Brevet FR2814599A1 — publié le 20020329

DISPOSITIF LASER DE FORTE PUISSANCE CRÊTE ET APPLICATION À LA GÉNÉRATION DE LUMIÈRE DANS L'EXTRÊME ULTRAVIOLET DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif laser de forte puissance crête et de puissance moyenne et de cadence de récurrence élevées, tout en étant de coût et de complexité minimisés. L'invention s'applique notamment à la génération de lumière dans le domaine extrême ultraviolet. Les rayonnements appartenant à ce domaine, que l'on appelle également rayonnements EUV , ont des longueurs d'onde qui vont de 8 nanomètres à 25 nanomètres. Les rayonnements EUV que l'on peut obtenir en faisant interagir des impulsions lumineuses, engendrées avec le dispositif objet de l'invention, et une cible appropriée ont de nombreuses applications, notamment en science des matériaux, en microscopie et tout particulièrement en microlithographie, pour fabriquer des circuits intégrés à très haut degré d'intégration. Pour cette dernière application, il est particulièrement avantageux d'avoir une cadence de récurrence élevée, ce qui est très difficile à obtenir pour des lasers de forte puissance crête. L'invention s'applique à tout domaine qui nécessite un laser d'excitation du même genre que ceux dont on a besoin en microlithographie. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La lithographie EUV est nécessaire en microélectronique pour la réalisation de circuits intégrés dont les dimensions sont inférieures à 0,1 micromètre. Parmi les sources de rayonnement EUV, plusieurs de ces sources utilisent un plasma engendré au moyen d'un laser. Pour la création d'un tel plasma, il faut disposer d'un laser engendrant un fort éclairementcrête. On utilise donc à cet effet un laser impulsionnel, délivrant par exemple une énergie de l'ordre de 300 mj par impulsion ou plus. La longueur d'onde d'excitation ne jouant pas un rôle très important, indiquons dès à présent que l'invention utilise par exemple des lasers YAG, lasers qui ont connu de nombreux développements dans bien des domaines industriels. Cependant, d'autres lasers solides, c'est à dire dont le milieu amplificateur est solide, sont utilisables dans la présente invention. Pour obtenir une très bonne stabilité de l'énergie tir à tir, il est connu d'utiliser un pompage par des diodes lasers. En outre, pour obtenir la puissance-crête nécessaire à la génération de rayonnements EUV destiné à la photolithographie, il est connu d'utiliser des diodes impulsionnelles. A ce sujet on se reportera au document suivant : [1] Article de H. Rieger et al., High brightness and power Nd : YAG laser, Advanced solid-state lasers, 1999, Boston MA, p. 49 à 53. Ce document divulgue un dispositif pour la photolithographie, générant des impulsions laser de forte amplitude crête à une cadence de récurrence relativement faible. Également, pour obtenir la puissance-crête nécessaire, il est connu d'utiliser un oscillateur et des amplificateurs. Il en résulte un laser complexe et coûteux. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [2] Article de G. Holleman et al., Modeling high brightness kW solid-state lasers, SPIE Vol. 2989, p. 15 à 22. Ce document mentionne deux besoins en lasers de puissance correspondant à deux technologies opposées : d'une part, les applications de soudage, d'usinage ou de traitement des matériaux, qui nécessitent des lasers émettant des impulsions longues, obtenues par des technologies très simples, et d'autre part, les applications de photolithographie qui nécessitent des impulsions brèves et, si possible, à haute cadence, obtenues par une technologie très sophistiquée et coûteuse, utilisant notamment deux étages d'amplification optique. On se reportera aussi au document suivant, qui vise à obtenir un dispositif laser de forte puissance crête : [3] Article de G. Kubiak et al., Scale-up of a cluster jet laser plasma source for Extreme Ultraviolet lithography, SPIE Vol. 3676, p. 669 à 678. Le dispositif décrit dans ce document [3] recourt à des lasers YAG pompés par des diodes pulsées, comme dans le reste de l'art antérieur concernant la photolithographie. Il utilise en outre des amplificateurs optiques complexes et coûteux. De plus, la cadence de récurrence visée dans ce document [3] est de 6 kHz, pour une énergie par impulsion de 280 mj. