中科院成功研發(fā)全固態(tài)DUV光源技術(shù)！

3月24日消息，中國科學(xué)院（CAS）研究人員成功研發(fā)突破性的固態(tài)深紫外（DUV）激光，能發(fā)射 193 納米的相干光（Coherent Light），與當前被廣泛采用的DUV曝光技術(shù)的光源波長(cháng)一致。相關(guān)論壇已經(jīng)于本月初被披露在了國際光電工程學(xué)會(huì )（SPIE）的官網(wǎng)上。

目前，全球主要的DUV光刻機制造商如ASML、Canon和Nikon，均采用氟化氬（ArF）準分子激光技術(shù)。

這種技術(shù)通過(guò)氬（Ar）和氟（F）氣體混合物在高壓電場(chǎng)下生成不穩定分子，釋放出193納米波長(cháng)的光子。這些光子以短脈沖、高能量形式發(fā)射，輸出功率可達100 W~120 W，頻率在8 kHz~9 kHz之間，最終通過(guò)光學(xué)系統調整后用于光刻設備。

相比之下，中科院的固態(tài)DUV激光技術(shù)完全基于固態(tài)設計，有望大幅縮小系統設計復雜度和體積，并且減少對于稀有氣體的需求，并降低能耗。

其核心由自制的Yb:YAG晶體放大器生成1,030納米激光，并通過(guò)兩條不同的光學(xué)路徑進(jìn)行波長(cháng)轉換。

一種路徑采用四次諧波轉換（FHG），將1,030納米激光轉換為258納米，輸出功率為1.2 W；另一種路徑利用光學(xué)參數放大（OPA）技術(shù)，將1,030納米轉換為1,553納米，輸出功率為700 mW。

最終，這兩束激光（258納米和1,553納米）通過(guò)串級硼酸鋰（LBO）晶體混合，生成193納米波長(cháng)的激光光束。

其平均功率為70 mW，頻率為6 kHz，線(xiàn)寬低于880 MHz，導致半峰全寬 （FWHM） 小于 0.11 pm，光譜純度與現有商用準分子激光系統相當。這是使用浸沒(méi)式光刻機在 7nm 硅上產(chǎn)生特征尺寸的關(guān)鍵，并且可以用于低至 3nm 的工藝節點(diǎn)。

為了探索新的應用，中科院團隊還在 1553 nm 激光器的光路中引入了螺旋相位板 （SPP），將其高斯模式轉換為拓撲電荷為 1 的帶有軌道角動(dòng)量 （OAM） 的渦旋光束。然后將該渦旋光束用作頻率轉換的泵浦源，成功地將 OAM 轉移到 221 nm 和 193 nm 激光器。結果，獲得了 193 nm 處的渦旋光束，拓撲電荷為 2。

據稱(chēng)，這是第一個(gè)使用 OPA 和級聯(lián) LBO 晶體的緊湊型 193 nm 激光發(fā)生系統，也是固態(tài)激光器在 193 nm 處產(chǎn)生渦旋光束的首次演示。這種創(chuàng )新配置為固態(tài)激光技術(shù)的應用開(kāi)辟了新的可能性。

盡管中科院的技術(shù)在光譜純度上已接近商用標準，但其輸出功率和頻率仍遠低于現有技術(shù)。例如，ASML的ArF準分子激光技術(shù)輸出功率可達100 W以上，頻率超過(guò)9 kHz，而中科院的固態(tài)DUV激光僅分別達到70 mW和6 kHz，尚無(wú)法滿(mǎn)足高產(chǎn)能晶圓制造需求。不過(guò)，后續該技術(shù)有望進(jìn)一步迭代，以滿(mǎn)足實(shí)際商用需求。

論文地址：https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics-nexus/volume-4/issue-02/026011/Compact-narrow-linewidth-solid-state-193-nm-pulsed-laser-source/10.1117/1.APN.4.2.026011.full