低噪聲、高穩(wěn)定性、深紫外光的連續(xù)波激光的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案
[0002] 本申請(qǐng)案主張2013年9月10日申請(qǐng)的標(biāo)題為"具有改進(jìn)穩(wěn)定性的CW DUV激光(CW DUV Laser With Improved S化bility)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案61/876,201的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[000引本發(fā)明設(shè)及低噪聲、高穩(wěn)定性、深紫外光(DUV)的連續(xù)波(CW)激光W及包含此類激 光的檢驗(yàn)及度量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 半導(dǎo)體檢驗(yàn)及度量需要非常穩(wěn)定、低噪聲的光源W檢測(cè)小缺陷及/或進(jìn)行小尺寸 的非常精確測(cè)量。UV光源是重要的，因?yàn)檩^短波長(zhǎng)通常對(duì)小缺陷或尺寸的更敏感。
[0005] 低噪聲、高穩(wěn)定性激光當(dāng)前可用于可見(jiàn)及近紅外（IR)的波長(zhǎng)。然而，存在非常少的 CW激光可用于DUV的波長(zhǎng)。即使在可用時(shí)，此類激光也是昂貴且有噪聲的、具有較差長(zhǎng)期穩(wěn) 定性且可能需要頻繁調(diào)整及/或維護(hù)。此外，此類激光通常具有小于250mW的功率，而大多數(shù) 工業(yè)應(yīng)用需要較高功率，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)更快且更精確的檢驗(yàn)及測(cè)量。
[0006] 已知DUV CW激光通常通過(guò)產(chǎn)生IR基頻激光的四次諧波而操作。通常使用兩個(gè)頻率 轉(zhuǎn)換級(jí)，其中第一級(jí)從基頻產(chǎn)生二次諧波頻率(又稱為二次諧波)且第二級(jí)使用所述二次諧 波頻率產(chǎn)生四次諧波頻率(又稱為四次諧波）。每一倍頻級(jí)（即，所述第一級(jí)及所述第二級(jí)） 使用非線性光學(xué)(NL0)晶體。
[0007] 倍頻過(guò)程取決于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，運(yùn)為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所知。因此，如果化0 晶體內(nèi)部的功率密度較低，那么轉(zhuǎn)換過(guò)程非常低效。幾瓦特或甚至幾十瓦特功率的IR激光 在聚焦到NL0晶體中時(shí)由于其低功率密度而產(chǎn)生非常少的二次諧波。相比而言，脈沖激光可 提供比其平均功率密度高許多倍的峰值功率密度。因此，具有類似于IR激光的時(shí)間平均功 率密度的時(shí)間平均功率密度的脈沖激光可產(chǎn)生大量二次諧波。例如，在一些脈沖激光中，脈 沖激光的大致50%輸入可轉(zhuǎn)換為二次諧波。
[000引DUV CW激光可使用諧振腔（又稱為腔似增大其化0晶體中的功率密度，從而提高 其轉(zhuǎn)換效率。穿過(guò)化0晶體而未轉(zhuǎn)換為二次諧波的大部分光在腔中再循環(huán)W增進(jìn)功率密度。 允許經(jīng)產(chǎn)生的任何二次諧波穿出腔。最終，功率密度增進(jìn)到其中作為二次諧波離開(kāi)所述腔 的功率加上所述腔中的損耗等于輸入功率的水平且因此達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為產(chǎn)生DUV波長(zhǎng)，通 ?？蓪蓚€(gè)諧振腔串聯(lián)連接。第一腔通過(guò)再循環(huán)IR基波長(zhǎng)而產(chǎn)生二次諧波（例如，可見(jiàn)波 長(zhǎng)，例如53化m)。串聯(lián)禪合到所述第一腔的第二腔通過(guò)再循環(huán)所述二次諧波而產(chǎn)生四次諧 波(例如，DUV波長(zhǎng)，例如266nm)。注意，如用于描述腔及/或所述腔的組件的術(shù)語(yǔ)"禪合"可或 不可包含腔的組件物理接觸。
