Chinese wetenschappers ontwikkelen DUV-laser met vaste fase voor halfgeleiderlithografie

Wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) hebben een belangrijke doorbraak bereikt bij de ontwikkeling van een diep-ultraviolette (DUV) laser in vaste toestand die een coherente bundel van 193 nm genereert - precies de golflengte die nodig is voor geavanceerde halfgeleiderfabricage.

Deze experimentele vaste-stoflaser, die beschreven wordt in een artikel dat gepubliceerd is door de International Society for Optics and Photonics (SPIE), vormt een potentieel alternatief voor de excimerlasers op gasbasis die momenteel gebruikt worden in fotolithografieapparatuur van bedrijven als ASML, Canon en Nikon.

Moderne lithografiesystemen vertrouwen op die specifieke golflengte van 193 nm om supergedetailleerde patronen op siliciumwafers te etsen voor de productie van chips. Tot nu toe werd dit meestal gedaan met argon fluoride (ArF) excimer lasers, die een giftige combinatie van argon, fluor en neon gebruiken. Vanwege de giftige materialen zijn deze systemen complex, duur en moeten ze voorzichtig behandeld worden.

Het CAS-team neemt echter een volledig vaste-stofroute, waarbij gas helemaal wordt vermeden door alleen te vertrouwen op kristallen en optica. Hun systeem begint met een Yb:YAG kristalversterker die een infraroodstraal van 1030 nm genereert. Vervolgens wordt de bundel in twee afzonderlijke paden gesplitst:

• Eén pad verandert de bundel van 1030 nm in 258 nm via FHG (Fourth-Harmonic Generation), wat een uitgangsvermogen van ongeveer 1,2 W oplevert
• Het tweede pad maakt gebruik van een optische parametrische versterker om een bundel van 1553 nm met een vermogen van ongeveer 700 mW te produceren

Deze twee bundels worden vervolgens gecombineerd door een reeks Lithium Triborate (LBO) kristallen om de beoogde 193 nm golflengte te bereiken.

Dit ontwerp in vaste toestand biedt verschillende potentiële voordelen, waaronder verbeterde veiligheid zonder giftige chemicaliën, minder operationele complexiteit en lagere onderhoudsvereisten dan gasgebaseerde systemen.

Toch moeten er nog aanzienlijke uitdagingen worden opgelost voordat dit commercieel haalbaar wordt. Hun huidige prototype levert slechts 70 mW vermogen bij 6 kHz, minder dan de 100-120 W bij 8-9 kHz die industriële excimerlasers produceren. De CAS-laser heeft een lijnbreedte die smaller is dan 880 MHz, wat volgens het team overeenkomt met de spectrale zuiverheid van commerciële lasers.

Het opschalen van deze technologie naar industriële vereisten zou een doorbraak betekenen voor apparatuur voor de productie van halfgeleiders. Maar gezien de experimentele aard van dit onderzoek, zullen we waarschijnlijk nog wel even moeten wachten voordat we een praktische implementatie van de technologie te zien krijgen.