CN113474951A - 用于深紫外光源的光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于深紫外光源的光学元件，包括晶体衬底；位于晶体衬底的外部表面上的涂层，该涂层具有沿着远离外部表面延伸的方向的厚度；以及位于涂层上和/或中的结构，该结构包括沿着该方向远离晶体衬底延伸的多个特征。这些特征包括非晶介电材料并且被布置为使得结构的折射率沿着方向发生变化。

Description

用于深紫外光源的光学元件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月25日提交的题为“用于深紫外光源的光学元件”的美国申请号62/809,983以及于2019年4月18日提交的题为“用于深紫外光源的光学元件”的美国申请号62/835,646的优先权，两者均通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于深紫外光(DUV)源的光学元件。
背景技术
光刻是在衬底(诸如硅晶片)上对半导体电路系统进行图案化的过程。光刻光源提供深紫外(DUV)光，其用于曝光晶片上的光刻胶。一种用于光刻的气体放电光源被称为准分子光源或激光器。准分子光源通常使用气体混合物，该气体混合物是一种或多种惰性气体(诸如氩气、氪气或氙气)和活性物质(诸如氟或氯)的组合。准分子光源得名于以下事实：在电刺激(所供应的能量)和(气体混合物的)高压的适当条件下，产生一种被称为准分子的伪分子，该伪分子仅以激励状态存在并且产生紫外线范围内的经放大光。准分子光源产生波长在深紫外(DUV)范围内的光束，并且该光束用于在光刻装置中对半导体衬底(或晶片)进行图案化。准分子光源可以使用单个气体放电腔室或使用多个气体放电腔室来构建。气体放电腔室中的气体混合物可以从一个或多个气体放电腔室排出。
发明内容
在一个方面中，一种用于深紫外光源的光学元件包括晶体衬底；位于晶体衬底的外部表面上的涂层，该涂层具有沿着远离外部表面延伸的方向的厚度；以及位于涂层上和/或中的结构，该结构包括沿着该方向远离晶体衬底延伸的多个特征。该特征包括非晶介电材料并且被布置为使得结构的折射率沿着方向发生变化。
实现方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。
晶体衬底可以包括氟化钙(CaF2)。在一些实现方式中，操作使用时，波长为193纳米(nm)的深紫外(DUV)光入射到涂层上，涂层通过减轻氟从衬底的移除来保护CaF2衬底，并且结构的折射率沿着DUV光的传播方向发生变化，使得减少了来自光学元件的DUV光的反射。
在一些实现方式中，特征沿着方向的范围不大于厚度。结构的所有特征都可以在涂层内。
特征和涂层可以由相同介电材料制成。
一个或多个特征可以延伸到涂层外部。
非晶介电材料可以包括熔融二氧化硅或氧化铝。
多个特征中的每个特征可以是相同的，并且多个特征可以以规则和重复图案相对于彼此布置。
多个特征中的每个特征可以相同，并且多个特征可以以随机方式或伪随机方式相对于彼此布置。
多个特征中的每个特征可以与空间特性相关联，并且多个特征中的一个特征的至少一个空间特性与其他特征中的至少一个特征的空间特性不同。空间特性可以包括以下各项中的任一项：高度、宽度和形状。
结构的折射率可以沿着方向线性地变化。
结构的折射率可以沿着方向从基本等于晶体衬底的折射率的值变化到基本等于光学元件处的流体的折射率的值。流体可以包括氮气(N2)净化气体。
特征沿着方向的范围可以为100纳米(nm)或更小。
该方向可以基本正交于晶体衬底的表面。
涂层可以完全覆盖晶体衬底的表面。
在另一方面中，一种深紫外(DUV)光源包括腔室，该腔室包括外壳，该外壳被配置为围合气态增益介质；以及至少一个光学元件，该至少一个光学元件被配置为透射DUV光。该至少一个光学元件包括衬底，该衬底包括晶体材料，该晶体材料被配置为透射DUV光；衬底的外部表面上的涂层，该涂层具有沿着远离外部表面延伸的方向的厚度；以及涂层上和/或中的结构，该结构包括沿着该方向远离外部表面延伸的多个特征。特征包括非晶材料并且特征被布置为使得结构的折射率沿着方向发生变化。
实现方式可以包括以下方面中的一个或多个方面。
多个特征中的一个或多个特征可以沿着该方向延伸一段距离，并且该距离可以小于由至少一个光学元件透射的DUV光的波长。
多个特征可以相对于彼此布置，使得任何两个相邻特征之间的间隔在由至少一个光学元件透射的DUV光的波长的数量级内。
被配置为透射DUV光的晶体材料可以包括氟化钙(CaF2)。
结构的折射率可以沿着方向从基本等于晶体衬底的折射率的值变化到基本等于包围光学元件的流体的折射率的值。流体可以包括氮气(N2)净化气体。
该结构可以位于涂层内。
该结构可以位于涂层中和上，使得该结构部分位于涂层内。
DUV光源的腔室还可以包括外壳的第一侧上的第一窗口；以及位于外壳的第二侧上的第二窗口，外壳的第二侧与外壳的第一侧相对。至少一个光学元件包括第一窗口和第二窗口，并且涂层位于第一窗口和第二窗口上。第一窗口上的涂层和第二窗口上的涂层可以设置在相应窗口的处于外壳外部的表面上。在一些实现方式中，DUV光源还包括第二腔室，该第二腔室包括第二外壳，该第二外壳被配置为在第二外壳的内部保持气态增益介质；位于第二外壳的第一侧上的第三窗口；以及第二外壳的第二侧上的第四窗口，第二外壳的第二侧与第二外壳的第一侧相对。至少一个光学元件还包括第三窗口与第四窗口。第一窗口的外部表面和第二窗口的外部表面可以不垂直于DUV光的传播方向。
至少一个光学元件可以包括以下各项中的一项或多项：棱镜、分束器、透镜和光学补偿器。
折射率可以沿着DUV光的传播方向发生变化。
在一些实现方式中，在操作使用中，波长为193纳米(nm)的DUV光入射到涂层上，涂层通过减轻氟从衬底的移除来保护CaF2衬底，并且结构的折射率沿着DUV光的传播方向发生变化，使得减少了来自光学元件的DUV光的反射。
涂层可以完全覆盖晶体衬底的表面。
上文和本文中所描述的技术中的任何技术的实现方式可以包括过程、装置和/或方法。在附图和下文描述中对一个或多个实现方式的细节进行阐述。根据描述和附图以及权利要求，其他特征是显而易见的。
附图说明
图1A是光学元件的透视图。
图1B是沿着图1A的B-B'线截取的图1A的光学元件的侧剖视图。
