TW563279B - F2 laser system and process for producing a narrow-band pulsed ultraviolet laser beam - Google Patents

Description

563279 A7 —-------B7 _ 五、發明説明（1 ) 本案為下列專利申請案之部份連續案：第〇9/473,795 號申請案，申請曰1999年12月28曰，「極窄頻注入播種& 微影術雷射」；第09/459,165號申請案，申請日1999年12月 曰，「注入播種F2微影術雷射」；第09/438,294號申請案， 申請日1999年11月12日，「帶有可見光及紅外光控制之& 田射」，第09/421，701號申請案’申請日1999年1〇月2〇曰， 「帶有線窄化種子射束之單室氣體放電雷射」；以及第 09/407,120號申請案，申請日1999年9月27日，「帶有校準 器輸出|馬合為之線窄化雷射」。本發明係有關雷射，特別係 有關用於積體電路微影術之注入播種雷射。 發明背景 先前技藝微影術雷射

KrF準分子雷射為積體電路微影術業界目前使用的光 源。其中一種雷射述於美國專利第4,959,840號，核發曰期

1990年9月25日。該雷射係於約248奈米波長操作。使用KrF 雷射’可製造維度小至180奈米之積體電路。使用於約193 奈米操作的ArF雷射或於約157奈米操作的F2雷射可提供更 精密維度。此等雷射以及KrF雷射、ArF雷射及F2雷射極為 類似，實際上，用於製造KrF雷射的相同基本設備經由改 變氣體濃度、升高放電電壓、以及修改控制及儀器設備而 配合略為不同的波長後，即可用以製造ArF雷射或f?2雷射。 典型先前技藝用製造積體電路之KrF準分子雷射顯示 於第1、2及3圖。此種先前技藝之雷射腔室之剖面圖顯示於 第3圖。如第2圖所示，由高壓電源供應器3供電的脈衝電源 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .、可| 563279 A7 五、發明説明（2 ) 糸統2可提供電脈衝給位於放電腔以内部的電極6。典型業 界現況為-束雷射係於約麵至屬赫兹脈衝速率以、脈衝 能為每脈衝約1〇焦耳操作。約3大㈣之雷射氣體（用於KrF 雷射，為約0.1%氟，1·3%氪，差額為氖用做為緩衝氣體） 以每秒約1，000至2,000厘米之速度循環通過電極間的空 間。循環係以位於雷射放電腔室内部之切線鼓風機10進 订。雷射氣體係以也位於腔室内之熱交換器u以及安裝於 腔室外側的熱板（圖中未顯示）冷卻。準分子雷射之自然頻 寬藉線窄化模組18(偶爾稱做為線窄化封裝體或LNP)窄 化商用準勿子雷射系統典型由若干模組組成，模組可快 速更換而不干擾系統其餘部份。主要模組包括： 雷射腔室模組， 高電壓電源供應模組， 南電壓壓縮頭模組， 整流器模組， 輸出耦合器模組， 線窄化模組， 波數計模組， 電腦控制模組， 氣體控制模組， 冷卻水模組 電極6係由陰極6A及陽極6B組成。此先前技藝具體實 知例中，％極6B係由1%極支撐桿44支撐，以剖面圖顯示於 第3圖。本視圖中流動方向為逆時針方向。陽極支撐桿44 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 563279 A7 B7 五、發明説明（3 ) 之一角及一邊係做為導葉俾強迫空氣由鼓風機1〇流經電極 6A與6B間。其它此種先前技藝雷射之導葉顯示於46、48 及50。穿孔電流返回板52輔助陽極6B接地至腔室8之金屬 結構。板於雷射氣流入徑上穿孔大孔（未顯示於第3圖），故 電流返回板實質上不影響氣流。由各別電容器丨9陣列組成 的尖峰電容器排組係於各脈衝之前藉脈衝電源系統2充 電。累積於尖峰電容器期間，一或二前置游離器56微弱流 離電極6A與6B間的雷射氣體，當電容器19的電荷達到約 16,000伏特時，跨電極間產生放電，產生準分子雷射脈衝。 於各脈衝後，由鼓風機10形成每秒約丨至2厘米之電極間的 氣體流動即足以對時間上於丨毫秒後進行的第二脈衝提供 新鮮雷射氣體介於二電極間。 於典型微影術準分子雷射，回授控制系統測量各脈衝 之輸出雷射能，決定與預定脈衝能之偏差程度，然後送信 號的控制器，調整電源供應器電壓，故隨後脈衝能接近預 定能量。此等準分子雷射典型要求每日連續操作24小時， 每週7日連續數個月，而只有短時間的排程維修。 注入播種 眾所周知縮小氣體放電雷射系統（包括準分子雷射系 統）頻寬之技術涉及將窄頻「種子」射束注人增益:體内 部。此種系統中，稱做「種子雷射」或「主振盈器」之雷 射設計成可提供極窄頻雷射束，該雷射束係用做為第二^ 射之種子射束。若第二雷射係做為功率放大器，則系统也 型稱做主振盤器、功率放大器_pA)系統。