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Die vorliegende Erfindung betrifft
Laser und insbesondere Schmalband-Laser.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Excimer-Laser werden gegenwärtig die
Arbeitspferd-Lichtquelle für
die Festkörper-Schaltkreis-Lithographie-Industrie.
Ein typischer KrF-Excimer-Laser des Stands der Technik wird in 1 und 9 veranschaulicht. Ein Impulsleistungsmodul
AE liefert elektrische Impulse, die etwa 100 ns dauern, an Elektroden 6,
die sich in einer Entladungskammer 8 befinden. Die Elektroden
sind etwa 0.71 m (28 Zoll) lang und etwa 0.015 m (3/5 Zoll) beabstandet.
Typische Lithographie-Laser arbeiteten bei einer hohen Impulsrate
von etwa 1000 Hz. Aus diesem Grund ist es erforderlich, ein Lasergas
(etwa 0.1 Prozent Fluor, 1.3 Prozent Krypton und der Rest Neon,
das als ein Puffergas wirkt) durch den Raum zwischen den Elektroden
umlaufen zu lassen. Dies erfolgt mit einem Tangentialgebläse 10,
das sich in der Laser-Entladungskammer befindet. Die Lasergase werden
mit einem Wärmeaustauscher
gekühlt,
der sich ebenfalls in der Laser-Entladungskammer befindet. Kommerzielle
Excimer-Laser bestehen typischerweise aus mehreren Modulen, die
schnell ausgetauscht werden können,
ohne das übrige
System zu stören.
Hauptmodule werden in 2 gezeigt
und umfassen:
Laserkammer 8
Impulsleistungsmodul 2
Ausgangskoppler 16
Linienverschmälerungsmodul 18
Wellenmesser 20
Computer-Steuereinheit 22
Peripherieunterstützungs-Untersysteme
Gebläse 10
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Die Entladungskammer wird bei einem Druck
von etwa 304 kPa (3 atm) betrieben. Die Laser arbeiten in einem
Impulsmodus bei etwa 600 bis 1000 Hz, wobei die Energie pro Impuls
etwa 10 mJ ist, und die Dauer des Laserimpulses etwa 15 ns beträgt. Die
mittlere Leistung des Laserstrahls beträgt daher etwa 6 bis 10 W, und
die mittlere Leistung der Impulse liegt im Bereich von etwa 700
kW. Eine typische Betriebsart wird als "Stoßbetrieb" bezeichnet. In dieser
Betriebsart erzeugt der Laser "Stöße" von etwa 50 bis
150 Impulsen bei einer Rate von 1000 Impulsen pro Sekunde. Die Dauer
des Stoßes
beträgt
daher 50 bis 150 ms. Lithogra phie-Excimer-Laser des Stands der Technik
sind mit einer Rückkopplungsspannungs-Steuerschaltung
versehen, die die Ausgangsimpulsenergie misst und automatisch die Entladespannung
einstellt, um eine gewünschte
(gewöhnlich
konstante) Ausgangsimpulsenergie aufrechtzuerhalten. Es ist sehr
wichtig, dass die Ausgangsimpulsenergie genau auf den gewünschten Pegel
geregelt wird.
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Es ist bekannt, dass es bei Wellenlängen unter
300 nm nur ein geeignetes optisches Material gibt, das zum Herstellen
der für
Chip-Lithographie benutzten Abstufungslinsen verfügbar ist.
Dieses Material ist Quarzglas. Eine ganz Quarzglas-Abstufungslinse wird über keine
chromatische Korrekturfähigkeit
verfügen.
Der KrF-Excimer-Laser hat eine natürliche Bandbreite von etwa
300 pm (Vollbreiten-Halbmaximum). Für ein Brechungssystem (mit
einer nummerischen Öffnung
NA > 0.5) – entweder
ein Abstufer oder Scanner- muss diese Bandbreite auf unter 1 pm reduziert
werden. Gegenwärtig
käufliche
Lasersysteme des Stands der Technik können KrF-Laserstrahlen bei
einer nominellen Wellenlänge
von etwa 248 nm mit einer Bandbreite von etwa 0.8 pm (0.0008 nm)
liefern. Die Wellenlängenstabilität der besten kommerziellen
Lasser beträgt
etwa 0.25 pm. Mit diesen Parametern können Abstufer-Hersteller Abstufer-Einrichtungen
liefern, um integrierte Schaltkreisauflösungen von etwa 0.3 μm bereitzustellen. Um
die Auflösung
zu verbessern, wird eine schmälere
Bandbreite benötigt.
