通过晶体移动来控制激光束参数的制作方法

本公开总体上涉及稳定紫外线(uv)光束参数。本公开尤其涉及改变非线性晶体的移动速度以控制紫外光束参数。

背景技术：

通常，激光设备通过将源光束引导到非线性晶体来产生uv光束。在晶体内，源光束被频率转换为较高的频率，从而产生较短的波长光束。例如，可以将532nm光束导向非线性晶体以生成266nm光束(532nm光束的二次谐波波长)。例如，1064nm光束和532nm光束可以产生355nm光束(1064nm光束的三次谐波波长)。有时需要多个晶体才能将源光束转换为所需的uv光束波长。

许多过程需要非常稳定的紫外光束参数。举例来说，半导体晶圆检查过程所能承受的光束参数随时间变化的偏差小于5％。通过uv处理，随着非线性晶体的退化，光束参数会发生漂移。紫外光束参数漂移表明光束质量不稳定(m²)，轴向光束腰部位置不稳定(z0)，光束腰部直径不稳定(2ω0)(还有其他)。

当使用非线性晶体对源光束进行频率转换时，uv光束参数会由于晶体的体积或表面退化而降低。体积退化可能是由于晶体沿晶体内部的光路进行的光辅助修饰以及光学材料的相关“压缩”而产生的。大量降解会导致热相移和波前畸变的增加，这与光源和紫外线的吸收有关。表面降解可能是由于光辅助沉积和晶体环境污染物的分解或晶体表面的逐渐破坏而导致的(导致有害波前端失真或衍射效应)。

解决紫外光束退化的现有解决方案包括，当光束参数达到规格极限时，将源光束移至晶体上的新点(参见例如美国专利号8,976,343)。这种方法可延长晶体寿命，但不利的是会导致光斑偏移后光束参数逐步变化，这可能会影响激光工具的性能，但这种方法无法解决不稳定的光束参数。

现有的解决方案还包括非线性晶体相对于入射光束的连续移位(参见例如美国专利号8,482,846)。这种方法可以进一步延长晶体寿命，但不能解决不稳定的光束参数。

尽管现有的解决方案通过降低晶体的降解速率来延长晶体寿命，但这些解决方案无法稳定光束参数。

发明概述

本公开提供有利地延长晶体寿命并稳定束参数的方法和设备。在一方面，uv激光器设备包括非线性晶体、激光源、光束晶体置换器、光束参数监控器和激光控制单元。激光源将源光束引导至非线性晶体以产生紫外光束，并且光束晶体置换器以多种移动速度相对于源光束移动非线性晶体。光束参数监控器测量紫外光束并输出光束参数的测量值。激光控制单元：接收测量值；基于测量值确定移动速度的调整，该移动速度的调整将光束参数转向目标值；并将调整输出到光束晶体置换器。

在另一方面，一种用于控制紫外光束的方法包括：将源光束引导至非线性晶体以产生紫外光束；以第一移动速度相对于所述源光束移动所述非线性晶体；测量所述紫外光束的光束参数；基于测量的光束参数确定第二移动速度，所述第二移动速度将所述光束参数转向目标值；和以所述第二移动速度相对于所述源光束移动所述非线性晶体。

附图简述

结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了优选实施例，并且与以上给出的一般描述和以下给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。

图1示出了uv激光器设备的实施例。

图2示出了uv激光器设备的实施例。

图3a示出了根据一个实施例的激光束在非线性晶体上所穿过的路径。

图3b示出了根据一个实施例的激光束在非线性晶体上所穿过的路径。

图3c示出了根据一个实施例的在非线性晶体上的激光束所穿过的路径。

图4是根据一个实施例的束腰直径与时间的关系图。

图5是根据一个实施例的辐照相对于时间的图。

图6是用于控制uv束的方法的实施例的流程图。

发明详述

本文所述的方法和设备将非线性晶体的横向移动速度改变为朝向目标值的转向紫外线光束参数。本文所述的实施方案特别适合于在紫外线暴露期间降解并且然后在不暴露于紫外线的情况下显示出部分或全部恢复的晶体。一些实施例即使在非常高的uv功率下也避免了光束参数的大漂移或功率损耗。进一步的优点可以包括在激光器的启动或重启之后较小的初始光束参数漂移、在光斑移动之后减少或消除的光束参数变化以及晶体的长期降解速度非常慢(导致晶体寿命更长)。

