DE60012453T2

DE60012453T2 - F2-Laser mit Kontrolle des sichtbaren roten und IR-Bereichs

Info

Publication number: DE60012453T2
Application number: DE60012453T
Authority: DE
Inventors: Eckehard D. San Diego Onkels; Richard L. Encinitas Sandstrom; Thomas P. San Diego Duffey
Original assignee: Cymer Inc
Current assignee: Cymer Inc
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: DE60012453D1; KR100343032B1; EP1100167B1; US6330260B1; ATE272260T1; EP1100167A3; EP1100167A2; KR20010049332A

Description

Diese Anmeldung ist eine Fortsetzung der Serien-Nr. 09/273,446, zuverlässiger, modularer Excimerlaser mit Produktionsqualität und schmaler Bandbreite bei hoher Wiederholungsrate für F₂, die am 19. März 1999 eingereicht wurde. Diese Erfindung betrifft Laser und insbesondere schmalbandige F₂-Excimerlaser.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
KrF-Excimer-Laser werden im Stand der Technik als Lichtquellen für die Lithographie bei der Herstellung integrierter Schaltungen eingesetzt. Ein derartiger Laser ist im US-Patent 4,959,840, das am 25. September 1990 erteilt wurde, beschrieben. Die Laser arbeiten bei Wellenlänge von ungefähr 248 nm. Mit dem KrF-Laser können integrierte Schaltungen mit Abmessungen bis zu 180 nm hergestellt werden. Kleinere Abmessungen können mit ArF-Lasern erzeugt werden, die bei 193 nm arbeiten, oder mit F₂-Lasern, die bei ungefähr 157 nm arbeiten.
Diese Laser, der KrF-Laser, der ArF-Laser und der F₂-Laser sind sehr ähnlich; in der Tat kann die gleiche grundlegende Anordnung zur Herstellung eines KrF-Lasers verwendet werden, um einen ArF-Laser oder einen F₂-Laser herzustellen, wobei lediglich die Gaskonzentration geändert und die Steuerungen und Anlagen modifiziert werden, um der leicht unterschiedlichen Wellenlänge gerecht zu werden.
Die Steuerung von Lithographie-Lasern und anderen Lithographieanlagen erfordert eine Laserpulsenergieüberwachung, die empfindlich ist für das von diesen Lasern erzeugte UV-Licht. Die standardmäßigen konventionellen Detektoren, die zur Überwachung der Pulsenergie in konventionellen Lithographieanlagen für die integrierte Schaltungsherstellung angewendet werden, sind Siliziumphotodioden.
Ein typischer konventioneller KrF-Excimerlaser, der bei der Herstellung integrierter Schaltungen eingesetzt wird, ist in 1 und 2 gezeigt. Ein Querschnitt der Laserkammer dieses konventionellen Lasers ist in 3 gezeigt. Ein Pulsleistungssystem 2, das von einer Hochspannungsleistungsversorgung 3 versorgt wird, liefert elektrische Pulse zu Elektroden 6, die in einer Entladungskammer 8 angeordnet sind. Typische konventionelle Lithographielaser werden bei einer Pulsrate von 1000 Hz mit Pulsenergien von ungefähr 10 mJ pro Puls betrieben. Das Lasergas (für einen KrF-Laser ungefähr 0,1% Fluor, 1,3% Krypton, wobei der Rest Neon ist, das als ein Puffergas dient) wird bei ungefähr 3 Atmosphären in dem Raumbereich zwischen den Elektroden bei Geschwindigkeiten von ungefähr 25,4 m (1000 inch) pro Sekunde umgewälzt. Dies wird mit einem Tangentiallüfter 10 erreicht, der in der Laserentladungskammer angeordnet ist. Die Lasergase werden mit einem Wärmetauscher 11, der auch in der Kammer angeordnet ist, und mit einer Kühlplatte (nicht gezeigt), die an der Außenseite der Kammer montiert ist, gekühlt. Die natürliche Bandbreite der Excimerlaser wird durch ein Linienbegrenzungsmodul 18 schmäler gemacht. Kommerzielle Excimerlasersysteme beinhalten typischerweise diverse Module, die rasch ersetzt werden können, ohne den Rest des Systems zu stören. Zu wesentlichen Modulen gehören:
ein Lasermodul,
ein Pulsleistungssystem mit: einem Hochspannungsleistungsversorgungsmodul, einem Kommutatormodul und einem Hochspannungskompressionskopfmodul,
ein Ausgangskopplermodul,
ein Linienbegrenzungsmodul,
ein Wellenmessermodul,
ein Computersteuerungsmodul,
ein Gassteuerungsmodul,
ein Kühlwassermodul
Die Elektroden 6 bestehen aus einer Kathode 6a und einer Anode 6b. Die Anode 6b wird in dieser konventionellen Ausführungsform durch einen Anodenhaltestab 44 gehalten, der in 3 im Querschnitt gezeigt ist. Die Strömung findet in dieser Ansicht im Uhrzeigersinn statt. Eine Ecke und ein Rand des Anodenhaltestabs 44 dienen als ein Führungsblatt, um eine Gasströmung von dem Lüfter 10 ausgehend zwischen den Elektroden 6a und 6b zu erzwingen. Andere Führungsblätter in diesem konventionellen Laser sind bei 46, 48 und 50 dargestellt. Eine perforierte Stromrückführplatte 52 dient zur Verbindung der Anode 6b mit dem Metallaufbau der Kammer 8. Die Platte ist mit großen Löchern versehen (in 3 nicht gezeigt), die in dem Lasergasströmungsweg angeordnet sind, so dass die Stromrückführplatte im Wesentlichen den Gasstrom nicht beeinflusst. Ein Spitzenkondensator mit einem Array aus einzelnen Kondensatoren 19 wird vor jedem Puls durch das Pulsleistungssystem 2 aufgeladen. Während des Aufbaus der Hochspannung an dem Spitzenkondensator ionisieren zwei Vorionisierer 56 geringfügig das Lasergas zwischen den Elektroden 6a und 6b, und wenn die Ladung auf den Kondensatoren 19 ungefähr 16000 Volt erreicht, wird eine Entladung über den Elektroden erzeugt, wodurch der Excimerlaserpuls hervorgerufen wird. Die Gasströmung zwischen den Elektroden von ungefähr 2,54 cm (1 inch) pro Millisekunde, die durch den Lüfter 10 bewirkt wird, ist in der Folge für jeden Puls ausreichend, um frisches Lasergas zwischen den Elektroden rechtzeitig für den nächsten Puls, der eine Millisekunde später stattfindet, bereitzustellen.
In einem typischen Lithographie-Excimerlaser wird mittels eines Rückkopplungssteuerungssystems die Ausgangslaserenergie jedes Pulses gemessen, der Grad der Abweichung von einer Sollpulsenergie bestimmt und anschließend ein Signal an die Steuerung gesendet, um die Spannung der Leistungsversorgung so einzustellen, dass die Energie des nachfolgenden Pulses in der Nähe der Sollenergie liegt.
Diese Excimerlaser müssen typischerweise kontinuierlich 24 Stunden pro Tag, 7 Tage die Woche über Monate hinweg laufen, wobei lediglich kurze Auszeiten für geplante Wartungsarbeiten vorgesehen sind. Ein Problem, das bei diesen konventionellen Lasern aufgetreten ist, ist der übermäßige Verschleiß und der gelegentliche Ausfall von Lüfterlagern. Es besteht daher ein Bedarf in der Halbleiterindustrie für einen modularen, zuverlässigen, F₂-Laser mit Fertigungslinienqualität, um eine Auflösung in integrierten Schaltungen zu ermöglichen, die mit KrF-Lasern und ArF-Lasern nicht möglich ist.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, stellt einen zuverlässigen, modularen, F₂-Excimerlaser mit Produktionsqualität bereit, der bei Wiederholungsraten im Bereich von 1000 bis 2000 Hz oder mehr Laserpulse mit Pulsenergien im Bereich von einigen mJ mit einer maximalen Bandbreite bei der halben Breite von ungefähr 1 pm oder weniger Wellenlängen im Bereich von 175 nm liefert. Es sind Lasergasmischungen offenbart, um den Laserwirkungsgrad zu maximieren, wobei nicht gewünschte Emissionen des Lasers im Infrarotbereich und im sichtbaren Bereich verringert sind. Ferner werden UV-Energiedetektoren offenbart, die im Wesentlichen für Infrarotlicht und sichtbares Licht nicht empfindlich sind. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Bereich von 1000 bis 4000 Hz mit Pulsenergien im Bereich von 1,0 bis 10 mJ mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung im Bereich von ungefähr 10 bis 40 Watt betrieben werden. Bei Verwendung dieses Laser als Belichtungsquelle können Einzelbildbelichter oder Abtastbelichter eine Auflösung in integrierten Schaltungen von 0.1 μm oder weniger erreichen. Zu austauschbaren Modulen gehören eine Laserkammer und ein modulares Pulsleistungssystem.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laser auf die F₂ 157,6 nm-Linie abgestimmt, wobei ein Satz aus zwei externen Prismen verwendet wird. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Laser breitbandig betrieben und die 157,6 nm-Linie wird außerhalb der Resonanzkavität festgelegt. In einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird eine Linienbreite von 0,2 pm durch externe Einspeisung bereitgestellt. In einer vierten Ausführungsform wird eine von zwei F₂-Linien mittels eines Ethalon-Ausgangskopplers ausgewählt. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Gitter für die Linienauswahl verwendet und der Einstellbereich durch Betreiben des Lasers bei einem Druck von über 4 Atmosphären vergrößert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung eines konventionellen Lithographie-Excimerlasers.
2 ist eine Blockansicht, die einige der wesentlichen Elemente eines konventionellen kommerziellen Excimerlasers zeigt, der bei der Lithographie für integrierte Schaltungen verwendet wird.
3 ist eine Zeichnung der Laserkammer des Lasers aus 2.
4 ist eine Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Ansicht, die eine Lüfterantriebseinheit mit magnetischen Lagern zeigt.
6 und 6a sind Querschnittsansichten von Laserkammern bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Ansicht, die die Merkmale einer bevorzugten Vorionisierungsröhre zeigt.
8 ist eine Blockansicht eines Pulsleistungssystems der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8b ist ein vereinfachtes Schaltbild der vorhergehenden bevorzugten Ausführungsform.
8c ist eine kombinierte Blockansicht und Schaltdiagramm einer Hochspannungsleistungsversorgung, die Teil der obigen bevorzugten Ausführungsform ist.
8d ist eine Aufrissansicht eins Pulstransformators, der in der obigen bevorzugten Ausführungsform eingesetzt wird.
8e ist eine Ansicht einer Primärwicklung eines Pulstransformators, der in der obigen bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.
8f1, 8f2 und 8f3 sind Zeitdiagramme, die die Pulskomprimierung bei Verwendung der obigen bevorzugten Ausführungsform zeigen.
8g1 und 8g2 sind Zeichnungen, die zwei Ansichten einer sättigbaren Induktivität zeigen.
8h1 und 8h2 zeigen die Montage eines Komprimierungskopfes in einer bevorzugten Ausführungsform.
9a und 9b sind Zeichnungen, die die Gestalt eines bevorzugten Wärmetauschers beschreiben.
10a bis 10f sind Graphen von Testdaten, die während Experimente mit einem Prototypen F₂-Laser gewonnen wurden.
11a und 11b zeigen zwei bevorzugte F₂-Systemkonfigurationen.
12a bis 12e zeigen diverse Anodenhaltestabausführungsformen.
13 beschreibt ein bevorzugtes Ummantelungskühlsystem.
14a, 14b und 14c zeigen bevorzugte Lüfterblattstrukturausführungsformen.
15a zeigt Graphen mit maximaler Pulswiederholungsrate und Pulsenergie als eine Funktion der Fluorkonzentration.
15b zeigt Graphen der Pulsleistung und der integrierten quadratischen Energie während eines typischen Pulses.
16 zeigt ein Gasversorgungssystem mit großer Sammelleitung.
17 zeigt ein optisches Spülsystem.
18 zeigt ein bevorzugtes Pulsenergiedetektorsystem.
19 zeigt eine Technik zur Linienverschmählerung eines F₂-Lasers.
20 zeigt qualitativ die Aufweitung des F₂-Laserstrahls bei erhöhtem Druck.
21 zeigt die Änderung der Pulsenergie und des Ausgangsspektrums mit zunehmender Neonkonzentration, wobei das Puffergas Helium ist.
22a, 22b, 22c und 22d zeigen Merkmale eines bevorzugten Pulstransformators zur Erzeugung von Hochspannungspulsen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
ERSTE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird nun mit Bezug zu den Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
MODULARER LASER
Eine Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. Diese Zeichnung betont den modularen Charakter ihrer speziellen erfindungsgemäßen Gegenstände, die ein sehr rasches Austauschen von Modulen zum Zwecke der Reparatur, des Austausches und der Wartung ermöglichen. Die wesentlichen Bestandteile dieser Ausführungsform sind unten entsprechend den Bezugszeichen, die in 4 gezeigt sind, aufgeführt.

201: Lasergehäuse
202: Gasmodul
203: Kühlwasserversorgungsmodul
204: AC/DC-Verteilungsmodul
205: Steuermodul
206: Linienverschmählerungsmodul
207: Kompressionskopf
208: Hochspannungspulsleistungsversorgungsmodul
209: Kommutatormodul für Pulsleistungsversorgung
210: Metallfluoridfalle
211: Laserkammer
213: Wellenmessermodul
214: automatische Schließer
216: Ausgangskoppler
217: Lüftermotor
218: Leistungsversorgung für die Metallfluoridfalle
219: Statusleuchte
220: 24-Volt-Leistungsversorgung
221: Kammerfenster
222: flexible Verbindung für die Gassteuerung
224: Belüftungsbehälter

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Version des Lasers, der in den 1, 2 und 3 beschrieben ist. Die bevorzugte Ausführungsform umfasst die folgenden Verbesserungen:

1) ein größerer Einzelröhrenvorionisierer wird statt der konventionellen Kombination eines Zweiröhrenvorionisierers verwendet, um die Effizienz zu erhöhen, eine bessere Vorionisierung und einen verbesserten Lasergasstrom zwischen den Elektroden zu erreichen;
2) ein siliziumfreies Lüfterblatt, das ein einstückiges maschinell hergestelltes Blatt sein kann;
3) die Pulsleistungssystemschaltung wurde modifiziert, um eine schnellere Anstiegszeit zu erzeugen, wodurch konsistentere Pulse und eine erhöhte Lasereffizienz bei höheren Spannungen erreicht wird;
4) eine präzisere Steuerung der Ladespannung des Pulsleistungssystems;
5) eine Computersteuerung, die mit einem neuen Algorithmus programmiert ist, der eine stark verbesserte Steuerung der Pulsenergie und der Pulsfolgeenergie ermöglicht; und
6) der Elektrodenabstand wurde auf 10 mm verringert.

LASERKAMMER
EINZELVORIONISIERUNGSRÖHRE
Wie in 6 gezeigt ist, wurde eine einzelne größere Vorionisierungsröhre 56a anstelle des Zweirohrvorionisierers 56, der in 3 gezeigt ist, verwendet. Der Einröhrenvorionisierer wird entsprechend dem US-Patent 5,719,896, das am 17. Februar 1998 erteilt wurde, hergestellt. Die Anmelder haben herausgefunden, dass eine einzige Vorionisiererröhre nicht nur ausreichend ist, sondern auch sehr überraschenderweise eine verbesserte Leistung gegenüber dem Zweirohrionisiereraufbau liefert. In dieser Ausführungsform ist der Vorionisierer funktionsmäßig vor den Elektroden angeordnet. Die Anmelder haben herausgefunden, dass ein Einröhrenvorionisierer die Puls-zu-Puls-Stabilität verbessert, indem eine erhöhte räumliche Stabilität der Entladung erreicht wird.
