目前臺積電、英特爾和三星等頭部的晶圓制造商積極地發(fā)展尖端先進(jìn)制程工藝，希望在單位面積內(nèi)塞入更多的晶體管，以維持摩爾定律的繼續(xù)有效。為此，他們在7nm制程上就都已經(jīng)采用了售價高達(dá)1.5億歐元的EUV光刻機(jī)，而未來進(jìn)入2nm以下的埃米級制程則需要采用售價高達(dá)3.5億歐元的High NA EUV光刻機(jī)。這些機(jī)器之所以如此昂貴，其中一個關(guān)鍵原因在于，它們的EUV光源的生產(chǎn)，都采用的是目前地球上最強大的商用激光器，通過轟擊金屬錫滴來來產(chǎn)生13.5nm EUV光源。

但是現(xiàn)在，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光源的獲取可能會更便宜、更快、更高效。

甚至在晶圓廠安裝全球第一臺EUV光刻機(jī)之前，就有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，高功率相干輻射光）的強大光源進(jìn)行EUV光刻的可能性。

激光產(chǎn)生的等離子體EUV

目前ASML是全球唯一的EUV光刻機(jī)制造商，當(dāng)ASML在2016年推出第一代價值超過1億美元的EUV光刻機(jī)時，整個行業(yè)都對它們感到絕望。當(dāng)時芯片制造商一直在為當(dāng)時最先進(jìn)使用 193nm光源的DUV光刻機(jī)尋找新的接任者，于是轉(zhuǎn)向波長更短的13.5nm的EUV光刻成為了一場革命，它將減少制造尖端芯片所需要的光刻步驟，并繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。

目前的EUV光刻機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的EUV光源，被稱為激光等離子體EUV光源（EUV-LPP），是通過30千瓦功率的二氧化碳激光器轟擊以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出的錫金屬液滴，每滴兩次轟擊（即每秒需要10萬個激光脈沖），將它們蒸發(fā)成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。

由于EUV光線波長非常短，所以它們會很容易被空氣吸收，所以整個EUV光源的工作環(huán)境需要被抽成真空。同時，EUV光線也無法被玻璃透鏡折射，所以ASML與德國光學(xué)公司蔡司（Zeiss）合作，采用鉬與硅（Mo/Si）制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，以使得EUV光線經(jīng)過多次反射后能夠精準(zhǔn)的投射到晶圓上。但EUV光線每經(jīng)過一次反射仍會損失不少的能量，導(dǎo)致最終到達(dá)硅晶圓的光子可能只有原來的約5%左右。

顯然，所有這些獲取EUV光源的步驟加起來是一個高度復(fù)雜的過程。雖然它從30千瓦功率的激光器開始，但最終反射到晶圓上的EUV光線的功率只有幾瓦，功率越低則意味著在硅片上形成圖案所需的時間就越長。如果沒有足夠功率的EUV光源，晶圓上就會出現(xiàn)隨機(jī)圖案缺陷，且制造速度變得緩慢、且不經(jīng)濟(jì)。高吞吐量下需要高 EUV 功率來抑制隨機(jī)效應(yīng)。

當(dāng)EUV光刻機(jī)首次推出時，其功率水平足以每小時處理約 100 片晶圓。從那時起，ASML持續(xù)設(shè)法將EUV光刻機(jī)的產(chǎn)量穩(wěn)步提高到了每小時約200片晶圓。

ASML目前的EUV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1000瓦或更多。ASML曾表示，它有一個開發(fā)1000W光源的路線圖。但Nakamura認(rèn)為，這可能很難實現(xiàn)，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項目。

將EUV光源功率增加一倍是“非常具有挑戰(zhàn)性的”，但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，這并非不可能，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現(xiàn)了類似的困難目標(biāo)，不排除ASML重復(fù)這種可能性。

但功率并不是激光產(chǎn)生等離子體EUV光源（EUV-LPP）方面所面臨的唯一問題?！霸谏壍礁叩腅UV功率方面存在許多具有挑戰(zhàn)性的問題，比如污染、波長純度和鏡子收集系統(tǒng)的性能等。”Hassanein列舉道。

