CN1232010C - 具有氦吹洗窄线装置的高功率气体放电激光器 - Google Patents

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Abstract

一种光栅基窄线装置用的氦气吹洗，用以使在高重复速率下产生高能激光束的窄线激光器中的热失真减至最少。申请者们业已表明，和先前技术中的氮吹洗相比，氦吹洗在性能上有明显的改进。在较佳实施例中氦气流对着光栅面(16)直接越过。在其他实施例中使吹洗气压降低以减小热气体层的光学影响。

Description

具有氦吹洗窄线装置的高功率气体放电激光器
本发明涉及激光器尤其是带有光栅基窄线装置的高功率气体放电激光器。本发明是1999年11月30日提出的专利申请系列号09/451,407延续部分。
发明背景
窄带气体放电激光器
作为集成电路光刻用光源所采用的气体放电紫外激光器典型地乃为窄线条的。已有技术中较佳窄线技术是采用光栅基的窄线装置连同输出耦合器形成激光器的谐振腔。在该腔体内的增益媒介通过放电到循环激光气体中而得以产生，诸如氪、氟和氖(对KrF激光器)；氩、氟和氖(对ArF激光器)；或氟和氦和/或氖(对F2激光器)。
已有技术的窄线技术
图1示出已有技术中一系统的框图，它摘自日本专利号2,696,285。所示的系统包括输出耦合器(或前镜)4，激光器小室3，小室窗11以及光栅基窄线装置7。窄线装置7典型地作为易换装置而配备在光刻激光器系统上，并且有时称之谓“窄线封装”或简称“LNP”。该装置包括两个束扩展棱镜27和29以及以Litrow配置放置的光栅16。在这些系统中使用的光栅均为极其灵敏的光学装置，且在标准空气中有氧存在的紫外光照射下迅速变质。是故，光刻激光器用窄线装置的光学部件在操作期间典型地要以氮气不断地加以吹洗。
窄线激光器设计者们多年来业已相信靠近光栅面的气体流会引起激光束的失真。所以，激光器设计者们在过去作了特殊的努力来保持吹洗的氮气直接流经光栅之面。在上面提到的日本专利2,696,285中描述有这些努力的若干例子。在所摘录的图1中示出的例子中，吹洗气流直接从N2气瓶44经由出口46流向光栅16的背侧。
光栅公式
图2示出采用衍射光栅供谱线选择用的另一先前领域中的受激准分子激光器系统。激光腔体由输出耦合器4和光栅16创建，所述腔体作为反射器及光谱选择元件进行工作。输出耦合器4反射回光的一部分至激光器而传输出另一部分6，后者是激光器的输出。棱镜8，10和12形成束扩展器，它在束加热光栅之前使束扩展。当镜14向光栅传播时，利用镜14操纵光束，从而控制入射角。激光器中心波长通常是通过调准镜14加以改变。增益的产生在小室3中建立。
衍射光栅通过以不同的角度用不同的波长反射光来提供波长的选择。正是由于这点，故只有被反射回激光器的那些光线才将会激光器的增益媒介加以放大，而所有其他不同波长的光均将失去。
在此先前领域的激光器中衍射光栅当它真实地反射回光时则以所谓的Littrow配置进行工作。对于这种配置形式、入射(衍射)角和波长的关系由下式确定：
    2dn sinα＝mλ        (1)
式中α是光栅上的入射(衍射)角，m是衍射级，n是气体的折射率，而d则是光栅的周期。
由于显微光刻曝光透镜对光源的色差极为敏感，所以要求激光器产生的光具有十分窄的谱线宽度。例如，当以最大值一半的全宽测定时，当前技术水平的受激准分子激光器的情况产生的谱线宽度为0.5pm的数量级，且以95％的光能集中于大约1.5pm的范围内。新一代显微光刻的曝光工具甚至将要求更为紧密的谱线要求。此外，十分重要的是同样要使激光器中心波长保持在十分高的精度。在实践中，要求中心波长保持好于0.05～0.1pm的稳定度。现有技术水平的显微光刻受激准分子激光器情况的确具有机上分光仪，它能控制激光波长至所要求的精度。然而，问题是，为使分光仪工作，激光器必须启动脉冲。所以当激光器连续地曝光晶片时，其分光仪能控制波长达到所要求的精度。但当曝光过程诸如因更换晶片而停止时就发生问题。更换晶片可能需要1～2分钟，而在此期间是不允许激光器启动脉冲。当激光器启动着时，它产生许多热量。当激光器不开动时，它冷却下来。这种冷却由于热漂移而能改变激光的波长。根据以上公式引起漂移的一种可能是气体的折射率n随温度而变。这种n的变化将引起光栅Littrow波长的改变，因而改变激光器运行的中心波长。所以，在激光器重新启动后的开头几个脉冲将常是处在与要求并不相同的波长。倘若采用这些脉冲来曝光晶片，色彩象差将引起图像质量退化。这转而又可导致严重的成品率问题。一种问题的解决是不采用这些开头的几个脉冲来曝光晶片。这可通过在开头几个脉冲期间关闭激光器的机械光闸来进行。不幸的是，由于关闭和开启机械光闸需要时间，故将引起通过量下降。在半导体加工中光刻激光器同许多十分昂贵的工具一起串连工作。因此，即使激光器有1％的通过量下降也将承受重大的价格增加。
