一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置 |
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| 申请号 | CN201410607020.5 | 申请日 | 2014-11-02 | 公开(公告)号 | CN104319615B | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 中国科学院光电技术研究所; | 发明人 | 李斌成; 王强; 韩艳玲; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置，包括指向相同的两个分束元件和一个基于两个或者多个球面反射镜的共焦 谐振腔 。第一个分束元件将入射 激光束 分为两束，一束光进入共焦谐振腔，产生一定的光学延迟后入射到第二个分束元件，另一束光直接入射到第二个分束元件。第二个分束元件将每一束入射光束进一步分为两束，其中一束光进入光学谐振腔并产生一定的光学延迟后回到第一个分束元件进一步分束，另一束与其他被分束元件分光后直接输出或者经共焦谐振腔光学延迟后输出的光束合并，形成输出光束。本发明能有效提高脉冲展宽效率，降低展宽后输出激光束的 峰值功率 ，提高准分子激光光学系统中光学元件的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置，其特征在于：包括指向相同的两个分束元件和一个共焦谐振腔；第一个分束元件将入射激光束分为两束，一束光进入共焦谐振腔，产生一定的光学延迟后入射到第二个分束元件，另一束光直接入射到第二个分束元件；第二个分束元件将每一束入射光束进一步分为两束，其中一束光进入光学谐振腔并产生一定的光学延迟后回到第一个分束元件进一步分束，另一束与其他被分束元件分光后直接输出或者经共焦谐振腔光学延迟后输出的光束合并，形成输出光束。 |
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| 说明书全文 | 一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置技术领域背景技术[0002] 在超大规模集成电路制造工艺中，准分子激光光刻是最重要的工艺过程之一。目前半导体集成电路光刻设备所使用的主要激光光源为氟化氩(ArF)和氟化氪(KrF)准分子激光器，输出波长分别为193nm和248nm。在光刻机设备中，大量使用了深紫外光学元件，包括反射光学元件、透射光学元件、衰减光学元件等，用于对193nm或248nm激光束的整形、传输和控制。这些光学元件中的成像物镜透镜元件数量多，制造难度大，价格昂贵。深紫外光学元件在193nm或248nm波长的深紫外激光长时间照射条件下，其材料内部可能产生色心和其他物理或化学过程，导致其光学性能缓慢下降，直至灾难性损伤出现，光学元件使用寿命终结。前期研究结果表明，这些光学元件性能下降速率与激光束的功率密度(P＝E/τ，P为功率密度，E为脉冲能量，τ为脉冲宽度)直接相关，功率密度越高，性能下降越快，使用寿命越短。另一方面，为了提高光刻机的产率，近年来光刻用准分子激光器输出脉冲能量不断提高，已从早期5mJ提高到目前的10mJ、15mJ。而激光器输出脉冲宽度基本没有改变，仍为20ns左右。这将大大缩短光刻机中光学元件，特别是物镜元件的使用寿命。 [0003] 一种在提高准分子激光器输出脉冲能量并提高光刻产率的同时，不降低甚至延长光学元件使用寿命的有效技术途径是扩展准分子激光器输出脉冲的宽度。例如，如果在激光器输出能量从5mJ提高到15mJ的同时将激光器脉冲宽度从20ns展宽到60ns，则光刻光学系统中的激光功率密度不变，对光学元件的使用寿命也基本没有影响。而如果能将脉冲宽度展宽到120ns，则功率密度下降一倍，可有效提高光学元件的使用寿命，降低光刻机的使用成本。 [0004] 由于准分子激光器输出脉冲宽度基本不变，可通过使用脉冲展宽装置实现脉冲展宽。用于准分子激光脉冲展宽的方法主要是基于分束元件分光和光学谐振腔延时，将一个脉冲分解成多个不同延时脉冲的叠加，从而实现脉冲展宽的目的。传统脉冲展宽装置一般采用一个分束元件分光和一个共焦谐振腔，达到的脉宽展宽比(输出脉冲宽度与输入脉冲宽度之比)为2.5-3.0左右，如果要达到更高的展宽比，一般采用多级(串联)展宽。例如，中国专利申请号201010178364.0“在光学部件上具有减少的能量密度的脉冲扩展器”公开了一种基于一个分束元件和由两个球面反射镜组成的共焦谐振腔的脉冲展宽装置，其基本结构与传统脉冲展宽装置一致，只是加入了折叠反射镜和扩束系统来实现结构的紧凑和降低装置中光学元件的损伤概率。