顛覆EUV光刻，美國研究新光源：效率大增

據報導，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室正在研發一種拍瓦級（petawatt-class）銩雷射器（thulium laser），據說其效率比 EUV 工具中使用的二氧化碳雷射器高 10 倍，並且可以在未來許多年內取代光刻系統中的二氧化碳雷射器。

LLNL 牽頭的計畫將評估大孔徑銩 (BAT：Big Aperture Thulium ) 雷射技術 ，使 EUV 光源效率比目前行業標準的 CO2 雷射器提高約十倍。這一進步可能為新一代“Beyond EUV”光刻系統鋪平道路，該系統可以更快地生產晶片，並且功耗更低。當然，將 BAT 技術應用於半導體生產需要進行重大的基礎設施變革，因此需要多長時間才能實現還有待觀察；目前的 EUV 系統是經過數十年開發出來的。

極紫外光刻技術的一個特點是，當前一代低數值孔徑 EUV 和下一代高數值孔徑 EUV 光刻系統的功耗極高：這兩種工具的功耗分別高達 1,170 和 1,400 千瓦。EUV 光刻工具之所以消耗如此巨大的功率，是因為它們依靠高能雷射脈衝蒸發微小的錫液滴（溫度為 500,000ºC），形成發出 13.5 納米光的電漿體。以每秒數萬次的速度產生這些脈衝需要龐大的雷射基礎設施和冷卻系統。產生和操縱錫液滴也需要電力。

此外，為了防止 EUV 光被空氣吸收，真空要求也增加了整體能耗。最後，由於 EUV 工具中的高級鏡子只能反射一小部分 EUV 光，因此必須提高雷射器的功率以提高生產能力。

據LLNL介紹，BAT 是一種新穎的拍瓦級雷射器概念設計，採用摻銩氟化釔鋰（Tm：YLF）作為雷射增益介質，理論上可以高效地輸出拍瓦級、超短雷射脈衝，平均功率達數百千瓦，遠遠超過目前同類雷射器的水平。

“據我們所知，這些脈衝能量是世界上任何波長接近 2 微米的雷射架構所報告的最高脈衝能量的 25 倍以上，”LLNL 物理學家 Issa Tamer 說道。

作為一種強大而緊湊的雷射器，BAT 雷射器結構可能會為雷射電漿加速、用於癌症治療的質子加速、用於修復關鍵飛機部件中微裂紋的雷射衝擊噴丸以及用於大批次晶片製造的 EUV 光刻等應用帶來變革。

在最近的一篇論文中，他們詳細介紹了這種雷射器。

據介紹，在一個台式二極體泵浦 Tm:YLF 雷射系統中，他們產生了高能量、高功率脈衝的情況，該系統可提供高達 108 J 的放大脈衝能量，以及在使用納秒持續時間脈衝時達到 GW 峰值功率的性能。此外，通過在實驗裝置中注入多 kHz 脈衝群（表現出較低的單個脈衝能量密度）來探索在多脈衝提取 (MPE) 模式下操作 Tm:YLF 的高功率和效率能力，從而產生 3.6 kW 平均功率的多焦耳級脈衝序列，光對光效率為 19%。

作為一種強大而緊湊的雷射器，BAT 雷射器結構可能會為雷射電漿加速、用於癌症治療的質子加速、用於修復關鍵飛機部件中微裂紋的雷射衝擊噴丸以及用於大批次晶片製造的 EUV 光刻等應用帶來變革。

一些基本知識

目前，高能短脈衝雷射系統能夠在極端條件下驅動強雷射-物質相互作用，以產生高通量帶電粒子束（high flux charged particle bunches）、慣性約束聚變（inertial confinement fusion）和用於大批次積體電路製造的極紫外（EUV）光子源。雖然最先進的拍瓦級雷射系統的峰值功率已證明足以產生高產雷射-電漿體相互作用，但仍需要顯著的雷射技術和架構改進，以使平均功率遠超千瓦級，並將整體系統效率提高幾個數量級。