高昂的運營成本也是一個重要問題。這些EUV-LPP系統(tǒng)每分鐘需要消耗約 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。不過，如果做好氫氣的回收，則可以降低這方面的運營成本。

EUV-LPP系統(tǒng)最為關(guān)鍵的運營成本消耗則來自于電力的消耗。根據(jù)研究論文顯示，EUV-LPP 光源在 250W EUV功率下需要消耗約 1.1 MW 電能，在1000W EUV 功率下消耗約 4.4 MW 電能。

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，整個EUV-LPP系統(tǒng)的墻插效率（輸出發(fā)光功率與輸入電功率的比值）可能低于0.1%。

什么是能量回收直線加速器EUV-FEL？有何優(yōu)勢

正如前面所說，面對EUV-LPP系統(tǒng)的種種弊端，很早就有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）來產(chǎn)生強大的EUV光源的可能性。但是并不是所有自由電子激光器都能夠作為EUV光源。

自由電子激光器（FEL）大致分為兩種類型：振蕩器FEL和自放大自發(fā)輻射（SASE）FEL。

在振蕩器FEL中，來自電子加速器的電子束在波蕩器中發(fā)光，與存儲在振蕩器中的波蕩器光相互作用，并放大FEL光。然而，由于鏡面對短波長光的反射率較差，F(xiàn)EL波長被限制在100nm以上。

在SASE-FEL中，加速器提供的高質(zhì)量電子束的自發(fā)輻射在長波蕩器中自放大，無需任何振蕩器和外部種子。它適用于短波長FEL，例如EUV-FEL。

而用于SASE-FEL的直線加速器（linacs）也分為兩種：正常傳導(dǎo)和超導(dǎo)直線加速器。

正常傳導(dǎo)直線加速器很常見，但其電子束的平均電流被限制在小于～100 nA，以避免直線加速器腔因高熱負(fù)荷而變形。而超導(dǎo)直線加速器由于熱負(fù)荷極低而具有更高的束團(tuán)重復(fù)頻率和平均電流（通常為幾十μA），因此更適合高功率的自由電子激光器。

如果與沒有能量回收功能的普通直線加速器相比，擁有能量回收直線加速器（ERL）是更強大的自由電子激光器驅(qū)動器?；贓RL 的 EUV-FEL 可成為最強大的 EUV 光源，通過使用能量回收方案和超導(dǎo)加速器技術(shù)來克服 EUV 光刻的當(dāng)前問題。

△(a) 普通直線加速器 和 (b) 能量回收直線加速器示意圖。

與激光等離子體EUV光源（EUV-LPP）相比，基于ERL 的EUV-FEL 光源具有多項優(yōu)勢：EUV-FEL 光源可產(chǎn)生超過 10 kW 的高 EUV 功率，且不會產(chǎn)生錫滴碎片，因此，它可以同時為 10 臺EUV光刻機(jī)供超過1000W 的 EUV 功率，而不會對 Mo/Si 反射鏡面造成錫污染。

KEK的科學(xué)家表示，制造EUV光源的最佳候選者是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)10kW功率的EUV光源。這足以同時驅(qū)動多臺下一代光刻機(jī)，從而降低先進(jìn)芯片制造的成本。

KEK高級光源研究員Norio Nakamura也表示：“EUV-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EUV光源來應(yīng)用?！?/p>

此外，EUV-FEL 可升級為 BEUV-FEL，以使用更短的波長（6.6-6.7 nm）實現(xiàn)更精細(xì)的圖案化。它還可以可變地控制 FEL 光的偏振，以實現(xiàn)High NA 光刻。

在電力消耗方面，EUV-FEL光源也要遠(yuǎn)低于EUV-LPP光源。下面的表格顯示了 EUV-FEL 光源的估算電力消耗，超導(dǎo)腔體的制冷系統(tǒng)是所有項目中耗電量最大的，其他耗電的基礎(chǔ)設(shè)施包括冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。總的來看，10 kW EUV-FEL光源系統(tǒng)的功率的總耗電量為 7MW，因此每1000W EUV功率的耗電量為 0.7 MW，遠(yuǎn)低于同樣1000W EUV功率的LPP光源的4.4 MW耗電量，只有其1/6不到，即便ASML已逐漸降低其EUV-LPP 光源所需的電能，也遠(yuǎn)高于EUV-FEL光源的電耗。

