KR101548286B1 - 재생 링 공진기 - Google Patents

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Abstract

레이저는 전극 및 레이저 빔을 산출하기 위해 전극 사이에 이득 매체를 구비한 방전 챔버; 부분-반사 광학 커플러; 및 레이저 빔의 경로에서의 빔 변조 광학 시스템을 포함하는 재생 링 공진기를 포함한다. 빔 변조 광학 시스템은 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장하여 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 레이저 내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 재생 링 공진기는 재생 링 공진기 내의 광학 엘리먼트에서 열렌즈를 유도하는 파워에서 레이저를 동작시킬때 조건에 따라 안정적이거나 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 한다.

Description

재생 링 공진기{REGENERATIVE RING RESONATOR}
본 발명은 가스 방전 레이저와 같은 고 파워 레이저 시스템의 리사이클링 링 공진기에 관한 것이다.
가스 방전 레이저는 반도체 집적 회로 제조를 위한 포토리소그래피에 사용된다. 반도체 제조가 점점 더 작은 피처 크기(즉, 집적 회로를 제조하는데에 사용되는 최소 피처 크기)를 요구하는 것에 진척되면서, 이러한 레이저의 설계와 성능이 개선되어 왔다. 예를 들면, 가스 방전 레이저는 더 높은 해상도를 지원하도록 더 짧은 파장과 더 좁은 대역폭을 제공하고, 더 높은 쓰루풋이 가능하도록 더 높은 파워를 제공하고, 도우즈, 파장 및 대역폭과 같은 성능 파라미터를 안정화시키도록 재설계되었다.
엑시머 레이저는 스펙트럼 대역폭 감소시 나노초 펄스를 생성하도록 높은 평균 출력 파워에서 자외선(UV) 스펙트럼 영역에서 동작할 수 있는 포토리소그래피에서 사용되는 가스 방전 레이저의 한 유형이다.
일부 경우, 이러한 레이저는 좁은 스펙트럼 대역폭을 제공하는 기능과 높은 평균 출력 펄스 에너지를 산출하는 기능을 분리하도록 제 1 및 제 2 챔버를 가진 듀얼 챔버 설계로 설계된다. 제 1 챔버는 시드 레이저 빔을 제공하는 마스터 오실레이터(MO)라고 하고, 제 2 챔버는 파워 증폭기(PA), 파워 오실레이터(PO), 또는 파워 링 증폭기(PRA)라고 하며 MO로부터의 시드 레이저 빔을 수신한다. MO 챔버는 중심 파장 및 상대적으로 낮은 출력 펄스 에너지에서의 대역폭과 같은 파라미터의 미세한 튜닝을 가능하게 한다. 파워 증폭기는 마스터 오실레이터로부터의 출력을 수신하여 포토리소그래피에서 사용하기 위한 출력에 필요한 파워를 얻기위해 이러한 출력을 증폭시킨다. 듀얼 챔버 설계는 제 2 챔버가 어떻게 사용되는지에 따라 MOPA, MOPO, 또는 MOPRA라고 부를수 있다.
본 발명에 따르면, 빔 확장 시스템을 추가하여, 레이저 빔이 인접 필드에서의 보다 균일한 수평 에너지 분포를 나타내고, 광학 컴포넌트에서의 손상 가능성을 감소시킨다.
일부 일반적인 측면에서, 레이저는 전극과 레이저 빔을 산출하기 위해 전극들 사이에서 이득 매체를 가지는 증폭기 방전 챔버; 광학 커플러; 및 레이저 빔 경로에서의 빔 변조 광학 시스템을 구비하는 재생 링 공진기를 포함한다. 광학 커플러는 부분적으로 반사되어 증폭기 방전 챔버로부터 광학 커플러로 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 증폭기 방전 챔버를 통해 다시 반사되고 증폭기 방전 챔버로부터 광학 커플러로 부딪히는 레이저 빔의 적어도 일부가 광학 커플러를 통해 전송되도록 한다. 빔 변조 광학 시스템은 횡단으로 레이저 빔의 프로파일을 확장시켜 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 균일하게 레이저 내의 각각의 어퍼처를 채우고 재생 링 공진기는 재생 링 공진기 내부의 광학 엘리먼트에서의 열 렌즈를 유도하는 파워에서 레이저를 동작시킬때 조건에 따라 안정적인 상태를 유지하거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 한다.
빔 변조 광학 시스템은 평균 파워 범위동안 가스 방전 레이저 증폭기의 동작으로부터 발생한, 출력 빔 크기에서의 변형을 감소시키고, 그 일부는 높게 될수 있다.
구현은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 빔 변조 광학 시스템은 광학 커플러와 상기 광학 커플러에 마주하는 측면에 대향하는 방전 챔버의 측면에 배치된 빔 터닝 광학 엘리먼트 사이에 있을 수 있다. 빔 변조 광학 시스템은 재생 링 공진기를 빠져나가는 레이저 빔으로 하여금 재생 링 공진기로 들어가는 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기보다 더 크거나 그와 동일한 횡단 프로파일 크기를 가지도록 구성될 수 있다.
빔 변조 광학 시스템은 재생 링 공진기 내부에서 순환하는 레이저 빔의 파면에 대한 네거티브 곡률을 부여하도록 구성될 수 있다. 빔 변조 광학 시스템은 네거티브하게 횡단 방향을 따라서 곡률을 변화시킬 수 있다. 빔 변조 광학 시스템은 고 반사 미러를 포함할 수 있다. 고 반사 미러는 볼록할 수 있다. 볼록 고 반사 미러는 약 50m 내지 약 170m 사이의 곡률 반경을 가질 수 있다.
레이저는 또한 방전 챔버 외부에, 광학 시스템과 마주하는 측면에 대향하는 방전 챔버의 측면상의 레이저 빔 경로에 빔 터닝 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
재생 링 공진기는 레이저 빔이 재생 링 공진기의 일부를 통과하여 진행할 때 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 증가하지만 재생 링 공진기로부터 광학 커플러를 통해 디커플링되기전에 재생 링 공진기 내에서의 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 초과하지 못한다면 미세하게 불안정한 상태를 유지시킬 수 있다.
빔 변조 광학 시스템은 일 세트의 프리즘을 포함할 수 있다. 프리즘 세트는 제 1 및 제 3 프리즘이 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 감소시키고, 제 3 및 제 2 프리즘이 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 2 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 증가시키도록 구성 및 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 프리즘을 포함할 수 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 프리즘 중 하나 이상은 빔 변조 광학 시스템을 통과하여 제 2 방향을 따라 진행하고 프리즘 세트를 빠져나오는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기가 광학 커플러로부터 프리즘 세트로의 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기보다 더 크도록 조정될 수 있다.
재생 링 공진기로부터 출력된 레이저 빔은 적어도 약 5W/cm2의 평균 조사율(irradiation)을 가질 수 있다. 다른 구현에서, 재생 링 공진기로부터 출력된 레이저 빔은 적어도 약 10W/cm2의 평균 조사율을 가질수 있다. 일부 구현에서, 재생 링 공진기로부터 출력된 레이저 빔의 피크 조사율은 30mJ/cm2 이하가 될 수 있다.
다른 일반적인 측면에서, 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔은 레이저 빔을 재생 링 공진기의 광학 커플러로 통과시켜 지향시키고; 상기 광학 커플러를 통과한 레이저 빔을 방전 챔버를 통과하도록 지향시켜 다시 광학 커플러로 보내어 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 다시 방전 챔버를 통해 반사되어 상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 광학 커플러를 통과해 전송되도록 하고; 및 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 레이저 내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 재생 링 공진기내에서의 엘리먼트의 열 렌징(thermal lensing)을 일으키는 파워에서 레이저 작동시 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시킴으로써 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔이 변조된다.
