“你好！中国”旅游推介会在巴黎布朗尼亚宫举办国内最近发生的重大新闻

跟着英特尔、三星、台积电以及日本行将落成的先进晶圆代工场 Rapidus尽管各家公司都各自准备将越来越多的晶体管塞进每平方毫米的硅片中，但它们有一个共同点，那即是它们所依赖的极紫外 (EUV) 光刻技巧极其复杂、极其腾贵，而且操作本钱极高。主要原因是，该系统的 13.5 纳米光的开首是使用地球上最遒劲的商用激光器喷射飞散的熔融锡滴的精准且腾贵的进程。

但一种至极规替代决策正在酝酿之中。日本筑波高能加速器究诘组织（KEK）的一组究诘东谈主员以为，要是驾御粒子加速器的能量，EUV 光刻技巧可能会更低廉、更快速、更高效。

甚而在晶圆厂安装首批 EUV 机器之前，究诘东谈主员就看到了使用粒子加速器产生的遒劲光源（ 开脱电子激光 (FEL:free-electron laser)）进行 EUV 光刻的可能性。但是，KEK 的科学家暗示，并不是任何粒子加速器都不错作念到这小数。他们宣称，EUV 光刻的最好候选决策是接受粒子加速器版块的再生制动（原文：They claim the best candidate for EUV lithography incorporates the particle-accelerator version of regenerative braking）。它被称为能量回收线性加速器（energy recovery linear accelerator），不错使开脱电子激光经济地产生数十千瓦的 EUV 功率。这足以同期驱动不啻一台而是多台下一代光刻机，从而缩小先进芯片制造的本钱。

KEK 先进光源究诘员 Norio Nakamura在参不雅该设施时告诉我：“FEL 光束的极高功率、较窄的光谱宽度以偏激他特点使其至极恰当用于将来的光刻技巧。”

直线加速器与激光等离子体

现在的 EUV 系统仅由一家制造商制造， 即总部位于荷兰费尔德霍芬的ASML。当 ASML 于 2016 年推出第一代这种价值 1 亿好意思元以上的精密机器时，业界对它们的需求至极首要。芯片制造商一直在尝试各式变通门径，以支吾其时起初进的系统，即使用 193 纳米光的光刻技巧。转向更短的 13.5 纳米波长是一场鼎新，它将减少芯片制造所需的设施数目，并使摩尔定律鄙人一个十年继续灵验。

合手续延伸的主要原因 是光源太暗。最终大概提供宽裕亮堂的 EUV 光源的技巧称为激光等离子体 (EUV-LPP)。它使用二氧化碳激光器每秒数千次将熔融的锡滴喷射成等离子体。等离子体放射出光子能量光谱，然后专用光学器件从光谱中拿获必要的 13.5 纳米波长，并将其指导通过一系列镜子。

随后，EUV 光从图案化掩模上反射，然后投射到硅晶片上。

KEK 的实验性紧凑型能量回收直线加速器驾御电子复返进程中的大部分能量来加速一组新电子

通盘这些加起来即是一个高度复杂的进程。尽管它从耗电量高达千瓦的激光器开动，但反射到晶圆上的 EUV 光量唯有几瓦。清明越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时刻就越长。要是莫得宽裕的光子佩带图案，EUV 的速率会不经济。而过分追求速率可能会导致代价抖擞的失误。

在刚机器刚推出时，功率水平足以每小时处理约 100 片晶圆。从那时起，ASML 已告捷将刻下系列机器的产量稳步升迁到每小时约 200 片晶圆。

ASML 咫尺的光源额定功率为 500 瓦。但 Nakamura 暗示，将来需要更细巧的图案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 暗示，它有开发 1，000 瓦光源的蹊径图。但这可能很难达成，Nakamura 暗示，他曾指挥 KEK 的光束能源学和磁铁小组，退休后从头开动从事 EUV 面容。

很难，但并非不行能。印第安纳州普渡大学极点环境下材料究诘中心主任艾哈迈德·哈萨尼恩 (Ahmed Hassanein)暗示，将光源功率翻倍“至极具有挑战性” 。但他指出，ASML 曩昔曾通过改造和优化光源和其他组件的空洞门径达成了肖似的高难度野心，他不遗弃重叠这一作念法的可能性。

在开脱电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致它们波动并放射电磁辐射。辐射将电子集合在一皆，导致它们仅放大特定波长，从而产生激光束。

但亮度并不是 ASML 在激光等离子源方面濒临的独一问题。“升级到更高的 EUV 功率时，存在许多挑战性问题，”Hassanein 说。他列举了几个问题，包括“浑浊、波长纯度和镜面网罗系统的性能。”

