CN116914551A - 应用于极紫外光刻光源的co2激光功率稳定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及极紫外光刻技术领域，具体提供一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法及装置，激光放大器在重复频率放电激励条件下，由于上能级气体分子弛豫无辐射跃迁，在一个脉冲周期内，停止放电激励后CO2激光增益将逐渐降低，所以利用与种子激光相同重复频率的激光放大器对种子激光进行放大，在不改变激光放大器放电激励功率的条件下，通过精密闭环控制相同频率种子激光注入到激光放大器内的时间延迟，可显著提高种子激光的增益提取效率，提升主振荡功率放大CO2激光器的功率稳定性。本发明在未打破激光系统热平衡的前提下，解决了现阶段脉冲体制主振荡功率放大器功率稳定性调节精度差的难题。
Description
技术领域
本发明涉及极紫外光刻技术领域，具体提供一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法及装置。
背景技术
光刻机是现代化大规模集成电路制造的核心设备，而曝光光源是光刻机的核心零部件。曝光光源波长越短，其提供的光刻分辨率越高，波长13.5nm的极紫外（EUV）光源是目前最先进的量产光刻机光源。激光诱导等离子体（LPP）可产生极紫外光，采用高重频、窄脉宽、高功率的长波CO2激光辐照锡液滴靶，诱发锡等离子体辐射13.5nm光是产生EUV光源的主流技术途径。
EUV光源功率稳定性直接影响芯片的良率，是光刻机产业化应用的核心评价指标之一。影响LPP-EUV光源功率稳定性的因素包括主泵浦CO2激光器功率稳定性、激光时空同步打锡液滴靶稳定性、EUV光收集效率稳定性等。主泵浦CO2激光器功率稳定性优化提升是改善EUV光源功率的稳定性的前提。
应用于EUV光源的主泵浦CO2激光器具有高功率、高重频、窄脉宽技术特征，主要采用主振荡功率放大（MOPA）的技术途径，即高重频、窄脉宽的种子激光经多级CO2激光放大器功率放大获得高功率激光。受振动、流场、温度等因素影响，开环长时间运行过程中主泵浦CO2激光器功率抖动在物理层面难以根除。通过闭环调控激光放大器的放电激励功率可以改变激光增益，进而改善激光功率稳定性。但闭环调控激光放大器注入功率的方法将打破CO2激光放大器内的热平衡，导致气体流场和激光增益分布的变化，将引入新的激光功率抖动，因此该方法无法应用于高精度激光功率稳定性控制领域。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法及装置，解决了现有CO2激光功率稳定方法需打破激光系统热平衡的难题，通过精密闭环控制相同频率种子激光注入到激光放大器内的时间延迟，可显著调控种子激光增益提取效率，提升主泵浦CO2激光功率稳定性。
本发明提供的一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法，利用与种子激光相同重复频率的激光放大器对种子激光进行放大，在不改变激光放大器放电激励功率的条件下，通过改变种子激光进入激光放大器内的时间延迟，提高种子激光的增益提取效率。
优选的，选定某一时间延迟，将种子激光注入激光放大器，测量由激光放大器输出的放大激光脉冲能量，将放大激光脉冲能量与预设范围比较：
当放大激光脉冲能量高于预设范围的最大值，增大时间延迟，直到放大激光脉冲能量在预设范围内；
当放大激光脉冲能量低于预设范围的最小值，减小时间延迟，直到放大激光脉冲能量在预设范围内。
一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，包括：CO2种子激光器、CO2激光放大器、控制中心和光电探测器；
CO2种子激光器输出种子激光；
CO2激光放大器对种子激光进行功率放大，并输出放大激光，CO2激光放大器的放电激励频率与种子激光的脉冲频率相同；
光电探测器测量放大激光的脉冲能量，并将脉冲能量反馈至控制中心，控制中心依据脉冲能量与预设范围的关系，控制CO2种子激光器输出种子激光的时间延迟。
优选的，还包括由固定倍率扩束镜组成的光束传递单元，将种子激光的光束特征尺寸与CO2激光放大器进行匹配，用于提升CO2激光放大器的功率提取效率。
