SE510133C2 - Laser-plasma röntgenkälla utnyttjande vätskor som strålmål - Google Patents

Description

510133 genom» -att nytt “target” material kontinuerligt tillförs, samt möjlighet till hög medel- röntgeneffekt genom att använda lasrar med hög repetitionsfrekvens. Tidigare försök att använda vätskor som “target” utnyttjar andra droppgenereringsmetoder vilka ger större droppar med mindre spatial och temporal kontroll. Detta medför sämre prestanda vad avser röntgenemission, stabilitet och “debris”.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ändamålet med föreliggande uppfinning är att beskriva ett sätt och åstadkomma en anordning för stabil och enkel röntgengenerering utnyttjande laser-plasma med vätskor som strålmål (“target”). Detta ändamål uppnås genom att utnyttja en mikroskopisk vätskestråle som “target”, enligt sätt och anordning beskrivna i patentkrav 1 respektive 5.

Ett ytterligare ändamål är att visa att med hjälp av fluorhaltiga vätskor kan en röntgenkälla lämplig för kontaktlitografi erhållas. Detta ändamål uppnås genom sätt och anordning enligt patentkrav 4 respektive 8. Det tredje ändamålet är användning av den i ovanstående patentkrav specificerade röntgenkällan inom mikroskopi, litografi och materialvetenskap, vilket uppnås enligt patentkrav 9-13.

Föreliggande uppfinning baseras på behovet av kompakta och intensiva röntgenkällor för bl.a. litograñ, mikroskopi och materialvetenskap. Speciellt intressanta våglängdsområden för dess tillämpningar är 0.8-1.7 nm (litografi), 2.3-4.4 mn (mikroskopi) och 0.1-10 nm (materialvetenskap, exempelvis fotoelektronspektroskopi eller röntgenfluorescens). Sådan röntgenstrålning kan produceras med laser-producerade plasman. Generering av dessa korta våglängder med hög konversionseffektivitet kräver laserintensiteter omkring 1014- 1015 W/cmz. För att uppnå dylika intensiteter med kompakta lasersystem kräver fokusering från ca 10-100 mikrometer i diameter. Således kan “target” göras mikroskopiskt, förutsatt att det är spatialt stabilt. De små dimensionema bidrar till att “targeW-materialet utnyttjas effektivt vilket bland annat medför en drastisk minskning av “debris”.

Laser-plasma röntgenkällor baserade på spatialt stabila mikroskopiska droppar producerade med en kontinuerlig vätskestråle i en vakuumbehållare (Rymell och Hertz, Opt. Commun. 103, 105 (1993)) är en implementering av mikroskopiska “target” enligt förgående stycke. Härvid pressas vätskan under högt tryck genom ett litet munstycke.

Detta genererar en vätskestråle med ungefär samma diameter som munstycket. Vanligtvis har sådana mikroskopiska vätskestrålar diametrar från några mikrometrar upp till omkring 100 mikrometer. Beroende på vätskans hydrodynamiska egenskaper (främst viskositet, ytspänning och densitet, se exempelvis Heinzl and Hertz, Advances in Electronics and Electron Physics 65, 91 (1985)) bryts vätskestrålen sedan spontant upp i droppar. Genom att piezoelektriskt vibrera munstycket, kan man uppnå tidsmässigt välkontrollerd och spatialt stabil generering av dropparna. Mot dessa droppar fokuseras sedan laserpulserna, vilket resulterar i röntgenemission. Genom att utnyttja olika vätskor eller lösningar innehållande atomer med exempelvis lämpliga emissionlinjer, kan röntgenstrålning koncentrerad till relativt välbestämt våglängdsområde erhållas (se, Lex. Rymell, Berglund och Hertz, Appl. Phys. Lett. 66, 2625 (1995)) Emellertid kan inte alla vätskor bilda tillräckligt spatialt stabila mikroskopiska droppar.

Vidare finns det även för lärnpliga vätskor långsamma drifter i dropp-position relativt laserstrålens fokus, vilket medför att laser-plasma produktionen måste tidsmässigt justeras emellanåt. Det är därför ofta att föredra att fokusera laserstrålen på själva vätskestrålen 510 'lšš innan den bryter upp i droppar. Detta är föreliggande uppfinnings viktigaste kännetecken.

