CN106134019B - 用于减少激光的带宽的系统及方法及使用激光的检验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种DUV激光器，其包含光学带宽滤波装置，例如标准量具，所述光学带宽滤波装置安置于基波激光器的激光振荡器腔外部，且将一个波长范围引导到频率转换链的一部分中且将另一波长范围引导到所述频率转换链的另一部分中，从而减少DUV激光器输出的带宽，同时维持所述频率转换链中的高转换效率。

Description

用于减少激光的带宽的系统及方法及使用激光的检验系统及 方法
优先权申请案
本申请案主张2014年3月20日申请的标题为“用于减少激光的带宽的系统及方法及使用激光的检验系统及方法(A System and Method for Reducing the Bandwidth ofa Laser and an Inspection System and Method Using a Laser)”且以引用的方式并入本文中的第61/955,792号美国临时专利申请案的优先权。
相关申请案
本申请案与以下各者有关：2013年1月24日申请的标题为“使用OPO的193nm激光及使用193nm激光的检验系统(193nm Laser Using OPO and an Inspection System Usinga 193nm Laser)”的第61/756,209号美国临时专利申请案；2014年1月17日申请的标题为“193nm激光及检验系统(193nm Laser and Inspection System)”的第14/158,615号美国专利申请案；2013年3月12日申请的标题为“固态激光器及使用193nm激光的检验系统(Solid-State Laser and Inspection System Using 193nm Laser)”的第13/797,939号美国专利申请案；2013年2月13日申请的标题为“193nm激光及使用193nm激光的检验系统(193nm Laser and an Inspection System Using a 193nm Laser)”的第61/764,441号美国临时专利申请案；2014年1月31日申请的标题为“193nm激光及检验系统(193nm Laserand Inspection System)”的第14/170,384号美国专利申请案；2012年12月5日申请的标题为“使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统(Semiconductor Inspection andMetrology System Using Laser Pulse Multiplier)”的第61/733,858号美国临时专利申请案；及2012年12月11日申请的标题为“使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统(Semiconductor Inspection and Metrology System Using Laser Pulse Multiplier)”的第13/711,593号美国专利申请案。这些相关申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案涉及适于产生深UV(DUV)及真空UV(VUV)波长的辐射的激光器，且涉及用于产生DUV及VUV波长的激光器光的方法。特定来说，本申请案涉及用于减少及控制DUV及VUV激光器的光谱带宽的系统及方法。本文中描述的激光器尤其适用于检验系统中，包含用于检验光掩模、分划板及半导体晶片的检验系统。
背景技术
集成电路工业需要具有越来越高的灵敏度的检验工具来检测日益变小的缺陷及其大小可为100nm或更小的颗粒。此外，这些检验工具必须高速操作以在较短时间周期(例如，一小时或更少)内检验光掩模、分划板或晶片的大部分区域或甚至100％的区域。
一般来说，与较长波长相比，例如DUV及VUV波长的短波长对于检测小缺陷具有更高灵敏度。光掩模或分划板的检验优选使用与在从所述光掩模或分划板印刷时使用的光刻相同的波长来完成。目前，将大体上193.4nm的波长用于最关键的光刻步骤，且将大体上248nm的波长用于较不关键的光刻步骤。
高速检验需要高功率激光器以使用高强度照明所检验的样本，以检测从小粒子或缺陷散射的小量的光，或允许检测归因于图案中的缺陷的小反射比改变。所需激光功率电平可在从大约100mW(针对光掩模及分划板的检验)直到10W以上(针对裸硅晶片上的小粒子及瑕疵的检测)的范围内。
通常，半导体工业中的检验需要具有极窄带宽的激光器。此类检验系统通常使用具有大视场(通常尺寸为从数百微米到数mm)的物镜透镜，以允许大区域以高检验速度成像。具有低失真及大视场的物镜透镜是昂贵且复杂的。需要物镜透镜在大带宽(例如大于数十pm)内操作显著增加成本及复杂性。对于半导体工业中的检验应用，极其期望具有大约20pm或更小的带宽的DUV激光器。
所属领域中已知DUV激光器。在1992年9月1日颁予林(Lin)的标题为“使用频率转换技术的多波固态激光器(Multiwave Solid State Laser Using Frequency ConversionTechniques)”的美国专利5,144,630，及在1998年4月21日颁予米德(Mead)等人的标题为“使用激光手术设备的紫外固态激光方法及激光手术设备(Ultraviolet Solid StateLaser Method Of Using Same And Laser Surgery Apparatus)”的美国专利5,742,626描述示范性DUV激光器。在这些激光器中，四次及五次谐波由在接近1064nm的波长下操作的脉冲式基频红外线激光器产生，从而导致大约266nm及213nm的波长。林(Lin)及米德(Mead)也教示使用光学参数振荡器(OPO)从基频激光器产生长于1064nm的红外波长。
