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(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(shù)。
這種技術(shù)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(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,有望大幅縮小系統(tǒng)設(shè)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(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(guān)鍵,并且可以用于低至 3nm 的工藝節(jié)點。
為了探索新的應(yīng)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(jié)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(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準,但其輸出功率和頻率仍遠低于現(xiàn)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(shù)有望進一步迭代,以滿足實際商用需求。