CN103001109A - 一种准分子激光器环形腔调节装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于准分子激光技术领域，提供了一种准分子激光器环形腔调节装置和方法。所述装置包括参考光源，用于产生校准所用参考光束；反射镜，小孔光阑和屏。所述方法尤其适用于环形腔调节参考光与准分子激光同轴方法。该方法以放电腔在两密封窗口外的荧光光斑中心为基准确定放电腔光轴位置，通过调整环形腔内两面反射镜来使参考光绕环形腔一周后与其刚进入耦合镜的二次反射光在近点与远点光斑重合，从而实现准分子激光器环形腔腔体的调整。本发明克服了传统方法的局限性，将环形腔的调节简化为腔外两光束重合的调节，调节精度高，不需要拆除密封窗口，不需要额外的测量仪器，操作简单。

Description

一种准分子激光器环形腔调节装置和方法

技术领域

本发明属于准分子激光技术领域，提供了一种准分子激光器环形腔调节装置和方法。

背景技术

ArF准分子激光器现在仍然是光刻机主要光源。随着光刻节点的不断减小，单腔结构的准分子激光器很难同时满足光刻对光源功率和线宽的要求。国外公司首先采用MOPA(Master oscillator power amplifier)技术来解决这个矛盾。但这种技术要求大能量的放电激励使MO(Master oscillator)腔的寿命明显偏低。另外，放大腔输出受MO和PA(power amplifier)同步抖动影响较大。Cymer公司开发了环形腔技术(Recirculating ring technology)来解决MOPA技术所带来的问题。改进的结构使得功率放大腔工作在更高的饱和状态，每个脉冲都在腔中得到了多程放大，从而减小了放电的不稳定性对输出的影响，脉冲能量稳定性提高了1.5倍。相比传统的双腔结构，种子能量的变化对输出能量变化的影响减小；主振荡腔所需要的能量大大减小，延长了主振荡腔与线宽压缩模块的寿命；脉冲宽度增加。

单独的脉冲气体激光器环形腔为外腔，一般由放电腔、2-3面反射镜和输入输出耦合镜构成。为了能使种子光注入后能够起振，需要对环形腔进行调整使光束在其中能实现闭合传输。在环形腔的调节上，一般先在两面激光放电腔密封窗口上放置准直窗口，调节参考光通过两准直窗口中心来确定准分子激光光轴位置，再拆除密封窗口以减少密封窗口对参考光衰减及反射造成的影响，调节两面反射镜使经环形腔传播的多程激光光斑在耦合镜上与初始光斑重合的方法来得到环形腔光轴与参考光光轴的重合。但对于准分子激光器环形腔，其放电区横截面积小，通过传统方法来确定光轴位置会造成很大误差。另一方面，准分子激光放电腔内包含卤素等强腐蚀性气体，密封窗口一般不随意拆卸，反射镜一般为多层介质膜，仅对特定的激光波长有高反射，窗口与反射镜均对参考光有较大损耗，参考光在环形腔内传播一周经耦合镜反射后基本找不到光束的位置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种准确度高，简单易行，适用于准分子激光器环形腔调节装置和方法。

本发明提供的一种准分子激光器环形腔调节装置，激光器环形腔包括放电腔、耦合镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其特征在于，该装置包括参考光源、第四反射镜、第五反射镜、小孔光阑和屏；

参考光源位于激光器环形腔的耦合镜的外侧，第四反射镜和第五反射镜均位于参考光源与所述耦合镜之间光路上，在参考光源所发射的参考光在耦合镜反射光所形成的光路上放置有所述小孔光阑和屏；调整第四反射镜、第五反射镜，以及第二反射镜和第三反射镜的位置使环形腔内各部件所形成的光路为闭合光路，且该闭合光路为矩形或平行四边形。

上述准分子激光器环形腔调节装置的调节方法，其过程为：

第1步在耦合镜外侧固定设置参考光源，并在二者之间设置可活动的第四反射镜和第五反射镜；

第2步放电腔光轴的确定：

第2.1步粗调：调节第四反射镜、第五反射镜的位置与角度，使参考光源发射的参考光经过第四反射镜、第五反射镜后，再依次经过耦合镜、第一密封窗口和放电腔和第二密封窗口，密封窗口靠近放电腔的面称之为内侧面，粗调使得参考光源发射的参考光基本上都能够经过第一密封窗口、第二密封窗口的内侧面的中心；

第2.2步细调：首先使放电腔处于连续放电状态，调节第四反射镜和第五反射镜，使得参考光与放电腔光轴重合，从而找到放电腔光轴位置；

第3步环形腔的调节：

设第一光束为参考光在耦合镜镀增透膜的面上的反射光，第二光束为参考光在耦合镜镀增反膜的面上的反射光；在耦合镜上侧放置小孔光阑，使其遮住参考光在耦合镜上的第一光束，刚好透过第二光束；以耦合镜为基准，放置第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，使参考光依次经耦合镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜再回到耦合镜所形成光路构成矩形或平行四边形。

