改變?摩爾定律的未來是粒子加速器嗎？

隨著英特爾、三星、臺積電和日本即將推出的先進(jìn)晶圓代工廠 Rapidus各自為將越來越多的晶體管塞進(jìn)每平方毫米的硅中而各自做準(zhǔn)備，它們都有一個共同點(diǎn)，那就是支撐他們努力的極紫外 （EUV） 光刻技術(shù)極其復(fù)雜、極其昂貴且運(yùn)行成本極高。一個主要原因是，該系統(tǒng)的13.5納米光的來源是用地球上最強(qiáng)大的商業(yè)激光器噴射飛濺的錫液滴的精確而昂貴的過程。但一個非常規(guī)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(rèn)為，如果利用粒子加速器的力量，EUV光刻技術(shù)可能會更便宜、更快、更高效。
甚至在晶圓廠安裝第一臺EUV機(jī)器之前，研究人員就看到了使用由粒子加速器產(chǎn)生的稱為自由電子激光器（FEL）的強(qiáng)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。他們聲稱，EUV光刻的最佳候選者是粒子加速器版本的再生制動。它被稱為能量回收直線加速器，可以使自由電子激光器經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生數(shù)十千瓦的EUV功率。這足以同時驅(qū)動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。
“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光刻的應(yīng)用，”KEK高級光源研究員Norio Nakamura在訪問該設(shè)施時告訴我。
直線加速器與激光產(chǎn)生的等離子體
今天的EUV系統(tǒng)由總部位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的單一制造商ASML制造。當(dāng)ASML在2016年推出第一代價(jià)值1億多美元的精密機(jī)器時，整個行業(yè)都對它們感到絕望。芯片制造商一直在為當(dāng)時最先進(jìn)的系統(tǒng)——使用 193 納米光的光刻技術(shù)——提供一個又一個的變通方法。轉(zhuǎn)向更短的 13.5 納米波長是一場革命，它將瓦解芯片制造所需的步驟數(shù)量，并使摩爾定律在未來十年繼續(xù)存在。
持續(xù)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(shù)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，然后由專門的光學(xué)器件從光譜中捕獲必要的 13.5 nm 波長并引導(dǎo)它通過一系列鏡子。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(yàn)性緊湊型能量回收直線加速器在返回過程中使用來自電子的大部分能量來加速一組新的電子。凱克

所有這些加起來就是一個高度復(fù)雜的過程。雖然它從消耗千瓦的激光器開始，但反射到晶圓上的EUV光量只有幾瓦。光線越暗，可靠地暴露在硅片上的圖案所需的時間就越長。如果沒有足夠的光子攜帶這種模式，EUV將變得不經(jīng)濟(jì)地緩慢。過分用力追求速度會導(dǎo)致代價(jià)高昂的錯誤。
當(dāng)這些機(jī)器首次推出時，功率水平足以每小時處理約 100 片晶圓。從那時起，ASML設(shè)法將現(xiàn)有系列機(jī)器的產(chǎn)量穩(wěn)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。但對于未來需要的更精細(xì)的圖案，Nakamura表示可能需要1千瓦或更多。ASML表示，它有一個開發(fā)1000W光源的路線圖。但這可能很難實(shí)現(xiàn)，Nakamura說，他曾領(lǐng)導(dǎo)KEK的光束動力學(xué)和磁鐵小組，退休后從事EUV項(xiàng)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(zhàn)性的”，印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境下材料中心負(fù)責(zé)人艾哈邁德·哈桑寧（Ahmed Hassanein）表示同意。但他指出，ASML過去曾使用改進(jìn)和優(yōu)化光源和其他組件的綜合方法實(shí)現(xiàn)了類似的困難目標(biāo)，他不排除重復(fù)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)致它們起伏并發(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?？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題?！霸谏壍礁叩腅UV功率方面存在許多具有挑戰(zhàn)性的問題，”Hassanein說。他喋喋不休地列舉了幾個問題，包括“污染、波長純度和鏡子收集系統(tǒng)的性能”。
高昂的運(yùn)營成本是另一個問題。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)器件和晶圓。（然而，回收可以減少這個數(shù)字。
但最終，運(yùn)營成本歸結(jié)為電力消耗。弗吉尼亞州托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)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(jì)，整個EUV-LPP系統(tǒng)的墻插效率可能低于0.1%。他說，像KEK正在開發(fā)的自由電子激光器一樣，效率可能高達(dá)10到100倍。
能量回收直線加速器
KEK正在開發(fā)的系統(tǒng)通過將電子提升到相對論速度，然后以特定方式偏離它們的運(yùn)動來產(chǎn)生光。
Nakamura 解釋說，當(dāng)電子槍將一束電子注入一米長的低溫冷卻管時，這個過程就開始了。在這個管子里，超導(dǎo)體傳遞射頻（RF）信號，驅(qū)動電子越來越快地前進(jìn)。然后電子進(jìn)行 180 度轉(zhuǎn)彎并進(jìn)入稱為波蕩器的結(jié)構(gòu)，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK系統(tǒng)目前有兩個。波蕩器迫使加速的電子沿著正弦路徑，這種運(yùn)動導(dǎo)致電子發(fā)光。
 

