JP2004528718A - ビーム経路を改善したガス放電レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス放電レーザ、特に高エネルギ紫外線パルスレーザビームを生成する高繰返し率ガス放電レーザを提供する。
【解決手段】約5mJ又はそれ以上のパルスエネルギと2,000Hzを超えるパルス繰返し率での高品質パルスレーザビームを生成することができる、パージされたビーム経路を有するエキシマレーザ。レーザシステムを通るパージされたビーム経路全体は、ビーム経路の汚染を最小限に抑えるために密封される。好ましい実施形態は、LNP(54)内の熱歪みを最小限に抑えるために熱的に分断されたLNP開口要素(70A)を備える。この実施形態は、特に集積回路リソグラフィ用光源として設計されたArFエキシマレーザである。波長計(7)には、出力レーザビームに露出された隔チャンバの特別なパージが設けられる。
【選択図】図3

Description

【技術分野】
【0001】
本出願は、本明細書において引用により組み込まれる、2000年11月17日出願の米国特許出願一連番号第09/716,041号、2001年5月11日出願の米国特許出願一連番号第09/854,097号、及び2001年11月14日出願の米国特許出願一連番号第10/000,991号に対する優先権を主張する。本発明は、ガス放電レーザに関し、特に、高エネルギ紫外線パルスレーザビームを生成する高繰返し率ガス放電レーザに関する。
【背景技術】
【0002】
放電ガスレーザ
放電ガスレーザは公知であり、1960年代のレーザの発明後間もなくから利用可能である。2つの電極間の高電圧放電によって、ガス状の利得媒体が励起される。利得媒体を含む共振空洞によって、光の増幅の促進が可能になり、その後、光は、レーザビームの形で空洞から抽出される。これらの放電ガスレーザの多くは、パルスモードで作動される。
エキシマレーザ
エキシマレーザは、特殊な形式のガス放電レーザであり、それ自体は1970年代半ばから知られている。集積回路リソグラフィに有益であるエキシマレーザの説明は、1991年6月11日に付与された「小型エキシマレーザ」と題した米国特許第5,023,884号で説明されている。この発明は、本出願人の雇用主に譲渡されており、引用により本明細書に組み込まれる。特許第5,023,884号で説明されているエキシマレーザは、高繰返し率パルスレーザである。図1及び図2において、レーザ10の主要要素を示す。(図1は、米国特許第5,023,884号の図1に、図2は、その図7に対応する。)放電は、約5/8インチ離間された2つの長い(約23インチ)電極18及び20との間で起こる。従来技術によるレーザの繰返し率は、説明したレーザと同様に、一般的に約100パルス/秒から2000パルス/秒の範囲内である。これらの高繰返し率レーザには、通常、ガス循環システムが設けられている。先に言及したレーザにおいては、これは、約23枚のブレード48を有する長尺かご形ファン46で行われる。ファンブレード構造体は、電極18及び20より若干大きく、パルス作動率において電極間の放電擾乱ガスがパルス間で取り除かれるように十分な循環を行う。図1のフィン付き水冷熱交換器58は、放電及びファンによって追加される熱をレーザガスから取り除くために使用される。
【0003】
モジュール設計
これらのエキシマレーザは、集積回路リソグラフィに使用される時には、一般的に製造ラインで「24時間体制」で作動され、従ってダウンタイムは高くつく可能性がある。こういう理由から、構成要素の大半は、通常は数分以内で交換することができるモジュールにまとめられている。
ラインナローイング
リソグラフィに使用されるエキシマレーザは、ピコメートルの何分の一にまで帯域幅が減じられたその出力ビームを有する必要がある。この「ラインナローイング」は、一般的に、レーザの共振空洞の背面を形成するラインナローイングモジュール(「ラインナローイングパッケージ」又は「LNP」と呼ばれる)において達成される。この「LNP」は、一般的に、プリズム、ミラー、及び回折格子を含む精密な光学要素で構成される。繰返し率が大きくなるにつれて、「LNP」による安定した性能の維持が深刻な課題になる。
【0004】
ビーム品質の制御
集積回路リソグラフィの光源として使用された時、レーザビームパラメータ(即ち、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅)は、一般的に、非常に厳しい仕様の範囲内に制御される。これには、パルスエネルギのパルス毎のフィードバック制御、及び、ラインナローイングされた出力ビームの波長の若干遅いフィードバック制御が必要とされる。パルス繰返し率を2倍又はそれ以上にするには、これらのフィードバック制御システムがはるかに高速に機能することが必要である。
【0005】
繰返し率の増加
集積回路の生産増加を促進するために従来技術による装置よりも高い平均電力で作動するガス放電レーザ光源に対する必要性が存在する。例えば、4,000Hzから6,000Hzの範囲の繰返し率で5〜10mJの範囲のパルスエネルギで作動するKrFレーザ、ArFレーザ、及びF2レーザに対する必要性がある。上記のパルスエネルギでの繰返し率が高くなるほど、これらのガス放電レーザの共振空洞内に熱及び放射線の両方に関する問題が生じる。
【0006】
【特許文献1】
米国特許出願一連番号第09/716,041号
【特許文献2】
米国特許出願一連番号第09/854,097号
【特許文献3】
米国特許出願一連番号第10/000,991号
【特許文献4】
米国特許第5,023,884号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
必要とされるのは、これらの実質的に増加した平均電力レベルでの高品質性能を可能にするための、これらのガス放電レーザの共振空洞構成要素の改良である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、約5mJ又はそれ以上のパルスエネルギと2,000Hzを超えるパルス繰返し率での高品質パルスレーザビームを生成することができる、パージされたビーム経路を有するエキシマレーザを提供する。レーザシステムを通るパージされたビーム経路全体は、ビーム経路の汚染を最小限に抑えるために密封される。
