粒子加速器是摩尔定律的未来吗？

摆动的电子可以加快极紫外光刻技术的发展。

英特尔、三星、台积电以及日本即将落成的先进晶圆代工厂Rapidus都计划在每平方毫米的硅片上放置更多晶体管，它们有一个共同点，那就是支撑其工作的极紫外（EUV）光刻技术极其复杂、非常昂贵且运营成本相当高昂。主要原因是，生产这种系统的13.5纳米光源的过程非常精准且花费颇巨，需要用世界上最强大的商业激光器轰击飞行的熔融锡滴。

不过，有一种非常规的替代方案正在酝酿之中。高能加速器研究机构（KEK，位于日本筑波市）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的力量，极紫外光刻可能会更便宜、更快捷、更高效。

甚至在晶圆厂安装第一批极紫外机器之前，研究人员就发现，也许可以利用一种由粒子加速器产生、被称为“自由电子激光”（FEL）的强大光源进行极紫外光刻。然而，高能加速器研究机构的科学家们表示，并非任何粒子加速器都可以。他们表示，极紫外光刻的最佳候选者是粒子加速器版本的再生制动。这种再生制动加速器被称为“能量回收直线加速器”，可以使自由电子激光产生数十千瓦的极紫外功率，非常具有性价比。它不仅能驱动一台光刻机，而是足以同时驱动多台下一代光刻机，从而降低了先进芯片制造的成本。

在参观该机构时，高能加速器研究机构的先进光源研究员中村至男（Norio Nakamura）告诉我：“自由电子激光光束具有极高的功率、较窄的光谱宽度以及其他特性，非常适合用于未来光刻。”

目前制造EUV系统的公司仅有一家，即总部位于荷兰费尔德霍芬的阿斯麦（ASML）。2016年，阿斯麦推出第一代价价格过1亿美元的精密机器时，相关行业对其需求非常迫切。当时最先进的系统是193纳米光刻技术，芯片制造商一直在依靠各种替代方案勉强维持。向更短的13.5纳米波长转变可以说是一场革命，可大大减少芯片制造所需的步骤，并使摩尔定律在下一个十年继续有效。

持续阻碍技术进步的主要原因是光源亮度不足。这种最终能提供足够亮的极紫外光源的技术叫作极紫外激光等离子体（EUV-LPP）。它会使用二氧化碳激光器每秒钟数千次地轰击熔融锡滴，从而形成等离子体。等离子体会发射出一系列光子能量，然后由专门的光学器件从中捕捉所需的13.5纳米波长，并通过一系列镜子引导。随后，极紫外光线会从一个有图案的掩模上反射，然后投射到硅晶圆上。

这一切构成了一个极其复杂的过程。虽然该过程开始时的激光耗电功率有数千瓦，但最终反射到晶圆上的极紫外光量只有几瓦。光线越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时间就越长。如果没有足够的光子传递图案，极紫外的速度将变得很慢，很不经济。而过度追求速度可能会发生代价高昂的错误。

这些机器刚推出时，其功率水平足够每小时处理大约100片晶圆。之后，阿斯麦稳步提高输出，当前系列的机器每小时能够处理约200片晶圆。

阿斯麦目前光源的额定功率为500瓦。但对于未来所需的更精细的图案，中村表示，可能需要1千瓦甚至更高的功率。阿斯麦表示已经制定了开发1000瓦光源的路线图。但中村认为，这可能很难实现。他曾领导高能加速器研究机构的光束动力学和磁体组，并在退休后重新参与极紫外项目。

很难，但并非不可能。位于美国印第安纳州的普渡大学极端环境材料中心主任艾哈迈德•哈赛宁（Ahmed Hassanein）认为，将光源功率翻倍“非常具有挑战性”。但他指出，阿斯麦过去曾通过改进和优化光源及其他组件实现了类似的困难目标，因此不排除再次成功的可能。

