KR100562009B1 - 정교한 파장 제어를 구비하는 협대역 레이저 - Google Patents

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에리프레드릭지.
벅제시디.
얼쇼프알렉산더아이.
다스팔라쉬피.
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Abstract

스마트 레이저는 파장계(22)로부터의 피드백 신호를 사용하여 펄스 에너지, 파장 및 대역폭을 자동적으로 제어하는 컴퓨터 제어기(24A)를 구비한다. 펄스 에너지는 방전 전압을 제어함으로써 제어된다. 파장은 라인 협소화 모듈의 RMAX 미러를 매우 정교하고도 신속하게 위치결정함으로써 제어된다. 대역폭은 라인 협소화 모듈에서의 회절격자의 굴곡을 조절함으로써 제어된다. 바람직한 실시예는 빔 익스팬더 프리즘이 위치된 프리즘 플레이트의 자동 조절과 RMAX 경사의 자동 조절을 포함한다. 다른 바람직한 실시예는 공진 공동내에서 레이저 챔버(3)의 수평 위치의 자동 조절을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 파장 모니터로부터의 피드백 신호는 RMAX 미러를 위치결정하기 위하여 사용된다. 다른 실시예에서, RMAX 미러에서 반사되어 광다이오드 어레이로 비춰진 개개의 레이저 빔은 미러를 위치결정하기 위하여 사용된다.
Figure 112002006267636-pct00002
레이저, 파장 제어, 협대역, 스마트 레이저, 라인 협소화 모듈

Description

정교한 파장 제어를 구비하는 협대역 레이저{NARROW BAND LASER WITH FINE WAVELENGTH CONTROL}
본 발명은 레이저에 관한 것이며, 보다 상세하게는 빔 품질의 피드백 제어를 구비하는 레이저에 관한 것이다.
다양한 레이저 응용에 있어서, 빔 출력의 정확한 제어가 요구된다. 그러한 레이저에 대한 하나의 응용은 집적 회로 리소그래피를 위한 광원이다. 일반적으로, KrF 엑시머 레이저가 집적 회로 리소그래피 디바이스의 상을 위한 선택 광원이다. 생산을 증가시키고 더 정교한 집적 회로 패턴을 만들기 위한 노력과 더불어, 광원에 대한 사양은 점점 더 엄격해져왔다.
248nm KrF 레이저에 대한 전형적인 사양은 약 0.6pm의 전폭 반 최대치, 특정 파장의 0.1pm내의 파장 안정도 및 약 ±0.5 퍼센트의 에너지 선량(線量)(dose) 안정도를 요한다. 또한, 빔 단면적 강도(intensity)값의 제어가 중요하다.
도 1 은 IC 리소그래피용으로 사용되는 종래의 KrF 엑시머 레이저 시스템의 특징 일부를 도시한다. 시스템은 2개의 연장된 전극(도시되지 않음)을 포함하는 레이저 챔버(3)가 그 내부에 장착된 레이저 프레임 구조(5)를 포함한다. 상기 전극사이에는 이득 매체(gain medium), 불균형하게 크게 도시된 라인 협소화 모듈(7)("라인 협소화 패키지" 또는 LNP로 인용됨) 및 출력 커플러(4)가 있다. 도 1 의 LNP부는 LNP의 평면도를 나타낸다. 빔 단면적은 일반적으로 직사각형이며, 전형적으로는 약 3.5mm 너비 및 약 15mm 높이이다. 종래의 디바이스에서는, (부분적으로 반사하는 미러를 일반적으로 포함하는) 출력 커플러 모듈(4) 및 라인 협소화 모듈(7) 각각은 레이저 프레임 구조(5)에 고정적으로 장착된 프레임을 포함한다. 출력 커플러 모듈 및 라인 협소화 모듈의 프레임내의 광 구성요소는 레이저 공진 공동(cavity)을 한정하기 위해 수동적으로 조절된다. 챔버는 레이저 프레임내에 조절가능하게 장착되어, 상기 한정된 공진 공동내에서 도 1의 화살표(3A)로 도시되는 것과 같은 빔 너비 방향으로 때때로 수동으로 정교하게 위치결정될 수 있다. 이러한 조절은 레이저 기술자가 최적 빔 출력 파라미터를 획득하기 위하여 공진 공동을 이득 매체와 정렬하는 것을 허용한다. 예컨대, 종래의 실시예에서 프리즘 빔 익스팬더(18)는 프리즘 플레이트(13)에 장착된 프리즘(8, 10 및 12)으로 구성된다. 종래의 디바이스에서, 프리즘 플레이트(13)은 정렬 기술로서 화살표(13A) 방향으로 수동조절될 수 있다. 또한 종래의 디바이스는 다리(17A 및 17B)에 보다 크거나 보다 작은 압축력을 가하기 위하여 벤딩(bending) 메커니즘(20)을 확장 또는 수축함으로써, 회절격자(16) 표면의 굴곡을 증가 또는 감소적으로 오목형으로 조절하는 수동 조절을 포함한다. 이러한 조절은 출력 빔의 대역폭을 제어하기 위하여 주로 행해진다. 회절격자 표면에 오목형을 강제하는 또 다른 종래의 기술은 미국 특허 제5,095,492호에 기재되어 있다.
