擺動(dòng)的電子可以加快極紫外光刻技術(shù)的發(fā)展。

英特爾、三星、臺(tái)積電以及日本即將落成的先進(jìn)晶圓代工廠Rapidus都計(jì)劃在每平方毫米的硅片上放置更多晶體管，它們有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是支撐其工作的極紫外（EUV）光刻技術(shù)極其復(fù)雜、非常昂貴且運(yùn)營(yíng)成本相當(dāng)高昂。主要原因是，生產(chǎn)這種系統(tǒng)的13.5納米光源的過程非常精準(zhǔn)且花費(fèi)頗巨，需要用世界上最強(qiáng)大的商業(yè)激光器轟擊飛行的熔融錫滴。

不過，有一種非常規(guī)的替代方案正在醞釀之中。高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK，位于日本筑波市）的一組研究人員認(rèn)為，如果利用粒子加速器的力量，極紫外光刻可能會(huì)更便宜、更快捷、更高效。

甚至在晶圓廠安裝第一批極紫外機(jī)器之前，研究人員就發(fā)現(xiàn)，也許可以利用一種由粒子加速器產(chǎn)生、被稱為“自由電子激光”（FEL）的強(qiáng)大光源進(jìn)行極紫外光刻。然而，高能加速器研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們表示，并非任何粒子加速器都可以。他們表示，極紫外光刻的最佳候選者是粒子加速器版本的再生制動(dòng)。這種再生制動(dòng)加速器被稱為“能量回收直線加速器”，可以使自由電子激光產(chǎn)生數(shù)十千瓦的極紫外功率，非常具有性價(jià)比。它不僅能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)光刻機(jī)，而是足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)下一代光刻機(jī)，從而降低了先進(jìn)芯片制造的成本。

在參觀該機(jī)構(gòu)時(shí)，高能加速器研究機(jī)構(gòu)的先進(jìn)光源研究員中村至男（Norio Nakamura）告訴我：“自由電子激光光束具有極高的功率、較窄的光譜寬度以及其他特性，非常適合用于未來(lái)光刻?！?/p>

目前制造EUV系統(tǒng)的公司僅有一家， 即總部位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的阿斯麥（ASML）。2016年，阿斯麥推出第一代價(jià)價(jià)格過1億美元的精密機(jī)器時(shí)，相關(guān)行業(yè)對(duì)其需求非常迫切。當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的系統(tǒng)是193納米光刻技術(shù)，芯片制造商一直在依靠各種替代方案勉強(qiáng)維持。向更短的13.5納米波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變可以說是一場(chǎng)革命，可大大減少芯片制造所需的步驟，并使摩爾定律在下一個(gè)十年繼續(xù)有效。

持續(xù)阻礙技術(shù)進(jìn)步的主要原因是光源亮度不足。這種最終能提供足夠亮的極紫外光源的技術(shù)叫作極紫外激光等離子體（EUV-LPP）。它會(huì)使用二氧化碳激光器每秒鐘數(shù)千次地轟擊熔融錫滴，從而形成等離子體。等離子體會(huì)發(fā)射出一系列光子能量，然后由專門的光學(xué)器件從中捕捉所需的13.5納米波長(zhǎng)，并通過一系列鏡子引導(dǎo)。隨后，極紫外光線會(huì)從一個(gè)有圖案的掩模上反射，然后投射到硅晶圓上。

這一切構(gòu)成了一個(gè)極其復(fù)雜的過程。雖然該過程開始時(shí)的激光耗電功率有數(shù)千瓦，但最終反射到晶圓上的極紫外光量只有幾瓦。光線越暗，在硅片上可靠地曝光圖案所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。如果沒有足夠的光子傳遞圖案，極紫外的速度將變得很慢，很不經(jīng)濟(jì)。而過度追求速度可能會(huì)發(fā)生代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

這些機(jī)器剛推出時(shí)，其功率水平足夠每小時(shí)處理大約100片晶圓。之后，阿斯麥穩(wěn)步提高輸出，當(dāng)前系列的機(jī)器每小時(shí)能夠處理約200片晶圓。

