來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，謝謝

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隨著英特爾、三星、臺積電以及日本即將落成的先進(jìn)晶圓代工廠 Rapidus盡管各家公司都各自準(zhǔn)備將越來越多的晶體管塞進(jìn)每平方毫米的硅片中，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們所依賴的極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)極其復(fù)雜、極其昂貴，而且操作成本極高。主要原因是，該系統(tǒng)的 13.5 納米光的來源是使用地球上最強(qiáng)大的商用激光器噴射飛散的熔融錫滴的精確且昂貴的過程。

但一種非常規(guī)替代方案正在醞釀之中。日本筑波高能加速器研究組織（KEK）的一組研究人員認(rèn)為，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技術(shù)可能會更便宜、更快速、更高效。

甚至在晶圓廠安裝首批 EUV 機(jī)器之前，研究人員就看到了使用粒子加速器產(chǎn)生的強(qiáng)大光源（ 自由電子激光 (FEL:free-electron laser)）進(jìn)行 EUV 光刻的可能性。然而，KEK 的科學(xué)家表示，并不是任何粒子加速器都可以做到這一點(diǎn)。他們聲稱，EUV 光刻的最佳候選方案是采用粒子加速器版本的再生制動(dòng)（原文：They claim the best candidate for EUV lithography incorporates the particle-accelerator version of regenerative braking）。它被稱為能量回收線性加速器（energy recovery linear accelerator），可以使自由電子激光經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生數(shù)十千瓦的 EUV 功率。這足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)不止一臺而是多臺下一代光刻機(jī)，從而降低先進(jìn)芯片制造的成本。

KEK 先進(jìn)光源研究員 Norio Nakamura在參觀該設(shè)施時(shí)告訴我：“FEL 光束的極高功率、較窄的光譜寬度以及其他特性使其非常適合用于未來的光刻技術(shù)。”

直線加速器與激光等離子體

當(dāng)今的 EUV 系統(tǒng)僅由一家制造商制造， 即總部位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的ASML。當(dāng) ASML 于 2016 年推出第一代這種價(jià)值 1 億美元以上的精密機(jī)器時(shí)，業(yè)界對它們的需求非常迫切。芯片制造商一直在嘗試各種變通方法，以應(yīng)對當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的系統(tǒng)，即使用 193 納米光的光刻技術(shù)。轉(zhuǎn)向更短的 13.5 納米波長是一場革命，它將減少芯片制造所需的步驟數(shù)量，并使摩爾定律在下一個(gè)十年繼續(xù)有效。

持續(xù)延遲的主要原因 是光源太暗。最終能夠提供足夠明亮的 EUV 光源的技術(shù)稱為激光等離子體 (EUV-LPP)。它使用二氧化碳激光器每秒數(shù)千次將熔融的錫滴噴射成等離子體。等離子體發(fā)射出光子能量光譜，然后專用光學(xué)器件從光譜中捕獲必要的 13.5 納米波長，并將其引導(dǎo)通過一系列鏡子。

隨后，EUV 光從圖案化掩模上反射，然后投射到硅晶片上。

KEK 的實(shí)驗(yàn)性緊湊型能量回收直線加速器利用電子返回過程中的大部分能量來加速一組新電子

所有這些加起來就是一個(gè)高度復(fù)雜的過程。盡管它從耗電量高達(dá)千瓦的激光器開始，但反射到晶圓上的 EUV 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。如果沒有足夠的光子攜帶圖案，EUV 的速度會不經(jīng)濟(jì)。而過分追求速度可能會導(dǎo)致代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

在剛機(jī)器剛推出時(shí)，功率水平足以每小時(shí)處理約 100 片晶圓。從那時(shí)起，ASML 已成功將當(dāng)前系列機(jī)器的產(chǎn)量穩(wěn)步提高到每小時(shí)約 200 片晶圓。

ASML 目前的光源額定功率為 500 瓦。但 Nakamura 表示，未來需要更精細(xì)的圖案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 表示，它有開發(fā) 1,000 瓦光源的路線圖。但這可能很難實(shí)現(xiàn)，Nakamura 表示，他曾領(lǐng)導(dǎo) KEK 的光束動(dòng)力學(xué)和磁鐵小組，退休后重新開始從事 EUV 項(xiàng)目。

