新型激光技术有望大幅提升芯片制造效率

据国外媒体报道，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。

图片:微信图片_20250107092101.jpg

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。

图片:f3d3572c11dfa9ec14ea0ab4924ec50c938fc1ff.png

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）EUV 光刻技术投入市场，能耗问题可能进一步加剧。因此，行业对更高效、更节能的 EUV 机器技术的需求将持续增长，而 LLNL 的 BAT 激光技术无疑为这一目标提供了新的可能性。

随着基于BAT技术的激光系统逐步成熟，行业大有可为。新型激光器不仅将改变芯片制造的能效比，还可能推动整体半导体产业的改革。在未来的半导体生产中，持续加强激光技术的研发和革新，对于行业的可持续发展无疑具有重要意义。

同时，此前的EUV技术也将伴随BAT技术的发展进行优化改进，实现两者的相得益彰。可以预见，在不久的将来，半导体制造将会迎来一个技术重塑的窗口，其中激光技术的创新将继续推进智能制造的潮流，使行业朝着更高效、环保的目标迈进。

总之，LLNL的BAT激光技术进展标志着芯片制造领域又一次技术革新的开端。在这一进程中，各大厂商需紧跟时代步伐，通过技术创新应对日益严峻的能耗挑战，推动芯片制造的绿色转型。相信在不久的将来，更高级别的集成电路产品将能够以更低的成本和能耗大规模生产，助力人工智能与数字经济的更加畅通发展。