TW453001B - Gas discharge laser with gas temperature control - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453001 A7 B7 五、發明說明（1 ) 本發明係關於y脈衝速率氣體放電雷射之溫度控制設 備及掉術，以及特別係關於控制於此種雷射循環用來照明 步進器成婦描器萝置之氣體溫度之設備及技術。 發明背景 典型氣體放電雷射例如美國專利第5,377,215及 5,748,656號描述的準分子雷射，二電極設置於腔室内呈 彼此隔開關係，及氣體循環於電極之間。圖1為如美國專 利第5,377,215號顯示的先前技術氟化氣（KrF)準分子雷射 之剖面圖。當高電壓脈衝外加於第1圖之二電極18與2〇間 時，形成放電而皂生前衡先前技術商用準分子雷 射脈衝可於的0赫至2000赫範圍之填库產生而產生脈衝雷 射束°典型用於積體電路光刻術之商用氟化氪準分子雷射 之脈衝光能為約"10毫焦，用以產生該光能之電能略大於2 焦’大半電能係加熱循環於雷射腔室的雷射氣體。故若雷 射係於1000赫脈衝速率連續操作，則放電傾卸出約2,〇〇〇 瓦能量至雷射腔室10。唯有約0.5%輸入的能量轉成雷射 脈衝。本例中，雷射氣體為約0_ 1 %氟、1 %氪及差額為氖 之混合物，雷射氣體藉於約3300 rpm操作的3.25吋切線鼓 風機風/扇50以約每秒2〇〇〇厘米之速度循環於二電極間。如 此藉風扇快速循環雷射氣體以約5〇〇瓦速率加熱腔室。已 知雷射性能受到氣體溫度影響，且已知使用雷射進行實驗 決定可獲得最理想性能的溫度。典型先前技術氟化氪準分 子雷射之較佳操作溫度係於約5(rc附近。 為了於預定溫度例如5〇°c操作，某些先前技術雷射利 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21()x297公爱） 4 ------I------- i I i l· I I ^ €--------- (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁ί 453 0 0 1 A7

五、發明說明（2 ) 用安裝於腔室壁上或壁内的加熱元件來輔助初步提升溫度 至預定範圍’以及若溫度降至期望範圍以下時，加熱元件 加熱腔室溫度。先前技術之冷卻典型係由設置於腔室内部 的有散熱片水冷式熱交換器例如第1囷所示66提供。某些 情況下’藉安裝於腔室壁外側的水冷式冷卻板提供額外冷 卻。冷卻系統平均必須以熱量增加至腔室的相同速率由腔 室去除熱，俾維持恆定平均溫度。 用於生產積體電路赴步進器及掃描器設備伟為光源的 準分子雷射之較佳操作模式稱作「叢發脈衝模式」。此種 模式中’雷射係以「叢發脈衝」操作，例如於〖〇〇〇赫之脈 衝速率約300脈衝’各300脈衝叢發照明直徑約8吋晶圓的 約2或4平iff的單一曝光位置。典型單一晶圓上有多個 (例如約85個）曝光位置，各個位置對應一或多個積體電路 。各叢發脈衝由無效期如0.3秒隔開。例如85「叢發脈衝 」涵蓋85曝光位置後’雷射可空轉一段較長時間例如約9 秒，同時新晶圓藉步進器或掃描器移動定位。 第2圖為得自美國專利第5,748,656號之第3圖之修改 版本（大半標示編號皆被刪除），顯示先前技術控制溫度之 系統。系統包·Ί —溫度檢知器3 3 0伸入腔室内測量氣體溫 度。來自檢知器的信號由回授迴路之基於微處理器的控制 器用來控制水流冷卻有散熱片的熱交換器66及桿形加熱元 件67俾維持氣體溫度於預定操作範圍。該專利案教示處理 器可經程式規割而使加熱元件增加熱量，該熱量等於於短 空轉時間由排放脈衝所增加的熱量，因此可約略維持恆定 本紙張尺度適用中Β國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公蹵） -------.---^----^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453001 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（3 ) 乳體溫度。加熱器由微處理器控制，當雷射未連續操作（ 例如於前述0.3秒的停機時間）或更實際於分開叢發_列之 間（例如前述9秒空轉時間）可增加熱量。 使用加熱元件於9秒空轉期增加等於約1000瓦的熱能 實質上可提供恆定熱輸入及熱提取而未改變冷卻水流。另 外’若干先前技術系統基於溫度回授配置來改變冷卻水流 俾維持氣體溫度於操作範圍。使用此種辦法之問題為當藉 電極瞬間增加熱能給雷射氣體時，需要數秒或數分鐘熱才 能由加熱元件移轉至雷射氣體。也需要數分鐘才能使水流 改變生效。因此先前技術氣體放電雷射常見由正常叢發脈 衝模式操作造成於預定溫度周圍約攝氏數度的溫度起伏波 動（甚至振盪）。此種溫度起伏波動對性能造成不良影響。 需要改良可對電氣放電氣體雷射獲得更佳溫度控制。 發明概述 本發明提供一種氣體放電雷射具有換|4響;?|_来·髂、;g瘦 控制而於期間，維持雷射氣體溫庶於箱 艮度範圍内。較佳具體實施例包括一被動溫度穩定性具 有散熱片’散熱片暴露於流動雷射氣體之表面積至少等於 雷射氣體熱交換器之冷散熱片之表面積。較佳具體實施例 利用加熱元件及冷媒流動控制而使用程式規劃成可預期空 轉無效期的處理器來調節雷射氣體溫度。 圖式之簡單說明 第1圖顯示用於積體電路光刻術之先前技術準分子雷 射之剖面圖。 