DE19915741A1

DE19915741A1 - Laserresonator für UV-Licht emittierende Laser

Info

Publication number: DE19915741A1
Application number: DE19915741A
Authority: DE
Inventors: Andreas Goertler
Original assignee: TuiLaser AG
Current assignee: TuiLaser AG
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: DE19915741C2

Abstract

Beschrieben wird ein Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, die einen mit laseraktivem Gas gefüllten Gasraum beiseitig zur optischen Achse des Resonators begrenzen. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Resonatorendspiegel als optische Einheit ausgebildet ist, die den Gasraum gasdicht einseitig abschließt, eine wellenlängenselektierende und Bandbreite-begrenzende Wirkung sowie eine für das aus den Laserresonator austretende UV-Licht hochreflektierende optische Schicht aufweist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, die einen mit laseraktivem Gas gefüllten Gasraum beidseitig zur optischen Achse des Resonators begrenzen.

Stand der Technik

Für die Erzeugung von kohärentem und weitgehend monochromatischem Licht im ultravioletten Spektralbereich werden in an sich bekannter Weise Excimerlaser verwendet, die durch Hochspannungsentladung innerhalb einer Gasatmosphäre je nach Wahl der Gasfüllung UV-Licht im Impulsbetrieb erzeugen. Die Erzeugung möglichst hochenergetischer und schmalbandiger Lichtpulse ist jedoch bei Wellenlängen kleiner 200 nm mit dem Problem verbunden, daß die Transmission durch optische Materialien wie auch durch Luft für elektromagnetische Strahlung derart kurzer Wellenlängen stetig abnimmt. Als Folge hiervon schwächt jedes optische Element innerhalb des Laserresonators zur Strahlführung sowie zur Bandbreitenbegrenzung die nach außen tretende Laserstrahlung stark ab.

Insbesondere für die Erzeugung möglichst schmalbandiger Lichtpulse, die beispielsweise für Lithographietechniken in der Halbleiterindustrie von hohem Interesse sind, sind Resonatorkonfigurationen bekannt, in denen zusätzliche optische Elemente, wie Prismen, Aufweitoptiken etc. für die Einengung der Linienbreite der emittierten Laserstrahlung eingesetzt werden. So wird bspw. zur Wellenlängeneinengung der Laserstrahl aus dem Resonatorgehäuse über ein Auskoppelfenster nach außen geführt und durchläuft in normaler Umgebungsatmosphäre eine entsprechende Anordnung optischer Elemente. Jede zusätzliche Komponente führt jedoch zu einer Verringerung der Laserausgangsleistung durch Transmissionsverluste sowie durch Reflexionsverluste an den Grenzflächen der jeweiligen Optik. Auch unterliegt die Ausbreitung von UV-Licht innerhalb Luft merklichen Transmissionsverlusten, die erheblich zur Schwächung der Laserleistung beitragen. Ein Ausweg besteht darin, in den Gasraum, des Laserresonators selbst zusätzliche optische Elemente, wie Prismen etc., einzubauen, um auf diese Art und Weise ein Auskoppelfenster einzusparen. Durch derartige Maßnahme sind diese optischen Elemente jedoch dem aggressiven Gas (Fluor) des Lasers ausgesetzt. Insbesondere die Justage der Optiken sowie deren Wechsel im Gasraum ist nur sehr schwierig durchzuführen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, der insbesondere für die Erzeugung von möglichst hochenergetischem und schmalbandigem Laserlicht dienen soll, derart weiterzubilden, daß das UV-Licht auf seinem Lichtweg innerhalb des Lasersystems möglichst wenigen optischen Verlusten unterliegt, aber dennoch als möglichst schmalbandiger Laserstrahl das Lasersystem verläßt. Die hierfür nötigen Maßnahmen sollen kostengünstig sein und überdies die Baulänge des Resonators nicht nachhaltig beeinträchtigen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 6 angegeben. Merkmale, die den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbilden, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, die einen mit Laser aktiven gasgefüllten Gasraum beidseitig zur optischen Achse des Resonators begrenzen, derart weitergebildet, daß ein Resonatorendspiegel als optische Einheit ausgebildet ist, die den Gasraum gasdicht einseitig abschließt, eine wellenlängenselektierende und Bandbreite- begrenzende Wirkung sowie eine für das aus dem Laserresonator austretende UV-Licht hochreflektierende optische Schicht aufweist.