不过，亮度并不是阿斯麦在激光产生等离子体光源方面面临的唯一问题。“升级到更高的极紫外功率存在许多挑战性问题。”哈赛宁说。他列举了几个，包括“污染、波长纯度和镜面收集系统的性能等”。

另一个问题是较高的运营成本。这些系统每分钟约消耗600升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学元件和晶圆。（不过回收利用可以降低这一数字。）

最终，运营成本还是取决于电力消耗。最近从位于美国弗吉尼亚州的托马斯•杰斐逊国家加速器实验室退休的高级研究科学家史蒂芬•本森（Stephen Benson）估计，整个极紫外激光等离子体系统的插座效率可能不到0.1%。他说，高能加速器研究机构正在开发的这种自由电子激光器的效率可能是它的10到100倍。

高能加速器研究机构正在开发的系统可将电子加速到相对论速度，然后以特定方式偏转其运动来产生光。

中村解释说，这个过程从电子枪向一根数米长的低温冷却管注入一束电子开始。在这根冷却管内，超导体会发出射频（RF）信号，驱动电子加速前进。然后，电子会进行180度转弯，进入一个叫作“波荡器”的结构。波荡器由一系列方向相反的磁体组成。（高能加速器研究机构系统目前有两个。）波荡器会迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动会让电子发出光。

接下来发生的现象称为“自放大自发辐射”（SASE）。光与电子相互作用，会使一些电子的速度减慢，同时使其他电子的速度加快，因此，它们会聚集成“微束”，即沿波荡器路径周期性出现的密度峰值。现在形成的这种结构化的电子束仅放大与这些微束周期同相的光，生成相干的激光束。

高能加速器研究机构的紧凑型能量回收直线加速器（cERL）正是在这一点上与传统的由直线加速器驱动的激光器有所不同。通常情况下，处理耗尽的电子束的方式是将粒子引入一个被称为“束流收集器”的装置中。然而，在紧凑型能量回收直线加速器中，电子首先会回到射频加速器中。这束电子现在处于与刚开始旅程的新注入电子相反的相位。结果便是，耗尽的电子将大部分能量转移给了新的电子束，从而增强了其能量。一旦原始电子的一些能量这样被消耗掉，它们就会被引入束流收集器中。

“直线加速器中的加速能量被回收，而且与普通直线加速器相比，被丢弃的波束功率大大降低。”几位科学家在另一个房间里操作激光时，中村向我解释道。他说，重新利用电子的能量意味着，在相同电量下，系统可以通过加速器发送更多电流，并且可以更频繁地发射激光。

其他专家也同意这种观点。提高能量回收直线加速器的效率可以降低成本，“这是使用EUV激光产生等离子体的一个主要关注点。”哈赛宁说。

高能加速器研究机构的紧凑型能量回收直线加速器最初建造于2011年至2013年，旨在展示其作为该机构物理和材料科学部门研究人员的同步辐射源的潜力。然而，研究人员对计划的系统并不满意，因为其性能目标低于某些基于储存环的同步加速器（保持电子束以恒定动能运动的巨大圆形加速器）所能达到的水平。因此，高能加速器研究机构的研究人员开始寻找更合适的应用。与包括当时拥有闪存芯片部门的东芝在内的日本科技公司交流后，中村和他的团队进行了一项初步研究，确认了使用紧凑型能量回收直线加速器实现千瓦级光源的可能性。于是，极紫外自由电子激光项目应运而生。2019年和2020年，研究人员改造了现有的实验加速器，开始了通向极紫外光的旅程。

为了保护研究人员免受运行期间产生的强电磁辐射的影响，该系统被放置在了一个全混凝土的房间中。房间长约60米，宽约20米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆占据，它们沿着房间的两条长边蜿蜒排列，以赛道形状向前延伸。

