隨著英特爾、三星、台積電以及日本即將落成的先進晶圓代工廠Rapidus儘管各家公司都各自準備將越來越多的晶體管塞進每平方毫米的矽片中，但它們有一個共同點，那就是它們所依賴的極紫外線(EUV) 微影技術極為複雜、極為昂貴，而且操作成本極高。主要原因是，該系統的13.5 奈米光的來源是使用地球上最強大的商用雷射噴射飛散的熔融錫滴的精確且昂貴的過程。

但一種非常規替代方案正在醞釀中。日本筑波高能加速器研究組織（KEK）的一組研究人員認為，如果利用粒子加速器的能量，EUV 微影技術可能會更便宜、更快速、更有效率。

甚至在晶圓廠安裝首批EUV 機器之前，研究人員就看到了使用粒子加速器產生的強大光源（ 自由電子雷射(FEL:free-electron laser)）進行EUV 微影的可能性。然而，KEK 的科學家表示，並不是任何粒子加速器都可以做到這一點。他們聲稱，EUV 光刻的最佳候選方案是採用粒子加速器版本的再生製動（原文：They claim the best candidate for EUV lithography incorporates the particle-accelerator version of regenerative braking）。它被稱為能量回收線性加速器（energy recovery linear accelerator），可以使自由電子雷射經濟地產生數十千瓦的EUV 功率。這足以同時驅動不只一台而是多台下一代光刻機，從而降低先進晶片製造的成本。

KEK 先進光源研究員Norio Nakamura在參觀該設施時告訴我：“FEL 光束的極高功率、較窄的光譜寬度以及其他特性使其非常適合用於未來的光刻技術。”

直線加速器與雷射等離子體

現今的EUV 系統僅由一家製造商製造， 即總部位於荷蘭費爾德霍芬的ASML。當ASML 在2016 年推出第一代這種價值1 億美元以上的精密機器時，業界對它們的需求非常迫切。晶片製造商一直在嘗試各種變通方法，以應對當時最先進的系統，即使用193 奈米光的光刻技術。轉向更短的13.5 奈米波長是一場革命，它將減少晶片製造所需的步驟數量，並使摩爾定律在下一個十年繼續有效。

持續延遲的主要原因是光源太暗。最終能夠提供足夠明亮的EUV 光源的技術稱為雷射等離子體(EUV-LPP)。它使用二氧化碳雷射器每秒數千次將熔融的錫滴噴射成等離子體。等離子體發射出光子能量光譜，然後專用光學元件從光譜中捕獲必要的13.5 奈米波長，並將其引導通過一系列鏡子。

隨後，EUV 光從圖案化掩模上反射，然後投射到矽晶片上。

KEK 的實驗性緊湊型能量回收直線加速器利用電子返回過程中的大部分能量來加速一組新電子

所有這些加起來就是一個高度複雜的過程。儘管它從耗電量高達千瓦的雷射開始，但反射到晶圓上的EUV 光量只有幾瓦。光線越暗，在矽片上可靠地曝光圖案所需的時間就越長。如果沒有足夠的光子攜帶圖案，EUV 的速度會不經濟。而過度追求速度可能會導致代價高昂的錯誤。

在剛機器剛推出時，功率等級足以每小時處理約100 片晶圓。從那時起，ASML 已成功將目前系列機器的產量穩步提高到每小時約200 片晶圓。

ASML 目前的光源額定功率為500 瓦。但Nakamura 表示，未來需要更精細的圖案，可能需要1 千瓦或更高功率。 ASML 表示，它有開發1,000 瓦光源的路線圖。但這可能很難實現，Nakamura 表示，他曾領導KEK 的光束動力學和磁鐵小組，退休後重新開始從事EUV 專案。

很難，但並非不可能。印第安納州普渡大學極端環境下材料研究中心主任艾哈邁德·哈薩尼恩(Ahmed Hassanein)表示，將光源功率翻倍“非常具有挑戰性” 。但他指出，ASML 過去曾透過改進和優化光源和其他組件的綜合方法實現了類似的高難度目標，他不排除重複這一做法的可能性。

在自由電子雷射中，加速電子受到交變磁場的影響，導致它們波動並發射電磁輻射。輻射將電子聚集在一起，導致它們僅放大特定波長，從而產生雷射光束。

但亮度並不是ASML 在雷射等離子源方面面臨的唯一問題。 「當升級到更高的EUV 功率時，存在許多挑戰性問題，」Hassanein 說。他列舉了幾個問題，包括“污染、波長純度和鏡面收集系統的性能。”

