Уровень техники
Эксимерные лазеры в настоящее время находят все более широкое применение в качестве источника света при производстве интегральных микросхем литографическим способом. Типичный эксимерный лазер на KrF согласно известному уровню техники изображен на фиг.1 и фиг.9. Модуль 2 формирования импульсов выдает электрические импульсы длительностью около 100 нм на электроды 6, расположенные в разрядной камере 8. Электроды имеют около 28 дюймов в длину и отстоят друг от друга примерно на 3/5 дюйма. Типичные лазеры для применения в литографии работают на высокой частоте повторения импульсов, примерно от 1000 Гц до 4000 Гц. По этой причине необходимо, чтобы рабочий газ (состоящий из фтора в количестве около 0.1%, криптона в количестве 1.3%, и, в остальном, неона, выступающего в роли буферного газа) циркулировал в пространстве между электродами. Для этого используют тангенциальный нагнетатель 10, расположенный в разрядной камере лазера. Рабочие газы охлаждают с помощью теплообменника, также находящегося в камере. Промышленные установки на основе эксимерного лазера обычно состоят из нескольких модулей, которые можно быстро заменять, не затрагивая остальные узлы установки. На фиг.1 представлены основные модули, а именно:
лазерная камера 8,
модуль 2 формирования импульсов, состоящий из подмодулей,
выходной ответвитель 16,
модуль 18 сужения линии,
волномер 20,
компьютерный блок 22 управления,
внешние вспомогательные подсистемы,
нагнетатель 10.
Разрядная камера работает под давлением около трех атмосфер. Эти лазеры работают в импульсном режиме на частоте примерно от 600 Гц до 1000 Гц с энергией импульса около 10 мДж и длительностью лазерного импульса около 15 нc. Таким образом, средняя мощность лазерного пучка составляет примерно от 6 до 10 Вт, а средняя мощность импульса составляет около 700 кВт. Обычно лазер предпочитают эксплуатировать в так называемом “пакетном режиме”. В этом режиме лазер выдает “пакеты” примерно из 50-100 импульсов на частоте 1000 импульсов в секунду. Таким образом, длительность пакета составляет примерно от 50 до 100 миллисекунд. В литографических установках, отвечающих известному уровню техники, эксимерные лазеры снабжены схемой обратной связи по напряжению, которая измеряет выходную энергию импульса и автоматически регулирует напряжение разряда, поддерживая нужную (обычно постоянную) выходную энергию импульса. Очень важно точно управлять выходной энергией импульса, поддерживая ее на нужном уровне.
Общеизвестно, что на длинах волны менее 300 нм существует только один общедоступный материал, пригодный для изготовления линзы, используемой в установках для изготовления интегральных схем методом литографии с последовательным шаговым экспонированием. Этим материалом является плавленый кварц. Линзы из плавленого кварца для литографической установки с последовательным шаговым экспонированием не допускают хроматической коррекции. Эксимерный лазер на KrF имеет естественную полосу около 300 пм (полная ширина на уровне полумаксимума). Для отражательной системы (с числовой апертурой (ЧА) > 0.5) в литографической установке с последовательным шаговым экспонированием или в сканирующей литографической установке полоса должна быть сужена до ширины менее 1 пм. Современные коммерчески доступные лазерные системы согласно известному уровню техники могут обеспечивать пучки лазера на KrF с номинальной длиной волны около 248 нм и полосой около 0.8 пм (0.0008 нм). Стабильность длины волны для лучших промышленных лазеров составляет около 0.25 пм. При таких параметрах производители литографических установок с последовательным шаговым экспонированием могут обеспечивать литографическое оборудование с последовательным шаговым экспонированием, обеспечивающее разрешение интегральной схемы около 0.3 микрона. Для повышения разрешения требуется более узкая полоса. Например, сужение полоса до ширины менее 0.6 пм позволило бы добиться разрешения менее 0.25 микрон.
Эксимерные лазеры на фториде аргона, ArF, которые работают на длине волны около 193 нм с использованием газовой смеси, содержащей примерно от 0.08 до 0.12% фтора, 3.5% аргона и, в остальном, неона, являются первыми лазерами, которые использовали в литографическом производстве интегральных схем. Лазеры на F2 выдают лазерное излучение на длине волны около 159 нм. Газовая смесь обычно состоит из 0.1% фтора, а в остальном - из гелия или неона.
В газоразрядном лазере обычно используется предыонизатор для предыонизации газа между электродами до основного электрического разряда. Примерами этих предыонизаторов являются искровые предыонизаторы и коронные предыонизаторы. Искровые предыонизаторы порождают ионы посредством разряда между электродами наподобие автоматической свечи зажигания. Коронные предыонизаторы порождают корону ионов вблизи проводника, находящегося под высоким напряжением. Типичный коронный предыонизатор описан в патенте США № 5337330, включенном в настоящее описание посредством ссылки. Ионизация, вызванная этими предыонизаторами, порождает ультрафиолетовое излучение, которое в свою очередь реагирует с рабочим газом, генерируя значительную совокупность ионов в рабочем газе между электродами. Обычно искровые предыонизаторы порождают ультрафиолетовое излучение более высокой энергии, чем коронные предыонизаторы, но для излучения коронных предыонизаторов характерна значительно более высокая степень однородности.
