DE10213482A1

DE10213482A1 - Detektoranordnung zur Energiemessung von gepulster Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE10213482A1
Application number: DE10213482A
Authority: DE
Inventors: Guido Schriever; Juergen Kleinschmidt
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: US20030178566A1; US6855932B2; DE10213482B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zur Energiemessung von gepulster Röntgenstrahlung, insbesondere zur Überwachung der Energieabstrahlung von gepulst betriebenen EUV-Strahlungsquellen. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Energiemessung von energiereicher Röntgenstrahlung oder EUV-Strahlung zu finden, die eine genaue Überwachung der Strahlungsdosis über die gesamte Lebensdauer der Strahlungsquelle ohne ständige Kalibrierung der Strahlungsdetektoren gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein geschlossener Behälter mit einer Eintrittsöffnung für die zu detektierende Strahlung vorhanden ist, der mit einem geeigneten Gas zur Absorption der Strahlung unter definiertem Druck gefüllt ist und eine dem Absorptionsverhalten des Gases angepasste lineare Ausdehnung zumindest in Einfallsrichtung der Strahlung aufweist, so dass die zu detektierende Strahlung, bevor diese eine Wand des Behälters erreichen kann, absorbiert wird, und in dem Behälter mindestens ein Drucksensor zur Messung einer Druckwelle, die infolge der durch kurzzeitige intensive Strahlungsabsorption eintretenden lokalen Temperaturänderung erzeugt wird, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zur Energiemessung von gepulster Röntgenstrahlung, insbesondere zur Überwachung der Energieabstrahlung von gepulst betriebenen EUV-Strahlungsquellen.
Im Lithographieprozess bei der Halbleiter-Herstellung ist die eingestrahlte Dosis auf den Photolack (den sogenannten Resist) eine kritische Größe. Während der Belichtung muss daher die Leistung der Strahlungsquelle sehr genau bekannt sein und konstant gehalten werden. Typischerweise werden zur Leistungsmessung Photodioden verwendet, die jedoch aufgrund der auftreffenden Strahlung altern und ihre Empfindlichkeit verändern. Die Folge ist, dass bei Verwendung solcher Detektoren zum Zwecke einer Energieregelung die EUV-Strahlungsquellen eine Langzeitdrift der Ausgangsleistung der Lichtquelle zu verzeichnen ist. Um das zu verhindern, sind regelmäßige Referenzmessungen und Neukalibrierungen bzw. ein Austausch des Detektors notwendig.
Die wesentliche Ursache dieser nachteiligen Erscheinung herkömmlicher Halbleiterdetektoren ist darin begründet, dass diese Detektoren selbst hochenergetische Strahlung (kurzwellige VUV- bzw. EUV-Strahlung) absorbieren. Dadurch kommt es zu elektronischen Veränderungen im lichtempfindlichen Detektormaterial, die zu Änderungen der Empfindlichkeit bzw. der Ansprechfunktion des Detektors führen, d. h. der Detektor wird degradiert. Ein solcher Strahlungsempfänger, der nicht langzeitstabil ist und keine absoluten Messungen ermöglicht, kann zur Überwachung der Strahlungsdosis und zur Steuerung der Impulsenergie von VUV- und EUV-Strahlungsquellen nur dann eingesetzt werden, wenn er häufig nachkalibriert oder ausgetauscht wird. Dieser Vorgang ist zeitaufwendig und reduziert die Langzeitdrift lediglich auf geringere Beträge in kurzen Zeiträumen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Energiemessung von energiereicher Röntgenstrahlung oder EUV-Strahlung zu finden, die eine genaue Überwachung der Strahlungsdosis über die gesamte Lebensdauer der Strahlungsquelle ohne ständige Kalibrierung der Strahlungsdetektoren gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Detektoranordnung zur Energiemessung von gepulster Röntgenstrahlung, insbesondere zur Strahlungsdosiskontrolle von gepulst betriebenen EUV-Strahlungsquellen, dadurch gelöst, dass ein geschlossener Behälter mit einer Eintrittsöffnung für die zu detektierende Strahlung vorhanden ist, der mit einem geeigneten Gas zur Absorption der Strahlung unter definiertem Druck gefüllt ist und eine dem Absorptionsverhalten des Gases angepasste lineare Ausdehnung zumindest in Einfallsrichtung der Strahlung aufweist, so dass die zu detektierende Strahlung, bevor diese eine Wand des Behälters erreichen kann, absorbiert ist, und in dem Behälter mindestens ein Drucksensor zur Messung einer Druckweile, die infolge der durch kurzzeitige intensive Strahlungsabsorption eintretenden lokalen Temperaturänderung erzeugt wird, angeordnet ist.

