摩爾定律是否會(huì)在粒子加速器中找到未來？

直線加速器可為極紫外光刻技術(shù)提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

英特爾、三星、臺(tái)積電以及日本即將建造的先進(jìn)晶圓代工廠速芯（Rapidus）正各自為營，準(zhǔn)備在每平方毫米的硅片中塞入越來越多的晶體管，但這些企業(yè)有一個(gè)共同點(diǎn)：支撐它們開展研發(fā)制造的極紫外光刻技術(shù)（EUV）極其復(fù)雜、昂貴，且運(yùn)營成本極高。其主要原因在于，該系統(tǒng)所使用的13.5納米光源需要通過目前世界上最強(qiáng)大的商業(yè)激光器轟擊飛行中的熔融錫滴來產(chǎn)生，而后者要求高精度和高成本。

但是，一種非常規(guī)的替代方案正在醞釀之中。來自日本筑波的高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，利用粒子加速器的力量，也許可以讓極紫外光刻技術(shù)變得更便宜、更快捷、更高效。

早在第一批極紫外光刻機(jī)器安裝到晶圓廠之前，研究人員就已經(jīng)看到了使用自由電子激光（FEL）進(jìn)行極紫外光刻的可能性，這是一種由粒子加速器生成的強(qiáng)大光源。然而，KEK的科學(xué)家表示，并不是所有的粒子加速器都可以實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。他們認(rèn)為，最適合極紫外光刻的方案是采用具有再生制動(dòng)技術(shù)的粒子加速器，即能量回收直線加速器（ERL）。這種加速器能夠讓自由電子激光器頗為節(jié)能地生成數(shù)十千瓦的極紫外光刻功率。這遠(yuǎn)超單臺(tái)光刻機(jī)所需，足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)下一代光刻機(jī)，從而降低先進(jìn)芯片的制造成本。

在筆者訪問KEK時(shí)，該機(jī)構(gòu)的先進(jìn)光源研究員中村典雄告訴筆者：“自由電子激光束的極高功率、窄線寬以及其他特點(diǎn)使它適合應(yīng)用到未來的光刻技術(shù)上?！?/p>

直線加速器與激光等離子體之對(duì)比

目前的極紫外光刻系統(tǒng)全部是由一家總部位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的制造商阿斯麥（ASML）生產(chǎn)的。2016年，當(dāng)阿斯麥推出第一代極紫外光刻機(jī)時(shí)，這些價(jià)值1億多美元的精密設(shè)備令整個(gè)行業(yè)都趨之若鶩。此前，最先進(jìn)的光刻機(jī)系統(tǒng)使用的是193納米光源，芯片制造商們?cè)谑褂脮r(shí)不得不多加變通。改用波長更短的13.5納米光源是一場(chǎng)革命，它可以減少制造芯片所需的步驟，并使摩爾定律能夠延續(xù)到下一個(gè)十年。

極紫外光刻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)歷經(jīng)多次推遲，其主要原因在于光源太暗。最終，一種被稱為激光等離子體（EUV-LPP）的技術(shù)提供了足夠明亮的極紫外光源。它使用二氧化碳激光器每秒鐘數(shù)千次地轟擊熔融錫滴，從而產(chǎn)生等離子體。等離子體發(fā)出一系列光子能量，隨后專門的光學(xué)器件從中捕捉到所需的13.5納米波長，并引導(dǎo)其通過一系列反射鏡。接著，極紫外光經(jīng)過帶圖樣的掩膜版反射后，投射到硅片上。

這一切構(gòu)成了一個(gè)高度復(fù)雜的過程。雖然最初使用的是耗電千瓦級(jí)的激光器，但最終反射到晶圓上的極紫外光量僅有幾瓦。光越暗，在硅片上順利曝光圖樣所需的時(shí)間就越長。如果沒有足夠的光子承載圖樣，極紫外光刻的速度會(huì)變得很慢，也就不合算了。而過分追求速度，則會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

