具有氦吹洗窄線裝置的高功率氣體放電雷射器的製作方法

2023-10-24 09:14:27 3

專利名稱：具有氦吹洗窄線裝置的高功率氣體放電雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射器尤其是帶有光柵基窄線裝置的高功率氣體放電雷射器。本發明是1999年11月30日提出的專利申請系列號09/451,407延續部分。
背景技術：
窄帶氣體放電雷射器作為集成電路光刻用光源所採用的氣體放電紫外雷射器典型地乃為窄線條的。已有技術中較佳窄線技術是採用光柵基的窄線裝置連同輸出耦合器形成雷射器的諧振腔。在該腔體內的增益媒介通過放電到循環雷射氣體中而得以產生，諸如氪、氟和氖(對KrF雷射器)；氬、氟和氖(對ArF雷射器)；或氟和氦和/或氖(對F2雷射器)。
已有技術的窄線技術

圖1示出已有技術中一系統的框圖，它摘自日本專利號2,696,285。所示的系統包括輸出耦合器(或前鏡)4，雷射器小室3，小室窗11以及光柵基窄線裝置7。窄線裝置7典型地作為易換裝置而配備在光刻雷射器系統上，並且有時稱之謂「窄線封裝」或簡稱「LNP」。該裝置包括兩個束擴展稜鏡27和29以及以Litrow配置放置的光柵16。在這些系統中使用的光柵均為極其靈敏的光學裝置，且在標準空氣中有氧存在的紫外光照射下迅速變質。是故，光刻雷射器用窄線裝置的光學部件在操作期間典型地要以氮氣不斷地加以吹洗。
窄線雷射器設計者們多年來業已相信靠近光柵面的氣體流會引起雷射束的失真。所以，雷射器設計者們在過去作了特殊的努力來保持吹洗的氮氣直接流經光柵之面。在上面提到的日本專利2,696,285中描述有這些努力的若干例子。在所摘錄的圖1中示出的例子中，吹洗氣流直接從N2氣瓶44經由出口46流向光柵16的背側。
光柵公式圖2示出採用衍射光柵供譜線選擇用的另一先前領域中的受激準分子雷射器系統。雷射腔體由輸出耦合器4和光柵16創建，所述腔體作為反射器及光譜選擇元件進行工作。輸出耦合器4反射回光的一部分至雷射器而傳輸出另一部分6，後者是雷射器的輸出。稜鏡8，10和12形成束擴展器，它在束加熱光柵之前使束擴展。當鏡14向光柵傳播時，利用鏡14操縱光束，從而控制入射角。雷射器中心波長通常是通過調準鏡14加以改變。增益的產生在小室3中建立。
衍射光柵通過以不同的角度用不同的波長反射光來提供波長的選擇。正是由於這點，故只有被反射回雷射器的那些光線才將會雷射器的增益媒介加以放大，而所有其他不同波長的光均將失去。
在此先前領域的雷射器中衍射光柵當它真實地反射回光時則以所謂的Littrow配置進行工作。對於這種配置形式、入射(衍射)角和波長的關係由下式確定2dn sinα＝mλ (1)式中α是光柵上的入射(衍射)角，m是衍射級，n是氣體的折射率，而d則是光柵的周期。
由於顯微光刻曝光透鏡對光源的色差極為敏感，所以要求雷射器產生的光具有十分窄的譜線寬度。例如，當以最大值一半的全寬測定時，當前技術水平的受激準分子雷射器的情況產生的譜線寬度為0.5pm的數量級，且以95％的光能集中於大約1.5pm的範圍內。新一代顯微光刻的曝光工具甚至將要求更為緊密的譜線要求。此外，十分重要的是同樣要使雷射器中心波長保持在十分高的精度。在實踐中，要求中心波長保持好於0.05～0.1pm的穩定度。現有技術水平的顯微光刻受激準分子雷射器情況的確具有機上分光儀，它能控制雷射波長至所要求的精度。然而，問題是，為使分光儀工作，雷射器必須啟動脈衝。所以當雷射器連續地曝光晶片時，其分光儀能控制波長達到所要求的精度。但當曝光過程諸如因更換晶片而停止時就發生問題。更換晶片可能需要1～2分鐘，而在此期間是不允許雷射器啟動脈衝。當雷射器啟動著時，它產生許多熱量。當雷射器不開動時，它冷卻下來。這種冷卻由於熱漂移而能改變雷射的波長。根據以上公式引起漂移的一種可能是氣體的折射率n隨溫度而變。這種n的變化將引起光柵Littrow波長的改變，因而改變雷射器運行的中心波長。所以，在雷射器重新啟動後的開頭幾個脈衝將常是處在與要求並不相同的波長。倘若採用這些脈衝來曝光晶片，色彩象差將引起圖像質量退化。這轉而又可導致嚴重的成品率問題。一種問題的解決是不採用這些開頭的幾個脈衝來曝光晶片。這可通過在開頭幾個脈衝期間關閉雷射器的機械光閘來進行。不幸的是，由於關閉和開啟機械光閘需要時間，故將引起通過量下降。在半導體加工中光刻雷射器同許多十分昂貴的工具一起串連工作。因此，即使雷射器有1％的通過量下降也將承受重大的價格增加。
