УЗКОПОЛОСНЫЙ ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР НА ФТОРИДЕ КРИПТОНА (KrF) ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ, ИМЕЮЩИЙ ВЫСОКУЮ НАДЕЖНОСТЬ И МОДУЛЬНУЮ КОНСТРУКЦИЮ Российский патент 2003 года по МПК H01S3/225 

Эта заявка на изобретение является частичным продолжением заявок на изобретение под номерами: 09/034870 "Управление энергией импульса эксимерного лазера" ("Pulse Energy Control for Excimer Laser") с датой подачи 04 марта 1998 г.; 08/995832 "Эксимерный лазер, имеющий импульсный источник питания с точной цифровой регулировкой" ("Excimer Laser Having Pulse Power Supply with Fine Digital Regulation") с датой подачи 22 декабря 1997 г.; 08/842305 "Очень узкополосный лазер на фториде криптона (KrF)" ("Very Narrow-band KrF Laser") с датой подачи 23 апреля 1997 г. и 08/625500 "Недорогое устройство предварительной ионизации коронного разряда для лазера" ("Low Cost Corona Preionizer for a Laser") с датой подачи 29 марта 1996 г., все из которых включены сюда путем ссылки. Это изобретение относится к лазерам, в частности к узкополосным эксимерным лазерам на KrF.

Описание уровня техники
В настоящее время эксимерные лазеры на фториде криптона (KrF) становятся наиболее широко используемым источником света для производства интегральных схем способом литографии. На Фиг.1 и 2 изображен типовой эксимерный лазер на фториде криптона (KrF), известный из уровня техники, используемый при производстве интегральных схем. На Фиг.3 показано поперечное сечение рабочей камеры этого лазера, известного из уровня техники. Импульсный силовой модуль 2, питание которого осуществляют от высоковольтного источника 3 питания, подает электрические импульсы на электроды 6, расположенные в разрядной камере 8. Электроды имеют длину приблизительно 71 см (28 дюймов) и находятся на расстоянии около 1,5 см (3/5 дюйма) один от другого. Лазеры для литографии обычно работают с высокой импульсной частотой, равной приблизительно 1000 Гц. По этой причине необходимо осуществлять циркуляцию находящегося в лазере активного газа (состоящего приблизительно из 0,1% фтора, 1,3% криптона, а остальным является неон, действующий в качестве буферного газа) через пространство между электродами. Это осуществляют посредством вентилятора 10, расположенного в разрядной камере лазера и осуществляющего обдув по касательной. Находящиеся в лазере газы охлаждают посредством теплообменника 11, также расположенного в рабочей камере, и охлаждающей пластины 13, установленной на внешней стороне камеры. Вода для охлаждения охлаждающей пластины 13 и теплообменника 11 поступает во входное отверстие 40 для воды и выходит через выходное отверстие 42 для воды, показанные на Фиг.3. Естественную ширину спектра излучения лазера на фториде криптона (KrF) сужают посредством модуля 18 сужения линии излучения. Системы промышленных эксимерных лазеров обычно содержат в себе несколько модулей, которые могут быть быстро заменены без нарушения остальной части системы. Основные модули показаны на Фиг.2 и включают в себя:
рабочую камеру 8 лазера,
импульсный силовой модуль 2,
выходной ответвитель 16 излучения,
модуль 18 сужения линии излучения,
устройство 20 измерения длины волны,
блок 22 компьютерного управления.

Для уменьшения времени простоя лазера при осуществлении обслуживания эти модули сконструированы в виде отдельных блоков таким образом, что может быть выполнена их быстрая замена. Электроды 6 состоят из катода 6А и анода 6Б. В этом варианте осуществления из известного уровня техники анод 6Б поддерживают посредством опорной планки 44 анода, которая имеет длину приблизительно 71 см (28 дюймов) и показана на поперечном сечении из Фиг.3. На этом виде поток протекает в направлении по часовой стрелке. Один угол и один край опорной планки 44 анода служат в качестве направляющего устройства, заставляя воздух от вентилятора 10 проходить между электродами 6А и 6Б. Остальные направляющие устройства в этом лазере из известного уровня техники обозначены позициями 46, 48 и 50. Перфорированная пластина 52 для рециркуляции потока обеспечивает заземление анода 6Б на камеру 8. Перфорированная пластина снабжена большими отверстиями (на Фиг.3 не показаны), которые расположены на пути потока находящегося в лазере газа таким образом, что пластина, по существу, не оказывает воздействия на поток газа. Перед каждым импульсом осуществляют зарядку конденсаторов 54, обеспечивающих разряд между электродами, посредством импульсного силового модуля 2. При повышении напряжения на конденсаторе 54 посредством двух устройств 56 предварительной ионизации создают сильное электрическое поле, которое приводит к образованию между электродами 6А и 6Б ионного поля, а когда заряд на конденсаторах достигает величины приблизительно 16000 вольт, между электродами возникает разряд, создающий импульс эксимерного лазера. После каждого импульса поток газа, созданный вентилятором 10, достаточен для своевременного обеспечения подачи находящегося в лазере свежего газа между электродами для обеспечения следующего импульса, который происходит через 1,0 миллисекунды после этого.

Работу разрядной камеры осуществляют при давлении приблизительно три атмосферы. Эти лазеры работают в импульсном режиме с высокими частотами повторения импульсов, например 1000 Гц. Энергия импульса равна приблизительно 10 мДж.

При длинах волн менее 300 нм существует лишь малое количество оптических материалов, пригодных для создания линзы устройства с шаговым перемещением, используемого для производства микросхем способом литографии. Наиболее широко используемым материалом является плавленый кварц. Для линзы устройства с шаговым перемещением, состоящей целиком из плавленого кварца, отсутствует возможность коррекции хроматических аберраций. Эксимерный лазер на фториде криптона (KrF) имеет естественную ширину спектра излучения, равную приблизительно 300 пм (пикометрам, =10^-12 м) (полная ширина на половине максимального значения). Для содержащей преломляющую линзу (с числовой апертурой NA>0,5) системы как с шаговым перемещением, так и сканирующей, эта ширина спектра излучения должна быть уменьшена до величины менее 1 пм во избежание хроматических аберраций. Серийно выпускаемые лазерные системы из известного уровня техники могут создавать пучки лазера на фториде криптона (KrF) при номинальной длине волны, равной приблизительно 248 нм, с шириной спектра излучения, равной приблизительно 0,8 пм (0,0008 нм). Стабильность длины волны лучших выпускаемых промышленностью лазеров равна приблизительно 0,25 пм. При этих параметрах изготовители устройств шагового перемещения могут создавать оборудование с шаговым перемещением, обеспечивающее для интегральных схем разрешение, равное приблизительно 0,3 микрона.

Для лазеров с электрическим разрядом, таких как эксимерные лазеры, необходимы высоковольтные источники питания. На Фиг.4 показана типовая упрощенная электрическая схема эксимерного лазера из известного уровня техники. Электрическая схема содержит в себе схему электромагнитного переключателя и источник питания для схемы электромагнитного переключателя. На Фиг.2 и 4 изображены блоки, представляющие собой источник питания для лазера напряжением 1 кВ из известного уровня техники, которые обозначены цифрой 3. Источник питания из известного уровня техники изображен более подробно на Фиг.5А. В типовой лазерной системе из известного уровня техники источник 2 питания создает высоковольтные импульсы напряжением приблизительно 600 вольт и длительностью приблизительно 0,2 миллисекунды на частоте, например, 1000 Гц. Показанная на Фиг. 4 схема электромагнитного переключателя осуществляет компрессию и усиление этих импульсов для создания электрических разрядов между электродами, что показано на Фиг.4. Эти разрядные импульсы на концах электродов обычно имеют напряжение приблизительно 16000 вольт и длительность приблизительно 70 нс.

Поддержание постоянного напряжения на выходе источника питания при работе лазера в непрерывном режиме с конкретной частотой следования импульсов, равной, например, 1000 Гц, является сложной задачей для поставщиков лазеров. Эта задача становится намного более сложной при использовании лазера в режиме генерации пачек импульсов. Типичным режимом генерации пачек импульсов является такой режим, при котором требуется, чтобы в течение длительности пачек импульсов лазер осуществлял генерацию пачек импульсов из, приблизительно, 110 импульсов с частотой 1000 кГц, причем пачки импульсов отделены одна от другой "временем простоя" от долей секунды до нескольких секунд. При работе в непрерывном режиме для поддержания относительно постоянной энергии выходного импульса колебания величины выходного напряжения не превышают приблизительно 0,6% (приблизительно от 3 до 3,5 вольт). При работе в режиме генерации пачек импульсов эти колебания в течение нескольких первых импульсов (до, приблизительно, 40 импульсов) равны приблизительно 2,5% (приблизительно от 12 до 15 вольт), а управление изменением энергии импульса не является столь же точным.