當(dāng)這些機(jī)器首次推出時(shí)，其功率水平僅夠每小時(shí)處理約100片晶圓。自那時(shí)起，阿斯麥成功地將設(shè)備的產(chǎn)量穩(wěn)步提高，當(dāng)前系列的機(jī)器產(chǎn)量約為每小時(shí)200片晶圓。

阿斯麥目前的光源額定功率為500瓦，但中村典雄表示，如果未來需要光刻更精細(xì)的圖樣，光源可能要提高到1千瓦或更高。阿斯麥稱該公司已經(jīng)制定了研發(fā)1千瓦光源光刻機(jī)的路線圖，但中村表示這很難實(shí)現(xiàn)。中村曾在KEK領(lǐng)導(dǎo)束流動(dòng)力學(xué)和磁體團(tuán)隊(duì)，退休后又參與了極紫外光刻的項(xiàng)目。

“很難實(shí)現(xiàn)”并非不可能實(shí)現(xiàn)。美國印第安納州普渡大學(xué)極端環(huán)境材料中心的主任艾哈邁德 · 哈桑寧（Ahmed Hassanein）同樣認(rèn)為，將光源功率提高一倍“非常具有挑戰(zhàn)性”。但他指出，在過去，阿斯麥曾通過改進(jìn)和優(yōu)化光源及其他組件的集成方法實(shí)現(xiàn)過類似的艱巨目標(biāo)，他并不排除它再次成功的可能性。

但亮度并不是阿斯麥在處理激光等離子體光源時(shí)面臨的唯一問題?！霸谏?jí)到更高的極紫外功率的過程中，存在著許多富有挑戰(zhàn)性的問題?！惫幷f。他列舉了其中幾個(gè)，包括“污染、波長純度和反射鏡收集系統(tǒng)的性能”。

高運(yùn)營成本則是另一個(gè)問題。這些系統(tǒng)每分鐘消耗約600升氫氣，其中大部分用于防止錫和其他污染物附著在光學(xué)器件和晶圓上。（不過，通過回收可以使這個(gè)數(shù)變小。）

但講到底，運(yùn)營成本要?dú)w結(jié)于電力消耗。美國弗吉尼亞州托馬斯 · 杰斐遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員斯蒂芬 · 本森（Stephen Benson）剛剛退休，據(jù)他估計(jì)，整個(gè)EUV-LPP系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)化效率可能不到0.1%。他說，而像KEK正在開發(fā)的這類自由電子激光器，其效率可能會(huì)是前者的10到100倍。

能量回收直線加速器

KEK正在開發(fā)的系統(tǒng)是通過將電子加速到相對(duì)論速度，然后以特定方式偏轉(zhuǎn)它們的運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生光的。

中村典雄解釋說，這一過程的第一步是，電子槍將一束電子注入一條長達(dá)數(shù)米的低溫冷卻管。在此管道內(nèi)部，超導(dǎo)體會(huì)發(fā)出射頻（RF）信號(hào)，推動(dòng)電子不斷加速前進(jìn)。隨即，電子經(jīng)歷180度轉(zhuǎn)彎，進(jìn)入稱為“波蕩器”的結(jié)構(gòu)，它由一系列極向相反排列的磁鐵構(gòu)成。（目前KEK系統(tǒng)有兩個(gè)波蕩器。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)就會(huì)使電子發(fā)出光。

接下來發(fā)生的是一種被稱為自放大自發(fā)發(fā)射（SASE）的現(xiàn)象。光與電子相互作用，使一些電子減速，另一些電子加速，從而令它們沿波蕩器路徑周期性地聚集成具有峰值密度的“微束團(tuán)”。這種結(jié)構(gòu)化的電子束只放大與這些微束團(tuán)相位一致的光，從而產(chǎn)生相干激光束。

就在這一時(shí)刻，KEK的緊湊型能量回收直線加速器（cERL）與傳統(tǒng)直線加速器驅(qū)動(dòng)的激光器產(chǎn)生了不同。通常，產(chǎn)生過激光的電子束會(huì)被引導(dǎo)到束流垃圾桶中。但在cERL中，電子首先返回射頻加速器?，F(xiàn)在，這束電子與剛開始旅程的新注入電子處于相反的相位。其結(jié)果是，返航束線將它們的大部分能量轉(zhuǎn)移給新的電子束，提升其能量。當(dāng)原本電子的能量被這樣部分消耗后，它們才被引導(dǎo)到束流垃圾桶中。

