中國科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)近日在《國際光電工程學(xué)會(huì)》期刊公布了全固態(tài)深紫外(DUV)激光光源研究成果。這項(xiàng)技術(shù)通過創(chuàng)新性的固態(tài)激光方案，成功輸出193nm波長(zhǎng)的相干光，理論上可支撐半導(dǎo)體制造工藝延伸至3nm節(jié)點(diǎn)，為我國光刻技術(shù)自主化開辟了新路徑。
值得注意的是，當(dāng)前全球光刻巨頭ASML、尼康、佳能使用的DUV光刻系統(tǒng)，均依賴氟化氙準(zhǔn)分子激光技術(shù)。這類氣體激光器需要持續(xù)注入氬氟混合氣體，在高壓電場(chǎng)中生成193nm波長(zhǎng)光子，其系統(tǒng)復(fù)雜程度高且能耗較大。相比之下，中科院自主研發(fā)的固態(tài)方案采用Yb:YAG晶體放大器作為核心光源，通過分光-變頻-合成的技術(shù)路線，在完全固態(tài)結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了同波長(zhǎng)激光輸出。
科研人員將1030nm基頻激光分兩路處理：其中一束通過四次諧波轉(zhuǎn)換生成258nm激光，另一束經(jīng)光學(xué)參數(shù)放大后形成1553nm激光。這兩束激光在串級(jí)硼酸鋰晶體中混合后，最終產(chǎn)出的193nm激光線寬已控制在0.11pm以內(nèi)，光譜純度達(dá)到商用準(zhǔn)分子激光器標(biāo)準(zhǔn)。盡管目前70mW的平均功率和6kHz頻率尚不及傳統(tǒng)方案的1%，但固態(tài)設(shè)計(jì)的先天優(yōu)勢(shì)已初現(xiàn)端倪。
并且該技術(shù)擺脫了對(duì)稀有氣體的依賴，理論上可使光刻系統(tǒng)體積縮小30%以上。若后續(xù)能在功率密度和頻率穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)突破，或?qū)⒏淖儸F(xiàn)有DUV光刻設(shè)備的技術(shù)格局。不過正如論文中坦承的，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)與工業(yè)級(jí)應(yīng)用仍存在量級(jí)差距，需要材料科學(xué)和精密制造領(lǐng)域的協(xié)同攻關(guān)。
這項(xiàng)研究正值全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈加速重構(gòu)之際。盡管距離實(shí)際應(yīng)用尚有距離，但固態(tài)DUV光源的突破無疑為國產(chǎn)光刻技術(shù)提供了更多可能性選擇。在光刻機(jī)核心部件長(zhǎng)期受制于人的背景下，這種底層技術(shù)的原始創(chuàng)新顯得尤為重要。
