JP4041264B2 - 可視赤及びｉｒコントロールを備えたｆ２レーザー - Google Patents
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Description
【０００１】
本出願は、「信頼性のあるモジュラー型の製造品質を備えた狭帯域高周波数Ｆ２エキシマレーザ」と題する１９９９年３月１９日出願の米国特許出願番号第０９／２７３，４４６号の一部継続出願である。本発明はレーザに、より厳密には狭帯域Ｆ２エキシマレーザに関する。
【０００２】
【従来技術】
ＫｒＦエキシマレーザは集積回路リソグラフィ用の最新の光源である。このようなレーザの一つが、１９９０年９月２５日付で発行された米国特許第４，９５９，３４０号に記載されている。このレーザは約２４８ｎｍの波長で作動する。ＫｒＦレーザを使うと、１８０ｎｍ程度の寸法の集積回路を製造することができる。約１９３ｎｍで作動するＡｒＦレーザ、又は約１５７ｎｍで作動するＦ２レーザを使うと、更に微細な寸法のものを作ることができる。
【０００３】
このようなＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、Ｆ２レーザは酷似しており、事実、ＫｒＦレーザを作るために使われる同じ基本的装置を、波長の僅かの差に対応するためにガス濃度を変更し制御装置と計器を変更するだけで、ＡｒＦレーザやＦ２レーザを作るために使用できる。
【０００４】
リソグラフィレーザ制御装置及び他のリソグラフィ装置には、このようなレーザにより生成された紫外線を感知するレーザパルスエネルギモニターが必要である。最新の集積回路リソグラフィ装置においてパルスエネルギをモニターするために使われる、標準的な先行技術による検知器は、シリコンフォトダイオードである。
【０００５】
集積回路生産で使われる代表的な先行技術によるＫｒＦエキシマレーザを、図１と図２に示す。この先行技術によるレーザのレーザチャンバの断面図を図３に示す。パルスパワーシステム２はパルス高電圧電源３により駆動され、放電チャンバ８に配置された電極６に電気パルスを供給する。代表的な最新のリソグラフィレーザは、パルス速度約１０００Ｈｚ、１パルス当たり約１０ｍＪのパルスエネルギで作動する。約３気圧のレーザガス（ＫｒＦレーザの場合、０．１％のフッ素、１．３％のクリプトン、残りはバッファガスとして機能するネオン）が、電極間の空間を約１０００インチ／秒の速度で循環する。これにはレーザ放電チャンバ内に配置された接線流ブロワー１０を使用する。レーザガスの冷却には、やはり放電チャンバ内に配置された熱交換器１１と、チャンバの外側に取り付けた冷却プレート（図示せず）とを使用する。エキシマレーザの固有帯域巾は、ライン狭帯化モジュール１８により狭められる。市販のエキシマレーザシステムは、通常、システムの他の部分を妨げることなく素早く交換できる、複数のモジュールから構成される。主要なモジュールには、レーザチャンバモジュール、高電圧電源モジュール付きパルスパワーシステム、整流子モジュール及び高電圧圧縮ヘッドモジュール、出力連結モジュール、ライン狭帯化モジュール、波長計モジュール、コンピュータ制御モジュール、ガス制御モジュール、冷却水モジュールが含まれる。
【０００６】
電極６は陰極６Ａと陽極６Ｂとから構成される。陽極６Ｂは、この従来技術による実施例では、図３に断面図で示された陽極支持棒４４により支持される。この図では流れは時計回り方向である。陽極支持棒４４の一つのコーナーと一つのエッジはガイドベーンとして働き、ブロワー１０からの空気を陰極６Ａと陽極６Ｂの間に強制的に流す。この従来技術によるレーザの他のガイドベーンを４６、４８、５０として示す。穴の開いた逆流板５２は、陽極６Ｂがチャンバ８の金属構造体へ接地するのを助ける。本プレートには大きな穴（図３に示さず）がレーザガス流経路内に設けられているので、逆流板がガスの流れへ実質的に影響しないようになっている。アレイ状の個別のコンデンサ１９から構成されたピーキングコンデンサは、各パルスを発生させる前に、パルスパワーシステム２により充電される。ピーキングコンデンサの電圧上昇の間に、二つのプレイオナイザ５６により陰極６Ａと陽極６Ｂ間でレーザガスを僅かながらイオン化し、コンデンサ１９の充電が約１６，０００Ｖに達すると、電極を横切って放電が起こり、エキシマレーザパルスが生成される。各パルスに続き、電極間に約１インチ／ミリ秒のガス流をブロワー１０で生成すれば、１ミリ秒後に起こる次のパルスに間に合うように新たなレーザガスを電極間に提供するには十分である。
【０００７】
通常のリソグラフィエキシマレーザでは、フィードバック制御システムにより各パルスの出力レーザエネルギを測定し、所望パルスエネルギからの変動度合を求め、次に電源電圧を調整するために信号を制御装置に送り、後に続くパルスのエネルギを所望エネルギに近づけるようにしている。
このようなエキシマレーザでは通常、１日２４時間、毎週７日間の数ヶ月の連続操業が、定期点検用の僅かな停止のみで要求される。このような先行技術によるレーザで見られる問題の一つは、ブロワーベアリングの過度の磨耗と偶発的故障である。集積回路産業には、ＫｒＦレーザやＡｒＦレーザでは得ることができない集積回路解像度を可能にするために、モジュラー型で信頼性のある製造ライン品質を備えたＦ２レーザへのニーズが存在している。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、１，０００から２，０００Ｈｚ又はそれ以上の範囲の反復度で、１５７ｎｍの波長範囲で約１ｐｍ又はそれ以下の最大帯域幅、最大半値幅で数ｍＪ範囲のパルスエネルギを有するレーザパルスを生成できる、信頼性のあるモジュラー型で製造品質のＦ２エキシマレーザを提供する。本発明は、レーザからの望ましくない赤外線及び可視光の放出を減らしつつレーザ効率を最大化するためのレーザガス混合気体も開示している。更に、赤外線及び可視光を実質的に感知しない紫外線エネルギー検知器も開示している。本発明の好適な実施例は、平均パワー出力を約１０から４０Ｗの範囲とし、パルスエネルギを１．０から１０ｍＪの範囲とし、１，０００から４，０００Ｈｚの範囲で作動させることができる。このレーザを照明源、ステッパー又はスキャナ装置として用いると、０．１μｍ又はそれ以下の集積回路解像度を作ることができる。交換可能なモジュールとしては、レーザチャンバとモジュラーパルスパワーシステムがある。
【０００９】
好適な実施例では、レーザは二つの外部プリズムからなるセットを使ってＦ２の１５７．６ｎｍの線に同調される。第２の好適な実施例では、広帯域でレーザを作動させ、１５７．６ｎｍの線は共振空胴の外側に選択される。第３の好適な実施例では、インジェクションシーディングを使って０．２ｐｍの線幅が提供される。第４の好適な実施例では、二つのＦ２線の内の一方がエタロン出力カプラを使って選択される。他の実施例では、線選択に格子を利用し、レーザを４気圧を超す圧力で作動させることにより同調範囲を拡大している。
【００１０】
【実施例】
（第１の好適な実施例）
図面を参照して、本発明の好適な実施例について説明する。
（モジュラーレーザ設計）
本発明の好適な実施例の正面図を図４に示す。本図は、修理、交換、メンテナンス時に素早くモジュールの交換ができる、本発明のモジュールの特性を強調している。本発明の主な特徴を図４の符号に対応させ、以下に列挙する。
２０１ レーザエンクロージャ
２０２ ガスモジュール
２０３ 冷却水供給モジュール
２０４ 交流／直流分配モジュール
２０５ 制御モジュール
２０６ ライン狭帯化モジュール
２０７ 圧縮ヘッド
２０８ 高電圧パルス電源モジュール
２０９ パルス電源用整流子モジュール
２１０ 金属フッ化物トラップ
２１１ レーザチャンバ
２１３ 波長計
２１４ 自動シャッタ
２１６ 出力カプラ
２１７ ブロワーモータ
２１８ 金属フッ化物トラップ電源
２１９ 状態指示ランプ
２２０ ２４Ｖ電源
２２１ チャンバ窓
２２２ ガス制御フレキシブル接続部
２２４ ベントボックス
【００１１】
（好適な実施例）
本発明の好適な実施例は、図１、２、３に示したレーザの改良版である。この好適な実施例は下記の改良点を含んでいる。
１）効率の改善、プレイオナイゼーションの改良、電極間のレーザガス流の改善のために、先行技術の二本管プレイオナイザの組み合わせを単一管の大型プレイオナイザに置き換える。
２）ワンピースで機械加工されるシリコンを含まない（以下、無シリコン）ファンブレード。
３）半導体パルスパワーシステムを変更して立上り時間を早め、より安定したパルスを提供し、高電圧でのレーザ効率を改良する。
４）パルスパワーシステムの充電電圧のより精密な制御。
５）パルスエネルギとバーストエネルギの制御を大幅に改良する新アルゴリズムによりプログラムされたコンピュータ制御装置。
６）電極間隔を１０ｍｍへ削減する。
【００１２】
１ レーザチャンバ
１−１ 単一管プレイオナイザ
図６は、図３に示す二本管プレイオナイザ５６に代わる単一大型プレイオナイザ管５６Ａを示す。単一管プレイオナイザは、１９９８年２月１７日に発行された米国特許第５，７１９，８９６号の記載に従って製造され、この特許は本明細書に参考文献として組み込まれている。本出願人は、単一管プレイオナイザがそれで十分なばかりでなく二本管プレイオナイザに比べ驚異的な性能向上をもたらすことを発見した。本実施例ではプレイオナイザを電極の上流に配置している。本出願人は、単一管プレイオナイザは、放電の空間的安定性の改良によりパルス間の安定性を改良すると判断している。
【００１３】
図７において、本プレイオナイザは、アンチトラッキング溝１７０を管の一体構成要素として組み込んでいるブッシング要素１８０を有する、一体型管のデザインを利用している。ロッド部分１４５の直径とプレイオナイザのブッシング部分１８０の外径は１／２インチである。内側のコンダクタロッド１４６の直径は７／３７インチ、接地を行うためブッシング部分の内部を通り延びる接続ワイヤの直径は１／１６インチである。先行技術によるプレイオナイザ管の設計では二直径設計を利用し、ロッド部分の直径を約１／４インチ、ブッシング部分の直径を約１インチとしている。このため、製造するためには、ブッシング部品を管部品に接続する接合工程が必要であった。直径が一定で厚肉の管設計は従来の設計ルールに反しており、低容量に起因するイオン化の減少が予想された。多くの設計では、管の肉厚は選ばれた材料の絶縁強度に左右される。当業者は、先行技術による従来のプレイオナイザ管の設計手法が、最高絶縁強度の材料を選びその容量に合う壁厚を決定する手法であることを認識している。例えばサファイア材料は１２００Ｖ／ミルから１７００Ｖ／ミルの絶縁強度を有することが知られている。それ故０．０３５インチの絶縁厚さであれば、レーザが２５ｋＶで作動する場合安全率は２である。この設計では低容量となるものの、この低減した容量がレーザ作動に及ぼす実際の影響は、電極ギャップで測定される幾何学的な放射照度が驚異的に増加するため、無視し得ることが発見されている。一定の直径、厚い管壁、一体ブッシング設計、単一片材料を採用しているので、アンチトラッキング溝１７０を設けるために機械加工ができる。単一片構造なので、超高純度（例えば９９．９％）の多結晶半透明酸化アルミニウムセラミックを使う必要はない。とはいえ本出願人は超高純度材料を使い続けている。ブッシング１８０と管１４５の間に人工的に一体関係を作り出すための拡散接合に備えて、管形状へ難しい表面研磨を施す必要はない。事実、高純度は材料の空隙率ほどに重要な特性ではないことが判明している。空隙率が上がると絶縁強度は低くなることが分かっている。従って商業的等級のセラミックは少なくとも９９．８％の純度と低空隙率を有することが好ましく、例えばクアーズセラミック社が絶縁耐力３００Ｖ／ミルを有する材料番号ＡＤ−９９８Ｅとして製造するものが使用できる。ブッシング１８０には、先に述べたようにアンチトラッキング溝１７０が設けられているので、高電圧が管表面に沿って軸方向に陰極から接地面１６０へと伝わるのを防止する。
【００１４】
上記のように本出願人は、単一プレイオナイザは二つのプレイオナイザよりもはるかに性能がよいことを発見しており、上記のように第１の実施例では、単一プレイオナイザシステムを電極の上流に配置している。本出願人は、単一プレイオナイザを電極の下流に配置した実験も行っており、この構成では、一定のブロワー速度で、二つのプレイオナイザを上流に配置する場合に比べ、パルスエネルギの安定性が基本的に良好になることを見いだしている。
【００１５】
１−２ 高効率チャンバ
レーザの効率を改良するためチャンバに改良が施されている。アルミナＡＬ2Ｏ3で構成された単一片の陰極インシュレータ５５Ａは、図６に示すように、上部チャンバ構造から陰極を遮蔽する。先行技術による設計では、インシュレータの熱膨張応力によるインシュレータの割れを避けるため、８個の別々のインシュレータが必要であった。この重要な改良により、チャンバのヘッド部分を短縮でき、陰極８３とピーキングコンデンサ８２との間の距離を相当短くすることができた。ピーキングコンデンサアレイ８２を形成する個々のコンデンサ５４Ａは、水平方向に動かされ、先行技術の場合に比べ、陰極へ近づいている。
【００１６】
市販のリソグラフィレーザ用の先行技術による陰極は、通常、図３に示すように、陰極支持棒５３により支持されていた。この好適な実施例では陰極支持棒が不要であり、陰極８３は若干厚くなり、単一片インシュレータ５５Ａ上に直接取り付けられている。陰極８３は、フィードスルーロッド８３Ａと連結ナット８３Ｂにより、ピーキングコンデンサ８２の高圧側８２Ａへ接続される。好適な実施例では、新たな陰極支持棒８４Ａは、先行技術の陰極支持棒に比べて基本的に大きく、ガス流領域中に配置されたフィン８４Ｂを含んでいる。この二つの特徴により陽極の温度変動が最小となる。
【００１７】
１−３ 金属シール
本出願人は、先行技術のエラストマシールはフッ素ガスと反応し、レーザ性能を低下させる汚染物をレーザガス中に生じさせることを発見した。本発明の好適な実施例では、レーザチャンバをシールするため全てが金属のシールを使用する。好適な金属シールは、錫メッキしたインコネル１７１８のシールである。
【００１８】
１−４ モネル製の逆流板及びベーン
本出願人は、ステンレススチール製の構成要素もフッ素と反応し、汚染物をレーザガス中に生じさせることを発見した。それ故に、この好適な実施例では、先行技術によるステンレススチール製の逆流構造体とガスフローベーンとを、モネル製の逆流板２５０とモネル製のフローベーン２５２、２５４に置き換えた。
【００１９】
１−５ ファンの改良
本発明のこの好適な実施例は、真鍮を含まないブロワーブレード構造体を含んでいる。ブロワーブレードは、共振効果を大幅に減らし、ベアリング寿命を延ばす非対称ブレード構成となっている。
【００２０】
１−５−１ 無シリコンファンブレード構造体
本出願人は、ブロワーブレード構造体によく使われている真鍮材がレーザチャンバ内のＳiＦ6の主要源であることを発見した。このガスはＫｒＦレーザではレーザ性能を相当低下させるものであったが、ＡｒＦレーザとＦ２レーザの場合は完全に駄目にするものであった。この問題に対し本出願人は４つの解決策を採用した。第一に、材料の中実ブロック（本ケースではアルミニウム）からブレード構造体を幾つかのセグメントに機械加工した。第二の解決策では、ブレード構造体を幾つかのセグメントに鋳造することであった。次に、新たな材料を一切加えない電子ビーム溶接により、これらのセグメントを溶接した。ブレードをフレーム構造体へと連結することによりブレード構造体を作ることもできるが、この場合、先行技術による蝋付け処理ではなく電子ビーム溶接により接続した。第四の解決方法は、無シリコン半田材を使う半田処理によりブレードをフレーム構造体へ接続することである。全ての構成要素片のベース材料として、アルミニウム６０６１が使用される。次に、これらの部品は半田付け工程に先立ち銅メッキされる。次に全部品を組み立て、これに、９１％の錫（Ｓｎ）と９％亜鉛（Ｚｎ）で代表される低融点半田材を使って、ファンを真空炉で半田付けする。この半田材を選ぶ理由は、シリコンを含んでいないこと及び銅メッキされたアルミニウムを使えることである。次に、組立てられ半田付けされたファンをニッケルメッキする。この組立方法により、無シリコンファンを安価に製造できる。
【００２１】
１−５−２ 共振効果の低減
先行技術によるブロワーブレード構造体は、２３枚の縦ブレードを有する接線流ブロワーにより構成されていた。ブレードは構造体の外周に対称的に取り付けられていた。実質的な共振効果をファンパラメータと実際のレーザ性能の両者に対し測定した。レーザビーム内の摂動は、ファンの回転数の２３倍の音響波と一致していることが示された。ベアリング性能に対する悪影響もファンの回転数の２３倍に対して測定された。
【００２２】
ファン構造の改良には、図１４Ａに示すような非対称のブレード配置が必要である。図１４Ｂに示す代替例では、ファンブレード構造は、各セグメントが２３枚のブレードを有する、１６の個別の機械加工又は鋳造されたセグメントで形成されており、各セグメントを隣接するセグメントに対し３６０°／（１５ｘ２３）又は約１°だけ回転させて作られている。ファンブレード構造体を製作する上で機械加工又は鋳造の手法へ比較的簡単に折り込まれる別の改良は、ブレードを図１４Ｃの３２０に示すようなエアフォイル状に形成することである。先行技術によるブレードは打ち抜き加工されていたが、打ち抜き加工ブレードの内の二つのブレードの断面３１４を比較のために示す。回転方向を３１８で、ファンブレード構造体の外周を３３０で示す。従来型ブレードでは厚みが一様であるのに対し、エアフォイルブレードは、丸みの付いたリーディングエッヂ、厚肉の中央部、先細のトレーリングエッヂを含む涙滴型形状をしている。
【００２３】
１−６ ベアリングの改良
本発明の実施例は、先行技術に対する２つの代替改良点の内の１つにより実現される。
１−６−１ セラミックベアリング
本発明の好適な実施例は、セラミックベアリングを含んでいる。好適なセラミックベアリングは合成潤滑剤で潤滑される窒化シリコン製であり、過フッ素ポリアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）で潤滑されることが好ましい。このベアリングの寿命は先行技術によるエキシマレーザベアリングよりも基本的に長い。又、ベアリング、潤滑剤のいずれも反応性の高いフッ素ガスの影響を著しく受けることはない。
【００２４】
１−６−２ 磁気ベアリング
本発明のもう一つの好適な実施例は、図５に示すように、ファン構造体を支える磁気ベアリングである。本実施例では、ファンブレード構造体１４６を支持するシャフト１３０はアクティブ磁気ベアリングシステムにより支持され、ブラシレスＤＣモーター１３０で駆動され、モーターのローター１２９と少なくとも二つのベアリングのローター１２８とはレーザ空洞のガス環境内でシールされ、モーター固定子１４０と磁気ベアリング磁石のコイル１２６はガス環境外に配置されている。この好適なベアリング設計も又、ガス環境外に配置されたコイルを有するアクティブ磁気スラストベアリング１２４を含んでいる。
【００２５】
１−７ 空気力学的な陽極支持棒
図３に示すように、先行技術によるブロワー１０からのガス流は、陽極支持棒４４により電極６Ａと６Ｂの間に強制的に流れされていた。しかし本出願人は、図３に示されているような先行技術による支持棒４４の設計では、相当な空気力学的反力がブロワーに生じてブロワーベアリングに伝えられ、チャンバ振動を引き起こすことを発見した。本出願人は、この振動による力はブロワーベアリングの磨耗と偶発的なベアリング故障の原因となるのではないかと考えた。本出願人は他の設計のものを試験し、その内の幾つかを１２Ａ−１２Ｅに示しているが、いずれの場合も、ブレードが支持棒４４の縁の近くを通過する度に生じる反力をより長い期間に亘って分散させることにより、空気力学的反力が減少した。本出願人が好適とする陽極支持棒の設計を図６Ａの８４Ａに示す。この設計では基本的に大きな質量を持たせ陽極の温度上昇を最小に抑えた。陽極と陽極支持棒の全体質量は約３．４ｋｇである。この設計には又、陽極を更に冷却するフィン８４Ｂが含まれている。本出願人の試験の示す所では、音響的バッフルと空気力学的な陽極支持棒の両者はガス流を若干減らす傾向があるためガ、ス流が制限されており、この二つの改良点を利用するにはトレードオフ分析が必要であった。このような理由から二つの改良点は、図６Ａには示されているが、図６には示されていない。
【００２６】
２ パルスパワーシステム
２−１ ４つのパルスパワーモジュールの機能説明
好適なパルスパワーシステムは、図８Ａ、８Ｂに示すように、４つの別々のモジュールで製造されており、各モジュールはエキシマレーザシステムの重要な部品であり、部品故障又は定期点検実施の際には素早く交換できるようになっている。本出願人はこれらのモジュールを高電圧電源モジュール２０、整流子モジュール４０、圧縮ヘッドモジュール６０、レーザチャンバモジュール８０と呼んでいる。
【００２７】
２−２ 高電圧電源モジュール
高電圧電源モジュール２０は、電源１０からの２０８Ｖ三相交流発電電力を３００Ｖの直流に変換するための３００Ｖ整流器２２を備えている。インバータ２４は、整流器２２の出力を１００ｋＨｚから２００ｋＨｚの範囲の高周波３００Ｖパルスに変換する。インバータ２４の周波数とオン時間は、システムの最終出力パルスエネルギを予定通りに調節するために、ＨＶ電源制御ボード２１で制御される。インバータ２４の出力は昇圧変圧器２６により約１２００Ｖに昇圧される。変圧器２６の出力は、標準ブリッジ整流回路３０とフィルターコンデンサ３２とを含む整流器２８により１２００Ｖの直流に変換される。回路３０からの直流電気エネルギは、図８Ａに示すように、インバータ２４の作動を制御するＨＶ電源制御ボード２１の指令通りに、整流子モジュール４０の８．１μＦＣ0充電コンデンサ４２を充電する。ＨＶ電源制御ボード２１内のセットポイントはレーザシステム制御ボード１００により設定される。
【００２８】
図８Ａに示すように、この実施例では、レーザシステムに対するパルスエネルギ制御を電源モジュール２０が行っていることに注目されたい。整流子４０と圧縮ヘッド６０の中の電気回路は、電源モジュール２０により充電コンデンサ４２に貯えられた電気エネルギを使って、毎秒１０００から２０００回の割合で電気パルスを形成し、パルス電圧を増幅し、正しくパルス持続時間を圧縮する役割を果たすだけである。このような制御の例として図８Ａでは、制御ボード１００のプロセッサ１０２は、充電サイクルの間は半導体スイッチ４６によって下流回路から遮断されている充電コンデンサ４２へ正確に７００Ｖが供給されるように、電源を制御している。整流子４０と圧縮ヘッド６０の中の電気回路は、スイッチ４６が閉じられると即刻且つ自動的に、充電コンデンサ４２に貯えられた電気エネルギを、次のレーザパルスを制御ボード１００のプロセッサ１０２が決めた必要とされる正確なエネルギで提供するのに必要な、電極８３、８４を横切る正確な電気的放電パルスに変換する。
【００２９】
２−３ 整流子モジュール
整流子モジュール４０は、本実施例では８．１μＦの合計キャパシタンスを提供する並列接続されたコンデンサバンクであるＣ0充電コンデンサ４２を含む。電圧分割器４４は、充電コンデンサ４２の充電をある電圧（「制御電圧」と呼ぶ）に制限するために制御ボード２１が使用するフィードバック電圧信号をＨＶ電源制御ボード２１に提供するが、この制御電圧は、電気パルスに形成され整流子４０と圧縮ヘッド６０の中で圧縮され増幅された時に、ピーキングコンデンサ８２の上及び電極８３、８４を横切って所望放電電圧を作り出すものである。
