專利名稱：高峰值功率激光設備及其在產(chǎn)生遠紫外光中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高峰值功率、平均功率、和高重復速率，同時造價和復雜程度最低的激光設備。
本發(fā)明特別可以用于在遠紫外區(qū)中產(chǎn)生光。
屬于該區(qū)域的輻射，又稱“EUV輻射”，其波長范圍為8-25納米。
可以通過使利用作為本發(fā)明主題的設備產(chǎn)生的光脈沖與合適的目標相互作用而獲得的EUV輻射具有眾多的應用，特別是在材料科學、顯微術中、以及最特別地在為了制作具有很高集成度的集成電路的微刻技術中。對于該最后的應用，具有高重復速率特別有利，而這對于高峰值功率激光來說很難獲得。
本發(fā)明可以用于要求與微刻中所需的相同類型激發(fā)激光的任何領域。
相關技術描述在微電子學中需要EUV光刻，以制造尺寸小于0.1微米的集成電路。在EUV輻射源中，幾種這樣的源采用借助于激光產(chǎn)生的等離子體。
為了產(chǎn)生這樣的等離子體，必須能夠獲得產(chǎn)生高峰值照度的激光。為此，采用了脈沖激光器，傳遞例如大約每個脈沖300mJ或更多的能量。
由于激發(fā)波長的作用不是很重要，所以應當指出，從現(xiàn)在起，本發(fā)明將采用例如YAG激光器，該種激光器在許多工業(yè)領域得到了大量的開發(fā)。但是，其它固體激光器，即，其放大介質是固體，也可以用于本發(fā)明。
為了逐個脈沖獲得很高的能量穩(wěn)定性，已知采用激光二極管泵送。
此外，為了獲得產(chǎn)生用于光刻的EUV輻射所需的峰值功率，已知使用脈沖二極管。
關于該主題，可以參考下列文獻(1)H.Rieger等的文章“High brightness and power NdYAGlaser”，Advanced solid-state lasers，1999，BostonMA，第49-53頁。
該文獻公開了一種用于光刻的設備，在相對較低的重復速率下產(chǎn)生高峰值幅度的激光脈沖。
而且，為了獲得要求的峰值功率，已知采用振蕩器和放大器。其結果是一種復雜而昂貴的激光器。
關于該主題，可以參考下列文獻(2)G.Holleman等的文章，“Modeling high brightness kWsolid-state lasers”，SPIE卷2989，第15-22頁。
該文獻提到對應于兩種對立技術的功率激光器的兩種要求一方面，焊接、加工或處理材料的應用，其要求發(fā)長脈沖的激光器，通過非常簡單的技術獲得，和另一方面，光刻應用，其要求既短，而且如果可能的話，還要高速的脈沖，通過特別地使用兩個光學放大級的非常復雜且昂貴的技術獲得。
還可以參考下列文獻，其目的是獲得高峰值功率的激光設備(3)G.Kubiak等的文章，“Scale-up of acluster je laserplasma source for Extreme Ultraviolet lithography”，SPIE，卷3676，1999，第669-678頁。
該文獻(3)中描述的設備使用由脈沖二極管泵送的YAG激光，就像在涉及光刻的其它現(xiàn)有技術中一樣。此外，它還采用復雜而昂貴的光學放大器。而且，該文獻(3)中預定的重復速率為6kHz，獲得每個脈沖280mJ的能量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是通過提出一種能夠具有一定峰值功率的激光設備來克服缺陷，該峰值功率至少與上述已知的激光設備的峰值功率一樣高，同時該激光設備比上述已知的激光設備簡單且便宜。