현재 사용되는 전형적인 종래 리소그래피 엑시머 레이저는 펄스 에너지와 공칭 파장을 조정하는 2개의 자동 피드백 제어를 구비한다. 펄스 에너지는 그 펄스 에너지를 요구되는 한계(limit)내로 조정하기 위하여, 출력 펄스 에너지를 도1에 도시된 빔 출력 모니터(22)로 측정한 다음, 그 측정치를 전극사이에 인가된 고전압을 제어하는 컴퓨터 제어기로 이용하는 방식으로, 피드백 시스템에서 제어된다. 빔 출력 모니터(22)(또한 파장계)는 또한 펄스화된 출력 빔의 공칭 파장 및 대역폭을 측정한다. 컴퓨터 제어기(24)는 빔의 공칭 파장을 요구되는 한계내로 제어하기 위하여 스텝 모터(15)를 사용하여 튜닝 미러(14)의 피벗 위치를 조절한다.
종래의 디바이스에서, 스텝 모터(15)는 1㎛ 만큼 작은 증가량으로 스텝될 수 있다. 레버 링크 장치는 스텝의 크기를 38㎚까지 줄이기 위하여 26의 팩터로 스텝을 축소한다. 이러한 선형 스텝은 피벗 라인(17)주위에서 튜닝 미러(15)에 피벗 이동을 제공하여, 스텝 모터 각각의 최소 선형 스텝이 약 0.47 마이크로 라디언의 미러(14) 피벗 작용을 생기도록 한다. 경험으로부터, 0.47 마이크로 라디언의 피벗은 레이저 공칭 파장에서 약 0.05pm의 변화를 야기한다.
요구되는 것은 레이저 빔 출력 파라미터의 보다 용이하고도 빠르며, 보다 정확한 제어를 제공하는 개량이다.
본 발명은 파장계로부터의 피드백 신호를 사용하여 펄스 에너지, 파장 및 대역폭의 자동 컴퓨터 제어를 구비하는 스마트 레이저를 제공한다. 펄스 에너지는 방전 전압을 제어함으로써 제어된다. 파장은 라인 협소화 모듈에서 RMAX 미러의 매우 정교하고도 신속한 위치결정에 의해 제어된다. 대역폭은 라인 협소화 모듈에서 회절격자의 굴곡을 조절함으로써 제어된다. 바람직한 실시예는 빔 익스팬더 프리즘이 위치되어진 프리즘 플레이트의 자동 조절 및 RMAX 경사의 자동 조절에 의해 수평 및 수직 빔 프로필의 자동 피드백 제어를 포함한다. 다른 바람직한 실시예는 레이저 챔버의 수평 위치에 대한 공진 공동내부에서의 자동 조절을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 파장 모니터로부터의 피드백 신호는 RMAX 미러의 위치를 결정하기 위하여 사용된다. 다른 바람직한 실시예에서는, RMAX 미러로부터 광다이오드 어레이상으로 반사된 개개의 레이저 빔이 미러의 위치를 결정하기 위하여 사용된다.
도 1 은 종래의 협대역 레이저의 구성을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 3A, 3B 및 3C 는 회절격자 벤딩 메커니즘의 작동 원리를 도시한다.
도 4 는 벤딩 메커니즘의 사시도를 도시한다.
도 5 는 도 2 의 바람직한 실시예의 특징 일부를 도시한다.
도 6A, 6B, 6C 및 6D는 도 2 의 바람직한 실시예의 다른 특징을 도시한다.
도 7A 및 7B 는 도 2 의 바람직한 실시예에서 라인 협소화 모듈의 하부 사시도를 도시한다.
도 8 은 선택된 빔 파라미터를 측정하기 위한 광 설비를 도시한다.
도 9 및 9A 는 바람직한 실시예의 특징을 도시한다.
도 10 은 분할된 RMAX 를 구비한 실시예를 도시한다.
도 10A 는 도 10 의 실시예와 유사한 실시예를 도시한다.
도 11, 11A 및 11B 는 또 다른 바람직한 실시예의 특징을 도시한다.
도 12 는 압력 제어된 LNP를 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도면을 참조하여 설명될 수 있다.
제 1 바람직한 실시예
본 발명의 제 1 바람직한 실시예의 복합 개략 블럭도가 도2에 도시된다. 이 도면은 종래기술보다 우수한 중요 개량점을 도시하는데, 이는 중요한 레이저 빔 파라미터의 매우 개량된 즉각적인 제어를 제공하기 위하여, 레이저 챔버와 구성요소의 정렬을 자동화하는 것이다. 새로운 레이저 프레임(5A)은 챔버의 수평 위치를 3A 방향으로 자동 조절하기 위하여 챔버 위치결정 스텝 모터를 부가한다. 새로운 LNP(7A)는 프리즘 플레이트 스텝 모터(32), R-max 경사 스텝 모터(34) 및 회절격자 굴곡 모터(30)를 포함한다. 이러한 모든 스텝 모터는 컴퓨터 제어기(24A)에 의해 제어된다.
회절격자 표면 굴곡의 양방향 자동 제어
회절격자 굴곡 스텝 모터(30)는 회절격자의 굴곡을 제어하기 위하여 부가된다. 시스템은 새로운 벤딩 메커니즘 디자인(20A)를 포함하는데, 이는 회절격자(16)의 라인 표면에서 오목 굴곡을 생성하기 위하여 다리(17A 및 17B)를 펼치기 위한 압축력을 가하거나 또는 회절격자(16)의 라인 표면에서 볼록 굴곡을 생성하기 위하여 다리(17A 및 17B)를 잡아 당기기 위한 인장력을 가하는 능력을 가진다. 모터(30)는 컴퓨터 제어기(24)에 의해 제어된다.
