使用堆叠式四硼酸锶板的频率转换制造技术

在激光器组合件的最终频率转换级中使用包含堆叠式四硼酸锶SrB4O7(SBO)晶体板的非线性晶体以产生波长在125nm到183nm范围内的激光器输出光，所述堆叠式四硼酸锶SrB4O7晶体板经协作配置以形成周期性结构以用于进行准相位匹配(QPM)。使用多个中间频率转换级将具有介于1μm与1.1μm之间的基波波长的一或多个基波光束加倍及/或求和以产生一或多个中间光束频率(例如，二次谐波到八次谐波或其和)，且然后所述最终频率转换级利用所述非线性晶体将单个中间光束频率进行加倍或对两个中间光束频率进行求和以产生具有高功率及高光子能量电平的所期望激光器输出光。还描述一种方法及一种并入有所述激光器组合件的检验系统。及一种并入有所述激光器组合件的检验系统。及一种并入有所述激光器组合件的检验系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用堆叠式四硼酸锶板的频率转换
[0001]相关申请案交叉参考
[0002]本申请案主张标题为“使用堆叠式四硼酸锶板的177nm及133nm CW激光器(177nm and 133nm CW Lasers Using Stacked Strontium Tetraborate Plates)”的美国临时专利申请案第63/038,134号的优先权，所述美国临时专利申请案于2020年6月12日提出申请且以引用的方式并入本文中。本申请案还主张标题为“使用堆叠式四硼酸锶板的152nm及177nm CW激光器(152nm and 177nm CW Lasers Using Stacked Strontium Tetraborate Plates)”的美国临时专利申请案第63/076,391号的优先权，所述美国临时专利申请案于2020年9月10日提出申请且以引用的方式并入本文中。
[0003]本申请案还涉及以下美国专利文件，以下所有美国专利文件均以引用的方式并入本文中：瓦兹
‑
伊拉瓦尼(Vaez
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Iravani)等人的美国专利6,201,601、马克思尔(Marxer)等人的美国专利6,271,916、梁(Leong)等人的美国专利7,525,649、庄(Chuang)等人的美国专利7,817,260、阿姆斯特朗(Armstrong)的美国专利8,298,335及8,824,514、杰尼斯(Genis)的美国专利8,976,343、德里宾斯基(Dribinski)的美国专利9,023,152、德里宾斯基等人的美国专利9,461,435及9,059,560、庄的美国专利9,293,882及9,660,409、庄等人的美国专利9,250,178、9,459,215、9,509,112、10,044,166及10,283,366以及德里宾斯基等人的已公开美国专利申请案2014/0305367。


[0004]本申请案涉及能够产生具有VUV波长的光的激光器，且更特定来说涉及能够产生在大约125nm到183nm范围内的光的激光器及使用此类激光器来检验例如光掩模、光罩及半导体晶片的检验系统。

