CN107887778A - 使用193nm激光器的固态激光器及检验*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及使用193nm激光器的固态激光器及检验***。本发明揭示改进的激光器***及相关联技术，其由接近1064nm的基谐波真空波长产生大约193.368nm的紫外线UV波长。优选实施例分离出至少一级的输入波长的未消耗部分且重新定向所述未消耗部分以在另一级中使用。所述改进的激光器***及相关联技术导致比当前用于工业中的激光器更便宜、寿命更长的激光器。这些激光器***可用易于获得、相对便宜的组件构造。
Description
本申请是申请日为2013年05月17日，申请号为“201380037266.7”，而发明名称为“使用193nm激光器的固态激光器及检验***”的申请的分案申请。
相关申请案
本申请案主张标题为“固态193nm激光器及使用固态193nm激光器的检验***(Solid-State 193nm Laser And An Inspection System Using A Solid-State 193nmLaser)”且在2012年5月22日申请的第61/650,349号美国临时申请案的优先权，所述案以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种产生接近193nm光且适用于光掩模、光罩或晶片检验中的激光器***。
背景技术
集成电路工业要求检验工具的分辨率越来越高以分辨集成电路、光掩模、太阳能电池、电荷耦合装置等等的越来越小的特征，以及检测大小大约为特征大小或小于特征大小的缺陷。短波长光源(例如，产生200nm以下的光的源)可提供此分辨率。然而，能够提供此短波长光的光源实质上限于准分子激光器及少数固态及光纤激光器。不幸的是，这些激光器中的每一者具有显著缺点。
准分子激光器产生紫外光，其通常在生产集成电路中使用。准分子激光器通常在高压条件下使用惰性气体与反应性气体的组合以产生所述紫外光。产生193nm波长光(其日益成为集成电路工业中的高度所要波长)的常规准分子激光器使用氩(作为惰性气体)及氟(作为反应性气体)。不幸的是，氟是有毒的且具腐蚀性，从而导致高的持有成本。此外，此类激光器由于其低重复率(通常从约100Hz到若干kHz)及极高峰值功率(其将导致在检验期间损坏样本)而不太适用于检验应用。
产生次200nm输出的少数基于固态及光纤的激光器在此项技术中已为人所知。不幸的是，大多数这些激光器具有极低功率输出(例如，60mW以下)或极复杂的设计，例如两个不同基谐波源或八次谐波产生，其皆为复杂、不稳定、昂贵及/或不具商业吸引力。
因此，需要一种能够产生193nm光且克服上述缺点的激光器。
发明内容
根据本文所述的改进的激光器***及相关联技术，可由接近1064nm的基谐波真空波长产生大约193.368nm的紫外线(UV)波长。所述激光器***及相关联技术导致比当前用于工业中的激光器更便宜、寿命更长的激光器。这些激光器***可用易于获得、相对便宜的组件构造。因此，与当前市场上的UV激光器相比，所述激光器***及相关联技术可提供明显更好的持有成本。
本发明描述一种用于产生大约193.368nm波长光的激光器***。此激光器***可包含经配置以产生对应于大约1064nm的波长的基谐波频率的基谐波激光器。所述基谐波频率在本文被称为ω。光学参数(OP)模块(例如光学参数振荡器或光学参数放大器)经配置以降频转换所述基谐波频率且产生OP输出，所述OP输出为所述基谐波频率的一半谐波。五次谐波产生器模块经配置以使用OP模块的未消耗基谐波频率以产生5次谐波频率。混频模块可组合5次谐波频率与OP输出以产生具有大约193.368nm波长的激光器输出。
本发明描述另一种用于产生大约193.368nm波长光的激光器***。此激光器***可包含经配置以产生对应于大约1064nm的波长的基谐波频率的基谐波激光器。五次谐波产生器模块经配置以使用所述基谐波频率以产生5次谐波频率。OP模块经配置以降频转换所述五次谐波产生器模块的未消耗基谐波频率以产生OP输出。混频模块可组合5次谐波频率与OP输出以产生具有大约193.368nm波长的激光器输出。
本发明描述又一种用于产生大约193.368nm波长光的激光器***。此激光器***可包含经配置以产生对应于大约1064nm的波长的基谐波频率的基谐波激光器。二次谐波产生器模块经配置以使所述基谐波频率的一部分加倍以产生2次谐波频率。五次谐波产生器模块经配置以使所述二次谐波频率加倍并组合所得频率与所述二次谐波产生器模块的未消耗基谐波频率以产生五次谐波频率。OP模块经配置以降频转换来自所述五次谐波产生器模块的2次谐波频率的未消耗部分以产生大约1.5ω的OP信号及大约0.5ω的OP闲频信号，其中ω为基谐波频率。混频模块可组合5次谐波频率与OP闲频信号以产生具有大约193.368nm波长的激光器输出。
本发明描述又一种用于产生大约193.368nm波长光的激光器***。此激光器***可包含经配置以产生大约1064nm的基谐波频率的基谐波激光器。二次谐波产生器模块经配置以使所述基谐波频率加倍以产生2次谐波频率。OP模块经配置以降频转换所述2次谐波频率的一部分以产生大约1.5ω的OP信号及大约0.5ω的OP闲频信号，其中ω为基谐波频率。四次谐波产生器模块经配置以使所述2次谐波频率的另一部分加倍以产生4次谐波频率。混频模块经配置以组合所述四次谐波频率与OP信号以产生大约193.368nm波长光的激光器输出。
本发明描述又一种用于产生大约193.368nm波长光的激光器***。此激光器***可包含经配置以产生大约1064nm的基谐波频率的基谐波激光器。OP模块经配置以降频转换所述基谐波频率的一部分且产生OP输出，所述OP输出大约为所述基谐波频率的一半谐波。二次谐波产生器模块经配置以使所述基谐波频率的一部分加倍以产生2次谐波频率。四次谐波产生器模块经配置以使所述2次谐波频率加倍以产生4次谐波频率。第一混频模块经配置以接收所述4次谐波频率及OP输出以产生4.5次谐波频率。第二混频模块经配置以组合所述二次谐波产生器的基谐波频率的未消耗部分与所述4.5次谐波频率以产生大约193.368nm波长光的激光器输出。
在一些激光器***实施例中，基谐波激光器可包括Q切换激光器、锁模激光器或连续波(CW)激光器。在一些实施例中，所述基谐波激光器的激光介质可包含掺镱光纤、掺钕钇铝石榴石晶体、掺钕钒酸钇晶体或钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物。
在一个实施例中，OP模块简并(degenerately)操作，即仅存在一信号，所述信号的频率为0.5ω。在使用简并降频转换的那些实施例中，为达到最大效率，当非线性晶体性质及波长允许时优选使用类型I降频转换(即，所产生的两个光子具有相同偏光)。在另一实施例中，OP模块产生稍微不同频率的信号及闲频信号，其中一者的频率稍微高于0.5ω且另一者的频率稍微低于0.5ω。例如，如果基谐波激光器产生1064.4nm的波长，那么信号频率将对应于2109.7nm的波长，且闲频信号频率将对应于2148.3nm的波长。
在一个实施例中，OP模块可包含OP振荡器(OPO)。在另一实施例中，OP模块可包含OP放大器(OPA)且可包含产生所要信号波长及带宽的光的种子激光器。所述种子激光器可包括(例如)激光器二极管或光纤激光器。在优选实施例中，所述种子激光器为通过光栅、分布式反馈、体积布拉格光栅或其它方式稳定化以精确地维持所要波长及带宽。
注意，必须基于基谐波激光器的波长选择或调整种子激光器(或基于OPO的OP模块中的OPO波长)以实现接近193.368nm的所要激光器***输出波长。例如，如果所要波长为193.368nm且基谐波激光器的中心波长为1064.4nm，那么在使用大约0.5ω的信号频率的所述实施例中种子激光器需要产生2109.7nm。因为个别基谐波激光器(即使在使用相同激光材料时)的中心波长可彼此改变零点几nm(取决于包含操作温度及材料组合物变动的因素)，所以在一些优选实施例中，种子激光器波长为可调整的。在一些实施例中，激光器***输出波长可需要被调整几pm，此可通过将种子或OPO波长调整几nm而完成。
在一个实施例中，五次谐波产生器模块可包含二次、四次及五次谐波产生器。所述二次谐波产生器经配置以使基谐波频率加倍以产生2次谐波频率。所述四次谐波产生器经配置以使所述2次谐波频率加倍以产生4次谐波频率。所述5次谐波产生器经配置以组合所述4次谐波频率与所述二次谐波产生器的基谐波的未消耗部分以产生5次谐波频率。
在另一实施例中，五次谐波产生器模块可包含二次、三次及五次谐波产生器。所述二次谐波产生器经配置以使基谐波频率加倍以产生2次谐波频率。所述三次谐波产生器经配置以组合所述2次谐波频率与所述二次谐波产生器的基谐波的未消耗部分以产生3次谐波频率。所述五次谐波产生器经配置以组合所述3次谐波频率与所述三次谐波产生器的2次谐波频率的未消耗部分以产生5次谐波频率。
在又一实施例中，五次谐波产生器模块可包含四次及五次谐波产生器。所述四次谐波产生器经配置以使2次谐波频率加倍以产生4次谐波频率。所述五次谐波产生器经配置以接收所述4次谐波频率及基谐波频率的一部分以产生5次谐波频率。
在又一实施例中，五次谐波产生器模块可包含三次及五次谐波产生器。所述三次谐波产生器经配置以组合二次谐波频率与基谐波频率以产生3次谐波频率。所述五次谐波产生器经配置以组合所述3次谐波频率与所述三次谐波产生器的未消耗2次谐波频率以产生5次谐波频率。
本发明描述一种产生大约193.368nm波长光的方法。在此方法中，可产生大约1064nm的基谐波频率。可降频转换此基谐波频率以产生OP输出，所述OP输出为所述基谐波频率的一半谐波。可使用降频转换的基谐波频率的未消耗部分以产生5次谐波频率。可组合所述5次谐波频率与信号频率以产生大约193.368nm波长光。
本发明描述另一种产生大约193.368nm波长光的方法。在此方法中，可产生大约1064nm的基谐波频率。可使用此基谐波频率以产生五次谐波频率。可降频转换未消耗基谐波频率以产生OP输出，所述OP输出为所述基谐波频率的一半谐波。可组合所述五次谐波频率与所述OP输出以产生大约193.368nm波长光。
本发明描述另一种产生大约193.368nm波长光的方法。在此方法中，可产生大约1064nm的基谐波频率。可使所述基谐波频率加倍以产生2次谐波频率。可降频转换所述2次谐波频率的一部分以产生大约1.5ω的OP信号及大约0.5ω的OP闲频信号，其中ω为基谐波频率。可使用加倍的基谐波频率的未消耗部分及降频转换的2次谐波频率的未消耗部分以产生5次谐波频率。可组合所述5次谐波频率与所述OP闲频信号以产生大约193.368nm波长光。
本发明描述另一种产生大约193.368nm波长光的方法。在此方法中，产生大约1064nm的基谐波频率。可使所述基谐波频率加倍以产生2次谐波频率。可降频转换所述2次谐波频率的一部分以产生大约1.5ω的OP信号及大约0.5ω的OP闲频信号，其中ω为基谐波频率。可使二次谐波频率的另一部分加倍以产生4次谐波频率。可组合所述4次谐波频率与所述OP信号以产生大约193.368nm波长光。