【００３０】
この実施例（約３ジュール及び１６，０００Ｖの範囲で、毎秒２０００Ｈｚで電気パルスを提供するように設計されている）の場合、電源２０が充電コンデンサ４２を８００Ｖに充電するには、約２５０μ秒（図８Ｆ１）が必要である。従って、充電コンデンサＣ0に蓄えられた３ジュールの電気エネルギを電極８３と８４の間の１６，０００Ｖの放電電圧に変換する高速のステップを開始する半導体スイッチ４４が、整流子制御ボード４１からの信号により閉じられた時、充電コンデンサ４２は完全に充電され所望電圧で安定する。この実施例の場合、半導体スイッチ４６はＩＧＢＴスイッチであるが、ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＭＣＴ等の他のスイッチ技術も使用できる。６００ｎＨの充電インダクタ４８は半導体スイッチ４６と直列に接続されており、Ｃ0充電コンデンサを放電させるためにスイッチ４６が閉じている間にはスイッチ４６を通過する電流を一時的に制限する。
【００３１】
２−３−１ パルス生成段階
高電圧パルスパワー生成の第一段階はパルス生成段階５０である。パルスを生成するために、充電コンデンサ４２上の電荷は、ＩＧＢＴスイッチ４６を閉じることにより図８Ｆ２に示すように、Ｃ1８．５μＦのコンデンサ５２上へ約５μ秒で切り換えられる。
【００３２】
２−３−２ 圧縮の第一段階
可飽和インダクタ５４はまずコンデンサ５２上に蓄えられた電圧を遅延し、次に飽和し、コンデンサ５２から１：２３昇圧パルス変圧器５６を通してＣp-1コンデンサ６２への電荷転送が、図８Ｆ３に示すように、圧縮の第一段階６１として約５５０ｎ秒の転送時間内にできるようになる。
パルス変圧器５６の設計を以下に述べる。パルス変圧器は非常に効率が高く、７００Ｖ、１７，５００Ａ、５５０ｎ秒のパルス繰り返し数を１６，１００Ｖ、７６０Ａ、５５０ｎ秒のパルス繰り返し数に変換し、極めて短時間、圧縮ヘッドモジュール６０中のＣp-1コンデンサバンク６２上に蓄える。
【００３３】
２−４ 圧縮ヘッドモジュール６０
圧縮ヘッドモジュール６０によりパルスを更に圧縮する。
２−４−１ 圧縮の第二段階
Ｌp-1可飽和インダクタ６４（約１２５ｎＨの飽和インダクタンスを有する）は、１６．５ｎＦのＣp-1コンデンサバンク６２上に電圧を約５５０ｎ秒の間、遅延させた後、Ｃp-1上の電荷が、レーザチャンバ８０の最上部に配置され、電極８３、８４及びプレイオナイザ５６Ａと電気的に並列に接続されている１６．５ｎＦＣpピーキングコンデンサ８２上へ流れる（約１００ｎ秒）ようにする。この５５０ｎ秒の長さのパルスを、Ｃpピーキングコンデンサ８２を充電するための１００ｎ秒の長さのパルスへの変換は、図８Ａの６５に示すように第二及び最後の段階を構成する。
【００３４】
２−５ レーザチャンバモジュール
レーザチャンバモジュール８０の一部として、その最上部に取り付けられているピーキングコンデンサ８２上へ電荷が流れ始めて約１００ｎ秒後、ピーキングコンデンサ８２の電圧は約１４，０００Ｖに達し電極間の放電が始まる。放電が約５０ｎ秒続き、この間にレーザー現象がエキシマレーザの光学共鳴チャンバ内で起こる。光学共鳴チャンバは、本例の場合、図８Ａに８６で示す２プリズム波長選択器及びＲ−ｍａｘ鏡からなるライン選択パッケージ８６と、出力カプラ８８により形成される。このレーザのレーザパルスは狭帯域で、２０から５０ｎ秒、約１０ｍＪで反復度２０００パルス／秒までの１５７ｎｍのパルスである。本パルスによりレーザビーム９０が定められ、ビームのパルスはフォトダイオード９２によりモニターされ、以上を関係を図８Ａに示す。
【００３５】
２−６ パルスエネルギの制御
フォト検出器９２からの信号は制御ボード１００のプロセッサ１０２に送信され、プロセッサは、次及び／又は将来のパルスのためのコマンド電圧を設定するために、このエネルギ信号と好ましくは他のパルスエネルギの履歴データ（以下のパルスエネルギ制御アルゴリズムの項で説明する）を使用する。一連の短時間バースト（例えば、約０．１秒の不感時間で分離された２０００Ｈｚでの１００パルス０．５秒バースト）でレーザーが作動する、好適な実施例においては、制御ボード１００のプロセッサ１０２は、パルス間及びバースト間のエネルギ変動が最小となるように、後続パルス用の制御電圧を選択するために、バースト中の過去の全パルスのエネルギ信号と他のパルスプロフィールの履歴データ共に、最新のパルスエネルギ信号を使う特別なアルゴリズムでプログラムされている。このアルゴリズムを使って、制御ボード１００のプロセッサ１０２が約３５μ秒の時間内でこの計算を実行する。レーザパルスは、図８Ｆ３のＩＧＢＴスイッチ４６のＴ0ファイアリングの後の約５μ秒に発生し、レーザパルスエネルギデータの収集には約２０μ秒が必要である（スイッチ４６のファイアリングの開始をＴ0と呼ぶ）。こうして、前のパルス（２０００Ｈｚで、ファイアリング期間は５００μ秒）に対するＩＧＢＴスイッチ４６のファイアリングの後、約７０μ秒で新たな制御電圧値が準備される（図８Ｆ１に示す）。エネルギ制御アルゴリズムの特徴を以下に述べるが、より詳しくは米国特許出願番号第０９／０３４，８７０号に説明されており、これは本明細書に参考文献として組み込まれている。
【００３６】
２−７ エネルギ回収
この好適な実施例は、前のパルスから余分のエネルギを充電コンデンサ４２へ回収する電子回路を備えている。この回路はエネルギの浪費を実質的に減らし、レーザチャンバ８０内の後信号が事実上なくなる。
エネルギ回収回路５７は、エネルギ回収インダクタ５８とエネルギ回収ダイオード５９とから成り、両者は直列に接続され、図８Ｂに示すようにＣ0充電コンデンサ４２と並列に接続されている。実際には、パルスパワーシステムのインピーダンスはチャンバのインピーダンスと正確には一致せず、及びチャンバインピーダンスはパルス放電の間に数次のオーダーで変化するので、チャンバからパルス生成システムの前端へ向かって逆に伝搬するメインパルスにより、逆進行「反射」が生成される。余分のエネルギが圧縮ヘッド６０と整流子４０を通って、逆に伝搬した後で、制御装置がトリガ信号を取り除くことにより、スイッチ４６が開く。エネルギ回収回路５７は、ダイオード５９によるインダクタ５８内の電流の逆転に抗してクランプされたものとして、共鳴自由回転（充電コンデンサ４２及びエネルギ回収インダクタ５８から構成されたＬＣ回路の信号の半サイクル）を通して、充電コンデンサ４２上に負の電圧を生成した反射の極性を反転する。最終的に、チャンバ８０から反射されたエネルギの実質的に全てが各パルスから回収され、次のパルスで利用する準備の整った正の電荷として充電コンデンサ４２上に蓄えられる。図８Ｆ１−８Ｆ３は、コンデンサＣ0、Ｃ1、Ｃp-1、Ｃp上の電荷を示すタイムチャートである。チャートはＣ0上でのエネルギ回収プロセスを示している。
【００３７】
２−８ 磁気スイッチによるバイアス
可飽和インダクタで使われる磁気材料の全Ｂ−Ｈ曲線スイングを完全に利用するために、スイッチ４６を閉じることによりパルスが開始される時点で各インダクタが逆飽和状態になるように、直流バイアス電流が供給される。
整流子の可飽和インダクタ４８、５４の場合、これを達成するためインダクタを通して約１５Ａのバイアス電流が逆方向（通常のパルス電流方向と比べ）に供給される。このバイアス電流は、バイアス電流源１２０により絶縁インダクタＬＢ１を通して供給される。実際の電流は、矢印Ｂ１で示すように電源から、整流子の接地接続、パルス変圧器の一次巻線、可飽和インダクタ５４、可飽和インダクタ４８、絶縁インダクタＬＢ１を経て、バイアス電流源１２０へと流れる。
【００３８】
圧縮ヘッドの可飽和インダクタの場合、約５Ａのバイアス電流Ｂ２が第二のバイアス電流源１２６から絶縁インダクタＬＢ２を通して供給される。圧縮ヘッドで電流は分岐して、大部分の電流Ｂ２−１は、可飽和インダクタＬp-1６４を通り、絶縁インダクタＬＢ３を逆に通り、第二バイアス電流源１２６へと流れる。残りの小電流Ｂ２−２は、圧縮ヘッド６０と整流子４０とを接続するＨＶ接続ケーブルを逆に通り、パルス変圧器の二次巻線を通って接地部へ、そして、バイアス抵抗器を通って、第二バイアス電流源１２６へと逆に流れる。この第二の小電流はパルス変圧器をバイアスさせるのに使われ、パルス変圧器がパルス作動のためにリセットされるようにもなっている。二つの枝部分の各々に分れる電流の量は各経路の抵抗によって決まり、各経路が正しい量のバイアス電流を受け取るように意図的に調整される。
【００３９】
２−９ 電流の方向
本実施例では、システムを通って標準の三相電源１０から電極及び電極の先の接地部へ流れるパルスエネルギの流れを「順方向流れ」、この方向を「順方向」と呼ぶ。順方向導電状態にある可飽和インダクタような電気的構成要素に言及する場合、電気的構成要素は、電極方向に「パルスエネルギ」を導電する飽和状態にバイアスされていることを意味する。逆方向導電状態にある場合、電気的構成要素はエネルギを電極から充電コンデンサの方向へ導電する飽和状態にバイアスされている。システム中の電流の実際の流れ（即ち電子の流れ）は、システム内で何処にいるかによって変わる。電流方向を説明したのは混乱する可能性をなくすためである。
【００４０】
図８Ａ、８Ｂによると、本実施例では、Ｃ0コンデンサ４２は、スイッチ４６が閉じた時に、電流がコンデンサ４２からインダクタ４８を通りＣ1コンデンサ５２へ向かって流れる（電子は実際には逆方向に流れる）ように、（例えば）正電圧７００Ｖに充電される。同様に、電流はＣ1コンデンサ５２からパルス変圧器５６の一次側を通り接地部へ向かって流れる。このように、電流とパルスエネルギの方向は充電コンデンサ４２からパルス変圧器５６へと同じ方向となる。以下の項「パルス変圧器」で述べるように、パルス変圧器５６の第一次側ループと二次側ループでは共に、電流は接地部へ向かっている。結果的に放電の開始初期部分の間（放電の主な部分[通常は８０％]）、パルス変圧器５６と電極との間の電流は、電極からパルス変圧器５６へと流れる。従って、主放電の間に電子は接地部からパルス変圧器５６の第二次側を通り一時的にＣp ― 1コンデンサ６２の上そしてインダクタ６４を通り、又一時的にＣpコンデンサ８２上へ、そしてインダクタ８１を通り、電極８４（放電陰極とも呼ぶ）を通って放電プラズマを通り、電極８３を通って接地部へと逆に流れる。このように主放電の間、電子は、パルス変圧器５６と電極８４、８３の間をパルスエネルギと同じ方向に流れる。放電の主要部分に続いて直ぐに電流と電子の流れが逆転し、電子は接地部から、接地された電極８４、電極間の放電空間、電極８３、電気回路、変圧器５６を通って接地部へと逆に流れる。電子の逆の流れが変圧器５６を通過すると、変圧器５６の「一次側」ループ中に電流が生じ、電子の流れが接地部からパルス変圧器５６の「一次側」を通り（メインパルスの電流と同じ方向）、最終的にはＣ0を、図８Ｆ２に定性的に示されているような負に充電する。 Ｃ0上の負の電荷は、図８Ｆ２に示され、先に「エネルギ回収」の項で説明したように逆転される。
【００４１】
３ パルスパワー構成要素の詳細な説明
３−１ 電源
好適な実施例の電源部分の更に詳細な回路線図を図８Ｃに示す。図８Ｃに示されているように、整流器２２は、＋１５０Ｖから−１５０Ｖの直流出力の６パルス位相制御整流器である。インバータ２４は、実際は三つのインバータ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃである。８．１μＦのＣ0充電コンデンサ４２の電圧がコマンド電圧より５０Ｖ小さいと、インバータ２４Ｂ及び２４Ｃが切れ、Ｃ0４２の電圧がコマンド電圧を僅かでも越えると、インバータ２４Ａが切れる。この方法では、充電終期近くで充電速度が下がる。昇圧変圧器２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは定格がそれぞれ７キロワットで、電圧を１２００Ｖ交流に変える。
【００４２】
三つのブリッジ整流器回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを示す。ＨＶ電源制御ボード２１は１２ビットデジタルコマンドをアナログ信号に変換し、それをＣ0電圧モニター４４からのフィードバック信号４５と比較する。フィードバック電圧がコマンド電圧を越えると、上記のようにインバータ２４Ａのスイッチが切れ、電源内に蓄えられたエネルギーを分散させるためにＱ２スイッチ３４が閉じ、更なるエネルギーが電源から逃げぬようにＱ３絶縁スイッチ３８が開き、Ｑ１流出スイッチ３８が閉じてＣ0の電圧がコマンド電圧と等しくなるまでＣ0の電圧を減らす。等しくなった時点でＱ１は開く。
【００４３】
３−２ 整流子と圧縮ヘッド
図８Ａ、８Ｂは整流子４０と圧縮ヘッド６０の主要構成要素を示し、システム作動に関しては上記の通りである。本項では整流子の製作ついて詳述する。
【００４４】
３−３ 半導体スイッチ
この好適な実施例では、半導体スイッチ４６はペンシルベニア州、ヤングウッドに事務所を持つパワレックス社製Ｐ／ＮＣＭ１０００ＨＡ-２８ＨＩＧＢＴスイッチである。
【００４５】
３−４ インダクタ
インダクタ４８、５４、６４は、米国特許第５，４４８，５８０号及び第５，３１５，６１１号に記載された可飽和インダクタと類似の可飽和インダクタである。好適な可飽和インダクタ設計の平面図と断面図をそれぞれ図８Ｇ１、８Ｇ２に示す。図８Ｇ２に示すように、本実施例のインダクタでは、インダクタ内の漏洩磁束を減らすために３０１、３０２、３０３、３０４のような磁束遮断金属片を加えている。このインダクタへの入力電流は、コンデンサ６２にも接続されているバスへのスクリュー接続３０５で行われる。電流は鉛直インダクタを通り４回半のループを形成する。電流は位置３０５から１Ａとラベル付けされた中央の大径導体へ下り、外周の６個の小経インダクタ１Ｂを上り、２Ａを下り、２Ｂを上り、次に全ての磁束遮断要素を下り、３Ｂを上り、３Ａを下り、４Ｂを上り、４Ａを下り、それから電流は位置３０６から出てゆく。ポットのようなハウジング６４Ａは高電圧電流リード線の役目を果たす。可飽和インダクタの「蓋」６４Ｂは、テフロンのような電気絶縁体材料で構成される。先行技術のパルスパワーシステムでは、オイル絶縁された電気構成要素からのオイル漏れが問題であった。本実施例では、オイル絶縁された電気構成要素は可飽和インダクタに限られており、オイルは、上記のように、高電圧接続出力線の役目を果たすポットのようなオイル収容金属ハウジング６４Ａに収容されている。全てのシール接続部はオイルレベルよりも上方に配置され、オイル洩れの可能性を実質的に無くしている。例えばインダクタ６４の最も低い位置にあるシールは、図８Ｇ２の３０８である。磁束遮断金属構成要素はインダクタを通る電流経路の中央部分にあるので、電圧は、磁束遮断金属部品と他の巻線の金属ロッドとの間の安全ホールドオフ間隔が減ることを許容する。放熱を改善するためにフィン３０７が備えられている。
【００４６】
３−５ コンデンサ
コンデンサバンク４２、５２、６２は全て、市販の入手可能な規格品コンデンサが並列接続されたバンクで構成されている。これらのコンデンサは、ジョージア州スミルナに事務所を持つムラタのような納入業者から入手できる。出願人が好適とするコンデンサとインダクタとの接続方法は、米国特許第５，４４８，５８０号に記載の方法と類似の方法により、厚くニッケル鍍金された銅線を有する特別のプリント回路板上の正端子及び負端子へ、コンデンサとインダクタとを半田付けするか又はボルト締めするものである。
【００４７】
３−６ パルス変圧器
パルス変圧器５６も米国特許第５，４４８，５８０号及び第５，３１３，４８１号に記載のパルス変圧器と類似しているが、本実施例のパルス変圧器は、一回だけ巻いた二次巻線と、２３個の個別の一次巻線を有する。パルス変圧器５６の図面を図８Ｄに示す。２３個の一次巻線はそれぞれ、図８Ｄの底面エッジに沿って示すように、プリント回路板５６Ｂ上の正端子及び負端子にボルト締めされた（それぞれ、ボルトねじ穴を有する平らなエッジを備える）二つのフランジを有する、アルミニウムのスプール５６Ａを備えている。絶縁体５６Ｃが各スプールの正端子と隣のスプールの負端子を隔てている。スプールのフランジの間には、長さ１１/１６インチ、外径０．８７５インチ、壁厚約１/３２インチの中空シリンダーがある。スプールは、幅１インチ、厚さ０．７ミルのメトグラス２６０５Ｓ３Ａと、厚さ０．１ミルのマイラー薄膜とで、絶縁されたメトグラス包装材の外径が２．２４インチになるまで包装されている。一次巻線を形成する単一包装済みスプールの斜視図を図８Ｅに示す。
【００４８】
変圧器の二次側は、電気ガラス製の締まり嵌めの絶縁管内に取りつけられた単一ステンレス鋼ロッドである。巻線は図８Ｄに示すように四つの部分にある。図８Ｄに５６Ｄとして示したステンレス鋼の二次側はプリント回路板５６Ｂ上のアース線に５６Ｅで接地され、高電圧端子は５６Ｆである。上記のように、第一巻線の＋及び−端子の間の７００Ｖのパルスは、１：２３の変圧作用により二次側端子の端子５６Ｆにマイナス１６，１００Ｖのパルスを作り出す。本設計によれば、漏洩インダクタンスは非常に低いので、出力上昇時間は非常に早まる。
【００４９】
３−７ レーザチャンバパルス出力構成要素
Ｃｐコンデンサ８２は、レーザチャンバ圧力容器の最上面に取り付けられた２８個の０．５９ｎｆコンデンサバンクで構成されている。各電極８３、８４は長さ約２８インチの中実真鍮棒で、お互いが約０．５から１．０インチ離されている。本実施例では、図８Ａに示すように、最上部電極８３が陰極で、最下部電極８４が接地されている。
【００５０】
３−８ 圧縮ヘッド取り付け
本発明のこの好適な実施例は、図８Ｈ１、８Ｈ２に示す圧縮ヘッド取り付け技術を含む。図８Ｈ１はレーザシステムの側断面図で、電極８３、８４に対するコンプレッサーヘッドモジュール６０の位置を示す。本技術は、圧縮リードチャンバ接続に関連するインピーダンスを最小化するために考案されたが、同時に圧縮ヘッドが容易に素早く取り替えられるようにしている。図８Ｈ１、８Ｈ２に示すように、接地接続は、図８Ｈ１の８１Ａと、図８Ｈ２の８１Ｂで示されている圧縮ヘッドの後面沿いに長さ約２８インチのスロットタブ接続により行われる。スロットタブの底面は、柔軟性のあるフィンガストック８１Ｃと嵌合されている。好適なフィンガストック材料が商品名マルチラムで販売されている。
高電圧接続は、図８Ｈ１の８９の個所で、可飽和インダクタ６４の６インチ直径の滑らかな底面と柔軟性のあるフィンガストックの嵌合アレイとの間で行われる。上記のように、好適なフィンガストック材料はマルチラムである。本構成により、修理又は予防的メンテナンスのために圧縮ヘッドモジュールを約５分で取り替えることができる。
【００５１】
４ ガス制御モジュール
この好適な実施例は、選択されたスイートスポット内でフッ素モニターを使わずに作動できるフッ素制御システムを備えている。図１６を参照しこの実施例を述べる。
４−１ フッ素消耗
レーザチャンバ１は、約２０．３リットルのレーザガスを含んでいる。上記のように普通、成分はフッ素が０．１％、残りがバッファガス（ヘリウム、ネオン又はヘリウムとネオンの組み合わせが望ましい）で、約４気圧である。０．１％のフッ素は、４気圧で約０．００２３リットル即ち２．３ｍｌのフッ素である。質量換算すると、レーザチャンバ内のフッ素の公称量は約１１０ｍｇである。純粋フッ素の分圧は、約４１１Ｐａ、純粋フッ素（１％フッ素混合物の約４１ｋＰａに相当）である。衝撃係数約４０％（通常のリソグラフィレーザ）で作動するレーザでは、フッ素は通常の作動の間に毎時約４．５ｍｇの割合で消耗される（１時間にチャンバ内のフッ素の約４％を消費することに相当）。純粋フッ素分圧に換算すると、この通常のフッ素消耗割合は毎時約１６Ｐａである。1％のフッ素ガス混合物を使ってこの消耗を補うために、毎時約１．６ｋＰａに相当する体積の混合物がチャンバに加えられる。
【００５２】
レーザのフッ素消耗割合は一定からは程遠い。レーザファンが作動してもレーザが発生しない場合、フッ素消耗割合は約半分に下がる。ファンを止めるとフッ素消耗割合は、４０％衝撃係数での消耗割合の約１／４に低下する。１００％衝撃係数の場合、フッ素消耗割合は４０％衝撃係数での消耗割合の約二倍である。
【００５３】
４−２ ガス交換
上記プロセスでは、消耗したフッ素を基本的にほぼ絶え間無く交換する。フッ素ガス源はフッ素を僅か１％しか含まないから、チャンバ内のバッファガス又はガスの一部もほぼ絶え間無く交換している。にもかかわらず、たとえレーザガスの一部を実質的に絶え間無く交換しても、このモードでの作動により結果的に汚染物質がレーザガス内に貯まるので、レーザ効率が低下する。効率が低下すると、所望のパルスエネルギーを維持するために電圧を上げること、及び/又はフッ素濃度を上げることが必要となる。このため、先行技術によるシステムを普通に運転することは、実質的に完全なガス交換を行うためにレーザーを定期的に一時停止することを示唆している。この実質的に完全なガス交換を補充と呼ぶ。この周期は、１億パルスのような補充から補充の間のレーザパルス数に基づいて決めるか、補充回数を前回の補充からのカレンダー時間で決めるか、又はパルスとカレンダー時間の組み合わせに基づいて決める。補充回数は又、特定のフッ素濃度での所望出力に必要な充電電圧の大きさから決めてもよい。補充後は、「スイートスポット」に関する新たなテストを行うべきである。また補充の間は定期的に、スイートスポットが変わった場合に新たなスイートスポットが何処にあるかを運転者が知ることができるよう、「スイートスポット」試験を実施すべきである。
【００５４】
補充は、図１６に示すシステムを使い以下のようにして達成される。ここでの検討では、０．１％のフッ素と残りがバッファガスという構成の通常のレーザガスを想定する。バルブ５１０、５０６、５１５、５１２、５１７、５０４を閉じ、バルブ５０６、５１２を開き、真空ポンプ５１３を作動させ、レーザチャンバを絶対圧１３ｋＰａ以下に真空引きする（素早く圧力を下げられるようにチャンバ１と真空ポンプ５１３の間に直接圧力低減配管を備えてもよい）。バルブ５１２を閉じる。バルブ５１６を開き、ヘリウム１００％のバッファガスをバッファガス瓶からチャンバに加え、２６２ｋＰａ／５０℃相当の圧力となるように充填する（２０．３リットルのレーザチャンバでは、５０℃からのチャンバ温度変動に対しては１ｋＰａ／℃の△Ｐ／△Ｔ補正式を使って、温度補正を近似できることに注目されたい。チャンバ温度が２３℃であれば、２４７ｋＰａまで充填することになる。）バルブ５１７を閉じ、バルブ５１５を開き、１％のフッ素と９９％のバッファガスの混合物をハロゲンリッチガス瓶５１４からチャンバ１に加え、２９０ｋＰａ／５０℃相当の圧力になるように充填する。これにより、ほぼ０．１％のフッ素と９９．９％のバッファガスから成るガス混合物がチャンバ内に生成される。チャンバを約５０℃に加熱すると、圧力は約４気圧となる。
【００５５】
５ パージシステム
酸素は、１５７ｎｍの光を強力に吸収するので、ビーム経路から除かなければならない。本出願人は、従来技術システムを大巾に改良した窒素パージシステムを開発した。レーザーに関連するチャンバ外の全ての光学構成要素は、窒素を使ってパージされる。この窒素システムはレーザが作動する間に、大気圧より僅か約１０パスカル高い圧力で運転される。この僅かな気圧差は、圧力が光学構成要素に及ぼす歪みの影響を避けるのに好適である。パージされる構成要素は、ライン狭帯化モジュール、出力連結器、波長計、シャッターアセンブリを含む。
