一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，包括兩個分束元件和一個基于兩個或者多個球面反射鏡的共焦諧振腔。第一個分束元件將入射激光束分為兩束，一束光進入共焦諧振腔，產(chǎn)生一定的光學延遲后入射到第二個分束元件，另一束光直接入射到第二個分束元件。第二個分束元件將每一束入射光束進一步分為兩束，其中一束光進入光學諧振腔并產(chǎn)生一定的光學延遲后回到第一個分束元件進一步分束，另一束與其他被分束元件分光后直接輸出或者經(jīng)共焦諧振腔光學延遲后輸出的光束合并，形成輸出光束。本發(fā)明能有效提高脈沖展寬效率，降低展寬后輸出激光束的峰值功率，提高準分子激光光學系統(tǒng)中光學元件的使用壽命。
【專利說明】一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及對準分子激光器輸出參數(shù)進行調(diào)控的【技術領域】，特別是一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置。

【背景技術】
[0002]在超大規(guī)模集成電路制造工藝中，準分子激光光刻是最重要的工藝過程之一。目前半導體集成電路光刻設備所使用的主要激光光源為氟化氬(ArF)和氟化氪(KrF)準分子激光器，輸出波長分別為193nm和248nm。在光刻機設備中，大量使用了深紫外光學兀件,包括反射光學元件、透射光學元件、衰減光學元件等，用于對193nm或248nm激光束的整形、傳輸和控制。這些光學元件中的成像物鏡透鏡元件數(shù)量多，制造難度大，價格昂貴。深紫外光學元件在193nm或248nm波長的深紫外激光長時間照射條件下，其材料內(nèi)部可能產(chǎn)生色心和其他物理或化學過程，導致其光學性能緩慢下降，直至災難性損傷出現(xiàn)，光學元件使用壽命終結(jié)。前期研究結(jié)果表明，這些光學元件性能下降速率與激光束的功率密度(P = E/ τ，P為功率密度，E為脈沖能量，τ為脈沖寬度)直接相關，功率密度越高，性能下降越快，使用壽命越短。另一方面，為了提高光刻機的產(chǎn)率，近年來光刻用準分子激光器輸出脈沖能量不斷提高，已從早期5mJ提高到目前的10mJ、15mJ。而激光器輸出脈沖寬度基本沒有改變，仍為20ns左右。這將大大縮短光刻機中光學元件,特別是物鏡元件的使用壽命。
[0003]一種在提高準分子激光器輸出脈沖能量并提高光刻產(chǎn)率的同時，不降低甚至延長光學元件使用壽命的有效技術途徑是擴展準分子激光器輸出脈沖的寬度。例如，如果在激光器輸出能量從5mJ提高到15mJ的同時將激光器脈沖寬度從20ns展寬到60ns，則光刻光學系統(tǒng)中的激光功率密度不變，對光學元件的使用壽命也基本沒有影響。而如果能將脈沖寬度展寬到120ns，則功率密度下降一倍，可有效提高光學元件的使用壽命，降低光刻機的使用成本。
[0004]由于準分子激光器輸出脈沖寬度基本不變，可通過使用脈沖展寬裝置實現(xiàn)脈沖展寬。用于準分子激光脈沖展寬的方法主要是基于分束元件分光和光學諧振腔延時，將一個脈沖分解成多個不同延時脈沖的疊加，從而實現(xiàn)脈沖展寬的目的。傳統(tǒng)脈沖展寬裝置一般采用一個分束元件分光和一個共焦諧振腔，達到的脈寬展寬比(輸出脈沖寬度與輸入脈沖寬度之比)為2.5-3.0左右，如果要達到更高的展寬比，一般采用多級(串聯(lián))展寬。例如，中國專利申請?zhí)?01010178364.0“在光學部件上具有減少的能量密度的脈沖擴展器”公開了一種基于一個分束元件和由兩個球面反射鏡組成的共焦諧振腔的脈沖展寬裝置，其基本結(jié)構與傳統(tǒng)脈沖展寬裝置一致，只是加入了折疊反射鏡和擴束系統(tǒng)來實現(xiàn)結(jié)構的緊湊和降低裝置中光學元件的損傷概率。其他的可能構型主要是光學諧振腔結(jié)構的變化，包括使用三反射鏡諧振腔(美國專利 US7035012: “Optical pulse durat1n extender”)、四反射鏡諧振腔(美國專利US7415056，"Confocal pulse stretch”)等。