Các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra nguồn ánh sáng laser trạng thái rắn 'đột phá' cho các công cụ chế tạo chip

Các nhà nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã phát triển một tia laser DUV rắn với bước sóng 193 nm, có khả năng phát ra ánh sáng đồng pha, phục vụ cho photolithography trong sản xuất vi mạch. Theo thông tin từ Hội quang học và quang phổ SPIE, nếu công nghệ nguồn sáng này được mở rộng, thiết bị này có thể được sử dụng để chế tạo các công cụ lithography cho quy trình sản xuất chip tiên tiến.

Tuy nhiên, quan điểm về việc mở rộng công nghệ laser rắn vẫn chưa rõ ràng. Trước khi thảo luận về cách hoạt động của phương pháp CAS, hãy điểm lại phương pháp chuẩn ngành để tạo ra ánh sáng với bước sóng 193-nm mà ASML, Canon và Nikon sử dụng cho các máy litho DUV của họ. Cũng cần lưu ý rằng hệ thống CAS vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và hiện tại chỉ là một phương tiện thử nghiệm. Các máy lithography DUV truyền thống của ASML, Canon và Nikon tạo ra ánh sáng 193-nm bằng cách sử dụng laser excimer argon fluoride (ArF).

Buồng laser chứa hỗn hợp khí argon và fluorine cùng với khí đệm như neon. Khi áp dụng xung điện áp cao, các nguyên tử argon và fluorine bị kích thích và tạo thành phân tử không ổn định gọi là ArF (excimer), sau đó nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon có bước sóng 193 nm. Laser phát ra các photon này dưới dạng xung ngắn, năng lượng cao với công suất đầu ra lên đến 100W-120W và tần số từ 8 kHz đến 9 kHz cho các công cụ DUV nhúng hiện đại.

Tia sáng 193 nm được chiếu qua một hệ thống quang học để định hình, dẫn hướng và ổn định ánh sáng. Sau đó, nó đi vào máy quét lithography, nơi chiếu qua một photomask chứa mẫu chip. Phương pháp CAS của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển thiết bị thử nghiệm tạo ra ánh sáng 193 nm bằng cách sử dụng phương pháp hoàn toàn trạng thái rắn, không sử dụng laser excimer dựa trên khí. Nó bắt đầu với một bộ khuếch đại tinh thể YbYAG tự chế, tạo ra tia laser 1030 nm.

Chùm tia này sau đó được chia thành hai đường quang, mỗi đường trải qua một quá trình quang học khác nhau để tạo ra các thành phần cần thiết cho việc tạo ra ánh sáng 193 nm. Trong đường đầu tiên, chùm tia 1030 nm được chuyển đổi thành chùm tia 258 nm thông qua quá trình sinh hài bậc bốn (FHG), một quá trình quang phi tuyến biến đổi bước sóng của chùm tia laser xuống còn một phần tư. Phần này đạt được công suất đầu ra là 1.

Trong con đường thứ hai, một nửa chùm tia 1030-nm được sử dụng để bơm một bộ khuếch đại tham số quang, tạo ra chùm tia 1553-nm với công suất 700 mW. Hai chùm tia này — 258 nm và 1553 nm — được kết hợp trong các tinh thể lithium triborate (LBO) nối tiếp để tạo ra ánh sáng đồng pha với bước sóng 193 nm và công suất trung bình 70 mW, hoạt động ở tần số 6 kHz. CAS cho biết hệ thống thử nghiệm có độ rộng đường phổ hẹp hơn 880 MHz, với hiệu suất đáng so sánh về độ tinh khiết quang phổ với các hệ thống thương mại hiện nay.

Hệ thống CAS phát ra ánh sáng 193 nm bằng cách sử dụng laser rắn với công suất trung bình 70 mW và tần số 6 kHz, đạt được độ rộng đường phổ dưới 880 MHz. Tuy nhiên, công suất đầu ra của hệ thống này thấp hơn nhiều so với các hệ thống sản xuất dựa trên excimer ArF của ASML, có công suất từ 100 – 120W và tần số 9 kHz. Mặc dù hệ thống CAS ban đầu cho thấy khả năng, nhưng công suất thấp khiến nó không phù hợp cho sản xuất chất bán dẫn thương mại, nơi cần hiệu suất cao và độ ổn định quy trình.

Có lẽ cần nhiều thế hệ phát triển để biến nguồn sáng này thành công nghệ chipmaking khả thi.

Nguồn: www.tomshardware.com/tech-industry/chinese-scientists-create-solid-state-duv-laser-sources-for-lithography-equipment-used-in-chip-manufacturing