為了滿足對此類下一代雷射系統日益增長的需求，我們探索了新穎的雷射脈衝放大技術，例如多脈衝提取（MPE：multi-pulse extraction），該技術可使雷射操作的效率通常隨著重複率的提高而提高。在此技術中，具有長輻射壽命和高飽和能量密度的雷射活性材料以高能量密度持續泵浦。同時，儲存的能量由脈衝間隔比輻射壽命短得多的入射脈衝串提取，從而在這個時間範圍內放大多個脈衝（例如，在具有幾毫秒持續時間壽命的摻鐿薄盤（Yb-doped thin-disks）中以 10 kHz 提取）。當平均提取強度接近或超過雷射活性材料的飽和強度時，可以實現有效提取。因此，在 MPE 模式中，重複率大大超過輻射壽命的倒數，高效脈衝操作所需的平均提取強度可以在高飽和通量材料中以無損通量實現（即單個脈衝通量遠低於飽和通量）。此外，能量儲存和提取都以類似於連續波雷射操作的穩態方式進行，從而導致整個高重複率雷射脈衝串的恆定放大。

雷射活性材料 Tm:YLF  具有非常適合高峰值和平均功率 MPE 操作的特性：接近 1.9 µm 的寬頻發射光譜、15 ms 的長輻射壽命，以及峰值在 790 nm 附近的吸收光譜，與高功率雷射二極體的發射範圍重疊。此外，Tm:YLF 表現出交叉弛豫相互作用（cross-relaxation interaction ），可以激發兩個 Tm3+泵浦光子將離子提升到雷射能級的上部，從而允許低量子缺陷，儘管雷射和泵浦波長差異很大。大孔徑銩 (BAT) 雷射器概念旨在利用這些有利的材料特性來實現高峰值和平均功率性能，分別高達拍瓦級和幾百千瓦級，光光效率超過 20%。然而，使用 Tm:YLF 實現如此高功率、高效的脈衝雷射操作尚未實現。

在這個研究之前，二極體泵浦 Tm:YLF 雷射器的能量提取演示已實現最大脈衝能量為 300 mJ，脈衝持續時間為 450 µs 。據我們所知，在 2 µm 附近工作的脈衝雷射器中報告的最高能量為二極體泵浦（diode-pumped ） Ho:Tm:LuLF 雷射器的 1.1 J 和自由運行閃光燈泵浦（flash-lamp-pumped ） Cr:Tm:YAG 雷射器 的 4.2 J，後者在 Q 開關模式下也可輸出 0.81 J，脈衝持續時間為 135 ns。

為了揭示即將推出的基於 Tm:YLF 的 MPE 雷射器的潛在性能侷限性並超越最先進技術，我們研究了 Tm:YLF 中的高能量密度儲存和提取，最近在直接二極體泵浦的 Tm:YLF 放大器中實現了焦耳級放大。在本文中，我們展示了 Tm:YLF 雷射器性能的進一步大幅提升，在之前結果的基礎上展示了 1 GW 峰值功率以上的納秒級脈衝放大和超過 100 J 的長脈衝模式下的能量提取。

本文詳細介紹的 Tm:YLF 雷射系統架構的重大改進包括將放大器升級為遠場多路復用、中繼成像、孔徑可擴展組態，以及通過使用微透鏡陣列和傳輸泵浦功率來改善泵浦均勻性。此外，我們首次使用 Tm:YLF 進行了高光-光效率、多脈衝提取操作的原理驗證演示，利用實驗系統將多 kHz 突發放大到 kW 級平均功率。

實驗裝置展示

圖1顯示了為以下高能量、高功率放大演示而建構的緊湊型 Tm:YLF 裝置， 該裝置由一個振盪器和一個多通放大器組成。振盪器採用二極體泵浦、水冷、6%-at. 摻雜的 Tm:YLF 晶體，放置在摺疊的 3 m 路徑長度光學腔中。雷射發生在λ= 1.88 µm，腔內偏振態與布儒斯特切割 Tm:YLF 晶體的軸可實現最大增益。振盪器能夠以主動 Q 開關腔傾卸模式或被動自由運行模式進行雷射操作，分別用於短脈衝和長脈衝放大。

