一种基于铥元素的拍瓦级（petawatt-class）铥激光器（thulium laser），有望大幅提升芯片制造效率，开启“超越EUV”的新时代。
在半导体制造领域，极紫外光刻（EUV）技术一直是推动芯片制造先进工艺发展的关键。然而，当前的EUV光刻系统面临着能耗高、成本昂贵等问题。近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣布正在研发一种基于铥元素的拍瓦级（petawatt-class）铥激光器（thulium laser），这一技术有望大幅提升芯片制造效率，开启“超越EUV”的新时代。
研发背景
当前的EUV光刻系统采用二氧化碳激光器作为光源，其功耗极高，低数值孔径（Low-NA）和高数值孔径（High-NA）EUV光刻系统的功耗分别高达1,170千瓦和1,400千瓦。
这种高能耗主要源于EUV系统的工作原理：高能激光脉冲以每秒数万次的频率蒸发锡滴（50万摄氏度），形成等离子体并发射13.5纳米波长的光。这一过程不仅需要庞大的激光基础设施和冷却系统，还需要在真空环境中进行以避免EUV光被空气吸收。此外，EUV工具中的先进反射镜只能反射部分EUV光，因此需要更强大的激光来提高产能。
EUV 光刻技术需要使用高功率激光每秒发射数万个锡滴。（来源：Lawrence Livermore National Laboratory）
LLNL的技术突破
LLNL主导的“大口径铥激光”（BAT）技术旨在解决上述问题。与波长约为10微米的二氧化碳激光器不同，BAT激光器的工作波长为2微米，理论上能够提高锡滴与激光相互作用时的等离子体到EUV光的转换效率。此外，BAT系统采用二极管泵浦固态技术，相较于气体二氧化碳激光器，具有更高的整体电效率和更好的热管理能力。
LLNL激光物理学家布伦丹・里根（Brendan Reagan）表示：“过去五年中，我们已经完成了理论等离子体模拟和概念验证实验，为这一项目奠定了基础。我们的工作已经在EUV光刻领域产生了重要影响，现在我们对下一步的研究充满期待。”
（来源：Lawrence Livermore National Laboratory）
LLNL的BAT激光器采用掺铥氟化钇锂（Tm:YLF）作为激光增益介质，能够实现拍瓦级输出。据LLNL称，这种激光器的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。在实验中，他们展示了Tm:YLF激光器性能的进一步大幅提升，在之前结果的基础上展示了1GW峰值功率以上的纳秒级脉冲放大和超过100J的长脉冲模式下的能量提取。
未来展望
除了提高光源效率外，BAT激光器还可能为其他领域带来变革。作为一种强大而紧凑的激光器，BAT激光器结构可能会为激光等离子加速、用于癌症治疗的质子加速、用于修复关键飞机部件中微裂纹的激光冲击喷丸等应用带来新的可能性。此外，BAT激光器的研发还有助于推动高能量密度（HED）物理学和惯性聚变能等领域的发展。
尽管LLNL的BAT激光技术在理论上具有巨大的潜力，但将其应用于半导体生产仍需克服重大基础设施改造的挑战。当前的EUV系统经过数十年才得以成熟，因此BAT技术的实际应用可能需要较长时间。
据行业分析公司TechInsights预测，到2030年，半导体制造厂的年耗电量将达到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光刻技术投入市场，能耗问题可能进一步加剧。因此，行业对更高效、更节能的EUV机器技术的需求将持续增长，而LLNL的BAT激光技术无疑为这一目标提供了新的可能性。
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