一种激光器能量测量装置的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，具体涉及一种激光器能量测量装置。


背景技术：

2.激光器因其能量大、亮度高、单色性好，被广泛应用于各种工业领域。其中深紫外的准分子激光器是高端光刻机常用光源，用于半导体芯片的加工。常见的准分子激光器有氟化氩(arf)和氟化氪(krf)准分子激光器，中心波长分别为193nm和248nm。
3.用于芯片加工领域的准分子激光器，对其能量和光谱的稳定性要求很高，而准分子激光器是一种通过放电泵浦的气体激光器，单脉冲能量稳定性差，每个脉冲之间的能量变化大，因此准分子激光器需要内置的能量测量装置，实时对每个脉冲的激光器能量进行测量，并通过对高压电源的控制进行实时闭环反馈，以得到稳定能量的激光输出。
4.准分子激光器的光束质量差，光斑分布不均匀且不稳定，导致精确测量准分子激光器的能量难度大，需要在能量测量时对激光器的光束进行匀化，经过匀化的光束照在光电探测器，得到激光器光强信号，匀光的效果直接影响着能量测量的精度。如何解决激光器光束不均匀带来的能量测量误差成为本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术提供一种激光器能量测量装置，以解决现有技术的上述的问题。本技术还提供一种准分子激光器及其光阑。
6.本技术提供一种激光器能量测量装置，包括：沿激光放电腔出光方向依次设置的第一匀光组件、光空间分布调节元件和光电探测器；所述光空间分布调节元件用于对照射在所述光电探测器上的激光进行光强空间调节。
7.可选的，所述光空间分布调节元件为空间分布可调光阑、空间光调制器或微镜阵列中的一种。
8.可选的，所述光空间分布调节元件为空间分布可调光阑；所述空间分布可调光阑包括：第一光阑和第二光阑，在所第一光阑和第二光阑上自中心向外不同半径位置沿周向分布有不同组小孔；
9.所述第一光阑和第二光阑叠放在一起，相应位置小孔相对准，可透过最大光强，通过调整第一光阑和第二光阑的相对角度，相应位置小孔产生错位，可调节透过所述光空间分布调节元件的光强分布。
10.可选的，在所述第一光阑和第二光阑中的每一个上半径相同位置的小孔大小相同，远离光阑中心位置的小孔尺寸大于接近中心位置的小孔的尺寸。
11.可选的，所述第一光阑和第二光阑上的小孔形状不同。
12.可选的，所述第一光阑上小孔为圆形孔，所述第二光阑上小孔为方形孔。
13.可选的，本技术的装置还包括第二匀光组件，所述第二匀光组件设置于光空间分布调节元件和光电探测器之间。
14.可选的，在所述第一匀光组件来光方向一侧还设置有正交分布的第一分束镜和第二分束镜。
15.所述第一匀光组件为毛玻璃或相位匀光组件。
16.本技术的另一方面公开了一种准分子激光器，包括上述激光器能量测量装置。
17.本技术的另一方面公开了一种光阑，其中，在所述光阑上自中心向外不同半径位置沿周向分布有不同组小孔，相同半径位置的小孔大小相同，远离中心位置的小孔尺寸大于接近中心位置的小孔的尺寸。
18.与现有技术相比，本技术具有以下优点：
19.本技术提供的激光器能量测量装置，包括：沿激光放电腔出光方向依次设置的第一匀光组件、光空间分布调节元件和光电探测器；所述光空间分布调节元件用于对照射在所述光电探测器上的激光进行光强空间调节。
20.本技术提供的所述激光器能量测量装置，通过采用光空间分布可调光阑，对能量测量装置中光强的照在光电探测器的比例进行选择，以消除激光器光束不均匀、指向和位置稳定性变化带来的能量测量误差，不仅可以用于准分子激光器的能量探测，也可以用于其他气体或者能量分布不均匀、光束质量较差的激光器中。本技术提供的装置实现了消除激光器光斑不均性对能量测量的影响，提高激光器能量测量精度，解决了能量测量误差的问题，并且提升了激光器能量测量精度和稳定度，提高激光器能量稳定性。
附图说明
21.图1是本技术实施例的一种内置激光器能量测量装置的激光器的结构示意图；
22.图2是本技术实施例的一种激光器能量测量装置的示意图；
23.图3是本技术提供的一种带有正交分布的分束镜的激光器能量测量装置的工作原理示例图；
24.图4是本技术提供的一种空间分布可调光阑对光束的选择示例图；
25.图5是本技术实施例的空间分布可调光阑的结构示例图；
26.图6是图5示出空间分布可调光阑两个光阑的结构示意图；
