KR20220134656A - 방사선 피드백을 억제하는 장치, 및 이러한 장치를 포함하는 레이저 시스템 - Google Patents

방사선 피드백을 억제하는 장치, 및 이러한 장치를 포함하는 레이저 시스템 Download PDF

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KR20220134656A
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기스베르트 스타우펜달
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트럼프 레이저시스템즈 포 세미컨덕터 매뉴팩처링 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이저 방사선을 필터링하기 위한 광학 장치(20)에 관한 것이다. 이 장치(20)는 파장 선택 요소(28), 제1 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot-Interferometer)(10), 편광자(36), 및 λ/4 위상 시프터(λ/4-Phasenschieber)(38)를 갖는다. 패브리-페로 간섭계(10)의 광축은 패브리-페로 간섭계(10)에 입사하는 레이저 빔에 대해 0°보다 크고 6°보다 작은 각도로 배향된다. 패브리-페로 간섭계(10)는 패브리-페로 간섭계(10)에 입사하는 1차 레이저 빔(24)의 원하지 않는 방사선 부분(30)을 커플링-아웃(couple out)시키고 그리고 레이저 빔 타겟(40)에 의해 반사된 2차 레이저 빔(46)의 원하지 않는 방사선 부분(52)을 커플링-아웃시키도록 설계된다. 바람직하게는, 장치(20)는 적어도 하나의 추가적인 패브리-페로 간섭계를 포함한다. 특히 바람직하게는, 장치(20)는 패브리-페로 간섭계(10)에 입사하는 1차 레이저 빔(24)을 확대하기 위한 텔레스코프 장치(telescope arrangement)를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 장치(20)를 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다. 바람직하게는, 레이저 시스템은 2 개의 장치들(20) 사이에 위치된 증폭기 시스템을 포함한다. 특히 바람직하게는, 레이저 시스템은 EUV 방사선을 생성하도록 설계된다. 이를 위해, 레이저 빔 타겟(40)은 액적의 형태일 수 있다.

Description

방사선 피드백을 억제하는 장치, 및 이러한 장치를 포함하는 레이저 시스템
본 발명은 방사선 피드백을 억제하는 광학 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 갖는 레이저 시스템에 관한 것이다.
레이저 재료 가공의 일반적인 적용예들로부터 EUV 방사선 생성과 같은 특정 장치에 이르기까지 고출력 레이저 적용의 대부분은 특히 2 가지 문제가 관련되어 있다: 첫째는 빔 품질에 의존하는 방사선을 포커싱시킬 수 있는 능력이고, 둘째는 레이저와 레이저 빔 타겟(target) 사이의 방사선 피드백의 억제이다. 특징적인 경우, 포커싱은 초점이 레이저 빔 타겟의 표면 상에 있거나 또는 적어도 그 표면에 가깝도록 이루어진다. 이는 포커싱 요소의 방향으로 포커싱 볼륨으로부터 반사되거나 또는 산란된 방사선의 거의 모든 것이 거의 최적으로 평행한 방식으로 레이저의 방향으로 진행된다는 것을 의미한다. 이것은 특히 구리 또는 알루미늄과 같은 반사율이 높은 재료의 경우 평탄한 공작물의 표면에서, 공작물에 충돌하는 방사선 출력의 10 %를 훨씬 초과할 수 있는 상당한 값에 도달할 수 있다. 특히 EUV 시스템에서는 액적 또는 다른 많은 그린트 소스(Glintquellen)(글리터 소스(glitzernden Quellen))에서 후방 반사가 발생한다. 레이저의 커플링-아웃 요소는 다소 부분적으로 투명하기 때문에, 이 방사선의 대부분은 공진기로 들어가 반전 분포의 원치 않는 감소를 제공한다. 이것은 바람직하지 않은데, 왜냐하면, 레이저 빔 타겟으로부터 오는 방사선은 먼저 통계적 강도 변화를 가지며, 둘째, 원래의 레이저 방사선의 코히어런스 특성을 크게 잃기 때문이다. 이러한 방사선이 공진기 내에서 증폭되면, 이에 따라 어렵게 생성된 가로 모드 구조(가능하게는 TEM00일 수 있음)뿐만 아니라 펄스 레이저의 P(t) 곡선도 모두 심각하게 저하된다.
위에서 언급된 피드백을 억제하기 위해, 특히 편광에 민감한 반사 또는 투과 컴포넌트(CO2 레이저의 경우, 이들은 일반적으로 ATFR 미러 또는 브루스터 플레이트(Brewsterplatten)의 장치임)와 λ/4 위상 시프터(λ/4-Phasenschiebern)(일반적으로 위상 시프트 미러의 형태임)의 조합이 다양한 종류의 레이저에 오랫동안 사용되어 왔다. 이들은, 방사선 디커플링 외에도 레이저 빔 타겟으로 향하는 방사선의 종종 필요한 원편광이 생성되기 때문에, 이중 기능을 갖는다. 그러나 이러한 장치에 의한 디커플링은 최적이 아닌데, 이는 첫째로 광학 컴포넌트의 불완전성, 둘째로 조정의 결함, 및 셋째로 레이저 빔 타겟과 상호작용할 때의 복귀하는 방사선의 편광에 대한 영향 때문이다. 이러한 이유들로 인해, 이러한 방사선의 몇 퍼센트는 항상 공진기로 들어가지만, 그러나 많은 적용에서, 예를 들어 반전이 지속적으로 감소하고 비교적 낮은 수준으로 유지되는 레이저의 cw-작동에서는, 특히 가공 공정에 현저한 영향은 없다.
특정 외부에서, 즉, 레이저 공진기 외부에서 실행되는 정의된 빔 성형의 경우, 레이저 자체가 연속 동작으로 작동하더라도, 피드백은 마찬가지로 원하는 결과를 크게 저하시킬 수 있다.
높은 피크 출력을 위한 Q-스위칭 레이저에서는 이러한 상황이 더욱 중요하다. Q-스위칭의 원리는 강력한 방사선 펄스의 의도된 생성을 위한 전제 조건으로서 반전 분포의 극단적인 일시적인 증가 및 이에 따라 활성 매질에서의 증폭을 기반으로 한다. 최대 증폭의 이 시점에서, 시스템은 능동 매질로 피드백되는 가장 적은 양의 바람직하지 않은 방사선의 영향에 극도로 취약하며, 이것은 공진기 내의 "왕복(round trip)"으로 104 내지 105 배로 쉽게 증폭될 수 있다. 반전 분포의 바람직한 구조가 크게 파괴되기 때문에, 이것이 펄스 생성에 심각한 영향을 미친다는 것은 분명하다. 위에서 설명된 "전통적인" 디커플링은 여기서 더 이상 충분하지 않으며, 추가적인 효율적인 디커플링 변형이 사용되어야 한다.
레이저 빔 타겟으로부터 레이저 방향으로 복귀하는 방사선이 레이저에 도달하기 전에 또한 증폭기 스테이지를 통과해야 하며 그 과정에서 크게 증폭되는 가장 높은 출력을 위한 레이저 증폭기 장치도 마찬가지로 민감하다. 이러한 상황에 대한 현재 예는 EUV 방사선을 생성하는 시스템이고, 이 시스템에서는 CO2 시드(seed) 레이저가 매우 정확하게 정의된 1차 방사선 펄스를 생성하고, 이 1차 방사선 펄스는 그 후 고도로 증폭되어 레이저 빔 타겟(일반적으로 액적의 형태임)에 포커싱된다. 이 경우 후방 산란 방사선은 빔 생성 공정에 영향을 주지 않아야 하는데, 즉, 디커플링에 대한 가장 높은 요구 사항이 또한 여기에 적용된다. 특허 출원 DE 10 2015 211 426 A1을 통해, 효율적인 광학 절연체, 실질적으로 짧은 펄스에 대한 "광 게이트"가 증폭기 시스템에서 방사선 펄스의 전파 시간을 사용하여 패시브(편광 빔 스플리터) 및 액티브(전기 광학 변조기) 편광 선택 컴포넌트의 적절한 배열을 통해 구현될 수 있는 것이 알려져 있다. 이러한 전파 시간은 특히 매우 짧기 때문에(예를 들어, 최대 약 20 m의 이동 거리에서 ≤ 60 ns), 이 방법은 상응하는 짧은 펄스로 제한된다.
