美国研发新型BAT激光器：EUV光刻能源效率提升10倍！

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣布开发出了一种名称为大孔径铥 （BAT） 激光器，旨在为极紫外 （EUV） 光刻技术的下一步发展奠定基础。

该激光器的效率号称是目前ASML EUV光刻机中使用的二氧化碳（CO2）激光器的 10 倍，并有望在多年后取代光刻系统中的 CO2 激光器。

过去数十年来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在尖端激光、光学和等离子体物理学研究成果，在半导体行业用于制造先进微处理器的基础科学中发挥了关键作用。

这些计算机芯片推动了当今人工智能、高性能超级计算机和智能手机的惊人创新。

最新的由劳伦斯利弗莫尔国家实验室领导的计划，将评估大孔径铥 （BAT） 激光器技术，与当前行业标准的 CO2 激光器相比，有望将 EUV 光源效率提高约 10 倍。

这一进步可能为新一代“beyond EUV”的光刻系统铺平道路，这些系统可以更快、更低功耗地生产芯片。

当然，将 BAT 技术应用于半导体生产需要重大的基础设施变化，因此需要多长时间才能取得成果还有待观察。要知道目前的 EUV 系统也经过了几十年的开发才得以完善并成功商用。

当前一代低数值孔径（Low NA） EUV 和下一代高数值孔径（High NA） EUV 光刻系统目前所面临的关键问题之一是极高的功率消耗：这些设备的功耗分别高达 1,170 和 1,400 千瓦。

而EUV 光刻设备之所以需要消耗如此巨大的功率，是因为它们依靠高能激光脉冲来蒸发微小的锡滴（在 500,000?C 下）以形成 13.5nm的EUV光线，这需要大功率的激光器和冷却系统，能耗非常大。

具体来说，ASML EUV光刻机的光源分为两个部分：第一个部分就是通快集团供应的30KW二氧化碳激光器，也称之为“drive laser”，其主要作用就是提供10600nm波长的高功率激光，用来照射锡（Sn）金属液滴，以产生13.5nm波长的EUV光线。

△通快激光放大器的核心组件——高功率种子模块(HPSM)。根据官网资料显示，通快集团向ASML供应的二氧化碳激光器拥有457,329个部件，系统内的线缆长度高达7,322米，重量更是达到了17,090千克。

第二部分则是Cymer的工作，其主要承担提供并控制锡金属液滴以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出，并利用通快集团的30KW二氧化碳激光器对每滴锡金属液滴每秒进行两次轰击（即每秒需要10万个激光脉冲），从而产生稳定的13.5nm波长的EUV，然后对光线进行收集，并通过反射镜修正光的前进方向。

△ASML与德国光学公司蔡司（Zeiss）合作，由该蔡司来生产反射镜，以使得EUV光线经过多次反射后能够精准的投射到晶圆上。

由于EUV光线波长非常短，所以它们会很容易被空气吸收，所以整个EUV光源的工作环境需要被抽成真空。

同时，EUV光线也无法被玻璃透镜折射，必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜，来修正光的前进方向，而且每一次反射可能将会损失约30%能量。

EUV光学照明系统当中有6组反射镜，导致最终到达晶圆光阻层的EUV光子理论上只有原来的约1%左右。

由于这些损耗，导致最终作用于晶圆的EUV光线功率只有约几瓦，所以drive laser激光器必须要具有足够强大的功率才能保障和提高生产能力。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队目前正在测试 BAT 激光器背后的技术——围绕掺铥钇氟化锂构建，能够达到拍瓦级（petawatt-class，1PW=10^15瓦特）输出功率的激光器。

与目前约 10 微米波长下工作的 CO2 激光器不同，BAT 激光器系统在大约 2 微米的波长下工作。

从理论上讲，当与锡液滴相互作用时，这可以提高等离子体到 EUV 的转换效率。

此外，与CO2激光器装置相比，BAT激光器系统中使用的二极管泵浦固态技术可以提供更好的整体电气效率和热管理。

△上图显示了高重复率激光爆发进入劳伦斯利弗莫尔国家实验室的JupiterLaserFacilityTitan目标区域（中），其中大孔径铥激光束击中两个目标配置：用于高能粒子的短脉冲照射液体流片（左）和用于EUV生成和其他实验的长脉冲照射液滴（右）。（图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）

最初，研究人员的目标是将紧凑、高重复频率的 BAT 激光器（具有不同类型的脉冲）与产生 EUV 光的系统配对，以测试以 2 微米波长提供焦耳级脉冲的激光器如何与锡滴相互作用。

“在过去的五年里，我们进行了理论等离子体模拟和概念验证激光演示，为这个项目奠定了基础，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室激光物理学家 Brendan Reagan 说。“我们的工作已经对 EUV 光刻界产生了相当大的影响，所以现在我们很高兴能迈出下一步。”

据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队介绍，相比现有EUV光刻系统所采用的CO2激光器，BAT 激光器可以将 EUV能源效率提高约 10 倍。这可能会助力未来“beyond EUV”光刻系统能够生产更小、更强大、制造速度更快、耗电量更少的芯片。

根据ASML公布的信息显示，其计划在2030年左右正式推出Hyper NA EUV光刻机，其数值孔径将达到0.75，以便实现更高分辨率的图案化及更小的晶体管特征。

之后更下一代的EUV计划暂未披露。

研究人员计划演示将紧凑的高重复率 BAT 激光器与使用成形纳秒脉冲和高能 X 射线和使用超短亚皮秒脉冲产生 EUV 光源的技术相结合。“该项目将在 LLNL 建立第一个高功率、高重复率、约 2 微米的激光器，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室等离子体物理学家Jackson Williams说。“BAT 激光器实现的功能也将对高能量密度物理和惯性聚变能领域产生重大影响。”

Brendan Reagan 和 Jackson Williams是该项目的联合首席研究员。该项目包括来自SLAC 国家加速器实验室的科学家；ASML 圣地亚哥；纳米光刻高级研究中心 （一个位于荷兰的公私合营研究中心）。

Brendan Reagan指出，该实验室长期以来一直是 EUV 光刻技术开发的先驱，包括早期的光谱研究，这些研究构成了基于等离子体的 EUV 源的基础。

早在1997 年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室参与的一个合作研究项目促成了工程测试台的开发，这是第一个原型 EUV 曝光工具。

此外，该实验室还开发了高效的多层光学器件，有助于传输和输送用于光刻的 EUV 光。以前，劳伦斯利弗莫尔国家实验室与 ASML 合作，利用实验室广泛的等离子体仿真功能来优化离子源效率。

多年来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室广泛的多学科研究为多层涂层科学和技术、光学计量、光源、激光器、高性能计算做出了贡献，尤其是 2022 年 12 月在 NIF 上取得的历史性成就。

ASML作为全球唯一的EUV 光刻机生产商，它一直使用的是 CO2脉冲激光器来驱动 EUV 光源。但劳伦斯利弗莫尔国家实验室过去十年的研究表明，更新的二极管驱动固态激光器技术为实现 EUV 光刻系统实现更高功率和更高整体效率提供了一条有前途的道路。

除了Brendan Reagan 和 Jackson Williams之外，LLNL 多学科团队的主要成员还包括 Félicie Albert、Leily Kiani、Emily Link、Thomas Spinka、Issa Tamer 和 Scott Wilks。

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