[發明專利]單腔雙電極放電腔及準分子激光器

無效

• 申請號: 201210053057.9
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN102810810A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 王宇;周翊;丁金濱;劉斌;張立佳;趙江山;沙鵬飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: H01S3/03
• 分類號: H01S3/03;H01S3/23
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于激光器技術領域，具體涉及一種光刻用的單腔雙電極放電腔及包含該放電腔的準分子激光器，本發明的放電腔也可應用于其它氣體受激勵產生能量輻射的裝置。

背景技術

準分子激光器是一種面向紫外特征應用的常規氣體激光器，目前被認為是用于光刻的最佳光源選擇，是集成電路平板印刷光刻工業的主力工作光源。

傳統的放電激勵準分子激光器采用單腔單電極結構設計。隨著光學光刻技術的進一步發展，要求光源具有更窄的光譜寬度(線寬)、更高的重復頻率以及更高的平均功率。傳統單腔結構很難同時滿足這三個要求，這往往導致激光器的研究在追求性能和成本效益之間存在嚴重的制約關系。改進傳統激光器單腔結構所面臨的困難主要在于線寬壓窄模塊的較大能量損失問題以及高功率激光輻射作用下光學元件的損傷和壽命問題。

為了有效的實現光譜寬度窄化和激光輸出功率的提高，雙腔結構被引入到激光器的設計中。這一結構的基本思想是使線寬壓窄和提高激光輸出功率在不同的氣體放電模塊(種子腔、放大腔)中得以實現。其工作過程如下：種子腔產生具有一定重復頻率的窄線寬種子光，實現低功率激光振蕩輻射；放大腔完成種子光入射后的脈沖能量放大。基于雙腔結構設計的激光器輸出具備了光刻光源所必需的窄化光譜控制和較高單脈沖能量輸出特性。

基于雙腔結構設計的激光器可以不斷優化主振和放大模塊，完善系統輸出指標，比如優化工作氣體混合物的組份和壓強以及激勵工作電壓等來獲得具有窄線寬和大功率的激光輸出。此外，基于放大腔的功率放大機制，主振蕩器中相對較低的激光輸出可以顯著提高線寬壓窄模塊中的光學元件的壽命。由于基于雙腔結構設計的激光器具有以上優點，“種子—放大”機制激光器結構設計在現代激光光刻光源研發中得到廣泛的應用。

雙腔結構設計主要分以下三類：主振蕩腔——功率放大腔的雙腔結構(MOPA，Master?Oscillator?Power?Amplifier)、主振蕩腔——功率振蕩腔的雙腔結構(MOPO，Master?Oscillator?Power?Oscillator)以及以主振蕩腔——功率放大腔的雙腔結構為基礎而發展出來的環形腔結構(MOPRA，Master?Oscillator?Power?Regenerative?Amplifier)。相應具體結構細節分別如圖1、2、3所示。

圖1是現有技術的雙腔MOPA準分子激光器結構圖，如圖1所示，雙腔MOPA準分子激光器包括主振蕩腔(MO腔)、功率放大腔(PA腔)、線寬壓窄模塊(LNM)、波長分析模塊(LAM)、MO光路轉換控制模塊(MOweb)、PA光路轉換控制模塊(PA?web)、光學脈沖展寬器(OPS)、線寬分析模塊(BAM)、五棱鏡等組成。

MOPA結構是最早應用于高端光刻光源研發的激光系統設計，該結構在專利US2002/0044586A1、US20060126697A1、US6690704B2中已作描述。根據文獻《近期光刻用ArF準分子激光技術發展》第523-524頁，MOPA結構機型中，由于有限次通過放大腔體，激光能量放大能力的限制使得MO腔(主振蕩腔)需要更高的激光能量輸出才能滿足光源系統指標參數需求，經線寬壓窄處理后MO腔輸出需要約1mJ左右種子光傳遞到PA腔(功率放大腔)，由于線寬壓窄機制所引入的較高能量損耗，轉換效率相對較低，大能量的放電激勵使MO腔的壽命明顯偏低。另外，PA腔輸出受MO腔和PA腔放電同步精度影響，激光能量輸出穩定性需要進一步提高。

基于注入鎖定技術(Injection?Lock?Technology)的MOPO結構和采用了環形腔技術(Recirculating?Ring?Technology)的MOPRA結構，彌補了MOPA結構的上述不足。

圖2是現有技術的雙腔MOPO準分子激光器結構圖，如圖2所示，雙腔MOPO準分子激光器包括：功率振蕩器(PO腔)、功率放大腔(PA腔)、線寬壓窄模塊(LNM)以及包括凹面鏡、凸面鏡在內的光學回路系統。

專利US2008/0285602A1采用MOPO雙腔結構設計。

圖3是現有技術的雙腔MOPRA準分子激光器結構圖，如圖3所示，雙腔MOPRA準分子激光器結構是在MOPA結構上做的改進，結構組成如同MOPA，只是將PA光路轉換控制模塊(PAweb)與線寬分析模塊(BAM)的位置做了對調，由此種子光可以獲得多程增益。

專利US2010098120A1采用MOPRA環形腔結構設計。