이와 대조적으로, 본 발명의 목적은 방사선 소스로서의 레이저와, 이 방사선이 적용되는 레이저 빔 타겟 사이의 방사선 디커플링을 위한 매우 효과적인 장치를 제공하는 것이다. 이 경우, 이 장치는 복잡한 제어가 있는 고속 변조기 및, 필요에 따라, 펄스 방사와의 동기화와 같은 동적 컴포넌트에 의존해서는 안 되고, ns 범위에서 cw-방사까지의 짧은 펄스에 대해 고정된 정상적인 디커플링 효과가 있어야 한다. 또한, 본 발명의 목적은 이러한 장치를 구비한 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 본 발명에 따르면, 본원의 청구항 제1항의 특징을 갖는 장치 및 청구항 제9항에 따른 레이저 시스템에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 바람직한 개선예들을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 목적은 빔 경로 상의 1차 레이저 빔을 안내하는 장치에 의해 달성된다. 이 장치는 또한 레이저 빔 타겟으로부터 반사된 2차 레이저 빔을 적어도 부분적으로 안내하도록 설계된다. 이 장치는 1차 레이저 빔의 빔 경로가 통과하는 아래의 구성요소들을 포함한다:
a) 파장 선택 요소;
b) 제1 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot-Interferometer) ― 제1 패브리-페로 간섭계는 패브리-페로 간섭계의 광축에 대해 0°보다 크고 6°보다 작은 각도로 1차 레이저 빔의 빔 경로에 배열됨 ― ;
c) 편광자;
d) λ/4 위상 시프터.
본 발명에 따른 새로운 접근법은 λ/4 위상 시프터를 사용하는 "전통적인" 디커플링과 패브리-페로 간섭계 (FPI)의 효과를 갖는 편광에 민감한 반사 또는 투과 컴포넌트의 조합에 기초한다. 매우 효율적인 디커플링 효과 외에도, 이 장치는 통합된 FPI의 특정 특성을 사용하여 레이저 빔 타겟으로 진행하는 방사선의 품질을 거의 추가적으로 효과적으로 향상시킨다.
모든 디커플링 방법의 기본 사상은 출사되는 파동과 복귀하는 파동의 파라미터에서 생성된 (또는 이미 존재하는) 차이를 사용하여 복귀하는 파동을 파괴하는 것을 기초로 한다. 기존의 디커플링에서 이 파라미터는 편광이다. 그러나, 이들 두 파동 간에는 다른 차이점이 있고, 이는 다소 뚜렷할 수 있다. 이들은 다음과 같다:
1.) 발산: 레이저 빔 타겟으로 진행하는 파동의 경우, 이것은 일반적으로 순수한 레이저 빔의 발산에 해당하며, 1 mrad 정도이다. 복귀하는 파동은, 첫째, 이상적으로 평평한 레이저 빔 타겟에는 일반적으로 이상적인 반사가 없으며, 둘째, 레이저 빔 타겟의 표면에는 완벽하게 이상적인 초점 위치가 (의도적이든 또는 비의도적이든) 없기 때문에, 포커싱 렌즈 하류의 강도 프로파일 전체에 대해 평균을 얻으면 상당히 다른 ("더 나쁜") 발산 거동을 갖는다.
2.) 빔 방향: 첫째, (의도적이든 또는 비의도적이든) 빔 축과 레이저 빔 타겟의 표면 사이에 이상적인 직교성이 없고, 둘째, 일반적으로 (의도적이든 또는 비의도적이든) 레이저 빔 타겟의 표면에는 이상적인 초점 위치가 없기 때문에, 출사되는 빔과 복귀하는 빔의 빔 방향에는 (작지만) 차이가 발생한다.
3.) 코히어런스: 원래 레이저 빔은 일반적으로 양호한 코히어런스를 특징으로 하지만, 후자는 레이저 빔 타겟의 표면에서 반사 또는 산란에 의해 관련된 영향을 받는데, 즉, 복귀하는 빔은 현저하게 나쁜 코히어런스를 갖는다.
4.) 편광: 레이저 방사선은 거의 항상 엄격하게 선형 편광된다. 이상적인 경우, λ/4 위상 시프터 하류에서, 이것은 레이저 빔 타겟으로 진행하는 원편광 방사선이 된다. 그러나, 레이저 빔 타겟과의 상호작용 후에 복귀하는 방사선 부분은 반사 또는 산란을 일으키는 기본 물리적 프로세스로 인해 단지 불완전하게 원편광되어, λ/4 위상 시프터를 통과한 후 원하는 이상적인 선형 파동이 아니라, 출사되는 방사선에 수직으로 편광된 파동이 생성되어 이에 따라 편광에 민감한 컴포넌트에 의한 파괴는 불완전하게만 이루어질 수 있다.
5.) 출력: 출력은 고출력 레이저를 사용한 재료 가공을 위한 일반적인 시스템에서 출사 빔에 대해 최대이고, 레이저 빔 타겟 및 광학 컴포넌트와의 상호작용으로 인해 복귀하는 빔에 대해서는 다소 강하게 감소된다. 그러나, (예를 들어, EUV 시스템의 경우와 같은) 레이저 증폭기 장치에서도, 디커플링 시스템의 배열에 대응해야 하는 관찰 지점이 물론 복귀하는 방사선도 고도로 증폭시키는 고출력 증폭기와 (비교적 출력이 약한) 시드 레이저 사이에 있는 경우, 반대 상황은 발생할 수 있다.
6.) 플라즈마의 효과: 여기에 설명된 실질적으로 모든 가공 작업은 레이저 빔 타겟의 표면에 직접 생성되는 플라즈마 스파크의 생성 또는 레이저 빔 타겟/액적 전체의 플라즈마로의 변환과 결합된다. 예를 들어 포커싱된 빔의 방향에 대한 그 효과는 레이저 빔 타겟에 가깝기 때문에 대부분 무시할 수 있지만, 복귀하는 빔의 방향, 발산, 주파수 및 출력과는 관련이 있다.
7.) 파장(주파수): 출사 빔이 매우 빠르게 이동하는 레이저 빔 타겟(예를 들어, 빠르게 팽창하는 플라즈마)에서 산란되거나 또는 반사되는 경우, 복귀하는 빔에는 도플러 효과에 따라 소정의 주파수 또는 파장 변화가 부과된다.
나열된 모든 특성은 FPI의 투과 및 반사 거동과 관련되어 있으며, 함께 복귀하는 파동을 억제하기 위해 사용될 수 있다.
가장 중요한 관계를 더 잘 이해하기 위해, FPI의 일반적인 특성을 아래에서 간략하게 설명한다:
파장(λ), 플레이트 반사율(R), 및 플레이트 간격(a)의 함수로서 FPI의 투과율(TFPI)는 다음 식에 따라 계산된다
Figure pct00001
무손실 FPI에 대해 또한 간단한 관계가 적용된다
Figure pct00002
및
Figure pct00003
다음은 투과율의 대비, 즉, 최대 투과율 대 최소 투과율의 비에 적용된다.