好ましい実施形態は、LNP内の熱歪みを最小限に抑えるために熱的に分断されたLNP開口要素を備える。この実施形態は、特に集積回路リソグラフィ用光源として設計されたArFエキシマレーザである。改良された波長計には、出力レーザビームに露出された隔チャンバの特別なパージが設けられる。
【0009】
現在稼動中のこの一般的な種類の典型的な従来技術エキシマレーザは、約1,000Hzから2,500Hzのパルス繰返し率に限定される。本発明は、レーザビーム品質の大幅な向上と、レーザパルスの数又は全光出力によって測られる構成要素寿命の大幅な増加とを提供する。ビーム品質及び構成要素寿命のこれらの向上は、主として、超清潔で純粋なレーザビーム経路を確保することにより、かつ、熱的非定常性を最小限に抑えると同時に光学構成要素へのチャンバ振動の伝達も最小限に抑える設計上の改善により達成される。
このレーザは、保守及び修理のために素早く簡単にモジュール交換できるようにモジュール形式で製作される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
本発明の種々の好ましい実施形態は、図面を参照しながら説明することができる。
第1の好ましい実施形態
4KHzのArFリソグラフィレーザ
本発明の第1の好ましい実施形態を図3に示す。これは、集積回路リソグラフィに有益な高繰返し率のArFエキシマレーザのレーザチャンバ及び光学構成要素の概略図である。このレーザシステムは、毎秒4000パルスの繰返し率で作動して5mJの狭帯域パルスを生成するように設計される。(このシステムの基本的な構成要素は、10mJのパルスエネルギ及び4,000Hzで作動するように設計される同種のKrFレーザの場合と同一である。ArFレーザのレーザパルスは、波長約193nmであり、KrFレーザの波長は、約248nmである。)図3に示すレーザシステムの主たるモジュールは、ラインナローイングパッケージLNPモジュール3、レーザチャンバモジュール1、出力カプラモジュール5、波長計モジュール7、及びシャッタモジュール9である。
【0011】
LNPモジュール3は、チャンバモジュールから独立して支えられ、かつ、LNP及び出力カプラを、主としてレーザ放電及びファン回転から生じるチャンバによって引き起こされた振動から分離する低熱膨張材(「Invar(登録商標)」など)の三バー・マウント52(バーのうち2つのみを図示)上に出力カプラ5と共に取り付けられる。LNPは、三プリズムビーム拡大器60、同調ミラー62、及び回折格子ユニット64が入った金属ケース54を含む。LNPの要素も図4A及び図4Bに図示されている。
【0012】
図3に、図4に断面で示したレーザチャンバモジュール1を示す。上述の4,000Hzでの作動を対象に設計されたこのチャンバは、4つの水冷フィン付き熱交換器要素46、5インチ径接線ファン58、及び、2つの50cm長電極540を備え、その全ては、デザイン的には従来技術チャンバと類似のものであるが、この場合は、それよりも高い4,000Hzの繰返し率に対して設計される。パルスパワーシステム(図示せず)は、高電圧電気パルスを供給して、レーザガス(このArFレーザにおいては、3.5%アルゴン、0.1%フッ素、及び残りはネオン)内の電極540間に放電を生み出す。レーザチャンバは、レーザシステムの光学構成要素から独立したレーザフレーム(図示せず)内に取り付けられたレール50上で支えられる。
【0013】
出力カプラモジュール5は、公称ArFレーザ波長193nmで光の20%を反射するように被覆されたCaF2から成る部分反射鏡を囲む金属容器で構成される。このモジュールは、三バーマウント52の支持体81上に取り付けられ、LNP内の回折格子と共にこのレーザシステムの共振空洞の境界を形成する。
出力カプラモジュール5のすぐ下流側には、図3に示すように波長計モジュール7がある。この図では、構成要素のいくつかは、波長計の高エネルギ強度部分の重要なパージ技術を二次元で示すために実際とは異なる向きで示されている。実際の好ましい実施形態において、波長計の構成要素の大部分は、ビーム経路と幾何学的に垂直なパターンで配置される。主レーザ出力ビームは、直進して波長計を通り、解析のために部分反射鏡170から拾われる。波長計内のビームの解析された部分は、一般的に、主レーザビーム28の軸線と垂直な平面を形成する。図5は、実際の向きによる波長計の構成要素を示す。
レーザシステムのシャッタは、図3に示すシャッタモジュール9に包含される。
【0014】
ビーム経路環境の制御の必要性
紫外線レーザ業界で確立された慣例は、ビーム経路を窒素でパージすることである。このパージは、2つの大きな有益な効果を有する。ビーム経路内の酸素レベルを非常に低いレベルまで下げる。(一般的に数百ppmである。)また、気体放出から生じるビーム経路内の汚染のレベルを非常に低いレベルに維持する。しかし、非常に低いレベルの酸素及び気体放出汚染でさえも、特にユーザビーム品質仕様が厳しくなるほど重大な悪影響を生むには十分である。この問題は、248nmのKrFレーザでは顕著であるが、193nmのArFレーザ及び153nmのF2レーザについては重大なものになる。本出願人は、任意のレーザの光学構成要素の有益な耐用年数は、ほぼ酸素レベルに反比例し、ほぼ汚染のレベルに反比例し、また、ほぼ積算紫外線フラックスに反比例すると判断した。積算フラックス率は増加していることから、構成要素耐用年数を維持するか、又は、構成要素耐用年数を延ばすためには、酸素レベル及び汚染レベルの大幅な低減が必要とされる。また、酸素及び汚染物質レベルの低減は、ビーム品質を向上させることが予想される。
【0015】
ラインナローイングモジュール
