Có blogger đăng thông tin cho biết, từ tin tức được TeraFab công bố, có vẻ như Elon Musk định đi theo con đường FEL (Free Electron Laser: Laser điện tử tự do), để lật đổ thế độc quyền của EUV truyền thống.
Sau đó, phản hồi của Elon Musk, dường như đã xác nhận cho suy đoán này.
Dĩ nhiên, đây chỉ là một phỏng đoán, không đại diện cho sự thật. Nhưng chúng tôi cho rằng điều này đáng để thảo luận.
FEL, Không Phải Là Thứ Mới Mẻ
Chúng ta phải thừa nhận, máy laser điện tử tự do (FEL) và máy gia tốc hạt không phải là những thứ mới. Trong nhiều năm, các công ty, tổ chức nghiên cứu và phát triển, trường đại học đã sở hữu và vận hành máy gia tốc hạt để tạo ra các hạt hạ nguyên tử nhỏ bé như proton, neutron và quark. Các hệ thống này thường được sử dụng cho các ứng dụng vật lý và khoa học khác. Laser điện tử tự do (FEL) đã tồn tại từ lâu. Theo giới thiệu, về bản chất, đây là một nguồn sáng công suất cao, sử dụng electron để tạo ra ánh sáng với các bước sóng khác nhau. Máy gia tốc hạt là một hệ thống đẩy các hạt mang điện.
Về nguyên lý, laser điện tử tự do là cho các electron di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng đi qua một từ trường biến đổi tuần hoàn để tạo ra laser. Bước sóng của laser này liên quan đến tần số của quá trình từ trường tuần hoàn, có thể thay đổi bằng cách thay đổi tần số biến đổi của từ trường hoặc tốc độ electron tới, từ đó thu được laser với bước sóng khác nhau. Vì vậy để làm FEL, trước tiên cần có một nguồn electron tốc độ cao (gần bằng tốc độ ánh sáng). Tại sao lại cần electron gần bằng tốc độ ánh sáng? Vì chỉ trong điều kiện đó, bức xạ ánh sáng tạo ra bởi chuyển động lắc lư của electron theo phương vuông góc với phương tới mới có tác động rõ rệt đến chuyển động của electron, dẫn đến việc các electron lân cận tập hợp lại thành từng cụm (thay vì một dòng electron đồng đều).
Giả sử mỗi cụm này có N electron, thì năng lượng bức xạ cộng gộp của chúng không phải là quan hệ cộng đơn giản của N lần năng lượng một electron, mà là quan hệ bình phương của N, tức là bức xạ đã cộng hưởng, nói cách khác, đó chính là laser. Hiện nay, máy gia tốc thẳng được sử dụng nhiều nhất làm nguồn electron tốc độ cao (cũng có dùng bức xạ synchrotron làm nguồn electron tự do, nhưng công suất không đủ).
Nói cách khác, trong FEL, các electron chuyển động tự do trong chân không với tốc độ gần bằng ánh sáng, và trao đổi năng lượng với sóng điện từ lan truyền đồng thời, từ đó tạo ra một chùm sáng có thể điều chỉnh và được khuếch đại theo cấp số mũ.
Cụ thể, bao gồm các phần sau:
1. Chùm electron năng lượng cao
Quá trình này bắt đầu với một chùm electron năng lượng cao từ máy gia tốc hạt.
Bộ khuếch đại vi sóng gia tốc electron đến tốc độ gần bằng ánh sáng. Lấy ví dụ chùm electron 1 GeV (tức một điện tích electron nhân với 1 gigavolt), tốc độ của electron chỉ chậm hơn tốc độ ánh sáng một phần mười triệu. Năng lượng của chùm electron càng cao, năng lượng photon mà FEL có thể tạo ra cũng càng cao.
2. Bức xạ từ điện tích được gia tốc
Bất kỳ hạt mang điện nào được gia tốc đều phát ra bức xạ ánh sáng. Ví dụ:
Nguồn sáng Bremsstrahlung (tiếng Đức, nghĩa là "bức xạ hãm") hoạt động bằng cách cho electron va đập vào tường kim loại, làm electron giảm tốc nhanh chóng, chùm electron tiêu hao năng lượng thông qua việc phát ra bức xạ ánh sáng và nhiệt.
Nam châm làm lệch cũng có thể đạt hiệu quả tương tự:
Nếu uốn cong chùm electron thành một quỹ đạo tròn, ta được nguồn sáng bức xạ synchrotron.
Nếu cho chùm electron dao động qua lại theo quỹ đạo hình sin, ta hình thành nguồn sáng wiggler hoặc undulator.
Bức xạ synchrotron và nguồn sáng wiggler tạo ra ánh sáng có dải tần tương đối rộng, trong khi undulator thì khác: trong điều kiện cụ thể, chùm electron đi qua undulator có thể đạt được phát xạ laser.