Figure pct00004
디커플링을 위해 고려되는 일반적인 FPI는 R = 0.5 및 R = 0.8의 FPI이고, 이에 대해 9 및 81의 대비가 나타난다. 일반적으로 유효한 R 범위는 0.3 ≤ R ≤ 0.9로 제한될 수 있다. 1 kW 정도의 가능한 한 높은 전력을 디커플링하는 경우, 어떤 선택을 할 필요가 있는지에 대해서는 나중에 논의된다. 이 경우 최대 투과율(TFPI) = 1에서 FPI 내부의 전력의 증가(PFPI)라는 또 다른 파라미터가 FPI 플레이트의 부하와 관련하여 중요한 역할을 한다:
Figure pct00005
마지막으로, FPI의 원하는 디커플링 효과에 매우 중요한 파라미터는, 투과 피크의 반값 폭에 대한 주기 폭의 비를 나타내는 피네스(Finesse)(F)이다:
Figure pct00006
R = 0.8 인 경우, 예를 들어 피네스 14가 나타나고, 이것은 FPI의 투과율이 플레이트 간격(a)와 결합하여 조사 방향에 얼마나 민감하게 의존하는지를 결정적으로 함께 결정한다.
FPI 투과율의 강한 각도 의존성은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 유리한 특성을 제안한다: 최적화된 플레이트 간격을 갖는 FPI의 공간 필터 효과에 의해 생성된 레이저 번들의 빔 품질의 개선.
장치는 유닛의 형태로, 특히 공통 하우징 내에 배열될 수 있다.
빔 경로에 대한 제1 패브리-페로 간섭계의 광축의 각도는 바람직하게는 5° 미만, 특히 4° 미만, 특히 바람직하게는 3° 미만이다. 그 결과, 장치는 특히 효율적으로 작동할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 장치는 제1 패브리-페로 간섭계에 의해 반사된 1차 레이저 빔의 부분을 흡수하기 위한 제1 흡수체를 포함하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 제1 패브리-페로 간섭계에 의해 반사된 2차 레이저 빔의 부분을 흡수하기 위한 제2 흡수체를 포함할 수 있다. 흡수체 또는 흡수체들에 의해, 원치 않는 반사 방사선의 커플링-아웃이 보장될 수 있다.
바람직하지 않은 반사 방사선의 부분을 결정할 수 있도록, 제1 흡수체 및/또는 제2 흡수체는 각각 방사선 검출기의 형태로 설계될 수 있다.
전술한 광학 컴포넌트는 바람직하게는 1차 레이저 빔에 대해 다음 순서로 배열된다:
1.) 파장 선택 요소;
2.) 제1 패브리-페로 간섭계;
3.) 편광자;
4.) λ/4 위상 시프터.
λ/4 위상 시프터 하류에 포커싱 요소가 배열될 수 있다. 특히 바람직하게는, 전술한 구성요소들 사이에 추가 컴포넌트가 배열되지 않는다.
제1 패브리-페로 간섭계는 투명 재료로 된 2 개의 플레이트를 포함할 수 있으며, 이 플레이트의 대향하는 면들은 0.3 내지 0.9의 반사율(R)을 갖는다. 이 면들은 바람직하게는 0.5 내지 0.8의 반사율(R)을 갖는다. 대안적으로 또는 추가적으로, 플레이트는 바람직하게는 1 mm 내지 1000 mm, 특히 10 mm 내지 30 mm의 간격을 갖는다. 플레이트는 바람직하게는 ZnSe 또는 다이아몬드로 형성된다.
보다 바람직하게는, 파장 선택 요소는 회절 격자의 설계된다. 회절 격자의 블레이즈(Blaze) 파장은 1차 레이저 빔의 파장에 대응하는 것이 바람직하다.
편광자는 흡수 박막 반사체(Absorbing Thin Film Reflector)(ATFR) 미러의 형태로 설계되는 것이 바람직하다. 대안적으로 또는 추가적으로, λ/4 위상 시프터는 바람직하게는 λ/4 위상 시프터 미러의 형태로 설계된다.
광학 컴포넌트의 전술한 특징은 장치를 구조적으로 간단한 방식으로 고성능으로 구축하는 것을 가능하게 한다.
이 장치는 제1 패브리-페로 간섭계 상류서 1차 레이저 빔을 확대하기 위한 텔레스코프 장치(Teleskopanordnung)를 포함할 수 있다. 그 결과, 제1 패브리-페로 간섭계는 특히 높은 출력으로 조사될 수 있다.
확대 계수는 바람직하게는 1.5 내지 5 이고, 특히 바람직하게는 1.5 내지 3 이다.
이 장치는 제1 패브리-페로 간섭계의 하류에 배열된 제2 패브리-페로 간섭계를 포함할 수 있다. 이를 통해 디커플링 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 제3 패브리-페로 간섭계가 바람직하게는 제2 패브리-페로 간섭계의 하류에 배열된다. 다른 패브리-페로 간섭계의 플레이트의 반사율(R)은 바람직하게는 0.2 내지 0.7, 특히 바람직하게는 0.3 내지 0.5이다. 보다 바람직하게는, 상이한 반사율(R)을 갖는 간섭계들이 사용된다.
본 발명에 따른 목적은 또한 1차 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 빔 소스, 레이저 빔 타겟, 및 1차 레이저 빔을 안내하기 위한 여기에 설명된 장치를 구비한 레이저 시스템에 의해 달성되고, 여기서 이 장치의 빔 경로는 레이저 빔 소스와 레이저 빔 타겟 사이에서 연장된다.
레이저 빔 소스는 바람직하게는 적어도 1 kW의 평균 전력을 갖는 1차 레이저 빔을 방출하기 위한 고출력 레이저 빔 소스의 형태로 설계된다. 레이저 빔 소스는 특히 CO2 레이저 빔 소스의 형태로 설계된다. 레이저 빔 소스는 10-9 초 내지 10-6 초의 펄스 지속 시간을 갖는 방사선 펄스의 형태로 1차 레이저 빔을 방출하기 위해 제공될 수 있다. 결과적으로 레이저 시스템은 EUV 방사선의 생성에 특히 양호하게 적합하다.
레이저 시스템은 레이저 빔 타겟과 레이저 빔 소스 사이의 빔 경로 상에 배열되는 증폭기 시스템을 포함할 수 있고, 여기서 이 장치는 증폭기 시스템과 레이저 빔 소스 사이에 배열된다. 레이저 시스템은 또한 증폭기 시스템과 레이저 빔 타겟 사이에 배열되는 여기에 설명된 추가적인 장치를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 레이저 시스템은 증폭기 시스템과 추가적인 장치 사이에 배열되는 추가적인 λ/4 위상 시프터를 포함할 수 있다. 이러한 특징 중 하나 이상으로, 특히 강력하고 구조적으로 컴팩트하게 설계된 레이저 시스템이 구현될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 레이저 빔 타겟은 1차 레이저 빔이 조사될 때 EUV 방사선을 방출하도록 설계된다. 레이저 빔 타겟은 이 경우 액적의 형태로 설계될 수 있다. 레이저 빔 타겟은 주석 액적의 형태로 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 EUV 방사선을 생성하기 위한 시스템, 특히 EUV 리소그래피 시스템에서 본 명세서에 설명된 장치 및/또는 본 명세서에 설명된 레이저 시스템의 사용에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 이점은 본 설명 및 도면들로부터 얻어진다. 유사하게, 위에서 설명된 특징들 및 이하에서 상세히 설명되는 특징들은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 임의의 조합으로 함께 각각 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은 완전한 목록으로서 이해되어서는 안 되고, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특징을 갖는다.
도 1는 정의된 방사선 펄스의 형성에 대한 방사선 피드백의 억제의 효과의 측정치를 나타낸다.
도 2는 패브리-페로 간섭계(FPI)의 기본 구조를 도시한다.
도 3은 3 개의 선택된 플레이트 반사율(R)에 대한 FPI의 투과 곡선을 도시한다.
