深紫外DUV连续波CW激光及产生DUVCW激光辐射的方法与流程

深紫外duv连续波cw激光及产生duv cw激光辐射的方法
1.本技术是发明名称为“深紫外duv连续波cw激光及产生duv cw激光辐射的方法”，申请号为201480039637.x，申请日为2014年6月11日的发明专利申请的分案申请。
2.相关申请案
3.本技术案主张2013年6月11日由庄(chuang)等人申请的题为“具有改进的稳定性的cw duv激光(cw duv laser with improved stability)”的第61/833,716号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案以引用方式并入本文中。


背景技术：

4.半导体检测及计量学需要非常稳定、低噪声的光源以检测小缺陷及/或进行小尺寸的非常精密的测量。uv光源(即，具有波长100nm到400nm的光源)是非常重要的，这是因为一般来说，短波长对小缺陷或尺寸具有较佳敏感度。
5.低噪声、高稳定性激光对可见及近红外中的波长是可用的。然而，存在具有大于250mw的功率的非常少的可用深uv cw激光，且所述激光是昂贵的、有噪声的、具有较差的长期稳定性且可能需要频繁调整或维护。
6.当前可用的深uv(duv)(即，短于300nm的波长)cw激光通过产生红外(ir)基波激光的四次谐波而操作。使用两个频率转换级：第一级产生二次谐波且第二级产生四次谐波。每一频率转换级使用非线性光学(nlo)晶体。
7.倍频过程取决于电场强度的平方。如果晶体内部的功率密度为低，那么转换过程就非常无效。几瓦特或几十瓦特功率的红外激光当聚焦于nlo晶体中时由于低功率密度而产生非常小的二次谐波。此与类似平均功率电平的脉冲激光相反，所述脉冲激光可产生大量二次谐波(在最佳情况中大致50％的输入可转换到二次谐波)，这是因为峰值功率密度高于平均功率密度许多倍。
8.duv cw(连续波)激光使用谐振腔以增加nlo晶体中的功率密度以改进转换效率。未转换到二次谐波的穿过nlo晶体的大部分光在谐振腔中被再循环以便增强功率密度。允许二次谐波传递出谐振腔。最终，功率密度增强到其中作为二次谐波离开所述谐振腔的功率加所述谐振腔中的损耗等于输入功率的电平。因此，为产生深uv波长，这些腔中的两者必须串联连接。第一谐振腔通过再循环ir基波而产生二次谐波(即，可见波长，通常为绿光波长，例如532nm)，且第二谐振腔通过再循环所述二次谐波而产生四次谐波(即，深uv波长，例如266nm)。
9.图1说明包含两个谐振腔的示范性深uv cw激光100。在激光100中，用于产生二次谐波的第一腔包含镜110、111、112及113以及nlo晶体115。用于产生四次谐波的第二腔包含镜130、131、132及133以及nlo晶体135。显著地，这些腔必须经受主动控制。对所述第一腔的控制包含振荡器104(在频率f1下产生信号)、调制器103、光电二极管105以及同步检测器106(产生控制镜111的位置的致动器控制信号107)。对第二腔的控制包含振荡器124(在频率f2下产生信号)、调制器123、光电二极管125以及同步检测器126(产生控制镜131的位置的致动器控制信号127)。
10.激光100包含基波激光101，基波激光101产生波长为1064nm的ir光。所述ir光透过镜110进入第一腔且在从镜111及112反射之后进入nlo晶体115。进入晶体115的ir光的一部分在532nm的波长下被转换二次谐波。532nm光穿过镜113且被引导到第二腔。穿过nlo晶体115的大部分ir光在未经转换的情况下从nlo晶体射出且从镜113反射，镜113经涂覆以便反射1064nm光而透射532nm光。从镜113反射的光返回到达输入镜110。镜110上的涂层经设计以对从镜113以射线的入射角到达的ir高度反射，而对从基波激光101到达的传入ir辐射高度透射。
11.为增强第一腔中的高功率密度，已围绕所述第一腔循环的ir辐射与传入辐射同相而到达镜110为重要的。此同相到达可通过使用机械地移动镜111(举例来说，借助于压电传感器或音圈)以维持正确腔光学路径长度的伺服控制件来实现。光电二极管105监视第一腔中循环的光的一小部分光以将信号提供到伺服控制件。输入激光束是由调制器103以频率f1调制以提供由伺服控制件使用以确定第一腔是否需要调整且如果需要就确定沿着哪一方向的时变信号。上文描述的用于第一腔的伺服控制回路是通常用作及称为pound-drever-hall(pdh)控制。其理论是通过应用物理(app1.phys.)b 31，第97页到105页(1983年)德雷尔(drever)等人的“使用光学谐振器的激光相及频率稳定(laser phase and frequency stabilization using an optical resonator)”描述。额外细节可在(举例来说)1994年11月22日发布的题为“激光光束产生设备(laser light beam generating apparatus)”的第5,367,531号美国专利案以及(1998年)布莱克(black)的ligo technical note ligo-t980045-00-d中找到。
12.通常用于激光伺服控制回路中的另一方案是-couillaud(hc)技术。在此方案中，光束在进入腔之前不需要进行调制，然而，其仅对偏振敏感的腔起作用。此方案检测总反射或透射的光束的偏振变化以确定腔是否在谐振。关于此方案的进一步细节可在的opt.commun.35(3)，441(1980年)，汉施及库约(couillaud)的“反射参考腔的偏振光谱的激光频率稳定(laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity)”中找到。
