DE29822082U1

DE29822082U1 - Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung

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Publication number: DE29822082U1
Application number: DE29822082U
Authority: DE
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2008-12-11

Description

lG-81 224
LAMBDAPHYSIK

Laser zur Erzeugung schmalbandiqer strahlung

Die Erfindung betrifft einen Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung mit einem laseraktiven Bereich, einem Auskoppelspiegel, einem Strahlaufweiter und einem wellenlängenselektiven Element, auf das Strahlung mit einer Wellenfront auffällt.

Insbesondere betrifft die Erfindung Excimerlaser, bei denen das wellenlängenselektive Element ein Gitter ist.

Laser der oben genannten Art werden insbesondere in der Photolithographie bei der Herstellung integrierter Schaltungen eingesetzt. Die Strahlung des Lasers, insbesondere Excimerlasers, wird zur Erzeugung von Strukturen verwendet mit Abmessungen < 0,25 &mgr;&idiagr;&eegr;. Um die chromatische Aberration der abbildenden Optik klein zu halten, muß Laserstrahlung mit sehr geringer Bandbreite verwendet werden. Bei Verwendung von brechenden Abbildungsoptiken sind Bandbreiten < 0,6 pm erforderlich.

Bei Excimerlasern werden häufig ebene Gitter als wellenlängenselektives Element zur Erzeugung einer Oszillation mit sehr schmaler Bandbreite eingesetzt. Die Bandbreite &Dgr;&lgr; der Strahlung ist annähernd gegeben durch (Gauss'sehe Linienform):

2-tanar V/z

Dabei ist:

&lgr;: Die Einissionswellenlange

&Dgr;&thgr; : Divergenz des Strahls vor dem Gitter

&agr;: Blaze-Winkel

n: Anzahl effektiver Umläufe der Strahlung im Laser.

Um die Divergenz der Strahlung beim Auftreffen auf das Gitter und damit auch die Bandbreite zu verringern, wird ein Strahlaufweiter (häufig in Form von Prismen) im Resonator angeordnet. Aber auch bei Verwendung herkömmlicher Strahlaufweiter ist die Wellenfront der auf das Gitter auftreffenden Strahlung gekrümmt. Die Krümmung der Wellenfront ergibt sich insbesondere aus:

- nicht genau ebenen Oberflächen der optischen Komponenten,

- nicht völlig gleichförmigem Brechungsindex im Volumen der optischen Komponenten,

durch Strahlung induzierten Änderungen des Brechungsindex in den optischen Komponenten, und einem nicht gleichförmigen Verstärkungsprofil.

Aufgrund von Änderungen des Brechungsindex im laseraktiven Medium kann sich die Krümmung der Wellenfront auch während des Betriebs des Lasers ändern. Das laseraktive Medium ist bei einem Excimerlaser das Plasma der Gasentladung.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine Korrektur der vorstehend erläuterten Krümmung der Wellenfront der Strahlung, also insbesondere der Wellenfront der Strahlung, die auf das wellenlängenselektive Element, wie das Gitter, trifft.

Das U.S.-Patent 5.095,492 (A.R.L. Sandstrom) beschreibt einen Versuch, das Problem der Krümmung der Wellenfront zu lösen. Hierzu wird dort vorgeschlagen, das Gitter so zu biegen, daß seine Oberflächenkrümmung der Wellenfront der Strahlung entspricht. Diese Technik hat aber einige Nachteile: Am Gitter angreifende Kräfte können eine Störung der Gitteroberfläche verursachen und weiterhin ist mit diesem Verfahren nur eine sehr begrenzte Korrektur einer Wellenfrontkrümmung möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Laser der eingangs genannten Art die Schmalbandigkeit der abgegebenen Strahlung weiter zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß im Resonator eine Korrekturlinse angeordnet wird zur Korrektur der auf das wellenlängenselektive Element, insbesondere das Gitter, auftreffenden Wellenfront der im Laserresonator umlaufenden Strahlung.

