KR100504045B1

KR100504045B1 - 초협대역 레이저

Info

Publication number: KR100504045B1
Application number: KR10-1999-7011418A
Authority: KR
Inventors: 에르쇼브알렉산더아이.
Original assignee: 사이머 인코포레이티드
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2005-07-27
Also published as: KR20010013417A; EP0990286A4; US5856991A; EP0990286A1; JP2975006B2; WO1998056092A1; AU7389498A; TW406459B; US5970082A; JPH118431A

Abstract

초협대역 엑시머 레이저. 레이저의 후방에 위치한 라인 협소화 요소(18)와 함께 출력 커플러로서 에탈론(44)을 이용함으로써 초협대역 폭이 얻어진다. 바람직한 실시예는 1.5pm보다 작은 95%의 인티그랄 대역폭으로 1000Hz에서 10mJ의 레이저 펄스를 생성할 수 있다.

Description

초협대역 레이저{VERY NARROW BAND LASER}

본 발명은 레이저에 관한 것이며, 보다 상세하게는 협대역 KrF 레이저에 관한 것이다.

KrF 엑시머 레이저는 현재 집적 회로 리소그래피 산업에서 유용한 광원이 되고 있다. 종래의 KrF 엑시머 레이저가 도 1과 도 2에 도시되어 있다. 펄스 파워 모듈(2)은 대략 100 ns를 지속하는 전기 펄스를 방전 챔버(8)내에 위치한 전극(6)에 제공한다. 전극은 대략 28 인치의 길이이고, 대략 3/5 인치 이격되어 있다. 전형적인 리소그래피 레이저는 대략 1,000 Hz의 높은 펄스율에서 동작한다. 이러한 이유로, 전극사이의 공간을 통하여 레이저 가스(전형적인 예는 대략 0.1 퍼센트의 플루오르, 1.3 퍼센트의 크립톤, 및 나머지는 완충 가스로서 작용하는 네온)를 순환시킬 필요가 있다. 이러한 작용은 레이저 방전 챔버내에 위치하는 정접 블로워(10)로 행해진다. 레이저 가스는 챔버내에 또한 위치한 열 교환기로 냉각된다. 상업적인 엑시머 레이저 시스템은 전형적으로 나머지 시스템을 방해하는 일 없이 신속하게 대체될 수 있는 다수의 모듈로 구성되어 있다. 주요 모듈이 도 1에 도시되어 있고, 레이저 챔버(8), 펄스 파워 모듈(2), 출력 커플러(16), 라인 협소화 모듈(18), 파장계(20), 컴퓨터 콘트롤 유닛(22), 및 주변 지원 서브 시스템을 포함한다.

방전 챔버는 대략 3 기압에서 동작된다. 이러한 종래의 레이저는 전형적으로 대략 600 Hz 내지 대략 1,000 Hz의 펄스 모드에서, 대략 10 mJ의 펄스당 에너지, 및, 대략 15 ns의 레이저 펄스 지속시간에서 동작한다. 따라서, 레이저 빔의 평균 전력은 대략 6 내지 10 와트이고, 펄스의 평균 전력은 대략 700 KW의 범위에 있다.

300 nm 미만의 파장에서, 굴절 시스템에 색 보정을 제공하는 유용한 기술이 없다. 그러므로, 스테퍼 렌즈는 색 보정 능력을 가지고 있지 않다. KrF 엑시머 레이저는 대략 248nm의 공칭 파장에서 동작하고, 대략 300pm의 고유 대역폭(최대치 절반에서의 전체 폭 또는 FWHM)을 가지고 있다. (NA＞0.5 를 갖는) 굴절 시스템-스테퍼 또는 스캐너-를 위하여, 광원의 파장은 실질적으로 변화에 일정하도록 유지되고 피코미터 범위로 확산이 최소화될 필요가 있다. 현재 종래의 상업적으로 이용가능한 레이저 시스템은 약 0.8 pm(0.0008nm)의 대역폭을 대략 248nm의 공칭 파장에 있는 KrF 레이저 빔에 제공할 수 있다. 최상의 상업적인 레이저의 파장 안정도는 대략 0.25 pm이다. 이러한 파라미터를 이용하여, 스테퍼 메이커는 대략 0.3 미크론의 집적 회로 분해능을 제공하기 위해 스테퍼 장비를 제공할 수 있다.

분해능을 향상시키기 위해, 보다 협소한 대역폭이 필요하다. 예를 들어, 대역폭을 0.6 pm(FWHM)아래로 감소시키면, 0.25 미크론아래로 분해능을 향상시킬 수 있다. 상기된 바와 같이, 대역폭은 (펄스 전력 대 파장의 챠트상에서) 펄스의 최대 전력의 절반에서의 전체 폭으로서 측정된 펄스 폭으로서 일반적으로 정의되어 있다. 펄스 품질의 다른 중요한 측도는 "95% 인티그랄"로서 불린다. 이것은 펄스 에너지의 95%을 포함하는 펄스 부분의 스펙트럼 폭이다. 원하는 95%의 대역폭은 대략 1.5 pm내지 2.0 pm보다 작다. 그러나, 종래의 KrF 레이저는 레이저의 수명 동안 3 pm인 "95% 인티그랄" 값만을 제공할 수 있다.

