CN107342526B - 具有高质量、稳定输出光束及长寿命高转换效率的非线性晶体的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有高质量、稳定输出光束及长寿命高转换效率的非线性晶体的激光器。具体的，本发明揭示一种可以低温操作的锁模激光器系统，其可包含退火频率转换晶体及用以在所述低温标准操作期间维持所述晶体的退火状况的外壳。在一个实施例中，所述晶体可具有增加的长度。第一光束塑形光学器件可经配置以将来自光源的光束聚焦到位于所述晶体中或所述晶体接近处的光束腰处的椭圆形横截面。谐波分离块可将来自所述晶体的输出分成在空间上分离的不同频率的光束。在一个实施例中，所述锁模激光器系统可进一步包含第二光束塑形光学器件，其经配置以将椭圆形横截面的所要频率光束转换成具有例如圆形横截面的所要纵横比的光束。

Description

具有高质量、稳定输出光束及长寿命高转换效率的非线性晶 体的激光器
本申请是发明名称为“具有高质量、稳定输出光束及长寿命高转换效率的非线性晶体的激光器”，申请号为201280044059.X，申请日为2012年6月28日的发明专利申请的分案申请。
相关申请案
本申请案主张标题为“具有高质量、稳定输出光束、长寿命高转换效率的非线性晶体的锁模紫外激光器及使用锁模紫外激光器的晶片检验(Mode-Locked UV Laser WithHigh Quality,Stable Output Beam,Long-Life High Conversion Efficiency Non-Linear Crystal And A Wafer Inspection Using A Mode-Locked UV Laser)”且在2011年7月22日申请的美国临时申请案61/510,633的优先权。
技术领域
本发明涉及激光器，且特定来说，本发明涉及使用非线性晶体以通过频率转换过程而从较长波长辐射获得较短波长辐射的激光器。
背景技术
半导体制造的每一连续节点需要检测晶片上的较小缺陷及粒子。因此，仍总是需要用于晶片检验的较高功率及较短波长UV(紫外线)激光器。因为缺陷或粒子尺寸被减小，所以由所述缺陷或粒子反射或散射的光的分率通常也被减少。因此，需要改善信噪比以检测较小缺陷及粒子。如果较亮光源用于照射缺陷或粒子，那么更多光子将被散射或反射且信噪比可被改善(只要其它噪声源被控制)。使用较短波长可进一步改善对较小缺陷的敏感度，这是因为由粒子散射的光的分率(小于光的波长)随波长减小而增大。
一般来说，具有高光束质量(例如，具有约等于1的M2，其中M2为光束的光束参数乘积与相同波长的理想高斯(Gaussian)光束的光束参数乘积的比率)的等幅波(CW)激光器可满足半导体晶片检验及度量需要。如果无法取得足够功率及光束质量的CW激光器，那么较次最佳替代者一般为(例如)具有约50兆赫(MHz)或更高的重复频率的高重复频率激光器。此类高重复频率对锁模激光器(其为某一类型的脉冲激光器)来说为可行的。Q切换激光器具有更低很多的重复频率(低于10兆赫，通常低于1兆赫)。一般来说，锁模激光器能够发出约数皮秒或甚至数飞秒的极短脉冲。锁模激光器诱发其共振腔的模式之间的定相关系，使得那些模式之间的干涉导致激光器光作为脉冲而产生。
光束质量(例如由M2所测量)对半导体检验及度量应用很重要，这是因为激光束必须聚焦成小光点(或线)以检测小缺陷或粒子及/或测量小面积。如果光束质量不佳，那么晶片上的聚焦光点(或线)不具高斯轮廓且所述轮廓的尾部含有比理想轮廓更多的能量。那些较大尾部导致从关注区外部收集信号的至少部分以借此降低来自关注区的信号的对比度。
可通过产生长波长光束的谐波或通过混合不同频率的两个激光束以产生等于两个频率的和(或差)的频率而使用非线性晶体产生UV激光束。因为所述谐波产生及所述混合过程是非线性过程，所以更高入射功率密度通常产生更有效率的转换过程及更高输出功率。
然而，增大非线性晶体上的入射激光器功率可具有不合意的副作用。具体来说，高功率电平可改变所述晶体的折射率(光折射效应)。因为所述晶体中的聚焦激光器光点具有近似高斯轮廓，所以所述晶体内的不同位置处的强度不同。因此，折射率的变化随所述晶体中的位置而变动。所述晶体中的此折射率梯度可使输出光束畸变，从而导致散光。由于输出激光束的质量恶化，所以由所述光束产生的晶片上的光点或线变宽且因此使小粒子或缺陷的检测效率更低。虽然可由位于光束路径中在所述晶体之后的光学器件大致校正少量散光，但此校正将仅为大致的且将仅在初始散光程度非常低的条件下有效。
晶体上的较高入射功率电平的另一不合意副作用在于：可随着时间逝去而在晶体中发生永久损坏。就积累暴露来说，此损坏可导致大体上减小功率强度以及大体上增加散光。因此，用光学器件校正散光将需要频率补偿调整，这在商业应用中将不切实际。再者，散光还可快速增加到即使使用调整也无法进行准确补偿的程度。
产生较短输出波长还可加速晶体的降级，这是因为输出光子更具能量且因此可改变晶体的特性或甚至永久损坏所述晶体。因此，在较短输出波长中，散光及其它有害光束质量及强度效应也会越来越多发生。
非线性晶体中的最佳功率密度权衡最大转换效率(其通常需要尽可能高的功率密度)与最小化色中心形成、光折射效应及双光子吸收(其全部通过降低功率密度而最小化)，同时维持良好光束轮廓。