為了提高脈寬展寬比，Burkert 等人[A.Burkert, J.Bergmann, ff.Triebel, and U.Natura, “Pulse stretcherwith variable pulse length for excimer laser applicat1ns”, Review of ScienctficInstruments 81，033104 (2010)]將兩套脈沖展寬裝置串聯(lián)。其他的提高展寬比的方法包括采用后向反射鏡反射輸出光束，使被一次展寬的激光脈沖二次通過脈沖展寬裝置，實現(xiàn)二次展寬(美國專利申請 US2006/0216037: “Double-pass imaging pulse-stretch”)等。在這些方法和裝置中，基于一個分束元件和一個諧振腔的展寬系統(tǒng)要么展寬比較低，要么展寬后輸出脈沖波形較差。而基于兩個脈沖展寬裝置串聯(lián)和采用后向反射二次展寬由于每次反射存在反射損失(例如193nm反射鏡的反射率一般在98%左右)，則導致較大能量損失。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題為:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于雙分束元件和一個共焦諧振腔的脈沖展寬裝置，在不明顯增加脈沖能量損失的前提下，顯著改善輸出脈沖波形，并在一定程度上提高脈寬展寬比。
[0006]本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，包括兩個分束元件和一個共焦諧振腔。第一個分束元件將入射激光束分為兩束，一束光進入共焦諧振腔，產(chǎn)生一定的光學延遲后入射到第二個分束元件，另一束光直接入射到第二個分束元件。第二個分束元件將每一束入射光束進一步分為兩束，其中一束光進入光學諧振腔并產(chǎn)生一定的光學延遲后回到第一個分束元件進一步分束，另一束與其他被分束兀件分光后直接輸出或者經(jīng)共焦諧振腔光學延遲后輸出的光束合并，形成輸出光束。
[0007]其中，所述共焦諧振腔可以由四片球面反射鏡構成，也可以由兩片球面反射鏡構成。球面反射鏡曲率半徑根據(jù)具體要求確定。
[0008]其中，所述共焦諧振腔的腔長根據(jù)脈寬展寬要求的光學延遲時間確定，即L =c.t，L為諧振腔腔長，c為光速，t為光學延遲時間。
[0009]其中，所述兩個分束元件的分光比需根據(jù)共焦諧振腔腔鏡的反射率值和分束元件的光學損耗進行優(yōu)化，在腔鏡反射率高于97% ,分束兀件光學損耗低于2%時,第一片分束元件的分光比(反射/透射比)范圍為0.20/0.80-0.30/0.70，第二片分束元件的分光比(反射/透射比)范圍為0.60/0.40-0.70/0.30。
[0010]其中，所述兩個分束元件的使用入射角為45±5°。
[0011]其中，根據(jù)實際使用需要，可在輸出光束中插于厚度與兩片分束元件厚度之和相等的增透光學元件用于補償由分束元件引起的輸出光束位置平移，增透光學元件使用入射角與分束元件使用入射角反對稱。
[0012]其中，根據(jù)實際使用需要，可在脈沖展寬裝置中插入一個或多個折疊反射鏡，使脈沖展寬裝置結(jié)構更緊湊，節(jié)省使用空間。
[0013]其中，當準分子激光波長低于200nm時，脈沖展寬裝置的整個光路系統(tǒng)均置于高純氮氣環(huán)境中。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有基于單一分束元件的脈沖展寬技術相比具有如下優(yōu)點:在不明顯增加脈沖能量損失(取決于第二片分束元件的透射損耗)的前提下，顯著改善輸出脈沖波形，進一步降低輸出脈沖的瞬時峰值功率，并在一定程度上提高脈寬展寬比，提高準分子激光光學系統(tǒng)中光學元件的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明采用雙分束元件和一個四反射鏡共焦諧振腔的脈沖展寬裝置結(jié)構示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明采用雙分束元件和一個兩反射鏡共焦諧振腔的脈沖展寬裝置結(jié)構示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明采用雙分束元件和一個兩或四反射鏡共焦諧振腔、并采用一反射鏡將諧振腔折疊的脈沖展寬裝置結(jié)構示意圖；其中(a)為基于雙分束元件的四反射鏡共焦折疊諧振腔；(b)為基于雙分束元件的兩反射鏡共焦折疊諧振腔；
