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)分子激光器的強化光子能量和相干度有助于對各種材料進行直接處理，包括碳化合物和固體，且對熱影響最小。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進行多級頻率轉(zhuǎn)換。除了泵浦激光器外，還使用非線性光學(xué)晶體來實現(xiàn)可靠且經(jīng)濟的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串級和頻產(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主動同步脈沖激光器產(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現(xiàn)的平均功率是迄今報道的193納米和221納米激光器中最高的。團隊表示，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報道的最高DUV轉(zhuǎn)換效率。

193納米激光的脈沖持續(xù)時間為4.6納秒，重復(fù)頻率為6千赫茲（kHz），對應(yīng)脈沖能量為10微焦。研究團隊表示，193納米激光的線寬估計約為640兆赫茲，這是迄今報道的使用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，同時仍保持低成本。

宣洪文教授表示，研究結(jié)果證實了使用固態(tài)激光器泵浦LBO以實現(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的DUV激光器方面的潛力，并可能鼓勵探索使用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、計量和光譜學(xué)。中國科學(xué)院的193納米DUV激光器推動了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

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