高功率消相干均束化的新型光刻用固态激光源研究

高功率与高光束质量的部分相干紫外激光源在微电子光刻、半导体晶片加工等领域皆有重要的应用价值。本工作以成熟的1064nm Nd:YAG激光器为泵浦源,采用腔内泵浦两块CBO晶体(一块用于倍频另一块用于和频)的方法,结合体光栅作为输出镜,在实现线宽窄化同时保持准相位匹配的高效性能,同时通过谐振腔优化设计与热效应补偿提高输出光的光束质量,产生满足高功率要求的三倍频355nm紫外激光；其后将输出激光导入声光材料,利用激光束所发生的拉曼-纳斯衍射在不同的衍射级衍射光发生非相干叠加的消相干均匀场理论,生成满足高均匀度与部分相干要求的紫外激光。本工作首次把采用体光栅为输出镜的CBO晶体置于Nd:YAG激光器内产生三倍频效应,实现紫外光输出功率大于6W,首次将拉曼-纳斯声光衍射的原理运用于相干激光光源而实现其消相干与均束化,力争求得突破而使此新型固态紫外光源替代准分子激光器成为光刻领域中的主流光源设备。

由于高功率与高光束质量的部分相干紫外激光源在微电子光刻等领域皆有重要的应用价值，本项目工作主旨是制作一套满足于亚微米精度投影光刻系统的紫外固态激光光源。经过三年的研究，实现了以1064nm Nd:YAG激光器为泵浦源,采用腔内泵浦两块CBO晶体的方法,结合体光栅作为输出镜,通过谐振腔优化设计与热效应补偿提高输出光的光束质量,产生满足项目要求的大于6w平均功率的高功率的三倍频355nm紫外激光；其后将输出激光导入声光材料,利用激光束所发生的拉曼-纳斯衍射在不同的衍射级衍射光发生非相干叠加的消相干均匀场理论,生成满足高均匀度与部分相干要求的紫外激光。.所完成的光刻系统355nm紫外固态激光光源如期实现功率为6.21W，线宽2.62nm，且相对比较重要的光束质量因子M2达到2.2 ；另外实现了声光衍射器件协同消相干与均束化的技术，使得加工窗控制在±1.8%以内，并能有效应用于光刻系统中。.重要的研究发现包括，在保证激光光束质量不变的前提下，三倍频紫外光从4w提升到6w的核心技术是克服热致双折射的不均匀性，该特性会造成激光棒截面上各点的偏振态各不相同，即退偏效应。我们有效地采用了体光栅，补偿和消除热致双折射效应，并采用水冷方式有效减轻热效应，提高基模输出功率，成为了功率达标的关键。.另一个重要成果是在利用拉曼纳斯声光衍射进行消相干光束整形方面。我们发现多个位点同时发生多组拉曼-纳斯衍射光的远场叠加将是非相干叠加，同时每束子衍射光在相干长度的方向上相互错开而成为部分相干光，起到消相干的作用。这是声光衍射器件协同消相干与均束化的技术，使得加工窗控制在±1.8%以内的核心。.本项目运行期间，发表论文15篇，其中外文SCI收录12篇；国家专利4项，其中发明专利2项，实用新型专利2项，其中一项专利签订技术转让合同，授权至项目负责人的科技特派企业，实现本项目的科研成果在半导体工业、光刻领域中的实用化应用。