【００５６】
漏洩の可能性のある全個所をシールする。内径１／１６インチ、長さ６フィートの管で構成される出力ポートを備える。パージシステムの適切な機能を確保するために、出力ポートを通過する流れをモニターする。内径１／１６インチ、長さ６フィートの管を通過する、好適な流量である約４リットル／分は、所望の窒素差圧に対応する好適な流量である。６フィートの出力ポート管３０４は、コイル状に巻かれているのが望ましい。図１７に示すように、窒素の流れにより開いたままに保たれ流れが無くなると警告灯３０２を点灯させる簡単なフラップスイッチにより、流れをモニターする。同様のパージシステムを出力連結器及び波長計に適用するのが好ましい。
【００５７】
パージガスにヘリウムを使うこともできる。ヘリウムの利点は、熱伝達特性と光学特性が良い点である。しかしヘリウムは窒素よりもはるかに高いので、量産用レーザに使う場合、ヘリウム再利用の収集システムを考えることが好ましい。
【００５８】
６ レーザ構成要素の冷却
１０００から２０００Ｈｚを越える反復度での作動に特に有用な本発明の好適実施例は、エキシマレーザを冷却するために、図１３に示す独特の冷却技術を含んでいる。
レーザの構成要素は、僅かな真空を内側に維持しているエンクロージャ２４０内に含まれており、この真空は図１３及び４Ａの２２４で示されているベントに取り付けられたブロワーより作り出される。キャビネットは、キャビネットの最上部近くに濾過吸気ポート２４１とガスケット付き扉のような僅かな漏洩源とを備え、レーザエンクロージャを通過するチャンバ内空気の流量は約２００ｆｔ3／分となっているが、この流量はレーザの熱生成構成要素が生成する熱を除くのに十分とはいえない。
【００５９】
レーザにより生成される廃熱（１００％衝撃係数で略１２ｋｗ）の大半（略９０％）は、図１３に示す冷水システムにより除かれる。
この実施例ではレーザ内の主な熱源は、高電圧電源２０、整流子４０、圧縮ヘッド６０、レーザチャンバ８０である。チャンバ用の水冷却熱交換器がチャンバの内側に配置され、熱は循環するレーザガスから熱交換器を通り冷却水へ伝えられる。別の熱交換器（図示せず）がチャンバの外側表面に取り付けられる。残りの主な熱生成構成要素用に冷却水配管が構成要素まで配管されており、一つ又はそれ以上のファンが、水から空気へ熱を伝える熱交換器を通過する風を図１３に示すように構成要素へ送る。圧縮ヘッドでは、図示のように内部循環であるが、ＨＶＰＳ及び整流子では、循環空気が構成要素へ、次にエンクロージャの別の部分を通過し、再び熱交換器に戻る前に別の構成要素を冷却する。
【００６０】
分割パン２４２及び２４３は全体的な通気を、フィルター２４１から矢印２４４が示した経路へ通過させ、ベント２２４へ誘導する。
この冷却システムにはダクトがなく、レーザチャンバの内側及びレーザチャンバに装着された熱交換器に水を供給する管以外には、いかなるレーザ構成要素とも接続される水管は含まれていない。全構成要素（レーザチャンバを除く）はエンクロージャの内側付近に吹き付ける風によって冷却されるので、構成要素を組込／交換する時に運転を停止させる冷却用の接続部分はない。配管が必要ないため、利用できる構成要素とエンクロージャ内の作業空間が大巾に増える。
【００６１】
７ パルスエネルギー制御アルゴリズム
７−１ 作動モード−チップリソグラフィ
本発明の実施例は、先行来技術に見られたパルスエネルギー及び積分された全体バーストエネルギーにおける変動を実質的に減らす新しいアルゴリズムを備えたコンピューターコントローラープログラムを含んでいる。改良された装置及びソフトウェア、エネルギーシグマとバースト線量変動を減らすための好適なプロセスを以下に述べる。
【００６２】
本明細書の背景の項で述べたように、バーストモードは、リソグラフィによる量産集積回路のステッパー機器光源に使われるエキシマレーザを作動させる典型的モードである。このモードでレーザが作動すると、ウェーハのある部分を照らす１１０パルスを生成するために、約１１０ミリ秒間に亘り１０００Ｈｚの割合で「バースト」パルスが作りだされる。バーストが終わるとステッパーがウェーハとマスクを移動させ、一秒にも満たない時間で移動が一旦完了すると、レーザは別の１１０パルスのバーストを生成する。従って、通常の作動は約１１０ミリ秒のバーストであり、その後に一秒未満の無駄時間が続く。別の作動を実行できるように長めの無駄時間が様々な時に設定される。この基本プロセスは一般に、レーザで一日に数百万回のバーストを生成しながら、一日２４時間、週７日続く。上記のバーストモードでは、ウェーハの各部分が各バーストにおいて同じ照度エネルギーを受けることが重要である。又、チップ製造者はパルス間の変動が最小となることを望んでいる。本発明の好適な実施例では、各パルス（Ｎ−１番目のパルス）のエネルギーをモニターし、次に
１）Ｎ−１番目のパルスにより測定されたエネルギーと、目標パルスエネルギーとの比較、及び
２）Ｎ−１番目のパルスによるバーストの累積線量と、Ｎ−１番目のパルスによる目標パルス線量との比較、
の両比較の結果に基づいて、次のパルス（Ｎ番目のパルス）のエネルギーを制御する装置及びソフトウェアを用いて、これらの目的を達成する。
【００６３】
典型的なフッ素エキシマレーザの場合、あるバーストの最初の３０から４０ミリ秒のエネルギーは、レーザガス内の過渡的影響のため他のバーストに比べ一般に不安定であることがずっと問題とされてきた。第一パルス後の約４０ミリ秒以後では、一定電圧でのパルスエネルギーは比較的一定である。これらの初期の摂動を処理するに当たり本出願人は、バーストを時間方向で二つの領域、即ち「Ｋ」領域と呼ばれる第一領域（多数の初期パルス、例えば４０パルス）と本明細書で出願人が「Ｌ」領域と呼ぶ第二領域（Ｋ領域の後に続くパルスから成る）とに分割した。
【００６４】
本発明の実施例では、先行技術のエキシマレーザ装置をパルスエネルギーの制御に利用する。各バーストの各パルスにおけるパルスエネルギーは、図８Ａの示すようなフォトダイオード９２により測定される。このフォトダイオードとそのサンプル及びホールド回路の全体応答時間は、回路をリセットする時間を含め実質的に５００μ秒未満である。約１５ナノ秒のパルスのそれぞれから生じる累積信号はパルス終了後の数μ秒間に亘って保存されるが、この信号は、パルス開始後約１．０μ秒でコンピューターコントローラー２２によって６回読み取られ、その平均が記憶される。あるバースト中の過去の個々の全パルスの累積エネルギーをバースト線量値と呼ぶ。コンピューターコントローラーは、Ｎ＋１番目のパルスに対して高電圧を規定するために、目標パルスエネルギー及びＮ番目のパルスのパルスエネルギーを表す信号とバースト線量値とを利用する。この計算には約２００μ秒が必要である。Ｎ＋１番目のパルスのための高電圧が決定されると、コンピューターコントローラーは、Ｎ＋１番目のパルスのために充電電圧を確立する信号を、図８Ａに示された高電圧電源の高電圧コマンド（ＶＣＭＤ）へ送るが、これには数μ秒が必要である。コンピューターコントローラーは、コンデンサＣ0を規定電圧に充電するように高電圧電源に指示する。（計算が完了する以前に２０００Ｈｚを越える高速の反復度で充電を開始することが好ましい）。Ｎ番目パルスためのトリガ信号の後の０．５ｍ秒の時点で、コンデンサＣ0が完全に充電され、図２に示されたトリガ回路１３からＮ＋１番目パルスのためのトリガ信号を受信した時に準備ができているようにするには、充電に約２５０μ秒が必要である。トリガ信号の時点でコンデンサＣ0が約７００Ｖの電圧を図８Ｂの磁気圧縮回路へ約５μ秒間に亘って放電すると、パルスは磁気圧縮回路によって圧縮／増幅され、約１６１００Ｖの放電電圧がコンデンサＣｐ上に生成され、次いで約１００ナノ秒の放電が電極間で起こり、持続時間が約１５ナノ秒で約１０ｍＪのレーザパルスが生成される。
【００６５】
７−２ 好適なアルゴリズム
バーストモード作動時に所望のパルスエネルギーを実質的に達成するために、充電電圧を調整するための特別の好適なプロセスは、次の通りである。
プロセスは二つの電圧調整アルゴリズムを利用する。第一アルゴリズムは最初の８０パルスに適用されＫＰＩアルゴリズムと呼ばれる。第二アルゴリズムは４０番目のパルス以降のパルスに適用されＰＩアルゴリズムと呼ばれる。８０番目のパルス以降の時間を、本明細書ではバーストの「Ｌ領域」と呼ぶ。頭文字「ＰＩ」は「比例積分」を指し、「ＫＰＩ」の「Ｋ」はバーストの「Ｋ領域」を指している。
【００６６】
７−３ ＫＰＩアルゴリズム
Ｋ領域は、１番目からＫ番目までのパルスから成り、好適な本実施例ではＫ＝４０である。Ｎ番目パルスのための充電電圧を設定するためのアルゴリズムは、
但し、
ＶN＝Ｎ番目のパルスのための充電電圧
（ＶB）N ＝Ｋ領域のＮ番目パルスのための目標エネルギーＥTを生成するために必要な電圧に関する電流の最良推定値を表すｋ個の記憶された電圧アレイ。このアレイは以下の方程式に従って各バースト終了後に更新される。
【００６７】
（ＶC）N-1＝一つ前のパルスのエネルギー誤差とバースト中の過去のＮ−１番目のパルスまでに生じたエネルギー誤差
定義より
（ＶC）0＝０
Ａ，Ｂ＝一般に０から１の分数で、好適な本実施例ではＡ、Ｂ共に０．５である。
εi ＝ｉ番目パルスのエネルギー誤差
＝Ｅi-ＥT、Ｅｉはｉ番目パルスに関するエネルギー、ＥTは目標エネルギーである。
Ｄｉ＝バーストの累積線量誤差であり、１からｉまでの全パルスを含む。
ｄＥ／ｄＶ＝充電電圧によるパルスエネルギーの変化率（本実施例では、一つ又はそれ以上のｄＥ／ｄＶの値を各バーストの間に実験的に決定し、これらの数値の移動平均を計算に使う）。
【００６８】
記憶された値（ＶＢ）Ｎは、各バースト間又は各バースト後に次の比較式に従って更新される。
但しインデックスＭは、バースト番号である。
Ｃ＝一般に０から１の間の分数で、好適な本実施例では０．３である。
【００６９】
７−４ ＰＩアルゴリズム
Ｌ領域は、Ｋ+１番目のパルスからバーストの最後のパルスまでのパルスから成り、（好適な実施例では、パルス番号は４１以上である。）
Ｎ番目パルスのための充電電圧を設定するアルゴリズムは、
但し
ＶN＝Ｎ番目パルスに対する電圧充電
ＶN-1＝Ｎ−１番目（一つ前）パルスのための充電電圧
変数Ａ、Ｂ、ε1、Ｄ1、ｄＥ／ｄＶは先の定義の通り。
【００７０】
７−５ ｄＥ／ｄＶの決定
レーザ特性の比較的遅い変化を追跡するために、ｄＥ／ｄＶの新しい数値を周期的に決定する。好適実施例では、Ｌ領域の二連続パルスの間に、制御された方法で電圧を変えるか又はディザーすることによりｄＥ／ｄＶを測定する。これら二つのパルスに対しては、通常のＰＩエネルギー制御アルゴリズムを一時的に中断し以下のアルゴリズムに置き換える。
パルスｊに対して
但し、 ＶDither＝一定の電圧増分、通常は数ボルトである。
パルスｊ＋１に対して
パルスｊ+１の後に、ｄＥ／ｄＶを計算する。
【００７１】
電圧のディザーのため予想されるエネルギーの変動の強さはレーザの通常のエネルギー変動と同じであるので、ｄＥ／ｄＶの計算は雑音が多い。好適な実施例では、過去５０回のｄＥ／ｄＶ計算値の移動平均が実際にＰＩアルゴリズムとＫＰＩアルゴリズムで使われる。
【００７２】
ＶDither選択のための好適な方法では、所望エネルギーのディザーＶDither、即ち、通常はエネルギー目標ＥTの数パーセントを規定し、ＶDitherを計算するためにｄＥ／ｄＶに関する電流（平均）値を用いる。
Ｊ+２パルス（二つのディザーパルス直後）はディザーしないが、特定値を持つ。
【００７３】
Ｖj-2に関するこの特別な値は、加えられた電圧のディザーとパルスｊ+１から予想されるエネルギーディザーとの両者に関する補正が行われる。
上記アルゴリズムには様々な修正をすることができる。例えば、Ｋ領域と同様にＬ領域でもｄＥ／ｄＶを決定することができる。ディザリングは、バースト毎に一回又は数回実行することができる。ディザリングのシーケンスは、先述のように決まったパルス番号ｊで行われてもよいし、又は無作為に選ばれたパルス番号で開始されて次のバーストへ移っても良い。
【００７４】
Ａ、Ｂ、Ｃは、収束係数であり他の多くの値となり得ることを理解されたい。上記に規定した値よりも大きければ素早く収束するが、不安定さが増す。別の好適な実施例ではＡ＝√２Ｂである。この関係は臨界減衰を生成するために既存の手法から開発された。Ｂは、線量補正を行わないゼロの場合もあり得るが、Ａはアルゴリズムの線量搬送部分のための減衰項を提供するので、ゼロであってはならない。
【００７５】
ｄＥ／ｄＶの決定値が小さすぎると、上記アルゴリズムでは過剰補正を生じさせる。従ってエネルギーシグマ値が閾値を越える場合、好適な技術ではｄＥ／ｄＶを任意に二倍の値にする。バーストの第一パルスに対しては、Ｖ及びｄＥ／ｄＶの値はデフォルト値とされる。各バーストの開始時、Ｄはゼロに設定される。ｄＥ／ｄＶのデフォルト値は、初期の過剰修正を避けるために予想されるｄＥ／ｄＶの約三倍に設定される。
【００７６】
上記のディザーを伴わずにｄＥ／ｄＶを決定する代替方法では、レーザ作動中のエネルギー値と電圧値を単に測定し記憶する。（規定された電圧値ではなく測定された電圧値が使われてもよい。）パルスエネルギーが一定の場合、これらのデータを使ってＶの関数としてｄＥ／ｄＶを決定できる。数値要素は相当な不確定性を有する測定値の差であるため、それぞれの個別のｄＥ／ｄＶ値は相当な不確定性を有することに注目されたい。しかし多くのｄＥ／ｄＶ値を平均することにより、このような不確定性を減らすことができる。
【００７７】
ｄＥ／ｄＶを決定するためのディザーの運用は、バースト毎に行う必要はなくＭバースト毎に１回のように定期的に行ってもよい。又はｄＥ／ｄＶの測定値をコンピューターが実行した計算と置き換えることもできるし、ＶN+1を計算するために一つ前のパルスのｄＥ／ｄＶ値をオペレータにより手動で挿入することもできる。代替手法ではこの制御システムのためにＶNの実際の測定値を用いる。
【００７８】
またＶBINの数値は、上記実施例における実際の測定値ではなく規定値から計算される。測定電圧値を使うことは明らかに代替手法である。ＥTは一般に１０ｍＪのような定数であるが、必ずしも一定である必要はない。例えば、最後の１０パルスのＥTを公称パルスエネルギーより小さくし、これらのパルスによる目標ＥTからの変動割合が全体のパルス線量にあまり影響しないようにすることができる。又状況により、バースト間で変動するＥT値をコンピューターコントローラー２２が与えるようにプログラムすることが望ましい。
【００７９】
８ プロトタイプユニット
本出願人と協力者は、プロトタイプのＦ２レーザシステムユニットを組み立て試験した。
プロトタイプレーザは、その大半が現量産型のＫｒＦレーザ及びＡｒＦレーザをベースとし、先行技術のエキシマレーザシステムに対して複数の重要な改良点を折り込み、高効率のチャンバと半導体パルスによるパワー励起を利用している。ガスの汚染を最小にするために、コロナプレイオン化の放電を行わせる。全光学ビーム経路を窒素によりパージし、酸素による光吸収を避け光学構成要素に対する損傷を回避する。全光学共鳴器は、レーザチャンバに据え付けられた角度付きのチャンバ窓の外側に置かれた。ガス混合物は４気圧のヘリウム中に０．１％のフッ素を含み、電極間隔は１０ｍｍに縮小された。
【００８０】
このプロトタイプユニットは改良されたパルス変圧器が利用される。本パルス変圧器では、二次巻線として機能する４部分から成る単一ステンレス鋼ロッド（図８Ｄに図示、既述）は、円筒形の内部ロッドと二つの同軸管とから成る変圧器の第二導体と置き換えられ、これら全ては図２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに示すように直列接続され互いに絶縁されている。第二導体は、バスバーに対して３０２の個所で、ＨＶケーブルに対して３０４の個所で接続された二つの同軸アセンブリ（断面図を図２２Ｂ、２２Ｃに示す）から成る。図２２Ｄは、図２２Ｂ、２２Ｃ同様に同じ断面図を示し、第一巻線を形成するスプールの円筒形部分３０８の周囲に巻き付けられたメトグラス及びマイラー薄膜の層３０６も示している。図２２Ｄは又、パルス変圧器の第二部分を形成する中央線３１０と中空円筒形導体３１２、３１４も示している。メトグラス及びマイラー層は、図２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃには示されていない。電圧ピークが約１、０００Ｖの電流パルス（３１６）は、図２２Ａで３１８として示された第二ＨＶ端子に約０−３６、０００Ｖのパルスを生成する。
【００８１】
一次巻線と三つの同軸二次導体は、図８Ｅに関連して述べたメトグラスとマイラー薄膜とを巻きつけることにより連結される。本実施例は特殊な圧縮段階（追加コンデンサバンクＣP-1による）を備えている。本実施例のコンデンサバンクの値は、
Ｃ0 ＝約１２．１μＦ
Ｃl ＝約１２．４μＦ
ＣP-2＝約 ８．８２μＦ
ＣP-1＝約 ８．４μＦ
ＣP ＝約１０ｎＦ
である。
【００８２】
本プロトタイプ実施例の改良されたパルスパワーシステムは、約８０ｎ秒の出力利用時間をピーキングコンデンサバンクに生成する。パルス変圧器の昇圧比は３６倍（詳述した上記実施例では２３倍）である。これによりレーザは、相応に低いフッ素濃度でも実質的に高電圧で作動できる。高電圧作動により放電の安定性が改良され高い反復度が得られることが確認できた。
【００８３】
９ 実験結果
プロトタイプユニットによる実験結果を以下に述べる。レーザ出力を標準出力計で測定し焦電ジュール計と相関させた。赤と原子Ｆ２レーザの寄与分は除かれ、この寄与分は通常は全エネルギーの３％未満であった。１５７ｎｍの光を強く吸収する空気へビーム発射管を通気させることによって、赤の放射を測定できる。
【００８４】
本プロトタイプユニットのレーザ波長は、二個外部プリズムのセットを用いて調整することにより、１５７．６ｎｍの単一線モードで作動させた。レーザは１５７．５ｎｍ遷移線へ調節することもできるが、効率は下がる。１５６．７ｎｍでの遷移は観測されなかった。２メートルジョビンイボンＶＵＶ分光計で記録されたレーザスペクトルは、測定限界の線幅６ｐｍを示す。
【００８５】
広帯域（又は複線）作動では、反復度１０００Ｈｚで１２ワットの最大出力が得られた。出力は反復度と共に線形的に増加し、飽和の兆候は見られなかった。単一線モードでの動作も同様であったが、エネルギーは三分の一であった。このエネルギー減少は、本プリズム機構において空洞長さが大巾に長くなったためであり、かなり縮小することができる。バーストモードでは、５％の３σ安定性が記録された。出力エネルギーの点で良性のバースト過渡現象だけが観測された。この点は、より高いエネルギーの不安定性とガス流に関係したバースト過渡現象とを示すＡｒＦレーザに比べて望ましい。このことから、量産用のフッ素リトグラフィレーザは、現在のＡｒＦレーザより更に良好な安定性を有するとの結論を得ることができる。積分二乗パルス持続時間は、ＡｒＦレーザの性能に近い３０ｎ秒であった。
【００８６】
レーザチャンバ材料を慎重に選択すること及びコロナ放電によりプレイオン化することにより、極低温浄化もハロゲン注入もすることなく数時間に及ぶレーザ作動と、エネルギー低下を最小とする３Ｍの発射とが可能となった。
【００８７】
広帯域レーザ出力と反復度との関係を図１０Ａの上部分に示す。図１０Ａの下部分は、パルスエネルギーが反復度１０００Ｈｚ以上で若干下がることを示す。レーザ出力は反復度に対しほぼ比例して増え、１ｋＨｚで１５Ｗ、２０００Ｈｚで約１９Ｗである。この線形関係に基づき、ガスの流れを相応に増やせば、更に数ｋＨｚの作動までＦ２レーザの規模を拡大できると仮定できる。本出願人はバッファガスとしてヘリウムを使ったが、標準的ネオンベースレーザのブロワー出力の数分の一しか必要でないので、より高速な流れに対する制限は存在しない。
【００８８】
エネルギー安定の尺度は、バーストモード中のエネルギー過渡現象を観測して得る。このためレーザはバースト中に繰り返し発射され、バースト中の各パルス位置での平均エネルギーが記録される。バースト中の各パルス番号に関して、バースト間のエネルギーの平均変動も計算される。Ｆ２レーザ及び比較のための狭帯化ＡｒＦレーザに関して、実験結果のエネルギー曲線と安定性曲線を図１０Ｂ１、１０Ｂ２に示す。Ｆ２レーザでは１２０回のショットバーストに対してエネルギー変動が少ない。エネルギー安定性はバーストの開始時に初期増加を示し、次に約３％の３σレベルで安定する。これと対照的に、ＡｒＦレーザは、エネルギーにおける大きな過渡現象と７％程度の３σ不安定性を示す。ＡｒＦレーザでは６０パルス窓で０．５％の線量安定性を得たので、Ｆ２レーザでも少なくとも同じ線量安定性が得られると思われる。図１０Ｃは、１０００Ｈｚと１９００Ｈｚにおけるパルスエネルギー値と３σ値を示す。
【００８９】
ＶＵＶ分光計で記録された広帯域Ｆ２レーザのスペクトルを図１０Ｄ１、１０Ｄ２に示す。二本の遷移線が１５７．５２ｎｍと１５７．６３ｎｍにはっきり認められる。レーザエネルギーの８７％は１５７．６３ｎｍの長い波長線にある。１５６．７ｎｍで過渡現象は観測されなかった。１５７．６３ｎｍの単一線モード作動は、二個外部プリズムのセットを使って調節することにより達成された。レーザは１５７．５２ｎｍの遷移線にも同調できるが効率は下がる。図１０Ｄ１と１０Ｄ２は１５７．６３ｎｍのレーザ線の拡大図も示す。ＦＷＨＭが１．１４ｐｍで９５％をカバーする幅が２．３５ｐｍのうず巻き状の線幅が測定された。これらの線幅は、過去に予想されていた線幅よりもはるかに狭い。従って、狭帯化を追加しないで線選択されたＦ２レーザは、ほぼ完全な屈折画像システムに対して十分な性能がある。単一線レーザのレーザ出力と反復度動作の関係は、広帯域レーザと同じ比例関係を示す。しかしこの初期実験での最大出力は４Ｗに限られた。出力低下は線選択レンズでの反射損失と空洞長さが長すぎるためであった。
【００９０】
水平方向及び垂直方向のビームプロファイルを、レーザから１ｍ離れた所で測定した（１０Ｅ１、１０Ｅ２を参照）。ビームは対称性の高い滑らかなプロファイルを示す。この種類のプロファイルは、非常に均一な照度を生成するために現在使われている均一化技術により容易に達成される。
【００９１】
ガス寿命の推定値は、フッ素注入をすることなく一定電圧でＦ２レーザを運転し、ショット数とレーザ出力発生を記録することにより導かれる。これらの測定では極低温浄化は行われない。図１０Ｆで明らかなように、レーザ出力は４００万回のレーザショット後に２０パーセント足らず低下するが、同等のＡｒＦレーザと少なくとも同じである。ＡｒＦレーザによる先の実験から、ガス寿命は、定期的なフッ素注入を行いながら約２５００万回のショットであると推定することができる。これは明らかに、レーザチャンバに同等の材料を選びコロナのプレイオン化を利用する場合の結果である。ＫｒＦレーザとＡｒＦレーザでは、フッ素消耗とチャンバ寿命の直接相関は過去に確立されている。従って、Ｆ２レーザのチャンバ寿命をＡｒＦレーザに同程度と推定することができる。
【００９２】
図１５Ａの下のグラフはパルスエネルギーとフッ素濃度の関係を、上のグラフは最大パルス反復度とフッ素濃度の関係を示し、両者共にブロワー速度は２５００ｒｐｍである。図１５Ｂの上のグラフは時間関数としてのパルス形状と１６ｎ秒のＦＷＨＭを示し、下のグラフは積分二乗パルス幅が約３７ｎ秒であることを示す。
