(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーストモード作動中に、所望の範囲内でガス温度を制御するための温度制御を備えたガス放電レーザシステムであって、
Ａ．レーザチャンバと、
Ｂ．前記レーザチャンバ内に構成された少なくとも２つの細長い電極と、
Ｃ．前記細長い電極の間に放電を作り出す高電圧パルス電源と、
Ｄ．前記レーザチャンバに包含されるレーザガスと、
Ｅ．前記２つの細長い電極の間に前記レーザガスを循環させるためのファンと、
を有し、
前記ファンが、ファン速度に依存するレートで熱を前記レーザガスに加え、該ガスを該チャンバ内でガス循環期間について１回循環させ、
約２０００Ｈｚ以上の所定のレーザパルス繰返しレートを有するパルスのバースト中に、放電により熱がレーザガスに加えられ、各パルスのバーストはバースト期間中に発生し、該バースト期間は単一の露光期間の一部であり、該単一の露光期間は、一のバースト期間と、前記一のバースト期間とその次のバースト期間との間の所定のアイドル期間との和であり、また各単一の露光期間は多数の露光期間の一部を構成し、各多数の露光期間は所定の数の単一の露光期間を含み、各多数の露光期間と、その次の多数の露光期間との間には所定のダウン期間が存在し、一の多数の露光期間と、前記一の多数の露光期間とその次の多数の露光期間との間のダウン期間との和が、デューティーサイクル期間を構成し、該デューティーサイクル期間はオフ期間に先行し、これによって各バースト期間中の各バーストにより、バーストあたりの量の放電による熱が該ガスに加えられ、
前記レーザシステムは、
Ｆ．所望の範囲内にレーザガス温度を維持するためのレーザガス温度制御機構、
を有し、
前記温度制御機構が、
１）前記レーザガスから熱交換器を通過する冷媒へ熱を除去するための熱交換器であって、該熱交換器がある熱除去容量を備え、該熱除去容量は、バースト期間中のガス放電によりバースト期間中にレーザガスに熱が加えられること、及び、アイドル期間中にはガス放電が存在しないことによりアイドル期間中にレーザガスに熱が加えられないことに起因して、単一の露光期間を超える時間スケールでは、レーザガスの平均ガス温度を所望の温度範囲内に維持するのに適当であって、単一の露光期間以下の時間スケールでは、温度変動に応答し得ないものである、前記熱交換器と、
２）単一の露光期間以下の期間内に熱除去応答を提供して、各単一の露光期間中の温度変動に応答することを可能にし、各単一の露光期間中のレーザ出力パラメータの安定性に対するインパクトを低減させる、２次的な温度制御機構と、
を有することを特徴とする、前記レーザシステム。
【請求項２】
前記２次的な温度制御機構が、前記レーザガスに曝される表面積が１ｍ2よりも広い表面積を有するパッシブ温度安定器を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記２次的な温度制御機構が、各単一の露光期間中の温度変動に応答可能な期間内に熱除去応答を提供するフィン付ヒートシンクを備えるパッシブ温度安定器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
【請求項４】
前記２次的な温度制御機構が、各単一の露光期間中の温度変動に応答可能な期間内に熱除去応答を提供するフィン付ヒートシンクを備える、前記電極と前記熱交換器との間に位置決めされたパッシブ温度安定器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記２次的な温度制御機構が、各単一の露光期間中の温度変動に応答可能な期間内に熱除去応答を提供し、前記電極と前記熱交換器との間に位置決めされかつ熱的に前記チャンバの壁に結合したフィン付温度安定化機構を備えるフィン付ヒートシンクを備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記温度制御システムが、前記レーザガスに曝される表面積を有する熱交換フィンを備える流体冷却アクティブ熱交換器を備え、ヒートシンクが、前記流体冷却熱交換器の熱交換フィンの表面積に等しいレーザガスに曝される表面積を有する熱交換フィンを備えることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項７】
前記温度制御システムが、前記レーザガスに曝される表面積を有する熱交換フィンを備える流体冷却アクティブ熱交換器を備え、ヒートシンクが、前記流体冷却熱交換器の熱交換フィンの表面積よりも広いレーザガスに曝される表面積を有する熱交換フィンを備えることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項８】
前記温度制御機構が、
レーザガスを加熱するレーザガス加熱機構と、
各多数露光期間の間のダウン期間中にガス放電が発生しないことによるガスの温度変動を最小とするように計算されたサイクルにおいてレーザガス加熱機構を作動させるようにプログラムされた、レーザガスを加熱するレーザガス加熱機構コントローラと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記レーザガス加熱機構が、前記レーザガスを直接加熱するように構成されたことを特徴とする、請求項８に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記レーザガス加熱機構が、前記冷媒を加熱するように構成されたことを特徴とする、請求項８に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記温度制御機構が、冷媒フロー制御システムを備え、該冷媒フロー制御システムが、露光期間中の各アイドル期間に先立って熱交換器への冷媒フローを低減させて、単一の露光期間以下の時間スケールで温度変動に応答するようにすることを特徴とする、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