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 6 -^ 裝----l·---訂- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453001 A7 --------B7_____ 五、發明說明（4 ) 第2圖顯示先前技術雷射之通度控制元件。 第3圖顯示於連續操作時電極上游及下游的雷射溫度 〇 第4圖顯示使用連續叢發脈衝模式操作，於十分之幾 秒時間之平均雷射氣體溫度擺盪。 第5圖顯示使用連續叢發脈衝操作模式之趨近電極的 氣體溫度。 第6圖顯示使用叢發脈衝模式及週期性9秒停機時間之 數秒時間長度的平均雷射氣體溫度擺盪。 第7圖為圖表顯示流進及流出雷射氣體的熱能之簡化 定性估值。 第8A圖顯示具有被動溫度之雷射腔室之剖面圖β 第8Β圖顯示附有一穩定器帶有流葉片之雷射腔室之 剖面圖。 第9圖顯示腔室帶有一組額外電極之腔室剖面圖。 第10圖顯示供給熱能給雷射冷卻水之系統。 第11及12圖顯示預期有空轉期之第10圖系統之修改例 第13圓顯示使用風扇熱量來維持溫度之系統s 第14圖顯示含有相位改變材料之接腳之剖面圖。 第15顯示附有蒸散冷卻之冷卻系統。 第16顯示使用PID控制之冷卻系統。 第17A及17B圖顯示U字形管及2管熱交換器。 第1 8圊顯示單一雷射連績操作用以照明二附有波克 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Ϊ ------------ I---=---- 訂 --------I <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 5 3 0 0 1 A7 ____B7 _ 五、發明說明（5 ) (Pockel)單元用於切換的步進器。 第19A ’ 19B及19C圖顯示溫度對雷射性能的影響。 第20A ’ 20B及20C圖顯示使用具有響應時間約0.26秒 之溫度感測器之先前技術測試資料。 第21A及21B圖顯示調整式熱交換器葉片。 較佳具體實施例之詳細說明 參照附圖說明本發明之較佳具體實施例。 氣體溫唐梓制之重要性 申請人發現用於某些電氣放電氣體雷射，將氣體溫度 維持於預定範圍可大為改良雷射性能。例如中請人發現於 約45C至75 °C之範圍氟化氪準分子雷射之溫度改變至多5 至7°C僅對雷射^數造成微小影響。此等影響太小而難 以量測。但氟化氬準分子雷射溫度變化速度對雷射性能造 成相當大影響。例如第19C圖之線圖顯示1〇〇脈衝之1000 赫叢發脈衝於5種不5同初氣體溫度使用恆定放電電壓之 100脈衝之脈衝能。此線圖驗證氣體溫度對氟化氬雷射的 脈衝能穩定性造成重大影響。資料指示此種特定雷射之最 佳能量穩定性之較佳溫度為約65°c (對一叢發脈衝以内脈 衝能之輸出一致性而言）。第19B圖顯示於連績1000赫操作 ，脈衝能相對於氣體溫度之作圖。第丨9 A圖顯示氟化氬雷 射於52 C ’ 5 8 C及62°C之能量穩定性曲線。至於脈衝至脈 衝能量穩定性，最理想之氣體溫度為^*6〇。〇/。 能量平衡 典型IL化色光刻術準分子雷射之氣體總量於約3大氣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） 8 -------------裝---— l· —--11'---------•線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^3001 A7 厂__B7 _ 五、發明說明（6 ) 壓為約20升’其中約97至99%為氖。氖於3大氣壓及501 之密度為約2.5克/升。如此雷射氣體質量為約50克。氖於 前述壓力及溫度之比熱Cv為約0.623焦/克度C。各脈衝對 腔室氣體增加約2焦耳。 連續操作 於每秒1000脈衝之連續雷射操作，電極每秒傾卸約 2000焦耳至腔室。風扇50以每秒5〇〇焦耳之速率增加熱能 。平衡時熱須以增加的相同速率被去除，因此於連續操作 時熱必須以約2.5千瓦速率去除。大半熱係由有散熱片的 水冷式熱交換器66去除。此種熱能係經由腔室壁去除^於 此等類型雷射之典型風扇速度，等於腔室容積的一容積氣 體以對應每秒約2 5米的氣體速度於約4〇毫秒循環於電極間 。（相當於雷射脈衝間約2 · 5厘米氣流）。此種流動足夠對 新脈衝提供「乾淨的」氣體。 為了估計腔室的溫度變化’假設流動的雷射氣體被分 成40個小容積，各小容積含腔室總氣體的1/4〇則為〇5升 或1_25克。將此小容積稱作一「〇.5升量」。如此於每秒1〇〇〇 脈衝平衡時’當0.5升量通過於電極間時約2焦耳能量傾卸 入各0.5升量。此種能量足夠提升〇·5升量的溫度達約2_6。匸 〇 △ =2 焦耳/(1.25 克）(0.62 焦耳/克度 C)=2.58t； 平衡時當〇,5升量返回電極前必須去除2焦耳^因此雷 射氣體在電極下游須比上游溫度高約2.68°c。若平均腔室 溫度為50°C ’則上游氣體溫度為約48.71，以及下游溫度 I I 裝 ----^-------------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 53 0 0 A7 --------B7___ 五、發明說明（7 ) 為約51.3C。於1000赫連續操作時，腔室氣體的上游、下 游及平均溫度於全部時間實質上為衡定，如第3圖指示。 連續叢發脈衝1立操作 雷射可於連續叢發脈衝模式操作，可檢驗該模式，即 使並非正常操作模式亦如此。此種連續叢發脈衝模式之範 例為300脈衝叢發於每秒1〇〇〇脈衝速率經歷〇3秒接著為 〇·3秒的停機時間。如此產生5〇%的負載因數。此種操作 模式時，雷射氣體平均溫度有相當的起伏波動。