【００９３】
１０ パルスエネルギーのモニタリング
上記プロトタイプユニットを使う場合、先行技術によるＵＶパルスエネルギー検知器では良好な結果が得られない。これは、先行技術によるＫｒＦレーザ及びＡｒＦレーザに使われるパルスエネルギー検知器が、赤外線及びネオン赤外線スペクトル領域の光に非常に敏感なためである。実際これらの標準シリコン光ダイオードは、１５７ｎｍのレーザ光に対してよりも赤及び赤外線に対して遙かに敏感である。従って、光が上記のように約３％の領域内にある場合でも、シリコンフォトダイオードへの影響は３％を遙かに越える。従って、可視赤及び赤外線の影響をあまり受けないエネルギー検知器が要望されている。ＵＶ放射に対し特に敏感で、赤及び赤外放射に対し比較的又は完璧に敏感な検知器を、市場で入手できる。これらの検知器は一般に太陽光不感検知器と呼ばれ、大気圏外天文学分野で使われているが、本出願人が知る限りレーザパルスエネルギーの測定には使われていない。「太陽光不感」光検知器を組み立てるために多くの方法を利用できる。幾つかの方法を以下に述べる。
【００９４】
１０−１ 光電管
光電管は二つの電極と、光電陰極と陽極とから成る真空装置である。光電陰極に光を当てると、光電作用により陰極材料から電子を放出させることができる。陽極と陰極の間に正電圧を加えると、放出された電子が陽極へ移動し、１秒間に光電陰極に当たる光子数に比例して装置を通る電流が生成される。この効果にはカットオフがあり、一定の値よりも波長の長い光を使って照射しても光電子は生成されない。最大波長は、
λmax＝ｈｃ/Φ
で定められ、ここでＨはプランク定数、ｃは真空中の光の速度、Φは仕事関数と呼ばれる材料の特性である。仕事関数が十分に高い（例えば＞４電子ボルト）光電陰極材料を選ぶと、３００ｎｍよりも短い波長での照明に対してだけ光電流を生成する、即ち太陽光不感応答となる。受容できる仕事関数を有する光電陰極材料の例は、ＣｓＴｅ及びＣｓＩダイヤモンド薄膜である。
【００９５】
１０−２ 光電導体
幾つかの半導体及び／又は絶縁材の照明は、光電子効果に密接に関係した効果を作り出す、即ち、材料内の光子と電子の間の相互作用が電子を励起し、電子は材料内の特定の場所（即ち、価電子帯）に拘束されず、加えられた電圧に応じて結晶を通過し自由に動くようになる（即ち、導電帯）。やはり、材料に当たる光子束に比例した電流が生成される。この効果は、上記の式で与えられるカットオフと同一の波長カットオフを示すが、違うのは、材料の仕事関数Φが一般に帯域ギャップＥｇと呼ばれる別の特性に置き換えられることである。更に、帯域ギャップが十分大きい材料は短波長の放射にのみ応答する。５．４８ｅＶの帯域ギャップを有するダイアモンドは、２００ｎｍ未満の波長で光電導体応答を示す。
【００９６】
１０−３ フォトダイオード
ダイオード接合（ショットキー、p-n又はp-I-nドープ半導体）の照明も、価電子帯から導電帯へと電子を促し、光電流を生成できる。ダイオードが順方向にバイアスされると、この場合、担体寿命が長くなる点を除き、性能は光電導体と非常に良く似ている。逆方向にバイアスされると、加えられた電界により装置の応答速度が改善される。バンドギャップが十分大きい接合ではやはり、ＵＶ波長でのみ応答ができる。
【００９７】
１０−４ 吸収深度選別
バンドギャップの小さい光導電体又はダイオードの赤への反応を、そのＵＶへの反応に比べて、強く抑制する一つの方法は、デバイスの厚みを適切に選択することである。材料の深部にまでＵＶ光子が浸透することは可視光に比べずっと少ないことが、このような材料の特徴である。つまり、ＵＶ光の完全な吸収が表面付近の非常に薄い層で起こる。デバイスの厚みをＵＶ光吸収深度と同等に選ぶことにより、デバイスを長波長に対し透過性（応答しない）とすることができる。真に太陽光不感でなくとも、このような構成によりデバイスの可視／赤外線応答を検出可能な閾値よりもさらに下げることができる。
【００９８】
好適な既製の太陽光不感光電管検知器を、カリフォルニア州、ロサンゼルス及び日本に事務所を持つハママツ社のような納入業者から入手できる。ＣｓＩを使った同社のモデルＲ１１８７は、１１５ｎｍから２００ｎｍの領域でスペクトル応答を示す。ＣｓＴｅを使うモデルＲ１１０７及びＲ７６３は最良応答領域が約１５７ｎｍより少し上であるが、使用できるであろう。
【００９９】
図１８は、パルスエネルギー及び／又は線量エネルギーを所望レベルへ制御するためにレーザシステム内で使われる太陽光不感検知器を示す。（パルスエネルギー及び線量エネルギーの制御の詳細については、以前の章を参照。）
【０１００】
１０−５ 反射ベースモニター
サンプルビーム（赤及びＶＵＶ）は、（１５７ｎｍ）ＶＵＶ波長では高反射率に、赤／赤外線（所望しない波長は６３５ｎｍから７５５ｎｍまでの領域）では低反射率になるように設計されている、誘電コーティングを施された複数のミラーで反射される。吸光率が２４：１までならば、通常の光学器は１５７ｎｍで９５％の反射率を、赤／ＩＲで４％の反射率を有する。所望の吸光率（一般的には５００又は１０００：１）は、複数のミラーへ連続的に入射させることにより得られる。これらのミラーを通る光は、散乱光が検知器への経路を進むことがないように、赤／赤外線吸収カラーガラスフィルター又は他の光捕獲要素に当たるようにしなければならない。
【０１０１】
１０−６ 分散による分離
ＶＵＶを赤／赤外線波長から分離するために分散要素（プリズム又は回折格子）が使われ、光ダイオードはＶＵＶビームだけを遮るために配置される。格子要素を使い、赤／赤外線波長の高い回折オーダーとＵＶ波長の高い回折オーダーとの間に実質的に重なりがないように、溝の間隔を選択しなければならない。即ち、ｍの数値（ｍは常に整数であり、例えば、Ｄｓｉｎ（シータ）＝ｍ1＊１５７ｎｍ≠ｍ2＊７５５ｎｍ（例えば全可視放出波長／赤外線放出波長に関して））を変えることにより、格子方程式が、設計角度シータにおいて、紫外線波長及び可視波長／赤外線波長に対して同時に満足されることの無いようにしなければならない。
【０１０２】
１０−７ フッ素による検知
１５７ｎｍ光に曝されて可視又は赤外線内で蛍光を発する材料は、シリコン光検知器の前に配置される。ＶＵＶ光を可視／ＩＲ光に変換することにより、フォトダイオ−ドの赤への強い応答が相殺される。蛍光放出波長が実質的に赤／ＩＲレーザ放出波長と異なる場合には、蛍光変換器の後に赤／ＩＲ吸収フィルターを使って赤／ＩＲ放出を直接抑えることができる。蛍光変換器もそのような吸収材料で構成してもよいし、そのような吸収材料でドーピングしてもよい。
【０１０３】
１０−８ 赤色放射の低減
先行技術によるＦ２レーザは通常、バッファガスとしてヘリウムを利用している。ネオンも使えるが、バッファガスにネオンを使うレーザの効率は、バッファガスにヘリウムを使うＦ２レーザに比べ大巾に下がる。一般にバッファガスにネオンを使うと、同等のレーザパルスエネルギーを生成するのに実質的に高濃度のフッ素と高電圧が必要となる。ヘリウムはネオンよりはるかに安いので、先行技術ではフッ素バッファガスに自然とヘリウムが選ばれてきた。しかし上記のように、ヘリウムバッファガスによるＦ２レーザはかなり高割合の可視及び赤外線光を生成するので、超蛍光又はレーザ発光さえもが当該波長で起こる。通常この割合は十分に高いので、これらの長波長においてレーザ発光が実際に起こる。レーザビーム内のこれらの長波長は、上記のエネルギー検出に関する問題を引き起こす可能性があり、赤波長も下流のリトグラフシステム内で問題を引き起こす可能性がある。これらの問題は対処可能であるが、多くの場合良好な解決方法は、ビームがレーザ内に生成されている時にビームから赤及び赤外線光を実質的に減らすか又は無くすことである。
【０１０４】
本出願人は、バッファガスが純粋ヘリウムからヘリウムとネオンの適切な混合に変わる時に、事実ビーム中の赤及び近赤外線が無くなると説明した。しかし、望ましくない赤及び近赤外線の成分を実質的に減らすことに加えて、ネオンを追加することは、望ましいＵＶ波長でのレーザ効率に影響を及ぼす。従ってヘリウムとネオンの最良の混合は、最大パルスエネルギーの重要性と赤及び近赤外線を無くすことの相対的な重要性に左右され、異なる可能性がある。全バッファ量に対する割合として、ネオンの好適な範囲は通常、約４０％から９５％である。図２１に示すように、赤―ＩＲエネルギを実質的にゼロにしながら最大ＵＶパルスエネルギーを提供する良好なバッファガス混合の範囲は、ネオンが０．５２から０．６３で残りがヘリウムとなる範囲である。
【０１０５】
１１ 単線と狭線構成
図１１Ａは、好適なＦ２レーザシステムの好適な単線構成を示す。この構成では、二つの主なフッ素線の内の一つを図示の簡単なプリズム選択器により選択する。図１１Ｂは線を狭めた好適なシステムを示し、このシステムでは電力発振器が主発振器によりシードされる。主発振器と電力発振器の両方が同じレーザチャンバを使うことができる。Ｆ２レーザの線を狭めるため、１９９９年９月２７日出願の米国特許出願番号第０９／４０７，１２０号に記載された手法を使って、エタロン出力カプラーが使用されており、この出願は参考文献として本明細書に組み込まれている。この手法によりエタロン出力カプラーは、二つの主要線の内の一方で光の約２０％を反射し他方の主要フッ素線で光を通すように調整される。次にレーザは、反射された線でレーザ発光する。
【０１０６】
図１９と２０は、調節領域が拡大した可同調Ｆ２レーザを示す。レーザ共振器は、出力連結器ミラー３２と波長同調光学機器とから成る。波長同調光学機器はビーム拡大光学サブアセンブリ３１と回折格子３８とから成る。光学利得媒体はガス放電のフッ素ガス分子を励起する手段により、ガス放電チャンバ３０内に生成される。同様の構成が、長波長、即ち２４８ｎｍのＫｒＦレーザ及び１９３ｎｍのＡｒＦ、で作動するリトグラフのための狭帯域エクシプレックスレーザで現在使われている。これらのレーザ間の主な違いは、利得媒体のスペクトル利得分布と時間利得ダイナミックである。エクシプレックス分子は通常少なくとも数十ｐｍのはるかに広いスペクトル領域内で利得を示すのに対して、約１５７ｎｍで観察されたフッ素分子遷移のスペクトル利得分布は、複数線及び単線のレーザ放出スペクトルの最近の測定結果によれば、普通は約１．１ｐｍに制限されていると考えられている。しかし詳しく調べると、例えば特定の高利得値が含まれる場合、観察されたスペクトルは利得媒体の実際の利得分布を必ずしも反映していないので、これは真実ではないことが判明している。分子Ｆ２レーザ媒体の高特定利得と、約０．５ｍから１ｍという利得媒体の通常使用される長さのため、観測できる放射スペクトルは、狭められ、利得媒体を通る単一経路内に既にある固有遷移波長の最大値の個所でピークとなる。この物理的な既知の挙動は、カリフォルニア州、ミルバレー、大学科学書、Ａ．Ｅ．シーグマン著「レーザ」等、多くの標準的なレーザ手引書に記載されている。残念ながら、この単純な手法によるジオプティク画像光学系を使って、リソグラフにとって役立つ帯域にまで線を狭める操作を達成するために必要な利得長製品は、少なくとも数ｍの不合理な増幅長を必要とする。
【０１０７】
いずれの個別ＵＶ／ＶＵＶ分子Ｆ２レーザ遷移の本当に利用可能なＦＷＨＭ（最大半値幅）利得帯域も、フッ素分子を励起することにより利得を生成するガス放電の通常の作動条件においては、１５７．６２９９ｎｍで４ｐｍと推定することができる。レーザの光共振器及び放出波長は、ＵＶ／ＶＵＶ分子Ｆ２レーザ遷移の任意の単一の遷移のほぼＦＷＨＭ帯域の範囲に亘って同調させることができる。ＦＷＨＭ利得帯域へ主に寄与するのは、圧力誘発衝突による幅拡大であるので、同調範囲は放電チャンバ内の圧力を上げることで容易に拡大できる。１５７ｎｍフッ素分子遷移の約７ｐｍ離れている隣接回転線遷移が、圧力を高めた時の個別遷移の圧力拡大によって重なるのであれば、拡大された波長（約５０ｐｍ）の範囲に亘るほぼ連続的同調を達成することができる。図２０は、圧力を高めたときの１５７．６２９９ｎｍの強線近傍のスペクトル利得分布を示す。
【０１０８】
勿論、先行技術によるエキシマレーザで通常使用されている約３気圧という圧力以上にチャンバ圧力を上げると、チャンバコストが増大する。しかし、本出願人は、約７から１０気圧の範囲内の気圧ならば大巾にコストを上げずに対処できるし、同調領域を実質的に広げることになるであろうことを提案する。
【０１０９】
１２ 利得媒体線識別
Ｆ２レーザの二つの主スペクトル線の中心は、約１５７．６３０ｎｍと、１５７．５２３ｎｍである。自励レーザでは通常、１５７．６３０ｎｍ線は１５７．５２３ｎｍ線よりも実質的に大きい。しかし一般に１５７．５２３ｎｍは、多くの製品で問題となるくらい広い。本出願人は、小さい線を識別するための利得媒体に関係なく上記方法を述べた。本出願人は、放電領域を約２１．５インチから約１４インチへ短くし放電電圧を下げれば、１５７．６３０ｎｍだけでレーザ発光させることができ、１５７．５２３線は現れないことを発見した。
【０１１０】
本Ｆ２レーザシステムを特定の実施例を参照しながら説明したが、様々な変更と修正ができることを認識されたい。例えば、多数の代替実施例が本明細書の最初の項に列挙した特許出願で述べられており、そのすべてが参考文献として本明細書に組み込まれている。更に線を狭めるために、エタロン出力カプラを使うこともできる。バッファガスはヘリウムでなくネオンとすることもできる。本発明は上記請求項によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による市販のエキシマリソグラフィレーザの図面である。
【図２】集積回路リソグラフィ用に使われる先行技術による市販のエキシマレーザの主要要素の幾つかを示すブロック線図である。
【図３】図２のレーザのレーザチャンバの図面である。
【図４】本発明の好適な実施例の図面である。
【図５】磁気ベアリングを含むブロワー駆動ユニットを示す図面である。
【図６】本発明の好適な実施例のレーザチャンバの断面図である。
【図６Ａ】本発明の好適な実施例のレーザチャンバの断面図である。
【図７】好適なプレイオナイザ管の特徴を示す図面である。
【図８Ａ】本発明の好適な実施例のパルス出力システムのブロック線図である。
【図８Ｂ】上記の好適な実施例の簡略化された回路線図である。
【図８Ｃ】上記の好適な実施例の一部の高電圧電源の混成のブロック線図と回路線図である。
【図８Ｄ】上記の好適な実施例で使われるパルス変圧器の斜視アッセンブリ図である。
【図８Ｅ】上記の好適な実施例で使われるパルス変圧器の一次巻線の図面である。
【図８Ｆ１】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｆ２】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｆ３】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｇ１】可飽和インダクタの平面図である。
【図８Ｇ２】図８Ｇ１の線８Ｇ２−８Ｇ２に沿う可飽和インダクタの断面図である。
【図８Ｈ１】好適な実施例における圧縮ヘッドの取付を示す。
【図８Ｈ２】好適な実施例における圧縮ヘッドの取付を示す。
【図９Ａ】好適な熱交換器の設計を示す図面である。
【図９Ｂ】好適な熱交換器の設計を示す図面である。
【図１０Ａ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｂ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｃ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｄ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｅ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｆ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１１Ａ】好適なＦ２システム構成を示す。
【図１１Ｂ】好適なＦ２システム構成を示す。
【図１２Ａ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｂ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｃ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｄ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｅ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１３】好適なエンクロージャ冷却システムを示す。
【図１４Ａ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１４Ｂ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１４Ｃ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１５Ａ】フッ素濃度に対する、最大パルス反復度と、パルスエネルギとの関係を示す。
【図１５Ｂ】時間に対する、相対電力と、パルス巾との関係を示す。
【図１６】大型のマニホールドガス供給システムを示す。
【図１７】光学的パージシステムを示す。
【図１８】好適なパルスエネルギ検知システムを示す。
【図１９】Ｆ２レーザの線を狭くするための手法を示す。
【図２０】圧力を高めＦ２レーザビームを拡大する様子を定性的に示す。
【図２１】他のバッファガスをヘリウムとしてネオン濃度を高める場合の、パルスエネルギと光スペクトルの変化を示す。
【図２２Ａ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｂ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｃ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｄ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【符号の説明】
２０１ レーザエンクロージャ
２０２ ガスモジュール
２０３ 冷却水供給モジュール
２０４ 交流／直流分配モジュール
２０５ 制御モジュール
２０６ ライン狭帯化モジュール
２０７ 圧縮ヘッド
２０８ 高電圧パルス電源モジュール
２０９ パルス電源用整流子モジュール
２１０ 金属フッ化物トラップ
２１１ レーザチャンバ
２１３ 波長計
２１４ 自動シャッタ
２１６ 出力カプラ
２１７ ブロワーモータ
２１８ 金属フッ化物トラップ電源
２１９ 状態指示ランプ
２２０ ２４Ｖ電源
２２１ チャンバ窓
２２２ ガス制御フレキシブル接続部
２２４ ベントボックス
本出願は、「信頼性のあるモジュラー型の製造品質を備えた狭帯域高周波数Ｆ２エキシマレーザ」と題する１９９９年３月１９日出願の米国特許出願番号第０９／２７３，４４６号の一部継続出願である。本発明はレーザに、より厳密には狭帯域Ｆ２エキシマレーザに関する。
【０００２】
【従来技術】
ＫｒＦエキシマレーザは集積回路リソグラフィ用の最新の光源である。このようなレーザの一つが、１９９０年９月２５日付で発行された米国特許第４，９５９，３４０号に記載されている。このレーザは約２４８ｎｍの波長で作動する。ＫｒＦレーザを使うと、１８０ｎｍ程度の寸法の集積回路を製造することができる。約１９３ｎｍで作動するＡｒＦレーザ、又は約１５７ｎｍで作動するＦ２レーザを使うと、更に微細な寸法のものを作ることができる。
【０００３】
このようなＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、Ｆ２レーザは酷似しており、事実、ＫｒＦレーザを作るために使われる同じ基本的装置を、波長の僅かの差に対応するためにガス濃度を変更し制御装置と計器を変更するだけで、ＡｒＦレーザやＦ２レーザを作るために使用できる。
【０００４】
リソグラフィレーザ制御装置及び他のリソグラフィ装置には、このようなレーザにより生成された紫外線を感知するレーザパルスエネルギモニターが必要である。最新の集積回路リソグラフィ装置においてパルスエネルギをモニターするために使われる、標準的な先行技術による検知器は、シリコンフォトダイオードである。
【０００５】
集積回路生産で使われる代表的な先行技術によるＫｒＦエキシマレーザを、図１と図２に示す。この先行技術によるレーザのレーザチャンバの断面図を図３に示す。パルスパワーシステム２はパルス高電圧電源３により駆動され、放電チャンバ８に配置された電極６に電気パルスを供給する。代表的な最新のリソグラフィレーザは、パルス速度約１０００Ｈｚ、１パルス当たり約１０ｍＪのパルスエネルギで作動する。約３気圧のレーザガス（ＫｒＦレーザの場合、０．１％のフッ素、１．３％のクリプトン、残りはバッファガスとして機能するネオン）が、電極間の空間を約１０００インチ／秒の速度で循環する。これにはレーザ放電チャンバ内に配置された接線流ブロワー１０を使用する。レーザガスの冷却には、やはり放電チャンバ内に配置された熱交換器１１と、チャンバの外側に取り付けた冷却プレート（図示せず）とを使用する。エキシマレーザの固有帯域巾は、ライン狭帯化モジュール１８により狭められる。市販のエキシマレーザシステムは、通常、システムの他の部分を妨げることなく素早く交換できる、複数のモジュールから構成される。主要なモジュールには、レーザチャンバモジュール、高電圧電源モジュール付きパルスパワーシステム、整流子モジュール及び高電圧圧縮ヘッドモジュール、出力連結モジュール、ライン狭帯化モジュール、波長計モジュール、コンピュータ制御モジュール、ガス制御モジュール、冷却水モジュールが含まれる。
【０００６】
電極６は陰極６Ａと陽極６Ｂとから構成される。陽極６Ｂは、この従来技術による実施例では、図３に断面図で示された陽極支持棒４４により支持される。この図では流れは時計回り方向である。陽極支持棒４４の一つのコーナーと一つのエッジはガイドベーンとして働き、ブロワー１０からの空気を陰極６Ａと陽極６Ｂの間に強制的に流す。この従来技術によるレーザの他のガイドベーンを４６、４８、５０として示す。穴の開いた逆流板５２は、陽極６Ｂがチャンバ８の金属構造体へ接地するのを助ける。本プレートには大きな穴（図３に示さず）がレーザガス流経路内に設けられているので、逆流板がガスの流れへ実質的に影響しないようになっている。アレイ状の個別のコンデンサ１９から構成されたピーキングコンデンサは、各パルスを発生させる前に、パルスパワーシステム２により充電される。ピーキングコンデンサの電圧上昇の間に、二つのプレイオナイザ５６により陰極６Ａと陽極６Ｂ間でレーザガスを僅かながらイオン化し、コンデンサ１９の充電が約１６，０００Ｖに達すると、電極を横切って放電が起こり、エキシマレーザパルスが生成される。各パルスに続き、電極間に約１インチ／ミリ秒のガス流をブロワー１０で生成すれば、１ミリ秒後に起こる次のパルスに間に合うように新たなレーザガスを電極間に提供するには十分である。
【０００７】
通常のリソグラフィエキシマレーザでは、フィードバック制御システムにより各パルスの出力レーザエネルギを測定し、所望パルスエネルギからの変動度合を求め、次に電源電圧を調整するために信号を制御装置に送り、後に続くパルスのエネルギを所望エネルギに近づけるようにしている。