明显地，光折射效应及双光子吸收可导致光学性质的暂时变化，这至少持续入射激光器脉冲的持续时间且其后通常持续短时间。如同在Q切换激光器中，当激光器重复频率较低时，一个脉冲与下一脉冲之间可具有足够时间用于让晶体的这些变化部分或完全松弛返回到初始状态。如果晶体在以高温(例如，介于120到150℃之间，其为标准操作的典型温度范围)操作，那么此松弛可更快。通常，由高重复频率(例如50兆赫、100兆赫或更高)(如由锁模激光器所实现)更佳地服务半导体检验及度量的应用。然而，此类高重复频率通常不允许时间用于改变晶体性质以从一个脉冲实质上松弛到下一个脉冲。
非线性晶体(例如CLBO(硼酸铯锂)或CBO(硼酸铯))可用以从可见激光器光输入的二次谐波产生深UV光。例如，可使用CLBO从532纳米激光束产生266纳米波长光。在另一实施例中，可通过混合(例如)266纳米与1064纳米波长而产生约213纳米波长的光。此类晶体操作的最大功率电平可能受到晶体中的缺陷及杂质的限制。
晶体中的杂质或其晶格中的缺陷可使所述晶体的寿命降级或产生色中心，色中心成了晶体光学性质变化发生得比晶体中的其它位置快的位置。因此，应尽可能使用最高纯度的起始材料来制造晶体。
明显地，即使起始材料中不存在杂质(例如水)，杂质也可在晶体的生长过程期间或甚至在正常操作期间(当用在检验系统中时)并入到所述晶体中。这些杂质可在功率密度较高时对晶体寿命产生负面影响。遗憾的是，改善起始材料的纯度无法减少操作期间并入的杂质。
用于降低或减慢晶体劣化的一种已知技术为以高温(通常介于120到150℃之间)操作晶体，这会在晶体中产生较高能量电子。这些较高能量电子能够更容易地四处移动，借此抵消短期内的一些光诱发变化。此项技术对低重复频率激光器最有用，这是因为脉冲之间存在相对较长时间间隔(这允许从一个脉冲的效应恢复)。此高操作温度还可有助于防止晶体在使用时吸水。
虽然以高温操作晶体可提供具有足够高迁移率的更多电子以抵消晶体中的一些变化，但其也增加晶体中的缺陷状态的能量。因此，所述高操作温度可缓解一些缺陷机制，同时加剧其它缺陷机制。明显地，当重复频率较高时，增加温度无法有效减少晶体中的短期变化。
应对晶体损坏的另一已知技术为：使用晶体中的一个位置达某一时段，接着在输出光束质量及/或强度过多降级之前移动到新位置。用于频率转换的晶体中的位置频繁调整意味着：在操作时间的可观部分内，激光器被调整、被重新对准或在调整之后稳定。即使所述调整及重新对准是自动化的，也可能存在无法在激光器调整后稳定时完全按规范操作的时间。在工业(如半导体业，其中制造设备一天24小时运转)的检验及测量应用中，操作时间的此中断或减少为显著缺点。如果损坏率较高，那么即使频繁且自动调整晶体中的转换位置，晶体在需要被替换之前仍仅可延续数天或数周。半导体业无法接受维修事件之间的此短时间间隔。
因此，需要一种高功率激光器系统，其包含频率转换晶体(即，能够产生基谐激光器波长的谐波的非线性晶体)且还可确保高质量、稳定激光束及长晶体寿命。
发明内容
本发明描述一种可以低温操作的锁模激光器系统。如本文中所使用，“低”温为约50℃及以下(其中常规标准操作温度为至少100℃且通常介于120℃到150℃之间)。在一个实施例中，所述低温可介于30℃与-10℃之间。此激光器系统可包含退火频率转换晶体及保护所述晶体在低温标准操作期间免受杂质损害且借此维持所述晶体的退火状况的外壳。一般来说，所述晶体具有约等于以下每一者的较小者的长度：沿非走离方向的瑞利(Rayleigh)距离的两倍；一长度，其等于沿走离方向的光束腰半径的两倍除以走离角(以弧度为单位)。在一个实施例中，所述晶体可具有增加的长度(例如12.5毫米长或15毫米长CLBO，相比于用于将532纳米转换成266纳米的典型10毫米长CLBO)。第一光束塑形光学器件可经配置以将来自光源的光束聚焦到位于所述晶体中或所述晶体接近处的光束腰处的椭圆形横截面。谐波分离块可将来自所述晶体的输出分成空间中被分离的不同频率的光束。在一个实施例中，所述锁模激光器系统可进一步包含第二光束塑形光学器件，其经配置以将所要频率光束的椭圆形横截面转换成具有所要纵横比(例如圆形横截面)的光束。
在一个实施例中，晶体中的椭圆形横截面可具有2:1到6:1之间的纵横比。第一光束塑形光学器件可包含棱镜、圆柱形弯曲元件、径向对称弯曲元件及衍射元件中的至少一者。谐波分离块可包含棱镜，例如佩林-勃洛卡(Pellin-Broca)棱镜。晶体可为CLBO(硼酸铯锂)晶体、CBO(硼酸铯)晶体、BBO(β-硼酸钡)晶体、LBO(三硼酸锂)晶体、铌酸锂晶体、KDP(磷酸二氢钾)晶体或另一非线性光学晶体。
本发明还描述一种以低温操作激光器系统的方法。在此方法中，来自光源的光束可聚焦到退火频率转换晶体中或所述晶体接近处的光束腰处的椭圆形横截面中。从所述晶体的输出，所要频率光束可与任何非所要频率光束分离。所述方法可进一步包含在低温标准操作期间维持所述晶体的退火状况及/或将所述椭圆形横截面转换成圆形横截面。
本发明还描述一种使频率转换晶体退火的方法。在此方法中，可在约2小时内将所述晶体的温度增加到约150℃。可使温度保持约150℃达约10小时。接着，可在约1小时内将温度增加到约200℃。此时，可使温度保持在150到200℃之间达约100小时。最后，可在约3小时内将温度降低到室温。
本发明还描述另一种使频率转换晶体退火的方法。在此方法中，在上述第一退火步骤期间，判断-OH键吸收是否处于第一等级。如果不处于第一等级，那么继续使温度保持约150℃。如果处于第一等级，那么在约1小时内将温度增加到约200℃。在上述第二退火步骤期间，判断-OH键吸收是否处于第二等级。如果不处于第二等级，那么继续使温度保持在150到200℃之间。如果处于第二等级，那么在约3小时内将温度降低到室温。在一个实施例中，可使用FTIR(傅立叶变换红外光谱法)来执行吸收判断。例如，FTIR可监测红外光谱中约3580cm-1处的-OH键。
