CN101581866B - 含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，由光束整形器、棱镜扩束器和衍射光栅组成。通过在光路中置入棱镜将矩形光束的长轴分为若干方向的子光束，通过高反镜将变向的子光束与原光束的短轴重叠，从而实现光束长宽比的变化，进而减小须扩束方向的光束长度，有效地减小了光栅长度；通过转动固定棱镜的转台实现激光的中心波长调谐机制，步进电机转台和PZT纳米转台分别对两扩束棱镜实现粗略转动调和精密转动，调整光束到光栅入射角来实现激光中心波长的粗调和精调。本发明可实现窄线宽激光输出，光束整形有效减小衍射光栅的尺寸，中心波长的转动调谐使结构紧凑、简单易调，本发明适用于多种类型的激光器，特别是准分子激光器。

Description

含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置

技术领域

本发明涉及光刻用准分子激光器的线宽压缩装置，特别是一种含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置。

背景技术

准分子激光可作为集成电路光刻的光源，即通过照射掩模板将其图像投射给晶圆。为了降低投影透镜因衍射而产生的色差，提供小于1pm的窄光谱线宽光源尤为必要。对于自由运转的ArF准分子激光器，其光谱带宽约500pm。因而，作为光刻光源，需要对线宽进行显著地压缩。

采用棱镜和光栅组成的Littrow结构可对光束进行波长选择，从而获得窄线宽激光输出。在准分子激光器中，常用的办法是对整个光束直接进行扩束并入射到衍射光栅来压缩线宽，参见在先技术[US patent NO.5978409]。然而光束经棱镜扩束器扩束后，需要大尺寸衍射光栅来进行波长选择。这样不仅增加了光栅加工难度，而且增大了装置的尺寸和成本。因此，在不影响原装置线宽压缩效果的情况下，有必要采用光束整形来减小光栅尺寸。另一方面，以往的技术中，使用杠杆装置调谐激光光束的中心波长，该技术方案结构复杂，难以控制，对波长和带宽的稳定性也会产生影响，参见在先技术[US patentNO.2008/0151944]，而对固定棱镜的转台实施转动调谐方便易行，目前的纳米定位***可实现的0.1μrad转动精度，能够满足窄带宽激光波长调谐的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，通过光束整形来减小线宽压缩装置的光栅尺寸并实现窄线宽激光输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特点在于该装置由光束整形器、棱镜扩束器和衍射光栅组成：

所述的光束整形器由一个具有矩形空隙通道、第一直角三棱镜和第二直角三棱镜组成，所述的第一直角三棱镜和第二直角三棱镜的一个直角面相对并平行地分布在所述的矩形空隙通道的两边，在所述的第一直角三棱镜和第二直角三棱镜的弦面的相对位置各设置一块第一高反射镜，两块第二反射镜与所述的两块第一高反射镜相对人字形地设置在所述的矩形空隙通道的上边，使输入该光束整形器的光束，经所述的矩形空隙通道的子光束不发生偏折，经过所述的第一直角三棱镜和第二直角三棱镜的子光束分别向各自棱镜的弦面偏折，而且该偏折的子光束经第一高反镜和第二高反镜后导向未偏折子光束的上边并平行于该未偏折子光束而将所述的三路子光束合束输出；

所述的棱镜扩束器由多个直角棱镜依次排列组成，该棱镜扩束器为上-上…上-下结构，即各直角棱镜的顶角向上、独有最后一个直角棱镜的顶角向下放置，第一直角棱镜设置在一个步进电机转台上，所述的最后一个直角棱镜设置在一个PZT纳米转台上；

所述的衍射光栅为中阶梯光栅。

所述的棱镜扩束器是由三个或四个直角棱镜组成的消色差***。

所述的步进电机转台由步进电机驱动器和控制器组成

所述的PZT纳米转台由压电陶瓷驱动器和控制器组成。

所述的衍射光栅的闪耀角为71°～82°。

所述的第一直角三棱镜和第二直角三棱镜的弦面镀增透膜。

一束矩形光束入射到所述的光束整形器，经高反镜调整后使偏折子光束分布在与未偏折光束平行的一侧，整形后的光束入射到所述的棱镜扩束器进行一维扩束，扩束后的光束入射到所述的衍射光栅进行波长选择，实现窄线宽激光输出并有效减小光栅尺寸；通过转动所述的步进电机转台和PZT纳米转台分别对所述的棱镜扩束器的第一扩束棱镜的粗略转动调和最后扩束棱镜的精密转动，进而实现扩束后的光束到光栅入射角的粗调和精调，最终实现激光中心波长的粗调和精调。