此種模式 之熱量係由電極以每秒1〇〇〇焦耳平均速率及風扇以每秒 500焦耳增加（時間至少數秒），如此平衡時熱量須以每秒 1500焦耳速率去除。 於一段短時間，腔室溫度特別電極於放電時的溫度將 於電極增加約600焦耳至氣體的〇 3秒時間以及於電極實質 上增加零熱能給氣體的〇·3秒停機時間產生相當大改變。 於兩段0.3秒間隔時間，電極熱係以每〇,3秒間隔時間約3〇〇 焦耳速率去除。結果不平衡造成平均氣體温度有數度的擺 盈。顯示該擺盪的線圖顯示於第4圖。 止量效龐 連續叢發脈衝操作模式中，於超過40毫秒的一叢發脈 衝期間電極感受數度溫度增高並非全然線性，反而溫度係 以階梯狀方式增高。例如若一叢發脈衝期間的總溫度升高 5°C以及平均氣體溫度為50艺，則第一叢發脈衝時趨近電 極的氣體為44.6X：。離開電極的氣體溫度為47.2°C。第二 脈衝之趨近溫度為約44.6°C，原因在於來自第一脈衝的被 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 10 '·- ---------— — — IF -----I I I 訂---——111· {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 53 0 0 A7 五、發明說明（8 ) 加熱氣體流動離開電極。直到第一 0.5升小量為止並無顯 著增高，因此環繞雷射腔室迴圈且於第4丨脈衝返回。此時 電極將有一階梯溫度升高至約4rc，該階梯後，進來的溫 度將相對穩定直到約脈衝81。脈衝81至120將看到輸入溫 度之另一階梯式增高。雖然各階梯變得較不明顯，但此種 效應一直持續至脈衝300之叢發脈衝結束為止，此時平均 溫度增高約4°C。然後於隨後〇.3秒的停機時間再度以每4〇 毫秒的階梯，平均溫度降至約46t: D此種效應以線圖顯示 於第4圖。 遇L有週期性延長停機時問之叢發脈榭掇戎 發明人對以叢發脈衝形式操作的雷射之熱氣流進行類 似的估計’舉例說明帶有步進器或掃描器之準分子雷射之 正吊操作模式’作為積體電路光刻術處理之照明來源之例 。此種模式討論於背景乙節係由1分鐘週期的3〇〇脈衝叢發 於每秒1000脈衝組成，各0.3秒叢發之後接著為03秒的停 機時間以及在85次叢發後有9秒的停機時間。此種週期連 續重複。對應於約42.5%的負載週期。 此種操作模式對應於照明單一晶圓上85個照明位置需 要5 1秒以及更換晶圓需要9秒。於各6〇秒週期時間由電極 增加給腔室的熱能為約5丨，000焦（亦即（2焦/脈衝）(3〇〇脈衝/ 叢發）(85叢啦））。於此60秒週期由鼓風機增加的熱能為約 30,〇〇〇焦（亦即（500瓦）（6〇秒））。因此總熱能輸入於每6〇秒 週期平均約81,000焦’等於平均1.35千瓦。由腔室去除的 熱假設相當穩定於等於熱能增加的速率（亦即約1 3 5千瓦） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） 11 -------------.敕· — ---；----訂 -------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 4 53 〇 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) ’大半熱係由水冷式散熱片熱交換器66提取出。先前技術 雷射之溫度典型係如背景乙節指示係藉具有數秒或更長的 響應時間的溫度偵測器偵測。因此此等感測器提供時間平 均氣體溫度的良好測量值。溫度測量值用於回授迴路控制 流至散熱片熱交換器的水流。先前技術溫度偵測器丨丨6不 夠快無法準確測量第4圖所示0.3秒溫度擺盪，或如前文討 論且如第5圖舉例說明之小量效應關聯的階梯型溫度。 鼓風機增加的熱量實質上穩定，因此不會促成短時間 (亦即少於1分鐘）的氣體溫度起伏波動。由水冷式散熱片 熱交換器去除的熱能係依據氣體溫度及冷卻水流及溫度決 定。假設冷卻水流並無變化，而氣體溫度僅有微小改變， 則於60秒週期由熱交換器去除的熱量約略衡定且實質上未 促成溫度的起伏波動。隨著溫度的起伏波動變大，熱交換 器提取熱速率改變，於較高溫變得相對較大而於較低溫變 得相對較小。又當溫度起伏波動變大時，熱能來回於氣體 與腔至的結構元件以及腔室壁間傳熱。此二效應傾向於阻 止溫度的起伏波動，特別當溫度起伏波動傾向於變大時尤 為如此。 莖變遷時間溫度改蠻的影響 熱交換器表面積為約0.8平方米，腔室壁及其它接觸 桃動氧體的組件表面積為約1 · 6平方米。腔室壁及組件係 於約略等於特定壁小段或組件所在位置的平均氣體溫度。 當50C為平均氣體溫度時，此等溫度將接近5〇〇c。熱交換 器表面溫度約等於冷卻水溫度，假設為2(rc ’典型於各散 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格㈣χ 297公爱_) 12 , - 4 ---------------^--I I 訂----I---I I r {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 五、發明說明（10 ) 熱月有向外延伸的小量遞度。若假設熱流及八丁與表 面積間呈線性關係.，則於少於數秒的短時間變遷期間隨著 氣體溫度的改變，可估計由氣體流出進入熱交換器的熱流 速率以及流進及流出腔室壁及組件的熱流速率。於此種變 遷期間，壁及金屬組件之表面溫度由於熱質量大以及流進 及流出壁及組件之熱流約略與該等位置之氣體溫度與平均 氣體溫度之變化成比例，故表面溫度並無可察覺的改變。 