В типовом эксимерном лазере, предназначенном для литографии, система управления с обратной связью выполняет измерение выходной энергии лазерного излучения для каждого импульса, определяет степень отклонения от требуемой энергии импульса, а затем посылает сигнал в контроллер для осуществления регулировки напряжения источника питания таким образом, чтобы энергия последующих импульсов более точно соответствовала требуемой энергии. В системах из известного уровня техники этот сигнал обратной связи является аналоговым сигналом и в нем присутствуют помехи, обусловленные работой лазера. Эти помехи могут приводить к тому, что источник питания выдает неправильные напряжения, что, в свою очередь, может привести к увеличению отклонения энергии выходных импульсов лазера от номинального значения.

Обычно требуется, чтобы эти эксимерные лазеры работали непрерывно по 24 часа в день 7 дней в неделю в течение нескольких месяцев и имели только короткие перерывы в работе для планового обслуживания. Одной из проблем, возникающих при использовании этих лазеров, соответствующих известному уровню техники, являлся чрезмерный износ и периодическое разрушение подшипников вентилятора.

Показанный на Фиг.2 модуль устройства измерения длины волны из известного уровня техники более подробно изображен на Фиг.6. В устройстве измерения длины волны используют решетку для грубого измерения длины волны и эталон для точного измерения длины волны и оно содержит в себе поглощающую ячейку с парами железа для обеспечения абсолютной калибровки устройства измерения длины волны. Это устройство из известного уровня техники фокусирует грубый сигнал от решетки на линейной фотодиодной матрице в центре набора кольцевых интерференционных полос, созданных эталоном. Центральные интерференционные полосы, созданные эталоном, закрывают, что обеспечивает возможность регистрировать грубый сигнал от решетки посредством фотодиодной матрицы. Устройство измерения длины волны из известного уровня техники не может обеспечить соответствие требованиям, предъявляемым к необходимой точности измерений длины волны.

Лазеры, соответствующие известному уровню техники, как, например, рассмотренный выше, являются очень надежными и вырабатывают миллиарды импульсов до того, как возникнет необходимость капитального ремонта, но производители интегральных схем настаивают на обеспечении еще лучших эксплуатационных качеств и надежности. Следовательно, существует необходимость создания надежной системы промышленного эксимерного лазера, способного обеспечивать длительную работу в условиях промышленного предприятия и имеющего стабильность длины волны менее 0,2 пм и ширину спектра излучения менее 0, 6 пм.

Сущность изобретения
В настоящем изобретении предложен узкополосный эксимерный лазер на фториде криптона (KrF) для промышленного применения, имеющий высокую надежность и модульную конструкцию, который способен осуществлять генерацию лазерных импульсов энергией 10 мДж с частотой 1000 Гц и имеет ширину спектра излучения приблизительно 0,6 пм или менее.

Настоящее изобретение особенно пригодно для длительной круглосуточной работы при производстве интегральных схем способом литографии. По сравнению с лазерами из известного уровня техники усовершенствованные варианты включают в себя одно устройство предварительной ионизации входного потока в виде трубки и акустические дефлекторы. Предпочтительный вариант осуществления включает в себя наличие пониженной концентрации фтора, опорную планку анода, которой придана форма, уменьшающая силы аэродинамического противодействия, воздействующие на подшипники вентилятора, видоизмененную систему импульсной силовой цепи, обеспечивающую более короткое время нарастания импульса, выходной ответвитель излучения с существенно увеличенным коэффициентом отражения, модуль сужения линии излучения, имеющий расширитель пучка с призмами из плавикового шпата (CaF), более точное устройство измерения длины волны, устройство компьютерного управления лазером, программа которого содержит новый и усовершенствованный алгоритм управления энергией импульса.

Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой чертеж промышленного лазера на фториде криптона (KrF) для литографии из известного уровня техники.

Фиг.2 представляет собой чертеж, на котором показаны основные узлы промышленных эксимерных лазеров на фториде криптона (KrF) из известного уровня техники, использованные для изготовления интегральных схем способом литографии.

Фиг.3 представляет собой чертеж рабочей камеры лазера из Фиг.2.

Фиг. 3А представляет собой чертеж рабочей камеры лазера, на которой показаны отличительные особенности предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.4 изображена упрощенная электрическая схема твердотельной импульсной силовой цепи.

На Фиг.5А изображена принципиальная схема типового источника питания из известного уровня техники.

На Фиг. 5Б и 5В изображены принципиальные схемы цепей обратной связи из известного уровня техники.

Фиг. 6 представляет собой чертеж устройства измерения длины волны из известного уровня техники.

Фиг. 7 представляет собой чертеж, на котором показаны отличительные особенности предпочтительного варианта устройства предварительной ионизации в виде трубки.

На Фиг.8А и 8Б изображены схемы предпочтительных вариантов цепей обратной связи.

На Фиг. 9 изображена принципиальная электрическая схема, на которой показаны отличительные особенности предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 представляет собой чертеж, на котором показаны отличительные особенности усовершенствованного варианта устройства измерения длины волны.

На Фиг.11А и 11Б изображены графики, поясняющие функционирование устройства измерения длины волны из Фиг.10.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Предпочтительный вариант осуществления
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой усовершенствованный вариант лазера, изображенного на Фиг.1 - 4, 5А - 5В и 6. Этот предпочтительный вариант осуществления из известного уровня техники содержит в себе следующие усовершенствования:
Вместо устройства предварительной ионизации из известного уровня техники, имеющего совокупность из двух трубок, используют устройство предварительной ионизации в виде одиночной трубки большего размера, что обеспечивает улучшение эффективности, улучшение предварительной ионизации и улучшает поток активного газа лазера между электродами;
Созданы акустические дефлекторы для минимизации неблагоприятного влияния акустических ударных волн, являющихся следствием электрических разрядов;
Видоизменена опорная планка анода из известного уровня техники, что обеспечивает существенное уменьшение сил аэродинамического противодействия, воздействующих на подшипники вентилятора;
Уменьшена концентрация фтора для улучшения качества импульса;
Для получения более короткого времени нарастания импульса видоизменена твердотельная система импульсной силовой цепи, что обеспечило большую согласованность импульсов и повышение КПД лазера при более высоких значениях напряжения;
Обеспечено более точное управление зарядным напряжением в системе импульсной силовой цепи;
Коэффициент отражения выходного ответвителя излучения был увеличен в 2 раза до 20%, что существенно уменьшило ширину спектра выходного импульса;
Для обеспечения намного более высокой термостабильности призмы из плавленого кварца были заменены на призмы из плавикового шпата (CaF);
Создано усовершенствованное устройство измерения длины волны, обеспечивающее намного более высокую точность измерений номинальной длины волны и ширины спектра излучения; и
Для устройства компьютерного управления создана программа, имеющая новый алгоритм, обеспечивающий значительно более усовершенствованное управление энергией импульса и энергией пачки импульсов.

Усовершенствования рабочей камеры
Одиночное устройство предварительной ионизации в виде трубки
Как показано на Фиг.3А, две трубки устройства 56 предварительной ионизации, изображенного на Фиг.3, заменены устройством 56А предварительной ионизации в виде одной трубки большего размера. Устройство предварительной ионизации в виде одной трубки изготовлено в соответствии с описанием, приведенным в заявке на патент США 625500 от 29 марта 1996 г., которая представлена здесь в виде ссылки. Заявители обнаружили, что устройство предварительной ионизации в виде одной трубки не только достаточно, но, что очень неожиданно, обеспечивает улучшение функционирования по сравнению с конструкцией, имеющей два устройства предварительной ионизации. В этом варианте осуществления устройство предварительной ионизации по отношению к потоку расположено перед электродами. Заявители не полностью понимают причину улучшения функционирования. Однако заявители полагают, что устройства предварительной ионизации из известного уровня техники, расположенные выше по направлению потока, могут осуществлять притяжение и замедлять удаление ионов, генерация которых осуществлена в течение одного импульса, на продолжительное время, достаточное для того, чтобы эти ионы стали помехой для следующего импульса, поступающего (в лазере с частотой 1 кГц) через, приблизительно, 1 миллисекунду. Заявители также полагают, что причиной наблюдаемого улучшения стабильности между импульсами может являться недостаточная симметрия, обусловленная наличием устройства предварительной ионизации с одной трубкой.

