TW202240307A - 提供寬帶光源之方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含：一泵源，其包含僅一個單一光纖放大器，該泵源經組態以產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射；及一空芯光纖，其包含一空芯區及包圍該空芯區之一包覆層，該空芯區於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入末端處接收該泵輻射，其中該空芯區之一直徑經設定尺寸以使得該等輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜，以用於自該空芯光纖之一輸出末端提供輸出寬帶輻射。

Description

提供寬帶光源之方法及設備
本發明係關於用於提供寬帶輸出輻射之輻射源。詳言之，其係關於寬帶輻射源，該寬帶輻射源包含於其中具有加壓氣體之空芯光纖且經組態以光譜地加寬接收到之輸入輻射。
微影設備為經建構以將所要圖案塗覆至基板上之機器。微影設備可用於例如積體電路(IC)之製造中。微影設備可例如將圖案化裝置(例如遮罩)處之圖案(通常亦稱為「設計佈局」或「設計」)投影至設置於基板(例如晶圓)上之輻射敏感材料(抗蝕劑)層上。經投影圖案可形成將結構製造至基板上之程序之一部分。
為了將圖案投影於基板上，微影設備可使用電磁輻射。此輻射之波長判定可形成於基板上之特徵的最小大小。當前使用之典型波長為365 nm (i線)、248 nm、193 nm及13.5 nm。相較於使用例如具有193 nm之波長之輻射的微影設備，使用具有在4 nm至20 nm之範圍內之波長(例如6.7 nm或13.5 nm)的極紫外線(EUV)輻射之微影設備可用於在基板上形成較小特徵。
低k 1微影可用以處理尺寸小於微影設備之典型解析度極限的特徵。在此程序中，解析度公式可表示為CD = k 1×λ/NA，其中λ為所採用輻射之波長，NA為微影設備中之投影光學裝置之數值孔徑，CD為「臨界尺寸」(通常為經印刷之最小特徵大小，但在此情況下為半間距)且k 1為經驗解析度因數。一般而言，k 1愈小，則愈難以在基板上再生類似於由電路設計者規劃之形狀及尺寸以便達成特定電功能性及性能的圖案。為克服此等困難，可將複雜微調步驟施加至微影投影設備及/或設計佈局。此等步驟包括例如但不限於NA之最佳化、定製照明方案、使用相移圖案化裝置、諸如設計佈局中之光學近接校正(OPC，有時亦稱為「光學及程序校正」)之設計佈局的各種最佳化，或通常限定為「解析度增強技術」(RET)之其他方法。替代地，用於控制微影設備之穩定性之嚴格控制環路可用於改良在低k 1下之圖案之再生。
在微影程序中，需要頻繁地進行所產生結構之量測，例如以用於程序控制及驗證。用於進行此等量測之各種工具為吾人所知，包括常常用於量測臨界尺寸(CD)之掃描電子顯微鏡，及用以量測疊對(裝置中兩個層之對準準確度)之特殊化工具。近年來，已開發用於微影領域中之各種形式之散射計。
另外，其他操作在微影程序中係重要的，諸如微影設備內之晶圓之對準及調平。
寬帶輻射源可用於許多微影程序中，例如對準、調平及疊對之量測。因此，需要開發及改良寬帶輻射源。
本發明人已瞭解，寬帶輻射源可包含：泵雷射，其經組態以提供雷射輻射脈衝；以及空芯光纖，諸如空芯光子晶體光纖(hollow core photonic crystal fiber;HC-PCF)，其經組態以接收雷射輻射脈衝且在其傳播通過光纖時加寬其光譜。
根據本發明之第一態樣，提供一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含：一泵源，其包含僅一個單一光纖放大器，該泵源經組態以產生包含複數個輻射脈衝之泵輻射，該複數個輻射脈衝具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量及在10飛秒與10皮秒之間的一脈衝持續時間；以及一空芯光纖，其包含一空芯區及包圍該空芯區之一包覆層，該空芯區於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入末端處接收該泵輻射，其中該空芯區之一直徑在10 µm至30 µm之一範圍內，且經設定尺寸以使得該等輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性加寬該泵輻射之一光譜，以用於自該空芯光纖之一輸出末端提供輸出寬帶輻射。
視情況，該空芯區之該直徑可小於30 µm、小於20 µm或小於10 µm。
視情況，該空芯區之該直徑可在16 µm至22 µm之一範圍內。
視情況，該脈衝持續時間在100 s至500 fs之一範圍內。
視情況，在一特定空芯區直徑之情況下，該氣體之該壓力可經組態以提供該輸出寬帶輻射之具有在350 nm至450 nm的一範圍內之一低波長截止之一光譜。
視情況，該氣體之該壓力可在20巴至40巴之一範圍內。
視情況，該氣體之該壓力可基於該空芯光纖之零分散波長而判定。
視情況，該零分散波長可基於下式而判定：
Figure 02_image001
以及
Figure 02_image003
及
Figure 02_image005
其中 β為傳播常數，λ為波長，且 c為真空中光速。
視情況，零分散波長可在700 nm至1000 nm之範圍內。
視情況，氣體壓力可基於空芯光纖之相位匹配波長而判定。
視情況，相位匹配波長λ PM可基於下式而判定：
Figure 02_image007
以及
Figure 02_image009
及
Figure 02_image011
，
Figure 02_image013
其中
Figure 02_image015
為在相位匹配波長下之線性傳播常數，
Figure 02_image017
為在泵頻
Figure 02_image019
下之孤立子之傳播常數，c為真空中光速，
Figure 02_image021
為非線性參數，且P c為經壓縮孤立子之峰值功率。
視情況，相位匹配波長可在300至700 nm之範圍內。
視情況，當對空芯區之直徑作出改變時，可根據下式表達前者(基礎)與經改變(新)空芯區直徑之間的關係、輻射脈衝之能量以及形成空芯內部之工作媒體的氣體之壓力
Figure 02_image023
視情況，該泵源可包含：一種子雷射，其經組態以提供種子輻射脈衝；以及一光纖放大器，其經組態以接收及放大該等種子輻射脈衝。該泵輻射可經提供至該空芯光纖。
視情況，該泵源可進一步包含定位於該光纖放大器之下游且視情況直接下游之一脈衝壓縮機。
視情況，該脈衝壓縮機可包含一或多個稜鏡對。
視情況，該等種子雷射脈衝可具有一第一重複率。該輻射源之該輸出寬帶輻射可包含具有一第二重複率之脈衝，其中該第一重複率實質上等於該第二重複率。
視情況，該空芯光纖可為一空芯光子晶體光纖，HC-PCF。
視情況，該光子晶體光纖之該空芯區可由包含複數個毛細管之一包覆層包圍。
視情況，該HC-PCF中之該毛細管之一壁部分的一厚度可為200 nm或更小。
視情況，HC-PCF可為單環HC-PCF。
根據當前揭示案之另一態樣，提供一種度量衡設備，其用於對包含根據該第一態樣之該輻射源之諸如一晶圓或遮罩的一物件進行量測。
一般而言，本文中揭示旨在簡化寬帶輻射源之方法及設備。更特定言之，本發明人已瞭解，藉由增加空芯光子晶體光纖(HC-PCF)之非線性屬性，來自泵雷射之輸入能量可減小，同時仍提供自輻射源發射之輻射之所需寬帶光譜。此具有數個優勢，尤其係泵雷射可包括較少放大級，極大地降低成本。
在本發明文件中，術語「輻射」及「光束」用於涵蓋所有類型之電磁輻射及微粒輻射，包括紫外輻射(例如，波長為365、248、193、157或126 nm)、極紫外輻射(EUV，例如具有在約5至100 nm之範圍內之波長)、X射線輻射、電子射束輻射及其他微粒輻射。
