EUV光刻，迎来新的颠覆者

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继Substrate和XLight之后，第三家竞争者正致力于开发 ASML EUV 光源的替代方案。美国初创公司 Tau Systems 在接受 Timestech 采访时概述了其利用紧凑型粒子加速器和 ×射线自由电子激光器进行半导体图案化的计划。“我们的目标是用高效的X射线激光器取代现代光刻机的 EUV 光源，"Tau 首席执行官Jerome Paye表示。

Tau公司的光源架构采用了所谓的激光尾场加速技术，将超短激光脉冲发射到等离子体中，产生强电场，从而在短短几毫米的距离内加速电子。这些电子随后通过紧凑的自由电子激光器装置产生相干X射线辐射。Tau公司声称整个系统可以装入一个标准集装箱。

“我们的光源将具有极高的电能到光能转换效率。未利用的能量将被回收以进一步提高效率，而我们的X射线激光器结合波长匹配反射光学元件的高反射率，将通过提高生产速度来降低运营成本。使用高亮度X射线光源将加快每个光刻步骤的生产速度，并减少多重曝光的需求。这将降低每片晶圆的相关成本，“Paye表示。

ASML认为无需开发其他EUV光源。该公司的路线图将把激光等离子体光源的功率提升至1000瓦以上，届时其他因素，例如平台加速或光刻胶敏感性，将成为制约产能的瓶颈。

在接受TimesTech采访时， TAU Systems首席执行官Jerome Paye概述了紧凑型粒子加速器和X射线自由电子激光器如何克服极紫外光刻技术的物理和经济限制。他解释了更短的波长、更高的光子效率和紧凑的系统设计如何减少多重曝光、提高产量、降低晶圆成本，并为全球范围内人工智能驱动的下一代半导体应用实现可扩展的生产。

以下为完整采访内容：

TimesTech：EUV光刻技术正接近其物理和经济极限。从半导体制造的角度来看，TAU Systems目前正在解决的最关键瓶颈是什么？

Jerome Paye：TAU Systems公司正在开发用于半导体制造的下一代光源，其技术包括紧凑型粒子加速器和X射线自由电子激光器。我们的激光尾场加速技术能够产生能量相当于传统加速器数百米射程的电子束，而我们只需几厘米即可实现。然后，我们将这些高能电子束送入磁波荡器，从而产生波长远短于现有极紫外（EUV）系统的可调谐X射线激光器。

目前，每台极紫外光刻机造价约4亿美元，重量超过30万磅，其技术水平已接近现有技术的极限。只有极少部分光能到达晶圆，这极大地限制了生产效率。在13.5纳米的极紫外波长下，芯片制造商必须采用多重曝光技术来制造更小的特征，这会增加时间、降低生产效率并增加成本。ASML公司通过提高数值孔径（High-NA）来提高器件尺寸的方法，正逐渐接近物理和经济上的极限。

我们另辟蹊径：缩短波长本身。我们的X射线激光器工作在可调谐波长，并经过优化以实现最大透射率。结合波长匹配的反射光学元件（其反射率高于目前的极紫外（EUV）反射镜），我们的技术可在每台紧凑型设备中实现数百瓦的X射线发射功率。其功率可与ASML的X射线激光器媲美甚至超越，但波长更短。最终实现更快的生产速度、更少的多重曝光以及显著提高的能源效率。

TimesTech：目前的极紫外光刻扫描仪体积庞大、耗电量高、而且资本投入极其巨大。特拉维夫大学（TAU）的紧凑型自由电子激光器如何从根本上改变晶圆厂的成本、能源和占地面积格局？

Jerome Paye：我们的目标是用高效的X射线激光器取代现代光刻机中的极紫外（EUV）光源。我们的光源将具有极高的电能到光能转换效率。未利用的能量将被回收以进一步提高效率，而我们的X射线激光器结合波长匹配反射光学元件的高反射率，将通过提高生产速度来降低运营成本。使用高亮度X射线光源将加快每个光刻步骤的生产速度，并减少多重曝光的需求。这将降低每片晶圆的相关成本。

TimesTech：您重点介绍了更高的光输出和更短的波长。这如何转化为实际的制造优势，例如更高的特征分辨率、更高的晶圆良率或更快的生产速度？

Jerome Paye：其物理原理很简单：更短的波长可以直接对更小的特征进行图案化，无需像目前极紫外光刻技术那样进行多次图案化。在ASML的13.5纳米波长下，要制造更小的特征需要多次打印图案，每次打印都会增加周期时间，降低产量，并引入影响良率的对准误差。我们可调谐的X射线波长消除了这一限制，实现了单次曝光图案化，而竞争对手则需要多次打印。

吞吐量的提升源于卓越的光子效率。目前的极紫外光刻系统由于锡液滴等离子体光源和反射镜效率低下，大部分产生的光都会损失，只有几个百分点的光能到达晶圆。我们的X射线激光器结合波长匹配的反射光学元件，每台紧凑型设备可产生数百瓦的功率，在更短的波长和更高的反射率下，其输出功率可与ASML的产品媲美甚至超越。其结果是：每次光刻步骤的曝光时间更短，无需多重曝光，减少了缺陷的产生，降低了每片晶圆的成本，同时实现了下一代人工智能和量子计算芯片所需的原子级特征控制。