很難，但并非不可能。印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境下材料研究中心主任艾哈邁德·哈薩尼恩 (Ahmed Hassanein)表示，將光源功率翻倍“非常具有挑戰(zhàn)性” 。但他指出，ASML 過去曾通過改進(jìn)和優(yōu)化光源和其他組件的綜合方法實(shí)現(xiàn)了類似的高難度目標(biāo)，他不排除重復(fù)這一做法的可能性。

在自由電子激光器中，加速電子受到交變磁場的影響，導(dǎo)致它們波動(dòng)并發(fā)射電磁輻射。輻射將電子聚集在一起，導(dǎo)致它們僅放大特定波長，從而產(chǎn)生激光束。

但亮度并不是 ASML 在激光等離子源方面面臨的唯一問題。“升級到更高的 EUV 功率時(shí)，存在許多挑戰(zhàn)性問題，”Hassanein 說。他列舉了幾個(gè)問題，包括“污染、波長純度和鏡面收集系統(tǒng)的性能。”

另一個(gè)問題是高昂的運(yùn)營成本。這些系統(tǒng)每分鐘消耗約 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，回收可以降低這一數(shù)字。）

但最終，運(yùn)營成本還是取決于電力消耗。弗吉尼亞州托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施最近退休的高級研究員斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 估計(jì)，整個(gè) EUV-LPP 系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率可能不到 0.1%。他說，像 KEK 正在開發(fā)的這種自由電子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。

能量回收直線加速器

KEK 正在開發(fā)的系統(tǒng)通過將電子加速到相對論速度，然后以特定方式偏離其運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生光。

中村解釋說，這個(gè)過程始于電子槍將電子束注入一根數(shù)米長的低溫冷卻管。在這個(gè)管子里，超導(dǎo)體發(fā)出射頻 (RF) 信號，驅(qū)動(dòng)電子越來越快地移動(dòng)。然后電子旋轉(zhuǎn) 180 度，進(jìn)入一個(gè)叫做波蕩器的結(jié)構(gòu)，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK 系統(tǒng)目前有兩個(gè)。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電子發(fā)光。

在線性加速器中，注入的電子從射頻場獲得能量。通常，電子隨后會進(jìn)入自由電子激光器，并立即被處理到束流收集器中。但在能量恢復(fù)線性加速器 (ERL) 中，電子會回到射頻場，并將其能量借給新注入的電子，然后再進(jìn)入束流收集器。（文后附詳細(xì)說明）

接下來發(fā)生的現(xiàn)象稱為自放大自發(fā)輻射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光與電子相互作用，減慢一些電子的速度，加快另一些電子的速度，因此它們聚集成“微束”（microbunches），即沿波蕩器路徑周期性出現(xiàn)的密度峰值。現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化的電子束只放大與這些微束周期同相的光，從而產(chǎn)生相干的激光束。

正是在這一點(diǎn)上，KEK 的緊湊型能量回收直線加速器 (cERL：compact energy recovery linac) 與傳統(tǒng)直線加速器驅(qū)動(dòng)的激光器有所不同。通常，耗盡的電子束是通過將粒子轉(zhuǎn)移到所謂的束流 收集器中來處理的。但在 cERL 中，電子首先循環(huán)回到 RF 加速器。這束電子現(xiàn)在與剛開始旅程的新注入電子處于相反的相位。結(jié)果是耗盡的電子將大部分能量轉(zhuǎn)移到新束流中，從而增強(qiáng)其能量。一旦原始電子的部分能量以這種方式耗盡，它們就會被轉(zhuǎn)移到束流收集器中。

“直線加速器中的加速能量被回收，與普通直線加速器相比，被丟棄的光束功率大幅降低，”中村向我解釋道，而另一間屋子的科學(xué)家正在操作激光器。他說，重復(fù)使用電子的能量意味著，在同樣的電量下，系統(tǒng)可以通過加速器發(fā)送更多的電流，并且可以更頻繁地發(fā)射激光器。