第7圖為此種效應的極為粗略簡化說明’假設叢發脈衝模 式帶有前文討論之週期性空轉期間操作，此處來自電極的 熱平均輸入為850瓦，來自風扇的熱輸入為5〇〇瓦。也假設 對此種簡化估計全部的熱皆係經由熱交換器去除。於此等 假設下，空轉期間短時間的溫度降低限於約丨丨艽。此時來 自壁及組件輸入氣體的熱能等於由熱交換器提取的熱能。 於一段短時間操作期間，電極將以約2〇〇〇瓦的速率增加熱 能。以來自風扇之5〇〇瓦輸入頂端，引起於平均溫度少於 一秒時間以每1/1〇秒約3.7°c之速率（(2·5千瓦_135千瓦 )/0.62焦耳/克度C)(500克）=37〇c/秒））快速升高，少於一秒 以内溫度已經顯著升高，由熱交換器及壁去除的熱量大增 。於58°C ’去除的熱等於2500瓦。可設定短時間變遷的上 限。 使用極快速熱偶的測姑眘蚪 第20A ’ 20B及20C圖顯示於前述60秒週期叢發脈衝模 式操作期間取得的測試資料，繪圖的溫度資料係以亞美佳 (Omega) K型 O.oio吋直徑熱偶（p/N 5+C-TT-K-30-72)恰安 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 --------------教---- l·---訂---------I Γ. {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 453 0 0 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（n ) 裝於熱加換器頂上及電極下游獲得。熱偶具有響應時間約 0.26秒（260毫秒）。資料明白顯示85+Λ 〇3秒擺盪以及9秒 空轉時間之溫度大減。如第20C圖指示，感測器不夠快無 法憤測40毫秒小塊效應。第20B圖繪圖資料顯示先前技術 雷射溫度控制的週期性結果，其為響應來自先前技術溫度 感測器（第2圖顯示於330，具有響應時間數秒）的信號控制 冷卻水流至熱交換器。控制器控制比例流量閥，該閥於此 種營況被程式規劃於氣體溫度仙艽為全開而於氣體溫度5〇 C為全關而於其中間溫度係以比例方式開啟。結果為6〇秒 冷卻水週期效應重疊於〇·3秒叢發脈衝及〇 3秒空轉期及9 秒空轉期的週期效應之上。冷卻水引起的擺盪為攝氏數度 對更佳溫度控制的愛龙 前述分析係基於申請人對1000赫氟化氪雷射操作的實 驗及觀察。顯示於第3-6圖之溫度擺盪對1000赫氟化氪雷 射而言病不嚴重，由該等雷射可提供具有穩定脈衝能及其 它雷射束參數的絕佳性能。更為晚近’申請人使用2〇〇〇赫 氟化氪準分子雷射進行實驗，提供1000赫雷射及氟化氣 1000赫雷射及氟1000赫雷射的兩倍功率，該等雷射對溫度 變化比氟化氪雷射更敏感。未來規劃的雷射由申請人及其 同仁設計為於5000赫操作。又申請人的僱主的客户堅持主 張控制雷射參數例如波長、頻寬及能量穩定性，此等參數 全部接受雷射氣體溫度變化的不良影響（參考第19A，19B 及29C圖）。由於此等理由故’需要對雷射氣體作優異的雷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 14 ---------!!裝-----：-!1 訂 *-------- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 453 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（12) 射溫度控制。本案揭示比較先前技術此類型雷射可提供電 氣放電氣體雷射之雷射氣體溫度遠更精確的氣體溫度控制 Ο t用壓力來指示溫膚 第20 A ’ B及C圖中用來收集資料的溫度感測器為相當 精敏的儀器無法長期存在於雷射氣體環境下。如此為了使 用此等儀器作快速溫度量測經常必須更換零件。另一替代 之道係例用壓力偵測器來指示溫度的快速改變，原因在於 隨著溫度的變化壓力瞬間改變壓力資料在各次脈衝間收 集因此放電的聲波衝震效應不會影響壓力制示。雷射資料 獲得處理器必須程式規劃成可使用眾所周知的技術將壓力 資料轉成溫度資料。較佳此等資料可與使用快速溫度感測 器（例如前文討論）之溫度感測器所得資料關聯（至少對— 種雷射模式交互關聯一次）。 Μ复式大表面積溫唐穩定器 用於維持氣體溫度接近平均氣體溫度之電氣放電氣體 雷射之較佳改良顯示於第8圖。此乃被動式由散熱片結構6 ^ ，申請人將其溫度穩定倩設置於電極下游。各散熱片之表 面積（兩面）等於約135平方厘米，共有約225片散熱片隔開 每吋8片，該單元提供氣體路徑上總表面積約3平方米。此 面積比較先前技術被動式平均溫度表面積約1.6平方米。 進一步此種單元恰設置於氣體流動路徑上緊鄰電極下游， 故穩定器之平均溫度（於叢發脈衝操作期間）將略高於氣體 平均溫度。申請人估計此種單元可減小週期性短時間溫度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） 15 Τ » 九 - -------------裝-----„--i — 訂 ----1! 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

