CN102983485A - 窄线宽准分子激光器 - Google Patents

Abstract

一种窄线宽准分子激光器，由棱镜扩束系统、紫外光栅、紫外标准具、放电腔及耦合输出镜组成。准分子激光先经棱镜扩束系统和紫外光栅进行线宽压窄，输出的窄线宽激光经过谐振腔外垂直光路放置的紫外标准具，对其光谱进一步压窄。本发明涉及的窄线宽准分子激光器结构紧凑，装调简单，腔内损耗小增益高，因此可以同时获得窄线宽光谱和较高输出能量指标。

Description

窄线宽准分子激光器

技术领域

本发明涉及准分子激光器，特别是一种窄线宽准分子激光器，结构紧凑，装调简单，腔内损耗小增益高，可以同时获得窄线宽和较高的输出能量指标。

背景技术

窄线宽的准分子激光器是目前半导体光刻的主要激光光源。商业光刻机中的光谱线宽压窄主要是采用棱镜扩束系统和紫外光栅的组合模块。然而为获得窄线宽激光，往往需要使用多个棱镜，如在先技术[ZL200910052119.2]中的四个棱镜。光路复杂，装调困难而且大大降低了输出能量。另一方面，在先技术[T.J.Pacala,I.S.McDermid,J.B.Laudenslager.Ultranarrow linewidth,magnetically switched,long pulse,xenon chloride laser.Appl.Phys.Lett.44,658-660(1984)]中把紫外标准具放置在激光腔内可以获得很窄的线宽，但是由于激光束在紫外标准具内的多次反射，能量密度高，紫外标准具易被损伤，因此只适宜于低脉冲能量运转。

发明内容

本发明的目的在于公开一种窄线宽准分子激光器，该激光器具有结构紧凑，装调简单，腔内损耗小增益高，可以同时获得窄线宽和较高的输出能量指标。

本发明的技术解决方案如下：

一种窄线宽准分子激光器，其特点在于由棱镜扩束系统、紫外光栅、紫外标准具、放电腔和耦合输出镜组成，上述各部分的位置关系如下：

准分子激光在放电腔内受到激励，经棱镜扩束系统和紫外光栅进行线宽压窄，窄线宽激光在紫外光栅和输出耦合镜为腔镜的谐振腔内振荡放大后，从所述的输出耦合镜方向经垂直于光路放置的紫外标准具输出，所述的紫外光栅的激光入射角与其衍射角相同。

所述的棱镜扩束系统由二个或三个棱镜组成。

所述的棱镜扩束系统的棱镜材料为紫外融石英或者氟化钙，各个棱镜的入射角度为68°~74°。

所述的紫外光栅为中阶梯光栅，紫外光栅的衍射角为71°~82°。

本发明的技术效果如下：

同等线宽情况下，本窄线宽激光器中使用棱镜个数少于现有技术，谐振腔的腔长缩短，腔内损耗降低，从而提高了输出的窄线宽激光能量。棱镜个数减少也使得光路简单化，装调难度大大降低。通过放置在谐振腔外的紫外标准具对激光线宽进一步压缩，结构紧凑，调节简单且避免了紫外标准具放置在腔内而被损伤的风险。因此，本发明可以同时获得窄线宽和较高的输出能量指标。

附图说明

图1为窄线宽准分子激光器的结构原理图

图2为谐振腔外紫外标准具线宽压窄原理示意图

图3为谐振腔外加紫外标准具前后的激光光谱

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明的窄线宽准分子激光器的结构框图。由图可见，本发明窄线宽准分子激光器，由棱镜扩束系统1、紫外光栅2、紫外标准具3、放电腔4及耦合输出镜5组成，上述各部分的位置关系如下：

准分子激光在放电腔内4受到激励，经棱镜扩束系统1和紫外光栅2进行线宽压窄，窄线宽激光在紫外光栅2和输出耦合镜5之间进行振荡放大后，从输出耦合镜5输出。输出的窄线宽激光经过腔外垂直于光路放置的紫外标准具3输出，所述的紫外光栅2的激光入射角与其衍射角相同。