增加重複速率目前在集成電路工業中使用的窄線紫外雷射器光源在大約2000Hz的重複速率和大約20％的佔空因數下典型地產生大約每脈衝10mJ。增加集成電路生產是可以通過更高的重複速率和更大的佔空度加以達到。申請人及共同者們已設計和試驗了4000Hz的氣體放電光刻雷射器。申請人現在從事更高重複速率的試驗並試圖使雷射器中心波長的漂移減至最小。申請者們經受了在這些較高的重複速率和佔空度下維持一致的窄帶寬所遇到的困難。
需要有可靠的窄線裝置和在高重複速率、高佔空度下的氣體放電雷射器的技術。
發明概述本發明為光柵基窄線裝置提供氦氣吹洗以使高重複速率下產生高能雷射束的窄線雷射器的熱失真減至最少。申請者們業已表明，和先前領域的氦吹洗相比，採用氦吹洗在性能上有明顯的改進。
在較佳實施例中氦氣流直接越過光柵面。在其他實施例中，降低吹洗氣體壓力以減少熱氣體層的光學影響。
附圖簡述圖1示出已有技術中第一個窄線雷射器系統。
圖2示出已有技術中第二個窄線雷射器系統。
圖3示出對窄線光柵面上熱氣體層帶寬的有害影響。
圖4A和4B示出本發明的一較佳實施例。
圖5A示出用先前吹洗技術在不同重複速率下的帶寬軌跡。
圖5B示出用按照本發明的吹洗在不同重複速率下的帶寬軌跡。
圖6A、6B和6C示出本發明的另一可供選擇的實施例。
圖7、8和8A-D示出裝備有LNP以供快速反饋控制。
圖9示出光柵表面上氣體層的加熱。
圖10示出用以降低吹洗氣體壓力的技術。
圖11示出本發明的一較佳實施例。
圖12為氮氣吹洗同氦氣吹洗的比較圖。
較佳實施例的詳細描述高平均功率下雷射器的性能在典型地小於5W的相對較低平均功率下運行的已有技術中之窄線KrF受激準分子雷射器將產生中心大約在248nm，帶寬小於0.6pm的雷射束。該雷射器能在高至2000Hz和甚至以上的重複速率下運行，只要平均功率低於5W。典型光刻KrF受激準分子雷射裝置具有10mJ的脈衝能量。所以，為了保持平均功率低，就必須以相對低的佔空度運行。例如，在200脈衝串以2KHz運行，在脈衝串間的暫停約0.45。這樣的運行將產生平均功率 當平均功率增加時，帶寬控制就開始出現問題。這在例如，當脈衝串間的延時降低時發生，例如，雷射器以0.1秒的脈衝串間延時，運行同樣的200脈衝串，便將具有平均功率 在最大時，雷射器以2000Hz和10mJ脈衝能量的連續模式運行，相當於20W的平均功率。
當已有技術中的雷射器系統以高平均功率運行時，帶寬在大約5至10分鐘的周期時間內由小於0.6pm的起始帶寬逐漸增加，並基本保持在高於0.6pm。在顯微光刻運行中應避免這樣一種帶寬的增加，因為它將導致由於投影透鏡的色彩更改而引起圖像變模糊。另一種應用是當採用雷射器來試驗其他光刻部件，諸如投影透鏡本身在高佔空度下的熱性能。在此應用中，假定雷射器在整個試驗期間其帶寬及其他參數將維持在技術要求以內。
採用特定的帶寬控制裝置可以稍微糾準帶寬的瞬變。
圖2是一表示由申請人的僱主Cymer公司所造已有技術中窄線裝置的框圖，它作為包括這種裝置的已有技術中窄線光刻KrF雷射器系統的一個部件。該裝置包括三個束擴展稜鏡8，10和12，調準反射鏡14以及光柵16。注意氮吹洗由瓶44從調準反射鏡46的背側進入裝置以避免吹洗流直接流向光柵面。在該系統中，雷射束6的波長由反饋裝置加以控制，其中監控器22測定束的波長而計算機控制器24則利用此波長信息去調節調準反射鏡14的角度位置以控制波長至所需值。採用帶寬控制裝置20來機械地彎曲光柵16以使之例如略為凹陷。該裝置在轉讓給Cymer的美國專利No 5,095,492中有詳細描述。採用這一裝置允許帶寬稍微減少一些，但當雷射器以高佔空度運行時仍然要越出技術要求以外。
