KR100561957B1 - 가스 첨가제를 갖는 협대역 엑시머 레이저 - Google Patents

가스 첨가제를 갖는 협대역 엑시머 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 향상된 에너지량 제어 및 재생력을 가지며, 약 500 내지 2000Hz의 범위에 있는 속도로 펄스를 만들 수 있는 초협대역 펄스 엑시머 레이저를 제공한다. 산소 및 무거운 노블 가스(KrF 레이저를 위한 크세논 또는 라돈, 또는 ArF 레이저를 위한 크립톤, 크세논, 또는 라돈)로 이루어진 미소량의 안정화된 첨가제가 가스 혼합물에 첨가된다. 수행된 테스트는 약 30ppm의 크세논을 KrF 레이저에 첨가함으로써 에너지 안정도에서 본질적인 향상을 보여준다. 테스트는 약 6-10ppm의 Xe 또는 40ppm의 Kr을 첨가함으로써 ArF 레이저의 향상된 성능을 보여준다. 바람직한 실시예에서, 초협대역폭은 플루오르 부분압력을 0.10%로 줄이고, 출력커플러의 반사율을 25%보다 크게 증가시킴으로써 KrF 레이저상에서 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 종래기술의 라인 협소화 모듈에서 사용된 종래기술의 용융된 실리카 빔 확산 프리즘은 플루오르화 칼슘 프리즘으로 대체된다.
Figure 112000006985013-pct00002
프리즘, 레이저, 크세논, 노블 가스, 플루오르, 초협대역, 파장, 에너지, 라인 협소화 모듈, 전원장치, 반사율

Description

가스 첨가제를 갖는 협대역 엑시머 레이저{NARROW BAND EXCIMER LASER WITH GAS ADDITIVE}
본 발명은 레이저에 관한 것이며, 특히 협대역 레이저에 관한 것이다.
엑시머 레이저는 현재 집적회로 리소그래피 산업을 위한 유용한 광원이 되고 있다. 전형적인 종래의 KrF 엑시머 레이저는 도 1 및 도 9에 도시되어 있다. 펄스 파워 모듈(AE)은 약 100ns를 지속하는 전기적 펄스를, 방전 챔버(8)내에 위치되어 있는 전극(6)에 제공한다. 전극은 길이가 약 28인치이며, 약 3/5인치 이격되어 있다. 전형적인 리소그래피 레이저는 약 1000Hz의 고펄스율로 동작한다. 이러한 이유로, 전극사이의 공간을 통하여, 레이저가스(약 0.1% 플루오르, 1.3% 크립톤, 및 나머지는 버퍼가스로서 역활을 하는 네온)를 순환시키는 것이 필요하다. 이것은 레이저 방전 챔버내에 위치되어 있는 접선 블로워(10)로서 행해진다. 레이저 가스는 또한 챔버내에 위치된 열 교환기로 냉각된다. 전형적으로, 상업적인 엑시머 레이저 시스템은 나머지 시스템을 방해하는 일 없이, 빠르게 대체될 수 있는 수개의 모듈로 이루어져 있다. 주요 모듈은 도 2에 도시되어 있으며,
레이저 챔버(8)
펄스 파워 모듈(2)
출력 커플러(16)
라인 협소화 모듈(18)
파장계(20)
컴퓨터 제어 유닛(22)
주변 지지 서브 시스템
블로워(10)를 포함한다.
방전 챔버는 약 3 기압의 압력에서 동작된다. 약 600Hz 내지 약 1000Hz의 펄스 모드, 약 10mJ이 되는 펄스당 에너지, 및 약 15ns가 되는 레이저 펄스의 지속시간에서 이들 레이저 챔버는 동작한다. 따라서, 레이저 빔의 평균 전력은 약 6 내지 10 와트이며, 펄스의 평균 전력은 약 700KW의 범위내에 있다. 전형적인 동작모드는 "버스트 모드" 동작이라 한다. 이러한 모드에서, 레이저는 초당 1000 펄스의 속도에서 약 50 내지 150 펄스의 "버스트"를 제공한다. 따라서, 레이저의 지속시간은 약 50 내지 150 밀리초이다. 종래 기술의 리소그래프 엑시머 레이저는 바람직한 (항상 일정한) 출력 펄스 에너지를 유지하기 위해 출력 펄스 에너지를 측정하며 자동으로 방전 전압을 조정하는 피드백 전압 제어 회로로 장치되어 있다. 출력 펄스 에너지가 바람직한 레벨로 정확하게 제어된다는 것은 매우 중요한 일이다.
300nm 아래의 파장에서, 칩 리소그래피를 위해 사용되는 스테퍼 렌즈를 조립하기 위하여 유용한 단 하나의 적당한 광학 물질이 있다. 이러한 물질은 용융된 실리카이다. 모든 용융된 실리카 스테퍼 렌즈는 색채 보정 능력이 없다. KrF 엑시머 레이저는 대략 300pm(반치전폭)의 자연대역폭을 갖는다. (NA>0.5를 갖는) 굴절 시스템-스테퍼 또는 스캐너-을 위하여, 대역폭은 1pm 아래로 감소되어야 한다. 현재 종래기술의 상업적으로 이용가능한 레이저 시스템은 약 0.8pm(0.0008nm)의 대역폭을 갖는 약 248nm의 공칭 파장에 있는 KrF 엑시머 레이저 빔을 제공할 수 있다. 최상의 상업적으로 이용가능한 레이저의 파장 안정도는 약 0.25pm이다. 이들 파라미터와 함께, 스테퍼 메이커는 약 0.3 미크론의 집적회로 분해능을 제공하기 위해 스테퍼 장치를 제공할 수 있다. 분해능을 향상시키기 위해, 더욱 협소한 대역폭이 요구된다. 예를 들면, 0.6pm 아래의 대역폭의 축소는 0.25 미크론 아래의 분해능의 향상을 이룬다.
