EP4115481A1 - Anordnung zur unterdrückung von strahlungsrückkopplung und laseranlage mit einer solchen anordnung - Google Patents

Anordnung zur unterdrückung von strahlungsrückkopplung und laseranlage mit einer solchen anordnung

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EP4115481A1
EP4115481A1 EP20712842.2A EP20712842A EP4115481A1 EP 4115481 A1 EP4115481 A1 EP 4115481A1 EP 20712842 A EP20712842 A EP 20712842A EP 4115481 A1 EP4115481 A1 EP 4115481A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
arrangement
radiation
laser
fabry
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Application number
EP20712842.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Erhard
Gisbert Staupendahl
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Trumpf Lasersystems for Semiconductor Manufacturing GmbH
Original Assignee
Trumpf Lasersystems for Semiconductor Manufacturing GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • H01S3/0078—Frequency filtering
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    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/02—ASE (amplified spontaneous emission), noise; Reduction thereof

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for suppressing radiation feedback.
  • the invention also relates to a laser system with such an arrangement.
  • the situation is even more critical with a Q-switched laser for high peak powers.
  • the Q-switch principle is based on an extreme temporary increase in the population inversion and thus the gain in the active medium as a prerequisite for the targeted generation of the powerful radiation pulses.
  • the system is extremely susceptible to the effect of the smallest undesirable amounts of radiation fed back into the active medium, which can then easily be amplified by a factor of 10 4 to 10 5 on a "round trip" in the resonator It is clear that this has serious effects on the pulse generation, since the desired structure of the population inversion is massively disrupted.
  • the "classic" decoupling described above is no longer sufficient here; additional efficient decoupling variants must be used.
  • Laser amplifier arrangements are similarly sensitive for maximum powers, in which the radiation returning from the laser beam target in the direction of the laser has to pass the amplifier stages even before reaching the laser and is drastically amplified in the process.
  • a current example of this situation are the systems for generating EUV radiation, in which a CO 2 seed laser generates the extraordinarily precisely defined primary radiation pulses, which are then highly amplified and aimed at the laser beam target (typically in the form of of a droplet).
  • the backscattered radiation must not influence the radiation generation process, ie here, too, the highest demands are made on the decoupling.
  • the object of the invention is to provide a highly effective arrangement for decoupling radiation between a laser as the radiation source and a laser beam target to which this radiation is applied.
  • This arrangement should not rely on dynamic components such as fast modulators with complex control and, if necessary, synchronization with pulsed radiation, but rather a fixed, stationary decoupling effect for short pulses in the ns range up to cw radiation own. It is a further object of the invention to provide a laser system with such an arrangement. Description of the invention
  • the arrangement has the following components, through which the beam path of the primary laser beam is guided: a) a wavelength-selective element; b) a first Fabry-Perot interferometer which is arranged at an angle of more than 0 ° and less than 6 ° to the optical axis of the Fabry-Perot interferometer in the beam path of the primary laser beam; c) a polarizer; d) a 1/4 phase shifter.
  • the new approach according to the invention is based on the combination of the "classic" decoupling by means of 1/4 phase shifter and polarization-sensitive decoupling Reflection or transmission component with the effect of a Fabry-Perot interferometer (FPI).
  • FPI Fabry-Perot interferometer
  • the arrangement also has, as it were, an effective improvement in the quality of the radiation traveling to the laser beam target through the use of the specific properties of the integrated FPL
  • the divergence In the case of the wave traveling to the laser beam target, it typically corresponds to the divergence of the pure laser beam and lies in the
  • the returning wave is, firstly, LA. no ideal reflection on an ideally flat laser beam target and, secondly, no completely ideal focus position on the surface of the laser beam target (intentionally or unintentionally), have a noticeably different (“worse”) divergence behavior averaged over the entire intensity profile after the focusing lens,
  • the surface of the laser beam target has a relevant influence, ie the returning beam has a noticeably poorer coherence.
  • Amplifier arrangements can, however, also result in the opposite situation if the point of consideration which should correspond to the arrangement of the decoupling system is between the (relatively low-power) seed laser and the high-performance amplifier , which of course also greatly amplifies the returning radiation.
  • Effect of the plasma Practically all of the processing tasks discussed here are linked to the creation of a plasma spark, which arises directly on the surface of the laser beam target, or even to the transformation of the complete laser beam target / droplet into plasma. Its effect z. B. on the direction of the focused beam is mostly negligible because of its proximity to the laser beam target, but is relevant for the direction, divergence, frequency and power of the returning beam.
  • the wavelength (frequency) If the incoming bundle is scattered or reflected by a very fast moving laser beam target (eg a rapidly expanding plasma), the returning bundle is according to the Doppler effect impresses a certain frequency or wavelength change.
  • the transmission T m of the FPI as a function of the wavelength ⁇ , the plate reflectivity R and the plate spacing a is calculated according to
  • the useful R range can be limited to 0.3 ⁇ R ⁇ 0.9.
  • a very important parameter for the desired decoupling effect of an FPI is its finesse F, which indicates the ratio of the period width to the half-width of the transmission peak:
  • the strong angular dependence of the FPI transmission suggests another advantageous property of the arrangement according to the invention: the improvement of the beam quality of the laser beam generated by the spatial filter effect of the FPI with an optimized plate spacing.
  • the arrangement can be arranged in the form of a unit, in particular in a common housing.
  • the angle of the optical axis of the first Fabry-Perot interferometer to the beam path is preferably less than 5 °, in particular less than 4 °, particularly preferably less than 3 °. As a result, the arrangement can be operated particularly efficiently.
  • the arrangement has a first absorber for absorbing the portion of the primary laser beam reflected by the first Fabry-Perot interferometer.
  • the arrangement can have a second absorber for absorbing the portion of the secondary laser beam reflected by the first Fabry-Perot interferometer. Coupling out of the undesired reflection can be ensured by the absorber or absorbers.
  • the first absorber and / or the second absorber can each be designed in the form of a radiation detector.
  • the aforementioned optical components are preferably arranged in the following order for the primary laser beam:
  • a focusing element can be arranged after the 1/4 phase shifter. Particularly preferably, no further components are arranged between the aforementioned components.
  • the first Fabry-Perot interferometer can have two plates made of transparent material, the opposite sides of which have a reflectivity R between 0.3 and 0.9. The sides preferably have a reflectivity R between 0.5 and 0.8. As an alternative or in addition to this, the plates preferably have a spacing between 1 mm and 1000 mm, in particular between 10 mm and 30 mm. The plates are preferably made of ZnSe or diamond.
  • the wavelength-selective element is also preferably designed in the form of a diffraction grating. The blaze wavelength of the diffraction grating preferably corresponds to the wavelength of the primary laser beam.
  • the polarizer is preferably designed in the form of an absorbing thin film reflector (ATFR) mirror.
  • the 1/4 phase shifter is preferably designed in the form of a 1/4 phase shifter mirror.
  • optical components enable a structurally simple construction of the arrangement with high performance.
  • the arrangement can have a telescope arrangement for expanding the primary laser beam in front of the first Fabry-Perot interferometer. This can the first Fabry-Perot interferometer to be irradiated with particularly high power.
  • the expansion factor is preferably between 1.5 and 5, particularly preferably between 1.5 and 3.
  • the arrangement can have a second Fabry-Perot interferometer, which is arranged downstream of the first Fabry-Perot interferometer. This can significantly increase the decoupling efficiency. More preferably, a third Fabry-Perot interferometer is arranged downstream of the second Fabry-Perot interferometer.
  • the reflectivity R of the plates of the further Fabry-Perot interferometers is preferably between 0.2 and 0.7, particularly preferably between 0.3 and 0.5. Interferometers with different reflectivities R are also preferably used.
  • the object of the invention is also achieved by a laser system with a laser beam source for emitting a primary laser beam, a laser beam target and an arrangement described here for guiding the primary laser beam, the beam path of the arrangement running between the laser beam source and the laser beam target.
  • the laser beam source is preferably designed in the form of a high-power laser beam source for emitting a primary laser beam with an average power of at least 1 kW.
  • the laser beam source is designed in particular in the form of a CO 2 laser beam source.
  • the laser beam source s can be provided for delivery of a primary laser beam in the form of radiation pulses with pulse durations between 10 -9 s and 10 '. 6 This makes the laser system particularly suitable for generating EUV radiation.
  • the laser system can have an amplifier system which is arranged on the beam path between the laser beam target and the laser beam source, the arrangement being arranged between the amplifier system and the laser beam source.
  • the laser system can have a further connection described here. Have order arranged between the amplifier system and the laser beam target.
  • the laser system can have a further 1/4 phase shifter which is arranged between the amplifier system and the further arrangement.
  • a particularly powerful and structurally compact laser system can be implemented by means of one or more of these features.
  • the laser beam target is designed to emit EUV radiation when irradiated with the primary laser beam.
  • the laser beam target can be designed in the form of a droplet.
  • the laser beam target is preferably designed in the form of a tin droplet.
  • the invention further relates to the use of an arrangement described here and / or a laser system described here in a system for generating EUV radiation, in particular an EUV lithography system.
  • Fig. 2 shows the basic structure of a Fabry-Perot interferometer (FPI);
  • Fig. 4 shows schematically the separation of incident and reflected
  • FIG. 6 shows, by way of example, a measurement of the radiation filtering by means of an FPI
  • FIG. 8 shows a structure according to the invention for a laser system in the form of a laser amplifier arrangement
  • 9 shows the expansion of a high-power radiation beam by means of a telescope
  • FIG. 1 shows a characteristic example of the need to suppress the radiation feedback, in which defined pulses should be formed from the cw radiation of a CO 2 laser by means of an interference laser radiation modulator. Without suppression of the feedback, the almost statistical P (t) curve shown in FIG. La resulted; when decoupling by means of the ATFR mirror and 1/4 phase shifter mirror, the clean desired pulse function according to FIG.
  • the example shown in FIG. 1 relates to a special application of defined radiation pulses (method of elementary volume removal - EVA) in fine machining by means of a CO 2 laser.
  • ILM interference laser radiation modulator
  • the desired pulse train was generated from the inherently continuous laser radiation.
  • Fig. 2 shows the basic structure of an FPI 10 with plates 12a and 12b at a distance a to illustrate the properties listed above.
  • an FPI 10 of the structure shown will be used in which there is a decisive difference between the two Areas of reflectivity R air is located. This reduces the harmful effect of the FPI-internal power increase, especially when using larger R (R> 0.5), on the R-coating itself.
