CN102393383B

CN102393383B - 辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置

Info

Publication number: CN102393383B
Application number: CN 201110346860
Authority: CN
Inventors: 邓文渊; 金春水; 常艳贺; 靳京城
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102393383A

Abstract

辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置涉及ArF准分子激光薄膜元件应用技术领域，该装置包括：ArF激光传输模块、样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块、光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块、电动样品控制台和实验同步控制与数据采集模块；本发明的显著特征是样品表面ArF激光辐射能量密度均匀性非常高，可有效提高光学薄膜元件激光损伤阈值测量结果的精确性、可靠性和可比较性，并可实现不同辐照光斑大小和不同辐照能量密度的ArF激光光学薄膜元件损伤测量，满足不同类型ArF激光光学薄膜元件损伤测试及损伤机理研究的需要。

Description

辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置

技术领域

本发明涉及ArF准分子激光薄膜元件应用技术领域，特别涉及辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置。

背景技术

ArF准分子激光器所产生的强193nm脉冲激光包括在材料精细微加工、深紫外光刻、材料处理、激光打标等的激光工业应用，准分子激光医疗，以及科学研究等诸多领域具有十分重要的应用。无论是对ArF准分子激光器本身，还是ArF准分子激光应用系统，都是不可缺少光学薄膜元件，并且是最易受损的基本元件。光学薄膜元件的激光损伤将直接降低系统的光束质量，使激光应用系统的性能迅速退化，直至整个系统功能崩溃。提高193nm光学薄膜元件的抗激光损伤阈值与使用寿命，不仅可以满足高功率和高脉冲重频应用需要，同时还可以延长系统的维护周期，降低激光应用系统的使用成本。因此，对193nm光学薄膜元件激光辐射损伤的各种复杂因素进行分析，深入研究导致薄膜激光损伤的机理，并最大限度地提高193nm光学薄膜元件的使用寿命，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

鉴于193nm激光应用系统的重要性，国外从上世纪90年代开始对193nm光学薄膜元件的激光损伤和长期稳定性进行了大量的研究，例如德国和美国的研究小组相继搭建了针对ArF激光的光学薄膜元件损伤测试系统，并系统开展了ArF激光薄膜元件损伤研究。在这些ArF激光薄膜元件损伤研究中，所采用的光学薄膜元件损伤测试系统，无一例外都参照了以往1064nm等其它激光波段的光学薄膜元件损伤测试系统，以及光学元件损伤测试的国际标准ISO-11254。即与1064nm等其它激光波段的光学薄膜元件损伤测试系统类似，这些ArF激光薄膜元件损伤测试系统，除了包括必要的激光脉冲能量和光束光斑大小测量的装置之外，还包括一些非常简单的光束传输和聚焦装置，如场镜、光阑及聚焦镜等。由于这些简单的光束控制装置无法对ArF辐照激光束的光束质量，如光束的形状与分布、能量密度的均匀性等进行有效的控制，因此，在这些ArF激光薄膜元件损伤测试系统中，辐照到样品表面的脉冲激光的光束形状与分布、光束内的能量密度均匀性等光束质量指标往往比较随机，且并不理想，突出表现在光束内的能量密度均匀性非常不好，例如辐照到样品表面的光束中心能量密度要远远大于光束边缘能量密度。

样品表面辐射激光光束的这种不均匀性首先会使损伤阈值结果出现一定的随意性。例如当样品表面辐射激光光束的不均匀性不同时，采用不同的光斑确定标准得到的光斑大小结果可能会相差较大，其得到的激光损伤阈值结果也就不同。其次，从激光薄膜元件损伤研究的实践来看，辐射激光能量密度的不均匀性会带来更深层次的问题。由于辐射激光能量密度的不均匀性，采用这种能量密度不均匀性的激光辐射光学薄膜元件时，光学薄膜元件往往表现为在辐射光斑中央的针孔状损伤。这表明损伤其实是由最大能量密度的光斑中心导致的，或者说其时的能量密度才是真实的光学薄膜元件激光损伤阈值。然而，在实际中，由于光束的不均匀性，采用分别监测激光能量和激光光斑方法得到的辐射激光能量密度是不均匀辐射激光能量密度的平均，其数值要比上述真实光学薄膜元件激光损伤阈值更小，并且偏小程度随光束不均匀性的具体情况而变化。此外，由于采用这种能量密度不均匀性的激光辐射光学薄膜元件时，光学薄膜元件往往表现为在辐射光斑中央的针孔状损伤，这种局部少量的针孔状损伤对于损伤的实时在线准确判别增加了难度。