회절격자 벤딩 메커니즘의 기본 부품 및 그 기능적 작동이 도3A, 도3B 및 도3C에 도시되어 있다. 도3A는 어떠한 벤딩력도 회절격자에 가해지지 않은 상태에서의 양방향 제어 유닛을 구비하는 회절격자 조립체를 도시한다. 회절격자(16), 좌측 선단 플레이트(17B), 우측 선단 플레이트(17A), 압축 스프링 하우징(48), 좌측 압축 스프링(50), 우측 압축 스프링(51), 조절 샤프트(44) 및 이 조절 샤프트(44)에 고정적으로 핀결합된 피스톤(49)이 도시된다. 조절 샤프트(44)는 우측 선단 플레이트의 스레드 채널과 결합하는 스레드 길이((44A)(1/4-28 UNF-2B x 1.38 길이(long))를 포함한다. 도3A 조건에서는, 양측 스프링은 서로 오프셋되는 동일한 압축력을 가하고 있거나 또는 언로드될 수도 있다. 회절격자 표면의 굴곡은 샤프트(44)를 회전시킴으로써 조절된다. 샤프트(44)를 하우징(48)내로 돌려 넣음으로써, 좌측 압축 스프링(50)은 도3B의 하우징(48)내측의 두개의 화살표에 의해 도시된 것과 같이, 피스톤(49)과 하우징(48)의 좌측면에 대항하여 압축된다. 압축력은 로드(rod)(44)를 우측으로, 하우징(48)을 좌측으로 미는데, 이는 화살표(56)에 의해 도시된 것과 같이 두개의 선단 플레이트(17A 및 17B)를 개별적으로 미는 효과를 가진다. 이는 회절격자(1)의 표면을 라인(58)에 의해 도시된 것과 같이 오목형으로 벤딩하는 효과를 가진다.
역으로, 로드(44)를 하우징(48) 밖으로 구동하는 방향으로 샤프트(44)를 돌 림으로써, 우측 압축 스프링(51)은 도3C의 하우징(48)내측의 두개의 화살표에 의해 도시된 것과 같이 하우징(48)의 우측면과 피스톤(49)에 대항하여 압축된다. 압축력은 로드(44)를 좌측으로, 하우징(48)을 우측으로 당기게 되는데, 이는 화살표(57)에 의해 도시된 것과 같이 선단 플레이트(17A 및 17B)를 함께 당기는 효과를 가진다. 이는 회절격자(1)의 표면을 라인(59)에 의해 도시된 것과 같이 볼록형으로 벤딩하는 효과를 가진다.
바람직한 실시예에서, 로드(44)는 인치마다 28 스레드를 가지며, 스프링은 인치마다 52파운드로 되어 있다. 오퍼레이터는 이러한 디자인으로 회절격자 표면의 굴곡을 매우 정교하게 조절할 수 있다.
도4는 출원인과 그 동업자에 의해 제조된 회절격자 조립체(16A)의 사시도이다. 그 조립체는 회절격자(16), (회절격자(16)에 결합된) 두개의 회절격자 선단 플레이트(42), 우측 양방양 대역폭 제어 선단 플레이트(17A), 록넛(lock nut)(56), 회절격자(16)에 결합된 인바 베이스 플레이트(53), 정렬 로드(44), 소켓(64), 두개의 선형 베어링(62), 압축 스프링 하우징(48), 우측 압축 스프링(51), 두개의 스러스트 베어링(63), 로드(44)에 핀결합된 피스톤(49), 좌측 압축 스프링(50), 로드(44)에 핀결합된 이동 한계설정(limiting) 피스톤(57), 레이디얼 볼 베어링(54), 피봇 샤프트(55) 및 좌측 대역폭 제어 선단 플레이트(17B)로 구성된다.
도5는 LNP(7A)의 절취도이다. 도5는 양방향 굴곡 제어 회절격자 조립체(16A)를 도시한다. 도3A, 3B 및 3C를 참조하여 상술된 바와 같이, 회절격자(16)의 라인 표면의 굴곡을 오목으로부터 볼록으로 제어하는 회절격자 굴곡 제어 스텝 모터(30)가 또한 도시된다. 도5는 또한 프리즘 플레이트 조절 모터(32)를 도시한다. RMAX 미러(14)용 모터 제어는 도5에 도시되어 있지 않다.
라인 협소화 패키지(7A)의 저면도가 도7A(전방으로부터, 즉 레이저로부터 LNP을 향해 봤을 때의 도면) 및 도7B(후방으로부터)에 도시되어 있다. 회절격자 굴곡 스텝 모터(30)가 그 장착 플레이트상에 장착되어 도시되어 있다. 프리즘 플레이트 모터는 32로 도시되며, RMAX 경사 모터는 34로 도시되며, RMAX 스텝 튜닝 모터는 15로 도시된다. 이러한 실시예에서 RMAX 스텝 튜닝 메커니즘은 배경 기술 부분에서 설명된 종래의 메커니즘과 실질적으로 동일하다. 레버 메커니즘은 0.038 마이크론 최소 스텝을 제공하기 위하여 26의 팩터로 선형 스텝 드라이브를 축소한다. LNP용 빔 입구-출구 포트는 60에 도시된다.
프리즘 플레이트 위치 제어
프리즘 플레이트(13)의 위치 제어는 프리즘 플레이트 스텝 모터(32)를 도시하는 절취도(도5)에 도시된다. 스텝 모터(32)는 도7A 및 7B에 도시된 것과 같이 그 장착 플레이트상에 장착된다. 모터(32)는 컴퓨터 제어기(24)에 의해 제어된다.