図4Aは、出力レーザビームの波長及びパルスエネルギを制御するために重要である好ましいレーザシステムの特徴の相互関係を示すブロック図である。三プリズムビーム拡大器、同調ミラー14、及び回折格子64を含むラインナローイングパッケージモジュール3が図示されている。波長計104は、出力ビーム波長をモニタし、フィードバック信号をLNPプロセッサ106に供給し、LNPプロセッサ106は、出力ビームの波長を所望の非常に狭い範囲内に保つためにステッパモータ及びPZTスタック80の作動によって同調ミラー14の位置を制御する。作動波長は、レーザコントローラ102により選択することができる。また、パルスエネルギは、波長計104で測定され、波長計104は、上述したように、フィードバック構成で放電電圧を調整することによってパルスエネルギを制御するコントローラ102によって使用される信号を供給する。図4Bは、PZTスタック80、ステッパモータ82、及びミラー14を示すブロック図である。
【0016】
ミラー14の位置の大きな変化は、26.5:1のレバーアーム84を通じてステッパモータ82によって生成される。この場合、圧電駆動装置80端部のダイヤモンドパッド81が、レバーアーム84の支点で球形ツーリングボールに接触するように設けられる。レバーアーム84の上部とミラーマウント86との間の接触は、レバーアーム上の円筒形ドエルピンと、85に示すようなミラーマウント上に取り付けられた4つの球形ボールベアリング(そのうちの2つのみを図示)とを用いてもたらされる。圧電駆動装置80は、圧電マウント80AでLNPフレーム上に取り付けられており、ステッパモータは、ステッパモータマウント82Aでフレームに取り付けられている。ミラー14は、3つのアルミニウム球を使用して3点マウントでミラーマウント86内に取り付けられており、3点マウントのうち、1つのみが図4Bに図示されている。3つのばね(1つのみを図4Aに図示)は、ミラーが球に当たるように保持する圧縮力を付加する。この実施形態は、圧電駆動装置をLNP内の環境から隔離するために、図4Bに示すようにドラム面87Aを有するダイヤフラムユニットを含む。また、この実施形態は、ステッパモータをLNP内の環境から隔離するために、図4Bに示すようにベローズユニット85を含む。
LNP内の全ての漏れ経路は密封されている。これらには、LNP筐体本体に対してLNPの金属上部カバーを密封する金属Cシールを含む。金属Cシールを有する密封カバーは、図4Aに示すような曲げ機構65を調節するための調節ネジ用の開口部を含む他の全ての開口部に設けられている。
【0017】
LNP開口の加熱
LNPの光学要素の1つは、ビーム断面寸法、特にLNPを出入りするビーム幅を構成する開口である。一般的に、開口は、水平に3mm及び垂直に18mmのような寸法を有する矩形である。ビームは、チャンバ及びLNPの両方において拡大し、従って、ビームのかなりの部分は、開口を形成する材料に入射する。ビームのこの部分は、材料に吸収されるか、又はそこから反射される。レーザの繰返し率が大きくなるにつれて、開口を構成する材料の加熱がかなりなものになる可能性がある。場合によっては、この種の従来技術によるレーザにおいては、開口の加熱は、LNP筐体の歪みを引き起すのに十分なものであり、これによって、LNP内の光学構成要素の不揃いが引き起こされ、これが、ビーム品質に悪影響を及ぼす。
図3に示す本発明の好ましい実施形態は、LNPから熱的に分断された新しいLNP開口を含む。これによって、そうでない場合にはレーザ出力の変化の結果として開口材料の周期的な加熱から生じるであろうLNP内の熱的非定常性が最小限に抑えられる。
【0018】
熱分断式開口
ヒートシンク熱放散器部分を含む熱分断式開口を、図6A、図6B、及び図6Cに示す。図6A、図6B、及び図6Cでは、図7及び図3に示す2つのシールブラケット70B及び70Dは示されていない。開口通路自体70K(図7に図示)は、幅1.7mm及び高さ20.95mmである。本出願人は、開口の壁部は、チャンバからLNPに入るパルスエネルギのほぼ約半分、及びLNPから戻るパルスエネルギの約20%を阻止すると見積もっている。阻止されたビームのほぼ約15%から40%は吸収され、残りは両方向に反射される。開口の壁部は、反射光が増幅されないように2度の角度を成している。好ましい実施形態の場合の開口壁部によって吸収されるエネルギは、ほぼ約10mJ/パルスである。連続作動時のレーザは、開口壁部によって吸収されるエネルギが約40J/秒(即ち、4ワット)であるように毎秒4000パルスを生成する。一実施形態において、開口要素はアルミニウムであり、質量約800gm、表面積0.2m2である。アルミニウムは、開口要素の熱容量が約720J/℃となるように約0.9J/gm°Kの熱容量を有する。従って、熱損失を無視すると、連続作動時には、開口要素の温度は、約0.055℃/秒又は約3.3℃/分の割合で上がることになる。表面積0.2m2に関して10W/m2°Kのα拡散値を仮定すると、開口の平衡温度上昇は、約ΔT=(40W)(10W/m2°C)(0.2m2)又は約20℃になる。
【0019】
通常、レーザは、100パルスに対して0.3秒のダウンタイムを繰り返し、その後ウェーハ切り替えのための1分のダウンタイムがあって、次に別の100パルスバーストなどがある、0.3秒間に毎秒4000パルスのようなバーストモードで作動される。このシーケンスは、何日も24時間稼動で続けることができるであろう。この作動モードで、開口要素の平均温度の変動は、約10℃となる。これは、LNP筐体に直接に結合された開口の壁部に最大約50℃の温度変動が発生し、従ってLNP構造体及びその光学構成要素の歪みが発生してビーム品質に悪影響を与えた従来技術を凌ぐ重要な改良点である。
【0020】
簡単密封ベローズシール
本出願人は、ビーム経路内にレーザモジュール(チャンバ1、出力カプラ5、波長計7、及びシャッタ9を含む)を再度設置した時に真空適合シールに対してビーム経路の素早い密封を可能にする簡単密封ベローズシールを開発した。簡単密封ベローズシールは、シールがビーム経路のそれぞれの密封された部分の真空品質の密封をもたらすが、経路は真空で作動されず、通常は大気圧を若干上回る圧力が掛かっていることに注意すべきである。
【0021】
