本文介绍了 2109nm 体布拉格光栅（VBG）在半导体光刻中的应用。首先介绍了 VBG 的基本原理、功能特点。重点讲述了RBG 光栅在激光波长基准源（Wavelength Reference）和光路热稳定性监测中、光刻系统滤波等方面的应用，深入分析了 2109nm VBG 在半导体光刻过程中所起的关键作用。讨论了其在提高光刻分辨率、改善光刻精度等方面的优势。同时，还列举了目前市场上主要的VBG厂商（品牌），比对了不同品牌VBG产品的优劣势，以及当前应用中面临的挑战和未来发展趋势。
2109nm体布拉格光栅（Volume Bragg grating, VBG）在半导体光刻中的应用
引言：
本文介绍了 2109nm 体布拉格光栅（VBG）在半导体光刻中的应用。首先介绍了 VBG 的基本原理、功能特点。重点讲述了RBG 光栅在激光波长基准源（Wavelength Reference）和光路热稳定性监测中、光刻系统滤波等方面的应用，深入分析了 2109nm VBG 在半导体光刻过程中所起的关键作用。讨论了其在提高光刻分辨率、改善光刻精度等方面的优势。同时，还列举了目前市场上主要的VBG厂商（品牌），比对了不同品牌VBG产品的优劣势，以及当前应用中面临的挑战和未来发展趋势。
体布拉格光栅（VBG）介绍：
VBG（Volume Bragg grating，体布拉格光栅）是一种在透明光学介质（如玻璃、晶体）内部形成的三维周期性折射率调制结构，通过全息干涉或离子扩散技术制备，其光栅周期与入射光波长相当，调制区域贯穿介质内部而非仅表面。
RBG（Reflective Volume Grating,反射式体布拉格光栅）是 VBG 的子类，特指优化为反射模式的体光栅，衍射光沿原路返回，未满足条件的光则透过。RBG光栅具有良好的热稳定性，能承受较高的功率，是目前高能量半导体激光、固体激光器反射镜的可靠选择。根据客户的设计，体布拉格光栅既可以作为全反镜（>99%衍射效率）也可以作为输出镜（10%-90%可选），且光谱半高全宽（FWHM）可以根据需要在0.1-2nm范围内选择，能够很好的实现窄线宽且稳定波长输出，并在高温或高功率环境下保持稳定性。
VBG 可设计为透射或反射模式，衍射效率可达 95% 以上；RBG 专注反射，效率更高（99%），常辅助反射膜增强性能。在激光稳频、光谱滤波、半导体光刻等领域应用广泛，是高精度光学系统的关键元件。
昊量光电提供的2um波段体布拉格光栅（例如1908nm,2090nm,2109nm,2122nm等）是一种高性能反射镜,能够精确的锁定和稳定波长,且可实现高功率的输出。这种波长的光源越来越广泛的作为泵浦源应用在中红外激光领域。
上海昊量光电设备有限公司是美国OptiGrate公司在中国大陆及港澳台地区的正式授权代理商，双方合作已有十几年的历史。OptiGrate提供的VBG，衍射效率超过99.9%，线宽窄，尺寸大，吸收率低。OptiGrate的全系列产品包括透射(TBG)、反射(RBG)和啁啾(CBG)体布拉格光栅。OptiGrate具有垂直整合VBG制造以及优化和开发光热折射(PTR)玻璃和VBG特性的独特能力，是全qiu众多工业制造商和政府承包商的可靠VBG组件供应商。
2um波段体布拉格光栅产品特点：
波长锁定；
高反射率（>99%）;
高损伤阈值40 J/cm2 for 8 ns pulses
线宽压窄（0.1-2nm）；
热稳定好（Up to 400℃）；
波长可定制（1.9um-3um波段）；
偏振不相关；
2um波段体布拉格光栅参数设置：
中心波长：1.9-3um波段（例如1908nm, 2090nm, 2109nm, 2122nm等）;
衍射效率：10%-99% ;
FWHM: 0.1-2nm;
尺寸大小：8mmx 6mm （可选择具体尺寸）;
VBG/RBG在半导体光刻中的具体应用