자동 RMAX 경사 제어
RMAX 경사 제어 스텝 모터는 도7A, 7B 및 도6A,6C,6D에서 34로 도시된다. RMAX 미러(14)의 경사는 컴퓨터 제어기(24)에 의해 제어되는 RMAX 스텝 모터(34)에 의해 제공된다. 미러(14)의 경사는 공진 공동에서 반사하는 빛의 수직각을 결정한 다.
튜닝 미러에 의한 파장 선택
바람직한 실시예에서, 파장 선택은 본 명세서의 배경 기술 부분에서 설명된 종래의 기술에 따라, 파장계(22)로부터의 피드백 파장 정보를 이용하는 컴퓨터 제어기(24)로부터의 방향에 근거하여, 튜닝 미러(14)의 피봇 수평 위치를 설정하는 스텝 모터(15)에 의해 제공된다.
자동 챔버 위치 제어
제1 바람직한 실시예는 (출력 커플러(4)와 라인 협소화 패키지(7)가 장착된) 프레임(5)에 대하여 빔(6)의 방향에 수직인 방향으로 레이저 챔버(3)(및 거기에 포함된 이득 매체)의 수평 위치를 자동으로 조절하는 도2의 챔버 위치 스텝 모터(36)를 포함한다.
제어
도2에 도시된 컴퓨터 제어기(24A)는 파장계(22)로부터의 피드백 신호에 근거하여, 빔 파라미터를 요구되는 범위내로 유지하기 위하여 모터(15)이외에 모터(36, 32, 34, 30)를 제어하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 단순한 접근법은 하나(예컨대 챔버 위치 스텝 모터)를 제외하고 모든 위치를 일정하게 유지하고, 펄스 에너지 출력, 펄스 에너지 안정도 및 대역폭과 같은 파라미터를 주시하면서 최적 빔 성능을 생성하는 위치를 찾기 위하여 소정의 범위에 걸쳐 그 항목을 조사(scan)하는 것이다. 컴퓨터는 오퍼레이터 명령시에 이러한 조사를 수행하거나 소정의 주기로 상기 조사를 하도록 프로그래밍될 수 있다. 컴퓨터는 또한 파장계가 빔 품질의 악화를 감지할 경우 하나 또는 그 이상의 이러한 타입의 조사를 수행하고, 최적의 위치를 찾도록 프로그래밍될 수 있다.
레이저의 버스트(burst) 모드 작동(예컨대, 레이저가 0.3초의 휴지시간이 뒤따르는 상태에서 매초당 1000 펄스의 속도에서 300펄스 만큼의 펄스 버스트를 생성하도록 작동되는)동안에, 빔 파라미터는 펄스수(즉, 버스트의 개시후의 시간)의 함수로서 변동하는 것으로 알려진다. 이러한 변동을 완화하거나 보상하기 위하여, 컴퓨터 제어기는 버스트 개시후의 시간의 함수로서 하나 또는 그 이상의 스텝 모터를 조절하도록 프로그래밍될 수 있다.
특정 최적화 기술
하나의 바람직한 성능 최적화 기술에 있어서, 메리트(merit) M의 수는 최적 레이저 성능을 판정하기 위하여 정의된다. 그 다음, 메리트의 수치를 최대화하도록 조절된다. 이 수치는 실시간으로 빔을 측정하는 센서로부터의 입력을 사용하여 계산된다. 이러한 센서는 전형적으로 에너지 안정도, 레이저 효율(전압입력에 대한 에너지 출력), 대역폭, 빔폭, 빔 대칭성, 포인팅 안정도 등과 같은 값을 제공한다. 일반적으로 최상의 메리트 수는 리소그래피 노광과 같은 응용에 있어서 성공여부를 결정하는데 매우 중요한 몇몇 파라미터를 결합한 것일 것이다. 예컨대, 만약 펄스 에너지/충전 전압(E)에 의해 측정된 것과 같은 레이저 효율이 중요한 것으로 간주되면, 메리트 수는
M=펄스 에너지/충전 전압, 또는
M=E
로 될 것이다.
만약 (수평 방향에 있어서의) 공간 대칭성(SH)이 E에 더하여 판정된다면, SH가 측정되고 가중 인자(WSH)룰 부여받을 것이다. 완전한 대칭은 제로일 것이다. 메리트 수에 대한 새로운 식은 다음과 같게 될 것이다.
M=E-(WSH)(SH)
그 다음, M을 최소화하기 위하여 조절될 것이다. 유사하게, 메리트 M의 수는 수직 대칭성(VS), 대역폭(B), 파장 안정도(WS) 및 선량 안정도(DS)와 같은 다른 파라미터의 함수로 얻어질 수 있다. 이 경우에 M에 대한 식은 다음과 같게 될 덧이다.
M=E-(WSH)(SH)-(Wvs)(SV)-(WB)(B)-(WWS)(WS)-(WDS)(DS)
또한, 컴퓨터는 메리트 M의 수를 최소화하기 위하여, 스텝 위치를 조절하고, E,SH,VS,B,WS 및 DS를 측정하고, 가중 인자를 인가하도록 프로그래밍된다.