圖3示出，當已有技術中雷射器以20W平均功率(10mJ，2000Hz連續運行)這時帶寬就超越出技術要求以外的這樣一個例子。同樣，對於一種特定的運行模式，可使帶寬控制裝置最佳化，但光刻雷射器必須能以若干不同的模式加以運行，例如，典型的運行模式將為如下(1)在2000Hz下10mJ脈衝、600脈衝串0.3秒，(2)空閒0.3秒，(3)重複(1)和(2)共85脈衝串以及(4)空閒9秒。
熱的吹氣層申請者們已業認定，如圖3所示在較高重複速率下較差的性能乃是熱氮氣層發展的結果，該氮氣層在約5分鐘的時間內於光柵48的面上建立起來。
該熱的氣體被光柵表面加熱，依次又通過吸收部分入射雷射束進行加熱。通常，光柵表面將吸收差不多15～20％的入射雷射束。光柵表面溫度將會升至10～15℃。該溫度增加是不均勻的，在光柵的中間較高而在諸端面則較低如圖9所示。所以，在光柵中間部分前面的空氣比諸邊上前面的要熱些。因此，當雷射束80入射在光柵表面86時，它就穿過此邊界層82。由於該空氣具有相同的壓力，故較熱的空氣，其密度較低。故靠近光柵中心的空氣比靠近邊上的空氣較為稀薄。由於這一點，雷射束80當它傳播穿過光柵中間部分和諸邊時將具有不同的相位移。所以，具有平行波前88的入射光將具有相應於發散光束的曲線波前90。這即使在光柵16完全平直時也會發生。
申請者們對窄線裝置進行了較為可取的修正來基本消除熱氮氣層。
跨越柵面的流量圖4A和4B示出本發明的第一個較佳實施例。在該情況下，大約每分鐘2外的吹洗氮氣通過大約1mm直徑、間距1/4英寸的諸小孔向上流動，小孔處於長10英寸，內徑3/8英寸作為吹洗氣體的支管用的管中。擋板60和擋板蓋62強迫極大部分氮吹洗氣體按圖4B中箭頭所示方向流動。這一配置業已獲得如圖5圖表所示的優良結果。在該情況下，輸出平均功率從0.1W至20W的增加導致變化在0.4至0.5pm以內。值得注意的是，在10W平均功率下的帶寬實際上比0.1W稍為小一些。
重要的是要小心控制跨越光柵面的吹洗氣體以避免與流動有關的失真。申請者們試驗了各種流速並且已經確定過大的流量的確會比剛好的流速造成更多傷害。例如，每分鐘20升的流速產生十分差的結果。推薦的流速範圍大約在每分鐘0.5升至大約每分鐘10升。
同樣值得注意的是，這種吹洗沒有明顯降低光柵的溫度。光柵保持為熱的。吹洗所要做的是連續地置換光柵前面的空氣，這樣它就沒有時間被光柵加熱。十分小的流速以及相應的氣體速率防止由流量本身引起的任何空氣失真而影響雷射器運行。
其他的吹洗配置存在許多可能的配置來提供跨越光柵之面的氣體流以阻止建立起造成圖3所示問題的熱層。例如，可以採用具有支管長度的大約0.5mm的狹縫替代諸小孔。同樣，更加平滑的流動可以用諸如圖6A剖面所示的隙縫型噴嘴加以提供，或者隙縫型噴嘴可配備在如圖6B所示光柵的頂部和底部兩者之上。同樣跨越光柵之面的流量也可配置如圖6C所示半封閉系統中十分小的風扇。在該情況下，正常的氮吹洗可以如同圖2所示先前技術那樣加以提供。在圖6C的實施例中，光柵和擋板之間的腔體並不密封，且允許吹洗氣體如圖中64和66所示在該腔體內循環進和出。引導至風扇並從風扇70引導出來的管子68連接靠近開有隙縫之管72和74的中心，它剛好在光柵16上最熱區域的上面和下面。
降低氣體壓力。
對熱氣體層問題的第二種解決是降低窄線封裝中氣體的壓力。
氣體對流從空間上調節氣體的密度，引起折射率的不均勻分布，轉而又導致相前象差。由於接近加熱光柵表面上的氣體對流引起氣體密度波動而造成的任何象差大小大體上線性地依賴於敏感性或折射率的標稱值，並因而依賴於氣體的密度。
光柵和其它光學部件表面的對流冷卻並不明顯降低，只要氣體分子的平均自由路程不小於LNP中「熱」和「冷」表面之間的距離。倘若我們假定這些距離大約為10cm，則依據經驗，我們將會說不應把氣體壓力降低到使得那裡的平均自由路程大約為10cm的壓力之下。該壓力的大致範圍是1至10毫巴，從而使LNP中氣體的密度大約為大氣壓條件下密度的0.1至1.0％。