本发明描述另一种产生大约193.368nm波长光的方法。在此方法中，可产生大约1064nm的基谐波频率。可降频转换所述基谐波频率的一部分以产生大约0.5ω的OP输出。可使所述基谐波频率的另一部分加倍以产生2次谐波频率。可使所述2次谐波频率加倍以产生4次谐波频率。可组合所述4次谐波频率与所述OP输出以产生大约4.5次谐波频率。可组合所述大约4.5次谐波频率与基谐波的又一部分以产生大约193.368nm波长光。
本发明描述用于检验样本的各种***。这些***可包含用于产生大约193.368nm的输出辐射光束的激光器***。所述激光器***可包含：基谐波激光器，其用于产生具有大约1064nm的对应波长的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率。可使用所述基谐波频率、所述多个频率及OP输出以产生大约193.368nm辐射。优化所述激光器***以使用至少一个未消耗频率。所述***可进一步包含用于将输出光束聚焦于所述样本上的构件及用于收集来自所述样本的散射光或反射光的构件。
本发明描述一种用于针对缺陷检验光掩模、光罩或半导体晶片的表面的光学检验***。此***可包含用于沿光学轴发射入射光束的光源，所述光源包含如本文所述的激光器***。此激光器***可包含：基谐波激光器，其用于产生大约1064nm的基谐波频率；光学参数(OP)模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率。可使用所述基谐波频率、所述多个频率及OP输出以产生大约193.368nm波长光。优化所述激光器***以使用至少一个未消耗频率。沿所述光学轴安置且包含多个光学组件的光学***经配置以将入射光束分离为个别光束，所有所述个别光束在光掩模、光罩或半导体晶片的表面上的不同位置处形成扫描光点。所述扫描光点经配置以同时扫描所述表面。透射光检测器布置可包含对应于由所述个别光束与光掩模、光罩或半导体晶片的表面交叉引起的多个透射光束中的个别透射光束的透射光检测器。所述透射光检测器经布置以感测透射光的光强度。反射光检测器布置可包含对应于由所述个别光束与光掩模、光罩或半导体晶片的表面交叉引起的多个反射光束的个别反射光束的反射光检测器。所述反射光检测器经布置以感测反射光的光强度。
本发明描述另一种用于针对缺陷检验光掩模、光罩或半导体晶片的表面的光学检验***。此检验***同时照明并检测两个信号或图像通道。在相同传感器上同时检测两个通道。当受检验物体为透明的(例如光罩或光掩模)时，所述两个通道可包括反射及透射强度，或可包括两种不同的照明模式，例如入射角、偏光状态、波长范围或其某一组合。
本发明还描述一种用于检验样本的表面的检验***。此检验***包含经配置以产生多个光通道的照明子***，所产生的每一光通道具有不同于至少一个其它光能通道的特性。所述照明子***包含用于发射大约193.368nm波长的入射光束的光源。所述光源包含：基谐波激光器，其用于产生大约1064nm的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率，其中使用所述基谐波频率、所述多个频率及所述OP输出以产生大约193.368nm波长光。优化所述光源以使用至少一个未消耗频率。光学器件经配置以接收所述多个光通道并将所述多个光能通道组合成空间分离组合光束且引导所述空间分离组合光束朝向所述样本。数据获取子***包含经配置以检测来自所述样本的反射光的至少一个检测器。所述数据获取子***可经配置以将所述反射光分离为对应于所述多个光通道的多个接收通道。
本发明还描述一种折反射检验***。此***包含用于产生紫外线(UV)光的UV光源、多个成像子区段及折叠镜群组。所述UV光源包含：基谐波激光器，其用于产生大约1064nm的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率，其中使用所述基谐波频率、所述多个频率及OP输出以产生大约193.368nm波长光。优化UV光源以使用至少一个未消耗频率。所述多个成像子区段的每一子区段可包含聚焦透镜群组、场透镜群组、折反射透镜群组及变焦管透镜群组。
所述聚焦透镜群组可包含沿***的光学路径安置的多个透镜元件以将UV光聚焦于所述***内的中间图像处。所述聚焦透镜群组还可在包含紫外线范围中的至少一个波长的波长带内同时提供单色像差及像差的色变动的校正。所述聚焦透镜可进一步包含经定位以接收UV光的光束***器。
所述场透镜群组可具有沿接近中间图像的光学路径对准的净正光焦度。所述场透镜群组可包含具有不同色散的多个透镜元件。透镜表面可安置在第二预定位置处且具有经选择以对所述波长带提供包含***的至少次级纵向色彩以及初级及次级横向色彩的色像差的实质校正的曲率。
所述折反射透镜群组可包含至少两个反射表面及至少一个折射表面，其经安置以形成中间图像的实像使得结合所述聚焦透镜群组在所述波长带内实质上校正所述***的初级纵向色彩。可变焦或改变放大率而不改变其高阶色像差的变焦管透镜群组可包含沿所述***的一个光学路径安置的透镜表面。所述折叠镜群组可经配置以允许线性变焦运动，借此提供精细变焦及大范围变焦两者。
本发明还描述一种折反射成像***。此***可包含用于产生紫外线(UV)光的UV光源。此UV光源包含：基谐波激光器，其用于产生大约1064nm的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率，其中使用所述基谐波频率、所述多个频率及信号频率以产生大约193.368nm波长光。优化UV光源以使用至少一个未消耗频率。还提供调适光学器件以控制所检验表面上的照明光束大小及轮廓。物镜可包含彼此成操作关系的折反射物镜、聚焦透镜群组及变焦管透镜区段。可提供棱镜以沿光学轴引导UV光法向入射到样本的表面且沿光学路径将来自所述样本的表面特征的镜面反射及来自所述物镜的光学表面的反射引导到成像平面。
本发明还描述一种表面检验设备。此设备可包含用于产生大约193.368nm的辐射光束的激光器***。所述激光器***可包含：基谐波激光器，其用于产生大约1063nm的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率，其中使用所述基谐波频率、所述多个频率及信号频率以产生大约193.368nm辐射。优化所述激光器***以使用至少一个未消耗频率。照明***可经配置以相对于一表面成非法向入射角聚焦所述辐射光束以实质上在聚焦光束的入射平面中在所述表面上形成照明线。所述入射平面是由所述聚焦光束及通过所述聚焦光束且与所述表面成法向关系的方向而界定。
本发明还描述一种用于检测样本的异常的光学***。此光学***包含用于产生第一光束及第二光束的激光器***。所述激光器***包含用于产生大约193.368nm的输出辐射光束的激光器***。此激光器***可包含：基谐波激光器，其用于产生大约1064nm的基谐波频率；OP模块，其用于降频转换所述基谐波频率或谐波频率以产生OP输出；及多个谐波产生器及混频模块，其用于产生多个频率，其中使用所述基谐波频率、所述多个频率及OP输出以产生大约193.368nm辐射。优化所述激光器***以使用至少一个未消耗频率。所述输出光束可使用标准组件***成所述第一及第二光束。第一光学器件可沿第一路径将所述第一光束引导到所述样本的表面上的第一光点上。第二光学器件可沿第二路径将所述第二光束引导到所述样本的表面上的第二光点上。所述第一路径及所述第二路径与所述样本的表面成不同的入射角。集光光学器件可包含接收来自所述样本表面上的第一光点或第二光点且源自所述第一光束或所述第二光束的散射辐射并将所述散射辐射聚焦到第一检测器的弯曲镜表面。所述第一检测器响应于通过所述弯曲镜表面聚焦到所述第一检测器上的辐射提供单个输出值。可提供仪器，所述仪器引起所述第一及第二光束与所述样本之间的相对运动使得跨所述样本的表面扫描所述光点。
附图说明
图1A说明用于使用光学参数模块及五次谐波产生器产生大约193.368nm光的示范性激光器的框图。
图1B说明用于使用光学参数模块及五次谐波产生器产生大约193.368nm光的另一示范性激光器的框图。
图1C说明用于使用光学参数模块及四次谐波产生器模块产生大约193.368nm光的又一示范性激光器的框图。
图2A说明示范性五次谐波产生器模块。
图2B说明另一示范性五次谐波产生器模块。
图3A说明又一示范性五次谐波产生器模块。
图3B说明另一示范性五次谐波产生器模块。
图4说明用于使用光学参数模块及四次谐波产生器产生大约193nm光的又一示范性激光器的框图。
图5说明示范性基谐波激光器的框图。
图6说明产生两倍基谐波长或一半基谐波频率的红外光的示范性简并OP放大器。
图7说明产生并非恰好两倍基谐波长或一半基谐波频率的红外光的另一示范性OP放大器。
图8说明包含改进的激光器的示范性检验***。
图9说明同时检测一个传感器上的两个图像(或信号)通道的光罩、光掩模或晶片检验***。
图10说明包含多个物镜及改进的激光器的示范性检验***。
图11说明包含改进的激光器具有可调整放大率的示范性检验***的光学器件。
图12说明具有暗场及明场模式且包含改进的激光器的示范性检验***。
图13A说明包含改进的激光器的表面检验设备。图13B说明用于表面检验设备的集光光学器件的示范性阵列。
图14说明包含改进的激光器的示范性表面检验***。
图15说明包含改进的激光器且使用法线及倾斜照明光束两者的检验***。
具体实施方式
根据本文所述的改进激光器技术及激光器***，可由接近1063.5nm(例如，接近1063.52nm或在另一实例中介于约1064.0nm与约1064.6nm之间)的基谐波真空波长产生大约193.4nm的紫外线(UV)波长(例如接近193.368nm的真空波长)。在本文无限定地给定波长的情况下，假设所述波长指代光的真空波长。
本发明的每项实施例在一个以上频率转换级中使用至少一个频率。一般来说，频率转换级并未完全消耗其输入光，这可有利地在本文所述的经改进激光器***中得到充分利用。本发明的优选实施例分离出至少一级的输入波长的未消耗部分且重新定向所述未消耗部分以在另一级中使用。频率转换及混频为非线性过程。转换效率随着输入功率电平增加而增加。例如，基谐波激光器的整个输出可首先被引导到一级(例如二次谐波产生器)以最大化所述级的效率且最小化用于所述级的晶体的长度(及因此成本)。在此实例中，基谐波的未消耗部分将被引导到另一级(例如五次谐波产生器或光学参数模块)以于所述级中使用。
分离出未消耗输入频率且将其单独引导到另一级而非允许其与所述级的输出共同传播的优点在于：可针对每一频率单独控制光学路径长度，借此确保脉冲同时到达。另一优点在于：可针对每一个别频率优化涂层及光学组件而非在两种频率的需要之间使涂层及光学组件折衷。特定来说，二次谐波产生器或四次谐波产生器的输出频率相对于输入频率将具有垂直偏光。用于允许一个频率以最小反射进入的布鲁斯特窗(Brewster window)通常将针对另一频率而具有高反射率，这是因为所述另一频率的偏光对所述窗来说是错误的。