구현은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 레이저 빔의 프로파일은, 레이저 빔을 방전 챔버를 통해 지향시키기 전에 광학 커플러로부터의 레이저 빔을 프리즘 세트 중 제 1 및 제 3 프리즘을 통과하도록 하여 레이저 빔의 프로파일을 압축하고; 광학 커플러에 도달하기 전에 레이저 빔을 프리즘 세트 중 제 3 프리즘을 통과하여 제 2 프리즘을 통과하도록 하여 그것이 방전 챔버를 통과한 후에 레이저 빔의 프로파일을 확장시킴으로써 횡단으로 확장될 수 있다. 레이저 빔 프로파일은 프리즘 세트로 입력되는 레이저 빔의 프로파일보다 더 큰 크기로 레이저 빔 프로파일을 확장시킴으로써 확장될 수 있다.
재생 링 공진기는 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가, 레이저 빔이 상기 재생 링 공진기를 통과하여 진행하면서 증가하지만 광학 커플러를 통해 상기 재생 링 공진기로부터 디커플링되기 전에 레이저 빔 횡단 프로파일 크기가 재생 링 공진기 내에서 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면 미세하게 불안정한 상태를 유지할 수 있다.
레이저 빔의 프로파일은 네거티브 곡률을 재생 링 공진기내부에서 순환하는 레이저 빔의 파면에 제공함으로써 횡단으로 확장될 수 있다.
다른 일반적인 측면에서, 레이저 빔 경로에 있는 재생 링 공진기는 전극과 전극들 사이에 있는 이득 매체를 구비하는 방전 챔버; 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 다시 반사되어 방전 챔버를 통과하여 상기 방전 챔버로부터 광학 커플러 상에 충돌하는 상기 광의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통과해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및 레이저 빔 경로에 있는 빔 변조 광학 시스템;을 포함한다. 빔 변조 광학 시스템은, 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 공진기내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 재생 링 공진기내부의 엘리먼트의 열 렌징을 일으키는 파워에서의 레이저 작동시 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장하도록 구성된다.
구현은 하기의 특징 중 하나 이상을 포함한다. 빔 변조 광학 시스템은 광학 커플러와 상기 광학 커플러에 마주하는 측면에 대향하는 방전 챔버의 측면에 배치된 빔 터닝 광학 엘리먼트 사이에 있을 수 있다.
빔 변조 광학 시스템은 재생 링 공진기 내에서 순환하는 레이저 빔의 파면에 네거티브 곡률을 제공하도록 구성될 수 있다. 빔 변조 광학 시스템은 고 반사 볼록 미러를 포함할 수 있다.
재생 링 공진기는 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 레이저 빔이 상기 재생 링 공진기의 적어도 일부를 통과하여 진행하면서 증가하지만 광학 커플러를 통해 상기 재생 링 공진기로부터 디커플링되기 전에 레이저 빔 횡단 프로파일 크기가 재생 링 공진기 내에서의 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면 미세하게 불안정한 상태를 유지할 수 있다.
빔 변조 광학 시스템은 일 세트의 프리즘을 포함할 수 있다. 프리즘 세트는 제 1 및 제 3 프리즘이 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 감소시키고, 제 3 및 제 2 프리즘이 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 2 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 증가시키도록 구성 및 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 프리즘을 포함할 수 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 프리즘 중 하나 이상은 제 2 방향을 따라 진행하여 프리즘 세트를 빠져나오는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기가 광학 커플러로부터 프리즘 세트로의 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기보다 더 크도록 조정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 빔 확장 시스템을 추가함으로써, 레이저 빔이 인접 필드에서의 보다 균일한 수평 에너지 분포를 나타내고, 광학 컴포넌트에서의 손상 가능성을 감소시킬수 있다.
도 1은 리소그래피 기계로 입력을 제공하는 고 평균 파워 레이저 시스템의 블록도이다.
도 2a는 도 1의 레이저 시스템의 파워 링 증폭기의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 파워 링 증폭기의 빔 리버스의 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 파워 링 증폭기의 가스 방전 챔버의 챔버 윈도우의 평면도이다.
도 2d는 도 2a의 파워 링 증폭기의 빔 변조 광학 시스템의 평면도이다.
도 3은 도 2a의 파워 링 증폭기의 측면도이다.
도 4는 도 2d의 빔 변조 광학 시스템의 사시도이다.
도 5는 하우징에 장착된 빔 변조 광학 시스템의 제 1 구현의 사시도이다.
도 6은 하우징에 장착된 빔 변조 광학 시스템의 제 1 구현의 평면도이다.
도 7a 및 7b는 각각 도 5 및 6의 빔 변조 광학 시스템 하우징에 부착되는 미러 마운트로 장착되는 고 반사 미러의 전면 및 후면 사시도이다.
도 8a는 도 7a의 고 반사 미러의 평면도이다.
도 8b 및 8c는 도 8a의 고 반사 미러의 직교 측면도이다.
도 9는 하우징에 장착된 빔 변조 광학 시스템의 제 2 구현의 사시도이다.
도 10은 하우징에 장착된 빔 변조 광학 시스템의 제 2 구현의 평면도이다.
도 11a는 도 9 및 10의 빔 변조 광학 시스템 하우징에 부착되는 어댑티브 미러 마운트에 장착되는 고 반사 미러의 사시도이다.
도 11b-11d는 도 11a의 고반사 미러용 마운트의 사시도이다.
도 12a는 도 11a의 고 반사 미러의 평면도이다.
도 12b 및 12c는 도 12a의 고 반사 미러의 직교 측면도들이다.
도 13a는 도 2a의 파워 링 증폭기의 빔 변조 광학 시스템의 또다른 구현의 평면도이다.
도 13b는 도 13a의 빔 변조 광학 시스템의 상세의 평면도이다.
도 14는 고 반사 미러의 상이한 곡률용으로 취해진 레이저 빔의 중심으로부터의 거리에 대한 신호 진폭의 그래프이다.
도 15a-15c는 네거티브 곡률 파면, 포지티브 곡률 파면, 및 제로 곡률 파면을 각각 도시하는 광학 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 고 평균 파워 반복 펄싱 레이저 시스템(100)은 빔 전달 유닛(104)을 통해 리소그래피 기계(106)로 전달되는 고 파워 반복 펄싱 레이저 빔(102)을 산출한다. 레이저 시스템(100)은 파워 링 증폭기(PRA)(112)(재생 링 공진기를 구비한 방전 챔버를 가진)에 시드 레이저 빔(110)을 공급하는 마스터 오실레이터(MO)(108)를 포함한다. 마스터 오실레이터(108)는 상대적으로 낮은 출력 펄스 에너지에서의 중심 파장 및 대역폭과 같은 파라미터의 미세 조정을 가능하게 한다. 파워 링 증폭기(112)는 마스터 오실레이터로부터의 출력을 수신하여 리소그래피 기계(106)에서 사용하기 위한 출력용으로 레이저 빔(102)에서 필요한 파워를 얻기 위해 이러한 출력을 증폭시킨다.
