Лазерное устройство с высокой пиковой мощностью для генерирования света в вакуумной ультрафиолетовой области спектра

Лазерное устройство содержит по меньшей мере три генерирующих импульсы света импульсных твердотельных лазера с накачкой непрерывно работающими диодами, средство направления этих импульсов света в одну и ту же точку мишени и средство управления лазерами. Средство управления лазерами обеспечивает возможность модификации распределения во времени световых импульсов, генерированных лазерами, для создания составных импульсов. Профиль каждого составного импульса содержит первый импульс и последующий второй импульс, содержащий несколько сдвинутых по времени импульсов или рядов одновременных импульсов, причем временные сдвиги между составными импульсами меньше периода повторения импульсов лазеров. Обеспечивается создание лазерного устройства, которое при той же пиковой мощности имеет более высокую частоту повторения, и которое является менее сложным и менее дорогостоящим. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное изобретение относится к лазерному устройству с высокой пиковой и средней мощностью, а также с высокой частотой повторения импульсов, при этом оно имеет минимальную стоимость и сложность.

Изобретение можно применять, в частности, для генерирования света в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

Излучение, относящееся к этой области спектра, которое еще называют ВУФ-излучением, имеет длину волны в диапазоне от 8 до 25 нм.

ВУФ-излучение, которое можно получать путем создания световых импульсов, генерированных с помощью устройства согласно изобретению и взаимодействующих с подходящей мишенью, имеет различные применения, в частности, в материаловедении, микроскопии и особенно в микролитографии для изготовления интегральных схем с очень высокой степенью интеграции. Для этого последнего применения особенно предпочтительно иметь высокую частоту повторения импульсов, которую очень сложно получить для лазеров с высокой пиковой мощностью.

Изобретение применимо в любой области, где необходим возбуждаемый лазер того же типа, который необходим в микролитографии.

ВУФ-литография необходима в микроэлектронике для изготовления интегральных схем, размеры которых менее 0,1 мкм. Для источников ВУФ-излучения используют плазму, генерированную с помощью лазера.

Для создания такой плазмы необходимо иметь в распоряжении лазер, генерирующий высокое пиковое облучение. Поэтому для этого используют импульсные лазеры, обеспечивающие энергию в импульсе, например около 300 мДж или более.

Поскольку длина волны возбуждения не имеет очень большого значения, то в данном изобретении предлагается использовать лазер на алюмоиттриевом гранате, который предназначен для применения в различных областях промышленности. Однако в данном изобретении можно использовать также другие твердотельные лазеры, т.е. лазеры, усилительная среда которых является твердой.

Для получения очень высокой стабильности энергии от импульса к импульсу известно использование лазерной диодной накачки.

Дополнительно к этому для получения пиковой мощности, необходимой для генерирования предназначенного для фотолитографии ВУФ-излучения, известно использование импульсных диодов.

В этом отношении можно сослаться на следующий документ:

[1] Статья Н. Rieger и др. Лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом, с высокой яркостью и мощностью, Advanced solid-state lasers, 1999, Бостон МА, страницы 49-53.

В этой публикации раскрыто устройство для фотолитографии, генерирующее лазерные импульсы с большой пиковой амплитудой с относительно низкой частотой повторения.

Для получения необходимой пиковой мощности известно также использование генератора и усилителей. В результате получается сложный и дорогой лазер.

В этом отношении можно сослаться на следующий документ:

[2] Статья G. Holleman и др. Моделирование твердотельных лазеров с большой яркостью при киловаттной мощности, SPIE, том 2989, страницы 15-22.

В этой публикации упомянуты два требования к мощным лазерам, относящимся к двум разным технологиям:

- с одной стороны, для сварки и машинной обработки материалов требуются лазеры, излучающие длительные импульсы, получаемые с помощью простых технологий, и,

с другой стороны, применение в фотолитографии, где требуются короткие и имеющие по возможности высокую частоту повторения импульсы, получаемые с помощью специальной и дорогой технологии с использованием, в частности, двух ступеней оптического усиления.

В этом отношении можно сослаться на следующий документ, касающийся лазерного устройства с высокой пиковой мощностью:

[3] Статья G. Kubiak и др. Scale-up of a cluster jet laser plasma source for Extreme Ultraviolet lithography", SPIE, том 3676, страницы 669-678.

В устройстве, описанном в этой публикации, используют лазеры на алюмоиттриевом гранате, так же как и в остальных устройствах, согласно уровню техники относящихся к фотолитографии. Дополнительно к этому, в этом устройстве используют сложные и дорогостоящие оптические усилители. Кроме того, предлагаемая в этом документе [3] частота повторения составляет 6 кГц при мощности в импульсе 280 мДж.

