DE10102143A1

DE10102143A1 - Laser mit hoher Leistung

Info

Publication number: DE10102143A1
Application number: DE2001102143
Authority: DE
Inventors: Juergen Kleinschmidt; Igor Bragin; Hans-Stephan Albrecht
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2002-07-25

Abstract

Um bei einem Excimerlaser, der Laserstrahlen mit hoher Leistung erzeugt, die thermische Belastung des Auskoppelfensters (16) zu verringern, wird dieses so stark gegenüber der optischen Achse (14) verkippt, daß der Winkel (phi) zwischen der Flächennormalen (20) des Fensters und der optischen Achse (14) deutlich größer als der Brewsterwinkel des Fensters ist. DOLLAR A Die thermische Belastung des Fensters (16) kann dadurch weiter verringert werden, daß die Elektroden in dem Excimerlaser gegenüber der optischen Achse verkippt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Üblicherweise ist bei Excimerlasern das Auskoppelfenster so angeordnet, daß der den Laser verlassende Laserstrahl senkrecht auf das Auskoppelfenster trifft. Insbesondere, wenn der Laser strahl in bestimmter Weise polarisiert sein soll, wird aber das Auskoppelfenster gegenüber der optischen Achse so gekippt, daß der Winkel zwischen der Flächennormalen der ins Innere des Gehäuses weisenden Seite des Auskoppelfensters und der opti schen Achse der Brewsterwinkel des Fensters ist. Der Brewster winkel des Fensters θ ist durch den Brechungsindex n des Fen sters definiert, es gilt dann θ = arctan(n). Eine Stellung des Auskoppelfensters im Brewsterwinkel ist beispielsweise im US- Patent 5,404,366 beschrieben.

Mit fortschreitender Technologie werden die Leistungen von Lasern zunehmend größer. Beispielsweise werden bei der Photoli thographie im Rahmen der Herstellung von integrierten Schalt kreisen linienverschmälerte Excimerlaser verwendet. Excimerla ser können Strahlung mit kleinen Wellenlängen, insbesondere von 248 nm, 193 nm oder 157 nm bereitstellen. Die Linienverschmäle rung ist erforderlich, weil in diesem Wellenlängenbereich achromatische optische Elemente kaum zur Verfügung stehen. Aus diesem Grunde muß die Linienbreite der Excimerlaserstrahlung verschmälert werden, damit keine durch chromatische Aberration hervorgerufene Fehler auftreten, die die Qualität des photoli thographischen Prozesses beeinträchtigen würden. Da durch die Linienverschmälerung zumeist Leistung verlorengeht, muß der Excimerlaser zunächst eine sehr hohe Leistung erzeugen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Pulsfrequenzen. Gegenwärtig betragen die typischen Pulsfrequenzen von zur Photolithographie verwendeten Excimerlasern 2 kHz. Zukünftige Laser werden Puls raten von etwa 4 kHz haben oder sogar 10 kHz erreichen. Dadurch erhöht sich die Durchschnittsleistung des Lasers um einen Faktor 2 bis 5.

Die erhöhten Laserleistungen führen zu einer starken thermi schen Belastung der optischen Bauteile des Lasers.

Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, daß bei Excimerlasern mit hohen Pulsfrequenzen die Elektroden in der Entladungskammer des Excimerlasers sehr dicht beieinanderliegen müssen. Zusätzlich zur Gesamtleistung erhöht sich dann die Leistungsdichte. Ent sprechend stärker werden die optischen Bauteile des Lasers belastet.

Besonderen Belastungen ausgesetzt ist das Auskoppelfenster des Lasers. Hohe thermische Belastungen führen zu Veränderungen in der Struktur des Fensters, das Material altert, was langfristig zu einer Verschlechterung der Laserqualität, der Standzeit und auch der Laserleistung führt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Laser bereitzustellen, bei dem trotz hoher Laserleistung die thermische Belastung des Auskoppelfensters verringert ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Auskoppelfenster so in das Gehäuse eingebaut wird, daß der Winkel zwischen der Flä chennormalen der ins Innere des Gehäuse weisenden Oberfläche des Fensters und der optischen Achse größer als der Brewster winkel des Fensters ist.

Gemeint sind hier nicht kleine toleranzbedingte Abweichungen vom Brewsterwinkel, sondern eine deutlich größere Abweichung. Beispielsweise ist der Winkel zwischen der Flächennormalen und der optischen Achse mindestens 5°, vorzugsweise mindestens 10°, oder sogar mindestens 15° oder 20° größer als der Brewsterwin kel des Fensters.

Durch das stärkere Verkippen des Auskoppelfensters bezüglich der optischen Achse wird die auf eine Flächeneinheit und Volumeneinheit des Fensters auftreffende Laserleistung verkleinert, die thermische Belastung wird somit verringert.

