CN113437631A - 一种准分子激光器及线宽压窄装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种准分子激光器及线宽压窄装置和方法。其中，所述装置包括：控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器、扩束元件和色散元件；所述光束偏移器用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；所述控制装置与所述光束偏移器相连接，用于控制所述光束偏移器将所述激光器出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。上述装置通过光束偏移器动态的改变激光进入扩束元件和色散元件时的位置，使扩束元件和色散元件的不同部分共同承担激光产生的热，避免了所述扩束元件和色散元件产生热效应变形，确保了准分子激光器输出的激光光谱的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，具体涉及一种准分子激光器及线宽压窄装置和方法。
背景技术
准分子激光器输出的激光因具有波长短、线宽窄、能量高的特点，被广泛应用于半导体的芯片加工领域，例如：准分子激光器输出的激光是光刻机领域最常见的光源。
随着半导体工艺的不断进步，对激光光源的能量以及光谱的需求越来越高。这一需求在光刻机领域体现的尤为重要，例如：为了提高光刻机曝光***的产率，要求激光器需要具备较大的能量和更高的重复频率，其要求单脉冲能量达到10～20mJ，重复频率达到了60kHz。然而，不可避免的，高能量、高重频的光束引起激光器内部光学元件的热变形，进而直接导致激光器的光谱变差，降低激光器本身的可使用寿命，尤其是对于准分子激光器的线宽压窄装置影响更大。
因此，如何减少光束对准分子激光器内部光学元件，尤其是对准分子激光器的线宽压窄装置内部的光学元件的影响，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请提供一种准分子激光器及线宽压窄装置和方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
本申请提供一种准分子激光器的线宽压窄装置4，该装置包括：控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器5、扩束元件6和色散元件7；
所述光束偏移器5用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；
所述控制装置与所述光束偏移器5相连接，用于控制所述光束偏移器5将所述激光器出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。
可选的，所述控制装置具体用于控制所述光束偏移器5周期性的处于第一位置和第二位置，使得所述激光器出射后的相邻脉冲分别在第一位置和第二位置均以布鲁斯特角入射至所述光束偏移器5。
可选的，所述光束偏移器5为包括相互平行的入射面和出射面的平板镜；
所述平板镜的入射面面向所述激光光束来光方向，所述出射面朝向所述扩束元件；
所述控制装置为旋转控制装置。
可选的，所述平板镜材质为熔石英或CaF2。
可选的，所述光束偏移器5为包括入射倾斜面、出射倾斜面和底面的棱镜；
所述入射倾斜面朝向所述激光光束来光方向，出射倾斜面朝向所述扩束元件6；
所述棱镜的各个面角度满足以布鲁斯特角入射至入射倾斜面的光线，在所述棱镜内部到达底面后会被全反射并由所述出射倾斜面以布鲁斯特角出射；
所述控制装置为平移控制装置。
可选的，所述光束偏移器5入射表面镀有增透膜，用于增加透光率。
本申请同时提供一种准分子激光器，其特征在于，包括：如上述装置中所述的用于准分子激光器的线宽压窄装置；
所述线宽压窄装置，包括：控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器5、扩束元件6和色散元件7；
所述光束偏移器5用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；
所述控制装置与所述光束偏移器5相连接，用于控制所述光束偏移器5将所述激光器出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。
可选的，所述激光器包括：放电腔1、工作物质、泵浦装置2、输出耦合镜3；
所述放电腔1与所述泵浦装置2相连，安装在所述输出耦合镜3与所述线宽压窄装置之间；