Теперь, со ссылкой на Фиг.7, в этом устройстве предварительной ионизации используют трубку, имеющую объединенную конструкцию и содержащую узел 180 изолирующей втулки с канавками 170, препятствующими поверхностному пробою, который встроен в нее в виде подлинно интегрированной составной части трубки. В предшествующих конструкциях использовали конструкцию, имеющую два диаметра, при изготовлении которой необходим процесс склеивания для соединения втулочного узла с узлом трубки. Конструкция трубки, имеющей большую толщину и постоянный диаметр, противоречит традиционным конструкторским нормам, которые предполагают ослабление ионизации вследствие снижения емкости. В большинстве конструкций толщина трубки зависит от диэлектрической прочности выбранного материала. Специалистам в данной области техники понятно, что оптимальные характеристики для данной геометрии трубки обычно обусловлены выбором материала с наибольшей диэлектрической прочностью и заданием толщины стенок, соответствующей этой емкости. Например известно, что материал сапфир имеет диэлектрическую прочность в пределах от 1200 вольт/мил (47 кВ/мм; 1 мил = 1/1000 А) до 1700 вольт/мил (67 кВ/мм). Поэтому, если лазер работает при напряжении 25 кВ, то для трубки, имеющей толщину стенок 0,9 мм (0,35 дюйма), коэффициент надежности равен 2. В соответствии с настоящим изобретением в цельной конструкции используют материал с меньшей диэлектрической прочностью, что требует наличия у трубки более толстой стенки. Теоретически такая конструкция привела бы к наличию более низкой емкости. Однако было обнаружено, что уменьшение этой емкости фактически оказывает незначительное влияние на работу лазера, причем удивительным является улучшение измеренной геометрии излучения в межэлектродном зазоре. Для создания канавок 170, препятствующих поверхностному пробою, может быть осуществлена обработка единого куска материала, что обусловлено постоянством диаметра, наличием более толстой стенки трубки и цельной конструкцией втулочного изолирующего узла. Кроме того, вследствие наличия цельной конструкции отсутствует необходимость использования сверхчистой (то есть 99,9%) поликристаллической светопропускающей керамики из оксида алюминия и не требуется выполнять полировку сложных геометрических поверхностей трубки при подготовке к диффузионному склеиванию для искусственного объединения изолирующей втулки 180 и трубки 145 в единое целое. В действительности, было определено, что высокая чистота является не столь важным свойством, как пористость материала. Было установлено, что чем больше пористость, тем сильнее снижается диэлектрическая прочность. В результате может быть использована имеющаяся в продаже промышленная керамика, в предпочтительном варианте имеющая чистоту по меньшей мере 99,8% и низкую пористость, как, например, материал, производимый фирмой Куурз Керамикс Компани (Coors Ceramics Company) и имеющий код AD-998E, диэлектрическая прочность которого равна 300 вольт/мил (11,8 кВ/мм). Как описано выше, изолирующие втулки 180 с расположенными в них канавками 170, препятствующими поверхностному пробою, действуют таким образом, что предотвращают высоковольтный пробой по поверхности трубки в ее осевом направлении между катодом и заземленным экраном 160.

Акустические дефлекторы
Заявители обнаружили, что существенной причиной нарушения качества лазерных пучков, генерация которых осуществлена узкополосными эксимерными лазерами на фториде криптона (KrF), работающими на частоте 1000 Гц, являются акустические ударные волны, сформированные электрическим разрядом одного импульса, которые отражаются от элементов конструкции рабочей камеры назад в пространство между электродами и искажают лазерный пучок следующего импульса, возникающий в лазере, работающем с частотой 1000 Гц, через 1,0 миллисекунду после этого. В описанном здесь и показанном на Фиг.3А варианте осуществления влияние этого эффекта существенно снижают путем создания наклонных и снабженных канавками акустических дефлекторов 60 и 62, расположенных с обеих сторон рабочей камеры лазера. Эти дефлекторы поглощают часть акустической энергии и отражают часть акустической энергии вниз в нижнюю область рабочей камеры лазера, расположенную далеко от электродов. В этом предпочтительном варианте осуществления дефлекторы состоят из обработанной металлической конструкции, снабженной канавками шириной 0,1 мм, глубиной 0,3 мм и расположенными на расстоянии 0,2 мм; на Фиг.3А в дефлекторе 60 показана канавка глубиной 0,3 мм, обозначенная номером позиции 61.

Следует отметить, что показанный на Фиг.3А дефлектор, находящийся с левой стороны рабочей камеры лазера, является, по существу, таким же, как и рефлектор, показанный справа, за исключением того, что левый дефлектор имеет промежуток в средней части лазера для размещения устройства 64 выпускного канала газоочистки. Выпускной канал обозначен номером позиции 65. Это устройство выпускного канала расположено в центре рабочей камеры лазера и, следовательно, таким образом отчетливо видно на чертеже поперечного сечения по центру рабочей камеры из Фиг.3. Эксплуатационные испытания показали, что эти дефлекторы существенно уменьшают нарушения качества импульсов, вызванные акустическими ударными волнами.

Опорная планка анода
Как показано на Фиг.3, опорная планка 44 анода вызывает принудительное протекание потока газа от вентилятора 10 между электродами 6А и 6Б. Однако заявители обнаружили, что конструкции опорной планки 44 из известного уровня техники, подобные той, которая показана на Фиг.3, создают в вентиляторе существенные силы аэродинамического противодействия, которые передаются на подшипники вентилятора, что приводит к вибрации рабочей камеры. Заявители полагают, что эти силы, вызывающие вибрацию, обуславливают износ подшипников вентилятора и, вероятно, периодическое разрушение подшипников. Заявители осуществили испытания других конструкций, некоторые из которых показаны на Фиг. 12А-12Д, все из которых привели к уменьшению сил аэродинамического противодействия путем распределения их на более длительный период времени, причем сила противодействия возникает при каждом прохождении лопасти вблизи края опорной планки 44. Предпочтительная конструкция, предложенная заявителями, показана на Фиг.3А.

Пониженная концентрация фтора (F₂)
Этот вариант осуществления настоящего изобретения может работать при широком диапазоне концентрации фтора. Для достижения улучшения качества лазерного импульса в этом предпочтительном варианте осуществления предпочтительная концентрация F₂ является существенно более низкой, чем та, которую используют в лазерах на фториде криптона (KrF) из известного уровня техники. Предпочтительные способы выбора рабочего диапазона описаны в заявке на патент США 08/915030 с датой подачи 20 августа 1997 г. и включены сюда в качестве ссылки.

В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, сконструированных и испытанных заявителями, большое внимание было уделено удалению тех материалов, которые поглощают фтор из разрядной камеры. Поглощение фтора в разрядной камере обусловлено реакцией фтора с материалами рабочей камеры. Эти реакции обычно создают примеси, которые приводят к ухудшению эксплуатационных параметров лазера, что обуславливает необходимость увеличения концентрации фтора (или напряжения разряда) для поддержания требуемой выходной энергии. Для уменьшения поглощения фтора этот предпочтительный вариант осуществления содержит в себе следующие специфические особенности:
Стенки рабочей камеры изготовлены из покрытого никелем алюминия.

Электроды изготовлены из латуни.

В качестве уплотнений используют цельнометаллические круглые кольца.

Изоляторы являются цельнокерамическими и совместимы с фтором.

Заявители полагают, что предпочтительным материалом для изолятора является оксид алюминия.

Для фильтрации примесей, созданных при работе, предусмотрен электростатический фильтр, как и в устройствах из известного уровня техники.

Узел вентилятора приводят в движение посредством двигателя с магнитной связью, расположенного вне герметизированной разрядной камеры, используя способ из известного уровня техники.

При изготовлении осуществляют тщательную очистку деталей для удаления возможных примесей.

После сборки осуществляют пассивирование рабочей камеры фтором.