さらに、各アイドル期間中にファン速度を増大させて、各アイドル期間中の前記レーザガスのファン加熱を増大させ、単一の露光期間以下の時間スケールでのレーザガスの温度変動を防止するファン制御システムを備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記パッシブ温度安定器が、相変化材料で少なくとも部分的に満たされたキャビティを有することを特徴とする、請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記相変化材料が、所望の平均ガス温度の数度の範囲内に相変化温度を有することを特徴とする、請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記相変化材料が、ニッケル、硝酸塩、シリコンテトラジクロライド及びアゾベンゼンからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記冷媒が水であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記熱交換器が、第１のチューブ及び第２のチューブを包含する２チューブ熱交換器であり、前記熱交換器が、第２のチューブへの水のフローと反対の方向に、第１のチューブに水が流れるように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のレーザシステム。
【請求項１８】
前記第１のチューブのフローが、前記熱交換器の一部を２次的な温度制御機構に変換するように停止されることを特徴とする、請求項１７に記載のレーザシステム。
【請求項１９】
前記冷媒が冷却剤であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
【請求項２０】
熱交換器がレーザチャンバに熱を加えることができるように逆転機構を備えた冷却制御システムを更に有することを特徴とする、請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記冷媒冷却熱交換器がコールドフィンガーを有することを特徴とする、請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２２】
前記熱交換器に向かう方向に、又は前記熱交換器から離れる方向に、前記レーザガスのフローを差し向けるよう調節可能な熱交換器ベーンを備える熱交換器を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光パルス周波数ガス放電レーザ用の温度制御装置及び技術に関し、特に、ステッパ又はスキャナデバイスを照射するのに使用されるかかるレーザにおいて、ガス循環の温度を制御するための装置及び技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第5,377,215号及び第5,748,656号に記載されたエキシマレーザのような典型的なガス放電レーザでは、２つの電極が、チャンバ内で間隔が隔てられた関係で配置され、ギャップは電極の間で循環される。図１は、米国特許第5,377,215号に示された従来技術のＫｒＦエキシマレーザの断面図である。高電圧パルスが図１の電極１８及び２０の間に印加されたとき、レーザパルスを作り出す放電が生成される。従来技術の市販のエキシマレーザでは、パルスは、パルスレーザビームを作り出すために１００Ｈｚ乃至２００Ｈｚの範囲の周波数で作り出される。集積回路リソグラフィで使用される市販のＫｒＦエキシマレーザの典型的なパルスの光学的エネルギは約１０ｍＪであり、それを作り出すのに利用される電気的エネルギは、２Ｊより幾分大きく、その殆どがレーザチャンバで循環するレーザガスを加熱する。そのため、レーザが１０００Ｈｚのパルス周波数で連続的に作動するならば、放電はレーザチャンバ１０内で約２０００ワットのエネルギをダンプする。入力エネルギの約０．５パーセントだけがレーザパルスとして出る。この場合のレーザガスは、約０．１％フッ素と、１％クリプトンと、残りがネオンの混合であり、約３３００ｒｐｍで作動する３．２５インチの正接ブロワーファン５０によって約２０００ｃｍ／秒の速度で電極の間を循環する。ファンによるレーザガスのこの高速循環は、約５００ワットのレートでチャンバに熱を加える。レーザの性能はガスの温度によって影響されることが知られており、最適な性能を生じさせる温度を決定するためのレーザでの実験が知られている。典型的な従来技術のＫｒＦエキシマレーザの好ましい作動温度は約５０℃の範囲である。
【０００３】
５０℃のような所望の温度での作動のために、いくつかの従来技術の
レーザは、加熱エレメントを利用し、それは所望の範囲まで温度を最初に増加させるのを助け、温度が所望の範囲より下がったならばチャンバの温度を増加させるために、チャンバ壁に又はチャンバ壁内に取り付けられる。従来技術のレーザでは、冷却は、図１に示したように、チャンバ内に配置された６６のようなフィン付水冷熱交換器によって典型的に提供される。あるケースでは、追加の冷却がチャンバ壁の外側に取り付けられた水冷冷却プレートによって提供される。冷却システムは、同じ割合でチャンバから熱を平均して除去しなければならず、一定の平均温度を維持するためにチャンバに熱を加える。
【０００４】
集積回路製造のためのステッパ及びスキャナ装置の光源として使用されるエキシマレーザの好ましい動作モードは、「バーストモード」と呼ばれる。このモードでは、レーザは１０００Ｈｚのパルス周波数で約３００パルスの「バースト」で作動し、各３００パルスバーストは、直径約８インチのウェハで約２又は４平方センチメートルのサイズを１回で露光するように照射する。１枚のウェハあたりで典型的には多くの（例えば８５のような）露光サイトがあり、各サイトは１又はそれ以上の集積回路に相当する。各バーストは、例えば０．３秒のようなアイドル期間によって隔てられる。例えば、８５露光サイトをカバーする８５「バースト」の後、新しいウェハがステッパ又はスキャナによって位置に移動される間、レーザは、例えば約９秒間という長い間アイドル状態である。
【０００５】