為了演示多焦耳、GW 級 Tm:YLF 雷射放大器的運行，振盪器採用主動 Q 開關和腔體傾卸，產生穩定的 4.0 mJ ±1.4% RMS、20 ns FWHM 種子脈衝，重複率為 1 Hz。從振盪器腔體射出後，使用透鏡 L1 和 L2 擴大光束尺寸，曲率半徑 (ROC) 分別為 −40 mm 和 125 mm，隨後使用鏡子 M1 將其引導到遠場多路復用 Tm:YLF 放大器中。使用透鏡 L3 - L6 (L3 = L5 = 125 mm ROC；L4 = L6 = 400 mm ROC) 將光束通過 4 次傳遞成像，圖像平面位於 Tm:YLF 晶體和鏡子 M7 處。放大器望遠鏡組態既可以與 Tm:YLF 晶體處的泵浦光束進行模式匹配，也可以通過放置在真空 (10-6Torr) 來減輕電離引起的空氣擊穿對放大器性能的影響。

功率放大器採用直徑 100 毫米、厚度 35 毫米、摻雜 6% 的 Tm:YLF 晶體作為雷射增益介質，使用 793 nm、20 kW 雷射二極體陣列 (LDA) 在兩側進行端面泵浦。每個 LDA 的光束輪廓由 4×50 雷射線使用成像均質器裝置成像為六邊形輪廓，然後網格重新格式化。在這裡，一組圓柱形透鏡將來自光源的光束成像到微透鏡陣列 (MLA) 對上，每個微透鏡陣列包含一個 2 英吋× 2 英吋的六邊形小透鏡網格（1.75 毫米間距，5.25 毫米 ROC）。MLA 對將光束分成多個小光束，然後使用最後的球面透鏡 L7（103 毫米 ROC）將它們重疊並重新成像到 Tm：YLF 晶體表面，形成圖 1所示的均勻輪廓。輸出泵浦光束尺寸為 22 毫米 FWHM，可以通過更換 L7 並適當調整工作距離來縮放。泵浦輸送系統的測量透射率為 96.5%，導致 Tm：YLF 晶體的總泵浦功率為 38.6 kW，空間幅度波動為 ± 1.2% RMS。重點不在於最佳化放大雷射束的質量、長期能量穩定性，也不在於有效冷卻材料，儘管採用氣冷、多層幾何結構的類似放大器架構可以實現高重複率操作，但為了得到本文介紹的原理驗證結果，晶體採用徑向水冷，並以每 20 秒高達一次的重複率泵浦。

Tm:YLF 中的高峰值功率和 100焦耳級放大

使用位於鏡子 M9 後的熱釋電探測器（最大單次能量 85 J，輸入脈衝寬度 <700 µs）直接測量通過放大器四次後的全部輸出脈衝能量，結果如圖 2所示。未泵浦放大器的四次脈衝能量通過以下測量確定：π軸 Tm:YLF 透射率為 20%，總透射率為約為0.15%。由於 Tm:YLF 中的准 3 級行為，種子光子的重新吸收會發生，直到有足夠數量的 Tm3+離子，然後通過泵浦和最終的二對一交叉弛豫相互作用（two-for-one cross-relaxation interaction）被激發到較高的雷射能級。然後將泵浦脈衝持續時間設定為 40 毫秒，並將泵浦功率提升至總輸送泵浦功率的 73.5% (28.4 kW)，以在 20 納秒持續時間的脈衝內實現 21.7 J 的放大脈衝能量。在阻擋種子（seed）進入放大器的同時進行的能量測量表明沒有可測量的放大自發輻射 (ASE)，這被多通放大器組態的低角度接受度被動抑制。