本发明的优选实施例对产生深UV波长(例如短于约350nm的波长)的频率转换级及混频级使用保护环境。在2012年10月30日颁予阿姆斯特朗(Armstrong)的标题为“用于控制光学晶体的环境的围罩(Enclosure for controlling the environment of opticalcrystals)”的美国专利8,298,335及2013年1月24日由德里宾斯基(Dribinski)等人发表的标题为“具有高质量、稳定输出光束及长寿命高转换效率非线性晶体的激光器(Laser WithHigh Quality，Stable Output Beam，And Long Life High Conversion Efficiency Non-Linear Crystal)”的美国公开申请案2013/0021602中描述合适的保护环境，所述两个申请案均以引用方式并入本文中。特定来说，布鲁斯特窗可用于此类环境以允许输入及输出频率进入或离开。单独引导每一频率允许视需要使用不同的布鲁斯特窗或涂层以最小化激光器***内的损耗及杂散光。
下文所述的改进的激光器技术及激光器***使用一半谐波以使基谐波长除以5.5(即，使基谐波频率乘以5.5)。注意，使波长除以N也可被描述为使其对应频率乘以N，其中N为任何数字(无论整数或分数)。如图式中使用，ω指定为基谐波频率。例如，图1A到图1C以***括号指示通过示范性激光器***的各种组件产生的光波长(相对于基谐波频率)，例如(ω)、(0.5ω)、(1.5ω)、(2ω)、(4ω)、(4.5ω)及(5ω)。注意，可使用类似符号指示基谐波频率的谐波，例如，五次谐波等于5ω。0.5ω、1.5ω及4.5ω的谐波也可被称为一半谐波。注意在一些实施例中，使用稍微从0.5ω移位的频率而非恰好使用0.5ω的频率。被描述为大约0.5ω、大约1.5ω等等的频率可取决于实施例而指代恰好一半谐波或稍微移位频率。为在描述所述图式的元件时便于引用，数字表示法(例如，“5次谐波”)指代频率本身，而字词表示法(例如，“五次谐波”)指代产生所述频率的分量。
图1A说明用于产生大约193.4nm的紫外线(UV)波长的示范性激光器***100。在此实施例中，激光器***100包含产生基谐波频率ω(即，基谐波102)的光的基谐波激光器101。在一个实施例中，所述基谐波频率ω可为对应于接近1064nm的红外线波长的频率。例如，在一些优选实施例中，基谐波激光器101可发射实质上1063.52nm的波长。在其它实施例中，基谐波激光器101可发射介于约1064.0nm与约1064.6nm之间的波长。基谐波激光器101可通过使用合适的激光介质(例如掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)或掺钕钒酸钇)的激光器而实施。钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物(例如，所述两种钒酸盐的大约50∶50混合物)为另一合适的激光介质，其在接近1063.5nm的波长下可具有高于Nd：YAG或掺钕钒酸钇的增益。掺镱光纤激光器为可用以产生接近1063.5nm的波长的激光器光的另一替代物。可经修改或调谐以在大约1063.5nm波长下运作的激光器可作为脉冲激光器(Q切换或锁模)或连续波(CW)激光器而购得。此类可修改激光器的示范性制造商包含相干公司(Coherent Inc.)(例如，具有80兆赫兹及120兆赫兹的重复率的Paladin族中的模型)、理波公司(Newport Corporation)(例如，Explorer族中的模型)及其它制造商。可与基谐波激光器101一起使用以控制波长及带宽的技术包含分布式反馈或使用例如光纤布拉格光栅、衍射光栅或标准量具的波长选择性装置。在其它实施例中，例如刚刚列举的市售激光器以其标准波长操作，标准波长通常为介于约1064.0nm与约1064.6nm之间的波长。在此类实施例中，信号或闲频信号频率(参见下文)可从恰好0.5ω移位以产生所要输出波长。
注意，基谐波激光器101确定输出光的总体稳定性及带宽。在低功率电平及中等功率电平(例如约1毫瓦到几十瓦的电平)下，通常更易于实现稳定的窄带宽激光器。使波长稳定且缩小较高功率或较短波长激光器的带宽更为复杂且昂贵。基谐波激光器101的激光器功率电平可在毫瓦到几十瓦或更大的范围中。因此，可容易地使基谐波激光器101稳定。
基谐波102可经引导朝向光学参数振荡器(OPO)或光学参数放大器(OPA)。以光学频率振荡的OPO通过二阶非线性光学相互作用将其输入频率降频转换为一或两个输出频率。在两个输出频率的情况中，产生“信号”频率及“闲频信号”频率(在图式中展示为“信号+闲频信号”)。所述两个输出频率的总和等于输入频率。在一个输出频率(称为简并OP模块)的情况中，信号频率与闲频信号频率相同且因此难以针对所有实践目的进行区分。OPA为使用光学参数放大过程放大输入波长的种子(或输入)光的激光器光源。为简单起见，本文使用一般术语“OP模块”指代OPO或OPA。
在激光器***100中，OP模块103将基谐波102的一部分降频转换为简并输出频率(大约0.5ω)107。因此，在简并情况中，通过OP模块103降频转换的光输出的波长为基谐波102的波长的两倍。例如，如果基谐波102具有1063.5nm的波长，那么信号107的波长为2127nm。在一些实施例中，OP模块103可包含非线性晶体，例如周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂或磷酸钛氧钾(KTP)。在一些实施例中，OP模块103可包含低功率激光器，例如二极管激光器或低功率光纤激光器。
注意，在降频转换过程中仅消耗基谐波102的部分。实际上，一般来说，OP模块及谐波产生器并未完全消耗其输入光，此可有利地在本文所述的改进的激光器***中得到充分利用。例如，OP模块103的未消耗基谐波104可被引导到五次谐波(5ω)产生器模块105，所述五次谐波(5ω)产生器模块105包括若干频率转换级及混频级以由所述基谐波产生5次谐波(下文参考图2A及图2B更详细描述)。
类似地，在替代性实施例中，基谐波102′可首先被引导到所述五次谐波产生器模块105以产生5次谐波106，且在产生5次谐波106期间未消耗的基谐波102′(未消耗基谐波104′)可被引导到OP模块103以降频转换到输出频率107。
可在混频模块108中组合(即，混合)五次谐波产生器模块105的输出(即，5次谐波106)与输出频率107。在一个实施例中，混频模块108可包含(相同类型的)一或多个非线性晶体，例如β-硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)或氢退火硼酸锂铯(CLBO)晶体。混频模块108产生具有大约5.5ω的频率且具有193.368nm的对应波长的激光器输出109(即，基谐波长除以大约5.5)。
使用类型I简并降频转换的优点为：在产生非所要波长或偏光期间不浪费功率。如果在5.5倍于接近193.368nm的所要输出波长的波长下具有足够功率的基谐波激光器容易以合理成本获得，那么包含简并降频转换的实施例可为优选的。非简并降频转换的优点为：可容易以几十瓦或100W的功率电平获得波长介于约1064.0nm与约1064.6nm之间的激光器，而当前不容易以此类功率电平获得实质上1063.5nm的波长的激光器。非简并降频转换允许容易地获得大功率激光器以产生接近193.368nm的任何所要输出波长。
图1B说明用于产生大约193.368nm的UV波长的另一示范性激光器***130。在此实施例中，在基谐波频率ω下操作的基谐波激光器110产生基谐波111。在一个实施例中，频率ω可对应于大约1063.5nm的波长，或在另一实施例中，对应于介于约1064.0nm与约1064.6nm之间的波长。基谐波111可被引导到二次谐波产生器模块112，其使基谐波111加倍以产生2次谐波113。来自二次谐波产生器模块112的基谐波111的未消耗部分(即，未消耗基谐波121)可被引导到五次谐波产生器模块116。所述2次谐波113可被引导到OP模块114。在一些实施例中，OP模块114可包含非线性晶体，例如周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂或KTP。在一些实施例中，OP模块114可包含低功率激光器，例如二极管激光器或低功率光纤激光器。
在一个优选实施例中，OP模块114产生包含大约1.5ω的信号及大约0.5ω的闲频信号的输出频率120。注意因为所述信号及所述闲频信号的波长在此实施例中完全不同，所以可使用(例如)二向色涂层、棱镜或光栅容易地分离所述信号及所述闲频信号。在一些实施例中，所述信号及所述闲频信号具有实质上正交偏光且因此可通过(例如)偏光光束***器分离。在激光器***130中，0.5ω或大约0.5ω的闲频信号为所关注的频率分量。例如，如果基谐波102的波长为1063.5nm，那么通过OP模块114降频转换的与所述闲频信号相关联的光输出的波长为2127nm，其为基谐波102的波长的两倍。在另一实例中，如果基谐波102的波长为1064.4nm且所要输出波长为193.368nm，那么所述闲频信号波长将为2109.7nm。
注意在其它实施例中，无需分离信号与闲频信号，这是因为在混频模块118中仅所要波长适当地相位匹配。即，混频模块118可经配置以接收所述信号及所述闲频信号两者，但是实际上仅使用所述闲频信号(其为0.5ω)。因为在这些实施例中非所要波长为大约710nm的波长，所以在此类波长下并未显著吸收适用于混频模块118中的大部分非线性晶体，且因此非所要波长不太可能引起显著加热或其它非所要效应。
五次谐波产生器模块116组合来自OP模块114的未消耗2次谐波115与未消耗基谐波121以产生5次谐波117(参见，例如图3A及3B，示范性五次谐波产生器模块)。混频模块118混合5次谐波117与输出频率120的闲频信号部分以产生大约5.5ω的激光器输出119。在一个实施例中，混频模块118可包含一或多个非线性晶体，例如β-硼酸钡(BBO)、LBO或CLBO晶体。
注意，以类似于图1A中针对基谐波102及102′说明的方式，在激光器***130的一些实施例中，2次谐波113′可首先被引导到五次谐波产生器模块116，且所述2次谐波的未消耗部分115′被引导到OP模块114，如虚线所示。
图1C说明用于产生大约193.4nm的UV波长的又一示范性激光器***140。在此实施例中，在频率ω下操作的基谐波激光器122产生基谐波123。在此实施例中，频率ω可对应于大约1063.5nm的波长或介于约1064.0nm与约1064.6nm之间的波长。
基谐波123可被引导到二次谐波产生器模块124，其使基谐波123加倍以产生2次谐波125。所述2次谐波125被引导到OP模块126。在一个实施例中，OP模块126产生包含大约1.5ω的信号及大约0.5ω的闲频信号的输出频率129。在一些实施例中，OP模块126可包含非线性晶体，例如周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂或KTP。在其它实施例中，OP模块126可包含低功率激光器，例如二极管激光器或低功率光纤激光器。如下文所论述，输出频率129的信号部分(大约1.5ω)为混频模块131所关注的频率分量。