  • R the Radio-Coating
  • FIG. 3 shows the theoretical transmission of an FPI 10 as a function of the plate spacing a for three selected reflectivities R. It illustrates the strong R-dependence of contrast and finesse, both of which are decisive for the effect of the FPI 10 to suppress the radiation feedback between the laser beam target and the laser beam source. This concerns both the sensitivity to the smallest angular changes of the radiation incidence on the FPI 10 as well as frequency or wavelength changes of the radiation returning from the laser beam target, which are, for example, reflected or scattered by a rapidly expanding plasma, as is the case for the Generation of EUV radiation is characteristic.
  • a minimum angle d is necessary which, after a predetermined distance s, is sufficient for the separation of the incident and reflected bundle (see FIG. 4).
  • two factors should preferably be taken into account with regard to the FPI function.
  • a sufficiently large plate spacing a is preferred. Its optimal size depends crucially on the respective parameter of the returning radiation, which is primarily effective for the decoupling. Because of the high selectivity of an FPI 10 with respect to the angle of incidence d, plate spacings a in cm are preferred for the suppression of the radiation components in the returning beam with divergences or inclinations towards the FPI axis> 1 mrad if the FPI is finesse of 14 assumes.
  • the parameter influencing the decoupling is a frequency shift due to the Doppler effect at a rapidly moving laser beam target, significantly larger plate spacings a are preferred. If, for example, one takes a Doppler shift of about 100 MHz on the extremely rapidly expanding plasma during EUV generation of the irradiated droplet, a should preferably be at least 10 cm for an efficient decoupling effect (cf. FIG. 5). This requirement is put into perspective, however, if one takes into account that with a frequency shift of 100 MHz, the optical gain of the active media, for example from CO 2 lasers or amplifiers, drops significantly, so that a second effect occurs here, which is for suppression contributes to the returning wave.
  • the boundary conditions to be met here are that, firstly, a clean separation of an incident laser beam 14 with diameter D from the portion 16 reflected at the FPI 10 with approximately the same diameter must be ensured and, secondly, the required distance s is not too large, the angle d so shouldn't be too small. Thirdly, the role of d is relatively complex: In terms of a high filter effect with regard to unwanted radiation and a high efficiency in radiation decoupling, d should not be too small either; on the other hand, as already mentioned above, the maximum transmission worsens with increasing d should of course be close to 1 for the working beam.
  • the laser beam 14 emerges in FIG. 4 from a wavelength-selective element 18.
  • d should therefore preferably be optimized. This optimization is closely linked to the distance a between the FPI plates 12a, 12b, since, in addition to the plate reflectivity R, the two geometric parameters a and d ultimately determine the effectiveness of the arrangement described.
  • FIG Frequency f plotted.
  • FIG. 6 also shows the results of a measurement which clearly illustrates the effect of an FPI 10 optimized in accordance with the invention as a radiation filter.
  • the influence of the gas discharge current I of a low pressure CO 2 laser on the beam quality was examined.
  • the latter is characterized by the quotient P T / PR, which represents the ratio of useful power P T (that is, radiation transmitted by the FPI) to the power component P R to be filtered out, which is reflected by the FPI 10. Since the laser was intentionally operated in a regime that was tively quickly led to overheating of the laser gas, the diagram shows very instructively how the beam quality (i.e.
  • the quotient P T / P R initially assumes a clear maximum at a relatively low current, and in the case of currents exceeding this, and so that overheating will drop dramatically.
  • the amount of radiation filtered out increases from approx. 17% of the incident power to approx. 25%, which ultimately means that the quality of the useful beam remains almost constant (but with decreasing power), although the quality of the "raw beam" of the laser is noticeably lower
  • Continuous monitoring of the filtered out radiation component which is constantly available for measurements during processing, provides an important parameter for diagnosing the processing process.
  • FIG. 7 shows the highly schematic basic structure of an arrangement 20 according to the invention.
  • a laser beam source 22 which here can for example be a Q-switched high-power CO 2 laser, is initially assumed.
  • Their primary laser beam 24 is characterized by a defined wavelength l, a linear polarization of defined direction 26 and a more or less good beam quality K. Since the components according to the invention for beam filtering on the one hand and for suppressing radiation feedback on the other hand for the precisely defined wavelength l mentioned are designed, the system must be prevented from shifting along the beam path "laser beam source - beam guidance and shaping - laser beam target (target)" to another wavelength in order to guarantee their function.
  • a wavelength-selective element 28 (eg a diffraction grating or a prism) ensures that the system is reliably fixed to the specified I.
  • this wavelength-selective element 28 is already in the Laser, that is to say the laser beam source 22, can itself be integrated and is then of course not required again outside the laser.
  • the situation is somewhat different in high-power laser amplifier systems, such as those used in EUV systems (see FIG. 8).
  • Treatment feedback is preferably not dispensed with the wavelength-selective element.
  • the primary laser beam 24 passes a central element of the solution according to the invention, the Fabry-Perot interferometer (FPI) 10 optimized in accordance with the above statements.
  • the first task of this FPI 10 is that of maximum transmission for the wavelength A set consists in filtering out radiation components 30, which consequently reduce the beam quality, the focusability of the radiation and ultimately the quality of processing, which are typically radiation fractions that deviate more or less from the fundamental mode TEM 00th In the simplest case, they are destroyed by an absorber 32 which - as here - can be designed in the form of a radiation detector. Its measurement signal provides information on the size of the parasitic radiation components 30, but also provides important information on the stability of the laser beam source 22 and / or the pulse behavior of the laser when the time course is recorded and can consequently also be used for diagnostic and control purposes.
  • the radiation components 34 transmitted and filtered by the FPI 10 are then sent via a "classic" combination of polarizer 36 and ⁇ / 4 phase shifter 38 for radiation decoupling of laser (laser beam source 22) and target (laser beam target 40)
  • the desired conversion of the linearly polarized into circularly polarized radiation 42 takes place, which can then be sent to the laser beam target 40, for example by means of a focusing element 44.
  • the effect of the elements 36 and 38 is that the secondary laser beam 46 returning from the laser beam target 40 in the direction of the laser beam source 22, which is typically more or less partially circularly polarized, is initially in the A / ⁇ phase shifter 38 in a second conversion is transformed into partially linearly polarized radiation 48, the polarization direction of which is perpendicular to that of the primary laser beam 24.
  • this dilemma is solved by the action of the specially optimized Fabry-Perot interferometer 10.
  • the FPI 10 arranged at the aforementioned small angle d weakens the radiation component 50 in a number of ways to a level that is harmless to the laser function.
  • the differences in the parameters of the incoming radiation component 34 and the returning radiation component 50 are decisive.
  • the most important differences that lead to a high level of reflection at the FPI 10 and thus to the desired elimination of the radiation component 50 have already been mentioned. It has also already been said that an exact quantitative recording of all contributing effects is practically impossible. For qualitative considerations, it makes sense to subdivide the effects into coherence-independent and coherence-bound.
  • the entire radiation component 52 which in the ideal case corresponds more or less to the radiation component 34 in terms of output, is destroyed in a second absorber 54 and ultimately ensures a highly effective blocking of the returning radiation.
  • the overall attenuation of the returning radiation reaches factors that can be between 10 3 and 10 4 . It is therefore at least 1 to 2 orders of magnitude more efficient than the conventional combinations of polarizer and 1/4 phase shifter and suitable for radiation decoupling, which are subject to the highest demands.
  • the preferred order of the elements 10, 36 and 38 should be pointed out again, which is particularly important under the aspect of the power sensitivity of the FPI 10 and is especially decisive for laser amplifier applications is (cf. also the comments on FIGS. 8, 9 and 10).
  • the power load on the FPI 10 is minimized for the following reasons: First, the FPI 10, regardless of its position in front of or behind the elements 36 and 38, is always at full power exposed to the radiation traveling to the laser beam target 40, since it can be assumed to a good approximation that the losses in the elements 36 and 38 are minimal.
  • the differences in the radiation exposure of FPI 10 for the two arrangement variants depend practically exclusively on the power of the returning radiation that hits FPI 10.
  • this is decisively weakened by the decoupling effect of elements 36 and 38, so that even with very powerful reverse radiation components, as can occur in high-power laser amplifier systems , the FPI function 10 is not endangered by this.
  • FIG. 8 shows a laser system 56 according to the invention in the form of a laser amplifier arrangement.
  • An amplifier system 58 can also consist of several stages, for example an additional preamplifier or several high-performance amplifiers.
  • the radiation 24 generated in a laser 22 with precisely defined properties is brought here in the amplifier system 58 to a power level that enables demanding applications.
  • the radiation thrown back by a laser beam target 40 in particular in the form of a droplet, should under no circumstances pass through the amplifier system 58, since otherwise it would be extremely amplified and thus the decoupling from the laser 22 would be made significantly more difficult.
  • that part of the super radiation that runs in the direction of the laser 22 and occurs in any case and independently of the radiation feedback through the laser beam target 40 must be taken into account.
  • the laser radiation 24 first passes through a first arrangement 20a, which takes on all of the tasks discussed in relation to FIG
  • a component that is reflected or scattered by the laser beam target 40 is only imperfectly destroyed by a second arrangement 20b and is highly amplified in the amplifier system 58
  • a component that is also used when the second arrangement 20b occurs namely one-way super-radiation (ASE) of the amplifier system 58 itself.
  • the latter is essentially unpolarized and is therefore made by the unit of polarizer 36 and 1/4 phase shifter 38 (see FIG. 7) of the first Arrangement 20a only reduced to about half.
  • the radiation in the amplifier system 58 is generally amplified to very high values of the peak pulse power, but also the average power.
  • the latter can be, for example, in CO 2 laser amplifier systems for EUV generation in the multi-kW range and therefore requires special precautions for the second arrangement 20b, which is necessary for reliable shielding of the amplifier system 58 from the Laser beam target 40 is intended to provide radiation components 62 returning.
  • the effect of the second arrangement 20b should be completely analogous to that of the first arrangement 20a.
  • amplified, circularly polarized radiation 64 is first converted back into linear polar ized to transform. This is done by means of a 1/4 phase shifter 66.
  • the incident radiation firstly has significantly higher power values and secondly its linear polarization by 90 ° compared to the laser radiation 24 is rotated. The latter is not a problem, in principle only a unit composed of polarizer 36 and 1/4 phase shifter 38 (see FIG. 7) can be rotated through 90 ° for this purpose.
  • FIG. 9 the expansion of the diameter of a beam 68 by means of a telescope arrangement 70 directly in front of an FPI 10, which has a larger free aperture adapted to the expanded beam 72.
