改变​摩尔定律的未来是粒子加速器吗？

随着英特尔、三星、台积电和日本即将推出的先进晶圆代工厂 Rapidus各自为将越来越多的晶体管塞进每平方毫米的硅中而各自做准备，它们都有一个共同点，那就是支撑他们努力的极紫外 光刻技术极其复杂、极其昂贵且运行成本极高。一个主要原因是，该系统的13.5纳米光的来源是用地球上最强大的商业激光器喷射飞溅的锡液滴的精确而昂贵的过程。但一个非常规的替代方案正在酝酿中。位于日本筑波的高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的力量，EUV光刻技术可能会更便宜、更快、更高效。

甚至在晶圆厂安装第一台EUV机器之前，研究人员就看到了使用由粒子加速器产生的称为自由电子激光器（FEL）的强大光源进行EUV光刻的可能性。然而，并不是任何粒子加速器都可以，KEK的科学家说。他们声称，EUV光刻的最佳候选者是粒子加速器版本的再生制动。它被称为能量回收直线加速器，可以使自由电子激光器经济地产生数十千瓦的EUV功率。这足以同时驱动一台而是多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本。

“FEL光束的极高功率、窄光谱宽度和其他特性使其适合作为未来光刻的应用，”KEK高级光源研究员Norio Nakamura在访问该设施时告诉我。

直线加速器与激光产生的等离子体

今天的EUV系统由总部位于荷兰费尔德霍芬的单一制造商ASML制造。当ASML在2016年推出第一代价值1亿多美元的精密机器时，整个行业都对它们感到绝望。芯片制造商一直在为当时最先进的系统——使用 193 纳米光的光刻技术——提供一个又一个的变通方法。转向更短的 13.5 纳米波长是一场革命，它将瓦解芯片制造所需的步骤数量，并使摩尔定律在未来十年继续存在。

持续延迟的主要原因是光源太暗。最终提供足够明亮的EUV光源的技术称为激光产生的等离子体，或EUV-LPP。它采用二氧化碳激光将熔融的锡液滴以每秒数千次的速度喷射到等离子体中。等离子体发射光子能量光谱，然后由专门的光学器件从光谱中捕获必要的 13.5 nm 波长并引导它通过一系列镜子。随后，EUV光从图案掩模上反射，然后投射到硅晶圆上。

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KEK的实验性紧凑型能量回收直线加速器在返回过程中使用来自电子的大部分能量来加速一组新的电子。凯克

所有这些加起来就是一个高度复杂的过程。虽然它从消耗千瓦的激光器开始，但反射到晶圆上的EUV光量只有几瓦。光线越暗，可靠地暴露在硅片上的图案所需的时间就越长。如果没有足够的光子携带这种模式，EUV将变得不经济地缓慢。过分用力追求速度会导致代价高昂的错误。

当这些机器首次推出时，功率水平足以每小时处理约 100 片晶圆。从那时起，ASML设法将现有系列机器的产量稳步提高到每小时约200片晶圆。

ASML目前的光源额定功率为500瓦。但对于未来需要的更精细的图案，Nakamura表示可能需要1千瓦或更多。ASML表示，它有一个开发1000W光源的路线图。但这可能很难实现，Nakamura说，他曾领导KEK的光束动力学和磁铁小组，退休后从事EUV项目。

困难，但不一定不可能。将源功率增加一倍是“非常具有挑战性的”，印第安纳州普渡大学极端环境下材料中心负责人艾哈迈德·哈桑宁（Ahmed Hassanein）表示同意。但他指出，ASML过去曾使用改进和优化光源和其他组件的综合方法实现了类似的困难目标，他不排除重复的可能性。

在自由电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致它们起伏并发射电磁辐射。辐射将电子聚集在一起，导致它们仅放大特定波长，从而产生激光束。克里斯·菲尔波特

但亮度并不是ASML在激光产生的等离子体源方面面临的唯一问题。“在升级到更高的EUV功率方面存在许多具有挑战性的问题，”Hassanein说。他喋喋不休地列举了几个问题，包括“污染、波长纯度和镜子收集系统的性能”。

高昂的运营成本是另一个问题。这些系统每分钟消耗约 600 升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学器件和晶圆。（然而，回收可以减少这个数字。

但最终，运营成本归结为电力消耗。弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）最近退休的高级研究科学家斯蒂芬·本森（Stephen Benson）估计，整个EUV-LPP系统的墙插效率可能低于0.1%。他说，像KEK正在开发的自由电子激光器一样，效率可能高达10到100倍。

能量回收直线加速器

KEK正在开发的系统通过将电子提升到相对论速度，然后以特定方式偏离它们的运动来产生光。

Nakamura 解释说，当电子枪将一束电子注入一米长的低温冷却管时，这个过程就开始了。在这个管子里，超导体传递射频（RF）信号，驱动电子越来越快地前进。然后电子进行 180 度转弯并进入称为波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。（KEK系统目前有两个。波荡器迫使加速的电子沿着正弦路径，这种运动导致电子发光。

在直线加速器中，注入的电子从射频场获得能量。通常，电子随后会进入自由电子激光器，并立即被处理在束流中。但是在能量回收直线加速器（ERL）中，电子会回到射频场中，并在退出到束流之前将其能量借给新注入的电子。 CHRIS PHILPOT; REY HORI/KEK

接下来发生的是一种称为自放大自发发射（SASE）的现象。光与电子相互作用，减慢一些电子的速度，加速其他电子的光，因此它们聚集成“微束”，即沿着波荡器路径周期性出现的密度峰值。现在结构化的电子束只放大与这些微束周期同相的光，产生相干的激光束。