高速密封は、これらのモジュールが数分以内に交換可能であるべきであるという大きな必要性の点で重要である。簡単密封ベローズシールは、図3で92A、92B、及び92Cに図示されている。簡単密封ベローズシールの基本的なデザインを図8Aから図8Eに示す。簡単密封ベローズシールは、4つの部分から成るシールである。これらの4つの経路は、(1)図8Aに示すベローズ部93A、図8Aに示すフランジ部93B、図8Aに示す金属C密封リング93C、それに、図8Cに示す第1の圧縮リングクランプ93Dである。第2の圧縮リングクランプは、図8Eに図示されている。簡単密封ベローズは、図8Dでは組み付けられた状態で図示されている。2つの更なる金属Cシールは、第1のレーザ部93Eに対してフランジ部93Bを、第2のレーザ部93Fに対して密封ベローズ部分93Aを密封するために使用することができる。これらの更なるシールは、スロット102及び104内に配置される。フランジ部93Bは、座繰り穴を通り、かつ穴108を通じて六角レンチで締め付けられたネジで第1のレーザ部に対して密封される。
【0022】
フランジ部93Bは、テーパ付きフランジ120を備える。このフランジは、図8Aに示すように20°のテーパを有する。フランジ114も20°のテーパを有する。圧縮クランプ93Dは、次にフィンガボルト118を緩めることによって開かれ、テーパ付きフランジ120及び114回りに配置される。圧縮クランプ93Dは、ヒンジ部分122及びボルト部分124を有する。圧縮クランプ93Dは、フランジ114及び120の種類に適合するテーパのあるスロット付き内周部を有する。ボルト118が完全に挿入された状態のスロットの直径は、真空に比する密封が得られるように、ボルト118を締め付けた時に2つのフランジが押し合わされて両フランジ間のcシール93Cを圧縮するように、フランジ114及び120の適合傾斜面よりも若干小さい。本出願人は、所望の真空密封を確保するためには400ポンドの圧縮が望ましいと判断した。これには、約40インチ−ポンドのトルクを第1の圧縮リングクランプのボルト118の取っ手に掛ける必要がある。この実施形態においては、取っ手は、長さがわずか1インチなので、大半の技術員には、スピードレンチ(又は、類似の工具)が40インチ−ポンドのトルクを得るのに必要であろう。2インチの取っ手が設けられている場合、指の力で密封を行うことができる。第2の圧縮リングクランプは、リングの周縁部に対して湾曲したレバーアーム119が所定の位置に押し込められた時、図8Eに示す2つのテーパ付きフランジを押し合わせる。クランプをリング周縁部から外側にアームを回すことによって開くと、リングクランプの2つの半分部分を分離させることができる。本出願人は、レバーアーム119の端部に40ポンドの力を掛けると、結果的にCシール93C上に約400ポンドの圧縮力が掛かると見積もった。このクランプデザインは、「プルアクション・トグルクランプ」として公知の市販クランプのデザインに基づくものである。
【0023】
このシールシステムの重要な利点は、以下の通りである。
(1)シールで密封する時間は大きくない(約1分から2分)。
(2)優れた真空密封が得られる。
(3)チャンバと光学構成要素との間の実質的な振動結合が回避される。
(4)このシールは、これ以外の大半の真空密封技術と比較すると安価である。
密封は、図8Dに示すように、圧縮リングクランプ93Dを使用して、図8Aに示すように、フランジ部93B及び93A間に挟まれた金属Cシール93Cによりこの2つの部分の間で行われる。金属シールは、スロット110に嵌合する。これらの実施形態におけるシールは、円形スロット110に嵌合するように若干楕円形にされている。cシールリングの長い方の直径は1.946インチであり、短い方の直径は1.84インチである。楕円形cシールリング内のネジ力により、組み付け時にcシールリングが脱落するのを防止する、スロット110の縁部に対する力が生じる。ベローズ部93Aは、組み付け時に2つの部分が互いに対して摺動する時に部分93Bによって引っ掻き傷ができないようにシールリング93Cを保護する円形リッジ112を備える。従って、交換チャンバ1がレール50上の所定の位置に入り込む時、ベローズユニット93Aのフランジ部114は、摺動して部分93Bに当たるが、円形リッジ112は、引っ掻き傷ができないように金属Cリング93Cを保護する。チャンバが所定の位置にある時、円形リッジは、スロット116に嵌合する。
【0024】
LNP及びチャンバ間密封
チャンバ1とLNP3との間のビーム経路を密封するために、図8A、図8B、図8C、及び図8Dに示す標準的な簡単密封ベローズユニットは、若干変更されている。部分93Bのテーパ付きフランジ部は、図7において70Bに示すように、熱分断式開口要素70Aの重要部分とされている。開口要素70Aは、図6A、図6B、及び図6Cに示すものと類似の形状を有する受動ヒートシンク部分70Cを備える。また、開口要素70Aは、円筒形弾力密封ユニット70Dを備える。このユニットは、LNP支持体にかなりの応力を掛けることなく開口要素が熱膨張することを可能にするものである。LNPは、70Fで金属Cシールを用いて支持ユニット80に対して密封される。密封ユニット70Dは、70G及び70Hで金属Cシールで密封されている。開口要素70Aは、先の節で説明したように、簡単密封ベローズユニット92aに対して密封されている。
【0025】
他の簡単密封ベローズシール
この好ましい実施形態の図3に示すように、先に説明した簡単密封ベローズシールデザインは、92B、92C、及び92Dに示すように、他の3ヵ所の密封を行うために使用される。ベローズシールユニット92Bは、金属Cシールを使用してチャンバ1に対して密封されている。ブラケット70Bは、金属Cシールで出力カプラ支持体81に対して密封されており、先に説明した圧縮リング104は、92Cに示すように、かつ先に説明したように、2つの部分を互いにクランプするために使用される。
出力カプラ5は、出力カプラ支持体81に取り付けられ、図3に示すように、金属Cシールで密封されており、簡単密封ベローズシールは、波長計同調ブラケット70Cに対して出力カプラを密封するために使用されている。同様に、簡単密封ベローズシール92Dは、波長計モジュール7の筐体をシャッタモジュール9の筐体に密封的に結合させるために使用される。
