Оптический резонатор с высокой пиковой мощностью и комбинация из нескольких таких оптических резонаторов, предназначенных, в частности, для возбуждения генератора света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне

Оптический резонатор с твердотельной усилительной средой, причем импульсный режим работы и накачку оптического резонатора обеспечивают с использованием непрерывно работающих диодов, характеризующийся тем, что содержит, по меньшей мере, два лазерных стержня, по меньшей мере, одно средство для включения импульсов резонатора. Причем указанное средство для включения импульсов резонатора установлено в части резонатора, в которой лазерный луч, генерируемый резонатором, имеет наименьшую степень расхождения. Также содержит два зеркала, которые ограничивают резонатор, одно из которых имеет высокую отражательную способность и другое выполнено частично отражающим. Резонатор также содержит средство поворота плоскости поляризации, установленное на пути луча в каждом промежутке, сформированном двумя последовательно установленными стержнями, причем этот поворот, предпочтительно, составляет 90°. Лазерное устройство содержит, по меньшей мере, три оптических резонатора (2, 4, 6) по пункту 1, и средство (14) передачи световых импульсов, по существу, в одно место на цели (16) и, по существу, в один и тот же момент времени в этом месте. Устройство также содержит средство (18) управления оптическими резонаторами, причем средство управления оптическими резонаторами выполнено так, что все средства для включения импульсов резонатора, входящие в состав устройства, работают синхронно. Технический результат - использование оптического резонатора с высокой пиковой мощностью и высокой частотой повторения, получаемого путем соединения этого резонатора с другими идентичными резонаторами для формирования лазерного устройства, позволяющего получить более высокое значение пиковой мощности, и которое при этом является менее сложным, менее дорогостоящим и имеет более высокую надежность работы. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптическому резонатору с высокой пиковой мощностью, с высокой средней мощностью и высокой частотой повторения, имеющему минимальную стоимость и сложность. Оно также относится к комбинации из нескольких таких резонаторов, применяемых, в частности, для возбуждения генератора света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне излучения.

Таким образом, в частности, настоящее изобретение направлено на генерирование света в крайней ультрафиолетовом диапазоне излучения.

Излучение в этом диапазоне, которое также называют "EUV излучением", имеет длину волны в пределах от 8 нанометров до 25 нанометров.

EUV излучение, которое может быть получено путем генерирования световых импульсов с использованием устройства по настоящему изобретению при его взаимодействии с соответствующей целью, имеет много вариантов применения, в частности, его используют в области исследования материалов, микроскопии и, более конкретно, в микролитографии для производства интегральных схем с очень высокой степенью интеграции. Для производства интегральных схем с очень высокой степенью интеграции особенно важно обеспечить высокую частоту повторения световых импульсов, что очень труднодостижимо при использовании лазеров с высокой пиковой мощностью.

Настоящее изобретение применимо в любой области техники, в который требуется лазер возбуждения такого типа, который используют в микролитографии.

Уровень техники

Литографию с использованием EUV излучения используют в микроэлектронике для изготовления интегральных схем с размерами элементов меньше 0,1 микрометра. В некоторых источниках EUV излучения используют плазму, генерируемую с помощью лазера.

В частности, требуется генерировать ультрафиолетовое излучение с длиной воны, равной приблизительно 13 нм, которое получают при возбуждения струи ксенона интенсивным источником лазерного излучения.

Чтобы использование такого лазерного источника было экономически приемлемым, необходимо обеспечить одновременное выполнение следующих трех условий:

- пиковая мощность лазерного света должна быть очень высокой (порядка 10¹¹ Вт/см²) для получения плазмы с достаточным уровнем эмиссии на длине волны приблизительно 13 нм,

- частота повторения должна быть высокой (несколько килогерц) для обеспечения возможности изготовления как можно большего количества полупроводниковых пластин в час, и

- источник лазерного света должен быть простым, он должен иметь разумную инвестиционную стоимость и низкие эксплуатационные расходы.

Для выполнения этих требований должен быть доступен лазер, генерирующий высокую пиковую освещенность для создания плазмы. Это условие выполняется с использованием импульсного лазера, например, с выходным уровнем энергия порядка 300 мДж в импульсе или больше.

Следует отметить, что в настоящем изобретении можно, например, использовать YAG лазеры (лазеры на алюмо-иттриевом гранате), легированные неодимом, конструкция которых хорошо проработана во многих областях промышленности. Однако другие твердотельные лазеры, другими словами, лазеры с твердой средой усиления, также можно использовать в настоящем изобретении.

Это будет более подробно описано ниже.

Известно использование лазерных диодов для накачки, что обеспечивает очень хорошую энергетическую стабильность каждого импульса.

Кроме того, это известно использование импульсных диодов для получения пиковой мощности, необходимой для генерирования EUV излучения, применяемого в фотолитографии.

В следующем документе представлена дополнительная информация по этому предмету:

[1] Статья Н.Rieger et al., High brightness and power Nd:YAG laser, Advanced solid-state lasers, 1999, Boston MA, p.49 to 53.

В этом документе описано устройство для фотолитографии, генерирующее импульсы лазерного света с высоким значением пиковой мощности, с относительно низкой частотой повторения.

Также известно использование генератора и усилителей для получения необходимой пиковой мощности. В результате получается сложный и дорогой лазер.

В следующих документах приведена дополнительная информация об этом предмете:

[2] Статья G.Holleman et al., Modeling high brightness kW solid-state lasers, SPIE Vol.2989, p.15 to 22.

В этом документе упомянуты две проблемы, связанные с применением мощных лазеров, соответствующих их использованию для двух различных технологий:

во-первых, в областях применения, связанных со сваркой, механической обработкой и обработкой материалов, требуется использовать лазеры, излучающие длинные импульсы, получаемые с использованием очень простых технологий и,

во-вторых, в области применения фотолитографии требуется использовать лазеры с короткими импульсами в высокой частотой повторения, если это возможно, получаемые с использованием очень сложной и дорогостоящей технологии, в частности, с использованием двух оптических каскадов усиления.

Следует также сделать ссылку на следующий документ, в котором описано лазерное устройство с высокой пиковой мощностью:

[3] Статья G.Kubiak et al., Scale-up of a cluster jet laser plasma source for extreme Ultraviolet lithography, SPIE Vol.3676, p.669 to 678.