Известно, что для стабилизации КПД и рабочих характеристик эксимерного лазера, к газовой смеси лазера можно добавлять примерно от 10 до 50 миллионных долей кислорода. Эти добавки повышают эффективность предыонизации лазера. См., например, патент США № 5307364. В качестве газовой добавки для лазера на СO2 был предложен ксенон в малых количествах. См. японский патент JP 601801185, выданный в 1984 г. на основании патентной заявки, поданной 27 февраля 1984 г. В статье 1995 г., озаглавленной "Transmission Properties of Spark Preionisation Radiation in Rare-Gas Halide Laser Gas Mixtures" (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.31, No.12, December 1995), автор рассматривает газовые добавки для повышения эффективности предыонизации лазеров на галогенидах инертных газов. В этой статье идет речь о лазерах, в которых используется искровая предыонизация. Известно, что искровая предыонизация порождает высокоэнергичные фотоны, которые в свою очередь приводят к предыонизации рабочего газа между электродами лазера. Автор подчеркивает, что ионизационный потенциал ксенона слишком велик (т.е. выше, чем предпочтительный ионизационный потенциал ≤ 10 эВ); однако автор предусматривает возможность использования ксенона в малых количествах для лазеров, окно пропускания которых соответствует длине волны ультрафиолета в вакууме < 103 нм, или с энергией фотона, превышающей ионизационный потенциал ксенона, т.е. 12.1 эВ. В этой статье автор приходит к выводу, что фотоны, порожденные в искровом промежутке, обладают энергией менее 10 эВ, и предполагает, что для возбуждения ксенона, если он используется в качестве добавки, можно применять более энергичные фотоны, например, рентгеновские.
Таким образом, фактические характеристики литографического оборудования для производства интегральных схем в значительной степени обусловлены обеспечением минимальной полосы лазера на протяжение его срока службы, а также минимизацией изменения энергии лазера от импульса к импульсу.
Поэтому существует необходимость в надежной, качественной эксимерной лазерной системе, способной к долговременной эксплуатации в заводских условиях и позволяющей тщательно контролировать стабильность энергии импульса, длину волны и ширину полосы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предусматривает импульсный газоразрядный лазер с очень узкой полосой, способный вырабатывать импульсы с частотой примерно от 500 до 4000 Гц, с расширенными возможностями управления дозой энергии и воспроизводимостью. В газовую смесь добавляют в очень малых количествах стабилизирующую добавку, состоящую из кислорода или тяжелого инертного газа (ксенона или радона для лазеров на KrF, или криптона, ксенона или радона для лазеров на ArF или лазеров на F2). Проведенные испытания продемонстрировали существенное повышение стабильности энергии при добавлении в лазер на KrF примерно 30 миллионных долей ксенона. Испытания показали улучшение рабочих характеристик лазеров на ArF при добавлении примерно 6-10 миллионных долей Хе, 40 миллионных долей Кr или от 3 до 10 миллионных долей кислорода. Согласно предпочтительному варианту осуществления, очень узкой полосы для лазера на KrF достигают за счет снижения парциального давления фтора до величины, составляющей менее 0.10 процента, и увеличения коэффициента отражения выходного ответвителя до величины, превышающей 25 процентов. При работе в пакетном режиме рабочие характеристики лазера повышают за счет предварительной импульсной накачки, т.е. обеспечения нескольких импульсов до начала пакета. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения призмы расширения пучка из плавленого кварца, известные из уровня техники, используемые в модуле сужения линии, согласно известному уровню техники, заменены призмами из фторида кальция.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема, содержащая основные элементы промышленного эксимерного лазера на KrF, согласно известному уровню техники используемого для литографического производства интегральных схем.
Фиг.2 - принципиальная электрическая схема полупроводникового блока формирования импульсов.
Фиг.3 - графики, позволяющие сравнить результаты применения полупроводникового блока формирования импульсов и соответствующего блока на тиратроне, согласно известному уровню техники.
Фиг.4 - иллюстрирует график рабочего напряжения на протяжение импульса.
Фиг.5 - иллюстрирует график типичного изменения рабочего напряжения и ширины полосы за период прохождения 800 миллионов импульсов.
Фиг.6 - представляет упрощенную схему лазерной системы на KrF.
Фиг.7 - иллюстрирует схему основного элемента модуля сужения линии.
Фиг.8A-8J - иллюстрирует результаты применения добавки Хе в лазере на KrF.
Фиг.9 - изображает схему промышленного литографического лазера на KrF, согласно известному уровню техники.
Фиг.10 - представляет соотношение между давлением фтора, рабочим напряжением и энергией импульса.
Фиг.11 - иллюстрирует график изменения ширины линии в зависимости от давления фтора.
Фиг.12А и 12В - представляет формы импульса при разных давлениях фтора.
Фиг.13 - иллюстрирует график средней энергии импульса в течение первых 125 импульсов при работе в пакетном режиме при отсутствии кислорода в камере при усреднении данных 50 пакетов.
Фиг.14 - иллюстрирует график, аналогичный фиг.13, характеризующий среднюю энергию импульса при наличии кислорода в концентрации 0, 25 и 49 миллионных долей.
Фиг.15 - представляет иллюстрирующий график статистики “3-сигма” для данных, графически представленных на фиг.14.
Фиг.16 - представляет результаты применения двух газовых добавок на разных частотах следования импульсов.
Фиг.17А и В - иллюстрирует результаты, полученные с применением кислорода и ксенона.
Фиг.18 - представляет результаты, полученные с применением охлаждаемой ловушки в газовом тракте.
Фиг.19А и В - иллюстрирует графики, позволяющие сравнить результаты использования 1, 2 и 10 предварительных импульсов с результатами, полученными без использования предварительных импульсов.
Фиг.20 - представляет график, обобщающий данные, полученные с использованием предварительной импульсной накачки.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Ниже описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
Описание лазера
На фиг.1 показаны основные элементы промышленной установки на основе эксимерного лазера наподобие используемой в настоящее время для литографического производства интегральных схем.
