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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(tǒng)上工作。（照片：杰森·勞雷亞/LLNL）

數(shù)十年來(lái)，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在激光、光學(xué)和等離子體物理學(xué)領(lǐng)域的尖端研究，在半導(dǎo)體行業(yè)用于制造先進(jìn)微處理器的基礎(chǔ)科學(xué)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這些計(jì)算機(jī)芯片推動(dòng)了當(dāng)今人工智能、高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)領(lǐng)域的驚人創(chuàng)新。

如今，由LLNL領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)新的研究合作伙伴關(guān)系旨在為下一代極紫外（EUV）光刻技術(shù)奠定基礎(chǔ)，該技術(shù)圍繞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——大口徑銩（BAT）激光系統(tǒng)展開(kāi)。這一突破可能為新一代“超越 EUV”的光刻系統(tǒng)鋪平道路，從而以更快的速度和更低的能耗制造芯片。

該團(tuán)隊(duì)將參與極紫外光刻與材料創(chuàng)新中心（ELMIC），這是美國(guó)能源部（DOE）科學(xué)辦公室選定的微電子科學(xué)研究中心（MSRC）之一。能源部宣布為這三個(gè)MSRC提供1.79億美元的資金，這些中心是根據(jù)2022年兩黨通過(guò)的《芯片和科學(xué)法案》授權(quán)設(shè)立的。

ELMIC旨在推動(dòng)將新材料和新工藝集成到未來(lái)微電子系統(tǒng)中的基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步。LLNL領(lǐng)導(dǎo)的該項(xiàng)目是ELMIC中心內(nèi)一項(xiàng)為期四年、耗資1200萬(wàn)美元的研究，專(zhuān)門(mén)旨在擴(kuò)展圍繞EUV產(chǎn)生和基于等離子體的粒子源的基礎(chǔ)科學(xué)。ELMIC的其他項(xiàng)目將側(cè)重于關(guān)鍵研究領(lǐng)域，如基于等離子體的納米制造、二維材料系統(tǒng)和極大規(guī)模存儲(chǔ)。

LLNL領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目將測(cè)試BAT激光系統(tǒng)在提高EUV光源效率方面的能力，與當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——二氧化碳（CO2）激光器相比，效率可提高約10倍。這可能會(huì)引領(lǐng)下一代“超越EUV”的光刻系統(tǒng)，生產(chǎn)出更小、更強(qiáng)大、制造速度更快且耗電量更少的芯片。

“在過(guò)去的五年里，我們已經(jīng)完成了理論等離子體模擬和概念驗(yàn)證激光演示，為這個(gè)項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)，”LLNL激光物理學(xué)家布蘭登·里根說(shuō)。“我們的工作已經(jīng)在EUV光刻界產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響，所以我們現(xiàn)在很高興邁出這一步。”

里根和LLNL等離子體物理學(xué)家杰克遜·威廉姆斯是該項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員。該項(xiàng)目包括來(lái)自SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、ASML圣地亞哥分公司以及荷蘭的先進(jìn)納米光刻研究中心（ARCNL）的科學(xué)家。

EUV光刻涉及高功率激光器以每秒數(shù)萬(wàn)滴的速度照射錫滴。激光將每滴約30微米（百萬(wàn)分之一米）的錫滴加熱到50萬(wàn)攝氏度，產(chǎn)生等離子體，從而生成波長(zhǎng)為13.5納米的紫外光。

特殊的多層鏡子引導(dǎo)光線穿過(guò)稱(chēng)為掩模的板，這些板上刻有半導(dǎo)體晶片的集成電路復(fù)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(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目將研究一個(gè)主要假設(shè)，即可以通過(guò)為新型拍瓦（petawatt）BAT激光系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)來(lái)提高用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的現(xiàn)有EUV光刻光源的能量效率。BAT激光系統(tǒng)使用摻銩釔鋰氟化物作為增益介質(zhì)，通過(guò)該介質(zhì)增加激光束的功率和強(qiáng)度。

摻銩釔鋰氟化物的獨(dú)特中心波長(zhǎng)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(qiáng)激光。該項(xiàng)目將是對(duì)2微米處焦耳級(jí)激光-靶耦合的首次探索。

這項(xiàng)工作建立在LLNL實(shí)驗(yàn)室定向研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃的內(nèi)部投資，以及能源部科學(xué)辦公室高能物理加速器管理計(jì)劃和外部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的支持所取得的成果之上。

研究人員計(jì)劃展示將緊湊型高重復(fù)率BAT激光系統(tǒng)與使用整形納秒脈沖產(chǎn)生EUV光源的技術(shù)，以及使用超短亞皮秒脈沖產(chǎn)生高能X射線和粒子的技術(shù)相結(jié)合。

“這個(gè)項(xiàng)目將在LLNL建立第一個(gè)高功率、高重復(fù)率、約2微米的激光器，”威廉姆斯說(shuō)。“BAT激光器所具備的能力也將對(duì)高能量密度物理和慣性聚變能源領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”

許多實(shí)驗(yàn)將在LLNL的“木星激光設(shè)施”（Jupiter Laser Facility (JLF) ）進(jìn)行。JLF是一個(gè)中型用戶設(shè)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(xué)辦公室聚變能源科學(xué)在北美的高功率激光設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

該圖顯示了高重復(fù)率激光脈沖進(jìn)入LLNL JLF激光設(shè)施的泰坦靶區(qū)（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(chǎn)生高能粒子（左），長(zhǎng)脈沖照射液滴以產(chǎn)生極紫外光并進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)（右）。

自成立以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)就一直在不斷競(jìng)賽，通過(guò)盡可能多地將集成電路和其他特性集成到一個(gè)芯片上，使每一代微處理器變得更小但更強(qiáng)大。在過(guò)去幾年里，EUV光刻技術(shù)一直占據(jù)前沿地位，因?yàn)樗褂?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">EUV光在先進(jìn)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(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)一直在開(kāi)創(chuàng)EUV光刻技術(shù)的發(fā)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(chǔ)。

1997年，一項(xiàng)涉及LLNL、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作研究項(xiàng)目導(dǎo)致了工程測(cè)試臺(tái)的開(kāi)發(fā)，這是第一個(gè)原型EUV曝光工具。

此外，實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)發(fā)了高效的多層光學(xué)元件，這些元件在傳輸和輸送用于光刻的EUV光方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此前，LLNL曾與ASML合作，利用實(shí)驗(yàn)室廣泛的等離子體模擬能力來(lái)優(yōu)化光源效率。

多年來(lái)，LLNL的多學(xué)科研究為多層涂層科學(xué)和技術(shù)、光學(xué)計(jì)量學(xué)、光源、激光器、高性能計(jì)算，以及值得注意的是，2022年12月在國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）實(shí)現(xiàn)的歷史性聚變點(diǎn)火成就，做出了重要貢獻(xiàn)。

ASML是最大商業(yè)芯片生產(chǎn)商所使用的EUV光刻機(jī)的制造商，該公司使用CO2脈沖激光器來(lái)驅(qū)動(dòng)EUV光源。但LLNL過(guò)去十年的研究表明，較新的二極管驅(qū)動(dòng)的固態(tài)激光技術(shù)為實(shí)現(xiàn)EUV光刻系統(tǒng)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(xué)科團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵成員還包括費(fèi)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(xiàng)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(zhǎng)西格弗里德·格倫澤，ASML首席EUV光源研究技術(shù)專(zhuān)家邁克爾·珀維斯，以及ARCNL光源部門(mén)負(fù)責(zé)人奧斯卡·韋爾索拉托。