestrahlte Photokathode ausgebildet sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Festkörpertarget so ausgewählt wird, dass charakteristische Emissionslinien in dem gewünschten Spektralbereich liegen, weil auf diese Weise eine hohe Effizienz der EUV-Strah- lungserzeugung erreichbar ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Festkörpertarget aus Silizium hergestellt, das ein Emissionsmaximum bei 13,5 nm hat. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Festkörpertarget aus Beryllium hergestellt, das ein Emissionsmaximum bei 11 ,4 nm aufweist.

Weitere mögliche Targetmaterialien und charakteristische Emissionen im EUV- und weichen Röntgenspektralbereich sind :

Diese Materialien werden ausschließlich unter Form von Festkörpern (auch Zusammensetzungen, wie z.B. Siliziumnitrid, Siliziumdioxid) eingesetzt . Die Targets können als Direktstrahler (in Reflexion) oder in Transmission (z.B. unter Verwendung dünner Membranen) emittieren.

Des weiteren können auch Targets mit mikro- und nanostrukturierter Oberfläche, mit Kapillare, aus dünnen Filme n oder aber Multifunktionstargets bestehend aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden. Durch Verwendung von Multifunktionstargets, insbesondere Multischichttargets lassen sich die spektralen Eigenschaften gezielt für besondere Applikationen anpassen. Zur Computer-gesteuerten Kontrolle der spektralen Eigenschaften können speziell angepasste, bewegbare Multielementtargets verwendet werden.

Bemerkenswert ist, dass diese Materialien wenig geeignet zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sind; die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendeten Materialien weisen typischerweise wesentlich größere Kernladungszahlen auf, wie zum Beispiel Kupfer.

Zweckmäßigerweise sind auch Mittel zur Fokussierung der Elektronen auf das Target vorgesehen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um elektrostatische Fokussierung, zum Beispiel mit einem Wehnelt- Zylinder. Bei einer anderen Ausführungsform wiederum handelt es sich um elektromagnetische Fokussierung, zum Beispiel mit einer magnetischen Linse.

Wünschenswert ist ein Verfahren, welches eine rasche Targetreinigung ermöglicht, so dass bereits kurz nach dem Einschalten der EUV-Röhre das maximale EUV-Signal zur Verfügung steht.

Daher wird das folgende Verfahren angewendet: die Leistung des Elektronenstrahls wird erhöht und der Elektronenstrahl an der Targetoberfläche wird räumlich aufgeweitet. Dies wird erreicht in dem der Targetstrom und/oder die Röhrenspannung erhöht werden und zwar so weit, dass die Verunreinigungen entfernt werden, die Zerstörschwelle des Targets jedoch nicht überschritten wird. Gute Resultate werden erzielt, wenn der Targetstrom und/oder die Röhrenspannung zwischen zwei- und zehnmal dem des Targetstroms bzw. der Röhrenspannung im normalen Betrieb entspricht.

Eine Leistungssteigerung der EUV- und weichen Röntgenquelle um einen Faktor 100 erzeugt man durch zusätzliche Kühlung des Targets auf 0°C bis -50°C sowie durch schnelle Targetrotation

Weitere Vorteile der Einrichtung sowie des Verfahrens sind : • Die emittierte Strahlungsleistung ist absolut kalibriert durch vorhandene Kenntnisse der Eindringtiefe der Elektronen in das Target und ihrer Konversionseffizienz in EUV- und weiche Röntgenstrahlung.

■ Die Quelle ist durch hohe Langzeit- und räumliche Stabilität,

Debrisfreiheit und einfache Bedienung gekennzeichnet,

• Durch Verwendung aberrationsfreier Elektronenoptik ist die Quellgröße im Bereich von 1 - 1000 μm einstellbar.

• Der optimale Bereich der Elektronen-Beschleunigungsspannung liegt bei 1 - 100 kV. Bei Verwendung von Silizium als Targetmaterial liegt die optimale Beschleunigungsspannung bei 5 - 20 kV.

• Reflektierte und Sekundärelektronen werden durch speziell angepasste Filter unterdrückt.

• Die kompakte Bauweise erlaubt die einfache Integration der Quelle in unterschiedliche Geräte und Systeme.