阿斯麥目前光源的額定功率為500瓦。但對(duì)于未來(lái)所需的更精細(xì)的圖案，中村表示，可能需要1千瓦甚至更高的功率。阿斯麥表示已經(jīng)制定了開發(fā)1000瓦光源的路線圖。但中村認(rèn)為，這可能很難實(shí)現(xiàn)。他曾領(lǐng)導(dǎo)高能加速器研究機(jī)構(gòu)的光束動(dòng)力學(xué)和磁體組，并在退休后重新參與極紫外項(xiàng)目。

很難，但并非不可能。位于美國(guó)印第安納州的普渡大學(xué)極端環(huán)境材料中心主任艾哈邁德?哈賽寧（Ahmed Hassanein）認(rèn)為，將光源功率翻倍“非常具有挑戰(zhàn)性”。但他指出，阿斯麥過去曾通過改進(jìn)和優(yōu)化光源及其他組件實(shí)現(xiàn)了類似的困難目標(biāo)，因此不排除再次成功的可能。

不過，亮度并不是阿斯麥在激光產(chǎn)生等離子體光源方面面臨的唯一問題。“升級(jí)到更高的極紫外功率存在許多挑戰(zhàn)性問題?！惫悓幷f。他列舉了幾個(gè)，包括“污染、波長(zhǎng)純度和鏡面收集系統(tǒng)的性能等”。

另一個(gè)問題是較高的運(yùn)營(yíng)成本。這些系統(tǒng)每分鐘約消耗600升氫氣，其中大部分用于防止錫和其他污染物進(jìn)入光學(xué)元件和晶圓。（不過回收利用可以降低這一數(shù)字。）

最終，運(yùn)營(yíng)成本還是取決于電力消耗。最近從位于美國(guó)弗吉尼亞州的托馬斯?杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室退休的高級(jí)研究科學(xué)家史蒂芬?本森（Stephen Benson）估計(jì)，整個(gè)極紫外激光等離子體系統(tǒng)的插座效率可能不到0.1%。他說，高能加速器研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)的這種自由電子激光器的效率可能是它的10到100倍。

高能加速器研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)的系統(tǒng)可將電子加速到相對(duì)論速度， 然后以特定方式偏轉(zhuǎn)其運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生光。

中村解釋說，這個(gè)過程從電子槍向一根數(shù)米長(zhǎng)的低溫冷卻管注入一束電子開始。在這根冷卻管內(nèi)，超導(dǎo)體會(huì)發(fā)出射頻（RF）信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電子加速前進(jìn)。然后，電子會(huì)進(jìn)行180度轉(zhuǎn)彎，進(jìn)入一個(gè)叫作“波蕩器”的結(jié)構(gòu)。波蕩器由一系列方向相反的磁體組成。（高能加速器研究機(jī)構(gòu)系統(tǒng)目前有兩個(gè)。）波蕩器會(huì)迫使高速電子沿正弦路徑運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)讓電子發(fā)出光。

接下來(lái)發(fā)生的現(xiàn)象稱為“自放大自發(fā)輻射”（SASE）。光與電子相互作用，會(huì)使一些電子的速度減慢，同時(shí)使其他電子的速度加快，因此，它們會(huì)聚集成“微束”，即沿波蕩器路徑周期性出現(xiàn)的密度峰值?，F(xiàn)在形成的這種結(jié)構(gòu)化的電子束僅放大與這些微束周期同相的光，生成相干的激光束。

高能加速器研究機(jī)構(gòu)的緊湊型能量回收直線加速器（cERL）正是在這一點(diǎn)上與傳統(tǒng)的由直線加速器驅(qū)動(dòng)的激光器有所不同。通常情況下，處理耗盡的電子束的方式是將粒子引入一個(gè)被稱為“束流收集器”的裝置中。然而，在緊湊型能量回收直線加速器中，電子首先會(huì)回到射頻加速器中。這束電子現(xiàn)在處于與剛開始旅程的新注入電子相反的相位。結(jié)果便是，耗盡的電子將大部分能量轉(zhuǎn)移給了新的電子束，從而增強(qiáng)了其能量。一旦原始電子的一些能量這樣被消耗掉，它們就會(huì)被引入束流收集器中。