Dabei kann gemäß einer ersten Variante eine zusätzliche Zylinderlinse zwischen dem laseraktiven Medium und dem Strahlaufweiter angeordnet werden. Dies bewirkt bereits eine nennenswerte Korrektur der Wellenfront, wobei die effektive Brennweite der Linse durch Kippen der Linse in Bezug auf die optische Achse des Laserresonators eingestellt wird. Diese Korrektureinrichtung für die Krümmung der Wellenfront ist leicht handhabbar und kann starke Wellenfront-Krümmungen kompensieren. Ein Nachteil dieser ersten Variante liegt aber in einem Versatz (Verschiebung) der Strahlung in Bezug auf die optische Achse des Resonators. Auch hat diese erste Variante, obwohl durchaus brauchbar, den Nachteil, daß Wellenfront-Störungen aufgrund von Beugungseffekten im Strahlaufweiter nur unzureichend durch die Korrektureinrichtung beseitig werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die Korrekturlinse zwischen dem wellenlängenselektiven Element des Lasers und dem Strahlaufweiter angeordnet ist.

Damit können nicht nur relativ starke Krümmungen der Wellenfront korrigiert werden, sondern auch Störungen der Wellenfront aufgrund von Beugungserscheinungen, insbesondere im Strahlaufweiter.

Die erfindungsgemäße Korrekturlinse gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung des Lasers hat eine geeignete Brennweite, die bevorzugt größer ist als 100 m.

-&iacgr; 4 &idigr;-

Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Korrekturlinse zwischen Elementen des Strahlaufweiters angeordnet. Ein Strahlaufweiter besteht typischerweise aus mehreren Prismen. In diesem Falle befindet sich die Korrekturlinse zwischen den Prismen des Strahlaufweiters.

Um die Brennweite der Linse zur Abstimmung der Korrektur der Wellenfrontkrummung einzustellen, wird die Linse in Bezug auf die Resonatorachse des Lasers gedreht, wobei die Drehachse parallel zu den Gitterfurchen angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Korrekturlinse eine plan-konvexe Teillinse und eine plan-konkave Teillinse aufweist. Der Begriff "Teillinsen" bedeutet hier, daß die Korrekturlinse aus den Teillinsen zusammengefügt ist.

Dabei haben die beiden Teillinsen bevorzugt gleiche Krümmungsradien. Bevorzugt sind die Teillinsen an ihren gekrümmten Flächen paßgenau zusammengefügt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Teillinsen doppelbrechend sind und ihre optischen Achsen zueinander gekreuzt und senkrecht zur Achse (C) stehen. Die Achse C steht senkrecht auf den Planflächen der Teillinsen (siehe z.B. Figuren 1, 2 bzw. 4a,b).

Bevorzugt sind die Teillinsen aus MgF₂.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht bei einem Laser mit einem Gitter als wellenlängenselektiven Element vor, daß die Korrekturlinse Teillinsen mit zylindrisch gekrümmten Flächen aufweist, wobei sich die Zylinderachsen der zylindrischen Krümmung in einer Ebene erstrecken, die senkrecht steht zur Flächennormalen des Gitters.

Bevorzugt sind zwei &lgr;/2-Plättchen beidseits der Korrekturlinse angeordnet.

Die gekrümmten Flächen der Teillinsen können auch sphärisch oder torisch sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasers mit einer Wellenfront-Korrekturlinse;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lasers mit einer Wellenfront-Korrekturlinse;

Fig. 3 und 4 Ausführungsbeispiele von Wellenfront-Korrekturlinsen;

Fig. 5 eine Darstellung der effektiven Brennweite einer Korrekturlinse in Abhängigkeit vom Drehwinkel;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Abhängigkeit der effektiven Brennweite der Korrekturlinse in Abhängigkeit vom Drehwinkel;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung einer Wellenfront-Korrekturlinse mit Zusatzelementen;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Wellenfront-Korrektur linse mit weiteren Korrekturelementen.

In Fig. 1 ist ein Excimerlaser schematisch dargestellt mit einem laseraktiven Bereich 1 (hier also einer Gasentladungskammer mit einem Gasentladungsplasma), einem Auskoppelspiegel 2, einem aus Prismen gebildeten Strahlaufweiter 3, einem Gitter 4 als wellenlängenselektives Element, und einer weiter unten näher erläuterten Wellenfront-Korrekturlinse 5. Der Doppelpfeil 6 kennzeichnet die Richtung der Polarisation der im Laserresonator umlaufenden Strahlung. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist also die Laserstrahlung linear in der Zeichnungsebene polarisiert. Der Winkel &phgr; bezeichnet den Drehwinkel der Korrekturlinse 5 in Bezug auf die optische Achse A des Resonators.

