在近期的一項(xiàng)重大科學(xué)突破中，中國(guó)科學(xué)院正式宣布創(chuàng)制出一種新型非線性光學(xué)晶體：全波段相位匹配晶體。根據(jù)研究院的披露，這種晶體在雙折射相位匹配技術(shù)的加持下，能夠透過(guò)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的相位匹配，成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外非線性光學(xué)晶體材料。

這一重要的科學(xué)突破給國(guó)內(nèi)廠商在晶圓檢測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。晶圓檢測(cè)作為集成電路制造過(guò)程中至關(guān)重要的一步，其準(zhǔn)確性和精確度直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而全波段相位匹配晶體的問(wèn)世，為國(guó)內(nèi)廠商突破技術(shù)瓶頸提供了有力的支持和助力。


國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體向死而生

我們都知道，激光技術(shù)是20世紀(jì)尤其重要的科技突破，但很少人了解的是，激光在半導(dǎo)體領(lǐng)域也能派上大用場(chǎng)，包括晶圓檢測(cè)、晶圓切割等。然而，單純的激光所發(fā)揮出來(lái)的效能是縮水的，如果存在一種“介質(zhì)”能夠提升其功率甚至使其本質(zhì)發(fā)生改變，那么或許將在晶圓“缺陷”檢測(cè)上發(fā)揮重要作用，從而確保芯片的良品率，對(duì)于我國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展而言意義重大。

在老美的施壓下，日本、荷蘭等紛紛加強(qiáng)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體及其設(shè)備的出口管制，將于7月23日和9月1日正式實(shí)施新的管制措施。值得關(guān)注的是，日本對(duì)我國(guó)斷供的23種設(shè)備中，不僅僅包括回火、清洗、曝光等設(shè)備，也包括晶圓檢測(cè)設(shè)備，這意味著半導(dǎo)體設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)全部遭到“卡脖”。

面對(duì)西方各國(guó)的層層圍堵，我國(guó)自研技術(shù)的創(chuàng)新突破顯得十分關(guān)鍵，這對(duì)于中企而言是一項(xiàng)艱巨而又重要的任務(wù)。

而不久前，中科院正式公開(kāi)了一項(xiàng)新成果，他們推出了一種新型非線性光學(xué)晶體，名為全波段相位匹配晶體。據(jù)了解，該晶體作為一種紫外/深紫外非線性光學(xué)晶體材料，憑借雙折射相位匹配技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的相位匹配，在世界范圍內(nèi)沒(méi)有先例。一旦在國(guó)產(chǎn)晶圓檢測(cè)領(lǐng)域得到有效應(yīng)用，將可能推動(dòng)我國(guó)芯片的進(jìn)一步發(fā)展。

要知道，雖然成熟芯片領(lǐng)域不需要對(duì)晶圓檢測(cè)提出多高的要求，但如果想要在14nm制程工藝上更進(jìn)一步，完成7nm、甚至5nm芯片的制造則是難上加難。并且還要防止芯片制造時(shí)出現(xiàn)短路、劃傷、污染等情形，所以需要配備先進(jìn)的晶圓檢測(cè)。

中科院晶體技術(shù)的突破，也引發(fā)全球半導(dǎo)體行業(yè)的熱議，其紛紛認(rèn)為，我國(guó)有希望通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，在晶圓檢測(cè)及大科學(xué)裝置等領(lǐng)域拿下充足的話語(yǔ)權(quán)。外媒表示，光刻機(jī)封鎖事件的結(jié)果已經(jīng)很明顯，即便老美窮追猛堵，但中國(guó)的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體依然向死而生，半導(dǎo)體設(shè)備封鎖禁令對(duì)于他們而言并未起到太大作用，拜登顯然攔不住了！


全波段相位匹配晶體填補(bǔ)技術(shù)空白

非線性光學(xué)晶體是一種材料，可以通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)來(lái)改變激光的波長(zhǎng)和頻率，使其在更廣泛的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此非線性光學(xué)晶體在半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，可以提供更高的分辨率、更深的成像深度和更高的靈敏度，為半導(dǎo)體行業(yè)提供更精確和高效的檢測(cè)手段。

傳統(tǒng)的非線性光學(xué)晶體材料只能在特定波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)相位匹配，而全波段相位匹配晶體的出現(xiàn)填補(bǔ)了這一技術(shù)空白。通過(guò)雙折射相位匹配技術(shù)的引入，該晶體可以匹配范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的相位，為晶圓檢測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了更大的靈活性和可塑性。而且晶圓檢測(cè)可以幫助及早發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中的問(wèn)題，避免不良品的產(chǎn)生。可別小看晶圓檢測(cè)，這個(gè)步驟如果把控不好沒(méi)有發(fā)現(xiàn)晶圓品質(zhì)問(wèn)題，后續(xù)的光刻、刻蝕、封測(cè)等步驟都沒(méi)有太大意義了。

中科院晶體技術(shù)這項(xiàng)科學(xué)突破對(duì)于國(guó)內(nèi)廠商具有重要的戰(zhàn)略意義。一方面，全波段相位匹配晶體的使用可以提升晶圓檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本。另一方面，國(guó)內(nèi)廠商通過(guò)掌握這一領(lǐng)先的技術(shù)，能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得更大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和行業(yè)領(lǐng)先。