図２は、米国特許第5,748,656号の図３の修正バージョンであり、それは温度を制御するための従来技術のシステムを示す。システムは、ガス温度を測定するためにチャンバ内に延びた温度検出器３３０を含む。検出器からの信号は、所望の作動範囲内にガス温度を保持するために、冷却フィン付熱交換器６６及びロッドタイプ加熱エレメント６７に対して、水のフローを制御するためにフィードバックループにおけるマイクロプロセッサベースコントローラによって利用される。その特許は、プロセッサが、加熱エレメントによって短いアイドル時間の間にパルスを放電することによって加えられた熱に等しく熱を加えることができるようにプログラムすることができることを教示し、その結果、ほぼ一定のガス温度を保持することができる。マイクロプロセッサによって制御された過熱器により、熱は、（０．３秒以上のダウン時間の間のように）レーザが連続的に作動していないときはいつでも加えることができ、より実用的には、（９秒以上のアイドル時間のような）一連のバーストの間隔の間に加えることができる。
【０００６】
９秒アイドル時間の間等しく加熱エレメントで約１０００ワットの熱エネルギを加えることにより、実質的に一定の熱の入力を行い、冷却水のフローを変化させることなく熱の抽出を行うことができる。変形実施形態では、いくつかの従来技術のシステムが、作動範囲内でガス温度を維持するために温度フィードバックアレンジメントに基づいて冷却水のフローを変化させる。これらのアプローチの問題は、熱が電極によってレーザガスに瞬時に加えられるのに対して、加熱エレメントからレーザガスに熱が伝達されるのに数秒又は数分要することである。効果的に水のフローを変化させるのにもまた、数秒又は数分要する。それ故、所望の温度を中心とした数℃の温度変動は一般的には、従来技術のガス放電レーザでの通常のバーストモード作動を生じる。これらの温度変動は、パフォーマンスの低下を招く。
ガス放電レーザのよりよい温度制御をすることができる改良が必要である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バーストモード作動中に、所望の範囲内にレーザガス温度を保持するために、高速応答ガス温度制御を備えたガス放電レーザを提供する。好ましい実施形態は、レーザガス熱交換器の冷却フィンの表面積と少なくとも等しい表面積にレーザガスをフローするように曝した表面積を備えたフィンを有するパッシブ温度安定器を含む。好ましい実施形態は、アイドル時間を予測するようにプログラムされたプロセッサを使用して、レーザガス温度を調節するために、加熱エレメント及びクーラントフロー制御を利用する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態を図面を参照して記載する。
ガス温度制御の重要性
放電ガスレーザにおいて所望の範囲内にガス温度を保持することによりレーザ性能を著しく改善することができることを出願人は発見した。例えば、出願人は、約４５℃乃至７５℃の範囲においてＫｒＦエキシマレーザでは５乃至７℃までの温度変化が、レーザビームパラメータの小さなインパクトであることを出願人は見いだした。これらのインパクトは、測定するのが困難であるほど小さい。しかしながら、ＡｒＦエキシマレーザにおける数度の温度変化は、レーザ性能に本質的な影響を有する。例えば、図１９Ｃのグラフは、一定の放電電圧で５つの異なる初期ガス温度で１００パルス、１０００Ｈｚバーストの１００パルス間におけるパルスエネルギを示す。このグラフは、ガス温度がＡｒＦレーザのパルスエネルギ安定性に関して非常に大きな影響があることを示す。このデータは、この特定のレーザに関する裁量のエネルギ安定性のための好ましい温度は、（バース内で均一なパルスエネルギのためには）約６５℃であることを示す。図１９Ｂは、連続的な１０００Ｈｚ作動でのガス温度の関数として、パルスエネルギのプロットを示す。図１９Ａは、５２℃、５８℃及び６２℃でのＡｒＦレーザに関するエネルギ安定性の曲線を示す。パルス−トゥ−パルス・エネルギ安定性に関して、最適なガス温度は約６０℃である。
【０００９】
エネルギバランス
典型的なＫｒＦリソグラフィエキシマレーザにおけるガスの総量は、約３気圧で焼く２０リットルであり、その９７乃至９９パーセントがネオンである。３気圧、５０℃でのネオンの密度は、約２．５ｇｍ／リットルである。従って、レーザのガスのマスは、約５０グラムである。上述の圧力及び温度でのネオンの比熱Ｃｖは、約０．６２３Ｊ／ｇｍ℃である。各パルスは、約２Ｊをチャンバのガスに加える。
【００１０】
連続作動
１秒あたり千パルスでの連続レーザ作動では、電極は、チャンバに焼く２０００J／秒でダンプする。ファン５０は、５００Ｊ／秒のレートで熱を加える。平衡状態では、熱は、連続作動で、熱が焼く２．５キロワットの速度で除去されるように加えられる同じ速度で除去されなければならない。ほとんどの熱が、フィン付き水冷熱交換機６６によって除去される。ある程度の熱は、チャンバ壁から除去される。これらのタイプのレーザの典型的なファン速度では、チャンバ容積と等しいガスの体積が、電極の間で焼く２５メートル／秒のガス速度に対応する役４０ミリ秒で電極の間を循環する。（これは、レーザパルスの間の約２．５ｃｍのガスフローに対応する。）これは、各新しいパルスのために「クリーンな」ガスを提供するのに十分なフローである。
【００１１】
チャンバにおける温度変化を除去するために、我々は、フローレーザガスを、０．５リットル即ち１．２５グラムとなりうるチャンバの総ガスの１／４０からなる４０サブボリュームに分割することを仮定した。我々は、各サブボリュームを「０．５リットルスラグ」と呼ぶ。従って、１０００パルス／秒での平衡状態では、約２Ｊのエネルギが、電極の間を通過するので、各々０．５リットルスラグにダンプされる。これは、０．５リットルスラグの温度を約２．６℃だけ上昇させるのに十分なエネルギである。
ΔＴ＝２Ｊ／（１．２５ｇｍ）（０．６２Ｊ／ｇｍ℃）＝２．５８℃
平衡状態では、エネルギが電極に戻る前に、２Ｊがスラグから除去されなければならない。それ故、レーザガスの温度は上流の温度よりも、電極の下流でや宇２．６８℃高くなる。平均チャンバ温度が５０℃ならば、上流ガス温度は約４８．７℃となり、下流温度は約５１．３度である。１０００Ｈｚでの連続作動では、上流、下流及びチャンバのガスの平均温度は、図３に示したように全ての時間スケールで実質的に一定である。
【００１２】
連続バーストモード作動