准分子激光放电腔发射的光束为宽带矩形光束，直接对其扩束入射到衍射光栅进行波长选择时，需要较大尺寸的光栅，加工技术难以实现单块长600mm以上的光栅。而通过光栅拼接技术来延长光栅尺寸，对准分子激光器的线宽压缩的可行性不大。

为了进一步压缩激光线宽，需要提高扩束器的扩束率，因而需要延长光栅长度。通过本发明光束整形器对入射光束分束，可有效地减小所需衍射光栅的尺寸。

矩形光束入射到棱镜，根据所需子光束的个数和分布来选择空隙和三棱镜的个数和布局。

偏折的子光束经高反镜反射导向主光轴方向，该高反镜镀高反膜以减小光损耗。

至此，将入射矩形光束分割导向后，压缩了光束在扩束方向的长度，完成了对入射光束的整形。

整形后的光束入射到棱镜扩束器进行一维扩束，其目的是分离波长并减小光束的发散角。棱镜扩束器由三到五个直角棱镜组成，棱镜过多会对光的波前产生不可忽略的畸变。

粗调机制和精调机制用于选择并稳定激光光束的中心波长。粗调机制是用步进电机转台来转动一个扩束棱镜来改变光束入射到波长选择元件光栅上的角度，从而粗调光束的中心波长；精调机制是用PZT纳米转台来转动临近衍射光栅的扩束棱镜来微调光束入射到波长选择元件光栅的角度，从而精调激光的中心波长。这两种方案的密切配合能够很好的调谐波长。

放大的光束以闪耀角入射到衍射光栅进行波长选择。被选择的窄带宽波长沿原光路返回，经功率放大后由耦合镜输出。该衍射光栅为闪耀光栅，特别地是中阶梯光栅。中阶梯光栅的特点为闪耀角大，衍射级次高，能够实现超高分辨率。由于深紫外波长具有高的光子电离能，光栅的表面需要镀高反膜，例如铝膜加氟化镁膜。

本发明的技术效果：

本发明通过在光路中置入棱镜将矩形光束的长轴分为若干方向的子光束，通过高反镜将变向的子光束与原光束的短轴重叠，从而实现光束长宽比的变化，进而减小须扩束方向的光束长度，有效地减小了光栅长度；通过转动固定棱镜的转台实现激光的中心波长调谐机制，步进电机转台和PZT纳米转台分别对两扩束棱镜实现粗略转动调和精密转动，调整光束到光栅入射角来实现激光中心波长的粗调和精调。可实现窄线宽准分子激光输出，同时减小了衍射光栅的尺寸，简化了中心波长调谐的机械结构。

附图说明

图1为本发明的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置的结构示意图。

图2为本发明所述的光束整形器的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置的结构示意图。激光放电管发出的光束经光束整形器1压缩扩束方向的长度。该光束整形器1的结构图如图2所示，该光束整形器1由分布在一个具有矩形截面的矩形空隙通道两边的第一直角三棱镜11和第二直角三棱镜12组成，所述的第一直角三棱镜11和第二直角三棱镜12的一个直角面相对并平行地分布在所述的矩形空隙通道的两边，在所述的第一直角三棱镜11和第二直角三棱镜12的弦面相对各设置一块第一高反射镜13，两块第二反射镜14与所述的发第一高反射镜13相对人字形地设置在所述的矩形空隙通道的上边，使输入该光束整形器的光束，经所述的光束整形器1后分为三路子光束，其中经空隙通道的光束不发生偏折，经过所述的第一直角三棱镜11和第二直角三棱镜12的光束分别向各自棱镜的弦面偏折，偏折的子光束经第一高反镜13和第二高反镜14后导向未偏折子光束平行的上侧而合束，光束整形后其压缩方向的宽度变为原来的1/2，这样可使衍射光栅3的长度减半。整形后的光束经棱镜扩束器2进行一维扩束，该棱镜扩束器2由四块三棱镜6、7、8、9组成，光束依次入射到各个棱镜的弦面并经对应的直角面出射，调整光束入射到棱镜的角度可以调整扩束器的扩束率，同时，为了减小棱镜间的菲涅耳反射形成的光损耗，棱镜的弦面镀减反膜。扩束后的光束入射到衍射光栅3进行波长选择，该衍射光栅为中阶梯光栅，其表面需要镀高反膜以减小入射光造成的光电离损伤。第一块棱镜6固定在步进电机转台4上，第四块棱镜9固定在PZT纳米转台5上，通过转动转台分别粗调和精调光束入射到衍射光栅4的角度，从而实现激光光束中心波长的粗调和精调。