激光振荡器的输出带宽由其腔内动态确定。在现有技术脉冲式激光器中，为进一步减少激光带宽，已将各种带宽限制装置(例如标准量具、双折射滤光器或光学光栅)并入到激光腔中。因为全部这些方法都为侵入式，所以其不可避免地引入对激光器的不利效应。这些不利效应包含额外功率损耗及更大复杂性，其通常导致较低激光效率、不良热稳定性、较严格(tighter)未对准灵敏度及较长激光系统暖机时间。此外，因为腔内光束大小通常较小且由激光腔设计预先确定，且腔内激光功率密度通常远高于激光输出功率，所以这些腔内组件更易受损。
在现有技术脉冲式DUV激光器中，DUV输出的带宽直接取决于基频红外激光器的带宽。即，基频激光器的带宽越宽，DUV输出带宽越宽。减少激光器的带宽需要重新设计激光振荡器腔。因为腔可控制激光器的许多性质(包含带宽、重复率以及平均及峰值功率)，所以重新设计腔来减少带宽同时维持其它激光参数可为复杂且耗时的任务。此外，使用现成(readily available)红外基频激光器可能无法实现特定DUV激光带宽规格。
众所周知的是，啁啾(chirp)拉伸激光脉冲的长度且降低其峰值功率(例如，参见http://www.rp-photonics.com/chirp.html)。因为非线性转换效率随峰值功率按比例调整，所以较低峰值功率将降低总体转换效率，从而限制从激光系统产生的最大UV功率。因此，对于给定所需带宽，高非线性转换效率需要接近于变换限制(也称为“无啁啾(chirp-free)”)脉冲。然而，因为例如色散、空间烧孔(spatial-hole burning,SHB)、增益饱和及非线性的激光腔内动态，从激光器产生的脉冲通常带有啁啾。
因此，需要克服一些或全部上文缺点的DUV激光器。特定来说，需要一种减少或控制DUV激光器的带宽的手段。
发明内容
描述一种用于提供最优带宽控制的DUV激光器。此DUV激光器包含基频激光器、频率转换模块、频率混合模块及光学带宽滤波装置。所述基频激光器产生具有基频波长带宽的基频波长。所述光学带宽滤波装置经定位以接收所述基频波长，且从所述基频波长选择第一部分及第二部分使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。所述频率转换模块转换所述基频波长的所述第一部分以提供具有第二波长的“信号光”，且所述频率混合模块混合所述第二波长与所述基频波长的所述第二部分以产生加总(输出)波长。通过利用所述光学带宽滤波装置来选择所述较窄第二部分，本发明通过促进使用具有宽基频波长带宽范围的基频激光器(即，避免需要具有特定窄基频波长带宽的昂贵“定制(custom-built)”基频激光器)而降低系统成本。另外，通过利用所述频率转换模块从基频的宽“拒斥(rejected)”第一部分提取具有可用第二波长的信号光，且将所述信号光引导到所述频率混合模块中以与所述第二部分混合，本发明还通过有效地“再循环”所述基频的第一(拒斥)部分的可用部分而最小化能量损耗。因此，从具有远窄于使用常规技术(例如，谐波转换及频率混合)可产生的波长带宽的宽基频波长带宽有效率地产生所得加总(输出)波长。
在另一实施例中，DUV激光器包含基频激光器、频率转换模块、谐波转换模块、频率混合模块及光学带宽滤波装置。所述基频激光器产生具有基频波长带宽的基频波长。所述频率转换模块将所述基频波长的第一部分转换为第二波长。所述谐波转换模块从所述基频波长的第二部分产生谐波波长。所述频率混合模块混合所述第二波长与所述谐波波长以产生加总波长。所述光学带宽滤波装置从所述基频波长选择所述第一部分及所述第二部分，使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
在又另一实施例中，DUV激光器包含基频激光器、频率转换模块、谐波转换模块、频率混合模块及光学带宽滤波装置。所述基频激光器产生具有基频波长带宽的基频波长。所述频率转换模块将所述基频波长的第一部分转换为第二波长。所述谐波转换模块从所述第二波长产生谐波波长。所述频率混合模块混合所述谐波波长与所述基频波长的第二部分以产生加总波长。所述光学带宽滤波装置从所述基频波长选择所述第一部分及所述第二部分，使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
根据本发明的方面，所述光学带宽滤波装置定位于所述基频激光器的激光振荡器腔外部。所述光学带宽滤波装置可包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅(volume Bragg grating)、双折射滤光器及光学光栅。所述频率转换模块可包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：光学参数振荡器(OPO)、光学参数放大器(OPA)及拉曼(Raman)放大器。可产生所述第二波长作为来自所述OPO或所述OPA的信号光。在一个实施例中，所述基频激光器包括产生大约405nm或更短的波长的二极管激光器。在另一实施例中，所述基频激光器可包括光纤激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器或掺Nd钒酸盐激光器。在一个实施例中，所述加总波长大约等于193nm。在另一实施例中，所述加总波长大约等于184nm。
描述一种产生深UV激光辐射的方法。在一个实施例中，所述方法包含：产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；将所述基频波长的第一部分转换为第二波长；从所述基频波长的第二部分产生谐波波长；及加总所述第二波长及所述谐波波长以产生输出波长。应注意，所述基频波长的所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
描述另一种产生深UV激光辐射的方法。在一个实施例中，此方法包含：产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；将所述基频波长的第一部分转换为第二波长；及加总所述第二波长及所述基频波长的第二部分以产生输出波长。应注意，所述基频波长的所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
描述另一种产生深UV激光辐射的方法。在一个实施例中，此方法包含：产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；将所述基频波长的第一部分转换为第二波长；从所述第二波长产生谐波波长；及加总所述基频波长的第二部分及所述谐波波长以产生输出波长。应注意，所述基频波长的所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