Камера
Разрядная камера 8 представляет собой сосуд, приспособленный для вмещения агрессивных газов под давлением в несколько атмосфер. Эти сосуды разработаны в соответствии с известными стандартами безопасности, например, установленными Американским обществом инженеров-механиков (ASME). Два электрода, разделенные промежутком от 1.2 до 2.5 см, образуют область разряда. Катод установлен на изолирующей конструкции, поскольку на него подают высокое напряжение, тогда как анод присоединен к металлической камере, поскольку является заземленным. Предыонизация осуществляется посредством коронных предыонизаторов, расположенных по обе стороны области разряда. В силу агрессивной природы газа камеры изготавливают из особых металлов, способных противостоять воздействию фтора. Однако фтор все же вступает в реакцию с внутренними деталями камеры, а именно со стенками камеры и электродами; в результате, имеет место потребление фтора и генерация загрязнений в виде фторида металла.
Поскольку лазер работает в импульсном режиме (от 500 до 4000 Гц), важно очищать область разряда между импульсами - для этого предпочтительно использовать тангенциальный нагнетатель, присоединенный ко внешнему приводу посредством электромагнитной муфты. Тепло отводят от рабочего газа посредством ребристого теплообменника водяного охлаждения, расположенного внутри камеры. Пыль фторида металла улавливают с помощью электростатического фильтра, который не показан. Небольшое количество рабочего газа извлекают из камеры и пропускают вдоль отрицательно заряженных проводов, создающих сильное поле для захвата пыли. Газ, очищенный от пыли, выпускают через диафрагмы, чтобы поддерживать их чистоту. Газ, проходящий через фильтр, испытывает перепад давления, возникающий внутри лазерной камеры по причине высокоскоростного течения.
Модуль формирования импульсов
В данном предпочтительном варианте осуществления применяют полупроводниковый модуль формирования импульсов (ППМФИ), схема которого показана на фиг.2. Источник питания на 20 кВ, используемый в тиратронных системах, отвечающих уровню техники, заменен источником питания на 1 кВ. Тиратронный переключатель заменен переключателем в виде КУД (кремниевого управляемого диода), который не запитывает непосредственно Ср, но вместо этого переводит энергию С0 в схему сжатия импульса, образованную C1, C2, С3, повышающим трансформатором и тремя дросселями с насыщением. Данная схема работает следующим образом. Заряд постоянного тока, накопленный на С0, переходит через КУД и дроссель L0 в C1. Дроссель с насыщением, L1, удерживает напряжение на C1 в течение примерно 2.5 нc, а затем начинает проводить ток, обеспечивая перенос заряда с C1 на С2. Второй дроссель с насыщением, L2, удерживает напряжение на С2 в течение примерно 500 нc, после чего обеспечивает переток заряда, накопленного на С3, через первичную обмотку повышающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:20. Заряд, поступающий с выхода повышающего трансформатора, накапливается на С3, пока дроссель с насыщением, L3, не начинает проводить заряд, т.е. в течение примерно 100-150 нc. В конце концов заряд переносится через L3 на Ср и осуществляется лазерный разряд.
Сужение спектра
Согласно вышесказанному полоса (ПШПМ - полная ширина на уровне полумаксимума) эксимерного лазера на KrF в режиме свободной генерации составляет примерно 300 пм. В настоящее время в эксимерных литографических установках с последовательным шаговым экспонированием используются лазеры со спектром, суженным до ширины от 0.8 до 3 пм в смысле ПШПМ, в зависимости от ЧА линзы. Заметим, что спектральная функция энергии и ширина спектра 95% энергии являются более важными рабочими характеристиками литографической установки с последовательным шаговым экспонированием, чем значение ПШПМ. Однако большинство пользователей считают более удобным говорить о ПШПМ, а не о ширине спектра 95% энергии.
Сужение спектра лазера на KrF усложняется за счет малой длительности импульса (ПШПМ 10-15 нc) и того факта, что длина волны лежит в УФ диапазоне. Короткий импульс дает очень высокую плотность потока энергии внутри резонатора (~ 1 МВт/см2), а малая длина волны может приводить к тепловой деформации оптических материалов ввиду их высокого коэффициента поглощения на 248 нм. Кроме того, полное количество полных проходов волны через резонатор (который содержит оптические элементы сужения линии) для типичного лазера мало, примерно, 3-4. Если ширину линии при одном проходе через резонатор обозначить Δλ1, то конечная ширина линии Δλf после n проходов выражается формулой
Поэтому ширина линии при одном проходе для оптической системы должна самое большее вдвое превосходить конечную ширину линии. Фактически время, полученное в спектральных измерениях, проведенных коллегами заявителей, указывает, что спектральную ширину линии можно снизить вдвое от начала импульса до спада импульса. Поэтому эффективность преобразования широкополосного спектра в спектр, суженный до линии, (т.е. от 300 пм до < 1 пм) оптической системы должна быть весьма высокой.
Обычный способ сужения линии лазера на KrF состоит во введении в резонатор оптических элементов с дисперсией по длине волны. Можно использовать дисперсионные элементы трех типов: призмы, эталоны и дифракционные решетки. Использование дифракционной решетки с высокой дисперсией в конфигурации Литтроу является самым простым и эффективным способом сужения спектральной линии. Поскольку дифракционная решетка является дисперсионным элементом, ширина линии пропорциональна расхождению пучка. Чтобы получить узкую линию, требуется малое расхождение пучка. Поэтому согласно предпочтительной конструкции в лазерный резонатор вводят расширитель пучка из 2 щелей и 3 призм. Основные элементы предпочтительного модуля сужения линии показаны на фиг.7. Они включают в себя 3 призмы 30, 32 и 34, настроечное зеркало 36, и эшель 38. Поворот зеркала приводит к изменению длины волны лазера.
