Kinesiska forskare utvecklar solid-state DUV-laser för halvledarlitografi

Forskare vid Chinese Academy of Sciences (CAS) har nått ett betydande genombrott i utvecklingen av en solid-state djup ultraviolett (DUV) laser som genererar en sammanhängande stråle på 193 nm - exakt den våglängd som behövs vid avancerad halvledartillverkning.

Den här experimentella solid state-lasern, som beskrivs i en artikel publicerad av International Society for Optics and Photonics (SPIE), utgör ett potentiellt alternativ till de gasbaserade excimerlasrar som för närvarande används i fotolitografiapparater från företag som ASML, Canon och Nikon.

Moderna litografisystem förlitar sig på den specifika våglängden 193 nm för att etsa superdetaljerade mönster på kiselskivor för chiptillverkning. Hittills har detta vanligtvis gjorts med hjälp av argonfluorid (ArF)-excimerlasrar, som använder en giftig kombination av argon, fluor och neon. På grund av de giftiga material som används är dessa system komplexa, dyra och kräver noggrann hantering.

CAS-teamet tar dock en helt solid state-väg och undviker gas helt och hållet genom att bara förlita sig på kristaller och optik. Deras system börjar med en Yb:YAG-kristallförstärkare som genererar en infraröd stråle vid 1030 nm. Därefter delas strålen upp i två separata banor:

• Den ena vägen omvandlar 1030 nm-strålen till 258 nm via FHG (Fourth-Harmonic Generation), vilket ger en uteffekt på cirka 1,2 W
• Den andra vägen använder en optisk parametrisk förstärkare för att producera en 1553 nm-stråle på cirka 700 mW

Dessa två strålar kombineras sedan genom en serie litiumtriboratkristaller (LBO) för att nå den eftersträvade våglängden på 193 nm.

Denna solid state-design erbjuder flera potentiella fördelar, bland annat ökad säkerhet utan giftiga kemikalier, minskad driftskomplexitet och lägre underhållskrav än gasbaserade system.

Det återstår dock betydande utmaningar att lösa innan detta blir kommersiellt praktiskt. Deras nuvarande prototyp klarar bara 70 mW effekt vid 6 kHz, vilket är lägre än de 100-120 W vid 8-9 kHz som industriella excimerlasrar producerar. CAS-lasern har en linjebredd som är smalare än 880 MHz, vilket enligt teamet är i nivå med den spektrala renheten hos kommersiella lasrar.

Att skala upp denna teknik för att matcha industriella krav skulle innebära ett genombrott för utrustning för halvledartillverkning. Men med tanke på forskningens experimentella karaktär får vi nog vänta ett tag innan vi får se någon praktisk implementering av tekniken.