DE102004063832B4

DE102004063832B4 - Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung

Info

Publication number: DE102004063832B4
Application number: DE102004063832A
Authority: DE
Inventors: Guido Dr. Hergenhan; Christian Dr. Ziener; Kai Dr. Gäbel
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Xtreme Technologies GmbH
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: US7218651B2; JP2006235591A; US20060140232A1; DE102004063832A1; JP4411273B2

Abstract

Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das extrem ultraviolette (EUV-)Strahlung emittiert, bei der durch eine Anzahl von unterschiedlich positionierten Lichtquellen definierte sekundäre Lichtquellenabbildungen auf einem Target erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Lichtquellen (1) impulsförmig betriebene Laser und derart getriggert sind, dass Laserimpulse (L_ik) aller einzelnen Laser (11, 12...1i) in einem gemeinsamen Schnittpunkt (19) ihrer ausgesendeten Laserstrahlen (17) eine definierte, regelmäßige Impulsfolge bilden, deren Frequenz die um die Anzahl der Laser vervielfachte Frequenz der Einzellaser ist,
– dass sämtliche Lichtquellen (1) innerhalb einer Laserebene (E₁) angeordnet sind, die von den Laserstrahlen (17) und einem gemeinsamen Strahlengang (2), in den die aus unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen (17) jeweils über mindestens eine zu jedem der einzelnen Laser (11, 12...1i) ausgerichtete Spiegelfläche (3) als reflektierte Strahlenbündel (22, 23, 24) eingekoppelt werden, aufgespannt ist,
– die Spiegelflächen (3) an einem rotierenden Facettenspiegel...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das extrem ultraviolette (EUV-)Strahlung emittiert.
Für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise als Pumplichtquelle eines laserinduzierten Plasmas für die Erzeugung von EUV-Strahlung, werden gepulste Laser mit hoher Durchschnittsleistung bei guter Strahlqualität benötigt. Die hohe Durchschnittsleistung soll bei kurzen Impulslängen durch hohe Repetitionsraten im Kilohertzbereich erreicht werden.
Einige Lasertypen, wie TEA-CO₂-Laser, Excimer-Laser, aber auch einige Nd-YAG-Laser mit Elementen zur Phasenkonjugation, die ihre Strahlung gepulst abgeben, sind jedoch in ihrer Wiederholfrequenz limitiert. Eine typische maximale Wiederholfrequenz eines TEA-CO₂-Lasers ist beispielsweise 250 Hz bei einer Impulslänge von nur 100 ns und einer Impulsenergie zwischen 1 und 20 J pro Einzellaser.
Im Stand der Technik ist aus der DE 199 35 404 A1 ein Beleuchtungssystem für Wellenlängen kleiner 193 nm, insbesondere für die EUV-Lithographie, bekannt geworden, das mehrere Lichtquellen und eine Spiegelvorrichtung zur Erzeugung sekundärer Lichtquellen mit mehreren, in Rasterelemente gegliederten Spiegeln aufweist. Ziel ist hierbei, die Austrittspupille des Beleuchtungssystems mit einer Mehrzahl von Lichtquellen bis zu einem bestimmten Füllgrad möglichst homogen auszuleuchten. Dazu wird eine Wabenplatte mit einer Vielzahl von Pyramiden zur additiven (nicht überlappenden) Zusammenfügung der Teillichtquellenpupillen oder zur jeweils die Austrittspupille ausleuchtenden Lichtmischung der Teillichtquellen vorgesehen. Hiermit ist bei erheblichem optischem Justieraufwand lediglich eine örtliche Erhöhung des Lichtleitwertes (Etendue) in der Austrittspupille des Gesamtsystems erreichbar. Eine Impulsanregung mit gesteigerter Frequenz ist nicht beschrieben.
Als gattungsfremder Stand der Technik soll weiterhin noch die US 5,818,546 benannt sein, in der eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes in einer Bildfläche offenbart ist. Hier erzeugt eine Strahlungsquelle über eine Projektionsoptik ein Bild, indem mindestens eine Bildreihe durch Ausleuchten von nebeneinander liegenden Bildflecken während eines Bildaufbauzyklus aufgebaut wird und sich der Bildaufbauzyklus ständig wiederholt. Die Bilderzeugung erfolgt dabei durch eine Aneinanderreihung von Haibleiteremittern, die durch ein Polygon- und/oder Kippspiegelsystem auf metrisch geordnete Bildflecken der Bildfläche abgebildet werden, wobei die Intensität der einzelnen Halbleiteremitter steuerbar ist, um unterschiedliche Inhalte für die Bilderzeugung im menschlichen Auge darzustellen. Bei der gepulsten Ansteuerung der Halbleiteremitter ist eine exakte Synchronisation mit der Stellung der Spiegelflächen vorgesehen. Dabei auftretende Verwischungseffekte der Bildpunkte durch eine geringfügige Bewegung der Spiegelflächen während der Ansteuerung der Lichtemitter sind erwünscht und es werden deshalb auch keine Maßnahme zu deren Unterdrückung angegeben.
