使用面镜及/或棱镜的激光重复率倍增器及平顶射束轮廓产生器制造技术

本发明专利技术揭示一种重复率(脉冲)倍增器，其包含一或多个射束分裂器及棱镜，从而形成具有延迟每一脉冲的能量的部分的不同光学路径长度的一或多个环形腔。一系列输入激光脉冲在所述环形腔中循环且每一脉冲的所述能量的部分在横穿较短腔路径之后离开系统，而所述能量的另一部分在横穿较长腔路径及/或两个腔路径的组合之后离开所述系统。通过所述环形腔光学路径长度的适当选择，输出系列的激光脉冲的所述重复率可变为输入重复率的倍数。可通过选择所述射束分裂器的透射及反射系数来控制所述输出脉冲的相对能量。一些实施例产生基本上在一个维度上平坦的时间平均输出射束轮廓。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请案本申请案主张2014年6月20日申请的标题为“使用棱镜的激光脉冲倍增(LaserPulseMultiplicationUsingPrisms)”的第62/015,01号美国临时专利申请案的优先权，且所述案以引用的方式并入本文中。本申请案还主张2014年8月18日申请的标题为“激光重复率倍增器及平顶射束轮廓产生器(LaserRepetitionRateMultiplierandFlat-TopBeamProfileGenerators)”的第62/038,471号美国临时专利申请案的优先权，且所述案以引用的方式并入本文中。此申请案涉及Chuang等人在2012年6月1日申请的标题为“使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统(SemiconductorInspectionAndMetrologySystemUsingLaserPulseMultiplier)”的第13/487,075号美国专利申请案、Chuang等人在2012年12月11日申请的标题为“使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统(SemiconductorInspectionAndMetrologySystemUsingLaserPulseMultiplier)”的第13/711,593号美国专利申请案、Chuang等人在2014年8月8日申请的标题为“用于表面扫描系统的分裂高斯射束及多点平顶照明(SplitGaussianBeamsandMulti-SpotFlat-TopIlluminationforSurfaceScanningSystems)”的第14/455,161号美国专利申请案。所有此类申请案以引用的方式并入本文中。
本专利技术涉及降低时间域中的激光脉冲的光学峰值功率且选用地均质化空间域中的射束功率分布。此峰值功率降低及均质化系统可使用曲面镜、射束分裂器、波板及棱镜以产生具有平顶空间功率分布轮廓的优化脉冲重复率倍增器。本专利技术在半导体检验及计量系统中尤其有用。
技术介绍
通常通过连续波(CW)光源最佳地满足对于检验及计量的照明需求。CW光源具有恒定功率级，此允许连续获取图像或数据。然而，在许多关注波长(尤其紫外线(UV)波长)，具有充足发光度(每一单位立体角的每一单位面积的功率)的CW光源不可用、昂贵或不可靠。如果脉冲激光是具有在关注波长的充足时间平均发光度的唯一可用或具成本效益的光源，那么最佳的是使用具有高重复率及宽脉冲宽度的激光。脉冲重复率越高，用于相同时间平均功率级的每一脉冲的瞬时峰值功率就越低。激光脉冲的较低峰值功率导致对光学器件及对被测量的样本或晶片的较少损害，此是由于大部分损害机制是非线性的且强烈取决于峰值功率而非平均功率。