增加重复速率
目前在集成电路工业中使用的窄线紫外激光器光源在大约2000Hz的重复速率和大约20％的占空因数下典型地产生大约每脉冲10mJ。增加集成电路生产是可以通过更高的重复速率和更大的占空度加以达到。申请人及共同者们已设计和试验了4000Hz的气体放电光刻激光器。申请人现在从事更高重复速率的试验并试图使激光器中心波长的漂移减至最小。申请者们经受了在这些较高的重复速率和占空度下维持一致的窄带宽所遇到的困难。
需要有可靠的窄线装置和在高重复速率、高占空度下的气体放电激光器的技术。
发明概述
本发明为光栅基窄线装置提供氦气吹洗以使高重复速率下产生高能激光束的窄线激光器的热失真减至最少。申请者们业已表明，和先前领域的氦吹洗相比，采用氦吹洗在性能上有明显的改进。
在较佳实施例中氦气流直接越过光栅面。在其他实施例中，降低吹洗气体压力以减少热气体层的光学影响。
附图简述
图1示出已有技术中第一个窄线激光器系统。
图2示出已有技术中第二个窄线激光器系统。
图3示出对窄线光栅面上热气体层带宽的有害影响。
图4A和4B示出本发明的一较佳实施例。
图5A示出用先前吹洗技术在不同重复速率下的带宽轨迹。
图5B示出用按照本发明的吹洗在不同重复速率下的带宽轨迹。
图6A、6B和6C示出本发明的另一可供选择的实施例。
图7、8和8A-D示出装备有LNP以供快速反馈控制。
图9示出光栅表面上气体层的加热。
图10示出用以降低吹洗气体压力的技术。
图11示出本发明的一较佳实施例。
图12为氮气吹洗同氦气吹洗的比较图。
较佳实施例的详细描述
高平均功率下激光器的性能
在典型地小于5W的相对较低平均功率下运行的已有技术中之窄线KrF受激准分子激光器将产生中心大约在248nm，带宽小于0.6pm的激光束。该激光器能在高至2000Hz和甚至以上的重复速率下运行，只要平均功率低于5W。典型光刻KrF受激准分子激光装置具有10mJ的脉冲能量。所以，为了保持平均功率低，就必须以相对低的占空度运行。例如，在200脉冲串以2KHz运行，在脉冲串间的暂停约0.45。这样的运行将产生平均功率：
当平均功率增加时，带宽控制就开始出现问题。这在例如，当脉冲串间的延时降低时发生，例如，激光器以0.1秒的脉冲串间延时，运行同样的200脉冲串，便将具有平均功率：
在最大时，激光器以2000Hz和10mJ脉冲能量的连续模式运行，相当于20W的平均功率。
当已有技术中的激光器系统以高平均功率运行时，带宽在大约5至10分钟的周期时间内由小于0.6pm的起始带宽逐渐增加，并基本保持在高于0.6pm。在显微光刻运行中应避免这样一种带宽的增加，因为它将导致由于投影透镜的色彩更改而引起图像变模糊。另一种应用是当采用激光器来试验其他光刻部件，诸如投影透镜本身在高占空度下的热性能。在此应用中，假定激光器在整个试验期间其带宽及其他参数将维持在技术要求以内。
采用特定的带宽控制装置可以稍微纠准带宽的瞬变。
图2是一表示由申请人的雇主Cymer公司所造已有技术中窄线装置的框图，它作为包括这种装置的已有技术中窄线光刻KrF激光器系统的一个部件。该装置包括三个束扩展棱镜8，10和12，调准反射镜14以及光栅16。注意氮吹洗由瓶44从调准反射镜46的背侧进入装置以避免吹洗流直接流向光栅面。在该系统中，激光束6的波长由反馈装置加以控制，其中监控器22测定束的波长而计算机控制器24则利用此波长信息去调节调准反射镜14的角度位置以控制波长至所需值。采用带宽控制装置20来机械地弯曲光栅16以使之例如略为凹陷。该装置在转让给Cymer的美国专利No5,095,492中有详细描述。采用这一装置允许带宽稍微减少一些，但当激光器以高占空度运行时仍然要越出技术要求以外。
图3示出，当已有技术中激光器以20W平均功率(10mJ，2000Hz连续运行)这时带宽就超越出技术要求以外的这样一个例子。同样，对于一种特定的运行模式，可使带宽控制装置最佳化，但光刻激光器必须能以若干不同的模式加以运行，例如，典型的运行模式将为如下：
(1)在2000Hz下10mJ脉冲、600脉冲串0.3秒，
(2)空闲0.3秒，
(3)重复(1)和(2)共85脉冲串以及
(4)空闲9秒。
热的吹气层
申请者们已业认定，如图3所示在较高重复速率下较差的性能乃是热氮气层发展的结果，该氮气层在约5分钟的时间内于光栅48的面上建立起来。