关于这些方法，第一部分及第二部分的选择可由以下各者中的至少一者执行：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器或光学光栅。应注意，此类光学带宽滤波装置实际上将一个波长范围引导到频率转换链的一部分中且将另一波长范围引导到频率转换链的另一部分中，因此与使用光学带宽滤波装置通过仅拒斥无用(unwanted)波长来减少带宽的激光器相比，实质上降低功率损耗。此外，通过将带宽窄化装置放置于激光腔外部，可避免对腔内带宽控制装置的一些或全部不利效应。可在很大程度上维持除带宽外的激光参数而无需重新设计激光振荡器腔。将基频波长的第一部分转换为第二波长可由OPO、OPA或拉曼放大器来执行。产生基频激光器光可由以下各者中的一者执行：二极管激光器、Nd:YAG激光器、掺Nd钒酸盐激光器及掺Yb光纤激光器。
描述一种示范性检验系统。此检验系统包含照明源、光学器件及检测器。所述照明源包含产生所要波长及带宽的DUV辐射的DUV激光器。所述DUV激光器包含光学带宽滤波装置，例如标准量具，所述光学带宽滤波装置将一个波长范围引导到频率转换链的一部分中，且将另一波长范围引导到所述频率转换链的另一部分中。所述光学器件经配置以将来自所述照明源的辐射引导且聚焦到样本上。所述样本由载物台支撑，所述载物台在检验期间相对于所述光学器件移动。所述检测器经配置以接收来自所述样本的反射或散射光，其中所述光学器件进一步经配置以收集所述反射或散射光，将其引导且聚焦到所述检测器上。所述检测器包含一或多个图像传感器。至少一个图像传感器可为时间延迟积分(TDI)传感器。
所述示范性检验系统可包含从不同入射角及/或不同方位角及/或以不同波长及/或偏光状态照明所述样本的一或多个照明路径。所述示范性检验系统可包含在不同方向上收集由所述样本反射或散射的光及/或对不同波长及/或不同偏光状态敏感的一或多个集光路径。所述示范性检验系统可包含在两个侧上具有用以同时读出两个不同信号的读出电路的TDI传感器。所述示范性检验系统可包含电子轰击图像或雪崩图像传感器。
描述一种用于控制激光器的带宽且同时减少其啁啾的示范性方法。带宽控制装置放置于激光振荡器腔外部。在某些境况下，在带宽滤波之后，可将啁啾脉冲转换为具有较窄带宽及较短脉冲长度的更接近于变换限制脉冲。这对非线性频率转换的较高转换效率来说是高度期望的。
附图说明
图1说明并入包括提供最优带宽控制的DUV激光器的照明源的示范性检验系统。
图2A及2B说明使用具有一或多个集光通道的线照明及提供最优带宽控制的DUV激光器的示范性检验系统。
图3说明包含提供法线照明及倾斜照明以及最优带宽控制的DUV激光器的示范性检验系统。
图4说明具有明场及暗场照明通道的示范性检验系统。在此检验系统中用于暗场照明通道的DUV激光器提供最优带宽控制。
图5说明并入分离读出图像传感器及包括提供最优带宽控制的DUV激光器的照明源的示范性检验系统。
图6A说明包含用于控制带宽的光学带宽滤波装置(例如，标准量具)的示范性DUV激光器。
图6B说明包含用于控制带宽的光学带宽滤波装置(例如，标准量具)的替代示范性DUV激光器。
图6C说明包含用于控制带宽的光学带宽滤波装置(例如，标准量具)的另一示范性DUV激光器。
图7说明带宽滤波之后的示范性脉冲宽度缩短。
具体实施方式
图1说明经配置以测量样本108(例如晶片、分划板或光掩模)的示范性检验系统100。样本108放置于载物台112上以便促进样本108在光学器件下方移动到不同区域。载物台112可包括X-Y载物台或R-θ载物台。在一些实施例中，载物台112可在检验期间调整样本108的高度以维持聚焦。在其它实施例中，可调整物镜透镜105以维持聚焦。
照明源102可包括一或多个激光器及/或宽带光源。照明源102可发射DUV及/或VUV辐射。照明源102包含并入本文中描述的带宽控制的DUV激光器中的一者。包含物镜透镜105的光学器件103引导那个辐射朝向样本108且将其聚焦于样本108上。光学器件103也可包括镜、透镜及/或光束分离器。从样本108反射或散射的光由光学器件103收集、引导并聚焦到检测器组合件104内的检测器106上。检测器106可包含二维阵列传感器或一维线传感器。在一个实施例中，将检测器106的输出提供到计算系统114，计算系统114分析所述输出。计算系统114由程序指令118配置，程序指令118可储存于载体媒体116上。
检验系统100的一个实施例照明样本108上的线，且在一或多个暗场及/或明场集光通道中收集散射及/或反射光。在此实施例中，检测器106可包含线传感器或电子轰击线传感器。
检验系统100的另一实施例照明样本108上的多个光点，且在一或多个暗场及/或明场集光通道中收集散射及/或反射光。在此实施例中，检测器106可包含二维阵列传感器或电子轰击二维阵列传感器。
可在以下各者中发现检验系统100的各种实施例的额外细节：标题为“晶片检验系统(Wafer Inspection System)”且在2012年7月9日申请的美国专利申请案13/554,954；标题为“使用小折反射物镜的分离场检验系统(Split Field Inspection System UsingSmall Catadioptric Objectives)”且在2011年6月7日颁布的美国专利7,957,066；标题为“用于折反射光学系统中的激光暗场照明的光束传递系统(Beam Delivery System ForLaser Dark-Field Illumination In A Catadioptric Optical System)”且在2008年3月18日颁布的美国专利7,345,825；标题为“具有宽范围的变焦能力的超宽带UV显微镜成像系统(Ultra-Broadband UV Microscope Imaging System With Wide Range ZoomCapability)”且在1999年12月7日颁布的美国专利5,999,310；及标题为“使用具有二维成像的激光线照明的表面检验系统(Surface Inspection System Using Laser LineIllumination With Two Dimensional Imaging)”且在2009年4月28日颁布的美国专利7,525,649。这些专利及专利申请案以引用的方式并入本文中。