Vorteilhaft wird das im Behälter eingefüllte Gas bezüglich Gasart und Gasdichte so eingestellt, dass die zu messende Strahlung im Gas nahezu vollständig absorbiert wird, d. h. dass das Produkt aus Absorptionskoeffizient, Gasdichte und Lineardimension des Gasbehälters sehr viel größer als Eins ist.

Zur Gewährleistung zuverlässiger (vergleichbarer) Messergebnisse erweist es sich als vorteilhaft, dass die Detektoranordnung Messeinrichtungen zur Kontrolle der Gasdichte aufweist. Dazu sind zweckmäßig ein Temperatursensor und ein zusätzlicher statischer Drucksensor vorhanden.

Als Gas im Behälter der Detektoranordnung wird vorteilhaft ein Gas mit einer Ordnungszahl von Z > 4 verwendet, das die nachzuweisende Strahlung gut absorbiert. Zweckmäßig kommen dabei Inertgase zum Einsatz, vorzugsweise Edelgase (wie Neon, Argon, Krypton etc). Sinnvoll kann auch ein Gasgemisch aus mehreren Gasen mit Ordnungszahlen Z > 4 eingefüllt werden.

Als dynamischer Drucksensor für die Energiemessung der durch die gepulst eintreffende Strahlung erzeugten Druckwelle werden zweckmäßig hinreichend empfindliche akustische Sensoren eingesetzt. Dabei erweist es sich als günstig, ein oder mehrere Kondensatormikrophone eingesetzt. Vorzugsweise werden als Drucksensoren für die Druckwellenmessung piezoelektrische Sensoren verwendet.

Der Drucksensor sollte zweckmäßig so positioniert sein, dass dieser von der in die Eintrittsöffnung des Behälters einfallende Strahlung nicht direkt bestrahlt wird, um möglichen Degradationseffekten von vornherein vorzubeugen.

Zur Stabilisierung der Absorptionseigenschaften des Gases ist es weiterhin vorteilhaft, dass das Gas durch regelmäßigen, vorzugsweise kontinuierlichen, Zu- und Abfluss ausgetauscht wird, um über lange Zeiträume gleiche Bedingungen bezüglich Gasreinheit und Gasdichte zu gewährleisten.

Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich bei der Energiemessung von gepulsten EUV-Strahlungsquellen auf Basis einer Gasentladung, da bei dieser Anwendung Xenon sowohl als Gas für die Energieabsorption im Behälter als auch als Arbeitsgas für die Plasmaerzeugung verwendet werden kann, wobei der Gasdruck im Behälter der Detektoranordnung größer als der in der Entladungskammer der EUV- Strahlungsquelle einzustellen ist. Dabei ist es zur Vermeidung von Transmissionsverlusten vorteilhaft, wenn die Eintrittsöffnung des Behälters für die Strahlung direkt über einen Anschlussflansch mit der Entladungskammer der EUV- Strahlungsquelle verbunden ist und eine Eintrittsblendeneinheit die Eintrittsöffnung derart begrenzt, dass das Xenon im Behälter der Detektoranordnung differenziell gepumpt auf einem höheren Partialdruck gegenüber der Entladungskammer gehalten wird und der Behälter somit gemäß der Erfindung ein quasi-geschlossenes System darstellt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, sich von herkömmlichen durch die intensive Bestrahlung mit energiereicher Röntgenstrahlung relativ stark degradierenden Strahlungsdetektoren zu lösen, um eine ständige Nachkalibrierung zu vermeiden. Die Lösung gemäß der Erfindung sieht deshalb eine photoakustische Energiewandlung vor. Dabei wird die Strahlung in einem Gasvolumen, das ständig überwacht und vorzugsweise kontinuierlich erneuert wird, absorbiert. Dadurch wird die Wechselwirkung von energiereicher Strahlung mit dem eigentlichen Detektor vermieden, was zu einer deutlich verlängerten Lebensdauer führt, da dieser nicht degradiert und das Gas als Vermittler erneuert werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Detektoranordnung für gepulste Röntgenstrahlung,
Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführung einer Detektoranordnung mit direktem Anschluss an eine gasentladungsgekoppelte EUV-Strahlungsquelle
Die Detektoranordnung für gepulste Röntgenstrahlung besteht in ihrem Grundaufbau - wie in Fig. 1 dargestellt - aus einem geschlossenen Behälter 2, der eine Eintrittsöffnung 21 für die zu detektierende Strahlung 1 besitzt, mit einem unter einem bestimmten Druck gehaltenen, gut absorbierenden Gas 22 gefüllt ist und in Lichteinfallsrichtung eine ausreichende lineare Ausdehnung 23 aufweist, und einem dynamischen Drucksensor 3, der die Energie der gepulst einfallende Strahlung 1 in Form von durch Energieabsorption im Gas 22 erzeugten Druckwellen 24 misst. Die Eintrittsöffnung 21 ist durch ein für die zu detektierende Strahlung 1 transparentes Eintrittsfenster 25 verschlossen. Das Eintrittsfenster 25 besteht dabei aus Beryllium, Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus einem Material mit ähnlich hoher Transparenz für die Strahlung 1.
In den Behälter 2 der Detektoranordnung wird ein Gas mit einer Ordnungszahl von Z > 4 eingefüllt, das die nachzuweisende Strahlung 1 gut absorbiert. Hier soll als Gas 22 Argon angenommen werden. Es können aber auch andere Inertgase z. B. Stickstoff oder weitere Edelgase, wie Neon, Krypton, Xenon etc., oder Gasgemische eingesetzt werden. Das Gas 22 im Behälter 2 wird mittels einer Gaszufuhreinrichtung 4 und einem statischen Drucksensor 5 in den Pausen zwischen den Strahlungsimpulsen auf einem konstantem, mittleren Druck gehalten. Der mittlere Druck bezieht sich dabei auf den durch Wahl der Gasart und der linearen Ausdehnung 23 des Behälters 2 mittels des Gasdrucks einzustellende Absorptionslänge des Gases 22, die sicherstellt, dass möglichst keine Strahlung 1 die hintere Wand des Behälters 2 erreicht. Damit sollen einerseits unnötige Erwärmungen des Behälters 2 vermieden und andererseits die Energie jedes Strahlungsimpulses möglichst vollständig in eine Druckwelle 24 umgesetzt werden. Als Vorschrift gilt bei der Einstellung des mittleren Drucks im Behälter 2, dass das Produkt aus Gasdichte, Absorptionskoeffizient und linearer Ausdehnung des Behälters 2 (in Richtung der Eintritts der EUV-Strahlung) sehr viel größer als eins sein muss.
Typische Absorptionskoeffizienten für die angegebenen Gase liegen im Bereich von 10⁴ bis 10⁶ cm²/g für Strahlung von 100 eV Photonenenergie. Die Absorptionslänge - und damit die (mindestens notwendige) lineare Ausdehnung 23 des Behälters 2 - beträgt dann bei einem typischen Druck von 100-10000 Pa nur wenige Zentimeter, d. h. dass der Behälter 2 in seinen Abmessungen, insbesondere in seiner linearen Ausdehnung 23 (in Richtung der einfallenden Strahlung 1), sehr klein gehalten werden kann.
Die absorbierte gepulste Strahlung 1 generiert in der Gasphase durch lokale, kurzzeitige Aufheizung des Gases (adiabatische Zustandsänderung) eine Druckwelle 24, die sich in dem Gasvolumen im Behälter 2 allseitig ausbreitet. Diese Druckwelle 24 wird von einem oder mehreren dynamischen Drucksensoren 3 in ein elektrisches Signal umgesetzt, das ein Äquivalent für den erzeugten Druckzuwachs und damit für den jeweils gepulst erfolgenden Energieeintrag darstellt. Als dynamischer Drucksensor 3 werden Kondensatormikrofone 31 oder piezoelektrische Sensoren 32 (nur in Fig. 2 dargestellt) eingesetzt.