如本文中所採用之術語「倍縮光罩」、「遮罩」或「圖案化裝置」可廣泛地解釋為指代可用於向入射輻射光束賦予經圖案化橫截面之通用圖案化裝置，該經圖案化橫截面對應於待在基板之目標部分中產生的圖案。在此上下文中，亦可使用術語「光閥」。除典型遮罩(透射或反射、二進制、相移、混合等)以外，其他此類圖案化裝置之實例包括可程式劃鏡面陣列及可程式規劃LCD陣列。
圖1示意性地描繪微影設備LA。微影設備LA包括：照射系統(亦稱為照明器) IL，其經組態以調節輻射光束B (例如UV輻射、DUV輻射、EUV輻射或X射線輻射)；遮罩支撐件(例如遮罩台) T，其經建構以支撐圖案化裝置(例如遮罩) MA且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位該圖案化裝置MA之第一定位器PM；基板支撐件(例如晶圓台) WT，其經建構以固持基板(例如抗蝕劑塗佈晶圓) W且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位該基板支撐件之第二定位器PW；及投影系統(例如折射投影透鏡系統) PS，其經組態以將由圖案化裝置MA賦予至輻射光束B之圖案投影至基板W之目標部分C (例如包含一或多個晶粒)上。
在操作中，照射系統IL例如經由光束遞送系統BD自輻射源SO接收輻射光束。照射系統IL可包括各種類型的光學組件，諸如折射、反射、繞射、磁性、電磁、靜電及/或其他類型的光學組件或其任何組合以引導、塑形及/或控制輻射。照明器IL可用於調節輻射光束B，以在圖案化裝置MA之平面處在其橫截面中具有所要之空間及角強度分佈。
本文所使用之術語「投影系統」PS應廣泛地解譯為涵蓋適於所使用之曝光輻射及/或適於諸如浸潤液體之使用或真空之使用之其他因素的各種類型之投影系統，包括折射、反射、繞射、反射折射、合成、磁性、電磁及/或靜電光學系統，或其任何組合。可認為本文中對術語「投影透鏡」之任何使用與更一般之術語「投影系統」PS同義。
微影設備LA可屬於一種類型，其中基板之至少一部分可由具有相對高折射率之液體(例如，水)覆蓋，以便填充投影系統PS與基板W之間的空間--此亦稱為浸潤微影。在以全文引用之方式併入本文中之US6952253中給出關於浸潤技術的更多資訊。
微影設備LA亦可屬於具有兩個或更多個基板支撐件WT (亦稱為「雙載物台」)之類型。在此類「多載物台」機器中，可並行地使用基板支撐件WT，及/或可對位於基板支撐件WT中之一者上之基板W進行基板W之後續曝光的製備步驟，而另一基板支撐件WT上之另一基板W用於曝光另一基板W上之圖案。
除基板支撐件WT以外，微影設備LA亦可包含量測載物台。量測載物台經配置以固持感測器及/或清潔裝置。感測器可經配置以量測投影系統PS之屬性及/或輻射光束B之屬性。量測載物台可固持多個感測器。清潔裝置可經配置以清潔微影設備之部分，例如投影系統PS之一部分或提供浸潤液體之系統之一部分。量測載物台可在基板支撐件WT遠離投影系統PS時在投影系統PS下方移動。
在操作中，輻射光束B入射於固持在遮罩支撐件T上之圖案化裝置MA (例如，遮罩)上，且藉由圖案化裝置MA上存在之圖案(設計佈局)而圖案化。橫穿遮罩MA後，輻射光束B穿過投影系統PS，投影系統PS將光束聚焦在基板W之目標部分C上。憑藉第二定位器PW及位置量測系統IF，基板支撐件WT可準確地移動，例如，以便在聚焦及對齊位置處在輻射光束B之路徑中定位不同的目標部分C。類似地，第一定位器PM及可能的另一位置感測器(其未在圖1中明確地描繪)可用於相對於輻射光束B之路徑來準確地定位圖案化裝置MA。可使用遮罩對準標記M1、M2及基板對準標記P1、P2來對準圖案化裝置MA及基板W。儘管如所說明之基板對準標記P1、P2佔據專用目標部分，但其可定位於目標部分之間的空間中。在基板對準標記P1、P2定位於目標部分C之間時，此等基板對準標記稱為切割道對準標記。
如圖2中所展示，微影設備LA可形成微影單元LC (有時亦稱為微影單元(lithocell)或(微影)群集)之部分，其常常亦包括對基板W執行曝光前及曝光後程序之設備。習知地，此等設備包括沈積抗蝕劑層之旋塗器SC、顯影曝光之抗蝕劑的顯影器DE、冷卻板CH及烘烤板BK (例如用於調節基板W之溫度，例如用於調節抗蝕劑層中之溶劑)。基板處置器或機器人RO自輸入/輸出埠I/O1、I/O2拾取基板W、在不同程序設備之間移動基板W，且將基板W遞送至微影設備LA之裝載區LB。微影單元中通常亦統稱為塗佈顯影系統之裝置通常處於塗佈顯影系統控制單元TCU之控制下，該塗佈顯影系統控制單元TCU自身可藉由監督控制系統SCS控制，該監督控制系統SCS亦可例如經由微影控制單元LACU控制微影設備LA。
在微影程序中，需要頻繁地對所產生之結構進行量測，例如，以用於程序控制及驗證。用以進行此類量測之工具通常稱為度量衡工具MT。用於進行此類量測之不同類型之度量衡工具MT已為吾人所知，包括掃描電子顯微鏡或各種形式之散射計度量衡工具MT。散射計為多功能儀器，其允許藉由在光瞳或與散射計之物鏡之光瞳共軛的平面中具有感測器來量測微影程序之參數，量測通常稱為以光瞳為基礎之量測，或允許藉由在影像平面或與影像平面共軛之平面中具有感測器來量測微影程序之參數，在此情況下量測通常稱為以影像或場為基礎之量測。以全文引用之方式併入本文中之專利申請案US20100328655、US2011102753A1、US20120044470A、US20110249244、US20110026032或EP1,628,164A中進一步描述此類散射計及相關聯量測技術。前述散射計可使用來自軟x射線、極紫外線及可見光至近IR波長範圍之光來量測光柵。
為了正確且一致地曝光由微影設備LA曝光之基板W，需要檢驗基板以量測經圖案化結構之屬性，諸如後續層之間的疊對誤差、線厚度、臨界尺寸(CD)等。出於此目的，檢測工具及/或度量衡工具(圖中未繪示)可包括於微影單元LC中。若偵測到誤差，則可對後續基板之曝光或對待對基板W執行之其他處理步驟例如進行調整，尤其在同一批量或批次之其他基板W仍待曝光或處理之前進行檢測的情況下。
亦可稱為度量衡設備之檢測設備用於判定基板W之屬性，且尤其判定不同基板W之屬性何變化或與同一基板W之不同層相關聯之屬性在層與層之間如何變化。檢測設備可替代地經建構以識別基板W上之缺陷，且可例如為微影單元LC之部分，或可整合至微影設備LA中，或可甚至為獨立裝置。檢測設備可量測潛影(在曝光之後在抗蝕劑層中之影像)上之屬性，或半潛影(在曝光後烘烤步驟PEB之後在抗蝕劑層中之影像)上之屬性，或經顯影抗蝕劑影像(其中抗蝕劑之曝光部分或未曝光部分已經移除)上之屬性，或甚至經蝕刻影像(在諸如蝕刻之圖案轉印步驟之後)上之屬性。
在第一實施例中，散射計MT為角解析散射計。在此散射計中，重建構方法可應用於經量測信號以重建構或計算光柵之屬性。此重建構可例如由模擬散射輻射與目標結構之數學模型之相互作用且比較模擬結果與量測之結果引起。調整數學模型之參數直至經模擬相互作用產生類似於自真實目標觀測到之繞射圖案的繞射圖案為止。
在第二實施例中，散射計MT為光譜散射計MT。在此光譜散射計MT中，由輻射源發射之輻射經導向至目標上且來自目標之反射或散射輻射經導向至光譜儀偵測器上，該光譜儀偵測器量測鏡面反射輻射之光譜(亦即隨波長而變化之強度之量測值)。根據此資料，可例如藉由嚴密耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis)及非線性回歸或藉由與經模擬光譜庫進行比較來重建構產生偵測到之光譜的目標之結構或輪廓。
