[发明专利]一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置

说明书

技术领域

本发明涉及对准分子激光器输出参数进行调控的技术领域，特别是一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置。

背景技术

在超大规模集成电路制造工艺中，准分子激光光刻是最重要的工艺过程之一。目前半导体集成电路光刻设备所使用的主要激光光源为氟化氩(ArF)和氟化氪(KrF)准分子激光器，输出波长分别为193nm和248nm。在光刻机设备中，大量使用了深紫外光学元件，包括反射光学元件、透射光学元件、衰减光学元件等，用于对193nm或248nm激光束的整形、传输和控制。这些光学元件中的成像物镜透镜元件数量多，制造难度大，价格昂贵。深紫外光学元件在193nm或248nm波长的深紫外激光长时间照射条件下，其材料内部可能产生色心和其他物理或化学过程，导致其光学性能缓慢下降，直至灾难性损伤出现，光学元件使用寿命终结。前期研究结果表明，这些光学元件性能下降速率与激光束的功率密度(P＝E/τ，P为功率密度，E为脉冲能量，τ为脉冲宽度)直接相关，功率密度越高，性能下降越快，使用寿命越短。另一方面，为了提高光刻机的产率，近年来光刻用准分子激光器输出脉冲能量不断提高，已从早期5mJ提高到目前的10mJ、15mJ。而激光器输出脉冲宽度基本没有改变，仍为20ns左右。这将大大缩短光刻机中光学元件，特别是物镜元件的使用寿命。

一种在提高准分子激光器输出脉冲能量并提高光刻产率的同时，不降低甚至延长光学元件使用寿命的有效技术途径是扩展准分子激光器输出脉冲的宽度。例如，如果在激光器输出能量从5mJ提高到15mJ的同时将激光器脉冲宽度从20ns展宽到60ns，则光刻光学系统中的激光功率密度不变，对光学元件的使用寿命也基本没有影响。而如果能将脉冲宽度展宽到120ns，则功率密度下降一倍，可有效提高光学元件的使用寿命，降低光刻机的使用成本。

由于准分子激光器输出脉冲宽度基本不变，可通过使用脉冲展宽装置实现脉冲展宽。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，将一个脉冲分解成多个不同延时脉冲的叠加，从而实现脉冲展宽的目的。传统脉冲展宽装置一般采用一个分束元件分光和一个共焦谐振腔，达到的脉宽展宽比(输出脉冲宽度与输入脉冲宽度之比)为2.5-3.0左右，如果要达到更高的展宽比，一般采用多级(串联)展宽。例如，中国专利申请号201010178364.0“在光学部件上具有减少的能量密度的脉冲扩展器”公开了一种基于一个分束元件和由两个球面反射镜组成的共焦谐振腔的脉冲展宽装置，其基本结构与传统脉冲展宽装置一致，只是加入了折叠反射镜和扩束系统来实现结构的紧凑和降低装置中光学元件的损伤概率。其他的可能构型主要是光学谐振腔结构的变化，包括使用三反射镜谐振腔(美国专利US7035012:“Optical pulse duration extender”)、四反射镜谐振腔(美国专利US7415056,“Confocal pulse stretch”)等。为了提高脉宽展宽比，Burkert等人[A.Burkert,J.Bergmann,W.Triebel,and U.Natura,“Pulse stretcher with variable pulse length for excimer laser applications”,Review of Scienctfic Instruments 81,033104(2010)]将两套脉冲展宽装置串联。其他的提高展宽比的方法包括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脉冲展宽装置，实现二次展宽(美国专利申请US2006/0216037:“Double-pass imaging pulse-stretcher”)等。在这些方法和装置中，基于一个分束元件和一个谐振腔的展宽系统要么展宽比较低，要么展宽后输出脉冲波形较差。而基于两个脉冲展宽装置串联和采用后向反射二次展宽由于每次反射存在反射损失(例如193nm反射镜的反射率一般在98％左右)，则导致较大能量损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于双分束元件和一个共焦谐振腔的脉冲展宽装置，在不明显增加脉冲能量损失的前提下，显著改善输出脉冲波形，降低输出脉冲的瞬时峰值功率，并在一定程度上提高脉宽展宽比。