图1C是x-y平面中的图1A的光学元件的视图。
图1D示出了作为位置函数的图1A的光学元件的折射率。
图2A和图2B示出了其他光学元件的横截面视图。
图2C示出了作为位置函数的图2B的光学元件的折射率。
图3A是另一光学元件的透视图。
图3B是沿着图3A的线3B-3B'线截取的图3A的光学元件的横截面视图。
图4A是光刻系统的框图。
图4B是可以用于图4A的光刻系统的投影光学系统的框图。
图5是另一光刻系统的框图。
图6A是用于深紫外(DUV)光源的功率放大器(PA)的框图。
图6B是可以用于图6A的腔室的窗口的框图。
图6C是可以与图6A的腔室一起使用的束转向元件的框图。
图6D是可以与图6A的腔室一起使用的束耦合光学系统的框图。
具体实施方式
参照图1A至图1C，示出了光学元件100。图1A是光学元件100的透视图。图1B是沿着图1A的线B-B'截取的光学元件100的侧剖视图。图1C是x-y平面中的光学元件100的视图。图1D示出了作为沿着z方向的位置的函数的光学元件100的折射率。
光学元件100透射光束140。光束140包括深紫外(DUV)范围内的波长，并且光学元件可以用于DUV光源，诸如图4A所示的光源460或图5所示的光源560。DUV范围包括从10纳米(nm)到400nm的波长。在其他实现方式中，光学元件100可以用于各种其他光学系统并且与各种其他光源结合使用。
在图1A至图1C所示的实现方式中，光学元件100包括结构101，该结构101被示为设置在涂层104内。然而，在各种实现方式中，结构101可以部分或完全在涂层104内或它可以在涂层104上，诸如在涂层104的表面111上。如下文所讨论的，结构101提供梯度折射率并且减少菲涅耳反射损失。菲涅尔反射损耗(或反射损耗)是由于部件的折射率与输入界面和输出界面处一个或多个介质的折射率之间的差异而在光学系统中的部件的输入界面和输出界面处产生的损耗。涂层104是从表面106沿着方向109向外延伸的保护涂层。表面106是晶体衬底108的外部表面。涂层104附接到晶体衬底108的外部表面106。涂层104可以以允许涂层104从外部表面106移除的方式附接到外部表面106。涂层104可以覆盖整个表面106。涂层104沿着方向109具有厚度107。在图1A至图1C的示例中，方向109与z方向平行。
晶体衬底108是诸如氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2)之类的晶体材料，其透射DUV范围内的光。晶体材料是一种固体材料，其成分(诸如原子或离子)以高度有序的微观结构布置，该高度有序的微观结构形成沿着晶体轴线延伸的晶格。
涂层104在操作使用期间(例如，当光束140与光学元件100相互作用时)防止晶体衬底108的表面退化或使其最小。例如，在其中光束140具有193nm波长并且晶体衬底108是CaF2的实现方式中，光束140使得晶体衬底108中的氟耗尽。在这些实现方式中，当光束140入射在晶体衬底108上时，涂层104通过充当防止氟逸出的密封件或屏障来保护晶体衬底108。因此，涂层104使得光学元件100能够有效用于DUV光源中。
涂层104以匹配晶体衬底108的折射率n3的方式设计，也就是说，涂层104具有与晶体材料108的折射率相同的折射率n3或具有与折射率n3非常类似的折射率。然而，晶体衬底108的折射率n3与涂层104的外部表面111处的介质112的折射率n1不同。因此，在传统光学元件(其没有结构101)中，菲涅耳反射损耗出现在外部表面111处(并且附加地，在表面106处可能出现最小损耗)。对于其中n1＝1和n3＝1.5018以及光束140的s偏振分量和p偏振分量的法线入射角的实现方式，菲涅尔反射损耗可以是例如表面111处入射光学功率的约4.00％至5％。菲涅耳反射损失减少了光束140能够提供给下游光学工具(诸如图4A的光刻曝光装置469)的光学功率量。而且，反射损失可能会使得DUV光源的各种部件工作超出其有效和/或最佳操作水平，以试图弥补反射损失。这可能导致DUV光源中部件的低效操作、性能下降和/或寿命缩短。
另一方面，光学元件100包括结构101，该结构101通过沿着方向109提供梯度折射率或可变折射率来减少或消除这些菲涅耳损耗。还参考图1D，光学元件100具有折射率分布110，该折射率分布110是作为沿着方向109的位置的函数的折射率。结构101的折射率表示为ns。折射率ns沿着方向109并非恒定，而是沿着方向109从表面106处的折射率n3到光学元件100的外表面111处的折射率n1变化。在图1B的示例中，折射率ns沿着方向109发生线性变化。在其他实现方式中，折射率ns可以沿着方向109以其他方式发生变化。
诸如具有特征102的结构101之类的结构通常不能直接形成在晶体材料上或内。因此，结构101形成在涂层104上、部分在涂层104内或完全在涂层104内，该涂层104是非晶介电材料。如此，在光学元件100中，涂层104由于结构101而执行保护衬底108免于光学退化所带来的保护功能以及反射减少或消除功能两者。
结构101通过特征102的有意布置实现梯度折射率。特征102在图1A的插图中的y-z平面中示出。特征102沿着方向109延伸并且以如图1C所示的图案布置，尽管特征102在其他实现方式中可以以不同方式布置。在图1B中，结构101被表示为具有虚线阴影的区域。为了简单起见，图1A和图1C中仅标记了特征102中的一个特征。
特征102以图案布置，使得结构101的折射率发生变化或并非恒定。例如，当特征102沿x、y和/或z方向的尺寸与光束140的波长相比较小时，特征102沿着光束140的传播方向呈现可变且逐渐改变的折射率ns。通过使折射率发生变化，减少了当光束140与光学元件100相互作用时引起的菲涅耳反射损失。