Zum Beispiel würde
eine Verringerung einer Bandbreite auf unter 0.6 pm eine Verbesserung
der Auflösung
auf unter 0.25 μm
erlauben.
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Es ist bekannt, dass das Hinzufügen sehr kleiner
Mengen von Sauerstoff zu einer Excimer-Laser-Gasmischung benutzt werden kann,
um die Effizienz und Leistung des Lasers zu stabilisieren. Siehe z.
B. U.S. Patent-Nr. 5,307,364.
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Die wirkliche Leistung von Lithographie-Einrichtungen
für integrierte
Schaltkreise hängt
demnach wesentlich von der Aufrechterhaltung der minimalen Bandbreite über ihre
ganze Betriebslebensdauer hinweg ab.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem
zuverlässigen
Produktionsqualitäts-Excimer-Lasersystem,
das zum Langzeit-Fabrikbetrieb imstande ist und über genau gesteuerte Impulsenergie,
Wellenlänge
und Bandbreite verfügt.
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US
5,835,520 , veröffentlichtlicht
nach dem Einreichungsdatem der Anmeldung des vorliegenden Dokumtens,
Abschnitt "Burst
Mode Operation",
beschreibt einen sehr schmalbandigen KrF-Excimer-Laser, der in der
Lage ist, Laserimpulse von 10 mJ bei 1000 Hz mit einer Bandbreite
von weniger als 0.6 nm zu erzeugen. Die sehr schmale Bandbreite wird
zustan de gebracht, indem der Fluorteildruck auf weniger als 0.08
Prozent des Gesamtgasdrucks vermindert und das Reflexionsvermögen des
Ausgangskopplers auf größer als
25 Prozent erhöht
wird.
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US
5,307,364 beschreibt das Hinzufügen von Sauerstoff zu einer
Gasmischung zur Verwendung in einem Excimer-Laser, um die Effizienz
und Leistung eines Excimer-Lasers zu stabilisieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung, wie durch
Anspruch 1 definiert, stellt einen sehr schmalbandigen Impuls-Excimer-Laser
bereit, der in der Lage ist, Impulse bei einer Rate von etwa 500
bis 2000 Hz mit gesteigerter Energiedosissteuerung und Reproduzierbarkeit
zu erzeugen. Bevorzugte Ausführungen
werden durch die abhängigen
Ansprüche
definiert. Die folgenden Vorteile können erzielt werden. Ein Stoßbetrieb-"Slug-Effekt" des Stands der Technik,
der bei einer Gasumlaufzeit nach dem Beginn eines Stoßes von
Impulsen auftritt, wird durch Hinzufügen einer kleinen Menge von
Sauerstoff beseitigt. Eine sehr schmale Bandbreite wird erzielt,
indem der Fluorteildruck auf weniger als 0.10 Prozent reduziert
wird, und das Reflexionsvermögen
des Ausgangskopplers auf mehr als 25 Prozent erhöht wird. In einer bevorzugten
Ausführung
wurden Quarzglas-Strahlerweiterungsprismen des Stands der Technik,
die in dem Linienverschmälerungsmodul
des Stands der Technik benutzt werden, durch Kalzium-Fluor-Prismen
ersetzt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Zeichnung, die die Hauptelemente eines kommerziellen KrF-Excimer-Lasers
des Stands der Technik zeigt, der für integrierte Schaltungs-Lithographie
benutzt wird.
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2 ist
ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer Festkörper-Impulsleistungsschaltung.
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3 sind
graphische Darstellungen, die die Ergebnisse einer Festkörper-Impulsleistungsschaltung
mit einer Thyratron-basierten Schaltung des Stands der Technik vergleichen.
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4 ist
eine graphische Darstellung der Betriebsspannung während eines
Impulses.
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5 zeigt
eine typische Veränderung
von Betriebsspannung und Bandbreite über eine Periode von 800 Millionen
Impulsen.
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6 ist
eine vereinfachte Skizze eines KrF-Lasersystems.
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7 ist
eine Skizze des Hauptelements eines Linienverschmälerungsmoduls.
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8 zeigt,
wie die Wellenlänge
des Lasers gesteuert wird.
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9 ist
eine Zeichnung eines kommerziellen KrF-Lithographie-Lasers des Stands
der Technik.
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10 zeigt
die Beziehung zwischen Fluor, Betriebsspannung und Impulsenergie.