Es sei nun auf 7 verwiesen; in diesem Vorionisierer wird ein integrierter Röhrenaufbau angewendet, wobei ein Hülsenelement 180 mit Sperrrillen 170 vorgesehen ist, die darin als eine integrale Komponente der Röhre enthalten ist. Der Durchmesser des Stabbereichs 145 und der OD (Außendurchmesser) des Hülsenbereichs 180 des Vorionisierers beträgt 1,27 cm (0,5 inch). Der innere Leiterstab 146 besitzt einen Durchmesser von 0.48 cm (7/37 inch) und der Verbindungsdraht, der sich durch den Hülsenabschnitt erstreckt, um eine Masseverbindung herzustellen, beträgt ungefähr 0,16 cm (1/16 inch). In konventionellen Vorionisiererröhrenanordnungen wurde ein Aufbau mit zwei Durchmessern verwendet, wobei der Stabbereich einen Durchmesser von ungefähr 0,64 cm (¼ inch) und die Hülsen einen Durchmesser von ungefähr 2,54 cm (1 inch) aufwiesen. Dies erforderte aus Herstellungsgründen einen Verbindungsprozess, um die Hülsenkomponente mit der Röhrenkomponente zu verbinden. Die dickere Röhrenausführungsform mit dem konstanten Durchmesser widerspricht den konventionellen Gestaltungsregeln, die eine Reduzierung der Ionisierung auf Grund der geringeren Kapazitäten vorhersagen würde. In den meisten Anordnungen ist die Röhrendicke abhängig von der Durchschlagsfestigkeit des ausgewählten Materials. Der Fachmann weiß, dass die Entwurfstechnik für konventionell bekannte Vorionisierungsröhren so ist, dass ein Material mit der höchsten Durchschlagfestigkeit ausgewählt und eine Wanddicke bestimmt wird, um dieser Eigenschaft gerecht zu werden. Beispielsweise hat bekanntlichermaßen Saphirmaterial eine Durchschlagsfestigkeit im Bereich von 1200 Volt/mil bis 1700 Volt/mil. Daher liefert eine dielektrische Dicke von 0.035 inch einen Sicherheitsfaktor von 2, wenn der Laser bei 25 kV betrieben wird. Dieser Aufbau liefert eine geringere Kapazität; es wurde jedoch festgestellt, dass diese eigentliche Wirkung der reduzierten Kapazität auf den Laserbetrieb vernachlässigbar ist, wobei überraschenderweise ein Anstieg der gemessenen geometrischen Bestrahlung des Elektrodenspalts auftrat. Auf Grund des Aufbaus der integralen Hülse mit dickeren Röhrenwand und konstantem Durchmesser kann ein einzelnes Materialstück bearbeitet werden, um Sperrrillen 170 herzustellen. Auf Grund des einstückigen Aufbaus muss kein äußerst reines (d. h. 99,9%) polykristallines durchscheinendes Aluminiumoxidkeramikmaterial verwendet werden, obwohl der Anmelder weiterhin das äußerst reine Material verwendet. Es besteht nicht die Erfordernis, die schwierige Oberflächenpolierung für die Röhrengeometrien bei der Vorbereitung für die Diffusionsverbindung durchzuführen, um künstlich eine integrale Verbindung zwischen der Hülse 180 und der Röhre 145 zu schaffen. Tatsächlich wurde festgestellt, dass die hone Reinheit keine so wichtige Eigenschaft ist wie die Porosität des Materials. Es wurde festgestellt, dass je größer die Porosität ist, desto mehr die Durchschlagsfestigkeit verringert wird. Folglich kann ein kommerzielles Keramikmaterial vorzugsweise mit einer Reinheit von mindestens 99,8% und geringer Porosität, etwa das von Coors Ceramics Company unter der Materialbezeichnung AD-998E verwendet werden, das eine Durchschlagsfestigkeit von 300 Volt/mil aufweist. Hülsen 810 mit darin angeordneten Sperrrillen 170, wie sie zuvor beschrieben sind, wirken so, dass eine Hochspannung axial entlang der Oberfläche der Röhre von der Kathode zu der Erdungsebene 160 verhindert wird.
Wie zuvor erläutert ist, haben die Anmelder entdeckt, dass ein einzelner Vorionisierer wesentlich besser als zwei Vorionisierer funktioniert, und wie zuvor erläutert ist, wird in der ersten bevorzugten Ausführungsform das Einzelvorionisierersystem funktionsmäßig vor den Elektroden angeordnet. Die Anmelder haben ebenso mit dem Einzelvorionisierer Untersuchungen durchgeführt, wenn dieser den Elektroden nachgeschaltet ist, und haben herausgefunden, dass ab gewissen Lüftergeschwindigkeiten diese Anordnung eine wesentlich bessere Pulsenergiestabilität erzeugt, als die vorgeschaltete Anordnung in der Zweiröhrenanordnung.
HOCH EFFIZIENTE KAMMER
Verbesserungen wurden an der Kammer durchgeführt, um den Wirkungsgrad des Lasers zu verbessern. Ein Einzelstückkathodenisolator 55a, der aus Alumina Al₂O₃, aufgebaut ist, isoliert die Kathode von der oberen Kammerstruktur, wie in 6a gezeigt ist. In einer herkömmlichen Gestaltung waren acht separate Isolatoren erforderlich, um eine Rissbildung des Isolators auf Grund der thermischen Ausdehnungsspannung in dem Isolator zu vermeiden. Diese wichtige Verbesserung erlaubt es, dass der Kopfbereich der Kammer kürzer gestaltet werden kann, was deutlich den Abstand zwischen der Kathode 83 und dem Spitzenkondensator 82 verringert. Die einzelnen Kondensatoren 54a, die das Spitzenkondensatorarray 82 bilden, werden somit horizontal näher an die Kathode herangeführt im Vergleich zum Stand der Technik.
Konventionelle Kathoden für kommerzielle Lithographielaser werden typischerweise von einem Kathodenhaltestab 53 gehalten, wie dies in 3 gezeigt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform wurde der Kathodenhaltestab weggelassen und die Kathode 83 wurde geringfügig dicker gestaltet und direkt an dem Einzelstückisolator 55a befestigt. Die Kathode 83 ist mit der Hochspannungsseite 82a des Spitzenkondensators 82 mittels 15 Durchführungsstäben 83a und Verbindungsmuttern 83b verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform ist ein neuer Anodenhaltestab 84a deutlich massiver ausgeführt als konventionelle Anodenhaltestäbe und umfasst ferner Rippen 84b, die in dem Gasstromgebiet angeordnet sind. Beide Merkmale verringern die Temperaturschwankungen der Anode.
METALLDICHTUNGEN
Die Anmelder haben entdeckt, dass konventionelle elastische Dichtungen mit Fluorgas reagieren, um Kontaminationsstoffe in dem Lasergas zu erzeugen, die das Laserverhalten beeinträchtigen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ausschließlich Metalldichtungen verwendet, um die Laserkammer abzudichten. Die bevorzugten Metalldichtungen sind zinnbeschichtete Inconel-1718-Dichtungen.
MONEL-METALLSTROMRÜCKFÜHRSTRUKTUREN UND LÜFTERBLÄTTER
Die Anmelder haben ferner entdeckt, dass Elemente aus rostfreiem Stahl ebenso mit Fluor reagieren, um dabei Kontaminationsstoffe im Lasergas zu erzeugen. Daher wurden in dieser bevorzugten Ausführungsform Stromrückführstrukturen und Führungselemente für die Gasströmung aus rostfreiem Stahl durch Stromrückführungen 250 aus Monelmetall und Strömungsführungselementen 252 und 254 aus Monel-Metall ersetzt.
VERBESSERUNGEN AM LÜFTER
Diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lüfterblattstruktur ohne Hartlötung. Das Lüfterblatt enthält eine nicht symmetrische Blattanordnung, die deutlich Resonanzeffekte verringert und die Lagerlebensdauer erhöht.
SILIZIUMFREIE LÜFTERBLATTSTRUKTUR
Die Anmelder entdeckten, dass ein Verbindungsmaterial, das häufig in Lüfterblattstrukturen verwendet wird, die wesentliche Quelle für SiF₆ in der Laserkammer ist. Dieses Gas beeinträchtigt das Leistungsvermögen des Lasers bei KrF-Lasern beträchtlich, führte jedoch zu massivsten Beeinträchtigungen bei ArF-Lasern und F₂-Lasern. Die Anmelder haben vier Lösungen für dieses Problem erdacht. Zunächst wurde die Blattstruktur als Segmente aus einem festen Materialblock (in diesem Falle Aluminium) herausgearbeitet. Eine andere Lösung besteht darin, die Blattstruktur in Segmenten zu gießen. Diese Segmente werden dann unter Anwendung der Elektronenstrahlschweißung miteinander verschweißt, wobei kein neues Material hinzugefügt wird. Es ist auch möglich, die Blattstruktur durch Verbinden von Blättern zu einer Rahmenstruktur herzustellen, aber in diesem Falle ist das Verbinden mittels Elektronenstrahlschweißen anstelle des konventionellen Hartlötens erforderlich. Das vierte Verfahren besteht darin, das Blatt zu einer Rahmenstruktur unter Anwendung eines Lötprozesses zusammenzufügen, wobei ein siliziumfreies Lot verwendet wird. Aluminium 6061 wird als das Basismaterial für alle Komponenten verwendet. Diese Teile werden dann vor dem Lötvorgang mit Kupfer beschichtet. Wenn alle Teile zusammengefügt sind, wird dann der Lüfter unter Verwendung eines Niedrigtemperaturlots, typischerweise 91% Zinn (Sn) und 9% Zink (Zn) in einem Vakuumofen verlötet. Dieses Lot wird auf Grund des Fehlens von Silizium und auf Grund der Eigenschaft gewählt, dass es mit kupferbeschichtetem Aluminium verwendet werden kann. Der zusammengefügte und verlötete Lüfter wird dann mit Nickel beschichtet. Dieses Herstellungsverfahren ergibt einen siliziumfreien Lüfter, der kostengünstig herzustellen ist.
DIE REDUZIERUNG DER RESONANZEFFEKTE
Konventionelle Lüfterblattstrukturen bestehen aus einem tangentialen Lüfter mit 23 länglichen Blättern. Diese Blätter werden symmetrisch am Umfang des Aufbaus montiert. Deutliche Resonanzeffekte wurden sowohl im Hinblick auf die Lüfterparameter als auch auf das eigentliche Laserverhalten gemessen. Störungen im Laserstrahl konnte nachweislich mit Schallwellen bei der 23-fachen Drehfrequenz des Lüfters in Zusammenhang gebracht werden. Nachteilige Einflüsse auf das Lagerverhalten wurden ebenso entsprechend der 23-fachen Drehfrequenz des Lüfters gemessen.
Verbesserungen im Lüfteraufbau führen zu einer nicht symmetrischen Blattanordnung, wie sie etwa in 14a gezeigt ist. Eine Alternative ist in 14b gezeigt, wobei die Lüfterblattstruktur aus 16 separat hergestellten oder gegossenen Segmenten aufgebaut ist, wobei jedes Segment 23 Blätter besitzt und wobei jedes Segment um 360°/(15 × 23) oder ungefähr 1° relativ zu dem benachbarten Segment gedreht ist. Eine weitere Verbesserung, die relativ einfach bei der maschinellen Bearbeitung oder beim Gießen an der Lüfterblattstrukturherstellung durchgeführt werden kann, besteht darin, die Blätter als Luftfolien auszubilden, wie dies bei 320 in 14c gezeigt ist. Konventionelle Blätter werden gepresst und ein Querschnitt der zwei gepressten Blätter ist zum Vergleich bei 314 gezeigt. Die Drehrichtung ist mit 318 und 330 gezeigt und repräsentiert den Umfang der Blattstruktur. Während konventionelle Blätter eine gleichförmige Dicke aufweisen, besitzen Luftfolienblätter ein Tropfenprofil mit einem abgerundeten vorderen Rand, einen verdichten Mittelabschnitt und einem sich verjüngenden hinteren Rand.
VERBESSERUNGEN DER LAGER
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen eine von zwei alternativen Verbesserungen in der Lagertechnik gegenüber dem Stand der Technik.
KERAMISCHE LAGER
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst keramische Lager. Die bevorzugten keramischen Lager sind aus Siliziumnitrid hergestellt, das mit einem synthetischen Schmiermittel, vorzugsweise Perfluoropolyalkylether (PFPE) geschmiert wird. Diese Lager zeigen eine deutliche höhere Lebensdauer im Vergleich zu konventionellen Lüfterlagern von Excimerlasern. Des weiteren werden weder die Lager noch das Schmiermittel merklich durch das äußerst reaktive Fluorgas beeinflusst.
MAGNETLAGER
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Magnetlager vorgesehen, die die Lüfterstruktur, wie sie in 5 gezeigt ist, hält. In dieser Ausführungsform wird die Welle 130, die die Lüfterblattstruktur 146 hält, ihrerseits von einem aktiven magnetischen Lagersystem gehalten und von einem bürstenlosen Gleichstrommotor 130 angetrieben, in welchem der Rotor 129 des Motors und die Rotoren 128 mindestens zweier Lager in der Gasumgebung der Laserkavität gasdicht untergebracht sind, und wobei der Motorstator 140 und die Spulen 126 der magnetischen Lagermagnete außerhalb der Gasumgebung angeordnet sind. Diese bevorzugte Lagergestaltung enthält ferner ein Axialdrucklager mit aktiven Magneten 124, wobei wiederum die Spulen außerhalb der Gasumgebung angeordnet sind.
AERODYNAMISCHER ANODENHALTESTAB
Wie in 3 gezeigt ist, wird in der konventionellen Gasströmungsführung mittels des Lüfters 10 eine Strömung zwischen den Elektroden 6a und 6b durch den Anodenhaltestab 44 erzeugt. Die Anmelder haben jedoch entdeckt, dass die konventionelle Ausgestaltung des Haltestabs 44, wie dies etwa in 3 gezeigt ist, deutlich aerodynamische Reaktionskräfte auf den Lüfter hervorruft, die auf die Lüfterlager übertragen werden, wodurch sich eine Kammervibration ergibt. Die Anmelder nehmen an, dass diese Vibrationskräfte für den Verschleiß der Lüfterlager und für mögliche gelegentliche Lagerausfälle verantwortlich sind. Die Anmelder testeten andere Gestaltungen, wovon einige in den 12a bis 12e gezeigt sind, die alle die aerodynamischen Reaktionskräfte verringerten, indem über eine längere Zeitdauer die Reaktionskraft verteilt wurde, die sich bei jedem Vorbeilaufen des Blattes nahe an dem Rand des Haltestabs 44 ergab. Eine der bevorzugten Ausgestaltungen des Anmelders für den Anodenhaltestab ist in 6a bei 84a gezeigt. Diese Ausführungs form besitzt eine deutlich größere Masse, was die Anodentemperatureinsparungen minimiert. Die Gesamtmasse der Anode und des Anodenhaltestabs beträgt 3,4 kg. Ferner umfasst diese Ausführungsform Rippen 84b, die eine zusätzliche Kühlung für die Anode bewirken. Untersuchungen der Anmelder deuten an, dass sowohl die akustischen Prallplatten als auch der aerodynamische Anodenhaltestab dazu tendieren, die Gasströmung geringfügig zu reduzieren, so dass die Gasströmung begrenzt ist, wobei die Anwendung dieser beiden Verbesserungen durch eine Abwägung der Vorteile anzuwenden wäre. Aus diesem Grunde sind zwei Verbesserungen in 6a und nicht in 6 gezeigt.
PULSLEISTUNGSSYSTEM
FUNKTIONSBESCHREIBUNG VON VIER PULSLEISTUNGSMODULEN
Ein bevorzugtes Pulsleistungsmodulsystem wird als vier separate Module, die in den 8a und 8b dargestellt sind, hergestellt, wobei jedes Modul ein wichtiges Bestandteil des Excimerlasersystems ist und wobei jedes im Falle eines Bauteilausfalls oder im Laufe eines regulären vorbeugenden Wartungsprogramms ausgetauscht werden kann. Diese Module werden von den Anmeldern bezeichnet als: Hochspannungsleistungsversorgungsmodul 20, Kommutatormodul 40, Kompressionskopfmodul 60 und Laserkammermodul 80.
HOCHSPANNUNGSLEISTUNGSVERSORGUNGSMODUL
Das Hochleistungsleistungsversorgungsmodul 20 umfasst einen 300 Volt Gleichrichter 22, um den 208 Volt Dreiphasennetzstrom von einer Versorgung 10 in eine 300 Volt Gleichspannung umzuwandeln. Ein Inverter 24 wandelt das Ausgangssignal des Gleichrichters 22 in Hochfrequenzpulse 300 im Bereich von 100 kHz bis 200 kHz um. Die Frequenz und die Einschaltperiode des Inverters 24 werden durch die HV-Leistungsversorgungssteuerplatine 21 derart gesteuert, dass eine Regelung der endgültigen Ausgangspulsenergie des Systems erreicht wird. Die Ausgangsspannung des Inverters 24 wird auf ungefähr 1200 Volt in einem Aufwärtstransformator 26 heraufgesetzt. Der Ausgang des Transformators 26 wird durch einen Gleichrichter 28 in 1200 Volt Gleichspannung umgewandelt, der eine standardmäßige Brückengleichrichterschaltung 30 und einen Filterkondensator 32 aufweist. Die elektrische Gleichspannungsenergie der Schaltung 30 lädt einen Ladekondensator 42 von 8,1 μF (C₀) in dem Kommutatonnodul 40 auf, wenn dies von der HV- Leistungsversorgungssteuerplatine 21 angewiesen wird, die den Betrieb des Inverters 24 steuert, wie in 8a gezeigt ist. Sollwerte in der HV-Leistungsversorgungssteuerplatine 21 werden von der Lasersystemsteuerplatine 100 festgelegt.