图2A及2B说明并入本文中描述的DUV激光器及/或方法的暗场检验系统的方面。举例来说，在图2A中，照明光学器件201包括用于产生光202的DUV激光系统220，光202由镜或透镜203聚焦成所检验的样本211的表面上的线205。DUV激光系统220包含本文中描述的DUV激光器，其可提供最优带宽控制。集光光学器件210使用透镜及/或镜212及213将从线205散射的光引导到传感器215。集光光学器件的光学轴214未处于线205的照明平面中。在一些实施例中，轴214近似垂直于线205。传感器215可包括阵列传感器，例如线性阵列传感器。
图2B说明包含多个暗场集光系统231、232及233的一个实施例，每一系统大体上类似于图2A的集光光学器件210。集光系统231、232及233与大体上类似于图2A中的照明光学器件201的照明光学器件组合地使用。在此实施例中，样本211支撑于载物台221上，载物台221使待检验的区域在光学器件下方移动。载物台221可包括X-Y载物台或R-θ载物台，其优选地在检验期间大体上连续地移动以便以最小停滞时间(dead time)检验样本的大区域。
可在标题为“使用具有二维成像的线照明的表面检验系统(Surface InspectionSystem Using Line Illumination With Two Dimensional Imaging)”且在2009年4月28日颁布的美国专利7,525,649中发现根据图2A及2B中说明的实施例的检验系统的更多细节。标题为“用于检测表面的异常及/或特征的系统(System For Detecting AnomaliesAnd/Or Features Of A Surface)”且在2003年8月19日颁布的美国专利6,608,676也描述适于检验未经图案化或经图案化晶片的线照明系统。这些专利以引用的方式并入本文中。
图3说明经配置以使用法线照明光束及倾斜照明光束两者检测样本上的粒子或缺陷的检验系统300。在此配置中，DUV激光系统330提供激光束301。DUV激光系统330包含本文中描述的DUV激光器(其提供最优带宽控制)。透镜302聚焦光束301使其通过空间滤波器303。透镜304准直光束且将其传送到偏光光束分离器305。光束分离器305将第一偏光分量传递到法线照明通道且将第二偏光分量传递到倾斜照明通道，其中所述第一分量及所述第二分量是正交的。在法线照明通道306中，第一偏光分量由光学器件307聚焦且由镜308反射朝向样本309的表面。由样本309(例如晶片或光掩模)散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。
在倾斜照明通道312中，第二偏光分量由光束分离器305反射到镜313(其使此类光束反射通过半波板314)且由光学器件315聚焦到样本309。源自倾斜通道312中的倾斜照明光束且由样本309散射的辐射也由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。传感器及照明区域(来自朝向样本309的表面的法线及倾斜照明通道两者)优选地在抛物面镜310的焦点处。
抛物面镜310将来自样本309的散射辐射准直成准直光束316。接着，准直光束316由物镜317聚焦且通过检偏镜318而到传感器311。应注意，也可使用具有除抛物面形状外的形状的弯曲镜表面。仪器320可提供光束与样本309之间的相对运动，使得跨越样本309的表面扫描光点。标题为“样本检验系统(Sample Inspection System)”且在2001年3月13日颁布的美国专利6,201,601进一步详细描述检验系统300。此专利以引用的方式并入本文中。
图4说明配置为具有明场及暗场检验模式的检验系统的示范性折反射成像系统400。系统400可并入两个照明源：激光器401及宽带光照明模块420。在一个实施例中，激光器401可包含本文中描述的DUV激光器(其提供最优带宽控制)。
在暗场模式中，调适光学器件402控制所检验的表面上的激光照明光束大小及轮廓。机械外壳404包含孔径与窗403，及用以沿光学轴以法线入射将激光重新引导到样本408的表面的棱镜405。棱镜405也将来自样本408的表面特征的镜面反射引导出物镜406。物镜406收集由样本408散射的光且将其聚焦于传感器409上。可以折反射物镜412、聚焦透镜群组413及管透镜区段414(其任选地可包含变焦能力)的一般形式提供用于物镜406的透镜。
在明场模式中，宽带照明模块420将宽带光引导到光束分离器410，光束分离器410将那束光反射朝向聚焦透镜群组413及折反射物镜412。折反射物镜412用宽带光照明样本408。从样本408反射或散射的光由物镜406收集且聚焦于传感器409上。宽带照明模块420包括例如激光泵浦等离子体光源或弧光灯。宽带照明模块420也可包含用于提供信号以控制样本408相对于折反射物镜412的高度的自动对焦系统。在2008年3月18日颁布的标题为“用于折反射光学系统中的激光暗场照明的光束传递系统(Beam Delivery System For LaserDark-Field Illumination In A Catadioptric Optical System)”且以引用的方式并入本文中的美国专利7,345,825进一步详细描述系统400。
图5说明同时检测一个传感器570上的两个图像或信号通道的分划板、光掩模或晶片检验系统500。图像传感器570包括分离读出图像传感器。照明源509包含如本文中描述的DUV激光器(其提供最优带宽控制)。此DUV激光器的操作波长可短于200nm，例如大约193nm的波长。当受检验对象530是透明(例如分划板或光掩模)时，所述两个通道可包括反射及透射强度，或可包括两个不同照明模式，例如入射角、偏光状态、波长范围或其某一组合。使用通道一照明中继515以及通道二照明中继520将光引导到受检验对象530。