目前，加速器还不能产生极紫外波长。借助17兆电子伏（MeV）的电子束能量，研究人员能够以20微米红外光爆发的形式产生自放大自发辐射辐射。早期测试结果已于2023年4月发表在了《日本应用物理学杂志》上。下一步工作正在开展，旨在以连续波模式产生更高的激光功率。

当然，20微米与13.5纳米还相差甚远，而且已经有某些类型的粒子加速器能够产生甚至比极紫外波长更短的同步辐射。但是，高能加速器研究机构的研究人员表示，由于其固有效率，基于能量回收直线加速器的激光器能够产生米明显更高的极紫外功率。在同步辐射源中，光强度与注入的电子数量成正比。相比之下，在自由电子激光系统中，光强度的增加大约与注入的电子数量的平方成正比，因此会产生更高的亮度和功率。

要使能量回收直线加速器达到极紫外范围，需要进行设备升级，而高能加速器研究机构目前没有足够的空间来升级。因此，研究人员正在论证建造一个可产生所需的800兆电子伏的新原型系统。

2021年，在严重的通货膨胀影响全球经济之前，高能加速器研究机构团队估计，要建设能够提供10千瓦极紫外功率并为多台光刻机供电的新系统，成本（不包括土地）为400亿日元（2.6亿美元）。年运行成本约为40亿日元。因此，即使考虑到最近的通货膨胀，中村表示，与当前的激光产生等离子体光源相比，“我们装置中每个曝光工具的估计成本仍然低很多”。

中村承认，在这样的系统达到半导体制造商所需的高性能水平和操作稳定性之前，还有许多技术挑战要克服。团队必须开发新版本的关键组件，例如超导腔、电子枪和波荡器。工程师们还必须开发良好的程序技术，确保电子束在操作过程中不会衰减或失效等。

为了确保他们的方法具有足够的成本效益，能够吸引芯片制造商，研究人员需要创建一个能够同时向多台光刻机可靠传输超过1千瓦极紫外功率的系统。研究人员已经有了一项概念设计，通过排列多面特殊镜子将极紫外光传输给多个曝光工具，这种方法不会造成功率的严重损失，也不会损坏镜子。

对于快速扩张的芯片制造商来说，重视极紫外自由电子激光器的开发还为时尚早。但高能加速器研究机构团队并不是唯一一个研究这项技术的团队。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托、获得风险投资支持的初创公司xLight就是其中之一。该公司汇集了来自斯坦福直线加速器中心和其他机构的粒子加速器领域资深人士，最近还与位于美国伊利诺伊州的费米国家加速器实验室签订了一项开发超导腔体和低温模块技术的研发协议。虽然xLight并未回应我们的评论请求，但在2024年1月份，该公司参加了在东京举行的第八届EUV-FEL研讨会，其前首席执行官埃里克•霍斯勒（Erik Hosler）在会上介绍了这项技术。

值得注意的是，阿斯麦在10年前曾考虑过转向粒子加速器，最近在对比自由电子激光器技术的进展与激光产生等离子体路线图时，该公司再次考虑了这个方案，但其高管认为，激光产生等离子体的风险较小。

的确，这是一条充满风险的道路。有关高能加速器研究机构项目的独立观点强调，研究人员未来面临的最大挑战将是可靠性和资金问题。“要开发一个可靠、成熟的系统，研发路线图将包含许多高要求阶段。”普渡大学的哈赛宁说，“这需要大量投资并且要花费相当长的时间。”

已退休的研究科学家本森补充道：“机器设计必须极其稳健，并内置冗余。设计还必须确保组件不会被辐射或激光损坏。”这一切都必须在“不影响性能的情况下完成，而且必须具有足够好的性能来确保良好的插座效率”。

更重要的是，本森警告道，如果没有对这项技术的投资承诺，“极紫外自由电子激光器的开发可能不会及时实现从而帮助半导体行业。”

作者：John Boyd

来源：悦智网

编辑：紫竹小筑

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