我国科学家成功研发新型激光系统，助力半导体光刻技术发展
2025年3月25日，中国科学院空天信息研究院的一个团队成功研发出一种紧凑型固态纳秒激光系统，能够产生193纳米相干光，这是制造硅片的关键波长。这一突破性进展有望大大提高半导体光刻的效率和精度，并为先进制造技术开辟新途径。
一、技术原理与创新
该激光系统采用自主研发的Yb:YAG晶体放大器，首先产生1030nm的激光，该激光分为两部分。一部分通过四次谐波产生，得到输出功率为1.2W的258nm激光；另一部分用于泵浦光参量放大器（OPA），产生平均输出功率为700mW的1553nm激光。接着，将258nm激光和1553nm激光在级联三硼酸锂（LiB3O5）晶体中进行频率混合，从而产生所需的193nm激光以及平均功率为270mW的221nm激光。其中，193nm激光的平均功率为70mW，重复率为6kHz，对应的脉冲能量超过10微焦耳（µJ），线宽小于880兆赫（MHz），半峰全宽小于0.11皮米（pm）。
在1553nm光束的光路中引入螺旋相位板，将其高斯模式变为携带轨道角动量（OAM）且拓扑电荷为1的涡旋光束。利用该涡旋光束作为泵浦源进行频率转换，成功地将OAM转移到193nm和221nm激光中，最终获得了拓扑电荷为2的193nm涡旋光束。这是首次用固态激光器产生193纳米涡旋光束，为固态激光技术的应用开辟了新的可能性。
二、应用前景
1.半导体光刻
在半导体光刻领域，193nm波长的深紫外（DUV）光是目前高分辨率光刻的关键波长。传统的DUV光源主要依赖于氩氟（ArF）准分子激光器，但这种激光器存在体积大、功耗高、维护复杂等问题。而这种紧凑型固态DUV激光系统具有更高的相干性、更低的功耗和更小的体积，能够大大提高半导体光刻的效率和精度，为先进制造技术开辟新途径。其窄线宽、高相干性和涡旋光束特性有助于实现更精细的光刻图案和更高的加工精度，从而推动半导体物镜工艺向更小的节点发展。
2.其他领域
除了半导体光刻，193nm的固态DUV激光器在高分辨率光谱、精密材料加工和量子技术等领域也有广泛的应用前景。例如，在高分辨率光谱中，窄线宽的激光可以用于精确测量物质的光谱特性；在精密材料加工中，高相干性和高功率的激光可以实现更精细的加工；在量子技术中，涡旋光束的特殊性质可以用于量子通信和光学微操作等领域。
三、研究意义
这一成果不仅在技术上取得了突破，而且在科学研究和实际应用方面都具有重要意义。它为固态激光技术的发展提供了新的思路和方法，有望在多个领域带来新的突破和发展。同时，这也标志着我国在激光技术和半导体制造领域取得了重要的进展，为我国在相关领域的国际竞争中增添了新的优势。
总之，中国科学院空天信息研究院团队研发的紧凑型固态纳秒激光系统，能够产生193纳米相干光和涡旋光束，为半导体光刻技术和其他领域的应用带来了新的机遇和挑战。这一研究成果已发表在《AdvancedPhotonicsNexus》上，将对未来的科技发展产生深远的影响。
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