來源：半導體行業觀察，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晶圓代工廠 Rapidus盡管各家公司都各自準備將越來越多的晶體管塞進每平方毫米的硅片中，但它們有一個共同點，那就是它們所依賴的極紫外 (EUV) 光刻技術極其復雜、極其昂貴，而且操作成本極高。主要原因是，該系統的 13.5 納米光的來源是使用地球上最強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）的一組研究人員認為，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技術可能會更便宜、更快速、更高效。

甚至在晶圓廠安裝首批 EUV 機器之前，研究人員就看到了使用粒子加速器產生的強大光源（ 自由電子激光 (FEL:free-electron laser)）進行 EUV 光刻的可能性。然而，KEK 的科學家表示，并不是任何粒子加速器都可以做到這一點。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（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濟地產生數十千瓦的 EUV 功率。這足以同時驅動不止一臺而是多臺下一代光刻機，從而降低先進芯片制造的成本。

KEK 先進光源研究員 Norio Nakamura在參觀該設施時告訴我：“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。”

直線加速器與激光等離子體

當今的 EUV 系統僅由一家制造商制造， 即總部位于荷蘭費爾德霍芬的ASML。當 ASML 于 2016 年推出第一代這種價值 1 億美元以上的精密機器時，業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，以應對當時最先進的系統，即使用 193 納米光的光刻技術。轉向更短的 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量，并使摩爾定律在下一個十年繼續有效。

持續延遲的主要原因 是光源太暗。最終能夠提供足夠明亮的 EUV 光源的技術稱為激光等離子體 (EUV-LPP)。它使用二氧化碳激光器每秒數千次將熔融的錫滴噴射成等離子體。等離子體發射出光子能量光譜，然后專用光學器件從光譜中捕獲必要的 13.5 納米波長，并將其引導通過一系列鏡子。

隨后，EUV 光從圖案化掩模上反射，然后投射到硅晶片上。

KEK 的實驗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高度復雜的過程。盡管它從耗電量高達千瓦的激光器開始，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間就越長。如果沒有足夠的光子攜帶圖案，EUV 的速度會不經濟。而過分追求速度可能會導致代價高昂的錯誤。

在剛機器剛推出時，功率水平足以每小時處理約 100 片晶圓。從那時起，ASML 已成功將當前系列機器的產量穩步提高到每小時約 200 片晶圓。

ASML 目前的光源額定功率為 500 瓦。但 Nakamura 表示，未來需要更精細的圖案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 表示，它有開發 1,000 瓦光源的路線圖。但這可能很難實現，Nakamura 表示，他曾領導 KEK 的光束動力學和磁鐵小組，退休后重新開始從事 EUV 項目。

很難，但并非不可能。印第安納州普渡大學極端環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“非常具有挑戰性” 。但他指出，ASML 過去曾通過改進和優化光源和其他組件的綜合方法實現了類似的高難度目標，他不排除重復這一做法的可能性。

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

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，存在許多挑戰性問題，”Hassanein 說。他列舉了幾個問題，包括“污染、波長純度和鏡面收集系統的性能。”

另一個問題是高昂的運營成本。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入光學元件和晶圓。（不過，回收可以降低這一數字。）

但最終，運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施最近退休的高級研究員斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 估計，整個 EUV-LPP 系統的電光轉換效率可能不到 0.1%。他說，像 KEK 正在開發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 正在開發的系統通過將電子加速到相對論速度，然后以特定方式偏離其運動來產生光。

中村解釋說，這個過程始于電子槍將電子束注入一根數米長的低溫冷卻管。在這個管子里，超導體發出射頻 (RF) 信號，驅動電子越來越快地移動。然后電子旋轉 180 度，進入一個叫做波蕩器的結構，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK 系統目前有兩個。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運動，這種運動導致電子發光。

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，然后再進入束流收集器。（文后附詳細說明）

接下來發生的現象稱為自放大自發輻射（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的密度峰值。現在結構化的電子束只放大與這些微束周期同相的光，從而產生相干的激光束。

正是在這一點上，KEK 的緊湊型能量回收直線加速器 (cERL：compact energy recovery linac) 與傳統直線加速器驅動的激光器有所不同。通常，耗盡的電子束是通過將粒子轉移到所謂的束流 收集器中來處理的。但在 cERL 中，電子首先循環回到 RF 加速器。這束電子現在與剛開始旅程的新注入電子處于相反的相位。結果是耗盡的電子將大部分能量轉移到新束流中，從而增強其能量。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家正在操作激光器。他說，重復使用電子的能量意味著，在同樣的電量下，系統可以通過加速器發送更多的電流，并且可以更頻繁地發射激光器。