회절 격자 및/또는 프리즘을 결합시켜 또는 단독으로, 파장을 제어하기 위해 엑시머 레이저에 에탈론을 사용하는 것이 공지되어 있다. 고전력 레이저에서의 에탈론의 주요 단점은, 레이저빔에 의해 발생된 열이 에탈론을 왜곡시켜 에탈론의 광학 파라미터를 변화시킬 수 있다는 것이다. 이러한 문제점은 적어도 두개의 특허, Furuya등에게 허여된 92년 9월 22일자 미국 특허 제 5,150,370호와, Basting와 Kleinchmidt에게 허여된 96년 9월 24일자 미국 특허 제 5,559,816호에서 다루고 있다. 상기 특허 모두, 메인 광선이 제 1 공동에서 발생하고 파장 제어가 상대적으로 저전력인 제 2 공동에 위치한 에탈론에 의해 행해지는 두 개의 편광-결합 공동내에서 레이저를 배치하고 있다. 이러한 기술은, 에탈론의 광학적 성능을 향상시킴에도 불구하고, "95% 인티그랄"을 필요한 1.5-2.0pm으로 감소시킬 수 없고, 또한, 이러한 기술은 상당히 복잡하다.

스테퍼 장비의 성능은 스테퍼 장비의 작동 수명동안에 레이저의 최소 대역폭을 유지하는 것에 절대적으로 의존한다. 그러므로, 장기간 공장 가동가능하고, 0.2pm보다 작은 파장 안정도, 0.5pm보다 작은 FWHM 대역폭, 및 2.0pm보다 작은 95% 인티그랄 대역폭을 가진 신뢰성있고 생산성이 우수한 엑시머 시스템이 필요하다.

도 1은 집적 회로 리소그래피에 사용되는 종래의 상업적인 KrF 엑시머 레이저의 주요 구성요소를 도시하는 블록도,

도 2는 상기 종래의 KrF 레이저의 개략도,

도 3은 본 발명의 블록도,

도 4는 고체 펄스 파워 회로의 간단한 전기회로도,

도 5는 종래의 사이러트론계 회로와 고체 펄스 파워 회로의 결과를 비교하는 그래프,

도 6은 펄스동안의 동작 전압의 그래프,

도 7은 라인 협소화 모듈의 주요 구성요소의 개략도,

도 8은 레이저 출력 빔의 파장이 측정되는 방법을 도시하는 도면,

도 9는 에탈론 반사율을 나타내는 도면,

도 10은 본 발명의 원리를 증명하는 시험 데이터,

도 11과 도 13은 에탈론에 대하여 회절 격자를 경미하게 미스튜닝한 효과를 도시하는 도면,

도 12은 에탈론에 대하여 회절 격자를 반대측으로 튜닝한 효과를 도시하는 도면,

도 14는 에탈론과 회절 격자의 반사율을 비교하는 도면.

본 발명은 초협대역 엑시머 레이저를 제공한다. 초협대역폭은 레이저 후방에 위치한 라인 협소화(line narrowing) 유닛과 결합하여 출력 커플러로서 에탈론을 이용함으로써 얻게 된다. 바람직한 실시예에서, 에탈론의 최대 반사율의 파장은 라인 협소화 유닛에 의해 생성된 최대 파장과 일치한다. 바람직한 실시예에서, 라인 협소화 모듈은 프리즘 빔 익스팬더와 회절 격자를 이용한다. 출력 커플러와 라인 협소화 모듈 모두는 튜닝가능하고 레이저 출력 빔 파장의 실시간 파장계 측정에 기초하여 컴퓨터 제어된다. 플루오르 부분 압력을 0.08% 미만으로 감소시킴으로써 추가로 감소될 수 있다. 바람직한 실시예는 0.5pm(FWHM) 및 1.5pm(95% 인티그랄)보다 작은 대역폭을 구비하고, 0.2pm보다 작은 스펙트럼 안정도를 갖는 1000Hz에서의 10mJ 레이저 펄스를 생성할 수 있다.

협대역 KrF 레이저

본 발명의 특징을 이용한 협대역 KrF 레이저가 아래에 설명되어 있다.

