产生极端紫外辐射或软X射线辐射的方法及装置

摘要

本发明揭示一种用来产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的装置，其包括：一激光源(12)，其用来产生一激光辐射(11)，所述激光辐射(11)以超过106W/cm2的强度聚焦于一靶上以形成一等离子体；及若干电极，其安装于一电绝缘块状物(6)上并围绕由激光源(12)所产生等离子体的路径布置。所述电极与一用于在等离子体中形成快速放电的装置相结合，所述放电具有一特征时间常数，所述特征时间常数小于所述激光所产生等离子体的膨胀时间的时间常数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生极端紫外辐射(EUV)或软X射线辐射的方法与装置。

本发明的较佳应用领域包括需要使用处于1-20nm频谱范围内的软X射线光(即EUV光)的应用。最突出的应用是工作波长为13.5nm的EUV投影微影，其中需要使用紧凑、大功率、具成本效益且可靠的光源。另一应用领域包括X射线分析方法—例如光电子光谱学，或荧光X射线分析—其利用软X射线辐射的频谱范围并可在实验室规模上实现。此外，该方法与装置可以用来表征X射线光学器件或X射线探测器，并最终在用于体内观察生物组织的所谓水窗口(water window)的频谱范围内用作EUV显微镜的光源。

背景技术

使用等离子体当作EUV光线源及软、硬X射线源已众所周知。几乎与产生等离子体的方法无关地，所发射出的等离子体必须足够热(亦即，＞150,000K)及稠密(亦即，＞10¹⁷个电子/cm³)，以发射X射线及/或EUV辐射。

已知有各种用于产生EUV辐射的不同技术会满足上述条件。这些技术可以划分成基于放电或基于激光的等离子体源概念。

对于所谓的由气体放电产生等离子体(GDPP)的源，脉冲放电会产生「火花状」等离子体，其中约5至100kA的电流在约10纳秒至约数微秒的时间内流经等离子体。对于通过额外的加热与压缩来增加向EUV的转换而言，所谓的箍缩效应(pinch effect)可能会促进该过程。不同的放电等离子体概念在电极几何形状、电压-压力范围、等离子体动态特性、引燃策略与电产生器方面有所不同。我们已知这些放电等离子体的各种不同的实例，例如稠密等离子体聚焦Z箍缩(Z-pinch)放电、毛细管放电、及中空阴极触发的箍缩。这些放电等离子体概念的不同版本揭示于美国专利文件第6,389,106号、第6,064,072号与WO专利第99/34395号中。

对于所谓的以激光产生等离子体(LPP)，是将一激光光束聚焦于某种稠密(＞10¹⁹原子/cm³)物质(最常称为靶)。如果强度超过约10¹⁰W/cm²，则几乎会从任何物质中发出EUV或甚至X射线辐射。使用受到激光辐射的靶来产生等离子体的概念已经揭示于WO专利文件第02/085080号、第02/32197号、第01/30122号与美国专利第5,577,092号中。

以目前最大转换效率介于0.5与2％之间的源概念一般技术水平而言，为获得适用于EUV微影等工业应用的足够的EUV功率(80-120W)，须将通常50.000W)至100.000W的激发功率耦合入辐射等离子体内。视源概念而定，此将变换成直接在源点处产生300W至超过1,000W的EUR辐射。对于现有的源概念LPP与GDPP，有数种因素使得很难满足这些所要求的EUV功率水平：

1.对于LPP概念，是受两种因素的限制：首先，预计一具有约10kW功率的激光器的成本将远超过由经济生产成本所界定的预算。其次，驱动激光器所需的电功率(通常约1MW)与所需的冷却将有可能超过半导体工厂中可以接受的水平。

2.对于GDPP概念，限制因素如下。功率必须馈入一通常约为发出辐射的体积的10³倍的体积中。对于一可容忍的1mm³的源体积，典型的放电体积为1cm³。由于对该体积的限制通常是由放电电极或由绝缘材料来实现，因而这些材料会受到过度加热与腐蚀，这是因为所允许的其距热等离子体的典型距离仅为约数毫米至数厘米。

因此，以激光产生等离子体(LPP)与以气体放电产生等离子体(GDPP)看起来与工业应用的最新要求、特别是极端紫外辐射微影(EUVL)的要求不相适应。因此，存在对新颖技术解决方案的迫切要求，这看起来是遵循IRTS路线图(2009)与Intel路线图(2007)成功引进EUVL的必要条件。

