据国际光电工程学会报道,中国科学院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),该波长目前被用于半导体曝光技术。
据报道而这项技术已在中国实验室中实现。如果光源技术能够扩展,此装置就可以用来制造曝光设备,但至于固态激光是否能成功扩展应用,仍存在未知数。
以传统技术来看,ASML、Canon和Nikon的DUV光刻机利用氟化氩(ArF)准分子激光产生193nm光源。激光腔内包含氩气与氟的混合物,以及氖气作为缓冲气体。当施加高压电脉冲时,氩原子与氟原子被激发,短暂形成不稳定分子ArF(或准分子),此分子迅速返回基态,释放出波长为193纳米的光子。由于激光以短而高能量的脉冲方式发射这些光子,输出功率高达 100W-120W、频率在 8~9 kHz,然后这束 193 纳米光束透过光学系统进行整形、引导与稳定后,当光线进入曝光扫描机时,会透过光罩(photomask)将芯片电路图案曝光至晶圆上。
中国科学院开发的测试装置采用全固态方法产生193nm的光,完全避免使用气体的准分子激光。它先使用自制的Yb:YAG晶体放大器,产生1,030纳米的激光光束,随后该光束被分成两条光路,每条光路都经过不同的光学制程,以产生193纳米所需的组件。
在第一条路径中,1,030纳米光束透过四倍频产生(FHG,Fourth-Harmonic Generation)转换成258纳米的光束。「四倍频生成」是种非线性光学制程,可将激光光束转换成原始波长的四分之一。在第二条路径中,1,030纳米光束的另一半被用于泵浦光学参数放大器,产生功率为700 mW的1,553纳米光束。这两个光束(258纳米和1,553纳米)之后在串联的三硼酸锂(LBO)晶体中结合,产生波长为193纳米的相干光,平均功率为70 mW,工作频率为6 kHz。中国科学院表示,测试系统的线宽窄于880 MHz,其光谱纯度性能可媲美目前使用的商用系统。
中国科学院系统使用全固态激光产生193nm的光,具备70 mW的平均功率和6 kHz的运作频率,并实现小于880 MHz的窄线宽。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。虽然中国科学院的初步技术展示了可行性,但目前的低功率输出使其还无法满足商业化半导体制造的需求,因为芯片生产高度依赖高通量与稳定的制程,因此若要使这项技术成为可行的微影光源,可能还需经历多代技术开发与提升。