美国开发新一代BAT激光器：远超现有EUV光刻 效率提升10倍！

1月6日消息，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)正在研究一种效率比传统CO2 EUV激光器高10倍的激光器，这将为下一代EUV光刻技术发展奠定基础。

据报道，LLNL正在研发的是一种拍瓦级(petawatt-class)铥激光器(thulium laser)，采用大孔径铥 (BAT：Big Aperture Thulium ) 激光技术，与当前行业标准二氧化碳 (CO2) 激光器相比可将EUV光源效率提高约10 倍，未来有望取而代之。

ps.Petawatt(PW)是一个非常大的功率单位，表示10^15瓦特，常用于描述高能激光器的输出功率。

LLNL认为，这一进步可能为新一代“超越EUV”的光刻系统铺平道路，从而生产出更小、更强大、制造速度更快、同时耗电量更少的芯片。

当前，EUV光刻系统的能耗是一大问题。无论是低数值孔径(Low-NA)还是高数值孔径(High-NA)EUV光刻系统功耗都极高，分别高达1,170千瓦和 1,400 千瓦。

如此高的能耗主要是源于EUV光刻系统的工作原理，高能激光脉以每秒数万次的频率蒸发微小的锡液滴(温度为 500,000?C)，以形成发出13.5纳米波长光光的等离子体。这一过程需要庞大的激光基础设施和冷却系统，同时还要保证真空环境，防止EUV光被空气吸收，进一步增加了整体能耗。

不仅如此，EUV工具中的先进反射镜只能反射部分EUV光，因此必须提高激光器的功率以提高产能。

LLNL目前正在测试BAT(大孔径铥)这种新型激光器技术，采用掺铥氟化钇锂(Tm：YLF)作为激光增益介质，理论上可以高效地输出拍瓦级、超短激光脉冲，远远超过目前同类激光器的水平。

据LLNL称，与在约10微米波长下工作的CO2激光器不同，该系统在大约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，与基于气体的CO2激光器，BAT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能力。

“据我们所知，这些脉冲能量是世界上任何波长接近2微米的激光架构所报告的最高脉冲能量的25倍以上，”LLNL物理学家 Issa Tamer说道。

“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，为这一项目奠定了基础，”LLNL激光物理学家 Brendan Reagan 说。“我们的工作已经对EUV光刻领域产生了相当大的影响，所以现在我们很高兴能迈出下一步。”

不过，将BAT技术应用于半导体生产需要克服重大基础设施改造带来的挑战，因此需要多长时间才能取得成果还有待观察。目前的EUV极紫外光刻系统，也经过几十年才开发才得以成熟。

行业分析公司TechInsights曾发出警告，预计到2030年，半导体晶圆厂每年小号的电力将达到54,000 吉瓦 (GW)，超过新加坡或希腊的年用电量。

如果下一代超数值孔径(Hyper-NA EUV)光刻技术上市，功耗可能会更高。因此，我们可以预期该行业将继续寻找更节能的技术来为未来的EUV光刻机提供动力，而LLNL的 BAT激光技术无疑为这一目标提供了新的可能性。