CN203135206U - 用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置 - Google Patents

Abstract

一种用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置，该装置由分光器、可调狭缝、高精度光谱仪、线宽反馈控制系统组成。本实用新型能对准分子激光器输出激光的线宽进行稳定的控制，具有使用方便、结构简单、对准分子激光器线宽连续调节的特点。

Description

用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置

技术领域

本实用新型涉及准分子激光器，特别是一种用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置。窄线宽准分子激光器，如ArF激光器或者KrF激光器，是目前深紫外波段主要的光刻光源。本实用新型公开的线宽连续调节装置便实用，结构简单，可在一定线宽范围内对准分子激光器线宽进行连续调节，并实现光谱线宽的稳定控制。

背景技术

光刻光源的线宽直接影响半导体光刻的特征尺寸，所以在半导体光刻领域对激光线宽的精确控制非常重要。在先技术[US 8259764 B2]一般采用给中阶梯光栅施加应力的装置改变激光到达光栅的波前和入射角，从而达到微调线宽的目的。然而该装置结构复杂，在空间有限的线宽压窄模块内装调困难。另外，光栅长期处于形变状态会影响其使用寿命。

在先技术[US20020031158 A1]中也使用了狭缝装置来压窄激光器光谱线宽，但其狭缝宽度不可调节，所以无法对激光器线宽进行调节和精确控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置，该装置能对准分子激光器输出激光的线宽进行稳定的控制，具有使用方便、结构简单、可在一定线宽范围内对准分子激光器线宽进行连续调节。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置，其特征在于：该装置由分光器、可调狭缝、高精度光谱仪、线宽反馈控制系统组成，上述各部分的位置关系如下：

准分子激光器由耦合输出镜、放电腔、线宽压窄模块组成，所述的分光器置于所述的窄线宽准分子激光器的耦合输出镜之外，所述的可调狭缝置于所述的输出镜放电腔与耦合输出镜之间，或放电腔与线宽压窄模块之间；或置于所述的放电腔与耦合输出镜之间和放电腔与线宽压窄模块之间，所述的分光器将输出的激光分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第一光束作为主要能量输出，第二光束作为探测光入射到高精度光谱仪，高精度光谱仪实时测量到的激光线宽值由所述的线宽反馈控制系统进行数据处理，并根据计算结果相应调节所述的可调狭缝的宽度，从而改变激光的线宽，最终实现激光线宽的稳定控制。

所述的可调狭缝的数量为1或2，将1个可调狭缝置于所述的窄线宽准分子激光器的输出镜放电腔与耦合输出镜之间，或放电腔与线宽压窄模块之间；或将2个可调狭缝分别置于所述的放电腔与耦合输出镜之间和放电腔与线宽压窄模块之间。

所述的可调狭缝宽度在水平方向可调，调节范围为1毫米~5毫米。

所述的第一光束和第二光束的分光比为：95~80%：5~20%。

所述的高精度光谱仪(3)的光谱分辨率0.01皮米~1皮米；

所述的线宽反馈控制系统是一台计算机，对高精度光谱仪)的实测光谱线宽进行数据处理，并根据处理结果显示相应的线宽值、与目标线宽的差值、可调狭缝的调节量。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型公开的窄线宽准分子激光器线宽连续可调的方法，方便实用，不改变线宽压窄模块内机械件结构，装调简易，可在一定线宽范围内对准分子激光器的线宽进行连续调节，并实现激光线宽的稳定控制。

附图说明

图1为本实用新型用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置实施例1的示意图

图2为窄线宽准分子激光器结构示意图

图3为本实用新型实施例1可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图

图4为本实用新型实施例2为可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图

图5为本实用新型实施例3可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图

图6为窄线宽准分子激光器光谱线宽随狭缝宽度变化关系图

图中：

1—分光器、2—可调狭缝、3—高精度光谱仪、4—线宽反馈控制系统、5—第一光束、6—第二光束、7—耦合输出镜、8—放电腔、9—线宽压窄模块

图中实线表示光路，虚线仅表示线路或连接关系。

具体实施方式

请参阅图1，图1为用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置图，由图可见，本实用新型用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置，其特征在于：该装置由分光器1、可调狭缝2、高精度光谱仪3、线宽反馈控制系统4组成，上述各部分的位置关系如下：

准分子激光器由耦合输出镜7、放电腔8、线宽压窄模块9组成，所述的分光器1置于所述的窄线宽准分子激光器的耦合输出镜7之外，所述的可调狭缝2置于所述的窄线宽准分子激光器中，所述的分光器1将输出的激光分为透射的第一光束5和反射的第二光束6，所述的第一光束5作为主要能量输出，第二光束6作为探测光入射到高精度光谱仪3，高精度光谱仪3实时测量到的激光线宽值送所述的线宽反馈控制系统4进行数据处理，根据计算结果相应调节所述的可调狭缝2的宽度，从而改变激光的线宽，最终实现激光线宽的稳定控制。

所述的窄线宽准分子激光器由耦合输出镜7、放电腔8、线宽压窄模块9组成。如图2所示。

图3为本实用新型实施例1可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图，将一个可调狭缝2置于放电腔8与线宽压窄模块9之间。

图4为本实用新型实施例2可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图，将一个可调狭缝2置于所述的放电腔8与耦合输出镜7之间。

图5为本实用新型实施例3可调狭缝在窄线宽准分子激光器位置示意图，将2个可调狭缝2分别置于所述的放电腔(8)与耦合输出镜(7)之间和放电腔(8)与线宽压窄模块(9)之间。