レーザは連続バーストモードで作動し、我々は、それが作動の通常のモードでないとしても、その作動で実験をした。連続バーストモードのような例は、０．３秒のダウン時間の後に続く０．３秒間の１０００パルス／秒のレートで３００パルスのバーストである。これは、５０パーセント装荷率を作り出す。かかる動作モードでは、レーザガスの平均温度は、実質的に変動する。このモードにおいて熱は、（少なくとも数秒の時間スケールで）１０００Ｊ／秒の平均レートで電極によって、５００Ｊ／秒でファンによって加えられ、かくして、平衡状態で熱は１５００Ｊ／秒のレートで除去される。
【００１３】
短い時間スケールでは、チャンバの温度は、特に放電の時間で電極によって見られる温度は、電極が約６００Ｊをガスに加える０．３秒と、電極が実質的にゼロの熱エネルギをガスに加える０．３秒ダウン時間との両方で実質的に変化する。両方の０．３秒インターバルの間、電極熱は約３００Ｊ／０．３秒インターバルの速度で除去され得る。結果としての不均衡は、数℃の平均ガス温度におけるスイングを生じる。これらのスイングを図４にグラフで示す。
【００１４】
スラグ効果
連続バーストモード動作では、４０ミリ秒以上のバーストの間、電極によってみられる数℃の温度上昇は、完全な線形ではないが、温度はステップ上の仕方で上昇する。例えば、バースト中に増加する合計温度が５℃であり、平均ガス温度が５０℃ならば、最初のバーストに関する電極に近づくガスは４４．６℃である。電極に残ったガスの温度は、４７．２℃である。第１のパルスからの加熱されたガスが、電極から離れるように流れるので、第２のパルスに関する温度へのアプローチはまた、約４４．６℃である。最初の０．５リットルスラグがレーザチャンバの周りでそのループを作り、４１番目のパルスが戻るまで、著しい増加はない。そのとき、電極は、約４７℃までステップでの温度上昇がみられ、ステップの後、入ってくる温度は約パルス８１まで比較的一定である。パルス８１から１２０までは、温度を入れる別のステップ上昇がみられる。ステップが明瞭でなくなったとしても、この影響は、平均温度が約４℃で増加する時間でパルス３００でのバーストの終わりまで続く。次いで、平均温度は約４６℃まで上がり、再び４０ミリ秒で、続いて０．３秒のダウンタイムがある。この影響を図４にグラフで示す。
【００１５】
周期的に延びたダウン時間を備えたバーストモード
我々は、集積回路リソグラフィプロセスにおいて光源としてステッパ又はスキャナで使用されるエキシマレーザに関する通常の動作モードを例示するバーストモードのタイプで作動するレーザで熱フローを同様に見積る。従来技術の項で議論したこのモードは、１０００パルス／秒での３００パルスのバーストの１分サイクルからなり、各々０．３秒バーストが０．３秒のダウンタイムの後に続き、８５バーストの後、９秒のダウンタイムがある。このサイクルは、連続的に繰り返される。これは、約４２．５パーセントの装荷率に相当する。
【００１６】
この動作モードは、単一のウェハで８５照射サイトを照射するのに５１秒を要し、ウェハを交換するのに９秒要することに相当する。電極によってこれらの６０秒のサイクルの各々の間、チャンバに加えられた熱は約51,000Ｊ（即ち、２Ｊ／パルス）（３００パルス／バースト）（８５バースト）である。この６０秒サイクルの間にブロワによって加えられた熱は、約30,000Ｊ（即ち（５００ワット）（６０秒））である。それ故、総熱インプットの平均は、約81,000Ｊ／６０秒サイクルとなり、平均１．３５ＫＷと等しい。チャンバからの熱の除去は、加えられた熱（即ち、約１．３５ＫＷ）と等しい割合で比較的一定であると仮定され、熱の殆どが水冷フィン付熱交換器６６によって抽出される。従来技術のレーザでは、ガスの温度は典型的には、従来技術の項で示したように、数秒又はそれより長い応答時間を有する温度検出器によって測定される。それ故、これらのセンサは、時間平均ガス温度の良好な測定を提供する。この温度測定は、フィン付熱交換器に対する冷却水フローを制御するためにフィードバックループで使用される。従来技術の温度検出器１１６は、図４に示した０．３秒温度スイング、又は、上述及び図５に図示したスラグ効果と関係するステップタイプ温度を正確に測定するには十分早いとはいえない。
【００１７】
ブロワによって加えられた熱が実質的に一定であり、それ故、ガス温度変動の短い時間（即ち、１分以下）に寄与しない。冷却水フィン付熱交換器によって除去された熱は、ガス温度、冷却水フロー及び温度に依存する。水のフローでは変化がなく、ガス温度では小さな変化がだけがあると仮定すると、６０秒サイクルの間、熱交換器によって取り除かれた熱はおおよそ一定であり、温度変動に実質的には寄与しない。温度変動が大きくなるので、熱交換器による熱抽出の速度は変化し、より高い温度では相対的に大きくなり、低い温度では相対的に小さくなる。また、温度変動が大きくなるので、熱エネルギは、チャンバ及びチャンバ壁のガス及び構造体エレメントの間で行ったり来たり伝達される。変動が大きくなるとき、これらの影響の両方は特に、温度変動をダンプする。
【００１８】
熱フローの過渡中における温度変化の影響
熱交換器の表面積は、約０．８ｍ2であり、チャンバ壁及びフローガスと接触する他のコンポーネントの表面積は約１．６ｍ2である。チャンバ壁及びコンポーネントは、特定の壁部分又はコンポーネントの位置で平均ガス温度とおおよそ等しい温度である。これらの温度は、それが平均ガス温度であるとき、５０℃に近い。熱交換器の表面は、冷却水とおおよそ等しい温度であり、我々は２０℃と仮定し、典型的には各フィンで外に延びて小さく増加する勾配である。我々が熱フローとΔＴと表面積との間に線形関係を仮定するならば、我々は、熱交換器へのガスの熱フローアウトのレートを見積もることができ、数秒よりも短い短時間伝達の間のガス交換の温度としてのチャンバ壁及びコンポーネント内へ及び外への熱フローのレートを見積もることができる。かかる伝達の間、壁及び金属コンポーネントの表面温度は、それらの大きなサーマルマス（thermal mass）のために明らかには変化せず、壁及びコンポーネントの内及び外への熱フローは、それらの位置での平均のガス温度からのガス温度への変化におおよそ比例する。図７は、上述の周期的アイドル時間動作でのバーストモードを仮定して、この影響を非常に大雑把に簡略化した記載であり、ここで、電極からの平均の熱のインプットは８５０ワットであり、ファンからの熱のインプットは５００ワットである。我々はまた、この簡単化された近似を、全ての熱が熱交換器を介して除去されると仮定した。これらの仮定の下では、アイドル時間中に短時間温度の減少は、約１１℃に制限される。その点で、壁及びコンポーネントからガスへの熱のインプットは熱交換器による熱抽出と等しい。連続作動の短い時間の間、電極は約２０００ワットのレートで熱を加える。ファンからの５００ワットインプットのトップで、これにより、1/10秒あたり約３．７℃の割合で（(2.5KW-1.35KW)/0.62J/gm℃）(500gm)=37℃/秒）、１秒以下で平均温度で急速に上昇させることができ、ガス温度は著しく上昇し、熱交換器及び壁によって除去された熱は著しく増加する。５８℃では、除去された熱は２５００ワットと等しい。これは、短時間伝達の上限を設定する。