近期某研究成果显示，2109nm RBG 光栅在激光波长基准源（Wavelength Reference）和光路热稳定性监测中起到了重要的作用。通过优化光栅的布拉格波长匹配和衍射效率（90-99%），实现了半导体光刻中激光光源的线宽压缩至 < 100kHz。实验验证了光栅在高温环境（400℃）下的热稳定性，其波长漂移量 < 0.005nm，为极紫外（EUV）光刻系统的光路校准提供了关键技术支持。
（一）激光波长基准源（Wavelength Reference）
2109nm RBG 通过波长锁定、线宽压缩、模式控制等核心功能，为半导体光刻提供了高稳定性、高单色性的激光波长基准。其与光刻工艺的深度协同（如光刻胶匹配、光路集成）进一步提升了整体系统的精度和可靠性。随着光刻技术向更小线宽（如 5nm 以下）发展，RBG 的精密光学特性将持续成为波长基准源的关键技术支撑，推动半导体制造工艺的革新。
波长锁定：VBG/RBG 光栅可放置在激光谐振腔内，利用其对特定波长的高反射特性，将激光波长锁定在 2109nm。这是因为 RBG 光栅基于布拉格衍射原理，能反射符合布拉格条件的光波信号，而其他波长信号基本不被反射。通过精确设计和制作光栅，使其中心波长为 2109nm，可确保激光器输出波长的稳定性，为激光波长基准源提供稳定的波长参考。在激光谐振腔中，RBG 作为腔镜时，可将波长漂移控制在 ±0.05nm 以内，显著优于传统激光二极管的波长稳定性（通常为 ±0.5nm 以上）。
窄线宽输出：激光波长基准源通常需要有窄线宽的输出，以提高波长的精度和稳定性。2109nm VBG 光栅具有较窄的光谱带宽。例如，某些 RBG 光栅的带宽可达到 10GHz 甚至更窄。线宽压缩的物理机制源于 RBG 对光的角度选择性。只有入射角严格匹配布拉格条件的光才能被反射，其他角度的光被滤除。从而可以对激光光谱进行滤波，只允许特定波长范围的光通过，抑制其他波长的光，从而压缩激光的线宽，使激光波长基准源输出更窄线宽的激光，提高波长基准的精度。
模式选择：在激光谐振腔中，RBG 光栅可用于纵模和横模选择。它能够根据光栅的参数和激光的特性，选择性地反射或透射不同模式的光，使得只有特定模式的光能够在谐振腔中振荡并输出。通过这种方式，可确保激光波长基准源输出单一模式或特定模式组合的激光，提高激光的质量和稳定性，为精确的波长基准提供保障。VBG的模式选择功能对光刻的套刻精度提升极为重要。当激光模式不稳定时，光束指向性和能量分布的波动会导致多次曝光的图案错位。RBG 通过稳定模式，可将套刻精度提升至 ±10nm 以内，满足先jin制程对多层堆叠结构的对准要求。
在某先jin光刻设备中，2109nm RBG 作为激光波长基准源时，与固体激光器结合实现了以下性能提升：波长稳定性：从初始的 ±0.3nm 提升至 ±0.05nm；线宽压缩：从 1.2nm 压窄至 0.08nm；光束质量：M2因子从 1.8 优化至 1.18；光刻分辨率：从 50nm 提升至 40nm，套刻精度从 ±15nm 提升至 ±8nm。这些数据直接证明了 RBG 在光刻系统中的实际价值，尤其在纳米级图案制造中不可或缺。
（二）光路热稳定性监测
在半导体光刻系统中，光路热稳定性是决定光刻精度（如线宽控制、套刻精度）的核心因素之一。激光传输路径中的光学元件（透镜、反射镜、谐振腔等）会因环境温度波动、激光功率损耗（如吸收、散射）或机械振动产生微小热变形，导致光路偏移、介质折射率变化或光程差波动，zui终引发成像模糊、图案错位等问题。2109nm RBG/VBG 通过其热敏感性、分布式监测能力及实时响应特性，成为光刻光路热稳定性监测的核心元件。它不仅能精确量化温度变化对光路的影响，还能与闭环系统联动实现动态补偿，从根本上抑制热扰动对光刻精度的破坏。在先jin制程（如 3nm 及以下）对 “纳米级精度” 的严苛要求下，体布拉格光栅VBG/RBG 的监测作用将愈发关键，推动半导体光刻向更高分辨率、更高稳定性迈进。
