4. 改善 E95 的穩定性

高解析度繞射光柵

圖 5:高解析度繞射光柵

GIGAPHOTON 為了 E95 的穩定化所著手的最大規模研發,是將直接影響 E95 大小的窄頻寬化模組(LNM)高效化。圖 5 為 LNM 的示意圖。LNM 模組設置於鄰接共振腔之處,與前反射鏡共同構成光學共振器。其作用為頻譜的過濾。共振腔發出的原始光束中,其 E95 寬達數百 pm,但通過 LNM 後則縮減至原本的數百分之一,達到窄頻寬化。LNM 由數顆稜鏡與繞射光柵組成。稜鏡的任務為放大雷射光,放大後的光束將照向繞射光柵的正面。雷射會被繞射光柵反射回共振腔,但此時的反射角將根據波長而產生微妙變化。換言之,繞射光柵起了將波長分布轉換為空間分布的功用。利用光柵等物僅對中心附近的光束進行反射,即可達到窄頻譜化。利用此原理的技術中,使用的繞射光柵越大,可以達到更窄的頻譜與 E95。

GIGAPHOTON 著手的技術,就是研發搭載全球最大解析度繞射光柵的 LNM。圖中顯示了既有繞射光柵與高解析度繞射光柵的配置比較,可以看到大小相差 1.5 倍以上。這樣的大小,關鍵在於如何袖珍化配置繞射光柵的設計,以及達到均一光學波面的安裝方法。

氟氣對 E95 的影響

圖 6:氟氣對 E95 的影響

圖 6 顯示了兩種繞射光柵達到的 E95 數據。縱軸顯示 E95,橫軸顯示 E95 變動原因之共振腔內氟氣壓力。首先,E95 本身的差異在於使用高解析繞射光柵後可達既有值的一半。以典型氟氣濃度 300 hPa 進行比較時,既有的 E95 為 1.4 pm,而高解析型則達 0.7 pm。在其他氟氣濃度上也可窺見相同的差異。

E95 對於氟氣濃度所產生的變動,也從既有的 0.4 pm/100 hPa 改善至 0.15 pm/100 hPa,約 1/3 以下。對於前述之 E95 第一項變動原因之氟氣壓力變化,可獲得大幅改善。

氟氣控制系統

圖 7:氟氣控制系統

當成功研發氟氣濃度變化不再大幅影響 E95 變動的 LNM 後,下一步則著手研發共振腔內氟氣濃度的穩定化。目標是讓氟氣濃度穩定,確保 E95 的長期穩定性。

一如前述,氟氣濃度不得不變化(主因注氣而增加)的理由在於補充放電消耗的氟氣,抑制長期性輸出功率的低落。但是,氟氣的課題在於過多將使 E95 大幅變動。

讓 E95 穩定化且抑制輸出功率低的唯一解決之道,就是常保共振腔內的氟氣濃度。 為此,我們研發了精密氣體控制技術。在精密氣體控制技術的序列中,以質流量控制器高精密掌控注入共振腔內的氟氣量。此外可由各項指標讀取共振腔內的消耗氟氣量。如此一來,共振腔內的氟氣濃度可常保固定。再者,採用回饋系統以監控氟氣過度注氣,讓監控模組回饋頻譜寬度量測值以補正預測氟氣濃度的偏差。

上述研發之下,共振腔內氟氣濃度的典範值可經常控制在 300-350 hPa,與高解析繞射光柵並用,可抑制 E95 變動值達 0.1 pm 左右。

前述技術已平行推廣於 2kHz KrF 雷射裝置 G21K、4kHz KrF 雷射裝置 G40K、G41K,以及最近的 ArF 雷射裝置上,對使用者端的 CD 控制貢獻良多。