В устройстве, описанном в этом документе [3], используют YAG лазеры, легированные неодимом, с накачкой импульсными диодами, как и в остальных документах предшествующего уровня техники, связанных с фотолитографией. Здесь также используются сложные и дорогие оптические усилители. Кроме того, целевая частота повторения в этом документе [3] составляет 6 кГц, для энергии импульса 280 мДж.

Улучшенная версия этого лазера описана в документе [6], представленном ниже.

Следует также сделать ссылку на следующий документ:

[4] Статья Н.Rieger et al.. High brightness and power Nd:YAG Laser, OSA trends in Optics and Photonics, Vol.26, from the topical Meeting January 31, February 3 1999 in Boston, Optical Society of America, p.49 to 53,

в котором кратко описано устройство с очень малой мощностью задающего генератора, генерирующего импульсы 1 мДж с максимальной частотой 1 кГц (поэтому со средней мощностью, равной не более 1 Вт), и в котором используется сложная и дорогая система усиления. Существенная часть этого документа направлена на изучение деградации качества луча в этой системе усиления. Описанное устройство имеет рабочие характеристики со значительно более низким уровнем, чем требуется для EUV источника, используемого в микролитографии, как в отношении средней мощности, так и частоты повторения.

Характеристики, требуемые для лазерного устройства, которое может возбуждать источник интенсивного EUV излучения, соответствующего потребностям промышленности полупроводников, были стандартизированы на мировом уровне в форме инструкции по обращению, и было сделано множество попыток, направленных на удовлетворение требований этого описания.

Однако до сих пор, все эти попытки были неудачными.

Строгие ограничения, заданные в данном описании, очевидно, включают способность генерировать с высокой пиковой интенсивностью и очень высокой частотой повторения. Однако существует также потребность в получении луча хорошего качества, отличающегося наиболее низким возможным значением М², которое определено как произведение диаметра луча на угол его расхождения и некоторую константу.

Теоретический нижний предел М² равен 1, но по мере повышения мощности лазера, значение М² увеличивается. Оно обычно достигает нескольких десятков для YAG лазера. легированного неодимом, также называемым Nd:YAG лазером.

В указанной выше инструкции установлено требование М²≤10.

В других более поздних документах описаны устройства, которые должны удовлетворять этому описанию:

[5] Статья К.Nicklaus et al., Industry-Laser Based Short Pulse Diode Pumped Solid State Power Amplifier With kW Average Power, OSA Trends in Optics and Photonics, Vol.50, Advanced Solid-state Lasers, Christopher Marshall, ed., Optical Society of America, 2001, p.388 to 391,

в которой описано устройство с оптическим резонатором, генерирующее импульсы 4 мДж при 2 кГц (или импульсы 8 мДж при 1 кГц), подаваемые в набор из двух предварительных усилителей с двойным проходом. Обратный путь луча отклоняют с использовании поляризационного куба в линию из двух усилителей, выходная мощность которых составляет 76 мДж. Структуру такого устройства называют МОРА (усилитель мощности задающего генератора).

[6] Статья D.A.Tichenor et al., EUV Engineering Test Stand, Emerging Lithographic Technologies IV, Elisabeth A., Dobisz, Editor, Proceedings of SPIE Vol.3997 (2000), p.48 to 69.

В этой статье описана лазерная установка, в которой используют три идентичных модуля, установленные параллельно, причем каждый из этих модулей состоит из лазера, построенного компанией TRW Company, описанного в следующем документе:

[7] Active Tracker Laser(ATLAS), Randall St.Pierre et al., OSA TOPS, Vol.10, Advanced Solid State Lasers, 1997, p.288 to 291.

Твердотельный Nd:YAG оптический резонатор, описанный документе [7], генерирует выходные импульсы 1,6 мДж при 2,5 кГц, которые усиливают в структуре двойного прохода, в результате чего получают выходные импульсы с энергией 276 мДж. Немного более ранняя версия этого TRW лазера была описана в документе [3].

В соответствии с документами [5] и [6], световые импульсы генерируют в основном лазере, содержащем генератор импульсов с очень малой энергией (меньше 10 мДж в импульсе), с низкой средней мощностью (меньше 15 Вт), и эти импульсы затем усиливают в результате усиления с множеством проходов в каскадах стержневого или пластинчатого усилителя для получения большой мощности с низким значением М² и очень короткими импульсами.

При этом возникает проблема, состоящая в том что, когда мощность падающего света мала, по сравнению с плотностью потока насыщения используемого лазерного стержня (и особенно, для плотности падающего потока меньше 200 мДж/см² для Nd:YAG лазера), усиление, обеспечиваемое стержнем, будет очень слабым. В этом случае необходимо использовать большое количество усилительных стержней, которые являются чрезвычайно дорогими, а также несколько десятков диодов, которые также являются очень дорогими, и полученная в результате эффективность использования энергии будет очень низкой.

Для ограничения стоимости установки обычно используют два прохода в первом каскаде (каскадах) (по пути вперед-назад, который по этой причине называют усилителем с двойным проходом), что приводит к необходимости работать с поляризованным лучом и использовать поляризатор (например, поляризационный куб) с тем, чтобы обратный путь не возвращался в генератор, а переключался в другой оптический путь, по мере продолжения его усиления.

Такое требование поляризации луча создает дополнительную проблему в случае, когда для усиления с двойным проходом использует изотропный материал, например, типа Nd:YAG или Yb:YAG (иттербиевый алюминиево-иттриевый гранат), для усилительного стержня. Во время накачки изотропию материала этого типа изменяют, что ухудшает поляризацию падающего луча.

Таким образом, если бы в сложных устройствах не были приняты меры для ограничения этого явления, не было бы обеспечено поддержание поляризации на достаточном уровне, и большая часть энергии луча (приблизительно 25% для Nd:YAG лазеров) была бы потеряна из-за попадания обратного луча в поляризатор, что может разрушить генератор.

Эти сложные устройства, другими словами, по существу, представляющие собой соединенные устройства поворота плоскости поляризации, и помещенные в соответствующих местах фазовые пластины, ограничивают мощность луча, возвращающегося в генератор, до низкого значения (приблизительно 2,4% для Nd:YAG лазера).