Улучшение спектральных характеристик
Заявители и их коллеги спроектировали, собрали и испытали оборудование на основе эксимерного лазера на KrF, отвечающее техническим условиям на ширину линии 0.50 пм в смысле ПШПМ при 95% энергии лазерного пучка в пределах 2 пм. Эти результаты были продемонстрированы на новой, среднего возраста и старой разрядных камерах на протяжении 80 миллионов импульсов, что доказывает способность системы к непрерывной работе в соответствии с этими техническими условиями в течение нормального срока эксплуатации оборудования при обычном техническом обслуживании. Эти результаты демонстрируют улучшение примерно на 50% по сравнению с технологией применения узкополосного эксимерного лазера согласно известному уровню техники.
Для получения этих улучшенных характеристик заявители усовершенствовали как лазерное оборудование, так и рабочие параметры лазера.
Снижение потребления фтора
Согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения в отношении оборудования, собранного и испытанного заявителями, особое внимание уделялось исключению из разрядной камеры материалов, потребляющих фтор. Потребление фтора в разрядной камере происходит из-за реакции фтора с материалами камеры. Продукты этих реакций обычно являются загрязнителями, которые снижают характеристики лазера. Для минимизации потребления фтора данный предпочтительный вариант осуществления предусматривает следующие особые признаки:
стенки камеры выполнены из алюминия, покрытого никелем;
электроды выполнены из латуни;
все металлические уплотнительные кольца используются в качестве сальников;
изоляторы полностью керамические и совместимые со фтором;
предпочтительным для заявителей изоляционным материалом является оксид алюминия;
предусмотрен электростатический фильтр стандартной конструкции для фильтрации загрязнений, возникающих в ходе эксплуатации;
вентиляционный блок приводят в действие мотором, присоединенной к нему электромагнитной муфтой, причем мотор находится вне герметичной разрядной камеры, и при этом используют приемы согласно известному уровню техники;
в процессе производства детали подвергают тщательной очистке для удаления возможных загрязнений;
после сборки камеру пассивируют фтором.
Снижение номинальной концентрации фтора
Данный предпочтительный вариант осуществления предусматривает значительные изменения в процедурах эксплуатации и параметрах лазерной системы для получения нужного выхода с очень узкой полосой. Концентрация фтора снижена с 0.1% (30 кПа) до примерно 0.06% (18 кПа). Полное давление газа равно около 300 кПа (Концентрацию Кr поддерживают на уровне, отвечающем уровню техники, т.е. около 1.3%, а остальную долю рабочего газа составляет неон). В ходе эксплуатации, количество фтора постепенно убывает. Постоянную энергию импульса получают, постепенно увеличивая рабочее напряжение лазера, используя приемы, отвечающие уровню техники. Чтобы компенсировать убывание фтора, периодически (обычно, с интервалами примерно от 1 до 4 часов) впрыскивают смесь фтора и неона, используя приемы, хорошо известные в технике эксимерных лазеров. В ходе этой процедуры предпочтительно поддерживать концентрацию фтора в пределах примерно от 0.055% до 0.065% и поддерживать рабочее напряжение в соответствующем диапазоне, позволяющем обеспечивать постоянную энергию импульсов. Например, согласно предпочтительному варианту осуществления этот диапазон составляет от 670 вольт до 790 вольт.
Повышение коэффициента отражения выходного ответвителя
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения коэффициент отражения выходного ответвителя увеличен с примерно 10%, типичного для узкополосных эксимерных лазеров, согласно известному уровню техники до примерно 30%. Это сделано для того, чтобы скомпенсировать потерю КПД лазера вследствие снижения концентрации фтора.
Переход к призмам из фторида кальция
Изменение коэффициента отражения выходного ответвителя с 10% до 30% приводит к примерно двукратному увеличению интенсивности света, проходящего через модуль сужения линии. Дополнительное тепло, выделяющееся при таком дополнительном освещении в призмах из плавленого кварца, отвечающих уровню техники, вызывает тепловые искажения в призмах. Чтобы решить эту проблему, призмы из плавленого кварца заменили призмами из фторида кальция. Фторид кальция обладает более высокой теплопроводностью и способен выдерживать дополнительную энергию без неприемлемого искажения.
Снижение количества фтора
На фиг.10 представлено соотношение между рабочим напряжением, концентрацией фтора и энергией импульса. Этот график показывает, что по мере снижения концентрации фтора напряжение нужно увеличивать, чтобы поддерживать нужную выходную мощность импульса на уровне 10 мДж. Однако в данном частном варианте осуществления верхний предел рабочего напряжения составляет 800 вольт. Заметим, что при коэффициенте отражения R=10% выходного ответвителя минимальная концентрация фтора, соответствующая выходной мощности 10 мДж, составляет 25 кПа, при этом рабочее напряжение нужно довести до 800 вольт. Однако при коэффициенте отражения R=30% выходного ответвителя допустимо снижение концентрации фтора до уровня около 20 кПа, при этом для поддержания энергии импульса на уровне 10 мДж достаточно рабочего напряжения чуть ниже 800 вольт. На фиг.11 показано, как в действительности влияет снижение концентрации фтора на ширину линии (измеренную по ПШПМ и 95% энергии) для непрерывной последовательности импульсов с частотой повторения 1000 Гц и для пакетов из 500 импульсов с частотой повторения 1000 Гц. В этом конкретном испытании выходной ответвитель имел коэффициент отражения 25%. Типичные формы лазерного импульса для лазерных систем на KrF, отвечающих уровню техники, и этих лазеров на KrF с очень узкой полосой приведены для сравнения на фиг.12А и 12В. Заметим, что для лазеров с очень узкой полосой энергия сдвигается в заднюю часть импульса, что свидетельствует о возрастании доли фотонов, совершивших больше проходов через модуль сужения линии. В результате полная спектральная ширина импульса лазера уменьшается.
