TWI649932B - 使用面鏡及／或稜鏡之雷射重覆率倍增器及平頂射束分佈產生器 - Google Patents

Abstract

一種重覆率(脈衝)倍增器包含一或多個射束分裂器及稜鏡，該等稜鏡形成具有延遲各脈衝之能量之部分之不同光學路徑長度之一或多個環形腔。一系列輸入雷射脈衝在該等環形腔中循環且各脈衝之該能量之部分在橫穿較短腔路徑之後離開該系統，而該能量之另一部分在橫穿較長腔路徑及/或兩個腔路徑之一組合之後離開該系統。藉由該環形腔光學路徑長度之適當選擇，一輸出系列之雷射脈衝之該重覆率可變為該輸入重覆率之一倍數。可藉由選擇該等射束分裂器之透射及反射係數來控制該等輸出脈衝之相對能量。一些實施例產生實質上在一個維度上平坦之一時間平均輸出射束分佈。

Description

使用面鏡及/或稜鏡之雷射重覆率倍增器及平頂射束分佈產生器 相關申請案

本申請案主張2014年6月20日申請之標題為「Laser Pulse Multiplication Using Prisms」之美國臨時專利申請案第62/015,01號之優先權，且該案以引用的方式併入本文中。

本申請案亦主張2014年8月18日申請之標題為「Laser Repetition Rate Multiplier and Flat-Top Beam Profile Generators」之美國臨時專利申請案第62/038,471號之優先權，且該案以引用的方式併入本文中。

此申請案係關於Chuang等人在2012年6月1日申請之標題為「Semiconductor Inspection And Metrology System Using Laser Pulse Multiplier」之美國專利申請案第13/487,075號、Chuang等人在2012年12月11日申請之標題為「Semiconductor Inspection and Metrology System Using Laser Pulse Multiplier」之美國專利申請案第13/711,593號、Chuang等人在2014年8月8日申請之標題為「Split Gaussian Beams and Multi-Spot Flat-Top Illumination for Surface Scanning Systems」之美國專利申請案第14/455,161號。所有此等申請案以引用的方式併入本文中。

本發明係關於降低時間域中之雷射脈衝之光學峰值功率且視情 況均質化一空間域中之射束功率分配。此峰值功率降低及均質化系統可使用曲面鏡、射束分裂器、波板及稜鏡以產生具有一平頂空間功率分配分佈之一最佳化脈衝重覆率倍增器。本發明在半導體檢測及計量系統中尤其有用。

通常藉由連續波(CW)光源最佳地滿足對於檢測及計量之照明需求。一CW光源具有一恆定功率位準，此允許連續獲取影像或資料。然而，在許多關注波長(尤其紫外線(UV)波長)，充足輻射之CW光源(每一單位立體角之每一單位面積之功率)不可用、昂貴或不可靠。若一脈衝雷射係具有在關注波長之充足時間平均輻射之唯一可用或具成本效益的光源，則最佳係使用具有一高重覆率及寬脈衝寬度之一雷射。脈衝重覆率愈高，用於相同時間平均功率位準之每一脈衝之瞬時峰值功率愈低。雷射脈衝之較低峰值功率導致對光學器件及對被量測之樣本或晶圓之較少損害，此係由於大部分損害機制係非線性的且強烈取決於峰值功率而非平均功率。

在檢測及計量應用中，一增大重覆率之一額外優勢係每一資料獲取或每一像素收集更多脈衝，從而導致脈衝間變化之更好平均化及改良信號雜訊比。此外，對於一快速移動之樣本，一較高脈衝率可根據時間導致樣本位置之一更好取樣，此係由於在各脈衝之間移動之距離更小。

可藉由改良雷射介質、泵系統及/或其驅動電子器件而增大一雷射子系統之重覆率。不幸地，修改已按一預定重覆率操作之一UV雷射可需時間及金錢之一大量投資以改良其構成元件之一或多者，且僅可改良重覆率達一小增量。此外，增大一UV雷射中之基本雷射之重覆率降低基本雷射之峰值功率。此降低頻率轉換之效率(其必須係一非線性程序)且因此使產生高平均UV功率位準變得困難。

在許多檢測應用中，期望一平坦或均勻(而非高斯(Gaussian))照明分佈。樣本上之空間均勻照明導致橫跨照明區域之一更均勻信號雜訊比及相較於不均勻照明之一較高動態範圍。儘管不相干光源相較於一雷射之高斯分佈可能夠更容易產生不均勻照明，但此等光源具有相較於一雷射可提供之頻寬及功率密度更寬之頻寬(由於色像差而複雜化光學設計)及更低之功率密度(減低信號雜訊比)。由一高斯雷射束達成一近似平坦分佈之一個已知方法係裁剪高斯尾且僅使用射束之中央區(接近於峰值)。此方法易於應用；然而，若需一適度平坦分佈，則裁剪及浪費一大分率之雷射功率。舉例而言，若照明中之最大強度變化需為約10%，則浪費約65%之功率，且一20%變化需浪費約50%之功率。

因此，出現對於一實際、廉價技術之一需求以改良對一UV雷射之輸出操作之雷射之重覆率。此外，若增大重覆率之光學子系統可為緊湊的，使得其可容易併入至一系統中而不佔據許多空間，則其可為有利的。仍此外，存在對於可產生一近似平坦輸出分佈同時幾乎不添加額外組件至重覆率倍增器因此節省空間且最小化光學功率損耗之一重覆率倍增器之一需求。

本發明描述一種用於檢測或量測一樣本之系統。此系統包含一照明源、經組態以執行光偵測之一裝置、經組態以將光從該照明源引導至該樣本且將光輸出、反射或透射從該樣本引導至一感測器之光學器件。顯著地，該照明體包括發射一紫外線(UV)波長(即，短於約400nm之一波長)之一脈衝雷射及倍增來自該脈衝雷射之脈衝之重覆率之一重覆率倍增器。該重覆率倍增器增大每一單位時間之雷射脈衝數目且減小各雷射脈衝之峰值功率。該減小峰值功率降低或消除對該系統光學器件或被檢測或量測之該樣本之損害，且允許針對一給定損害臨 限值使用一較高平均雷射功率位準，因此改良檢測或量測之信號雜訊比及/或速度。在UV諧波之產生之後倍增該重覆率維持UV諧波轉換之效率，此係因為該等雷射脈衝之該峰值功率並不在該諧波轉換鏈中降低。

如本文中描述之併入一重覆率倍增器之檢測及量測系統在深UV(DUV)波長(即，短於約300nm之波長)及真空UV(VUV)波長(即，短於約190nm之波長)尤其有用，此係由於在此等波長之高峰值功率位準可快速損害許多不同類型之材料。

該樣本可藉由一台支撐，該台在該檢測或量測期間相對於該光學器件移動該樣本。

該例示性檢測或量測系統可包含一或多個照明路徑，其等從不同入射角及/或不同方位角及/或使用不同波長及/或偏振狀態照明該樣本。該例示性檢測或量測系統可包含一或多個收集路徑，其等在不同方向上收集藉由該樣本反射或散射之光及/或對不同波長及/或對不同偏振狀態敏感。

併入一重覆率倍增器之檢測及量測系統可經進一步組態以產生一時間平均空間均勻射束分佈(即，一平頂分佈)。本文中描述之併入一倍增器及平頂分佈產生器之一檢測或量測系統使用一緊湊空間中之少量光學組件提供該雷射重覆率之兩倍或兩倍以上倍增及一更均勻時間平均射束分佈。本文中描述之該檢測及計量系統能夠使用更高平均雷射功率，從而實現一更高通量、更好信號品質及雷射能量之更高效使用。

本發明描述用於倍增一脈衝雷射之重覆率之方法及系統。此等方法及系統將一輸入雷射脈衝分裂為在時間上分開之多個脈衝，以便倍增該雷射重覆率達諸如2、3或4之一整數。一輸入脈衝分裂為兩個，使得該脈衝之部分繼續，且該脈衝之部分進入一環形腔。在橫穿 該環形腔之至少一區段之後，該脈衝再次分裂且該脈衝之部分離開該環形腔且部分繼續在該環形腔中。該重覆率倍增器可經進一步組態以產生在一個維度上近似平坦且在垂直維度上實質上高斯之一時間平均輸出分佈。該重覆率倍增器可包括平面鏡、曲面鏡、偏振射束分裂器、波板、射束補償器及/或透鏡。

在一項例示性實施例中，藉由一波板及一偏振射束分裂器將一輸入雷射脈衝分裂為兩個。圍繞一短環形腔迴路引導該輸入雷射脈衝之一部分且圍繞一長環形腔迴路引導另一部分。在其等返回至輸入/輸出耦合器(其可包括一偏振射束分裂器)之過程中，該等脈衝遭遇另一波板，該另一波板判定脈衝能量離開該等腔之分率。該脈衝能量之其餘分率再次橫穿該等腔。

在一項例示性實施例中，短及長腔迴路長度分別設定為該輸入雷射脈衝間空間分離之1/3及2/3，使得該等輸出脈衝將在時間上延遲該脈衝間週期之1/3、2/3或1/3之一整數倍。此等延遲脈衝形成具有一重覆率(其係原始輸入雷射脈衝之重覆率之三倍)之一脈衝列。該兩個波板之定向及阻滯可經選擇，使得該等輸出脈衝具有實質上相等脈衝間能量。

在亦可使該重覆率增至三倍之另一例示性實施例中，兩個面鏡形成一環形腔且兩個射束分裂器放置於其間。每當一脈衝經過一射束分裂器時，其分裂為兩個脈衝；該等脈衝之一者直接通過而另一者被偏轉。使用此兩個射束分裂器，一些脈衝橫穿一較長腔迴路而其他橫穿一較短腔迴路。在一項例示性實施例中，該較短迴路具有約等於該原始輸入脈衝間分離之約1/3之一路徑長度，且該較長迴路係該脈衝間分離之約2/3。在此實施例中，此等輸出脈衝形成具有一重覆率(其係該等原始輸入脈衝之重覆率之三倍)之一脈衝列。使用面鏡曲率、面鏡分離及射束分裂器反射率之一適當選擇，該等輸出脈衝可具有實 質上相等脈衝間能量。

在一項實施例中，包括平板之兩個射束補償器放置於該腔中以實質上補償藉由該等射束分裂器引起的該射束路徑中之位移，使得該等射束以實質上圍繞腔軸對稱之一圖案從該等面鏡反射。在另一實施例中，一個(或兩個)射束補償器被實質上補償一個(或兩個)射束分裂器之射束路徑中之位移之一稜鏡(或諸稜鏡)所替代。在又另一實施例中，並不使用稜鏡或射束補償器且該等射束分裂器經定位以使得各者補償藉由另一者引起的該射束位移。