受检验对象530可为待检验的分划板、光掩模或半导体晶片。图像中继光学器件540可将由受检验对象530反射及/或透射的光引导到通道一图像模式中继555及通道二图像模式中继560。通道一图像模式中继555经调谐以检测对应于通道一照明中继515的反射或透射，而通道二图像模式中继传感器560经调谐以检测对应于通道二照明中继520的反射或透射。通道一图像模式中继555及通道二图像模式中继560又将其输出引导到传感器570。将对应于所述两个通道的检测到的信号或图像的数据展示为数据580且可将其发射到计算机(未展示)以进行处理。
可经配置以测量来自分划板或光掩模的透射及反射光的分划板及光掩模检验系统及方法的其它细节描述于以下各者中：在2008年4月1日颁布的标题为“多光束检验设备及方法(Multiple Beam Inspection Apparatus And Method)”的美国专利7,352,457；及在1996年10月8日颁布的标题为“自动光掩模检验设备及方法(Automated PhotomaskInspection Apparatus And Method)”的美国专利5,563,702，所述案两者都以引用的方式并入本文中。
关于图像传感器570的示范性实施例的额外细节提供于以下各者中：在2013年12月4日申请的标题为“用于使用脉冲式照明高速获取移动图像的方法及设备(Method AndApparatus For High Speed Acquisition Of Moving Images Using PulsedIllumination)”的第14/096,911号美国专利申请案；及在2009年5月5日颁布的标题为“用于同时高速获取多个图像的方法及设备(Method And Apparatus For SimultaneousHigh-Speed Acquisition Of Multiple Images)”的美国专利7,528,943，所述案两者都以引用的方式并入本文中。
图6A说明经配置以提供最优带宽控制的示范性DUV激光器600。在系统中采用光学参数振荡器(OPO)或光学参数放大器(OPA)604。利用OPO/OPA 604中的波长可调性，DUV激光器600可产生经选取特定波长(即，可等于或可不等于基频激光器的整数谐波的波长)的输出光。注意，基频光602(由基频激光器601产生)的带宽可通过穿过标准量具603而窄化(例如，参见箭头611A及611B)。标准量具603优选地在中心接近于基频光602的中心波长的窄波长范围内具有高透射性，使得透射通过标准量具的光(窄化基频602’)具有窄于基频602的带宽。将窄化基频光602’引导到谐波转换模块607(其产生通常是DUV波长的n次谐波(nω)608)。应注意，n次谐波608具有窄于将基频602直接提供到谐波转换模块607所引起的带宽。
如图6A中所展示，由于标准量具603反射其不透射的波长的大部分入射能量，所以带外拒斥基频602”具有宽带宽，所述宽带宽在其光谱中间具有倾角(dip)。原本将浪费的此拒斥光602”可用作OPO/OPA 604的泵浦光。作为非线性参数过程中的能量守恒的结果，OPO/OPA 604仍可以产生宽带宽闲频光(idler light)606(其在其光谱中间具有类似倾角，但带宽比拒斥基频602”宽)为代价而从拒斥基频602”的宽带泵浦光产生窄带宽信号光605。然而，因为闲频光606未用于激光器中，所以此闲频光606对激光性能不具有显著影响。信号光605的带宽由种子激光器或OPO/OPA 604中的波长选择元件(例如体积布拉格光栅)确定。
在一个实施例中，拉曼放大器可取代OPO/OPA 604。因为由拉曼放大器产生的经放大信号光的带宽独立于其泵浦光的带宽(其通常取决于拉曼放大器中的波长选择元件)，所以拉曼放大器也可产生具有所要窄带宽的信号光605。
频率混合模块609可通过加总n次谐波608(nω)及信号光605(ωs)的频率来产生激光输出610。因为n次谐波608的带宽已由标准量具603减少且信号光605的带宽由OPO/OPA604确定，所以激光输出610的带宽比其在未并入标准量具603的在其它方面相同的激光(即，将使用由箭头611A指示的带宽代替由箭头611B指示的带宽)中原本所具有的带宽窄。以最小功率损耗实现此减少的带宽，因为标准量具603反射其未透射的大部分能量。
在一个示范性实施例中，基频激光器601可使用(例如)Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)或掺Nd钒酸盐激光器，在大约1064nm的波长下操作。在此情况中，谐波转换模块607可产生大约213nm的五次谐波608(5ω)，OPO/OPA模块604可产生具有大约2108nm的波长的信号光605，且频率混合模块609可通过混合213nm及2108nm波长来产生具有大约193nm的波长的激光输出610。大约193nm的波长对于检验半导体光掩模及晶片来说是有用波长。
在另一示范性实施例中，基频激光器601可使用(例如)Nd:YAG或掺Nd钒酸盐激光器，在大约1064nm的波长下操作。在此情况中，谐波转换模块607可产生大约266nm的四次谐波608(4ω)，OPO/OPA模块604可产生具有大约1416nm的波长的信号光605，且频率混合模块609首先混合266nm及1416nm波长以产生大约224nm的加总波长，接着再混合大约224nm的加总波长与1416nm波长信号光605以产生波长大约193nm的激光输出610。
在又另一示范性实施例中，基频激光器601可使用(例如)Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)或掺Nd钒酸盐激光器在大约1064nm的波长下操作。在此实施例中，谐波转换模块607可产生大约213nm的五次谐波608(5ω)，OPO/OPA模块604可产生具有在大约1268nm与大约1400nm之间的波长的信号光605，且频率混合模块609可通过混合213nm及信号波长来产生具有大约182.5nm到大约185nm的波长的激光输出610。大约184nm的波长对于检验半导体光掩模及晶片来说是有用波长，这是因为短波长通常具有对较小特征及缺陷的更好灵敏度。此外，大约184nm波长光可由此方案有效地产生，这是因为CLBO接近于此类波长组合的非临界相位匹配，且因此对于频率混合来说是有效且稳定的。