약 0.08 내지 0.12% 플루오르, 3.5% 아르곤, 및 나머지 네온의 가스 혼합물을 사용하여 약 190nm의 파장에서 동작하는 플루오르화 아르곤(ArF) 엑시머 레이저는 집적회로 리소그래피를 위하여 사용되기 시작했다.
레이저의 성능 및 효율을 안정화시키기 위해, 약 10 내지 50ppm의 산소를 엑시머 레이저 가스 혼합물에 첨가하는 것이 사용될 수 있다. 예를 들면, 미국특허 제5,307,364호를 참조하라.
다음, 집적회로 리소그래피 장치의동작수명에 전체에 걸쳐 레이저의 최소 대역폭을 유지시키는 것은 집적회로 리소그래피 장치의 실질 성능에 결정적인 영향을 준다.
따라서, 오랜기간의 공장 동작 능력, 및 정확하게 제어된 펄스 에너지, 파장, 및 대역폭을 갖는 신뢰성있는 제조특성의 요구가 존재한다.
본 발명은 향상된 에너지 주입량 제어 및 재생력으로, 약 500 내지 2000Hz의 범위에 있는 속도로 펄스를 산출할 수 있는 초협대역 펄스 엑시머 레이저를 제공한다. 산소 또는 무거운 노블 가스(KrF 레이저를 위한 크세논 또는 라돈, 또는 ArF 레이저를 위한 크립톤, 크세논, 또는 라돈)로 이루어진 미소량의 안정화 첨가제가 가스 혼합물에 첨가된다. 수행된 테스트는 약 30ppm의 크세논을 KrF 레이저에 첨가함으로써 에너지 안정도에서 상당한 향상을 보여준다. 테스트는 약 6-10ppm의 Xe 또는 40ppm의 Kr을 첨가함으로써 ArF 레이저의 향상된 성능을 보여준다. 바람직한 실시예에서, 초협대역폭은 플루오르 부분압력을 0.10% 미만으로 줄이고, 출력커플러의 반사율을 25%보다 크게 증가시킴으로써 KrF 레이저상에서 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 종래기술의 라인 협소화 모듈에서 사용된 종래기술의 용융된 실리카 빔 확산 프리즘은 플루오르화 칼슘 프리즘으로 대체된다.
도 1은 집적회로 리소그래피에 사용되는 종래기술의 상업적인 KrF 엑시머 레이저의 주요 구성요소를 도시하는 도면,
도 2는 고체상태 펄스 전력 회로의 간략화된 전기적인 도면,
도 3은 고체상태 펄스 전력 회로의 결과를 종래기술의 사이라트론계 회로에 비교한 그래프,
도 4는 1 펄스동안에 동작 전압의 그래프,
도 5는 8억펄스 주기 상에서 대역폭 및 동작 전압의 전형적인 변화율을 도시하는 그래프,
도 6은 KrF 레이저 시스템의 간략화된 스케치,
도 7은 라인 협소화 모듈의 주요구성요소의 스케치,
도 8a-8j는 Xe를 KrF 레이저에 첨가한 결과를 도시하는 그래프,
도 9는 종래 기술의 상업적인 KrF 리소그래피 레이저의 도면,
도 10은 플루오르, 동작 전압, 및 펄스 에너지사이의 관계를 도시하는 그래프,
도 11은 플루오르 농도에 따른 라인 폭의 변화를 도시하는 그래프,
도 12A 및 12B는 상이한 플루오르 농도에 따른 펄스 모양을 도시하는 도면,
도 13은 50버스트로부터의 데이터가 평균되어진 챔버내에 산소없이, 버스트 모드 동작중 첫번째 125 펄스 동안의 평균 펄스 에너지의 차트,
도 14는 0ppm, 25ppm, 49ppm의 산소가 있는 경우 평균 펄스 에너지를 도시하는, 도 13에 유사한 차트,
도 15는 도 14에 플롯된 데이터의 3-시그마 통계를 도시하는 차트.
본 발명의 바람직한 실시예를 아래 설명한다.
레이저의 상세한 설명
도 1은 오늘날 집적회로 리소그래피에서 사용된 형태의 상업적인 엑시머 레이저 시스템의 주요 구성요소를 도시한다.
챔버
방전 챔버(10)는 용기이며, 수 기압의 부식성 가스를 담도록 설계되어 있다. 이들 용기는 ASME에 의해 특정된 것과 같은 종래의 안전 표준으로 설계되었다. 1.2 내지 2.5cm의 갭에 의해 이격된 두개의 전극은 방전 영역을 구획형성한다. 캐소드는 고전압에 연결되기 때문에 절연구조에 의해 지지되는 반면, 애노드는 접지 전위에 있기 때문에 금속 챔버에 부착된다. 사전 이온화(preionization)는 방전 영역의 다른 측에 위치되어 있는 코로나 방전 프리이오나이저에 의해서 행해진다. 가스의 부식성질로 인하여, 챔버는 플루오르 공격을 견디어낼 수 있도록 선택된 특정금속을 사용한다. 그러나, 플루오르가스는 챔버벽 및 전극과 같은 챔버 내부부분과 여전히 반응하며, 따라서, 플루오르를 소모하며, 플루오르화 금속 오염물질을 생성한다.