在检验及计量应用中，增大重复率的额外优势是每一数据采集或每一像素收集更多脉冲，从而导致脉冲间变化的更好平均化及改善信噪比。此外，对于快速移动的样本，较高脉冲率可导致对随时间变化的样本位置的更好取样，此是由于在每一脉冲之间移动的距离更小。可通过改善激光介质、泵系统及/或其驱动电子器件而增大激光子系统的重复率。不幸地，修改已按预定重复率操作的UV激光可需要时间及金钱的大量投资以改善其构成元件中的一或多者，且仅可少量地改善重复率。此外，增大UV激光中的基本激光的重复率降低基本激光的峰值功率。此降低频率转换的效率(其必须是非线性程序)且因此使产生高的平均UV功率级变得困难。在许多检验应用中，期望平坦或均匀(而非高斯(Gaussian))照明轮廓。样本上的空间均匀照明导致横跨照明区域的更均匀信噪比及相较于不均匀照明的较高动态范围。虽然不相干光源相较于激光的高斯轮廓可能够更容易产生均匀照明，但此类光源具有相较于激光可提供的带宽及功率密度更宽的带宽(由于色像差而复杂化光学设计)及更低的功率密度(减低信噪比)。由高斯激光束实现近似平坦轮廓的一种已知方式是裁剪高斯尾(Gaussiantail)且仅使用射束的中央区(接近于峰值)。此方法易于应用；然而，如果需要适度平坦轮廓，那么裁剪及浪费大部分的激光功率。例如，如果照明中的最大强度变化需要为约10％，那么浪费约65％的功率，且20％变化需要浪费约50％的功率。因此，需要对UV激光的输出操作的实用、廉价技术以改善激光的重复率。此外，如果增大重复率的光学子系统可为紧凑的，使得其可容易并入到系统中而不占据许多空间，那么其可为有利的。仍此外，存在对于可产生近似平坦输出轮廓同时几乎不添加额外组件到重复率倍增器因此节省空间且最小化光学功率损耗的重复率倍增器的需求。
技术实现思路
本专利技术描述一种用于检验或测量样本的系统。此系统包含照明源、经配置以执行光检测的装置、经配置以将光从所述照明源引导到所述样本且将光输出、反射或透射从所述样本引导到传感器的光学器件。显著地，照明体包括发射紫外线(UV)波长(即，短于约400nm的波长)的脉冲激光及倍增来自所述脉冲激光的脉冲的重复率的重复率倍增器。所述重复率倍增器增大每一单位时间的激光脉冲数目且减小每一激光脉冲的峰值功率。所述减小峰值功率降低或消除对所述系统光学器件或被检验或测量的样本的损害，且允许针对给定损害阈值使用较高平均激光功率级，因此改善检验或测量的信噪比及/或速度。在UV谐波的产生之后倍增重复率维持UV谐波转换的效率，此是因为所述激光脉冲的所述峰值功率并不在谐波转换链中降低。如本文中描述的并入有重复率倍增器的检验及测量系统在深UV(DUV)波长(即，短于约300nm的波长)及真空UV(VUV)波长(即，短于约190nm的波长)尤其有用，此是由于在此类波长的高峰值功率级可快速损害许多不同类型的材料。所述样本可通过台支撑，所述台在所述检验或测量期间相对于所述光学器件移动所述样本。所述示范性检验或测量系统可包含一或多个照明路径，其从不同入射角及/或不同方位角及/或使用不同波长及/或偏振状态照明所述样本。所述示范性检验或测量系统可包含一或多个收集路径，其在不同方向上收集由所述样本反射或散射的光及/或对不同波长及/或对不同偏振状态敏感。并入有重复率倍增器的检验及测量系统可经进一步配置以产生时间平均空间均匀射束轮廓(即，平顶轮廓)。本文中描述的并入有倍增器及平顶轮廓产生器的检验或测量系统使用紧凑空间中的少量光学组件提供所述激光重复率的两倍或多于两倍倍增及更均匀时间平均射束轮廓。