低噪声、高稳定性、深紫外光的连续波激光的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张2013年9月10日申请的标题为"具有改进稳定性的CW DUV激光(CW DUV Laser With Improved S化bility)"的美国临时专利申请案61/876,201的优先权。
技术领域
[000引本发明设及低噪声、高稳定性、深紫外光(DUV)的连续波(CW)激光W及包含此类激 光的检验及度量系统。
【背景技术】
[0004] 半导体检验及度量需要非常稳定、低噪声的光源W检测小缺陷及/或进行小尺寸 的非常精确测量。UV光源是重要的，因为较短波长通常对小缺陷或尺寸的更敏感。
[0005] 低噪声、高稳定性激光当前可用于可见及近红外（IR)的波长。然而，存在非常少的 CW激光可用于DUV的波长。即使在可用时，此类激光也是昂贵且有噪声的、具有较差长期稳 定性且可能需要频繁调整及/或维护。此外，此类激光通常具有小于250mW的功率，而大多数 工业应用需要较高功率，因为其实现更快且更精确的检验及测量。
[0006] 已知DUV CW激光通常通过产生IR基频激光的四次谐波而操作。通常使用两个频率 转换级，其中第一级从基频产生二次谐波频率(又称为二次谐波)且第二级使用所述二次谐 波频率产生四次谐波频率(又称为四次谐波）。每一倍频级（即，所述第一级及所述第二级） 使用非线性光学(NL0)晶体。
[0007] 倍频过程取决于电场强度的平方，运为所属领域的技术人员所知。因此，如果化0 晶体内部的功率密度较低，那么转换过程非常低效。几瓦特或甚至几十瓦特功率的IR激光 在聚焦到NL0晶体中时由于其低功率密度而产生非常少的二次谐波。相比而言，脉冲激光可 提供比其平均功率密度高许多倍的峰值功率密度。因此，具有类似于IR激光的时间平均功 率密度的时间平均功率密度的脉冲激光可产生大量二次谐波。例如，在一些脉冲激光中，脉 冲激光的大致50%输入可转换为二次谐波。
[000引DUV CW激光可使用谐振腔（又称为腔似增大其化0晶体中的功率密度，从而提高 其转换效率。穿过化0晶体而未转换为二次谐波的大部分光在腔中再循环W增进功率密度。 允许经产生的任何二次谐波穿出腔。最终，功率密度增进到其中作为二次谐波离开所述腔 的功率加上所述腔中的损耗等于输入功率的水平且因此达到稳定状态。为产生DUV波长，通 常可将两个谐振腔串联连接。第一腔通过再循环IR基波长而产生二次谐波（例如，可见波 长，例如53化m)。串联禪合到所述第一腔的第二腔通过再循环所述二次谐波而产生四次谐 波(例如，DUV波长，例如266nm)。注意，如用于描述腔及/或所述腔的组件的术语"禪合"可或 不可包含腔的组件物理接触。
[0009]图1说明使用两个腔的示范性已知激光配置，其中第一腔实施二次谐波产生器 102A且第二腔实施四次谐波产生器102B。二次谐波产生器102A包含用W产生二次谐波的多 个镜110、111、112及113 W及化0晶体115。四次谐波产生器102B包含用W产生四次谐波的多 个镜130、131、132及133 W及化ο晶体135。可使用振荡器104(产生频率η的信号）、调制器 103、光电二极管105W及同步检测器106来主动控制二次谐波产生器102Α。类似地，可使用 振荡器124(产生频率f2的信号）、调制器123、光电二极管125W及同步检测器126来主动控 制四次谐波产生器102B。
[0010] 来自基频激光101的IR光(例如，1064皿)通过镜110进入二次谐波产生器102A且在 从镜111及112反射之后进入NLO晶体115。IR光进入化0晶体115的部分经转换为二次谐波 (例如，到532nm)。镜113涂布有反射IR光但透射二次谐波的材料。因此，二次谐波光穿过镜 113且经引导到四次谐波产生器102B。
