一种垂直偏振态准分子激光器

1.本申请涉及气体激光器技术领域，具体涉及一种垂直偏振态准分子激光器。


背景技术：

2.准分子激光器(如193nm准分子激光器)是大规模集成电路制造业应用的主流曝光光源。大规模集成电路制造业要求光刻用准分子激光器输出的激光具有很高的激光偏振度，如95％甚至更高。光刻用准分子激光器输出的激光基本都是特定偏振态，以垂直偏振态、或水平偏振态为主，垂直偏振态即激光振动方向以垂直面内振动为主导。对于垂直偏振态激光器而言，垂直偏振态激光为所需要的目标偏振态激光。
3.应用于大规模集成电路制造业的光刻准分子激光器具有很高的激光输出能量，因此激光器通常采用两个激光谐振腔结构，分别为种子腔和放大腔。其中种子腔用来产生窄线宽、低能量的优质种子激光，种子光经过一系列的光学传导元件，传输至放大腔，进行种子光的能量放大，进而实现大能量、窄线宽的高偏振度准分子激光输出，可供后续应用。因此，准分子激光器中分布了很多的光学元件，用于产生偏振种子激光、对激光光谱宽度进行压窄、光路传输、激光输出等用途，这些光学元件共同构成了光刻用准分子激光器的光路系统，光路系统中任何一个元件都会对激光偏振度产生影响。同时由于两个放电腔之间存在一定空间距离，种子光从种子腔输出直至最终放大输出，过程中需经历长达数米的长光程传输。长距离传输时，大气因素干扰、外界环境电磁场的影响等因素可能都会对激光偏振特性产生影响，产生激光退偏现象，导致激光偏振度降低，使所需要的垂直偏振态激光传输效率降低。
4.因此，如何利用激光器光路系统的每一个光学元件在发挥固有
‑
引导光路传输作用的同时，进一步提高激光偏振度就显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本申请的目的是提供一种垂直偏振态准分子激光器。
6.本申请提供一种垂直偏振态准分子激光器，包括：种子腔、放大腔以及设置在所述种子腔至所述放大腔的光路上的第一高反射镜、第二高反射镜和转置棱镜；
7.所述种子腔位于所述放大腔的正上方，所述第一高反射镜和所述种子腔位于同一水平面，所述第二高反射镜、所述转置棱镜和所述放大腔位于同一水平面，所述第二高反射镜和所述转置棱镜分别位于所述放大腔的放大腔增益区的两侧，且所述第二高反射镜位于所述第一高反射镜的正下方；
8.所述第一高反射镜和所述第二高反射镜的表面均设有偏振方向平行于镜片入射面的高反射膜；所述转置棱镜的入射表面和出射表面设有偏振方向与转置棱镜入射面相互垂直的增透膜。
9.在本申请的一些实施方式中，所述第一高反射镜是圆形高反射镜，所述第二高反射镜是方形高反射镜。
10.在本申请的一些实施方式中，在所述种子腔和所述的第一高反射镜之间光路上设有输出耦合镜。
11.在本申请的一些实施方式中，所述输出耦合镜的入射表面和出射表面均设有偏振方向平行于镜片入射面的部分反射膜，或所述输出耦合镜的入射表面和出射表面均设有偏振方向与镜片入射面相互垂直的部分反射膜。
12.在本申请的一些实施方式中，所述第一高反射镜的入射角为45
°
，所述第二高反射镜的入射角44
°
至46
°
。
13.在本申请的一些实施方式中，还包括线宽压窄模块，所述线宽压窄模块和所述第一高反射镜分别位于所述种子腔的种子腔增益区两侧。
14.在本申请的一些实施方式中，所述线宽压窄模块包括棱镜组和光栅，所述棱镜组的所有棱镜位于同一水平面，且每个棱镜的入射表面和出射表面均设有偏振方向与棱镜入射面相互垂直的增透膜。
15.在本申请的一些实施方式中，所述种子腔的种子腔增益区的两侧分别设有的第一窗口片，所述第一窗口片的法线与穿过所述第一窗口片的激光光轴在垂直面的投影成布儒斯特角；
16.所述放大腔的放大腔增益区的两侧分别设有的第二窗口片，所述第二窗口片的法线与穿过所述第二窗口片的激光光轴在垂直面的投影成布儒斯特角。
17.在本申请的一些实施方式中，所述转置棱镜是三角棱镜。
18.在本申请的一些实施方式中，所述转置棱镜采用氟化钙或者熔石英材料制成。
19.相较于现有技术，本申请中垂直偏振态准分子激光器，对光路系统中每个光学元件表面镀膜特性进行优化改进。针对入射激光的偏振态，区分不同元件入射面特征，有针对性的对不同元件表面镀不同类型的偏振膜层，起到提高所需偏振态激光传输效率、及在不改变激光器偏振光振动方向的同时改善偏振度的作用，补偿长距离传输过程中激光退偏固有现象对激光偏振度的不利影响，实现最终输出高偏振度的垂直偏振态激光。具有结构简单，易于实现，便于维护，便于调谐的优点。
