氬氟化物（ArF）準(zhǔn)分子激光器是一種發(fā)射193納米波長的深紫外（DUV）激光器，用于光刻制造精確的圖案。然而，傳統(tǒng)ArF準(zhǔn)分子激光器的有限相干性限制了其在需要高分辨率圖案的應(yīng)用中的有效性，例如干涉光刻。

為了在干涉光刻和其他應(yīng)用中產(chǎn)生高相干的DUV，中國科學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種混合型ArF準(zhǔn)分子激光器，可在193納米處提供窄線寬和高相干度。在混合型ArF準(zhǔn)分子激光器中，將ArF振蕩器替換為窄線寬、固態(tài)的193納米激光種子。這種激光種子具有良好的光束質(zhì)量，提高了混合型ArF準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的相干度，并保持了高輸出功率。

中國科學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種由級(jí)聯(lián)三硼酸鋰晶體產(chǎn)生的193納米DUV激光器。

混合型ArF準(zhǔn)分子激光器的強(qiáng)化光子能量和相干度有助于對(duì)各種材料進(jìn)行直接處理，包括碳化合物和固體，且對(duì)熱影響最小。這種多功能性可以將混合型ArF準(zhǔn)分子激光器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到從光刻到激光加工的各種應(yīng)用中。

基于固態(tài)激光器構(gòu)建DUV光源的傳統(tǒng)方式是通過使用固體激光或光纖激光器作為泵浦光源，從NIR進(jìn)行多級(jí)頻率轉(zhuǎn)換。除了泵浦激光器外，還使用非線性光學(xué)晶體來實(shí)現(xiàn)可靠且經(jīng)濟(jì)的DUV光源。

研究人員開發(fā)的193納米激光器基于鋰三硼酸鹽（LBO）非線性晶體中的兩級(jí)串級(jí)和頻產(chǎn)生，其位于鐿（Er）摻雜光纖激光器和釔鎵石榴石（Yb）混合激光器之間。這種低成本、低復(fù)雜度的LBO晶體被認(rèn)為是用于工業(yè)應(yīng)用的193納米激光器的良好選擇。

193納米、窄線寬、納秒脈沖激光的泵浦光由兩個(gè)主動(dòng)同步脈沖激光器產(chǎn)生。泵浦激光器分別為258納米和1553納米，分別源自使用四次諧波產(chǎn)生的定制Yb混合激光器和摻鐿光纖激光器。用于功率擴(kuò)展的2毫米×2毫米×30毫米的Yb：YAG塊晶體完成了設(shè)置。

激光在193納米和221納米處的最大輸出功率分別為60毫瓦和220毫瓦。

據(jù)研究人員了解，這種193納米DUV激光器在LBO晶體中通過頻率混合實(shí)現(xiàn)的平均功率是迄今報(bào)道的193納米和221納米激光器中最高的。團(tuán)隊(duì)表示，221納米到193納米的轉(zhuǎn)換效率為27％，258納米到193納米的轉(zhuǎn)換效率為3％，這是迄今使用LBO報(bào)道的最高DUV轉(zhuǎn)換效率。

193納米激光的脈沖持續(xù)時(shí)間為4.6納秒，重復(fù)頻率為6千赫茲（kHz），對(duì)應(yīng)脈沖能量為10微焦。研究團(tuán)隊(duì)表示，193納米激光的線寬估計(jì)約為640兆赫茲，這是迄今報(bào)道的使用LBO晶體的固態(tài)脈沖激光中線寬最窄的。

激光輸出適用于用于產(chǎn)生高相干DUV的ArF準(zhǔn)分子放大器的種子激光。盡管LBO晶體在DUV區(qū)域具有較小的非線性系數(shù)，但通過增加交互長度，它可以長大并裁剪到較大尺寸，同時(shí)仍保持低成本。

宣洪文教授表示，研究結(jié)果證實(shí)了使用固態(tài)激光器泵浦LBO以實(shí)現(xiàn)可靠、有效地產(chǎn)生193納米窄線寬激光的可行性。這些結(jié)果可能為使用LBO制造高效、高功率的經(jīng)濟(jì)型DUV激光系統(tǒng)提供方法。該研究顯示了LBO晶體在產(chǎn)生功率從幾百毫瓦到瓦級(jí)的DUV激光器方面的潛力，并可能鼓勵(lì)探索使用LBO產(chǎn)生其他DUV波長激光器的應(yīng)用。

DUV區(qū)域的相干光源除了光刻外，還用于缺陷檢測(cè)、計(jì)量和光譜學(xué)。中國科學(xué)院的193納米DUV激光器推動(dòng)了DUV激光技術(shù)的界限，可能使許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受益。

文章來源：北京光博會(huì)

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