随着英特尔、三星、台积电以及日本即将落成的先进晶圆代工厂 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，那就是它们所依赖的极紫外 (EUV) 光刻技术极其复杂、极其昂贵，而且操作成本极高。主要原因是，该系统的 13.5 纳米光的来源是使用地球上最强大的商用激光器喷射飞散的熔融锡滴的精确且昂贵的过程。

但一种非常规替代方案正在酝酿之中。日本筑波高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技术可能会更便宜、更快速、更高效。

甚至在晶圆厂安装首批 EUV 机器之前，研究人员就看到了使用粒子加速器产生的强大光源（ 自由电子激光 (FEL:free-electron laser)）进行 EUV 光刻的可能性。然而，KEK 的科学家表示，并不是任何粒子加速器都可以做到这一点。他们声称，EUV 光刻的最佳候选方案是采用粒子加速器版本的再生制动（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），可以使自由电子激光经济地产生数十千瓦的 EUV 功率。这足以同时驱动不止一台而是多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本。

KEK 先进光源研究员 Norio Nakamura在参观该设施时告诉我：“FEL 光束的极高功率、较窄的光谱宽度以及其他特性使其非常适合用于未来的光刻技术。”

直线加速器与激光等离子体

当今的 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 亿美元以上的精密机器时，业界对它们的需求非常迫切。芯片制造商一直在尝试各种变通方法，以应对当时最先进的系统，即使用 193 纳米光的光刻技术。转向更短的 13.5 纳米波长是一场革命，它将减少芯片制造所需的步骤数量，并使摩尔定律在下一个十年继续有效。

持续延迟的主要原因 是光源太暗。最终能够提供足够明亮的 EUV 光源的技术称为激光等离子体 (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。等离子体发射出光子能量光谱，然后专用光学器件从光谱中捕获必要的 13.5 纳米波长，并将其引导通过一系列镜子。

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利用电子返回过程中的大部分能量来加速一组新电子

所有这些加起来就是一个高度复杂的过程。尽管它从耗电量高达千瓦的激光器开始，但反射到晶圆上的 EUV 光量只有几瓦。光线越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时间就越长。如果没有足够的光子携带图案，EUV 的速度会不经济。而过分追求速度可能会导致代价高昂的错误。

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 已成功将当前系列机器的产量稳步提高到每小时约 200 片晶圆。

ASML 目前的光源额定功率为 500 瓦。但 Nakamura 表示，未来需要更精细的图案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 表示，它有开发 1,000 瓦光源的路线图。但这可能很难实现，Nakamura 表示，他曾领导 KEK 的光束动力学和磁铁小组，退休后重新开始从事 EUV 项目。

很难，但并非不可能。印第安纳州普渡大学极端环境下材料研究中心主任艾哈迈德·哈萨尼恩 (Ahmed Hassanein)表示，将光源功率翻倍“非常具有挑战性” 。但他指出，ASML 过去曾通过改进和优化光源和其他组件的综合方法实现了类似的高难度目标，他不排除重复这一做法的可能性。

在自由电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致它们波动并发射电磁辐射。辐射将电子聚集在一起，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面临的唯一问题。“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“污染、波长纯度和镜面收集系统的性能。”

另一个问题是高昂的运营成本。这些系统每分钟消耗约 600 升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学元件和晶圆。（不过，回收可以降低这一数字。）

但最终，运营成本还是取决于电力消耗。弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施最近退休的高级研究员斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 估计，整个 EUV-LPP 系统的电光转换效率可能不到 0.1%。他说，像 KEK 正在开发的这种自由电子激光器，其效率可能是前者的 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度，然后以特定方式偏离其运动来产生光。

中村解释说，这个过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移动。然后电子旋转 180 度，进入一个叫做波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。（KEK 系统目前有两个。）波荡器迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动导致电子发光。

在线性加速器中，注入的电子从射频场获得能量。通常，电子随后会进入自由电子激光器，并立即被处理到束流收集器中。但在能量恢复线性加速器 (ERL) 中，电子会回到射频场，并将其能量借给新注入的电子，然后再进入束流收集器。（文后附详细说明）

接下来发生的现象称为自放大自发辐射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光与电子相互作用，减慢一些电子的速度，加快另一些电子的速度，因此它们聚集成“微束”（microbunches），即沿波荡器路径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，从而产生相干的激光束。

正是在这一点上，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。通常，耗尽的电子束是通过将粒子转移到所谓的束流 收集器中来处理的。但在 cERL 中，电子首先循环回到 RF 加速器。这束电子现在与刚开始旅程的新注入电子处于相反的相位。结果是耗尽的电子将大部分能量转移到新束流中，从而增强其能量。一旦原始电子的部分能量以这种方式耗尽，它们就会被转移到束流收集器中。

“直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器相比，被丢弃的光束功率大幅降低，”中村向我解释道，而另一间屋子的科学家正在操作激光器。他说，重复使用电子的能量意味着，在同样的电量下，系统可以通过加速器发送更多的电流，并且可以更频繁地发射激光器。