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11 zeigt
die Veränderung
der Linienbreite mit Fluorkonzentrationen.
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12A und 12B zeigen die Impulsform
mit verschiedenen Fluorkonzentrationen.
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13 ist
ein Diagramm der mittleren Impulsenergie während der ersten 125 Impulse
während der
Stoßbetriebsart
ohne Sauerstoff in der Kammer, wo Daten von 50 Stößen Bemittelt
wurden.
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14 ist
ein Diagramm ähnlich 13, das die mittlere Impulsenergie
mit Sauerstoff bei 0 ppm, 25 ppm und 49 ppm zeigt.
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15 ist
ein Diagramm, das die 3-Sigma-Statistik der in 14 geplotteten Daten zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
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Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung
werden unten beschrieben. 1 zeigt
die Hauptelemente eines kommerziellen Excimer-Lasersystems des Typs,
der zur Zeit in der integrierten Schaltungs-Lithographie verwendet
wird.
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Die Kammer
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Die Entladungskammer 10 ist
ein Gefäß, das bestimmt
ist, mehrere Atmosphären
korrosiver Gase zu halten. Diese Gefäße sind nach bekannten Sicherheitsstandards,
wie z. B. durch ASME spezifiziert, konstruiert. Die Entladungszone
wird durch zwei Elektroden definiert, die durch einen Spalt von
1.2 bis 2.5 cm getrennt sind. Die Kathode wird von einer isolierenden
Struktur gehalten, da sie mit der Hochspannung verbunden ist, während die
Anode an der Metallkammer befestigt ist, da sie auf Massepotential
liget. Die Vorionisierung erfolgt durch Koronaentladungs-Vononisierer,
die sich auf jeder Seite der Entladungszone befinden. Aufgrund der
korrosiven Natur des Gases verwenden die Kammern besondere Metalle,
die so gewählt
werden, dass sie dem Angriff von Fluor widerstehen. Das Fluorgas
reagiert jedoch noch mit den Innenteilen der Kammer, z. B. Kammerwände und
Elektroden, sodass Fluor verbraucht wird und Metallfluor-Schmutzstoffe
erzeugt werden.
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Da der Laser gepulst wird (500 bis
2000 Hz) ist es erforderlich, die Entladungszone zwischen den Impulsen
zu reinigen, eine Aufgabe, die vorzugsweise von einem Tangentialgebläse erfüllt wird,
das magnetisch mit einer externen Antriebsquelle verbunden ist.
Wärme wird
dem Lasergas mittels eines wassergekühlten Lamellen-Wärmeaustauschers
in der Kammer entzogen. Metallfluorstaub wird mittels eines nicht
gezeigten elektrostatischen Separators aufgefangen. Eine kleine
Menge an Lasergas wird aus der Kammer extrahiert und über negativ
geladene Hochfelddrähte
geführt,
um den Staub aufzufangen. Das staubfreie Gas wird dann über die
Fenster freigesetzt, um sie sauber zu halten. Das Gas wird durch den
Differenzdruck, der sich infolge des Hochgeschwindigkeitsflusses
in der Laserkammer bildet, durch den Separator getrieben.
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Impulsleistungsmodul
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Die bevorzugte Ausführung benutzt
eine in 2 gezeigte Festkörper-Impulsleistungsmodul(SSPPM)schaltung.
Die 20 kV Stromversorgung von Thyratron-Systemen des Stands der
Technik wird durch eine 1 kV Versorgung ersetzt. Der Thyratron-Schalter
wird durch einen SCR ersetzt, der Cp nicht
direkt leitet, sondern stattdessen die Energie von Co in eine Impulskompressionsschaltung
schaltet, die durch C1, C2,
C3, einen Aufwärtstransformator und drei sättigbare
Spulen gebildet wird. Die Arbeitsweise der Schaltung ist wie folgt.
Die auf C0 gespeicherte DC-Ladung wird über den
SCR und die Spule L0 in C1 geschaltet.
Die sättigbare
Spule L1 hält die Spannung auf C1 für
etwa 2.5 s zurück
und wird dann leitend, um die Übertragung
von Ladung von C1 in C2 zu
erlauben. Die zweite sättigbare
Spule L2 hält die Spannung auf C2 für
etwa 500 ns zurück
und erlaubt dann der Ladung auf C2, durch
die Primärwicklung des
1 : 20 Aufwärtstransformators
zu fließen.