13.第二腔以实质上类似于第一腔(除了输入波长是532nm及输出波长是266nm之外)的方式操作。针对所述波长适当选择第二腔组件的涂层及材料。在激光100中，第二调制器123在光进入第二腔之前以频率f2调制所述光。所述光透过镜130进入所述第二腔且在从镜131及132反射之后进入nlo晶体135。进入晶体135的所述光的一部分经转换到266nm的波长的四次谐波。266nm光穿过镜133且被引导到激光100的输出。穿过nlo晶体135的大部分光在未经转换的情况下从nlo晶体射出且从镜133反射，镜133经涂覆以便反射532nm光而透射266nm光。从镜133反射的光返回到达输入镜130。镜130上的涂层经设计以对从经133以射线的入射角到达的光高度反射，而对从调制器123到达的传入光高度透射。光电二极管125检测循环光的一小部分。由同步检测器126使用来自125的信号以产生控制镜131的位置以便维持腔的正确光学路径长度的控制信号127。
14.在一些实施例(未展示)中，省略调制器123及振荡器124且因此两个伺服回路以相同的调制频率操作。在又其它实施例(未展示)中，省略调制器103及123两者。在此情况中，基波激光101通过操作激光使得产生两个模式来产生经调制的输出。可选择具有波长分离及相对振幅的两个模式使得通过所述两个模式的冲击产生经适当调制的输出。
15.注意，一或两个腔可包括两个或三个镜，而非四个镜。
16.在一些现有技术装置中，可通过放置于nlo晶体135与镜133之间的分束器(未展示)来使duv输出波长与再循环可见光分离。在一些现有技术装置中，周期性极化的非线性光学(nlo)材料用于频率转换以产生具有准相位匹配的绿光及/或uv cw光。当前不存在能够产生对半导体检测有用的功率电平的duv光的可用的周期性极化材料。
17.如上文所阐释，在现有技术装置中，可串联使用两个倍频腔。在此情况中，第一腔以对应于ir区域中的波长的基波频率谐振，且第二腔针对具有ir光的波长的一半的波长的二次谐波频率谐振。对于相同量的腔光学路径长度变化，第二腔的相变是第一腔的两倍。因此，所述第二腔归因于其较高敏感度而更难稳定。此外，来自第一腔的噪声通常耦合到第二腔中且在相当大的程度上影响稳定性，借此危害所述第二腔的转换效率。显著地，第二腔的反馈回路不能区分来自其输入光及来自所述腔自身的噪声。因此，第二腔连续尝试补偿失配。因此，此类型的现有技术cw duv激光通常非常有噪声且需要用于稳定性的复杂的伺服回路。
18.现有技术装置的另一限制在于，腔的反馈回路可仅调整腔长度以补偿腔光学路径长度变化。不能通过调整腔长度来补偿腔焦点或像散中的变化。
19.例举例来说，非线性晶体内的温度梯度在所述晶体内产生非均匀折射率轮廓。所述晶体的平均折射率中的任何变化改变腔中的平均光学路径长度且可通过物理腔长度变化来补偿。然而，折射率中的空间变化可改变腔中的光学器件的焦距及/或可在循环激光束的焦点中产生像散。原则上，如果腔并入可检测焦点中的变化的传感器，就可通过腔长度中的变化来补偿焦点中的变化，但所需的腔长度变化将不与维持光学路径长度所需的腔长度变化相同以维持所述腔谐振。因此，对焦点的纠正将引起激光的输出功率降低或变得不稳定。因为像散是由不同方向的不同焦点位置引起，所以没有腔长度变化可补偿像散。焦点及像散变化在第二腔中通常是比在第一腔中更严重的问题，这是因为duv光可在nlo晶体性质中诱发比通过基波或二次谐波光诱发的大的变化。
20.因此，需要具有约250mw的功率电平、具有低噪声、良好的长期稳定性，同时克服上文缺点中的一些或全部的duv cw激光。


技术实现要素：

21.根据本文中所描述的改进的激光系统及相关技术，可仅使用一个谐振腔或使用两个ir谐振腔产生具有对应于ir激光的基波频率的四次谐波或五次谐波的频率的深紫外(duv)连续波(cw)激光系统。相比于现有技术duv cw激光，所述改进的激光系统具有较不复杂的反馈回路及更佳的稳定性。
22.duv cw激光系统包含基波cw激光、三次谐波产生器及四次谐波产生器。所述基波cw激光经配置以产生具有在约1μm与1.1μm之间的对应波长的基波频率。所述三次谐波产生器模块包含至少一个周期性极化的非线性光学(nlo)晶体以产生三次谐波。所述四次谐波产生器模块包含以基波频率谐振的腔。四次谐波产生器模块经配置以使基波频率与三次谐波组合以产生四次谐波。
23.另一duv cw激光系统包含基波cw激光、三次谐波产生器及五次谐波产生器。所述基波cw激光经配置以产生具有在约1μm与1.1μm之间的对应波长的基波频率。所述三次谐波
产生器模块包含至少一个周期性极化的nlo晶体以产生三次谐波。五次谐波产生器模块包含用于使基波频率与三次谐波组合以产生五次谐波的以基波频率谐振的腔。
24.又另一duv cw激光系统包含基波cw激光、三次谐波产生器及五次谐波产生器。所述基波cw激光经配置以产生具有在约1μm与1.1μm之间的对应波长的基波频率。所述三次谐波产生器模块包含至少一个周期性极化的nlo晶体以产生二次谐波及三次谐波。所述五次谐波产生器模块包含用于使二次谐波与三次谐波组合以产生五次谐波的以所述二次谐波频率谐振的腔。
25.各种实施例可具有以下特征。三次谐波产生器模块可能并不能使用谐振腔。所述三次谐波产生器模块可进一步包含以基波频率谐振的腔。至少一个周期性极化的nlo晶体可产生二次谐波或三次谐波。所述至少一个周期性极化的nlo晶体可包含用于直接产生三次谐波的双周期极化的晶体。三次谐波产生器模块可包含两个周期性极化的nlo晶体。所述至少一个周期性极化的nlo晶体可在温度上受到控制以最大化三次谐波产生效率。基波频率可聚焦到具有实质上平行于所述至少一个周期性极化的nlo晶体的极化深度的短轴的椭圆光束。三次谐波产生器模块可使用具有长于2μm的周期的周期性极化的nlo晶体以实现用于三次谐波的和频产生的三阶准相位匹配。可使用电光调制以提高三次谐波转换效率。四次谐波产生器模块可能使三次谐波不在腔中再循环。五次谐波产生器模块可能使三次谐波不在腔中再循环。五次谐波产生器模块可能使三次谐波不在腔中再循环。