另一个问题是抖擞的运营本钱。这些系统每分钟阔绰约 600 升氢气，其中大部分用于防护锡和其他浑浊物投入光学元件和晶圆。（不外，回收不错缩小这一数字。）

但最终，运营本钱照旧取决于电力阔绰。弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国度加速器设施最近退休的高档究诘员斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 推断，通盘这个词 EUV-LPP 系统的电光诊治效果可能不到 0.1%。他说，像 KEK 正在开发的这种开脱电子激光器，其效果可能是前者的 10 到 100 倍。

能量回收直线加速器

KEK 正在开发的系统通过将电子加速到相对论速率，然后以特定时势偏离其通顺来产生光。

中村解说说，这个进程始于电子枪将电子束注入一根数米长的低温冷却管。在这个管子里，超导体发出射频 (RF) 信号，驱动电子越来越快地转移。然后电子旋转 180 度，投入一个叫作念波荡器的结构，这是一系列标的相悖的磁铁。（KEK 系统咫尺有两个。）波荡器迫使高速电子沿正弦旅途通顺，这种通顺导致电子发光。

在线性加速器中，注入的电子从射频场获取能量。平淡，电子随后会投入开脱电子激光器，独立即被处理到束流网罗器中。但在能量归附线性加速器 (ERL) 中，电子会回到射频场，并将其能量借给新注入的电子，然后再投入束流网罗器。（文后附详确阐扬）

接下来发生的时事称为自放大自愿辐射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光与电子互相作用，降速一些电子的速率，加速另一些电子的速率，因此它们集合成“微束”（microbunches），即沿波荡器旅途周期性出现的密度峰值。现在结构化的电子束只放大与这些微束周期同相的光，从而产生相关的激光束。

恰是在这小数上，KEK 的紧凑型能量回收直线加速器 (cERL：compact energy recovery linac) 与传统直线加速器驱动的激光器有所不同。平淡，耗尽的电子束是通过将粒子滚动到所谓的束流 网罗器中来处理的。但在 cERL 中，电子起初轮回回到 RF 加速器。这束电子现在与刚开动旅程的新注入电子处于相悖的相位。欺压是耗尽的电子将大部分能量滚动到新束流中，从而增强其能量。一朝原始电子的部分能量以这种时势耗尽，它们就会被滚动到束流网罗器中。

“直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器比较，被丢弃的光束功率大幅缩小，”中村向我解说谈，而另一间房子的科学家正在操作激光器。他说，重叠使用电子的能量意味着，在通常的电量下，系统不错通过加速器发送更多的电流，况且不错更平淡地放射激光器。

其他众人也快乐这一不雅点。能量回收直线加速器的效果升迁不错缩小本钱，“这是使用 EUV 激光产生等离子体的主要推敲身分”，Hassanein 说谈。

EUV 能量回收直线加速器

KEK 紧凑型能量回收直线加速器最初于 2011 年至 2013 年间建造，旨在向该机构物理和材料科学部门的究诘东谈主员展示其看成同步辐射源的后劲。但究诘东谈主员对计较中的系统并不欢娱，因为它的性能野心低于一些基于存储环的同步加速器（广大的圆形加速器，可保合手电子束以恒定的动能转移）所能达到的水平。因此，KEK 究诘东谈主员开动寻找更合适的应用。在与其时领有闪存芯片部门的东芝等日本科技公司交谈后，究诘东谈主员进行了初步究诘，阐明使用紧凑型能量回收直线加速器不错达成千瓦级光源。因此，EUV 开脱电子激光器面容出生了。2019 年和 2020 年，究诘东谈主员修改了现存的实验加速器，开动了 EUV 光之旅。

该系统被安置在一个全混凝土房间内，以保护究诘东谈主员免受运行时产生的热烈电磁辐射。房间长约 60 米，宽约 20 米，大部分空间被复杂的开辟、管谈和电缆所占据，这些开辟、管谈和电缆沿着房间两侧逶迤而行，形成一条细长的赛谈。

该加速器咫尺还无法产生 EUV 波长。借助 17 兆电子伏特的电子束能量，究诘东谈主员大概以 20 微米红外光爆发的表情产生 SASE 辐射。早期测试欺压于 2023 年 4 月发表在《日本应用物理学杂志》上。下一步服务正在进行中，即在集聚波模式下产生更大的激光功率。