在第三實施例中，散射計MT為橢圓量測散射計。橢圓量測散射計允許藉由針對每一偏振狀態量測散射輻射來判定微影程序之參數。此度量衡設備藉由在度量衡設備之照明區段中使用例如適當偏振濾光器來發射偏振光(諸如線性、圓形或橢圓)。適合於度量衡設備之源亦可提供偏振輻射。在以全文引用之方式併入本文中之美國專利申請案11/451,599、11/708,678、12/256,780、12/486,449、12/920,968、12/922,587、13/000,229、13/033,135、13/533,110及13/891,410中描述現有橢圓量測散射計的各種實施例。
在散射計MT之一個實施例中，散射計MT適用於藉由量測反射光譜及/或偵測組態中之不對稱性(該不對稱性與疊對之範圍有關)來量測兩個未對準光柵或週期性結構之疊對。可將兩個(通常重疊)光柵結構施加於兩個不同層(未必為連續層)中，且該兩個光柵結構可形成為處於晶圓上實質上相同的位置。散射計可具有如例如在共同擁有之專利申請案EP1,628,164A中所描述之對稱偵測組態，以使得任何不對稱性可清楚地辨識。此提供用以量測光柵中之未對準之直接方式。可在全文係以引用方式併入本文中之PCT專利申請申請案第WO 2011/012624號或美國專利申請案第US 20160161863號中找到關於含有作為目標之週期性結構之兩個層之間的疊對誤差經由該等週期性結構之不對稱性予以量測的另外實例。
其他所關注參數可為焦點及劑量。可藉由如以全文引用之方式併入本文中之美國專利申請案US2011-0249244中所描述的散射量測(或替代地藉由掃描電子顯微法)同時判定焦點及劑量。可使用具有針對焦點能量矩陣(FEM，亦稱為焦點曝光矩陣)中之每一點的臨界尺寸及側壁角量測之唯一組合的單一結構。若可獲得臨界尺寸及側壁角度之此等唯一組合，則可自此等量測唯一地判定焦點及劑量值。
度量衡目標可為藉由微影程序主要在抗蝕劑中形成且亦在例如蝕刻程序之後形成的複合光柵的集合。通常，光柵中之結構之間距及線寬很大程度上取決於量測光學器件(尤其光學器件之NA)以能夠捕獲來自度量衡目標之繞射階。如較早所指示，繞射信號可用於判定兩個層之間的移位(亦稱為『疊對』)或可用於重建構如由微影程序產生之原始光柵之至少部分。此重建構可用於提供微影程序之品質之導引，且可用於控制微影程序之至少部分。目標可具有經組態以模仿目標中之設計佈局之功能性部分的尺寸之較小子分段。歸因於此子分段，目標將表現得更類似於設計佈局之功能性部分，使得總體程序參數量測更佳地類似於設計佈局之功能性部分。可在填充不足模式下或在填充過度模式下量測目標。在填充不足模式下，量測光束產生小於總體目標之光點。在填充過度模式下，量測光束產生大於總體目標之光點。在此填充過度模式下，亦有可能同時量測不同目標，藉此同時判定不同處理參數。
使用特定目標之微影參數之總體量測品質至少部分地由用於量測此微影參數的量測配方來判定。術語「基板量測配方」可包括量測自身之一或多個參數、經量測之一或多個圖案之一或多個參數，或兩者。舉例而言，若用於基板量測配方中之量測為基於繞射的光學量測，則量測之參數中的一或多者可包括輻射之波長、輻射之偏振、輻射相對於基板之入射角度、輻射相對於基板上之圖案的定向等。用以選擇量測配方之準則中之一者可例如為量測參數中之一者對於處理變化之敏感度。在以全文引用方式併入本文中之美國專利申請案US2016-0161863及已公開之美國專利申請案US 2016/0370717A1中描述更多實例。
通常，微影設備LA中之圖案化程序為處理中之最關鍵步驟中之一者，其要求基板W上之結構之尺寸標定及置放之高準確度。為保證此高準確度，可將三個系統組合於圖3中示意性地描繪之所謂「整體」控制環境中。此等系統中之一者為微影設備LA，其(實際上)連接至度量衡工具MET (第二系統)且連接至電腦系統CL (第三系統)。此「整體」環境之關鍵在於最佳化此等三個系統之間的合作以增強總體程序窗且提供嚴格控制迴路，以確保由微影設備LA執行之圖案化保持在程序窗內。程序窗限定製程參數(例如劑量、焦點、疊對)之範圍，在該範圍內，特定製造程序產生限定結果(例如功能性半導體裝置)--通常在該經限定結果內，允許微影程序或圖案化程序中之程序參數變化。
電腦系統CL可使用待圖案化之設計佈局(之部分)來預測使用哪些解析度增強技術，且執行運算微影模擬及計算以判定哪些遮罩佈局及微影設備設定實現圖案化程序之最大總體程序窗(藉由第一標度SC1中之雙箭頭描繪於圖3中)。通常，解析度增強技術經配置以匹配微影設備LA之圖案化可能性。電腦系統CL亦可用於偵測在程序窗內微影設備LA當前正在何處進行操作(例如，使用來自度量衡工具MET之輸入)以預測歸因於例如次佳處理是否可存在缺陷(在圖3中藉由第二標度SC2中之指向「0」之箭頭描繪)。
度量衡工具MET可將輸入提供至電腦系統CL以實現準確模擬及預測，且可將回饋提供至微影設備LA以識別例如微影設備LA之校準狀態中的可能漂移(在圖3中由第三標度SC3中之多個箭頭描繪)。
上文所提及之諸如散射計、拓樸量測系統或位置量測系統之度量衡工具MT可使用源自輻射源之輻射來執行量測。藉由度量衡工具使用之輻射之屬性可影響可執行之量測的類型及品質。對於一些應用，使用多個輻射頻率來量測基板可為有利的，例如可使用寬帶輻射。多個不同頻率可能夠在不干涉其他頻率或最少干涉其他頻率之情況下傳播、輻照及散射開度量衡目標。因此，可例如使用不同頻率來同時獲得更多度量衡資料。不同輻射頻率亦可能夠詢問及發現度量衡目標之不同屬性。寬帶輻射可用於諸如位準感測器、對準標記量測系統、散射量測工具或檢測工具之度量衡系統MT中。寬帶輻射源可為超連續光譜源。
例如超連續光譜輻射之高品質寬帶輻射可難以產生。用於產生寬帶輻射之一種方法可為例如利用非線性高階效應來加寬高功率窄頻帶或單頻輸入輻射。輸入輻射(其可使用雷射來產生)可稱為泵輻射。替代地，輸入輻射可稱為種子輻射。為獲得用於加寬效應之高功率輻射，可將輻射約束至小區域中以使得達成很大程度上經局域化的高強度輻射。在彼等區域中，輻射可與光譜加寬結構及/或形成非線性媒體之材料相互作用以便產生寬帶輸出輻射。在高強度輻射區域中，不同材料及/或結構可用於藉由提供適合的非線性媒體來實現及/或改良輻射加寬。
在一些實施中，在光子晶體光纖(photonic crystal fiber；PCF)中產生寬帶輸出輻射。在若干實施例中，此類光子晶體光纖在其光纖芯周圍具有微結構，有助於約束經由光纖芯中之光纖行進之輻射。光纖芯可由具有非線性屬性且當高強度泵輻射透射通過光纖芯時能夠產生寬帶輻射之固體材料製成。儘管在實芯光子晶體光纖中產生寬帶輻射為可行的，但使用固體材料可存在幾個缺點。舉例而言，若在實芯中產生UV輻射，則此輻射可不存在於光纖之輸出光譜中，因為輻射由大多數固體材料吸收。
在一些實施中，如下文參考圖5進一步論述，用於加寬輸入輻射之方法及設備可使用用於約束輸入輻射且用於將輸入輻射加寬以輸出寬帶輻射之光纖。光纖可為空芯光纖，且可包含用以達成光纖中之輻射之有效導引及約束的內部結構。光纖可為空芯光子晶體光纖(HC-PCF)，其尤其適用於主要在光纖之空芯區內部進行強輻射約束，從而達成高輻射強度。光纖之空芯區可填充有氣體，該氣體充當用於加寬輸入輻射之加寬媒體。此光纖及氣體配置可用以產生超連續光譜輻射源。光纖之輻射輸入可為電磁輻射，例如在紅外光譜、可見光譜、UV光譜及極UV光譜中之一或多者中的輻射。輸出輻射可由寬帶輻射組成或包含寬帶輻射，該寬帶輻射在本文中可稱為白光。
一些實施例係關於包含光纖之此寬帶輻射源之新穎設計。該光纖為空芯光子晶體光纖(HC-PCF)。特定而言，光纖可為包含用於約束輻射之反共振結構之類型的空芯光子晶體光纖。包含反共振結構之此類光纖在此項技術中已知為反共振光纖、管狀光纖、單環光纖、負曲率光纖或抑制耦合光纖。此類光纖之各種不同設計在此項技術中已知。替代地，光纖可為光子帶隙光纖(HC-PBF，例如Kagome光纖)。
可工程設計數種類型之HC-PCF，每種基於不同實體導引機構。兩個此類HC-PCF包括：空芯光子帶隙光纖(HC-PBF)及空芯反共振反射光纖(HC-ARF)。HC-PCF之設計及製造上之細節可見於以引用之方式併入本文中之美國專利US2004/015085A1 (針對HC-PBF)及國際PCT專利申請案WO2017/032454A1 (針對空芯反共振反射光纖)中。圖6(a)展示包含Kagome晶格結構之Kagome光纖。