[OCm]穿过晶体115的大部分IR光在未经转换的情况下从NLO晶体115出射且因此通过镜 113反射且引导回到镜110。镜110涂布有对从镜113 W射线的入射角到达的IR光高度反射但 对来自基频激光101的传入IR光高度透射的材料。
[0012]为增进二次谐波产生器102A中的高功率密度，已在第一腔中循环的IR光应与来自 基频激光101的传入光同相而到达镜110。为此目的，可使用伺服控制件W机械移动镜111W 实现预定腔长度，从而提供所需相位。在图1中所示的配置中，用于二次谐波产生器102A的 伺服控制件包含振荡器104、调制器103、光电二极管105、同步检测器106及致动器控制件 107。类似地，用于四次谐波产生器102B的伺服控制件包含振荡器124、调制器123、光电二极 管125、同步检测器126及致动器控制件127。示范性致动器控制件可包含压电换能器或音圈 W维持预定腔长度且因此最大化所述腔中的功率密度。
[OOK]如图1中所示，通过调制器103W (通过振荡器104提供的）频率η调制来自基频激 光101的输入IR光W提供时变信号。注意，任何镜上的涂层是不完美的，从而允许一些泄漏。 因此，光电二极管105接收在第一腔中循环的光的小部分（即，经由镜110通过镜113反射的 光）W提供信号到同步检测器106。同步检测器106(其可包含混频器或一些其它类似组件） 比较光电二极管105的输出与频率η的振荡器104的输出W产生用于致动器控制件107的控 制信号。具体地说，同步检测器106可确定第一腔的长度是否需要调整且如果需要，那么确 定所述长度是应增加还是应减小及增加或减小的程度。示范性伺服控制件描述于美国专利 5，367，531W及布莱克(Black)的激光干设引力波天文台技术备忘表LIG0-T980045-00-D (1998年KLIG0 Technical Note LIG0-T980045-00-D( 1998))中。
[0014] 第二调制器123W频率f2调制（通过镜113提供的）到四次谐波产生器102B的输入 光W提供另一时变信号。光电二极管125检测(经由镜130来自镜133的)循环光的小部分。同 步检测器10化k较光电二极管125的输出与在频率f2的振荡器124的输出W产生用于致动器 控制件127的控制信号。具体地说，同步检测器126可确定四次谐波产生器102B的长度是否 需要调整且如果需要，那么确定是应增加还是应减小所述长度。致动器控制件127物理控制 镜131的位置W维持四次谐波产生器102B的适当长度使得来自镜133的反射光的相位与(经 由镜113)提供到镜130的相位相同。
[0015] 因此，四次谐波产生器102BW大体上类似于二次谐波产生器102A的方式操作，区 别仅在于进入四次谐波产生器102B的光的输入波长是二次谐波（例如，532nm)且输出波长 是四次谐波(例如，266nm)。注意，二次及四次谐波产生器组件的涂层及材料是针对其相应 波长而适当地选取。
[0016] 在一些现有技术装置(未展示）中，省略第二调制器123,从而导致两个伺服控制件 在相同调制频率下操作。在其它现有技术装置(也未展示）中，不存在第一调制器103也不存 在第二调制器123。例如，IR激光101通过操作激光使得产生两个模式来产生经调制输出，所 述两个模式经选取具有波长分离及相对振幅使得通过所述两个模式的"拍动(beating)" (例如，参见灿格(Zanger)等人的美国公开专利申请案2006/0176916)产生适当调制的输 出。所属领域中已知的无需调制激光的另一谐振腔伺服控制方法是最先由亨施(Hansch)及 库约（Couillaud)在《光学通信》，35，第442页到444页（1980年）（Optical Communications, 35，442-444，（ 1980))中描述的方法，所述方法使用偏光W测量谐振腔中的相变。
[0017] 在又其它现有技术装置中，一或多个谐波产生器可包括两个或Ξ个镜而非四个 镜。在一些实施例中，两个腔可具有不同数目个镜。在又其它现有技术装置中，可通过放置 于化0晶体135与镜133之间的光束分割器(未展示)将DUV输出波长与再循环光分离（因此， 镜133可涂布有只具有反射性的材料）。