正是在这一点上，KEK的紧凑型能量回收直线加速器（cERL）与传统直线加速器驱动的激光器不同。通常，通过将粒子转移到所谓的电子束转储中来处理用过的电子束。但在cERL中，电子首先环回射频加速器。这个光束现在与刚刚开始旅程的新注入电子处于相反的阶段。结果是，用过的电子将大部分能量转移到新光束上，从而增强了其能量。一旦原始电子的一些能量像这样被耗尽，它们就会被转移到束流中。

“直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器相比，倾倒的光束功率大大降低，”中村向我解释道，而另一个房间的科学家正在操作激光器。他说，重复使用电子的能量意味着，对于相同的电量，系统通过加速器发送更多的电流，并且可以更频繁地发射激光。

其他专家对此表示赞同。能量回收直线加速器效率的提高可以降低成本，“这是使用EUV激光产生的等离子体的主要问题，”Hassanein说。

用于EUV的能量回收直线加速器

KEK紧凑型能量回收直线加速器最初于2011年至2013年之间建造，旨在为该机构物理和材料科学部门的研究人员展示其作为同步辐射源的潜力。但研究人员对计划中的系统不满意，该系统的性能目标低于一些基于存储环的同步加速器所能达到的目标，同步加速器是巨大的圆形加速器，可保持电子束以恒定的动能移动。因此，KEK的研究人员开始寻找更合适的应用。在与包括东芝在内的日本科技公司交谈后，该公司当时有一个闪存芯片部门，研究人员进行了一项初步研究，证实使用紧凑的能量回收直线加速器可以产生千瓦级光源。于是，EUV自由电子激光项目诞生了。在2019年和2020年，研究人员修改了现有的实验加速器，开始了EUV光之旅。

该系统安装在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受运行过程中产生的强烈电磁辐射的影响。这个房间长约60米，宽约20米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆所占据，这些设备、管道和电缆以细长的赛道的形式沿着其长度的两侧蜿蜒而行。

加速器还不能产生EUV波长。凭借17兆电子伏特的电子束能量，研究人员已经能够在20微米红外光的爆发中产生SASE发射。早期测试结果已于2023年4月发表在《日本应用物理杂志》上。下一步正在进行中，是在连续波模式下产生更大的激光功率。

可以肯定的是，20微米与13.5纳米相去甚远。并且已经有一些类型的粒子加速器可以产生比EUV更短波长的同步辐射。但是，KEK研究人员声称，基于能量回收直线加速器的激光器由于其固有的效率，可以产生更多的EUV功率。在同步辐射源中，光强度与注入的电子数量成正比。相比之下，在自由电子激光系统中，光强度大致随着注入电子数的平方而增加，从而产生更大的亮度和功率。

为了使能量回收直线加速器达到EUV范围，需要设备升级，超出KEK目前的空间。因此，研究人员现在正在为构建一个新的原型系统提供理由，该系统可以产生所需的800 MeV。

电子枪将电荷注入KEK的紧凑型能量回收直线加速器。凯克

2021 年，在严重的通货膨胀影响全球经济之前，KEK 团队估计新系统的建设成本（不包括土地）为 400 亿日元（2.6 亿美元），该系统提供 10 kW 的 EUV 并提供多台光刻机。据判断，每年的运营成本约为40亿日元。因此，即使考虑到最近的通货膨胀，“与当今激光生产的等离子体源的估计成本相比，我们设置中的每次曝光工具的估计成本仍然相当低”，Nakamura说。

Nakamura承认，在这样的系统能够实现半导体制造商所要求的高水平性能和运行稳定性之前，还有很多技术挑战需要解决。该团队将不得不开发新版本的关键部件，如超导腔、电子枪和波荡器。工程师还必须开发良好的程序技术，以确保电子束在操作过程中不会退化或动摇。

为了确保他们的方法具有足够的成本效益以吸引芯片制造商的注意力，研究人员将需要创建一个能够可靠地将超过1 kW的EUV功率同时传输到多台光刻机的系统。研究人员已经有了一个特殊镜子布置的概念设计，该镜子将EUV光传送到多个曝光工具，而不会显着损失功率或损坏镜子。

其他 EUV 可能性

对于快速扩张的芯片制造商来说，EUV自由电子激光器的开发还为时过早。但KEK团队并不是唯一一个追逐这项技术的团队。一家由风险投资支持的初创公司xLight，位于加利福尼亚州帕洛阿尔托。也是追逐它的人之一。该公司拥有来自斯坦福直线加速器和其他地方的粒子加速器资深人士，最近与伊利诺伊州的费米国家加速器实验室签署了一项研发协议，以开发超导腔和低温模块技术。联系xLight的尝试没有得到答复，但在1月份，该公司参加了在东京举行的第8届EUV-FEL研讨会，前首席执行官Erik Hosler介绍了该技术。

值得注意的是，ASML在十年前考虑转向粒子加速器，最近在将自由电子激光技术的进展与激光产生的等离子体路线图进行比较时再次考虑转向粒子加速器。但公司高管认为LLP带来的风险较小。

事实上，这是一条危险的道路。对KEK项目的独立观点强调，可靠性和资金将是研究人员未来面临的最大挑战。“研发路线图将涉及许多苛刻的阶段，以开发一个可靠、成熟的系统，”Hassanein说。“这将需要大量的投资，并且需要相当长的时间。

“机器设计必须非常坚固，并内置冗余，”退休研究科学家Benson补充道。设计还必须确保组件不会因辐射或激光而损坏。这必须“在不影响性能的情况下实现，性能必须足够好，以确保良好的电式插头效率。

更重要的是，Benson警告说，如果没有即将到来的投资承诺，“EUV-FEL的开发可能无法及时帮助半导体行业。