可靠的、模块化的、制造质量的窄带KrF激子激光器的制作方法

专利名称：可靠的、模块化的、制造质量的窄带KrF激子激光器的制作方法
本申请是1998年3月4日提出的，申请号为09/034，870的“激子激光器的脉冲能量控制”；1997年12月22日提出的，申请号为08/995，832的“具有精细数字调整的脉冲电源的激子激光器”；1997年4月23日提出的，申请号为08/842，305的“极窄带KrF激光器”；以及1996年3月29日提出的，申请号为08/625，500的“用于激光器的低成本电晕预电离器”的部分继续申请，所有这些申请在此引作参考。本发明涉及激光器，尤其涉及窄带KrF激子激光器。
背景技术：
当前KrF激子激光器正成为用于集成电路平板印刷工业的工作光源。在

图1和图2中描绘在生产集成电路中使用的典型的现有技术的KrF激子激光器。在图3中示出现有技术激光器的激光器腔(laser chamber)的横截面。由高压电源3供电的脉冲功率模块2把电脉冲提供给位于放电腔8中的电极6。电极长约28英寸并且分开的间距约为3/5英寸。典型的平板印刷激光器在约1000Hz的高脉冲速率下工作。为此，必须使激光气体(约0.1％氟、1.3/5氪和余下的为氖，其作用是作为缓冲气体)通过电极之间的空间循环。这是由位于激光放电腔中的切向鼓风机(tangential blower)10来完成的。使用也位于腔中的热交换器11和安装在腔外的冷却板13使气体冷却。如图3所示，冷却板13和热交换器11用的冷却水从进水口40进入和从出水口42流出。由线变窄模块18使KrF激光器的自然带宽变窄。工业用激子激光器一般包括几个可以快速更换但不影响系统的其余部分的模块。在图2中示出主要的模块，包括激光器腔8；脉冲功率模块2输出耦合器16；线变窄模块18；波长计20；
计算机控制单元22。
把这些模块设计成独立的单元以便快速更换，当进行维修时使激光器停机的时间最短。电极6由阴极6A和阳极6B构成。在该现有技术实施例中，阳极6B由阳极撑条44支撑，阳极撑条长约28英寸并在图3中示出它的横截面。在该视图中是顺时针的流向。阳极撑条44的一个角和一个边缘起引导风叶的作用，迫使来自鼓风机10的空气在电极6A和6B之间流动。在46、48和50处示出现有技术中的其它的引导风叶。穿孔的电流返回板52有助于阳极6B接地到腔8。板上有大的穿孔，这些孔位于激光气体流的通路上，以致该板基本上不影响气体流。脉冲功率模块2在每个脉冲之前使电极放电电容器54充电。在电容器54上建立电压期间，通过两个预电离器56产生强电场，它产生在电极6A和6B之间的离子场，当电容器上的充电达到16，000伏时，电极之间产生放电而产生激子激光器脉冲。随着每个脉冲，鼓风机10产生的气体流足以在电极之间及时地提供新鲜激光气体，以供给1.0毫秒之后发生的下一个脉冲。
放电腔在约3个大气压下工作。这些激光器工作于诸如1000Hz这样高的重复率的脉冲模式。每个脉冲能量约为10mJ(毫焦耳)。
在低于300nm的波长上，存在数种可用的光学材料，用于构造芯片平板印刷使用的步进透镜(stepper lens)。最普通的材料是石英玻璃。全石英玻璃步进透镜没有色彩校正能力。KrF激子激光器具有约300pm(半峰全宽)的自然带宽。对于折射透镜系统(具有NA＞0.5)，或是步进的或是扫描器的，必须使该带宽降低到1pm之下以防止色差(chromatic aberration)。现有技术可得到的工业用激光系统可以提供额定波长约248nm的KrF激光束，其带宽约为0.8pm(0.0008nm)。最佳工业用激光器的波长稳定性约为0.25pm。步进器制造者用这些参数可以提供步进器设备，以提供0.3微米的集成电路分辨率。
诸如激子激光器之类的电子放电激光器要求高电压电源。在图4中示出激子激光器的典型的现有技术的简单电子电路。电子电路包括磁开关电路和用于磁开关电路的电源。在图2和图4中，3处示出表示激光器用的1kV现有技术电源的方框。在图5A中示出现有技术电源的更详细的说明。在典型的现有技术系统中，电源2提供约600伏，持续约0.2毫秒，频率约1000Hz的高电压脉冲。在图4中所示的磁开关电路压缩并放大这些脉冲，以产生跨越如图4所示的激光器的电极的电子放电。跨越电极的这些放电脉冲一般约为16，000伏，其持续期约为70ns(毫微秒)。
当激光器工作于特定的重复率(诸如1000Hz)时，维持恒定的电源输出电压是激光器供货者的一种竞争。当激光器工作于脉冲串(burst)模式时，使该任务变得更困难。典型的脉冲串模式是这样的一种模式，其中要求激光束在脉冲串期间(脉冲串由几分之一秒到数秒的“死区时间”分开)，在1000Hz速率处产生约110个脉冲的脉冲串。当工作于连续模式时，输出电压约在0.6％(约3到3.5伏)的范围中变化以保持相当恒定的输出脉冲能量。当工作于脉冲串模式时，在开始的数个脉冲(最多约40个脉冲)期间，约变化2.5％(约12到15伏)，脉冲能量变化的控制不是一样好。
