27. EUV Contamination에 대하여 (4)

 

 

 

Collector Performance

콜렉터 광학의 반사율 저하는 콜렉터 광학과의 이물질 상호 작용의 영향입니다. grazing 입사 미러의 경우 스퍼터로 인한 거칠기 및 오염이 반사율 손실의 주요 원인입니다. 정상 입사 미러의 경우 스퍼터로 인한 거칠기, 스퍼터로 인한 침식, 에너지 이온 주입 및 Sn 증착이 반사율 저하를 유발합니다. 높은 반사율을 위한 최적의 이중층 수는 언급하였듯, 약 50개입니다. 이물질을 완화하지 않는 경우 침식이 가장 해로우며, MLM을 파괴하고 되돌릴 수 없습니다. LPP 소스에서 플라즈마 오염으로 인한 침식을 완화하기 위해 MLM 콜렉터 광학에 추가 이중층을 사용하여 PM 주니... 광학계의 사용 수명을 연장하게됩니다. MLM의 두꺼운 스택은 층이 침식될 때 반사율을 일정하게 유지하기에 충분한 이중층을 가지고 있습니다. 그러나 이중층이 많을수록 제조 비용이 증가합니다.

위 그림에서 나타나듯, 해당 그림은 MLM에 남은 이중층 수에 따라 반사율이 어떻게 변하는지를 보여줍니다. MLM의 이론적 최고 반사율은 약 73%이지만, 이 반사율은 아직 실험적으로 달성되지 않았습니다. EUV 광자를 생성하는 데 사용되는 플라즈마의 온도는 약 20~30eV입니다. 그러나 이러한 플라즈마에서 방출되는 이온의 에너지는 keV 범위에서 몇 배 더 높을 수 있습니다. 이는 플라즈마가 팽창함에 따라 전자가 이온보다 훨씬 더 빠르게 바깥쪽으로 이동하여 전기장을 형성하는 쿨롱 가속도 때문일 가능성이 크기 때문이죠. 이로 인해 이온은 keV 수준의 에너지로 가속됩니다. 이러한 에너지를 가진 이온은 매우 쉽게 극심한 침식 및 이식을 일으킬 수 있습니다.

하나의 예시로CPMI에서 개발한 ESA를 사용한 실험 결과를 보겠습니다. ESA는 전하 대 질량 비율에 따라 이온을 측정하는데, 여기서 E는 이온 에너지, q는 이온 전하, r1은 장비의 내부 반경, r2는 장비의 외부 반경, (D)V는 위 그림 같이 두 동심원 구형 섹터에 적용되는 전압 차이입니다. 위 방정식을 만족하는 이온은 점선으로 표시된 경로를 따라 ESA를 통과하여 검출기에 도달합니다. 다른 에너지 대 전하 비율의 이온은 기기의 내부 구형 섹터 또는 외부 구형 섹터에 충돌하여 검출기에 도달하지 못합니다.

또한 위 그림은 CPMI에서 사용된 실험 설정을 입니다. 위 장치에서 플라즈마 소스는 XTREME Technologies의 XTS 13-35 DPP 소스입니다. 이 플라즈마 소스는 Xe 가스를 사용하여 0.55%의 변환 효율을 가진 2p 스테라디안에서 35W의 EUV 광(2% 대역폭)을 생성하는데요. Xe 가스 컬럼의 자체 압축으로 인해 13.5nm에서 EUV 광을 방출하는 데 필요한 Xe8þ~Xe12þ 이온을 생성하기에 충분한 가열이 발생하게 됩니다.

 

이 소스는 LPP가 아닌 DPP이지만 플라즈마는 완전히 이온화되어 있고, 이온화 상태(평균 þ10)가 비슷하며, 전자 밀도(1019-1020 cm-3 )와 전자 온도(20-30 eV)가 비슷합니다. 따라서 이 소스의 결과는 적어도 LPP에서 예상되는 입사 이온의 범위를 나타내야 합니다. 또한 이 소스는 레이저로 제거된 침식 가능한 Sn 전극을 사용하도록 변경되었기 때문에 Sn 연료 EUV 플라즈마로부터의 이온 에너지 측정도 가능했죠.

Xe

Sn

Xe 연료 pinch 결과는 위 그림을 통해서 확인 할 수 있고, Sn 연료 pinch의 결과는 우측 그림을 통해 확인 가능합니다. 두 그림 모두 비슷한 운동에너지를 가진 Xe와 Sn 이온을 보여줍니다. 이러한 높은 에너지의 이온을 사용하면 스퍼터링과 침식이 쉽게 이루어질 수 있습니다. 따라서 이온의 속도를 늦추거나 편향시켜야 합니다. 이온에 의한 오염을 편향시키는 한 가지 방법은 자기장을 이용하는 것입니다.