  • the intensity on the R surfaces can be set within wide limits in such a way that the FPI function and thus the beam 74 emanating from the FPI 10 is not impaired by thermal effects.
  • a remedy according to the invention can also be provided by an FPI cascade.
  • the basic version, an FPI tandem, is shown in FIG. 10.
  • the solution is based on the division of the FPI effect to suppress the radiation feedback over several FPIs, here a first FPI 10 and a second FPI 76, in particular with a reduced R.
  • a numerical example should illustrate that.
  • This basic principle can be expanded and optimized by using, for example, more than 2 interferometers to further reduce the radiation load or to maximize the decoupling efficiency while minimizing the radiation load.
  • the invention relates in summary to an optical arrangement 20, 20a, 20b for filtering laser radiation.
  • the arrangement 20, 20a, 20b has a wavelength-selective element 28, a first Fabry-Perot interferometer 10, a polarizer 36 and a 1/4 phase shifter 38.
  • the optical axis of the Fabry-Perot interferometer 10 is aligned at an angle of more than 0 ° and less than 6 ° to the laser beam impinging on the Fabry-Perot interferometer 10.
  • the Fabry-Perot interferometer 10 is designed both for coupling out undesired radiation components 30 of the primary laser beam 24 impinging on the Fabry-Perot interferometer 10 and for coupling out undesired radiation components 52 of the secondary laser beam 46 reflected by a laser beam target 40 , 20a, 20b at least one further Fabry-Perot interferometer 76.
  • the arrangement 20, 20a, 20b further preferably comprises a telescope arrangement 70 for expanding the primary laser beam 24 incident on the Fabry-Perot interferometer 10.
  • the invention relates to furthermore a laser system 56 with at least one such arrangement 20, 20a, 20b.
  • the laser system 56 preferably comprises an amplifier system 58 which is arranged between two arrangements 20a, 20b.
  • the laser system 56 is particularly preferably designed to generate EUV radiation.
  • the laser beam target 40 can be in the form of a droplet.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (20) zum Filtern von Laserstrahlung. Die Anordnung (20) weist ein wellenlängenselektives Element (28), ein erstes Fabry-Perot-Interferometer (10), einen Polarisator (36) und einen A/4-Phasenschieber (38) auf. Die optische Achse des Fabry-Perot-Interferometers (10) ist in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 6° zum auf das Fabry-Perot-Interferometer (10) auftreffenden Laserstrahl ausgerichtet. Das Fabry-Perot-Interferometer (10) ist sowohl zum Auskoppeln unerwünschter Strahlungsanteile (30) des auf das Fabry-Perot-Interferometer (10) auftreffenden primären Laserstrahls (24) ausgebildet als auch zum Auskoppeln unerwünschter Strahlungsanteile (52) der von einem Laserstrahlziel (40) reflektierten sekundären Laserstrahls (46). Vorzugsweise umfasst die Anordnung (20) zumindest ein weiteres Fabry-Perot-Interferometer. Weiter bevorzugt umfasst die Anordnung (20) eine Teleskopanordnungzur Aufweitung des auf das Fabry-Perot-Interferometer (10) auftreffenden primären Laserstrahls (24). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laseranlage mit zumindest einer solchen Anordnung (20). Vorzugsweise umfasst die Laseranlage ein Verstärkersystem, das zwischen zwei Anordnungen (20) angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Laseranlage zur Erzeugung von EUV-Strahlung ausgebildet. Hierzu kann das Laserstrahlziel (40) in Form eines Tröpfchens vorliegen.

Description

Anordnung zur Unterdrückung von Strahlungsrückkopplung und Laseranlage mit einer solchen Anordnung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Unterdrückung von Strah- lungsrückkopplung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laseranlage mit einer solchen Anordnung.
Bei der Mehrzahl der Anwendungen von Hochleistungslasern, von den typischen Einsatzfällen in der Lasermaterialbearbeitung bis hin zu so spezifischen Anord- nungen wie der Erzeugung von EUV-Strahlung, sind u.a. zwei Problemstellungen relevant: Erstens die Fokussierbarkeit der Strahlung, die von der Strahlqualität abhängt, und zweitens die Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laser und Laserstrahlziel. Im charakteristischen Fall wird so fokussiert, dass der Fokus auf oder zumindest in der Nähe der Oberfläche des Laserstrahlziels liegt. Das bedeutet, dass fast die gesamte, aus dem Fokusvolumen in Richtung Fokus- sierelement zurückreflektierte bzw. -gestreute Strahlung quasi optimal paralleli- siert in Richtung Laser läuft. Diese kann vor allem bei hochreflektierenden Mate- rialien wie Kupfer oder Aluminium und bei ebenen Werkstückoberflächen be- trächtliche Werte erreichen, die weit über 10% der auf das Werkstück fallenden Strahlungsleistung liegen können. Speziell bei EUV-Anlagen treten Rückreflexe vom Tröpfchen oder vielen anderen Glintquellen (glitzernden Quellen) auf. Da das Auskoppelelement eines Lasers mehr oder weniger teildurchlässig ist, ge- langt ein wesentlicher Teil dieser Strahlung in den Resonator und sorgt für einen unerwünschten Abbau der Besetzungsinversion. Unerwünscht deshalb, da die vom Laserstrahlziel kommende Strahlung erstens statistische Intensitätsschwan- kungen aufweist und zweitens die Kohärenzeigenschaften der ursprünglichen La- serstrahlung weitgehend verloren hat. Wird diese Strahlung dann im Resonator verstärkt, werden damit sowohl die mühsam erzeugte transversale Modenstruk- tur (möglichst TEM00) als auch bei gepulsten Lasern der P(t)-Verlauf gravierend verschlechtert.
Zur Unterdrückung der genannten Rückkopplung werden seit langem für unter- schiedlichste Lasertypen vor allem Kombinationen aus polarisationsempfindlichen Reflexions- oder Transmissions-Bauelementen (für CO2-Laser sind dies üblicher- weise ATFR-Spiegel oder Anordnungen von Brewsterplatten) mit l/4- Phasenschiebem (typischerweise in Form von Phasenschieberspiegeln) genutzt. Diese haben sogar eine Doppelfunktion, da neben der Strahlungsentkopplung die häufig gewünschte zirkulare Polarisation der zum Laserstrahlziel laufenden Strah- lung erzeugt wird. Die Entkopplung mit solchen Anordnungen ist allerdings nicht optimal, was erstens auf die Unvollkommenheit der optischen Bauelemente, zweitens auf Mängel in der Justierung und drittens auf die Beeinflussung der Po- larisation der rücklaufenden Strahlung bei der Wechselwirkung mit dem Laser- strahlziel zurückzuführen ist. Aus diesen Gründen gelangen stets mehrere Pro- zent dieser Strahlung in den Resonator, was allerdings bei vielen Anwendungen, z.B. bei cw-Betrieb des Lasers, bei dem kontinuierlich die Inversion abgebaut und auf einem relativ niedrigen Level gehalten wird, i.A. keine merklichen Folgen für den Bearbeitungsprozess hat. Bei bestimmten externen, d.h. außerhalb des Laserresonators vorgenommenen definierten Strahlformungen, kann die Rückkopplung ebenfalls zu dramatischen Verschlechterungen des gewünschten Ergebnisses führen, auch wenn der Laser selbst im kontinuierlichen Betrieb arbeitet.
Noch kritischer stellt sich die Situation bei einem gütegeschalteten Laser für hohe Spitzenleistungen dar. Das Prinzip der Güteschaltung beruht auf einer extremen temporären Überhöhung der Besetzungsinversion und damit der Verstärkung im aktiven Medium als Voraussetzung für die gezielte Erzeugung der leistungsstar- ken Strahlungsimpulse. In diesem Zeitpunkt der maximalen Verstärkung ist das System außerordentlich anfällig für die Wirkung kleinster unerwünscht in das ak- tive Medium rückgekoppelter Strahlungsmengen, die dann auf einem „round trip" im Resonator ohne weiteres um einen Faktor 104 bis 105 verstärkt werden kön- nen. Es ist klar, dass dies gravierende Auswirkungen auf die Pulserzeugung hat, da der gewünschte Aufbau der Besetzungsinversion massiv gestört wird. Hier reicht die vorstehend dargestellte „klassische" Entkopplung nicht mehr aus, es müssen zusätzliche effiziente Entkopplungsvarianten eingesetzt werden.
Ähnlich sensibel sind Laser-Verstärker-Anordnungen für höchste Leistungen, bei denen die vom Laserstrahlziel in Richtung Laser zurücklaufende Strahlung sogar noch vor Erreichen des Lasers die Verstärkerstufen passieren muss und dabei drastisch verstärkt wird. Ein aktuelles Beispiel für diese Situation sind die Anla- gen zur Erzeugung von EUV-Strahlung, bei denen ein CO2-Seed-Laser die außer- ordentlich genau definierten Primär-Strahlungsimpulse erzeugt, die anschließend hoch verstärkt und auf das Laserstrahlziel (typischerweise in Form eines Tröpf- chens) fokussiert werden. Die dabei zurückgestreute Strahlung darf den Strah- lerzeugungsprozess nicht beeinflussen, d.h. auch hier bestehen höchste Anforde- rungen an die Entkopplung. Aus der Patentanmeldung DE 10 2015 211 426 Al ist bekannt, dass ein effizienter optischer Isolator, praktisch ein „optisches Tor" für kurze Impulse, mittels geeigneter Anordnungen passiver (Polarisationsstrahl- teiler) und aktiver (elektrooptischer Modulator) polarisationsselektiver Bauele- mente unter Ausnutzung der Laufzeit der Strahlungsimpulse im Verstärkersys- tem realisiert werden kann. Da diese Laufzeit i.A. sehr kurz ist (z.B. < 60ns bei Laufwegen bis etwa 20m), ist das Verfahren auf entsprechend kurze Impulse eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine hocheffektive Anordnung zur Strahlungsentkopplung zwischen einem Laser als Strahlungsquelle und einem Laserstrahlziel, das mit dieser Strahlung beaufschlagt wird, bereitzustellen. Dabei soll diese Anordnung nicht auf dynamische Bauelemente wie schnelle Modulato- ren mit aufwendiger Ansteuerung und gegebenenfalls Synchronisierung mit ge- pulste r Strahlung angewiesen sein, sondern eine feste, stationäre Entkopplungs- wirkung sowohl für kurze Impulse im ns - Bereich bis hin zu cw-Strahlung besit- zen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Laseranlage mit einer solchen Anordnung bereitzustellen. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Laseranlage gemäß Patentan- spruch 9. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch eine Anordnung zur Füh- rung eines primären Laserstrahls auf einem Strahl weg. Die Anordnung ist weiter- hin dazu ausgebildet, zumindest teilweise einen von einem Laserstrahlziel reflek- tierten sekundären Laserstrahls zu führen. Die Anordnung weist folgende Kom- ponenten auf, durch die der Strahlweg des primären Laserstrahls geführt ist: a) Ein wellenlängenselektives Element; b) ein erstes Fabry-Perot-Interferometer, das in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 6° zur optischen Achse des Fabry-Perot- Interferometers im Strahlweg des primären Laserstrahls angeordnet ist; c) einen Polarisator; d) einen l/4-Phasenschieber.