마스터 오실레이터(108)는 2개의 기다란 전극, 레이저 가스, 및 상기 전극 사이에서 가스를 순환시키는 팬을 구비한 방전 챔버(114)를 포함하고, 레이저 공진기가 상기 방전 챔버(114)의 하나의 측면위의 라인 협소화 모듈(116)과 상기 방전 챔버(114)의 제 2 측면 상의 출력 커플러(118) 사이에 형성된다. 라인 협소화 모듈(116)은 방전 챔버(114)의 스펙트럼 출력을 미세하게 조정하는 격자와 같은 회절 광학기기를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터(108)는 또한 출력 커플러(118)로부터의 출력을 수신하는 라인 중심 분석 모듈(120) 및 필요할때 레이저 빔의 크기 및/또는 형상을 변조하는 빔 변조 광학 시스템(122)을 포함한다. 방전 챔버에 사용된 레이저 가스는 필요한 파장 및 대역폭으로 레이저 빔을 산출하는 임의의 적절한 가스가 될수 있고, 예를 들면, 레이저 가스는 약 193nm 파장으로 광을 방출하는 플루오르화 아르곤(ArF), 약 248nm 파장으로 광을 방출하는 플루오르화 크립톤(KrF), 또는 약 351nm 파장으로 광을 방출하는 염화 크세논(XeCl)이 될 수 있다.
파워 링 증폭기(112)는 마스터 오실레이터(108)로부터 시드 레이저 빔(110)을 수신하여 레이저 빔을 파워 링 증폭기 방전 챔버(126)를 통과하여 레이저 빔의 방향이 변조되어 그것이 다시 방전 챔버로 보내져 재생 링 공진기라고도 하는 순환 경로를 형성하도록 하는 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)로 지향되는 빔 변조 광학 시스템(124)을 포함한다. 파워 링 증폭기 방전 챔버(126)는 한 쌍의 기다란 전극, 레이저 가스, 및 전극 사이의 가스를 순환시키는 팬을 포함한다. 시드 레이저 빔(110)은 반복하여 파워 링 증폭기(112)를 통과시킴으로써 증폭된다. 광학 시스템(124)은 시드 레이저 빔(110)에 인커플링(in-couple)하고 링 공진기로부터의 증폭된 복사선의 일부를 아웃커플링(out-couple)하여 출력 레이저 빔(130)을 형성하는 방식(예를 들면, 하기에 기술되는, 부분-반사 미러(202)와 같은 광학 커플러)을 제공한다. 출력 레이저 범(130)은 대역폭 분석 모듈(132)을 통과하고, 출력 레이저 빔(130)의 각각의 펄스가 예를 들면 광학 지연 유닛에서 스트레칭되어 리소그래피 기계(106)에 부딪치는 레이저 빔의 성능 특성에 대해 조정하는, 펄스 스트레처(134)를 통과하여 지향된다. 펄스 스트레처(134)를 빠져나온 레이저 빔(102)은 빔 전달 유닛(104)으로 들어가기 전에 자동 셔터(136)를 통과하여 지향될 수 있다.
레이저 시스템(100)은 또한 약 4000 내지 12,000Hz 사이, 또는 그 이상의 펄스 반복률에서 시스템(100)의 펄스 에너지 및 축적된 도우즈 에너지 출력을 제어하는 마스터 오실레이터(108) 및 파워 링 증폭기(112)로 결합되는 제어 시스템(138)을 포함한다. 상기 제어 시스템(138)은 마스터 오실레이터(108)의 챔버에서 반복적인 방전의 트리거링과 펄스 및 도우즈 에너지의 피드백 및 피드-포워드 제어로 서로에 대해 파워 링 증폭기(112)의 챔버에서의 방전을 제공한다. 고 파워 반복 펄스 레이저 빔(102)은 예를 들면 약 40W ~ 약 200W의, 수 와트 내지 수백 와트 사이의 평균 출력 파워를 가질 수 있다. 출력시 레이저 빔(102)의 조사율(즉, 단위 면적당 평균 파워)은 적어도 약 5W/cm2 또는 적어도 약 10W/cm2이 될 수 있다.
또한 도 2a-4를 참조하면, 파워 링 증폭기(112)는 재생 링 공진기로서 설계된다. 마스터 오실레이터(108)로부터의 시드 레이저 빔(110)은 빔 변조 광학 시스템(124)의 폴딩 미러(200)로 지향된다. 폴딩 미러(200)는 빔을 반사하여 그것을 광학 커플러를 통과하여 지향시키고, 이는 부분적으로 반사 미러(그리고 때때로 입/출력 커플러라고도 함)(202)이고, 이는 링 공진기, 그리고 그 다음의 고 반사 미러(204)에 대한 입구이다. 미러(204)는 자신의 반사도가 사용되는 입사각(들)에서 원하는 편광에 대해 레이저 빔의 중심 파장 또는 그에 근접한 파장에서 약 90% 이상이 된다면 고 반사이다.
고 반사 미러(204)는, 일반적으로 고 반복률 방전 펌핑된 엑시머 레이저에서 수 밀리미터(mm) 미만인 이득 매체의 횡단 크기에 수평으로 실질적으로 매칭하도록 상기 레이저 빔(110)을 압축하도록 함께 동작하는 제 1 프리즘(206) 및 제 3 프리즘(208)을 통과시켜 레이저 빔(110)을 반사한다. 제 3 프리즘(208)은 레이저 빔(110)을 우측 챔버 윈도우(210) 및 챔버(126)를 통과하여 좌측 챔버 윈도우(212)를 통해 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)로 가는 원하는 광 경로와 정렬시킨다. 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)로부터, 레이저 빔은 좌측 챔버 윈도우(212)로 리턴하고, 챔버(126)와 우측 챔버 윈도우(210)를 통과하고 그런다음 레이저 빔을 입/출력 커플러(202)로 시프트하는 제 2 프리즘(214)으로 레이저 빔을 시프트하는 제 3 프리즘(208)을 통과한다. 이러한 방식으로 함께 동작하는 제 3 및 제 2 프리즘(208, 214)은 인입 레이저 빔(110)의 횡단 크기 및/또는 출력 레이저 빔(130)의 원하는 수평 크기를 매칭시키기 위해 챔버 윈도우(210)를 빠져나오는 빔을 확대시킨다. 입/출력 커플러(202)에 충돌하는 빔은 커플러(202)를 통해 전송되어 대역폭 분석 모듈(132)을 향해 지향되는 증폭된 레이저 빔(130)을 형성시킨다. 입/출력 커플러(202)는 예를 들면, 20% 반사율과 같이 부분적으로 반사하여 입/출력 커플러(202)에 충돌하는 광의 적어도 일부가 다시 방전 챔버(126)로 반사되어 광학 시스템(124)을 통과하여, 재생 피드백을 제공할 수 있도록 할 수 있다.
제 1 및 제 3 프리즘(206, 208)이 파면 변조 광학 시스템(124)을 통과하는 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔(110)의 횡단 프로파일의 크기를 감소시키도록, 상기 제 1 및 제 3 프리즘(206, 208)이 서로에 대해 배치되고 정렬된다. 즉, 제 1 및 제 3 프리즘(206, 208)은, 조합하여 그리고 도시된 기하학적 구성으로, 고 반사 미러(204)로부터 우측 챔버 윈도우(210)를 향하여 있는 제 1 방향을 따라서 진행하는 레이저 빔의 수평 크기를 축소하여, 실질적으로 방전 플라즈마의 횡단 크기를 매칭하고 레이저 이득을 효과적으로 활용하도록 한다. 제 3 및 제 2 프리즘(208, 214)이 파면 변조 광학 시스템(124)을 통과하여 제 2 방향을 따라 진행하는 레이저 빔(130)의 횡단 프로파일의 크기를 증가시키도록, 상기 제 3 및 제 2 프리즘이 서로에 대해 배치되고 정렬된다. 즉, 제 3 및 제 2 프리즘(208, 214)은, 조합하여 그리고 도시된 기하학적 구성으로, 우측 챔버 윈도우(210)로부터 입/출력 커플러(202)를 향하여 있는 제 2 방향을 따라서 진행하는 레이저 빔의 수평 크기를 확대하여, 인입 레이저 빔(110)의 횡단 정도 및/또는 출력 레이저 빔(130)의 원하는 수평 크기를 매칭하도록 한다.
