美国（guó）研发新型BAT激光器：EUV光刻能（néng）源效率提升一0倍！

美国（guó）劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室（LLNL）宣布开发出（chū）了一种名称为（wéi / wèi）大（dà）孔径铥 （BAT） 激光器，旨在（zài）为（wéi / wèi）极紫外 （EUV） 光刻技术的（de）下（xià）一步发展奠定基础。

该激光器的（de）效率号称是（ shì）目前ASML EUV光刻机中（zhōng）使用的（de）二氧化碳（CO二）激光器的（de） 一0 倍，并有（yǒu）望在（zài）多年（nián）后（hòu）取代光刻系统中（zhōng）的（de） CO二 激光器。

过（guò）去（qù）数一0年（nián）来（lái），劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室在（zài）尖端激光、光学和（hé）等离子（zǐ）体物理学研究成果，在（zài）半导体行（xíng）业用于（yú）制造先进微处理器的（de）基础科学中（zhōng）发挥了关键作用。

这（zhè）些计算机芯片推动了当今人（rén）工智能（néng）、高性能（néng）超级计算机和（hé）智能（néng）手机的（de）惊人（rén）创新。

最新的（de）由劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室领导的（de）计划，将评估大（dà）孔径铥 （BAT） 激光器技术，与当前行（xíng）业标准的（de） CO二 激光器相比，有（yǒu）望将 EUV 光源效率提高约 一0 倍。

这（zhè）一进步可（kě）能（néng）为（wéi / wèi）新一代“beyond EUV”的（de）光刻系统铺平道（dào）路，这（zhè）些系统可（kě）以（yǐ）更快、更低功耗地（dì）生（nián）产芯片。

当然，将 BAT 技术应用于（yú）半导体生（nián）产需要（yào）重大（dà）的（de）基础设施变化，因此需要（yào）多长时（shí）间才能（néng）取得成果还有（yǒu）待观察。要（yào）知道（dào）目前的（de） EUV 系统也（yě）经过（guò）了几一0年（nián）的（de）开发才得以（yǐ）完善并成功商用。

当前一代低数值孔径（Low NA） EUV 和（hé）下（xià）一代高数值孔径（High NA） EUV 光刻系统目前所面临的（de）关键问题之（zhī）一是（ shì）极高的（de）功率消耗：这（zhè）些设备的（de）功耗分别高达 一,一七0 和（hé） 一,四00 千瓦。

而（ér）EUV 光刻设备之（zhī）所以（yǐ）需要（yào）消耗如此巨大（dà）的（de）功率，是（ shì）因为（wéi / wèi）它们（men）依靠高能（néng）激光脉冲来（lái）蒸发微小的（de）锡滴（在（zài） 五00,000?C 下（xià））以（yǐ）形成 一三.五nm的（de）EUV光线，这（zhè）需要（yào）大（dà）功率的（de）激光器和（hé）冷却系统，能（néng）耗非常大（dà）。

具体来（lái）说（shuō），ASML EUV光刻机的（de）光源分为（wéi / wèi）两个（gè）部分：第一个（gè）部分就（jiù）是（ shì）通快集团供应的（de）三0KW二氧化碳激光器，也（yě）称之（zhī）为（wéi / wèi）“drive laser”，其主要（yào）作用就（jiù）是（ shì）提供一0六00nm波长的（de）高功率激光，用来（lái）照射锡（Sn）金属液滴，以（yǐ）产生（nián）一三.五nm波长的（de）EUV光线。

△通快激光放大（dà）器的（de）核心组件——高功率种子（zǐ）模块 (HPSM)。根据官网资料显示，通快集团向ASML供应的（de）二氧化碳激光器拥有（yǒu）四五七,三二九个（gè）部件，系统内的（de）线缆长度高达七,三二二米，重量更是（ shì）达到（）了一七,0九0千克。

第二部分则是（ shì）Cymer的（de）工作，其主要（yào）承担提供并控制锡金属液滴以（yǐ）每秒五0000滴的（de）速度从喷嘴内喷出（chū），并利用通快集团的（de）三0KW二氧化碳激光器对（duì）每滴锡金属液滴每秒进行（xíng）两次轰击（即每秒需要（yào）一0万个（gè）激光脉冲），从而（ér）产生（nián）稳定的（de）一三.五nm波长的（de）EUV，然后（hòu）对（duì）光线进行（xíng）收集，并通过（guò）反射镜修正光的（de）前进方向。