本发明还描述一种多阶段斜升退火过程。在此过程中，第一斜升阶段可使温度增加到第一预定温度。可使温度保持处于第一预定温度达第一预定时段。接着，第二斜升阶段可使温度增加到第二预定温度，第二预定温度高于第一预定温度。可使温度保持处于第二预定温度达第二预定时段。最后，可将温度降低到室温。
本发明还描述另一种多阶段斜升退火过程。在此过程中，第一斜升阶段可使温度增加到第一预定温度。可使温度保持处于第一预定温度，直到-OH键吸收处于第一等级。接着，第二斜升阶段可使温度增加到第二预定温度，所述第二预定温度高于所述第一预定温度。可使温度保持处于第二预定温度，直到-OH键吸收处于第二等级。最后，可将温度降低到室温。
本发明还描述一种用于检测测试表面上的污染物及缺陷的光学系统。此光学系统可包含用于产生激光束的改进型激光器系统及沿路径将所述激光束导引到所述测试表面上且在所述测试表面上产生照射光点的光学器件。还提供检测器及椭球镜表面。所述镜表面及检测器具有围绕与所述测试表面垂直的线的对称轴。所述镜表面界定定位于所述测试表面接近处以从所述表面接收穿过其散射光的输入小孔及射出小孔。所述镜表面围绕所述对称轴而实质上旋转对称，使得所述镜表面以围绕所述对称轴的旋转对称方式将穿过所述输入小孔的光反射及聚焦到所述检测器。所述射出小孔位于所述输入小孔的相对处。
本发明还描述一种用于检测样本的异常的光学系统。此光学系统可包含用于产生第一及第二光束的改进型激光器系统。第一光学器件可沿第一路径将第一辐射光束导引到所述样本的表面上的第一光点上。第二光学器件可沿第二路径将第二辐射光束导引到所述样本的表面上的第二光点上。所述第一及第二路径相对于所述样本的所述表面成不同入射角度。集光光学器件可包含弯曲镜表面，其用于接收来自所述样本表面上的第一或第二光点并且源于第一或第二光束的散射辐射且将所述散射辐射聚焦到第一检测器。所述第一检测器可响应于由所述弯曲镜表面聚焦到其上的辐射而提供单一输出值。仪器可导致所述两个光束与所述样本之间的相对运动，使得在样本的整个表面扫描光点。
本发明还描述一种表面检验设备。此设备可包含用于产生辐射光束的改进型激光器系统。照射系统可经配置以按相对于表面的非法向入射角聚焦辐射光束以在表面上实质上聚焦光束的入射平面中形成照射线。由聚焦光束及穿过聚焦光束且与所述表面正交的方向界定所述入射平面。集光系统可经配置以使所述照射线成像。所述集光系统可包含：成像透镜，其用于收集从包括所述照射线的所述表面的区散射的光；聚焦透镜，其用于聚焦所收集的光；及装置，其包括光敏元件阵列。所述光敏元件阵列的每一光敏元件可经配置以检测所述照射线的放大图像的对应部分。
本发明还描述一种包含用于产生输入激光器脉冲的改进型激光器系统的脉冲倍增器。此脉冲倍增器可进一步包含接收输入激光器脉冲的偏振光束分裂器。波板可从所述偏振光束分裂器接收光且产生第一组脉冲及第二组脉冲，第一组脉冲具有不同于第二组脉冲的偏振。一组镜可产生包含所述偏振光束分裂器及所述波板的环形腔。所述偏振光束分裂器可将第一组脉冲透射为脉冲倍增器的输出且将第二组脉冲反射到环形腔中。
本发明还提供一种使频率转换晶体退火的方法，包括：花约2小时以上时间将温度增加到约150℃；使温度保持在约150℃约10小时；花约1小时以上时间将温度增加到约200℃；使温度保持在150℃到200℃之间约100小时或更长；及花约3小时以上时间将温度降低到接近室温。
本发明还提供一种使频率转换晶体退火的方法，包括：(a)花约2小时以上将温度增加到约150℃；(b)使温度保持约150℃达约10小时；(c)在步骤(b)期间，判断-OH键吸收是否处于第一等级，其中如果-OH键吸收不处于第一等级，那么继续使温度保持约150℃，且如果-OH键吸收处于第一等级，那么前进到(d)；(d)花约1小时以上将温度增加到约200℃；(e)使温度保持在150到200℃之间达约100小时；(f)在步骤(e)期间，判断-OH键吸收是否处于第二等级，其中如果-OH键吸收不处于第二等级，那么继续使温度保持在150到200℃之间，且如果-OH键吸收处于第二等级，那么前进到(g)；及(g)花约3小时以上将温度实质上降低到室温。
本发明还提供一种用于减少晶体中的污染物数量的多阶段斜升退火工艺，包括：将晶体的温度增加到第一预定温度的第一斜升阶段；使晶体保持处于第一预定温度从而使晶体中的污染物数量从原始数量减少到第一等级；将晶体的温度增加到第二预定温度的第二斜升阶段，第二预定温度高于第一预定温度；使晶体保持处于第二预定温度从而使晶体中的污染物数量从第一等级减少到第二等级；及将晶体的温度降低到接近室温。
本发明还提供一种用于减少吸湿性材料中的水的数量的多阶段斜升退火工艺，包括：将设置于具有小于20ppm水的环境中的吸湿性材料的温度增加到第一预定温度的第一斜升阶段；使吸湿性材料在环境中保持处于第一预定温度直到-OH键吸收处于第一等级；将环境中的吸湿性材料的温度增加到第二预定温度的第二斜升阶段，第二预定温度高于第一预定温度；使吸湿性材料在环境中保持处于第二预定温度直到-OH键吸收处于第二等级；及将吸湿性材料的温度降低到接近室温。
本发明还提供一种使频率转换晶体退火的方法，包括：将频率转换晶体的温度改变到第一设定点；使频率转换晶体的温度保持处于第一设定点达预焙烧时段；将频率转换晶体的温度改变到第二设定点；使频率转换晶体的温度保持处于第二设定点达焙烧时段；将频率转换晶体的温度实质上改变到室温。
附图说明
