《電子技術(shù)應(yīng)用》
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中國(guó)科學(xué)院成功研發(fā)全固態(tài)DUV光源技術(shù)

2025-03-25
來(lái)源:芯智訊

3月24日消息,中國(guó)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(zhǎng)一致。相關(guān)論壇已經(jīng)于本月初被披露在了國(guó)際光電工程學(xué)會(huì)(SPIE)的官網(wǎng)上。

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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(guò)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(zhǎng)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整后用于光刻設(shè)備。

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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(guò)兩條不同的光學(xué)路徑進(jìn)行波長(zhǎng)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。

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最終,這兩束激光(258納米和1,553納米)通過(guò)串級(jí)硼酸鋰(LBO)晶體混合,生成193納米波長(zhǎng)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(méi)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(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(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(guò)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(wú)法滿足高產(chǎn)能晶圓制造需求。不過(guò),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。


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