发明内容

针对现有ArF激光光学薄膜元件激光薄膜损伤测试，其辐射激光光束不均匀性会导致的线性吸收和介质电离、多光子吸收等各种非线性吸收和ArF激光薄膜元件损伤的因素更多、具体损伤机理更为复杂，局部表面激光辐射损伤的一致性出现分化，本发明提供一种辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置来解决现有技术存在的问题。

辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，该装置包括：ArF激光传输模块、样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块、光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块、电动样品控制台和实验同步控制与数据采集模块；

所述ArF激光传输模块发射并传输辐射能量密度高均匀性的ArF激光,入射到薄膜元件样品表面；

所述样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，用于获得薄膜元件样品表面ArF激光的辐射能量密度，通过实验同步控制与数据采集模块控制其测量动作，并将ArF激光辐射能量密度信息数据传送反馈到至实验同步控制与数据采集模块；

所述光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块，通过探测He-Ne激光入射到薄膜元件样品表面上ArF激光辐照光斑位置产生的散射光强变化，对ArF激光辐照薄膜元件样品表面是否损伤进行判别，由实验同步控制与数据采集模块控制其动作，并将判别信号传送至实验同步控制与数据采集模块；

所述电动样品控制台通过实验同步控制与数据采集模块发出的指令实现水平和垂直两个方向的精密移动；

所述实验同步控制与数据采集模块分别对ArF激光传输模块，样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块和电动样品控制台进行同步控制；收集样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块产生的信号数据，并进行数据的处理和判断。

本发明的有益效果：本发明与目前国际上已有的光学薄膜元件损伤测量装置相比，突出特点是样品表面ArF激光辐射能量密度均匀性非常高，可以大大降低由于样品表面ArF激光辐射能量密度不均匀带来的光学薄膜元件激光损伤阈值测量结果的不确定性，从而有效提高光学薄膜元件激光损伤阈值测量结果的精确性、可靠性和可比较性，同时该装置可以实现不同辐照光斑大小和不同辐照能量密度的ArF激光光学薄膜元件损伤测量，从而最大限度满足不同类型ArF激光光学薄膜元件损伤测试及损伤机理研究的需要。

附图说明

图1本发明辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置的功能模块图。

图2本发明辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置的结构示意图。

具体实施方式

由图1所示，辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，该装置包括：ArF激光传输模块、样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块、光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块、电动样品控制台和实验同步控制与数据采集模块；

所述ArF激光传输模块发射并传输辐射能量密度均匀性高的ArF激光.并经ArF激光辐射能量密度实时监控模块中的两个分束镜，辐射到样品表面；

所述样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，用于获得样品表面ArF激光辐射能量密度，通过实验同步控制模块控制其测量动作，并将ArF激光辐射能量密度信息数据传送反馈到至中心控制电脑；

所述光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块，通过探测He-Ne激光入射到薄膜元件样品表面上ArF激光辐照光斑位置产生的散射光强变化，对ArF激光辐照样品表面是否损伤进行判别，由实验同步控制模块控制其动作，并将判别信号传送至中心控制电脑；

所述电动样品控制台通过实验同步控制与数据采集发出的指令实现水平和垂直两个方向的精密移动；

所述实验同步控制与数据采集模块分别对ArF激光传输模块，样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块和样品控制台进行同步制；收集样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块，光学薄膜样品表面损伤实时监控与判别模块产生的信号数据，并进行数据的处理和判断。

