DE4029687A1 - Laserresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator mit einem Auskoppel­ spiegel, einem winkeldispersiven Element und mit einer Einrich­ tung zum Aufweiten des auf das winkeldispersive Element treffen­ den Laserstrahls.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Resonator für einen Excimerlaser. Bei wissenschaftlichen und insbesondere auch bei industriellen Anwendungen von Excimerlasern, wie z. B. der Photo­ lithographie oder bei der Mikromaterialbearbeitung, werden extreme Anforderungen an die Eigenschaften des Laserstrahls ge­ stellt. Besondere Bedeutung hat dabei eine schmale Bandbreite des Laserstrahls bei gleichzeitig geringem Untergrund ("high spectral purity").

Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der Bandbreite des Laserstrahls bekannt.

So wird mit mehreren im Resonator (intra cavity) angeordneten Fabry Perot Etalons eine Reduzierung der Bandbreite des Laser­ strahls auf weniger als 3 pm erreicht (GB-PS 22 05 990 und US-PS 48 29 536).

Es ist auch bekannt, mehrere Dispersionsprismen hintereinander zu schalten, W. Mückenheim et al: AIP Conf.Proc.: Excimer Lasers 1983, USA, Lake Tahoe (C. K. Rhodes et. al Ed.), AIP, New York (1983).

Bekannt ist auch, bei einem Laserresonator als Rückspiegel ein Gitter zu verwenden und dieses mit einem Etalon im Resonator zu kombinieren (B. Rückle et al: CLEO 1986, San Francisco, Digest of Technical Papers, 144; B. Rückle et al: Proc. of the SPIE Symp. on Microlithography, Santa Clara (1988)).

Mit der vorstehend zuletzt genannten Kombination aus Gitter und Etalon wurden extrem schmale Bandbreiten von etwa 0,3 pm bei Excimerlasern erzielt. Dabei dient das Fabry Perot Etalon als Frequenzfilter, d. h. die Bandbreite des benutzten Etalons ist kleiner als die Bandbreite des zugehörigen Resonators, bei dem das Etalon entfernt ist. Bekanntlich ergibt sich die (theore­ tische) Bandbreite eines Etalons als der Quotient aus dem freien Spektralbereich FSR und der sogenannten Finesse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserresonator der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln eine möglichst geringe Bandbreite des emittierten Laser­ strahls bei geringem breitbandigen Untergrund erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Raumfilter im Strahlengang zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Auskop­ pelspiegel oder zwischen Elementen der Aufweitungseinrichtung gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Raum­ filter ein Etalon, das eine Bandbreite hat, die zumindest zwei­ mal größer ist als die des Resonators mit winkeldispersivem Ele­ ment und Aufweitungsvorrichtung aber ohne das Etalon. Das win­ keldispersive Element kann z. B. aus einem hochreflektierenden Spiegel und Dispersionsprismen oder einem als Gitter ausgebil­ deten Rückspiegel bestehen.

Im Unterschied zum Stand der Technik hat also das erfindungsge­ mäß im Resonator angeordnete Etalon keine (theoretische) Band­ breite, die geringer ist als die Bandbreite des gleichen Resona­ tors ohne das Etalon, sondern vielmehr weist das erfindungsge­ mäße Etalon eine Bandbreite auf, die zumindest zweimal, vorzugs­ weise dreimal größer ist als die des Resonators ohne Etalon. Dies bedeutet, daß im Unterschied zum Stand der Technik das erfindungsgemäße Etalon nicht als ein Frequenzfilter wirkt, sondern als ein Raumfilter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine herkömmliche Anordnung eines Laserresonators mit einem winkeldispersiven Element, hier einem Gitter, und einer Aufweitungseinrichtung;

Fig. 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung eines Laserresonators mit Etalon,

Fig. 3 die Winkeldispersion eines Fabry Perot Etalons mit Luftspalt über dem Einfallswinkel des Laserstrahls; und

Fig. 4 einen Vergleich der erfindungsgemäß erzielten Bandbreite und des Untergrundes eines Laserstrahls mit herkömlichen Verfahren.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Resonatoranordnung, die nur ein Gitter mit einer Aufweitungseinrichtung aufweist und in den oben zitierten Dokumenten von B. Rückle et al näher beschrieben ist.

Ein Resonator 10 weist einen Auskoppelspiegel 12 und einen als Gitter 14 ausgebildeten Rückspiegel auf. Das laseraktive Medium 16 ist ein Excimere enthaltendes Plasma, das in Strahlrichtung durch Fenster 18, 20 eingegrenzt ist, die zur Verhinderung von Reflexionen leicht gegen die Strahlachse A gekippt sind.