“直線加速器中的加速能量得到了回收，與普通直線加速器相比，傾棄束流的能量顯著降低?！碑?dāng)科學(xué)家在另一個(gè)房間里操作激光器時(shí)，中村典雄向我解釋道。他說，重復(fù)利用電子的能量意味著在相同的電力消耗下，系統(tǒng)可以通過加速器發(fā)出更大的電流，并能更頻繁地發(fā)射激光。

其他專家也表示贊同。“能量回收直線加速器的提效可以降低成本，而成本是使用極紫外激光等離子體時(shí)的一個(gè)主要問題?！惫幷f道。

用于極紫外光刻的能量回收直線加速器

KEK的緊湊型能量回收直線加速器最初建造于2011至2013年間，旨在展示其作為同步輻射光源的潛力，為該機(jī)構(gòu)的物理和材料科學(xué)部門的研究人員提供服務(wù)。然而，研究人員對(duì)計(jì)劃中的系統(tǒng)并不滿意，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的性能目標(biāo)要低于部分基于儲(chǔ)存環(huán)的同步加速器所能達(dá)到的性能目標(biāo)（后者是一種巨大的環(huán)形加速器，可以使電子束以恒定的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)）。因此，KEK的研究人員開始為它尋找更合適的應(yīng)用方式。在與一些日本科技公司（包括當(dāng)時(shí)擁有閃存芯片部門的東芝公司）交流后，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究，確認(rèn)使用緊湊型能量回收直線加速器可以實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)光源。因此，極紫外自由電子激光項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。2019年和2020年，研究人員改造了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)加速器，開始了向極紫外光邁進(jìn)的旅程。

該系統(tǒng)安裝在一個(gè)全混凝土房間內(nèi)，以保護(hù)研究人員免受操作過程中產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射的影響。房間大約60米長、20米寬，其中大部分空間都被復(fù)雜的設(shè)備、管道和電纜占據(jù)，它們沿著房間長端的兩側(cè)蜿蜒交錯(cuò)，形成了一個(gè)拉長的跑道。

該加速器尚未能產(chǎn)生極紫外波長。利用17兆電子伏的電子束能量，研究人員已經(jīng)成功在20微米的紅外光波段生成了自放大自發(fā)發(fā)射。早期測(cè)試結(jié)果已于2023年4月發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學(xué)期刊》（Japanese Journal of Applied Physics）上。下一步工作正在進(jìn)行，即在連續(xù)波模式下產(chǎn)生更大的激光功率。

當(dāng)然，20微米與13.5納米相差甚遠(yuǎn)。而且，目前已經(jīng)有一些類型的粒子加速器可以產(chǎn)生比極紫外波長更短的同步輻射。但KEK的研究人員聲稱，基于能量回收直線加速器的激光器由于其固有的高效能，能夠顯著生成更大的極紫外功率。在同步輻射光源中，光強(qiáng)與注入電子的數(shù)量成正比。相比之下，在自由電子激光系統(tǒng)中，光強(qiáng)大約與注入電子數(shù)量的平方成正比，因此亮度和功率都要大得多。

要使能量回收直線加速器達(dá)到極紫外范圍，所需要的設(shè)備升級(jí)超出了KEK目前的能力。因此，研究人員目前正在推動(dòng)建造一套新的原型系統(tǒng)，以生成所需的800兆電子伏。

2021年，在嚴(yán)重的通貨膨脹影響全球經(jīng)濟(jì)之前，KEK團(tuán)隊(duì)估計(jì)新系統(tǒng)的建設(shè)成本（不包括土地）為400億日元（約合2.6億美元），該系統(tǒng)可以提供10千瓦的極紫外光，并為多個(gè)光刻機(jī)供電。該系統(tǒng)的年度運(yùn)行成本約為40億日元。因此，中村典雄表示，即使把最近的通貨膨脹也考慮在內(nèi)，相比目前的激光等離子體光源，“我們?cè)O(shè)置中的每臺(tái)曝光工具的估計(jì)成本仍然相對(duì)較低”。

