Способ защиты литографического оборудования от пылевых металлических частиц

Изобретение относится к способам защиты рабочих элементов литографического оборудования от потоков пылевых частиц, в которых запыление элементов оптики продуктами распыления мишени при ее облучении лазерным излучением является критическим. Способ включает зарядку пылевых металлических частиц и воздействие на заряженные пылевые металлические частицы электрическим полем, направленным вдоль поверхности защищаемого рабочего элемента литографического оборудования. Пылевые металлические частицы заряжают потоком электронов, при этом энергию электронов Е_эл и произведение плотности потока электронов J₀ на поперечный размер X потока электронов задают в определенном соотношении. Технический результат: повышение эффективности защиты литографического оборудования.

 

Изобретение относится к способам защиты рабочих элементов литографического оборудования от потоков пылевых частиц, в которых запыление элементов оптики продуктами распыления мишени при ее облучении лазерным излучением является критическим.

К такому литографическому оборудованию относится оптическая нанолитография в глубоком ультрафиолете (Junichi Fujimoto, Tamotsu Abe, Satoshi Tanaka, Takeshi Ohta, Tsukasa Hori, Tatsuya Yanagida, Hiroaki Nakarai, Hakaru Mizoguchi, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11(2), 021111, pp 1-14, Apr-Jun 2012). Так, одним из наиболее важных требований, возникающих при разработке источника глубокого ультрафиолета, является необходимость полного предотвращения попадания пылевых металлических частиц (например, кластеров и атомов Sn) на поверхность зеркала коллектора, поскольку осаждение даже слоя толщиной 1 нм ухудшает коэффициент отражения зеркала на 10%, что существенно влияет на его срок службы.

В последние годы разработаны способы отчистки и защиты поверхности рабочих элементов в различных установках от загрязнения продуктами, возникающими в процессе работы этих установок.

Известен способ удаления загрязняющих частиц с поверхности оборудования, производящего полупроводниковые изделия (см. заявка ЕР 0790642, МПК С23С 16/02, С23С 16/44, H01J 37/32, H01L 21/00, H01L 21/306, H01L 21/677, опубликована 20.08.1997), включающий зарядку загрязняющих частиц в ионизованном газе и удаление их с поверхности полупроводниковых изделий за счет ускорения в электрическом поле. Система электродов, используемых в известном способе, может устанавливаться как в рабочей камере, так и в узлах транспортировки подложек.

Известный способ позволяет существенно снизить степень загрязнения поверхности полупроводниковых изделий, однако, он не предназначен для отчистки рабочих элементов установок от пленок и пылевых частиц с сильной адгезией к поверхности.

Известен способ защиты оборудования для изготовления полупроводниковых приборов от попадания частиц на поверхность подложки (см. заявка KR 19990083161, МПК C23F 01/00, H01J 37/32, H01L 21/302, опубликована 25.11.1999), включающий воздействие на частицы электрическим полем, отталкивающим частицы от полупроводниковой подложки, при этом воздействие на частицы электрическим полем синхронизировано с процессом генерации плазмы под действием высокочастотного напряжения, формирующей структуры на полупроводниковой подложке.

Известный способ позволяет защищать полупроводниковую подложку от загрязнений, обусловленных осаждением на ее поверхность нежелательных кластеров частиц, формирующихся в объеме рабочего газа. Однако способ не обеспечивает защиту полупроводниковых подложек от попадания на них кластеров частиц во время процесса формирования структуры на подложке.

Известен способ защиты поверхности полупроводниковых подложек от пылевых частиц (см. патент US 5858108, МПК В08В 06/00, H01L 021/00, опубликован 12.01.1999), включающий формирование потока газа над полупроводниковой подложкой, удаляющего незаряженные пылевые частицы, приложение к полупроводниковой подложке импульсного напряжения с периодически изменяющейся полярностью для удаления с полупроводниковой подложки соответственно отрицательно и положительно заряженных пылевых частиц, захват удаленных пылевых частиц потоком газа и вынос их в систему откачки. Особенностью способа является то, что удаление пылевых частиц происходит в загрузочной, а не в рабочей камере.

Известный способ позволяет осуществлять удаление пылевых частиц во время формирования полупроводниковых структур без необходимости прерывания рабочего процесса. Однако в известном способе удаляют пылевые частицы, осажденные на поверхность полупроводниковой подложки, а не защищают ее от осаждения пылевых частиц. Соответственно эффективность очистки подложки сильно зависит от адгезии частиц к ее поверхности.

