用于顯微光刻系統的氟化物透鏡晶體的制作方法

專利名稱：用于顯微光刻系統的氟化物透鏡晶體的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求的優先權有，1999年6月4日提交的美國臨時專利申請序號60/137,486，Robert W.Sparrow發明的題為“Lenses For Optical System”的優先權，2000年2月8日提交的美國臨時專利申請序號60/180,886，RobertW.Sparrow發明的題為“Lenses For Optical System”的優先權，和2000年2月9日提交的美國臨時專利申請序號60/181,338，Robert W.Sparrow發明的題為“Lenses For Optical System”的優先權，根據它們的內容通過引用其全文結合于此，因此根據35 U.S.C.§120要求它的優先權。
背景技術：
發明領域本發明一般涉及光刻術版，尤其涉及用于光刻系統中的顯微光刻晶體，該系統利用低于193nm的真空紫外光(VUV)波長，較佳的低于175nm，更佳的低于164nm，例如利用157nm區域中波長的VUV投影光刻折射系統。
背景技術：
使用稱為“光刻”的技術制造半導體芯片，如微處理器和DRAM。光刻工具結合用于照亮圖形掩膜的照明透鏡系統，與光源和投影透鏡系統，用于在硅基板上產生掩膜圖形的圖像。
通過減小特征尺寸提高了半導體的性能。這需要依次提高光刻工具的分辨率。一般，轉移圖形的分辨率與透鏡系統的數值孔徑直接成比例，與照明光的波長成反比例。在二十世紀八十年代初，所用光的波長是來自水銀燈g-譜線的436nm波長。后來波長減小到365nm(水銀燈的I-譜線)，當前生產中所用的波長是從KrF激光發射中獲得的248nm的波長。第二代光刻工具將光源改變成在193nm處發射的ArF激光器。光刻的自然進展將光源改變成在157nm處發射的氟化物激光器。對于每種波長不同的材料都需要制作透鏡。在248nm處的光學材料是熔融硅石。對于193nm的系統是熔融硅石與氟化鈣透鏡的組合。在157nm處熔融硅石不發射激光輻射。當前在157nm處唯一被視為有用的材料是氟化鈣。例如，見1996年7月14日提交的申請號為8153769，1998年1月6日公開的未實審日本專利公布號為10-1310的申請，和1996年8月20日提交申請的，1998年3月3日公開的日本專利號為10-59799的申請，這兩個案子的申請人都是NIKON有限公司。
利用波長小于193nm真空紫外光的投影光刻系統有利于獲得較小的特征尺寸。利用波長在157nm區域內真空紫外光的這種系統具有改進更小特征尺寸集成電路的潛力。當前半導體工業中用于制造集成電路的光刻系統向更小的光波長發展，例如通常的248nm和193nm，但是這種波長在157nm區域內的真空紫外光通過光學材料的透射特征妨礙了商業使用和采用波長低于193nm的真空紫外光，如157nm。為了在集成電路的制造中使用在157nm區域中的真空紫外光光刻，該區域例如F2準分子激光器的發射光譜VUV窗口，需要其波長小于164nm和在157nm處具有有利光學性質的光刻晶體。
本發明克服了先前技術的問題，并提供了氟化物光刻晶體，它可用于改進用真空紫外光波長的集成電路的制造。

發明內容
本發明的一個方面是低于160nm的光刻氟化鋇晶體。該氟化鋇晶體在157nm處的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。
本發明的另一個方面包括色散控制光刻晶體。該色散控制晶體是各向同性的氟化鋇晶體。較佳的氟化鋇晶體在157.6299nm處折射率波長色散dn/dλ小于-0.003，在157.6299nm處折射率n＞1.56。
本發明的又一個方面，包括低于160nm的光刻方法，它包括提供低于160nm的光刻照明激光器，提供氟化鈣晶體光學元件，提供在低于160nm的波長處，折射率波長色散dn/dλ＜-0.003的氟化鋇晶體光學元件，并通過氟化鈣光學元件和氟化鋇光學元件傳送低于160nm的光刻的光，以形成光刻圖形。