現將參考圖4描述用於輻射源之光纖之實例，圖4為橫向平面中光纖OF之示意性橫截面圖。類似於圖4之光纖之實際實例的其他實施例揭示於WO2017/032454A1中。
光纖OF包含細長主體，其限定光纖之長度，且與光纖OF之其他兩個尺寸相比較在一個尺寸較長。此較長尺寸可稱為軸向方向，且可限定光纖OF之軸線。兩個其他尺寸限定可稱為橫向平面之平面。圖4展示光纖OF在經標記為x-y平面之橫向平面(亦即，垂直於軸線)中之橫截面。光纖OF之橫向橫截面可沿著光纖軸實質上恆定。
應瞭解，光纖OF具有一定程度之可撓性，且因此，一般而言，軸線之方向沿著光纖OF之長度將不均一。諸如光軸、橫向橫截面及其類似者之術語應理解為意謂局部光軸、局部橫向橫截面等。此外，在組件經描述為成圓柱形或管狀之情況下，此等術語應理解為涵蓋當光纖OF彎曲時可能已變形的此類形狀。
光纖OF可具有任何長度且應瞭解，光纖OF之長度可取決於應用。光纖OF可具有1 cm與10 m之間的長度，例如光纖OF可具有10 cm與100 cm之間的長度。
光纖OF包含：空芯區HC；包圍空芯區HC之包覆層部分；及包圍且支撐包覆層部分之支撐部分SP。可將光纖OF視為包含具有空芯HC之主體(包含包覆層部分及支撐部分SP)。該包覆層部分包含用於導引輻射穿過空芯HC之複數個反共振元件。特定言之，複數個反共振元件經配置以約束主要在空芯HC內部傳播通過光纖OF之輻射，且經配置以沿著光纖OF導引輻射。光纖OF之空芯HC可實質上安置於光纖OF之中心區中，以使得光纖OF之軸線亦可限定光纖OF之空芯HC之軸線。
包覆層部分包含用於導引傳播通過光纖OF之輻射之複數個反共振元件。特定而言，在此實施例中，包覆層部分包含六個管狀毛細管CAP之單環。管狀毛細管CAP中之每一者充當反共振元件。
毛細管CAP亦可稱為管。在橫截面中，毛細管CAP可為圓形的，或可具有另一形狀。每一毛細管CAP包含大體上圓柱形壁部分WP，該大體上圓柱形壁部分WP至少部分地限定光纖OF之空芯HC且將空芯HC與毛細管空腔CC分離。應瞭解，壁部分WP可充當用於輻射之抗反射法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振器，該輻射傳播通過空芯HC (且該輻射可以一掠入射角入射於壁部分WP上)。壁部分WP之厚度可為合適的，以確保大體上增強返回空芯HC之反射，而大體上抑制進入毛細管空腔CC之透射。在一些實施例中，毛細管壁部分WP可具有在0.01 µm至10.0 µm之間的厚度。
應瞭解，如本文中所使用，術語包覆層部分意欲意謂光纖OF之用於導引傳播穿過光纖OF之輻射的部分(亦即，將該輻射約束於空芯HC內之毛細管CAP)。輻射可以橫向模式之形式受約束，從而沿光纖軸線傳播。
支撐部分大體上為管狀的且支撐包覆層部分之六個毛細管CAP。六個毛細管CAP均勻地圍繞內支撐部分SP之內表面分佈。六個毛細管CAP可描述為以大體上六邊形之形式安置。
毛細管CAP經配置以使得每一毛細管不與其他毛細管CAP中之任一者接觸。毛細管CAP中之每一者與內支撐部分SP接觸，且與環結構中之相鄰毛細管CAP間隔開。此配置因為可增加光纖OF之透射頻寬(相對於例如毛細管彼此接觸之配置)而可為有益的。替代地，在一些實施例中，毛細管CAP中之每一者可與環結構中之相鄰毛細管CAP接觸。
包覆層部分之六個毛細管CAP以環結構安置於空芯HC周圍。毛細管CAP之環結構之內表面至少部分地限定光纖OF之空芯HC。空芯HC之直徑d (其可經限定為相對毛細管之間的最小尺寸，藉由箭頭d所指示)可在10與1000 µm之間，且可具有如下文所描述的例示性配置中所闡明之其他直徑。空芯HC之直徑d可影響空芯光纖OF之模場直徑、衝擊損耗、分散度、模態多元性及非線性屬性。
在此實施例中，包覆層部分包含毛細管CAP (其充當反共振元件)之單環配置。因此，自空芯HC之中心至光纖OF之外部的任何徑向方向上的線穿過不超過一個毛細管CAP。
應瞭解，其他實施例可具備反共振元件之不同配置。此等配置可包括具有反共振元件之多個環之配置及具有嵌套式反共振元件的配置。此外，儘管圖4中所展示之實施例包含六個毛細管之環，但在其他實施例中，包含任何數目個反共振元件(例如4、5、6、7、8、9、10、11或12個毛細管)的一或多個環可設置於包覆層部分中。
圖6之(b)展示上文所論述之具有管狀毛細管之單環的HC-PCF之經修改實施例。在圖6之(b)之實例中存在管狀毛細管CAP之兩個同軸環。為了固持管狀毛細管CAP之內部及外部環，支撐管ST可包括於HC-PCF中。支撐管可由二氧化矽製成。
圖4及圖6之(a)及(b)之實例之管狀毛細管可具有圓形橫截面形狀。對於管狀毛細管，其他形狀亦有可能，如橢圓或多邊形橫截面。另外，圖4及圖6之(a)及(b)之實例之管狀毛細管的固體材料可包含塑膠材料，如PMA；玻璃，如二氧化矽或軟玻璃。
圖5描繪用於提供寬帶輸出輻射之輻射源RDS。輻射源RDS包含脈衝式泵輻射源PRS，諸如能夠產生具有所要長度及能階之較短輻射脈衝的雷射或任何其他類型之源；具有空芯HC之光纖OF(例如，圖4中所展示的類型)；以及安置於空芯HC內之工作媒體WM (例如，氣體)。儘管在圖5中輻射源RDS包含圖4中所展示之光纖OF，但在替代實施例中，可使用其他類型之空芯光纖。
脈衝式泵輻射源PRS經組態以提供輸入或泵、輻射IRD。光纖OF之空芯HC經配置以接收來自脈衝式泵輻射源PRS之輸入輻射IRD，且加寬輸入輻射IRD以提供輸出輻射ORD。工作媒體WM能夠加寬所接收輸入輻射IRD之頻率範圍以便提供寬帶輸出輻射ORD。
輻射源RDS進一步包含儲集器RSV。光纖OF安置於儲集器RSV內部。儲集器RSV亦可稱為殼體、容器或氣胞。儲集器RSV經組態以含有工作媒體WM。儲集器RSV可包含此項技術中已知的用於控制、調節及/或監測儲集器RSV內部之工作媒體WM (其可為氣體)之組成的一或多個特徵。儲集器RSV可包含第一透明窗TW1。在使用時，光纖OF安置於儲集器RSV內部，以使得第一透明窗TW1接近於光纖OF之輸入末端IE處定位。第一透明窗TW1可形成儲集器RSV之壁的部分。第一透明窗TW1至少對於所接收輸入輻射頻率可為透明的，使得所接收輸入輻射IRD (或至少其大部分)可耦合至位於儲集器RSV內部之光纖OF中。應瞭解，可提供光學器件(未展示)用於將輸入輻射IRD耦合至光纖OF中。
儲集器RSV包含形成儲集器RSV之壁之部分的第二透明窗TW2。在使用時，當光纖OF安置於儲集器RSV內部時，第二透明窗TW2位於接近於光纖OF之輸出末端OE處。第二透明窗TW2可至少對於輻射源RDS之寬帶輸出輻射之頻率為透明的。
替代地，在另一實施例中，光纖OF之兩個相對末端可置放於不同儲集器內部。光纖OF可包含經組態以接收輸入輻射IRD之第一末端區段，及用於輸出寬帶輸出輻射ORD之第二末端區段。第一末端區段可置放於包含工作媒體WM之第一儲集器內部。第二末端區段可置放於第二儲集器內部，其中第二儲集器亦可包含工作媒體WM。儲集器之功能可如上文關於圖5所描述。第一儲集器可包含第一透明窗，該第一透明窗經組態以對於輸入輻射IRD為透明的。第二儲集器可包含第二透明窗，該第二透明窗經組態以對於寬帶輸出寬帶輻射ORD為透明的。第一儲集器及第二儲集器亦可包含可密封開口，以准許光纖OF部分地置放於儲集器內部且部分地置放於儲集器外部，使得氣體可密封於儲集器內部。光纖OF可進一步包含不含於儲集器內部之中間區段。使用兩個單獨氣體儲集器之此配置對於其中光纖OF相對較長(例如，當長度超過1 m時)之實施例可為尤其便利的。應瞭解，對於使用兩個單獨氣體儲集器之此類配置，可將兩個儲集器(其可包含此項技術中已知的用於控制、調節及/或監測兩個儲集器內部之氣體之組成的一或多個特徵)視為提供用於提供光纖OF之空芯HC內工作媒體WM的設備。