상술된 여러 타입의 파라미터를 고려함에 있어서 레이저 성능을 최적화하는 다양한 기술이 널지 공지되어 있다. 바람직한 일 실시예는 서적 "Numerical Recipes, The Art of Scientific Computing by W. H. Press, et al., Cambridge University Press 1990" 및 그 참조문헌에 실린 다운힐(downhill) 심플렉스 방법이다. 요컨대, 하나의 그룹의 초기 세팅이 조절을 위해 채택된다. 조절되는 파라미터의 수보다 더 많은 다수의 구성(이러한 구성은 조절을 위한 일련의 값이다)이 있을 수 있다. 반복을 위하여, 조절치가 각각의 구성에 설정되고, 메리트의 수가 측정된다. 그 다음, 최악의 메리트를 가지는 구성은 버려지고, 최상의 구성에 더 근접한 새로운 구성으로 대체된다. 반복이 진행됨에 따라, 구성은 그것중의 어느 하나가 최적으로 채택될 때까지 서로 점점 더 근접하게 된다. 초기의 연구에서, 출원인은 최적 위치를 결정하는데 약 10 회 정도의 반복으로 충분하다는 것을 발견하였다. 다운힐 심플렉스 방법은 신뢰할만한 기술이지만, 매우 신속한 수렴이 필요할 때는 다른 공지 기술이 이용될 수 있다.
추가적인 빔 파라미터의 측정
배경기술부분에서 기술된 바와 같이, 종래의 리소그래피 레이저는 신속한 속도로 펄스 에너지 파장 및 대역폭을 측정하는 파장계를 구비한다. 일반적으로 파라미터는 1000Hz 내지 2000Hz의 속도일 수 있는 각 레이저 펄스에 대하여 측정된다.
다양한 빔 파라미터를 측정하기 위하여, 출원인은 도8에 도시된 광 설비를 제공하였다. 출력 커플러 애퍼처에서의 레이저 빔의 상은 렌즈(70)를 통하여 형광 스크린까지 광학적으로 중계되고, 수직 및 수평 대칭성을 포함하는 빔 파라미터가 도8에 도시된 것과 같이 형광 스크린(74)상에 포커싱된 CCD 카메라를 이용하여 결정된다. 형광 스크린은 레이저로부터의 UV 광선을 CCD 카메라에 의해 모니터되는 가시 광선으로 변환한다. 카메라로부터의 아날로그 출력은 비디오 프레임 그래버(grabber)에 의해 디지털로 변환되고, 이 프레임 그래버의 출력은 컴퓨터 프로세서에 의해 분석된다.
이러한 연구와 함께, 출원인은 또한 도8에 도시된 것과 같이 렌즈(72)를 통 하는 제2 빔 경로를 가지는 빔 발산, 빔 포인팅 및 빔 포인팅 안정도를 모니터할 수 있었다. 이 경우에 있어서, 렌즈(72)는 레이저 빔을 형광 스크린(74)상에 초점 맞추고, 렌즈로 들어가는 완전히 함께 발광된 광선이 형광 스크린에서 회절 리미트 스폿으로 보이도록 위치된다. 따라서, 스폿의 크기로서 빔 발산을 측정하고, 스폿의 이동으로서 빔 포인팅에서의 변화를 측정한다. 이러한 추가적인 파라미터는 그 파라미터를 고려하는 레이저 성능을 최적화하기 위하여 본 발명에서 사용될 수 있다.
파장 제어
레이저 리소그래피에서 파장을 제어하는 일반적인 방법은 레이저 오퍼레이터가 파장을 지정하는 것이고, 레이저 제어 시스템은 피드백 프로그램으로 그 지정된 파장을 자동적으로 만들도록 설비된다. 이는 집적 회로 제조동안에 레이저가 몇분의 1초에서 몇 초까지의 버스트사이의 휴지시간을 가지는 매초당 1000 펄스의 속도에서 100 펄스 정도의 짧은 펄스 버스트에서 전형적으로 작동하기때문에 통상 바람직하다. 그 결과는 빔의 파장이 레이저 시스템의 광 구성요소 및 이득 매체에서의 변화에 기인하여 변동할 것이라는 것이다.
도1에 도시된 종래의 리소그래피 레이저 시스템에 있어서, 레이저 출력 빔의 파장은 결합 회절격자와 에탈론(etalon) 파장 모니터가 약 0.1pm의 정밀도로 그 파장을 모니터하는 출력 모니터(22)에서 모니터된다. 모니터는 공지의 흡수 라인에 대하여 주기적으로 눈금이 정해진다. 그러한 종래의 파장계는 미국 특허 제5,978,334호에 기재되어 있다. 예컨대, 레이저 오퍼레이터는 레이저 파장을 248,321.30pm까지 제어하기 위하여 컴퓨터 제어기(24)를 프로그램할 수 있다. 제어기(24)는 모니터(22)로부터의 파장 측정치를 수신하고, 그 정보를 사용하여 모니터(22)에 의해 측정된 파장을 요구되는 248,321.30pm으로 유지하기 위해 그 파장이 증가 또는 감소되도록 피봇 미러(14)에 대한 스텝 모터(15)를 조절한다. 종래의 스텝 모터(15)의 최소 이동 증분은 출력 파장을 약 0.05 정도 변화시킬 것이다.
