摩爾定律是否會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提供強大的動力。

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

但是，一種非常規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構（KEK）的一個研究團隊認為，利用粒子加速器的力量，也許可以讓極紫外光刻技術變得更便宜、更快捷、更高效。

早在第一批極紫外光刻機器安裝到晶圓廠之前，研究人員就已經看到了使用自由電子激光（FEL）進行極紫外光刻的可能性，這是一種由粒子加速器生成的強大光源。然而，KEK的科學家表示，并不是所有的粒子加速器都可以實現這一任務。他們認為，最適合極紫外光刻的方案是采用具有再生制動技術的粒子加速器，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能地生成數十千瓦的極紫外光刻功率。這遠超單臺光刻機所需，足以同時驅動多臺下一代光刻機，從而降低先進芯片的制造成本。

在筆者訪問KEK時，該機構的先進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使它適合應用到未來的光刻技術上。”

直線加速器與激光等離子體之對比

目前的極紫外光刻系統全部是由一家總部位于荷蘭費爾德霍芬的制造商阿斯麥（ASML）生產的。2016年，當阿斯麥推出第一代極紫外光刻機時，這些價值1億多美元的精密設備令整個行業都趨之若鶩。此前，最先進的光刻機系統使用的是193納米光源，芯片制造商們在使用時不得不多加變通。改用波長更短的13.5納米光源是一場革命，它可以減少制造芯片所需的步驟，并使摩爾定律能夠延續到下一個十年。

極紫外光刻技術的實現歷經多次推遲，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千次地轟擊熔融錫滴，從而產生等離子體。等離子體發出一系列光子能量，隨后專門的光學器件從中捕捉到所需的13.5納米波長，并引導其通過一系列反射鏡。接著，極紫外光經過帶圖樣的掩膜版反射后，投射到硅片上。

這一切構成了一個高度復雜的過程。雖然最初使用的是耗電千瓦級的激光器，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變得很慢，也就不合算了。而過分追求速度，則會導致代價高昂的錯誤。

當這些機器首次推出時，其功率水平僅夠每小時處理約100片晶圓。自那時起，阿斯麥成功地將設備的產量穩步提高，當前系列的機器產量約為每小時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制定了研發1千瓦光源光刻機的路線圖，但中村表示這很難實現。中村曾在KEK領導束流動力學和磁體團隊，退休后又參與了極紫外光刻的項目。

“很難實現”并非不可能實現。美國印第安納州普渡大學極端環境材料中心的主任艾哈邁德 · 哈桑寧（Ahmed Hassanein）同樣認為，將光源功率提高一倍“非常具有挑戰性”。但他指出，在過去，阿斯麥曾通過改進和優化光源及其他組件的集成方法實現過類似的艱巨目標，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面臨的唯一問題。“在升級到更高的極紫外功率的過程中，存在著許多富有挑戰性的問題。”哈桑寧說。他列舉了其中幾個，包括“污染、波長純度和反射鏡收集系統的性能”。

高運營成本則是另一個問題。這些系統每分鐘消耗約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器件和晶圓上。（不過，通過回收可以使這個數變小。）

但講到底，運營成本要歸結于電力消耗。美國弗吉尼亞州托馬斯 · 杰斐遜國家加速器實驗室的高級研究員斯蒂芬 · 本森（Stephen Benson）剛剛退休，據他估計，整個EUV-LPP系統的電光轉化效率可能不到0.1%。他說，而像KEK正在開發的這類自由電子激光器，其效率可能會是前者的10到100倍。

能量回收直線加速器

KEK正在開發的系統是通過將電子加速到相對論速度，然后以特定方式偏轉它們的運動來產生光的。

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數米的低溫冷卻管。在此管道內部，超導體會發出射頻（RF）信號，推動電子不斷加速前進。隨即，電子經歷180度轉彎，進入稱為“波蕩器”的結構，它由一系列極向相反排列的磁鐵構成。（目前KEK系統有兩個波蕩器。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運動，這種運動就會使電子發出光。

接下來發生的是一種被稱為自放大自發發射（SASE）的現象。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”。這種結構化的電子束只放大與這些微束團相位一致的光，從而產生相干激光束。

就在這一時刻，KEK的緊湊型能量回收直線加速器（cERL）與傳統直線加速器驅動的激光器產生了不同。通常，產生過激光的電子束會被引導到束流垃圾桶中。但在cERL中，電子首先返回射頻加速器。現在，這束電子與剛開始旅程的新注入電子處于相反的相位。其結果是，返航束線將它們的大部分能量轉移給新的電子束，提升其能量。當原本電子的能量被這樣部分消耗后，它們才被引導到束流垃圾桶中。