现在转向附图，其中相似的特征由相似的附图标记表示，图1描绘了uv激光器设备100的实施例。激光设备100包括激光源102、非线性晶体104、光束晶体置换器106、光束参数监控器108和激光控制单元110。设备100可改变非线性晶体104的移动速度以将紫外光束参数转向目标值。

激光源102将源光束102l引导至非线性晶体104以产生紫外光束104l。源光束102l可以是连续的或脉冲的。通常，源光束104l聚焦在非线性晶体104中。在一些实施方案中，源光束102包括球形或椭圆形的横截面。典型的球形光束直径为250μm，典型的椭圆光束直径为200μmx500μm。在一些实施方案中，聚焦光束直径在20μm和2mm之间；较小的束腰可用于聚焦短晶体，较大的束腰可用于超短脉冲源激光束。

在一些实施方案中，非线性晶体104在暴露于所述源光束期间降解，并在暴露于所述源光束之后至少部分恢复。如果非线性晶体在暴露于所述源光束期间降解，并在暴露于所述源光束之后至少部分恢复，恢复时间特性因材料而异。不受理论的限制，恢复可以是热驱动的并且具有特征性恢复时间的阿伦尼乌斯过程。非线性晶体104可以是足以转换源光束102l的频率的任何材料。非线性晶体104的实例包括(但不限于)硼酸盐、例如硼酸铯锂(clbo)、三硼酸锂(lbo)和β硼酸钡(bbo)。紫外光束104l的示例性波长包括355nm、266nm、244nm、213nm和小于200nm。可以考虑其他波长。

光束晶体置换器106相对于源光束102l移动非线性晶体104。在一些实施方案中，光束晶体置换器106是具有一个或多个转化级的移晶器。在一些实施方案中，光束晶体置换器translatesthebeaminspacewhilethecrystalisstationary.

光束晶体置换器106能够至少在一个方向上以不同的速度移动非线性晶体104。在一些实施方案中，光束晶体置换器106以不同的速度在两个方向上移动晶体。在一些实施方案中，光束晶体置换器106连续移动非线性晶体。如本文所使用的，连续变速包括大致连续变速。例如，可以对光束晶体置换器106进行供电，以使晶体在运动之间具有间歇地递增运动。在一些实施方案中，光束晶体置换器106逐步改变晶体。例如，晶体移动到一个点，晶体停在该点进行照射，然后移动到下一个点。在一些实施方案中，非线性晶体104上的光斑可能在束斑之间重叠0-95％。

在一些实施方案中，源光束102l照射一个斑点10秒钟至60分钟，而在两次照射之间留下200秒钟至1000个小时。在一些实施方案中，移动速度为非零，并且优选在0.00003μm/sto1mm/s的范围内变化，更优选在0.001μm/s至1μm/s的范围内变化。在一些实施方案中，周期时间(同一点连续两次照射之间的时间)优选为1分钟至1,000小时，更优选为30分钟至1,000小时。在一些实施方案中，源光束描绘出的闭合路径的长度优选为0.5到500毫米，更优选为0.5到50毫米。本领域技术人员将理解，这些值是示例性的，其他实施例可以使用更高或更低的值。

光束参数监控器108测量uv光束104的输出(在图1中由输出连接108o所表示)到激光控制单元110的光束参数的测量值。在一些实施方案中，光束参数是尺寸或传播参数，如束质量、轴向束腰位置、束发散度和束腰直径之一。如本文所用，“尺寸或传播参数”不包括束功率或束强度。

激光设备100可选地包括分束器112，以将uv光束104l的一部分(激光束112l)转移到光束参数监控器108。在一些实施方案中，光束参数监控器108包括辅助光束112l中的光束孔径和光电二极管或某些成像系统。在一些实施方案中，光束参数监控器108包括一个镜头，一个光圈，一个可选的扩散器和一个光电二极管。透镜聚焦光束以形成苛性光束。孔沿束苛性碱位于适当的位置；例如，在束腰位置。孔允许光束横截面的选定部分的透射。可选的漫射器位于透射光束中。光电二极管暴露在可选地被散射的透射光束下。这种布置可以通过评估光电二极管信号来测量与光束参数变化相关的光束腐蚀性变化。该实施例可以在激光设备100或处理工具中实现。在一些实施方案中，可以使用带有相应评估电子设备/软件的一维或二维ccd装置代替光电二极管。在一些实施方案中，将一部分光束拾取以测量光束参数(例如，使用商用光束分析仪)。

