極紫外光刻光源研發(fā)新進(jìn)展—— 破局高轉(zhuǎn)換效率

更新時(shí)間：2025-12-16

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隨著芯片制造進(jìn)入3 nm制程，極紫外（EUV）光刻機(jī)已成為芯片大規(guī)模量產(chǎn)和工業(yè)化的設(shè)備，目前僅有荷蘭ASML公司能夠制造但對(duì)中國(guó)禁售。EUV光刻機(jī)中最核心的分系統(tǒng)是激光等離子體（LPP）EUV光源，其研發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一是提高激光到13.5 nm EUV光的能量轉(zhuǎn)換效率（CE）。CO₂激光器由于可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率、高重頻和窄脈寬激光輸出，且其激發(fā)的Sn等離子體具有較高CE（>5%），被選定為商業(yè)LPP-EUV光刻光源的驅(qū)動(dòng)光源。

近期研究表明，1 μm固體激光激發(fā)Sn等離子體的CE有可能滿足EUV光刻光源的工程化指標(biāo)。此外，固體脈沖激光器經(jīng)過近十年的快速發(fā)展已實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)功率輸出，并在未來有望達(dá)到萬瓦級(jí)，又由于其體積緊湊、電光轉(zhuǎn)換效率高（~20%），有望替代CO₂激光成為新一代LPP-EUV光刻光源的驅(qū)動(dòng)光源。基于此，發(fā)展固體激光驅(qū)動(dòng)的LPP-EUV光源對(duì)我國(guó)自主開展EUV光刻及其關(guān)鍵器件與技術(shù)的研發(fā)具有重要意義。

創(chuàng)新工作

為系統(tǒng)性研究固體激光驅(qū)動(dòng)的LPP-EUV光源，中國(guó)科學(xué)上海光學(xué)精密機(jī)械研究所林楠研究員團(tuán)隊(duì)建立了固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體極紫外光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1）。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用一臺(tái)輸出波長(zhǎng)為1064 nm的Nd: YAG激光器作為Sn等離子體的驅(qū)動(dòng)激光。Sn等離子體的EUV光譜采用實(shí)驗(yàn)室自研的平場(chǎng)光柵光譜儀進(jìn)行測(cè)量，Sn等離子體13.5 nm（帶寬2%）的輻射能量由實(shí)驗(yàn)室自研的帶內(nèi)輻射能量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體極紫外光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2展示了不同激光峰值功率密度下Sn等離子體的歸一化EUV光譜，帶內(nèi)波段用半透明紫色塊標(biāo)出。Sn等離子體7~23 nm的EUV輻射主要是等離子體中Sn⁶⁺~Sn¹⁴⁺離子的4p⁶4d^N-4p⁵4d^N+1+4p⁶4d^N-14f（1≤N≤6）密集躍遷產(chǎn)生的類連續(xù)躍遷陣列，即不可分辨躍遷陣列（UTA）。當(dāng)激光峰值功率密度逐漸升高時(shí)，EUV光譜發(fā)射峰強(qiáng)度逐漸增大，且15 nm以下的相對(duì)發(fā)射逐漸增強(qiáng)，15 nm以上的相對(duì)發(fā)射逐漸減弱，UTA發(fā)射峰的位置從光刻光源中心工作波長(zhǎng)13.5 nm的左側(cè)逐步移動(dòng)到右側(cè)。

圖2 不同激光功率密度下Sn等離子體的歸一化EUV光譜

CE的定義是2π立體角內(nèi)13.5 nm（2%帶寬）輻射能量與驅(qū)動(dòng)激光能量的比值。光譜純度（SP）是LPP-EUV光源研究中常關(guān)注的另一個(gè)參數(shù)，定義是帶內(nèi)輻射能量與EUV波段的總輻射能量之比。圖3展示了不同峰值功率密度激光作用下Sn等離子體的SP和CE，CE的大值為3.42%。由圖可見，SP和CE對(duì)于激光峰值功率密度的變化敏感，因此在固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV光源的工程化研發(fā)中，需要對(duì)作用于Sn靶材的激光峰值功率密度進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化。

圖3 不同激光峰值功率密度下Sn等離子體的（a）光譜純度和（b）轉(zhuǎn)換效率

圖4展示了本工作中獲得的大CE和國(guó)際上各團(tuán)隊(duì)與公司對(duì)1 μm固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV光源CE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，本工作所獲得的CE大值3.42%已處于國(guó)際靠前水平，并超過商業(yè)化CO₂激光驅(qū)動(dòng)EUV光刻光源CE值的一半。

圖4 國(guó)際上各團(tuán)隊(duì)和公司實(shí)現(xiàn)的1 μm固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV光源轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

總結(jié)

本文建立了固體激光驅(qū)動(dòng)等離子體EUV光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了1 μm固體激光激發(fā)Sn等離子體EUV輻射特性實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3.42%的1 μm固體激光到13.5 nm極紫外光的能量轉(zhuǎn)換效率，主焦點(diǎn)13.5 nm極紫外單脈沖能量超20 mJ, 處于國(guó)際靠前、國(guó)內(nèi)水平。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于我國(guó)自主開展EUV光刻及其關(guān)鍵器件與技術(shù)的研發(fā)工作具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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