27.图7是图6两个光阑叠放后调节相对角度的示例图；
28.图8是本技术实施例的空间分布可调光阑上示例性小孔分布的示意图；
具体实施方式
29.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施的限制。
30.如前所述，激光器由于其能量大、亮度高且单色性好而被广泛应用。其中，在半导体制造工艺中，芯片的线宽取决于光刻机中激光器的中心波长、能量各种物理指标。深紫外波段的准分子激光器是高端光刻机的常用光源。由于激光器的输出能量和光谱的稳定性对半导体加工中工艺一致性尤为重要，因此，如何测量激光器的脉冲能量仅测量，并通过测量结果对激光器泵浦电源进行控制进而获得稳定能量的激光输出尤为重要。基于此，本技术的下述实施例提供一种应用于激光器的能量测量装置，该能量测量装置可以内置于激光器
之内，构成激光器的一部分，也可以外置于激光器之外，作为激光器光束能量测量的检测部件，本技术对此不做限制。
31.本技术的实施例的激光器能量测量装置，其包括：沿激光放电腔出光方向依次设置的第一匀光组件、光空间分布调节元件和光电探测器；所述光空间分布调节元件用于对照射在所述光电探测器上的激光进行光强空间调节。
32.以下结合附图本技术的实施例的激光器能量测量装置进行详细说明，并且对方法的各个步骤进行说明。
33.为便于理解，本实施例首先对具有能量测量装置的激光器进行说明。
34.请参考图1，其示出了本实施例一种激光器结构示意图。图1中，包括：激光器包括放电腔1、泵浦高压电源2、输出耦合镜6、线宽压窄装置5和能量测量装置7。其中，所述放电腔为一密封的腔体，腔体内部充入工作物质气体，例如惰性气体和卤素气体等的混合气。对波长为193nm激光器，内部为f2和ar 混合气，对波长为248nm激光器，内部为f2和kr混合气。放电腔1的腔室内部还设置两个相对放置的放电电极4，高压电源2连接至放电电极4。放电电极 4通电后，在电高压的作用下，产生离子数反转，f2和ar转换为arf的准分子态(f2和kr转换为krf准分子态)，准分子态的arf的电子向低能级跃迁，产生深紫外的激光，激光在谐振腔中振荡并放大，形成单色性好，能量集中度高的激光，最终通过输出耦合镜输出。
35.本实施例中，在放电腔1的两侧用caf2或熔石英材料的窗口片3密封，窗口片3与放电腔1的夹角为布鲁斯特角，这样有利于减小窗口片对p偏振态光的反射，以提升激光器的能量和偏振度。
36.本实施例中，在放电腔1一侧还设置线宽压窄装置5，以将激光光束线宽压窄，提高激光单色性。所述线宽压窄装置5可以采样现有技术任何的结构，在次不再展开论述。
37.在所述放电腔1的另一侧设置所述能量测量装置7，用于对放电腔1输出的光束进行光强测量。从放电腔1出射的激光的光斑近似为矩形分布，长度在 12mm左右，宽度在2mm左右，该光束通过输出耦合镜6和分束镜进入能量测量装置7中。
38.请参考图2，其为本实施例提供的一种激光器能量测量装置的结构示意图。在图2中，激光器能量测量装置包括沿激光放电腔1出光方向依次设置的第一匀光组件11、光空间分布调节元件13和光电探测器16。其中，所述光空间分布调节元件13用于对照射在所述光电探测器16上的激光进行光强空间调节。
39.如前所述，准分子激光器的光束质量差，光斑分布不均匀且不稳定，导致精确测量准分子激光器的能量难度大，需要在能量测量时对激光器的光束进行匀化，经过匀化的光束照在光电探测器，得到激光器光强信号，匀光的效果直接影响着能量测量的精度。因为匀光光路并不能将激光器的光斑完全匀化，当激光器的光斑分布、指向或位置发生变化时，即使激光器的总能量不变，照在光电探测器的能量也会变化，从而影响激光器能量测量精度，影响准分子激光器的能量稳定性。
40.请继续参考图2，本实施例中，能量测量装置7包含至少两组匀光组件
‑‑
第一匀光组件11和第二匀光组件14，其作用是对激光器的光斑进行匀化，减小激光器光斑不均性对能量测量的影响。但设置两组匀光组件并非必须，也可以设置更少或更多匀光组件，可以根据实际需要例如对光强的衰减等来选择设置的匀光组件的数量。
41.第一匀光组件11和第二匀光组件14可以是经过充分研磨的多层毛玻璃，因为毛玻
璃表面的凹凸不平的微结构可以对激光的光束位相进行调制，使其分布变得均匀。第一匀光组件11和第二匀光组件14也可以是一些带有特定位相结构的衍射光学元件，利用其位相分布实现对光束的匀化。