圖10是顯示保持LNP中受控壓力大約在1至10毫巴的系統的框圖。氮氣經小孔90進入密封的LNP7。LNP中的真空採用真空泵92產生，而所需真空藉助於控制器94加以維持。控制器利用來自壓力傳感器96的反饋信號來控制針閥98。由於LNP是密封的系統，而壓力接近處於平衡，故傳感器可以是熱耦合的。
用氦氣吹洗減少熱氣層影響的另一種解決是用氦氣吹洗LNP。氦具有更小差別的折射率，從而將使熱層引起較小的失真。此外，氦氣比氮氣具有更佳的熱交換性能。也可以採用具有相同優點的氬。然而，氦比氮要昂貴得多。
Littrow波長用公式(見背景技術部分的式(1))可能有兩種成分可隨溫度改變d(光柵的周期)和n(氣體的折射率)。當前技術水平的顯微光刻受激準分子雷射器通常具有一eschelle型衍射光柵。該光柵的基片通常由熱膨脹十分低的材料，諸如Corning公司所制ULE零膨脹玻璃製成。該材料的熱膨脹係數(CTE)十分低，典型地為10-81/℃數量級，因此，d的變化十分小。在另一方面，氣體的折射率n對溫度具有以下公式所述的依賴關係n＝1+kT/300 (4)式中T為以℃表示的溫度，k是比例係數。對氮氣和248nm的光，k＝3.10-4。所以，對氮氣，我們具有Δn＝1.10-6，對溫度為ΔT-1℃。按照式(1)，對193nm之光而言，這一Δn將導致Δλ＝0.25pm(每℃)。這是個十分強烈的溫度依賴關係並且它意味著，LNP中氣體的溫度應保持在比0.2℃還要好，如果想要漂移小於0.05pm的話。這是個技術上十分艱難的任務。
圖11示出較佳實施例的一雷射器。在該雷射器中，將束擴展器稜鏡8、10和12；反射鏡14以及光柵16置於緊緊密封的外殼34中。外殼具有一個進氣口和一個出氣口。該外殼內部充滿氦氣。在束20的路程中放置一窗30以密封外殼。在靠近窗30處放置一小孔36。出口端是一長的細管以防止空氣分子的反向擴散。
對於氦氣，k係數大約為k＝3.8·10-5或為氮的1/8。因此，對於氦在ΔT＝1℃，氦氣為Δn＝1.25·10-7。根據式(1)，這一Δn將導致對248nm之光，Δλ＝0.03pm(每℃)。而對193nm的光，則大約為0.025pm(每℃)。現在人們必須維持LNP內部溫度在大約2度以內，這是更加可以管理的問題。事實上，較佳實施例中大約為5～10磅的LNP的熱質量足以維持溫度在此範圍以內幾分鐘。由於氦氣具有比氮氣或空氣如此多的不同性質，所以LNP外殼應該十分好地加以密封，並且對於氦氣吹洗，應具有一個入氣口和一個或多個出氣口。出氣口應具有接以長的軟導管以防止外面的空氣流倒灌入LNP內。
圖12示出對氮氣和氦氣吹洗LNP所測定的譜線中心漂移的比較。
對本領域熟練的技術人員應該承認，除了本發明的上述本發明特定實施例外，存在許多可以處理因熱氣層所引起失真的其他實施例。處理熱氣層用的另外技術是為糾正熱氣層的有害影響而提供有效的帶寬控制。以下專利中描述有供基本上實時控制若干波長參數的技術1999年9月3日提出的美國專利申請系列號No.09/390,579和2000年10月31日提出的美國專利申請序列號No.09/703,317。這些均通過參考加以引入於此。這些技術包括快速反饋控制束擴展器稜鏡的位置，光柵彎曲以及調準反射鏡的位置。也提供雷射器小室的位置控制。圖7為整個雷射器系統的聯合框圖示意。而圖8A和8B則為添加有反饋控制特色的LNP圖。在圖8的實施例中，光柵彎曲藉助於光柵彎曲步進馬達30進行控制以補償因光柵面上熱氣層所引起的失真。在圖8A-D的實施例中，光柵82的彎曲用7個壓電器件86加以控制，後者通過緊靠底座部件88的7根殷鋼杆84和壓簧90起作用。這一實施例提供十分快地調節光柵面的彎曲。
本發明的範疇應由所附的權利要求及其法律上的共同物加以確定。
權利要求