在此上下文中，對於至少50%、75%、85%、90%、95%或99%之頻率，窗口可為透明的，該頻率之入射輻射在窗口上透射通過窗口。
第一TW1及第二TW2透明窗兩者可在儲集器RSV之壁內形成氣密密封，以使得可在儲集器RSV內含有工作媒體WM (其可為氣體)。應瞭解，氣體WM可在不同於儲集器RSV之環境壓力的壓力下包含於儲集器RSV內。
工作媒體WM可包含：諸如氬、氪及氙之惰性氣體；諸如氫、氘及氮之拉曼(Raman)活性氣體；或諸如氬/氫混合物、氙/氘混合物、氪/氮混合物或氮/氫混合物之氣體混合物。取決於工作媒體WM之類型，非線性光學程序可包括調變不穩定性(MI)、孤立子自壓縮、孤立子分裂、克爾(Kerr)效應、拉曼效應(Raman effect)及色散波產生，其詳細內容描述於WO2018/127266A1及US9160137B1 (兩者皆以引用之方式併本文中入)中。由於可藉由使儲集器RSV中的工作媒體WM壓力(亦即，氣胞壓力)變化來調諧工作媒體WM之分散，因此可調整所產生寬帶脈衝動力及相關聯光譜加寬特性，以便最佳化頻率轉換。
在一個實施中，工作媒體WM可至少在接收用於產生寬帶輸出輻射ORD之輸入輻射IRD期間安置於空芯HC內。應瞭解，當光纖OF不接收用於產生寬帶輸出輻射之輸入輻射IRD時，氣體WM可全部或部分地不存在於空芯HC中。
為了達成頻率加寬，可需要高強度輻射。具有空芯光纖OF之優勢為，其可經由對傳播通過光纖OF之輻射的較強空間約束而達成高強度輻射，從而達成高局域化輻射強度。光纖OF內部之輻射強度可較高，例如歸因於高接收輸入輻射強度及/或歸因於光纖OF內部之輻射的強空間約束。空芯光纖之優勢為其可導引具有比實芯光纖更廣之波長範圍之輻射，且特定而言，空芯光纖可導引在紫外及紅外範圍兩者中之輻射。
使用空芯光纖OF之優勢可為在光纖OF內部導引之大部分輻射受限於空芯HC中。因此，光纖OF內部之輻射之相互作用的大部分係與工作媒體WM進行，該工作媒體WM經設置於光纖OF之空芯HC內部。因此，可增加工作媒體WM對輻射之加寬效應。
所接收輸入輻射IRD可為電磁輻射。輸入輻射IRD可作為脈衝式輻射接收。舉例而言，輸入輻射IRD可包含複數個雷射輻射脈衝，該等雷射輻射脈衝可為例如由雷射產生之超速脈衝。
輸入輻射IRD可為同調輻射。輸入輻射IRD可為準直輻射，且其優勢可為促進且提高將輸入輻射IRD耦合至光纖OF中之效率。輸入輻射IRD可包含單頻或窄頻率範圍。輸入輻射IRD可由雷射產生。類似地，輸出輻射ORD可為準直及/或同調的。
輸出輻射ORD之寬帶範圍可為連續範圍，包含輻射頻率之連續範圍。輸出輻射ORD可包含超連續光譜輻射。連續輻射可有益於在數個應用中使用，例如在度量衡應用中使用。舉例而言，頻率之連續範圍可用以詢問大量屬性。頻率之連續範圍可例如用以判定及/或消除所量測屬性之頻率依賴性。超連續光譜輸出輻射ORD可包含例如在100 nm至4000 nm之波長範圍內的電磁輻射。寬帶輸出輻射ORD頻率範圍可為例如400 nm至900 nm、500 nm至900 nm或200 nm至2000 nm。超連續光譜輸出輻射ORD可包含白光。
由脈衝式泵輻射源PRS提供之輸入輻射IRD可為脈衝式。輸入輻射IRD可包含在200 nm與2 µm之間的一或多個頻率之電磁輻射。輸入輻射IRD可例如包含具有1.03 µm之波長的電磁輻射。脈衝輻射IRD之重複率可具有1 kHz至100 MHz之數量級。脈衝能量可具有以下數量級：0.1 µJ至100 µJ，例如2.5 µJ至100 µJ，或1 µJ至10 µJ。輸入輻射IRD之脈衝持續時間可在10 fs與10 ps之間，例如300 fs。輸入輻射IRD之平均功率可在100 mW至若干100 W之間。輸入輻射IRD之平均功率可例如為20-至50 W。
脈衝式泵輻射源PRS可為雷射。可經由(泵)雷射參數、工作組件WM變化及光纖OF參數之調整改變及調諧沿光纖OF透射之此雷射脈衝之時空透射特性，例如其光譜振幅及相位。該等時空透射特性可包括以下中之一或多者：輸出功率、輸出模式輪廓、輸出時間輪廓、輸出時間輪廓之寬度(或輸出脈衝寬度)、輸出光譜輪廓及輸出光譜輪廓之頻寬(或輸出光譜頻寬)。該等脈衝泵輻射源PRS參數可包括以下中之一或多者：泵波長、泵脈衝能量、泵脈衝寬度、泵脈衝重複率。該等光纖OF參數可包括以下中之一或多者：空芯區之光纖長度、大小及形狀；毛細管之大小及形狀；包圍空芯區之毛細管的壁之厚度。例如填充氣體之該等工作媒體WM參數可包括以下中之一或多者：氣體類型、氣體壓力及氣體溫度。
由輻射源RDS提供之寬帶輸出輻射ORD可具有至少1 W之平均輸出功率。平均輸出功率可為至少5 W。平均輸出功率可為至少10 W。寬帶輸出輻射ORD可為脈衝式寬帶輸出輻射ORD。寬帶輸出輻射ORD可具有至少0.01 mW/nm之輸出輻射的整個波長帶中之功率譜密度。寬帶輸出輻射之整個波長帶中的功率譜密度可為至少3 mW/nm。
如上文所描述，寬帶輻射源可為度量衡應用所需。實例應用可用於微影應用，諸如微影圖案化結構之量測及檢測。寬帶輻射源可提供於度量衡設備中。該度量衡設備可用於關於微影量測。該等量測可例如包括疊對、對準及/或調平量測。使用寬帶輻射源之優勢可為同一源可用於不同類型之量測。
寬帶輻射源，諸如上文相對於圖5所描述，可提供以用於度量衡應用。寬帶源可自例如種子雷射之泵輻射源接收輸入(泵)輻射IRD。泵輻射可為脈衝式輻射。泵輻射可經加寬至寬帶輻射。為達成上文所描述之非線性加寬效應，可需要高強度輻射。此可藉由脈衝輻射源PRS提供。實例脈衝式輻射源可提供具有1030 nm之中心波長、大約10 µJ之脈衝能量E、在50 W範圍內之平均功率P及大約50MHz之重複率f的脈衝。重複率f、脈衝能量E及平均功率P可近似為P = f*E。因此，對於10µJ脈衝能量及50W平均功率，重複率可為5 MHZ。
在寬帶輻射源中，泵輻射源可形成寬帶源之總成本的相當大部分。在如上文所描述之寬帶輻射源之已知實施中，泵源可構成寬帶輻射源之總成本的大約20%。輻射源之成本可為度量衡設備之設計及選擇中的重要考慮因素。寬帶輻射源之高成本可限制其適用性。因此，將需要提供用於寬帶輻射源之成本較低組態。特定言之，設計及提供更具成本效益的泵輻射源可為有利的。
圖7描繪用於將輸入輻射提供至經組態以用於輸入輻射之光譜加寬之空芯光纖的脈衝輻射源400的組件的示意性表示。脈衝輻射源400可為超速高功率光纖雷射。在該設置中，基於光纖之振盪器402可提供輻射之種子脈衝。種子脈衝可具有100 fs至500 fs範圍內之脈衝長度。種子脈衝可在經提供至空芯光纖之前藉由啾聲脈波放大技術而放大。空芯光纖可為充氣空芯光纖。可進行放大以達成足夠高以(例如，大約10 µJ)之脈衝目標能量，從而在空芯光纖內部誘發非線性光譜加寬效應。依賴於以達成光譜加寬之非線性效應可包括調變不穩定性(modulation instability；MI)，亦稱為調變不穩定性(modulational instability)。
調變不穩定性為隨機非線性光譜加寬程序。MI基於經由非線性效應(例如，克爾效應)加強之輻射脈衝中的天然存在之變化(或調變)而引起光譜加寬。非線性效應可藉由空芯光纖由達成高局部輻射強度而增強。
調變不穩定性可用以達成接收到的泵輻射之光譜加寬。使用調變不穩定性可提供優勢，此係因為其可產生具有相對平坦強波長分佈之寬帶輻射。若複數個脈衝經平均化，則情況可尤其如此。歸因於遍及寬波長範圍之相對平坦強度分佈，調變不穩定性驅動寬帶輻射源可稱為白光源。使用MI驅動光譜加寬之另一優勢為該程序比基於自壓縮之光譜加寬更穩固設計。此意謂與孤立子自壓縮源相比較，MI驅動源設置之小變化對輸出輻射具有相對較小效應。另一優勢可為相對於其他輻射加寬技術，可使用經濟源作為泵源來達成輻射之調變不穩定性驅動加寬。