若第二雷射^ 本紙張尺度適财關家標準（_ A4規格⑽_7公幻 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 袭— •、^τ— 五、發明説明（4 ) 身有共振腔室，則系統俗稱為注入播種振盪器（is〇)，種子 雷射通稱為主振盪器，下游雷射通稱為功率振盪器。 &雷射頻寬 典型KrF雷射具有自然頻寬約3〇〇微微米（fwhm)，取 中於約248奈米且供微影術使用，典型線窄化至約〇.6微微 米。ArF雷射之自然頻寬約5〇〇微微米，取中於約193奈米， 典型線窄化至約〇·5微微米。此等雷射相t容易使用第2圖 所示線窄化模組18微調其大部份自然頻寬。&雷射典型產 生雷射束，其最大能量係於取中於約157.63奈米及157.52 奈米之二窄線。經常，二線中之強度較低者（亦即157·52奈 米線）受壓抑，雷射強迫於157 63奈米線操作。ΐ57·63奈米 線之自然頻寬與壓力有關，由約〇6微微米變化至12微微 米。頻寬於此種範圍的&雷射可用於利用折射與反射透鏡 設計的微影術裝置，該裝置利用折射以及反射光學元件， 但用於全折射透鏡設計，雷射所需具有頻寬約〇1微微米俾 產生所需結果。 光學濾波器 有多種於射束中選出狹窄光範圍之光學濾波器。其中 一種濾波器為單色光器，其中通過第一裂隙的光使用透鏡 準直，使用稜鏡或光罩等色散元件色散光譜，然後色散後 的光聚焦於一焦面，位於局部平面之裂隙收集之選定光譜 範圍。 曰 需要改良之窄頻F2雷射系統。 發明概述 563279 A7 _____B7 _ 五、發明説明（5 ) 本發明提供一種可用於積體電路微影術之窄頻f2雷射 系統。來自第一 F2雷射增益媒體之輸出射束使用前置增益 濾波為濾波而製造頻寬於〇·丨微微米或以下之種子射束。種 子射束於功率增益階段放大，該階段包括第二匕雷射增益 媒體。系統之輸出射束為具有脈衝能超過約5焦耳、具有全 見度半最大頻寬約〇·；[微微米或以下之脈衝雷射束。較佳具 體實施例中，前置增益濾波器包括波長監視器，其允許對 中線波長做回授控制，因此前置增錢波光學裝置可調整 而確保需要的頻寬範圍被注入功率增益階段。 本發明提供比較以習知方式嘗試線窄化主振盪器更 大的系統優勢。習知線窄化中，色散光學系統（校準器、光 罩等）插入第一雷射之光學諧振器。結果，若線窄化光學裝 置之波長選擇不正確，則主振盪器甚至無法產生雷射。對 於F2雷射，具有約1微微米寬度增益，線窄化光學系統甚至 於：射點火之丽需微調至土 〇 5微微米範圍内。如此對線窄 化光子衣置的安定性加諸極為困難的要求，特別於雷射關 閉之長期休眠期或於待機模式之線窄化光學裝置尤其困 難通系！工長期關機狀態後，無法讓雷射產生任何有意 義的光為了因應此項問題，必須訴諸「盲目搜尋」方法 ^曰忒重新獲仔雷射。相反地’本發明之自由運轉主振盪 MM性產生雷射，即使於注入頻譜濾波器未經微調亦 如此。如此有機會校正注入濾波器的微調。 圖式之簡要說明 第1圖為先前技藝商用準分子微影術f射之略圖。 。張尺度適用 ~ -Γ-7-- ;「ΪΙΙΤΙ, 裝 訂·· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 563279 A7 五、發明説明 ^帶有能量於約157·63奈米波長範圍之光束之裝置。若第 -f2光源為f2雷射，則可稱做為「主振盡器」《「種子雷 、、」蚋置i曰血濾波器」一詞表示任何濾波器，其係用於 濾波來自第-1^2光源之輪出光束而產生遽波後F2射束於約 一 63示米範圍，至具有頻寬0.1微微米或以下於157.63奈 米粑圍之極窄頻濾波&射束。「&功率增益階段」-詞表示 包3 氣體及緩衝氣體之放電腔室的氣體放電單元，其 係配置成可放大極窄頻率&射束而產生放大後的F2雷射 束。後輸出F2濾波器」一詞表示位於&功率增益階段下游 的任何頻譜濾波器，其係配置成可遽波放大後之前置濾波 F 2射束。 第一 F2光源 較佳第一 F2光源為使用平行面光學諧振器或非穩定諧 振器配置之習知h雷射。較好產生足夠能量，因此經濾波 後，10-100微焦耳窄頻能量可用於播種h功率增益階段。 非穩定諧振器產生比穩定諧振器較低發散、較為空間會聚 射束，其於經由注入頻譜濾波器耦合能量時可有若干優 點。例如若濾波器為單純單色光器，則較低發散射束較為 容易聚焦於單色光器之輸入裂隙。另一種設計選項係於相 對低壓力（約為100-200 kPa)操作第二F2光源雷射。如此產 生實質較低頻寬：0.3-0.6微微米。較低頻寬表示將有較高 比例進入後增盈濾波器的能量可通過濾、波器。來自第一 ^ 光源之原先輸出能源較低，但因注入濾、波器可處理的最大 能量也也類似限制，故如此並非實際缺陷。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs) A4規格（210X297公爱） 10 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一·裝— -、一叮| 五、發明説明（8 ) 習知用做為第一 光源之F2雷射