Таким образом, для решения проблемы получения лазерного устройства, позволяющего обеспечить возбуждение источника интенсивного EUV излучения, соответствующего требованиям промышленности полупроводников, авторы документа [5], а также авторы документов [6] и [7] генерировали как можно более близкие к идеальным импульсы с очень низкой мощностью, и затем умножали количество усилителей, концентрируя все усилия на поиски средства ограничения потерь на деполяризацию в этих усилители.

Этот способ приводит к получению сложных и дорогих устройств с низкой эффективностью использования энергии. Кроме того, в устройствах, описанных в документах [5] и [7], основные элементы были установлены последовательно. Таким образом, любой отказ одного из этих элементов влияет на все устройство.

Другой способ был предложен в следующем документе:

[8] Compact 300-W diode-pumped oscillator with 500 kW pulse peak power and external frequency doubling, Oliver Melh et al., OSA trends in Optics and Photonics (TOPS), Vol.56, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2001), May 6-11 2001, Technical Digest, pp.421-422.

В этом документе описан Nd:YAG лазер, содержащий два Nd:YAG стержня, устройство поворота плоскости поляризации, установленное между этими стержнями, два акустооптических модулятора, по одному с каждой стороны этих двух стержней и рассеивающие линзы между каждым модулятором и соответствующим стержнем, причем все эти элементы установлены в пределах оптического резонатора.

Средняя мощность на выходе оптического резонатора составляет 260 Вт при частоте повторения 10 кГц.

Однако вариант выполнения, описанный в этом документе, игнорирует важную проблему, связанную с устройствами включения светового импульса (модулятора добротности лазера (Q-switching)), в частности, акустооптическими модуляторами добротности, используемыми в лазере, описанном в этом документе; проблема состоит в том, что их работа зависит от степени расхождения лазерного луча.

Акустооптические триггеры (модуляторы добротности), по существу, содержат акустооптический кристалл и устройство управления, и работают следующим образом.

При поступлении электрического сигнала, устройство управления излучает волну возбуждения на радиочастоте, передавая ее в кристалл, которая формирует брэгговскую решетку в этом кристалле. В условиях отсутствия возбуждения, кристалл пропускает падающие лучи, которые при номинальных рабочих условиях не падают по нормали на входную фаску кристалла, а образуют с ней брэгговский угол.

Когда управление активизировано, радиоволна генерирует брэгговскую решетку, которая отклоняет падающие лучи света; при этом угол отклонения достаточен для того, чтобы эти лучи вышли из оптического резонатора, что соответствует отключению луча лазера.

Когда световые лучи падают на входную фаску кристалла под углом, не равным брэгговскому углу, они, соответственно, больше не будут отклоняться, в частности, если они сдвигаются на угол, близкий к предельному или критическому углу, или больший, чем этот предельный угол.

Значение этого предельного угла фактически совпадает со значением угла между направлениями лучей первого и второго порядка, преломляемых брэгговской решеткой, сформированной в этом кристалле при возбуждении (обычно приблизительно 4 мрад).

Лучи с углом падения, близким к этому значению, не будут правильно прерываться при возбуждении кристалла. Лучи, для которых угол падения превышает это значение, соответственно, больше не будут отклоняться соответствующим образом, но они также возвращаются в направлении центральной части оптического резонатора, так как их угол падения находится в пределах приемлемых углов этого объемного резонатора.

Это приводит к тому, что объемный резонатор будет излучать в нежелательном режиме, при котором происходит излучение некоторой непрерывной мощности света лазера. Работа устройства становится неуправляемой, и при таком непрерывном излучении лазера преобладают импульсы с неустойчивой амплитудой и взаимно наложенной длительностью на выходе резонатора.

При одинаковом значении расхождения луча неустойчивость повышается при увеличении мощности импульса, требуемой от объемного резонатора.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение проблем, связанных с использованием структур МОРА в вариантах выполнения, описанных в документах [5]-[7], и проблем, связанных со структурами, в которых используется генератор с большой выходной мощностью, но на стабильность которого влияют ограничениями акустооптических триггеров (модуляторов добротности лазера), как в варианте выполнения, описанном в документе [8].

Настоящее изобретение предназначено для решения этих проблем с использованием оптического резонатора с высокой пиковой мощностью и высокой частотой повторения, получаемого путем соединения этого объемного резонатора с другими идентичными объемными резонаторами для формирования лазерного устройства, позволяющего получить более высокое значение пиковой мощности, чем возможно с помощью устройств, раскрытых в документах [5]-[8], и которое при этом является менее сложным, менее дорогостоящим и имеет более высокую надежность работы.

Следует также отметить, что лазерные устройства, раскрытые в документе [5], разработаны для формирования коротких импульсов продолжительностью от 5 не до 20 нс, которые специалисты в данной области техники рассматривают как предпочтительные для получения плазмы с высоким уровнем эмиссии.

В частности, целью настоящего изобретения является оптический резонатор с твердотельной средой усиления, причем импульсный режим работы и накачку этого оптического резонатора обеспечивают с использованием непрерывно работающих диодов, и отличающийся тем, что содержит:

- по меньшей мере, два лазерных стержня,

- по меньшей мере, одно средство включения световых импульсов, причем это средство включения установлено в части резонатора, в которой лазерный луч, генерируемый резонатором, имеет наименьшую степень расхождения, и

- два зеркала, которые ограничивают этот резонатор, одно из которых имеет высокую отражательную способность, и другое выполнено частично отражающим.

В самом простом случае резонатора с двумя лазерными стержнями, часть резонатора, в который луч лазера имеет наименьшее расхождение, расположена между этими двумя стержнями.

С другой стороны, части резонатора, расположенные за пределами стержней, между одним из стержней и одним из зеркал резонатора, являются частями, в которых луч имеет набольшее расхождение.

В варианте выполнения, описанном в документе [8], в этих частях расположено средство включения светового импульса, что делает его подверженным недостаткам при работе, описанным для предшествующего уровня техники.

Если лазерные стержни изготовлены из изотропного материала, такого как Nd:YAG или Yb:YAG, в устройство необходимо добавить средство поворота плоскости поляризации, установленное на пути луча в каждом из промежутков, сформированных двумя последовательно установленными стержнями, причем такой поворот плоскости поляризации, предпочтительно, выполняют на 90° для получения качества луча, установленного для промышленности микролитографии.