Ferner ist in der JP 09-288243 A eine optische Multiplexeinrichtung beschrieben, um eine höhere Lichtausbeute aus einer Mehrzahl von gepulsten Laserlichtquellen zu erhalten. Dazu werden die Laser auf nahezu denselben Punkt einer Spiegelfläche gerichtet, die – als Seitenfläche eines prismatischen Polygonspiegels – orthogonal zur Ebene der Laser bewegt wird, wodurch sich die nacheinander ausgelösten Laserimpulse nahezu in derselben Richtung zu einem einheitlichen Multiplex-Ausgangslichtstrahl vereinigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines Laserstrahls hoher Wiederholrate und Durchschnittsleistung zu finden, die durch Zusammenschalten mehrerer in der Wiederholrate begrenzter Laser eine Steigerung der Wiederholfrequenz und damit der Leistung eines Lasersystems gestattet, ohne dass sich am Target die Strahlqualität (Intensitäts- und Ortsstabilität) des Lasersystems gegenüber der eines Einzellasers verschlechtert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das extrem ultraviolette (EUV-)Strahlung emittiert, bei der durch eine Anzahl von unterschiedlich positionierten Lichtquellen definierte sekundäre Lichtquellenabbildungen auf einem Target erzeugt werden, dadurch gelöst, dass die Lichtquellen impulsförmig betriebene Laser und derart getriggert sind, dass Laserimpulse aller einzelnen Laser in einem gemeinsamen Schnittpunkt ihrer ausgesendeten Laserstrahlen eine definierte, regelmäßige Impulsfolge bilden, deren Frequenz die um die Anzahl der Laser vervielfachte Frequenz der Einzellaser ist, dass sämtliche Lichtquellen innerhalb einer Laserebene angeordnet sind, die von den Laserstrahlen und einem gemeinsamen Strahlengang, in den die aus unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen jeweils über mindestens eine zu jedem der einzelnen Laser ausgerichtete Spiegelfläche als reflektierte Strahlenbündel eingekoppelt werden, aufgespannt ist, dass die Spiegelflächen an einem rotierenden Facettenspiegel als Spiegelfacetten mit unterschiedlichen Winkelstellungen gegenüber der Drehachse angebracht sind, wobei die Drehachse innerhalb der Laserebene liegt und die über die Impulsdauer reflektierten Strahlenbündel infolge der Rotation des Facettenspiegels eine Winkeländerung innerhalb einer Orthogonalebene zur Laserebene aufweisen, und dass im gemeinsamen Strahlengang optische Mittel zur Kompensation der Winkeländerung der Strahlenbündel vorhanden sind, die eine verkleinerte, scharfe optische Abbildung von dem Laserspot an der jeweiligen Spiegelfacette auf das Target aufweisen, um über die Dauer jedes Laserimpulses eine zeitlich und örtlich konstante Strahlqualität auf dem Target zu erreichen.
Vorteilhaft sind dabei jedem Einzellaser, wenn dieser aufeinanderfolgende Laserimpulse abgibt, mindestens zwei unterschiedliche Spiegelfacetten mit gleicher angepasster Winkelstellung innerhalb einer Spiegeldrehung um die Drehachse abwechselnd zugewandt.
Die Aufgabe wird weiterhin bei einer Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das EUV-Strahlung emittiert, bei der durch eine Anzahl von unterschiedlich positionierten Lichtquellen definierte sekundäre Lichtquellenabbildungen auf einem Target erzeugt werden, dadurch gelöst, dass die Lichtquellen als impulsförmig betriebene Laser derart getriggert sind, dass Laserimpulse aller einzelnen Laser in einem gemeinsamen Schnittpunkt aller ausgesendeten Laserstrahlen eine definierte, regelmäßige Impulsfolge bilden, deren Frequenz die um die Anzahl der Laser vervielfachte Frequenz der Einzellaser ist, dass sämtliche Lichtquellen in einer Laserebene angeordnet sind, die von den Laserstrahlen und einem gemeinsamen Strahlengang, in den die aus unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen jeweils über einen um seine Mittelachse rotierenden Spiegel als reflektierte Strahlenbündel eingekoppelt werden, aufgespannt ist, dass der rotierende Spiegel eine Drehachse orthogonal zur Laserebene aufweist, die einzelnen Laser um den gemeinsamen Schnittpunkt ihrer ausgesandten Laserstrahlen symmetrisch zur verlängerten optischen Achse des gemeinsamen Strahlengangs verteilt angeordnet sind und die über die Impulsdauer reflektierten Strahlenbündel infolge der schnellen Drehung des rotierenden Spiegels eine Winkeländerung innerhalb einer Laserebene aufweisen, und dass im gemeinsamen Strahlengang optische Mittel zur Kompensation der Winkeländerung der Strahlenbündel vorhanden sind, die von einem an der jeweiligen Spiegelfacette erzeugten Laserspot eine verkleinerte scharfe optische Abbildung auf das Target aufweisen, um über die Dauer jedes Laserimpulses eine zeitlich und örtlich konstante Strahlqualität auf dem Target zu erreichen.
Der rotierende Spiegel weist zweckmäßig eine einzige oder zwei (verspiegelte Vorder- und Rückseite) Spiegelflächen auf, die jeweils zu dem Einzellaser, der für die Abgabe eines Laserimpulses aktiviert ist, geeignet ausgerichtet sind.