較it具體貫施例中，習知月 為經修改用於做為F2雷射操作 統。KrF微影術雷射為眾所周知 司力川聖地牙哥。此等微影術雷射之細節述於多個專利 案，例如美國專利第5,991，324號及美國專利第6，128,323 號’二案皆以引用方式併入此處。做為匕雷射操作主要的 修改係變更氣體⑧合物成為約〇· J %氣而差額為氛（但也可 使用氖或氦與氖的組合），放電電壓上限範圍較好約由 26,000伏特提升至約36,〇〇〇伏特。用於第一 h光源及功率增 盈階段二者之基本雛型&雷射系統將於後文說明於「雛型 匕雷射」乙節。該節說明先前技藝KrF準分子雷射系統顯著 改良而製造F2雷射。 前置功率增益濾波器 車义佳習知光罩-單色光器前置功率增益濾波器將參照 第6圖說明。此種濾波器當以自由流動F2雷射用做為主振盪 器時’較好必須截割來自主振盪器之自由運轉頻譜的〇.丄 微微米頻寬部份，且可產生隨後放大器階段要求的1〇_ι〇〇 微焦耳窄頻能。第6圖所示此種第一濾波器具體實施例為習 知光罩單色光器。來自主振盪器的光首先聚焦於輸入裂隙 50。通過輸入裂隙之光較好藉曲面鏡54準直，曲面鏡可為 單純球面鏡，或偏心軸拋物面鏡，準直後之光導印至光罩 563279 A7 — —____ B7 _ 五、發明説明（9 ) 54。光罩54為選用可色散光於157奈米波長範圍之高色散型 光罩（例如紅外光罩）。光罩係呈利索組態（Lithrow configuration)。於選定極窄範圍之光，沿射束路徑54反射 回’藉助於分束器56而於裂隙57重新成像。配置之多種幾 何參數及光學參數（亦即裂隙寬度、光罩色散度、曲面鏡焦 距）決定離開輸出裂隙之光之頻寬。需克服之一項問題為當 嘗試經由單色光鏡耦合預定量能量時，需克服之一項設計 問題為到達輸入裂隙及輸出裂隙之尖峰強度高。處理此種 兩強度之一種方法係使用折射裂隙，亦即刀緣楔形，其將 非期望的光折射至另一方向而未吸收能量。此種裂隙配置 顯示於第6A圖。 除了做為濾波器之功能外，第6圖之配置包括另一分 束器58及直線偵測器陣列6〇置於輸出影像平面。此種添加 解決另一重大問題：如何維持（可微調）注入濾波器於預定 波長若光罩角度之錯誤係超過數十微孤度，種子束將錯 失輸出裂隙，將無窄頻能來鎖定隨後的功率放大階段。若 角度不準確極輕微，則放大頻譜非於預定波長。幸虐亏單色 光鏡士身可做自我監測。藉光罩及曲面鏡形成的影像係於 進入早色光鏡之光的色散頻譜。第二分束器產生二相同影 像（頻譜），-影像於輸出裂隙，及一影像於直線偵測器陣 ;、$陣列感應來自自由運轉主振盪器的相對寬 、 且將其於陣列上各點轉成可代表頻譜強度之視覺 信號。因自/運轉波長為穩定且為眾所周知，故可做為單 、'兄之抆正标準。控制器66讀出直線偵測器陣列，調整 點 遞 563279 五、發明説明（10 方=物取中於陣列的預定點，例如接近中 "早色光鏡自我穩定至主振盪器的自由運轉 =。因輸出裂隙及直線陣列基本上複製影像平面，故輸 長。因此，來自於主二二 對應於直線陣列波 、振盪為之自由運轉頻譜做為光譜參考， ^出裂隙送出之光之步驟可精確決㈣開輸出裂隙之光 準此種配置之—項方法係將分束器62置於離開單 色光Μ之射束路徑，以及以能量偵測器“監視射束能。由 於/主入種子能必須監視，因此需要此種偵測器。 校準 校準程序進行如後：⑴光罩位於開始夹角，雷射 火’監視來自輸出裂隙的輸出能連同頻譜影像落至直線 列上。頻譜尖峰係以像素於陣列位置決定。⑺光罩角度 增’重覆測量。（3)光罩角度掃描經一定範圍後檢驗所ς資 料。頻譜於陣列位置（於像素表示）於輸出能最大位置係對 應於裂隙的相當位置。 一但決定校準後位置，單色光器之已知色散度可用來 重新彳放调光罩至其它波長。例如，假設單色光器色散度為 〇.1微微米/像素，進一步假設輸出裂隙之經校準位置為像 素3〇〇。若預定輸出波長為157·6299奈米（157,629·9微微米） 自由運轉頻譜中心，則光罩角度調整為影像中心落於像素 300。若預定波長偏離中心+0.2微微米〇57·6301奈米），則 光罩移動’讓影像中心落於像素302。進-步精製部份包括

本紙張尺度適用_國國家標準（〇『s) Α4規格（210X297公D -----':·裝！ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂| 五、發明説明（u) 主振盪器壓力的校準以及隨後單色光器的使用，原因在於 自由運轉頻譜中心、與壓力㈣。此觀力相錄必須涵括 於校準，特別讓主振盪器壓力有顯著變化。發明人決定自 由運轉雷射之中心波長於使用氦氣做為緩衝氣體時，、具有 壓力位移係數於約l2fm/kpa之範圍。對任何指㈣力而 言，波長之良好估值為157_6309+ 0 00000192* P奈米此 處P:壓力，單位kPa。若使用其它緩衝氣體（例如氖，或氦 與氖混合物）可使用其它壓力位移係數。 經修改之光罩單色光器 另一種製造窄頻光之方法係使用第7圖所示經修改之 光罩單色光器。此種遽波器遽波主振盪器之輪出設施，產 生經過良好準直且接近繞射極限的會聚設施，此種情況下 可免除單色光器的入口裂隙。 射束擴張器70用來減少來自主振盡器的發散，實體上 匹配來自主振盡器之射束大小與光罩54。來自光罩之色散 光透過曲面鏡（或透鏡）聚焦至輸出裂隙72,於該處選擇預 定波長。直線债測器陣列6 〇及控制器6 6之操作係同前文說 明。此項配置之優勢為可免除入口裂隙的需求以及高尖峰 強度的相關問題。此項配置之缺點為主振堡器之指標安定 性構成影像於陣列位置的因素，因而構成波長選擇^程的 :素。為了緩慢更改來自主振蓋器之輪入角度變化，控制 器可重新微調光罩且維持波長恆定。 校準濾波器 杈準為78也可用做為帶通濾波器，如第8圖所示。如 563279 A7 -------—-------B7______ 五、發明綱（12 ) 一 ~ '—一 同單色光器濾、波器’希望校準琴可白 π主仅+态了自我對照主振盪器之自 由運轉頻譜，用做為原子標準。 來自主振蓋器之射束首先使用射束擴張器7〇擴張，為 了降低其發散、以及為了減低於校準器上的功率密度。括 張後’射束通過特殊「部份漫射器」74，部份漫射 未改變的透射大部份光，但繞射小部份光至某個角度範圍 之光學元件。其範例為具有低折射強度之折射光學裝置、 或極為輕微接地的光學平坦元件。然後光以接近法線入射 方向通過校準器。校準器的帶通特性係由其自由頻譜範圍 (FSR)及細度決定。例如，具有”尺=2微微米以及細度X 20之校準器具有帶通ο」微微米FWHM。隨後校準器透射 〇_1微微米來自自由運轉主振盪器之頻譜片。如同使用單色 光鏡，較好於低壓操作主振盪器，如此降低頻寬，俾限制 校準器上的功率負載。此外，較窄化開始頻譜將減少於校 準器毗鄰透射的層次的能量（距中心波長± i FSR)。通過校 準器後，透鏡76(或曲面鏡）將光聚焦於一點，於該處設置 孔徑。部份射束藉分束器80分束，藉光電二極體陣列82監 視’提供中心波長及頻寬信號至控制器66，控制器66使用 此資訊而控制校準器7 8。孔徑目的係阻擋全部光，唯有射 束之於軸線上非漫射組成分除外。然後展頻光送至功率放 大器階段。分束器及光學偵測器遵循孔徑，監視離開注入 濾波器的能量。 通常，校準器帶通中心波長不會對準自由運轉主振藍 器頻譜中心。校準器需要微調。依據校準器為實心板型或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

