中科院全固态DUV光源技术突破！

芯极速 2025-03-25 12:04 442浏览 0评论 0点赞

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据国际光电工程学会（SPIE）报道，中国科学院（CAS）研究人员成功研发突破性的固态深紫外（DUV）激光，能发射193纳米的相干光（Coherent Light），与当前被广泛采用的DUV曝光技术的光源波长一致。

相关论坛已经于本月初被披露在了国际光电工程学会（SPIE）的官网上。

论文地址：

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

中国中科院开发固态深紫外光雷射，未来或可应用于半导体先进制程的曝光机设备。法新社

图源：法新社

据Tom's Hardware引述国际光学与光子学会（SPIE）报告指出，上述固态DUV技术可应用于半导体先进制程的曝光机设备，挑战目前以气态准分子雷射为主的曝光技术。

以传统技术来看，全球主要的DUV光刻机制造商如ASML、Canon和Nikon，均采用氟化氩（ArF）准分子激光技术产生193nm光源。这种技术通过氩（Ar）和氟（F）气体混合物在高压电场下生成不稳定分子ArF（或准分子），释放出193纳米波长的光子。这些光子以短脉冲、高能量形式发射，输出功率可达100 W~120 W，频率在8 kHz~9 kHz之间，最终通过光学系统调整后用于光刻设备。

图源：Advanced Photonics Nexus

相比之下，中科院的固态DUV激光技术完全基于固态设计，由其核心由自制的Yb:YAG晶体放大器生成1,030纳米激光，并通过两条不同的光学路径进行波长转换。一种路径采用四次谐波转换（FHG），将1,030纳米激光转换为258纳米，输出功率为1.2 W；另一种路径利用光学参数放大（OPA）技术，将1,030纳米转换为1,553纳米，输出功率为700 mW。

图源：Advanced Photonics Nexus

最终，这两束激光（258纳米和1,553纳米）通过串级硼酸锂（LBO）晶体混合，生成193纳米波长的激光光束。其平均功率为70 mW，频率为6 kHz，线宽低于880 MHz，光谱纯度与现有商用准分子激光系统相当。

然而，这一测试系统的输出功率相比ASML ArF准分子激光系统仍存在数个数量级的差距，后者可提供100~120W的功率，且运作频率达9 kHz。反观中国中科院的固态DUV则分别仅70 mW、6 kHz，仍无法满足高产能晶圆制造的需求。

这项技术仍处于早期研究阶段，能否实现商用仍待进一步验证。

尽管如此，新技术仍突破传统准分子雷射的限制，若能进一步提升功率并解决稳定性问题，有来可望为半导体制程提供新的曝光光源选择。分析认为，这项技术的发展将取决于未来几代的研发与工程突破。

为了探索新的应用，中科院团队还在1553 nm激光器的光路中引入了螺旋相位板（SPP），将其高斯模式转换为拓扑电荷为1的带有轨道角动量（OAM）的涡旋光束。然后将该涡旋光束用作频率转换的泵浦源，成功地将OAM转移到221 nm和193 nm激光器。结果，获得了193 nm处的涡旋光束，拓扑电荷为2。据称，这是第一个使用OPA和级联LBO晶体的紧凑型193 nm激光发生系统，也是固态激光器在193 nm处产生涡旋光束的首次演示。这种创新配置为固态激光技术的应用开辟了新的可能性。