빔 터닝 광학 엘리먼트(128)는 예를 들면, 플루오르화 칼슘(CaF2)과 같은 결정 구조를 가진 물질과 같은 정밀 광학 물질을 각각 구비한 하나 이상의 정밀 디바이스로 만들어진 광학 시스템이다. 추가로, 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)는 정밀 광학 피니시된 면을 가진다. 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)는 광 빔을 수신하고 광 빔의 방향을 변화시켜 그것이 다시 방전 챔버(126)로 전송되도록 하는 하나 이상의 광학 디바이스의 조합이 될 수 있다. 예를 들면, 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)는 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 2개의 반사 표면을 가진 프리즘이 될 수 있다. 또다른 예시로서, 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)는 빔을 다시 방전 챔버(126)로 반사하도록 배치된 복수의 미러를 포함할 수 있다.
입/출력 커플러(202)는 예를 들면 챔버(126)로의 약 10%~약 60%의 반사도를 가져서, 전기 방전 동안 챔버(126) 내에서의 전극 사이에 여기된 가스 이득 매체를 통한 진동동안 구축된 레이저 펄스 강도를 허용하는 진동 캐비티를 형성하는 부분적 반사 미러이다.
파워 링 증폭기(112)의 광학 컴포넌트(커플러(202), 고 반사 미러(204), 프리즘(206, 208, 214), 고 반사 미러(204), 챔버 윈도우(210, 212), 및 빔 터닝 광학 엘리먼트(128))는 일반적으로 예를 들면 193nm 또는 248nm의 최소 손실을 가지는 매우 짧은 파장으로 매우 높은 펄스 에너지 레이저 펄스를 전송할 수 있는 결정 구조이다. 예를 들면, 이러한 컴포넌트는 플루오르화 칼슘(CaF2), 플루오르화 마그네슘(MgF2) 또는 용융 실리카로 만들어질 수 있다.
요약하면, 빔 변조 광학 시스템(124)의 광학 컴포넌트(커플러(202), 고 반사 미러(204), 및 프리즘(206, 208, 214))는 시드 레이저 빔(110)을 레이저 빔이 증폭되는 챔버(126)를 통과하도록 지향시켜, 레이저 빔을 다시 레이저 빔은 더 증폭되고, 더 증폭된 레이저 빔의 적어도 일부는 커플러(202)를 통과하여 출력 레이저 빔(130)으로서 파워 링 증폭기(112)를 벗어나는 반면, 레이저 빔의 적어도 일부는 커플러(202)에 의해 다시 추가적인 증폭을 위해 링 공진기로 다시 반사되는 챔버(126)로 지향시키는 빔 터닝 광학 엘리먼트(128)로 통과시킨다.
하기의 논의는 파워 링 증폭기(112)내에서 공지된 광학 효과 중 일부를 설명하기 위해 "빔 프로파일", "인접 필드", "원거리 필드", "시스템 어퍼처", 및 "어퍼처"라는 용어를 이용한다.
"어퍼처" 라는 용어는 광이 통과하여 진행하는 구멍, 구조, 또는 개구이다. 보다 특정하여, 광학 시스템의 어퍼처는 이미지 평면에서 초점을 맞추는 광선의 번들의 원추각(cone angle)을 결정하는 개구이다. 파워 링 증폭기(112)는 광선 번들을 제한하는 다수의 개구 또는 구조를 구비할 수 있다. 예를 들면, 이들 구조는 렌즈 또는 미러의 에지, 다른 불투명한 바디의 개구, 또는 적절한 위치에 광학 엘리먼트를 유지시키는 링 또는 기타 정착물이 되거나, 또는 시스템에 의해 허용된 광을 제한하는 광학 경로에 배치된 프리즘과 같은 특수한 엘리먼트가 될 수 있다. 일반적으로, 이들 구조는 조리개(stop)이라고 하며, 어퍼처 조리개는 광선 원추각, 또는 등가의 밝기를 이미지 포인트에서 결정하는 조리개이다.
레이저 시스템(100)은 펄스 스트레처(134)의 출력시 정의된 어퍼처 조리개를 구비하고; 레이저 시스템(100)의 출력에서의 정의된 어퍼처 조리개는 또한 "시스템 어퍼처"라고도 한다.
"빔 프로파일"이라는 용어는 빔 전파 방향에 대해 횡단인 방향을 가로 지르는 에너지 분포이다. "인접 필드"의 빔 프로파일은 어퍼처에 근접하거나 또는 매우 인접한 어퍼처를 가로지르는 위치에서의 에너지 분포를 가리킨다. "원거리 필드" 빔 프로파일은 어퍼처로부터 이격된 평면에서 어퍼처를 가로지르는 위치에서의 에너지 분포이다. 실제에 있어서, 시스템 어퍼처로부터 충분히 이격된 원거리 위치에서의 에너지 분포는 전체적으로 시스템 어퍼처에서의 각도에서의 분포에 의해 좌우된다. 따라서, 광 빔이 제로 다이버전스를 가진다면, 위치에서의 에너지 분포는 어퍼처에서 같게되고 어퍼처로부터 또한 매우 원거리가 될 것이다. 광 빔이 제로가 아닌 다이버전스를 가지면, 거리는 다이버전스에 의한 스프레딩(대략, 각도 x 거리)은 최초 (인접 필드) 분포보다 위치에서 에너지 분포에 보다 더 기여하는 거리를 벗어난다.
레이저 빔 변조 광학 시스템(124)을 벗어나는 출력 레이저 빔(130)이 빔 변조 광학 시스템(124)에 들어오는 레이저 빔(110)의 수평 프로파일 보다 더 작은 수평 프로파일을 가지도록 출력 레이저 빔(130)은 수평 인접 필드 프로파일의 협소화를 겪는다. 이러한 협소화는, 동작 듀티 사이클이 파워 링 증폭기(112)의 광학 컴포넌트에 입사 또는 그를 통과하여 전송되는 평균 파워가 매우 높게 되도록 할 때, 파면 변화에 의해 발생될 수 있다. 이러한 파면 변화는 파워 링 증폭기(112)에서 순환하는 광 파워의 일부의 흡수에 기인하여 광학 컴포넌트(예를 들면, 챔버 윈도우(210))의 가열로 발생할 수 있고, 이는 이들 광학 컴포넌트에서의 포지티브 열 렌즈를 유도한다.
빔 변조 광학 시스템(124)은 파워 링 증폭기(112)로 들어가는 레이저 빔 파면에 대해 파워 링 증폭기(112)를 빠져나가는 레이저 빔의 빔 프로파일을 횡단으로 확장시키도록 설계된다. "횡단"이라는 용어는 레이저 빔(110)의 광학 축(종축 방향이라고도 함)에 직교하는 임의의 방향이 될 수 있다. 따라서, 빔 프로파일은, 상기 프로파일이 빔의 광학 축에 직교하는 방향을 따라 확장된다면, 횡단으로 확장된다.