[0009]圖1說(shuō)明使用兩個(gè)腔的示范性已知激光配置，其中第一腔實(shí)施二次諧波產(chǎn)生器 102A且第二腔實(shí)施四次諧波產(chǎn)生器102B。二次諧波產(chǎn)生器102A包含用W產(chǎn)生二次諧波的多 個(gè)鏡110、111、112及113 W及化0晶體115。四次諧波產(chǎn)生器102B包含用W產(chǎn)生四次諧波的多 個(gè)鏡130、131、132及133 W及化ο晶體135?？墒褂谜袷幤?04(產(chǎn)生頻率η的信號(hào)）、調(diào)制器 103、光電二極管105W及同步檢測(cè)器106來(lái)主動(dòng)控制二次諧波產(chǎn)生器102Α。類似地，可使用 振蕩器124(產(chǎn)生頻率f2的信號(hào)）、調(diào)制器123、光電二極管125W及同步檢測(cè)器126來(lái)主動(dòng)控 制四次諧波產(chǎn)生器102B。
[0010] 來(lái)自基頻激光101的IR光(例如，1064皿)通過(guò)鏡110進(jìn)入二次諧波產(chǎn)生器102A且在 從鏡111及112反射之后進(jìn)入NLO晶體115。IR光進(jìn)入化0晶體115的部分經(jīng)轉(zhuǎn)換為二次諧波 (例如，到532nm)。鏡113涂布有反射IR光但透射二次諧波的材料。因此，二次諧波光穿過(guò)鏡 113且經(jīng)引導(dǎo)到四次諧波產(chǎn)生器102B。
[OCm]穿過(guò)晶體115的大部分IR光在未經(jīng)轉(zhuǎn)換的情況下從NLO晶體115出射且因此通過(guò)鏡 113反射且引導(dǎo)回到鏡110。鏡110涂布有對(duì)從鏡113 W射線的入射角到達(dá)的IR光高度反射但 對(duì)來(lái)自基頻激光101的傳入IR光高度透射的材料。
[0012]為增進(jìn)二次諧波產(chǎn)生器102A中的高功率密度，已在第一腔中循環(huán)的IR光應(yīng)與來(lái)自 基頻激光101的傳入光同相而到達(dá)鏡110。為此目的，可使用伺服控制件W機(jī)械移動(dòng)鏡111W 實(shí)現(xiàn)預(yù)定腔長(zhǎng)度，從而提供所需相位。在圖1中所示的配置中，用于二次諧波產(chǎn)生器102A的 伺服控制件包含振蕩器104、調(diào)制器103、光電二極管105、同步檢測(cè)器106及致動(dòng)器控制件 107。類似地，用于四次諧波產(chǎn)生器102B的伺服控制件包含振蕩器124、調(diào)制器123、光電二極 管125、同步檢測(cè)器126及致動(dòng)器控制件127。示范性致動(dòng)器控制件可包含壓電換能器或音圈 W維持預(yù)定腔長(zhǎng)度且因此最大化所述腔中的功率密度。
[OOK]如圖1中所示，通過(guò)調(diào)制器103W (通過(guò)振蕩器104提供的）頻率η調(diào)制來(lái)自基頻激 光101的輸入IR光W提供時(shí)變信號(hào)。注意，任何鏡上的涂層是不完美的，從而允許一些泄漏。 因此，光電二極管105接收在第一腔中循環(huán)的光的小部分（即，經(jīng)由鏡110通過(guò)鏡113反射的 光）W提供信號(hào)到同步檢測(cè)器106。同步檢測(cè)器106(其可包含混頻器或一些其它類似組件） 比較光電二極管105的輸出與頻率η的振蕩器104的輸出W產(chǎn)生用于致動(dòng)器控制件107的控 制信號(hào)。具體地說(shuō)，同步檢測(cè)器106可確定第一腔的長(zhǎng)度是否需要調(diào)整且如果需要，那么確 定所述長(zhǎng)度是應(yīng)增加還是應(yīng)減小及增加或減小的程度。示范性伺服控制件描述于美國(guó)專利 5，367，531W及布萊克(Black)的激光干設(shè)引力波天文臺(tái)技術(shù)備忘表LIG0-T980045-00-D (1998年KLIG0 Technical Note LIG0-T980045-00-D( 1998))中。
