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激光切割机参数表
发表时间:2021-08-05     阅读次数:292     字体:【

声光调Q CO2激光器的实验研究


为满足13.5 nm极紫外光刻(EUVL)等领域的应用需求,研制了高重复频率、高稳定性的声光调Q CO2激光器。首先,对声光Q开关的工作原理进行了分析,并实验研究了调制信号电压与衍射效率的关系。接着,研究了调制信号占空比对脉冲波形的影响,通过选择适当的占空比消去了脉冲拖尾。然后,对不同重复频率下的脉冲宽度、功率和脉冲幅值稳定性进行了测量和分析。最后,对激光器的光束指向稳定性进行了测量。实验结果表明:该激光器实现了重复频率1~100 kHz连续可调的脉冲输出,在重复频率1 kHz时,获得最小脉冲宽度252 ns和最大峰值功率7 579 W的激光脉冲输出。通过设计以殷钢管为主体的支撑架,使得激光器的脉冲幅值不稳定性小于3%,光束指向稳定性为46.6 μrad。该声光调Q CO2激光器可作为高性能种子源在EUVL等领域中得到应用。

关键词:CO2激光器;声光调Q;重复频率;稳定性

0 引言

在未来的半导体工业中,13.5 nm极紫外光刻(EUVL)将作为下一代光刻技术,用于生产小于22nm工艺的半导体芯片[1]。其主要的技术途径之一就是使用高功率的脉冲CO2激光与Sn液滴靶相互作用,产生等离子体辐射13.5 nm EUV光[2]。CO2激光与Sn靶作用时,激光需聚焦至几十μm,功率密度高达109~1010W/cm2,重复频率需在数kHz至百kHz之间连续可调,以便与液滴靶同步,这对CO2激光驱动系统具有相当苛刻的综合指标要求。其中,高功率的脉冲CO2激光驱动系统通常采用主振荡功率放大(MOPA)结构来构建,即使用小型脉冲CO2激光器作为种子源输出高重复频率、高稳定性的种子光,然后再利用CO2功率放大器对种子光进行功率放大以实现高功率的脉冲CO2激光输出[3]。种子源的输出特性对整个系统的性能至关重要,因此研究高性能的小型脉冲CO2种子源是研制EUVL的重要课题之一。此外,高性能小型脉冲CO2激光器在光谱学、成像雷达、激光加工及激光测距等领域也具有广阔的应用前景[4-7]

小型CO2激光器实现脉冲输出的方法主要有机械调Q法、电光调Q法和声光调Q法。

机械调Q法主要采用转镜技术和机械斩波技术实现脉冲输出,脉冲峰值功率可达数百kW,且具有结构简单、稳定可靠、成本低等优点,但受转镜和斩波器转速的限制而难以实现高重复频率脉冲输出[8]

电光调Q法通常采用CdTe晶体作为CO2激光器的开关器件,可实现重复频率100 kHz、脉冲宽度几十ns的脉冲输出,但由于CdTe单晶生长困难,机械性能较差,所需调制电压一般高达2~4 kV,且高重复频率下的高压脉冲电源制作困难,这使得电光调Q法的技术复杂,成本较高[9]

声光调Q法是在谐振腔内放置声光Q开关,利用声光作用控制光腔损耗以实现调Q脉冲输出[4]。该方法能够实现CO2激光器的高重频和窄脉宽输出,且技术相对简单,成本较低[10]。文中将对基于声光调Q法的封离式CO2激光器进行介绍,该激光器可实现重复频率为1~100 kHz连续可调的脉冲输出,且脉冲波形无拖尾。为了减少热和振动的影响,将激光器整体搭建在以殷钢管为主体的支撑架上,得到了较好的输出稳定性,其中脉冲幅值稳定性小于3%,光束指向稳定性为46.6 μrad。这为将声光调Q CO2激光器作为种子源应用于EUVL等领域提供了可能。

1 实验装置

1.1 声光Q开关

声光Q开关(AOM)是声光调Q CO2激光器的关键部件,其工作原理如图1所示,当超声波在介质中传播时会引起声光晶体折射率的周期性变化,形成相位光栅,当光波通过介质时会产生衍射实现光束偏转。超声波一般是由几十MHz的射频信号通过声光换能器产生的,声光Q开关的驱动器能够产生射频信号,该驱动器可利用信号发生器产生的方波调制信号控制射频信号的输出,从而决定光束是否处于偏转状态。实验中所采用的调Q装置为英国Gooch&Housego公司的CO2声光Q开关和射频驱动器。声光晶体由多晶锗制成,对于9.4~10.6 μm波长的光束,其透过率大于95%。射频驱动器可产生最高功率125 W、频率40 MHz的射频信号。1.2激光器