3. Undulator (Bộ dao động từ)
Undulator là một thiết bị được cấu tạo bởi các nam châm sắp xếp tuần hoàn, có thể làm cho chùm electron năng lượng cao dao động theo đường cong hình sin với một tần số cụ thể (tức "lắc lư"). Việc thực hiện dao động có kiểm soát này đối với chùm electron là bước đầu tiên để tạo ra ánh sáng được điều chỉnh chính xác. Chu kỳ (λu) của undulator cùng với năng lượng chùm electron quyết định bước sóng của ánh sáng đầu ra.
Chính vì vậy, có người xem FEL như một sự thay thế cho quang khắc EUV.
Một Ứng Cử Viên Thay Thế Nguồn Sáng Hiện Hành
Quang khắc EUV truyền thống sử dụng bước sóng 13.5 nm vì plasma thiếc có thể tạo ra ánh sáng ở dải này một cách tương đối hiệu quả.
Nhưng logic của FEL hoàn toàn khác. Bằng cách điều chỉnh năng lượng chùm electron, chu kỳ undulator và cường độ từ trường, nó có thể thay đổi bước sóng ánh sáng đầu ra. Vì vậy về lý thuyết có thể bao phủ từ tia X mềm, EUV cho đến các dải bước sóng dài hơn. Điều này có nghĩa: EUV truyền thống giống như một "dao quang khắc" có tiêu cự cố định, còn FEL giống như một "công cụ quang học" có thể liên tục điều chỉnh bước sóng.
Do đó, có người đề xuất sử dụng FEL để đột phá các giới hạn. Công ty khởi nghiệp Mỹ xLight chính là người ủng hộ con đường này. Đáng chú ý, CEO cũ của Intel Pat Gelsinger hiện đang giữ chức Chủ tịch điều hành của xLight.
Trong công nghệ của xLight, electron đầu tiên được đưa vào máy gia tốc hạt, sau đó đi vào laser điện tử tự do (FEL). xLight cho biết: "FEL sử dụng electron từ máy gia tốc hạt và cho chúng đi qua một undulator có từ trường tuần hoàn, từ đó tạo ra chùm sáng mạnh, cường độ cao và kết hợp."
Nói một cách đơn giản, ánh sáng EUV được tạo ra trong máy gia tốc. Sau đó, ánh sáng EUV được truyền từ thiết bị máy gia tốc hạt đến nhà máy sản xuất wafer thông qua một thiết bị giống như đường ống dẫn photon. Lúc này, ánh sáng EUV sẽ được dẫn đến nhà máy con. Trong nhà máy con có các hệ thống độc lập khác nhau, gọi là "trạm lật".
Theo video của xLight, mỗi trạm lật được dành riêng cho một công cụ EUV ở nhà máy trên. Trong quá trình vận hành, ánh sáng EUV được truyền đến mỗi vị trí làm việc lật trong khu vực nhà máy con. Sau đó, mỗi vị trí làm việc lật nhận ánh sáng và dẫn nó đến hệ thống EUV ở tầng trên của nhà máy wafer. Điều này lần lượt cung cấp năng lượng cho thiết bị EUV.
Trong trường hợp này, bản thân thiết bị quang khắc EUV không chứa nguồn sáng LPP. Thay vào đó, ánh sáng EUV được tạo ra trong máy gia tốc hạt, sau đó truyền đến thiết bị EUV tại nhà máy wafer. Đây là cách mô tả đơn giản cho một quy trình phức tạp.
Tuy nhiên, nguồn sáng FEL của xLight tạo ra công suất cao hơn 4 lần so với thiết bị LPP hiện nay. xLight cho biết: "Bằng cách cung cấp công suất EUV cao hơn tới 4 lần, nhà máy wafer có thể tối ưu hóa cải thiện mẫu hình, nâng cao năng suất và tỷ lệ thành phẩm, từ đó mỗi máy quét có thể tạo thêm hàng tỷ đô la doanh thu mỗi năm và giảm chi phí mỗi wafer khoảng 50%. Ngoài ra, một hệ thống xLight đơn lẻ có thể hỗ trợ tối đa 20 hệ thống ASML, tuổi thọ lên đến 30 năm, từ đó giảm chi phí vốn và vận hành hơn 3 lần."
Về lý thuyết, công nghệ của xLight có thể được sử dụng cho EUV khẩu độ số thấp (Low-NA), EUV khẩu độ số cao (High-NA) và thậm chí EUV khẩu độ số siêu cao (Hyper-NA). Về mặt nghiên cứu và phát triển, ASML đang phát triển công nghệ EUV Hyper-NA 0.75, nhắm mục tiêu đến tương lai xa hơn.
Từ thiết kế nhà xưởng dài và mảnh của Terafab và phản hồi của Musk có thể thấy, Terafab rất có khả năng sẽ sử dụng máy gia tốc thẳng làm nguồn electron tốc độ cao cho FEL. Hiện nay, laser tia X tự do electron femtosecond đã được sử dụng trong phòng thí nghiệm đại học để thu thập dữ liệu nhiễu xạ tinh thể protein.