Эксплуатация в пакетном режиме
Как указано в разделе “Уровень техники” настоящего описания, типичным режимом работы лазера на KrF является “пакетный режим”, в котором формируют пакеты из примерно 125 импульсов с частотой повторения 1000 импульсов в секунду. Длительность пакета составляет около 125 миллисекунд, и пакеты следуют друг за другом с промежутками, составляющими доли секунды. Лазер на KrF, разработанный заявителями, содержит около 0.017 кубометра рабочего газа, и нагнетатель 10 обеспечивает расход газа между электродами около 0.228 кубометра в секунду. Таким образом, полное время циркуляции газа составляет около 75 миллисекунд; однако течение в камере далеко не однородно, и некоторые части газа циркулируют значительно быстрее. Скорость газа между электродами составляет около 20 метров в секунду, и по оценке заявителей наиболее “быстрый” газ совершает проход примерно за 20 миллисекунд. Заявители обнаружили “эффект подавления”, производимый первым или несколькими первыми импульсами пакета. Этот эффект подавления показан на фиг.13, где представлен график энергии импульса для каждого из 123 импульсов типичного пакета из 123 импульсов, усредненной по 50 пакетам. Имеется резкий спад после первого импульса и еще один глубокий провал после 21-го импульса, т.е. спустя примерно 21 миллисекунду после первого импульса. Этот провал обладает высокой воспроизводимостью, и время его наступления пропорционально скорости вентилятора. Заявители не знают точной причины такого странного и весьма воспроизводимого поведения в первые 40 миллисекунд, но определили его как “эффект подавления” и полагают, что он связан с химическими реакциями, когда “чистый” рабочий газ, проходящий между электродами, “прошивается” напряжением от 16000 до 20000 вольт в течение первого импульса или первых нескольких импульсов. Газ, проходящий между электродами в течение первых 20 миллисекунд, является практически полностью “чистым” рабочим газом, но по прошествии около 20 миллисекунд газ, через который был пропущен электрический ток в течение первого импульса, вновь поступает в пространство между электродами. Спустя примерно 39 миллисекунд после начала пакета газ в лазере полностью перемешивается и эффект подавления исчезает.
Газовые добавки
В своих экспериментах заявители обнаружили, что характеристики лазера можно существенно повысить, добавив определенные газы в весьма незначительных количествах. Из уровня техники известно, что кислород в количестве примерно от 10 до 50 миллионных долей повышает стабильность энергии. Однако такое количество кислорода приводит к снижению выходной мощности, что перевешивает увеличение стабильности. Заявители обнаружили, что кислород в количестве менее 10 миллионных долей обеспечивает значительное повышение стабильности, не приводя к значительным негативным эффектам. Заявители также обнаружили, что добавление тяжелых инертных газов в очень малых количествах обеспечивает существенные улучшения без значительных негативных эффектов.
Ксеноновая добавка
На фиг.8А показано влияние ксеноновых добавок на рабочее напряжение и КПД. КПД лазера снижается примерно на 0.15% при каждом добавлении 1 миллионной доли ксенона, что неприемлемо; однако стабильность энергии оказалась заметно выше при всех концентрациях ксенона, достигла слабовыраженного максимума при концентрации около 30 миллионных долей. Этот максимум не явствует из чертежа. Все последующие испытания были проведены при концентрации ксенона 30 миллионных долей.
На фиг.8В приведена характеристика энергии в зависимости от напряжения. При наличии ксенона энергия оказывается ниже на всем диапазоне напряжений.
Переходные явления в пакетах приведены в сравнении на фиг.8С и 8D. При наличии ксенона перепад энергии снижается, особенно для первых десяти импульсов, что упрощает применение энергетического алгоритма. Главное улучшение, обусловленное добавлением ксенона, было обнаружено в отношении стабильности энергии, которая снизилась для всех номеров импульсов. В этом состоит отличие от влияния кислорода, которое проявляется только при повторном вводе. Фактически в данной камере не наблюдается никакого повторного ввода, поэтому влияние ксенона при повторном вводе нельзя было проверить с помощью этой камеры. Для скорости нагнетателя 4200 об/мин, повторный ввод должен происходить примерно через 20 мс. Заметим, что последующие испытания с камерами, в которых не наблюдается эффект повторного ввода, подтверждают, что ксенон в количестве 30 миллионных долей действительно дает хотя бы небольшое снижение при повторном вводе.
Энергия лазера почти не зависит от частоты повторения (см. фиг.8Е), причем смесь, содержащая ксенон, дает, соответственно, более низкие значения. Напротив, увеличение стабильности дозы при наличии ксенона наиболее заметно при более высоких частотах повторения импульсов. На частоте 1 кГц стабильность энергии, по-видимому, определяется эффектами, не связанными со стабильностью разряда, например, шумом при сборе данных и регулировке высоковольтного источника питания. Мы используем два параллельно соединенных источника питания на 5000 В с подмешиванием сигнала > 3 В. Стабильность дозы в режиме 2 кГц показана на фиг.8F. Добавление 30 миллионных долей ксенона приводит к снижению ошибки дозы примерно на 0.1%. Это существенное улучшение.
