高功率激光产生等离子体光源中反射聚焦系统的对准方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Alignment method for reflective focusing systems in high-power laser-generated plasma light sources

提出一种12kW激光生成等离子体光源系统，采用低F数反射聚焦抑制等离子体伸长，并通过金属球标准化光斑图像实现封装腔内精确对准。实验证明该方法在多次拆装后仍保持稳定，输出功率波动小于0.4%，为高功率LGP系统提供可靠对准方案。

　　

马宇军|张学世|王叶生|李福生|韩秋仪|张善端

复旦大学智能机器人与先进制造学院，上海，200438，中国

摘要

激光生成等离子体（LGP）光源对于现代半导体晶圆缺陷的高分辨率明场检测至关重要。本文介绍了一种12千瓦的LGP系统，该系统采用低F数的反射聚焦技术来抑制等离子体的延伸。所有光学元件都安装在一个密封腔室内，以确保操作安全。本文提出了一种新的对准方法，可以在密封腔室内实现精确的光学对准。该方法利用金属球来规范光斑图像，并通过图像处理计算组件偏移量。通过对原理的分析和光线追踪模拟验证，理论对准精度可达0.01毫米。实验结果表明该方法的稳定性：在多次拆卸-重组循环中，重新对准始终能在30次迭代内完成。此外，定量研究显示，随着光轴偏移量的增加，输出功率明显下降。在泵浦激光功率为6.0千瓦的情况下，该系统的平均输出功率为315.8瓦，重复循环中的变化小于0.4%。这项工作提供了一种可靠且不受操作员影响的对准方案，以确保高功率LGP光源的最佳性能。

引言

激光生成等离子体（LGP）光源由于具有高辐射度、宽光谱带、长寿命和稳定的连续输出等优异特性，在现代半导体晶圆缺陷检测中具有显著价值[1]。这项技术最初由Raizer [2] 和Generakov等人[3] 在1970年实现，也被称为连续光学放电（COD）[3]、激光维持等离子体（LSP）[4]或激光产生等离子体（LPP）[5]。其原理通常涉及在高压气体放电灯内通过火花放电[6]或脉冲激光[7]生成初始等离子体。随后，使用聚焦的连续激光来生成并维持这种等离子体，形成中心温度超过10^4 K且等离子体尺寸为数百微米的稳定等离子体[8]。为了满足先进芯片检测的严格辐射度要求[9]，核心挑战在于同时提高辐射强度并减小等离子体体积。

辐射强度可以通过两种主要方法提高：增加激光功率和增强吸收系数。对于近红外（NIR）激光器（由于其在约1.0微米波长处的高效率而成为主流研究选择[10,11]），吸收涉及逆轫致辐射和束缚-束缚电子跃迁[12,13]。尽管提高气体压力可以增强吸收系数[14]，但石英灯管的压力耐受性限制了通过这种方法实现显著改进[15]。因此，增加激光功率成为更可行的策略。Szymanski [16] 和Hu等人[17] 的研究证实，更高的激光功率可以有效提升等离子体辐射强度。然而，这种方法的主要副作用是等离子体长度的延伸和体积的扩大，这在一定程度上抵消了辐射度的增加。

为了解决等离子体体积的问题，研究人员优化了光束聚焦技术以控制等离子体形态。例如，KLA-Tencor开发了一种名为“Sirius”的灯组，它使用椭圆形反射器来聚焦激光束，从而减小了等离子体体积[18]。进一步的研究表明，光束聚焦参数F数（定义为焦距与光束直径的比值）显著影响等离子体的形状和稳定性，较低的F数有助于压缩等离子体体积[19,20]。最近，Yu领导的团队证明，由椭球形反射器聚焦的环形光束可以实现更低的F数，从而有效限制等离子体尺寸的扩大[21,22]。

另一种技术是多激光泵浦等离子体配置。Zimakov等人证明，将连续波激光和脉冲激光以交叉光束排列组合使用，可以协同提高等离子体的稳定性和能量吸收，从而增强光谱辐射[23]。Yu等人设计了一种正交双光束布局，可以压缩等离子体体积，提高紫外辐射度，并提高能量转换效率[24]。Zhang等人进一步通过双波长泵浦策略揭示了光谱领域的协同效应：近红外（NIR）激光维持较大的等离子体体积，而可见光激光则精确作用于核心区域，提高其温度和辐射强度[25]。

尽管这些方法有益，但多激光方法显著增加了系统的复杂性。多个光学路径和额外组件的集成导致反射界面的数量增加，从而产生不可忽视的激光功率损失，并在高功率操作下带来显著的热管理挑战。因此，将高功率激光与低F数光学系统结合使用，为实现高辐射度激光生成等离子体（LGP）光源提供了有前景的替代方案。然而，这种高功率系统的实际实施面临一个关键瓶颈：需要在封闭的安全腔室内进行极其精确的光学对准。目前，LGP光源的对准严重依赖于操作员的技能，使得这一过程效率低下且无法量化，从而影响了性能的一致性。

为了解决这一难题，本文介绍了采用反射聚焦的高功率环形光束LGP光源的开发，并提出了一种新的定量对准方法以及专用的对准工具。该方法将对准过程分为三个连续步骤，每个步骤都通过实时图像处理获得的定量反馈进行指导。仿真结果证实了光轴偏移量与图像处理结果之间的线性关系。实验进一步证明，该方法在不同初始条件下始终能够实现对准。这些结果验证了该方法在消除操作员依赖性和确保封闭腔室内光轴对准方面的有效性。

部分摘录

高功率LGP光源装置

图1示意性地展示了由椭圆形反射器聚焦的高功率LGP光源，核心组件包括灯壳、氙气灯和1080纳米波长的12千瓦光纤激光器，用于生成等离子体，该激光器与650纳米波长的1毫瓦指示激光器同轴。

灯壳由两部分组成，上部是镜室，下部是椭圆形反射器。镜室包含一个平面镜，

对准工具

封闭腔室对于高功率激光系统的安全是必要的，但它阻碍了对激光指示光束的直接观察，从而影响系统的完整对准。

为了实现高精度系统对准，我们构建了图2所示的对准系统。基于图1中的高功率LGP光源，该系统增加了一个定位金属球和一个集成对准单元。

金属球由不锈钢材料制成，表面经过抛光处理，半径为

光学仿真

为了评估每个对准步骤（S1、S2和S3）的图像处理方法的性能，通过ZEMAX仿真生成了每步500个样本的独立测试集。这些样本是通过在指定范围内引入随机相对偏移量（S1为±3.0毫米，S2为±0.5毫米，S3为±2.0毫米）并进行非顺序光线追踪创建的。仿真将激光和LED建模为径向光源，其他参数配置为与之紧密匹配

结论

本文提出了一种包含椭圆形反射器的高功率环形光束激光生成等离子体（LGP）光源的全面解决方案，并提出了一种新的对准方法，以克服封闭高功率激光操作环境中的光学对准挑战。所提出的方法将复杂的对准过程简化为一系列可管理的步骤，这些步骤由图像处理中的定量反馈指导。理论分析和数值模拟都证明了

资助

本研究得到了上海市经济和信息化委员会的支持，项目编号为650YJ-2025–1–05。

披露

作者声明没有利益冲突。

作者声明

我们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

CRediT作者贡献声明

马宇军：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。张学世：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件、方法论、调查。王叶生：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法论、调查。李福生：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。韩秋仪：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。