一种极紫外光照射下的光学表面污染与清洁模拟装置

摘要

本发明公开了一种极紫外光照射下的光学表面污染与清洁模拟装置，包括：氢原子发生器接口、电子枪、电子枪室、电子枪接口、曝光腔、冷却毛细管、试样台、试样台接口、气体引入设备、涡轮分子泵、前级泵、RGA、RGA接口、插板阀、放气阀、电阻规以及隔断阀，氢原子发生器接口、电子枪接口、试样台接口以及RGA接口均为开启，且固接在曝光腔上，电子枪接口与试样台接口对称设置在曝光腔的两侧，使得电子枪与试样台处于一条水平线上，氢原子发生器接口设置于腔体上方，且与电子枪接口的轴线垂直，RGA接口设置于实验装置的侧方。本发明能够解决现有装置中存在的不能同时实现光学表面污染和清洁实验功能、只有一套抽真空系统以及试样台不具备自由度的问题。

说明书

技术领域

本发明属于光刻技术领域，更具体地，涉及一种极紫外光照射下的光 学表面污染与清洁模拟装置。

背景技术

在下一代光刻技术中，极紫外光刻技术被视为最有应用前景的技术。 在EUVL中曝光光源的波长处在极紫外波段，光子的能量高，在存在污染源 的情况下易引起光学元件表面的污染，光学元件表面发生污染之后，不仅 会降低光学元件的反射率，还会引起光刻特征尺寸的不一致性。EUVL中光 学元件的价格昂贵，装配复杂，光学元件污染后导致整个光学系统性能下 降甚至失效。因此急需对光刻机内部的污染物进行控制，并对产生的污染 物进行在线清洁。

目前，EUV光刻机内部污染形成的机理尚不明确，清洁技术也还不成熟。 因此，需要搭建模拟装置，模仿EUV光刻机的超真空环境，进行EUV光刻 机光学表面污染和在线清洁技术的实验研究，研究EUV光刻机内部污染形 成的机理和污染控制方法，实验污染清洁技术的效果。

现有的此类模拟装置主要分为两种，一种为污染模拟装置，一种为在 线清洁装置。

污染模拟装置的一般性结构为：有一真空腔体作为主腔体，其上接有 电子枪、真空泵组和气体引入设备，腔体内有一试样台，试样台上安放洁 净的光学元件试样，同时腔体内还有压力传感器、温度传感器和气体测量 设备。其工作原理是对真空腔体抽真空，通过气体引入设备引入污染气体， 用电子束对试样台上的光学元件进行曝光，以模拟EUV光刻机内部的光学 表面污染情况，进一步通过对参数的监测和控制，研究不同因素对光学表 面污染的影响，从而实现超真空条件下的光学表面污染实验功能。

在线清洁装置的一般性结构与污染模拟装置类似：有一真空腔体做为 主腔体，其上接有氢原子发生器、真空泵组和气体引入设备，腔体内有一 试样台，试样台上安放被污染的光学元件试样，同时腔体内还有压力传感 器、温度传感器和气体测量设备。其工作原理是对真空腔体抽真空，以模 拟EUV光刻机内部环境，通过氢原子发生器引入氢原子，氢原子与光学元 件上的污染物进行反应，进行在线清洁，进一步通过气体引入设备通入不 同的保护气体，研究不同的保护气体对清洁速度影响，从而实现超真空条 件下的光学表面在线清洁实验功能。