챔버

도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예의 방전 챔버(8)는 종래의 방전 챔버와 동일하다. 챔버(8)는 부식성 가스중 일부 가스체를 수용하기 위해 설계된 용기이다. 방전 영역은 1.2 내지 2.5cm의 갭만큼 분리된 두개의 전극(6)에 의해 형성된다. 캐소드는 고전압에 접속되어 있기 때문에 절연 구조에 의해 지지되고, 애노드는 접지 전위를 갖고 있는 금속 챔버에 부착되어 있다. 방전 영역의 한측면에 위치한 코로나 방전 프리이오나이저에 의해 사전 이온화(preionization)된다. 레이저 가스의 부식성으로 인해, 챔버는 플루오르 공격을 견디기 위해 선택된 특정 금속을 이용한다. 그러나, 플루오르 가스는 전극 및 챔버 측벽과 같은 챔버 내부 부분과 반응하고; 따라서 플루오르를 소모하고 플루오르화 금속 오염물질을 생성한다. 플루오르화 금속 먼지는 도시 생략된 정전 집진기에 의해 트랩(trap)된다. 소량의 레이저 가스는 챔버로부터 추출되고, 음으로 방전된 고전계 와이어로 넘겨져 상기 먼지를 트랩한다. 무먼지 가스는 깨끗하게 유지되어지기 위해 윈도우를 통해 방출된다.

펄스 파워 모듈

이러한 바람직한 실시예는 도 4에 도시된 고체 펄스식 파워 모듈(SSPPM) 회로를 이용한다. 종래의 사이러트론 시스템의 20kV 전원이 1kV 전원으로 대체된다. 사이러트론 스위치는, C_P에 바로 에너지를 공급하지 않고 대신 C₁, C₂, C₃, 펄스 비교 회로, 승압기, 및 3개의 포화 인덕터로 구성된 펄스 압축 회로로 C₀의 에너지를 스위칭시키는 SCR 스위치에 의해 대체된다. 이러한 회로의 동작은 다음과 같다. C₀에 저장된 DC 전하는 SCR과 인덕터(L₀)를 통해 C₁로 스위칭된다. 포화 인덕터(L₁)는 대략 2.5㎲동안 C₁의 전압을 홀드오프한 후 도전하게 되어, 전하가 C₁에서 C₂로 이동할 수 있도록 한다. 제 2 포화 인덕터(L₂)는 대략 500ns 동안 C₂의 전압을 홀드오프한 후 C₂의 전하가 1:20의 승압기의 1차 권선을 통하여 흐를 수 있도록 한다. 승압기로부터의 출력은 포화 인덕터(L₃)가 대략 100-150ns내에 전도성이 될 때까지 C₃에 저장된다. 그 다음 전하는 L₃를 통하여 C_P로 최종적으로 이동하게 되어 레이저 방전이 발생한다. 도 5의 하부에 도시된 C_P의 전압 파형은, SRC 파형이 거의 또는 아무런 사후 링잉을 나타내지 않는다는 것을 제외하고, 등가의 사이러트론 스위치형 펄스구동식 파워 모듈에 의해 생성된 형태와 거의 일치한다. SSPPM의 증가된 복잡성은 비싸고 단수명인 사이러크론을 제거함으로써 해결하게 된다. 도 5에 펄스 제어 향상이 나타나 있다. SSPPM의 추가된 중요한 특징은 도 6에 도시된 바와 같은 레이저 챔버로부터 반사된 에너지의 회복이다. SSPPM로써, 임피던스 부정합으로 인한 레이저 챔버에 의해 반사된 에너지는 레이저 챔버와 SSPPM사이에서 더이상 링잉하지 않는다. SSPPM 회로는 이런 반사된 에너지를 펄스 형성 회로망을 통해 역으로 C₀에 모두 재전송하도록 설계되어 있다. C₀로의 상기 에너지의 회복 즉시, SCR는 포획된 에너지가 C₀상에 남아 있도록 스위치오프한다. 따라서, 동작 전압, 가스 혼합물, 또는 챔버 상태와 무관하게, 레이저 전극에 걸리는 전압 파형은 충분히 튜닝된 시스템의 동작을 나타낸다. 이러한 성능은 모든 레이저 동작 상태에 걸쳐 유지된다.

스펙트럼 협소화

KrF 레이저의 스펙트럼 협소화는 단펄스 시간(10 내지 15ns, FWHM)과 UV 파장에 의해 복잡하게 된다. 단펄스의 결과로 내부 공동의 전력(~1MW/㎠)이 매우 높고, 단파장은 248nm에서의 높은 흡수 계수로 인해 광학 물질을 열적으로 왜곡시킬 수 있다. 또한, 전형적인 레이저에 대한 공진기(라인 협소화 광학 요소를 포함)를 통한 왕복 총 횟수는 대략 3 내지 4로서 적다. 공진기를 통한 단일 패스 라인 폭이 Δλ₁로 표시되면, n 패스 후의 최종 라인 폭(Δλ_f)의 추정치는 다음과 같다.

