DE60038657T2 - Automatisches Fluorkonzentration-Steuersystem für Excimerlaser - Google Patents

Automatisches Fluorkonzentration-Steuersystem für Excimerlaser Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Excimer-Laser sind gut bekannt. Ein wichtiger Verwendungszweck eines Excimer-Lasers ist die Bereitstellung der Lichtquelle für die Lithografie integrierter Schaltkreise. Der gegenwärtig in einer beträchtlichen Anzahl für die Lithografie integrierter Schaltkreise zur Verfügung gestellte Typ von Excimer-Lasern ist der KrF-Laser, der ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 248 nm erzeugt. Ein ähnlicher Excimer-Laser, der ArF-Laser, stellt ultraviolettes Licht mit 193 nm zur Verfügung. Diese Laser arbeiten üblicherweise in einem Impulsmodus mit Impulsraten von zum Beispiel 1000 Hz bis 4000 Hz. Der Laserstrahl wird in einer Laserkammer erzeugt, die ein Aufnahmemedium enthält, das durch die Entladung durch ein Lasergas zwischen zwei verlängerten Elektroden von ca. 28 Inch (1 Inch = 2,54 cm) in der Länge und in einem Abstand von ca. 5/8 Inch erzeugt wird. Die Entladung wird durch Anlegen einer hohen Spannung, wie zum Beispiel 20.000 Volt an den Elektroden erzeugt. Bei dem KrF-Laser besteht das Lasergas üblicherweise aus 1% Krypton, 0,1% Fluor und ca. 99% Neon. Bei dem ArF-Laser besteht das Gas üblicherweise aus 3 bis 4% Argon, 0,1% Fluor und 96 bis 97% Neon. Um hohe Impulsraten von ca. 1000 Hz bis 4000 Hz zu erreichen, muss das Gas in beiden Fällen zwischen den Elektroden mit Geschwindigkeiten von ca. 500 bis 2000 Inch pro Sekunde zirkulieren.
  • Fluor ist das bekannteste reaktionsfähige Element, und es wird durch die Ionisierung während einer elektrischen Entladung noch reaktionsfähiger. Es muss besondere Sorgfalt ausgeübt werden, um in diesen Laserkammern solche Materialien wie mit Nickel überzogenes Aluminium zu verwenden, die einigermaßen kompatibel mit Fluor sind. Des Weiteren werden Laserkammern mit Fluor vorbehandelt, um auf dem Inneren der Wände der Laserkammern Passivierungsschichten zu erzeugen. Selbst bei dieser besonderen Sorgfalt wird Fluor mit den Wänden und anderen Laserkomponenten reagieren, was zu einem relativ regelmäßigen Schwund an Fluor führt. Die Schwundraten sind von vielen Faktoren abhängig, aber bei einem gegebenen Laser hängen die Schwundraten zu einem bestimmten Zeitpunkt in seiner Nutzungsdauer vorrangig von der Impulsrate und dem Lastfaktor beim Betrieb des Lasers ab. Ist der Laser nicht in Betrieb, ist die Schwundrate wesentlich geringer. Die Schwundrate wird weiter verringert, wenn das Gas nicht zirkuliert. Um diesen Schwund auszugleichen, wird normalerweise neues Fluor in Abständen von ca. 1 bis 3 Stunden injiziert. Anstatt reines Fluor zu injizieren, wird üblicherweise in KrF-Laser eine Mischung von 1% Fluor, 1% Krypton und 98% Neon injiziert. So schwankt zum Beispiel bei einem typischen KrF-Excimer-Laser mit 1000 Hz, der für die Lithografie verwendet wird, die Menge der Fluor-Krypton-Neonmischung, die zum Ausgleich für den Fluorschwund injiziert wird, von ca. 10 scc pro Stunde, wenn der Laser nicht in Betrieb ist und das Lasergas nicht zirkuliert, bis zu ca. 500 scc pro Stunde, wenn der Laser kontinuierlich bei 1000 Hz betrieben wird. Die typische Injektionsrate liegt bei ca. 120 scc pro Stunde, wenn der Lüfter der Kammer das Lasergas zirkuliert aber der Laser nicht zündet.
  • Die Einheit „scc" bezieht sich auf „Standard-Kubikzentimeter". Weitere allgemein gebräuchliche Einheiten zur Beschreibung der Menge von Fluor in einem bestimmten Volumen sind Prozent (%) Fluor, Teile pro Million und Kilo-Pascal, letztere bezieht sich manchmal auf den Partialdruck des Fluor-Gas-Gemisches. (Das ist so, weil die Menge des in einer Laserkammer injizierten Fluor üblicherweise (direkt oder indirekt) durch die gemessene Erhöhung des Kammerdrucks während der Injektion der 1%igen Fluor-Gas-Mischung bestimmt wird.) Eine Injektionsrate von 320 scc 1%ige Fluormischung pro Stunde würde einem Schwund von ca. 0,10 Prozent bis ca. 0,087 Prozent in der Fluorkonzentration über 2 Stunden entsprechen. Die tatsächliche Menge des in zwei Stunden verschwundenen Fluors gemessen in Gramm reines Fluor würde ca. 10 Milligramm während des Zeitraums von zwei Stunden betragen, was der oben genannten Injektionsrate für die Fluor-Gas-Mischung von 320 scc/Stunde entspricht (d. h. 640 scc der 1%igen Fluormischung werden in Abständen von zwei Stunden injiziert).