更进一步地，结构101适用于与DUV光范围内的光一起使用。减少光学元件界面处菲涅耳反射损失的一种典型途径是在界面上放置抗反射(AR)涂层。AR涂层通常由具有不同折射率的介电材料堆叠形成，并且也可以被称为多层介电堆叠或布拉格反射镜。然而，这些类型的AR涂层通常不适合用于DUV光范围，和/或由于DUV光的相对较高的光子能量而导致AR涂层材料劣化，而通常具有比涂层104更短的寿命。例如，针对AR堆叠以193nm使用的AR涂层可能包括氟化物，诸如三氟化镧(LaF3)、氟化钆(GdF3)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(III)(CeF3)、氟化锂(LiF)、以及氟化镁(MgF2)。然而，这些材料在沉积时往往会形成多孔结构，并且为了在193nm处的坚固性而对涂层进行致密化的尝试会增加它们在193nm处的吸收。不可纠正孔隙率导致使用寿命更短。而且，这些材料的致密化形式往往具有不可接受的热吸收和涂层应力问题，从而可能导致劣化(例如，起泡和层离)。更进一步地，介电涂层堆叠通常会受到制造可变性的影响，并且这可能会导致寿命性能不一致。
另一方面，结构101由与涂层104相同的材料或相同类型的材料或由类似非晶电介质形成，因此其寿命通常与涂层104的寿命相似。
涂层104和特征102由透射DUV范围内的光的非晶介电固体材料制成。非晶固体材料是缺乏长程有序的固体材料，该长程有序是晶体材料的特性。涂层104和特征102可以由例如玻璃、熔融石英、硼硅玻璃、塑料、硅或氧化铝制成。涂层104和特征102可以由相同的非晶介电材料或不同的介电材料制成。
特征102中的每个特征102具有在形成光学元件100之后不变的形状。特征的形状限定了该特征所占据的空间体积。在一些实现方式中，所有特征都具有相同的形状。在其他实现方式中，特征102的形状发生变化(例如，半随机)并且不完全相同。特征102在图1A和图1C中被表示为椭圆形。然而，特征102可以具有其他形状。例如，特征102可以是圆锥形，其中圆锥的最宽部分最靠近表面106。
在图1A至图1C的示例中，结构101被示为完全在涂层104内。换言之，特征102中没有一个特征在z方向上延伸超出外表面111。特征102可以使用例如干法或湿法蚀刻程序或化学蚀刻程序形成到涂层104中。
该结构可以与涂层104共同延伸。例如，特征102沿着z方向的范围113可以与涂层104的厚度107相同。范围113被示出在图1A的插图中。在一些实现方式中，范围113小于涂层104的厚度107。而且，在一些实现方式中，范围113大于厚度107，使得结构101部分在涂层104内或上和中。
参考图1C，特征沿x方向具有中心到中心间距115并且沿y方向具有中心到中心间距116。间距115、116表示两个邻居特征102之间的距离。特征102可以布置成直线网格。在这些实现方式中，间距115和间距116在整个结构101中均匀，使得所有特征与最近特征沿y方向以相同间距116和沿x方向以相同间距115分开。而且，间距116和间距115可以相同。在其他实现方式中，特征102以随机或伪随机方式布置。在这些实现方式中，间距115和间距116非均匀，并且任何两个邻居特征102之间的距离在整个结构101中发生变化。
范围113可以小于光束140的波长，并且间距115、116可以处于光束140的波长的量级上。例如，在其中光束140的波长为193nm的实现方式中，范围113可以介于30nm与50nm之间，并且间距115、116可以介于100nm与200nm之间。结构101可以是纳米结构，该纳米结构是具有在空间范围上具有不超过几百纳米(nm)的尺寸的部件(诸如特征102)的结构。
在图1A至图1C的示例中，光束140在介质112中沿-z方向传播(进入图1C中的页面)。光束140照射在光学元件100的外表面111上。由于结构101，所以减小或消除了介质112的折射率n1与外表面111处的涂层104的折射率ns之间的差，并且已经减小或消除了表面106处的折射率n2与折射率n1之间的差，如果有的话。
在图1A至图1C所示的光学元件100中，表面106、111在x-y平面中基本平坦，并且晶体衬底108和涂层104为板状结构。例如，光学元件100可以用作窗口。衬底108和涂层104可以具有不同形状，诸如如图2A所示。而且，光学元件100可以相对于光束140的传播方向成一定角度定向，诸如如图2B所示。
图2A和图2B分别示出了光学元件200A和200B的横截面视图。光学元件200A和200B是光学元件100的其他实现方式的示例。光学元件200A和200B的横截面视图在y-z平面中。
光学元件200A包括涂层204A，该涂层204A从晶体衬底208A的表面206A沿着方向209A径向向外延伸。结构201A(由点阴影表示)在涂层204A内。尽管结构201A在涂层204A内，但在其他实现方式中，结构201A可以在涂层204A上或部分在涂层204A内。结构201A与关于图1A至图1D所讨论的结构101类似。结构201A在涂层204A内。结构201A具有沿着方向209A变化的折射率，从而减少光束140的菲涅耳反射损失。在图2A的实现方式中，结构201A包括垂直于表面206A延伸的特征。表面206A弯曲，如此并非所有特征都沿相同方向延伸。
参考图2B，光学元件200B包括晶体衬底208B以及从晶体衬底208B的表面206B向外延伸的涂层204B。涂层204B具有沿着垂直于表面206B的方向的厚度207B。光学元件200B在形状上与光学元件100类似。然而，光学元件200B旨在相对于入射光束140的传播方向(z)成一角度θ定位。结构201B(以点阴影示出)在涂层204B内。结构202B包括特征201B，这些特征201B与上文关于图1A至图1D所讨论的特征102相似。结构201B中的特征被布置为使得结构201B的折射率ns沿着方向209B发生变化。例如，特征201B可以垂直于表面206B延伸并且结构201B的折射率ns可以具有沿着方向209B发生变化的轮廓210，如图2C所示。方向209B与光束140的传播方向平行但相反。因此，结构201B的折射率随着光束140的传播发生变化，即使光学元件200B相对于光束140的传播方向以一角度θ定位。
参考图3A和图3B，示出了光学元件100的另一实现方式。图3A是光学元件300的透视图。图3B是图3A沿着图3B-3B'线截取的光学元件300的横截面视图。
光学元件300包括晶体衬底308和保护涂层304，该保护涂层304附接到晶体衬底308的表面306(例如，涂覆在表面306上)。晶体衬底308是透射DUV光的晶体材料。保护涂层304是从表面306沿方向309延伸的非晶介电材料。保护涂层304具有沿着方向309的厚度307。厚度307是从表面306到涂层的端部319的距离。端部319在图3B中使用虚线样式描绘。
