CN104332806A - 一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，准分子激光器工作期间由于激光腔内卤素气体含量的减少和杂质含量的增加，激光器输出脉冲能量不断下降。通过激光腔内部分置换激光工作气体方式，可以有效补充激光腔内消耗的卤素气体，同时阻止杂质的积累。气体管理方法通过分析部分换气前后激光腔内卤素气体含量及杂质含量的变化，控制部分换气剂量和卤素气体注入剂量，使得每次部分换气后激光腔内卤素气体含量和杂质含量保持不变，维持恒脉冲能量输出模式下工作的准分子激光器在一定工作电压变化范围内或者恒工作电压模式下工作的准分子激光器在一定脉冲能量变化范围内长时间不间断工作。本发明能够有效延长准分子激光器工作气体寿命，提高准分子激光器工作效率。

Description

一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法

技术领域

本发明属于准分子激光技术领域，特别涉及一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法。

背景技术

准分子激光器广泛应用于工业、医疗和科研领域，特别是在半导体光刻工艺领域，作为光刻用光源的准分子激光器是光刻系统的关键设备。目前半导体光刻设备所使用的激光光源主要为ArF(193nm)和KrF(248nm)准分子激光器。光刻用准分子激光器存在气体寿命问题，随着工作脉冲数量的增加，恒电压模式下工作的准分子激光器输出脉冲能量不断下降，恒脉冲能量输出模式下工作的准分子激光器工作电压逐渐升高，主要原因在于激光腔内的氟气容易与腔内其他物质反应形成杂质，导致氟气浓度逐渐降低，同时激光腔内杂质含量不断积累。因此，传统的准分子激光器工作模式为工作一段时间后在停机状态下进行完全换气，这将降低光刻设备的使用效率。气体管理技术能够有效延长激光气体工作寿命、减少激光器完全换气次数，提高光刻设备的生产效率，是准分子激光技术的重要组成部分。

早期的准分子激光器气体管理方法主要通过向激光腔内注入适量的F₂气，补偿准分子激光器工作中消耗的F₂气，达到延长激光气体工作寿命的目的。例如，美国专利US6028880“automatic fluorine control system”和US6963595“automatic gas control systemfor a gas discharge laser”，利用准分子激光器工作电压、能量、线宽等参数与F₂气浓度的变化关系，提出了一种气体管理算法SSI(Slope Seeking Injection)估算激光腔内F₂气的消耗剂量，通过控制气体管理装置向激光腔内注入相同剂量的F₂气，延长激光气体工作寿命。该方法的缺点是没有考虑到激光腔内杂质的积累同样会导致准分子激光器输出脉冲能量的减小，降低激光器工作效率，激光气体工作寿命通常为百兆个激光脉冲。后来的准分子激光器气体管理方法提出了部分换气的方式减少激光腔内杂质的积累。例如，美国专利US7835414“laser gas injection system”，采用微量补气和部分换气相结合的方式，补偿激光腔内消耗的F₂气以及减少杂质的积累。其中，部分换气是在一定周期或者一定的激光脉冲数下，按照一定比例更换激光腔内的激光气体，达到延长激光气体工作寿命的目的。该方法的缺点是不能长期有效地控制激光腔内杂质的积累，激光气体工作寿命能够达到十亿个激光脉冲。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，该方法通过控制部分换气剂量和F₂气注入剂量，使得每次部分换气后激光腔内F₂气含量和杂质含量保持不变，维持恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器在一定电压变化范围内，或者恒电压模式下的准分子激光器在一定脉冲能量变化范围内长时间不间断工作，有效延长准分子激光器激光工作气体寿命，提高激光器工作效率。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，在恒脉冲能量输出模式或者恒工作电压模式下准分子激光器工作期间，通过分析部分置换激光工作气体前后激光腔内卤素气体含量及杂质含量的变化，控制部分换气剂量和卤素气体注入剂量，使得每次部分换气后激光腔内卤素气体含量和杂质含量保持不变，维持准分子激光器在一定电压变化范围内或者一定脉冲能量变化范围内长时间不间断工作。