发明内容

因此，本发明的一目的是提供一种方法与装置，该方法与装置用于补救以气体放电产生等离子体与以激光产生等离子体这两种基本概念的上述缺点，并尤其能够以更佳的经济状况应用于频谱范围约为13.5nm的EUV微影而不需要大大增加用于产生等离子体的装置的功率，同时提供使装置适应于使用者的特定要求的高度灵活性。

现有技术的缺点得到减少，同时这些现有技术的主要优点得到保留，这是因为在本发明的方法与装置中使用了出乎预料的协同效应。

本发明的目的是通过一种产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的方法来实现，在该种方法中，通过由一激光源所产生的激光辐射与由电极和用于产生快速放电的构件相结合所产生的放电的组合，以混合方式产生及加热等离子体，其中该激光辐射以超过10⁶W/cm²的强度聚焦至一靶上，其中以激光产生的等离子体的膨胀时间的时间常数超过放电的特征时间常数。

本发涉及一种混合方法，其将通过激光辐射来产生及/或加热等离子体与通过放电来产生及/或加热及/或压缩等离子体相结合，其结合方式使该解决方案以如下方式将这两种概念相组合：组合了单种解决方案的优点，同时避免了这些已知方法的缺点。

该靶可以是超过10¹⁹个原子/cm³的气态、液态、液体喷雾态、簇喷雾态或固态媒体，例如块状或箔片状靶。

根据第一实施例，首先通过将激光辐射聚焦于稠密靶的一激光相互作用区中来产生EUV等离子体，接着在该激光相互作用区域中引发放电。重要的是应注意，甚至当激光不再耦合至等离子体时，放电也将能有效率地将能量耦合至EUV等离子体内。为此，可将放电视为初始激光所产生等离子体的增强器，由此使用便宜的电功率来大大增强EUV光的产生。此一概念称为放电增强的激光产生等离子体(Discharge BoostedLaser Produced Plasma，DBLPP)。

根据第二实施例，通过将激光辐射聚焦于靶上来产生冷的等离子体以产生一冷的等离子体烟缕，接着在该等离子体烟缕的离域相互作用区中主动触发一放电，以加热并压缩等离子体来实现更受约束的EUV光发射。该概念称为激光辅助气体放电产生等离子体(Laser Assisted Gas Discharge Produced Plasma，LAGDPP)。

根据第三实施例，使用传统放电组态来产生高密度的放电等离子体。然而，在箍缩过程期间，等离子体变得稠密到足以局部地允许额外的激光加热。该程序允许修改及/或优化离子总数，以增强EUV辐射(例如，13.5nm的EUV微影)。该第三种概念称为激光增强气体放电产生等离子体(LBGDPP)。

从一般的观点来看，以上所陈述的这三种混合方法DBLPP、LAGDPP与LBGDPP可提供以下来区分：(1)在注入至EUV发射体等离子体的能量与激发持续时间方面，激光及放电各自对等离子体加热的作用，(2)这两种互补加热机理的时间延迟与前后顺序。

对GDPP与LPP两种概念而言，通常将靶的元素组成选择成使所发射的频谱分布与应用要求最佳地匹配。对于EUVL的特定情形而言，通常将宽频发射体氙气考虑为其中一种最适合的材料，这是因为(1)其在所感兴趣的频谱范围内显示出其中一最高的转换效率，(2)其在化学上呈中性，及(3)其由于具有高的Z值而受到激光的良好加热。然而，在GDPP或LPP概念中还已经在研究其他的发射体，例如氧气、锂、锡、铜或碘。