光学元件300还包括具有特征302的结构301。特征302由非晶介电材料制成，该非晶介电材料可以与用于保护涂层304的非晶介电材料相同或不同。与结构101上的特征201类似，特征302被布置为使得结构301的折射率ns沿着方向309发生变化。方向309与光束140的传播方向平行并且与之相反。因此，折射率ns也沿着光束140的传播方向发生变化。图3C示出了表示作为沿着方向309的位置的函数的结构301的折射率的轮廓310。
特征302沿着方向309延伸到涂层304外部。在图3A和3B所示的示例中，特征302沿方向309延伸超过保护涂层304的端部319，并且特征302沿方向309的范围313大于涂层304的厚度307。特征302可以通过光刻蚀刻或通过在涂层304上构建特征302来形成。例如，特征302可以通过化学蚀刻工艺(例如，干气蚀刻)构建，然后在特征302的顶部上沉积保护涂层304。
在其他实现方式中，特征302和涂层304可以与各种其他光学元件结合使用。
图4A和图5分别提供了可以使用光学元件100、200A、200B和/或300的DUV光源460和560的示例。
参考图4A和图4B，光刻系统450包括DUV光源460，该DUV光源460将光束441提供给光刻曝光装置469，该光刻曝光装置469处理由晶片保持器或台471接收的晶片470。DUV光源460包括放电腔室465，该放电腔室465围合增益介质461、阴极462a和阳极462b。增益介质461是气态增益介质。放电腔室465被密封，使得增益介质461保留在放电腔室465中并且由其容纳。图4A中仅示出了一个气体放电腔室465。然而，光源460可以包括多于一个放电腔室，诸如如图5所示。
DUV光源460还包括气体管理系统479。气体管理系统479与DUV光源460的内部478流体连通。气体管理系统479可以包括管理压力和/或内部478中的流体物质的设备。例如，气体管理系统479可以包括泵、风扇、过滤器和/或能够管理气体和碎屑的其他设备。气体管理系统479可以从内部478移除不想要化学物质、元素或混合物。例如，气体管理系统479可以使用另一化学制品(形式为气体)(诸如例如，氮气(N2)或氦气(He))从内部478清除氧气。气体管理系统479用来移除不想要物质的气体被称为净化气体412。尽管净化气体412位于内部478并且可以包围放电腔室465，但是净化气体412不会穿透放电腔室465，并且不会干扰或改变增益介质461的化学成分。光束441在内部478中传播，因此在净化气体412中传播。
光束441可以是包括在时间上彼此分离的光脉冲的脉冲光束。光刻曝光装置469包括光束441在到达晶片470之前穿过的投影光学系统475以及量测系统472。量测系统472可以包括例如相机或能够捕获晶片470和/或晶片470处的光束441的图像的其他设备或能够捕获描述光束441的特性(诸如x-y平面中的晶片470处的光束441的强度)的数据的光学检测器。光刻曝光装置469可以是液浸系统或干式系统。光刻系统450还包括控制系统480，以控制光源460和/或光刻曝光装置469。
通过例如使用光束441曝光晶片470上的辐射敏感光刻胶材料层，在晶片470上形成微电子特征。还参考图4B，投影光学系统475包括狭缝476、掩模474、以及包括透镜系统477的投影物镜。透镜系统477包括能够与DUV范围内的光相互作用的一个或多个反射或折射光学元件。光束441进入光学系统475并且撞击在狭缝476上，并且光束441的至少一部分穿过狭缝476。在图4A和图4B的示例中，狭缝476为矩形并且将光束441成形为细长矩形光束。掩模474包括图案，并且该图案决定了成形光束的哪些部分被掩模474透射以及哪些部分被掩模474阻挡。图案的设计由要形成在晶片470上的特定微电子电路设计确定。
参考图5，示出了光刻系统550的框图。系统550是系统450(图4A)的实现方式的示例。例如，在光刻系统550中，光源560用作光源460(图4A)。光源560产生脉冲光束541，该脉冲光束541提供给光刻曝光装置469。光刻系统550还包括控制系统580，在图5的示例中，该控制系统580连接到光源560的部件以及光刻曝光装置469以控制系统550的各种操作。在其他实现方式中，控制系统580可以实现为两个独立的控制系统，一个控制系统控制光源560的各个方面，而另一控制系统控制光刻曝光装置469。在又其他实现方式中，可以实现各种其他控制系统580。
在图5所示的示例中，光源560是两级激光系统，该两级激光系统包括向功率放大器(PA)568提供种子光束542的主振荡器(MO)567。MO 567和PA 568可以被认为是光源560的子系统或作为光源560一部分的系统。PA 568从MO 567接收种子光束542并且放大种子光束542以生成光束541以用于光刻曝光装置469。例如，在一些实现方式中，MO 567可以发射脉冲种子光束，其中种子脉冲能量约为每脉冲1毫焦耳(mJ)，并且这些种子脉冲可以通过PA568放大到约10mJ至15mJ。
MO 567包括具有两个细长电极562a_1和562b_1的放电腔室565_1、作为气体混合物的增益介质561_1、以及用于在电极562a_1、562b_1之间循环气体混合物的风扇(未示出)。谐振器形成在放电腔室565_1的一侧上的线变窄模块586与放电腔室565_1的第二侧上的输出耦合器581之间。
放电腔室565_1包括第一腔室窗口563_1和第二腔室窗口564_1。第一腔室窗口563_1和第二腔室窗口564_1位于放电腔室565_1的相对侧上。第一腔室窗口563_1和第二腔室窗口564_1透射DUV范围内的光，并且允许DUV光进入和离开放电腔室565_1。
线变窄模块586可以包括衍射光学器件，诸如精细调谐放电腔室565_1的光谱输出的光栅。光源560还包括接收来自输出耦合器581的输出光束的线中心分析模块584和束耦合光学系统583。线中心分析模块584是可以用于测量或监测种子光束542的波长的测量系统。线中心分析模块584可以放置在光源560中的其他位置处，或它可以放置在光源560的输出处。