このようなエキシマレーザでは通常、１日２４時間、毎週７日間の数ヶ月の連続操業が、定期点検用の僅かな停止のみで要求される。このような先行技術によるレーザで見られる問題の一つは、ブロワーベアリングの過度の磨耗と偶発的故障である。集積回路産業には、ＫｒＦレーザやＡｒＦレーザでは得ることができない集積回路解像度を可能にするために、モジュラー型で信頼性のある製造ライン品質を備えたＦ２レーザへのニーズが存在している。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、１，０００から２，０００Ｈｚ又はそれ以上の範囲の反復度で、１５７ｎｍの波長範囲で約１ｐｍ又はそれ以下の最大帯域幅、最大半値幅で数ｍＪ範囲のパルスエネルギを有するレーザパルスを生成できる、信頼性のあるモジュラー型で製造品質のＦ２エキシマレーザを提供する。本発明は、レーザからの望ましくない赤外線及び可視光の放出を減らしつつレーザ効率を最大化するためのレーザガス混合気体も開示している。更に、赤外線及び可視光を実質的に感知しない紫外線エネルギー検知器も開示している。本発明の好適な実施例は、平均パワー出力を約１０から４０Ｗの範囲とし、パルスエネルギを１．０から１０ｍＪの範囲とし、１，０００から４，０００Ｈｚの範囲で作動させることができる。このレーザを照明源、ステッパー又はスキャナ装置として用いると、０．１μｍ又はそれ以下の集積回路解像度を作ることができる。交換可能なモジュールとしては、レーザチャンバとモジュラーパルスパワーシステムがある。
【０００９】
好適な実施例では、レーザは二つの外部プリズムからなるセットを使ってＦ２の１５７．６ｎｍの線に同調される。第２の好適な実施例では、広帯域でレーザを作動させ、１５７．６ｎｍの線は共振空胴の外側に選択される。第３の好適な実施例では、インジェクションシーディングを使って０．２ｐｍの線幅が提供される。第４の好適な実施例では、二つのＦ２線の内の一方がエタロン出力カプラを使って選択される。他の実施例では、線選択に格子を利用し、レーザを４気圧を超す圧力で作動させることにより同調範囲を拡大している。
【００１０】
【実施例】
（第１の好適な実施例）
図面を参照して、本発明の好適な実施例について説明する。
（モジュラーレーザ設計）
本発明の好適な実施例の正面図を図４に示す。本図は、修理、交換、メンテナンス時に素早くモジュールの交換ができる、本発明のモジュールの特性を強調している。本発明の主な特徴を図４の符号に対応させ、以下に列挙する。
２０１ レーザエンクロージャ
２０２ ガスモジュール
２０３ 冷却水供給モジュール
２０４ 交流／直流分配モジュール
２０５ 制御モジュール
２０６ ライン狭帯化モジュール
２０７ 圧縮ヘッド
２０８ 高電圧パルス電源モジュール
２０９ パルス電源用整流子モジュール
２１０ 金属フッ化物トラップ
２１１ レーザチャンバ
２１３ 波長計
２１４ 自動シャッタ
２１６ 出力カプラ
２１７ ブロワーモータ
２１８ 金属フッ化物トラップ電源
２１９ 状態指示ランプ
２２０ ２４Ｖ電源
２２１ チャンバ窓
２２２ ガス制御フレキシブル接続部
２２４ ベントボックス
【００１１】
（好適な実施例）
本発明の好適な実施例は、図１、２、３に示したレーザの改良版である。この好適な実施例は下記の改良点を含んでいる。
１）効率の改善、プレイオナイゼーションの改良、電極間のレーザガス流の改善のために、先行技術の二本管プレイオナイザの組み合わせを単一管の大型プレイオナイザに置き換える。
２）ワンピースで機械加工されるシリコンを含まない（以下、無シリコン）ファンブレード。
３）半導体パルスパワーシステムを変更して立上り時間を早め、より安定したパルスを提供し、高電圧でのレーザ効率を改良する。
４）パルスパワーシステムの充電電圧のより精密な制御。
５）パルスエネルギとバーストエネルギの制御を大幅に改良する新アルゴリズムによりプログラムされたコンピュータ制御装置。
６）電極間隔を１０ｍｍへ削減する。
【００１２】
１ レーザチャンバ
１−１ 単一管プレイオナイザ
図６は、図３に示す二本管プレイオナイザ５６に代わる単一大型プレイオナイザ管５６Ａを示す。単一管プレイオナイザは、１９９８年２月１７日に発行された米国特許第５，７１９，８９６号の記載に従って製造され、この特許は本明細書に参考文献として組み込まれている。本出願人は、単一管プレイオナイザがそれで十分なばかりでなく二本管プレイオナイザに比べ驚異的な性能向上をもたらすことを発見した。本実施例ではプレイオナイザを電極の上流に配置している。本出願人は、単一管プレイオナイザは、放電の空間的安定性の改良によりパルス間の安定性を改良すると判断している。
【００１３】
図７において、本プレイオナイザは、アンチトラッキング溝１７０を管の一体構成要素として組み込んでいるブッシング要素１８０を有する、一体型管のデザインを利用している。ロッド部分１４５の直径とプレイオナイザのブッシング部分１８０の外径は１／２インチである。内側のコンダクタロッド１４６の直径は７／３７インチ、接地を行うためブッシング部分の内部を通り延びる接続ワイヤの直径は１／１６インチである。先行技術によるプレイオナイザ管の設計では二直径設計を利用し、ロッド部分の直径を約１／４インチ、ブッシング部分の直径を約１インチとしている。このため、製造するためには、ブッシング部品を管部品に接続する接合工程が必要であった。直径が一定で厚肉の管設計は従来の設計ルールに反しており、低容量に起因するイオン化の減少が予想された。多くの設計では、管の肉厚は選ばれた材料の絶縁強度に左右される。当業者は、先行技術による従来のプレイオナイザ管の設計手法が、最高絶縁強度の材料を選びその容量に合う壁厚を決定する手法であることを認識している。例えばサファイア材料は１２００Ｖ／ミルから１７００Ｖ／ミルの絶縁強度を有することが知られている。それ故０．０３５インチの絶縁厚さであれば、レーザが２５ｋＶで作動する場合安全率は２である。この設計では低容量となるものの、この低減した容量がレーザ作動に及ぼす実際の影響は、電極ギャップで測定される幾何学的な放射照度が驚異的に増加するため、無視し得ることが発見されている。一定の直径、厚い管壁、一体ブッシング設計、単一片材料を採用しているので、アンチトラッキング溝１７０を設けるために機械加工ができる。単一片構造なので、超高純度（例えば９９．９％）の多結晶半透明酸化アルミニウムセラミックを使う必要はない。とはいえ本出願人は超高純度材料を使い続けている。ブッシング１８０と管１４５の間に人工的に一体関係を作り出すための拡散接合に備えて、管形状へ難しい表面研磨を施す必要はない。事実、高純度は材料の空隙率ほどに重要な特性ではないことが判明している。空隙率が上がると絶縁強度は低くなることが分かっている。従って商業的等級のセラミックは少なくとも９９．８％の純度と低空隙率を有することが好ましく、例えばクアーズセラミック社が絶縁耐力３００Ｖ／ミルを有する材料番号ＡＤ−９９８Ｅとして製造するものが使用できる。ブッシング１８０には、先に述べたようにアンチトラッキング溝１７０が設けられているので、高電圧が管表面に沿って軸方向に陰極から接地面１６０へと伝わるのを防止する。
【００１４】
上記のように本出願人は、単一プレイオナイザは二つのプレイオナイザよりもはるかに性能がよいことを発見しており、上記のように第１の実施例では、単一プレイオナイザシステムを電極の上流に配置している。本出願人は、単一プレイオナイザを電極の下流に配置した実験も行っており、この構成では、一定のブロワー速度で、二つのプレイオナイザを上流に配置する場合に比べ、パルスエネルギの安定性が基本的に良好になることを見いだしている。
【００１５】
１−２ 高効率チャンバ
レーザの効率を改良するためチャンバに改良が施されている。アルミナＡＬ2Ｏ3で構成された単一片の陰極インシュレータ５５Ａは、図６に示すように、上部チャンバ構造から陰極を遮蔽する。先行技術による設計では、インシュレータの熱膨張応力によるインシュレータの割れを避けるため、８個の別々のインシュレータが必要であった。この重要な改良により、チャンバのヘッド部分を短縮でき、陰極８３とピーキングコンデンサ８２との間の距離を相当短くすることができた。ピーキングコンデンサアレイ８２を形成する個々のコンデンサ５４Ａは、水平方向に動かされ、先行技術の場合に比べ、陰極へ近づいている。
【００１６】
市販のリソグラフィレーザ用の先行技術による陰極は、通常、図３に示すように、陰極支持棒５３により支持されていた。この好適な実施例では陰極支持棒が不要であり、陰極８３は若干厚くなり、単一片インシュレータ５５Ａ上に直接取り付けられている。陰極８３は、フィードスルーロッド８３Ａと連結ナット８３Ｂにより、ピーキングコンデンサ８２の高圧側８２Ａへ接続される。好適な実施例では、新たな陰極支持棒８４Ａは、先行技術の陰極支持棒に比べて基本的に大きく、ガス流領域中に配置されたフィン８４Ｂを含んでいる。この二つの特徴により陽極の温度変動が最小となる。
【００１７】
１−３ 金属シール
本出願人は、先行技術のエラストマシールはフッ素ガスと反応し、レーザ性能を低下させる汚染物をレーザガス中に生じさせることを発見した。本発明の好適な実施例では、レーザチャンバをシールするため全てが金属のシールを使用する。好適な金属シールは、錫メッキしたインコネル１７１８のシールである。
【００１８】
１−４ モネル製の逆流板及びベーン
本出願人は、ステンレススチール製の構成要素もフッ素と反応し、汚染物をレーザガス中に生じさせることを発見した。それ故に、この好適な実施例では、先行技術によるステンレススチール製の逆流構造体とガスフローベーンとを、モネル製の逆流板２５０とモネル製のフローベーン２５２、２５４に置き換えた。
【００１９】
１−５ ファンの改良
本発明のこの好適な実施例は、真鍮を含まないブロワーブレード構造体を含んでいる。ブロワーブレードは、共振効果を大幅に減らし、ベアリング寿命を延ばす非対称ブレード構成となっている。
【００２０】
１−５−１ 無シリコンファンブレード構造体
本出願人は、ブロワーブレード構造体によく使われている真鍮材がレーザチャンバ内のＳiＦ6の主要源であることを発見した。このガスはＫｒＦレーザではレーザ性能を相当低下させるものであったが、ＡｒＦレーザとＦ２レーザの場合は完全に駄目にするものであった。この問題に対し本出願人は４つの解決策を採用した。第一に、材料の中実ブロック（本ケースではアルミニウム）からブレード構造体を幾つかのセグメントに機械加工した。第二の解決策では、ブレード構造体を幾つかのセグメントに鋳造することであった。次に、新たな材料を一切加えない電子ビーム溶接により、これらのセグメントを溶接した。ブレードをフレーム構造体へと連結することによりブレード構造体を作ることもできるが、この場合、先行技術による蝋付け処理ではなく電子ビーム溶接により接続した。第四の解決方法は、無シリコン半田材を使う半田処理によりブレードをフレーム構造体へ接続することである。全ての構成要素片のベース材料として、アルミニウム６０６１が使用される。次に、これらの部品は半田付け工程に先立ち銅メッキされる。次に全部品を組み立て、これに、９１％の錫（Ｓｎ）と９％亜鉛（Ｚｎ）で代表される低融点半田材を使って、ファンを真空炉で半田付けする。この半田材を選ぶ理由は、シリコンを含んでいないこと及び銅メッキされたアルミニウムを使えることである。次に、組立てられ半田付けされたファンをニッケルメッキする。この組立方法により、無シリコンファンを安価に製造できる。
【００２１】
１−５−２ 共振効果の低減
先行技術によるブロワーブレード構造体は、２３枚の縦ブレードを有する接線流ブロワーにより構成されていた。ブレードは構造体の外周に対称的に取り付けられていた。実質的な共振効果をファンパラメータと実際のレーザ性能の両者に対し測定した。レーザビーム内の摂動は、ファンの回転数の２３倍の音響波と一致していることが示された。ベアリング性能に対する悪影響もファンの回転数の２３倍に対して測定された。
【００２２】
ファン構造の改良には、図１４Ａに示すような非対称のブレード配置が必要である。図１４Ｂに示す代替例では、ファンブレード構造は、各セグメントが２３枚のブレードを有する、１６の個別の機械加工又は鋳造されたセグメントで形成されており、各セグメントを隣接するセグメントに対し３６０°／（１５ｘ２３）又は約１°だけ回転させて作られている。ファンブレード構造体を製作する上で機械加工又は鋳造の手法へ比較的簡単に折り込まれる別の改良は、ブレードを図１４Ｃの３２０に示すようなエアフォイル状に形成することである。先行技術によるブレードは打ち抜き加工されていたが、打ち抜き加工ブレードの内の二つのブレードの断面３１４を比較のために示す。回転方向を３１８で、ファンブレード構造体の外周を３３０で示す。従来型ブレードでは厚みが一様であるのに対し、エアフォイルブレードは、丸みの付いたリーディングエッヂ、厚肉の中央部、先細のトレーリングエッヂを含む涙滴型形状をしている。
【００２３】
１−６ ベアリングの改良
本発明の実施例は、先行技術に対する２つの代替改良点の内の１つにより実現される。
１−６−１ セラミックベアリング
本発明の好適な実施例は、セラミックベアリングを含んでいる。好適なセラミックベアリングは合成潤滑剤で潤滑される窒化シリコン製であり、過フッ素ポリアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）で潤滑されることが好ましい。このベアリングの寿命は先行技術によるエキシマレーザベアリングよりも基本的に長い。又、ベアリング、潤滑剤のいずれも反応性の高いフッ素ガスの影響を著しく受けることはない。
【００２４】
１−６−２ 磁気ベアリング
本発明のもう一つの好適な実施例は、図５に示すように、ファン構造体を支える磁気ベアリングである。本実施例では、ファンブレード構造体１４６を支持するシャフト１３０はアクティブ磁気ベアリングシステムにより支持され、ブラシレスＤＣモーター１３０で駆動され、モーターのローター１２９と少なくとも二つのベアリングのローター１２８とはレーザ空洞のガス環境内でシールされ、モーター固定子１４０と磁気ベアリング磁石のコイル１２６はガス環境外に配置されている。この好適なベアリング設計も又、ガス環境外に配置されたコイルを有するアクティブ磁気スラストベアリング１２４を含んでいる。
【００２５】
１−７ 空気力学的な陽極支持棒
図３に示すように、先行技術によるブロワー１０からのガス流は、陽極支持棒４４により電極６Ａと６Ｂの間に強制的に流れされていた。しかし本出願人は、図３に示されているような先行技術による支持棒４４の設計では、相当な空気力学的反力がブロワーに生じてブロワーベアリングに伝えられ、チャンバ振動を引き起こすことを発見した。本出願人は、この振動による力はブロワーベアリングの磨耗と偶発的なベアリング故障の原因となるのではないかと考えた。本出願人は他の設計のものを試験し、その内の幾つかを１２Ａ−１２Ｅに示しているが、いずれの場合も、ブレードが支持棒４４の縁の近くを通過する度に生じる反力をより長い期間に亘って分散させることにより、空気力学的反力が減少した。本出願人が好適とする陽極支持棒の設計を図６Ａの８４Ａに示す。この設計では基本的に大きな質量を持たせ陽極の温度上昇を最小に抑えた。陽極と陽極支持棒の全体質量は約３．４ｋｇである。この設計には又、陽極を更に冷却するフィン８４Ｂが含まれている。本出願人の試験の示す所では、音響的バッフルと空気力学的な陽極支持棒の両者はガス流を若干減らす傾向があるためガ、ス流が制限されており、この二つの改良点を利用するにはトレードオフ分析が必要であった。このような理由から二つの改良点は、図６Ａには示されているが、図６には示されていない。
【００２６】
２ パルスパワーシステム
２−１ ４つのパルスパワーモジュールの機能説明
好適なパルスパワーシステムは、図８Ａ、８Ｂに示すように、４つの別々のモジュールで製造されており、各モジュールはエキシマレーザシステムの重要な部品であり、部品故障又は定期点検実施の際には素早く交換できるようになっている。本出願人はこれらのモジュールを高電圧電源モジュール２０、整流子モジュール４０、圧縮ヘッドモジュール６０、レーザチャンバモジュール８０と呼んでいる。
【００２７】
２−２ 高電圧電源モジュール
高電圧電源モジュール２０は、電源１０からの２０８Ｖ三相交流発電電力を３００Ｖの直流に変換するための３００Ｖ整流器２２を備えている。インバータ２４は、整流器２２の出力を１００ｋＨｚから２００ｋＨｚの範囲の高周波３００Ｖパルスに変換する。インバータ２４の周波数とオン時間は、システムの最終出力パルスエネルギを予定通りに調節するために、ＨＶ電源制御ボード２１で制御される。インバータ２４の出力は昇圧変圧器２６により約１２００Ｖに昇圧される。変圧器２６の出力は、標準ブリッジ整流回路３０とフィルターコンデンサ３２とを含む整流器２８により１２００Ｖの直流に変換される。回路３０からの直流電気エネルギは、図８Ａに示すように、インバータ２４の作動を制御するＨＶ電源制御ボード２１の指令通りに、整流子モジュール４０の８．１μＦＣ0充電コンデンサ４２を充電する。ＨＶ電源制御ボード２１内のセットポイントはレーザシステム制御ボード１００により設定される。
【００２８】
図８Ａに示すように、この実施例では、レーザシステムに対するパルスエネルギ制御を電源モジュール２０が行っていることに注目されたい。整流子４０と圧縮ヘッド６０の中の電気回路は、電源モジュール２０により充電コンデンサ４２に貯えられた電気エネルギを使って、毎秒１０００から２０００回の割合で電気パルスを形成し、パルス電圧を増幅し、正しくパルス持続時間を圧縮する役割を果たすだけである。このような制御の例として図８Ａでは、制御ボード１００のプロセッサ１０２は、充電サイクルの間は半導体スイッチ４６によって下流回路から遮断されている充電コンデンサ４２へ正確に７００Ｖが供給されるように、電源を制御している。整流子４０と圧縮ヘッド６０の中の電気回路は、スイッチ４６が閉じられると即刻且つ自動的に、充電コンデンサ４２に貯えられた電気エネルギを、次のレーザパルスを制御ボード１００のプロセッサ１０２が決めた必要とされる正確なエネルギで提供するのに必要な、電極８３、８４を横切る正確な電気的放電パルスに変換する。
【００２９】
２−３ 整流子モジュール
整流子モジュール４０は、本実施例では８．１μＦの合計キャパシタンスを提供する並列接続されたコンデンサバンクであるＣ0充電コンデンサ４２を含む。電圧分割器４４は、充電コンデンサ４２の充電をある電圧（「制御電圧」と呼ぶ）に制限するために制御ボード２１が使用するフィードバック電圧信号をＨＶ電源制御ボード２１に提供するが、この制御電圧は、電気パルスに形成され整流子４０と圧縮ヘッド６０の中で圧縮され増幅された時に、ピーキングコンデンサ８２の上及び電極８３、８４を横切って所望放電電圧を作り出すものである。
【００３０】
この実施例（約３ジュール及び１６，０００Ｖの範囲で、毎秒２０００Ｈｚで電気パルスを提供するように設計されている）の場合、電源２０が充電コンデンサ４２を８００Ｖに充電するには、約２５０μ秒（図８Ｆ１）が必要である。従って、充電コンデンサＣ0に蓄えられた３ジュールの電気エネルギを電極８３と８４の間の１６，０００Ｖの放電電圧に変換する高速のステップを開始する半導体スイッチ４４が、整流子制御ボード４１からの信号により閉じられた時、充電コンデンサ４２は完全に充電され所望電圧で安定する。この実施例の場合、半導体スイッチ４６はＩＧＢＴスイッチであるが、ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＭＣＴ等の他のスイッチ技術も使用できる。６００ｎＨの充電インダクタ４８は半導体スイッチ４６と直列に接続されており、Ｃ0充電コンデンサを放電させるためにスイッチ４６が閉じている間にはスイッチ４６を通過する電流を一時的に制限する。
【００３１】
２−３−１ パルス生成段階
高電圧パルスパワー生成の第一段階はパルス生成段階５０である。パルスを生成するために、充電コンデンサ４２上の電荷は、ＩＧＢＴスイッチ４６を閉じることにより図８Ｆ２に示すように、Ｃ1８．５μＦのコンデンサ５２上へ約５μ秒で切り換えられる。
【００３２】
２−３−２ 圧縮の第一段階
可飽和インダクタ５４はまずコンデンサ５２上に蓄えられた電圧を遅延し、次に飽和し、コンデンサ５２から１：２３昇圧パルス変圧器５６を通してＣp-1コンデンサ６２への電荷転送が、図８Ｆ３に示すように、圧縮の第一段階６１として約５５０ｎ秒の転送時間内にできるようになる。
パルス変圧器５６の設計を以下に述べる。パルス変圧器は非常に効率が高く、７００Ｖ、１７，５００Ａ、５５０ｎ秒のパルス繰り返し数を１６，１００Ｖ、７６０Ａ、５５０ｎ秒のパルス繰り返し数に変換し、極めて短時間、圧縮ヘッドモジュール６０中のＣp-1コンデンサバンク６２上に蓄える。
【００３３】
２−４ 圧縮ヘッドモジュール６０
圧縮ヘッドモジュール６０によりパルスを更に圧縮する。
２−４−１ 圧縮の第二段階
Ｌp-1可飽和インダクタ６４（約１２５ｎＨの飽和インダクタンスを有する）は、１６．５ｎＦのＣp-1コンデンサバンク６２上に電圧を約５５０ｎ秒の間、遅延させた後、Ｃp-1上の電荷が、レーザチャンバ８０の最上部に配置され、電極８３、８４及びプレイオナイザ５６Ａと電気的に並列に接続されている１６．５ｎＦＣpピーキングコンデンサ８２上へ流れる（約１００ｎ秒）ようにする。この５５０ｎ秒の長さのパルスを、Ｃpピーキングコンデンサ８２を充電するための１００ｎ秒の長さのパルスへの変換は、図８Ａの６５に示すように第二及び最後の段階を構成する。
【００３４】
２−５ レーザチャンバモジュール
レーザチャンバモジュール８０の一部として、その最上部に取り付けられているピーキングコンデンサ８２上へ電荷が流れ始めて約１００ｎ秒後、ピーキングコンデンサ８２の電圧は約１４，０００Ｖに達し電極間の放電が始まる。放電が約５０ｎ秒続き、この間にレーザー現象がエキシマレーザの光学共鳴チャンバ内で起こる。光学共鳴チャンバは、本例の場合、図８Ａに８６で示す２プリズム波長選択器及びＲ−ｍａｘ鏡からなるライン選択パッケージ８６と、出力カプラ８８により形成される。このレーザのレーザパルスは狭帯域で、２０から５０ｎ秒、約１０ｍＪで反復度２０００パルス／秒までの１５７ｎｍのパルスである。本パルスによりレーザビーム９０が定められ、ビームのパルスはフォトダイオード９２によりモニターされ、以上を関係を図８Ａに示す。
【００３５】
２−６ パルスエネルギの制御
フォト検出器９２からの信号は制御ボード１００のプロセッサ１０２に送信され、プロセッサは、次及び／又は将来のパルスのためのコマンド電圧を設定するために、このエネルギ信号と好ましくは他のパルスエネルギの履歴データ（以下のパルスエネルギ制御アルゴリズムの項で説明する）を使用する。一連の短時間バースト（例えば、約０．１秒の不感時間で分離された２０００Ｈｚでの１００パルス０．５秒バースト）でレーザーが作動する、好適な実施例においては、制御ボード１００のプロセッサ１０２は、パルス間及びバースト間のエネルギ変動が最小となるように、後続パルス用の制御電圧を選択するために、バースト中の過去の全パルスのエネルギ信号と他のパルスプロフィールの履歴データ共に、最新のパルスエネルギ信号を使う特別なアルゴリズムでプログラムされている。このアルゴリズムを使って、制御ボード１００のプロセッサ１０２が約３５μ秒の時間内でこの計算を実行する。レーザパルスは、図８Ｆ３のＩＧＢＴスイッチ４６のＴ0ファイアリングの後の約５μ秒に発生し、レーザパルスエネルギデータの収集には約２０μ秒が必要である（スイッチ４６のファイアリングの開始をＴ0と呼ぶ）。こうして、前のパルス（２０００Ｈｚで、ファイアリング期間は５００μ秒）に対するＩＧＢＴスイッチ４６のファイアリングの後、約７０μ秒で新たな制御電圧値が準備される（図８Ｆ１に示す）。エネルギ制御アルゴリズムの特徴を以下に述べるが、より詳しくは米国特許出願番号第０９／０３４，８７０号に説明されており、これは本明細書に参考文献として組み込まれている。