  • Für die Lithografie von integrierten Schaltkreisen erfordert eine typische Betriebsart Laserimpulse mit konstanter Impulsenergie, wie z. B. 10 mJ/Impuls bei ca. 1000 Hz bis 4000 Hz, die auf Wafer im Burst-Modus wie z. B. bei ca. 300 Impulsen (eine Dauer von ca. 300 Millisekunden bei 1000 Hz) mit einer Totzeit von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu einigen Sekunden zwischen den Explosionen angewendet werden. Die Betriebsarten können mehrere Monate hindurch kontinuierlich 24 Stunden pro Tag, sieben Tage pro Woche sein, mit planmäßigen Stillstandszeiten für Wartung und Reparaturen von zum Beispiel 8 Stunden einmal pro Woche oder alle zwei Wochen. Demzufolge müssen diese Laser sehr zuverlässig und im Wesentlichen störungsfrei sein.
  • In typischen KrF- und ArF-Excimer-Laser, die für die Lithografie verwendet werden, können hochwertige reproduzierbare Impulse mit den gewünschten Impulsenergien von ca. 10 mJ/Impuls über einen beträchtlichen Bereich von Fluorkonzentrationen von ca. 0,08 Prozent (800 Teile/Million oder ca. 24 kPa Partialdruck der Fluor-Gas-Mischung) bis zu ca. 0,12 Prozent (1200 Teile/Million oder ca. 36 kPa) erzielt werden. Über den normalen Laser-Betriebsbereich erhöht sich die Entladungsspannung, die für die Erzeugung der gewünschten Impulsenergie erforderlich ist, mit Verringerung der Fluorkonzentration (unter der Annahme, dass die anderen Laser-Parameter ungefähr konstant bleiben). 1 stellt ein typisches Verhältnis zwischen der Entladungsspannung und der Fluorkonzentration für eine konstante Impulsenergie von 10 mJ und 14 mJ dar. Die Entladungsspannung im Bereich von 15 kV bis 20 kV wird normalerweise durch ein Rückkopplungssystem gesteuert, das eine Ladespannung (im Bereich von ca. 550 Volt bis 800 Volt) berechnet, die benötigt wird, um (in einem Impulskompressions-Verstärkungs-Schaltkreis) die Entladespannung zu erzeugen, die für die Erzeugung der gewünschten Laser-Impulsenergie erforderlich ist, wobei die Entladespannung ungefähr proportional der Ladespannung ist. Der Rückkopplungsschaltkreis sendet demzufolge ein „Befehlsspannungs"-Signal im Bereich von (550 Volt bis 800 Volt) an eine Stromversorgung, um die Ladespannungsimpulse bereit zu stellen.
  • Verfahren nach dem Stand der Technik nutzen die Beziehung zwischen der Entladespannung und der Fluorkonzentration, um eine konstante Impulsenergie trotz eines kontinuierlichen Schwunds an Fluor beizubehalten. Die Entladespannung von Excimer-Laser nach dem Stand der Technik kann sehr schnell und genau geändert werden und kann mit einer elektronischen Rückkopplung gesteuert werden, um eine konstante Impulsenergie beizubehalten. Eine genaue und präzise Steuerung der Fluorkonzentration hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Deshalb wurde in typischen KrF- und ArF-Lasersystemen nach dem Stand der Technik zugelassen, dass die Fluorkonzentration in Zeiträumen von 1 bis 4 oder 5 Stunden absinkt, während die Ladespannung und damit die Entladespannung durch ein Rückkopplungssteuersystem reguliert wird, um einen ungefähr konstanten Impulsenergieausgang beizubehalten. In regelmäßigen Abständen von ca. 1 bis mehrere Stunden wird Fluor während kurzer Injektionsperioden von wenigen Sekunden injiziert. Somit sinkt bei normalem Betrieb die Fluorkonzentration allmählich von (zum Beispiel) ca. 0,10 Prozent auf ca. 0,09 Prozent über einen Zeitraum von ca. 1 bis mehrere Stunden ab, während die Entladespannung über den gleichen Zeitraum von zum Beispiel ca. 600 Volt auf ca. 640 Volt erhöht wird. Die Injektion von Fluor am Ende des Zeitraums von 1 bis mehrere Stunden (wenn die Spannung sich auf ca. 640 Volt verschoben hat) bringt die Fluorkonzentration auf ca. 0,10 Prozent zurück und die Rückkopplungssteuerung (die eine konstante Impulsenergie beibehält) reduziert die Spannung automatisch zurück auf 600 Volt. Dieser grundlegende Prozess wird normalerweise mehrere Tage wiederholt. Da sich allmählich im Lasergas eine Verunreinigung über einen Zeitraum von mehreren Tagen aufbaut, ist es normalerweise wünschenswert, im Wesentlichen das gesamte Gas im Laser gegen neues Lasergas in Abständen von ca. 5 bis 10 Tagen auszutauschen. US-A-5887014 (siehe 2) beschreibt das oben erläuterte Fluorinjektionsverfahren nach dem Stand der Technik. Die Spannungswerte stellen Durchschnittswerte der Steuerspannungsbefehle dar und repräsentieren indirekt die Durchschnittswerte der tatsächlichen Ladespannung.
  • Das oben beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik wird gegenwärtig effektiv genutzt, um einen langfristigen und zuverlässigen Betrieb dieser Excimer-Laser in der Produktionsumgebung zu gewährleisten. Dennoch werden einige Laser-Parameter, wie zum Beispiel Bandbreite, Strahlprofil und Wellenlänge, nachteilig durch die beträchtlichen Schwankungen der Entladespannung und Fluorkonzentration beeinflusst.
  • Eine beträchtliche Anzahl von Verfahren zur Messung und Steuerung der Fluorkonzentration in Excimer-Laser innerhalb von engeren Grenzwerten als die nach dem oben beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik sind vorgeschlagen und patentiert worden. Diese Verfahren wurden im Allgemeinen nicht kommerziell genutzt.