虽然，20 微米与 13.5 纳米收支甚远。而且，咫尺已有多种类型的粒子加速器大概产生比 EUV 波长更短的同步辐射。但 KEK 究诘东谈主员宣称，基于能量回收线性加速器的激光器由于其固灵验果，不错产生更多 EUV 功率。在同步辐射源中，光强度与注入电子的数目成正比。比较之下，在开脱电子激光系统中，光强度的加多简陋与注入电子数目的平方成正比，从而产生更高的亮度和功率。

要使能量回收线性加速器达到 EUV 限制，需要进行开辟升级，而 KEK 咫尺莫得宽裕的空间来升级开辟。因此，究诘东谈主员现在正在推敲构建一个不错产生所需 800 MeV 能量的新原型系统。

电子枪将电荷注入KEK的紧凑型能量回收线性加速器

2021 年，在严重的通货蔓延影响全球经济之前，KEK 团队推断，一套新系统的培植本钱（不包括地皮）为 400 亿日元（2.6 亿好意思元），该系统可提供 10 千瓦的 EUV 并为多台光刻机供电。年运行本钱推断约为 40 亿日元。因此，即使推敲到最近的通货蔓延，“咱们安装中每个曝光器具的推断本钱与现在激光产生的等离子源的推断本钱比较仍然相等低”，Nakamura 说。

Nakamura 承认，在这么的系统大概达到半导体制造商所条件的高性能和运行沉稳性之前，还有好多技巧挑战需要照顾。该团队必须开发超导腔、电子枪和波荡器等要道部件的全新版块。工程师还必须开发细密的圭臬技巧，以确保电子束在运行进程中不会衰减或失效等。

为了确保他们的门径具有宽裕的本钱效益，以招引芯片制造商的注目，究诘东谈主员需要创建一个不错可靠地同期向多台光刻机传输向上 1 千瓦 EUV 功率的系统。究诘东谈主员依然想象出一种非凡镜子的派遣见解，这种镜子不错将 EUV 光传送到多个曝光器具，而不会形告捷率失掉或损坏镜子。

其他 EUV 可能性

关于快速扩张的芯片制造商来说，EUV 开脱电子激光器的开发回为时过早，还不值得缓和。但 KEK 团队并不是独一追赶这项技巧的团队。位于加州帕洛阿尔托、由风险投资撑合手的初创公司 xLight也在追赶这项技巧的团队之列。该公司集合了来自斯坦福线性加速器等机构的粒子加速器资深东谈主士，最近与伊利诺伊州的费米国度加速器实验室签署了一项研发公约，以开发超导腔和低温模块技巧。

据xLight先容，公司建树的服务是打造一种大概澈底改革光刻、计量和检测的光源。他们暗示，之是以有这个野心，是源于“好意思国必须从头夺回并保合手半导体制造业的指挥地位”这么的信念。

xLight开发了一种用于顶端半导体器件制造的极紫外 (EUV) 光源，在性能、坐褥率和可合手续性方面具有显赫的竞争上风。xLight 光源以熟悉的粒子加速器技巧为基础，系统工程专注于多数目制造条件。因此，这种新光源可靠地提供了大概改革刻下制造工艺的功能和可调性，同期还达成了下一代架构和工艺节点所需的光刻、计量和检测功能。

xLight生成，其新式 EUV 光源将使好意思国在将来的半导体行业中占据起初地位。

记者试图有计划 xLight，但莫得得到恢复，但在 1 月份，该公司参加了在东京举行的第 8 届 EUV-FEL 研讨会，前首席施行官 Erik Hosler就该技巧进行了演讲。

值得注目的是，ASML 十年前就推敲过转向粒子加速器，最近在将开脱电子激光技巧的推崇与激光等离子体蹊径图进行比较时，ASML 又推敲过转向粒子加速器。但公司高管以为 LLP 的风险较小。

事实上，这是一条充满风险的谈路。独处东谈主士对 KEK 面容的看法强调，可靠性和资金将是究诘东谈主员将来濒临的最大挑战。“研发蹊径图将触及许多尖刻的阶段，以开发出可靠、熟悉的系统，”Hassanein 说。“这将需要巨额投资，并需要相等长的时刻。”

“机器想象必须极其坚固，并内置冗余，”退休究诘科学家 Benson 补充谈。想象还必须确保组件不会因辐射或激光而受损。”而且这必须“在不影响性能的情况下达成，性能必须宽裕好，以确保细密的电能诊治效果。”

更首要的是，Benson 警戒说，要是莫得立即投资该技巧的承诺，“EUV-FEL 的开发可能无法实时到来以匡助半导体行业。”

对啦，民众是否对这个决策似曾强健？因为早两年，国内自媒体就流传过一个有计划决策。但其时的指摘，民众不错翻一下报谈。

附：线性加速器详确阐扬：