极紫外光刻光源研发新进展—— 破局高转换效率

随着芯片制造进入3 nm制程，极紫外（EUV）光刻机已成为高端芯片大规模量产和工业化不可或缺的设备，目前仅有荷兰ASML公司能够制造但对中国禁售。EUV光刻机中最核心的分系统是激光等离子体（LPP）EUV光源，其研发的主要挑战之一是提高激光到13.5 nm EUV光的能量转换效率（CE）。CO₂激光器由于可同时实现高功率、高重频和窄脉宽激光输出，且其激发的Sn等离子体具有较高CE（>5%），被选定为商业LPP-EUV光刻光源的驱动光源。

近期研究表明，1 μm固体激光激发Sn等离子体的CE有可能满足EUV光刻光源的工程化指标。此外，固体脉冲激光器经过近十年的快速发展已实现千瓦级功率输出，并在未来有望达到万瓦级，又由于其体积紧凑、电光转换效率高（~20%），有望替代CO₂激光成为新一代LPP-EUV光刻光源的驱动光源。基于此，发展固体激光驱动的LPP-EUV光源对我国自主开展EUV光刻及其关键器件与技术的研发具有重要意义。

02创新工作

为系统性研究固体激光驱动的LPP-EUV光源，中国科学院上海光学精密机械研究所林楠研究员团队建立了固体激光驱动等离子体极紫外光源实验平台（图1）。该实验平台采用一台输出波长为1064 nm的Nd: YAG激光器作为Sn等离子体的驱动激光。Sn等离子体的EUV光谱采用实验室自研的平场光栅光谱仪进行测量，Sn等离子体13.5 nm（带宽2%）的辐射能量由实验室自研的带内辐射能量计进行测量。

图1 固体激光驱动等离子体极紫外光源实验平台

图2展示了不同激光峰值功率密度下Sn等离子体的归一化EUV光谱，带内波段用半透明紫色块标出。Sn等离子体7~23 nm的EUV辐射主要是等离子体中Sn⁶⁺~Sn¹⁴⁺离子的4p⁶4d^N-4p⁵4d^N+1+4p⁶4d^N-14f（1≤N≤6）密集跃迁产生的类连续跃迁阵列，即不可分辨跃迁阵列（UTA）。当激光峰值功率密度逐渐升高时，EUV光谱发射峰强度逐渐增大，且15 nm以下的相对发射逐渐增强，15 nm以上的相对发射逐渐减弱，UTA发射峰的位置从光刻光源中心工作波长13.5 nm的左侧逐步移动到右侧。

图2 不同激光功率密度下Sn等离子体的归一化EUV光谱

CE的定义是2π立体角内13.5 nm（2%带宽）辐射能量与驱动激光能量的比值。光谱纯度（SP）是LPP-EUV光源研究中常关注的另一个参数，定义是带内辐射能量与EUV波段的总辐射能量之比。图3展示了不同峰值功率密度激光作用下Sn等离子体的SP和CE，CE的大值为3.42%。由图可见，SP和CE对于激光峰值功率密度的变化敏感，因此在固体激光驱动等离子体EUV光源的工程化研发中，需要对作用于Sn靶材的激光峰值功率密度进行精细优化。

图3 不同激光峰值功率密度下Sn等离子体的（a）光谱纯度和（b）转换效率

图4展示了本工作中获得的最大CE和国际上各团队与公司对1 μm固体激光驱动等离子体EUV光源CE的实验结果。由图可见，本工作所获得的CE最大值3.42%已处于国际靠前水平，并超过商业化CO₂激光驱动EUV光刻光源CE值的一半。

图4 国际上各团队和公司实现的1 μm固体激光驱动等离子体EUV光源转换效率对比

03总结

本文建立了固体激光驱动等离子体EUV光源实验平台，开展了1 μm固体激光激发Sn等离子体EUV辐射特性实验研究，实现了高达3.42%的1 μm固体激光到13.5 nm极紫外光的能量转换效率，主焦点13.5 nm极紫外单脉冲能量超20 mJ, 处于国际靠前、国内领先水平。相关研究结果对于我国自主开展EUV光刻及其关键器件与技术的研发工作具有重要意义。

参考文献： 中国光学期刊网

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