Для обеспечения получения требуемого очень узкополосного выходного излучения в этом предпочтительном варианте осуществления необходимо произвести значительные изменения эксплуатационных процедур и параметров лазерной системы. Концентрацию фтора снижают от 0,1% (30 кПа) до приблизительно 0,08% (24 кПа). Полное давление газа равно приблизительно 300 кПа (концентрацию криптона (Кг) поддерживают на прежнем уровне, равном приблизительно 1,3%, а остальным находящимся в лазере газом является неон). При работе фтор постепенно вырабатывается. Постоянную энергию импульса получают путем постепенного увеличения рабочего напряжения лазеpa в соответствии со способами из известного уровня техники. Для восполнения выработанного фтора периодически (обычно через промежутки времени приблизительно от 1-го до 4-х часов) осуществляют впрыск содержащей фтор смеси (состоящей из приблизительно 1,0% фтора, 1% криптона и 98% неона) в соответствии с известными в области техники эксимерных лазеров способами. При этой процедуре концентрацию фтора в предпочтительном варианте поддерживают в пределах от приблизительно 0,08 до 0,065%, а рабочее напряжение поддерживают в пределах надлежащего диапазона значений, обеспечивающего поддержание постоянной энергии импульса. Например, в предпочтительном варианте осуществления этот диапазон находится в пределах от 600 до 640 вольт.

Импульсный источник питания
(Усовершенствования)
Этот вариант осуществления содержит в себе усовершенствованный импульсный источник питания. На Фиг.5А изображена блок-схема источника питания из известного уровня техники, который используют для генерации высокочастотных высоковольтных импульсов для питания современного промышленного эксимерного лазера для литографии. Источник питания имеет следующие основные узлы: кремниевый управляемый выпрямитель 110, питание которого осуществляют переменным током напряжением 208 вольт, и имеющий выходное напряжение до 300 вольт постоянного тока; переключаемый инвертор 112 с нулевой точкой мощностью 10 кВт, преобразующий постоянное напряжение в напряжение частотой 60 кГц; повышающий трансформатор 114 мощностью 10 кВт, повышающий напряжение до 1000 В постоянного тока; и диодный выпрямитель 116 выходного каскада мощностью 10 кВт, рассчитанный на напряжение 1 кВ, с шунтирующим выключателем. Управление источником питания осуществляют посредством платы 118 управления; плата 118 управления принимает команды от внешнего блока 120 управления, который обеспечивает подачу аналогового сигнала от оператора и из цепи управления с обратной связью, исходя из энергии импульса лазера. Плата 118 управления также имеет аналоговый вход, на который поступают сигналы обратной связи по напряжению и обратной связи по току, что показано на Фиг.5А номерами позиций 124 и 126. Логическая схема 122 интерфейса вырабатывает команды цифрового интерфейса, которые могут быть поданы в управляющий процессор механизма шагового перемещения для литографии. Как показано на Фиг.5А, сигналы обратной связи по напряжению и по току плата 118 управления получает с выхода выпрямителя 116. Плата 118 управления использует эти сигналы в качестве сигналов обратной связи для управления выходным напряжением источника питания. Когда конденсатор Со заряжен до требуемого уровня, схемы платы 118 управления прерывают работу инвертора 112, показанного на Фиг.9, и активизируют шунтирующий выключатель S2 в выпрямителе 116, как показано на Фиг.9.

Изменения электрической схемы
Заявители обнаружили, что при работе блоков питания из известного уровня техники в режиме генерации пачек импульсов резонансная частота в цепи обратной связи по току создавала значительные колебания напряжения при переходном процессе. Для ослабления этих переходных процессов заявители изменили два резистора в цепи управления с обратной связью по току, что видно при сравнении Фиг. 8Б с Фиг.5В, соответствующей известному уровню техники. В частности резистор сопротивлением 10 кОм был заменен на 30 кОм, а резистор сопротивлением 4,75 кОм был заменен на 100 Ом. Эти незначительные изменения вызвали очень существенное уменьшение колебаний напряжения при переходном процессе при работе в режиме генерации пачек импульсов, что будет рассмотрено ниже.

Управление посредством цифровых команд
Заявители обнаружили ухудшение функционирования схем управления посредством аналогового напряжения из известного уровня техники, которое обусловлено наличием источников помех, связанных с лазерной системой. Решение этой проблемы заключалось в том, чтобы осуществить преобразование команд управления в цифровой сигнал, который передают в блок питания, где, как показано на Фиг.8А, его преобразовывают в аналоговый сигнал посредством цифроаналогового преобразователя 28 для управления шунтирующим выключателем S2 диодного выпрямителя 16 для обеспечения быстрого управления электроникой источника питания, показанного на Фиг.9. В этом предпочтительном варианте осуществления для получения сигнала размыкания, управляющего шунтирующим выключателем S2 выпрямителя 16 и запрещающего работу инвертора 112, выполняют обработку напряжения обратной связи на конденсаторе Со посредством дифференциального измерительного усилителя 32 и его сравнение с сигналом управления напряжением, который подают в цифровом виде из блока 120 управления напряжением. Заданное значение напряжения передают в источник питания в 12-битовом формате, обеспечивающем точность 0,025%. Это изменение привело к новому значительному уменьшению колебаний при переходном процессе, что будет рассмотрено ниже.

Дифференциальные измерительные усилители
Другие важные усовершенствования этого первого предпочтительного варианта осуществления по сравнению с источниками питания из известного уровня техники показаны на Фиг.8А и 8Б. Простые буферные схемы устройства из известного уровня техники были заменены на дифференциальные измерительные усилители. Для выработки аналогового управляющего сигнала, который подают в схему управления инвертором, также осуществляют обработку сигнала обратной связи по току посредством дифференциального измерительного усилителя и осуществляют сравнение его с заданным значением тока, что показано на Фиг.8Б. Эта схема уплотнения представляет собой стандартную схему уплотнения из известного уровня техники, которую используют для создания требуемого S-образного изменения величины электрического тока в течение зарядного цикла импульса (то есть малый электрический ток в начале и в конце и большой электрический ток в середине цикла).

Уменьшение крутизны характеристики зарядного тока в конце зарядки
Скорость зарядки конденсатора Со очень велика и равна приблизительно 600 вольт за приблизительно 500 микросекунд. Следовательно, для обеспечения постоянной скорости зарядки выбор времени запуска шунтирующего выключателя S2 и остановки работы инвертора 112 является чрезвычайно критичным. Чтобы требование, предъявляемое к выбору времени, было менее жестким, заявители видоизменили электрическую схему источника питания, уменьшив эффективную частоту и амплитуду тока зарядки конденсатора Со в течение последних, приблизительно 5% длительности зарядного цикла. Для этого в блок 116 выпрямителя заявители добавили резисторную цепь. В выпрямителе 116 обычный шунтирующий резистор сопротивлением 20 Ом был заменен на безиндуктивный резистор R* сопротивлением 20 Ом. Также на время нескольких последних циклов инвертора в зарядном цикле в схему вводят второй безиндуктивный резистор R* сопротивлением 20 Ом посредством открытия ключа S1, показанного на Фиг.9. Это осуществляют посредством управляющей схемы (не показана), которая является, по существу, такой же, как и схема, показанная на Фиг.8А. В этой схеме также используют преобразованный сигнал управления после его превращения в аналоговый вид и сигнал V_fb, но схема резисторного делителя ослабляет сигнал управления примерно на 5% вследствие добавления дополнительного сопротивления в тот момент, когда напряжение равно приблизительно 95% от заданного напряжения. Полученный в результате этого сигнал используют для открытия S1 за несколько микросекунд до того, как напряжение на конденсаторе Со достигнет требуемого значения. Эти изменения доказали, что в течение последних 5% длительности зарядного цикла частота тока зарядки конденсатора Со может быть снижена приблизительно в 2 раза, а амплитуда может быть уменьшена в 3-4 раза. Снижение частоты и амплитуды привело к существенному снижению зарядного электрического тока для нескольких конечных циклов инвертора при зарядке, а это позволяет осуществить намного более точное прекращение зарядного цикла по сравнению со схемой из известного уровня техники.

Выходной ответвитель излучения
В этом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения коэффициент отражения выходного ответвителя излучения был увеличен примерно в 2 раза: с приблизительно 10%, что является типичным для узкополосных эксимерных лазеров из известного уровня техники, до приблизительно 20%. Это было сделано для компенсации снижения КПД лазера вследствие уменьшенной концентрации фтора и для обеспечения большей обратной связи в резонаторе лазера с целью уменьшения ширины спектра излучения лазера.

