CN113258426A - 一种213nm激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种213nm激光器，包括1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体；1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体依次连接；1064nm激光器用于产生1064nm激光脉冲；二倍频晶体接收1064nm激光器发出的1064nm激光脉冲，用于将部分1064nm激光转换为532nm倍频光；四倍频晶体将532nm倍频光转换为266nm激光脉冲；五倍频晶体将1064nm激光、266nm激光脉冲转换为213nm激光。213nm激光器可以避免二倍频光和三倍频光进行和频产生213nm激光脉冲过程中偏振需要转换的问题。

Description

一种213nm激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种213nm激光器。
背景技术
紫外波长的光源在半导体集成电路制造方面有着广泛的应用，且光源的波长越短，可以支持的集成电路的集成度越高。随着半导体芯片集成度越来越高,制版特征线宽越来越细,需要的光刻光源的波长越来越短。
目前，在工业生产中主要采用ArF准分子激光器作为光刻光源，尽管ArF准分子激光器可以输出193nm的深紫外波长。但是，准分子激光器工作介质是有毒气体，会污染环境，危害人身安全,设备操作和维护费用高。同时，ArF准分子激光器输出重复频率低，不利于提高加工效率，输出的光束质量差、线宽大，不利于提高加工分辨率。
发明内容
有鉴于此，本发明的一种213nm激光器，本发明的213nm激光器为固体激光器，可以有效减小由于非线性晶体导致的晶体吸收、走离效应以及热效应，可以提高213nm的产生效率；还具有调节方便、简单高效、实用性强的特点。
一种213nm激光器，其特征在于，包括1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体；
所述1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体依次连接；
所述1064nm激光器用于产生1064nm激光脉冲；
所述二倍频晶体接收1064nm激光器发出的1064nm激光脉冲，用于将部分1064nm激光转换为532nm倍频光；
所述四倍频晶体将532nm倍频光转换为266nm激光脉冲；
所述五倍频晶体将剩余的1064nm激光、266nm激光脉冲转换为213nm激光。
优选地，当所述1064nm激光器为皮秒激光器时用于产生1064nm激光脉冲，所述213nm激光器还包括：
第一双色镜、第二双色镜、反射镜、延迟线以及第三双色镜；
所述第一双色镜和反射镜设置于所述二倍频晶体以及四倍频晶体之间，并依次连接；
所述第三双色镜和所述第二双色镜设置于所述四倍频晶体和五倍频晶体之间，并依次连接；
所述延迟线设置于第一双色镜与第二双色镜之间；
所述剩余的1064nm皮秒激光入射至所述五倍频晶体之前，依次入射所述第一双色镜、所述延迟线和第二双色镜；
所述532nm倍频光经所述第一双色镜入射至反射镜，并经所述反射镜后入射至四倍频晶体产生266nm激光脉冲；
所述266nm激光脉冲经第三双色镜后入射至所述第二双色镜，并经所述第二双色镜后入射至所述五倍频晶体；
通过调节所述延迟线使得1064nm皮秒激光与266nm激光脉冲同时入射到五倍频晶体表面。
优选地，当所述1064nm激光器为纳秒激光器时用于产生1064nm纳秒激光脉冲，所述213nm激光器：
还包括第一双色镜、第二双色镜、反射镜以及第三双色镜；
所述第一双色镜和反射镜设置于所述二倍频晶体以及四倍频晶体之间，并依次连接；
所述第三双色镜和所述第二双色镜设置于所述四倍频晶体和五倍频晶体之间，并依次连接；
所述剩余的1064nm纳秒激光入射至所述五倍频晶体之前，依次入射所述第一双色镜和第二双色镜；
所述532nm倍频光经所述第一双色镜入射至反射镜，并经所述反射镜后入射至四倍频晶体产生266nm激光脉冲；
所述266nm激光脉冲经第三双色镜后入射至所述第二双色镜，并经所述第二双色镜后入射至所述五倍频晶体。
优选地，还包括分光镜，所述分光镜设置于五倍频晶体后方。
优选地，所述第一双色镜对1064nm激光透射，对532nm倍频光反射。
优选地，所述第二双色镜对1064nm激光透射，对266nm激光脉冲反射。
优选地，所述第三双色镜对532nm激光透射，对266nm激光反射。
优选地，所述二倍频晶体为LBO倍频晶体。
优选地，所述四倍频晶体为CLBO四倍频晶体。
优选地，所述五倍频晶体为CLBO五倍频晶体。
本发明的有益效果在于：本发明的213nm激光器，激光器采用1064nm激光器作为种子光，基于CLBO晶体，利用基频光与四倍频进行和频产生213nm皮秒激光脉冲；该激光器不仅可以有效减小由于非线性晶体吸收导致的损耗、走离效应以及热效应，同时，可以提高213nm的输出效率；且还具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。