裳---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、一叮· 五、發明説明（u ) 工氣間隔型。校準 準器相對於輪入心貫心校準器，校 板之光學厚户。傾斜，或校準器溫度改變’有效變更 改織你p弓Γ &用於空氣間隔型校準器，可變更角度，可 网（例如猎Ρζτ自動11改變），或板間氣體折射率可 、，&由改、交氣體密度變更。 緊文=具體實施例中’校準器為空氣間隔型，封於崖力 緊内部’如第8圖所示1力控制器用來變更殼體 内部氣體麼力（於怪溫），藉此做校準器之屢力微調。因需 要的Μ凋量極小（約± 〇 2至± 〇.5微微米），故需要的麼力變 化也極小，使用氮氣做為氣體約為± 3至± 8托耳。此項目 的可經由變更（密封）殼體容積，或經由積極導人氣體或由 適當供應源測出氣體達成。因校準器經壓力微調，故當帶 通波長掃拂通過來自自由運轉主振盡器之頻譜時，輸出強 度將交替增減。 才父準器微調控制係經由涵括另一光學元件達成，該光 子元件將;k準器轉成其本身校準分光計。另_分術器位於 輸出孔Π前方’形成透鏡於第二焦面。彼此焦面（如同第一 焦面），強度分布係由於焦點的強點加上遠更微弱的習知校 準器環圖案組成。強點係由通過校準器之射束之非漫射部 份組成，而校準器環圖案係由光束漫射部份組成。強中心 點未用於此處，以射束擋止器81阻擋。直線偵測器陣列82 隨後置於焦面上而讀出校準器環圖案。此項配置極為類似 微影術雷射使用的電流波數計設計。用於指定光學配置， 校準器環直徑與校準器帶通中心波長間有直接關係。 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs) A4規格（21〇><297公爱） 563279

、發明說明 中 若 述 序配置的奴準係以類似先前對單色光濾波器所述之程 pi^方式進仃。校準順序進行如後··⑴校準11麗力微調至 ^ 口波長，雷射點火，測量由輸出孔口輪出能量，連同落 、友車=上的板準15環圖案。測定最内部完全形成的環 w /胃（）壓力扛制為遞增校準器壓力，重覆測量。（3)校準 2壓力微調通過_自由頻譜範圍後檢驗所得資料。輸出 ^量最大化的最内圈直徑係對應於校準器帶通恰被微調至 ^自主振盪器之自由運轉頻譜尖峰，該頻譜係與壓力有相 依性。 ^ 但決定校準後的直徑，可經由變更校準器壓力而穩 疋校準器帶通濾波m，因❿維持其直#。至於進一步 〆氡邛伤，經由採用微影術波數計使用的相同非直線校準 程式，可將校準器完全圖案直接轉換成「波長」。如此 讓γ通函數藉已知量而由主振盪器頻譜尖峰直徑解微調。 進一步精製之道包括主振盪器之校準壓力以及隨後使用校 準器，說明如前。 微調 通常選用於操作雷射系統之窄頻帶（約01微微米或以 下）為符合預定頻寬規格且有最大輸出脈衝能之窄頻。但， 使用前述前置增益濾波器，可獲得有限量的波長微調。 請人預期相對容易達成至少約1.2微微米範圍之微調。以 干顯著折衷輸出脈衝能可達成額外微調。微調範圍如前 係隨雷射氣體壓力改變。 功率增益階段 本紙張尺度適财國國家標準（CNS) A4規格（21GX297公釐) 17 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