Известен способ защиты литографического оборудования от пылевых частиц (см. заявка РСТ WO 2011110467, МПК В08В 06/00, C23F 01/08, G03B 07/52, G03F 07/20, опубликована 15.09.2011), включающий удаление пылевых частиц электрическим полем, формируемым на пути распространения излучения в глубоком ультрафиолете. На первом этапе электрическое поле создают за счет приложения переменного напряжения к электродам, установленным с противоположных сторон пути излучения. На втором этапе к электродам прикладывают постоянное напряжение. Известный способ позволяет удалять заряженные пылевые частицы с пути распространения излучения, однако данный способ не защищает оптические элементы литографического оборудования от незаряженных пылевых частиц.

Известен способ защиты литографического оборудования от пылевых частиц (см. заявка US2005140945, МПК G03B 27/52, G03B 27/54 G03F 07/00, G03F 07/20, опубликована 30.06.2005), включающий зарядку пылевых частиц в плазме электрического разряда и воздействие на заряженные частицы магнитным полем и захват отклоненных под воздействием силы, перпендикулярной току и магнитному полю, пылевых частиц множеством удерживающих поверхностей.

Известный способ позволяет отклонять ионы и кластеры, однако способ не обеспечивает ослабление потока частиц нанометрового размера на элементы литографического оборудования, поскольку такие частицы не захватываются магнитным полем.

Известен способ защиты литографического оборудования от пылевых частиц, в том числе металлических (см. заявка ЕР 1434095, МПК G03F 07/20, опубликована 30.06.2004), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает зарядку пылевых частиц в плазме электрического разряда и воздействие на заряженные пылевые частицы электрическим полем, направленным вдоль поверхности защищаемого рабочего элемента литографического оборудования.

Способ-прототип не обеспечивает эффективного отклонения заряженных пылевых частиц электрическим полем, так как использование для зарядки частиц плазмы газового разряда не позволяет заряжать пылевые металлические частицы выше плавающего потенциала, который определяется температурой электронов в плазме газового разряда и составляет всего несколько десятков вольт.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа защиты литографического оборудования от пылевых металлических частиц, который бы обеспечивал повышение эффективности отклонения пылевых металлических частиц за счет их зарядки до более высоких потенциалов.

Поставленная задача решается тем, что способ защиты литографического оборудования от пылевых металлических частиц включает зарядку пылевых металлических частиц и воздействие на заряженные пылевые металлические частицы электрическим полем, направленным вдоль поверхности защищаемого рабочего элемента литографического оборудования. При этом пылевые металлические частицы заряжают потоком электронов, а энергию электронов Е_эл и произведение плотности потока электронов J₀ на поперечный размер X потока электронов определяют из соотношений:

;

;

где: Е_мин - энергия электронов, при превышении которой коэффициент вторичной эмиссии электронов с поверхности пылевой металлической частицы становится меньше единицы, Дж;

ρ - плотность материала пылевых металлических частиц, кг/м³;

Z - зарядовое число металла пылевых частиц;

R₀ - размер пылевой металлической частицы, м;

А - атомный вес металла пылевых частиц, а.е.;

М - максимальное значение произведения плотности потока электронов на поперечный размер потока электронов, при котором электрическое поле пространственного заряда потока электронов снижает энергию электронов в центре потока до значения Е_мин, А⋅м;

V₀ - скорость пылевых металлических частиц, м/с;

Q₀ - заряд пылевой металлической частицы, Кл, который определяется выражением:

;

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

е - заряд позитрона, Кл.

Способ защиты рабочих элементов литографического оборудования от потоков пылевых металлических частиц микронных размеров основан на том, что зарядку металлических частиц осуществляют в потоке электронов, в котором энергию Е_эл электронов и произведение плотности J₀ потока электронов на поперечный размер X потока электронов задают в соответствии с приведенными выше соотношениями.

Образующиеся при оптической нанолитографии в глубоком ультрафиолете металлические частицы заряжают в потоке электронов с энергией Е_эл. При этом произведение плотности J₀ потока электронов на поперечный размер X потока электронов определяют из приведенных выше соотношений. Поток электронов может быть создан, например, с помощью термоэмиссионного катода и коллектора электронов. Для ограничения эмиссии электронов с термоэмиссионного катода в направлении, противоположном основному потоку, может быть использован формирующий электрод, на который подают отрицательное напряжение. С целью снижения теплового потока на коллектор электронов может быть использован импульсно-периодический режим формирования потока электронов. Возможность реализации такого режима обусловлена тем, что поток металлических частиц, образующийся при оптической нанолитографии в глубоком ультрафиолете, носит импульсно-периодический характер. При этом поток электронов должен быть согласован с потоком микрочастиц таким образом, чтобы импульс потока электронов перекрывал импульс потока микрочастиц. После пролета области зарядки металлические частицы подают в отклоняющее электрическое поле, воздействие которого приводит к изменению их траектории.