Der Leser sollte beachten, dass in dieser Ausführungsform, wie sie in 8a gezeigt ist, die Pulsenergiesteuerung für das Lasersystem durch das Leistungsversorgungsmodul 20 gewährleistet wird. Die elektrischen Schaltungen in dem Kommutatormodul 40 und in dem Kommpressionskopfmodul 60 dienen lediglich dazu, die in den Ladekondensator 42 durch das Leistungsversorgungsmodul 20 eingespeicherte elektrische Energie zu nutzen, um bei einer Rate von 1000 bis 2000 Pulsen pro Sekunde einen elektrischen Puls zu bilden, die Pulsspannung zu verstärken und die Pulsdauer zeitlich zu komprimieren. Als Beispiel für diese Steuerungsart zeigt 8a, dass der Prozessor 102 in der Steuerplatine 100 die Leistungszufuhr so gesteuert hat, dass genau 700 Volt dem Ladekondensator 42 zugeführt werden, der während des Aufladevorganges von den nachgeschalteten Schaltungen mittels des Halbleiterschalters 46 isoliert ist. Die elektrische Schaltung in dem Kommutator 40 und dem Kompressionskopf 60 wandelt beim Schließen des Schalters 46 die in dem Kondensator 42 gespeicherte elektrische Energie sehr rasch und automatisch in den exakten elektrischen Entladepuls über den Elektroden 83 und 84 um, der erforderlich ist, um den nächsten Laserpuls mit der benötigten präzisen Energie bereitzustellen, die durch den Prozessor 102 in der Steuerplatine 100 festgelegt wird.
KOMMUTATORMODUL
Das Kommutatormodul 40 umfasst den Ladekondensator 42 C₀, der in dieser Ausführungsform eine Kondensatorbank repräsentiert, die parallel geschaltet ist, um eine Gesamtkapazität von 8,1 μF zu erreichen. Ein Spannungsteiler 44 liefert ein Rückkopplungsspannungssignal zu der HV-Leistungsversorgungssteuerplatine 21, das von der Steuerplatine 21 verwendet wird, um das Laden des Kondensators 42 auf die Spannung (die als „Steuerspannung" bezeichnet wird) zu begrenzen, die beim Umwandeln in einen elektrischen Puls, beim Komprimierung und Verstärkung in dem Kommutator 40 bzw. dem Kompressionskopf 60 die gewünschte Entladespannung an dem Spitzenkondensator 82 und über den Elektroden 83 und 84 erzeugt.
In dieser Ausführungsform (die so gestaltet ist, um elektrische Pulse im Bereich von ungefähr 3 Joule und 16000 Volt bei einer Pulsrate von 2000 Hz zu erzeugen) sind ungefähr 250 Mikrosekunden (wie dies in 8F1 dargestellt ist) für die Leistungsversorgung 20 erforderlich, um den Ladekondensator 42 auf 800 Volt aufzuladen. Daher ist der Ladekondensator 42 vollständig geladen und bei der gewünschten Spannung stabil, wenn ein Signal von der Kommutatorsteuerplatine 41 den Halbleiterschalter 44 schließt, der wiederum den sehr schnellen Schritt zum Umwandeln der in dem Ladekondensator C₀ gespeicherten Energie von 3 Joule in eine 16000 Volt Entladung über den Elektroden 83 und 84 bewirkt. Bei dieser Ausführungsform ist der Halbleiterschalter 46 ein IGBT-Schalter, obwohl andere Schaltertechnologien, etwa SCR, GTO, MCT, etc. ebenso benutzt werden können. Eine 600 nH-Ladeinduktivität 48 ist mit dem Halbleiterschalter 46 in Reihe geschaltet, um anfänglich den Strom durch den Schalter 46 zu begrenzen, während dieser sich zum Entladen des Ladekondensators 42 C₀ schließt.
PULSERZEUGUNGSSTUFE
Die erste Stufe der Hochspannungspulsleistungserzeugung ist die Pulserzeugungsstufe 50. Um den Puls zu erzeugen, wird die Ladung auf dem Ladekondensator 42 auf einen 8,5 μF Kondensator 52 (C₁) in ungefähr 5 Mikrosekunden durch Schließen des IGBT-Schalters 46 geschaltet, wie dies in 8f2 gezeigt ist.
ERSTE KOMPRESSIONSSTUFE
Eine sättigbare Induktivität blockt zu Beginn die auf dem Kondensator 52 anliegende Spannung ab und sättigt dann, wodurch der Ladungsübergang von dem Kondensator 52 über den 1:23 Aufwärtspulstransformator 56 auf einen Kondensator 62 (C_P–1) in einer Übertragungszeitdauer von ungefähr 550 Nanosekunden ermöglicht wird, wie in 8f3 dargestellt ist, so dass eine erste Stufe der Kompression 61 erreicht wird.
Die Gestaltung des Pulstransformators 56 wird im Folgenden beschrieben: Der Pulstransformator wandelt sehr effizient einen 700 Volt 17500 Ampere 550 ns Puls in einen 16100 Volt, 760 Ampere 550 ns Puls um, der kurzfristig in der Kondensatorbank 62 C_p–1 in dem Kompressionskopfmodul 60 gespeichert wird.
KOMPRESSIONSKOPFMODUL
Das Kompressionskopfmodul 60 komprimiert den Puls noch weiter.
ZWEITE STUFE DER KOMPRESSION
Eine sättigbare Induktivität 64 (L_p–1) (mit ungefähr 125 nH Sättigungsinduktivität) blockiert die Spannung an der Kondensatorbank 62 C_p–1 mit 16,5 nF für ungefähr 550 nS und ermöglicht dann, dass die Ladung auf C_p–1 (in ungefähr 100 ns) auf einen Spitzenkondensator (Cp) 82 mit 16,5 nF übertragen wird, der auf der Oberseite der Laserkammer 80 vorgesehen ist und der elektrisch parallel mit den Elektroden 83 und 84 und dem Vorionisierer 56a verbunden ist. Diese Umwandlung eines 550 ns langen Pulses in einen 100 ns langen Puls, um den Spitzenkondensator 82 Cp aufzuladen, stellt die zweite und letzte Stufe der Kompression, wie sie bei 65 in 8a dargestellt ist, dar.
LASERKAMMERMODUL
Ungefähr 100 ns, nachdem die Ladung beginnt, auf den Spitzenkondensator 82 zu fließen, der auf der Oberseite des Laderkammermoduls 80 montiert ist und einen Teil davon darstellt, erreicht die Spannung auf dem Spitzenkondensator 82 ungefähr 14000 Volt und es beginnt eine Entladung über die Elektroden. Die Entladung dauert ungefähr 50 ns, wobei während dieser Zeitdauer ein Lasereffekt in der optischen Resonanzkammer des Excimerlasers stattfindet. Die optische Resonanzkammer ist durch eine Linienauswahlanordnung 86 definiert, die in diesem Beispiel einen Wellenlängenselektor mit zwei Prismen und einen R-max-Spiegel, die gemeinsam als 86 in 8a bezeichnet sind, und einen Ausgangskoppler 88 aufweist. Der Laserpuls für diesen Laser ist ein schmalbandiger Puls mit 20 bis 50 ns, 157 nm mit ungefähr 10 mJ und die Wiederholungsrate beträgt bis zu 2000 Pulse pro Sekunde. Die Pulse definieren einen Laserstrahl 90 und die Pulse des Strahles werden durch die Photodiode 92 überwacht, wie dies insgesamt in 8a gezeigt ist.
STEUERUNG DER PULSENERGIE
Das Signal von dem Photodetektor 92 wird den Prozessor 102 in der Steuerplatine 100 zugeleitet und der Prozessor verwendet dieses Energiesignal und vorzugsweise andere histo rische Pulsenergiedaten (wie dies nachfolgend im Abschnitt mit dem Titel Pulsenergiesteuerungsalgorithmus erläutert wird), um die Sollspannung für den nächsten und/oder für künftige Pulse festzulegen. In einer bevorzugten Ausführungsform, in der der Laser mit einer Reihe von kurzen Pulsfolgen betrieben wird (etwa 100 Pulse bei einer Dauer von 0.5 Sekunden mit 2000 Hz, wobei die einzelnen Folgen bzw. Sequenzen durch eine Totzeit von ungefähr 0.1 Sekunde getrennt sind), ist der Prozessor 102 in der Steuerplatine 100 mit einem speziellen Algorithmus programmiert, der das jüngste Pulsenergiesignal zusammen mit dem Energiesignal aller vorhergehenden Pulse in der Sequenz zusammen mit anderen historischen Pulsprofildaten verwendet, um eine Steuerspannung für den nachfolgenden Puls so zu wählen, dass Puls-zu-Puls-Energieschwankungen minimiert werden, und so dass auch Energieschwankungen von Sequenz zu Sequenz minimiert werden. Diese Berechnung wird von dem Prozessor 102 in der Steuerplatine 100 ausgeführt, wobei dieser Algorithmus während einer Periode von ungefähr 35 μs angewendet wird. Die Laserpulse treten ungefähr 5 μs lang auf und folgen auf T₀ des Schaltens des IGBT-Schalters 46, der in 8f3 gezeigt ist, und es sind ungefähr 20 μs erforderlich, um die Laserpulsenergiedaten zu gewinnen. (Der Beginn des Schaltvorgangs des Schalters 46 wird als T₀ bezeichnet.) Somit ist ein neuer Sollspannungswert (wie in 8f1 gezeigt ist) ungefähr 70 μs nach dem Ansteuern des IGBT-Schalters 46 für den vorherigen Puls (bei 2000 Hz beträgt die Schaltdauer 500 μs) verfügbar. Die Merkmale des Energiesteuerungsalgorithmus sind unten erläutert und sind auch detaillierter in der US-Patentanmeldung 09/034,870 beschrieben.
ENERGIERÜCKGEWINNUNG
Diese bevorzugte Ausführungsform ist mit einer elektronischen Schaltung versehen, die Überschussenergie aus dem vorhergehenden Puls in den Ladekondensator 42 zurückspeist. Diese Schaltung verringert den Energieverlust beträchtlich und verhindert im Wesentlichen das Nachschwingen in der Laserkammer 80.
Die Energierückgewinnungsschaltung 47 umfasst eine Energierückgewinnungsinduktivität 58 und eine Energierückgewinnungsdiode 59, die in Reihe über dem Ladekondensator 42 C₀ angeschlossen sind, wie in 8b gezeigt ist. Da die Impedanz des Pulsleistungssystems nicht exakt mit jener der Kammer übereinstimmt und auf Grund der Tatsache, dass die Kammerimpedanz sich um einige Größenordnungen während der Pulsentladung ändert, wird von dem Hauptpuls eine negativ laufende „Reflektion" erzeugt, die sich von der Kammer rückwärts in Richtung des vorderen Endes des Pulserzeugungssystems ausbreitet. Nachdem sich die Überschussenergie durch den Kompressionskopf 60 und den Kommutator 40 zurück ausgebreitet hat, öffnet der Schalter 46 auf Grund des Wegfalls des Triggersignals von der Steuerung. Die Energierückgewinnungsschaltung 57 kehrt die Polarität der Reflektion, die eine negative Spannung an dem Ladekondensator 42 erzeugt hat, durch den resonanten Freilaufpfad um (ein Halbzyklus des Schwingens der LC-Schaltung, die aus dem Ladekondensator 42 und der Energierückgewinnungsinduktivität 58 besteht), der zur Verhinderung der Stromumkehr in der Induktivität 58 durch die Klemmwirkung der Diode 59 verwirklicht ist. Das Gesamtergebnis besteht darin, dass im Wesentlichen die gesamte reflektierte Energie aus der Kammer 80 von jedem Puls zurückgewonnen und in dem Ladekondensator 42 als eine positive Ladung gespeichert wird, die für den nächsten Puls verfügbar ist. 8f1, 2 und 3 sind Zeitablaufdiagramme, die die Ladungen auf den Kondensatoren C₀, C₁, C_p–1 und Cp zeigen. Die Diagramme zeigen den Prozess der Energierückgewinnung an dem Kondensator C₀.
MAGNETSCHALTERVORMAGNETISIERUNG
Um den vollen B-H-Kurvenverlauf der magnetischen Materialien, die in den sättigbaren Induktivitäten verwendet sind, auszunutzen, wird ein Vormagnetisierungsgleichstrom so bereitgestellt, dass jede Induktivität invers gesättigt wird, wenn durch das Schließen des Schalters 46 ein Puls erzeugt wird.
Im Falle der sättigbaren Induktivität 48 und 54 des Kommutators wird dies erreicht, indem ein Vormagnetisierungsstrom von ungefähr 15 Ampere umgekehrt (im Vergleich zur normalen Stromflussrichtung) durch die Induktivitäten geleitet wird. Dieser Vormagnetisierungsstrom wird durch eine Vormagnetisierungsstromquelle 120 durch die Trenninduktivität LB1 bereitgestellt. Der tatsächliche Stromfluss findet von der Leistungsversorgung durch die Masseverbindung des Kommutators über die Primärwicklung des Pulstransformators, über die sättigbare Induktivität 54, über die sättigbare Induktivität 48 und durch die Separierungsinduktivität LB1 zurück zu der Vormagnetisierungsstromquelle 120 statt, wie dies durch die Pfeile B1 gezeigt ist.
Im Falle der sättigbaren Induktivität des Kompressionskopfes wird ein Vormagnetisierungsstrom B2 von ungefähr 5 Ampere von der zweiten Vormagnetisierungsstromquelle 126 über die Trenninduktivität LB2 bereitgestellt. Im Kompressionskopf teilt sich der Strom auf und der Hauptteil B2-1 geht durch die sättigbare Induktivität LP-1 64 zurück zur Trenninduktivität LB2 und weiter zu der zweiten Vormagnetisierungsstromquelle 126. Ein kleinerer Anteil des Stromes B2-2 fließt durch das HV-Kabel, das den Kompressionskopf 60 und den Kommutator 40 verbindet, über die Sekundärwicklung des Pulstransformators nach Masse und über einen Vorwiderstand zurück zu der zweiten Vormagnetisierungsstromquelle 126. Dieser zweite kleinere Strom wird verwendet, um den Pulstransformator vorzumagnetisieren, so dass dieser ebenso für den gepulsten Betrieb vorbereitet ist. Der Betrag des Stromes, der in jeweils die beiden Zweige aufgeteilt wird, ist durch den Widerstand in jedem Zweig bestimmt und ist bewusst so eingestellt, dass jeder Stromweg den korrekten Betrag des Vormagnetisierungsstromes erhält.
RICHTUNG DES STROMFLUSSES
In dieser Ausführungsform wird die Flussrichtung der Pulsenergie durch das System von einer standardmäßigen Dreiphasenleistungsquelle 10 zu den Elektroden und nach Masse über die Elektrode 84 als „Vorwärtsströmung" bezeichnet und diese Richtung wird als die Vorwärtsrichtung betrachtet. Wenn auf eine elektrische Komponente, etwa eine sättigbare Induktivität, hingewiesen wird, die als vorwärtsleitend bezeichnet wird, so ist damit gemeint, dass diese in die Sättigung vormagnetisiert ist, um „Pulsenergie" in einer Richtung zu den Elektroden zu führen. Wenn sie rückwärtsleitend ist, ist diese bis zur Sättigung so vormagnetisiert, um Energie in einer Richtung weg von den Elektroden in Richtung des Ladekondensators zu führen. Die tatsächliche Richtung des Stromflusses (oder Elektronenstroms) durch das System hängt davon ab, wo man sich in dem System befindet. Die Richtung des Stromflusses wird daher erläutert, um dies als eine mögliche Ursache für ein fehlerhaftes Verständnis zu vermeiden.