為了放大種子脈衝，基於光纖之脈衝拉伸器404及第一放大器406 (例如光纖前置放大器)可執行種子脈衝的第一放大步驟。第一放大器可為光纖前置放大器，諸如習知Yb摻雜單模光纖。第一放大器可將脈衝能量增大至大約1 µJ。在其他實例實施中，可提供第一放大器，該第一放大器經組態以增大脈衝能量直至大致2.5 µJ.此為單一放大器之限制，此係因為針對較大放大將出現之非線性效應可導致相當大脈衝劣化及/或不可逆光纖損壞。
在第一放大階段之後，遞減計數器408可減小脈衝之重複率，亦即減小每秒脈衝之數目。脈衝之數目之減小可為實現每脈衝之較高能量，同時使脈衝輻射之平均功率保持相同。第二放大器410 (例如光纖功率放大器)可執行第二放大步驟以將脈衝能量升壓至所要目標能量。目標能量範圍可在2.5 µJ至(例如若干)數10µJ內。第二放大器410可為光纖功率放大器，諸如大模面積、Yb摻雜光子晶體光纖。塊光柵壓縮機412接著可壓縮脈衝以獲得高能量超短脈衝。
本發明人意識到，若源能夠包含單一放大器而非當前所需之兩個放大器，則泵輻射源400之成本可顯著減小。為實現這一點，寬帶源將必須基於具有能量
Figure 02_image025
μJ之接收到的泵脈衝來產生寬帶輻射。在此情況下，第二放大器410及遞減計數器408可自源400移除。此減小脈衝功率可具有允許源400利用更具成本效益的壓縮機模組(例如，稜鏡對而非塊光柵)之另一優勢，此係因為峰值強度減小。
移除對第二放大器410及遞減計數器408之需要可導致脈衝式泵輻射源400之顯著成本減小(例如40至50%，不包括殼體及周邊)。有利地，避免第二放大器410及遞減計數器408模組可減小源400之停機時間之量，此係因為存在較少可致使故障之模組。
然而，依賴於調變不穩定性MI之寬帶輻射源之先前實施需要具有大於5 μJ的能量之脈衝起作用，此係因為MI非線性光學效應係在此等能階下觸發。在先前實施之實例中，可使用具有30 μm之內接芯直徑之空芯光子晶體光纖HC-PCF。空芯可填充有包含25.7巴之壓力下之氪氣的工作媒體/工作氣體。當在5 MHz下用1030 nm、300 fs、5.3 μJ輻射脈衝抽吸時，可在約400 nm下之低波長截止的情況下達成超連續光譜寬帶輸出輻射。此可在下文段落中稱為基礎設置。
為在較低脈衝能量下達成基於MI之非線性光譜加寬效應所需的強度，可使用較小芯直徑。此可自以下關係(1)看到。基礎設置與設置(稱為新設置)之間的關係在脈衝能量E new減小之情況下，可如下：
Figure 02_image027
其中D new及D base分別為基礎設置及新設置空芯光纖之芯直徑，p base及p new為基礎及新設置之工作氣體壓力，且E new及E base為在新及基礎設置中提供至光纖的脈衝能量。
因此，根據本發明之實施例，圖8描繪輻射源500，其用於產生寬帶輻射，其包含經組態以產生具有複數個脈衝之泵輻射504之泵源502，脈衝之脈衝能量為2.5 µJ或更小。脈衝持續時間範圍可為100 fs至500 fs。脈衝可具有高於16之孤立子階數。輻射源500進一步包含空芯光纖508，該空芯光纖具有空芯區506及包圍空芯區之包覆層。空芯區經組態以包含工作媒體510。工作媒體包含加壓氣體。加壓氣體至少在輻射源在使用中時存在於光纖之空芯區內。空芯光纖508經進一步配置以在光纖之輸入末端處接收脈衝式泵輻射504。空芯區506之直徑及氣體510之壓力中的一或多者經組態以在泵輻射沿著光纖傳播時加寬泵輻射之光譜以形成寬帶輻射514。寬帶輻射514在空芯光纖508之輸出末端512處輸出。
上文所描述之輻射源之優勢為：其使用具有比先前針對具有高於16 (N＞16)之孤立子階數之寬帶源達成的較低能量(2.5 µJ或更小)的泵源脈衝來提供寬帶輻射。較佳地，孤立子階數高於20 (N＞20)，且調變不穩定性為主導非線性加寬效應。
輸入脈衝式泵輻射之孤立子階數N為可用於區分根據其藉由調製不穩定性來主導光譜加寬之條件與根據其藉由孤立子自壓縮來主導光譜加寬之條件的便利參數。當N＞16或較佳地N＞20時，光譜加寬通常由調變不穩定性控制。當N＜20，或較佳地N＜16時，光譜加寬通常由孤立子自壓縮控制。
因此，本發明之目標為提供高孤立子階數N (例如N＞16，或較佳地N＞20)。輸入脈衝式泵輻射之孤立子階數與輸入脈衝式泵輻射之脈衝持續時間成正比。因此，可使用100 fs或更大之脈衝持續時間。可另外或替代地藉由增加輸入脈衝式泵輻射之脈衝能量來增加輸入脈衝式泵輻射之孤立子階數。
輸入脈衝式泵輻射之孤立子階數N可用於區分光譜加寬由孤立子自壓縮主導之條件與加寬由調變不穩定性主導的條件。輸入脈衝泵輻射之孤立子階數N可取決於泵功率之脈衝的屬性。屬性可包括脈衝之持續時間、脈衝之峰值功率及脈衝之群速分散。特定言之，孤立子階數N可表達為
Figure 02_image029
其中
Figure 02_image031
為非線性相位(或非線性參數)，P p為輸入脈衝式泵輻射之泵峰值功率，
Figure 02_image033
為輸入脈衝式泵輻射之泵脈衝持續時間，且
Figure 02_image035
為工作媒體之群速分散。
為了使高孤立子階數與2.5 µJ或更小之脈衝能量結合，光纖之空芯的直徑可小於30 µm、小於20 µm或小於10 µm。空芯區之直徑可例如在16 µm至22 µm之一範圍內。
除了判定經由調變不穩定性達成光譜加寬之能力以外，空芯光纖之內部之屬性亦可判定輸出寬帶輻射的波長範圍。雖然寬帶輻射源在使用中，但氣體之壓力可經設定以使得輸出寬帶輻射之光譜具有在350 nm至450 nm的範圍內之低波長截止。氣體之壓力可約為數10巴之階數。氣體之壓力可例如在20巴至40巴之一範圍內。較佳地，氣體壓力可在20巴至30巴之範圍內。
達成所要低波長截止所需之氣體壓力可視空芯之直徑而定。氣體之壓力可基於空芯光纖之零分散波長ZDW而判定。在毛細管近似中，ZWD可自群速分散 β 2 之根而獲得：
Figure 02_image037
其中
Figure 02_image039
，且
Figure 02_image041
。其中
Figure 02_image043
為群速分散，
Figure 02_image045
為傳播常數，λ為輻射波長，且c為真空中光速。
群速分散可近似為
Figure 02_image047
其中n gas為加壓氣體之折射率，且
Figure 02_image049
為第一類貝索函數之第一零J 0。ZDW可在700 nm至1000 nm範圍內。對於上文所描述的基礎設置，ZDW可經估計為909.8 nm。
作為ZDW之替代及/或附加，氣體之壓力可基於空芯光纖之相位匹配波長λ PM而判定。可基於下式判定相位匹配波長
Figure 02_image051
以及
Figure 02_image053
及
Figure 02_image055
，
Figure 02_image057
其中
Figure 02_image059
為相位匹配波長下之線性傳播常數。
Figure 02_image061
為泵頻
Figure 02_image063
下之孤立子之傳播常數，c為真空中光速，
Figure 02_image065
為量化非線性效應之強度之非線性參數，其亦可稱為非線性係數或非線性相位。P c為經壓縮孤立子之峰值功率。相位匹配波長可在300 nm至700 nm之範圍內。
圖9描繪本文中所論述之輻射源之空芯光纖的針對給定芯直徑之所估計脈衝能量及氣體壓力的實例曲線圖。曲線圖指示對於ZDW保持恆定(例如，在909.8 nm下)之準則，芯直徑、氣體壓力及脈衝能量之間的關係。曲線圖中之線上之箭頭指示哪些軸線相對於線按比例調整。曲線圖在所估計計算中使用氙作為加壓氣體而判定。自圖9中之曲線圖可見，壓力隨著芯直徑減小而增大。脈衝能量隨著芯直徑增大而增大。區域602指示可用芯直徑範圍。可基於最大可接受脈衝能量而判定直徑範圍。在圖9中，此可設定為2.5µJ。在其他實例實施中，最大能量脈衝可受限於1 µJ。