  • In einigen Situationen kann eine Lithografie integrierter Schaltkreise eine spezielle Schutzschicht verwenden, die viel weniger Energie zur Aushärtung benötigt als normalerweise. Zum Beispiel können Fotoresists im Durchschnitt 50 mJ/cm2 zum Aushärten erfordern, aber eine spezielle Schutzschicht erfordert möglicherweise nur 20 mJ/cm2. Ein einfaches Verfahren wäre es, einfach die Anzahl der Impulse für jeden Punkt auf dem Wafer zu reduzieren. Wenn zum Beispiel 40 Impulse mit 10 mJ erforderlich sind, um 50 mJ/cm2 auf dem Wafer zur Verfügung zu stellen, dann würden 16 Impulse 20 mJ/cm2 für die sehr empfindliche Schutzschicht zur Verfügung stellen. Da die Anzahl der Impulse verringert wird, erhöht sich jedoch die Gesamtdosisstabilität, was nicht wünschenswert ist. Andere Lösungen sind, die 40 Impulse beizubehalten, aber entweder die ausgehende Impulsenergie zu reduzieren oder den Strahl abzuschwächen. Die Reduzierung der ausgehenden Impulsenergie eines typischen Laser nach dem Stand der Technik unter seine optimale Energie führt normalerweise zu einer Verringerung seiner Effektivität und die Abschwächung des Strahls würde erklärtermaßen natürlich die Gesamteffektivität des Systems reduzieren.
  • Was benötigt wird, ist ein wirtschaftliches Verfahren zum Betreiben eines Lithografie-Lasers mit einer Energieeffizienz in einer lithografischen Umgebung, in der Schutzschichten mit einem beträchtlichen Bereich an
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Excimer-Lasersystem mit einem automatischen Fluor-Steuerungssystem zur Verfügung, das eine genaue Steuerung der Fluorkonzentration in einer Gasentladungslaserkammer gestattet.
  • Die Anmelder haben entdeckt, dass die Strahlparameter, wie zum Beispiel Stabilität der Impulsenergie, Stabilität der Wellenlänge und Bandbreite, sehr empfindlich gegenüber Änderungen der Fluorkonzentration sind. Sie haben außerdem aus den Erfahrungen gelernt, dass, da ein Laser altert, die Fluorkonzentration, die die am meisten wünschenswerte Kombination von Strahlparameter bietet, schwanken kann. Wie im Abschnitt „Hintergrund der Erfindung" angeführt wurde, ist es außerdem allgemein bekannt, dass eine Verringerung der Fluorkonzentration zu einer Erhöhung der Entladespannung führt und dass die Lebensdauer des Laser sowohl durch die hohe Entladespannung als auch die hohe Fluorkonzentration verkürzt wird. Damit ist es erforderlich, die Fluorkonzentration sorgfältig auszuwählen, sowohl für die Zwecke der Gewährleistung guter Strahlparameter als auch für die Erreichung einer langen Lebensdauer des Laser. Diese Auswahl umfasst intelligente Kompromissentscheidungen, und sobald diese Kompromissentscheidungen getroffen werden, wird eine „effektive Zone" bestimmt, die den am meisten wünschenswerten Bereich der Fluorkonzentration darstellt. Wurde die Bestimmung dieses effektiven Bereichs vorgenommen, ist es wichtig, den Laser in dem effektiven Bereich der Fluorkonzentration zu betrieben. Dies erfolgt durch ein Computersteuerungssystem, das die Laserparameter überwacht, ΔE/ΔV bestimmt (die Änderung der Impulsenergie mit der Spannung) und automatisch und präzise die Fluorkonzentration auf der Grundlage von ΔE/ΔV ohne die Notwendigkeit der tatsächlichen Messung der Fluorkonzentration steuert.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Lithografieumgebungen nützlich, in denen Fotoresists mit einem breiten Empfindlichkeitsbereich genutzt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Betrieb des Lasers bei einem im Wesentlichen maximalen Wirkungsgrad über einen breiten Bereich an Impulsenergieleistungen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verteilersystem zur Verfügung gestellt, das genutzt werden kann, um eine präzise Injektion von kleinen Mengen („Mikroinjektionen" genannt) mit Raten zu ermöglichen, die einer kontinuierlichen Fluorinjektion nahe kommen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine grafische Darstellung, die ein typisches Verhältnis zwischen der Entladespannung und der Fluorkonzentration in einem typischen herkömmlichen KrF- oder ArF-Excimer-Laser zeigt.
  • 2 ist eine grafische Darstellung, die ein weit verbreitetes Verfahren der Steuerung der Fluorkonzentration nach dem Stand der Technik zeigt.
  • 3A und 3B sind grafische Darstellungen der Impulsenergie und ΔE/ΔV als eine Funktion der Ladespannung.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das ein F2-Steuer-Algorithmus beschreibt.
  • 5 ist ein Blockschema, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert.
  • 6 ist ein Satz Schaubilder, die die Testergebnisse aus der Anwendung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 7A und 7B sind grafische Darstellungen, die die Dosisstabilität im Vergleich zur Impulsanzahl zeigen.
  • 8 zeigt die Auswirkung der Abschwächung eines Laserstrahls bei der Produktion.
  • 9 zeigt die Auswirkung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die Produktion.
  • 10, 11 und 12 sind Diagramme von Testdaten, die man bei Anwendungen erhielt, die zeigen, dass ein bevorzugter Laser über breite Bereiche ohne einen nennenswerten Verlust an Wirkungsgrad betrieben werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben werden.
