Un blogueur a déclaré qu'à en juger par l'annonce de TeraFab, Elon Musk semble vouloir adopter l'approche FEL (Free Electron Laser : Laser à électrons libres) pour perturber le monopole traditionnel de l'EUV.
Ensuite, la réponse d'Elon Musk semble confirmer cette affirmation.
Bien sûr, ce n'est qu'une hypothèse, pas une réalité. Mais nous pensons que cela vaut la peine d'en discuter.
Le FEL n'est pas une nouveauté
Nous devons admettre que le laser à électrons libres (FEL) et les accélérateurs de particules ne sont pas des nouveautés. Pendant des années, des entreprises, des instituts de R&D et des universités ont possédé et exploité des accélérateurs de particules pour générer des particules subatomiques minuscules telles que des protons, des neutrons et des quarks. Ces systèmes sont généralement utilisés en physique et dans d'autres applications scientifiques. Le laser à électrons libres (FEL) existe depuis longtemps. Selon les présentations, il s'agit essentiellement d'une source lumineuse de haute puissance qui utilise des électrons pour produire des lumières de différentes longueurs d'onde. Un accélérateur de particules est un système qui propulse des particules chargées.
En principe, le laser à électrons libres est généré lorsque des électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière traversent un champ magnétique périodiquement variable. La longueur d'onde de ce laser est liée à la fréquence du processus de variation périodique du champ magnétique. En modifiant la fréquence de variation du champ magnétique ou la vitesse d'incidence, on peut obtenir des lasers de différentes longueurs d'onde. Pour réaliser ce FEL, il faut donc d'abord une source d'électrons à haute vitesse (proche de la vitesse de la lumière). Pourquoi des électrons proches de la vitesse de la lumière ? Parce que ce n'est que dans ces conditions que le rayonnement lumineux produit par l'oscillation perpendiculaire à la direction d'incidence des électrons peut avoir un impact significatif sur leur mouvement, conduisant les électrons voisins à s'agréger en grappes (plutôt qu'en un flux d'électrons uniforme).
Supposons que chaque grappe contienne N électrons. L'énergie combinée de leur rayonnement lumineux n'est pas une simple addition des énergies des N électrons, mais une relation au carré de N, c'est-à-dire une résonance du rayonnement, en d'autres termes, un laser. Actuellement, l'accélérateur linéaire est le plus utilisé comme source d'électrons à haute vitesse (bien que le rayonnement synchrotron soit également utilisé comme source d'électrons libres, mais la puissance est insuffisante).
En d'autres termes, dans un FEL, les électrons se déplacent librement dans le vide à une vitesse proche de celle de la lumière et échangent de l'énergie avec une onde électromagnétique co-propagative, générant ainsi un faisceau lumineux accordable et amplifié de manière exponentielle.
Concrètement, cela comprend les parties suivantes :
1. Faisceau d'électrons de haute énergie
Ce processus commence par un faisceau d'électrons de haute énergie provenant d'un accélérateur de particules.
Un amplificateur micro-ondes accélère les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Prenons l'exemple d'un faisceau d'électrons de 1 GeV (c'est-à-dire une charge d'électron multipliée par 1 gigavolt) : la vitesse des électrons n'est inférieure à celle de la lumière que d'un dix-millionième. Plus l'énergie du faisceau d'électrons est élevée, plus l'énergie des photons que le FEL peut produire est élevée.
2. Rayonnement des charges accélérées
Toute particule chargée accélérée rayonne de la lumière. Par exemple :
La source de rayonnement de freinage (Bremsstrahlung en allemand, signifiant "rayonnement de freinage") fonctionne en projetant des électrons sur une paroi métallique, les faisant décélérer rapidement. Le faisceau d'électrons dissipe son énergie en rayonnant de la lumière et en libérant de la chaleur.
Un aimant de déviation peut obtenir un effet similaire :
Si le faisceau d'électrons est courbé en une trajectoire circulaire, on obtient une source de rayonnement synchrotron.
Si le faisceau d'électrons est soumis à une trajectoire sinusoïdale de va-et-vient, on forme une source lumineuse de type "wiggler" ou "undulateur".
Le rayonnement synchrotron et les sources de type wiggler produisent une lumière à large bande de fréquences, tandis que l'undulateur est différent : dans des conditions spécifiques, un faisceau d'électrons passant à travers un undulateur peut émettre un laser.