在又另一例示性實施例中，平面鏡及稜鏡插入至該腔內之該光路徑中以在相同對曲面鏡之間形成具有主腔迴路之約一半長度之一迴路長度之一次腔迴路。若該主腔迴路長度設定為該原始輸入脈衝間分離之約一半，則該主腔迴路可使該脈衝重覆率加倍。離開該主腔迴路之脈衝進入該次腔迴路，該次腔迴路具有該主腔迴路之約一半長度之一長度，因此再次使該脈衝重覆率加倍，從而導致一輸出脈衝重覆率係該輸入脈衝之重覆率之四倍。

一些實施例使用諸如一等腰三角形稜鏡或一杜夫(Dove)稜鏡之一稜鏡以加倍該射束在該腔內進行之往返旅程之數目。該兩個腔路線產生兩個平行輸出射束。此兩個射束之間的偏離可經選擇，使得其等重疊以形成一時間平均空間近似平頂射束分佈。

在一項實施例中，一2x脈衝倍增器方案用作用於平頂分佈產生之一基礎。在另一實施例中，一3x脈衝倍增器用作用於平頂分佈產生之一基礎。在又另一實施例中，上述4x脈衝倍增器方案用作用於平頂分佈產生之一基礎。此實施例可產生四個平行射束，其等之間具有一預定功率比。藉由選擇該等射束之間的該等分離及其等之間的該等功率比，可達成一更寬更平坦時間平均射束分佈。產生一近似平坦分佈之此等重覆率倍增器之任一者可包括射束補償器及/或稜鏡。

在一項實施例中，該環形腔包括直角面鏡對。在另一實施例中，該環形腔包括利用總內反射達成高反射率之稜鏡。使用一適當稜鏡設計，使用稜鏡之一環形腔可達成低損耗而不需使用高反射率塗層。高反射率塗層可容易地被高強度雷射脈衝損害(尤其在短波長)，因此本文中描述之許多方法及系統可具有相較於其他環形腔之一更長操作壽命及/或更低維護費用(尤其在用於倍增DUV及VUV雷射之重覆率時)。

在一項實施例中，該環形腔中之一或多個稜鏡經設計，使得該雷射束進入及離開該稜鏡之該入射角接近於布魯斯特角(Brewster’s angle)且該雷射束實質上相對於該稜鏡入口及出口表面P偏振，使得歸因於反射之該等損耗保持為小的而不需使用任何抗反射(AR)塗層。AR塗層可容易地被高強度雷射脈衝損害(尤其在短波長)，因此此實施例可具有相較於使用AR塗層之環形腔之一更長操作壽命及/或更低維護費用(尤其在用於倍增DUV及VUV雷射之重覆率時)。

在一項實施例中，針對位於相同環形腔平面中之射束偏振定向該(等)稜鏡之布魯斯特切割，而在另一實施例中，針對垂直於該環形腔平面之射束偏振定向該(等)稜鏡之布魯斯特切割。

在一項實施例中，該射束在適當設計之一單一稜鏡中兩次總內反射。此一稜鏡可替代一環形腔中之兩個摺疊面鏡，且因此降低組件之總數且簡化對準該環形腔之程序。

在一項實施例中，一直角稜鏡用於該環形腔中。其兩次反射該射束以在相反方向上將該射束發送回去同時亦在空間中移位之。該直角稜鏡之此獨特特徵導致可撓性以藉由簡單旋轉該直角稜鏡至一特定角度而倍增該有效腔長度。舉例而言，兩個環形腔可經建構為具有類似實體長度，但其中一者具有係另一者之光學路徑長度之一整數倍(例如2倍)之一光學路徑長度，使得該兩個環形腔可串聯，以便倍增 該脈衝重覆率達一較大因數，接著可在一單一環形腔中方便地達成。

在一較佳實施例中，藉由選擇相對於一表面之入射角及偏振角來控制各輸入雷射脈衝之能量經引導至該環形腔中之分率以達成所要反射及透射係數。此具有避免對於該表面上之任何塗層之需求之優勢且因此避免由該等雷射脈衝之該峰值功率密度引起的塗層損害之可能性，其尤其在該雷射重覆率倍增器與具有幾百mW或更大之一平均功率之一深UV或真空UV雷射一起使用時可為一問題。在半導體檢測及計量系統中愈加需要此等雷射，以便在檢測或量測具有約100nm或更小尺寸之特徵部時達成所要敏感度及信號雜訊比。

在一較佳實施例中，在該環形腔內使用一或多個透鏡以重新成像各雷射脈衝，使得其在每次橫穿該腔時保持約相同形狀及大小。一項實施例使用不具有塗層之布魯斯特角以重新聚焦各雷射脈衝，因此避免塗層損害之風險。

在一較佳實施例中，在一個雷射重覆率倍增器中組合上文描述之特徵之兩者或兩者以上。舉例而言，在一項較佳實施例中，一雷射重覆率倍增器包括一環形腔，該環形腔包括三個未塗佈稜鏡，其中該腔內側之該雷射束實質上相對於該等稜鏡之該等表面p偏振。該等稜鏡之兩者使用總內反射以在該環形腔內高效循環該雷射束。一第三稜鏡具有一表面，該表面經定向以使得該雷射束相對於該表面約s偏振且該等輸入脈衝在一選定角度入射，使得各輸入脈衝之所要分率經引導至該環形腔中。

本發明描述併入一雷射脈衝倍增器之晶圓檢測系統、圖案化晶圓檢測系統、光罩檢測系統及計量系統。本文中描述之該等雷射脈衝倍增器之緊湊大小使其等相對容易地併入至檢測及計量系統中。在該雷射脈衝倍增器中使用未塗佈光學器件允許該等檢測及計量系統與高功率深UV雷射一起操作而不具有歸因於塗層損害之效能降級或維護 問題。

100‧‧‧檢測系統

102‧‧‧照明源

102E-1‧‧‧平頂射束產生器

102E-2‧‧‧平頂射束產生器

102F‧‧‧平頂射束產生器

102G-1‧‧‧平頂射束產生器

102G-2‧‧‧平頂射束產生器

102H‧‧‧平頂射束產生器

103‧‧‧光學器件

104‧‧‧偵測器總成

105‧‧‧物鏡

106‧‧‧偵測器

108‧‧‧樣本

112‧‧‧台

114‧‧‧計算系統

116‧‧‧載體媒體

118‧‧‧程式指令

119‧‧‧脈衝雷射

119E-1‧‧‧雷射

119E-2‧‧‧雷射

119F‧‧‧雷射

119G-1‧‧‧雷射

119G-2‧‧‧雷射

120‧‧‧重覆率倍增器

120A‧‧‧重覆率倍增器

120B‧‧‧重覆率倍增器/脈衝重覆率三倍器

120B-1‧‧‧重覆率倍增器

120B-2‧‧‧重覆率倍增器

120D‧‧‧重覆率倍增器

120E‧‧‧重覆率倍增器

120E-1‧‧‧重覆率倍增器

120E-2‧‧‧重覆率倍增器

120F‧‧‧重覆率倍增器

120G-1‧‧‧重覆率倍增器

120G-2‧‧‧重覆率倍增器

120H‧‧‧重覆率倍增器

120I‧‧‧重覆率倍增器

120J‧‧‧重覆率倍增器

120K‧‧‧重覆率倍增器

120L‧‧‧重覆率倍增器

120M‧‧‧重覆率倍增器

120N‧‧‧重覆率倍增器

120O‧‧‧重覆率倍增器

120P‧‧‧重覆率倍增器

120Q‧‧‧重覆率倍增器

120R‧‧‧重覆率倍增器

120S‧‧‧重覆率倍增器

120T‧‧‧重覆率倍增器

120U‧‧‧重覆率倍增器

200‧‧‧暗場檢測系統

201‧‧‧照明光學器件

202‧‧‧光

203‧‧‧面鏡/透鏡

205‧‧‧線

210‧‧‧收集光學器件

211‧‧‧樣本

212‧‧‧面鏡/透鏡

213‧‧‧面鏡/透鏡

214‧‧‧光軸

215‧‧‧感測器

220‧‧‧雷射系統

221‧‧‧台

231‧‧‧收集系統

232‧‧‧收集系統

233‧‧‧收集系統

300‧‧‧檢測系統

301‧‧‧雷射束

302‧‧‧透鏡

303‧‧‧空間濾光器

304‧‧‧透鏡

305‧‧‧偏振射束分裂器

306‧‧‧法向照明通道

307‧‧‧光學器件

308‧‧‧面鏡

309‧‧‧樣本

310‧‧‧拋物面鏡

311‧‧‧感測器

312‧‧‧傾斜照明通道

313‧‧‧面鏡

314‧‧‧半波板

315‧‧‧光學器件

316‧‧‧準直射束

317‧‧‧物鏡

318‧‧‧分析器

320‧‧‧儀器

330‧‧‧雷射系統

400‧‧‧折反射成像系統

401‧‧‧雷射

402‧‧‧適應光學器件

403‧‧‧窗

404‧‧‧機械外殼

405‧‧‧稜鏡

406‧‧‧物鏡

408‧‧‧樣本

409‧‧‧感測器

410‧‧‧射束分裂器

412‧‧‧折反射物鏡

413‧‧‧聚焦透鏡組

414‧‧‧鏡筒透鏡區段

420‧‧‧寬頻照明模組

A01‧‧‧偏振射束分裂器(PBS)

A02‧‧‧偏振射束分裂器(PBS)

A03‧‧‧偏振射束分裂器(PBS)