本发明采用间接调节方法，将环形腔的调节简化为腔外两光束重合的调节，降低了参考光的损耗，克服了传统方法的局限性，调节过程中不需要装卸密封窗口，不需要额外的测量仪器，调节精度高，简化了操作步骤，操作简单。

附图说明

图1为本发明环形腔调整示意图。

图2为本发明调节参考光与放电腔光轴重合示意图。

图3为图1耦合镜部分的放大图。

图4为环形腔加反射镜后腔体结构图。

图5为环形腔放电实验所测出光波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面具体介绍准分子激光器环形腔的结构。

如图1所示，准分子激光器的环形腔包括放电腔7、耦合镜1、第一至第三反射镜4、5、6。

本发明提供的调节装置包括参考光源8、第四反射镜9、第五反射镜10、小孔光阑11和屏12，屏12应使用可以清晰观察两参考光斑的材料，如白纸。

参考光源8位于耦合镜1的外侧，第四反射镜9、第五反射镜10位于参考光源8与耦合镜1之间光路上，参考光源8所发射的参考光在耦合镜1反射光所形成的光路上放置所述小孔光阑11和屏12。通过调整第四反射镜9、第五反射镜10，以及第二至第三反射镜5、6，使环形腔内各部件所形成的光路为闭合光路，且该闭合光路为矩形或平行四边形。

利用上述调节装置进行调整的具体过程为：

(1)如图1所示，在耦合镜1外侧固定设置参考光源8，并在二者之间设置可活动的第四、第五反射镜9与10。

(2)放电腔光轴的确定：

(2.1)粗调：如图2所示，调节第四反射镜9、第五反射镜10的位置与角度，使参考光源8发射的参考光经过第四反射镜9、第五反射镜10后，再依次经过耦合镜1、第一密封窗口2、放电腔7和第二密封窗口3，密封窗口相对于放电腔有内侧面和外侧面，内侧面即靠近放电腔的面，粗调应使得参考光源8发射的参考光基本上都能够经过第一、第二密封窗口2、3的内侧面的中心。该中心通常只需肉眼判断，并不严格要求其几何中心。

(2.2)细调：

首先使放电腔7处于连续放电状态，将屏放于放电腔7与耦合镜1之间的位置13处，此时从密封窗口2侧能够观察到屏上的放电荧光光斑。

(a)将屏放于放电腔7与耦合镜1之间的位置13处，调节反射镜10使参考光在屏上的参考光光斑与荧光光斑中心重合。

(b)将屏移放于密封窗口另一外侧即位置14处观察参考光斑与荧光光斑重合情况，调节反射镜9使参考光斑与荧光光斑距离约为调节前两者距离的两倍；

(c)再将屏移放于放电腔7与耦合镜1之间的位置13处，调节反射镜10使参考光在屏上的参考光光斑与荧光光斑中心重合；

(d)判断参考光光斑与荧光光斑在第一密封窗口2、第二密封窗口3外位置14处是否中心重合，如果不重合，重复上述步骤(b)和(c)，否则，参考光与放电腔光轴重合，从而找到放电腔光轴位置。

(3)环形腔的调节：

如图3所示，光束16为参考光15在耦合镜1镀增透膜的面上的反射光，光束17为参考光在耦合镜1镀增反膜的面上的反射光。在耦合镜1上侧放置小孔光阑11，使其遮住参考光在耦合镜1上的光束16，刚好透过光束17。以耦合镜1的基准，放置准分子激光反射镜4、5、6，使参考光依次经耦合镜1、准分子激光反射镜4、5、6再回到耦合镜1所形成光路构成矩形或平行四边形。通常而言，所述平行四边形的四个角与90度误差在±2度内。

设小孔光阑11处为近点，远点在离光阑4-8米处，远点与近点光路距离可通过增加反射镜偏转光路得到，远点处设置屏12(如白纸)以观察光斑，远点与近点距离越大调节精度越高。其具体调节过程为：

(3.1)如图1-3所示，调节反射镜6，使参考光15经耦合镜1透射后光束18绕环形腔一周后的光束19透过耦合镜1后从小孔光阑11出射。

(3.2)观察屏12上光束19透射光与反射光17光斑偏移情况，调节反射镜5使两光斑的中心距离约为未调节前两光斑的中心距离的两倍。

(3.3)调节反射镜6，使参考光15经耦合镜1透射后光束18绕环形腔一周后的光束19透过耦合镜1后从小孔光阑11出射；

(3.4)判断透射光光斑与反射光光斑在屏12上是否中心重合，如果不重合，重复上述步骤(3.2)和(3.3)，否则，即认为参考光在环形腔内实现闭合传播。

实例：

所用参考光源为532nm单纵模全固态激光器，所用准分子激光器为ArF准分子激光器，所用反射镜9、10为镀金反射镜，所用反射镜4、5、6针对193nm激光45度入射角镀增反膜，所用耦合镜1靠近密封窗口一面镀增反膜，45度入射反射率为50％，另一面镀增透膜，45度入射透过率大于99％。参考光光斑直径为2-4mm，小孔光阑小孔直径为3-4mm，远点离小孔光阑8m。