“直線加速器中的加速能量被回收，而且與普通直線加速器相比，被丟棄的波束功率大大降低?！睅孜豢茖W(xué)家在另一個(gè)房間里操作激光時(shí)，中村向我解釋道。他說，重新利用電子的能量意味著，在相同電量下，系統(tǒng)可以通過加速器發(fā)送更多電流，并且可以更頻繁地發(fā)射激光。

其他專家也同意這種觀點(diǎn)。提高能量回收直線加速器的效率可以降低成本，“這是使用EUV激光產(chǎn)生等離子體的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。”哈賽寧說。

高能加速器研究機(jī)構(gòu)的緊湊型能量回收直線加速器最初建造于2011年至2013年，旨在展示其作為該機(jī)構(gòu)物理和材料科學(xué)部門研究人員的同步輻射源的潛力。然而，研究人員對(duì)計(jì)劃的系統(tǒng)并不滿意，因?yàn)槠湫阅苣繕?biāo)低于某些基于儲(chǔ)存環(huán)的同步加速器（保持電子束以恒定動(dòng)能運(yùn)動(dòng)的巨大圓形加速器）所能達(dá)到的水平。因此，高能加速器研究機(jī)構(gòu)的研究人員開始尋找更合適的應(yīng)用。與包括當(dāng)時(shí)擁有閃存芯片部門的東芝在內(nèi)的日本科技公司交流后，中村和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究，確認(rèn)了使用緊湊型能量回收直線加速器實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)光源的可能性。于是，極紫外自由電子激光項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。2019年和2020年，研究人員改造了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)加速器，開始了通向極紫外光的旅程。

為了保護(hù)研究人員免受運(yùn)行期間產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射的影響，該系統(tǒng)被放置在了一個(gè)全混凝土的房間中。房間長(zhǎng)約60米，寬約20米，大部分空間被復(fù)雜的設(shè)備、管道和電纜占據(jù)，它們沿著房間的兩條長(zhǎng)邊蜿蜒排列，以賽道形狀向前延伸。

目前，加速器還不能產(chǎn)生極紫外波長(zhǎng)。借助17兆電子伏（MeV）的電子束能量，研究人員能夠以20微米紅外光爆發(fā)的形式產(chǎn)生自放大自發(fā)輻射輻射。早期測(cè)試結(jié)果已于2023年4月發(fā)表在了《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》上。下一步工作正在開展，旨在以連續(xù)波模式產(chǎn)生更高的激光功率。

當(dāng)然，20微米與13.5納米還相差甚遠(yuǎn)，而且已經(jīng)有某些類型的粒子加速器能夠產(chǎn)生甚至比極紫外波長(zhǎng)更短的同步輻射。但是，高能加速器研究機(jī)構(gòu)的研究人員表示，由于其固有效率，基于能量回收直線加速器的激光器能夠產(chǎn)生米明顯更高的極紫外功率。在同步輻射源中，光強(qiáng)度與注入的電子數(shù)量成正比。相比之下，在自由電子激光系統(tǒng)中，光強(qiáng)度的增加大約與注入的電子數(shù)量的平方成正比，因此會(huì)產(chǎn)生更高的亮度和功率。

要使能量回收直線加速器達(dá)到極紫外范圍，需要進(jìn)行設(shè)備升級(jí)，而高能加速器研究機(jī)構(gòu)目前沒有足夠的空間來(lái)升級(jí)。因此，研究人員正在論證建造一個(gè)可產(chǎn)生所需的800兆電子伏的新原型系統(tǒng)。

