دانشمندان سیستم لیزر با حالت جامد جمع و جور را ایجاد می کنند که می تواند برای بهبود دقت لیتوگرافی نیمه هادی استفاده شود

محققان از انستیتوی نوآوری اطلاعات فضا آکادمی علوم چین (CAS) و دانشگاه آکادمی علوم چین (UCAS) یک سیستم لیزر پالس شده با حالت جامد با حالت جامد ایجاد کرده اند که 193 نانومتر در یک فرکانس تکرار 6 کیلوهرتز تولید می کند ، که انتظار می رود در آینده در زمینه تراشه تراش در آینده مورد استفاده قرار گیرد.

به طور خاص ، محققان یک تقویت کننده کریستالی YB: YAG ایجاد کرده اند که یک لیزر 1030 نانومتر تولید می کند که به دو قسمت تقسیم می شود: یکی که از طریق هارمونیک چهارم یک لیزر 258 نانومتری ایجاد می کند ، و یکی از آنها برای پمپ کردن یک تقویت کننده پارامتری سبک که قادر به تولید لیزر 1553 نانومتر است. اختلاط فرکانس این تیرها در کریستال آبشار یک لیزر 193 نانومتری با قدرت متوسط ​​70 مگاوات و یک عرض خط کمتر از 880 مگاهرتز تولید می کند.

محققان با معرفی یک صفحه فاز مارپیچ به پرتو 1553 نانومتر قبل از اختلاط فرکانس ، یک پرتوی حرکت زاویه ای مداری ایجاد کردند.

به دانش محققان ، این اولین نمایش از پرتوی حرکت زاویه ای 193 نانومتر از یک لیزر با حالت جامد است.

چنین پرتویی برای لیزرهای هیجان انگیز آرگون فلوراید آرگون (ARF) هیجان انگیز بسیار ارزشمند است و کاربردهای بالقوه ای در پردازش ویفر و تشخیص نقص دارد.

ARF یک لیزر اگزیمر با طول موج 193 نانومتر است که در باند ماوراء بنفش عمیق قرار دارد. در ساخت نیمه هادی ، لیزرهای ARF عمدتاً برای لیتوگرافی با وضوح بالا استفاده می شوند.

همچنین خاطرنشان می شود که پهنای باند عملیاتی سیستم کمتر از 880 مگاهرتز است و عملکرد خلوص طیفی آن با سیستم های تجاری امروز قابل مقایسه است. در عین حال ، این سیستم یک بستر نوری تقریباً 1200 میلی متر در 1800 میلی متر را اشغال می کند و برای پاسخگویی به الزامات کاربردهای صنعتی ، می توان ردپای آن را بیشتر کاهش داد.

فرآیند تبدیل از لیزر 1030 نانومتر به لیزر 193 نانومتر به عنوان بسیار شبیه به کارهای قبلی محققان توصیف شده است.

به طور خاص ، یک تقویت کننده لیزر 1030 نانومتر بر اساس 2mmx2mmx30mm YB: کریستال YAG که توسط یک دیود لیزر 100 W (LD) در 969 نانومتر پمپ شده است ، قادر به تحویل بیش از 14 W از 1030 نانومتر نور لیزر با فرکانس تکراری 6 کیلو و یک پالس مدت زمان 13.1 است.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که پمپاژ - فرآیندی است که از نور برای بالا بردن الکترون ها از سطح انرژی پایین تر به بالاتر در یک اتم یا مولکول استفاده می کند.

در این مطالعه ، محققان قادر به تولید لیزر 258 نانومتر از لیزر 1030 نانومتر از طریق تولید پیرمونیک دوم و فرآیندهای تولید هرمونیک چهارم در کریستالهای لیتیوم تریبورات و هگزابوریت لیتیوم سزیم بودند. لیزر 1030 نانومتر همچنین می تواند به عنوان منبع پمپاژ برای تقویت کننده های پارامتری نوری دو مرحله ای به منظور تحویل یک لیزر با قدرت بالا و پالس 1553 نانومتر استفاده شود.

بر خلاف تقویت کننده فیبر نوری ، محققان از یک منبع لیزر مبتنی بر یک تقویت کننده پارامتری نوری برای تولید لیزر پالس زیر وات 1553 نانومتر استفاده کردند.

در نتیجه این اصلاح ، سیستم جمع و جور تر شد و دیگر کنترل کننده های الکترونیکی برای همگام سازی قطارهای پالس 1553 نانومتر و 258 نانومتر در نسل فرکانس جمع نیازی نداشتند که می تواند با استفاده از یک خط تأخیر نوری انجام شود. (توجه: تولید هارمونیک یک فرآیند نوری غیرخطی است.)

