美国劳伦斯利弗莫尔国度试验室（LLNL）发布开辟出了一种称号为年夜孔径铥 （BAT） 激光器，旨在为极紫外 （EUV） 光刻技巧的下一步开展奠基基本。该激光器的效力号称是现在ASML EUV光刻机中应用的二氧化碳（CO2）激光器的 10 倍，并无望在多年后代替光刻体系中的 CO2 激光器。从前数十年来，劳伦斯利弗莫尔国度试验室在尖端激光、光学跟等离子体物理学研讨结果，在半导体行业用于制作进步微处置器的基本迷信中施展了要害感化。这些盘算机芯片推进了当古人工智能、高机能超等盘算机跟智妙手机的惊人翻新。最新的由劳伦斯利弗莫尔国度试验室引导的打算，将评价年夜孔径铥 （BAT） 激光器技巧，与以后行业尺度的 CO2 激光器比拟，无望将 EUV 光源效力进步约 10 倍。这一提高可能为新一代“beyond EUV”的光刻体系摊平途径，这些体系能够更快、更低功耗地出产芯片。固然，将 BAT 技巧利用于半导体出产须要严重的基本设备变更，因而须要多长时光才干获得结果另有待察看。要晓得现在的 EUV 体系也经由了多少十年的开辟才得以完美并胜利商用。以后一代低数值孔径（Low NA） EUV 跟下一代高数值孔径（High NA） EUV 光刻体系现在所面对的要害成绩之一是极高的功率耗费：这些装备的功耗分辨高达 1,170 跟 1,400 千瓦。而EUV 光刻装备之以是须要耗费如斯宏大的功率，是由于它们依附高能激光脉冲来蒸发渺小的锡滴（在 500,000?C 下）以构成 13.5nm的EUV光芒，这须要年夜功率的激光器跟冷却体系，能耗十分年夜。详细来说，ASML EUV光刻机的光源分为两个局部：第一个局部就是通快团体供给的30KW二氧化碳激光器，也称之为“drive laser”，其重要感化就是供给10600nm波长的高功率激光，用来照耀锡（Sn）金属液滴，以发生13.5nm波长的EUV光芒。△通快激光缩小器的中心组件——高功率种子模块(HPSM)。依据官网材料表现，通快团体向ASML供给的二氧化碳激光器领有457,329个部件，体系内的线缆长度高达7,322米，分量更是到达了17,090千克。第二局部则是Cymer的任务，其重要承当供给并把持锡金属液滴以每秒50000滴的速率从喷嘴内喷出，并应用通快团体的30KW二氧化碳激光器对每滴锡金属液滴每秒停止两次轰击（即每秒须要10万个激光脉冲），从而发生稳固的13.5nm波长的EUV，而后对光芒停止网络，并经由过程反射镜修改光的行进偏向。△ASML与德国光学公司蔡司（Zeiss）配合，由该蔡司来出产反射镜，以使得EUV光芒经由屡次反射后可能精准的投射到晶圆上。因为EUV光芒波长十分短，以是它们会很轻易被氛围接收，以是全部EUV光源的任务情况须要被抽成真空。同时，EUV光芒也无奈被玻璃透镜折射，必需以硅与钼制成的特别镀膜反射镜，来修改光的行进偏向，并且每一次反射可能将会丧失约30%能量。EUV光学照明体系傍边有6组反射镜，招致终极达到晶圆光阻层的EUV光子实践上只有本来的约1%阁下。因为这些消耗，招致终极感化于晶圆的EUV光芒功率只有约多少瓦，以是drive laser激光器必需要存在充足强盛的功率才干保证跟进步出产才能。劳伦斯利弗莫尔国度试验室的研讨团队现在正在测试 BAT 激光器背地的技巧——缭绕掺铥钇氟化锂构建，可能到达拍瓦级（petawatt-class，1PW=10^15瓦特）输出功率的激光器。与现在约 10 微米波长下任务的 CO2 激光器差别，BAT 激光器体系在大概 2 微米的波长下任务。从实践上讲，当与锡液滴彼此感化时，这能够进步等离子体到 EUV 的转换效力。别的，与CO2激光器安装比拟，BAT激光器体系中应用的二极管泵浦固态技巧能够供给更好的团体电气效力跟热治理。