舞动的电子不错加速极紫外光刻时刻的发展第四色网。
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王人计较在每闲居毫米的硅片上抛弃更多晶体管，它们有一个共同点，那就是撑合手其责任的极紫外（EUV）光刻时刻极其复杂、相等高尚且运营本钱相等兴隆。主要原因是，坐褥这种系统的13.5纳米光源的经由相等精确且破耗颇巨，需要用天下上最强劲的交易激光器轰击遨游的熔融锡滴。不外，有一种相等规的替代决策正在酝酿之中。高能加速器盘问机构（KEK，位于日本筑波市）的一组盘问东谈主员觉得，要是诳骗粒子加速器的力量，极紫外光刻可能会更低廉、更快捷、更高效。致使在晶圆厂安装第一批极紫外机器之前，盘问东谈主员就发现，也许不错诳骗一种由粒子加速器产生、被称为“开脱电子激光”（FEL）的强劲光源进行极紫外光刻。然则，高能加速器盘问机构的科学家们示意，并非任何粒子加速器王人不错。他们示意，极紫外光刻的最好候选者是粒子加速器版块的再生制动。这种再生制动加速器被称为“能量回收直线加速器”，不错使开脱电子激光产生数十千瓦的极紫外功率，相等具有性价比。它不仅能驱动一台光刻机，而是足以同期驱动多台下一代光刻机，从而镌汰了先进芯片制造的本钱。在参不雅该机构时，高能加速器盘问机构的先进光源盘问员中村至男（Norio Nakamura）告诉我：“开脱电子激光光束具有极高的功率、较窄的光谱宽度以过甚他特质，相等适当用于明天光刻。”
合手续进攻时刻高出的主要原因是光源亮度不及。这种最终能提供富余亮的极紫外光源的时刻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。等离子体会辐射出一系列光子能量，然后由特意的光学器件从中捕捉所需的13.5纳米波长，并通过一系列镜子诱导。随后，极紫外光泽会从一个有图案的掩模上反射，然后投射到硅晶圆上。
这一切组成了一个极其复杂的经由。诚然该经由运转时的激光耗电功率稀有千瓦，但最终反射到晶圆上的极紫外光量只消几瓦。光泽越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时辰就越长。要是莫得富余的光子传递图案，极紫外的速率将变得很慢，很不经济。而过度追求速率可能会发生代价兴隆的造作。
这些机器刚推出时，其功率水平富余每小时惩办约莫100片晶圆。之后，阿斯麦稳步擢升输出，刻下系列的机器每小时大约惩办约200片晶圆。
阿斯麦咫尺光源的额定功率为500瓦。但关于明天所需的更淡雅的图案，中村示意，可能需要1千瓦致使更高的功率。阿斯麦示意仍是制定了开发1000瓦光源的道路图。但中村觉得，这可能很难完毕。他曾指挥高能加速器盘问机构的光束能源学和磁体组，并在退休后再行参与极紫外技俩。
好色男女很难，但并非不可能。位于好意思国印第安纳州的普渡大学极点环境材料中心主任艾哈迈德•哈赛宁（Ahmed Hassanein）觉得，将光源功率翻倍“相等具有挑战性”。但他指出，阿斯麦往时曾通过改进和优化光源过甚他组件完毕了雷同的坚苦方针，因此不排斥再次到手的可能。
不外，亮度并不是阿斯麦在激光产生等离子体光源方面面对的惟一问题。“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“混浊、波长纯度和镜面网罗系统的性能等”。
另一个问题是较高的运营本钱。这些系统每分钟约奢靡600升氢气，其中大部分用于看护锡和其他混浊物插足光学元件和晶圆。（不外回收诳骗不错镌汰这一数字。）
最终，运营本钱如故取决于电力奢靡。最近从位于好意思国弗吉尼亚州的托马斯•杰斐逊国度加速器实验室退休的高档盘问科学家史蒂芬•本森（Stephen Benson）算计，悉数极紫外激光等离子体系统的插座恶果可能不到0.1%。他说，高能加速器盘问机构正在开发的这种开脱电子激光器的恶果可能是它的10到100倍。
高能加速器盘问机构正在开发的系统可将电子加速到相对论速率，然后以特定形状偏转其理会来产生光。中村解说说，这个经由从电子枪向一根数米长的低温冷却管注入一束电子运转。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，插足一个叫作“波荡器”的结构。波荡器由一系列地点相背的磁体组成。（高能加速器盘问机构系统咫尺有两个。）波荡器会迫使高速电子沿正弦旅途理会，这种理会会让电子发出光。
接下来发生的表象称为“自放大自愿辐射”（SASE）。光与电子相互作用，会使一些电子的速率放慢，同期使其他电子的速率加速，因此，它们会连结成“微束”，即沿波荡器旅途周期性出现的密度峰值。当今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，生成相关的激光束。
高能加速器盘问机构的紧凑型能量回收直线加速器（cERL）恰是在这少量上与传统的由直线加速器驱动的激光器有所不同。普通情况下，惩办耗尽的电子束的形状是将粒子引入一个被称为“束流网罗器”的安设中。然则，在紧凑型能量回收直线加速器中，电子起先会回到射频加速器中。这束电子当今处于与刚运转旅程的新注入电子相背的相位。收尾即是，耗尽的电子将大部分能量疗养给了新的电子束，从而增强了其能量。一朝原始电子的一些能量这么被奢靡掉，它们就会被引入束流网罗器中。
