英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
准分子激光技术的发展趋势
Ralph Delmdahl和RainerPuml;atzel
Coherent LaserSystems GmbH amp; Co. KG, Hans-Buml;ockler-Str.12, 37079 Guml;ottingen, Germany E-mail: ralph.delmdahl@coherent.com
2013年6月18日投稿，2013年8月20日修订，2013年10月1日同意出版，2013年12月23日出刊。
摘要
在各种三班制的薄膜工业生产应用中，最先进的脉冲紫外准分子激光技术的稳定性能已经得到了验证，其稳定的脉冲能量水平范围为每脉冲100至1000mJ。 在过去的25年中，准分子激光技术已经成为了脉冲激光沉积技术的主干。 现在的紫外激光平均功率超过1kW，并且新的准分子激光束采用的是一种复杂的衬底 与几何结构相结合的方案，这种方案能够利用全激光器升频电位的潜在价值，从而降低单位成本。
1.引言
1987年，Venkatesan在Bellcore 首创脉冲激光沉积（PLD）技术，商业准分子激光技术仍处于初级阶段[1]。那段时间，准分子激光管仍然由有机聚合物制成，由于废气排放和材料老化，这严重影响了活性气体的反应时间和激光的性能。在1994年，全金属陶瓷激光管设计的引入是一个重要的里程碑，这使得气体反应时间更加合理，管的使用寿命增加十倍。从那时起，绝缘体和高压馈通部件都由耐腐蚀的高密度陶瓷制成，激光管的金属部件由不含碳和硅的合金组成，这阻止了相应污染物的产生。
1998年，采用滑动放电软预电离方案代替高灵敏度放电，这进一步提高了激光器工作寿命和输出光束稳定性。随着占空比的上升和准分子激光器的脉冲频率的增加，特别是在每个激光脉冲在纳秒时间上切换几十千伏的使用条件下，闸流管的使用寿命成为其在工业应用中的一大瓶颈。因此，流动电压半导体开关技术、磁隔离器和脉冲变压器相结合的获取所需电压的技术方案的发展是一个重大突破。2005年，用于大面积薄膜退火的第一台固态脉冲300W准分子激光器研制成功。免维护的固态闸流管开关的应用为高功率准分子激光器在工业生产流程上的持续成功奠定了基础[2]。
如今，所有高于100W输出功率的准分子激光器都建立在免维护的固态开关技术基础上，提供5-35ns，FWHM脉冲宽度的高能量脉冲。在2010年，新型固态开关技术第一次使得高能准分子激光功率达到千瓦级别。这些核心创新、稳定的性能和长期的改进一起使得准分子激光器成为当今最具成本效益和可靠性的脉冲紫外（UV）激光技术。
如今，准分子激光器在诸如医学[3]，微电子学[4]，平板显示器[5]和汽车工业[6]等高科技增长领域已经成为不可或缺的激光产生工具，其波长主要有193nm,248nm和308nm三种。
在下面的章节中，此论文从科学和工业环境两方面考虑，讨论了与PLD相关的准分子激光器的技术和输出能量的特性。
2. PLD薄膜研究中的准分子激光器
2.1低脉冲计数的影响
从准分子激光器的角度看，薄膜研究实验室中的典型PLD条件适合采用极低的占空比。由于薄膜的生长主要是在1和10Hz之间的低重复频率下进行的，通常每天产生的激光脉冲少于100000个。在实验室环境中，一年产生的脉冲激光数量可能累计达30000000次。作为消融激光器，200-1100mJ的紧凑准分子激光器脉冲能量主要存在248nm的波长中，支持0.3至30Jcm-2之间的大范围消融效应。
图1. 典型PLD条件下的四年等效脉冲计数的光学性能
图2. 248nm预混合气体的标准PLD激光静态气体寿命
低脉冲计数转换为大约10年寿命的激光管，需要3 - 5年的长周期转换为谐振器光学器件，如图1所示。
由于PLD实验室中的准分子激光器大多数时间处于关闭状态，所以每年的气体消耗主要取决于静态气体保质期，静态气体保质期是连续两次充气之间的时间间隔，在每次重新输入气体之前，初始输出能量将减少50%。
通常实现超过一个月的静态气体寿命，每年约填充25次气体，通过20l预混合气瓶容易实现。在图2所示的测量中，在4周后，相对于400mJ的标称脉冲能量指定值，能量的减少仅为约30％。
