日本Gigaphoton公司K.M. NOWAK、T. OHTA等和日本早稻田大學(xué)A. ENDO聯(lián)合在OPTO.ELECTRONICS REVIEW上發(fā)表受邀文章總結(jié)極紫外光刻技術(shù)中脈沖CO2激光器技術(shù)和千瓦級CO2激光器技術(shù)，摘譯如下：
理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在極紫外(EUV)光源納米光刻中波長10.6微米的納秒量級的激光脈沖優(yōu)于驅(qū)動Sn等離子體，具有更高的轉(zhuǎn)換效率，在更高強(qiáng)度中，與固體激光器相比，CO2介質(zhì)中具有較低殘骸和更高的平均功率，無嚴(yán)重的光束畸變和非線性效果。創(chuàng)新點(diǎn)在于這種脈沖形式、波長、重復(fù)率超過50 kHz和平均超過18千瓦的功率水平的CO2激光技術(shù)有了新的用途。EUV光源的功率需求可能滿足有主振蕩器功率放大器的系統(tǒng)配置，從而開發(fā)一種新型的混合CO2脈沖激光，采用全譜二氧化碳技術(shù)，如快速流動系統(tǒng)和擴(kuò)散冷卻平面波導(dǎo)激光器和相對較新的量子級聯(lián)激光器。在本文中，我們簡要地回顧一下相關(guān)的脈沖CO2激光器技術(shù)和千瓦級CO2激光器的要求，產(chǎn)生等離子體EUV源的激光要求，并提出我們的最新進(jìn)展，如建立在平面波導(dǎo)CO2激光器上的新型固態(tài)種子主振蕩器和高效的多通放大器。
13.5納米LPP EUV光源的脈沖格式
理論和實(shí)驗(yàn)研究表明CO2激光器產(chǎn)生~10μm波長是有利于LPP EUV光源波長~1μm，在較高CE通過固態(tài)激光器傳遞和減少殘余。從激光場到等離子體能量耦合的一個最佳時間是由膨脹動力學(xué)決定，Nd：YAG激光器是幾納秒和大約10納秒的CO2激光器。另一重要的激光參數(shù)是輻射強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1010~1011 Wcm-2在二氧化碳激光器中是最佳的和1011~1012Wcm- 2是Nd：YAG激光器中最佳的。截至寫作，所深知的最優(yōu)脈沖參數(shù)的問題至今尚未完全解決，最有可能是由于LPP物理過程和建模的復(fù)雜性，也可能由于從實(shí)驗(yàn)中獲得非曲數(shù)據(jù)涵蓋了一系列的脈沖持續(xù)時間，脈沖強(qiáng)度的包絡(luò)線和目標(biāo)裝置。LPP研究的成本高可能是另一個因素，限制了文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的可用性等。
CO2激光驅(qū)動器的最優(yōu)脈沖長度在EUV領(lǐng)域似乎是10納秒，但最近的研究表明，更長的激光脈沖也可能會產(chǎn)生較高的CE值。較長的脈沖從按LPP EUV光源的前景來看和激光系統(tǒng)驅(qū)動的設(shè)計是有吸引力的，這將在下文講述。對于目前已知的CE值報告，還有較為精確的估計所需的激光功率脈沖FWHM持續(xù)時間為10ns和在一個直徑為200微米的EUV等離子體中脈沖峰值強(qiáng)度1×10^11 Wcm^–2。假設(shè)一個帽狀的光束，所需的激光脈沖能量315兆焦耳，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，20納秒的脈沖中CE占2.5%和25%總的EUV收集和光源的IF傳輸效率，在EUV波段10ns單脈沖能量的2MJ。因此CO2激光驅(qū)動器必須提供至少有18.1kW平均功率，以滿足脈沖重復(fù)頻率較高達(dá)57.5千赫的HVM電源要求。
簡要概述有關(guān)CO2激光
CO2脈沖激光器產(chǎn)生納秒的歷史可追溯到CO2激光器本身的產(chǎn)生。Q開關(guān)激光器的第一個泵浦腔，被認(rèn)為是在1963年首次報道。該技術(shù)中采用砷化鎵或CdTe，Q開關(guān)使用了與早期的直流放電，低壓CO2激光等技術(shù)實(shí)現(xiàn)10~100納秒級激光脈沖。這種激光器可以與脈沖重復(fù)頻率和平均功率有限的調(diào)制器，通常達(dá)到~100千赫和小于10 W平均功率。
在軍事應(yīng)用中，采用直流放電脈沖驅(qū)動更高的脈沖能量會導(dǎo)致直流脈沖放電驅(qū)動橫向受激的大氣壓力(TEA)。這樣的激光器比較容易建立，不需要任何腔內(nèi)調(diào)制器，并能產(chǎn)生較高兆瓦的峰值功率，脈沖100~500 納秒，約1~300赫茲的脈沖重復(fù)。