“直线加速器中的加速能量被回收，而且与普通直线加速器比较，被丢弃的波束功率大大镌汰。”几位科学家在另一个房间里操作激光时，中村向我解说谈。他说，再行诳骗电子的能量意味着，在一样电量下，系统不错通过加速器发送更多电流，何况不错更通常地辐射激光。
其他内行也甘愿这种不雅点。擢升能量回收直线加速器的恶果不错镌汰本钱，“这是使用EUV激光产生等离子体的一个主要存眷点。”哈赛宁说。
高能加速器盘问机构的紧凑型能量回收直线加速器起先建造于2011年至2013年，旨在展示其动作该机构物理和材料科学部门盘问东谈主员的同步辐射源的后劲。然则，盘问东谈主员对计较的系统并不懒散，因为其性能方针低于某些基于储存环的同步加速器（保合手电子束以恒定动能理会的强大圆形加速器）所能达到的水平。因此，高能加速器盘问机构的盘问东谈主员运转寻找更合适的应用。与包括其时领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盘问，阐发了使用紧凑型能量回收直线加速器完毕千瓦级光源的可能性。于是，极紫外开脱电子激光技俩应时而生。2019年和2020年，盘问东谈主员校阅了现存的实验加速器，运转了通向极紫外光的旅程。
为了保护盘问东谈主员免受运行时间产生的强电磁辐射的影响，该系统被抛弃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开垦、管谈和电缆占据，它们沿着房间的两条长边迤逦胪列，以赛谈边幅上前延迟。
咫尺，加速器还不可产生极紫外波长。借助17兆电子伏（MeV）的电子束能量，盘问东谈主员大约以20微米红外光爆发的时势产生自放大自愿辐射辐射。早期测试收尾已于2023年4月发表在了《日本应用物理学杂志》上。下一步责任正在开展，旨在以链接波模式产生更高的激光功率。
天然，20微米与13.5纳米还收支甚远，而且仍是有某些类型的粒子加速器大约产生致使比极紫外波长更短的同步辐射。但是，高能加速器盘问机构的盘问东谈主员示意，由于其固有恶果，基于能量回收直线加速器的激光器大约产生米赫然更高的极紫外功率。在同步辐射源中，光强度与注入的电子数目成正比。比较之下，在开脱电子激光系统中，光强度的增多约莫与注入的电子数目的闲居成正比，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鸿沟，需要进行开垦升级，而高能加速器盘问机构咫尺莫得富余的空间来升级。因此，盘问东谈主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，在严重的通货彭胀影响环球经济之前，高能加速器盘问机构团队算计，要开发大约提供10千瓦极紫外功率并为多台光刻机供电的新系统，本钱（不包括地盘）为400亿日元（2.6亿好意思元）。年运行本钱约为40亿日元。因此，即使接洽到最近的通货彭胀，中村示意，与刻下的激光产生等离子体光源比较，“咱们安设中每个曝光用具的算计本钱仍然低好多”。
中村承认，在这么的系统达到半导体制造商所需的高性能水和睦操作厚实性之前，还有许多时刻挑战要克服。团队必须开发新版块的环节组件，举例超导腔、电子枪和波荡器。工程师们还必须开发邃密的范例时刻，确保电子束在操作经由中不会衰减或失效等。
为了确保他们的方法具有富余的本钱效益，大约劝诱芯片制造商，盘问东谈主员需要创建一个大约同期向多台光刻机可靠传输突出1千瓦极紫外功率的系统。盘问东谈主员仍是有了一项主张绸缪，通过胪列多面独特镜子将极紫外光传输给多个曝光用具，这种方法不会形到手率的严重亏欠，也不会损坏镜子。
关于快速扩张的芯片制造商来说，意思意思极紫外开脱电子激光器的开发回为前锋早。但高能加速器盘问机构团队并不是惟逐一个盘问这项时刻的团队。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托、取得风险投资支合手的初创公司xLight就是其中之一。该公司聚积了来自斯坦福直线加速器中心和其他机构的粒子加速器限制资深东谈主士，最近还与位于好意思国伊利诺伊州的费米国度加速器实验室坚忍了一项开发超导腔体和低温模块时刻的研发公约。诚然xLight并未恢复咱们的驳斥苦求，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，其前首席本质官埃里克•霍斯勒（Erik Hosler）在会上先容了这项时刻。值得属方针是，阿斯麦在10年前曾接洽过转向粒子加速器，最近在对比开脱电子激光器时刻的推崇与激光产生等离子体道路图时，该公司再次接洽了这个决策，但其高管觉得，激光产生等离子体的风险较小。
的确，这是一条充满风险的谈路。关联高能加速器盘问机构技俩的独处不雅点强调，盘问东谈主员明天面对的最大挑战将是可靠性和资金问题。“要开发一个可靠、熟悉的系统，研发道路图将包含许多高条目阶段。”普渡大学的哈赛宁说，“这需要多数投资何况要破耗相等长的时辰。”
已退休的盘问科学家本森补充谈：“机器绸缪必须极其谨慎，并内置冗余。绸缪还必须确保组件不会被辐射或激光损坏。”这一切王人必须在“不影响性能的情况下完成，而且必须具有富余好的性能来确保邃密的插座恶果”。
更要紧的是，本森警告谈第四色网，要是莫得对这项时刻的投资承诺，“极紫外开脱电子激光器的开发可能不会实时完毕从而匡助半导体行业。”
作家：John Boyd