在一般的平板印刷激子激光器中，反馈控制系统测量每个脉冲的输出激光能量，确定与所要求的脉冲能量的偏离程度，然后发送一个信号到控制器以调节电源电压，以致接着的脉冲的能量接近所要求的能量。在现有技术中，该反馈信号是一个模拟信号，该信号遭遇到激光器环境产生的噪声。该噪声会造成提供错误的电源电压，结果又造成输出激光脉冲能量的变化增加。
一般要求这些激子激光器连续工作数月，每天工作24小时，每周工作7天，仅短暂地停机以进行计划保养。这些现有技术激光器的一个问题是鼓风机轴承已经过度地磨损并偶然失效。
在图6中描述在图2中示出的现有技术波长计模块。波长计使用光栅进行波长的粗测量，以及一个标准具进行波长的细测量，包含一个离子蒸汽吸收元件，以提供对波长计的绝对标定。现有技术装置集中在来自线性光电二极管阵列上的光栅的粗信号，所述线性光电二极管阵列在标准具产生的一组干涉环中心。挡住标准具产生的中心干涉带以允许光电二极管阵列检测粗光栅信号。对于波长测量，现有技术波长计不符合所要求的精度要求。
诸如上述一个的现有技术激光器是极可靠的，在需要进行主要的维修之前产生无数个脉冲，但是集成电路制造者坚持要更好的性能和可靠性。因此，存在对于能够进行长期工厂工作和具有小于0.2pm的波长稳定性和小于0.6pm带宽的可靠的制造质量的激子激光器系统的需求。
发明概要本发明提供可靠的，模块化的，制造质量的窄带KrF激子激光器系统，能够以1000Hz产生带宽约为0.6pm或更小的10mJ的激光脉冲。
本发明特别适合于集成电路的平板印刷生产中进行长期的日夜工作。在现有技术激光器上的改进包括单个上游预电离器管和隔音板(acoustic baffles)。一个较佳实施例包括降低氟浓度；阳极支撑条的形状，以降低在鼓风机轴承上的空气动力学作用力；改进的脉冲功率系统，提供更快的脉冲上升时间；极大地增大反射率的输出耦合器；带有CaF棱镜光束扩展器的线变窄模块；更精确的波长计；用新的和改进的脉冲能量控制算法编程的激光计算机控制器。
附图简述图1是现有技术商业化KrF平板印刷激光器的图；图2是示出用于集成电路平板印刷的现有技术商业化KrF激子激光器的主要元件的图；图3是图2所示激光器的激光器腔的图；图3A是示出表明本发明较佳实施例特征的激光器腔的图；图4是固态脉冲功率电路的简化电路图；图5A是典型的现有技术电源的电路图；图5B和图5C是现有技术反馈电路的电路图；图6是现有技术波长计的图；图7是示出较佳预电离器管的特征的图；图8A和8B是较佳反馈电路的图；图9是示出表明本发明的较佳实施例特征的电路图；图10是示出表明改进波长计的特征的图；图11A和11B是描述图10的波长计的功能的曲线图。
较佳实施例的详细描述较佳实施例本发明的一个较佳实施例是在图1、2、3、4、5A、5B、5C和6中所描述的激光器的改型。该较佳实施例包括下列改进较大的单管预电离器代替现有技术中双管预电离器组合，以提供更高的效率、更好的预电离和改进的电极之间激光气体流动；提供隔音板，使电子放电造成的声学冲击波的负面影响最小；改进了现有技术的阳极支撑条，极大地降低了在鼓风机轴承上的空气动力学作用力；降低氟浓度，以提高脉冲质量；改进了固态脉冲功率系统，以产生更快的上升时间、提供更一致的脉冲、并提高在更高频率下的激光器效率；更精密地控制脉冲功率系统的充电电压；已经使输出耦合器的反射率翻倍到20％，极大地减小输出脉冲的带宽；用CaF棱镜代替了石英玻璃棱镜，以提供好得多的热稳定性；提供改进的波长计，可提供对额定波长和带宽的更精确测量；以及用新算法编程的计算机控制器，提供对脉冲能量和脉冲串能量的更进步控制。
腔的改进单个预电离器管如图3A所示，单个较大的预电离器56A管已经代替示于图3的两个预电离器管56。单管预电离器是根据1996年3月29日提出的申请号625，500的美国专利申请的描述而制造的，这里引用该专利作为参考。申请人已经发现一个预电离器管不但足够，而且还极出其不意地提供胜过两个预电离器设计的改进性能。在本实施例中，把预电离器放在电极的上游。申请人并未充分理解改进性能的原因。然而，申请人相信，现有技术中下游预电离器可能吸引在足够长的一个脉冲中产生的离子并延迟这些离子的消除，这些离子会干扰约1毫秒之后的下一个脉冲输入(在一个kHz激光器中)。还有，申请人相信，缺少与单管预电离器相关的对称性可能是观察到脉冲-脉冲稳定性改进的一个原因。
参考图7，该预电离器使用集成管设计，具有套管元件180与反跟踪槽170，作为管的真正一体化元件装在其中。现有设计使用双直径设计，为了制造的目的，需要一接合过程，将套管元件和管元件连接在一起。恒定直径、较厚的管设计是违背传统设计规则的，这种设计由于电容量较低，可以预测会降低电离。在大多数设计中，管的厚度与所选择的材料的介电强度有关。熟悉本技术领域的人员将理解，通常是通过选择最高介电强度的材料并确定与这一容量相匹配的壁厚度来确定给定几何形状的管的最佳性能。例如，已知一种蓝宝石材料具有从1200伏/密尔(volts/mil)到1700伏/密尔的范围的介电强度。因此，对于0.035英寸厚度的管，如果激光器工作在25kV，安全系数则为2。