  • Mikroinjektionen auf der Grundlage von ΔE/ΔV
  • 3A ist eine typische grafische Darstellung der Impulsenergie im Vergleich zur Ladespannung für einen KrF-Laser mit F2-Konzentrationen von 28 kPa und 24 kPa. 3B ist eine grafische Darstellung, die die Veränderung von ΔE/ΔV mit der Ladespannung für die gleichen Werte der F2-Konzentrationen darstellt. Wie in den Diagrammen gezeigt wird, ändern sich die absoluten Werte von ΔE/ΔV (die einer konstanten Impulsenergie E entsprechen) mit F2 viel beständiger als die Ladespannung. Wie in 3B dargestellt wird, gibt es eine relativ beständige Änderung von ca. 25% in den Werten von ΔE/ΔV, die durch eine Änderung der F2-Konzentration von 24 kPa auf 28 kPa über einen großen Bereich von Werten der Ladespannung erzeugt wird.
  • Auf der Grundlage dieser Entdeckung haben die Anmelder ein Verfahren zum Steuern von Fluor entwickelt, das so ausgelegt ist, dass der Laser in den gewünschten effektiven Bereichen betrieben wird, indem der Parameter ΔE/ΔV, der die Änderung der Impulsenergie mit der Ladespannung repräsentiert, überwacht wird.
  • Wie im Abschnitt „Hintergrund der Erfindung" erläutert wurde, wird ein bevorzugter Modus für einen Excimer-Laser, der als eine Lichtquelle für die Step- und Scan-Systeme bei der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet wird, „Burst-Modus" genannt. In diesem Modus wird der Laser in „Bursts" betrieben, wie zum Beispiel ca. 300 Impulse mit einer Impulsrate von 1000 Hz bis 4000 Hz, wobei jeder 300-Impuls-Burst eine einzige bestrahlte Stelle von ca. 2 bis 4 Quadratzentimeter auf einem Wafer beleuchtet, der einen Durchmesser von ca. 8 Inch aufweisen kann. Es gibt normalerweise viele (wie zum Beispiel rund 85) bestrahlte Stellen auf einem einzigen Wafer, wobei jede Stelle einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen entspricht. Jeder Burst ist durch eine Stillstandszeit von zum Beispiel 0,3 Sekunden vom nächsten getrennt. Nach zum Beispiel 85 „Bursts", die 85 bestrahlte Stellen abdecken, kann der Laser für einen längeren Zeitraum von ca. 9 Sekunden stillstehen, während ein neuer Wafer durch den Stepper oder Scanner in Position gebracht wird. Ein Energiesteuerungsalgorithmus nach dem Stand der Technik versucht, die Ladespannung für jeden Impuls so anzupassen, dass die Ge samtenergie im Burst mit einer minimalen Impulsenergieabweichung innerhalb des Bursts konstant bleibt. Die angegebene Ladespannung und die Impulsenergie für jeden Impuls werden durch das Computersteuerungssystem überwacht. Obwohl die Lasersteuerungen versuchen, die Impulsenergie konstant zu halten (sowie auch die gesamte Burst-Energie konstant zu halten), gibt es jedoch während jedem Burst eine beträchtliche Abweichung von Impuls zu Impuls, sowohl der Impulsenergie als auch der angegebenen Ladespannung. Deshalb kann der Computer leicht programmiert werden, die Durchschnittswerte der Impulsenergie E und der Ladespannung V zu bestimmen, und er kann die Werte für ΔE/ΔV berechnen. Da dies normalerweise ca. 300 Impulse pro Burst mit einer Rate von 1000 bis 4000 Impulse pro Sekunde sind, können eine große Anzahl von Werten für ΔV und ΔE summiert werden, und innerhalb einer kurzen Zeit kann für eine gute Statistik der Durchschnitt ermittelt werden. Deshalb können die Werte für ΔE/ΔV mit einer guten Genauigkeit bestimmt werden.