技术介绍

[0005]随着半导体装置的尺寸缩小，可导致装置出故障的最小颗粒或图案缺陷的大小也缩小。因此，需要检测经图案化及未经图案化半导体晶片及光罩上的较小颗粒及缺陷。由颗粒散射的光(其中所述颗粒小于所述光的波长)的强度通常与所述颗粒的尺寸的高次方成比例(举例来说，来自经隔离小球体颗粒的光的总散射强度与所述球体的直径的六次方成正比且与所述波长的四次方成反比)。由于散射光的强度增大，因此与较长波长相比，较短波长将通常提供对检测小颗粒及缺陷的较好敏感度。
[0006]由于从小颗粒及缺陷散射的光的强度通常极低，因此需要高照射强度来产生可在极短时间内被检测到的信号。可需要0.3W或大于0.3W的平均光源功率电平。在这些高平均功率电平下，期望脉冲重复率为高的，这是因为重复率越高，每脉冲的能量越低，且因此损坏系统光学器件或正在受检验的物品的风险越低。连续波(CW)光源一般来说最佳满足检验及计量所需的照射。CW光源具有恒定功率电平，这避免峰值功率损失问题且还允许连续地获取图像或数据。然而，在一些情形中，重复率为约50MHz或高于50MHz的锁模激光器可为有用的，这是因为高重复率意味着每脉冲的能量可足够低以避免特定计量与检验应用受损
坏。
[0007]用于产生VUV光的脉冲激光器是此项技术中已知的。用于产生133nm的光的现有技术激光器为众所周知的(例如，参见G.W.法里斯(G.W.Faris)及M.J.代尔(M.J.Dyer)发表于Opt.Lett.18,382(1993)上的“氖在133nm处的双光子激发(Two
‑
photon excitation of neon at 133nm)”以及A.图纳曼(A.T
ü
nnermann)、C.蒙马(C.Momma)、K.莫萨维(K.Mossavi)、C.温多夫(C.Windolph)及B.威格豪森(B.Wellegehausen)发表于IEEE J.量子电子.29,1233(1993)上的“通过在氙中与飞秒KrF准分子激光脉冲的四波混合产生可调谐短脉冲VUV辐射(Generation of tunable short pulse VUV radiation by four
‑
wave mixing in Xenon with femtosecond KrF
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excimer laser pulses)”)。遗憾的是，此类激光器不太适用于检验应用，原因在于其激光脉冲重复率低且平均功率电平低。
[0008]然而，具有足够功率电平且波长在VUV范围内的锁模及CW激光器未投入商用或者非常不可靠。尚未有任何现有技术能产生波长范围达到大约133nm且功率大于约0.3W的锁模光或CW光。
[0009]脉冲光源的瞬时峰值功率电平远远高于CW光源的时间平均功率电平。激光脉冲的极高峰值功率可导致光学器件及正在测量的样本或晶片损坏，这是因为大多数损坏机制为非线性且更主要取决于峰值功率而非平均功率。在相同时间平均功率电平下，脉冲重复率越高，每脉冲的瞬时峰值功率越低。
[0010]因此，需要产生在真空紫外(VUV)范围内(特别是短于133nm)的辐射且适合用于检验光掩模、光罩及/或晶片的锁模或CW激光器。如果可实际上产生接近133nm且具有较高功率电平的激光器赋能锁模或CW输出，那么可实现更准确且更快的检验及计量并且促成领先的半导体生产。
[0011]而且，需要提供能够产生锁模或CW激光器光且避免一些或所有以上问题及缺点的检验系统及相关联激光器系统，所述锁模或CW激光器光具有例如在大约125nm到大约183nm范围内的输出VUV波长。