该热的气体被光栅表面加热，依次又通过吸收部分入射激光束进行加热。通常，光栅表面将吸收差不多15～20％的入射激光束。光栅表面温度将会升至10～15℃。该温度增加是不均匀的，在光栅的中间较高而在诸端面则较低如图9所示。所以，在光栅中间部分前面的空气比诸边上前面的要热些。因此，当激光束80入射在光栅表面86时，它就穿过此边界层82。由于该空气具有相同的压力，故较热的空气，其密度较低。故靠近光栅中心的空气比靠近边上的空气较为稀薄。由于这一点，激光束80当它传播穿过光栅中间部分和诸边时将具有不同的相位移。所以，具有平行波前88的入射光将具有相应于发散光束的曲线波前90。这即使在光栅16完全平直时也会发生。
申请者们对窄线装置进行了较为可取的修正来基本消除热氮气层。
跨越栅面的流量
图4A和4B示出本发明的第一个较佳实施例。在该情况下，大约每分钟2外的吹洗氮气通过大约1mm直径、间距1/4英寸的诸小孔向上流动，小孔处于长10英寸，内径3/8英寸作为吹洗气体的支管用的管中。挡板60和挡板盖62强迫极大部分氮吹洗气体按图4B中箭头所示方向流动。这一配置业已获得如图5图表所示的优良结果。在该情况下，输出平均功率从0.1W至20W的增加导致变化在0.4至0.5pm以内。值得注意的是，在10W平均功率下的带宽实际上比0.1W稍为小一些。
重要的是要小心控制跨越光栅面的吹洗气体以避免与流动有关的失真。申请者们试验了各种流速并且已经确定过大的流量的确会比刚好的流速造成更多伤害。例如，每分钟20升的流速产生十分差的结果。推荐的流速范围大约在每分钟0.5升至大约每分钟10升。
同样值得注意的是，这种吹洗没有明显降低光栅的温度。光栅保持为热的。吹洗所要做的是连续地置换光栅前面的空气，这样它就没有时间被光栅加热。十分小的流速以及相应的气体速率防止由流量本身引起的任何空气失真而影响激光器运行。
其他的吹洗配置
存在许多可能的配置来提供跨越光栅之面的气体流以阻止建立起造成图3所示问题的热层。例如，可以采用具有支管长度的大约0.5mm的狭缝替代诸小孔。同样，更加平滑的流动可以用诸如图6A剖面所示的隙缝型喷嘴加以提供，或者隙缝型喷嘴可配备在如图6B所示光栅的顶部和底部两者之上。同样跨越光栅之面的流量也可配置如图6C所示半封闭系统中十分小的风扇。在该情况下，正常的氮吹洗可以如同图2所示先前技术那样加以提供。在图6C的实施例中，光栅和挡板之间的腔体并不密封，且允许吹洗气体如图中64和66所示在该腔体内循环进和出。引导至风扇并从风扇70引导出来的管子68连接靠近开有隙缝之管72和74的中心，它刚好在光栅16上最热区域的上面和下面。
降低气体压力。
对热气体层问题的第二种解决是降低窄线封装中气体的压力。
气体对流从空间上调节气体的密度，引起折射率的不均匀分布，转而又导致相前象差。由于接近加热光栅表面上的气体对流引起气体密度波动而造成的任何象差大小大体上线性地依赖于敏感性或折射率的标称值，并因而依赖于气体的密度。
光栅和其它光学部件表面的对流冷却并不明显降低，只要气体分子的平均自由路程不小于LNP中“热”和“冷”表面之间的距离。倘若我们假定这些距离大约为10cm，则依据经验，我们将会说不应把气体压力降低到使得那里的平均自由路程大约为10cm的压力之下。该压力的大致范围是1至10毫巴，从而使LNP中气体的密度大约为大气压条件下密度的0.1至1.0％。
图10是显示保持LNP中受控压力大约在1至10毫巴的系统的框图。氮气经小孔90进入密封的LNP7。LNP中的真空采用真空泵92产生，而所需真空借助于控制器94加以维持。控制器利用来自压力传感器96的反馈信号来控制针阀98。由于LNP是密封的系统，而压力接近处于平衡，故传感器可以是热耦合的。
用氦气吹洗
减少热气层影响的另一种解决是用氦气吹洗LNP。氦具有更小差别的折射率，从而将使热层引起较小的失真。此外，氦气比氮气具有更佳的热交换性能。也可以采用具有相同优点的氩。然而，氦比氮要昂贵得多。
Littrow波长用公式(见背景技术部分的式(1))可能有两种成分可随温度改变d(光栅的周期)和n(气体的折射率)。当前技术水平的显微光刻受激准分子激光器通常具有一eschelle型衍射光栅。该光栅的基片通常由热膨胀十分低的材料，诸如Corning公司所制ULE零膨胀玻璃制成。该材料的热膨胀系数(CTE)十分低，典型地为10-81/℃数量级，因此，d的变化十分小。在另一方面，气体的折射率n对温度具有以下公式所述的依赖关系：
n＝1+kT/300                      (4)
式中T为以℃表示的温度，k是比例系数。对氮气和248nm的光，k＝3.10-4。所以，对氮气，我们具有Δn＝1.10-6，对温度为ΔT-1℃。按照式(1)，对193nm之光而言，这一Δn将导致Δλ＝0.25pm(每℃)。这是个十分强烈的温度依赖关系并且它意味着，LNP中气体的温度应保持在比0.2℃还要好，如果想要漂移小于0.05pm的话。这是个技术上十分艰难的任务。
