Seorang blogger memposting berita bahwa, berdasarkan informasi yang dirilis oleh TeraFab, sepertinya Elon Musk akan mengambil jalur FEL (Free Electron Laser: laser elektron bebas) untuk menggulingkan monopoli EUV tradisional.
Kemudian, tanggapan Elon Musk tampaknya membenarkan spekulasi ini.
Tentu saja, ini adalah sebuah dugaan dan tidak mewakili kenyataan. Namun kami merasa hal ini patut untuk didiskusikan.
FEL, Bukan Hal Baru
Kita harus mengakui, laser elektron bebas (FEL) dan akselerator partikel bukanlah hal baru. Selama bertahun-tahun, perusahaan, lembaga R&D, dan universitas telah memiliki dan mengoperasikan akselerator partikel untuk menghasilkan partikel subatomik kecil seperti proton, neutron, dan quark. Sistem ini biasanya digunakan untuk aplikasi fisika dan ilmu pengetahuan lainnya. Laser elektron bebas (FEL) telah lama ada. Menurut penjelasan, ini pada dasarnya adalah sumber cahaya berdaya tinggi yang menggunakan elektron untuk menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Akselerator partikel adalah sistem yang mendorong partikel bermuatan.
Dari prinsipnya, laser elektron bebas dihasilkan dengan membuat elektron yang terbang mendekati kecepatan cahaya melewati medan magnet yang berubah secara periodik. Panjang gelombang laser ini terkait dengan frekuensi proses medan magnet periodik ini. Dengan mengubah frekuensi perubahan medan magnet atau kecepatan datang, laser dengan panjang gelombang yang berbeda dapat diperoleh. Jadi, untuk membuat FEL ini, pertama-tama dibutuhkan sumber elektron berkecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Mengapa elektron harus mendekati kecepatan cahaya? Karena hanya dalam kondisi ini, radiasi cahaya yang dihasilkan oleh ayunan elektron dalam arah tegak lurus terhadap arah datang dapat memberikan pengaruh yang jelas pada pergerakan elektron, menyebabkan elektron-elektron berdekatan berkumpul menjadi gumpalan (bukan aliran elektron yang seragam).
Misalkan setiap gumpalan ini memiliki N elektron, energi gabungan dari cahaya yang mereka radiasikan bukanlah hubungan penjumlahan sederhana dari energi N elektron, melainkan hubungan kuadrat dari N. Dengan kata lain, terjadi resonansi radiasi, atau disebut laser. Saat ini, yang paling banyak digunakan adalah akselerator linier sebagai sumber elektron berkecepatan tinggi (ada juga yang menggunakan radiasi sinkrotron sebagai sumber elektron bebas, tetapi dayanya tidak cukup).
Dengan kata lain, dalam FEL, elektron bergerak bebas dalam ruang hampa dengan kecepatan mendekati cahaya dan bertukar energi dengan gelombang elektromagnetik yang merambat bersamaan, sehingga menghasilkan berkas cahaya yang dapat disetel dan diperkuat secara eksponensial.
Secara spesifik, meliputi bagian-bagian berikut:
1. Berkas Elektron Berenergi Tinggi
Proses ini dimulai dengan berkas elektron berenergi tinggi dari akselerator partikel.
Penguat gelombang mikro mempercepat elektron hingga mendekati kecepatan cahaya. Ambil contoh berkas elektron 1 GeV (yaitu satu muatan elektron dikalikan 1 gigavolt), kecepatan elektron hanya lebih lambat sepuluh juta kali dari kecepatan cahaya. Semakin tinggi energi berkas elektron, semakin tinggi pula energi foton yang dapat dihasilkan FEL.
2. Radiasi dari Muatan yang Dipercepat
Setiap partikel bermuatan yang dipercepat akan memancarkan radiasi cahaya. Contoh:
Sumber radiasi bremsstrahlung (bahasa Jerman untuk "radiasi pengereman") dengan cara menabrakkan elektron ke dinding logam, membuat elektron melambat dengan cepat, berkas elektron mengonsumsi energi melalui radiasi cahaya dan pelepasan panas.
Magnet defleksi juga dapat mencapai efek serupa:
Jika berkas elektron dibelokkan menjadi orbit melingkar, diperoleh sumber radiasi sinkrotron.
Jika berkas elektron digoyangkan bolak-balik sepanjang jalur sinusoidal, terbentuklah sumber wiggler atau undulator.
Sumber radiasi sinkrotron dan wiggler menghasilkan cahaya dengan rentang frekuensi yang lebar, sementara undulator berbeda: dalam kondisi tertentu, berkas elektron yang melewati undulator dapat mencapai emisi laser.