然而，现有的装置存在下列不足：

不能同时实现光学表面污染和清洁实验功能。在实际的应用中，光学 表面污染和光学表面在线清洁是一个连续的过程，如果能在同一台装置中 完成实验，实验会更有说服力。

现有的污染模拟装置只有一套抽真空系统，电子枪室的真空度与主腔 体相同，无法工作在额定压力下，寿命大大受损。

现有的污染模拟装置中，试样台不具备自由度，一次装夹只能进行一 次实验，效率很低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种极紫外光照射下的 光学表面污染与清洁模拟装置，旨在解决现有装置中存在的不能同时实现 光学表面污染和清洁实验功能、只有一套抽真空系统以及试样台不具备自 由度的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种极紫外光照射下的光学表面污染 与清洁模拟装置，包括：电子枪、电子枪室、曝光腔、冷却毛细管、试样 台、气体引入设备以及两套二级分子泵组，曝光腔上设置有氢原子发生器 接口、电子枪接口、试样台接口以及RGA接口，电子枪接口与试样台接口 对称设置在曝光腔的两侧，使得电子枪与试样台处于一条水平线上，氢原 子发生器接口设置于腔体上方，且与电子枪接口的轴线垂直，其轴线与试 样台处于同一平面上，电子枪与电子枪室连接，电子枪室通过电子枪接口 连接到曝光腔，试样台通过试样台接口连接到曝光腔，RGA通过RGA接口 连接到曝光腔，两套二级分子泵组分别与电子枪室和曝光腔相连接，用于 将电子枪室和曝光腔抽取真空，气体引入设备通过管道与曝光腔相连，连 接处设置于曝光腔的下部。

本发明的装置还包括冷却毛细管，其为单回程U形管，其设置于试样 台上，并均匀排布在试样台底面。

电子枪室和曝光腔通过法兰相连，法兰处横向设置有一毛细管，用于 连接电子枪室和曝光腔。

本发明的装置还包括温度传感器、压力传感器和真空计，其均设置于 曝光腔内部的上方。

试样台垂直于电子束方向，且具有一个偏心转轴，其与电子束方向平 行，并通过法兰上的动密封与外接电机相连。

试样台上有一遮挡板，遮挡板具有一个垂直于试样台方向的自由度， 以实现压紧与松开功能，遮挡板上设有一小孔。

气体引入设备包括顺次相连的质量流量计、截止阀和气体罐，质量流 量计的一端与曝光腔连接，另一端与截止阀的一端连接，截止阀的另一端 与气体罐连接，质量流量计和截止阀二者配合，用于控制气体的通入量。

气体引入设备包括质量流量计、截止阀、过渡腔体、腔壁加热设备、 截止阀和超纯水储存装置，质量流量计的一端与曝光腔连接，另一端与截 止阀的一端连接，截止阀的另一端与过渡腔体的一端连接，腔壁加热设备 设置于过渡腔体上，过渡腔体的另一端与截止阀的一端连接，截止阀的另 一端与超纯水储存装置连接，超纯水储存装置用于通过截止阀向过渡腔体 内通入液态水，缠绕腔壁加热设备用于对过渡腔体进行加热，以产生水蒸 气，质量流量计和截止阀二者配合，用于控制过渡腔体内水蒸气的通入量。

一种极紫外光照射下的光学表面污染与清洁模拟装置，包括氢原子发 生器、曝光腔、冷却毛细管、试样台、气体引入设备以及一套二级分子泵 组，曝光腔上设置有氢原子发生器接口、试样台接口、电子枪接口以及RGA 接口，电子枪接口与试样台接口对称设置在曝光腔的两侧，氢原子发生器 接口设置于腔体上方，且与电子枪接口的轴线垂直，RGA接口设置于实验装 置的侧方，其轴线与试样台处于同一平面上，试样台通过试样台接口连接 到曝光腔，RGA通过RGA接口连接到曝光腔，二级分子泵组与曝光腔相连 接，用于将曝光腔抽取真空，气体引入设备通过管道与曝光腔相连，连接 处设置于曝光腔的下部，氢原子发生器与曝光腔通过氢原子发生器接口连 接。

