直线加速器可为极紫外光刻技术提供强大的动力。
日本高能加速器研究机构内，交变磁场正使电子在自由电子激光器中发出光
英特尔、三星、台积电以及日本即将建造的先进晶圆代工厂速芯（Rapidus）正各自为营，准备在每平方毫米的硅片中塞入越来越多的晶体管，但这些企业有一个共同点：支撑它们开展研发制造的极紫外光刻技术（EUV）极其复杂、昂贵，且运营成本极高。其主要原因在于，该系统所使用的13.5纳米光源需要通过目前世界上最强大的商业激光器轰击飞行中的熔融锡滴来产生，而后者要求高精度和高成本。
但是，一种非常规的替代方案正在酝酿之中。来自日本筑波的高能加速器研究机构（KEK）的一个研究团队认为，利用粒子加速器的力量，也许可以让极紫外光刻技术变得更便宜、更快捷、更高效。
早在第一批极紫外光刻机器安装到晶圆厂之前，研究人员就已经看到了使用自由电子激光（FEL）进行极紫外光刻的可能性，这是一种由粒子加速器生成的强大光源。然而，KEK的科学家表示，并不是所有的粒子加速器都可以实现这一任务。他们认为，最适合极紫外光刻的方案是采用具有再生制动技术的粒子加速器，即能量回收直线加速器（ERL）。这种加速器能够让自由电子激光器颇为节能地生成数十千瓦的极紫外光刻功率。这远超单台光刻机所需，足以同时驱动多台下一代光刻机，从而降低先进芯片的制造成本。
在笔者访问KEK时，该机构的先进光源研究员中村典雄告诉笔者：“自由电子激光束的极高功率、窄线宽以及其他特点使它适合应用到未来的光刻技术上。”
直线加速器与激光等离子体之对比
目前的极紫外光刻系统全部是由一家总部位于荷兰费尔德霍芬的制造商阿斯麦（ASML）生产的。2016年，当阿斯麦推出第一代极紫外光刻机时，这些价值1亿多美元的精密设备令整个行业都趋之若鹜。此前，最先进的光刻机系统使用的是193纳米光源，芯片制造商们在使用时不得不多加变通。改用波长更短的13.5纳米光源是一场革命，它可以减少制造芯片所需的步骤，并使摩尔定律能够延续到下一个十年。
在自由电子激光器中，加速的电子受到交变磁场的作用，这导致它们振荡并发出电磁辐射。辐射使电子聚集，从而只放大特定波长，形成激光束
极紫外光刻技术的实现历经多次推迟，其主要原因在于光源太暗。最终，一种被称为激光等离子体（EUV-LPP）的技术提供了足够明亮的极紫外光源。它使用二氧化碳激光器每秒钟数千次地轰击熔融锡滴，从而产生等离子体。等离子体发出一系列光子能量，随后专门的光学器件从中捕捉到所需的13.5纳米波长，并引导其通过一系列反射镜。接着，极紫外光经过带图样的掩膜版反射后，投射到硅片上。
这一切构成了一个高度复杂的过程。虽然最初使用的是耗电千瓦级的激光器，但最终反射到晶圆上的极紫外光量仅有几瓦。光越暗，在硅片上顺利曝光图样所需的时间就越长。如果没有足够的光子承载图样，极紫外光刻的速度会变得很慢，也就不合算了。而过分追求速度，则会导致代价高昂的错误。
当这些机器首次推出时，其功率水平仅够每小时处理约100片晶圆。自那时起，阿斯麦成功地将设备的产量稳步提高，当前系列的机器产量约为每小时200片晶圆。
阿斯麦目前的光源额定功率为500瓦，但中村典雄表示，如果未来需要光刻更精细的图样，光源可能要提高到1千瓦或更高。阿斯麦称该公司已经制定了研发1千瓦光源光刻机的路线图，但中村表示这很难实现。中村曾在KEK领导束流动力学和磁体团队，退休后又参与了极紫外光刻的项目。
“很难实现”并非不可能实现。美国印第安纳州普渡大学极端环境材料中心的主任艾哈迈德·哈桑宁（Ahmed Hassanein）同样认为，将光源功率提高一倍“非常具有挑战性”。但他指出，在过去，阿斯麦曾通过改进和优化光源及其他组件的集成方法实现过类似的艰巨目标，他并不排除它再次成功的可能性。
但亮度并不是阿斯麦在处理激光等离子体光源时面临的唯一问题。“在升级到更高的极紫外功率的过程中，存在着许多富有挑战性的问题。”哈桑宁说。他列举了其中几个，包括“污染、波长纯度和反射镜收集系统的性能”。