中村承認(rèn)，在這樣一個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到半導(dǎo)體制造商所要求的高性能和操作穩(wěn)定性之前，還有很多技術(shù)問題需要解決。團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)新版本的關(guān)鍵組件，如超導(dǎo)腔、電子槍和波蕩器。工程師還需要研發(fā)出良好的操作技術(shù)，以確保電子束在運(yùn)行過程中不會(huì)衰減或出現(xiàn)故障。

為了確保他們的方法具有足夠的成本效益，能夠吸引芯片制造商的關(guān)注，研究人員需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定地同時(shí)向多臺(tái)光刻機(jī)傳輸超過1千瓦的極紫外功率。研究人員已經(jīng)研究出了一種特殊反射鏡排列的概念設(shè)計(jì)，這些反射鏡可以將極紫外光傳送到多個(gè)曝光工具，而不會(huì)造成功率顯著損失或反射鏡損壞。

有關(guān)極紫外光刻技術(shù)的其他可能性

目前，對(duì)于快速擴(kuò)張的芯片制造商來說，極紫外自由電子激光器的研發(fā)還處于極其早期，暫不能引起他們的關(guān)注。但并不是只有KEK團(tuán)隊(duì)在探索這項(xiàng)技術(shù)。位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托、獲得風(fēng)投支持的初創(chuàng)公司未名光（xLight）也是這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)者之一。該公司匯集了來自斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室和其他地方的資深粒子加速器專家，最近與伊利諾伊州的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室簽署了一項(xiàng)研發(fā)協(xié)議，共同開發(fā)超導(dǎo)腔和低溫模塊技術(shù)。我們?cè)噲D聯(lián)系未名光公司，雖然對(duì)方并未回復(fù)，但2024年1月，該公司參加了在東京舉行的第八屆極紫外自由電子激光研討會(huì)，公司前任首席執(zhí)行官埃里克 · 霍斯勒（Erik Hosler）在會(huì)上做了有關(guān)這項(xiàng)技術(shù)的演講。

值得注意的是，阿斯麥早在十年前就考慮轉(zhuǎn)向粒子加速器，最近，該公司在比較自由電子激光技術(shù)的進(jìn)展與激光等離子體的研發(fā)路線圖時(shí)，再次考慮了這件事。但公司高層認(rèn)為，激光等離子體的風(fēng)險(xiǎn)更低。

誠然，這的確是一條充滿風(fēng)險(xiǎn)的道路。有關(guān)KEK項(xiàng)目的獨(dú)立觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，可靠性和資金將是其研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)?！盀榱碎_發(fā)出可靠、成熟的系統(tǒng)，研發(fā)路線圖將涉及許多艱巨的階段，”哈桑寧表示，“這將需要大量的投資和相當(dāng)漫長的時(shí)間。”

“機(jī)器設(shè)計(jì)必須非常堅(jiān)固耐用，并內(nèi)置冗余?！蓖诵菅芯繂T本森補(bǔ)充道。設(shè)計(jì)還必須確保組件不會(huì)因輻射或激光而損壞。而且，這必須在“不影響性能的前提下實(shí)現(xiàn)——機(jī)器的性能必須足夠好，以確保合理的電光轉(zhuǎn)化效率”。

更重要的是，本森警告說，如果各方不對(duì)投資這項(xiàng)技術(shù)給出承諾，“極紫外自由電子激光可能無法及時(shí)開發(fā)出來，進(jìn)而無法幫助半導(dǎo)體行業(yè)”。

資料來源 IEEE Spectrum

本文作者約翰 · 博伊德（John Boyd）是一位獨(dú)立作家，現(xiàn)居日本，主要報(bào)道日本、澳大利亞的科技相關(guān)新聞。