Призмы из плавикового шпата
Результатом изменения коэффициента отражения выходного ответвителя излучения с 10 до 20% явилось увеличение приблизительно в 2 раза количества света, проходящего через модуль сужения линии излучения. Дополнительный нагрев, создаваемый этим дополнительным освещением в призмах из плавленого кварца из известного уровня техники, вызывал температурную деформацию призм. Для решения этой проблемы призмы из плавленого кварца были заменены призмами из плавикового шпата. Плавиковый шпат имеет более высокий коэффициент теплопроводности и может выдерживать дополнительную энергию без появления недопустимых деформаций.

Усовершенствованное устройство измерения длины волны
В настоящем изобретении обеспечено значительное улучшение спектральных характеристик, точности номинального значения длины волны, стабильности длины волны и ширины спектра излучения. Эти усовершенствования качества пучка привели к необходимости создания усовершенствованного устройства измерения длины волны. Таким образом, этот вариант осуществления настоящего изобретения содержит усовершенствованное устройство измерения длины волны. Описание устройства измерения длины волны может быть приведено со ссылкой на Фиг. 10. Устройство измерения длины волны аналогично показанному на Фиг.6 устройству измерения длины волны из известного уровня техники и может быть осуществлено их сравнение.

Выходной пучок из рабочей камеры лазера проходит через частично отражающее зеркало 70, которое пропускает приблизительно 95,5% и отражает приблизительно 4,5% энергии пучка.

Около 4% энергии отраженного пучка отражают посредством зеркала 71 на датчик 72 энергии, который содержит в себе очень высокоскоростной фотодиод 69, который может измерять энергию отдельных импульсов, возникающих с частотой 1000 импульсов в секунду. Энергия импульса равна приблизительно 10 мДж, а выходной сигнал от датчика 72 подают в устройство 22 компьютерного управления (Фиг.2), которое использует специальный алгоритм (описанный ниже) регулировки зарядного напряжения лазера для обеспечения точного управления энергией импульса последующих импульсов, исходя из запомненных данных об энергии импульса с целью ограничения колебаний энергии отдельных импульсов и суммарной энергии пачек импульсов, как описано ниже.

Около 4% энергии пучка, прошедшей через зеркало 71, отражается посредством зеркала 73 и направляется через щель 77 на зеркало 74 к зеркалу 75, обратно на зеркало 74 и на дифракционную решетку 76. Пучок коллимируют посредством линзы 78 с фокусным расстоянием 458,4 мм. Свет, отраженный от решетки 76, проходит обратно через линзу 78, снова отражается от зеркала 74, а затем отражается от зеркала 79 и его фокусируют на левой стороне линейной фотодиодной матрицы 80. Измерение положения пучка на фотодиодной матрице является грубой оценкой относительной номинальной длины волны выходного пучка. Около 90% энергии пучка, прошедшей через зеркало 73, отражается от зеркала 82 и проходит через линзу 83 в эталон 84, причем пучок, выходящий из эталона 84, фокусируют посредством находящейся в эталоне линзы с фокусным расстоянием 458,4 мм и после отражения от двух зеркал, как показано на Фиг.10, он создает интерференционные полосы в центре и в правой части линейной фотодиодной матрицы 80.

Спектрометр должен осуществлять измерение длины волны и ширины спектра излучения, по существу, в реальном масштабе времени. Поскольку частота следования импульсов лазера может быть равной 1 кГц или выше, то для достижения требуемой производительности посредством использования экономичной и компактной электронной обрабатывающей аппаратуры необходимо использовать такие алгоритмы, которые являются точными, но не требуют большого объема вычислений. Это означает, что вместо математических операций с плавающей запятой необходимо использовать операции с целыми числами, а все операции должны быть линейными (либо могут быть использованы операции вычисления квадратного корня, синуса, логарифма и т.д.).

Теперь будет приведено описание конкретных подробностей алгоритма, который используют в этом предпочтительном варианте осуществления. На Фиг.11Б показана кривая, имеющая 5 максимумов, которая представляет собой типичный сигнал от интерференционных полос эталона, измерение которого осуществлено посредством линейной фотодиодной матрицы. Центральный максимум изображен имеющим меньшую высоту, чем остальные. Когда на вход эталона поступает свет с различными длинами волн, центральный максимум увеличивается или уменьшается, а иногда падает до нуля. Эта особенность приводит к тому, что центральный максимум непригоден для данной цели. В ответ на изменение длины волны другие максимумы будут смещаться по направлению к центральному максимуму или от него, поэтому положение этих максимумов определяет длину волны, а их ширина определяет ширину спектра излучения лазера. На Фиг.11Б показана область, обозначенная как информационное окно. Информационное окно расположено таким образом, что для анализа обычно используют наиболее близкую к центральному максимуму интерференционную полосу. Однако, когда длина волны изменяется таким образом, что интерференционная полоса сдвигается слишком близко к центральному максимуму (что приводит к искажениям и к возникающим в результате этого ошибкам), внутри информационного окна будет находиться второй, наиболее близкий максимум, а программа осуществит переход к обработке этого максимума. И наоборот, когда изменения длины волны вызовут перемещение используемого в настоящий момент максимума за пределы информационного окна в направлении от центрального максимума, программа осуществит переход к обработке внутренней интерференционной полосы в пределах информационного окна.

При этом используют следующие операции:
После выстрела лазера посредством электроники осуществляют считывание данных с фотодиодной матрицы и их преобразование в цифровой вид. Информационные точки отделены одна от другой на расстояние, которое физически определяется расстоянием между элементами фотодиодной матрицы и обычно равно 25 микронам.

Осуществляют перебор цифровых данных с целью обнаружения максимального значения в информационном окне. В качестве начальной точки используют предыдущее местоположение максимума. Поиск проводят в малых областях слева и справа от начальной точки. Область поиска расширяют путем включения в нее малых промежутков слева и справа до тех пор, пока не будет обнаружен максимум. Если максимум находится вне информационного окна, то поиск автоматически продолжают до тех пор, пока не будет обнаружен другой максимум.

Исходя из высоты максимума, вычисляют уровень 50% от максимума. Это показано в верхней части чертежа. Периодически измеряют уровень 0% между максимумами. Исходя из вычисленного уровня 50%, анализируют точки справа и слева от максимума до тех пор, пока не будут обнаружены информационные точки, находящиеся на границе уровня 50%. Для того чтобы найти положения левой и правой половины максимума, обозначенных на Фиг.11А буквами А и Б, вычисляют линейную интерполяцию между парами точек, находящихся на границе уровня 50%. Эти положения вычисляют в виде дробной части элемента изображения (пикселя), например 1/16, по-прежнему используя формат данных в виде целых чисел.

1. Операции 2 и 3 повторяют для двух информационных окон, что дает в сумме четыре интерполированных положения уровня 50%. Как показано на Фиг. 11Б, вычисляют два диаметра. D1 представляет собой внутренний диаметр интерференционной полосы, a D2 представляет собой внешний диаметр интерференционной полосы.

2. Значения D1 и D2 (в единицах долей пикселей) преобразовывают в длину волны путем умножения на соответствующий масштабный коэффициент.

3. Ширину спектра излучения лазера вычисляют как (D2-D1)/2. Вводят линейный поправочный коэффициент для учета собственной ширины максимума эталона, которая добавлена к истинной ширине спектра излучения лазера. С математической точки зрения формальным подходом для устранения собственной ширины из измеренной ширины является алгоритм обратной свертки, но он требует слишком большого объема вычислений, поэтому используют линейную аппроксимацию, которая обеспечивает достаточную точность.

4. Длину волны излучения лазера вычисляют как (D1+D2)/2 MOD 20, где MOD - оператор модуля, а 20 - область дисперсии (ОД) (FSR) эталона (расстояние между максимумами). Оператор MOD имеет такой вид, поскольку интерференционная картина повторяется через каждые 20 пм вне зависимости от того, какую ОД имеет используемый эталон.