附图说明
20.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
21.图1示出了本申请的一些实施方式所提供的一种垂直偏振态准分子激光器的光路系统示意图；
22.图2示出了本申请的一些实施方式所提供的一种垂直偏振态准分子激光器的光路系统中种子腔所在光路的俯视图；
23.图3示出了本申请的一些实施方式所提供的一种垂直偏振态准分子激光器的光路系统中放大腔所在光路的俯视图；
24.图4示出了本申请的一些实施方式所提供的一种垂直偏振态准分子激光器的放大腔所在光路中转置棱镜的放大图；
25.图5示出了本申请的一些实施方式所提供的一种垂直偏振态准分子激光器的第一
高反射镜、第二高反射镜的入射面、光线传输方向和偏振方向示意图；
26.其中，附图标记为：lnm、线宽压窄模块；mo、种子腔；pa、放大腔；oc、输出耦合镜；m1、第一高反射镜；m2、第二高反射镜；11、第一窗口片；12、第二窗口片；13、棱镜组；14、光栅；22、转置棱镜。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
29.另外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.本申请实施例提供一种垂直偏振态准分子激光器，下面结合实施例及附图进行示例性说明。
31.说明：参见图1至图3，本申请定义垂直方向为y轴；x轴位于水平面内，沿着激光输出方向。准分子激光器的种子腔mo与放大腔pa沿垂直方向上下分布，种子腔mo位于放大腔pa正上方。
32.垂直偏振态准分子激光器的种子腔mo输出以垂直偏振态为主、水平偏振态为辅的部分偏振光，垂直偏振方向的激光为所需目标偏振光。以下实施例以垂直偏振态为目标偏振态，介绍本申请的垂直偏振态准分子激光器。
33.如图1至4所示，本申请的垂直偏振态准分子激光器，可以包括：种子腔mo、放大腔pa以及设置在种子腔mo至放大腔pa的光路上的第一高反射镜m1、第二高反射镜m2和转置棱镜22；
34.种子腔mo位于放大腔pa的正上方，第一高反射镜m1和种子腔mo位于同一水平面，第二高反射镜m2、转置棱镜22和放大腔pa位于同一水平面，第二高反射镜m2和转置棱镜22分别位于放大腔pa的放大腔pa增益区的两侧，且第二高反射镜m2位于第一高反射镜m1的正下方；
35.第一高反射镜m1和第二高反射镜m2的表面均设有偏振方向平行于入射面的高反射膜；转置棱镜22的入射表面和出射表面设有偏振方向与转置棱镜入射面相互垂直的增透膜。
36.其中，种子腔mo，用于对腔内光线起偏，实现腔内光线偏振态的选择，产生窄线宽、低能量的激光。激光由多个高反射传输至放大腔pa。
37.种子腔mo输出的激光基本都是特定偏振态，例如，水平偏振态或垂直偏振态。垂直偏振态就是以垂直面内振动的偏振光为主导、以水平面内振动的偏振光为辅的部分偏振
光，即激光中在垂直面振动的偏振光占绝大比例(如90％以上)。水平偏振态亦然。
38.放大腔pa用于对激光进行能量放大，进而实现大能量、窄线宽的高偏振度的准分子激光输出。
39.本实施例中，偏振膜层提高目标偏振方向的激光传输效率，且多个反射镜上的偏振膜层对改善激光传输效率的用相同，这里的目标偏振方向是激光中的占绝大比例的偏振光的振动方向。目标偏振方向与种子腔mo输出的激光的偏振态有关，激光的目标偏振方向是指激光中占绝大比例的偏振光的振动方向。
40.准分子激光器的光路传输部分包括第一高反射镜m1、第二高反射镜m2和转置棱镜22。种子腔mo输出的种子光能量比较低，还需经过放大腔pa进行能量放大方可输出。由第一高反射镜m1、第二高反射镜m2和转置棱镜22的共同作用引导种子腔mo输出的种子光传输至放大腔pa进行双程能量放大(放大两次)，然后从放大腔pa输出。
41.其中，第一高反射镜m1和第二高反射镜m2的入射面在垂直面内，种子光振动方向也在垂直面内。因此入射的种子光对于第一高反镜、第二高反镜而言为p光。为提高垂直偏振光为主的种子光能量传输效率，结合第一高反射镜m1和第二高反射镜m2传输特性和入射角，对第一高反射镜m1和第二高反射镜m2反射镜表面镀偏振方向平行于镜片入射面的高反射膜层。
