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。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(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?！?/p>

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)樵鐑赡辏瑖?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：