Gemäß den 8a und 8b wurde in dieser bevorzugten Ausführungsform der Kondensator 42 C₀ (beispielsweise) auf eine positive Spannung von 700 Volt aufgeladen, so dass, wenn der Schalter 46 geschlossen ist, Strom von dem Kondensator 42 über die Induktivität 48 in Richtung des Kondensators 52 C₁ fließt (was bedeutet, dass Elektronen tatsächlich in der umgekehrten Richtung fließen). In ähnlicher Weise ist der Stromfluss von dem Kondensator 52 C₁ über die Primärseite des Pulstransformators 56 in Richtung Masse. Somit ist die Richtung des Stromes und der Pulsenergie von dem Ladekondensator 42 zu dem Pulstransformator 56 die gleiche. Wie nachfolgend in dem Abschnitt mit dem Titel „Pulstransformator" erläutert ist, ist der Stromfluss sowohl in den Primärwicklungen als auch in der Sekundärwicklung des Pulstransformators 56 auf das Massepotential zugerichtet. Das Ergebnis davon ist, dass der Stromfluss zwischen dem Pulstransformator 56 und den Elektroden während des Beginns der Entladung (was den Hauptanteil, d. h. typischerweise ungefähr 80%, der Entladung repräsentiert) in Richtung weg von den Elektroden zu dem Transformator 56 hin erfolgt. Daher ist die Richtung des Elektronenstroms während der Hauptentladung von Masse über die Sekundärseite des Pulstransformators 56 zeitweilig in den Kondensator 62 C_p–1 über die Induktivität 64, zeitweilig in den Kondensator 82 Cp und über die Induktivität 81 durch die Elektrode 84 (die als die Entladungskathode bezeichnet wird) über das Entladungsplasma, durch die Elektrode 83 und zurück zur Masse. Somit fließen zwischen dem Pulstransformator 56 und den Elektroden 84 und 83 während der Hauptentladung Elektronen in der gleichen Richtung wie die Pulsenergie. Unmittelbar auf den Hauptteil der Entladung folgend werden die Ströme und der Elektronenstrom umgekehrt und der umgekehrte Elektronenstrom findet von Masse über die geerdete Elektrode 84, über den Entladungsraumbereich zwischen den Elektroden zu der Elektrode 83 und zurück zu der Schaltung über den Transformator 56 nach Masse statt. Das Fließen des umgekehrten Elektronenstroms durch den Transformator 56 erzeugt einen Strom in den „Primärwindungen" des Transformators 56, wobei ein Elektronenstrom von Masse über die „Primärseite" des Pulstransformators 56 (die gleiche Richtung wie der Stromfluss des Hauptpulses) stattfindet, um schließlich C₀ negativ aufzuladen, wie dies qualitativ in 8f2 gezeigt ist. Die negative Ladung auf C₀ wird zurückgeführt, wie in 8f2 gezeigt und wie zuvor im Abschnitt mit dem Titel Energierückgewinnung erläutert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER PULSLEISTUNGSKOMPONENTEN
LEISTUNGSVERSORGUNG
Ein detaillierteres Schaltbild des Leistungsversorgungsbereichs der bevorzugten Ausführungsform ist in 8c dargestellt. Wie in 8c gezeigt ist, ist der Gleichrichter 22 ein gesteuerter Sechspulsgleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang von 150 Volt und – 150 Volt. Der Inverter 24 umfasst tatsächlich drei Inverter 24a, 24b und 24c. Die Inverter 24b und 24c werden ausgeschaltet, wenn die Spannung auf dem Ladekondensator 52 C₀ mit 8,1 μF 50 Volt oder weniger als die Steuerspannung beträgt und der Inverter 24a wird abgeschaltet, wenn die Spannung an C₀ 42 geringfügig die Steuerspannung übersteigt. Dieses Verfahren verringert die Laderate am Ende des Ladevorganges. Die Hochsetztransformatoren 26a, 26b und 26c sind jeweils auf 7 kW Nennlast ausgelegt und transformieren Spannung auf 1200 Volt Wechselspannung.
Es sind drei Brückengleichrichterschaltungen 30a, 30b und 30c gezeigt. Die HV-Leistungsversorgungssteuerplatine 21 wandelt einen 12 Bit digitalen Befehl in ein analoges Signal um und vergleicht dieses mit einem Rückkopplungssignal 45 von einem Co-Spannungsmonitor 44. Wenn die Rückkopplungsspannung die Steuerspannung übersteigt, wird der Inverter 24a abgeschaltet, wie dies zuvor erläutert ist, der Schalter 34 Q2 schließt sich, um die in der Stromversorgung gespeicherte Energie abzuführen, der Trennschalter 36 Q3 öffnet sich, um zu verhindern, dass weitere Energie die Versorgung verlässt und der Entladungsschalter 38 Q1 schließt sich, um die Spannung an Co 42 zu verringern, bis die Spannung an Co gleich der Steuerspannung ist. Zu diesem Zeitpunkt öffnet sich Q1.
KOMMUTATOR UND KOMPRESSIONSKOPF
Die wesentlichen Komponenten des Kommutators 40 des Kompressionskopfes 60 sind in den 8a und 8b gezeigt und sind zuvor im Hinblick auf die Funktion des Systems erläutert. In diesem Abschnitt werden die Details der Herstellung des Kommutators beschrieben.
HALBLEITERSCHALTER
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterschalter 46 ein P/N CM 1000 HA-28H IGBT-Schalter, der von Powerex, Inc. Youngwood, Pennsylvania erhältlich ist.
INDUKTIVITÄTEN
Die Induktivitäten 48, 54 und 64 beinhalten sättigbare Induktivitäten ähnlich zu jenen, wie sie in den US-Patenten 5,448,580 und 5,315,611 beschrieben sind. Eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der sättigbaren Induktivität sind jeweils in den 8G1 und 8G2 dargestellt. Bei den Induktivitäten dieser Ausführungsform sind magnetflussausschließende Metallteile, etwa 301, 302, 303 und 304 hinzugefügt, wie dies in 8G2 gezeigt ist, um den Streufluss der Induktivitäten zu verringern. Der Stro meingang dieser Induktivität ist ein Schraubanschluss bei 305 zu einem Bus, der auch mit dem Kondensator 62 verbunden ist. Der Strom durchläuft 4 ½ Windungen durch vertikale Leiter. Von der Position 305 an verläuft der Strom in einem Leiter mit großem Durchmesser in der Mitte, der als 1a bezeichnet ist, hinauf zu 6 kleineren Leitern am Rand, der mit 1B bezeichnet ist, abwärts bei 2A aufwärts bei 2B und abwärts über die gesamten Flussausschlusselemente, aufwärts bei 3B, abwärts bei 3A, aufwärts bei 4B und abwärts bei 4A, und der Strom tritt an der Position 306 aus, an welcher ein topfähnliches Gehäuse 64a als ein Hochspannungs-Stromanschluss dient. Der „Deckel" 64B der sättigbaren Induktivität umfasst ein elektrisch isolierendes Material, etwa Teflon. Bei konventionellen Pulsleistungssystemen ist das Aussickern von Öl bei mit Öl isolierten elektrischen Komponenten problematisch. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die mit Öl isolierten Komponenten auf die sättigbaren Induktivitäten beschränkt und das Öl ist in dem topfähnlichen, ölenthaltenden Metallgehäuse 64A enthalten, das, wie zuvor erläutert ist, der Hochspannungsverbindungsausgangsanschluss ist. Alle Dichtverbindungen sind über dem Ölpegel angeordnet, um im Wesentlichen die Möglichkeit eines Ölaussickerns zu vermeiden. Zum Beispiel ist die tiefsliegendste Dichtung in der Induktivität 64 bei 308 in 8G2 dargestellt. Da die Metallkomponenten ohne Magnetfluss in der Mitte des Strompfades durch die Induktivität vorgesehen sind, ermöglicht die Spannung eine Verringerung des sicheren Abstands zwischen den Metallteilen ohne Magnetfluss und den Metallstäben der anderen Windungen. Ferner sind Rippen 307 zur Erhöhung der Wärmeabfuhr vorgesehen.
KONDENSATOREN
Die Kondensatorbänke 42, 52 und 62 sind aus jeweils einer Bank kommerziell erhältlicher serienmäßiger Kondensatoren aufgebaut, die parallel verbunden sind. Diese Kondensatoren sind von Zulieferern, etwa Murata, Smyrna, Georgia, erhältlich. Das bevorzugte Verfahren des Anmelders zum Verbinden der Kondensatoren und Induktivitäten besteht darin, diese mit positiven und negativen Anschlüssen auf speziellen Leiterplatten anzulöten oder mit Bolzen zu befestigen, wobei die Leiterplatten mit Nickel beschichtete Kupferanschlüsse in ähnlicher Weise aufweisen, wie dies in dem US-Patent 5,448,580 beschrieben ist.
PULSTRANSFORMATOR
Der Pulstransformator 56 ist ähnlich zu dem Pulstransformator, wie er in den US-Patenten 5,448,580 und 5,313,481 beschrieben ist; jedoch besitzen die Pulstransformatoren der vorliegenden Ausführungsform lediglich eine einzelne Windung in der Sekundärwicklung und 23 separate Primärwindungen. Eine Darstellung des Pulstransformators 56 ist in 8D gezeigt. Jede der 23 Primärwindungen umfasst eine Aluminiumspule 56A mit zwei Flanschen (wovon jeder einen flachen Rand mit Gewindebohrungen aufweist), die mit den positiven und negativen Anschlüssen auf einer gedruckten Leiterplatte 56B durch Schrauben verbunden werden, wie dies entlang dem unteren Rand aus 8D gezeigt ist. Isolatoren 56C trennen den positiven Anschluss jeder Spule von dem negativen Anschluss der benachbarten Spule. Zwischen den Flanschen der Spule ist ein Hohlzylinder mit einer Länge von 2,78 cm (11/16 inch) und einem 0,875 OD mit einer Wandstärke von ungefähr 0,08 cm (1/32 inch). Die Spule ist mit einer 2,54 cm (1 inch) breiten, 0,7 mil dicken Metglas 2605 S3A und einer 0,1 mil dicken Mylar-Schicht umwickelt, bis der OD der isolierten Metglas-Umhüllung 5,69 cm (2,24 inch) beträgt. Eine perspektivische Ansicht einer einzelnen eingehüllten Spule, die eine einzelne Primärwindung bildet, ist in 8E gezeigt.
Die Sekundärseite des Transformators ist ein einzelner Stab aus rostfreiem Stahl, der in einer eng angepassten isolierenden Röhre aus elektrischem Glas montiert ist. Die Windung ist in vier Abschnitten vorgesehen, wie dies in 8D gezeigt ist. Die Sekundärwindung aus rostfreiem Stahl, die in 8D als 56D dargestellt ist, ist mit einem Masseanschluss auf einer Leiterplatte 56B bei 56E geerdet und der Hochspannungsanschluss ist bei 56F gezeigt. Wie zuvor dargestellt ist, erzeugt ein 700 Volt Puls zwischen dem Plus- und dem Minusanschluss der Primärwindungen einen –16100 Volt Puls beim Anschluss 56F auf der Sekundärseite bei einer 1 zu 23 Spannungstransformation. Dieser Aufbau liefert eine sehr geringe Streuinduktivität, so dass sehr schnelle Ausgangsanstiegszeiten ermöglicht werden.
PULSLEISTUNGSKOMPONENTEN DER LASERKAMMER
Der Cp-Kondensator 82 ist aus einer Bank von 28 0,59 nf Kondensatoren aufgebaut, die auf dem Druckkessel der Laserkammer montiert sind. Die Elektroden 83 und 84 sind jeweils Messingstäbe mit einer Länge von ungefähr 28 inch mit einem Abstand von ungefähr 0,5 bis 1,0 inch. In dieser Ausführungsform ist die obere Elektrode 83 die Kathode und die untere Elektrode 84 ist mit Masse verbunden, wie in 8a gezeigt ist.
MONTAGE DES KOMPRESSIONSKOPFES
Diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung richtet sich an ein Montageverfahren für den Kompressionskopf, wie es in den 8H1 und 8H2 gezeigt ist. 8H1 ist eine Seitenschnittansicht des Lasersystems, wobei die Position des Kompressorkopfmoduls 60 in Bezug zu den Elektroden 83 und 84 dargestellt ist. Diese Technik wurde so gestaltet, um die Impedanz zu minimieren, die mit dem Anschluss des Kompressionskopfs an der Kammer verbunden ist, und die gleichzeitig ein rasches Ersetzen des Kompressionskopfes ermöglicht. Wie in den 8H1 und 8H2 gezeigt ist, wird die Masseverbindung mit einem ungefähr 28 inch langen geschlitzten Verbindungsstreifen entlang der Rückseite des Kompressionskopfes hergestellt, wie dies bei 81A in 8H1 und 81B in 8H2 gezeigt ist. Die Unterseite des geschlitzten Streifens ist mit einem flexiblen Stangenmaterial 81C versehen. Ein bevorzugtes Stangenmaterial wird unter dem Handelsnamen Multilam vertrieben.
Die Hochspannungsverbindung wird zwischen einer glatten Unterseite mit 6 inch Durchmesser der sättigbaren Induktivität 64 und einem passenden Array aus flexiblem Stangenmaterial bei 89 in 8H1 hergestellt. Wie zuvor ist ein bevorzugtes Stangenmaterial Multilam. Diese Anordnung ermöglicht das Austauschen des Kompressionskopfmoduls für Reparatur oder vorbeugende Wartungsarbeiten in ungefähr 5 Minuten.
GASSTEUERUNGSMODUL
Diese bevorzugte Ausführungsform umfasst ein Fluorsteuersystem, das den Betrieb in einer gewünschten Stelle ohne die Verwendung eines Fluormonitors erlaubt. Diese Ausführungsform kann mit Bezug zu 16 beschrieben werden.
FLUORVERARMUNG
Die Laserkammer 1 umfasst ungefähr 22,3 Liter Lasergas. Typischerweise sind, wie zuvor beschrieben ist, die Inhaltsstoffe 0,1% Fluor und der Rest ist ein Puffergas (vorzugsweise Helium, Neon oder eine Mischung aus Helium und Neon) bei einem Druck von ungefähr 4 Atmosphären. Die 0,1% Fluor repräsentieren ein Volumen von 0,0023 Liter oder 2,3 Millili ter an Fluor bei 4 Atmosphären. Als Masse angegeben beträgt der nominale Anteil an Fluor in der Laserkammer ungefähr 110 mg. Der Partialdruck des reinen Fluors beträgt ungefähr 411 Pa (was ungefähr 41 kPa der 1%igen Fluormischung entspricht). Während normaler Betriebsbedingungen arbeitet der Laser mit einem Einschaltverhältnis von ungefähr 50% (was typisch ist für einen Lithographie-Laser) und dabei wird Fluor mit einer Rate von ungefähr 4,5 Milligramm pro Stunde verbraucht (das entspricht ungefähr 4% des Fluors in der Kammer pro Stunde). Auf den Partialdruck des reinen Fluors bezogen beträgt die normale Verbrauchsrate von Fluor ungefähr 15 Pa pro Stunde. Um diesen Verlust unter Verwendung einer 1%igen Fluorgasmischung zu kompensieren wird ein Volumen der Mischung der Kammer zugesetzt, die äquivalent zu ungefähr 1,6 kPa pro Stunde ist.
Die Fluorverbrauchsrate für den Laser ist alles andere als konstant. Wenn der Laserkühler in Betrieb ist, aber kein Laserbetrieb stattfindet, wird die Fluorverbrauchsrate ungefähr halbiert. Wenn der Lüfter ausgeschaltet wird, sinkt die Fluorverbrauchsrate auf ungefähr ¼ der Rate bei einem Einschaltverhältnis von 40% ab. Bei einem Einschaltverhältnis von 100% beträgt die Verbrauchsrate etwa das doppelte im Vergleich zu der Verbrauchsrate bei 40% Einschaltverhältnis.