TimesTech：特拉维夫大学已将激光尾场加速技术从国家实验室转移到集装箱大小的商用系统中。使这项技术达到工厂化生产标准的关键工程挑战是什么？

Jerome Paye：这项技术的基本物理原理已经验证多年，我们的学术同行们实现了比传统系统强2000倍的加速梯度，在厘米级的精度下就达到了传统射频技术需要数百米和庞大基础设施才能实现的效果。真正的挑战不在于验证概念，而在于如何实现工业级的可靠性。实验室演示优先考虑的是峰值性能，而不是数百万次循环的稳定性。半导体光刻技术需要极高的稳定性，电子束能量、时间精度和空间特性必须在每次曝光中都保持在严格的公差范围内。为了实现这种稳定性，我们在激光稳定性、等离子体生成控制和光束诊断方面投入了大量资金。

系统集成和占地面积缩减同样带来了巨大的挑战。国家实验室设施通常占用建筑规模的基础设施；而我们已将其转化为可部署在现有晶圆厂空间内的集装箱大小的设备。位于加州TAU实验室的设施便是这一转变的例证，它不仅验证了技术，还生成了运行数据。我们与德克萨斯大学奥斯汀分校、劳伦斯伯克利国家实验室以及极端光基础设施核物理设施的合作模式，将世界领先的研究专长与商业工程的严谨性相结合。我们三步走的商业化战略——即目前的辐射测试、用于扩大生产规模的放射疗法以及持续的光刻研发投入——体现了所需的耐心。每一项应用都有助于完善我们的核心技术，同时为我们进入半导体市场积累收入和运营经验。

TimesTech：随着人工智能和先进计算推动对更小、更复杂芯片的需求，TAU 的激光驱动加速器技术在大规模半导体制造中的可扩展性如何？

Jerome Paye：我们技术的可扩展性源于多项架构优势。每个紧凑型加速器单元驱动一个扫描仪，在短波长下，其功率输出可与ASML的同类产品媲美甚至超越。晶圆厂产能可线性扩展，增加扫描仪需要增加加速器单元，但基本技术保持不变。与传统同步辐射装置必须使用大型单体装置服务多条光束线不同，我们的紧凑型系统支持分布式部署，能够满足晶圆厂布局要求。制造可扩展性直接得益于我们的放射治疗技术开发路径，该路径与我们的光刻平台共享基本技术，但面向的是近期需要批量生产的更大规模市场。这使得我们在光刻技术部署之前，就能在商业规模上建立起制造工艺、供应链和质量体系。

该经济模型支持大规模部署。目前的EUV光刻机单价约为4亿美元，重量超过30万磅，需要庞大的设施基础设施，且相对于可用光子输出而言，能耗巨大。我们紧凑型的系统可安装在现有晶圆厂空间内，效率显著提升，具有极具吸引力的总体拥有成本优势。集装箱大小的设备可部署在现有晶圆厂的占地面积内，从而减少资本投入和建设周期。这种灵活性使晶圆厂能够逐步增加产能，而无需提前数年进行大规模基础设施投资。与ASML的高数值孔径（High-NA）方案受限于镜面制造精度等基本物理限制不同，我们的波长缩减方案能够随着节点要求的演变，持续提升性能。

TimesTech：展望未来，您认为在未来十年内，紧凑型粒子加速器将如何重塑半导体制造的经济格局和晶圆厂设计？

Jerome Paye：目前的制造工艺需要巨额资金投入，且复杂程度极高，单个价值 4 亿美元的设备需要庞大的配套基础设施。紧凑型加速器技术通过在现有晶圆厂内分布式部署集装箱大小的系统，从根本上改变了这一现状。晶圆厂可以根据生产需求灵活地逐步增加产能，而无需进行大规模的前期投入，从而降低了财务风险，并加快了市场响应速度。高电能效率结合能量回收技术，显著降低了每片晶圆的功耗。更高的光子效率提高了吞吐量，同时消除了多重曝光的需求，改善了晶圆的经济性，并支持比当前 EUV 成本结构更激进的节点转换。

或许最重要的是，紧凑型加速器提供了一条突破当前 EUV 技术物理极限的可行途径。ASML 的高数值孔径 (High-NA) 系统将镜面制造精度推向了接近基本极限；通过 X 射线激光实现波长缩减，代表了实现原子级制造控制的物理解决方案。我们通过辐射测试和放射治疗实现的近期商业化，展示了技术的成熟度，同时积累了半导体部署的运营经验和制造规模。业界普遍认为，原子级控制最终需要 X 射线。紧凑型粒子加速器不仅能提高半导体制造的经济效益，还能实现现有技术无论如何都无法实现的能力。

（来源：半导体行业观察综合）

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