563279 A7 B7

五、發明説明（IS 芩照第9及1 〇圖說明較佳功率增益階段。 功率振盪器 裝----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 功率增益階段可如第9圖所示，配置成功率振盪器。 依據預疋輸出而定，多種不同諧振器可用於功率振藍器設 :車乂佳/、體貝知例中，諧振器為偏心軸混成非穩定諧振 為，由一分束塗覆鏡組成，全體係如第9圖所示。 、?T· /主入的種子射束9〇沿非穩定譜振器92頂部對準中 軸初·人行進通過50%部份反射器93a。後諧振器光學裝 置94為零倍率凹凸面型，該後諧振器光學裝置料不會干擾 /主入射束的準直。注入射束填補諧振器之費司米爾中心， 對腔穴間廠建立控制（本例費司米爾中心為50% R鏡93 A與 l〇〇%R鏡94A間形成的容積）。伴以放大傳播至前方光學裝 置後，射束由100%反射凸面反射。射束行進至後方光學裝 置時擴張且被放大，於該處部份反射離1〇〇%反射凹面93B 以及部份反射離表面93 A。如此，重新準直射束，進一步 藉第二次通過增益放大。輸出耦合器下部94B係經過抗反 射塗層’讓射束可以最少耗損射出。如同後方光學裝置， 月方光學裝置為零倍率凹凸面型俾保有輸出射束的準直。 此型諧振器因50%及1 〇〇%反射面提供回授至諧振器之費 司米爾中心故形成功率振盪器。此型諧振器之優點在於〇) 射束並無中蝕或孔洞，以及（2)極少需要種子能來鎖定功率 振盪器於種子。 功率放大器 呈功率放大器形式之功率增益階段顯示於第10圖。此 -- - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格 18 563279 A7 B7 五、發明説明（l6 種情況下’諳振器類似第9圖所示諧振器，但經由將5〇%反 射面93A改成抗反射面可免除回授。此種配置產生偏心轴 多通功率放大器。 &雷射系統設計 申請人及其同仁已經建立與測試若干雛型匕雷射系統 用做為第-F2光源以及用做為功率增益階段的增益媒體。 此種雷射系統大半係基於目前製造KrF及ArF雷射結 合若干優於先前技藝準分子雷射系統的重大改進，利用高 效率腔室及固態脈衝功率激發來達成此項目的。放電為電 暈放電，前置游離而將氣體污染減至最低。整個光束路徑 Ik過氮氣掃除來防止氧氣的光吸收、以及避免對光學元件 的損傷。全部諧振器光學裝置皆位於配備有夾角腔室窗之 雷射腔室外部。氣體混合物為〇1%氟於4大氣壓氦氣，電 極間隙縮小至1 〇毫米。

於此種雛型單元，用於第一 F2光源以及功率增益階 段，使用經過修改之脈衝功率系統，系統電路圖顯示於第 11圖。此種系統與先前技藝KrF雷射脈衝功率系統的主要 差異為脈衝變壓器56。於此種脈衝變壓器，做為二次繞組 的單一四區段不鏽鋼桿（述於前文引述之美國專利第 6，128,323號）由變壓器二次傳導器替代，後者之組成為内圓 柱形桿以及二同軸管，全部皆串聯連接且彼此絕緣，如第 11A、11B及11C圖所示。二次導體係由二同軸總成（其剖面 圖也顯示於第11B及11C圖）與顯示為302之匯流排以及顯 示為304之HV纜線聯結組成。第iid圖顯示如第11B及UC 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公爱） 19 裝----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、tr— 定 563279 五、發明説明（17 ) 圖的相同剖面圖，又梅特格司（Metglas)及密勒（myiar)薄膜 層306裹於形成一次繞組的短管筒形部3〇8周圍。第UD圖 也顯示形成脈衝變壓器二次部份的中心線31〇及中筒形導 體312及314。梅特格司及密勒層未顯示於第11八、110及11(^ 圖。具有電流尖峰約1，〇〇〇伏特之電流脈衝（標示為316)將 於二次HV終端產生約0_36,000伏特脈衝，如第11A圖標示 為 318。 一次缸體與三個同軸二次導體的耦合係藉如前文參 照第8E圖所述，包裹梅特格司及密勒薄膜提供。本具體實 施例提供額外壓縮階段（帶有一額外電容器排組。本具 體實施例之電容器排組具有下列數值： C〇 =約12.1微法拉第 G =約12.4微法拉第 Cp-2 =約8·82奈法拉第 Cp-i =約8.4奈法拉第 Cp =約10奈法拉第 本離型具體實施例中，經修改的脈衝功率系統產生約 =奈秒輸出至尖峰電容器排組。脈衝移轉升高比36χ(比較 所文詳細說明之具體實施例為23Χ)。如此，允許雷射使用 比較未經修改的脈衝變壓器’以對應較低F2漠度於實質較 兩電屋操作。申請人決定較高電麼操作可改進放電安 性’允許較高重覆速率。 後輪出濾波器 如前文所述，本發明之較佳具體實施例之功率增益階 本紙張尺度；標準⑽