Задачей данного изобретения является преодоление этих недостатков путем создания лазерного устройства, которое в сравнении с указанными известными лазерными устройствами имеет, по меньшей мере, такую же пиковую мощность при более высокой частоте повторения, и которое является менее сложным и менее дорогостоящим.

А именно, задачей данного изобретения является создание лазерного устройства, характеризующегося тем, что оно содержит:

- по меньшей мере, три генерирующих импульсы света импульсных твердотельных лазера с накачкой непрерывно работающими диодами;

- средство направления этих импульсов света в одну и ту же точку мишени и

- средство управления лазерами, которое обеспечивает возможность модификации распределения во времени световых импульсов, генерированных лазерами, для создания составных импульсов.

При этом профиль каждого составного импульса содержит первый импульс и последующий второй импульс, содержащий несколько сдвинутых по времени импульсов или рядов одновременных импульсов, причем временные сдвиги между составными импульсами меньше периода повторения импульсов лазеров.

Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства лазеры, накачка которых осуществляется работающими непрерывно диодами, выполнены как генераторы без усилителей.

Согласно частному варианту выполнения устройства оно дополнительно содержит средства модификации пространственного распределения импульсов составного импульса.

Согласно другому частному варианту выполнения устройства первый импульс составного импульса зажигает плазму, создаваемую посредством взаимодействия световых импульсов с мишенью, а последующий второй импульс отделен от первого временем, необходимым для нарастания плазмы, и состоит из нескольких импульсов в соответствии с последовательностью, которая зависит от нарастания плазмы.

Устройство согласно изобретению может также содержать средство модификации частоты повторения световых импульсов, или последовательности этих световых импульсов, генерируемых лазерами.

В случае создания составных импульсов, устройство согласно изобретению предпочтительно выполнено с возможностью направления первого, сильно сфокусированного луча на мишень, затем направления остатка световой энергии на мишень с более широкой фокусировкой.

Лазеры, используемые в устройстве согласно изобретению, являются твердотельными лазерами, например лазерами на алюмоиттриевом гранате.

Мишень, на которую направляются световые импульсы, излучаемые лазерами, выполнена с возможностью излучения света в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне за счет взаимодействия со световыми импульсами, генерированными лазерами.

Однако данное изобретение не ограничивается получением ВУФ-излучения. Его можно применять в любой области, где требуются лазерные лучи с большой пиковой мощностью, направляемые на мишень.

В данном изобретении используется пространственное наложение и упорядочивание во времени.

Понятие «пространственное наложение» используется для обозначения наложения множества лазерных лучей на одну и ту же точку мишени, по существу в одно и то же время. Понятие «по существу в одно и то же время» означает, что сдвиги по времени между различными элементарными импульсами, излучаемыми соответствующими твердотельными лазерами лазерного устройства, являются небольшими по сравнению с периодом повторения этих импульсов. Это наложение обеспечивает возможность увеличения энергии в импульсе и пиковой мощности.

Как будет показано ниже, гибкость использования может быть обеспечена за счет наложения лазерных лучей действительно в одной точке действительно в одно и то же время. Эта гибкость использования обеспечивает оптимизацию излучения из создаваемой плазмы.

Для данного изобретения важными являются следующие четыре пункта (а) - (d).

(а) Пространственное наложение.

Это обеспечивает возможность увеличения пиковой мощности и значительную свободу модификации пространственного распределения светового импульса, полученного в результате сложения элементарных световых импульсов, излучаемых лазерами.

Например, использование светового импульса, более сфокусированного, чем другие, что осуществляется в предпочтительном варианте выполнения изобретения, обеспечивает возможность получения излучения, которое локально больше, как схематично показано на фиг.1 и 2, где для простоты изображено только два луча.

Первый световой луч F1 и второй световой луч F2 показаны в разрезе на фиг.1 в плоскости, которая задана двумя перпендикулярными осями Ох и Оу, при этом осью, общей для обоих лучей, является ось Оу.

Оба луча являются по существу асимметричными относительно этой оси Оу и сфокусированы вблизи точки О почти в плоскости рассмотрения, которая задана осью Оу и осью, перпендикулярной осям Ох и Оу и проходящей через точку О.

Фокусировка двух лучей разная, при этом первый луч F1 сфокусирован сильнее, чем второй луч F2.

На фиг.1 показаны изменения освещенности I в плоскости рассмотрения в виде функции абсциссы х, откладываемой на оси Ох.

