Cymer准分子激光器的工作原理及应用

２．５ 气体控制和水冷却系统模块 气 体 控 制 模 块 是 将 Ｆ２Ｋｒ／Ｎｅ，Ｋｒ／Ｎｅ，Ｈｅ，Ｎ２ 四
种气体经汇流排，流量计，电磁阀分别导向激光放 电 箱 和 系 统 其 它 模 块 。 其 中 混 合 气 体 Ｆ２Ｋｒ／Ｎｅ， Ｋｒ／Ｎｅ 由气体控制模块按一定配比在放电箱中形 成激光气体，Ｆ２Ｋｒ 是产生准分子激光二聚物气体， Ｎｅ 阻止光子吸收。Ｈｅ 作为清洗管线腔体之用，Ｎ２ 为保护气体充入光学模块，防止光学模块污染。水 冷却系统为相应模块提供水循环冷却。
·设备与工艺·
电 子 工 业 专 用 设备
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
ＥＰＥ
Ｃｙｍ ｅ ｒ 准分子激光器的工作 原理及应用
宋健 １， 朱鹏 ２， 张文雅 １， 雷宇 １
（１．中国电子科技集团公司 第十三研究所， 石家庄 ０５００５１ ２．清华同方， 北京 １０００８４）
３ Ｃｙｍｅｒ 准分子激光器的应用
Ｃｙｍｅｒ 准分子激光器利用铝制管道将激光束传 送到 Ｓｔｅｐｐｅｒ 或 Ｓｃａｎｎｅｒ，管道是气密的，内充有一定 压力的 Ｎ２ 防止外部尘粒侵入污染系统，管道长度小 于 ２０ ｍ。Ｃｙｍｅｒ 激光器使用并行接口，串行接口和 互锁线与 Ｓｔｅｐｐｅｒ 交换信息，其中并行接口传送：触 发模式，激光开启，和快门控制等命令。串行接口传 送：激光器工作状态，气体控制，激光脉冲能量，高压 设定等信息。Ｓｔｅｐｐｅｒ 利用这些信息监控激光器，根 据工艺要求设定激光脉冲能量，频率等参数，还可以 设定定时自动执行“气体再充”，“注入”气体操作程 序，随时监视激光器内部各种参数的变化，如：高压 输出值，模块的寿命等，如有异常发出警示信息，并 根据警示级别做出相应的处理。在 Ｃｙｍｅｒ 准分子激 光器的使用过程中应特别注意 Ｆ２ 泄漏，由于 Ｆ２ 是 非金属元素中最活泼，反应极强的元素，Ｆ２ 是助燃性 气体也是剧毒性气体，当 Ｆ２ 浓度为（５～１０）×１０－６ 时 就会对人产生伤害，所以在保证 Ｆ２ 管道不泄漏的情 况下必须严格按要求做好环境和设备排风，并在要 害部位安装 Ｆ２ 泄漏探测器以保证工作人员安全。
λ调谐模块 光栅
放电箱
步进电动机
λ误差调谐
图 ２ 激光波长调谐原理图
２．３ 激光能量和波长采样及校准模块 该模块由校准器、光栅、激光能量光电池、原子
波长基准 ＡＷＲ（ａｃｏｍｉｃ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）组成。 校准器，光栅共同监测激光光谱，光栅提供较粗的 监测而校准器进行精细的监测。校准器利用法布 理—珀罗干涉仪工作原理，通过选择合适的干涉板 间隔，实现激光单模透过频率特性，使光电接受器 接受到波 长 的 信 息 ， 该 信 息 经 ＷＣＭ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ）波长控制模块处理后驱动 λ调谐模 块中的步进电机调整激光入射角度，仅使特定波 长激光进入谐振腔进行谐振，实现稳定激光波长 减少带宽之目的。激光能量光电池将激光脉冲能 量信息送主 ＣＰＵ 电路进行激光能量控制和显示。 ＡＷＲ 原子波长基准是安装在模块中的一个铁元 素单元，用于校准激光绝对波长。图 ３ 是该模块的 原理图。
脉冲转换
脉冲压缩
触发脉冲 λ调谐 步进马达
风扇 激光放
高压电源 ＣＰＵ
电箱体 激光能量采样
放电电极 ２０％反光镜
激光 能量 波长 校准 模块
输出 激光
接口
λ误差调整
操作台
ｓｔｅｐｐｅｒ
图 １ Ｃｙｍｅｒ 准 分 子 激 光 器 工 作 原 理 图
２．１ 激光放电箱体 激光放电箱体主要由放电电极，预电离器，循
线宽生产。ＡＳＭＬ－ＴＷＩＮＳＣＡＮ ＸＴ：１７００ｉ 浸没式扫 描投影光刻机采用 Ｃｙｍｅｒ Ａｒｆ 准分子激光器 （λ＝ １９３ ｎｍ）实现 ４２ ｎｍ 密集线条光刻。本文以 Ｃｙｍｅｒ ＥＬＳ－６０００ 系列机型作为范例予以论述。
２ Ｃｙｍｅｒ 准分子激光器工作原理