Für eine vollständige Korrektur (Kompensation) der Wellenfront-Krümmung muß die Brennweite der Korrekturlinse 5 gleich dem Radius der Wellenfront sein. Der Radius &rgr; der Wellenfront nahe dem laseraktiven Medium 1 (also ohne StrahlaufWeitung) ist gegeben

durch &rgr; « D/&thgr; «2m (dabei ist D der Entladungsdurchmesser von ca. 4 mm und &thgr; die Divergenz von etwa 2 irirad) .

Der Radius p¹ der Wellenfront-Krümmung hinter dem Strahlaufweiter 3 (also zwischen dem Strahlaufweiter 3 und dem Gitter 4) ist gegeben durch p¹ = M p. M ist die Vergrößerung durch den Strahlaufweiter. Beträgt M etwa 20 ... 30, so ergibt dies einen Radius für die Wellenfront des expandierten Strahls von p' = 800 - 1200 m. Die Brennweite einer Plan-Konvexlinse (also einer Linse, die auf einer Seite eben und auf der anderen Seite konvex ist) ist gegeben durch f = R/(n-1), wobei R der Radius der Linsenkrümmung und &eegr; der Brechungsindex des Linsenmaterials sind. Um eine Brennweite im Bereich von 800 m ... 1200 m zu erreichen, muß der Radius R im Bereich von 400 m ... 600 m liegen. Eine solche Linse ist schwer herzustellen.

Gewöhnliche Interferometer erlauben die Bestimmung von Linsenradien bis zu 10 ... 15 m mit einer Genauigkeit von AR/R < 0,3 %. Für Linsenradien im Bereich von bis zu 100 m ist die Genauigkeit etwa 3 bis 4 %. Die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Wellenfront-^Korrekturelementes ist wesentlich.

Werden zwei Linsen, zum einen eine plan-konvexe Linse (mit dem Brechungsindex n_a) und eine plan-konkave Linse (Brechungsindex nb) mit gleichen Krümmungsradien gemäß Fig. 3 zusammengefügt, so ergibt sich die Brennweite f = R/ (n_a - n^) . Wenn (n_a - n^) « 1 ist, kann f wesentlich größer sein als R. Sind die beiden Radien (also die Krümmungsradien der beiden Teillinsen 5a und 5b) nicht genau gleich, d.h. wenn gilt R_a = R + AR und Rj₃ = R, dann ergibt sich die Brennweite der zusammengefügten Linse gemäß Fig. 3 wie folgt:

&Dgr;&Agr;

Um Wellenfrontstorungen zu minimieren, soll die Formtreue und Rauhigkeit der optischen Oberflächen (Fig. 3, Bezugszeichen

-&iacgr; 7 J-

6a und 6b) in der Größenordnung von &lgr;/5 liegen. Heutige Polierverfahren, wie sie bei der Herstellung von Linsen für die Mikrolithographie eingesetzt werden, gewährleisten für Linsen mit Durchmessern von 5 cm bis 20 cm die folgenden Werte:

Material Form Formtreue über Rauhigkeit

die gesamte (RMS; mittlere

Oberfläche quadratische

Abweichung)

Quarz sphärisch < 50 nm 2 ... 5 nra

CaF2, MgF₂ sphärisch < 50 nm 2 ... 5 nm

CaF₂, MgF₂ zylindrisch < 50 nm < 30 nm

Die Fig. 4a und 4b zeigen besondere Ausgestaltungen der Korrekturlinse 5 gemäß Fig. 3 aus jeweils zwei Teillinsen 5a und 5b. Das Material der Linsen ist doppelbrechend, und zwar uniaxial (z.B. MgF₂), wobei beide optischen Achsen (<8>,$) senkrecht zur Achse C der Korrekturlinse stehen. Die beiden Teillinsen 5a, 5b sind so gemäß den Fig. 3, 4 zusammengefügt, daß ihre optischen Achsen jeweils zueinander gekreuzt sind. Mit 6 ist die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung gekennzeichnet.

