Een team van wetenschappers van de Chinese Academy of Sciences heeft een compacte solid-state laser ontwikkeld die coherent ultraviolet licht met een golflengte van 193 nanometer genereert. Daarmee levert het team niet alleen een technische primeur af – het is ook de eerste keer dat deze golflengte als een zogeheten vortex beam (draaiende lichtbundel) uit een solid-state bron komt – maar mogelijk ook een alternatief voor de complexe en kostbare gaslasersystemen die momenteel worden ingezet bij de productie van halfgeleiders.
Van gas naar kristal
Wie een moderne chip maakt, heeft precisielasers nodig die patronen kunnen etsen op een silicium wafer. Hiervoor wordt gebruikgemaakt van fotolithografie: een proces waarbij ultraviolet licht een cruciale rol speelt. In de huidige praktijk gebeurt dat met zogeheten excimeerlasers – gasontladingslasers die een UV-lichtbundel van 193 nm produceren. Deze lasers maken gebruik van onder meer argonfluoride (ArF), dat na kortstondige excitatie een foton uitzendt met precies de juiste golflengte voor geavanceerde chipstructuren.
Maar gaslasers hebben ook hun nadelen. Ze zijn groot, duur, complex in onderhoud en bevatten giftige gassen zoals fluor. Bovendien vergen ze zorgvuldige afscherming en regelmatige vervanging van onderdelen. De nieuwe aanpak van de Chinese onderzoekers laat zien dat het ook anders kan: hun systeem gebruikt uitsluitend vaste componenten zoals kristallen en optische versterkers — oftewel een solid-state benadering.
Hoe werkt deze solid-state laser?
De werking van het nieuwe lasersysteem is een fraai staaltje optische techniek. Het begint met een versterker gebaseerd op Yb:YAG (ytterbium-gedoteerd yttrium-aluminium-granaat), een veelgebruikte kristalsoort voor krachtige solid-state lasers. Deze genereert een infraroodbundel met een golflengte van 1030 nm.
Die bundel wordt vervolgens opgesplitst. Eén deel ondergaat ‘vierde-harmonische generatie’ en levert licht op van 258 nm. Het andere deel voedt een optische parametrische versterker (OPA) en genereert licht met een golflengte van 1553 nm. Door deze twee bundels samen te voegen in speciaal opgestelde lithiumtriboraatkristallen (LiB₃O₅, kortweg LBO), ontstaat uiteindelijk coherent UV-licht van precies 193 nm.
Met een gemiddelde uitgangsvermogen van 70 milliwatt blijft het systeem voorlopig nog achter bij de commerciële excimeerlasers, die vermogens tussen 100 en 120 watt halen. Toch is deze nieuwe techniek veelbelovend, niet in de laatste plaats vanwege de stabiliteit, compactheid en afwezigheid van schadelijke gassen.
Eerste vortex laserstraal op 193 nm
Een extra bijzonder aspect van het onderzoek is dat het team erin is geslaagd om de 193-nm straal te genereren als een vortex beam – een lichtbundel die draait als een kurkentrekker en een zogeheten orbital angular momentum (OAM) met zich meedraagt. Hiervoor werd een ‘spiral phase plate’ toegevoegd aan de 1553-nm bundel, voordat de uiteindelijke frequentiemenging plaatsvond.
Vortex beams worden in toenemende mate onderzocht vanwege hun unieke eigenschappen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in kwantumcommunicatie, optische manipulatie op microschaal, en defectinspectie in halfgeleiders. Dat deze bundel nu voor het eerst op deze korte UV-golflengte beschikbaar is vanuit een solid-state bron, opent deuren naar nieuwe toepassingen en wellicht ook combinaties met bestaande technologieën zoals ArF-lasers.
Van lab naar fabriek: de uitdaging van opschalen
Hoewel het systeem indrukwekkend is in zijn ontwerp, blijft het voorlopig vooral een experimenteel platform. De sprong van 70 milliwatt naar het vermogensniveau van commerciële lithografielasers – meer dan duizend keer krachtiger – is groot. Opschaling vereist niet alleen meer vermogen, maar ook continue stabiliteit, robuustheid bij industriële belasting en lange levensduur. Engineeringteams staan voor de taak om deze laser niet alleen krachtiger te maken, maar ook geschikt voor 24/7 gebruik in een omgeving waar stilstand geen optie is.
Toch zijn de voordelen van een solid-state laser legio. Minder complexe systemen, geen fluorhoudende gassen, lagere onderhoudskosten, en een kleinere ecologische voetafdruk. En dat is relevant: in een wereld waar halfgeleiders steeds kleiner, krachtiger én duurzamer moeten worden, telt elke optimalisatie.
Meer dan alleen chips
De toepassingen van deze technologie reiken overigens verder dan alleen halfgeleiders. Ook in andere hightech domeinen, zoals precisiebewerking van materialen, spectroscopie en kwantumtechnologie, zijn diepe UV-lasers essentieel. Denk aan het nauwkeurig bewerken van medische implantaten, het inspecteren van nanostructuren of zelfs het manipuleren van qubits in kwantumsystemen.
De compacte vorm van deze nieuwe laser maakt hem bovendien geschikt voor integratie in kleinere systemen of draagbare apparatuur – iets waar de logge gaslasers niet aan kunnen tippen. Daarmee kan dit soort technologie ook toepassingen vinden buiten de cleanrooms van chipfabrieken, bijvoorbeeld in onderzoekslabs of high-end meetapparatuur.
