Согласно сообщению, опубликованному одним из блогеров, судя по информации от TeraFab, Илон Маск, похоже, собирается продвигать направление FEL (Free Electron Laser: лазер на свободных электронах), чтобы нарушить монополию традиционных EUV-систем.
Последующий ответ Илона Маска, кажется, подтверждает это предположение.
Конечно, это лишь предположение, а не факт. Но мы считаем, что это стоит обсудить.
FEL — не новинка
Мы должны признать, что лазеры на свободных электронах (FEL) и ускорители частиц — не новое явление. Многие годы компании, исследовательские институты и университеты владеют и эксплуатируют ускорители частиц для получения таких крошечных субатомных частиц, как протоны, нейтроны и кварки. Эти системы обычно используются в физике и других научных приложениях. Лазеры на свободных электронах (FEL) существуют уже давно. По описанию, это, по сути, мощный источник света, использующий электроны для генерации света различной длины волны. Ускоритель частиц — это система, ускоряющая заряженные частицы.
С принципиальной точки зрения, лазер на свободных электронах генерирует лазерное излучение, когда электроны, летящие со скоростью, близкой к скорости света, проходят через периодически изменяющееся магнитное поле. Длина волны этого лазера связана с частотой процесса этого периодического магнитного поля. Изменяя частоту изменения магнитного поля или скорость входящих частиц, можно получать лазерное излучение с разными длинами волн. Поэтому для создания FEL в первую очередь необходим источник быстрых (близких к скорости света) электронов. Почему именно электроны, близкие к скорости света? Потому что только при таких условиях излучение, создаваемое колебанием электронов в направлении, перпендикулярном направлению их движения, может оказывать заметное влияние на движение электронов, заставляя соседние электроны собираться в сгустки (а не формировать однородный поток).
Предположим, что каждый такой сгусток содержит N электронов. В этом случае энергия суммарного излучения от них связана не простым сложением энергии N электронов, а пропорциональна квадрату N, то есть происходит резонансное излучение, другими словами — лазерная генерация. На сегодняшний день чаще всего в качестве источника быстрых электронов используют линейные ускорители (также применяют синхротронное излучение в качестве источника свободных электронов, но его мощность недостаточна).
Иными словами, в FEL электроны свободно движутся в вакууме со скоростью, близкой к скорости света, и обмениваются энергией с распространяющейся вместе с ними электромагнитной волной, что приводит к генерации перестраиваемого по длине волны и экспоненциально усиленного пучка света.
Конкретно процесс включает следующие части:
1. Пучок высокоэнергетических электронов
Этот процесс начинается с пучка высокоэнергетических электронов из ускорителя частиц.
Микроволновые усилители ускоряют электроны до скоростей, близких к скорости света. Например, для электронного пучка с энергией 1 ГэВ (то есть заряд одного электрона, умноженный на 1 гигавольт), скорость электрона всего на одну десятимиллионную меньше скорости света. Чем выше энергия электронного пучка, тем выше энергия фотонов, которые может генерировать FEL.
2. Излучение ускоренного заряда
Любая ускоренная заряженная частица излучает свет. Например:
Источники тормозного излучения (Bremsstrahlung) генерируют свет, сталкивая электроны со стенками из металла, что приводит к их быстрому торможению; электронный пучок теряет энергию, излучая свет и выделяя тепло.
Аналогичного эффекта можно достичь с помощью отклоняющих магнитов:
Если согнуть электронный пучок в круговую орбиту, получится источник синхротронного излучения.
Если заставить электронный пучок колебаться по синусоидальной траектории, получится источник типа вигглера (wiggler) или ондулятора (undulator).
Источники синхротронного излучения и вигглеров генерируют свет в широком диапазоне частот, тогда как ондулятор отличается: при определенных условиях электронный пучок, проходящий через ондулятор, может генерировать лазерное излучение.