對於此泵浦脈衝持續時間，未使用全泵浦功率，以避免將種子脈衝放大到可能損壞裝置內光學元件的通量水平。隨後，對放大器性能進行了進一步的表徵，將泵浦脈衝持續時間從 10 毫秒調整為 40 毫秒（約為 15 毫秒 Tm:YLF 輻射壽命），並將總輸送泵浦功率縮放至較短泵浦脈衝持續時間的完整 38.6 kW。結果以放大脈衝能量的對數刻度繪製，詳細說明了脈衝能量隨輸入泵浦功率的增加而呈多個數量級的指數增長，表明非飽和放大器操作幾乎可達到最大提取量 21.7 J（6.9 J/cm²平均通量），這對應於該緊湊系統的淨 4 次通過增益為 5400 和輸出峰值功率為 1.1 GW。

基於 Tm:YLF 的高峰值功率雷射系統有望提供高達 100 J 級的脈衝能量。為了通過實驗排除 Tm:YLF 中潛在的能量提取限制，在向功率放大器注入種子之前，將振盪器設定為以自由運行模式運行。在這種組態下，振盪器產生持續時間為 3 毫秒的脈衝（Tm:YLF 輻射壽命的一小部分），這可以在無損雷射強度下增加提取的脈衝能量。為了進一步提高從泵浦 Tm:YLF 晶體中提取的能量，在振盪器和功率放大器之間插入了一條旁路，使用鏡子 M1-A 至 M1-D 代替鏡子 M1（如圖 1所示） ，以在種子耦合到放大器之前引入兩次額外的傳遞。然後將種子脈衝在時間上與 40 ms 泵浦脈衝的末端對齊，並使用基於熱電堆的探測器（最大脈衝能量 500 J，輸入脈衝寬度 <500 ms）測量 6 次放大脈衝能量。

如圖 3 所示 ，放大器迅速飽和，並在 23.6 kW 泵浦功率下產生 21.2 J 的放大脈衝能量，幾乎與 20 ns 持續時間種子脈衝實現的最大輸出脈衝能量相匹配。將總輸送泵浦功率進一步提升至 36.6 kW，可安全地產生 108 J 的放大脈衝能量（34.4 J/cm²平均通量），以及歸因於放大自發輻射的另外 1.7 J，這是在放大器的種子入口被阻擋的情況下測量的。在泵浦功率低於 36.6 kW 時，ASE 光的能量太低，以至於無法被所用的探測器測量。

橫向寄生雷射可以大大降低放大器增益，但被 100 mm 直徑 Tm:YLF 晶體的大片未泵浦區域被動緩解，由於這種活性材料的准三能級性質，該晶體吸收了入射的橫向 ASE。在峰值提取時，總沉積的泵浦脈衝能量為 1464 J（約100 J/cm3可提取能量儲存密度），該台式 100 J 級 Tm:YLF 雷射器的光光效率（ptical-to-optical efficiency ）為 7.4%。據我們所知，這些結果表明，世界上任何在 2 µm 附近運行的雷射系統都獲得了最高的脈衝能量，並最終表明，Tm:YLF 中沒有增益物理現象阻礙高能量密度儲存和提取。

通過多脈衝提取實現高效的 突發模式操作

我們設計了一個完整的 BAT 類雷射系統，不僅可以在高脈衝能量和峰值功率下工作，同時還可以作為一種高效的平均功率裝置，使用 MPE 技術，採用 CW 雷射二極體泵浦和有效的連續提取。作為一項原理驗證實驗，利用 6 通組態的功率放大器，探索並展示了 Tm:YLF 中的高效 MPE 操作。Tm:YLF 晶體的泵浦輸入功率高達 18.2 kW，脈衝持續時間為 25 ms，以實現穩定狀態，其中泵浦、提取和自發輻射達到平衡，從而在整個放大過程中導致晶體內的粒子數反轉恆定。在本實驗中，採用自 Q 開關（self-Q-switched） Tm:YLF 雷射器產生的 1.88 µm、6.8 kHz 脈衝串作為種子源。自 Q 開關過程是 Tm:YLF 中可飽和基態重吸收的結果，輸出斜率、脈衝持續時間和重複率可以通過改變泵浦功率和晶體溫度等進行調整。調整種子的時間分佈以產生幾乎平坦的脈衝突發，其中± 6.4% RMS 脈衝間幅度波動，然後以時間延遲注入放大器，使得種子脈衝序列和泵浦脈衝的末端對齊。放大後，將輸出脈衝功率與總泵浦功率進行比較，以確定在 MPE 操作下該二極體泵浦 Tm:YLF 系統可實現的光光效率。