Der Ausgang des Aufwärtstransformators
wird auf C3 gespeichert, bis die sättigbare
Spule L3 in etwa 100–150 ns leitend wird. Die Ladung
wird dann schließlich über L3 in Cp übertragen,
und die Laserentladung findet statt. Die unten in 3 gezeigte Spannungswellenform auf Cp entspricht der Form derjenigen, die durch
ein gleichwertiges thyratrongeschaltetes gepulstes Leistungsmodul
erzeugt wird, außer
dass die SCR-Wellenform wenig oder kein Nachschwingen aufweist.
Die erhöhte
Komplexität
des SSPPM wird durch die Beseitigung des teuren und kurzlebigen Thyratrons
ausgeglichen. Ein zusätzliches
und wichtiges Merkmal des SSPPM ist die Rückgewinnung der von der Laserkammer
reflektierten Energie, wie in 4 gezeigt.
Mit dem SSPPM schwingt die von der Laserkammer infolge von Impedanzfehlanpassung
reflektierte Energie nicht mehr zwischen dem SSPPM und der Laserkammer
hin und her. Die SSPPM-Schaltung ist ausgelegt, diese reflektierte Energie
den ganzen Weg zurück
durch das Impulsformungs netzwerk in C0 zu
senden. Nach dem Rückgewinnen
dieser Energie auf C0 schaltet der SCR aus,
um sicherzustellen, dass diese gefangene Energie auf C0 bleibt.
Ungeachtet der Betriebsspannung, Gasmischung oder Kammerbedingungen
zeigt daher die Spannungswellenform über den Laserelektroden das
Verhalten eines eines gut abgestimmten Systems. Diese Leistung wird über alle
Laser-Betnebsbedingungen aufrechterhalten.
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Spektrale
Verschmälerung
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Wie früher angemerkt, ist die Bandbreite (FWHM)
eines frei laufenden KrF-Excimer-Lasers etwa 300 pm. Zur Zeit benutzen
Excimer-Stepper Laser, die spektral auf 0.8 bis 3 pm, FWHM, abhängig von
der NA der Linse verschmälert
sind. Man beachte, dass das integrierte Energiespektrum und die spektrale
Breite bei 95% Energie für
die Stepper-Leistung kritischer sind als der FWHM-Wert. Die meisten
Benutzer finden es jedoch bequem, über FWHM anstatt über spektrale
Breite bei 95% Energie zu sprechen.
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Die spektrale Verschmälerung eines
KrF-Lasers ist wegen seiner kurzen Impulsdauer (10 bis 15 ns, FWHM)
und UV-Wellenlänge
kompliziert. Der kurze Impuls resultiert in sehr hoher Hohlrauminnenleistung
(ca. 1 MW/cm2), und die kurze Wellenlänge kann
optische Materialien infolge ihres hohen Absorptionskoeffizienten
bei 248 nm thermisch stören. Außerdem ist
die Gesamtzahl von Umläufen
durch den Resonator (der die optischen Linienverschmälerungselemente
einschließt)
für einen
typischen Laser klein, etwa 3 bis 4. Wenn die Eindurchlauf-Linienbreite
durch den Resonator durch Δλ1 bezeichnet
wird, ist die endgültige
Linienbreite Δλf nach
n Durchläufen gegeben
durch: Δλf = Δλ1/n1/2
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Die Eindurchlauf-Linienbreite des
optischen Systems sollte daher höchstens
einen Faktor von zwei höher
sein als die endgültige
Linienbreite. Tatsächlich
zeigen zeitlich aufgelöste
Messungen von Mitarbeitern des Anmelders, dass die spektrale Linienbreite
vom Beginn des Impulses bis zum Ende des Impulses um einen Faktor
von zwei abnehmen könnte.
Die Effizienz des Umwandelns des Breitbandspektrums in ein linienverschmälertes Spektrum
(d. h. von 300 pm in < 1
pm) des optischen Systems muss daher sehr hoch sein.
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Die übliche Technik des Linienverschmälerns des
KrF-Lasers ist durch Einbringen von wellenlängenstreuenden optischen Elementen
in den Resonator. Drei Arten streuender Elemente können benutzt
werden: Prismen, Etalone und Gitter. Die Verwendung eines hoch streuenden
Gitters in einer Littrow-Konfiguration ist die einfachste und wirksamste Spektrallinienverschmälerungstechnik.