其他的可能构型主要是光学谐振腔结构的变化，包括使用三反射镜谐振腔(美国专利US7035012:“Optical pulse duration extender”)、四反射镜谐振腔(美国专利US7415056“, Confocal pulse stretch”)等。为了提高脉宽展宽比，Burkert等人[A.Burkert,J.Bergmann,W.Triebel,and U.Natura,“Pulse stretcher with variable pulse length for excimer laser applications”,Review of Scienctfic Instruments 81,033104(2010)]将两套脉冲展宽装置串联。其他的提高展宽比的方法包括采用后向反射镜反射输出光束，使被一次展宽的激光脉冲二次通过脉冲展宽装置，实现二次展宽(美国专利申请US2006/0216037:“Double-pass imaging pulse-stretcher”)等。在这些方法和装置中，基于一个分束元件和一个谐振腔的展宽系统要么展宽比较低，要么展宽后输出脉冲波形较差。而基于两个脉冲展宽装置串联和采用后向反射二次展宽由于每次反射存在反射损失(例如193nm反射镜的反射率一般在98％左右)，则导致较大能量损失。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于双分束元件和一个共焦谐振腔的脉冲展宽装置，在不明显增加脉冲能量损失的前提下，显著改善输出脉冲波形，降低输出脉冲的瞬时峰值功率，并在一定程度上提高脉宽展宽比。 [0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置，包括指向相同的两个分束元件和一个共焦谐振腔。第一个分束元件将入射激光束分为两束，一束光进入共焦谐振腔，产生一定的光学延迟后入射到第二个分束元件，另一束光直接入射到第二个分束元件。第二个分束元件将每一束入射光束进一步分为两束，其中一束光进入光学谐振腔并产生一定的光学延迟后回到第一个分束元件进一步分束，另一束与其他被分束元件分光后直接输出或者经共焦谐振腔光学延迟后输出的光束合并，形成输出光束。 [0007] 其中，所述共焦谐振腔可以由四片球面反射镜构成，也可以由两片球面反射镜构成。球面反射镜曲率半径根据具体要求确定。 [0008] 其中，所述共焦谐振腔的腔长根据脉宽展宽要求的光学延迟时间确定，即L＝a·c·t，L为谐振腔腔长，c为光速，t为光学延迟时间，a为常数。 [0009] 其中，所述两个分束元件的分光比需根据共焦谐振腔腔镜的反射率值和分束元件的光学损耗进行优化，在腔镜反射率高于97％，分束元件光学损耗低于2％时，第一片分束元件的分光比(反射/透射比)范围为0.20/0.80-0.30/0.70，第二片分束元件的分光比(反射/透射比)范围为0.60/0.40-0.70/0.30。 [0010] 其中，所述两个分束元件的使用入射角为45±5°。 [0011] 其中，根据实际使用需要，可在输出光束中插于厚度与两片分束元件厚度之和相等的增透光学元件用于补偿由分束元件引起的输出光束位置平移，增透光学元件使用入射角与分束元件使用入射角反对称。 [0012] 其中，根据实际使用需要，可在脉冲展宽装置中插入一个或多个折叠反射镜，使脉冲展宽装置结构更紧凑，节省使用空间。 [0013] 其中，当准分子激光波长低于200nm时，脉冲展宽装置的整个光路系统均置于高纯氮气环境中。 [0014] 本发明与现有基于单一分束元件的脉冲展宽技术相比具有如下优点：在不明显增加脉冲能量损失(取决于第二片分束元件的透射损耗)的前提下，显著改善输出脉冲波形，进一步降低输出脉冲的瞬时峰值功率，并在一定程度上提高脉宽展宽比，提高准分子激光光学系统中光学元件的使用寿命。附图说明 [0015] 图1为本发明采用双分束元件和一个四反射镜共焦谐振腔的脉冲展宽装置结构示意图； [0016] 图2为本发明采用双分束元件和一个两反射镜共焦谐振腔的脉冲展宽装置结构示意图； [0017] 图3为本发明采用双分束元件和一个两或四反射镜共焦谐振腔、并采用一反射镜将谐振腔折叠的脉冲展宽装置结构示意图；其中(a)为基于双分束元件的四反射镜共焦折叠谐振腔；(b)为基于双分束元件的两反射镜共焦折叠谐振腔； [0018] 图4为采用本发明的脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形与采用单分束元件的脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形的对比图； [0019] 图5为采用更长谐振腔腔长的本脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形图。 具体实施方式[0020] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。 [0021] 如图1所示，本发明采用指向相同的双分束元件和一个四反射镜共焦谐振腔的脉冲展宽装置由分束元件BS1、分束元件BS2、谐振腔反射镜M1、谐振腔反射镜M2、谐振腔反射镜M3、谐振腔反射镜M4和输出匹配窗口W1组成。输入激光束先通过第一个45度分束元件BS1分为两束光，即透射光束和反射光束。透射光束直接入射到第二个45度分束元件BS2上进一步分光，而反射光束经谐振腔腔镜M1和M2反射延迟后也入射到第二个45度分束元件BS2上进一步分光。入射到第二个分束元件BS2上的光束又进一步分成两束光束，一束光束直接输出，另一束光束经谐振腔腔镜M3和M4反射延迟后重新又入射到第一个分束元件BS1上，再进一步分光。这一过程不断重复，导致输入脉冲经多次分光和延迟后输出，最终形成峰值功率有效下降、脉冲宽度有效展宽的输出激光束。 [0022] 本发明的脉冲展宽装置中共焦谐振腔腔长，定义为输入激光束从分束元件BS1反射后入射到谐振腔腔镜M1、M2、M3和M4反射后重新回到BS1所传输的距离，应根据脉宽展宽要求确定，一般为在输入脉冲宽度时间内光束所传输的距离，即L＝a·c·t，L为谐振腔腔长，c为光速，t为光学延迟时间，a为常数。而腔镜的曲率半径则应根据输入激光束的发散角参数和谐振腔腔长确定，所有四个腔镜的曲率半径可以相同，也可以不同。 [0023] 本发明的脉冲展宽装置中两个分束元件的分光比需根据共焦谐振腔腔镜的反射率值和分束元件的光学损耗进行优化，在腔镜M1、M2、M3、和M4反射率高于97％，分束元件BS1和BS2光学损耗低于2％时，第一片分束元件BS1的分光比(反射/透射比)最优值范围为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)最优值范围为0.60/ 0.40-0.70/0.30。 [0024] 本发明的脉冲展宽装置中共焦谐振腔也可以由两个腔镜组成，如图2所示。四腔镜共焦谐振腔中的M1和M3、M2和M4可以分别由一个腔镜替代，其作用分别与M1和M3及M2和M4完全相同。其优点是所使用的光学元件数量减少，有利于装调。缺点是腔镜尺寸变大，制造成本增加。 [0025] 在实际使用中，本发明的脉冲展宽装置中如果谐振腔腔长较长时，也可以使用折叠反射镜将谐振腔折叠，如图3所示，使脉冲展宽装置结构更加紧凑。折叠反射镜的使用角度一般为45度，也可以是小于45度的其他角度。 [0026] 为了描述本发明的脉冲展宽装置的优点，图4给出了采用本脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形与采用单分束元件的脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形的对比结果。在此示例中，假设输入激光脉冲宽度为20ns(TIS)，谐振腔腔长为6米，腔镜M1、M2、M3、M4反射镜均为98％，分束元件BS1和BS2的光学损耗为0.015，分束元件BS1的反射率/透过率比为0.266/0.719，分束元件BS2的反射率/透过率比为0.669/0.316。输入脉冲经过此脉冲展宽装置展宽后，脉宽展宽2.75倍，变为55ns，脉冲能量为输入脉冲的87.4％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.305倍，输出脉冲波形非常平坦，无明显尖峰。在此脉冲展宽装置中去掉分束元件BS2，并将分束元件BS1的反射率/透过率比变为0.597/0.388，则变为传统的单分束元件脉冲展宽装置。该装置的脉宽展宽比为2.80倍，即展宽后脉宽变为56ns，脉冲能量为输入脉冲的90.0％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.388倍，输出脉冲波形存在多个尖峰。本示例结果显示与传统的单分束元件脉冲展宽装置相比，本发明的脉冲展宽装置更有效地降低了输出脉冲的峰值脉冲功率，输出脉冲波形平坦，能更有效提高光刻光学系统中光学元件的使用寿命。 [0027] 在本发明的脉冲展宽装置中，通过加大谐振腔腔长可进一步提高脉宽展宽比，降低峰值脉冲功率。图5为将谐振腔腔长延长到10米的模拟结果。重新优化分束元件BS1的反射率/透过率比为0.279/0.706，分束元件BS2的反射率/透过率比为0.671/0.314，腔镜反射率和分束元件光学损耗不变。输入脉冲经过此脉冲展宽装置展宽后，脉宽展宽4.09倍，变为82ns，脉冲能量为输入脉冲的87.4％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.225倍，输出脉冲波形仍基本平坦，波动小。 [0028] 本发明未详细阐述内容部分属于本领域公知技术。 |
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