26.本发明描述一种从对应于约1μm到1.1μm的波长的基波频率产生四次谐波的方法。通过使用周期性极化的非线性光学(nlo)晶体转换基波频率的一部分而产生二次谐波频率。所述基波频率的另一部分与二次谐波组合以产生三次谐波。通过在以基波频率谐振的腔中使基波频率的另一部分与三次谐波组合而产生四次谐波。在此方法中，与使用串联的基波腔及二次谐波腔的现有技术系统相比较，未使用以二次谐波谐振的腔。因为二次谐波具有为基波频率的波长的一半的波长，所以以二次谐波频率谐振的腔与以基波频率谐振的腔相比更不稳定且更倾向于漂移及不稳定性。
27.本发明描述一种从对应于约1到1.1μm的波长的基波频率产生五次谐波的方法。使用周期性极化的nlo晶体将基波频率的一部分转换到二次谐波。所述基波频率的另一部分是与所述二次谐波组合以产生三次谐波。通过在以基波频率谐振的腔中使基波频率的另一部分与三次谐波组合而产生四次谐波。通过在所述腔内部使所述四次谐波与再循环基波频率组合而产生五次谐波。
28.本发明描述一种从对应于约1到1.1μm的波长的基波频率产生五次谐波的方法。使用周期性极化的nlo晶体将基波频率的一部分转换到二次谐波。所述基波频率的另一部分与所述二次谐波组合以产生三次谐波。通过在以二次谐波频率谐振的腔中使所述二次谐波与所述三次谐波组合而产生五次谐波。
29.在一个实施例中，并未将产生二次谐波的nlo晶体放置在任何谐振腔中。在此实施例中，仅使用一个谐振腔，即，产生四次谐波及五次谐波的腔。在另一实施例中，在以基波频率谐振的腔中含有产生二次谐波及三次谐波的nlo晶体。在此实施例中，使用两个谐振腔，两个腔都仅以基波频率谐振。
30.在一个实施例中，并未将产生二次谐波频率及三次谐波频率的nlo晶体放置在任何谐振腔中。在此实施例中，仅使用一个以二次谐波频率谐振的腔：产生五次谐波的腔。在
另一实施例中，在以基波频率谐振的腔中含有产生二次谐波及三次谐波的nlo晶体。在此实施例中，使用两个谐振腔：一个腔以基波频率谐振，接着另一腔以二次谐波频率谐振，如在现有技术装置中般。显著地，此配置产生比现有技术装置高的频率。
31.注意，如果基波激光产生1064nm的波长，那么四次谐波频率就将对应于266nm的波长且五次谐波频率就将对应于约213nm的波长。基波激光的激光介质可包含：掺杂镱的光纤、掺杂钕的钇铝石榴石晶体、掺杂钕的钒酸钇晶体或掺杂钕的钒酸钆。
32.直接三次谐波产生归因于光学介质的小χ
(3)
非线性及相位匹配约束而为困难的。因此，在本文中所揭示的改进的激光中，三次谐波产生被视为以输入光束的倍频开始及随后和频产生的级联过程，其中两个过程都基于具有χ
(2)
非线性的非线性晶体材料。
33.在三次谐波产生器模块的一个实施例中，周期性极化的晶体是用于准相位匹配(qpm)。与使用块状nlo晶体的较佳相位匹配的情况相比较，qpm使可针对全部相互作用的波使用相同的偏振方向，且此常常对应于使用非线性张量的较强元件。转换效率可明显比针对临界相位匹配更高。传播方向可为沿着晶体光轴使得避免空间走离且接收角为大。此外，周期性极化的晶体可具有降低的光折射，这是因为不同定位的域中的效应趋向于互相取消。
34.极化周期确定波长(针对所述波长可准相位匹配特定非线性过程)。正确的极化周期的计算是基于从(举例来说)近似sellmeier方程式获得的折射率值。
35.通过产生基波频率及使用高品质周期性极化的晶体的高功率单频率ir激光源，单遍方案可产生足以用于随后和频产生阶段的三次谐波频率。
附图说明
36.图1说明包含两个谐振腔的示范性现有技术深uv cw激光。
37.图2a说明呈单遍配置的示范性三次谐波产生器模块。
38.图2b说明具有用于有效的三次谐波产生的单晶体的另一示范性三次谐波产生器模块。
39.图2c说明包含提高用于三次谐波产生的基波功率的谐振腔的又另一示范性三次谐波产生器模块。
40.图3说明包含蝴蝶结腔的示范性四次谐波产生器模块。
41.图4说明示范性五次谐波产生器模块，所述五次谐波产生器模块经配置以在蝴蝶结腔中使来自四次谐波产生器模块的四次谐波与基波的未耗尽部分组合以产生五次谐波。
42.图5说明另一示范性五次谐波产生器模块，所述五次谐波产生器模块经配置以使来自三次谐波产生器模块的三次谐波与二次谐波的未耗尽部分(及/或二次谐波)组合来执行和频产生以产生五次谐波。
43.图6说明经配置以测量来自衬底的透射及反射光的示范性光罩或光掩模检测系统。
44.图7说明包含具有不同波长或波长范围的多个光源的示范性检测系统，其中具有针对不同波长范围优化的不同物镜。
45.图8说明具有暗场及明场检测模式的示范性反射折射成像系统。
46.图9a及9b说明使用斜线照明的暗场检测系统。
materials)”中找到。双周期钽酸锂结构的实例可在日本应用物理杂志(japanese journal of appied physics)，第40卷，第6841页到6844页(2001年)，刘(liu)等人的“通过三倍频在双周期litao3超晶格中的准cw紫外产生(quasi-cw ultraviolet generation in a dual-periodic litao3superlattice by frequency tripling)”中找到。这些论文中的两者都以引用的方式并入本文中。双周期极化的nlo晶体224对于三次谐波产生可具有比使用串联的两个块状晶体或周期性极化的晶体的三次谐波产生更高的效率及更简单的光路径。双周期极化的nlo晶体224及/或透镜223的表面可经适当涂覆以用于在频率中的一或多者下的高透射。分束器对225(或棱镜)可用以分离经产生的三次谐波(3ω)226、未耗尽的二次谐波(2ω)227及未耗尽的基波(ω)228。
54.在一些实施例中，可利用电光效应以操纵耦合波的相位匹配条件及能量分配以提高非线性转换效率。此可通过沿着nlo晶体的长度施加dc电场来实现。此可如何提高非线性转换的描述可在应用物理(applied optics)，第23卷，第4980页到4984页(2005年)，黄(huang)等人的“电光调制对经耦合的准相位匹配的频率转换的影响(effect of electro-optic modulation on coupled quasi-phase-matched frequency conversion)”中找到，所述案以引用的方式并入本文中。