【0026】
2 パージを有する高負荷サイクルLNP
ラインナローイングパッケージをパージすることは公知であるが、従来技術は、パージフローが一般的に格子面の背後などの位置に配置されたポートを通じて供給されるように、パージフローが格子面上を直接流れないようにすることを教示している。しかし、本出願人は、非常に高い繰返し率では、高温ガス(窒素)の層が回折格子の面上に作り出され、ビームの波面を歪ませて、出力レーザビームの波長及び帯域幅に不要な変動が引き起こすことを発見している。この歪は、上述の能動波長制御によって少なくとも部分的に修正することができる。別の手法は、図9に示すように回折格子の面をパージすることである。図9においては、10インチ長、3/8インチ径のパージ管61の上部の小さな穴(1/4インチ間隔で1mm)によって、パージフローが供給される。パージガスは、以下の節で説明するように、純粋窒素供給装置からの窒素とすることができる。他の技術が、図9A、図9B、及び図9Cに示されている。図9Aにおいては、N2は、N2管のスリットを通って入る。図9Bにおいては、パージフローは、格子の面からまっすぐに上昇し、図9Cの例においては、パージガスは再循環される。
【0027】
超純粋窒素パージシステム
本発明の好ましい実施形態は、性能が大幅に改善されて構成要素耐用年数を大幅に延ばす超純粋N2パージシステムを提供する。
図10は、本発明の第1の好ましい実施形態の重要な特徴を示すブロック図である。本システムのこの実施形態において、窒素ガスによってパージされる5つのエキシマレーザ構成要素は、LNP2P、レーザチャンバ6P上に取り付けられた高電圧構成要素4P、高電圧構成要素4Pを上流側パルスパワー構成要素10Pと接続する高電圧ケーブル8P、出力カプラ12P、及び波長計14Pである。構成要素2P、4P、8P、12P、及び14Pの各々は、それぞれが2つのポート、即ち、N2入口ポート及びN2出口ポートのみを有する密封された容器又はチャンバに収められる。N2供給装置16Pは、集積回路製造プラントにおける一般的な大型N2タンク(一般的に液体窒素温度に維持される)であるが、比較的に小さいN2瓶とすることもできる。N2ソースガスは、N2供給装置16Pを出ると、N2パージモジュール17Pに入り、N2フィルタ18Pを通って、パージされた構成要素に対するN2流量を制御する流量制御弁を含む分配パネル20Pに至る。各構成要素に対して、パージフローは、モジュール17P及び流量モニタユニット22Pに戻り、そこで、パージユニットの各々から戻る流量がモニタされ、モニタされた流量が所定の値を下回る場合には、アラーム(図示せず)が作動される。
図10Aは、本発明のパージ機能と特に関連しないいくつかの付加的なN2の機能を含む、この好ましい実施形態の特定の構成要素を示す線図である。
【0028】
2 フィルタ
本発明の重要な特徴は、N2フィルタ18の介在である。過去においては、集積回路リソグラフィ用エキシマレーザの製造業者は、市販のN2ガス仕様がほとんどいつも十分に良好であり、従って、仕様を満足するN2ガスは十分にきれいであるので、N2パージガス用フィルタは必要ないと考えていた。しかし、本出願人は、往々にしてソースガスは仕様外れのことがあり、又は、パージシステムに至るN2ラインが汚れを含むことがあることを発見した。また、ラインは、保守又は作動手順の間に汚染される可能性がある。本出願人は、フィルタのコストは、汚染による損傷の可能性がたとえ低いとしてもそれに備えた非常に良い保険であると判断した。
好ましいN2フィルタは、米国カリフォルニア州サンディェゴ所在のエアロネックス・インコーポレーテッドから入手可能な「モデル500K不活性ガス浄化器」である。このフィルタは、H2O、O2、CO、CO2、H2、及び非メタン炭化水素を10億分の1以下のレベルまで除去する。それは、大きさが0.003ミクロン又はそれ以上の全ての微粒子の99.9999999%を取り除く。
【0029】
流量モニタ
ユニット22における流量モニタは、5つのパージ構成要素の各々に対して設置される。これらは、低流量時のアラーム機能を有する市販のユニットである。
配管
全ての配管は、内部が電気研磨されたステンレス鋼(316SST)から成ることが好ましい。PFA400又は超高純度テフロンから成る特定の種類のプラスチック管材を使用してもよい。
再循環
パージガスの一部分又は全ては、図10Bに示すように再循環させることができる。この場合、送風機及び水冷熱交換器がパージモジュールに増設される。例えば、光学器械からのパージフローを再循環させることができ、また、電気構成要素からのパージフローを排気することもでき、又は、その組み合わされた流れの一部分を排気させることもできるであろう。
【0030】
システムの利点
本明細書で説明するパージシステムには、特にArFレーザ及びKrFレーザに対して、長期的なエキシマレーザ性能に大きな改善が見られる。汚染に関する問題は、基本的には解消されており、結果的に構成要素寿命及びビーム品質が大幅に改善している。更に、出口ポートを介する場合を除いて漏れが解消されていることから、流量を所望の値に制御することができ、これには、N2所要量をほぼ半減させるという効果がある。
【0031】
LNPのヘリウムパージ
回折格子上に及ぼす高温層の影響を低減するための別の解決策は、LNPをヘリウムでパージすることである。高温層によって引き起こされる歪みが小さくなるように、ヘリウムの方が示差屈折率が小さい。更に、ヘリウムは、窒素よりもはるかに優れた熱伝達特性を有する。しかし、ヘリウムは、窒素よりもはるかに高価である。
リトロー構成の波長に対する回折格子方程式は、以下の通りである。
2dnsinα=mλ
ただし、αは、回折格子上の入射(回折)角、mは回折次数、nはガスの屈折率、dは、グレーティングの周期である。
【0032】