Um über lange Betriebszeiträume konstante Messbedingungen für die Umsetzung der Impulsenergie der Strahlung 1 in eine Druckwelle 24 zu sichern, sind zum Einen ein regelmäßiger Gasaustausch und zum Anderen eine Konstanthaltung der Temperatur des Gases 22 vorgesehen.
Zur Realisierung des Gasaustausches dient die Gaszufuhreinrichtung 4 im Zusammenwirken mit einer Vakuumpumpe 6, wobei ein statischer Drucksensor 5 für die Regelung der Gaszufuhr und die Aufrechterhaltung des erforderlichen mittleren Gasdruckes (statischer Druck ohne Druckwelle 24) sorgt.
Zur Erhaltung einer gleichbleibenden Temperatur der Detektoranordnung sind ein Temperatursensor 7 und eine Heiz- und Kühleinrichtung 8 am Behälter 2 angebracht, um im gesamten Gasvolumen des Behälters 2 der auftretenden Wärmedissipation, die infolge der mit der Absorption der Strahlung 1 einhergehenden kurzzeitigen, lokalen Erwärmung erfolgt, entgegenzuwirken bzw. zu Beginn und in längeren Strahlungspausen eine Gasvorwärmung zu realisieren.
Durch die beiden vorgenannten Maßnahmen herrschen ständig (auch über lange Zeiträume) vergleichbare, stabile Messbedingungen für eine mittels des Mikrofons 31(als dynamischer Drucksensor 3) realisierte akustische Energiemessung der gepulst eintreffenden Strahlung 1 vor.
Fig. 2 zeigt eine zweite Variante der Detektoranordnung, die für eine EUV- Strahlungsquelle 11 auf Basis einer Gasentladung konzipiert ist.
Das Gas 22 ist in diesem Fall Xenon, das zugleich auch als Arbeitsgas in der Entladungskammer 12 der EUV-Strahlungsquelle 11 verwendet wird. Dadurch können wesentliche Komponenten der Gaszufuhreinrichtung 4 mit der Gasbereitstellung der EUV-Strahlungsquelle 11 zusammengelegt werden. Die Gaszufuhreinrichtung 4 ist hier eigentlich als Hauptkomponente der EUV- Strahlungsquelle 11 vorhanden und wird durch die vorgeschlagene Detektoranordnung mit benutzt, indem lediglich ein anderer Gasdruck für den Behälter 2 erzeugt wird.
Der Behälter 2 ist - wie in Fig. 2 erkennbar - direkt an die EUV-Strahlungsquelle 11 angeflanscht. Die Eintrittsöffnung 21 des Behälters 2 weist im Gegensatz zum ersten Beispiel kein Eintrittsfenster 25 auf, sondern ist ein Anschlussflansch 26 mit einer Eintrittsblendeneinheit 27, die die Aufrechterhaltung eines höheren Partialdruckes im Behälter 2 gegenüber dem Druck in der Entladungskammer 12 der EUV- Strahlungsquelle 11 gestatten. Die Eintrittsblendeneinheit 27 enthält dabei eine oder mehrere Ringblenden 28, die die einfallende EUV-Strahlung 13 kaum behindern, aber einen Ausströmwiderstand für das als Gas 22 eingesetzte Xenon darstellen. Im Behälter 2 wird durch kontinuierlichen Zufluss über die Gaszufuhreinrichtung 4 das Gas 22 erneuert (d. h. kontinuierlich ausgetauscht) sowie der erzeugte Gasdruck durch den statischen Drucksensor 5 überwacht und zwischen den Strahlungsimpulsen auf einem konstantem, mittleren Druck, der die oben erwähnte Absorptionsbedingung erfüllt, gehalten. Da die Detektoranordnung in diesem Beispiel mit der Entladungskammer 12 der EUV-Strahlungsquelle 11 praktisch verbunden ist, wird im Behälter 2 das Gas 22 (Xenon) differentiell gepumpt, um den konstanten mittleren Gasdruck gemäß der oben angegebenen Absorptionsbedingung aufrecht zu erhalten. Zusätzlich zu dem über den Anschlussflansch 26 begrenzten Abfluss des Gases 22 aus dem Behälter 2, der infolge des Druckgradienten zur Entladungskammer 12 zu verzeichnen ist, wird zur Durchführung eines kontinuierlichen Gasaustausches wie im ersten Beispiel eine Vakuumpumpe 5 eingesetzt.
Durch die vorstehend genannten Maßnahmen wird bei verbesserter Eintrittstransmission für die EUV-Strahlung 13 innerhalb des Behälters 2 ein quasigeschlossenes System erhalten, das die Messaufgabe der Überwachung der Dosisstabilität der Impulsenergie der EUV-Strahlungsquelle 11 hinreichend genau erfüllt.
Da die Detektoranordnung eine Energieüberwachung der EUV-Strahlungsquelle 11 bei laufendem Beleuchtungsregime ermöglichen soll, wird der Anschlussflansch 26 in der Regel nicht im Hauptstrahlungskegel der EUV-Strahlungsquelle 11 angebracht sein, obwohl dies durch die schematische Darstellung von Fig. 2 nahegelegt erscheint.
Zur Erhaltung konstanter Messbedingungen wird die Temperatur, wie bereits zu Fig. 1 beschrieben, gleichfalls durch einen Temperatursensor 7 überwacht und mittels der Heiz- und Kühleinrichtung 8 konstant gehalten. Alle übrigen Funktionen und Bedingungen erfolgen wie zu Fig. 1 beschrieben. Bezugszeichenliste 1 Strahlung
11 EUV-Strahlungsquelle
12 Entladungskammer
13 EUV-Strahlung
2 Behälter
21 Eintrittsöffnung
22 Gas
23 lineare Ausdehnung
24 Druckwelle
25 Eintrittsfenster
26 Anschlussflansch
27 Eintrittsblendeneinheit
28 Ringblende
3 dynamischer Drucksensor
31 Kondensatormikrofon
32 piezoelektrischer Sensor
4 Gaszufuhreinrichtung
5 statischer Drucksensor
6 Vakuumpumpe
7 Temperatursensor
8 Heiz- und Kühleinrichtung