55.图2c说明包含提高用于三次谐波产生的基波功率的谐振腔的又另一示范性三次谐波产生器模块230。在此实施例中，以频率ω操作的基波激光231产生基波232。定位输入耦合器233(例如曲面镜)以将基波232聚焦到第一周期性极化的nlo晶体234以用于二次谐波产生。定位消色差透镜236(或双合透镜)以将来自第一周期性极化的nlo晶体234的经产生的二次谐波(2ω)及未耗尽的基波(ω)235聚焦到第二周期性极化的nlo晶体237以用于和频产生。nlo晶体234、237及/或透镜236的表面可经适当涂覆以用于在频率中的一或多者下的高透射。二次谐波频率及三次谐波频率是透过输出耦合器238耦合离开腔，输出耦合器238是对于基波(ω)高度反射且对于二次谐波(2ω)及三次谐波(3ω)高度透射。在一个实施例中，输出耦合器238是由镜实施。分束器对239(或棱镜)可分离未耗尽的二次谐波(2ω)240及未耗尽的三次谐波(3ω)241。在从输出耦合器238反射之后，残余基波(ω)242当其出穿过棱镜243、返回到输入耦合器233及在腔内部循环时被准直。在一个实施例中，棱镜243被附接到压电传感器(pzt)244以用于腔长度反馈控制。
56.在一些实施例中，也可通过在输出耦合器238之前增加分束器以避免复杂的涂层及对输出耦合器238的可能损坏而使二次谐波(2ω)及三次谐波(3ω)光从谐振基波(ω)分离。注意，尽管图2c展示包含输入耦合器233、输出耦合器238及棱镜243的一个三角形腔，但是可使用任何形状的腔，包含蝴蝶结腔或矩形腔。
57.在一个实施例中，可由一或多个镜取代棱镜243。在另一实施例中，棱镜243具有呈布鲁斯特角(brewster’s angle)或接近于布鲁斯特角的其传入及离开表面，借此使抗反射涂层不必要。注意，尽管棱镜243可针对腔长度控制来回移动，但棱镜243外部的路径方向未改变。在又另一实施例中，双周期极化的nlo晶体(而不是两个周期性极化的nlo晶体)可用于腔中借此产生更高效率及更简单的光路径，如上文参考图2b所阐释。
58.图3说明包含蝴蝶结腔的四次谐波产生器模块300。在此实施例中，基波(ω)301在进入所述蝴蝶结腔之前穿过一或多个模式匹配透镜302以便将基波301聚焦及耦合到所述蝴蝶结腔中。所述蝴蝶结腔包含输入耦合器303、镜304、305、306及nlo晶体309。在一个实施
例中，输入耦合器303是由镜实施。在模块300中，三次谐波(3ω)透过镜305(举例来说，二向色曲面镜)进入蝴蝶结腔且在用于和频产生的nlo晶体309内部与基波频率(ω)重叠。镜305经适当涂覆以允许三次谐波有效地穿过而同时高效地反射基波。
59.在优选实施例中，nlo晶体309是包括材料(例如氢退火硼酸铯锂(clbo)、三硼酸铯(cbo)、三硼酸锂(lbo)、四硼酸锂(lb4)或β-硼酸钡(bbo))的单块状晶体。用于nlo晶体309的单块状晶体的优点在于，将需要非常短的极化周期以用于在周期性极化的晶体中产生短波长的四次谐波。在所需品质的情况下制造这些短的极化周期可为困难或昂贵的。nlo晶体309的两个表面可为用于三次谐波(3ω)及四次谐波(4ω)的高透射的适当涂层针对基波(ω)布鲁斯特切割。
60.透镜308使nlo晶体309的中心附近的三次谐波(3ω)聚焦。分束器310(或棱镜或二向色镜)可使四次谐波(4ω)312及未耗尽的三次谐波(3ω)313反射离开腔。使用分束器311(或棱镜)进一步分离四次谐波312及三次谐波313。在此实施例中，未耗尽的基波(ω)314穿过分束器310且在腔内部循环以增强强度。如果基波(ω)314足够强，那么从三次谐波光(3ω)到四次谐波(4ω)的转换效率就非常高。在此实施例中，仅使用以基波频率谐振的腔产生四次谐波频率。
61.在一些实施例中，具有其它形状的腔(例如-δ形状或驻波腔)，而不是具有蝴蝶结腔。如果使用驻波腔，在以经注入的三次谐波光相同的方向上产生四次谐波。
62.使用如上文所描述般产生的二次谐波频率、三次谐波频率及四次谐波频率，可产生较短波长(例如对应于基波的五次谐波的波长)。较短波长可进一步改进各种检测应用的解析度。
63.图4说明示范性五次谐波产生器模块400，五次谐波产生器模块400经配置以在蝴蝶结腔中使来自四次谐波产生器模块(例如，参见图3)的四次谐波与基波的未耗尽部分组合以产生五次谐波。模式匹配透镜402(或透镜)将基波401聚焦及耦合到腔中。包含镜403(输入耦合器)、404、405、406的腔以基波频率谐振。三次谐波(3ω)407穿过镜405(举例来说，二向色曲面镜)且在第一nlo晶体409中与基波频率(ω)重叠。透镜408使nlo晶体409的中心附近的三次谐波(3ω)聚焦。nlo晶体409加基波频率(ω)及三次谐波(3ω)以产生四次谐波(4ω)。分束器410反射任何未耗尽的三次谐波(3ω)411而有效地透射四次谐波(4ω)及未耗尽的基波(ω)。消色差透镜412(或双合透镜)使第二nlo晶体413的中心附近的未耗尽的基波(ω)及四次谐波(4ω)聚焦以通过频率总和产生五次谐波(5ω)。nlo晶体409可包含clbo、cbo、lbo、lb4、bbo等等，而nlo晶体413可包含clbo、lb4或bbo。分束器414(或二向色镜或棱镜)用以传递基波频率(ω)418及将经产生的五次谐波(5ω)417及任何未耗尽的四次谐波(4ω)416转移离开腔。二向色分束器415(或棱镜)进一步分离四次谐波416及五次谐波417。在一些实施例中，可使用单一分束器(或棱镜)使基波、四次谐波及五次谐波彼此分离。穿过分束器414的未耗尽的基波光(ω)418在蝴蝶结腔内部循环。在此实施例中，仅使用以基波频率谐振的腔产生五次谐波频率。
64.图5说明另一示范性五次谐波产生器模块500。在此实施例中，nlo晶体509可在使来自三次谐波产生器模块(举例来说，参见图2b)的三次谐波(3ω)507与二次谐波(2ω)513的未耗尽部分(及/或二次谐波501)组合中执行和频产生以产生五次谐波514。为提高转换效率，将二次谐波501耦合到包括镜503(输入耦合器)、504、505、506及nlo晶体509的谐振腔