A04‧‧‧摺疊面鏡

A05‧‧‧摺疊面鏡

A06‧‧‧摺疊面鏡

A07‧‧‧第一波板/半波板

A08‧‧‧第一波板/半波板

B01‧‧‧曲面鏡

B02‧‧‧曲面鏡

B03‧‧‧射束分裂器

B03-1‧‧‧射束分裂器

B03-2‧‧‧射束分裂器

B04‧‧‧射束分裂器

B04-1‧‧‧射束分裂器

B04-2‧‧‧射束分裂器

B05‧‧‧射束補償器

B06‧‧‧射束補償器

B07‧‧‧點

B08‧‧‧點

B09‧‧‧點

B10‧‧‧點

D01‧‧‧射束分裂器

D02‧‧‧稜鏡

D03‧‧‧射束

D04‧‧‧直角稜鏡

D05‧‧‧平面鏡/摺疊面鏡

D06‧‧‧射束分裂器

D07‧‧‧平面鏡/摺疊面鏡

E01‧‧‧等腰三角形稜鏡

E02‧‧‧路線/路徑

E03‧‧‧路線/路徑

E04‧‧‧出口路線

E05‧‧‧出口路線

E06‧‧‧標稱路線

E07‧‧‧路線

F01‧‧‧外路線

F02‧‧‧內路線

F03‧‧‧輸出雷射脈衝

F04‧‧‧輸出雷射脈衝

F06‧‧‧等腰或杜夫稜鏡

H01‧‧‧射束

H02‧‧‧射束

H03‧‧‧射束

H04‧‧‧射束

H05‧‧‧射束

I01‧‧‧射束分裂器/稜鏡

I02‧‧‧直角反射對光學元件/稜鏡

I03‧‧‧直角反射對光學元件/稜鏡

I04‧‧‧光學板

J01‧‧‧射束分裂器

J02‧‧‧直角稜鏡

J03‧‧‧直角稜鏡

J04‧‧‧光學板

K01‧‧‧射束分裂器

K02‧‧‧稜鏡

K03‧‧‧稜鏡

K04‧‧‧光學板

K11‧‧‧射束分裂器

K12‧‧‧稜鏡

K13‧‧‧稜鏡

K14‧‧‧光學板

L02‧‧‧稜鏡

L03‧‧‧稜鏡

L05‧‧‧透鏡

L06‧‧‧透鏡

N02‧‧‧稜鏡

N03‧‧‧稜鏡

N05‧‧‧球面透鏡

N06‧‧‧球面透鏡

O051‧‧‧柱面透鏡

O052‧‧‧柱面透鏡

O061‧‧‧柱面透鏡

O062‧‧‧柱面透鏡

P01‧‧‧直角稜鏡/稜鏡設計

P02‧‧‧直角稜鏡

Q02‧‧‧稜鏡

R01‧‧‧直角稜鏡

R02‧‧‧直角稜鏡

S01‧‧‧稜鏡

S02‧‧‧稜鏡

S03‧‧‧稜鏡

S1‧‧‧表面

S2‧‧‧表面

S3‧‧‧表面

S4‧‧‧表面

S5‧‧‧表面

S6‧‧‧表面

T01‧‧‧射束分裂器

T02‧‧‧稜鏡

T03‧‧‧元件/直角稜鏡

U01‧‧‧第一環形腔

U02‧‧‧第二腔

圖1圖解說明併入一脈衝雷射及一雷射脈衝重覆率倍增器(其亦可經組態為一平頂分佈產生器)之一例示性檢測或量測系統。

圖2A及圖2B圖解說明併入一重覆率倍增器(其亦可經組態為一平頂分佈產生器)之一暗場檢測系統。

圖3圖解說明一檢測系統，其經組態以使用法向及傾斜照明射束偵測一樣本上之粒子或缺陷且亦可受益於併入一重覆率倍增器(其一可經組態為一平頂分佈產生器)。

圖4係組態為具有明場及暗場檢測模式且可有利地併入一重覆率倍增器(其亦可經組態為一平頂分佈產生器)之一檢測系統之一例示性折反射成像系統。

圖5圖解說明產生具有係輸入脈衝之重覆率之三倍之一脈衝重覆率之一輸出脈衝列之一例示性重覆率倍增器。

圖6圖解說明亦產生具有係輸入脈衝之重覆率之三倍之一重覆率之一輸出脈衝列之另一例示性重覆率倍增器實施例。

圖7A及圖7B圖解說明類似於圖6中展示之重覆率倍增器但不使用射束補償器之例示性重覆率倍增器。

圖8圖解說明產生具有係輸入脈衝之重覆率之四倍之一重覆率之一輸出脈衝列之一例示性重覆率倍增器。

圖9圖解說明一例示性2x脈衝重覆率倍增器，其使用一等腰三角形稜鏡而非一板狀射束補償器。

圖10A及圖10B圖解說明包含位移射束及顛倒射束之空間序列之一等腰三角形稜鏡之特徵。

圖11A圖解說明藉由位移圖9中圖解說明之輸入射束產生一平頂輸出射束分佈之一例示性實施例。

圖11B圖解說明藉由朝向腔軸位移稜鏡而產生一平頂分佈之另一例示性實施例。

圖12圖解說明藉由兩個部分重疊之高斯射束形成之一平頂分佈。

圖13圖解說明基於圖6中展示之3x脈衝重覆率倍增器方案之一例示性平頂分佈產生器，其中至少一個板狀補償器被一稜鏡替代。

圖14A圖解說明基於圖7A中展示之3x脈衝重覆率倍增器方案之一例示性平頂分佈產生器。

圖14B圖解說明基於圖7B中展示之3x脈衝重覆率倍增器方案之另一例示性平頂分佈產生器。

圖15A圖解說明基於圖8中展示之4x脈衝重覆率倍增器方案之另一例示性平頂分佈產生器。

圖15B圖解說明藉由圖15A中展示之設計產生之一例示性平頂分佈。

圖16A及圖16B係展示根據另一實施例之基於一2x脈衝重覆率倍增器之一產生器之正視圖及側視圖。

圖16C及圖16D係展示根據另一實施例之基於一2x/4X脈衝重覆率倍增器之一產生器之正視圖及俯視圖。

圖17圖解說明具有2個直角稜鏡及一射束分裂器之一例示性重覆率倍增器。

圖18圖解說明類似於圖A但稜鏡之一者旋轉90°以使用於稜鏡之間的一給定距離之雷射脈衝之延遲時間加倍之另一例示性重覆率倍增器。

圖19A、圖19B及圖19C係圖解說明可如何根據一項實施例藉由旋轉直角面鏡對或稜鏡之一者而將環形腔長度改變為實體腔長度之不同整數倍之簡化圖。

圖20圖解說明使用類似外部尺寸之兩個腔產生具有係輸入脈衝列之重覆率之4倍之一重覆率之一脈衝列之一個可能實施例。

圖21圖解說明在一脈衝重覆率倍增器中使用以在各脈衝圍繞環形腔行進時維持其之雷射束品質之一個例示性透鏡組態。

圖22圖解說明類似於圖21之一透鏡組態，其保持在使稜鏡之一者相對於另一者旋轉之一環形腔中之雷射束品質。

圖23圖解說明在一脈衝重覆倍增器中使用以在各脈衝圍繞環形腔行進時保持其之雷射束品質之一替代例示性透鏡組態。

圖24圖解說明在一脈衝重覆率倍增器中使用以使用具有按約等於布魯斯特角之一角度入射於各透鏡上之雷射之柱面透鏡保持雷射束品質之另一例示性透鏡組態。

圖25A及圖25B圖解說明具有將射束分裂器功能組合至稜鏡之一者中之特殊稜鏡設計之兩個例示性脈衝重覆率倍增器。兩個重覆率倍增器可使用布魯斯特角稜鏡以用於再循環腔中之光。圖25B之重覆率倍增器可使用所有未塗佈光學器件，從而避免藉由高強度深UV雷射脈衝造成塗層損害之可能性。

圖26A及圖26B圖解說明類似於圖25A之重覆率倍增器但稜鏡之一者旋轉90°以使脈衝延遲時間加倍之例示性重覆率倍增器。

圖27A及圖27B圖解說明使用不具有塗層且不具有分開射束分裂器之3個稜鏡之例示性重覆率倍增器。關於使用所有未塗佈光學器件之其他實施例，此重覆率倍增器尤其適用於深UV中，此係因為其避免藉由雷射脈衝造成塗層損害之可能性。

圖28、圖28A、圖28B及圖28C圖解說明圖27A之一第一稜鏡之設計之細節。

圖29A及圖29B係圖解說明根據用於外反射及內反射兩者之入射角之菲涅爾(Fresnel)反射之圖表。其中展示在圖27A之第一稜鏡之一 項實施例中使用之入射角。

圖30、圖30A及圖30B圖解說明圖27A之一第二稜鏡之設計之細節。

圖31、圖31A、圖31B及圖31C圖解說明圖27A之一第三稜鏡之設計之細節。

圖32A及圖32B圖解說明使用兩個稜鏡及一射束分裂器或一個稜鏡、一個面鏡及一個射束分裂器之一替代例示性重覆率倍增器。

圖33圖解說明包括類似於圖32A中展示之環形腔之兩個環形腔之一例示性4x重覆率倍增器，其中環形腔之一者使其稜鏡轉過90°，以便使其有效腔長度加倍。

本文中描述用於半導體檢測及量測系統之改良照明系統。呈現以下描述以使一般技術者能夠製作且使用如在一特定申請案及其要求之內容脈絡中提供之本發明。熟習此項技術者將明白對所描述實施例之各種修改，且本文中定義之一般原理可應用至其他實施例。因此，本發明並不旨在限於所展示及描述之特定實施例，而應符合與本文中揭示之原理及新穎特徵一致之最廣泛範疇。

圖1圖解說明一例示性檢測系統100，其經組態以檢測或量測一樣本108，諸如一晶圓、標線片或光罩。樣本108放置於一台112上以促進樣本108之不同區在光學器件下方的移動。台112可包括一X-Y台或一R-θ台。在一些實施例中，台112可在檢測期間調整樣本108之高度以維持聚焦。在其他實施例中，一物鏡105可經調整以維持聚焦。

一照明源102包括如本文中描述之一或多個脈衝雷射及一重覆率倍增器。照明源102可發射DUV及/或VUV輻射。光學器件103(包含一物鏡105)朝向樣本108引導該輻射且將其聚焦於樣本108上。光學器件103亦可包括面鏡、透鏡及/或射束分裂器(為簡單起見未詳細展示)。 從樣本108反射或散射之光藉由光學器件103收集、引導且聚焦於在一偵測器總成104內之一偵測器106上。

偵測器106可包含一二維陣列感測器或一一維線感測器。在一項實施例中，偵測器106之輸出經提供至一計算系統114，計算系統114分析輸出。藉由可儲存於一載體媒體116上之程式指令118組態計算系統114。

照明源102包含一脈衝雷射119及一重覆率倍增器120。在一項實施例中，照明源102可進一步包含一連續源，諸如一弧光燈、一雷射激發電漿光源或一CW雷射。

檢測系統100之一項實施例照明樣本108上之一線，且將散射及/或反射光收集於一個多個暗場及/或明場收集通道中。在此實施例中，偵測器106可包含一線感測器或一電子轟擊線感測器。在此實施例中，照明源102內之重覆率倍增器120可經組態以產生一平頂分佈，以便有效產生一實質上均勻線照明。

檢測系統100之另一實施例照明樣本108上之多個點，且將散射及/或反射光收集於一個多個暗場及/或明場收集通道中。在此實施例中，偵測器106可包含一二維陣列感測器或一電子轟擊二維陣列感測器。

檢測系統100之各種實施例之額外細節在以下申請案中描述：2012年7月9日申請之標題為「Wafer inspection system」之美國專利申請案第13/554,954號、2011年6月7日發佈之標題為「Split Field Inspection System Using Small Catadioptric Objectives」之美國專利第7,957,066號、2008年3月18日發佈之標題為「Beam Delivery System For Laser Dark-field Illumination in a Catadioptric Optical System」之美國專利第7,345,825號、1999年12月7日發佈之標題為「Ultra-Broadband UV Microscope Imaging System With Wide Range Zoom Capability」之美國專利第5,999,31號及2009年4月28日發佈之標題為「Surface Inspection System Using Laser Line Illumination With Two Dimensional Imaging」之美國專利第7,525,649號。所有此等專利以引用的方式併入本文中。

