中国科学家取得重大突破，成功研发出新型固态深紫外 (DUV) 激光器。这项创新的激光技术将彻底改变半导体制造必不可少的光刻设备。
中国科学家开发出一种固态深紫外 (DUV) 激光器，可增强半导体光刻技术。该激光器工作波长为 177.3 nm，与传统准分子激光器相比，稳定性更高，维护成本更低。该激光器的推出可显著降低运营成本并提高生产效率，对全球半导体行业产生积极影响。
什么是 DUV 激光？
深紫外 (DUV) 激光器的波长为 177.3 nm，是芯片制造中光刻工艺的关键。传统的 DUV 激光器（通常是准分子激光器）在生产精密的半导体电路中必不可少。然而，它们通常涉及复杂且维护繁重的操作。
固态 DUV 激光器的优势
中国研究人员新发明的固态深紫外激光器提供了一种更稳定、更高效的解决方案。与基于气体的准分子激光器不同，固态激光器有望减少维护并提高可靠性。这一进步可以降低半导体制造的运营成本并提高生产效率。
国际光学与光子学学会 (SPIE) 期刊上发表的一篇论文显示，中国研究人员已经创建出用于半导体光刻的相干 193 纳米 (nm) 光束。
如果扩大规模，这项新技术可用于制造使用先进工艺机制制造芯片的光刻工具。目前，许多电子产品（如手机、电脑等）中使用的先进半导体芯片严重依赖光刻技术。该工艺涉及使用特殊的紫外线 (UV) 激光将图案蚀刻到硅晶片上。
DUV 光刻的行业标准是使用气体准分子激光器产生的 193 nm 波长的紫外线。现在，中科院的研究人员声称他们已经成功演示了一种实验性固态激光系统，该系统无需使用气体即可发射这种关键波长。
气体激光器的替代品
波长越短，图案越精细。193 nm 的分辨率至关重要，因为它是制造高性能半导体芯片的理想选择。这也是 ASML、佳能和尼康等公司的半导体光刻机依赖这种精确波长的原因。
光刻机通常使用密封激光腔内的氩气 (Ar)、氟气 (F) 和氖气 (Ne) 混合物来工作。工作时，高压脉冲会激发这些气体，短暂产生短暂的氟化氩 (ArF) 分子（“准分子”）。激发的 ArF 分子会迅速恢复到稳定状态，发射波长恰好为 193 nm 的紫外光子。
激光器发出的脉冲非常强大，通常功率约为 100-120 瓦，频率为 8-9 kHz。虽然这些气体激光器可靠且应用广泛，但它们复杂且昂贵，需要小心处理氟等有毒气体。
另一方面，新型 CAS 激光器是一种全固态激光器，不需要气体，仅使用晶体和光学元件。该团队通过使用 Yb:YAG 晶体放大器产生波长为 1030 nm 的红外激光来实现这一点。
然后使用非线性光学元件将该光束一分为二，通过四次谐波产生 (FHG) 产生 258 nm 光束。1030 nm 光束的另一部分通过光学参量放大器 (OPA) 产生不同的波长 (1553 nm)。使用特殊非线性晶体（级联三硼酸锂或 LBO 晶体）将两个波长组合在一起，产生波长为 193 nm 的相干光束。
大规模应用之路还很漫长
固态意味着更少的有毒化学物质，无氟气，操作更安全，操作复杂性更低，维护要求也更低。一般来说，固态激光器更紧凑、更可靠。
然而，CAS 激光器也存在一些缺点，其功率只有 70 mW，而商用准分子激光器的功率为 100-120 瓦。这比 CAS 激光器弱了几百倍，因此目前还不适合大规模半导体生产。
新型激光器仍处于早期实验阶段。扩大其规模或增加其功率输出以匹配当前的商用激光器是一项重大的工程挑战，可能需要数年或数代的技术改进。因此，目前仍然存在重大的技术障碍，主要是围绕实现更高的功率输出和保持工业规模的长期可靠性。