Предпочтительно, незначительную сходимость, получаемую в некоторых лазерных стержнях, и в частности в Nd:YAG лазерах, исправляют путем размещения линзы с эффектом, противоположным сходимости, на пути луча в середине каждого интервала между двумя соседними стержнями.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, лазерный материал, из которого изготовлены стержни лазера, выбирают из группы, включающей: Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YALO, Yb:YAG, Nd:ScO₃ и Yb:Y₂O₃.

Предпочтительно, резонатор в соответствии с настоящим изобретением содержит два стержня, изготовленные из, по существу, идентичного лазерного материала, средство поворота плоскости поляризации, установленное в резонаторе между этими двумя стержнями, и два средства включения импульсов, помещенные между этими двумя стержнями с каждой стороны средства поворота плоскости поляризации.

Предпочтительно, средство включения импульсов представляет собой средство акустооптического типа.

В соответствии с одним вариантом выполнения оптический резонатор, в соответствии с настоящим изобретением может быть соединен с одним или несколькими лазерными усилителями с одним проходом, накачка которых обеспечивается с помощью диодов, причем стержень для каждого усилителя активируют по всей его длине на уровне или выше уровня плотности потока энергии насыщения материала стержня.

Предпочтительно, значение плотности потока энергии равно, по меньшей мере, трехкратному значению плотности потока энергии насыщения материала.

Функционально, оптический резонатор отличается способностью получения стабильной выходной мощности с высоким значением плотности потока энергии без необходимости получения сходящегося луча. Он позволяет поддерживать параллельность этого луча и достигать или превышать такое значение плотности потока энергии насыщения по всей длине стержня.

В предпочтительном варианте применения, который будет подробно описан ниже, значение плотности потока энергии равно приблизительно десятикратному значению плотности потока энергии насыщения материала.

Настоящее изобретение также относится к соединению, по меньшей мере, трех оптических резонаторов такого типа, как описан выше, установленных параллельно, но в которых генерируемые ими лучи направлены на одну цель.

Лазерное устройство, получаемое при использовании такой комбинации объемных резонаторов, отличается тем, что содержит:

- по меньшей мере, три импульсных оптических резонатора с твердотельной средой усиления, причем эти резонаторы соответствуют оптическому резонатору в соответствии с настоящим изобретением, и

- средство передачи этих световых импульсов, по существу, в одно место на цели и, по существу, в один и тот же момент времени в этом месте,

и что устройство также содержит средство управления импульсными оптическими резонаторами, причем это средство управления выполнено так, что все импульсы попадают в цель, фактически, в заданный момент времени с точностью лучше чем 5 нс и, предпочтительно, лучше чем 1 нс.

В соответствии с одним вариантом выполнения, оптические резонаторы соединены с одним или несколькими усилителями с одним проходом.

В соответствии с конкретным вариантом выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, средство включения для каждого импульсного оптического резонатора содержит два триггера (модулятора добротности лазера), установленные в этом резонаторе с каждой стороны средства поворота плоскости поляризации, между этим средством и стержнями, изготовленными из лазерного материала.

В соответствии с одним конкретным вариантом выполнения настоящего изобретения, средство передачи световых импульсов содержит средство передачи этих световых импульсов на цель по одному пути.

В соответствии с одним конкретным вариантом выполнения настоящего изобретения, это устройство в соответствии с настоящим изобретением также содержит средство изменения пространственного распределения светового импульса, получаемого в результате сложения световых импульсов, поступающих с выхода оптических резонаторов.

В соответствии с другим конкретным вариантом выполнения, средство управления оптическими резонаторами также позволяет изменять распределение времени светового импульса, получаемого в результате сложения световых импульсов, поступающих от оптических резонаторов для получения составных импульсов.

В соответствии с одним конкретным вариантом выполнения настоящего изобретения, профиль каждого составного импульса включает первый импульс воспламенения плазмы, которая образуется в результате взаимодействия световых импульсов с целью, временной интервал, в течение которого световая энергия, подаваемая на выход лазера, минимальна в течение роста плазмы, и затем второй импульс, составленный из нескольких элементарных импульсов, в соответствии с последовательностью, которая зависит от роста плазмы.

При получении составных импульсов устройство в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, позволяет посылать на цель первый луч с высокой степенью фокусирования и затем передавать на цель остальную часть энергии света с более широкой фокусировкой.

Цель, на которую направляют световые импульсы, испускаемые оптическими резонаторами устройства в соответствии с настоящим изобретением, может быть разработана для генерирования света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне в результате взаимодействия с этими световыми импульсами.

Однако настоящее изобретение не ограничено получением EUV излучения. Его можно применять в любой области техники, в которой требуются использовать лучи лазера с высокой пиковой мощностью, направленные на цель.

В настоящем изобретении используется пространственная суперпозиция, и в конкретном варианте выполнения используется временная последовательность.

"Пространственная суперпозиция" означает взаимное наложение множества лазерных лучей, по существу, в одном месте на цели и, по существу, в один момент времени.

"По существу, в один момент времени" означает, что разница во времени между различными элементарными импульсами, передаваемыми различными оптическими резонаторами в лазерном устройстве, мала по сравнению с периодом повторения этих оптических резонаторов. Такое взаимное наложение позволяет умножить энергию в импульсе и пиковую мощность.

Как будет показано ниже, может быть обеспечена гибкость применения при взаимном наложении лазерных лучей практически в одном месте и почти в одно время. Эта гибкость применения позволяет адаптировать получаемый луч лазера к требованиям плазмы.

В настоящем изобретении важно учитывать пункты (а)-(с), описанные ниже.

а) Пространственная суперпозиция

Пространственная суперпозиция увеличивает пиковую мощность и обеспечивает свободу модификации пространственного распределения светового импульса, получаемого в результате сложения элементарных световых импульсов, излучаемых оптическими резонаторами.

Например, использование одного светового импульса в большей степени сфокусированного, чем другие, как предложено в одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, позволяет получить большую локальную освещенность, как схематически показано на фиг.1 и 2, на которых для упрощения изображения представлены только два луча.

