深紫外发光光谱（PL）测试

1. 深紫外发光光谱技术简介

深紫外发光光谱是研究半导体材料物理性质的一种重要手段。通常所说的半导体发光是半导体中电子从高能态跃迁至低能态时，伴之以发射光子的辐射复合。我们利用深紫外激光器产生的激光或电子q发出的电子束到达样品室并入射到样品表面，样品发出的荧光信号被收集进入单色仪，该信号经单色仪分光后由探测系统探测，计算机对探测信号进行采集并形成最终的深紫外发光光谱。

2. 供测量的光谱类型及其应用范围

光致发光（PL）：使用飞秒激光激发样品，波长：（1）177nm；（2）210nm-330nm可调；（3）345nm-495nm可调；（4）690nm-990nm可调。PL光谱可以实现稳态光谱和瞬态（时间分辨）光谱的测量。稳态光谱可用于研究半导体材料的基本物理性质，如晶体结构、电子态、声子结构、杂质、缺陷、激子复合机制等。瞬态光谱采用条纹相机探测，既可以得到不同时刻的时间分辨光谱，也可以得到某一波长处的荧光衰退曲线，时间分辨率为2ps。可以用来研究半导体材料载流子动力学性质。

阴极荧光（CL）：使用电子束激发样品，最大能量30keV。可用于表征宽禁带半导体材料性质。波长扫描范围：170nm-800nm。

3、深紫外发光光谱测试设备介绍：

1. PL光谱

技术参数与能力：

波长：690nm-990nm，345nm-495nm和210nm-330nm三个波段内可调，最小激光波长可达177nm

波长扫描范围：170nm-800nm

温度范围：8K-350K

时间分辨率(瞬态光谱)：2ps

狭缝、步长及激光功率视具体情况而定

2. CL光谱

技术参数与能力：

电子束能量：最高可达30keV

波长扫描范围：170nm-800nm

温度范围：8K-350K

狭缝和步长视具体情况而定

-------------米格实验室

近几年来，中国科技行业遭到国外的严重打压，尤其是电子芯片成为我国半导体领域最突出的短板，生产芯片最重要的设备是光刻机，世界上先进的光刻机主要由荷兰一家名为阿斯麦（ASML）的公司制造，市场占有率超过80%，而其中最先进的极紫外光刻机（EUV光刻），全世界只有ASML一家公司能制造。

ASML

ASML虽然是一家荷兰的公司，但是出口光刻机受到西方国家的严格控制，ASML的大股东包括美国因特尔、台湾积体电路制造（台积电）、韩国的三星、荷兰皇家飞利浦电子公司等等，其中因特尔占有股份大约为15%，台积电大约5%。

ASML的股份结构相当复杂，国际上众多大公司参股，使得ASML形成一个庞大的利益共同体，但是ASML受到《瓦森纳协定》的约束，中国也是被该协定限制的国家之一，一些敏感的设备和技术无法出口到中国。

光刻机是当今世界科技领域的集大成者，是人类当前科技的巅峰产物，ASML之所以能制造最先进的光刻机，也是因为特殊的股权结构，使得ASML能汇集当前各项前沿科技，整合各种零部件。

一台光刻机重达几十吨，包含十多万个零部件，每台机器从下单到交付要21个月，单价格超过1亿美元，即便这样买家还是排着长队，数据显示，ASML在2017年交付了12台光刻机，2018年18台，2019年26台，预计2020年达到35台。

电子芯片

第一台电子计算机诞生于1946年，位于美国的宾夕法尼亚大学，当时研究人员使用了18000个电子管，1万多个电阻和电容，6000多个开关，总重量30多吨，启动时功率高达150千瓦，运算能力为每秒5000次。

每秒5000次的计算能力，还远远比不上现在几块钱的掌上计算器，人类科技之所以有这么大的进步，就是因为有了芯片的发明，而芯片的发明者是美国人杰克·基尔比，他在2000年因此获得诺贝尔奖。

杰克·基尔比1947年毕业于美国伊利诺斯大学，然后就职于德州仪器，担任研发工程师，期间产生了一个天才的想法——把所有的元器件弄到一块材料上，并相互连接成电路。

杰克·基尔比很快付诸实践，并开始构思这个电路，然后以硅作为材料，制造出了人类第一个芯片，他把自己的想法告诉公司后，受到了公司的高度重视，次年，杰克·基尔就申请了专利。

利用杰克·基尔比发明的芯片，我们就可以把一台几十吨的计算机“装进”一个指甲盖大小的体积内，而且运算速度大幅提高，功耗大幅降低。

光刻机原理

光刻机的基本原理并不是机密，但其中的零部件不是谁都能制造的，以至于外国人对我们说“即便把光刻机的所有图纸给你们，你们也造不出来光刻机。”

制造芯片首先需要用到的材料就是高纯度硅，然后把硅切片得到晶圆，接下来就是高精度的晶圆加工，也是光刻机中的核心技术。

我们首先在晶圆上涂一层特殊的材料，该材料在光线的照射下会融化蒸发，于是我们使用绘制好图案的透光模板，经过特殊激光照射后，就能在晶圆表层的材料上刻出图案，然后用蚀刻机刻蚀晶圆，分化学刻蚀和电解刻蚀（比如用等离子体冲刷等等），而没有涂感光材料的部分将保留下来。