图1A说明根据本发明的简化激光器系统。
图1B说明示范性高斯激光束，其中指示光束腰。
图1C、1D及1E说明示范性外壳，其可实施用于保护频率转换晶体免受杂质损害的外壳，借此在激光器操作或不操作时维持晶体的退火状况。
图1F说明示范性多步频率转换。
图2A、2B及2C说明用于产生光源输出的椭圆形横截面的示范性变形光学器件。
图3A及3B说明可用在频率转换晶体上的示范性退火过程。
图4、5、6及7说明包含改进型激光器系统的示范性检验系统。
图8说明经配置以从由改进型激光器系统产生的每一输入激光器脉冲产生脉冲列的示范性脉冲倍增器。
具体实施方式
根据改进型激光器系统及操作，锁模激光器系统包含退火频率转换晶体及在正常操作期间产生位于所述晶体中或所述晶体接近处的椭圆形横截面光束腰的输入光源。在一些实施例中，所述频率转换晶体维持处于低温。如本文中所使用，“低”温为约50℃及以下。在一个实施例中，所述低温可介于30℃到-10℃之间。组件与操作的此组合可确保光束质量、光束稳定性及晶体寿命。
根据激光器系统的一些实施例，可包含“长”晶体(下文所述)。在激光器中的典型频率转换阶段中，输入激光束被聚焦到所述频率转换晶体中或所述频率转换晶体接近处的近似圆形横截面光束腰。晶体越长，将被转换成输出波长的输入波长就越多，这是因为输入激光束在晶体内花费越多时间。然而，过长晶体因输入与输出波长之间的走离而使光束质量降级。判断最大可用转换晶体长度的一个因素是走离角(其取决于晶体材料及输入与输出波长)及光束直径。在检验及测量半导体的应用中，需要良好光束质量，所以最大可用晶体长度通常约等于激光束腰直径除以走离角(以弧度为单位)。以一方程式表示，如果光束腰的半径为w0，走离角(以弧度为单位)为αwo且晶体长度为L，那么最大可用晶体长度由以下方程式近似给出：
例如，为在CLBO晶体中将532纳米输入激光束转换成266纳米，走离角为约33毫弧度(mrad)(具有对操作温度的弱依赖性)。如果光束腰半径为约175微米，那么最大晶体长度将为约11毫米。10毫米CLBO晶体长度通常将用于此应用。虽然增加光束腰半径将允许使用更长晶体，但总体转换效率将被降低，这是因为每单位长度的转换效率取决于与w0的平方成反比的功率密度。
非常小的w0值一般不可取，这是因为过高功率密度快速损坏晶体。此外，小w0值减小聚焦激光束的瑞利距离因此使系统对未对准更敏感，且如果晶体长度大于约两倍瑞利距离，那么导致晶体长度的仅一部分被有效率地用于频率转换。具有近似横截面光束及良好光束质量(即，M2约等于1.0，如下所论述)的激光束的瑞利距离由以下方程式给出：
如果具有足够好质量的足够大晶体可以合理成本购得，那么通常将晶体长度选择成约等于以上瑞利距离两倍与Lmax的较小者。因此，一般来说，晶体具有约等于以下每一者的较小者的长度：瑞利距离的两倍；及长度，其等于光束腰半径的两倍除以走离角(以弧度为单位)。
在本发明的一些实施例中，将光束聚焦到晶体中或晶体接近处的光束腰处的椭圆形横截面，如下所述。沿走离方向相对于非走离方向拉长所述椭圆。沿走离方向的增大光束腰半径允许使用更长晶体，这是因为Lmax仅取决于沿走离方向的w0值。
椭圆形聚焦处的功率密度与光束腰半径的乘积成反比(或与圆形横截面光束腰的光束腰半径平方成反比)。不使用圆形聚焦，而是可以使用两个光束腰半径经选择使得功率密度实质上等效于圆形聚焦的功率密度的椭圆形聚焦，从而使得圆形聚焦情况与椭圆形聚焦情况之间的每单位长度的转换效率及损坏率实质上类似。然而，因为椭圆形聚焦具有沿走离方向的更大光束腰半径，所以晶体长度可更长，从而使得总体转换效率增加。替代地，椭圆形聚焦的光束腰半径可经选择以便略微减小功率密度(例如，减小到圆形光束腰的功率密度的约70％)以便减小晶体的损坏率，同时使用足够长晶体(在此实例中为两倍长)以产生实质上相等的总体转换效率。还应注意，如果椭圆具有过大纵横比，那么沿更紧密聚焦方向的更小w0值将引起沿所述方向的更小瑞利距离且因此限制最大可用晶体长度。所属领域的技术人员将了解总体转换效率、损坏率、晶体长度及成本之间的这些及其它权衡且可选择适当光束腰轮廓。
由于在根据本发明的实施例而使用椭圆形聚焦时沿非走离方向的光束腰半径小于走离光束腰半径，所以沿非走离方向的瑞利距离短于沿走离方向的瑞利距离。因此，最大可用晶体长度大致取决于以下每一者的较小者：沿非走离方向的瑞利距离的两倍；及由沿走离方向的光束腰半径的两倍除以一走离角(以弧度为单位)界定的长度。
例如，在使用CLBO晶体来将532纳米转换成266纳米的频率转换阶段中，不是使用半径约175微米的圆形光束腰，而是可使用半径约125微米(非走离方向)乘半径250微米(走离方向)的椭圆形光束腰。这两种情况中的功率密度实质上类似，但椭圆形聚焦将允许约15毫米的最大晶体长度(相比于圆形聚焦的约11毫米的最大晶体长度)。如果与更长晶体一起使用，那么将使椭圆形聚焦的总体转换效率提高约50％。
图1A说明简化的改进型激光器系统100。在激光器系统100中，可使用光束塑形光学器件102将光源101的输出聚焦到频率转换晶体103(为便于引用，也称为晶体103)中或所述晶体接近处的椭圆形横截面高斯光束腰。如本文中所使用，术语“接近”优选地小于从晶体103的中心起的瑞利距离的一半。应注意，晶体103可为长晶体(如上所论述)或标准大小的晶体。在一个优选实施例中，椭圆的主轴的高斯宽度之间的纵横比可介于约2:1到约6:1之间。应注意，椭圆104的主轴104A与104B彼此垂直且界定椭圆104的最长长度及最宽宽度。在其它优选实施例中，椭圆的主轴之间的比率可介于约2:1到约10:1之间。在一个实施例中，更宽高斯宽度与频率转换晶体的走离方向实质上对准(例如，在约10°内对准)。