Nếu bạn vẫn chưa hiểu thứ này mạnh mẽ đến mức nào, hãy ví von rằng, nếu nguồn sáng của máy quang khắc EUV của ASML là một bóng đèn thông thường, thì nguồn sáng EUV tự do electron FEL tương đương với một laser hiệu suất cao, có thể dễ dàng tạo ra laser đầu ra công suất vài kilowatt đến vài chục kilowatt, và bước sóng có thể điều chỉnh tùy ý.
Để so sánh, LPP EUV mà ASML sử dụng có bước sóng cố định, và công suất khó vượt qua 1 kilowatt, và dù là độ tinh khiết bước sóng ánh sáng hay tính kết hợp của nó đều không thể so sánh được. Nếu làm ra được, nó sẽ tăng tốc đáng kể tốc độ và chất lượng quang khắc của máy quang khắc. FEL còn có một lợi ích nữa, đó là hiệu suất chuyển đổi (tỷ lệ năng lượng) đặc biệt cao, LPP mà ASML sử dụng cần khoảng 4.4 MW điện để sản xuất 1 kW EUV khả dụng (hiệu suất tổng thể khoảng 0.05%).
Trong khi đó, FEL thu hồi năng lượng tiên tiến nhất (ERL-FEL) chỉ cần khoảng 0.7 MW điện để sản xuất 1 kW EUV, hiệu suất cao hơn khoảng 6 lần, tương lai sử dụng vật liệu siêu dẫn tốt hơn còn có thể nâng cao hơn nữa.
Không Thể Một Sớm Một Chiều
Chỉ xét riêng về bản thân công nghệ, FEL rõ ràng mạnh hơn về hiệu suất nguồn sáng, nhưng không có nghĩa là tiên tiến hơn trong quang khắc công nghiệp hóa. Bởi vì quang khắc EUV không chỉ cần "có một chùm sáng 13.5 nm".
Nó còn cần: công suất cao + độ ổn định cao + tần số lặp lại cao + độ tin cậy cao + chi phí cực thấp + thời gian vận hành cực cao + tương thích với hệ thống quang học phản xạ.
Nguồn sáng EUV hiện tại của ASML sau nhiều năm kỹ thuật hóa, đã hình thành hệ thống công nghiệp hoàn chỉnh.
Trong khi đó, FEL thường yêu cầu máy gia tốc electron lớn, undulator, hệ thống chân không, hệ thống điều khiển dòng hạt, v.v., kích thước thiết bị và chi phí đều rất lớn. Vì vậy, nếu xét về hiệu suất vật lý nguồn sáng: FEL rõ ràng mạnh hơn, tự do hơn.
Nhưng nếu xét về năng lực kỹ thuật cho sản xuất hàng loạt bán dẫn quang khắc: Ở giai đoạn hiện tại, nguồn sáng EUV đã chín muồi phù hợp hơn với nhà máy wafer. FEL có khả năng đưa nguồn sáng EUV từ "bước sóng cố định 13.5 nm này", hướng tới quang khắc bước sóng ngắn linh hoạt hơn.
Ví dụ, trong tương lai nếu bước vào thế hệ quang khắc tiếp theo với bước sóng ngắn hơn như 6.x nm, 5.x nm hoặc thậm chí ngắn hơn, cơ chế nguồn sáng có thể điều chỉnh bước sóng, độ kết hợp cao, độ sáng đỉnh cao như FEL sẽ rất hấp dẫn.
Nhưng ở đây còn một vấn đề lớn: Bước sóng càng ngắn, các vấn đề về hệ thống quang học, mặt nạ, chất chống quang, hệ số phản xạ, tán xạ photon, hệ thống chân không, v.v. sẽ ngày càng khó khăn.
Vì vậy, cuộc cách mạng thực sự mà FEL có thể mang lại, không chỉ là "thay thế nguồn sáng EUV", mà là cung cấp một con đường nguồn sáng bước sóng ngắn độ sáng cao hoàn toàn khác biệt.
Ngoài FEL, các phương án khác như sóng hài bậc cao (HHG), plasma phóng điện (DPP) và bức xạ synchrotron đều được thảo luận. LPP chiến thắng nhờ sự trưởng thành và khả năng sản xuất hàng loạt, FEL nhấn mạnh độ sáng cao, độ kết hợp cao và khả năng điều chỉnh bước sóng, HHG thì có tiềm năng thu nhỏ. Chìa khóa cạnh tranh trong tương lai, là dung hòa công suất, hiệu suất, độ ổn định và chi phí ở bước sóng ngắn hơn.
Quan trọng hơn, tất cả chúng đều giống nhau, vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức hơn, và lộ trình thời gian lại càng không xác định.
Bài viết này đến từ tài khoản công chúng WeChat "Quan Sát Ngành Công Nghiệp Bán Dẫn" (ID: icbank), tác giả: Ban biên tập