在一些实施方案中，光束参数监控器108监控由紫外线与过程对象的交互作用而产生的过程属性。过程属性可以是响应于光束交互作用的对象的参数。该布置可以用作半检查工具的一部分。这些工具通常会记录杂散光，这些杂散光是由激光束焦点扫描已图案化或未图案化的晶圆或掩模产生的。光学、电子设备和软件会收集并评估该杂散光，以从复杂的杂散光数据中得出许多参数。这些参数包括表征聚焦条件的数据，例如，这些参数可用于得出品质因数，该品质因数包含有关m²、横向聚焦位置或光束聚焦直径的信息。可以将该品质因数与目标值进行比较并馈送到激光控制单元110，该激光控制单元110然后确定在封闭的伺服回路中是否需要以及需要多少扫描速度来加速或减速。

在一些实施方案中，光束参数监控器108持续测量紫外光束104l。应当理解，连续测量包括近似连续的测量。在此，“连续测量”是指在光束参数监控器的最大占空比下进行的测量。

在一些实施方案中，光束晶体置换器106移动非线性晶体104，使得源光束102重复地穿过晶体上的路径并且光束参数监控器108在每个穿过完全路径期间测量紫外光束一次。在一些实施方案中，光束晶体置换器106移动非线性晶体104，使得源光束102重复穿过晶体上的路径，并且光束晶体置换器在穿过完整路径时至少调整一次移动速度。

在一些实施方案中，光束晶体置换器移动非线性晶体，使得源光束重复穿过路径，并且光束参数监控器会以翻新间隔测量紫外光束。一些实施例包括使用商业的光束分析仪，例如来自马萨诸塞州安多佛市的mksinstrumentsinc.的nanomodescan，从马萨诸塞州安多弗市的mksinstrumentsinc.获得的beamsquared，或来自加州圣塔克拉拉的coherentinc.的modemaster。美国专利no.5,064,284和no.5,214,485中公开了示例性的光束参数监控器，其内容出于所有目的整体并入本文。例如，可以每月间隔进行测量以校正移动速度，以便将光束参数恢复到设定点。

激光控制单元110接收光束参数测量结果，使用该测量结果确定将光束参数转向目标值的变速速度的调整，然后将调整输出(由输出连接110o所示)到光束晶体置换器106。在一些实施方案中，激光控制单元110将光束参数与目标值进行比较，并计算光束晶体置换器106的移动速度，以将光束参数转向目标值。例如，当激光控制单元110确定光束参数高于该值时，激光控制单元110将移动速度的增加输出至光束晶体置换器106；否则，将其增加。当激光控制单元100确定光束参数低于该值时，激光控制单元110将变速速度的减小输出到光束晶体置换器106。在其他实施例中，当激光控制单元110确定光束参数高于该值时，激光控制单元110将变速速度的降低输出到光束晶体置换器106；当激光控制单元100确定光束参数低于该值时，激光控制单元110将移位速度的增加输出至光束晶体置换器106。

在一些实施方案中，激光控制单元110将光束参数保持在目标范围内。为此，激光控制单元100可以加速和延迟移动速度以将光束参数保持在目标范围内。例如，如果光束参数测量值在目标范围之上(换句话说，在目标范围的上阈值之上)，则激光控制单元110发送信号以增加变速速度(该信号例如提供移动速度的增量增加或高于当前变速速度的设定速度)；如果光束参数测量值低于目标范围(换句话说，低于目标范围的下限阈值)，则激光控制单元110发送信号以减小变速速度(该信号会导致例如移动速度的增量降低或低于当前换档速度的设定速度)。

在一些实施方案中，激光控制单元110将移动速度的调整作为命令信号输出到光束晶体置换器106。在一些实施方案中，光束参数监控器108、激光控制单元110和光束晶体置换器106一起作为伺服机构来达到目标范围。

