Cymer 准分子激光器的工作原理及应用

基于分辨率R=K1 λ|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150nm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：ASMLPAS 5500-300 Stepper 采用 Cymer Krf 准分子激光器(λ= 248 nm)实现 150 nm线宽生产。ASML-TWINSCANXT：1700i浸没式扫描投影光刻机采用CymerArf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。

1、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F2 Kr /Ne 混合气体并保持设定压力，当峰值12～20kV的泵浦脉冲加到箱体的放电电极间，引起F2 Kr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。248nm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。

1.1 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F2 Kr/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。

1.2 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。

1.3 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。

1.4 高压电源脉冲转换及脉冲压缩模块

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(600～1000V)， 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。

2.5 气体控制和水冷却系统模块气体控制模块是将F2 Kr/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F2 Kr/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，F2 Kr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。

2、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20m。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。