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif laser qui est susceptible d'avoir une puissance crête au moins aussi forte, tout en ayant une cadence de récurrence plus élevée, et en étant moins complexe et moins coûteux que le dispositif laser connu, mentionné plus haut. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif laser caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins trois lasers solides impulsionnels, pompés par des diodes fonctionnant de façon continue, destinés à fournir des impulsions lumineuses, et - des moyens d'envoi de ces impulsions lumineuses sensiblement au même endroit d'une cible et sensiblement en même temps à cet endroit. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les lasers sont montés en oscillateurs, sans amplificateurs. Le dispositif objet de l'invention comprend au moins trois lasers impulsionnels mais, de préférence, en comprend plus de trois. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre des moyens de modifications de la répartition spatiale de l'impulsion lumineuse résultant de l'addition des impulsions lumineuses fournies par les lasers. Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif comprend en outre des moyens de commande des lasers, qui sont aptes à modifier la répartition temporelle de l'impulsion lumineuse résultant de l'addition des impulsions lumineuses fournies par les lasers, afin de créer des impulsions composites. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le profil de chaque impulsion composite comporte une première impulsion d'allumage du plasma destiné à être créé par interaction des impulsions lumineuses avec la cible, un intervalle de temps où l'énergie est minimale pendant la croissance du plasma, puis une seconde impulsion, composée de plusieurs impulsions élémentaires, selon une séquence fonction de la croissance du plasma. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de modification de la cadence de récurrence des impulsions lumineuses émises par les lasers ou de la séquence de ces impulsions lumineuses émises par les lasers. Dans le cas où l'on crée les impulsions composites, le dispositif objet de l'invention est de préférence apte à envoyer un premier faisceau très focalisé sur la cible, puis à appliquer le reste de l'énergie lumineuse sur la cible avec une focalisation plus large. Les lasers utilisés dans l'invention sont des lasers solides, par exemple des lasers YAG. La cible sur laquelle on envoie les impulsions lumineuses émises par les lasers du dispositif objet de l'invention peut être prévue pour fournir une lumière dans le domaine extrême ultraviolet par interaction avec ces impulsions lumineuses. Cependant, la présente invention n'est pas limitée à l'obtention d'un rayonnement EUV. Elle s'applique à tout domaine où l'on a besoin de faisceaux lasers à forte puissance crête, dirigés sur une cible. Dans la présente invention, on utilise une superposition spatiale et, dans un mode de réalisation particulier, un séquencement temporel. Par superposition spatiale , on entend la superposition d'une pluralité de faisceaux lasers sensiblement au même endroit de la cible, sensiblement au même moment. Sensiblement au même moment , signifie que les décalages temporels entre les diverses impulsions élémentaires respectivement fournies par les lasers solides du dispositif laser sont faibles devant la période de récurrence de ces lasers. Cette superposition permet de multiplier l'énergie par impulsion et les puissances de crête. Comme on le verra plus loin, une souplesse d'utilisation peut être obtenue avec une superposition des faisceaux lasers presque au même endroit et presque en même temps. Cette souplesse d'utilisation permet d'optimiser l'émission du plasma créé. Dans la présente invention, les quatre points (a) à (d) qui suivent sont importants. (a) La superposition spatiale Elle permet d'augmenter la puissance crête et de disposer d'une grande liberté de modification de la répartition spatiale de l'impulsion