“LPP-EUV”光源中的高功率CO2激光監測與控制系統

姜振華，王挺峰，郭 勁

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033）

“LPP-EUV”光源中的高功率CO2激光監測與控制系統

姜振華*，王挺峰，郭 勁

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033）

為了滿足激光誘導等離子體（LPP）體制下極紫外（EUV）光源對CO2激光器提出的穩定性需求，建立了簡化的CO2激光傳輸系統模型，根據光束穩定性需求對光束功率、指向和位置的監測與控制方法進行了理論和實驗研究。根據高功率CO2激光傳輸系統特點，在實驗室內建立了上述光束監測和控制實驗系統，包括光束功率控制模塊、光束指向控制模塊和光束參數監測模塊，其中光束參數監測模塊可實時測量光束功率、指向、尺寸及發散角等重要參數。仿真與實驗結果表明：光束功率控制模塊對線偏振激光功率的控制接近1%～100%，光束指向控制模塊實現的光束指向穩定度在10 μrad以內，可滿足CO2激光驅動源的高穩定性要求。

極紫外光源；CO2激光器；參數監測；指向控制

1 引 言

光刻機中采用13.5 nm極紫外［1］（EUV）光源可進一步提高集成度，制作出更加精細的半導體器件［2］。目前開展的紫外光源研究集中在激光誘導等離子體［3］（LPP）和放電等離子體［4］（DPP）這兩種體制上。LPP-EUV光源具有收集效率高、熱負載小等優點，是極紫外光源研發的重點［5］。

LPP是指利用高能脈沖照射高密度靶，從而激發等離子體獲取極紫外光［6］。在驅動光源的選擇上，由于CO2激光器具有轉換效率高、離子體碎屑少等優勢［7］，使其成為了LPP-EUV體制下的主要驅動激光源。CO2驅動激光通常由高重頻調Q CO2主振蕩激光器加多級激光放大器［8］（Master Oscillator and Power Amplifier，MOPA）來實現，整個CO2激光系統的光路傳輸長度在100 m左右，光路中所用各種光學元件在200個左右，每個光學元件不可避免地會受到振動、熱變形和電壓穩定性等因素的影響，造成光束指向和功率的漂移［9］。目前，常規CO2激光器光束功率漂移為2%～5%，難以獲得穩定的極紫外光輸出。激光器的光束指向漂移為±100μrad，位置漂移為± 100μm，經過光束傳輸系統后，所產生的聚焦光斑位置漂移將嚴重地影響打靶精度［10］。為保證高能脈沖激光能夠穩定、精確地照射到液滴靶上，對CO2激光系統提出了相當苛刻的穩定性要求［11］。

美國的Cymer公司針對極紫外輸出光提出了一種光束指向穩定方案［12］，以確保極紫外光照射硅片時的光束穩定需求，但該方案并不適用于長波及高功率CO2驅動源所帶來的特殊工作環境。日本的Gigaphoton公司設計了一套CO2激光傳輸系統［13］，能夠實現對光束指向的穩定控制，對激光器內放大效率有明顯增益效果，但不能實現高密度液滴靶照明光的功率控制。

本文針對LPP-EUV系統對驅動源功率和指向的穩定性需求，設計一種適用于LPP-EUV體制下CO2激光器的光束傳輸系統。通過主動控制的方式，實時監測和控制CO2激光的功率與指向穩定性，以解決光束傳輸系統中光束控制問題，實現高穩定的CO2激光輸出。

2 光束監測與控制系統構成及其功能

圖1為光束監測與對準系統組成圖。它主要由光束功率控制單元、光束指向控制單元、激光參數監測單元等組成，系統安放在密封導光裝置內，保證環境清潔并避免雜散光逸出。

圖1 光束監測與對準系統原理框圖Fig.1 Functional block diagram of beam monitoring and aligning system

2.1 光束功率控制模塊的構成及功能

圖2為光束功率控制模塊組成圖。它主要由起偏器、檢偏器、光束偏移補償組、伺服驅動電機和支撐結構等構成。該模塊的功能是對入射激光進行選偏并實現功率控制。

激光以布儒斯特角入射光束功率控制模塊，硒化鋅片堆組成的起偏器篩選出光束中的水平偏振光，阻止垂直偏振光透過。利用伺服驅動電機改變檢偏器的角度，即可控制偏振光透過強度。光束通過起偏器與檢偏器后，光束會發生偏移，光束偏移補償組的作用是補償這一部分光束偏移，使出射光與入射光同軸出射。

圖2 光束功率控制模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of beam power control system

2.2 光束指向控制模塊的構成及功能

圖3為光束指向控制模塊組成圖。它主要由兩套二維快速反射鏡，兩個高能激光分束器以及相應的控制模塊組成。光束指向控制模塊的功能是對入射激光的位置偏移和指向偏移進行校正，保證出射激光沿預設光軸同軸出射。

圖3 光束指向控制模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of beam pointing control system