在一些实施方案中，激光控制单元设置的初始移动速度比达到目标光束参数的预期速度要慢。初始移动速度可以理解为是第一次打开激光后的光束晶体置换器的速度，或在长时间关闭后打开激光时的光束晶体置换器的速度。延长的时间可以等于或长于晶体的恢复时间。在一些实施方案中，一旦光束参数已经确定(在光束参数漂移的初始周期之后)，则激光控制单元110可以如上所述进行操作：接收光束参数测量值，使用该测量值确定移动速度中的调整，该调整将波束参数引向目标值，然后将确定的移动速度调整输出到光束晶体置换器106。如本文其他地方所描述的，可以预先设置测量频率。在某些实施方案中，波束测量的频率可能是动态的：如果波束参数测量随时间变化很小，则系统可能会延长测量间隔；如果光束参数测量结果显示测量值有不平凡的变化(例如在给定间隔中光束参数迅速下降)，则系统可能会缩短测量之间的间隔。这可以有利地减少用于表现出很少退化的晶体的系统资源(例如光束参数测量的频率)的支出，同时将这种资源集中在确实表现出退化的晶体上。

在一些实施方案中，激光控制单元110连续地将调整输出到光束晶体置换器106。在一些这样的实施例中，连续输出的调整是由光束参数监控器108连续测量uv光束104l产生的。

图2描绘了uv激光器设备200的实施例。激光设备200包括激光源202、非线性晶体204a和204b、光束参数监控器208、激光控制单元210、分束器212和220以及功率监控器222。设备200中的相似特征由与设备100相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，这里不针对图2进行重新描述。

激光源202包括激光二极管202a和激光谐振器202b。激光二极管202a对激光谐振器202b中的增益介质进行光学激励。激光源202将源光束202l引导至非线性晶体204。

激光设备200包括多个非线性晶体。第一非线性晶体204a是二次谐波发生器(shg)；非线性晶体204a采用1064nm源光束并转换为532nm光束。第二非线性晶体204b是四次谐波发生器(fhg)；非线性晶体204b发出532nm光束并输出266nmuv激光束(204l)。

图2描绘了移动晶体非线性晶体204b的束状晶体置换器206。在一些实施方案中，光束晶体置换器206是平移阶段。在一些实施方案中，一个光束晶体置换器会移动多个非线性晶体，例如晶体204a和204b。在一些实施方案中，每个光束晶体置换器会移动每个非线性晶体，从而使晶体独立移动。这对于以不同速率降解或具有不同吸留斑点(即，源光束应避免的斑点)的晶体可能是有利的。

激光设备200包括光束参数监控器208。分束器212将uv光束204l的一部分212l转移到光束参数监控器208。光束参数监控器208对光束参数(光束质量)进行测量，并将测量结果输出(通过输出208o)到激光控制单元210。

激光控制单元210从光束参数监控器208接收(通过输出208o)光束参数测量结果，使用该测量结果确定将光束参数导向目标值的移动速度调整，然后将确定的移动速度调整输出(由输出连接210o表示)到光束晶体移位器206。激光控制单元210还控制晶体204a和204b的炉温，以最大程度地提高非线性转换效率。激光控制单元210从一个或多个热电偶接收一个或多个温度，并相应地调节一个或多个烤箱的温度。

还通过使用uv功率监控器222和激光控制单元210以光环模式描绘了激光设备200。分束器220将部分220l转移到功率监控器222，该功率监控器222对光束功率进行测量。然后将该测量结果输出到激光控制单元210，该激光控制单元210调节激光二极管202a的电流，从而控制导入谐振器202b的光功率，以激励增益介质。

图3a描绘了在非线性晶体302上被激光束横穿的示例性路径300。光斑304横穿矩形路径，包括第一水平部分306、第一垂直部分308、第二水平部分310和第二垂直部分312。在实施例300中，垂直部分是400μm，水平部分是100μm。注意：光斑未按比例绘制。

在一些实施方案中，非线性晶体表现出永久和暂时的退化。在这样的晶体中，当激光束穿过一条完整的路径并在同一路径上重新启动时，某些晶体将永久性退化，其余的将恢复。在一些实施方案中，随着路径的完成，可以调整移动速度以解决晶体的永久降解。在另外的实施例中，在路径首先完成之后调节移位速度以解决晶体的永久性退化。