具體地，本發(fā)明的主題是一種激光設備，其特征在于包括至少三個脈沖固體激光器，由連續(xù)工作的二極管泵送，用于提供光脈沖，和用于基本上同時將這些光脈沖引導到目標的基本上同一個點上的裝置。
根據(jù)本發(fā)明設備的一個優(yōu)選實施例，所述激光器安裝在振蕩器中，沒有放大器。
本發(fā)明設備包括至少三個脈沖激光器，但是最好包括三個以上。
根據(jù)本發(fā)明設備的一個特定實施例，該設備另外還包括用于改變由于附加了由激光器提供的光脈沖而產(chǎn)生的光脈沖的空間分布的裝置。
根據(jù)另一個特定實施例，該設備另外還包括用于控制激光器的裝置，其能夠改變由于附加了由激光器提供的光脈沖而產(chǎn)生的光脈沖的時間分布，從而產(chǎn)生合成脈沖。
根據(jù)本發(fā)明的一個特定實施例，每個合成脈沖的形狀包括用于點燃由光脈沖與目標相互作用而產(chǎn)生的等離子體的第一脈沖，一個時間間隔，其中當?shù)入x子體生長時，能量最低，然后是第二脈沖，由幾個單元脈沖根據(jù)由等離子體的生長決定的順序構成。
本發(fā)明設備還可以包括用于修改激光器發(fā)出的光脈沖的重復速率或這些由激光器發(fā)出的光脈沖的順序的重復速率的裝置。
在產(chǎn)生合成脈沖的情況下，本發(fā)明設備最好能夠首先將高度聚焦的光束引導到目標上，然后以較寬的聚焦將光能量的其余部分作用到目標上。
本發(fā)明中應用的激光器是固體激光器，如YAG激光器。
由本發(fā)明設備的激光器發(fā)出的光脈沖被引導到其上到目標可以通過與這些光脈沖相互作用而提供遠紫外區(qū)域的光。
但是，本發(fā)明設備不限于獲得EUV輻射。它可以用于需要引導到目標上的高峰值功率激光束的任何領域。
在本發(fā)明中，使用了空間疊加，在特定實施例中，還使用了時間排序。
術語“空間疊加”表示多個激光束基本上同時在目標的基本上同一點上的疊加， “基本上同時”表示由激光設備的固體激光器分別提供的不同單元脈沖之間的時間偏移與這些激光器的重復周期相比很小。該疊加使得有可能增加每個脈沖的能量和峰值功率。
本發(fā)明中，下面的四點(a)-(d)非常重要。
(a)空間疊加這使得可以增加峰值功率和具有改變由于增加由激光器發(fā)出的單元光脈沖所導致的光脈沖的空間分布的顯著的自由度。
例如，使用比其它更集中的光脈沖，其在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中實現(xiàn)，使得可以獲得局部較大的照度，如

圖1和2中所示，其中為簡單起見，只考慮兩個光束。
在圖1中可同時看到第一光束F1和第二光束F2，在由兩個相互垂直的軸0x和0y定義的平面內，兩個光束公用的軸是0y軸。
該兩個光束基本上關于該0y軸軸對稱，并聚焦在點0附近，基本上在觀察平面內，該觀察平面由0y軸和垂直于0x軸和0y軸且穿過點0的軸定義。
兩個光束的焦點不同，第一光束F1比第二光束F2更集中。
圖2示出在觀察平面內亮度I的變化，其是在0x軸上的橫坐標的函數(shù)。
盡管光束F1比光束F2集中5倍，但當兩個光束具有相同功率時，由光束F1在0y軸上產(chǎn)生的照度是由光束F2產(chǎn)生的照度的25倍。但是，應當注意，在本發(fā)明中，可以使用功率相同的光束，相反，也可以使用功率相互不同或甚至很不同的光束。
幾個光束同時在相同目標上的“空間疊加”允許每個單元激光的脈沖的瞬時在更短的時間比例上的偏移。
(b)不同激光脈沖的時間排序(b1)第一模式當幾個激光聚焦在同一目標上時，已知以基本上規(guī)則的方式使其脈沖的發(fā)射交錯，這樣增加了重復速率而不增加峰值功率。