보다 정교한 파장 제어
보다 정교한 파장 제어를 제공하는 바람직한 실시예가 도9에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 종래의 스텝 모터(15)는 (80으로 지시되는 수직 피봇 라인 주위에서) 미러 메커니즘(14a)을 피봇시키기 위하여 이용되며, 이러한 미러 메커니즘은 (82로 지시되는 수직 피봇 라인 주위에서) 회전 이동의 1 정도로 튜닝 미러(14C)를 피봇하기 위해 배열된 압전 액츄에이터(14B)를 그 내부에 포함한다. 미러(14C)는 약 1 ½ 인치 × 3.0 인치의 크기를 가지며, 약 2 ½ 인치의 두께이다. 무게는 약 2 온스 정도이다. 소형 압전 액츄에이터가 이용가능하며, 이는 그러한 크기의 미러에 대하여 Physik Instrument와 같은 제조업자로부터 극도로 정교한 정밀도로 5000Hz의 속도에서 0.1라디언의 피봇 범위를 제공할 수 있다. 이러한 튜닝 미러 시스템은 압전 모터에 고전압 신호를 제공하는 전자 드라이브 유닛을 구비한다.
이러한 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 제어기(24A)는 스텝 모터(15)와 압전 유닛(14B) 양자 모두를 제어하도록 프로그래밍된다. 압전 액츄에이터(14B)는 극도로 정교한 정밀도로 미러(14C)를 회전할 수 있어서, 레이저가 약 0.1pm인 파장계의 정밀도보다 훨씬 더 정확한 정밀도로 튜닝될 수 있다.
도9A에 도시된 바와 같은 다른 장치에서, 압전 액츄에이터(14D)는 스텝 모터(15)와 직렬로 장착되며, 피봇 라인(80A) 주위에서 RMAX 미러를 피봇하기 위하여 압전 드라이브에 선 팽창 및 수축을 가한다.
예비-튜닝
종래의 파장 튜닝 장치의 하나의 문제점은 레이저 제어가 소정의 파장을 생성하기 위해 필요한 조절을 할 수 있기 이전에, 몇 개의 펄스가 요구될 수 있음을 의미하는 피드백 시스템에 있다. 도11은 레이저 작동을 미리 튜닝하기 위해 특별하게 설계된 실시예를 도시한다.
다이오드 레이저 시스템(86)으로부터의 병렬 빔(84)은 미러(14C)에서 반사되고, 원통형 렌즈(88)에 의해 미러(14C)의 피봇 위치를 측정하기 위해 사용되는 광 다이오드 어레이(90)상에 정교한 라인으로 촛점 맞추어진다. PDA(90)로부터의 정보는 컴퓨터 제어기(24)에 의해 명령된 미러 피봇의 정도를 생기게 하기 위하여 스텝 모터(15)와 압전 액츄에이터(14B)의 위치를 제어하는 피드백 구성에서, 미러 위치결정 프로세서(92)에 의해 사용된다. 컴퓨터 제어기(24A)는 PDA 출력 데이터와 파장과의 상관 매트릭스를 생성하도록 프로그래밍되어 있어, 소정의 파장 출력을 생기게 하기 위하여 미리 적당한 미러 위치를 호출할 수 있다.
병렬 빔(84)은 약 2.5 마이크론의 코어 직경을 가지는 싱글-모드 파이버(96)에 연결되고 670nm에서 작동하는 다이오드 레이저(94)를 포함하는 다이오드 레이저 시스템(86)에 의해 제공될 수 있다. 광 출구 파이버(96)는 비구면(aspheric) 렌즈(98)에 의해 병렬 빔(84)으로 시준(collimate)된다.
렌즈(98)의 초점 길이는 약 5mm의 직경을 가지는 빔(84)을 생성하기 위해 약 20mm이다. 이러한 빔의 발산은 대략 다음과 같다.
Figure 112002006267636-pct00001
여기서, λ는 670nm 파장이고, D는 5mm의 빔 직경이어서, 발산은 약 θ=1.63×10-4라디언이다. 이와 같은 낮은 발산 빔은 렌즈(88)에 의해 약 500mm의 거리에서 다이오드 어레이(90)상에 초점 맞추어진다. PDA에서의 스폿 크기는 약 82마이크론이다. 바람직한 PDA는 14마이크론 간격으로 2048 픽셀을 가진다. 따라서, 스폿은 약 6 픽셀을 가린다.
레이저 오퍼레이터는 레이저를 ±0.1pm 또는 그 이상의 정밀도로 소정의 파장으로 제어하기를 원한다. KrF 레이저의 1pm의 파장 변화는 미러(14)의 피봇가능 위치에 있어서 약9.9μ 라디언의 변화에 대응한다.
미러(14)와 PDA(90)사이의 거리는 약 300mm이다. 미러(14)의 9.9μ라디언 경사는 PDA(90)상의 빔 스폿에서 5.94 마이크론 시프트를 야기할 것이다. 스폿 두께는 약 82 마이크론이다. (0.1pm 파장 시프트에 대응하는) 0.6μ 시프트의 정밀도를 달성하기 위해 시도하는 것은 (스폿의 절반 최대 부분 근방에서) 빔 스폿의 경사부분을 따라 픽셀의 강도 값을 모니터링하는 것을 요할 것이다. 프로세서(92)는 그것을 하도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 각각의 픽셀은 상업적으로 이용가능한 저가의 PDA 어레이상에 256 레벨의 강도 응답을 가진다. 정밀도는 스폿 의 경사 부분에서의 몇몇 픽셀의 평균값을 사용함으로써 향상될 수 있으며, 나아가 이용가능한 시간 간격에 걸쳐 다수의 강도값을 평균함으로써 향상될 수도 있다.
다른 바람직한 접근방법이 도11A에 도시되어 있다. 여기서, 중간 고정 미러(100)는 빔이 미러(14C)에서 4번 바운스되게하며, 이는 그 시프트를 피코미터 파장 마다 4 내지 24 마이크론 시프트의 인자로 증가시킨다. 따라서, 0.1pm 변동은 빔 스폿에서 2.4 마이크론의 시프트에 대응하며, 이는 스폿의 경사 에지상에서의 픽셀 강도값의 변화를 파악하기에 훨씬 더 용이할 것이다.