그러므로, 광학 시스템의 단일 패스 라인폭은 최대로 최종 라인 폭보다 2의 인수만큼 더 크다. 그러므로, 광학 시스템의 라인 협소화 스펙트럼(즉, 300pm 내지 ＜1pm 까지)으로 광대역 스펙트럼을 변환시키는 효율성이 상당히 높아야 한다.

KrF 레이저를 라인 협소화하는 공지 기술은 공진기에 파장 분산 광학 요소를 내장하는 것이다. 3가지 타입의 분산 요소: 프리즘, 에탈론, 및 회절 격자가 사용될 수 있다. 리트로(Littrow) 구성내에 높은 분산 격자를 사용하는 것은 가장 효율적인 스펙트럼 라인 협소화 기술이다. 회절 격자가 분산 요소이기 때문에, 좁은 라인 폭을 얻기 위해선, 레이저 빔은 그 빔이 회절 격자를 조사하는 곳에서 작은 발산을 가져야만 한다. 도 7에 도시된 3개의 프리즘 빔 익스팬더(30,32,34)는 빔을 확장시켜 그 발산을 감소시키기 위해 라인 협소화 모듈내에 삽입되어 있다. 레이저 양 끝단의 두개의 애퍼추어는 추가로 발산을 감소시키는데 사용된다.

바람직한 라인 협소화 모듈의 주요 구성 요소가 도 7에 도시되어 있다. 이것은 프리즘(30,32,34), 튜닝 미러(36), 및 에쉘(eschelle)회절 격자(38)을 포함하고 있다. 미러는 레이저의 파장을 변화시키도록 피벗되어 있다. 10% 부분 반사 미러로 구성된 종래의 출력 커플러와 상기 방전 챔버를 결합시켜 사용되는 이러한 종래의 라인 협소화 모듈(18)은 KrF 레이저의 라인 폭을 0.8 pm(FWHM)과 3.0 pm(FWHM)로 감소시킨다.

출력 커플러로서의 튜닝가능 에탈론

본 발명의 바람직한 실시예는 도 3에 도시된 튜닝가능 에탈론 유닛(44)으로 종래의 출력 커플러를 대체함으로써 대역폭을 추가로 감소시킨다.

튜닝가능 에탈론은 그 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 조정될 수 있는 에탈론이다.

FSR은 다음과 같이 결정된다.

여기서 n = 갭에서의 가스의 굴절율

d = 갭의 사이즈, 및

λ= 파장.

상업적으로 이용가능한 튜닝가능 에탈론은 공간이 있는 두개의 평행 플레이트로 구성되어 있다. FSR는 공간의 갭 크기를 변화시킴으로써, 또는 갭의 가스압력을 변화시킴으로써, 그리고 수학식 2에서의 굴절율(n)을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 출력 커플러로서 사용된 튜닝가능 에탈론은 전기적으로 조정가능하고 초고속인 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 바람직한 실시예에서, 출력 커플러로서 사용된 에탈론(44)은 파장계(20)으로부터의 실시간 펄스 출력 파장 측정 신호에 기초하여 컴퓨터 제어기(22)에 의해 제어된다. 컴퓨터 제어기(22)는 또한 라인 협소화 모듈(18)의 튜닝을 제어한다. 미국 특허 제 4,977,563호는 튜닝가능 에탈론을 개시하고 있다. 이러한 에탈론에서, 플레이트사이의 공간은 밀봉되고, 플레이트사이의 거리는 양 플레이트의 외측상의 압력을 증가 또는 감소시킴으로써 조정된다. 미국 특허 제 4,977,563 호의 발명은 여기서 참조하여 포함되어 있다. 공동 공간이 압전 트랜스듀서를 이용하여 제어되는 튜닝가능 에탈론은 또한 상업적으로 이용가능하다. 이러한 트랜스듀서의 하나의 공급자는 뉴욕, 피셔스 소재의 Burleigh Instruments, Inc이다. 여러 튜닝가능 에탈론은 캘리포니아 얼바인 소재의 Milles Griot로부터 또한 이용가능하다.