所述恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器工作电压由V₀上升至V₁；或者恒工作电压模式下的准分子激光器输出脉冲能量由E₀下降至E₁，激光腔内卤素气体F₂气含量由初始含量F′₀变为F′₁，杂质含量由0变为C₁；对准分子激光器进行第一次部分换气，换气百分比为α，F₂气注入剂量为△F″₁。

所述恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器第一次部分换气后，工作电压下降至V₂，随着工作脉冲数的增加，准分子激光器工作电压再次上升至V₁；或者恒工作电压模式下的准分子激光器第一次部分换气后，输出脉冲能量上升至E₂，随着工作脉冲数的增加，准分子激光器输出脉冲能量由E₂下降至E₁；此时，激光腔内卤素气体F₂气含量变为F′₂，杂质含量变为C₂。

根据理论计算可知，若第一次部分换气过程中F₂气注入剂量△F″₁＝α·F′₀，则有F′₁＝F′₂、C₁＝C₂，即可保证每次部分换气后激光腔内F₂气含量和杂质含量相同，恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器维持在工作电压V₂～V₁变化范围内工作，恒工作电压模式下的准分子激光器维持在脉冲能量E₁～E₂变化范围内工作。

所述准分子激光器部分换气百分比α值越小，F₂气注入剂量越小，准分子激光器工作电压或者输出脉冲能量变化范围越小，有利于准分子激光器的稳定运行；同时，考虑到部分换气过程可能对准分子激光器工作状态产生影响，部分换气百分比α的大小需根据光刻系统的实际工作要求决定。

本发明与现有技术相比的优点在于：能够有效控制激光腔内F₂气含量和杂质含量，维持恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器在一定电压变化范围内，或者恒工作电压模式下的准分子激光器在一定能量变化范围内长时间不间断工作，更有效延长激光气体工作寿命，甚至无需完全换气，提高准分子激光器使用效率。

附图说明

图1为本发明的气体管理方法延长恒脉冲能量输出模式下准分子激光器激光工作气体寿命的原理示意图；

图2为本发明的气体管理方法延长恒工作电压模式下准分子激光器激光工作气体寿命的原理示意图；

图3为本发明的气体管理方法实现准分子激光器气体管理的结构示意图；图中：1为准分子激光器，2为激光器输出参数监测模块，3为电压监测模块，4为气体管理控制单元，5为气体管理方法，6为气体管理回路装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，恒脉冲能量输出模式下准分子激光器的工作电压随着工作脉冲数的增加逐渐升高，当工作电压由V₀上升至V₁时，激光腔内F₂气消耗量为△F′₁，杂质含量为C₁。激光腔内杂质是激光腔内消耗的F₂气与其他物质反应生成，杂质含量C₁与F₂气消耗量△F′₁成正比。此时，激光腔内F₂气含量F′₁和杂质含量C₁可表示为：

F′₁＝F′₀-△F′₁  (1)

C₁＝κ·△F′  (2)

其中，F′₀为激光腔内F₂气初始含量，κ为比例系数。

对准分子激光器进行第一次部分换气，换气百分比为α，F₂气注入剂量为△F″₁。此时，激光腔内F₂气含量F″₁和杂质含量C′₁可表示为：

F″₁＝(1-α)·(F′₀-△F′₁)+△F″₁  (3)

C′₁＝(1-α)·κ·△F′₁  (4)

准分子激光器第一次部分换气后，工作电压再次由V₂上升至V₁时，激光腔内F₂气消耗量为△F′₂，杂质含量为C₂。此时，激光腔内F₂气含量F′₂和杂质含量C₂可表示为：

F′₂＝(1-α)·(F′₀-△F′₁)+△F″₁-△F′₂  (5)