레이저는 (500 내지 2000Hz) 펄스화되기 때문에, 방전영역을 펄스사이에 제거하는 것-외부 구동 소스에 자기적으로 커플링된 접선 블로워에 의해 바람직하게 수행되는 작업-이 필수적이다. 챔버내측에 있는 수냉식 핀 열 교환기의 수단에 의해, 열은 레이저 가스로부터 뽑아내어진다. 플루오르화 금속 분진은 도시하지 않은 정전 침전제의 수단에 의해 트래핑된다. 적은 양의 레이저 가스는 분진을 트래핑하기위해 챔버로부터 뽑아내어지며 음으로 충전된 높은 필드 와이어로 전달된다. 다음, 무분진 가스는 깨끗하게 유지되어지기 위해 윈도우를 통해 배출된다. 가스는 고속의 흐름으로 인하여, 레이저챔버내에 강화된 다른 압력에 의해 침전기를 통하여 구동된다.
펄스 전력 모듈
이 바람직한 실시예는 도 2에 도시된 고체상태 펄스전력 모듈(SSPPM) 회로를 사용한다. 종래 기술의 사이라트론 시스템의 20KV 전원장치는 1KV 전원장치에 의해 대체된다. 사이라트론 스위치는 직접 Cp를 공급하지 않는 SCR 스위치에 의해 대체되지만, 대신에, C0의 에너지를 C1, C2, C3, 승압 트랜스퍼머, 및 3개의 포화 인덕터에 의해 형성된 펄스 압축 회로로 스위칭한다. 이 회로의 동작은 다음과 같다. C0상에 저장된 DC전하는 SCR 및 인덕터(L0)를 통하여 C1으로 스위칭된다. 포화 인덕터(L1)는 대략 2.5s동안 C1상의 전압을 홀드오프시킨 후, C1에서 C2로 전하의 전송을 허용하여, 통전하게 된다. 제 2 포화 인덕터(L2)는 대략 500ns동안 C2상의 전압을 홀드오프시킨후, C2상의 전하가 제 1의 1:20 승압 트랜스퍼머를 통하여 흐르게 한다. 승압 트랜스퍼머에서의 출력은 포화 인덕터(L3)가 대략 100-150ns에서 통전할 때까지 C3상에 저장된다. 다음, 전하는 최종적으로 L3을 통하여 Cp로 전송되며, 레이저 방전이 발생한다.
스펙트럼 협소화
앞에서 설명한 바와 같이, 프리러닝(free running) KrF 엑시머 레이저의 대역폭(FWHM)은 대략 300pm이다. 현재, 엑시머 스테퍼는 렌즈의 NA에 좌우되어 0.8 내지 3pm(FWHM)사이로 스펙트럼 협소화된 레이저를 사용한다. 95% 에너지의 스펙트럼폭, 및 일체식 에너지 스펙트럼은 FWHM 값보다 더 스테퍼 성능에 중요하다. 그러나 대부분의 사용자는 95% 에너지의 스펙트럼폭 대신에 FWHM을 말하는 것이 더욱 편리하다는 것을 알 것이다.
KrF 레이저의 스펙트럼 협소화는 그것의 단펄스 지속시간(10 내지 15ns,FWHM) 및 UV 파장에 의해 복잡하게 된다. 단펄스는 매우 높은 캐비티내 전력(∼1 MW/cm2)을 생기게 하며, 단파장은 248nm에서의 높은 흡수 계수로 인하여 광학물질을 열적으로 변형시킬 수 있다. 또한 공진기(라인 협소화 광학 구성요소를 포함)를 통하여, 전형적인 레이저에 대한 라운드 트립의 전체수는 약 3 내지 4로 작다. 만약 공진기를 통한 단일 경로 선폭이 △λ1으로 나타내어지면, n경로 후에 대한 최종 선폭 △λf는
Figure 112000006985013-pct00001
로 주어진다.
따라서, 광학 시스템의 단일 경로 선폭은 기껏해야 최종 선폭보다 2인 인수(factor)만큼 더 커야 한다. 실제로, 출원인의 동료 작업자에 의한 시간 분해 스펙트럼 측정에 의하면 스펙트럼 선폭은, 펄스의 시작에서 펄스의 끝까지 2인 인수만큼 감소될 수 있다. 따라서, 대역폭 스펙트럼을 광학 시스템의 라인 협소화 스펙트럼(즉, 300pm 내지 <1pm)으로 변환하는 효율은 매우 높아야 한다.
라인 협소화 KrF 레이저의 일반적인 기술은 공진기에 파장 분산 광학 구성요소를 도입하는 것이다. 프리즘, 에탈론, 및 회절격자, 3 종류의 분산 구성요소가 사용될 수 있다. Littrow 구성에서 높은 분산 회절격자의 사용이 가장 단순하며, 가장 효과적인 스펙트럼 라인 협소화 기술이다. 회절격자는 분산 구성요소이기 때문에, 선폭은 빔 발산에 비례한다. 좁은 선폭을 얻기 위해서, 작은 빔 수렴이 요구된다. 따라서, 2개의 슬릿, 3개의 프리즘 빔 익스팬더가 레이저 공진기에 삽입된다. 바람직한 라인 협소화 모듈의 주요 구성요소가 도 7에 도시되어 있다. 이들은 3개의 프리즘(30,32,34), 튜닝 미러(3C), 및 에쉘레 회절격자(38)를 포함한다. 미러는 레이저의 파장을 변화시키기위해 축을 중심으로 선회된다.