Genom att producera laserplasma i själva vätskestrålen kan nya vätskor användas som “target”. Vidare förbättras stabiliteten eftersom långsamma drifier inte längre påverkar röntgenemissionen. Det är också väsentligt att handhavandet förenklas väsentligt genom att lasem inte behöver synkroniseras temporalt med droppbildningen för att träffa en enskild droppe. Således kan en mindre avancerad laser ofta kan utnyttjas. Dessa fördelar erhålles samtidigt som man behåller många av fördelarna med dropp-fonnad vätske- “target” diskuterade ovan, exempelvis kraftig reduktion av “debris”, mycket god geometrisk access, möjlighet att köra lång tid utan uppehåll genom att byte av “target”- material sker kontinuerligt genom vätskestrålen, billig kostnad för “target”-material samt att man kan utnyttja lasrar med hög repetitionsfrekvens, vilket ökar medelröntgeneffekten.

Som speciellt åberopad tillämpning på ovanstående röntgenkälla anges i föreliggande uppfinning kontaktlitografi, vilket kräver strålning i våglängdsområdet O.8-1.7 nm.

Emission koncentrerad till detta våglängdsintervall från mikroskopiska strålar eller droppar av vätskor har tidigare inte erhållits. Vi visar i detta patent hur fluorhalti ga vätskor kan utnyttjas. Genom att belysa en mikroskopisk vätskestråle eller, i vissa fall, droppar med pulsad laser genereras emission från joniserat fluor (F VIH och F IX) med hög röntgenintensitet i våglängdsområdet 1.2-1.7 nm. Denna strålning kan med lämpliga litografiska masker, röntgenfilter etc. utnyttjas för litografi med strukturstorlek under 100 nm.

Med ovan nämnda och andra vätskor kan lämpliga röntgenvåglängder genereras för en mängd olika tillämpningar utnyttjande den beskrivna uppfinningen. Exempel på dylika tillämpningar är röntgenmikroskopi, materialvetenskap (t.ex. fotoelektronmikroskopi och röntgenfluorescens), EUV projektionslitografi eller kristallstrukturbestänmingar.

Beskrivning av figurer FIG. 1 visar det grundläggande anordningen för generering av röntgenstrålning genom att producera plasma i en tunn vätskestråle innan den bryter upp i droppar. Av tydlighetskäl visas endast en laserstråle.

FIG. 2 visar ett exempel på anordning för röntgenerering utnyttjande den diskuterade röntgenkällan, inklusive exponeringsstation för kontaktlitografi. Av tydlighetskäl visas endast en laserstråle.

FIG. 3 visar ett exempel på anordning för kontaktlitografi utnyttjande laser-plasma produktion i små fluorhaltiga droppar. Av tydlighetskäl visas endast en laserstråle.

Beskrivning Det principiella sättet och anordningen för uppfinningen åskådliggörs i Fig. I och 2.

Sammanfattningsvis fokuseras en eller flera pulsade lasrar från en eller flera riktningar mot en vätskestråle, vilka fungerar som “target”. Det bildade plasrnat ernitterar den önskade röntgenstrålníngen. Själva röntgenproduktionen sker i vakuum för att den emitterade mjuka röntgenstrålningen inte skall absorberas samt för att undvika laser-inducerade genombrott framför vätskestrålen. 510153 För att bilda mikroskopiska och spatialt stabila vätskestrålar i vakuum utnyttjas en kontinuerlig vätskestråle som bildas i en vakurnkamrnare 8. Vätskan 7 pressas här under högt tryck (vanligtvis 5-100 atmosfárer) från en pump eller tryckbehållare 14 genom ett litet munstycke 10 vars diameter vanligtvis mindre än ca. 100 mikrometer och typiskt någon eller några tiotal mikrometer. Detta resulterar i en stabil mikroskopisk vätskestråle 17 med ungefárligen samma diameter som munstycket och en hastighet omkring 10-100 m/s. Vätskestrålen utbreder sig i en bestämd riktning till en droppbildningspunkt 15 vid vilken den spontant bryter upp i droppar. Avståndet till droppbildningspunkten bestäms huvudsakligen av vätskans hydrodynarniska egenskaper, munstyckets dimensioner och vätskans hastighet. (Heinzl and Hertz, Advances in Electronics and Electron Physics 65, 91 (1985)). Droppbildningsfrekvensen är härvid delvis slumpmässig. För vissa lågviskösa vätskor kan turbulens medföra att ingen stabil vätskestrâle erhålles, medan för vissa vätskor med låg ytspänning kan droppbildningspunkten hamna långt från munstycket.