EUV-FEL光源的建設(shè)和運行成本粗略估計為10kW EUV功率4億美元和每年4000萬美元，因此1kW EUV功率建設(shè)成本約4000萬美元和每年400萬美元。相比之下，通過簡單的線性外推，LPP光源的建設(shè)和運行成本粗略估計為250W EUV功率2000萬美元和每年1500萬美元，即每1kW EUV功率建設(shè)成本為8000萬美元和運行成本為每年6000萬美元。

顯然，EUV-LPP光源的建設(shè)成本達(dá)到了EUV-FEL光源建設(shè)成本的2倍，運營成本更是達(dá)到了其15倍。綜合來看，EUV-LPP光源的成本也達(dá)到了EUV-FEL光源的3倍。這其中，集光鏡的維護(hù)費用占了運營成本的大部分，因為集光鏡會因錫屑的污染而老化，需要經(jīng)常更換。另外龐大的能源消耗也是一大成本。也就是說，采用EUV-FEL光源來代替EUV-LPP光源，綜合成本可以降低2倍以上。

能量回收直線加速器系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

KEK正在開發(fā)的能量回收直線加速器系統(tǒng)是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。波蕩器將迫使加速的電子沿著正弦路徑，這種運動將導(dǎo)致電子發(fā)光。

△在自由電子激光器中，加速電子受到交變磁場的影響，導(dǎo)致電子波動并發(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)生自由電子激光束。

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。光與電子會相互作用，減慢一些電子的速度，加速其他電子的光，因此它們會聚集成“微束”，即沿著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，產(chǎn)生相干的激光束。

正是基于這一點，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。

在 cERL 中，KEK已經(jīng)實現(xiàn)了在低束電荷 (<6 pC) 下以約 1 mA 的平均電流運行，并實現(xiàn)能量回收?？梢酝ㄟ^在 cERL 中安裝 FEL 波蕩器來產(chǎn)生 SASE-FEL 發(fā)射，從而實現(xiàn) EUV-FEL 的 PoC。

“能量回收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，”Nakamura解釋稱。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。

隨著能量回收直線加速器生產(chǎn)光源的效率的提高，可以大幅降低成本，“而這也是使用激光產(chǎn)生等離子體光源所面臨的主要問題?！盚assanein說。

建造用于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發(fā)現(xiàn)，東芝當(dāng)時有一個閃存芯片部門，研究人員進(jìn)行了一項初步研究，證實使用緊湊的能量回收直線加速器可以產(chǎn)生千瓦級的光源。于是，EUV自由電子激光項目誕生了。在 2019 年和 2020 年，研究人員修改了現(xiàn)有的實驗加速器，開始了制造 EUV光線之旅。

該系統(tǒng)被安裝在一個全混凝土房間內(nèi)，以保護(hù)研究人員免受運行過程中產(chǎn)生的強烈電磁輻射的影響。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。

憑借17兆電子伏特的電子束能量，研究人員已經(jīng)能夠在20μm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，20μm的紅外光與13.5nm的EUV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波長更短的同步輻射光線。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)生更高功率的EUV。在該同步輻射源中，光強度與注入的電子數(shù)量成正比。相比之下，在自由電子激光系統(tǒng)中，光強度大致隨著注入電子數(shù)的平方而增加，才能產(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，這將超出KEK目前的空間。因此，研究人員現(xiàn)在正在計劃構(gòu)建一個新的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生所需的800 MeV。

2021 年，在嚴(yán)重的通貨膨脹影響全球經(jīng)濟(jì)之前，KEK 團(tuán)隊估計新系統(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)預(yù)計將可提供 10千瓦的 EUV光源，可以提供給多臺光刻機(jī)使用。據(jù)判斷，每年的運營成本約為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EUV光源的估計成本相比，我們設(shè)置中的每次曝光的估計成本仍然相當(dāng)?shù)汀！盢akamura說道。

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)良好的程控制程序，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1000W的EUV功率同時傳輸?shù)蕉嗯_光刻機(jī)的光源系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)有了一個特殊鏡子布置的概念設(shè)計，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反射鏡（高功率的光源可能會使反射鏡發(fā)熱變形）。