3. Undulator
Undulator adalah perangkat yang terdiri dari magnet yang disusun secara periodik, yang dapat membuat berkas elektron berenergi tinggi berosilasi (yaitu "berayun") sepanjang kurva sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Melakukan osilasi terkontrol pada berkas elektron ini adalah langkah pertama untuk menghasilkan cahaya yang disetel secara presisi. Periode undulator (λu) bersama dengan energi berkas elektron menentukan panjang gelombang cahaya keluaran.
Karena itulah, ada yang menganggap FEL sebagai pengganti lithografi EUV.
Salah Satu Kandidat Pengganti Sumber Cahaya Saat Ini
Alasan lithografi EUV tradisional menggunakan 13.5 nm adalah karena plasma timah dapat menghasilkan cahaya pada rentang gelombang ini dengan cukup efisien.
Namun, logika FEL sangat berbeda. Dengan menyesuaikan energi berkas elektron, periode undulator, dan kekuatan medan magnet, panjang gelombang cahaya keluaran dapat diubah. Oleh karena itu, secara teori dapat mencakup dari sinar-X lunak, EUV, hingga rentang gelombang yang lebih panjang. Ini berarti: EUV tradisional lebih seperti "pisau lithografi" dengan fokus tetap, sedangkan FEL lebih seperti "alat optik" yang dapat terus menyesuaikan panjang gelombang.
Karena itu, ada yang mengusulkan penggunaan FEL untuk menembus batasan. Perusahaan rintisan AS, xLight, adalah pendukung jalur ini. Perlu disebutkan, mantan CEO Intel Pat Gelsinger sekarang menjabat sebagai Ketua Eksekutif xLight.
Dalam teknologi xLight, elektron pertama kali disuntikkan ke akselerator partikel, kemudian masuk ke laser elektron bebas (FEL). xLight menyatakan: "FEL memanfaatkan elektron dari akselerator partikel dan membuatnya melewati undulator yang memiliki medan magnet periodik, sehingga menghasilkan berkas cahaya koheren berintensitas tinggi."
Sederhananya, cahaya EUV dihasilkan di dalam akselerator. Kemudian, cahaya EUV ditransmisikan dari perangkat akselerator partikel ke pabrik wafer melalui perangkat yang mirip pipa foton. Pada saat ini, cahaya EUV akan diarahkan ke sub-pabrik wafer. Di dalam sub-pabrik wafer terdapat berbagai sistem independen yang disebut "flip station".
Menurut video xLight, setiap flip station dikhususkan untuk satu alat EUV di pabrik wafer lantai atas. Dalam operasinya, cahaya EUV ditransmisikan ke setiap stasiun putar di area sub-pabrik wafer. Kemudian, setiap stasiun putar menerima cahaya dan mengarahkannya ke sistem EUV di lantai atas pabrik wafer. Ini pada gilirannya memberikan daya pada perangkat EUV.
Dalam kasus ini, perangkat lithografi EUV itu sendiri tidak mengandung sumber cahaya LPP. Sebaliknya, cahaya EUV dihasilkan dalam akselerator partikel, kemudian ditransmisikan ke perangkat EUV di pabrik wafer. Ini adalah cara sederhana untuk menggambarkan proses yang kompleks.
Meski demikian, sumber cahaya FEL xLight menghasilkan daya 4 kali lebih tinggi dari perangkat LPP saat ini. xLight menyatakan: "Dengan menyediakan daya EUV hingga 4 kali lipat, pabrik wafer dapat mengoptimalkan perbaikan pola, meningkatkan produktivitas dan hasil, sehingga setiap pemindai dapat menghasilkan pendapatan tambahan miliaran dolar per tahun, dan mengurangi biaya per wafer sekitar 50%. Selain itu, satu sistem xLight dapat mendukung hingga 20 sistem ASML, dengan masa pakai hingga 30 tahun, sehingga mengurangi belanja modal dan operasional lebih dari 3 kali lipat."
Secara teori, teknologi xLight dapat digunakan untuk EUV aperture numerik rendah, EUV aperture numerik tinggi, bahkan EUV aperture numerik ultra. Dalam hal R&D, ASML sedang mengembangkan teknologi EUV aperture numerik ultra 0.75, yang menargetkan masa depan yang lebih jauh.
Dari desain pabrik Terafab yang ramping dan panjang serta tanggapan Musk, sangat mungkin Terafab akan menggunakan akselerator linier sebagai sumber elektron berkecepatan tinggi untuk FEL. Laser sinar-X elektron bebas femtosekon saat ini sudah digunakan di laboratorium universitas untuk pengumpulan data difraksi kristal protein.