如自曲線圖可見，大約27 µm之芯直徑可允許使用2.5 µm或更小之脈衝能量。大約21 µm之芯直徑D可允許使用1 µJ或更小之脈衝能量。曲線圖說明對於減小的芯直徑，所需氣體壓力快速增大。此類大氣體壓力可較不實用(例如工程改造或安全挑戰)，或甚至不可能(例如，對於壓力＞58巴，Xe變得超臨界)。
用於輻射源500之空芯光纖508可為如關於圖4及/或圖6所描述之光纖。空芯光纖508可為空芯光子晶體光纖HC-PCF。光纖之包覆層可包含複數個毛細管。毛細管可配置於包圍空芯區之單環中。毛細管可具有包圍中空毛細管芯之壁。壁之厚度可為大約200 nm或更小。可與輻射源之泵源分離地提供空芯光纖。
輻射源500可具有含於儲集器中之至少其末端，如上文關於圖5所描述。儲集器可用於將氣體提供至光纖之空芯。儲集器可具有用於控制氣體之屬性的控制器。儲集器可控制氣體之壓力及/或一致性。
用於輻射源500之泵源502可包含雷射。泵源502可包含跟隨有單一放大器之種子雷射。特定言之，泵源不需要遞減計數器408或第二放大器410，藉此減小泵源502及輻射源500之組件之成本及數目。單一放大器可為光纖放大器。由於不存在遞減計數器408，因此脈衝式輸出寬帶輻射514之重複率可等於泵源502之種子雷射之重複率。
泵源可包含第一放大器下游之脈衝壓縮機。脈衝壓縮機可直接在第一放大器下游。脈衝壓縮機可包含一或多個稜鏡對。
本文中所描述之輻射源500可提供於度量衡設備中。度量衡設備可用於微影結構之量測及/或檢測。輻射源可提供於微影設備及/或微影單元中。
除非另外具體陳述，否則可組合本文中所描述之不同態樣、實施例及實施之特徵。
儘管可在本文中特定地參考在IC製造中對微影設備之使用，但應理解，本文中所描述之微影設備可具有其他應用。可能其他應用包括製造整合式光學系統、用於磁域記憶體之導引及偵測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭等。
儘管可在本文中特定地參考在微影設備之上下文中的本發明之實施例，但本發明之實施例可用於其他設備。本發明之實施例可形成遮罩檢測設備、度量衡設備或量測或處理諸如晶圓(或其他基板)或遮罩(或其他圖案化裝置)之物件之任何設備的部分。此等設備可通常被稱作微影工具。此種微影工具可使用真空條件或環境(非真空)條件。
儘管上文可能已經特定地參考在光學微影之上下文中對本發明之實施例的使用，但應瞭解，在上下文允許之情況下，本發明不限於光學微影，且可用於例如壓印微影之其他應用中。
在以下經編號條項之清單中揭示另外實施例： 1. 一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含： 一泵源，其經組態以產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射；以及 一空芯光纖，其包含一空芯及包圍該空芯之一包覆層，該空芯於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入末端處接收該泵輻射； 其中該空芯之一直徑及該氣體之一壓力中的一或多者經組態以使得該等輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜，以用於自該空芯光纖之輸出末端提供輸出寬帶輻射。 2. 如條項1之輻射源，其中該空芯之直徑小於30 µm、小於20 µm或小於10 µm。 3. 如條項1或2之輻射源，其中該空芯之該直徑在16 µm至22 µm之一範圍內。 4. 如前述條項中任一項之輻射源，其中該脈衝持續時間在100 s至500 fs之一範圍內。 5. 如任一前述條項之輻射源，其中該氣體之該壓力經組態以在一特定空芯直徑之情況下，提供該輸出寬帶輻射之具有在350 nm至450 nm之一範圍內的一低波長截止之一光譜。 6. 如條項5之輻射源，其中該氣體之該壓力在20巴至40巴之一範圍內。 7. 如條項5或6之輻射源，其中該氣體之該壓力基於該空芯光纖之一零分散波長而判定。 8. 如條項7之輻射源，其中該零分散波長基於下式而判定：
Figure 02_image067
以及
Figure 02_image069
及
Figure 02_image071
其中β為傳播常數，λ為波長，且c為真空中光速。 9. 如條項7或8之輻射源，其中該零分散波長在700 nm至1000 nm之一範圍內。 10.   如條項5或6之輻射源，其中該氣體之該壓力基於該空芯光纖之一相位匹配波長而判定。 11.    如條項10之輻射源，其中該相位匹配波長λ PM基於下式而判定：
Figure 02_image073
以及
Figure 02_image075
及
Figure 02_image077
,
Figure 02_image079
其中
Figure 02_image081
為在相位匹配波長下之線性傳播常數，
Figure 02_image083
為在泵頻
Figure 02_image085
下之孤立子之傳播常數，c為真空中光速，
Figure 02_image087
為非線性參數，且P c為經壓縮孤立子之峰值功率。 12.   如條項10或11之輻射源，其中該相位匹配波長在300至700 nm之一範圍內。 13.   如任一前述條項之輻射源，其中該泵源包含： 一種子雷射，其經組態以提供種子輻射脈衝；以及 一光纖放大器，其經組態以接收且放大該等種子輻射脈衝，且將該泵輻射提供至該空芯光纖。 14.   如條項13之輻射源，其中該泵源進一步包含： 一脈衝壓縮機，其位於該光纖放大器下游且視情況直接位於該光纖放大器下游。 15.   如條項13或14之輻射源，其中該脈衝壓縮機包含一或多個稜鏡對。 16.   如條項13至15中任一項之輻射源，其中該種子雷射脈衝具有一第一重複率，且該輻射源之該輸出寬帶輻射包含具有一第二重複率之脈衝，其中該第一重複率實質上等於該第二重複率。 17.   如任一前述條項之輻射源，其中該泵源包含僅一單一光纖放大器。 18.   如任一前述條項之輻射源，其中該空芯光纖為一空芯光子晶體光纖，HC-PCF。 19.   如條項18之輻射源，其中該光子晶體光纖之該空芯由包含複數個毛細管之一包覆層包圍。 20.   如條項19之輻射源，其中該HC-PCF中之該毛細管之一壁部分的一厚度為200 nm或更小。 21.   如條項18至20中任一項之輻射源，其中該HC-PCF為一單環HC-PCF。 22.   一種空芯光子晶體光纖(HC-PCF)，其用於接收具有2.5 µJ或更小之一能量之泵輻射之一或多個脈衝，該HC-PCF經組態以使得泵輻射之該一或多個脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜，該光纖包含： 一空芯，其具有在16 µm至22 µm之範圍內之一直徑；以及 一包覆層，其包圍該空芯； 其中該空芯經組態以於其中接收一加壓氣體。 23.   如條項22之HC-PCF，其中該HC-PCF為一單環HC-PCF。 24.   如條項22或23之HC-PCF，其中該HC-PCF中之該毛細管之一壁部分的一厚度為大約200 nm或更小。 25.   如條項22至24中任一項之HC-PCF，其中該空芯填充有在20巴至40巴之一範圍內之一壓力下的一氣體。 26.   一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含： 一泵源，其經組態以產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射；以及 一空芯光纖，其包含一空芯及包圍該空芯之一包覆層，該空芯於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入末端處接收高泵輻射，且在一輸出末端處發射輸出寬帶輻射， 其中該空芯之一直徑在16 µm至22 µm之一範圍內；以及 泵輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數。 