美國實驗室可實現“超越 EUV”的光刻
2025-01-06 09:02:37 EETOP
從左至右：德魯·威拉德、布蘭登·里根和伊薩·塔默正在大口徑銩（BAT）激光系統上工作。（照片：杰森·勞雷亞/LLNL）
數十年來，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在激光、光學和等離子體物理學領域的尖端研究，在半導體行業用于制造先進微處理器的基礎科學中發揮了關鍵作用。這些計算機芯片推動了當今人工智能、高性能超級計算機和智能手機領域的驚人創新。
如今，由LLNL領導的一個新的研究合作伙伴關系旨在為下一代極紫外（EUV）光刻技術奠定基礎，該技術圍繞實驗室開發的驅動系統——大口徑銩（BAT）激光系統展開。這一突破可能為新一代“超越 EUV”的光刻系統鋪平道路，從而以更快的速度和更低的能耗制造芯片。
該團隊將參與極紫外光刻與材料創新中心（ELMIC），這是美國能源部（DOE）科學辦公室選定的微電子科學研究中心（MSRC）之一。能源部宣布為這三個MSRC提供1.79億美元的資金，這些中心是根據2022年兩黨通過的《芯片和科學法案》授權設立的。
ELMIC旨在推動將新材料和新工藝集成到未來微電子系統中的基礎科學進步。LLNL領導的該項目是ELMIC中心內一項為期四年、耗資1200萬美元的研究，專門旨在擴展圍繞EUV產生和基于等離子體的粒子源的基礎科學。ELMIC的其他項目將側重于關鍵研究領域，如基于等離子體的納米制造、二維材料系統和極大規模存儲。
LLNL領導的項目將測試BAT激光系統在提高EUV光源效率方面的能力，與當前的行業標準——二氧化碳（CO2）激光器相比，效率可提高約10倍。這可能會引領下一代“超越EUV”的光刻系統，生產出更小、更強大、制造速度更快且耗電量更少的芯片。
“在過去的五年里，我們已經完成了理論等離子體模擬和概念驗證激光演示，為這個項目奠定了基礎，”LLNL激光物理學家布蘭登·里根說?！拔覀兊墓ぷ饕呀浽?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">EUV光刻界產生了相當大的影響，所以我們現在很高興邁出這一步?！?/span>
里根和LLNL等離子體物理學家杰克遜·威廉姆斯是該項目的聯合首席研究員。該項目包括來自SLAC國家加速器實驗室、ASML圣地亞哥分公司以及荷蘭的先進納米光刻研究中心（ARCNL）的科學家。
EUV光刻涉及高功率激光器以每秒數萬滴的速度照射錫滴。激光將每滴約30微米（百萬分之一米）的錫滴加熱到50萬攝氏度，產生等離子體，從而生成波長為13.5納米的紫外光。
特殊的多層鏡子引導光線穿過稱為掩模的板，這些板上刻有半導體晶片的集成電路復雜圖案。光線將圖案投射到光刻膠層上，該層被蝕刻掉，從而在芯片上留下集成電路。
LLNL領導的項目將研究一個主要假設，即可以通過為新型拍瓦（petawatt）BAT激光系統開發的技術來提高用于半導體生產的現有EUV光刻光源的能量效率。BAT激光系統使用摻銩釔鋰氟化物作為增益介質，通過該介質增加激光束的功率和強度。
摻銩釔鋰氟化物的獨特中心波長約為2微米，不同于所有其他在1微米或以下或10微米操作的強激光。該項目將是對2微米處焦耳級激光-靶耦合的首次探索。
這項工作建立在LLNL實驗室定向研究和開發計劃的內部投資，以及能源部科學辦公室高能物理加速器管理計劃和外部國防高級研究計劃局的支持所取得的成果之上。
研究人員計劃展示將緊湊型高重復率BAT激光系統與使用整形納秒脈沖產生EUV光源的技術，以及使用超短亞皮秒脈沖產生高能X射線和粒子的技術相結合。
“這個項目將在LLNL建立第一個高功率、高重復率、約2微米的激光器，”威廉姆斯說。“BAT激光器所具備的能力也將對高能量密度物理和慣性聚變能源領域產生重大影響。”
許多實驗將在LLNL的“木星激光設施”（Jupiter Laser Facility (JLF) ）進行。JLF是一個中型用戶設施，剛剛完成了為期四年的翻修，并且是LaserNetUS的成員，后者是能源部科學辦公室聚變能源科學在北美的高功率激光設施網絡。
該圖顯示了高重復率激光脈沖進入LLNL JLF激光設施的泰坦靶區（中心），在那里，大口徑銩激光束擊中兩種靶配置：短脈沖照射液流片以產生高能粒子（左），長脈沖照射液滴以產生極紫外光并進行其他實驗（右）。
自成立以來，半導體行業就一直在不斷競賽，通過盡可能多地將集成電路和其他特性集成到一個芯片上，使每一代微處理器變得更小但更強大。在過去幾年里，EUV光刻技術一直占據前沿地位，因為它使用EUV光在先進芯片和處理器上蝕刻出僅有幾納米大小的微觀電路。
里根指出，實驗室長期以來一直在開創EUV光刻技術的發展，包括早期的光譜研究，這些研究為基于等離子體的EUV光源奠定了基礎。
1997年，一項涉及LLNL、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的合作研究項目導致了工程測試臺的開發，這是第一個原型EUV曝光工具。
此外，實驗室還開發了高效的多層光學元件，這些元件在傳輸和輸送用于光刻的EUV光方面發揮了關鍵作用。此前，LLNL曾與ASML合作，利用實驗室廣泛的等離子體模擬能力來優化光源效率。
多年來，LLNL的多學科研究為多層涂層科學和技術、光學計量學、光源、激光器、高性能計算，以及值得注意的是，2022年12月在國家點火設施（NIF）實現的歷史性聚變點火成就，做出了重要貢獻。
ASML是最大商業芯片生產商所使用的EUV光刻機的制造商，該公司使用CO2脈沖激光器來驅動EUV光源。但LLNL過去十年的研究表明，較新的二極管驅動的固態激光技術為實現EUV光刻系統更高的功率和整體效率提供了一條有希望的途徑。
除了里根和威廉姆斯外，LLNL多學科團隊的關鍵成員還包括費利西·阿爾伯特、萊莉·基亞尼、艾米麗·林克、托馬斯·斯平卡、伊薩·塔默和斯科特·威爾克斯。
該項目還包括SLAC高能量密度分部主任、前LLNL等離子體物理組組長西格弗里德·格倫澤，ASML首席EUV光源研究技術專家邁克爾·珀維斯，以及ARCNL光源部門負責人奧斯卡·韋爾索拉托。