圖2A及圖2B圖解說明根據本發明之其他例示性實施例之併入本文中描述之一重覆率倍增器及/或一重覆率倍增器方法之一暗場檢測系統200之態樣。在圖2A中，照明光學器件201包括一雷射系統220，雷射系統220產生光202，光202藉由一面鏡或透鏡203聚焦至被檢測之一晶圓或光罩(樣本)211之表面上之一線205中。收集光學器件210使用透鏡及/或面鏡212及213將從線205散射之光引導至一感測器215。收集光學器件210之一光軸214並不在線205之照明平面中。在一些實施例中，光軸214約垂直於線205。感測器215包括一陣列感測器，諸如一線性陣列感測器。雷射系統220併入本文中描述之重覆率倍增器及/或重覆率倍增方法之一或多者。雷射系統220可經組態以根據本發明之一實施例有效產生一平頂分佈，使得沿著線205之時間平均光強度可實質上均勻。

圖2B圖解說明多個暗場收集系統231、232及233之一項實施例，各收集系統實質上類似於圖2A之收集光學器件210。收集系統231、232及233可與實質上類似於圖2A之照明光學器件201之照明光學器件組合使用。樣本211支撐於台221上，台221在光學器件下方移動待檢測之區域。台221可包括一X-Y台或一R-θ台，其較佳地在檢測期間實質上連續移動以使用最小空檔時間檢測樣本之大區域。

根據圖2A及圖2B中圖解說明之實施例之檢測系統之更多細節在以下申請案中描述：2009年4月28日發佈之標題為「Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging」之美國專利7,525,649及2003年8月19日發佈之標題為「System for detecting anomalies and/or features of a surface」之美國專利6,608,676。此等專利之兩者以引用的方式併入本文中。

圖3圖解說明一檢測系統300，其經組態以使用法向及傾斜照明射束偵測一樣本上之粒子或缺陷。在此組態中，一雷射系統330提供一雷射束301。雷射系統330包括如本文中描述之一脈衝雷射及一重覆率倍增器。一透鏡302將射束301聚焦穿過一空間濾光器303。透鏡304校準射束且將其傳送至一偏振射束分裂器305。偏振射束分裂器305使一第一偏振分量通過至法向照明通道且使一第二偏振分量通過至傾斜照明通道，其中第一分量與第二分量正交。在一法向照明通道306中，第一偏振分量藉由光學器件307聚焦且藉由一面鏡308朝向一樣本309之一表面反射。藉由樣本309(諸如一晶圓或光罩)散射之輻射藉由一拋物面鏡310收集且聚焦至一感測器311。

在一傾斜照明通道312中，第二偏振分量藉由一偏振射束分裂器305反射至一面鏡313，面鏡313使此射束反射穿過一半波板314且藉由光學器件315聚焦至樣本309。源於傾斜通道312中之傾斜照明射束且藉由樣本309散射之輻射藉由拋物面鏡310收集且聚焦至感測器311。感測器311及所照明區域(來自樣本309上之法向及傾斜照明通道)較佳地在拋物面鏡310之焦點處。

拋物面鏡310將來自樣本309之散射輻射校準為一準直射束316。準直射束316接著藉由一物鏡317聚焦且穿過一分析器318至感測器311。注意，亦可使用具有除拋物面形狀以外的形狀之曲面鏡表面。一儀器320可提供射束與樣本309之間的相對運動，使得跨樣本309之表面掃描點。

2001年3月13日發佈之標題為「Sample Inspection System」之美國專利第6,201,60號及Romanovsky等人在2012年7月9日申請之標題為「WAFER INSPECTION SYSTEM」之美國專利申請案第13/554,954號 (該等案之兩者以引用的方式併入本文中)進一步詳細描述檢測系統300。

圖4圖解說明組態為具有明場及暗場檢測模式之一檢測系統之一例示性折反射成像系統400。折反射成像系統400併入兩個照明源：一雷射401及一寬頻光照明模組420。雷射401包括如本文中描述之一脈衝雷射及一重覆率倍增器。在較佳實施例中，雷射401包括如本文中描述之一DUV或VUV雷射、一脈衝重覆率倍增器及/或一平頂分佈產生器。

在一暗場模式中，適應光學器件402控制雷射照明射束大小及被檢測之表面上之分佈。一機械外殼404包含一孔隙及窗403以及一稜鏡405以沿著光軸按法向入射角將雷射重新引導至一樣本408之表面。一稜鏡405亦將來自樣本408之表面特徵部之鏡面反射引導出一物鏡406。物鏡406收集藉由樣本408散射之光且將其聚焦於一感測器409上。可以一折反射物鏡412、一聚焦透鏡組413及一鏡筒透鏡區段414(其可視情況包含一變焦能力)之一般形式提供用於物鏡406之透鏡。

在一明場模式中，一寬頻照明模組420將寬頻光引導至一射束分裂器410，射束分裂器410朝向聚焦透鏡組413及折反射物鏡412反射該光。折反射物鏡412使用寬頻光照明樣本408。從樣本反射或散射之光藉由物鏡406收集且聚焦於感測器409上。寬頻照明模組420包括(例如)一雷射激發電漿光源或一弧光燈。寬頻照明模組420亦可包含一自動聚焦系統以提供控制樣本408相對於折反射物鏡412之高度之一信號。

2008年3月18日發佈且以引用的方式併入本文中之標題為「Beam Delivery System For Laser Dark-Field Illumination in a Catadioptric optical system」之美國專利第7,245,825號進一步詳細描述折反射成像系統400。

圖5圖解說明一例示性脈衝重覆率倍增器120A，其經組態以接收輸入雷射脈衝(輸入)且產生具有係輸入雷射脈衝之重覆率之三倍之一 重覆率之一脈衝列(輸出)。類似於上文引用‘075美國專利申請案描述之方案，一偏振射束分裂器(PBS)A01用作一環形腔之輸入及輸出耦合器。輸入雷射相對於PBS A01 p偏振。PBS A01經設計及定向，以便接收輸入雷射脈衝、通過p偏振且反射s偏振。兩個額外PBS(A02及A03)及三個摺疊面鏡(A04、A05、A06)形成一雙腔。雙腔亦包含兩個半波板：一者放置於A01與A02之間，而另一者放置於A03與A06之間。當一雷射脈衝透過PBS A01進入雙腔時，其將被PBS A02分裂為兩個脈衝。脈衝之一部分從PBS A02反射至PBS A03，從PBS A03引導至面鏡A06，接著從面鏡A06反射回至PBS A01(展示為迴路A)。脈衝之另一部分透射穿過PBS A02至面鏡A04，從面鏡A04反射至面鏡A05，從面鏡A05反射穿過A03至面鏡A06，接著從面鏡A06反射回至PBS A01(展示為迴路B)。重覆率倍增器120A亦包含用於改變從PBS A01通過至PBS A02之輸入雷射脈衝部分之一偏振之一第一波板A07及用於改變從PBS A03通過至面鏡A06之輸入雷射脈衝部分之一偏振之一第二波板A08。可藉由半波板A07之主軸相對於輸入雷射脈衝之偏振之角度來控制迴路A與迴路B之間的雷射脈衝能量分配。藉由選擇半波板A08之主軸之角度，吾人可控制再循環至雙腔中之脈衝能量對透過PBS A01離開雙腔之能量之比。

在一項較佳實施例中，迴路A之光學路徑長度設定為輸入雷射脈衝之脈衝間距離之約三分之一，且迴路B之路徑長度設定為迴路A之路徑長度之約兩倍。此導致輸出脈衝在輸入雷射脈衝之間的時間間隔之約三分之一及三分之二處且約與輸入脈衝一致，因此使雷射之重覆率增至三倍。在此實施例中，較佳地，波板A07及A08之主軸之角度α及β分別設定為約α=29°及β=16°，或分別設定為約α=16°及β=29°，以便產生各輸出脈衝中之約相等能量。若在一特定應用中可接受各脈衝之能量中之小差異(諸如少數百分比)，則可接受與此等值相差一度或 兩度之角度。透鏡(未展示)可併入至雙腔中及/或面鏡A04、A05及A06之一或多者可彎曲，使得各脈衝之高斯射束腰及大小在脈衝返回至相同位置時重新成像為相同狀況。

使用此雙腔可達成除三以外的重覆率。舉例而言，迴路A可設定為具有約等於輸入脈衝之分離之四分之一之一光學路徑長度，且迴路B設定為迴路A之長度之約兩倍。此將導致輸入雷射脈衝之重覆率增至四倍。然而，此一方案無法產生相等輸出脈衝能量且因此將僅在不需相等輸出脈衝能量時可用。

圖6圖解說明可使重覆率增至三倍之另一脈衝重覆率倍增器120B。類似於在上文引用‘593美國專利申請案描述之赫里奧特(Herriott)池方案，此脈衝重覆率三倍器包括由一對曲面鏡(B01及B02)形成之一光學腔。曲面鏡B01及B02較佳地係球面鏡。脈衝重覆率三倍器120B進一步包括兩個射束分裂器(B03、B04)及兩個射束補償器(B05、B06)。兩個曲面鏡B01及B02之曲率半徑較佳地應為實質上等於其等之間的距離(即，腔應為共焦)。

雷射輸入脈衝(輸入)到達射束分裂器B03。各脈衝之能量之部分從射束分裂器B03反射至曲面鏡B01上之點B07，接著至曲面鏡B02上之點B08，穿過射束分裂器B04至曲面鏡B01上之點B09，接著至曲面鏡B02上之點B10，且返回至射束分裂器B03。各脈衝之能量之其他部分透射穿過射束分裂器B03，至射束分裂器B04，其中該部分反射至曲面鏡B01上之點B09，接著至曲面鏡B02上之點B10，且返回至射束分裂器B03。在較佳實施例中，較短迴路(B03-B04-B09-B10-B03)之光學路徑長度係較長一者(B03-B07-B08-B04-B09-B10-B03)之光學路徑長度之約一半。當兩個曲面鏡B01與B02之間的距離係輸入雷射束之原始脈衝間空間分離之約六分之一時，輸出脈衝列將具有輸入脈衝之三倍重覆率。射束補償器B05及B06具有選定光學厚度及定向，以便 實質上補償分別由射束分裂器B03及B04引起的雷射束在腔內之移位。

類似於在上文引用‘593申請案描述且在該申請案之圖2A及圖2B中圖解說明之2x重覆率倍增器之輸出，脈衝重覆率三倍器120B之輸出由一系列脈衝列構成，各脈衝列包括已一或多次橫穿腔之一或兩者之一系列脈衝。脈衝重覆率三倍器120B之各輸入脈衝具有三個輸出脈衝列，相較於用於2x重覆率倍增器之各輸入脈衝之兩個輸出脈衝。在脈衝重覆率三倍器之一較佳實施例中，藉由將射束分裂器B03及B04之反射率設定為約等於(5-)及(5+)(即，約0.28及約0.72)而使各輸出脈衝列中之總能量約等於另一者。注意，B03可具有約0.28之一反射率且B04可具有約0.72之一反射率，或B04可具有約0.28之一反射率且B03可具有約0.72之一反射率。兩個組態產生實質上相等輸出脈衝能量。由於在許多檢測應用中可接受少數百分比之脈衝間能量變化，故射束分裂器反射率可經選擇以具有與0.28及0.72相差少數百分比之值。如熟習相關技術者所理解，可藉由射束分裂器材料、塗佈於表面上之任何層或諸層之(諸)厚度及(諸)材料及射束分裂器上之入射角之選擇來控制一射束分裂器之反射率。