GASAUSTAUSCH
Durch den zuvor beschriebenen Prozess wird verbrauchtes Fluor in nahezu kontinuierlicher Weise ersetzt. Da die Fluorgasquelle lediglich ein Prozent Fluor aufweist, wird damit auch ein Teil des Puffergases oder der Gase in der Kammer in nahezu kontinuierlicher Weise ersetzt. Obwohl ein Teil des Lasergases im Wesentlichen kontinuierlich ersetzt wird, wird dennoch ein Betrieb in diesem Modus zu einer Ansammlung von Kombinationsstoffen in dem Lasergas, die die Effizienz des Laser beeinträchtigen. Diese Verringerung der Effizienz erfordert eine Erhöhung der Spannung und/oder eine Erhöhung der Fluorkonzentration, um die gewünschte Pulsenergie beizubehalten. Aus diesem Grunde wird bei der normalen Betriebsart in konventionellen Systemen vorgeschlagen, den Laser periodisch auszuschalten, um einen im Wesentlichen vollständigen Gasaustausch durchzuführen. Dieser im Wesentlichen vollständige Gasaustausch wird als eine Wiederbefüllung bezeichnet. Diese Perioden können aus der Anzahl der Laserpulse, etwa 100 Millionen Pulse, zwischen entsprechenden Wiederbefüllungen ermittelt werden, oder Wiederbefüllungszeiten können auf der Grundlage der verstrichenen Kalenderzeit seit der letzten Wiederbefüllung oder mittels ei ner Kombination aus der Pulszahl und der Kalenderzeit bestimmt werden. Ferner können die Wiederbefüllungszeiten durch die Höhe der Ladespannung bestimmt werden, die für eine gewünschte Ausgangsleistung bei einer speziellen Fluorkonzentration erforderlich ist. Nach einer Wiederbefüllung sollte vorzugsweise ein neuer Test für den „bevorzugten Bereich" durchgeführt werden. Ferner sollte auch periodisch zwischen den Wiederbefüllungen ein Test für den bevorzugten Bereich ausgeführt werden, so dass, wenn sich der bevorzugte Bereich ändert, der Bediener weiß, wo der neue bevorzugte Bereich zu finden ist.
Eine Wiederbefüllung kann unter Anwendung des Systems, das in 16 gezeigt ist, wie folgt erreicht werden. In dieser Erläuterung wird angenommen, dass ein Lasergas mit einer Zusammensetzung von 0,1 Prozent Fluor und dem restlichen Anteil Puffergas verwendet ist. Mit Ventilen 510, 506, 515, 512, 517 und 504 in geschlossenem Zustand werden die Ventile 506 und 512 geöffnet und die Vakuumpumpe 513 wird in Betrieb gesetzt und die Laserkammer wird auf einen Absolutdruck von weniger als 13 kPa abgepumpt. (Eine direkte Pumpleitung kann zwischen der Kammer 1 und der Vakuumpumpe 513 vorgesehen sein, um ein rasches Abpumpen zu ermöglichen.) Das Ventil 512 wird geschlossen. Das Ventil 516 wird geöffnet und 100% Helium-Puffergas aus der Puffergasflasche 516 wird der Kammer zugesetzt, um diese auf einen Druck äquivalent zu 262 kPa bei 50°C zu füllen. (Zu beachten ist, dass für diese 20,3 Liter Laserkammer eine Temperaturkorrektur unter einer ΔP/ΔT Korrektur von 1 kPa/°C für eine Kammertemperaturabweichung von 50°C näherungsweise angewendet werden kann. Wenn damit die Kammertemperatur 23°C beträgt, wird diese bis zu 247 kPa gefüllt.) Das Ventil 517 wird geschlossen und das Ventil 515 wird geöffnet. Es wird eine gewisse Menge der 1% Fluor, 99% Puffergas-Mischung von der halogenangereicherten Gasflasche 514 der Kammer 1 zugesetzt, um diese auf einen Druck äquivalent zu 290 kPa bei 50°C aufzufüllen (zu beachten ist, dass eine Temperaturkorrektur verwendet werden sollte). Dies ergibt eine Gasmischung in der Kammer von ungefähr 0.1% Fluor und 99,9% Puffergas. Wenn die Kammer auf ungefähr 50°C aufgeheizt wird, beträgt der Druck ungefähr 4 atm.
SPÜLSYSTEM
Da O₂ intensiv 157 nm Licht absorbiert, muss O₂ aus dem Strahlengang herausgehalten werden. Die Anmelder entwickelten ein N₂-Spülsystem, das gegenüber konventionellen Systemen stark verbessert ist. Alle optischen Komponenten, die mit dem Lasersystem ver knüpft sind und außerhalb der Kammer liegen, werden mit Stickstoff gespült. Dieses Stickstoffsystem wird bei einem Druck betrieben, der während des Betriebs des Lasers lediglich ungefähr 10 Pa über dem Atmosphärendruck liegt. Diese geringe Druckdifferenz ist vorteilhaft, um Druckverzerrungseffekte an den optischen Komponenten zu vermeiden. Zu den gespülten Komponenten gehören das Linienverschmälerungsmodul, der Ausgangskoppler, der Wellenmesser und die Verschlussanordnung.
Dichtungen sind an allen Stellen, an denen ein mögliches Lecken entstehen kann, vorgesehen. Es sind Ausgangsanschlüsse mit Röhren mit 1/16 inch ID (Innendurchmesser) mit einer Länge von ungefähr 6 Fuß vorgesehen. Der Fluss durch die Ausgangsanschlüsse wird überwacht, um eine korrekte Funktion des Spülsystems sicherzustellen. Durchflussraten von ungefähr 4 Liter/Minute durch die 6 Fuß lange Röhre mit 1/16 inch Innendurchmesser ist eine bevorzugte Durchflussrate, um der gewünschten N₂-Druckdifferenz entsprechen. Vorzugsweise ist die 6 Fußausgangsanschlussröhre 304 aufgewickelt. Der Durchfluss kann durch einen einfachen Klappenschalter 300, der durch den N₂-Strom offengehalten wird und ein Warnlicht 302, wenn der Durchfluss abreißt, überwacht werden, wie in 17 gezeigt ist. Ein ähnliches Spülsystem wird vorzugsweise für den Ausgangskoppler und den Wellenmesser angewendet.
Es kann auch Helium für das Spülgas verwendet werden. Zu Vorteilen des Heliums gehören eine bessere Wärmeübertragungseigenschaft und bessere optische Eigenschaften. Helium ist jedoch wesentlich teurer als Stickstoff und wenn es in einem Produktionslaser verwendet wird, sollte ein Sammelsystem für das Zurückführen des Heliums in betracht gezogen werden.
LASERKOMPONENTENKÜHLUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die besonders vorteilhaft für den Betrieb bei Wiederholungsraten von über 1000 bis 2000 Hz sind, beinhalten eine spezielle Kühltechnik, wie in 13 gezeigt ist, um einen Excimerlaser zu kühlen.
Komponenten des Lasers sind in dem Gehäuse 240 enthalten, das auf der Innenseite unter geringem Vakuum gehalten wird, das von einem Gebläse erzeugt wird, das in einer Belüftungsleitung montiert ist, wie dies bei 224 in den 13 und 4A gezeigt ist. Das Gehäuse umfasst einen gefilterten Einlassanschluss 241 in der Nähe der Oberseite des Gehäuses und einige kleine Leckquellen, etwa um die abgedichteten Röhren herum, so dass der Durchfluss von Raumluft durch das Lasergehäuse ungefähr 5,66 m³/Minute (200 ft³/Minute) beträgt, was in keiner Weise ausreichend ist, um die durch die wärmeerzeugenden Komponenten des Lasers erzeugte Wärme abzuführen.
Der überwiegende Anteil (ungefähr 90%) der Abwärme, die von dem Laser erzeugt wird (ungefähr 12 kW bei 100% Einschaltverhältnis) wird durch ein Kühlwassersystem abgeführt, wie in 13 gezeigt ist.
In dieser Ausführungsform sind die Hauptwärmequellen in dem Laser die Hochspannungsversorgung 20, der Kommutator 40, der Kompressionskopf 60 und die Laserkammer 80. Für die Kammer ist ein wassergekühlter Wärmetauscher in der Kammer angeordnet und Wärme wird von dem zirkulierenden Lasergas auf den Wärmetauscher und auf das Kühlwasser übertragen. Ein weiterer Wärmetauscher (nicht gezeigt) ist an einer Außenseitenfläche der Kammer montiert. Für den Rest der im Wesentlichen wärmeerzeugenden Komponenten wird Kühlwasser an die Position der Komponente geführt und ein oder mehrere Lüfter fördern Luft durch einen Wasser/Luft/Wärmetauscher zu der Komponente, wie in 13 gezeigt ist. Für den Kompressionskopf wird die Zirkulation in der gezeigten Weise erreicht, jedoch verläuft für das HVPS und den Kommutator die Zirkulation zu der Komponente und anschließend zu anderen Bereichen des Gehäuses, um auch andere Komponenten zu kühlen, bevor die Luft zu den Wärmetauschern zurückgeführt wird.
Grenzflächen 242 und 243 führen im Wesentlichen die Kühlluft von dem Filter 241 durch einen Strömungsweg, wie er durch die vorne offenen Teile 244 gezeigt ist, zu der Belüftungsleitung 224.
Das Kühlsystem enthält keine Leitungen mit Ausnahme einer Wasserleitung, die die Wärmetauscher innerhalb der Laserkammer und an dieser befestigte Wärmetauscher speist; ansonsten gibt es keine Wasserleitungsverbindung zu einer Laserkomponente. Da alle Komponenten (mit Ausnahme der Laserkammer) durch Luft gekühlt werden, die innerhalb des Gehäuses umgewälzt wird, gibt es keine Kühlverbindungen, die unterbrochen werden können, wenn Komponenten installiert und ersetzt werden. Ferner führt das nahezu voll ständige Fehlen von Leitungen dazu, dass vermehrt Komponenten im Inneren des Gehäuses verwendet werden können und der Arbeitsbereich vergrößert wird.
PULSENERGIESTEUERUNGSALGORITHMUS
BETRIEBSMODUS – CHIPLITHOGRAPHIE
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Computersteuerungsprogramm mit einem neuen Algorithmus, der im Wesentlichen Fluktuationen in der Pulsenergie und der gesamten integrierten Pulssequenzenergie, wie sie konventioneller Weise vorkommen, reduziert. Die verbesserte Anlage und die Software und ein bevorzugter Prozess zum Reduzieren der Energiefluktuationen und der Pulssequenzdosisfluktuation wird nachfolgend beschrieben.
Wie im Abschnitt zur Beschreibung des Stands der Technik in dieser Anmeldung dargelegt ist, ist der Modus mit einer Pulssequenz ein typischer Betriebsmodus eines Excimerlaser, der als Lichtquelle einer Einzelbildbelichtungsmaschine in der lithographischen Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird. In diesem Modus wird der Laser so betrieben, um „eine Sequenz" aus Pulsen mit einer Rate von 1000 Hz bei ungefähr 1000 Millisekunden Dauer zu erzeugen, um damit 110 Pulse zur Belichtung eines Abschnitts einer Scheibe zu erzeugen. Nach der Sequenz verfährt der Einzelbildbelichter die Scheibe und die Maske, und wenn die Bewegung abgeschlossen ist, was wiederum typischerweise den Bruchteil einer Sekunde erfordert, erzeugt der Laser eine weitere 110-Pulse-Sequenz. Somit treten beim normalen Betrieb Sequenzen von ungefähr 110 Millisekunden gefolgt von Totzeiten eines Bruchteils einer Sekunde auf. Zu gewissen Zeiten werden längere Totzeitphasen vorgesehen, so dass andere Vorgänge ausgeführt werden können. Dieser grundlegende Prozess dauert 24 Stunden pro Tag, 7 Tage pro Woche und einige Monate an, wobei der Laser typischerweise mehrere Millionen Sequenzen pro Tag erzeugt. In dem zuvor beschriebenen Sequenzmodus ist es typischerweise wichtig, dass jeder Abschnitt der Scheibe die gleiche Belichtungsenergie bei jeder Sequenz erhält. Ferner fordern die Chiphersteller, dass die Änderung von Puls zu Puls minimal ist. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfüllt diese Aufgaben durch eine Ausstattung und Software, die die Energie je des Pulses (Puls N – 1) überwacht und dann die Energie des nächsten Pulses (Puls N) steuert auf der Grundlage der Ergebnisse von:

1) einem Vergleich der gemessenen Energie des Pulses N – 1 mit einer Sollpulsenergie und
2) einem Vergleich der akkumulierten Dosis der Sequenz bis Puls N – 1 mit einem Sollwert der Pulsdosis bis Puls N – 1.

In dem typischen F₂-Excimerlaser, der zuvor erläutert ist, ist die Energie der ersten 30 bis 40 Millisekunden einer Sequenz typischerweise weniger stabil als während der restlichen Zeit der Sequenz auf Grund von Übergangseffekten im Lasergas. Nach ungefähr 40 Millisekunden nach dem ersten Puls ist die Pulsenergie bei konstanter Spannung relativ konstant. Für die Behandlung dieser frühen Störungen haben die Anmelder die Sequenz in zwei zeitartige Gebiete aufgeteilt, wobei das erste Gebiet (das aus einer Anzahl von frühen Pulsen (beispielsweise 40 Pulsen besteht) als das „K-Gebiet und das zweite Gebiet (das aus den Pulsen, die sich an das K-Gebiet anschließen, besteht) als das „L"-Gebiet in dieser Anmeldung bezeichnet werden.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine konventionelle Excimerlaser-Ausstattung für die Pulsenergiesteuerung verwendet. Die Pulsenergie jedes Pulses in jeder Sequenz wird durch eine Photodiode 92 gemessen, wie dies in 8A gezeigt ist. Die Gesamtreaktionszeit dieser Photodiode und deren Abtast-Halte-Schaltung einschließlich der Zeitdauer für das Einschwingen der Schaltung beträgt weniger als ungefähr 500 Mikrosekunden. Das akkumulierte Signal, das sich von jedem der 15 Nanosekunden Pulse ergibt, wird einige Mikrosekunden nach dem Puls gespeichert und dieses Signal wird 6 mal ausgelesen und der Durchschnitt wird von der Computersteuerung 22 ungefähr 1,0 Mikrosekunden nach dem Beginn des Pulses gespeichert. Die akkumulierte Energie aller vorhergehenden einzelnen Pulse wird als Sequenzdosiswert bezeichnet. Die Computersteuerung verwendet das die Pulsenergie des Pulses N repräsentierende Signal zusammen mit der Sollpulsenergie und dem Sequenzdosiswert, um die Hochspannung für den Puls N + 1 festzulegen. Diese Berechnung erfordert ungefähr 200 Mikrosekunden. Wenn der Wert für die Hochspannung für den Puls N + 1 bestimmt ist, sendet die Computersteuerung ein Signal zu der Hochspannungssteuerung (VCMD) der Hochspannungsversorgung, wie sie in 8a gezeigt ist, die die Ladespannung für den Puls N + 1 erzeugt, wozu einige Mikrosekunden erforderlich sind. Die Computersteuerung weist die Hochspannungsversorgung an, den Kondensator Co auf die spezifizierte Spannung aufzuladen (bei hohen Wiederholungsraten von über 2000 Hz kann es vorteilhaft sein, das Laden zu beginnen, bevor die Berechnung abgeschlossen ist). Das Aufladen erfordert ungefähr 250 Mikrosekunden, so dass Co 0,5 Millisekunden nach dem Trigger-Signal für dem Puls N vollständig geladen und einsatzbereit ist, wenn dieser ein Trigger-Signal für den Puls N + 1 von der Trigger-Schaltung 13 erhält, wie dies in 2 gezeigt ist. Beim Eintreffen des Trigger-Signals entlädt sich der Kondensator C₀ bei ungefähr 700 Volt in der magnetischen Kompressionsschaltung, die in 8B gezeigt ist, über eine Zeitdauer von ungefähr 5 Mikrosekunden und der Puls wird durch die magnetische Kompressionsschaltung komprimiert und verstärkt, um eine Entladespannung an dem Kondensator Cp von ungefähr 16100 Volt zu erzeugen, die sich über die Elektroden 6 in ungefähr 100 ns entlädt, um einen Laserpuls von ungefähr 10 mJ und ungefähr 15 ns Dauer zu erzeugen.
BEVORZUGTER ALGORITHMUS
Im Folgenden wird ein spezieller bevorzugter Prozess zum Einstellen der Entladespannung beschrieben, um im Wesentlichen gewünschte Pulsenergien zu erreichen, wenn ein Betrieb im Sequenzmodus erfolgt.
In dem Prozess werden zwei Spannungsjustieralgorithmen eingesetzt. Der erste Algorithmus gilt für die ersten 80 Pulse und wird als der KPI-Algorithmus bezeichnet. Der zweite Algorithmus, der als PI-Algorithmus bezeichnet wird, wird auf die Pulse nach der Pulsnummer 40 angewendet. Die Zeitdauer nach den 80 Pulsen wird im Weiteren als das „L-Gebiet" der Sequenz bezeichnet. Die Initialen „PI" bezeichnen „proportional/integral" und das „K" in „KPI" bezeichnet das „K-Gebiet" der Sequenz.
