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）激光体系上作业。（相片：杰森·劳雷亚/LLNL）
数十年来，美国劳伦斯利弗莫尔国家试验室（LLNL）在激光、光学和等离子体物理学范畴的顶级研讨，在半导体职业用来制作先进微处理器的根底科学中发挥了要害作用。这些核算机芯片推进了当今人工智能、高性能超级核算机和智能手机范畴的惊人立异。
现在，由LLNL领导的一个新的研讨协作伙伴关系旨在为下一代极紫外（EUV）光刻技能奠定根底，该技能环绕试验室开发的驱动体系——大口径铥（BAT）激光体系打开。这一打破可能为新一代“逾越 EUV”的光刻体系铺平道路，然后以更快的速度和更低的能耗制作芯片。
该团队将参加极紫外光刻与资料立异中心（ELMIC），这是美国动力部（DOE）科学办公室选定的微电子科学研讨中心（MSRC）之一。动力部宣告为这三个MSRC供给1.79亿美元的资金，这些中心是依据2022年两党经过的《芯片和科学法案》授权树立的。
ELMIC旨在推进将新资料和新工艺集成到未来微电子体系中的根底科学前进。LLNL领导的该项目是ELMIC中心内一项为期四年、耗资1200万美元的研讨，专门旨在扩展环绕EUV发生和根据等离子体的粒子源的根底科学。ELMIC的其他项目将侧重于要害研讨范畴，如根据等离子体的纳米制作、二维资料体系和极大规划存储。
LLNL领导的项目将测验BAT激光体系在进步EUV光源功率方面的才能，与当时的职业标准——二氧化碳（CO2）激光器比较，功率可进步约10倍。这可能会引领下一代“逾越EUV”的光刻体系，出产出更小、更强壮、制作速度更快且耗电量更少的芯片。
“在曩昔的五年里，咱们已完成了理论等离子体模仿和概念验证激光演示，为这一个项目奠定了根底，”LLNL激光物理学家布兰登·里根说。“咱们的作业已经在EUV光刻界发生了相当大的影响，所以咱们现在很快乐迈出这一步。”
里根和LLNL等离子体物理学家杰克逊·威廉姆斯是该项意图联合首席研讨员。该项目包括来自SLAC国家加速器试验室、ASML圣地亚哥分公司以及荷兰的先进纳米光刻研讨中心（ARCNL）的科学家。
EUV光刻触及高功率激光器以每秒数万滴的速度照耀锡滴。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，发生等离子体，然后生成波长为13.5纳米的紫外光。
特别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杂乱图画。光线将图画投射到光刻胶层上，该层被蚀刻掉，然后在芯片上留下集成电路。
LLNL领导的项目将研讨一个首要假定，即可以经过为新式拍瓦（petawatt）BAT激光体系开发的技能来进步用于半导体出产的现有EUV光刻光源的能量功率。BAT激光体系运用掺铥钇锂氟化物作为增益介质，经过该介质添加激光束的功率和强度。
掺铥钇锂氟化物的共同中心波长约为2微米，不同于一切其他在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-靶耦合的初次探究。
这项作业树立在LLNL试验室定向研讨和开发方案的内部出资，以及动力部科学办公室高能物理加速器办理方案和外部国防高档研讨方案局的支撑所获得的效果之上。
研讨人员方案展现将紧凑型高重复率BAT激光体系与运用整形纳秒脉冲发生EUV光源的技能，以及运用超短亚皮秒脉冲发生高能X射线和粒子的技能相结合。
“这个项目将在LLNL树立第一个高功率、高重复率、约2微米的激光器，”威廉姆斯说。“BAT激光器所具有的才能也将对高能量密度物理和惯性聚变动力范畴发生严重影响。”
许多试验将在LLNL的“木星激光设备”（Jupiter Laser Facility (JLF) ）进行。JLF是一个中型用户设备，刚刚完成了为期四年的翻修，并且是LaserNetUS的成员，后者是动力部科学办公室聚变动力科学在北美的高功率激光设备网络。
该图显现了高重复率激光脉冲进入LLNL JLF激光设备的泰坦靶区（中心），在那里，大口径铥激光束击中两种靶装备：短脉冲照耀液流片以发生高能粒子（左），长脉冲照耀液滴以发生极紫外光并进行其他试验（右）。
自成立以来，半导体职业就一向在不断比赛，经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壮。在曩昔几年里，EUV光刻技能一向占有前沿位置，由于它运用EUV光在先进芯片和处理器上蚀刻出仅有几纳米巨细的微观电路。
里根指出，试验室长期以来一向在创始EUV光刻技能的开展，包括前期的光谱研讨，这些研讨为根据等离子体的EUV光源奠定了根底。
1997年，一项触及LLNL、桑迪亚国家试验室和劳伦斯伯克利国家试验室的协作研讨项目导致了工程测验台的开发，这是第一个原型EUV曝光东西。
此外，试验室还开发了高效的多层光学元件，这些元件在传输和运送用于光刻的EUV光方面发挥了要害作用。此前，LLNL曾与ASML协作，运用试验室广泛的等离子体模仿才能来优化光源功率。
多年来，LLNL的多学科研讨为多层涂层科学和技能、光学计量学、光源、激光器、高性能核算，以及有必要留意一下的是，2022年12月在国家焚烧设备（NIF）完成的历史性聚变焚烧成果，做出了重要贡献。
ASML是最大商业芯片出产商所运用的EUV光刻机的制作商，该公司运用CO2脉冲激光器来驱动EUV光源。但LLNL曩昔十年的研讨标明，较新的二极管驱动的固态激光技能为完成EUV光刻体系更高的功率和全体功率供给了一条有期望的途径。
除了里根和威廉姆斯外，LLNL多学科团队的要害成员还包括费利西·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高单位体积内的包括的能量分部主任、前LLNL等离子体物理组组长西格弗里德·格伦泽，ASML首席EUV光源研讨技能专家迈克尔·珀维斯，以及ARCNL光源部分负责人奥斯卡·韦尔索拉托。