När vätskan, senare droppama, lämnar munstycket kyls den genom avdunstning varför den kan vara fryst då den fokuserade laserstrålen 11 träffar dem. Nuvarande kompakta lasersystem, som ger tillräcklig pulsenergi, har repetitionfrekvenser som vanligen inte överstiger 100-1000 Hz. Laserstrålen fokuseras till diametrar omkring 10-100 mikrometer.

Givet vätskestrålens hastighet kommer således merparten av vätskan inte att användas för laser-plasma produktion, vilket för många vätskor medför ett högre tryck i vakuumkarnmaren p.g.a. avdunstning. Problemet kan exempelvis lösas genom att en kylfälla 16 fångar upp den outnyttjade vätskan. Alternativt kan munstycket placeras utanför huvudvakuumkamrnaren och spruta in vätskan genom ett mycket litet hål.

Därvidlag kan en mekanisk chopper eller elektrisk avlänkning utanför huvudvakuumkammaren utnyttjas för att endast skicka in det önskade antalet droppar i huvudvakuumkarnmaren. För vätskor med låg avdunstning kan det räcka med ökad pumpkapacitet.

Användningen av kontinuerliga trycksatta vätskestrålar av den typ som beskrivs i föregående stycken ger tillräcklig spatial stabilitet (xnågra mikrometer) och för att tillåta laser-plasma produktion med en laserstråle fokuserad till samma storlek som vätskestrålens diameter. Semikontinuerliga eller pulsade vätskestrålar, vilka producerar vätskestrålar med begränsad rumslig längd, kan vara tillämpliga i speciella fall. Emellertid har dessa ofta nackdelen att strålar med tillräckligt små diametrar inte kan genereras med tillräcklig spatial stabilitet.

Laser-plasman i droppama produceras nu genom att fokusera en pulsad laser 1, eventuellt via en eller flera speglar 2, med en lins 13 eller annat optiskt element mot en punkt i vätskestrålen ll mellan munstycket 10 och droppbildningspunkten 15. Det är väsentligt att sträckan från munstycket till droppbildningspunkten är tillräckligt lång (storleksordningen millimeter) så att det producerade laserplasmat vid fokus 11 kan placeras på visst avstånd från munstycket så att detta inte skadas av plasmat. För röntgenemission i våglängdsornrådet runt l-5 nm krävs att laserintensiteten är ca. 1014-1015 W/cmz. Som exempel kan dylika intensiteter lätt uppnås genom att fokusera laserpulser med pulsenergi av 100 mJ och pulstid av 100 ps till ett 10 um fokus ll. Dylika lasrar i det synliga, ultravioletta och nära infraröda våglängdsområdet finns kommersiellt tillgängliga med repetionsfrekvenser om 10-20 Hz och system med större repetitionsfrekvens utvecklas för närvarande. Den korta pulstiden är väsentlig dels för att erhålla hög intensitet samtidigt 5l0153 som pulsenergin, och därmed lasems storlek, hålles liten. Vidare medför en kort puls att ytan av det bildade plasmat minskar. Längre pulser resulterar i större plasma p.g.a. plasmats expansion, vilket normalt är ca. l-3-l07 cm/s. Om längre våglängder önskas bör laserpulslängden ökas för att ge lägre toppeffekt. Genom att exempelvis utnyttja några 100 mJ/puls och en pulstid längre än en nanosekund ökas emissionen i våglängdsområdet l0- 30 nm på bekostnad av emissionen i 0.5-5 nm området. Detta är väsentligt för EUV projektions-litografi.