KPI-ALGORITHMUS
Das K-Gebiet umfasst die Pulse 1 bis k, wobei k = 40 ist für diese bevorzugte Ausführungsform. Der Algorithmus zum Festlegen der Ladespannung für den Puls N ist: VN = (VB)N – (VC)N–1 N = 1, 2, ... k wobei:
V_N = die Ladespannung für den N'ten Puls
(V_B)_N ein Array aus K gespeicherten Spannungen ist, die die momentan besten Abschätzungen der Spannung repräsentieren, die zum Erzeugen der Sollenergie E_T des N'ten Puls in dem K-Gebiet erforderlich ist. Dieses Array wird nach jeder Sequenz gemäß der folgenden Gleichung aktualisiert.
(V_C)_N–1 ist eine Spannungskorrektur auf der Grundlage des Energiefehlers des vorhergehenden Pulses und auf der Grundlage der Energiefehler, die für die vorhergehende Pulse in der Sequenz bis zum Puls N – 1 auftraten
Per Definition gilt (V_C)₀ = 0
A, B sind Zahlen zwischen 0 und 1, die in dieser bevorzugten Ausführungsform jeweils 0,5 für A und B sind
ε_j ist der Energiefehler des i'ten Pulses E_j – E_T, wobei E_i die Energie für den i'ten Puls und E_T die Sollenergie ist
D_j ist der kumulative Dosisfehler der Sequenz in der alle Pulse von 1 bis i enthalten sind
dE/dV ist die Änderungsrate der Pulsenergie bei der Ladespannung. (In dieser Ausführungsform werden ein oder mehrere Werte von dE/dV experimentell während jeder Sequenz bestimmt und es wird ein gleitender Durchschnitt dieser Werte für die Berechnung verwendet.)
Die gespeicherten Werte (VB)N werden während oder nach jeder Sequenz gemäß der folgenden Beziehung aktualisiert:
wobei der Index M die Nummer der Sequenz bezeichnet
C eine Zahl zwischen 0 und 1 ist, die in dieser bevorzugten Ausführungsform 0,3 beträgt
PI-ALGORITHMUS
Das L-Gebiet enthält K + 1 Pulse bis zum Ende der Sequenz (für eine bevorzugte Ausführungsform für die Pulszahlen 41 und höher. Der Algorithmus für das Einstellen der Ladespannung für den Puls N ist wie folgt:
wobei:
V_N die Ladespannung für den N'ten Puls
V_N–1 die Ladespannung für den N – 1'ten (vorhergehenden) Puls ist
Die Variablen A, B, ε₁, D₁ und dE/dV sind wie zuvor definiert.
BESTIMMUNG VON dE/dV
Es wird periodisch ein neuer Wert für dE/dV bestimmt, um die relativ langsamen Änderungen der Eigenschaften des Lasers zu verfolgen. In der bevorzugten Ausführungsform wird dE/dV gemessen, indem die Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen im L-Gebiet in gesteuerter Weise variiert oder mit einer geringen Oszillation belegt wird. Für diese beiden Pulse wird der normale PI-Energiesteuerungsalgorithmus zeitweilig aufgehoben und durch den folgenden ersetzt:
für den Puls j:
wobei V_Dither ein festgelegtes Spannungsinkrement ist, typischerweise einige Volt:
für den Puls j + 1: Vj–1 = Vj – 2·VDither
Nach dem Puls j + 1 wird dE/dV berechnet:
Die Berechnung von dE/dV kann mit einem starken Rauschen behaftet sein, da die erwarteten Energieänderungen auf Grund der sich ändernden Spannung von der gleichen Größenordnung wie die normale Energieschwankung des Laser sein können. In der bevorzugten Ausführungsform wird tatsächlich ein gleitender Durchschnitt der letzten 50 dE/dV Berechnungen in dem PI und dem KPI-Algorithmus angewendet.
Das bevorzugte Verfahren für die Auswahl von V_Dither besteht darin, eine gewünschte Energieschwankung E_Dither zu spezifizieren, die typischerweise einige Prozent der Sollenergie E_T beträgt, und um dann den momentanen (gemittelten) Wert für dE/dV zu verwenden, um damit V_Dither zu berechnen:
Der Puls j + 2 (der unmittelbar auf zwei Pulse mit Energieschwankung folgt) wird nicht variiert, sondern besitzt den speziellen Wert:
Der spezielle Wert für V_j+2 wird sowohl hinsichtlich der angelegten Spannungsänderung als auch der erwarteten Energieänderung von dem Puls j + 1 korrigiert.
Es sind viele Variationen an dem zuvor beschriebenen Algorithmus möglich. Beispielsweise kann dE/dV in dem L-Gebiet sowie in dem K-Gebiet bestimmt werden. Die oszillierende Änderung kann einmal pro Sequenz oder mehrere Male ausgeführt werden. Die Oszillierungssequenz kann bei einer festgelegten Pulszahl j durchgeführt werden, wie dies zuvor beschrieben ist, oder diese kann für eine zufällig gewählte Pulszahl ausgeführt werden, die sich von einer Sequenz zu der nächsten ändert.
Es sollte beachtet werden, dass A, B und C Konvergenzfaktoren sind, die viele andere Werte annehmen können. Höhere Werte, als sie zuvor spezifiziert sind, können eine raschere Konvergenz bewirken, können aber auch zu einer erhöhten Instabilität führen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist A = √2B. Diese Abhängigkeit wurde aus einem anerkannten Verfahren zum Erzeugen einer kritischen Dämpfung herausentwickelt. D könnte Null sein, wobei dann keine Dosiskorrektur ausgeführt wird; A sollte jedoch nicht Null sein, da A einen Dämpfungsterm für die Dosis enthaltenden Bereiche des Algorithmus bildet.
Wenn der für dE/DV bestimmte Wert zu klein wird, kann der obige Algorithmus eine zu starke Korrektur hervorrufen. Daher besteht eine bevorzugte Technik darin, gelegentlich dE/dV zu verdoppeln, wenn der Streuungswert für die Energie einen Schwellwert übersteigt. Ersatzwerte von V und dE/dV werden für den ersten Puls einer Sequenz vorgesehen. D wird zu Beginn jeder Sequenz auf Null gesetzt. Der Ersatzwert für dE/dV wird auf ungefähr das Dreifache des erwarteten dE/dV festgelegt, um eine anfängliche Überkorrektur zu vermeiden.
Ein alternatives Verfahren zum Bestimmen von dE/dV ohne die vorher beschriebene oszillatorische Variation besteht darin, lediglich die Energie und die Spannungswerte während des Laserbetriebs zu messen und zu speichern. (Anstelle spezifizierter Spannungswerte können auch gemessene Werte verwendet werden.) Diese Daten können verwendet werden, um dE/dV als eine Funktion von V für eine konstante Pulsenergie zu bestimmen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass jeder einzelne Wert von dE/dV eine moderat große Unsicherheit enthalten kann, da die Elemente des Werts Differenzen von Messungen mit beträchtlichen Unsicherheiten sind. Die Mittelung einer großen Anzahl von dE/dV-Werten kann jedoch diese Unsicherheiten verringern.
Das Durchführen einer oszillatorischen Variation zur Bestimmung von dE/dV muss nicht bei jeder Sequenz stattfinden, sondern kann stattdessen periodisch, etwa bei jeder M'ten Sequenz, ausgeführt, oder die Messung von dE/dV kann durch eine Berechnung ersetzt werden, die vom Computer ausgeführt wird, oder der Wert von dE/dV kann manuell von einem Bediener aus einem früheren Puls für die Berechnung V_N+1 eingefügt werden. Ein alternatives Vorgehen besteht darin, den tatsächlich gemessenen Wert für V_N in diesem Steuerungssystem zu verwenden. Ferner wird der Wert von V_BIN aus spezifizierten Werten in der zuvor beschriebenen Ausführungsform und nicht aus tatsächlichen Messwerten berechnet. Eine naheliegende Alternative besteht darin, gemessene Spannungswerte zu verwenden. E_T ist normalerweise ein konstanter Wert, etwa 10 mJ, der Wert muss jedoch nicht konstant sein. Beispielsweise kann E_T für die letzten Pulse kleiner als die nominelle Pulsenergie sein, so dass die prozentualen Abweichungen vom Sollwert E_T für diese Pulse eine kleinere Auswirkung auf die integrierte Pulsdosis ausüben. Ferner kann es in gewissen Situationen vorteilhaft sein, die Computersteuerung 22 so zu programmieren, um E_T Werte bereitzustellen, die von Sequenz zu Sequenz variieren.
PROTOTYPENEINHEIT
Es wurde ein Prototypen F₂-Lasersystem von den Anmeldern und deren Mitarbeitern aufgebaut und getestet.
Der Prototypenlaser beruht in großen Teilen auf aktuellen Produktions-KrF und ArF-Lasern, wobei diverse wichtige Verbesserungen gegenüber konventionellen Excimerlasersystemen eingebaut sind, wobei eine hoch effiziente Kammer und eine halbleitergepulste Leistungsanregung verwendet sind. Die Entladung erfolgt durch eine vorionisierte Korona, um die Gaskontamination zu minimieren. Der gesamte optische Strahlengang ist mit Stickstoff gespült, um eine Lichtabsorption durch Sauerstoff zu vermeiden und um eine Beschädigung optischer Komponenten zu vermeiden. Die gesamte Resonatoroptik ist außerhalb der mit einem angewinkelten Kammerfenster versehenen Laserkammer angeordnet. Die Gasmischung beträgt 0,1% Fluor in Helium bei vier Atmosphären und der Elektrodenabstand ist auf 10 mm reduziert.
In dieser Prototypeneinheit wird ein modifizierter Pulstransformator eingesetzt. Bei diesen Pulstransformator ist der einzelne rostfreie Stab mit vier Abschnitten (der zuvor beschrieben und in 8b gezeigt ist), der als eine Sekundärwicklung dient, durch einen Transformatorsekundärleiter ersetzt, der einen inneren zylindrischen Stab und zwei koaxiale Röhren aufweist, die alle in Reihe verbunden und gegeneinander isoliert sind, wie dies in den 22A, 22B und 22C gezeigt ist. Der Sekundärleiter besteht aus zwei koaxialen Anordnungen (deren Querschnitt in den 22B und 22C gezeigt ist), die mit einem Busstab, der bei 302 gezeigt ist, und einem HV-Kabel, das bei 304 gezeigt ist, verbunden sind. 22D zeigt die gleichen Querschnitte wie die 22B und 22C und zeigt ferner die Schichten 306 aus Metglas und Mylar-Film, der um den Zylinderbereich 308 der Spulen, die die Primärwicklung bilden, gewickelt ist. Ferner sind in 22D der mittlere Draht 310 und die hohlen zylindrischen Leiter 310 und 314, die den Sekundärbereich des Pultransformators bilden, dargestellt. Die Metglas- und die Mylar-Schichten sind in den 22A, 22B und 22C nicht gezeigt. Ein Strompuls mit einer Spitzenspannung von ungefähr 1000 Volt (der mit 316 bezeichnet ist) erzeugt einen Puls an dem Sekundärhochspannungsanschluss von ungefähr 0 bis 36000 Volt, wie dies durch 318 in 22A gezeigt ist.
Die Kopplung zwischen den Primärzylindern und den drei koaxialen Sekundärleitern wird durch die Umhüllungen aus Metglas und Mylar-Film geliefert, wie dies zuvor mit Bezug zu 8A beschrieben ist. In dieser Ausführungsform ist eine Zusatzstufe für die Kompression (mit einer zusätzlichen Kondensatorbank C_p–1) vorgesehen. Die Kondensatorbänke in dieser Ausführungsform besitzen die folgenden Werte:
C₀ = ungefähr 12,1 μF
C₁ = ungefähr 12,4 μFC
C_p–2 = ungefähr 8,82 μF
C_p–1 = ungefähr 8,4 μF
C_P = ungefähr 10 nF
Das modifizierte Pulsleistungssystem in dieser Prototypenausführungsform erzeugt eine Ausgangspulszeit von ungefähr 80 ns in der Spitzenwertkondensatorbank. Das Hochsetzverhältnis des Pulstransformators ist 36 (im Vergleich zu 23 in der zuvor detailliert beschriebenen Ausführungsform). Dies ermöglicht es, dass der Laser bei deutlich höheren Spannungen mit entsprechend geringeren F₂-Konzentrationen betrieben wird. Der Anmelder hat erkannt, dass ein Betrieb bei höherer Spannung die Entladungsstabilität verbessert und damit höhere Wiederholungsraten ermöglicht.
EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE
Im Folgenden werden experimentelle Ergebnisse aus Experimenten mit der Prototypeneinheit beschrieben. Die Laserleistung wurde mittels einem standardmäßigen Leistungsmesser und dazu korreliert mit einem pyroelektrischen Joulemeter gemessen. Beiträge des roten atomaren Fluorlasers wurden subtrahiert und mit typischerweise weniger als ungefähr 3% der Gesamtenergie bemessen. Durch Belüften der Strahlrohre mit Luft, die bei 157 nm Licht stark absorbiert, konnte die rote Strahlung gemessen werden.
Die Laserwellenlänge in dieser Prototypeneinheit wurde in einem Einzellinienmodus bei 157,6 nm erreicht, indem eine Abstimmung mit zwei externen Prismen durchgeführt wurde. Der Laser konnte auf die 157,6 nm Übergangslinien mit reduzierter Effizienz abgestimmt werden. Der Übergang bei 156,7 nm wurde nicht beobachtet. Das Laserspektrum wurde mit einem 2 m Jobin Y von VUV Spektrometer aufgezeichnet und ergibt eine durch Messung begrenzte Linienbreite von 6 pm.
Im Breitband (oder Mehrlinien) Betrieb wurde eine maximale Leistung von 12 Watt bei einer Wiederholungsrate von 1000 Hz erreicht. Die Leistung nahm linear mit der Wiederholungsrate ohne Anzeichen einer Sättigung zu. Das Verhalten im Einzellinienmodus war ähnlich, lag jedoch bei einem Drittel der Energie. Dieser Energieabfall ist in dem großen Kavitäts längenzuwachs in dem vorliegenden Prismenaufbau begründet und kann deutlich verringert werden. Im Sequenzmodus wurde eine Stabilität bei 3 Sigma von 5% erhalten. Es wurde lediglich eine geringe Änderung der Ausgangsenergie bei einem Übergang von Sequenz zu Sequenz beobachtet. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zu ArF-Lasern, die eine große Energieinstabilität und Übergangsfluktuationen bei Sequenzen auf Grund des Gasflusses zeigen. Daraus kann man schließen, dass ein Produktionsfluorlithographielaser eine bessere Energiestabilität als gegenwärtige ArF-Laser aufweisen. Die integrale Rechteckpulsdauer betrug 30 ns, was in Richtung des Leitungsverhaltens der ArF-Laser geht.
Eine sorgfältige Auswahl der Laserkammermaterialien und eine Vorionisierung mittels einer Koronaentladung ermöglichten einen Laserbetrieb ohne Aufwand auf der Kühlseite und ohne Einfuhr von Halogen über eine Zeitdauer von einigen Stunden und 3 Millionen Schüssen mit minimaler Energieabnahme.
Die Abhängigkeit der Breitbandlaserleistung von der Wiederholungsrate ist in dem oberen Bereich der 10A gezeigt. Der untere Bereich der 10A zeigt einen leichten Abfall der Pulsenergie mit zunehmender Wiederholungsrate über 1000 Hz. Die Laserleistung wächst nahezu linear mit der Wiederholungsrate bis zu einer Leistung von 15 Watt bei 1 kHz und ungefähr 19 Watt bei 2000 Hz an. Basierend auf dieser linearen Abhängigkeit kann man annehmen, dass der Fluorlaser bis zu einem Betrieb mit mehreren kHz aufgerüstet werden kann, vorausgesetzt, dass der Gasfluss ebenso entsprechend eingerichtet wird. Da die Anmelder Helium als Puffergas verwendeten, ist lediglich ein Teil der Lüfterleistung von standardmäßigen Laser auf Neonbasis erforderlich und bildet somit keine Einschränkung für höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten.