在直線加速器中，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，并立即被處理在束流中。但是在能量回收直線加速器（ERL）中，電子會回到射頻場中，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
接下來發(fā)生的是一種稱為自放大自發(fā)發(fā)射（SASE）的現(xiàn)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，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）與傳統(tǒng)直線加速器驅(qū)動的激光器不同。通常，通過將粒子轉(zhuǎn)移到所謂的電子束轉(zhuǎn)儲中來處理用過的電子束。但在cERL中，電子首先環(huán)回射頻加速器。這個光束現(xiàn)在與剛剛開始旅程的新注入電子處于相反的階段。結(jié)果是，用過的電子將大部分能量轉(zhuǎn)移到新光束上，從而增強(qiáng)了其能量。一旦原始電子的一些能量像這樣被耗盡，它們就會被轉(zhuǎn)移到束流中。
“直線加速器中的加速能量被回收，與普通直線加速器相比，傾倒的光束功率大大降低，”中村向我解釋道，而另一個房間的科學(xué)家正在操作激光器。他說，重復(fù)使用電子的能量意味著，對于相同的電量，系統(tǒng)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。
其他專家對此表示贊同。能量回收直線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題，”Hassanein說。
用于EUV的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年之間建造，旨在為該機(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)不滿意，該系統(tǒng)的性能目標(biāo)低于一些基于存儲環(huán)的同步加速器所能達(dá)到的目標(biāo)，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能移動。因此，KEK的研究人員開始尋找更合適的應(yīng)用。在與包括東芝在內(nèi)的日本科技公司交談后，該公司當(dāng)時有一個閃存芯片部門，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究，證實(shí)使用緊湊的能量回收直線加速器可以產(chǎn)生千瓦級光源。于是，EUV自由電子激光項(xiàng)目誕生了。在 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)安裝在一個全混凝土房間內(nèi)，以保護(hù)研究人員免受運(yùn)行過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁輻射的影響。這個房間長約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、管道和電纜以細(xì)長的賽道的形式沿著其長度的兩側(cè)蜿蜒而行。
加速器還不能產(chǎn)生EUV波長。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(jié)果已于2023年4月發(fā)表在《日本應(yīng)用物理雜志》上。下一步正在進(jìn)行中，是在連續(xù)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(yuǎn)。并且已經(jīng)有一些類型的粒子加速器可以產(chǎn)生比EUV更短波長的同步輻射。但是，KEK研究人員聲稱，基于能量回收直線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(qiáng)度與注入的電子數(shù)量成正比。相比之下，在自由電子激光系統(tǒng)中，光強(qiáng)度大致隨著注入電子數(shù)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加速器達(dá)到EUV范圍，需要設(shè)備升級，超出KEK目前的空間。因此，研究人員現(xiàn)在正在為構(gòu)建一個新的原型系統(tǒng)提供理由，該系統(tǒng)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加速器。凱克
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)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)提供 10 kW 的 EUV 并提供多臺光刻機(jī)。據(jù)判斷，每年的運(yùn)營成本約為40億日元。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，“與當(dāng)今激光生產(chǎn)的等離子體源的估計(jì)成本相比，我們設(shè)置中的每次曝光工具的估計(jì)成本仍然相當(dāng)?shù)汀?，Nakamura說。
Nakamura承認(rèn)，在這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體制造商所要求的高水平性能和運(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)將不得不開發(fā)新版本的關(guān)鍵部件，如超導(dǎo)腔、電子槍和波蕩器。工程師還必須開發(fā)良好的程序技術(shù)，以確保電子束在操作過程中不會退化或動搖。
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)建一個能夠可靠地將超過1 kW的EUV功率同時傳輸?shù)蕉嗯_光刻機(jī)的系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)有了一個特殊鏡子布置的概念設(shè)計(jì)，該鏡子將EUV光傳送到多個曝光工具，而不會顯著損失功率或損壞鏡子。
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)還為時過早。但KEK團(tuán)隊(duì)并不是唯一一個追逐這項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。一家由風(fēng)險(xiǎn)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。該公司擁有來自斯坦福直線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(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)。聯(lián)系xLight的嘗試沒有得到答復(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介紹了該技術(shù)。
值得注意的是，ASML在十年前考慮轉(zhuǎn)向粒子加速器，最近在將自由電子激光技術(shù)的進(jìn)展與激光產(chǎn)生的等離子體路線圖進(jìn)行比較時再次考慮轉(zhuǎn)向粒子加速器。但公司高管認(rèn)為LLP帶來的風(fēng)險(xiǎn)較小。
事實(shí)上，這是一條危險(xiǎn)的道路。對KEK項(xiàng)目的獨(dú)立觀點(diǎn)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)一個可靠、成熟的系統(tǒng)，”Hassanein說。“這將需要大量的投資，并且需要相當(dāng)長的時間。
“機(jī)器設(shè)計(jì)必須非常堅(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損壞。這必須“在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)，性能必須足夠好，以確保良好的電式插頭效率。
更重要的是，Benson警告說，如果沒有即將到來的投資承諾，“EUV-FEL的開發(fā)可能無法及時幫助半導(dǎo)體行業(yè)。