Un bloguero publicó información que sugiere que, según los anuncios de TeraFab, Elon Musk parece estar adoptando la ruta del láser de electrones libres (FEL), con el objetivo de desafiar el monopolio de la EUV tradicional.
Posteriormente, la respuesta de Elon Musk parece confirmar esta afirmación.
Por supuesto, esto es una conjetura y no representa necesariamente la realidad. Pero creemos que vale la pena discutirlo.
FEL, nada nuevo
Debemos admitir que los láseres de electrones libres (FEL) y los aceleradores de partículas no son algo nuevo. Durante años, empresas, instituciones de I+D y universidades han poseído y operado aceleradores de partículas para generar partículas subatómicas diminutas como protones, neutrones y quarks. Estos sistemas suelen utilizarse en aplicaciones de física y otras ciencias. Los láseres de electrones libres (FEL) existen desde hace tiempo. En esencia, es una fuente de luz de alta potencia que utiliza electrones para producir luz de diferentes longitudes de onda. Un acelerador de partículas es un sistema que propulsa partículas cargadas.
Desde el punto de vista del principio, el láser de electrones libres se genera cuando electrones que viajan a velocidades cercanas a la de la luz pasan por un campo magnético que cambia periódicamente. La longitud de onda de este láser está relacionada con la frecuencia del proceso de este campo magnético periódico. Cambiando la frecuencia del campo magnético o la velocidad de incidencia, se pueden obtener láseres de diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, para hacer este FEL, primero se necesita una fuente de electrones de alta velocidad (cercana a la de la luz). ¿Por qué electrones cercanos a la velocidad de la luz? Porque solo bajo estas condiciones, la radiación generada por la oscilación de los electrones en dirección perpendicular a la de incidencia puede tener un efecto significativo en el movimiento de los electrones, haciendo que los electrones cercanos se agrupen en racimos (en lugar de una corriente uniforme de electrones).
Suponiendo que cada racimo tiene N electrones, la energía superpuesta de la luz radiada no es simplemente la suma de las energías de N electrones, sino una relación cuadrática de N, es decir, hay resonancia de radiación; en otras palabras, es láser. Actualmente, lo que más se utiliza es un acelerador lineal como fuente de electrones de alta velocidad (también se utilizan radiaciones de sincrotrón como fuente de electrones libres, pero no tienen suficiente potencia).
En otras palabras, en un FEL, los electrones se mueven libremente en el vacío a velocidades cercanas a la de la luz e intercambian energía con ondas electromagnéticas que se propagan en la misma dirección, produciendo así un haz de luz sintonizable y amplificado exponencialmente.
Específicamente, incluye las siguientes partes:
1. Haz de electrones de alta energía
Este proceso comienza con un haz de electrones de alta energía proveniente de un acelerador de partículas.
Los amplificadores de microondas aceleran los electrones a velocidades cercanas a la de la luz. Tomando como ejemplo un haz de electrones de 1 GeV (es decir, una carga de electrón multiplicada por 1 gigavoltio), la velocidad del electrón es solo una diezmillonésima parte más lenta que la velocidad de la luz. Cuanto mayor sea la energía del haz de electrones, mayor será la energía de los fotones que puede producir el FEL.
2. Radiación de cargas aceleradas
Cualquier partícula cargada acelerada radia luz. Por ejemplo:
Las fuentes de radiación de frenado (Bremsstrahlung en alemán, que significa "radiación de frenado") hacen que los electrones choquen contra una pared metálica, desacelerándolos rápidamente; el haz de electrones disipa energía mediante la radiación de luz y la liberación de calor.
Los imanes de desviación también pueden lograr efectos similares:
Si se curva el haz de electrones en una órbita circular, se obtiene una fuente de radiación de sincrotrón.
Si se hace que el haz de electrones oscile de un lado a otro en una trayectoria sinusoidal, se forma una fuente de luz tipo "wiggler" o "ondulador".
Las fuentes de radiación de sincrotrón y de "wiggler" producen luz en un rango de frecuencias amplio, mientras que el ondulador es diferente: bajo ciertas condiciones, el haz de electrones que pasa por el ondulador puede lograr emisión láser.