图1B说明示范性高斯激光束108(为了清晰起见具有放大尾部)，其中线104C指示2x光束腰(也称为聚焦区)。图1C、1D及1E说明示范性外壳，其可实施可在标准操作期间保护频率转换晶体103的外壳107。在一个实施例中，外壳107可保护晶体103免受杂质损害，借此有助于维持晶体103的退火状况(即使具有低标准操作温度，即，小于约50℃)。应注意，随时间逝去而暴露于杂质的晶体将开始劣化且可实质上恢复返回到未退火状态。2008年5月6日申请的标题为“用于控制光学晶体的环境的围封(Enclosure For Controlling TheEnvironment of Optical Crystals)”的美国专利申请案12/154,337更详细地描述这些外壳，且以引用方式并入本文中。在其它实施例中，外壳107可为包含激光器系统的晶体103及其它组件的更大结构。在一个实施例中，外壳107足够大以收容激光器系统的全部组件。应注意，外壳越大，激光器系统的保养及修理所需的预防措施就越多(以保护晶体103免于降级且维持其退火状况)。因此，在一个实施例中，外壳107优选为较小，而非较大。
光束塑形光学器件102可包含变形光学器件，其可改变来自光源101的输出的横截面。变形光学器件可包含(例如)棱镜、圆柱形弯曲元件、径向对称弯曲元件及衍射元件中的至少一者。在一个实施例中，光源101可包含产生待在晶体103内加倍的可见范围(例如532纳米)内的频率的激光器。在其它实施例中，光源101可包含产生待在晶体103内组合以产生频率和或频率差的两个或两个以上频率的激光源。
图1F说明示范性频率转换，其产生来自(例如)1064纳米基谐波长的四次谐波产生。可使用二次谐波产生技术191及频率分离技术192将由激光器190产生的基谐波长转换成二次谐波196(即，532纳米波长)。频率分离技术192可使非所需基谐波(即，未消耗基谐波197)与二次谐波196分离。在一个实施例中，可使用上述光束塑形光学器件102、频率转换晶体103及谐波分离块105来实施二次谐波产生技术191及频率分离技术192。
接着，二次谐波196可为四次谐波198(即，266纳米波长)的来源，可通过使用四次谐波产生技术193及频率分离技术194而产生四次谐波198。频率分离技术194使非所需二次谐波(即，未消耗二次谐波199)与四次谐波198分离。在一个实施例中，可使用上述光束塑形光学器件102、频率转换晶体103及谐波分离块105来实施四次谐波产生技术193及频率分离技术194。在另一实施例中，可使用上述光束塑形光学器件102、频率转换晶体103及谐波分离块105来实施频率转换及分离阶段(例如，实例中的二次及四次谐波转换阶段)中的一者以上。
应注意，图1F的示范性频率转换仅具说明性且不具限制性。其它谐波可通过以下操作而产生(例如)：混合基谐波与二次谐波以产生三次谐波；或混合基谐波与四次谐波(或混合二次与三次谐波)以产生五次谐波。产生紫外线(UV)波长的转换阶段的任何者或全部可使用光束塑形光学器件、频率转换晶体及谐波分离块。应注意，虽然图1F似乎被绘制为谐波分离块反射非所需频率且所需频率实质上不偏离地行进，但此仅说明谐波分离块使频率分离且并不意图限制被反射或透射的频率。
图2A、2B及2C说明示范性变形光学器件。图2A说明可经配置以几乎以布鲁斯特(Brewster)角操作的两个棱镜201及202。在一个实施例中，棱镜201及202可经调谐以调整光束的椭圆率而无需在系统中引入任何功率。图2B说明具有两个透镜203及204的圆柱形望远镜。应注意，可在圆柱形望远镜中设定准直度以补偿大部分散光。图2C说明实施有三个透镜205、206及207的远焦圆柱形变焦望远镜。远焦圆柱形变焦望远镜可用以调谐光束直径且设定聚焦。应注意，虽然图2A、2B及2C的变形光学器件包含两个或三个组件，但其它实施例可包含任何数目的组件。其实，图2A到2C的光学器件配置仅具说明性且不具限制性。返回参考图1A，光束塑形光学器件102产生椭圆形横截面光束输出，接着，可使用已知球形或圆柱形光学器件(未展示)来将所述椭圆形横截面光束输出聚焦于晶体103中或晶体103接近处的光束腰处。
谐波分离块105可包含用于光束分离的棱镜。在一个实施例中，未镀膜佩林-勃洛卡棱镜可产生两个光束，使得光束(即，具有所要频率的光束)因菲涅耳(Fresnel)反射而具有极少损失且另一光束(即，具有非所要频率的光束)因菲涅耳反射而遭受严重损失。明显地，由佩林-勃洛卡棱镜产生的输出光束相对于输入光束成90度以允许便利地设置及移除非所需光束(即，非所需频率)。应注意，其它实施例可包含产生具有所要波长的多个光束及/或用于移除具有非所要频率的一个或一个以上非所需光束的其它构件。再者，谐波分离块105可产生任何数目的谐波(例如二次、三次、四次或五次谐波)及/或此类谐波及/或基谐波的频率和或频率差。
明显地，光束塑形光学器件106可定位于晶体103之后以便为激光器系统100的输出光束产生实质上呈圆形的对称光束轮廓。如所属领域的技术人员所了解，在一个实施例中，可使用与光束塑形光学器件102的光学器件(圆形光束到椭圆形光束)类似的光学器件将输出光束从椭圆形横截面转换成圆形横截面。然而，应注意，在走离面(其垂直于普通轴且导致光束的畸变)中，输出光束的散度实质上类似于输入光束的散度，但可因由晶体103导致的光束轮廓的畸变而略微更大。相比来说，输出光束沿非走离方向(即，沿普通轴)的宽度将因非线性(近似为二次方程式)转换过程而减小约另外，用于实施光束塑形光学器件106的光学器件还应考虑输出光束的较短波长。明显地，较高激光器功率及/或较短激光器波长允许以较高速度检测较小缺陷。接近于M2＝1.0的高质量光束可紧密聚焦到小光点或窄线，从而有助于小缺陷的检测。应注意，1.0的M2值对应于具有理想高斯横截面的激光束。在一个优选实施例中，光束塑形光学器件106可产生具有小于约1.2的M2值的输出光束。