事实上，使用预混合气体是PLD研究中可预见的趋势，因为与使用单一气体相比，气体安装简单得多。此外，预混合气瓶中的卤素浓度仅低于0.2％，因此非常容易与各个实验室安全规章相协调。事实上，在PLD实验室中的现代准分子激光器与水晶闪光灯频率转换Nd：YAG系统相比，具有更低的运行成本和更好的性能。
2.2能量的控制和稳定性
用于PLD的准分子激光器必须在性能和输出特性方面满足高标准。 获得高质量的可再现薄膜的一个先决条件是准分子激光器在层沉积和生长期间保持其光学性能稳定，即在长达几个小时的过程中，独立于设定的激光重复率和脉冲能量。
稳定准分子激光器的输出能量的基本方法是通过适配放电电压来补偿能量变化。
然而，通过反馈调节激光放电电压实现能量稳定性的方法对激光脉冲长度和光束轮廓的宽度会产生轻微的影响。由于后者通常是孔径成像到目标上，所以改变放电电压也间接影响目标激光器的性能。
图3. 双板衰减器布局（左）和板角度依赖光传输（右）
图4. 激光脉冲在低脉冲频率和高激光能量下的脉冲能量分布
因此，优选的能量稳定方法是通过使用双板衰减器的外部衰减。
如图3左边所示的衰减器模块，要么是手动控制或者用反馈二极管电动，它越来越多地用作PLD实验室中易于添加的附件。
双板衰减器通过具有抗反射涂层的两个反向旋转基板工作，并允许无缝能量衰减和输入激光束的反馈稳定性从在10%到90%之间变化（见图3），而准分子激光器总是在恒定放电电压下运行，因此，在热平衡气体放电条件下同样进行。
2.3脉冲到脉冲的稳定性
脉冲到脉冲稳定性是PLD薄膜生长的基本要求，因为它在很大程度上影响功能层的再现性。作为直接UV发射器的准分子激光器本身表现出比频率转换的UV激光器好得多的脉冲到脉冲稳定性。主要由于引入陶瓷预电离技术，准分子激光器提供了优异的脉冲到脉冲稳定性。通常，甚至是在最紧凑的PLD激光器模型的整个脉冲频率范围内观察到的连续激光脉冲的标准偏差sigma;不超过1%。
在5Hz的低脉冲频率和最大放电电压下记录的一千个激光脉冲的脉冲能量分布如图4所示。自激激光器传递的平均脉冲能量为467.4mJ，标准偏差sigma;为0.2％。
2.4高脉冲频率突发模式
特定的薄膜生长技术，例如脉冲间隔沉积，需要高达100Hz的高重复率以及脉冲突发。每个突发的脉冲数量通常与原子层所需的材料量相匹配。在脉冲间歇期间原子层形成[8]。
最先进的准分子激光器具有集成的可调突发模式的突发生成以及自学习突发稳定算法，使其能够实现过冲补偿。因此，在这种相对不利的激光操作条件下确保能量稳定性指标sigma;低于1％。结果是每个脉冲串具有从每个脉冲串的第一脉冲到最后脉冲的预设能量，如图5所示。
薄膜PLD研究在过去25年来一直在稳步发展。从准分子激光器的角度来看，将在大的激光器参数范围上提供稳定的输出。用于PLD研究的紧凑准分子激光器在广泛的控制参数和波长范围内提供稳定的UV输出能量，该PLD研究团体不断地改变薄膜发展的前沿。
尽管PLD研究是在每年低脉冲计数和各种激光条件下进行的，然而通过PLD的工业薄膜的制造需要与准分子激光器相反的性能。以下部分将探讨PLD准分子激光器对大规模生产的要求。
图5. 间隔5s连续发射的100Hz高频率脉冲串
图6. 308nm准分子激光器系统的输出功率演变。
3. 工业PLD制造中的准分子激光器
3.1激光的功率和稳定性的演变
技术上，PLD在环境工业中的成功主要取决于沉积速率的提高，而不牺牲薄膜的整体质量和均匀性。对于能够利用全激光功率的给定PLD系统架构，吞吐量与用于目标消融的准分子激光器的平均输出功率线性地缩放。308nm已成为工业PLD应用中优选的准分子激光波长，比如用于涂层导体制造。原因是在该波长的光学部件的维护间隔是比248nm长，因此308nm高功率准分子激光器具有较低的运行成本。
使用商用308nm准分子激光器技术实现的UV输出功率水平在过去三十年中一直在以两个数量级的速度增长，如图6所示。
电路板的发展主要是由薄膜硅退火技术的发展推动的。自2010年以来，最新的308nm高功率准分子激光器模型获得的平均输出功率提高到1.2kW，用于高分辨率显示背板的三位移量制造。同时，动态气体寿命，即在给定的稳定脉冲能量下可达到的最大脉冲量，以及脉冲 - 脉冲稳定性在过去15年中已经显著改善，如图7所示 。
图7. 308nm准分子激光器的动态气体寿命和输出能量稳定性的演变。
为了可靠，对大功率工业准分子激光器来讲，高压气体放电是唯一合适的激发技术。在过去二十年中实现的脉冲到脉冲稳定性以及激光输出功率的改进是激光放电预电离，放电电路设计以及激光气体冷却，通风和净化的技术进步的组合结果。