本文中描述的所述检验及计量系统能够使用更高平均激光功率，从而实现更高处理能力、更好信号质量及激光能量的更高效使用。本专利技术描述用于倍增脉冲激光的重复率的方法及系统。此类方法及系统将输入激光脉冲分裂为在时间上分开的多个脉冲，以便倍增所述激光重复率达例如2、3或4的整数倍。输入脉冲分裂为两个，使得所述脉冲的部分继续，且所述脉冲的部分进入环形腔。在横穿所述环形腔的至少一个区段之后，所述脉冲再次分裂且所述脉冲的部分离开所述环形腔且部分继续在所述环形腔中。所述重复率倍增器可经进一步配置以产生在一个维度上近似平坦且在垂直维度上基本上高斯的时间平均输出轮廓。所述重复率倍增器可包括平面镜、曲面镜、偏振射束分裂器、波板、射束补偿器及/或透镜。在一项示范性实施例中，通过波板及偏振射束分裂器将输入激光脉冲分裂为两个。围绕短环形腔回路引导所述输入激光脉冲的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重复率倍增器，其用于接收输入激光脉冲且用于产生具有是所述输入激光脉冲的重复率的至少两倍的输出脉冲重复率的输出脉冲，所述激光脉冲重复率倍增器包括：第一偏振射束分裂器，其用于接收所述输入激光脉冲；第一波板，其用于接收来自所述第一偏振射束分裂器的激光脉冲且改变所述输入激光脉冲的偏振；第二偏振射束分裂器，其用于反射所述激光脉冲的能量的第一部分且透射所述激光脉冲的所述能量的第二部分；第二波板，其用于接收激光脉冲且改变其偏振；及一组面镜，其用于产生包含所述偏振射束分裂器及所述波板的双环形腔；其中所述第一偏振射束分裂器透射每一激光脉冲的所述能量的第三部分以作为所述脉冲倍增器的输出，所述第三部分的值取决于对应激光脉冲的偏振状态，且所述第一偏振射束分裂器将每一激光脉冲的第四部分反射到所述双环形腔中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.20 US 62/015,016;2014.08.18 US 62/038,471;1.一种重复率倍增器，其用于接收输入激光脉冲且用于产生具有是所述输入激光脉冲的重复率的至少两倍的输出脉冲重复率的输出脉冲，所述激光脉冲重复率倍增器包括：第一偏振射束分裂器，其用于接收所述输入激光脉冲；第一波板，其用于接收来自所述第一偏振射束分裂器的激光脉冲且改变所述输入激光脉冲的偏振；第二偏振射束分裂器，其用于反射所述激光脉冲的能量的第一部分且透射所述激光脉冲的所述能量的第二部分；第二波板，其用于接收激光脉冲且改变其偏振；及一组面镜，其用于产生包含所述偏振射束分裂器及所述波板的双环形腔；其中所述第一偏振射束分裂器透射每一激光脉冲的所述能量的第三部分以作为所述脉冲倍增器的输出，所述第三部分的值取决于对应激光脉冲的偏振状态，且所述第一偏振射束分裂器将每一激光脉冲的第四部分反射到所述双环形腔中。2.根据权利要求1所述的重复率倍增器，其中所述双腔包括较长腔回路及较短腔回路；所述较长腔回路具有是所述输入激光脉冲之间的空间分离的约三分之二的光学路径长度；且所述较短腔回路具有是所述输入激光脉冲的所述空间分离的约三分之一的光学路径长度。3.根据权利要求1所述的重复率倍增器，其中所述波板中的一者定向成其光学轴相对于所述输入激光脉冲的所述偏振成约29度的角度，且另一波板定向成其光学轴相对于所述输入激光脉冲的所述偏振成约16度的角度。4.