3. Ondulador
Un ondulador es un dispositivo compuesto por imanes dispuestos periódicamente, que puede hacer que un haz de electrones de alta energía oscile en una curva sinusoidal (es decir, "oscilación"). Esta oscilación controlada del haz de electrones es el primer paso para producir luz sintonizada con precisión. El período del ondulador (λu) y la energía del haz de electrones determinan conjuntamente la longitud de onda de la luz de salida.
Por esta razón, algunos ven el FEL como un sustituto de la litografía EUV.
Un candidato para reemplazar la fuente de luz actual
La razón por la que la litografía EUV tradicional adopta los 13,5 nm es porque el plasma de estaño puede generar luz en esta banda de manera relativamente eficiente.
Pero la lógica del FEL es completamente diferente. Al ajustar la energía del haz de electrones, el período del ondulador y la intensidad del campo magnético, se puede cambiar la longitud de onda de la luz de salida. Por lo tanto, en teoría, puede cubrir desde rayos X blandos, EUV, hasta longitudes de onda más largas. Esto significa que: la EUV tradicional se asemeja más a un "cuchillo de litografía" con una distancia focal fija, mientras que el FEL se parece más a una "herramienta óptica" que puede ajustar continuamente la longitud de onda.
Así, algunos están utilizando FEL para superar las limitaciones. La empresa emergente estadounidense xLight es una defensora de este camino. Vale la pena mencionar que el ex CEO de Intel, Pat Gelsinger, ahora es presidente ejecutivo de xLight.
En la tecnología de xLight, los electrones se inyectan primero en un acelerador de partículas y luego entran en un láser de electrones libres (FEL). xLight afirma: "El FEL utiliza electrones de un acelerador de partículas y los hace pasar a través de un ondulador con un campo magnético periódico, produciendo así un haz de luz coherente de alta intensidad."
En pocas palabras, la luz EUV se genera en el acelerador. Luego, la luz EUV se transmite desde el equipo del acelerador de partículas a la fábrica de obleas a través de un dispositivo similar a una tubería de fotones. En este punto, la luz EUV se dirige a la sub-fábrica de obleas. Dentro de la sub-fábrica de obleas hay varios sistemas independientes, llamados "estaciones de volteo".
Según el video de xLight, cada estación de volteo está dedicada a una herramienta EUV en la fábrica de obleas superior. Durante la operación, la luz EUV se transmite a cada estación de volteo en el área de la sub-fábrica de obleas. Luego, cada estación de volteo recibe la luz y la dirige al sistema EUV en el piso superior de la fábrica de obleas. Esto, a su vez, proporciona energía al equipo EUV.
En este caso, el equipo de litografía EUV en sí no contiene la fuente de luz LPP. En cambio, la luz EUV se genera en el acelerador de partículas y luego se transmite al equipo EUV de la fábrica de obleas. Esta es una forma sencilla de describir un proceso complejo.
Aún así, la fuente de luz FEL de xLight produce una potencia 4 veces mayor que las instalaciones LPP actuales. xLight afirma: "Al proporcionar hasta 4 veces más potencia EUV, las fábricas de obleas pueden optimizar la mejora de patrones, aumentar la productividad y el rendimiento, generando así miles de millones de dólares adicionales en ingresos por escáner al año y reduciendo el costo por oblea en aproximadamente un 50%. Además, un solo sistema xLight puede soportar hasta 20 sistemas ASML, con una vida útil de hasta 30 años, reduciendo así el gasto de capital y operativo en más de 3 veces".
En teoría, la tecnología de xLight se puede utilizar para EUV de baja apertura numérica, EUV de alta apertura numérica e incluso EUV de apertura numérica ultra alta. En cuanto a I+D, ASML está desarrollando tecnología EUV de apertura numérica ultra alta de 0,75, que apunta a un futuro aún más lejano.
Del diseño delgado y alargado de la fábrica de Terafab y de la respuesta de Musk, se puede deducir que es muy probable que Terafab adopte un acelerador lineal como fuente de electrones de alta velocidad para el FEL. Actualmente, el láser de rayos X de electrones libres de femtosegundos ya se utiliza en laboratorios universitarios para la recolección de datos de difracción de cristales de proteínas.
