专利名称：激光束引导的液滴靶控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及极紫外光刻机等离子体光源，特别是一种适用于极紫外光刻机等离子体光源的激光束引导的液滴靶控制系统。
背景技术：
光刻机是制造大规模集成电路的关键设备。光刻机利用紫外线(如193nm波长激光)，按照电路图有选择性地去除半导体晶元表面的保护膜。光刻后的半导体晶元，经液体腐蚀等处理后，可形成集成电路。集成电路的精细程度取决于紫外线聚焦光斑尺寸。根据衍射理论，波长更短的极紫外光线可获得更小的聚焦光斑。极紫外光刻机使用13.5nm波长的极紫外光线，可应用于20nm以下电路的刻蚀。极紫外光刻机采用等离子体做为极紫外光的发生源。喷嘴喷出液态的金属锡，在真空中形成20微米尺寸的液滴。以高功率泵浦激光聚焦轰击液滴靶，可形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外线。由此可见，液滴靶系统是极紫外光源的重要组成部分。液滴靶系统要求在20_200kHz范围内按照可控频率产生锡微滴。由于需要用高功率泵浦激光聚焦照射液滴，所以要求液滴与激光焦点实现极其精确的空间重合与时间同步。微滴还应具有高的均匀性和稳定性且能长期可靠工作。此外，靶尺寸、外形均匀性的要求以及高重复频率下的高度稳定性和一致性的要求，都使液滴靶系统实现难度非常高。在现有技术中，日本Gigaphoton公司采用电磁方式实现液滴靶系统的下落轨迹控制。其装置及运转如图1所示。液滴喷嘴I处喷出液滴2。下落过程中的液滴2在充电电极3处被赋予电荷，在平板电极4处，带电荷的液滴受到静电场的吸引或排斥力的作用，从原下落线路中偏转开来，被引导至预设工作区。最终，高功率泵浦激光器5发出的激光在聚焦镜6后汇聚照射所述的液滴2，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外光。其中，喷嘴1、充电电极3和高功率泵浦激光5都由延时脉冲发生器7提供同步控制信号，协调动作。由此可见，现有技术通过电磁方式实现液滴的选择和时空控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光束引导的液滴靶的控制系统，该系统能精确控制20微米量级的金属液滴的下落轨迹，并可调节液滴下落速度。该系统长期稳定、均匀工作，确保液滴与高功率泵浦激光的时间同步和空间重合。为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下:
一种激光束引导的液滴靶控制系统，包括液滴喷嘴、高功率泵浦激光器、第三聚焦透镜和延时脉冲发生器，其特点在于还包括激光光源、第一反射镜、半波片、布儒斯特角偏振片、四分之一波片、第二反射镜、第一聚焦透镜、真空管、第二聚焦透镜、环形平面反射镜和环形聚焦透镜，上述元部件的位置关系如下:沿所述的激光光源输出的激光方向依次是第一反射镜、半波片、布儒斯特角偏振片、四分之一波片、第二反射镜、第一聚焦透镜、真空管、第二聚焦透镜、环形平面反射镜和环形聚焦透镜，所述的第一反射镜、第二反射镜和环形平面反射镜分别与光路成45°，所述的延时脉冲发生器的输出端分别与所述的液滴喷嘴、激光光源和高功率泵浦激光器的控制端相连，在所述的延时脉冲发生器产生同步时钟电信号的控制下，所述的液滴喷嘴、激光光源和高功率泵浦激光器协同工作，所述的激光光源输出的激光经所述的第一反射镜、半波片、布儒斯特角偏振片、四分之一波片、第二反射镜、第一聚焦透镜、真空管、第二聚焦透镜、环形平面反射镜反射后垂直向上形成环形激光束，经所述的环形聚焦透镜在所述的液滴喷嘴的正下方的焦点聚焦形成焦斑光势阱，与自所述的液滴喷嘴下落的液滴发生相互作用，使液滴受到光辐射力的牵引，当液滴下落到焦点工作区时，所述的高功率泵浦激光器输出的泵浦激光经所述的第三聚焦透镜汇聚照射所述的液滴，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外光。