도 4는 FPI에서 입사 및 반사 레이저 빔 번들의 분리를 개략적으로 도시한다.
도 5는 플레이트 간격 a = 10 cm, 피네스 14의 FPI에 대한 100 MHz 주파수 시프트된 복귀하는 파동의 상대 위치의 계산을 나타낸다.
도 6은 FPI를 이용한 방사선 필터링의 측정을 예시적으로 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 장치의 고도로 개략화된 기본 구조를 나타낸다.
도 8은 레이저 증폭기 장치의 형태의 레이저 시스템에 대한 본 발명에 따른 구조를 도시한다.
도 9는 텔레스코프에 의한 고출력 방사선 빔의 확대를 나타낸다.
도 10은 FPI 탠덤의 기본적 구조를 나타낸다.
도 1은 간섭 레이저 방사선 변조기에 의해 CO2 레이저의 cw-방사선으로부터 정의된 펄스가 형성되어야 하는, 방사선 피드백을 억제할 필요성에 대한 특징적인 예를 도시한다. 피드백의 억제 없이, 도 1a에 도시된 거의 통계적인 P(t) 곡선이 얻어졌고, ATFR 미러 및 λ/4 위상 시프트 미러에 의한 디커플링을 사용하면 도 1b에 따른 깨끗한 원하는 펄스 함수가 얻어진다. 도 1에 도시된 예는 CO2 레이저를 사용하는 미세 가공에서 정의된 방사선 펄스의 특별한 적용에 관한 것이다(기본 부피 제거 방법 - EVA). 여기서 신속하게 조정 가능한 FPI에 기반하는 특수 간섭 레이저 방사선 변조기(ILM)의 도움으로, 본질적으로 연속적인 레이저 방사선으로부터 원하는 펄스 열이 생성되었다. 방사선의 디커플링이 없다면, 이러한 메커니즘은 현저하게 방해된다. 다소 통계적으로 바람직하지 않은 펄스가 있으며, 이 예에서는 간섭계를 사용할 때 중요한 인자를 볼 수 있다: 그것은 FPI 투과율이 방사선의 파장에 크게 의존한다는 것이다. 도시된 예에서 펄스 생성은 최대 투과와 최대 반사 사이의 ILM의 신속한 전환을 기반으로 하는데, 물론 이것은 정의된 파장에 대해서만 기능한다. 그러나, 이러한 정의된 파장을 보장하기 위한 방사선 디커플링 및 특수 파장 선택 요소(예를 들어, 격자)가 없는 경우, 예를 들어 9 ㎛ 내지 11 ㎛에서 많은 회전 진동 전이가 잠재적으로 존재하는 고출력 CO2 레이저는, 실제로 필요한 파장에 대해 FPI가 차단되는 경우에도, 기생적으로 진동할 수 있다. 이것은 도 1a에 유익하게 표시된다. 이러한 사실은 본 발명에 따른 해결책에서도 고려되어야 하는데, 즉, 파장 선택 요소를 통합함으로써 시스템은 선택된 파장에 고정되어야 한다. 일반적으로 이러한 고려 사항에서는, 빔 경로에서의 모든 손실에도 불구하고, 한편으로는 레이저 공진기의 엔드 미러 및 다른 한편으로는 레이저 빔 타겟이 공진기를 형성한다는 점에 유의해야 한다. 이것은 기생 진동의 위험을 초래하고, 여기서 적절한 가능성이 주어진다면 방사선은 손실에 대한 이득의 비가 최대가 되는 파장을 정확하게 "선택"한다. 이러한 가능성은 선택적으로 이미 레이저 공진기 자체에 통합될 수 있는 주파수 선택 요소에 의해 방지된다.
도 2는 위에 제시된 특성들을 설명하기 위해 간격(a)으로 플레이트들(12a, 12b)을 갖는 FPI(10)의 기본 구조를 도시한다. 유리하게는, 예를 들어 1 kW 이상의 범위의 평균 전력과 같은 고출력의 가공을 종종 포함하는 본 발명에 따른 해결책에서는 도시된 구조의 FPI(10)가 사용되고, 여기에서 두 개의 중요한 반사율(R) 측면 사이에 공기가 존재한다. 그 결과, 특히 큰 R(R > 0.5)을 사용하는 경우, R 코팅 자체에 대한 FPI 내부의 출력 오버슈트의 유해한 영향이 감소된다. FPI 플레이트(12a, 12b)의 캐리어 재료의 다소 큰 기본 흡수는 종속적인 역할을 한다. 일반적으로 본 명세서에서 보다 상세히 논의되는 CO2 레이저 시스템의 경우, 캐리어 재료는 특히 ZnSe 또는 다이아몬드이다. 반사 방지 코팅은 도 2에서 "AR"로 표시된다.
도 3은 선택된 3 개의 반사율(R)에 대해 플레이트 간격(a)의 함수로서 FPI(10)의 이론적 투과율을 보여준다. 이것은 대비 및 피네스의 강한 R 의존성을 보여주고, 이들 둘 모두는 레이저 빔 타겟과 레이저 빔 소스 사이의 방사선 피드백을 억제하기 위한 FPI(10)의 효과에 중요하다. 이는 EUV 방사선의 생성에 특징적인 예를 들어 급속히 팽창하는 플라즈마의 반사 또는 산란 시 발생하는, 레이저 빔 타겟으로부터 복귀하는 방사선의 주파수 또는 파장 변화에 대한 감도 그리고 FPI(10)로의 방사선 입사에서의 최소 각도 변화에 대한 감도 모두에 적용된다.
반사율(R) 외에도, 또 다른 2 개의 변수도 FPI 효과에 결정적이다. 이것은 한편으로는 플레이트 간격(a) 및 다른 한편으로는 FPI 축에 대한 방사선의 입사각(δ)이다. 후자가 실제적으로 매우 중요한데, 물론, FPI에 의해 반사된 방사선(이것은 레이저 빔 소스로부터 레이저 빔 타겟(Target)으로 향하는 방사선 및 복귀되는 방사선 모두에 적용됨)이 메인 빔 경로로부터 제거되는 것이 보장되어야 하기 때문이다. 특히 레이저 증폭기 시스템의 경우, FPI(10)가 미러를 형성하여 증폭기 체인을 진동시키는 것이 필수적으로 방지되어야 한다.
이러한 요건을 충족시키기 위해, 소정의 거리(s) 후에 입사 빔과 반사 빔을 분리하기에 충분한 최소 각도(δ)가 필요하다(도 4 참조). 그러나, 동시에 FPI 기능과 관련하여 2 개의 인자를 고려하는 것이 바람직하다. FPI(10)의 효과적인 디커플링 효과를 위해, 충분히 큰 플레이트 간격(a)이 바람직하다. 그 최적의 크기는 주로 디커플링을 위해 유효한 복귀 방사선의 각각의 파라미터에 결정적으로 의존한다. 입사각(δ)에 대한 FPI(10)의 선택성이 높기 때문에, FPI 축에 대한 발산 또는 경사가 1 mrad을 초과하는 복귀 빔의 방사선 부분을 억제하기 위해서는, FPI의 피네스를 14로 가정할 때, 플레이트 간격(a)(cm)이 바람직하다. 디커플링에 영향을 미치는 파라미터가 급속하게 이동하는 레이저 빔 타겟에 대한 도플러 효과에 의한 주파수 시프트인 경우, 본질적으로 더 큰 플레이트 간격(a)이 바람직하다. 예를 들어, EUV 생성에서 조사된 액적의 매우 빠르게 팽창하는 플라즈마 상에서 약 100 MHz의 도플러 시프트를 가정하면, 효율적인 디커플링 효과를 위해 a는 바람직하게는 적어도 10 cm이어야 한다(도 5 참조). 그러나, 이러한 요건은, 100 MHz의 주파수 시프트에서 예를 들어 CO2 레이저 및 증폭기와 같은 능동 매질의 광 이득이 크게 저하되어, 여기서 복귀하는 파동의 억제에 기여하는 제2 효과가 발생하는 것이 고려되는 경우에 적용된다. 이러한 사실은 "최적의" FPI(10)의 설계와 매우 일치하는데, 왜냐하면 수직 입사 및 단색 방사가 가정된 도 3에 도시된 이상적인 FPI 거동은 a의 증가와 함께 악화되고 동시에 δ의 증가와 함께 더욱 극적으로 악화되는 것을 고려해야 하기 때문이다. 특히 최대 투과율은 이상적인 값인 1에서 계속 벗어나게 되며, 이는 작업 빔에 대한 손실이 증가한다는 것을 의미한다. FPI의 플레이트 간격(a)에 대한 일반적인 최적화 규칙으로서, a는 필요한 만큼 커야 하지만, 가능한 한 작게 선택되어야 한다.