Der neue Ansatz gemäß der Erfindung beruht auf der Kombination der „klassi- schen" Entkopplung mittels l/4-Phasenschieber und polarisationsempfindlichem Reflexions- oder Transmissions-Bauelement mit der Wirkung eines Fabry-Perot- Interferometers (FPI). Neben der außerordentlich effizienten Entkopplungswir- kung besitzt die Anordnung quasi nebenbei noch eine wirksame Verbesserung der Qualität der zum Laserstrahlziel laufenden Strahlung durch die Nutzung der spezifischen Eigenschaften des integrierten FPL
Der Grundgedanke aller Entkopplungsmethoden beruht darauf, einen generierten (oder bereits vorhandenen) Unterschied in den Parametern der hin- und der rücklaufenden Welle zur Vernichtung der rücklaufenden Welle zu nutzen. Bei der herkömmlichen Entkopplung ist dieser Parameter die Polarisation. Es gibt aber noch weitere Unterschiede zwischen diesen beiden Wellen, die mehr oder weni- ger ausgeprägt sein können. Diese sind:
1.) Die Divergenz: Bei der zum Laserstrahlziel laufenden Welle entspricht sie typischerweise der Divergenz des reinen Laserstrahles und liegt in der
Größenordnung 1 mrad. Die rücklaufende Welle wird, da erstens LA. keine ideale Reflexion an einem ideal ebenen Laserstrahlziel und zweitens keine völlig ideale Fokuslage auf der Oberfläche des Laserstrahlziels (gewollt o- der ungewollt) vorliegt, gemittelt über das gesamte Intensitätsprofil nach der Fokussierlinse ein merklich anderes („schlechteres") Divergenzverhal- ten besitzen,
2.) Die Strahlrichtung: Da erstens (gewollt oder ungewollt) keine ideale Or- thogonalität zwischen Strahlachse und Oberfläche des Laserstrahlziels und zweitens i.A. (gewollt oder ungewollt) keine ideale Fokuslage auf der Ober- fläche des Laserstrahlziels vorliegen, treten (wenn auch kleine) Unter- schiede in der Strahlrichtung von hin- und rücklaufendem Bündel auf.
3.) Die Kohärenz: Während sich der Original-Laserstrahl i.A. durch gute Kohä- renz auszeichnet, wird letztere durch die Reflexion oder Streuung an der
Oberfläche des Laserstrahlziels relevant beeinflusst, d.h. das rücklaufende Bündel hat eine merklich schlechtere Kohärenz. Die Polarisation: Die Laserstrahlung ist fast immer streng linear polarisiert.
Hinter einem l/4-Phasenschieber wird daraus im Idealfall zirkular polari- sierte Strahlung, die zum Laserstrahlziel läuft. Der nach der Wechselwir- kung mit dem Laserstrahlziel zurücklaufende Strahlungsanteil ist wegen der für die Reflexion bzw. Streuung verantwortlichen physikalischen
Grundprozesse jedoch nur noch unvollkommen zirkular polarisiert, so dass nach dessen Passieren des l/4-Phasenschiebers nicht die gewünschte ideal linear, aber senkrecht zur hinlaufenden Strahlung polarisierte Welle ent- steht und damit deren Vernichtung durch das polarisationsempfindliche Bauelement nur unvollkommen erfolgen kann. Die Leistung: Sie ist in typischen Anlagen für die Materialbearbeitung mit einem Hochleistungslaser für das hinlaufende Bündel maximal, für das rücklaufende durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahlziel und die optischen Bauelemente mehr oder weniger stark reduziert. In Laser-
Verstärker-Anordnungen (wie z.B. bei EUV-Systemen) kann sich aber auch die umgekehrte Situation ergeben, wenn der Punkt der Betrachtung, wel- cher der Anordnung des Entkopplungssystems entsprechen soll, zwischen dem (relativ leistungsschwachen) Seed-Laser und dem Hochleistungsver- stärker, der natürlich auch die rücklaufende Strahlung hoch verstärkt, liegt. Wirkung des Plasmas: Praktisch alle hier diskutierten Bearbeitungsaufga- ben sind mit der Entstehung eines Plasmafunkens, der direkt auf der Ober- fläche des Laserstrahlziels entsteht, bzw. sogar mit der Transformation des kompletten Laserstrahlziels/Tröpfchens in Plasma gekoppelt. Dessen Wir- kung z. B. auf die Richtung des fokussierten Bündels ist wegen seiner Nä- he zum Laserstrahiziel meistens vernachlässigbar, ist aber für Richtung, Divergenz, Frequenz und Leistung des rücklaufenden Bündels relevant. Die Wellenlänge (Frequenz): Wird das hinlaufende Bündel an einem sehr schnell bewegten Laserstrahlziel (z.B. einem schnell expandierenden Plas- ma) gestreut bzw. reflektiert, wird dem rücklaufenden Bündel gemäß dem Dopplereffekt eine gewisse Frequenz- bzw. Wellenlängenänderung aufge- prägt.
Alle aufgezählten Eigenschaften sind für das Transmissions- und Reflexionsver- halten eines FPI relevant und können in ihrer Summe zu einer Unterdrückung der rücklaufenden Welle genutzt werden.
Zum besseren Verständnis der wichtigsten Zusammenhänge werden nachfolgend die allgemeinen Eigenschaften eines FPI kurz diskutiert:
Die Transmission Tm des FPI als Funktion der Wellenlänge λ, der Plattenreflekti- vität R und des Plattenabstandes a berechnet sich gemäß
Für ein verlustfreies FPI gelten ferner die einfachen Beziehungen und
Für den Kontrast in Transmission, d.h. das Verhältnis der maximalen zur minima- len Transmission, gilt
Typische, für die Entkopplung in Betracht kommende FPI sind solche mit R = 0,5 und R = 0,8, für die sich Kontraste von 9 bzw. 81 ergeben. Allgemein kann man den sinnvoll nutzbaren R-Bereich beschränken auf 0,3 < R < 0,9. Später ist noch zu diskutieren, welche Wahl getroffen werden muss, wenn möglichst hohe Leis- tungen der Größenordnung 1 kW zu entkoppeln sind. Dann spielt nämlich ein weiterer Parameter, die Überhöhung der Leistung im FPI-Inneren PFPI bei maxi- maler Transmission TFPI = 1 eine wesentliche Rolle im Hinblick auf die Belastung der FPI-Platten: Schließlich ist ein ganz wesentlicher Parameter für die angestrebte Entkopp- lungswirkung eines FPI seine Finesse F, die das Verhältnis von Periodenbreite zu Halbwertsbreite des Transmissionspeaks angibt: Für R = 0,8 ergibt sich z. B. eine Finesse von 14, die entscheidend mitbestimmt, wie empfindlich die Transmission eines FPI von der Einstrahlrichtung in Kombina- tion mit dem Plattenabstand a abhängt.
Die starke Winkelabhängigkeit der FPI-Transmission legt eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Anordnung gemäß der Erfindung nahe: Die Verbesserung der Strahlqualität des erzeugten Laserbündels durch die räumliche Filterwirkung des FPI mit optimiertem Plattenabstand.
Die Anordnung kann in Form einer Einheit, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, angeordnet sein.
Der Winkel der optischen Achse des ersten Fabry-Perot-Interferometers zum Strahlweg beträgt vorzugsweise weniger als 5°, insbesondere weniger als 4°, besonders bevorzugt weniger als 3°. Hierdurch kann die Anordnung besonders effizient betrieben werden.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung einen ersten Absorber zur Absorption des vom ersten Fabry-Perot-Interferometer re- flektierten Anteils des primären Laserstrahls auf. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Anordnung einen zweiten Absorber zur Absorption des vom ersten Fabry-Perot-Interferometer reflektierten Anteils des sekundären Laserstrahls aufweisen. Durch den bzw. die Absorber kann eine Auskopplung der unerwünsch- ten Rückstrahlung sichergestellt werden. Um den Anteil unerwünschter Rückstrahlung bestimmen zu können, kann der erste Absorber und/oder der zweite Absorber jeweils in Form eines Strahlungsde- tektors ausgebildet sein. Die vorgenannten optischen Bauelemente sind für den primären Laserstrahl vor- zugsweise in folgender Reihenfolge angeordnet:
1.) Wellenlängenselektives Element;
2.) erstes Fabry-Perot-Interferometer; 3.) Polarisator;
4.) l/4-Phasenschieber.
Ein Fokussierelement kann nach dem l/4-Phasenschieber angeordnet sein. Be- sonders bevorzugt sind keine weiteren Bauelemente zwischen den vorgenannten Komponenten angeordnet.
Das erste Fabry-Perot-Interferometer kann zwei Platten aus transparentem Ma- terial aufweisen, deren sich gegenüberstehende Seiten eine Reflektivität R zwi- schen 0,3 und 0,9 aufweisen. Die Seiten weisen vorzugsweise eine Reflektivität R zwischen 0,5 und 0,8 auf. Die Platten weisen alternativ oder zusätzlich dazu vor- zugsweise einen Abstand zwischen 1 mm und 1000mm auf, insbesondere zwi- schen 10 mm und 30 mm. Die Platten sind bevorzugt aus ZnSe oder Diamant ausgebildet. Weiter bevorzugt ist das wellenlängenselektive Element in Form eines Beu- gungsgitters ausgebildet. Die Blaze-Wellenlänge des Beugungsgitters entspricht vorzugsweise der Wellenlänge des primären Laserstrahls.
Der Polarisator ist vorzugsweise in Form eines Absorbing Thin Film Reflector (ATFR) Spiegels ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich dazu ist der l/4- Phasenschieber vorzugsweise in Form eines l/4-Phasenschieberspiegels ausge- bildet.
Die vorgenannten Merkmale der optischen Bauelemente ermöglichen einen kon- struktiv einfachen Aufbau der Anordnung bei hoher Leistungsfähigkeit.