技术实现思路

[0012]本专利技术一般来说涉及包含堆叠式四硼酸锶SrB4O7(SBO)晶体板的非线性晶体，所述堆叠式四硼酸锶SrB4O7(SBO)晶体板形成能够实现适合于对所应用光进行频率转换的准相位匹配(QPM)的周期性结构，借此促进产生具有高功率及高光子能量电平的DUV及VUV激光器光，同时避免与现有技术方法相关联的上述问题及缺点。SBO晶体展现出避免与现有技术方法相关联的许多上述问题及缺点的引人注目特征(例如，宽透明度范围、良好抗损坏性及化学稳定性、高微硬度以及与带隙值相比高对角d
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元素值)。然而，单个SBO晶体还展现出致使通过临界或非临界相位匹配的频率转换不可能的低双折射率。本专利技术通过协作地配置SBO晶体板以形成周期性结构来避开SBO的低双折射率，所述周期性结构实现一或多个输入光频率(中间光束)的QPM，使得从非线性晶体出射的光包含具有所期望DUV/VUV输出频率的激光器输出光。在一个实施例中，协作配置包含物理地堆叠单独SBO晶体板，使得依序布置晶体板的晶轴交替地反向(即，给定SBO晶体板的晶轴相对于与堆叠中的给定板具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生激光器输出光束的激光器组合件，所述激光器输出光束具有使得对应波长在大约125nm到大约183nm范围内的输出频率，所述激光器组合件包括：一或多个基波激光器，其分别经配置以产生具有对应基频的基波光束；多个中间频率转换级，其经共同配置以使用所述一或多个基波光束产生一或多个中间光束，所述一或多个中间光束中的每一者具有相关联中间频率；最终频率转换级，其经配置以使所述一或多个中间光束穿过非线性晶体，其中所述非线性晶体包含多个四硼酸锶SrB4O7(SBO)晶体板，所述多个SBO晶体板安置成堆叠式配置，使得每一所述SBO晶体板与至少一个邻近的所述晶体板形成界面表面，且其中所述多个SBO晶体板经协作配置以形成周期性结构，所述周期性结构实现所述一或多个中间光束的准相位匹配(QPM)，使得从所述非线性晶体出射的光包含具有所述输出频率的所述激光器输出光束。2.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述多个SBO晶体板经配置使得所述每一SBO晶体板的第一晶轴相对于所述邻近的SBO晶体板的第二晶轴反向。3.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述最终频率转换级经配置使得所述一或多个中间光束在与所述第一晶轴及所述第二晶轴的(i)a轴及(ii)b轴中的一者平行的方向上传播穿过所述多个SBO晶体板。4.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述最终频率转换级进一步包括：多个镜，其经配置以接收并循环所述一或多个中间光束，使得所述一或多个中间光束的束腰出现于所述非线性晶体处；及分束器，其经安置以接收从所述非线性晶体出射的所述光且经配置使得所述分束器反射所述出射光的第一部分以形成所述激光器输出光束，且使得所述出射光的第二部分穿过所述分束器并由所述多个镜循环。5.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述分束器包括SBO晶体、SBO玻璃或CaF2晶体中的一者。6.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述一或多个基波激光器经配置以产生基波光，所述基波光具有使得对应基波波长介于1μm与1.1μm之间的基频，其中所述多个中间频率转换级包括：第一频率加倍级，其经耦合以接收所述基波光且经配置以产生二次谐波光，所述二次谐波光具有等于所述基频的两倍的二次谐波频率；第二频率加倍级，其经耦合以从所述第一频率加倍级接收所述二次谐波光且经配置以产生所述中间光束作为四次谐波光，所述四次谐波光具有等于所述基频的四倍的四次谐波频率，且其中所述最终频率转换级经配置以对所述四次谐波光进行频率加倍，使得所述激光器输出光的所述输出频率等于所述基频的八倍。7.根据权利要求6所述的激光器组合件，其中所述最终频率转换级进一步包括分束器，所述分束器经定位以接收从所述非线性晶体出射的光且经配置使得所述出射光的从所述分束器的表面反射的反射部分包括形成所述激光器输出光束的所述八次谐波频率，并且使得所述出射光的穿过所述分束器的非反射部分包括所述四次谐波频率的未消耗部分。
