从左至右：德鲁·威拉德、布兰登·里根和伊萨·塔默正在大口径铥（BAT）激光系统上工作。（照片：杰森·劳雷亚/LLNL）
数十年来，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在激光、光学和等离子体物理学领域的尖端研究，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领域的惊人创新。
如今，由LLNL领导的一个新的研究合作伙伴关系旨在为下一代极紫外（EUV）光刻技术奠定基础，该技术围绕实验室开发的驱动系统——大口径铥（BAT）激光系统展开。这一突破可能为新一代“超越 EUV”的光刻系统铺平道路，从而以更快的速度和更低的能耗制造芯片。
该团队将参与极紫外光刻与材料创新中心（ELMIC），这是美国能源部（DOE）科学办公室选定的微电子科学研究中心（MSRC）之一。能源部宣布为这三个MSRC提供1.79亿美元的资金，这些中心是根据2022年两党通过的《芯片和科学法案》授权设立的。
ELMIC旨在推动将新材料和新工艺集成到未来微电子系统中的基础科学进步。LLNL领导的该项目是ELMIC中心内一项为期四年、耗资1200万美元的研究，专门旨在扩展围绕EUV产生和基于等离子体的粒子源的基础科学。ELMIC的其他项目将侧重于关键研究领域，如基于等离子体的纳米制造、二维材料系统和极大规模存储。
LLNL领导的项目将测试BAT激光系统在提高EUV光源效率方面的能力，与当前的行业标准——二氧化碳（CO2）激光器相比，效率可提高约10倍。这可能会引领下一代“超越EUV”的光刻系统，生产出更小、更强大、制造速度更快且耗电量更少的芯片。
“在过去的五年里，我们已经完成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，”LLNL激光物理学家布兰登·里根说。“我们的工作已经在EUV光刻界产生了相当大的影响，所以我们现在很高兴迈出这一步。”
里根和LLNL等离子体物理学家杰克逊·威廉姆斯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、ASML圣地亚哥分公司以及荷兰的先进纳米光刻研究中心（ARCNL）的科学家。
EUV光刻涉及高功率激光器以每秒数万滴的速度照射锡滴。激光将每滴约30微米（百万分之一米）的锡滴加热到50万摄氏度，产生等离子体，从而生成波长为13.5纳米的紫外光。
特殊的多层镜子引导光线穿过称为掩模的板，这些板上刻有半导体晶片的集成电路复杂图案。光线将图案投射到光刻胶层上，该层被蚀刻掉，从而在芯片上留下集成电路。
LLNL领导的项目将研究一个主要假设，即可以通过为新型拍瓦（petawatt）BAT激光系统开发的技术来提高用于半导体生产的现有EUV光刻光源的能量效率。BAT激光系统使用掺铥钇锂氟化物作为增益介质，通过该介质增加激光束的功率和强度。
掺铥钇锂氟化物的独特中心波长约为2微米，不同于所有其他在1微米或以下或10微米操作的强激光。该项目将是对2微米处焦耳级激光-靶耦合的首次探索。
这项工作建立在LLNL实验室定向研究和开发计划的内部投资，以及能源部科学办公室高能物理加速器管理计划和外部国防高级研究计划局的支持所取得的成果之上。
研究人员计划展示将紧凑型高重复率BAT激光系统与使用整形纳秒脉冲产生EUV光源的技术，以及使用超短亚皮秒脉冲产生高能X射线和粒子的技术相结合。
“这个项目将在LLNL建立第一个高功率、高重复率、约2微米的激光器，”威廉姆斯说。“BAT激光器所具备的能力也将对高能量密度物理和惯性聚变能源领域产生重大影响。”
许多实验将在LLNL的“木星激光设施”（Jupiter Laser Facility (JLF) ）进行。JLF是一个中型用户设施，刚刚完成了为期四年的翻修，并且是LaserNetUS的成员，后者是能源部科学办公室聚变能源科学在北美的高功率激光设施网络。
该图显示了高重复率激光脉冲进入LLNL JLF激光设施的泰坦靶区（中心），在那里，大口径铥激光束击中两种靶配置：短脉冲照射液流片以产生高能粒子（左），长脉冲照射液滴以产生极紫外光并进行其他实验（右）。
自成立以来，半导体行业就一直在不断竞赛，通过尽可能多地将集成电路和其他特性集成到一个芯片上，使每一代微处理器变得更小但更强大。在过去几年里，EUV光刻技术一直占据前沿地位，因为它使用EUV光在先进芯片和处理器上蚀刻出仅有几纳米大小的微观电路。
里根指出，实验室长期以来一直在开创EUV光刻技术的发展，包括早期的光谱研究，这些研究为基于等离子体的EUV光源奠定了基础。
1997年，一项涉及LLNL、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的合作研究项目导致了工程测试台的开发，这是第一个原型EUV曝光工具。
此外，实验室还开发了高效的多层光学元件，这些元件在传输和输送用于光刻的EUV光方面发挥了关键作用。此前，LLNL曾与ASML合作，利用实验室广泛的等离子体模拟能力来优化光源效率。
多年来，LLNL的多学科研究为多层涂层科学和技术、光学计量学、光源、激光器、高性能计算，以及值得注意的是，2022年12月在国家点火设施（NIF）实现的历史性聚变点火成就，做出了重要贡献。
ASML是最大商业芯片生产商所使用的EUV光刻机的制造商，该公司使用CO2脉冲激光器来驱动EUV光源。但LLNL过去十年的研究表明，较新的二极管驱动的固态激光技术为实现EUV光刻系统更高的功率和整体效率提供了一条有希望的途径。
除了里根和威廉姆斯外，LLNL多学科团队的关键成员还包括费利西·阿尔伯特、莱莉·基亚尼、艾米丽·林克、托马斯·斯平卡、伊萨·塔默和斯科特·威尔克斯。
该项目还包括SLAC高能量密度分部主任、前LLNL等离子体物理组组长西格弗里德·格伦泽，ASML首席EUV光源研究技术专家迈克尔·珀维斯，以及ARCNL光源部门负责人奥斯卡·韦尔索拉托。
================================
SoC 设计优化相关资料推荐
