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(dāng)前被廣泛采用的DUV曝光技術(shù)的光源波長一致。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(jī)制造商如ASML、Canon和Nikon，均采用氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光技術(shù)。

這種技術(shù)通過氬（Ar）和氟（F）氣體混合物在高壓電場(chǎng)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(dá)100 W~120 W，頻率在8 kHz~9 kHz之間，最終通過光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整后用于光刻設(shè)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(shè)計(jì)，有望大幅縮小系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和體積，并且減少對(duì)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(xué)路徑進(jìn)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(xué)參數(shù)放大（OPA）技術(shù)，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(jí)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(dǎo)致半峰全寬 （FWHM） 小于 0.11 pm，光譜純度與現(xiàn)有商用準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)相當(dāng)。這是使用浸沒式光刻機(jī)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(jié)點(diǎn)。

為了探索新的應(yīng)用，中科院團(tuán)隊(duì)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?fù)潆姾蔀?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(zhuǎn)換的泵浦源，成功地將 OAM 轉(zhuǎn)移到 221 nm 和 193 nm 激光器。結(jié)果，獲得了 193 nm 處的渦旋光束，拓?fù)潆姾蔀?2。

據(jù)稱，這是第一個(gè)使用 OPA 和級(jí)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(shù)的應(yīng)用開辟了新的可能性。

盡管中科院的技術(shù)在光譜純度上已接近商用標(biāo)準(zhǔn)，但其輸出功率和頻率仍遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)。例如，ASML的ArF準(zhǔn)分子激光技術(shù)輸出功率可達(dá)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(dá)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(shù)有望進(jìn)一步迭代，以滿足實(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