本發明的再一個方面包括一種制造色散控制光刻元件的方法。該方法包括提供氟化鋇原材料，熔化氟化鋇原材料以形成結晶之前的氟化鋇熔體，使氟化鋇熔體凝固成氟化鋇晶體，并將氟化鋇晶體退火，以提供在157nm處，折射率波長色散dn/dλ＜-0.003的各向同性氟化鋇晶體。
在以下的詳細描述中將描述本發明的附加特征和優點，通過描述其中部分對本領域熟練的技術人員是顯而易見的，或者可以通過實踐這里所述的本發明，包括詳細描述和權利要求而理解。
要理解的是以上的描述和以下的詳細描述都僅僅是本發明的實例，它試圖提供框架的綜述，用于理解如權利要求所述本發明的本質和特征。
其中必須減小用于光刻過程中的照明光波長，以獲得較高的分辨率，照明光激光器發射具有有限的帶寬。為了獲得100nm節點處所需的分辨率，光刻工具制造商使用所有的折射光學設計，他們可以使用高度窄線激光(小于2pm)或者可以使用兩種光學材料，該材料具有色散性質以補償激光的帶寬。
在本發明的較佳實施例中包括提供各向同性的光刻晶體材料，用于VUV光刻的一般彩色校正，但是尤其在157nm的區域中，將折射透鏡構造成利用來自準分子激光器的光，該激光不是低于2pm的窄線的。本發明包括有利于157nm光刻的一系列氟化物晶體材料。在較佳實施例中，色散控制光刻晶體與帶寬不小于0.2pm的157nm光刻照明激光器一起使用。
較佳實施例的詳細描述材料的折射率隨穿過它的能量波長而變化，這稱為材料的色散。因此如果穿過由一種光學材料構造的透鏡系統的光具有一系列的波長，那么每個波長將帶來一個不同的焦點，所以降低了分辨率。通過使用具有不同色散特征的第二光學材料，能夠克服該影響。該技術稱為彩色校正。為了成為有用的彩色校正材料，必須達到特定的標準，也就是該材料必須在操作波長上透射，必須是各向同性的，以及必須具有適宜的色散特征。在157nm處，只有一種材料的色散特征符合必須的精確度，那就是氟化鈣。應用157nm透射和各向同性的標準，以下的材料可用作彩色校正材料。
I.基于堿金屬氟化物的材料氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀、和以下化學式的材料MRF3，其中M是Li、Na或K，R是Ca、Sr、Ba或Mg。這些材料的實例包括但不限于KMgF3、KSrF3、KBaF3、KCaF3、LiMgF3、LiSrF3、LiBaF3、LiCaF3、NaMaF3、NaSrF3、NaBaF3、和NaCaF3。
II.基于堿土金屬氟化物的材料氟化鈣、氟化鋇、和氟化鍶。這些材料中的每一個都可以和其它材料組合以形成化學式(M1)x(M2)1-xF2的混合晶體，其中M1是Ba、Ca或Sr，M2是Ba、Ca或Sr，x是0到1之間的量。非限制性實例為Ba0.5Sr0.5F2，其中x＝0.5，Ba0.25Sr0.75F2，其中x＝0.75。當x＝0時，這些材料為CaF2、BaF2、SrF2。
III.基于化學式M1-xRxF2+x混合晶體的材料，其中M是Ca、Ba或Sr，R是鑭。
在該材料中，晶體的結構是各向同性的，x的最大值為0.3。該化學式的實例包括但不限于Ca0.72La0.28F2.28，其中x＝0.28，或Ba0.74La0.26F2.26，其中x＝0.26，或Sr0.79La0.21F2.21，其中x＝0.21。
以上材料I、II和III中的每一個都可以用公知的技術制造，如晶體生長的“Stockbarger”或“Bridgman”技術。該過程包括將生長材料粉末裝入熟知為坩堝的容器中。坩堝通常由高純度的石墨做成，它位于其中具有加熱器的可移動支撐結構上，該加熱器具有充分的能量將溫度升高到超出生長材料熔點的等級。在坩堝周圍配置了加熱器系統之后，用鐘罩封閉該系統，并用真空泵組合抽真空。在獲得了超過10-5Torr的真空后，能量被施加于加熱器，并持續升高直到獲得預置的等級。由熔化試驗的運行確定該能量的預置等級。在熔化能量中幾小時后，啟動可移動的支撐結構，并將坩堝在爐內慢慢下降。隨著坩堝頂端的下降，坩堝冷卻，熔化的材料開始凝結。通過繼續下降漸漸固化，直到所有的熔體凝結。這時，爐內的能量降低到低于熔化能量，坩堝再升回到加熱器中，允許在幾個小時中達到熱平衡，然后允許通過慢慢降低加熱器的能量而冷卻到室溫。一旦達到室溫，就釋放真空，移去鐘罩后移去加熱器，并從坩堝中取出晶體。