Никакого влияния ксенона на какие-либо другие параметры пучка (пространственные профили и расхождение, ширину линии) не наблюдалось. Иногда казалось, что примешивание ксенона приводит к сужению линии. Однако, скорее всего, это был артефакт, обусловленный призмами расширения пучка из плавленого кварца. Приготовление ксеноновой смеси требует больше времени, что позволяет охлаждать призмы. Были зарегистрированы значения ширины линии 0.65 пм для ПШПМ и 1.90 пм для 95%. Возможно ширину линии можно было сузить, используя призмы из CaF2, с учетом их более высоких тепловых характеристик. Сравнение временных профилей импульса при энергии 10 мЦж приведено на фиг.8G. Смесь, содержащая 30 миллионных долей ксенона, обеспечивает типичную форму волны для более высоких зарядных напряжений (667 В, 30 м.д. Хе; 651 В, без Хе), а именно с более острым начальным пиком и меньшей длительностью. Таким образом, при наличии ксенона можно было бы ожидать уширения линии, чего не наблюдалось. Тем не менее, различия очень малы и отражают только один конкретный выброс. К сожалению, не удалось зарегистрировать усредненные профили импульсов.
Обоснование результатов испытаний с ксеноном
Итак, чем обусловлено улучшение характеристик при наличии ксенона и почему для этого улучшения достаточно столь малых его концентраций? Некоторое понимание приходит в результате наблюдения пикового напряжения на конденсаторе Vcp (фиг.8Н). При одном и том же зарядном напряжении Vco = 650 В, пробой в смеси, содержащей ксенон, происходит на 2 нc раньше. Очевидно это объясняется повышением предыонизации. Для ионизации ксенона нужен свет с длиной волны, короче 93 нм, тогда как пороги ионизации криптона и неона составляют 85 нм и 58 нм, соответственно (R.S. Taylor, IEEE JQE v.31, p.2195, 1995). Поэтому ксенон способен воспринимать ту часть излучения коронного разряда, которая в ином случае просто рассеивается. Концентрация ксенона даже в 30 миллионных долей на семь порядков превышает обычное значение плотности электронов, достигаемое в процессе предыонизации. Это значит, что количество атомов ксенона не является ограничивающим фактором. Сечение поглощения ксенона равно 1500 см-1, что обуславливает коэффициент пропускания 50% на глубине 5 см для концентрации 30 миллионных долей при 315 кПа. Это объясняет, почему более высокие концентрации ксенона менее эффективны и почему свет с длиной волны 90 нм оказывается отфильтрованным вблизи ПИ-трубки (трубки предыонизации).
Возможны и другие варианты, например лавинное нарастание тока вследствие более низкого ионизационного потенциала ксенона. Однако низкая концентрация препятствует этому. Еще одна возможность состоит в изменении спектрального состава излучения коронного разряда, что может приводить к полезным результатам. В действительности, разряд при наличии ксенона визуально оказывается гораздо ярче, прежде всего за счет желтых составляющих.
Более высокая степень предыонизации также позволяет минимизировать отношение очистки (характеристика течения газа между электродами в интервале между импульсами). Существует очень небольшое улучшение при более низких зарядных напряжениях (фиг.8I). При 650 В (10 мДж) скорости 3800 об/мин едва достаточно, чтобы предотвратить дуговой пробой ниже по течению, и стабильность дозы повышается при переходе к 4200 об/мин. При 800 В дуговой пробой гораздо сильнее, хотя в значительной мере усугубляется выбросами.
Сохранение эффектов присутствия ксенона при повторных загрузках
С самого начала в экспериментах было обнаружено странное явление: благоприятное воздействие ксенона сохраняется при повторных загрузках. В результате, подробное изучение влияния точной концентрации ксенона было затруднено или, по меньшей мере, требовало много времени. Получилось так, что после запуска лазера со смесью, содержащей ксенон, и повторной загрузке смесью без ксенона стабильность энергии оставалась на низком уровне. Не так хорошо, как с ксеноном, но где-то посередине. Было проведено несколько экспериментов, чтобы понять механизм этого эффекта памяти. Разница в стабильности дозы между действительно безксеноновой смесью и смесью, загруженной с заранее измененными условиями, составляет лишь 0.05%. Эта разница слишком мала, чтобы можно было делать далеко идущие выводы, но позволяет наметить некоторые общие тенденции.
Существуют две возможности: либо ксенон физически сохраняется в камере, либо его присутствие обуславливает долговременное изменение камеры. Такое изменение может заключаться в сглаживании или очистке электродов или диафрагм. Первая повторная загрузка после загрузки ксенона работала четыре часа, и было произведено 2 миллиона выбросов без потери хорошей стабильности. Однако после четырех или пяти повторных загрузок со значительно меньшим количеством выбросов в течение более короткого времени камера полностью возвращается к нормальному состоянию. Это дополнительно подтверждает теорию о том, что ксенон остается в камере. Тот же вывод вытекает из того факта, что простая загрузка ксенона без зажигания лазера также помогает при последующих загрузках.
В отличие от стабильности энергии рабочее напряжение совершенно не зависит от предыдущих условий эксплуатации. Это значит, что в следующую загрузку переносится не очень большая доля ксенона. Можно выдвинуть разные гипотезы относительно того, как ксенон остается в лазере. Поскольку ксенон является очень тяжелым газом, он может собираться, предпочтительно на дне или в фильтре фторида металла (MFT), когда нагнетатель не работает. В этом случае его можно было бы удалить, откачав камеру до давления значительно более низкого, чем имеется в мембранном насосе. Это еще не предотвращает эффект памяти. Можно также предположить, что ксенон, в силу своего большого размера, абсорбируется в пористых материалах или возможных утечках в камере.