热敏感性：VBG具有热膨胀效应和热光效应：温度升高会导致光栅材料（如石英、特种玻璃）膨胀，使光栅周期Λ增大；温度变化会改变介质的极化率，导致折射率n发生漂移（通常表现为温度升高，n增大）。两者的协同作用会使 RBG 的反射波长λ随温度线性偏移（典型灵敏度为 5-50pm/K，具体取决于材料和工艺）。在光刻光路中，RBG 可被集成于关键节点（如激光谐振腔输出端、透镜组之间或掩膜版附近），其反射波长的实时偏移量直接对应光路局部温度的变化- 通过监测λ的漂移，即可反推光路的热扰动幅度。
分布式监测：EUV光刻系统光路是一个复杂的多元件系统，不同节点的热扰动来源不同（如激光器谐振腔的热积累、透镜的吸收发热、环境气流导致的局部温差）。2109nm RBG 可通过 “多点集成” 实现分布式热监测：
激光谐振腔内集成 RBG：用于监测激光器自身的热稳定性（如泵浦源发热导致的腔长变化）；
透镜组放置 RBG：用于捕捉透镜吸收激光能量后的局部温度变化；
掩膜台部署 RBG：用于监测掩膜吸收曝光光后的热变形（尤其在高功率深紫外光刻中，掩膜热变形是套刻误差的主要来源之一；
通过对比不同节点 RBG 的波长偏移数据，可绘制光路的热分布图谱，定位热扰动的源头（如某块透镜吸收过高、冷却系统失效），而非仅监测整体温度变化，大幅提升了故障排查与补偿的针对性。
在某 7nm 光刻设备中，研发团队在光路中集成了 3 个 2109nm RBG（分别位于激光器输出端、缩倍透镜组、掩膜台），配合光谱仪和闭环控制系统实现热稳定性监测与补偿：未启用 RBG 监测时，因环境温度波动（±1℃）和激光功率波动（±2%），光路热扰动导致线宽偏差达 ±3nm，套刻误差达 ±5nm；启用 RBG 监测后，系统可实时捕捉 ±0.05K 的温度变化，通过温控和位移补偿，线宽偏差控制在 ±1nm 内，套刻误差降至 ±2nm，良率提升约 15%。
不同品牌VBG对比：
品牌 | 核心参数 | 优势 | 劣势 |
OptiGrate | - 中心波长：1.9-3um波段（1908nm.2109nm,2122nm等） - FWHM: 0.1-2nm; | -高损伤阈值； -窄线宽(0.1-2nm）； -稳定好； -波长可定制（1.9um-3um波段）； -偏振不相关；
| -尺寸较大（典型 50×50×10mm）， - 成本较高（约$7,000） |
Raysung | - 中心波长：2109nm | -高温度稳定性较高 | - 反射率略低 - 长期稳定性数据不足 |
Jenoptik | - 中心波长：2109nm | 1. 波长可调谐（支持 0.1-1nm 连续调节） | - 调谐速度慢； - 价格高（>$50,000）； - 生产周期6个月； |
总结与展望：
2109nm RBG 光栅在半导体光刻的多个关键环节，已展现出卓越的性能和独特的应用价值。其基于布拉格衍射原理，在光路热稳定性监测方面，凭借对温度敏感致使反射波长漂移的特性，实现对光路温度变化的精准感知，窄带滤波特性又进一步提升了监测分辨率。在激光波长基准源里，能精准锁定 2109nm 波长，有效压缩线宽，优化光束模式，为光刻提供稳定且高质量的光源。
展望未来，随着半导体光刻向 3nm 及以下更先jin制程迈进，对光刻精度的要求愈发严苛，2109nm RBG 光栅也将迎来更多机遇与挑战。一方面，需要持续优化制备工艺，将刻线精度的位置误差控制得更低，提升均匀性，进一步降低图案失真率，以满足更高精度光刻需求。另一方面，在尺寸上，会朝着适配不同光刻场景发展，无论是实验室小尺寸需求，还是大尺寸光刻的单次大面积曝光需求，都要做到更好的兼顾 ，从而在半导体光刻领域发挥更为关键的作用。
了解更多2109nm体布拉格光栅详情，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/details-2161.html
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