Jika Anda masih belum paham seberapa hebatnya benda ini, ibaratkan saja: jika sumber cahaya mesin lithografi EUV ASML adalah bola lampu biasa, maka sumber cahaya FEL EUV elektron bebas setara dengan laser berdaya tinggi, yang dapat dengan mudah menghasilkan daya keluaran laser ribuan hingga puluhan ribu watt, dan panjang gelombangnya dapat diatur sesuka hati.
Sebagai perbandingan, LPP EUV yang digunakan ASML memiliki panjang gelombang tetap, dan dayanya sulit melebihi 1 kilowatt. Baik kemurnian panjang gelombang cahaya maupun koherensinya tidak dapat dibandingkan. Jika berhasil dibuat, ini akan sangat mempercepat kecepatan dan kualitas lithografi mesin lithografi. FEL juga memiliki keuntungan lain, yaitu efisiensi konversi (rasio energi) yang sangat tinggi. LPP yang digunakan ASML membutuhkan sekitar 4.4 MW listrik untuk menghasilkan 1 kW EUV yang dapat digunakan (efisiensi keseluruhan sekitar 0.05%).
Sementara FEL tipe pemulihan energi (ERL-FEL) tercanggih hanya membutuhkan sekitar 0.7 MW listrik untuk menghasilkan 1 kW EUV, efisiensinya 6 kali lebih tinggi, dan di masa depan dengan bahan superkonduktor yang lebih baik masih dapat ditingkatkan.
Tidak Bisa Dicapai Sekaligus
Hanya dari sisi teknologi itu sendiri, FEL jelas lebih unggul dalam kinerja sumber cahaya, tetapi dalam lithografi industri tidak serta merta berarti lebih canggih. Karena lithografi EUV tidak hanya membutuhkan "adanya seberkas cahaya 13.5 nm".
Juga diperlukan: daya tinggi + stabilitas tinggi + frekuensi pengulangan tinggi + keandalan tinggi + biaya sangat rendah + waktu operasi sangat tinggi + kecocokan dengan sistem optik refleksif.
Sumber cahaya EUV ASML saat ini, setelah melalui rekayasa bertahun-tahun, telah membentuk sistem industri yang lengkap.
Sementara FEL biasanya memerlukan akselerator elektron besar, undulator, sistem vakum, sistem kontrol aliran berkas, dll., dengan volume peralatan dan biaya yang sangat besar. Jadi, jika dilihat dari kinerja fisik sumber cahaya: FEL jelas lebih kuat, lebih bebas.
Tetapi jika dilihat dari kemampuan rekayasa lithografi semikonduktor produksi massal saat ini: sumber cahaya EUV yang matang lebih cocok untuk pabrik wafer. FEL berpotensi membawa sumber cahaya EUV dari "panjang gelombang tetap 13.5 nm", menuju lithografi panjang gelombang pendek yang lebih fleksibel.
Misalnya, jika di masa depan memasuki eksplorasi lithografi generasi berikutnya dengan panjang gelombang yang lebih pendek seperti 6.x nm, 5.x nm, atau bahkan lebih pendek, mekanisme sumber cahaya FEL yang dapat disetel panjang gelombangnya, sangat koheren, dan memiliki kecerahan puncak tinggi akan sangat menarik.
Namun, di sini masih ada masalah besar: semakin pendek panjang gelombang, masalah sistem optik, masker, resist lithografi, reflektivitas, hamburan foton, sistem vakum, dll. akan semakin sulit.
Jadi, revolusi yang mungkin benar-benar dibawa oleh FEL bukan hanya "mengganti sumber cahaya EUV", tetapi menyediakan jalur sumber cahaya pendek yang sangat berbeda dengan kecerahan tinggi.
Selain FEL, ada pula skema yang didiskusikan seperti harmonic higher-order (HHG), plasma discharge (DPP), dan radiasi sinkrotron. LPP menang dalam hal kematangan dan produksi massal, FEL menekankan kecerahan tinggi, koherensI tinggi, dan kemampuan penyetelan panjang gelombang, sedangkan HHG memiliki potensi miniaturisasi. Kunci persaingan di masa depan adalah menggabungkan daya, efisiensi, stabilitas, dan biaya pada panjang gelombang yang lebih pendek.
Yang lebih penting, mereka semua sama, masih menghadapi lebih banyak tantangan, dan garis waktu pun belum pasti.
Artikel ini dari akun WeChat "Semiconductor Industry Watch" (ID: icbank), penulis: Redaksi