由图2所示，ArF激光传输模块包括：ArF激光器10、电控可变衰减器11、准直扩束镜组12、反射镜13、匀束器镜组14、快门15、第一楔形分束镜16、聚焦透镜组17、第二楔形分束镜18和充N₂气保护管路19；样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块包括：能量计20和光束质量分析仪21；光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块包括：He-Ne激光器30、激光斩波器31、第一聚焦透镜32、第二聚焦透镜33、Si光电二极管34和锁相放大器35；实验同步控制与数据采集模块包括：控制电脑中心50和信号延迟发生器51。

ArF激光器10选用相干公司的Compex Pro 205F-193nm，其输出光斑大小为24mm*10mm，相应的发散角为3mrad x 1mrad，ArF激光器10发射的激光入射到电控可变衰减器电控可变衰减器11中，电控可变衰减器电控可变衰减器11采用一个电控旋转角度的193nm波长的1/4波片，用于实现辐射激光功率密度的控制，并通过中心控制电脑对其进行控制；通过电控可变衰减器之后的ArF进入准直扩束镜组，由准直扩束镜组12将长宽比2:1的ArF激光典型输出光束变成1：1的光斑，准直扩束镜组12采用由一个球面镜和两个平凸柱面镜组成歪像光学系统实现，经由反射镜13反射后出射光进入匀束器镜组14，匀束器镜组14由两个二维的微柱面透镜阵列和一个球面镜构成，工作波长为193nm，可以实现的激光光束不均匀性小于3％，其入射和出射工作面之间的距离为1600mm左右，在入射面加光阑；快门15控制ArF激光束的通过，其动作通过实验同步控制与数据采集模块进行同步控制，当快门打开时，ArF激光通过快门入射到第一楔形分束镜16把出射光束分成两部分，一部分入射到能量计20，用于实时监控样品表面的ArF激光辐射能量，另一部分出射光入射到聚焦透镜组17，并由聚焦透镜组17对光束进行会聚并入射到第二楔形分束镜18，第二楔形分束镜18把出射光束分成两部分，一部分入射到光束质量分析仪21，用于实时监测ArF辐射激光的光斑大小，另一部分入射到样品表面；相对第二楔形分束镜（18），光束质量分析仪（21）的位置与辐照样品位置成共轭关系，从而使两者得到的光斑大小完全一样；能量计20选用热释电类型，能量响应范围为50uJ-100mJ，在193nm波长的校准精度为±3％，能量线性度为±3％；光束质量分析仪21选用CCD类型，像素大小为:6.5μm*6.5μm，光谱响应范围为190nm-350nm，能量密度范围为100μJ/cm²－100mJ/cm²；聚焦透镜组17采用三片式的Cooke物镜，透镜材料为VUV级的熔石英，物镜的焦距约为95mm，相对孔径为1/3，像面大小为4mm，通过变化物距可以实现4-10倍缩放；充N₂气保护管路19在样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块和样品对应处设有通气孔。

He-Ne激光器30发射激光，He-Ne激光器30的激光输出功率5mW，输出功率波动<2%，激光首先通过最大斩波频率1000Hz，设定时间小于5秒的激光斩波器31，产生脉冲调制激光，入射到第一聚焦透镜32，并会聚到测试样品，镜向反射光利用一个放在第二聚焦透镜33前面的消光板吸收，而散射光被第二聚焦透镜33聚焦Si光电二极管34的探测头，转换成电信号，电信号传输到锁相放大器35中进行锁相放大；锁相放大器35具有相位和振幅工作模式，电压响应范围：为2nv-1v，频率范围为1mk-120KHz，输出有效的直流信号，发送至实验同步控制模块；实验同步控制与数据采集模块对锁相放大器35进行同步控制，同时锁相放大器35还产生同步信号传输到激光斩波器31，实现对激光斩波器31的同步控制。