Первый луч света F1 и второй луч света F2 показаны в виде в сечении на фиг.1, в плоскости, определенной двумя перпендикулярными осями Ох и Oy, причем ось Oy является общей для этих двух лучей.

Эти два луча имеют приблизительно одинаковую симметрию вращения вокруг оси Oy и сфокусированы близко к точке О, по существу, в плоскости наблюдения, определенной осью Oy и осью, перпендикулярной к осям Ох и Oy, и которая проходит через точку О.

Степень фокусирования этих двух лучей различна, первый луч F1 более сильно сфокусирован, чем второй луч F2.

На фиг.2 показано изменение освещенности I в плоскости наблюдения, как функция значения абсциссы х по оси Ох.

Если луч F1 сфокусирован в пять раз сильнее, чем луч F2, освещенность, образуемая этим лучом F1 на оси Oy будет в двадцать пять раз выше, чем освещенность, образуемая лучом F1 в случае, когда эти два луча имеют одинаковую мощность. Следует, однако, отметить, что в настоящем изобретении можно использовать лучи с одинаковой мощностью или, с другой стороны, лучи могут иметь различные значения мощности или сильно различающиеся значения мощности.

При таком "пространственном взаимном наложении" нескольких лучей на одной цели в один момент времени обеспечивается возможность смещения по времени импульсов каждого элементарного оптического резонатора в меньшем масштабе времени.

b) Установление временной последовательности различных лазерных импульсов ("составные" импульсы)

Могут быть сформированы пакеты импульсов, в которых смещение по времени между двумя импульсами двух элементарных оптических резонаторов очень мало, по сравнению с периодом повторения между двумя пакетами импульсов. Пакеты импульсов такого типа можно рассматривать как составные импульсы.

Также может быть сформирован предварительный импульс с использованием смещения по времени световых импульсов.

Дополнительная информация об этом предмете приведена в следующем документе, в котором указана возможность создания заполненного предварительного импульса для воспламенения плазмы:

[9] Статья М.Berglund et al., Ultraviolet prepulse for enhanced X-ray emission and brightness from droplet-target laser plasma. Applied Physics Letters, vol.69, 1996, page 1683.

В настоящем изобретении, предпочтительно, используют временную последовательность различных лазерных импульсов.

Например, его можно использовать для получения последовательности, описанной ниже.

Первый импульс, сильно сфокусированный на цели (например, импульс луча F1 по фиг.1), воспламеняет плазму, и затем, по мере роста плазмы, на цель воздействуют минимальной или нулевой освещенностью, и когда плазма достигает диаметра луча F2, к цели прикладывают максимальную световую мощность. Кроме того, энергия первого импульса, предпочтительно, меньше чем энергия остальной части составного импульса, как показано на фиг.3.

На фиг.3 амплитуда А световых импульсов показана как функция времени t. Здесь представлен пример составного импульса II. Такой составной импульс содержит предварительный импульс 12, после которого следует первый набор одновременных элементарных импульсов 13, отделенный от предварительного импульса временем Т, необходимым для роста плазмы, и затем, после первого набора, следует второй набор элементарных одновременных импульсов 14.

с) Использование непрерывно работающих диодов для накачки лазерного материала

Если оптический резонатор на основе материала YAG, легированного неодимом, используют с непрерывной накачкой, период существования верхнего уровня оптического резонатора, который близок к значению 250 микросекунд, заставляет работать с частотой выше 5 кГц, чтобы действительно извлекать накопленную световую энергию.

В отличие от предшествующего уровня техники настоящее изобретение можно использовать для получения высоких значений пиковой мощности путем соединения неблагоприятной точки для этой пиковой мощности (точки с) и благоприятной точки (точки а) с весовым коэффициентом, который становится больше, по мере увеличения количества элементарных оптических резонаторов.

Точка (b) представляет собой просто одну из возможностей наилучшей адаптации настоящего изобретения к вариантам его применения.

Для применения в микролитографии такая возможность позволяет обеспечить оптимизированное поведение EUV источника с накачкой от лазерного устройства, соответствующее другим требованиям плазмы.

Однако, в современном уровне техники считается предпочтительным обеспечить приход всех импульсов практически в один момент времени, в пределах 5 нс, или еще лучше, в пределах 1 нс.

В настоящем изобретении все точки (а), (b) и (с) можно использовать одновременно, и такая комбинация благоприятных и неблагоприятных точек для получения высоких значений пиковой мощности противоречит предшествующему уровню техники.

Преимущества настоящего изобретения, помимо генерирования импульсов лазера с большой мощностью и высокой скоростью повторения, описаны ниже.

Стоимость диодов при одинаковом среднем уровне мощности значительно ниже в случае, когда эти диоды работают непрерывно.

Кроме того, лазерное устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнено намного более простым, чем лазерное устройство в соответствии с предшествующим уровнем техники, поскольку это устройство может работать без последовательно установленных усилителей.

Эксплуатация и техническое обслуживание такого лазерного устройства являются менее дорогостоящими из-за малого количества используемых оптических компонентов.

При этом обеспечивается большая гибкость использования вследствие того, что несколько генераторов установлены параллельно.

Увеличение количества оптических резонаторов также делает устройство в соответствии с настоящим изобретением, менее чувствительным к случайностям, влияющим на мгновенные рабочие характеристики каждого оптического резонатора.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятно после чтения следующего описания примеров вариантов его выполнения, которые приведены исключительно для информации и никоим образом не является ограничительными, со ссылкой на приложенные чертежи на которых:

- на фиг.1 и 2 схематично поясняется использование двух лазерных лучей, сфокусированных по-разному для получения высокой локальной освещенности, как было описано выше,

- на фиг.3 схематично представлен пример составного светового импульса, который можно использовать в настоящем изобретении, как было описано выше,

- на фиг.4 схематично представлена комбинация из нескольких оптических резонаторов в соответствии с настоящим изобретением, предназначенная для создания устройства возбуждения источника света, работающего в крайнем ультрафиолетовом диапазоне,

- на фиг.5 схематично представлен конкретный вариант выполнения оптического резонатора в соответствии с настоящим изобретением, и

- на фиг.6 и 7 схематично показаны части других примеров настоящего изобретения, обеспечивающих пространственное мультиплексирование элементарных лазерных лучей, генерируемых по-отдельности, с использованием нескольких оптических резонаторов.