42.转置棱镜22的入射面在水平面内。对于转置棱镜22而言入射面与所需偏振光的振动方向垂直。从物理光学角度分析，入射光线对于转置棱镜而言为s光。转置棱镜22出射面同理。所以，为提高原垂直偏振光为主的种子光能量传输效率，结合转置棱镜22传输特性，在转置棱镜22入射表面和出射表面镀偏振方向与转置棱镜入射面相互垂直的布儒斯特入射角的增透膜。
43.第一高反射镜m1位于种子腔mo右侧，种子光沿x轴传输，经过第一高反射镜m1反射90
°
后沿y轴垂直向下入射到第二高反射镜m2表面。第二高反射镜m2位于第一高反射镜m1正下方。第二高反射镜m2位于放大腔pa的右侧。第二高反射镜m2将传递过来的激光转折接近90
°
(89～90
°
之间)，沿着水平面内近x轴传输(与x轴具有微小夹角<1
°
)，入射到放大腔pa内进行激光能量放大。从放大腔pa输出的一次放大后的激光入射到转置棱镜22中。转置棱镜22与放大腔pa在同一水平面内，位于放大腔pa的左侧。转置棱镜22入射表面与出射表面为同一个表面，入射角和出射角接近。出射光线沿着水平面内x轴方向返回到放大腔pa内进行第二次能量放大。放大腔pa内往返两束激光在同一水平面内，具有微小夹角(如<1
°
)。从放大腔pa输出的二次放大后的高能量激光直接从激光器中输出。选取具有特定偏振态的元件来引导激光传输，将对改善偏振激光传输效率将起到很大的作用。
44.现有技术中，多个高反射镜用于将种子腔mo输出的激光引导至放大腔pa，激光要经过数米长的光程传输，长距离传输过程中激光退偏影响比较突出，对激光偏振度的不利影响比较严重。相较于现有技术，本申请中垂直偏振态准分子激光器(如193nm准分子激光器)，对光路系统中每个光学元件表面镀膜特性进行优化改进。针对入射激光的主要振动方向，区分不同元件入射面特征，有针对性的对不同元件表面镀不同类型的偏振膜层，起到提高所需偏振态激光传输效率、及在不改变激光器偏振光振动方向的同时改善偏振度的作用，补偿长距离传输过程中激光退偏固有现象对激光偏振度的不利影响，实现最终输出高偏振度的垂直偏振态激光。具有结构简单，易于实现，便于维护，便于调谐的优点。
45.在本申请的一些实施方式中，第一高反射镜m1是圆形高反射镜，第二高反射镜m2是方形高反射镜。
46.本实施例中，第一高反射镜m1采用常规圆形高反射镜即可。第二高反射镜m2由于入射光线与出射光线空间距离很小，为了对出射光线不造成遮挡，第二高反射镜m2采用方形镜片，入射光线临近第二高反射镜m2表面近边缘处进行反射。
47.在本申请的一些实施方式中，在种子腔mo和的第一高反射镜m1之间光路上设有输出耦合镜oc。
48.其中，线宽压窄模块lnm与输出耦合镜oc镜共同构成种子腔mo的两端腔镜。经输出耦合镜oc输出后的光线定义为种子激光(或种子光)。
49.进一步地，输出耦合镜oc的入射表面和出射表面均设有偏振方向平行于入射面的部分反射膜，或输出耦合镜oc的入射表面和出射表面均设有偏振方向与入射面相互垂直的部分反射膜。
50.其中，光线垂直入射到输出耦合镜oc表面，即输出耦合镜oc法线与入射光线重合，因此输出耦合镜的入射面可为水平面，也可为垂直面。为提高垂直偏振光传输效率，可对输出耦合镜oc表面镀193nm 0
°
入射偏振方向平行于入射面的部分反射膜，还可以对输出耦合镜oc表面镀193nm 0
°
入射偏振方向与入射面相互垂直的部分反射膜。
51.当然，输出耦合镜oc还可采用未镀膜的镜片。
52.在本申请的一些实施方式中，第一高反射镜的入射角为45
°
，第二高反射镜的入射角44
°
至46
°
(接近45
°
)。
53.其中，第一高反射镜的表面均设有偏振方向平行于镜片入射面的45
°
高反射膜，第二高反射镜的表面均设有偏振方向平行于镜片入射面的44
°
至46
°
高反射膜，即高反射镜的表面的高反射膜的入射角度与高反射镜的入射角相同，例如，第二高反射镜的入射角44
°
，则第二高反射镜的表面设有偏振方向平行于镜片入射面的44
°
高反射膜。
54.本实施例中，高反射镜的表面镀的偏振态高反射膜层，还要考虑入射光的入射角度、激光波段等，例如，第一高反射镜m1和第二高反射镜m2的表面均设有偏振方向平行于镜片入射面的193nm、45
°
高反射膜。