Der im Resonator 10 oszillierende Laserstrahl wird durch Prismen P₁, P₂ und P₃ aufgeweitet und der aufgeweitete Strahl 26 trifft auf das rückwärtige Gitter 14. Die Laserbandbreite ist propor­ tional zur Zahl der ausgeleuchteten Gitterfurchen, d. h. dem Auf­ weitungsfaktor des aus den Prismen P₁, P₂, P₃ gebildeten tele­ skopischen Aufweiters. Die beiden im Resonator (intra cavity) angeordneten Blenden 22, 24 dienen als Raumfilter zum Ausblenden der bei der Einengung des Laserstrahls wegfallenden Wellenlän­ gen. Dabei kann der aus den Prismen P₁ etc. gebildete Aufweiter selbst die Funktion eines Spaltes aufweisen und die schmalen Wellenlängen abtrennen. Beispielsweise kann bei der gezeigten Anordnung das Prismensystem einem Spalt von 1-2 mm Breite entsprechen.

Für das in Fig. 1 gezeigte Resonatorsystem kann die passive Bandbreite Δλ theoretisch wie folgt abgeschätzt werden:

Δλ = Δα/(M·dβ/dλ) (1)

wobei M der Aufweitungsfaktor des prismatischen Aufweiters, Δλ die Laserdivergenz und dβ/dλ die Winkeldispersion des Git­ ters sind.

Aus der Gittergleichung ergibt sich für die Winkeldispersion

(dβ/dλ)_gitter = (2·tgα)/λ (2)

Die Divergenz Δλ des Lasers läßt sich wie folgt annähern:

Δα = S/(τ·c) (3)

wobei S die Spaltbreite auf der Laseraustrittsseite, τ die Pulslänge und c die Lichtgeschwindigkeit sind.

Hieraus ergibt sich für z. B. einen Excimerlaser mit KrF (Wellen­ länge 248 nm) bei Verwendung eines Echelle-Gitters in hoher Gitterordnung eine Winkeldispersion von ca. 10 mrad/nm. Mit einem Teleskop mit etwa 30facher Vergößerung und einer angenom­ menen Divergenz von ca. 0,7 mrad (S=4 mm, τ=20 ns, c=3· 10⁸msek^-1) ergibt sich eine passive Bandbreite Δλ von etwa 2 pm. Diese theoretisch abgeschätzte Bandbreite kann auch expe­ rimentell bestätigt werden.

Beträgt die Länge des Resonators 10 etwa 150 cm, so kann bei einem Excimerlaser mit 2 Umläufen des oszillierenden Strahls gerechnet werden, so daß die tatsächliche Bandbreite bei einem solchen Resonator aber besser sein sollte als 2 pm. Für eine Verschlechterung der Bandbreite ist vor allem die optische Qualität des Prismenaufweiters maßgeblich. Es ist technisch sehr schwierig, Prismensysteme für UV-Strahlung im Hochleistungsbe­ reich herzustellen, welche die Wellenfronten des Laserstrahls nach einem Durchgang nicht verzerren. Solche Verzerrungen ver­ schlechtern die Bandbreite des emittierten Laserstrahls und ins­ besondere den Untergrund.

Fig. 2 zeigt eine einfache Lösung zur Erzielung einer schmalen Bandbreite des emittierten Laserstrahls bei gleichzeitig deut­ licher Reduzierung des Untergrundes. Statt der in Fig. 1 gezeig­ ten Blende 24 ist ein Fabry Perot Etalon 30 im Resonator 10 an­ geordnet. Die theoretische Bandbreite (FSR/Finesse) ist etwa drei- bis sechsmal größer als die Resonatorbandbreite ohne das Etalon, wobei die Finesse etwa im Bereich von 6 bis 10 liegt. Aufgrund der größeren theoretischen Bandbreite wirkt das Etalon nicht als Frequenzfilter, sondern als Raumfilter, d. h. es fil­ tert nicht aufgrund seiner spezifischen optischen Durchlaßeigen­ schaften, sondern aufgrund seiner Anordnung im Raum und der da­ durch erzielten Ausgrenzung von dispergierten Strahlanteilen.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 liefert eine stark eingeengte Laser­ bandbreite bei gleichzeitig stark vermindertem Untergrund, wie Messungen zeigen. Ein Austrittsspalt ist nicht erforderlich und die Ausgangsenergie des Lasers ist um ca. 40% reduziert.

Diese Effekte können wie folgt theoretisch erklärt werden.

In Fig. 3 ist die Winkeldispersion eines einen Luftspalt auf­ weisenden Fabry Perot Etalons (unabhängig von der Finesse) aufgetragen. Es gilt:

(dβ/dλ)_etalon = 1/(λ·tgβ) (4)

wobei β der Einfallswinkel ist. Aus der Bedingung, daß der Rückreflex des Etalons keine Inversion verursachen darf, ergibt sich für den kleinsten Einfallswinkel β_min

β_min = S/L (5)

wobei S die Spaltbreite am Laserausgang und L die Resonatorlänge sind.