3. Ондулятор
Ондулятор — это устройство, состоящее из периодически расположенных магнитов, которое заставляет пучок высокоэнергетических электронов колебаться с определенной частотой по синусоидальной кривой (то есть «вилять»). Такое контролируемое колебание электронного пучка является первым шагом к генерации точно настроенного света. Период ондулятора (λu) совместно с энергией электронного пучка определяет длину волны выходного света.
Именно поэтому некоторые рассматривают FEL как возможную замену для EUV-литографии.
Один из кандидатов на замену существующих источников
Традиционная EUV-литография использует длину волны 13,5 нм, потому что плазма олова может относительно эффективно генерировать свет в этом диапазоне.
Но логика FEL совершенно иная. Регулируя энергию электронного пучка, период ондулятора и напряженность магнитного поля, можно изменять длину волны выходного света. Таким образом, теоретически можно покрывать диапазон от мягкого рентгеновского излучения и EUV до более длинных волн. Это означает: традиционный EUV больше похож на «лезвие для литографии» с фиксированным фокусом, тогда как FEL больше напоминает «оптический инструмент», у которого можно непрерывно настраивать длину волны.
Таким образом, некоторые пытаются прорваться через ограничения, используя FEL. Американский стартап xLight является сторонником этого пути. Примечательно, что бывший генеральный директор Intel Пэт Гелсингер сейчас занимает должность исполнительного председателя в xLight.
В технологии xLight электроны сначала вводятся в ускоритель частиц, а затем поступают в лазер на свободных электронах (FEL). В xLight заявляют: «FEL использует электроны из ускорителя частиц и пропускает их через ондулятор с периодическим магнитным полем, тем самым генерируя когерентный пучок высокой интенсивности».
Проще говоря, EUV-свет генерируется в ускорителе. Затем EUV-свет передается с ускорителя частиц на фабрику по производству пластин по устройству, похожему на фотонный трубопровод. На этом этапе EUV-свет направляется в подфабрику. Внутри подфабрики находятся различные независимые системы, называемые «поворотными станциями».
Согласно видео от xLight, каждая поворотная станция предназначена для одного EUV-инструмента на основной фабрике. В процессе работы EUV-свет передается на каждую поворотную станцию в зоне подфабрики. Затем каждая станция принимает свет и направляет его в EUV-системы, расположенные на этаже выше на фабрике. Это, в свою очередь, обеспечивает энергией EUV-оборудование.
В этом сценарии само EUV-литографическое оборудование не содержит LPP-источника. Вместо этого EUV-свет генерируется в ускорителе частиц, а затем передается на EUV-оборудование фабрики. Это упрощенное описание сложного процесса.
Тем не менее, FEL-источник от xLight генерирует мощность в 4 раза выше, чем современные LPP-установки. В xLight заявляют: «Предоставляя до 4 раз большую мощность EUV, фабрики могут оптимизировать улучшение рисунка, повысить производительность и выход годных изделий, что позволит каждому сканеру приносить дополнительно миллиарды долларов дохода в год и снизить стоимость каждой пластины примерно на 50%. Кроме того, одна система xLight может поддерживать до 20 систем ASML с сроком службы до 30 лет, что снижает капитальные и операционные расходы более чем в 3 раза».
Теоретически технология xLight может использоваться для EUV с низкой числовой апертурой, высокой числовой апертурой и даже сверхвысокой числовой апертурой. В части разработок ASML создает технологию EUV со сверхвысокой числовой апертурой 0,75, целью которой является более отдаленное будущее.
Судя по удлиненному дизайну здания Terafab и ответу Маска, весьма вероятно, что Terafab будет использовать линейный ускоритель в качестве источника быстрых электронов для FEL. Современные фемтосекундные рентгеновские лазеры на свободных электронах уже используются в университетских лабораториях для сбора данных при дифракции на белковых кристаллах.