Расширенное испытание ксенона
На фиг.8I представлено расширенное испытание в режиме 2 кГц со смесью, содержащей 30 миллионных долей ксенона. Никаких данных в отсутствие ксенона не имеется, так что имеется всего лишь утверждение, насколько хорошо может действовать камера. Полное давление в ходе испытания не возрастает. Ширина линии возрастает в первые 2 часа, обычно из-за нагрева ПСЛ (призмы сужения линии) из плавленого кварца. Потом наблюдается нормальная тенденция к уменьшению ширины линии из-за снижения концентрации фтора. Однако ширина линии продолжает уменьшаться и стабилизируется только после 3 впрысков.
Напряжение продолжает увеличиваться и стабилизируется только после 3 впрысков. В сочетании с данными по ширине линии напряжение возрастает, скорее всего, не по причине каких-либо загрязнений, а просто вследствие обеднения смеси. При возрастании напряжения интервалы впрыска сокращаются, поскольку разряд уже не свободен от выбросов.
В ходе испытания наблюдалось чрезвычайно малое потребление фтора. Сразу после повторной загрузки лазер работал очень долго - 15 часов - и выдал 28 миллионов импульсов без впрыска.
Итак, испытание показало, что при добавлении небольшого количества ксенона к газовой смеси, камера лазера на KrF может работать в соответствии с техническими условиями на ширину линии для 95% энергии и стабильность дозы. Наблюдалось очень малое потребление фтора.
Добавки тяжелых инертных газов в лазере на ArF
Заявители провели эксперименты с добавлением очень малых количеств Кr и Хе к типичной газовой смеси ArF. Типичная смесь состоит на 0.08-0.12% из фтора, на 3.5% из аргона, а в остальном - из неона. Наличие Кr и Хе привело к значительному снижению среднего значения параметра “3 сигма” лазера. Без добавок параметр “3 сигма” лазера составлял около 5%. При добавлении 6-10 миллионных долей Хе параметр “3 сигма” снизился примерно до 4% (улучшение на 20%). В некоторых случаях необходимо наличие Кr в количестве около 40 миллионных долей.
Как и в лазере на KrF, добавки снижали выходную мощность лазера. При одном и том же разрядном напряжении энергия импульса снижалась примерно на 1% в расчете на миллионную долю Хе и примерно на 2% в расчете на миллионную долю Кr. Таким образом, при добавлении 8 миллионных долей ксенона энергия импульса снижается на 8%, и при добавлении 40 миллионных долей Кr выходная мощность снижается примерно на такую же величину, около 8%.
Добавление очень малого количества кислорода
На фиг.14 и 15 показано, как воздействует на эффект подавления в лазере на KrF добавление к рабочему газу предельно малых количеств кислорода. Фиг.14 демонстрирует значительное сглаживание спада энергии, происходящего в течение примерно 22-35 миллисекунд после начала пакета. На фиг.15 показано, что изменение параметра “3 сигма” также значительно уменьшается при добавлении кислорода в пределах от 25 до 49 миллионных долей, но при добавлении 25 миллионных долей энергия импульса снижается примерно на 10%, а при добавлении 49 миллионных долей - примерно на 20%. Заявители установили, что добавление около 5 миллионных долей обеспечивает значительное улучшение стабильности без существенных негативных эффектов.
Лазер на фториде аргона - устранение синдрома повторной загрузки газа с помощью кислорода
Заявители обнаружили, что добавление кислорода также повышает характеристики лазеров на ArF с очень узкой полосой. Заявители выявили эффект, который назвали синдромом повторной загрузки газа. Они обнаружили, что сразу после замены рабочего газа в лазере на ArF с очень узкой полосой лазер работает очень плохо, а именно: энергия импульса и энергия лазера значительно снижаются. Однако постояв ночь, на следующее утро лазер работает в соответствии с техническими условиями.
Этот синдром повторной загрузки газа был устранен путем добавления чрезвычайно малого количества кислорода, например около 2-3 миллионных долей. Таким образом, предпочтительная рабочая газовая смесь для эксимерного лазера на ArF с очень узкой полосой состоит из:
аргона - 3.5%;
фтора - 0.1%;
кислорода - 2-3 миллионных долей;
неона - оставшаяся доля до 3 атм.
Были добавлены дополнительные количества кислорода, но добавление кислорода свыше 5 миллионных долей не дало значительного положительного эффекта. Рекомендуемые пределы добавления кислорода для лазеров на KrF и ArF составляют примерно от 2 до 7 миллионных долей. Рекомендуемые пределы добавления Хе для лазеров на KrF составляют менее примерно 30-40 миллионных долей. Рекомендуемые пределы добавления Кг для лазеров на ArF составляют менее примерно 40 миллионных долей, а рекомендуемые пределы добавления Хе составляют менее примерно 10 миллионных долей.
Результаты дополнительных испытаний
Дополнительные испытания, проведенные заявителями, подтвердили, что малые количества кислорода, предпочтительно менее 10 миллионных долей, и малые количества ксенона, также менее примерно 10 миллионных долей, существенно повышают характеристики лазера на ArF.
Исчерпывающие испытания, однако, не позволили придти к выводу, какая добавка является наилучшей. При очень малых частотах повторения импульсов кислородная добавка работает значительно лучше, чем ксеноновая; однако на частотах повторения свыше 500 импульсов в секунду характеристики оказываются практически одинаковыми. Заявители установили, что при высоких частотах повторения, примерно от 1000 импульсов в секунду до 3000 импульсов в секунду, энергия лазерного импульса оказывается лишь немногим больше при добавлении ксенона, чем при добавлении кислорода в примерно том же количестве и при прочих равных условиях. Испытания также показали, что в обоих случаях выходная энергия импульса снижается при увеличении концентрации любой добавки. Исследуя работу на частоте 3000 импульсов в секунду заявители пришли к выводу, что влияние Хе на более высоких частотах повторения более ярко выражено, чем влияние O2.