Ovanstående metod att generera röntgenstrålning kan utnyttjas bl.a för kontakt-litografi ' enligt. En anordning för detta visas i FIG 2. Här utnyttjas exempelvis fluorhaltiga vätskor (t.ex. flytande CmFn, där n kan vara 5-10 och m 10-20, eller arman fluorhaltig vätska) som “target”. Dessa ger stark röntgenemission i våglängdsornrådet 1.2-1.7 nm. De flesta sådana vätskors hydrodynamiska egenskaper kräver att man använder vätskestrålen som “target” men för vissa kan droppar utnyttjas (se nedan). En exponeringstation 18 placeras på ett visst avstånd från laserplasmat vid lasem fokus 11. Denna innehåller exempelvis en mask 19 och ett resistbelagt substrat 20. Tunna röntgenfilter 21 filtrerar den utsända strålningen så att endast strålning i det önskade våglängdsintervallet når mask och substrat. Genom att utnyttja ett mikroskopisk “target” av vätska blir “debris”-produktionen mycket låg varför avståndet mellan exponeringsstationen och laserplasmat kan göras litet. Om övriga krav för litografin tillåter det kan avståndet vara ner till någon centimeter. Detta förkortar exponeringstiden.

För kontaktlitografin kan för vissa fluorhaltiga vätskor stabil droppbildning erhållas. FIG 3 visar anordningen för laser-plasmaproduktion från fluorhaltiga droppar. Det utnyttjas samma grundteknik som beskrivs ovan för generandet av vätskestrålen. Emellertid kräves stabil droppbildning, vilket erhålles genom att vibrera munstycket av exempelvis en piezoelektrisk kristall 9 vilken drivs av en oscillator 6. Typiska vibrationsfrekvenser är 0.1-10 MHz . Detta resulterar i att vätskestrålen utbreder sig i en bestämd riktning till en bestämd droppbildningspunkt 15, vid vilken strålen sönderdelas i ett stabilt tåg av droppar 12a. Normalt produceras 105-107 droppar/sekund i vakuumkammaren 8. Droppama 12a har en diameter på vanligtvis 5-100 um och en hastighet av 10-100 rn/s. Genom att temporalt synkronisera laserpulsen med dropparna kan laser-plasma erhållas i en bestämd droppe. Denna synkronisering är inte nödvändig om plasma bildas i vätskestrålen. För att uppnå stabil plasmabildning i en enstaka droppe synkroniseras laserpulsen tidsmässigt med den (piezoelektriska) vibrationsfrekvensen 6, vilken kontrollerar droppamas fas, med synkroniseringselektronik 5. För droppar från de kontinuerliga vätskestrålarna som diskuteras ovan måste denna synkronisering vara korrekt inom några tiotal till hundratal nanosekunder p.g.a. dropparnas hastighet. Termisk och andra drifter gör också att den tidsmässiga synkroniseringen måste justeras med jämna mellanrum, automatiskt eller manuellt.

Genom att utnyttja andra vätskor än de som diskuterats ovan kan röntgenemission vid nya vâglängdsområden erhållas. Laserplasma i en vätskestråle av exempelvis etanol eller ammoniak genererar röntgenemission i våglängdsområdet 2.3-4.4 nm, vilket är lärnpligt för röntgenmikroskopi (Jfr. motsvarande i droppar: Rymell och Hertz, Opt. Commun. 103, 105 (l993); Rymell, Berglund och Hertz, Appl. Phys. Lett. 66, 2625 (1995)). Härvid utnyttjas emissionen från kol och kvävejoner. Vatten eller vattenblandningar innehållande mycket syre kan kombineras med lasrar med lägre toppeffekter för att generera EUV- strålning lämplig för projektionslitografi i våglängdsområdet 10-20 nm (Jfr. motsvamde 510 135 for droppar: H.M. Hertz, L. Rymell, M. Berglund and L. Malmqvist, in Applications of Laser Plasma Radiation II, M.C. Richardsson, Ed., SPIE Vol. 2523 (Soc. Photo-Optical Instrum. Engineers, Bellingharn, Washington, 1995) p. 88-93.). Vätskor innehållande tyngre atomer ger emission vid kortare våglängder, något som är intressant for exempelvis fotoelekronspektroskopi och röntgenflourescens inom materialvetenskap. Ytterligare kortare våglängder kan erhållas om högre laserintensiteter utnyttjas, något som kan vara av intresse för röntgenkristallografi. Vidare kan ämnen som normalt inte är flytande lösas i en lämplig bärvätska och därmed utnyttjas för röntgenproduktion med laser plasma i våtskestrålar.