Fällt bei der Korrekturlinse 5 gemäß Fig. 4a das einfallende Licht so auf die Linse, daß seine Polarisation senkrecht steht zur optischen Achse der konvexen Linse, ergibt sich eine Brennweite von f = -R/(n_e-n_o). Fällt gemäß Fig. 4b das Licht mit einer Polarisation parallel zur optischen Achse der konvexen Linse auf die Korrekturlinse 5, ergibt sich eine Brennweite f = R/(n_en_o). In den Fig. 4a und 4b bedeuten der Doppelpfeil eine Polarisationsrichtung in der Zeichnungsebene und das Kreuz im Kreis eine Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Doppelbrechung (n_e - n_o) für MgF₂ bei drei wichtigen Wellenlängen des Excimerlasers (bei Zimmertemperatur) :

	(&pgr;. - nj
	0.0128 0.0130 0.0142
&lgr;/nm
248 193 157

Dabei ist

&eegr;_&ogr; der gewöhnliche Brechungsindex und

n_e der außergewöhnliche Brechungsindex.

Fig. 5 zeigt die effektive Brennweite (&lgr; = 248 nm) solcher Lin-

senkombinationen gemäß Fig. 4b in Abhängigkeit vom Drehwinkel &phgr; (Fig. 1) mit R= 2,6m, R= 10 m und R = 15 m. Die Fig. 5 zeigt, daß mit R = 15 m Brennweiten zwischen 1200 m und 600 m durch Drehung der Linse von 0° bis 40° erreicht werden können.

Somit ist gezeigt, daß Korrekturlinsen 5 gemäß den Fig. 3 und 4 gut geeignet sind, in einer Laseranordnung gemäß den Fig. 1 und 2 zur Korrektur der Wellenfront-Krümmung beim Auftreffen auf das Gitter 4 eingesetzt zu werden. In den Fig. 1 und 2 sind einander funktionsähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Excimerlaseranordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Excimerlaseranordnung gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Korrekturlinse 5 zwischen Elementen 3, 3' des Strahlaufweiters 3 angeordnet ist. Die Fig. 1 und 2 zeigen auch die Polarisationsrichtung 6 der oszillierenden Strahlung vor dem Auskoppelspiegel 2 und den Drehwinkel &phgr; der Korrekturlinse 5 in Bezug auf die Resonatorachse A des Lasers.

Wird z.B. eine Linsenkombination gemäß Fig. 4b in einem Laser gemäß den Fig. 1 oder 2 eingesetzt, so ergibt dies bei einer Dicke der Korrekturlinse von 3 mm einen Versatz des Strahls in Bezug auf die Achse von nur 1 mm (was sehr günstig ist) bei einem Drehwinkel von 40°. Weiterhin ermöglicht diese Linsenkombination eine Korrektur der Wellenfront direkt vor dem Gitter 4.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes einer Linsenkombination gemäß den Fig. 3 und 4 als Korrekturlinse 5 ist in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 ist (ebenso wie in Fig. 5) auf der Ordinate die effek-

-5

tive Brennweite in Meter aufgetragen und auf der Abszisse der Drehwinkel in Grad. In Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes wirkt die Linsenkombination entweder als Sammellinse (Brennweite > 0; Fig. 4b) oder als Streulinse (Brennweite < 0, Fig. 4a). Fig. 6 zeigt dann die effektive Brennweite in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Korrekturlinse bei einer Linsenkrümmung von R = 10 m für linear polarisiertes Licht, das einmal parallel und zum anderen senkrecht zu den optischen Achsen der konvexen Teillinse polarisiert ist. In Fig. 6 zeigt die mit Kreisen markierte Kurve den Fall für parallel polarisiertes Licht und die mit Dreiecken markierte Kurve den Fall für senkrecht polarisiertes Licht. Die Kurven gemäß Fig. 6 zeigen, daß Korrekturen von Wellenfront-Störungen mit positiven und negativen Krümmungsradien mit einer einzigen Korrekturlinse (zusammengefügt gemäß den Fig. 3 bis 4) möglich ist. Die Kurven sind berechnet unter der Annahme, daß &eegr;_&bgr;(&phgr;) « n_e(0). Dies gilt auch für Fig. 5.