일부 구현에서, 이러한 확장 시스템은 레이저 빔의 다이버전스가 수평 인접 필드 프로파일 협소화를 오프셋 하는 것을 증가시키도록 레이저 빔의 파면 곡률을 네거티브하게 변화시키는 시스템이 될 수 있다. 따라서, 빔에 부여된 파면 곡률은, 예를 들면, 프리즘 또는 챔버 윈도우와 같은 링 증폭기(112)의 하나 이상의 광학 컴포넌트에서의 포지티브 열 렌즈를 보상하기 위해 링 증폭기(112)의 내부의 다른 엘리먼트로부터 나온 레이저 빔에 대해 보다 네거티브하다. 인접 필드에서, 레이저 빔의 크기는 현저하게 더 크지 않지만; 레이저 빔이 파워 링 증폭기(112) 주위를 수회 진행한 후에, 빔의 횡단 디멘션은 현저하게 증가할 수 있다.
다른 구현에서, 이러한 확장 시스템은 레이저 빔의 횡단 스폿 크기가 수평 인접 필드 프로파일 협소화를 오프셋하기위해 인접 필드에서 확대되도록 빔 프로파일을 단순히 확대시키는(예를 들면, 프리즘 쌍의 세트의 평면 표면을 가로지르는 굴절을 이용하여) 시스템이 될 수 있다. 이러한 경우, 임밸런싱된 프리즘 쌍이 레이저 빔을 확대시키고 파면 확장 시스템의 마지막 프리즘의 바로 출구면에서 자신의 횡단 디멘션을 증가시킨다. 또한, 임밸런싱된 프리즘 쌍은, 그것들이 인접 필드에서의 빔을 확장 또는 확대시키도록 기능할지라도 빔의 다이버전스를 감소시킬 수 있다.
어느 경우에건, 확장 시스템은 인접 필드 레이저 빔이 파워 링 증폭기(112) 내의 어퍼처를 포함하는 레이저 시스템(100) 내부의 어퍼처 모두와 시스템 어퍼처를 균일하게 채우는 반면, 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 출력 레이저 빔(130)의 다른 속성(상대적으로 낮은 수평 다이버전스)을 보존하도록 인접 필드 레이저 빔이 붕괴하는 것을 방지한다.
따라서, 빔 변조 광학 시스템(124)은 빔 변조 광학 시스템(124)을 들어가는 레이저 빔(110)에 대해 빔 변조 광학 시스템(124)을 빠져나오는 레이저 빔(130)의 파면의 곡률을 네거티브하게 변화시키는 네거티브 파면 곡률 시스템으로 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저 빔(130)은 빔 변조 광학 시스템(124)으로 들어가는 레이저 빔(110)의 횡단(예를 들면, 수평) 프로파일 이상의 횡단(예를 들면, 수평) 프로파일을 가진다. 추가로, 파면 곡률은 바람직하게는, 재생 링 공진기(PRA(112))가 안정된 공진기가 되지 않지만, 재생 링 공진기내부의 광학 엘리먼트의 열 렌즈를 유도하는 파워에서의 레이저 작동시 재생 링 공진기가 조건에따라 안정적이거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 변화된다.
정해지지 않은 수의 공진기를 통과한 후의 공진기 내의 특정한 위치에 실질적으로 일정하게 레이저 빔 횡단 프로파일이 유지되고 레이저 빔 횡단 프로파일이 정해지지 않은 수의 공진기를 통과한 후에 조차 상기 공진기 내의 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면, 링 공진기는 조건에 따라 안정적이 된다. 레이저 빔 횡단 프로파일이 그것이 공진기를 통과해서 진행할 때 크기가 증가하지만 공진기로부터 디커플링되기 전에 공진기 내의 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면, 링 공진기는 미세하게 불안정한 상태가 된다. 예를 들면, 레이저 펄스 듀레이션이 약 20ns이고, 재생 링 공진기를 통과해서 광이 1회의 왕복이동을 완료 하는데에 약 4-5ns가 걸린다면, 레이저 펄스는 재생 링 공진기를 통과하는 약 4-5 왕복이동을 한 후에 공진기로부터 디커플링될 것이다. 이를 또다른 방식에 대입하면, 레이저 빔 횡단 프로파일은 횡단 프로파일의 크기가 공진기를 통과해서 진행하는 동안 동일하게 유지되거나 또는 증가하더라도 공진기 내의 광학 컴포넌트에 의해 완전히 지지되어 유지된다. 안정한(그러나, 조건에 따라 안정된) 공진기에서, 레이저 빔 횡단 프로파일 크기는 그것이 공진기를 통과하고 레이저 빔 횡단 프로파일 크기가, 그것이 아무리 다수회 공진기를 통과하더라도, 공진기 내의 임의의 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않을 때 다양한 스테이지에서 감소될 수 있다.
도 15a를 참조하면, 파면(1505)의 중심(1500)이 레이저 빔의 전파 방향(1510)을 따라서 포인팅하면, 즉, 파면 중심(1500)이 파면(1505)의 에지(1515)에 비교할때 앞서있다면, 파면은 "네거티브" 곡률을 가진다. 도 15b를 참조하면, 파면(1525)의 중심(1520)이 레이저 빔의 전파 방향(1530)에 대향하여 포인팅하면, 즉, 파면 중심(1520)이 파면의 에지(1535)에 비교할때 지연된다면, 파면은 "포지티브" 곡률을 가진다. 따라서, 빔 변조 광학 시스템(124)은 레이저 빔(130)의 파면 중심이 각각의 파면 에지에 대해 레이저 빔(110)의 파면 중심 보다 더 앞서있다면, 레이저 빔(110)에 대해 레이저 빔(130)의 파면의 곡률을 네거티브하게 변화시킨다. 도 15c를 참조하면, 파면(1545)의 중심(1540)이, 전파 방향(1550)에 횡단하여, 파면 에지(1555)와 정렬하면, 파면은 "제로" 곡률을 가진다.
횡단 출력 에너지 분포의 협소화(또한 "빔 협소화"라고도 함)는 수직 방향으로 발생할 수 있지만, 협소화의 효과는 열 그래디언트가 다수의 실제 고 반복률 엑시머 레이저 시스템(특히, 수직 방향으로의 모드 측이 수평 방향에서의 모드 크기 보다 약 10배 정도 더 큰)에 대해 수직 방향으로 더 낮게 될 수 있다. 따라서, 빔 협소화는 전체적인 횡단 방향으로 정정될 수 있고, 이는 레이저 빔이 진행하는 경로(즉, 광학 축)에 대해 수직인 임의의 방향이고, 따라서 빔 프로파일이 수평 및 수직 방향과 정렬된다면 수평 또는 수직 방향으로 될 수 있다.
네거티브 파면 곡률 시스템은 예를 들면, 광학 시스템(124)의 임의의 컴포넌트와 통합될 수 있고, 그것은 광학 시스템(124)의 하나 이상의 컴포넌트의 설계 또는 위치의 변조가 될 수 있다.
네거티브 파면 곡률 시스템은 만곡된(볼록) 반사 표면을 가지도록 고 반사 미러(204)를 변조함으로써 구현될 수 있다. 종래 설계에서, 고 반사 미러(204)는 실질적으로 평평하여(미러(204)로부터 반사된 광의 파장내의 정확도로) 그것은 (예를 들면 파면에 대한 곡률 변화와 같은) 임의의 의미있는 파면 변화를 반사된 레이저 빔에 부여하지않도록 한다. 네거티브 파면 곡률 시스템에서, 고 반사 미러(204)는 작은 크기의 네거티브 곡률을 파면에 부여하기 위해 미러(204)에 의해 반사된 레이저 빔의 파면에 대해 조금 볼록한 형상을 가진다. 고 반사 미러(204)는 관심의 횡단 반향(도 5-8c에 대해 기술된 바와 같이)에서 영구 볼록 프로파일을 가지도록 미러를 제조하거나, 또는 만곡 디바이스를 이용하여 (도 9-12c에 대해 기술된 바와 같이) 볼록 형상을 가지도록 평평한 미러를 만곡시킴으로써 구부러질 수 있다.