其他专家也同意这一观点。能量回收直线加速器的效率提高可以降低成本，“这是使用 EUV 激光产生等离子体的主要考虑因素”，Hassanein 说道。

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研究人员展示其作为同步辐射源的潜力。但研究人员对计划中的系统并不满意，因为它的性能目标低于一些基于存储环的同步加速器（巨大的圆形加速器，可保持电子束以恒定的动能移动）所能达到的水平。因此，KEK 研究人员开始寻找更合适的应用。在与当时拥有闪存芯片部门的东芝等日本科技公司交谈后，研究人员进行了初步研究，证实使用紧凑型能量回收直线加速器可以实现千瓦级光源。因此，EUV 自由电子激光器项目诞生了。2019 年和 2020 年，研究人员修改了现有的实验加速器，开始了 EUV 光之旅。

该系统被安置在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受运行时产生的强烈电磁辐射。房间长约 60 米，宽约 20 米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆所占据，这些设备、管道和电缆沿着房间两侧蜿蜒而行，形成一条细长的赛道。

该加速器目前还无法产生 EUV 波长。借助 17 兆电子伏特的电子束能量，研究人员能够以 20 微米红外光爆发的形式产生 SASE 辐射。早期测试结果于 2023 年 4 月发表在《日本应用物理学杂志》上。下一步工作正在进行中，即在连续波模式下产生更大的激光功率。

当然，20 微米与 13.5 纳米相差甚远。而且，目前已有多种类型的粒子加速器能够产生比 EUV 波长更短的同步辐射。但 KEK 研究人员声称，基于能量回收线性加速器的激光器由于其固有效率，可以产生更多 EUV 功率。在同步辐射源中，光强度与注入电子的数量成正比。相比之下，在自由电子激光系统中，光强度的增加大致与注入电子数量的平方成正比，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 范围，需要进行设备升级，而 KEK 目前没有足够的空间来升级设备。因此，研究人员现在正在考虑构建一个可以产生所需 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，在严重的通货膨胀影响全球经济之前，KEK 团队估计，一套新系统的建设成本（不包括土地）为 400 亿日元（2.6 亿美元），该系统可提供 10 千瓦的 EUV 并为多台光刻机供电。年运行成本估计约为 40 亿日元。因此，即使考虑到最近的通货膨胀，“我们装置中每个曝光工具的估计成本与当今激光产生的等离子源的估计成本相比仍然相当低”，Nakamura 说。

Nakamura 承认，在这样的系统能够达到半导体制造商所要求的高性能和运行稳定性之前，还有很多技术挑战需要解决。该团队必须开发超导腔、电子枪和波荡器等关键部件的全新版本。工程师还必须开发良好的程序技术，以确保电子束在运行过程中不会衰减或失效等。

为了确保他们的方法具有足够的成本效益，以吸引芯片制造商的注意，研究人员需要创建一个可以可靠地同时向多台光刻机传输超过 1 千瓦 EUV 功率的系统。研究人员已经设计出一种特殊镜子的布置概念，这种镜子可以将 EUV 光传送到多个曝光工具，而不会造成功率损失或损坏镜子。

其他 EUV 可能性

对于快速扩张的芯片制造商来说，EUV 自由电子激光器的开发还为时过早，还不值得关注。但 KEK 团队并不是唯一追逐这项技术的团队。位于加州帕洛阿尔托、由风险投资支持的初创公司 xLight也在追逐这项技术的团队之列。该公司聚集了来自斯坦福线性加速器等机构的粒子加速器资深人士，最近与伊利诺伊州的费米国家加速器实验室签署了一项研发协议，以开发超导腔和低温模块技术。

据xLight介绍，公司成立的使命是打造一种能够彻底改变光刻、计量和检测的光源。他们表示，之所以有这个目标，是源于“美国必须重新夺回并保持半导体制造业的领导地位”这样的信念。

xLight开发了一种用于尖端半导体器件制造的极紫外 (EUV) 光源，在性能、生产率和可持续性方面具有显著的竞争优势。xLight 光源以成熟的粒子加速器技术为基础，系统工程专注于大批量制造要求。因此，这种新光源可靠地提供了能够改变当前制造工艺的功能和可调性，同时还实现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，其新型 EUV 光源将使美国在未来的半导体行业中占据领先地位。

记者试图联系 xLight，但没有得到答复，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，前首席执行官 Erik Hosler就该技术进行了演讲。

值得注意的是，ASML 十年前就考虑过转向粒子加速器，最近在将自由电子激光技术的进展与激光等离子体路线图进行比较时，ASML 又考虑过转向粒子加速器。但公司高管认为 LLP 的风险较小。

事实上，这是一条充满风险的道路。独立人士对 KEK 项目的看法强调，可靠性和资金将是研究人员未来面临的最大挑战。“研发路线图将涉及许多苛刻的阶段，以开发出可靠、成熟的系统，”Hassanein 说。“这将需要大量投资，并需要相当长的时间。”

“机器设计必须极其坚固，并内置冗余，”退休研究科学家 Benson 补充道。设计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实现，性能必须足够好，以确保良好的电能转换效率。”

更重要的是，Benson 警告说，如果没有立即投资该技术的承诺，“EUV-FEL 的开发可能无法及时到来以帮助半导体行业。”

对啦，大家是否对这个方案似曾相识？因为早两年，国内自媒体就流传过一个相关方案。但当时的评论，大家可以翻一下报道。

附：线性加速器详细说明：