【００１９】
非常に高速な熱電対によるテストデータ
図２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃは、上述の６０秒サイクルバーストモード作動における作動中に得られたテストデータを示し、グラフ化された温度は、熱交換器の丁度上及び電極の下流に取り付けられたOmega Kタイプ0.010インチ直径熱電対（P/N 5+C-TT-K-30-72）で得られたものである。熱電対は約０．２６秒（２６０ミリ秒）の応答時間を有する。データは、８５±３秒スイングを明確に示し、９秒のアイドル時間の間に大きな温度が減少する。図２０Ｃに示したように、センサは４０ミリ秒スラグ効果を検出するために十分に高速ではない。図２０Ｂにプロットしたデータは、数秒の応答時間を有する図２に３３０で示した従来技術の温度センサからの信号に応答して熱交換器に対する冷却水のフローを制御する従来技術のレーザ温度制御のサイクル結果を示す。コントローラは、６０℃のガス温度で完全に開放し、５０℃のガス温度で完全に閉じ、その間の温度では比例して開放するようにこの状況でプログラムされた比例フロー値を制御する。結果として、０．３秒バーストと、０．３秒アイドル時間と、９秒アイドル時間の周期的な効果に重ね合わせられた６０秒冷却水周期効果を示す。冷却水に生じるスイングは数度である。
【００２０】
より良い温度制御の必要性
上述の解析は、１０００ＨｚＫｒＦレーザ作動の出願人の実験及び観察に基づいたものである。図３乃至６に示した温度スイングは、１０００ＨｚＫｒＦレーザに関してシビアではなく、安定したパルスエネルギ及び他のビームパラメータを伴う素晴らしい性能がそれらのレーザによって提供されてきた。最近、出願人は、ＫｒＦレーザよりも温度変化に対してより敏感なＡｒＦ１０００Ｈｚレーザ及びＦ2１０００Ｈｚレーザ、１０００Ｈｚレーザのパワーの２倍を提供する２０００ＨｚＫｒＦエキシマレーザで実験をした。５０００Ｈｚで作動するように更に計画されたレーザが出願人及び出願人のフェロー従業員によって設計された。また出願人の使用者の顧客は、波長、バンド幅、及びエネルギ安定性のような全てのレーザパラメータのタイトな制御を要求し、それらの全てはレーザガス温度変化によって反対に影響され得る。（図１９Ａ、１９Ｂ及び１９Ｃを参照のこと。）これらの理由により、レーザガスの良好な温度制御が必要である。この出願は、このタイプの従来技術のレーザで可能であったものよりも、放電ガスレーザのレーザガス温度のより正確な制御を提供するための技術及びシステムを提供する。
【００２１】
温度を示すための圧力の使用
図２０Ａ，Ｂ及びＣのデータを修正するのに使用された温度センサは、比較的デリケートな装置であり、レーザガス環境に長時間耐えることができない。従って、かかる装置で高速の温度測定に関して、急速に交換できるように供給されなければならない。圧力が温度変化で直ちに変化するので、変形実施形態では、高速な温度変化を示す圧力検出器を利用する。圧力データは、放電の音響衝撃効果が圧力の指示に影響を与えないようにパルスの間で収集されなければならない。レーザデータ収集プロセッサは、周知の技術を使用して圧力データを温度データに変換するようにプログラムされるべきである。好ましくは、これらのデータは、上述のような高速温度センサで得られたデータで（各レーザモデルに関して少なくとも１回）修正されうる。
【００２２】
パッシブで（passive）広い表面積の温度安定器
平均ガス温度に近いガス温度を維持するために放電ガスレーザの好ましい改善を図８に示す。これは、パッシブ（passive）フィン付構造体６１であり、電極の下流に位置決めされ、出願人は温度安定器と呼ぶ。各フィンは約１３５ｃｍ2と等しい表面積（両側）を有し、１インチあたり８つの割合で間隔が隔てられ、約２２５のフィンがあり、ユニットは、約３立方メートルのガスフローパスに総表面積を提供する。これは、従来技術の約１．６立方メートルのパッシブ平均温度表面積に相当する。更に、このユニットは、電極のすぐ下流のガスフローパスに直接位置決めされ、（バーストオペレーションの期間中）安定期の平均温度は、ガスの平均温度よりも僅かに高い。出願人は、このユニットが少なくとも４分の１だけ周期的短期間温度変動を低減すると見積もっている。より長い又は短い表面積を備えた温度安定器を利用することができるが、「従来技術」の項目で記載したタイプのレーザに関しては、少なくとも１ｍ2表面積が推奨される。他の良好な経験則は、フィン付熱交換器のものである安定期の表面積に関することである。良好な結果に関して、１乃至４倍の安定器の面積と熱交換器表面積との積が特定されうる。
【００２３】
パッシブフィン付温度安定器が、熱の外部への伝達を最小にするために壁からの絶縁をすることができる壁又はユニットを介して伝導を改良することによっていくつかの追加の冷却を提供するためにチャンバ壁に熱的に結合されうる。上述の光における両アプローチの利点は、明らかである。
【００２４】
別のアプローチは、フィンをチャンバ壁に適合させ、壁が非常に大きな熱マスを有することである。壁の外側表面は、壁の温度が、内側表面での平均ガス温度とおおよそ等しい温度で安定させることができるように断熱されている。読者は、ガスフローが制限されていること及び、ファンパワーの増大が望まれていることに注意すべきである。特定の用途に関して、適当なトレードオフの判断は、フィンの数を減少又は増加させることによって容易にすることができる。
【００２５】