4 53 0 C Α7 ____Β7 五、發明說明（13 ) 起伏波動達至少4個因數。具有較大或較小表面積之溫度 穩定器也可使用，但用於「背景乙節」討論的該型雷射推 薦使用至少1平方米的表面積。另一項良好姆指法則係隨 散熱片熱交換器的表面積調整熱穩定器表面積。為獲得優 異結果，規定熱穩定器表面積為熱交換器表面積之丨至4倍 〇 被動式有散熱片之熱穩定器可熱接合至腔室壁，經由 腔至壁的傳導提供額外冷卻，或單元可與腔室壁隔絕來減 少外部傳熱。鑑於前文說明，兩種辦法優點皆顯著。 另一辦法係將散熱片機製於腔室壁内部且允許腔室壁 提供極大熱質量。壁之外表面可絕熱，使壁溫度穩定於接 近於等於内表面之平均氣體溫度的溫度。讀者發現氣流將 受到某種限制而可能需要提高風扇動力。用於特定用途經 由增減散熱片數目可作適當折衷。 有散熱片溫度穩定器（較佳為銅製）也可用於中和流動 氣體中的離子及帶電粒子。散熱片可經電絕緣及帶電來改 良其對離子及帶電粒子的吸引力。有散熱片的溫度穩定器 也可用於吸收放電產生的聲音震波》於震波成問題的用途 ’該結構可設置於腔室兩側上。為了改良對震波的吸收性 ’可增加金屬範或陶瓷發泡體至熱阱結構，較佳設置於接 近腔室壁的熱阱邊緣。 如第8B圖61A顯示，可增加流葉片及熱阱，其不僅改 良流動同時也提供額外或體代表面積，也可引導聲音的震 波力遠離電極來減少反射回放電區。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 16 ----------I I ^ -----Γ---訂.I ---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

453 0 C Α7 ____Β7_ 一-- 五、發明說明（14) 連續脈衝 如第3圖所示’當雷射係於例如1000赫連續操作時’ 雷射氣體實質上零溫度起伏波動。如此對温度起伏波動提 供可能的解決之道。於無需雷射束的間隔期間，雷射束可 被關閉或傾卸。通常此種辦法不合所需’原因造成許多雷 射組件特別電極以及某些敏感的光學組件的使用壽命縮短 0 一石兩烏 業些例中，可使用另一種「一石兩烏J辦法，顯示於 第18圖β此處單一雷射90供應二步進器92及93。雷射束在 雷射步進器間使用包含波克單元94的偏振分束器來回切換 。送出雷射90的雷射束被水平偏振。於來自控制器70Α的 信號，波克單元94將偏振改成垂直。分束器95通過水平光 而反射垂直光。因此二步進器可由單一雷射照明，二步進 器利用每秒1000脈衝，每叢發3 00脈衝帶有0.3秒空轉期於 各照明位置間的操作模式。波克單元切換雷射束所需的時 間無意義。步進器各自設置開閉器96來於8秒停機時間停 止雷射束。此腫辦法允許雷射束連續操作，改良氣體溫度 的調節，同時允許單一雷射作二雷射的工作。類似辦法係 設置恰類似雷射90的第二雷射。如此允許其中一雷射保持 等待狀態，或其中一雷射服務時另一雷射來照明二步進器 。如此改良雷射利用率達幾乎1 〇〇〇/〇。 兩組電極 另一種幾乎同等辦法係介設第二組電極63於第9圖所 本紙張尺度適用中®S家採準（CNS)A4規格（21〇χ 297公8 ) 17 ---------— — IF I I--Γ — — — ^ ----線—Iw (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 53 Ο Α7 ---------Ε_____ 五、發明說明（15 ) 示腔至，該等電極係由主電極相同的脈衝電源供應器供電 。第二组電極於第一主電極未放電時將放電。如此消弭平 均溫度的擺盪及小量效應《此等電極的磨耗不會實質影響 雷射性能。實際上可使用歲片電極作為二次電極。 另一種替代之道係操作第二組電極維持均勾放電週期 而非進行連續放電。例如於前文討論之叢發脈衝模式，表 不典型光刻術週期為〇_3秒開，0.3秒關共經歷85叢發脈衝 接著為9秒空轉時間；第二組電極係於9秒空轉期間以〇 3 秒開及0·3秒關操作。如此免除第6圖所示於9秒空轉期間 及其後大量溫度擺盪.反而可維持穩態的0.3秒擺逢。 夬速加熱元件直接加熱氣艚 美國專利第5,748,656號提議一種桿形元件加熱器設 置於氣體内用以於空轉時間加熱氣體。此種解決辦法的問 題係桿形加熱器的熱質量過大，因此至桿變熱而可加熱時 時間經常已過去。較佳辦法係利用具有最低熱質量的加熱 元件來快速加熱氣體.由莫尼爾（m〇nel)或鎳組成的帶式 加熱元件可穩定用於此項用途：可使用有散熱片之條狀加 熱器例如得自亞美佳工程公司（辦公室於康乃狄克州史丹 福市）型號OTF-252/240。此種有散熱片之條狀加熱器較佳 恰是於電極下游，因此於空轉期一開始散熱片即刻供熱。 良好位置係位在第2圖加熱器67位置。進一步可能對位在 雷射氣體流的加熱器達成足夠響應時間的辦法係使用熱交 換器本身用於加熱及冷卻。若第1圖66標示的熱交換器係 由鋁製成，則可以至多0.002吋的塗層厚度陽極化外表面 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Λ 4 — ϊιίιί — — — — —! I--r---訂 1111_ ^^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 18 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 53 f A7 _____B7___ S、發明說明（16) 。然後較佳厚度約0,001吋厚之鎳層沉積於非傳導性陽極 化表面頂上。對末端細節作小心設計，可於空轉時使電流 流過鎳而由於低熱質量以及接觸氣體的表面積大故可迅速 加熱氣體。假激對0.001吋厚層之鍍層電阻為約0.3歐姆， 估計於100安48伏特可得約5千瓦熱輸入系統，以及響應時 間夠快速以防止以其它方式發生氣體快速急冷。進一步精 製係基於來自滑動器或掃描器的操作資訊的控制氣體加熱 器’因此預期加熱器性能有短時間延遲，故氣體溫度起伏 波動減至最低。 定期加熱水 使雷射氣體溫度起伏波動減至最低之類似技術顯示於 第10圖。