Осуществление изобретения

Оптический резонатор в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг.5 и будет более подробно описан позже. После него может быть установлен один или несколько усилителей с одним проходом.

Комбинация из нескольких импульсных оптических резонаторов в соответствии с настоящим изобретением, предназначенная для создания устройства возбуждения источника света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, схематично показана на фиг.4.

Устройство по фиг.4 содержит больше трех импульсных оптических резонаторов, которые также называются импульсными лазерами, например десять, но только три из них показаны на фиг.4, на которой они обозначены номерами 1, 4 и 6 ссылки, соответственно.

Эти импульсные оптические резонаторы 2, 4 и 6 генерируют лучи 8, 10 и 12 света (более точно, световые импульсы) и передают их через множество зеркал 14 приблизительно в одну точку Р на цели 16, которые поступают в эту точку Р приблизительно в один момент времени.

На чертеже также показано средство 18 управления лазером, которое обеспечивает формирование лазерных импульсов.

На фиг.4 также представлено средство 20, 22 и 24 фокусирования, которое выполнено, например, на основе ахроматических двухлинзовых объективов, предназначенных для фокусирования лучей 8, 10 и 12 света, соответственно, в точке Р цели 16.

В рассматриваемом примере лазеры и цель выбирают так, чтобы получить на выходе EUV излучение 26, образующееся в результате взаимодействия лучей света с этой целью.

Для обеспечения этого цель содержит, например, агрегатную струю 28 (например, ксенона), выходящую через сопло 30.

Такое EUV излучение 26 можно, например, использовать для микролитографии интегральной схемы 32. Блоком 34 на фиг.4 символически обозначены различные оптические средства, используемые для придания формы EUV излучению прежде, чем оно попадет на интегральную схему 32.

Лазеры 2, 4 и 6 выполнены идентичными или практически идентичными и позволяют генерировать световые импульсы.

Каждый лазер содержит две структуры 36а и 36b накачки с низкими значениями аберрации и двойного лучепреломления.

Структура 36а содержит лазерный стержень 38а, накачку которого выполняют с использованием множества лазерных диодов 40а, и структура 36b содержит лазерный стержень 38b, накачку которого выполняют с использованием множества лазерных диодов 40b, работающих непрерывно.

Для проведения экспериментов выбрали материал Nd:YAG, плотность потока энергии насыщения которого составляет 200 мДж/см²;

Однако, предпочтительно, можно выбрать другой лазер для генерирования первого импульса, называемого предварительным импульсом.

Каждый оптический резонатор непосредственно генерирует мощность 300 Вт с частотой повторения 10 кГц, с соответствующим качеством луча для обеспечения мультиплексирования, при этом длительность импульса составляет 50 нс, и его энергия -300 мДж. Плотность потока энергии луча на выходе объемного резонатора составляет 2,3 Дж/см², что практически в десять раз превышает плотность потока энергии насыщения материала Nd:YAG.

Фокусирование луча, генерируемого каждым лазером 2, 4 и 6, на области диаметром 50 мкм цели в этом случае позволяет получить пиковую мощность от 3×10¹⁰ Вт/см² до 6×10¹⁰ Вт/см².

Значение 5×10¹¹ Вт/см² представляет собой типичное целевое значение, которое требуется обеспечить для получения достаточного уровня эмиссии на цели, построенной на основе жидкого ксенона.

Поэтому это требуемое значение получают путем объединения десяти лазеров с указанными выше характеристиками.

Для лазеров 2, 4 и 6, показанных для примера на фиг.4, не используется какой-либо усилитель света.

Однако можно добавить такой усилитель или даже несколько таких усилителей после каждого оптического резонатора, если потребуется регулировать пиковую мощность до оптимального уровня, определяемого опытным путем.

Учитывая особенности оптического резонатора в соответствии с настоящим изобретением, эти усилители могли бы работать с относительно низким усилием, но с оптимальным выделением энергии, накопленной в стержне этого усилителя, с учетом плотности потока энергии, приблизительно в 10 раз превышающей плотность потока энергии насыщения материала этого стержня.

На фиг.5 схематично показан импульсный оптический резонатор в соответствии с настоящим изобретением. Он построен аналогично любому из резонаторов 2, 4 и 6 и, таким образом, содержит структуры 36а и 36b и зеркала 42 и 44, устройство 46 поворота плоскости поляризации и/или линзу 46а, и средство включения импульсов 50 и 52, которое будет описано ниже.

В еще одном варианте выполнения усилитель 36с света установлен на выходе этого оптического резонатора. Этот усилитель 36с содержит лазерный стержень 38с с одним проходом, накачка которого осуществляется с помощью множества лазерных диодов 40с, работающих непрерывно.

Управление этим усилителем 36с выполняют с использованием средства 18 управления. Этот усилитель, по существу, идентичен структурам 36а и 36b, и его лазерный стержень 38с, предпочтительно, изготовлен из того же лазерного материала, что и лазерные стержни 38а и 38b.

Этот лазерный материал выбирают из Nd:YAG (предпочтительный материал), Nd:YLF, Nd:YALO, Yb:YAG, Nd:ScO₃ и Yb:Y₂О₃.

Как показано на фиг.4, каждый оптический резонатор ограничен с использованием первого зеркала 42 с высокой отражающей способностью (коэффициент R отражения равен 100%, например, на длине волны 1064 нм) и второго зеркала 44 с частичным отражением (R порядка 70%-80%), что позволяет проходить через него лучу света, сгенерированному этим оптическим резонатором.

Зеркала, предпочтительно, выполнены изогнутыми, и их радиус кривизны рассчитан так, чтобы степень расхождения луча была небольшой, и так, чтобы параметр М² был приблизительно равен 10.

Кроме того, длину объемного резонатора выбирают как функцию продолжительности импульсов.

Вместо двух искривленных зеркал могут быть установлены два набора, каждый из которых содержит рассеивающую линзу и плоское зеркало.

Предпочтительно, в каждом из лазеров 2, 4 и 6 используют идентичные структуры накачки для компенсации различных возможных тепловых эффектов. Но в этом случае лучше использовать устройство 46 поворота поляризации на 90°, установленное в любом месте между двумя лазерными стержнями 38а и 38b.

