準(zhǔn)分子激光光束均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

1、第16卷第6期2004年6月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6Jun.,2004文章編號(hào):100124322(2004)0620729204準(zhǔn)分子激光光束均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究李紅霞,樓祺洪,葉震寰,董景星,魏運(yùn)榮,凌磊(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,上海201800)摘要:詳細(xì)研究了準(zhǔn)分子激光光束均勻性的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),加工窗口描述了加工任務(wù)本身對(duì)光束均勻度的要求;能量分?jǐn)?shù)回答了具體加工窗口即均勻度要求下的能量利用率問(wèn)題;平頂因子則描述了整個(gè)光斑能量分布范圍內(nèi)的均勻性問(wèn)題。利用激光波面分析儀對(duì)不同均勻器所獲得的均勻光束進(jìn)行評(píng)價(jià)比較

2、,蠅眼透鏡均勻器能量利用率高,整個(gè)光斑內(nèi)的均勻效果好,但最佳均勻截面的位置動(dòng)態(tài)范圍小;組合棱鏡均勻器均勻截面動(dòng)態(tài)范圍大,但整體均勻效量較差。關(guān)鍵詞:準(zhǔn)分子激光;光束均勻性;加工窗口;平頂因子中圖分類號(hào):TN24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A準(zhǔn)分子激光作為一種能精確聚焦和控制的紫外光束,由于其波長(zhǎng)短、脈沖功率密度高、脈寬窄及弱相干性m,而且等優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)前光刻裝置的主要光源。準(zhǔn)分子激光切削精度非常高,每個(gè)光脈沖切削深度為0.2又是冷光源,不會(huì)產(chǎn)生熱量,對(duì)切削周圍組織不會(huì)造成損傷,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以利用準(zhǔn)分子激光能夠精確切削組織的特性,用光束重塑角膜曲率達(dá)到矯正近視的目的。在這些應(yīng)用中都要求準(zhǔn)分子激光光束強(qiáng)度分布盡

3、量均勻1,2,但不同的應(yīng)用對(duì)光束均勻度的要求及側(cè)重點(diǎn)卻存在差異。準(zhǔn)分子激光的光場(chǎng)分布不同于普通的單模高斯光場(chǎng)分布,光斑通常呈矩形,縱橫方向光強(qiáng)分布規(guī)律不同,在一個(gè)方向上可具有平頂分布。盡管準(zhǔn)分子激光光場(chǎng)分布的均勻性已經(jīng)比一般非準(zhǔn)分子激光的均勻性要好,但由于激光器在大體積、高電壓、高氣壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn),容易導(dǎo)致放電增益不均勻,而且工作氣體比例的變化對(duì)強(qiáng)度分布也有影響3。為此人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究,在光路中添加各式均勻器,如兩級(jí)復(fù)眼式均勻器4、矩形波導(dǎo)管均勻器5、棱鏡組均勻器等,對(duì)光束均勻性有了較大改善。本文將在利用這些均勻器對(duì)光束均勻性改善的基礎(chǔ)上,具體討論衡量光束均勻性的各項(xiàng)指標(biāo)及其適

4、用范圍,并對(duì)其中的蠅眼均勻器及棱鏡組均勻器對(duì)光束均勻性的改善效果進(jìn)行比較。1光束均勻性衡量指標(biāo)不同的加工領(lǐng)域?qū)?zhǔn)分子激光光束均勻度要求及側(cè)重點(diǎn)存在差異,既有單純對(duì)光束均勻度的要求,也存在光束能量利用率的問(wèn)題及光斑整體均勻性問(wèn)題。下面對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)及適用范圍作具體討論。1.1加工窗口(processwindow)加工窗口是人們比較常用的一個(gè)光束均勻性的衡量指標(biāo),即可允許的功率密度起伏變化的正負(fù)百分比。不同的應(yīng)用對(duì)加工窗口的要求不同,大多數(shù)應(yīng)用的要求為±10%,即所對(duì)應(yīng)的功率密度變化范圍在81.8%100%之間;對(duì)于較低要求的加工窗口控制在±30%即可,如對(duì)金屬底層聚合物的刻蝕;而

5、對(duì)角膜組織的切削則要求加工窗口控制在±3%,功率密度變化范圍在94.17%100%之間。加工窗口雖然能夠衡量光束均勻性即光強(qiáng)起伏變化,但是卻無(wú)法回答給定加工窗口下光束能量的利用率問(wèn)題。比如能量為1J的光束,加工窗口為±10%范圍內(nèi)的能量可能僅為400mJ,而另一能量為700mJ的光束,相同加工窗口范圍內(nèi)的能量可為500mJ。為了解決這一問(wèn)題,需要另一指標(biāo)來(lái)對(duì)這兩束光進(jìn)行比較。1.2能量分?jǐn)?shù)(energyfraction)準(zhǔn)分子激光光束的性能通常用脈沖能量來(lái)衡量,而能量分?jǐn)?shù)則描述了光束能量中達(dá)到加工窗口要求的能量所占光束總能量的百分比,即光束能量的利用率問(wèn)題。對(duì)同一光束,在不