i V1 "^^裝----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •、可I 563279 A7 B7 五、發明説明（IS ) 段輸出具有紫外光頻寬約〇.；!微微米或以下，線取中於名目 ^ 157.63奈米線，涵蓋名目波長周圍約± 〇·5微微米之頻譜 範圍。如下節指出，小量於其它頻譜範圍的光能於匕雷^ 產生，特別使用氦時產生紅光及紅外光。若紅光成問題， 則容易使用眾所周知的設計成透射157奈米紫外光而吸收 或反射離開（非反射入雷射）紅光的光學濾波器消除紅光。 又，可增加前述類型後輸出濾波器俾進一步線窄化於紫外 光範圍之輸出光束。但，當用做為後輸出濾波器時，濾波 器之組件必須設計成可處理遠較高能量射束。 監視脈衝能 先前技藝能量偵測器 使用前述雛型單元，先前技藝紫外光脈衝能偵測器未 能提供良好結果。原因在於F2雷射產生相當量紅光及紅外 光譜範圍的光。用於先前技藝KrF及ArF雷射之脈衝能偵測 為對紅光及紅外光譜範圍之光極為敏感。實際上，此等標 準矽光電二極體對紅光及紅外光遠比對157奈米雷射光敏 感。因此即使光如前述係於約3%範圍，對矽光電二極體的 影響遠大於3 %。因此理由故，較好提供能量偵測器，其不 會顯著受可見光紅光及紅外光的影響。市面上有偵測器對 紫外光特別敏感’而對紅光及紅外光相對不敏感或完全不 敏感。此種偵測器俗稱為曰光百葉偵測器，用於高於大氣 以上的太空研究工作，但就申請人所知，此種偵測器未曾 應用於測量雷射脈衝的能。有多種方法可用於建構「日光 百葉」光偵測器。數種策略討論如後。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 21 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝丨 •lr— 563279 A7 B7 五、發明説明（l9 ) 光管 光管為二電極，亦即光陰極及陽極組成的真空裝置。 光撞擊光陰極，造成電子透過光電效應而由陰極材料射 出。施加正電壓於揚極與陰極間將驅使電子射至陽極，產 生通過裝置的電流，電流係與撞擊光陰極之光子數目/秒成 比例。此種效應有截斷；以高於某個數值波長之光照射不 會產生光電子。最大波長定義為： λ max= hc/Φ 此處Η為普朗克常數，c為光於真空之速度，以及φ 稱做功函數的材料性質。選擇有足夠高功函數（換言之，4電子伏特）之光陰極材料將導致產生光流只於短於3⑼奈 米之波長照明，亦即曰光百葉反應。具有可接受之功函數 之光陰極材料例如為CsTe、Csi以及鑽石薄膜。 光導體 戶#明某些半導體及/或絕緣材料，產生與光電效鹿有 密相關的效果：材料中光子與電子互動激動電子，因此 子不再結合於材料特定位置（亦即，於價帶），反而可回 於施加電壓自由移動通過晶體（亦即，傳導帶）。再度， 生電流係與撞擊材料之光子通量成比例。此種效果2具= 波長截斷類似如上方程式列舉之截斷，但材料之功函數① 以俗稱做帶隙，以的不同性質替代。再度，有夠高代謝的 材料只回應於短波長輻射。鑽石具有5 48電子伏特帶隙， 具有光傳導反應於小於200奈米的波長。 光電二極體 本紙張尺度適用中國國家襟準（CNS) A4规格（210X297公釐〉 為 > 緊 電 應 產 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} £_ 、一叮_ 五、發明説明（20 ) 照明二極體接面（蕭克基、P-n或p-i-n攙雜半導體）也促 成電子由價帶轉成傳導帶，產生光流。二極體可正向施加 偏壓，該種情況下其性能極為類似光導體，但電荷載子壽 命較長。當施加反向偏壓時，施加電場改良裝置回應速度。 再度，有夠高代謝的接面只允許於紫外光波長反應。 吸收深度等級 比較UV反應，大為壓抑低帶隙光導體或二極體之紅光 反應之一種方式係經由適當選擇裝置厚度。此種材料之特 性為紫外光光子穿透入材料之深度遠少於可見光穿透深 度換σ之，全吸收紫外光出現在接近表面的遠較薄層。 經由選擇裝置厚度可媲美紫外光吸收深度（於若干截斷波 長）可瓖装置對較長波長相對透明（如此無反應）。雖然並 非真正日光百葉，但此種構造可減少裝置之可見光/紅外光 反應至低於偵測程度的臨限值。 較佳日光百葉光管偵測器可得自供應商例如哈馬拉 貧（Hamamatsu)公司，位於加州洛衫機以及日本。型號為 R1187，使用Csl，具有頻譜反應於115奈米至2〇〇奈米之範 圍。型唬R1107及R763使用CsTe，最佳反應範圍略高於157 奈米，此種型號也可使用。 第12圖顯示用於雷射系統維持脈衝能及/或劑量能控 制於預定程度的曰光百葉偵測器（參考前段有關控制脈衝 能及劑量能細節）。 基於反射之監視器 抽樣光束（紅光及vuv)反射偏離數個帶有電介質塗層 563279 A7 _____B7 五、發明説明（21 ) 的鏡，鏡設計成於（157奈来）VUV波長產生高反射率，以及 於紅光/紅外光（非期望之波長跨635奈米至755奈米之範圍） 產生低反射率。典型光學裝置具有於157奈米反射率為％ %，及於紅光/紅外光反射率為4%，獲得消光比約為24: i。 預定消光比（典型500或1〇〇〇 ··丨）係經由連續入射於數面鏡 獲得。透射通過此等鏡之光需入射於紅光/紅外光吸收性彩 色玻璃濾波器、或其它光捕捉元件以防止散射光跑到偵測 器。 藉色散分離 色散元件（稜鏡或光罩）可用於由紅光/紅外光波長分 離VUV，光電二極體設置成只攔截νυν光束。使用光罩元 件，切槽間隔必須選擇紅光/紅外光波長與紫外光波長之較 高繞射等級間實質並無重疊。換言之，經由對全部可見光/ 紅外光發射波長，改變m值（m經常為整數，例如D sin(0) =111,157奈米关m/755奈米）等，於設計角0，對紫外光 波長以及可見光/紅外光波長不可同時滿足光罩方程式。 以螢光偵測 當曝光於157奈米光時，產生可見光或紅外光螢光材 料置於矽製裝偵測器前方。經由將VUV光轉成可見光/紅外 光，對抗光電二級體紅光反應的提升。若螢光發射波長實 質與紅光/紅外光雷射發射波長不同，則於螢光轉換器之後 可採用紅光/紅外光吸收濾波器來直接壓抑紅光/紅外光的 發射。螢光轉換器也可以此種吸收材料建構或攙雜此種吸 收材料。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)人4規格（21〇><297公釐） 24 裝----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、^τ— 费- 563279 五、發明説明（22) 減少紅外光 先前技藝F2雷射典型利用氦氣做為緩衝氣體。已知也 可使用氖，但使用氖緩衝氣之雷射效率比使用氦做為緩衝 氣之F2雷射效率大減。通常，使用氖做為緩衝氣體需要實 質較高濃度F2，也需要較高電壓來產生相等脈衝能。氦氣 比氖氣遠更便宜，因此於先前技藝自然選用氦氣做為&緩 衝氣體。但如前述，使用氦氣緩衝氣體的匕雷射產生相去 大比例的可見紅光及紅外光，故於該波長出現優異螢光或 甚至雷射。通常其比例夠高，因此於較長波長實際出現雷 射。此種雷射束之較長波長如前文討論，將對能量的偵測 造成問題，紅波長也對下游微影術系統造成問題。此等問 題可因應，但許多案例中，較佳解決之道係實質上由雷射 形成的射束減少或消除紅光及紅外光。 申請人已經說明射束之紅光及近紅外光於緩衝氣體 由純氦改成氦與氖的適當混合物時可實質免除此項問題 但除了實質減少非期望的紅光及近紅外光成份之外，添加 氛影響雷射於所需紫外光波長的效率。因此，最佳氨與氛 混合依據最大脈衝能的重要性以及消除紅光及近紅外光= 相對重要性可有不同。通常，氛占總緩衝氣體量之較佳百 分比為約40%至95%。如第21圖指示，可提供實質心 紅外光但獲得最大紫外鎌衝能之良好緩職體混合物係 於約0.52至0.63氖之範圍，而差額為氦。 雖然已經就特定具體實施例說明本發明，讀者需 本發明範圍係由隨附之”專利範圍及其法定相當定。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公爱）