（好ましくは銅である）フィン付温度安定器はまた、イオン及び、フローガスにおける電荷を中和するのに役立つ。フィンは、電気的に絶縁であり、イオン及び電荷に対してそれらの引力を改善するようにチャージされる。フィン付温度安定器はまた、放電によって生成される音響衝撃波を吸収するために有用である。これらの衝撃波が問題である用途では、構造体はチャンバの両サイドに設けられるべきである。その衝撃波の吸収を改善するために、フェルト金属又はセラミックフォームが、チャンバ壁の付近のシンクのエッジに沿ってシンク構造に加えられるのが好ましい。
【００２６】
フローベーンは、フローを改善し、追加又は別の表面積を提供するだけでなく、電極から音響衝撃力を遠ざけるように差し向け、放電領域に戻るような反射を最小にする、図８の６１Ａで示したようなヒートシンクに加えられ得る。
【００２７】
連続パルス
図３に示したように、レーザが例えば１０００Ｈｚで連続的に作動するときに、レーザガスにおいて実質的にはゼロ温度変動である。このことにより、温度変動を解決することができる。レーザビームは、ビームが必要でないとき、インターバルの間、遮断され又はダンプされうる。レーザコンポーネント、特に電極及びある敏感な光学コンポーネントの多くの寿命の低下を招くので、一般的に、このアプローチは、実用的ではない。
【００２８】
一石二鳥
いくつかのケースでは「一石二鳥」を得るのに使用されうる別のアプローチを図１８に示す。ここで、単一のレーザ９０は、２つのステッパ９２及び９３で作用する。ビームは、ポッケルスセル９４を有する偏向ビームスプリッタを備えたレーザステッパの間で前後にスイッチされる。レーザ９０を出すビームは、水平に偏向される。コントローラ７０Ａからの信号では、ポッケルスセル９４は、垂直の偏向に変化する。ビームスプリッタ９５は、水平光を通し、垂直光を反射する。それ故、２つのステッパは、１０００パルス／秒、照射サイトの間で０．３秒のアイドル時間を伴う３００パルス／バーストの動作モードを利用する両ステッパで１つのレーザだけで照射することができる。ビームをスイッチするためのポッケルスセルのために要求される時間はほんの僅かである。ステッパは、８秒のダウンタイムの間、ビームを停止するのにシャッタ９６が各々設けられる。このアプローチにより、ガス温度レギュレーションを改善し連続でレーザを作動させることができ、同時に１つのレーザを２つのレーザの作動にさせることができる。同様なアプローチが、レーザ９０のように第２のレーザを提供しうる。このことにより、レーザのひとつをスタンバイ状態に保持することができ、一方のレーザを、他の一方が両方のステッパを照射する間、サービス状態にすることができる。このことは、有用性をほぼ１００％レーザまで改善する。
【００２９】
２セットの電極
他の殆ど均等なアプローチは、図９に示したチャンバに第２のセットの電極６３を取り付けることであり、メインの電極と同じパルスパワー電源によって電源供給される。この第２のセットの電源は、主電極が放電しないときはいつでも放電する。これは、平均温度スイング及びスラグ効果を除去する。これらの電極を装着することにより、レーザ性能に大きく影響することはない。実際に、スクラップ電極を、第２の電極に使用することができる。
【００３０】
別のアプローチは、連続放電の代わりに均一な放電サイクルを維持するために第２のセットの電極を作動しうる。例えば、９秒のアイドル時間に続く８５バーストのための０．３秒オン／オフの典型的なリソグラフィサイクルを示した上述のバーストモードでは、第２のセットの電極は、９秒のアイドル時間の間、０．３秒オン及び０．３秒オフで作動する。これは、図６に示した９秒のアイドル時間の間及び９秒のアイドル時間の後の大きな温度スイングを除去する。しかし、安定状態０．３秒スイングは残る。
【００３１】
高速加熱エレメントを備えるガスの直接加熱
米国特許第5,748,656号は、アイドル時間中にガスを加熱するためのガスに位置決めされたロッドエレメントヒータを提案する。この解決案の問題は、時間によって、ロッドヒータが、ロッドが熱を得る熱マスを有することであり、加熱の必要性はしばしば過ぎ去る。より良いアプローチは、ガスを急速に加熱するための最小の熱マスを備えた加熱要素を利用することである。モネル又はニッケルからなるリボン加熱エレメントは、この目的に関して安定している。（米国コネチカット州にオフィスがある）Omega Engineeringから入手可能なModel OTF-252/240のようなフィン付ストリップヒータを使用することができる。これらのフィン附ストリップヒータは、電極のすぐ下流に位置決めされるのが好ましく、フィンはアイドル時間のスタートで中間の熱の寄与を提供する。良好な位置は、図２のヒータ６７の位置である。レーザがスフローに配置されたヒータからの適当な応答時間を達成するための更なる可能性は、加熱及び冷却の両方に関して熱交換器それ自身を使用することである。図１ではアイテム６６である熱交換器が、アルミニウムから製造されるならば、０．００２インチまでのコーティング厚さで外側表面を陽極処理することができうる。次いで、約０．００１インチ厚のニッケル層が、非伝導性陽極処理表面の頂部にわたって堆積されるのが好ましい。終端の詳細の設計に注意することで、その低サーマルマス及び、ガスと接触した大きな表面積のために、ガスの急速な加熱を提供するためのレーザアイドル時間の間、ニッケルを介して電流を通すことができる。めっきの抵抗を、０．００１インチ厚層で約０．３オームと仮定すると、１００アンペアで４８ボルトによりシステムに対する約５ｋＷの熱インプットが得られ、応答時間は、さもなければ発生するガスの急速な冷却を避けるのに十分に高速であると見積もられる。更なる精製は、ヒータ性能におけるいかなる短い遅延も予測されるようにステッパ又はスキャナからの動作情報に基づいてこれらのガスヒータを制御することであり、その結果、ガス温度変動は最小になる。
【００３２】
水の周期的な加熱