この方程式は、潜在的に温度で変化する可能性がある2つの成分、d(グレーティング周期)及びn(ガス屈折率)を有する。最先端のマイクロリソグラフィ用エキシマレーザは、通常、エシェル回折格子を有する。その格子の基板は、通常、コーニング製「ULE」ゼロ膨張ガラスのような超低熱膨張材料で作られている。この材料の熱膨張率(CTE)は非常に小さく、一般的に10-81/°C程度であり、従って、dの変化は非常に小さい。一方、ガスの屈折率nは、以下の方程式によって説明される温度に対する依存性を有する。
n=1+kT/300
ただし、Tは、C0単位の温度であり、kは比例係数である。窒素及び248nm光については、k=3.10-4である。従って、窒素の場合、ΔT−1C0に対してΔn=1.10-6である。方程式(1)に従って、このΔnは、193nm光についてはΔλ=0.25pm(℃当たり)となる。これは、非常に強い温度依存度であり、LNP内のガス温度は、ドリフトが0.05pmを下回るようにしたい場合には、0.2℃よりも良い状態に維持すべきであることを意味する。これは、技術的に非常に難しいことである。
【0033】
ヘリウムの場合、k係数は、約k=3.8・10-5、つまり、窒素よりも8倍小さい。従って、ヘリウムの場合、ΔT=1℃に対してΔn=1.25・10-7である。方程式(1)に従って、このΔnは、248nm光の場合は、Δλ=0.03pm(℃当たり)となり、193nm光の場合は、約0.025pm(℃当たり)になる。ここで、LNP内側の温度を約2度以内までに維持しなければならないが、この方がはるかに処理しやすい問題である。実際に、好ましい実施形態において重量が約5〜10ポンドのLNPの熱質量は、数分間温度をその範囲に保持するには十分である。ヘリウムは、窒素及び空気とは遥かに異なる特性を有するので、LNPハウジングは非常に良好に密封され、図13に示すように、唯一の出口は、熱分断式開口、簡単ベローズユニット、チャンバウィンドウユニット、及び長いピグテイル管95である。
【0034】
改良された波長計パージ
この好ましい実施形態においては、波長計の高紫外線フラックス部分、及び、出力カプラ及びレーザチャンバ出力ウィンドウブロックの特別なパージをもたらすために、特殊なN2パージ技術が用いられる。この技術を図11に示す。先に説明したように、レーザ出力ビームは、出力ビームとしてビームのエネルギの95%を通過させる部分反射ミラー170と交差する。反射ビームの約4%は、ミラー171からエネルギ検出器172に反射され、そこで、パルスエネルギが測定される。(反射ビームの他の部分は、61Aに示すようにミラー171を通って波長計内の他のモニタに行く。)4,000Hzにおいて、出力エネルギのこの5%は、多量の紫外線を呈しており、そのために、ビームのこの部分の経路内のガスが確実に非常にきれいで純粋となるように特に注意が払われている。これを行うために、波長計は、ミラー170の上流側と、ミラー171の上流側と、検出器172のウィンドウの正面側との間の領域を波長計の残りから密封するように変更されている。62Aで示すように、この領域を出入りする特別なパージフローが設けられている。波長計の残りの部分は、エネルギ検出器172を最初にパージする64Aで示す第2のパージフローによってパージされる。エネルギ検出器172からの排気は、波長計の中に入り、高強度部分と比べてはるかに少ない強度の紫外線フラックスを受ける波長計光学器械の残りをパージする。
【0035】
パージフロー62Aは、ミラー170及び171、及び、172の検出器のウィンドウにおけるシールによって波長計内に閉じ込められる。パージフローは、レーザ出力ビーム経路に沿ってこの領域を出ると、ベローズ領域92Cを通り、出力カプルモジュール5に戻って出力カプルモジュールをパージする。次に、パージフローは、ベローズユニット92Bを貫流してウィンドウブロック72Aに入り、ウィンドウブロックの出口ポート及びベローズユニット10、92Bの出口ポートを通って出ると、74Aに示すように、N2パージモジュール17に至る管を通って戻る。
【0036】
シャッタパージ
ウィンドウ170の下流側は、シャッタモジュール5Kからのパージフローでパージされる。パージフローは、図19に示すように、モジュール17からのものとしてもよく、又は、場合によっては、ウィンドウ76Aが取り除かれ、シャッタモジュールの出力部が、パージされた顧客ビームラインと開放的に接続され、その場合、78Aにおける出口パージラインは、顧客パージ戻りシステムに方向づけられるか、又は、大気中に排出することができる。
【0037】
パージ汚染の検出
本発明の好ましい実施形態は、特別なパージ汚染検出システムを含む。この検出システムは、米国オハイオ州デイトン所在のオーディオ・プロダクツのような供給業者から販売されているエレクトレット電子マイクロフォンなどの小型マイクロフォンを備える。エレクトレットマイクロフォンの出力は、高インピーダンス前置増幅器に供給される。このマイクロフォンは、この密閉チャンバを通るレーザビームのいかなる有意な吸収によって生じる音響波をも検出する。通常、パージフローには顕著な汚染はなく、従って、顕著な音響波は発生しないことになる。しかし、193nmでレーザパルスの任意の有意な部分を吸収するいかなる材料(ガス又はその他)のいかなる極めて少ない量も、レーザの短いパルス(約30ns)によって照射された時に、簡単に検出される衝撃波を生み出すことになる。
【0038】
有用なエレクトレットマイクロフォンは、高さ2.2mm及び直径6.0mmのオーディオ・プロダクツ部品番号POM−2244Pである。それは、−44±3dB(0dB=1V/Pa)の感度を有する。検出器には、信号雑音比を改善させるために、レーザパルスの直前及びその最中に音響力をサンプリングするための時間ゲートを設けることができる。このユニットは、酸素のような何らかの極めて少ない既知量の既知の吸収体をパージガスと共に導入させることによって較正することができる。これは、非常に簡単であるが非常に効果的なパージガス汚染の検出器である。このユニットは、レーザオペレータに汚染が何であるかを正確には教えないが、酸素をビーム経路内に拡散させるであろう流れの停止などの流れに関する問題があることを教えることになる
【0039】