Die Anordnung kann eine Teleskopanordnung zur Aufweitung des primären La- serstrahls vor dem ersten Fabry-Perot-Interferometer aufweisen. Hierdurch kann das erste Fabry-Perot-Interferometer mit besonders hoher Leistung bestrahlt werden.
Der Faktor der Aufweitung liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 5, besonders be- vorzugt zwischen 1,5 und 3.
Die Anordnung kann ein dem ersten Fa b ry - Pe rot- 1 n te rf e ro m ete r nachgeordnetes zweites Fabry-Perot-Interferometer aufweisen. Hierdurch kann die Entkopplungs- effizienz signifikant gesteigert werden. Weiter bevorzugt ist dem zweiten Fabry- Perot-Interferometer ein drittes Fabry-Perot-Interferometer nachgeordnet. Die Reflektivität R der Platten der weiteren Fabry-Perot-Interferometer liegt vor- zugsweise zwischen 0,2 und 0,7, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5. Weiter bevorzugt werden Interferometer mit unterschiedlicher Reflektivität R eingesetzt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Laseranlage mit einer Laserstrahlquelle zur Abgabe eines primären Laserstrahls, einem Laser- strahlziel sowie einer hier beschriebenen Anordnung zur Führung des primären Laserstrahls, wobei der Strahlweg der Anordnung zwischen der Laserstrahlquelie und dem Laserstrahlziel verläuft.
Die Laserstrahlquelle ist vorzugsweise in Form einer Hochleistungs- Laserstrahlquelle zur Abgabe eines primären Laserstrahls mit einer mittleren Leistung von zumindest 1 kW ausgebildet. Die Laserstrahlquelle ist insbesondere in Form einer CO2-Laserstrahlquelle ausgebildet. Die Laserstrahlquelle kann zur Abgabe eines primären Laserstrahls in Form von Strahlungspulsen mit Pulsdauern zwischen 10-9 s und 10'6 s vorgesehen sein. Die Laseranlage ist hierdurch besonders gut zur Erzeugung von EUV-Strahlung geeignet. Die Laseranlage kann ein Verstärkersystem aufweisen, das auf dem Strahl weg zwischen dem Laserstrahlziel und der Laserstrahlquelle angeordnet ist, wobei die Anordnung zwischen dem Ve rstä r ke rsy ste m und der Laserstrahlquelle angeord- net ist. Die Laseranlage kann darüber hinaus eine weitere hier beschriebene An- Ordnung aufweisen, die zwischen dem Verstärkersystem und dem Laserstrahlziel angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Laseranlage einen weite- ren l/4-Phasenschieber aufweisen, der zwischen dem Ve rstä r kersyste m und der weiteren Anordnung angeordnet ist. Mittels eines oder mehrerer dieser Merkmale ist eine besonders leistungsfähige und konstruktiv kompakt ausgebildete Laser- anlage realisierbar.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Laserstrahlziel zur Abstrahlung von EUV-Strahlung bei Bestrahlung mit dem primären Laserstrahl ausgebildet. Das Laserstrahlziel kann dabei in Form eines Tröpfchens ausgebildet sein. Das Laserstrahlziel ist vorzugsweise in Form eines Zinn-Tröpfchens ausge- bildet.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer hier beschriebenen Anord- nung und/oder einer hier beschriebenen Laseranlage in einer Anlage zur Erzeu- gung von EUV-Strahlung, insbesondere einer EUV-Lithografie-Anlage.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ- ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be- liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son- dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt Messungen zur Wirkung einer Unterdrückung der Strahlungs- rückkopplung auf die Ausbildung definierter Strahlungsimpulse;
Fig. 2 zeigt den Grundaufbau eines Fabry-Perot-Interferometers (FPI);
Fig. 3 zeigt die Transmissionskurven eines FPI für drei ausgewählte Plat- tenreflektivitäten R;
Fig. 4 zeigt schematisch die Trennung von einfallendem und reflektiertem
Laserstrahlbündel am FPI; Fig. 5 zeigt eine Rechnung zur relativen Lage einer um 100 MHz frequenz- verschobenen rücklaufenden Welle für ein FPI mit dem Plattenab- stand a = 10 cm und einer Finesse von 14;
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Messung der Strahlungsfilterung mittels eines FPI;
Fig. 7 zeigt den stark schematisierten Grundaufbau einer Anordnung ge- mäß der Erfindung;
Fig. 8 zeigt einen Aufbau gemäß der Erfindung für eine Laseranlage in Form einer Laser-Verstärker-Anordnung ; Fig. 9 zeigt die Aufweitung eines Strahlungsbündels hoher Leistung mittels eines Teleskops; und
Fig. 10 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines FPI-Tandems.
Fig. 1 zeigt ein charakteristisches Beispiel für die Notwendigkeit der Unterdrü- ckung der Strahlungsrückkopplung, bei dem mittels eines Interferenz- Laserstrahlungsmodulators aus der cw-Strahlung eines CO2-Lasers definierte Im- pulse geformt werden sollten. Ohne Unterdrückung der Rückkopplung ergab sich der in Fig. la gezeigte, fast statistische P(t)-Verlauf, bei Einsatz der Entkopplung mittels ATFR-Spiegel und l/4-Phasenschieberspiegel die saubere gewünschte Pulsfunktion gemäß Fig. lb. Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel betrifft eine spezielle Anwendung definierter Strahlungsimpulse (Methode des Elementarvolumen- Abtrags - EVA) in der Feinbearbeitung mittels eines CO2-Lasers. Dabei wurde mit Hilfe eines speziellen Interferenz-Laserstrahlungsmodulators (ILM), der auf ei- nem schnell durchstimmbaren FPI beruht, der gewünschte Pulszug aus der an sich kontinuierlichen Laserstrahlung erzeugt. Ohne Strahlungsentkopplung wird dieser Mechanismus empfindlich gestört. Es treten mehr oder weniger statistisch unerwünschte Impulse auf, wobei bereits an diesem Beispiel ein wichtiger Faktor beim Einsatz von Interferometern sichtbar wird: Die starke Abhängigkeit der FPI- Transmission von der Wellenlänge der Strahlung. Im dargestellten Beispiel be- ruht die Impulserzeugung auf der schnellen Umschaltung des ILM zwischen ma- ximaler Transmission und maximaler Reflexion, was natürlich nur für eine defi- nierte Wellenlänge funktioniert. Ohne Strahlungsentkopplung und ohne spezielle wellenlängenselektive Elemente (z.B. Gitter) zur Sicherung dieser definierten Wellenlänge kann jedoch beispielsweise ein Hochleistungs-CO2-Laser, bei dem potentiell zahlreiche Rotations-Schwingungs-Übergänge zwischen 9 pm und 11 pm zur Verfügung stehen, parasitär anschwingen, auch wenn das FPI für die ei- gentlich gewünschte Wellenlänge gesperrt ist. Das zeigt sich instruktiv in Fig. la. Diese Tatsache muss auch bei der erfindungsgemäßen Lösung berücksichtigt werden, d.h. durch Integration eines wellenlängenselektiven Elementes muss das System auf eine ausgewählte Wellenlänge fixiert werden. Bei diesen Überlegun- gen ist generell zu beachten, dass trotz aller Verluste auf dem Strahlweg der Endspiegel des Laserresonators auf der einen und das Laserstrahlziel auf der an- deren Seite einen Resonator bilden. Daraus resultiert die Gefahr eines parasitä- ren Anschwingens, wobei sich bei entsprechender Möglichkeit die Strahlung ge- nau die Wellenlänge „aussuchen" wird, für welche das Verhältnis von Gewinn zu Verlusten am größten ist. Genau diese Möglichkeit unterbindet ein frequenzselek- tives Element, das gegebenenfalls bereits in den Laserresonator selbst integriert werden kann.
Fig. 2 zeigt den Grundaufbau eines FPI 10 mit Platten 12a und 12b im Abstand a zur Illustration der vorstehend aufgezählten Eigenschaften. Vorteilhafterweise wird man in der erfindungsgemäßen Lösung, bei der es häufig auf die Verarbei- tung hoher Leistungen ankommt, z.B. von mittleren Leistungen im Bereich von 1 kW und mehr, ein FPI 10 des dargestellten Aufbaus anwenden, bei dem sich zwi- schen den beiden entscheidenden Flächen der Reflektivität R Luft befindet. Dadurch ist die schädliche Wirkung der FPI-internen Leistungsüberhöhung, ins- besondere beim Einsatz von größeren R (R > 0,5), auf die R-Beschichtung selbst reduziert. Die mehr oder weniger große Grundabsorption des Trägermaterials der FPI-Platten 12a, 12b spielt eine untergeordnete Rolle. Bei den hier generell aus- führlicher diskutierten CO2-Lasersystemen wird das Trägermaterial La. ZnSe oder Diamant sein. Mit „AR" sind in Fig. 2 Anti-Reflexionsbeschichtungen gekenn- zeichnet.
Fig. 3 zeigt die theoretische Transmission eines FPI 10 als Funktion des Platten- abstandes a für drei ausgewählte Reflektivitäten R. Sie veranschaulicht die starke R-Abhängigkeit von Kontrast und Finesse, die beide entscheidend für die Wirkung des FPI 10 zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laserstrahl- ziel und Laserstrahlquelle sind. Dies betrifft sowohl die Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Winkeländerungen des Strahlungseinfalls auf das FPI 10 als auch Fre- quenz- bzw. Wellenlängenänderungen der vom Laserstrahlziel zurücklaufenden Strahlung, die sich z.B. bei der Reflexion bzw. Streuung an einem schnell expan- dierenden Plasma, wie es für die Erzeugung von EUV-Strahlung charakteristisch ist, ergeben.
Neben der Reflektivität R sind aber noch zwei andere Größen für die FPI-Wirkung entscheidend. Das ist einmal der Plattenabstand a und zum anderen der Einfalls- winkel d der Strahlung relativ zur FPI-Achse. Letzterer ist von großer praktischer Bedeutung, da selbstverständlich dafür gesorgt werden muss, dass die vom FPI reflektierte Strahlung (das betrifft sowohl die von der Laserstrahlquelle zum La- serstrahlziel (Target) laufende Strahlung als auch die zurücklaufende Strahlung) aus dem Hauptstrahlengang entfernt wird. Insbesondere bei Laser-Verstärker- Systemen muss unbedingt verhindert werden, dass das FPI 10 einen Spiegel bil- det, der die Verstärkerkette anschwingen lässt.