methods for illuminating a specimen for metrology measurements)”的共同待决的经发表的pct申请案wo 2010/037106及2011年9月22日申请的题为“照亮用于计量学或检测的样本(illuminating a specimen for metrology or inspection)”的共同待决的第13/073,986号美国专利申请案中所揭示的相干性及光斑降低的设备及方法有利地组合，所述申请案两者以引用方式并入本文中。
72.图6说明经配置以测量来自衬底的透射及反射光的示范性光罩或光掩模检测系统600。系统600大体上包含第一光学布置651及第二光学布置657。如展示，第一光学布置651包含至少一光源652、检测光学器件654及参考光学器件656，而第二光学布置657包含至少透射光光学器件658、透射光检测器660、反射光光学器件662及反射光检测器664。在一个优选配置中，光源652包含上文所描述的改进的激光中的一者。
73.光源652经配置以发射穿过声光装置670的光束，声光装置670经布置以用于偏转及聚焦光束。声光装置670可包含一对声光元件(举例来说，声光预扫描器及声光扫描器)，一对声光元件使光束在y方向上偏转及使其在z方向上聚焦。举例来说，大多数声光装置通过将rf信号发送到石英或晶体(例如teo2)而操作。此rf信号引起声波行进穿过所述晶体。由于所述行进声波，所述晶体变得不对称，此引起折射率贯穿晶体而改变。此变化引起入射光束形成以震荡方式偏转的聚焦行进光点。
74.当光束从声光装置670射出时，其接着穿过一对四分之一波片及中继透镜674。中继透镜674经布置以准直所述光束。接着，所述经准直的光束继续其路径直到其到达衍射光栅676。衍射光栅676经布置以外扩所述光束，且更特定来说将所述光束分离成三个相异光束，所述三个相异光束可在空间上彼此区分(即，空间相异)。在大多数情况中，空间相异光束也经布置以等距离隔开且具有实质上相等的光强度。
75.在三个光束离开衍射光栅676之后，其穿过孔径680且接着继续直到其到达分束器立方体682。分束器立方体682(与四分之一波片672组合)经布置以将束分划分成两个路径，即，一个路径向下引导且另一路径向右引导(在图6中所展示的配置中)。向下引导的路径用以将所述光束的第一光部分分配到衬底612，而向右引导的路径用以将所述光束的第二光部分分配到参考光学器件656。在大多数实施例中，将大部分光分配到衬底612且将一小部分光分配到参考光学器件656，但百分比比率可根据每一光学检测系统的特定设计而改变。在一个实施例中，参考光学器件656可包含参考收集透镜614及参考检测器616。参考收集透镜614经布置以收集光束的部分且将光束的所述部分引导到参考检测器616上，参考检测器616经布置以测量所述光的强度。参考光学器件通常在所属领域中众所周知的且为简单起见将不会加以详细论述。
76.从分束器682向下引导的三个光束是通过望远镜688接收，望远镜688包含重新引导及扩展光的若干透镜元件。在一个实施例中，望远镜688是包含在转座上旋转的多个望远镜的望远镜系统的部分。举例来说，可使用三个望远镜。这些望远镜的目的是改变衬底上的扫描光点的大小且借此允许选择最小可检测的缺点大小。更特定来说，望远镜中的每一者大体上表示不同的像素大小。因而，望远镜可产生较大光点大小，从而使检测更快且更不敏感(举例来说，低解析度)，而另一望远镜可产生较小光点大小，从而使检测更慢且更敏感(例如，高解析度)。
77.从望远镜688观看，三个光束穿过物镜690，物镜690经布置以将所述光束聚焦到衬
底612的表面上。当所述光束与表面相交为三个相异的光点时，可产生反射光束及透射光束两者。所述透射的光束穿过衬底612，而所述反射的光束反射离开所述表面。举例来说，所述反射的光束可反射离开所述衬底的不透明表面，且所述透射的光束可透射穿过衬底的透明区域。所述透射的光束是由透射光光学器件658收集且所述反射光束是由反射光光学器件662收集。
78.关于透射光光学器件658，透射的光束在穿过衬底612之后由第一透射透镜696收集且凭借球面像差校正器透镜698被聚焦到透射棱镜610上。棱镜610可经配置以具有针对所述透射的光束中的每一者的球面，所述球面经布置以重新定位及时所述透射的光束弯曲。在大多数情况下，使用棱镜610以分离光束使得其各自落在透射光检测器布置660(展示为具有三个相异检测器)中的单一检测器上。因此，当光束离开棱镜610时，其穿过第二透射透镜602，第二透射透镜602将经分离光束中的每一者个别地聚焦到三个检测器中的一者上，所述三个检测器的每一者经布置以测量透射的光的强度。
79.关于反射光光学器件662，反射光束在反射离开衬底612之后由物镜690收集，接着物镜690将所述光束引导朝向望远镜688。在到达望远镜688之前，所述光束也穿过四分之一波片604。一般来说，物镜690及望远镜688以相对于如何操纵入射光束的光学逆转的方式操纵收集的光束。即，物镜690重新准直所述光束且望远镜688减小其大小。当所述光束离开望远镜688时，其继续(向后)直到其到达分束器立方体682。分束器682经配置以与四分之一波片604一起运作以将光束引导到中心路径606上。
80.接着，由第一反射透镜608收集在路径606上继续的光束，第一反射透镜608将所述光束中的每一者聚焦到反射棱镜609上，反射棱镜609包含针对所述反射的光束中的每一者的球面。反射棱镜609经布置以重新定位反射的光束且使反射的光束弯曲。类似于透射棱镜610，反射棱镜609用以分离束使得其各自落在反射光检测器布置664中的单一检测器上。如展示，反射光检测器布置664包含三个个别相异的检测器。当光束离开反射棱镜609时，其穿过第二反射透镜611，第二反射透镜611将分离的光束中的每一者个别地聚焦到三个检测器中的每一者上，三个检测器中的每一者经布置以测量反射的光的强度。
