粒子加速器是摩尔定律的未来吗？
发布日期：2025-01-10 16:14 点击次数：133
舞动的电子不错加速极紫外光刻技能的发展。
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王人计较在每往常毫米的硅片上摈弃更多晶体管，它们有一个共同点，那就是撑握其使命的极紫外（EUV）光刻技能极其复杂、相称端淑且运营老本特别立志。主要原因是，坐褥这种系统的13.5纳米光源的流程相称精确且虚耗颇巨，需要用天下上最坚强的交易激光器轰击飘零的熔融锡滴。不外，有一种相称规的替代决策正在酝酿之中。高能加速器商酌机构（KEK，位于日本筑波市）的一组商酌东说念主员觉得，若是愚弄粒子加速器的力量，极紫外光刻可能会更低廉、更快捷、更高效。以致在晶圆厂安装第一批极紫外机器之前，商酌东说念主员就发现，也许不错愚弄一种由粒子加速器产生、被称为“解放电子激光”（FEL）的坚强光源进行极紫外光刻。关联词，高能加速器商酌机构的科学家们暗示，并非任何粒子加速器王人不错。他们暗示，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”，不错使解放电子激光产生数十千瓦的极紫外功率，相称具有性价比。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老本。在参不雅该机构时，高能加速器商酌机构的先进光源商酌员中村至男（Norio Nakamura）告诉我：“解放电子激光光束具有极高的功率、较窄的光谱宽度以过头他特点，相称合适用于未来光刻。”握续谢绝技能超越的主要原因是光源亮度不及。这种最终能提供饱和亮的极紫外光源的技能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，然后由特殊的光学器件从中捕捉所需的13.5纳米波长，并通过一系列镜子指令。随后，极紫外明后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流程。固然该流程运行时的激光耗电功率少见千瓦，但最终反射到晶圆上的极紫外光量只好几瓦。明后越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时候就越长。若是莫得饱和的光子传递图案，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立志的造作。
这些机器刚推出时，其功率水平饱和每小时惩处梗概100片晶圆。之后，阿斯麦稳步提升输出，现时系列的机器每小时不详惩处约200片晶圆。
阿斯麦目下光源的额定功率为500瓦。但关于未来所需的更空洞的图案，中村暗示，可能需要1千瓦以致更高的功率。阿斯麦暗示照旧制定了开发1000瓦光源的路子图。但中村觉得，这可能很难达成。他曾率领高能加速器商酌机构的光束能源学和磁体组，并在退休后从头参与极紫外名堂。
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“相称具有挑战性”。但他指出，阿斯麦夙昔曾通过改进和优化光源过头他组件达成了访佛的贫困方针，因此不摒除再次获胜的可能。
不外，亮度并不是阿斯麦在激光产生等离子体光源方面濒临的独一问题。“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“稠浊、波长纯度和镜面收罗系统的性能等”。
另一个问题是较高的运营老本。这些系统每分钟约消耗600升氢气，其中大部分用于防护锡和其他稠浊物干与光学元件和晶圆。（不外回收愚弄不错镌汰这一数字。）
最终，运营老本照旧取决于电力消耗。最近从位于好意思国弗吉尼亚州的托马斯•杰斐逊国度加速器施行室退休的高等商酌科学家史蒂芬•本森（Stephen Benson）料到，悉数极紫外激光等离子体系统的插座后果可能不到0.1%。他说，高能加速器商酌机构正在开发的这种解放电子激光器的后果可能是它的10到100倍。
高能加速器商酌机构正在开发的系统可将电子加速到相对论速率，然后以特定形式偏转其畅通来产生光。中村解说说，这个流程从电子枪向一根数米长的低温冷却管注入一束电子运行。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，干与一个叫作“波荡器”的结构。波荡器由一系列地方相背的磁体组成。（高能加速器商酌机构系统目下有两个。）波荡器会迫使高速电子沿正弦旅途畅通，这种畅通会让电子发出光。
接下来发生的沸腾称为“自放大自愿辐射”（SASE）。光与电子互相作用，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，它们会集中成“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，生成联系的激光束。
高能加速器商酌机构的紧凑型能量回收直线加速器（cERL）恰是在这极少上与传统的由直线加速器驱动的激光器有所不同。等闲情况下，惩处耗尽的电子束的形式是将粒子引入一个被称为“束流收罗器”的安设中。关联词，在紧凑型能量回收直线加速器中，电子开首会回到射频加速器中。这束电子当今处于与刚运行旅程的新注入电子相背的相位。阻挡就是，耗尽的电子将大部分能量滚动给了新的电子束，从而增强了其能量。一朝原始电子的一些能量这么被消耗掉，它们就会被引入束流收罗器中。
“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，中村向我解说说念。他说，从头愚弄电子的能量意味着，在调换电量下，系统不错通过加速器发送更多电流，而况不错更接续地辐射激光。