【００３６】
２−７ エネルギ回収
この好適な実施例は、前のパルスから余分のエネルギを充電コンデンサ４２へ回収する電子回路を備えている。この回路はエネルギの浪費を実質的に減らし、レーザチャンバ８０内の後信号が事実上なくなる。
エネルギ回収回路５７は、エネルギ回収インダクタ５８とエネルギ回収ダイオード５９とから成り、両者は直列に接続され、図８Ｂに示すようにＣ0充電コンデンサ４２と並列に接続されている。実際には、パルスパワーシステムのインピーダンスはチャンバのインピーダンスと正確には一致せず、及びチャンバインピーダンスはパルス放電の間に数次のオーダーで変化するので、チャンバからパルス生成システムの前端へ向かって逆に伝搬するメインパルスにより、逆進行「反射」が生成される。余分のエネルギが圧縮ヘッド６０と整流子４０を通って、逆に伝搬した後で、制御装置がトリガ信号を取り除くことにより、スイッチ４６が開く。エネルギ回収回路５７は、ダイオード５９によるインダクタ５８内の電流の逆転に抗してクランプされたものとして、共鳴自由回転（充電コンデンサ４２及びエネルギ回収インダクタ５８から構成されたＬＣ回路の信号の半サイクル）を通して、充電コンデンサ４２上に負の電圧を生成した反射の極性を反転する。最終的に、チャンバ８０から反射されたエネルギの実質的に全てが各パルスから回収され、次のパルスで利用する準備の整った正の電荷として充電コンデンサ４２上に蓄えられる。図８Ｆ１−８Ｆ３は、コンデンサＣ0、Ｃ1、Ｃp-1、Ｃp上の電荷を示すタイムチャートである。チャートはＣ0上でのエネルギ回収プロセスを示している。
【００３７】
２−８ 磁気スイッチによるバイアス
可飽和インダクタで使われる磁気材料の全Ｂ−Ｈ曲線スイングを完全に利用するために、スイッチ４６を閉じることによりパルスが開始される時点で各インダクタが逆飽和状態になるように、直流バイアス電流が供給される。
整流子の可飽和インダクタ４８、５４の場合、これを達成するためインダクタを通して約１５Ａのバイアス電流が逆方向（通常のパルス電流方向と比べ）に供給される。このバイアス電流は、バイアス電流源１２０により絶縁インダクタＬＢ１を通して供給される。実際の電流は、矢印Ｂ１で示すように電源から、整流子の接地接続、パルス変圧器の一次巻線、可飽和インダクタ５４、可飽和インダクタ４８、絶縁インダクタＬＢ１を経て、バイアス電流源１２０へと流れる。
【００３８】
圧縮ヘッドの可飽和インダクタの場合、約５Ａのバイアス電流Ｂ２が第二のバイアス電流源１２６から絶縁インダクタＬＢ２を通して供給される。圧縮ヘッドで電流は分岐して、大部分の電流Ｂ２−１は、可飽和インダクタＬp-1６４を通り、絶縁インダクタＬＢ３を逆に通り、第二バイアス電流源１２６へと流れる。残りの小電流Ｂ２−２は、圧縮ヘッド６０と整流子４０とを接続するＨＶ接続ケーブルを逆に通り、パルス変圧器の二次巻線を通って接地部へ、そして、バイアス抵抗器を通って、第二バイアス電流源１２６へと逆に流れる。この第二の小電流はパルス変圧器をバイアスさせるのに使われ、パルス変圧器がパルス作動のためにリセットされるようにもなっている。二つの枝部分の各々に分れる電流の量は各経路の抵抗によって決まり、各経路が正しい量のバイアス電流を受け取るように意図的に調整される。
【００３９】
２−９ 電流の方向
本実施例では、システムを通って標準の三相電源１０から電極及び電極の先の接地部へ流れるパルスエネルギの流れを「順方向流れ」、この方向を「順方向」と呼ぶ。順方向導電状態にある可飽和インダクタような電気的構成要素に言及する場合、電気的構成要素は、電極方向に「パルスエネルギ」を導電する飽和状態にバイアスされていることを意味する。逆方向導電状態にある場合、電気的構成要素はエネルギを電極から充電コンデンサの方向へ導電する飽和状態にバイアスされている。システム中の電流の実際の流れ（即ち電子の流れ）は、システム内で何処にいるかによって変わる。電流方向を説明したのは混乱する可能性をなくすためである。
【００４０】
図８Ａ、８Ｂによると、本実施例では、Ｃ0コンデンサ４２は、スイッチ４６が閉じた時に、電流がコンデンサ４２からインダクタ４８を通りＣ1コンデンサ５２へ向かって流れる（電子は実際には逆方向に流れる）ように、（例えば）正電圧７００Ｖに充電される。同様に、電流はＣ1コンデンサ５２からパルス変圧器５６の一次側を通り接地部へ向かって流れる。このように、電流とパルスエネルギの方向は充電コンデンサ４２からパルス変圧器５６へと同じ方向となる。以下の項「パルス変圧器」で述べるように、パルス変圧器５６の第一次側ループと二次側ループでは共に、電流は接地部へ向かっている。結果的に放電の開始初期部分の間（放電の主な部分[通常は８０％]）、パルス変圧器５６と電極との間の電流は、電極からパルス変圧器５６へと流れる。従って、主放電の間に電子は接地部からパルス変圧器５６の第二次側を通り一時的にＣp ― 1コンデンサ６２の上そしてインダクタ６４を通り、又一時的にＣpコンデンサ８２上へ、そしてインダクタ８１を通り、電極８４（放電陰極とも呼ぶ）を通って放電プラズマを通り、電極８３を通って接地部へと逆に流れる。このように主放電の間、電子は、パルス変圧器５６と電極８４、８３の間をパルスエネルギと同じ方向に流れる。放電の主要部分に続いて直ぐに電流と電子の流れが逆転し、電子は接地部から、接地された電極８４、電極間の放電空間、電極８３、電気回路、変圧器５６を通って接地部へと逆に流れる。電子の逆の流れが変圧器５６を通過すると、変圧器５６の「一次側」ループ中に電流が生じ、電子の流れが接地部からパルス変圧器５６の「一次側」を通り（メインパルスの電流と同じ方向）、最終的にはＣ0を、図８Ｆ２に定性的に示されているような負に充電する。 Ｃ0上の負の電荷は、図８Ｆ２に示され、先に「エネルギ回収」の項で説明したように逆転される。
【００４１】
３ パルスパワー構成要素の詳細な説明
３−１ 電源
好適な実施例の電源部分の更に詳細な回路線図を図８Ｃに示す。図８Ｃに示されているように、整流器２２は、＋１５０Ｖから−１５０Ｖの直流出力の６パルス位相制御整流器である。インバータ２４は、実際は三つのインバータ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃである。８．１μＦのＣ0充電コンデンサ４２の電圧がコマンド電圧より５０Ｖ小さいと、インバータ２４Ｂ及び２４Ｃが切れ、Ｃ0４２の電圧がコマンド電圧を僅かでも越えると、インバータ２４Ａが切れる。この方法では、充電終期近くで充電速度が下がる。昇圧変圧器２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは定格がそれぞれ７キロワットで、電圧を１２００Ｖ交流に変える。
【００４２】
三つのブリッジ整流器回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを示す。ＨＶ電源制御ボード２１は１２ビットデジタルコマンドをアナログ信号に変換し、それをＣ0電圧モニター４４からのフィードバック信号４５と比較する。フィードバック電圧がコマンド電圧を越えると、上記のようにインバータ２４Ａのスイッチが切れ、電源内に蓄えられたエネルギーを分散させるためにＱ２スイッチ３４が閉じ、更なるエネルギーが電源から逃げぬようにＱ３絶縁スイッチ３８が開き、Ｑ１流出スイッチ３８が閉じてＣ0の電圧がコマンド電圧と等しくなるまでＣ0の電圧を減らす。等しくなった時点でＱ１は開く。
【００４３】
３−２ 整流子と圧縮ヘッド
図８Ａ、８Ｂは整流子４０と圧縮ヘッド６０の主要構成要素を示し、システム作動に関しては上記の通りである。本項では整流子の製作ついて詳述する。
【００４４】
３−３ 半導体スイッチ
この好適な実施例では、半導体スイッチ４６はペンシルベニア州、ヤングウッドに事務所を持つパワレックス社製Ｐ／ＮＣＭ１０００ＨＡ-２８ＨＩＧＢＴスイッチである。
【００４５】
３−４ インダクタ
インダクタ４８、５４、６４は、米国特許第５，４４８，５８０号及び第５，３１５，６１１号に記載された可飽和インダクタと類似の可飽和インダクタである。好適な可飽和インダクタ設計の平面図と断面図をそれぞれ図８Ｇ１、８Ｇ２に示す。図８Ｇ２に示すように、本実施例のインダクタでは、インダクタ内の漏洩磁束を減らすために３０１、３０２、３０３、３０４のような磁束遮断金属片を加えている。このインダクタへの入力電流は、コンデンサ６２にも接続されているバスへのスクリュー接続３０５で行われる。電流は鉛直インダクタを通り４回半のループを形成する。電流は位置３０５から１Ａとラベル付けされた中央の大径導体へ下り、外周の６個の小経インダクタ１Ｂを上り、２Ａを下り、２Ｂを上り、次に全ての磁束遮断要素を下り、３Ｂを上り、３Ａを下り、４Ｂを上り、４Ａを下り、それから電流は位置３０６から出てゆく。ポットのようなハウジング６４Ａは高電圧電流リード線の役目を果たす。可飽和インダクタの「蓋」６４Ｂは、テフロンのような電気絶縁体材料で構成される。先行技術のパルスパワーシステムでは、オイル絶縁された電気構成要素からのオイル漏れが問題であった。本実施例では、オイル絶縁された電気構成要素は可飽和インダクタに限られており、オイルは、上記のように、高電圧接続出力線の役目を果たすポットのようなオイル収容金属ハウジング６４Ａに収容されている。全てのシール接続部はオイルレベルよりも上方に配置され、オイル洩れの可能性を実質的に無くしている。例えばインダクタ６４の最も低い位置にあるシールは、図８Ｇ２の３０８である。磁束遮断金属構成要素はインダクタを通る電流経路の中央部分にあるので、電圧は、磁束遮断金属部品と他の巻線の金属ロッドとの間の安全ホールドオフ間隔が減ることを許容する。放熱を改善するためにフィン３０７が備えられている。
【００４６】
３−５ コンデンサ
コンデンサバンク４２、５２、６２は全て、市販の入手可能な規格品コンデンサが並列接続されたバンクで構成されている。これらのコンデンサは、ジョージア州スミルナに事務所を持つムラタのような納入業者から入手できる。出願人が好適とするコンデンサとインダクタとの接続方法は、米国特許第５，４４８，５８０号に記載の方法と類似の方法により、厚くニッケル鍍金された銅線を有する特別のプリント回路板上の正端子及び負端子へ、コンデンサとインダクタとを半田付けするか又はボルト締めするものである。
【００４７】
３−６ パルス変圧器
パルス変圧器５６も米国特許第５，４４８，５８０号及び第５，３１３，４８１号に記載のパルス変圧器と類似しているが、本実施例のパルス変圧器は、一回だけ巻いた二次巻線と、２３個の個別の一次巻線を有する。パルス変圧器５６の図面を図８Ｄに示す。２３個の一次巻線はそれぞれ、図８Ｄの底面エッジに沿って示すように、プリント回路板５６Ｂ上の正端子及び負端子にボルト締めされた（それぞれ、ボルトねじ穴を有する平らなエッジを備える）二つのフランジを有する、アルミニウムのスプール５６Ａを備えている。絶縁体５６Ｃが各スプールの正端子と隣のスプールの負端子を隔てている。スプールのフランジの間には、長さ１１/１６インチ、外径０．８７５インチ、壁厚約１/３２インチの中空シリンダーがある。スプールは、幅１インチ、厚さ０．７ミルのメトグラス２６０５Ｓ３Ａと、厚さ０．１ミルのマイラー薄膜とで、絶縁されたメトグラス包装材の外径が２．２４インチになるまで包装されている。一次巻線を形成する単一包装済みスプールの斜視図を図８Ｅに示す。
【００４８】
変圧器の二次側は、電気ガラス製の締まり嵌めの絶縁管内に取りつけられた単一ステンレス鋼ロッドである。巻線は図８Ｄに示すように四つの部分にある。図８Ｄに５６Ｄとして示したステンレス鋼の二次側はプリント回路板５６Ｂ上のアース線に５６Ｅで接地され、高電圧端子は５６Ｆである。上記のように、第一巻線の＋及び−端子の間の７００Ｖのパルスは、１：２３の変圧作用により二次側端子の端子５６Ｆにマイナス１６，１００Ｖのパルスを作り出す。本設計によれば、漏洩インダクタンスは非常に低いので、出力上昇時間は非常に早まる。
【００４９】
３−７ レーザチャンバパルス出力構成要素
Ｃｐコンデンサ８２は、レーザチャンバ圧力容器の最上面に取り付けられた２８個の０．５９ｎｆコンデンサバンクで構成されている。各電極８３、８４は長さ約２８インチの中実真鍮棒で、お互いが約０．５から１．０インチ離されている。本実施例では、図８Ａに示すように、最上部電極８３が陰極で、最下部電極８４が接地されている。
【００５０】
３−８ 圧縮ヘッド取り付け
本発明のこの好適な実施例は、図８Ｈ１、８Ｈ２に示す圧縮ヘッド取り付け技術を含む。図８Ｈ１はレーザシステムの側断面図で、電極８３、８４に対するコンプレッサーヘッドモジュール６０の位置を示す。本技術は、圧縮リードチャンバ接続に関連するインピーダンスを最小化するために考案されたが、同時に圧縮ヘッドが容易に素早く取り替えられるようにしている。図８Ｈ１、８Ｈ２に示すように、接地接続は、図８Ｈ１の８１Ａと、図８Ｈ２の８１Ｂで示されている圧縮ヘッドの後面沿いに長さ約２８インチのスロットタブ接続により行われる。スロットタブの底面は、柔軟性のあるフィンガストック８１Ｃと嵌合されている。好適なフィンガストック材料が商品名マルチラムで販売されている。
高電圧接続は、図８Ｈ１の８９の個所で、可飽和インダクタ６４の６インチ直径の滑らかな底面と柔軟性のあるフィンガストックの嵌合アレイとの間で行われる。上記のように、好適なフィンガストック材料はマルチラムである。本構成により、修理又は予防的メンテナンスのために圧縮ヘッドモジュールを約５分で取り替えることができる。
【００５１】
４ ガス制御モジュール
この好適な実施例は、選択されたスイートスポット内でフッ素モニターを使わずに作動できるフッ素制御システムを備えている。図１６を参照しこの実施例を述べる。
４−１ フッ素消耗
レーザチャンバ１は、約２０．３リットルのレーザガスを含んでいる。上記のように普通、成分はフッ素が０．１％、残りがバッファガス（ヘリウム、ネオン又はヘリウムとネオンの組み合わせが望ましい）で、約４気圧である。０．１％のフッ素は、４気圧で約０．００２３リットル即ち２．３ｍｌのフッ素である。質量換算すると、レーザチャンバ内のフッ素の公称量は約１１０ｍｇである。純粋フッ素の分圧は、約４１１Ｐａ、純粋フッ素（１％フッ素混合物の約４１ｋＰａに相当）である。衝撃係数約４０％（通常のリソグラフィレーザ）で作動するレーザでは、フッ素は通常の作動の間に毎時約４．５ｍｇの割合で消耗される（１時間にチャンバ内のフッ素の約４％を消費することに相当）。純粋フッ素分圧に換算すると、この通常のフッ素消耗割合は毎時約１６Ｐａである。1％のフッ素ガス混合物を使ってこの消耗を補うために、毎時約１．６ｋＰａに相当する体積の混合物がチャンバに加えられる。
【００５２】
レーザのフッ素消耗割合は一定からは程遠い。レーザファンが作動してもレーザが発生しない場合、フッ素消耗割合は約半分に下がる。ファンを止めるとフッ素消耗割合は、４０％衝撃係数での消耗割合の約１／４に低下する。１００％衝撃係数の場合、フッ素消耗割合は４０％衝撃係数での消耗割合の約二倍である。
【００５３】
４−２ ガス交換
上記プロセスでは、消耗したフッ素を基本的にほぼ絶え間無く交換する。フッ素ガス源はフッ素を僅か１％しか含まないから、チャンバ内のバッファガス又はガスの一部もほぼ絶え間無く交換している。にもかかわらず、たとえレーザガスの一部を実質的に絶え間無く交換しても、このモードでの作動により結果的に汚染物質がレーザガス内に貯まるので、レーザ効率が低下する。効率が低下すると、所望のパルスエネルギーを維持するために電圧を上げること、及び/又はフッ素濃度を上げることが必要となる。このため、先行技術によるシステムを普通に運転することは、実質的に完全なガス交換を行うためにレーザーを定期的に一時停止することを示唆している。この実質的に完全なガス交換を補充と呼ぶ。この周期は、１億パルスのような補充から補充の間のレーザパルス数に基づいて決めるか、補充回数を前回の補充からのカレンダー時間で決めるか、又はパルスとカレンダー時間の組み合わせに基づいて決める。補充回数は又、特定のフッ素濃度での所望出力に必要な充電電圧の大きさから決めてもよい。補充後は、「スイートスポット」に関する新たなテストを行うべきである。また補充の間は定期的に、スイートスポットが変わった場合に新たなスイートスポットが何処にあるかを運転者が知ることができるよう、「スイートスポット」試験を実施すべきである。
【００５４】
補充は、図１６に示すシステムを使い以下のようにして達成される。ここでの検討では、０．１％のフッ素と残りがバッファガスという構成の通常のレーザガスを想定する。バルブ５１０、５０６、５１５、５１２、５１７、５０４を閉じ、バルブ５０６、５１２を開き、真空ポンプ５１３を作動させ、レーザチャンバを絶対圧１３ｋＰａ以下に真空引きする（素早く圧力を下げられるようにチャンバ１と真空ポンプ５１３の間に直接圧力低減配管を備えてもよい）。バルブ５１２を閉じる。バルブ５１６を開き、ヘリウム１００％のバッファガスをバッファガス瓶からチャンバに加え、２６２ｋＰａ／５０℃相当の圧力となるように充填する（２０．３リットルのレーザチャンバでは、５０℃からのチャンバ温度変動に対しては１ｋＰａ／℃の△Ｐ／△Ｔ補正式を使って、温度補正を近似できることに注目されたい。チャンバ温度が２３℃であれば、２４７ｋＰａまで充填することになる。）バルブ５１７を閉じ、バルブ５１５を開き、１％のフッ素と９９％のバッファガスの混合物をハロゲンリッチガス瓶５１４からチャンバ１に加え、２９０ｋＰａ／５０℃相当の圧力になるように充填する。これにより、ほぼ０．１％のフッ素と９９．９％のバッファガスから成るガス混合物がチャンバ内に生成される。チャンバを約５０℃に加熱すると、圧力は約４気圧となる。
【００５５】
５ パージシステム
酸素は、１５７ｎｍの光を強力に吸収するので、ビーム経路から除かなければならない。本出願人は、従来技術システムを大巾に改良した窒素パージシステムを開発した。レーザーに関連するチャンバ外の全ての光学構成要素は、窒素を使ってパージされる。この窒素システムはレーザが作動する間に、大気圧より僅か約１０パスカル高い圧力で運転される。この僅かな気圧差は、圧力が光学構成要素に及ぼす歪みの影響を避けるのに好適である。パージされる構成要素は、ライン狭帯化モジュール、出力連結器、波長計、シャッターアセンブリを含む。
【００５６】
漏洩の可能性のある全個所をシールする。内径１／１６インチ、長さ６フィートの管で構成される出力ポートを備える。パージシステムの適切な機能を確保するために、出力ポートを通過する流れをモニターする。内径１／１６インチ、長さ６フィートの管を通過する、好適な流量である約４リットル／分は、所望の窒素差圧に対応する好適な流量である。６フィートの出力ポート管３０４は、コイル状に巻かれているのが望ましい。図１７に示すように、窒素の流れにより開いたままに保たれ流れが無くなると警告灯３０２を点灯させる簡単なフラップスイッチにより、流れをモニターする。同様のパージシステムを出力連結器及び波長計に適用するのが好ましい。
【００５７】
パージガスにヘリウムを使うこともできる。ヘリウムの利点は、熱伝達特性と光学特性が良い点である。しかしヘリウムは窒素よりもはるかに高いので、量産用レーザに使う場合、ヘリウム再利用の収集システムを考えることが好ましい。
【００５８】
６ レーザ構成要素の冷却
１０００から２０００Ｈｚを越える反復度での作動に特に有用な本発明の好適実施例は、エキシマレーザを冷却するために、図１３に示す独特の冷却技術を含んでいる。
レーザの構成要素は、僅かな真空を内側に維持しているエンクロージャ２４０内に含まれており、この真空は図１３及び４Ａの２２４で示されているベントに取り付けられたブロワーより作り出される。キャビネットは、キャビネットの最上部近くに濾過吸気ポート２４１とガスケット付き扉のような僅かな漏洩源とを備え、レーザエンクロージャを通過するチャンバ内空気の流量は約２００ｆｔ3／分となっているが、この流量はレーザの熱生成構成要素が生成する熱を除くのに十分とはいえない。
【００５９】
レーザにより生成される廃熱（１００％衝撃係数で略１２ｋｗ）の大半（略９０％）は、図１３に示す冷水システムにより除かれる。
この実施例ではレーザ内の主な熱源は、高電圧電源２０、整流子４０、圧縮ヘッド６０、レーザチャンバ８０である。チャンバ用の水冷却熱交換器がチャンバの内側に配置され、熱は循環するレーザガスから熱交換器を通り冷却水へ伝えられる。別の熱交換器（図示せず）がチャンバの外側表面に取り付けられる。残りの主な熱生成構成要素用に冷却水配管が構成要素まで配管されており、一つ又はそれ以上のファンが、水から空気へ熱を伝える熱交換器を通過する風を図１３に示すように構成要素へ送る。圧縮ヘッドでは、図示のように内部循環であるが、ＨＶＰＳ及び整流子では、循環空気が構成要素へ、次にエンクロージャの別の部分を通過し、再び熱交換器に戻る前に別の構成要素を冷却する。
【００６０】
分割パン２４２及び２４３は全体的な通気を、フィルター２４１から矢印２４４が示した経路へ通過させ、ベント２２４へ誘導する。
この冷却システムにはダクトがなく、レーザチャンバの内側及びレーザチャンバに装着された熱交換器に水を供給する管以外には、いかなるレーザ構成要素とも接続される水管は含まれていない。全構成要素（レーザチャンバを除く）はエンクロージャの内側付近に吹き付ける風によって冷却されるので、構成要素を組込／交換する時に運転を停止させる冷却用の接続部分はない。配管が必要ないため、利用できる構成要素とエンクロージャ内の作業空間が大巾に増える。
【００６１】
７ パルスエネルギー制御アルゴリズム
７−１ 作動モード−チップリソグラフィ
本発明の実施例は、先行来技術に見られたパルスエネルギー及び積分された全体バーストエネルギーにおける変動を実質的に減らす新しいアルゴリズムを備えたコンピューターコントローラープログラムを含んでいる。改良された装置及びソフトウェア、エネルギーシグマとバースト線量変動を減らすための好適なプロセスを以下に述べる。
【００６２】
本明細書の背景の項で述べたように、バーストモードは、リソグラフィによる量産集積回路のステッパー機器光源に使われるエキシマレーザを作動させる典型的モードである。このモードでレーザが作動すると、ウェーハのある部分を照らす１１０パルスを生成するために、約１１０ミリ秒間に亘り１０００Ｈｚの割合で「バースト」パルスが作りだされる。バーストが終わるとステッパーがウェーハとマスクを移動させ、一秒にも満たない時間で移動が一旦完了すると、レーザは別の１１０パルスのバーストを生成する。従って、通常の作動は約１１０ミリ秒のバーストであり、その後に一秒未満の無駄時間が続く。別の作動を実行できるように長めの無駄時間が様々な時に設定される。この基本プロセスは一般に、レーザで一日に数百万回のバーストを生成しながら、一日２４時間、週７日続く。上記のバーストモードでは、ウェーハの各部分が各バーストにおいて同じ照度エネルギーを受けることが重要である。又、チップ製造者はパルス間の変動が最小となることを望んでいる。本発明の好適な実施例では、各パルス（Ｎ−１番目のパルス）のエネルギーをモニターし、次に