雖然晶體生長的Bridgman或Stockbarger方法是基于氟化物材料晶體生長的通常方法，但是它不是可獲得的唯一方法。還可以使用的技術如Czochralski、Kyropoulos或Stober方法。
這些材料做成圓盤的尺寸和形狀是可變的，例如作為透鏡，直徑為118-250mm，厚度為30-50mm。以傳統方式將圓盤磨成尺寸大約相同，并具有期望曲率的透鏡。該透鏡的一般應用是例如只要在需要彩色校正時。然后，可以將透鏡結合入各種種類光學系統，例如，包括但不限于157nm的激光器系統、攝譜術系統、顯微鏡和望遠鏡。
之前的特殊實施例僅僅是作為說明構造的，它不用任何方法限制揭示的其余部分。
上下文中引用的所有申請文本、專利文本和公開文本中所有揭示的內容通過參考，結合于此。
從以上的描述中，本領域熟練的技術人員能容易地確定本發明的基本特征，并且不脫離本發明的精神和范圍，可以作出本發明的各種變化和改變，使它適應各種使用和情況。
本發明包括低于160nm的光學晶體，用于使波長低于160nm、帶寬小于0.2pm的光刻激光在其中透射。光刻晶體包括各向同性的氟化鋇晶體，它的在157nm處的透射大于85％，在157nm處的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。較佳的氟化鋇晶體在157nm處，折射率波長色散dn/dλ＜-0.004，更佳的＜-0.0043。較佳的氟化鋇晶體在157nm處的折射率n＞1.56。更佳的是n≥1.6，最佳的是n≥1.64。較佳的氟化鋇晶體在157nm處的折射率溫度系數dn/dt＞8×10-6/℃，更佳的dn/dt≥8.5×10-6/℃。在較佳實施例中，光刻氟化鋇晶體的大尺寸直徑＞l00mm，厚度＞30mm，更佳的直徑在大約118到250nm的范圍內，厚度在30到50mm的范圍內。當使用寬帶的照明源時，例如帶寬為至少0.5pm的F2準分子激光器，所述氟化鋇晶體包括帶寬色散控制光學元件。較佳的是氟化鋇光刻晶體的鈉污染含量在重量上＜10ppm，更佳的是在重量上＜5ppm，最佳的是＜1ppm。較佳的是氟化鋇光刻晶體的總稀土污染含量在重量上小于1ppm。較佳的是氟化鋇光刻晶體的總氧污染含量在重量上小于50ppm，更佳的＜20ppm。這種低污染等級提供了有利的光學特征，較佳的是晶體在157nm處的透射≥86％，更佳的≥88％。
本發明的另一個方面包括低于160nm的色散控制光刻晶體。該色散控制光刻晶體包括各向同性的氟化鋇晶體，它在157.6299nm處的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003，在157.6299nm處的折射率n＞1.56。較佳的是色散控制晶體的dn/dλ＜-0.004，更佳的是dn/dλ＜-0.0043。較佳的晶體折射率n＞1.6。
在本發明的又一個方面包括低于160nm的光刻方法，該方法包括提供低于160nm的光刻照明激光器，提供氟化鈣晶體光學元件，并提供氟化鋇晶體光學元件，氟化鋇晶體光學元件在低于160nm處的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。該方法使低于160nm的光刻光線透射過氟化鈣光學元件和氟化鋇光學元件，以形成光刻圖形，較佳的是特征尺寸≤100nm。較佳的是提供氟化鋇晶體光學元件的步驟包括將氟化鋇晶體原料裝入容器，熔化原料以形成結晶之前的氟化鋇熔體，并將氟化鋇熔體漸漸凝結成氟化鋇晶體。較佳的是該方法還包括加熱氟化鋇晶體，并慢慢熱平衡地冷卻晶體，并將氟化鋇形成光學元件。較佳的是照明激光的帶寬≥0.5pm，更佳的是≥1pm。本發明的另一個方面包括一種制造色散控制光刻元件的方法。該方法包括提供氟化鋇原材料，熔化氟化鋇以形成結晶之前的氟化鋇熔體，將氟化鋇熔體固化成氟化鋇晶體，并將氟化鋇晶體退火以提供各向同性的氟化鋇晶體，該晶體的157nm折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。較佳的是該方法包括提供移去污染的氟化物凈化劑，并將凈化劑和氟化鋇原材料一起熔化，以移去污染。較佳的凈化劑是氟化鉛。