在存在等离子体的情况下由电极所施加的电流脉冲是由电容器所储存能量的快速放电来提供。

在存在等离子体的情况下由电极所施加的电流脉冲是选择成具有一处于1位数至3位数纳秒范围内的周期。

较佳地，在存在等离子体的情况下由电极所施加的电流脉冲是选择成具有处于2位数至3位数千安培范围内的幅值。

在存在等离子体的情况下由电极所施加的电流脉冲是和激光源所产生激光脉冲的点火成一规定时间关系来切换。

所产生等离子体的温度处于6位数开氏绝对温度(亦即，100,000-400,000K)范围内。

等离子体是以在低于10Pa的范围内所选的气体压力来产生。

等离子体发射出波长短于50nm的辐射。

本发明的目的是进一步通过一种用于产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的装置来实现，该装置包括：一激光源，其用来产生一激光辐射，该激光辐射以超过10⁶W/cm²的强度聚焦于一靶上以产生等离子体；若干电极，其围绕该激光源所产生等离子体的路径布置，所述电极与用来在等离子体中产生快速放电的构件相结合，其中放电的特征时间常数小于激光所产生等离子体的膨胀时间的时间常数(较佳约为200ns或更小)。

所述用来产生快速放电的构件可以包括用来储存电能的构件，例如电容器组或脉冲压缩器。

倘若使用电容器组，则所述电极可以直接连接至该电容器组，以产生快速放电。

另一选择为，所述电极可以通过一功率通断开关连接至所述电容器组，其中该功率通断开关是由一逻辑控制元件接通，以产生所述快速放电。

所述电极的放电时间超过100ns与200ns，但是由激光源产生的激光脉冲的激光脉冲持续时间是数纳秒且不会超过60ns。

根据本发明的一与第一实施例(DBLPP)相结合尤其较佳的具体实施例，所述装置包括一喷嘴，以用来将冷喷射靶(例如微液体喷射靶、喷雾靶、簇靶或一喷发气体靶)注入一联合真空腔中，该真空腔配备有至少一个电绝缘块状物，以围绕所述靶的一激光交互作用区容纳所述电极。

所述电绝缘块状物呈现高的热传导率，且较佳以低温方式冷却，从而能够消除因吸收未使用的频带内与频带外辐射二者所产生的热负荷。

所述电绝缘块状物可以进一步用作低温靶注射器箍缩、星箍缩或毛细管放电构造的热屏蔽件。

根据一第一实施例，所述装置包括一激光源，其用来产生一激光辐射，该激光辐射以超过10⁶W/cm²的强度聚焦于一稠密的靶上，以产生等离子体。

根据一第二实施例，所述激光源所产生的激光束照射一固体块靶、固体箔片靶、液体靶、喷雾靶、簇靶或喷发气体靶，以产生一冷的等离子体烟缕，所述放电电极与激光相互作用区一起布置于该等离子体烟缕的路径上，所述电极有助于加热及压缩等离子体以产生更受约束的EUV辐射。

在此种情况中，所述装置可以包括一连接至所述电极的脉冲产生器，所述脉冲产生器在该等离子体烟缕进入所述电极之间的空间时触发放电。

根据一第三实施例，所述装置包括：若干放电电极，其靠近一喷射靶布置以在等离子体路径上使用一GDPP的传统放电构造来产生高密度等离子体；一激光源，其以一种维持EUV辐射发射的方式照射所述等离子体；及一触发构件，其用来当该箍缩过程使等离子体稠密到足以允许额外的激光加热时触发激光脉冲。

所述装置可进一步包括一第二真空腔，所述第二真空腔经由一孔连接至所述第一真空腔，以接纳EUV光发射区下游未使用的靶材料。

附图说明

出于例证的目的，现在将参考显示较佳实施例的随附示意图来说明本发明，随附示意图中：

图1A为本发明一特定实施例的示意图，其中使用一冷的小滴喷雾靶由一激光所产生的等离子体来引燃及约束放电，

图1B为图1A所示特定实施例的示意图，但是其具有另一种类型的喷射靶(微液体喷射)，

图2为图1A所示实施例的示意性侧视图，其显示激光束聚焦于一相互作用区上且所产生的有用的EUV辐射射入一大的区域内，及

图3为根据本发明，一激光辅助放电源(LAGDPP)的一特定实施例的示意图。

具体实施方式

根据本发明，通过利用激光产生方案概念与放电产生方案概念的一特定协同组合而避免了及由激光产生方案或仅由放电产生方案来产生X射线源的上述缺点，该特定协同组合可包括各种混合源实施例。

图1A，1B与2涉及第一实施例，该第一实施例可以称为一放电增强的激光产生等离子体源(DBLPP)。

根据本发明的第一实施例，用来产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的装置包括：一激光源，其用来产生一激光辐射，该激光辐射以超过10⁶W/cm²的强度聚焦于一稠密的靶上以产生等离子体；一电极，其围绕由该激光源所产生等离子体的路径布置，所述电极与用于在等离子体中产生快速放电的构件相结合，放电的特征时间常数小于激光所产生等离子体的膨胀时间(在DBPLL装置情况下)的时间常数。