在一些实施方案中，光束晶体置换器移动非线性晶体，使得源光束重复穿过路径(例如图3a中的路径)，并且所述路径上的光斑照射之间的时间至少比所述光斑的照射时间长20倍。

在一些实施方案中，光束晶体置换器移动非线性晶体，使得源光束穿过晶体上有限的较小区域。此处，“有限的较小区域”表示与非线性晶体的总横截面面积相比较小的面积。优选地，面积小于总横截面面积的20％，更优选地，小于总横截面面积的10％。这可以有利地减小大的光束参数波动。

图3b描绘了在非线性晶体322上被激光束横穿的示例性路径320。路径320包括线性部分326，但是代替实施例300中的矩形路径，激光光斑324横穿了覆盖更多非线性晶体322的路径320。当光斑324覆盖更多的非线性晶体时，激光器可以有利地以相同的稳定束参数在更高的输出功率和更快的移动速度下工作。在一些实施方案中，移动速度可以在10μm/min左右。此外，路径320的更长的长度可能有助于避免在短时间内扫描总闭合路径，以便在暴露于uv光束之后具有恢复时间。

图3c描绘了在非线性晶体342上被激光束(未示出)横穿的示例性路径340。路径340包括线性部分346，但是横过蛇形路径。路径340比路径320覆盖更多的非线性晶体342。在一些实施方案中，光束晶体置换器移动非线性晶体使得源光束穿过蛇形路径。路径344可能会有用，因为它避免了可能导致较大光束参数漂移的较大的直线部分。例如，在给定的路径为1mm且移动速度为0.1μm/s的情况下，激光束大约需要2.75小时才能完成该路径。

在一些实施方案中，选择路径以避免非线性晶体的被遮挡或耗尽的区域。

图4是根据一个实施例的束腰直径相对于时间的曲线图400。曲线图400表示在沿着图3a中的路径300引导532nm的源光束的同时从uv光束获取的数据。源光束的基本波长为532nm，功率为15w，并被导向clbonlo晶体，以产生波长为266nm、功率为3w的uv光束(shg)。位于非线性激光晶体内的聚焦532nm源光束的腰部，其椭圆形横截面为200μmx500μm。实施例300中的闭合路径长度是1000μm，并且对于多个移动速度，200μm/hr(在图400中标识为410)，60μm/hr(在图400中标识为420)，测量了uv束腰直径(2ω0)，和20μm/hr(在图400中标识为430)。这些速度的循环时间分别为300分钟、1000分钟和3000分钟。

众所周知，非线性晶体内部的光束通常是聚焦光束；光束被聚焦以实现非线性转换所需的强度。通常，一个透镜将输入光束聚焦为非线性晶体，而另一个透镜将输出光束准直。在曲线图400中，y轴上的束腰直径是准直的输出束腰直径。

曲线图400针对多个变速档绘制了uv光束腰部直径相对于运行时间的测量值。出乎意料的是，发明人发现变化的移动速度影响了某些光束参数。从曲线图400中可以看出：在200μm/hr(在曲线图400中标识为410)时，束腰直径约为1.65毫米；在60μm/hr(在图400中标识为420)时，束腰直径减小到约1.55mm；光束腰直径以20μm/hr(在图400中标识为430)进一步下降到大约1.45mm。

如本文所公开的，移动速度会影响光束参数，因此非线性晶体的移动速度可用于控制光束参数。例如，可以改变移动速度以将光束参数转向目标值。在一些实施方案中，目标值是一个范围，例如，当光束参数降到设定点以下(例如该范围的下限阈值)时，可以降低换档速度以将光束参数提高到设定点以上。类似地，如果光束参数高于设定点(例如范围的上限)，则可以加快变速速度以将光束参数提高到设定点以上。这些偏移可以单独控制光束参数，也可以与调整光束参数的有源光学器件一起使用。如这里所描述的，移动速度可以用于将光束参数稳定在反馈环路内，其中以移位速度作为致动参数来将实际光束参数转向目标值。