일례로 Roy라는 사람이 수행한 한 연구에서는 0.5-T 자기장이 10초 및 15초 펄스 기간 동안 레이저로 고체 Sn 타겟을 절제하여 생성된 이온을 편향시킨다고 발표하였는데 , 그때의 평균 이온 에너지는 1.2keV였습니다. Faraday cup (FC)으로 측정한 이온 플럭스는 필드가 없을 때보다 필드가 있을 때 약 5배 더 작은 것으로 나타난것을 확인 할 수 있습니다. FC는 소스에서 15cm 떨어진 66도 각도로 배치된 상태인데. CPMI에서 수행된 또 다른 실험은 편향된 이온 분포를 예측하고 측정하는 능력을 보여주었습니다.

 

이 실험의 셋업은 위쪽 반원?.. 과 같이 이전과 동일하고 자석이 있을 때와 없을 때 pinch에서 0도, 35도, 45도에서 이온 에너지를 분석하기 위해 ESA를 사용했습니다. 먼저 자석이 없는 0도 포트에서 이온을 측정한 다음 시뮬레이션된 이온 에너지 확률 분포를 생성하는 데 사용했습니다. 그런 다음 자석이 없는 0도에서 이온을 측정한 결과 이온이 거의 완전히 제거된 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 아래의 그림에 나와 있습니다.

이러한 방식으로 소스에서 다양한 각도에서 편향된 분포를 예측했고, 이러한 결과를 통해 자기장과 초기 이온 에너지 분포가 주어지면 편향된 이온의 최종 목적지를 예측할 수 있습니다. 또는 콜렉터 광학의 크기와 EUV 생산 플라즈마에 대한 위치를 고려할 때, 원하는 에너지 범위의 이온을 콜렉터에서 멀리 편향시키도록 자기장 토폴로지를 설계할 수 있게 되었습니다.

 

다른 사례? 연구에 대해서 한번 더 알아봅시다..중요한거라... ^^,,

엔도라는 사람 1-T 자기장을 설치한 후 노이즈 플로어까지 감소한 FC 이온 전류 신호를 파악했습니다. 이 실험은 Sn 연료 LPP 소스에서 진행되었는데, 자기장 오염 완화는 기가포톤이 생산하는 산업용 LPP EUV 파워 소스에 적용됬던 기술입니다. 위 그림을 통해 개략도를 확인해보세요.

 

컬렉터를 둘러싸고 있는 두 개의 초전도 전자석은 강한 자기장을 생성하여 Sn 이온을 컬렉터에서 멀리 밀어냅니다. 그러나 레이저가 Sn 방울을 기화시키기 때문에 자성 오염 완화은 일부만 해결됩니다. 빠른 이온이 스퍼터링의 원인이 될 수 있지만, 대부분의 Sn 오염은 자기장의 영향을 전혀 받지 않는 중성 증기 형태를 취합니다. 정전기 가속이 없기 때문에 초기 에너지는 이온보다 낮지만 모든 에너지의 중성은 여전히 증착을 일으킬 수 있습니다. 또한 EUV 플라즈마의 높은 온도(20~30eV)는 여전히 일부 방출된 Sn 중성자가 스퍼터링을 유발할 수 있습니다. 마지막으로, 전하 교환 충돌은 고에너지 이온에서 느린 중성으로 전하를 전달하여 이온과 동일한 손상을 일으킬 수 있지만 자기장으로 완화할 수 없는 고에너지 중립을 생성할 수 있습니다.

 

위 그림의 기가포톤의 Sn LPP 소스에서는 액적 크기(20mm)가 액적의 이온화 분율을 최대화하도록 최적화되어 자기 오염 완화로 가능한 한 많은 오염을 편향시킬 수 있었죠. 그러나 일부 Sn은 중성으로 남아 콜렉터에 침착되며, 0.1nm/펄스의 침착률이 진행되는데, 중성은 속도를 늦추고 콜렉터에서 멀리 떨어뜨리는 오염 완화 기술, 콜렉터 세척 기술 또는 두 가지 모두를 사용하여 처리해야 합니다. 이러한 오염 완화 기술 중 하나는 포일 트랩으로, 소스와 컬렉터 사이에 위치한 여러 개의 얇은 포일 조각으로 구성되어 EUV 소스 축에서 바깥쪽으로 방사되는 포일 트랩입니다. 호일은 많은 Sn 이온과 중성에 대한 물리적 완충 역할을 하며, 소스와 컬렉터 사이에서 가스가 흐르는 것을 줄여줍니다. 이렇게 전도도를 낮춤으로써 포일 트랩은 소스 측의 압력을 상승시키고, 이 증가된 압력은 Sn과 가스 원자 간의 충돌 횟수를 증가시켜 빠른 원자의 속도를 느리게 합니다. 일부 포일 트랩 설계에는 전도도를 더욱 낮추기 위해 회전 섹션과 정적 섹션이 모두 포함되어 있습니다. 그러나 포일 트랩은 EUV 광자의 궤적을 방해할 수도 있습니다.