81.存在可由前述光学组合件促进的多个检测模式。举例来说，光学组合件可促进透射光检测模式、反射光检测模式及同时检测模式。关于透射光检测模式，透射模式检测通常用于衬底(例如具有透明区域及不透明区域的常规光学掩模)上的缺陷检测。当光束扫描掩模(或衬底612)时，光在透明点处穿透掩模且由透射光检测器660检测，透射光检测器660位于所述掩模方后且测量由包含第一透镜透镜696、第二透射透镜602、球面像差透镜698及棱镜610的透射光光学器件658收集的光束中的每一者的强度。
82.关于反射光检测模式，可在含有呈铬、已开发的光致抗蚀剂或其它特征形式的图像信息的透明或不透明衬底上执行反射光检测。由衬底612反射的光沿着与检测光学器件654相同的光学路径向后传递，但接着由偏振分束器682转移到检测器664中。更特定来说，第一反射透镜608、棱镜609及第二反射透镜611将来自经转移的光束的光投影到检测器664上。反射光检测也可用以检测不透明衬底表面的顶部上的污染。
83.关于同时检测模式，利用透射的光及反射的光两者以确定缺陷的存在及/或类型。系统的两个经测量的值是如由透射光检测器660检测的透射穿过衬底612的光束的强度及如由反射光检测器664检测的反射的光束的强度。接着，可处理两个测量值以确定(若有的
话)在衬底612上的对应点处的缺陷的类型。
84.更特定来说，同时透射及反射检测可揭示通过透射检测器感测的不透明缺陷的存在，而反射检测器的输出可用以揭示缺陷的类型。举例来说，衬底上的铬点或颗粒都可导致来自透射检测器的低透射光指示，但反射的铬缺陷可导致来自反射光检测器的高反射光指示，且颗粒可导致来自相同的反射光检测器的较低反射光指示。因此，通过使用反射及透射检测两者，我们可定位铬几何结构的顶部上的颗粒，如果仅检查缺陷的反射特性或透射特性就不能完成此定位。此外，我们可确定特定类型的缺陷的签章，例如其反射光强度与透射光强度的比率。接着，可使用此信息自动分类缺陷。
85.2008年4月1日发布的题为“多光束检测设备(multiple beam inspection apparatus)”且以引用方式并入本文中的第7,352,457号美国专利案描述关于系统600的更多细节。对于关于可使用本发明的发明激光的光罩或光掩模检测系统的更多细节也参见第5,563,702号美国专利案，所述申请案以引用的方式并入本文中。利用本发明的改进的激光的光罩或光掩模检测系统可在单一检测器上同时检测来自光罩或光掩模的反射及透射图像，如第7,528,943号美国专利案中所描述，所述申请案以引用的方式并入本文中。
86.图7说明包含具有不同波长或波长范围的多个光源的示范性检测系统700，其中具有针对不同波长范围优化的不同物镜。在系统700中，来自激光源701的照明被发送到照明子系统的多个区段。照明子系统的第一区段包含元件702a到706a。透镜702a使来自激光701的光聚焦。接着，来自透镜702a的光从703a反射。出于说明的目的，镜703a被放置于此位置处且可定位于别处。接着，由透镜704a收集来自镜703a的光，透镜704a形成照明光瞳平面705a。可取决于检测模式的要求将孔径、滤波器或修改光的其它装置放置于光瞳平面705a中。接着，来自光瞳平面705a的光穿过透镜706a且形成照明场平面707。
87.照明子系统的第二区段包含元件702b到706b。透镜702b使来自激光701的光聚焦。接着，来自透镜702b的光从镜703b反射。接着，由形成照明光瞳平面705b的透镜704b收集来自镜703b的光。可取决于检测模式的要求将孔径、滤波器或修改光的其它装置放置于光瞳平面705b中。接着，来自光瞳平面705b的光穿过透镜706b且形成照明场平面707。接着，由镜或反射表面重新引导来自所述第二区段的光使得照明场平面707处的照明场光能由经组合照明区段组成。
88.接着，场平面光在反射离开分束器710之前由透镜709收集。透镜706a及709在物镜光瞳平面711处形成第一照明光瞳平面705a的图像。同样地，透镜706b及709在物镜光瞳平面711处形成第二照明光瞳平面705b的图像。接着，物镜712(或替代性地713)获取光瞳光且在样本714处形成照明场707的图像。物镜712或物镜713可紧邻样本714而定位。样本714可在载台(未展示)上移动，所述载台将样本定位于所需位置中。由高na反射折射物镜712或物镜713收集从样本714发射及散射的光。在物镜光瞳平面711处形成反射光光瞳之后，光能在成像子系统中形成内场716之前通过分束器710及透镜715。此内成像场是样本714及对应的照明场707的图像。此场可在空间上被分离成对应于照明场的多个场。这些场中的每一者可支持单独成像模式。
89.可使用镜717重新引导这些场中的一者。接着，经重新引导的光在形成另一成像光瞳719b之前穿过透镜718b。此成像光瞳是光瞳711及对应的照明光瞳705b的图像。可取决于检测模式的要求将孔径、滤波器或修改光的其它装置放置于光瞳平面719b中。接着，来自光
瞳平面719b的光穿过透镜720b且在传感器721b上形成图像。以类似方式，经过镜或反射表面717的光由透镜718a收集且形成成像光瞳719a。接着，来自成像光瞳719a的光在检测器721a上形成图像之前由透镜720a收集。成像于检测器721a上的光可用于与成像于传感器721a上的光不同的成像模式。
90.系统700中利用的照明子系统由激光源701、收集光学器件702到704、紧邻光瞳平面705放置的光束成形组件及中继光学器件706及709组成。内场平面707被定位于透镜706与透镜709之间。在一种配置中，激光源701可包含上文描述的改进的激光中的一者。
91.关于激光源701，虽然说明为具有两个透射点或透射角的单一均匀区块，但实际上此表示能够提供两个照明通道(举例来说，穿过元件702a到706a的光能(例如以第一频率的激光光能)的第一通道及穿过元件702b到706b的光能(例如第二频率的激光光源)的第二通道)的激光源。可利用不同的光照明模式，例如在一个通道中利用明场照明及在另一通道中利用暗场模式。
