DE60032017T2

DE60032017T2 - Schmalbandiger laser mit bidirektionaler strahlerweiterung

Info

Publication number: DE60032017T2
Application number: DE60032017T
Authority: DE
Inventors: N. William Poway PARTLO; I. Alexander San Diego ERSHOV; T. Scott San Diego SMITH
Original assignee: Cymer Inc
Current assignee: Cymer Inc
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: JP2003518757A; DE60032017D1; WO2001047074A1; AU3435501A; EP1240694A1; EP1240694B1; US20010014110A1; EP1240694A4; US6738410B2

Description

Diese Erfindung betrifft Laser und insbesondere linienverschmälerte Excimer-Laser. Diese Erfindung ist eine Teilfortsetzung der Anmeldenummer 09/470,724, die am 22. Dezember 1999 eingereicht wurde, und der Anmeldenummer 09/716,041, die am 17. November 2006 eingereicht wurde.
Hintergrund der Erfindung
Schmalbandige Gasentladungslaser
Ultraviolette Gasentladungslaser, die als Lichtquellen für die integrierte Schaltungslithographie verwendet werden, sind typischerweise linienverschmälert. Eine bevorzugte Linienverschmälerungstechnik des Standes der Technik ist es, eine Linienverschmälerungseinheit basierend auf einem Beugungsgitter zusammen mit einem Ausgangskoppler zu verwenden, um einen Laserresonanzhohlraum zu bilden. Das Verstärkungsmedium innerhalb des Hohlraums wird durch elektrische Entladungen in einem zirkulierenden Lasergas erzeugt wie zum Beispiel Krypton, Flur und Neon (für einen KrF-Laser); Argon, Flur und Neon (für einen ArF-Laser); oder Flur und Helium und/oder Neon (für einen F₂-Laser).
Linienverschmälerungstechniken des Standes der Technik
Eine Skizze eines solchen Stand der Technik Systems wird in 1 gezeigt, das dem japanischen Patent Nr. 2,696,285 entnommen ist. Das gezeigte System schließt einen Ausgangskoppler (oder einen vorderen Spiegel) 4, eine Laserkammer 3, ein Laserfenster 11, und eine Linienverschmälerungseinheit 7 basierend auf einem Gitter, ein. Die Linienverschmälerungseinheit 7 wird typischerweise auf einem Lithographielasersystem als eine leicht ersetzbare Einheit bereitgestellt und wird manchmal ein „Linienverschmälerungspaket" oder kurz „LNP" genannt. Diese Einheit schließt zwei Strahlaufweiterprismen 27 und 29 und ein Gitter 16 ein, die in einer Littrow-Konfiguration angeordnet sind, so dass der gebeugte Strahl geradewegs zurück zu dem einfallenden Strahl geworfen wird. Der Ausgang dieser Excimer-Laser ist typischerweise rechteckig mit einer langen Abmessung von zum Beispiel 20 mm in vertikaler Richtung und einer kurzen Abmessung von zum Beispiel 3 mm in der horizontalen Richtung. Deshalb wird in Stand der Technik Entwürfen der Strahl typischerweise in horizontaler Richtung aufgeweitet, so dass die Zeichnung der 1 eine Ansicht von oben repräsentieren würde.
Die Gitterformel
Ein anderes Excimer-Lasersystem des Standes der Technik, das ein Beugungsgitter zur Linienspektrumsselektion verwendet, wird in 2 gezeigt. Der Hohlraum des Lasers wird durch einen Ausgangskoppler 4 und ein Gitter 16, das als ein Reflektor und ein spektralselektives Element verwendet wird, erzeugt. Der Ausgangskoppler 4 reflektiert einen Teil des Lichtes zurück zu dem Laser und überträgt den anderen Teil 6, der aus dem Laser ausgegeben wird. Dies Prismen 8, 10 und 12 bilden einen Strahlaufweiter, der den Strahl in der horizontalen Richtung aufweitet, bevor er das Gitter beleuchtet. Ein Spiegel 14 wird verwendet, um den Strahl zu steuern, wenn er sich in Richtung Gitter ausbreitet, wodurch der horizontale Einstrahlwinkel gesteuert wird. Die Zentrumswellenlänge des Lasers wird normalerweise geändert (eingestellt) indem dieser Spiegel 14 sehr leicht gedreht wird. Eine Verstärkungserzeugung wird in Kammer 3 erzeugt.