OP模块126的未消耗2次谐波127可被引导到四次谐波产生器模块128。四次谐波产生器模块128使未消耗2次谐波127加倍以产生4次谐波133。
在一些实施例中，来自所述二次谐波产生器124的2次谐波125′首先被引导到四次谐波产生器128，且来自四次谐波产生器128的未消耗2次谐波127′被引导到OP模块126以用于降频转换。
在激光器***140中，混频模块131组合输出频率129的信号部分与4次谐波133以产生具有大约5.5ω的波长的激光器输出132。如上所提及，由于信号与闲频信号的频率差，所述闲频信号在由混频模块131接收之前无需与所述信号分离。在一个实施例中，混频模块131可包含在大约120℃的温度下操作以组合所述4次谐波133与所述1.5ω信号以实现5.5ω输出132的非临界相位匹配BBO或氟硼铍酸钾(KBBF)晶体。
图2A说明示范性五次谐波产生器模块250。在此实施例中，二次谐波产生器201从五次谐波产生器模块250外部的一级接收基谐波200(ω)(或未消耗基谐波)且使基谐波200加倍以产生2次谐波202。四次谐波产生器204接收2次谐波202并使2次谐波202加倍以产生4次谐波205。五次谐波产生器207组合4次谐波205与来自二次谐波产生器201的未消耗基谐波203以产生5次谐波输出210。注意，四次谐波产生器204的未消耗2次谐波206、五次谐波产生器207的未消耗基谐波208及五次谐波产生器207的未消耗4次谐波209未用于此实施例中，且因此可与输出分离(如果需要)。在一个实施例中，可如图1A中的虚线104′所示那样将未消耗基谐波208重新定向到所述图的OP模块103。
图2B说明另一示范性五次谐波产生器模块260。在此实施例中，二次谐波产生器211从所述五次谐波产生器模块外部的一级接收基谐波222(ω)(或未消耗基谐波)且使基谐波222加倍以产生2次谐波212。三次谐波产生器214组合2次谐波212以及二次谐波产生器211的未消耗基谐波213以产生3次谐波215。五次谐波产生器218组合3次谐波215与3次谐波产生器214的未消耗2次谐波216以产生5次谐波输出219。注意三次谐波产生器214的未消耗基谐波217、五次谐波产生器218的未消耗2次谐波220及五次谐波产生器218的未消耗3次谐波221未用于此实施例中，且因此可与输出分离(如果需要)。注意在一个实施例中，可如图1A中的虚线104′所示那样将未消耗基谐波217引导到所述图的OP模块103。
图3A说明又一示范性五次谐波产生器模块300。在此实施例中，四次谐波产生器302从所述五次谐波产生器模块300外部的一级接收2次谐波301且使2次谐波301加倍以产生4次谐波303。五次谐波产生器305组合4次谐波303以及来自五次谐波产生器模块300外部的一级的基谐波308(或未消耗基谐波)以产生5次谐波输出308。注意，4次谐波产生器302的未消耗2次谐波304、五次谐波产生器305的未消耗基谐波306及五次谐波产生器305的未消耗4次谐波307未用于此实施例中，且因此可与输出分离(如果需要)。注意在一个实施例中，可如图1B中的虚线115′所示那样将未消耗2次谐波304引导到所述图的OP模块114。
图3B说明又一示范性五次谐波产生器模块310。在此实施例中，三次谐波产生器313组合来自五次谐波产生器模块310外部的一级的基谐波311(或未消耗基谐波)与也来自五次谐波产生器模块310外部的一级的2次谐波312(或未消耗2次谐波)以产生3次谐波315。五次谐波产生器317组合3次谐波315与来自3次谐波产生器313的未消耗2次谐波以产生5次谐波输出320。注意3次谐波产生器313的未消耗基谐波314、5次谐波产生器317的未消耗2次谐波318及五次谐波产生器317的未消耗3次谐波319未用于此实施例中，且因此可与输出分离(如果需要)。注意在一个实施例中，未消耗二次谐波318可如图1B中的虚线115′所示那样引导到所述图的OP模块114。
图4说明用于产生大约193.4nm的UV波长的另一示范性激光器***400。在此实施例中，在频率ω下操作的基谐波激光器401产生基谐波402。OP模块403使用基谐波402以产生简并或非简并输出频率405。因此，例如，如果基谐波402的波长为1063.5nm，那么输出频率的经降频转换的光波长为2127nm，其为基谐波402的波长的两倍。在另一实例中，如果基谐波402的波长为1064.4nm且所要输出波长为193.368nm，那么输出频率405将对应于2109.7nm的信号波长。在一些实施例中，OP模块403可包含非线性晶体，例如周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂或KTP。在一些实施例中，OP模块403可包含低功率激光器，例如二极管激光器或低功率光纤激光器。
二次谐波产生器406使来自OP模块403的未消耗基谐波404加倍以产生2次谐波407。四次谐波产生器409使2次谐波407加倍以产生4次谐波410。混频模块412组合输出频率405与4次谐波410以产生大约4.5次谐波413，其具有大约236nm的波长。混频模块416混合所述大约4.5次谐波413及来自二次谐波产生器406的未消耗基谐波408以产生具有大约193.368nm的波长的大约5.5ω激光器输出417。
注意四次谐波产生器409的未消耗2次谐波411、来自混频模块412的未消耗4次谐波及未消耗OP信号414未用于此实施例中，且因此可与输出分离(如果需要)。
进一步需注意，基谐波(ω)用于三个模块中：二次谐波产生器406、混频模块416及OP模块403。用于充分利用来自产生器或模块的未消耗基谐波的各种不同的方案是可行的。例如，在一些实施例中，所述基谐波可包含来自二次谐波产生器406的未消耗基谐波404′而非如基谐波402所示那样通过基谐波激光器401直接提供到OP模块403。同样地，在某些优选实施例中，基谐波(ω)402′可直接提供到二次谐波产生器406以便更容易地产生更多二次谐波407。可将来自二次谐波产生器406的输出的未消耗基谐波408及/或404′分别引导到混频模块416及/或OP模块403。在一些实施例中，可将来自混频模块416的未消耗基谐波418′引导到OP模块403。
应了解，各种激光器***的图式旨在说明示范性组件/步骤以由预定频率输入光产生预定频率输出光。为简单起见，所述图式展示此过程中涉及的主要光学模块及谐波产生器。因此，所述图式并非意在表示所述组件的实际物理布局，且实际实施方案通常将包含额外的光学元件。
例如，在本文所述的任一实施例中，可视需要使用镜以引导基谐波或其它谐波。例如，可视需要使用例如棱镜、光束***器、光束组合器及二向色涂布镜的其它光学组件以分离并组合光束。可使用镜及光束***器的各种组合以任何适当序列分离并路由不同谐波产生器与混频器之间的各种波长。可适当地使用透镜及/或曲面镜以将光束腰聚焦到非线性晶体内部或附近的实质上圆形或椭圆形截面的焦点。可视需要使用棱镜、光栅或衍射光学元件以分离谐波产生器及混频器模块的输出处的不同波长。可视情况使用棱镜、涂布镜或其它元件以组合谐波产生器及混频器的输入处的不同波长。可视情况使用光束***器或涂层镜以分离波长或将一个波长分为两个光束。可使用滤光器以在任何级的输出处阻断非所要及/或未消耗波长。例如，可视需要使用波板以旋转偏光以便相对于非线性晶体的轴准确地对准输入波长的偏光。从所述图式及其相关联描述，所属领域的技术人员将了解如何构建根据实施例的激光器。
虽然在实施例中未消耗基谐波及未消耗谐波(当后续谐波产生器不需要时)展示为与所要谐波分离，但是在一些情况中即使后续谐波产生器中无需未消耗光，允许所述光通过到所述谐波产生器也是可接受的。如果功率密度足够低而不损坏所述级的组件且如果存在所要频率转换过程的最小干扰(例如，由于未使用在晶体角度的相位匹配)，那么未消耗光的此传送为可接受的。所属领域的技术人员将了解各种权衡及替代物以确定未消耗基谐波/谐波是否应与所要谐波分离。
在一个实施例中，上述二次谐波产生器中的至少一者可包含LBO晶体，其在约149℃的温度下实质上非临界地相位匹配以产生大约532nm的光。在一个实施例中，上述三次谐波产生器中的至少一者可包含CLBO、BBO、LBO或其它非线性晶体。在一个实施例中，上述四次谐波产生器及五次谐波产生器中的至少一者可使用CLBO、BBO、LBO或其它非线性晶体中的临界相位匹配。在一些实施例中，混合5ω与大约0.5ω的混频模块(例如图1A中的108及1B中的118)可包含CLBO或LBO晶体，其与高Deff(～1pm/V)及低走离角(对于CLBO＜45毫弧度且对于LBO＜10毫弧度)临界地相位匹配。在其它实施例中，例如图1C中混合4ω与大约1.5ω的混频模块131或图4中混合大约4.5ω与基谐波的混频模块416可包含BBO或KBBF晶体。
在一些实施例中，四次谐波产生器、五次谐波产生器及/或混频模块可有利地使用以下申请案中揭示的一些或所有方法及***：在2012年3月5日申请的标题为“具有高质量稳定输出光束及长寿命高转换效率的非线性晶体管的激光器(Laser with high quality，stable output beam，and long-life high-conversion-efficiency non-linearcrystal)”的美国专利申请案13/412,564以及在2011年7月22日申请的标题为“具有高质量、稳定输出光束、长寿命高转换效率的非线性晶体的模锁UV激光器及使用模锁激光器的晶片检验***(Mode-locked UV laser with high quality，stable output beam，long-life high conversion efficiency non-linear crystal and a wafer inspectionsystem using a mode-locked laser)”的第61/510,633号美国临时申请案(且美国专利申请案13/412,564主张其优先权)，所述案皆以引用方式并入本文中。
在一些实施例中，本文论述的任何谐波产生器可有利地包含氢退火非线性晶体。此类晶体可如以下申请案中所述那样进行处理：在2012年6月1日申请的庄(Chuang)等人的标题为“非线性光学晶体的氢钝化(Hydrogen Passivation of Nonlinear OpticalCrystals)”的美国专利申请案13/488,635及在2011年10月7日申请的庄(Chuang)等人的标题为“通过氢钝化的NLO晶体性质改善(Improvement of NLO Crystal Properties byHydrogen Passivation)”的美国临时申请案61/544,425。这些申请案皆以引用方式并入本文中。氢退火晶体在涉及深UV波长的那些级(例如，四次谐波产生器及五次谐波产生器以及混频模块)中可尤其有用。