향상된 스펙트럼 성능
출원인 및 출원인의 동료 작업자들은 2pm내에 있는 레이저 빔의 95% 에너지로 FWHM에서 0.50pm의 선폭 상세 규격을 충족시킬 수 있는 KrF 레이저장치를 설계, 제작, 테스트하였다. 이들 결과는 시스템이, 이들 명세화내에서 보통 보수를 갖는 장치의 정상적인 수명이상으로 연속수행이 가능한지를 증명하기 위해 8000만 펄스에 대하여 새로운, 중간기간의, 및 오래된 방전 챔버상에서 논증되었다. 그 결과는 종래기술의 협대역 엑시머 레이저 기술보다 대략 50% 이상의 향상을 보여주었다.
이러한 향상된 성능을 이루기 위해, 출원인은 레이저의 동작 파라미터 및 레이저 장치를 향상시켰다.
플루오르 소모의 감소
출원인에 의해 제조되고 테스트된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 플루오르를 소모하는 방전챔버로부터 물질을 제거하는 것이 큰 관심이었다. 방전챔버에서의 플루오르 소모는 챔버내의 물질과 플루오르의 반응에 의한 것이다. 이들 반응은 일반적으로, 레이저성능을 열화시키는 오염물질을 만든다. 플루오르 오염물질을 최소 화하기 위해서, 바람직한 실시예는 다음의 특정 기구를 포함한다.
챔버벽은 니켈로 코팅된 알루미늄이다.
전극은 황동이다.
모든 금속 O-링은 기밀재(seal)로서 사용된다.
절연체는 모든 세라믹 및 플루오르와 양립가능하다(compatible).
알루미나는 출원인측의 바람직한 절연체 물질이다.
모든 정전필터는 종래기술의 설계로서 동작동안에 만들어진 오염물질을 필터링하기 위해 제공된다.
팬 유닛은 종래기술을 사용하는 기밀된 방전 챔버 외측에 위치된 기계적으로 커플링된 모터를 사용하여 구동된다.
제조동안에, 부품은 잠재적인 오염물질을 제거하기 위해 정밀하게 클리닝된다.
어셈블리 후, 챔버는 플루오르로 패시베이션된다.
공칭 플루오르 농도의 감소
바람직한 실시예는 바람직한 초협대역 출력을 얻기위해 동작 절차 및 레이저 시스템의 파라미터에서 실질적인 변화를 요구한다. 플루오르 농도는 0.1%(30kPa)에서 약 0.06%(18kPa)로 감소된다. 전체 가스압력은 약 300kPa이다.(Kr농도는 약 1.3%의 종래기술 레벨로 유지되며, 나머지 레이저 가스는 네온이다.) 동작동안에, 플루오르는 점차적으로 고갈된다. 일정한 펄스 에너지는 종래기술에 따라서 레이저동작 전압을 점차적으로 증가시킴으로서 얻어진다. 플루오르 및 네온 혼합물 주입 은 엑시머 레이저 종래기술에서 잘 알려진 기술에 따라서 프루오린의 고갈을 보상하기 위해 주기적으로(전형적으로 약 1 내지 4 시간의 간격) 만들어진다. 이러한 절차 동안에, 플루오르 농도는 약 0.055% 및 0.065% 사이의 범위내에서 바람직하게 유지되며, 동작 전압은 일정 펄스 에너지를 유지하기에 적절한 대응범위내에서 유지된다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서, 이 범위는 670 볼트 내지 790 볼트이다.
출력 커플러의 반사율 증가
본 발명의 바람직한 실시예에서, 출력 커플러의 반사율은 종래기술의 협대역 엑시머 레이저에서 통상적이었던 약 10%로부터 약 30%로 증가하였다. 이것은 감소된 플루오르 농도로부터 생긴 레이저 효율 감소의 보상을 돕기 위해 행해진다.
플루오르화 칼슘 프리즘에 스위치
10% 로부터 30%로의 출력 커플러의 반사율에서의 변화는 라인 협소화 모듈을 통하여 전달한 광을 대략 배증시키는 효과를 갖는다. 종래기술의 용융된 실리카 프리즘에서의 추가 조도에 의해 생성된 추가열은 프리즘에 열 변형을 일으키게 한다. 이 문제를 해결하기 위해, 용융된 실리카 프리즘은 플루오르화 칼슘 프리즘으로 대체된다. 플루오르화 칼슘은 더 높은 열전도도를 가지며, 허용불가능한 변형없이 추가에너지를 조종할 수 있다.