C₂＝(1-α)·κ·△F′₁+κ·△F′₂  (6)

根据公式(1)、(2)、(5)、(6)可推算出，当

△F″₁＝α·F′₀  (7)

△F′₂＝α·△F′₁  (8)

则有

F′₁＝F′₂  (9)

C₁＝C₂(10)

即可保证每次部分换气后激光腔内含量F₂气含量和杂质含量相同，准分子激光器维持在工作电压V₂～V₁变化范围内工作。

准分子激光器部分换气百分比α的大小通常根据光刻系统的实际工作要求决定。

图2为恒工作电压模式下的准分子激光器，采用气体管理方法延长工作气体寿命的示意图。与图1所述的气体管理方法原理相同，通过控制部分换气过程中F₂气注入剂量△F″₁及部分换气百分比α，保证每次部分换气后激光腔内含量F₂气含量和杂质含量相同，维持恒工作电压模式下的准分子激光器在脉冲能量E₁～E₂变化范围内工作。

图3为准分子激光器气体管理结构示意图，准分子激光器1输出激光脉冲，由激光器输出参数监测模块2监测脉冲能量、谱线线宽、波长等参数，电压监测模块3监测准分子激光器工作电压，气体管理控制单元4根据激光器输出参数监测模块2和电压监测模块3提供的监测信号，以及建立的气体管理方法5，确定部分换气时间、换气百分比以及F₂气注入剂量，最终通过控制气体管理回路装置6，实现准分子激光器1的气体管理功能，延长激光气体工作寿命。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，其特征在于：在恒脉冲能量输出模式下或者在恒工作电压模式下准分子激光器工作期间，通过分析部分置换激光工作气体前后激光腔内卤素气体含量及杂质含量的变化，控制部分换气剂量和卤素气体注入剂量，使得每次部分换气后激光腔内卤素气体含量和杂质含量保持不变，维持准分子激光器在一定电压变化范围内或者一定脉冲能量变化范围内长时间不间断工作。

2.根据权利要求1所述的用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，其特征在于：所述恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器工作电压由V₀上升至V₁；或者恒工作电压模式下的准分子激光器输出脉冲能量由E₀下降至E₁，激光腔内卤素气体F₂气含量由初始含量F′₀变为F′₁，杂质含量由0变为C₁；对准分子激光器进行第一次部分换气，换气百分比为α，F₂气注入剂量为△F″₁。

3.根据权利要求1所述的用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，其特征在于：所述恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器第一次部分换气后，工作电压下降至V₂，随着工作脉冲数的增加，准分子激光器工作电压再次上升至V₁；或者恒工作电压模式下的准分子激光器第一次部分换气后，输出脉冲能量上升至E₂，随着工作脉冲数的增加，准分子激光器输出脉冲能量由E₂下降至E₁；此时，激光腔内卤素气体F₂气含量变为F′₂，杂质含量变为C₂。

4.根据权利要求1所述的用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，其特征在于：根据理论计算可知，若第一次部分换气过程中F₂气注入剂量△F″₁＝α·F′₀，则有F′₁＝F′₂、C₁＝C₂，即可保证每次部分换气后激光腔内F₂气含量和杂质含量相同，恒脉冲能量输出模式下的准分子激光器维持在工作电压V₂～V₁变化范围内工作，恒工作电压模式下的准分子激光器维持在脉冲能量E₁～E₂变化范围内工作。

5.根据权利要求1所述的用于延长准分子激光器激光工作气体寿命的气体管理方法，其特征在于：所述准分子激光器部分换气百分比α值越小，F₂气注入剂量越小，准分子激光器工作电压或者输出脉冲能量变化范围越小，有利于准分子激光器的稳定运行；同时，考虑到部分换气过程可能对准分子激光器工作状态产生影响，部分换气百分比α的大小需根据光刻系统的实际工作要求决定。