6、同的加工窗口下所對(duì)應(yīng)的能量分?jǐn)?shù)也不同,圖1為根據(jù)不同加工窗口下的能量分?jǐn)?shù),作出的由加工窗口所決定的閾值能量2能量分?jǐn)?shù)曲線。圖中A曲線對(duì)應(yīng)為理想的具有平頂分布的準(zhǔn)分子激光光束。當(dāng)加工窗口在01之間變化即所對(duì)應(yīng)的閾值能量變收稿日期:2003207215;修訂日期:2003212226基金項(xiàng)目:上海市科技發(fā)展基金資助課題(021111000);國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助課題),女,碩士研究生,主要從事紫外準(zhǔn)分子激光的光束均勻性和激光的窄譜線壓縮及相關(guān)技術(shù)研究;E2mail:li2作者簡(jiǎn)介:李紅霞(1978hongxia。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical

7、 Disc Co., Ltd. All rights reserved.730強(qiáng)激光與粒子束第16卷化范圍為10時(shí),能量分?jǐn)?shù)始終保持不變?yōu)?。C曲線對(duì)應(yīng)為高斯光束。B曲線對(duì)應(yīng)為實(shí)際準(zhǔn)分子激光光束。例如,在加工窗口為±10%,對(duì)應(yīng)閾值能量為8118%時(shí),由圖可得三種光束能量分?jǐn)?shù)的比較。通過(guò)閾值能量2能量分?jǐn)?shù)曲線,就可以很方便地得到每一加工窗口所對(duì)應(yīng)的能量分?jǐn)?shù),且可以對(duì)同一加工窗口下不同光束的能量利用率進(jìn)行比較。1.3平頂因子(top2hatfactor)對(duì)閾值能量2能量分?jǐn)?shù)曲線下的面積積分,就可以得到一個(gè)新的均勻性衡量指標(biāo)平頂因子。它描述Fig.1Schemeofthevaryingr

8、elationshipbetweenenergyfractionandfluencefraction了整個(gè)光斑能量分布范圍內(nèi)的整體均勻效果。理想的圖1閾值能量2能量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系曲線具有平頂形狀的光束(圖1曲線A),均勻性最好,平頂因子值為1;高斯光束較差為0.5;準(zhǔn)分子激光的平頂因子一般為0.60.7。實(shí)際光束平頂因子數(shù)值越接近1,說(shuō)明光束均勻性越好。1.4動(dòng)態(tài)范圍(dynamicrange)在實(shí)際應(yīng)用中,均勻截面并不固定于某一位置,而是有一個(gè)變化范圍,在這個(gè)范圍內(nèi)達(dá)到均勻性要求即可。平頂因子2均勻截面位置曲線即可反映較為全面的動(dòng)態(tài)變化。以上指標(biāo)從不同角度對(duì)光束均勻性及要求進(jìn)行了描述,下面就具

9、體光斑利用上述指標(biāo)進(jìn)行衡量。2具體光斑指標(biāo)衡量實(shí)驗(yàn)采用紫外預(yù)電離放電泵浦XeCl準(zhǔn)分子激光器作為光源,均勻器為蠅眼均勻器(具體指標(biāo):通光面積31.5mm×31.5mm,厚度2mm,焦距90mm)和棱鏡組均勻器(梯形棱鏡+普通棱鏡)兩種。利用帶長(zhǎng)焦鏡的CCD相機(jī)拍攝接收屏上的光斑圖像,并用美國(guó)Spiricon公司生產(chǎn)的LBA2PC激光波面分析儀捕捉和處理信號(hào),得到光斑的2D和3D圖如圖24所示。下面利用上述指標(biāo)對(duì)三種光斑均勻性作量化比較。激光波面分析儀對(duì)于捕捉并處理得到的光斑圖像,可以處理得到相對(duì)能量值與所對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)目的柱狀圖。根據(jù)公式Fig.2Excimerlaserbeamx&am

10、p;yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)withoutthehomogenizer圖2原始光斑通過(guò)形心的x&y光強(qiáng)分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)EfE(Ef)=E=EipEi×Npix,EEL(1)即可得到閾值能量2能量分?jǐn)?shù)曲線如圖5所示。式中:E為每一加工窗口所對(duì)應(yīng)的能量分?jǐn)?shù);Ep為峰值能量;Ef為由加工窗口所決定的閾值能量;EL為光束總能量;Npix,Ei為與能量Ei所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)目。由圖5可以分別得到三種光束在不同加工窗口下的能量分?jǐn)?shù)即能量利用率,通過(guò)對(duì)三種光束能量曲線的比較可以看出蠅

11、眼透鏡均勻器對(duì)光束均勻性的改善效果最好,且在同一加工窗口下的能量利用率也最大。利用公式© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第6期李紅霞等:準(zhǔn)分子激光光束均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究731Fig.3Excimerlaserbeamx&yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)behindtheprisms圖3通過(guò)棱鏡組合均器后輸出光斑通過(guò)形心的x&y光強(qiáng)分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)Fig.