92.虽然来自激光源701的光能被展示为以90度间隔发射且元件702a到706a及元件702b到706b被定向成90度角，但实际上可以各种定向(不一定是二维)发射光，且所述组件可不同于所展示般进行定向。因此，图7仅是所利用的组件的表示且所展示的角度或距离并未按比例绘制也非经设计特定要求。
93.可在使用孔径成形的概念的当前系统中利用紧邻光瞳平面705放置的元件。使用此设计，可实现均匀照明或近均匀照明，也可实现个别点照明、环状照明、四极照明或其它所需的图案。
94.可在一般成像子系统中利用针对物镜的各种实施方案。可使用单一固定物镜。单一物镜可支持全部所需的成像及检测模式。如果成像系统支持相对较大的场大小及相对较高的数值孔径，就可实现此类设计。可通过使用放置于光瞳平面705a、705b、719a及719b处的内孔径而将数值孔径减小到所需值。
95.也可如图7中展示般使用多个物镜。举例来说，尽管展示两个物镜712及713，但任何数目个物镜是可行的。可针对由激光源701产生的每一波长优化此类设计中的每一物镜。这些物镜712及713可具有固定位置或可被移动到紧邻样本714的位置中。为了移动多个物镜而紧邻样本，可如标准显微镜上常见般使用旋转转座。可使用用于在样本附近移动物镜的其它设计，设计包含(但不限于)在载台上横向平移物镜及使用测角器在弧上平移物镜。另外，可根据本系统实现固定物镜及转座上的多个物镜的任何组合。
96.此配置的最大数值孔径可接近或超过0.97，但在某些实例中可更高。组合其大的场大小的此高na反射折射成像系统可能具有的广泛范围的照明及收集角允许所述系统同时支持多个检测模式。如可从先前段落了解，可使用单一光学系统或与照明装置结合的机器实施多个成像模式。所揭示的用于照明及收集的高na允许使用相同光学系统实施成像模式，借此允许优化对于不同类型的缺陷或样本的成像。
97.成像子系统也包含中间图像形成光学器件715。所述图像形成光学器件715的目的是形成样本714的内图像716。在此内图像716处，可放置镜717以重新引导对应于检测模式中的一者的光。可重新引导在此部位处的光，这是因为用于成像模式的所述光在空间上分离。可以若干不同形式(包含可变焦距变焦镜头)、具有聚焦光学器件的多个远焦管透镜或多个图像形成磁管实施图像形成光学器件718(718a及718b)及720(720a及720b)。2009年7
月16日发表的题为“使用小反射折射物镜的分裂场检测系统(split field inspection system using small catadioptric objectives)”且以引用的方式并入本文中的第2009/0180176号美国公开申请案更详细描述检测系统700。
98.图8说明具有暗场及明场检测模式的示范性反射折射成像系统800。在系统800中，照明区块包含激光801、用以控制经检测的表面上的照明光束大小及轮廓的适应性光学器件802、在机械外壳804中的孔径及窗803以及沿着光轴以法线入射将激光重新引导到样本808的表面的棱镜805。棱镜805也沿着光学路径将来自样本808的表面特征的镜面反射及来自物镜806的光学表面的反射引导到图像平面809。可提供呈反射折射物镜、聚焦透镜群组及变焦管透镜区段807的一般形式的用于物镜806的透镜。在优选实施例中，可由上文描述的改进的激光中的一者实施激光801。在2007年1月4日发表的题为“在反射折射光学系统中用于激光暗场照明的光束传输系统(beam delivery system for laser dark-field illumination in a catadioptric optical system)”且以引用的方式并入本文中的第2007/0002465号美国公开申请案中进一步详细描述图8。
99.图9a及9b说明使用斜线照明的暗场检测系统。此检测系统如展示般可具有包含离轴及近法线收集的2个或3个不同收集系统。此暗场检测系统也可包含法线入射线照明(未展示)。在2009年4月28日发布的题为“使用具有二维成像的激光线照明的表面检测系统(surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging)”且以引用的方式并入本文中的第7,525,649号美国专利案中进一步详细描述包含图9a及9b中展示的系统的阐释的更多细节。
100.图9a说明用于检测表面911的区域的包含照明系统901及收集系统910的表面检测设备900。如图9a中展示，激光系统920引导光束902穿过光束成形光学器件903。在优选实施例中，激光系统920包含上文描述的激光中的一者。第一光束成形光学器件903可经配置以从激光系统接收束，所述束被聚焦到表面911上。
101.定向光束成形光学器件903使得其主平面实质上平行于样本表面911，且因此照明线905形成于光束成形光学器件903的焦平面中的表面911上。另外，以非正交入射角将光束902及聚焦光束904引导到表面911。特定来说，可以与法线方向成约1
°
与约85
°
之间的角度将光束902及聚焦光束904引导到表面911。以此方式，照明线905实质上在聚焦光束904的入射平面中。
102.收集系统910包含用于收集从照明线905散射的光的透镜912及用于将从透镜912出来的光聚焦到包括光敏检测器阵列的装置(例如电荷耦合装置(ccd)914)上的透镜913。在一个实施例中，ccd 914可包含线性检测器阵列。在所述情况中，ccd 914内的所述线性检测器阵列可平行于照明线905而定向。在一个实施例中，可包含多个收集系统，其中收集系统中的每一者包含类似组件但在定向上不同。