Das Beugungsgitter 16 stellt die Wellenlängenselektion bereit, indem Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln reflektiert wird. Deswegen werden nur solche Lichtstrahlen, die in den Laser zurück reflektiert werden, durch das Laserverstärkungsmedium verstärkt, während alles andere Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen verloren geht.
Das Beugungsgitter in dem Laser des Standes der Technik arbeitet in einer Littrow-Konfiguration, wenn es Licht zurück in den Laser reflektiert. Für diese Konfiguration hängen der Einfallswinkel α und die Wellenlänge λ durch folgende Formel zusammen: 2dnsinα = mλ (1)wobei α der Einfallswinkel auf das Gitter ist, m die Beugungsordnung ist, n der Brechungsindex von Gas ist und d die Gitterperiode ist.
Da Mikrolithographiebelichtungslinsen sehr empfindlich auf chromatische Aberrationen der Lichtquelle sind, ist es erforderlich, dass der Laser Licht mit einer sehr engen Spekt rumlinienbreite erzeugt. Zum Beispiel erzeugen Excimer-Laser des Standes der Technik spektrale Linienbreiten in der Größenordnung von 0,5 pm, gemessen bei der vollen Breite bei halben Maximalwerten und mit 95% der Lichtenergie konzentriert in dem Bereich von ungefähr 1,5 pm. Neue Generationen von Microlithographiebelichtungswerkzeugen werden noch engere spektrale Anforderungen erfordern. Zusätzlich ist es sehr wichtig, dass die zentrale Wellenlänge des Lasers auch bei sehr hoher Genauigkeit beibehalten wird. In der Praxis ist es erforderlich, dass die zentrale Wellenlänge auf einen Wert besser als 0,05–0,1 pm Stabilität gehalten wird.
Es gibt deshalb einen Bedarf, den Laserstrahl stärker zu verschmälern.
Die US-A-5761236 beschreibt einen Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung. Der Laser umfasst einen Laserresonator, der zwei reflektierende Elemente und eine Gruppe von verschiedenen refraktiven dispersiven Elementen einschließt, die in dem Laserstrahlpfad angeordnet sind und die jeweils einfallendes Licht unter einem Winkel ablenken, der spezifisch zur Wellenlänge des einfallendes Lichtes ist.
Die US 5,856,991 offenbart einen sehr schmalbandigen Laser. Das sehr schmale Band wird erreicht, indem ein Etalon als Ausgangskoppler in Kombination mit einem Linienverschmälerungselement erreicht, das auf der Rückseite des Lasers angeordnet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine gitterbasierende Linienverschmälerungseinheit mit bidirektionaler Strahlaufweitung zur Linienverschmälerung von Lasern bereit, wie es in den Ansprüchen 1 und 6 ausgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Strahl von der Kammer des Lasers in horizontaler Richtung mit einem Dreiprismenstrahlaufweiter aufgeweitet, und wird in der vertikalen Richtung mit einem einzelnen Prisma aufgeweitet. Ein schmales Band von Wellenlängen in dem aufgeweiteten Strahl wird von einem Gitter in einer Littrow-Konfiguration über die zwei Strahlaufweiter in die Laserkammer zur Verstärkung zurückreflektiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein erstes linienverschmälertes Lasersystem gemäß des Standes der Technik.
2 zeigt ein zweites linienverschmälertes Lasersystem gemäß des Standes der Technik.
3 zeigt den Effekt einer vertikalen Strahlabweichung auf die Wellenlängen.
Die 4a, 4b und 4c zeigen Elemente einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen Strahlaufweitungskoeffizienten, der mit einem Prisma möglich ist.
6 zeigt eine Anordnung zum Heliumreinigen.
