微芯片正在成为人类日益数字化生活的核心，从手中的智能手机到穿梭的自动驾驶汽车，再到维持社会运转的庞大服务器，无一不依赖着这些精密的电子元件。在芯片精细制造流程当中，光刻是最核心关键技术，它负责在硅片上雕刻出复杂而微小的电路，而光刻技术核心又是光源。中国科学院的研究人员在该领域已经取得了令人瞩目的进展，他们成功研发出用于芯片制造光刻设备的固态深紫外激光光源，为中国乃至全球的半导体产业带来了新的曙光。
所谓深紫外激光，是一种波长极短的紫外线。这次中国科学家研发出的激光波长为193纳米。这种极短的波长如同一个“超精细刻刀”，能够在硅晶圆上蚀刻出极其微小的电路元件，其精度达到了纳米级别。电路的尺寸越小，芯片的功能就越强大，效率也越高。毫不夸张地说，深紫外光刻技术几十年来一直是芯片制造的基石。目前，超过95%的微芯片结构都是利用深紫外光制造出来的。即使是极紫外光刻等更新的技术，在制造大多数半导体层时仍然依赖于深紫外光。这足以说明深紫外激光在芯片制造领域的重要性。
相较于传统的气体激光光源，固态激光在应用于芯片制造领域时展现出诸多潜在的优势：
更高的稳定性： 固态激光器在光束质量方面可能提供更好的长期稳定性，从而降低维护成本，因为无需像气体激光器那样频繁更换或补充气体。更高的能源效率： 一些研究表明，固态激光器可能具有更高的能量转换效率，这意味着在产生相同功率的激光时，消耗的能量更少。更紧凑的结构： 固态激光器通常可以做得更加紧凑，这有助于缩小整个光刻设备的体积。更长的使用寿命： 尤其是一些二极管泵浦固态激光器（DPSS），往往拥有更长的使用寿命。
热释电照相机记录的1553纳米、221纳米和193纳米的激光图样
中国科学家采用了一种自主研发的掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）晶体放大器来产生初始的1030纳米激光束。然后将该光束分成两条光路，每条光路都经过不同的光学过程，以创建产生 193纳米 所需的组件。在第一条路径中，1030纳米光束通过四次谐波产生并转换为258纳米光束。该部件提供 1.2 W 的输出功率。在第二条路径中，1030纳米光束的另一半用于泵浦光学参量放大器，产生功率为 700 mW 的 1553 纳米光束。这两个258纳米和1533纳米的光束在级联三角硼酸锂 晶体中组合，最终产生波长为193纳米的相干光，平均功率为70mW，工作频率为 6 kHz。研究人员表示，该测试系统的频谱纯度性能可与目前商用系统相媲美。另外，这套固态激光系统的输出功率为70毫瓦，远低于商业化系统的标准的100-120瓦。
特性
中国科学院固态深紫外激光器
行业标准氟化氩准分子激光器（如阿斯麦尔）
激光光源
固态（掺镱钇铝石榴石晶体）
气态（氟化氩）
波长
193 纳米
193 纳米
平均输出功率
70 毫瓦
100-120 瓦
频率
6 千赫兹
8-9 千赫兹
线宽
小于 880 兆赫兹
相当
技术力量认为，成功研发出这种固态深紫外激光光源对于我国半导体产业的发展具有里程碑式的意义。这项技术的潜力可能不仅限于光刻领域，未来还有望应用于晶圆加工和缺陷检测等方面。目前，全球先进的光刻设备市场主要由荷兰的阿斯麦尔等少数几家公司主导，而这些设备都依赖于气体的深紫外激光器。中国在此关键技术上的突破，有望帮助我国打破技术壁垒，减少对国外技术的依赖，提升自身在高端芯片制造领域的自主能力。
信息来源：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?webSync