注意在一些实施例中，在OP模块内部放置混合OP模块的信号频率或闲频信号频率与四次谐波或五次谐波的混频模块。此避免需要将所述信号频率或闲频信号频率带出所述OP模块。其还具有以下优点：使最高信号或闲频信号(视情况)功率电平可用于混频，从而使混合更有效率。
在一个实施例中，为在基谐波(例如，大约1063.5nm波长)下产生足够功率，可使用一或多个放大器以增加所述基谐波的功率。如果使用两个或两个以上放大器，那么可使用一个种子激光器以接种所述放大器，借此确保所有放大器输出相同波长且具有同步输出脉冲。例如，图5说明包含产生所要基谐波长(例如，大约1063.5nm)的种子光的种子激光器(稳定化窄带激光器)503的基谐波激光器500的示范性配置。种子激光器503可通过(例如)掺钕YAG激光器、掺钕钒酸钇激光器、光纤激光器或稳定化二极管激光器实施。
放大器502将种子光放大到较高功率电平。在一个实施例中，放大器502可包含掺钕YAG、掺钕钒酸钇或钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物。在其它实施例中，放大器502可包含掺镱光纤放大器。放大器泵501可用以泵激放大器502。在一个实施例中，放大器泵501可包含在大约808nm波长下操作的一或多个二极管激光器。
因为多个频率转换级可需要基谐波激光器波长(取决于接近193.4nm波长所需的输出功率)，所以需要的基谐波激光器光多于可通过单个放大器方便地产生的光。在此类情况中，可使用多个放大器。例如，在基谐波激光器500中，除放大器502及放大器泵501以外还可提供放大器506及放大器泵507。如同放大器502，放大器506还可将种子光放大到较高功率。放大器泵507可泵激放大器506。
在多个放大器实施例中，每一放大器可产生其本身的基谐波激光器输出。在图5中，放大器502可产生基谐波激光器输出(基谐波)508且放大器506可产生基谐波激光器输出(基谐波)509。在此配置中，基谐波508及509可被引导到不同的频率转换级。注意，为确保基谐波508及509的波长相同且同步，种子激光器503应对放大器502及506提供相同的种子光，放大器502与506应实质上相同且放大器泵501与507应实质上相同。为确保对放大器502及506两者提供相同的种子光，光束***器504及镜505可***所述种子光且将其分率引导到放大器506。虽然图5中仅展示两个放大器，但是基谐波激光器的其它实施例可以类似配置包含更多放大器、放大器泵、光束***器及镜以产生多个基谐波输出。
图6说明产生两倍于基谐波长(即，基谐波频率的一半)的红外光606的示范性简并OPA 600。在此实施例中，光束组合器602组合基谐波603(例如，1063.5nm)与由种子激光器601产生的种子光。在一个实施例中，光束组合器602可包含有效地反射一个波长同时透射另一波长的二向色涂层。在另一实施例中，光束组合器602可为有效地组合两个实质上正交偏光的偏光光束组合器。在图6中所示的配置中，所述两个波长可实质上共线前进穿过非线性转换器604。非线性转换器604可包括周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂、KTP、或其它合适的非线性结晶材料。
在一个实施例中，种子激光器601可为低功率激光器(例如，二极管激光器或低功率光纤激光器)，其产生两倍于基谐波激光器的波长的种子波长(例如，如果所述基谐波激光器为1063.5nm，那么种子波长为2127nm)。此波长可用以在OPA 600中接种降频转换过程。激光器二极管可基于例如GaInAs、InAsP或GaInAsSb的化合物半导体，其中适当的组合物使所述化合物半导体的能带隙与2127nm光子的大约0.5829电子伏特能量匹配。在此二极管配置中，种子激光器601的功率仅需要为大约1毫瓦、几毫瓦或几十毫瓦。在一个实施例中，种子激光器601可通过使用(例如)光栅及稳定化温度而稳定化。种子激光器601可产生偏光，所述偏光被引入到(非线性转换器604的)非线性晶体中且经偏光而实质上垂直于基谐波的偏光。在另一实施例中，(非线性转换器604的)非线性晶体可包含于谐振腔中以基于自发发射产生激光器/放大器。在一个实施例中，输出波长606可使用光束***器或棱镜605而与未消耗基谐波607分离。
使用用于简并降频转换的OPA的优点为：使用窄带稳定化种子激光器信号接种OPA将会导致通过激发发射的窄带输出。此克服简并降频转换产生宽带输出(取决于非线性晶体)的自然倾向，这是因为可在任何波长范围内自发地产生相位匹配在非线性晶体中的信号及闲频信号。在OPO中，通常难以制造在所关注波长的窄带(通常为本文揭示的激光器***中的零点几nm的带宽)中具有高反射率(或视情况透射率)但在所述窄带外部具有极低反射率(或透射率)的滤光器。
OPA的其它实施例可使用光子晶体光纤以产生实质上两倍于基谐波的波长的波长。OPA的又其它实施例可使用在大约2127nm下操作的种子激光器二极管以接种(非线性转换器604的)光子晶体光纤降频转换器。对降频转换使用非线性光学晶体可能更加有效，这是因为(非线性转换器604的)非线性晶体为χ(2)过程而非χ(3)过程。然而，光子晶体可用于一些情况中。
注意，激光器可开始于并非恰好等于输出波长的5.5倍的波长。例如，基谐波的波长可为约1064.4nm，而所要输出波长接近193.368nm。在所述情况中，可通过OPO或OPA产生两个不同的输出波长(即，信号及闲频信号)，而非使用简并降频转换。因为这两个波长紧靠在一起(例如，在一些实施例中分离几nm或几十nm)，所以可使用类型II频率转换(如果可实现相位匹配)，使得信号及闲频信号具有垂直偏光且可通过偏光光束***器分离。在其它实施例中，可使用适当长度的标准量具(或适当设计的体积式布拉格光栅)以反射或透射所要波长同时(视情况)不反射或透射另一波长。
图7说明产生稍微从两倍基谐波长(即，基谐波频率的一半)移位的红外光706的示范性非简并OPA 700。在此实施例中，光束组合器702组合基谐波703(例如，1064.4nm)与由种子激光器701产生的种子光(如果基谐波为1064.4nm且所要激光器***输出波长为193.368nm，那么种子光波长为(例如)2109.7nm)。此基谐波长可通过掺钕YAG激光器、掺钕钒酸钇激光器、钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物激光器或掺镱光纤激光器产生。在一个实施例中，光束组合器702可包含有效地反射一个波长同时有效地透射另一波长的二向色涂层或衍射光学元件。在此配置中，所述两个波长可实质上共线前进穿过非线性转换器704。非线性转换器704可包括周期极化铌酸锂、掺杂氧化镁的铌酸锂、KTP或其它合适的非线性结晶材料。非线性转换器704可放大种子波长且还产生第二波长(如果基谐波长为1064.4nm且种子波长为2109.7nm，那么所述第二波长将约等于2148.2nm)。
可使用例如输出光束***器、滤波器、标准量具或衍射光学元件的元件705以使非所要(例如，大约2148.2nm)波长707与所要(大约2109.7nm)波长706分离。如果需要，元件705还可用以使任何未消耗基谐波与输出光束706分离。在一些实施例中，可接种闲频信号波长(例如2148.2nm)而非信号波长。注意当接种闲频信号时，通过基谐波激光器及种子激光器两者的带宽确定信号带宽，而当接种信号时，在很大程度上通过种子激光器带宽确定信号的带宽。
在分离此两个波长之后，信号频率(例如，波长为2109.7nm)可与基谐波的五次谐波(例如，其波长为实质上212.880nm)混合以产生实质上193.368nm的输出波长。可在上述任一实施例或其等效物之后完成此混合。或者，所述实质上2109.7nm波长可与基谐波的四次谐波(其波长为实质上266.1nm)混合以产生实质上236.296nm的光。此继而可与基谐波(或未消耗基谐波)混合以产生实质上193.368nm的输出波长。可在图4中所示的实施例或其等效物中的任一者之后完成此混合。
对于基谐波激光器，可使用高重复率激光器(例如在大约50兆赫兹或较高重复率下操作的锁模激光器)构造准CW激光器操作。对于基谐波激光器，可使用CW激光器构造真实的CW激光器。CW激光器可需要包含于谐振腔中的频率转换级中的一或多者以积累足以得到有效频率转换的功率密度。
图8到15说明可包含使用OP模块进行频率转换的上述激光器***的***。这些***可用于光掩模、光罩或晶片检验应用中。
图8说明用于检验衬底812的表面的示范性光学检验***800。***800大体上包含第一光学布置851及第二光学布置857。如所示，第一光学布置851包含至少一个光源852、检验光学器件854及参考光学器件856，而第二光学布置857包含至少透射光光学器件858、透射光检测器860、反射光光学器件862及反射光检测器864。在一个优选配置中，光源852包含上述改进的激光器中的一者。
光源852经配置以发射行进穿过声光装置870的光束，声光装置870经布置以使所述光束偏转并聚焦。声光装置870可包含一对声光元件(例如，声光预扫描仪及声光扫描仪)，其使光束在Y方向上偏转且将其聚焦在Z方向上。例如，多数声光装置通过发送RF信号到石英或晶体(例如TeO2)而操作。此RF信号导致声波前进穿过所述晶体。由于正在前进的声波，所述晶体变得不对称，这导致折射率贯穿所述晶体而改变。此改变导致入射光束形成以振荡方式偏转的聚焦前进光点。
当光束从声光装置870出射时，所述光束接着行进穿过一对四分之一波板872及中继透镜874。中继透镜874经布置以准直光束。接着，经准直光束继续在其路径上直到其到达衍射光栅876。衍射光栅876经布置以展开(flare out)所述光束且更特定来说将所述光束分离为三个相异光束，所述光束在空间上可彼此区分(即，空间相异)。在多数情况中，所述空间相异光束还经布置以等距隔开且具有实质上相等的光强度。
在所述三个光束离开衍射光栅876之后，其行进穿过孔径880且接着继续直到其到达光束***器立方体882。光束***器立方体882(结合四分之一波板872)经布置以将所述光束***为两个路径，即一个路径向下引导且另一路径引导到右侧(在图8中所示的配置中)。向下引导的路径用以将所述光束的第一光部分配到衬底812，而引导到右侧的路径为用以将所述光束的第二光部分分配到参考光学器件856。在多数实施例中，将大部分光分配到衬底812且将较小百分比的光分配到参考光学器件856，但是百分比比率可根据每一光学检验***的特定设计而改变。在一个实施例中，参考光学器件856可包含参考集光透镜814及参考检测器816。参考集光透镜814经布置以收集光束的部分并将光束的部分引导在参考检测器816上，所述参考检测器经布置以测量光强度。参考光学器件通常在此项技术中是众所周知的且为简单起见将不会加以详细论述。
从光束***器882向下引导的三个光束由望远镜888接收，望远镜888包含重新定向并扩张光的若干透镜元件。在一个实施例中，望远镜888为包含围绕转座旋转的多个望远镜的望远镜***的部分。例如，可使用三个望远镜。这些望远镜的目的为改变衬底上的扫描光点的大小且借此允许选择最小可检测缺陷大小。更特定来说，所述望远镜中的每一者大体上表示不同像素大小。因而，一个望远镜可产生较大光点大小，从而使检验更快且更不敏度(例如，低分辨率)，而另一望远镜可产生较小光点大小，从而使检验更慢且更敏度(例如，高分辨率)。