[0018]圖4為采用本發(fā)明的脈沖展寬裝置展寬后的輸出脈沖波形與采用單分束元件的脈沖展寬裝置展寬后的輸出脈沖波形的對比圖；
[0019]圖5為采用更長諧振腔腔長的本脈沖展寬裝置展寬后的輸出脈沖波形圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明采用雙分束元件和一個四反射鏡共焦諧振腔的脈沖展寬裝置由分束兀件BSl、分束兀件BS2、諧振腔反射鏡Ml、諧振腔反射鏡M2、諧振腔反射鏡M3、諧振腔反射鏡M4和輸出匹配窗口 Wl組成。輸入激光束先通過第一個45度分束元件BSl分為兩束光，即透射光束和反射光束。透射光束直接入射到第二個45度分束元件BS2上進一步分光，而反射光束經(jīng)諧振腔腔鏡Ml和M2反射延遲后也入射到第二個45度分束元件BS2上進一步分光。入射到第二個分束元件BS2上的光束又進一步分成兩束光束，一束光束直接輸出，另一束光束經(jīng)諧振腔腔鏡M3和M4反射延遲后重新又入射到第一個分束元件BSl上，再進一步分光。這一過程不斷重復，導致輸入脈沖經(jīng)多次分光和延遲后輸出，最終形成峰值功率有效下降、脈沖寬度有效展寬的輸出激光束。
[0022]本發(fā)明的脈沖展寬裝置中共焦諧振腔腔長，定義為輸入激光束從分束元件BSl反射后入射到諧振腔腔鏡M1、M2、M3和M4反射后重新回到BSl所傳輸?shù)木嚯x，應根據(jù)脈寬展寬要求確定，一般為在輸入脈沖寬度時間內(nèi)光束所傳輸?shù)木嚯x，即L = c.t，L為諧振腔腔長，c為光速，t為輸入脈沖寬度。而腔鏡的曲率半徑則應根據(jù)輸入激光束的發(fā)散角參數(shù)和諧振腔腔長確定，所有四個腔鏡的曲率半徑可以相同，也可以不同。
[0023]本發(fā)明的脈沖展寬裝置中兩個分束元件的分光比需根據(jù)共焦諧振腔腔鏡的反射率值和分束元件的光學損耗進行優(yōu)化，在腔鏡Ml、M2、M3、和M4反射率高于97%，分束元件BSl和BS2光學損耗低于2%時，第一片分束元件BSl的分光比(反射/透射比)最優(yōu)值范圍為0.20/0.80-0.30/0.70，第二片分束元件BS2的分光比(反射/透射比)最優(yōu)值范圍為
0.60/0.40-0.70/0.30。
[0024]本發(fā)明的脈沖展寬裝置中共焦諧振腔也可以由兩個腔鏡組成，如圖2所示。四腔鏡共焦諧振腔中的Ml和M3、M2和M4可以分別由一個腔鏡替代，其作用分別與Ml和M3及M2和M4完全相同。其優(yōu)點是所使用的光學元件數(shù)量減少，有利于裝調(diào)。缺點是腔鏡尺寸變大，制造成本增加。
[0025]在實際使用中，本發(fā)明的脈沖展寬裝置中如果諧振腔腔長較長時，也可以使用折疊反射鏡將諧振腔折疊，如圖3所示，使脈沖展寬裝置結(jié)構更加緊湊。折疊反射鏡的使用角度一般為45度，也可以是小于45度的其他角度。
[0026]為了描述本發(fā)明的脈沖展寬裝置的優(yōu)點，圖4給出了采用本脈沖展寬裝置展寬后的輸出脈沖波形與采用單分束元件的脈沖展寬裝置展寬后的輸出脈沖波形的對比結(jié)果。在此示例中，假設輸入激光脈沖寬度為20ns (TIS)，諧振腔腔長為6米，腔鏡Ml、M2、M3、M4反射鏡均為98%，分束元件BSl和BS2的光學損耗為0.015，分束元件BSl的反射率/透過率比為0.266/0.719，分束元件BS2的反射率/透過率比為0.669/0.316。輸入脈沖經(jīng)過此脈沖展寬裝置展寬后，脈寬展寬2.75倍，變?yōu)?5ns，脈沖能量為輸入脈沖的87.4%，峰值脈沖功率為輸入脈沖的0.305倍，輸出脈沖波形非常平坦，無明顯尖峰。在此脈沖展寬裝置中去掉分束元件BS2，并將分束元件BSl的反射率/透過率比變?yōu)?.597/0.388，則變?yōu)閭鹘y(tǒng)的單分束元件脈沖展寬裝置。該裝置的脈寬展寬比為2.80倍，即展寬后脈寬變?yōu)?6ns,脈沖能量為輸入脈沖的90.0%，峰值脈沖功率為輸入脈沖的0.388倍，輸出脈沖波形存在多個尖峰。本示例結(jié)果顯示與傳統(tǒng)的單分束元件脈沖展寬裝置相比，本發(fā)明的脈沖展寬裝置更有效地降低了輸出脈沖的峰值脈沖功率，輸出脈沖波形平坦，能更有效提高光刻光學系統(tǒng)中光學元件的使用壽命。
