DE4029687A1 - Excimer laser resonator with high spectral purity output beam - has filter between beam widening device and exit mirror - Google Patents
Excimer laser resonator with high spectral purity output beam - has filter between beam widening device and exit mirrorInfo
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Abstract
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.The invention relates to a laser resonator with an output coupling mirror, an angle-dispersive element and with a Einrich device to expand the angle-dispersive element the laser beam.
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").In particular, the invention relates to a resonator for a Excimer laser. With scientific and especially with industrial applications of excimer lasers such as B. the photo lithography or micromaterial processing extreme demands on the properties of the laser beam ge poses. A narrow range is particularly important of the laser beam with a low background ("high spectral purity ").
Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der Bandbreite des Laserstrahls bekannt.Various measures for reduction are in the prior art the bandwidth of the laser beam is known.
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). Thus, several are arranged in the resonator (intra cavity) Fabry Perot Etalons a reduction in the bandwidth of the laser rays reached to less than 3 pm (GB-PS 22 05 990 and 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).It is also known to use several dispersion prisms in a row to switch, W. Mückenheim et al: AIP Conf.Proc .: Excimer Lasers 1983, USA, Lake Tahoe (C.K. Rhodes et al.), 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)).It is also known to use a laser resonator as a rearview mirror Grid to use and this with an etalon in the resonator too combine (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.With the combination of grid and Etalon were found to have extremely narrow bandwidths of around 0.3 pm Excimer lasers achieved. The Fabry Perot Etalon serves as Frequency filters, d. H. is the range of the etalon used smaller than the bandwidth of the associated resonator at which the etalon is removed. As is well known, the (theore table) range of an etalon as the quotient from the free Spectral range FSR and the so-called 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.The invention has for its object a laser resonator of the type mentioned in such a way that with simple Average the smallest possible bandwidth of the emitted laser beam is achieved with a low broadband background.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Raumfilter im Strahlengang zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Auskop pelspiegel oder zwischen Elementen der Aufweitungseinrichtung gelöst.According to the invention, this object is achieved by a spatial filter Beam path between the expansion device and the Auskop pel mirror or between elements of the expansion device solved.
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. In a preferred embodiment of the invention, the space is filter an etalon that has a bandwidth that is at least two times larger than that of the resonator with angle-dispersive el ment and expansion device but without the etalon. The win keldispersive element can e.g. B. from a highly reflective Mirrors and dispersion prisms or one designed as a grid the rear view mirror.
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.In contrast to the prior art, this has the fiction according to the etalon arranged in the resonator no (theoretical) band width that is less than the bandwidth of the same Resona tors without the etalon, but rather shows the inventive Etalon would have a range that is at least twice, preferred is three times larger than that of the resonator without etalon. This means that, in contrast to the prior art etalon according to the invention does not act as a frequency filter, but as a spatial filter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigt:The invention is based on the drawing he he purifies. It shows:
Fig. 1 eine herkömmliche Anordnung eines Laserresonators mit einem winkeldispersiven Element, hier einem Gitter, und einer Aufweitungseinrichtung;1 shows a conventional arrangement of a laser resonator with an angle-dispersive element, here a mesh, and an expander.
Fig. 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung eines Laserresonators mit Etalon, Fig. 2 shows an example for an inventive arrangement of a laser resonator with etalon
Fig. 3 die Winkeldispersion eines Fabry Perot Etalons mit Luftspalt über dem Einfallswinkel des Laserstrahls; und Fig. 3, the angular dispersion of a Fabry Perot etalon having an air gap above the angle of incidence of the laser beam; and
Fig. 4 einen Vergleich der erfindungsgemäß erzielten Bandbreite und des Untergrundes eines Laserstrahls mit herkömlichen Verfahren. Fig. 4 shows a comparison of the bandwidth achieved according to the invention and the background of a laser beam using conventional methods.
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. Fig. 1 shows a conventional resonator having only one grating with an expansion device and in the documents cited above et B. Rückle is described in more detail al.
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. A resonator 10 has a coupling-out mirror 12 and a rear-view mirror designed as a grating 14 . The laser-active medium 16 is a plasma containing excimers, which is delimited in the beam direction by windows 18 , 20 which are tilted slightly against the beam axis A to prevent reflections.
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.The laser beam oscillating in the resonator 10 is expanded by prisms P 1 , P 2 and P 3 and the expanded beam 26 strikes the rear grating 14 . The laser bandwidth is proportional to the number of illuminated furrows, ie the expansion factor of the telescopic expander formed from the prisms P 1 , P 2 , P 3 . The two diaphragms 22 , 24 arranged in the resonator (intra cavity) serve as spatial filters for masking out the wavelengths that are omitted when the laser beam is narrowed. The expander formed from the prisms P 1 etc. can itself have the function of a gap and the narrow wavelengths split off. For example, in the arrangement shown, the prism system can correspond to a gap of 1-2 mm in width.
Für das in Fig. 1 gezeigte Resonatorsystem kann die passive Bandbreite Δλ theoretisch wie folgt abgeschätzt werden:For the resonator system shown in FIG. 1, the passive bandwidth Δλ can theoretically be estimated as follows:
Δλ = Δα/(M·dβ/dλ) (1)Δλ = Δα / (Mdβ / dλ) (1)
wobei M der Aufweitungsfaktor des prismatischen Aufweiters, Δλ die Laserdivergenz und dβ/dλ die Winkeldispersion des Git ters sind.where M is the expansion factor of the prismatic expander, Δλ the laser divergence and dβ / dλ the angular dispersion of the Git ters are.