lumineuse qui résulte de l'addition des impulsions lumineuses élémentaires émises par les lasers. Par exemple, l'utilisation d'une impulsion lumineuse plus focalisée que les autres, utilisation qui est mise en oeuvre dans un mode de réalisation préféré de l'invention, permet d'obtenir un éclairement localement plus grand, comme le montrent schématiquement les figures 1 et 2 où l'on ne considère, pour simplifier, que deux faisceaux. Un premier faisceau lumineux FI et un deuxième faisceau lumineux F2 sont vus en coupe sur la figure 1, dans un plan qui est défini par deux axes perpendiculaires Ox et Oy, l'axe commun aux deux faisceaux étant l'axe Oy. Les deux faisceaux ont sensiblement une symétrie de révolution autour de cet axe Oy et sont focalisés au voisinage du point 0, sensiblement dans le plan d'observation qui est défini par l'axe Oy et par un axe perpendiculaire aux axes Ox et Oy et qui passe par le point 0. Les focalisations des deux faisceaux sont différentes, le premier faisceau Fl étant plus focalisé que le second F2. La figure 2 montre les variations de l'éclairement I dans le plan d'observation en fonction de l'abscisse x comptée sur l'axe Ox. Si le faisceau Fl est cinq fois plus focalisé que le faisceau F2, l'éclairement que produit ce faisceau Fl sur l'axe Oy est multiplié par vingt cinq par rapport à celui qui est produit par ce faisceau Fl lorsque les deux faisceaux ont la même puissance. Mais il convient de noter que, dans la présente invention, on peut utiliser des faisceaux dont les puissances sont identiques ou, au contraire, différentes les unes des autres, voire très différentes les unes des autres. Cette"superposition spatiale"de plusieurs faisceaux sur une même cible au même moment autorise le décalage, à une échelle de temps plus petite, des instants des impulsions de chaque laser élémentaire. (b) Le séquencement dans le temps des diverses impulsions laser (bl) Premier mode : Lorsque plusieurs lasers sont focalisés sur une même cible, il est connu d'intercaler de manière sensiblement régulière l'émission de leurs impulsions, ce qui multiplie la fréquence de récurrence sans augmenter la puissance crête. (b2) Second mode : Une autre possibilité existe : créer des salves d'impulsions, dans lesquelles les décalages temporels entre deux impulsions de deux lasers élémentaires sont très faibles devant le temps de récurrence entre deux salves. De telles salves peuvent être considérées comme des impulsions composites. Dans ce second mode, on peut aussi, par un décalage temporel des impulsions lumineuses, créer une pré-impulsion. A ce sujet on pourra se reporter au document suivant qui mentionne la possibilité de créer une préimpulsion chargée de l'allumage du plasma : [4] Article de M. Berglund et al., Ultraviolet prepulse for enhanced X-ray émission and brightness from droplet-target laser plasma, Applied Physics Letters, vol. 69,1996, page 1683. L'invention utilise toujours le mode (b2), qu'elle peut, dans un mode de réalisation particulier, cumuler avec le mode (bl). Dans ce cas, on définit des groupes de lasers générant des impulsions composites selon le mode (b2), et plusieurs de ces groupes sont alors associés selon le mode (bl). L'invention permet donc une grande souplesse dans le séquencement des impulsions lumineuses élémentaires, et notamment le séquencement (b2) ci-après considéré comme avantageux. Une première impulsion très focalisée sur la cible (cette impulsion étant par exemple du genre du faisceau Fl de la figure 1) allume un plasma, puis, pendant le temps où le plasma croît, la cible est soumise à un éclairement minimal ou nul, et lorsque le plasma atteint le diamètre du faisceau F2, la cible est soumise à un maximum de puissance lumineuse. Il est alors avantageux de consacrer à la première impulsion une énergie inférieure à celle consacrée au restant de l'impulsion composite selon la Figure 3. Sur cette figure 3, les amplitudes A des impulsions lumineuses sont représentées en fonction du temps t. On voit un exemple d'impulsion composite Il. Cette dernière comprend une pré-impulsion ou"prépulse" 12 puis un premier ensemble d'impulsions élémentaires