도 5-8c를 참조하면, 빔 변조 광학 시스템(124)은 기밀된 하우징(502)내에 있는 지지체(500) 상에 배치된다. 본 구현에서, 고 반사 미러(504)는 자신의 반사 표면(506) 상에서 수평 방향으로 영구 볼록 프로파일을 가지도록 제조되고 상기 지지체(500) 상에 배치된 미러 마운트(508)에 장착된다. 고 반사 미러(504)는 예를 들면 193nm 또는 248nm의 파장과 같은 매우 짧은 파장에서 고 평균 파워로 노출에 대해 강건한 결정 기판 또는 기타 기판 상에 형성된다. 예를 들면, 고 반사 미러(504)는 플루오르화 칼슘(CaF2) 또는 플루오르화 마그네슘(MgF2) 기판에서 형성될 수 있다. 미러(504)의 클리어 어퍼처(510)가 도 8a에 쇄선으로 도시된다. 볼록 프로파일은 임의의 볼록 형상이고, 예를 들면, 그것은 실린더의 아크 형상이 될 수 있다. 표면(506)의 반사도는 원하는 편극 상태에서 약 193nm의 파장에서, 45°로 표면에 부딪히는 광선에 대해 94% 이상(예를 들면, 약 94%`내지 약 97%)이 될 수 있다. 도 8a-c에 도시된 바와 같이, 본 설계에서, 고 반사 미러(504)는, 수직 방향(850)을 따라서 있는 레이저 빔 프로파일이 미러(504)로부터의 반사시 실질적으로 변하지않도록 수평방향(800)으로만 볼록 프로파일을 가진다. 볼록 프로파일은, 미러(504)가 약 50m내지 170m 사이의 수평방향을 따라서 있는 곡률 반경을 가지도록 할 수 있다. 이를 다른 방식으로 생각하면, 볼록 프로파일은, 미러(504)가 20mm 수평 어퍼처에 대해 약 300nm 내지 약 1000nm 사이의 표면 침하(sag)를 가지도록 한다.
도 9-12c를 참조하면, 빔 변조 광학 시스템(124)은 기밀된 하우징(902)내에 있는 지지체(900) 상에 배치된다. 본 구현에서, 고 반사 미러(904)는 자신의 반사 표면(906) 상에서 수평 및 수직 방향 모두로 실질적으로 평평한 프로파일을 가지도록 제조되고 상기 지지체(900) 상에 배치된 만곡 디바이스(미러 마운트)(908)에 장착된다. 미러 마운트(908)는 볼록 형상을 미러(904)에 부여하도록 미러(904)를 구부리도록 기능한다. 상기 미러와 유사하게, 고 반사 미러(904)는 예를 들면 193nm 또는 248nm의 파장과 같은 매우 짧은 파장에서 고 평균 파워로 노출에 대해 강건한 결정 기판 또는 기타 기판 상에 형성된다. 예를 들면, 고 반사 미러(904)는 플루오르화 칼슘(CaF2) 또는 플루오르화 마그네슘(MgF2) 기판에서 형성될 수 있다. 기판(906)의 반사도는 약 193nm의 파장에서, 45°로 표면에 부딪히는 광선에 대해 94% 이상이 될 수 있다. 도 12a-c에 도시된 바와 같이, 본 설계에서, 고 반사 미러(904)는, 수평 방향 및 수직 방향 모두에서 평평한 프로파일을 가진다.
도 11a-d를 참조하면, 미러 마운트(908)는 반사 표면(906)이 수평 방향을 따라서 있는 볼록 형상을 가지도록 수평 방향을 따라서 미러(904)를 구부러뜨린다. 미러 마운트(908)는 지지체(900)의 미러 확장부(1102)의 배면에 부착된 후면 디바이스(1100)와 미러 확장부(1102)의 전면에 부착된 전면 디바이스(1104)를 포함한다. 후면 디바이스(1100)는 미러(904)의 후면과 접촉하는 하나 이상의 프레스 디바이스(1106)를 포함하고, 전면 디바이스(1104)는 미러(904)의 전면(반사 표면(906))과 접촉하는 하나 이상의 프레스 디바이스(1108)를 포함한다. 미러(904)는 미러 확장부(1102)에 형성된 개구(1110)의 내부와 프레스 디바이스(1106 및 1108) 사이에 배치된다. 동작시, 후면 디바이스(1100)는 압력을 하나 이상의 프레스 디바이스(1106)가 미러(904)의 후면과 접촉하는 위치에서 미러(904) 인가하고, 전면 디바이스(1104)는 압력을 하나 이상의 프레스 디바이스(1108)가 미러(904)의 전면과 접촉하여 미러(904)가 볼록 형상을 가지도록하는 위치에서 미러에 인가한다.
상술한 바와 같이, 네거티브 파면 곡률 시스템은 광학 시스템(124)의 임의의 컴포넌트와 통합될 수 있고, 예를 들면, 네거티브 파면 곡률 시스템은 광학 시스템(124)의 하나 이상의 컴포넌트의 설계 및/또는 위치에 대한 변조가 될 수 있다. 상술한 예시에서, 네거티브 파면 곡률 시스템은 고 반사 미러(204)로 하여금 만곡된(볼록) 반사 표면을 가지도록 변조시킴으로써 구현된다.
또다른 예시로서, 그리고 도 4를 참조하면, 빔 확장 시스템은 프리즘(206, 208, 및 214)의 하나 이상의 측면을 변조시켜 파면 변조 광학 시스템(124)으로 들어가는 레이저 빔에 비해 파면 변조 광학 시스템(124)을 빠져나오는 레이저 빔을 확대시키도록 구현될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 3 프리즘 사이의 상대적 거리는 변조될 수 있거나 또는 제 3 및 제 2 프리즘 사이의 상대적 거리가 변조될 수 있다. 또다른 예시로서, 하나 이상의 프리즘의 배치 각도는 다른 프리즘에 대해 변조될 수 있다. 추가적인 예시로서, 하나 이상의 프리즘의 재료 속성 또는 표면 형태는 프리즘들을 통과하는 레이저 빔의 횡단 정도의 축소 또는 확대를 변화시키도록 변조될 수 있다.
따라서, 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같이, 그리고 상술한 바와 같이, 제 1 및 제 3 프리즘(206 및 208)은 서로에 대해 위치 및 배치되어 그것들이 파면 변조 광학 시스템(124)을 통과하여 제 1 방향을 따라 진행하는 레이저 빔(110)의 횡단 프로파일의 크기를 감소시키도록 한다. 즉, 제 1 및 제 3 프리즘(206, 208)은, 조합하여 그리고 도시된 기하학적 구성으로, 고 반사 미러(204)로부터 우측 챔버 윈도우(210)를 향해있는 제 1 방향을 따라서 진행하는 레이저 빔의 수평 크기를 축소시켜 실질적으로 방전 플라즈마의 횡단 크기와 매칭시키고, 효과적으로 레이저 이득을 활용한다. 제 3 및 제 2 프리즘(208, 214)은 서로에 대해 위치 및 배치되어 그것들이 파면 변조 광학 시스템(124)을 통과하여 제 2 방향을 따라 진행하는 레이저 빔(110)의 횡단 프로파일의 크기를 증가시키도록 한다. 즉, 제 3 및 제 2 프리즘(208, 214)은, 조합하여 그리고 도시된 기하학적 구성으로, 우측 챔버 윈도우(210)로부터 입/출력 커플러(202)를 향해있는 제 2 방향을 따라서 진행하는 레이저 빔의 수평 크기를 인접 필드에서 확대시켜 인입 레이저 빔(110)의 횡단 정도 및/또는 출력 레이저 빔(130)의 원하는 수평 크기와 매칭시킨다.