Als mögliche Anwendungsfelder kommen u.a. folgende Bereiche in Frage:

• EUV-Lithographie und -Metrologie (z.B. Reflektometrie)

• Inspektion und Kontrolle während der Herstellung von Multischichtmaterialien (z.B. Optiken)

• Leistungs- und Wellenlängenstandard im EUV- und weichen Röntgenbereich zur Kalibrierung von unterschiedlichen Instrumenten und Geräten für Anwendungen in diesem Spektralbereich.

• Mikroskopie im EUV- und weichen Röntgenbereich

(Wasserfenster)

• Herstellung und Untersuchung von nanostrukturierten Materialien . Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von UV-Strahlung,

Fig. 2 ein Emissionsspektrum für ein Beryllium-Target und

Fig. 3 ein Emissionsspektrum für ein Silizium-Target.

Fig. 4 EUV-Signal im Fall einer kontaminierten Targetoberfläche als Funktion der Zeit,

Fig. 5 REM-Aufnahme eines durch Elektronenbeschuss gereinigten Targets,

Fig. 6 EUV-Signal im Fall einer gereinigten Targetoberfläche als

Funktion der Zeit,

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung. Ein Filament 1 aus Wolfram ist von einem Heizstrom durchflössen, der eine kontinuierliche

Emission von Elektronen aus dem Filament bewirkt. Die emittierten Elektronen werden in einem elektrostatischen Feld durch eine Anode 4 hindurch auf ein

Target 6 zu beschleunigt. Das elektrische Feld wird mit einer

Hochspannungsquelle erzeugt, die zum einen an das Filament 2 und zum anderen an die Anode 4 angeschlossen ist. Die Hochspannungsquelle ist dazu geeignet Hochspannungen bis 20 kV zu erzeugen. Das Filament ist von einem

Wehnelt-Zylinder 2 umgeben, der die emittierten Elektronen mittels eines elektrostatischen Feldes bündelt. Die soweit beschriebene Einrichtung ist in einem Vakuumbehälter angeordnet, der auf einen Restdruck von 10^"5 mbar evakuiert ist.

Nach ihrem Durchtritt durch die Anode wird der Elektronenstrahl 3 mittels einer Elektronenoptik gebündelt und der die gebündelten Elektronen treffen als Elektronenstrahl 3 unter einem vorbestimmten, einstellbaren Einfallswinkel auf das Target 6 . Der Strahlstrom beträgt z.B. 3 mA. Die auf das Targetmaterial auftreffenden Elektronen bewirken eine Anregung der Elektronenhülle der Atome im Target 6. Wenn das Atom aus diesem angeregten Zustand wieder in seinen Grundzustand zurückkehrt, emittiert es elektromagnetische Strahlung 7.

Bei einem Silizium-Target werden die Elektronen mit einer Hochspannung von 10 kV beschleunigt. Dabei wird eine Emission aus der L- Schale im Silizium angeregt, die Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 12,4 nm bis 14,5 nm emittiert. Für Anwendungen in der EUV-Lithographie ist es besonders interessant, dass die maximale Intensität genau bei einer Wellenlänge von 13,5 nm auftritt.

Bei einem Beryllium-Target werden die Elektronen mit einer

Hochspannung von 7 kV beschleunigt. Dabei wird eine Kα-Emission im Beryllium angeregt, die Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 11 ,1 nm bis 12,8 nm emittiert, wobei die maximale Intensität bei einer Wellenlänge von 11 ,4 nm auftritt.

Es wird bemerkt, dass Beryllium die Kernladungszahl 4 und Silizium die

Kernladungszahl 14 hat. Somit kommen bei der Erfindung Targetmaterialien mit kleinen Kernladungszahlen zum Einsatz, obwohl aus physikalischen Gründen die Fluoreszenzausbeute mit abnehmender Kernladungszahl abnimmt. Die Erfinder haben aber bemerkt, dass die als nachteilig empfundene Abnahme der Fluoreszenzausbeute teilweise wieder durch Elektronenvervielfachung an der Oberfläche des Targets kompensiert wird.

Ein besonderer Vorteil der genannten Targetmaterialien ist es, dass sie im Betrieb der Einrichtung im evakuierten Bereich keine Verunreinigungen erzeugen, so dass lange Standzeiten erreichbar sind. Die kompakte Bauform der Einrichtung gestattet kleine Abstände zwischen der EUV-Strahlungsquelle und einem zu beleuchtenden Objekt. Insbesondere für metrologische Anwendungen ist das vorteilhaft.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass aufgrund der Absorption von

EUV-Strahlung durch praktisch alle Materialien, die Verunreinigung der Targetoberfläche eine kritische Komponente bei der elektroneninduzierten EUV-Erzeugung in Festkörpermaterialien - für spezielle Anwendungen - darstellen kann. Obschon während des Betriebs keine Verunreinigungen entstehen, wurde festgestellt, dass Kontaminationen des Targetmaterials in Form von dünnen Kohlenstoffschichten häufig aufgrund schlechter Vakuumbedingungen auftreten.