  • Feststellen der effektiven Zone
  • Um eine gewünschte „effektive Zone" F2 zu finden, wird der Laser mit unterschiedlichen F2-Konzentrationen betrieben, während Leistungsparameter, wie z. B. Energiestabilität, Bandbreite und Ladespannung, die für die gewünschte Laserimpulsenergie benötigt wird, gemessen werden. Der Bereich an F2-Konzentrationen, der die am meisten wünschenswerte Kombination der Parameter erzeugt, wird bestimmt. Die Werte für Impulsenergie E, Ladespannung V und ΔE/ΔV, die der effektiven Zone entsprechen, werden gemessen. Ein F2-Injektionswert wird für (ΔE/ΔV)i bestimmt. Einem Computer wird ein Algorithmus zur Verfügung gestellt, der während des Betriebs zur Lasererzeugung eine F2-Mikroinjektion anfordert, sobald die gemessenen Werte für ΔE/ΔV sich auf oder unter (ΔE/ΔV)i verringern. In einer bevorzugten Ausführungsform überwacht der Algorithmus außerdem weitere angegebene Laserparameter, und wenn sich diese außerhalb der Spezifikationen befinden, kann ein Alarm ausgelöst und/oder eine nachfolgende F2-Injektion veranlasst werden.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt, die Mikroinjektionen F2 auf der Grundlage der während des Laserbetriebs gemessenen Werte für ΔE/ΔV vorsieht. In dieser Ausführungsform, wie in den Blöcken 60, 62 und 64 dargestellt ist, wird der Laser mit einer Auswahl an F2-Konzentrationen betrieben, um eine gewünschte effektive Zone für den Betrieb zu bestimmen. Diese effektive Zone wird durch einen bevorzugten Wert für ΔE/ΔV und einen ΔE/ΔV-Bereich definiert (der ΔE/ΔV-Bereich entspricht ungefähr der Änderung von ΔE/ΔV, die aus einer einzigen Mikroinjektion von F2 resultiert). Ein Wert, der als (ΔE/ΔV)i bezeichnet wird und das Minimum des ΔE/ΔV-Bereichs darstellt, wird bestimmt und im Computerspeicher gespeichert. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird außerdem ein Wert (E/V)i festgestellt, der die unterste Grenze eines E/V-Bereichs darstellt, aber der E/V-Bereich ist wesentlich größer (zum Beispiel doppelt so groß) als der ΔE/ΔV-Bereich, der aus der Mikroinjektion resultiert. Die restlichen Blöcke in 4 beziehen sich auf die F2-Steuerung, während der Laser in einem Produktionsmodus als Lichtquelle für die Lithografie integrierter Schaltkreise betrieben wird. Die Werte für E/V und ΔE/ΔV werden durch Computersteuerung bestimmt, und eine Mikroinjektion wird angefordert, wenn ΔE/ΔV unter (ΔE/ΔV)i fällt. Nach der Injektion ist ein Zeitraum von zwei Minuten für die Stabilisierung des Laser vorgesehen, bevor der Steuerungsprozess wieder aufgenommen wird. So lange sich ΔE/ΔV innerhalb der effektiven Zone befindet, wird die Lasersteuerung weiterhin ΔE/ΔV überwachen. Der Algorithmus prüft außerdem E/V und fordert eine Injektion an, wenn dieser Parameter unter (E/V)i absinkt. Dies sollte normalerweise nicht passieren, und der Bediener wird alarmiert, dass ein ungewöhnliches Ereignis aufgetreten ist, wie in 66 gezeigt wird. Der Alarm wird in 68 ausgestellt, wenn E/V den Wert (E/V)i übersteigt. Obwohl es nicht dargestellt ist, könnten zusätzliche Routinen in den Algorithmus eingefügt werden, um zu ermöglichen, dass die Lasersteuerung in gewünschten Situationen diesen Algorithmus verlässt, wie zum Beispiel bei übermäßig hohen Werten für V.
  • Für die Bestimmung der Werte für ΔE/ΔV stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die im Steuerprogramm genutzt werden können. Die Anmelder haben mit verschiedenen experimentiert und den Mittelwert von 1000 Werten (negative Werte wurden verworfen) und den Modus von 1000 Werten verwendet. Die Anmelder haben außerdem mit Messungen von ΔE/ΔV durch Dithering der Spannung mit ca. 2 Volt in regelmäßigen Abständen experimentiert, um einzelne höhere Werte für ΔE und ΔV zu erhalten. Jedes dieser Verfahren führte zu Ergebnissen, die annähernd gleich waren.
  • Die Testergebnisse aus der Anwendung eines Prototyps des ΔE/ΔV-F2-Steueralgorithmus ist in 6 dargestellt. Während dieser Demonstration wurde die Spannung innerhalb von ca. 20 Volt gesteuert, und Injektionen traten in Abständen von ca. einer Stunde auf. Der Laser arbeitete während der Injektion weiter. Wie in der Abbildung gezeigt wird, blieben alle Spezifikationsparameter innerhalb der Grenzwerte. Eine genauere Steuerung würde selbst aus kleineren Mikroinjektionen resultieren. (Zum Bei spiel, wie im Folgenden angeführt wird, könnten sehr geringe Injektionen in Abständen von ca. 3 bis 5 Minuten gemacht werden, die zu fast konstanten Werten für F2 und die Ladespannung über lange Betriebszeiträume führen würden.)
  • Optimierung des Laserwirkungsgrads
  • Wie im Abschnitt „Hintergrund der Erfindung" dieser Patentschrift ausgeführt wird, verwenden Lithografie-Systeme für integrierte Schaltkreise Fotoresists unterschiedlicher Empfindlichkeit. Die Wahl der Empfindlichkeit ist von der Steuerung des Lithografie-Verfahrens und dem gewünschten Durchsatz an Wafer pro Stunde abhängig. Als Ergebnis der Abweichungen in der Resist-Empfindlichkeit, muss sich die Gesamtenergie, die auf jeden beleuchteten Punkt des Wafer angewendet wird, ebenfalls ändern. Die Energie, die erforderlich ist, um die Schutzschicht auszuhärten kann um einen Faktor 3 variieren, zum Beispiel von 20 mJ/cm2 auf 60 mJ/cm2. Die gesamte Dosisenergie, die vom Laser bereitgestellt wird, ist das Produkt der Energie pro Impuls und der Anzahl der Impulse. Zum Beispiel können in einem typischen Lithografie-System nach dem Stand der Technik, das eine Schutzschicht verwendet, die 50 mJ/cm2 zum Aushärten erfordert, diese 50 mJ/cm2 mit einer Anzahl von Impulsen N bereitgestellt werden, wobei jeder Impuls ca. 50 mJ/cm2/N für jeden beleuchteten Punkt zur Verfügung stellt. Ein Beispiel könnten 40 Impulse sein, wobei jeder Impuls einen Energiegehalt von 10 mJ hat, die auf den beleuchteten Abschnitt der Schutzschicht fokussiert ist, um ca. 1,25 mJ/cm2 pro Impuls für jeden beleuchteten Punkt zu erzeugen. Die 40 Impulse bieten eine gesamte Wafer-Dosis von 50 mJ/cm2.