对于本线宽压缩装置，光束经扩束器放大后，经光栅压缩能够实现的激光光束线宽(FWHM)为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\λ}}^{\′}={\mathrm{\λ}}_0*\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{M}/\left[2\tan \left({\mathrm{\α}}_B\right)\right]---\left(1\right)$

其中，λ₀入射光中心波长，θ₀为光源的发散角，α_B为光栅的闪耀角，M为扩束器总的放大率。

对于有限长度的光栅，扩束率M受光栅的长度L制约

$M=\frac{L}{d_0/\cos {\mathrm{\α}}_B}---\left(2\right)$

脉冲在谐振腔中往返N次后得到的最终线宽δ_λ可以写为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\λ}}={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\λ}}^{\′}/\sqrt{N}---\left(3\right)$

脉冲在激光器中往返行程的次数N可影响压缩的线宽。脉冲放电模式激光器的增益介质反转的寿命通常小于100ns。N与ArF的上能级离子寿命(ArF的能级寿命为2-6ns)成正比，与腔长成反比，及相关的增益时间决定；我们计算中取N＝4。则最终的线宽公式可以写为

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\λ}}={\mathrm{\λ}}_0*\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2M\sqrt{N}\tan \left({\mathrm{\α}}_B\right)}---\left(4\right)$

对于长316mm闪耀角为79°的衍射光栅，如果激光管发射光束的光斑尺寸为8mm×4mm，相应的光束发散角为0.8mrad×1.5mrad。对8mm长度方向进行扩束，整形前光束的扩束率可达18，相应压缩的线宽为0.4pm，光束整形后光束的扩束率可扩大一倍，相应压缩的线宽为0.2pm，即压缩能力提高了一倍。

Claims (6)

1.一种含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于该装置由光束整形器(1)、棱镜扩束器(2)和衍射光栅(3)组成：

所述的光束整形器(1)由分布在一个具有矩形截面的矩形空隙通道两边的第一直角三棱镜(11)和第二直角三棱镜(12)组成，所述的第一直角三棱镜(11)和第二直角三棱镜(12)的一个直角面相对并平行地分布在所述的矩形空隙通道的两边，在所述的第一直角三棱镜(11)和第二直角三棱镜(12)的弦面的相对位置各设置一块第一高反射镜(13)，两块第二高反射镜(14)与所述的两块第一高反射镜(13)相对且人字形地设置在所述的矩形空隙通道的上边，使输入该光束整形器(1)的光束，经所述的光束整形器(1)后分为三路子光束，即经所述的矩形空隙通道的子光束不发生偏折，称为未偏折子光束，经过所述的第一直角三棱镜(11)的子光束和第二直角三棱镜(12)的子光束分别向各自棱镜的弦面偏折，称为偏折子光束，而且该两束偏折子光束分别经第一高反射镜(13)和第二高反射镜(14)后导向未偏折子光束的上边并平行于该未偏折子光束而将所述的三路子光束合束输出；

所述的棱镜扩束器(2)由多个直角棱镜依次排列组成，该棱镜扩束器(2)为上-上…上-下结构，即各直角棱镜的顶角向上、独有最后一个直角棱镜的顶角向下放置，第一直角棱镜设置在一个步进电机转台(4)上，所述的最后一个直角棱镜设置在一个PZT内米转台(5)上；

所述的衍射光栅(3)为中阶梯光栅。

2.根据权利要求1所述的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于所述的棱镜扩束器(2)是由三个或四个直角棱镜组成的。

3.根据权利要求1所述的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于所述的步进电机转台(4)由步进电机驱动器和控制器组成。

4.根据权利要求1所述的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于所述的PZT纳米转台(9)由压电陶瓷驱动器和控制器组成。

5.根据权利要求1所述的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于所述的衍射光栅(3)的闪耀角为71°～82°。

6.根据权利要求1至5任一项所述的含光束整形与波长转动调谐的线宽压缩装置，其特征在于所述的第一直角三棱镜(11)和第二直角三棱镜(12)的弦面镀增透膜。

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