图6B展示具有最优带宽控制的替代示范性DUV激光器620。DUV激光器620的实施例类似于DUV激光器600的实施例(图6A)，区别仅在于DUV激光器620不包含谐波转换模块。在DUV激光器620中，频率混合模块609B通过直接混合经窄化基频602’及信号光605而产生激光输出610B。应注意，DUV激光器620及600中具有相同标记的组件具有相同功能且因此未参考图6B进行描述。在基频激光器601产生UV波长(例如405nm或375nm的波长)时，DUV激光器620尤其有用。此类波长可由例如激光二极管产生。
在一个示范性实施例中，基频激光器601可包括在大约375nm的波长下操作的激光二极管。在此情况中，OPO/OPA模块604可产生具有在大约607nm与大约750nm之间的波长的信号光605，且频率混合模块609可通过混合375nm及信号波长而产生具有在大约232nm与大约250nm之间的波长的激光输出610。此方案可有效且廉价地产生在大约232nm与大约250nm之间的输出波长，这是因为频率混合模块609可针对频率混合使用CLBO晶体。CLBO接近于此类波长组合的非临界相位匹配且因此可有效及稳定地进行频率混合。
图6C展示具有最优带宽控制的另一示范性DUV激光器630。除以下者外，DUV激光器630的此实施例类似于DUV激光器600的实施例(图6A)。在此情况中，使用谐波转换模块607C以产生信号光605的n次信号谐波608C(nωs)。另外，频率混合模块609C通过混合经窄化基频602’及n次信号谐波608C而产生激光输出610C。应注意，DUV激光器630及600中具有相同标记的组件具有相同功能且因此未参考图6C进行描述。在激光输出610C的波长无法用特定基频激光实现(例如，因为频率混合模块609或谐波转换模块607的可用非线性晶体(DUV激光器600，图6A)无法针对波长中的一或多者进行相位匹配)时，DUV 630的实施例尤其有用。DUV激光器630可针对频率混合模块609C及谐波转换模块607C提供不同波长组合，且在一些情况中可在DUV 600的实施例(图6A)无法产生时提供产生所要激光输出波长的可行方式。
在一个示范性实施例中，基频激光器601可使用例如Ti蓝宝石激光器在大约800nm的波长下操作。在此情况中，OPO/OPA模块604可产生具有在大约888nm与1080nm之间的波长的信号光605(ωs)，谐波转换模块607可产生在大约296nm与360nm之间的三次谐波608(3ωs)，且频率混合模块609可通过混合三次谐波及大约800nm波长而产生具有介于大约216nm与248nm之间的波长的激光输出610。
图7说明可如何通过带宽滤波缩短脉冲宽度。由锁模或调制激光振荡器产生的激光脉冲通常具有近似高斯(Gaussian)光谱形状且展现近似线性啁啾。“T0”是具有与啁啾脉冲相同的带宽的脉冲的变换限制脉冲宽度；“T”是在带宽减少之前的脉冲宽度；且“T’”是在带宽减少之后的脉冲宽度。带宽减少比定义为在滤波之后(即，在穿过标准量具之后)的脉冲带宽除以在滤波之前的脉冲带宽。在图7中，将无带宽减少的情况(即，T’＝T)标绘为实线701以供参考。线701上方的点表示其中脉冲宽度增加的情况，即，T’>T。线701下方的点表示其中脉冲宽度减少的情况，即，T’<T。不同带宽减少比(0.6及0.8)的两种情况分别由虚线702及点线703说明。
图7展示在某些境况下，啁啾脉冲的带宽减少将导致较短脉冲，其更接近于变换限制。举例来说，对于0.6带宽减少比，当脉冲宽度T大于约2T0时，减少带宽会缩短脉冲宽度。在另一实例中，对于0.8带宽减少比，当脉冲宽度T大于约1.6T0时，脉冲宽度在带宽减少时减少。如上文解释，减少脉冲宽度有助于维持谐波转换及频率混合过程的效率。应注意，当初始脉冲宽度接近于T0(即，初始脉冲接近于变换限制)时，则任何带宽减少必然增加脉冲宽度。
图7中标绘的线是针对高斯脉冲形状而计算。例如sech2脉冲的其它常见激光脉冲形状展示相同趋势。例如，参见阿格拉沃尔(Agrawal)的“非线性光纤(Nonlinear FiberOptics)”，2007年第4版第54到59页，学术出版社(Academic Press)。
典型高功率激光器(例如具有约30W或更大的输出的激光器)具有显著长于相同带宽的变换限制脉冲的脉冲宽度。因此，本文中揭示的各种方法及DUV激光器对于以约100mW或更大的功率产生窄带宽DUV激光输出光同时维持良好转换效率尤其有用。
可受益于本文中描述的DUV激光器的最优带宽控制的193nm激光的更详细描述由以下各者提供：标题为“固态193nm激光及使用固态193nm激光的检验系统(Solid-state193nm laser and an inspection system using a solid-state 193nm laser)”且在2013年3月12日申请的第13/797,939号美国专利申请案；标题为“使用OPO的193nm激光及使用193nm激光的检验系统(193nm laser using OPO and an inspection system usinga 193nm laser)”且在2013年1月24日申请的第61/756,209号美国临时专利申请案；及标题为“使用1109nm的193nm激光(193nm laser using 1109nm)”且在2013年2月13日申请的第61/764,441号美国临时专利申请案。全部这些申请案以引用的方式并入本文中。
应注意，上文描述的DUV激光器可通过适当选择信号光ωs的波长且对频率混合模块(即，频率混合模块609、609B或609C)进行适当改变而在短于约200nm的其它波长下操作。特定来说，短于190nm的真空UV波长可由此类激光器产生。
可在2013年10月10日发表的标题为“具有硼层的背照式传感器(Back-Illuminated Sensor With Boron Layer)”且以引用的方式并入本文中的美国公开专利申请案2013/0264481中发现适用于并入本文中描述的任何DUV激光器的检验或成像系统中的图像传感器的示范性实施例。