高运营成本则是另一个问题。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附着在光学器件和晶圆上。（不过，通过回收可以使这个数变小。）
但讲到底，运营成本要归结于电力消耗。美国弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的高级研究员斯蒂芬·本森（Stephen Benson）刚刚退休，据他估计，整个EUV-LPP系统的电光转化效率可能不到0.1%。他说，而像KEK正在开发的这类自由电子激光器，其效率可能会是前者的10到100倍。
在直线加速器中，注入的电子从射频场中获取能量。通常情况下，电子会随即进入自由电子激光器，并被立即倾弃至束流垃圾桶中。但在能量回收直线加速器中，电子会循环返回射频场中，将能量传递给新注入的电子，然后再进入束流垃圾桶
能量回收直线加速器
KEK正在开发的系统是通过将电子加速到相对论速度，然后以特定方式偏转它们的运动来产生光的。
中村典雄解释说，这一过程的第一步是，电子枪将一束电子注入一条长达数米的低温冷却管。在此管道内部，超导体会发出射频（RF）信号，推动电子不断加速前进。随即，电子经历180度转弯，进入称为“波荡器”的结构，它由一系列极向相反排列的磁铁构成。（目前KEK系统有两个波荡器。）波荡器迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动就会使电子发出光。
接下来发生的是一种被称为自放大自发发射（SASE）的现象。光与电子相互作用，使一些电子减速，另一些电子加速，从而令它们沿波荡器路径周期性地聚集成具有峰值密度的“微束团”。这种结构化的电子束只放大与这些微束团相位一致的光，从而产生相干激光束。
就在这一时刻，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产生了不同。通常，产生过激光的电子束会被引导到束流垃圾桶中。但在cERL中，电子首先返回射频加速器。现在，这束电子与刚开始旅程的新注入电子处于相反的相位。其结果是，返航束线将它们的大部分能量转移给新的电子束，提升其能量。当原本电子的能量被这样部分消耗后，它们才被引导到束流垃圾桶中。
“直线加速器中的加速能量得到了回收，与普通直线加速器相比，倾弃束流的能量显著降低。”当科学家在另一个房间里操作激光器时，中村典雄向我解释道。他说，重复利用电子的能量意味着在相同的电力消耗下，系统可以通过加速器发出更大的电流，并能更频繁地发射激光。
其他专家也表示赞同。“能量回收直线加速器的提效可以降低成本，而成本是使用极紫外激光等离子体时的一个主要问题。”哈桑宁说道。
用于极紫外光刻的能量回收直线加速器
KEK的紧凑型能量回收直线加速器最初建造于2011至2013年间，旨在展示其作为同步辐射光源的潜力，为该机构的物理和材料科学部门的研究人员提供服务。然而，研究人员对计划中的系统并不满意，因为该系统的性能目标要低于部分基于储存环的同步加速器所能达到的性能目标（后者是一种巨大的环形加速器，可以使电子束以恒定的动能运动）。因此，KEK的研究人员开始为它寻找更合适的应用方式。在与一些日本科技公司（包括当时拥有闪存芯片部门的东芝公司）交流后，研究人员进行了一项初步研究，确认使用紧凑型能量回收直线加速器可以实现千瓦级光源。因此，极紫外自由电子激光项目应运而生。2019年和2020年，研究人员改造了现有的实验加速器，开始了向极紫外光迈进的旅程。
该系统安装在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受操作过程中产生的强电磁辐射的影响。房间大约60米长、20米宽，其中大部分空间都被复杂的设备、管道和电缆占据，它们沿着房间长端的两侧蜿蜒交错，形成了一个拉长的跑道。