Хотя луч F1 в пять раз сильнее сфокусирован, чем луч F2, освещенность, создаваемая этим лучом F1 на оси Оу, в 25 раз превосходит освещенность, создаваемую лучом F2, когда два луча имеют одинаковую мощность. Однако следует отметить, что в данном изобретении можно использовать лучи, мощности которых идентичны, или же наоборот, отличаются друг от друга или даже очень отличаются друг от друга.

Это «пространственное наложение» нескольких лучей на одну и ту же мишень в один и тот же момент времени обеспечивает возможность сдвига в течение коротких отрезков времени импульсов каждого единичного лазера.

(b) Последовательность во времени различных лазерных импульсов

(b1) Первый режим

Когда несколько лазеров сфокусированы на одной и той же мишени, известно чередование по существу регулярным образом излучения их импульсов, что увеличивает частоту повторения без увеличения пиковой мощности.

(b2) Второй режим:

Имеется другая возможность: создание пачек импульсов, в которых временные сдвиги между двумя импульсами двух элементарных лазеров очень небольшие по сравнению со временем повторения между двумя пачками. Такие пачки импульсов можно рассматривать как составные импульсы.

В этом втором режиме можно также с помощью временного сдвига световых импульсов создавать предварительный импульс.

В этом отношении можно сослаться на следующий документ, в котором упоминается возможность создания предварительного импульса, предназначенного для зажигания плазы:

[4] Статья М. Berglund и др. Ultraviolet prepulse for enhanced X-ray emission and brightness from droplet-target laser plasma, Applied Physics Letters, том 69, 1996, страница 1683.

В изобретении используется режим (b2), который в частном варианте выполнения можно использовать вместе с режимом (b1). В этом случае задаются группы лазеров, генерирующих составные импульсы в режиме (b2) и несколько этих групп затем комбинируются с режимом (b1).

Поэтому изобретение обеспечивает значительную гибкость в упорядочивании единичных световых импульсов, и, в частности, в последующем последовательность (b2) рассматривается в качестве предпочтительной.

Первый импульс, сильно сфокусированный на мишени (этот импульс является, например, лучом F1 на фиг.1), зажигает плазму, затем в течение времени, когда плазма нарастает, мишень подвергается минимальному или нулевому освещению, а когда плазма достигнет диаметра луча F2, то на мишень воздействует максимальная световая мощность. В этом случае предпочтительно придавать первому импульсу меньше энергии, чем остатку составного импульса согласно фиг.3.

На фиг.3 показаны амплитуды А световых импульсов в зависимости от времени t. Показан пример составного импульса I1. Последний содержит предварительный импульс I2, затем первый ряд одновременных единичных импульсов I3, отделенных от предварительного импульса временем Т, необходимым для нарастания плазмы, затем второй ряд одновременных единичных импульсов I4, который следует за первым рядом.

Изобретение обеспечивает также возможность повторения этой последовательности с большой частотой, во много раз превосходящей частоту повторения единичных лазеров. Можно задать группу лазеров, каждый из которых генерирует пачку импульсов или составной импульс, образованный сфокусированным импульсом и одним или более другими импульсами, сдвинутыми по времени. Затем несколько этих групп можно комбинировать для чередования их составных импульсов, как это осуществляется для единичных импульсов. Установка лазеров различных групп в любой точке является идентичной установке лазеров в одной и той же группе. Изменяется лишь время запуска, генерируемое средством управления лазерами (средство 18 на фиг.4).

(c) Использование непрерывно работающих диодов для накачки материала лазера.

Для лазеров с постоянной накачкой, в которых используется алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом, продолжительность существования верхнего уровня лазера находится вблизи 250 мкс, в связи с чем для правильного извлечения заложенной световой мощности необходима работа с частотой свыше 5 кГц.

(d) Установка лазеров в генераторах без усилителей.

Данное изобретение в отличие от известных из уровня техники устройств направлено на получение больших пиковых мощностей посредством комбинирования пунктов, неблагоприятных для этой пиковой мощности (пункты с и d) и благоприятных пунктов (пункта а).

Очевидно, что пункты (b1), (с) и (d) не являются предпочтительными для получения больших пиковых мощностей, однако пункты (а) и (b2) обеспечивают возможность преодоления этого недостатка.

В данном изобретении пункты (а), (b2) и (с) используются одновременно и эта комбинация пунктов для получения больших пиковых мощностей не раскрыта в известном уровне техники. Предпочтительный вариант выполнения, основанный на пункте (d), отходит дальше от уровня техники.

Преимущества данного изобретения, помимо генерирования лазерных импульсов большой мощности и с большой частотой повторения, приведены ниже.