فرآیند تولید فرکانس دو مرحله ای ، که توسط لیزر 1553 نانومتر و 258 نانومتر پمپ شده است ، می تواند به ترتیب با استفاده از کریستال آبشار لیتیوم تریبورات ، لیزر 221 نانومتر و لیزر 193 نانومتر تولید کند.

برای منبع لیزر پالس 1553 نانومتر ، از دو بخش تشکیل شده است: یک دیود با فرکانس یک فرکانس توزیع موج مداوم (CW) که به عنوان یک منبع بذر عمل می کند و یک تقویت کننده پارامتری نوری دو مرحله ای بر اساس یک کریستال لیتیوم نیوبات به طور دوره ای قطبی است.

دیود لیزر بازخورد توزیع شده تک فرکانس در 1553 نانومتر فعالیت می کند و قدرت متوسط ​​12 مگاوات را ساطع می کند. در این مطالعه ، یک لیزر پمپ 1030 نانومتر به یک کریستال لیتیوم نیوبات به صورت دوره ای 1mmx1mmx40mm به همراه لیزر بذر وارد شد تا مرحله اول تقویت کننده پارامتری نوری را تشکیل دهد.

در این زمان ، لیزر سیگنال تقویت شده از خروجی مرحله اول تقویت کننده پارامتری نوری و مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری از طریق یک نوری ویژه ، یک آینه دوقطبی ، همراه با لیزر پمپ باقیمانده و یک لیزر پمپ باقیمانده و {0}} میکرومتر لیزر استفاده شد.

پس از آن ، محققان برای تعیین قدرت لیزر سیگنال به منظور تمایز مؤلفه سیگنال پالس از لیزر بذر موج مداوم ، از یک پروب قدرت لیزر استفاده کردند.

با توجه به چرخه کم کار لیزر پمپ و قدرت ضعیف لیزر بذر ، آستانه پمپاژ تقویت کننده پارامتری نوری نزدیک به 600 مگاوات بود. (توجه: چرخه وظیفه نسبت زمانی است که سیگنال در طول چرخه پالس به کل زمان چرخه پالس در سطح بالایی قرار دارد و معمولاً به عنوان درصد بیان می شود.)

محققان با داشتن لیزر پمپ با قدرت متوسط ​​در حدود 700 مگاوات ، بیشتر از انرژی پالس از مرحله اول تقویت کننده پارامتری نوری ، مربوط به قدرت متوسط ​​48 مگاوات به دست آوردند.

سپس سیگنال پالس تقویت شده در مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری تقویت شد ، جایی که حداکثر قدرت پمپ 3 W با استفاده از 5mmx3mmx30mm دیگر کریستال لیتیوم نیوبات به صورت دوره ای قطبی شده است.

در همین زمان ، محققان چگالی قدرت لیزر پمپ را در مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری نزدیک به 30 مگاوات در سانتی متر مربع نگه داشتند تا از آسیب های گیاهی از نیوبات لیتیوم به طور دوره ای قطبی جلوگیری کنند. (توجه: آسیب Photorefract یک اثر نوری نامطلوب است که هنگامی که یک ماده photorefractive در معرض نور روشن قرار می گیرد رخ می دهد.)

تصویر|قدرت متوسط ​​لیزر سیگنال در مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری در مقابل قدرت پمپ (منبع: Nexus Advanced Photonics)

با این کار ، محققان لیزر سیگنال 700 مگاواتی را در 1553 نانومتر به دست آوردند که مربوط به کارایی 23.3 ٪ است.

این افزایش در بهره وری نشان می دهد که با افزایش قدرت پمپ می توان قدرت خروجی را بیشتر بهبود بخشید.

تصویر|طیف منبع بذر و لیزر سیگنال از مرحله اول تقویت کننده پارامتری نوری و مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری (اعتبار: Nexus پیشرفته فوتونیک)

محققان دریافتند که طول موج مرکز لیزر سیگنال تقویت شده برابر با لیزر بذر است ، اما این طیف اندکی گسترش می یابد.

اگرچه ممکن است با افزایش قدرت پمپ ، نویز فلورسانس پارامتری افزایش یابد ، نسبت سیگنال به نویز نزدیک به 50 دسی بل باقی می ماند.

برای اندازه گیری دقیق تکامل پهنای باند لیزر 1553 نانومتر در طی فرآیند تقویت پارامتری نوری ، محققان از یک تداخل سنج اسکن با وضوح حدود 1 مگاهرتز و دامنه طیفی آزاد 1.5 گیگاهرتز استفاده کردند.