바람직한 튜닝가능 에탈론은 도 9에 도시된 바와 같이, 빛의 파장에 의존하여 입사광의 대략 0%에서 대략 15%까지 반사하도록, 그리고 실질적으로 모든 남은 빛을 투과하도록 설계된 반사 에탈론이다. 본 출원의 에탈론은 소위 "반사 모드"에서 사용된다. 표면은 대략 4% 의 반사율을 위해 설계되어 있다. 파장 제어를 위해 종래의 레이저에 사용된 전형적인 에탈론에서, 반사 표면은 빛의 대략 70%를 반사한다. 이러한 에탈론은 "투과 모드"에서 사용된다. 투과 모드에서, 광자당 복수(대략 5 내지 10)의 반사는 상당한 에너지 손실이 야기되고 에탈론에서 열적 효과를 야기하는 에탈론내에 일어난다. 본 발명을 위해 필요한 설계의 에탈론에 대하여, 광자는 한번 반사되거나 거의 반사되지 않고, 이것은 에탈론의 열적 효과가 실질적으로 상당히 감소되는 것(약 1 위수의 크기)을 의미한다. 그러므로, 공진 공동에 사용된 에탈론상의 열적 효과와 관련된 종래의 문제점은 본 발명에 의해 거의 감소되거나 제거된다. 도 14는 회절 격자와 에탈론 모두의 파장에 의존한 반사율을 도시하고 있다. 회절격자 반사율은 도 7의 튜닝 미러(36)에 의해 선택될 수 있는 주어진 파장(λ₀)에서 최대이다. 바람직한 실시예에서, 에탈론의 반사 최대치중 하나는 회절 격자의 최대치에 대응하는 파장(λ₀)과 근본적으로 동일한 파장이 되도록 튜닝된다. 결과적으로, 회절 격자의 분산은 발생 광의 보다 협소한 라인 폭을 야기하는 에탈론의 파장 선택 특성을 증가시킨다.

주요 실험의 검증

이러한 개념을 증명하기 위해, 출원인은 상용 레이저상의 표준 출력 커플러를 고정 에탈론으로 대체하는 실험을 하였다. 이러한 실험에서의 레이저의 광학적인 배치는 3/8" 두께의 비코팅된 평행 플랫 용융 실리카 기판이 출력 커플러로서 사용되었다는 점을 제외하고 표준의 상용 레이저와 유사하다. 고체 에탈론으로서 명칭되는 이러한 3/8" 플레이트는 대략 0.56인치의 공극을 가진 공간 에탈론과 유사한 특성을 가지고 있다. 이 기판은 도 9에 도시된 계산된 반사 스펙트럼을 가진 반사 에탈론으로서 작용한다. 최대 반사율은, 종래의 전형적인 표준 출력 커플러의 반사율, 즉 부분 반사 미러에 의해 제공되는 10% 반사율에 근접하는 대략 15%라는 것을 알 수 있다. 에탈론의 완전한 이점을 얻기 위해, 그 반사 최대치중 하나는 일반적으로 회절 격자의 반사 최대치와 일치한다. 이러한 방식으로, 회절 격자의 분산은 에탈론의 파장 선택 특성에 의해 증가된다. 도 10은 종래의 10% 출력 커플러로 동작하는 동일 레이저 챔버를 이용하여 얻을 수 있는 최상의 스펙트럼과 비교한, 이러한 상황에 대한 정규 레이저 출력 빔 스펙트럼을 도시하고 있다. 이러한 종래의 특정 스펙트럼은 전형적인 종래의 스펙트럼보다 우수하고, 1.61 pm인 95% 인티그랄값을 제공한다. 전형적인 종래의 95% 인티그랄값은 대략 2 pm 내지 3 pm이다. 라인 폭의 감소는 매우 양호한 종래의 레이저 스펙트럼과 비교할 때 명백하게 알 수 있다. 95% 인티그랄은 대략 0.92pm이다. 따라서, 0.5pm 보다 작은 원하는 FWHM 대역폭과 2 pm 보다 작은 원하는 95% 인티그랄 대역폭이 보장된다. 측정은 0.12pm의 분해능을 가진 고 분해능 분광계를 이용하여 이루어졌다. 레이저는 대략 0.1%의 F₂, 1%의 Kr 및 나머지의 Ne를 포함하는 표준 플루오르 혼합물에서 동작하였다. 에탈론 출력 커플러에 의해 어떠한 레이저 효율성도 감소되지 않았다는 것을 알게 되었다. 종래의 레이저 스펙트럼상에서 일반적으로 알 수 있는 단파장 후미부는 에탈론이 사용될 때 나타나지 않는다.

도 11, 도 12, 도 13은 회절 격자와 에탈론의 반사 최대치가 일치하지 않을을 때의 레이저 스펙트럼을 도시하고 있다. 도 11과 도 13은 에탈론이 회절 격자의 최대치에서 약간 벗어난 경우를 도시하고 있다. 스펙트럼은 두개의 비대칭 피크를 가지고 있고, 주어진 레이저 펄스 에너지를 생성하는데 필요한 방전 전압은 20%만큼 증가된다.

도 12는 에탈론이 완전히 튜닝되지 않을 때, 즉, 에탈론의 최소 반사율이 회절 격자의 최대 반사율과 일치할 때를 도시하고 있다. 이러한 경우의 레이저 스펙트럼은 두개의 대칭 피크를 가지고 있고, 방전 전압은 30% 이상 증가된다.