从望远镜888观看，所述三个光束行进穿过经布置以将所述光束聚焦到衬底812的表面上的物镜890。在所述光束与表面交叉为三个相异光点时，可产生反射光束及透射光束两者。所述透射光束行进穿过衬底812，而所述反射光束从表面反射。例如，所述反射光束可从所述衬底的不透明表面反射，且所述透射光束可透射穿过所述衬底的透明区。所述透射光束通过透射光光学器件858收集且所述反射光束通过反射光光学器件862收集。
关于透射光光学器件858，所述透射光束在行进穿过衬底812之后通过第一透射透镜896收集且在球面像差校正器透镜898的帮助下聚焦到透射棱镜810上。棱镜810可经配置以具有针对所述透射光束中的每一者的琢面，琢面经布置以重新定位且折曲所述透射光束。在多数情况中，棱镜810用以分离所述光束使得其各自落在透射光检测器布置860(展示为具有三个相异检测器)中的单个检测器上。因此，当所述光束离开棱镜810之后，其行进穿过第二透射透镜802，第二透射透镜802将分离光束中的每一者个别地聚焦到所述三个检测器中的一者上，所述三个检测器中的每一者经布置以测量透射光的强度。
关于反射光光学器件862，反射光束在从衬底812反射之后通过物镜890收集，物镜890接着引导所述光束朝向望远镜888。在到达望远镜888之前，所述光束还行进穿过四分之一波板804。一般来说，物镜890及望远镜888以在光学上相对于如何操纵入射光束逆转的方式操纵收集光束。即，物镜890重新准直所述光束，且望远镜888减小其大小。当所述光束离开望远镜888时，其继续(向后)直到其到达光束***器立方体882。光束***器882经配置以与四分之一波板804一起运作以将所述光束引导到中心路径806上。
接着，通过第一反射透镜808收集继续在路径806上的光束，第一反射透镜808将所述光束中的每一者聚焦到反射棱镜809上，反射棱镜809包含针对所述反射光束中的每一者的琢面。反射棱镜809经布置以重新定位且折曲所述反射光束。类似于透射棱镜810，反射棱镜809用以分离所述光束使得其各自落在反射光检测器布置864中的单个检测器上。如所示，反射光检测器布置864包含三个个别相异检测器。当所述光束离开反射棱镜809时，其行进穿过第二反射透镜811，第二反射透镜811将分离光束中的每一者个别地聚焦到这些检测器中的一者上，这些检测器中的每一者经布置以测量反射光的强度。
存在可通过前述光学组合件促进的多个检验模式。例如，光学组合件可促进透射光检验模式、反射光检验模式及同时检验模式。关于透射光检验模式，透射模式检测通常用于衬底(例如具有透明区及不透明区的常规光学掩模)上的缺陷检测。在光束扫描所述掩模(或衬底812)时，光在透明点穿透所述掩模且通过透射光检测器860检测，透射光检测器860定位于所述掩模后面且测量通过包含第一透射透镜896、第二透射透镜802、球面像差透镜898及棱镜810的透射光光学器件858收集的光束中的每一者的强度。
关于反射光检验模式，可对含有呈铬、显影光致抗蚀剂及其它特征的形式的图像信息的透明或不透明衬底执行反射光检验。通过衬底812反射的光沿与检验光学器件854相同的光学路径向后行进，但是接着通过偏光光束***器882转向到检测器864中。更特定来说，第一反射透镜808、棱镜809及第二反射透镜811将来自经转向光束的光投影到检测器864上。反射光检验还可用以检测不透明衬底表面的顶部上的污染。
关于同时检验模式，利用透射光及反射光两者以确定缺陷的存在及/或类型。***的两个测量值为透射穿过衬底812如通过透射光检测器860感测的光束的强度及如通过反射光检测器864检测的反射光束的强度。接着，可处理所述两个测量值以确定衬底812上的对应点处的缺陷(如果有)的类型。
更特定来说，同时透射及反射检测可揭示通过透射检测器感测的不透明缺陷的存在，而反射检测器的输出可用以揭示缺陷类型。作为一实例，衬底上的铬点或粒子皆可导致来自透射检测器的低透射光指示，但是反射铬缺陷可导致来自反射光检测器的高反射光指示且粒子可导致来自相同反射光检测器的较低反射光指示。因此，通过使用反射及透射检测两者，可定位铬几何结构的顶部上的粒子，如果仅检验缺陷的反射特性或透射特性，那么不能进行此定位。此外，可确定某些类型缺陷的特征，例如其反射光强度与透射光强度的比率。接着，可使用此信息以对缺陷自动分类。在1996年10月8日发布且以引用方式并入本文中的美国专利5,563,702描述关于***800的额外细节。
根据本发明的某些实施例，并有大约193nm激光器***的检验***可同时检测单个检测器上的两个数据通道。此检验***可用以检验例如光罩、光掩模或晶片等衬底，且可如由布朗(Brown)等人在2009年5月5日发布且以引用方式并入本文中的美国专利7,528,943中所述那样进行操作。
图9展示同时检测传感器970上的两个图像或信号通道的光罩、光掩模或晶片检验***900。照明源909并有如本文所述的193nm激光器***。光源可进一步包括脉冲倍增器及/或相干性减小方案。当受检验物体930为透明(例如光罩或光掩模)时，所述两个通道可包括反射强度及透射强度，或可包括两个不同的照明模式，例如入射角、偏光状态、波长范围或其某个组合。
如图9中所示，照明中继光学器件915及920将来自源909的照明中继到受检验物体930。受检验物体930可为光罩、光掩模、半导体晶片或待检验的其它物品。图像中继光学器件955及960将通过受检验物体930反射及/或透射的光中继到传感器970。对应于所述两个通道的检测信号或图像的数据展示为数据980且传输到计算机(未展示)以供处理。
图10说明包含多个物镜及上述改进的激光器中的一者的示范性检验***1000。在***1000中，将来自激光源1001的照明发送到照明子***的多个区段。照明子***的第一区段包含元件1002a到1006a。透镜1002a聚焦来自激光器1001的光。来自透镜1002a的光接着从镜1003a反射。出于说明的目的，镜1003a放置在此位置处且可定位在别处。来自镜1003a的光接着通过形成照明光瞳平面1005a的透镜1004a收集。可取决于检验模式的要求而在光瞳平面1005a中放置孔径、滤波器或用以修改光的其它装置。来自光瞳平面1005a的光接着行进穿过透镜1006a且形成照明场平面1007。
照明子***的第二区段包含元件1002b到1006b。透镜1002b聚焦来自激光器1001的光。来自透镜1002b的光接着从镜1003b反射。来自镜1003b的光接着通过形成照明光瞳平面1005b的透镜1004b收集。可取决于检验模式的要求而在光瞳平面1005b中放置孔径、滤波器或用以修改光的其它装置。来自光瞳平面1005b的光接着行进穿过透镜1006b且形成照明场平面1007。来自所述第二区段的光接着通过镜或反射表面重新定向使得照明场平面1007处的照明场光能由经组合照明区段组成。
场平面光接着在从光束***器1010反射之前通过透镜1009收集。透镜1006a及1009在物镜光瞳平面1011处形成第一照明光瞳平面1005a的图像。同样地，透镜1006b及1009在物镜光瞳平面1011处形成第二照明光瞳平面1005b的图像。物镜1012(或替代地1013)接着获取光瞳光且在样本1014处形成照明场1007的图像。物镜1012或物镜1013可定位成接近于样本1014。样本1014可在一载物台上移动(未展示)，从而将所述样本定位在所要位置中。从样本1014反射及散射的光通过高NA折反射物镜1012或物镜1013收集。在物镜光瞳平面1011处形成反射光光瞳之后，光能在成像子***中形成内场1016之前通过光束***器1010及透镜1015。此内部成像场为样本1014及对应照明场1007的图像。此场可在空间上分离成对应于照明场的多个场。这些场中的每一者可支持单独成像模式。
可使用镜1017重新定向这些场中的一者。重新定向光接着在形成另一成像光瞳1019b之前行进穿过透镜1018b。此成像光瞳为光瞳1011及对应照明光瞳1005b的图像。可取决于检验模式的要求而在光瞳平面1019b中放置孔径、滤波器或用以修改光的其它装置。来自光瞳平面1019b的光接着行进穿过透镜1020b且在传感器1021b上形成图像。以类似方式，经过镜或反射表面1017的光通过透镜1018a收集且形成成像光瞳1019a。来自成像光瞳1019a的光接着在检测器1021a上形成图像之前通过透镜1020a收集。成像于检测器1021a上的光可用于不同于成像于传感器1021b上的光的成像模式。
***1000中所采用的照明子***由激光源1001、集光光学器件1002到1004、放置成接近于光瞳平面1005的光束塑形组件及中继光学器件1006及1009组成。内场平面1007定位在透镜1006与1009之间。在一个优选配置中，激光源1001可包含上述改进的激光器中的一者。
关于激光源1001，虽然说明为具有两个透射点或角度的单个均匀块，但是实际上此表示能够提供两个照明通道(例如第一光能通道(例如在第一频率下行进穿过元件1002a到1006a的激光器光能)及第二光能通道(例如在第二频率下行进穿过元件1002b到1006b的激光器光能))的激光源。可采用不同的光能模式，例如在一个通道中采用明场模式且在另一通道中采用暗场模式。
虽然来自激光源1001的光能经展示以90度间隔发射且所述元件1002a到1006a及1002b到1006b定向成90度角，但是实际上可以各种定向(不一定为二维)发射光且所述组件可不同于所示那样进行定向。因此，图10仅为所采用的组件的表示且所示的角度或距离并未按比例绘制也非设计特定要求。
可在使用孔径塑形的概念的当前***中采用放置成接近于光瞳平面1005的元件。使用此设计，可实现均匀照明或接近均匀照明以及个别点照明、环状照明、四极照明或其它所要图案。
可在一般的成像子***中采用物镜的各种实施方案。可使用单个固定物镜。所述单个物镜可支持所有所要成像及检验模式。如果成像***支持相对较大的场大小及相对较高的数值孔径，那么可实现此设计。可通过使用放置在光瞳平面1005a、1005b、1019a及1019b处的内部孔径将数值孔径减小到所要值。
还可如图10中所示般使用多个物镜。例如，虽然展示两个物镜1012及1013，但是任何数目个物镜是可行的。可针对通过激光源1001产生的每一波长优化此设计中的每一物镜。这些物镜1012及1013可具有固定位置或移动到接近于样本1014的位置中。为使多个物镜移动而接近于所述样本，可如标准显微镜上所常见那样使用旋转转座。可使用用于在样本附近移动物镜的其它设计，所述设计包含(但不限于)在载物台上横向平移所述物镜及使用测向器在一弧上平移所述物镜。此外，可根据本***实现固定物镜与转座上的多个物镜的任何组合。