플루오르 감소
도 10은 동작 전압, 플루오르 농도 및 펄스 에너지 사이의 관계를 도시한다. 이 그래프는 플루오르 가스가 감소함에 따라서, 펄스당 10 mJ의 원하는 출력을 유지하기 위해서는 전압을 증가시켜야 함을 보여준다. 그러나, 특정 실시예에서, 동작전압의 상한선은 800 볼트이다. 10% R 출력 커플러에 있어서는, 10mJ의 출력에 대응하는 최저의 플루오르 농도는 동작전압이 800 볼트로 상승하는 점에서 25kPa이다. 그러나, 30% R 출력 커플러에 있어서는, 플루오르 농도는 800 볼트 미만으로 미소한 동작 전압을 갖는 10mJ 펄스 에너지를 여전히 유지하면서, 약 20kPa만큼 낮게 감소될 수 있다. 도 11은 1000Hz에서의 연속 펄스, 및 1000Hz에서의 500 펄스 버스트 동안 (FWHM 및 95% 펄스 에너지에서 측정된) 선폭상에 있는 플루오르 농도를 감소시킨 실질적인 테스트 결과를 도시한다. 이러한 특정 테스트에 대해, 출력 커플러는 25% 반사율을 갖는다. 종래기술의 KrF 시스템 및 이들의 초협대역 KrF 레이저에 대한 전형적인 레이저 펄스 모양은 도 12A 및 12B에 비교되어 있다. 초협대역 레이저에 있어서는, 에너지는 라인 협소화 모듈을 통하여, 더많은 트립의 효과를 갖는 포톤을 나타내는 나중 부분의 펄스로 이동된다. 결과로서, 레이저의 통합된 펄스 스펙트럼 선폭은 감소된다.
버스트 모드 동작
본 명세서의 배경부분에서 설명한 바와 같이, KrF 레이저의 전형적인 모드 동작은 약 125 펄스의 버스트가 초당 1000 펄스의 속도로 만들어지는 "버스트 모드"이다. 버스트는 약 125 밀리초동안 지속하며, 전형적으로 버스트 사이에 수 초분의 1인 "데드 타임"이 있다. 출원인의 KrF 레이저는 약 0.017 세제곱미터이 레이저 가스를 포함하며, 블로워(10)에 의해 만들어진 전극사이의 가스 플로속도는 초당 약 0.228 세제곱미터이다. 이것은 약 75 밀리초의 전체 가스 순환 시간을 내포하지만; 챔버내에서의 플로는 전혀 균일하지 않으며, 가스의 일부는 더 빠르게 순환한다. 전극사이의 가스의 속도는 초당 약 20 미터이며, 출원인은 가장 빠른 가스가 약 20밀리초로 움직일 수 있음을 추정해냈다. 출원인은 버스트에 있는 제 1 수개의 펄스 또는 제 1 펄스에 의해 생성된 "슬러그 효과"를 발견했다. 이러한 슬러그 효과는 펄스 에너지 대 50 버스트에 대한 평균화된 123 펄스의 전형적인 펄스의 각 123 펄스의 플롯인 도 13에 도시되어 있다. 21번째 펄스후 즉, 제 1 펄스다음의 약 21 밀리초후의 다른 큰 급강하, 및 제 1 펄스 후의 큰 감소가 있다. 이러한 급강하는 극도로 감소가능하며, 급강하의 타이밍은 팬속도에 비례한다. 출원인은 첫번째 40밀리초의 매우 재생가능한 엉뚱한 수행의 정확한 원인을 알지 못했으나, 이것을 "슬러그 효과"로서 확인하였으며, 전극사이에 통과하는 "깨끗한" 레이저 가스가 제 1 펄스 또는 제 1 소수 펄스동안에 20,000 볼트로 폭파될 때 생성된 화학적 효과에 원인이 있는 것으로 믿고 있다. 30 밀리초동안에 전극사이를 통과한 가스는 실질적으로 모두 깨끗한 가스이지만, 약 20 밀리초후에는, 제 1 펄스동안 전기쇼크를 받은 가스는 전극사이를 되통과한다. 버스트까지 약 39 밀리초 후에, 레이저에 있는 가스는 완전히 혼합되며, 슬러그 효과가 사라진다.
가스 첨가제
출원인은 이들 실험을 통하여 레이저 성능의 본질적인 향상은 미소량의 선택 가스의 첨가에 의해 실현될 수 있다는 것을 알아냈다. 종래기술은 약 10 내지 50ppm 산소가 에너지 안정도를 향상시킨다고 하였다. 그러나, 이러한 양의 산소는 안정도의 향상보다 중요한 전력출력을 감소하게 만든다. 출원인은 더 적은 양의 산소도 현저하게 결정적인 영향을 주지않고 상당히 향상된 안정도를 제공함을 발견하였다. 또한 출원인은 미소량의 무거운 노블 가스의 첨가도 현저하게 결정적인 영향을 주지않고 상당한 향상을 제공함을 발견하였다.
크세논 첨가제
동작 전압 및 효율에 있어서 크세논 첨가제의 효과는 도 8a에 도시되어 있다. 효율 감소의 비율은 1ppm 크세논 당 약 0.15%이다. 에너지 안정도는 모든 크세논 농도에서 현저하게 향상되었지만, 30ppm 정도에서 근소한 최대값이 존재하였다. 이 최대값은 도면에서는 확연하지 않다. 모든 실질적인 테스트는 약 30ppm의 크세논 농도에서 수행되었다.
에너지 대 전압 특성은 도 8b에 도시되어 있다. 크세논이 있는 경우, 에너지는 전범위에 걸쳐 감소한다.