Weil das Gitter ein streuendes Element ist, ist die Linienbreite proportional
zu der Strahldivergenz. Um schmale Linienbreite zu erhalten, ist
eine kleine Strahl divergenz erforderlich. 2-Schlitz- und 3-Prismen-Strahlaufweiter
werden daher in den Laserresonator eingefügt. Die Hauptelemente eines
bevorzugten Linienverschmälerungsmoduls
werden in 7 gezeigt.
Diese umfassen 3 Prismen 30, 32 und 34,
einen Abstimmspiegel 3C und ein Echelle-Gitter 38.
Der Spiegel ist schwenkbar, um die Wellenlänge des Lasers zu verändern.
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Verbesserte
spektrale Leistung
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Die Anmelder und ihre Mitarbeiter
haben Laser-KrF-Excimer-Lasereinnchtungen entworfen, gebaut und
getestet, die in der Lage sind, Linienbreiten-Spezifikationen von
0.50 pm bei FWHM mit 95% der Energie des Laserstrahls innerhalb
2 pm zu erfüllen.
Die Ergebnisse sind auf neuen, mittelalten und alten Entladungskammern
für 80
Millionen Impulse demonstriert worden, was beweist, dass das System innerhalb
dieser Spezifikationen über
die normale Lebensdauer der Einrichtungen mit üblicher Wartung zu gleichbleibender
Leistung in der Lage ist. Diese Ergebnisse stellen eine Verbesserung
von etwa 50% gegenüber
der Schmalband-Excimer-Lasertechnogie des Stands der Technik dar.
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Um diese verbesserte Leistung zu
erzielen, haben die Anmelder sowohl die Lasereinrichtung als auch
die Betriebsparameter verbessert.
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Verringerung
des Fluorverbrauchs
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In bevorzugten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung, die von den Anmeldern gebaut und getestet
wurden, wurde große
Sorgfalt angewandt, um Materalien, die Fluor verbrauchen, aus der
Entladungskammer zu entfernen. Der Verbrauch von Fluor in einer
Entladungskammer ist auf die Fluorreaktion mit Materialien in der
Kammer zurückzuführen. Diese Reaktionen
erzeugen typischerweise Schmutzstoffe, die eine Verschlechterung
der Laserleistung zur Folge haben. Um den Fluorverbrauch zu minimieren, enthalten
diese bevorzugten Ausführungen
die folgenden spezifischen Merkmale:
Die Kammerwände sind
aluminiumbeschichtet mit Nickel.
Die Elektroden sind Messing.
Alle
Metall-O-Ringe werden als Dichtungen benutzt.
Isolatoren sind
alle Keramik und fluorverträglich
Aluminiumoxid
ist das bevorzugte Isolationsmaterial der Erfinder.
Ein elektrostatisches
Filter wird wie in Konstruktionen des Stands der Technik bereitgestellt,
um während des
Betriebs erzeugte Schmutzstoffe zu filtern.
Die Gebläseeinheit
wird mittels eines magnetisch gekoppelten Motors, der sich außerhalb der
verschlossenen Entladungskammer befindet, mittels einer Technik
des Stands der Technik angegeben.
Während der Herstellung werden
Teile präzisionsgereinigt,
um mögliche
Schmutzstoffe zu entfernen.
Nach dem Zusammenbau wird die Kammer
mit Fluor passiviert.
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Diese bevorzugte Ausführung erfordert
wesentliche Änderungen
in Betriebsprozeduren und Parametern des Lasersystems, um den gewünschten sehr
schmalbandigen Ausgang zu erzielen. Die Fluorkonzentration wird
von 0.1% (30 kPa) auf etwa 0.06% (18 kPa) reduziert. (Die Kr-Konzentration
wird auf dem Pegel des Stands der Technik von etwa 1.3% gehalten,
und der Rest des Lasergases ist Neon.) Im Betrieb wird Fluor allmählich abgereichert. Konstante
Impulsenergie wird durch allmähliches
Erhöhen
der Laser-Betriebsspannung entsprechend Verfahren des Stands der
Technik erhalten. Injektionen einer Mischung aus Fluor und Neon
werden periodisch (typisch in Abständen von etwa 1 bis 4 Stunden)
vorgenommen, um entsprechend in der Excimer-Lasertechnik des Stands
der Technik bekannter Verfahren die Abreicherung von Fluor auszugleichen. Während dieses