呈现上文描述以使所属领域的一般技术人员能够如在特定应用及其要求的内容背景中所规定那样制成且使用本发明。如本文中所使用，例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上”、“向上”、“下”、“下降”及“向下”的方向性术语希望提供相对位置以用于描述的目的，且并不希望指定绝对参考系。上文描述的具有最优带宽控制的DUV激光器及方法的各种实施例仅是说明性的且并不希望限制本发明的范围。
所属领域中的技术人员将明白对所描述实施例的各种修改，且本文中定义的一般原理可应用于其它实施例。举例来说，图6A的谐波转换模块607及图6C的607C可产生二次、三次、四次、五次、六次或更高次谐波。在另一实例中，标准量具或干涉仪可经设计以反射窄波长范围且透射那个窄范围外部的波长。在对激光器的布局进行适当改变的情况下，此类光学带宽滤波装置可替代图6A、6B及6C的标准量具603。窄化基频602’视情况将反射到谐波转换模块607、频率混合模块609或频率混合模块609C，且拒斥基频602”将透射到例如OPO/OPA 604的频率转换模块。
因此，本文中描述的DUV激光器及方法并不希望限于所展示及描述的特定实施例，而是应符合与本文中揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (40)

1.一种激光器，其包括：
基频激光器，其经配置以产生具有基频波长带宽的基频波长；
频率转换模块，其经配置以接收所述基频波长的第一部分并使用所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；
谐波转换模块，其经配置以通过转换所述基频波长的第二部分而产生谐波波长；
频率混合模块，其经配置以混合所述第二波长与所述谐波波长以产生短于200nm的加总波长；及
光学带宽滤波装置，其经安置以接收来自所述基频激光器的所述基频波长且经配置以从所述基频波长产生所述第一部分及所述第二部分，使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置定位于激光振荡器腔外部。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器及光学光栅。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中所述频率转换模块包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：光学参数振荡器OPO、光学参数放大器OPA及拉曼放大器。
5.根据权利要求4所述的激光器，其中所述第二波长是作为信号光而从所述OPO或所述OPA产生。
6.根据权利要求5所述的激光器，其中所述基频激光器包括光纤激光器、掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器或掺Nd钒酸盐激光器。
7.根据权利要求6所述的激光器，其中所述加总波长是在180nm与200nm之间的波长。
8.一种产生深UV激光辐射的方法，所述方法包括：
产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；
将所述基频激光器光分离成第一部分和第二部分，使得所述第二部分包括在所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围；
使用所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；
通过转换所述第二部分产生谐波波长；及
加总所述第二波长及所述谐波波长以产生深UV输出波长。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述分离包含安置以下各者中的至少一者以接收所述基频激光器光：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器或光学光栅。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述使用所述基频波长的所述第一部分作为泵浦光以产生所述第二波长由OPO、OPA或拉曼放大器执行。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述产生所述基频激光器光由以下各者中的一者执行：Nd:YAG激光器、掺Nd钒酸盐激光器及掺Yb光纤激光器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述输出波长是在180nm与200nm之间的波长。
13.一种用于检验样本的系统，所述系统包括：
照明源，其包括根据权利要求1-7中任一者的激光器，所述激光器用于照明所述样本；
图像中继光学器件，其经配置以在所述样本的光输出、反射或透射对应于第一通道时，将所述光输出引导到第一通道图像模式中继，且在所述光输出对应于第二通道时，将所述光输出引导到所述第二通道图像模式中继；及
传感器，其经配置以接收所述第一通道图像模式中继及所述第二通道图像模式中继的中继输出。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述传感器进一步包括电子轰击图像传感器。
15.一种激光器，其包括：
基频激光器，其经配置以产生具有基频波长带宽的基频波长；
频率转换模块，其经配置以接收所述基频波长的第一部分并使用所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；
频率混合模块，其经配置以混合所述第二波长与所述基频波长的第二部分以产生短于200nm的加总波长；及
光学带宽滤波装置，其经安置以接收来自所述基频激光器的所述基频波长且经配置以从所述基频波长产生所述第一部分及所述第二部分，使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
16.根据权利要求15所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置定位于激光振荡器腔外部。
17.根据权利要求15所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置包含从由以下各者组成的群组选出的至少一个装置：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器及光学光栅。