따라서 위 표시된 그레이징 수집기가 있는 DPP 소스와 같이 EUV 광자가 한 번만 통과하는 소스에 가장 적합합니다. 현재 포일 트랩은 계측 애플리케이션을 위해 Ushio, 우시오에서 제조한 레이저 DPP 소스에 사용되는데요, 이러한 소스는 제거된 Sn 증기 구름을 통한 전기 방전을 활용하여 Sn에서 EUV를 생성합니다. 그러나 그림 우측처럼 표시된 것과 같이 정상 입사 수집기가 있는 LPP 소스에서는 광자가 플라즈마와 수집기 사이의 영역을 두 번 통과해야 합니다. 따라서 포일 트랩은 주로 DPP 소스에서 볼 수 있으며, 더 이상 고출력 EUV 소스 애플리케이션에는 고려되지 않습니다. 이번 포스팅에서는 정상 입사 콜렉터에 초점을 맞추었으므로 패쓰....

 

물리적 포일 없이 충돌 기반 감속 및 편향을 사용하는 또 다른 오염 완화 기법은 버퍼 가스 완화입니다. 이러한 기술에서는 배경 가스를 챔버에 주입하여 전체 챔버의 압력을 높입니다. 이 가스는 이온과 중성자 모두와 충돌하여 속도를 늦추고 궤적을 변경합니다. 이 기술은 오늘날 현장의 대부분의 LPP 소스에 존재합니다만... 중성 증기 외에도 Sn은 특히 Sn 방울이 플라즈마로 완전히 전환되지 않은 경우 더 큰 입자 형태를 취할 수 있습니다. 이러한 입자는 완충 가스 충돌로 제어하기가 매우 어렵습니다. 따라서 먼저 입자 생성을 최소화하고 증기 생성을 극대화하는 방식으로 EUV 시스템을 설계해야 합니다. 이는 레이저를 조사할 때 전체 Sn 방울이 플라즈마로 변환되도록 설계해야하는데, 증기 극대화를 위해서는 일반적으로 세 가지 구성 요소가 필요합니다.

 

1. Sn 방울은 레이저 펄스 후 사용하지 않은 Sn이 남지 않도록 수십 마이크론 정도의 작은 크기여야 합니다.
2. 레이저 펄스 전에 pre 펄스로 droplet을 때립니다. 프리(pre) 펄스는 구형 모양의 방울을 평평한 2D 디스크로 모양으로 변형시게되는데, 이 2D 구조는 메인 레이저에 직접 노출되는 Sn 표면적의 양을 최대화합니다. 또한 액적 크기와 프리펄스 강도는 상호 연관되어 평평한 Sn 디스크의 크기가 집중된 주 레이저 빔의 단면적과 일치하도록 합니다. droplet 면적이 레이저 조사 면적보다 크면 추가 Sn 오염을 일으키는 파편이 생성되고, droplet 면적이 레이저 조사 면적보다 작으면 레이저 에너지가 낭비되어 변환 효율(CE)이 감소합니다. 면적을 서로 동일하게 설정하면 이 두 가지 상황을 모두 방지할 수 있습니다.
3. 마지막로, CE는 droplet 위치와 속도를 사용하여 프리펄스 및 메인 레이저의 타이밍을 제어하는 레이저 타이밍 제어 시스템을 통해 최적화됩니다. 이를 통해 최대 EUV 전력 생산을 보장할 뿐만 아니라 방울이 부분적으로만 조사되거나 전혀 조사되지 않을 가능성을 최소화합니다. 이러한 방식으로 droplet 활용도를 극대화하고 돌연변이 같은 이레귤러 대형 입자 생성을 최소화합니다. Sn 액적이 기화되면 버퍼 가스를 사용하여 증기를 완화해야 합니다. 완화의 중요성은 과소평가할 수 없는데요! 현재 소스업계에서는 매주 약 2kg 이상의 Sn을 사용하며, 컬렉터 표면에 5nm만 증착되도 컬렉터 EUV 코팅이 벗겨졌다 생각하면됩니다. (사실상..ㅋㅋㅋㅋ).