처프(chirp)
시간에 따른 파장의 변화는 산업계에서 "처프" 또는 "파장 처프"로 일컬어진다. 이러한 변화는 0.001초 또는 그 이하의 사간 스케일과 같이 매우 급속하게 발생할 수 있다. 상술된 바와 같이, 처프는 챔버와 광학 소자에서의 열 효과 및 음향 효과와 같은 많은 요인에 의해 야기될 수 있다. 대개, 처프는 바람직하지 못하고, 본 발명에 의해 제공되는 파장의 매우 신속한 제어는 처프를 최소화하기 위해 사용된다. 또한, 일부 제어된 처프의 바람직한 상황이 있을 수 있으며, 그것은 컴퓨터 제어기(24A)와 프로세서(92)를 사용함에 있어서 프로그래밍될 수 있다. 도11, 11A 및 11B에 도시된 시스템의 주된 이점은 미러 위치가 이력 교정 데이터에 근거하여 레이저 작동시에 미리 설정될 수 있다는 것이다.
판독자는 1000Hz 내지 5000Hz의 펄스 속도로 작동하는 가스 방전 레이저에 있어서, 레이저 가스는 약 3 킬로와트를 소량의 레이저 가스내에 주기적으로 덤핑(dumping)하는 전극사이에서 100m/s까지의 속도로 순환하고 있으며, 프리즘과 다른 광 구성요소는 0 와트에서 약 50와트까지 변하는 평균 에너지를 가진 자외선 광 펄스를 받기 쉬운 상태에 있다는 것을 이해해야만 한다. 따라서, 열 효과 및 다른 효과는 오프레이터가 0.1pm 또는 그 이하의 정밀도까지 제어하기를 시도하는 파장에 있어서 매우 미소한 변화를 야기할 수 있다. 도11에 도시된 실시예는 오퍼레이터가 이러한 효과에 의해 야기된 파장에 있어서의 왜곡을 보상하기 위하여 튜닝 미러(14C)를 조절하는 것을 허용한다.
레이저 작동의 특정 모드에 대응하여 바람직하지 못한 처프 패턴이 검출되면, 컴퓨터 프로세서(24A 및 92)는 처프를 최소화하기 위하여 미리 튜닝 미러(14C)를 제어하도록 프로그래밍될 수 있다.
변형가능 미러
도10은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 이 경우의 실시예는 도9와 도11의 실시예에서의 미러(14C)가 4개의 세그먼트(14C1,14C2,14C3,14C4 및 14C5)로 분할된 것을 제외하고는 도9와 도11의 실시예와 유사하다. 각각의 세그먼트는 그 자체의 압전 드라이버에 의해 제어된다. 바람직하게는 압전 소자는 경사, 팁(tip) 및 피스톤을 제공하여, 미러가 요구되는 각도로 향해지게 할 수 있고, 또한 만약 미러가 오프셋 페이즈-와이즈(phase-wise)이면 그 오프셋은 파장의 배수이다. 상기와 같이 분리된 미러는 1990년 7월 31일 발행된 미국 특허 제4,944,580호에 기재되어 있다. 개개의 분리된 미러는 훨씬 더 가볍기때문에, 보다 더 신속한 제어가 가능하다. 현재의 압전 기술은 10,000Hz까지의 펄스 속도로 피봇가능한 조절을 허용한다.
도10A에 도시된 것과 같이, 이러한 미러의 위치는 램프(114)로부터 슬릿(116)을 통하며 렌즈(118)로 시준되며 레이저 빔 위에 위치된 미러(120)에서 반사되는 수은 광원을 사용하여 모니터될 수 있다. Hg 빔은 빔 익스팬더 프리즘(8, 10 및 12)을 통하여 확대되며, 미러 어레이(122)에 의해 PDA 어레이(124)상에 초점 맞추어진다.
도10에 도시된 타입의 압전 드라이브 변형가능 미러는 캘리포니아, 샌디에고, ThermoTrex 회사와 같은 많은 제조자에 의해 이용가능하다.