此處直接加熱至冷卻水來彌補雷射未操作的相當 長的一段時間。加熱水具有降低熱交換器由腔室去除熱效 率的影響。於較佳具體實施例（例如於前述更換晶圓之作 業模式中為了減少由9秒空轉期導致的溫度擺盪），控制器 於空轉期之前例如於一系列叢發脈衝開始時接收到來自步 進器或掃描器74的信號。控制器7〇被程式規劃為以經過計 算可將長達數秒（本例為9秒）的空轉期造成的氣體溫度起 伏波動減至最小算出的週期開關加熱器72。例如若測試顯 不來自水加熱器的熱引起氣體溫度的升高需時6秒’則溫 度控制益較佳程式規劃為可起動加熱易92經歷9秒，於週 期開始後45秒起動，故於週期開始後5〖且於空轉期開始時 看到加熱器的效果。獲得最佳結果的實際時間係由實際實 驗求出=更長的空轉期較佳係藉減少水流來補償。 ^裝 i—l-i----訂- --------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

453 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（17 當不希望控制來自步進器或掃描器的加熱元件時，另 -種辦法係程式規劃控制器尋找雷射操作的模式，例如前 文說明之85叢發脈衝然後接著9秒空轉期的模式。若控制 器偵測得此種模式’則起動—種加熱週期可最佳縮小氣體 溫度的起伏波動。模式係由控制器分析脈衝過去史資料決 定。圖樣業可使用氣體溫度資料決定。快速溫度偵測器( 少於0.1秒）為較佳可得最佳結果。來自架㈣腔室的壓力 轉換器之腔至壓力仏號也可用於表示腔室溫度的改變。此 種壓力信號比較典型溫度偵測器提供遠更快速的平均溫度 變化指標。 智慧型流量控制器 類似如述之本發明之另一具體實施例顯示於第丨2圖。 此處步進器或掃描器74經程式規劃而發送信號給控制器7〇 ’信號由控制器70用來（部分或全部）關閉控制閥76經歷一 段短時間預期不久的將來將到臨的短（數秒）空轉期。短的 關閉時間係由模擬較佳作業模式的實驗決定，因而減少由 於空轉期造成的雷射氣體溫度起伏波動。例如若測試顯示 於閥關閉間有25秒延遲，結果對氣體溫度造成影響，則將 於空轉期開始之前呼叫關閉經歷25秒。種種辦法的些微改 變係僅部分關閉閥門替代全關，因而可於雷射空轉期使關 閉時間更匹配冷卻時間。 使用水加熱之流量控制 第13圖顯示一具體實施例其為智慧水流量控制與水加 熱而控制氣體溫度變遷的組合。此處控制器於短的停機時 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 20 I I i I I I---^-----„----^-1.--^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 453 0 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 間開始或預期開始關閉操作控制間 遠更減少之流量被導引通過加Μ ^雙路閥）° 士地 …、器72八’因此較少加斂水 &係於或預期停機時間通過腔室内有散熱片的衫換器。 較佳個別間(圖中未顯示)用於雷射間隔時間調節高流量。 閥門位置由控制器基於相對較長時間例如數分鐘時間求出 的雷射平均溫度設定。例如時間加權之平均演算法可用於 氣體溫度調整來調整流量使擺盪減至最低。範例如後： (TWa)o=〇-1 To+0.1 X i + q g (XWa^)] 此處：（TWA)G為目前加權平均溫度 T 0為目前測量溫度 Τ·1為前1秒（亦即-1秒） (wa).i為-1秒加權平均溫度 變更風扇谏疳 另一本發明之較佳具體實施例將由參照第13圖驗證。 本例中’步進器或掃描器74發送信號給風扇控制器7〇a而 於短空轉時間内提高風扇馬達78速度提供額外熱量給氣體 而於空轉期維持氣體溫度。讀者瞭解此種構想僅可用於風 扇設計成比較輸入需要的能量進入氣體更高的速度。又較 高速可良熱交換器速度。因此須進行實驗來對一指定系統 決定風扇速度與熱輸入間的交互關係《此種構想極為適合 用於雷射系統，該系統利用磁力軸承來支持風扇。使用此 等系統由於風扇速度較高故無額外軸承磨耗的問題。 相位變更溫度穩定器 另一種本發明之較佳具體實施例為前述溫度穩定器修 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 21 ' ^-----r— I— ---------線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

4 53 C A7 -------- 五、發明說明（19) 改。本例中，金屬（較佳為銅）穩定器單元包含密閉空腔其 中部分以材料填補，該材料具有相位變更溫度等於或約等 於預定雷射氣體溫度。若干較佳相位變更材料連同其熔點 列舉如下：