(b2)第二模式還有另一種可能性產(chǎn)生脈沖爆發(fā)，其中兩個單元激光的兩個脈沖之間的時間偏移與兩個爆發(fā)之間的重復時間相比很小。這樣的爆發(fā)可以認為是合成脈沖。
在該第二模式中，借助于光脈沖的時間偏移，還可以產(chǎn)生一個預脈沖。
關于該主題，可以參考下列文獻，其提到了產(chǎn)生相應點燃等離子體而產(chǎn)生預脈沖的可能性(4)M.Berglund等的文章，“Ultraviolet prepulse forenhanced X-ray emission and brightness from droplet-targetlaser plasma”，Applied Physics Letters，卷69，1996，第1683頁。
本發(fā)明仍然使用模式(b2)，其可以在特定實施例中與模式(b1)一起使用。在該情況下，定義了在模式(b2)中產(chǎn)生合成脈沖的激光器組，然后，幾個這樣的組用模式(b1)合并。
因此，本發(fā)明提供了單元光脈沖排序的相當?shù)撵`活性，特別是以下認為是優(yōu)點的排序(b2)。
高度聚焦在目標上的第一個脈沖(該脈沖的類型是例如圖1所示的光束F1)點燃等離子體，然后，在等離子體生長期間，目標經(jīng)歷最小或零照度，當?shù)入x子體達到光束F2的直徑時，目標經(jīng)歷最大光功率。所以，最好分配給第一個脈沖的能量比分配給合成脈沖的剩余部分的能量少，如圖3所示。
在該圖3中，光脈沖的幅度A表示為時間t的函數(shù)。示出合成脈沖I1的一個例子。后者包括一個預脈沖I2，然后是第一組同時發(fā)生的單元脈沖I3，與預脈沖間隔時間T，以便等離子體生長，然后是第二組同時發(fā)生的單元脈沖I4，緊跟第一組。
本發(fā)明還使得可能以多倍于單元激光的重復頻率的重復頻率重復該序列?？梢远x激光器組，每組產(chǎn)生一個爆發(fā)或合成脈沖，由一個聚焦脈沖和一個或多個在時間上偏移的其它脈沖構成。然后，幾個這樣的組可以被組合，以便使其合成脈沖交錯，如對于單元脈沖已知的那樣。不同組激光器安裝在與同組的激光器相同的任何點。只有由用于控制激光器的裝置(圖4中的裝置18)產(chǎn)生的觸發(fā)時間改變。
(c)用于泵送激光材料的連續(xù)二極管的使用對于使用YAG材料摻雜釹且連續(xù)泵送的激光器，該激光器的上層的壽命，在250微妙附近，要求高于5kHz的速率，以便正確抽取存儲的光功率。
(d)在振蕩器中安裝激光器，沒有放大器與現(xiàn)有技術不同，本發(fā)明要通過組合對該峰值功率不利的點(點c和d)與有利的點(點a)來獲得高峰值功率。
當然，點(b1)、(c)和(d)不利于獲得高峰值功率，但是采用點(a)和(b2)使得可以克服該缺陷。
在本發(fā)明中，點(a)、(b2)和(c)同時使用，在獲得高峰值功率中組合有利和不利的點與現(xiàn)有技術不同。在點(d)發(fā)現(xiàn)優(yōu)選實施例與現(xiàn)有技術更不同。
除了產(chǎn)生高功率和高速率激光脈沖，本發(fā)明的優(yōu)點在以下描述。
當恒定平均功率的二極管連續(xù)運行時，其成本相當?shù)汀?br> 此外，根據(jù)本發(fā)明的激光設備比現(xiàn)有技術的簡單得多，因為該設備不用串聯(lián)布置的放大器。
該激光設備的開發(fā)和維護較便宜，因為使用了較少的光學元件。
并聯(lián)布置若干個振蕩器使得使用更靈活。
激光器數(shù)量的增加還使得根據(jù)本發(fā)明的設備可能對與一個激光器的瞬時性能有關的事件較不敏感。
附圖簡述通過閱讀以下參考附圖給出的單純?yōu)榱苏f明而不是用于限制的實施例的描述可以更好地理解本發(fā)明。
