美国实验室研发新型激光技术，有望大幅提升芯片制造效率

2025-01-06 10:11

1 月 5 日消息，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在研发一种基于铥元素的拍瓦（petawatt）级激光技术，该技术有望取代当前极紫外光刻（EUV）工具中使用的二氧化碳激光器，并将光源效率提升约十倍。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。

当前，EUV 光刻系统的能耗问题备受关注。以低数值孔径（Low-NA）和高数值孔径（High-NA）EUV 光刻系统为例，其功耗分别高达 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），以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。
IT之家注意到，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。

最初，LLNL 的研究团队计划将这种紧凑且高重复率的 BAT 激光器与 EUV 光源系统结合，测试其在 2 微米波长下与锡滴的相互作用效果。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。”
然而，将 BAT 技术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）EU

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