Dabei liegt der Schnittpunkt der ausgesendeten Laserstrahlen vorteilhaft auf der Drehachse des rotierenden Spiegels.
Für jedes der Lösungsprinzipien ist die Impulslänge eines Einzellasers zweckmäßig wesentlich kürzer als die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen unterschiedlicher Einzellaser, wobei die Impulslänge umso kürzer eingestellt ist, je weniger zugeordnete Spiegelflächen jedem der Einzellaser für die Einkopplung zur Verfügung stehen, d. h. je höher die Drehgeschwindigkeit der Spiegelfläche(n) ist.
Vorteilhaft sind die Einzellaser TEA-CO₂-Laser, Excimer-Laser, gepulst betriebene Festkörperlaser oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Laser.
Zur Kompensation der während der Laserimpulse auftretenden Winkeländerung der reflektierten Strahlenbündel ist im gemeinsamen Strahlengang vorzugsweise ein teleskopisches System vorhanden. Dabei wird der Schnittpunkt aller Laserstrahlen der Einzellaser als Objekt einer optisch verkleinerten Abbildung zweckmäßig in eine Bildebene auf dem Target zur Erzeugung eines EUV-emittierenden Plasmas oder auf eine beliebige andere Bearbeitungsfläche (z. B. eines Werkstücks) abgebildet.
Das teleskopische System ist zweckmäßig als Optik aus Linsen, Spiegeln oder einer Kombination von Linsen und Spiegeln ausgebildet. Vorteilhaft werden asphärische Spiegelsysteme oder kombinierte Linsen-Spiegel-Systeme eingesetzt.
Die Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, dass für bestimmte Anwendungen, wie z. B. für die Generierung laserinduzierter Plasmen für die EUV-Projektionslithographie bei der Halbleiterchipherstellung, gepulste Laserstrahlen mit kurzen Impulslängen und Repetitionsraten im Kilohertzbereich sowie hoher Strahlqualität und Durchschnittsleistung benötigt werden. Diese Anforderung wird erfindungsgemäß durch ein zeitliches Hintereinanderschalten von Laserimpulsen gelöst, die aus einer gewissen Zahl von Einzellasern mit niedriger Repetitionsfrequenz entstammen. Die Laser strahlen aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Punkt eines die Neigung ändernden Spiegels, vorzugsweise eines sich drehenden Facettenspiegels (bzw. Polygonspiegels). Die Drehung des Facettenspiegels ist so mit den Impulsen der einzelnen Laser synchronisiert, dass jedem Laserstrahl eine definiert geneigte Facette des Facettenspiegels zugeordnet ist, so dass die reflektierten Strahlen alle in dieselbe Richtung abgelenkt werden.
Das Problem liegt dabei in der schnellen, kontinuierlichen Bewegung des Spiegels auch während der Dauer eines einzelnen Laserimpulses, so dass es nach der Reflexion des Laserlichts an der zugeordneten Spiegelfacette zu einer „Verwischung” des erwünschten Zielortes (Wechselwirkungsort mit dem Target) kommt, wodurch sich die räumliche Konstanz der Laserintensität und die erforderliche Laserleistung im Zielort verringert. Die Erfindung löst dieses Problem durch ein optisches System, das den Laserfleck von der zugeordneten Spiegelfläche mittels einer teleskopischen Abbildung verkleinert auf den Wechselwirkungsort mit dem Target abbildet, so dass die Richtungsschwankungen des Bündels (infolge der Spiegelbewegung) während des Laserimpulses minimiert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, einen Laserstrahl hoher Wiederholrate und Durchschnittsleistung zu erzeugen, bei dem durch Zusammenschalten mehrerer in der Wiederholrate begrenzter Laser eine Steigerung der Wiederholfrequenz und damit der Leistung eines Lasersystems gestattet, ohne dass sich am Target die Strahlqualität (Intensitäts- und Ortsstabilität) des Lasersystem gegenüber der eines Einzellasers verschlechtert.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Darstellung des Intensitätsverlaufs eines erfindungsgemäß erzeugten Laserstrahls aus zeitlich aufeinanderfolgend geschalteten Laserimpulsen im gemeinsamen Strahlengang, aufgetragen über der Zeit,
2: eine Darstellung des Problems der Winkelabweichung eines Laserimpulses bei kontinuierlich gedrehtem Facettenspiegel (Polygonspiegel),
3: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung zur Einkopplung mehrerer Laserimpulse in einen gemeinsamen Strahlengang mit Hilfe eines Facettenspiegels, der Facettenflächen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweist, und im gemeinsamen Strahlengang ein teleskopisches Abbildungssystem aufweist,
4: eine zu 3 modifizierte Gestaltung der Erfindung mit kontinuierlich gedrehtem Facettenspiegel und einem teleskopischen Spiegelsystem,
5: eine Ausführung der Erfindung in Analogie zu 3, jedoch mit nur einem rotierenden Spiegel und einem teleskopischen Linsensystem.