Aus der Gittergleichung ergibt sich für die WinkeldispersionThe angular dispersion results from the lattice equation
(dβ/dλ)gitter = (2·tgα)/λ (2)(dβ / dλ) lattice = (2 · tgα) / λ (2)
Die Divergenz Δλ des Lasers läßt sich wie folgt annähern:The divergence Δλ of the laser can be approximated as follows:
Δα = S/(τ·c) (3)Δα = S / (τ · c) (3)
wobei S die Spaltbreite auf der Laseraustrittsseite, τ die Pulslänge und c die Lichtgeschwindigkeit sind.where S is the gap width on the laser exit side, τ is the Pulse length and c are the speed of light.
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.This results for z. B. an excimer laser with KrF (wave length 248 nm) when using an Echelle grating in high grating order an angular dispersion of about 10 mrad / nm. With a telescope with a magnification of around 30 and an assumed divergence of approx. 0.7 mrad (S = 4 mm, τ = 20 ns, c = 3 · 10 8 msec -1 ), a passive bandwidth Δλ of approximately 2 pm results . This theoretically estimated range can also be confirmed experimentally.
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.If the length of the resonator 10 is approximately 150 cm, two revolutions of the oscillating beam can be expected in an excimer laser, so that the actual bandwidth in such a resonator should be better than 2 pm. The optical quality of the prism expander is decisive for a deterioration in the bandwidth. It is technically very difficult to produce prism systems for UV radiation in the high power range, which do not distort the wave fronts of the laser beam after one pass. Such distortions worsen the bandwidth of the emitted laser beam and especially the background.
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. Fig. 2 shows a simple solution to achieve a narrow bandwidth of the emitted laser beam while at the same time significantly reducing the background. Instead of the aperture 24 shown in FIG. 1, a Fabry Perot etalon 30 is arranged in the resonator 10 . The theoretical bandwidth (FSR / finesse) is about three to six times larger than the resonator bandwidth without the etalon, the finesse being in the range of 6 to 10. Due to the larger theoretical bandwidth, the etalon does not act as a frequency filter, but as a spatial filter, ie it does not filter due to its specific optical transmission properties, but rather due to its arrangement in space and the exclusion of dispersed beam components.
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.The arrangement according to FIG. 2 provides a very narrow laser bandwidth with a greatly reduced background, as measurements show. An exit gap is not necessary and the laser's output energy is reduced by approx. 40%.
Diese Effekte können wie folgt theoretisch erklärt werden.These effects can be explained theoretically as follows.
In Fig. 3 ist die Winkeldispersion eines einen Luftspalt auf weisenden Fabry Perot Etalons (unabhängig von der Finesse) aufgetragen. Es gilt:In Fig. 3, the angular dispersion of an air gap on Fabry Perot Etalon pointing (regardless of finesse) is plotted. The following applies:
(dβ/dλ)etalon = 1/(λ·tgβ) (4)(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 βmin where β is the angle of incidence. The condition that the back reflex of the etalon must not cause inversion results in the smallest angle of incidence β min
βmin = S/L (5)β min = S / L (5)
wobei S die Spaltbreite am Laserausgang und L die Resonatorlänge sind.where S is the gap width at the laser output and L is the resonator length are.
Beträgt zum Beispiel S 4 mm und L 1000 mm, so ergibt sich ein kleinster Einfallswinkel von 0,2.For example, if S is 4 mm and L is 1000 mm, the result is smallest angle of incidence of 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 manFrom Fig. 3, it follows that in the angle range of 0.2 to 1 Deg the etalon angular dispersion is comparable to or greater than the expansion factor multiplied by the grating dispersion (11 mrad / nm · 27 = 281 mrad / nm). If one sets a typical value for the divergence (formula (3), Δα 0.66 mrad), and one takes into account
Δλ = Δα/(dβ/dλ)etalon (6)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.this results in bandwidths below 2 pm. With a Fabry Perot air gap etalon, which has an FSR of 18 cm -1 and a finesse of 6 to 10, bandwidths of 1.5 pm were achieved, with a 40% reduction in output energy. An exit aperture is not necessary because the beam width at the exit is only defined by the prism / etalon combination, which acts as a gap.
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. Fig. 4 shows a comparison of the bandwidths and the background of emitted laser beams, where curve 1 corresponds to a laser beam that is only generated with a broadband etalon, curve 2 a laser beam that is only achieved with a grating and an expansion device and curve 3 corresponds to a laser beam which is achieved with a grating and with a broadband etalon before the expander. The measurement results show that with a reduced bandwidth of the laser beam, the broadband background (ASE) is also effectively suppressed.
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.The etalon 30 can be used not only at the location described above, but also within the expander, e.g. B. between the prisms P 1 and P 2 . The location between the prisms P 1 and P 2 is advantageous in that because of the beam expansion through the prism P 1, the power density of the beam and thus the load on the optical coating is lower.
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.As an alternative component to the etalon, all furnishings can be serve the same effect, namely the Reduce divergence of radiation. In particular, this can also be a real room filter. Such a room filter exists from two lenses, the foci of which coincide. In the common focus there is an aperture with a very small diameter (so-called called "pin hole"), which only pas the well focused radiation sieren. Because the focus diameter of a lens is proportional to the divergence of the incident radiation, the High divergence portions cut off.
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.As an alternative to the grid described above, other angle-dispersive components can also be used, e.g. B. dispersion prisms and a highly reflective mirror, which are used instead of the grating in Figs. 1 and 2.
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| DE19904029687 DE4029687A1 (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Excimer laser resonator with high spectral purity output beam - has filter between beam widening device and exit mirror |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |