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用于大规模光刻制造的LPP-EUV光源

发布时间: 2017-02-10 12:52:14   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  日本Gigaphoton公司一直致力于研发面向半导体光刻大规模生产(HVM)的激光等离子体极紫外光源(LPP-EUV)。其中包含一些独特的技术特点,诸如高功率短脉冲的CO2激光、短波固态预脉冲激光,以及磁场碎片减缓技术。本文将介绍高功率LPP-EUV光源的核心技术。同时,也将展示最新的性能数据,相应的测试参数为:EUV中间焦点处(IF)的功率188W,在100kHz下有3.7%的转换效率。 

  1.     前言

  LPP-EUV光源由于其功率可拓展的特性,成为了13.5 nm光刻技术最被看好的高功率光源解决方案。该光源通过将高功率的CO2激光打在锡液滴上产生13.5 nm波长的光。LPP-EUV工程上的难点集中在,将高功率CO2激光打到锡液滴的过程上,以及收集器镜面的锡残渣减缓。EUV光线发射之后,生成的锡残渣会沉降在收集器的镜面上,致使镜面反射率降低,最终造成光源功率的损失。锡屑沉积可以通过优化管道内的氢气(H2)气流来减缓。然而,氢气流速的增加随之会引入热效应,并将造成激光射击的困难。为了解决该问题,我们研发了双波长射击法,结合了高功率短脉冲的CO2激光和短波长固态预脉冲激光,并且将磁场引入到了残渣减缓的技术中。 

  2.     LPP-EUV光源系统

  2.1 结构 

  图5展示了我们提出的LPP-EUV光源系统的结构,由驱动激光器、光束传递系统和EUV腔系统三部分组成。驱动激光系统包含CO2激光器和预脉冲激光器。其中CO2激光器是一套主振功率放大(MOPA)系统。该主振荡器包含多个量子级联激光器,一套再生放大器,和一套基于射频放电激发、平板波导和多程放大器的后置放大系统。 

  预脉冲激光和CO2激光束在光束传输系统中被混合起来,并通过EUV腔系统中的对焦单元导入到等离子体态的锡液滴上。锡等离子体产生的EUV光束被收集镜收集起来,并导入到曝光系统中。超导磁场系统位于EUV腔外部,并能在EUV腔内产生高强度的磁场,从而保护收集器镜面不受锡等离子体产生的高速锡离子的影响。此外,该系统配备有若干套射击控制回路,如液滴定位控制、激光光束轴、定时控制器,以确保液滴和激光器间能拥有μm至nm量级的射击精度。 

  

  5 LPP-EUV光源系统结构图

  2.2 预脉冲技术 

  预脉冲激光技术对于获得高转换效率至关重要。获取高的转换效率是将EUV功率提升至250W水平最合理的方案,该水平是目前可用于大规模生产的目标。图6(a)和(b)分别展示了在CO2激光辐射前经过10 ns(a)和10 ps(b)的预脉冲激光辐射后,锡薄雾的形状。图6(c)展示了在使用10 ps预脉冲激光的情况下经CO2激光辐射后光束的发射情况(上:可见光CCD成像,下:X线CCD成像,EUV成像)。另一方面,经过10 ps预脉冲辐射的液滴是一个穹顶型的靶。该穹顶型的靶通过图6(c)所示的较宽的EUV发射区域,可以带来高的转换效率。图7(a)和(b)展示了在小型EUV光源实验装置中分别使用ns和ps的预脉冲激光条件下,转换效率CE和离子化率的表现。使用ps级别的预脉冲激光技术可以达到超过4.5%的高转换效率。且其离子化率高达超过98%。 

  

  6 锡薄雾(a)经10 ns预脉冲 b)经10 ps预脉冲 c10 ps预脉冲,经CO2激光辐射后的成像,上:可见光分布,下:EUV光束发射分布

  

  7 a)转换效率 b)使用ns ps级别预脉冲照射后的离子化率

  2.3 磁性残渣减缓技术 

  磁性残渣减缓技术被用于最大化收集镜面的寿命,而图7(b)中所示的高离子化率是该概念的核心参数。预脉冲激光可将液态的锡液滴生成均匀分布的雾状物。EUV光束通过高功率的CO2激光照射锡等离子体而生成。锡离子在超导生成的强磁场的作用下被导向离子捕捉装置。剩余的锡原子沉淀在收集镜面上并被H2气体带走。根据这个概念,几乎所有的锡残渣都可以以离子的形式被强磁场捕获,因此H2气体的流速可以实现最小化。此外,图7(a)所示的高CE可以降低CO2激光器所需的功率。以上这些意味着,高功率的EUV系统运行时,因高功率CO2激光轰击锡液滴带来的气体热效应将被最大程度削弱。 

  3.     系统性能表现

  3.1 残渣减缓效果 

  图8所示为最新的收集镜面的锡沉积数据。这些数据来自于在收集镜面表面放置的鉴定板。在(a)和(b)的数据中,锡很明显地在粒子捕捉装置附近的区域沉积。这意味着,锡离子被磁场有效地捕捉到了,且磁性残渣减缓装置运行有效。锡在粒子捕捉装置附近区域的大量沉积,是该处存在逆扩散的原因所致。该现象可以通过图8(c)所示的对捕捉器进行优化得以改进。 

  

  8 收集镜面处锡的沉降率

  3.2 EUV功率 

  图9(a)所示的是EUV功率和CE随CO2激光功率的变化关系,100kHz,50%周期,无剂量控制。最高的EUV功率可以达到268W,CO2激光功率为22kW,CE为3.5%。我们已经通过使用100mJ脉冲能量的CO2激光,在小型EUV光源实验装置下达到了超过4.5%转化效率。这意味着我们的EUV光源系统有着更进一步的提升空间。图9(b)是加上剂量控制后的长期运行数据。EUV功率达到188W,且具备CO2激光功率控制下的优于0.3%的剂量稳定性(3σ)。运行时间为7小时。在CO2激光功率约为15kW的水平下,平均CE为3.7%。我们的EUV光源系统的功率已经接近大规模生产所需的250W大关。同时,这些数据也支持了我们的技术概念所具备的优点,如双波长轰击技术和磁性残渣减缓技术。 

  

  9 aEUV功率和CECO2激光功率的变化关系,100kHz50%周期,无计量控制,(bEUV功率和CE随脉冲数的变化,100kHz50%周期,有剂量控制

  4.     结论

  我们研制出了适于大规模光刻生产的LPP-EUV光源。展示了例如CO2激光、预脉冲激光和磁性残渣减缓技术等关键性技术。同时也展示了最新的测试数据,获得了中间焦点(IF)处188W的EUV光源功率,在100kHz下拥有3.7%的转换效率。 

  常哲编译自T. Saito, Y. Ueno, T. Yabu, LPP-EUV light source for HVM lithography.Proc. of SPIE Vol. 10254 102541A-1 

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