Si aún no entiendes lo poderosa que es esta tecnología, ponlo en términos simples: si la fuente de luz de la máquina de litografía ultravioleta extrema de AMSL es una bombilla común, entonces la fuente de luz ultravioleta extrema de electrones libres FEL es equivalente a un láser de alta eficiencia, que puede generar fácilmente un láser con una potencia de salida de varios kilovatios a decenas de kilovatios, y cuya longitud de onda se puede ajustar a voluntad.
En comparación, el LPP EUV utilizado por AMSL tiene una longitud de onda fija, y es muy difícil que su potencia supere 1 kilovatio. Además, tanto la pureza de la longitud de onda de la luz como su coherencia son incomparables. Si se logra fabricar, acelerará enormemente la velocidad y la calidad de la litografía de las máquinas de litografía. El FEL tiene otra ventaja: su eficiencia de conversión (relación energía/consumo) es especialmente alta. El LPP que utiliza AMSL requiere aproximadamente 4,4 MW de electricidad para producir 1 kW de EUV utilizable (eficiencia general de aproximadamente el 0,05%).
Mientras que el FEL de recuperación de energía más avanzado (ERL-FEL) requiere solo alrededor de 0,7 MW de electricidad para producir 1 kW de EUV, siendo 6 veces más eficiente. En el futuro, el uso de mejores materiales superconductores podría mejorar aún más esto.
No se puede lograr de la noche a la mañana
Simplemente desde la perspectiva técnica, el FEL es claramente superior en rendimiento de la fuente de luz, pero eso no significa que sea más avanzado en litografía industrializada. Porque la litografía EUV no solo necesita "tener un haz de luz de 13,5 nm".
También necesita: alta potencia + alta estabilidad + alta frecuencia de repetición + alta fiabilidad + costo extremadamente bajo + tiempo de funcionamiento extremadamente alto + compatibilidad con sistemas ópticos reflectivos.
La fuente de luz EUV actual de ASML, tras años de ingeniería, ya ha formado un sistema industrial completo.
Mientras que el FEL generalmente requiere aceleradores de electrones grandes, onduladores, sistemas de vacío, sistemas de control de haz, etc., lo que implica un volumen y un costo de equipo muy elevados. Por lo tanto, si se observa desde el rendimiento físico de la fuente de luz: el FEL es claramente más potente y libre.
Pero si se observa desde la capacidad de ingeniería para la litografía de producción en masa de semiconductores: la fuente de luz EUV madura actual es más adecuada para las fábricas de obleas. El FEL podría llevar la fuente de luz EUV desde "esta longitud de onda fija de 13,5 nm" hacia una litografía de longitud de onda corta más flexible.
Por ejemplo, si en el futuro se explora la siguiente generación de litografía con longitudes de onda más cortas, como 6.x nm, 5.x nm o incluso más cortas, el mecanismo de fuente de luz del FEL, que es sintonizable en longitud de onda, de alta coherencia y alto brillo máximo, será muy atractivo.
Pero aquí hay otro gran problema: cuanto más corta sea la longitud de onda, más difíciles se volverán los problemas del sistema óptico, la máscara, la resina fotosensible, la reflectividad, la dispersión de fotones, el sistema de vacío, etc.
Por lo tanto, la verdadera revolución que podría traer el FEL no es solo "reemplazar la fuente de luz EUV", sino proporcionar una ruta de fuente de luz de alta brillo y longitud de onda corta completamente diferente.
Además del FEL, se discuten otros esquemas como la generación de armónicos de alto orden (HHG), el plasma de descarga (DPP) y la radiación de sincrotrón. El LPP gana en madurez y producción en masa, el FEL enfatiza el alto brillo, alta coherencia y sintonización de longitud de onda, y el HHG tiene potencial de miniaturización. La clave de la competencia futura será equilibrar potencia, eficiencia, estabilidad y costo en longitudes de onda aún más cortas.
Lo más importante es que todos ellos, de la misma manera, enfrentan aún más desafíos, y la línea de tiempo es aún más incierta.
Este artículo proviene del WeChat público "Semiconductor Industry Observation" (ID: icbank), autor: Redacción