根据本发明，在单件结构中使用介电强度较小的一种材料，就需要较厚的管壁。理论上，该设计产生较小的电容。然而，在所测量的电极间隙的几何结构的辐照中惊人增加，这一降低电容对激光器工作的实际影响发现是微不足道的。由于恒定的直径、较厚的管壁、一体化的套管设计，可以加工单件材料，以提供反跟踪槽170。此外，由于单件结构，不需要使用超纯(即99.9％)的多晶半透明氧化铝陶瓷；不需要进行困难的管的几何形状的表面抛光，准备用扩散结合来人工产生套管180与管145之间的一体化的关系。实际上，已经确定高纯度并不是象材料多孔性那样重要的特性。已经发现，多孔性越大，介电强度降低得越多。结果，可以使用一种工业级别的陶瓷，纯度最好至少为99.8％，并且是多孔性的，诸如Coors陶瓷公司制造的，材料号为AD-998E，并具有300伏/密尔的介电强度的材料。如上所述，在其中放置反跟踪槽170的套管180的作用是防止高压沿管表面从阴极到接地平面160轴向跟踪。
隔音板申请人已经发现，由窄带1000Hz激子激光器产生的激光束的质量降低的一个明显的原因是声冲击波，脉冲的电子放电产生了所述声冲击波，在1000Hz激光器中，该脉冲从腔结构的元件反射回电极之间的空间，并使1.0毫秒以后发生的下一个脉冲的激光束畸变。这里图3A所描述的实施例，通过在激光器腔的两侧提供有角的、开槽的隔音板60和62，使该影响减至最小。这些隔音板吸收一部分声能量并把一部分声能量向下反射到激光器腔的较下面的区域以离开电极。在该较佳实施例中，由经加工的金属结构构成隔音板，具有0.1密尔宽的槽，0.3密尔深且间隔0.2密尔的间距；在图3A中在隔音板60中的61处示出0.3密尔深的槽。
读者应注意，如图3A所示，在激光器腔的左侧的隔音板和示于右侧的隔音板基本上相同，除了左侧的隔音板在激光器的当中中断，以容纳气体纯化出气端口结构64。把出气端口表示为65。把该出气端口放置在激光器腔的中心，因此，在图3腔的中心截面图中突出地出现。实际测试已经表示这些隔音板基本上降低了由声冲击波引起的脉冲质量畸变。
阳极支撑条如图3所示，阳极支撑条44强迫来自鼓风机10的气体流在电极6A和6B之间流动。然而，申请人已经发现，诸如图3所示的现有技术设计的支撑条44在鼓风机上产生潜在的空气动力学反作用力，该力会传递到鼓风机轴承上造成腔振动。申请人怀疑这些振动力是造成轴承磨损和偶然可能的轴承失效的原因。申请人已经试验另外的设计，在图12A-12E中示出几个这样的设计，所有这些设计在每次叶片在支撑条44的近边通过时引起反作用力的较长时间周期的干扰下都能降低空气动力学反作用力。申请人的较佳设计示于图3A。
较低的F2浓度本发明的实施例可以在较宽的氟浓度范围中工作。在本较佳实施例中，为了得到改进的激光器脉冲质量，较佳的F2浓度基本上低于现有技术KrF激光器中的F2浓度。在1997年8月20日提出的，申请号为08/915，030的美国专利申请中描述选择工作范围的较佳方法，这里引用该申请作为参考。
在申请人已经建立并测试的本发明的较佳实施例中，极仔细地排除消耗放电腔中的氟的材料。在放电腔中的氟的损耗是由于氟和腔中的材料起反应。这些反应一般产生造成激光器性能降低的杂质，就要求增加氟的浓度(或放电电压)来保持所要求的输出能量。为了使氟的消耗最小，本较佳实施例包括效率特定的特征腔壁是涂镍的铝；电极是黄铜；全部采用金属O形环作为密封；隔离器全部是陶瓷的并且是氟兼容的；氧化铝是申请人的较佳的隔离器材料；如同在现有技术设计中那样提供一个静电过滤器，以滤除在工作期间产生的杂质；使用现有技术用置于密封腔外面的磁-耦合马达驱动风扇单元；
在制造期间，精细地清理各部件以除去潜在的杂质；在装配之后，用氟使腔钝化。
为了得到所要求的极窄带输出，较佳实施例要求激光系统的操作过程和参数有本质上的变化。氟浓度从0.1％(30kPa)降低到约0.08％(24kPa)。总的气体压力约为300kPa。(Kr的浓度保持在约1.3％的现有技术水平，而其余的激光器气体是氖)。在工作期间，氟将逐渐被消耗。根据现有技术，通过逐渐增加激光器工作电压而得到恒定的脉冲能量。根据在现有技术激子激光器中众知的技术，周期性地(一般以约1到4小时的时间间隔)注入氟的混合物(约1.0％氟，1％氪和98％氖)以补偿氟的消耗。在该过程期间，最好把氟的浓度保持在0.08％和0.065％之间的范围内，并把工作电压保持在相应的范围内以适合于保持恒定的脉冲能量。例如，在一个较佳实施例中，该范围是600伏到640伏。
脉冲式电源改进本实施例包括经改进的脉冲电源。图5是现有技术电源的方框图，用于提供高频、高压脉冲，对当前的工业用平板印刷激子激光器供电。电源的主要元件是可控硅整流器110，供给208V的交流电，输出高达300V的直流电；过零转换的10kW倒相器112，它把直流电压转换成60kHz频率的电压；10kW升压变压器114，它把电压升到交流1000V；以及带并联开关的10kW/1kV输出级二极管整流器116。控制板118提供电源的控制；控制板118接收来自外部控制单元120的指令，该控制单元120提供来自操作者的模拟信号和根据激光器脉冲能量的反馈控制。如在图5A中的124和126处所示，通过电压和电流反馈信号也向控制板118提供模拟输入。接口逻辑电路122提供数字接口指令，该指令可能由平板印刷步进器机器的控制处理器提供的。如在图5A中所示，控制板118接收来自整流器116的反馈电压和电流输出信号。控制板118使用这些信号作为反馈信号以控制电源输出。当已经使Co充电到所要求的电平时，控制板118的电路中断如图9所示的倒相器112的工作并起动在如图9所示的整流器116中的并联开关S2。