1 zeigt das Prinzip der Erfindung als über der Zeit aufgetragene Ausgangsleistung eines Lasersystems mit mehreren Laserquellen, die nacheinander auf ein Target gerichtet werden. Zur Erfüllung der Aufgabenstellung einer deutlichen Erhöhung der Repetitionsfrequenz eines Lasersystems wird die Impulsstrahlung unterschiedlicher Laser 1 (nur in den folgenden 2, 3 und 4 gezeigt) miteinander gekoppelt, indem mehrere Laserimpulse L₁...L_n zeitversetzt in einen gemeinsamen Strahlengang 2 (nur in den nachfolgenden Figuren gezeigt) eingekoppelt werden (zeitliches Multiplexen), so dass jeder der Einzellaser L₁...L_n nur eine geringere Repetitionsfrequenz aufzuweisen braucht.
Beim zeitlichen Multiplexen von Einzellasern 11, 12, 13, ... 1n ist die Gesamtleistung bei idealer Einkopplung in den gemeinsamen Strahlengang 2 gleich der Summe der Leistungen der Laserimpulse L_i (L₁, ..., L_n), wobei unter Voraussetzung baugleicher Laser 1 auch die Strahlqualität des Lasersystems gleich oder nahezu gleich der Strahlqualität jedes Laserimpulses L₁...L_n ist.
Das zeitliche Multiplexen geschieht, indem eine Spiegelfläche 3 während der Impulsdauer jedes Einzellasers 11, 12, ... 1n den entsprechenden Winkel zur Reflexion des zugeordneten Laserimpulses L_i in den gemeinsamen Strahlengang 2 zum Target 4 aufweist. Die dynamische Einstellung der Spiegelfläche 3 kann durch rotierende Spiegel oder einen dynamisch betriebenen Kipp- oder Schwingspiegel erfolgen.
Zur Verdeutlichung der zeitlichen Zusammensetzung der Impulsfolge eines Lasersystems für allgemein beliebig viele Laser (n) sei folgendes Beispiel angenommen.
Oszillieren alle Einzellaser 11, 12, ... 1n beispielsweise mit einer Pulsfolgefrequenz von 250 Hz, d. h. sendet jeder Laser 1 alle 4 ms einen Impuls aus, dann ist – um das Ergebnis gemäß 1 zu generieren – eine definierte Phasenverschiebung (Zeitverzögerung) von Impulsfolgen L_1k...L_nk der Einzellaser 11, 12, ... 1n untereinander erforderlich. Die Zeitverzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgend eingekoppelten Einzellasern 1i und 1(i + 1) sollte der Zeit zwischen zwei Laserimpulsen L_ik und L_ik+1 eines Einzellasers 1i dividiert durch die Anzahl n der gekoppelten Laser 1 entsprechen.
Bei einer gewählten Anzahl n = 8 ist beispielsweise zwischen den zu koppelnden Laserimpulsen L₁...L₂ eine Zeitverzögerung von 0,5 ms zu wählen. Die weiteren Laserimpulse L₃...L₈ folgen dann jeweils mit derselben Zeitverzögerung. Die Länge der Laserimpulse L₁, ..., L_n sollte wesentlich kürzer als die Zeitverzögerung sein. Sie ist desto kürzer zuwählen, je geringer die Anzahl der für das zeitliche Multiplexen vorhandenen Spiegelflächen 3 sind, d. h. je höher die Drehgeschwindigkeit der Spiegelfläche(n) ist. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Impulsdauer (Halbwertsbreite) jedes Lasers 1 etwa 100 ns und ist damit 5000 mal kürzer als die errechnete Zeitverzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgend eingekoppelten Lasern 1i und 1(i + 1).
2 zeigt eine mögliche Realisierung zur Einkopplung von sechs Einzellasern 11 bis 16 in einen gemeinsamen Strahlengang 2, der auf ein Target 4 gerichtet ist, mittels Spiegelflächen 3.
Da zur Einkopplung der Einzellaser 11 bis 16 intensitätsmindernde halbdurchlässige Spiegel nicht in Frage kommen, ist es am günstigsten, jedem der Einzellaser 11 bis 16 mindestens eine geeignet geneigte Spiegelfläche 3 zuzuordnen, die kurzzeitig während der Dauer des jeweiligen Laserimpulses L₁ bis L_n geeignet ausgerichtet zur Strahlumlenkung in den gemeinsamen Strahlengang 2 zur Verfügung steht.
Für den schnellen Wechsel einer auf jeden Laser individuell eingestellten Spiegelfläche 3 erweist sich ein rotierbarer Polygon- oder Facettenspiegel 37 als besonders zweckmäßig, wobei generell die Facettenanzahl ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl n der einzukoppelnden Laser 1 ist. In 2 ist eine 1:1-Zuordnung der Einzellaser 11 bis 16 zu den Spiegelfacetten 31 bis 36 für das Einkoppeln in einen gemeinsamen Strahlengang 2 gewählt worden, wobei die einzelnen Spiegelfacetten 31 bis 36 unterschiedlich gegenüber der Drehachse 38 geneigt sind, so dass die resultierenden reflektierten Strahlen alle kollinear sind. Ein Polygonspiegel mit solchen Facetten unterschiedlicher Winkelstellung ist an sich bekannt (beispielsweise aus US 5,818,546 ).