此配置的最大数值孔径可接近或超过0.97，但是在某些例子中可更高。此高NA折反射成像***可能具有的大范围的照明及收集角结合其大的场大小允许所述***同时支持多个检验模式。如可从先前段落所了解，可使用单个光学***或搭配照明装置的机器实施多个成像模式。针对照明及收集揭示的高NA允许使用相同的光学***实施成像模式，借此允许针对不同类型的缺陷或样本优化成像。
成像子***还包含中间图像形成光学器件1015。图像形成光学器件1015的目的为形成样本1014的内部图像1016。在此内部图像1016处，可放置镜1017以重新定向对应于所述检验模式中的一者的光。可重新定向此位置处的光，这是因为用于成像模式的光在空间上分离。可以若干不同形式(包含可变焦距变焦(varifocal zoom)、具有聚焦光学器件的多个无焦管透镜或多个图像形成mag管)实施图像形成光学器件1018(1018a及1018b)及1020(1020a及1020b)。在2009年7月16日发表且以引用方式并入本文中的美国公开申请案2009/0180176描述关于***1000的额外细节。
图11说明包含三个子区段1101A、1101B及1101C的示范性超宽带UV显微镜成像***1100。子区段1101C包含折反射物镜区段1102及变焦管透镜1103。折反射物镜区段1102包含折反射透镜群组1104、场透镜群组1105及聚焦透镜群组1106。***1100可将物体/样本1109(例如，正检验的晶片)成像到图像平面1112。
折反射透镜群组1104包含接***面(或平面)反射体(其为反射性涂布透镜元件)、一凹凸透镜(其为折射表面)及凹球面反射体。所述两个反射元件可具有不具备反射材料的中心光学孔径以允许来自中间图像的光行进穿过所述凹球面反射体、通过所述接***面(或平面)反射体反射到所述凹球面反射体上，且往回行进穿过所述接***面(或平面)反射体，从而横越途中的相关联透镜元件或若干相关联透镜元件。折反射透镜群组1104经定位以形成中间图像的实像，使得结合变焦管透镜1103在波长带内实质上校正***的初级纵向色彩。
场透镜群组1105可由两种或两种以上不同的折射材料(例如熔融硅及氟化玻璃)或衍射表面制成。场透镜群组1105可光学地耦合在一起或替代地可在空气中稍微隔开。因为熔融硅及氟化玻璃的色散在深紫外线范围中并无实质上不同，所以所述场透镜群组的若干组件元件的个别功率必须为高量值以提供不同色散。场透镜群组1105具有沿接近中间图像的光学路径对准的净正光焦度。使用此褪色场透镜允许在超宽光谱范围内完全校正包含至少次级纵向色彩以及初级及次级横向色彩的色像差。在一个实施例中，仅一个场透镜元件需具有不同于***的其它透镜的折射材料。
聚焦透镜群组1106包含优选全部由单个类型材料形成的多个透镜元件，其中折射表面具有经选择以校正单色像差及像差的色变动两者且将光聚焦到中间图像的曲率及位置。在聚焦透镜群组1106的一个实施例中，具有低功率的透镜1113的组合校正球面像差、彗形像差及像散的色变动。光束***器1107对UV光源1108提供入口。UV光源1108可有利地通过上述改进的激光器加以实施。
变焦管透镜1103可全部为相同折射材料(例如熔融硅)且经设计使得在变焦期间不改变初级纵向色彩及初级横向色彩。这些初级色像差无需校正为零且在仅使用一个玻璃类型的情况下不能校正为零，但是其必须固定，这是可行的。接着必须修改折反射物镜区段1102的设计以补偿变焦管透镜1103的这些未经校正但固定的色像差。可变焦或改变放大率而不改变其高阶色像差的变焦管透镜1103包含沿所述***的光学路径安置的透镜表面。
在一个优选实施例中，首先独立于使用两种折射材料(例如熔融硅及氟化钙)的折反射物镜1102区段而校正变焦管透镜1103。接着，组合变焦管透镜1103与折反射物镜区段1102，此时可修改折反射物镜区段1102以补偿***1100的残余高阶色像差。由于场透镜群组1105及低功率透镜群组1113，此补偿是可行的。接着，优化经组合***使得改变所有参数以实现最佳性能。
注意，子区段1101A及1101B包含实质上类似于子区段1101C的组件且因此并未加以详细论述。
***1100包含折叠镜群组1111以提供允许从36X到100X的变焦的线性变焦运动。大范围变焦提供连续放大率改变，而精细变焦减小频叠且允许电子图像处理，例如针对重复图像阵列的单元间减法。折叠镜群组1111可表征为反射元件的“长号”***。变焦通过以下动作完成：使变焦管透镜1103的群组作为一单元而移动且还移动长号U型滑管的臂。因为长号运动仅影响聚焦且其位置处的f#速度极低，所以此运动的精确度可能极为宽松。此长号配置的一个优点为：其显著地缩短所述***。另一优点为：仅存在涉及主动(非平坦)光学元件的变焦运动。且所述长号U型滑管的另一变焦运动对错误并不敏感。于1999年12月7日发布且以引用方式并入本文中的美国专利5,999,310进一步详细地描述***1100。
图12说明对折反射成像***1200添加法线入射激光器照明(暗场或明场)。***1200的照明块包含：激光器1201；调适光学器件1202，其用以控制所检验表面上的照明光束大小及轮廓；孔径与窗1203，其在机械外壳1204中；及棱镜1205，其用以沿光学轴以法线入射到样本1208的表面而重新定向所述激光器。棱镜1205还沿光学路径将来自样本1208的表面特征的镜面反射及来自物镜1206的光学表面的反射引导到图像平面1209。可以折反射物镜、聚焦透镜群组及变焦管透镜群组(参见图11)的一般形式提供用于物镜1206的透镜。在优选实施例中，激光器1201可通过上述改进的激光器实施。在2007年1月4日发表且以引用方式并入本文中的公开专利申请案2007/0002465进一步详细地描述***1200。
图13A说明用于检验表面1311的区域表面检验设备1300，其包含照明***1301及集光***1310。如图13A中所示，激光器***1320引导光束1302穿过透镜1303。在优选实施例中，激光器***1320包含上述改进的激光器、退火晶体及在低温标准操作期间维持晶体的退火条件的外壳。第一光束塑形光学器件可经配置以从激光器接收光束且将所述光束聚焦到所述晶体中或附近的光束腰处的椭圆形截面。
透镜1303经定向使得其主平面实质上平行于样本表面1311且因此在表面1311上于透镜1303的焦平面中形成照明线1305。此外，以非正交入射角将光束1302及聚焦光束1304引导到表面1311。特定来说，可以与法向方向成约1度与约85度之间的角度将光束1302及聚焦光束1304引导到表面1311。以此方式，照明光线1305实质上处于聚焦光束1304的入射平面中。
集光***1310包含用于收集从照明线1305散射的光的透镜1312及用于将由透镜1312产生的光聚焦到一装置(例如电荷耦合装置(CCD)1314，包括光敏检测器的阵列)上的透镜1313。在一个实施例中，CCD 1314可包含检测器的线性阵列。在此类情况中，CCD 1314内的检测器的线性阵列可定向成平行于照明线1305。在一个实施例中，可包含多个集光***，其中所述集光***中的每一者包含类似组件，但定向不同。
例如，图13B说明用于表面检验设备的集光***1331、1332及1333的示范性阵列(其中为简单起见未展示其照明***，例如，类似于照明***1301)。集光***1331中的第一光学器件收集在第一方向上从样本1311散射的表面的光。集光***1332中的第二光学器件收集在第二方向上从样本1311的表面散射的光。集光***1333中的第三光学器件收集在第三方向上从样本1311的表面散射的光。注意，第一路径、第二路径及第三路径与样本1311的所述表面成不同的反射角。可使用支撑样本1311的平台1312以引起所述光学器件与样本1311之间的相对运动，使得可扫描样本1311的整个表面。在2009年4月28日发布且以引用方式并入本文中的美国专利7,525,649进一步详细描述表面检验设备1300及其它多个集光***。
图14说明可用于检验表面1401上的异常的表面检验***1400。在此实施例中，表面1401可通过包括由上述改进的激光器产生的激光器束的激光器***1430的实质上固定照明装置部分照明。激光器***1430的输出可连续行进穿过偏光光学器件1421、光束扩张器与孔径1422及光束成形光学器件1423以扩张并聚焦光束。
所得聚焦激光器束1402接着通过光束折叠组件1403及光束偏转器1404反射以引导光束1405朝向表面1401以用于照明所述表面。在优选实施例中，光束1405实质上法向或垂直于表面1401，但是在其它实施例中光束1405可与表面1401成一倾斜角。
在一个实施例中，光束1405实质上垂直或法向于表面1401且光束偏转器1404将来自表面1401的光束的镜面反射反射朝向光束转向组件1403，借此用作防止所述镜面反射到达检测器的防护罩。所述镜面反射的方向为沿线SR，线SR法向于样本的表面1401。在光束1405法向于表面1401的一个实施例中，此线SR与照明光束1405的方向一致，其中此共同参考线或方向在本文被称为检验***1400的轴。在光束1405与表面1401成一倾斜角的情况下，镜面反射的方向SR将不会与光束1405的传入方向一致；在此例子中，指示表面法线的方向的线SR被称为检验***1400的收集部分的主轴。
由小粒子散射的光通过镜1406收集且经引导朝向孔径1407及检测器1408。由大粒子散射的光通过透镜1409收集且经引导朝向孔径1410及检测器1411。注意，一些大粒子也使经收集且引导到检测器1408的光散射，且类似地，一些小粒子也使经收集且引导到检测器1411的光散射，但是此光的强度相对较低于相应检测器经设计以检测的散射光强度。在一个实施例中，检测器1411可包含光敏元件的阵列，其中所述光敏元件阵列的每一光敏元件经配置以检测照明线的放大图像的对应部分。在一个实施例中，检验***可经配置以用于检测未经图案化晶片上的缺陷。在2001年8月7日发布且以引用方式并入本文中的美国专利6,271，916进一步详细描述检验***1400。
图15说明经配置以使用法向及倾斜照明光束两者来实施异常检测的检验***1500。在此配置中，包含上述改进的激光器的激光器***1530可提供激光器束1501。透镜1502使光束1501聚焦穿过空间滤波器1503且透镜1504准直所述光束且将其递送到偏光光束***器1505。光束***器1505将第一偏光分量传递到法向照明通道且将第二偏光分量传递到倾斜照明通道，其中所述第一分量及所述第二分量是正交的。在所述法向照明通道1506中，所述第一偏光分量通过光学器件1507聚焦且通过镜1508反射朝向样本1509的表面。通过样本1509散射的辐射通过抛物面镜1510收集且聚焦到光倍增管1511。
在倾斜照明通道1512中，第二偏光分量为通过光束***器1505反射到镜1513(其使此光束反射穿过半波板1514)且通过光学器件1515聚焦到样本1509。源自倾斜通道1512中的倾斜照明光束且通过样本1509散射的辐射也通过抛物面镜1510收集且聚焦到光倍增管1511。注意，光倍增管1511具有针孔入口。所述针孔及照明光点(来自表面1509上的法向及倾斜照明通道)优选处于抛物面镜1510的焦点处。