电路变化申请人已经发现，在现有技术电源单元中的脉冲串工作期间，在电流反馈电路中的谐振频率正在产生潜在的电压瞬变。为了减小这些瞬变，申请人改变在电流反馈控制电路中的两个电阻器，如图8B和现有技术的图5C的比较所示。特别，把10kΩ电阻器变成30kΩ的电阻器并把4.75kΩ电阻器变成100Ω的电阻器。如同在将在下面讨论的脉冲串模式工作期间，这些次要的改变造成瞬变电压明显地降低。
数字命令控制申请人发现，与系统相关联的噪声源使现有技术模拟电压命令电路退化。对该问题的解决方案是把命令控制转换成数字信号，把该数字信号发送到电源单元并在该电源中通过数模转换器28转换成模拟信号，如同8A所示，并如在图9中所示，使二极管整流器16并联开关S2工作以快速控制电源电子线路。在本较佳实施例中，通过差分装置放大器32处理在Co上的反馈电压，并和从电压命令单元120发送来的数字电压控制信号相比较，为了得到跳闸信号以使整流器116并联开关S2工作而禁止倒相器112的工作。把命令电压以12位的格式发送到电源，它提供0.025％的精度。将如下所述，这个改变还提供在瞬变变量中的另外的主要的降低。
差分装置放大器在第一较佳实施例中对现有技术电源的其它的重要改进示于图8A和8B。已经用差分装置放大器代替了现有技术装置的简单的缓冲器电路。还通过差分装置放大器处理反馈电流信号并和图8B所示的电流设置点进行比较，以向倒相器控制电路提供模拟命令信号。该比较器电路是标准的现有技术比较器，用于在脉冲的充电周期期间产生所要求的“S”曲线电流(即，在周期的开始和结束处的小电流和在周期中间的大电流)。
在充电结束时减小充电电流斜率Co的充电速率是极快的，在约500微秒中约600伏。因此，对于恒定的充电速率，起动并联开关S2和停止倒相器112的工作的定时是极严格的。为了放宽该定时的要求，申请人已经修改了电源电路，在最后约5％的充电周期期间，使降低对Co充电的电流的有效频率和幅度。为了做到这一点，申请人在整流器单元116增加了一个电阻器。一个20Ω的无感电阻器R*代替在整流器116中的常规的20Ω电阻器。还有，在充电周期的最后几个倒相器周期期间，把第二个20Ω的无感电阻器R*通过开关S1开路处插入电路，如图9所示。这是通过一个控制电路(未示出)来完成的，该控制电路基本上和在图8A中所示出的控制电路相同。该电路还使用在改变成模拟和Vfb信号之后的经转换的命令信号，但是用电阻分压器把命令信号衰减约5％，以致当电压约为命令电压的95％时增加了额外的电阻。在Co上的电压达到它的所要求的值之前的数微秒使用所产生的信号使S1开路。在充电周期的最后5％期间，这些改变保证电流充电Co的频率被降低到约为1/2，而幅度可以被降低到1/3到1/4。对于充电的最后几个倒相器周期，频率和幅度的降低已经产生显著的充电电流的降低，而这和现有技术电路相比允许更精确地关断充电周期。
输出耦合器在本发明的本实施例中，已经使输出耦合器的反射率从一般的现有技术窄带激子激光器的10％约加倍到20％左右。这样做有助于因氟浓度的降低而造成的激光器效率损失，在激光器的腔体中提供更多的反馈以降低激光器的带宽。
氟化钙棱镜输出耦合器的反射率变化从10％到20％具有使通过线变窄模块的光约翻一倍的作用。在现有的石英玻璃棱镜中由这一附加照明产生的附加热量在棱镜中引起热畸变。为了解决这个问题，用氟化钙棱镜代替石英玻璃棱镜。氟化钙具有更高的热导率，能够对付附加能量，而不会有不能接受的畸变。
改进的波长计本发明提供在额定波长值的精度、波长的稳定性和带宽中的波长质量的主要改进。这些在光束质量中的改进已经造成对于较佳波长计的需求。因此，在本发明的实施例中包括较佳波长计。可以参考图10来描述波长计。波长计和图6所示的现有技术波长计相似而且可以和其比较。
部分来自激光器腔的输出光束和反射镜70相交，该反射镜通过约95.5％的光束能量并反射约4.5％。
反射镜71把反射光束的约4％反射到能量检测器72，该能量检测器包括一个极快速的光电二极管69，所述光电二极管能够测量以每秒1000的速率产生的独立的脉冲的能量。脉冲能量约为10mJ，而把检测器72的输出馈送到计算机控制器22(图2)，为了限制都将在此后描述的独立的脉冲的能量变化和脉冲的脉冲串的组合能量的变化，所述计算机控制器使用特殊的算法(下面描述)来调节激光器充电电压，以根据所存储的脉冲能量数据精确地控制未来脉冲的脉冲能量。
