EUV-Emission und Entladungsdynamik eines Zinnplasmas in einer laserinduzierten Hochstromentladung für die Lithografie

EUV Lithografie mit einer zentralen Belichtungswellenlänge von 13.5 nm soll in naher Zukunft in die Prozesskette der Halbleiterproduktion implementiert werden und die Kostensenkung durch Miniaturisierung der Schaltelemente vorantreiben. Für die Rentabilität dieser neuen Schlüsseltechnologie ist die Bereitstellung des benötigten EUV-Strahlungsflusses von entscheidender Bedeutung. Die kommerzielle Verfügbarkeit neuartiger und leistungsstarker EUV-Strahlungsquellen stellt im Jahr 2013 die von der Industrie als kritisch eingestufte Herausforderung für den Technologiewechsel dar. In dieser Arbeit wird eine EUV-Strahlungsquelle auf ihre Skalierbarkeit zu dem von der Halbleiterindustrie geforderten Strahlungsfluss im Zwischenfokus der Lithografieanlage von 250 W innerhalb 2 % Bandbreite um 13.5 nm als zentrale Wellenlänge experimentell untersucht. Die Strahlungsquelle basiert auf einem Zinnplasma, das in einer laserinduzierten Hochstromentladung erzeugt wird. Durch gepulste Laserstrahlung wird Zinn von der Oberfläche einer Elektrode verdampft. Der dadurch ausgelöste Kurzschluss der Elektroden führt zur Entladung der auf einer Kondensatorbank gespeicherten elektrischen Energie im laserinduzierten Zinnplasma. Während der Hochstromentladung wird das Zinnplasma typischerweise mit elektrischen Leistungsdichten von mehr als 50 MW/mm -3 geheizt. Heiße und dichte Zinnplasmen emittieren Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 10 und 20 nm mit einem spektralen Maximum bei 13.5 nm. Für den geforderten Strahlungsfluss von 250 W im Zwischenfokus wird ein Prozessfenster entwickelt, dessen Bestimmungsgrößen die elektrische Eingangsenergie der Hochstromentladung und der Wirkungsgrad der EUV Strahlungserzeugung sind. Die Verdopplung des Wirkungsgrades auf Werte größer 1.25% in Verbindung mit einer Steigerung der elektrischen Eingangsenergie von 3 J auf mehr als 6 J ist die zentrale Zielsetzung dieser Arbeit. Das in einer laserinduzierten Hochstromentladung erzeugte Zinnplasma wird in die vier Phasen Verdampfung, Durchbruch, Hochstrom- und Abklingphase gegliedert und die Grundlagen der den Phasen zugeordneten physikalischen Mechanismen werden erläutert und charakterisiert. Die Skalierbarkeit der Pulsrepetitionsrate wird anhand eines 40 kHz Pulszugs über ein Zeitintervall von 130 ms demonstriert. Die Entladungsphasen werden unter Verwendung von zwei verschiedenen Laserstrahlquellen charakterisiert. Die unterschiedlichen zeitlichen Entwicklungen des Plasmawiderstandes und der dadurch maßgeblich beeinflussten elektrischen Leistungseinkopplung werden für die beiden Laserstrahlquellen gegenübergestellt. Die Rückkopplung von Strahlungsverlusten im EUV mit dem ohmschen Heizen des Plasmas wird experimentell nachgewiesen. Durch Variationen der Laserpulsparameter werden Art und Gesetzmäßigkeiten der Wechselwirkungen zwischen Verdampfung und Entladungsdynamik herausgearbeitet. Die Dynamik der Verdampfungsphase bestimmt die zeitliche Entwicklung des ohmschen Plasmawiderstandes. Durch Modulation der Laserparameter wird ein optimaler Wertebereich für den zeitlich gemittelten Widerstand während der EUV-Emission um 150 mO identifiziert. Der Einsatz von Laserdoppelpulsen zur Verdampfung von Zinn wird als geeignetes Instrument zur Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs des Plasmawiderstandes vorgestellt. Der elektrische Leistungseintrag in den ohmschen Plasmawiderstand wird durch die Verwendung maßgeschneiderter Laserpulszüge optimal an die Dynamik der Euv Emission angepasst. Für Eingangsenergien im Intervall 4 – 10 J werden Wirkungsgrade über 2.0 % realisiert.