圖1和2簡單示出兩個不同聚焦的激光束的使用，以獲得相當?shù)木植空斩?，以上已?jīng)對其進行了描述，圖3簡單示出能夠用于本發(fā)明中的組合光脈沖的實例，以上已經(jīng)對其進行了描述，圖4是本發(fā)明主題設備的特定實施例的簡化圖。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明的設備如圖4所示，包括三個以上脈沖激光器，例如八個，但是圖4中只示出其中的三個，其標號分別為2、4和6。
分別由脈沖激光器2、4和6提供的光束8、10和12(更準確地說是光脈沖)通過一組反射鏡14被引導到目標16上的基本上同一點P，并基本上同時到達該點P。
還示出用于控制激光器的裝置18，使得可以獲得所述光脈沖。
圖4還示出聚焦裝置20、22和24，用于分別將光束8、10和12聚焦到目標16的點P上。
在所述例子中，選擇激光器和目標，以便通過光束與該目標的相互作用來提供EUV輻射26。為此，所述目標包括例如聚集體(aggregate)流28(例如氙)，其來自噴嘴30。
該EUV輻射26用于例如集成電路32的微刻。圖4的塊34表示各種光學裝置，用于在EUV輻射到達集成電路32之前調整其形狀。
激光器2、4、和6相同。它們各自包括一個YAG泵送結構36，其象差和雙折射很小。該結構36包括一個棒狀激光器38，其由連續(xù)工作的一組激光二極管40泵送。但是，最好選擇一個激光器與其它激光器不同，以產(chǎn)生第一個“預脈沖”脈沖。
每個激光器安裝在一個振蕩器中，沒有光放大。
每個激光器在由第一高反射鏡42和部分反射的反射鏡44限定的腔中形成，以便允許由激光器產(chǎn)生的光束穿過。
該腔被設計為允許該光束在短的腔長度上具有1.2-10倍于衍射限制的小散度，從而獲得5-100納秒短持續(xù)時間的光脈沖。
在棒狀激光器38的兩側使用了兩個散射透鏡46和48，其布置在反射鏡42和44之間。
光學元件之間的距離調節(jié)為使得在所述腔中存在的各種透鏡給出所述腔的基本模型，其直徑比放大棒或棒狀激光器的直徑小1.5-10倍。對于該調節(jié)，可以通過本領域的技術人員熟知的方法考慮熱聚焦。
泵送結構36包括例如雙頭，其通過將偏振旋轉90度而具有相同的雙折射泵送和補償。
棒狀激光器38的直徑可以是3-6mm。
首先當平均功率高時，為了不損壞激光器腔的特性，這些特征是有用的。
為了使每個激光器提供脈沖，在該激光器附近布置觸發(fā)裝置，例如聲光裝置。
在圖4所示例子中，使用了兩個聲光偏轉器50和52，其由控制裝置18控制，置于由棒狀激光器38兩側的散射透鏡46和48限定的空間中。
這兩個聲光偏轉器50和52用于在150-600W之間的平均功率用對應的增益(gains)阻塞所述腔。
控制裝置18允許EUV源根據(jù)微刻和激光器2、4和6的同步的需要來變化或穩(wěn)定。
對八個激光器中的每一個來說，重復頻率為10kHz，因為該八個激光器僅僅構成一個組，且因為每個脈沖為合成脈沖，即一個脈沖構成預脈沖，其后是七個附加的單元脈沖。
控制裝置18包括用于產(chǎn)生為泵送激光二極管40供電的電流的裝置(未示出)和用于產(chǎn)生用于控制每對聲光偏轉器50和52的調制射頻電流的裝置(未示出)。
此外，這些控制裝置18還用于根據(jù)用于測量等離子體(通過激光束與目標16相互作用而產(chǎn)生)輻射的信號控制激光器2、4和6，所述信號由一個或多個合適的傳感器提供，例如傳感器54，例如一個或多個具有光譜過濾的快速硅光電二極管；對于EUV輻射，該過濾可以由鋯執(zhí)行，也可以由硅化鉬(molybdenum-silicon)執(zhí)行，也可以二者一起執(zhí)行；在觀察到等離子體生長速率的地方，最好或者修改該過濾，或者增加一個或多個快速光電二極管，該光電二極管的過濾靠近可見光譜。