虽然M2为光束质量的一个量度，但光束质量可由其散光进一步量化。根据激光器系统100的另一方面，光束塑形光学器件102(及光束塑形光学器件106(当被使用时))可产生具有散光的UV输出激光束，其导致两个轴的相对腰位置中的不大于10％的瑞利距离移位。
应注意，在一些应用中，椭圆形输出光束可更佳匹配激光器系统100的应用。例如，当UV照射光束以一倾斜角入射在晶片上时，椭圆形激光束将允许圆形光点。对于此应用，光束塑形光学器件106可能未必需要变形光学器件。替代地，在其它实施例中，光束塑形光学器件106的变形光学器件可将输出椭圆形横截面改变成与由光束塑形光学器件102输出的横截面不同的椭圆形横截面。在所述实施例中，可由Mx 2及My 2测量光束质量，其中x及y表示椭圆的主轴(即，图1A中的104A及104B)。在此情况中，Mx 2与My 2两者应小于1.2。
在一个实施例中，可执行改进型退火过程以减少晶体103中的缺陷或杂质(例如H2O及/或OH)。一般来说，可在具有小于约20ppm水的环境中执行退火。在一个实施例中，所述环境可含有清洁干燥空气或干燥惰性气体(例如N2或Ar)。
在图3A所展示的一个多阶段斜升退火过程300中，可在步骤301中使温度在约2小时的时间间隔内从室温缓慢升高到约150℃。步骤302可使温度保持处于约150℃达约10到20小时。接着，步骤303可使温度在另一约1小时时段内增加到约200℃。如果初始晶体具有特别高的水含量，那么步骤303可较慢地执行此升温。接着，步骤304可使温度保持在约150到200℃之间达至少100小时(在一些实施例中，达约200或300小时)。另一方面，如果初始水含量较低，那么可使用较快温度斜变(步骤303)及(例如)48小时的较短退火时间(步骤304)。步骤305可在约3小时内将温度降低到室温。应注意，与步骤301到305相关联的时间是针对具有约5到15毫米范围内的线性尺寸的晶体。因为从晶体块移除水的过程本质上为扩散过程，所以具有较大尺寸(且因此具有表面面积与体积的较低比率)的晶体可能需要较长退火时间。相比来说，可在较短时间内使具有较小尺寸(且因此具有表面面积与体积的较大比率)的晶体充分退火。
再者，温度斜变可经调整以确保不因水最初被过快驱除或由温度变化诱发的机械应力而发生晶体的机械损坏。一般来说，具有较高水含量或较大机械尺寸的晶体可能需要比较小或较干燥晶体更慢的温度斜变及/或更长的约150℃保持时间。
在图3B所展示的另一多阶段斜升退火过程310中，FTIR(傅立叶变换红外光谱法)可用以监测红外光谱中的约3580cm-1处的-OH键(包含H2O)吸收。例如，在步骤302A中，在晶体经受退火(即，使温度保持处于约150℃)的同时，可对晶体进行FTIR监测。步骤302B可判断吸收是否处于第一等级，例如，-OH吸收峰值从其初始值减小约20％。如果不处于第一等级，那么过程继续到步骤302A。如果处于第一等级，那么过程前进到步骤303的退火。另外，可在步骤304A中于退火期间(即，使温度保持在约150到200℃之间)对晶体进行FTIR测量。步骤304B可判断吸收是否处于第二等级，例如，-OH吸收峰值面积已被减小到其原始值的约5％。如果不处于第二等级，那么过程继续到304A。如果处于第二等级，那么过程前进到步骤305的斜降。
退火过程300及310可用于各种频率转换晶体，其包含(例如)由CLBO、CBO、BBO、LBO(三硼酸锂)、铌酸锂、KDP或其它非线性材料制成的晶体。在一些实施例中，这些晶体材料可含有其它元素，例如掺杂剂。退火过程300及310可能对吸湿性材料(例如CBO及CLBO)特别有用。甚至对于一些非吸湿性材料，退火可用于减少表面或块状污染物。
远低于150℃的激光器操作温度在与具有极少缺陷或杂质的高级频率转换晶体一起使用时特别有用。明显地，可在比正常操作低很多的温度处使用具有极少缺陷/杂质的晶体，借此增加晶体寿命。例如，在一个实施例中，可在接近或甚至低于室温的温度(例如约10℃到约50℃之间的操作温度)处使用晶体103(使用上述过程中的一者来使其退火)。在一个优选实施例中，晶体的操作温度为约30℃。在另一优选实施例中，晶体可保持在不含水蒸气的受控环境中且接着被用在极低温度(例如约0℃、-10℃或更冷)中。在一个实施例中，热电(或帕耳帖(Peltier))冷却器可用以维持及控制晶体103的温度。
转换晶体的寿命增加有利地减小激光器系统的保养频率且增加并入有激光器系统的检验或度量工具的有成效操作时间的百分比。晶体的增加寿命还意味着激光器系统的操作成本降低，这是因为激光器系统的每一维修事件之间的时间间隔可被增大。
本文中所述的激光器系统可有利地并入有2011年3月28日申请的美国专利申请案13/073,986('986申请案)(现被公开为US20110228263)中所揭示的相干性降低方案，所述申请案以引用方式并入本文中。如'986申请案中所述，可通过调制光及通过混合光的空间与时间特性而使用一个或一个以上色散元件与一个或一个以上光电调制器的组合来降低相干性。