本发明具有以下技术效果:该激光引导的液滴控制装置利用空心激光束聚焦形成光势阱，对20微米量级金属液滴靶的空间轨迹进行引导和修正，使其可以稳定、精确地到达预设工作位置(高功率泵浦激光的焦点位置)。激光引导具有时空精确，快速控制，牵引力强，对金属液体小球无带电要求等优点。所述激光光源产生的激光，由平面反射镜引导。半波片能改变激光的偏振方向；布儒斯特角偏振片能使激光 不同偏振分量按照不同的传输方向传递；四分之一波片和布儒斯特角偏振片的结合可实现激光脉冲能量的调节。布儒斯特角偏振片处反射的激光为线偏振光，用四分之一波片将其转换成为椭圆偏振光。两个凸透镜构成一套扩束系统，扩束系统的焦点位于真空管中，以避免激光造成空气电离。圆偏振光受到环形平面反射镜的引导，竖起向上传输。环形平面反射镜，是在普通反射镜的中心，挖出圆孔。调整圆孔位置，使其与光束中心重合。激光束被这样的反射镜反射后，形成环形激光束。再由环形聚焦透镜汇聚在焦点。激光的光辐射场形成光势阱，与经过的液滴发生相互作用，使液滴受到光辐射力的牵弓丨，沿环状激光束中心管道落下。环形光束的中心管道，决定了液滴的轨迹。激光越强，光辐射力越大，液滴的下落速度也将越慢。也就是说，通过控制激光强度，可以控制液滴下落速度。当液滴下落到焦点工作区时，高功率泵浦激光器通过聚焦透镜后汇聚照射液滴，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外光。延时脉冲发生器产生同步时钟电信号，分别触发喷嘴、激光器和高功率泵浦激光器，实现系统的同步控制。当金属液滴滴落到激光焦点附近时，受到光势阱的牵引，向激光焦点位置修正。这使液滴的下落轨迹得到改善和稳定，下落速度也受到减缓。本发明精确实现液滴靶系统的长期稳定、均匀工作，确保液滴与高功率泵浦激光的时间同步和空间重合。本发明具有以下创新点:①将光势阱技术与极紫外光刻机液滴靶相结合，实现了一种激光引导的液滴控制装置该装置利用激光约束、引导液滴靶，实现液滴与高功率泵浦激光的长时间精确稳定的空间重合；③该装置通过调整激光强度，可调节液滴的下落速度，实现精确时间同步；④该装置无需在金属液体小球上引入电荷。
图1为已有的电磁引导的液滴靶控制系统的结构示意图。图2为激光束引导的液滴祀控制系统的结构不意图。
具体实施例方式如图2所示为本发明激光束引导的液滴靶控制系统的结构示意图。由图可见，本发明激光束引导的液滴靶控制系统，包括液滴喷嘴8、高功率泵浦激光器21、第三聚焦透镜22和延时脉冲发生器23，还包括激光光源10、第一反射镜11、半波片12、布儒斯特角偏振片13、四分之一波片14、第二反射镜15、第一聚焦透镜16、真空管17、第二聚焦透镜18、环形平面反射镜19和·环形聚焦透镜20，上述元部件的位置关系如下:沿所述的激光光源10输出的激光方向依次是第一反射镜11、半波片12、布儒斯特角偏振片13、四分之一波片14、第二反射镜15、第一聚焦透镜16、真空管17、第二聚焦透镜18、环形平面反射镜19和环形聚焦透镜20，所述的第一反射镜11、第二反射镜15和环形平面反射镜19分别与光路成45°，所述的延时脉冲发生器23的输出端分别与所述的液滴喷嘴8、激光光源10和高功率泵浦激光器21的控制端相连，在所述的延时脉冲发生器23产生同步时钟电信号的控制下，所述的液滴喷嘴8、激光光源10和高功率泵浦激光器21协同工作，所述的激光光源10输出的激光经所述的第一反射镜11、半波片12、布儒斯特角偏振片13、四分之一波片14、第二反射镜15、第一聚焦透镜16、真空管17、第二聚焦透镜18、环形平面反射镜19反射后垂直向上形成环形激光束，经所述的环形聚焦透镜20在所述的液滴喷嘴8的正下方的焦点聚焦形成焦斑光势阱，与自所述的液滴喷嘴8下落的液滴发生相互作用，使液滴受到光辐射力的牵引，当液滴下落到焦点工作区时，所述的高功率泵浦激光器21输出的泵浦激光经所述的第三聚焦透镜22汇聚照射所述的液滴，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外光。