Die Laser 11 bis 16 liegen vorzugsweise – wie in 2 gezeigt – alle in einer Laserebene E₁, in der auch die Drehachse 38 des Facettenspiegels 37 angeordnet ist. Die von unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen 17 der Einzellaser 11 bis 16 werden über jeweils eine zugeordnete Spiegelfacette 31, 32, 33, 34, 35 oder 36 in den gemeinsamen Strahlengang 2 zum Target 4 gerichtet.
Werden in der Targetebene E₃ hohe Wiederholraten der Laserimpulse (> 100 Hz) gefordert, ist eine mechanisch schrittweise Drehung eines Facettenspiegels 37 (oder Spiegelrades, Schwingspiegels etc.) nicht mehr sinnvoll realisierbar.
Bei einer kontinuierlichen Bewegung des Facettenspiegels 37 wird jedoch für einen (willkürlich herausgegriffenen) Einzellaser 15 während der Dauer seines Laserimpulses 15 die Reflexionsebene des aktuell wirksamen Laserstrahls 18 um einen Winkel abgelenkt, der in einer Normalebene zur Drehachse 38 der zugeordneten Spiegelfacette 35 liegt. Somit verläuft das durch die Spiegelfacette 35 abgelenkte Laserlicht nicht nur entlang der optischen Achse 21 des gemeinsamen Strahlengangs 2, sondern wird während der Impulsdauer um einen Winkel abgelenkt, der in einer Orthogonalebene E₂ zur Drehachse 38 der Spiegelfacetten 31 bis 36 liegt. (Analoges gilt auch bezüglich der Drehachse eines Schwingspiegels 39, wie in 5 verwendet.) Die Winkeländerungen der wirksamen Spiegelfacette 35 während der Dauer dies Laserimpulses 15 wirken sich somit auf die Richtung des reflektierten Laserstrahlstrahls aus.
2 verdeutlicht diesen Effekt, indem in der Orthogonalebene E₂, die sowohl zur Drehachse 38 als auch zur Laserebene E₁ orthogonal ist, drei reflektierte Strahlenbündel 22, 23, 24 stilisiert dargestellt sind. Der aktuell wirksame Laserstrahl 18 des (beliebig herausgegriffenen) Einzellasers 15 wird durch die bewegte Spiegelfacette 35 über die Impulsdauer geschwenkt. Von diesem Laserstrahlschwenk sind die reflektierten Strahlenbündel 22, 23 und 24 als drei Momentaufnahmen des Laserimpulses 15 zu Beginn, in der Mitte und am Ende des Laserimpulses 15 dargestellt. Durch die fortschreitende Winkeländerung der Spiegelfacette 35 wird über die einfache Fokussierungsoptik 51 der Laserspot 25, der im Idealfall auf das Target 4 fokussiert sein sollte, praktisch über die Targetebene E₃ vom anfänglichen Laserspot 25' bis zum abschließend vorliegenden Laserspot 25'' „verwischt” und büßt so an Intensität und an Konstanz der am Target 4 wirksamen Laserleistung ein. Darin liegt das eigentliche physikalische Problem des schnellen zeitlichen Multiplexens von Einzellasern 11 bis 16 (oder ggf. einer noch größeren Laseranzahl).
Gemäß der Erfindung wird deshalb – wie in 3 dargestellt – im gemeinsamen Strahlengang 2 ein teleskopisches System 52 verwendet, das die über die Impulsdauer aufgespreizten Strahlenbündel 22, 23, 24 jedes Lasers (hier gezeigt für Einzellaser 15) parallelisiert und auf das Target 4 fokussiert.
Um eine zeitlich konstante Position des Laserspots 25 während des Laserimpulses 15 auf dem Target 4 zu erreichen, wird der Ort des Laserspots 27 von der Spiegelfacette 35 mittels des teleskopischen Systems 52, bestehend aus wenigstens zwei Linsen, verkleinert und scharf auf das Target 4 (z. B. zur Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas) abgebildet, so dass die schematisch gezeichneten einzelnen Strahlenbündel 22, 23, 24 des Laserimpulses 15 in der gewünschten Targetebene E₃ einen gemeinsamen Schnittpunkt im Laserfokus 25 erhalten. Mit dem teleskopischen Linsensystem 52 wird so die Änderungen der Reflexionsrichtung während der Dauer jedes der Laserimpulse L₁ bis L₆ auf dem Weg von den zugeordneten Spiegelfacetten 31 bis 36 bis zum Target 4 kompensiert und somit der Laserspot 25 jedes Einzellasers 11 bis 16 bezüglich Lage und Laserleistung in der Targetebene E₃ konstant gehalten.
Um das erfindungsgemäße Lasersystem für eine zu erzielende Repetitionsfrequenz zu konfigurieren, soll nachfolgend (abweichend von dem Beispiel, wie es in 3 mit einem Facettenspiegel 37 mit sechs Facetten 31 bis 36 dargestellt ist) die Anzahl n der einzukoppelnden Laser 1 geeignet bestimmt werden.