所述泵浦装置2，用于产生电脉冲，使所述放电腔1产生入射进入所述线宽压窄装置的激光；
所述放电腔1，用于产生入射进入所述线宽压窄装置的激光，接收所述线宽压窄装置返回的反射光；
所述输出耦合镜3，用于将所述反射光进行震荡放大，并输出所述震荡放大后的反射光，作为所述准分子激光器的输出激光。
可选的，所述工作物质为惰性气体和卤素气体的混合气体。
本申请同时提供一种用于准分子激光器线宽的控制方法，该方法应用于上述准分子激光器的线宽压窄装置中，包括：
获取准分子激光器的工作状态信息；
若所述准分子激光器处于工作状态，则在所述准分子激光器处于停止出光的时间间隔内，调整内置在准分子激光器中的光束偏移器5的位置，使所述光束偏移器5由第一位置调整至第二位置，或由第二位置调整至第一位置；
其中，所述光束偏移器5处于第一位置或第二位置时，所述准分子激光器发出的激光照在所述光束偏移器5的入射角均为布鲁斯特角。
本申请同时提供一种准分子激光器，包括：放电腔1、光束偏移器5以及线宽压窄装置4；
所述线宽压窄装置4a包括：控制装置、扩束元件6以及色散元件7；
所述光束偏移器5、扩束元件6和色散元件7沿所述放电腔1出光方向依次排列；
所述光束偏移器5用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；
所述控制装置与所述光束偏移器5相连接，用于控制所述光束偏移器5将所述放电腔1出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
本申请提供的准分子激光器线宽压窄装置，包括：控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器5、扩束元件6和色散元件7；所述光束偏移器5用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；所述控制装置与所述光束偏移器5相连接，用于控制所述光束偏移器5将所述激光器出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。上述装置通过光束偏移器5动态的改变激光进入扩束元件6和色散元件7时的位置，使扩束元件6和色散元件7的不同部分共同承担激光产生的热，避免了所述扩束元件6和色散元件7产生热效应变形，确保了准分子激光器输出的激光光谱的稳定性。
附图说明
图1a为本申请第一实施例提供的准分子激光器的正视示意图；
图1b为本申请第一实施例提供的准分子激光器的俯视示意图；
图2为本申请第一实施例提供的利用由平板镜组成的光束偏移器对激光进行透视的示意图；
图3为本申请第二实施例提供的利用由梯形棱台组成的光束偏移器对激光进行透视的示意图；
图4为本申请实施例提供的激光器出光模式示意图；
图5为本申请第三实施例提供的准分子激光器线宽压窄方法流程图；
图6为本申请第四实施例提供的另一种准分子激光器的正视示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是，本申请能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此，本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请中使用的术语是仅仅出于对特定实施例描述的目的，而非旨在限制本申请。在本申请中和所附权利要求书中所使用的描述方式例如：“一种”、“第一”、和“第二”等，并非对数量上的限定或先后顺序上的限定，而是用来将同一类型的信息彼此区分。
本申请提供一种准分子激光器及线宽压窄装置和方法。在下面的实施逐一进行详细描述。
本申请提供的线宽压窄装置用于准分子激光器，通过改变激光进入线宽压窄装置后照射在各个光学元件中的照射位置，进而降低光学元件上的光能量密度，减小激光热量对激光光谱线宽的影响，提升准分子激光器的光谱的稳定性和准分子激光器本身的寿命。
为了便于理解本申请提供的用于准分子激光器的线宽压窄装置的工作原理，本申请第一实施例首先对安装了准分子激光器线宽压窄装置的准分子激光器进行介绍。
请参考图1a、图1b，其分别为本申请第一实施例提供的准分子激光器的正视示意图和俯视示意图。
准分子激光器包括：放电腔1、泵浦装置2、输出耦合镜3以及线宽压窄装置4。
放电腔1与泵浦装置2相连，放电腔1内充满工作物质，工作物质包括：惰性气体和卤素气体的混合气体。放电腔1为谐振腔，通过设置于放电腔两侧的输出耦合镜8实现谐振。在准分子激光器工作的过程中，放电腔1内的混合气体在泵浦装置2产生的电脉冲的作用下，产生激光，激光在放电腔1内部通过两侧的输出耦合镜8来回反射，实现谐振放大。并由放电腔的一侧向线宽压窄装置4出激光。由于此时在泵浦装置2的电脉冲的作用下产生的激光的自然谱线宽度大约为几百皮米量级，因此，还需要利用线宽压窄装置4对激光器产生的激光的光谱进行压窄处理，以使激光器的另一侧释放的激光的光谱符合要求。
