改變?摩爾定律的未來(lái)是粒子加速器嗎？

隨著(zhù)英特爾、三星、臺積電和日本即將推出的先進(jìn)晶圓代工廠(chǎng) Rapidus各自為將越來(lái)越多的晶體管塞進(jìn)每平方毫米的硅中而各自做準備，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是支撐他們努力的極紫外 （EUV） 光刻技術(shù)極其復雜、極其昂貴且運行成本極高。一個(gè)主要原因是，該系統的13.5納米光的來(lái)源是用地球上最強大的商業(yè)激光器噴射飛濺的錫液滴的精確而昂貴的過(guò)程。但一個(gè)非常規的替代方案正在醞釀中。位于日本筑波的高能加速器研究組織（KEK）的一組研究人員認為，如果利用粒子加速器的力量，EUV光刻技術(shù)可能會(huì )更便宜、更快、更高效。
甚至在晶圓廠(chǎng)安裝第一臺EUV機器之前，研究人員就看到了使用由粒子加速器產(chǎn)生的稱(chēng)為自由電子激光器（FEL）的強大光源進(jìn)行EUV光刻的可能性。然而，并不是任何粒子加速器都可以，KEK的科學(xué)家說(shuō)。他們聲稱(chēng)，EUV光刻的最佳候選者是粒子加速器版本的再生制動(dòng)。它被稱(chēng)為能量回收直線(xiàn)加速器，可以使自由電子激光器經(jīng)濟地產(chǎn)生數十千瓦的EUV功率。這足以同時(shí)驅動(dòng)一臺而是多臺下一代光刻機，從而降低先進(jìn)芯片制造的成本。
“FEL光束的極高功率、窄光譜寬度和其他特性使其適合作為未來(lái)光刻的應用，”KEK高級光源研究員Norio Nakamura在訪(fǎng)問(wèn)該設施時(shí)告訴我。
直線(xiàn)加速器與激光產(chǎn)生的等離子體
今天的EUV系統由總部位于荷蘭費爾德霍芬的單一制造商ASML制造。當ASML在2016年推出第一代價(jià)值1億多美元的精密機器時(shí)，整個(gè)行業(yè)都對它們感到絕望。芯片制造商一直在為當時(shí)最先進(jìn)的系統——使用 193 納米光的光刻技術(shù)——提供一個(gè)又一個(gè)的變通方法。轉向更短的 13.5 納米波長(cháng)是一場(chǎng)革命，它將瓦解芯片制造所需的步驟數量，并使摩爾定律在未來(lái)十年繼續存在。
持續延遲的主要原因是光源太暗。最終提供足夠明亮的EUV光源的技術(shù)稱(chēng)為激光產(chǎn)生的等離子體，或EUV-LPP。它采用二氧化碳激光將熔融的錫液滴以每秒數千次的速度噴射到等離子體中。等離子體發(fā)射光子能量光譜，然后由專(zhuān)門(mén)的光學(xué)器件從光譜中捕獲必要的 13.5 nm 波長(cháng)并引導它通過(guò)一系列鏡子。隨后，EUV光從圖案掩模上反射，然后投射到硅晶圓上。
 

KEK的實(shí)驗性緊湊型能量回收直線(xiàn)加速器在返回過(guò)程中使用來(lái)自電子的大部分能量來(lái)加速一組新的電子。凱克

所有這些加起來(lái)就是一個(gè)高度復雜的過(guò)程。雖然它從消耗千瓦的激光器開(kāi)始，但反射到晶圓上的EUV光量只有幾瓦。光線(xiàn)越暗，可靠地暴露在硅片上的圖案所需的時(shí)間就越長(cháng)。如果沒(méi)有足夠的光子攜帶這種模式，EUV將變得不經(jīng)濟地緩慢。過(guò)分用力追求速度會(huì )導致代價(jià)高昂的錯誤。
當這些機器首次推出時(shí)，功率水平足以每小時(shí)處理約 100 片晶圓。從那時(shí)起，ASML設法將現有系列機器的產(chǎn)量穩步提高到每小時(shí)約200片晶圓。
ASML目前的光源額定功率為500瓦。但對于未來(lái)需要的更精細的圖案，Nakamura表示可能需要1千瓦或更多。ASML表示，它有一個(gè)開(kāi)發(fā)1000W光源的路線(xiàn)圖。但這可能很難實(shí)現，Nakamura說(shuō)，他曾領(lǐng)導KEK的光束動(dòng)力學(xué)和磁鐵小組，退休后從事EUV項目。
困難，但不一定不可能。將源功率增加一倍是“非常具有挑戰性的”，印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境下材料中心負責人艾哈邁德·哈桑寧（Ahmed Hassanein）表示同意。但他指出，ASML過(guò)去曾使用改進(jìn)和優(yōu)化光源和其他組件的綜合方法實(shí)現了類(lèi)似的困難目標，他不排除重復的可能性。
 

在自由電子激光器中，加速電子受到交變磁場(chǎng)的影響，導致它們起伏并發(fā)射電磁輻射。輻射將電子聚集在一起，導致它們僅放大特定波長(cháng)，從而產(chǎn)生激光束?？死锼埂し茽柌ㄌ?/p>