优选的，通过激光取样镜对放大激光进行取样，供光电探测器测量放大激光的脉冲能量。
优选的，还包括锡液滴靶发生器，锡液滴靶发生器产生与CO2种子激光器同频率的微尺寸锡液滴，放大激光与锡液滴相互作用辐射高效率EUV光。
优选的，控制中心为CO2种子激光器、CO2激光放大器和锡液滴靶发生器提供触发信号，且相互之间的时间延迟可调，调节精度不低于1ns。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明在未打破激光系统热平衡的前提下，解决了现阶段脉冲体制主振荡功率放大器功率稳定性调节精度差的难题，显著提升了高重频、窄脉宽CO2激光器功率/脉冲能量的稳定性，满足高稳定性EUV光刻光源对CO2激光器功率稳定性应用需求。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置的示意图；
图2是根据本发明实施例提供的高重频、窄脉宽CO2种子激光器输出脉冲的波形图。
其中的附图标记包括：
CO2种子激光器1、光束传递单元2、CO2激光放大器3、控制中心4、锡液滴靶发生器5、锡液滴6、激光打靶EUV发光区7、激光取样镜8、光电探测器9、CO2激光放大器放电激励信号10、CO2种子激光信号11。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法主要是解决现有CO2激光功率稳定方法需打破激光系统热平衡的问题，由于激光放大器在重复频率放电激励条件下，上能级气体分子弛豫无辐射跃迁，在一个脉冲周期内，停止放电激励后出现自发辐射、碰撞弛豫等过程，CO2激光增益将逐渐降低。因此，在不改变激光放大器放电激励功率的条件下，通过精密闭环控制相同频率种子激光注入到激光放大器内的时间延迟，可显著调控种子激光增益提取效率，提升主泵浦CO2激光功率稳定性。
如图1所示，本发明实施例将应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法与装置进行结合介绍，装置包括CO2种子激光器1、光束传递单元2、CO2激光放大器3、控制中心4、锡液滴靶发生器5、锡液滴6、激光打靶EUV发光区7、激光取样镜8和光电探测器9，其中：
CO2种子激光器1为主泵浦CO2激光器提供高重频、窄脉宽的种子激光，其可采用声光调Q、电光调Q或者电光腔倒空等技术实现高重频窄脉冲的CO2种子激光的输出，CO2种子激光器1受控制中心4的触发信号控制。
CO2种子激光器1输出种子激光后，种子激光进入光束传递单元2，光束传递单元2用于将CO2种子激光器1的输出光束特征尺寸与CO2激光放大器3的增益空间相匹配，提高增益填充因子，进而有效提升CO2激光放大器3的功率提取效率。光束传递单元2由固定倍率扩束镜组成。
种子激光进入CO2激光放大器3进行激光放大，CO2激光放大器3可采用射频快轴流、射频快横流、射频板条等体制高功率激光放大器，CO2激光放大器3的放电激励频率与种子激光的脉冲频率相同，或者说与CO2种子激光器1的放电激励频率相同，且放电激励占空比可调。其在触发信号控制下，可实现门控频率10kHz-100kHz的放电激励，放电激励占空比可调范围为1%-90%。
控制中心4用于为CO2种子激光器1、光束传递单元2和CO2激光放大器3提供精密可控的触发信号，且相互之间的时间延迟精密可调，调节精度不低于1ns。在控制中心4的控制时序下，CO2种子激光器1输出的种子激光经CO2激光放大器3放大后，与锡液滴靶发生器5产生的锡液滴6在激光打靶EUV发光区7进行激光打靶，产生等离子体EUV光，液滴靶发生器5采用压电陶瓷激励毛细管发生器，可喷射频率10kHz-100kHz、尺寸10μm-100μm的球状锡液滴靶。在激光打靶之前的光路上设置有激光取样镜8，激光取样镜8为ZnSe材料镀膜取样镜，取样率＜0.2%。激光取样镜8对一部分放大后的种子激光进行取样，将这部分取样传入高灵敏度的光电探测器9，方便激光功率监视，光电探测器9实时测量放大激光的脉冲能量，其附带固定倍率的功率衰减器，避免探测信号的能量饱和失真，光电探测器9并将其反馈至控制中心4，控制中心4进行信号采集和运算比较，判断放大激光脉冲的实测能量值与预设范围的关系，根据能量判定结果实时调控CO2种子激光器1的脉冲输出信号的触发时刻，提升主泵浦CO2激光功率稳定性。