Если вы все еще не понимаете, насколько мощна эта технология, вот аналогия: если источник света EUV-литографа ASML — это обычная лампочка, то источник света FEL для EUV — это, по сути, высокоэффективный лазер, способный легко генерировать лазерное излучение с выходной мощностью от нескольких киловатт до десятков киловатт, причем длина волны может произвольно регулироваться.
Для сравнения, LPP EUV, используемый ASML, имеет фиксированную длину волны, и его мощность трудно поднять выше 1 киловатта, кроме того, он несравним с FEL по чистоте длины волны и когерентности. Если технологию удастся реализовать, это значительно ускорит скорость и улучшит качество литографии. У FEL есть еще одно преимущество — исключительно высокий коэффициент полезного действия (энергоэффективность). LPP, используемый ASML, требует примерно 4,4 МВт электроэнергии для выработки 1 кВт пригодного для использования EUV (общая эффективность составляет около 0,05%).
В то же время самый современный FEL с рекуперацией энергии (ERL-FEL) требует всего около 0,7 МВт электроэнергии для выработки 1 кВт EUV, что в 6 раз эффективнее, и в будущем, с использованием лучших сверхпроводящих материалов, этот показатель может быть еще улучшен.
Нельзя добиться всего сразу
Если рассматривать только саму технологию, FEL явно превосходит по характеристикам источника света, но это не означает, что он более совершенен для промышленной литографии. Потому что для EUV-литографии недостаточно просто «иметь пучок света длиной волны 13,5 нм».
Также необходимы: высокая мощность + высокая стабильность + высокая частота повторения + высокая надежность + чрезвычайно низкая стоимость + чрезвычайно высокое время наработки на отказ + совместимость с отражательной оптической системой.
Современный EUV-источник ASML, пройдя годы инженерной доработки, уже сформировал полноценную промышленную систему.
В то время как FEL обычно требуются крупные электронные ускорители, ондуляторы, вакуумные системы, системы управления пучком и т.д., что делает оборудование очень громоздким и дорогим. Поэтому, если смотреть с точки зрения физических характеристик источника света: FEL явно мощнее и гибче.
Но если рассматривать с точки зрения инженерных возможностей для массового производства полупроводников методом литографии: на данном этапе зрелые EUV-источники больше подходят для фабрик по производству пластин. FEL потенциально может вывести EUV-источники из рамок «фиксированной длины волны 13,5 нм» к более гибкой литографии с использованием более коротких волн.
Например, в будущем, если начнутся исследования в области литографии следующего поколения с более короткими длинами волн, такими как 6,x нм, 5,x нм и даже короче, механизм источника света типа FEL, обладающий перестраиваемой длиной волны, высокой когерентностью и высокой пиковой яркостью, станет очень привлекательным.
Но здесь возникает еще одна огромная проблема: чем короче длина волны, тем сложнее становятся проблемы, связанные с оптической системой, маской, фоторезистом, коэффициентом отражения, рассеянием фотонов, вакуумной системой и т.д.
Таким образом, настоящая революция, которую может принести FEL, заключается не просто в «замене EUV-источника», а в предложении совершенно иного подхода к созданию источников света с высокой яркостью в коротковолновом диапазоне.
Помимо FEL, обсуждаются и другие решения, такие как генерация высоких гармоник (HHG), разрядная плазма (DPP) и синхротронное излучение. LPP выигрывает за счет зрелости и пригодности для массового производства, FEL делает акцент на высокой яркости, когерентности и перестраиваемости длины волны, а HHG обладает потенциалом миниатюризации. Ключ к конкуренции в будущем будет заключаться в сочетании мощности, эффективности, стабильности и стоимости при переходе на еще более короткие длины волн.
Что еще более важно, все они, как и прежде, сталкиваются с множеством вызовов, и временные рамки вообще не определены.
Эта статья из официального аккаунта WeChat «Наблюдение за полупроводниковой отраслью» (ID: icbank), автор: редакция.