12、4Excimerlaserbeamx&yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)behindtheflyseyehomogenizer圖4通過(guò)蠅眼透鏡均勻器后輸出光斑通過(guò)形心的x&y光強(qiáng)分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)E-1pF=E=1EE+EE2Ep式中:F為平頂因子。并通過(guò)波面分析儀計(jì)算能量曲線下面的面積,即可得到光斑的平頂因子值。其中原始光斑平頂因子值為0.67,經(jīng)棱鏡組合均勻器和蠅眼透鏡均勻器改善后光斑的平頂因子值分別為0.73及0.90。圖6為利用棱鏡組合均勻器對(duì)光束均勻性改善實(shí)驗(yàn)6所得到的

13、均勻截面位置與平頂因子的變化關(guān)系圖,即均勻截面的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)接收屏在5565mm范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),均勻性較好,平頂因子均在0.72以上,動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)10mm。Fig.5SchemeofthevaryingrelationshipbetweenthecliplevelandtheenergyfractionFig.6Schemeofthevaryingrelationshipbetweenthetop2hatfactorandthescreen2homogeniexdistance圖5閾值能量2能量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系圖圖6平頂因子隨接收屏到均勻器間距離變化關(guān)系示意圖通過(guò)以上的計(jì)算比較,可以看出,在同一閾值

14、能量要求下,蠅眼透鏡均勻器對(duì)光束均勻性進(jìn)行了改善,能量利用率高,整個(gè)光斑內(nèi)的均勻效果好,但最佳均勻截面的位置動(dòng)態(tài)范圍小,裝調(diào)較麻煩且造價(jià)昂貴;組合棱鏡均勻器均勻截面動(dòng)態(tài)范圍大,裝調(diào)方便,但均勻效果較差,僅適應(yīng)于對(duì)均勻性要求不是很高的情況下。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.732強(qiáng)激光與粒子束第16卷3結(jié)論以上所介紹的各項(xiàng)指標(biāo)描述對(duì)象不同,側(cè)重點(diǎn)也不同。加工窗口描述了加工任務(wù)本身對(duì)光束均勻度的要求;能量分?jǐn)?shù)回答了具體加工窗口即均勻度要求下的能量利用率問(wèn)題;平頂因子則描述了整

15、個(gè)光斑能量分布范圍內(nèi)的均勻性;動(dòng)態(tài)范圍則是具體應(yīng)用中光束截面位置的變化范圍,對(duì)樣品的放置及移動(dòng)有參考作用。參考文獻(xiàn):1DohHoonKim,Byung2HoNam,KagHyeonLee,etal.Probebeamscantypeauto2focussystemusingpositionsensingdetectorforsub2halfmicronlithographytoolsA.ProcofSPIEC.1996,2726:876885.2DohHoonKim,KagHyeonLee,JongSooKim,etal.Performanceofsmallfield193nmexposure

16、systemA.ProcofSPIEC.1997,3051:922932.3樓祺洪,霍蕓生,董景星,等.橫流準(zhǔn)分子激光器的壽命研究J.光學(xué)學(xué)報(bào),1987,7(6):481485.(LouQH,HuoYS,DongJX,etal.Lifetimestudyofatransverseflowexcimerlaser.ActaOpticaSinica,1987,7(6):481485)4李呈德,陳濤,左鐵釧.兩級(jí)復(fù)眼式準(zhǔn)分子激光微加工均勻器的設(shè)計(jì)J.中國(guó)激光,1999,26(6):560564.(LiCD,ChengT,ZuoTC.De2signofflyseyehomogenizerforexci

17、merlasermicromachining.ChineseJournalofLasers,1999,26(6):560564)5高鴻奕,樓祺洪,董景星,等.XeCl準(zhǔn)分子激光光束均勻器及其應(yīng)用J.光學(xué)學(xué)報(bào),1996,16(10):13791382.(GaoHY,LouQH,DongJX,etal.BeamhomogenizerforXeClexcimerlaseranditsapplications.ActaOpticaSinica,1996,16(10):13791382)ResearchonevaluatingnormofexcimerlaserbeamuniformityLIHong2

18、xia,LOUQi2hong,YEZhen2huan,DONGJing2xing,WEIYun2rong,LINGLei(ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,theChineseAcadaemyofSciences,Shanghai201800,China)Abstract:Theevaluatingnormsofexcimerlaserbeamuniformityareanalysedindetail.Theprocesswindowdefinesuniformityrequirementsoftheexcimerlaser,whiletheenergyfractionanswerstheproblemofusefulpercent