도 4는 설명된 기하학적 관계를 다시 도시한다. 충족되어야 하는 경계 조건은, 우선 직경(D)을 갖는 입사 레이저 빔 번들(14)과 거의 동일한 직경을 갖는 FPI(10)에서 반사된 부분(16)의 명확한 분리가 보장되어야 하고, 둘째, 이 경우 필요 거리(s)가 너무 크지 않고, 각도(δ)는 너무 작아서는 안 된다는 것이다. 셋째, δ의 역할은 상대적으로 복잡하다: 불필요한 방사선에 대한 높은 필터 효과 및 방사선 디커플링 시 높은 효율의 관점에서, δ도 마찬가지로 너무 작아서는 안 되고, 다른 한편으로는, 위에서 이미 언급된 바와 같이, 작업 빔의 경우 당연히 1에 가까워야 하는 최대 투과율은 δ가 증가함에 따라 악화된다. 레이저 빔 번들(14)은 이 경우 도 4에서 파장 선택 요소(18)로부터 출사된다.
따라서, 특정 상황, 특히 레이저 빔 자체의 특성에 따라, δ를 그에 따라 최적화하는 것이 바람직하다. 이러한 최적화는 FPI 플레이트들(12a, 12b) 사이의 간격(a)과 밀접하게 관련되어 있는데, 이는 궁극적으로 플레이트의 반사율(R) 이외에 두 개의 기하학적 파라미터인 a 및 δ가 설명된 장치의 효과를 결정하기 때문이다. 레이저 방사선의 발산이 약 1 mrad이라고 가정하면, 설명된 요구 사항은, 위에서 설명된 바와 같이, a의 경우 약 10 cm까지의 범위, D의 경우 약 10 mm, δ = 2.5°, 그리고 s의 경우 약 20 cm 이상의 "합리적인" 값들로 양호하게 충족될 수 있다. R = 0.8, 즉, 피네스를 14로 가정하면, 이 경우 바람직한 의미에서 FPI(10)의 높은 효율성을 갖는 작업 빔과 비교하여 빔 발산, 기울기 및 주파수 시프트에 대한 3 개의 관련 파라미터를 기대할 수 있다. 구체적으로 말하면, 작업 빔에 대해 T
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1에 대응하는 정렬 상태에서, "파괴"되는 빔 부분(즉, 빔 품질이 낮고 이에 따라 입사 빔에서 일반적으로 1 mrad보다 높은 발산이 발생하는 빔 부분 그리고 FPI 축에 대한 발산 또는 기울기 > 1 mrad이거나 또는 예를 들어 빠르게 움직이는 레이저 빔 타겟에 대한 도플러 효과로 인해 100 MHz 정도의 주파수 시프트를 갖는 복귀 빔의 빔 부분)은 반사율이 높은 영역(RFPI > 0.8)으로 시프트되어 이에 따라 쉽게 제거될 수 있다. 방사선 디커플링에서 FPI 효과에 대해 논의된 주파수 시프트의 역할에 관하여, 급속히 팽창하는 플라즈마에 의해 후방 산란되거나 또는 반사되는 방사선 부분은 또한 발산 및 방향 변동을 나타내며, 그 효과는 전체 효과가 상당히 더 크다는 의미에서 주파수 시프트의 효과에 중첩된다는 점에 유의해야 한다.
도 5는 100 MHz만큼 주파수 시프트된 복귀하는 파동에 대한 FPI(10)의 "필터 효과"를 도시하고, 여기서 FPI(10)는 플레이트 간격(a) = 10 cm이고 피네스는 14이다. 도 5에서, 이 경우 투과율(T)은 주파수(f)에 대해 도시되어 있다.
도 6은 또한 방사 필터로서 본 발명에 따라 최적화된 FPI(10)의 효과를 명확하게 나타내는 측정 결과를 나타낸다. 저압 CO2 레이저의 가스 방전 전류(I)가 빔 품질에 미치는 영향이 조사되었다. 후자는 몫(PT/PR)로 나타내어지고, 이것은 FPI(10)에 의해 반사되는 필터링되는 출력 성분(PR)에 대한 유효 출력(PT)(즉, FPI에 의해 투과되는 방사선)의 비를 나타낸다. 레이저는 의도적으로 레이저 가스의 과열을 비교적 신속하게 일으키는 체제로 조작되었기 때문에, 도면에서 빔 품질(즉, 몫(PT/PR))이 처음에는 상대적으로 낮은 전류에서 명확한 최대값을 취하고, 이를 초과하는 전류 및 이에 따라 상당한 과열이 발생하는 경우에는 크게 감소하는 방식을 매우 유익하게 볼 수 있다. 도시된 예에서, 필터링되는 방사선 부분은 입사 출력의 약 17 %에서 약 25 %로 증가하고, 이는 결국, 레이저의 "원시 빔"의 품질은 현저하게 떨어졌지만, 유용한 빔의 품질은 (물론 출력이 감소하더라도) 거의 일정하게 유지된다는 것을 의미한다. 가공 중 측정을 위해 일정하게 사용할 수 있는 방사선의 필터링된 부분을 지속적으로 모니터링함으로써, 가공 프로세스를 진단하기 위한 중요한 변수를 얻게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 장치(20)의 매우 개략적인 기본 구조를 도시한다. 이 장치(20)에서, 레이저 빔 소스(22)는 먼저 여기서 예를 들어 Q-스위칭 고출력 CO2 레이저일 수 있는 것으로 가정된다. 이들의 1차 레이저 빔(24)은 정의된 파장(λ), 정의된 방향(26)의 선형 편광, 및 다소 양호한 빔 품질(K)을 특징으로 한다. 한편으로는 빔을 필터링하고 다른 한편으로는 방사선 피드백을 억제하기 위한 본 발명에 따른 구성요소는 전술한 정확하게 정의된 파장(λ)에 대해 설계되어야 하기 때문에, 이 시스템은 기능을 보장하기 위해 "레이저 빔 소스 - 빔 안내 및 성형 - 레이저 빔 타겟(Target)"이라는 빔 경로에서 다른 파장으로 벗어나는 것이 방지되어야 한다. 이러한 위험은 예를 들어 9 ㎛ 내지 11 ㎛ 범위의 여러 파장에서 진동할 수 있는 고출력 CO2 레이저에 존재한다. 파장 선택 요소(28)(예를 들어, 회절 격자 또는 프리즘)는 주어진 λ에 대한 시스템의 확실한 고정을 보장한다. 이 시점에서, 이러한 파장 선택 요소(28)는 레이저, 즉, 레이저 빔 소스(22) 자체에도 또한 이미 통합될 수 있고, 물론 레이저 외부에서는 필요하지 않다는 것을 지적해야 한다. 그러나 예를 들어 EUV 시스템에서 사용되는 것과 같은 고출력 레이저 증폭기 시스템에서는 상황이 약간 다르다(도 8 참조). 여기서 방사선 피드백을 억제하기 위해 필요에 따라 요구될 수 있는 제2 구성에서, 파장 선택 요소는 생략되지 않는 것이 바람직하다.