作为增益介质561_1的气体混合物可以是适合于产生应用所需的波长和带宽的光束的任何气体。对于准分子源，气体混合物561_1可以包含惰性气体(稀有气体)，诸如例如，氩或氪、卤素(诸如例如，氟或氯)、以及除了缓冲气体(诸如氦气)之外的痕量的氙。气体混合物的具体示例包括发射波长约为193nm的光的氟化氩(ArF)、发射波长约为248nm的光的氟化氪(KrF)或发射波长约为351nm的光的氯化氙(XeCl)。因此，在该实现方式中，光束541和542包括DUV范围内的波长。通过向细长电极562a_1、562b_1施加电压，在高压放电中使用短(例如，纳秒)电流脉冲泵浦准分子增益介质(气体混合物)。
PA 568包括束耦合光学系统583，该束耦合光学系统583从MO 567接收种子光束542，并且引导种子光束542通过放电腔室565_2并且到达束转向光学元件582，该束转向光学元件582修改或改变种子光束542的方向，以使其被送回到放电腔室565_2中。束转向光学元件582和束耦合光学系统583形成循环闭环光路，其中环形放大器的输入与束耦合光学系统583处的环形放大器的输出相交。
放电腔室565_2包括一对细长电极562a_2、562b_2、增益介质561_2、以及用于在电极562a_2、562b_2之间循环增益介质561_2的风扇(未示出)。形成增益介质561_2的气体混合物可以与形成增益介质561_1的气体混合物相同。
放电腔室565_2包括第一腔室窗口563_2和第二腔室窗口564_2。第一腔室窗口563_2和第二腔室窗口564_2位于放电腔室565_2的相对侧上。第一腔室窗口563_2和第二腔室窗口564_2透射DUV范围内的光并且允许DUV光进入和离开放电腔室565_2。
输出光束541可以在到达光刻曝光装置469之前引导通过束制备系统585。束制备系统585可以包括测量光束541的各种参数(诸如带宽或波长)的带宽分析模块。束制备系统585还可以包括脉冲展宽器(未示出)，该脉冲展宽器及时展宽输出光束541的每个脉冲。束制备系统585还可以包括能够作用于光束541的其他部件，诸如例如，反射和/或折射光学元件(诸如例如，透镜和反射镜)、滤光器和光学孔径(包括自动化快门)。
DUV光源560还包括气体管理系统479，该气体管理系统479与DUV光源560的内部578流体连通。如上文所讨论的，气体管理系统479向内部578提供净化气体412。在图5的示例中，净化气体412包围腔室565_1和565_2并且还包围DUV光源560的子系统中的一些子系统的光学部件。例如，净化气体412包围线变窄模块586、输出耦合器581、线中心分析模块584、束耦合光学系统583和束转向光学元件582中的光学部件。尽管净化气体412在内部578中并且包围放电腔室565_1和565_2以及各种其他光学部件，但是净化气体412不会穿透放电腔室565_1和565_2并且不会干扰或改变增益介质561_1和561_2的化学成分。
光刻系统550还包括控制系统580。控制系统580可以通过向光源560发送一个或多个信号来控制光源560何时发射光脉冲或包括一个或多个光脉冲的光脉冲突发。控制系统580还连接到光刻曝光装置469。因此，控制系统580还可以控制光刻曝光装置469的各个方面。例如，控制系统580可以控制晶片470的曝光(图4A)，因此可以用于控制电子特征如何印刷在晶片470上。在一些实现方式中，控制系统580可以通过控制x-y平面中的狭缝476的运动来控制晶片470的扫描(图4B)。而且，控制系统580可以与量测系统472和/或光学系统475(图4B)交换数据。
光刻曝光装置469还可以包括例如温度控制设备(诸如空调设备和/或加热设备)和/或用于各种电子部件的电源。控制系统580还可以控制这些部件。在一些实现方式中，控制系统580被实现为包括不止一个子控制系统，其中至少一个子控制系统(光刻控制器)专用于控制光刻曝光装置469的方面。在这些实现方式中，控制系统580可以作为光刻控制器的替代，或除了使用光刻控制器之外，而被用于控制光刻曝光装置469的方面。
当增益介质561_1或561_2通过分别向电极562a_1、562b_1或562a_2、562b_2施加电压而被泵浦时，增益介质561_1和/或561_2发射光。当电压以规则时间间隔被施加到电极时，光束541被脉冲化。因此，脉冲光束541的重复率由施加到电极的电压的速率决定。对于各种应用，脉冲的重复率的范围可以为大约500Hz和6,000Hz之间。在一些实现方式中，重复率可以大于6,000Hz，并且可以是例如12,000Hz或更高，但是在其他实现方式中可以使用其他重复率。
光学元件100、200A、200B和/或300可以用于光源460或光源560以减少菲涅耳反射损失。例如，腔室窗口563_1、564_1、563_2、564_2中的任一个或所有腔室窗口可以由与光学元件200B(图2B)类似的光学元件形成。而且，用作束转向光学元件582、束耦合光学系统583、线中心分析模块584、输出耦合器581和线变窄模块586的任何或所有光学部件可以包括产生梯度折射率以减少菲涅耳反射的特征的结构(诸如包括特征102的结构101)。
在各种其他实现方式中，光学元件100、200A、200B和/或300可以用于各种其他合适光源并且与各种其他光刻系统结合使用。
图6A是PA 668的框图。PA 668是PA 568(图5)的实现方式的示例。PA 668可以代替PA 568用于DUV光源560(图5)。PA 668包括放电腔室662_2、束转向光学元件682和束耦合光学系统683。图6D中更详细地示出了束耦合光学系统683。
放电腔室662_2围合增益介质561_2(图5)。放电腔室662_2包括第一腔室窗口663_2和第二腔室窗口664_2。第一腔室窗口663_2和第二腔室窗口664_2允许DUV光进入和离开放电腔室662_2。DUV光进入第二腔室窗口664_2并且在路径666上传播通过增益介质561_2并且通过第一腔室窗口663_2离开。
在所示的示例中，第一腔室窗口663_2在放电腔室662_2的左壁687上，而第二腔室窗口664_2在放电腔室662_2的右壁688上。壁687和688彼此平行延伸，并且在放电腔室662_2的相对侧上。窗口663_2、664_2的其他实现方式和其他相对方位是可能的。窗口663_2、664_2相对于中间光束i的传播方向成一角度θ。图6B中示出了该角度θ。