中國(guó)科學(xué)院所研制出的非線性光學(xué)晶體對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體發(fā)展的意義是非常深遠(yuǎn)的。

首先，這一突破提供了高性能晶體材料，滿足了半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芫w材料的需求。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，晶體材料是重要的組成部分，用于制造半導(dǎo)體器件。具備雙折射相位匹配能力的全波段相位匹配晶體可以提供更高的檢測(cè)精度和可靠性，從而提升半導(dǎo)體生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。其次，這一突破為應(yīng)用于大型科學(xué)裝置的新型晶體材料開(kāi)辟了新的前景。大型科學(xué)裝置如激光器、光學(xué)顯微鏡和光學(xué)通信設(shè)備等對(duì)高性能晶體材料的需求日益增長(zhǎng)。

然而，要充分發(fā)揮全波段相位匹配晶體的優(yōu)勢(shì)和潛力，還需要加大對(duì)該技術(shù)的研發(fā)投入和人才培養(yǎng)。只有通過(guò)持續(xù)的科研創(chuàng)新和技術(shù)突破，才能不斷推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)晶圓檢測(cè)領(lǐng)域提供更可靠、更高效的解決方案。


中國(guó)科學(xué)家成功創(chuàng)制新成果的過(guò)程

這項(xiàng)光學(xué)晶體領(lǐng)域重大理論突破和材料制備成果，由中國(guó)科學(xué)院新疆理化所晶體材料研究中心潘世烈研究員團(tuán)隊(duì)攻關(guān)完成，相關(guān)研究論文近期已在國(guó)際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》在線發(fā)表。

論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院新疆理化所晶體材料研究中心米日丁·穆太力普研究員介紹說(shuō)，激光是20世紀(jì)人類最重大的發(fā)明之一，60多年來(lái)，13項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與激光技術(shù)密切相關(guān)。非線性光學(xué)晶體是獲得不同波長(zhǎng)激光的物質(zhì)條件和源頭，可用來(lái)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行變頻，從而擴(kuò)展激光器的可調(diào)諧范圍。而在晶體中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用波段相位匹配被普遍認(rèn)為是重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，決定最終激光輸出的功率和效率。

目前有多種技術(shù)方案可供選擇，其中利用晶體各向異性的雙折射相位匹配技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的彌補(bǔ)相位失配的有效途徑。該方案轉(zhuǎn)換效率高，但現(xiàn)有晶體均存在相位匹配波長(zhǎng)損失，即可用晶體紫外截止邊和最短相位匹配波長(zhǎng)的差值表征。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院新疆理化所團(tuán)隊(duì)之前就提出關(guān)于非線性光學(xué)晶體一種理想狀態(tài)的假設(shè)，即在基于雙折射相位匹配的非線性光學(xué)晶體中，是否可以實(shí)現(xiàn)“紫外截止邊等于最短匹配波長(zhǎng)”的理想狀態(tài)？

本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)制出全波段相位匹配晶體，這類晶體基于應(yīng)用廣泛的雙折射相位匹配技術(shù)，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體材料透過(guò)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)的相位匹配。該研究揭示出全波段相位匹配晶體的物理機(jī)制，并以此為指導(dǎo)獲得一例非線性光學(xué)晶體。同時(shí)，基于晶體器件實(shí)現(xiàn)193.2-266納米紫外/深紫外激光輸出，從而驗(yàn)證了其全波段相位匹配特性，使該晶體成為目前全球首例實(shí)現(xiàn)全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外倍頻晶體材料。

米日丁·穆太力普稱，研究結(jié)果表明，全波段相位匹配晶體寬的相位匹配波長(zhǎng)范圍，使非線性光學(xué)晶體透光范圍得到充分應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)1064納米激光器二、三、四、五倍頻高效、大能量輸出，有望滿足半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)等領(lǐng)域的重大需求。同時(shí)，該晶體具有生長(zhǎng)容易、成本低、效率高、抗激光損傷等優(yōu)勢(shì)，有望成為應(yīng)用于大科學(xué)裝置的新晶體材料。他透露，在晶體制備方面，研究團(tuán)隊(duì)已獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)，并已向歐洲、美國(guó)、日本等提交國(guó)際專利申請(qǐng)。

論文通訊作者潘世烈研究員指出，波長(zhǎng)短于200納米的深紫外激光因波長(zhǎng)短、光子能量高等特點(diǎn)，在信息、工業(yè)、科研、國(guó)防等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。目前，世界上唯一可實(shí)用化深紫外倍頻晶體KBBF是由中國(guó)老一代科學(xué)家陳創(chuàng)天院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制。中國(guó)科學(xué)院新疆理化所這次實(shí)現(xiàn)全波段相位匹配晶體的理論突破和材料制備，就是接過(guò)老一輩科學(xué)家“接力棒”并努力探索研究取得。

作為中國(guó)科學(xué)院新疆理化所所長(zhǎng)，潘世烈研究員表示，該所下一步將加大對(duì)新型高性能、大尺寸晶體新材料的研究力度，在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上持續(xù)開(kāi)展相關(guān)晶體材料、器件及激光光源應(yīng)用的攻關(guān)研究，力爭(zhēng)產(chǎn)出更多原創(chuàng)性、引領(lǐng)性重大創(chuàng)新成果。