5. Для вычисления абсолютной длины волны также осуществляют грубое измерение длины волны, при котором необходимо иметь точность лишь +/- 10 пм. Например, может быть выполнено грубое измерение длины волны с результатом 248,35 нм, в то время как отсчет длины волны, полученный при помощи эталона, может равняться Х, Х5731, где Х обозначает цифры, которые являются неопределенными, что обусловлено функционированием модуля. Следует отметить, что имеется одна перекрывающаяся цифра для обоих отсчетов, в этом случае 5. Совпадение перекрывающейся цифры как для грубых вычислений, так и для вычислений посредством эталона, используют для проверки непротиворечивости.

Приблизительно 10% той части энергии пучка, которая прошла через зеркало 82, отражается от зеркала 86 и попадает на вход 88 волоконно-оптического световода, и свет проходит через световод в атомный эталон 90 длины волны. Световод соединен с блоком 90 атомного эталона длины волны посредством отверстия 91, и свет из световода отражается от зеркала 92 и его фокусируют посредством линзы 93 в фокусе в центре ячейки 94, содержащей пары железа и неон, и снова фокусируют посредством линзы 95 на поверхность фотодиода 96. Блок 90 атомного эталона длины волны используют для калибровки устройства 20А измерения длины волны. Это осуществляют путем подстройки длины волны лазера, поддерживая выходную энергию постоянной по показаниям датчика 69 и одновременно осуществляя контроль выходного сигнала фотодиода 96. В тот момент, когда выходной сигнал фотодиода 96 значительно уменьшается, а выходной сигнал фотодиода 69 имеет номинальное значение, длина волны выходного излучения должна соответствовать линии поглощения паров железа, равной 248,3271 нм. Соответствующие данные о положении интерференционных полос эталона и соответствующие данные о положении изображения, созданного решеткой 76 на линейном фотодиоде 80, полученные в тот момент, когда выходной сигнал фотодиода 96 имеет минимальное значение, регистрируют и записывают посредством устройства 22 компьютерного управления, а устройство 22 компьютерного управления использует эти данные для калибровки устройства 20А измерения длины волны.

Алгоритм управления энергией импульса
Режим работы - литография интегральных микросхем
Вариант осуществления настоящего изобретения содержит в себе программу устройства компьютерного управления, имеющую новый алгоритм, который существенно уменьшает отклонения энергии импульса и суммарной энергии всей пачки импульсов от номинального значения, существующие на известном уровне техники. Ниже приведено описание усовершенствованной аппаратуры и программного обеспечения, а также предпочтительного варианта процедуры для уменьшения среднеквадратичного отклонения энергии и отклонений суммарной энергии пачки импульсов от номинального значения.

Как изложено в разделе "Уровень техники" данного описания, типичным режимом работы эксимерного лазера, используемого в качестве источника света для механизмов с шаговым перемещением при производстве интегральных схем способом литографии, является режим генерации пачек импульсов. В этом режиме лазер функционирует таким образом, что осуществляет генерацию "пачки" импульсов с частотой следования 1000 Гц и длительностью приблизительно 110 миллисекунд, создавая при этом 110 импульсов для освещения участка подложки. После генерации пачки импульсов устройство шагового перемещения перемещает подложку и маску, а сразу же после завершения перемещения, которое обычно осуществляют за доли секунды, лазер осуществляет генерацию другой пачки импульсов из 110 импульсов. Таким образом, нормальный режим работы обеспечивают посредством пачек импульсов длительностью приблизительно 110 миллисекунд, после которых следует время простоя в течение долей секунды. Время от времени необходимо обеспечивать более длительное время простоя для выполнения других операций. Этот основной процесс продолжается 24 часа в день, 7 дней в неделю в течение нескольких месяцев, причем за день лазер обычно осуществляет генерацию нескольких миллионов пачек импульсов. В вышеуказанном режиме генерации пачек импульсов обычно существенным является то, чтобы каждый участок подложки получал одинаковую энергию засветки при каждой пачке импульсов. К тому же изготовители интегральных микросхем желают, чтобы изменения энергии от импульса к импульсу были минимальными.

В этом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения этих целей достигают посредством аппаратуры и программного обеспечения, обеспечивающих отслеживание энергии каждого импульса (импульс N-1) с последующим управлением энергией следующего импульса (импульс N), исходя из результатов:
1) сравнения измеренной энергии импульса N-1 с заданной энергией импульса, и
2) сравнения накопленной суммарной энергии пачки импульсов вплоть до импульса N-1 с заданной суммарной энергией импульсов вплоть до импульса N-1.

В рассматриваемом типовом эксимерном лазере на фториде криптона (KrF) энергия первых 30-40 импульсов обычно является менее стабильной, нежели в остальной части пачки импульсов, что обусловлено переходными процессами в находящемся в лазере газе. Через приблизительно 40 мс после первого импульса энергия импульса при постоянном напряжении является относительно постоянной. При рассмотрении этих возникающих вначале флуктуаций заявители разделили пачку импульсов по времени на две области, на первую область (состоящую из некоторого количества начальных импульсов, например из 40 импульсов), называемую областью К, и вторую область (состоящую из импульсов, которые следуют после области К), которую заявители в этом описании именуют областью L.

В этом варианте осуществления настоящего изобретения для управления энергией импульса используют аппаратуру эксимерного лазера из известного уровня техники. Энергию импульса каждого импульса из каждой пачки импульсов измеряют посредством фотодиода 69, показанного на Фиг.10. Время отклика этой фотодиодной матрицы составляет менее 1 миллисекунды. Накопленный сигнал, возникающий в результате каждого импульса длительностью приблизительно 20 нс, запоминают, а устройство 22 компьютерного управления осуществляет считывание этого сигнала через приблизительно 1,0 микросекунду после начала импульса. Накопленную энергию всех предыдущих отдельных импульсов из пачки импульсов именуют величиной суммарной энергии пачки импульсов. Для того чтобы установить высоковольтное напряжение для (N+1)-гo импульса, устройство компьютерного управления использует сигнал, отображающий энергию импульса N-го импульса, а также заданную энергию импульса и величину суммарной энергии пачки импульсов. На выполнение этих вычислений затрачивают приблизительно 200 микросекунд. Когда значение высоковольтного напряжения для N+1 определено, устройство компьютерного управления посылает сигнал в блок 120 управления высоковольтным напряжением (БУН) (VCMD) источника высоковольтного питания, показанного на Фиг.9, устанавливая зарядное напряжение для импульса N+1, на что уходит несколько микросекунд. Устройство 22 компьютерного управления дает команду высоковольтному источнику питания зарядить конденсатор Со до указанного напряжения. (При высоких частотах следования импульсов может возникнуть необходимость начать зарядку до завершения вычислений.) Для выполнения зарядки требуется приблизительно 400 микросекунд, таким образом конденсатор Со является полностью заряженным и готовым к работе в тот момент, когда он получает сигнал запуска для импульса N+1 из схемы 13 запуска, показанной на Фиг.2, через 1,0 миллисекунду после сигнала запуска для импульса N. При поступлении сигнала запуска конденсатор Со, имеющий напряжение приблизительно 650 вольт, разряжается через схему магнитной компрессии, показанную на Фиг.4, за приблизительно 5 микросекунд, а схема магнитной компрессии осуществляет компрессию и усиление импульса, создавая на конденсаторе Ср напряжение разряда, равное приблизительно 16000 вольт, которое создает разряд между электродами 6 длительностью приблизительно 100 нс, что приводит к генерации лазерного импульса с энергией приблизительно 10 мДж и длительностью приблизительно 75 нс (95% от суммарной).

Предпочтительный вариант осуществления алгоритма
Ниже приведено описание предпочтительного варианта особого способа регулировки зарядного напряжения для обеспечения, по существу, требуемой энергии импульсов при работе в режиме генерации пачек импульсов.

В способе используют два алгоритма регулировки напряжения. Первый алгоритм применяют для первых 40 импульсов и его именуют алгоритмом КПИ (KPI). Второй алгоритм, имеющий название алгоритм ПИ (PI), используют для импульсов, следующих после импульса под номером 40. Этот период времени после 40-го импульса здесь называют областью L пачки импульсов. Сокращение ПИ (PI) означает "пропорциональное интегрирование", а буква К в КПИ (KPI) означает то, что он относится к области К пачки импульсов.