此外，参考图6D，束耦合光学系统683在折叠反射镜690处接收种子光束542，该折叠反射镜690将种子光束542反射到部分反射镜691(也称为输入/输出耦合器691)。输入/输出耦合器691是由束耦合光学系统683和束转向光学元件682形成的环形谐振器的入口和出口。
输入/输出耦合器691具有透射DUV光的表面698a和部分反射(例如，对DUV光反射20％至40％)的表面698b，使得种子光束542的至少一部分光穿过输入/输出耦合器691，并且入射到输入/输出耦合器691的表面698b的光中的至少一些光被反射回放电腔室662_2，从而提供再生反馈。在其他实现方式中可以使用其他程度的反射率。反射回到放电腔室662_2的光和种子光束542的穿过输入/输出耦合器691的部分在下文的讨论中被称为中间光束i。
中间光束i穿过棱镜693和694。棱镜693和694一起形成光束压缩系统，该光束压缩系统水平地压缩中间光束i以基本匹配增益介质561_2的横向尺寸，该横向尺寸可以例如小于几毫米(mm)。棱镜694将中间光束i与第二腔室窗口664_2、第一腔室窗口663_2和束转向光学元件682对准。中间光束i穿过棱镜694和第二腔室窗口664_2，在通过增益介质561_2的路径666传播，并且通过束转向光学元件682反射。中间光束i通过第一腔室窗口663_2重新进入腔室662_2，传播通过增益介质561_2，并且通过第二腔室窗口664_2，然后通过棱镜694，该棱镜694将光束转移到棱镜695，该棱镜695将中间光束i转移到输入/输出耦合器691。
第一腔室窗口663_2和/或第二腔室窗口664_2可以实现为光学元件200B(图2B)。图6B示出了使用光学元件200B的特征实现的第二腔室窗口664_2。在该实现方式中，第二腔室窗口664_2包括保护涂层204B，该保护涂层204B从晶体衬底208B的表面206B向外延伸。结构201B(使用点阴影示出)在保护涂层204B中或上以减少菲涅耳反射。结构201B具有沿着方向209B发生变化的折射率ns，该方向与方向p平行并且与之相反。因此，折射率ns沿着中间光束i的传播方向发生变化。图2C示出了作为沿着209B方向的位置的函数的折射率ns。在光学元件200B是第二腔室窗口664_2的示例中，n1是净化气体412的折射率，而n3是晶体衬底208B的折射率。
再次参考图6B，中间光束i沿p方向传播通过净化气体412。中间光束i入射在表面211B上并且通过结构201B并且通过晶体衬底208B。尽管保护涂层204B的折射率与净化气体412的折射率不同，但是结构201B中的梯度折射率降低或消除了否则会在表面211B处发生的菲涅耳反射损失。通过减少菲涅耳反射损失，更多的中间光束i可用于放大而不会增加供应给电极562a_2和562b_2的能量的量。因此，使用光学元件200B作为腔室窗口663_2和/或664_2增加了腔室665_2的寿命。
而且，使用包括诸如结构101、201A、201B或301之类的结构的光学元件，通过降低穿过和/或被施加到DUV光源550的总能量以生成具有最终用户所要求的规格的输出(诸如输出光束541)，而有益于整个DUV光源550。在没有包括诸如结构101、201A、201B或301之类的结构的光学元件的情况下，DUV光源550产生更多的光以补偿通过与光学元件相互作用而产生的菲涅耳反射损失。这种附加光被称为补偿光。使用包括诸如结构101、201A、201B或301之类的结构的光学元件减少了菲涅耳反射损失，使得可以最小化或消除补偿光。因为生成较少的总光以在输出光束541中提供相同数量的光，所以可以向电极562a_1、562b_1、562a_2和/或562b_2施加较低的操作电压。而且，通过减少补偿光的数量，与中间光束i和/或种子光束542相互作用的光学元件上存在较低的热负载。因此，当DUV光源550的功率负载快速发生改变(例如，当DUV光源的操作状态发生改变时)，这些光学元件的热瞬变更低，也不那么严重。更进一步地，减少补偿光数量会导致对大块衬底和涂层的影响降低，从而延长这些部件的使用寿命。附加地，因为诸如结构101、201A、201B或301之类的结构中的特征可以被布置为减少预期入射角的菲涅耳反射，所以使用具有诸如结构101、201A、201B或301之类的结构的光学元件可以在调整光学入射角以满足设计目标方面具有更大的灵活性，而不必过多担心菲涅耳反射损耗，并且还可以产生更大的设计灵活性。此外，通过减少菲涅耳反射损失，减少了散射杂散光。因而，DUV光源550的整体性能通过使用包括诸如结构101、201A、201B或301之类的结构的一个或多个光学元件而得以提高。
附加地，在PA 568中使用具有结构101、201A、201B或301的光学元件提高了PA 568的效率。提高效率使得PA 568空腔能够以空腔内的较低功率产生相同数量的功率以及腔间光束宽度(在PA 568中传播的光束的光束宽度)。较小的腔间光束宽度允许使用较小的空腔光学器件，这可以降低PA 568的整体尺寸和/或费用。最后，提高效率允许在耦合器691中使用反射率更高的光学器件。使用反射率更高的光学器件允许PA 568产生相同的输出功率，但脉冲长度更长。
其他光学元件可以被实现为包括产生梯度折射率以减少或消除菲涅耳反射的结构，诸如结构101、201A、201B和301。例如，束转向光学元件582可以被实现为加工成具有两个反射表面596a、596b的棱镜的晶体结构(诸如CaF2)，如图6C所示。在这些实现方式中，中间光束i通过透射表面596c透射到束转向光学元件582中。透射表面包括与保护涂层104、204A、204C和304类似的保护涂层604C以及与结构101、201B、201C、301类似的结构601C。
根据其他实现方式，可以使用光学元件的各种其他布置(诸如图6A至图6D所示的布置)。
而且，光源560中的其他透射光学部件可以包括类似于结构101、201B、201C、301的结构。例如，棱镜693、694和695中的一个或多个棱镜可以包括类似于结构101、201B、201C、301的结构。
还有其他实现方式在权利要求的范围内。
在以下编号的条款中对本发明的其他方面进行阐述。
1.一种用于深紫外光源的光学元件，该光学元件包括：
晶体衬底；
位于晶体衬底的外部表面上的涂层，该涂层具有沿着远离外部表面延伸的方向的厚度；以及