Вместо устройства 46 поворота можно использовать линзу 46а с незначительной степенью рассеяния, установленную точно посередине между этими двумя стержнями.

В качестве одного варианта можно использовать такую линзу в описанной компоновке и устройство 46 поворота, при этом устройство поворота остается установленным между двумя стержнями рядом с линзой.

Диаметр таких лазерных стержней составляет от 3 мм до 6 мм.

В экспериментах настоящего изобретения использовали стержни диаметром 4 мм, изготовленные из Nd:YAG, легированного на уровне 1.1%.

Кроме того, в примере, показанном на фиг.4, накачу каждого Nd:YAG стержня выполняли с использованием 40 лазерных диодов, причем каждый из этих диодов, имел мощность 30 Вт и излучал на длине волны 808 нм.

Накачку каждого стержня, предпочтительно, выполняли однородно для минимизации сферической аберрации.

Для обеспечения импульсного режима работы каждого лазера в объемном резонаторе на пути луча установлено акустооптическое средство включения импульса, расположенное в месте наименьшего расхождения луча, другими словами между каждым из стержней и устройством поворота поляризации для обеспечения возможности включения этих импульсов в высокой частотой повторения.

В каждом из этих акустооптических средств включения или модуляторов добротности используют кристалл кварца, работающий в режиме компрессии с мощностью радиочастоты 90 Вт на частоте 27 МГц, причем эту мощность прикладывали к кристаллу с использованием 4 мм преобразователя.

В примере, показанном на фиг.4, использовали два акустооптических дефлектора 50 и 52 такого типа, как определены выше, и управление ими выполняли с использованием средства 18 управления, расположенного в пространстве, ограниченном лазерными стержнями 38а и 38b, с каждой стороны устройства 46 поворота плоскости поляризации.

Эти два акустооптических дефлектора 50 и 52 использовали для блокирования объемного резонатора с коэффициентом усиления, соответствующим средней мощности, указанной выше.

Средство 18 управления включает в работу EUV источник для адаптации его характеристик потребностям микролитографии. Если применимо, оно определяет степень одновременности поступления световых импульсов лазеров 2, 4 и 6 на цель.

Если оптические пути имеют существенно разную длину, средство 18 управления, в частности, позволяет компенсировать эти различия и управляет включением всех акустооптических дефлекторов, установленных в устройстве по фиг.4 так, что обеспечивается синхронизм световых импульсов.

Средство 18 управления содержит:

- средство (не показано) генерирования токов 40а и 40b (и возможно 40с) питания диодов накачки лазера, и

- средство (не показано) генерирования токов модулированной радиочастоты для управления каждой парой акустооптических дефлекторов 50 и 52 практически синхронно, причем смещение между этими дефлекторами, предпочтительно, составляет меньше 1 нс.

Кроме того, это средство 18 управления предназначено для управления лазерами 2, 4 и 6 в функции сигналов измерения излучения плазмы (генерируемого при взаимодействии лазерных лучей с целью 16), передаваемых с использованием одного или нескольких соответствующих датчиков, таких как датчик 54, например, в виде одного или нескольких быстродействующих кремниевых фотодиодов со спектральной фильтрацией; для EUV излучения такая фильтрация может быть получена с помощью циркониевого и кремний-молибденового многослойного зеркала, возможно сдвоенного; если требуется наблюдать скорость роста плазмы, необходимо либо модифицировать эту фильтрацию, или должны быть добавлены один или несколько других быстродействующих фотодиодов с фильтрацией, близкой к видимому спектру.

Средство управления 18 также установлено для управления лазерами 2, 4 и 6 в функции от:

- сигналов измерения энергии световых импульсов от лазеров 2, 4 и 6, которые получают с использованием, соответствующих датчиков 56, 58 и 60, соответственно, например, на основе быстродействующих кремниевых фотодиодов со средством интегрирования, и

- сигналов измерения временной зависимости формы световых импульсов лазеров 2, 4 и 6, причем эти сигналы формируются с использованием трех соответствующих датчиков 62, 64 и 66, соответственно, например, на основе быстродействующих кремниевых фотодиодов, в качестве которых можно использовать те же датчики 56, 58 и 60, за исключением того, что сигнал в этом случае снимают на входной стороне средства интегрирования.

Следует отметить, что оптическое средство, составленное из отклоняющих зеркал 14 и ахроматических фокусирующих двухлинзовых объективов 20, 22 и 24, выбирают так, чтобы обеспечить пространственное взаимное наложение с флуктуацией положения меньшей, чем малое процентное значение, например порядка от 1% до 10% диаметра пятна фокусирования (точки Р).

Лазерное устройство по фиг.4 также содержит средство, предназначенное для модификации пространственного распределения импульса, получаемого путем сложения световых импульсов, излучаемых лазерами 2, 4 и 6 соответственно. Это средство, символически обозначенное стрелками 74, 76 и 78, может быть, например, предназначено для смещения ахроматических двухлинзовых объективов 20, 22 и 24 для изменения размеров пятна фокусирования каждого из этих двухлинзовых объективов, соответственно.

Средство 18 управления может быть предназначено для сдвига световых импульсов, излучаемых лазерами 2, 4 и 6 по отношению друг к другу по времени, путем соответствующего смещения моментов включения лазеров по отношению друг к другу.

Следует отметить, что лазерное устройство, показанное на фиг.4, является неполяризованным, в отличие от других известных лазерных устройств, например, описанных в документе [5].

При использовании лазеров на основе Nd:YAG трудно поддерживать поляризацию, что делает их устройство более сложным. Однако благодаря использованию модульной конструкции в соответствии с настоящим изобретением со средством пространственного мультиплексирования, поляризация лазерного устройства становится не существенной.

Если требуется обеспечить более высокую частоту повторения, которая больше или равна 10 кГц, предпочтительно не использовать варианты с временным мультиплексированием. Импульсы, полученные с использованием N лазеров (например, N=10), при этом попадают на цель точно в один момент времени.

Один другой вариант выполнения настоящего изобретения схематично и частично показан на фиг.6. В этом другом варианте выполнения пространственное мультиплексирование лазерных лучей 8, 10 и 12 выполняют прежде, чем они будут сфокусированы на цели Р.