پهنای خط اولیه لیزر موج مداوم از 180 مگاهرتز به 370 مگاهرتز و 580 مگاهرتز در مرحله اول تقویت کننده پارامتری نوری و مرحله دوم تقویت کننده پارامتری نوری گسترده می شود.

تصویر|محققان مدت زمان پالس لیزرهای پمپ و سیگنال را با یک فتودکتور INGAAS (اعتبار: Nexus پیشرفته فوتونیک) بررسی کردند.
با توجه به آستانه انتقال پارامتری فرآیند تقویت کننده پارامتری نوری ، لیزرهای سیگنال از جبهه پالس تندتر نسبت به لیزرهای پمپ برخوردار هستند و مدت زمان آن از 13.1 نانومتر به 9 نانومتر کاهش می یابد.

بر این اساس ، محققان لیزر پالس شده با تقویت کننده پارامتری 553 نانومتر با قدرت متوسط ​​700 مگاوات و مدت زمان پالس 9 نانومتر را بدست آوردند که می تواند به عنوان منبع پمپ برای تولید لیزر 193 نانومتر استفاده شود.

برای گسترش بیشتر کاربرد لیزر 193 نانومتر ، محققان برای اولین بار به طور آزمایشی یک پرتوی گرداب 1553 نانومتری نشان داده اند که در آن حالت اساسی گاوسی لیزر پالس 1553 نانومتر به حالت پارامتری لاگور-گاوسی (LG) که حامل پکنهای Optrific پس از آن است ، با آشنایی با یک شکل گیری زاویه ای Orbital ، با معرفی یک روش زاویه ای زاویه ای ، تبدیل می شود ، حالت.

در این مدت ، یک صفحه فاز مارپیچ با قطر 25 میلی متر در یک آداپتور لنز قطر 25.4 میلی متر سوار شد.

اگرچه انتهای صفحه فاز مارپیچ با یک پوشش ضد انعکاس پوشانده نشده بود ، انتقال آن بیشتر از 90 ٪ بود.

حرکت زاویه ای مداری حمل شده سپس از طریق یک فرآیند تولید فرکانس به لیزر 221 نانومتر و لیزر 193 نانومتر منتقل می شود.

برای تأیید تولید پرتوهای گرداب ، محققان از یک دوربین پیروالکتریک برای ضبط پروفایل های پرتو لیزر 1553 نانومتر ، لیزر 221 نانومتری و لیزر 193 نانومتر در حالت های مختلف استفاده کردند.

قبل از قرار دادن صفحه فاز مارپیچ ، لیزر 1553 نانومتر ، لیزر 221 نانومتر و لیزر 193 نانومتر همه پروفایل های حالت گاوسی را به نمایش گذاشتند. (مشخصات حالت گاوسی به یک الگوی پرتو مشترک اشاره دارد که در آن توزیع شدت نور شکل یک عملکرد گاوسی را با خصوصیات مشخصات خاص به خود می گیرد.)

پس از درج صفحه فاز مارپیچ ، حالت لیزر 1553 نانومتر تبدیل می شود و یک روند توزیع شدت دایره ای را نشان می دهد که مشخصه حالت Laguerre-Gaussian است. (توجه: حالت Laguerre-Gaussian یک حالت مهم برای پرتوهای لیزر است.)

محققان در تعیین بار توپولوژیکی خود دریافتند که الگوی پراش حالت Laguerre-Gaussian ، به اصطلاح هرمیت-گاوسی (HG ، Hermite-Gauss) می تواند با معرفی یک لنز استوانه ای بدست آید. (توجه: در اپتیک ، حالت Hermite-Gauss یک الگوی پرتو مهم است.)

برای به حداقل رساندن تأثیر تغییر فاز GOUY در حالت Hermite-Gauss ، پرتو لیزر 193 نانومتر در ابتدا توسط یک لنز فلوراید کلسیم با فاصله کانونی 200 میلی متر متمرکز شده است. (توجه: تغییر فاز Gouy یک پدیده تغییر فاز خاص است که با انتشار پرتو گاوسی در اپتیک همراه است.)

از آنجا که لنز استوانه ای دارای فاصله کانونی کوتاه است ، در نزدیکی نقطه کانونی لنزهای فلوراید کلسیم قرار می گیرد.