圖7A圖解說明根據另一實施例之一重覆率倍增器120B-1，其以類似於圖6中圖解說明之一方式利用曲面鏡(B01及B02)及射束分裂器，但不同之處在於移除兩個射束補償器(B05及B06，見圖6)。圖7A展示在射束分裂器B03-1及B04之位置之適當調整之情況下，可藉由其他射束分裂器補償由射束分裂器之一者引起的射束移位且反之亦然。較佳地，兩個射束分裂器B04及B03-1具有實質上相等光學厚度。圖7B圖解說明根據另一實施例之一重覆率倍增器120B-2，其中射束分裂器B03-2放置成其塗佈側翻轉至相對於圖7A之射束分裂器B03-1之其他方向。在任一實施例中，可存在一閉合迴路且不需射束 補償器。

圖8圖解說明可使重覆率增至四倍之另一重覆率倍增器120D。重覆率倍增器120D包括由兩個曲面鏡B01及B02(類似於在上文關於圖6描述之曲面鏡)、兩個射束分裂器D01及D06以及兩個摺疊面鏡D05及D07形成之一光學腔。首先以類似於在上文引用「593美國專利申請案」描述之一方式藉由使用一個射束分裂器D01(較佳地具有約2/3之一反射率)及一個射束補償器或稜鏡D02(主腔迴路)使輸入雷射重覆率加倍。其後，輸出射束D03藉由直角稜鏡D04及一面鏡D05轉向回至腔。射束接著沿著展示為一虛線之路徑到達另一射束分裂器D06(較佳地具有約1/3之一反射率)，且從D06開始次腔迴路(虛線)，至球面鏡B01、球面鏡B02，接著另一平面鏡D07，且返回至射束分裂器D06。此次腔路徑迴路之長度係第一迴路之長度之約一半，因此其第二次使重覆率加倍且使一輸出脈衝列係初始輸入脈衝重覆率之四倍。

此方案之一特殊特徵係此次腔迴路(其進一步第二次倍增重覆率)利用相同組曲面鏡(B01及B02)作為第一腔迴路。另外，平面鏡D05及D07可組合為在兩側上具有高反射率(HR)塗層之一個光學元件。此等特徵產生相較於包括串聯在一起之兩個個別2x脈衝倍增器之一設置之一更緊湊覆蓋區。注意，雖然方便，但不要求組合面鏡D07與D05，且可沿著不同於所展示之一路徑引導射束D03以到達射束分裂器D06。替代佈局係可能的且在此實施例之範疇內。

圖9圖解說明另一重覆率倍增器120E，其如先前論述般使重覆率加倍。重覆率倍增器120E包括以類似於在上文關於圖6描述之一方式由曲面鏡B01及B02以及一射束分裂器B03形成之一光學腔。一等腰三角形稜鏡E01在此處用於替代來自先前實施例之補償器B05。

圖10A及圖10B圖解說明等腰三角形稜鏡E01之有用特徵：(1)其位移射束且可藉由橫向移動稜鏡來調整位移量，且(2)若多個射束平 行進入稜鏡中，則輸出射束之空間序列將被顛倒。此等腰三角形稜鏡亦可實施為一等腰梯形或一杜夫稜鏡。

圖11A及圖11B圖解說明根據例示性實施例之兩個類似平頂射束產生器102E-1及102E-2，其等分別利用重覆率倍增器120E-1及120E-2將從雷射119E-1及119E-2接收之輸入雷射脈衝(輸入)分裂為兩個橫向移位(分開往返旅程光學)之輸出射束路徑，藉此產生具有時間平均平頂射束分佈之輸出雷射脈衝(輸出)，其等具有係輸入雷射脈衝之脈衝重覆率之雙倍(兩倍)之一脈衝重覆率。重覆率倍增器120E-1及120E-2包含以類似於在上文關於圖9描述之實施例之一方式配置之兩個球面/腔(彎曲)面鏡B01及B02、一射束分裂器B03及等腰三角形稜鏡E01。圖11A將圖9之標稱光學路徑展示為一虛線。在圖11A中展示之實施例中，腔中之射束位移至路線E02達輸入射束之一小移位(例如，藉由在由圖11A之底部之粗箭頭指示之方向上移位雷射119E-1)。在一雷射脈衝已在路徑E02上完成圍繞腔之一個旅程之後，稜鏡E01將雷射脈衝橫向移位至標稱路線之相對側上之一路徑E03。路線E03上之一脈衝在其返回到達稜鏡E01時再次切換至路線E02。因此，雷射脈衝將在路線E02與E03之間交替。

每當一雷射脈衝遭遇射束分裂器B03時，脈衝之能量之部分受到反射且離開系統。在路線E02上行進之一脈衝產生出口路線E04上之一脈衝，且路線E03上之一脈衝產生出口路線E05上之一脈衝。使用此設置，一個高斯射束分裂為空間上的兩個高斯射束。藉由控制E04與E05之間的分離，可控制此兩個雷射束之間的重疊程度。在一較佳實施例中，輸出射束分佈擁有一近似平頂時間平均強度，如在圖12中圖解說明。可藉由相對於另一高斯移位一個高斯達射束腰半徑(即，射束振幅係其峰值之1/e²處之半徑，或相等於射束功率密度係其峰值之1/e處之半徑)之約0.5倍而產生一近似平頂輸出射束分佈。可在需要 一均質化空間功率分配之許多應用中十分期望此平頂分佈。注意，因為路線E04及E05上之雷射脈衝在相較於一個別脈衝之一持續時間分離更長時間之時間(諸如在時間上分離輸入雷射脈衝之間的時間間隔之約一半)處離開腔，故不存在一個脈衝與另一者之干擾，從而導致所要相對平頂分佈。兩個移位高斯之間的干擾(其可在不具有脈衝之間的一足夠長時間延遲之情況下發生)可引起分佈之一非平頂。

圖11B圖解說明具有重覆率倍增器120E-2之平頂射束產生器102E-2，其根據另一例示性實施例組態以產生具有一平頂射束分佈之雷射脈衝(輸出)。取代藉由位移雷射119E-2之位置而偏移輸入射束，稜鏡E01朝向腔軸(如藉由圖式之底部之粗箭頭指示)位移且因此將脈衝從標稱路線E06(實線)轉向至新路線E07(虛線)。每當各脈衝在一腔往返旅程之後行進穿過稜鏡E01時，其將接著在標稱路線E06與E07之間往返(即，橫向移位)。類似於圖11A之實施例，當脈衝在兩個不同路線下穿過射束分裂器B03時將產生兩個輸出射束且可藉由射束分離之適當調整形成一時間平均平頂射束分佈。

上述重覆率倍增器120E-1及120E-2(其等促進圖11A及圖11B中展示之平頂方案)係基於使重覆率加倍之一方案(例如，在上文參考圖9描述之配置)。因此，其之優勢係一個光學腔不僅延展時間域中之雷射脈衝能量分配而且均質化空間域中之能量分配。

圖13圖解說明根據另一實施例之另一平頂射束產生器102F，其利用重覆率倍增器120F接收藉由一雷射119F產生之輸入雷射脈衝，且使用類似於上文描述且在圖6中圖解說明之一3x脈衝重覆率倍增系統產生具有一時間平均平頂射束分佈之輸出雷射脈衝F03及F04。在此實施例中，射束分裂器B04從其標稱位置(與圖6比較)向下移位且一等腰或杜夫稜鏡F06替代射束補償器B06而使用以按上文描述之方式橫向移位，因此產生兩個射束路徑。每當一雷射脈衝經過射束分裂器B03 與B04之間的路徑(垂直於腔軸)且每當其通過稜鏡F06時，脈衝在外路線F01(實線)與內路線F02(虛線)之間切換。當一雷射脈衝遭遇射束分裂器B04時，脈衝之能量之部分將離開系統。在一較佳實施例中，射束分裂器反射率經選擇，使得F03之平均輸出功率約等於F04之平均輸出功率。在其中射束分裂器損耗最小之一項較佳實施例中，射束分裂器反射率經選擇為，其中R_B03及R_B04分別係射束分裂器B03及B04之反射率。較佳地，兩個射束分裂器及射束補償器之厚度皆相等，使得直接對準光學器件以達成光學腔內之兩個閉合迴路。

替代性地，圖14A及圖14B圖解說明根據其他實施例之例示性平頂射束產生器102G-1及102G-2，其等分別利用具有類似於圖13之組態但不使用任何射束補償器或稜鏡之重覆率倍增器120G-1及120G-2，重覆率倍增器120G-1及120G-2分別接收藉由雷射119G-1及119G-2產生之輸入雷射脈衝且產生具有平頂射束分佈之輸出雷射脈衝(輸出)。在具有射束分裂器位置之適當配置之情況下(例如，藉由將射束分裂器B04-1移動至右側(如在圖14A中指示)，或藉由將射束分裂器B04-2移動至左側(如在圖14B中指示))，在基於3x倍增器之方案中可在不使用任何補償器或稜鏡之情況下產生平頂射束分佈。另外，射束分裂器之塗層可面向不同方向(圖14A)或面朝向相同方向(圖14B)。吾人亦可將圖14A及圖14B中之實施例視為圖7A及圖7B中展示之配置之衍生，其中射束分裂器之一者在位置中偏移，此引起射束分裂為兩個，且因此在適當偏移下產生一時間平均平頂輸出分佈。

圖15A圖解說明另一例示性平頂射束產生器102H，其利用具有類似於圖8中展示之一方案(此處稱為「標稱」)之一4x重覆率倍增器120H。此實施例可產生相較於3x重覆率倍增器更寬、更平坦之一輸出分佈。藉由利用圖11B中圖解說明之機構，向下位移稜鏡D02引起第一階輸出射束D03分裂為兩個(D03及H01)。此外，朝向左側移動稜 鏡D04使分裂射束D03及H01位移至標稱路徑(虛線)之一側。此兩個射束在進入藉由射束分裂器D06、面鏡B01、面鏡B02及面鏡D07形成之第二腔之後倍增至標稱之另一側。因此，將存在四個射束(H02、H03、H04、H05)穿過射束分裂器D06離開系統。注意，圖式中之虛線係僅當直角稜鏡未經位移時存在之標稱射束路徑，且其等在此處僅用於參考。在此案例中並無射束實際上經過此標稱路線。