simultanées 13, séparées de la pré-impulsion par un temps T nécessaire à la croissance du plasma, puis un deuxième ensemble d'impulsions élémentaires simultanées 14 qui suit le premier ensemble. L'invention permet aussi de répéter cette séquence à une fréquence de récurrence élevée, multiple de celle des lasers élémentaires. On peut définir des groupes de lasers dont chacun génère une salve, ou impulsion composite, formée d'un impulsion focalisée et d'une ou plusieurs autres impulsions décalées dans le temps. Plusieurs des ces groupes peuvent alors être associés de manière à intercaler leurs impulsions composites comme il était connu de le faire pour des impulsions élémentaires. Le montage des lasers des divers groupes est en tout point identique à celui des lasers d'un même groupe. Seuls les instants de déclenchement générés par les moyens de commande des lasers (moyens 18 de la figure 4) changent. (c) L'utilisation de diodes continues pour le pompage du matériau-laser Dans le cas d'un laser utilisant un matériau YAG dopé avec du néodyme et un pompage continu, la durée de vie du niveau supérieur du laser, qui est voisine de 250 microsecondes, oblige à travailler à une cadence supérieure à 5 kHz pour bien extraire la puissance lumineuse déposée. (d) Le montage des laser en oscillateurs, sans amplificateurs La présente invention, contrairement à l'art antérieur, vise à obtenir des puissances crête élevées en associant des points favorisant cette puissance crête (points c et d), et des points défavorables (point a). Certes, les points (bl), (c) et (d) sont défavorables à l'obtention de puissances crête élevées mais l'utilisation des points (a) et (b2) permet de remédier à cet inconvénient. Dans la présente invention, on utilise simultanément les points (a), (b2) et (c), et cette association de points favorables et défavorables à l'obtention de puissances crête élevées va à l'encontre de l'art antérieur. On s'en éloigne encore dans la réalisation préférentielle fondée sur le point (d). Des avantages de la présente invention, outre la génération d'impulsions laser de forte puissance et de cadence élevée, sont mentionnés ciaprès. Le coût des diodes à puissance moyenne constante est nettement inférieur lorsque ces diodes fonctionnent en continu. En outre, un dispositif laser conforme à l'invention est beaucoup plus simple que ceux de l'art antérieur car ce dispositif n'utilise pas la mise en série d'amplificateurs. L'exploitation et la maintenance de ce dispositif laser sont moins coûteuses du fait du nombre réduit de composants optiques utilisés. La mise en parallèle de plusieurs oscillateurs permet plus de souplesse d'utilisation. L'augmentation du nombre de lasers permet aussi à un dispositif conforme à l'invention d'être moins sensible à un incident relatif aux performances instantanées de l'un des lasers. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : 'les figures 1 et 2 illustrent schématiquement l'utilisation de deux faisceaux lasers focalisés différemment pour obtenir localement un grand éclairement et ont déjà été décrites, et 'la figure 3 illustre schématiquement un exemple d'impulsion lumineuse composite utilisable dans la présente invention et a déjà été décrite, et 'la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 4, comprend plus de trois lasers impulsionnels par exemple huit, mais seulement trois d'entre eux sont représentés sur cette figure 4 et ont respectivement les références 2,4 et 6. Les faisceaux lumineux 8,10 et 12 (plus exactement les impulsions lumineuses), qui sont respectivement fournis par ces lasers impulsionnels 2, 4 et 6, sont envoyés, par l'intermédiaire d'un ensemble de miroirs 14, sensiblement au même point P d'une cible 16 et sensiblement en même temps à ce point P. On a également représenté les moyens 18 de commande des lasers, permettant d'obtenir les impulsions lumineuses. On voit aussi sur la figure 3 des moyens de focalisation 20, 22 et 24 qui sont prévus pour focaliser respectivement les faisceaux lumineux 8,10 et 12 sur le point P de la cible 16. Dans l'exemple considéré, les lasers et la cible sont choisis pour fournir, par interaction