Durch das Vorsehen einer derartigen optischen Einheit, die vorzugsweise als Prisma ausgebildet ist, werden drei optische Funktionen in einer einzigen optischen Einheit vereint. Zwar unterliegt das Licht beim Durchtritt des Prismas ebenso Transmissions- und Reflexionsverlusten, doch ist es möglich die Anzahl der für die Bandbreite einengenden optischen Bauteile sowie den für die Rückreflexion des Laserlichtes in den Gasraum des Laserresonators nötigen Spiegel auf ein einziges optisches Element zu reduzieren.

Am Beispiel eines F₂-Lasers sollen die mit der Erfindung verbundenen Vorteile nachfolgend geschildert werden: Beim Betrieb eines Fluor-Gas-Excimerlasers werden in an sich bekannter Weise wenigstens zwei Laserwellenlängen im Bereich von 157 nm emittiert, deren Wellenlängenpeaks um 120 Pikometer auseinander liegen. Durch Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Einheit, die als wellenlängenselektierendes Prisma ausgebildet ist, ist es möglich, aufgrund der Wellenlängendispersion des Prismas beide Wellenlängen unter Verwendung einer zusätzlichen Blende, die innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, zu trennen. Hierfür weist das Prisma wenigstens zwei Oberflächen auf, eine dem Gasraum zugewandte und eine dem Gasraum abgewandte Oberfläche, wobei die dem Gasraum abgewandte Oberfläche eine das im Inneren des Laserresonators erzeugte UV-Strahlung hochreflektierende Schicht aufweist. Um zu gewährleisten, daß die im Inneren des Resonators erzeugte Strahlung in entgegengesetzter Richtung von der reflektierenden Oberfläche in den Gasraum des Laserresonators zurückreflektiert wird, ist das Prisma unter dem Brewsterwinkel am Gasraum angeordnet.

Zur leichteren Integration des Prismas in eine Fassung, die mit dem Gasraum gasdicht verbunden ist und die eine räumliche Justierung des Prismas ermöglicht, ist auf der verspiegelten Seite des Prismas, ein Gegenprisma aufgesprengt, das zusammen mit dem Prisma eine optische Einheit bildet, die in eine justierbare Fensterfassung zur gleichzeitigen Trennung zum Gasraum eingebaut ist.

Ist die dispersive Wirkung des einseitig den Gasraum abgrenzenden Prismas nicht ausreichend genug für eine gewünschte Wellenlängenselektion bzw. Wellenlängeneinschränkung, so wird erfindungsgemäß ein Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, zwischen denen ein Gasraum vorgesehen ist, innerhalb dem Laserlicht erzeugbar ist, das sich bevorzugt entlang eines Lichtweges, der von beiden Resonatorendspiegeln begrenzt ist, ausbreitet, derart weitergebildet, daß den Lichtweg durchsetzend und den Gasraum wenigstens einseitig abschließend, eine optische Einheit vorgesehen ist, die eine wellenlängenselektierende und Bandbreite-begrenzende Wirkung aufweist und als Durchtrittsfenster des Laserlichtes dient. Ferner ist an die optische Einheit außerhalb des Gasraumes des Laserresonators ein durch ein Gehäuse eingeschlossenes Volumen vorgesehen, das evakuiert oder mit einem Spülgas befüllbar ist und in dem ein Resonatorendspiegel vorgesehen ist und einseitig den Lichtweg des Resonators begrenzt. Innerhalb des geschlossenen Volumens ist im Lichtweg wenigstens ein optisch dispersives Element vorgesehen.