本发明的213nm激光器可以避免二倍频光和三倍频光进行和频产生213nm激光脉冲过程中偏振需要转换的问题；由于CLBO晶体损伤阈值很高，可以提高深紫外激光脉冲损伤风险；采用的CLBO晶体对213nm的吸收小，走离小，因此，输出的213nm激光脉冲效率更高，光斑空间质量更好；采用的元器件都非常容易获得，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为本发明实施例一的基于空间串联方式的213nm激光器获得213nm激光脉冲的装置示意图；
图1B为本发明实施例二的基于空间串联方式的213nm激光器获得213nm激光脉冲的装置示意图；
图2为本发明实施例三的基于合束方式的213nm激光器获得213nm激光脉冲的装置示意图；
图3为本发明实施例四提供的213nm激光器的装置结构示意图；
图4为本发明实施例BBO晶体随波长的透过率曲线；
图5为本发明实施例CLBO晶体随波长的透过率曲线。
附图标记
1 1064nm激光器 2 二倍频晶体
3 第一双色镜 4 延迟线
5 第二双色镜 6 五倍频晶体
7 反射镜 8 四倍频晶体
9 第三双色镜 10 分光镜
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参看图1A，本发明实施例一提供一种基于空间串联方式的213nm激光器，包括1064nm激光器1、二倍频晶体2、四倍频晶体8以及五倍频晶体6；1064nm激光器1、二倍频晶体2、四倍频晶体8以及五倍频晶体6依次连接；1064nm激光器1用于产生1064nm激光脉冲；二倍频晶体2接收1064nm激光器发出的1064nm激光脉冲，用于将部分1064nm激光转换为532nm倍频光；四倍频晶体8将532nm倍频光转换为266nm激光脉冲；五倍频晶体6将1064nm激光和266nm激光脉冲转换为213nm激光。
请参看图1B，在五倍频晶体6后方，还可以设置有分光镜10，分光镜10(分光棱镜)可以将266nm激光脉冲、1064nm激光以及213nm激光进行分光，将266nm激光脉冲、1064nm激光以及213nm激光独立开来。
1064nm激光器可以为皮秒激光器或纳秒激光器。
请参看图2，当1064nm激光器为皮秒激光器时，本发明实施例三提供的一种基于空间合束的213nm激光器，包括1064nm激光器1、二倍频晶体2、第一双色镜3、第二双色镜5、五倍频晶体6、反射镜7、四倍频晶体8、反射镜7以及第三双色镜9；1064nm激光器1、二倍频晶体2、第一双色镜3、第二双色镜5以及五倍频晶体6依次连接；第一双色镜3、反射镜7、四倍频晶体8、第三双色镜9以及五倍频晶体6依次连接；其中，1064nm激光器1用于产生1064nm皮秒激光脉冲；二倍频晶体2接收1064nm激光器1发出的1064nm皮秒激光脉冲，用于将部分1064nm皮秒激光转换为532nm倍频光；第一双色镜3透射剩余的1064nm皮秒激光至所述第二双色镜5，第二双色镜5对1064nm皮秒激光透射至所述五倍频晶体6；第一双色镜3反射532nm倍频光至反射镜7，反射镜7将532nm倍频光反射至四倍频晶体8，四倍频晶体8将532nm倍频光转换为266nm激光脉冲；第三双色镜9透射剩余的532nm倍频光并且第三双色镜9将266nm激光脉冲反射至第二双色镜5，第二双色镜5再将266nm激光脉冲反射至所述五倍频晶体6；五倍频晶体6将1064nm皮秒激光和266nm激光脉冲转换为213nm皮秒激光。
本发明的213nm激光器，激光器采用1064nm激光器作为种子光，基于倍频晶体，利用基频光与四倍频进行和频产生213nm激光脉冲；该激光器不仅可以有效减小由于非线性晶体吸收导致的损耗、走离效应以及热效应，同时，可以提高213nm的输出效率；且还具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。
在第一双色镜3与第二双色镜5之间还设置有延迟线4，通过调节延迟线4可以使得1064nm皮秒激光与266nm皮秒激光脉冲同时入射到五倍频晶体6表面，确保实现高效率的和频。当1064nm激光器为纳秒激光器时，如本发明实施例四如图3所示。
纳秒激光器时间走离效应可忽略故，1064nm纳激光与266nm纳秒激光脉冲不需要延迟线即可实现在五倍频晶体6中的高效和频，从而产生213nm纳秒激光脉冲。
在以上各实施例中，在五倍频晶体6后方，还设置有分光镜10，分光镜10(分光棱镜)可以将266nm激光脉冲、1064nm激光以及213nm激光进行分光，将266nm激光脉冲、1064nm激光以及213nm激光独立开来。
其中，第一双色镜3对1064nm激光进行透射，对532nm倍频光进行反射；第二双色镜5对1064nm激光进行透射，对266nm激光脉冲进行反射；反射镜7对532nm倍频光高光反射；第三双色镜9对532nm激光进行透射，对266nm激光进行反射。
