多激光照射法使2μm固体激光器的EUV光转换效率提升约40%

日本理化学研究所（理研）和宇都宫大学等机构的国际联合研究小组于8月25日宣布，在用2μm固体激光器产生极紫外（EUV）光的过程中，采用“多激光照射法”将激光分成多束同时照射锡靶，EUV光转换效率可从2.6%提升到3.6%，相对升幅约40%。该方法的亮点是降低了单束激光的能量需求，同时维持了更高的转换效率，为EUV光刻设备降低功耗提供了可行路线。

目前，最先进半导体的线宽已经达到数纳米以下。这类芯片的电路图形需要利用波长13.5nm的EUV光进行光刻。常见EUV光源是由大功率二氧化碳激光（波长10.6μm）轰击锡靶生成锡等离子体，再辐射EUV光。该EUV光源的功耗超过1MW，是先进制程进一步发展的制约因素。2μm固体激光器的电光转换效率较高，因此被寄望于替代二氧化碳激光器；问题是2μm固体激光器的输出能力尚未达到EUV光刻设备所需水平，实用化前景不明。

在先进半导体的开发中，若要继续微缩电路图案，就需要更高输出的EUV光源。如果只是提高光源功率，半导体制造成本和环保压力都会进一步增大。有报道称，台积电公司的耗电量已经逼近台湾地区总用电量的10%，问题已经开始显现。

研究团队此次采用了一种替代方案：将一台2μm固体激光器输出的光束分成多束，在总激光能量不变的前提下降低每一束的能量，再以不同入射角同时照射锡靶，从而在较低单束能量下提高转换效率。这种方案称为“多激光照射法”。实验在真空容器内进行。Ho:YAG（掺钬钇铝石榴石）固体激光器输出的是波长为2090nm、脉宽20ns、重复频率1kHz的2μm波段激光脉冲；激光照射锡金属平板靶后，研究人员测量了EUV光谱、EUV光转换效率、光源图像、高速离子等参量。

单束激光实验显示，当总激光能量为40mJ、入射角为0°时，靶面激光强度约为1.6×10^11 W/cm²，EUV光转换效率达到最大，为2.6%。辐射流体力学模拟计算出的等离子体温度和发射光谱与实验数据吻合。在该单束条件下，光谱纯度最高达到8%，带外发光受到强烈抑制。

在总能量仍为40mJ的前提下，研究团队将激光能量分成两束（每束20mJ），以±30°的入射角同时照射锡靶。通过调节聚焦透镜的焦点位置和焦点光斑大小，两束激光在靶面的强度均保持在1.6×10^11 W/cm²左右。结果显示，与总能量相同的单束照射相比，双束照射的EUV光转换效率从2.6%升至3.6%，提高了约40%。研究团队称，这是使用锡平板靶的2μm固体激光EUV光源中世界最高水平的转换效率。

EUV能量计的记录显示，双束照射时EUV脉冲时间波形的积分面积大于单束照射。团队分析认为，多束激光同时加热使等离子体区域扩大，进而抑制了等离子体冷却，使更多EUV光被辐射出来。

针孔相机图像显示，单束和双束条件下的EUV光源尺寸都在约60～70μm，几乎没有变化。这意味着该技术可以在不扩大光源尺寸的前提下提高转换效率。这样的光源尺寸也满足未来高数值孔径的“高NA/Hyper-NA EUV光刻设备”所要求的100μm以下条件。

这项研究给出了一条新设计思路：通过较低能量的多束激光同时照射，可以实现EUV光转换效率的提升。研究团队下一步将优化2μm固体激光的束数，并在EUV光刻设备实际采用的液滴状锡靶上进行验证，推动其走向实际应用。由于2μm固体激光器具有较高的电光转换效率，采用该技术有望降低EUV光刻设备整体耗电，并为先进半导体产业的持续发展和日本半导体产业国际竞争力的提升带来帮助。

参与研究的主要人员包括：理研光量子工学研究中心（RAP）未踏激光科学研究团队负责人高桥荣治（兼任理研最先进研究平台合作事业本部计算领域扩展项目先进半导体技术开发课题负责人），该团队基础科学特别研究员西宫海人；宇都宫大学工学部基础工学系教授东口武史（兼任RAP未踏激光科学研究团队客座研究员），该系研究生长浜直辉、山本隼也（兼任RAP团队研修生）、矢泽隼斗（研究当时）、高井悠太、田中千智（兼任RAP团队客座研究员）；东京大学大学院工学系研究科副教授坂上和之；美国普渡大学极端环境物质中心研究员砂原淳；爱尔兰都柏林大学学院教授Jerry O'Sullivan；广岛大学大学院先进理工系科学研究科教授难波慎一等。相关论文已发表于Optica（原美国光学会）出版的期刊《Optics Letters》。