des faisceaux lumineux avec cette cible, un rayonnement EUV 26. Pour ce faire, la cible comprend par exemple un jet 28 d'agrégats (par exemple de xénon) qui sont issus d'une buse 30. On utilise par exemple ce rayonnement EUV 26 pour la microlithographie d'un circuit intégrés 32. Le bloc 34 de la figure 4 symbolise les divers moyens optiques servant à mettre en forme le rayonnement EUV avant qu'il n'atteigne le circuit intégré 32. Les lasers 2,4 et 6 sont identiques. Chacun d'entre eux comprend une structure 36 de pompage YAG dont l'aberration et la biréfringence sont faibles. Cette structure 36 comprend un barreau-laser 38 qui est pompé par un ensemble de diodes lasers 40 fonctionnant de façon continue. Néanmoins il peut être avantageux de choisir un laser différent des autres pour créer la première impulsion dite"prépulse". Chaque laser est monté en oscillateur, sans amplificateur de lumière. Chaque laser est formé dans une cavité délimitée par un premier miroir hautement réfléchissant 42 et par un deuxième miroir 44 qui est partiellement réfléchissant pour laisser passer le faisceau lumineux engendré par le laser. Cette cavité est prévue pour permettre à ce faisceau d'avoir une faible divergence, comprise entre 1,2 et 10 fois la limite de diffraction, pour une faible longueur de cavité, de façon à obtenir aussi des impulsions lumineuses de courte durée, entre 5ns et 100ns. On utilise deux lentilles divergentes 46 et 48 que l'on dispose entre les miroirs 42 et 44, de part et d'autre du barreau-laser 38. Les distances entre les composants optiques sont ajustées de façon à ce que les différentes lentilles présentes dans la cavité donnent un diamètre du mode fondamental de la cavité 1,5 à 10 fois plus petit que le diamètre du barreau amplificateur ou barreau-laser. Pour cet ajustement on tient compte des focales thermiques comme sait le faire l'homme du métier. La structure de pompage 36 comprend par exemple une tête double avec pompage homogène et compensation de biréfringence par rotation de 900 de la polarisation. Le diamètre du barreau-laser 38 peut être compris entre 3 mm et 6 mm. Ces caractéristiques sont utiles pour ne pas détériorer les performances de la cavité-laser, surtout lorsque la puissance moyenne est forte. Pour rendre chaque laser impulsionnel, on dispose dans la cavité de ce laser des moyens de déclenchement, par exemple des moyens acousto-optiques. Dans l'exemple de la figure 4, on utilise deux déflecteurs acousto-optiques 50 et 52 qui sont commandés par les moyens de commande 18 et disposés dans l'espace délimité par les lentilles divergentes 46 et 48, de part et d'autre du barreau-laser 38. On utilise ces deux déflecteurs acoustooptiques 50 et 52 pour bloquer la cavité avec des gains correspondant à des puissances moyennes comprises entre 150 W et 600 W. Les moyens de commande 18 permettent la variation et la stabilité de la source EUV selon les besoins de la microlithographie ainsi que la synchronisation des lasers 2,4 et 6. La fréquence de récurrence est de 10 kHz pour chacun des 8 lasers puisque ceux-ci ne forment qu'un seul groupe et que chaque impulsion est une impulsion composite, c'est-à-dire une impulsion constituée d'une préimpulsion suivie des sept autres impulsions élémentaires. Les moyens de commande 18 comprennent des moyens (non représentés) de génération des courants d'alimentation des diodes-lasers de pompage 40 ainsi que des moyens (non représentés) de génération de courants de radio-fréquence modulée, destinés à commander chaque couple de déflecteurs acousto-optiques 50 et 52. De plus, ces moyens de commande 18 sont prévus pour commander les lasers 2,4 et 6 en fonction de signaux de mesure du rayonnement du plasma (engendré par interaction des faisceaux lasers avec la cible 16) fournis par un ou plusieurs capteurs appropriés tels que sur le capteur 54, par exemple une ou plusieurs photodiodes au silicium rapides avec filtrage spectral pour le rayonnement EUV, ce filtrage peut être effectué par du zirconium, et par un miroir multicouche Molybdène-Silicium, éventuellement doublé ; dans le cas où l'on observe la vitesse de croissance du plasma, il