图4说明可用于检验表面401上的异常的表面检验系统400。在此实施例中，可由系统400(其包括由激光器系统100(参阅图1A)产生的激光束)的实质上固定照射装置部分来照射表面401。激光器系统100的输出可连续通过偏振光学器件421、光束扩张器与小孔422及光束形成光学器件423以扩张及聚焦光束。
接着，由光束折叠组件403及光束偏转器404反射聚焦激光束402以将光束405导引向表面401以照射表面。在优选实施例中，光束405实质上正交或垂直于表面401，但在其它实施例中，光束405可与表面401成倾斜角。
在一个实施例中，光束405实质上垂直或正交于表面401且光束偏转器404将来自表面401的光束镜表面反射向光束转向组件403反射，借此充当防止镜表面反射到达检测器的防护板。镜表面反射的方向为沿与表面401正交的线SR。在光束405与表面401正交的一个实施例中，此线SR与照射光束405的方向一致，其中此共同参考线或方向在本文中被称为检验系统400的轴。当光束405与表面401成倾斜角时，镜表面反射SR的方向将与光束405的入射方向不一致；在此例子中，线SR(其指示表面法线的方向)被称为检验系统400的收集部分的主轴。
由小粒子散射的光由镜406收集且被导引向小孔407及检测器408。由大粒子散射的光由透镜409收集且被导引向小孔410及检测器411。应注意，一些大粒子将使也被收集及导引到检测器407的光散射，且类似地，一些小粒子将使也被收集及导引到检测器411的光散射，但此光的强度相对低于相应检测器经设计以检测的散射光的强度。在一个实施例中，检验系统可经配置以用以检测未经图案化晶片上的缺陷。
图5说明经配置以使用法向与倾斜照射光束两者来实施异常检测的检验系统500。在此配置中，激光器系统100(图1A)可提供激光束501。透镜502使光束501聚焦穿过空间滤波器503且透镜504使光束准直且将其传送到偏振光束分裂器505。光束分裂器505将第一偏振分量传递到法向照射通道且将第二偏振分量传递到倾斜照射通道，其中所述第一与第二分量是正交的。在法向照射通道506中，第一偏振分量由光学器件507聚焦且由镜508反射向样本509的表面。由样本509散射的辐射由抛物面镜510收集且聚焦到光倍增管511。
在倾斜照射通道512中，第二偏振分量由光束分裂器505反射到镜513(其使此光束反射穿过半波板514)且由光学器件515聚焦到样本509。源于倾斜通道512中的倾斜照射光束且由样本509散射的辐射由抛物面镜510收集且被聚焦到光倍增管511。光倍增管511具有针孔入口。所述针孔及照射光点(来自表面509上的法向及倾斜照射通道)优选位于抛物面镜510的焦点处。
抛物面镜510将来自样本509的散射辐射准直成准直光束516。接着，准直光束516由物镜517聚焦且穿过检偏镜518而到光倍增管511。应注意，还可使用具有除抛物面形状以外的形状的弯曲镜表面。仪器520可提供光束与样本509之间的相对运动，使得光点扫描样本509的整个表面。
图6说明另一表面检验设备600，其包含用于检验表面611的区域的照射系统601及集光系统610。如图6中所展示，激光器系统100(图1A)经配置以导引光束602穿过透镜603。透镜603经定向使得其主平面实质上平行于表面611，因此，照射线605形成于透镜603的焦平面中的表面611上。另外，光束602及聚焦光束604沿非正交入射角导引到表面611。特定来说，光束602及聚焦光束604可沿与法向方向成约1°到约85°之间的角度导引到表面611。以此方式，照射线605实质上在聚焦光束604的入射平面中。
集光系统610包含：透镜612，其用于收集从照射线605散射的光；及透镜613，其用于将来自透镜612的光聚焦到装置(例如电荷耦合装置(CCD)614，其包括光敏检测器阵列)上。在一个实施例中，CCD 614可包含检测器的线性阵列。在此类情况中，CCD614内的检测器线性阵列可被定向成与照射线615平行。在一个实施例中，可包含多个集光系统，其中所述集光系统中的每一者包含类似组件，但定向不同。例如，图7说明表面检验设备的示范性的集光系统701、702及703的阵列(其中为简洁起见，未展示(例如)与照射系统601类似的所述表面检验设备的照射系统)。
美国专利5,108,176、5,377,001、5,377,002、5,189,481、5,712,701、6,118,525、6,201,601、6,271,916、6,608,676、7,088,443、7,492,451、7,525,649及7,957,066以及美国公开申请案2009/0180176及2011/0073982(全部以引用方式并入本文中)描述可包含激光器系统100的其它检验系统实施例。激光器系统100还可与以下方案的一者或一者以上组合：2011年6月13日申请的美国临时专利申请案61/496,446中揭示的脉冲伸长方案及脉冲速率倍增方案，所述申请案以引用方式并入本文中。
图8说明示范性脉冲倍增器800，其经配置以从由激光器系统100(图1A)输出的每一输入脉冲801产生脉冲列。输入脉冲801冲射偏振光束分裂器802，偏振光束分裂器802因为输入脉冲801的输入偏振而将其全部光透射到透镜806。因此，所述透射偏振平行于输入脉冲801的输入偏振。透镜806将输入脉冲801的光聚焦及导引到半波板805。一般来说，波板可使光波的垂直偏振分量之间的相位移位且因此改变穿过所述波板的光的偏振状态。在一波板中，一个偏振分量的传播略慢于垂直分量的传播。半波板805经制造使得在光射出时一个偏振分量实质上为相对于另一偏振分量而延迟(180度)的波长的一半。在一些优选实施例中，半波板805经定向使得其光学轴与入射偏振的平面实质上成27.4°角。因此，在这些优选实施例中，当具有输入偏振的光撞射半波板805时，其偏振实质上旋转54.8°角。