其他專家也同意這一觀點(diǎn)。能量回收直線加速器的效率提高可以降低成本，“這是使用 EUV 激光產(chǎn)生等離子體的主要考慮因素”，Hassanein 說道。

EUV 能量回收直線加速器

KEK 緊湊型能量回收直線加速器最初于 2011 年至 2013 年間建造，旨在向該機(jī)構(gòu)物理和材料科學(xué)部門的研究人員展示其作為同步輻射源的潛力。但研究人員對計(jì)劃中的系統(tǒng)并不滿意，因?yàn)樗男阅苣繕?biāo)低于一些基于存儲環(huán)的同步加速器（巨大的圓形加速器，可保持電子束以恒定的動(dòng)能移動(dòng)）所能達(dá)到的水平。因此，KEK 研究人員開始尋找更合適的應(yīng)用。在與當(dāng)時(shí)擁有閃存芯片部門的東芝等日本科技公司交談后，研究人員進(jìn)行了初步研究，證實(shí)使用緊湊型能量回收直線加速器可以實(shí)現(xiàn)千瓦級光源。因此，EUV 自由電子激光器項(xiàng)目誕生了。2019 年和 2020 年，研究人員修改了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)加速器，開始了 EUV 光之旅。

該系統(tǒng)被安置在一個(gè)全混凝土房間內(nèi)，以保護(hù)研究人員免受運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁輻射。房間長約 60 米，寬約 20 米，大部分空間被復(fù)雜的設(shè)備、管道和電纜所占據(jù)，這些設(shè)備、管道和電纜沿著房間兩側(cè)蜿蜒而行，形成一條細(xì)長的賽道。

該加速器目前還無法產(chǎn)生 EUV 波長。借助 17 兆電子伏特的電子束能量，研究人員能夠以 20 微米紅外光爆發(fā)的形式產(chǎn)生 SASE 輻射。早期測試結(jié)果于 2023 年 4 月發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》上。下一步工作正在進(jìn)行中，即在連續(xù)波模式下產(chǎn)生更大的激光功率。

當(dāng)然，20 微米與 13.5 納米相差甚遠(yuǎn)。而且，目前已有多種類型的粒子加速器能夠產(chǎn)生比 EUV 波長更短的同步輻射。但 KEK 研究人員聲稱，基于能量回收線性加速器的激光器由于其固有效率，可以產(chǎn)生更多 EUV 功率。在同步輻射源中，光強(qiáng)度與注入電子的數(shù)量成正比。相比之下，在自由電子激光系統(tǒng)中，光強(qiáng)度的增加大致與注入電子數(shù)量的平方成正比，從而產(chǎn)生更高的亮度和功率。

要使能量回收線性加速器達(dá)到 EUV 范圍，需要進(jìn)行設(shè)備升級，而 KEK 目前沒有足夠的空間來升級設(shè)備。因此，研究人員現(xiàn)在正在考慮構(gòu)建一個(gè)可以產(chǎn)生所需 800 MeV 能量的新原型系統(tǒng)。

電子槍將電荷注入KEK的緊湊型能量回收線性加速器

2021 年，在嚴(yán)重的通貨膨脹影響全球經(jīng)濟(jì)之前，KEK 團(tuán)隊(duì)估計(jì)，一套新系統(tǒng)的建設(shè)成本（不包括土地）為 400 億日元（2.6 億美元），該系統(tǒng)可提供 10 千瓦的 EUV 并為多臺光刻機(jī)供電。年運(yùn)行成本估計(jì)約為 40 億日元。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，“我們裝置中每個(gè)曝光工具的估計(jì)成本與當(dāng)今激光產(chǎn)生的等離子源的估計(jì)成本相比仍然相當(dāng)?shù)汀保琋akamura 說。

Nakamura 承認(rèn)，在這樣的系統(tǒng)能夠達(dá)到半導(dǎo)體制造商所要求的高性能和運(yùn)行穩(wěn)定性之前，還有很多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。該團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)超導(dǎo)腔、電子槍和波蕩器等關(guān)鍵部件的全新版本。工程師還必須開發(fā)良好的程序技術(shù)，以確保電子束在運(yùn)行過程中不會衰減或失效等。