為產生一平頂射束總體，三個參數需配置成一適當關係。藉由適當調整稜鏡D02之位移距離，吾人可調諧D03與H01之間的空間(a)，及因此H02與H03之間的空間以及H04與H05之間的空間。藉由調整稜鏡D04之移位，吾人可調諧H03與H04之間的空間(b)。最後，吾人可選擇射束分裂器D01反射率，使得射束D03及H01擁有具有一所要比之不同功率。

圖15B圖解說明由圖15A之此設置產生之一例示性輸出射束分佈。在此例示性實施例中，對於一輸入高斯射束半徑w(1/e²定義)，由a~0.9w、b~0.86w產生一平頂輸出分佈，射束分裂器D01之反射率R_D01係~0.65，且射束分裂器D06之反射率R_D06係~0.33。此實例產生具有約2.3w之一實質上平頂寬度之一時間平均輸出分佈。其他組合亦可取決於需要一分佈有多平坦而工作。

在上文引用之‘075及‘593申請案(其等以引用的方式併入本文中)中，描述雷射脈衝重覆率倍增器之替代實施例。此等申請案說明如何藉由使用一射束分裂器將各輸入脈衝之能量之約2/3引導至腔中的同時將各脈衝之能量之1/3引導至輸出而使用適當長度之一環形腔使一脈衝雷射之重覆率加倍。在一腔光學路徑長度對應於輸入雷射脈衝之間的時間間隔之約一半之情況下，輸出脈衝列形成實質上類似能量之包跡，其等按原始雷射脈衝之重覆率之兩倍之一重覆率重覆。‘593申請案亦描述如何調整射束分裂器之透射率及反射率，以便維持實質上 相等輸出脈衝能量以補償射束分裂器及環形腔中之損耗。‘075及‘593申請案中描述之原理之任一者可視情況應用至本文中描述之脈衝重覆率倍增器之各種實施例。

在上文連同圖解說明本發明之原理之隨附圖式提供本發明之一或多個實施例之一詳細描述。結合此等實施例描述本發明，但本發明不限於任何實施例。

舉例而言，在一項實施例中，光學組件可塗佈有用於雷射波長之適當塗層。任何透射元件(諸如波板)之各表面亦可具有最小化在各表面處反射之雷射能量之量之一抗反射塗層。面鏡可塗佈有經設計以最小化反射且最小化在雷射波長之散射之塗層。

在另一實例中，在一項實施例中，赫里奧特池狀腔可具有與上文給定實例不同之一形狀或面鏡數目。

儘管上文圖解說明之實施例在一個平面中繪製，但替代實施例可將腔迴路之一者(諸如圖8或圖15A中之次腔迴路)放置於近似垂直於或相對於另一腔迴路(諸如主腔迴路)之平面旋轉之一平面中，同時仍使用相同組面鏡。舉例而言，圖16A及圖16B係展示一2x脈衝重覆率倍增器配置之正視圖及側視圖，其中在垂直於由射束分裂器D01、射束補償器或稜鏡D02以及曲面鏡B01及B02形成之腔迴路之平面之一平面中引導輸入脈衝及輸出脈衝。圖16C及圖16D係展示一4x配置之正視圖及俯視圖，其中一或多個面鏡或稜鏡可用於腔外側以將光從稜鏡D04引導或偏轉至位於次迴路之平面中之面鏡D05。在圖16D中注意，輸入及輸出射束、2x腔迴路之平面、射束分裂器D01及射束補償器或稜鏡D02從上方可見展示為虛線以供參考。一個腔迴路之光學組件經定位，使得其等並不截取其他腔迴路。將不同腔迴路放置於不同平面中之一優勢係腔迴路之各者可在與曲面鏡(諸如面鏡B01及B02)之中心相距實質上類似距離處從該等面鏡反射(如在圖16C中展示，其中虛線 展示從正面觀察之輸入及輸出光路徑以及2x迴路之平面)，從而允許腔迴路同時處於焦點且因此最小化雷射束在多次橫穿腔迴路時之像差。藉由以類似於圖15A中圖解說明之一方式在適當方向上定向及移位稜鏡D02及D04，圖16C及圖16D中展示之4x雷射脈衝重覆率倍增器可產生具有類似於圖15A中展示之一時間平均實質上平頂分佈之一輸出。

圖17圖解說明一例示性雷射脈衝重覆率倍增器120I，其經組態以產生具有係輸入雷射脈衝(其等藉由一雷射(未展示)以上文描述之方式產生)之重覆率之兩倍之一重覆率之一脈衝列。類似於在上文引用‘593美國專利申請案描述之概念，一射束分裂器(I01)放置於具有約等於兩個連續輸入雷射脈衝之間的時間間隔之一半之一光學路徑長度之環形腔中。環形腔包括兩個直角反射對光學元件，諸如藉由總內反射(TIR)反射雷射脈衝之稜鏡(I02及I03)。直角反射對光學元件I02及I03在雷射重覆率倍增器120I之環形腔中使用時具有優於面鏡之若干優勢。面鏡之一個缺點係面鏡需高反射率塗層，以便最小化雷射脈衝在環形腔中循環時之損耗。高反射率塗層可被雷射脈衝之峰值功率損害，尤其對於具有幾百mW或更高之功率之深UV雷射。TIR替代高反射率塗層之使用消除該等塗層在與高雷射功率一起長期操作下受到損害之風險。稜鏡而非面鏡之使用之一第二優勢係需形成兩個基於面鏡之直角反射對元件之四個面鏡被兩個稜鏡替代，從而減少光學組件之數目。稜鏡之使用之一第三優勢係一個稜鏡之兩個TIR表面之間的直角經固定且可按高精度製造。稜鏡之緊密角容限及減少數目之光學組件簡化圖17之環形腔之對準。

如在‘593申請案中說明，在一雷射脈衝重覆率加倍器中，若期望各輸出脈衝具有實質上相等總能量，則射束分裂器I01應經設計以將各輸入雷射脈衝之能量之一實質上2/3(第二)分率反射至環形腔中， 且透射各輸入雷射脈衝之一實質上1/3(第一)分率，使得1/3分率在一第一時間離開重覆率倍增器120I，且使得2/3分率在反射元件I02與I03之間被反射之後在一第二時間離開重覆率倍增器120I。舉例而言，此可藉由射束分裂器I01上之一適當塗層之使用而達成。注意，若不需實質上相等輸出脈衝能量，則射束分裂器I01可經設計以反射除2/3以外的各雷射脈衝之某分率。舉例而言，當用於一檢測系統中時，可期望各輸出脈衝具有實質上相等峰值功率以允許接近於被檢測之物件之損害臨限值之操作。可使用一射束分裂器而非將各雷射脈衝之約62%反射至環形腔中而達成輸出脈衝之實質上相等峰值功率。

如在‘593申請案中說明，環形腔之光學路徑長度可設定為稍長於或稍短於等於輸入雷射脈衝之間的時間間隔之一半之距離，以便加寬輸出脈衝且降低各輸出脈衝之峰值功率且因此降低對下游光學器件或對藉由併入一雷射重覆率倍增器之一系統檢測或量測之一物件之損害之可能性。

舉例而言，若輸入雷射脈衝具有120MHz之一重覆率，則約1.249m之一環形腔光學路徑長度將導致重覆率加倍，其中輸出脈衝在時間上具有約相等間隔。為達成此環形腔光學路徑長度，稜鏡之間的實體距離將需係約0.625m。如藉由熟習適當技術者所理解，由於雷射脈衝在各稜鏡I01及I02內側行進一短距離且稜鏡材料之反射率大於1，故稜鏡內之光學路徑長度略長於雷射脈衝在稜鏡內側行進之實體距離。可對稜鏡之間的實體距離作出一適當小調整，以便補償此，以便達成所要環形腔光學路徑長度。若期望輸出脈衝寬於輸入脈衝，以便降低各脈衝之峰值功率，則環形腔光學路徑長度可設定為略長於或略短於1.249m(諸如1.25m之一環形腔光學路徑長度)，使得已兩次圍繞環形腔行進之一脈衝相較於下一輸入脈衝晚約6ps(微微秒)到達。

在一較佳實施例中，重覆率倍增器120I之環形腔較佳地包含一光學板I04以實質上補償由通過射束分裂器I01之雷射脈衝引起的雷射束位置中之偏移。光學板I04較佳地應具有實質上等於射束分裂器I01之光學厚度之一光學厚度。光學板I04較佳地應塗佈有一抗反射塗層，以便最小化雷射光從其表面之反射。若光學板I04放置於環形腔之相同臂中(如展示)，則較佳地光學板I04應定向為實質上係至射束分裂器I01之角度之鏡像之至輸入雷射束(脈衝)之角度，以便實質上補償由射束分裂器I01引起的射束移位。若光學板I04放置於環形腔之其他臂中(未展示)，則其較佳地應定向為實質上平行於射束分裂器I01。

圖18圖解說明類似於圖17之雷射脈衝重覆率倍增器但其之直角稜鏡(J02)之一者相對於另一直角稜鏡(J03)旋轉90°之另一雷射脈衝重覆率倍增器120J。與圖17之組態比較，圖18之雷射脈衝重覆率倍增器120J可達成具有實質上兩個稜鏡之間的實體分離之一半之相同環形腔光學路徑長度，因此導致一更緊湊雷射脈衝重覆率倍增器。射束分裂器J01及光學板J04執行相同於圖17之射束分裂器I01及光學板I04之功能。注意，光學板J04可根據板之定向之一適當選擇放置於環形腔之四個臂之任一者中。

圖19A、圖19B及圖19C圖解說明例示性實施例，其中藉由將所展示之直角稜鏡之一者(或等效地直角面鏡對)旋轉至相對於其他稜鏡/面鏡對之一適當角度而使環形腔路徑長度實質上等於稜鏡之實體分離之兩倍(圖19A)、四倍(圖19B)、六倍(圖19C)或其他偶數倍。圍繞環形腔之迴路數目(各脈衝須在返回至其原始發射位置(例如，射束分裂器，其未在圖19A至圖19C中展示)之前採用)係m=180°/θ，其中θ係兩個稜鏡(或面鏡對)之間的相對角度數。參考圖19A，當θ=0或等效地180°時，m=1且射束保持於一個平面中且在返回至其原始位置之前僅完成圍繞環形腔之一個迴路。參考圖19B，當θ=90°時，m=2且各雷射脈衝 完成圍繞環形腔之兩個迴路，以便返回至其原始位置。參考圖19C，當θ=60°時，m=3且射束在圍繞環形腔之三個迴路之後返回至原始發射位置。在射束返回至其原始位置時始終保留偏振。