位于涂层上和/或中的结构，该结构包括多个特征，该多个特征沿着所述方向远离晶体衬底延伸，其中特征包括非晶介电材料并且被布置为使得结构的折射率沿着所述方向发生变化。
2.根据条款1所述的光学元件，其中晶体衬底包括氟化钙(CaF2)。
3.根据条款1所述的光学元件，其中特征沿着方向的范围不大于所述厚度。
4.根据条款3所述的光学元件，其中结构的所有特征都在涂层内。
5.根据条款1所述的光学元件，其中特征和涂层由相同介电材料制成。
6.根据条款1所述的光学元件，其中特征中的一个或多个特征延伸到涂层外部。
7.根据条款1所述的光学元件，其中非晶介电材料包括熔融二氧化硅或氧化铝。
8.根据条款1所述的光学元件，其中多个特征中的每个特征相同，并且多个特征以规则且重复图案相对于彼此布置。
9.根据条款1所述的光学元件，其中多个特征中的每个特征相同，并且多个特征以随机或伪随机方式相对于彼此布置。
10.根据条款1所述的光学元件，其中多个特征中的每个特征与空间特性相关联，并且多个特征中的一个特征的至少一个空间特性与其他特征中的至少一个特征的空间特性不同，并且其中空间特性包括以下各项中的任一项：高度、宽度和形状。
11.根据条款1所述的光学元件，其中结构的折射率沿着方向发生线性变化。
12.根据条款1所述的光学元件，其中结构的折射率沿着方向从基本等于晶体衬底的折射率的值变化到基本等于光学元件处的流体的折射率的值。
13.根据条款12所述的光学元件，其中流体包括氮气(N2)净化气体。
14.根据条款1所述的光学元件，其中特征沿着方向的范围为100纳米(nm)或更小。
15.根据条款1所述的光学元件，其中方向基本正交于晶体衬底的表面。
16.根据条款2所述的光学元件，其中在操作使用中，波长为193纳米(nm)的深紫外(DUV)光入射在涂层上，涂层通过减轻氟从衬底中的移除来保护CaF2衬底，并且结构的折射率沿着DUV光的传播方向发生变化，使得减少了来自光学元件的DUV光的反射。
17.根据条款1所述的光学元件，其中涂层完全覆盖晶体衬底的表面。
18.一种深紫外(DUV)光源，包括：
腔室，包括外壳，该外壳被配置为围合气态增益介质；以及
至少一个光学元件，被配置为透射DUV光，其中至少一个光学元件包括：
衬底，包括晶体材料，该晶体材料被配置为透射DUV光；
位于衬底的外部表面上的涂层，该涂层具有沿着远离外部表面延伸的方向的厚度；以及
位于涂层上和/或中的结构，该结构包括沿着方向远离外部表面延伸的多个特征，其中特征包括非晶材料并且特征被布置为使得结构的折射率沿着方向发生变化。
19.根据条款18所述的DUV光源，其中多个特征中的一个或多个特征沿着方向延伸一段距离，并且距离小于由至少一个光学元件透射的DUV光的波长。
20.根据条款18所述的DUV光源，其中多个特征相对于彼此布置，使得任何两个相邻特征之间的间隔在由至少一个光学元件透射的DUV光的波长的数量级内。
21.根据条款18所述的DUV光源，其中被配置为透射DUV光的晶体材料包括氟化钙(CaF2)。
22.根据条款18所述的DUV光源，其中结构的折射率沿着方向从基本等于晶体衬底的折射率的值变化到基本等于包围光学元件的流体的折射率的值。
23.根据条款22所述的DUV光源，其中流体包括氮气(N2)净化气体。
24.根据条款18所述的DUV光源，其中结构位于涂层内。
25.根据条款18所述的DUV光源，其中结构位于涂层中和上，使得结构部分地位于涂层内。
26.根据条款18所述的DUV光源，其中腔室还包括：
位于外壳的第一侧上的第一窗口；以及
位于外壳的第二侧上的第二窗口，外壳的第二侧与外壳的第一侧相对，并且其中至少一个光学元件包括第一窗口和第二窗口，并且涂层在第一窗口和第二窗口上。
27.根据条款26所述的DUV光源，其中第一窗口上的涂层和第二窗口上的涂层设置在相应窗口的在外壳外部的表面上。
28.根据条款26所述的DUV光源，还包括第二腔室，该第二腔室包括：
第二外壳，被配置为在第二外壳的内部保持气态增益介质；
位于第二外壳的第一侧上的第三窗口；以及
位于第二外壳的第二侧上的第四窗口，第二外壳的第二侧与第二外壳的第一侧相对，其中至少一个光学元件还包括第三窗口和第四窗口。
29.根据条款26所述的DUV光源，其中第一窗口的外部表面和第二窗口的外部表面不垂直于DUV光的传播方向。
30.根据条款18所述的DUV光源，其中至少一个光学元件包括以下各项中的一项或多项：棱镜、分束器、透镜和光学补偿器。
31.根据条款18所述的DUV光源，其中折射率沿着DUV光的传播方向发生变化。
32.根据条款18所述的DUV光源，其中在操作使用中，具有193纳米(nm)波长的DUV光入射到涂层上，涂层通过减轻氟从衬底的移除来保护CaF2衬底，并且结构的折射率沿着DUV光的传播方向发生变化，使得减少了来自光学元件的DUV光的反射。
33.根据条款18所述的DUV光源，其中涂层完全覆盖晶体衬底的表面。

Claims (33)

1.一种用于深紫外光源的光学元件，所述光学元件包括：
晶体衬底；
位于所述晶体衬底的外部表面上的涂层，所述涂层具有沿着远离所述外部表面延伸的方向的厚度；以及
位于所述涂层上和/或中的结构，所述结构包括多个特征，所述多个特征沿着所述方向远离所述晶体衬底延伸，其中所述特征包括非晶介电材料并且被布置为使得所述结构的折射率沿着所述方向变化。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述晶体衬底包括氟化钙(CaF2)。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述特征沿着所述方向的范围不大于所述厚度。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述结构的所有特征都在所述涂层内。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述特征和所述涂层由相同介电材料制成。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述特征中的一个或多个特征延伸到所述涂层外部。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述非晶介电材料包括熔融二氧化硅或氧化铝。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述多个特征中的每个特征均相同，并且所述多个特征以规则且重复图案相对于彼此布置。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述多个特征中的每个特征均相同，并且所述多个特征以随机或伪随机方式相对于彼此布置。
