Глубокий ультрафиолет (DUV) с длиной волны 193 нм — золотой стандарт в производстве микропроцессоров. Этот свет позволяет «вырезать» на кремниевых пластинах элементы размером в несколько нанометров, формируя основу современных электронных устройств. Однако традиционные источники такого излучения — громоздкие газовые лазеры — ограничивают миниатюризацию и энергоэффективность установок.
Прорыв совершили исследователи из Китайской академии наук: они создали первый компактный твердотельный лазер, генерирующий не только 193-нм излучение, но и вихревой пучок, способный совершить революцию в нанолитографии и квантовых технологиях.
Новая система работает на частоте 6 тысяч импульсов в секунду. Её сердце — усиливающий элемент из кристалла Yb:YAG, выращенного в лаборатории. Исходный инфракрасный лазер (1030 нм) разделяется на два пучка. Первый проходит через систему кристаллов, преобразующих его в ультрафиолетовый луч 258 нм мощностью 1,2 Вт. Второй проходит через оптический преобразователь, генерируя излучение 1553 нм (700 мВт). Оба пучка сводятся в каскаде кристаллов LBO (триборат лития), где за счёт нелинейных эффектов рождается целевое излучение 193 нм. Результат — 70 мВт мощности при ширине спектральной линии менее 880 МГц, что критически важно для чёткого травления микросхем.
Главная инновация — превращение луча в «световой штопор». Учёные добавили в систему спиральную фазовую пластину, которая закручивает луч 1553 нм перед смешением. Это создало вихревой пучок на 193 нм, несущий орбитальный угловой момент — свойство, позволяющее управлять микрообъектами и передавать квантовую информацию. Подобный результат в твердотельных системах D-UV-диапазона достигнут впервые.
Эффективность преобразования энергии в 193-нм излучение составила 17,5% — в 3,5 раза выше, чем у предыдущих аналогов. Это удалось благодаря точной настройке кристаллов LBO и оптимизации теплового режима. Для сравнения: коммерческие полупроводниковые лазеры на этой длине волны до сих пор не преодолели порог в 20 мВт.
Технология открывает три ключевые возможности. Во-первых, замена гибридных ArF-эксимерных лазеров в литографии: узкий спектр нового источника сократит дефекты при массовом производстве чипов. Во-вторых, высокоточная диагностика микросхем — вихревой луч может выявлять дефекты размером до 5 нм. В-третьих, квантовая связь: «закрученный» свет позволяет кодировать больше информации в одном фотоне.
Учёные уже работают над масштабированием системы до 200–300 мВт, что приблизит её к промышленным стандартам. Параллельно тестируется применение вихревых пучков для манипуляции наночастицами в биомедицине. Разработка не только сократит стоимость литографического оборудования, но и сделает DUV-технологии доступными для лабораторий и стартапов, ускоряя прорывы в фотонике и квантовых вычислениях.