美国研发新一代BAT激光器：超越EUV，光刻效率提升10倍

近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)宣布了一项重大技术突破——成功开发出一种名为大孔径铥(BAT)的新型激光器。这一激光器在效率上远超当前行业标准的二氧化碳(CO2)EUV激光器，其效率提升高达10倍，有望为下一代极紫外(EUV)光刻技术的发展奠定坚实基础，甚至可能引领“超越EUV”的光刻技术革新。

据LLNL介绍，新一代BAT激光器是一种拍瓦级(petawatt-class)铥激光器(thulium laser)，采用先进的大孔径铥(BAT)激光技术。与目前广泛应用于EUV光刻系统的CO2激光器相比，BAT激光器在光源效率上实现了显著提升。这种提升主要得益于其独特的激光增益介质——掺铥氟化钇锂(Tm:YLF)，以及先进的二极管泵浦固态技术。

LLNL的物理学家们表示，BAT激光器在大约2微米的波长下工作，与CO2激光器常用的约10微米波长相比，这一变化有助于提升等离子体到EUV的转换效率。此外，BAT激光器还具备更高的电气效率和热管理能力，从而在实际应用中能够降低整体能耗，提高生产效率。

当前，EUV光刻系统的能耗是一个亟待解决的问题。无论是低数值孔径(Low-NA)还是高数值孔径(High-NA)EUV光刻系统，其功耗都极高，分别高达1170千瓦和1400千瓦。这些能耗主要源于EUV光刻系统的工作原理，即高能激光脉冲以每秒数万次的频率蒸发微小的锡液滴，形成发出13.5纳米波长光的等离子体。这一过程需要庞大的激光基础设施和冷却系统，同时还要保证真空环境，防止EUV光被空气吸收，进一步增加了整体能耗。

而BAT激光器的出现，有望为这一难题提供解决方案。LLNL的物理学家们表示，BAT激光器不仅在效率上远超CO2激光器，还在脉冲能量上创造了新纪录。据称，这些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。这一突破性的表现，使得BAT激光器在光刻领域具有巨大的应用潜力。

LLNL的物理学家Issa Tamer表示：“据我们所知，这些脉冲能量是前所未有的。在过去的五年里，我们进行了理论等离子体模拟和概念验证激光演示，为这一项目奠定了坚实基础。”LLNL激光物理学家Brendan Reagan也补充道：“我们的工作已经对EUV光刻领域产生了相当大的影响，所以现在我们很高兴能迈出下一步。”

然而，将BAT技术应用于半导体生产并非易事。由于需要克服重大基础设施改造带来的挑战，因此还需要一段时间才能看到BAT激光器在半导体生产中的实际应用。不过，行业分析人士认为，这一技术的出现无疑为未来的EUV光刻技术发展提供了新的可能性。

预计到2030年，半导体晶圆厂每年的电力消耗将达到54000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)光刻技术上市，功耗可能会更高。因此，寻找更节能的技术来为未来的EUV光刻机提供动力，已成为行业的共同目标。而LLNL的BAT激光技术，无疑为实现这一目标提供了新的契机。