convient soit de modifier ce filtrage, soit d'adjoindre une ou plusieurs autres photodiodes rapides dont le filtrage est plus proche du spectre visible. Les moyens de commandes 18 sont aussi prévus pour commander les lasers 2,4 et 6 en fonction - de signaux de mesure de l'énergie des impulsions lumineuses des lasers 2,4 et 6, signaux qui sont respectivement fournis par des capteurs appropriés 56,58 et 60, par exemple des photodiodes au silicium rapides avec des moyens intégrateurs, et - de signaux de mesure des formes temporelles des impulsions lumineuses des lasers 2,4 et 6, des signaux qui sont respectivement fournis par trois capteurs appropriés 62,64 et 66, par exemple des photodiodes au silicium rapides, qui peuvent être les mêmes capteurs que les capteurs 56,58, 60 à ceci près que le signal est alors prélevé en amont des moyens intégrateurs. On précise que les moyens optiques formés par les miroirs de déflexion 14 et les lentilles de focalisation 20,22 et 24 sont choisis pour permettre une superposition spatiale avec des fluctuations de position qui sont inférieures à un faible pourcentage, par exemple de l'ordre de 1% à 10%, du diamètre de la tache focale (point P). Le dispositif laser de la figure 4 comprend en outre des moyens prévus pour modifier la répartition spatiale de l'impulsion résultant de l'addition des impulsions lumineuses respectivement émises par les lasers 2,4 et 6. Ces moyens, symbolisés par les flèches 74,76 et 78, sont par exemple prévus pour déplacer les lentilles 20,22 et 24, de manière à modifier les tailles des taches focales respectivement fournies par ces lentilles. Les moyens de commande 18 peuvent être prévus pour décaler temporellement, les unes par rapport aux autres, les impulsions lumineuses émises par les lasers 2,4 et 6, en décalant de façon appropriée les déclenchements des lasers les uns par rapport aux autres. REVENDICATIONS 1. Dispositif laser caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins trois lasers solides impulsionnels (2,4, 6), pompés par des diodes (40) fonctionnant de façon continue, destinés à fournir des impulsions lumineuses, et - des moyens (14) d'envoi de ces impulsions lumineuses sensiblement au même endroit d'une cible (16) et sensiblement en même temps à cet endroit. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les lasers pompés par des diodes (40) fonctionnant de façon continue sont montés en oscillateurs, sans amplificateurs. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre des moyens (74,76, 78) de modification de la répartition spatiale de l'impulsion lumineuse résultant de l'addition des impulsions lumineuses fournies par les lasers. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre des moyens (18) de commande des lasers, qui sont aptes à modifier la répartition temporelle de l'impulsion lumineuse résultant de l'addition des impulsions lumineuses fournies par les lasers, afin de créer des impulsions composites. 5. Dispositif selon la revendications 4, dans lequel le profil de chaque impulsion composite comporte une première impulsion d'allumage du plasma destinée à être créé par interaction des impulsions lumineuses avec la cible, un intervalle de temps où l'énergie est minimale pendant la croissance du plasma, puis une seconde impulsion, composée de plusieurs impulsions élémentaires, selon une séquence fonction de la croissance du plasma. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre des moyens (18) de modification de la cadence de récurrence des impulsions lumineuses émises par les lasers ou de la séquence de ces impulsions lumineuses émises par les lasers. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, apte à envoyer un premier faisceau très focalisé (Fl) sur la cible, puis à appliquer le reste de l'énergie lumineuse sur la cible avec une focalisation plus large. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les lasers (2,4, 6) sont des lasers YAG. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la cible (16) est prévue pour fournir une lumière dans le domaine extrême ultraviolet par interaction avec les impulsions lumineuses émises par les lasers (2,4, 6).