Vorzugsweise ist die optische Einheit, die als Durchtrittsfenster des Laserlichtes dient, als Prisma ausgebildet und räumlich justierbar in einer Fensterfassung integriert, die eine gasdichte Trennung zwischen dem Gasraum und dem geschlossenen Volumen gewährleistet. Innerhalb des geschlossenen Volumens können eine oder mehrere im Lichtweg eingebrachte optische Einheiten räumlich justierbar vorgesehen werden, die je nach Dispersionsgrad zur Wellenlängenselektion beitragen. Um Transmissionsverluste durch die bloße Ausbreitung von UV-Licht durch Luft zu vermeiden, ist das geschlossene Volumen vorzugsweise mit einem Druck von weniger 10^-4 Hektopascal evakuiert. Alternativ kann das geschlossene Volumen mit Edelgasen oder Stickstoff gespült werden, wobei jedoch mit einer, wenn auch geringen, aber vorhandenen Leistungsabnahme im Vergleich zum evakuierten geschlossenen Volumen gerechnet werden muß.

Neben dem Einbringen von Prismen bieten sich auch Gitter oder Etalons an, um den gewünschten Dispersionseffekt zur Wellenlängenselektion zu erzielen. Der wesentliche Gesichtspunkt einer derartigen Anordnung liegt in der Verwendung eines dispersiven Elementes als Austrittsfenster, das neben der gasdichten Trennung zwischen Gasraum des Laserresonators und Vakuum innerhalb des geschlossenen Volumens selbst auch zu einer Wellenlängendispersion beiträgt.

Neben den vorstehend genannten Excimerlasergasfluor können auch beliebig andere gasförmige Lasermedien verwendet werden, die die Erzeugung ultravioletter Strahlung mit Wellenlängen von unter 200 nm ermöglichen, zumal eben diese kurzen Wellenlängen erhöhten Transmissionsverlusten bei der Ausbreitung durch Luft und transparenten optischen Medien unterliegen. So eignet sich insbesondere auch ArF-Gas zum Betrieb von Excimerlasern, die eine Wellenlänge von 193 nm emittieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Darstellung eines Laserresonators mit einem Prisma als Resonatorendspiegel, sowie

Fig. 2 schematisierte Darstellung eines Laserresonators mit einem Prisma als Durchtrittsfenster mit angeschlossenem evakuiertem oder mit Spülgas durchflossenem Volumen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist ein Teil des Gasraums 1 eines Excimerlasers dargestellt, in dem die Hochspannungsentladeelektroden 2 stark schematisiert eingezeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß als Excimerlasergas Fluor eingesetzt wird, das UV-Licht zweier Wellenlängen bei 157 nm emittiert, die sich um jeweils 120 Pikometer unterscheiden. Um den Wellenlängenbereich des Fluor-Lasers auf nur eine einzige Laserwellenlänge einzugrenzen, ist der Gasraum 1 einseitig mit einem Prisma 3 begrenzt, das in den Lichtweg 4 des Excimerlasers eingebracht ist. Das Prisma 3 weist eine dem Gasraum zugewandte Oberfläche 5 und eine dem Gasraum abgewandte Oberfläche 6 auf und ist überdies als Rechteckprisma ausgebildet. An der dem Gasraum abgewandten Oberfläche 6 ist eine hochreflektierende Schicht 7 aufgebracht, die weitgehend verlustfrei die im Inneren des Gasraumes 1 des Excimerlasers entstehenden Wellenlängen zurückzureflektieren vermag.

Um eine vollständige Rückreflexion eines Lichtstrahls mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Prismas zu erreichen, der aus dem Gasraum 1 des Excimerlasers im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Entladungselektroden emittiert wird, ist das Prisma 3 derart relativ zum Lichtweg 4 zu justieren, so daß das Prisma 3 unter dem Brewsterwinkel relativ zum Lichtweg 4 angeordnet ist. Unter dem Brewsterwinkel auf die Oberfläche des Prismas einfallendes Licht wird nicht reflektiert. Dadurch werden die Verluste im Resonator minimiert. Aufgrund der innerhalb des Prismas 3 stattfindenden Dispersion vermag das Prisma zwei ihm benachbarte Wellenlängen in ihrem geometrischen Lichtausbreitungsverhalten räumlich zu trennen, so daß eine dem Reflexionsereignis im Lichtweg nachgeordnete Blende 8 dafür sorgt, daß lediglich der Lichtstrahl einer einzigen bestimmten Wellenlänge in das Innere des Gasraumes 1 gelangt und dort weiteren Verstärkungsprozessen unterliegt.