Beträgt zum Beispiel S 4 mm und L 1000 mm, so ergibt sich ein kleinster Einfallswinkel von 0,2.

Aus Fig. 3 ergibt sich, daß im Winkelbereich von 0,2 bis 1 Deg die Etalon-Winkeldispersion vergleichbar oder größer ist als die mit dem Aufweitungsfaktor multiplizierte Gitterdispersion (11 mrad/nm·27=281 mrad/nm). Setzt man für die Divergenz einen typischen Wert an (Formel (3), Δα 0,66 mrad), und berücksich­ tigt man

Δλ = Δα/(dβ/dλ)_etalon (6)

so ergeben sich Bandbreiten unter 2 pm. Mit einem Fabry Perot Luftspalt-Etalon, das eine FSR von 18 cm^-1 und eine Finesse von 6 bis 10 aufweist, wurden Bandbreiten von 1,5 pm erreicht, wobei eine Reduzierung der Ausgangsenergie von 40% auftritt. Eine Austrittsblende ist nicht erforderlich, weil die Strahlbreite am Ausgang nur durch die Prismen/Etalon-Kombination, die als Spalt wirkt, definiert ist.

Fig. 4 zeigt im Vergleich die Bandbreiten sowie den Untergrund von emittierten Laserstrahlen, wobei die Kurve 1 einem Laser­ strahl entspricht, der nur mit einem breitbandigen Etalon erzeugt ist, die Kurve 2 einem Laserstrahl, der nur mit einem Gitter sowie einer Aufweitungseinrichtung erzielt wird und die Kurve 3 einem Laserstrahl entspricht, der mit Gitter und mit einem breitbandigem Etalon vor dem Aufweiter erzielt wird. Die Meßergebnisse zeigen, daß bei reduzierter Bandbreite des Laser­ strahls auch der breitbandige Untergrund (ASE) wirksam unter­ drückt ist.

Das Etalon 30 kann nicht nur an der vorstehend beschriebenen Stelle, sondern auch innerhalb des Aufweiters, z. B. zwischen den Prismen P₁ und P₂, angeordnet werden. Der Ort zwischen den Pris­ men P₁ und P₂ ist insofern von Vorteil, als wegen der Strahl­ aufweitung durch das Prisma P₁ die Leistungsdichte des Strahls und damit auch die Belastung der optischen Beschichtung geringer ist.

Als alternative Komponenten zu dem Etalon können alle Einrich­ tungen dienen, die den gleichen Effekt hervorrufen, nämlich die Divergenz der Strahlung zu reduzieren. Dies kann insbesondere auch ein echtes Raumfilter sein. Ein solches Raumfilter besteht aus zwei Linsen, deren Foki zusammenfallen. Im gemeinsamen Fokus befindet sich eine Blende mit sehr kleinem Durchmesser (soge­ nanntes "pin hole"), die nur die gut fokusierte Strahlung pas­ sieren läßt. Da der Fokusdurchmesser einer Linse proportional zur Divergenz der einfallenden Strahlung ist, werden so die Anteile hoher Divergenz abgeschnitten.

Alternativ zum vorstehend beschriebenen Gitter können auch ande­ re winkeldispersive Komponenten dienen, z. B. Dispersionsprismen und ein hoch reflektierender Spiegel, die anstelle des Gitters in den Fig. 1 und 2 eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Laserresonator mit einem Auskoppelspiegel (12), einem win­ keldispersiven Element (14) und einer Einrichtung (P₁, P₂, P₃, 28) zum Aufweiten des auf das winkeldispersive Element (14) treffenden Laserstrahls gekennzeichnet durch ein Raumfilter (30) im Strah­ lengang zwischen der Aufweitungseinrichtung (P₁, P₂, P₃, 28) und dem Auskoppelspiegel (12) oder zwischen Elementen der Aufwei­ tungseinrichtung (P₁, P₂, P₃, 28).

2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumfilter (30) ein Etalon ist, das eine Bandbreite hat, die zumindest zweimal größer ist als die des Resonators (10) mit winkeldispersivem Element (14) und Aufweitungseinrichtung (P₁, P₂, P₃, 28), aber ohne das Etalon.

3. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des Etalons drei- bis sechsmal größer ist als die Bandbreite des Resonators (10) mit winkeldispersivem Element (14) und Aufweitungseinrichtung (P₁, P₂, P₃, 28), aber ohne das Etalon.

4. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, daß das winkeldispersive Element (14) ein als Gitter ausgebildeter Rückspiegel ist.

5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das winkeldispersive Element (14) Dispersionsprismen und einen hochreflektierenden Spiegel umfaßt.