Claims

1. Detektoranordnung zur Energiemessung von gepulster Röntgenstrahlung, insbesondere zur Strahlungsdosiskontrolle von gepulst betriebenen EUV- Strahlungsquellen, dadurch gekennzeichnet, dass
ein geschlossener Behälter (2) mit einer Eintrittsöffnung (21) für die zu detektierende Strahlung (1) vorhanden ist, der mit einem geeigneten Gas (22) zur Absorption der Strahlung (1) unter definiertem Druck gefüllt ist und eine dem Absorptionsverhalten des Gases (22) angepasste lineare Ausdehnung (23) zumindest in Einfallsrichtung der Strahlung (1) aufweist, so dass die zu detektierende Strahlung (1), bevor diese eine Wand des Behälters (2) erreichen kann, absorbiert ist, und
in dem Behälter (2) mindestens ein Drucksensor (3) zur Messung einer Druckwelle (24), die infolge der durch kurzzeitige intensive Strahlungsabsorption eintretenden lokalen Temperaturänderung erzeugt wird, angeordnet ist.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (22) im Behälter (2) bezüglich Gasart und Gasdichte so eingestellt ist, dass das Produkt aus Absorptionskoeffizient, Gasdichte und Lineardimension des Behälters (2) in Einfallsrichtung der Strahlung (1) sehr viel größer als Eins ist, so dass die zu messende Strahlung (1) innerhalb des belichteten Gasvolumens nahezu vollständig absorbiert wird.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) Messeinrichtungen (5, 7) zur Kontrolle der Gasdichte aufweist.

4. Detektoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (2) ein statischer Drucksensor (5) sowie ein Temperatursensor (7) angebracht sind.

5. Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas (22) im Behälter (2) ein Inertgas mit einer Ordnungszahl Z > 4 vorgesehen ist, das die zu messende Strahlung (1) gut absorbiert.

6. Detektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas (22) ein Edelgas vorgesehen ist.

7. Detektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (22) ein Gasgemisch aus Gasen mit Ordnungszahlen Z > 4 ist.

8. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamischer Drucksensor (3) für die Energiemessung der durch die Absorption der Strahlung (1) erzeugten Druckwelle (24) akustische Sensoren vorgesehen sind.

9. Detektoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamischer Drucksensor (3) ein oder mehrere Kondensatormikrofone (31) vorhanden sind.

10. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamischer Drucksensor (3) ein oder mehrere piezoelektrische Sensoren (32) vorhanden sind.

11. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Drucksensor (3) so positioniert ist, dass dieser von der Strahlung (1) nicht direkt getroffen wird, vorzugsweise lateral zur Richtung der durch die Eintrittsöffnung (21) eintretenden Strahlung (1) angeordnet ist.

12. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszufuhreinrichtung (7) und eine Vakuumpumpe (4) zum regelmäßigen Austausch des Gases (22) vorhanden ist, um über längere Zeiträume gleiche Bedingungen bezüglich Gasreinheit und Gasdichte zu gewährleisten.

13. Detektoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Energiemessung von EUV-Strahlungsquellen (11) auf Basis einer Gasentladung sowohl als Gas (22) für die Energieabsorption im Behälter (2) als auch als Arbeitsgas für die Plasmaerzeugung Xenon vorgesehen ist, wobei der Gasdruck im Behälter (2) größer als der in der Entladungskammer (12) der EUV- Strahlungsquelle (11) eingestellt ist.

14. Detektoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (21) des Behälters (2) für die Strahlung (1) direkt über einen Anschlussflansch (26) mit der Entladungskammer (12) der EUV-Strahlungsquelle (11) verbunden ist und eine Eintrittsblendeneinheit (27) die Eintrittsöffnung (21) derart begrenzt, dass das Xenon im Behälter (2) differenziell gepumpt auf einem höheren Partialdruck gegenüber der Entladungskammer (12) gehalten wird und der Behälter (2) ein quasi-geschlossenes System darstellt.