Алгоритм КПИ (KPI)
Область К содержит в себе импульсы с 1-го по k-й, где k=40 для этого предпочтительного варианта осуществления. Алгоритм регулировки зарядного напряжения для N-го импульса имеет следующий вид:
V_N=(V_В)_N-(V_C)_N-1 N=1, 2, ... k,
где V_N = зарядное напряжение для N-го импульса,
(V_В)_N = множество из k запомненных напряжений, представляющее собой наилучшее в настоящее время оценочное значение напряжения, которое необходимо для получения заданной энергии N-го импульса цели в области К. Это множество корректируют после каждой пачки импульсов согласно приведенному ниже уравнению,
(V_C)_N-1 = корректирующее значение напряжения, полученное исходя из отклонений энергии от заданного значения, которые имеют место для предыдущих импульсов в пачке импульсов вплоть до (N-1)-гo импульса

По определению (V_C)₀=0.

А, В = дробные числа, обычно имеющие величину от 0 до 1, которые в этом предпочтительном варианте осуществления равны 0,5,
ε_i = отклонения энергии от заданного значения для i-го импульса = E_i - Е_Т, где E_i - энергия i-го импульса, а Е_T - заданная энергия,
D_i = совокупное отклонение суммарной энергии пачки импульсов, содержащей в себе все импульсы от 1-го до i-го, от заданного значения

dE/dV = степень изменения энергии импульса в зависимости от зарядного напряжения. (В этом варианте осуществления в течение каждой пачки импульсов экспериментально определяют одно или более значений dE/dV, а для вычислений используют скользящее среднее этих значений).

Запомненные значения (V_B)_N корректируют в течение или после каждой пачки импульсов согласно приведенному ниже соотношению

где индекс М относится к номеру пачки импульсов,
С = дробное число, обычно имеющее величину от 0 до 1, которое в этом предпочтительном варианте осуществления равно 0,3.

Алгоритм ПИ (PI)
Область L содержит в себе импульсы с (k+1)-гo до конца пачки импульсов (для предпочтительного варианта осуществления, номера импульсов равны 41 и выше). Алгоритм установки зарядного напряжения для N-го импульса имеет вид

где V_N = зарядное напряжение для N-го импульса,
V_N-1 = зарядное напряжение для (N-1)-гo (предыдущего) импульса.

Переменные А, В, ε_i, D_i и dE/dV имеют такое же определение, как и ранее.

Определение dE/dV
Для того чтобы отследить относительно медленные изменения параметров лазера, периодически осуществляют определение нового значения dE/dV. В предпочтительном варианте осуществления dE/dV измеряют посредством изменения или "создания искусственных флуктуаций" напряжения управляемым образом в течение двух последовательных импульсов в области L. Для этих двух импульсов выполнение обычного алгоритма ПИ (PI) управления энергией временно приостанавливают и заменяют его на следующий:
для j-го импульса

где V_флукт = фиксированное приращение напряжения, обычно равное нескольким вольтам;
для (j+1)-гo импульса
V_j+1=V_j-2•V_флукт,
после (j+1)-гo импульса вычисляют dE/dV

Результат вычисления dE/dV может иметь большие шумы, поскольку ожидаемые изменения энергии вследствие создания искусственных флуктуаций напряжения могут быть такими же по величине, как и обычные отклонения энергии лазера от номинального значения. В предпочтительном варианте осуществления в алгоритмах ПИ (PI) и КПИ (KPI) фактически используют скользящее среднее последних 50 вычисленных значений dE/dV.

Предпочтительный способ выбора V_флукт состоит в том, чтобы установить желательный уровень флуктуаций энергии Е_T, обычно равный нескольким процентам от заданной энергии, а затем использовать текущее (усредненное) значение dE/dV для вычисления V_флукт

Импульс j+2 (следующий сразу же после двух импульсов, в которых созданы искусственные флуктуации) не имеет искусственно созданных флуктуаций, а имеет частное значение

Это частное значение для V_j+2 корректируют с учетом как созданных, искусственных флуктуаций напряжения, так и ожидаемой флуктуации энергии от (j+1)-гo импульса.

Существует множество возможных вариантов описанного выше алгоритма. Например, наряду с областью К, определение dE/dV может быть выполнено также и в области L, а искусственные флуктуации могут быть созданы один или несколько раз в течение каждой пачки импульсов. Последовательность искусственных флуктуаций может быть создана для импульса с постоянным номером j, как описано выше, или же она может быть введена для импульса со случайно выбранным номером, который меняют в каждой следующей пачке импульсов.

Понятно, что А, В и С представляют собой коэффициенты, обуславливающие сходимость, и они могут иметь множество других значений. Значения, превышающие те, которые приведены выше, могут обеспечивать более быструю сходимость, но могут приводить к большей нестабильности. В другом предпочтительном варианте осуществления коэффициент В равен квадратному корню из А. Это соотношение выведено из общеизвестного способа создания критического затухания. Коэффициент В может быть равным нулю, но при этом не будет осуществлена корректировка суммарной энергии; однако коэффициент А не должен быть равен нулю.

Если вычисленное значение dE/dV становится слишком малым, вышеуказанный алгоритм может привести к чрезмерной коррекции. Поэтому предпочтительный способ заключается в том, что осуществляют принудительное увеличение dE/dV в 2 раза тогда, когда значение среднеквадратичного отклонения энергии превышает пороговое значение. Для первого импульса в пачке импульсов используют значения V и dE/dV, принятые по умолчанию. В начале каждой пачки импульсов значение D устанавливают равным нулю. Во избежание чрезмерной коррекции в начале по исправлению значение dE/dV по умолчанию устанавливают приблизительно в три раза большим, чем ожидаемое dE/dV.

Альтернативный способ определения dE/dV без упомянутого выше создания искусственных флуктуаций заключается в том, чтобы попросту измерять и запоминать значения энергии и напряжения при работе лазера. (Вместо измеренных значений напряжения также могут быть использованы заданные значения.) Эти данные могут быть использованы для определения dE/dV как функции от V для постоянной энергии импульса. Следует отметить, что каждое отдельное значение dE/dV будет содержать весьма большое количество погрешностей, поскольку элементы, составляющие это значение, представляют собой разности результатов измерений, имеющих значительные погрешности. Однако усреднение большого количества значений dE/dV может уменьшить эти погрешности.

Создание искусственных флуктуаций для определения ΔЕ необязательно следует осуществлять для каждой пачки импульсов, а вместо этого оно может быть выполнено периодически, например один раз через каждые М пачек импульсов. Измерение ΔЕ/ΔV может быть заменено либо вычислением, которое выполняет компьютер, либо значение ΔЕ/ΔV может быть введено вручную оператором лазера. Способ, используемый для выбора рабочего диапазона зарядного напряжения, может отличаться от описанного выше способа, а рабочий диапазон можно сделать меньшим путем более частого введения фтора чем приблизительно один раз за два часа. По существу, рабочий диапазон мог бы быть сделан очень малым путем непрерывного введения фтора с такой скоростью, которая необходима для компенсации расхода фтора. Для вычисления V_N значения V_N-1 выбирают из заданных значений напряжения для предыдущего импульса. Альтернативный подход состоит в том, чтобы для этой системы управления использовать реальное измеренное значение V_N-1. К тому же в описанном выше варианте осуществления значения V_BIN вычисляют исходя из заданных значений, а не из реальных измеренных значений. Очевидным альтернативным вариантом является использование измеренных значений напряжения. Е_T обычно представляет собой постоянную величину, например 10 мДж, но она не обязательно должна быть постоянной. Например, Е_T десяти последних импульсов может быть меньше, чем номинальная энергия импульса, при этом процент отклонений от заданной Е_T для этих импульсов будет оказывать меньшее влияние на общую суммарную энергию импульса. К тому же в некоторых ситуациях предпочтительным может быть вариант, при котором устройство 22 компьютерного управления программируют таким образом, что оно выдает различные значения Е_T для различных пачек импульсов.