Die 7, 8 und 8a–8d zeigen LNP's, die zur schnellen Rückkopplungssteuerung ausgerüstet sind.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können durch Bezug auf die Zeichnungen beschreiben werden.
In der Realität funktioniert die Formel (1), die im Abschnitt zur Beschreibung des Standes der Technik präsentiert wurde, nur, wenn alle Strahlen, die auf das Gitter einfallen, dieselbe Richtung in der vertikalen Achse aufweisen, und die Richtung ist senkrecht zu den Beugungsgittereinkerbungen. Die Beugungsgittereinkerbungen werden vertikal platziert, so dass Formel (1) für Strahlen wirkt, die in der horizontalen Ebene liegen. Reale Excimer-Laserstrahlen weisen jedoch einige Divergenz sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung auf. In diesem Falle wird Formel (1) modifiziert und wird 2dnsinα·cosβ = mλ (2)
In diese Formel ist β der Strahlwinkel in vertikaler Richtung, und der Rest der Variablen sind dieselben wie in (1). Für den Fall β = 0, d. h. wenn der Strahl in der vertikalen Richtung keine Divergenz aufweist, ist cosβ = 1 und Formel (2) wird (1.)
Es ist wichtig anzumerken, dass das Gitter keinerlei Dispersionseigenschaften in vertikaler Richtung aufweist, das heißt sein Reflexionswinkel in vertikaler Richtung hängt nicht von der Lichtwellenlänge ab, sondern ist eher gleich dem Einfallswinkel. Das bedeutet, dass in der vertikalen Richtung die reflektierenden Facetten der Gittereinkerbung sich wie gewöhnlich Spiegel verhalten.
Die Strahldivergenz in vertikaler Richtung hat einen bedeutenden Effekt auf die Linienverschmälerung. Gemäß Formel (2) entsprechen unterschiedliche vertikale Winkel β unterschiedlichen Littrow-Wellenlängen λ. 3 zeigt die Abhängigkeit der Littrow – Wellenlänge λ auf die vertikale Strahlabweichung β. Typische Stand der Technik Excimer-Laser können eine Strahldivergenz von bis zu ±1,0 mrad aufweisen (d. h. eine Gesamtstrahldivergenz von ungefähr 2 mrad). 3 zeigt, dass ein Teil eines Strahls, der sich mit einer vertikalen Neigung von 1 mrad ausbreitet (in einer aufwärts oder abwärts Richtung), eine Littrow-Wellenlänge aufweisen wird, die um 0,1 pm in Richtung kurzer Wellenlänge für diesen Teil des Strahles verschoben ist. Diese Wellenlängenverschiebung führt zu einer Verbreiterung des gesamten Strahlspektrums. Die Excimer-Laser nach dem Stand der Technik mit einer Δλ_FWHM Bandbreite von ungefähr 0,6 pm leiden nicht wesentlich an diesem Effekt. Jedoch, da die Bandbreite reduziert wird, wird diese 0,1 pm Verschiebung zunehmend wichtig. Neue Excimer-Laserspezifikationen für die Microlithographie erfordern eine Bandbreite von ungefähr 0,4 pm oder weniger. In diesem Fall wird es wichtig, diesen Verbreiterungseffekt zu reduzieren.
Erste bevorzugte Ausführungsform
Ein bevorzugtes Linienverschmälerungsmodul der vorliegenden Erfindung wird in den 4a, b und c gezeigt. Sie hat drei Strahlaufweitungsprismen, die den Strahl in ho rizontaler Richtung aufweiten, und ein zusätzliches Prisma, das den Strahl in vertikaler Richtung aufweitet.
4a ist eine Ansicht von oben. 4b ist eine Seitenansicht von der Seite, die in 4a angezeigt ist. (In 4b werden die Prismen als Rechtecke dargestellt, die den Bereich des Prismas repräsentieren, durch den das Zentrum des Strahls hindurch geht.) 4c ist eine perspektivische Ansicht. Anzumerken ist, dass das Gitter 16 und der Spiegel 14 oberhalb der Prismen 8, 10 und 12 dargestellt sind. Anzumerken ist auch, dass der aufgeweitete Strahl in einer Richtung aus der Ebene der horizontalen Strahlaufweitung abgefangen wird. Der Strahl wird dann zurück in eine zweite horizontale Ebene parallel zur Ebene der horizontalen Aufweitung durch den Spiegel 14 auf die Seite des Gitters 16 zurückgeleitet, das in der Littrow-Konfiguration in der zweiten horizontalen Ebene positioniert ist. (Das Gitter 16 wird als eine Linie in 4b gezeigt, die den Schnitt des horizontalen Zentrums des Strahles mit der Gitteroberfläche repräsen tiert.)
In der bevorzugten Ausführungsform weitet jedes der drei horizontal aufweitenden Prismen den Strahl um ungefähr den 2,92-fachen Wert auf. Deshalb ist die gesamte Strahlaufweitung in horizontaler Richtung 2,92³ = 25. Die Strahlaufweitung in der vertikalen Richtung ist 1,5-fach (der Aufweitungsgrad wird in den 4b und c übertrieben dargestellt.) Die vertikale Strahlaufweitung beeinflusst nicht direkt die Strahldivergenz in dem Laserhohlraum oder die vertikale Strahldivergenz des ausgegebenen Laserstrahls, sondern sie reduziert die vertikale Divergenz des Strahls, wenn er die Gitteroberfläche beleuchtet. Nachdem der Strahl vom dem Gitter reflektiert wurde, kontrahiert das Prisma 60 den Strahl in seiner vertikalen Richtung wenn er durch das Prisma zurückläuft, wodurch seine Divergenz zurück auf normal erhöht wird. Diese reduzierte Divergenz des Strahles, wenn er das Gitter beleuchtet, resultiert in einer Reduzierung des Wellenlängenverschiebeeffektes, wodurch eine bessere Linienverschmälerung entsteht. Eine vertikale Neigung von 1 mrad des Strahles bevor er durch dieses Prisma hindurchgeht wird auf 1 mrad/1,5 = 0,67 mrad reduziert. Gemäß der 3 entspricht dies einer Reduzierung der Wellenlängenverschiebung von 0,1 pm zu bloßen 0,044 pm wodurch dieser Effekt für die Linienverschmälerung der Laser der nächsten Generation unbedeutend wird.
Fachleute werden erkennen, dass zusätzlich zu den oben beschriebenen bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung viele andere Ausführungsformen möglich sind. Zum Beispiel kann das Prisma 60 vor das Prisma 8 angeordnet werden, oder zwischen irgendwelchen zweien von den Prismen 8, 10 und 12. Prismenkombinationen, die nicht aus drei Prismen bestehen, zur horizontalen Strahlaufweitung und einem Prisma für die vertikale Strahlaufweitung kann auch verwendet werden. Techniken für eine im Wesentlichen Realzeitsteuerung der verschiedenen Wellenlängenparametern werden in einer Patentanmeldung der Vereinigten Staaten beschrieben, die am 3. September 1999 mit der Anmeldenummer 09/390,579 eingereicht wurden und werden auch in einer Patentanmeldung der Vereinigten Staaten beschrieben, die am 31. Oktober 2000 mit der Anmeldenummer 09/703,317 eingereicht wurde. Diese Techniken schließen eine schnelle Rückkopplungssteuerung der Position der Strahlaufweitungsprismen, der Gitterkrümmung und der Position des Einstellspiegels ein. Die Steuerung der Position der Laserkammer wird auch bereitgestellt. 6 zeigt eine LNP mit einer Heliumreinigung. 7 ist eine Kombination eines Blockdiagramms und einer schematischen Zeichnung des gesamten Lasersystems und die 8a und 8b sind Zeichnungen der LNP mit zusätzlichen Rückkopplungssteuermerkmalen. In der Ausführungsform gemäß 8 wird die Krümmung des Gitters durch einen Gitterkrümmungsschrittmotor 30 gesteuert, um die Störungen zu kompensieren, die durch heiße Gasschichten auf der Seite des Gitters verursacht werden. In der Ausführungsform der 8a–d wird die Krümmung des Gitters 82 mit sieben piezoelektrischen Elementen 86 gesteuert, die über sieben Invarstäbe 84 gegen den Rückseitenblock 88 und die Kompressionsfeder 90 wirken. Diese Ausführungsform stellt eine sehr schnelle Einstellungskrümmung der Gitterfläche bereit. 5 zeigt mögliche Strahlaufweitungskoeffizienten, die mit einem einzelnen Prisma erreicht werden können, indem der Einfallswinkel eingestellt wird.