试验台处设置有一层陶瓷纤维隔热毡，用于防止高温对试验台以及试 样的损害，在曝光腔的内壁上设置有冷凝管，用于对实验设备进行降温。

一种极紫外光照射下的光学表面污染与清洁模拟装置，包括：曝光腔、 冷却毛细管、涡轮分子泵、插板阀、放气阀以及二氧化碳激光器，曝光腔 上设置有氢原子发生器接口、电子枪接口、试样台接口以及RGA接口，电 子枪接口与试样台接口对称设置在曝光腔的两侧，氢原子发生器接口设置 于腔体上方，且与电子枪接口的轴线垂直，RGA接口设置于实验装置的侧方， 二氧化碳激光器与曝光腔通过电子枪接口连接。插板阀的一端通过管道与 曝光腔相连，连接处设置于曝光腔的下部，插板阀的另一端与涡轮分子泵 相连，放气阀与曝光腔相连，连接处设置于曝光腔的下部。

本发明的装置还包括极紫外光电二极管、金属靶发生器和金属液滴收 集容器，极紫外光电二极管设置于曝光腔内部的上方并与曝光腔的内壁固 接，金属靶发生器与曝光腔通过氢原子发生器接口连接，金属液滴收集容 器设置于曝光腔的底部。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以 下的有益效果：

（1）能够同时实现光学表面污染和清洁实验功能：本发明的模拟装置 具有多个接口，电子枪接口与试样台接口对称分布于曝光腔两侧，二者轴 线重合，便于直接进行曝光，这两个接口为实现污染实验功能提供了条件。 氢原子发生器接口设置于腔体上方，与其他接口有一定的距离，便于氢原 子发生器放置，也不会影响其他接口使用，此接口为实现氢原子清洁实验 功能提供了条件。

（2）能够对主腔体和电子枪室进行差分抽真空，既能保证主腔体真空 度达到要求，又能延长电子枪寿命：本模拟装置两个腔体之间采取差分抽 真空结构，两个腔体通过法兰相连，毛细管在法兰处横向设置，连接两个 腔体，由二级分子泵组抽取真空，为了保证两边能够保持两个数量级的压 强差，各在两个腔体与分子泵之间加一插板阀，通过调节阀口大小来控制 真空度。如此，便可以对两个腔体进行差分抽真空，既保证腔体相通，使 电子束通过，又可以对两个腔体进行不同真空度的抽取。

（3）可以实现一次装夹，多次试验功能：试样台竖放于曝光腔内，垂 直于电子束方向，具有一个旋转自由度，转轴与电子束方向平行，为偏心 转轴，转轴通过法兰上的动密封与外接电机相连，在超高真空环境中利用 旋转代替平动，保持高真空度。实验时，通过旋转转轴，更改曝光位置， 使抽一次真空可做多次试验，提高试验效率。

（4）可以实现气体成分实时分析和分压实时测量的功能：不同浓度下 引入气体对污染的影响是不同的，不论是污染控制实验还是在线清洁实验， 都需要测定在不同的气体分压下污染的影响，并及时测量剩余气体中污染 物的信息。该实验装置的真空腔体有一专门接口，用于外接RGA，实现气体 成分实时分析和分压实时测量的功能。为确保实验数据的准确性，RGA接口 设置于实验装置的侧方，其轴线与试样台处于同一平面上，这样RGA安装 之后，RGA分析传感器部分可以尽可能地接近光学元件，测量的数据更准确；

（5）模拟装置的功能可以扩展，不仅限于光学表面污染和在线清洁实 验功能：装置的接口均为法兰，通用性强，同一个接口可以与不同的元件 连接，在光学表面清洁和在线清洁功能之外实现多种功能。例如，在氢原 子发生器接口外接金属靶发生器，在电子枪接口外接二氧化碳激光器，便 可以实现极紫外光源金属靶实验功能。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的主视图。