Das Auskoppelfenster kann soweit verkippt werden, daß die auf das Fenster auftreffende Leistung im Vergleich zur Stellung des Fensters im Brewsterwinkel auf die Hälfte reduziert wird. Eine obere Grenze für die Verkippung gibt es lediglich dadurch, daß bei starker Verkippung Fresnelreflexionen auftreten, die wie derum zu Verlusten führen, welche unerwünscht sind. Eine obere Grenze für den Verkippungswinkel läßt sich dadurch festlegen, daß man eine obere Grenze für die Verluste vorgibt und dann entsprechende Versuche durchführt, um den maximalen Verkip pungswinkel zu bestimmen.

Ist das Auskoppelfenster eine Scheibe, d. h. hat es auf seiner ins Innere des Gehäuse weisenden Seite und seiner Außenseite ebene Oberflächen, die parallel zueinander stehen, so ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest die Außenseite mit einem antireflektierenden Überzug versehen ist, weil ein solcher Überzug Leistungsverluste reduziert. Ein antireflektierender Überzug besteht gewöhnlich aus mehreren dielektrischen Schich ten, die auf die Oberfläche des Fensters aufgebracht sind.

Das Auskoppelfenster kann auch ein Prisma sein, wobei der Verkippungswinkel zur optischen Achse, der Apexwinkel des Prismas und das Material, aus dem das Prisma besteht, derart abgestimmt werden, daß der Laserstrahl aus dem Auskoppelfenster im Brewsterwinkel austritt, wobei der Brewsterwinkel hier bezüglich der Flächennormalen der Austrittsfläche des Prismas definiert ist.

Zusätzlich zur Verkippung des Fensters kann in einem Excimerla ser eine weitere Maßnahme vorgesehen werden: Bei hohen Repeti tionsraten (Pulsfrequenzen) sind vergleichsweise schmale Elek troden b < 2 mm (siehe Fig. 3) vorteilhaft. Schmale Elektroden bedingen eine große "clearing"-Rate R. Diese ist gegeben durch R = (v/b).(1/f) (v-Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Entladungszone, f-Repetitionsrate). R gibt an, wie oft das Gas im Entladungsvolumen zwischen zwei Entladungsvorgängen ausge tauscht wird. Große R bewirken geringe Fluktuationen der Laser pulsenergie. Gewöhnlich sind die in der Entladungskammer des Excimerlasers angeordneten Elektroden im wesentlichen langge streckt, so daß sich eine Achse der Elektroden definieren läßt. Werden die Elektroden so angeordnet, daß sie in einem von Null verschiedenen Winkel zur optischen Achse stehen, so wird der Strahlquerschnitt des Laserstrahls, der längs der optischen Achse entsteht, erhöht, die Leistung pro Fläche also ernied rigt. (Hierdurch wird die Erhöhung der Laserstrahldichte kom pensiert, die dadurch bewirkt wird, daß die Elektroden bei Hochleistungslasern eng beeinander angeordnet sind.) Auch durch diese Maßnahme wird die letztlich auf das Auskoppelfenster pro Flächeneinheit desselben auftreffende Laserleistung reduziert, dessen thermische Belastung wird also verringert und die Gefahr einer Beschädigung des Fensters vermieden oder zumindest ver ringert.

Auch die anderen im Lasergehäuse befindlichen optischen Bautei le werden durch die Verkippung der Elektroden gegenüber der optischen Achse wegen der daraus folgenden geringeren Lei stungsdichte des Laserstrahls thermisch weniger belastet, so daß auch deren Lebensdauer erhöht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Excimerlasergehäuses mit einem Auskoppelfenster gemäß einer ersten Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil eines Excimerlasergehäuses mit einem Auskoppelfenster gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung der Wirkungen der off-axis-Anordnung gemäß einer bevorzugten Aus gestaltung der Erfindung,

Fig. 4 das Innere eines Excimerlasers mit off-axis- Anordnung der Elektroden,

Fig. 5 die Entladungskammer eines Excimerlasers, in der zwei Elektrodenpaare jeweils eine off-axis- Anordnung haben,

Fig. 6 eine Abwandlung der Entladungskammer aus Fig. 5,

Fig. 7 eine Entladungskammer in off-axis-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung.