如何升級至波長更短的BEUV-FEL方案？

此外，EUV-FEL 可升級為 BEUV-FEL，以使用更短的波長（6.6-6.7 nm），可以實現(xiàn)更高的分辨率，從而實現(xiàn)更精細(xì)的芯片圖案化。

其他EUV方案可能性

對于快速擴(kuò)張的芯片制造商來說，EUV自由電子激光器的商用還為時過早。但KEK團(tuán)隊并不是唯一一個追逐這項技術(shù)的團(tuán)隊?？偛课挥诿绹永Ｄ醽喼菖谅灏柾校≒alo Alto）的一家風(fēng)險投資支持的初創(chuàng)公司xLight也在追逐EUV光源的開發(fā)。

據(jù)介紹，xLight 由一支由光源先驅(qū)、光刻師和粒子加速器制造商組成的團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)。雖然規(guī)模很小，但其團(tuán)隊在光刻和加速器技術(shù)領(lǐng)域擁有多年的經(jīng)驗，不僅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研究人士，其首席科學(xué)家 Gennady Stupakov 博士還是 2024 年 IEEE 核能和等離子體科學(xué)學(xué)會粒子加速器科學(xué)技術(shù)獎 (PAST 獎) 的兩名獲獎?wù)咧弧?/p>

據(jù)官網(wǎng)資料介紹，xLight 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。之所以有這個目標(biāo)，是源于“美國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 利用數(shù)十年的投資和美國在粒子加速器技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和知識方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，正在快速開發(fā)和部署其獨特的基于加速器的EUV光源解決方案，以實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)的 EUV 光刻未來。在此基礎(chǔ)上，xLight 設(shè)計了一個具有新功能的 HVM（大批量制造）兼容系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供生產(chǎn)力和性能，從而推動尖端半導(dǎo)體制造業(yè)數(shù)十年的持續(xù)進(jìn)步。

在今年1月份，xLight 公司參加了在東京舉行的第8屆EUV-FEL研討會，其前首席執(zhí)行官Erik Hosler介紹了該技術(shù)。

今年4月，xLight 還與伊利諾伊州的費米國家加速器實驗室簽署了一項研發(fā)協(xié)議，以開發(fā)超導(dǎo)腔和低溫模塊技術(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)險較小。

事實上，這是一條危險的道路。對KEK項目的獨立觀點強調(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)計必須非常堅固，并內(nèi)置冗余，”退休研究科學(xué)家Benson補充道。設(shè)計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現(xiàn)，性能必須足夠好，以確保良好的的效率。

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)?！?/p>

總結(jié)

最近，基于 250W LPP 光源的 EUV 光刻大批量制造已經(jīng)開始。但是，為了克服隨機(jī)效應(yīng)，實現(xiàn)更高的吞吐量和更高的 NA，未來的 EUV 光刻將需要更強大的 EUV 光源。因此，開發(fā)更高功率的 EUV 光源仍然很重要。基于 能量回收直線加速器（ERL）的自由電子激光器（FEL）可以通過能量回收方案獲得極高的FEL功率，是光刻高功率光源的有希望的候選者。

目前業(yè)界已經(jīng)設(shè)計了一種基于 ERL 的 EUV-FEL 光源用于未來的光刻，并且已經(jīng)研究和開發(fā)了主要組件。EUV-FEL 光源在 EUV 功率、升級到 BEUV-FEL、High NA 光刻的偏振控制、電力消耗和每臺光刻機(jī)的成本方面具有許多優(yōu)勢。

估算 EUV-FEL 和 LPP 光源的每個光刻機(jī)的電力消耗、建設(shè)和運行成本，不難發(fā)現(xiàn)通過從EUV-LPP 源切換到 EUV-FEL 光源可以節(jié)省大量成本。此外，在 cERL IR-FEL 上產(chǎn)生了顯著的 SASE-FEL 發(fā)射，這是 EUV-FEL 概念驗證的重要一步。在未來的高功率 FEL 操作方面取得了進(jìn)一步的進(jìn)展。EUV-FEL 光源被認(rèn)為是未來光刻最有前途的光源，應(yīng)進(jìn)一步推動其產(chǎn)業(yè)化。