3月24日消息，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。
目前，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。
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，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。
相比之下，中科院的固态DUV激光技术完全基于固态设计，有望大幅缩小系统设计复杂度和体积，并且减少对于稀有气体的需求，并降低能耗。
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。
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，导致半峰全宽 （FWHM） 小于 0.11 pm，光谱纯度与现有商用准分子激光系统相当。这是使用浸没式光刻机在 7nm 硅上产生特征尺寸的关键，并且可以用于低至 3nm 的工艺节点。
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。
尽管中科院的技术在光谱纯度上已接近商用标准，但其输出功率和频率仍远低于现有技术。例如，ASML的ArF准分子激光技术输出功率可达100 W以上，频率超过9 kHz，而中科院的固态DUV激光仅分别达到70 mW和6 kHz，尚无法满足高产能晶圆制造需求。不过，后续该技术有望进一步迭代，以满足实际商用需求。
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