압력 조정
매우 정교한 파장의 튜닝을 제공하는 또 다른 방법은 LNP내의 가스 압력을 제어하는 것이다. LNP는 질소로 완전히 퍼지(purge)되는 것이 바람직하다. 과거에는, 질소 압력은 대기 압력을 매우 미미하게 초과하는 압력에서 일정하게 유지되었다. 질소 압력의 변화는 굴절률을 변화시켜, 회절격자에서의 입사각을 매우 미미하게 변화시킨다. 퍼지 흐름은 LNP를 통한 연속적인 흐름이기때문에, 그 압력은 입구 퍼지 라인 또는 출구 퍼지 라인에서 제어 밸브를 사용하여 변화될 수 있다. 그 결과적인 응답은 상대적으로 느릴 것이다. 압력에서의 급변은 비례 솔레노이드 액츄에이터(110)와 벨로즈(112)를 사용하여 도12에 도시된 것과 같이 제공될 수 있다. 헬륨과 같은 다른 퍼지 가스가 질소대신에 사용될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 개시 및 도시되어 있지만, 관련된 원리는 당업자에게 명백할 수많은 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 예컨대, 각각의 스텝 모터는 교류 또는 직류 모터, 수압 또는 공기압 포지셔너(positioner)와 같은 대안적인 포지셔너로 대체될 수 있다. 제안된 컴퓨터 프로그램과 달리, 포지셔너를 제어하는 많은 방법이 이용될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 스텝 모터가 RMAX 미러에 대해 상술된 바와 같은 유사한 기술을 사용하여 자동으로 위치결정하기 위하여 출력 커플러에 가해질 수 있다. 3개의 스트롱 영구 자석은 그 자석중의 하나가 도6에 도시된 바와 같이 피스톤을 대체하면서 두개의 압축 스프링 대신에 사용될 수 있다. 자석(60)은 로드(4)에 고정되고, 자석(62 및 64)는 하우징(8)에 고정된다. 로드(4)는 자석(62 및 64)의 구멍을 통하여 지나간다. 로드(4)를 하우징(8) 안밖으로 돌려 고정하는 효과는 상술한 것과 실질적으로 동일하다. 회절격자의 굴곡은 수많은 기술중 어느것을 사용하여 달성될 수 있다. 예컨대, 압축 또는 인장은 실질적으로 바람직한 어떠한 형을 만들기 위하여 수많은 포인트에 가해질 수 있으며, 이러한 형은 피드백 컴퓨터 제어를 받기 쉬워질 수 있다. 미러(14)는 스무스(smooth)한 변형가능 미러와 같은 다른 타입의 변형가능 미러일 수 있다. 빔 익스팬더는 전반사 빔 익스팬더일 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그와 법적으로 동등한 범위로 지시된 것과 같이 제한되지 않는다.

Claims (19)

  1. 출력 레이저 빔을 생성하기 위한 협대역 전기 방전 레이저에 있어서,
    상기 레이저는
    A) 레이저 프레임;
    B) 상기 프레임에 조절가능하게 장착된 레이저 챔버;
    C) 상기 챔버내에 수용된 레이저 가스;
    D) 상기 챔버내에 수용되어 이격되어 있는 두 개의 신장된 전극으로서, 상기 두 개의 전극들과 이 전극들 사이의 레이저 가스가 이득 매체를 정의하는 상기 두개의 신장된 전극;
    E) 빔 익스팬더, 튜닝 미러 및 회절격자를 포함하는 라인 협소화 모듈;
    F) 상기 출력 파장을 0.1pm이하의 정밀도로 조절하는 정교한 튜닝 수단;
    G) 레이저 출력 빔 파장을 검출하는 파장계;
    H) 컴퓨터 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 수단은 상기 튜닝 미러를 피봇하기 위한 적어도 하나의 압전 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 수단은 상기 라인 협소화 모듈내의 가스 압력 을 증가 또는 감소시키기 위한 압력 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 수단은 스텝 모터 및 상기 튜닝 미러를 피봇하기 위한 적어도 하나의 압전 액츄에이터를 포함하고,
    상기 압전 액츄에이터는 상기 스텝 모터와 직렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 미러는 변형가능 미러인 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 미러는 복수의 미러 세그먼트를 포함하는 세그먼트된 미러인 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 튜닝 미러의 피봇 위치를 검출하기 위한 미러 위치 검출 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 미러 위치 검출 시스템은 상기 미러로 향해진 위치 검출 광원과 상기 미러로부터의 반사를 검출하기 위한 검출기 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광원은 다이오드 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 광원은 수은 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  11. 제 6 항에 있어서, 각각의 미러 세그먼트의 위치를 검출하기 위한 미러 위치 검출 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 이득 매체가 공진 공동에 대하여 소정의 위치에 있도록 상기 챔버를 수평 방향으로 위치결정하는 챔버 포지셔너 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 컴퓨터 제어기는 상기 파장계로부터의 피드백 정보에 근거하여 상기 챔버를 위치결정하기 위하여, 상기 챔버 포지셔너를 제어하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 프리즘 빔 익스팬더는 프리즘 플레이트상에 배치된 복수의 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘 플레이트를 위치결정하기 위한 프리즘 플레이트 포지셔너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 컴퓨터 제어기는 상기 파장계로부터의 피드백 정보에 근거하여 상기 프리즘 플레이트를 위치결정하기 위하여 상기 프리즘 플레이트 포지셔너를 제어하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 레이저 빔의 수직각을 제어하기 위하여 상기 RMAX 미러를 경사지게 하는 RMAX 경사 포지셔너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 컴퓨터 제어기는 상기 파장계로부터의 빔 정보에 근거하여 상기 RMAX 미러를 경사지게 하기 위하여 상기 경사 포지셔너를 제어하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 익스팬더는 이동가능 프리즘 플레이트상에 배치된 복수의 프리즘을 포함하고,
    A) 상기 컴퓨터 제어기로부터의 제어 신호에 따라 상기 챔버를 수평 방향으로 위치결정하는 챔버 포지셔너 유닛;
    B) 상기 컴퓨터 제어기로부터의 제어 신호에 따라 상기 프리즘 플레이트를 위치결정하는 프리즘 플레이트 위치결정 유닛;
    C) 상기 컴퓨터 제어기로부터의 제어 신호에 근거하여 상기 RMAX 미러를 경사지게 하는 RMAX 경사 포지셔너; 및
    D) 상기 컴퓨터 제어기로부터의 제어 신호에 근거하여 상기 출력 빔의 공칭 파장을 조절하기 위하여 상기 RMAX 미러를 피봇시키는 RMAX 피봇 포지셔너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 회절격자 굴곡 포지셔너는 스텝 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 전기 방전 레이저.
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