此設計之一關鍵益處係在藉由簡單旋轉稜鏡之一者而改變環形腔光學路徑長度時維持實質上相同腔覆蓋區。

圖20圖解說明根據一例示性實施例之另一重覆率倍增器120K，其中不同光學路徑長度之兩個環形腔經串聯以使一脈衝雷射之重覆率增至四倍。兩個環形腔具有實質上類似外尺寸，不過一個環形腔具有另一環形腔之光學路徑長度之兩倍。第一環形腔包括射束分裂器K01、稜鏡K03及K02以及光學板K04。第一腔藉由使用圍繞環形腔之兩個迴路而使重覆率加倍以達成所要光學路徑長度。第二環形腔包括射束分裂器K11、稜鏡K12及K13以及光學板K14。第二環形腔使用圍繞環形腔之一單一迴路第二次使重覆率加倍。由於連續脈衝之間的空間距離在重覆率加倍之後減半，故第二環形腔較佳地應具有第一環形腔之光學路徑長度之實質上一半。

可由相同光學組件製造兩個環形腔。由於兩個腔可具有實質上類似外尺寸，故多數安裝硬體及機械設計可相同。相較於其中一個環形腔具有另一環形腔之實體長度之約兩倍之一設計中可更有效使用空間。

圖21圖解說明根據一例示性透鏡組態之一重覆率倍增器120L之一環形腔部分，例示性透鏡組態插入至由稜鏡L02及L03形成之環形腔中，使得雷射束在圍繞環形腔之一個迴路之後返回至其原始位置時實質上重新聚焦(成像)回至其原始射束狀況(腰位置及大小)。透鏡L05及L06較佳地應具有相等焦距，該焦距經選擇，以便在腔之中央處形成一射束腰，且透鏡較佳地定位成儘可能遠離腰以避免射束腰附近的高雷射功率密度。雷射脈衝重覆率倍增器之其他組件(諸如射束分裂 器及光學板)為清楚起見從此圖式省略。

圖22圖解說明一重覆率倍增器120M之另一環形腔部分，其中插入一2迴路腔中之相同透鏡組態(即，稜鏡L02及L03以及透鏡L05及L06，見圖21)將使雷射束在返回至其原始位置時成像回至其原始射束狀況(腰位置及大小)。類似地，此透鏡組態將針對圍繞環形腔之任何迴路數目正確地重新成像雷射束。

圖23圖解說明利用另一例示性透鏡組態之一重覆率倍增器120N之另一環形腔部分，另一例示性透鏡組態使用兩個稜鏡N02及N03以及兩個透鏡N05及N06，其等經配置以使得雷射束在返回至其原始位置時成像回至其原始射束狀況(腰位置及大小)。在此實施例中，透鏡N05及N06較佳地應具有約等於腔長度之焦距且定位成接近於稜鏡，使得射束腰形成於腔之中央附近而非過度接近於稜鏡或透鏡表面之任一者。

圖24圖解說明利用類似於圖23之另一例示性透鏡組態之一重覆率倍增器120O之另一環形腔部分，除了各球面透鏡由一對柱面透鏡替代(即，球面透鏡N05由柱面透鏡O051及O052替代，且球面透鏡N06由柱面透鏡O061及O062替代)。各柱面透鏡較佳地定向成接近於相對於傳播方向及雷射束之偏振之布魯斯特角。將透鏡定向在用於p偏振之布魯斯特角處或附近之優勢係各透鏡表面之反射率將十分低且不使用任何塗層，因此節省塗層之費用且避免由雷射造成之任何塗層損害。各對中之一個柱面透鏡之曲率定向成正交於相同對中之另一柱面透鏡之曲率(即，曲率係矢狀及正切的)，使得其等以實質上類似於圖23中展示之球面透鏡之一者之一方式共同重新成像射束。

圖25A圖解說明具有修改直角稜鏡對(P01及P02)之一雷射脈衝重覆率倍增器120P之另一例示性實施例。稜鏡P01充當相同於圖17中之稜鏡I02之功能，除了稜鏡P01經切割及定位以使得入射角接近於用於 雷射束之p偏振之布魯斯特角。因此，不需稜鏡處之AR塗層且避免高雷射功率下之潛在塗層損害。稜鏡P02具有相同於稜鏡P01之形狀且亦定向成接近於相對於雷射束之p偏振之布魯斯特角。稜鏡P02具有僅圍繞點P(並非整個表面)之一額外塗層，其充當耦入及耦出腔之光之射束分裂器。此消除對於一分開射束分裂器組件之一需求，因此減少光學組件之數目且簡化環形腔之對準。如上文說明，在一項較佳實施例中，塗層經設計以反射各入射雷射脈衝之能量之約2/3，以便產生各輸出雷射脈衝中之實質上相等能量。

圖25B圖解說明類似於圖25A之雷射脈衝重覆率倍增器之一雷射脈衝重覆率倍增器120Q之另一例示性實施例，其利用相同稜鏡P01，但由具有一修改形狀之稜鏡Q02替代圖25A之稜鏡P02。此形狀使輸入及輸出射束能夠平行於彼此，通常期望此情況，此係由於其使將雷射脈衝重覆率倍增器整合至一系統中變得更簡單。稜鏡Q02維持稜鏡之TIR面之間的一直角且針對環形腔中之雷射束使用接近於布魯斯特角之一入射角。如上文針對稜鏡P02描述，圍繞位置P需要一塗層，以便稜鏡執行射束分裂器功能。

圖26A及圖26B圖解說明根據一例示性實施例之一重覆率倍增器120R，其中可藉由旋轉兩個直角稜鏡R01及R02之一者(無論布魯斯特角是否切割)而針對一給定實體環形腔長度使有效射束路徑長度加倍(或三倍等等)。在此等圖式中，具有一布魯斯特角切割表面之稜鏡R02須相對於垂直於此布魯斯特入射表面之軸旋轉，使得射束偏振狀態及入射角(即，布魯斯特狀況)在旋轉之後保持相同。

圖27A及圖27B分別係圖解說明根據具有三個稜鏡S01、S02及S03(各具有一不同形狀，使得任何表面處不需塗層)之另一倍增器設計之一重覆率倍增器120S之俯視圖及側視圖。稜鏡S01執行環形腔中之一反射器及按一所要反射率(諸如約R=1/3之一反射率)耦入及耦出腔之 射束之一射束分裂器之雙重功能。注意，在圖28B中展示之側視圖中，稜鏡S02隱藏於稜鏡S01後。在圖式中指示各種稜鏡之表面之間的各種角度。

在圖28、圖28A、圖28B及圖28C中展示稜鏡S01之幾何形狀。其利用如在圖29A及圖29B中展示之菲涅爾反射率性質。對於擊中熔矽石(或具有類似折射率之任何材料)之一表面之S偏振光，反射率在入射角係約73°時自然地變為約33.3%。輸入雷射束b1及輸出雷射束b2相對於表面S1 S偏振。然而，當折射射束通過表面S2或S3時，其被P偏振。若此等表面(S2及S3)上之入射角接近於布魯斯特角，則雷射束可憑藉最小功率損耗通過而不需使用任何塗層且因此避免對塗層之雷射損害之任何可能性。

在圖30、圖30A及圖30B中圖解說明重覆率倍增器120S(見圖27A)之稜鏡S02。此稜鏡利用在表面S4及S5處之按布魯斯特角之反射且同時使用在表面S6處之總內反射。

在圖31、圖31A、圖31B及圖31C中圖解說明重覆率倍增器120S(見圖27A)之稜鏡S03。其充當具有按布魯斯特角切割之兩個表面之一直角稜鏡。此等布魯斯特角切割針對垂直於環形腔平面之射束偏振而定向，其不同於圖25A中之稜鏡設計P01，稜鏡設計P01針對平行於環形腔平面之偏振而定向。

圖32A圖解說明根據具有平行於環形腔平面之偏振之另一例示性雷射脈衝重覆率倍增器組態之一重覆率倍增器120T。此組態形成一矩形佈局及90°射束耦合(入/出)，其等可更便於併入至一儀器中。此組態包括三個元件。射束分裂器T01在一個表面上具有含有按45°之一入射角之一選定反射率(諸如R=1/3之一反射率)之一塗層且在另一表面上具有一抗反射(AR)塗層。如在圖32B中指示，在一項較佳實施例中，稜鏡T02係一彼林布羅卡(Pellin Broca)稜鏡，其用作一面鏡，面 鏡使用按相對於環形腔中之射束之布魯斯特角之輸入及輸出表面使射束偏轉總共90°。稜鏡T02使用稜鏡內側之總內反射。以此方式，在不使用任何塗層之情況下針對一p偏振射束幾乎不存在能量損耗。在一替代實施例中，具有高反射率塗層之一面鏡替代稜鏡T02而使用。元件T03象徵性地繪製為一直角稜鏡。在一較佳實施例中，稜鏡T03使用具有布魯斯特切割表面之一幾何形狀(諸如圖25A中展示之用於具有平行於環形腔之平面之偏振之偏振光之設計P01)。

以類似於上文說明之一方式，直角稜鏡T03可圍繞至入射表面之一法向方向旋轉90°，以使腔內之射束路徑長度加倍。

圖33圖解說明根據一例示性實施例之一重覆率倍增器120U，其中類似於圖32A之實施例之環形腔之兩個環形腔經串聯以倍增重覆率達四倍。第一環形腔U01使一個稜鏡旋轉90°，使得此腔之光學路徑長度係第二腔U02之光學路徑長度之約兩倍，不過兩個腔具有類似實體尺寸。此兩個環形腔共同形成使重覆率增至四倍之一倍增器。

在上文引用之‘075及‘593申請案(其等以引用的方式併入本文中)中，描述雷射脈衝重覆率倍增器之替代實施例。此等申請案說明如何藉由使用一射束分裂器將各輸入脈衝之能量之約2/3引導至腔中的同時將各脈衝之能量之1/3引導至輸出而使用適當長度之一環形腔使一脈衝雷射之重覆率加倍。在一腔光學路徑長度對應於輸入雷射脈衝之間的時間間隔之約一半之情況下，輸出脈衝列形成實質上類似能量之包跡，其等按原始雷射脈衝之重覆率之兩倍之一重覆率重覆。‘593申請案亦描述如何調整射束分裂器之透射率及反射率，以便維持實質上相等輸出脈衝能量以補償射束分裂器及環形腔中之損耗。‘075及‘593申請案中描述之原理之任一者可視情況應用至本文中描述之脈衝重覆率倍增器之各種實施例。

為達到一甚至更高重覆率，吾人可串聯上述雷射脈衝重覆率倍 增器之任一者之多個單元，其中各單元具有一不同腔長度。可使輸出重覆率等於輸入重覆率之2x、4x、……或2ⁿx，其中n係雷射脈衝重覆率倍增器腔之數目，且各腔之光學路徑長度係原始脈衝之間的距離之½、¼、……1/2ⁿ。