Die zu erzielende Repetitionsfrequenz soll 2500 Hz betragen. Die Repetitionsfrequenz eines verfügbaren Einzellasers 1i betrage 250 Hz. Es werden demzufolge zehn auf den gemeinsamen Strahlengang 2 einzukoppelnde Laser 1 benötigt. Die Laser 1 sind in Analogie zu 3 in einer Laserebene E₁ angeordnet, die von den Laserstrahlen 17 bzw. 18 und dem gemeinsamen Strahlengang 2 aufgespannt wird.
Der Facettenspiegel 37 muss in diesem Fall entsprechend der Laseranzahl (n = 10) 10·k Facetten (k = 1, 2, ...) aufweisen, die in Abhängigkeit von der Position der Laser 1 unterschiedlich geneigt sind, um deren Laserstrahlen 17 bzw. 18 nach der Reflexion an den zugehörigen Spiegelfacetten in einem gemeinsamen Strahlengang 2 auf das Target 4 zu richten.
Für k = 1, d. h. für zehn Spiegelfacetten, wird die notwendige Drehgeschwindigkeit des Facettenspiegels 37 durch die Repetitionsfrequenz jedes Lasers 1 zu 250 U·s^–1 vorgegeben, da sich der Facettenspiegel 37 dazu genau einmal vollständig um seine Drehachse 38 gedreht haben muss, um zum Zeitpunkt des nächsten Impulses L_ik desselben Lasers (z. B. Laser 15) wieder die zugehörige Spiegelfacette (z. B. 35) zur Verfügung zu haben. Daraus ergibt sich eine Drehzahl von 15.000 U·min^–1 bzw. eine Winkelgeschwindigkeit ω = 1570 s^–1.
Während eines Zeitintervalls Δt ergibt sich infolge der kontinuierlichen Drehung der Spiegelfacette 35 um die Drehachse 38 eine Winkeländerung γ der Reflexionsebene (in Figuren nicht gezeichnet) des aktuell wirksamen Laserstrahls 18 von γ = 2ω·Δt.
Mit einer gegebenen Laserimpulsdauer von ca. 100 ns berechnet sich über die gesamte Impulsdauer die Winkelabweichung γ des reflektierten Laserlichts zwischen den Strahlenbündeln 22 und 24 zu: γ(Δt = 100 ns) = 2·1570 s–1·10–7 s = 0,3 mrad
Diese Winkelabweichung γ ist also klein genug, so dass das reflektierte Laserbündel innerhalb der Apertur einer „normalen” Optik liegt. D. h. bei einem gewählten Laserstrahldurchmesser von 20 mm wird beim Eintritt in eine bei teleskopischen Systemen übliche Linse mit einer Brennweite von 5 m und einem Durchmesser von 5 cm eine Vergrößerung (Verwischung) des Strahldurchmessers von effektiv weniger als 10% beobachtet. Durch die Abbildung des Laserspots 27 von der Spiegelfläche 3 über ein teleskopisches Linsen- oder Spiegelsystem 52 bzw. 53 in die Targetebene E₃ wird die vor der Fokussierungsoptik 5 auftretende Winkelabweichung des reflektierten Laserlichts (zwischen den stilisierten Strahlenbündeln 22 und 24) kompensiert, so dass für Lasersysteme mit beliebig vielen Lasern 1 der Anregungsort (Laserfokus 25) innerhalb der Targetebene E₃ und somit die Laserleistung auf dem Target 4 konstant gehalten wird.
Zum Vergleich: Bei einfacher Fokussierung des Laserstrahls 18 mit nur einer Linse (einfache Optik 51 gemäß 2 – oder auch äquivalent: mit einem Hohlspiegel) bei einer Brennweite von 200 mm ergäbe sich in der Targetebene E₃ eine Ortsverschiebung des Laserfokus 25 (von Laserspot 25' bis 25'') von 60 μm, die bei üblichem Targetdurchmesser von ca. 20 μm nicht tolerierbar ist.
Die Anordnung gemäß 4 ist gegenüber der von 3 derart modifiziert, dass anstelle des teleskopischen Linsensystems 52 ein teleskopisches Spiegelsystem 53 eingefügt wurde. Die Funktion des Gesamtsystems zum zeitlichen Multiplexen von Laserimpulsen L_i wird dabei nur insoweit verändert, dass der gemeinsame Strahlengang 2 zweifach abgewinkelt ist, weil asphärische Spiegel zum Einsatz kommen. Dadurch liegt der Ort des Laserfokus 25 typischerweise nicht mehr in derselben Ebene wie die Drehachse 38 der Spiegelfläche 3 und das Target 4 (hier verallgemeinert als Einzeltarget dargestellt) wird entsprechend außerhalb der Schnittgeraden von Laserebene E₁, und Orthogonalebene E₂ bereitgestellt.
In 5 ist eine Variante der Erfindung gezeigt, die einen einzigen rotierenden Spiegel 39 verwendet, dessen Spiegelfläche 3 um eine zur gemeinsamen optischen Achse 21 und zu den von den Lasern 11 bis 16 (allgemein: Laser 1i mit i = 1, 2, ... n) ausgesendeten Laserstrahlen 17 orthogonal durch den Schnittpunkt 19 aller Laserstrahlen 17 verläuft.