Стоимость диодов с постоянной средней мощностью значительно ниже, когда эти диоды работают непрерывно.

Дополнительно к этому, лазерное устройство согласно изобретению намного проще известных из уровня техники устройств, поскольку в устройстве согласно изобретению не используются усилители.

Эксплуатация и обслуживание этого лазерного устройства намного дешевле, поскольку используется меньшее количество оптических компонентов.

Параллельное расположение нескольких генераторов обеспечивает большую гибкость использования.

Увеличение числа лазеров также обеспечивает меньшую чувствительность устройства согласно изобретению к неисправности, относящейся к текущим параметрам работы одного из лазеров.

Для лучшего понимания изобретения, ниже приводится подробное описание вариантов выполнения, приведенных только для иллюстрации и не ограничивающих изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 и 2 изображают схему использования двух лазерных лучей, сфокусированных различно, для получения значительной локальной освещенности, описание которой уже приведено выше;

фиг.3 - пример составного светового импульса, который можно использовать в данном изобретении; и

фиг.4 - блок-схему устройства согласно частному варианту выполнения устройства.

Устройство согласно изобретению показанное схематично на фиг.4 содержит более трех импульсных лазеров, например восемь, но только три из них показаны на фиг.4 и обозначены позициями 2,4 и 6 соответственно.

Световые лучи 8, 10 и 12 (более точно, световые импульсы), которые генерируются этими импульсными лазерами 2, 4 и 6, направлены с помощью комплекта зеркал 14 по существу на одну и ту же точку Р мишени 16 по существу в одно и то же время.

Средство 18 для управления лазерами обеспечивает возможность получения световых импульсов.

На фиг.4 показаны также фокусирующие средства 20, 22 и 24, которые предусмотрены для фокусировки световых лучей 8, 10 и 12, соответственно, на точке Р мишени 16.

В показанном примере выполнения лазеры и мишень выбраны для создания ВУФ-излучения 26 за счет взаимодействия световых лучей с мишенью. Для этого мишень содержит, например, поток 28 инертной среды (например, ксенона), который выходит из сопла 30.

Это ВУФ-излучение 26 используется, например, для микролитографии интегральной схемы 32. Блоком 34 на. фиг.4 условно обозначены различные оптические средства, служащие для формирования ВУФ-излучения, прежде чем оно достигнет интегральной схемы 32.

Лазеры 2, 4 и 6 идентичны, и каждый из них содержит накачиваемую структуру 36 на алюмоиттриевом гранате, аберрация и двойное лучепреломление которой небольшие. Эта структура 36 содержит стержневой лазер 38, который накачивается с помощью ряда лазерных диодов 40, работающих непрерывно. Однако для создания первого предварительного импульса может быть предпочтительным выбрать лазер, отличный от других.

Каждый лазер установлен в генераторе без усилителя.

Каждый лазер образован в резонаторе, ограниченном первым сильно отражающим зеркалом 42 и вторым зеркалом 44, которое отражает частично для обеспечения возможности прохождения светового луча, генерированного лазером.

Этот резонатор выполнен с возможностью обеспечения небольшой расходимости этого луча, в 1,2 - 10 раз превосходящую предел дифракции, за счет небольшой длины резонатора для получения также световых импульсов с небольшой длительностью от 5 нс до 100 нс.

Используются две рассеивающие линзы 46 и 48, которые расположены между зеркалами 42 и 44 на каждой стороне стержневого лазера 38.

Расстояние между оптическими компонентами юстируются так, что различные линзы, присутствующие в резонаторе, придают основной моде резонатора диаметр, в 1,5-10 раз меньший, чем диаметр усилительного стержня или стержневого лазера. При юстировке учитывается термофокусировка с помощью метода, известного для специалистов в данной области техники.

Накачивающая структура 36 содержит, например, двойную головку с гомогенной накачкой и компенсацией двойного лучепреломления посредством поворота поляризации на 90°.

Диаметр стержневого лазера 38 может составлять от 3 до 6 мм.

Эти характеристики позволяют предотвратить повреждения работы лазерного резонатора, прежде всего, при высокой средней мощности.

Для обеспечения создания каждым лазером импульсов, в резонаторе этого лазера расположено средство запуска, например оптоакустическое средство.

В показанном на фиг.4 примере выполнения, используются два оптоакустических средства 50 и 52, которые управляются средством 18 управления и расположены в пространстве, ограниченном рассеивающими линзами 46 и 48 на каждой стороне стержневого лазера 38.

Эти два оптоакустических отражателя 50 и 52 используются для регулирования резонатора с соответствующими коэффициентами усиления со средней мощностью от 150 до 600 Вт.