Diese Verunreinigungen lassen sich - im normalem Betrieb - durch Bestrahlung des Targets mit dem Elektronenstrahl, der die EUV-Strahlung generiert, sehr schlecht wieder entfernen. Dieser „Selbstreinigungseffekt" während des Betriebes der EUV-Röhre ist in Fig.4 illustriert. Aufgetragen ist hier das detektierte EUV-Signal als Funktion der Zeit. Man sieht, dass erst nach einer sehr langen (> 800 Minuten) Anlaufphase ein näherungsweise stationärer Zustand erreicht wird.

Wünschenswert ist jedoch ein Verfahren, welches eine rasche Targetreinigung ermöglicht, so dass bereits kurz nach dem Einschalten der EUV-Röhre das maximale EUV-Signal zur Verfügung steht.

Daher wird das folgende Verfahren angewendet: der Elektronenstrahl an der Targetoberfläche wird räumlich aufgeweitet. Targetstrom und Röhrenspannung werden so weit erhöht, dass die Verunreinigungen entfernt werden, die Zerstörschwellen des Targets jedoch nicht überschritten wird. Fig.5 zeigt eine REM-Aufnahme einer auf diese Weise innerhalb von wenigen Minuten gereinigten Oberfläche.

Das nach dieser Reinigungsprozedur erhaltene EUV-Signal als Funktion der Betriebszeit der EUV-Röhre ist in Fig. 6 dargestellt.

Aufgetragen ist hier, genau wie in Fig. 4 das detektierte EUV-Signal als Funktion der Zeit. Man sieht, dass sofort nach dem Einschalten, d.h. ohne Anlaufphase ein näherungsweise stationärer Zustand erreicht wird.

Claims

Schutzansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung von UV-Strahlung, insbesondere EUV- Strahlung, mit einer Teilchenquelle, die elektrisch geladene Teilchen freisetzt, mit Mitteln zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, in welchem die elektrisch geladenen Teilchen auf ein Target zu beschleunigt werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Target (3) ein Festkörper ist, der durch die auftreffenden elektrisch geladenen Teilchen elektromagnetische Strahlung im EUV- Spektralbereich emittiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchenquelle (2) Elektronen freisetzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Teilchenquelle ein elektrisch beheiztes Filament (2), eine Feldemissionskathode oder eine laserbestrahlte Photokathode ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Target (3) Emissionslinien im EUV-Spektralbereich aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das

Target (3) aus Silizium hergestellt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Target (3) aus Beryllium hergestellt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (4) zur Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur elektrostatischen Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur elektrostatischen Fokussierung durch einen Wehnelt-Zylinder (4) gebildet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur elektromagnetischen Fokussierung der elektrisch geladenen Teilchen vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die

Mittel zur elektromagnetischen Fokussierung eine magnetische Linse umfassen.

12. Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlung, insbesondere EUV-

Strahlung, wobei elektrisch geladene Teilchen erzeugt werden und mittels eines elektrischen Feldes beschleunigt werden und auf ein Traget auftreffen,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Target ein Festkörper ist und dass durch die auftreffenden elektrisch geladenen Teilchen elektromagnetische Strahlung im EUV- Spektralbereich erzeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch geladenen Teilchen Elektronen sind.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch geladenen Teilchen durch ein elektrisch beheiztes Filament , eine Feldemissionskathode oder eine laserbestrahlte Photokathode erzeugt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch geladenen Teilchen elektrostatisch, elektromagnetisch oder durch eine magnetische Linse auf das Target fokussiert werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Elektronenstrahls soweit erhöht wird und der Elektronenstrahl an der Targetoberfläche räumlich soweit aufgeweitet wird, dass Verunreinigungen an der Targetoberfläche entfernt werden ohne jedoch eine Zerstörung des Targets zu veranlassen.

17. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Targetstrom und/oder die Röhrenspannung zwischen zwei- und zehnmal dem des Targetstroms bzw. der Röhrenspannung im normalen Betrieb entspricht.