Vorgangs wird die Fluorkonzentration bevorzugt im Bereich von etwa
0.055% und 0.065% gehalten, und die Betriebsspannung wird in einem
entsprechenden Bereich gehalten, der geeignet ist, konstante Impulsenergie
aufrechtzuerhalten. In einer bevorzugten Ausführung lag dieser Bereich zwischen
770 Volt und 790 Volt.
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Erhöhung des
Reflexionsvermögens
des Ausgangskopplers
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In dieser bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung wurde das Reflexionsvermögen des Ausgangskopplers von
etwa 10%, was für Schmalband-Excimer-Laser
des Stands der Technik typisch war, auf etwa 30% erhöht. Dies
erfolgte, um den Verlust an Laser-Wirkungsgrad infolge der reduzierten
Fluorkonzentration auszugleichen.
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Umstellen
auf Kalzium-Fluorid-Prismen
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Die Änderung des Reflexionsvermögens des Ausgangskopplers
von 10% auf 30% hatte die Wirkung, dass das durch das Linienverschmälerungsmodul
laufende Licht etwa verdoppelt wurde. Die zusätzliche Wärme, die durch diese zusätzliche
Beleuchtung in den Quarzglas-Prismen
des Stands der Technik erzeugt wurde, verursachte thermische Störungen in
den Prismen. Um dieses Problem zu lösen, wurden die Quarzglas-Prismen
durch Kalzuim-Fluorid-Prismen ersetzt. Kalzium-Fluorid besitzt eine
höhere
Wärmeleitfähigkeit
und konnte die zusätzliche Energie
ohne unannehmbare Störung
handhaben.
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Burst-Mode-Betrieb
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Wie im Hintergrundabschnitt dieser
Beschriebung angegeben, ist eine typische Betriebsart eines KrF-Lasers
ein "Burst-Mode", bei dem Stöße von etwa
125 Impulsen bei einer Rate von 1000 Impulsen pro Sekunde erzeugt
werden. Der Stoß dauert etwa
125 ms, und es gibt typischerweise eine "Totzeit" von einem Bruchteil einer Sekunde zwischen den
Stößen. Der
KrF-Laser der Anmelder enthält etwa
0.017 m3 an Lasergas, und die durch das
Gebläse 10 erzeugte
Flussrate von Gas zwischen den Elektroden beträgt etwa 0.228 m3 pro
Sekunde. Dies würde
eine Gesamtumlaufzeit des Gases von etwa 75 ms bedeuten. Der Fluss
in der Kammer ist jedoch weit davon entfernt, gleichmäßig zu sein,
und Teile des Gases zirkulieren viel schneller. Die Geschwindigkeit
des Gases zwischen den Elektroden ist etwa 20 Meter pro Sekunde,
und die Anmelder schätzen, dass
das schnellste Gas in etwa 20 ms umläuft. Die Anmelder haben einen "Slug-Effekt" entdeckt, der durch
den ersten oder die ersten paar Impulse in einem Stoß erzeugt
wird. Dieser Slug-Effekt wird in 13 gezeigt,
die ein Plot der Impulsenergie für
jeden der 123 Impulse eines typischen Stoßes von 123 Impulsen gemittelt über 50 Stöße ist.
Es gibt einen großen
Abfall nach dem ersten Impuls und einen weiteren Abfall nach dem
21. Impuls, d. h. etwa 21 ms nach dem ersten Impuls. Dieser Abfall
ist sehr gut reproduzierbar, und der Zeitpunkt des Abfalls steht
im Verhältnis
zu der Gebläsegeschwindigkeit.
Die Anmelder kennen nicht die genaue Ursache dieser ersten 40 ms
an sehr reproduzierbarer sprunghafter Leistung, haben ihn aber als
den "Slug-Effekt" identifiziert, und
glauben, dass er chemischen Effekten zuzuschreiben ist, die erzeugt
werden, wenn "reines" Lasergas, das zwischen
den Elektroden läuft,
während
des ersten Impulses oder der ersten paar Impulse mit 20000 Volt
zerschossen wird. Das während der
ersten 30 ms zwischen den Elektroden fließende Gas ist im Wesentlichen
ganz "reines" Lasergas, aber nach
etwa 20 ms beginnt Gas, das während
des ersten Impulses elektrisch geschockt wurde, zwischen den Elektroden
zurückzulaufen.
Nach etwa 39 ms in dem Stoß ist
das Gas in dem Laser völlig
gemischt, und der Slug-Effekt verschwindet.