该加速器尚未能产生极紫外波长。利用17兆电子伏的电子束能量，研究人员已经成功在20微米的红外光波段生成了自放大自发发射。早期测试结果已于2023年4月发表在《日本应用物理学期刊》（Japanese Journal of Applied Physics）上。下一步工作正在进行，即在连续波模式下产生更大的激光功率。
当然，20微米与13.5纳米相差甚远。而且，目前已经有一些类型的粒子加速器可以产生比极紫外波长更短的同步辐射。但KEK的研究人员声称，基于能量回收直线加速器的激光器由于其固有的高效能，能够显著生成更大的极紫外功率。在同步辐射光源中，光强与注入电子的数量成正比。相比之下，在自由电子激光系统中，光强大约与注入电子数量的平方成正比，因此亮度和功率都要大得多。
电子枪正将电荷注入KEK的紧凑型能量回收直线加速器
要使能量回收直线加速器达到极紫外范围，所需要的设备升级超出了KEK目前的能力。因此，研究人员目前正在推动建造一套新的原型系统，以生成所需的800兆电子伏。
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（约合2.6亿美元），该系统可以提供10千瓦的极紫外光，并为多个光刻机供电。该系统的年度运行成本约为40亿日元。因此，中村典雄表示，即使把最近的通货膨胀也考虑在内，相比目前的激光等离子体光源，“我们设置中的每台曝光工具的估计成本仍然相对较低”。
中村承认，在这样一个系统能达到半导体制造商所要求的高性能和操作稳定性之前，还有很多技术问题需要解决。团队必须开发新版本的关键组件，如超导腔、电子枪和波荡器。工程师还需要研发出良好的操作技术，以确保电子束在运行过程中不会衰减或出现故障。
为了确保他们的方法具有足够的成本效益，能够吸引芯片制造商的关注，研究人员需要创建一个系统，能够稳定地同时向多台光刻机传输超过1千瓦的极紫外功率。研究人员已经研究出了一种特殊反射镜排列的概念设计，这些反射镜可以将极紫外光传送到多个曝光工具，而不会造成功率显著损失或反射镜损坏。
有关极紫外光刻技术的其他可能性
目前，对于快速扩张的芯片制造商来说，极紫外自由电子激光器的研发还处于极其早期，暂不能引起他们的关注。但并不是只有KEK团队在探索这项技术。位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托、获得风投支持的初创公司未名光（xLight）也是这项技术的研发者之一。该公司汇集了来自斯坦福直线加速器实验室和其他地方的资深粒子加速器专家，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，共同开发超导腔和低温模块技术。我们曾试图联系未名光公司，虽然对方并未回复，但2024年1月，该公司参加了在东京举行的第八届极紫外自由电子激光研讨会，公司前任首席执行官埃里克·霍斯勒（Erik Hosler）在会上做了有关这项技术的演讲。
值得注意的是，阿斯麦早在十年前就考虑转向粒子加速器，最近，该公司在比较自由电子激光技术的进展与激光等离子体的研发路线图时，再次考虑了这件事。但公司高层认为，激光等离子体的风险更低。
诚然，这的确是一条充满风险的道路。有关KEK项目的独立观点强调，可靠性和资金将是其研究人员面临的最大挑战。“为了开发出可靠、成熟的系统，研发路线图将涉及许多艰巨的阶段，”哈桑宁表示，“这将需要大量的投资和相当漫长的时间。”
“机器设计必须非常坚固耐用，并内置冗余。”退休研究员本森补充道。设计还必须确保组件不会因辐射或激光而损坏。而且，这必须在“不影响性能的前提下实现——机器的性能必须足够好，以确保合理的电光转化效率”。
更重要的是，本森警告说，如果各方不对投资这项技术给出承诺，“极紫外自由电子激光可能无法及时开发出来，进而无法帮助半导体行业”。
资料来源 IEEE Spectrum
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本文作者约翰·博伊德（John Boyd）是一位独立作家，现居日本，主要报道日本、澳大利亚的科技相关新闻。