為了確保他們的方法具有足夠的成本效益，以吸引芯片制造商的注意，研究人員需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可以可靠地同時(shí)向多臺光刻機(jī)傳輸超過 1 千瓦 EUV 功率的系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種特殊鏡子的布置概念，這種鏡子可以將 EUV 光傳送到多個(gè)曝光工具，而不會造成功率損失或損壞鏡子。

其他 EUV 可能性

對于快速擴(kuò)張的芯片制造商來說，EUV 自由電子激光器的開發(fā)還為時(shí)過早，還不值得關(guān)注。但 KEK 團(tuán)隊(duì)并不是唯一追逐這項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。位于加州帕洛阿爾托、由風(fēng)險(xiǎn)投資支持的初創(chuàng)公司 xLight也在追逐這項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)之列。該公司聚集了來自斯坦福線性加速器等機(jī)構(gòu)的粒子加速器資深人士，最近與伊利諾伊州的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室簽署了一項(xiàng)研發(fā)協(xié)議，以開發(fā)超導(dǎo)腔和低溫模塊技術(shù)。

據(jù)xLight介紹，公司成立的使命是打造一種能夠徹底改變光刻、計(jì)量和檢測的光源。他們表示，之所以有這個(gè)目標(biāo)，是源于“美國必須重新奪回并保持半導(dǎo)體制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位”這樣的信念。

xLight開發(fā)了一種用于尖端半導(dǎo)體器件制造的極紫外 (EUV) 光源，在性能、生產(chǎn)率和可持續(xù)性方面具有顯著的競爭優(yōu)勢。xLight 光源以成熟的粒子加速器技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)工程專注于大批量制造要求。因此，這種新光源可靠地提供了能夠改變當(dāng)前制造工藝的功能和可調(diào)性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了下一代架構(gòu)和工藝節(jié)點(diǎn)所需的光刻、計(jì)量和檢測功能。

xLight生成，其新型 EUV 光源將使美國在未來的半導(dǎo)體行業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位。

記者試圖聯(lián)系 xLight，但沒有得到答復(fù)，但在 1 月份，該公司參加了在東京舉行的第 8 屆 EUV-FEL 研討會，前首席執(zhí)行官 Erik Hosler就該技術(shù)進(jìn)行了演講。

值得注意的是，ASML 十年前就考慮過轉(zhuǎn)向粒子加速器，最近在將自由電子激光技術(shù)的進(jìn)展與激光等離子體路線圖進(jìn)行比較時(shí)，ASML 又考慮過轉(zhuǎn)向粒子加速器。但公司高管認(rèn)為 LLP 的風(fēng)險(xiǎn)較小。

事實(shí)上，這是一條充滿風(fēng)險(xiǎn)的道路。獨(dú)立人士對 KEK 項(xiàng)目的看法強(qiáng)調(diào)，可靠性和資金將是研究人員未來面臨的最大挑戰(zhàn)。“研發(fā)路線圖將涉及許多苛刻的階段，以開發(fā)出可靠、成熟的系統(tǒng)，”Hassanein 說。“這將需要大量投資，并需要相當(dāng)長的時(shí)間。”

“機(jī)器設(shè)計(jì)必須極其堅(jiān)固，并內(nèi)置冗余，”退休研究科學(xué)家 Benson 補(bǔ)充道。設(shè)計(jì)還必須確保組件不會因輻射或激光而受損。”而且這必須“在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)，性能必須足夠好，以確保良好的電能轉(zhuǎn)換效率。”

更重要的是，Benson 警告說，如果沒有立即投資該技術(shù)的承諾，“EUV-FEL 的開發(fā)可能無法及時(shí)到來以幫助半導(dǎo)體行業(yè)。”

對啦，大家是否對這個(gè)方案似曾相識？因?yàn)樵鐑赡辏瑖鴥?nèi)自媒體就流傳過一個(gè)相關(guān)方案。但當(dāng)時(shí)的評論，大家可以翻一下報(bào)道。

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審核編輯 黃宇