但亮度并不是ASML在激光產(chǎn)生的等離子體源方面面臨的唯一問(wèn)題?！霸谏壍礁叩腅UV功率方面存在許多具有挑戰性的問(wèn)題，”Hassanein說(shuō)。他喋喋不休地列舉了幾個(gè)問(wèn)題，包括“污染、波長(cháng)純度和鏡子收集系統的性能”。
高昂的運營(yíng)成本是另一個(gè)問(wèn)題。這些系統每分鐘消耗約 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)器件和晶圓。（然而，回收可以減少這個(gè)數字。
但最終，運營(yíng)成本歸結為電力消耗。弗吉尼亞州托馬斯·杰斐遜國家加速器設施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）最近退休的高級研究科學(xué)家斯蒂芬·本森（Stephen Benson）估計，整個(gè)EUV-LPP系統的墻插效率可能低于0.1%。他說(shuō)，像KEK正在開(kāi)發(fā)的自由電子激光器一樣，效率可能高達10到100倍。
能量回收直線(xiàn)加速器
KEK正在開(kāi)發(fā)的系統通過(guò)將電子提升到相對論速度，然后以特定方式偏離它們的運動(dòng)來(lái)產(chǎn)生光。
Nakamura 解釋說(shuō)，當電子槍將一束電子注入一米長(cháng)的低溫冷卻管時(shí)，這個(gè)過(guò)程就開(kāi)始了。在這個(gè)管子里，超導體傳遞射頻（RF）信號，驅動(dòng)電子越來(lái)越快地前進(jìn)。然后電子進(jìn)行 180 度轉彎并進(jìn)入稱(chēng)為波蕩器的結構，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK系統目前有兩個(gè)。波蕩器迫使加速的電子沿著(zhù)正弦路徑，這種運動(dòng)導致電子發(fā)光。
 

在直線(xiàn)加速器中，注入的電子從射頻場(chǎng)獲得能量。通常，電子隨后會(huì )進(jìn)入自由電子激光器，并立即被處理在束流中。但是在能量回收直線(xiàn)加速器（ERL）中，電子會(huì )回到射頻場(chǎng)中，并在退出到束流之前將其能量借給新注入的電子。 CHRIS PHILPOT; REY HORI/KEK
接下來(lái)發(fā)生的是一種稱(chēng)為自放大自發(fā)發(fā)射（SASE）的現象。光與電子相互作用，減慢一些電子的速度，加速其他電子的光，因此它們聚集成“微束”，即沿著(zhù)波蕩器路徑周期性出現的密度峰值?，F在結構化的電子束只放大與這些微束周期同相的光，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(xiàn)加速器（cERL）與傳統直線(xiàn)加速器驅動(dòng)的激光器不同。通常，通過(guò)將粒子轉移到所謂的電子束轉儲中來(lái)處理用過(guò)的電子束。但在cERL中，電子首先環(huán)回射頻加速器。這個(gè)光束現在與剛剛開(kāi)始旅程的新注入電子處于相反的階段。結果是，用過(guò)的電子將大部分能量轉移到新光束上，從而增強了其能量。一旦原始電子的一些能量像這樣被耗盡，它們就會(huì )被轉移到束流中。
“直線(xiàn)加速器中的加速能量被回收，與普通直線(xiàn)加速器相比，傾倒的光束功率大大降低，”中村向我解釋道，而另一個(gè)房間的科學(xué)家正在操作激光器。他說(shuō)，重復使用電子的能量意味著(zhù)，對于相同的電量，系統通過(guò)加速器發(fā)送更多的電流，并且可以更頻繁地發(fā)射激光。
其他專(zhuān)家對此表示贊同。能量回收直線(xiàn)加速器效率的提高可以降低成本，“這是使用EUV激光產(chǎn)生的等離子體的主要問(wèn)題，”Hassanein說(shuō)。
用于EUV的能量回收直線(xiàn)加速器
KEK緊湊型能量回收直線(xiàn)加速器最初于2011年至2013年之間建造，旨在為該機構物理和材料科學(xué)部門(mén)的研究人員展示其作為同步輻射源的潛力。但研究人員對計劃中的系統不滿(mǎn)意，該系統的性能目標低于一些基于存儲環(huán)的同步加速器所能達到的目標，同步加速器是巨大的圓形加速器，可保持電子束以恒定的動(dòng)能移動(dòng)。因此，KEK的研究人員開(kāi)始尋找更合適的應用。在與包括東芝在內的日本科技公司交談后，該公司當時(shí)有一個(gè)閃存芯片部門(mén)，研究人員進(jìn)行了一項初步研究，證實(shí)使用緊湊的能量回收直線(xiàn)加速器可以產(chǎn)生千瓦級光源。于是，EUV自由電子激光項目誕生了。在 2019 年和 2020 年，研究人員修改了現有的實(shí)驗加速器，開(kāi)始了 EUV 光之旅。
該系統安裝在一個(gè)全混凝土房間內，以保護研究人員免受運行過(guò)程中產(chǎn)生的強烈電磁輻射的影響。這個(gè)房間長(cháng)約60米，寬約20米，大部分空間被復雜的設備、管道和電纜所占據，這些設備、管道和電纜以細長(cháng)的賽道的形式沿著(zhù)其長(cháng)度的兩側蜿蜒而行。
加速器還不能產(chǎn)生EUV波長(cháng)。憑借17兆電子伏特的電子束能量，研究人員已經(jīng)能夠在20微米紅外光的爆發(fā)中產(chǎn)生SASE發(fā)射。早期測試結果已于2023年4月發(fā)表在《日本應用物理雜志》上。下一步正在進(jìn)行中，是在連續波模式下產(chǎn)生更大的激光功率。
可以肯定的是，20微米與13.5納米相去甚遠。并且已經(jīng)有一些類(lèi)型的粒子加速器可以產(chǎn)生比EUV更短波長(cháng)的同步輻射。但是，KEK研究人員聲稱(chēng)，基于能量回收直線(xiàn)加速器的激光器由于其固有的效率，可以產(chǎn)生更多的EUV功率。在同步輻射源中，光強度與注入的電子數量成正比。相比之下，在自由電子激光系統中，光強度大致隨著(zhù)注入電子數的平方而增加，從而產(chǎn)生更大的亮度和功率。
為了使能量回收直線(xiàn)加速器達到EUV范圍，需要設備升級，超出KEK目前的空間。因此，研究人員現在正在為構建一個(gè)新的原型系統提供理由，該系統可以產(chǎn)生所需的800 MeV。
 