ＥＬＳ－６０００ 系 列 准 分 子 激 光 器 的 基 本 工 作 原 理：激光放电箱体内充有按一定配比的 Ｆ２Ｋｒ ／ Ｎｅ 混合气体并保持设定压力，当峰值 １２～２０ ｋＶ 的泵 浦脉冲加到箱体的放电电极间，引起 Ｆ２Ｋｒ 二聚物 分子受激发光放电，二聚物原子能级决定了激光波 长 ２４８ ｎｍ，由于二聚物分子寿命非常短所以称其 为准分子。２４８ ｎｍ 波长激光在由 ２０％反光镜，放电 箱，激光波长调谐模块组成的谐振腔内谐振放大最 终输出高能量的激光脉冲。图 １ 为 Ｃｙｍｅｒ 准分子激 光器工作原理图。
４ 结束语
Ｃｙｍｅｒ ＥＬＳ－６０００ 系列准分子激光器具有设计合 理，结构精巧，性能稳定可靠的特点。另外在激光气体 安全性方面，采用了 Ｆ２Ｋｒ／Ｎｅ 气瓶供气，混合气体配比 供气厂家已做了严格的控制，其中 Ｆ２ 仅占 １％的含量， 这样即使在最不利的情况下也不会造成大的伤害，比 早期使用纯 Ｆ２ 供气的机型在安全性方面进步了很多。 Ｃｙｍｅｒ 公司 １９８８ 年提供第一代商业应用的准分子激 光器，ＥＬＳ－６０００ 系列是 Ｃｙｍｅｒ 公司的第四代产品，时 至今日该公司不断推出性能更为优异的产品供商业应 用，从中也可看出该公司对技术追求极致而孜孜不倦 的努力精神，正是这样才使 Ｃｙｍｅｒ 公司产品代表着当 今世界这个领域的最高水平并为各大公司采用。
１ 引言
基于 分 辨 率 Ｒ ＝ Ｋ１λ｜ ＮＡ 和 可 用 焦 深 ＤＯＦ ＝ Ｋ２ ｜ ＮＡ２ 两个公式可以看出：若想提高光刻机曝光 分辨率同时可用焦深 ＤＯＦ 又不受太大影响，采用 减少曝光光源波长 λ的方法优于增大数值孔径 ＮＡ 的方法。这是因为增大 ＮＡ 虽然系统分辨率得到改
善但 ＤＯＦ 却大幅变差，另外增大 ＮＡ 势必要增大镜 头口径角，这样将增加光学系统制造难度。现代光 刻线宽优于 １５０ ｎｍ 的投影光刻机均系采用 ＤＵＶ 波段准分子激光作为曝光光源。ＡＳＭＬ 即采用美国 Ｃｙｍｅｒ 公司准分子激光器作为曝光光源用于其高 端产品上。如：ＡＳＭＬ ＰＡＳ ５５００－３００ Ｓｔｅｐｐｅｒ 采 用 Ｃｙｍｅｒ Ｋｒｆ 准分子激光器（λ＝ ２４８ ｎｍ）实现 １５０ ｎｍ
收稿日期： ２００８－０６－１５ 作者简介： 宋健（１９５１－ ），男，高级工程师，从事半导体设备设计与维护工作；
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·设备与工艺·
参考文献：
［１］ 天津大学精仪系． 激光技术［Ｍ ］． 北京： 科学出版社，１９７２． ［２］ 李艳秋． 浸没式 ＡｒＦ 光刻最新进展［Ｊ］ ． 电子工业专用
设备，２００６，（３）：３０－３１．
６２（总第 １６２ 期）Ｊｕｌ． ２００８
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｃｙｍｅｒ ＥＬＳ－６０００ｓｅｒｉｅｓ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｍｏｄｕｌｅｓ． Ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｓｔｅｐｐｅｒ， ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｓａｆｅ ｕｓｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｇａｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｔａｆｆｓ ｆｒｏｍ ｈａｒｍ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： Ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ； Ｄｉｍｅｒｓ； Ｓｔｅｐｐｅｒ
洁的气体又返回到放电区域，这样防止腔体污染， 延长腔体的使用寿命，内部箱体窗口为激光谐振 形成通路。