线宽压窄装置4包括控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器、扩束元件6和色散元件7组成。
其中，扩束元件6由若干直角三角棱镜组成，用于对进入线宽压窄控制4的激光进行扩束，以减少激光照射在色散元件7上的发散角。
扩束元件6是线宽压窄装置4中的关键部件，也是获得窄线宽激光的重要元件。扩束元件6中的各个棱镜对入射至色散元件7之前的激光进行展宽，同时棱镜本身的色散特性对入射光谱也具有一定的发散功能，从而为色散元件7的后续分光提供前提准备。另外，为了增加扩束元件6中各个棱镜的透过率，棱镜的表面还镀有增透膜，以增加棱镜的透过率。
在线宽压窄领域，扩束元件6的扩束倍率以及角色散是影响最终激光光谱宽窄化的关键因素，为了实现较大的角色散，需要保证透过扩束元件6照射在色散元件上的激光的发散角θ大于75°。
色散元件7，本实施例中采用中阶梯光栅，中阶梯光栅又称反射式阶梯光栅，中阶梯光栅具有体积小、色散能力强、衍射效率高的特点。色散元件7具体用于对透过扩束元件6照射在色散元件7上的激光进行色散，使其以不同波长的光沿出射角方向展开。在激光经过色散元件7的色散后出射，特定波长及附近的光能够沿原路返回至放电腔1，由放电腔将这一部分光进行震荡放大并输出，进而得到窄线宽的激光。
在激光器工作的过程中，伴随着能量和重频的不断提升，激光照射在扩束元件6和色散元件7上的能量也不断变大，扩束元件6和色散元件7对光的不断吸收，必然使扩束元件6和色散元件7的温度上升，进而引起光学面的变形，从而使光束的发散角进一步变大，使光谱变宽。为了解决以上问题，在本申请第一实施例提供的准分子激光器中，还包括：控制装置(图1、2中未示出)以及光束偏移器5。
本实施例中，光束偏移器5安装在放电腔1和扩束元件6之间，用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离。
在本申请的一个可选实施例中，光束偏移器5具体为平板镜，控制装置为旋转控制装置。旋转控制装置用于控制平板镜进行周期性旋转。
平板镜为包括：相互平行的入射面和出射面的平板镜，其材质可以是熔石英或CaF2，为了保证光束偏移器的透过率，激光照射在平板镜上的入射角为布鲁斯特角。
请参考图2，其为本申请第一实施例提供的利用平板镜的光束偏移器对激光进行偏移的示意图。
平板镜的位置包括位置1和位置2。
当平板镜处于位置1时，激光以布鲁斯特角入射进入平板镜，此时，平板镜对于激光(P光)的透射率为100％。经过平板镜的折射，激光与平板镜呈布鲁斯特角出射，并进入图1a所示的扩束元件6，此时，平板镜的出射激光的出射位置向上偏离入射激光的入射位置。
可以理解的是，由于平板镜改变了激光入射进入扩束元件6的入射位置，相应的，透过扩束元件6照射在色散元件7的激光的入射位置也随着相应改变。也就是说，当平板镜处于位置1时，激光照射在扩束元件6和色散元件7的位置，都会相对于不存在平板镜时激光照在扩束元件6和色散元件7的位置上移。
如前，扩束元件6和色散元件7长时间经高频激光照射，会由于被照射部位连续受热而发生形变，在扩束元件6和色散元件7的光学面还未发生变形之前，可以通过与平板镜相连的旋转控制装置将平板镜由位置1调整至位置2。
当平板镜处于位置2时，激光仍以布鲁斯特角入射进入平板镜，此时，平板镜对于激光(P光)的透射率仍为100％。经过平板镜的折射，激光与平板镜呈布鲁斯特角出射，并进入扩束元件6，此时，平板镜的出射激光的出射位置向下偏离入射激光的入射位置。也就是说，当平板镜处于位置2时，激光照射在扩束元件6和色散元件7的位置，都会相对于不存在平板镜时激光照射在扩束元件6和色散元件7的位置下移。
进一步的，在扩束元件6和色散元件7的光学面未发生变形之前，再使旋转控制装置控制平板镜旋转至位置1处。如此反复在位置1和位置2处切换平板镜的位置，让扩束元件6和色散元件7两个不同的位置分别接受激光光束，从而避免了激光光束连续长时间照射特定位置，进而可避免或改善扩束元件6和色散元件7热效应变形，进一步的，可消除或改善由于扩束元件6和色散元件7的热效应变形引起的激光线宽的影响，进而得到了较为稳定的激光光谱输出。此外，以布鲁斯特角角对平板镜入射，可使得P光的透射率为100％，保障了线宽压窄装置的透过率，还可以提高激光器的偏振度。同时，大热量会减低激光器光学元件的寿命，上述实施例有利于提升激光器光谱稳定性和光学元件的寿命。