-----•裝—— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •、一叮| 563279 A7 B7 五、發明説明（23 ) 元件標號對照 2...脈衝功率系統 3...電源供應器 6...電極 6A...陰極 6B...陽極 8…放電腔室 10...鼓風機 11...熱交換器 18...線窄化模組 19...電容器 44...陽極支撐桿 46-50...導葉 50…輸入裂隙 52...穿孔電流返回板 5 4…曲面鏡，光栅 56...前置游離器，分束器，脈衝變壓器 57...輸出裂隙 5 8...分束器 60...直線偵測器陣列 62...分束器 64...能量偵測器 66...控制器 70...射束擴張器 72...輸出裂隙 74…漫射器 7 6...透鏡 78...校準器 80...分束器 81…射束擋止器 82...光電二極體，直線偵測器陣列 84...殼體 90...種子射束 92...不穩定諧振器 93A...50%部分反射器 93B...凹面 94…後諧振器光學裝置 94A...100% R鏡 94B...下部 300…像素 302…像素，匯流排 304...HV 纜線 306."層 308...筒形部 3 10...中心線 312-4...中空筒形導體 316...電流脈衝 318...脈衝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 26 Λ ·： 一—… 口 申請曰期 案 號 類 别

I ό ο Γίτ] A4 C4 攔由本肩)真註） 563279 第91106967號 ，請案

專利説明書 修正頁 92年4月25日 中文 英文 國籍 住、居所 姓 住、居所 (事務所） F2雷射系統以及產生窄頻脈衝紫外光雷射束之方法 ⑴理查L.珊德斯壯Richard L.Sandstrom ⑵威廉Ν·派特洛William N.Partlo ⑶艾克哈德D.歐科斯EckehardD.Onkels (1)(2)美國 U.S.A.(3)德國 GERMANY ⑴義、國.护州安錫尼塔•布萊杜區410號 410 Bndoon Terrace, Encinitas, CA. U.S.A.灸藏·派翠沙道1263¾襄 12634 Pednza DriveJPoway, CA, U.S.A. ⑶砉殿口州辈地牙普•卡明尼多4内12〇〇8號 12008 Caminito Ryone, San Diego, CA, U.S.A. 美商·希瑪股份有限公司CYMER，1NC. 美國U.S.A. 美國加州聖地牙哥市維迪坎普街16750號 16750 Via Del Campo Court, San Diego, CA? U.S.A.

羅伯P·艾金斯ROBERT P. AKINS 本紙張尺度遍用中國國家標準（CNS ) M規格（21〇χa?公董） 裝 訂 563279—- I?；；：, i-I年肩日 五、發明説明（6) 第2圖為方塊圖顯示先前技藝用於積體電路微影術之 商用準分子雷射之若干主要元件。 第3圖為第2圖雷射之雷射腔室略圖。 第4及5圖為F2雷射系統之黑圖。 第ό及6A圖顯示第一光罩單色光器之結構。 第7圖顯示第二光罩單色光器結構。 第8圖顯示校準濾波器結構。 第9及1〇圖為功率增益階段之略圖。 第11、11Α、11Β、11C及11D圖顯示脈衝功率系統之 結構。 第12圖顯示回授控制系統之脈衝能偵測器。 較佳具體實施例之詳細說明 經由參照附圖說明本發明之較佳具體實施例。本發明 之第一較佳具體實施例以方塊圖形式顯示於第4圖，其 為’795號專利申請案之第6〇圖。前置功率增聽波器係設 置於主振I器（稱做種子雷射）與功率增益階段（於該案稱 做「變振盪器功率放大器」）間。本發明之第二較佳具體實 施例也以方塊圖形式顯示於第5圖，其具有前置增益遽波器 及第二濾波器設置於功率增益階段下游。於第5圖雷射系統 之四種主要元件可做成多項變化，如第4圖所示，可能絲毫 也不需要後輸出濾波器。 術語 第5圖顯示組成若干極窄頻匕雷射系統具體實施例之 主要元件。各元件可呈若干不同形式，可以多種不同方式 做說明。本說明書中將使用「第一 F2光源」一詞來表示產 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公赞） 9