바람직한 파장 제어 기술

따라서, 상기에 논의된 바와 같이, 최소 라인 폭을 달성하는 바람직한 제어 기술은 파장계(20)로부터 얻어진 실시간 파장 측정값에 기초하여 튜닝가능 에탈론 출력 커플러(44)와 튜닝가능 라인 협소화 모듈(18)를 제어하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 컴퓨터(22)를 사용하는 것이다. 상기에 지시된 바와 같이, 출력빔(50)의 가장 협소한 라인폭은 라인 협소화 모듈과 출력 커플러가 원하는 파장에서 최대 반사율을 제공하도록 모두 튜닝될 때 제공된다. 에탈론을 튜닝하는 것은 스펙트럼 측정값의 결과에 기초하여 행해진다. 컴퓨터(22)는 스펙트럼(도 11과 13)내의 보다 큰 피크의 위치에 기초하여 튜닝가능 에탈론(44; 도 3)으로 보정 신호를 발생시킨다. 따라서, 도 11에 도시된 스펙트럼은 에탈론 갭이 에탈론 반사 피크가 약간 보다 짧은 파장으로 시프트하도록 감소되어야 한다는 것을 의미한다. 한편, 도 13에 도시된 것과 같이 보이는 스펙트럼은 에탈론 갭이 에탈론 반사 피크를 경미하게 보다 긴 파장으로 시프트하도록 확장되어야 한다는 것을 의미한다. 원하는 파장에서 최대 반사를 제공하기 위해 공진 공동의 후방에 위치된 라인 협소화 모듈을 튜닝시키는 것은 전적으로 논리적인 것이다; 그러나, 원하는 파장에서 최대로 반사시키고 원치않는 파장에서 사실상 100퍼센트 전달하도록 출력 커플러를 튜닝시키는 것은 양호한 논리가 아닌 것으로 여결질 수 있다. 그러나, 출원인의 설명에 의해, 출력 빔의 라인폭에서의 매우 실질적인 감소가 원하는 파장에서 최대 반사율을 제공하는 출력 커플러를 가짐으로써 실현될 수 있다는 것이 증명된다. 원하는 파장에서 에너지의 약 15%를 반사시킴으로써 이 파장에서의 에너지를 레이저 챔버에서 더 증폭할 수 있기 때문에 출력 커플러를 갖는 배열에 의해 실현된다. 원하는 파장에서의 빔 에너지의 약 85%가 에탈론을 통하여 전달된다. 각 펄스의 초기 위상동안, 원치않는 파장에서의 빔 에너지의 85% 내지 100%가 출력 커플러를 통하여 챔버 밖으로 나가지만, 이 초기 위상 동안, 빔에 있는 총 에너지는 상대적으로 작아서 총 펄스 에너지에 대한 그것의 기여정도는 무시할 만하다. 펄스의 나중 위상동안, 출력 커플러를 통과하는 원치않는 파장에서의 에너지의 퍼센트(약 100%까지 달함)는 출력 커플러를 통과하는 원하는 파장에서의 퍼센트(단지 약 85%)보다 더 높다. 그러나, 원하는 파장이 원치않는 파장에 비하여 크게 증폭되었기 때문에, 그 결과, 1.0 pm보다 더 작은 대역폭내에 에너지의 95%가 집중되는 양호한 펄스가 얻어진다.

스펙트럼 성능에서의 추가 향상

출력 커플러로서 에탈론을 사용하는 것에 부가하여, 스펙트럼 성능을 향상시키기 위해 종래 기술의 레이저에 다른 수정이 이루어질 수 있다.

플루오르 소모의 감소

출원인 및 그 동료들이 구축하고 시험한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 플루오르를 소모하는 물질을 방전 챔버로부터 제거하기 위해 상당한 주의를 하였다. 방전 챔버에서의 플루오르 소모는 챔버내의 물질과의 플루오르반응에 기인한다. 이러한 반응은 전형적으로 레이저 성능의 열화를 가져오는 오염물질을 발생시킨다. 플루오르 소모를 최소화하기 위해, 본 바람직한 실시예는 아래와 같은 특정한 특징을 포함한다:

챔버벽은 니켈로 코팅된 알루미늄이다.

전극은 황동이다.

모든 금속 O-링은 기밀재(seal)로서 사용된다.

절연체는 모두 세라믹 및 플루오르와 양립가능하다(compatible).

알루미나는 출원인의 바람직한 절연체 재료이다.

정전 필터는 동작동안 발생된 오염물질을 필터링하기 위한 종래기술의 설계와 같이 제공된다.

팬 유닛은 종래 기술을 사용하는 기밀된 방전 챔버 외부에 위치된 고정자를 갖는 자기적으로 연결된 모터를 사용하여 구동된다.

제조동안, 부품은 잠재적인 오염물질을 제거하기 위해 정밀하게 세척된다.

조립후에, 챔버는 플루오르로 패시베이팅된다.