本申请上述实施例可保证或改善激光器线宽压窄装置中光学元件的热变形，有利于激光器的输出稳定高质量光谱，在该激光器应用于半导体制造中的光刻机(Scanner)时，能够消除或减轻由于曝光光源对线宽(CD)影响，有利于芯片的良率的提高。
在本申请的第二实施例中，光束偏移器5还可以为包括入射倾斜面、出射倾斜面和底面的棱镜，棱镜的各个面角度满足以布鲁斯特角入射至入射倾斜面的光线，在棱镜内部到达底面后会被全反射并由出射倾斜面以布鲁斯特角出射。控制装置具体为平移控制装置，平移控制装置用于控制光束偏移器沿某一方向平动。
请参考图3，其为本申请第二实施例提供的利用由入射倾斜面、出射倾斜面和底面组成的光束偏移器5对激光进行透视的示意图。
激光透过光束偏移器5的入射角和出射角均为布鲁斯特角。
光束偏移器5的位置包括：位置1和位置2。
当光束偏移器5处于位置1时，激光以布鲁斯特角入射进入光束偏移器5的入射倾斜面，此时，光束偏移器5对于激光的透射率为100％。经过光束偏移器5的折射，激光仍以布鲁斯特角沿光束偏移器5的出射倾斜面出射，并进入扩束元件6。
在扩束元件6和色散元件7的光学面未发生形变之前，使与光束偏移器5相连的平移控制机构将光束偏移器5沿棱镜的高的方向，由位置1平移至位置2。
当光束偏移器5处于位置2时，激光以布鲁斯特角入射进入光束偏移器5的入射倾斜面，此时，光束偏移器5对于激光的透射率仍然为100％。经过光束偏移器5的折射，激光仍以布鲁斯特角沿光束偏移器5的出射倾斜面出射，并进入扩束元件6。由于光束偏移器5的位置2高于位置1。因此，在当光束偏移器5位于位置2时，激光在出射倾斜面的出射位置，高于光束偏移器5位于位置1时激光在出射倾斜面的出射位置。也就是说，在扩束元件6和色散元件7未发生变形之前，不断调整光束偏移器5在位置1和位置2变化，也能降低热效应对光学元件的影响，进而得到较为稳定的激光光谱的输出。本申请第二实施例的光束偏移器5具有与上述第一实施例相同的技术效果，在此不在赘述。
上述第一实施例和第二实施例的光束偏移器均通过机械控制得方式改变光束偏移器5设置位置，进而实现光束偏移，在光束偏移器的位置变化过程中，不可避免的会由于运动而带来额外的振动，该振动对整个激光器的光谱输出可能会产生影响；因此，还需要抑制这一运动对激光光谱带来的影响。本申请的实施例中，通过控制装置控制光束偏移器使其位置转换发生在准分子激光器脉冲发生的间歇，从而避免在光谱输出时产生影响。
为了便于理解本申请实施例提供的准分子激光器的出光模式以及光束偏移器5的偏转过程，以下以光束偏移器5为平板镜时为例对光束偏移器5的旋转与准分子激光器的出光模式之间的关系进行介绍。
由于准分子激光器的出光模式具体为一种间歇式(或者成为脉冲式)的出光模式。具体的，请参考图4，其为本申请实施例提供的激光器出光模式示意图。如图4所示，在T1时刻，准分子激光器连续出射固定数量的脉冲数，之后在T2时刻，停止出光；进一步的，在T3时刻，准分子激光器继续连续出射相同数量的脉冲数，如此反复。
在T1时刻，假设平板镜位于位置1，当准分子激光器处于停止出光的T2时刻时，平板镜在旋转控制装置的带动下，由位置1旋转至位置2，之后准分子激光器继续出光，如此反复。
由于平板镜的旋转动作发生在平板镜不出光的时刻，因此，平板镜和旋转机构运动带来的振动并不会对激光器光谱的稳定性带来影响。另外，在光束偏移器5为上述棱镜的情况下，图4所示的出光光谱也同样适用，其原理与上述基本相同，此处不再进行赘述。
综上，本申请提供的准分子激光器，通过在线宽压窄装置4中内置光束偏移器5动态的改变激光进入扩束元件6和色散元件7时的位置，使扩束元件6和色散元件7的不同部分共同承担激光产生的热，避免了扩束元件6和色散元件7产生热效应变形，确保了准分子激光器输出的激光光谱的稳定性。
上述的第一和第二实施例中通过控制装置控制光束偏移器的位置来改变光束出射位置的，在其他实施例中，还可以通过控制光束偏移器的物理状态，例如通过通电控制光束出射的位置等来实现光束位置偏移；任何能够实现光束位置偏移并能够实现上述技术效果的技术方案均应包含在本申请的保护范围之内。
上述实施例中，提供一种准分子激光器，与之相应的，本申请还提供一种准分子激光器线宽压窄装置，即为上述第一实施例和第二实施例的线宽压窄装置，在此不再赘述。
本申请还提供一种准分子激光器线宽压窄方法，具体应用于上述实施例提供的准分子激光器或准分子激光器的线宽压窄装置中。
请参考图5，其为本申请第三实施例提供的准分子激光器线宽压窄方法流程图。该方法包括：
步骤S501，获取准分子激光器的工作状态信息；