Zur besseren Halterung des Prismas 3 ist auf die dem Gasraum abgewandte Oberfläche 6 ein zweites Prisma 3' aufgesprengt, wodurch sich die Prismenkombination leicht in eine justierbare Fensterfassung 9 integrieren läßt. Die justierbare Fensterfassung 9 ist gasdicht mit dem Gasraum 1 verbunden.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt das Prisma 3 drei unabhängige Funktionen:

1. Wellenlängenselektion aufgrund der dispersiven Eigenschaften des Prismas.
2. Gasdichte Abgrenzung zwischen dem Gasraum 1 und dem Außenraum sowie
3. Rückreflexion des auf das Prisma 3 einfallenden intrakavitären UV-Lichtes.

Mit Hilfe eines einzigen optischen Elementes ist es möglich, bei kurzer Baulänge innerhalb eines Excimerlaserresonators unter Vermeidung weitgehender Transmissionsverluste die innerhalb des Gasraums entstehende UV-Strahlung in ihrer Bandbreite einzuschränken.

Für den Fall, daß die Bandbreiteneinschränkung bzw. die Wellenlängenselektivität aufgrund der nur begrenzten Dispersionseigenschaften des Prismas nicht ausreicht, sind zusätzliche Prismen und/oder Gitter als wellenlängenselektierende Elemente hinzuzufügen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dient ein mit dem Gasraum 1 des Excimerlasers gasdicht verbundenes Prisma 3, das den Gasraum 1 gasdicht gegenüber der äußeren Umgebung abschließt. Das Prisma 3 ist hierzu in eine justierbare Optikfassung 9 integriert, an deren dem Gasraum 1 des Excimerlasers abgewandten Seite gasdicht ein geschlossenes Volumen 10 angebracht ist, das von einem entsprechenden Gehäuse 11 umgeben ist. Innerhalb des geschlossenen Volumens 10, das vorzugsweise evakuiert oder von einem Spülgas durchflossen wird, sind zwei weitere Prismen 12 und 13 vorgesehen, die einzeln und unabhängig voneinander räumlich justiert werden können. Jedes einzelne Prisma für sich übt eine dispersive Wirkung auf den das Prisma durchtretenden Lichtstrahl aus, so daß hierdurch die Wellenlängenselektivität erhöht werden kann. Das Prisma 13 weist überdies eine hochreflektierende Schicht 7 auf, an der die Lichtstrahlen in sich wieder zurückreflektiert werden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, daß ein übliches Trennfenster durch den Einsatz des Prismas 3, das zugleich dispersive Wirkung auf den Lichtstrahl ausübt, ersetzt wird, wodurch die mit einem Trennfenster verbundenen Verluste (Absorption, Verlängerung des Resonators) eingespart werden können.

Überdies sind die Prismen 12 und 13 innerhalb des geschlossenen Volumens 10 leichter und ohne größeren technischen Aufwand justierbar zu lagern, als im Falle einer an sich bekannten intrakavitären Anordnung. Der Tausch optischer Komponenten ist ebenfalls auf einfache Art und Weise möglich.

Die dargestellten Laserresonatoren gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sind grundsätzlich bei allen Wellenfängen für < 200 nm geeignet, bei denen die vorstehend genannten Probleme mit Absorption im Gas bzw. geringer Transmission in den optischen Materialien auftreten.

Als optische Materialien werden typischerweise CaF₂, MgF₂ oder andere UV-trans parente Materialien für die Prismen eingesetzt. Im Falle der Verwendung von F₂-Lasergas, das bei einer Wellenlänge von 157 nm emittiert, sind überdies fluorfeste optische Materialien einzusetzen. So zeigt sich, daß bei Verwendung eines Prismas mit der beschriebenen Kombinationswirkung die Bandbreite der emittierten Strahlung auf 1/10 reduziert werden kann, wobei zugleich der Energieverlust durch Absorption und Transmission deutlich reduziert werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Gasraum

