3月24日消息，中國科學院（CAS）研究人員成功研發突破性的固態深紫外（DUV）鐳射，能發射 193 納米的相幹光（Coherent Light），與當前被廣泛採用的DUV曝光技術的光源波長一致。相關論壇已經於本月初被披露在了國際光電工程學會（SPIE）的官網上。

目前，全球主要的DUV光刻機製造商如ASML、Canon和Nikon，均採用氟化氬（ArF）準分子激光技術。這種技術通過氬（Ar）和氟（F）氣體混合物在高壓電場下生成不穩定分子，釋放出193納米波長的光子。這些光子以短脈衝、高能量形式發射，輸出功率可達100 W~120 W，頻率在8 kHz~9 kHz之間，最終通過光學系統調整后用於光刻設備。

相比之下，中科院的固態DUV激光技術完全基於固態設計，有望大幅縮小系統設計複雜度和體積，並且減少對於稀有氣體的需求，並降低能耗。其核心由自製的Yb:YAG晶體放大器生成1,030納米鐳射，並通過兩條不同的光學路徑進行波長轉換。一種路徑採用四次諧波轉換（FHG），將1,030納米激光轉換為258納米，輸出功率為1.2 W；另一種路徑利用光學參數放大（OPA）技術，將1,030納米轉換為1,553納米，輸出功率為700 mW。

最終，這兩束鐳射（258納米和1,553納米）通過串級硼酸鋰（LBO）晶體混合，生成193納米波長的雷射光束。其平均功率為70 mW，頻率為6 kHz，線寬低於880 MHz，導致半峰全寬 （FWHM） 小於 0.11 pm，光譜純度與現有商用準分子激光系統相當。這是使用浸沒式光刻機在 7nm 矽上產生特徵尺寸的關鍵，並且可以用於低至 3nm 的工藝節點。

為了探索新的應用，中科院團隊還在 1553 nm 雷射器的光路中引入了螺旋相位板 （SPP），將其高斯模式轉換為拓撲電荷為 1 的帶有軌道角動量 （OAM） 的渦旋光束。然後將該渦旋光束用作頻率轉換的泵浦源，成功地將 OAM 轉移到 221 nm 和 193 nm 雷射器。結果，獲得了 193 nm 處的渦旋光束，拓撲電荷為 2。據稱，這是第一個使用 OPA 和級聯 LBO 晶體的緊湊型 193 nm 激光發生系統，也是固態雷射器在 193 nm 處產生渦旋光束的首次演示。這種創新配置為固態鐳射技術的應用開闢了新的可能性。

儘管中科院的技術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於現有技術。例如，ASML的ArF準分子激光技術輸出功率可達100 W以上，頻率超過9 kHz，而中科院的固態DUV鐳射僅分別達到70 mW和6 kHz，尚無法滿足高產能晶圓製造需求。不過，後續該技術有望進一步反覆運算，以滿足實際商用需求。

編輯：芯智訊-浪客劍

論文位址：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