准分子激光器的工作状态信息就是指，激光器是否处于工作状态的信息，如果准分子激光器停止工作，放电腔1也就不会在向线宽压窄装置4释放激光，线宽压窄装置4也无需对其进行线宽压窄处理。
步骤S502，若准分子激光器处于工作状态，则在准分子激光器处于停止出光的时间间隔内，调整内置在准分子激光器中的光束偏移器5的位置，使光束偏移器5由第一位置调整至第二位置，或由第二位置调整至第一位置；
其中，光束偏移器5处于第一位置或第二位置时，准分子激光器发出的激光照在光束偏移器5的入射角均为布鲁斯特角。
在本申请第三实施例中，第一位置就是本申请第一实施例提到的位置1，第二位置就是本申请第一实施例提到的位置2。
本申请同时还提供另一种准分子激光器，其基本相似与本申请第一实施例和第二实施例提供的准分子激光器，请参考图6，其为本申请第四实施例提供的另一种准分子激光器的正视示意图。
所述准分子激光器包括：放电腔1、光束偏移器5以及线宽压窄装置4a。
所述线宽压窄装置4a，包括：扩束元件6和色散元件7。
与本申请第一实施例中示出的准分子激光器不同的，本申请第四实施例提供的准分子激光器中的光束偏移器5设置在线宽压窄装置4a外部，其它部分与本申请第一实施例和第二实施例的提供的准分子激光器基本相同，在此不再赘述。
本申请虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种准分子激光器的线宽压窄装置，其特征在于，包括：控制装置，以及沿激光器出光方向依次设置的光束偏移器(5)、扩束元件(6)和色散元件(7)；
所述光束偏移器(5)用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；
所述控制装置与所述光束偏移器(5)相连接，用于控制所述光束偏移器(5)将所述激光器出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置具体用于控制所述光束偏移器(5)周期性的处于第一位置和第二位置，使得所述激光器出射后的相邻脉冲分别在第一位置和第二位置均以布鲁斯特角入射至所述光束偏移器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光束偏移器(5)为包括相互平行的入射面和出射面的平板镜；
所述平板镜的入射面面向所述激光光束来光方向，所述出射面朝向所述扩束元件；
所述控制装置为旋转控制装置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述平板镜材质为熔石英或CaF2。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光束偏移器(5)为包括入射倾斜面、出射倾斜面和底面的棱镜；
所述入射倾斜面朝向所述激光光束来光方向，出射倾斜面朝向所述扩束元件(6)；
所述棱镜的各个面角度满足以布鲁斯特角入射至入射倾斜面的光线，在所述棱镜内部到达底面后会被全反射并由所述出射倾斜面以布鲁斯特角出射；
所述控制装置为平移控制装置。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束偏移器入射表面镀有增透膜，用于增加透光率。
7.一种准分子激光器，其特征在于，包括：如权利要求1至6任意所述的准分子激光器的线宽压窄装置。
8.一种用于准分子激光器的线宽压窄方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任意一项所述的装置，包括：
获取准分子激光器的工作状态信息；
若所述准分子激光器处于工作状态，则在所述准分子激光器处于停止出光的时间间隔内，调整内置在线宽压窄装置中的的光束偏移器(5)的位置，使所述光束偏移器(5)由第一位置调整至第二位置，或由第二位置调整至第一位置；
其中，所述光束偏移器(5)处于第一位置或第二位置时，所述准分子激光器发出的激光照在所述光束偏移器(5)的入射角均为布鲁斯特角。
9.一种准分子激光器，其特征在于，包括：放电腔(1)、光束偏移器(5)以及线宽压窄装置(4a)；
所述线宽压窄装置(4a)包括：控制装置、扩束元件(6)以及色散元件(7)；
所述光束偏移器(5)、扩束元件(6)和色散元件(7)沿所述放电腔(1)出光方向依次排列；
所述光束偏移器(5)用于将以布鲁斯特角入射的激光光束在出射后偏移设定距离；
所述控制装置与所述光束偏移器(5)相连接，用于控制所述光束偏移器(5)将所述放电腔(1)出射的相邻脉冲在出射后偏移至不同位置。
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