反射镜73反射通过反射镜71的光束的约4％，使之通过狭缝77到反射镜74，到反射镜75，返回反射镜74并到eschelle光栅76。具有458.4mm焦距长度的透镜78使光束聚焦。从光栅76反射的光通过透镜78返回，再从反射镜74反射，再从74和75，然后从反射镜79反射并聚焦到左侧的线性光电二极管阵列80。在光电二极管阵列上的光束位置是输出光束的相对额定波长的粗测量。通过反射镜73的光束的约90％从反射镜82反射，通过透镜83到标准具84，激励标准具的光束通过在标准具中的458.4mm焦距长度透镜聚焦，并在如图10所示地反射离开两个反射镜之后，在线性光电二极管阵列80的中间和右侧产生干涉带。
光谱仪必须基本上实时地测量波长和带宽。因为激光器的重复率可能是1kHz或更高，为了用经济的和小型的电子线路来得到所要求的性能，必须使用正确的但是没有计算强度的算法。对照浮点数学使用整数的量和操作全部是线性的(或使用平方根、正弦对数等)现在将描述在本较佳实施例中使用的算法的特定细节。图11B示出具有5个峰的曲线，它表示线性光电二极管阵列所测量的一般的标准具干涉带信号。中央峰画得比其它的峰低。当不同波长的光进入标准具时，中央峰就会上升和下降，有时趋向零。这方面反映出中央峰不适合于本发明的目的。根据波长的变化，其它峰会移向中央峰或从中央峰移开，所以这些峰的位置确定了波长，而它们的宽度测量激光器的带宽。在图11B中示出标有数据窗的区域。放置数据窗，以致通常使用最接近中央峰的干涉带来进行分析。然而，当波长变化使干涉带移动到太接近中央峰时(这会引起畸变并造成误差)，第二个最接近的峰将在数据窗内，而软件将跳到那个峰。相反地，当波长偏离使当前峰移动到数据窗外面离开中央峰时，软件将跳到数据窗内的里面的干涉带上。
所涉及的步骤如下在激光射入之后，从电学上读出光电二极管阵列并数字化。由光电二极管阵列元件的间距物理地确定的间隔来分开数据点，一般是25微米。
搜索数字数据以找到在数据窗中的峰值。以前的峰的位置作为起始点。搜索起始点左和右的小区域。通过左和右的小间隔延伸搜索区域直到找到峰。如果峰在数据窗的外面，则自动地继续搜索直到找到其它的峰。
根据峰的高度，计算50％高度。这在图的顶部示出。周期性地测量峰之间的0％高度。根据所计算的50％高度，检查峰左和右的点直到找到50％高度的边界上的点。在50％高度的边界上的每对点之间用线性内插法计算，以寻找在图11A中标有A和B的左和右半-最大位置。对象素的一部分(诸如1/16)仍使用整数数据格式来计算这些位置。
1．步骤2和3是对两个数据窗重复的，给出总数为4的内插50％位置。如图11B指出，计算了两个直径。D1是内干涉带直径，而D2是外干涉带直径。
2．通过乘以适当的定标系数把D1和D2值转换到波长。
3．以(D2-D1)/2来计算激光器的带宽。施加线性校正系数来计算加到实际激光器带宽上的标准具峰的固有的宽度。数学上，去卷积算法是从所测量的宽度中除去固有宽度的形式，但是这样的计算强度太大，所以应用提供足够精度的线性近似法。
4．以(D2-D1)/2 MOD 20来计算激光器的波长，其中MOD是模块操作符，而20是标准具的自由光谱范围(FSR)(峰之间的空间)。MOD操作符是合适的，因为每20pm重复干涉带图形，或不管在使用的标准具的FSR是什么。
5．为了计算绝对波长，还进行波长的粗测量，它仅要求具有+/-10pm的精度。例如，可以测量得粗波长为248.35nm，而标准具波长指示可能是X.X5731，其中X表示由于模块操作而未确定的数字。注意，有一位数字重叠了两个读数，在本情况中是5。使用用于粗计算和标准具计算两者的重叠数字协议来验证自身的一致性。
通过反射镜82的光束部分的约10％从反射镜86反射到光纤输入88，而光通过光纤传播到原子波长基准(atomic wavelength reference)90。光纤在开口91处连接到原子基准单元90，来自光纤的光反射离开反射镜92，并通过透镜93聚焦到在氖铁蒸汽单元94中心的聚焦点上，再通过透镜95聚焦到光电二极管96上。使用原子波长基准单元90来标定波长计20A。这是这样地完成的，即通过调节激光器的波长而同时保持检测器69示出的输出能量不变，并同时监视光电二极管96的输出。当光电二极管96指示输出明显地降低，而光电二极管69指示额定输出时，输出波长必须相应于248.3271nm的铁蒸汽吸收线。当光电二极管96的输出最小时，检测相应于标准具干涉带的位置数据和相应于光栅76在线性光电二极管80上产生的图象的位置数据，并通过计算机控制器22记录，而计算机控制器22使用该数据来标定波长计20A。
脉冲能量控制算法工作模式-芯片平板印刷本发明的实施例包括具有新算法的计算机控制器程序，该算法明显地减少现有技术的脉冲能量和总积分脉冲串能量的变化。下面描述经改进的设备和软件以及用于降低能量∑和脉冲串剂量的偏差的较佳过程。