[0014] 第二調(diào)制器123W頻率f2調(diào)制（通過(guò)鏡113提供的）到四次諧波產(chǎn)生器102B的輸入 光W提供另一時(shí)變信號(hào)。光電二極管125檢測(cè)(經(jīng)由鏡130來(lái)自鏡133的)循環(huán)光的小部分。同 步檢測(cè)器10化k較光電二極管125的輸出與在頻率f2的振蕩器124的輸出W產(chǎn)生用于致動(dòng)器 控制件127的控制信號(hào)。具體地說(shuō)，同步檢測(cè)器126可確定四次諧波產(chǎn)生器102B的長(zhǎng)度是否 需要調(diào)整且如果需要，那么確定是應(yīng)增加還是應(yīng)減小所述長(zhǎng)度。致動(dòng)器控制件127物理控制 鏡131的位置W維持四次諧波產(chǎn)生器102B的適當(dāng)長(zhǎng)度使得來(lái)自鏡133的反射光的相位與(經(jīng) 由鏡113)提供到鏡130的相位相同。
[0015] 因此，四次諧波產(chǎn)生器102BW大體上類似于二次諧波產(chǎn)生器102A的方式操作，區(qū) 別僅在于進(jìn)入四次諧波產(chǎn)生器102B的光的輸入波長(zhǎng)是二次諧波（例如，532nm)且輸出波長(zhǎng) 是四次諧波(例如，266nm)。注意，二次及四次諧波產(chǎn)生器組件的涂層及材料是針對(duì)其相應(yīng) 波長(zhǎng)而適當(dāng)?shù)剡x取。
[0016] 在一些現(xiàn)有技術(shù)裝置(未展示）中，省略第二調(diào)制器123,從而導(dǎo)致兩個(gè)伺服控制件 在相同調(diào)制頻率下操作。在其它現(xiàn)有技術(shù)裝置(也未展示）中，不存在第一調(diào)制器103也不存 在第二調(diào)制器123。例如，IR激光101通過(guò)操作激光使得產(chǎn)生兩個(gè)模式來(lái)產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制輸出，所 述兩個(gè)模式經(jīng)選取具有波長(zhǎng)分離及相對(duì)振幅使得通過(guò)所述兩個(gè)模式的"拍動(dòng)(beating)" (例如，參見(jiàn)燦格(Zanger)等人的美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)案2006/0176916)產(chǎn)生適當(dāng)調(diào)制的輸 出。所屬領(lǐng)域中已知的無(wú)需調(diào)制激光的另一諧振腔伺服控制方法是最先由亨施(Hansch)及 庫(kù)約（Couillaud)在《光學(xué)通信》，35，第442頁(yè)到444頁(yè)（1980年）（Optical Communications, 35，442-444，（ 1980))中描述的方法，所述方法使用偏光W測(cè)量諧振腔中的相變。
[0017] 在又其它現(xiàn)有技術(shù)裝置中，一或多個(gè)諧波產(chǎn)生器可包括兩個(gè)或Ξ個(gè)鏡而非四個(gè) 鏡。在一些實(shí)施例中，兩個(gè)腔可具有不同數(shù)目個(gè)鏡。在又其它現(xiàn)有技術(shù)裝置中，可通過(guò)放置 于化0晶體135與鏡133之間的光束分割器(未展示)將DUV輸出波長(zhǎng)與再循環(huán)光分離（因此， 鏡133可涂布有只具有反射性的材料）。
[0018] 注意，圖1中所示的伺服控制件可有效地校正歸因于(例如)溫度改變的腔長(zhǎng)度的 緩慢改變。其還可有效地校正由低振幅、低頻率振動(dòng)引起的腔長(zhǎng)度改變。不幸的是，其它因 素可使腔的輸出降級(jí)且無(wú)法僅僅通過(guò)調(diào)整腔長(zhǎng)度而校正。如果未經(jīng)補(bǔ)償?shù)男?yīng)改變，那么 此類因素可降低轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率且導(dǎo)致輸出激光功率隨時(shí)間的向下傾向。
[0019] 未經(jīng)補(bǔ)償?shù)男?yīng)可包含歸因于化0晶體的性質(zhì)的在空間上變化的改變的焦距及像 散的改變。此類改變?cè)谕ㄟ^(guò)某個(gè)位置處的光折射引起時(shí)可歸因于所述位置處的聚焦光束的 功率密度而逆轉(zhuǎn)，或可歸因于對(duì)NL0晶體的材料的損壞而不可逆轉(zhuǎn)。