  • In Lithografie-Systemen nach dem Stand der Technik, gibt es Abweichungen bei der Laserimpulsenergie und innerhalb eines jeden Impulses, trotz homogenisierender Bemühungen treten Abweichungen der auf die verschiedenen Punkte des beleuchteten Abschnitts des Wafer angelegten Energie auf. Eine bewährte Methode zur Minimierung dieser Abweichungen ist es, das Lithografie-System und -verfahren so auszulegen, dass jeder beleuchtete Punkt eine große Anzahl einzelner Impulse erhält. Ein Maß der Abweichung der Dosisenergie vom Laser wird „Dosisenergiestabilität" genannt. Ein Maß der Dosisstabilität ist die höchste und die niedrigste Dosis in einem bestimmten „Fenster" von Impulsen geteilt durch die Zieldosis. Diese Zahlen können als Prozentzahlen ausgedrückt werden. Dies wird als Dosisstabilität bezeichnet. Ein experimenteller Nachweis zeigt, dass die Dosisstabilität ein 1/N-Verhältnis mit der Anzahl der Impulse aufweist. 7A und 7B zeigen zum Beispiel Testdaten, die man aus 50 Bursts mit 500 Impulsen pro Burst eines KrF-Laser erhalten hat, der mit ca. 10 mJ/Impuls betrieben wurde. Die Energiestabilität wurde unter Verwendung der Fenstergrößen berechnet, die von 10 Impulsen bis 110 Impulsen pro Burst reichten, und dann erhielt man die durchschnittlichen Werte der Energiestabilität für jede Fenstergröße. In 7A wird die Dosisstabilität als eine Funktion des Fensters dargestellt, und in 7B werden die gleichen Daten als eine Umkehrfunktion der Fenstergröße dargestellt.
  • Es ist aus 7A und 7B ersichtlich, dass, um die Dosis auf jedem Beleuchtungspunkt einigermaßen stabil zu halten, sich die Anzahl der Impulse in einem Bereich von mindestens 30 bis 50 Impulse befinden sollte.
  • Lithografie-Geräte wie Scanner und Stepper sind normalerweise optimiert, um annähernd bei der Maximalrate des gesamten Lithografie-Systems betrieben zu werden, wobei die Produktqualität und andere Faktoren berücksichtigt werden. In einem Retikel-Scangerät ist der kritische Faktor eine Scan-Geschwindigkeit S, welche der Geschwindigkeit entspricht, mit der ein rechteckiges Muster über ein Retikel gescannt wird, um die richtige Beleuchtung auf dem entsprechenden Muster des Wafer zur Verfügung zu stellen. Bei einer gegebenen Impulsenergie und Wiederholrate bestimmt S die Energiedichte (zum Beispiel in mJ/cm2) an jedem Beleuchtungspunkt.
  • Wenn zum Beispiel ein Scangerät so optimiert ist, dass es auf dem Wafer eine Wafer-Dosis WD von 50 mJ/cm2 mit dem Laser erzeugt, der optimiert ist, um 10 mJ/Impuls zu erzeugen, und der Lithograf wünscht, einen Fotoresist zu verwenden, der bei 20 mJ/cm2 aushärtet, dann kann der Lithograf dies (1) durch Erhöhung der Scan-Geschwindigkeit um einen Faktor 2,5, (2) durch Abschwächen des Laserstrahls um einen Faktor 2,5 oder (3) durch Reduzierung der Impulsenergie um einen Faktor 2,5 erreichen. Eine Erhöhung der Scan-Geschwindigkeit verringert die Anzahl der Impulse uns kann die Ursache dafür sein, dass Energiestabilität aus den oben erläuterten Gründen nicht zufriedenstellend ist. Die Abschwächung des Laserstrahls ist eine Verschwendung. Die Reduzierung der Impulsenergie kann dazu führen, dass der Laser außerhalb seines optimalen Bereichs arbeitet, es sei denn, die Reduzierung wird ordnungsgemäß vorgenommen.
  • 8 zeigt die Auswirkung der Abschwächung des Laserstrahls auf die Produktion, um vier verschiedene Resist-Empfindlichkeiten aufzunehmen.
  • Der beste Ansatz ist die Reduzierung der Impulsenergie während der Laserwirkungsgrad bei einem optimalen oder nahezu optimalen Wirkungsgrad beibehalten wird, die Wiederholrate und die Scan-Geschwindigkeit erhöht werden. Das Ergebnis ist in 9 dargestellt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet einen Laser, wie er in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/157.067, eingereicht am 18. September 1998, beschrieben wird, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. 10 sind Testdaten, die zeigen, dass der Laser in der Lage ist, mit einer Impulsenergie von 8 mJ pro Impuls innerhalb eines Bereichs von 1500 Impulsen pro Sekunde bis 2500 Impulsen pro Sekunde ohne eine nennenswerte Änderung des Wirkungsgrades zu arbeiten.
  • 11 ist eine Darstellung der tatsächlichen Testdaten, die die Anmelder erzielten, welche zeigen, dass die Dosisstabilität über einen Energiebereich von 5 mJ/Impuls bis 8mJ/Impuls konstant bleibt.
  • 12 zeigt, dass die Energiestabilität über einen Bereich der Wiederholrate von 1500 Impulsen pro Sekunde bis 2500 Impulsen pro Sekunde ebenfalls praktisch konstant bleibt.
  • Somit kann mit der vorliegenden Erfindung der Lithograf die Laserleistung ohne einen Verlust des Laserwirkungsgrades an die Resist-Empfindlichkeit anpassen. Darüber hinaus hat der Lithograf mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, eine niedrigere Empfindlichkeit auszunutzen, um einen erhöhten Wafer-Durchsatz ohne einen Verlust des Laserwirkungsgrades und ohne eine nennenswerte nachteilige Wirkung auf die Dosisstabilität zu erreichen.