2

Hochspannungsentladeelektroden

3

Prisma

4

Lichtweg

5

zum Gasraum zugewandte Oberfläche

6

vom Gasraum abgewandte Oberfläche

7

Hochreflektierende Schicht

8

Blende

9

justierbare Optikfassung

10

Geschlossenes Volumen

11

Gehäuse

12

Prisma

13

Prisma

Claims

1. Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, die einen mit laseraktivem Gas gefüllten Gasraum beidseitig zur optischen Achse des Resonators begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonatorendspiegel als optische Einheit ausgebildet ist, die den Gasraum gasdicht einseitig abschließt, eine wellenlängenselektierende und Bandbreite-begrenzende Wirkung sowie eine für das aus den Laserresonator austretende UV-Licht teil- bzw. hochreflektierende optische Schicht aufweist.

2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit wenigstens zwei Oberflächen aufweist, eine dem Gasraum zugewandte und eine dem Gasraum abgewandte Oberfläche,
daß an der dem Gasraum abgewandten Oberfläche die hochreflektierende optische Schicht aufgebracht ist, und
daß die dem Gasraum zugewandte Oberfläche unter dem Brewsterwinkel für das auf diese Oberfläche einfallende UV-Licht angebracht ist.

3. Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit ein Prisma ist.

4. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, in dem Gasraum F₂-Gas zur Trennung der Laserlinien bei 157, 5333 . . . und 157,6299 nm enthalten ist.

5. Laserresonator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dem Gasraum abgewandten Oberfläche des Prismas ein Gegenprisma aufgebracht ist, und daß Prisma und Gegenprisma in eine räumlich justierbare Fassung eingebracht sind, durch die der Gasraum gasdicht abgedichtet ist.

6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum einen Entladebereich aufweist und daß zwischen dem Entladebereich im Gasraum und dem den Gasraum abschließenden Prisma eine Blende angebracht ist.

7. Laserresonator für einen UV-Licht emittierenden Laser mit zwei Resonatorendspiegeln, zwischen denen ein Gasraum vorgesehen ist, innerhalb dem Laserlicht erzeugbar ist, das sich bevorzugt entlang eines Lichtweges, der von beiden Resonatorendspiegeln begrenzt ist, ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtweg durchsetzend und den Gasraum wenigstens einseitig abschließend eine optische Einheit vorgesehen ist, die eine wellenlängenselektierende und Bandbreite-begrenzende Wirkung aufweist und als Durchtrittsfenster des Laserlichtes dient,
daß an die optische Einheit außerhalb des Gasraumes ein geschlossenes Volumen vorgesehen ist, das evakuiert oder mit einem Spülgas befüllbar ist und in dem ein Resonatorendspiegel vorgesehen ist und einseitig den Lichtweg des Resonators begrenzt, und
daß im Lichtweg innerhalb des geschlossenen Volumens wenigstens ein optisch dispersives Element vorgesehen ist.

8. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch dispersive Element ein Prisma, Gitter oder ein Etalon ist, das wellenlängenselektiv und justierbar angeordnet ist.

9. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma, das als weiteres optisch dispersives Element dient, ebenfalls unter Brewsterwinkel zum einfallenden Lichtstrahl angeordnet ist.

10. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma, das als weiteres optisch dispersives Element dient, eine antireflektierende Schicht aufgebracht ist.

11. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Prisma, das als weiteres optisch dispersives Element dient, beidseitig, d. h. auf die Lichtein- und -austrittsfläche eine antireflektierende Schicht aufgebracht ist.

12. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem den Gasraum abschließenden Prima und den weiteren optischen Elementen z. B. einem weiteren Prisma eine Blende eingebaut ist.

13. Laserresonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese Blende direkt auf Ein- oder Austrittseite des Prismas angebracht ist.

14. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasraum F₂-Gas zur Erzeugung einer Wellenlänge von 157 nm oder ArF-Gas zur Erzeugung von 193 nm enthalten ist.

15. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Licht emittierende Laser Licht einer Wellenlänge von 126 nm emittiert.

16. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit aus CaF₂, MgF₂, oder anderen für UV-Licht transparenten Materialien gefertigt ist.