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Ergebnisse
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Fluorverringerung
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10 beschreibt
die Beziehung zwischen Betriebsspannung, Fluorkonzentration und
Impulsenergie. Diese Graphik zeigt, dass, wenn die Fluorkonzentration
abnimmt, die Spannung erhöht
werden muss, um den gewünschten
Ausgang von 10 mJ pro Impuls aufrechtzuerhalten. In dieser einzelnen
Ausführung
beträgt
jedoch die Obergrenze der Betriebsspannung 800 Volt. Man beachte,
dass mit einem 10% R Ausgangskoppler die niedrigste Fluorkonzentration,
die einem Ausgang von 10 mJ entspricht, 25 kPa sein würde, wobei
an diesem Punkt die Betriebsspannung auf 800 Volt angestiegen wäre. Mit
einem 30% R Ausgangskoppler konnte jedoch die Fluorkonzentration
auf bis zu 20 kPa reduziert werden, während immer noch eine 10 mJ
Impulsenergie mit der Betriebsspannung von etwas unter 800 Volt
aufrechterhalten wurde. 11 zeigt
die tatsächlichen
Testergebnisse des Reduzierens der Fluorkonzentration auf der Linienbreite
(gemessen bei FWHM und bei 95% Impulsenergie) sowohl für kontinuierliche
Impulse von 1000 Hz als auch für
Stöße von 500
Impulsen und 1000 Hz. Für
diesen besonderen Test hatte der Ausgangskoppler ein Reflexionsvermögen von
25%. Typische Laserimpulsformen für KrF-Systeme des Stands der
Technik und dieser sehr schmalbandigen KrF-Laser werden in 12A und 12B verglichen. Man beachte, dass mit
den sehr schmalbandigen Lasern Energie zu dem letzten Teil des Impulses,
der Photonen darstellt, geschoben wird, was den Vorteil von mehr
Durchläufen
durch das Linienverschmälerungsmodul
hat. Als Folge wird die integrierte Impulsspektrallinienbreite des
Lasers reduziert.
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Hinzufügen von
Sauerstoff – Reduktion
des Slug-Effekts
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14 und 15 zeigen die Auswirkung
auf den Slug-Effekt beim Hinzufügen
kleiner Mengen an Sauerstoff zu dem Lasergas. 14 zeigt eine dramatische Verringerung
in der Energieabnahme, die etwa 22 bis 35 ms nach dem Beginn des
Stoßes
auftritt. 15 zeigt,
dass die 3-Sigma-Abweichung ebenfalls dramatisch reduziert wird,
wenn Sauerstoff im Bereich von etwa 25 bis 49 ppm hinzugefügt wird.
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Argon-Fluorid-Laser – Beseitigung
des Gasnachfüllsyndroms
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Die Anmelden haben entdeckt, dass
das Hinzufügen
von Sauerstoff auch die Leistung von sehr schmalbandigen ArF-Lasern
verbessert. Die Anmelder haben etwas identifiziert, das sie ein
Gasnachfüllsyndrom
nennen. Sie haben entdeckt, dass direkt nach dem Austauschen des
Lasergases in einem sehr schmalbandigen ArF-Laser der Laser sehr schlecht
arbeitet, weil die Impulsenergie erheblich reduziert ist. Nach einer
Nacht arbeitet jedoch der Laser am nächsten Morgen innerhalb seiner
Spezifikationen.
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Dieses Gasnachfüllsyndrom wurde durch die Zugabe
einer äußerst kleinen
Menge an Sauerstoff, z. B. 2 bis 3 ppm, beseitigt. Die bevorzugte
Lasergasmischung für
den sehr schmalbandigen ArF-Excimer-Laser ist daher:
3.5 Prozent
Argon
0.1 Prozent Fluor
2–3 ppm Sauerstoff
Rest
Neon zu 3 Atmosphären
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Zusätzliche Mengen an Sauerstoff
wurden zugegeben, aber die Sauerstoffzugabe über 5 ppm hinaus hatte keinen
wesentlichen Nutzeffekt.
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Wellenlängen- und
Bandbreitenmessung
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Die mittlere Wellenlänge der
Lithographie-Laserausgangsstrahlung muss stabilisiert werden, um:
a) den Brennpunkt auf der Waferebene zu halten, und b) jede Änderung
in der Vergrößerung zu minimieren.
Eine Drift in der Mittenwellenlänge
beeinflusst jedoch die Brennebenenstabiltiät stärker als die Vergrößerung.