1.用於產生高能雷射束的窄線雷射器的光柵基窄線裝置，其特徵在於，所述裝置包含(A)限定光柵面的光柵，(B)至少放置所述光柵的小室，(C)為吹洗所述小室提供氦吹洗的氦氣源，(D)擴展來自所述雷射器的束以產生擴展束的束擴展裝置，(E)調準裝置，用以引導所述擴展束至光柵面以使從所述擴展束中選出所需的波長範圍。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述擴展束加熱所述光柵面而在所述光柵面上產生溫度的增加，轉而又加熱鄰近所述光柵面上熱吹洗氣體層中的吹洗氣體，而熱去除裝置則用以去除來自所述吹洗氣體層的熱量以減少由所述熱吹洗氣體層引起的光學失真。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述熱去除裝置包含具有多個小孔的吹洗氣體支管，用以導引吹氣洗體跨越光柵面。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述熱去除裝置包含光柵吹洗氣體流量控制裝置用以控制跨越光柵面上的吹洗氣體的流量。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，吹洗氣體流量控制裝置包含限定跨越所述光柵面然後又從所述光柵面離開的流動途徑的構造。
6.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述熱去除裝置包含具有至少一根長而十分狹窄隙縫的吹洗氣體支管。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述隙縫為長矩形狀的噴嘴形式。
8.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，流經所述支管的所述氦吹洗氣體為小於每分鐘20升。
9.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述氦吹洗氣體流量大約為每分鐘2升。
10.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括用於在所述小室中產生真空的真空泵。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述真空的壓力大約為1～10毫巴。
12.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，選擇所述真空以使所述小室內的氣體分子具有5cm和30cm之間的平均自由路徑。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，進一步包含反饋光柵彎曲控制機構用以提供對所述光柵面彎曲的有效控制。
14.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於進一步包含一風扇和至少一根支管，配置以強迫氦氣流跨越光柵面。
15.具有光柵基窄線裝置的窄帶氣體放電雷射器的帶寬控制方法，所述窄線裝置具有限定光柵面的光柵，其特徵在於，包含強迫氣體流跨越所述光柵面的步驟。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體流量小於每分鐘20升。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述氣體流量介於每分鐘1和8升之間。
全文摘要
一種光柵基窄線裝置用的氦氣吹洗，用以使在高重複速率下產生高能雷射束的窄線雷射器中的熱失真減至最少。申請者們業已表明，和先前技術中的氮吹洗相比，氦吹洗在性能上有明顯的改進。在較佳實施例中氦氣流對著光柵面(16)直接越過。在其他實施例中使吹洗氣壓降低以減小熱氣體層的光學影響。
文檔編號H01S3/1055GK1402897SQ00816396
公開日2003年3月12日 申請日期2000年11月22日 優先權日1999年11月30日
發明者W·N·帕特羅, R·L·桑德斯特羅姆, R·F·塞布爾斯基, I·V·弗門科夫, A·I·葉爾紹夫 申請人:西默股份有限公司