Ein gutes Maß für die Energiestabilität wird erhalten, indem der Energieübergang im Sequenzmodus beobachtet wird. Dazu wird der Laser wiederholt im Sequenzbetrieb gefahren und die mittlere Energie für jede Pulsposition in der Sequenz wird aufgezeichnet. Ferner wird für jeden Puls in der Sequenz die durchschnittliche Schwankung der Energie von Sequenz zu Sequenz berechnet. Die sich ergebenden Energie- und Stabilitätskurven werden Fluorlaser und ferner vergleichsweise für einen schmalbandigen ArF-Laser sind in den 10B1 und 10B2 dargestellt. Der Fluorlaser zeigt nur geringe Energievariationen über 120 abgefeuerte Sequenzen. Die Energiestabilität zeigt eine anfängliche Zunahme zu Beginn der Sequenzen und stabilisiert sich dann für ein Maß von 3 Sigma bei ungefähr 3%. Im Ge gensatz dazu zeigt der ArF-Laser eine große Änderung der Energie und ein Instabilität von ungefähr 7% bei 3 Sigma. Der ArF-Laser zeigte eine Dosisstabilität von 0,5% bei einem Fenster mit 60 Pulsen, so dass erwartet wird, dass der Flurlaser mindestens die gleiche Dosisstabilität zeigt. 10C enthält die Pulsenergie und die 3 Sigma-Werte bei 1000 Hz und bei 1900 Hz.
Ein Spektrum des breitbandigen Flurlasers, wie es durch das VUV-Spektrometer aufgezeichnet wurde, ist in den 10D1 und 10D2 gezeigt. Deutlich erkennbar sind die beiden Übergangslinien bei 157,52 nm und bei 157,63 nm. 87% der Laserenergie liegen bei der Linien mit der längeren Wellenlänge bei 157,63 nm. Der Übergang bei 156,7 nm wurde nicht beobachtet. Ein Einzellinienmodusbetrieb bei 157,63 nm wurde erreicht, indem mit einem Satz zweier externer Prismen eine Justierung vorgenommen wurde. Der Laser kann auch auf die 157,52 nm Übergangslinie, jedoch bei reduzierter Effizienz, eingestellt werden. Ferner ist in den 10D1 und 10D2 eine erweiterte Ansicht der Laserlinie bei 157,63 nm gezeigt. Es wurden Linienbreiten von 1,14 pm FWHM und 2,35 pm bei 95% gemessen. Diese Linienbreiten waren wesentlich schmäler als zuvor erwartet. Daher ist ein Fluorlaser mit ausgewählter Linie ohne eine zusätzliche Linienverschmälerung ausreichend für alle vollständig refraktiven Abbildungssysteme. Das Verhalten der Laserleistung gegenüber der Wiederholungsrate für den Einzellinienlaser zeigt den gleichen linearen Anstieg wie der Breitbandlaser. Die maximale Leistung in diesem ersten Experiment war jedoch auf 4 Watt beschränkt. Die geringere Ausgangsleistung wurde durch Reflektionsverluste in der Linienauswahloptik und mit einer zu großen Kavitätslänge begründet. Das horizontale und vertikale Strahlprofil wurde in einem Abstand von 1 m zu dem Laser gemessen. (siehe 10E1 und 10E2). Die Strahlen zeigten glatte Profile mit einem hohen Maß an Symmetrie. Diese Profilarten können in einfacher Weise durch momentan angewendete Homogenisiertechnologien gehandhabt werden, um eine sehr gleichförmige Ausleuchtung zu erzeugen.
Eine Abschätzung der Gaslebensdauer wird erreicht, indem der Fluorlaser bei konstanter Spannung ohne Fluorzugabe betrieben wird und indem die Entwicklung der Laserleistung gegenüber der Anzahl der Schüsse ausgezeichnet wird. Es wurde keine Reinigung im Kühlbereich bei diesen Messungen angewendet. Wie aus 10F ersichtlich ist, fällt die Laserleistung um weniger als 20% nach 4 Millionen Laserschüssen ab, was mindestens so gut ist wie bei vergleichbaren ArF-Lasern. Aus der früheren Erfahrung mit ArF-Lasern kann man somit eine Gaslebensdauer von ungefähr 25 Millionen Schüssen abschätzen, indem periodisch Flur zugegeben wird. Dis ist jedoch klarerweise ein Ergebnis der Auswahl kompatibler Materialien in der Laserkammer und die Anwendung einer Koronavorionisierung. Für Krf- und ArF-Laser wurde eine direkte Korrelation zwischen dem Fluorverbrauch und der Kammerlebenszeit zuvor erstellt. Man kann daher eine Kammerlebensdauer für den Fluorlaser in der gleichen Größenordnung wie für einen ArF-Laser erwarten.
Der untere Graph in 15A zeigt die Pulsenergie gegenüber der F₂ Konzentration und der obere Graph zeigt die maximale Pulswiederholungsrate für jeweils eine Lüftergeschwindigkeit von 2500 Umdrehungen pro Minute. Der obere Graph in 15B zeigt die Pulsform als Funktion der Zeit, wobei eine FWHM von 16 ns impliziert wird, und der untere Graph zeigt, dass die integrierte Rechteckpulsbreite ungefähr 37 ns beträgt.
ÜBERWACHUNG DER PULSENERGIE
Bei der zuvor beschriebenen Prototypeneinheit zeigen konventionelle UV-Energiedetektoren keine guten Ergebnisse. Dies liegt daran, dass die in konventionellen KrF- und ArF-Lasern eingesetzten Pulsenergiedetektoren äußerst empfindlich im roten und nahen Infrarotspektralbereich sind. Tatsächlich sind diese standardmäßigen Siliziumphotodioden wesentlich empfindlicher für rotes und infrarotes Licht als für Laserlicht bei 157 nm. Wenn daher selbst das Licht im Bereich von ungefähr 3% liegt, wie dies zuvor erläutert ist, ist die Wirkung auf die Siliziumphotodiode wesentlich größer als 3%. Aus diesem Grunde sollte vorzugsweise ein Energiedetektor vorgesehen werden, der im Wesentlichen nicht durch sichtbares rotes und infrarotes Lichts beeinflusst wird. Es sind Detektoren auf dem Markt erhältlich, die insbesondere empfindlich für UV-Strahlung und daher relativ oder vollständig unempfindlich für rote und Infrarotstrahlung sind. Diese Detektoren werden im Allgemeinen als sonnenunempfindliche Detektoren bezeichnet und werden bei astronomischen Arbeiten über der Atmosphäre eingesetzt; nach Wissen der Anmelder wurden diese jedoch nicht zur Messung von Laserpulsenergie verwendet. Es gibt eine Reihe von Methoden, die im Aufbau eines „sonnenunempfindlichen" Photodetektors verfügbar sind. Im Weiteren werden einige Strategien erläutert.
PHOTORÖHRE
Eine Photoröhre ist eine Vakuumeinrichtung, die aus zwei Elektroden, einer Photokathode und einer Anode aufgebaut ist. Licht, das auf die Photokathode einfällt, kann Elektronen aus dem Kathodenmaterial gemäß dem photoelektrischen Effekt herausschlagen. Das Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Anode und der Kathode treibt die herausgeschlagenen Elektronen zu der Anode und erzeugt einen Stromfluss durch die Einrichtung, der proportional zu der Anzahl der Photonen/Sekunde ist, die die Photokathode treffen. Dieser Effekt besitzt eine Grenze; die Bestrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge, die größer als ein gewisser Wert ist, erzeugt keine Photoelektronen. Die maximale Wellenlänge ist definiert durch: λmax = hc/Φwobei H die Planksche Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum und Φ eine Eigenschaft des Materials ist, die als Austrittsarbeit bezeichnet ist. Die Auswahl eines Photokathodenmaterials mit einer ausreichend hohen Austrittsarbeitsfunktion (beispielsweise von größer 4 Elektronenvolt) führt zu einer Erzeugung von Photostrom lediglich für eine Bestrahlung mit Wellenlängen, die kleiner als 300 nm sind, d. h. es ergibt sich eine sonnenunempfindliche Reaktion. Zu Beispielen von Photokathodenmaterialien mit akzeptablen Austrittsarbeitsfunktionen gehören CsTe und CsI Diamantschichten.
PHOTOLEITER
Eine Bestrahlung einiger Halbleiter und/oder isolierender Materialien erzeugt eine Wirkung, die eng mit dem photoelektrischen Effekt verwandt ist: die Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen in dem Material erzeugt angeregte Elektronen so, dass diese nicht mehr an einen bestimmten Platz in dem Material (d. h. in dem Valenzband) gebunden sind, sondern frei durch den Kristall in Reaktion auf eine angelegte Spannung (d. h. in dem Leitungsband) bewegbar sind. Wiederum wird ein Strom proportional zu dem Photonenfluss, der das Material trifft, erzeugt. Dieser Effekt weist eine Abschneidewellenlänge auf, die identisch ist zu jener, die in der obigen Gleichung gegeben ist, mit der Ausnahme, dass die Materialaustrittsarbeitsfunktion Φ durch eine andere Eigenschaft ersetzt wird, die für gewöhnlich als die Bandlücke E_g bezeichnet ist. Wiederum zeigt ein Material mit einer ausreichend großen Bandlücke eine Reaktion lediglich für Strahlung mit kurzer Wellenlänge.
Diamant mit einer Bandlücke von 5,48 Elektronenvolt besitzt eine photoleitende Reaktion bei Wellenlängen von kleiner als 200 nm.
PHOTODIODE
Die Beleuchtung eines Diodenübergangs (Schottky, p-n, oder p-i-n dotierte Halbleiter) kann ebenso Elektronen von dem Valenzband in das Leitungsband bringen, wodurch ein Photostrom erzeugt wird. Die Diode kann in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, so dass dann deren Verhalten sehr ähnlich zu dem Photoleiter ist, mit der Ausnahme, dass die Ladungsträgerlebensdauer größer ist. Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, verbessert das angelegte Feld die Reaktionsgeschwindigkeit des Bauelements. Wiederum reagiert ein Übergang mit ausreichend hoher Bandlücke lediglich auf UV-Wellenlängen.
ABSORPTIONSTIEFENABSTUFUNG
Eine Art, um die in Reaktion eines Photoleiters oder einer Diode mit geringer Bandlücke auf rot stark zu unterdrücken im Vergleich zu dessen Reaktion auf UV-Bestrahlung, besteht darin, eine geeignete Dicke des Bauelements auszuwählen. Für derartige Materialien ist es typisch, dass das Eindringen von UV-Photonen in das Material wesentlich geringer ist als für sichtbares Licht. D. h., eine vollständige Absorption des UV-Lichts findet in einer wesentlich dünneren Schicht in der Nähe der Oberfläche statt. Durch Auswählen einer entsprechenden Bauelementsdicke, die vergleichbar zur Absorptionstiefe des UV-Lichts ist (bei der gleichen Abschneidewellenlänge), kann das Bauteil so hergestellt werden, dass es relativ durchlässig (und damit nicht reagierend) auf längere Wellenlängen ist. Obwohl diese Bauelemente nicht vollständig sonnenunempfindlich sind, können derartige Konfigurationen die Reaktion im sichtbaren/IR-Bereich des Bauelements deutlich unter der Schwelle der Nachweisbarkeit halten.
Bevorzugte im Handel erhältliche sonnenunempfindliche Photoröhrendektektoren sind von Händlern, etwa Hamamatsu, Los Angeles, Californien und Japan erhältlich. Das Modell R1187 unter Verwendung von CsI besitzt eine spektrale Antwort im Bereich von 115 nm bis 200 nm. Die Modelle R1107 und R763 verwendeten CsTe und besitzen einen optimalen Reaktionsbereich etwas über 157 nm, können jedoch auch verwendet werden.
18 zeigt einen sonnenunempfindlichen Detektor, der in einem Lasersystem verwendet wird, um die Pulsenergie und/oder die Dosisenergie in gesteuerter Weise auf einem Sollpegel zu halten (für Details zum Steuern der Pulsenergie und der Dosisenergie, siehe den vorhergehenden Abschnitt).
MONITOR AUF REFLEKTIONSBASIS
Der betrachtete Strahl (rot und VUV) wird von diversen Spiegeln mit dielektrischen Beschichtungen reflektiert, die so gestaltet sind, um eine hohe Reflektivität bei der (157 nm) VUV-Wellenlänge und eine geringe Reflektivität im roten/Infrarotbereich (die unerwünschten Wellenlängen reichen von 635 nm bis 755 nm) hervorzurufen. Eine typische Optik kann beispielsweise 95% Reflektivität bei 157 nm und 4% Reflektivität im roten/Infrarotbereich aufweisen bei einem gegebenen Extinktionsverhältnis von ungefähr 24:1. Das gewünschte Extinktionsverhältnis (typischerweise 500 oder 1000:1) kann durch nacheinanderfolgende Reflektionsereignisse an mehreren Spiegeln erreicht werden. Das durch diese Spiegel hindurchgelassene Licht sollte auf einen im roten/Infrarotbereich absorbierenden Farbglasfilter auftreffen, oder ein anderes lichtabsorbierendes Element, um zu verhindern, dass Streulicht in den Detektor einfällt.
SEPERATION DURCH DISPERSION
Es kann ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) verwendet werden, um die VUV-Strahlung von der roten/Infrarotstrahlung zu trennen und die Photodiode wird so angeordnet, um lediglich den VUV-Strahl aufzunehmen. Bei einem Gitterelement muss der Rillenabstand so gewählt werden, dass es im Wesentlichen keine Überlappung zwischen Beugungen höherer Ordnung der roten/Infrarotstrahlung und der UV-Strahlung gibt. D. h., die Gittergleichung darf nicht gleichzeitig für den Entwurfswinkel für die Ultraviolettwellenlängen und die sichtbaren/Infrarotwellenlängen durch Variieren des Wertes von m (m ist stets eine Ganzzahl, beispielsweise D sin (Theta) = m₁ × 157 nm = m₂ × 755 nm (etc. für alle sichtbaren/Infrarotemissionswellenlängen) erfüllt sein.
DETEKTION MIT FLUORESZENZ
Ein Material, das bei Bestrahlung mit 157 nm im sichtbaren Bereich oder Infrarotbereich fluoresziert, wird vor einem Silziumphotodektektor angeordnet. Durch Umwandeln des VUV-Lichts in sichtbares/infrarotes Licht wird der erhöhten Reaktion der Photodiode bei rot entgegengewirkt. Wenn die fluoreszenten Emissionswellenlängen deutlich von der roten/infraroten Laseremissionswellenlänge abweichen, kann man einen im roten Bereich bzw. Infrarotbereich absorbierenden Filter nach dem fluoreszierenden Umwandler anwenden, um die Emission im roten Bereich/Infrarotbereich direkt zu unterdrücken. Der fluoreszente Umwandler kann auch aus einen derartigen Absorptionsmaterial aufgebaut oder damit dotiert sein.
REDUZIEREN DER ROTEN STRAHLUNG
Konventionelle F₂-Laser verwenden typischerweise Helium als das Puffergas. Es ist bekannt, dass Neon verwendbar ist, die Effizienz des Laser mit einem Neon-Puffergas ist im Vergleich zu dem F₂-Laser mit Helium als Puffergas reduziert. Im Allgemeinen erfordert die Anwendung von Neon als Puffer deutlich höhere Konzentrationen an F₂ und ebenso eine höherer Spannung, um eine äquivalente Laserpulsenergie zu erzeugen. Helium ist wesentlich billiger als Neon, so dass im Stand der Technik Helium als naheliegende Wahl für das F₂-Puffergas angewendet wurde. Wie jedoch zuvor erläutert ist, erzeugt der F₂-Laser mit dem Heliumpuffergas einen deutlichen Anteil an sichtbaren roten Licht und Infrarotlicht, so dass eine Superfluoreszenz oder sogar ein Lasereffekt bei den Wellenlängen auftritt. Für gewöhnlich ist der Beitrag ausreichend hoch, so dass die Laserwirkung tatsächlich bei diesen größeren Wellenlängen auftritt. Diese größeren Wellenlängen in dem Laserstrahl können Probleme hinsichtlich der Energieerfassung hervorrufen, wie sie dies zuvor erläutert ist, und ebenso können die roten Wellenlängen Probleme in einem nachgeschalteten Lithographiesystem hervorrufen. Diese Probleme können gehandhabt werden, aber eine bessere Lösung besteht in vielen Fällen darin, das rote Licht und das Infrarotlicht in dem Strahl, wie er von dem Laser erzeugt wird, deutlich zu reduzieren oder zu eliminieren.