图11示出较佳实施例的一激光器。在该激光器中，将束扩展器棱镜8、10和12；反射镜14以及光栅16置于紧紧密封的外壳34中。外壳具有一个进气口和一个出气口。该外壳内部充满氦气。在束20的路程中放置一窗30以密封外壳。在靠近窗30处放置一小孔36。出口端是一长的细管以防止空气分子的反向扩散。
对于氦气，k系数大约为k＝3.8·10-5或为氮的1/8。因此，对于氦在ΔT＝1℃，氦气为Δn＝1.25·10-7。根据式(1)，这一Δn将导致对248nm之光，Δλ＝0.03pm(每℃)。而对193nm的光，则大约为0.025pm(每℃)。现在人们必须维持LNP内部温度在大约2度以内，这是更加可以管理的问题。事实上，较佳实施例中大约为5～10磅的LNP的热质量足以维持温度在此范围以内几分钟。由于氦气具有比氮气或空气如此多的不同性质，所以LNP外壳应该十分好地加以密封，并且对于氦气吹洗，应具有一个入气口和一个或多个出气口。出气口应具有接以长的软导管以防止外面的空气流倒灌入LNP内。
图12示出对氮气和氦气吹洗LNP所测定的谱线中心漂移的比较。
对本领域熟练的技术人员应该承认，除了本发明的上述本发明特定实施例外，存在许多可以处理因热气层所引起失真的其他实施例。处理热气层用的另外技术是为纠正热气层的有害影响而提供有效的带宽控制。以下专利中描述有供基本上实时控制若干波长参数的技术：1999年9月3日提出的美国专利申请系列号No.09/390,579和2000年10月31日提出的美国专利申请序列号No.09/703,317。这些均通过参考加以引入于此。这些技术包括快速反馈控制束扩展器棱镜的位置，光栅弯曲以及调准反射镜的位置。也提供激光器小室的位置控制。图7为整个激光器系统的联合框图示意。而图8A和8B则为添加有反馈控制特色的LNP图。在图8的实施例中，光栅弯曲借助于光栅弯曲步进马达30进行控制以补偿因光栅面上热气层所引起的失真。在图8A-D的实施例中，光栅82的弯曲用7个压电器件86加以控制，后者通过紧靠底座部件88的7根殷钢杆84和压簧90起作用。这一实施例提供十分快地调节光栅面的弯曲。
本发明的范畴应由所附的权利要求及其法律上的共同物加以确定。

Claims (29)

1.用于产生高能激光束的窄线激光器的光栅基窄线装置，其特征在于，所述装置包含：
(A)限定光栅面的光栅，
(B)至少放置有所述光栅的小室，
(C)为吹洗所述小室提供吹洗气体的吹洗装置，
(D)扩展来自所述激光器的束以产生扩展束的束扩展装置，
(E)调准装置，用以引导所述扩展束至所述光栅面以便从所述扩展束中选出所需的波长范围；
其中，所述扩展束加热所述光栅面而在所述光栅面上产生温度的增加，转而又加热邻近所述光栅面上的吹洗气体层中的吹洗气体，而热去除装置具有跨越所述光栅面的小于20升每分钟的吹洗气体流，用以移动所述加热的吹洗气体层以减少由所述吹洗气体层引起的光学失真；
而所述调准装置具有一种可移动调准机构，能够依据至少一个激光束输出参数响应于反馈来进行有效控制。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热去除装置包含具有多个小孔的吹洗气体支管，用以导引吹洗气体跨越光栅面。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热去除装置包含光栅吹洗气体流量控制装置用以控制跨越光栅面上的吹洗气体的流量。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，吹洗气体流量控制装置包含限定跨越所述光栅面然后又从所述光栅面离开的流动途径的构造。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热去除装置包含吹洗气体支管，其具有至少一根长度长而宽度狭窄的隙缝。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述隙缝为长矩形状的喷嘴形式。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吹洗气体流量大约为每分钟2升。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吹洗气体为氦气。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于在所述小室中产生真空的真空泵。