[0027]在本發(fā)明的脈沖展寬裝置中，通過加大諧振腔腔長可進一步提高脈寬展寬比，降低峰值脈沖功率。圖5為將諧振腔腔長延長到10米的模擬結(jié)果。重新優(yōu)化分束元件BSl的反射率/透過率比為0.279/0.706，分束元件BS2的反射率/透過率比為0.671/0.314，腔鏡反射率和分束元件光學損耗不變。輸入脈沖經(jīng)過此脈沖展寬裝置展寬后，脈寬展寬4.09倍，變?yōu)?2ns，脈沖能量為輸入脈沖的87.4%，峰值脈沖功率為輸入脈沖的0.225倍，輸出脈沖波形仍基本平坦，波動小。
[0028]本發(fā)明未詳細闡述內(nèi)容部分屬于本領域公知技術。
【權利要求】
1.一種基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:包括兩個分束元件和一個共焦諧振腔；第一個分束元件將入射激光束分為兩束，一束光進入共焦諧振腔，產(chǎn)生一定的光學延遲后入射到第二個分束元件，另一束光直接入射到第二個分束元件；第二個分束元件將每一束入射光束進一步分為兩束，其中一束光進入光學諧振腔并產(chǎn)生一定的光學延遲后回到第一個分束元件進一步分束，另一束與其他被分束元件分光后直接輸出或者經(jīng)共焦諧振腔光學延遲后輸出的光束合并，形成輸出光束。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:所述共焦諧振腔可以由四片球面反射鏡構成，也可以由兩片球面反射鏡構成，球面反射鏡曲率半徑根據(jù)具體要求確定。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:所述共焦諧振腔的腔長根據(jù)脈寬展寬要求的光學延遲時間確定，即L = c *t，L為諧振腔腔長，c為光速，t為光學延遲時間。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:所述兩個分束元件的分光比需根據(jù)共焦諧振腔腔鏡的反射率值和分束元件的光學損耗進行優(yōu)化，在腔鏡反射率高于97%,分束兀件光學損耗低于2%時,第一片分束兀件的分光比(即反射/透射比)范圍為0.20/0.80-0.30/0.70，第二片分束元件的分光比(即反射/透射比)范圍為 0.60/0.40-0.70/0.30。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:所述兩個分束元件的使用入射角為45±5°。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:根據(jù)實際使用需要，可在輸出光束中插于厚度與兩片分束元件厚度之和相等的增透光學元件用于補償由分束元件引起的輸出光束位置平移，增透光學元件使用入射角與分束元件使用入射角反對稱。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:根據(jù)實際使用需要，可在脈沖展寬裝置中插入一個或多個折疊反射鏡，使脈沖展寬裝置結(jié)構更緊湊，節(jié)省使用空間。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于雙分束元件的準分子激光脈沖展寬裝置，其特征在于:當準分子激光波長低于200nm時，脈沖展寬裝置的整個光路系統(tǒng)均置于高純氮氣環(huán)境中。
【文檔編號】H01S3/10GK104319615SQ201410607020
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權日:2014年11月2日
【發(fā)明者】李斌成, 王強, 韓艷玲 申請人:中國科學院光電技術研究所