Claims (1)

1. 5632ί^ 4, 年月Hi ^ r η > 補无

   Α8 Β8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 第91106967號專利申請案申請專利範圍修正本 92年4月25日 1· 一種F2雷射系統，包含： A) —種第一F2雷射光源，其係配置成可產生第一 脈衝輸出雷射束，界定濾波前頻寬實質大於⑴丨微微 米； B) —前置功率增益光學濾波器，其係設置成可接 收第一脈衝輸出雷射束，該前置增益光學濾波器係配 置成可窄化濾波前頻寬，以及產生濾波後射束具有後 濾波頻寬0.1微微米或以下；以及 C) 一功率增益雷射，其係設置成可接收經濾波的 射束’放大射束產生經放大的脈衝雷射束，帶有大於3 毫焦耳能量之脈衝以及界定窄化輸出頻寬。 2·如申請專利範圍第1項之雷射系統，進一步包含一後 輸出濾波器設置成可接收經放大的脈衝雷射束，該後 輸出濾波器係配置成可進一步縮窄經窄化的輸出頻 寬。 3.如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該第一 &雷射 光源為具有平面平行光學諧振器之F2雷射。 4·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該第一 &雷射 光源為具有不穩定諧振器之F2雷射。 5·如申請專利範圍第4項之雷射系統，其中該第一 ^雷射 光源係配置成可產生10-100微焦耳範圍之輸出。 6·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該前置增兴 渡波裔包含一單色光器。 11^ II . I I --------------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   563279 A8 § ———~ 申請專利範圍 7·如申請專利範圍第6項之雷射系統，其中該單色光器 為光罩-單色光器。 8·如申請專利範圍第7項之雷射系統，其中該光罩單色 光器包含設置成利索組態的光罩。 9·如申請專利範圍第6項之雷射系統，其中該單色光器 包含一裂隙其係配置成防止熱失真。 1〇·如申請專利範圍第9項之雷射系統，其中該裂隙為折 射裂隙。 11 ♦如申請專利範圍第6項之雷射系統，其中該前置增益 渡波器包含波長監視器。 12·如申請專利範圍第11項之雷射系統，其中該波長監視 器包含一分束器以及一直線偵測器陣列。 U·如申請專利範圍第12項之雷射系統，其中該波長監視 器也包含一注入種子脈衝能監視器。 14·如申請專利範圍第8項之雷射系統，其中該單色光器 包含一射束擴張器，其係配置成可減少第一脈衝輸出 雷射束的色散而產生低色散射束照明光罩。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15·如申請專利範圍第14項之雷射系統，其中該單色光器 也包含一輸出裂隙及一聚焦光學裝置用以聚焦由光 罩反射光至輸出裂隙。 16·如申請專利範圍第14項之雷射系統，其中該單色光器 也包含波長監視器。 Π·如申請專利範圍第16項之雷射系統，其中該波長監視 器包含一分束器及一直線偵測器陣列。 297公釐） 本紙張尺度適用中國國家鮮（CNS)A4規袼⑵f 28 563279 A8

   18·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該前置增益 ;慮波器為校準器濾波器。 19·如申請專利範圍第18項之雷射系統，其中該校準器據 波器包含一射束擴張器及部份漫射器。 2〇·如申請專利範圍第7項之雷射系統，其中該單色光器 包含一處理控制器以及一回授迴路用以控制第一經 濾波射束的波長。 21·如申請專利範圍第18項之雷射系統，其中該前置增益 濾波器包含一處理控制器以及一回授迴路用以控制 第一經濾波射束的波長。 22·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該功率增益 雷射係配置成功率振盪器。 23.如申請專利範圍第22項之雷射系統，其中該雷射包含 一諧振器其界定一費司諾中心，以及該雷射也包含一 高度反射凸面鏡以及一高度反射凹面鏡。 24·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該功率增益 雷射係配置做為功率放大器。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 25·如申請專利範圍第24項之雷射系統，其中該功率放大 器為偏心軸功率放大器。 26·如申請專利範圍第2項之雷射系統，其中該後輸出濾 波器係配置成可區別雷射系統產生的紅光及紅外光。 27·如申請專利範圍第2項之雷射系統，其中該後輸出濾 波器包含一單色光器。 28·如申請專利範圍第2項之雷射系統，其中該後輸出濾 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱T 29 563279 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 波器包含一校準器。 29· —種產生窄頻脈衝紫外光雷射束之方法，包含下列步 驟： A) 於第一 F2雷射產生一第一脈衝輸出雷射束，其 界定濾波前頻寬實質大於0.1微微米； B) 於設置成可接收第一脈衝輸出雷射束之前置功 率增益光學濾波器濾波第一脈衝輸出雷射束，該前置 增益光學濾波器係配置成可窄化濾波前頻寬而產生具 有濾波後頻寬為0.1微微米或以下之經濾波雷射束；以 及 (請先閱讀背面之注音 --· I--- _事^^5填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

   c)於功率增益雷射放大經濾波的射束而產生經放 大之脈衝雷射束，帶有大於3毫焦耳能量脈衝以及借定 窄化輸出頻寬。 30·如申請專利範圍第29項之方法，其進一步包含一後輸 出濾波器進一步設在經窄化的輸出頻寬。 3 1 ·如申請專利範圍第29項之方法，其中該第二&雷射包 含一平行光學諧振器之平面。 32·如申請專利範圍第29項之方法，其中該第一 F2雷射光 源為具有不穩定諧振器之F2雷射。 33·如申請專利範圍第1項之雷射系統，其中該前置增益 濾波器包含一單色光器。 . · -I ϋ n H

   本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]〇 x 297公釐） n n-