 

이거 중요한데요! 컬렉터가 EUV 용기 표면적의 10%를 차지하고 Sn이 EUV 용기 전체에 균일하게 퍼진다고 가정하면, 50kHz의 작동 주파수에서 이물질을 제거하지 않을 경우 이 정도 두께는 정말 30초 이내에 수집기에 증착됩니다. 컬렉터가 챔버 표면적의 10% 이상을 차지하면 이 시간은 더 단축될 수 있죠. 이러한 컨타를 막기 위해 가스 셔터?에 대한 한 몇 가지 연구가 수행되었데... 거두절미하고 핵심은 buffer gas 완화는 Sn 오염을 완화하기에 충분한 가스를 제공해야 하지만, EUV 투과를 크게 방해할 정도로 많은 가스를 제공해서는 안 된다는 것입니다. 이러한 이유로 오늘날 상용화된 EUV 소스에는 가장 가벼운 가스(H2)가 사용됩니다.

 

이제 걱정해야하는건 적절하게 높은 버퍼 가스 압력과 버퍼 가스에 의한 EUV 흡수 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 앞서 언급한 바와 같이, 현재 업계에서 버퍼 가스로 선택하는 H2는 EUV 흡수율이 낮기 때문에 상업용 시스템에서 너무 많은 EUV를 흡수하지 않고도 높은 버퍼 가스 압력을 활용할 수 있습니다. 그러나 이것이 반드시 모든 애플리케이션에 이상적인 버퍼 가스는 아니라는 점에 유의해야합니다! 꼭 꼭 꼭....

 

동일한 압력에서 질량이 높은 완충 가스 종(예시로 Ar 같은거)은 충돌 단면과 에너지 전달 계수의 증가로 인해 질량이 낮은 완충 가스 보다 Sn 원자에서 에너지를 추출하는 데 더 효과적입니다. 따라서 H2를 완충 가스로 사용할 때 충분한 편향을 제공하려면 더 높은 압력이 필요하며, 높은 압력은 광자 평균 자유 경로를 감소시키고 가벼운 완충 가스 사용으로 얻을 수 있는 투과율 이점을 일부 감소시킬 수 있습니다. 현재 산업용 EUV 스캐너 시스템은 1 Torr 정도의 압력을 사용하며, 이 압력은 에너지가 있는 Sn의 EUV 빔의 전달이 가능하죠.

Cymer의 EUV 소스는 위 그림처럼 되어있는데요. 이 시스템 내에서 H2 압력과 flow은 콜렉터와 IF를 모두 보호하기 위해 최적화되어야 합니다. 현재 산업 시스템에서 사용되는 높은 압력에서는 확산이 더 이상 낮은 압력만큼 크지 않으며, 용기는 전진 및 H2 흐름 프로파일에 의해 Sn 수송을 적어도 부분적으로 제어할 수 있는 체제로 들어갑니다. 따라서 콜렉터 flow와 오염이 IF에 도달하여 다운스트림 광학 장치로 이동하는 것을 방지하는 동적 가스 잠금 장치라는 두 가지 flow 설계가 동시에 사용됩니다. flow 및 flow 프로파일 설계는 불안정성과 컬렉터 흐름과 동적 가스 잠금 장치가 서로 간섭하지 않아야 할 필요성에 의해 제한되는데요. 이런 완화 시스템에 의해 편향된 Sn은 용기 벽과 펌핑 시스템에 의해 모두 포집되어 오염자체를 거의 원천 봉쇄..? 합니다 하하...

 

그러나.. 현재 반사율 감소 오염의 대부분은 "느린" 오염의 형태를 취하고 있습니다. 느린 오염은 다른 출처의 Sn으로 인해 발생하며, 대부분 챔버 벽에 쌓여 배출되는 Sn 입자로 인해 발생합니다. 이러한 입자는 너무 커서 완충 가스로 쉽게 멈추고 편향시킬 수 없습니다. 따라서 이 부분을 해결하고 컬렉터 수명을 더욱 연장하려면 컬렉터 세척으로 버퍼 가스 완화를 보완해야 합니다. 이제 H2 라디칼 세척과 H2 플라즈마 세척에 대해 이야기 해보겠습니다..