实验装置如图2所示,整个封离式CO2激光器架设在以殷钢管为主体的支撑架上,由于殷钢管具有较小的热膨胀系数,约为2.0×10-6/℃[11],因此当环境温度变化时,殷钢管的长度能保持相对稳定,CO2激光器的腔长不会发生明显变化,同时,某些实验装置,如水冷机、散热风扇等产生的振动会对激光器造成影响,殷钢管能够起到隔振的作用,减小振动对CO2激光器性能的影响。因此殷钢管能够有效保证CO2激光器具有较好的脉冲幅值稳定性和光束指向稳定性。

谐振腔采用平凹腔结构。其中,全反镜为镀金膜的铜镜,反射率为98.5%,曲率半径为5 m。输出镜为锗镜,透过率为23%。谐振腔的物理长度为2.2 m。放电管由带水冷套的玻璃管制成,管内径为10 mm,电极之间为增益区,增益区长度为0.8m,气压为3.3kPa,Xe,CO2,N2,He气体的体积比为1:2.5:2.5:17.5。放电管两端为ZnSe制成的布儒斯特窗。在放电管和输出镜之间为声光Q开关,使用方波调制信号控制声光Q开关状态:在方波信号处于高电平时,驱动器输出射频信号,声光晶体中产生超声波使光束偏离腔外,谐振腔处于高损耗低Q值状态;当方波信号变为低电平状态时,驱动器停止输出射频信号,谐振腔处于低损耗高Q值状态,形成激光振荡,引发脉冲输出。

2 实验结果与分析

2.1 衍射效率

衍射效率是表征声光Q开关性能的主要参数,它体现了声光晶体偏转光束的能力,足够高的衍射效率可以保证激光器具有较好的输出性能[12]。衍射效率与射频信号功率有关,而射频信号的功率由信号发生器输出的方波调制信号电压决定。

为了选择适合的信号电压使声光Q开关具有较高的衍射效率,实验中对方波调制信号电压Us和衍射效率η之间的关系进行了测量。测量方法如图3所示,将信号发生器输出方波信号的占空比设置为100%,输入相应的电压值,启动声光Q开关和CO2激光器,利用功率计分别对衍射光功率P1和入射光功率Pi进行测量,P1/Pi就是衍射效率η。其中,分光镜将CO2激光器输出功率的10%反射至功率计,光阑可阻挡未偏转的透射光进入功率计。


测量结果如表1所示,可见,在Us较低时,η随Us的增长而显著增加,当Us≥2.2 V时,η增长缓慢,趋于饱和,保持在90%以上,但当Us>3 V时,施加到声光Q开关上的射频功率较强,导致晶体温度上升过快,不利于散热。因此,在2.2~3 V之间选择信号输入电压可以保证声光Q开关具有较高的衍射效率,同时也不会带来较强的热效应。


2.2 脉冲波形

对声光调Q CO2激光器进行了实验研究,实验结果表明,激光器放电电流为12 mA时,在不加入声光Q开关的情况下,连续输出功率可达~22 W,加入声光Q开关后,在Us设定为2.4 V时,可实现最大输出功率7.33 W的脉冲输出。该CO2激光器重复频率的调谐范围为1~100 kHz。

如图4所示为重复频率50 kHz情况下,使用荷兰ZIGO公司的PVM-10.6型HgCdTe探测器和美国Tektronix公司的TDS3052B型示波器测得的输出激光脉冲波形图。由图4(a)可见,当方波信号为80%占空比时,脉冲宽度为497.6 ns,且脉冲波形存在较长的拖尾,拖尾会占据部分脉冲能量,增加脉冲宽度,影响脉冲间隙内的储能,造成峰值功率降低,此时的平均输出功率为7.21W。当将方波信号的占空比增加到90%时,激光平均输出功率会略有降低,达到6.36 W,但是激光输出脉冲波形得到了明显改善,由图4(b)可见,脉冲波形接近于高斯型,脉冲宽度减小为414.1ns,脉冲拖尾消失。但若继续将方波的占空比增加至95%,则脉冲波形消失,激光输出功率降为0。