２．２ 激光波长调谐模块 该模块调整激光光谱以达到输出特定波长激
光减少带宽的目的。其工作原理是：以一定角度入 射到光栅的光束，仅一特定波长的光沿入射方向衍 射返回。正是基于这个特性该模块利用步进电动机 调整激光照射固定光栅的角度，使特定波长的激光 返回到谐振腔进行谐振，而其它波长的光以不同角 度衍射掉，从而达到稳定激光波长的目的。图 ２ 为 激光波长调谐原理图。
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激光放电箱２０％反 ＡＷＲ 光镜
激光能量采样
光栅 校准器
λ误差调整 ＷＣＭ
图 ３ 激光能量和波长采样及校准模块原理图
环风扇，金属氟化物捕获井 ＭＦＴ （ｍｅｔａｌ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｔｒａｐ），内部箱体窗口等组成。在工作过程中，通过气 路系统给箱体充入严格配比 Ｆ２Ｋｒ／Ｎｅ 混合气体，并 保持一定的压力，预电离器在电极放电区域产生浓 度达（１０６～１０７）／ｃｍ３ 自由电子，这时电极放电区呈现 低阻抗状态，为加到电极间的泵浦脉冲的到来从而 引起气体发光放电做准备。由于放电过程中释放的 金属颗粒与 Ｆ２ 反应形成金属氟化物颗粒会给箱体 带 来 污 染 ， 循 环 风 扇 将 这 些 颗 粒 吹 向 ＭＦＴ，在 ＭＦＴ 内部的 ５ ｋＶ 高压电场将这些颗粒捕获而清
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００４－４５０７（２００８）０７－００６０－０３
Ｔｈｅ Ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｙｍｅｒ Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ
ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ１， ＺＨＵ Ｐｅｎｇ２， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ－ｙａ１，ＬＥＩ Ｙｕ２
（１．Ｔｈｅ １３ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， ＣＥＣＴ， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００５１， Ｃｈｉｎａ ２．Ｑｉｎｇｈｕａ Ｔｏｎｇｆａｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ）
摘 要： 论述了 Ｃｙｍｅｒ 公司 ＥＬＳ－６０００ 系列准分子激光器工作原理和激光器的各个组成模块。在
应用方面， 论述了激光束的传输方法和与 Ｓｔｅｐｐｅｒ 通信接口的应用， 最后论述了激光气体的安全使
用， 防止对工作人员造成伤害。
关键词： 准分子激光器； 二聚物； 投影光刻机
中图分类号： ＴＮ２４８
２．４ 高压电源脉冲转换及脉冲压缩模块
６００～ １０００ Ｖ 高压模块
工厂电源 －１２～２０ ｋＶ
１２ 位数字信号 ５５０ ｎｓ
６００～１０００ Ｖ ６００～１０００ Ｖ ５ μｓ
脉冲转换 －１２～２０ ｋＶ
１∶２０
１００ ｎｓ
触发 脉冲压缩
激光 放电 箱
图 ４ 泵浦脉冲电路原理图
图 ４ 为这 ３ 个模块组成的泵浦脉冲电路原理图。 工作过程：ＣＰＵ 电路设定高压输出值（６００～１ ０００ Ｖ）， 并且开启高 压 电 源 ，经 过 延 时 ，ＣＰＵ 电 路 发 出 触 发 信 号 开 通 脉 冲 转 换 模 块 中 的 功 率 开 关 器 件 ，在 该模块中产生 ６００ ～１ ０００ Ｖ、５ μｓ 的 正 脉 冲 ，经 变压器 １∶２０ 升 压 输 出 峰 值 为 １２ ～ ２０ ｋＶ 的负 脉冲传送到脉冲压缩模块，脉冲压缩模块中产生 谐振经耦合电容 ＣＰ 向激光放电箱输出峰值 １２～ ２０ ｋＶ、１００ ｎｓ 的交变泵浦脉冲引起放电箱内激光 气体受激发光进而产生激光输出。