2.3 光束參數監測模塊的構成及功能

圖4為光束參數監測模塊組成圖。它主要由激光能量計、光束質量分析儀及兩套長波四象限探測器等構成。它的功能是實時監測激光功率、光束位置、光束指向及光束發散角和尺寸等重要參數，同時為光束功率和指向控制模塊提供控制輸入。

激光能量計實時監測光束能量，作為光束功率控制模塊的反饋輸入。兩套長波四象限探測器分別監測光束位置和指向，作為光束指向控制模塊的控制輸入。光束質量分析儀監測光束尺寸及發散角等重要參數，以供系統分析激光器性能所需。

圖4 光束參數監測模塊原理框圖Fig.4 Functionalblock diagram of beam parametermonitoring system

3 光束監測與控制系統的工作原理

光束監測與控制系統的工作原理為：通過激光參數監測模塊對光束功率、位置、指向等重要參數進行實時測量及分析，光束功率的變化作為光束功率控制模塊的控制輸入，利用功率控制算法對光束功率進行實時控制。光束位置、指向的變化作為光束指向控制模塊的控制輸入，利用指向穩定算法對光束位置和指向進行實時控制。

3.1 光束功率監視與控制原理

在保證主光路光功率不會受到明顯影響的前提下，利用分束器對CO2激光進行采樣，通常采樣比例為1%或更低，采樣后的光束進入激光能量計，實時測量光束能量并通過預處理軟件對光束能量進行等比例還原等數據處理工作。

測量到的光束能量變化視為光束功率的擾動量，利用內嵌有PID控制算法的伺服電機控制器驅動伺服電機改變檢偏器角度，進而改變出射激光功率。

以左旋圓偏振光入射為例，左旋圓偏振光的歸一化斯托克斯矢量為｛1，0，0，-1｝，水平線偏振光的歸一化斯托克斯矢量為｛1，1，0，0｝，透光軸在水平方向上的偏振器的密勒矩陣M如式（1）所示。從式（2）中可以看出，以布儒斯特角入射的左旋圓偏振光從偏振器出射后為水平線偏振光，光強為入射圓偏振光光強的50%。出射的水平線偏振光再經過透光軸與偏振器透光軸成θ角的檢偏器后出射光仍為水平線偏振光，光強為左旋圓偏振光的cos2θ/2。

因此，實時調整檢偏器角度即可實現對水平線偏振光功率的有效控制，控制能力理論上可達0%～100%。實際操作過程中，由于偏振器件并不是理想的，通常最高消光比只能達到500∶1。

3.2 光束指向監視與控制原理

光束指向監視與控制裝置中的核心是兩塊高精度快速反射鏡和兩個四象限位置探測器。第一塊快速反射鏡用于校正光束的位置偏移，其作用是將光束投射到第二塊快速反射鏡的鏡面中心，并使其穩定在該位置，光束位置偏移量的動態反饋由光束參數監測模塊中的第一塊四象限位置探測器提供。第二塊快速反射鏡用于校正光束的角度偏移，將光束穩定在系統預設的光軸上，光束空間角度偏移量由光束參數監測模塊中的第二塊四象限位置探測器實現動態反饋。激光光束指向監視與控制裝置中，兩個四象限位置探測器共同實現對光束位置、指向穩定性的四維監視；兩套由快速反射鏡與四象限探測器組成的閉環控制回路協同實現激光光束沿預設光軸出射。

4 測量實驗與結果

4.1 光束功率控制實驗

光束功率控制實驗原理如圖5所示，光源采用波段為532 nm的連續固體激光器，偏振器件為北光生產的反射式偏振片，旋轉臺為北京卓立漢光儀器有限公司生產的RSA200電動轉臺，功率計為ophir公司的30（150）A。實驗過程如下：光束經起偏器選偏后出射光束為水平線偏振光，水平線偏振光由光束功率控制器改變光束功率后出射，功率計實時監測出射光功率。光束功率控制器主要由伺服旋轉臺與檢偏器組成，檢偏器透光軸與起偏器透光軸夾角θ隨轉臺轉動而改變。當θ為0時，透過光功率最大；θ為90°時，透過光功率最小。

圖5 光束功率控制實驗原理圖Fig.5 Schematic diagram of beam power control experiment

實驗結果如圖6所示，圖中實驗點繪制曲線為實測結果，平滑曲線為仿真所得的理論曲線。由圖中可以看出，實驗結果基本符合理論值，水平線偏振光功率變化約為1～100%，與理論值之間的均方根誤差約為2.5 mW。誤差主要來自控制系統的控制誤差、光學元件熱吸收、散射等因素，在實際工程應用中，可通過精確標定及進一步改進伺服控制系統以提高其控制精度。

4.2 光束指向監測與控制實驗

在實驗室內初步搭建了光束指向監測與控制實驗平臺，實驗原理如圖7所示。其主要由快速反射鏡、位置檢測傳感器、光束取樣器、聚焦透鏡、數字控制系統等構成。實驗光源采用波長為532 nm的連續型固體激光器；執行機構為德國PI公司生產的壓電陶瓷快速反射鏡；位置探測器分別采用了上海歐光公司生產的PSD探測器；光束取樣元件為美國Thorlabs公司生產的光束取樣鏡，透反比為92∶8；數據處理器為美國NI公司的USB-6008數據采集卡；功率放大器為德國PI公司開發的E-504壓電陶瓷功率放大模塊；伺服控制器采取上下位機形式，基于Labview自主開發。