在一些实施方案中，目标范围是与目标值的百分比偏差。例如，可以预先设置目标束腰直径和百分比偏差；所测量的束腰直径大于或小于目标束腰直径的百分比偏差会导致移动速度的调整。在目标束腰直径内的百分比束偏差之内的测量束腰直径不会引起移动速度的调整。该百分比优选为10％，更优选为5％，最优选为1％。

如在曲线图400中可见，在源光束首先开始照射非线性晶体之后，发生小的初始漂移(5％或更少)。为了适应该初始漂移并减小其对刀具性能的影响，换挡速度最初可能相对较慢，直到参数稳定到稳定水平为止。相对较慢的速度可以有利地减小初始光束参数测量与稳定光束参数测量之间的差异。一旦光束参数稳定下来，激光控制单元就可以改变速度以达到所需的目标值。这可能导致移动速度以第一速度开始，随着光束在初始漂移后稳定而增加速度，然后改变速度(增加或减少)以将光束转向目标值。

曲线图400描绘了束腰直径的测量中的噪声。噪声可能表示在伺服器围绕目标光束腰部直径摆动时上下控制换档速度。

图5是根据一个实施例的辐射对时间的曲线图500。曲线图500描绘了照射时间(t1)和两次照射之间的恢复时间(t2)。例如，曲线图500可以描绘图3a中的路径300上的单个点的照射时间和恢复时间。

图6是用于控制uv光束的方法600的实施例的流程图。方法600包括将源光束引导至非线性晶体以产生紫外光束602，以第一移动速度相对于所述源光束移动所述非线性晶体604，测量紫外光束的光束参数606，基于所测量的光束参数确定将光束参数转向目标值608的第二移动速度；以及以所述第二移动速度相对于所述源光束移动所述非线性晶体610。在一些实施方案中，可选地重复步骤606-610(如图6中的虚线箭头所示)。

在一些实施方案中，非线性晶体在暴露于源光束期间会退化，并在暴露于源光束后至少部分恢复。在一些实施方案中，移动非线性晶体包括移动非线性晶体，以使源光束反复横越非线性晶体上的路径，其中，路径上的光斑照射之间的时间优选比光斑的照射时间长至少20倍。

在一些实施方案中，该方法包括确定所测量的射束参数是否高于该值，以及响应于确定所测量的射束参数高于该值，确定比第一移动速度更快的第二移动速度。

在一些实施方案中，该方法包括确定所测量的射束参数是否低于该值，并且响应于确定所测量的射束参数低于该值，确定比第一移动速度低的第二移动速度。

在一些实施方案中，波束参数的目标值包括具有上阈值和下阈值的波束参数的目标范围。在波束参数的目标值包括目标范围的实施例中，该方法可以进一步包括确定所测量的波束参数是否在上阈值之上，以及响应于确定所测量的光束参数高于上阈值，确定比第一变速速度更快的第二变速速度。在波束参数的目标值包括目标范围的实施例中，该方法可以进一步包括确定测量的波束参数是否低于下阈值，并且响应于确定所测量的光束参数低于下阈值，确定比第一移动速度慢的第二移动速度。

在一些实施方案中，偏移非线性晶体包括偏移非线性晶体，以使源光束横穿非线性晶体上的多个蛇形路径。

在一些实施方案中，偏移非线性晶体包括偏移非线性晶体，以使源光束横穿晶体上有限的较小区域。在一些实施方案中，移动非线性晶体包括移动多个非线性晶体。

在一些实施方案中，测量光束参数包括连续测量紫外光束。在一些实施方案中，该方法进一步包括基于连续的测量连续确定将光束参数转向目标值的附加移动速度，以及以额外的移动速度相对于源光束移动非线性晶体。在一些实施方案中，移动非线性晶体包括移动非线性晶体，以使源光束重复地穿过非线性晶体上的路径，并且在移动整个路径的同时至少对移动速度进行一次调整。例如，在路径的每个完成期间一次。在一些实施方案中，以翻新间隔测量光束参数并调整速度。

在一些实施方案中，光束参数是光束质量、轴向束腰位置、束发散和束腰直径之一。

在一些实施方案中，测量uv光束的光束参数包括测量由于uv光束与过程对象的相互作用而产生的过程属性。

上面参考优选实施例和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于在此描述和描绘的实施例。而是，本发明仅由所附权利要求书限制。