42.第一匀光组件11和第二匀光组件14的材料优选熔石英或者氟化钙，其在深紫外波段透过率较高。经过匀光组件匀化的光斑一般都大于入射光斑的尺寸，大小在十几毫米到几十毫米，该光束只有一部分光被光电探测器16接收，转化为电信号，经过电路放大后，得到电压或电流信号，其信号的大小与入射的光强成正比，因此可以通过测量光电探测器16电信号的大小得到激光器的能量，并反馈给高压电源2进行闭环反馈，使激光器的能量维持稳定的输出。
43.如前所述，光束经过第一匀光组件11和第二匀光组件14过程中，因为匀光组件无法对光束完全匀化，因此，激光器光束不同位置的光照射到光电探测器16上的比例并不一致。一般情况下，经过匀光的光斑在角度和空间分布类似高斯分布，如图2所示，此时垂直出射的光束比较强，而倾斜出射光的光束比较弱，因此，中间位置的光经过匀光组件后，比边缘位置的光更大比例照射到光电探测器16上，如图4中的a图所示。
44.因为激光光斑上每一点照射到光电探测器16的比例不一致，因此，当激光器的光斑分布变化时，即使激光器的总能量没有变化，光电探测器16上仍然接受到不同的光强，从而引起了能量测量误差，影响激光器能量的稳定性。为此，本技术实施例中，提供一种光空间分布调节元件13，对激光器光束不同位置的光进行选择，减低中间光束照射到光电探测器的比例，提升边缘光束照在光电探测器16的比例，如图4中b图示出了光空间分布调节元件沿径向光强透过曲线；经过空间分布可调光阑后，光斑上每一点的光照射到光电探测器16的比例相等或近似相等，如图4中c图所示；采用光空间分布调节元件13可以消除激光器光斑不均性对能量测量的影响，提高激光器能量测量精度。
45.本实施例中，光空间分布调节元件可以是空间分布可调光阑，如图5示出了本实施例空间分布可调光阑的正视图和侧视图；所述空间分布可调光阑包括：第一光阑13a和第二光阑13b，在所第一光阑13a和第二光阑13b的每一个上自中心向外不同半径位置沿周向分别设置有不同组小孔；所述第一光阑13a和第二光阑13b叠放在一起，相应位置小孔相对准，可透过最大光强，通过调整第一光阑13a和第二光阑13b的相对角度，相应位置小孔产生错位，可调节透过所述光空间分布调节元件13的光强分布。
46.图5和图6中分别示出了第一光阑13a和第二光阑13b的结构示意图，如图5和图6所示，第一光阑13a和第二光阑13b呈圆形或大致呈圆形，当然其也可以具有其它形状。自第一光阑13a和第二光阑13b的圆心(其它形状时为中心)向外在不同半径(如r1，r2)沿周向设置有不同组小孔，所述小孔形状可以是圆形、方形或其他形状。例如，第二光阑13b上沿r1周向设置若干圆孔(为了表示清楚，图中只画出4个小孔)，沿r2周向设置若干圆孔，在第一光阑13a 上以同样的方式设置有方形孔。其中，半径r1小于r2，圆孔在半径r1上均匀分布，其直径为d1，在半径为r2上的圆孔直径为d2。d2大于d1。也即相同半径位置的小孔大小相同，远离光阑中心位置的小孔尺寸大于接近中心位置的小孔的尺寸。本实施例中，仅示出了在两个不同半径处设置小孔的情形，应当理解，可以在沿径向不同位置设置在周向设置的所述小孔。两个光阑相应位置的小孔可以相同，也可以一个光阑上的小孔大于另一个光阑上的相应位置的小孔尺寸。
47.将第一光阑13a和第二光阑13b叠放在一起，并使其同轴，相应位置的小孔相对准，此时，可保证该空间分布可调光阑透过最大的光强，沿二者的轴线旋转其中一个光阑，使得相应位置的小孔产生一定的错位，使得本来完全对应的小孔部分对应，部分被另一个光阑所遮挡，透光空隙减少，从而使得透过的光强减少。通过旋转改变两个光阑的相对角度，可改变空间分布可调光阑透光程度，进而可改变透光光强。为便于理解，在图7中的a、b、c图分别示出了两个光阑不同角度时小孔遮挡的情况。
48.如前所述，在半径为r1上的小孔靠近光阑中心，因此其更多的决定中间光束照射到光电探测器的比例，当d1变大时，中间的光束将更多的通过光空间分布调节元件13照射到光电探测器16上，当d1变小时，中间的光束将会被光空间分布调节元件13遮挡更多，较少的光照射到光电探测器16上。在半径为r2 上的小孔远离光阑中心，因此半径为r2上的小孔更多的决定边缘侧光束照射到光电探测器16的比例，当d2变大时，边缘的光束将更多的通过光空间分布调节元件13照射到光电探测器16上，当d2变小时，边缘的光束将会被光空间分布调节元件13遮挡更多，较少的光照射到光电探测器16上。