另一個問題是高昂的營運成本。這些系統每分鐘消耗約600 公升氫氣，其中大部分用於防止錫和其他污染物進入光學元件和晶圓。 （不過，回收可以降低這一數字。）

但最終，營運成本還是取決於電力消耗。維吉尼亞州托馬斯傑斐遜國家加速器設施最近退休的高級研究員史蒂芬本森(Stephen Benson) 估計，整個EUV-LPP 系統的電光轉換效率可能不到0.1%。他說，像KEK 正在開發的這種自由電子雷射器，其效率可能是前者的10 到100 倍。

能量回收直線加速器

KEK 正在開發的系統透過將電子加速到相對論性速度，然後以特定方式偏離其運動來產生光。

中村解釋說，這個過程始於電子槍將電子束注入一根數公尺長的低溫冷卻管。在這個管子裡，超導體發出射頻(RF) 訊號，驅動電子越來越快地移動。然後電子旋轉180 度，進入一個叫做波蕩器的結構，這是一系列方向相反的磁鐵。 （KEK 系統目前有兩個。）波蕩器迫使高速電子沿著正弦路徑運動，這種運動導致電子發光。

在線性加速器中，注入的電子從射頻場獲得能量。通常，電子隨後會進入自由電子雷射器，並立即被處理到束流收集器中。但在能量恢復線性加速器(ERL) 中，電子會回到射頻場，並將其能量借給新註入的電子，然後再進入束流收集器。 （文後附詳細說明）

接下來發生的現象稱為自放大自發性輻射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光與電子相互作用，減慢一些電子的速度，加快另一些電子的速度，因此它們聚集成「微束」（microbunches），即沿波蕩器路徑週期性出現的密度峰值。現在結構化的電子束只放大與這些微束週期同相的光，從而產生相干的雷射光束。

正是在這一點上，KEK 的緊湊型能量回收直線加速器(cERL：compact energy recovery linac) 與傳統直線加速器驅動的雷射有所不同。通常，耗盡的電子束是透過將粒子轉移到所謂的束流收集器中來處理的。但在cERL 中，電子會先循環回到RF 加速器。這束電子現在與剛開始旅程的新註入電子處於相反的相位。結果是耗盡的電子將大部分能量轉移到新束流中，從而增強其能量。一旦原始電子的部分能量以這種方式耗盡，它們就會被轉移到束流收集器中。

「直線加速器中的加速能量被回收，與普通直線加速器相比，被丟棄的光束功率大幅降低，」中村向我解釋道，而另一間房子的科學家正在操作雷射。他說，重複使用電子的能量意味著，在同樣的電量下，系統可以透過加速器發送更多的電流，並且可以更頻繁地發射雷射。

其他專家也同意此觀點。能量回收直線加速器的效率提高可以降低成本，“這是使用EUV 雷射產生等離子體的主要考慮因素”，Hassanein 說。

EUV 能量回收直線加速器

KEK 緊湊型能量回收直線加速器最初於2011 年至2013 年間建造，旨在向該機構物理和材料科學部門的研究人員展示其作為同步輻射源的潛力。但研究人員對計畫中的系統並不滿意，因為它的性能目標低於一些基於儲存環的同步加速器（巨大的圓形加速器，可保持電子束以恆定的動能移動）所能達到的水平。因此，KEK 研究人員開始尋找更合適的應用。在與當時擁有快閃記憶體晶片部門的東芝等日本科技公司交談後，研究人員進行了初步研究，證實使用緊湊型能量回收直線加速器可以實現千瓦級光源。因此，EUV 自由電子雷射計畫誕生了。 2019 年和2020 年，研究人員修改了現有的實驗加速器，開始了EUV 光之旅。

該系統被安置在一個全混凝土房間內，以保護研究人員免受運行時產生的強烈電磁輻射。房間長約60 米，寬約20 米，大部分空間被複雜的設備、管道和電纜所佔據，這些設備、管道和電纜沿著房間兩側蜿蜒而行，形成一條細長的賽道。

該加速器目前還無法產生EUV 波長。借助17 兆電子伏特的電子束能量，研究人員能夠以20 微米紅外光爆發的形式產生SASE 輻射。早期測試結果於2023 年4 月發表在《日本應用物理學期刊》。下一步工作正在進行中，即在連續波模式下產生更大的雷射功率。