그 추가 경로에서, 1차 레이저 빔(24)은 본 발명에 따른 해결책의 중심 요소인 상기 설명에 따라 최적화된 패브리-페로 간섭계(FPI)(10)를 통과한다. 파장(λ)의 최대 투과율로 설정된 이 FPI(10)의 제1 작업은 빔 품질, 결과적으로 방사선을 포커싱시킬 수 있는 능력 및 궁극적으로 가공 품질을 감소시키는 방사선 부분(30)을 필터링하는 것이다. 이들은 일반적으로 기본 모드(TEM00)에서 다소 강하게 벗어나는 방사선 부분이다. 가장 단순한 경우, 이들은 흡수체(32)에 의해 파괴되고, 흡수체(32)는 ― 여기서와 같이 ― 방사선 검출기의 형태로 설계될 수 있다. 측정 신호는 한편으로는 기생 방사선 부분(30)의 크기에 대한 정보를 제공하지만, 그러나 시간 경과가 등록되면, 특히 레이저 빔 소스(22)의 안정성 및/또는 레이저의 펄스 거동에 관한 중요한 정보를 또한 제공하고, 결과적으로 진단 및 제어 목적에도 또한 사용될 수 있다.
FPI(10)에 의해 투과되고 필터링된 방사선 부분(34)은 계속해서 레이저(레이저 빔 소스(22)) 및 타겟(레이저 빔 타겟(40))의 방사선 디커플링을 위해 편광자(36) 및 λ/4 위상 시프터(38)의 "고전적인" 조합을 통해 보내지고, 여기서 이와 동시에 직선 편광된 방사선으로부터 원편광 방사선(42)으로의 종종 요구되는 변환이 수행되고, 그 후 예를 들어 포커싱 요소(44)에 의해 레이저 빔 타겟(40)으로 보내질 수 있다.
이러한 제1 변환 외에, 전형적으로 또한 다소 부분적으로 원편광되고 레이저 빔 타겟(40)으로부터 레이저 빔 소스(22) 방향으로 복귀하는 2차 레이저 빔(46)이 먼저 λ/4 위상 시프터(38)에서 제2 변환으로 부분 선형 편광된 방사선(48)으로 변환되는 요소(36 및 38)의 효과가 존재하고, 그 편광 방향은 1차 레이저 빔(24)의 편광 방향에 수직이다. 이것은 이 방사선(48)이 선형 편광의 정도 및 편광자(36)의 품질에 따라 상당히 제거되고 레이저 빔 소스(22) - 레이저 빔 타겟(40) 빔 경로로부터 제거되기 위한 전제 조건이다.
CO2 레이저의 예에서, "잘못된" 편광 방향의 파괴되는 방사선을 흡수하는 브루스터 플레이트 또는 ATFR-미러와 λ/4 위상 시프터 미러의 조합이 일반적으로 요소(36 및 38)에 사용된다. 그러나, 위에 언급된 이유로 인해, 복귀 방사선이 완전히 제거되는 것은 아니다. 1차 레이저 빔(24)의 백분율 범위 내에 있을 수 있는 방사선 부분(50)은 추가적인 예방책 없이 레이저 빔 소스(22)의 방향으로 진행하여, 레이저 빔 소스(22)에서 방사선 형성 프로세스에 교란을 일으킨다. 이러한 교란은 능동 매질 내의 반전 분포가 높을수록 심각해지고, 따라서 레이저의 광 이득이 높아진다. 이것은 특히 Q-스위칭 시스템의 경우에 적용되며, 그 원리는 펄스 생성 직전에 반전 분포를 최대화하는 것에 기반한다. 이 시점에서 능동 매질의 작은 신호 이득은 104 정도에 쉽게 도달할 수 있는데, 즉, 매우 적은 양의 피드백 방사선조차도 강력한 펄스 형성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
이러한 딜레마는 본 발명에 따르면 특별히 최적화된 패브리-페로 간섭계(10)의 작용에 의해 해결된다. 전술한 작은 각도(δ)로 배열된 FPI(10)는 여러 가지 방법으로 방사선 부분(50)을 레이저 기능에 무해한 수준으로 약화시킨다. 여기서 입사 방사선 부분(34)과 복귀 방사선 부분(50)의 파라미터의 차이는 결정적이다. FPI(10)에서의 높은 반사 및 이에 따라 방사선 부분(50)의 원하는 제거로 이어지는 가장 중요한 차이점은 이미 언급되었다. 또한, 기여하는 모든 영향을 정확하고 정량적으로 평가하는 것은 사실상 불가능하다고도 이미 언급되었다. 정성적 고려를 위해, 영향들을 코히어런스에 독립적인 것 및 코히어런스에 구속되는 것으로 세분화하는 것이 합리적이다. 코히어런스에 구속되는 것은, 간섭을 일으키므로 위에서 논의된 FPI(10)의 특성과 밀접하게 관련된 것을 의미한다. 이들과 관련이 있는 것은, 방사선 부분(50)의 발산, 방향 및 (경우에 따라) 파장이 원래의 빔(34)과 너무 크게 다르므로, 빔(34)에 대해 최적의 투과율로 설정되는 FPI(10)는 빔(50)에 대해 가능한 한 반사 최대값에 가깝고 방사선 부분(52)에 크게 기여한다는 것이다.
코히어런스에 독립적인 것은, 예를 들어, 반사율(R)의 FPI 표면에서의 단순 반사이고, 이는 예를 들어 R = 0.8에서 두 개의 FPI 표면을 모두 고려하면 부분(52)의 방향으로 방사선 부분(50)의 약 90 %가 이미 간섭 효과 없이 반사된다. 빔(34)의 본래의 양호한 코히어런스가 레이저 빔 타겟(40)과의 상호 작용에 의해 더 강하게 파괴될수록, 방사선의 이러한 실질적인 비-코히어런트 부분의 반사가 더 관련이 있다. 출력과 관련하여 방사선 부분(34)에 이상적으로 거의 대응하는 전체 방사선 부분(52)은 제2 흡수체(54)에서 파괴되어 궁극적으로 복귀 방사선의 매우 효과적인 차단을 보장한다.
복귀 방사선의 전체 감쇠는 이 경우 103 내지 104일 수 있는 계수에 도달한다. 따라서, 이것은 편광자와 λ/4 위상 시프터의 기존의 조합보다 적어도 1 내지 2 자릿수만큼 더 효율이 높고, 가장 높은 요구 사항이 요구되는 방사선 디커플링에 적합하다.