圖6 光束功率隨θ變化曲線Fig.6 Plot ofθ-power

圖7 光束指向控制實驗原理圖Fig.7 Schemaitc diagram of beam pointing control experiment

光束漂移分離檢測采用聚焦分離方式，利用聚焦透鏡使PSD接收到的光斑偏移量只含有光束的指向偏差信息，光束指向偏移量可由式（3）得出。

式中：θx與θy是光束指向在兩個正交方向上的指向偏移量，x與y是PSD測量得到的位置偏移量，f為聚焦透鏡的焦距，實驗中透鏡焦距為10 cm。

圖8 校正前光束指向在x方向上的瞬時誤差Fig.8 Beam pointing error in the x direction before correction

圖9 校正后光束指向在x方向上的瞬時誤差Fig.9 Beam pointing error in the x direction after correction

以x方向為例，光束指向控制模塊工作前，實驗激光器在x方向上光束指向漂移的時域與頻域信息如圖8（a）與圖8（b）所示，光束指向漂移主要集中在100 Hz以內，漂移量峰-峰值為35μrad，RMS值為475μrad。實驗激光器激光指向經光束指向控制模塊校正后，采集3 000個數據點，獲得的光束指向瞬時穩定性實驗結果如圖9所示，光束指向在x方向上瞬時變化的RMS值為10μrad，峰峰值約90μrad。

從光束指向控制原理中可以看出，當位置敏感探測器前的透鏡焦距足夠長時，理論上光束指向控制精度只受限與快速反射鏡控制精度，目前快速反射鏡控制精度普遍可以達到微弧度量級，因此，在實際工程應用中，通過優化系統組成和布局還可進一步提高光束指向控制模塊的性能。

5 結 論

本文針對LPP-EUV體制對CO2激光驅動源提出的穩定性要求，設計了一套光束監測與控制系統，該系統能夠完成對激光束功率、指向、位置、發散角及尺寸等重要參數的實時監測，并實現激光功率與指向的實時控制。文中介紹了各組成模塊的工作原理，并初步搭建了光束功率控制與指向控制實驗平臺，開展了基于偏振法的光束功率控制和基于快速反射鏡的光束指向控制實驗。實驗結果表明：光束功率控制模塊對線偏振光具有良好的控制效果，功率控制能力接近1～100%，光束指向控制模塊可實現10μrad的光束穩定性指標，可以滿足CO2激光驅動源的高穩定性要求。目前的快速反射鏡控制精度普遍達到了微弧度量級，當位置敏感探測器前的透鏡焦距足夠長時，控制精度將只受限于快速反射鏡的控制精度。在實際工程應用中，通過優化系統還可進一步提高光束指向控制模塊的性能。

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Monitoring and controlling system for high power CO2laser in“LPP-EUV”light source

JIANG Zhen-hua*，WANG Ting-feng，GUO Jin
（State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，Chian）
*Corresponding author，E-mail：pily09@163.com

Tomeet the high stability requirements of the extreme ultraviolet（EUV）light source driven by a CO2laser under the Laser Produced Plasma（LPP）system，the simplified CO2laser transmission system model is established.Themonitoring and controllingmethods of the beam power，pointing and the location are studied theoretically and experimentally based on the requirements of the beam stability.The beam monitoring and controlling experimental system is set up in a laboratory according to the characteristics of the high-power CO2laser transmission system.The system includes a beam power controlmodule，a beam pointing controlmodule and a beam parametermonitoring module.The beam parametermonitoring module can accomplish the realtimemeasurements of beam powers，pointing，sizes and divergence angles and other important parameters.The simulation and experimental results show that the beam power controlmodule can control the linearly polarized laser power from 1%to 100%and the beam pointing controlmodule can control the beam pointing stability to be less than 10μrad，whichmeets the high stability requirements of the extreme ultraviolet（EUV）lithography for the CO2laser source under the Laser Produced Plasma（LPP）system.

extreme ultraviolet source；CO2laser；parametermonitoring；pointing control

TN248.2；TP273

A

10.3788/CO.20130604.0544

姜振華（1984—），男，吉林長春人，碩士，研究實習員，2011年于哈爾濱工業大學獲得碩士學位，主要從事光束控制、自動控制等領域的研究。E-mail：pily09@163.com

郭 勁（1964—），男，吉林長春人，研究員，博士生導師，2007年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光電測控與光電對抗技術研究。E-mail：guojin1964@126. com

王挺峰（1977—），男，山東文登人，副研究員，碩士生導師，2005年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光電測控與光電總體技術研究。E-mail：wtfeng@sina. com

1674-2915（2013）04-0544-07

2013-04-11；

2013-06-17

吉林省重大科技攻關專項（No.20120615）