버스트 과도현상은 도 8c 및 8d에 비교되어 있다. 크세논을 가진 경우, 에너지 과도현상이 감소되며, 첫번째 10 펄스동안에 특히 감소되며, 이것은 에너지 알고니즘상에서 더 쉽게 만들어진다. 크세논을 갖는 주요 향상은 모든 펄스 수에 대하여, 감소된 에너지 안정도에서 발견된다. 이것은 단지 재진입시에만 작용하는 산소의 효과와는 대조적이다. 실제로, 챔버는 임의의 재진입이 없기 때문에, 크세논의 재진입의 효과가 챔버에서 확인될 수 없다. 4200rpm의 블로워속력에 대해, 약 20ms로 재진입이 발생한다. (재진입 효과를 갖는 챔버를 사용한 실질적인 테스트는 30ppm의 크세논이, 재진입 효과로 인하여 적어도 작은 감소를 산출함을 확인하였다. )
일관성있게 낮은 값을 제공하는 크세논 혼합물의 사용으로, 레이저 에너지는 반복률에 거의 영향을 받지 않는다(도 8e에 도시). 대조적으로, 크세논을 갖는 선량 안정도에서의 향상은 더 높은 반복률에서 가장 현저하였다. 1kHz에서, 에너지 안정도는 데이터 획득 및 고전압 전원장치 조절에서의 노이즈와 같은, 방전 안정도와 관련되지 않은 효과에 지배를 받는다. 우리는 >3V 디더를 갖는 두개의 병렬식 5000 전원장치를 사용한다. 2kHz 모드에서의 선량 안정도는 도 8f에 도시되어 있다. 30ppm의 크세논의 첨가는 선량 에러를 약 0.1%로 감소시킨다. 이것은 상당한 향상이다.
임의의 빔 파라미터(공간 프로파일, 및 발산, 선폭)상에 있어서 크세논의 효과는 관찰되지 않았다. 가끔, 크세논 혼합물이, 더욱 협소한 선폭을 만든다는 것은 발견되었다. 그러나, 이것은 용융된 실리카 빔 확산 프리즘에 의해 만들어진 거의 인위적인 것이다. 프리즘을 냉각하게 하는 크세논 혼합물을 만들기 위해서는 더욱 시간이 걸린다. 기록된 선폭은 0.65pm FWHM 및 1.90pm 95%이다. 선폭은 더욱 우수한 열특성으로 인하여 CaF2 프리즘을 사용하면 더욱 협소가능하다. 10mJ의 에너지에서의 임시 프로파일이 도 8g에 비교되어 있다. 30ppm 크세논 혼합물은 더 높은 충전전압(667V 30ppm Xe, 651V w/o Xe), 즉 더 큰 내부 스파이크 및 더 짧은 지속시간에 대해 전형적인 파형이 존재한다. 이것으로부터 관찰되지 않은, 크세논의 더 큰 선폭을 기대할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 차이는 매우 작으며, 단지 하나의 특정 숏만을 반사한다. 불행하게도, 평균화된 펄스 프로파일은 기록되지 않았다.
크세논 테스트의 결과 설명
왜 크세논은 이렇게 작은 농도로도 이로울 수 있는가? 피크 커패시터 전압(Vcp;도 8h)을 관찰함으로써 일부 식견을 얻을 수 있다. 650V의 동일한 변화 전압(Vco)에 대해, 크세논 혼합물을 지닌 경우에 가스 항복현상이 2ns 빨리 발생한다. 향상된 사전 이온화로 명확하게 설명된다. 크세논은 93nm보다 더 짧은 광에 의해 이온화될 수 있는 반면, 크립톤과 네온은 각각 85nm 및 58nm(R.S.Taylor, IEEE JQE v.31, p. 2195,1995)의 임계값을 갖는다. 따라서, 크세논은 단순히 전송될 코로나 광의 대부분을 사용할 수 있다. 심지어 30ppm에서, 크세논 농도는 전형적인 사전 이온화 전자 밀도보다 7 위수 더 큰 양을 갖는다. 이것은 크세논 원자의 양이 제한 팩터가 아니라는 것을 의미한다. 크세논의 흡수 단면적은 315kPa에서 30ppm에 대해 5cm 후에 50% 전달로 해석하는 1500cm-1이다. 이것은 더 높은 크세논 농도가 왜 더 적은 효과를 보이는지, 왜 90nm광이 이미 PI 튜브에 거의 근처에서 필터링되는 지를 설명해준다.
크세논의 더 낮은 이온화 전위로 인하여 더욱 빠른 전류 애벌란시와 같은 다른 가능한 시나리오도 있다. 그러나, 이것은 낮은 농도에 의해서 저지된다. 다른 가능성은 이로운 효과를 가질 수 있는 코로나 광의 스펙트럼 내용에서의 변화이다. 실제로, 크세논을 포함한 방전은 주로 노란색 성분으로 인하여, 시각적으로 더욱 밝게 나타난다.
또한, 더욱 우수한 사전 이온화는 최소 청정화율(펄스 사이에 전극사이의 가스흐름량)을 도울 수 있다. 이것은 더 낮은 충전전압에 대하여 매우 작은 향상이다(도 8i). 650V(10mJ)에서, 3800rpm은 다운-스트림-아크를 막기에는 충분하지 않으며, 4200rpm으로 갈때 선량 안정도가 향상된다. 비록, 블립에 의해 크게 악화되기는 하였지만, 800V에서, 아크가 제일 심했다.