공칭 플루오르 농도의 감소

플루오르 농도는 약 0.1%(3.0kPa)의 종래기술 레벨로부터 약 0.07%(2.1kPa)로 감소된다. 총 가스 압력은 약 300kPa이다. (Kr 농도는 약 1.3%의 종래기술 레벨에서 유지되고 레이저 가스의 잔여물은 네온이다.) 동작동안, 플루오르는 점진적으로 고갈될 것이다. 일정한 펄스 에너지는 종래기술에 따라 레이저 동작 전압을 점진적으로 증가시킴으로써 얻어진다. 엑시머 레이저 종래기술에 공지된 기술에 따라 플루오르의 고갈을 보상하기 위해 주기적(전형적으로 약 1 내지 4 시간의 간격)으로 플루오르와 네온의 혼합물이 주입된다. 상기 공정동안, 플루오르 농도는 약 0.065%와 0.075%사이의 범위내에서 바람직하게 유지되고 동작 전압은 일정한 펄스 에너지를 유지하기에 적합한 대응하는 범위내에 유지된다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서, 이 범위는 커패시터(C₀)상에서 770V 내지 790V이었다(도 4).

칼슘 플루오르 프리즘으로의 스위치

출력 커플러의 반사율이 10%에서 15%로 변함에 따라 라인 협소화 모듈을 통과하는 광의 강도가 증가하는 효과를 가져왔다. 상기 추가 조명에 의해 발생되는 부가적인 열은 라인 협소화 모듈의 프리즘에 열적 왜곡을 일으킬 수 있다. 이러한 잠재적인 문제를 해결하기 위해 용융 실리카 프리즘은 플루오르화 칼슘 프리즘으로 대체될 수 있다. 플루오르화 칼슘은 보다 더 높은 열전도성을 가지며 용인될 수 없는 왜곡없이 부가적인 에너지를 처리할 수 있다.

파장과 대역폭 측정

리소그래피 레이저 출력 방사의 중심 파장은 a) 웨이퍼 평면에서 초점을 유지하기 위해 그리고 b) 배율에서의 임의의 변화를 최소화하기 위해 안정화되어야 한다. 제품 리소그래피 레이저에 사용되는 파장계는 컴팩트하지만 양호한 상대 정확도, 작은 장기간 드리프트, 및 원자라인에 대한 양호한 절대 정밀도의 요구조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 더우기, 파장측정은 주위 온도 또는 압력에서의 변화에 둔감해야 한다. 부가하여, 파장계는 ±0.15pm의 정확도를 갖고 스펙트럼 대역폭(FWHM)을 측정할 수 있어야 한다. 이 파장계의 동작범위는, 248.35±0.30nm로, 상대적으로 작을 수 있다.

파장은 회절 격자와 에탈론의 조합을 사용하여 측정된다. 상기 파장계의 도식적 레이아웃이 도 8에 도시되어 있다. 회절 격자와 에탈론은 각각 거친 측정 및 정교한 측정에 사용된다. 회절 격자 분광계로부터의 출력은 1024 요소 실리콘 광다이오드 어레이의 중심 영역에 이미징되고, 한편, 에탈론으로부터의 프린지 패턴은 2개의 측상에 이미징된다. 파장은 거친 회절 격자 출력의 위치 및 에탈론 프린지 패턴의 직경을 측정함으로써 결정된다.

프린지 직경에서의 작은 변화는 파장의 변화에 비례한다. 에탈론의 자유 스펙트럼 범위(FSR)보다 작은 파장 변화에 대하여, 에탈론은 레이저의 파장을 트래킹할 수 있다. 거친 회절 격자 측정은 에탈론의 FSR보다 더 큰 레이저 파장 드리프트에서의 임의의 가능한 에러 또는 불일치를 제거하는데 필요하다. 바람직한 에탈론은 10pm 또는 보다 더 작은 FSR을 갖고; 또는 다른 대안으로, 하나는 20pm의 FSR을 갖고 다른 하나는 5pm의 FSR을 갖는 두개의 에탈론을 사용할 수 있다. 공지된 바와 같이, 에탈론 프린지 패턴은 FSR의 배수만큼 분리된 파장과 동일하다.

파장계는 248.3271nm에서 흡수 피크를 갖는 중공 음극 Ne-Fe 램프를 참조하여 공장에서 교정된다. 이러한 파장계는 ±0.5pm내에서 안정하게 만들수 있다는 것을 경험으로 알 수 있다. 더우기, 주위 압력에 의존하는 변화를 제거하기 위해, 회절 격자와 에탈론 모두 개별적으로 가압된 하우징내에 수용된다. 온도 안정도는 극히 낮은 열 팽창 계수 에탈론 스페이서를 사용하여 그리고 에탈론 하우징의 양호한 열 관리를 통하여 달성된다.