Испытания, проведенные заявителями, показали, что ухудшение характеристик при наличии ксеноновой добавки на низких частотах повторения импульсов можно в значительной степени минимизировать, поддерживая расход охлаждающей жидкости через теплообменник камеры. Этот результат навел заявителей на мысль о том, что при разряде возникают химические соединения, которые ухудшают характеристики лазера, но, поддерживая в камере определенную температуру, примерно от 60 до 75°С, этот эффект можно существенно ослабить.
Результаты этих дополнительных испытаний приведены на фиг.16-18. На фиг.16 показаны результаты для лазера на ArF, работающего на частоте повторения импульсов 2 и 3 кГц при температуре газа 70°С. На фиг.17А и В показано, что ксеноновая добавка обеспечивает несколько большую стабильность работы на высокой частоте повторения, чем кислородная добавка. Фиг.18 демонстрирует проблему низкой частоты повторения с ксеноновой добавкой и результат наличия холодного радиатора в газовом тракте.
Предварительная импульсная накачка
Как было описано выше в разделе “Эксплуатация в пакетном режиме” и показано на фиг.13, 14 и 15, при эксплуатации лазера в пакетном режиме возникает эффект подавления, который связан со временем циркуляции рабочего газа. Заявители установили, что некоторые из неблагоприятных результатов эффекта подавления можно минимизировать путем предварительной импульсной накачки лазера. При этом, предусмотрено обеспечение нескольких импульсов до начала каждого пакета. Обычно для улучшения характеристик достаточно лишь несколько предварительных импульсов.
На фиг.19А и В показано влияние на работу лазера на ArF, работающего на частоте следования импульсов 2000 импульсов в секунду, генерация предварительных импульсов за 10 мс до начала генерации пакета. Для сравнения, приведены графики, отвечающие случаям отсутствия предварительных импульсов, 1, 2 и 10 предварительным импульсам. Время прохода газа составляло около 20 мс. На фиг.20 сведены результаты испытаний для предварительных импульсов, показанных на фиг.19. На графике показано, что наличие предварительных импульсов за 10 мс до импульса наполовину сглаживает эффект подавления. Исходя из этих данных заявители рекомендовали генерировать примерно от 1 до 10 предварительных импульсов за 20 мс до начала пакета и, альтернативно, за 10 мс до начала пакета. Эти предварительные импульсы обеспечивают небольшое повышение стабильности энергии при эксплуатации в пакетном режиме.
Заявители рассмотрели также аналогичные благоприятные воздействия на стабильность энергии при предварительной импульсной накачке в лазерах на KrF.
Хотя этот лазер с очень узкой полосой был описан со ссылкой на конкретные варианты осуществления, заметим, что изобретение допускает разнообразные адаптации и модификации. Хотя заявители не испытывали в своих лазерах радон, они пришли к тому выводу, что очень малые количества радона повышают стабильность энергии без существенных негативных эффектов. Радон легче ионизовать, чем любой другой инертный газ, и он не образует устойчивых соединений со фтором. Поэтому он будет вести себя как ксенон в лазере на KrF и криптон в лазерах на ArF и KrF, способствуя предыонизации. Заявители ожидают, что наилучшая концентрация радона будет аналогична рассмотренным выше для Хе и Кг. Например, источники кислорода могут представлять собой чистый кислород или любой кислород из упомянутых в патенте США 5307364. Кроме того, источник кислорода может быть твердым, например оксид алюминия или калий, который может содержаться в среде камеры, и выделением кислорода можно управлять с помощью температуры. Характеристики лазеров на F2 можно также улучшить за счет добавок вышеописанных типов и в вышеописанных количествах. Лазер на F2, в сущности, подобен вышеописанным лазерам на KrF и ArF, за исключением того, что предпочтительный рабочий газ представляет собой смесь F2 в количестве около 0.1% и, в остальном, гелия. Лазер на F2 без газовой добавки описан в заявке №09/237446, поданной 19 марта 1999 г., которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки. Таким образом, объем изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения и ее официальными эквивалентами.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2503104C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2519867C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2510110C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2510109C1 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР | 2012 |
|
RU2507653C1 |
| РАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА | 2013 |
|
RU2559029C2 |
| РАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА | 2013 |
|
RU2548240C1 |
| РАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ЛАЗЕРА С ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ | 2013 |
|
RU2559172C2 |
| ЛАЗЕРНЫЙ ЛИТОГРАФИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК СВЕТА С ДОСТАВКОЙ ПУЧКА | 2002 |
|
RU2340057C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2012 |
|
RU2506671C1 |
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к эксимерным лазерам с узкой полосой излучения с частотой импульсов 500-2000 Гц. Лазер содержит лазерную камеру, выполненную из материалов, совместимых с фтором, и содержащую два протяженных электрода, по меньшей мере, один предыонизатор и рабочий газ, развивающий полное давление и состоящий из первого инертного газа, фтора, буферного газа и стабилизирующей добавки, которая содержит кислород в количестве менее чем 10 миллионных долей или второй инертный газ, более тяжелый, чем первый инертный газ, в количестве до 40 миллионных долей. Очень узкой полосы лазера на KrF достигают снижением парциального давления фтора до величины менее 0,10% и увеличением отражения выходного ответвителя до величины свыше 25%. Обеспечено повышение стабильности энергии лазера. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 20 ил.
| US 5307364 А, 26.04.1994 | |||
| СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА | 2002 |
|
RU2244852C2 |
| US 4348647 А, 07.09.1982 | |||
| Эксимерный лазер на галогенидах инертных газов | 1988 |
|
SU1720114A1 |