由于TEA激光器低成本因素，有能力生產(chǎn)高能量的亞微秒脈沖，這TEA激光器從材料加工，激光聚變研究和CO2脈沖激光器領(lǐng)域至今為止，仍是一個基本應(yīng)用工具。一個大脈沖能量和脈沖持續(xù)時間的要求(>200千焦，~1ns)的激光驅(qū)動慣性約束聚變(ICF)，可滿足多氣流的TEA CO2激光器的設(shè)計。從1969年開始，這模式的激光驅(qū)動ICF在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有助于建設(shè)有史以來最大的脈沖CO2脈沖激光系統(tǒng)，Gemini，Helios和Antares系統(tǒng)。這項(xiàng)目驅(qū)使研究在脈沖整形和預(yù)防放大刺激的不良影響輻射(ASE)的光學(xué)開關(guān)隔離技術(shù)和寄生振蕩高增益主振蕩功率放大(MOPA)系統(tǒng)的設(shè)計。普遍認(rèn)識到，這種放大脈沖的持續(xù)時間與CO2介質(zhì)的轉(zhuǎn)動弛豫的效率相比遠(yuǎn)低于CW放大和其他技術(shù)，如寬帶和多通放大是必不可少的。由于波長10.6微米的根本問題是CO2激光器最終沒能驅(qū)動融合，但是CO2脈沖技術(shù)在短期內(nèi)的可用價值依然存在?！≡诘蛪毫?<50Torr)和TEA激光器(≥760Torr)的“壓力間隙”的同時是部分橋接，由于無線頻率(RF)放電激發(fā)技術(shù)，促使新的CO2激光器技術(shù)的發(fā)展。上世紀(jì)七十年代初和九十年代之間，見證了密封技術(shù)的新研究工作，CO2波導(dǎo)激光器的擴(kuò)散冷卻。波導(dǎo)和射頻放電的成功結(jié)合，導(dǎo)致在CO2激光驅(qū)動極端紫外線納米光刻技術(shù)達(dá)到頂點(diǎn)，電源可擴(kuò)展性，平面波導(dǎo)CO2激光器的一種形式，這標(biāo)志著一個新時代的緊湊型CO2激光技術(shù)。這些通?；旌蠚怏w壓力50~150Torr幾乎免激光器維護(hù)操作，在大范圍內(nèi)脈沖頻率并有能力操作，從單脈沖模式到RF放電的CW模式，在好質(zhì)量光束中產(chǎn)生50~500微秒的脈沖，通過傳遞不穩(wěn)定混合諧振器的各種配置。優(yōu)化設(shè)計能使產(chǎn)生高能脈沖持續(xù)時間下降到幾微秒的技術(shù)只有通過RF調(diào)制實(shí)現(xiàn)?；诃h(huán)狀放電的幾何形狀，數(shù)千瓦的擴(kuò)散冷卻激光器，覆蓋的功率電平范圍從幾瓦到千瓦，目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多年，多個供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)商用化。最大擴(kuò)散水冷的平面波導(dǎo)激光器是羅芬公司加工的8千瓦的模型制造和由特倫普夫GmbH制造的環(huán)形波導(dǎo)2千瓦TrueCoax模型。
射頻放電激勵技術(shù)支持?jǐn)?shù)千瓦的快流CO2激光器激發(fā)直流放電。這些激光器的商業(yè)上存在兩個基本形式，快速軸流式(FAF)和快速反式(FTF)配置。在氣體介質(zhì)中不利于過熱中激光氣體被迫快速流動允許增加RF功率輸入，相比其擴(kuò)散冷卻口從而導(dǎo)致更高的輸出功率，但增加了額外系統(tǒng)的復(fù)雜性(送風(fēng)機(jī)、熱交換器等)。然而，最大的激光器可商用化的，這些系統(tǒng)還因?yàn)樗鼈兛梢员挥糜谠诿}沖激光設(shè)計中作為功率放大器。目前紀(jì)錄的是從一個小包輸出功率為20千瓦(CW)，屬于Trumpf GmbH公司的TrueFlow FAF激光系列。
大多數(shù)模塊適用于高功率LPP EUV光源的CO2激光驅(qū)動器，因此，可用于商業(yè)化以及利用對手在幾十年的成熟技術(shù)的大量優(yōu)勢。然而，主要的問題是，沒有任何單獨(dú)的技術(shù)似乎能夠產(chǎn)生由EUV LPP光源所要求的激光脈沖格式，仍有新的發(fā)展空間。產(chǎn)生符合要求、具有優(yōu)勢的激光脈沖的問題在于，使用現(xiàn)有的技術(shù)和最新進(jìn)展進(jìn)行其有效的放大，在下面的章節(jié)回顧更多的細(xì)節(jié)。
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