لنز استوانه ای پرتو دایره ای را به دو نقطه روشن با شکاف در مرکز تبدیل می کند ، که نشان دهنده تولید پرتوی گرداب با بار توپولوژیکی 1. است. این نتیجه با تغییر فاز 2π صفحه فاز مارپیچ سازگار است. (توجه: تغییر فاز 2π به این معنی است که یک موج یک چرخه کامل را با توجه به دیگری تکمیل می کند.)

به دلیل تفاوت معنی داری در توزیع شدت بین پرتو گرداب و حالت گاوسی ، پرتو لیزر 258 نانومتر باید تقویت شود تا بتواند لیزر 1553 نانومتر را بپوشاند ، از انتقال بهتر حرکت زاویه ای مداری در ژنراتور فرکانس 1 و ژنراتور فرکانس جمع 2.

با این حال ، چگالی قدرت ضعیف تر لیزر 258 نانومتر در مقایسه با آزمایش های کامل حالت گاوسی که در بالا توضیح داده شد ، به طور قابل توجهی کارایی تبدیل تولید فرکانس جمع را کاهش داد تا جایی که محققان تنها 30 مگاوات لیزر 221 نانومتر و 3 مگاوات 193 نانومتر لیزر را بدست آوردند.

طبق قانون حفاظت از حرکت زاویه ای مداری در فرآیندهای غیرخطی ، بار توپولوژیکی لیزر تولید شده توسط تولید فرکانس جمع برابر با مجموع بارهای توپولوژیکی لیزر پمپ است.

بنابراین ، بار توپولوژیکی لیزر 1553 نانومتر 1 است ، بار توپولوژیکی لیزر 258 نانومتر {3}} است زیرا در حالت گاوسی است و بار توپولوژیکی لیزر 221 نانومتری 1 است.

در این دوره ، الگوی پراش پرتو گرداب 193 نانومتر به سه نقطه روشن با دو شکاف تاریک در بین تقسیم می شود ، در حالی که توزیع شدت دایره ای باقی مانده است.

در مقایسه با پرتوی گرداب اصلی در 1553 نانومتر ، پروفایل های پرتو گرداب لیزر 221 نانومتر و لیزر 193 نانومتر به ناچار در طی فرآیند تولید فرکانس جمع به دلیل عدم تطابق فاز و اثرات پیاده روی کریستال غیر خطی تحریف می شوند.

در عین حال ، ساختار آبشار پیچیدگی تبدیل حرکت زاویه ای مداری را افزایش می دهد و حتی ممکن است منجر به تخریب حالت شود. (تخریب حالت پدیده ای است که در آن خواص حالت های خاص که در ابتدا در یک موجبر نوری وجود دارد ، از حالت ایده آل بدتر یا منحرف می شوند.)

محققان بر این باورند که ممکن است با استفاده از کریستال های کوتاه تر یا با استفاده از یک فرآیند تولید فرکانس جداگانه ، می توان کیفیت حالت های حامل حرکت زاویه ای مداری را بهبود بخشید.

با توجه به اینکه لیزر 1553 نانومتر توسط لیزر 1 {4}} 30 نانومتر پمپ شده و تقویت می شود ، راندمان تبدیل کلی از لیزر 1030 نانومتر به لیزر 193 نانومتر حدود 0.55 ٪ است. بنابراین ، با وجود راندمان تبدیل کم فعلی ، با افزایش قدرت پمپ 1030 نانومتر ، انتظار می رود قدرت لیزر 193 نانومتر بیش از صدها میلیو وات و احتمالاً حتی به ترتیب وات باشد.

علاوه بر این ، استفاده از کریستال های غیرخطی با ضرایب غیرخطی بالاتر ، امکان دستیابی به این هدف را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.

در عین حال ، با قرار دادن یک صفحه فاز مارپیچ ، حالت گاوسی را می توان به یک حالت Laguerre-Gaussian تبدیل کرد و باعث می شود تولید پرتوی گرداب 1553 نانومتر حامل حرکت زاویه ای مداری باشد.

با تغییر تغییر فاز صفحه فاز مارپیچ ، ترتیب بار توپولوژیکی را می توان به راحتی تغییر داد. مطالعات قبلی گزارش داده اند که پرتوهای حامل حرکت زاویه ای مداری را می توان در الیاف تک کریستالی و پلاسماهای نیتروژن تقویت کرد ، نشان می دهد که پرتو گرداب 193 نانومتر نیز می تواند در لیزرهای اگزیمر تقویت شود.

بر این اساس ، محققان پیش بینی می کنند که لیزر 193 نانومتر می تواند در انواع برنامه های جدید با استفاده از توان بالا و ویژگی های پرتو گرداب منحصر به فرد مورد استفاده قرار گیرد.