10.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述多个特征中的每个特征与空间特性相关联，并且所述多个特征中的一个特征的至少一个空间特性与其他特征中的至少一个特征的空间特性不同，并且其中所述空间特性包括以下各项中的任一项：高度、宽度和形状。
11.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述结构的所述折射率沿着所述方向线性地变化。
12.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述结构的所述折射率沿着所述方向从基本等于所述晶体衬底的折射率的值变化到基本等于所述光学元件处的流体的折射率的值。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其中所述流体包括氮气(N2)净化气体。
14.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述特征沿着方向的范围为100纳米(nm)或更小。
15.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述方向基本正交于所述晶体衬底的表面。
16.根据权利要求2所述的光学元件，其中在操作使用中，具有193纳米(nm)波长的深紫外(DUV)光入射到所述涂层上，所述涂层通过减轻氟从所述衬底的移除来保护所述CaF2衬底，并且所述结构的所述折射率沿着所述DUV光的传播方向变化，使得来自所述光学元件的所述DUV光的反射得以减少。
17.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述涂层完全覆盖所述晶体衬底的表面。
18.一种深紫外(DUV)光源，包括：
腔室，包括外壳，所述外壳被配置为围合气态增益介质；以及
至少一个光学元件，被配置为透射DUV光，其中所述至少一个光学元件包括：
衬底，包括晶体材料，所述晶体材料被配置为透射DUV光；
位于所述衬底的外部表面上的涂层，所述涂层具有沿着远离所述外部表面延伸的方向的厚度；以及
位于所述涂层上和/或中的结构，所述结构包括多个特征，所述多个特征沿着所述方向远离外部表面，其中所述特征包括非晶材料并且所述特征被布置为使得所述结构的折射率沿着所述方向变化。
19.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述多个特征中的一个或多个特征沿着所述方向延伸一段距离，并且所述距离小于由所述至少一个光学元件透射的DUV光的波长。
20.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述多个特征相对于彼此布置，使得任何两个相邻特征之间的间隔在由所述至少一个光学元件透射的DUV光的波长的数量级内。
21.根据权利要求18所述的DUV光源，其中被配置为透射DUV光的所述晶体材料包括氟化钙(CaF2)。
22.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述结构的所述折射率沿着所述方向从基本等于所述晶体衬底的折射率的值变化到基本等于包围所述光学元件的流体的折射率的值。
23.根据权利要求22所述的DUV光源，其中所述流体包括氮气(N2)净化气体。
24.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述结构位于所述涂层内。
25.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述结构位于所述涂层中和上，使得所述结构部分地位于所述涂层内。
26.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述腔室还包括：
位于所述外壳的第一侧上的第一窗口；以及
位于所述外壳的第二侧上的第二窗口，所述外壳的所述第二侧与所述外壳的所述第一侧相对，并且其中所述至少一个光学元件包括所述第一窗口和所述第二窗口，并且所述涂层在所述第一窗口和所述第二窗口上。
27.根据权利要求26所述的DUV光源，其中所述第一窗口上的所述涂层和所述第二窗口上的所述涂层被设置在相应窗口的在所述外壳外部的表面上。
28.根据权利要求26所述的DUV光源，还包括第二腔室，所述第二腔室包括：
第二外壳，被配置为在所述第二外壳的内部保持气态增益介质；
位于所述第二外壳的第一侧上的第三窗口；以及
位于所述第二外壳的第二侧上的第四窗口，所述第二外壳的所述第二侧与所述第二外壳的所述第一侧相对，其中所述至少一个光学元件还包括所述第三窗口和所述第四窗口。
29.根据权利要求26所述的DUV光源，其中所述第一窗口的外部表面和所述第二窗口的外部表面不垂直于所述DUV光的传播方向。
30.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述至少一个光学元件包括以下各项中的一项或多项：棱镜、分束器、透镜和光学补偿器。
31.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述折射率沿着所述DUV光的传播方向变化。
32.根据权利要求18所述的DUV光源，其中在操作使用中，具有193纳米(nm)波长的DUV光入射到所述涂层上，所述涂层通过减轻氟从所述衬底的移除来保护所述CaF2衬底，并且所述结构的所述折射率沿着所述DUV光的传播方向变化，使得来自所述光学元件的所述DUV光的反射得以减少。
33.根据权利要求18所述的DUV光源，其中所述涂层完全覆盖所述晶体衬底的表面。
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