Несмотря на то, что описание очень узкополосного эксимерного лазера на фториде криптона (KrF) было приведено со ссылкой на конкретный вариант осуществления, следует понимать, что могут быть осуществлены различные усовершенствования и видоизменения. Например, в заявках на патенты, перечисленных в первом предложении этого описания в качестве ссылок, рассмотрено много альтернативных вариантов осуществления. Изобретение следует ограничивать только приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно - к лазерам, используемым для долговременной круглосуточной работы при производстве интегральных микросхем способом литографии. Усовершенствования заключаются в наличии в нем одиночной трубки устройства предварительной ионизации, расположенной на входе. В рабочей среде понижена концентрация фтора. Опорной планке анода придается форма, уменьшающая силы аэродинамического противодействия, воздействующие на подшипники вентилятора. Имеется видоизмененная система импульсной силовой цепи с более коротким временем нарастания импульса. Выходной ответвитель излучения имеет существенно увеличенный коэффициент отражения. Модуль сужения линии излучения содержит расширитель пучка и более точное устройство измерения длины волны. Устройство компьютерного управления лазером работает по программе с усовершенствованным алгоритмом управления энергией импульса. Технический результат изобретения: лазер имеет высокую надежность и обеспечивает генерацию лазерных импульсов энергией 10 мДж с частотой 1000 Гц при ширине спектра излучения 0,6 пм или менее. 14 з. п. ф-лы, 12 ил.

1. Очень узкополосный эксимерный лазер на фториде криптона (KrF), содержащий в себе:
А. Рабочую камеру лазера, выполненную из совместимых со фтором материалов и содержащую в себе: (1) два удлиненных электрода; (2) одиночную трубку устройства предварительной ионизации, лазерный газ, определяющий полное давление и состоящий из криптона, фтора и буферного газа, причем указанный фтор имеет парциальное давление менее 0,08 от полного давления; (3) по меньшей мере два акустических дефлектора, размещенных таким образом, что осуществляют ослабление ударных волн, созданных электрическим разрядом между указанными двумя удлиненными электродами;
Б. Модуль сужения линии излучения, содержащий в себе: (1) по меньшей мере одну призму, расширяющую пучок; (2) решетку; (3) средство настройки для настройки решетки. 2. Лазер по п. 1, в котором указанная рабочая камера также содержит в себе вентилятор, осуществляющий циркуляцию указанного лазерного газа между указанными двумя удлиненными электродами, что определяет направление, противоположное течению потока, а указанная одиночная трубка устройства предварительной ионизации расположена перед указанными электродами в направлении, противоположном течению потока. 3. Лазер по п. 1, в котором указанная по меньшей мере одна призма выполнена из плавикового шпата. 4. Лазер по п. 1, в котором по меньшей мере одна призма составлена из трех призм, все из которых выполнены из плавикового шпата. 5. Лазер по п. 1, в котором парциальное давление фтора составляет менее 0,06 от полного давления газа. 6. Лазер по п. 2, в котором два удлиненных электрода определяют собой катод и анод, а опору указанному аноду создают посредством опорной планки анода, имеющей клинообразную поверхность, расположенную таким образом, чтобы уменьшить обусловленные аэродинамикой силы противодействия на указанных подшипниках вентиляторов. 7. Лазер по п. 1, дополнительно содержащий в себе высоковольтный источник питания, который создает высокое напряжение между указанными электродами, причем указанный высоковольтный источник питания содержит в себе:
А. Импульсный источник питания, имеющий точную цифровую регулировку и определяющий зарядный цикл, причем указанный источник питания содержит в себе: (1) первый выпрямитель, создающий выходной сигнал постоянного тока; (2) инвертор для преобразования выходного сигнала указанного первого выпрямителя в высокочастотный первый переменный ток, имеющий первое переменное напряжение; (3) повышающий трансформатор для увеличения напряжения выходного сигнала указанного инвертора, создающий второй переменный ток, имеющий второе переменное напряжение; (4) второй выпрямитель для выпрямления указанного второго переменного напряжения; (5) плату управления, содержащую в себе электронные схемы для управления указанным источником питания таким образом, чтобы создать высоковольтные импульсы с частотой по меньшей мере около 1000 Гц; (6) цепь обратной связи по напряжению, содержащую в себе схему регистрации напряжения для регистрации выходного напряжения указанного второго выпрямителя и подачи сигнала о выходном напряжении в указанную плату управления; (7) цепь обратной связи по току, содержащую в себе схему регистрации тока для регистрации зарядного тока, поступающего от указанного второго выпрямителя, и подачи сигнала о зарядном токе в указанную плату управления; (8) устройство цифрового командного управления для подачи команд управления в указанную плату управления; и
Б. Электромагнитный переключатель для осуществления компрессии и усиления электрических импульсов, поступающих с выхода указанного импульсного источника питания. 8. Эксимерный лазер по п. 7, в котором указанная цепь обратной связи по напряжению содержит в себе дифференциальный измерительный усилитель. 9. Эксимерный лазер по п. 7, в котором указанная цепь обратной связи по току содержит в себе дифференциальный измерительный усилитель. 10. Эксимерный лазер по п. 7, в котором указанный второй переменный ток определяет резонансную частоту, и дополнительно содержащий в себе резисторную цепь и средство переключателя для принудительного пропускания указанного зарядного тока через указанную резисторную цепь для уменьшения резонансной частоты вблизи конца каждого зарядного цикла. 11. Лазер по п. 1, дополнительно содержащий в себе выходной ответвитель излучения, имеющий коэффициент отражения по меньшей мере около 20%. 12. Лазер по п. 1, дополнительно содержащий в себе устройство измерения длины волны, причем указанное устройство измерения длины волны содержит в себе устройство контроля длины волны на основе дифракционной решетки, обеспечивающее грубое измерение длины волны, и устройство контроля длины волны на основе эталона, причем оно съюстировано таким образом, что обеспечивает фокусировку оптического изображения, указывающего относительное значение длины волны, на первый участок диодной матрицы, а указанное устройство контроля длины волны на основе эталона съюстировано таким образом, что обеспечивает фокусировку длины волны оптического излучения на иной участок указанной диодной матрицы, отличный от указанного первого участка. 13. Лазер по п. 12, дополнительно содержащий в себе блок атомного эталона для калибровки указанного устройства контроля длины волны на основе дифракционной решетки и указанного устройства контроля длины волны на основе эталона. 14. Лазер по п. 1, дополнительно содержащий в себе средство измерения степени изменения энергии импульса в зависимости от изменения напряжения dE/dV, и устройство компьютерного управления, программа которого содержит алгоритм управления энергией импульса и совокупной суммарной энергией пачки импульсов, определяемой текущими импульсами из пачки импульсов Р₁, Р₂. . . Р_N. . . P_K, P_K+1, Р_K+2. . . P_K+N1, P₁, P₂, . . . P_N-1, P_N, поступающей из указанного лазера, имеющего систему импульсной силовой цепи, содержащую в себе систему высоковольтной зарядки, задающую зарядное напряжение, причем указанный алгоритм включает в себя следующие операции: (1) для каждого P_N определяют отклонение ε энергии импульса от номинального значения на основании измеренной энергии по меньшей мере одного предыдущего импульса из указанной пачки импульсов и предварительно заданного значения энергии импульса; (2) для каждого Р_N в указанной пачке импульсов определяют отклонение D совокупной суммарной энергии всех предыдущих импульсов от P₁ до P_N1 от номинального значения; (3) для каждого из указанных импульсов P_N в указанном первом множестве импульсов определяют зарядное напряжение V_N с использованием: (i) указанного dE/dV; (II) указанного ε; (III) указанного D; (IV) опорного напряжения, полученного, исходя из заданных напряжений для P_N во множестве предыдущих пачек импульсов, в указанной пачке импульсов для импульсов, следующих за Р_K, для каждого импульса Р_К+N осуществляют управление энергией импульса посредством регулировки зарядного напряжения лазера с использованием компьютерного процессора, запрограммированного таким образом, что он выполняет алгоритм, включающий в себя следующие операции: (1) для каждого P_N определяют отклонение ε энергии импульса от номинального значения на основании измеренной энергии по меньшей мере одного предыдущего импульса из указанной пачки импульсов и предварительно заданного значения энергии импульса; (2) для каждого P_N в указанной пачке импульсов определяют отклонение D совокупной суммарной энергии всех предыдущих импульсов от P₁ до P_N от номинального значения; (3) для каждого из указанных импульсов P_N в указанном первом множестве импульсов определяют зарядное напряжение V_N с использованием: (I) указанного dE/dV; (II) указанного ε; (III) указанного D; (IV) опорного напряжения, полученного исходя из заданных напряжений для Р_N во множестве предыдущих пачек импульсов. 15. Лазер по п. 1, дополнительно содержащей в себе средство опоры анода, содержащее в себе клинообразную поверхность для уменьшения величины сил аэродинамического противодействия, возникновение которых обусловлено выходом лазерного газа из указанного вентилятора и его отклонением посредством указанного средства опоры анода.