103.举例来说，图9b说明用于表面检测设备(其中为简单起见未展示其照明系统，举例来说，类似于照明系统901的照明系统)的收集系统931、932及933的示范性阵列。收集系统931中的第一光学器件收集从样本911的表面以第一方向散射的光。收集系统932中的第二光学器件收集从样本911的表面以第二方向散射的光。收集系统933中的第三光学器件收集从样本911的表面以第三方向散射的光。注意，第一、第二及第三路径与样本911的所述表面成不同的反射角。支撑样本911的平台921可用以引起光学器件与样本911之间的相对运动
使得可扫描样本911的整个表面。
104.也可在用于未图案化晶片的检测系统(例如图10及11中展示的检测系统)中使用此激光。此类检测系统可如这些图式中展示般并入斜及/或法线入射照明及对于散射光的较大收集立体角。
105.图10说明可用于检测表面1001上的异常的表面检测系统1000。在此实施例中，可通过包括由上文描述的改进的激光中的一者产生的激光光束的激光系统1030的实质上固定照明装置部分照明表面1001。激光系统1030的输出可连续地穿过偏振光学器件1021、光束扩展器及孔径1022及光束形成光学器件1023以使光束扩展及聚焦。
106.接着，由光束折叠组件1003及光束偏转器1004反射所得的聚焦激光光束1002以将光束1005引导朝向表面1001以用于照明表面。在优选实施例中，光束1005实质上垂直于表面1001，尽管在其它实施例中束1005可与表面1001成斜角。
107.在一个实施例中，光束1005实质上垂直于表面1001且光束偏转器1004使来自表面1001的光束的镜面反射朝向光束转向组件1003反射，借此如作为防止镜面反射到达检测器的屏障。镜面反射的方向是沿着线sr，线sr是垂直于样本的表面1001。在其中光束1005垂直于表面1001的一个实施例中，此线sr与照明光束1005的方向重合，其中此共同参考线或方向在文本中被称为检测系统1000的轴。在光束1005与表面1001成斜角的情况下，镜面反射的方向sr将不会与光束1005的传入方向重合；在此类实例中，指示表面法线的方向的线sr被称为检测系统1000的收集部分的主轴。
108.由小颗粒散射的光由镜1006收集且被引导朝向孔径1007及检测器1008。由大颗粒散射的光由透镜1009收集且被引导朝向孔径1010及检测器1011。注意，一些大颗粒将散射也经收集及被引导到检测器1008的光，且类似地一些小颗粒将散射也经收集及被引导到检测器1011的光，但此类光与相应的检测器经设计以检测的散射光的强度相比具有相对较低的强度。在一个实施例中，检测器1011可包含光敏元件阵列，其中所述光敏元件阵列的每一光敏元件经配置以检测照明线的放大图像的对应部分。在一个实施例中，检测系统可经配置以用于检测未图案化的晶片上的缺陷。在2001年8月7日发布的题为“用于非破坏表面检测的过程及组合件(process and assembly for non-destructive surface inspection)”且以引用的方式并入本文中的第6,271,916号美国专利案中进一步详细描述图10。
109.图11说明经配置以使用法线照明光束及斜照明光束两者实施异常检测的检测系统1100。在此配置中，包含上文描述的改进的激光中的一者的激光系统1130可提供激光光束1101。透镜1102使光束1101聚焦穿过空间滤波器1103且透镜1104准直所述光束且将所述光束传送到偏振分束器1105。分束器1105将第一偏振成分传递到法线照明通道且将第二偏振成分传递到斜照明通道，其中第一及第二成分是正交的。在法线照明通道1106中，第一偏振成分由光学器件1107聚焦且由镜1108反射朝向样本1109的表面。由样本1109散射的辐射由抛物面镜1110收集且聚焦到光电倍增管或检测器1111。
110.在斜照明通道1112中，第二偏振成分由分束器1105反射到镜1113(镜1113使此类光束反射穿过半波片1114)且由光学器件1115聚焦到样本1109。源自于斜通道1112中的斜照明光束且由样本1109散射的辐射也由抛物面镜1110收集且被聚焦到检测器1111。在一些实施例中，检测器1111包括光电倍增管、雪崩型检测器、线性阵列检测器、电子撞击线性阵
列检测器及图像强化线性阵列检测器中的一者。注意，检测器1111在其入口处具有孔径。所述孔径及照明光点或线(来自表面1109上的法线照明通道及斜照明通道)优选地处于抛物面镜1110的焦点处。
111.抛物面镜1110将来自样本1109的散射辐射准直成准直光束1116。接着，准直光束1116由物镜1117聚焦且穿过检偏镜1118而到检测器1111。注意，也可使用具有除抛物面形状以外的形状的曲面镜表面。仪器1120可提供光束与样本1109之间的相对运动使得跨越样本1109的表面扫描所述光束。在2001年3月13日发布的题为“样本检测系统(sample inspection system)”且以引用方式并入本文中的第6,201,601号美国专利案中进一步详细描述类似于图11中展示的检测系统的检测系统。
112.上文所描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅说明本发明的原理且不应希望将本发明的范围限于所描述的特定实施例。举例来说，无需将基波激光限于上文所列出的特定激光类型。除了上文基波激光类型之外，基波激光也可包含二极管激光、光纤激光、掺杂钕钇锂氟化物的激光或产生对应于在约1μm与约1.1μm之间的波长的基波频率的任何种类的激光。除了上文所列出的nlo晶体以外的其它类型的nlo晶体可在谐波产生器模块的一或多者中被取代。上文描述的一些谐波产生器模块包含谐振腔。可使用所属领域中已知的任何类型的光学谐振腔，包含包括两个、三个或四个镜或棱镜的光学谐振腔。透镜、棱镜、分束器或其它光学组件中的任一者可包括布鲁斯特角光学器件(例如2014年4月29日颁给阿姆斯特朗(armstrong)的题为“高损伤阈值频率转换系统(high damage threshold frequency conversion system)”的第8,711,460号美国专利案中所描述的光学器件，所述专利案以引用的方式并入本文中)。因此，本发明仅由以下权利要求书及其等效物限制。