27.   一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含： 一泵源，其經組態以產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射；以及 一空芯光纖，其包含一空芯及包圍該空芯之一包覆層，該空芯經組態以於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入末端處接收該泵輻射； 一儲集器，其經組態以控制該經加壓氣體且將其遞送至該空芯光纖； 其中該空芯之一直徑及該加壓氣體之一壓力中的一或多者經組態以使得該輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜，以用於自該空芯光纖之一輸出端提供輸出寬帶輻射。 28.   一種微影設備，其包含如條項1至21及26至27中任一項之輻射源，及/或包含如條項22至25中任一項之HC-PCF。 29.   一種微影單元，其包含如條項28之微影設備。 30.   一種用於產生寬帶輻射之方法，該方法包含： 藉由一泵源產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射；以及 在一空芯光纖之一輸入末端處接收該泵輻射，該空芯光纖包含一空芯及包圍該空芯之一包覆層，該空芯於其中具有一加壓氣體，且該空芯之一直徑及該氣體之一壓力中的一或多者經組態以使得輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜；以及 自該空芯光纖之一輸出末端提供輸出寬帶輻射。 31.   一種用於產生寬帶輻射之方法，該方法包含： 藉由一泵源產生包含具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量之複數個輻射脈衝的泵輻射； 在一空芯光纖之一輸入末端處接收該泵輻射，該空芯光纖包含一空芯及包圍該空芯之一包覆層，該空芯具有在16 µm至22 µm之一範圍內之一直徑，且於其中具有一加壓氣體，該空芯光纖經組態以使得該輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜；以及自該空芯光纖之一輸出端提供輸出寬帶輻射。
熟習此項技術者將能夠在不脫離所附申請專利範圍之範疇的情況下設想其他實施例。
400:脈衝輻射源 402:振盪器 404:脈衝拉伸器 406:第一放大器 408:遞減計數器 410:第二放大器 412:塊光柵壓縮機 500:輻射源 502:泵源 504:泵輻射 506:空芯區 508:空芯光纖 510:工作媒體 512:輸出末端 514:寬帶輻射 602:區域 B:輻射光束 BD:光束遞送系統 BK:烘烤板 C:目標部分 CAP:管狀毛細管 CC:毛細管空腔 CH:冷卻板 CL:電腦系統 d:直徑 DE:顯影器 HC:空芯區/空芯 I/O1:輸入/輸出埠 I/O2:輸入/輸出埠 IE:輸入末端 IF:位置量測系統 IL:照射系統 IRD:輸入輻射 LA:微影設備 LACU:微影控制單元 LB:裝載區 LC:微影單元 M1:遮罩對準標記 M2:基板對準標記 MA:圖案化裝置 MET:度量衡工具 MT:度量衡工具/散射計/光譜散射計/度量衡系統 OE:輸出末端 OF:光纖 ORD:輸出輻射 P1:基板對準標記 P2:基板對準標記 PM:第一定位器 PRS:泵輻射源 PS:投影系統 PW:第二定位器 RDS:輻射源 RO:機器人 RSV:儲集器 SC:旋塗器 SC1:第一標度 SC2:第二標度 SC3:第三標度 SCS:監督控制系統 SO:輻射源 SP:支撐部分 ST:支撐管 T:遮罩支撐件 TCU:塗佈顯影系統控制單元 TW1:第一透明窗 TW2:第二透明窗 W:基板 WM:工作媒體/氣體/工作組件 WP:壁部分 WT:基板支撐件
現在將參看隨附示意性圖式僅藉助於實例來描述本發明之實施例，在該等隨附示意性圖式中： -  圖1描繪微影設備之示意性綜述； -  圖2描繪微影單元之示意性綜述； -  圖3描繪整體微影之示意性表示，其表示用以最佳化半導體製造之三種關鍵技術之間的合作； -  圖4描繪橫向平面中之空芯光纖之橫截面圖的示意性表示； -  圖5描繪用於提供寬帶輸出輻射之輻射源之示意性表示； -  圖6(a)描繪橫向平面中之Kagome光纖之橫截面圖的示意性表示； -  圖6(b)描繪在橫向平面中包含管狀毛細管之單環之空芯光纖的橫截面圖之示意性表示。 -  圖7描繪泵輻射源之組件之示意性表示； -  圖8描繪用於提供寬帶輸出輻射之輻射源之示意性表示；以及 -  圖9描繪在給定零波散波長下在輻射源中之空芯區直徑、氣體壓力以及脈衝能量之間的關係之實例曲線圖。
500:輻射源
502:泵源
504:泵輻射
506:空芯區
508:空芯光纖
510:工作媒體
512:輸出末端
514:寬帶輻射

Claims (15)

  1. 一種輻射源，其用於產生寬帶輻射，且其包含： 一泵源，其包含僅一個單一光纖放大器，該泵源經組態以產生包含複數個輻射脈衝之泵輻射，該複數個輻射脈衝具有2.5 µJ或更小之一脈衝能量及在10飛秒與10皮秒之間的一脈衝持續時間；及 一空芯光纖，其包含一空芯區及包圍該空芯區之一包覆層，該空芯區於其中具有一加壓氣體，且該空芯光纖經配置以在一輸入端處接收該泵輻射， 其中該空芯區之一直徑在10 µm至30 µm之一範圍內，且經設定尺寸使得該等輻射脈衝具有高於16之一孤立子階數，以便在該泵輻射沿著該空芯光纖傳播時使用調變不穩定性來加寬該泵輻射之一光譜，以用於自該空芯光纖之一輸出端提供輸出寬帶輻射。
  2. 如請求項1之輻射源，其中該空芯區之該直徑小於30 µm。
  3. 如請求項2之輻射源，其中該空芯區之該直徑在16 µm至22 µm之一範圍內。
  4. 如請求項1或2之輻射源，其中該脈衝持續時間在100 fs至500 fs之一範圍內。
  5. 如請求項1或2之輻射源，其中在一特定空芯區直徑之情況下，該氣體之該壓力經組態以提供該輸出寬帶輻射之具有在350 nm至450 nm的一範圍內之一低波長截止之一光譜。
  6. 如請求項5之輻射源，其中該氣體之該壓力在20巴至40巴之一範圍內。
  7. 如請求項5之輻射源，其中該氣體之該壓力基於該空芯光纖之一相位匹配波長而判定。
  8. 如請求項1或2之輻射源，其中該泵源包含： 一種子雷射，其經組態以提供種子輻射脈衝；以及 一光纖放大器，其經組態以接收且放大該等種子輻射脈衝，且將該泵輻射提供至該空芯光纖。
  9. 如請求項8之輻射源，其中該泵源進一步包含定位於該光纖放大器之下游之一脈衝壓縮機。
  10. 如請求項8之輻射源，其中該等種子雷射脈衝具有一第一重複率，且該輻射源之該輸出寬帶輻射包含具有一第二重複率之脈衝，其中該第一重複率實質上等於該第二重複率。
  11. 如請求項1或2之輻射源，其中該空芯光纖為一空芯光子晶體光纖，HC-PCF。
  12. 如請求項11之輻射源，其中該光子晶體光纖之該空芯區由包含複數個毛細管之一包覆層包圍。
  13. 如請求項12之輻射源，其中該HC-PCF中之該等毛細管之一壁部分的一厚度為200 nm或更小。
  14. 如請求項11之輻射源，其中該HC-PCF為一單環HC-PCF。
  15. 一種度量衡設備，其用於對包含如請求項1至14中任一項之輻射源之諸如一晶圓或遮罩的一物件進行量測。
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