수평 프리즘 시퀀스(프리즘(206-208) 및, 프리즘(208-214))의 전체 효과는 레이저 빔의 인접 필드 프로파일이 파워 링 증폭기(112) 내의 어퍼처와 시스템 어퍼처를 포함하는 레이저 시스템(100) 내의 모든 어퍼처를 균일하게 채우고, 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이되거나 또는 재생 링 공진기의 내부의 광학 엘리먼트에서의 열렌즈를 유도하는 파워로 레이저를 동작시킬때, 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 수평 인접 필드를 미세하게 확대시킨다. 이러한 전체 빔 확대(또는 확장)를 제공하기위해, 제 3 프리즘(208)과 제 2 프리즘(214) 사이의 상대적 각도를 확대시켜 제 2 방향을 따라서 진행하는 레이저 빔의 수평 크기에서 조금 더 큰 확대를 가져오도록 할 수 있다. 예를 들면, 도 13b에 도시된 바와 같이, 화살표(1320)의 방향으로 일정한 각도로 제 3 프리즘(208)에 대해 제 2 프리즘(214)을 회전시킴으로써 이를 수행할 수 있다. 회전각도는 얼마나 더 큰 확대가 바람직한지에 달려있다. 예를 들면, 회전각도는 레이저 빔(130)의 횡단 크기를 레이저 빔(110)의 횡단 크기와 매칭시키는 설정에서 제 2 프리즘(214)의 위치에 대해 0°(제로) 이상 약 10° 미만이 될 수 있다. 프리즘(214)을 회전시키기 위해, 프리즘(214)은 스테퍼 모터 및/또는 압전-기반 액추에이터와 같은 회전 위치 액추에이터에 연결된 회전 이동가능한 마운트 상에 장착될 수 있다. 다른 구현에서, 프리즘(206, 208, 214) 중 하나 이상은 각각의 왕복 이동시 고정된 확대치를 부여하기 위해 견고하게 부착된다.
추가로, 네거티브 파면 곡률 시스템은, 조합하여, 프리즘(206, 208, 214)의 하나 이상의 측면을 변조하고, 고 반사 미러(204)가 만곡된(볼록) 반사 표면을 가지도록 변조함으로써 구현될 수 있다.
도 14를 참조하면, 레이저 빔(130)의 에너지 밀도(또는 전기장 진폭의 제곱) 대 횡단 방향(예를 들면 수평 방향)을 따라서 있는 빔의 중심으로부터의 거리의 그래프가 2개의 상이한 시나리오에 대해 도시된다. 제 1 시나리오에서, 재생 링 공진기(PRA(112))의 빔 변조 광학 시스템(124)은 본 개시물의 주제인(상술한 네거티브 파면 곡률 시스템과 같은) 빔 확장 시스템이 없다; 즉, 본 시나리오에서, 예를 들면 고반사 미러는 실질적으로 평평한 곡률을 가진다. 로 데이터가 제 1 시나리오에서 취해지고, 곡선(1400)은 제 1 시나리오에 대해 로 데이터를 최상으로 피팅하기 위해 평가된다. 제 2 시나리오에서, 빔 변조 광학 시스템(124)은 (예를 들면, 고 반사 미러가 볼록 곡률을 가지는 것처럼, 상술한 네거티브 파면 곡률 시스템과 같은) 빔 확장 시스템을 포함한다. 로 데이터가 제 2 시나리오에서 취해지고, 곡선(1450)이 제 2 시나리오에 대해 로 데이터를 최상으로 피팅하기 위해 평가된다. 추가로, 그래프는 레이저 빔(130)이 통과해 진행하는 레이저 시스템(100)내의 어퍼처(1490)를 도시한다.
인접 필드 레이저 빔 프로파일은 어퍼처의 에지에서의 강도가 어퍼처의 중심에서 피크 강도의 일부 보다 더 크다면 어퍼처를 "균일하게 채운다"고 말할 수 있다. 일부 구현에서, 인접 필드 레이저 빔 프로파일은 어퍼처의 에지에서의 강도가 어퍼처의 중심에서 피크 강도의 약 10% 또는 약 20% 보다 더 크다면 어퍼처를 "균일하게 채운다"고 말할 수 있다.
제 1 시나리오에서, 수평 방향으로 레이저 빔(130) 전체에서의 에너지 분포의 협소화가 있다. 즉, 에너지 분포는 인접 필드에서 보다 집중되어 있도록(즉, 레이저 빔이 붕괴(collapse))하여 인접 필드 레이저 빔이 균일하게 어퍼처(1490)를 채우지 못하도록 한다. 특히, 어퍼처(1490)의 에지(1491 또는 1492)에서 곡선(1400)에 의해 지시된 에너지 밀도는 어퍼처(1490)의 중심(1493)에서 곡선(1400)에 의해 지시된 에너지 밀도의 약 4% 이하가 된다. 이러한 빔 협소화는, 그것이 리소그래피 애플리케이션에 사용하기 위해 레이저 빔(130)에서의 안정성의 피크 조사율에서의 증가, 및 그의 부족에 의해 공진기에서의 광학 컴포넌트 및 공진기의 다운스트림에 대한 손상을 가져올 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
빔 확장 시스템(예를 들면, 네거티브 파면 곡률 시스템)을 추가함으로써, 레이저 빔(130)은 인접 필드에서의 보다 균일한 수평 에너지 분포(또는 프로파일)를 나타내고, 이는 제 2 시나리오에서 도시된 바와 같이 광학 컴포넌트에 손상을 위한 가능성을 감소시킨다. 빔 확장 시스템은, 인접 필드 레이저 빔이 어퍼처(1490)를 균일하게 채우도록 레이저 빔의 인접 필드 에너지 분포를 스프레드한다(즉, 그것은 인접 필드 레이저 빔이 붕괴하지 않도록 유지한다). 특히, 에지(1491 또는 1492)에서의 곡선(1400)의 강도는 어퍼처(1490)의 중심(1493)에서의 곡선(1400)의 강도의 약 27%이다.
다른 구현은 하기 청구범위 내에 있다. 예를 들면, 네거티브 파면 곡률 시스템은 네거티브 곡률 광학 디바이스를 파워 링 증폭기(112)에 추가하거나, 파워 링 증폭기(112)내의 다른 광학 컴포넌트 중 하나 이상을 변조시킴으로써 형성될 수 있다.