18.根据权利要求15所述的激光器，其中所述频率转换模块包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：光学参数振荡器OPO、光学参数放大器OPA及拉曼放大器。
19.根据权利要求18所述的激光器，其中所述第二波长是作为信号光而从所述OPO或所述OPA产生。
20.根据权利要求19所述的激光器，其中所述基频激光器包括产生405nm或更短的波长的二极管激光器。
21.一种激光器，其包括：
基频激光器，其经配置以产生具有基频波长带宽的基频波长；
频率转换模块，其经配置以接收所述基频波长的第一部分并使用所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；
谐波转换模块，其经配置以通过转换所述第二波长而产生谐波波长；
频率混合模块，其经配置以混合所述谐波波长与所述基频波长的第二部分以产生加总波长；及
光学带宽滤波装置，其经安置以接收来自所述基频激光器的所述基频波长且经配置以从所述基频波长产生所述第一部分及所述第二部分，使得所述第二部分包括所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围。
22.根据权利要求21所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置定位于激光振荡器腔外部。
23.根据权利要求21所述的激光器，其中所述光学带宽滤波装置包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器及光学光栅。
24.根据权利要求21所述的激光器，其中所述频率转换模块包含从由以下各者组成的群组中选出的至少一个装置：光学参数振荡器OPO、光学参数放大器OPA及拉曼放大器。
25.根据权利要求24所述的激光器，其中所述第二波长是作为信号光而从所述OPO或所述OPA产生。
26.根据权利要求25所述的激光器，其中所述基频激光器包括光纤激光器、掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器或掺Nd钒酸盐激光器。
27.根据权利要求26所述的激光器，其中所述加总波长是在180nm与200nm之间的波长。
28.一种产生深UV激光辐射的方法，所述方法包括：
产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；
将所述基频激光器光分离成第一部分和第二部分，使得所述第二部分包括在所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围；
使用所述基频波长的所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；及
加总所述第二波长及所述基频波长的第二部分以产生深UV输出波长。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述分离包括安置以下各者中的至少一者以接收所述基频激光器光：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器或光学光栅。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述使用所述基频波长的所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长由OPO、OPA或拉曼放大器执行。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述产生所述基频激光器光由以下各者中的一者执行：Nd:YAG激光器、掺Nd钒酸盐激光器及掺Yb光纤激光器。
32.一种产生深UV激光辐射的方法，所述方法包括：
产生具有基频波长及基频波长带宽的基频激光器光；
将所述基频激光器光分离成第一部分和第二部分，使得所述第二部分包括在所述基频波长带宽内窄于所述第一部分的波长范围；
使用所述基频波长的所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长；
通过转换所述基频波长的所述第二部分产生谐波波长；及
加总所述基频波长的所述第二部分及所述谐波波长以产生深UV输出波长。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述分离包括安置以下各者中的至少一者以接收所述基频激光器光：标准量具、光学电介质滤波器、体积布拉格光栅、双折射滤光器或光学光栅。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述使用所述第一部分作为泵浦光以产生第二波长由OPO、OPA或拉曼放大器执行。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述产生所述基频激光器光由以下各者中的一者执行：Nd:YAG激光器、掺Nd钒酸盐激光器及掺Yb光纤激光器。
36.一种用于检验样本的系统，所述系统包括：
照明源，其包含根据权利要求15-20中任一者的激光器，所述激光器产生具有预定波长及带宽的深紫外线DUV辐射；
光学器件，其用于将来自所述照明源的辐射引导且聚焦到所述样本上；及
检测器，其用于接收来自所述样本的反射或散射光，其中所述光学器件进一步经配置以收集所述反射或散射光，且将其引导且聚焦到所述检测器上。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述检测器包含一或多个图像传感器。
38.根据权利要求37所述的系统，其中所述一或多个图像传感器中的至少一个图像传感器是时间延迟积分TDI传感器。
39.根据权利要求36所述的系统，其进一步包含从不同入射角照明所述样本的一或多个照明路径。
40.根据权利要求36所述的系统，其进一步包含在不同方向上收集由所述样本反射或散射的光的一或多个集光路径。
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