材料 炼點 硝酸鎳 56.7〇C 四氣化矽（SiCl4) 70.3〇C 偶氮苯（c6h5n)2 69.1〇C 例如使用四氣化矽於70.4°C之氣體溫度操作，大半或 全部四氣化矽將熔化。於氣體溫度降至7〇.3t：以下的短空 轉時間’四氣化矽開始凍解釋放出能量來輔助氣體溫度接 進70.3C。第14圖顯示以四氣化石夕填補的鋼夾置型散熱片 剖面。若有所需可設置溫度穩定器，故相位改變材料可經 由設置出口及入口更換’此處將熱液體泵送入腔室内部來 填補相位變更材料腔室。如此若需要不同平均氣體溫度， 雷射操作員可嵌入不同的相位變更材料。又可使用液體至 氣體相位變更材料，但設計時需處理液體變成氣體時的膨 脹問題。 冷媒洽卻 另一本發明之具體實施例利用一種蒸發冷媒替代單一 相位元體如水作為雷射的主要冷卻劑。第15圖顯示較佳熱 週期。冷媒（例如氟利昂（Fre〇n)或R134a)於腔室内蒸發。 較佳具體實施例中，蒸發單元可由腔室壁之一部分組成， 散熱片被機製於腔室壁内部。熱交換器可設計成有極大的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 22 -------------裝！ l·!— 訂-----I---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 453001 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（20) 散熱片表面積’平均散熱片表面溫度間有小量溫差△ T即 可去除足夠熱能，因此由叢發脈衝模式操作造成的溫度擺 盈大減。當然氣體溫度與冷媒間的最△τ比水更大。 讀者將發現第15圖所示系統可相反操作（類似熱幫浦） ’該種情況下氣相冷卻劑於熱交換器内被壓縮及液化結果 導致相位改變增加熱能改腔室。此種逆轉（可藉關閉閥8〇 及82及開啟閥81及83達成）通常僅需用於啟動時或超過數 分鐘或以上的長時間空轉期。 此種冷;束冷卻可藉「冷指」達成’當腔室被去除時留 在雷射框架上。插入中空圓筒由雷射腔室一邊伸展至另一 邊且帶有散熱片伸展入雷射氣體。如此允許雷射腔室由雷 射框架移開而無需解除氟利昂管線的連結。氦可用於冷指 中間空間以及圓筒内部來改善傳熱。 PID控制流景 第16圖顯示一具體實施例，其中冷卻水流係由比例積 分微商（PID)控制器控制’而雷射係以連續叢脈衝模式操 作。可設置分路電路80 ’故流量可降至極低程度或於空轉 期間被關閉。如前文說明，閥之控制可由預期空轉期的智 慧系統提供。PID控制器82基於來自腔室86的溫度信號以 及來自控制1§88(可為雷射糸統之一部分或步進器或掃^^ 器之一部分）的指令調節比例閥84。 雙路流 於低冷卻水流速，熱交換器之散熱片溫度於水出〇端 比水入口端熱。為了減少此效應可使用U字形管交換器或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------^-----：--——^'ί--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 23 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453001 A7 _____B7___ 五、發明說明（21 ) 使用二筆直管，於腔室之適當端有入口，如第17A及17B 圖所示。 二管腔官洽卻附有風扇馬達冷卻 申請人建造的第17B圖之系統將二管出口通過架設於 風扇馬達98定子上的冷卻板97。先前技術之風扇馬達係由 風扇冷卻’風扇架設用來吹風於馬達機殼。於低負載週期 ，二管之一可藉閥門關閉（使用圖中未顯示的閥門），因此 一半熱交換器作為被動式溫度穩定器。此種效應可使用關 聯各管的分開散熱片集合改良。 調整式熱交換器棄只 第21A及21B圖顯示一具體實施例，其中短時間的氣 體溫度起伏波動係由調整式葉片99修改，當雷射於空轉期 時葉片9 9導引熱氣流環繞熱交換器6 6。較佳葉片係以二位 置磁力偶合器控制’附帶電磁閥線圈設置於雷射腔穴外側 。為了獲得更準確控制’而設置若干葉片位置。也可設置 用於線性控制熱交換器葉片位置。 雖然已經顯示及說明本發明之特定具體實施例，但業 藉人士顯然易知可未悖離本發明之廣義方面做出變化及修 改。因此隨附之申請專利範圍涵蓋所有落入本發明之精髓 及範圍内的全部此等變化及修改。 -------h----------,,----訂 --------- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 * S3 00 1 A7 _B7_ 五、發明說明（22 ) 元件標號對照 18，20...電極 5 0...風扇 61…被動散熱結構 61A...葉片 66...熱交換器 67…加熱元件 70，70A...控制器 72，72A…加熱器 74...步進器，掃描器 76，76A...控制閥 7 8...風扇馬達 80...分路電路 80...關閉閥 81…開啟閥 82...關閉閥 83...開啟閥 82...比例積分微商控制器 84·..比例閥 86…腔室 88...控制器 90...雷射 92-3...步進器 94...渡克單元 95…分束器 96...開閉器 97...冷卻板 98...風扇馬達 99...調整式葉片 116，330...溫度偵測器 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 25

Claims (1)

1. 4 53 Ο Ο 1 Α8 Β8 C8 D8 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 六、申請專利範圍 1‘一種附有快速響應氣體溫度控制之氣體放電雷射系統 ，包含： Α.一雷射腔室 Β.至少二細長電極設置於雷射腔室内； c. 一雷射氣體容納於雷射腔室内； D. 一風扇用以循環雷射氣體介於二細長電極間； Ε. —快速作用之雷射氣體溫度控制系統用以當於 叢發脈衝模式操作時維持雷射氣體溫度於預定限度以 内D I ^ 2.如申請專利範圍第1項之雷_|。丨其中該溫度控制系統包 | "r ： i 含一被動式溫度穩定器具__於雷射氣體的表面積 大於1平方米。 ‘' 3·如申請專利範圍第丨項之雷射、/，其中該溫度控制系統包 含一主動式冷卻熱交換器，界定一熱交換器暴露於雷 射氣體的表面積，該被動式溫度穩定器具有表面積等 於冷卻熱交換器表面積。 