圖4 (a)給出了該實驗的結果 ，其中顯示了放大脈衝串爆發的輸出功率和相應的光光效率。圖 4 (b) 中放大爆發的時間曲線顯示，在較低的泵浦功率下，由於放大器在非飽和狀態下工作，光光效率低至 1.7%，因此斜率在整個持續時間內穩步增加。這裡，放大爆發的平均強度為 230 W/cm2 ，這遠低於 Tm:YLF 在1.88 µm時的飽和強度 1.4 kW/cm2（π軸，室溫）。

然而，如圖 4 (c)-d 所示，當泵浦功率增加到 18.2 kW 時，爆發前端的增益足夠高，足以耗盡泵浦 Tm:YLF 晶體內的反轉，並且斜率在爆發持續時間的剩餘時間內在准穩態下達到近似恆定的幅度。在這種情況下，放大爆發的平均強度約為 4.2 kW/cm2，這遠遠超過飽和強度，導致放大脈衝功率為 3.6 kW，光光效率為 19%。

在 Tm：YLF 多脈衝提取實驗的效率計算中不包括在達到平衡之前在 Tm：YLF 晶體內產生初始增益所需的泵浦能量，因為這種貢獻發生在穩態操作之外，並且在放大器的預期長期泵浦和播種（即脈衝串持續時間延長）之後可以忽略不計。通過最佳化放大器設計和 Tm：YLF 晶體參數（包括摻雜密度和材料厚度等），可以進一步提高放大脈衝功率和光光效率。雖然突發內每個脈衝的單獨通量（接近 0.6 J/cm²）僅為Tm:YLF 飽和通量增益峰值 21.6 J/cm2的三十六分之一，這種高重複率、多焦耳級 Tm：YLF 雷射器通過多脈衝提取技術高效運行並處於飽和穩態狀態。

結論

如他們所說，最初，研究人員的目標是將緊湊、高重複率的 BAT 雷射器（具有不同類型的脈衝）與產生 EUV 光的系統配對，以測試以 2 微米波長髮射焦耳級脈衝的雷射器如何與錫滴相互作用。

LLNL 雷射物理學家 Brendan Reagan 表示：“過去五年來，我們進行了理論電漿體模擬和概念驗證雷射演示，為該項目奠定了基礎。我們的工作已經對 EUV 光刻界產生了相當大的影響，因此現在我們很高興邁出下一步。”

他們在論文中強調，總之，我們在高能量儲存和提取密度下展示了 Tm:YLF 的高功率、高效雷射性能。在這裡，採用完全二極體泵浦的台式 Tm:YLF 系統在 4 通遠場多路復用功率放大器中將 4 mJ、20 ns 脈衝放大至 21.7 J（1.1 GW 峰值功率）。隨後，通過在放大器中植入自由運行振盪器並引入兩個額外通道，實現了代表完整 BAT 雷射設計的更高能量提取，在 1.88 µm 處產生 108 J 的脈衝能量——這是迄今為止在 2 µm 附近運行的任何雷射器中提取的最高脈衝能量——光光效率為 7.4%。最後，首次在 Tm:YLF 中展示了高功率多脈衝提取，將 6.8 kHz 脈衝串突發放大至 3.6 kW 平均功率。在典型的 MPE 方式中，該系統在穩定狀態下表現出 19% 的高光光效率，同時保持單個脈衝通量 36×低於Tm:YLF飽和通量。這些結果表明Tm:YLF能夠實現高能量、高功率、高效運行，因此是下一代MPE雷射系統的合適且有希望的候選者。 (半導體行業觀察)