替代EUV光刻,新方案公布!
隨著英特爾、三星、臺(tái)積電以及日本即將落成的先進(jìn)晶圓代工廠 Rapidus盡管各家公司都各自準(zhǔn)備將越來(lái)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(lái)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(guò)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(huì)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(tái)而是多臺(tái)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(lái)的光刻技術(shù)?!?/p>
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(duì)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(duì)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(zhǎng)是一場(chǎng)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(zhǎng),并將其引導(dǎo)通過(guò)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(guò)程中的大部分能量來(lái)加速一組新電子
所有這些加起來(lái)就是一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程。盡管它從耗電量高達(dá)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(méi)有足夠的光子攜帶圖案,EUV 的速度會(huì)不經(jīng)濟(jì)。而過(guò)分追求速度可能會(huì)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)去曾通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng),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(wèn)題?!吧?jí)到更高的 EUV 功率時(shí),存在許多挑戰(zhàn)性問(wèn)題,”Hassanein 說(shuō)。他列舉了幾個(gè)問(wèn)題,包括“污染、波長(zhǎng)純度和鏡面收集系統(tǒng)的性能?!?/p>
另一個(gè)問(wèn)題是高昂的運(yùn)營(yíng)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(guò),回收可以降低這一數(shù)字。)
但最終,運(yùn)營(yíng)成本還是取決于電力消耗。弗吉尼亞州托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施最近退休的高級(jí)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(shuō),像 KEK 正在開(kāi)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(kāi)發(fā)的系統(tǒng)通過(guò)將電子加速到相對(duì)論速度,然后以特定方式偏離其運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生光。
中村解釋說(shuō),這個(gè)過(guò)程始于電子槍將電子束注入一根數(shù)米長(zhǎng)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(hào),驅(qū)動(dòng)電子越來(lái)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(chǎng)獲得能量。通常,電子隨后會(huì)進(jìn)入自由電子激光器,并立即被處理到束流收集器中。但在能量恢復(fù)線性加速器 (ERL) 中,電子會(huì)回到射頻場(chǎng),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(shuō)明)
接下來(lái)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?,F(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(guò)將粒子轉(zhuǎn)移到所謂的束流 收集器中來(lái)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(kāi)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(huì)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(shuō),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(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(shuō)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(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(duì)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(chǔ)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(kāi)始尋找更合適的應(yīng)用。在與當(dāng)時(shí)擁有閃存芯片部門(mén)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(jí)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(kāi)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(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(zhǎng)的賽道。
該加速器目前還無(wú)法產(chǎn)生 EUV 波長(zhǎng)。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(cè)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(zhǎng)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(jí),而 KEK 目前沒(méi)有足夠的空間來(lái)升級(jí)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(tái)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?,Nakamura 說(shuō)。
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(kāi)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(kāi)發(fā)良好的程序技術(shù),以確保電子束在運(yùn)行過(guò)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,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(tái)光刻機(jī)傳輸超過(guò) 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(huì)造成功率損失或損壞鏡子。
其他 EUV 可能性
對(duì)于快速擴(kuò)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,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(lái)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(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室簽署了一項(xiàng)研發(fā)協(xié)議,以開(kāi)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(cè)的光源。他們表示,之所以有這個(gè)目標(biāo),是源于“美國(guó)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(cè)功能。
xLight生成,其新型 EUV 光源將使美國(guó)在未來(lái)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(méi)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(huì),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(guò)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(guò)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(duì) 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(lái)面臨的最大挑戰(zhàn)?!把邪l(fā)路線圖將涉及許多苛刻的階段,以開(kāi)發(fā)出可靠、成熟的系統(tǒng),”Hassanein 說(shuō)?!斑@將需要大量投資,并需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間?!?/p>
“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(huì)因輻射或激光而受損?!倍疫@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(shuō),如果沒(méi)有立即投資該技術(shù)的承諾,“EUV-FEL 的開(kāi)發(fā)可能無(wú)法及時(shí)到來(lái)以幫助半導(dǎo)體行業(yè)?!?/p>
對(duì)啦,大家是否對(duì)這個(gè)方案似曾相識(shí)?因?yàn)樵鐑赡?,?guó)內(nèi)自媒體就流傳過(guò)一個(gè)相關(guān)方案。但當(dāng)時(shí)的評(píng)論,大家可以翻一下報(bào)道。
附:線性加速器詳細(xì)說(shuō)明:
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