實例產生氟化鋇光刻晶體樣本。測量所生產晶體在157nm范圍的折射率測量值。并測量所生產晶體在157nm范圍的透射照射量。
晶體在高純度石墨的坩堝容器中生長。將高純度的氟化鋇粉末裝入坩堝。裝滿粉末的坩堝位于其中帶有晶體生長加熱器裝置的可移動支撐結構上，該加熱器裝置具有充分的能量將溫度升高到超過1280℃的溫度。在超過1280℃的溫度中，氟化鋇粉末熔化成結晶之前的氟化鋇熔體，然后坩堝從1280℃熱梯度地下降，將熔體漸漸地凝結固化成晶體形式，然后通過加熱到低于1280℃的溫度將形成的晶體退火，再慢慢地冷卻以允許氟化鋇晶體達到熱平衡，并減小晶體的應力和雙折射。然后分析這樣形成的氟化鋇晶體樣本。在157nm處透射激光耐久性樣本顯示的外部透射為86％。157nm絕對折射率樣本顯示了在20℃時157nm色散dn/dλ(157.6299)＝-0.004376±0.000004nm-1，在157nm波長為157.6299處，絕對折射率n(λ＝157.6299)＝1.656690±0.000006，大約20℃時的折射率溫度系數dn/dT(大約20℃，1大氣壓強N2)＝10.6(±0.5)×10-6/℃，dn/dT(大約20℃，真空)＝8.6(±0.5)×10-6/℃。
對于本領域熟練的技術人員顯而易見的是不脫離本發明的精神和范圍可以對本發明進行各種改變和變化。因此，本發明試圖覆蓋各種變化和改變，只要它們落在后附權利要求書及其等效技術范圍內。
權利要求
1.一種低于160nm的光刻晶體，其特征在于，所述光刻晶體包括氟化鋇晶體，所述氟化鋇晶體的157nm透射率＞85％，在157nm處所述晶體的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。
2.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述色散dn/dλ＜-0.004。
3.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述色散dn/dλ＜-0.0043。
4.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的157nm折射率n＞1.56。
5.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的157nm折射率n＞1.6。
6.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的157nm折射率n＞1.64。
7.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的157nm折射率溫度系數dn/dλ＞8×10-6/℃。
8.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，它的大尺寸直徑＞100mm，厚度＞30mm。
9.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，它的直徑在大約118到250mm的范圍內，厚度在大約30到50的范圍內。
10.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述晶體包括帶寬色散控制光學元件。
11.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的鈉含量在重量上＜10ppm。