激光束引导的液滴靶控制系统，包括喷嘴8，液滴9，激光光源10、第一反射镜11、半波片12、布儒斯特角偏振片13、四分之一波片14、第二反射镜15、第一聚焦透镜16、真空管17、第二聚焦透镜18、环形平面反射镜19、环形聚焦透镜20、高功率泵浦激光器21、第三聚焦透镜22及延时脉冲发生器23。其中喷嘴8在时钟脉冲的控制下，向下喷射液滴9，液滴9自由下落。其中激光光源10应该有较高的功率和稳定的运行。在本发明中，激光光源可以为各种外触发的调Q激光器。在本发明实例中，选用一台商用Nd:YAG调Q激光器(单脉冲能量500mJ，脉冲宽度8ns)激光光源产生的激光，其中第一反射镜11和第二反射镜15起到引导光束的作用。在本发明实例中，镀1064nm的45°高反介质膜。其中半波片12能改变激光的偏振方向；布儒斯特角偏振片13能使激光不同偏振分量按照不同的传输方向传递。半波片12和布儒斯特角偏振片13构成一套激光衰减系统，可实现激光脉冲能量的调节。在本发明实例中，半波片12和布儒斯特角偏振片13，工作在中心波长1064nm。四分之一波片14能将线偏振的激光转化成所需要的圆偏振激光。在本发明实例中，四分之一波片14工作在中心波长1064nm。第一聚焦透镜16、真空管17和第二聚焦透镜18，构成一套激光扩束系统。系统的焦点位于真空管17中，以避免激光造成空气电离。在本发明实例中，选用焦距f=30mm的第一聚焦透镜16和焦距f=90mm的第二聚焦透镜18，并镀1064nm高透介质膜。其中环形平面反射镜19和环形聚焦透镜20，是在普通反射镜和聚焦透镜的中心，挖出圆孔，形成环形。应调整圆孔位置，使其与光束中心重合。激光束被环形平面反射镜19反射后，形成环形激光束，向上竖直照射。再由环形聚焦透镜20聚焦。在本发明实例中，环形平面反射镜19应镀中心波长1064nm的45°高反介质膜，环形聚焦透镜20，应镀中心波长1064nm的高透介质膜。其中高功率泵浦激光器21具有稳定、高功率的特点。在本发明中，其可为多级放大的固体激光器和气体激光器等。在本发明实例中，选用一台商用IOKW功率CO2激光器(脉冲宽度15ns)。所述的第三聚焦透镜22起到汇聚高功率泵浦激光能量的作用。应镀中心波长10.64nm的高透介质膜。所述的延时脉冲发生器23产生同步时钟电信号，分别触发喷嘴8、激光光源10和高功率泵浦激光器21，实现系 统的同步控制。在本发明实例中，选用一台Masterclock延时器。本发明激光束引导的液滴靶控制系统实施例的工作过程如下:(I)受到延时脉冲发生器23的同步时钟电信号的触发，喷嘴8向下喷射液滴9，液滴9自由下落。(2)受到延时脉冲发生器23的同步时钟电信号的触发，激光光源10发射1064nm波长激光脉冲，光束直径3cm。(3)激光脉冲由第一平面反射镜11 (镀1064nm的45°全反射介质膜)引导，进行能量调节:工作在1064nm波长的半波片12将线偏振的激光转化成椭圆偏振激光；布儒斯特角偏振片13将激光按不同偏振方向，分成反射光和透射光。透射光被舍弃不要，反射光用于以后的工作。反射光为线偏振光，在四分之一波片14的作用下，成为圆偏振光。(4)激光脉冲由第一平面反射镜15引导，扩大光束口径:第一聚焦透镜(焦距f=30mm) 16和第二聚焦透镜(焦距f=90mm) 18构成一套1:3扩束系统。