  • Ausrüstung für die Fluor-Injektion Fluorschwund
  • Die Laserkammer 1, wie in 5 dargestellt ist, umfasst 20,3 Liter Lasergas. Wie zuvor für einen KrF-Laser beschrieben wurde, sind die Bestandteile namentlich 1,0 Prozent Krypton, 0,1 Prozent Fluor und der Rest Neon. Die 0,1 Prozent Fluor stellen ein Volumen von ca. 0,0020 Liter oder 2 ml Fluor bei 3 atm dar. In Form von Masse beträgt die nominale Menge Fluor in der Laserkammer ca. 8 Gramm (81 mg). Der Partialdruck des Fluor ist ca. 280 Pa, reines Fluor (dies entspricht ca. 28 kPa der 1%igen Fluor-Mischung). Während des Normalbetriebs, bei dem der Laser mit einer relativen Einschaltdauer von ca. 40 Prozent betrieben wird (was für einen Lithografie-Laser typisch ist), schwindet das Fluor mit einer Rate von ca. 3,3 mg pro Stunde (dies entspricht ca. 5% des Fluor in der Kammer pro Stunde). In Form des Partialdrucks des reinen Fluor beträgt diese normale Schwundrate des Fluor ca. 1,45 Pa pro Stunde. Um diesen Schwund unter Verwendung des 1%igen Fluor-Gas-Gemischs auszugleichen, wird ein Volumen der Mischung, das ca. 1,15 kPa pro Stunde entspricht, der Kammerzugesetzt.
  • Wie im Abschnitt „Hintergrund der Erfindung" erläutert wurde, ist die Rate des Fluorschwundes bei weitem nicht konstant. Wenn der Laserlüfter läuft, aber kein Lasern stattfindet, wird die Rate des Fluorschwundes ungefähr halbiert. Wird der Lüfter abgestellt, wird die Rate des Laserschwundes auf ca. 1/4 der Schwundrate der relativen Einschaltdauer von 40% verringert. Bei einer relativen Einschaltdauer von 100% liegt die Schwundrate bei ca. dem Doppelten der Schwundrate der relativen Einschaltdauer von 40%.
  • 5 zeigt ein System, das eine automatische Steuerung zur Verfügung stellt und für genau gesteuerte periodische Fluorinjektionen mit niedrigen Intervallen von ca. 3 bis 5 Minuten ausgelegt ist. Wie zuvor ausgeführt wurde, würde für einen typischen modernen Lithografie-KrF-Excimer-Laser mit 1000 Hz und 10 mJ eine Fluorschwundrate für einen Betrieb bei einem Lastfaktor von 40% ca. 3,3 mg pro Stunde oder 55 Mikrogramm pro Minute betragen. Diese Abnahme der Fluorkonzentration würde eine Erhöhung der Entladespannung von 800 Volt pro Stunde oder ca. 66 Volt alle fünf Minuten erfordern (unter der Annahme, dass Fluor zugefügt wird). Eine Erhöhung der Spannung von ca. 18.000 Volt auf ca. 18.066 Volt während eines Zeitraums von fünf Minuten wäre zum Beispiel typisch. Diese Erhöhung der Entladespannung wird von einer Erhöhung der Hochspannungs-Ladespannung in entsprechenden Schritten begleitet (zum Beispiel von 568 Volt auf 582 Volt). Wenn die effektive Zone einer Ladespannung von 575 Volt bei einer Impulsenergie von 10 mJ entspricht, wird somit das System in 5 programmiert, um die Ladespannung wenn notwendig anzupassen, um die Impulsenergie auf 10 mJ pro Impuls zu steuern, bis der gemessene ΔE/ΔV-Wert auf (ΔE/ΔV)i fällt, und zwar als Ergebnis des Fluorschwundes. Zu diesem Zeitpunkt werden ca. 290 Mikrogramm Fluor injiziert, was den Wirkungsgrad des Lasers so verbessert, dass der Rückkopplungsschaltkreis der Impulsenergie-Entladespannung automatisch bewirkt, dass sich die Spannung auf ca. 568 Volt verringert, dann, wenn ein weiterer Schwund an Fluor auftritt, wird die Spannung allmählich auf 582 Volt erhöht, und zu dem Zeitpunkt wird wiederum eine weitere Injektion angefordert. Diese effektive Zone beträgt ca. 2 Prozent der Nennspannung, wie in 6 dargestellt ist, eine sehr große Verbesserung gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel die in 2 dargestellten, wo die Spannungsschwankungen ca. 8 Prozent betragen. Wie zuvor ausgeführt wurde, würden sogar kleinere Injektionen, die häufiger ausgeführt werden, die V- und F2-Schwankungen verringern.
