一种基于两级串联的准分子激光脉冲展宽方法和装置与流程

本发明涉及一种对激光器输出参数进行调控的方法及装置，特别是对准分子激光脉冲宽度实现展宽的方法及装置。

背景技术：

随着极大规模集成电路制造工艺的不断发展，更短波长、更高脉冲能量和更高重复频率的准分子激光光源应用于集成电路光刻设备中，如目前主要使用的arf准分子激光器输出波长为193nm，激光脉冲能量达到15mj以上，重复频率达到6000hz。在光刻机照明及曝光光学系统中，大量使用了价格昂贵的深紫外氟化钙及熔融石英光学元件，这些深紫外光学元件在193nm激光照射下，其透过率、折射率和材料密度均会发生变化，尤其是在193nm激光长时间照射下，这些光学元件的光学性能会发生不可逆退化，严重影响光学元件的稳定性和寿命以及光刻机的使用寿命。研究表明，光学元件性能退化速率与激光脉冲的峰值功率(p＝e/τ，p为峰值功率，e为脉冲能量，τ为脉冲宽度)密切相关，峰值功率越高，光学元件性能退化越快，使用寿命越短。因此，可以通过增加激光脉冲的脉冲宽度，减小激光脉冲的峰值功率，从而达到延长光学元使用寿命的目的。

用于准分子激光脉冲展宽的方法主要是基于分束元件分光和光学谐振腔延时，将一个激光脉冲分解成多个不同延时激光脉冲的叠加，从而实现脉冲展宽的目的。早期光刻设备中使用的准分子激光器输出激光脉冲能量较低(约5mj)，为降低激光脉冲的峰值功率，通常采用单个激光脉冲展宽装置，将激光脉冲宽度展宽2～3倍。例如，美国专利us6904073“highpowerdeepultravioletlaserwithlonglifeoptics”采用基于一个分束元件和四个球面反射镜组成光学谐振腔的脉冲展宽装置，将准分子激光脉冲宽度从20ns提高到50ns。中国专利授权号cn104319615b“一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置”公开了一种基于双分束元件和由两个或四个球面反射镜组成共焦谐振腔的脉冲展宽装置，该装置通过多放置一片分束元件，进一步降低了激光脉冲的峰值功率，并显著改善了输出脉冲波形。

随着浸没式光刻技术的出现以及光刻机产率的提高，最新光刻用准分子激光光源的输出激光脉冲能量提高到10mj～15mj以上，为保证光刻机光学系统中的激光功率密度不变或进一步降低，减少激光束对光学元件使用寿命的影响，需要将激光脉冲宽度展宽到4-6倍以上，例如将20ns宽度的激光脉冲展宽到80-150ns。此时，传统的单个脉冲展宽装置无法满足要求，需要将两套脉冲展宽装置串联，进一步展宽激光脉冲宽度。例如，美国专利us7822093“methodandapparatusforchangingthelengthofalaserpulse”采用两套基于单分束元件及四反射镜共焦腔组成的脉冲展宽装置，将激光脉冲宽度展宽至120ns。美国专利申请us2006/0216037“double-passimagingpulse-stretch”采用后向反射镜反射输出光束，使被一次展宽的激光脉冲二次通过同一脉冲展宽装置，实现二次展宽。

在以上提到的方法和装置中，单个脉冲展宽装置对脉冲宽度的展宽已无法满足目前光刻用准分子激光光源的使用要求。而将两套基于单分束元件和光学谐振腔组成的脉冲展宽装置串联或采用后向反射二次展宽的装置和方法，其展宽后的激光脉冲波形较差，展宽后的脉冲峰值功率仍较高，特别是当初始输入脉冲波形较差时无法满足使用要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于单分束元件和共焦谐振腔组成的前级激光脉冲展宽装置，以及基于双分束元件和共焦谐振腔组成的后级激光脉冲展宽装置，将两套激光脉冲展宽装置串联，可以进一步提高激光脉冲的展宽宽度，改善输出脉冲波形，进一步降低展宽后激光脉冲的峰值功率。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于两级串联的准分子激光脉冲展宽装置，包括一个由单分束元件和共焦谐振腔组成的前级激光脉冲展宽装置，以及一个由双分束元件和共焦谐振腔组成的后级激光脉冲展宽装置。前级脉冲展宽装置中的单分束元件将入射激光束分为两束，一束光直接输出，另一束光进入共焦谐振腔，产生一定的光学延迟后再次入射到分束元件进一步分束，经共焦谐振腔不同循环次数输出的光学延迟光束与直接输出光束合并，形成脉宽展宽的输出光束。经前级激光脉冲展宽装置输出的光束进入后级激光脉冲展宽装置，后级激光脉冲展宽装置中的第一个分束元件将入射激光束分为两束，一束光进入共焦谐振腔，产生一定的光学延迟后入射到第二个分束元件，另一束光直接入射到第二个分束元件。第二个分束元件将每一束入射光束进一步分为两束，其中一束光进入光学谐振腔并产生一定的光学延迟后回到第一个分束元件进一步分束，另一束与其他被分束元件分光后直接输出或者经共焦谐振腔光学延迟后输出的光束合并，形成脉宽进一步展宽的输出光束。