보충물을 잔존시키는 크세논 효과
매우 초기 실험에서, 크세논의 이로운 효과가 보충물을 잔존시키는 이상한 현상이 발생되었다. 이것으로 인하여, 정확한 크세논 농도의 영향의 상세한 연구가 어렵게 되거나, 적어도 시간을 소모하는 일이 되었다. 레이저가 혼합물을 포함한 크세논을 갖고 동작되고 크세논없이 보충된 후, 에너지 안정도가 낮은 레벨로 머무르는 현상이 발생한 것이다. 크세논을 가진 것만큼은 우수하지 않지만, 다소 중간정도는 된다. 많은 실험이 이들 메모리 효과의 메커니즘을 이해시키는데 도움을 주었다. 정밀하게 크세논이 없는 혼합물 및 예비 조절된 혼합물 사이의 선량 안정도에서의 차이는 단지 0.05%이다. 이러한 차이는 임의의 대략적인 결론을 내리기에는 너무 작으며, 단지 다소 일반적인 경향이 윤곽화될 수 있다.
두가지 가능성이 있다. 하나는 크세논이 챔버내에 물리적으로 머무르거나, 또는 긴 지속방법으로 챔버를 바꾸는 것이다. 상기 변경은 전극 또는 윈도우를 클리닝하거나 스무딩할 수 있다. 크세논이 보충된 후, 제 1 보충물은 우수한 안정도의 손실없이 2백만 숏 및 4 시간동안 동작되었다. 그러나, 더 적은 숏 또는 더 짧은 시간을 갖는 4 내지 5 보충물은 챔버를 완전하게 정상으로 다시 돌아오게 한다. 이것은 크세논이 챔버내에 머무른다는 사실을 어느정도 지지하게 한다. 동일한 결론은 단순히 크세논으로 채워지거나, 한번도 발사되지 않은 레이저가 후속하는 채움을 돕는 사실로부터 이끌어낼 수 있다.
에너지 안정도와 대조로, 동작 전압은 이전 이력과 전혀 관계가 없다. 이것은 큰 퍼센티지의 크세논이 다음 채움을 위해 운반될 수 없음을 의미한다. 크세논이 레이저내에 어떻게 머무르는지는 별개의 방법이 있다. 크세논은 매우 무거운 가스이기 때문에, 블로워가 구동되지 않을때는, MFT로 또는 하부상에서 바람직하게 보정될 수 있다. 그러한 경우에, 멤브레인 펌프로 사용한 것보다 더 낮은 압력으로, 누출 검사기를 갖춘 챔버를 펌핑함으로써 제거가능하다. 이것은 여전히 메모리 효과를 막지 못한다. 이것은 챔버내의 실질적인 누출이나, 큰 크기의 다공성 물질로 인하여 크세논이 트랩핑될 수 있음을 암시하는 것이다.
위켄드 크세논 테스트
도 8i는 30ppm 크세논 혼합물을 사용한 2kHz 모드에서의 위켄드 구동을 설명한다. 데이터는 크세논없이는 사용할 수 없기 때문에, 이것은 챔버가 얼마나 잘 수행할 수 있는가의 진술에 불과하다. 전체압력은 테스트동안 증가하지 않았다. 선폭은 용융된 실리카 LNP의 가열작용을 나타내어, 첫번째 2시간동안 증가하였다. 그후, 플루오르 농도 감소에 대한 선폭 감소의 일반적 경향이 관찰된다. 그러나, 선폭은 계속해서 감소하다가 단지 3주입후에 안정화된다.
전압은 계속해서 증가하다가 또한 단지 3주입후에 안정화된다. 선폭 데이터와 관련하여, 전압 증가는 임의의 불순물에 의한 것은 아니며, 단순히 혼합물이 부족하게 되기 때문이다. 방전은 더이상의 블립이 없기 때문에, 일단 전압이 증가되면, 주입간격은 짧아진다.
테스트 동안 극도로 낮은 플루오르 소모율이 관찰되었다. 보충후에 즉시, 레이저는 주입없이 놀랍게도 15 시간 및 2천8백만 펄스동안 구동하였다.
삭제
요약하면, 이 테스트는 적은 양의 크세논을 가스혼합물에 첨가함으로써, KrF챔버는 95% 선폭 및 선량 안정도에 대한 명세화내에서 동작할 수 있음을 보여준다. 매우 낮은 플루오르 소모도 관찰된다.
ArF 레이저에 있는 무거운 노블 가스 첨가제
출원인은 전형적인 ArF 가스 혼합물에 첨가된 미소량의 Kr 및 Xe을 사용하여 실험을 진행했다. (전형적인 혼합물은 약 0.08 내지 0.12% 플루오르, 3.5% 아르곤, 및 나머지 네온임.) Kr 및 Xe는 본질적으로 레이저의 평균 3 시그마를 감소시켰다. 첨가제가 없는 경우, 레이저의 3 시그마는 약 5%이다. 약 6-10ppm의 Xe는 약 4%의 3시그마를 감소시켰다(20%의 향상). Kr의 동일한 향상에 대해, 약 40ppm가 요구된다.
KrF 레이저에 대하여, 첨가제는 레이저의 출력을 감소시킨다. 동일한 방전전압에 대해, 펄스 에너지는 Xe의 각 ppm에 대해 약 1% 만큼, Kr의 각 ppm에 대해 약 0.2% 만큼 감소된다. 따라서, 8ppm의 크세논은 펄스에너지를 약 8%로, 40ppm의 Kr은 대략 동일한 양인 약 8%로 출력을 감소시킨다.