△上图表现了高反复率激光暴发进入劳伦斯利弗莫尔国度试验室的JupiterLaserFacilityTitan目的地区（中），此中年夜孔径铥激光束击中两个目的设置：用于高能粒子的短脉冲照耀液体流片（左）跟用于EUV天生跟其余试验的长脉冲照耀液滴（右）。（图片起源：劳伦斯利弗莫尔国度试验室）最初，研讨职员的目的是将紧凑、高反复频率的 BAT 激光器（存在差别范例的脉冲）与发生 EUV 光的体系配对，以测试以 2 微米波长供给焦耳级脉冲的激光器怎样与锡滴彼此感化。“在从前的五年里，咱们停止了实践等离子体模仿跟观点验证激光演示，为这个名目奠基了基本，”劳伦斯利弗莫尔国度试验室激光物理学家 Brendan Reagan 说。“咱们的任务曾经对 EUV 光刻界发生了相称年夜的影响，以是当初咱们很愉快能迈出下一步。”据劳伦斯利弗莫尔国度试验室的研讨团队先容，比拟现有EUV光刻体系所采取的CO2激光器，BAT 激光器能够将 EUV动力效力进步约 10 倍。这可能会助力将来“beyond EUV”光刻体系可能出产更小、更强盛、制作速率更快、耗电量更少的芯片。依据ASML颁布的信息表现，其打算在2030年阁下正式推出Hyper NA EUV光刻机，其数值孔径将到达0.75，以便实现更高辨别率的图案化及更小的晶体管特点。之后更下一代的EUV打算暂未表露。研讨职员打算演示将紧凑的高反复率 BAT 激光器与应用成形纳秒脉冲跟高能 X 射线跟应用超短亚皮秒脉冲发生 EUV 光源的技巧相联合。“该名目将在 LLNL 树立第一个高功率、高反复率、约 2 微米的激光器，”劳伦斯利弗莫尔国度试验室等离子体物理学家Jackson Williams说。“BAT 激光器实现的功效也将对高能量密度物理跟惯性聚变能范畴发生严重影响。”Brendan Reagan 跟 Jackson Williams是该名目的结合首席研讨员。该名目包含来自SLAC 国度减速器试验室的迷信家；ASML 圣地亚哥；纳米光刻高等研讨核心 （一个位于荷兰的公私合营研讨核心）。Brendan Reagan指出，该试验室临时以来始终是 EUV 光刻技巧开辟的前驱，包含晚期的光谱研讨，这些研讨形成了基于等离子体的 EUV 源的基本。早在1997 年，劳伦斯利弗莫尔国度试验室、桑迪亚国度试验室跟劳伦斯伯克利国度试验室参加的一个配合研讨名目促进了工程测试台的开辟，这是第一个原型 EUV 曝光东西。别的，该试验室还开辟了高效的多层光学器件，有助于传输跟运送用于光刻的 EUV 光。从前，劳伦斯利弗莫尔国度试验室与 ASML 配合，应用试验室普遍的等离子体仿真功效来优化离子源效力。多年来，劳伦斯利弗莫尔国度试验室普遍的多学科研讨为多层涂层迷信跟技巧、光学计量、光源、激光器、高机能盘算做出了奉献，尤其是 2022 年 12 月在 NIF 上获得的汗青性成绩。ASML作为寰球独一的EUV 光刻机出产商，它始终应用的是 CO2脉冲激光器来驱动 EUV 光源。但劳伦斯利弗莫尔国度试验室从前十年的研讨标明，更新的二极管驱动固态激光器技巧为实现 EUV 光刻体系实现更高功率跟更高团体效力供给了一条有前程的途径。除了Brendan Reagan 跟 Jackson Williams之外，LLNL 多学科团队的重要成员还包含 Félicie Albert、Leily Kiani、Emily Link、Thomas Spinka、Issa Tamer 跟 Scott Wilks。该名目还包含 SLAC 高能量密度部分主任兼前 LLNL 等离子体物理小组担任人 Siegfried Glenzer、ASML 首席 EUV 源研讨技巧专家 Michael Purvis 跟 ARCNL 源部分担任人 Oscar Versolato。