當然，20 微米與13.5 奈米相差甚遠。而且，目前已有多種類型的粒子加速器能夠產生比EUV 波長更短的同步輻射。但KEK 研究人員聲稱，基於能量回收線性加速器的雷射由於其固有效率，可以產生更多EUV 功率。在同步輻射源中，光強度與注入電子的數量成正比。相較之下，在自由電子雷射系統中，光強度的增加大致與注入電子數量的平方成正比，從而產生更高的亮度和功率。

要讓能量回收線性加速器達到EUV 範圍，需要進行設備升級，而KEK 目前沒有足夠的空間來升級設備。因此，研究人員現在正在考慮建造一個可以產生所需800 MeV 能量的新原型系統。

電子槍將電荷注入KEK的緊湊型能量回收線性加速器

2021 年，在嚴重的通貨膨脹影響全球經濟之前，KEK 團隊估計，一套新系統的建設成本（不包括土地）為400 億日元（2.6 億美元），該系統可提供10 千瓦的EUV 並為多台光刻機供電。年運行成本估計約40 億日圓。因此，即使考慮到最近的通貨膨脹，“我們裝置中每個曝光工具的估計成本與當今雷射產生的等離子源的估計成本相比仍然相當低”，Nakamura 說。

Nakamura 承認，在這樣的系統能夠達到半導體製造商所要求的高性能和運行穩定性之前，還有很多技術挑戰需要解決。團隊必須開發超導腔、電子槍和波蕩器等關鍵零件的全新版本。工程師還必須開發良好的程式技術，以確保電子束在運作過程中不會衰減或失效等。

為了確保他們的方法具有足夠的成本效益，以吸引晶片製造商的注意，研究人員需要創建一個可以可靠地同時向多台光刻機傳輸超過1 千瓦EUV 功率的系統。研究人員已經設計出一種特殊鏡子的佈置概念，可以將EUV 光傳送到多個曝光工具，而不會造成功率損失或損壞鏡子。

其他EUV 可能性

對於快速擴張的晶片製造商來說，EUV 自由電子雷射的開發還為時過早，還不值得關注。但KEK 團隊並不是唯一追逐這項技術的團隊。位於加州帕洛阿爾托、由創投支持的新創公司xLight也在追逐這項技術的團隊之列。該公司聚集了來自史丹佛線性加速器等機構的粒子加速器資深人士，最近與伊利諾伊州的費米國家加速器實驗室簽署了一項研發協議，以開發超導腔和低溫模組技術。

根據xLight介紹，公司成立的使命是打造一種能夠徹底改變光刻、計量和偵測的光源。他們表示，之所以有這個目標，是源自於「美國必須重新奪回並維持半導體製造業的領導地位」這樣的信念。

xLight開發了一種用於尖端半導體裝置製造的極紫外線(EUV) 光源，在性能、生產率和可持續性方面具有顯著的競爭優勢。 xLight 光源以成熟的粒子加速器技術為基礎，系統工程專注於大量製造需求。因此，這種新光源可靠地提供了能夠改變目前製造工藝的功能和可調性，同時也實現了下一代架構和製程節點所需的光刻、計量和檢測功能。

xLight生成，其新型EUV 光源將使美國在未來的半導體產業中佔據領先地位。

記者試圖聯繫xLight，但沒有得到答复，但在1 月份，該公司參加了在東京舉行的第8 屆EUV-FEL 研討會，前執行長Erik Hosler就該技術進行了演講。

值得注意的是，ASML 十年前就考慮過轉向粒子加速器，最近在將自由電子雷射技術的進展與雷射等離子體路線圖進行比較時，ASML 考慮轉向粒子加速器。但公司高層認為LLP 的風險較小。

事實上，這是一條充滿風險的道路。獨立人士對KEK 計畫的看法強調，可靠性和資金將是研究人員未來面臨的最大挑戰。 「研發路線圖將涉及許多苛刻的階段，以開發出可靠、成熟的系統，」Hassanein 說。 “這將需要大量投資，並需要相當長的時間。”

「機器設計必須極其堅固，並內建冗餘，」退休研究科學家Benson 補充道。設計還必須確保組件不會因輻射或雷射而受損。 」而且這必須「在不影響性能的情況下實現，性能必須足夠好，以確保良好的電能轉換效率。 」

更重要的是，Benson 警告說，如果沒有立即投資該技術的承諾，“EUV-FEL 的開發可能無法及時到來以幫助半導體行業。”

對啦，大家是否對這個方案似曾相識？因為早兩年，國內自媒體就流傳過一個相關方案。但當時的評論，大家可以翻一下報道。

附：線性加速器詳細說明：