所述前级脉冲展宽装置和后级脉冲展宽装置可以互换位置，前级脉冲展宽装置可由双分束元件和共焦谐振腔组成，后级脉冲展宽装置可由单个分束元件和共焦谐振腔组成；或者前后级脉冲展宽装置均使用双分束元件。

所述前级和后级脉冲展宽装置中的共焦谐振腔可以由四片球面反射镜构成，也可以由两片球面反射镜构成。球面反射镜曲率半径根据具体要求确定。

所述前级和后级脉冲展宽装置中共焦谐振腔的腔长根据脉宽展宽要求的光学延迟时间确定，即l＝n·c·t，l为谐振腔腔长，n为介入1和2之间的常数，c为光速，t为光学延迟时间。

所述前级和后级激光脉冲展宽装置中分束元件的分光比需要进行优化，从而获得更高的激光脉冲宽度以及更低的峰值脉冲功率，前级激光脉冲展宽装置中单分束元件的分光比(反射/透射比)范围为0.40/0.60-0.70/0.30，后级激光脉冲展宽装置中两个分束元件的分光比(反射/透射比)范围为0.25/0.75-0.65/0.35，三片分束元件的分束比根据具体要求确定。

所述前级和后级激光脉冲展宽装置中分束元件的使用入射角为45±5°。

根据实际使用需要，为避免激光脉冲展宽装置过长，可将前级和后级共焦谐振腔的四片球面反射镜变成六片甚至八片球面反射镜，但引入更多反射镜会增加光学损耗，激光脉冲能量损耗进一步增加。球面反射镜片数根据具体结构要求确定。

当准分子激光波长低于200nm时，脉冲展宽装置的整个光路系统均置于高纯氮气环境中。

本发明与现有的脉冲展宽技术相比具有如下优点：在不明显增加脉冲能量损失(多引入一片分束元件带来的光学损耗)的前提下，进一步提高激光脉冲展宽宽度，改善输出脉冲波形，进一步降低输出脉冲的瞬时峰值功率，提高光刻系统中光学元件的使用寿命及光刻机使用效率，进一步降低光刻机使用成本，降低集成电路芯片制造成本。

附图说明

图1为本发明采用基于单分束元件和四反射镜共焦谐振腔组成的前级激光脉冲展宽装置，以及基于双分束元件和四反射镜共焦谐振腔组成的后级激光脉冲展宽装置的两级串联结构示意图；

图2为本发明采用基于单分束元件和两反射镜共焦谐振腔组成的前级激光脉冲展宽装置，以及基于双分束元件和两反射镜共焦谐振腔组成的后级激光脉冲展宽装置的两级串联结构示意图；

图3为采用图1所示脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形与采用基于单分束元件的脉冲展宽装置两级串联展宽后的输出脉冲波形的对比图；

图4为本发明采用基于单分束元件和六反射镜共焦谐振腔组成的前级激光脉冲展宽装置，以及基于双分束元件和六反射镜共焦谐振腔组成的后级激光脉冲展宽装置的两级串联结构示意图；

图5为采用图4所示脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形与采用基于单分束元件的脉冲展宽装置两级串联展宽后的输出脉冲波形的对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明采用一种基于单分束元件和一个四反射镜共焦谐振腔构成的前级激光脉冲展宽装置，由分束元件bs1、谐振腔反射镜m1、谐振腔反射镜m2、谐振腔反射镜m3、谐振腔反射镜m4组成，以及基于双分束元件和一个四反射镜共焦谐振腔构成的后级激光脉冲展宽装置，由分束元件bs2、分束元件bs3、谐振腔反射镜m5、谐振腔反射镜m6、谐振腔反射镜m7、谐振腔反射镜m8组成。输入激光束先通过第一个45度分束元件bs1分为两束光，即透射光束和反射光束。透射光束直接输出，反射光束经谐振腔腔镜m1、m2、m3和m4反射延迟后重新入射到分束元件bs1上进一步分光。最终不同循环周期延迟输出的光束与直接输出光束合束，形成前级脉宽展宽的输出光束。前级输出光束通过第二个45度分束元件bs2又分为两束光。透射光束直接入射到第三个45度分束元件bs3上进一步分光，而反射光束经谐振腔腔镜m5和m6反射延迟后也入射到第三个45度分束元件bs3上进一步分光。入射到第三个分束元件bs3上的光束又进一步分成两束光束，一束光束直接输出，另一束光束经谐振腔腔镜m7和m8反射延迟后重新又入射到第二个分束元件bs2上，再进一步分光。这一过程不断重复，导致输入脉冲经多次分光和延迟后输出，最终形成峰值功率有效下降、脉冲宽度有效展宽的输出激光束。