控制裝置18還用于根據(jù)以下信號控制激光器2、4和6-用于測量來自激光器2、4和6的光脈沖的能量的信號，分別由合適的傳感器56、58和60，例如具有積分裝置的快速硅光電二極管，提供的信號，和用于測量來自激光器2、4和6的光脈沖的時間形狀的信號，分別由合適的傳感器62、64和66提供的信號，其可以是與傳感器56、58和60相同的傳感器，除了該信號在積分裝置的上游獲得。
據(jù)說明，由偏轉反射鏡14和聚焦透鏡20、22和24構成的光學裝置被選擇為允許具有小于焦點(點P)直徑的小百分比，例如1％-10％數(shù)量級，的位置波動的空間重疊。
圖4所示的激光器裝置還包括被提供用來改變由加上分別從激光器2、4和6發(fā)出的光脈沖而導致的脈沖的空間分布的裝置。這些裝置分別用箭頭74、76和78表示，被提供用于例如移動透鏡20、22和24，從而改變分別由這些透鏡提供的焦點的大小。
控制裝置18可以被提供，以便通過使激光器的觸發(fā)之間相互適當偏移來使由激光器2、4和6發(fā)出的光脈沖相互在時間上偏移。
權利要求
1.激光設備，其特征在于包括至少三個固體激光器(2、4、6)，由連續(xù)工作的二極管(40)泵送，用于提供光脈沖，和裝置(14)，用于將這些光脈沖引導到目標(16)的基本同一點上，且基本上同時到達該點。
2.根據(jù)權利要求1的設備，其中所述由連續(xù)工作的二極管(40)泵送的激光器安裝在振蕩器中，沒有放大器。
3.根據(jù)權利要求1或2的設備，還包括裝置(74、76、78)，用于修改由于加入由激光器提供的光脈沖而導致的光脈沖的空間分布。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項的設備，還包括裝置(18)，用于控制所述激光器，其能夠修改由于加入由激光器提供的光脈沖而導致的光脈沖的時間分布，從而產(chǎn)生合成脈沖。
5.根據(jù)權利要求4的設備，其中每個合成脈沖的形狀包括用于點燃由光脈沖與目標相互作用而產(chǎn)生的等離子體的第一脈沖，一個時間間隔，其中當?shù)入x子體生長時，能量最低，然后是第二脈沖，由幾個單元脈沖根據(jù)由等離子體的生長決定的順序構成。
6.根據(jù)權利要求1-5任一項的設備，還包括裝置(18)，用于修改由激光器發(fā)出的光脈沖或這些由激光器發(fā)出的光脈沖的順序的重復速率。
7.根據(jù)權利要求4或5的設備，能夠將第一個高度聚焦的光束(F1)引導到目標上，然后以較寬的聚焦將光能量的其余部分作用到目標上。
8.根據(jù)權利要求1-7任一項的設備，其中所述激光器(2、4、6)為YAG激光器。
9.根據(jù)權利要求1-8任一項的設備，其中提供目標(16)，以便通過與由激光器(2、4、6)發(fā)出的光脈沖相互作用而提供遠紫外區(qū)域的光。
全文摘要
該設備包括至少一個固體激光器(2、4、6)，用于提供光脈沖，和裝置(14)，用于將這些光脈沖引導到目標(16)的基本同一點上，且基本上同時到達該點。所述激光器由連續(xù)工作的二極管(40)泵送。
文檔編號H01S3/23GK1505857SQ01816232
公開日2004年6月16日 申請日期2001年9月19日 優(yōu)先權日2000年9月27日
發(fā)明者J·－M·沃伊萊爾斯, V·勒弗蘭徹克, M·吉爾伯特, J -M 沃伊萊爾斯, ダ汲箍 申請人:法國原子能委員會