レーザガス温度変動を最小にするための同様な技術を図１０に示す。ここで、レーザが作動していない間、熱は、比較的長い間、補償するために冷却水に直接加えられる。より熱い水は、熱をチャンバから除去するために熱交換器の効率を低減する効果を有する。（例えば、水を交換するために、上述の動作モードで、９秒のアイドル時間から生じる温度スイングを最小にする）好ましい実施形態では、コントローラは、アイドル時間に先立って、一連のバーストのスタートで、ステッパ又はスキャナ７４から信号を受け取る。コントローラ７０は、拡張された（この例では、９秒）数秒のアイドル時間の間、ガス温度変動を最小にするように計算されたサイクルでヒータ７２をオン／オフするようにプログラムされる。テストにおいて熱が水ヒータからガスにおいて増大が生じ始めるまでに６秒かかることを示すならば、温度コントローラは、サイクルが始まった４５秒後、９秒間ヒータ７２をターンオンするようにプログラムされるのが好ましく、ヒータの効果は、サイクルが開始された５１秒後、アイドル時間の開始の時にレーザガス５１によって見られる。最高の結果の実際のタイミングは、実際の実験によって確立されるべきである。より長い期間のアイドル時間は、水フローを低減することによって補償されるのが好ましい。
【００３３】
ステッパ及びスキャナからの加熱エレメントの制御が望ましくないならば、別のアプローチは、上述のような８５バースト、次いで９秒アイドル時間のようなレーザ作動のパターンを探すようにコントローラをプログラムすることである。コントローラがかかるパターンを検出したならば、ガス温度変動を最小にするように加熱サイクルを初期化することができる。パターンは、コントローラ解析パルス履歴データを有することにより判断される。パターンは、ガス温度データを使用しても決定されうる。（０．１秒よりも短い）高速温度検出器が、最高の結果のために好ましい。チャンバ内に取り付けられた圧力レデューサからのチャンバ圧力信号はまた、チャンバ温度変化を推論するのに使用されうる。これらの圧力信号は、典型的な温度検出器よりも平均の温度変化のより高速な指示を提供する。
【００３４】
スマートフロー制御
上述のものと同様な本発明の別の実施形態を図１２に示す。ここで、ステッパ又はスキャナ７４は、すぐにくる（数秒）アイドル時間の予想における制御バルブを短い間（部分的に又は完全に）閉じるようにコントローラ７０によって使用されるコントローラ７０に信号を送信するようにプログラムされる。短い閉鎖のタイミングは、アイドル時間から生じるレーザガス温度変動を最小にするように、好ましい動作モードをシミュレーションする実験によって決定される。例えば、テストにおいて、バルブ閉鎖とそれによるガス温度の影響との間に２５秒の遅延があることが示されたならば、閉鎖は、アイドル時間の開始に先立って、２５秒間コールされるべきである。このアプローチに対する僅かな修正は、レーザのアイドル時間の間、冷却期間まで閉鎖時間を良好に仕立てるように、バルブを完全に閉鎖する代わりにそれを部分的に閉鎖するだけのことである。
【００３５】
水の加熱によるフロー制御
図１３に、ガス温度伝導を制御するための、スマートな水フロー制御と水加熱のと組合せである実施例を示す。ここで、コントローラは、短いダウンタイムの開始又は予測において（この場合では、２ウェイバルブである）制御バルブ７６Ａを作動させる。更に低減されたフローは、ヒータ７２Ａを介して差し向けられ、より熱い水の低減されたフローは、ダウンタイムの間又はダウンタイムの予測においてフィン付熱交換器を通される。好ましくは、別々のバルブ（図示せず）が、レーザのインターバルの間、速いフローを規定するように使用される。このバルブの位置は、数分のような比較的長い時間にわたって平均化されたレーザガス温度に基づいてコントローラによって設定されうる。また、時間で重み付けられた平均化アルゴリズムは、振動を最小にするようにフローを調節するために、ガス温度測定に沿って使用される。例は以下の通りである：
(TWA)0=0.1T0+0.1T-1+0.8(TWA)-1
ここで、(TWA)0は電流で重み付けられた平均温度、
T0は電流で測定された温度
T-1は１秒前（即ち、−１秒）での測定された温度
(TWA)-1は−１秒での重み付けられた平均温度
である。
【００３６】
ファン速度の変化
本発明の別の好ましい実施形態を、図１３を参照して説明する。このケースでは、ステッパ又はスキャナ７４は、アイドル時間中にガス温度を維持するためにガスに余分な熱を提供するための短いアイドル時間の間、ファンモータ７８の速度を増大させるように信号をファンコントローラ７０Ａに送信する。読者は、この概念が、必要なエネルギをガスに入力するのに必要なファンのより高速な速度が設計される場合にのみ使用することができることを承知すべきである。また、より速い速度は好ましくは、熱交換器の効率を向上させる。それ故、実験は、所定のシステムに関して、熱の入力とファン速度の相互関係を判断するように行われるべきである。この概念は、ファンを支持する磁気ベアリングを利用するレーザシステムで使用されるのにより適している。これらのシステムでは、より高速なファン速度のために更なるベアリング摩擦の問題はない。
【００３７】
相変化温度安定器
本発明の別の好ましい実施形態は、上で参照した温度安定器の修正である。この場合では、金属（好ましくは銅）安定器ユニットが、所望のレーザガス温度と等しい又はほぼ等しい相変化温度を有する材料で部分的に満たされて封じ込められたキャビティを有する。いくつかの好ましい相変化材料を、それらの融点と合
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例えば、７０．４℃のガス温度で作動するSiCl4を使用すると、SiCl4の殆ど又は全ては溶融している。短いアイドル時間中、ガス温度が７０．３℃以下に落ちたとき、SiCl4はガス温度を７０．３℃付近に維持するのを助けるために、エネルギを放出してフリーズしはじめる。図１４は、SiCl4で満たされた銅のサンドイッチタイプのフィンの断面図を示す。所望ならば、温度安定器は、熱い液体が、相変化材料チャンバを満たすようにチャンバ内にポンプ注入される、入り口及び出口ポートを提供することによって相変化材料が変化するように設計されうる。異なる平均ガス温度が望まれるならば、このことによりレーザ作業者は異なる相変化材料を挿入することができる。また、液体−気体相変化材料を利用することができるが、設計において、液体から気体への膨張の結果を処理するための設備を作らなければならない。
【００３８】
冷却