이 시점에서 요소(10, 36, 38)의 바람직한 시퀀스를 다시 지적할 필요가 있고, 이는 FPI(10)의 출력 감도의 관점에서 특히 중요하며, 레이저 증폭기 장치의 경우에 특히 결정적이다(도 8, 도 9, 및 도 10에 대한 설명 참조). FPI(10)가 노출된 방사선 출력 ― 이것은 결국 입력 방사선과 복귀 방사선의 합계와 관련됨 ― 이 일반적으로 수 kW 범위에 있는 임계값을 초과하면, 예를 들어 정확하게 설정된 작동점(레이저 빔 타겟(40)으로 진행하는 방사선의 경우 T = 1)을 제어 불가능한 방식으로 시프트하여 시스템 전체의 기능을 손상시키거나 또는 심지어 위험에 노출시킬 수 있는 열 효과가 발생한다. 본 발명에 따른 요소들(10, 36, 38)의 배열에서는 모든 경우에 다음과 같은 이유로 인해 FPI(10)의 출력 부하가 최소화된다: 첫째, FPI(10)는 요소(36, 38)의 상류 또는 하류 위치에 관계없이 레이저 빔 타겟(40)으로 진행하는 방사선의 전체 출력에 항상 노출되는데, 양호한 근사치로서 요소들(36 및 38)에서의 손실이 최소인 것으로 가정될 수 있기 때문이다. 따라서, 둘째, 2 개의 장치 변형에 대한 FPI(10)의 방사선 부하의 차이는 사실상 FPI(10)에 충돌하는 복귀 방사선의 출력에만 의존한다. 그러나, 이것은, 본 발명에 따른 요소들(10, 36 및 38)의 시퀀스에서, 요소(36 및 38)의 디커플링 효과에 의해 결정적으로 약화되어, 고출력 레이저 증폭기 시스템에서 발생할 수 있는 바와 같은 매우 강력한 복귀 방사선 부분이 있어도 FPI(10) 기능이 이로 인해 위험에 처하지 않는다.
특히 다음의 설명을 단순화하기 위해, 본 발명에 따른 빔 필터링 및 방사선 디커플링과 관련된 부품들은 장치(20)에 결합된다.
도 8은 레이저 증폭기 장치의 형태의 본 발명에 따른 레이저 시스템(56)을 도시한다. 여기서 증폭기 시스템(58)은 또한 복수의 스테이지, 예를 들어 추가의 전치 증폭기 또는 복수의 고출력 증폭기로 구성될 수 있다. 모든 다중 스테이지 시스템에서는, 얼마나 자주 그리고 어떤 시점에서 필터링되고 디커플링되어야 하는지에 대한 질문이 발생한다. 필터링은 특정 배열에 관계없이 레이저 출력 후에 가능한 한 빨리 수행되어야 하지만, 디커플링은 고려하기가 본질적으로 복잡하다. 도 8은 이것을 명확하게 보여준다. 정확하게 정의된 특성을 갖는 레이저(22)에서 생성된 방사선(24), 예를 들어 지정된 지속기간 및 반복률의 방사선 펄스는 여기서 증폭기 시스템(58)에서 까다로운 적용을 가능하게 하는 출력 레벨로 유도된다. 따라서, 증폭기 시스템(58)의 능동 매질에서 매우 높은 광 이득으로 인해, 도 7에 따른 단순한 레이저(22) ― 레이저 빔 타겟(40) ― 배열의 문제를 훨씬 초과하는 문제가 발생한다. 따라서, 예를 들어, 한편으로는, 레이저 빔 타겟(40)으로부터, 특히 액적 형태의 반사된 방사선은 어떠한 상황에서도 증폭기 시스템(58)을 통과해서는 안 된다는 것이 고려되어야 하는데, 그렇지 않으면, 이것은 극단적으로 증폭되어 이에 따라 레이저(22)로부터의 디커플링이 현저하게 어려워지기 때문이다. 또한, 고출력 증폭기의 경우, 레이저(22) 방향으로 진행하며 임의의 경우든 레이저 빔 타겟(40)을 통한 방사선 피드백과 독립적으로 발생하는 초방사의 일부를 고려해야 한다.
도 8은 본 발명에 따라 이러한 문제를 어떻게 해결할 수 있는지를 개략적으로 도시한다. 이에 따르면, 레이저 방사선(24)은 먼저 제1 장치(20a)를 통과하는데, 이 제1 장치는 도 7과 관련하여 논의된 모든 작업, 즉, 첫째 빔 필터링 및 둘째 레이저(22)로의 방사선의 피드백의 효율적인 억제를 수행한다. 이러한 방사선 부분(60)은 2 개의 부분으로 구성된다: 첫째, 레이저 빔 타겟(40)에 의해 반사되거나 또는 산란되어 제2 장치(20b)에 의해 단지 불완전하게만 파괴되고 증폭기 시스템(58)에서 고도로 증폭된 부분, 및 둘째, 제2 장치(20b)가 이상적으로 기능할 때에도 발생하는 부분, 즉, 증폭기 시스템(58) 자체의 일-방향 초방사(ASE). 후자는 본질적으로 비편광이므로, 제1 장치(20a)의 편광자(36) 및 λ/4 위상 시프터(38)(도 7 참조)로 구성된 유닛에 의해 약 절반으로만 감소된다. 그러나, 이것만으로는 불충분한 경우가 많기 때문에, FPI(10)의 효과는 특히 중요하다. 제1 장치(20a)를 통과한 후에, 방사선은 증폭기 시스템(58)에서 특히 매우 높은 값의 펄스 피크 출력뿐만 아니라 평균 출력으로도 증폭된다. 후자는 예를 들어 EUV 생성을 위한 CO2 레이저 증폭기 시스템에서 수 kW 범위에 있을 수 있으므로, 레이저 빔 타겟(40)으로부터 복귀하는 방사선 부분(62)에 대해 증폭기 시스템(58)을 확실하게 차폐하도록 보장하는 제2 장치(20b)에 대한 특별한 주의를 필요로 한다.
특히 방사선 디커플링과 관련한 제2 장치(20b)의 효과는 여기서 제1 장치(20a)의 효과와 완전히 유사해야 한다. 이를 위해, 증폭된 원편광 방사선(64)은 먼저 선형 편광 방사선으로 변환되어야 한다. 이것은 λ/4 위상 시프터(66)를 사용하여 수행된다. 제2 장치(20b)의 경우, 제1 장치(20a)와 비교하여, 입사 방사선은 첫째 현저히 더 높은 출력 값을 가지며, 둘째 그 직선 편광은 레이저 방사선(24)에 대해 90° 회전된다는 점에 유의해야 한다. 후자는 문제가 아니며, 원칙적으로 이를 위해 편광자(36) 및 λ/4 위상 시프터(38)(도 7 참조)로 구성된 유닛만이 90° 회전될 수 있다.
FPI 내부의 출력 증가에 기인하는 FPI(10)의 감도(도 7 참조)에 의한 고 평균 출력의 안전한 제어가 본질적으로 더 중요하다. 이것은 예를 들어, R = 0.8 및 최대 FPI 투과율 T = 1 에서는 허용 최대 부하의 경계 영역에서 다이아몬드 광학계를 사용하는 경우에도 입사 출력(P0)의 25 배이므로 kW 범위의 P0이다.
효과적이고 유연한 구제책에는 두 가지 옵션이 있다. 가장 간단한 것은 도 9에 도시되어 있으며, 확대된 빔(72)에 적응하는 더 큰 자유 개구를 갖는 FPI(10)의 바로 상류에 있는 텔레스코프 장치(70)에 의한 빔 번들(68)의 직경의 확대가 도시되어 있다. 그 결과, R-면 상의 강도는 FPI 기능 및 이에 따라 FPI(10)로부터 방출되는 빔(74)이 열 효과에 의해 손상되지 않도록 넓은 범위 내에서 설정될 수 있다.
빔 직경의 변화를 피하고자 할 때, 본 발명에 따른 개선 방법은 FPI 캐스케이드에 의해 제공될 수도 있다. 기본 버전인 FPI 탠덤은 도 10에 도시되어 있다. 여기서 솔루션은 방사선 피드백을 억제하기 위한 FPI 효과를 복수의 FPI, 여기서는 특히 감소된 R을 갖는 제1 FPI(10) 및 제2 FPI(76)로 분할하는 것을 기반으로 한다. 숫자 예제에 의해 이것을 설명하도록 한다. 예를 들어, R = 0.8인 FPI의 효과가 동등하게 달성되지만, 그러나 위에서 논의된 25 배의 출력 증가는 허용되지 않는 경우, 빔(78)을 R = 0.5인 제1 FPI(10)로 보내고(이것은 단지 4 배의 출력 증가에 해당함) 제1 FPI(10)를 떠난 빔(80)을 (특히 동일한) 제2 FPI(72)로 보낼 수 있다. 그 결과, 원하는 전체 효과가 얻어지지만, 그러나 두 개의 FPI(10, 76)의 R-층들은 6.25 배만큼 더 적은 부하를 받게 된다. 이러한 기본 원리는, 예를 들어 2 개 초과의 간섭계를 사용하여 방사선 노출을 더욱 감소시키거나 또는 최적화된 서로 다른 R을 갖는 복수의 간섭계를 사용하여 방사선 노출을 최소화하면서 동시에 디커플링 효율을 최대화함으로써, 확장되고 최적화될 수 있다.