产生和控制均匀气体放电的技术对于高功率准分子激光器的性能是至关重要的。直到1998年，preionization引脚才产生电火花在主放电前10ns。火花产生UV辐射，其足以在电极之间预激化激光气体，其中初始密度为约108电子密耳-3。此后，引入了滑动放电预电离。这优于常规预电离方案，因为它们拥有产生具有高得多的空间均匀性的相同电子密度水平的能力。该效果是来自相同激光管的脉冲到脉冲稳定性提高了2倍和输出功率增加了20%。由于短波长光子跃迁的线宽相当大，所以用于准分子激光器中的粒子数反转的阈值很高。激发的活性物质的浓度一般为1015cm-3。这些只能通过在由大功率放电脉冲实现的约10 -8 s的短时间间隔内提供的约10 -2 Jcm-3的非常高的泵浦能量密度获得。放电电路的设计和气体放电的动态行为要匹配，其中电阻随时间快速改变。放电由高压开关控制和触发。该开关必须在放电周期（峰值电压高达50 kV，峰值电流约100 kA，电流上升时间约30 ns）内承受高电压和电流。
在第一 代准分子激光器中，火花隙被用作触发开关。火花隙迅速地被闸流管取代，由于它们具有更好的可靠性和寿命特性。闸流管充满了通过加热氢 - 金属储器（钯）提供的H 2。氢气压力决定了管子的保持电压。在非导通状态下，电极之间的栅极存在负偏压，以便保持靠近阴极的加热器释放的自由电子。通过施加正触发脉冲，电子可以通过两电极之间的间隙，闸流管切换到导电模式。经改进后设计的闸流管附带有栅格，这有助于获得更高的保持电压，更可靠的均匀的触发放电。因此，更高可实现的正向电流较大的阴极，使得闸流管不易受反向电流较影响。压缩放电电流的电磁感应开关的引入使得闸流管的操作不会受其上升时间的限制。
后来，闸流管被多级压缩技术和诸如IBGTs的固态开关替代。固态开关技术的主要物理优点是它能回收由于阻抗失配损耗能量。这一优点防止了能量传递给激光电极后又返回，否则将导致差的放电状况和过度的电极磨损。因此，大功率激光器中固态开关的引入对于改善激光束的均匀性和脉冲到脉冲稳定性特别有效。
开始引入了高效的直流谐振充电电源，后来是具有低于0.2％电压重复性约90％整体效率的高度可重现的开关模式电源，这提高了光纤效率和输出稳定性。因此，高功率准分子激光器的转换效率增加到4％。
在准分子激光器中，多余的放电能量必须以热量的形式有效地排放出去。内部的风扇会使气体循环流动，通过气体过滤器和热交换器获得高流量，以便在放电腔中保持活性介质不断更新。在大多数闭环或开环系统设计中，使用水作为冷却介质的热交换器都需要足够的接触面积以保持良好的温度稳定性，特别是在高脉冲重复率下。即使激光气体通过特殊的气体过滤器连续清洁，活性介质的寿命也会受到限制，因为激光气体和管材料或电极之间会不可避免的发生化学反应导致固体和气体杂质。大多数固体反应产物可以通过静电除尘器除去，而气态金属卤化物杂质可以通过低温静态气体提纯器除去。一些净化的气体用于冲洗激光管的端口，以防止杂质的沉积。
另一种提高气体寿命的措施是当激光输出功率减小时向激光气体混合物中添加额外的卤素气体。
近年来，管电极材料的进步和能提供气体流优化的风扇的出现使得其可以提供高达50ms-1的气体循环速度和相应的静电除尘器，这使得稳定的大功率管操作时间超过60~100亿次脉冲。
3.2脉冲能量的利用
基于分裂和扫描的激光束的复杂光束传送结构使得能够形成多个平行的羽流。在目标上的每个照明斑尺寸受到所需的准分子激光影响的前提下，每单位时间的沉积体积分别随所产生的平行子束和材料羽流的数量而变化。事实上，多缕沉积通常用于涂层导体制造[9]。大功率准分子激光器提供足够的输出能量，以便分布在6个或更多的激光光斑上，典型的采用约1cm -1的脉冲。图8给出了308nm准分子激光器以1J脉冲能量稳定在500Hz脉冲频率运行条件下，在超过41h或75000000激光脉冲的时间段内的运行寿命。
图8. 单次充气超过41小时的1J脉冲下的稳定能量。
图9. 每两次充气间隙内脉间计数稳定性和重复率
为了使工业PLD处理不仅快速，而且实现高生
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[138740]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