2021年，在嚴(yán)重的通貨膨脹影響全球經(jīng)濟(jì)之前，高能加速器研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)估計(jì)，要建設(shè)能夠提供10千瓦極紫外功率并為多臺(tái)光刻機(jī)供電的新系統(tǒng)，成本（不包括土地）為400億日元（2.6億美元）。年運(yùn)行成本約為40億日元。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，中村表示，與當(dāng)前的激光產(chǎn)生等離子體光源相比，“我們裝置中每個(gè)曝光工具的估計(jì)成本仍然低很多”。

中村承認(rèn)，在這樣的系統(tǒng)達(dá)到半導(dǎo)體制造商所需的高性能水平和操作穩(wěn)定性之前，還有許多技術(shù)挑戰(zhàn)要克服。團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)新版本的關(guān)鍵組件，例如超導(dǎo)腔、電子槍和波蕩器。工程師們還必須開發(fā)良好的程序技術(shù)，確保電子束在操作過程中不會(huì)衰減或失效等。

為了確保他們的方法具有足夠的成本效益，能夠吸引芯片制造商，研究人員需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能夠同時(shí)向多臺(tái)光刻機(jī)可靠傳輸超過1千瓦極紫外功率的系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)有了一項(xiàng)概念設(shè)計(jì)，通過排列多面特殊鏡子將極紫外光傳輸給多個(gè)曝光工具，這種方法不會(huì)造成功率的嚴(yán)重?fù)p失，也不會(huì)損壞鏡子。

對(duì)于快速擴(kuò)張的芯片制造商來(lái)說， 重視極紫外自由電子激光器的開發(fā)還為時(shí)尚早。但高能加速器研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)并不是唯一一個(gè)研究這項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。位于加利福尼亞州帕洛阿爾托、獲得風(fēng)險(xiǎn)投資支持的初創(chuàng)公司xLight就是其中之一。該公司匯集了來(lái)自斯坦福直線加速器中心和其他機(jī)構(gòu)的粒子加速器領(lǐng)域資深人士，最近還與位于美國(guó)伊利諾伊州的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室簽訂了一項(xiàng)開發(fā)超導(dǎo)腔體和低溫模塊技術(shù)的研發(fā)協(xié)議。雖然xLight并未回應(yīng)我們的評(píng)論請(qǐng)求，但在2024年1月份，該公司參加了在東京舉行的第八屆EUV-FEL研討會(huì)，其前首席執(zhí)行官埃里克?霍斯勒（Erik Hosler）在會(huì)上介紹了這項(xiàng)技術(shù)。

值得注意的是，阿斯麥在10年前曾考慮過轉(zhuǎn)向粒子加速器，最近在對(duì)比自由電子激光器技術(shù)的進(jìn)展與激光產(chǎn)生等離子體路線圖時(shí)，該公司再次考慮了這個(gè)方案，但其高管認(rèn)為，激光產(chǎn)生等離子體的風(fēng)險(xiǎn)較小。

的確，這是一條充滿風(fēng)險(xiǎn)的道路。有關(guān)高能加速器研究機(jī)構(gòu)項(xiàng)目的獨(dú)立觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，研究人員未來(lái)面臨的最大挑戰(zhàn)將是可靠性和資金問題?！耙_發(fā)一個(gè)可靠、成熟的系統(tǒng)，研發(fā)路線圖將包含許多高要求階段。”普渡大學(xué)的哈賽寧說，“這需要大量投資并且要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。”

已退休的研究科學(xué)家本森補(bǔ)充道：“機(jī)器設(shè)計(jì)必須極其穩(wěn)健，并內(nèi)置冗余。設(shè)計(jì)還必須確保組件不會(huì)被輻射或激光損壞?！边@一切都必須在“不影響性能的情況下完成，而且必須具有足夠好的性能來(lái)確保良好的插座效率”。

更重要的是，本森警告道，如果沒有對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的投資承諾，“極紫外自由電子激光器的開發(fā)可能不會(huì)及時(shí)實(shí)現(xiàn)從而幫助半導(dǎo)體行業(yè)?！?/p>

文章來(lái)源于 悅智網(wǎng) ，作者 John Boyd