如本说明的背景部分所述，在平板印刷制造集成电路中，脉冲串模式是用作为分档机的光源的激子激光器的典型工作模式。在该模式中，使激光器工作，以产生在1000Hz速率处的脉冲的“脉冲串”，在约110毫秒中产生110个脉冲来照射一部分基片(wafer)。在脉冲串之后，步进器移动基片和掩模，一旦经过几分之一秒完成了该移动，激光器产生另外的110个脉冲脉冲串。因此，正常的工作是由几分之一秒的死区时间跟随着的约110毫秒的脉冲串。在各种时间上，将提供较长的死区时间周期，以致可以完成其它的工作。该基本过程一天24小时，每周7天，连续进行数月，激光器一般每天要产生数百万个脉冲串。在上述脉冲串模式中，通常重要的是在每个脉冲串上，基片的每个部分接收相同的照射能量。还有，芯片制造者希望脉冲到脉冲的变化最小。
本发明的较佳实施例中用设备和软件来完成这些目标，这些设备和软件监视每个脉冲(脉冲N-1)的能量，然后根据a的结果控制下一个脉冲(脉冲N)的能量(1)比较脉冲N-1的测量能量与目标脉冲能量；以及(2)比较通过脉冲N-1的脉冲串的积累量与通过脉冲N-1的目标脉冲量。
在典型的KrF激子激光器中，我们已经讨论过由于在激光气体中的暂态效应，最初30-40个脉冲的能量一般没有其余的脉冲串稳定。在第一个脉冲之后约40ms，在恒定电压下的脉冲能量是相当地恒定的。在处理这些早期的波动中，申请人已经把脉冲串分成两个时间方向区域，把第一个区域(包括许多早期的脉冲，例如，40个脉冲)称为“K”区域，而在本说明中申请人把第二个区域(包括接在“K”区域的脉冲的后面的脉冲)称为“L”区域。
本发明的实施例使用用于能量控制的现有技术激子激光器设备。如图10所示，光电二极管69测量每个脉冲串的每个脉冲的脉冲能量。该光电二极管阵列的响应时间小于1毫秒。存储从每个约20ns脉冲产生的积累信号，而计算机控制器22在脉冲开始约1.0微秒之后读出该信号。把在脉冲串中所有以前的独立脉冲的积累能量称为脉冲串量值。计算机控制器利用表示脉冲N的脉冲能量的信号和目标脉冲能量和脉冲串量值，为了指定用于脉冲N+1的高电压。该计算约需要200微秒。当确定N+1的高电压时，计算机控制器把信号发送到如图9所示的高电压电源的高电压命令(VCMD)120，需要数微秒时间建立脉冲N+1的充电电压。计算机控制器22命令高电压电源对电容器Co充电到指定的电压。(在高重复率时，可能要求在完成计算之前就开始充电)。充电需要约400微秒，以致对Co充分地充电，并在来自脉冲N的触发信号之后的1.0毫秒处当它接收到来自如图2所示的触发电路13的用于脉冲N+1的触发信号时就准备工作。在触发信号上，电容器Co放电，在约5微秒的周期中把它的约650伏电放到图4所示的磁压缩电路。磁压缩电路压缩并放大脉冲以在电容器Cp上产生约16，000伏的放电电压，该电压在约100ns的时间中跨越电极6放电，产生约10mJ和约75ns(整体的95％)持续期的激光脉冲。
较佳的算法下面描述当工作在脉冲串模式中时，用于调节充电电压以基本上得到所要求的脉冲能量的特定较佳过程。
该过程使用两个电压调节算法。第一个算法应用到最初的40个脉冲而被称为KPI算法。第二个算法被称为PI算法，应用到脉冲数40之后的脉冲。这里把在第40个脉冲之后的时间周期称为脉冲串的“L区域”。字首“PI”是指“正比整数”，而在“KPT”中的“K”是指脉冲串的“K”区域。KPI算法对于本较佳实施例，K区域包括脉冲I到K，其中k=40。对于脉冲N设置充电电压的算法是VN=(VB)N-(Vc)N-1N=1，2，…k其中，VN=对于第N个脉冲的充电电压(VB)N=所存储的电压k的阵列，它表示对于在K区域中的第N’个脉冲产生目标能量Er所要求的当前最佳估计电压。在每个脉冲串之后阵列根据下面的等式更新。
(Vc)N-1=根据在脉冲串中的前一个脉冲(直到脉冲N-1)发生的能量误差的校正电压=Σi=1N-1A·ϵ+B·D(dE/dV)]]>定义(Vc)o=0。A，B=一般在0和1之间的分数，在本较佳实施例中是0.5。ε=第i′个脉冲的能量误差=Ei-Er，其中Ei是第i′个脉冲的能量，而是Er目标能量Di=脉冲串的积累量误差，包括从1到i的所有的脉冲=Σk=1iϵk]]>dE/dV=随充电电压的脉冲能量变化速率。(在本实施例中，在每个脉冲串期间以经验确定一个或多个dE/dV，而使用这些值的运行平均值进行计算)在每个脉冲串期间或在每个脉冲串之后根据下列关系式更新所存储的值(VB)N(VB)N=(VB)NM-C·(ϵNdE/dV-(VC)N)]]>其中指数N是指脉冲申请号C=一般在0和1之间的分数，在本较佳实施例中是0.3。PI算法
L区域包括脉冲k+1到脉冲串的结束(对于一个较佳实施例，脉冲号41和更大)。对于脉冲N设置充电电压的算法是(A·εN-1+B·Dv-1)VN=VN-1-(A·ϵN-1+B·DN-1)(dE/dV)---N=k+1,k+2······]]>其中VN=第N′个脉冲的充电电压VN-1=第N-1′个(前一个)脉冲的充电电压变量A、B、εi、Di和dE/dV如前所定义。dE/dV的确定为了跟踪在激光器的特征中的相当慢的变化，周期性地确定dE/dV的新的值。在较佳实施例中，在L区域中的两个连续的脉冲之间的期间，通过以控制的方法改变电压或使电压“抖动”来测量dE/dV。对于这两个脉冲，临时停用正常的PI能量算法，而由下式代替对于脉冲jVj=Vj-1-(A·ϵj-1+B·Dj-1)(dE/dV)+VDither]]>其中VDither=固定的电压增量，一般为几伏。对于脉冲j+1Vj+1=Vj-2·VDither在脉冲j+1后，计算dE/dVDE/dV=(Ej+1-Ej)2·VDither]]>可能dE/dV的计算使人很烦，因为由于抖动电压的所期望的能量变化可能和激光器的正常能量变化具有相同的幅度。在一个较佳实施例中，实际在PI和KPI算法中使用最后50个dE/dV计算的运算平均值。