Это достигается путем замены последних двух зеркал 14 (показанных в верхней части на фиг.4), которые установлены для лучей 10 и 12, двумя просверленными зеркалами 80 и 82, совмещенными с последним зеркалом 14 (верхняя часть фиг.4), установленным для луча 8.

При этом просверленное зеркало 80 пропускает часть луча 8 к цели и отражает часть луча 10 к цели. Средство 84 прерывания луча установлено для прерывания остальной части луча 10 (не отраженной в направлении к цели).

Аналогично, просверленное зеркало 82, отверстие в котором больше, чем отверстие в зеркале 80, пропускает части лучей 8 и 10 к цели и отражает часть луча 12 к этой цели. Средство 86 прерывания луча установлено для прерывания остальной части луча 12 (не отраженной в направлении к цели).

Ахроматический фокусирующий двухлинзовый объектив 88 предназначен для фокусирования на цель лучей, поступающих от совмещенных зеркал 14, 80 и 82.

Другой вариант выполнения настоящего изобретения схематично и частично показан на фиг.7. В этом варианте просверленное зеркало 80 может быть заменено зеркалом 90 с резкой кромкой, предназначенным для отражения части луча 8 в направлении к цели. Средство 94 прерывания луча установлено для прерывания остальной части луча 10 (не отраженной в направлении к цели).

Просверленное зеркало 82 также может быть заменено другим зеркалом 92 с резкой кромкой, предназначенным для отражения части падающего луча 12 в направлении к цели, и пропускающим внешние части лучей 8 и 10 в направлении к этой цели. Средство 96 прерывания луча установлено для прерывания остальной части луча 12 (не отраженной в направлении к цели).

Ахроматические фокусирующие двухлинзовые объективы 20, 22, 24 и 88, предпочтительно, выполнены так, что минимизируется аберрация. Но они могут быть заменены изогнутыми зеркалами.

1. Оптический резонатор с твердотельной усилительной средой, причем импульсный режим работы и накачку оптического резонатора обеспечивают с использованием непрерывно работающих диодов, характеризующийся тем, что содержит:

по меньшей мере, два лазерных стержня,

по меньшей мере, одно средство для включения импульсов резонатора, причем указанное средство для включения импульсов резонатора установлено в части резонатора, в которой лазерный луч, генерируемый резонатором, имеет наименьшую степень расхождения, и

два зеркала, которые ограничивают резонатор, одно из которых имеет высокую отражательную способность и другое выполнено частично отражающим.

2. Оптический резонатор по п.1, в котором лазерные стержни изготовлены из изотропного материала, такого, как Nd:YAG или Yb:YAG, причем резонатор также содержит средство поворота плоскости поляризации, установленное на пути луча в каждом промежутке, сформированном двумя последовательно установленными стержнями, причем этот поворот предпочтительно составляет 90°.

3. Оптический резонатор по п.1, также содержащий предпочтительно рассеивающую линзу, установленную в середине каждого промежутка между двумя соседними стержнями.

4. Оптический резонатор по п.1, в котором лазерный материал, из которого изготовлены лазерные стержни, выбирают из группы, включающей Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YALO, Yb:YAG, Nd:ScO₃ и Yb:Y₂О₃.

5. Оптический резонатор по п.1, содержащий два стержня (38а, 38b), предпочтительно изготовленные, по существу, из идентичного лазерного материала, и средство поворота плоскости поляризации установлено в резонаторе между этими двумя стержнями.

6. Оптический резонатор по п.2, в котором средство для включения импульсов резонатора, установленное в резонаторе, содержит два модулятора добротности, расположенные в резонаторе, с каждой стороны от средства поворота плоскости поляризации, между средством поворота плоскости поляризации и лазерными стержнями.

7. Оптический резонатор по п.1, в котором средство (50, 52) для включения импульсов резонатора представляет собой средство акустооптического типа.

8. Оптический резонатор по п.1, соединенный с одним или несколькими усилителями с одним проходом.

9. Лазерное устройство, характеризующееся тем, что содержит:

по меньшей мере, три оптических резонатора (2, 4, 6) по п.1 и

средство (14) передачи световых импульсов, по существу, в одно место на цели (16) и, по существу, в один и тот же момент времени в этом месте,

устройство также содержит средство (18) управления оптическими резонаторами, причем средство управления оптическими резонаторами выполнено так, что все средства для включения импульсов резонатора, входящие в состав устройства, работают синхронно.

10. Устройство по п.9, содержащее, по меньшей мере, десять оптических резонаторов (2, 4, 6), установленных параллельно.

11. Устройство по п.9, в котором средство передачи световых импульсов содержит средство (80, 82, 90, 92) передачи световых импульсов на цель (16) по одному пути.

12. Устройство по п.9, также содержащее средство (74, 76, 78) модификации пространственного распределения светового импульса, получаемого в результате сложения световых импульсов, поступающих с выходов оптических резонаторов.

13. Устройство по п.9, в котором средство (18) управления оптическими резонаторами также позволяет модифицировать временное распределение светового импульса, получаемого в результате сложения световых импульсов, поступающих с выходов оптических резонаторов, для формирования составных импульсов.

14. Устройство по п.13, в котором профиль каждого составного импульса включает первый импульс воспламенения плазмы, которая образуется в результате взаимодействия световых импульсов с целью, временной интервал, в течение которого световая энергия, подаваемая на выход лазерного устройства, минимальна в течение роста плазмы, и затем второй импульс, составленный из нескольких элементарных импульсов в соответствии с последовательностью, которая зависит от роста плазмы.

15. Устройство по п.9, также содержащее средство (18) модификации частоты повторения световых импульсов, излучаемых оптическими резонаторами, или последовательности этих световых импульсов, излучаемых оптическими резонаторами.

16. Устройство по п.13, позволяющее посылать на цель первый луч (F1) с высокой степенью фокусирования и затем подводить к цели остальную часть энергии света с более широкой фокусировкой.

17. Устройство по п.9, в котором цель (16) предназначена для генерирования света в крайней ультрафиолетовой области в результате взаимодействия со световыми импульсами, излучаемыми оптическими резонаторами (2, 4, 6).