Claims (28)

  1. 전극 및 상기 전극 사이에 이득 매체를 구비하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 다시 상기 방전 챔버를 통과해서 반사되고 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및
    상기 레이저 빔의 경로 상에 있는 빔 변조 광학 시스템;
    을 구비하는 재생 링 공진기를 포함하고,
    상기 빔 변조 광학 시스템은 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 레이저 내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 상기 재생 링 공진기 내부의 광학 엘리먼트에서 열 렌즈를 유도하는 평균 출력 파워에서 레이저 동작시 상기 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이거나 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단방향으로 확장시키는 것을 특징으로 하는 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 광학 커플러와 상기 광학 커플러를 마주하고 있는 측면에 대향하는 상기 방전 챔버의 측면에 배치된 빔 터닝 광학 엘리먼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 재생 링 공진기를 나가는 상기 레이저 빔으로 하여금 상기 재생 링 공진기로 들어오는 상기 레이저 빔의 횡단 빔 프로파일의 크기보다 더 크거나 동일한 횡단 빔 프로파일 크기를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 횡단 방향을 따라서 곡률을 네거티브하게 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 고 반사 볼록 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 재생 링 공진기는, 상기 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 상기 레이저 빔이 상기 재생 링 공진기의 일부를 통과하여 진행하면서 증가하지만 상기 광학 커플러를 통해 상기 재생 링 공진기로부터 디커플링되기 전에 상기 레이저 빔 횡단 프로파일 크기가 상기 재생 링 공진기 내에서의 모든 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면 미세하게 불안정한 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 일 세트의 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 프리즘 세트는, 제 1 및 제 3 프리즘이 상기 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 1 방향을 따라 진행하는 상기 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 감소시키고, 제 3 및 제 2 프리즘이 상기 빔 변조 광학 시스템을 통과하는 제 2 방향을 따라 진행하는 상기 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 증가시키도록 구성 및 배치된 상기 제 1 프리즘, 상기 제 2 프리즘, 및 상기 제 3 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
  9. 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법으로서,
    레이저 빔을 재생 링 공진기의 광학 커플러로 통과시켜 지향시키는 단계;
    상기 광학 커플러를 통과한 레이저 빔을 방전 챔버를 통과하고 다시 상기 광학 커플러로 보내어 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 다시 상기 방전 챔버를 통해 반사되어 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통과해 전송되도록 지향시키는 단계; 및
    인접 필드 레이저 빔 프로파일이 레이저 내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 상기 재생 링 공진기내에서의 엘리먼트의 열 렌징(thermal lensing)을 일으키는 파워에서의 레이저 작동시 상기 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키는 단계는,
    상기 레이저 빔을 상기 방전 챔버를 통해 지향시키기 전에 상기 광학 커플러로부터의 레이저 빔을 프리즘 세트 중 제 1 및 제 3 프리즘을 통과하도록하여 상기 레이저 빔의 프로파일을 압축하는 단계; 및
    상기 광학 커플러에 도달하기 전에 상기 레이저 빔을 상기 프리즘 세트 중 상기 제 3 프리즘을 통과하고 제 2 프리즘을 통과하도록 하여 상기 레이저 빔이 상기 방전 챔버를 통과한 후에 상기 레이저 빔의 프로파일을 확장시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 레이저 빔 프로파일을 확장시키는 단계는 상기 프리즘 세트로 입력된 상기 레이저 빔의 프로파일 보다 더 큰 크기로 상기 레이저 빔 프로파일을 확장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 재생 링 공진기는, 상기 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 상기 레이저 빔이 상기 재생 링 공진기의 적어도 일부를 통과하여 진행하면서 증가하지만 상기 광학 커플러를 통해 상기 재생 링 공진기로부터 디커플링되기 전에 상기 레이저 빔 횡단 프로파일 크기가 상기 재생 링 공진기 내에서의 모든 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않는다면 미세하게 불안정한 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 빔 프로파일을 횡단으로 확장시키는 단계는 상기 재생 링 공진기 내에서 순환하는 상기 레이저 빔의 파면에 네거티브 곡률을 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이저의 레이저 빔의 변조 방법.
  14. 레이저 빔 경로에 배치된 재생 링 공진기로서,
    전극과 상기 전극 사이에 있는 이득 매체를 구비하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 광의 적어도 일부가 다시 반사되어 상기 방전 챔버를 통과하여 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러 상에 충돌하는 상기 광의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통과해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및
    상기 레이저 빔 경로에 있는 빔 변조 광학 시스템;
    을 포함하고,
    상기 빔 변조 광학 시스템은, 인접 필드 레이저 빔 프로파일이 상기 재생 링 공진기내의 각각의 어퍼처를 균일하게 채우고, 상기 재생 링 공진기 내부의 엘리먼트의 열 렌징을 일으키는 파워에서의 레이저 작동시 상기 재생 링 공진기가 조건에 따라 안정적이거나 또는 미세하게 불안정한 상태를 유지하도록 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 광학 커플러와 상기 광학 커플러를 마주하는 측면에 대향하는 상기 방전 챔버의 측면 상에 배치된 빔 터닝 광학 엘리먼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 재생 링 공진기 내에서 순환하는 상기 레이저 빔의 파면에 네거티브 곡률을 부여하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
  17. 전극 및 상기 전극 사이에 이득 매체를 구비하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 다시 상기 방전 챔버를 통과해서 반사되고 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 상기 레이저 빔의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및
    광학 챔버와 상기 광학 커플러 사이의 상기 레이저 빔의 경로 상에 있는 빔 변조 광학 시스템;
    을 포함하고,
    상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 레이저 빔의 다이버전스가 적어도 하나의 횡단 방향을 따라서 증가되도록 상기 레이저 빔의 파면의 곡률을 네거티브하게 변화시킴으로써 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키는 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
  18. 재생 링 공진기에 있어서,
    전극 및 상기 전극 사이에 이득 매체를 구비하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 다시 상기 방전 챔버를 통과해서 반사되고 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 상기 레이저 빔의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및
    광학 챔버와 상기 광학 커플러 사이의 상기 레이저 빔의 경로 상에 있는 빔 변조 광학 시스템;
    을 포함하고,
    상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 레이저 빔의 다이버전스가 적어도 하나의 횡단 방향을 따라서 증가되도록 상기 레이저 빔의 파면의 곡률을 네거티브하게 변화시킴으로써 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키는 광학 컴포넌트를 포함하고;
    상기 레이저 빔이 상기 재생 링 공진기의 적어도 일부를 통과하여 진행하면서 상기 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 증가하지만 상기 광학 커플러를 통해 상기 재생 링 공진기로부터 디커플링되기 전에 상기 레이저 빔의 횡단 프로파일의 크기가 상기 재생 링 공진기 내에서의 모든 광학 컴포넌트의 횡단 크기를 초과하지 않도록 상기 레이저 빔의 프로파일이 횡단방향으로 확장되는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
  19. 재생 링 공진기에 있어서,
    전극 및 상기 전극 사이에 이득 매체를 구비하는 방전 챔버;
    상기 방전 챔버로부터 광학 커플러에 충돌하는 레이저 빔의 적어도 일부가 다시 상기 방전 챔버를 통과해서 반사되고 상기 방전 챔버로부터 상기 광학 커플러에 충돌하는 상기 레이저 빔의 적어도 일부가 상기 광학 커플러를 통해 전송되도록 부분적으로 반사성인 광학 커플러; 및
    광학 챔버와 상기 광학 커플러 사이의 상기 레이저 빔의 경로 상에 있는 빔 변조 광학 시스템;
    을 포함하고,
    상기 빔 변조 광학 시스템은 상기 빔 변조 광학 시스템으로 들어가는 상기 레이저 빔에 비해 상기 빔 변조 광학 시스템을 빠져나가는 상기 레이저 빔을 확대시킴으로써 상기 레이저 빔의 프로파일을 횡단으로 확장시키는 광학 컴포넌트를 포함하고;
    상기 광학 컴포넌트는 상기 광학 커플러와 상기 방전 챔버 사이에 배열되는 복수의 프리즘을 포함하고,
    상기 복수의 프리즘은, 제1 및 제3 프리즘이 상기 빔 변조 광학 시스템을 통과하여 상기 빔 변조 광학 시스템으로 들어가는 제1 방향을 따라 진행하는 상기 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 감소시키고, 제3 및 제2 프리즘이 상기 빔 변조 광학 시스템을 통과하여 상기 빔 변조 광학 시스템을 빠져나오는 제2 방향을 따라 진행하는 상기 레이저 빔의 프로파일의 횡단 크기를 증가시키도록 구성 및 배치된 상기 제1 프리즘, 상기 제2 프리즘, 및 상기 제3 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 링 공진기.
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