마지막으로, 파장계로부터 얻어진 파장정보는 라인 협소화 모듈내의 회절 격자상의 조명각도와 출력 커플러내의 에탈론의 플레이트사이의 간격을 변화시킴으로써 레이저 파장을 제어하기 위해 사용된다. 이것은 상기에 설명된 기술을 사용하여 출력 커플러내의 에탈론 플레이트의 분리를 극히 경미하게 변화시킴으로써 및/또는 도 7에 도시된 미러(36)를 극히 경미하게 피벗팅함으로써 행해진다.

이러한 초협대역 레이저가 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 적용과 수정이 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 공칭 파장에서 동작하는 KrF레이저에 사용하기 위해 설명되는 기술은 또한 ArF 레이저에 적용될 수 있다; 그러나, 광학계는 193nm로 설계되어야 한다. 또한, 압력 튜닝형(pressure-tuned) 에탈론 또는 압전 튜닝형 에탈론에 대해서는, 에탈론의 플레이트사이의 갭을 넓히거나 좁게하기 위해 기계적인 힘을 사용하여 압력 튜닝되는 상업적으로 유용한 에탈론이 있다. 당업자는 상기에 설명된 라인 협소화 모듈이 복수의 프리즘과 전반사 미러, 빔 익스팬더 없는 회절 격자, 및 회절 격자와 전반사 미러로 구성된 많은 다른 종래기술의 라인 협소화 모듈로 대체할 수 있음을 알 것이다. 투과 에탈론은 또한 라인 협소화 모듈에 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims

A. (1) 두 개의 신장된 전극,

(2) 적어도 하나의 프리이오나이저, 및

(3) 레이저 가스,를 포함하는 레이저 챔버;

B. 상기 레이저 챔버에서 발생된 광의 일부를 수용하도록, 라인 협소화된 광을 생성하기 위해 상기 광의 일부의 스펙트럼을 협소화하도록, 그리고 상기 라인 협소화된 광을 상기 레이저 챔버로 반환하도록 위치되어 있고,

(1) 적어도 하나의 빔 확장 프리즘,

(2) 회절격자, 및

(3) 상기 회절격자를 튜닝시키는 회절격자 튜닝 수단,을 포함하는 라인 협소화 유닛;

C. 에탈론을 포함하고, 상기 레이저 챔버에서 발생된 광의 일부를 반사하도록 그리고 상기 광의 일부를 출력하도록 위치되어 있는 출력 커플러;를 포함하고,

상기 회절격자 및 에탈론은 원하는 단일 파장에서 상기 레이저 챔버내로 적어도 거의 최대의 반사율을 제공하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 파장계 및 상기 회절격자 튜닝 수단을 제어하는 파장 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 2항에 있어서, 에탈론 튜닝 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 회절격자 및 에탈론은 모두 매우 좁은 범위의 원하는 단일 파장에서 최대 반사율을 제공하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 레이저 가스는 플루오르 및 크립톤 또는 아르곤중 하나로 구성되어 있고, 상기 레이저 챔버는 플루오르와 양립가능한 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 출력 커플러는 튜닝가능하고 에탈론 튜닝 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 라인 협소화 유닛은 적어도 하나의 프리즘 및 전반사 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 에탈론은 가압 튜닝형 에탈론인 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 에탈론은 압전 튜닝형 에탈론인 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 에탈론은 압축 튜닝형 에탈론인 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
제 1 항에 있어서, 상기 에탈론은 모두 비코팅된 두 개의 내부 평행 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 초협대역 엑시머 레이저.
A. 플루오르와 양립할 수 있는 재료로 구성되어 있고,

(1) 두 개의 신장된 전극,

(2) 적어도 하나의 프리이오나이저, 및

(3) 전체 압력을 형성하고, 크립톤, 플루오르, 및 버퍼 가스로 구성되어 있고, 상기 플루오르는 전체 압력의 0.08 미만인 부분 압력을 가지고 있는, 레이저 가스,를 포함하는 레이저 챔버;

B. (1) 적어도 하나의 빔 확장 프리즘, 및

(2) 동기가능 회절격자,로 구성되어 있는 튜닝가능 라인 협소화 유닛;

C. 에탈론을 포함하는 출력 커플러;를 포함하고,

상기 회절격자 및 에탈론은 원하는 단일 파장에서 상기 레이저 챔버내로 적어도 거의 최대의 반사율을 제공하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 초협대역 KrF 엑시머 레이저.
제 12 항에 있어서, 상기 출력 커플러는 튜닝가능 출력 커플러인 것을 특징으로 하는 초협대역 KrF 엑시머 레이저.
제 13 항에 있어서, 출력 레이저 빔의 파장을 측정하는 파장계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 KrF 엑시머 레이저.
제 14 항에 있어서, 상기 출력 커플러, 및 상기 라인 협소화 모듈을 튜닝하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초협대역 KrF 엑시머 레이저.
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