该激光器实现线宽压窄效果的原理如下：

在由多个棱镜与光栅相组合的线宽压窄系统中，输出激光的线宽的半高宽度(FWHM)可以由下式决定[参见US20020186741A1]：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FWHM}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{2M\tan {\mathrm{\α}}_B\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中：θ_div为光束水平方向的发散角，M为棱镜扩束系统1的扩束倍数，α_B为激光入射到光栅2的角度。N_R为脉冲在激光腔(包括线宽压窄模块)内的往返次数，λ为激光波长。

下面说明紫外标准具的线宽压窄原理：

激光通过标准具3时多光束干涉，在很宽的光谱范围内仅在某些特定的波长附近出现极大。其透过率曲线如图2所示。决定标准具线宽压缩的两个因素为：自由光谱范围(FSR)和有效精细度F_eff。其中F与标准具镀膜反射率、表面粗糙度、面平行度和衍射精细度F_eff有关。最终透过光谱的分辨率(线宽半高宽)

$\mathrm{FWHM}=\frac{\mathrm{FSR}}{F_{\mathrm{eff}}}---\left(2\right)$

从(2)式看来，有效精细度F_eff越高，光谱越窄。然而其透过率也会变差。

窄线宽激光的腔外放置合适参数的紫外标准具，可以将线宽进一步压窄。为了保证能量输出，F_eff需结合透过率要求选取，自由光谱范围FSR选取略大于E95光谱宽度(95%积分强度时光谱宽度)，使得初始光谱范围内只有一个透过峰。

下面详细说明光谱为0.3~0.4pm窄线宽激光器的一个实例。如果利用其他现有技术[ZL200910052119.2]获得这个线宽范围的窄线宽激光，通常需要用四个棱镜与紫外光栅组合使用。

该窄线宽激光器为氟化氩(ArF)激光器，由二个棱镜的棱镜扩束系统、紫外光栅、紫外标准具、放电腔与输出耦合镜组成。如图1所示的结构中，单个棱镜入射角度72度，扩束倍数以2.5计，两个棱镜扩束系统可以达到扩束倍数M=6.25，在利特罗光路结构下，紫外光栅的入射角α_B=79°，脉宽20ns情况下，N_R可取为3~4次。利用上述的公式(1)，对于发散角θ_div=1mrad的准分子激光器，两个棱镜加紫外光栅可以激光线宽(FWHM)压缩到1.0~1.5pm，E95光谱宽度(95%积分强度时光谱宽度)为2~4pm。如图3所示。

在腔外使用自由光谱范围FSR=3pm，有效精细度F=10的紫外标准具，193nm能量透过率T~30%。经过简单的光路调节，就可以获得线宽(FWHM)为0.3~0.4pm的窄线宽激光。

与上例同理，若棱镜扩束系统由三个棱镜组成，其他条件不变情况下，由于棱镜个数增加导致扩束倍数M增大，根据公式(1)可知线宽相应减小。则利用本发明中的技术可以得到线宽(FWHM)小于0.3pm的窄线宽激光。

Claims (4)

1.一种窄线宽准分子激光器，其特征在于该激光器由棱镜扩束系统（1）、紫外光栅（2）、紫外标准具（3）、放电腔(4)和耦合输出镜(5)组成，上述各部分的位置关系如下：

准分子激光在放电腔内(4)受到激励，经棱镜扩束系统(1)和紫外光栅(2)进行线宽压窄，窄线宽激光在紫外光栅(2)和输出耦合镜(5)为腔镜的谐振腔内振荡放大后，从所述的输出耦合镜(5)方向经垂直于光路放置的紫外标准具（3）输出，所述的紫外光栅(2)的激光入射角与其衍射角相同。

2.根据权利要求1所述的窄线宽准分子激光器，其特征在于所述的棱镜扩束系统(1)由二个或三个棱镜组成。

3.根据权利要求1所述的窄线宽准分子激光器，其特征在于所述的棱镜扩束系统(1)的棱镜材料为紫外融石英或者氟化钙，各个棱镜的入射角度为68°~74°。

4.根据权利要求1所述的窄线宽准分子激光器，其特征在于所述的紫外光栅(2)为中阶梯光栅，紫外光栅的衍射角为71°~82°。

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