其中，二倍频晶体2为三硼酸锂(LBO)倍频晶体，四倍频晶体8为硼酸铯锂(CLBO)四倍频晶体8，五倍频晶体6为硼酸铯锂(CLBO)五倍频晶体6；CLBO五倍频晶体6和CLBO四倍频晶体8被放置在防止晶体潮解的密封盒内，且该密封盒可以被加热。
在非线性晶体中，213nm激光脉冲的产生基于三波耦合理论，在满足相位匹配的条件下，非线性晶体产生非线性极化，1064nm和266nm相互作用和频产生213nm激光脉冲；在213nm激光脉冲产生过程中，由于在和频过程中存在时间走离和空间走离，因此，除了晶体吸收特性外，非线性晶体的选择需要考虑有效非线性系数、走离角、允许角宽度以及允许温度范围。在深紫外波段，CLBO晶体具有紫外透光波段宽、抗光损伤阐值高、离散角小、倍频转换效率高、且易生长大尺寸单晶等优点；因此，本专利申请采用CLBO晶体用于1064nm的四次谐波、五次谐波产生。
213nm激光器可以避免二倍频光和三倍频光进行和频产生213nm激光脉冲过程中偏振需要转换的问题；由于CLBO晶体损伤阈值很高，可以提高深紫外激光脉冲损伤风险；采用的CLBO晶体对213nm的吸收小，走离小，因此，输出的213nm激光脉冲效率更高，光斑空间质量更好。
请参看图4以及图5，图4为BBO晶体随波长的透过率曲线，图5为CLBO晶体随波长的透过率曲线；从图中可以看出，相对于BBO晶体，CLBO的紫外透光波段宽，吸收低；同时，CLBO晶体抗光损伤阐值更高、离散角小、倍频转换效率高、且易生长大尺寸单晶，非常适合用于1064nm的四次谐波、五次谐波产生，这些优良的性质使得CLBO晶体在全固态紫外激光领域具有良好的应用前景。
本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种213nm激光器，其特征在于，包括1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体；
所述1064nm激光器、二倍频晶体、四倍频晶体以及五倍频晶体依次连接；
所述1064nm激光器用于产生1064nm激光脉冲；
所述二倍频晶体接收1064nm激光器发出的1064nm激光脉冲，用于将部分1064nm激光转换为532nm倍频光；
所述四倍频晶体将532nm倍频光转换为266nm激光脉冲；
所述五倍频晶体将剩余的1064nm激光、266nm激光脉冲转换为213nm激光。
2.如权利要求1所述的213nm激光器，其特征在于：
当所述1064nm激光器为皮秒激光器时用于产生1064nm激光脉冲，所述213nm激光器还包括：
第一双色镜、第二双色镜、反射镜、延迟线以及第三双色镜；
所述第一双色镜和反射镜设置于所述二倍频晶体以及四倍频晶体之间，并依次连接；
所述第三双色镜和所述第二双色镜设置于所述四倍频晶体和五倍频晶体之间，并依次连接；
所述延迟线设置于第一双色镜与第二双色镜之间；
所述剩余的1064nm皮秒激光入射至所述五倍频晶体之前，依次入射所述第一双色镜、所述延迟线和第二双色镜；
所述532nm倍频光经所述第一双色镜入射至反射镜，并经所述反射镜后入射至四倍频晶体产生266nm激光脉冲；
所述266nm激光脉冲经第三双色镜后入射至所述第二双色镜，并经所述第二双色镜后入射至所述五倍频晶体；
通过调节所述延迟线使得1064nm皮秒激光与266nm激光脉冲同时入射到五倍频晶体表面。
3.如权利要求1所述的213nm激光器，其特征在于：
当所述1064nm激光器为纳秒激光器时用于产生1064nm纳秒激光脉冲，所述213nm激光器：
还包括第一双色镜、第二双色镜、反射镜以及第三双色镜；
所述第一双色镜和反射镜设置于所述二倍频晶体以及四倍频晶体之间，并依次连接；
所述第三双色镜和所述第二双色镜设置于所述四倍频晶体和五倍频晶体之间，并依次连接；
所述剩余的1064nm纳秒激光入射至所述五倍频晶体之前，依次入射所述第一双色镜和第二双色镜；
所述532nm倍频光经所述第一双色镜入射至反射镜，并经所述反射镜后入射至四倍频晶体产生266nm激光脉冲；
所述266nm激光脉冲经第三双色镜后入射至所述第二双色镜，并经所述第二双色镜后入射至所述五倍频晶体。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的213nm激光器，其特征在于，还包括分光镜，所述分光镜设置于五倍频晶体后方。
5.根据权利要求2或3所述的213nm激光器，其特征在于，所述第一双色镜对1064nm激光透射，对532nm倍频光反射。
6.根据权利要求2或3所述的213nm激光器，其特征在于，所述第二双色镜对1064nm激光透射，对266nm激光脉冲反射。
7.根据权利要求2或3所述的213nm激光器，其特征在于，所述第三双色镜对532nm激光透射，对266nm激光反射。
8.根据权利要求1-3任一所述的213nm激光器，其特征在于，所述二倍频晶体为LBO倍频晶体。
9.根据权利要求1-3任一所述的213nm激光器，其特征在于，所述四倍频晶体为CLBO四倍频晶体。
10.根据权利要求1-3任一所述的213nm激光器，其特征在于，所述五倍频晶体为CLBO五倍频晶体。
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