图2是本发明第一实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的左视图。

图3是本发明中试样台的结构示意图。

图4是气体引入设备引入一般气体时的结构示意图。

图5是气体引入设备引入水蒸气时的结构示意图。

图6是本发明第二实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的主视图。

图7是本发明第二实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的左视图。

图8是本发明第三实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的主视图。

图9是本发明第三实施方式的极紫外光照射下的光学表面污染与清洁 模拟装置的左视图。

图中：

1-氢原子发生器          2-氢原子发生器接口

3-电子枪                4-电子枪室

5-电子枪接口            6-曝光腔

7-冷却毛细管            8-试样台

9-试样台接口            10-气体引入设备

11-涡轮分子泵           12-前级泵

13-温度传感器           14-压力传感器

15-真空计               16-RGA

17-RGA接口              18-金属靶发生器

19-二氧化碳激光器       20-金属液滴收集容器

21-试验样品             22-遮挡板

23-密封法兰             24-动密封

25-电机                 26-试样夹

27-遮挡板小孔           28-质量流量计

29-截止阀               30-气体罐

31-过渡腔体             32-腔壁加热设备

33-超纯水储存装置       34-插板阀

35-放气阀               36-电阻规

37-隔断阀               38-极紫外光电二极管

39-截止阀

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本发明第一实施方式的结构示意图。在此实施方式下，本 发明可以实现极紫外光照射下的光学表面污染实验及氧原子清洁实验功 能。

如图1和图2所示，本发明极紫外光照射下的光学表面污染与清洁模 拟装置包括：氢原子发生器接口2、电子枪3、电子枪室4、电子枪接口5、 曝光腔6、冷却毛细管7、试样台8、试样台接口9、气体引入设备10、温 度传感器13、压力传感器14、真空计15、残余气体分析仪（Remaining gas  analyzer，简称RGA）16、RGA接口17以及两套二级分子泵组。

曝光腔6为主腔体，氢原子发生器接口2、电子枪接口5、试样台接口 9以及RGA接口17为法兰式的接口，且设置于曝光腔6上。电子枪接口5 与试样台接口9对称设置在曝光腔6的两侧，使得电子枪3与试样台8处 于一条水平线上，电子枪3产生的电子束便可以直接轰击到试样台8上的 光学元件表面，对其进行曝光。氢原子发生器接口2设置于腔体上方，且 与电子枪接口5的轴线垂直，为实现实施方式二与实施方式三提供条件。 RGA接口17设置于实验装置的侧方，其轴线与试样台8处于同一平面上， RGA16安装之后，传感器得以最大限度接近光学元件，测量的数据更准确。

氢原子发生器接口2关闭，电子枪接口5开启，试样台接口9开启， RGA接口17开启。电子枪3与电子枪室4连接，电子枪室4通过电子枪接 口5连接到曝光腔6，试样台8通过试样台接口9连接到曝光腔6，RGA16 通过RGA接口17连接到曝光腔6。

为了使光学元件散热尽可能的快和均匀，同时保证冷却液不污染真空 腔体，试样台8上设置有冷却毛细管7，冷却毛细管7为单回程U形管，均 匀排布在试样台底面。通过冷却毛细管7和试样台8的温控装置，可以对 光学元件的温度进行控制。

二级分子泵组包括涡轮分子泵11、前级泵12、插板阀34、放气阀35、 电阻规36、隔断阀37，本实施方式中，二级分子泵组的数量为两套，其分 别与电子枪室4和曝光腔6相连接。电子枪室4和曝光腔6通过法兰相连， 法兰处横向设置有一毛细管，用于连接电子枪室4和曝光腔6，电子枪室4 和曝光腔6分别由两套二级分子泵组抽取真空，为了保证两边能够保持两 个数量级的压强差，通过调节插板阀34的阀口大小来控制真空度，如此可 以在曝光腔6内真空度发生变化时确保电子枪室4的真空度为电子枪3的 额定压力，增加电子枪3的寿命。