Fig. 1 zeigt einen Teil des Gehäuses 10 eines Excimerlasers, der Strahlung hoher Leistung emittiert mit hohen Pulsraten von etwa 2 kHz, wie er in der Photolithographie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet wird. Nicht darge stellt sind die Entladungskammern des Excimerlasers mit den notwendigen Elektroden sowie weitere optische Elemente, die beispielsweise der Linienverschmälerung des Lasers dienen. Im Excimerlaser wird in herkömmlicher Weise ein Laserstrahl 12 erzeugt, der längs einer optischen Achse 14 über ein Auskoppel fenster 16 ausgekoppelt wird. Das Auskoppelfenster 16 hat auf der ins Innere des Gehäuses 10 weisenden Seite eine erste ebene Oberfläche 18. Bei einer ebenen Oberfläche läßt sich eine Flächennormale definieren, also eine Achse, die senkrecht auf der Oberfläche steht, welche hier gestrichelt dargestellt und mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist. Das Auskoppelfenster 16 ist so stark verkippt, daß der Winkel ϕ zwischen der Flächen normalen 20 und der optischen Achse 14 größer als der Brewster winkel des Fensters ist.

Das Auskoppelfenster 16 ist scheibenförmig, d. h. seine nach außen weisende Oberfläche 22 ist ebenfalls eine ebene Oberflä che, die parallel zur Oberfläche 18 verläuft. Die Oberfläche 22 ist mit einem antireflektierenden Überzug versehen.

Das Auskoppelfenster 16 kann aus CaF₂, MgF₂, Saphir oder Quarz glas bestehen. Bei einem CaF₂-Fenster und einer Laserwellenlän ge von 248 nm beträgt der Brewsterwinkel 45,7°, bei einem MgF₂- Fenster beträgt bei derselben Wellenlänge der Brewsterwinkel 54,6°. Wählt man den Verkippungswinkel ϕ des Auskoppelfensters 16 deutlich größer als diesen Winkel, beispielsweise ϕ = 73°, so wird die auf eine Flächeneinheit des Auskoppelfensters 16 auftreffende Laserleistung im Vergleich zur Stellung des Fen sters im Brewsterwinkel auf die Hälfte reduziert.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Auskoppelfenster als Prisma 24 ausgebildet. Wie auch bei dem Auskoppelfenster 16 aus Fig. 1 hat das Prisma 24 an der ins Innere des Gehäuses 10 weisenden Seite eine ebene Oberfläche 26. Deren Flächennormale 28 steht in einem Winkel ϕ zur optischen Achse 14, der größer als der Brewsterwinkel des Prismas ist. Das Prisma 24 hat den Vorteil, daß sich sein Apexwinkel γ und der Winkel ϕ bei vorgegebenem Prismenmaterial so aufeinander abstimmen lassen, daß der Laserstrahl 30 das Prisma 24 unter dessen Brewsterwinkel θ verläßt, wobei der Brewsterwinkel hier zur Flächennormalen 32 der nach außen weisenden Oberfläche 34 des Prismas 24 definiert ist.

Besteht das Prisma beispielsweise aus CaF₂, und wird ein Laser strahl mit einer Wellenlänge von 193 nm ausgekoppelt, so be trägt der Brechungsindex des Prismas n = 1,501 und der Brewsterwinkel 56,3°. Der Laserstrahl 30 tritt dann genau im Brewsterwinkel aus, wenn ϕ = 71° und der Apexwinkel γ = 72,6°.

Die thermische Belastung der Auskoppelfenster 16 und 24 kann weiter verringert werden, wenn im Innern des Excimerlasers eine zusätzliche Maßnahme getroffen wird: Die Elektroden werden nicht parallel zur optischen Achse 14 angeordnet (on-axis- Anordnung), sondern gegenüber dieser verkippt (off-axis- Anordnung).

Fig. 3 dient der Erläuterung der Wirkungen dieser off-axis- Anordnung. Dargestellt ist das sog. aktive Volumen 36, also der Teil des Lasers, der zur Erzeugung des Laserstrahls beiträgt. Bei einem Excimerlaser ist das aktive Volumen, wenn zwei Elek troden verwendet werden, das Produkt der Länge L der Elektro den, der effektiven Breite der Entladung w und des Abstandes b der Elektroden. Letzterer wird in Fig. 3 senkrecht zur Pa pierebene gemessen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten off-axis-Anordnung, bei der die Elektroden um einen Winkel α gegenüber der optischen Achse 14 verkippt sind, beträgt die effektive Breite der Entladung w:

w = L × sin α + b × cos α

In der Regel ist L um mehrere Größenordnungen größer als b. Es genügt daher ein sehr kleiner Winkel α, um die effektive Breite der Entladung w deutlich zu vergrößern. Beträgt L beispielswei se 1 m und b 1 mm, so ist bei der on-axis-Anordnung (α = 0) w = b = 1 mm.

Verkippt man die Elektroden nur um einen kleinen Winkel von etwa α = 4 mrad, so erholt man in dieser off-axis-Anordnung eine effektive Breite der Entladung w = 5 mm. Es kann somit die Leistungsdichte auf ein Fünftel verringert werden.

Unterschiedliche Ausgestaltungen der off-axis-Anordnungen sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt.