Der rotierende Spiegel 39 bewegt sich dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit erheblicher Drehgeschwindigkeit und wird in bestimmten Winkelstellungen von jeweils einem der Laserstrahlen 17 getroffen. Die n Laser 1 sind dazu in gleichmäßigen Winkelabständen in der Laserebene E₁ angeordnet, wobei jedoch der gemeinsame Strahlengang 2 um die optische Achse 21 sowie die 180°-Stellung dazu ausgespart bleiben müssen.
Die Abbildung des jeweiligen Laserspots 27 auf der Spiegelfläche 3 erfolgt in diesem Fall wiederum durch ein teleskopisches Linsensystem 52, um die Strahlenbündel 22 bis 24 im Laserspot 25 auf dem Target 4 zusammenzuführen und somit den Laserspot 27 vom rotierenden Spiegel 39 verkleinert auf das Target 4 abzubilden.
Der rotierende Spiegel 39 ist in 5 gerade passend zum wirksamen Laserstrahl 18 des Lasers 15 eingestellt, so dass die kontinuierlich fortgesetzte Drehbewegung des rotierenden Spiegels 39 für den wirksamen Laserstrahl 18 zu unterschiedlichen Momentaufnahmen reflektierten Laserlichts führt, von denen drei von Anfang, Mitte und Ende des Laserimpulses in Form der Strahlenbündel 22 bis 24 des reflektierten Laserlichts dargestellt sind.
In dieser Ausführung erstreckt sich die Winkelabweichung γ der reflektierten Strahlenbündel 22 bis 24 innerhalb derselben Ebene (Laserebene E₁) und ist – für die hier gewählte reproduzierbare Zufuhr des Targets 4 – in Richtung der Targetachse 41 ausgerichtet.
Bei Verwendung eines einzelnen rotierenden Spiegels 39 als Multiplexer-Element kann das teleskopische Linsensystem 52 (wie auch beim Einsatz des Facettenspiegels 37) durch ein teleskopisches Spiegelsystem 53 (wie in 4 gezeigt) ersetzt werden oder es können kombinierte Spiegel-Linsen-Teleskope zum Einsatz kommen, ohne dass damit der Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre verlassen wird.

1: Laser
11 bis 16: Einzellaser
1i: (beliebiger) Einzellaser
17: ausgesendete Laserstrahlen
18: wirksamer Laserstrahl
19: Schnittpunkt
2: gemeinsamer Strahlengang
21: optische Achse
22 bis 24: Strahlenbündel
25: Laserfokus
25', 25'': Laserspots (in der Targetebene)
26: „verwischter” Laserspot (in der Targetebene)
27: Laserspot (auf der Spiegelfacette)
3: Spiegelfläche
31 bis 36: Spiegelfacetten
37: Polygon-/Facettenspiegel
38: Drehachse
39: rotierender Spiegel
4: Target
41: Targetachse
5: Fokussierungsoptik
51: einfache Optik
52: teleskopisches Linsensystem
53: teleskopisches Spiegelsystem
L₁ bis L_n: Laserimpulse
L_ik, L_ik+1: aufeinanderfolgende Laserimpulse
E₁: Laserebene
E₂: Orthogonalebene
E₃: Targetebene

Claims

Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das extrem ultraviolette (EUV-)Strahlung emittiert, bei der durch eine Anzahl von unterschiedlich positionierten Lichtquellen definierte sekundäre Lichtquellenabbildungen auf einem Target erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lichtquellen (1) impulsförmig betriebene Laser und derart getriggert sind, dass Laserimpulse (L_ik) aller einzelnen Laser (11, 12...1i) in einem gemeinsamen Schnittpunkt (19) ihrer ausgesendeten Laserstrahlen (17) eine definierte, regelmäßige Impulsfolge bilden, deren Frequenz die um die Anzahl der Laser vervielfachte Frequenz der Einzellaser ist, – dass sämtliche Lichtquellen (1) innerhalb einer Laserebene (E₁) angeordnet sind, die von den Laserstrahlen (17) und einem gemeinsamen Strahlengang (2), in den die aus unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen (17) jeweils über mindestens eine zu jedem der einzelnen Laser (11, 12...1i) ausgerichtete Spiegelfläche (3) als reflektierte Strahlenbündel (22, 23, 24) eingekoppelt werden, aufgespannt ist, – die Spiegelflächen (3) an einem rotierenden Facettenspiegel (37) als Spiegelfacetten (31; 32; 33; 34; 35; 36) mit unterschiedlichen Winkelstellungen gegenüber der Drehachse (38) angebracht sind, wobei die Drehachse (38) innerhalb der Laserebene (E₁) liegt und die über die Impulsdauer reflektierten Strahlenbündel (22, 23, 24) infolge der Rotation des Facettenspiegels (37) eine Winkeländerung innerhalb einer Orthogonalebene (E₂) zur Laserebene (E₁) aufweisen, und – im gemeinsamen Strahlengang (2) optische Mittel (5) zur Kompensation der Winkeländerung der Strahlenbündel (22, 23, 24) vorhanden sind, die eine verkleinerte, scharfe optische Abbildung von dem Laserspot an der jeweiligen Spiegelfacette (31; 32; 33; 34; 35; 36) auf das Target aufweisen, um über die Dauer jedes Laserimpulses (L_ik) eine zeitlich und örtlich konstante Strahlqualität auf dem Target (4) zu erreichen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einzellaser (1i), wenn dieser aufeinanderfolgend Laserimpulse (L_ik, L_ik+1) abgibt, mindestens zwei unterschiedliche Spiegelfacetten mit gleicher angepasster Winkelstellung innerhalb einer Spiegeldrehung um die Drehachse (38) abwechselnd zugewandt sind.