本発明の更に別の実施形態は、レーザの主な冷却剤として水のような単一相エレメントの代わりに蒸発する冷媒を利用する。図１５に好ましい熱サイクルを示す。（フレオン又はＲ１３４ａのような）冷媒はチャンバで蒸発する。好ましい実施形態では、蒸発ユニットはチャンバの壁の一部で作られており、フィンはチャンバの内壁内に機械加工される。熱交換器は、非常に大きなフィンの表面積となるように設計され、十分な熱が、平均のフィン表面温度の間で小さなΔＴで除去され、その結果、バーストモード作動から生じる温度スイングが著しく減少される。もちろん、ガス温度と冷媒との間のΔＴは水の場合よりも著しく大きい。
【００３９】
読者は、図１５に示したシステムが（ヒートポンプのように）反対に作動し、この場合、気相冷媒は、圧縮され、熱交換器で液化し、その結果チャンバに熱を加える相変化を生じることに注意すべきである。（バルブ８０及び８２を閉め、バルブ８１及び８３を開けることによって達成される）かかる反転は、数分またはそれ以上の長いアイドル時間又はスタートアップのためだけに通常は必要とされる。
【００４０】
この冷媒は、チャンバが取り外されたとき、レーザフレームにある「コールドフィンガー（cold finger）」によって達成される。それは、レーザチャンバの一方の側からレーザガス内に延びるフィンを備えた他の側に延びる中空シリンダ内に挿入される。このことにより、レーザチャンバは、フレオンラインを切断することなくレーザフレームから取り外される。熱交換を改善するために、コールドフィンガーとシリンダの内部との間の空間にヘリウムを使用することもできる。
【００４１】
ＰＩＤ制御フロー
冷却水フローがＰＩＤ（比例、積分、微分）コントローラによって制御され、レーザが連続バーストモードで作動する実施形態を図１６に示す。バイパス回路８０が設けられ、それにより、アイドル時間の間フローは非常に遅いレベルに制限されるか又は遮断されうる。上で説明したように、バルブの制御は、アイドル時間を予想するスマートシステムによって行われる。ＰＩＤコントローラ８２は、チャンバ８６からの温度信号、及び、レーザシステムの一部又はステッパ又はスキャナの一部であるコントローラ８８からの命令に基づいて比例バルブ８４を規制する。
【００４２】
２ウェイフロー
低冷却水フローでは、熱交換器フィン温度は、水の入り口よりも水の出口端の方が高い。この影響を最小にするために、Ｕチューブ熱交換器が使用され、チャンバの適当な端でインレットを備えた２つの真っ直ぐなチューブを図１７Ａ及び１７Ｂに示すように使用することができる。
【００４３】
ファンモータ冷却を伴う２つのチューブチャンバ冷却
出願人によって構築された図１７Ｂのシステムは、２つのチューブの出力を、ファンモータ９８の固定子に取り付けられた冷却プレート９７を介してパスする。従来技術のファンモータは、モータハウジングのブローエアーに取り付けられたファンによって冷却される。低装荷率では、２つのチューブのうちの一方が（図示しないバルブを用いて）閉弁され、熱交換器の半分がパッシブ温度安定器として作用する。この効果により、各チューブと関係するフィンの個々のセットを有することにより改善され得る。
【００４４】
調節可能熱交換器ベーン
レーザがアイドル時間であるとき、短時間ガス温度変動が、熱交換器６６の周りにガスフローを差し向ける調節可能ベーン９９によって和らげられる実施形態を図２１Ａ及び２１Ｂに示す。好ましくは、ベーンは、レーザキャビティの外側に配置されたソレノイドのコイルを備えた２位置磁気カプラで制御される。種々のベーン位置が提供されることにより、より正確な制御が可能である。予測はまた、熱交換器ベーン位置の線形な制御によっても可能である。
【００４５】
本発明の特定の実施形態を示して、記載してきたけれども、本発明のより広い態様から逸脱することなく変更及び修正をすることができることは、当業者にとって自明である。それ故、本発明の精神及び範囲内における全ての変更及び修正は特許請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路リソグラフィのために使用される従来技術のエキシマレーザの断面図を示す。
【図２】従来技術レーザの温度制御要素を示す。
【図３】連続作動での電極のレーザ温度上流及び下流を示す。
【図４】連続バーストモード作動での秒スケールの数十での平均レーザガス温度スイングを示す。
【図５】連続バーストモード作動で、電極に近づくガスの温度を示す。
【図６】バーストモード及び周期的な９秒ダウンタイムにおける数秒時間スケールでの平均レーザガス温度スイングを示す。
【図７】レーザガス内及び外への熱のフローを簡単に質的に見積もったチャートを示す。
【図８Ａ】受動温度を備えたレーザチャンバの断面図を示す。
【図８Ｂ】フローベーンを備えたスタビライザを有するレーザチャンバの断面図を示す。
【図９】余分な電極のセットを備えたチャンバの断面図を示す。
【図１０】レーザ冷却水に熱を提供するためのシステムを示す。
【図１１】アイドル時間を予想する図１０のシステムの修正を示す。
【図１２】アイドル時間を予想する図１０のシステムの修正を示す。
【図１３】温度を維持するためのファンヒートを使用するシステムを示す。
【図１４】相変化材料を包含するピン断面図を示す。
【図１５】蒸気冷却を備えた冷却システムを示す。
【図１６】ＰＩＤ制御を使用した冷却システムを示す。
【図１７Ａ】Ｕチューブ及び２チューブ熱交換器を示す。
【図１７Ｂ】Ｕチューブ及び２チューブ熱交換器を示す。
【図１８】スイッチのためのポッケルスセルを備えた２つのステッパを照射するための連続の単一のレーザ作動を示す。
【図１９Ａ】レーザ性能の温度の影響を示す。
【図１９Ｂ】レーザ性能の温度の影響を示す。
【図１９Ｃ】レーザ性能の温度の影響を示す。
【図２０Ａ】約０．２６秒の応答時間を有する温度センサを使用した従来技術のテストデータを示す。
【図２０Ｂ】約０．２６秒の応答時間を有する温度センサを使用した従来技術のテストデータを示す。
【図２０Ｃ】約０．２６秒の応答時間を有する温度センサを使用した従来技術のテストデータを示す。
【図２１Ａ】隣接した熱交換器ベーンを示す。
【図２１Ｂ】隣接した熱交換器ベーンを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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