55.在本申请的一些实施方式中，还包括线宽压窄模块lnm，线宽压窄模块lnm和第一高反射镜m1分别位于种子腔mo的种子腔mo增益区两侧。
56.其中，线宽压窄模块lnm作用是对种子激光进行光谱宽度的压窄，实现亚皮米量级的光谱宽度。
57.进一步地，线宽压窄模块lnm包括棱镜组13和光栅14，棱镜组13的所有棱镜位于同一水平面，且每个棱镜的入射表面和出射表面均设有偏振方向与棱镜入射面相互垂直的增透膜。
58.其中，棱镜组13对腔内种子激光进行光斑宽度一维展宽、光栅14主要对光线进行光谱选择。
59.根据几何光学定义可知，由入射光线与元件法线组成的面为入射面，入射面与镜片表面垂直。因此，棱镜组13中每个棱镜的入射面都在水平面内。为提高垂直偏振态激光的传输效率，可对棱镜入射表面和出射表面分别镀具有目标偏振特性的增透膜层。具体为：棱镜元件的入射面在水平面内，而腔内光线以垂直面内振动的偏振光为主，由于目标偏振态
激光的振动方向与棱镜入射面垂直，因此入射光线相对于棱镜元件而言为s光。结合光学元件的传输特性，对每个棱镜表面镀相应入射和出射角度的偏振方向与入射面相互垂直的增透膜，可有效提高激光腔输出垂直偏振光传输效率。例如，棱镜入射表面入射角度通常为60～90
°
范围内，对棱镜入射表面镀193nm入射角为60～90
°
范围内一个具体入射角数值的偏振方向与棱镜入射面相互垂直的增透膜。棱镜出射表面的出射角度通常为0～30
°
范围内，对棱镜出射表面镀193nm出射角为0～30
°
范围内一个具体出射角数值的偏振方向与棱镜入射面相互垂直的增透膜。
60.在本申请的一些实施方式中，如图1所示，种子腔mo的种子腔mo增益区的两侧分别设有的第一窗口片11，第一窗口片11的法线与穿过第一窗口片11的激光光轴在垂直面的投影成布儒斯特角；
61.放大腔pa的放大腔pa增益区的两侧分别设有的第二窗口片12，第二窗口片12的法线与穿过第二窗口片12的激光光轴在垂直面的投影成布儒斯特角。
62.其中，种子腔mo、放大腔pa两侧窗口片采用两透光面平行的未镀膜镜片。
63.本实施例中，激光腔(即种子腔mo、放大腔pa)两侧窗口片采用两透光面平行的未镀膜镜片，窗口片法线与光轴在垂直面内投影成布儒斯特角θ来摆放，具体角度数值与选用的窗片材料有关。例如，窗口片选用caf2材料制作，则在193nm波段的布儒斯特角为56.3
°
。种子腔mo窗口片按照在垂直面内投影成布儒斯特角的方式来摆放，可对腔内光线起偏，实现腔内光线垂直偏振态的选择，使种子腔mo输出以垂直偏振态为主的种子光。而放大腔pa中采用该设计可对激光光线垂直偏振度起到进一步提纯。
64.在本申请的一些实施方式中，如图3和4所示，转置棱镜22是三角棱镜。
65.其中，三角棱镜采用在使用波段具有高透过率的材料制成，如caf2材料或者熔石英材料。三角棱镜顶角所在两个边由于尺寸狭长，对其非通光区域进行部分切除。光线从转置棱镜22入射表面入射到棱镜中，随后在第一内反射面发生内反射，然后入射到第二内反射面，随后在第二内反射面发生第二次内反射，光线最后经出射表面输出。两次内反射的入射角度取决于棱镜材料与入射光波长。转置棱镜的入射表面的入射角和出射光线的出射角为布儒斯特角或者接近布儒斯特角。
66.需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
67.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
68.在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为
一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
69.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
70.另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
71.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
72.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。