3月24日消息，中國科學院（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曝光技術的光源波長一致。相關論壇已經(jīng)于本月初被披露在了國際光電工程學會（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。

這種技術通過氬（Ar）和氟（F）氣體混合物在高壓電場下生成不穩(wěn)定分子，釋放出193納米波長的光子。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，最終通過光學系統(tǒng)調(diào)整后用于光刻設備。

相比之下，中科院的固態(tài)DUV激光技術完全基于固態(tài)設計，有望大幅縮小系統(tǒng)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，并通過兩條不同的光學路徑進行波長轉(zhuǎn)換。一種路徑采用四次諧波轉(zhuǎn)換（FHG），將1,030納米激光轉(zhuǎn)換為258納米，輸出功率為1.2 W；另一種路徑利用光學參數(shù)放大（OPA）技術，將1,030納米轉(zhuǎn)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）通過串級硼酸鋰（LBO）晶體混合，生成193納米波長的激光光束。其平均功率為70 mW，頻率為6 kHz，線寬低于880 MHz，導致半峰全寬 （FWHM） 小于 0.11 pm，光譜純度與現(xiàn)有商用準分子激光系統(tǒng)相當。這是使用浸沒式光刻機在 7nm 硅上產(chǎn)生特征尺寸的關鍵，并且可以用于低至 3nm 的工藝節(jié)點。

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(zhuǎn)換為拓撲電荷為 1 的帶有軌道角動量 （OAM） 的渦旋光束。然后將該渦旋光束用作頻率轉(zhuǎn)換的泵浦源，成功地將 OAM 轉(zhuǎn)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(jù)稱，這是第一個使用 OPA 和級聯(lián) LBO 晶體的緊湊型 193 nm 激光發(fā)生系統(tǒng)，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)激光技術的應用開辟了新的可能性。

盡管中科院的技術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(xiàn)有技術。例如，ASML的ArF準分子激光技術輸出功率可達100 W以上，頻率超過9 kHz，而中科院的固態(tài)DUV激光僅分別達到70 mW和6 kHz，尚無法滿足高產(chǎn)能晶圓制造需求。不過，后續(xù)該技術有望進一步迭代，以滿足實際商用需求。