3. Ondulateur (Undulator)
Un ondulateur est un dispositif composé d'aimants arrangés périodiquement, capable de faire osciller un faisceau d'électrons de haute énergie selon une courbe sinusoïdale spécifique (c'est-à-dire le "wiggling"). Soumettre le faisceau d'électrons à cette oscillation contrôlée est la première étape pour générer une lumière finement accordée. La période de l'ondulateur (λu) et l'énergie du faisceau d'électrons déterminent ensemble la longueur d'onde de la lumière de sortie.
C'est pourquoi certains considèrent le FEL comme un substitut potentiel à la lithographie par EUV.
Un candidat pour remplacer la source lumineuse actuelle
La lithographie EUV traditionnelle utilise 13,5 nm parce que le plasma d'étain peut produire relativement efficacement de la lumière dans cette bande.
Mais la logique du FEL est totalement différente. En ajustant l'énergie du faisceau d'électrons, la période de l'ondulateur et l'intensité du champ magnétique, il peut modifier la longueur d'onde de la lumière émise. Ainsi, en théorie, il peut couvrir des bandes allant des rayons X mous et de l'EUV jusqu'à des longueurs d'onde plus longues. Cela signifie : L'EUV traditionnel ressemble plus à un "couteau de lithographie" à focale fixe, tandis que le FEL ressemble plus à un "outil optique" dont on peut constamment ajuster la longueur d'onde.
Ainsi, certains envisagent d'utiliser le FEL pour dépasser ces limitations. La startup américaine xLight est une partisane de cette voie. Il est à noter que l'ancien PDG d'Intel, Pat Gelsinger, occupe désormais le poste de président exécutif de xLight.
Dans la technologie de xLight, les électrons sont d'abord injectés dans un accélérateur de particules, puis entrent dans le laser à électrons libres (FEL). xLight déclare : "Le FEL utilise les électrons provenant de l'accélérateur de particules et les fait passer à travers un ondulateur ayant un champ magnétique périodique, générant ainsi un faisceau cohérent de haute intensité."
En termes simples, la lumière EUV est générée dans l'accélérateur. Ensuite, la lumière EUV est transportée de l'équipement d'accélérateur de particules vers la fonderie de wafers via un dispositif semblable à un pipeline photonique. À ce stade, la lumière EUV est dirigée vers une sous-fonderie. La sous-fonderie contient divers systèmes indépendants appelés "stations de basculement".
Selon la vidéo de xLight, chaque station de basculement est dédiée à un outil EUV de la fonderie principale. En fonctionnement, la lumière EUV est transportée vers chaque poste de rotation dans la zone de la sous-fonderie. Ensuite, chaque poste de rotation reçoit la lumière et la guide vers le système EUV situé à l'étage de la fonderie. Cela alimente à son tour l'équipement EUV.
Dans ce scénario, l'équipement de lithographie EUV lui-même ne contient pas de source LPP. Au lieu de cela, la lumière EUV est générée dans l'accélérateur de particules, puis transmise aux équipements EUV de la fonderie. C'est une manière simple de décrire un processus complexe.
Néanmoins, la source FEL de xLight produit une puissance 4 fois supérieure aux dispositifs LPP actuels. xLight déclare : "En fournissant jusqu'à 4 fois plus de puissance EUV, les fonderies peuvent optimiser l'amélioration des motifs, augmenter la productivité et le rendement, permettant ainsi de générer des milliards de dollars de revenus supplémentaires par scanner par an, et de réduire le coût par wafer d'environ 50 %. De plus, un seul système xLight peut prendre en charge jusqu'à 20 systèmes ASML, avec une durée de vie allant jusqu'à 30 ans, réduisant ainsi les dépenses en capital et d'exploitation de plus de 3 fois."
En théorie, la technologie de xLight peut être utilisée pour l'EUV à faible ouverture numérique (low-NA), l'EUV à haute ouverture numérique (high-NA) et même l'EUV à super ouverture numérique (hyper-NA). En matière de R&D, ASML développe la technologie EUV à hyper-NA de 0,75, qui vise un avenir plus lointain.
D'après la conception élancée de l'usine de Terafab et la réponse de Musk, il est très probable que Terafab adopte un accélérateur linéaire comme source d'électrons à haute vitesse pour son FEL. Actuellement, le laser à rayons X à électrons libres femtoseconde est déjà utilisé dans les laboratoires universitaires pour la collecte de données par diffraction de cristaux de protéines.