[0020] 不幸的是，DUV CW激光100僅可補(bǔ)償腔長(zhǎng)度的改變。因此，DUV CW激光100不能補(bǔ)償 在其第一或第二腔中的NL0晶體的焦點(diǎn)或像散的任何改變。因?yàn)樵诿恳?NL0晶體中的強(qiáng)烈聚 焦的激光光通常引發(fā)所述化0晶體中的可逆轉(zhuǎn)及不可逆轉(zhuǎn)改變兩者，所WDUV CW激光100- 般在最佳強(qiáng)度下操作且具有較短壽命。
[0021] 因此，需要一種可補(bǔ)償化0晶體在其構(gòu)成諧波產(chǎn)生器中的焦點(diǎn)或像散的任何改變 的DUV CW激光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] -種用于產(chǎn)生深紫外光(DUV)的連續(xù)波(CW)光的激光包含二次諧波產(chǎn)生器及四次 諧波產(chǎn)生器。所述二次諧波產(chǎn)生器將具有基波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為具有二次諧波波長(zhǎng)的光?？墒?用諧振腔或通過(guò)其它構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換。所述四次諧波產(chǎn)生器將具有所述二次諧波波長(zhǎng)的 所述光轉(zhuǎn)換為具有四次諧波波長(zhǎng)的光。
[0023] 在優(yōu)選實(shí)施例中，四次諧波產(chǎn)生器包含多個(gè)鏡、第一非線性光學(xué)(NL0)晶體及第二 NL0晶體。所述第一化0晶體產(chǎn)生具有四次諧波波長(zhǎng)的光，且經(jīng)放置而與所述多個(gè)鏡成操作 關(guān)系。二次諧波穿過(guò)所述第一化0晶體及所述第二化0晶體。注意，所述第二化0晶體的第二 光學(xué)軸圍繞所述第二化0晶體內(nèi)具有二次諧波波長(zhǎng)的光的傳播方向相對(duì)于所述第一化0晶 體的第一光學(xué)軸旋轉(zhuǎn)約90度。所述第二NL0晶體并不提供任何波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一化0晶體及所述第二化0晶體中的每一者經(jīng)氨退火。在 另一實(shí)施例中，所述第一化0晶體及所述第二化0晶體中的每一者包括經(jīng)氨退火的化B0(棚 酸飽裡）晶體。具有二次諧波的光可聚焦到所述第一化0晶體中或接近于所述第一化0晶體 的大體上楠圓光束腰，其中楠圓的長(zhǎng)軸大體上處在含有第一e軸的平面中。所述第二化0晶 體可保持在大體上與所述第一化ο晶體相同的溫度?？蛇x取所述第一化ο晶體的相位匹配角 及溫度W便減少所述第一化0晶體中由其中的聚焦光束產(chǎn)生的像散。在一個(gè)實(shí)施例中，控制 至少所述第一化0晶體的溫度(例如，控制在約50°C或更低溫度）W減少所述第一化0晶體中 由聚焦光束產(chǎn)生的像散。
[0025]所述四次諧波產(chǎn)生器可進(jìn)一步包含具有平行表面的一對(duì)薄板。所述對(duì)薄板可W大 體上相等且相反的角度傾斜W便最小化在補(bǔ)償像散時(shí)光束的任何位移。所述四次諧波產(chǎn)生 器可進(jìn)一步包含自動(dòng)調(diào)整像散補(bǔ)償W便大體上消除由所述四次諧波產(chǎn)生器引入的像散的 反饋控制回路。
[00%]本發(fā)明還描述一種用于檢驗(yàn)晶片、主光罩或光掩模的系統(tǒng)。此系統(tǒng)可包含DUV CW 激光，所述DUV CW激光包含在四次諧波產(chǎn)生器中的第一及第二NLO晶體，如本文中所描述。
[0027]本發(fā)明掲示一種在激光中產(chǎn)生深紫外光(DUV)的連續(xù)波(CW)光的方法。此方法包 含:將具有基波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為具有二次諧波波長(zhǎng)的光;及使用第一非線性光學(xué)(化0)晶體及 第二化0晶體將具有所述二次諧波波長(zhǎng)的所述光轉(zhuǎn)換為具有四次諧波波長(zhǎng)的光。產(chǎn)生具有 所述四次諧波波長(zhǎng)的所述光包含:使二次諧波穿過(guò)所述第一化0晶體及所述第二化0晶體； 及使所述第二化0晶體的第二光學(xué)軸圍繞在所述第二化0晶體內(nèi)具有二次諧波波長(zhǎng)的光的 傳播方向相對(duì)于所述第一化0晶體的第一光學(xué)軸旋轉(zhuǎn)約90度。注意，只有所述第一化