本发明在此一较佳形式中以下列方式工作：通过一喷嘴或其他类似设备2将冷的(亦即，液体或固体)喷射靶、喷雾靶、簇靶或喷发气体靶1注入一用作一相互作用腔的真空腔3中。所述靶上的激光相互作用区4由若干电极5环绕，这些电极5由某个电绝缘块状物6固定并构成一放电单元。这些电极排列成一Z箍缩、中空阴极箍缩、星箍缩、或毛细管放电构造。电绝缘块状物6较佳得到低温冷却，并且呈现出高的热传导率，从而能够消除因吸收未被使用的频带内与频带外辐射二者而产生的热负荷。该块状物6也为一可能的低温靶注入器用作热屏蔽件。该喷射靶进入一经由孔8连接至源腔3的第二真空腔7。激光对靶1上相互作用区4的冲击会产生等离子体(或者发出EUV辐射，或者不发出EUV辐射)，该等离子体会触发放电(此意味着放电电源不必需要一自身的触发单元)。可在一大的圆锥中收集有用的EUV光，该圆锥的对称轴线垂直图1A的图纸平面并指向读者。在图2中可以看到该大的圆锥10，图2为图1A的侧视图，其显示激光束11由激光源21产生并聚焦于相互作用区4上，以及显示所产生的有用的EUV辐射，所述有用的EUV辐射向右射入一大的圆锥10中。

图1A进一步显示第一与第二真空腔3，7的抽运构件9。较佳地，腔3，7中的气体压力是在低于10Pa的范围中加以选择。

在相互作用区4中存在等离子体的情况下，从电极5流出的电流脉冲是由以容性方式储存的能量的快速放电来提供。

所述快速放电可由直接连接至一电容器组(未显示)的电极系统5来产生。另一选择为，可以通过一功率通断开关来实现快速放电，该功率通断开关是由一逻辑控制元件接通并连接于所述电极5与所述电容器组之间。

施加于电极5的电压高于在所考虑压力下的气体放电的引燃电压。

电极5所提供的电流脉冲是和激光脉冲的点火成一规定的时间关系来切换。

LPP膨胀时间的时间常数大于所述放电的特征时间常数。

激光与放电之间的同步化是由激光源12以隐含方式控制。

以容性方式储存的电能连接至较佳的放电路径，该放电路径的电感低至使放电时间长于100ns且较佳短于200ns(亦即，较佳介于100至200ns之间)。

就如下意义而言，所述通过使用激光产生与放电产生方法二者的混合组合来产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的装置对于产生短波辐射而言较佳：驱动功率中的大部分是廉价的电功率且激光等离子体使放电能够以比仅存在放电时更高的密度发生及/或更受约束，且激光等离子体使放电发生于离电极更大的距离处以避免腐蚀并限定热负荷。

图1B仅显示一冷喷射靶，该冷喷射靶可按照在上述文件WO 02/085080中所规定来获得。

图3显示本发明的第二实施例，其是以一类似于图1A与图1B的视图来显示。因而激光源与激光束未在图3中示出，而是类似于图2中的激光源12与激光束11。

然而，图3显示：一固体靶104；一激光点105，其中激光束撞击固体靶104并实现对靶104的烧蚀；及一离域化相互作用区106，其构成实际的EUV源且在其中自电极102发生放电。

电极102安装于电绝缘块状物101上，电绝缘块状物101类似于图1A与2中的块状物6。

参考数字107是关于等离子体烟缕，参考数字110是关于射入一大的圆锥中的有用的EUV辐射。

图3显示所谓的激光辅助气体放电所产生等离子体(LAGDPP)，其中由激光脉冲(区域105)产生冷的等离子体。随后经由电极102进行的放电(其使用激光所产生的等离子体作为放电通道)加热并压缩该等离子体以实现更有效与更受约束的EUV辐射(区域106)。