Für die vorstehend beschriebene Korrekturlinse 5 sind unterschiedliche Linsenkombinationen aus Teillinsen möglich.

1) Zunächst ist eine Linsenkombination möglich aus einer konvexen und einer konkaven Zylinderlinse. Die zusammengefügte Linse ist so orientiert, daß die Drehachse (Winkel &phgr;) parallel steht zu den Ritzen des Gitters 4 (also in den Fig. 1 und 2 senkrecht zu der Papierebene). Durch Drehung der Polarisation mittels zusätzlicher &lgr;/2-Plättchen gemäß Fig. 7 vor und hinter der kombinierten Korrekturlinse 5 ist es möglich, positive und negative Brennweiten zu erreichen. Beim Beispiel gemäß Fig. 7 sind die &lgr;/2-Plättchen 7a, 7b so angeordnet, daß sich insgesamt eine positive Brennweite f ergibt und beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 so, daß sich eine negative Brennweite f ergibt. Der Doppelpfeil in den Fig. 7 und 8 bezeichnet eine Polarisationsrichtung in der Zeichnungsebene und das Kreuz im Kreis eine Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene.

*- &iacgr;&ogr; -&iacgr;

2) Weiterhin kann eine Linsenkombination aus konvexen und konkaven sphärischen Linsen verwendet werden. Durch Rotation der Linsenkombination (als Korrekturlinse 5 gemäß den Fig.

1 und 2 um die Achse C gemäß Fig. 4a bzw. 4b) um 90° ändert sich die Brennweite von positiven zu negativen Werten (oder umgekehrt).

3) Weiterhin kann eine Linsenkombination aus konvexen und konkaven Linsen mit torisch geformten Oberflächen verwendet werden. Eine torisch (englisch: toriqually) gekrümmte Oberfläche einer konvexen Linse (entsprechendes gilt für eine konkave Linse) bedeutet, daß zwei unterschiedliche Krümmungsradien vorliegen, einmal parallel und einmal senkrecht zur Drehachse (Winkel &phgr;) der Linse. Sind die beiden Radien gleich, handelt es sich um eine sphärische Linse. Um von positiven zu negativen Brennweiten zu wechseln, ist die gleiche Prozedur wie bei sphärischen Linsen (Ziffer 2 vorstehend) durchzuführen.

Claims

lG-81 224 LAMBDAPHYSIK SCHÜTZANSPRÜCHE

1. Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung mit einem laseraktiven Bereich (1), einem Auskoppelspiegel (2), einem Strahlaufweiter (3) und einem wellenlangenselektiven Element (4), auf das Strahlung mit einer Wellenfront auffällt, gekennzeichnet durch eine Korrekturlinse (5) zur Korrektur der Wellenfront .

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (5) zwischen dem wellenlangenselektiven Element (4) und dem Strahlaufweiter (3) angeordnet ist.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (5) zwischen Elementen (3, 3') des Strahlaufweiters (3) angeordnet ist.

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (5) eine plan-konvexe Teillinse (5a) und eine plan-konkave Teillinse (5b) aufweist.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillinsen (5a, 5b) gleiche Krümmungsradien haben.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillinsen (5a, 5b) an ihren gekrümmten Flächen (6a, 6b) zusammengefügt sind.

7. Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillinsen (5a, 5b) doppelbrechend sind und ihre optischen Achsen zueinander gekreuzt und senkrecht zur geometrischen Achse (C) der Korrekturlinse (5) stehen.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillinsen (5a, 5b) aus MgF₂ bestehen.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenlängenselektive Element (4) ein Gitter ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (5) Teülinsen (5a, 5b) mit zylindrisch gekrümmten Flächen (6a, 6b) aufweist, wobei die Zylinderachsen der zylindrischen Krümmung parallel zu den Furchen des Gitters (4) verlaufen.

10. Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß &lgr;/2-Plättchen (7a, 7b) beidseits der Korrekturlinse (5) angeordnet sind.

11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Flächen der Teülinsen (5a, 5b) sphärisch oder torisch sind.

12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Excimerlaser ist.