Особенность настоящего способа заключается в зарядке частиц в потоке электронов до высоких потенциалов. Интервал величин энергии Е_эл электронов определяются двумя требованиями: энергия Е_эл должна быть достаточно высокой для того, чтобы снизить поток вторичной эмиссии электронов и заряжать частицы отрицательно, но при этом энергия Е_эл электронов не должна превышать значений, при которых электроны проходят сквозь частицы и не заряжают их. Эти ограничения величины энергии Е_эл электронов устанавливает соотношение:

При высоких плотностях потока J₀ электронов их пространственный заряд формирует виртуальный катод и тем самым ограничивает поток электронов. Поперечный размер X потока электронов определяется необходимостью зарядки пылевых металлических частиц до заряда Q₀ при их пролете через поток электронов и находится из условия:

Заряд Q₀ отдельной пылевой металлической частицы определяется балансом потока электронов, приходящих на частицу, и потока электронов, эмитируемых частицей. Основной механизм эмиссии электронов в рассматриваемом случае является вторичная эмиссия электронов, поэтому заряд, до которого заряжаются частицы, определяется выражением:

Пример

Для экспериментальной проверки эффективности данного способа защиты рабочих элементов литографического оборудования от потоков пылевых металлических частиц был собран макет установки электрического экранирования пылевых металлических частиц, в котором мишень из олова чистотой 99,99% облучалась импульсами излучения Nd:НФП - лазера. Облучение мишени проводилось в вакууме с давлением остаточного воздуха 10^-4 Па. Длительность лазерных импульсов составляла 30 не, энергия в импульсе 0,3 Дж, частота повторения импульсов 60 Гц, время облучения 5 минут. В процессе облучения мишень вращалась со скоростью 2 оборота в минуту, соответственно фокус лазерного излучения смещался по поверхности мишени. При этом часть материала с мишени эмитировалась в виде капель и на мишени формировалась канавка в форме кольца. Эмитированные с мишени частицы олова разлетаются во все стороны от плоскости мишени. В качестве защищаемого элемента использовали кварцевый датчик скорости нанесения пленок размером 1 см, который моделировал элемент оптики литографического оборудования и располагался под мишенью на расстоянии 15 см. Измерения скорости напыления олова на датчик проводили с помощью контроллера STC-2000A. Для того, чтобы ослабить поток частиц олова на датчик и при этом не препятствовать потокам электромагнитного излучения, на участке между мишенью и датчиком формировали ленточный пучок электронов плотностью 2,5 мА/см², шириной 1 см, высотой Х=4 см и длиной 5 см. Энергия электронов в пучке (Е_эл) составляла 1,3⋅10^-15 Дж. Пучок электронов был направлен перпендикулярно направлению потока пылевых частиц олова в области их пересечения. Пылевые частицы олова, которые попадают в поток электронов, заряжались. На участке за пучком электронов и до датчика, который защищали от пылевых частиц, было создано отклоняющее электрическое поле напряженностью 2 кВ/см, направленное вдоль поверхности датчика. Размер области электрического поля составлял 5 см в высоту (от пучка электронов до датчика), 7 см в ширину (размер электродов, формирующих поле) и 4 см в длину (расстояние между электродами). Без включения потока электронов и отклоняющего электрического поля скорость напыления пылевых частиц олова на датчик составляла примерно 0,5 нм/с. При включении пучка электронов и отклоняющего электрического поля, скорость напыления пылевых частиц олова на датчик падала до 0,12 нм/с, то есть в 4,16 раза.

Способ защиты литографического оборудования от пылевых металлических частиц, включающий зарядку пылевых металлических частиц и воздействие на заряженные пылевые металлические частицы электрическим полем, направленным вдоль поверхности защищаемого рабочего элемента литографического оборудования, отличающийся тем, что пылевые металлические частицы заряжают потоком электронов, при этом энергию электронов Е_эл и произведение плотности потока электронов J₀ на поперечный размер X потока электронов определяют из соотношений:

Е_мин<Е_эл<1.65⋅10^-13⋅(ρZR₀/A)^0.7, Дж;

M>J₀X>Q₀V₀/[2пR₀²(1-σ)], А⋅м;

где: Е_мин - энергия электронов, при превышении которой коэффициент вторичной эмиссии электронов с поверхности пылевой металлической частицы становится меньше единицы, Дж;

ρ - плотность материала пылевых металлических частиц, кг/м³;

Z - зарядовое число металла пылевых частиц;

R₀ - размер пылевой металлической частицы, м;

А - атомный вес металла пылевых частиц, а.е.;

М - максимальное значение произведения плотности потока электронов на поперечный размер потока электронов, при котором электрическое поле пространственного заряда потока электронов снижает энергию электронов в центре потока до значения Е_мин, А⋅м;

V₀ - скорость пылевых металлических частиц, м/с;

Q₀ - заряд пылевой металлической частицы, Кл, который определяется выражением:

Q₀=4пε₀(Е_эл-Е_мин)⋅R₀/e;

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

е - заряд позитрона, Кл.