所述抛物面镜1510将来自样本1509的散射辐射准直成准直光束1516。接着，准直光束1516通过物镜1517聚焦且通过检偏镜1518而到所述光倍增管1511。注意，还可使用具有除抛物面形状以外的形状的弯曲镜表面。仪器1520可提供光束与样本1509之间的相对运动使得跨样本1509的表面扫描光点。2001年3月13日发布且以引用方式并入本文中的美国专利6,201,601进一步详细描述检验***1500。
其它光罩、光掩模或晶片检验***可有利地使用上述改进的激光器。例如，其它***包含美国专利5,563,702、5,999,310、6,201，601、6,271，916、7,352,457、7,525,649及7,528,943中所述的***。又进一步***包含美国公开案2007/0002465及2009/0180176中所述的***。当用于检验***时，此改进的激光器可有利地与已发表的PCT申请案WO 2010/037106及美国专利申请案13/073,986中所揭示的相干性及斑纹减小设备及方法组合。此改进的激光器还可有利地与以下申请案中所揭示的方法及***组合：2011年6月13日申请的标题为“激光脉冲的光学峰值功率减小及使用激光脉冲的半导体及计量***(Opticalpeak power reduction of laser pulses and semiconductor and metrology systemsusing same)”的美国临时申请案61/496,446及2012年6月1日申请且在2012年12月13日作为美国公开案2012/0314286发表的标题为“半导体检验及使用激光脉冲倍增器的计量***(Semiconductor Inspection And Metrology System Using Laser Pulse Multiplier)”的美国专利申请案13/487,075。此段落中叙述的专利、专利公开案及专利申请案以引用方式并入本文中。
虽然一些上述实施例描述被转换为大约193.368nm的输出波长的大约1063.5nm基谐波长，但是应了解，可通过此途径使用基谐波长及信号波长的适当选择产生193.368nm的几nm内的其它波长。此类激光器及利用此类激光器的***在本发明的范围内。
改进的激光器将明显比8次谐波激光器便宜且具有较长寿命，借此与8次谐波激光器相比提供更好的持有成本。注意，在接近1064nm操作的基谐波激光器在功率及重复率的各种组合中可容易地以合理价格获得。实际上，改进的激光器整体可使用可容易获得且相对便宜的组件而构造。因为改进的激光器可为高重复率锁模或Q切换激光器，所以与低重复率激光器相比，改进的激光器可简化光罩/光掩模/晶片检验***的照明光学器件。
上文描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅说明本发明的原理且并不旨在将本发明的范围限于所述的特定实施例。
例如，可产生从两倍基谐波长移位大约10nm、20nm或几百nm的波长而非产生恰好两倍于所述基谐波长的波长。通过使用并非恰好两倍于基谐波长的波长，可产生从除以5.5的基谐波长稍微移位的输出波长。例如，使基谐波长除以介于大约5.4与5.6之间的值，或在一些实施例中，使基谐波长除以介于大约5.49与5.51之间的值。一些实施例降频转换基谐波的二次谐波频率以产生基谐波频率的大约一半及基谐波频率的大约1.5倍的频率。因此，本发明仅受限于所附权利要求书及其等效物。
Claims (20)
1.一种用于检验光掩模、光罩或半导体晶片的表面的缺陷的光学检验***，所述***包括：
光源，其经配置以沿光学轴发射入射光束，所述光源包含：基谐波激光器，其用于产生具有大约1064nm的对应波长的基谐波频率；光学参数OP模块，其经配置以降频转换所述基谐波频率以产生具有约等于所述基谐波频率的一半谐波的频率的OP输出；五次谐波产生器模块，其经配置以产生五次谐波频率；及混频模块，其经配置以接收和组合所述五次谐波频率与所述OP输出以产生具有所述大约193.368nm波长光的激光器输出；
光学***，其沿所述光学轴安置且包含用于将所述入射光束引导到所述光掩模、光罩或半导体晶片的表面的多个光学组件，所述光学***经配置以扫描所述表面；
透射光检测器布置，其包含透射光检测器，所述透射光检测器经布置以感测透射光的光强度；以及
反射光检测器布置，其包含反射光检测器，所述反射光检测器经布置以感测反射光的光强度；
其中所述基谐波激光器包含掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇以及钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物中的一者。
2.如权利要求1所述的光学检验***，其中所述基谐波激光器包含Q切换激光器、锁模激光器及连续波CW激光器中的一者。
3.如权利要求1所述的光学检验***，其中所述OP模块包含产生大约2127nm波长或大约2109.7nm波长的光的种子激光器。
4.如权利要求1所述的光学检验***，其中所述OP模块包含激光器二极管或光纤激光器。
5.如权利要求1所述的光学检验***，其中所述五次谐波产生器模块包含：
二次谐波产生器，其经配置以使所述基谐波频率加倍且产生二次谐波频率；
四次谐波产生器，其经配置以使所述二次谐波频率加倍且产生四次谐波频率；以及
五次谐波产生器，其经配置以组合所述四次谐波频率与所述二次谐波产生器的未消耗基谐波频率以产生所述五次谐波频率。
6.如权利要求1所述的光学检验***，其中所述五次谐波产生器模块包含：
二次谐波产生器，其经配置以使所述基谐波频率加倍且产生二次谐波频率；
三次谐波产生器，其经配置以组合所述二次谐波频率与所述二次谐波产生器的未消耗基谐波频率以产生三次谐波频率；以及
五次谐波产生器，其经配置以组合所述三次谐波频率与所述三次谐波产生器的未消耗二次谐波频率以产生所述五次谐波频率。
7.如权利要求5所述的光学检验***，其中所述二次谐波产生器、所述四次谐波产生器、所述五次谐波产生器以及所述混频模块中的至少一个包含氢退火硼酸锂铯CLBO晶体。
8.如权利要求5所述的光学检验***，其中所述四次谐波产生器、所述五次谐波产生器，以及所述混频模块中的至少一个包含非线性光学晶体，以及
其中所述第四次谐波产生器、所述五次谐波产生器和所述混频模块中的至少一个进一步包括光学组件，所述光学组件经配置以将输入光束的光束腰聚焦到所述非线性光学晶体内部或附近的实质上椭圆形截面。
9.一种用于检验样本的表面的检验***，所述检验***包括：
照明子***，其经配置以产生多个光通道，所产生的每一光通道具有不同于至少一个其它光通道的特性，所述照明子***包含经配置以发射大约193.368nm波长的入射光束的光源，所述光源包含：基谐波激光器，其经配置以产生具有大约1064nm的对应波长的基谐波频率；五次谐波产生器模块，其经配置以使用所述基谐波频率以产生五次谐波频率；光学参数OP模块，其经配置以降频转换所述五次谐波产生器模块的未消耗基谐波频率且产生具有约等于所述基谐波频率的一半谐波的频率的OP输出；及混频模块，其经配置以接收和组合所述五次谐波频率与所述OP输出以产生具有所述大约193.368nm波长光的入射光束；
光学器件，其经配置以接收所述多个光通道并将所述多个光通道组合成空间分离组合光束且引导所述空间分离组合光束朝向所述样本；以及
数据获取子***，其包括经配置以检测来自所述样本的反射光的至少一个检测器，
其中所述数据获取子***经配置以将所述反射光分离为对应于所述多个光通道的多个接收通道，以及
其中所述基谐波激光器包含掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇以及钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物中的一者。
10.如权利要求9所述的检验***，其中所述基谐波激光器包含Q切换激光器、锁模激光器及连续波CW激光器中的一者。
11.如权利要求9所述的检验***，其中所述五次谐波产生器模块包含：
二次谐波产生器，其经配置以使所述基谐波频率加倍且产生二次谐波频率；
四次谐波产生器，其经配置以使所述二次谐波频率加倍且产生四次谐波频率；以及
五次谐波产生器，其经配置以组合所述四次谐波频率与所述二次谐波产生器的未消耗基谐波频率以产生所述五次谐波频率。
12.如权利要求9所述的检验***，其中所述五次谐波产生器模块包含：
二次谐波产生器，其经配置以使所述基谐波频率加倍且产生二次谐波频率；
三次谐波产生器，其经配置以组合所述二次谐波频率与所述二次谐波产生器的未消耗基谐波频率以产生三次谐波频率；以及
五次谐波产生器，其经配置以组合所述三次谐波频率与所述三次谐波产生器的未消耗二次谐波频率以产生所述五次谐波频率。
13.如权利要求9所述的检验***，其中所述OP模块包含产生大约2127nm波长或大约2109.7nm波长的光的种子激光器。
14.如权利要求9所述的检验***，其中所述OP模块包含激光器二极管或光纤激光器。
15.如权利要求11所述的检验***，其中所述二次谐波产生器、所述四次谐波产生器、所述五次谐波产生器以及所述混频模块中的至少一个包含氢退火硼酸锂铯CLBO晶体。
16.如权利要求11所述的检验***，其中所述四次谐波产生器、所述五次谐波产生器，以及所述混频模块中的至少一个包含非线性光学晶体，以及
其中所述第四次谐波产生器、所述五次谐波产生器和所述混频模块中的至少一个进一步包括光学组件，所述光学组件经配置以将输入光束的光束腰聚焦到所述非线性光学晶体内部或附近的实质上椭圆形截面。
17.一种折反射成像***，其包括：
紫外线UV光源，其经配置以产生具有大约193.368nm波长光的UV光，所述UV光源包含：基谐波激光器，其经配置以产生具有大约1064nm的对应波长的基谐波频率；二次谐波产生器模块，其经配置以使所述基谐波频率加倍且产生二次谐波频率；光学参数OP模块，其经配置以降频转换所述二次谐波频率的一部分以产生大约1.5ω的OP信号及大约0.5ω的OP闲频信号，其中ω为所述基谐波频率；四次谐波产生器模块，其经配置以使所述OP模块的所述二次谐波频率的另一部分加倍且产生四次谐波频率；以及混频模块，其经配置以组合所述四次谐波频率与所述OP信号以产生具有大约193.368nm的对应波长的UV光；
调适光学器件；
物镜，其包含折反射物镜、聚焦透镜群组及变焦管透镜区段；以及
棱镜，其用于沿光学轴引导所述UV光法向入射到样本的表面且沿光学路径将来自所述样本的表面特征的镜面反射及来自所述物镜的光学表面的反射引导到成像平面，
其中所述基谐波激光器包含钒酸钆与钒酸钇的掺钕混合物。
18.如权利要求17所述的折反射成像***，其中所述基谐波激光器包含Q切换激光器、锁模激光器及连续波CW激光器中的一者。
19.如权利要求17所述的折反射成像***，其中所述OP模块包含产生大约2127nm波长或大约2109.7nm波长的光的种子激光器。
20.如权利要求17所述的折反射成像***，其中所述OP模块包含激光器二极管或光纤激光器。
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