49.在实际调试能量测量装置7时，需要调整光空间分布调节元件13的不同位置透光比，比较光束照在能量测量装置中心和边缘时光电探测器16的信号强度，当照射中心的强度大于边缘时，可减小中心的透光比或者增大边缘的透光比，此时可以旋转光阑13a，光阑13a有一系列的小孔，其尺寸要大于13b的小孔，如图7所示，当顺时针旋转13a时，13b中的中间小孔会被13a遮挡，而边缘的小孔没有变化，因此中间的透光比减小，当逆时针旋转13a时，13b边缘的小孔会被13a遮挡，而中心的小孔没有变化，因此边缘的透光比减小，通过实验旋转光阑13a的角度，使其对中心和边缘光照射到能量测量装置7时，光电探测器16信号的强度相等或大致相等，这样就可以消除激光器光强分布不均匀、指向和稳定性对能量测量装置7的影响，提高能量测量精度，提高激光器的能量稳定度。如前所述的顺时针和逆时针旋转两个光阑，中心位置(内侧)和边缘 (外侧)位置孔的阻挡情况不一致的方式通过如下方式实现：即在两个光阑上相应位置小孔相对准时，其中一个光阑上内侧设置的小孔在光阑上的位置逆时针方向少许移动，而外侧设置的小孔顺时针方向少许移动，在两个光阑叠放时，如图7中的a图所示，一个光阑的内侧圆孔在逆时针方向靠近另一个光阑的方形孔边缘，而外侧圆孔在顺时针方向靠近方形孔边缘。使得在两个光阑相对转动时，内侧和外侧透光空隙变化不完全相同。
50.光空间分布调节元件13是分配中间和边缘光束透光比的重要元件，是在激光器调试过程中进行调整，并不是激光器运行过程中调整光阑，因此，光空间分布调节元件13的在线调整功能是非必须的，可以在激光器调试过程中通过更换特定分布的光阑来实现。也就是说，可以设置多个具有不同尺寸不同形状不同分布的小孔的光阑，可以根据需要选择两个或两个以上的光阑一起使用。如图8示出了三种不同的光阑，当需要减小边缘光的透光比时，可以减小边缘小孔的直径，如光阑13d所示；当需要减小中间光的透光比时，可以减小中间小孔的直径，如光阑13e所示。需要说明的是，实际中为了实现光阑均匀的滤光效果，光阑上的小孔可以设置非常的小，而且数量很多。而且小孔的沿径向分布也不限于两层，可以是多层分布。
51.为了减小分束镜对能量测量的影响，作为一种实施方式，在所述第一匀光组件11来光方向一侧还设置有正交分布的第一分束镜8和第二分束镜9。如图3所示，第一分束镜8
和第二分束镜9优选正交分布，第一分束镜8位于yz平面，与y轴成45度角，第二分束镜9位于xy平面，与y方向成45度角，入射到第一分束镜8为p偏振的光，到第二分束镜9后变为s偏振，而入射到第一分束镜8为s偏振的光，入射到第二分束镜9后变为p偏振。当激光入射光强为 ein，其中p光的比例为k，s光的比例为1-k，则经过次第一分束镜8和第二分束镜9反射后的反射光强eout为：
52.e
out
＝e
in
kr
p
·rs
+e
in
(1-k)r
p
·rs
＝e
inrp
·rs
53.可以看出，此时反射光强与激光器的偏振态无关，但激光器长时间运行时，偏振态发生会发生微小变化，正交分布的分束镜不会引起能量测量装置7的测量误差，提高了能量测量装置7对能量测量的长期稳定性。
54.本技术实施例的激光器能量测量装置7包含空间分布可调光阑，对能量测量装置7中光强的照在光电探测器16的比例进行选择，以消除激光器光束不均匀、指向和位置稳定性变化带来的能量测量误差，不仅可以用于准分子激光器的能量探测，也可以用于其他气体或者能量分布不均匀、光束质量较差的激光器中。
55.此外还可以采用其他的元件实现空间分布可调光阑的功能，如空间光调制器或微镜阵列等，再此不在赘述。
56.本技术基于上述公开的上述能量测量装置，进一步公开了一种准分子激光器，解决了准分子激光器的光束质量差，光斑分布不均匀且光束指向和位置不稳定，导致精确测量准分子激光器的能量测量难度大的问题。
57.本技术虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本技术，任何本领域技术人员在不脱离本技术的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本技术的保护范围应当以本技术权利要求所界定的范围为准。