所述的可调狭缝宽度在水平方向可调，调节范围为1毫米~5毫米。

所述的第一光束5和第二光束6的分光比为：95~80%：5~20%。

所述的高精度光谱仪3的光谱分辨率0.01皮米~1皮米；

所述的线宽反馈控制系统4是一台计算机，对高精度光谱仪3的实测光谱线宽进行数据处理，并根据处理结果显示相应的线宽值、与目标线宽的差值、可调狭缝(2)的调节量。据计算结果相应调节可调狭缝的宽度从而改变激光的线宽，最终实现激光线宽的稳定控制。

所述的可调狭缝2放置在激光器放电腔8的两侧，通过连续调节狭缝装置的狭缝宽度改变激光的发散角，从而实现输出激光器的光谱线宽在一定范围内连续可调。

所述的线宽反馈控制系统是一台计算机，对高精度光谱仪的实测光谱线宽进行数据处理，并根据处理结果显示相应的线宽值、与目标线宽的差值、可调狭缝的调节量等参数。

利用可调狭缝装置调节线宽的原理如下：

在由多个棱镜与光栅相组合的线宽压窄系统中，输出激光的线宽的半高宽度(FWHM)可以由下式决定[US 20020186741 A1]：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FWHM}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{2M\tan {\mathrm{\α}}_B\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中θ_div为光束水平方向的发散角，M为棱镜扩束系统的扩束倍数，α_B为激光入射到光栅的角度。N_R为脉冲在激光腔(包括线宽压窄模块)内的往返次数，λ为激光波长。

由(1)式可知，理论上激光器线宽的半高宽测量值Δλ_FWHM(FWHM)随发散角θ_div成正比。所以在其他参量不变的情况下，对线宽的连续调节可以通过对发散角的连续调节实现。如本专利公开的方法所示。

除了参量Δλ_FWHM外，本领域中窄线宽激光的光谱线宽还存在另外一种衡量方式Δλ_E95，定义为95%积分强度时光谱的宽度。其数值随狭缝宽度变化的趋势与Δλ_FWHM基本相同。

在此实施例中，狭缝装置的宽度为1~5mm连续可调，放置在放电腔与线宽压窄模块之间。当激光腔两端未加狭缝时，激光输出线宽约2.15pm；当狭缝宽度从逐渐减小时，线宽从4mm时的2.15pm变化为1mm时的1.67pm。实测线宽Δλ随狭缝宽度d几乎呈线性变化，如图6所示。线性拟合的变化关系为

Δλ＝1.48799+0.15057×d    (2)

例如窄线宽激光要稳定的目标线宽Δλ_target＝2.0pm，则实际测量到的线宽Δλ_measure＝2.1pm，则根据(2)式，求得狭缝需变窄（2.1-2.0）/0.15057=0.66mm。由于激光线宽监测和反馈是实时进行的，由此可以获得目标为2.0pm线宽稳定的激光输出。

实验表明，本实用新型能对准分子激光器输出激光的线宽进行稳定的控制，具有使用方便、结构简单、对准分子激光器线宽连续调节的特点。

Claims (6)

1.一种用于窄线宽准分子激光器的线宽稳定控制装置，其特征在于：该装置由分光器(1)、可调狭缝(2)、高精度光谱仪(3)、线宽反馈控制系统(4)组成，上述各部分的位置关系如下： 

准分子激光器由耦合输出镜(7)、放电腔(8)、线宽压窄模块(9)组成，所述的分光器(1)置于所述的窄线宽准分子激光器的耦合输出镜(7)之外，所述的可调狭缝(2)置于所述的窄线宽准分子激光器中，所述的分光器(1)将输出的激光分为透射的第一光束(5)和反射的第二光束(6)，所述的第一光束(5)作为主要能量输出，第二光束(6)作为探测光入射到高精度光谱仪(3)，高精度光谱仪(3)实时测量到的激光线宽值由所述的线宽反馈控制系统(4)进行数据处理，根据计算结果相应调节所述的可调狭缝(2)的宽度，从而改变激光的线宽，最终实现激光线宽的稳定控制。 

2.根据权利要求1所述的线宽稳定控制装置，其特征在于所述的可调狭缝(2)的数量为1或2，将1个可调狭缝(2)置于所述的窄线宽准分子激光器的输出镜放电腔(8)与耦合输出镜(7)之间，或放电腔(8)与线宽压窄模块(9)之间；将2个可调狭缝(2)分别置于所述的放电腔(7)与耦合输出镜(8)之间和放电腔(8)与线宽压窄模块(9)之间。 

3.根据权利要求1所述的线宽稳定控制装置，其特征在于所述的可调狭缝宽度在水平方向可调，调节范围为1毫米~5毫米。 

4.根据权利要求1所述的线宽稳定控制装置，其特征在于所述的第一光束(5)和第二光束(6)的分光比为：95~80%：5~20%。 

5.根据权利要求1所述的线宽稳定控制装置，其特征在于所述的高精度光谱仪(3)的光谱分辨率0.01皮米~1皮米； 

6.根据权利要求1至5任一项所述的线宽稳定控制装置，其特征在于所述的线宽反馈控制系统(4)是一台计算机，对高精度光谱仪(3)的实测光谱线宽进行数据处理，并根据处理结果显示相应的线宽值、与目标线宽的差值、可调狭缝(2)的调节量。 

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