选择VDither的较佳方法是指定所要求的能量抖动EDither，一般是能量目标Er的百分之几，然后对dE/dV使用当前的(经平均的)值以计算VDitherVDither=EDither(dE/dV)]]>不使脉冲j+2(紧接两个抖动脉冲)抖动，但是它具有特殊的值 用来自脉冲j+1的施加电压抖动和所期望的能量抖动二者来校正Vj+2的这一特定值。
上述算法上的许多变量是可能的。例如，可以在L区域和K区域确定dE/dV。每脉冲串可以进行一次抖动或可以数次。可以在如上所述的固定脉冲号j进行抖动序列，或可以随机地选择从一个脉冲串到下一个脉冲串变化的开始脉冲号。
读者应理解，A、B和C是收敛因子，它们可以有许多其它的值。比上面指定的那些值更高的值可以提供更快的收敛，但是可能导致不稳定性。在另一个较佳实施例中，B等于A的平方根。这个关系是从已知技术中发展的，以产生临界阻尼。B可以是零，在这种情况中没有量校正；然而，A应不是零。
如果dE/dV计算值变成太小，则上述算法可能造成过校正。因此，一种较佳的技术是随机地使dE/dV加倍，如果能量∑值超过一个门限值。等于脉冲串的第一个脉冲提供V和dE/dV的默认值。在每个脉冲串的开始处把D设置为零。把dE/dV默认值设置成所期望的dE/dV的约3倍，以防止初始过校正。
没有如上所述的抖动的，确定dE/dV的另一个方法是只在激光器工作期间测量和存储能量和电压值。(也可以使用指定而不是测量电压值)。对于恒定的脉冲能量，可以用这些数据来确定作为V的函数的dE/dV。读者应注意，每个dE/dV的独立的值将包含十分大的不确定性，因为值的元素是具有相当大的不确定性的测量的差。然而，平均大量的dE/dV可以降低这些不确定性。
没有必要在每个脉冲串上设置利用来确定ΔE量的抖动，但是可以周期性地设置，诸如每M个脉冲串一次。或可以用计算机所完成的计算来代替ΔE/ΔV的测量值，或激光器的操作者可以人工地插入ΔE/ΔV值。用来选择充电电压工作范围的方法可以和上述的方法不同，而且通过比每两小时一次更频繁地注入氟可以使工作范围更小。事实上，通过与氟的消耗相配合所必须的速率连续地注入氟可以使工作范围极小。对于前面计算VN的脉冲，从指定的电压值选择VN-1的值。对于该控制系统，使用实际测量到的VN-1值是另一个方法。还有，从指定值而不是上述实施例的实际测量到的值来计算VBIN值。明显的另一种方法是使用测量到的电压值。一般Er是诸如10mJ的一个常数值，但是它不必定是常数。例如，最后10个脉冲的Er可以比额定脉冲能量小，以致这些脉冲偏离目标Er的百分比对组合脉冲量的影响较小。还有最好可以在某些情况下对计算机控制器22编程，以提供从脉冲串到脉冲串变化的Er值。
******虽然已经参考一个实施例描述了极窄带KrF激子激光器，但是可以理解，可以进行各种适配和修改。例如，在本发明分最初部分列出在专利申请中所讨论的许多另外的实施例，已经在这里用于所有这些专利申请作为参考。本发明仅受所附的权利要求书的限制。
权利要求
1．一种极窄带KrF激子激光器，其特征在于它包括A.由与氟相容材料构成的激光器腔，包括(1)两个细长电极；(2)单个预电离器管；限定总的压力并由氪、氟和缓冲气体组成的激光器气体，所述氟的分压力小于总压力的0.08；(3)至少两块隔音板，放置在衰减由所述两个细长电极之间电子放电所产生的冲击波的位置上。B.一个线变窄模块，包括(1)至少一个光束扩展棱镜；(2)光栅；(3)用于调谐光栅的调谐装置。
2．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述腔还包括使所述两个加长电极之间的气体循环的鼓风机，以致限定上游方向，把所述单个预电离器管放置在所述电极的上游。
3．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述至少一个棱镜是由氟化钙构成的。
4．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，至少一个棱镜是全部由氟化钙构成的三棱镜。
5．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，氟的部分压力小于总气体压力的0.06％。
6．如权利要求2所述的激光器，其特征在于，两个细长电极限定一个阴极和一个阳极，所述阳极由具有斜坡形表面的阳极支撑条支撑，放置在降低对所述轴承上气体动力学反作用力的位置上。