Der Rahmen der vorliegenden Erfindung sollte durch die anhängenden Ansprüche und deren legalen Äquivalenten bestimmt werden.

Claims

Bidirektionale Strahlaufweitungslinienverschmälerungseinheit für einen Laser, der eine Laserkammer (3) definiert, die folgendes umfasst: A) einen Strahlaufweiter (8, 10, 12) in einer ersten Richtung, der angeordnet ist, um einen Strahl von dem Laser in einer ersten Richtung aufzuweiten; B) einen Strahlaufweiter (60) für eine zweite Richtung, der angeordnet ist, um den Strahl in einer zweiten Richtung aufzuweiten; und C) ein Gitter (16), das so angeordnet ist, dass es ein ausgewähltes schmales Band von Wellenlängen über den Strahlaufweiter (60) für die zweite Richtung und den Strahlaufweiter (8, 10, 12) für die erste Richtung zu der Laserkammer (3) zum Verstärken zurückreflektiert.
Linienverschmälerungseinheit gemäß Anspruch 1, worin die erste Richtung horizontal ist und die zweite Richtung vertikal ist.
Linienverschmälerungseinheit nach Anspruch 1, worin der Strahlaufweiter (8, 10, 12) für die erste Richtung mindestens ein Prisma umfasst und der Strahlaufweiter (60) für die zweite Richtung mindestens ein Prisma umfasst.
Linienverschmälerungseinheit gemäß Anspruch 1, worin der Strahlaufweiter (8, 10, 12) für die erste Richtung drei Prismen umfasst und der Strahlaufweiter (60) für die zweite Richtung ein einzelnes Prisma umfasst.
Linienverschmälerungseinheit gemäß Anspruch 1, das weiterhin einen Abstimmspiegel umfasst.
Schmalbandiger Excimerlaser, der folgendes umfasst: A) eine Laserkammer (3), die folgendes umfasst: 1) zwei Elektroden; 2) ein Excimerlasergas; 3) eine Gebläseeinrichtung, um das Gas umzuwälzen; 4) eine Pulsleistungsstromversorgungseinrichtung zum Erzeugen der Entladungen zwischen den Elektroden, um Excimerlaserimpulse zu erzeugen; B) einen Resonanzhohlraum, der einen Ausgangskoppler und eine Linienverschmälerungseinheit umfasst, wobei die Linienverschmälerungseinheit umfasst: 1) einen Strahlaufweiter (8, 10, 12) für eine erste Richtung, der angeordnet ist, um einen Strahl des Lasers in einer ersten Richtung aufzuweiten; 2) einen Strahlaufweiter (60) für eine zweite Richtung, der angeordnet ist, um den Strahl in einer zweiten Richtung aufzuweiten; und 3) ein Gitter (16), das so positioniert ist, dass es ein ausgewähltes schmales Band von Wellenlängen über den Strahlaufweiter für die zweite Richtung und den Strahlaufweiter für die erste Richtung zu der Laserkammer zur Verstärkung zurückreflektiert.
Laser gemäß Anspruch 6, worin die erste Richtung horizontal und die zweite Richtung vertikal ist.
Laser nach Anspruch 6, worin der Strahlaufweiter (8, 10, 12) für die erste Richtung mindestens ein Prisma umfasst und der Strahlaufweiter (60) für die zweite Richtung mindestens ein Prisma umfasst.
Laser gemäß Anspruch 6, worin der Strahlaufweiter (8, 10, 12) für die erste Richtung drei Prismen umfasst und der Strahlaufweiter (60) für die zweite Richtung ein einzelnes Prisma umfasst.
Laser gemäß Anspruch 6, der weiterhin einen Abstimmspiegel (14) umfasst.