도면들 중 모든 도면을 함께 취하면, 본 발명은 요약하면 레이저 방사선을 필터링하기 위한 광학 장치(20, 20a, 20b)에 관한 것이다. 장치(20, 20a, 20b)는 파장 선택 요소(28), 제1 패브리-페로 간섭계(10), 편광자(36), 및 λ/4 위상 시프터(38)를 포함한다. 패브리-페로 간섭계(10)의 광축은 패브리-페로 간섭계(10)에 충돌하는 레이저 빔에 대해 0°보다 크고 6°보다 작은 각도로 정렬된다. 패브리-페로 간섭계(10)는 패브리-페로 간섭계(10)에 충돌하는 1차 레이저 빔(24)의 원하지 않는 방사선 부분(30)을 커플링-아웃하고 그리고 레이저 빔 타겟(40)에 의해 반사된 2차 레이저 빔(46)의 원하지 않는 방사선 부분(52)을 커플링-아웃하도록 설계된다. 장치(20, 20a, 20b)는 바람직하게는 적어도 하나의 추가적인 패브리-페로 간섭계(76)를 포함한다. 보다 바람직하게, 장치(20, 20a, 20b)는 패브리-페로 간섭계(10)에 충돌하는 1차 레이저 빔(24)을 확대하기 위한 텔레스코프 장치(70)를 포함한다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 이러한 장치(20, 20a, 20b)를 갖는 레이저 시스템(56)에 관한 것이다. 레이저 시스템(56)은 바람직하게는 2 개의 장치(20a, 20b) 사이에 배열되는 증폭기 시스템(58)을 포함한다. 레이저 시스템(56)은 EUV 방사선을 생성하도록 설계되는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해, 레이저 빔 타겟(40)은 액적의 형태일 수 있다.
10 제1 패브리-페로 간섭계
12a, 12b 패브리-페로 간섭계의 플레이트
14 레이저 빔 번들
16 레이저 빔 번들의 반사된 부분
18 파장 선택 요소
20, 20a, 20b 빔 필터링 및 방사선 디커플링을 위한 장치
22 레이저 빔 소스
24 1차 레이저 빔
26 편광 방향
28 파장 선택 요소
30 1차 레이저 빔으로부터 필터링된 방사선 부분
32 제1 흡수체
34 1차 레이저 빔의 필터링된 방사선 부분
36 편광자
38 λ/4 위상 시프터
40 레이저 빔 타겟
42 원편광 방사선
44 포커싱 요소
46 2차 레이저 빔
48 부분 선형 편광된 방사선
50 복귀하는 약화된 방사선 부분
52 FPI에 의해 제거된 복귀하는 (2차) 방사선 부분
54 제2 흡수체
56 레이저 시스템
58 증폭기 시스템
60 증폭기 시스템으로부터 레이저 빔 소스 방향으로 진행하는 방사선 부분
62 레이저 빔 타겟으로부터 복귀하는 방사선 부분
64 증폭된 원편광 방사선
66 λ/4 위상 시프터
68 빔 번들
70 텔레스코프 장치
72 확대된 빔
74 FPI로부터 방출되는 빔
76 제2 FPI
78 제1 FPI(10)에 충돌하는 빔
80 제1 FPI(10)를 떠난 빔

Claims (12)

  1. 빔 경로 상의 1차 레이저 빔(24) 및 반사된 2차 레이저 빔(46)을 안내하는 장치(20, 20a, 20b)로서,
    상기 장치(20, 20a, 20b)는 상기 빔 경로가 통과하는 아래의 구성요소들:
    a. 파장 선택 요소(28);
    b. 제1 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot-Interferometer)(10) ― 상기 제1 패브리-페로 간섭계(10)는 상기 패브리-페로 간섭계(10)의 광축에 대해 0°보다 크고 6°보다 작은 각도로 상기 빔 경로에 배열됨 ― ;
    c. 편광자(36);
    d. λ/4 위상 시프터(λ/4-Phasenschieber)(38);를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치(20, 20a, 20b)는:
    상기 제1 패브리-페로 간섭계(10)에 의해 반사된 상기 1차 레이저 빔(24)의 부분(30)을 흡수하기 위한 제1 흡수체(32); 및/또는
    상기 제1 패브리-페로 간섭계(10)에 의해 반사된 상기 2차 레이저 빔(46)의 부분(52)을 흡수하기 위한 제2 흡수체(54)를 포함하는 것인, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 흡수체(32) 및/또는 상기 제2 흡수체(54)는 각각 방사선 검출기의 형태로 설계되는 것인, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 레이저 빔(24)에 대해, 상기 파장 선택 요소(28)는 상기 제1 패브리-페로 간섭계(10) 상류에, 상기 패브리-페로 간섭계(10)는 상기 편광자(36) 상류에, 그리고 상기 편광자(36)는 상기 λ/4 위상 시프터(38) 상류에 배열되는 것인, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 패브리-페로 간섭계(10)는 투명 재료로 된 2 개의 플레이트들(12a, 12b)을 포함하고, 상기 플레이트들의 대향하는 면들은 0.3 내지 0.9의 반사율(R)을 포함하는 것인, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 선택 요소(wellenlaengensensitive Element)(28)는 회절 격자의 형태로 설계되는 것인, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 패브리-페로 간섭계(10) 상류에서 상기 1차 레이저 빔(24)을 확대하기 위한 텔레스코프 장치(Teleskopanordnung)(70)를 갖는 것인, 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 패브리-페로 간섭계(10)의 하류에 배열된 제2 패브리-페로 간섭계(72)를 갖는 것인, 장치.
  9. 1차 레이저 빔(24)을 방출하기 위한 레이저 빔 소스(22), 레이저 빔 타겟(40), 및 상기 1차 레이저 빔(24)을 안내하기 위한 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치(20, 20a, 20b)를 갖는 레이저 시스템(56)으로서,
    상기 장치(20, 20a, 20b)의 상기 빔 경로는 상기 레이저 빔 소스(22)와 상기 레이저 빔 타겟(40) 사이에서 연장되는, 레이저 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔 경로 상에서 상기 레이저 빔 타겟(40)과 상기 레이저 빔 소스(22) 사이에 배열된 증폭기 시스템(58)을 갖고, 상기 장치(20a)는 상기 증폭기 시스템(58)과 상기 레이저 빔 소스(22) 사이에 배열되고, 상기 레이저 시스템(56)은 상기 증폭기 시스템(58)과 상기 레이저 빔 타겟(40) 사이에 배열되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 추가적인 장치(20b)를 포함하고, 상기 레이저 시스템(56)은 상기 증폭기 시스템(58)과 상기 추가적인 장치(20b) 사이에 배열되는 추가적인 λ/4 위상 시프터(66)를 포함하는 것인, 레이저 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 레이저 빔 타겟(40)은 상기 1차 레이저 빔(24)으로 조사될 때 EUV 방사선을 방출하도록 설계되는 것인, 레이저 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔 타겟(40)은 액적의 형태로 설계되는 것인, 레이저 시스템.
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