8.根据权利要求6所述的激光器组合件，其中所述多个SBO晶体板经配置使得第一所述SBO晶体板的第一晶轴相对于邻近的第二所述SBO晶体板的第二晶轴反向，其中所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板的所述晶轴经定向使得所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板两者的c晶轴大体上平行于穿过所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板的所述四次谐波光的偏振方向，其中所述输出频率大体上等于133nm，且其中所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板中的至少一者所具有的厚度使得所述周期性结构的极之间的间隔大体上等于0.13μm的临界长度的奇数倍，以实现所述四次谐波频率与八次谐波频率的准相位匹配。9.根据权利要求1所述的激光器组合件，其中所述一或多个基波激光器包括：第一基波激光器，其经配置以产生第一基波光，所述第一基波光具有使得对应基波波长介于1μm与1.1μm之间的第一基频；及第二基波激光器，其经配置以产生第二基波光，所述第二基波光具有使得对应基波波长介于1μm与1.1μm之间的第二基频，其中所述多个中间频率转换级包括：频率加倍级，其经耦合以接收所述第一基波光且经配置以产生二次谐波光，所述二次谐波光具有等于所述第一基频的两倍的二次谐波频率；频率求和级，其经耦合以从所述频率加倍级接收所述二次谐波光且接收所述第二基波光，并且经配置以产生所述中间光束作为三次谐波光，所述三次谐波光具有大体上等于所述第一基频的三倍的三次谐波频率，且其中所述最终频率转换级经配置以对所述三次谐波光进行频率加倍，使得所述激光器输出光的所述输出频率大体上等于所述第一基频的六倍。10.根据权利要求9所述的激光器组合件，其中所述最终频率转换级进一步包括分束器，所述分束器经定位以接收从所述非线性晶体出射的光且经配置使得所述出射光中从所述分束器的表面反射的反射部分包括形成所述激光器输出光束的所述六次谐波频率，且使得所述出射光中穿过所述分束器的非反射部分包括所述三次谐波频率的未消耗部分。11.根据权利要求9所述的激光器组合件，其中所述多个SBO晶体板经配置使得第一所述SBO晶体板的第一晶轴相对于邻近的第二所述SBO晶体板的第二晶轴反向，其中所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板的所述晶轴经定向使得所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板两者的c晶轴大体上平行于穿过所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板的所述三次谐波光的偏振方向，其中所述输出频率大体上等于177nm，且其中所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板中的至少一者所具有的厚度使得所述周期性结构的极之间的间隔大体上等于0.60μm的临界长度的奇数倍，以实现所述三次谐波频率与六次谐波频率的准相位匹配。12.根据权利要求1所述的激光器组合件，
其中所述一或多个基波激光器包括：第一基波激光器，其经配置以产生第一基波光，所述第一基波光具有使得对应基波波长介于1μm与1.1μm之间的第一基频；及第二基波激光器，其经配置以产生第二基波光，所述第二基波光具有使得对应基波波长介于1μm与1.1μm之间的第二基频，其中所述多个中间频率转换级包括：第一频率加倍级，其经耦合以接收所述第一基波光且经配置以产生二次谐波光，所述二次谐波光具有等于所述第一基频的两倍的二次谐波频率；频率求和级，其经耦合以从所述第一频率加倍级接收所述二次谐波光的第一部分且接收所述第二基波光，并且经配置以产生第一所述中间光束作为三次谐波光，所述三次谐波光具有大体上等于所述第一基频的三倍的三次谐波频率；及第二频率加倍级，其经耦合以从所述第一频率加倍级接收所述二次谐波光的第二部分且经配置以产生第二所述中间光束作为四次谐波光，所述四次谐波光具有等于所述第一基频的四倍的四次谐波频率，且其中所述最终频率转换级经配置以对从所述频率求和级接收到的所述三次谐波光与从所述第二频率加倍级接收到的所述四次谐波光进行求和，使得所述激光器输出光的所述输出频率大体上等于所述第一基频的七倍。13.根据权利要求12所述的激光器组合件，其中所述最终频率转换级进一步包括分束器，所述分束器经定位以接收从所述非线性晶体出射的光且经配置使得所述出射光中从所述分束器的表面反射的反射部分包括形成所述激光器输出光束的所述七次谐波频率，且使得所述出射光中穿过所述分束器的非反射部分包括所述三次谐波频率的未消耗部分。14.根据权利要求12所述的激光器组合件，其中所述多个SBO晶体板经配置使得第一所述SBO晶体板的第一晶轴相对于邻近的第二所述SBO晶体板的第二晶轴反向，其中所述第一SBO晶体板及所述第二SBO晶体板经定向使得所述第一晶轴及所述第二晶轴两者的...

【专利技术属性】
技术研发人员：勇霍，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：