7．如权利要求1所述的激光器，其特征在于进一步包括在两个所述电极之间提供高电压的高压电源，所述高压电源包括A.具有精细数字调整以及限定充电周期的脉冲电源，所述电源包括(1)提供直流输出的第一整流器；(2)倒相器，用于把所述第一整流器的输出转换成在第一交流电电压上的高频第一交流电流；(3)分档变压器，用于放大所述倒相器的输出电压以提供在第二交流电电压上的高频第二交流电流；(4)第二整流器，用于对所述第二交流电电压整流；(5)包括电子电路的控制板，以控制所述电源以提供至少约1000Hz频率的高压脉冲；(6)包括电压检测电路的电压反馈电路，用于检测所述第二整流器的电压输出并把电压输出信号提供给所述控制板。(7)包括电流检测电路的电流反馈电路，用于检测流自所述第二整流器的充电电流输出并把充电电流信号提供给所述控制板。(8)数字命令控制，用于把命令控制提供给所述控制板；以及B.磁开关，用于压缩和放大来自所述脉冲电源的输出电脉冲。
8．如权利要求7所述的激子激光器，其特征在于，所述电压反馈电路包括差分装置放大器。
9．如权利要求7所述的激子激光器，其特征在于，所述电流反馈电路包括差分装置放大器。
10．如权利要求7所述的激子激光器，其特征在于，所述第二交流电流确定谐振频率，进一步包括电阻器电路和开关装置，用于迫使所述充电电流通过所述电阻器电路，以便在接近每个充电周期结束时降低谐振频率。
11．如权利要求1所述的激光器，其特征在于进一步包括反射比至少约20％的耦合器。
12．如权利要求1所述的激光器，其特征在于进一步包括波长计，所述波长计包括提供波长粗测量的光栅能带波长监视器和基于标准具的波长监视器，对其进行调整将相应波长的光学指示聚焦在二极管阵列上的第一位置上，调整所述基于标准具的波长监视器，将光学波长聚焦到所述二极管上不同于所述第一位置的位置上。
13．如权利要求12所述的激光器，其特征在于进一步包括对所述基于光栅的波长监视器和所述基于标准具的波长监视器进行标定的原子基准单元。
14．如权利要求1所述的激光器，其特征在于进一步包括测量脉冲能量随变化电压aE/aV而变化的变化速率的装置；以及用一种算法编程的计算机控制器，该算法用于控制来自所述激光器的限定当前脉冲串脉冲P1，P2…，PN…，PK，PK+1，PK+2…，PK+N1…，P1，P2，…，PN-1’，PN’，的一串脉冲中脉冲能量和积分能量剂量，所述激光器具有脉冲功率系统，它包括限定充电电压的高压充电系统，所述算法包括下列步骤(1)根据所述脉冲串中至少一个以前脉冲的测量能量以及预定目标脉冲能量值，确定每个PN的脉冲能量误差ε；(2)确定所述脉冲串中所有以前脉冲(P1到PN1)的每个PN的积分剂量误差；(3)利用以下的量，确定所述最前面多个脉冲中每个所述脉冲PN的充电电压，PN(ⅰ)所述aE/aV(ⅱ)所述ε(ⅲ)所述D(ⅳ)基于多个以前脉冲串中PN的规定电压的基准电压；C.通过使用用算法编程的计算机处理器调整激光器的充电电压而控制在所述脉冲串中跟随PK的脉冲中每个脉冲PK+N的脉冲能量，其中(1)根据在所述脉冲串中至少一个以前脉冲的测量能量和预定目标脉冲能量值，确定每个PN的脉冲能量误差ε；(2)确定在所述脉冲串中所有以前脉冲(P1到PN1)的每个PN的积分剂量误差；(3)利用以下的量，确定所述最前面多个脉冲中的每个所述脉冲PN的充电电压，PN(ⅰ)所述aE/aV(ⅱ)所述ε(ⅲ)所述D(ⅳ)基于多个以前脉冲串中的PN的规定电压的基准电压。
15．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，进一步包括阳极支撑装置，它包括斜坡表面，用于降低空气动力学反作用力的幅度，所述反作用力是由于激光气体退出所述鼓风机产生的并被阳极支撑装置改向。
16．如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述氟确定约小于总压力的0.08的部分压力。
全文摘要
一种可靠的、模块化的、制造质量的窄带KrF激子激光器,能够产生1000Hz,带宽约0.6pm或更小的10mJ激光脉冲。本发明特别适合在集成电路的平板印刷中长期昼夜工作。在现有技术激光器上的改进包括:单个上游预电离器管(56)和隔音板。较佳实施例包括降低氟的浓度;阳极支撑条的形状,有利于降低在鼓风机的轴承上的空气动力学反作用力;经修改的脉冲功率系统提供较快的脉冲上升时间;反射率明显地增加的输出耦合器(65);带CaF棱镜光束扩展器的线变窄模块;更正确的波长计;用新的、改进的脉冲能量算法编程的激光器计算机控制器。
文档编号H01S3/097GK1295729SQ99803585
公开日2001年5月16日 申请日期1999年2月16日 优先权日1998年3月4日
发明者D·S·诺尔斯, J·H·阿佐拉, H·A·贝萨奥克里, P·P·达斯, A·叶尔绍夫一世, T·尤哈兹, R·M·内斯, R·G·奥扎斯基, W·N·帕特罗, D·A·罗斯韦尔, R·L·桑德斯特伦, R·C·乌佳导斯基, T·A·沃森, I·V·福缅科夫 申请人:西默股份有限公司