Die Abweichung der Mittenwellenlänge
am Beginn eines Stoßes
von Impulsen ist ebenfalls wichtig. In den folgenden Abschnitten
werden wir einen Wellenmesser beschreiben, der die meisten der spektralen
Anforderungen für
die Lithographie misst. Der Wellenmesser misst die Wellenlänge und
stimmt die Linienverschmälerungsoptik (Etalon
oder Gitter) ab, um jede Abweichung von der Sollwellenlänge zu kompensieren.
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Der für einen Produktions-Lithographie-Laser
benutzte Wellenmesser muss kompakt sein und dennoch die Anforderungen
guter relativer Genauigkeit erfüllen,
eine kleine Langzeitdrift aufweisen, und eine gute Absolutgenauigkeit
in Bezug auf eine Atomlinie besitzen. Die Anforderung ist jedem
Fall < +/– 0.15 pm.
Des Weiteren muss die Wellenlängenmessung
unempfindlich gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur oder Druck sein. Außerdem sollte der Wellenmesser
in der Lage sein, die spektrale Bandbreite (FWHM) mit einer Genauigkeit
von +/– 0.15
pm zu messen. Andererseits kann der Betriebsbereich dieses Wellenmessers
relativ klein, 248.35 +/– 0.30
nm, sein.
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Die Wellenlänge wird mittels einer Kombination
eines Gitters und eines Etalons gemessen. Ein schematischer Aufbau
dieses Wellenmessers wird in 8 gezeigt.
Das Gitter und der Etalon werden für grobe bzw. feine Messungen
benutzt. Der Ausgang des Gitter-Spektrometers wird im Mittenbereich
einer 1024 Element Silizium-Photodiodenanordnung abgebildet, während das
Randmuster von dem Etalon auf den zwei Seiten abgebildet wird. Die
Wellenlänge wird
durch Messen des Durchmessers des Etalon-Randmusters und der Position
des Grobgitterausgangs bestimmt.
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Eine kleine Änderung im Randdurchmesser ist
proportional zu der Änderung
der Wellenlänge. Für eine Wellenlängenänderung
kleiner als der freie spektrale Bereich (FSR) des Etalons ist der
Etalon in Lage, die Wellenlänge
des Lasers zu verfolgen. Die grobe Gitter messung ist erforderlich,
um jeden möglichen
Fehler oder Diskrepanz in der Wellenlängendrift von größer als
der freie spektrale Bereich (FSR) des Etalons (20 pm) zu beseitigen.
Wie bekannt ist, ist das Etalon-Randmuster identisch für Wellenlängen, die
durch Vielfache ihres FSR getrennt sind.
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Der Wellenmesser wird in der Fabrik
mit Bezug auf eine Hohlkathoden-Ne-Fe-Lampe kalibriert, die eine
Absorptionsspitze bei 248.3271 nm hat. Die Erfahrung hat gezeigt,
dass diese Wellenmesser auf +/– 0.5
pm stabil gemacht werden können.
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Des Weiteren sind, um umgebungsdruckabhängige Änderungen
zu beseitigen, sowohl das Gitter als auch der Etalon in unter Druck
stehenden Gehäusen
untergebracht. Die Temperaturstabilität wird erreicht, indem Etalon-Abstandshalter
mit sehr niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient
und gute Wärmeverwaltung
des Etalongehäuses
verwendet werden.
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Schließlich wird die von dem Wellenmesser erhaltene
Wellenlängeninformation
benutzt, um die Laserwellenlänge
durch Ändern
des Beleuchtungswinkels auf dem Gitter in dem Linienverschmälerungsmodul
zu steuern. Dies erfolgt durch einen in 7 gezeigten sehr leicht schwenkbaren
Spiegel 36.
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Obwohl dieser sehr schmalbandige
Laser mit Bezug auf einzelne Ausführungen beschrieben wurde,
muss zu Kenntnis genommen werden, dass verschiedene Adaptionen und
Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können. Zum
Beispiel können
die Sauerstoffquellen reiner Sauerstoff oder irgendein in U.S. Patent
5,307,364 erwähnter Sauerstoff
sein. Außerdem
könnte
die Sauerstoffquelle etwas Festes sein, z. B. Aluminiumoxid oder Kalium,
das in der Kammerumgebung enthalten sein könnte, und die Sauerstoffemission
könnte
mit der Temperatur gesteuert werden. Der Umfang der Erfindung soll
daher nur durch die anliegenden Ansprüche eingeschränkt werden.