4·如申請專利範圍第1項之雷射系統，進一步包含附有水 流控制之一水冷式熱交換器，其中該溫度控制系統包 含一處理器程式規劃成可於至少一小時時間以連續叢 發脈衝模式控制雷射，且水流控制維持恆定，其中氣 體溫度係經由調節通過電極輸入雷射氣體的電熱能而 維持穩定= 5,如申請專利範圍第4項之雷射系統，進一步包含一束切 換系統’其中該雷射係配置成交替照明至少二光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -I------------事'----II I 訂--l· i _線 ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 26 經濟郤智慧財產局員工消費合作社印製 453001 A8 B8 C8 ______ D8 六、申請專利範圍 裝置。 6. 如申請專利範圍第5項之雷射—系統，其中該束切換系統 V'v： .. i 包含至少一波克（Pockel)單矜至少一偏振分束器。 7. 如申請專利範圍第1項之雷# V卞中該至少二電極具有 兩對電極，以及進一步包含^_電壓控制系統程式規 劃成可對各該兩對電極提高電壓脈衝因而維持相對恆 定的放電熱進入雷射腔室内部。 8. 如申請專利範圍第i項之雷射系統，其中該溫度控制系 統包含一冷媒冷卻式熱交換器’包含一加熱器及一加 熱器控制系統程式規劃成可控制加熱器而於叢發脈衝 模式操作期間維持雷射氣體溫度於預定範圍内， 9. 如申請專利範圍第8項之雷射系統，其中該加熱器控制 系統經程式規劃成可於空轉期之前激勵加熱器因而於 空轉期間維持氣體溫度於預定範圍内。 10. 如申請專利範圍第8項之雷射系統，其中該加熱器控制 系統包含一處理器程式規劃成可偵測重複雷射操作因 而於雷射停機時間之前基於偵測得的重複操作而事先 預測雷射停機時間以及於空轉期之前預先激勵加熱器 〇 11 如申請專利範圍第8項之雷/#，其中該加熱器係配置成 可直接加熱雷射氣體。:¾ 12. 如申請專利範囲第8項之雷中該加熱器係配置成 可加熱冷媒。 ，、-方" 13. 如申請專利範圍第1項之雷射系統，進一步包含一冷媒 -------------聲-------—訂 _l·!·----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 ^ 3 Ο Ο 1 as C8 _____ D8 六、申請專利範圍 冷卻式熱交換器及一快速流量控制系統而控制冷媒之 流至熱交換器。 14. 如申請專利範圍第π項之雷射系統，其中該快速流量 控制系統係程式規劃成可於空轉期之前減低冷媒流量 ，因而於空轉期間維持氣體溫度於預定範圍内。 15. 如申請專利範圍第13項之雷射系統，其中該加熱器控 制系統包含一處理器程式規劃成可摘測重複雷射操作 因而於雷射停機時間之前基於偵測得的重複操作而事 先預測雷射停機時間以及於空轉期之前減少冷媒流量 預先激勵加熱器。 16. 如申請專利範圍第1項之雷射系統，進一步包含一風扇 控制系統’該系統經程式規劃成可於空轉期間提高風 扇速度因而可增加風扇加熱雷射氣體。 17. 如申请專利範圍第1項之雷射系統，其中該溫度穩定器 包含一腔穴，其中係以相位變更材料至少部分填補。 18. 如申請專利範圍第17項之雷射系統，其令相位變更材 料具有相位變更溫度於預定氣體溫度之攝氏數度範圍 内° 妙 19. 如申請專利範園第18項之雷#，其中該相位變更材料 係選自鎳、硝酸鹽、四氣化矽友偶氮苯組成的組群。 20. 如申請專利範圍第1項之雷射系統，進一步包含—外部 冷卻式熱交換器。 21. 如申請專利範圍第20項之雷射系統，其中該外部冷卻 式熱交換器為水冷式熱交換器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I—------I----車-------訂"l· — !----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 28 d 53 Ο Ο Ί Α8 Β8 C8 D8

   六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 22. 如申請專利範圍第21項之雷 %承鞔，其中該水冷式交 換器為雙管熱交換器，包含一第一管及一第-管直 中該熱交換器係配置成水於第一營 實内部流動方向係與 第一'官之水流方向相反。 23. 如申請專利範圍第22項之雷射系統，其中於第—管之 流動可中止而轉換部分熱交換器成為被動式溫度^定 3| 〇 rv 輕 24. 如申請專利範圍第20項之雷_\其中該外部冷卻式之 熱交換器為冷凝冷卻式熱交 25. 如申請專利範圍第24項之雷^進一步包含—冷媒控 制系統具有逆轉特色來允許熱交換器增加熱能給雷射 腔室。 ϋ 26. 如申請專利範圍第24項之雷’其中該冷媒冷卻式熱 交換器包含一冷指。 《务 27_如申請專利範圍第21項之雷進一步包含一比例積 分微商（PID)控制器。 28. 如申請專利範圍第22項之雷丨進一步包含一電動馬 達驅動風扇，其中由二管送(¢:¾水流用以冷卻馬達。 29. 如申請專利範圍第1項之雷一包含一熱交換器及 一調整式熱交換器葉片用以導引流來去於熱交換器。 参紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -29 ----------I---事 ——I—訂.l· — — —-!--線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)