  • Ersatz von Gas
  • Das zuvor beschriebene Verfahren ersetzt im Grunde genommen das geschwundene Fluor auf einer nahezu kontinuierlichen Basis. Da die Fluorgasquelle nur 1% Fluor beträgt, wird außerdem ein Anteil von Kr und Ne in der Kammer auf einer nahezu kontinuierlichen Basis ersetzt. Obwohl ein Anteil des Lasergases im Grunde genommen kontinuierlich ersetzt wird, führt ein Betrieb in diesem Modus dennoch zu einem Aufbau von Verunreinigungen im Lasergas, was den Wirkungsgrad des Lasers verringert. Diese Verringerung des Wirkungsgrades erfordert eine sehr allmählich, langfristige Erhöhung der Spannung und/oder Verringerung der Fluorkonzentration, um die gewünschte Impulsenergie beizubehalten. Aus diesem Grund schlägt die normale Praxis mit Systemen nach dem Stand der Technik vor, dass der Laser in regelmäßigen Abständen für einen im Wesentlichen kompletten Gasaustausch abgestellt wird. Dieser im Wesentlichen komplette Gasaustausch wird Nachfüllen genannt. Diese Abstände können aufgrund der Anzahl der Laserimpulse bestimmt werden, zum Beispiel 100.000.000 Impulse zwischen dem Nachfüllen, oder die Nachfüllzeiten können auf der Grundlage von Kalenderzeiten seit dem letzten Nachfüllen oder durch eine Kombination von Impulsen und Kalenderzeiten bestimmt werden. Die genannt. Diese Abstände können aufgrund der Anzahl der Laserimpulse bestimmt werden, zum Beispiel 100.000.000 Impulse zwisch Nachfüllzeiten können außerdem durch eine Größenordnung der Ladespannung bestimmt werden, die für eine gewünschte Leistung bei einer bestimmten Fluorkonzentration benötigt wird. Nach einem Nachfüllen sollte vorzugsweise ein neuer Test für die „effektive Zone" durchgeführt werden. In regelmäßigen Abständen zwischen dem Nachfüllen sollte ebenfalls ein Test für die effektive Zone durchgeführt werden, so dass bei einer Änderung der effektiven Zone der Betreiber weiß, wo die neue effektive Zone ist.
  • Ein Nachfüllen kann mittels des in 5 dargestellten Systems wie folgt erfolgen. Bei geschlossenen Ventilen 10, 6, 15, 12, 17 und 4 werden die Ventile 6 und 12 geöffnet, die Vakuumpumpe 13 betrieben und die Laserkammer bis auf einen absoluten Druck von weniger als 13 kPa abgepumpt. (Eine direkte Abpumpleitung kann zwischen der Kammer 1 und der Vakuumpumpe 13 vorgesehen werden, um ein schnelles Abpumpen zu gestatten.) Das Ventil 12 wird geschlossen. Ventil 16 wird geöffnet und ein Puffergas mit 1% Kr und 99% Ne wird aus der Puffergasflasche 16 der Kammer zugeführt, um sie bis zu einem Druck aufzufüllen, der 262 kPa bei 50°C entspricht. (Beachten Sie, dass für diese 20,3 Liter Laserkammer eine Temperaturkorrektur mittels einer ΔP/ΔT-Korrektur von 1 kPa/°C für eine Abweichung der Kammertemperatur von 50°C vorgenommen werden kann. Wenn also die Kammertemperatur 23°C betragen würde, würde sie auf 247 kPa aufgefüllt werden.) Ventil 17 wird geschlossen und Ventil 15 geöffnet, und eine Menge der Mischung aus 1% Fl, 1% Kr, 98% Ne aus einer Halogen-Reichgasflasche 14 wird der Kammer 1 zugefügt, um sie bis zu einem Druck aufzufüllen, der 290 kPa bei 50°C entspricht. (Beachten Sie, dass die gleiche Temperaturkorrektur wie zuvor erläutert verwendet werden kann.) Dadurch entsteht in der Kammer ein Gasgemisch von ca. 0,1% Fl, 1,0% Kr und 98,9% Ne. Wird die Kammer auf ca. 50°C aufgeheizt, wird der Druck ca. 3 atm oder 290 kPa betragen.
  • Während die Erfindung hier im Detail gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, können Kenner der Technik viele Modifikationen und Änderungen derselben bewirken. Kenner der Technik werden erkennen, dass die zuvor erläuterten Prinzipien hinsichtlich der KrF-Excimer-Laser gleichermaßen für ArF-Excimer-Laser gelten. Kenner der Technik der Bauart von Excimer-Laser werden außerdem erkennen, dass das Rückkopplungssteuersystem genutzt werden könnte, um die Fluorkonzentration absichtlich auf einer im Wesentlichen Echtzeitbasis zu verändern, entweder für den Zweck, einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine Zeitabweichung aufweist, oder für den Zweck, die Strahlparameter konstant zu halten, in diesem Fall würde die Fluorschwankung gewählt werden, um einige Wirkungen auszugleichen, die ansonsten eine Zeitabweichung der Strahlleistung erzeugt hätten. Dementsprechend wird durch die beigefügten Ansprüche beabsichtigt, alle solchen Modifikationen und Änderungen als in den Bereich der Erfindung fallend abzudecken.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Steuern eines Gasentladungslasers, so dass er in einem großen Bereich von Impulsenergie und Wiederholrate arbeitet, um ohne nennenswerten Verlust von Laserwirkungsgrad oder Dosisstabilität eine Anpassung an Änderungen der Empfindlichkeit von Fotoresist zu ermöglichen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A) Betreiben des Lasers bei verschiedenen F2-Konzentrationspegeln und Bestimmen von Laser-Parametern, um einen bevorzugten Arbeitsbereich zu bestimmen; B) Bestimmen der Änderung der Impulsenergie mit der Ladespannung ΔE/ΔV innerhalb des bevorzugten Arbeitsbereiches; C) Bestimmen eines ΔE/ΔV-Injektionswertes (ΔE/ΔV)i; und D) Injizieren einer Menge an F2 während des Laserbetriebs, wenn ΔE/ΔV auf oder unter (ΔE/ΔV)i abnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die injizierte Menge an F2 geringer ist als 5 mg.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozess automatisch abläuft und von einem Computerprozessor gesteuert wird, der mit einem F2-Steuer-Algorithmus programmiert ist.
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