气体引入设备10通过管道与曝光腔6相连，连接处设置于曝光腔6的 下部。

温度传感器13、压力传感器14和真空计15设置于曝光腔6内部的上 方并与曝光腔6的内壁固接，用于对不同的变量进行监测或控制。

如图3所示，其为试样台8的结构示意图，试样台8与试样台接口9 连接，竖放于曝光腔6内。试样台8垂直于电子束方向，且具有一个偏心 转轴，其与电子束方向平行，并通过法兰23上的动密封24与外接电机25 相连，在超高真空环境中利用旋转代替平动，保持高真空度。试样台8上 有一遮挡板22，遮挡板22具有一个垂直于试样台8方向的自由度，实现压 紧与松开功能，遮挡板22上设有一小孔27。实验时，挡板紧压试验样品 21，隔绝气体与电子束，仅小孔27部位曝光，通过旋转转轴，更改曝光位 置，使抽一次真空可做多次试验，提高试验效率。

图4和图5所示为气体引入设备10的两种不同的结构。

如图4所示，其为通入一般气体时，气体引入设备10的结构示意图。 该气体引入设备10包括顺次相连的质量流量计28、截止阀29和气体罐30。 质量流量计28的一端与曝光腔6连接，另一端与截止阀29的一端连接， 截止阀29的另一端与气体罐30连接。气体流经截止阀29和质量流量计28 通入曝光腔6。质量流量计28和截止阀29二者配合，精确控制气体的通入 量。如此，通过控制通入气体的种类和通入量，可以观察不同气体成分对 污染的影响。

如图5所示，其为通入水蒸气时，气体引入设备10的结构示意图。该 气体引入设备10包括质量流量计28、截止阀29、过渡腔体31、腔壁加热 设备32、截止阀39和超纯水储存装置33。质量流量计28的一端与曝光腔 6连接，另一端与截止阀29的一端连接，截止阀29的另一端与过渡腔体 31的一端连接，腔壁加热设备32设置于过渡腔体31上，过渡腔体31的另 一端与截止阀39的一端连接，截止阀39的另一端与超纯水储存装置33连 接。由于实验对水蒸气纯度的要求很高，只有超纯水加热产生的水蒸气才 能达到要求，因此通入水蒸气时，由超纯水储存装置33通过截止阀29向 过渡腔体31内通入液态水，过渡腔体31外壁上缠绕腔壁加热设备32对过 渡腔体31进行加热，以产生水蒸气，再通过质量流量计28和截止阀29控 制过渡腔体31内水蒸气的通入量。

本实施方式的工作原理为：

抽真空系统对电子枪室4和曝光腔6两个腔室进行差分抽真空，将电 子枪室4的真空度抽至1E-4Pa以上，将曝光腔6的真空度抽至1E-7Pa以 上，保证曝光腔6的真空度与EUV光刻机的超真空环境相似，同时电子枪 室4中的真空度仍然维持在电子枪的额定工况。以此保证电子枪灯丝的工 作寿命。

曝光腔6的真空度达到要求之后，开启电子枪3，电子枪3产生电子束 轰击到试样台8上的光学元件表面，对其进行曝光。通过气体引入设备10 向曝光腔6中充入污染源气体，光学元件受到曝光后，表面会产生污染。

通过冷却毛细管7、气体引入设备10、温度传感器13、压力传感器14、 真空计15和和RGA16对不同的变量进行监测或控制，该装置可以进行多 项极紫外光照射下的光学表面污染实验。例如：通过气体引入设备10向曝 光腔6中充入特定分压的污染源气体，采用RGA16检测气体分压，当分压 稳定之后，开启电子枪3，使用特定的曝光剂量进行曝光，用RGA16检测 污染物的信息；移动试样，使未曝光的部分进入到曝光区域，调节电子枪3， 增大曝光剂量，并用RGA16检测污染物的信息；重复上面的步骤，直至最 大的曝光剂量，研究在相同气体分压浓度之下，不同的曝光剂量对污染的 影响。

同时，由于氧气在激光照射下可以与光学元件表面的污染物发生化学 反应，对其进行清洁。使用气体引入设备10向曝光腔6中充入氧气而非污 染源气体，本实施方式还可以实现光学元件的氧原子清洁实验功能。