12.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的在稀土污染含量在重量上小于1ppm。
13.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的氧污染含量在重量上小于50ppm。
14.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的氧污染含量在重量上小于20ppm。
15.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的157nm透射率≥86％。
16.如權利要求1所述的光刻晶體，其特征在于，所述氟化鋇晶體的氧污染含量在重量上小于20ppm，157nm透射率≥86％。
17.一種色散控制光刻晶體，其特征在于，它包括各向同性的氟化鋇晶體，所述氟化鋇晶體的157.6299nm折射率波長色散dn/dλ＜-0.003，157.6299nm折射率n＞1.56。
18.如權利要求17所述的色散控制晶體，其特征在于，dn/dλ＜-0.004。
19.如權利要求17所述的色散控制晶體，其特征在于，dn/dλ＜-0.0043。
20.如權利要求17所述的色散控制晶體，其特征在于，所述折射率n＞1.6。
21.如權利要求17所述的色散控制晶體，其特征在于，所述晶體的測量外部157nm透射率＞83％。
22.如權利要求17所述的色散控制晶體，其特征在于，所述晶體的測量外部157nm透射率≥85％。
23.一種低于160nm的光刻方法，其特征在于，包括以下步驟提供低于160nm的光刻照明激光器，提供氟化鈣晶體光學元件，提供氟化鋇晶體光學元件，所述氟化鋇晶體元件低于160nm的折射率波長色散dn/dλ＜-0.003，使低于160nm的光刻光線透射過所述氟化鈣光學元件和所述氟化鋇光學元件，以形成光刻圖形。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，提供氟化鋇晶體光學元件的步驟包括以下步驟將氟化鋇晶體原料裝入容器中，熔化所述氟化鋇原料以形成結晶之前的氟化鋇熔體，將所述氟化鋇熔體漸漸凝結成氟化鋇晶體，加熱所述的氟化鋇晶體，并熱平衡地冷卻所述晶體，用所述氟化鋇形成光學元件。
25.一種制造色散控制光刻元件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟提供氟化鋇原材料，熔化所述氟化鋇原材料以形成結晶之前的氟化鋇熔體，將所述氟化鋇熔體固化成氟化鋇晶體，將所述氟化鋇晶體退火以提供各向同性的氟化鋇晶體，該晶體的157nm折射率波長色散dn/dλ＜-0.003。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟，提供移去污染的氟化物凈化劑，并將凈化劑和氟化鋇原材料一起熔化以移去污染。
27.一種制造在157nm處彩色校正氟化鈣的色散控制光刻晶體的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟提供氟化物彩色校正材料，熔化所述氟化物彩色校正材料，以形成結晶之前的氟化物彩色校正材料熔體，將所述氟化物彩色校正材料熔體固化成彩色校正材料氟化物晶體，將所述彩色校正材料氟化物晶體退火，以提供各向同性的彩色校正材料氟化物晶體，該晶體的157nm折射率波長色散dn/dλ＜-0.003，157nm透射率＞80％。
全文摘要
本發明提供了用于VUV光刻系統和過程的氟化物透鏡晶體。本發明提供了用于157nm顯微光刻元件中的氟化鋇光刻晶體,該元件操作低于193nm的光刻光子。本發明包括用于低于160nm光刻過程中色散控制的氟化鋇晶體材料。
文檔編號C30B11/00GK1367878SQ00808377
公開日2002年9月4日 申請日期2000年5月30日 優先權日1999年6月4日
發明者R·W·斯帕羅 申請人:康寧股份有限公司