本発明の範囲を変更することなく、本発明に対して様々な変更を行うことができる。当業者は、他の多くの可能な変形を認識するであろう。例えば、図6Aから図6C及び図7に示した特定なものの代わりに、ビームの開口部分に付随する熱の消散に関する他の開口デザインを使用することができるであろう。ヒートシンク部分は、より良い熱伝達及びより大きな熱容量が得られるように銅製とすることができる(ただし、コスト高になる)。また、「Invar(登録商標)」のような超低熱膨張材料を使用することができるであろう。別の手法は、ビームの開口部分のほとんど大部分を反射させるために、ビームに対して鋭角を成す壁部を有する開口を使用することであると考えられる。また、別の手法は、分散型開口を使用することである。この場合は、開口の壁部は、ビームに対して透過性であるが、ビーム経路から外れるようにビームの開口部分を分散させるために角度が付けられる。LNPから分断されたヒートシンク(図示するものなど)は、ビームの分散部分を吸収するため、及び、結果的に生じる熱を消散させるために使用することができるであろう。いくつかの実施形態においては、図4Aに示す四プリズムビーム拡大器とLNPのより大きな回折格子とを用いて、より狭い帯域幅がもたらされる。上記で指定した20%よりも大きいか又は小さい反射率を有する他の出力カプラを使用することもできる。例えば、いくつかのArF実施形態においては、本出願人は、30%の反射率を好み、いくつかのKrF設計では、10%の反射率を好む。従って、以上の開示内容は、制限的であることを意図したものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその法的均等物によって判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す図である。
【図2】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す図である。
【図3】本発明の好ましい実施形態の特徴を示す略図である。
【図3A】図3の波長計部分を更に詳細に示す図である。
【図4】好ましい実施形態のレーザチャンバの断面を示す図である。
【図5】好ましい実施形態の波長計の構成要素を示す図である。
【図5A】上述の波長計のエタロン構成を示す図である。
【図5B】ラインナローイングモジュールを密封する技術を示す図である。
【図6A】熱分断式開口のネジを示す図である。
【図6B】熱分断式開口のネジを示す図である。
【図6C】熱分断式開口のネジを示す図である。
【図7】熱分断式開口の一部分を示す図である。
【図8A】簡単密封ベローズユニットの図である。
【図8B】簡単密封ベローズユニットの図である。
【図8C】簡単密封ベローズユニットの図である。
【図8D】簡単密封ベローズユニットの図である。
【図9】回折格子面をパージするための技術を示す図である。
【図9A】回折格子面をパージするための技術を示す図である。
【図9B】回折格子面をパージするための技術を示す図である。
【図9C】回折格子面をパージするための技術を示す図である。
【図10】パージシステムの詳細を示す図である。
【図10A】パージシステムの詳細を示す図である。
【図11】図3の一部分の拡大図である。

Claims (27)

  1. 毎秒2,000パルスを超えるパルス繰返し率で作動することができる超高速繰返し率ガス放電モジュール式レーザであって、
    A)(1)レーザガス、
    (2)放電領域を形成する2つの細長い電極、
    (3)毎秒4,000パルス又はそれ以上の範囲の繰返し率で作動する時に、各パルスに続いて、前記放電領域から次のパルスの前に生成された実質的に全ての放電生成イオンを取り除くために、該放電領域において前記レーザガスの十分なガス速度を生み出すための接線型(tangential type)ファン、及び
    (4)少なくとも16kwの熱エネルギを前記レーザガスから取り除くことができる熱交換器システム、
    を包含するレーザチャンバモジュールと、
    B)約5mJの範囲の正確に制御されたパルスエネルギにより毎秒約4,000パルスの繰返し率でレーザパルスを生成するのに十分な電気パルスを前記電極に供給するように構成されたパルスパワーシステムと、
    C)ラインナローイング光学構成要素を含む第1の光学器械モジュールと、
    D)出力カプラを含む第2の光学器械モジュールと、
    を含み、
    該出力カプラ及びラインナローイングモジュールは、共振空洞と、前記レーザチャンバモジュールを通るレーザビーム経路とを形成し、該チャンバモジュールから分離してレーザに取り付けられ、
    E)ビーム経路パージシステムと、
    F)前記チャンバモジュールと前記ラインナローイングモジュールとの間で、前記パージシステムに真空品質の実質的に酸素のないビーム経路をもたらすための第1の簡単密封ベローズシールユニットと、
    G)前記チャンバモジュールと前記出力カプラとの間で、前記パージシステムに真空品質の実質的に酸素のないビーム経路をもたらすための第2の簡単密封ベローズシールユニットと、
    を更に含み、
    前記簡単密封ベローズシールは、前記チャンバモジュールの迅速な交換のために素早くかつ簡単に取り外すことができる、
    ことを特徴とするレーザ。
  2. 前記簡単密封ベローズシールは、特別の工具を使用せずに手で取外し及び交換できるよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  3. 前記ビーム経路の前記チャンバモジュールと前記第1の光学構成要素モジュールとの間に配置された熱分断式開口を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  4. 前記熱分断式開口は、前記第1の簡単密封ベローズシールユニットを構成する一部分であることを特徴とする請求項3に記載のモジュール式レーザ。
  5. 出力ビームを形成するパルスレーザビームを生成するよう構成され、また、該出力ビームの波長及び帯域幅をモニタするための波長計モジュールを含むことを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  6. 前記出力カプラと前記波長計モジュールとの間で、前記パージシステムに真空品質の実質的に酸素のないビーム経路をもたらすための第3の簡単密封ベローズシールを更に含むことを特徴とする請求項5に記載のモジュール式レーザ。