“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。”當科學家在另一個房間里操作激光器時，中村典雄向我解釋道。他說，重復利用電子的能量意味著在相同的電力消耗下，系統可以通過加速器發出更大的電流，并能更頻繁地發射激光。

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的一個主要問題。”哈桑寧說道。

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，為該機構的物理和材料科學部門的研究人員提供服務。然而，研究人員對計劃中的系統并不滿意，因為該系統的性能目標要低于部分基于儲存環的同步加速器所能達到的性能目標（后者是一種巨大的環形加速器，可以使電子束以恒定的動能運動）。因此，KEK的研究人員開始為它尋找更合適的應用方式。在與一些日本科技公司（包括當時擁有閃存芯片部門的東芝公司）交流后，研究人員進行了一項初步研究，確認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，極紫外自由電子激光項目應運而生。2019年和2020年，研究人員改造了現有的實驗加速器，開始了向極紫外光邁進的旅程。

該系統安裝在一個全混凝土房間內，以保護研究人員免受操作過程中產生的強電磁輻射的影響。房間大約60米長、20米寬，其中大部分空間都被復雜的設備、管道和電纜占據，它們沿著房間長端的兩側蜿蜒交錯，形成了一個拉長的跑道。

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

當然，20微米與13.5納米相差甚遠。而且，目前已經有一些類型的粒子加速器可以產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，光強與注入電子的數量成正比。相比之下，在自由電子激光系統中，光強大約與注入電子數量的平方成正比，因此亮度和功率都要大得多。

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

2021年，在嚴重的通貨膨脹影響全球經濟之前，KEK團隊估計新系統的建設成本（不包括土地）為400億日元（約合2.6億美元），該系統可以提供10千瓦的極紫外光，并為多個光刻機供電。該系統的年度運行成本約為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，相比目前的激光等離子體光源，“我們設置中的每臺曝光工具的估計成本仍然相對較低”。

中村承認，在這樣一個系統能達到半導體制造商所要求的高性能和操作穩定性之前，還有很多技術問題需要解決。團隊必須開發新版本的關鍵組件，如超導腔、電子槍和波蕩器。工程師還需要研發出良好的操作技術，以確保電子束在運行過程中不會衰減或出現故障。

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注，研究人員需要創建一個系統，能夠穩定地同時向多臺光刻機傳輸超過1千瓦的極紫外功率。研究人員已經研究出了一種特殊反射鏡排列的概念設計，這些反射鏡可以將極紫外光傳送到多個曝光工具，而不會造成功率顯著損失或反射鏡損壞。

有關極紫外光刻技術的其他可能性

目前，對于快速擴張的芯片制造商來說，極紫外自由電子激光器的研發還處于極其早期，暫不能引起他們的關注。但并不是只有KEK團隊在探索這項技術。位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托、獲得風投支持的初創公司未名光（xLight）也是這項技術的研發者之一。該公司匯集了來自斯坦福直線加速器實驗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米國家加速器實驗室簽署了一項研發協議，共同開發超導腔和低溫模塊技術。我們曾試圖聯系未名光公司，雖然對方并未回復，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，公司前任首席執行官埃里克 · 霍斯勒（Erik Hosler）在會上做了有關這項技術的演講。

值得注意的是，阿斯麥早在十年前就考慮轉向粒子加速器，最近，該公司在比較自由電子激光技術的進展與激光等離子體的研發路線圖時，再次考慮了這件事。但公司高層認為，激光等離子體的風險更低。

誠然，這的確是一條充滿風險的道路。有關KEK項目的獨立觀點強調，可靠性和資金將是其研究人員面臨的最大挑戰。“為了開發出可靠、成熟的系統，研發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漫長的時間。”

“機器設計必須非常堅固耐用，并內置冗余。”退休研究員本森補充道。設計還必須確保組件不會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現——機器的性能必須足夠好，以確保合理的電光轉化效率”。

更重要的是，本森警告說，如果各方不對投資這項技術給出承諾，“極紫外自由電子激光可能無法及時開發出來，進而無法幫助半導體行業”。

資料來源 IEEE Spectrum

本文作者約翰 · 博伊德（John Boyd）是一位獨立作家，現居日本，主要報道日本、澳大利亞的科技相關新聞。