△ASML与德国（guó）光学公司蔡司（Zeiss）合作，由该蔡司来（lái）生（nián）产反射镜，以（yǐ）使得EUV光线经过（guò）多次反射后（hòu）能（néng）够精准的（de）投射到（）晶圆上（shàng）。

由于（yú）EUV光线波长非常短，所以（yǐ）它们（men）会（huì）很容易被空气吸收，所以（yǐ）整个（gè）EUV光源的（de）工作环境需要（yào）被抽成真空。

同时（shí），EUV光线也（yě）无法被玻璃透镜折射，必须以（yǐ）硅与钼制成的（de）特殊镀膜反射镜，来（lái）修正光的（de）前进方向，而（ér）且每一次反射可（kě）能（néng）将会（huì）损失约三0%能（néng）量。

EUV光学照明系统当中（zhōng）有（yǒu）六组反射镜，导致最终到（）达晶圆光阻层的（de）EUV光子（zǐ）理论上（shàng）只有（yǒu）原来（lái）的（de）约一%左右。

由于（yú）这（zhè）些损耗，导致最终作用于（yú）晶圆的（de）EUV光线功率只有（yǒu）约几瓦，所以（yǐ）drive laser激光器必须要（yào）具有（yǒu）足够强大（dà）的（de）功率才能（néng）保障和（hé）提高生（nián）产能（néng）力。

劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室的（de）研究团队目前正在（zài）测试 BAT 激光器背后（hòu）的（de）技术——围绕掺铥钇氟化锂构建，能（néng）够达到（）拍瓦级（petawatt-class，一PW=一0^一五瓦特）输出（chū）功率的（de）激光器。

与目前约 一0 微米波长下（xià）工作的（de） CO二 激光器不（bù）同，BAT 激光器系统在（zài）大（dà）约 二 微米的（de）波长下（xià）工作。

从理论上（shàng）讲，当与锡液滴相互作用时（shí），这（zhè）可（kě）以（yǐ）提高等离子（zǐ）体到（） EUV 的（de）转换效率。

此外，与CO二激光器装置相比，BAT激光器系统中（zhōng）使用的（de）二极管泵浦固态技术可（kě）以（yǐ）提供更好（hao）的（de）整体电气效率和（hé）热管理。

△上（shàng）图显示了高重复率激光爆发进入劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室的（de） Jupiter Laser Facility Titan 目标区域（中（zhōng）），其中（zhōng）大（dà）孔径铥激光束击中（zhōng）两个（gè）目标配置：用于（yú）高能（néng）粒子（zǐ）的（de）短脉冲照射液体流片（左）和（hé）用于（yú） EUV 生（nián）成和（hé）其他（tā）实验的（de）长脉冲照射液滴（右）。（图片来（lái）源：劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室）

最初，研究人（rén）员的（de）目标是（ shì）将紧凑、高重复频率的（de） BAT 激光器（具有（yǒu）不（bù）同类型的（de）脉冲）与产生（nián） EUV 光的（de）系统配对（duì），以（yǐ）测试以（yǐ） 二 微米波长提供焦耳级脉冲的（de）激光器如何与锡滴相互作用。

“在（zài）过（guò）去（qù）的（de）五年（nián）里，我（wǒ）们（men）进行（xíng）了理论等离子（zǐ）体模拟和（hé）概念验证激光演示，为（wéi / wèi）这（zhè）个（gè）项目奠定了基础，”劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室激光物理学家（jiā） Brendan Reagan 说（shuō）。“我（wǒ）们（men）的（de）工作已经对（duì） EUV 光刻界产生（nián）了相当大（dà）的（de）影响，所以（yǐ）现在（zài）我（wǒ）们（men）很高兴能（néng）迈出（chū）下（xià）一步。”

据劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室的（de）研究团队介绍，相比现有（yǒu）EUV光刻系统所采用的（de）CO二激光器，BAT 激光器可（kě）以（yǐ）将 EUV能（néng）源效率提高约 一0 倍。这（zhè）可（kě）能（néng）会（huì）助力未来（lái）“beyond EUV”光刻系统能（néng）够生（nián）产更小、更强大（dà）、制造速度更快、耗电量更少的（de）芯片。

根据ASML公布的（de）信息显示，其计划在（zài）二0三0年（nián）左右正式推出（chū）Hyper NA EUV光刻机，其数值孔径将达到（）0.七五，以（yǐ）便实现更高分辨率的（de）图案化及更小的（de）晶体管特征。

之（zhī）后（hòu）更下（xià）一代的（de）EUV计划暂未披露。

研究人（rén）员计划演示将紧凑的（de）高重复率 BAT 激光器与使用成形纳秒脉冲和（hé）高能（néng） X 射线和（hé）使用超短亚皮秒脉冲产生（nián） EUV 光源的（de）技术相结合。“该项目将在（zài） LLNL 建立第一个（gè）高功率、高重复率、约 二 微米的（de）激光器，”劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室等离子（zǐ）体物理学家（jiā）Jackson Williams说（shuō）。“BAT 激光器实现的（de）功能（néng）也（yě）将对（duì）高能（néng）量密度物理和（hé）惯性聚变能（néng）领域产生（nián）重大（dà）影响。”

Brendan Reagan 和（hé） Jackson Williams是（ shì）该项目的（de）联合首席研究员。该项目包括来（lái）自（zì）SLAC 国（guó）家（jiā）加速器实验室的（de）科学家（jiā）；ASML 圣地（dì）亚哥；纳米光刻高级研究中（zhōng）心 （一个（gè）位于（yú）荷兰的（de）公私合营研究中（zhōng）心）。

Brendan Reagan指出（chū），该实验室长期以（yǐ）来（lái）一直是（ shì） EUV 光刻技术开发的（de）先驱，包括早期的（de）光谱研究，这（zhè）些研究构成了基于（yú）等离子（zǐ）体的（de） EUV 源的（de）基础。

早在（zài）一九九七 年（nián），劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室、桑迪亚国（guó）家（jiā）实验室和（hé）劳伦斯伯克利国（guó）家（jiā）实验室参与的（de）一个（gè）合作研究项目促成了工程测试台的（de）开发，这（zhè）是（ shì）第一个（gè）原型 EUV 曝光工具。

此外，该实验室还开发了高效的（de）多层光学器件，有（yǒu）助于（yú）传输和（hé）输送用于（yú）光刻的（de） EUV 光。以（yǐ）前，劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室与 ASML 合作，利用实验室广泛的（de）等离子（zǐ）体仿真功能（néng）来（lái）优化离子（zǐ）源效率。

多年（nián）来（lái），劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室广泛的（de）多学科研究为（wéi / wèi）多层涂层科学和（hé）技术、光学计量、光源、激光器、高性能（néng）计算做出（chū）了贡献，尤其是（ shì） 二0二二 年（nián） 一二 月在（zài） NIF 上（shàng）取得的（de）历史性成就（jiù）。

ASML作为（wéi / wèi）全球唯一的（de）EUV 光刻机生（nián）产商，它一直使用的（de）是（ shì） CO二脉冲激光器来（lái）驱动 EUV 光源。但劳伦斯利弗莫尔国（guó）家（jiā）实验室过（guò）去（qù）一0年（nián）的（de）研究表明，更新的（de）二极管驱动固态激光器技术为（wéi / wèi）实现 EUV 光刻系统实现更高功率和（hé）更高整体效率提供了一条有（yǒu）前途的（de）道（dào）路。

除了Brendan Reagan 和（hé） Jackson Williams之（zhī）外，LLNL 多学科团队的（de）主要（yào）成员还包括 Félicie Albert、Leily Kiani、Emily Link、Thomas Spinka、Issa Tamer 和（hé） Scott Wilks。

该项目还包括 SLAC 高能（néng）量密度部门主任兼前 LLNL 等离子（zǐ）体物理小组负责人（rén） Siegfried Glenzer、ASML 首席 EUV 源研究技术专家（jiā） Michael Purvis 和（hé） ARCNL 源部门负责人（rén） Oscar Versolato。