其别大家也本心这种不雅点。提升能量回收直线加速器的后果不错镌汰老本，“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。
高能加速器商酌机构的紧凑型能量回收直线加速器领先建造于2011年至2013年，旨在展示其手脚该机构物理和材料科学部门商酌东说念主员的同步辐射源的后劲。关联词，商酌东说念主员对计较的系统并不悠然，因为其性能方针低于某些基于储存环的同步加速器（保握电子束以恒定动能畅通的强大圆形加速器）所能达到的水平。因此，高能加速器商酌机构的商酌东说念主员运行寻找更合适的应用。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商酌，阐发了使用紧凑型能量回收直线加速器达成千瓦级光源的可能性。于是，极紫外解放电子激光名堂应时而生。2019年和2020年，商酌东说念主员考订了现存的施行加速器，运行了通向极紫外光的旅程。
为了保护商酌东说念主员免受运行时代产生的强电磁辐射的影响，该系统被摈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拓荒、管说念和电缆占据，它们沿着房间的两条长边弯曲陈设，以赛说念花式上前延长。
目下，加速器还不行产生极紫外波长。借助17兆电子伏（MeV）的电子束能量，商酌东说念主员不详以20微米红外光爆发的时势产生自放大自愿辐射辐射。早期测试阻挡已于2023年4月发表在了《日本应用物理学杂志》上。下一步使命正在开展，旨在以衔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，而且照旧有某些类型的粒子加速器不详产生以致比极紫外波长更短的同步辐射。但是，高能加速器商酌机构的商酌东说念主员暗示，由于其固有后果，基于能量回收直线加速器的激光器不详产生米明显更高的极紫外功率。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，在解放电子激光系统中，光强度的加多梗概与注入的电子数目的往常成正比，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领域，需要进行拓荒升级，而高能加速器商酌机构目下莫得饱和的空间来升级。因此，商酌东说念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，在严重的通货推广影响大众经济之前，高能加速器商酌机构团队料到，要缔造不详提供10千瓦极紫外功率并为多台光刻机供电的新系统，老本（不包括地皮）为400亿日元（2.6亿好意思元）。年运行老本约为40亿日元。因此，即使推敲到最近的通货推广，中村暗示，与现时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料到老本仍然低好多”。
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温暖操作踏实性之前，还有许多技能挑战要克服。团队必须开发新版块的关节组件，举例超导腔、电子枪和波荡器。工程师们还必须开发精粹的要领技能，确保电子束在操作流程中不会衰减或失效等。
为了确保他们的方法具有饱和的老本效益，不详蛊卦芯片制造商，商酌东说念主员需要创建一个不详同期向多台光刻机可靠传输超越1千瓦极紫外功率的系统。商酌东说念主员照旧有了一项主见盘算推算，通过陈设多面特殊镜子将极紫外光传输给多个曝光用具，这种方法不会酿获胜率的严重亏空，也不会损坏镜子。
关于快速扩张的芯片制造商来说，心疼极紫外解放电子激光器的开发回为前卫早。但高能加速器商酌机构团队并不是独逐个个商酌这项技能的团队。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托、赢得风险投资支握的初创公司xLight就是其中之一。该公司相聚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度资深东说念主士，最近还与位于好意思国伊利诺伊州的费米国度加速器施行室执意了一项开发超导腔体和低温模块技能的研发公约。固然xLight并未回答咱们的指摘肯求，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，其前首席奉行官埃里克•霍斯勒（Erik Hosler）在会上先容了这项技能。值得翔实的是，阿斯麦在10年前曾推敲过转向粒子加速器，最近在对比解放电子激光器技能的发扬与激光产生等离子体路子图时，该公司再次推敲了这个决策，但其高管觉得，激光产生等离子体的风险较小。
确实，这是一条充满风险的说念路。联系高能加速器商酌机构名堂的孤苦不雅点强调，商酌东说念主员未来濒临的最大挑战将是可靠性和资金问题。“要开发一个可靠、熟习的系统，研发路子图将包含许多高条件阶段。”普渡大学的哈赛宁说，“这需要无数投资而况要虚耗特别长的时候。”
已退休的商酌科学家本森补充说念：“机器盘算推算必须极其郑重，并内置冗余。盘算推算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，而且必须具有饱和好的性能来确保精粹的插座后果”。
更紧要的是，本森劝诫说念，若是莫得对这项技能的投资承诺，“极紫外解放电子激光器的开发可能不会实时达成从而匡助半导体行业。”
作家：John Boyd