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述真空的压力大约为1～10毫巴。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，选择所述真空以使所述小室内的气体分子具有5cm和30cm之间的平均自由路径。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含反馈光栅弯曲控制机构用以提供对所述光栅面弯曲的有效控制。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包含一风扇和至少一根支管，配置以强迫气体流跨越所述光栅面。
14.一种对具有光栅基窄线单元的窄带气体放电激光器进行带宽控制的方法，其特征在于，所述光栅基窄线单元包括：
(A)限定光栅面的光栅，
(B)至少放置有所述光栅的小室，
(C)为吹洗所述小室提供吹洗气体的吹洗装置，
(D)扩展来自所述激光器的束以产生扩展束的束扩展装置，
(E)调准装置，用以引导所述扩展束至所述光栅面以便从所述扩展束中选出所需的波长范围；
其中，所述扩展束加热所述光栅面而在所述光栅面上产生温度的增加，转而又加热邻近所述光栅面上的吹洗气体层中的吹洗气体，而所述方法包括强迫小于20升每分钟的吹洗气体流跨越所述光栅面；以及
为所述调准装置提供一种可移动调准机构，能够依据至少一个激光束输出参数响应于反馈来进行有效控制。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述气体流在0.5和10升每分钟之间。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述气体流在1和8升每分钟之间。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述气体是氦气。
18.用于产生高能激光束的窄线激光器的光栅基窄线装置，其特征在于，所述装置包含：
(A)限定光栅面的光栅，
(B)至少放置有所述光栅的小室，
(C)为吹洗所述小室提供氦吹洗的氦气源，
(D)扩展来自所述激光器的束以产生扩展束的束扩展装置，
(E)调准装置，用以引导所述扩展束至所述光栅面以便从所述扩展束中选出所需的波长范围；
其中，所述扩展束加热所述光栅面而在所述光栅面上产生温度的增加，转而又加热邻近所述光栅面上的热吹洗气体层中的氦吹洗气体，并且进一步包括吹洗气体支管，用于导引所述氦吹洗气体跨越所述光栅面，以移动所述吹洗气体层，从而减少由所述热吹洗气体层所引起的光学失真；
而所述调准装置具有一种可移动调准机制，能够依据至少一个激光束输出参数响应于反馈来进行有效控制。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，进一步包含光栅吹洗气体流量控制装置用以控制跨越光栅面上的吹洗气体的流量。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，吹洗气体流量控制装置包含限定跨越所述光栅面然后又从所述光栅面离开的流动途径的构造。
21.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述吹洗气体支管具有至少一根长度长而宽度狭窄的隙缝。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述隙缝为长矩形状的喷嘴形式。
23.如权利要求18所述的装置，其特征在于，通过所述支管的氦吹洗气体流量小于20升每分钟。
24.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述氦吹洗气体流量大约为每分钟2升。
25.如权利要求18所述的装置，其特征在于还包括用于在所述小室中产生真空的真空泵。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述真空的压力大约为1～10毫巴。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，选择所述真空以使所述小室内的气体分子具有5cm和30cm之间的平均自由路径。
28.如权利要求18所述的装置，其特征在于，进一步包含反馈光栅弯曲控制机构用以提供对所述光栅面弯曲的有效控制。
29.如权利要求18所述的装置，其特征在于进一步包含一风扇和至少一根支管，配置以强迫气体流跨越所述光栅面。
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