Um diese Forderungen zu erfüllen, ist ein Mindestwinkel d nötig, der nach einer vorgegeben Strecke s für die Trennung von einfallendem und reflektiertem Bün- del ausreicht (siehe Fig. 4). Gleichzeitig sind jedoch vorzugsweise zwei Faktoren im Hinblick auf die FPI-Funktion zu beachten. Für eine effiziente Entkopplungs- wirkung des FPI 10 ist ein ausreichend großer Plattenabstand a bevorzugt. Des- sen optimale Größe hängt entscheidend vom jeweiligen Parameter der rücklau- fenden Strahlung ab, der vorrangig für die Entkopplung wirksam wird. Wegen der hohen Selektivität eines FPI 10 bezüglich des Einfallswinkels d sind für die Unter- drückung der Strahlungsanteile im rücklaufenden Strahl mit Divergenzen bzw. Neigungen gegen die FPI-Ache > 1 mrad bereits Plattenabstände a im cm- bevorzugt, wenn man eine Finesse des FPI von 14 voraussetzt. Ist der für die Entkopplung einflussgebende Parameter eine Frequenzverschiebung durch Dopp- lereffekt an einem schnell bewegten Laserstrahlziel, sind wesentlich größere Plat- tenabstände a bevorzugt. Nimmt man z.B. bei der EUV-Erzeugung eine Dopp- lerverschiebung von etwa 100 MHz an dem extrem rasch expandierenden Plasma des bestrahlten Tröpfchens an, sollte a für eine effiziente Entkopplungswirkung vorzugsweise mindestens 10 cm betragen (vgl. Fig. 5). Diese Forderung relati- viert sich allerdings, wenn man berücksichtigt, dass bei einer Frequenzverschie- bung von 100 MHz der optische Gewinn der aktiven Media z.B. von CO2-Lasern bzw. -Verstärkern wesentlich sinkt, sodass hier ein zweiter Effekt auftritt, der zur Unterdrückung der zurücklaufenden Welle beiträgt. Diese Tatsache kommt der Konzeption des „optimalen" FPI 10 sehr entgegen, denn es muss berücksichtigt werden, dass sich mit wachsendem a und noch drastischer mit gleichzeitig wach- sendem d das in Fig. 3 gezeigte ideale FPI-Verhalten, bei dem senkrechte Inzi- denz und monochromatische Strahlung angenommen wurden, verschlechtert. Insbesondere wird sich die Maximaltransmission immer weiter vom Idealwert 1 entfernen, die Verluste für den Arbeitsstrahl also zunehmen. Als pauschale Opti- mierungsregel für den Plattenabstand a des FPI folgt daraus, dass a so groß wie nötig, aber so klein wie möglich zu wählen ist.
Fig. 4 illustriert noch einmal die beschriebenen geometrischen Verhältnisse. Als Randbedingungen sind dabei zu erfüllen, dass erstens eine saubere Trennung eines einfallenden Laserstrahlbündels 14 mit Durchmesser D vom am FPI 10 re- flektierten Anteil 16 mit etwa dem gleichen Durchmesser gewährleistet sein muss und zweitens dabei die erforderliche Strecke s nicht zu groß, der Winkel d also nicht zu klein sein sollte. Drittens ist die Rolle von d relativ komplex: Im Sinne einer hohen Filterwirkung bezüglich unerwünschter Strahlung und einer hohen Effizienz bei der Strahlungsentkopplung sollte d ebenfalls nicht zu klein sein, andererseits verschlechtert sich, wie vorstehend bereits gesagt, mit wach- sendem d die Maximaltransmission, die selbstverständlich für den Arbeitsstrahl nahe 1 sein sollte. Das Laserstrahlbündel 14 tritt dabei in Fig. 4 aus einem wel- lenlängenselektiven Element 18 aus.
In Abhängigkeit von den konkreten Gegebenheiten, insbesondere den Eigen- schäften des Laserstrahls selbst, ist d folglich vorzugsweise zu optimieren. Diese Optimierung ist eng an den Abstand a der FPI-Platten 12a, 12b gekoppelt, da letztlich neben der Platten reflektivität R die beiden geometrischen Parameter a und d die Wirksamkeit der beschriebenen Anordnung bestimmen. Nimmt man für die Divergenz der Laserstrahlung etwa 1 mrad an, lassen sich die geschilderten Forderungen mit „vernünftigen" Werten für a, wie vorstehend ausgeführt, im Be- reich bis etwa 10 cm, für D ca. 10 mm, für d = 2,5° und für s ab etwa 20 cm gut erfüllen. R = 0,8, also eine Finesse von 14 vorausgesetzt, kann dann für die drei relevanten Parameter Strahldivergenz, Neigung und Frequenzverschiebung ge- genüber dem Arbeitsstrahl mit hoher Wirksamkeit des FPI 10 im gewünschten Sinne gerechnet werden. Konkret heißt das, dass bei einem Justierzustand, der T ≈ 1 für den Arbeitsstrahl entspricht, die zu „vernichtenden" Strahlanteile (d.h. Strahlanteile geringer Strahlqualität und damit höherer Divergenz als typischer- weise 1 mrad im hinlaufenden Strahl sowie Strahlanteile im rücklaufenden Strahl mit Divergenzen bzw. Neigungen gegen die FPI-Ache > 1 mrad oder Frequenz- verschiebungen der Größenordnung 100 MHz. z.B. durch Dopplereffekt an einem schnell bewegten Laserstrahlziel) in den Bereich hoher Reflexion ( RFPI > 0,8) ge- schoben werden und damit einfach eliminiert werden können. Im Hinblick auf die Rolle der diskutierten Frequenzverschiebung für die FPI-Wirkung bei der Strah- lungsentkopplung ist zu beachten, dass der an einem schnell expandierenden Plasma rückgestreute bzw. -reflektierte Strahlungsanteil auch Divergenz- und Richtungsschwankungen aufweist, deren Wirkung sich der Wirkung der Fre- quenzverschiebung im Sinne eines wesentlich größeren Gesamteffektes überla- gert.
Fig. 5 zeigt die „Filterwirkung" eines FPI 10 an einer um 100 MHz frequenzver- schobenen rücklaufenden Welle , wobei das FPI 10 einen Plattenabstand a = 10 cm und eine Finesse von 14 aufweist. In Fig. 5 ist dabei die Transmission T über der Frequenz f aufgetragen.
Fig. 6 zeigt weiterhin die Ergebnisse einer Messung, die anschaulich die Wirkung eines im Sinne der Erfindung optimierten FPI 10 als Strahlungsfilter illustriert. Untersucht wurde der Einfluss des Gasentladungsstromes I eines Niederdruck- CO2- Lasers auf die Strahlqualität. Letztere ist charakterisiert durch den Quotien- ten PT / PR, der das Verhältnis von Nutzleistung PT (also vom FPI transmittierter Strahlung) zu auszufilterndem Leistungsanteil PR, der vom FPI 10 reflektiert wird, wiedergibt. Da der Laser absichtlich in einem Regime betrieben wurde, das rela- tiv rasch zu einer Überhitzung des Lasergases führte, sieht man in dem Dia- gramm sehr instruktiv, wie die Strahlqualität (also der Quotient PT / PR ) bei rela- tiv niedrigem Strom zunächst ein deutliches Maximum annimmt, um bei darüber hinausgehenden Strömen und damit deutlicher Überhitzung drastisch abzufallen. Im dargestellten Beispiel steigt der herausgefilterte Strahlungsanteil von ca. 17 % der einfallenden Leistung auf ca. 25 %, was letztendlich bedeutet, dass die Qualität des Nutzstrahls annähernd konstant bleibt (allerdings bei abnehmender Leistung), obwohl der „Rohstrahl" des Lasers merklich an Qualität eingebüßt hat. Durch kontinuierliche Überwachung des herausgefilterten Strahlungsanteils, der ständig während der Bearbeitung für Messungen zur Verfügung steht, erhält man eine wichtige Größe zur Diagnostik des Bearbeitungsprozesses.
Fig. 7 zeigt den stark schematisierten Grundaufbau einer Anordnung 20 gemäß der Erfindung. In dieser Anordnung 20 wird zunächst von einer Laserstrahlquel- le 22, die hier z.B. ein gütegeschalteter CO2-Hochleistungslaser sein kann, aus- gegangen. Deren primärer Laserstrahl 24 sei charakterisiert durch eine definierte Wellenlänge l, eine lineare Polarisation definierter Richtung 26 und eine mehr oder weniger gute Strahlqualität K. Da die erfindungsgemäßen Komponenten zur Strahlfilterung einerseits und zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung an- dererseits für die genannte genau definierte Wellenlänge l zu konzipieren sind, muss ein Ausweichen des Systems auf dem Strahlweg „Laserstrahlquelle - Strahlführung und -formung - Laserstrahlziel (Target)" auf eine andere Wellen- länge verhindert werden, um ihre Funktion zu gewährleisten. Diese Gefahr be- steht z.B. bei Hochleistungs-CO2-Lasern, die auf zahlreichen Wellenlängen im Bereich zwischen 9 μm und 11 pm anschwingen können. Ein wellenlängenselek- tives Element 28 (z.B. ein Beugungsgitter oder ein Prisma) sichert eine zuverläs- sige Fixierung des Systems auf das vorgegebene l. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass dieses wellenlängenselektive Element 28 auch schon in den Laser, d.h. die Laserstrahlquelle 22, selbst integriert sein kann und dann selbst- verständlich außerhalb des Lasers nicht noch einmal erforderlich ist. Etwas an- ders stellt sich allerdings die Situation in Hochleistungs-Laser- Verstärker-Anlagen dar, wie sie z.B. in EUV-Systemen eingesetzt werden (vgl. Fig. 8). In der dort gegebenenfalls erforderlichen zweiten Anordnung zur Unterdrückung der Strah- lungsrückkopplung wird auf das wellenlängenselektive Element vorzugsweise nicht verzichtet.
Auf seinem weiteren Weg passiert der primäre Laserstrahl 24 ein zentrales Ele- ment der erfindungsgemäßen Lösung, das entsprechend den obigen Ausführun- gen optimierte Fabry-Perot-Interferometer (FPI) 10. Die erste Aufgabe dieses FPI 10, das auf maximale Transmission für die Wellenlänge A eingestellt ist, besteht im Herausfiltern von Strahlungsanteilen 30, welche die Strahlqualität, folglich die Fokussierbarkeit der Strahlung und letztlich die Bearbeitungsqualität mindern, Das sind typischerweise Strahlungsanteile, die mehr oder weniger stark vom Grundmode TEM00 abweichen. Sie werden im einfachsten Fall von einem Absor- ber 32 vernichtet, der - wie hier - in Form eines Strahlungsdetektors ausgebil- det sein kann. Dessen Messsignal gibt einerseits Auskunft über die Größe der parasitären Strahlungsanteile 30, liefert aber bei Registrierung des Zeitverlaufs u.a. auch wichtige Informationen über die Stabilität der Laserstrahlquelle 22 und/oder das Pulsverhalten des Lasers und kann folglich auch zu Zwecken der Diagnostik und Steuerung eingesetzt werden.