Средство 18 управления обеспечивает регулирование и стабилизацию источника ВУФ-излучения в зависимости от требований микролитографии и синхронизацию лазеров 2, 4 и 6.

Частота повторения для каждого из восьми лазеров составляет 10 кГц, поскольку они образуют только единственную группу, и поскольку каждый импульс является составным импульсом, то есть импульс состоит из предварительного импульса, за которым следуют семь дополнительных элементарных импульсов.

Средство 18 управления содержит средство (не изображено) для генерирования токов, питающих диоды 40 для накачки лазеров, и средство (не изображено) для генерирования модулированных высокочастотных токов, предназначенных для управления каждой парой оптоакустических отражателей 50 и 52.

Кроме того, средство 18 управления обеспечивает управление лазерами 2, 4 и 6 в соответствии с сигналами, полученными при измерении излучения плазмы (генерированного за счет взаимодействия лазерных лучей с мишенью 16). Указанные сигналы подаются одним или несколькими соответствующими датчиками 54, например, в виде одного или нескольких быстрых кремниевых фотодиодов со специальной фильтрацией для ВУФ-излучения. При этом фильтрация может осуществляться с помощью циркониевого или молибден-кремниевого многослойного зеркала, возможно двойного. Когда наблюдается скорость нарастания плазмы, целесообразно либо модифицировать эту фильтрацию, либо добавлять один или несколько дополнительных быстрых фотодиодов, фильтрация которых ближе к видимому спектру.

Средство 18 управления предназначено также для управления лазерами 2,4 и 6 в соответствии со следующими сигналами:

- с сигналами измерения энергии световых импульсов из лазеров 2, 4 и 6, которые передаются соответствующими датчиками 56, 58 и 60, например быстрыми кремниевыми фотодиодами с интегрирующими средствами, и

- с сигналами измерения временной формы световых импульсов из лазеров 2, 4, 6, которые передаются тремя соответствующими датчиками 62, 64 и 66, например быстрыми кремниевыми фотодиодами, которые могут быть теми же датчиками, что и датчики 56, 58, 60, за исключением того, что сигналы отбираются по потоку перед средствами сложения импульсов.

Оптические средства, образованные отражательными зеркалами 14 и фокусирующими линзами 20, 22 и 24, выбираются так, чтобы обеспечить пространственное наложение с колебаниями положения, не превышающими нескольких процентов, например, порядка 1 - 10% диаметра фокальной точки (точки Р).

Показанное на фиг.4 лазерное устройство дополнительно содержит средства, предназначенные для модификации пространственного распределения импульса, полученного в результате сложения световых импульсов, излучаемых лазерами 2, 4 и 6 соответственно. Эти средства, обозначенные стрелками 74, 76 и 78, предусмотрены, например, для перемещения линз 20, 22 и 24 с целью изменения размеров фокальных точек, создаваемых этими линзами.

Средство 18 управления может использоваться для относительно сдвига во времени световых импульсов, излучаемых лазерами 2, 4 и 6, посредством подходящего сдвига времени запуска лазеров относительно друг друга.

1. Лазерное устройство, содержащее по меньшей мере три генерирующих импульсы света импульсных твердотельных лазера с накачкой непрерывно работающими диодами, средство направлениях этих импульсов света в одну и ту же точку мишени и средство управления лазерами, которые обеспечивает возможность модификации распределения во времени световых импульсов, генерированных лазерами, для создания составных импульсов, причем профиль каждого составного импульса содержит первый импульс и последующий второй импульс, содержащий несколько сдвинутых по времени импульсов или рядов одновременных импульсов, причем временные сдвиги между составными импульсами меньше периода повторения импульсов лазеров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазеры, накачка которых осуществляется работающими непрерывно диодами, выполнены как генераторы без усилителей.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства модификации пространственного распределения импульсов составного импульса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый импульс составного импульса зажигает плазму, создаваемую посредством взаимодействия световых импульсов с мишенью, а последующий второй импульс отделен от первого времени, необходимым для нарастания плазмы, и состоит из нескольких импульсов в соответствии с последовательностью, которая зависит от нарастания плазмы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство модификации частоты повторения световых импульсов, или последовательности этих световых импульсов, генерируемых лазерами.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выполнено с возможностью направления первого, сильно сфокусированного луча на мишень, затем направления остатка световой энергии на мишень с более широкой фокусировкой.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазеры являются лазерами на алюмоиттриевом гранате.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень выполнена с возможностью излучения света в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне за счет взаимодействия со световыми импульсами, генерированными лазерами.