Fig. 4 zeigt die optischen Bauteile, wie sie beispielsweise in dem Gehäuse 10 aus Fig. 1 oder Fig. 2 untergebracht werden können. In einer Entladungskammer 38 ist ein Elektrodenpaar 40 gegenüber der optischen Achse 14 verkippt. (Es ist nur eine rechteckige Elektrode 40 zu sehen, da sich die zweite Elektrode des Elektrodenpaares senkrecht zur Papierebene in Fig. 4 genau unter dem dargestellten Rechteck befindet.

Ferner sind in Fig. 4 eine Einheit 42 gezeigt, die zur Linien verschmälerung des im Laser erzeugten Laserstrahls dient, sowie ein Auskoppelspiegel 44.

In Fig. 5 ist gemäß einer Abwandlung der Ausführungsform aus Fig. 4 nur eine Entladungskammer 38 gezeigt, in der zwei Elektrodenpaare 46 und 48 angeordnet sind. Beide Paare sind zur optischen Achse verkippt, wobei sie in unterschiedliche Rich tungen verkippt sind. Definiert man den Winkel α₁ zwischen dem Elektrodenpaar 46 und der optischen Achse 14 als positiven Winkel, so ist der Winkel α₂ zwischen dem Elektrodenpaar 48 und der optischen Achse 14 negativ.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der off-axis- Anordnung gezeigt, bei der zwei Elektrodenpaare 50 und 52 jeweils gegenüber der optischen Achse 14 um denselben Winkel verkippt sind und längs der optischen Achse 14 hintereinander angeordnet sind, so daß die Elektrodenpaare 50 und 52 im we sentlichen parallel zueinander stehen.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der off-axis- Anordnung gezeigt. Bei dieser ist ein Elektrodenpaar 54 in einer Entladungskammer 38 in herkömmlicher Weise angeordnet, aber die gesamte Entladungskammer 38 ist mit dem Elektrodenpaar 54 bezüglich der optischen Achse 14 verkippt.

Claims

1. Laser, insbesondere Excimerlaser, bei dem ein in einem Lasergehäuse (10) oder einer Entladungskammer erzeugter Laserstrahl (12) längs einer optischen Achse (14) über ein Auskoppelfenster (16, 24) aus dem Gehäuse (10) bzw. der Kammer emittiert wird, wobei das Auskoppelfenster (16, 24) an seiner Innerseite eine erste Oberfläche (18, 26) hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster (16, 24) so in das Gehäuse (10) eingebaut ist, daß der Winkel (ϕ) zwischen der Flächennormalen (20, 28) der ersten Oberflä che (18, 26) und der optischen Achse (14) größer als der Brewsterwinkel des Fensters (16, 24) ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ϕ) zwischen der Flächennormalen (20, 28) der ersten ebenen Oberfläche (18, 26) und der optischen Achse (14) um mindestens 5°, vor zugsweise um mindestens 10° besonders vorzugsweise um min destens 15° größer als der Brewsterwinkel des Fensters (16, 24) ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster (16) auf der nach außen weisenden Seite eine zweite Oberfläche (22) hat, die mit einem anti reflektierenden Überzug versehen ist.

4. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster ein Prisma (24) ist, dessen nach au ßen weisende Seite eine zweite ebene Oberfläche (34) ist, die in einem Prisma-Apexwinkel (γ) zur ersten ebenen Ober fläche (26) verläuft, wobei der Winkel (ϕ) zwischen der Flächennormalen (28) der ersten ebenen Oberfläche (26) des Prismas und der optischen Achse (14), der Prisma- Apexwinkel (γ) und der Brechungsindex des Prismas (24) so aufeinander abgestimmt sind, daß der Laserstrahl (30) aus dem Auskoppelfenster (24) im Brewsterwinkel (θ) austritt.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (16, 24) aus CaF₂, MgF₂, LiF, Saphir oder Quarzglas besteht.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (14) im Laser durch eine Entladungskammer (38) verläuft, die ein Lasergas und zumindest zwei stabförmige Elektroden (40, 46, 48, 50, 52, 54) umfaßt, wobei die Elektroden in einem von Null ver schiedenen Winkel (α) zur optischen Achse (14) stehen.

7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (38) vier stabförmige Elektroden (50, 52) umfaßt, von denen ein erstes Paar (50) längs der optischen Achse vor einem zweiten Paar (52) steht und alle Elektro den (50, 52) parallel ausgerichtet sind.

8. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (38) vier stabförmige Elektroden (46, 48) umfaßt, von denen ein erstes Paar (46) in einem positiven Winkel (α₁) zur optischen Achse (14) steht und ein zwei tes Paar (48) längs der optischen Achse (14) hinter dem ersten Paar (46) in einem negativen Winkel (α₂) zur opti schen Achse steht.