[发明专利]一种基于两级串联的准分子激光脉冲展宽方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于两级串联的准分子激光脉冲展宽方法和装置，包括一个基于单分束元件、多个球面反射镜组成共焦谐振腔的前级脉冲展宽装置和一个基于双分束元件、多个球面反射镜组成共焦谐振腔的后级脉冲展宽装置。前级脉冲展宽装置采用单分束元件对入射激光束进行分束，经过共焦谐振腔产生不同光学延迟输出的光束与直接输出光束合并，形成脉宽展宽光束。后级脉冲展宽装置采用双分束元件对前级脉冲展宽装置展宽的光束进一步分束，经共焦谐振腔光学延迟后的输出光束，其脉冲宽度得到进一步展宽。本发明能够极大地提高激光脉冲展宽比率，进一步降低展宽后激光束的峰值功率，提高准分子激光光学系统中光学元件的使用寿命。

技术领域

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“high power deep ultraviolet laser with long life optics”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“Method and apparatus for changing the length of a laser pulse”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-pass imaging pulse-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。

发明内容