其他專家也同意這一觀點。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，旨在向該機構物理和材料科學部門的研究人員展示其作為同步輻射源的潛力。但研究人員對計劃中的系統并不滿意，因為它的性能目標低于一些基于存儲環的同步加速器（巨大的圓形加速器，可保持電子束以恒定的動能移動）所能達到的水平。因此，KEK 研究人員開始尋找更合適的應用。在與當時擁有閃存芯片部門的東芝等日本科技公司交談后，研究人員進行了初步研究，證實使用緊湊型能量回收直線加速器可以實現千瓦級光源。因此，EUV 自由電子激光器項目誕生了。2019 年和 2020 年，研究人員修改了現有的實驗加速器，開始了 EUV 光之旅。

該系統被安置在一個全混凝土房間內，以保護研究人員免受運行時產生的強烈電磁輻射。房間長約 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、管道和電纜沿著房間兩側蜿蜒而行，形成一條細長的賽道。

該加速器目前還無法產生 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 微米紅外光爆發的形式產生 SASE 輻射。早期測試結果于 2023 年 4 月發表在《日本應用物理學雜志》上。下一步工作正在進行中，即在連續波模式下產生更大的激光功率。

當然，20 微米與 13.5 納米相差甚遠。而且，目前已有多種類型的粒子加速器能夠產生比 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，可以產生更多 EUV 功率。在同步輻射源中，光強度與注入電子的數量成正比。相比之下，在自由電子激光系統中，光強度的增加大致與注入電子數量的平方成正比，從而產生更高的亮度和功率。

要使能量回收線性加速器達到 EUV 范圍，需要進行設備升級，而 KEK 目前沒有足夠的空間來升級設備。因此，研究人員現在正在考慮構建一個可以產生所需 800 MeV 能量的新原型系統。

電子槍將電荷注入KEK的緊湊型能量回收線性加速器

2021 年，在嚴重的通貨膨脹影響全球經濟之前，KEK 團隊估計，一套新系統的建設成本（不包括土地）為 400 億日元（2.6 億美元），該系統可提供 10 千瓦的 EUV 并為多臺光刻機供電。年運行成本估計約為 40 億日元。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，“我們裝置中每個曝光工具的估計成本與當今激光產生的等離子源的估計成本相比仍然相當低”，Nakamura 說。

Nakamura 承認，在這樣的系統能夠達到半導體制造商所要求的高性能和運行穩定性之前，還有很多技術挑戰需要解決。該團隊必須開發超導腔、電子槍和波蕩器等關鍵部件的全新版本。工程師還必須開發良好的程序技術，以確保電子束在運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，研究人員需要創建一個可以可靠地同時向多臺光刻機傳輸超過 1 千瓦 EUV 功率的系統。研究人員已經設計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

對于快速擴張的芯片制造商來說，EUV 自由電子激光器的開發還為時過早，還不值得關注。但 KEK 團隊并不是唯一追逐這項技術的團隊。位于加州帕洛阿爾托、由風險投資支持的初創公司 xLight也在追逐這項技術的團隊之列。該公司聚集了來自斯坦福線性加速器等機構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驗室簽署了一項研發協議，以開發超導腔和低溫模塊技術。

據xLight介紹，公司成立的使命是打造一種能夠徹底改變光刻、計量和檢測的光源。他們表示，之所以有這個目標，是源于“美國必須重新奪回并保持半導體制造業的領導地位”這樣的信念。

xLight開發了一種用于尖端半導體器件制造的極紫外 (EUV) 光源，在性能、生產率和可持續性方面具有顯著的競爭優勢。xLight 光源以成熟的粒子加速器技術為基礎，系統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前制造工藝的功能和可調性，同時還實現了下一代架構和工藝節點所需的光刻、計量和檢測功能。

xLight生成，其新型 EUV 光源將使美國在未來的半導體行業中占據領先地位。

記者試圖聯系 xLight，但沒有得到答復，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，前首席執行官 Erik Hosler就該技術進行了演講。

值得注意的是，ASML 十年前就考慮過轉向粒子加速器，最近在將自由電子激光技術的進展與激光等離子體路線圖進行比較時，ASML 又考慮過轉向粒子加速器。但公司高管認為 LLP 的風險較小。

事實上，這是一條充滿風險的道路。獨立人士對 KEK 項目的看法強調，可靠性和資金將是研究人員未來面臨的最大挑戰。“研發路線圖將涉及許多苛刻的階段，以開發出可靠、成熟的系統，”Hassanein 說。“這將需要大量投資，并需要相當長的時間。”

“機器設計必須極其堅固，并內置冗余，”退休研究科學家 Benson 補充道。設計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現，性能必須足夠好，以確保良好的電能轉換效率。”

更重要的是，Benson 警告說，如果沒有立即投資該技術的承諾，“EUV-FEL 的開發可能無法及時到來以幫助半導體行業。”

對啦，大家是否對這個方案似曾相識？因為早兩年，國內自媒體就流傳過一個相關方案。但當時的評論，大家可以翻一下報道。

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審核編輯 黃宇