上文例示性實施例圖解說明如何出於倍增一脈衝雷射之重覆率之目的而由平面鏡、曲面鏡及透鏡之各種組合形成不同長度之光學腔。可由不脫離本發明之範疇之其他組合建構一重覆率倍增器或產生具有一時間平均實質上平頂分佈之一輸出之一重覆率倍增器。舉例而言，一平面鏡可由一稜鏡替代(或，在許多情況中，反之亦然)，或一曲面鏡可由一平面鏡與一或多個透鏡之一組合替代(或反之亦然)。由許多實際考量指定使用哪些組件之選擇，實際考量包含雷射波長、在光學組件之位置處之雷射功率密度、用於組件之一合適光學塗層之可用性、實體空間及重量。如上文說明，具有布魯斯特角表面之稜鏡及組件通常係較佳的，其中功率密度足夠高以潛在損害光學塗層。

本發明之範疇僅受到申請專利範圍限制且本發明涵蓋數種替代方案、修改及等效物。在上文描述中闡述數種特定細節，以便提供本發明之一透徹理解。出於實例之目的提供此等細節且可在不具有一些或所有此等特定細節之情況下根據申請專利範圍來實踐本發明。出於清楚之目的，在關於本發明之技術領域中已知之技術材料及衍生並不經詳細描述，使得並無不必要模糊本發明。

Claims (19)

1. 一種平頂射束產生器，其包括：一雷射脈衝重覆率倍增器，其包含一光學腔，該光學腔包括一射束分裂器、兩個球面面鏡及一射束位移器，該雷射脈衝重覆率倍增器經定位以接收來自一雷射之輸入雷射脈衝，使得該等輸入雷射脈衝經引導至該光學腔中且作為具有係該等輸入雷射脈衝之重覆率之至少兩倍之一輸出脈衝重覆率之輸出雷射脈衝離開該光學腔，其中該光學腔經組態以使得自該雷射輸入之每一該雷射脈衝經引導沿著由該兩個球面面鏡界定之複數個光學路徑，其中該複數個光學路徑之每一者穿過(passes throung)該射束位移器及該射束分裂器，其中該射束位移器經組態以將經引導沿著該複數個光學路徑之一第一光學路徑之該每一雷射脈衝橫向移位至該複數個光學路徑之一第二光學路徑，及其中該射束分裂器經組態以反射沿著該第一光學路徑及該第二光學路徑通過之該等雷射脈衝之部分，使得該等經反射部分分別形成第一輸出雷射脈衝及第二輸出雷射脈衝，該等第一輸出雷射脈衝相對於該等第二輸出雷射脈衝脈衝橫向移位，使得該等第一及第二輸出雷射脈衝之一時間平均輸出強度具有在該橫向移位之方向上之一實質上平坦分佈。
2. 如請求項1之平頂射束產生器，其中該射束位移器包括一等腰三角形稜鏡及一杜夫稜鏡之一者。
3. 如請求項1之平頂射束產生器，其中該射束位移器經組態以使得該橫向移位約等於該等輸入雷射脈衝之一射束腰半徑之0.5倍(一 半)。
4. 如請求項3之平頂射束產生器，其中該射束位移器經組態以使得該光學腔包含兩個分開往返旅程光學路徑，且使得該射束位移器將來自一第一路徑之各雷射脈衝之能量之部分轉向至一第二路徑。
5. 如請求項4之平頂射束產生器，其中該射束位移器經組態以使得該射束位移器進一步將來自該第二路徑之各雷射脈衝之該能量之部分轉向至該第一路徑。
6. 如請求項1之平頂射束產生器，其中該雷射脈衝重覆率倍增器經組態以使得該輸出雷射脈衝重覆率係該輸入雷射脈衝重覆率之至少四倍。
7. 如請求項6之平頂射束產生器，其中該射束位移器經組態以使得該等輸出雷射脈衝具有一實質上平坦輸出分佈，該時間平均輸出強度具有20%或更少之一變化且該實質上平坦輸出分佈具有在該等輸入雷射脈衝之一射束腰半徑之約2倍與2.5倍之間的一寬度。
8. 一種檢測系統，其包括：一DUV或VUV雷射，其產生一系列雷射脈衝；一雷射脈衝重覆率倍增器，其倍增該等雷射脈衝之一重覆率；光學器件，其包含用於將該雷射脈衝重覆率倍增器之一輸出引導至一樣本之一物鏡；及光學器件，其用於收集從該樣本反射或散射之光且將該光引導至一偵測器；其中該雷射脈衝重覆率倍增器包含形成一或多個環形腔之兩個球面面鏡、將各輸入雷射脈衝之能量之一第一分率引導至該 一或多個環形腔中之一射束分裂器及一射束位移器，其中該一或多個環形腔經組態以使得自該DUV或VUV雷射輸入之每一該雷射脈衝經引導沿著由該兩個球面面鏡界定之複數個光學路徑，其中該複數個光學路徑之每一者穿過(passes throung)該射束位移器及該射束分裂器，其中該射束位移器經組態以將經引導沿著該複數個光學路徑之一第一光學路徑之該每一雷射脈衝橫向移位至該複數個光學路徑之一第二光學路徑，及其中該雷射脈衝重覆率倍增器經組態以反射沿著該第一光學路徑及該第二光學路徑通過之該等雷射脈衝之部分，使得該等經反射部分分別形成第一輸出脈衝及第二輸出脈衝，該第一輸出脈衝及第二輸出脈衝經橫向移位且彼此部分重疊，以便形成具有一實質上平頂之一時間平均輸出強度分佈。
9. 如請求項8之檢測系統，其中該系統實施一未圖案化晶圓檢測系統、一圖案化晶圓檢測系統、一光罩檢測系統及一計量系統之一者。
10. 一種雷射脈衝重覆率倍增器，其用於接收輸入雷射脈衝且用於產生輸出脈衝，該等輸出脈衝具有多於該等輸入雷射脈衝之重覆率之兩倍之一輸出脈衝重覆率，該雷射脈衝重覆率倍增器包括：一赫里奧特池，其包含形成一光學腔之一第一曲面鏡與一第二曲面鏡、一第一射束分裂器與一第二射束分裂器及至少兩個摺疊面鏡，及定位於該光學腔外部之一直角稜鏡，該赫里奧特池經組態使得各該輸入脈衝之部分沿著該光學腔內部之一主腔迴路而透射(transmitted)，接著通過至該直角稜鏡，接著在作為該等經產生之輸出脈衝之一者離開該光學腔之前，沿著該光學 腔內部之一次腔迴路而透射，其中該等兩個曲面鏡具有約等於該等輸入雷射脈衝之間的一空間分離之四分之一的一奇數整數倍之一曲率半徑，及其中該兩個曲面鏡具有一共同曲率半徑且被實質上等於該曲率半徑之一距離分開。
11. 如請求項10之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該赫里奧特池經組態使得該輸出脈衝重覆率係該等原始輸入脈衝之重覆率之四倍。
12. 如請求項10之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該赫里奧特池經組態使得各該輸入脈衝之至少一部分藉由該第一射束分裂器引導以使得當在該主腔迴路上時該至少一部分藉由該第一曲面鏡與該第二曲面鏡之第一部分反射，且藉由該第二射束分裂器引導以使得當在該次腔迴路上時該至少一部分藉由該第一曲面鏡與該第二曲面鏡之第二部分反射，其中該赫里奧特池進一步包括一稜鏡，其安置於該主腔迴路中，及其中該稜鏡、該至少兩個摺疊面鏡及該直角稜鏡之一者經組態以將出自(coming out from)該主腔迴路之雷射脈衝轉向至該次腔迴路中。
13. 如請求項12之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該赫里奧特池經組態使得該主腔迴路位於不同於該次腔迴路之一平面中。
14. 如請求項13之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該第一射束分裂器接收該等輸入雷射脈衝且將各該輸入雷射脈衝之能量之約三分之二反射至該主腔迴路中。
15. 如請求項10之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該第二射束分裂器具有約三分之一的一反射率。
16. 如請求項10之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該赫里奧特池經組態使得：每一該輸入雷射脈衝經引導至該第一射束分裂器；該第一射束分裂器經組態以引導該每一輸入雷射脈衝之至少一第一部分，使得當在該主腔迴路上時該第一部分藉由在一第一平面中之該第一曲面鏡與該第二曲面鏡反射，且接著經引導朝向該直角稜鏡；該直角稜鏡經組態以將該第一部分重新引導至該第二射束分裂器；及該第二射束分裂器經組態以引導各該第一部分之至少一第二部分，使得當在該次腔迴路上時該第二部分藉由在一第二平面中之該第一曲面鏡與該第二曲面鏡反射，該第二平面不同於該第一平面。
17. 如請求項10之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該赫里奧特池進一步包括與該第一射束分裂器安置於一第一平面中之一射束補償器及稜鏡之一者，及其中該二射束分裂器與該至少兩個摺疊面鏡安置於一第二平面中。
18. 一種雷射脈衝重覆率倍增器，其用於接收輸入雷射脈衝且用於產生輸出脈衝，該等輸出脈衝具有至少兩倍於該等輸入雷射脈衝之重覆率之一輸出脈衝重覆率，該雷射脈衝重覆率倍增器包括：形成一環形腔之至少一射束分裂器及兩個光反射元件，其中該至少一射束分裂器經組態以引導每一輸入雷射脈衝之一第一能量分率，使得該第一能量分率在一第一時間離開該雷射脈衝重覆率倍增器，且經組態以引導該輸入雷射脈衝之一第 二能量分率至該環形腔中，使得該第二能量分率在該兩個反射元件之間反射且在一第二時間離開該雷射脈衝重覆率倍增器，其中該兩個光反射元件包括一第一曲面鏡及一第二曲面鏡，其中該至少一射束分裂器包含：一第一射束分裂器，其經組態以引導該第一能量分率與該第二能量分率至該環形腔中，及一第二射束分裂器，其經組態以在該第二能量分率在該第一反射元件與該第二反射元件之間橫穿(traverses)至少一次之後，將各該輸入雷射脈衝之該第二能量分率引導出該雷射脈衝重覆率倍增器；進一步包括：一稜鏡，其安置於該環形腔中；至少兩個摺疊面鏡，其安置於該環形腔中；及一直角稜鏡，其安置於該環形腔外部，其中該第一射束分裂器與該稜鏡經組態使得每一該輸入脈衝之第一部分沿著該環形腔內部之一主腔迴路而透射，其中該第二射束分裂器與該至少兩個摺疊面鏡經組態使得每一該輸入脈衝之第二部分沿著該環形腔內部之一次腔迴路而透射，且其中該直角稜鏡經組態以將離開該主腔迴路之該等第一部分引導至該次腔迴路。
19. 如請求項18之雷射脈衝重覆率倍增器，其中該第一射束分裂器經組態以引導該每一輸入雷射脈衝之該等第一部分使得當在該主腔迴路上時藉由在一第一平面中之該第一曲面鏡與該第二曲面鏡反射該等第一部分，其中該直角稜鏡經組態以將離開該主腔迴路之該等第一部分 引導至該第二射束分裂器，且其中該第二射束分裂器經組態以引導該等第二部分使得當在該次腔迴路上時藉由在一第二平面中之該第一曲面鏡與該第二曲面鏡反射該等第二部分，該第二平面不同於該第一平面。