本发明的脉冲展宽装置中前级和后级共焦谐振腔腔长可以相同，也可以不同。前级共焦谐振腔腔长定义为输入激光束从分束元件bs1反射后入射到谐振腔腔镜m1、m2、m3和m4反射后重新回到bs1所传输的距离，后级共焦谐振腔腔长定义为输入激光束从分束元件bs2反射后入射到谐振腔腔镜m5和m6反射、穿过分光元件bs3、并进一步入射到谐振腔腔镜m7和m8反射后重新回到bs2所传输的距离，共焦谐振腔腔长根据脉宽展宽具体要求确定。而腔镜的曲率半径则应根据输入激光束的发散角参数和谐振腔腔长确定，每级展宽装置中的四个腔镜的曲率半径可以相同，也可以不同。

本发明的脉冲展宽装置中三片分束元件的分光比需要进行优化，从而获得更高的激光脉冲宽度以及更低的峰值脉冲功率，第一片分束元件bs1的分光比(反射/透射比)最优值范围为0.40/0.60-0.70/0.30，第二片分束元件bs2和第三片分束元件bs3的分光比(反射/透射比)最优值范围为0.25/0.75-0.65/0.35，三片分束元件的分束比根据具体要求确定。

本发明的脉冲展宽装置中共焦谐振腔也可以由两个腔镜组成，如图2所示。四腔镜共焦谐振腔中的m1和m3、m2和m4、m5和m7、m6和m8可以分别由一个腔镜替代，其作用完全相同。

为了描述本发明的脉冲展宽装置的优点，图3给出了采用本发明脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形与采用单分束元件的脉冲展宽装置两套串联展宽后的输出脉冲波形的对比结果。在此示例中，假设输入激光脉冲宽度为20ns(tis)，谐振腔腔长为8米，腔镜m1～m8反射镜均为98％，分束元件bs1、bs2和bs3的光学损耗为0.02，分束元件bs1的反射率/透过率比为0.563/0.417，分束元件bs2的反射率/透过率比为0.485/0.495，分束元件bs3的反射率/透过率比为0.497/0.483。输入脉冲经过此脉冲展宽装置展宽后，脉宽展宽5.77倍，变为115.4ns，脉冲能量为输入脉冲的76.3％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.135倍，输出脉冲波形较为平坦。在此脉冲展宽装置中去掉分束元件bs3，并将分束元件bs1的反射率/透过率比重新优化为0.554/0.426，将分束元件bs2的反射率/透过率比重新优化为0.490/0.490，将后级脉冲展宽装置腔长减少至前级脉冲展宽装置腔长一半，则变为传统的单分束元件脉冲展宽装置的两级串联结构。该传统装置脉宽展宽4.62倍，即展宽后脉宽变为92.4ns，脉冲能量为输入脉冲的79.7％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.215倍。本示例结果显示与传统的单分束元件脉冲展宽装置两级串联结构相比，本发明的脉冲展宽装置更有效地展宽了脉冲展宽宽度，进一步降低了输出脉冲的峰值脉冲功率，输出脉冲波形更平坦，能更有效地提高光刻光学系统中光学元件的使用寿命。

在本发明的脉冲展宽装置中，通过加大谐振腔腔长可进一步提高脉冲展宽后的宽度，降低脉冲峰值功率。但为了避免激光脉冲展宽装置过长，导致整个装置过于庞大，可将前级和后级光学谐振腔的四片球面反射镜变成六片球面反射镜，如图4所示。但引入更多反射镜会增加光学损耗，激光脉冲能量损耗进一步增加。球面反射镜片数根据具体结构要求确定。

图5为采用图4所示脉冲展宽装置将谐振腔腔长延长到12米的模拟结果。重新优化分束元件bs1的反射率/透过率比为0.563/0.417，分束元件bs2的反射率/透过率比为0.485/0.495，分束元件bs3的反射率/透过率比为0.490/0.490，腔镜反射率均为98％，分束元件光学损耗为0.02。输入脉冲经过此脉冲展宽装置展宽后，脉宽展宽7.42倍，变为148.4ns，脉冲能量为输入脉冲的70.9％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.116倍。为了描述本发明的脉冲展宽装置的优点，图5中同样给出了采用传统单分束元件脉冲展宽装置两级串联结构展宽后的脉冲波形，脉冲展宽装置长度相同，前级谐振腔由八反射镜组成，后级谐振腔由四反射镜组成，谐振腔腔长分别为16米和8米，分束元件bs1的反射率/透过率比为0.554/0.426，分束元件bs2的反射率/透过率比为0.630/0.350，腔镜反射率为98％，分束元件光学损耗为0.02，该传统装置脉宽展宽6.33倍，即展宽后脉宽变为126.6ns，脉冲能量为输入脉冲的73.7％，峰值脉冲功率为输入脉冲的0.150倍，但此时展宽后的脉冲波形几乎分离成多个独立脉冲，而本发明的脉冲展宽装置展宽后的波形仍然较好。

本发明未详细阐述内容部分属于本领域公知技术。