根据本发明的第二实施例，所述用于产生极端紫外(UEV)或软X射线辐射的装置包括：一激光器，其使一固体或液体靶汽化以产生冷的等离子体烟缕；若干放电电极，其布置于所述等离子体烟缕的路径上；及一连接至所述电极的脉冲产生器，其在等离子体烟缕进入所述电极之间的空间内时触发放电，所述放电有助于加热并压缩等离子体以实现更受约束的EUV发射。

更一般而言，在LAGDPP概念中，本发明使用一激光器，其使一在气体放电产生等离子体中用作活性材料的固体或液体靶材料(举例来说，锡或锂或其他材料)汽化，所述固体或液体靶材料也可由一种或更多种缓冲气体支撑。当等离子体烟缕107一进入各电极101之间的空间时，便立即以主动方式触发放电。有用的EUV辐射较佳在一大的圆锥110中发射出。举例来说，使用锡时LAGDPP气体放电等离子体的转换效率达到大于1.3％(对放电等离子体而言，2％的频带内EUV辐射转换成输入电能)。

在本发明的第一实施例(DBLPP)中，激光会产生一具有小扩展范围的高密度等离子体并使用廉价的放电能量来：

a)加热等离子体，以实现在一更长的时间周期内进行发射(从而产生EUV源的大大增大的负载循环)，

b)使等离子体受到约束以在一更长的时间周期内进行有效发射。

此外，DBLPP允许：

a)以放电已经以高密度且在一较小体积中进行的方式来启动放电，

b)迫使气体放电产生等离子体在远离电极与其他硬件的地方进行以避免腐蚀。

根据本发明的第三实施例，所述用于产生极端紫外(EUV)或软X射线辐射的装置包括：若干放电电极，其靠近一类似于在传统GDPP过程中所用的喷射靶布置，以使用一传统放电构造(如以GDPP形式)在等离子体路径上产生高密度的等离子体；一激光源，其以一种维持EUV辐射发射的方式照射所述等离子体；及一触发构件，其用来在箍缩过程使等离子体稠密到足以允许额外的激光加热(LBGDPP装置情形)时触发激光脉冲。

在本发明的第三实施例—称为激光增强的气体放电产生等离子体(LBGDPP)中，是产生一发射EUV辐射的传统GDPP。与放电有效地相同步，激光聚焦于该等离子体上，以使EUV发射维持一更长的时间，或有效地激发辐射频道，此可有助于提高EUV产率。根据所要求的等离子体激发方式，该概念有三种主要的方法。为了延长等离子体发射时间，需要处于仅10⁹-10¹⁰W/cm²范围内的强度。为开通新的发射频道，较佳使用处于10¹²W/cm²范围内的强度。超过10¹⁴W/cm²的强度可能会激发非线性效应。

总之，由于DBLPP概念的混合式性质，会出现数种协同效应，具体而言：

1.该过程始于一发出13.5nmEUV光的激光所产生等离子体。从而，所述激光等离子体引起对放电的触发，甚至在激光脉冲已经结束后，所述放电也能提供廉价的电能来维持等离子体温度。接着，箍缩效应会约束等离子体以得到最可能长的EUV发射时间(时间水平远大于通常的激光脉冲持续时间)。

2.由于预先形成的LPP等离子体，GDPP可在长得多的等离子体-电极距离情况下工作而不存在显著的空间抖动(这是由激光焦点的稳定性所界定)。此外，DBLPP将保持先前LPP等离子体的特征等离子体尺寸。最后，由于使用受到强约束的冷激光靶(GDPP将不与低温冷却的靶或固体一起使用—为此，在LAGDPP概念中，使用一激光器为后续GDPP准备所述靶)，激光焦距周围的及各放电电极之间的残余气体压力非常低。该情形使放电火化准确地通过预先形成的激光所产生等离子体。因此，激光焦点的位置始终界定火花路线的路径。(这与先前对激光触发放电进行的实验相反—在这些实验中，整个腔充满气体。因此，激光所触发的放电遵循一随机的火花路线。)

3.预先形成的LPP允许在放电发生之前通过磁场进行约束。

为实现混合源概念的最佳使用，可主动地控制激光与放电之间的同步化(LAGDPP与LBGDPP)，或者甚至可自发地进行激光与放电之间的同步化(DBLPP)。与GDPP概念相比，EUV发射的绝对时间抖动低得多，这是因为其是通过激光等离子体的产生而在原处受到控制而不必由某个外部电源控制。