经过刻蚀后，晶圆表面就留下了很多凹槽，我们向其中选择性地掺入磷等元素，就能形成N型半导体；掺入硼等元素，就能形成P型半导体；掺入铜等元素，就相当于导线；三者按照一定的空间结构结合，就形成了PN结（PN结可以理解为一个开关），大量PN结按照一定方式进行组合，就能完成相应的数学运算。

实际当中，一块芯片的结构是三维的，在一层光刻和蚀刻完成后，需要清洗干净，然后再光刻和刻蚀下一层，这样一直叠加十几二十层，形成了立体的芯片，也就是这么一张小小的芯片，里面包含了数十亿、甚至上百亿个晶体管（晶体管包括二极管、三极管等等），比如华为麒麟990的晶体管数达到了103亿。

ASML生产的EUV光刻机，每小时能雕刻100多块晶圆，每块晶圆又能分割成许多个块芯片。

光刻机的关键技术

物镜制造技术

光刻机的原理并不难，但是要生产其中的零件并不容易，其中最昂贵且最复杂的零件就是投影物镜，由于芯片光刻的尺寸只有几纳米，所以对投影物镜的误差要求极高，一张直径30厘米的物镜，要求起伏误差不超过0.3纳米，相当于地球这么大的球体，要求表面凹凸不能超过10cm。

这样的精度要求，全世界只有德国的蔡司公司能制造，连日本尼康、佳能这样的透镜大厂也做不出来，更不用说中国的公司了。

光源技术

另外，光刻机中的光源也是一项难以攻克的技术难关，对于深紫外光（DUV）刻，使用的光源波长是193nm，这是光刻机中的一个技术分水岭，芯片发展曾经在193纳米光源停滞了十多年的时间，后来浸没技术缩短波长（原理是在表面镀上一层薄薄的水膜，利用光的折射现象，可以缩短光的波长），加上各项技术的改进，最终193nm光源可以把芯片制程推进到28nm，这也是深紫外光刻的极限。

极紫外光刻（EUV）使用波长更短的激光（13.5nm），相对于深紫外光刻，需要重新研发刻蚀材料、光刻胶、刻蚀工艺等等，对精度的要求进一步提高，目前只有荷兰ASML一家公司能制造极紫外光刻机。

而且西方国家对我国的技术打压是非常狠的，比如2009年的时候，中国上海微电子研发出90纳米的光刻机，在2010年西方国家就解除了90纳米以上的光刻机对中国出口的限制，2015年又解除了65纳米光刻机对中国出口的限制，让中国的光刻机技术发展完全失去市场。

在这样的情况下，中国芯片产业的发展举步维艰，光刻机包含的关键技术太多，一时半会我们是绕不过去的；其实中国并不缺乏人才，只不过人才要用到什么领域，需要政策引导才行，想到中国天眼FAST在2018年的一次网上招聘，年薪10万难觅驻地科研人才，让人感慨不已。

深紫外全固态激光源是指输出波长在200纳米以下的固态激光器。与同步辐射和气体放电等非相干光源相比，它具有高光子能量、高光谱分辨率、强光子流和高密度、低重复率到高重复率以及在纳秒，皮秒和飞秒模式多次运行的特点。长期以来，这种实用、精密的激光光源在深紫外波段一直缺乏，制约了深紫外波段科学仪器和前沿研究的发展。

中国科学院研究

深紫外非线性光学晶体KBBF

十多年来，在财政部，专项资金的支持下，它突破了四元相图和局部自发成核生长等技术，在国际上率先生长出大尺寸晶体。棱镜耦合装置是晶体的一项特殊使用技术（已被中国，美国和日本授予发明专利），它突破了非线性波长调节和光束指向精确补偿技术，成功研制出八个国际上第一个深紫外全固态激光光源，使中国成为世界上唯一掌握精密实用的深紫外激光技术的国家。深紫外全固态激光光源的成功研制引起了国内外的广泛关注。几十所国外著名大学和研究机构已经向中科学院提出了购买或合作的要求。为了发展我国自主的科学仪器设备，促进我国深紫外领域前沿研究的发展，中科学院暂时禁止相关技术出口国外，并组织院内优势力量成功开发出了

深紫外拉曼光谱仪、深紫外光电子发射显微镜、深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪、光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪8种

世界上第一台深紫外尖端设备，并在

高温超导、催化反应、石墨烯、拓扑绝缘体和超宽禁带半导体等

在前沿科学研究领域，中国不断取得重要的先进成果，在《自然》及其子期刊等国际顶级期刊上发表了近100篇文章论文，不断推动相关科学仪器行业的科技进步，有望开创科技新前沿。财政部和中科学院在原创重大科研设备开发项目的管理方面进行了大量创新，学科交叉广、跨度大、探索性和工程性强，目前已形成了深紫外

“材料－器件－装备－科学研究”

完整的创新链。此项目已经成为自主研发高精度仪器的成功范例。

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