Die Anmelder haben beschrieben, dass das rote Licht oder das Licht im nahen Infrarotbereich in dem Strahl tatsächlich eliminiert wird, wenn das Puffergas von reinem Helium zu einer geeigneten Mischung aus Helium und Neon umgewandelt wird. Zusätzlich zu der deutlichen Reduzierung der ungewünschten Komponenten im roten Bereich und im nahen Infrarotbereich bewirkt die Zugabe von Neon die Effizienz des Laser bei der gewünschten UV-Wellenlänge. Daher kann die vorteilhafteste Mischung aus Helium und Neon von der Wichtigkeit der maximalen Pulsenergie und der relativen Wichtigkeit des Unterdrückens des roten Lichts und des Lichts im nahen Infrarotbereich abhängen. Typischerweise reicht ein bevorzugter Bereich von Neon als ein Anteil der gesamten Puffermenge von ungefähr 40% bis 95%. Wie in 21 gezeigt ist, kann eine effiziente Puffergasmischung zu einer im Wesentlichen verschwindenden Intensität im roten und Infrarotbereich führen, aber die maximale UV-Pulsenergie liegt zwischen 0,52 und 0,63% Neon.
EINZELLINIENKONFIGURATION UND SCHMALBANDIGE KONFIGURATION
11a zeigt eine bevorzugte Einzellinienkonfiguration für ein bevorzugtes F₂-Lasersystem. In dieser Konfiguration ist eine von 2 F₂-Hauptlinien mit einem einfachen Prismenselektor ausgewählt. 11B zeigt ein bevorzugtes linienverschmälerndes System, in welchem ein Leistungsoszillator von einem Steueroszillator angesteuert wird. Sowohl der Steueroszillator als auch der Leistungsoszillator können die gleiche Laserkammer verwenden. Ein Etalon-Ausgangskoppler kann verwendet werden, um die Linie des F₂-Lasers unter Anwendung der in der Patentanmeldung mit der Anmelde-Nr. 09/407,120 mit Einreichungstag 9/27/99 beschriebenen Technik zu verschmälern. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird der Etalon-Ausgangskoppler so eingestellt, um ungefähr 20% des Lichtes an einer der beiden Hauptlinie zu reflektieren und das Licht an der anderen Hauptlinie von F₂ durchzulassen. Der Laser arbeitet dann bei der Linie, die reflektiert.
19 und 20 beschreiben einen einstellbaren Fluorlaser mit einem erhöhten Einstellbereich. Der Laserresonator ist aus einem Ausgangskopplerspiegel 32 und einer optischen Wellenlängeneinstellvorrichtung aufgebaut. Die optische Wellenlängeneinstellvorrichtung umfasst eine optische Untergruppe zur Strahlaufweitung 31 und ein Beugungsgitter 38. Das optische Verstärkungsmedium wird in einer Gasentladungskammer 30 mittels der Anregung von Fluorgasmolekülen in einer Gasentladung erzeugt. Ähnliche Konfigurationen werden gegenwärtig in schmalbandigen Exiplex-Lasern für Lithographie bei größeren Wellenlängen, d. h. für KrF bei 248 nm und bei ArF-Lasern bei 193 nm angewendet. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen Lasern ist die spektrale Verstärkungsverteilung und die zeitliche Verstärkungsdynamik des Verstärkungsmediums. Während typischerweise die Exiplex- Moleküle eine Verstärkung in einem wesentlich breiteren Spektralbereich von mindestens einigen 10 pm zeigen, ist die spektrale Verstärkungsverteilung der beobachteten molekularen Fluorübergänge bei ungefähr 157 nm entsprechend jüngster Messungen von Mehrfachlinien und Einzellinienlaseremissionsspektren nach übereinstimmender Betrachtung auf ungefähr 1,1 pm beschränkt. Eine detailliertere Betrachtung zeigt jedoch, dass dies nicht wichtig ist, da das beobachtete Spektrum nicht notwendigerweise die wahre Verstärkungsverteilung der Verstärkungsmedien wiedergibt, d. h. wenn hohe spezifische Verstärkungswerte beteiligt sind. Auf Grund der hohen spezifischen Verstärkung der molekularen Fluorlasermedien und auf Grund der typischerweise verwendeten Länge des Verstärkungsmediums von ungefähr 0,5 bis 1,0 m, wird das beobachtbare ausgesandte Spektrum verengt und besitzt einen Spitzenwert beim Maximum seiner natürlichen Übergangswellenlänge bereits nach einem einzelnen Durchlauf durch das Verstärkungsmedium. Dieses physikalisch gut verstandene Verhalten wird in vielen standardmäßigen Laserhandbüchern, beispielsweise in A. E. Siegman, „Lasers", Universitätsbücher, Mill Valley, CA, beschrieben. Leider erfordert die Notwendigkeit für ein Verstärkungs-Längen-Produkt zur Erreichung eines Betriebs bei verschmälerter Linie bis herunter zu einer Bandbreite, die für Lithographie mit die optisch abbildenden Optiken unter Anwendung dieses einfachen Ansatzes anwendbar ist, unvernünftig große Verstärkungslängen von wenigstens einigen Metern.
Die tatsächlich erreichbare FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) Verstärkungsbandbreite jedes der einzelnen UV/VUV-Molekularfluorlaserübergänge kann auf 4 pm bei 157,6299 nm bei typischen Betriebsbedingungen der Gasentladung abgeschätzt werden, die die Verstärkung durch Anregen von Fluormolekülen erzeugt. Der optische Resonator des Lasers und damit die Emissionswellenlänge können über einen Bereich von ungefähr der FWHM-Bandbreite eines einzelnen Übergangs des UV/VUV-Molekularfluorlasers eingestellt werden. Da der Hauptbeitrag zu der FWHM-Verstärkungsbandbreite eine Verbreiterung ist, die durch Druck bewirkte Kollisionen hervorgerufen wird, kann der Einstellbereich in einfacher Weise durch Erhöhen des Druckes innerhalb der Entladungskammer erweitert werden. Ein nahezu kontinuierliches Einstellen über einen erweiterten Bereich an Wellenlängen (ungefähr 50 pm) kann erreicht werden, wenn die benachbarten Rotationslinienübergänge, die ungefähr 7 pm beabstandet sind, des 157 nm Fluormolekülübergangs auf Grund der Druckverbreiterung der einzelnen Übergänge bei erhöhten Drücken überlappen. 20 zeigt die spektrale Verstärkungsverteilung in der Nähe der ausgeprägten Linie bei 157,6299 nm bei erhöhten Drücken.
Selbstverständlich kann das Erhöhen des Laserkammerdrucks über die typischen Druckwerte von ungefähr 3 Atmosphären hinaus, die bei konventionellen Excimer-Laser verwendet werden, die Kosten für die Kammer erhöhen. Die Anmelder schlagen jedoch vor, dass Drücke im Bereich von ungefähr 7 bis 10 Atmosphären ohne wesentliche Kostensteigerungen gehandhabt werden können und eine deutliche Aufweitung des Einstellbereichs ergeben.
LINIENAUSWAHL DES VERSTÄRKUNGSMEDIUMS
Die beiden wesentlichen Spektrallinien des F₂-Lasers sind bei ungefähr 157,630 nm und 157,523 nm angeordnet. Die 157,630 nm Linie ist typischerweise deutlich stärker als die 157,523 nm Linie in einem freilaufenden Laser ausgeprägt. Jedoch ist die 157,523 nm Linie im Allgemeinen stark genug ausgeprägt, um in vielen Anwendungen ein Problem darzustellen. Die obigen Verfahren wurden von den Anmeldern erläutert, ohne Berücksichtigung des Verstärkungsmediums zum Ausschließen der kleineren Linien. Die Anmelder entdeckten, dass durch Verringerung der Länge des Entladungsgebiets von ungefähr 54,61 cm (21,5 inch) auf ungefähr 35,56 cm (14 inch) und durch Verringern der Entladungsspannung der Laser dazu gebracht wird, bei nur 157,630 nm zu arbeiten, so dass die 157,523 Linien nicht mehr in Erscheinung tritt.
Obwohl dieses F₂-Lasersystem mit Bezug zu einer speziellen Ausführungsform beschrieben ist, ist zu betonen, dass diverse Anpassungen und Modifizierungen durchgeführt werden können. Beispielsweise sind viele alternative Ausführungsformen in den Patentanmeldungen diskutiert, die im ersten Teil dieser Anmeldung aufgeführt sind. Ein Etalon-Ausgangskoppler kann verwendet werden, um eine zusätzliche Linienverschmälerung zu erreichen. Das Puffergas kann Neon anstelle von Helium sein. Die Erfindung ist lediglich durch die angefügten Patentansprüche beschränkt.

Claims

F₂-Excimer Laser mit hoher Wiederholungsrate, zuverlässiger modularer Herstellungsqualiltät und sehr schmaler Bandbreite zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls mit schmaler Bandbreite bei Wiederholungsraten von mindestens ungefähr 1000 Herz, wobei der Laser umfasst: A) ein Laserkammermodul (80) mit einer Laserkammer (211), die umfasst: 1) zwei längliche Elektroden (83, 84); 2) ein Lasergas mit a) Fluor, und b) einer Puffergasmischung mit Helium und Neon; 3) einen Gasumwälzer (10a) zum Umwälzen des Gases zwischen den Elektroden mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 Zentimeter/Millisekunden; B) ein Pulsleistungssystem mit einer Leistungsversorgung (20) und Pulskompressions- und Verstärkungsschaltungen und einer Pulsleistungssteuerung zum Erzeugen von elektrischen Hochspannungspulsen mit mindestens 14 000 Volt an den Elektroden (83, 84) mit Raten von mindestens ungefähr 1000 Herz; C) ein Laserpulsenergiesteuerungssystem zum Steuern der dem Impulsleistungssystem zugeführten Spannung, wobei das Steuerungssystem einen Laserpulsenergiemonitor (92) und einen Computerprozessor (102), der mit einem Algorithmus zum Berechnen elektrischer Pulse, die zum Erzeugen von Laserpulsen mit Pulsenergien innerhalb eines gewünschten Energiebereichs erforderlich ist, auf der Grundlage vergangener Pulsenergiedaten programmiert ist, und D) einen Pulsenergiedetektor, der für UV-Licht im Bereich von 157 Nanometer empfindlich ist, der jedoch für sichtbares rotes Licht und Infrarotlicht nicht sensitiv ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Mischung eine Neonkonzentration in einem Bereich von 0.4 bis 0.95 definiert.
Laser nach Anspruch 2, wobei die Mischung eine Neonkonzentration in einem Bereich von 0.52 bis 0.63 definiert.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Kammer (211) und der Gasumwälzer (10a) einen Gasströmungsweg und eine stromaufwärtsliegende Richtung definieren und wobei der Laser ferner eine einzelne Vorionisierungsröhre (56a) umfasst, die stromaufwärts in Bezug auf die Elektroden angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 4, wobei jede Elektrode (83, 84) eine Elektrodenlänge definiert und wobei die einzelne Vorionisierungsröhre (56a) einen geerdeten elektrisch leitenden Stab aufweist, der entlang der Achse einer hohlen Al₂O₃-Zylinderröhre mit einer Länge angeordnet ist, die größer als die Länge der Elektrode ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Laserkammer (211) eine Kammerstruktur definiert und wobei die zwei länglichen Elektroden eine Kathode (83) und eine Anode (84) definieren, wobei die Kathode (83) von der Kammerstruktur durch ein einzelnes Isolatorstück (55a), das Al₂O₃ aufweist und das an einem Teil der Kammerstruktur angebracht ist, isoliert ist.
Laser nach Anspruch 6, wobei die Kathode (83) direkt an dem einzelnen Isolatorstück (55a) montiert ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei alle Dichtungen, die der Einwirkung des Lasergases ausgesetzt sind, Metalldichtungen sind.
Laser nach Anspruch 1, wobei die beiden länglichen Elektroden eine Kathode (83) und eine Anode (84) definieren, wobei die Anode von einem Anodenhaltestab (84a) mit einer sich verjüngenden Oberfläche gehalten wird, die so gestaltet ist, um die aerodynamischen Reaktionskräfte auf die Dichtungen zu verringern.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Leistungsversorgung (20) umfasst: einen Gleichrichter (22) zum Umwandeln der Wechselspannungsleistung in Gleichspannungsleistung, einen Inverter (24) zum Umwandeln der Gleichspannungsleistung in eine Hochfrequenzwechselspannungsleistung, einen Aufwärtswandler (26) zum Erhöhen der Spannung der Hochfrequenzwechselspannungsleistung in eine höhere Spannung, einen Gleichrichter (28) zum Umwandeln der höheren Spannung zum Aufladen eines Ladekondensators auf eine Spannung entsprechend der Sollspannung oder näherungsweise der Sollspannung, die von dem Laserimpulsenergiesteuerungssystem erstellt wird.
Laser nach Anspruch 10, wobei die Leistungsversorgung (20) so ausgebildet ist, um den Ladekondensator (42) geringfügig zu überladen und die ferner eine Entladeschaltung aufweist, um den Ladekondensator auf die Sollspannung zu entladen.
Laser nach Anspruch 10, wobei das Pulsleistungssystem einen elektronischen Schalter (46) aufweist, der beim Schließen die elektrischen Hochspannungspulse in Gang setzt, indem Ladung von dem Ladekondensator (42) zu einem zweiten Kondensatator (52) fließen kann, um eine Hochspannungsladung in dem zweiten Kondensator zu erzeugen.
Laser nach Anspruch 10, der ferner aufweist: eine Induktivität (48), einen Pulstransformator (56) und einen dritten Kondensator (62), wobei die Induktivität, der Pulstransformator und der dritte Kondensator so angeordnet sind, dass die Hochspannungsladung indem zweiten Kondensator nach Erde über die Primärseite des Pulstransfonnators abfließen kann, um einen Spannungspuls mit sehr hoher Spannung am Ausgang des Pulstransformators zu erzeugen, der temporär in dem dritten Kondensator zu speichern ist.
Laser nach Anspruch 10, wobei die Primärseite des Pulstransformators mehrere hohle Spulen (56a) aufweist, die in Reihe verbunden sind, wobei jede Spule eine Achse definiert, und wobei eine Sekundärseite des Transformators mindestens einen Stab (56d) aufweist, der zu der Achse der mehreren Spulen ausgerichtet ist.
Laser nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Stab (56d) vier Stäbe umfasst, die in Reihe verbunden sind und zwei Anschlüsse definieren, wovon einer einen Erdungsanschluss (56e) und wobei der andere einen Anschluss für eine sehr hohe Spannung (56f) definiert.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Laserpulsleistungssystem mindestens eine sättigbare Induktivität (54) mit einer Spule umfasst, die in Öl, das in einem Behälter enthalten ist, eingetaucht ist, der auch als der Hochspannungsanschluss der Induktivität dient.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Gasumwälzer ein Gebläse (10a) umfasst mit einer Welle (130) die von mindestens zwei Magnetlagern (124) gehalten wird, wobei jedes Lager einen Stator (126) und einen Rotor (128) aufweist; wobei das Wellenlager von einem Motor angetrieben wird, der einen Stator (140) und einen Rotor (129) aufweist; wobei das Gebläse (10a) ferner eine Dichtungseinrichtung zum Abdichten des Rotors in einer Umgebung aufweist, die das Lasergas enthält, wobei der Stator außerhalb der Lasergasumgebung angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Gasumwälzer ein Gebläse (10a) mit einer Welle umfasst, die von mindestens zwei Keramikdichtungen gehalten wird.
Laser nach Anspruch 1, der ferner ein Spülsystem mit einem Ausgangsanschluss aufweist, das eine lange Röhre mit einer Länge aufweist und eine durchschnittliche innere Abmessung von weniger als ungefähr ein Fünfzigstel der Länge definiert, wobei das Spülsystem einen Spülstrom zu mindestens einer optischen Laserkomponente außerhalb der Laserkammer (211) zuführt.
Laser nach Anspruch 19, wobei das Spülsystem einen Strömungsmonitor (300) zum Detektieren des Spülstroms aufweist.
Laser nach Anspruch 1, der ferner einen Pulsenergiedetektor mit einer Pulsenergiedetektionseinrichtung aufweist, die unempfindlich für sichtbares rotes Licht und Infrarotlicht ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor ein für das Sonnenlicht unempfindlicher Detektor ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor eine Photoröhre ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor eine Photoröhre ist mit einem Photokathodenmaterial aus CsTe und/oder CsI und/oder Diamant.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Puffergas Helium enthält.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Puffergas Helium und Neon enthält.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor mindestens einen Spiegel aufweist, der so gestaltet ist, um hauptsächlich UV-Licht zu reflektieren oder durchzulassen.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor mindestens ein dispersives Element aufweist, das ausgebildet ist, UV-Licht in eine Richtung zu zerstreuen, die sich von der Richtung von sichtbaren oder IR-Licht in dem Strahl unterscheidet.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Detektor ein fluoreszierendes Element aufweist, das ausgebildet ist, bei Belichtung mit UV-Licht zu fluoreszieren.