  7. 前記ビーム経路パージシステムは、窒素パージ供給装置を含むことを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  8. 前記ビーム経路パージシステムは、ヘリウムパージ供給装置を含み、パージシステムは、前記ラインナローイングモジュールをヘリウムでパージするよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  9. 前記パージシステムは、窒素パージ供給装置及びヘリウムパージ供給装置を含み、該ヘリウムパージ供給装置は、少なくとも前記ラインナローイングモジュールをヘリウムでパージするよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  10. 前記ビーム経路又は前記出力ビーム内のレーザビーム吸収物質を検出するためのパージガス汚染検出器を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のモジュール式レーザ。
  11. 前記汚染検出器は、レーザパルス放射の前記物質による吸収から生じた圧力波を検出するためのエレクトレット音響検波器を含むことを特徴とする請求項10に記載のモジュール式レーザ。
  12. 前記レーザビーム測定及び制御システムが、エタロンユニットと、フォトダイオードアレーと、プログラム可能論理装置と、該エタロンユニットからのレーザ光を該フォトダイオードアレー上に集束させるための光学器械とを含み、
    該プログラム可能論理装置は、前記フォトダイオードアレーからのデータを解析して、エタロン縞の該フォトダイオードアレー上の位置を判断するようにプログラムされていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  13. 前記測定及び制御システムはまた、前記プログラム可能論理装置によって捜し出された縞データから波長及び帯域幅を計算するようプログラムされたマイクロプロセッサを含むことを特徴とする請求項12に記載のレーザ。
  14. 前記プログラム可能論理装置は、前記縞の測定に基づいて波長及び帯域幅を計算するアルゴリズムを用いてプログラムされていることを特徴とする請求項12に記載のレーザ。
  15. 前記プログラム可能論理装置は、4,000分の1秒よりも速く波長及び帯域幅の計算を行うよう構成されていることを特徴とする請求項14に記載のレーザ。
  16. 前記エタロンユニットは、回折拡散要素を含むことを特徴とする請求項15に記載のレーザ。
  17. PZT駆動装置及びステッパモータによって駆動される同調ミラーを備えたラインナローイングユニットを更に含み、該PZT駆動装置及びステッパモータの両者は該ラインナローイングユニットのパージされた部分からベローズシールによって分離されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  18. 前記ラインナローイングユニットは、格子面を形成する回折格子と、パージガスを該格子面の近傍に押し付けるためのパージ手段とを含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  19. 窒素フィルタを備えた窒素パージシステムを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  20. 流量モニタを備えた窒素パージモジュールを更に含み、
    レーザから排気パージガスを搬送するためのパージ排気管も含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  21. 電気作動シャッタを備えたシャッタユニットと、指令信号によりレーザ出力ビーム経路内に配置することができる電力計とを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  22. 前記簡単密封ベローズシールの各々は、金属Cシールリングを含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  23. 前記簡単密封ベローズシールの各々は、エラストマーを含有せず、前記チャンバからの振動隔離をもたらし、大気ガスからのビーム列隔離をもたらし、前記LNP又は前記出力カプラユニットを妨げることなく前記レーザチャンバの自由な交換を可能にすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  24. 前記簡単密封ベローズシールの少なくとも1つは、前記金属Cシールリングの損傷を防止するように構成された円形リッジを有するベローズ部を含むことを特徴とする請求項22に記載のレーザ。
  25. 測定及び制御システムが、出力パルスの小さな割合の部分をレーザから分離するための1次ビームスプリッタと、該小さな割合の部分の一部分をパルスエネルギ検出器に向けるための2次ビームスプリッタと、該1次ビームスプリッタと境界を接する容積を隔離する手段とを含み、
    該2次ビームスプリッタ、及び、前記測定及び制御システムの他の部分からの該パルスエネルギ検出器のウィンドウは、隔離された領域を形成する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  26. 前記隔離された領域をパージガスでパージするためのパージ手段を更に含むことを特徴とする請求項25に記載のレーザ。
  27. 出力カプラユニットと出力ウィンドウユニットとを更に含み、
    前記パージ手段が、前記隔離された領域からの排気が該出力カプラユニット及び該出力ウィンドウユニットもパージするように構成される、
    ことを特徴とする請求項26に記載のレーザ。
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