Die vom FPI 10 transmittierten und gefilterten Strahlungsanteile 34 werden an- schließend über eine „klassische" Kombination aus Polarisator 36 und Ä/4- Phasenschieber 38 zur Strahlungsentkopplung von Laser (Laserstrahlquelle 22) und Target (Laserstrahlziel 40) geschickt, wobei hier gleichzeitig die häufig er- wünschte Umwandlung der linear polarisierten in zirkular polarisierte Strahlung 42 erfolgt, die dann beispielsweise mittels eines fokussierenden Elementes 44 auf das Laserstrahlziel 40 geschickt werden kann.
Neben dieser ersten Umwandlung besteht die Wirkung der Elemente 36 und 38 darin, dass der vom Laserstrahlziel 40 in Richtung Laserstrahlquelle 22 zurück- laufende sekundäre Laserstrahl 46, der typischerweise noch mehr oder weniger partiell zirkular polarisiert ist, zunächst im A/λ- Phasenschieber 38 in einer zwei- ten Umwandlung in partiell linear polarisierte Strahlung 48 transformiert wird, deren Polarisationsrichtung senkrecht auf jener des primären Laserstrahls 24 steht. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass diese Strahlung 48 entsprechend des Grades der Linearpolarisation und der Qualität des Polarisators 36 zum gro- ßen Teil eliminiert und aus dem Strahl weg Laserstrahlquelle 22 - Laserstrahlziel 40 entfernt wird. Im Beispiel CO2-Laser werden für die Elemente 36 und 38 üblicherweise eine Kombination von Brewsterplatten oder ein ATFR-Spiegel, der die zu vernichtende Strahlung der „falschen" Polarisationsrichtung absorbiert, sowie ein l/4- Phasenschieber -Spiegel eingesetzt. Aus den oben genannten Gründen wird al- lerdings die rücklaufende Strahlung nicht vollständig eliminiert. Ein Strahlungs- anteil 50, der durchaus im Prozentbereich des primären Laserstrahls 24 liegen kann, würde ohne weitere Vorkehrungen in Richtung Laserstrahlquelle 22 laufen und zu Störungen des Prozesses der Strahlungsbildung in der Laserstrahlquelle 22 führen. Diese Störungen sind umso gravierender, je höher die Besetzungsin- version im aktiven Medium und damit der optische Gewinn des Lasers ist. Das ist besonders bei gütegeschalteten Systemen der Fall, deren Prinzip auf einer Maxi- mierung der Besetzungsinversion unmittelbar vor der Impulserzeugung beruht. Zu diesem Zeitpunkt können Kleinsignalverstärkungen im aktiven Medium durch- aus die Größenordnung 104 erreichen, d.h. selbst sehr kleine zurückgekoppelte Strahlungsmengen können die Ausbildung leistungsstarker Impulse gravierend beeinflussen.
Dieses Dilemma wird gemäß der Erfindung durch die Wirkung des speziell opti- mierten Fabry-Perot-Interferometers 10 gelöst. Das unter dem genannten klei- nen Winkel d angeordnete FPI 10 schwächt auf mehrfache Weise den Strah- lungsanteil 50 auf ein Maß, das für die Laserfunktion ungefährlich ist. Dabei sind die Unterschiede in den Parametern vom hinlaufenden Strahlungsanteil 34 und vom rücklaufenden Strahlungsanteil 50 entscheidend. Die wichtigsten Unter- schiede, die zu einer hohen Reflexion am FPI 10 und damit zur gewünschten Eli- minierung des Strahlungsanteils 50 führen, wurden bereits genannt. Es wurde auch bereits gesagt, dass eine genaue quantitative Erfassung aller mitwirkenden Effekte praktisch unmöglich ist. Für qualitative Überlegungen ist es sinnvoll, die Effekte in Kohärenz- unabhängige und Kohärenz-gebundene zu unterteilen. Als Kohärenz-gebundene wollen wir jene verstehen, die zu Interferenz führen und deshalb eng an die vorstehend diskutierten Eigenschaften eines FPI 10 gekoppelt sind. Bei diesen ist es relevant, dass sich Divergenz, Richtung und (eventuell) Wellenlänge des Strahlungsanteils 50 so stark vom ursprünglichen Strahl 34 un- terscheiden, dass sich das FPI 10, welches für den Strahl 34 auf optimale Trans- mission eingestellt ist, für Strahl 50 möglichst nahe dem Reflexionsmaximum befindet und wesentlich zu einem Strahlungsanteil 52 beiträgt.
Kohärenz-unabhängig ist z.B. die einfache Reflexion an den FPI-Flächen der Re- flektivität R, die beispielsweise bei R = 0,8 unter Berücksichtigung beider FPI- Flächen ohne Interferenzeffekte bereits etwa 90 % des Strahlungsanteils 50 in Richtung des Anteils 52 reflektiert. Je stärker die ursprünglich gute Kohärenz des Strahles 34 durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahlziel 40 zerstört wird, desto relevanter wird die Reflexion dieses weitgehend inkohärenten Strahlungs- anteils. Der gesamte Strahlungsanteil 52, der im Idealfall leistungsmäßig quasi dem Strahlungsanteil 34 entspricht, wird in einem zweiten Absorber 54 vernich- tet und sichert letztlich ein hocheffektives Abblocken der rücklaufenden Strah- lung.
Die Gesamtschwächung der rücklaufenden Strahlung erreicht dabei Faktoren, die zwischen 103 und 104 liegen können. Sie ist damit um mindestens 1 bis 2 Grö- ßenordnungen effizienter, als die herkömmlichen Kombinationen aus Polarisator und l/4-Phasenschieber und für Strahlungsentkopplungen geeignet, an die höchste Forderungen gestellt werden. An dieser Stelle sei noch einmal auf die bevorzugte Reihenfolge der Elemente 10, 36 und 38 hingewiesen, die insbesondere unter dem Aspekt der Leistungsemp- findlichkeit des FPI 10 wichtig und speziell bei La se r- Ve rstä rker- An o rd n u ng e n entscheidend ist (vgl. auch die Ausführungen zu den Figuren 8, 9 und 10). Über- schreitet nämlich die Strahlungsleistung, der das FPI 10 ausgesetzt ist - und das betrifft letztlich die Summe aus hin- und rücklaufender Strahlung- kritische Wer- te, die typischerweise im Bereich einiger kW liegen, treten thermische Effekte auf, die z.B. den sorgfältig eingestellten Arbeitspunkt (T = 1 für die zum Laser- strahlziel 40 laufende Strahlung) unkontrolliert verschieben und damit die Funk- tion des Gesamtsystems verschlechtern bzw. sogar gefährden können. Bei der Anordnung der Elemente 10, 36 und 38 gemäß der Erfindung wird auf alle Fälle die Leistungsbelastung des FPI 10 aus folgenden Gründen minimiert: Erstens ist das FPI 10, unabhängig von seiner Stellung vor oder hinter den Elementen 36 und 38, stets der vollen Leistung der zum Laserstrahlziel 40 laufenden Strahlung ausgesetzt, da man in guter Näherung annehmen kann, dass die Verluste in den Elementen 36 und 38 minimal sind. Damit hängen zweitens die Unterschiede in der Strahlungsbelastung von FPI 10 für die zwei Anordnungsvarianten praktisch ausschließlich von der Leistung der rücklaufenden Strahlung ab, die auf das FPI 10 treffen. Diese ist aber in der erfindungsgemäßen Reihenfolge der Elemente 10, 36 und 38 entscheidend durch die Entkopplungswirkung der Elemente 36 und 38 geschwächt, sodass selbst bei sehr leistungsstarken rücklaufenden Strah- lungsanteilen, wie sie in Hochleistungs-Laser-Verstärker-Anlagen auftrete n kön- nen, die FPI-Funktion 10 durch diese nicht gefährdet ist.
Insbesondere zur Vereinfachung der folgenden Ausführungen sind die für die Strahlfilterung und Strahlungsentkopplung gemäß der Erfindung relevanten Bau- elemente in der Anordnung 20 zusammengefasst. Fig. 8 zeigt eine Laseranlage 56 gemäß der Erfindung in Form einer Laser- Verstärker-Anordnung. Dabei kann ein Verstärkersystem 58 auch aus mehreren Stufen, z.B. einem zusätzlichen Vorverstärker oder mehreren Hochleistungsver- stärkern bestehen. Bei allen mehrstufigen Systemen stellt sich die Frage, wie oft und an welchen Stellen gefiltert und entkoppelt werden sollte. Während die Filte- rung unabhängig von konkreten Anordnungen möglichst unmittelbar nach dem Laserausgang erfolgen sollte, ist die Entkopplung wesentlich komplexer zu be- trachten. Das macht Fig. 8 deutlich. Die in einem Laser 22 erzeugte Strahlung 24 mit genau definierten Eigenschaften, z.B. Strahlungsimpulsen festgelegter Dauer und Folgefrequenz, wird hier im Verstärkersystem 58 auf einen Leistungslevel gebracht, der anspruchsvolle Applikationen ermöglicht. Damit treten wegen des sehr hohen optischen Gewinns im aktiven Medium des Ve rstä r ke rsy ste m s 58 Probleme auf, die weit über jene einer einfachen Laser 22 - Laserstrahlziel 40 - Anordnung gemäß Fig. 7 hinausgehen. So ist z.B. zu berücksichtigen, dass einer- seits die von einem Laserstrahlziel 40, insbesondere in Form eines Tröpfchens, zurückgeworfene Strahlung auf keinen Fall das Verstärkersystem 58 passieren sollte, da sie anderenfalls extrem verstärkt und damit die Entkopplung vom Laser 22 signifikant erschwert würde. Darüber hinaus ist bei Hochleistungsverstärkern der Teil der Superstrahlung zu berücksichtigen, der in Richtung Laser 22 läuft und in jedem Falle und unabhängig von der Strahlungsrückkopplung durch das Laserstrahlziel 40 auftritt.