结合上述结构，以重频频率50kHz、占空比50%为例，具体说明CO2激光功率稳定方法和调控逻辑：
控制中心4向CO2激光放大器3输出CO2激光放大器放电激励信号10的触发信号，激励时间为10μs，周期T=20μs，如图2所示，方波前沿t1时刻CO2激光放大器3开始射频放电，此时CO2激光放大器3开始积累激光增益，到方波后沿t2时刻CO2激光放大器3停止射频放电，此时CO2激光放大器3具有最高的激光增益积累，之后，由于弛豫振动无辐射跃迁效应，激光增益逐渐降低。
当延迟时间Δt（Δt=t3-t2）时，控制中心4向下控制延迟时间Δt=10μs，此时触发CO2种子激光器1产生种子激光，种子激光注入CO2激光放大器3进行放大，获得CO2种子激光信号11。
光电探测器9对放大后的种子激光进行采样测量，并将脉冲能量反馈给控制中心4。
控制中心4对实测的脉冲能量进行运算，比较放大后的种子激光脉冲能量与预设范围进行比较：
当放大激光脉冲能量高于预设范围的最大值，逐渐增大时间延迟Δt，直到放大激光脉冲能量在预设范围内；
当放大激光脉冲能量低于预设范围的最小值，逐渐减小时间延迟Δt，直到放大激光脉冲能量在预设范围内。
过程中，在不改变CO2种子激光器1放电激励功率条件下可实现了激光功率稳定性调控，由于该调控方法没有打破激光放大器的热平衡过程，因此具有极高的功率稳定性调控精度。
本发明不仅适用于CO2激光激光器，同样适用于重复频率脉冲固体、光纤、碟片、气体、板条等多种体制的主振荡功率放大器激光功率稳定性的精密闭环控制。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法，其特征在于，利用与种子激光相同重复频率的激光放大器对种子激光进行放大，在不改变激光放大器放电激励功率的条件下，通过改变种子激光进入激光放大器内的时间延迟，提高种子激光的增益提取效率。
2.如权利要求1所述的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定方法，其特征在于，选定某一时间延迟，将种子激光注入激光放大器，测量由激光放大器输出的放大激光脉冲能量，将放大激光脉冲能量与预设范围比较：
当放大激光脉冲能量高于预设范围的最大值，增大时间延迟，直到放大激光脉冲能量在预设范围内；
当放大激光脉冲能量低于预设范围的最小值，减小时间延迟，直到放大激光脉冲能量在预设范围内。
3.一种应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，其特征在于，包括：CO2种子激光器、CO2激光放大器、控制中心和光电探测器；
CO2种子激光器输出种子激光；
CO2激光放大器对种子激光进行功率放大，并输出放大激光，CO2激光放大器的放电激励频率与种子激光的脉冲频率相同；
光电探测器测量放大激光的脉冲能量，并将脉冲能量反馈至控制中心，控制中心依据脉冲能量与预设范围的关系，控制CO2种子激光器输出种子激光的时间延迟。
4.如权利要求3所述的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，其特征在于，还包括由固定倍率扩束镜组成的光束传递单元，将种子激光的光束特征尺寸与CO2激光放大器进行匹配，用于提升CO2激光放大器的功率提取效率。
5.如权利要求4所述的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，其特征在于，通过激光取样镜对放大激光进行取样，供光电探测器测量放大激光的脉冲能量。
6.如权利要求3所述的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，其特征在于，还包括锡液滴靶发生器，锡液滴靶发生器产生与CO2种子激光器同频率的微尺寸锡液滴，放大激光与锡液滴相互作用辐射高效率EUV光。
7.如权利要求6所述的应用于极紫外光刻光源的CO2激光功率稳定装置，其特征在于，控制中心为CO2种子激光器、CO2激光放大器和锡液滴靶发生器提供触发信号，且相互之间的时间延迟可调，调节精度不低于1ns。
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