由于参考光与准分子激光对人眼有伤害性，观察者需配带激光防护眼镜。

图4为加反射镜后环形腔示意图。由于损耗太大环形腔自身不能形成振荡，在耦合镜1外加一面反射镜20后可以形成振荡，输出波形即为经反射镜20反射激光在环形腔内多次振荡结果。图5为光电探测器21所测脉冲波形，可以看到有三个主脉冲，说明光至少可以在环形腔中传递三周，考虑到准分子激光器工作物质增益持续时间为二三十纳秒，环形腔总长度为2.5米，说明调节精度已能满足实验要求。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种准分子激光器环形腔调节装置，激光器环形腔包括放电腔(7)、耦合镜(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和第三反射镜(6)，其特征在于，该装置包括参考光源(8)、第四反射镜(9)、第五反射镜(10)、小孔光阑(11)和屏(12)；

参考光源(8)位于激光器环形腔的耦合镜(1)的外侧，第四反射镜(9)和第五反射镜(10)均位于参考光源(8)与所述耦合镜(1)之间光路上，在参考光源(8)所发射的参考光在耦合镜(1)反射光所形成的光路上放置有所述小孔光阑(11)和屏(12)；调整第四反射镜(9)、第五反射镜(10)，以及第二反射镜(5)和第三反射镜(6)的位置使环形腔内各部件所形成的光路为闭合光路，且该闭合光路为矩形或平行四边形。

2.一种权利要求1所述准分子激光器环形腔调节装置的调节方法，其过程为：

第1步在耦合镜(1)外侧固定设置参考光源(8)，并在二者之间设置可活动的第四反射镜(9)和第五反射镜(10)；

第2步放电腔光轴的确定：

第2.1步粗调：调节第四反射镜(9)、第五反射镜(10)的位置与角度，使参考光源(8)发射的参考光经过第四反射镜(9)、第五反射镜(10)后，再依次经过耦合镜(1)、第一密封窗口(2)和放电腔(7)和第二密封窗口(3)，密封窗口靠近放电腔的面称之为内侧面，粗调使得参考光源(8)发射的参考光基本上都能够经过第一密封窗口(2)、第二密封窗口(3)的内侧面的中心；

第2.2步细调：首先使放电腔(7)处于连续放电状态，调节第四反射镜(9)和第五反射镜(10)，使得参考光与放电腔光轴重合，从而找到放电腔光轴位置；

第3步环形腔的调节：

设第一光束(16)为参考光(15)在耦合镜(1)镀增透膜的面上的反射光，第二光束(17)为参考光在耦合镜(1)镀增反膜的面上的反射光；在耦合镜(1)上侧放置小孔光阑(11)，使其遮住参考光在耦合镜(1)上的第一光束(16)，刚好透过第二光束(17)；以耦合镜(1)为基准，放置第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和第三反射镜(6)，使参考光依次经耦合镜(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和第三反射镜(6)再回到耦合镜(1)所形成光路构成矩形或平行四边形。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第2.2步的细调过程具体为：

(a1)将屏(12)放于第一密封窗口(2)与耦合镜(1)之间的第一位置(13)处，调节第五反射镜(10)使参考光在屏(12)上的参考光光斑与荧光光斑中心重合；

(a2)将屏(12)移放于第二密封窗口(3)和第一反射镜(4)之间的第二位置(14)处观察参考光斑与荧光光斑重合情况，调节第四反射镜(9)使参考光斑与荧光光斑距离约为调节前两者距离的两倍；

(a3)再将屏(12)移放于放电腔(7)与耦合镜(1)之间的第一位置(13)处，调节第五反射镜(10)使参考光在屏(12)上的参考光光斑与荧光光斑中心重合；

(a4)判断参考光光斑与荧光光斑在第二位置(14)处是否中心重合，如果不重合，重复上述步骤(a2)和(a3)，否则，参考光与放电腔光轴重合，从而找到放电腔光轴位置。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，第3步中，设小孔光阑(11)处为近点，在远点处设置屏(12)以观察光斑，具体调节过程为：

(b1)调节第三反射镜(6)，使参考光(15)经耦合镜(1)透射后的第三光束(18)绕环形腔一周后的第四光束(19)透过耦合镜(1)后从小孔光阑(11)出射。

(b2)观察屏(12)上第四光束(19)透射光与第二光束(17)光斑偏移情况，调节反射镜(5)使两光斑的中心距离约为未调节前两光斑的中心距离的两倍；

(b3)调节第三反射镜(6)，使参考光(15)经耦合镜(1)透射后第三光束(18)绕环形腔一周后的第四光束(19)透过耦合镜(1)后从小孔光阑(11)出射；

(b4)判断透射光光斑与反射光光斑在屏(12)上是否中心重合，如果不重合，重复上述步骤(b2)和(b3)，否则，即认为参考光在环形腔内实现闭合传播。

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