Si vous ne comprenez toujours pas à quel point c'est puissant, faites une analogie : si la source lumineuse de la machine de lithographie EUV d'ASML est une ampoule ordinaire, alors la source de lumière EUV du FEL à électrons libres équivaut à un laser à haut rendement, pouvant facilement produire un laser de sortie de plusieurs kilowatts à plusieurs dizaines de kilowatts, et dont la longueur d'onde est réglable à volonté.
En comparaison, l'EUV LPP utilisé par ASML a une longueur d'onde fixe, et il est très difficile de dépasser 1 kilowatt de puissance. De plus, que ce soit en termes de pureté de la longueur d'onde de la lumière ou de sa cohérence, il est incomparable. S'il peut être réalisé, cela accélérerait considérablement la vitesse et la qualité de la lithographie. Un autre avantage du FEL est son efficacité de conversion (rapport énergétique) particulièrement élevée. L'EUV LPP d'ASML nécessite environ 4,4 MW d'électricité pour produire 1 kW d'EUV utilisable (efficacité globale d'environ 0,05 %).
Alors que le FEL à récupération d'énergie (ERL-FEL) le plus avancé ne nécessite qu'environ 0,7 MW d'électricité pour produire 1 kW d'EUV, soit une efficacité environ 6 fois supérieure. À l'avenir, l'utilisation de meilleurs matériaux supraconducteurs pourra encore améliorer cela.
Pas une solution immédiate
Si l'on considère uniquement la technologie elle-même, le FEL est clairement supérieur en termes de performances de source lumineuse, mais cela ne signifie pas qu'il est plus avancé pour la lithographie industrielle. Car la lithographie EUV nécessite plus que "avoir un faisceau de lumière à 13,5 nm".
Elle nécessite également : haute puissance + haute stabilité + haute fréquence de répétition + haute fiabilité + coût extrêmement bas + temps de fonctionnement extrêmement élevé + compatibilité avec un système optique réfléchissant.
La source EUV actuelle d'ASML, après des années d'industrialisation, a formé un système industriel complet.
Le FEL nécessite généralement un accélérateur d'électrons de grande taille, un ondulateur, un système sous vide, un système de contrôle du faisceau, etc. Le volume et le coût de l'équipement sont très importants. Donc, du point de vue des performances physiques de la source lumineuse : Le FEL est clairement plus puissant et plus libre.
Mais du point de vue de la capacité d'ingénierie pour la lithographie de production de semi-conducteurs : La source EUV mature actuelle est plus adaptée aux fonderies. Le FEL pourrait potentiellement faire passer la source EUV de "la longueur d'onde fixe de 13,5 nm" à une lithographie en lumière de plus courte longueur d'onde plus flexible.
Par exemple, si à l'avenir on explore la lithographie de nouvelle génération à des longueurs d'onde plus courtes comme 6.x nm, 5.x nm ou même moins, le mécanisme de source lumineuse du FEL, avec sa longueur d'onde accordable, sa haute cohérence et sa haute luminosité de crête, deviendra très attractif.
Mais il y a encore un énorme problème ici : Plus la longueur d'onde est courte, plus les problèmes liés au système optique, au masque, à la résine photosensible, au taux de réflexion, à la diffusion des photons, au système sous vide, etc., deviennent difficiles.
Ainsi, la révolution que le FEL pourrait vraiment apporter n'est pas seulement de "remplacer la source EUV", mais de fournir une voie de source lumineuse totalement différente, à courte longueur d'onde et à haute luminosité.
Outre le FEL, d'autres solutions sont discutées, telles que la génération d'harmoniques élevées (HHG), le plasma par décharge (DPP) et le rayonnement synchrotron. Le LPP l'emporte par sa maturité et sa production de masse, le FEL met l'accent sur la haute luminosité, la haute cohérence et l'accordabilité de la longueur d'onde, tandis que le HHG a un potentiel de miniaturisation. La clé de la compétition future sera de concilier puissance, efficacité, stabilité et coût à des longueurs d'onde encore plus courtes.
Plus important encore, ils sont tous confrontés à davantage de défis, et les délais sont encore incertains.
Cet article provient du compte public WeChat "半导体行业观察" (ID: icbank), auteur : la rédaction