扩束系统的焦点位于真空管17中，以避免激光造成空气电离。光束直径9cm。(5)环形平面反射镜19的引导圆偏振光竖直向上传输，形成环形激光束。再由环形聚焦透镜20汇聚在焦点。激光的光辐射场形成光势阱，与经过的液滴9发生相互作用，使液滴9受到光辐射力的牵引，沿环状激光束中心管道落下。环形光束的中心管道，决定了液滴9的轨迹。激光越强，光辐射力越大，液滴的下落速度也将越慢。也就是说，通过控制激光强度，可以控制液滴下落速度。(6)当液滴9下落到工作区时，高功率泵浦激光器21受到延时脉冲发生器23的同步时钟电信号的触发，通过第三聚焦透镜22后汇聚照射液滴，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫外光。此外，为了满足设计要求、充分利用空间或确保输出光束的质量等的需要，可以引入其它辅助光学元件，如反射镜，透镜等；还可在光路中引入衰减器、光谱整形、色散补偿等器件，以优化输出脉冲质量。
权利要求
1.一种激光束引导的液滴靶控制系统，包括液滴喷嘴(8)、高功率泵浦激光器(21 )、第三聚焦透镜(22)和延时脉冲发生器(23)，其特征在于还包括激光光源(10)、第一反射镜(11)、半波片(12)、布儒斯特角偏振片(13)、四分之一波片(14)、第二反射镜(15)、第一聚焦透镜(16)、真空管(17)、第二聚焦透镜(18)、环形平面反射镜(19)和环形聚焦透镜(20)，上述元部件的位置关系如下: 沿所述的激光光源(10)输出的激光方向依次是第一反射镜(11 )、半波片(12)、布儒斯特角偏振片(13)、四分之一波片(14)、第二反射镜(15)、第一聚焦透镜(16)、真空管(17)、第二聚焦透镜(18)、环形平面反射镜(19)和环形聚焦透镜(20)，所述的第一反射镜(11)、第二反射镜(15)和环形平面反射镜(19)分别与光路成45°，所述的延时脉冲发生器(23)的输出端分别与所述的液滴喷嘴(8)、激光光源(10)和高功率泵浦激光器(21)的控制端相连，在所述的延时脉冲发生器(23)产生同步时钟电信号的控制下，所述的液滴喷嘴(8)、激光光源(10)和高功率泵浦激光器(21)协同工作，所述的激光光源(10)输出的激光经所述的第一反射镜(11)、半波片(12)、布儒斯特角偏振片(13)、四分之一波片(14)、第二反射镜(15)、第一聚焦透镜(16)、真空管(17)、第二聚焦透镜(18)、环形平面反射镜(19)反射后垂直向上形成环形激光束，经所述的环形聚焦透镜(20)在所述的液滴喷嘴(8)的正下方的焦点聚焦形成焦斑光势阱，与自所述的液滴喷嘴(8)下落的液滴发生相互作用，使液滴受到光辐射力的牵引，当液滴下落到焦点工作区时，所述的高功率泵浦激光器(21)输出的泵浦激光经所述的第三聚焦透镜(22)汇聚照射所述的液滴，形成等离子体并受激辐射13.5nm波长极紫 外光。
全文摘要
一种激光束引导的液滴靶控制系统，包括液滴喷嘴、高功率泵浦激光器、第三聚焦透镜和延时脉冲发生器，其特点在于还包括激光光源、第一反射镜、半波片、布儒斯特角偏振片、四分之一波片、第二反射镜、第一聚焦透镜、真空管、第二聚焦透镜、环形平面反射镜和环形聚焦透镜。本发明能精确控制20微米量级的金属液滴的下落轨迹，并可调节液滴下落速度，该系统工作长期稳定，确保液滴与高功率泵浦激光的时间同步和空间重合。
文档编号G03F7/20GK103217870SQ20131013942
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者冷雨欣, 王乘, 赵全忠, 向世清, 李儒新 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所