１）Ｎ−１番目のパルスにより測定されたエネルギーと、目標パルスエネルギーとの比較、及び
２）Ｎ−１番目のパルスによるバーストの累積線量と、Ｎ−１番目のパルスによる目標パルス線量との比較、
の両比較の結果に基づいて、次のパルス（Ｎ番目のパルス）のエネルギーを制御する装置及びソフトウェアを用いて、これらの目的を達成する。
【００６３】
典型的なフッ素エキシマレーザの場合、あるバーストの最初の３０から４０ミリ秒のエネルギーは、レーザガス内の過渡的影響のため他のバーストに比べ一般に不安定であることがずっと問題とされてきた。第一パルス後の約４０ミリ秒以後では、一定電圧でのパルスエネルギーは比較的一定である。これらの初期の摂動を処理するに当たり本出願人は、バーストを時間方向で二つの領域、即ち「Ｋ」領域と呼ばれる第一領域（多数の初期パルス、例えば４０パルス）と本明細書で出願人が「Ｌ」領域と呼ぶ第二領域（Ｋ領域の後に続くパルスから成る）とに分割した。
【００６４】
本発明の実施例では、先行技術のエキシマレーザ装置をパルスエネルギーの制御に利用する。各バーストの各パルスにおけるパルスエネルギーは、図８Ａの示すようなフォトダイオード９２により測定される。このフォトダイオードとそのサンプル及びホールド回路の全体応答時間は、回路をリセットする時間を含め実質的に５００μ秒未満である。約１５ナノ秒のパルスのそれぞれから生じる累積信号はパルス終了後の数μ秒間に亘って保存されるが、この信号は、パルス開始後約１．０μ秒でコンピューターコントローラー２２によって６回読み取られ、その平均が記憶される。あるバースト中の過去の個々の全パルスの累積エネルギーをバースト線量値と呼ぶ。コンピューターコントローラーは、Ｎ＋１番目のパルスに対して高電圧を規定するために、目標パルスエネルギー及びＮ番目のパルスのパルスエネルギーを表す信号とバースト線量値とを利用する。この計算には約２００μ秒が必要である。Ｎ＋１番目のパルスのための高電圧が決定されると、コンピューターコントローラーは、Ｎ＋１番目のパルスのために充電電圧を確立する信号を、図８Ａに示された高電圧電源の高電圧コマンド（ＶＣＭＤ）へ送るが、これには数μ秒が必要である。コンピューターコントローラーは、コンデンサＣ0を規定電圧に充電するように高電圧電源に指示する。（計算が完了する以前に２０００Ｈｚを越える高速の反復度で充電を開始することが好ましい）。Ｎ番目パルスためのトリガ信号の後の０．５ｍ秒の時点で、コンデンサＣ0が完全に充電され、図２に示されたトリガ回路１３からＮ＋１番目パルスのためのトリガ信号を受信した時に準備ができているようにするには、充電に約２５０μ秒が必要である。トリガ信号の時点でコンデンサＣ0が約７００Ｖの電圧を図８Ｂの磁気圧縮回路へ約５μ秒間に亘って放電すると、パルスは磁気圧縮回路によって圧縮／増幅され、約１６１００Ｖの放電電圧がコンデンサＣｐ上に生成され、次いで約１００ナノ秒の放電が電極間で起こり、持続時間が約１５ナノ秒で約１０ｍＪのレーザパルスが生成される。
【００６５】
７−２ 好適なアルゴリズム
バーストモード作動時に所望のパルスエネルギーを実質的に達成するために、充電電圧を調整するための特別の好適なプロセスは、次の通りである。
プロセスは二つの電圧調整アルゴリズムを利用する。第一アルゴリズムは最初の８０パルスに適用されＫＰＩアルゴリズムと呼ばれる。第二アルゴリズムは４０番目のパルス以降のパルスに適用されＰＩアルゴリズムと呼ばれる。８０番目のパルス以降の時間を、本明細書ではバーストの「Ｌ領域」と呼ぶ。頭文字「ＰＩ」は「比例積分」を指し、「ＫＰＩ」の「Ｋ」はバーストの「Ｋ領域」を指している。
【００６６】
７−３ ＫＰＩアルゴリズム
Ｋ領域は、１番目からＫ番目までのパルスから成り、好適な本実施例ではＫ＝４０である。Ｎ番目パルスのための充電電圧を設定するためのアルゴリズムは、
ＶN＝Ｎ番目のパルスのための充電電圧
（ＶB）N ＝Ｋ領域のＮ番目パルスのための目標エネルギーＥTを生成するために必要な電圧に関する電流の最良推定値を表すｋ個の記憶された電圧アレイ。このアレイは以下の方程式に従って各バースト終了後に更新される。
【００６７】
（ＶC）N-1＝一つ前のパルスのエネルギー誤差とバースト中の過去のＮ−１番目のパルスまでに生じたエネルギー誤差
（ＶC）0＝０
Ａ，Ｂ＝一般に０から１の分数で、好適な本実施例ではＡ、Ｂ共に０．５である。
εi ＝ｉ番目パルスのエネルギー誤差
＝Ｅi-ＥT、Ｅｉはｉ番目パルスに関するエネルギー、ＥTは目標エネルギーである。
Ｄｉ＝バーストの累積線量誤差であり、１からｉまでの全パルスを含む。
【００６８】
記憶された値（ＶＢ）Ｎは、各バースト間又は各バースト後に次の比較式に従って更新される。
Ｃ＝一般に０から１の間の分数で、好適な本実施例では０．３である。
【００６９】
７−４ ＰＩアルゴリズム
Ｌ領域は、Ｋ+１番目のパルスからバーストの最後のパルスまでのパルスから成り、（好適な実施例では、パルス番号は４１以上である。）
Ｎ番目パルスのための充電電圧を設定するアルゴリズムは、
ＶN＝Ｎ番目パルスに対する電圧充電
ＶN-1＝Ｎ−１番目（一つ前）パルスのための充電電圧
変数Ａ、Ｂ、ε1、Ｄ1、ｄＥ／ｄＶは先の定義の通り。
【００７０】
７−５ ｄＥ／ｄＶの決定
レーザ特性の比較的遅い変化を追跡するために、ｄＥ／ｄＶの新しい数値を周期的に決定する。好適実施例では、Ｌ領域の二連続パルスの間に、制御された方法で電圧を変えるか又はディザーすることによりｄＥ／ｄＶを測定する。これら二つのパルスに対しては、通常のＰＩエネルギー制御アルゴリズムを一時的に中断し以下のアルゴリズムに置き換える。
パルスｊに対して
パルスｊ＋１に対して
電圧のディザーのため予想されるエネルギーの変動の強さはレーザの通常のエネルギー変動と同じであるので、ｄＥ／ｄＶの計算は雑音が多い。好適な実施例では、過去５０回のｄＥ／ｄＶ計算値の移動平均が実際にＰＩアルゴリズムとＫＰＩアルゴリズムで使われる。
【００７２】
ＶDither選択のための好適な方法では、所望エネルギーのディザーＶDither、即ち、通常はエネルギー目標ＥTの数パーセントを規定し、ＶDitherを計算するためにｄＥ／ｄＶに関する電流（平均）値を用いる。
Ｖj-2に関するこの特別な値は、加えられた電圧のディザーとパルスｊ+１から予想されるエネルギーディザーとの両者に関する補正が行われる。
上記アルゴリズムには様々な修正をすることができる。例えば、Ｋ領域と同様にＬ領域でもｄＥ／ｄＶを決定することができる。ディザリングは、バースト毎に一回又は数回実行することができる。ディザリングのシーケンスは、先述のように決まったパルス番号ｊで行われてもよいし、又は無作為に選ばれたパルス番号で開始されて次のバーストへ移っても良い。
【００７４】
Ａ、Ｂ、Ｃは、収束係数であり他の多くの値となり得ることを理解されたい。上記に規定した値よりも大きければ素早く収束するが、不安定さが増す。別の好適な実施例ではＡ＝√２Ｂである。この関係は臨界減衰を生成するために既存の手法から開発された。Ｂは、線量補正を行わないゼロの場合もあり得るが、Ａはアルゴリズムの線量搬送部分のための減衰項を提供するので、ゼロであってはならない。
【００７５】
ｄＥ／ｄＶの決定値が小さすぎると、上記アルゴリズムでは過剰補正を生じさせる。従ってエネルギーシグマ値が閾値を越える場合、好適な技術ではｄＥ／ｄＶを任意に二倍の値にする。バーストの第一パルスに対しては、Ｖ及びｄＥ／ｄＶの値はデフォルト値とされる。各バーストの開始時、Ｄはゼロに設定される。ｄＥ／ｄＶのデフォルト値は、初期の過剰修正を避けるために予想されるｄＥ／ｄＶの約三倍に設定される。
【００７６】
上記のディザーを伴わずにｄＥ／ｄＶを決定する代替方法では、レーザ作動中のエネルギー値と電圧値を単に測定し記憶する。（規定された電圧値ではなく測定された電圧値が使われてもよい。）パルスエネルギーが一定の場合、これらのデータを使ってＶの関数としてｄＥ／ｄＶを決定できる。数値要素は相当な不確定性を有する測定値の差であるため、それぞれの個別のｄＥ／ｄＶ値は相当な不確定性を有することに注目されたい。しかし多くのｄＥ／ｄＶ値を平均することにより、このような不確定性を減らすことができる。
【００７７】
ｄＥ／ｄＶを決定するためのディザーの運用は、バースト毎に行う必要はなくＭバースト毎に１回のように定期的に行ってもよい。又はｄＥ／ｄＶの測定値をコンピューターが実行した計算と置き換えることもできるし、ＶN+1を計算するために一つ前のパルスのｄＥ／ｄＶ値をオペレータにより手動で挿入することもできる。代替手法ではこの制御システムのためにＶNの実際の測定値を用いる。
【００７８】
またＶBINの数値は、上記実施例における実際の測定値ではなく規定値から計算される。測定電圧値を使うことは明らかに代替手法である。ＥTは一般に１０ｍＪのような定数であるが、必ずしも一定である必要はない。例えば、最後の１０パルスのＥTを公称パルスエネルギーより小さくし、これらのパルスによる目標ＥTからの変動割合が全体のパルス線量にあまり影響しないようにすることができる。又状況により、バースト間で変動するＥT値をコンピューターコントローラー２２が与えるようにプログラムすることが望ましい。
【００７９】
８ プロトタイプユニット
本出願人と協力者は、プロトタイプのＦ２レーザシステムユニットを組み立て試験した。
プロトタイプレーザは、その大半が現量産型のＫｒＦレーザ及びＡｒＦレーザをベースとし、先行技術のエキシマレーザシステムに対して複数の重要な改良点を折り込み、高効率のチャンバと半導体パルスによるパワー励起を利用している。ガスの汚染を最小にするために、コロナプレイオン化の放電を行わせる。全光学ビーム経路を窒素によりパージし、酸素による光吸収を避け光学構成要素に対する損傷を回避する。全光学共鳴器は、レーザチャンバに据え付けられた角度付きのチャンバ窓の外側に置かれた。ガス混合物は４気圧のヘリウム中に０．１％のフッ素を含み、電極間隔は１０ｍｍに縮小された。
【００８０】
このプロトタイプユニットは改良されたパルス変圧器が利用される。本パルス変圧器では、二次巻線として機能する４部分から成る単一ステンレス鋼ロッド（図８Ｄに図示、既述）は、円筒形の内部ロッドと二つの同軸管とから成る変圧器の第二導体と置き換えられ、これら全ては図２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに示すように直列接続され互いに絶縁されている。第二導体は、バスバーに対して３０２の個所で、ＨＶケーブルに対して３０４の個所で接続された二つの同軸アセンブリ（断面図を図２２Ｂ、２２Ｃに示す）から成る。図２２Ｄは、図２２Ｂ、２２Ｃ同様に同じ断面図を示し、第一巻線を形成するスプールの円筒形部分３０８の周囲に巻き付けられたメトグラス及びマイラー薄膜の層３０６も示している。図２２Ｄは又、パルス変圧器の第二部分を形成する中央線３１０と中空円筒形導体３１２、３１４も示している。メトグラス及びマイラー層は、図２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃには示されていない。電圧ピークが約１、０００Ｖの電流パルス（３１６）は、図２２Ａで３１８として示された第二ＨＶ端子に約０−３６、０００Ｖのパルスを生成する。
【００８１】
一次巻線と三つの同軸二次導体は、図８Ｅに関連して述べたメトグラスとマイラー薄膜とを巻きつけることにより連結される。本実施例は特殊な圧縮段階（追加コンデンサバンクＣP-1による）を備えている。本実施例のコンデンサバンクの値は、
Ｃ0 ＝約１２．１μＦ
Ｃl ＝約１２．４μＦ
ＣP-2＝約 ８．８２μＦ
ＣP-1＝約 ８．４μＦ
ＣP ＝約１０ｎＦ
である。
【００８２】
本プロトタイプ実施例の改良されたパルスパワーシステムは、約８０ｎ秒の出力利用時間をピーキングコンデンサバンクに生成する。パルス変圧器の昇圧比は３６倍（詳述した上記実施例では２３倍）である。これによりレーザは、相応に低いフッ素濃度でも実質的に高電圧で作動できる。高電圧作動により放電の安定性が改良され高い反復度が得られることが確認できた。
【００８３】
９ 実験結果
プロトタイプユニットによる実験結果を以下に述べる。レーザ出力を標準出力計で測定し焦電ジュール計と相関させた。赤と原子Ｆ２レーザの寄与分は除かれ、この寄与分は通常は全エネルギーの３％未満であった。１５７ｎｍの光を強く吸収する空気へビーム発射管を通気させることによって、赤の放射を測定できる。
【００８４】
本プロトタイプユニットのレーザ波長は、二個外部プリズムのセットを用いて調整することにより、１５７．６ｎｍの単一線モードで作動させた。レーザは１５７．５ｎｍ遷移線へ調節することもできるが、効率は下がる。１５６．７ｎｍでの遷移は観測されなかった。２メートルジョビンイボンＶＵＶ分光計で記録されたレーザスペクトルは、測定限界の線幅６ｐｍを示す。
【００８５】
広帯域（又は複線）作動では、反復度１０００Ｈｚで１２ワットの最大出力が得られた。出力は反復度と共に線形的に増加し、飽和の兆候は見られなかった。単一線モードでの動作も同様であったが、エネルギーは三分の一であった。このエネルギー減少は、本プリズム機構において空洞長さが大巾に長くなったためであり、かなり縮小することができる。バーストモードでは、５％の３σ安定性が記録された。出力エネルギーの点で良性のバースト過渡現象だけが観測された。この点は、より高いエネルギーの不安定性とガス流に関係したバースト過渡現象とを示すＡｒＦレーザに比べて望ましい。このことから、量産用のフッ素リトグラフィレーザは、現在のＡｒＦレーザより更に良好な安定性を有するとの結論を得ることができる。積分二乗パルス持続時間は、ＡｒＦレーザの性能に近い３０ｎ秒であった。
【００８６】
レーザチャンバ材料を慎重に選択すること及びコロナ放電によりプレイオン化することにより、極低温浄化もハロゲン注入もすることなく数時間に及ぶレーザ作動と、エネルギー低下を最小とする３Ｍの発射とが可能となった。
【００８７】
広帯域レーザ出力と反復度との関係を図１０Ａの上部分に示す。図１０Ａの下部分は、パルスエネルギーが反復度１０００Ｈｚ以上で若干下がることを示す。レーザ出力は反復度に対しほぼ比例して増え、１ｋＨｚで１５Ｗ、２０００Ｈｚで約１９Ｗである。この線形関係に基づき、ガスの流れを相応に増やせば、更に数ｋＨｚの作動までＦ２レーザの規模を拡大できると仮定できる。本出願人はバッファガスとしてヘリウムを使ったが、標準的ネオンベースレーザのブロワー出力の数分の一しか必要でないので、より高速な流れに対する制限は存在しない。
【００８８】
エネルギー安定の尺度は、バーストモード中のエネルギー過渡現象を観測して得る。このためレーザはバースト中に繰り返し発射され、バースト中の各パルス位置での平均エネルギーが記録される。バースト中の各パルス番号に関して、バースト間のエネルギーの平均変動も計算される。Ｆ２レーザ及び比較のための狭帯化ＡｒＦレーザに関して、実験結果のエネルギー曲線と安定性曲線を図１０Ｂ１、１０Ｂ２に示す。Ｆ２レーザでは１２０回のショットバーストに対してエネルギー変動が少ない。エネルギー安定性はバーストの開始時に初期増加を示し、次に約３％の３σレベルで安定する。これと対照的に、ＡｒＦレーザは、エネルギーにおける大きな過渡現象と７％程度の３σ不安定性を示す。ＡｒＦレーザでは６０パルス窓で０．５％の線量安定性を得たので、Ｆ２レーザでも少なくとも同じ線量安定性が得られると思われる。図１０Ｃは、１０００Ｈｚと１９００Ｈｚにおけるパルスエネルギー値と３σ値を示す。
【００８９】
ＶＵＶ分光計で記録された広帯域Ｆ２レーザのスペクトルを図１０Ｄ１、１０Ｄ２に示す。二本の遷移線が１５７．５２ｎｍと１５７．６３ｎｍにはっきり認められる。レーザエネルギーの８７％は１５７．６３ｎｍの長い波長線にある。１５６．７ｎｍで過渡現象は観測されなかった。１５７．６３ｎｍの単一線モード作動は、二個外部プリズムのセットを使って調節することにより達成された。レーザは１５７．５２ｎｍの遷移線にも同調できるが効率は下がる。図１０Ｄ１と１０Ｄ２は１５７．６３ｎｍのレーザ線の拡大図も示す。ＦＷＨＭが１．１４ｐｍで９５％をカバーする幅が２．３５ｐｍのうず巻き状の線幅が測定された。これらの線幅は、過去に予想されていた線幅よりもはるかに狭い。従って、狭帯化を追加しないで線選択されたＦ２レーザは、ほぼ完全な屈折画像システムに対して十分な性能がある。単一線レーザのレーザ出力と反復度動作の関係は、広帯域レーザと同じ比例関係を示す。しかしこの初期実験での最大出力は４Ｗに限られた。出力低下は線選択レンズでの反射損失と空洞長さが長すぎるためであった。
【００９０】
水平方向及び垂直方向のビームプロファイルを、レーザから１ｍ離れた所で測定した（１０Ｅ１、１０Ｅ２を参照）。ビームは対称性の高い滑らかなプロファイルを示す。この種類のプロファイルは、非常に均一な照度を生成するために現在使われている均一化技術により容易に達成される。
【００９１】
ガス寿命の推定値は、フッ素注入をすることなく一定電圧でＦ２レーザを運転し、ショット数とレーザ出力発生を記録することにより導かれる。これらの測定では極低温浄化は行われない。図１０Ｆで明らかなように、レーザ出力は４００万回のレーザショット後に２０パーセント足らず低下するが、同等のＡｒＦレーザと少なくとも同じである。ＡｒＦレーザによる先の実験から、ガス寿命は、定期的なフッ素注入を行いながら約２５００万回のショットであると推定することができる。これは明らかに、レーザチャンバに同等の材料を選びコロナのプレイオン化を利用する場合の結果である。ＫｒＦレーザとＡｒＦレーザでは、フッ素消耗とチャンバ寿命の直接相関は過去に確立されている。従って、Ｆ２レーザのチャンバ寿命をＡｒＦレーザに同程度と推定することができる。
【００９２】
図１５Ａの下のグラフはパルスエネルギーとフッ素濃度の関係を、上のグラフは最大パルス反復度とフッ素濃度の関係を示し、両者共にブロワー速度は２５００ｒｐｍである。図１５Ｂの上のグラフは時間関数としてのパルス形状と１６ｎ秒のＦＷＨＭを示し、下のグラフは積分二乗パルス幅が約３７ｎ秒であることを示す。
【００９３】
１０ パルスエネルギーのモニタリング
上記プロトタイプユニットを使う場合、先行技術によるＵＶパルスエネルギー検知器では良好な結果が得られない。これは、先行技術によるＫｒＦレーザ及びＡｒＦレーザに使われるパルスエネルギー検知器が、赤外線及びネオン赤外線スペクトル領域の光に非常に敏感なためである。実際これらの標準シリコン光ダイオードは、１５７ｎｍのレーザ光に対してよりも赤及び赤外線に対して遙かに敏感である。従って、光が上記のように約３％の領域内にある場合でも、シリコンフォトダイオードへの影響は３％を遙かに越える。従って、可視赤及び赤外線の影響をあまり受けないエネルギー検知器が要望されている。ＵＶ放射に対し特に敏感で、赤及び赤外放射に対し比較的又は完璧に敏感な検知器を、市場で入手できる。これらの検知器は一般に太陽光不感検知器と呼ばれ、大気圏外天文学分野で使われているが、本出願人が知る限りレーザパルスエネルギーの測定には使われていない。「太陽光不感」光検知器を組み立てるために多くの方法を利用できる。幾つかの方法を以下に述べる。
【００９４】
１０−１ 光電管
光電管は二つの電極と、光電陰極と陽極とから成る真空装置である。光電陰極に光を当てると、光電作用により陰極材料から電子を放出させることができる。陽極と陰極の間に正電圧を加えると、放出された電子が陽極へ移動し、１秒間に光電陰極に当たる光子数に比例して装置を通る電流が生成される。この効果にはカットオフがあり、一定の値よりも波長の長い光を使って照射しても光電子は生成されない。最大波長は、
λmax＝ｈｃ/Φ
で定められ、ここでＨはプランク定数、ｃは真空中の光の速度、Φは仕事関数と呼ばれる材料の特性である。仕事関数が十分に高い（例えば＞４電子ボルト）光電陰極材料を選ぶと、３００ｎｍよりも短い波長での照明に対してだけ光電流を生成する、即ち太陽光不感応答となる。受容できる仕事関数を有する光電陰極材料の例は、ＣｓＴｅ及びＣｓＩダイヤモンド薄膜である。
【００９５】
１０−２ 光電導体
幾つかの半導体及び／又は絶縁材の照明は、光電子効果に密接に関係した効果を作り出す、即ち、材料内の光子と電子の間の相互作用が電子を励起し、電子は材料内の特定の場所（即ち、価電子帯）に拘束されず、加えられた電圧に応じて結晶を通過し自由に動くようになる（即ち、導電帯）。やはり、材料に当たる光子束に比例した電流が生成される。この効果は、上記の式で与えられるカットオフと同一の波長カットオフを示すが、違うのは、材料の仕事関数Φが一般に帯域ギャップＥｇと呼ばれる別の特性に置き換えられることである。更に、帯域ギャップが十分大きい材料は短波長の放射にのみ応答する。５．４８ｅＶの帯域ギャップを有するダイアモンドは、２００ｎｍ未満の波長で光電導体応答を示す。
【００９６】
１０−３ フォトダイオード
ダイオード接合（ショットキー、p-n又はp-I-nドープ半導体）の照明も、価電子帯から導電帯へと電子を促し、光電流を生成できる。ダイオードが順方向にバイアスされると、この場合、担体寿命が長くなる点を除き、性能は光電導体と非常に良く似ている。逆方向にバイアスされると、加えられた電界により装置の応答速度が改善される。バンドギャップが十分大きい接合ではやはり、ＵＶ波長でのみ応答ができる。
【００９７】
１０−４ 吸収深度選別
バンドギャップの小さい光導電体又はダイオードの赤への反応を、そのＵＶへの反応に比べて、強く抑制する一つの方法は、デバイスの厚みを適切に選択することである。材料の深部にまでＵＶ光子が浸透することは可視光に比べずっと少ないことが、このような材料の特徴である。つまり、ＵＶ光の完全な吸収が表面付近の非常に薄い層で起こる。デバイスの厚みをＵＶ光吸収深度と同等に選ぶことにより、デバイスを長波長に対し透過性（応答しない）とすることができる。真に太陽光不感でなくとも、このような構成によりデバイスの可視／赤外線応答を検出可能な閾値よりもさらに下げることができる。
【００９８】
好適な既製の太陽光不感光電管検知器を、カリフォルニア州、ロサンゼルス及び日本に事務所を持つハママツ社のような納入業者から入手できる。ＣｓＩを使った同社のモデルＲ１１８７は、１１５ｎｍから２００ｎｍの領域でスペクトル応答を示す。ＣｓＴｅを使うモデルＲ１１０７及びＲ７６３は最良応答領域が約１５７ｎｍより少し上であるが、使用できるであろう。
【００９９】
図１８は、パルスエネルギー及び／又は線量エネルギーを所望レベルへ制御するためにレーザシステム内で使われる太陽光不感検知器を示す。（パルスエネルギー及び線量エネルギーの制御の詳細については、以前の章を参照。）
【０１００】
１０−５ 反射ベースモニター
サンプルビーム（赤及びＶＵＶ）は、（１５７ｎｍ）ＶＵＶ波長では高反射率に、赤／赤外線（所望しない波長は６３５ｎｍから７５５ｎｍまでの領域）では低反射率になるように設計されている、誘電コーティングを施された複数のミラーで反射される。吸光率が２４：１までならば、通常の光学器は１５７ｎｍで９５％の反射率を、赤／ＩＲで４％の反射率を有する。所望の吸光率（一般的には５００又は１０００：１）は、複数のミラーへ連続的に入射させることにより得られる。これらのミラーを通る光は、散乱光が検知器への経路を進むことがないように、赤／赤外線吸収カラーガラスフィルター又は他の光捕獲要素に当たるようにしなければならない。