Fig. 8 illustriert schematisch, wie diese Problematik gemäß der Erfindung gelöst werden kann. Demnach durchläuft die Laserstrahlung 24 zunächst eine erste An- ordnung 20a, die sämtliche zu Fig. 7 diskutierten Aufgaben übernimmt, also ers- tens die Strahlfilterung und zweitens die effiziente Unterdrückung der Rückkopp- lung von Strahlung in den Laser 22. Dieser Strahlungsanteil 60 wird aus zwei Anteilen bestehen: Erstens einem Anteil, der vom Laserstrahlziel 40 reflektiert bzw. gestreut, von einer zweiten Anordnung 20b nur unvollkommen vernichtet und im Ve rstä r ke rsy ste m 58 hoch verstärkt wurde, sowie zweitens einem Anteil, der auch bei idealer Funktion der zweiten Anordnung 20b auftritt, nämlich Ein- weg-Superstrahlung (ASE) des Verstärkersystems 58 selbst. Letztere ist im We- sentlichen unpolarisiert und wird deshalb durch die Einheit aus Polarisator 36 und l/4-Phasenschieber 38 (siehe Fig. 7) der ersten Anordnung 20a lediglich auf et- wa die Hälfte reduziert. Dies ist allerdings in vielen Fällen nicht ausreichend, so dass der Wirkung des FPI 10 besonders große Bedeutung zukommt. Nach Passie- ren der ersten Anordnung 20a wird die Strahlung im Ve rstä r ke rsy ste m 58 i.A. auf sehr hohe Werte der Impuls-Spitzenleistung, aber auch der mittleren Leis- tung verstärkt. Letztere kann z.B. bei CO2-Laser-Verstärker-Anlagen für die EUV- Erzeugung im Multi-kW-Bereich liegen und erfordert deshalb spezielle Vorkeh- rungen für die zweite Anordnung 20b, die für eine sichere Abschirmung des Ver- stärkersystems 58 gegen die vom Laserstrahlziel 40 zurücklaufenden Strah- lungsanteile 62 sorgen soll.
Die Wirkung der zweiten Anordnung 20b, insbesondere bezüglich der Strahlungs- entkopplung, soll dabei ganz analog jener der ersten Anordnung 20a sein. Dazu ist zunächst verstärkte, zirkular polarisierte Strahlung 64 wieder in linear polari- sierte zu transformieren. Dies geschieht mittels eines l/4-Phasenschiebers 66. Für die zweite Anordnung 20b ist also im Vergleich zur ersten Anordnung 20a zu beachten, dass die einfallende Strahlung erstens wesentlich höhere Leistungs- werte aufweist und zweitens ihre Linearpolarisation um 90° gegenüber der La- serstrahlung 24 gedreht ist. Letzteres ist kein Problem, prinzipiell kann hierzu lediglich eine Einheit aus Polarisator 36 und l/4-Phasenschieber 38 (siehe Fig. 7) um 90° gedreht werden.
Wesentlich kritischer ist das sichere Beherrschen der hohen mittleren Leistung wegen der Empfindlichkeit des FPI 10 (siehe Fig. 7), die auf die Leistungsüber- höhung im FPI-Inneren zurückzuführen ist. Sie ist z.B. bei R = 0,8 und maxima- ler FPI-Transmission T = 1 bereits das 25-fache der einfallenden Leistung P0 und damit bei P0 im kW-Bereich selbst beim Einsatz von Diamant-Optiken im Grenz- bereich der zulässigen Maximalbelastung.
Für eine wirkungsvolle und flexible Abhilfe gibt es zwei Möglichkeiten. Die ein- fachste zeigt Fig. 9, die Aufweitung des Durchmessers eines Strahlbündels 68 mittels einer Teleskopanordnung 70 unmittelbar vor einem FPI 10, das eine dem aufgeweiteten Strahl 72 angepasste größere freie Apertur besitzt. Dadurch kann die Intensität auf den R-Flächen in weiten Grenzen so eingestellt werden, dass die FPI-Funktion und damit der vom FPI 10 ausgehende Strahl 74 nicht durch thermische Effekte beeinträchtigt wird.
Will man eine Änderung des Strahldurchmessers vermeiden, kann Abhilfe gemäß der Erfindung auch eine FPI-Kaskade schaffen. Die Grundversion, ein FPI- Tandem, zeigt Fig. 10. Die Lösung beruht dabei auf der Aufteilung der FPI- Wirkung zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung auf mehrere FPI, hier einem ersten FPI 10 und einem zweiten FPI 76, insbesondere mit reduziertem R. Ein Zahlenbeispiel soll das illustrieren. Sollte z.B. die Wirkung eines FPI mit R = 0,8 äquivalent erreicht werden, die oben diskutierte Leistungsüberhöhung um einen Faktor 25 aber nicht akzeptabel sein, kann man einen Strahl 78 auf das erste FPI 10 mit R = 0,5 (das entspricht einer Leistungsüberhöhung von lediglich einem Faktor 4) und einen das erste FPI 10 verlassenden Strahl 80 auf das (ins- besondere gleiche) zweite FPI 72 senden. Dann ergibt sich die gewünschte Ge- samtwirkung, die R-Schichten der beiden FPI 10, 76 würden aber um einen Fak- tor 6,25 geringer belastet. Dieses Grundprinzip lässt sich erweitern und optimie- ren, indem beispielsweise zur weiteren Reduzierung der Strahlungsbelastung mehr als 2 Interferometer oder zur Maximierung der Entkopplungseffizienz bei gleichzeitiger Minimierung der Strahlungsbelastung mehrere Interferometer mit optimierten, unterschiedlichen R eingesetzt werden. Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend eine optische Anordnung 20, 20a, 20b zum Filtern von Laserstrahlung. Die Anordnung 20, 20a, 20b weist ein wellenlängenselekti- ves Element 28, ein erstes Fabry-Perot-Interferometer 10, einen Polarisator 36 und einen l/4-Phasenschieber 38 auf. Die optische Achse des Fabry-Perot- Interferometers 10 ist in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 6° zum auf das Fabry-Perot-Interferometer 10 auftreffenden Laserstrahl ausgerichtet. Das Fabry-Perot-Interferometer 10 ist sowohl zum Auskoppeln unerwünschter Strahlungsanteile 30 des auf das Fabry-Perot-Interferometer 10 auftreffenden primären Laserstrahls 24 ausgebildet als auch zum Auskoppeln unerwünschter Strahlungsanteile 52 der von einem Laserstrahlziel 40 reflektierten sekundären Laserstrahls 46. Vorzugsweise umfasst die Anordnung 20, 20a, 20b zumindest ein weiteres Fabry-Perot-Interferometer 76. Weiter bevorzugt umfasst die An- ordnung 20, 20a, 20b eine Teleskopanordnung 70 zur Aufweitung des auf das Fabry-Perot-Interferometer 10 auftreffenden primären Laserstrahls 24. Die Erfin- düng betrifft weiterhin eine Laseranlage 56 mit zumindest einer solchen Anord- nung 20, 20a, 20b. Vorzugsweise umfasst die Laseranlage 56 ein Verstärkersys- tem 58, das zwischen zwei Anordnungen 20a, 20b angeordnet ist. Besonders be- vorzugt ist die Laseranlage 56 zur Erzeugung von EUV-Strahlung ausgebildet. Hierzu kann das Laserstrahlziel 40 in Form eines Tröpfchens vorliegen.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (20, 20a, 20b) zur Führung eines primären Laserstrahls (24) auf einem Strahlweg und eines reflektierten sekundären Laserstrahls (46), wobei die Anordnung (20, 20a, 20b) folgende Komponenten aufweist, durch die der Strahlweg geführt ist: a. Ein wellenlängenselektives Element (28); b. ein erstes Fabry-Perot-Interferometer (10), das in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 6° zur optischen Achse des Fabry- Perot-Interferometers (10) im Strahlweg angeordnet ist; c. einen Polarisator (36); d. einen l/4-Phasenschieber (38).
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Anordnung (20, 20a, 20b) folgen- des aufweist: einen ersten Absorber (32) zur Absorption des vom ersten Fabry-Perot- Interferometer (10) reflektierten Anteils (30) des primären Laserstrahls (24); und/oder einen zweiten Absorber (54) zur Absorption des vom ersten Fabry-Perot- Interferometer (10) reflektierten Anteils (52) des sekundären Laserstrahls
(46).
3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der der erste Absorber (32) und/oder der zweite Absorber (54) jeweils in Form eines Strahlungsdetektors ausgebil- det ist/sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der für den primären Laserstrahl (24) das wellenlängenselektive Element (28) vor dem ersten Fabry-Perot-Interferometer (10), das Fabry-Perot-Interferometer (10) vor dem Polarisator (36) und der Polarisator (36) vor dem l/4- Phasenschieber (38) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Fabry-Perot-Interferometer (10) zwei Platten (12a, 12b) aus transparen- tem Material aufweist, deren sich gegenüberstehende Seiten eine Reflekti- vität R zwischen 0,3 und 0,9 aufweisen.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das wel- lenlängensensitive Element (28) in Form eines Beugungsgitters ausgebil- det ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Telesko- panordnung (70) zur Aufweitung des primären Laserstrahls (24) vor dem ersten Fabry-Perot-Interferometer (10).
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem dem ersten Fabry-Perot-Interferometer (10) nachgeordneten zweiten Fabry- Perot-Interferometer (72).
9. Laseranlage (56) mit einer Laserstrahlquelle (22) zur Abgabe eines pri- mären Laserstrahls (24), einem Laserstrahlziel (40) sowie einer Anordnung (20, 20a, 20b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Führung des primären Laserstrahls (24), wobei der Strahl weg der Anordnung (20, 20a, 20b) zwischen der Laserstrahlquelle (22) und dem Laserstrahlziel (40) verläuft.
10. Laseranlage nach Anspruch 9 mit einem Verstärkersystem (58), das auf dem Strahlweg zwischen dem Laserstrahlziel (40) und der Laserstrahlquel- le (22) angeordnet ist, wobei die Anordnung (20a) zwischen dem Verstär- ke rsystem (58) und der Laserstrahlquelle (22) angeordnet ist, wobei die Laseranlage (56) eine weitere Anordnung (20b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, die zwischen dem Verstärkersystem (58) und dem Laser- strahlziel (40) angeordnet ist und wobei die Laseranlage (56) einen weite- ren l/4-Phasenschieber (66) aufweist, der zwischen dem Verstärkersystem (58) und der weiteren Anordnung (20b) angeordnet ist.
11. Laseranlage nach Anspruch 9 oder 10, bei der das Laserstrahlziel (40) zur Abstrahlung von EUV-Strahlung bei Bestrahlung mit dem primären Laser- strahl (24) ausgebildet ist.
12. Laseranlage nach Anspruch 11, bei der das Laserstrahlziel (40) in Form eines Tröpfchens ausgebildet ist.
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