从半波板805射出的光由镜804及803反射回到偏振光束分裂器802。因此，偏振光束分裂器802、透镜806、半波板805及镜804与803形成环形腔配置。冲射偏振光束分裂器802的光在穿越环形腔之后因半波板805而以相对于输入偏振的角度(在一些优选实施例中，实质上为54.8°角)偏振。因此，偏振光束分裂器802透射一些光且反射其它光，如由箭头809所指示。具体来说，偏振光束分裂器802透射具有与输入脉冲801相同的偏振的来自镜803的光。此透射光从脉冲倍增器800射出作为输出脉冲807。反射光(其具有与输入脉冲801的偏振垂直的偏振)被重新引入到环形腔中(为简洁起见，未展示脉冲)。在半波板805的轴被定向成与输入偏振实质上成27.4°角的所述优选实施例中，单一入射脉冲的能量的实质上三分之二将被反射回到环形腔中且单一脉冲的入射能量的实质上三分之一将被透射。
明显地，这些重新引入的脉冲可以上述方式穿越环，其中由半波板805进一步偏振旋转且接着由偏振光束分裂器802分割光。因此，一般来说，上述环形腔经配置以允许一些光射出且允许光的剩余部分(具有少量损失)围绕环继续。在环的每一穿越期间，如果没有引入额外输入脉冲，那么全部光的能量将因光从环射出作为输出脉冲807而减小。
将新输入脉冲801周期性提供到脉冲倍增器800。可通过沿由箭头808指示的轴移动镜804而调整环的尺寸且因此调整环的时间延迟。如果环的时间延迟被调整为来自激光器100的脉冲之间的重复时间的约一半，那么输出脉冲的一半将为输入脉冲之间的约一半且来自环的脉冲的另一半将与输入脉冲大致一致。
在一个示范性实施例中，激光器可具有125兆赫的重复频率及约10到20皮秒的脉冲宽度且空腔可具有4.05纳秒的延迟时间，使得已围绕空腔而进行一次往返的脉冲在两个输入脉冲之间的约一半到达且已进行两次往返的第二脉冲在下一输入激光器脉冲后的约100皮秒到达。因此，在此示范性实施例中，将使具有125兆赫的窄输入脉冲的稳定串流变成具有250兆赫的重复频率的更宽脉冲的串流(变宽是因为空腔时间已被故意设定为输入脉冲之间的时间间隔的约(但不准确)一半)。在半波板的光学轴为定向成与输入脉冲的偏振成实质上27.4°角的优选实施例中，输出脉冲的总能量将实质上彼此相等。
本发明的结构及方法的上述各种实施例仅为本发明的原理的说明且不希望使本发明的范围限于所述特定实施例。例如，上述检验系统可并入到暗场检验工具或明场检验工具中。因此，本发明仅由所附权利要求书及其等效物限制。

Claims (8)

1.一种使频率转换晶体退火的方法，所述方法包括：
花约2小时以上时间将温度增加到约150℃；
使所述温度保持在约150℃约10小时；
花约1小时以上时间将所述温度增加到约200℃；
使所述温度保持在150℃到200℃之间约100小时或更长；及
花约3小时以上时间将所述温度降低到接近室温。
2.一种使频率转换晶体退火的方法，所述方法包括：
(a)花约2小时以上将温度增加到约150℃；
(b)使所述温度保持约150℃达约10小时；
(c)在步骤(b)期间，判断-OH键吸收是否处于第一等级，其中如果-OH键吸收不处于所述第一等级，那么继续使所述温度保持约150℃，且如果-OH键吸收处于所述第一等级，那么前进到(d)；
(d)花约1小时以上将所述温度增加到约200℃；
(e)使所述温度保持在150到200℃之间达约100小时；
(f)在步骤(e)期间，判断-OH键吸收是否处于第二等级，其中如果-OH键吸收不处于所述第二等级，那么继续使所述温度保持在150到200℃之间，且如果-OH键吸收处于所述第二等级，那么前进到(g)；及
(g)花约3小时以上将所述温度实质上降低到室温。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述判断使用FTIR傅立叶变换红外光谱法。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述FTIR监测红外光谱中约3580cm-1处的-OH键。
5.一种使频率转换晶体退火的方法，所述方法包括：
将所述频率转换晶体的温度改变到第一设定点；
使所述频率转换晶体的所述温度保持处于所述第一设定点达预焙烧时段；
将所述频率转换晶体的所述温度改变到第二设定点；
使所述频率转换晶体的所述温度保持处于所述第二设定点达焙烧时段；
将所述频率转换晶体的所述温度实质上改变到室温；
其中所述第一设定点大于100℃，所述预焙烧时段大于4小时，所述第二设定点大于150℃，且所述焙烧时段大于50小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在焙烧过程期间测量所述频率转换晶体以判断所述退火是否完成。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述判断使用FTIR傅立叶变换红外光谱法。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述FTIR监测红外线光谱中约3580cm-1处的-OH键。
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