미소량의 산소 첨가
도 14 및 15는 미소한 양의 산소를 레이저 가스에 첨가한 슬러그 효과의 결과를 도시한다. 도 14는 버스트까지 약 22 내지 35 밀리초에서 발생한 에너지 감소에서의 극적인 감소를 도시한다. 도 15는 3-시그마 변화가, 약 25 내지 49 ppm의 범위에 있는 산소를 첨가함으로써 또한 극적으로 감소되지만, 25ppm은 펄스 에너지에 있어 약 10% 감소하게 하고, 49ppm은 약 20% 감소하게 함을 도시한다. 출원인은 약 5ppm이 상당히 결정적인 효과없이 안정도에서 상당한 향상을 제공한다고 결정하였다.
플루오르화 아르곤 레이저-산소에 의한 가스 보충물 신드롬의 제거
출원인은 산소의 첨가가 초협대역 ArF 레이저의 성능을 또한 향상시킨다는 것을 알아냈다. 이들은 가스 보충물 신드롬으로 불린다. 이들은 ArF 초협대역 레이저에 있는 레이저 가스를 대체한 후 즉시, 레이저는 펄스 에너지가 본질적으로 감소되는 것에서 매우 열등하게 수행한다. 그러나, 전날 밤 세팅한 후, 다음 날 아침 레이저는 명세내에서 수행한다.
이러한 가스 보충물 신드롬은 약 2 내지 3 ppm과 같은 극도로 작은 양의 산소의 첨가로 제거된다. 따라서, 초협대역 ArF 엑시머 레이저에 대한 바람직한 레이저 가스 혼합물은:
3.5% 아르곤
0.1% 플루오르
2-3 ppm 산소
나머지는 네온 3 기압
추가량의 산소가 첨가되지만, 5ppm을 넘는 산소첨가는 상당히 이로운 효과를 가져오지 않는다. KrF 및 ArF 레이저에서의 산소의 권장 범위는 약 2 내지 약 7 ppm사이다. KrF 레이저에 대한 Xe의 권장범위는 약 30 내지 40 ppm보다 적은 것이 다. ArF레이저에 대한 Kr의 권장범위는 약 40ppm보다 적은 것이며, Xe의 권장범위는 약 10ppm보다 적은 것이다.
비록 이러한 협대역 레이저가 특정실시예에 관하여 설명되었지만, 다양한 적용 및 변경이 본 발명에 만들어질 수 있음을 알 것이다. 비록 출원인은 레이저에서 라돈을 테스트하지 않았지만, 미소량의 라돈 가스도 본질적인 부정적 효과없이 에너지 안정도를 향상시킨다고 결론을 내렸다. 라돈은 다른 임의의 노블 가스보다 더 쉽게 이온화되며, 플루오르와 함께 긴수명의 화합물을 형성하지 않는다. 따라서, KrF 레이저에서의 크세논 및 ArF 레이저 및 KrF 레이저에서의 크립톤처럼, 라돈이 사전 이온화를 도울 수 있다. 출원인은 라돈의 최상의 농도가, 위에서 설명된 Xe 및 Kr과 유사할 것으로 예상한다. 예를 들면, 산소의 소스는 예를 들면, 산소의 소스는 순수 산소 또는 미국특허 제5,307,364호에 개시된 임의의 산소가 될 수 있다. 또한 산소의 소스는 챔버환경에 포함될 수 있는 알루미늄 산화물 또는 칼륨과 같은 고체가 될 수 있으며, 산소의 방출은 온도로 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구항 및 이들의 법적인 동등물에 의해서만 제한될 수 있다.

Claims (13)

  1. 플루오르와 양립가능한 물질로 이루어지고,
    (1) 가늘고 긴 두개의 전극;
    (2) 적어도 하나의 프리이오나이저; 및
    (3) 전체 압력을 형성하고, 제 1 노블 가스, 플루오르, 버퍼가스, 및 100 ppm 미만의 안정화 첨가제로 이루어진 레이저 가스;를 포함하는 레이저 챔버를 포함하며,
    상기 안정화 첨가제는 10 ppm 미만의 산소 및 상기 제 1 노블 가스보다 더 무거운 질량의 제 2 노블 가스로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 노블 가스는 크립톤이고, 상기 안정화 첨가제는 크세논인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 노블 가스는 크립톤이고, 상기 안정화 첨가제는 라돈인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 노블 가스는 아르곤이고, 상기 안정화 첨가제는 크립톤인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 노블 가스는 아르곤이고, 상기 안정화 첨가제는 크세논인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 노블 가스는 아르곤이고, 상기 안정화 첨가제는 라돈인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 안정화 가스는 산소이고, 상기 산소의 농도는 2 내지 7 ppm 인 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 엑시머 레이저는 협대역 엑시머 레이저이고, 상기 플루오르는 전체압력의 0.10% 미만인 부분압력을 갖는 것을 특징으로 하는 엑시머 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서, 적어도 25%의 반사율을 갖는 출력 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 엑시머 레이저.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프리즘은 플루오르화 칼슘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 협대역 엑시머 레이저.
  11. 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 프리즘은 3개의 프리즘이고, 모두 플루오르화 칼슘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 협대역 엑시머 레이저.
  12. 제 8 항에 있어서, 플루오르의 부분압력은 전체 가스압력의 0.06%보다 낮은 것을 특징으로 하는 협대역 엑시머 레이저.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 엑시머 레이저는 ArF 엑시머 레이저이고, 산소의 농도는 5 ppm보다 낮은 것을 특징으로 하는 협대역 엑시머 레이저.
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