这是由于占空比的增加使每个周期内Q开关的开启时间减小,当Q开关开启时,激光在谐振腔内振荡形成脉冲输出,但是当脉冲后沿及拖尾还未形成时,Q开关关闭,这使得脉冲后沿和拖尾被“削掉”,因此输出脉冲的脉冲宽度减小,拖尾消失。但若Q开关开启时间过小,则在脉冲还未振荡输出时,Q开关关闭,使得脉冲消失。因此,通过适当地增加方波信号占空比可以实现压缩脉冲宽度,消去脉冲拖尾,改善输出激光脉冲波形。

2.3 脉冲输出特性

实验中重点对不同重复频率情况下的脉冲宽度、功率和脉冲幅值稳定性等进行了测量和分析。

如图5(a)~(b)分别为经过脉冲波形优化后,在重复频率为1kHz、10kHz、30kHz和100kHz情况下,输出激光的单脉冲波形图。由图4(b)和图5可见,随着重复频率的增长,脉冲宽度随之增加。当重复频率为1 kHz时,获得最小脉冲宽度252.0 ns。


输出脉冲的平均功率和峰值功率随重复频率的变化关系如图6所示。可见,平均功率随重复频率的增加而上升,在100kHz处达到最大值7.33W,峰值功率随着重复频率的增加而下降,在1 kHz处,虽然平均功率仅为1.91W,但峰值功率达到最大值7579W。


分别为重复频率分别为1 kHz、10 kHz、50 kHz和100 kHz情况下,激光器的脉冲输出波形图,可见,脉冲幅值稳定性较好,不稳定度分别为0.53%,0.9%,1.14%和2.84%,随着重复频率的增加,脉冲幅值稳定性会随之略微变差,但脉冲幅值不稳定性总体保持在3%以下。

测量结果表明,在重复频率为1 kHz情况下,激光器的脉冲宽度、峰值功率和脉冲幅值稳定性均达到最佳状态。这是因为CO2激光器上能级辐射寿命为~1 ms,与脉冲间隔时间相近,在这种情况下,CO2激光器上能级能够在积累足够多粒子数的同时,减少自发辐射损耗,这使得激光器能够获得最大的反转粒子数利用率,激光增益达到最佳,同时,重复频率较低时,声光Q开关和驱动器运行相对稳定,因此易于实现窄脉宽、高峰值功率和高脉冲幅值稳定性的脉冲输出。


2.4 光斑与光束指向稳定性

如图8所示为使用以色列OPHIR公司的PYIII型光束质量分析仪拍摄的CO2激光光斑图像。可见,光斑在x方向与y方向的能量分布接近于高斯型,光斑形状较好。


在测量光斑的基础上,又对光束指向稳定性进行了研究。光束指向稳定性是指光斑能量分布质心的抖动和漂移程度,在EUVL和精密加工等领域中,光束指向稳定性是表征激光器性能的重要指标。它主要受温度和振动的影响,而殷钢管的使用减小了温度和振动对激光器的干扰,有助于保证CO2激光器具有较好的光束指向稳定性。

实验中对声光调Q CO2激光器的光束指向稳定性进行了测量,测量工具包括分光镜、ZnSe聚焦透镜和光束质量分析仪。其中,CO2激光经分光镜后衰减至原有功率的10%,ZnSe聚焦透镜将衰减后的CO2激光聚焦,在焦平面处放置光束质量分析仪对光斑进行观测,每隔3 min记录1次光斑能量分布质心在x方向和y方向上的坐标,共记录10组,分别求出坐标平均值xˉ和yˉ,然后计算出光束偏移量的均方根值Zrms,其计算公式为:

3 结论

使用声光调Q法能够实现封离式CO2激光器的高重复频率脉冲输出。文中介绍了声光Q开关和声光调Q CO2激光器的结构和工作原理,通过选择适当的调制信号电压和占空比,对不同重复频率下的脉冲输出特性进行了测量和分析,并对激光器的光束指向稳定性进行了测量。实验结果证明:该激光器实现了重复频率1~100 kHz的激光输出,在重复频率为1 kHz时,获得最小脉冲宽度252 ns,最大峰值功率7 579 W。通过设计以殷钢管为主体的稳定支撑架,使得激光器的稳定性较好,其中,高重复频率下的脉冲幅值不稳定性小于3%,光束指向稳定性为46.6 μrad。该声光调Q CO2激光器证明了声光调Q技术能够用于产生高重复频率、高稳定性的CO2激光脉冲,为CO2激光器在EUVL等领域的应用提供了可行的技术途径。


 
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