電子槍將電荷注入KEK的緊湊型能量回收直線(xiàn)加速器。凱克
2021 年，在嚴重的通貨膨脹影響全球經(jīng)濟之前，KEK 團隊估計新系統的建設成本（不包括土地）為 400 億日元（2.6 億美元），該系統提供 10 kW 的 EUV 并提供多臺光刻機。據判斷，每年的運營(yíng)成本約為40億日元。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，“與當今激光生產(chǎn)的等離子體源的估計成本相比，我們設置中的每次曝光工具的估計成本仍然相當低”，Nakamura說(shuō)。
Nakamura承認，在這樣的系統能夠實(shí)現半導體制造商所要求的高水平性能和運行穩定性之前，還有很多技術(shù)挑戰需要解決。該團隊將不得不開(kāi)發(fā)新版本的關(guān)鍵部件，如超導腔、電子槍和波蕩器。工程師還必須開(kāi)發(fā)良好的程序技術(shù)，以確保電子束在操作過(guò)程中不會(huì )退化或動(dòng)搖。
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力，研究人員將需要創(chuàng )建一個(gè)能夠可靠地將超過(guò)1 kW的EUV功率同時(shí)傳輸到多臺光刻機的系統。研究人員已經(jīng)有了一個(gè)特殊鏡子布置的概念設計，該鏡子將EUV光傳送到多個(gè)曝光工具，而不會(huì )顯著(zhù)損失功率或損壞鏡子。
其他 EUV 可能性
對于快速擴張的芯片制造商來(lái)說(shuō)，EUV自由電子激光器的開(kāi)發(fā)還為時(shí)過(guò)早。但KEK團隊并不是唯一一個(gè)追逐這項技術(shù)的團隊。一家由風(fēng)險投資支持的初創(chuàng )公司xLight，位于加利福尼亞州帕洛阿爾托。也是追逐它的人之一。該公司擁有來(lái)自斯坦福直線(xiàn)加速器和其他地方的粒子加速器資深人士，最近與伊利諾伊州的費米國家加速器實(shí)驗室簽署了一項研發(fā)協(xié)議，以開(kāi)發(fā)超導腔和低溫模塊技術(shù)。聯(lián)系xLight的嘗試沒(méi)有得到答復，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(huì )，前首席執行官Erik Hosler介紹了該技術(shù)。
值得注意的是，ASML在十年前考慮轉向粒子加速器，最近在將自由電子激光技術(shù)的進(jìn)展與激光產(chǎn)生的等離子體路線(xiàn)圖進(jìn)行比較時(shí)再次考慮轉向粒子加速器。但公司高管認為L(cháng)LP帶來(lái)的風(fēng)險較小。
事實(shí)上，這是一條危險的道路。對KEK項目的獨立觀(guān)點(diǎn)強調，可靠性和資金將是研究人員未來(lái)面臨的最大挑戰?！把邪l(fā)路線(xiàn)圖將涉及許多苛刻的階段，以開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠、成熟的系統，”Hassanein說(shuō)?！斑@將需要大量的投資，并且需要相當長(cháng)的時(shí)間。
“機器設計必須非常堅固，并內置冗余，”退休研究科學(xué)家Benson補充道。設計還必須確保組件不會(huì )因輻射或激光而損壞。這必須“在不影響性能的情況下實(shí)現，性能必須足夠好，以確保良好的電式插頭效率。
更重要的是，Benson警告說(shuō)，如果沒(méi)有即將到來(lái)的投資承諾，“EUV-FEL的開(kāi)發(fā)可能無(wú)法及時(shí)幫助半導體行業(yè)。