一种激光脉冲重复率三倍器，其包括：第一射束分裂器，其用于接收输入激光脉冲；第二射束分裂器，其用于接收来自所述第一射束分裂器的激光脉冲；及相等焦距的一对曲面镜，其经配置以形成包含所述偏振射束分裂器的双环形腔；其中所述第一射束分裂器将所述输入激光脉冲的能量的第一部分透射到所述第二射束分裂器，且将所述输入激光脉冲的第二部分反射到所述双环形腔中，且所述第二射束分裂器透射由所述第一射束分裂器透射的所述激光脉冲的所述能量的第三部分以作为所述激光脉冲重复率三倍器的输出，且将由所述第一射束分裂器透射的所述激光脉冲的所述能量的第四部分反射到所述双环形腔中。5.根据权利要求4所述的激光脉冲重复率三倍器，其中所述对曲面镜包括具有约等于所述输入激光脉冲之间的空间分离的六分之一的曲率半径的两个曲面镜，所述对曲面镜具有共同曲率半径且分开基本上等于所述曲率半径的距离。6.根据权利要求5所述的激光脉冲重复率三倍器，其中所述第一及第二射束分裂器中的一者的反射率约为0.72，且所述第一及第二射束分裂器中的另一者的反射率约为0.27。7.根据权利要求4所述的激光脉冲重复率三倍器，其还包括经可操作地安置以调整射束偏移的一或多个射束补偿器或棱镜。8.一种激光脉冲重复率倍增器，其用于接收输入激光脉冲且用于产生具有是所述输入激光脉冲的重复率的多于两倍的输出脉冲重复率的输出脉冲，所述激光脉冲重复率倍增器包括：赫里奥特池，其包含两个曲面镜、两个射束分裂器，及至少两个折叠面镜和直角棱镜中的一者；其中所述两个曲面镜具有约等于所述输入激光脉冲之间的空间分离的四分之一的奇整数倍的曲率半径，且其中所述两个曲面镜具有共同曲率半径，且分开基本上等于所述曲率半径的距离。9.根据权利要求8所述的激光脉冲重复率倍增器，其中所述输出脉冲重复率是所述原始输入脉冲的重复率的四倍。10.根据权利要求8所述的激光脉冲重复率倍增器，其还包括棱镜，其中所述棱镜或所述至少两个折叠面镜或所述直角棱镜经配置以将来自主腔回路的激光脉冲转向到次腔回路中。11.根据权利要求10所述的激光脉冲重复率倍增器，其中所述主腔回路位于不同于所述次腔回路的平面中。12.根据权利要求11所述的激光脉冲重复率倍增器，其中第一射束分裂器接收所述输入激光脉冲且将每一所述输入激光脉冲的能量的约三分之二反射到所述主腔回路中。13.根据权利要求12所述的激光脉冲重复率倍增器，其中所述次腔回路包括第二射束分裂器，所述第二射束分裂器具有约三分之一的反射率。14.一种平顶射束产生器，其包括：激光脉冲重复率倍增器，其包含包括两个曲面镜及射束位移器的光学腔，所述激光脉冲重复率倍增器经定位以接收来自激光的输入激光脉冲，使得所述输入激光脉冲经引导到所述光学腔中且作为具有是所述输入激光脉冲的重复率的至少两倍的输出脉冲重复率的输出激光脉冲离开所述光学腔，其中所述射束位移器经配置以使得相对于另一所述输出激光脉冲横向移位至少一个所述输出激光脉冲，使得所述输出激光脉冲的时间平均输出强度具有在所述横向移位的方向上的基本上平坦轮廓。15.根据权利要求14所述的平顶射束产生器，其中所述射束位移器包括等腰三角形棱镜、杜夫棱镜及射束分裂器中的一者。16.根据权利要求14所述的平顶射束产生器，其中所述射束位移器经配置以使得所述横向移位约等于所述输入激光脉冲的射束腰半径的0.5(一半)。17.根据权利要求16所述的平顶射束产生器，其中所述射束位移器经配置以使得所述光学腔包含两个单独的往返光学路径，且使得所述射束位移器将来自第一路径的每一激光脉冲的能量的部分转向到第二路径。18.根据权利要求17所述的平顶射束产生器，其中所述射束位移器经...

【专利技术属性】
技术研发人员：勇霍·亚历克斯·庄，贾斯汀·典桓·刘，陆晓旭，J·约瑟夫·阿姆斯特朗，邓宇俊，约翰·费尔登，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US