[0018] 注意，图1中所示的伺服控制件可有效地校正归因于(例如)溫度改变的腔长度的 缓慢改变。其还可有效地校正由低振幅、低频率振动引起的腔长度改变。不幸的是，其它因 素可使腔的输出降级且无法仅仅通过调整腔长度而校正。如果未经补偿的效应改变，那么 此类因素可降低转换过程的效率且导致输出激光功率随时间的向下倾向。
[0019] 未经补偿的效应可包含归因于化0晶体的性质的在空间上变化的改变的焦距及像 散的改变。此类改变在通过某个位置处的光折射引起时可归因于所述位置处的聚焦光束的 功率密度而逆转，或可归因于对NL0晶体的材料的损坏而不可逆转。
[0020] 不幸的是，DUV CW激光100仅可补偿腔长度的改变。因此，DUV CW激光100不能补偿 在其第一或第二腔中的NL0晶体的焦点或像散的任何改变。因为在每一 NL0晶体中的强烈聚 焦的激光光通常引发所述化0晶体中的可逆转及不可逆转改变两者，所WDUV CW激光100- 般在最佳强度下操作且具有较短寿命。
[0021] 因此，需要一种可补偿化0晶体在其构成谐波产生器中的焦点或像散的任何改变 的DUV CW激光。
【发明内容】
[0022] -种用于产生深紫外光(DUV)的连续波(CW)光的激光包含二次谐波产生器及四次 谐波产生器。所述二次谐波产生器将具有基波长的光转换为具有二次谐波波长的光。可使 用谐振腔或通过其它构件来实现此转换。所述四次谐波产生器将具有所述二次谐波波长的 所述光转换为具有四次谐波波长的光。
[0023] 在优选实施例中，四次谐波产生器包含多个镜、第一非线性光学(NL0)晶体及第二 NL0晶体。所述第一化0晶体产生具有四次谐波波长的光，且经放置而与所述多个镜成操作 关系。二次谐波穿过所述第一化0晶体及所述第二化0晶体。注意，所述第二化0晶体的第二 光学轴围绕所述第二化0晶体内具有二次谐波波长的光的传播方向相对于所述第一化0晶 体的第一光学轴旋转约90度。所述第二NL0晶体并不提供任何波长转换。
[0024] 在一个实施例中，所述第一化0晶体及所述第二化0晶体中的每一者经氨退火。在 另一实施例中，所述第一化0晶体及所述第二化0晶体中的每一者包括经氨退火的化B0(棚 酸飽裡）晶体。具有二次谐波的光可聚焦到所述第一化0晶体中或接近于所述第一化0晶体 的大体上楠圆光束腰，其中楠圆的长轴大体上处在含有第一e轴的平面中。所述第二化0晶 体可保持在大体上与所述第一化ο晶体相同的溫度。可选取所述第一化ο晶体的相位匹配角 及溫度W便减少所述第一化0晶体中由其中的聚焦光束产生的像散。在一个实施例中，控制 至少所述第一化0晶体的溫度(例如，控制在约50°C或更低溫度）W减少所述第一化0晶体中 由聚焦光束产生的像散。
[0025]所述四次谐波产生器可进一步包含具有平行表面的一对薄板。所述对薄板可W大 体上相等且相反的角度倾斜W便最小化在补偿像散时光束的任何位移。所述四次谐波产生 器可进一步包含自动调整像散补偿W便大体上消除由所述四次谐波产生器引入的像散的 反馈控制回路。
[00%]本发明还描述一种用于检验晶片、主光罩或光掩模的系统。此系统可包含DUV CW 激光，所述DUV CW激光包含在四次谐波产生器中的第一及第二NLO晶体，如本文中所描述。
[0027]本发明掲示一种在激光中产生深紫外光(DUV)的连续波(CW)光的方法。此方法包 含:将具有基波长的光转换为具有二次谐波波长的光;及使用第一非线性光学(化0)晶体及 第二化0晶体将具有所述二次谐波波长的所述光转换为具有四次谐波波长的光。产生具有 所述四次谐波波长的所述光包含:使二次谐波穿过所述第一化0晶体及所述第二化0晶体； 及使所述第二化0晶体的第二光学轴围绕在所述第二化0晶体内具有二次谐波波长的光的 传播方向相对于所述第一化0晶体的第一光学轴旋转约90度。注意，只有所述第一化