Anordnung zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls hoher Durchschnittsleistung, insbesondere zur Erzeugung eines heißen Plasmas, das extrem ultraviolette (EUV-)Strahlung emittiert, bei der durch eine Anzahl von unterschiedlich positionierten Lichtquellen definierte sekundäre Lichtquellenabbildungen auf einem Target erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lichtquellen (1) impulsförmig betriebene Laser und derart getriggert sind, dass Laserimpulse (L_ik) aller einzelnen Laser (11, 12...1i) in einem gemeinsamen Schnittpunkt (19) aller ausgesendeten Laserstrahlen (17) eine definierte, regelmäßige Impulsfolge bilden, deren Frequenz die um die Anzahl der Laser vervielfachte Frequenz der Einzellaser ist, – dass sämtliche Lichtquellen (1) innerhalb einer Laserebene (E₁) angeordnet sind, die von den Laserstrahlen (17) und einem gemeinsamen Strahlengang (2), in den die aus unterschiedlichen Positionen ausgesendeten Laserstrahlen (17) jeweils über einen um seine Mittelachse rotierenden Spiegel (39) als reflektierte Strahlenbündel (22, 23, 24) eingekoppelt werden, aufgespannt ist, wobei – der rotierende Spiegel (39) eine Drehachse (38) orthogonal zur Laserebene (E₁) aufweist, die einzelnen Laser (11, 12...1i) um den gemeinsamen Schnittpunkt (19) ihrer ausgesendeten Laserstrahlen (17) symmetrisch zur verlängerten optischen Achse (21) des gemeinsamen Strahlengangs (2) verteilt angeordnet sind und die über die Impulsdauer reflektierten Strahlenbündel (22, 23, 24) infolge der schnellen Drehung des rotierenden Spiegels (39) eine Winkeländerung innerhalb einer Laserebene (E₁) aufweisen, und – im gemeinsamen Strahlengang (2) optische Mittel (5) zur Kompensation der Winkeländerung der Strahlenbündel (22, 23, 24) vorhanden sind, die von einem an der jeweiligen Spiegelfacette (31; 32; 33; 34; 35; 36) erzeugten Laserspot eine verkleinerte scharfe optische Abbildung auf das Target aufweisen, um über die Dauer jedes Laserimpulses (L_ik) eine zeitlich und örtlich konstante Strahlqualität auf dem Target (4) zu erreichen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Spiegel (39) eine einzige Spiegelfläche (3) aufweist, die jeweils dem Einzellaser (11, 12...1i), der für die Abgabe eines Laserimpulses (L_i) aktiviert ist, geeignet ausgerichtet zugewandt ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Spiegel (39) eine zwei Spiegelflächen (3) aufweist, die jeweils abwechselnd dem Einzellaser (11, 12...1i), der für die Abgabe eines Laserimpulses (L_i) aktiviert ist, geeignet ausgerichtet zugewandt sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (19) der ausgesendeten Laserstrahlen (17) auf der Drehachse (38) des rotierenden Spiegels (39) liegt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslänge eines Einzellasers (1i) wesentlich kürzer ist als die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen (L_ik, L_i+1,k) unterschiedlicher Einzellaser (1i, 1i + 1), wobei die Impulslänge umso kürzer eingestellt ist, je geringer die Anzahl der für die Einkopplung der Einzellaser (1i) vorhandenen Spiegelflächen (3) ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellaser (1i) TEA-CO₂-Laser sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellaser (1i) Excimer-Laser sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellaser (1i) gepulst betriebene Festkörperlaser sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellaser als eine Kombination von TEA-CO₂-Lasern, Excimer-Lasern oder Festkörperlasern (1i) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der während eines Laserimpulses auftretenden Winkeländerung der Strahlenbündel (22, 23, 24) ein teleskopisches System (52; 53) im gemeinsamen Strahlengang (2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des teleskopischen Systems (52; 53) der Schnittpunkt (19) aller Laserstrahlen (17, 18) der Einzellaser (1i) als Objekt einer optisch verkleinerten Abbildung in eine Bildebene (E₃) auf dem Target (4) abgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des teleskopischen Systems (52; 53) der Schnittpunkt (19) die aller Strahlenbündel der Einzellaser (1i) als Objekt einer optisch verkleinerten Abbildung in eine Bildebene (E₃) auf einer beliebigen Bearbeitungsfläche abgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das teleskopische System (52) aus Linsen gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das teleskopische System (53) aus gekrümmten Spiegeln gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das teleskopische System (52; 53) aus einer Kombination von Linsen und Spiegeln gebildet ist.