图6和图7所示为本发明第二实施方式的结构示意图。在此实施方式 下，本发明可以实现光学元件的氢原子清洁实验功能。

本发明第二实施方式的装置与第一实施方式基本相同，其区别在于：

没有设置实施方式一中出现的电子枪3、电子枪室4以及与电子枪室4 相连的一套二级分子泵组，此时电子枪接口5关闭。同时，增加了氢原子 发生器1，其与曝光腔6通过氢原子发生器接口2连接。由于氢原子发生器 尾部温度在1500℃左右，因此试验台8处设置了一层陶瓷纤维隔热毡，防 止高温对试验台以及试样的损害；同时，在曝光腔6的内壁上设置冷凝管， 对实验设备进行降温。

本实施方式的工作原理为：

二级分子泵组与曝光腔6相连接，将曝光腔6的真空度抽至1E-7Pa以 上，保证曝光腔6的真空度与EUV光刻机的超真空环境相似。

曝光腔6的真空度达到要求之后，开启氢原子发生器1，向曝光腔6充 入氢原子，氢原子与光学元件上的污染物发生反应，对光学元件起到清洁 作用。

进行无惰性气体条件下氢原子清洁实验时，气体引入设备10暂时关闭。 进行后续惰性气体影响实验时，气体引入设备10开启，向曝光腔6充入惰 性气体（氩气、氮气等），研究惰性气体引入对清洁速度的影响。

通过氢原子发生器1、冷却毛细管7、气体引入设备10、温度传感器 13、压力传感器14、真空计15和RGA16对不同的变量进行监测或控制， 该装置可以研究不同参数对氢原子清洁速度的影响。例如：通过氢原子发 生器1向曝光腔6中充入特定分压的氢原子，用RGA16检测污染物的信息； 调节氢原子发生器1，增大氢原子气体分压，并用RGA16检测污染物的信 息；重复上面的步骤，直至氢原子气体分压达到一定值，研究不同氢原子 气体分压对清洁速度的影响。

图8和图9所示为本发明第三实施方式的结构示意图。在此实施方式 下，本发明可以实现极紫外光源金属靶实验功能。

本发明第三实施方式的装置与第一实施方式基本相同，其区别在于：

没有设置实施方式一中出现的试样台8、气体引入设备10、前级泵12、 RGA16、电阻规36和隔断阀37，试样台接口9、RGA接口17关闭。同时， 没有设置实施方式一中出现的电子枪3、电子枪室4和与电子枪室4相连的 一套二级分子泵组，将其替换替换为二氧化碳激光器19，其与曝光腔6通 过电子枪接口5连接；没有设置实施方式一中出现的真空计15，将其替换 为极紫外光电二极管38。同时，增加了金属靶发生器18，其与曝光腔6通 过氢原子发生器接口2连接；增加了金属液滴收集容器20，其设置于曝光 腔6的底部。插板阀34的一端通过管道与曝光腔6相连，连接处设置于曝 光腔6的下部，插板阀34的另一端通过管道与涡轮分子泵11相连。放气 阀35通过管道与曝光腔6相连，连接处设置于曝光腔6的下部。

本实施方式的工作原理为：

首先，按照极紫外光源金属靶实验要求，使用涡轮分子泵11将曝光腔 6的真空度抽至1E-1Pa。曝光腔6的真空度达到要求之后，启动金属靶发 生器18，产生金属液滴靶，液滴体积小而均匀、下落间隔周期稳定；启动 二氧化碳激光器19，产生脉冲激光，调节激光射出的频率和液滴下落的频 率，使脉冲激光射到金属液滴靶上，轰击金属液滴靶产生等离子体，等离 子体产生极紫外光。使用极紫外光电二极管38测量产生的极紫外光的能量； 改变金属靶发生器38和二氧化碳激光器19的频率，测量产生的极紫外光 的能量；重复上面的步骤，研究极紫外光频率与打靶频率的关系。金属液 滴收集容器20用于收集金属靶发生器18产生的金属液滴，避免污染曝光 腔6。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。