【０１０１】
１０−６ 分散による分離
ＶＵＶを赤／赤外線波長から分離するために分散要素（プリズム又は回折格子）が使われ、光ダイオードはＶＵＶビームだけを遮るために配置される。格子要素を使い、赤／赤外線波長の高い回折オーダーとＵＶ波長の高い回折オーダーとの間に実質的に重なりがないように、溝の間隔を選択しなければならない。即ち、ｍの数値（ｍは常に整数であり、例えば、Ｄｓｉｎ（シータ）＝ｍ1＊１５７ｎｍ≠ｍ2＊７５５ｎｍ（例えば全可視放出波長／赤外線放出波長に関して））を変えることにより、格子方程式が、設計角度シータにおいて、紫外線波長及び可視波長／赤外線波長に対して同時に満足されることの無いようにしなければならない。
【０１０２】
１０−７ フッ素による検知
１５７ｎｍ光に曝されて可視又は赤外線内で蛍光を発する材料は、シリコン光検知器の前に配置される。ＶＵＶ光を可視／ＩＲ光に変換することにより、フォトダイオ−ドの赤への強い応答が相殺される。蛍光放出波長が実質的に赤／ＩＲレーザ放出波長と異なる場合には、蛍光変換器の後に赤／ＩＲ吸収フィルターを使って赤／ＩＲ放出を直接抑えることができる。蛍光変換器もそのような吸収材料で構成してもよいし、そのような吸収材料でドーピングしてもよい。
【０１０３】
１０−８ 赤色放射の低減
先行技術によるＦ２レーザは通常、バッファガスとしてヘリウムを利用している。ネオンも使えるが、バッファガスにネオンを使うレーザの効率は、バッファガスにヘリウムを使うＦ２レーザに比べ大巾に下がる。一般にバッファガスにネオンを使うと、同等のレーザパルスエネルギーを生成するのに実質的に高濃度のフッ素と高電圧が必要となる。ヘリウムはネオンよりはるかに安いので、先行技術ではフッ素バッファガスに自然とヘリウムが選ばれてきた。しかし上記のように、ヘリウムバッファガスによるＦ２レーザはかなり高割合の可視及び赤外線光を生成するので、超蛍光又はレーザ発光さえもが当該波長で起こる。通常この割合は十分に高いので、これらの長波長においてレーザ発光が実際に起こる。レーザビーム内のこれらの長波長は、上記のエネルギー検出に関する問題を引き起こす可能性があり、赤波長も下流のリトグラフシステム内で問題を引き起こす可能性がある。これらの問題は対処可能であるが、多くの場合良好な解決方法は、ビームがレーザ内に生成されている時にビームから赤及び赤外線光を実質的に減らすか又は無くすことである。
【０１０４】
本出願人は、バッファガスが純粋ヘリウムからヘリウムとネオンの適切な混合に変わる時に、事実ビーム中の赤及び近赤外線が無くなると説明した。しかし、望ましくない赤及び近赤外線の成分を実質的に減らすことに加えて、ネオンを追加することは、望ましいＵＶ波長でのレーザ効率に影響を及ぼす。従ってヘリウムとネオンの最良の混合は、最大パルスエネルギーの重要性と赤及び近赤外線を無くすことの相対的な重要性に左右され、異なる可能性がある。全バッファ量に対する割合として、ネオンの好適な範囲は通常、約４０％から９５％である。図２１に示すように、赤―ＩＲエネルギを実質的にゼロにしながら最大ＵＶパルスエネルギーを提供する良好なバッファガス混合の範囲は、ネオンが０．５２から０．６３で残りがヘリウムとなる範囲である。
【０１０５】
１１ 単線と狭線構成
図１１Ａは、好適なＦ２レーザシステムの好適な単線構成を示す。この構成では、二つの主なフッ素線の内の一つを図示の簡単なプリズム選択器により選択する。図１１Ｂは線を狭めた好適なシステムを示し、このシステムでは電力発振器が主発振器によりシードされる。主発振器と電力発振器の両方が同じレーザチャンバを使うことができる。Ｆ２レーザの線を狭めるため、１９９９年９月２７日出願の米国特許出願番号第０９／４０７，１２０号に記載された手法を使って、エタロン出力カプラーが使用されており、この出願は参考文献として本明細書に組み込まれている。この手法によりエタロン出力カプラーは、二つの主要線の内の一方で光の約２０％を反射し他方の主要フッ素線で光を通すように調整される。次にレーザは、反射された線でレーザ発光する。
【０１０６】
図１９と２０は、調節領域が拡大した可同調Ｆ２レーザを示す。レーザ共振器は、出力連結器ミラー３２と波長同調光学機器とから成る。波長同調光学機器はビーム拡大光学サブアセンブリ３１と回折格子３８とから成る。光学利得媒体はガス放電のフッ素ガス分子を励起する手段により、ガス放電チャンバ３０内に生成される。同様の構成が、長波長、即ち２４８ｎｍのＫｒＦレーザ及び１９３ｎｍのＡｒＦ、で作動するリトグラフのための狭帯域エクシプレックスレーザで現在使われている。これらのレーザ間の主な違いは、利得媒体のスペクトル利得分布と時間利得ダイナミックである。エクシプレックス分子は通常少なくとも数十ｐｍのはるかに広いスペクトル領域内で利得を示すのに対して、約１５７ｎｍで観察されたフッ素分子遷移のスペクトル利得分布は、複数線及び単線のレーザ放出スペクトルの最近の測定結果によれば、普通は約１．１ｐｍに制限されていると考えられている。しかし詳しく調べると、例えば特定の高利得値が含まれる場合、観察されたスペクトルは利得媒体の実際の利得分布を必ずしも反映していないので、これは真実ではないことが判明している。分子Ｆ２レーザ媒体の高特定利得と、約０．５ｍから１ｍという利得媒体の通常使用される長さのため、観測できる放射スペクトルは、狭められ、利得媒体を通る単一経路内に既にある固有遷移波長の最大値の個所でピークとなる。この物理的な既知の挙動は、カリフォルニア州、ミルバレー、大学科学書、Ａ．Ｅ．シーグマン著「レーザ」等、多くの標準的なレーザ手引書に記載されている。残念ながら、この単純な手法によるジオプティク画像光学系を使って、リソグラフにとって役立つ帯域にまで線を狭める操作を達成するために必要な利得長製品は、少なくとも数ｍの不合理な増幅長を必要とする。
【０１０７】
いずれの個別ＵＶ／ＶＵＶ分子Ｆ２レーザ遷移の本当に利用可能なＦＷＨＭ（最大半値幅）利得帯域も、フッ素分子を励起することにより利得を生成するガス放電の通常の作動条件においては、１５７．６２９９ｎｍで４ｐｍと推定することができる。レーザの光共振器及び放出波長は、ＵＶ／ＶＵＶ分子Ｆ２レーザ遷移の任意の単一の遷移のほぼＦＷＨＭ帯域の範囲に亘って同調させることができる。ＦＷＨＭ利得帯域へ主に寄与するのは、圧力誘発衝突による幅拡大であるので、同調範囲は放電チャンバ内の圧力を上げることで容易に拡大できる。１５７ｎｍフッ素分子遷移の約７ｐｍ離れている隣接回転線遷移が、圧力を高めた時の個別遷移の圧力拡大によって重なるのであれば、拡大された波長（約５０ｐｍ）の範囲に亘るほぼ連続的同調を達成することができる。図２０は、圧力を高めたときの１５７．６２９９ｎｍの強線近傍のスペクトル利得分布を示す。
【０１０８】
勿論、先行技術によるエキシマレーザで通常使用されている約３気圧という圧力以上にチャンバ圧力を上げると、チャンバコストが増大する。しかし、本出願人は、約７から１０気圧の範囲内の気圧ならば大巾にコストを上げずに対処できるし、同調領域を実質的に広げることになるであろうことを提案する。
【０１０９】
１２ 利得媒体線識別
Ｆ２レーザの二つの主スペクトル線の中心は、約１５７．６３０ｎｍと、１５７．５２３ｎｍである。自励レーザでは通常、１５７．６３０ｎｍ線は１５７．５２３ｎｍ線よりも実質的に大きい。しかし一般に１５７．５２３ｎｍは、多くの製品で問題となるくらい広い。本出願人は、小さい線を識別するための利得媒体に関係なく上記方法を述べた。本出願人は、放電領域を約２１．５インチから約１４インチへ短くし放電電圧を下げれば、１５７．６３０ｎｍだけでレーザ発光させることができ、１５７．５２３線は現れないことを発見した。
【０１１０】
本Ｆ２レーザシステムを特定の実施例を参照しながら説明したが、様々な変更と修正ができることを認識されたい。例えば、多数の代替実施例が本明細書の最初の項に列挙した特許出願で述べられており、そのすべてが参考文献として本明細書に組み込まれている。更に線を狭めるために、エタロン出力カプラを使うこともできる。バッファガスはヘリウムでなくネオンとすることもできる。本発明は上記請求項によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による市販のエキシマリソグラフィレーザの図面である。
【図２】集積回路リソグラフィ用に使われる先行技術による市販のエキシマレーザの主要要素の幾つかを示すブロック線図である。
【図３】図２のレーザのレーザチャンバの図面である。
【図４】本発明の好適な実施例の図面である。
【図５】磁気ベアリングを含むブロワー駆動ユニットを示す図面である。
【図６】本発明の好適な実施例のレーザチャンバの断面図である。
【図６Ａ】本発明の好適な実施例のレーザチャンバの断面図である。
【図７】好適なプレイオナイザ管の特徴を示す図面である。
【図８Ａ】本発明の好適な実施例のパルス出力システムのブロック線図である。
【図８Ｂ】上記の好適な実施例の簡略化された回路線図である。
【図８Ｃ】上記の好適な実施例の一部の高電圧電源の混成のブロック線図と回路線図である。
【図８Ｄ】上記の好適な実施例で使われるパルス変圧器の斜視アッセンブリ図である。
【図８Ｅ】上記の好適な実施例で使われるパルス変圧器の一次巻線の図面である。
【図８Ｆ１】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｆ２】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｆ３】上記の好適な実施例を用いたパルス圧縮を示すタイムラインチャートである。
【図８Ｇ１】可飽和インダクタの平面図である。
【図８Ｇ２】図８Ｇ１の線８Ｇ２−８Ｇ２に沿う可飽和インダクタの断面図である。
【図８Ｈ１】好適な実施例における圧縮ヘッドの取付を示す。
【図８Ｈ２】好適な実施例における圧縮ヘッドの取付を示す。
【図９Ａ】好適な熱交換器の設計を示す図面である。
【図９Ｂ】好適な熱交換器の設計を示す図面である。
【図１０Ａ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｂ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｃ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｄ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｅ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１０Ｆ】プロトタイプのＦ２レーザの実験中に得られた試験データのグラフである。
【図１１Ａ】好適なＦ２システム構成を示す。
【図１１Ｂ】好適なＦ２システム構成を示す。
【図１２Ａ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｂ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｃ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｄ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１２Ｅ】陽極支持棒の設計を示す。
【図１３】好適なエンクロージャ冷却システムを示す。
【図１４Ａ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１４Ｂ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１４Ｃ】好適なブロワーブレード構造の設計を示す。
【図１５Ａ】フッ素濃度に対する、最大パルス反復度と、パルスエネルギとの関係を示す。
【図１５Ｂ】時間に対する、相対電力と、パルス巾との関係を示す。
【図１６】大型のマニホールドガス供給システムを示す。
【図１７】光学的パージシステムを示す。
【図１８】好適なパルスエネルギ検知システムを示す。
【図１９】Ｆ２レーザの線を狭くするための手法を示す。
【図２０】圧力を高めＦ２レーザビームを拡大する様子を定性的に示す。
【図２１】他のバッファガスをヘリウムとしてネオン濃度を高める場合の、パルスエネルギと光スペクトルの変化を示す。
【図２２Ａ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｂ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｃ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【図２２Ｄ】高電圧パルスを生成するための好適なパルス変圧器の特徴を示す。
【符号の説明】
２０１ レーザエンクロージャ
２０２ ガスモジュール
２０３ 冷却水供給モジュール
２０４ 交流／直流分配モジュール
２０５ 制御モジュール
２０６ ライン狭帯化モジュール
２０７ 圧縮ヘッド
２０８ 高電圧パルス電源モジュール
２０９ パルス電源用整流子モジュール
２１０ 金属フッ化物トラップ
２１１ レーザチャンバ
２１３ 波長計
２１４ 自動シャッタ
２１６ 出力カプラ
２１７ ブロワーモータ
２１８ 金属フッ化物トラップ電源
２１９ 状態指示ランプ
２２０ ２４Ｖ電源
２２１ チャンバ窓
２２２ ガス制御フレキシブル接続部
２２４ ベントボックス
Claims (28)
- 少なくとも約１０００Ｈｚの反復度で狭帯域のパルスレーザービームを生成するためのＦ2エキシマレーザーにおいて、
Ａ．１）二つの細長い電極と、
２）ａ）フッ素と、ｂ）ヘリウムとネオンからなるバッファガス混合物であって、ネオン濃度が前記バッファガス混合物の分圧の４０％から９５％の範囲内である前記バッファガス混合物とを含むレーザーガスと、
３）前記ガスを前記電極間に少なくとも２ｃｍ／ミリ秒の速度で循環させるためのガス循環器とを備えたレーザーチャンバを備えたレーザーチャンバモジュールと、
Ｂ．前記電極を横切り少なくとも１４，０００Ｖの高電圧電気パルスを、少なくとも約１０００Ｈｚの割合で生成するための、電源回路及びパルス圧縮回路及び増幅回路と、パルス出力制御装置とからなるパルス出力システムと、
Ｃ．前記パルス出力システムによって提供される電圧を制御するために、レーザーパルスエネルギーモニターと、所望のエネルギー範囲内のパルスエネルギーを有するレーザーパルスを生成するのに必要な電気パルスを履歴パルスエネルギーデータに基づいて計算するためのアルゴリズムによりプログラムされたコンピュータープロセッサとを備えるレーザーパルスエネルギー制御システムと
を備え、前記レーザーパルスエネルギーモニターは、１５７ｎｍの領域のＵＶ光には敏感であるが、可視赤光と赤外線光の両者には鈍感であるパルスエネルギー検知器を含むことを特徴とするレーザー。 - 前記混合物のネオン濃度が、５２％から６３％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記チャンバと前記ガス循環器が、ガス流経路と上流方向を定め、前記レーザーが更に前記電極の上流に配置された単一管プレイオナイザを備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記電極のそれぞれが、ある電極長さを有し、前記単一管プレイオナイザが、前記電極長さより長いＡｌ2Ｏ3の中空円筒管の軸に沿って配置されて接地された導電性ロッドを含んでいることを特徴とする請求項３に記載のレーザー。
- 前記レーザーチャンバが、チャンバ構造体を輪郭付け、前記二つの細長い電極が陰極及び陽極を形成し、前記陰極は、前記チャンバ構造体のある部分に取り付けられたＡｌ2Ｏ3の単一片絶縁物により前記チャンバ構造体から絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記陰極が、前記単一片絶縁物へ直接取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のレーザー。
- 前記レーザーガスに曝されている全シールが、金属シールであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記電源が、交流電力を直流電力に変換するための整流器と、直流電力を高周波数交流電力に変換するためのインバータと、前記高周波数交流電力の電圧をより高い電圧に上げるための昇圧変圧器と、充電コンデンサを充電するために前記より高い電圧を前記レーザーパルスエネルギー制御システムにより確立されたコマンド電圧又はその付近の電圧へ変えるための整流器とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記電源が、前記充電コンデンサを僅かに過充電するように構成され、更に前記充電コンデンサを前記コマンド電圧までブリードするためのブリード回路を備えていることを特徴とする請求項８に記載のレーザー。
- 前記パルス出力システムが、閉じられると直ちに、第二コンデンサに高電圧電荷を作り出すために電荷を前記充電コンデンサから前記第二コンデンサへ流すことにより前記高電圧電気パルスを開始する半導体スイッチを備えていることを特徴とする請求項８に記載のレーザー。
- 更にインダクタと、パルス変圧器と、第三コンデンサとを備え、前記インダクタと、パルス変圧器と、前記第三コンデンサとが、前記パルス変圧器の出力に非常に高い電圧パルスを生成して前記第三コンデンサに一時的に蓄えるために前記第二コンデンサ上の高電圧電荷が前記パルス変圧器の一次側を通して地面に流れるように配列されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー。
- 前記パルス変圧器の前記一次側は、各々が軸を有し直列に接続される複数の中空スプールを備え、前記パルス変圧器の二次側は、前記複数のスプールの軸に対して整列する少なくとも一つのロッドを備えていることを特徴とする請求項１１に記載のレーザー。
- 前記少なくとも一つのロッドが、直列に接続された四つのロッドであり、一方が接地リード線で他方が非常に高電圧のリード線である二つのリード線となることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー。
- 前記レーザーパルス出力システムが、インダクタの高電圧リード線の役割も果たすポットの中に含まれているオイルの油面より上に出ているコイルを有する少なくとも一つの可飽和インダクタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記ガス循環器が、少なくとも二つのアクティブ磁気ベアリングに支持されたシャフトを備えたブロワーを備え、前記ベアリングのそれぞれが固定子及び回転子を備え、前記シャフトは固定子及び回転子を備えたモーターによりドライバを支え、前記ブロワーは、前記固定子を前記レーザーガスを含む環境の外側にしながら、前記回転子を前記レーザーガスを含む前記環境内にシールするためのシール手段も備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記ガス循環器が、少なくとも二つのセラミックベアリングにより支持されるシャフトを備えたブロワーを備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記二つの細長い電極が、陰極及び陽極を形成し、前記陽極が前記ベアリング上の空気力学的反力を減らすために配置されたテーパ付きの表面を有する陽極支持棒により支持されていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載のレーザー。
- ある長さを有する長い管を備え、前記長さの五十分の一より小さい平均内径を有する出口ポートを有し、前記レーザーチャンバの外側の少なくとも一つのレーザー光学構成要素にパージフローを提供するパージシステムを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 前記パージシステムが、パージフローを検知するために流れモニターを備えていることを特徴とする請求項１８に記載のレーザー。
- 可視赤光及び赤外線光のパルスエネルギーに鈍感な材料を含むパルスエネルギー検知器を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- パルスエネルギーを検知するために太陽光不感エネルギー検知器を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
- 少なくとも約１０００Ｈｚの反復度で狭帯域のパルスレーザービームを生成するためのＦ2エキシマレーザーにおいて、
Ａ．１）二つの細長い電極と、
２）ａ）フッ素と、ｂ）ヘリウムとネオンからなるバッファガス混合物であって、ネオン濃度が前記バッファガス混合物の分圧の４０％から９５％の範囲内である前記バッファガス混合物とを含むレーザーガスと、
３）前記ガスを前記電極間に少なくとも２ｃｍ／ミリ秒の速度で循環させるためのガス循環器とを備えたレーザーチャンバを備えたレーザーチャンバモジュールと、
Ｂ．前記電極を横切り少なくとも１４，０００Ｖの高電圧電気パルスを、少なくとも約１０００Ｈｚの割合で生成するための、電源回路及びパルス圧縮回路及び増幅回路と、パルス出力制御装置とからなるパルス出力システムと、
Ｃ．前記パルス出力システムによって提供される電圧を制御するために、レーザーパルスエネルギーモニターと、所望のエネルギー範囲内のパルスエネルギーを有するレーザーパルスを生成するのに必要な電気パルスを履歴パルスエネルギーデータに基づいて計算するためのアルゴリズムによりプログラムされたコンピュータープロセッサとを備えるレーザーパルスエネルギー制御システムと
を備え、前記レーザーパルスエネルギーモニターは、１５７ｎｍの領域のＵＶ光には敏感であるが、可視赤光と赤外線光の両者には鈍感なパルスエネルギー検知器を含むことを特徴とするレーザー。 - 前記検知器が、太陽光不感検知器であることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
- 前記検知器が、光電管であることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
- 前記検知器が、ＣｓＴｅと、ＣｓＩと、ダイアモンドとから成るグループから選択される光電陰極材料を備えた光電管であることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
- 前記検知器が、ＵＶ光を優先的に反射するか又は通すように構成されている少なくとも一つのミラーを備えていることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
- 前記検知器が、前記ビーム内に存在する可視光又は赤外線光とは異なる方向へＵＶ光を分散するように構成された少なくとも一つの分散要素を備えていることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
- 前記検知器が、ＵＶ光に曝された時に蛍光発光するように構成されている蛍光発光要素を備えていることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー。
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