控制电脑中心50进行整个测量系统的控制控制电脑中心50通过信号延迟发生器51来实现对各功能模块的同步控制，并接收相关功能模块测量得到的反馈数据；信号延迟发生器51的最小延迟时间分辨1ns，脉宽10ns-5ms，最大延迟时间40s，可外部触发，输出方式为TTL/CMOS。

电动样品控制台采用一维水平电控位移台和垂直升降台组合，定位精度为10μm，速度10mm/s，通过实验同步控制与数据采集模块对其进行同步控制。

Claims

1.辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，该装置包括：ArF激光传输模块、样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块、光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块、电动样品控制台和实验同步控制与数据采集模块；

2.如权利要求1所述的辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，所述ArF激光传输模块包括：ArF激光器（10）、电控可变衰减器（11）、准直扩束镜组（12）、反射镜（13）、匀束器镜组（14）、快门（15）、第一楔形分束镜（16）、聚焦透镜组（17）、第二楔形分束镜（18）和充N₂气保护管路（19）；所述ArF激光器（10）发射的激光入射到电控可变衰减器（11）中，由电控可变衰减器（11）调节激光的功率密度，出射激光经过准直扩束镜组（12），由原来的长宽比2:1变为1:1，之后经由反射镜（13）反射到匀束器镜组（14），匀束器镜组（14）将ArF激光束的不均匀性降到小于3%，然后由快门（15）控制ArF激光束的通过，并入射到第一楔形分束镜（16），把光束分成两部分，沿原方向直通的光入射到聚焦透镜组（17），经会聚入射到第二楔形分束镜（18），第二楔形分束镜（18）把入射光分成两部分，其中直通光入射辐照到样品表面；所述充N₂气保护管路（19）充N₂气并保护ArF激光传输模块在发射并传输ArF激光的过程中不受外界环境污染干扰。

3.如权利要求1所述的辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，所述样品表面ArF激光辐射能量密度实时监控模块包括能量计（20）和光束质量分析仪（21），能量计（20）接收第一楔形分束镜（16）分束的反射光，用于实时监控样品表面的ArF激光辐射能量，光束质量分析仪（21）接收第二楔形分束镜（18）分束的反射光，用于实时监测ArF辐射激光的光斑大小；能量计（20）和光束质量分析仪（21）由实验同步控制与数据采集模块实现同步控制，并分别将所测量得到的ArF激光辐射能量和样品表面的光斑大小发送至实验同步控制与数据采集模块。

4.如权利要求3所述的辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，所述光束质量分析仪（21）的位置与辐照样品位置成共轭关系。

5.如权利要求1所述的辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，所述光学薄膜样品表面损伤的实时监控与判别模块包括：He-Ne激光器（30）、激光斩波器（31）、第一聚焦透镜（32）、第二聚焦透镜（33）、Si光电二极管（34）和锁相放大器（35）；所述He-Ne激光器（30）发射激光，经由激光斩波器（31）产生调制脉冲激光入射到第一聚焦透镜（32），会聚光束辐射到所测试的薄膜元件样品表面上ArF激光辐照光斑的相同位置处形成散射，然后由第二聚焦透镜（33）收集聚焦散射光信号，入射到Si光电二极管（34）接收后转换成电信号，所述电信号传输到锁相放大器（35）中进行锁相放大，并输出有效直流信号，发送至实验同步控制与数据采集模块；实验同步控制与数据采集模块对锁相放大器（35）进行同步控制，同时锁相放大器（35）还产生同步信号传输到激光斩波器（31），实现对激光斩波器（31）的同步控制。

6.如权利要求1所述的辐照密度高均匀性的ArF激光薄膜元件损伤测试装置，其特征在于，所述实验同步控制与数据采集模块包括：控制电脑中心（50）和信号延迟发生器（51）；控制电脑中心（50）进行整个测量系统的控制，控制电脑中心（50）通过信号延迟发生器（51）来实现对各功能模块的同步控制，并接收测量系统测量得到的反馈数据。