封面展示了基于高次諧波（HHG）技術(shù)的13.5 nm極紫外光源及其在芯片缺陷檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)緊聚焦飛秒激光脈沖在稀有氣體靶中激發(fā)產(chǎn)生的高次諧波，可獲得低成本、小型化的相干極紫外（EUV）和軟X射線激光光源。得益于極寬的光譜范圍和飛秒至阿秒級(jí)的脈沖寬度，HHG光源可用于納米級(jí)空間尺度和阿秒級(jí)時(shí)間尺度上的各類(lèi)原子、分子與材料的超快動(dòng)力學(xué)研究。

一、研究背景

微觀尺度超快動(dòng)力學(xué)研究需要短波長(zhǎng)、短脈沖和高相干度的激光光源，這正是高次諧波（HHG）光源的優(yōu)勢(shì)。此外，許多重要元素（如Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Al 和Si）在10~20 nm光譜范圍內(nèi)都具有很強(qiáng)的特征吸收邊，因此該光譜范圍的光源也成為研究納米材料、半導(dǎo)體材料和量子器件的重要工具。隨著極紫外（EUV）光刻機(jī)技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)和推廣，該光譜范圍中的13.5 nm 光源在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為重要。目前，用于極紫外光刻的13.5 nm光源主要以放電或者激光等離子體產(chǎn)生的大發(fā)散角度非相干光源為主。然而，此類(lèi)光源存在等離子污染問(wèn)題，會(huì)影響光學(xué)器件的耐久性和穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。而同步輻射和自由電子激光產(chǎn)生的13.5 nm光源成本高、獲取困難，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

為進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)13.5 nm 極紫外光源的相關(guān)研究與應(yīng)用，本研究基于高次諧波技術(shù)在10~20 nm 光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生了較高功率和相干度的 EUV 激光，推動(dòng)了小型化相干13.5 nm光源的工程化落地。

二、創(chuàng)新研究

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院極紫外課題組使用鈦寶石激光器作為驅(qū)動(dòng)光源，基于充氣空芯光波導(dǎo)開(kāi)發(fā)了10~40 nm 的高穩(wěn)定度高次諧波激光光源，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。所使用的鈦寶石光源產(chǎn)生中心波長(zhǎng)800 nm、單脈沖能量最高3 mJ、脈沖寬度為30 fs、重復(fù)頻率為3 kHz的飛秒激光。將此驅(qū)動(dòng)光源聚焦耦合進(jìn)填充稀有氣體的空芯光波導(dǎo)中，獲得極紫外高次諧波。用一對(duì)用于掠入射條件下的條形反射鏡衰減近紅外驅(qū)動(dòng)激光，并使用金屬膜隔離殘余的驅(qū)動(dòng)激光，獲得純凈的極紫外激光。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（a）鈦寶石光源系統(tǒng)；（b）光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)；（c）EUV 發(fā)生及過(guò)濾系統(tǒng)；（d）EUV 光源檢測(cè)及光譜儀系統(tǒng)

課題組使用氦氣作為反應(yīng)氣體，在光源產(chǎn)生處10~20 nm 光譜范圍總平均功率達(dá)到1.9 μW。當(dāng)使用氬氣作為反應(yīng)氣體，在光源產(chǎn)生處17~35 nm 的光譜范圍獲得了120 μW 的總平均功率。該系統(tǒng)使用了光束指向穩(wěn)定裝置并進(jìn)行了工程化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)12個(gè)小時(shí)的極紫外諧波輸出平均功率波動(dòng)小于4.3％的高穩(wěn)定性，達(dá)到了先進(jìn)水平。

該光源系統(tǒng)使用雙光學(xué)器件、無(wú)像差、平面光譜儀進(jìn)行光譜分析，測(cè)量了不同金屬過(guò)濾膜后的諧波光譜，并成功在13.5 nm波長(zhǎng)附近獲得了高的衍射效率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的成像模式，結(jié)合單色儀模塊的使用可獲得低像差的單個(gè)13.5 nm諧波源。

三、總結(jié)與展望

該系統(tǒng)具有低成本、小型化的優(yōu)勢(shì)，能夠承擔(dān)部分同步輻射和自由電子激光器等大型先進(jìn)光源的工作，有望在納米或量子材料研發(fā)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用推廣。利用高次諧波源的高空間分辨率優(yōu)勢(shì)，結(jié)合相干衍射成像技術(shù)，拓展到微納領(lǐng)域快速成像，也可為生物醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓缺陷檢測(cè)提供新的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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