Claims (13)

10 15 20 25 30 510153 PATENTKRAV

1. Sätt att producera röntgen- eller EUV-strålning via laserplasma-emission, vid vilket minst en pulsad laserstràle (3) fokuseras från en eller flera riktningar mot ett i vakuum genererat mål, k ä n n e t e c k n a t av att målet bildas genom att en vätska under tryck för generering av en (17) varvid strålen (17) utbreder sig i en bestämd riktning pressas genom ett munstycke (10) av nämnda vätska, kontinuerlig, mikroskopisk stràle till en droppbildningspunkt (15), vid vilken strålen (17) sönderdelas i droppar (12), och att nämnda minst en (ll) på strålen (17) (10) och droppbildningspunkten (15). laserstràle (3) fokuseras i en punkt mellan munstycket

2. Sätt enligt krav 1, vid vilket målet genereras i form av en pulsad vätskestråle.

3. Sätt enligt krav l eller 2, vid vilket laser- stràlen (3) fokuseras en sträcka av storleksordningen millimeter från munstycket (10).

4. Sätt enligt krav l, 2 eller 3, fluorhaltig vätska används som màl för generering av vid vilket en röntgenemission i váglängdsområdet 1-2 nm för kontakt- litografi.

5. Anordning för generering av röntgen- eller EUV- strålning via laserplasma-emission, omfattande en vakuum- (7,l0, mål i nämnda vakuumkammare (8), och ett optiskt element (13) från minst en laser (1) pà målet, kammare (8), 14) för generering av ett ett organ för fokusering av minst en pulsad laserstràle (3) k ä n n e t e c k n a d av att det målgenererande organet (7, 10, 14) är utformat att under högt tryck pressa en vätska genom ett munstycke (10) för generering av en mikroskopisk, kontinuerlig (17), vilken utbreder sig i en bestämd rikt- ning till en droppbildningspunkt (15), strålen (17) sönderdelas i droppar (15), och att fokuse- vätskestråle vid vilken vätske- 10 15 20 25 30 ringselementet (13) är utformat att fokusera nämnda minst en laserstråle (3) i en punkt mellan munstycket (10) och droppbildningspunkten (15).

6. Anordning enligt krav 5, vid vilken det målgene- rerande organet (7, 10, 14) är utformat att generera en pulsad vätskestråle.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, vid vilken fokuseringsorganet (13) är utformat att fokusera laser- strålen (3) en sträcka av storleksordningen millimeter (10).

8. Anordning enligt krav 5, från munstycket 6 eller 7, vid vilken nämnda vätska är en fluorhaltig vätska för generering av röntgenemission i vàglängdsomrádet 1-2 nm för kontaktlito- grafi, varvid en exponeringsstation (18) är placerad i närheten av nämnda fokuseringspunkt på vätskestràlen (17).

9. Användning av ett sätt enligt något av kraven 1-3 eller en anordning enligt något av kraven 5-7, varvid den emitterade strålningen används för röntgenmikroskopi.

10. Användning av ett sätt enligt 1-4 eller en anordning enligt något av den emitterade strålningen används för

11. Användning av ett sätt enligt 1-3 eller en anordning enligt något av den emitterade strålningen används för litografi.

12. Användning av ett sätt enligt 1-3 eller en anordning enligt något av den emitterade strålningen används för spektroskopi.

13. Användning av ett sätt enligt 1-3 eller en anordning enligt något av den emitterade strålningen används för SCSIIS . något av kraven kraven 5-8, varvid kontaktlitografi. något av kraven kraven 5-7, varvid EUV-projektions- något av kraven kraven 5-7, varvid fotoelektron- något av kraven kraven 5-7, varvid röntgenfluore-