中國科學家開發突破性固態 DUV 雷射光源，可應用半導體製造設備

國際光電工程學會（SPIE）報導，中國科學院（CAS）研究人員成功研發突破性的固態深紫外（DUV）雷射，能發射 193 奈米的相干光（Coherent Light），該波長目前被用於半導體曝光技術。而這項技術已在中國實驗室實現。

如果光源技術能夠擴展，此裝置就可以用來製造曝光設備，但至於固態雷射是否能成功擴展應用，仍存在未知數。

以傳統技術來看，ASML、Canon 和 Nikon 的 DUV 曝光機利用氟化氬（ArF）準分子雷射產生 193 奈米光源。雷射腔內包含氬氣與氟的混合物，以及氖氣作為緩衝氣體。當施加高壓電脈衝時，氬原子與氟原子被激發，短暫形成不穩定分子 ArF（或準分子），此分子迅速返回基態，釋放出波長為 193 奈米的光子。

由於雷射以短而高能量的脈衝方式發射這些光子，輸出功率高達 100W~120W、頻率在 8~9kHz，然後這束 193 奈米光束透過光學系統進行整形、引導與穩定後，當光線進入曝光掃描機時，會透過光罩（photomask）將晶片電路圖案曝光至晶圓上。

中國科學院開發的測試裝置採用全固態方法產生 193 奈米的光，完全避免使用氣體的準分子雷射。它先使用自製的 Yb:YAG 晶體放大器，產生 1,030 奈米的雷射光束，隨後該光束被分成兩條光路，每條光路都經過不同的光學製程，以產生 193 奈米所需的元件。

在第一條路徑中，1,030 奈米光束透過四倍頻產生（FHG，Fourth-Harmonic Generation）轉換成 258 奈米的光束。「四倍頻產生」是種非線性光學製程，可將雷射光束轉換成原始波長的四分之一。

第二條路徑，1,030 奈米光束的另一半被用於泵浦光學參數放大器，產生功率為 700mW 的 1,553 奈米光束。

這兩個光束（258 奈米和 1,553 奈米）之後在串聯的三硼酸鋰（LBO）晶體中結合，產生波長為 193 奈米的相干光，平均功率為 70mW，工作頻率為 6kHz。中國科學院表示，測試系統的線寬窄於 880MHz，其光譜純度性能可媲美目前使用的商用系統。

中國科學院系統使用全固態雷射產生 193 奈米的光，具備 70mW 的平均功率和 6kHz 的運作頻率，並實現小於 880MHz 的窄線寬。然而，這一測試系統的輸出功率相比 ASML ArF 準分子雷射系統仍存在數個數量級的差距，後者可提供 100W~120W 功率，且運作頻率達 9kHz。

雖然中國科學院的初步技術展示了可行性，但目前的低功率輸出使其無法滿足商業化半導體製造的需求，因為晶片生產高度依賴高通量與穩定的製程，因此若要使這項技術成為可行的微影光源，可能還需經歷多代技術開發與提升。

（首圖來源：ASML）